JP2004198121A - 燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気流中のすす粒子の質量濃度を理論的根拠に基づいて実時間で且つ簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】透過率測定手段が、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する。格納手段（１９内のメモリ）が、二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納する。演算手段（パソコン１９）が、測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を格納されている関係によって決定し、決定した散乱影響因子の値を用いて算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とで質量濃度を演算する。
【選択図】 図１
【解決手段】透過率測定手段が、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する。格納手段（１９内のメモリ）が、二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納する。演算手段（パソコン１９）が、測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を格納されている関係によって決定し、決定した散乱影響因子の値を用いて算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とで質量濃度を演算する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼系から排出されるすす（すす凝集体）の質量濃度を実時間で測定する燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排気中のすすに光を透過させてすす濃度を評価する測定装置としてオパシメータ（オーストリアＡＶＬ社製）があるが、光源に白色光を用いているため質量濃度を定量的に求めることができなかった。
【０００３】
なお、単色のレ−ザビームを排気中に透過させてすす粒子群の減衰係数を求めた研究（例えば非特許文献１参照）があるが、減衰係数における散乱係数の影響を無視しているため正確な質量濃度が求まるものでなかった。
【０００４】
また、ディーゼル排出すす濃度と粒子径を多波長のレーザビームを用いて減衰法により測定した研究（例えば非特許文献２）があるが、すす凝集体を球と仮定して計算しているため（例えば非特許文献３参照）に示されるように球の散乱係数は凝集体のそれと異なるため正確な質量濃度は求まらないものであっった。
【０００５】
また、燃焼排気中のすす質量濃度をすす凝集体理論を基礎として単色レーザ光減衰法により測定した研究（例えば非特許文献４参照）もある。しかし、散乱係数を計算するに際し、他の波長のレーザ光の情報ではなく電子顕微鏡で撮影したすすの情報を入力としている。
【０００６】
【非特許文献１】
Pablo Mitchell, Michael Frenklach "Monte Carlo Simulation of Soot Aggregation with Simultaneous Surface Growth-Why Primary Particles Appear Spherical" 27th Symp. om Comb. USA, Combustion Institute,1998, pp.1507-1514
【非特許文献２】
R.Zahoransky,W.Kuhnt,E.Laile "In‐line particle measurements of the undiluted exhaust of combustion engines by multi-wavelength extinction" J.Aerosol Sci., UK, Elsevier Science Ltd. 1997, vol.28,suppl.1. pp.549-550
【非特許文献３】
Richrd A.Dobbins and Constantine M.Megaridis "Absorption and scattering of light by poly-disperse aggregates" Applied optics, USA, Optical Society of America, 1991,vol.30,No.33, pp.4747-4754
【非特許文献４】
U. O. Koylu, G. M. Faeth "Structure of Overfire Soot in Buoyant Turbulent Diffusion Flames at Long Residence Times" Combustion and Flame, USA, Elsevier Science Publishing Co., Ink, 1992, No.89, pp.140-156
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来、透過光減衰法によるすす質量濃度の測定が試みられた例はあるが、いずれも理論的かつ実験的な検討が不十分であり信頼性が極めて低く、散乱係数を考慮したものであっても、電子顕微鏡で撮影したすすの情報を入力としているため簡便な方法とは言いがたいものであった。
【０００８】
よって、本発明は、排気流中のすす凝集体の質量濃度を理論的根拠に基づいてすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供することを課題としている。
【０００９】
本発明はまた、排気流中のすす凝集体の質量濃度を理論的根拠に基づいて散乱係数を考慮して実時間で且つ簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためなされた請求項１記載の発明は、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定することを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、すす凝集体群を含む燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させることによって、波長が異なることによって二波長に顕著化する散乱の影響を、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係として予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を予め求めておいた関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定するようにしているので、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておくだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる。
【００１２】
請求項２記載の本発明は、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比と、当該対数比に対応する散乱影響因子の値との関係を予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて各波長の透過率を予め定めた所定間隔でそれぞれ測定し、該測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定することを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、すす凝集体群を含む燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させることによって、波長が異なることによって二波長に顕著化する散乱の影響を、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係として予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に二本の光線を透過させて各波長の透過率を予め定めた所定間隔でそれぞれ測定し、測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を予め求めておいた関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定するようにしているので、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、二波長の透過率の測定を所定間隔で行うだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して実時間で簡便に測定することができる。
【００１４】
請求項３記載の本発明は、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用いて前記二本の光線のうちの一方の光線における比散乱係数の比吸収係数に対する比を算出し、該算出した比と前記一方の光線について予め算出されている比吸収係数とによって、すす凝集体に入射した光線が減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定することを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、すす凝集体群を含む燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させることによって、波長が異なることによって二波長に顕著化する散乱の影響を、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係として予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を予め求めておいた関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用いて二本の光線のうちの一方の光線における比散乱係数の比吸収係数に対する比を算出し、この算出した比と一方の光線について予め算出されている比吸収係数とによって、すす凝集体に入射した光線が減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定するようにしているので、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、かつ吸収要因は一定であるとして比吸収係数を予め算出しておくだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、請求項１又は２記載のにおいて、前記演算式は、前記比減衰係数をσext 、前記一方の光線の減衰率をτ、前記質量濃度をＣm 、前記光線が透過する光路長をＬとしたとき、
Ｃm ＝−ｌｎτ／σext Ｌ
で表される
ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、質量濃度の一般的な演算式を用いて測定を行うことができる。
【００１８】
請求項５記載の本発明は、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する透過率測定手段と、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納した格納手段と、前記測定手段による測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記格納手段に格納されている前記関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算する演算手段とを備えることを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置に存する。
【００１９】
請求項４記載の発明によれば、透過率測定手段が、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定し、格納手段が、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納していて、演算手段が、測定手段による測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を格納手段に格納されている関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算するので、請求項１記載の発明と同様に、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておくだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる。
【００２０】
請求項６記載の本発明は、前記透過率測定手段は、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とが設けられた測定光学系と、出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成る光検出装置と、前記二波長の検出光強度信号をディジタル変換し、該変換によって得たディジタルデータを蓄積する信号処理手段と、前記ディジタルデータに基づいて各波長の透過率を演算する演算手段とを有することを特徴とする請求項５記載の燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置に存する。
【００２１】
請求項６記載の発明によれば、透過率測定手段において、測定光学系には、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とが設けられ、かつ、光検出装置が、出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成り、二波長の検出光強度信号を信号処理手段がディジタル変換して蓄積したディジタルデータに基づいて演算手段が各波長の透過率を演算するので、燃焼排気流に影響を与えずに、燃焼排気流に相当のものに異なる波長を有する二本の光線を同軸化して導いて透過させ、かつ、質量濃度演算のための二波長の透過率を演算するたの透過光の強度を検出することができる。
【００２２】
請求項７記載の本発明は、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とを設けた測定光学系と、出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成る光検出装置と、前記二波長の検出光強度信号を予め定めた所定間隔でディジタル変換し、該変換によって得たディジタルデータを蓄積する信号処理手段と、前記ディジタルデータに基づいて各波長の透過率及び両透過率の対数比を計算し、該計算値を利用してすす凝集体の透過光減衰理論に基づいて排気中のすす質量濃度を演算する演算装置とを備えることを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置に存する。
【００２３】
請求項７記載の発明によれば、測定光学系が、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導き、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路の軸方向に沿って光学窓を通じて光線を入射し、排気中のすす粒子群を透過した光線を光学窓を通じて出射し、光検出装置が、出射した同軸の二本の光線を２枚の狭帯域フィルターによって再び分離し、各フィルターを透過した透過光の強度をフォトセンサーによって検出し、信号処理手段が二波長の検出光強度信号を予め定めた所定間隔でディジタル変換してディジタルデータを蓄積し、演算装置がディジタルデータに基づいて各波長の透過率及び両透過率の対数比を計算し、該計算値を利用してすす凝集体の透過光減衰理論に基づいて排気中のすす質量濃度を演算するので、請求項２記載の発明同様に、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して実時間で簡便に測定することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法を、該方法を実施する装置を示す図１を参照して詳細に説明するが、その前に、本発明の原理について説明する。
【００２５】
平行光線が透過する雰囲気中に存在する、光透過を減衰させるすすの質量濃度について、次式（１）で表されるBouguer Lambertの法則が成立することが知られている。
Ｃm ＝−ｌｎτ／σext Ｌ （１）
式（１）中、τは透過率、Ｌは光路長、σext は比減衰係数である。透過率τは測定値であり、光路長Ｌは装置固有の値であるので、共に容易に与えられる。比減衰係数σext はすす凝集体（直径３０ｎｍ程度の要素すすが数百個凝集したすす）に入射した平行光線が減衰する程度を表す係数であり、次式のように比吸収係数σabs と比散乱係数σsca の和として表される。
σext ＝σabs ＋σsca （２）
【００２６】
そこで、本発明では、比吸収係数σabs と比散乱係数σsca を理論的かつ実験的に決定し、透過率の測定からすすの質量濃度Ｃm を理論的根拠に基づいて測定精度と信頼性を格段に向上して実時間で且つ簡便に測定することができるようにするものである。
【００２７】
次に、すす凝集体に対する透過光減衰の理論を説明する。すす凝集体群に波長λの平行光線を入射した場合、透過率τは次式で与えられる。ただし、Ｉo は入射光強度、Ｉは透過光強度、Ｌは光路長である。
τ＝Ｉ／Ｉo ＝ｅｘｐ（−σext Ｃm Ｌ） （３）
σext は比減衰係数（ｍ2 ／ｋｇ）、Ｃm はすす凝集体の質量濃度（ｋｇ／ｍ3 )であり、上式（２）は式（３）をＣm について整理して対数表記したものである。また、式（２）は次式（４）のように表される。
【数１】
【００２８】
上式（４）中、Ｅ（ｍ）、Ｆ（ｍ）は複素屈折率ｍの関数、λは波長、αp ＝πｄ／λ、ｄはすす凝集体を構成する要素すす粒子の直径、ｎpaはすす凝集体を構成する要素すす粒子数の平均値、ｆn はすす凝集体の大きさの分布幅を示す因子、ｋf はすす凝集体の形状を表す因子、Ｄf はすす凝集体の形状を表すフラクタ次元である。
上式（４）は次式のように書き替えることができる。
σext ＝σabs （１＋ρsa） （５）
式（５）中、ρsaは比散乱係数の比吸収係数に対する比であり、次式（６）のようになる。
【数２】
【００２９】
上式（６）から、ρsaはｎp が小さい場合は０であり、十分大きい場合は次式（７）のような一定値に漸近する。
【数３】
【００３０】
上式（６）中のＤf は略１．７５であることが知られており、またα＝πｄ／λ中のｄは電子顕微鏡写真より３０．３５ｎｍであることが分かっている。残る３つの未知のパラメータをひとまとめにしてＣ（散乱影響因子と呼ぶ）とおくと、次式（８）のようになる。
【数４】
【００３１】
これらの値を上式（６）に代入し、さらに式（６）を式（５）及び式（３）に代入して二波長における透過率τ1 及びτ2 の対数比と散乱影響因子Ｃとの関係を計算すると、図２のようなグラフが得られる。
【００３２】
例えば、測定値がｌｎτ2 ／ｌｎτ1 ＝０．７８であれば図２よりＣ＝５．５と決定される。Ｃ＝５．５の場合、λ1 ＝６３５ｎｍとλ2 ＝７６０ｎｍについてｎp とρsaの関係を計算すると図３のようになる。図中、縦軸の１．０が吸収分を表し、１以上の部分が散乱分を表す。Ｋf が６と９の場合について計算しており、添え字１が６３５ｎｍ、添え字２が７６０ｎｍに対応している。
【００３３】
一般に要素すす粒子数ｎp の数は約２００であり、図３より例えば６３５ｎｍの場合、比散乱係数の比吸収係数に対する比ρsaは０．１９〜０．２０であることが分かる。すなわち、減衰における散乱と吸収の比率ρsaを凝集体理論と透過率の測定値から決定することができる。
【００３４】
なお、比吸収係数σabs は定常運転におけるフィルタ法により測定したすす質量濃度と透過光減衰法による測定値が一致するように以下の手順で決定する。
【００３５】
まず、代表的な条件の定常運転時にペーパーフィルタ法で測定したすす質量濃度とある波長における透過率の測定値から計算したすす質量濃度が一致するように比減衰係数σext を決定する。
【００３６】
次に、同時に上記の定常運転時に２つの波長λ1 とλ2 における透過率τ1 とτ2 を測定し、これから得られるｌｎτ2 ／ｌｎτ1 の値を先に求めておいた図２に代入して散乱影響因子Ｃを決定する。
【００３７】
この散乱影響因子Ｃを用いて作図した図３に例えば通常のディーゼル機関から排出されるすす凝集体を構成する要素すす数ｎp ＝２００を当てはめると、比散乱係数と比吸収係数の比ρsaが決定できる。
【００３８】
上式（２）に示したσext ＝σabs (１＋ρsa）の関係があるから、ここで決定した比ρsaと先に決定した比減衰係数σext を代入すれば比吸収係数σabs が決まる。
【００３９】
比吸収係数σabs は理論的に上式（４）の右辺の第１項で与えられているので、波長λと決定した比吸収係数σabs をこの式に代入すれば複素屈折率ｍ＝ｎ−ｉｋの関数Ｅ（ｍ）が決まる。複素屈折率ｍの値は従来の研究によると、研究者によって少しずつ異なる値が提唱されているが、Ｅ（ｍ）の値が決まればこの値に対応するｍを決定することができる。
【００４０】
なお、関数Ｅ（ｍ）及びＦ（ｍ）は次式（９）及び（１０）によって表されるものである。
【数５】
【００４１】
以上のように、定常運転時の比吸収係数σabs 、比散乱係数σsca と比吸収係数σabs の比ρsaが決まり、比減衰係数σext が決定されるので、当該波長における透過率を測定すればすすの質量濃度Ｃm を測定することができる。
【００４２】
上述したようにして求めた定常運転時の比吸収係数σabs の値は、過渡運転時にも使ってよい。しかし、すす凝集体の寸法の分布とすす凝集体の形状、すす凝集体の平均的な大きさなどの関数である散乱影響因子Ｃによって影響を受ける。したがって、過渡運転時には実時間ベースでｌｎτ2 ／ｌｎτ1 を測定し、その値に応じて散乱影響因子Ｃを決定する必要がある。このＣから各時刻の比散乱係数σsca と比吸収係数σabs の比ρsaを算出することにより正しく過渡的運転時の比減衰係数σext を得ることができる。
【００４３】
図１に戻って、本発明の方法を実施する装置について説明する。図１において、燃焼装置の排気管１の途中あるいは出口に、排気をサンプルする流路２を設け、サンプルした排気を外部の測定流路３に導く。この測定流路３の両端には光線を入射、出射するための光学窓４，５がそれぞれ一個づつ設けている。また、この光学窓と測定流路内壁にすすが付着するのを防止するため加熱装置６，７とキャリブレーション用の空気パージ装置８が付設されている。なお、１ａは、測定流路３にサンプル排気が入り易くするため排気管１内に設けられた絞りである。
【００４４】
異なる波長を有する２本のダイオードレーザ９，１０からでた２本の光線はプリズム１１によって同軸化される。この光線はビームエキスパンダ１２を通って光学窓４から測定流路３に入り、すす粒子群によって減衰したのち光学窓５を通って検出系へ導かれる。
【００４５】
検出系では同軸化された２本の光線をビームスプリッタ１３で２方向の光線に分けたのち、それぞれの光線を狭帯域レーザフィルタ１４，１５に通すことにより光源のレーザ波長を持つ２本の光線に分離する。２本の光線の光の強度はフォトダイオード１６，１７によって検出される。検出されたアナログ信号は信号処理手段としての信号処理装置１８において実時間ベースでＡ／Ｄ変換されたのちディジタルデータとして記憶蓄積される。２つの波長の透過率に対応する２組のディジタルデータ列は演算用のパーソナルコンピュータ（パソコン）１９に転送される。
【００４６】
パソコン１９では、各波長の透過率の対数比を計算し、予めすす凝集体の光理論にもとづいて計算した関係式にこの対数比を代入することにより当該データ採取時のσsca ／σabs 、すなわち、比散乱係数の比吸収係数に対する比ρsaの値を決定し得る。図２に波長に６３５ｎｍと７８０ｎｍを用いた場合の透過率の対数比とσsca ／σabs を決定するための散乱影響因子Ｃの関係を示す。さらにＣの値と別途定常運転時に検定して求めておいた比吸収係数σabs の値を用いて比減衰係数σext を決定すれば、二波長のうちいずれかの波長λにおける透過率の測定値を上式（１）に代入することによってすす粒子の質量濃度Ｃｍが計算できる。
【００４７】
以上説明した実施形態では、燃焼排気流の一部をサンプルし、この流れの中のすす粒子群に波長の異なる２本の光線を同軸で入射してそれぞれの透過率を計測した後、両透過率の対数比からσsca/σabsを理論的に求め、さらに別途検定により求めたσabsを用いて透過率の測定値からすすの質量濃度を演算する構成を有するものと見ることができる。
【００４８】
また、実施形態では、排気流をサンプルする流路２、二波長の光線を同軸化してすす粒子群を含む排気流に入射する光学系、光線が透過する測定流路３、透過した同軸２本の光線を波長によって再分離してそれぞれの強度を検出する光学・検出系、得られたアナログ信号をディジタル化する信号処理装置１８を備え、パソコン１９がディジタル信号からすす質量濃度を演算する演算部として機能していると見ることができる。
【００４９】
さらに、実施の形態では、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する透過率測定手段は、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段としての２本のダイオードレーザ９，１０、プリズム１１と、測定流路３と、光学窓４と、光学窓５とが設けられた測定光学系と、２枚の狭帯域フィルター１４，１５とフォトセンサー１６，１７から成る光検出装置と、信号処理装置１８と、ディジタルデータに基づいて各波長の透過率を予め定めたプログラムに従って演算する演算手段を構成するパソコン１９とによって実現されていると見ることができる。
【００５０】
また、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納する格納手段は、パソコン１９内の図示しないメモリによって構成され、メモリ内に、図２に示す関係がデータの形で格納されたり、或いは、図２に示す関係が近似式の形で格納される。
【００５１】
また、透過率の測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記格納手段に格納されている関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算する演算手段は、パソコン１９を予め定めたプログラムに従って動作させることによって実現される。なお、質量濃度を演算するため、比減衰係数と光線の減衰率とが代入される演算式は、パソコン１９のメモリ内にプログラムの一部として格納される。
【００５２】
以上説明した実施形態の装置によれば、比吸収係数σabs と比散乱係数σsca を理論的かつ実験的に決定し、透過率τの測定からすすの質量濃度Ｃm を測定する方法の精度と信頼性を格段に向上することができる。
【００５３】
また、すす粒子の排出質量濃度（標準大気換算下における単位体積中の質量）の測定については、従来の方法は前述のごとく排気中のすす濃度を相対的あるいは定性的に評価しているに過ぎないのに対し、本発明では排気流中のすす粒子の質量濃度を理論的根拠にもとづいた簡便な装置を用いて実時間で測定しようとすることができるものである。
【００５４】
また、異なる波長を有する２本のダイオードレーザビームをディーゼル排気に透過させ、透過光減衰法によりすす凝集体の質量濃度を実時間で定量測定するので、二波長の対数透過率比から凝集体の散乱光影響要因を決定することにより測定精度と信頼性を向上することができる。
【００５５】
また、応答性は排気ガスがサンプルラインと測定流路を通過する時間で決まるので高応答性（０．２秒程度）を有する。
【００５６】
さらに、光強度の絶対値でなく相対値である透過率を測定するので検定が不要であり、且つ高安定性を有する。
【００５７】
さらにまた、光路長さを伸ばすことにより１ｍｇ／ｍ3 レベルの低質量濃度の測定が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項記載の本発明は、排気流中のすす凝集体の質量濃度を理論的根拠に基づいてすす凝集体による散乱を考慮して簡便に、又は、実時間で且つ簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実施するすす凝集体の質量濃度測定装置の一実施の形態を示す全体図である．
【図２】二波長の透過率の対数比からσsca/σabsを決めるための散乱影響因子Ｃを求めるための線図例である．
【図３】すす凝集体を構成する要素すす粒子数ｎp と、比散乱係数の比吸収係数に対する比ρsaとの関係を示す線図例である。
【符号の説明】
１ 排気管
２ 分流する流路
３ 測定流路
４，５ 光学窓
６，７ 加熱装置
８ 空気パージ装置
９，１０ ダイオードレーザ
１１ プリズム
１２ ビームエキスパンダ
１３ ビームスプリッタ
１４，１５ 狭帯域レーザフィルタ
１６，１７ フォトダイオード
１８ 信号処理手段（信号処理装置）
１９ パーソナルコンピュータ（演算手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼系から排出されるすす（すす凝集体）の質量濃度を実時間で測定する燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排気中のすすに光を透過させてすす濃度を評価する測定装置としてオパシメータ（オーストリアＡＶＬ社製）があるが、光源に白色光を用いているため質量濃度を定量的に求めることができなかった。
【０００３】
なお、単色のレ−ザビームを排気中に透過させてすす粒子群の減衰係数を求めた研究（例えば非特許文献１参照）があるが、減衰係数における散乱係数の影響を無視しているため正確な質量濃度が求まるものでなかった。
【０００４】
また、ディーゼル排出すす濃度と粒子径を多波長のレーザビームを用いて減衰法により測定した研究（例えば非特許文献２）があるが、すす凝集体を球と仮定して計算しているため（例えば非特許文献３参照）に示されるように球の散乱係数は凝集体のそれと異なるため正確な質量濃度は求まらないものであっった。
【０００５】
また、燃焼排気中のすす質量濃度をすす凝集体理論を基礎として単色レーザ光減衰法により測定した研究（例えば非特許文献４参照）もある。しかし、散乱係数を計算するに際し、他の波長のレーザ光の情報ではなく電子顕微鏡で撮影したすすの情報を入力としている。
【０００６】
【非特許文献１】
Pablo Mitchell, Michael Frenklach "Monte Carlo Simulation of Soot Aggregation with Simultaneous Surface Growth-Why Primary Particles Appear Spherical" 27th Symp. om Comb. USA, Combustion Institute,1998, pp.1507-1514
【非特許文献２】
R.Zahoransky,W.Kuhnt,E.Laile "In‐line particle measurements of the undiluted exhaust of combustion engines by multi-wavelength extinction" J.Aerosol Sci., UK, Elsevier Science Ltd. 1997, vol.28,suppl.1. pp.549-550
【非特許文献３】
Richrd A.Dobbins and Constantine M.Megaridis "Absorption and scattering of light by poly-disperse aggregates" Applied optics, USA, Optical Society of America, 1991,vol.30,No.33, pp.4747-4754
【非特許文献４】
U. O. Koylu, G. M. Faeth "Structure of Overfire Soot in Buoyant Turbulent Diffusion Flames at Long Residence Times" Combustion and Flame, USA, Elsevier Science Publishing Co., Ink, 1992, No.89, pp.140-156
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来、透過光減衰法によるすす質量濃度の測定が試みられた例はあるが、いずれも理論的かつ実験的な検討が不十分であり信頼性が極めて低く、散乱係数を考慮したものであっても、電子顕微鏡で撮影したすすの情報を入力としているため簡便な方法とは言いがたいものであった。
【０００８】
よって、本発明は、排気流中のすす凝集体の質量濃度を理論的根拠に基づいてすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供することを課題としている。
【０００９】
本発明はまた、排気流中のすす凝集体の質量濃度を理論的根拠に基づいて散乱係数を考慮して実時間で且つ簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためなされた請求項１記載の発明は、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定することを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、すす凝集体群を含む燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させることによって、波長が異なることによって二波長に顕著化する散乱の影響を、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係として予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を予め求めておいた関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定するようにしているので、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておくだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる。
【００１２】
請求項２記載の本発明は、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比と、当該対数比に対応する散乱影響因子の値との関係を予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて各波長の透過率を予め定めた所定間隔でそれぞれ測定し、該測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定することを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、すす凝集体群を含む燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させることによって、波長が異なることによって二波長に顕著化する散乱の影響を、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係として予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に二本の光線を透過させて各波長の透過率を予め定めた所定間隔でそれぞれ測定し、測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を予め求めておいた関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定するようにしているので、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、二波長の透過率の測定を所定間隔で行うだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して実時間で簡便に測定することができる。
【００１４】
請求項３記載の本発明は、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用いて前記二本の光線のうちの一方の光線における比散乱係数の比吸収係数に対する比を算出し、該算出した比と前記一方の光線について予め算出されている比吸収係数とによって、すす凝集体に入射した光線が減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定することを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、すす凝集体群を含む燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させることによって、波長が異なることによって二波長に顕著化する散乱の影響を、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係として予め求めておき、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を予め求めておいた関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用いて二本の光線のうちの一方の光線における比散乱係数の比吸収係数に対する比を算出し、この算出した比と一方の光線について予め算出されている比吸収係数とによって、すす凝集体に入射した光線が減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定するようにしているので、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、かつ吸収要因は一定であるとして比吸収係数を予め算出しておくだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、請求項１又は２記載のにおいて、前記演算式は、前記比減衰係数をσext 、前記一方の光線の減衰率をτ、前記質量濃度をＣm 、前記光線が透過する光路長をＬとしたとき、
Ｃm ＝−ｌｎτ／σext Ｌ
で表される
ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法に存する。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、質量濃度の一般的な演算式を用いて測定を行うことができる。
【００１８】
請求項５記載の本発明は、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する透過率測定手段と、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納した格納手段と、前記測定手段による測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記格納手段に格納されている前記関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算する演算手段とを備えることを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置に存する。
【００１９】
請求項４記載の発明によれば、透過率測定手段が、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定し、格納手段が、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納していて、演算手段が、測定手段による測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を格納手段に格納されている関係によって決定し、この決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、この算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算するので、請求項１記載の発明と同様に、二波長の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておくだけで、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して簡便に測定することができる。
【００２０】
請求項６記載の本発明は、前記透過率測定手段は、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とが設けられた測定光学系と、出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成る光検出装置と、前記二波長の検出光強度信号をディジタル変換し、該変換によって得たディジタルデータを蓄積する信号処理手段と、前記ディジタルデータに基づいて各波長の透過率を演算する演算手段とを有することを特徴とする請求項５記載の燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置に存する。
【００２１】
請求項６記載の発明によれば、透過率測定手段において、測定光学系には、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とが設けられ、かつ、光検出装置が、出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成り、二波長の検出光強度信号を信号処理手段がディジタル変換して蓄積したディジタルデータに基づいて演算手段が各波長の透過率を演算するので、燃焼排気流に影響を与えずに、燃焼排気流に相当のものに異なる波長を有する二本の光線を同軸化して導いて透過させ、かつ、質量濃度演算のための二波長の透過率を演算するたの透過光の強度を検出することができる。
【００２２】
請求項７記載の本発明は、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とを設けた測定光学系と、出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成る光検出装置と、前記二波長の検出光強度信号を予め定めた所定間隔でディジタル変換し、該変換によって得たディジタルデータを蓄積する信号処理手段と、前記ディジタルデータに基づいて各波長の透過率及び両透過率の対数比を計算し、該計算値を利用してすす凝集体の透過光減衰理論に基づいて排気中のすす質量濃度を演算する演算装置とを備えることを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置に存する。
【００２３】
請求項７記載の発明によれば、測定光学系が、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導き、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路の軸方向に沿って光学窓を通じて光線を入射し、排気中のすす粒子群を透過した光線を光学窓を通じて出射し、光検出装置が、出射した同軸の二本の光線を２枚の狭帯域フィルターによって再び分離し、各フィルターを透過した透過光の強度をフォトセンサーによって検出し、信号処理手段が二波長の検出光強度信号を予め定めた所定間隔でディジタル変換してディジタルデータを蓄積し、演算装置がディジタルデータに基づいて各波長の透過率及び両透過率の対数比を計算し、該計算値を利用してすす凝集体の透過光減衰理論に基づいて排気中のすす質量濃度を演算するので、請求項２記載の発明同様に、排気流中のすす凝集体の質量濃度をすす凝集体による散乱を考慮して実時間で簡便に測定することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法を、該方法を実施する装置を示す図１を参照して詳細に説明するが、その前に、本発明の原理について説明する。
【００２５】
平行光線が透過する雰囲気中に存在する、光透過を減衰させるすすの質量濃度について、次式（１）で表されるBouguer Lambertの法則が成立することが知られている。
Ｃm ＝−ｌｎτ／σext Ｌ （１）
式（１）中、τは透過率、Ｌは光路長、σext は比減衰係数である。透過率τは測定値であり、光路長Ｌは装置固有の値であるので、共に容易に与えられる。比減衰係数σext はすす凝集体（直径３０ｎｍ程度の要素すすが数百個凝集したすす）に入射した平行光線が減衰する程度を表す係数であり、次式のように比吸収係数σabs と比散乱係数σsca の和として表される。
σext ＝σabs ＋σsca （２）
【００２６】
そこで、本発明では、比吸収係数σabs と比散乱係数σsca を理論的かつ実験的に決定し、透過率の測定からすすの質量濃度Ｃm を理論的根拠に基づいて測定精度と信頼性を格段に向上して実時間で且つ簡便に測定することができるようにするものである。
【００２７】
次に、すす凝集体に対する透過光減衰の理論を説明する。すす凝集体群に波長λの平行光線を入射した場合、透過率τは次式で与えられる。ただし、Ｉo は入射光強度、Ｉは透過光強度、Ｌは光路長である。
τ＝Ｉ／Ｉo ＝ｅｘｐ（−σext Ｃm Ｌ） （３）
σext は比減衰係数（ｍ2 ／ｋｇ）、Ｃm はすす凝集体の質量濃度（ｋｇ／ｍ3 )であり、上式（２）は式（３）をＣm について整理して対数表記したものである。また、式（２）は次式（４）のように表される。
【数１】
上式（４）中、Ｅ（ｍ）、Ｆ（ｍ）は複素屈折率ｍの関数、λは波長、αp ＝πｄ／λ、ｄはすす凝集体を構成する要素すす粒子の直径、ｎpaはすす凝集体を構成する要素すす粒子数の平均値、ｆn はすす凝集体の大きさの分布幅を示す因子、ｋf はすす凝集体の形状を表す因子、Ｄf はすす凝集体の形状を表すフラクタ次元である。
上式（４）は次式のように書き替えることができる。
σext ＝σabs （１＋ρsa） （５）
式（５）中、ρsaは比散乱係数の比吸収係数に対する比であり、次式（６）のようになる。
【数２】
上式（６）から、ρsaはｎp が小さい場合は０であり、十分大きい場合は次式（７）のような一定値に漸近する。
【数３】
上式（６）中のＤf は略１．７５であることが知られており、またα＝πｄ／λ中のｄは電子顕微鏡写真より３０．３５ｎｍであることが分かっている。残る３つの未知のパラメータをひとまとめにしてＣ（散乱影響因子と呼ぶ）とおくと、次式（８）のようになる。
【数４】
これらの値を上式（６）に代入し、さらに式（６）を式（５）及び式（３）に代入して二波長における透過率τ1 及びτ2 の対数比と散乱影響因子Ｃとの関係を計算すると、図２のようなグラフが得られる。
【００３２】
例えば、測定値がｌｎτ2 ／ｌｎτ1 ＝０．７８であれば図２よりＣ＝５．５と決定される。Ｃ＝５．５の場合、λ1 ＝６３５ｎｍとλ2 ＝７６０ｎｍについてｎp とρsaの関係を計算すると図３のようになる。図中、縦軸の１．０が吸収分を表し、１以上の部分が散乱分を表す。Ｋf が６と９の場合について計算しており、添え字１が６３５ｎｍ、添え字２が７６０ｎｍに対応している。
【００３３】
一般に要素すす粒子数ｎp の数は約２００であり、図３より例えば６３５ｎｍの場合、比散乱係数の比吸収係数に対する比ρsaは０．１９〜０．２０であることが分かる。すなわち、減衰における散乱と吸収の比率ρsaを凝集体理論と透過率の測定値から決定することができる。
【００３４】
なお、比吸収係数σabs は定常運転におけるフィルタ法により測定したすす質量濃度と透過光減衰法による測定値が一致するように以下の手順で決定する。
【００３５】
まず、代表的な条件の定常運転時にペーパーフィルタ法で測定したすす質量濃度とある波長における透過率の測定値から計算したすす質量濃度が一致するように比減衰係数σext を決定する。
【００３６】
次に、同時に上記の定常運転時に２つの波長λ1 とλ2 における透過率τ1 とτ2 を測定し、これから得られるｌｎτ2 ／ｌｎτ1 の値を先に求めておいた図２に代入して散乱影響因子Ｃを決定する。
【００３７】
この散乱影響因子Ｃを用いて作図した図３に例えば通常のディーゼル機関から排出されるすす凝集体を構成する要素すす数ｎp ＝２００を当てはめると、比散乱係数と比吸収係数の比ρsaが決定できる。
【００３８】
上式（２）に示したσext ＝σabs (１＋ρsa）の関係があるから、ここで決定した比ρsaと先に決定した比減衰係数σext を代入すれば比吸収係数σabs が決まる。
【００３９】
比吸収係数σabs は理論的に上式（４）の右辺の第１項で与えられているので、波長λと決定した比吸収係数σabs をこの式に代入すれば複素屈折率ｍ＝ｎ−ｉｋの関数Ｅ（ｍ）が決まる。複素屈折率ｍの値は従来の研究によると、研究者によって少しずつ異なる値が提唱されているが、Ｅ（ｍ）の値が決まればこの値に対応するｍを決定することができる。
【００４０】
なお、関数Ｅ（ｍ）及びＦ（ｍ）は次式（９）及び（１０）によって表されるものである。
【数５】
以上のように、定常運転時の比吸収係数σabs 、比散乱係数σsca と比吸収係数σabs の比ρsaが決まり、比減衰係数σext が決定されるので、当該波長における透過率を測定すればすすの質量濃度Ｃm を測定することができる。
【００４２】
上述したようにして求めた定常運転時の比吸収係数σabs の値は、過渡運転時にも使ってよい。しかし、すす凝集体の寸法の分布とすす凝集体の形状、すす凝集体の平均的な大きさなどの関数である散乱影響因子Ｃによって影響を受ける。したがって、過渡運転時には実時間ベースでｌｎτ2 ／ｌｎτ1 を測定し、その値に応じて散乱影響因子Ｃを決定する必要がある。このＣから各時刻の比散乱係数σsca と比吸収係数σabs の比ρsaを算出することにより正しく過渡的運転時の比減衰係数σext を得ることができる。
【００４３】
図１に戻って、本発明の方法を実施する装置について説明する。図１において、燃焼装置の排気管１の途中あるいは出口に、排気をサンプルする流路２を設け、サンプルした排気を外部の測定流路３に導く。この測定流路３の両端には光線を入射、出射するための光学窓４，５がそれぞれ一個づつ設けている。また、この光学窓と測定流路内壁にすすが付着するのを防止するため加熱装置６，７とキャリブレーション用の空気パージ装置８が付設されている。なお、１ａは、測定流路３にサンプル排気が入り易くするため排気管１内に設けられた絞りである。
【００４４】
異なる波長を有する２本のダイオードレーザ９，１０からでた２本の光線はプリズム１１によって同軸化される。この光線はビームエキスパンダ１２を通って光学窓４から測定流路３に入り、すす粒子群によって減衰したのち光学窓５を通って検出系へ導かれる。
【００４５】
検出系では同軸化された２本の光線をビームスプリッタ１３で２方向の光線に分けたのち、それぞれの光線を狭帯域レーザフィルタ１４，１５に通すことにより光源のレーザ波長を持つ２本の光線に分離する。２本の光線の光の強度はフォトダイオード１６，１７によって検出される。検出されたアナログ信号は信号処理手段としての信号処理装置１８において実時間ベースでＡ／Ｄ変換されたのちディジタルデータとして記憶蓄積される。２つの波長の透過率に対応する２組のディジタルデータ列は演算用のパーソナルコンピュータ（パソコン）１９に転送される。
【００４６】
パソコン１９では、各波長の透過率の対数比を計算し、予めすす凝集体の光理論にもとづいて計算した関係式にこの対数比を代入することにより当該データ採取時のσsca ／σabs 、すなわち、比散乱係数の比吸収係数に対する比ρsaの値を決定し得る。図２に波長に６３５ｎｍと７８０ｎｍを用いた場合の透過率の対数比とσsca ／σabs を決定するための散乱影響因子Ｃの関係を示す。さらにＣの値と別途定常運転時に検定して求めておいた比吸収係数σabs の値を用いて比減衰係数σext を決定すれば、二波長のうちいずれかの波長λにおける透過率の測定値を上式（１）に代入することによってすす粒子の質量濃度Ｃｍが計算できる。
【００４７】
以上説明した実施形態では、燃焼排気流の一部をサンプルし、この流れの中のすす粒子群に波長の異なる２本の光線を同軸で入射してそれぞれの透過率を計測した後、両透過率の対数比からσsca/σabsを理論的に求め、さらに別途検定により求めたσabsを用いて透過率の測定値からすすの質量濃度を演算する構成を有するものと見ることができる。
【００４８】
また、実施形態では、排気流をサンプルする流路２、二波長の光線を同軸化してすす粒子群を含む排気流に入射する光学系、光線が透過する測定流路３、透過した同軸２本の光線を波長によって再分離してそれぞれの強度を検出する光学・検出系、得られたアナログ信号をディジタル化する信号処理装置１８を備え、パソコン１９がディジタル信号からすす質量濃度を演算する演算部として機能していると見ることができる。
【００４９】
さらに、実施の形態では、すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する透過率測定手段は、異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段としての２本のダイオードレーザ９，１０、プリズム１１と、測定流路３と、光学窓４と、光学窓５とが設けられた測定光学系と、２枚の狭帯域フィルター１４，１５とフォトセンサー１６，１７から成る光検出装置と、信号処理装置１８と、ディジタルデータに基づいて各波長の透過率を予め定めたプログラムに従って演算する演算手段を構成するパソコン１９とによって実現されていると見ることができる。
【００５０】
また、すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納する格納手段は、パソコン１９内の図示しないメモリによって構成され、メモリ内に、図２に示す関係がデータの形で格納されたり、或いは、図２に示す関係が近似式の形で格納される。
【００５１】
また、透過率の測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記格納手段に格納されている関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算する演算手段は、パソコン１９を予め定めたプログラムに従って動作させることによって実現される。なお、質量濃度を演算するため、比減衰係数と光線の減衰率とが代入される演算式は、パソコン１９のメモリ内にプログラムの一部として格納される。
【００５２】
以上説明した実施形態の装置によれば、比吸収係数σabs と比散乱係数σsca を理論的かつ実験的に決定し、透過率τの測定からすすの質量濃度Ｃm を測定する方法の精度と信頼性を格段に向上することができる。
【００５３】
また、すす粒子の排出質量濃度（標準大気換算下における単位体積中の質量）の測定については、従来の方法は前述のごとく排気中のすす濃度を相対的あるいは定性的に評価しているに過ぎないのに対し、本発明では排気流中のすす粒子の質量濃度を理論的根拠にもとづいた簡便な装置を用いて実時間で測定しようとすることができるものである。
【００５４】
また、異なる波長を有する２本のダイオードレーザビームをディーゼル排気に透過させ、透過光減衰法によりすす凝集体の質量濃度を実時間で定量測定するので、二波長の対数透過率比から凝集体の散乱光影響要因を決定することにより測定精度と信頼性を向上することができる。
【００５５】
また、応答性は排気ガスがサンプルラインと測定流路を通過する時間で決まるので高応答性（０．２秒程度）を有する。
【００５６】
さらに、光強度の絶対値でなく相対値である透過率を測定するので検定が不要であり、且つ高安定性を有する。
【００５７】
さらにまた、光路長さを伸ばすことにより１ｍｇ／ｍ3 レベルの低質量濃度の測定が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項記載の本発明は、排気流中のすす凝集体の質量濃度を理論的根拠に基づいてすす凝集体による散乱を考慮して簡便に、又は、実時間で且つ簡便に測定することができる燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法を実施するすす凝集体の質量濃度測定装置の一実施の形態を示す全体図である．
【図２】二波長の透過率の対数比からσsca/σabsを決めるための散乱影響因子Ｃを求めるための線図例である．
【図３】すす凝集体を構成する要素すす粒子数ｎp と、比散乱係数の比吸収係数に対する比ρsaとの関係を示す線図例である。
【符号の説明】
１ 排気管
２ 分流する流路
３ 測定流路
４，５ 光学窓
６，７ 加熱装置
８ 空気パージ装置
９，１０ ダイオードレーザ
１１ プリズム
１２ ビームエキスパンダ
１３ ビームスプリッタ
１４，１５ 狭帯域レーザフィルタ
１６，１７ フォトダイオード
１８ 信号処理手段（信号処理装置）
１９ パーソナルコンピュータ（演算手段）
Claims (7)
- すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比に対する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、
すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、
該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、
該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定する
ことを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法。 - すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比と、当該対数比に対応する散乱影響因子の値との関係を予め求めておき、
すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて各波長の透過率を予め定めた所定間隔でそれぞれ測定し、
該測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、
該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、
該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定する
ことを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法。 - すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた異なる波長を有する二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め求めておき、
すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に前記二本の光線を透過させて測定した各波長の透過率に対応する散乱影響因子の値を前記予め求めておいた関係によって決定し、
該決定した散乱影響因子の値を用いて前記二本の光線のうちの一方の光線における比散乱係数の比吸収係数に対する比を算出し、
該算出した比と前記一方の光線について予め算出されている比吸収係数とによって、すす凝集体に入射した光線が減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、
該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し演算して質量濃度を測定する
ことを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法。 - 前記演算式は、前記比減衰係数をσext 、前記一方の光線の減衰率をτ、前記質量濃度をＣm 、前記光線が透過する光路長をＬとしたとき、
Ｃm ＝−ｌｎτ／σext Ｌ
で表される
ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定方法。 - すす凝集体群を含む測定対象の燃焼排気流に異なる波長を有する二本の光線を透過させて各波長の透過率をそれぞれ測定する透過率測定手段と、
すす凝集体群を含む燃焼排気流に透過させた前記二本の光線の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値の関係を予め格納した格納手段と、
前記測定手段による測定毎に、測定した二波長の透過率の対数比に対応する散乱影響因子の値を前記格納手段に格納されている前記関係によって決定し、該決定した散乱影響因子の値を用い、すす凝集体に入射した光線が吸収と散乱によって減衰する程度を表す係数である比減衰係数を算出し、該算出した比減衰係数と前記一方の光線の減衰率とを予め定めた演算式に代入し質量濃度を演算する演算手段と
を備えることを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置。 - 前記透過率測定手段は、
異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とを有する測定光学系と、
出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成る光検出装置と、
前記二波長の検出光強度信号をディジタル変換し、該変換によって得たディジタルデータを蓄積する信号処理手段と、
前記ディジタルデータに基づいて各波長の透過率を演算する演算手段とを有する
ことを特徴とする請求項５記載の燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置。 - 異なる波長を有する二本の光線を同軸化してすす凝集体群を含む燃焼排気流に導く手段と、燃焼排気流の一部をサンプルして流す測定流路と、該測定流路の軸方向に沿って光線を入射するための光学窓と、排気中のすす粒子群を透過した光線を出射するための光学窓とを設けた測定光学系と、
出射した同軸の二本の光線を再び分離するための２枚の狭帯域フィルターと各フィルターを透過した透過光の強度を検出するフォトセンサーから成る光検出装置と、
前記二波長の検出光強度信号を予め定めた所定間隔でディジタル変換し、該変換によって得たディジタルデータを蓄積する信号処理手段と、
前記ディジタルデータに基づいて各波長の透過率及び両透過率の対数比を計算し、該計算値を利用してすす凝集体の透過光減衰理論に基づいて排気中のすす質量濃度を演算する演算装置と
を備えることを特徴とする燃焼排気中のすす凝集体の質量濃度測定装置。
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