特許第6947471号(P6947471)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6947471
(24)【登録日】2021年9月21日
(45)【発行日】2021年10月13日
(54)【発明の名称】ガス濃度計測装置
(51)【国際特許分類】
   G01N 21/3504 20140101AFI20210930BHJP
【FI】
   G01N21/3504
【請求項の数】2
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2016-60038(P2016-60038)
(22)【出願日】2016年3月24日
(65)【公開番号】特開2017-173152(P2017-173152A)
(43)【公開日】2017年9月28日
【審査請求日】2018年10月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006781
【氏名又は名称】ヤンマーパワーテクノロジー株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100134751
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 隆一
(72)【発明者】
【氏名】福井 義典
(72)【発明者】
【氏名】小林 亮太
(72)【発明者】
【氏名】横山 哲也
(72)【発明者】
【氏名】井上 剛
(72)【発明者】
【氏名】小田 祐介
(72)【発明者】
【氏名】岡田 充泰
(72)【発明者】
【氏名】赤尾 幸造
(72)【発明者】
【氏名】東 亮一
【審査官】 田中 洋介
(56)【参考文献】
【文献】 特開2011−127988(JP,A)
【文献】 実開昭63−111654(JP,U)
【文献】 特開平03−154852(JP,A)
【文献】 特開2001−083075(JP,A)
【文献】 特開2007−285721(JP,A)
【文献】 実開平05−003988(JP,U)
【文献】 特開2014−240808(JP,A)
【文献】 特開平02−184743(JP,A)
【文献】 国際公開第2004/031742(WO,A1)
【文献】 米国特許出願公開第2008/0011049(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01N21/00−G01N21/61
JSTPlus/JST7580(JDreamIII)
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
筒型の計測管路を挟んで発光部及び受光部が対向して配置され、前記発光部からの照射光が前記計測管路内を透過して前記受光部で受光されることで、前記計測管路内を通過する計測対象ガスの濃度を測定するガス濃度計測装置であって、
前記発光部及び前記受光部における光学系にパージガスを導入させるガイド管が、前記計測管路の側壁に連結して、互いに対向する位置で計測対象ガスの流れ方向に直交させて配置されており、
前記計測管路は、ガス供給口から計測対象ガス流れ方向下流側に向かって広がるテーパー状のガス入口部を有するとともに、前記ガス入口部より計測対象ガス流れ方向下流側に、内径を一定として筒状の計測部を備えており、該計測部に、直管形状の前記ガイド管が直交するように設置されており、
前記ガイド管に供給されるパージガスの流量は、短径部分となるガス流入口の断面積に対する長径部分となる前記計測部の断面積の比率と前記計測管路に流入するガス流速とに基づいて算出され、前記計測管路に流入するガスの流速変化を検出し、この流速量変化に応じたパージガス流量に調整する、
ガス濃度計測装置。
【請求項2】
記計測対象ガスが赤外領域の光を吸収する特性を有する気体であり、
記発光部及び前記受光部は、前記計測管路を挟んで対称となる位置に設けられている、
請求項1に記載のガス濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願発明は、管路内を流れるガス中における成分濃度を計測するためのガス濃度計測装置に関するもので、特に、光照射によるガス濃度計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、内燃機関や焼却炉などの燃焼機関からの排気ガスや、ガスエンジンや燃料電池などのガス機関への燃料ガスにおける各種ガス成分を測定するために、光を利用するガス濃度計測装置が採用されている。そして、光照射によるガス濃度計測装置による測定方式として、干渉させた赤外光の強度分布を利用したフーリエ変換赤外分光方式(FTIR:Fourier transform infrared spectrometer)や、照射したレーザ光の光吸収を利用した波長可変半導体レーザ光吸収分光法(TDLAS:(tunable diode laser absorption spectroscopy)などが知られている。
【0003】
TDLAS法を用いたガス濃度計測装置は、計測対象ガスの吸収スペクトルに一致した波長のレーザ光を照射し、透過後のレーザ光の減衰量を測定することで、計測対象ガスの濃度を計測する(特許文献1参照)。TDLAS法によるガス濃度計測装置は、測定用光学系に対して、計装空気や窒素ガスなどのパージガスを吹き付けることにより、光学系の汚れや結露を防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第5606056号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
TDLAS法では、Lambert−Beerの法則に基づく、以下の(1)式に基づいて、計測対象ガスのガス濃度を測定する。すなわち、TDLAS法によるガス濃度の測定においては、測定対象を透過するレーザ光の光路長(透過光路長)をパラメータとして含む。ガス濃度を精度よく分析するには、サンプルガス(領域)中を透過するレーザ光の光路長が変動しないことが好ましい。そのため、計測対象ガスが流れる測定幅を一定にする必要がある。
I1=I0×exp(−ε×N×L) … (1)
(I0:透過前のレーザ光強度、I1:透過のレーザ光強度、ε:モル吸光係数、N:測定対象のモル濃度、L:透過光路長)
【0006】
しかしながら、従来では、計測対象ガスが流れる管路(測定セル)を挟むようにして、ガス濃度計測装置の受発光部それぞれを設置させた場合、管路を流れるサンプルガスがガス濃度計測装置側に侵入する。ガス濃度計測装置の受発光部の光学系が汚損しないように、パージガスを導入するガイド管を設け、パージガスを流してサンプルガスの侵入を防いでいるが、パージガス流量が適切でない場合は、上述した測定幅(透過光路長L)が不安定な値となり、測定値の信頼性が低くなる。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本願発明は、上記のような現状を検討して改善を施したガス濃度計測装置を提供することを目的としている。
【0008】
本願発明のガス濃度計測装置は、筒型の計測管路を挟んで発光部及び受光部が対向して配置され、前記発光部からの照射光が前記計測管路内を透過して前記受光部で受光されることで、前記計測管路内を通過する計測対象ガスの濃度を測定するガス濃度計測装置であって、前記発光部及び前記受光部における光学系にパージガスを導入させるガイド管が、前記計測管路の側壁に連結して、互いに対向する位置で計測対象ガスの流れ方向に直交させて配置されており、前記計測管路がガス供給口から計測対象ガス流れ方向下流側に向かって広がるテーパー状のガス入口部を有しているというものである。
【0009】
上記ガス濃度計測装置において、前記計測管路は、前記計測部の下流側に設けたガス出口部を、計測対象ガス流れ方向下流側端部のガス排出口に向かって狭まるテーパー状としているものとしてもよい。
【0010】
また、上記ガス濃度計測装置において、前記排気流出口がメイン経路側に設けられているものとしてもよいし、前記排気流出口がバイパス経路側に設けられているものとしてもよい。
【0011】
また、上記ガス濃度計測装置において、前記パージガスガイド管に供給されるパージガスの流量は、短径部分となるガス流入口の断面積に対する長径部分となる前記計測部の断面積の比率と前記計測管路に流入するガス流速とに基づいて算出されるものとしてもよい。
【0012】
また、上記ガス濃度計測装置において、前記計測管路に流入するガスの流速変化を検出し、この流速変化に応じたパージガス流量に調整するものとしてもよい。
【発明の効果】
【0013】
本願発明によると、計測管路内において、パージガスガイド管と計測管路との連結部へのサンプルガスの流入を抑制できる。従って、計測管路中のサンプルガスにレーザ光を照射した際の光路長を一定に維持し、ガス濃度の計測値の信頼性を向上できる。また、パージガスガイド管へのパージガスの供給流量を抑制できる。従って、パージガス供給用の各装置を小型化できるだけでなく、パージガス供給の為の電力、燃料コストを低減できる。
【0014】
また、本願発明によると、計測管路における短径部分の断面積に対する長径部分の断面積の比率が大きいほど、パージガスガイド管へのサンプルガスの侵入を抑制できる。これにより、パージガス流量を容易に算出でき、サンプルガスの流速に応じて必要なパージガス流量を設定できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】計測管路を含むガス濃度計測装置の構成を示す斜視図である。
図2】ガス濃度計測装置のシステム構成を示す概略図である。
図3】ガス濃度計測装置の断面図である。
図4】計測管路の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下に、本願発明におけるガス濃度計測装置について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態におけるガス濃度計測装置の構成を示す概略斜視図であり、図2は、本実施形態におけるガス濃度計測装置のシステム構成を示す概略図であり、図3は、本実施形態におけるガス濃度計測装置の構成を示す断面図である。
【0017】
図1図3に示すように、本実施形態のガス濃度計測装置1は、計測対象ガスを含むサンプルガスが流れる計測管路(計測セル)2と、計測管路2にレーザ光を照射する発光部3と、計測管路2を透過したレーザ光を受光する受光部4とを備える。計測管路2は、サンプルガスを計測管路2に流出するガス供給管路5と、計測管路2からサンプルガスが流入するガス排出管路6との間に設置される。すなわち、計測管路2の排気ガス入口側にガス供給管路5が連結される一方、計測管路2の排気ガス出口側にガス排出管路6が連結される。なお、サンプルガスとして、例えば、燃焼機関からの排気ガスやガス機関への燃料ガスが供給され、計測対象ガスとして、アンモニア、ハロゲン化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、水、炭化水素、硫化水素など赤外領域の光を吸収する特性を有する気体の濃度が測定される。
【0018】
発光部3及び受光部4は、計測管路2を挟んで対称となる位置に設けられており、発光部3から受光部4への光軸が、計測管路2を流れるサンプルガスの流れ方向に対して直交する。計測管路2は、サンプルガスが流れる主管7を備えている。そして、主管7側壁には、発光部3からのレーザ光を計測管路2の主管7内に誘導する入射管(枝管)8が、発光部3の設置位置に相対するようにして設けられるとともに、主管7内を透過したレーザ光を受光部4に誘導する出射管(枝管)9が、発光部3の設置位置に相対するようにして設けられる。即ち、入射管8及び出射管9はそれぞれ、その長手方向を主管7の径方向とするとともに、主管7の軸心を中心として対称となる位置に設けられている。
【0019】
発光部3は、レーザ光を出射するレーザダイオード(不図示)を具備しており、レーザ光出射側に、出射したレーザ光の光軸を調整する光学系を備えた光軸調整部10の入射側が連結されている。そして、光軸調整部10の出射側が、光軸調整部10に吹き付けるパージガスを流すパージガスガイド管11を介して、計測管路2の入射管8と連結している。すなわち、発光部3は、光軸調整部10及びパージガスガイド管11を介して、計測管路2の入射管8と連結している。
【0020】
受光部4は、レーザ光を受光して光電変換するフォトダイオード(不図示)を具備しており、レーザ光入射側に、入射されるレーザ光の光軸を調整する光学系を備えた光軸調整部12の出射側が連結されている。そして、光軸調整部12の入射側が、光軸調整部12に吹き付けるパージガスを流すパージガスガイド管13を介して、計測管路2の出射管9と連結している。すなわち、受光部4は、光軸調整部12及びパージガスガイド管13を介して、計測管路2の出射管9と連結している。
【0021】
計装空気や窒素ガスなどのパージガスは、パージガス源15と接続されたパージ流量調整部16で流量が調整され、分岐されたガス管路17,18を通じて、ガス導入口19,20よりパージガスガイド管11,13内に供給される。すなわち、パージガスガイド管11,13のガス導入口19,20それぞれとパージ流量調整部16とをガス管路17,18で接続している。
【0022】
ガス管路17,18上にはそれぞれ、ガス流量計30,31が設けられている。ガス流量計30,31が、パージガスガイド管11,13へのパージガスの供給流量を測定して、その測定信号を計測制御部32に出力する。また、パージ流量調整部16は、計測制御部32からの指令信号に基づいて、パージガスの供給流量を決定する。
【0023】
計測制御部32は、計測管路2の主管7内を流れるサンプルガスの流速に基づいて、パージガスの供給流量を設定し、設定した流速を通知するべく、パージ流量調整部16に指令信号を出力する。また、計測制御部32は、発光部3に指令信号を与えて、計測対象ガスの吸収スペクトルに一致した波長のレーザ光(近赤外の波長域のレーザ光)を照射させ、受光部4で受光したレーザ光の光量を測定信号として受ける。計測制御部32は、受光部4からの測定信号を受けると、測定信号より確認された透過光量を確認し、TDLAS法による上述の(1)式に基づいて、サンプルガス中における計測対象ガスの濃度を算出する。また、計測制御部32は、サンプルガスの流速変化を検出し、この流速変化に応じたパージガス流量に調整する。
【0024】
計測管路2は、サンプルガスが流入する流入口を備えたガス入口部21と、サンプルガスを排出する排出口を備えたガス出口部22と、ガス入口部21及びガス出口部22の間に設けられた筒状の計測部23とを備える。すなわち、主管7が、ガス入口部21、ガス出口部22及び計測部23によって構成されており、入射管8及び出射管9を計測部23の側壁から突設させている。
【0025】
ガス入口部21は、ガス供給管路5と連結しており、計測部23に向かって内径が広がるテーパー状に構成されている。一方、ガス出口部22は、ガス排出管路6と連結しており、計測部23に向かって内径が広がるテーパー状に構成されている。計測管路2の主管7において、計測部23での内径が、ガス入口部21の流入口及びガス出口部22の排出口それぞれの内径よりも大きく、主管7は、ガス供給管路5及びガス排出管路6それぞれと連結する両端を狭めた徳利形状を有する。すなわち、計測管路2の計測位置となる計測部23の内径が、ガス供給管路5及びガス排出管路6それぞれの内径よりも大きい。計測管路2は、ガス入口部21をサンプルガス流れ上流側に向かうに連れて断面積を縮小するような先窄まりのテーパー状(錐形状)とすることで、計測部23において、入射管8及び出射管9へのサンプルガスの流入を抑制する。
【0026】
図3に示すように、計測部23の内径R2がガス入口部21の流入口の内径R1より大きいことから、計測部23の中心部をサンプルガスが流れようとし、ガス入口部21より下流側に向かって、サンプルガスの分布幅が広がる。このとき、サンプルガスの分布幅が計測部23の内壁に達する位置よりも上流側に、入射管8及び出射管9を設置している。これにより、サンプルガスの入射管8及び出射管9への流入量を低減でき、入射管8及び出射管9の設置位置におけるサンプルガスの分布幅を一定とできる。
【0027】
また、入射管8及び出射管9へのサンプルガスの流入を抑制できることから、パージガスガイド管11,13へのパージガスの供給流量を少量に低減できる。計測制御部32は、ガス供給管路5を流れるサンプルガスの流速Sfの測定信号を受けて、以下の(2)式に基づいて、パージガスの供給流量Pfを設定する。
Pf=(K1×Sf)/(R2/R1 …(2)
(K1:定数)
【0028】
上述したように、本実施形態のガス濃度計測装置1は、筒型の計測管路2を挟んで発光部3及び受光部4が対向して配置され、発光部3からの照射光が計測管路2内を透過して受光部4で受光されることで、計測管路2内を通過する計測対象ガスの濃度を測定する。発光部3及び受光部4における光学系にパージガスを導入させるパージガスガイド管11,13が計測管路2の側壁に連結される。計測管路2は、ガス供給口から下流側に向かって広がるテーパー状のガス入口部21を有している。パージガスガイド管11,13は、ガス入口部21より下流側であって互いに対向する位置で、サンプルガスの流れ方向(計測管路2の長手方向)に直交させて配置される。
【0029】
これにより、計測管路2内において、パージガスガイド管11,13と計測管路2との連結部へのサンプルガスの流入を抑制できる。従って、計測管路2中のサンプルガスにレーザ光を照射した際の光路長を一定に維持し、ガス濃度の計測値の信頼性を向上できる。また、パージガスガイド管11,13へのパージガスの供給流量を抑制できる。従って、パージガス供給用の各装置を小型化できるだけでなく、装置駆動のための電力又は燃料コストを低減できる。
【0030】
計測管路2において、パージガスガイド管11,13と連結される計測部23が、ガス入口部21内径の最大値と同一径の内径で構成された筒形状を有する。また、計測管路2は、下流側端部のガス出口部22を、ガス排出口から上流側に向かって広がるテーパー状としている。換言すると、計測部23の下流側に設けたガス出口部22を、下流側端部のガス排出口に向かって狭まるテーパー状としている。すなわち、計測管路2は、両端をテーパー状で狭めた徳利形状を有する。
【0031】
パージガスガイド管11,13に供給されるパージガスの流量は、短径部分となるガス流入口の断面積に対する長径部分となる計測部23の断面積の比率と、計測部23を流れるサンプルガスの流速に基づいて算出される。このとき、計測管路2における短径部分の断面積に対する長径部分の断面積の比率が大きいほど、パージガスガイド管11,13へのサンプルガスの侵入を抑制できる。これにより、パージガス流量を容易に算出でき、サンプルガスの流速に応じて必要なパージガス流量を設定できる。
【0032】
なお、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば、計測管路2の入射管8及び出射管9それぞれにパージガスを供給するものとして、パージガスガイド管11,13を省略した構成としても構わない。また、計測管路2の計測部23を円筒形状としたが、円筒形状に限らず、例えば、多角筒形状としても構わない。
【符号の説明】
【0033】
1 ガス濃度計測装置
2 計測管路(計測セル)
3 発光部
4 受光部
5 ガス供給管路
6 ガス排出管路
7 主管
8 入射管(枝管)
9 出射管(枝管)
10 光軸調整部
11 パージガスガイド管
12 光軸調整部
13 パージガスガイド管
15 パージガス源
16 パージ流量調整部
17 ガス管路
18 ガス管路
19 ガス導入口
20 ガス導入口
21 ガス入口部
22 ガス出口部
23 計測部
30 ガス流量計
31 ガス流量計
32 計測制御部
図1
図2
図3
図4