JP4124731B2 - 排気不透明度測定装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

関連する出願
本出願は、２００１年９月１１日付け米国特許出願第６０／３１８５７４号、発明の名称「排気物質中の煤煙濃度を検出する装置及び方法」を優先権主張するものである。

本発明は自動車から排出される排気を検知するための遠隔排気検出装置及び方法に関し、その装置は排気プルームの不透明度を測定する。

遠隔排出検出装置（ＲＥＳ）は既知である。その装置の一つは、米国特許第５，２１０，７０２号明細書（特許文献１）に記載されており、電磁（ＥＭ）放射線源を構成し、自動車がその装置の傍を通過して、自動車の排気プルームへＥＭ放射ビームを通過させる。この装置はまた一つ以上の検出器を構成し、自動車の排気プルームに通過した後の放射線を受けるように設置される。一つ以上のフィルタが一つ以上の検出器に設置されており検出器が特定の波長あるいは波長の範囲を有するＥＭ放射線の強度を測定できるようにする。その波長は排気プルーム中の所定の分子種（例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）およびＮＯ及びＮＯ_２などの窒素酸化物（ＮＯｘ））により吸収される波長に対応するように適宜選択される。一つ以上の検出出力電圧はその検出器により測定されるＥＭ放射線の強度を示す。

これらの電圧は次にプロセッサに入力される。プロセッサは既知の光源強度と検出器により検出される強度との差を算出し特定の分子種による吸収量を（その種に付随する所定の波長に基づき）測定する。測定された吸収に基づいて排気物質中の一つ以上の分子種の濃度は既知の方法で測定される。

排気不透明度の遠隔検知装置は「重作業自動車からの粒状排気物質の遠隔検知の実効可能性」、チェン，ジー．他、自動車技術者のアメリカ社会（１９９６）（非特許文献１）に記載される。この装置においては、不透明度は６３８ｎｍの波長により測定され、ＣＯ_２測定値と相関させる。

ＲＥＳ装置の存在は様々な障害及び制約を受ける。これらの要因は誤った測定及び廃棄データの比較的高い発生率、あるいは「フラッグされた」テスト結果の比較的高い発生率を引き起こす。このような、あるいは別の問題がＲＥＳ装置の利点を減少させる。

少なくともいくつかのＲＥＳ装置は排気プルームを介して光の吸収率（あるいは透過率）を測定するよう部分的に作動する。（排気プルーム中に存在する多様な分子種がＥＭ放射線を吸収する部分の波長に対応する）特定の波長で、吸収率／透過率を測定することにより排気中にあるそれらの種の濃度が測定される。一つの問題として、多様な外部要因が測定される強度に影響し且つ誤差を生じさせる。例えば、測定された強度が所定の種による放射線の吸収よりもむしろ排気プルーム中に存在する粒子による光散乱のため減少する場合、これが誤差を生む。

ある遠隔検知装置の一つの欠点として、不透明度を測定するのにＥＭ放射線の単一の波長を使用することである。粒子の存在によるＥＭ放射線の散乱は波長の減少に伴って増加することが知られる。散乱はプルームの不透明度の主要要因であるため、比較的長い波長のＥＭ放射線のみで不透明度を測定する装置は度々不正確な結果を出す。

これらあるいは他の欠点が存在する。
米国特許第５，２１０，７０２号明細書 チェン，ジー．他、「重作業自動車からの粒状排気物質の遠隔検知の実効可能性」、自動車技術者のアメリカ社会（１９９６）

本発明の１つの長所として既存の装置における様々な欠点を克服することである。

本発明の別の長所として自動車からの排気の不透明度を遠隔的に監視することができる遠隔排出検知装置及び方法を提供することである。

本発明の別の長所として排気不透明度を測定し更に測定された排気不透明度を利用して他の測定値の正確さを保証することにより遠隔排出検知装置及び方法の精度を改善することである。

本発明の別の長所として排気不透明度監視能力を有する排気物質監視装置の存在を提供する。

本発明のこれらあるいは別の目的は本発明の多様な実施態様に従って達成される。一つの実施態様として、ＲＥＳ装置及び方法において、自動車がその装置の傍を通過することで放射ビームが自動車の排気プルームへ通過するよう設置される放射線源を構成する。一つ以上の検出器は放射線が自動車の排気プルームを通過した後にその放射線を受信するよう設置される。

一つ以上の検出器はその検出器に受信した放射線の強度に対応する電圧を出力する。これらの電圧は次にプロセッサに入力される。このプロセッサは光源の既知の強度と検出器により検出された強度との差異を算出し、特定の分子種の吸収量を（その分子種に付随する所定の波長に基づき）測定する。その測定された吸収量に基づき、排気物質中の一つ以上の分子種の濃度を測定する。

本発明の一つの態様として、基準検出器の出力はプロセッサに供給され更にプロセッサに監視されて各排気プルームの不透明度を測定する。測定された不透明度に基づいて所定の操作が実施される。例えば、排気不透明度が所定のレベルを超える場合、排気物質データは（既知の方法で）分析されテスト結果を作成するが、そのテスト結果は疑わしいかあるいは廃棄されるものとして「フラッグされている」。

本発明の他の態様として、不透明度を測定するための装置及び方法は様々な波長及び適切な検出器あるいはその多様な波長を検出するための検出器を有するＥＭ放射線の多重源を構成する。ＥＭ放射線の多重源はＥＭ放射線の単数あるいは複数のビームが排気プルームを介して通過することができるよう設置される。一つ或いは複数の検出器からの信号が、とりわけ、各波長に対する強度（例えば排気プルームの存在しない強度対排気プルームの存在する強度）の変化を測定するよう処理される。強度の変化は少なくとも一つの排気プルーム成分（例えば二酸化炭素（ＣＯ_２））の相対濃度に相関する。充分量（例えば勾配値の２０％未満の勾配の標準誤差を有する回帰）に相関する強度変化測定値は有効な不透明度値として記録される。

本発明の別の実施態様として、プルームの不透明度に比例する煙濃度値を計算できる。この態様はＥＭ放射線をたくさんの排気プルームへ放射する実質的に単色性ＥＭ放射線源（例えばレーザあるいは別の単色源）を構成する。適切な検出器はプルームを通過するビームの透過率（Ｔ）の測定値を得る。排気成分（例えばＣＯ_２）の量の測定は実質的に同じ容積の排気プルームに対して実施される。そのプルームに対する煙濃度値の算出は測定された透過率（Ｔ）及び排気成分の測定値を使用して実施される。

本発明の別の目的及び利点はここに記載することを参照することで当業者にとって明瞭となる。

図面の詳細な説明

図１は、本発明の一実施態様に関するＲＥＳを示す。ＲＥＳは車両１０からの排気物質を測定する。ＲＥＳは放射線２０を生成する線源１２を構成する。放射線２０は車両１０がＲＥＳのそばを通ることにより車両１０の排気プルーム１６に放射される。伝達光学素子１８は放射線２０を受け取り、放射線２０をプルーム１６を介してポストプルーム放射線２２として一つ以上の検出器１４に伝達する。検出器１４は前記放射線２２が車両１０の排気プルーム１６を通過した後にその放射線を測定するよう設置される。フィルタ（図示しない）は一つ以上の検出器１４に設置され、検出器１４が特定の波長あるいは波長範囲を有する放射線の強度を戻り放射線２２からの特定の波長あるいは波長範囲をほとんど全て取り除くことにより測定することができる。あるいは、同調レーザが線源１２として使用され特定の波長あるいは波長範囲の放射線２０を生成することができ、この場合フィルタは不要である。

波長は、排気プルーム中の所定の分子種（例えばＨＣ，ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２（以下ＮＯｘ）あるいは別の分子種）に吸収される波長に対応するよう適宜選択される。複数の検出器１４により測定された放射線２２の強度を表す一つ以上の検出出力電圧が得られる。その検出出力電圧はプロセッサ１００に入力される。検出器１４は光ダイオード、光電子増倍管、電荷結合素子、アンチモン化インジウム、セレニド鉛、あるいは別の既知の光伝導性検出器あるいは光起電性検出器などのいずれかの適切な検出器である。

波長は、排気プルーム中の所定の分子種（例えばＨＣ，ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ，ＮＯ_２（以下ＮＯｘ）あるいは別の分子種）に吸収される波長に対応するよう適宜選択される。一つの検出器１４により測定された放射線２２の強度を表す一つ以上の検出出力電圧が得られる。その検出出力電圧はプロセッサ１００に入力される。検出器１４は光ダイオード、光電子増倍管、電荷結合素子、アンチモン化インジウム、セレニド鉛、あるいは別の既知の光伝導性検出器あるいは光起電性検出器などのいずれかの適切な検出器である。

プロセッサ１００は放射線２０の原強度及と検出器１４から検出された放射線２２の強度との差異を算出し特定の分子種の放射線吸収量をその種に応じた所定の波長により測定する。測定された吸収量に基づいて、排気物質中の一つ以上の分子種の濃度は既知の方法で測定される。このような装置は一般的に所定の時間間隔（例えば０．５秒）の間の複数の測定値（例えば５０）を取る。これらのデータポイントは次に相関され更に分析されて標的の排気物質の分子種の濃度を測定する。

本発明の一実施態様に関して、プロセッサ１００は多様な排気物質成分の濃度を測定することを含む多様な機能を実施する。上述したように、図１の装置は個別の排気物質成分毎に様々なチャンネルを監視する。

本発明の一実施態様に関して、ディーゼル自動車、特にトラックやバスなどの重作業用のディーゼル自動車に利用される。本発明は多様な排気物質成分の濃度と同様にディーゼル自動車の排気中の特定の排気物質の量を測定するのに使用される。ガス状及び粒状の排気物質は共に環境に対してかなりの量の汚濁因子を与える。特に重作業ディーゼル自動車は特定の排気物質と同様にかなりの量のＮＯｘを生成する。ディーゼル粒状排気物質の推定される発癌特性により、厳重な規制が一般的にこのような排気物質に対して課せられる。

排気不透明度は自動車からの粒状排気物質の測定値である。

自動車排気物質の不透明度を測定する際に、不透明度測定値、ＣＯ測定値及びＣＯ_２測定値は不透明度の高信頼の正確な測定値を得るのに必要とする。どの不透明度測定値も固有に排気プルームが周囲空気で希釈されることに起因するある程度の誤差因子を含む。不透明度測定値と同時間で測定されるＣＯ_２濃度の対応する測定値は周囲空気による排気プルームの希釈が同様に影響する。排気プルーム中のＣＯ_２の量の所定の期待値及び不透明度測定値とＣＯ_２測定値との比率を得ることにより、希釈因子は相殺されて燃料特有の不透明度の正確な測定値を得ることができる。

不透明度測定値はディーゼルエンジン自動車の場合には、実質的に同じ時間における同じ排気プルームから測定されたＣＯ測定値と比較することにより更に確かめられる。プルーム中のＣＯ量は一般的にそのプルームの不透明度の量に相関する。そのため、もし不透明度の量が高い場合にはＣＯの量も高くなる。ＣＯの量が低い場合には不透明度の量が高く測定されたとしても、これは不透明度測定値における誤差の可能性あるいは測定値に対して別の因子による干渉の可能性の表示と考えられる。

より好適な実施態様として、個別の不透明度チャンネルは不透明度を測定するのに使用される。この個別のチャンネルは好適には約０．２０−１．５０ミクロンの波長の放射線を利用する。この波長範囲はより正確な不透明度測定値を提供するものと考えられる。この装置はまた少なくともＣＯ_２、ＣＯ及び対照チャンネルを含む。

本発明の一実施態様に関して、排気物質を分析する方法を図２に基づき説明する。ステップ３００において、ある判定基準を提供する。測定値を分析するのに使用する判定基準は関係する特定の排気物質に従って変化する。ステップ３０２において、その判定基準が満たされた場合、次のステップ３１０に進み、もし判定基準がより分析が必要であるときにはその処理はステップ３００に戻る。この処理はステップ３１０において分析するべき判定基準がなくなるまで続ける。

ステップ３０２において、もし判定基準が満たされない場合、次にその処理はステップ３０４において、その判定基準がステップ３０６において廃棄されるべきポイントまで満たされていないのか、あるいはその判定基準がステップ３０８において単純にフラッグされるべきものであるかどうかを測定する。

判定基準が満たされた後、ステップ３２０において、その結果が周囲条件と補正される。ステップ３２２において、その装置は装置条件と補正され、またステップ３２４において、そのデータは更に分析される。この全ての方法は本発明の後続の実施態様においてより理解される。

本発明の一実施態様において、その判定基準は不透明度の確認を含む。本実施態様において、ＲＥＳ装置の一つ以上の検出器の出力は図３に表すようにプロセッサ１００に入力される。プロセッサ１００は排気不透明度測定ユニット１０２を構成する。プロセッサ１００は多様なガス排気物質の濃度を測定することを含む多様な既知の機能を実行する。更に、プロセッサ１００は排気不透明度測定ユニット１０２から得た測定値から排気不透明度も測定する。

一実施態様に関して、排気不透明度測定ユニット１０２はＲＥＳ装置の対照チャンネルを使用し約３．９μｍの波長で不透明度を測定することにより排気不透明度を測定する。排気不透明度測定ユニット１０２は対照チャンネル及び少なくとも一つの所定の別のチャンネルから測定値を受け取る。一実施態様に関して、所定のチャンネルはＣＯ_２チャンネルである。

それぞれの測定される特定の時間間隔に対して、対照チャンネルの強度は線源１２により正常に生成された放射線２０の入力強度未満である場合、次にプロセッサ１００は対照チャンネル強度の減衰とＣＯ_２チャンネルにおける減衰とを比較する。もし対照チャンネルの検出された強度が低い場合、排気プルーム中の粒子がその後ポスト−プルーム放射線２２として検出器１４に戻されない放射線２０の一部を遮断あるいは偏向していることが測定される。不透明度は排気プルーム中に存在する粒状物質による放射線の散乱あるいは吸収に起因する。

本発明の一実施態様に関して、一つ以上の検出器の出力は試験されている自動車から発する排気プルームの不透明度を測定するのに使用される。検出器の出力（電圧レベル）はプロセッサ１００により監視される。対照チャンネルにおける電圧降下は排気の不透明度を表示し測定するのに使用される。従って、対照チャンネルにより検出された波長あるいは波長帯はＣＯ_２，ＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを含む排気物質成分が不透明度の測定を妨げないように明確に選択される。

排気プルーム中の不透明度の測定は重作業ディーゼル自動車からの排気物を含みこの排気物は乾燥すすなどの粒子を含む。一般的に、ほとんどのディーゼル粒子のサイズは０．０２−０．５ミクロンの範囲である。本発明に従って、一つ以上の検出器の出力は試験された重作業ディーゼル自動車の排気プルームの不透明度を算出するのに使用される。検出器の出力はプロセッサ１００によりディーゼル排気プルームのすすのような粒子に付随する放射線強度の変化として監視される。検出された放射線強度の変化度は次にディーゼル排気物質の不透明度を測定するのに使用される。

測定された対照チャンネルの強度の減少量は、汚染ガスが対照波長で吸収されないため、周囲の雑音、不透明度及び他の因子に対してガス測定波長を補正するのに使用される。測定された汚染波長吸収量はその後見掛けの濃度値に変換される。少なくとも一つの見掛けの濃度値は所定の最小値を超える場合には、汚染濃度は測定されたＣＯ_２と相関する。その勾配は測定されたＣＯ_２に対する測定された汚染物質の比率である。その勾配はここに記載される以外の別の計算を実行するのに使用できる。

より好適な実施態様において、不透明度測定値は排気プルーム中の別の成分の測定値を確認するのに使用される。高い不透明度値は排気プルーム中の多様な成分に対する一つ以上の固有波長における放射線の散乱あるいは吸収に起因する排気プルーム中の大量な粒状物質の存在を表示する。このことはこれらの多様な成分に対して不正確な測定値を導く。

ある場合には、高い不透明度が疑わしいあるいは無効なものとして存在する場合には、ＲＥＳは得られた測定値を標識する。より好適には、これらの測定値は無効であるとして標識し、更なる測定値をある時間遅れの後に得る。これを実施するために、ＲＥＳは不透明度及び／またはＣＯ濃度がＣＯ，ＣＯ_２，ＨＣ，ＮＯ及びＮＯ_２などの多様な排気成分に対して測定値を得るのに可能であるとみなされた所定のレベル以下になるまで不透明度及び／またはＣＯの測定値を監視できる。ある時間遅れの後の測定値に対して充分なプルームの存在はＣＯ_２の測定値を使用して確認される。この方法において、初期の排気プルームがこのような測定値に対して通常重大な誤差を導くような高い不透明度を有する場合でも、ＲＥＳは排気成分の正確な測定値を提供する。

パーセント不透明度は大気、風、及び自動車の背後の乱流などの多様な因子により早く減衰してしまう。ＣＯ_２測定値はたとえＣＯ_２に対する相関が正確でない場合（すなわち、勾配における大きな誤差がある場合）でも排気プルームが見られる場所のトレーサーとして使用できるため、不透明度測定はタイヤからの汚泥などの別の原因から生じたものであると推測され、その測定値は放棄される。もしその相関が正確である場合（すなわち勾配における小さな誤差がある場合）、使用された測定の単位及び較正に依存して、測定された勾配と補正因子、例えば１０００を掛算して正規化された不透明度を導く。

図４は、本発明の一実施態様に関する排気不透明度を検出する方法のフローチャートを示す。ステップ２００において、対照チャンネル及び一つ以上の排気物質チャンネル、例えばＣＯ_２チャンネルの出力はプロセッサ１００により受信される。多様な確認、誤差防止、あるいは信号処理ルーチンはデータにおいて実施され、そのプルームが不透明度測定を行うのに充分であることを確実にする。ステップ２０２においては、これらの確認ルーチンにおいてプルームが不充分であることを測定すると、そのプルームは疑わしいあるいは無効なものとして標識され、不透明度測定値の誤差を防ぐ。

しかしながら、測定値が有効であれば、次のステップ２０４において、プロセッサ１００は残存する測定値から不透明度パーセントを測定する。特に、不透明度パーセントは対照チャンネル出力の勾配対ＣＯ_２チャンネル出力の勾配を算出して測定される。更に、これらの結果はリンゲルマンスケール当量を提供して変換される。単純に述べると、リンゲルマンスケール当量は不透明度パーセントを０と５の間の数字と同一基準に合わせることにより測定される。リンゲルマンスケールは適宜熟練した観察者により使用される標準の不透明度スケールであり、不透明度と比較して以下の表のようになる。

不透明度パーセントが測定された後、一つ以上の確認ルーチンを介して不透明度測定値の確認が要求される。特に、一つの実施態様において、所定量以下の不透明度パーセントは全て疑わしいとして標識される。ある態様において、その所定量は−０．５％であるが別の値も使用される。

更に、最小二乗法を使用して対照勾配を測定する際に、勾配誤差値はまた既知の方法に従って測定される。その勾配誤差に基づいて、不透明度誤差値はこの値と所定の値と掛けることにより測定される。ある態様に関して、この所定の因子は例えば１０００である。本発明の別の態様に関して、この因子は１００である。この不透明度誤差値が所定値を超える場合には不透明度パーセント測定値は疑わしいとして標識される。不透明度誤差に対する所定の値は例えば２％である。

また、不透明度があるレベル以上の不透明度パーセント測定値は疑わしいあるいは廃棄されるものとして標識される。例えば、約５０％の不透明度よりずっと高い測定値は廃棄することが測定され、それはおそらくこのような高い量の不透明度は正確に測定することが不可能であり、代わりに光遮断あるいは排気流の不透明度に影響されない別の類の一時的な問題を示しているためである。別の所定値、例えば７０％、８０％、９０％あるいは１００％なども使用される。

ディーゼルエンジン自動車の場合には、最適な確認方法はディーゼル自動車のＣＯ排気物質と排気不透明度は相関関係にあるため、不透明度測定値を同時に得られたＣＯ測定値と比較することである。この方法を使用する際に、ＣＯ測定値と不透明度測定値との間の所定の相関は、固有の不透明度測定値が有効であるか、疑わしいか、あるいは無効であるかを測定するのに使用される。

従って、本発明に関する装置は移動する自動車からわずかな時間間隔の不透明度を遠隔的に測定する。更に、多くの既存の排気監視装置は別の目的に対照チャンネルを利用するため、本発明の装置は不透明度測定値を提供するのに既存の装置を利用する。ある実施態様に関して、既存の装置を有するプロセッサ１００を利用すると同様に不透明度を監視するために既存の排気物質監視装置を利用することができる。そのため、交換コストが最小に抑えられる。

多重波長不透明度測定
図５は、本発明の一実施態様に関して多重波長不透明度測定装置の図である。この装置は、ＥＭ放射線の多重波長を生成することができる線源１２を構成する。例えば、線源１２はＥＭスペクトルの弁別可能な領域におけるＥＭ放射線を生成する多くの線源（例えば線源１２Ａ、線源１２Ｂ、…線源１２Ｎ）を構成する。例えば、本発明の３つの波長の実施態様において、線源１２は赤外線（ＩＲ）源（例えば炭化ケイ素電気加熱式点火器、チューナブルダイオードレーザなど）、可視線源（例えばＨｅ−Ｎｅレーザ）及び紫外線（ＵＶ）源（例えばキセノン、水銀、ジューテリウム、あるいは別のアークランプ）を構成する。

放射源１２は図５において個別の線源（線源１２Ａ、線源１２Ｂ、…、線源１２Ｎ）を構成することを示すが、本発明はこれに限られるものではない。弁別可能な波長（チューナブルレーザ源など）におけるＥＭ放射線を生成できる単一線源、チューナブル及び離散波長源の組合せ、弁別可能な波長ＥＭ放射線を生成できるいくつかの別の方法が使用される。

線源１２は排気物質源（例えば排気プルーム１６）へ方向付けられるＥＭ放射線２０を生成する。放射線２０は適切な方法で排気物質源へ方向付けられる。例えば、放射線２０は適切な光学（例えばレンズ、ミラー、ビームスプリッタ、偏光子、フィルタ、リフレックスリフレクタ、及び他の光学器）を使用して排気物質源へ方向付けられる。

図５に概略的に示されるように、多重源（例えば線源１２Ａ、線源１２Ｂ、…線源１２Ｎ）からの放射線は単一ビームに結合されるが本発明はこれに限られない。多重ビームは排気物質源（例えば排気プルーム１６）へ方向付けられるかあるいは別のビームの幾何学的配置が利用され、例えば、いくつかのビームが別のビームの位置とは異なる位置から発せられる。（例えばビームが排気物質源の反対側に配置された線源から発せられる）。例えば、ある態様として、ＩＲ及びＵＶ線源は排気物質源の片側に配置され、更に可視線源は排気物質源の別の側に配置される。このような実施態様においては、ＩＲ及びＵＶ放射線は排気プルーム１６へ単一経路を形成し、可視放射線は排気プルームを介して複光路を形成する。リフレックスリフレクタあるいは他のビーム方向装置（例えばレンズ、ミラー、ビームスプリッタ等）がビームを方向付けるのに使用される。

排気プルーム１６の検出濃度をも構成する本発明の実施態様に、一つ以上の線源１２Ａ、…線源１２Ｎは吸収波長に固有の波長に調整される。別の配置も使用可能である。例えば、個別の線源１２は吸収測定値及び不透明度測定値に対して提供されるかあるいは同じ放射源１２は吸収測定波長及び不透明度測定波長に交互に調整される。

排気物質源（例えば排気プルーム１６）へ通過する間、入射線２０の一部が排気物質源中の構成粒子により吸収され、散乱されあるいは減衰する。放射源を抜けた後ポストプルーム放射線２２は適切な検出器１４に方向づけられる。例えば、３つのビームの実施態様において、ＵＶ放射線はモノクロメータ及びダイオードアレー（例えばシリコンダイオードアレー）を利用して検出され、可視線は光倍増管（ＰＭＴ）（もし必要であればフィルタと）で検出され、更にＩＲ線は適切なＩＲ検出器（例えば、光ダイオード等）により検出される。別の検出器も使用される。（例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）あるいは別の放射線検出器）。

図５は、放射線源−検出器の組合せのための単一経路幾何学配置を示す（すなわち、放射線２０は検出器１４に達する前に排気物質源を介する単一経路をとる）が、本発明はこれに限られない。例えば、放射線源１２及び検出器１４は排気物質源と同じ側に配置され、更に適切な光学器（例えばミラー、レンズ、あるいは他のビーム検出器）がポスト排気プルーム放射線２２を検出器１４へ方向付けるのに使用される。別の幾何学的配置も取り得る。

検出器１４からの信号はプロセッサ１００に入力される。プロセッサ１００は適切な処理装置を構成する。例えば、パーソナルコンピュータ、ラップ−トップあるいはノートブックコンピュータ、手持ち式プロセッサ、独立型処理装置、あるいはここに記載される処理機能を実行できる別の装置など。

図１，３，６に概略的に示すように、プロセッサ１００は処理機能を実行する多くのモジュールを構成する。例えば、プロセッサ１００は不透明度測定モジュール１０２、強度比較モジュール６０２、相対濃度モジュール６０４、相関モジュール６０６及び処理モジュール６０８を構成する。プロセッサ１００は多数の個別のモジュールを有することが示されるが、本発明はこれに限られない。モジュール（例えば１０２、６０２など）が単一のソフトウェアパッケージのサブルーチン、ソフトウェアパッケージ体、あるいはここに記載される機能をプロセッサ１００が実行できるソフトウェアモジュールの別の組合せを構成する。

不透明度検出装置の操作は図７に関連して説明される。図７は本発明の一実施態様に関する排気物質源の不透明度を測定する方法を示す。波長を区別するＥＭ放射線は排気プルームへ方向づけられ７００で示される。前述したように、放射線は適切なビーム導線器を利用して方向づけられ、更に一つ以上のビームを有するＥＭ放射線を構成する。更に前述したように、少なくともいくつかのＥＭ放射線波長は「煙」粒子に起因する吸収及び／あるいは散乱が生じる波長に対応するように適宜選択される（例えば、ＩＲ線は０．８−４μｍ、可視線は４００−８００ｎｍ、ＵＶ線は２００−２２３及び２３３−４００ｎｍ）。これらは「不透明度波長」として総称される。更に、一つ以上のＥＭ波長は一つ以上の排気物質源の成分（例えば、ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ，ＮＯｘ、ＨＣ，Ｈ_２Ｏ等）に対する吸収波長に対応して適宜選択される。

ＥＭ放射線は検出され７０２で表示される。上述したように、ＥＭ放射線は適切な方法で検出され、その後ＥＭ放射線は排気物質源を介して多くの経路を形成する。検出器（例えば検出器１４）からの信号はプロセッサ（例えばプロセッサ１００）に伝達される。

検出信号の情報を処理することが次に行われる。処理は図７に示されるもの以外の別の順序でも生じる。これは図７において隣接して配置された７０４及び７０６により概略的に示される。

プロセッサ１００は不透明度波長の強度の変化を測定し７０４で示される。プロセッサ１００は適切な方法で強度変化の測定を実施する。例えば、強度比較モジュール（例えばモジュール６０２）が使用される。ある実施態様において、強度の変化は検出器１４で排気プルーム１６を遮断しないビームを測定したビーム信号の強度と排気プルーム１６を介して通過するビームを検出器１４で測定したビーム信号の強度とを比較した値である。このような測定値は上述したような適切な構成で実行される（例えば、遮断前の信号は自動車の通過前の状態を示し、遮断後の信号は自動車が通過した後の状態を示す）。

プロセッサ１００は一つ以上の排気プルーム成分（例えば、ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＯ，ＮＯｘ、ＨＣ，Ｈ_２Ｏ等）の相対濃度も測定し、７０６として示す。この相対濃度は上述のように得るかあるいは別の適切な方法で得られる。

この相対濃度値は不透明度測定値との相関に使用される。濃度値は相関関係に使用されるが、ＣＯ及びＣＯ_２濃度値の和を利用することが有利である。例えば、ＣＯ_２濃度測定の結果が有効なＣＯ_２値であり、またＣＯ濃度測定値が有効なＣＯ値である場合には、測定ＣＯ及びＣＯ_２和に対する不透明度波長における吸収の相関は燃料固有不透明度（すなわち、燃料１ガロン当りの煙）の測定値である。あるいは、相関はほとんどの炭化水素燃料に対して排気物質源中の全炭素量に対するものであり、ＣＯ_２＋ＣＯ＋６ＨＣと等しい。ほとんどの場合において、ＣＯ_２項が大部分であり、それ自体がまず得られた推定の相関値として使用される。

不透明度波長測定値の相関が実施され７０８として表示される。相関は適切な方法で実施される。例えば、不透明度波長の強度変化（すなわち７０４で得られる）は、同じ時間間隔で測定されたＣＯ_２測定値の変化と比較される。

相関の程度は適切な方法で求められる。例えば、相関は所定の判定基準（例えば、勾配値の２０％未満の勾配値の標準誤差を有する回帰線）と比較され、不透明度波長測定値が有効であるかどうか測定される。これは７１０で示される。

７１０の評価において不透明度波長測定値が有効でないことを示す場合には、データは７１２で示す別の処理ルーチンへ移る。別の処理はフラッグするか、あるいは疑わしいか無効であるとしてデータをマーキングするか、データを廃棄するか、あるいは別の適切な処理を行うことを含む。

７１０の評価において不透明度波長測定値が有効であることを示す場合には、次の処理が続行され、７１４で示す。７１４においては、所定数の多重不透明度測定値が比較される。いくつかの不透明度波長測定値が比較される。例えば、３つの波長の実施態様においては、ＩＲ，ＵＶ及び可視波長の不透明度波長測定値が比較される。

不透明度波長測定値が比較され適切な判断基準が評価される。例えば、所定数の不透明度波長ビームに対する強度の変化（例えば、排気物質源を介して通過したものあるいはしていないもの）が比較される。

７１４における比較評価は７１６で行われる。適切な評価が利用される。例えば、所定数の強度変化測定値に対して等価の度合いの評価が実施される。

７１４での評価の結果として、比較が有効でない場合（例えば測定値が所定の等価値の範囲に一致しない）、データは別の処理へ移行し、７１８で示される。７１８の処理は適切な処理ルーチンを含む（例えばフラッグ化、廃棄等）。

７１４での評価の結果として、比較が有効である場合（例えば、測定値が所定の等価値の範囲に一致する）、その処理は排気物質源の不透明度値の算出へ進む。これは７２０として示される。

排気物質源の不透明度値の算出は適切な方法で達成される。例えば、強度測定値の有効的変化は（例えば、７０４で測定され、７１０及び７１６で確認される）平均化されて排気物質源の不透明度を知らせる。加重平均あるいはデータの別の操作もまた不透明度を算出するのに実施される。

単色性不透明度測定値
ＥＭ放射ビーム中の小さい非吸収粒子（すなわち、煙）はビーム中の透過エネルギーを減少する。単色性ＥＭビームの減少量はビアの法則により以下に典型的に定義されており、

ここでＴは固有波長での光の透過率であり、ｎ_ｓは光ビームの単位断面積当りの煙の量であり、ｋ_ｓは吸収係数であり、ＥＭ放射線の固有波長及び粒子のサイズに適合する。ｋ_ｓの単位はｎ_ｓの逆である。

上述のように、自動車排気プルーム１６中のＣＯ_２量を測定することは既知である。更に上述のように、排気からのＣＯ_２は自動車で起こる燃焼プロセスの直接の結果である。排気中に生じるＣＯ_２量は一般的に燃焼プロセスに含まれる燃料の量に比例する。

排気プルーム中の煙の定式化はまた一般的に燃焼プロセスの結果である。従って、任意のエンジン操作条件に対して、生成される煙の量は生成されるＣＯ_２の量にも比例すると考えることが合理的である。それは：

であり、ここでｎ_ｓは煙の量であり、ｋは比例定数であり、ｎ_ＣＯ２はＣＯ_２の量である。

上式は、排気プルーム全体あるいは一部に関する全ての測定値が与えられるプルームのその一部に適合する。従って、ビアの法則は以下のように言い替えられる。

ここで、Ｋ_ｓはｋ_ｓとｋの生成物である。

上式は、ＥＭ放射線の１ビームと同時に生じるＣＯ_２の量を測定（ｎ_ＣＯ２）し、その後、同じ空間容積を介するＥＭ放射線の別のビームの透過率（Ｔ）を測定することにより、不透明度値Ｋｓは以下の式で算出されることを意味する。

ここで、Ｔは煙粒子を検知するのに充分に短く、また排気ガスの典型的なガスを吸収しそうにない波長（例えば、０．８−４μｍ、４００−８００ｎｍ、２００−２２３ｎｍ、２３３−４００ｎｍなど）の単色性ＥＭ放射線の測定透過率（Ｔ）である。Ｋｓの測定値とｋｓの文献値から、これは燃料の１キログラムあるいは１ガロン当りの粒子質量排気物質を直接測定することができる。

単色性不透明度測定装置の一つの態様として、自動車の排気物資を検出し、更に排気中の煙粒子を測定及び補正することができる遠隔排気検知装置（ＲＥＳ）を構成する。これは図８に示される。例えば、ＲＥＳは排気成分を検知できるＥＭ放射線を放射する線源１２及び排気プルーム１６の不透明度を検出できる単色性（すなわち一つあるいはほぼ一つの波長の）ＥＭ放射線線源８００を構成する。この放射線源１２及び８００の組合せは、異なる波長のＥＭ放射線を放射する多重源、多重波長を変えることができる単一放射線源、あるいはＥＭ伝達源の別の組合せを構成する。

図９は不透明度値Ｋｓを算出する方法を表示するフローチャートである。排気源成分の量は９００で測定される。測定は適当な時間（例えば単色性ＥＭ放射線が排気源へ伝送されるわずかに前、あるいはわずかに後あるいは同時）で始める。測定９００は適当な排気源成分（例えばＮＯ、ＮＯｘ、ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ，ＨＣ等）に対して行われるが、上述のように、ＣＯ_２の量を測定することが有利である。

単色性ＥＭ放射は排気源へ方向づけられ、９０２で表される。上述したように、これは適切な時間（前、後あるいは同時）に生じる。しかしながら、単色性ＥＭ放射及び測定９００が排気源の容積と実質同じ容積で行われることを保証することに特に注意しなければならない。例えば、実質同じ排気源の容積の測定はビーム伝送間のわずかな秒遅れ（例えば０−５秒）を利用するかあるいは結合ビームを排気源容積へ直接方向づけることにより実施される。

単色性ＥＭ放射線透過率の測定は９０４で実施される。透過率は適当な方法で（上述のように検出器１４などで）測定される。

不透明度Ｋｓの算出は９０６で実施される。算出は適当な方法で実施される。例えば、プロセッサ１００は以下の関係式に従って不透明度を算出するのに利用される。

いくつかの態様において、不透明度測定は非吸収煙粒子の質量平均径の平均値に匹敵する波長で実施される。例えばＥＭスペクトルの紫外線（ＵＶ）部における波長が使用される（例えば２００−４００ｎｍであって２２４−２３２ｎｍを含まない）。

更に、不透明度に選択されるＥＭ放射線の波長は排気成分（例えばＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ、ＮＯｘ、ＨＣなど）による吸収が実質ほとんどないＵＶスペクトル部から選択される。これは排気成分による吸収の影響を比較的受けないような透過率の測定が可能となる。

更に、不透明度を測定するのに使用される波長は実質単色性あるいは比較的狭い帯域である。比較的狭い帯域のＥＭ放射線を維持することによりビアの法則から導かれる算出はより正確となりまた良い実験合意を出す。（例えば、Ｋｓ及びｎｃｏ_２間のほぼ直線的相関関係など）。例えば、レーザあるいは分光計は比較的単色性の測定ＥＭ放射線を提供するのに使用される。別の放射源も利用される。

ＥＭ放射線を検出するのに使用される検出器は、また、使用されるＥＭ放射源のタイプによって選択される。例えば、ＵＶ放射線が線源から放出される場合、ＵＶ検出器が利用される。ある実施態様においては、ＵＶスペクトロメータは線源放射ＥＭ放射線を検出するのに利用される。別の検出器も利用される。

本発明の一実施態様において、排気物質の不透明度の測定は以下の構成に基づいて実施される。ＥＭ線源１２、８００はＥＭ放射線（例えば２０）のビームを排気プルーム１６へ方向づける。例えば、赤外線（ＩＲ）及びＵＶ線の結合ビームは自動車の排気プルームへ方向づけられる。ビームのＩＲ成分はＣＯ_２量及び別の排気成分を既知の方法で測定するのに使用される。ビームのＵＶ成分は排気プルームの同じ部分（すなわち空間容積）を介するビームの透過率を測定するのに使用される。透過率（Ｔ）及び排気成分の量（例えばｎｃｏ_２）は上述のように煙密度値（Ｋｓ）を算出するのに使用され、以下の式が利用される。

別の構成が排気成分（例えばＣＯ_２）及び不透明度の測定値を記録するのに利用される。例えば、ＥＭ放射線の第一ビーム（例えば線源１２からのもの）は第一時間での排気プルームの一部へ方向づけられ、ＥＭ放射線の第二ビーム（例えば線源８００からのもの）は排気成分及び透過率の量を記録するためにわずかに遅れて（例えば、ミリセカンドの割合）排気プルーム１６を介して方向付けられる。

ある態様において、不透明度値（Ｋｓ）は別の排気物質測定値に対して補正因子として利用される。例えば、Ｋｓはある場合において、排気成分濃度の相対量（ＣＯ、ＮＯ、ＮＯｘ、ＨＣ等の量）の測定値を補正するのに波長依存換算係数として使用される。

更に、不透明度値（Ｋｓ）は排気物監視に利用される個別の測定値として利用される。例えば、Ｋｓの値は記録され、適当な自動車操作条件の所定の表示値と比較される。例えば、所定の範囲外で記録されたＫｓ値は排気物質テストで監視されている自動車の「不良」の結果である。不透明度値における別の用途も可能である。

本発明の別の態様及び使用は当業者にとって明細書の考察及びここに記載される発明の実施例から明らかである。明細書及び実施例は単なる典型例として記載される。発明の範囲はここに添付される請求項に限られるものではない。

本発明の一つの実施態様に関する遠隔排気物質検出装置（ＲＥＳ）を示す。 本発明の一つの実施態様に関するデータ分析方法を示す。 本発明の一つの実施態様に関する処理装置を示す。 本発明の一つの実施態様に関する方法のフローチャートを示す。 本発明のいくつかの実施態様に関する多重波長不透明度測定装置の概略図を示す。 本発明のいくつかの実施態様に関するプロセッサの概略図を示す。 本発明のいくつかの実施態様に関する不透明度を測定する方法を示すフローチャートを示す。 本発明のいくつかの実施態様に関する単色不透明度測定装置を表す概略図を示す。 本発明のいくつかの実施態様に関する不透明度値を測定する方法を表す概略フローチャートを示す。

Claims (8)

1. 排気プルームの不透明度値を測定する方法であり、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長からなるビームを排気プルームへ方向づけ、
   ビームが排気プルームを通過した後そのビームを検出し、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長のそれぞれに対してビームが排気プルームを通過することにより生じるビームの強度の変化を測定し、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の測定された強度変化を比較し、電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致するかどうかを測定し、
   測定された強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致して測定されると、電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の測定された強度変化から不透明度値を測定し、更に、
   測定された強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致しないと測定されると、不透明度を測定することなく少なくとも２つの異なる波長の測定された強度変化を廃棄する工程から構成される方法。
2. 前記ビームは更に、
   赤外スペクトル内に存在する第１波長と、
   可視スペクトル内に存在する第２波長と、更に
   紫外線スペクトル内に存在する第３波長とから構成される請求項１記載の方法。
3. 走行中の自動車の排気物質を測定する遠隔排気検知装置を利用して不透明度を測定する方法であって、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長を排気プルームへ方向づけ、
   排気プルームを通過した後の電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長を検出し、
   排気プルーム中に存在する自動車排気成分の相対濃度を測定し、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長のそれぞれに対してビームが排気プルームを通過することにより生じる強度の変化を測定し、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長のそれぞれに対する強度変化を自動車排気成分の既知の相対濃度に対して相関し、
   自動車排気成分の既知の相対濃度に対して相関する電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長のそれぞれに対する有効不透明度値を記録し、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の強度変化を比較し、電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致するかどうかを測定し、
   測定された強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致して測定されると、有効不透明度値の平均値に比例する報告不透明度値を算出し、更に、
   測定された強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致しないと測定されると、報告不透明度を算出することなく少なくとも２つの異なる波長の測定された強度変化を廃棄する工程から構成される方法。
4. 更に、電磁放射線の第３の異なる波長を排気プルームへ方向づける工程から構成される請求項３記載の方法。
5. 電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の第１の波長は赤外スペクトル内に存在する波長からなり、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の第２の波長は可視スペクトル内に存在する波長からなり、
   電磁放射線の第３の異なる波長は紫外線スペクトル内に存在する波長からなる請求項４記載の方法。
6. 自動車排気プルームの不透明度を測定する遠隔検知装置であって、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長を排気プルームへ方向づける線源と、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長を検出し且つ出力信号を生成する検出器と、
   プロセッサであって、
   排気プルーム中に存在する自動車排気成分の相対濃度を測定する相対濃度モジュールと、
   少なくとも部分的に出力信号に基づく少なくとも２つの異なる波長に対してビームが排気プルームを通過することにより生じる強度変化を測定する強度変化モジュールと、
   自動車排気成分の相対濃度に対して少なくとも２つの異なる波長における強度変化を相関させ更に自動車排気成分の既知の相対濃度に相関する少なくとも２つの異なる波長のそれぞれに対して有効不透明度値を記録する相関モジュールと、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の強度変化を比較し、電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致するかどうかを測定し、
   測定された強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致して測定されると、有効不透明度値の平均値に比例する報告不透明度値を算出し、且つ
   測定された強度変化が少なくとも所定の等価値と比較して互いに一致しないと測定されると、報告不透明度を算出することなく少なくとも２つの異なる波長の測定された強度変化を廃棄する算出モジュールとからなるプロセッサとから構成される遠隔検知装置。
7. 第３の異なる波長とからなる電磁放射線の線源を更に構成する請求項６記載の装置。
8. 電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の第１の波長は赤外スペクトルに存在する波長であり、
   電磁放射線の少なくとも２つの異なる波長の第２の波長は可視スペクトルに存在する波長であり、更に
   第３の異なる波長は紫外線スペクトルに存在する波長である請求項７記載の装置。

Images