JP2010096631A - レーザ式ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で光軸調整範囲を広げたＬＤ出力部およびＬＤ光受光部を搭載して計測精度を向上させ、現場で光軸調整を行う場合、一人でも作業を可能として省力化をはかったレーザ式ガス分析計を実現する。
【解決手段】測定ガスが流れる管路に対向して配置された固定フランジと、この固定フランジに取付けフランジを介してそれぞれ固定された投光部モジュール及び受光部モジュールと、これら投光部モジュールまたは受光部モジュールを構成し取付けフランジに固定された所定の長さを有する接続管とこれらの接続管の内部の少なくとも一方に配置されレーザ又は受光素子のいずれかが固定された所定の長さを有する内管と、接続管の外周からねじ込まれ内管を接続管の長手方向に対して所定の角度に支持する複数の押しねじを備えた
。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ式ガス分析計に関し、詳しくは投光部モジュールから出射したレーザと受光部モジュールに設けた受光素子との光軸の調整機構を備えたレーザ式ガス分析計に関する。

ＣＯ，ＮＯ等の各種ガス濃度等を検出する分析計としてレーザ式ガス分析計が知られている。この分析計は、レーザ光を測定ガス雰囲気中に照射して、レーザ光の光路に存在する分子・原子によりレーザ光が光吸収されることを利用するものである。

レーザ吸収法を実現するレーザ分析計は、測定ガス雰囲気中に向けて測定用レーザ光を照射するレーザ光源と、測定空間を透過した測定用レーザ光を検出するレーザ光検出器（受光素子）と、このレーザ光検出器の出力信号を処理する演算処理装置と、により構成されている。

このようなレーザ分析計の従来技術として、例えば、図３に示すレーザ分析計が知られている。図３は従来技術のレーザ分析計の構成図である。図３において、１は測定ガス２が流れる管路である。管路１の途中には固定フランジ３ａ，３ｂが導管４ａ，４ｂを介して対向して配置されている。

１０ａは一端に取付けフランジ６ａが固定された投光部モジュールで、レーザ光源（ＬＤ）５を内蔵した光軸調整部７と、投光側ケース８で構成されている。１０ｂは一端に取付けフランジ６ｂが固定された受光部モジュールで、フォトダイオード（ＰＤ）７を内蔵した検出器ユニット１１と、受光側ケース９で構成されている。１３は制御部・表示部であり、ＬＤ５の出力を制御したり、ＰＤ７の出力を表示する。

上述の構成において、ＬＤ５から出力された測定用レーザ光Ａが管路１中を流れる測定ガス２に照射され、対向して配置された受光部モジュール１０ｂを構成するＰＤ７に入射する。

この計測は、光路上のガス等により測定用レーザ光が吸収され、この吸収量がガス等の濃度と関連することを利用してその濃度等を検出するものである。即ち、波長を連続的に変化させながら（変調をかけながら）測定用レーザ光を測定空間に照射しており、この結果得られるＰＤ７の出力信号を制御部を構成する演算処理装置（図示省略）で分析・演算することにより検出対象である分子・原子のデータを得るものである。

このようなレーザ式ガス分析計に関する先行技術としては次のような特許文献が知られている。
特開２００２−２７７３９１号公報 特開２００７−１７０８４１号公報 特開２００８−１１６３６８号公報

ところで、上述の構成のレーザ式ガス分析計は、煙道など排気ガスが流れる箇所に直接設置されるが、その光路長さが１ｍから１０ｍ程度になることがあり、最初の分析計設置時にレーザ発光部を機械的に位置決めして光軸調整をする必要がある。

このような調整機構について図を参照して説明する。図４は従来技術のレーザ分析計の調整機構の構成図である。図４に示すように例えば管路（煙道）１の管壁に導管４を介して溶接等で固定フランジ３を固定しておき、この固定フランジ３にＯリング１４を介して取付けフランジ６が固定される。

このように固定フランジ３と取付けフランジ６との間で挟み込まれて固定されるＯリング１４の存在により、管路（煙道）１内の測定ガス２が外へ漏れたり、また、管路１内へ外気が入り込まないようにしてある。

そして、このような固定フランジ３や取付けフランジ６は投光部モジュール１０ａと受光部モジュール１０ｂの両側に取付けられている。投光部モジュール１０ａにはＬＤ５が固定される。なお、図４で示す構造は説明のため最も簡単な構造を示すものであり、図では省略するが、受光部モジュール１０ｂ側でも、固定フランジ３、Ｏリング１４および取付けフランジ６により、ＰＤ７が同様な機構により位置決め調整可能にされている。

次に調整について説明する。投光部モジュール１０ａ側と受光部モジュール１０ｂ側との固定フランジ３は数ｍ以上離れ、さらに管路１の管壁に溶接されるものであるため、レーザ光の光軸を完全に一致させて精度良く固定することは現実的には不可能である。

そこで、光軸調整が必要となる。この光軸調整であるが、Ｏリング１４の弾力性により取付けフランジ６が移動できることに着目し、調節ねじ１５により固定フランジ３に対し取付けフランジ６を矢印Ｂ方向に傾けるように移動させ、取付けフランジ６に取付けられたＬＤ５やＰＤ７を傾かせて、光軸の角度調整を行っている（図３参照）。

しかしながら、このようなＯリング１４の弾力性を利用する光軸調整機構では、傾斜可能な光軸角度が数ｄｅｇ程度しかないため調整能力が低く、特に溶接により取付け精度が低い固定フランジ３を基準としているため、光軸を合わせられないおそれがあるという問題があった。

また、地震や衝突などにより管路１が振動を受けると、調節ねじ１５も振動を受けて、取付けフランジ６が動いて光軸にズレが生じ計測精度が低下するという問題点があった。

また、このようなレーザ式ガス分析計においては、光軸調整時、検出器からの透過光量をモニタしながら光軸をあわせることが重要であるが、図３に示す従来の装置では、投光側、受光側の両ユニット部に作業者が認識できる「透過光量」を示すようなものが存在しない。そのため、別の人が制御部、表示部で値を確認しながら、作業者が調整を行う必要があった。なお、可視ＬＥＤにより光軸を調整する機器もあるが、ＬＥＤの波長とＬＤの波長では波長帯が異なるために屈折率差により、厳密な光軸合わせが実施できないという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成で光軸調整範囲を広げたＬＤ出力部およびＬＤ光受光部を提供することにある。さらに、このようなＬＤ光出力部およびＬＤ光受光部を搭載して計測精度を向上させ、現場で光軸調整を行う場合、一人でも作業を可能として省力化をはかったレーザ式ガス分析計を提供することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のレーザ式ガス分析計においては、
測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
前記測定ガスが流れる管路に対向して配置された固定フランジと、この固定フランジに取付けフランジを介してそれぞれ固定された投光部モジュール及び受光部モジュールと、 これら投光部モジュールまたは受光部モジュールを構成し前記取付けフランジに固定された所定の長さを有する接続管と
これらの接続管の内部の少なくとも一方に配置されレーザ又は受光素子のいずれかが固定された所定の長さを有する内管と、
前記接続管の外周からねじ込まれ前記内管を前記接続管の長手方向に対して所定の角度に支持する複数の押しねじを備えたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記内管の一端にはレーザ（または集光レンズ）、他端にはコリメートレンズ（または受光素子）が気密に配置され、これらレーザ（または集光レンズ）と他端に配置されたコリメートレンズ（または受光素子）で構成される空間を気体でパージするための貫通孔を設けたことを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記複数の押しねじは少なくとも３本を一組として前記接続管の外周に所定の距離を隔てて２組設けられ、前記一組のねじのそれぞれは接続管の外周を等分した位置で前記内管を支持することを特徴とする。

請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ式ガス分析計において、
前記内管の少なくとも一方の外周に前記接続管の内周に気密に接する弾性部材を設けたことを特徴とする。

請求項５においては、請求項４に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記弾性部材は前記内管の外周に気密に固定されたシールリングの外周に配置され内部に気体が封入されたことを特徴とする。

請求項６においては、請求項１に記載のレーザ式ガス分析計において、
前記投光部モジュール及び受光部モジュールに前記受光素子の出力をモニタリングするためのインジケータを設けたことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１，３によれば、接続管の外周からねじ込まれ接続管を所定の角度に支持する複数の押しねじを備えたので、従来例に比較して光軸調整範囲を広げたレーザ式ガス分析計を実現することができる。

請求項２，４，５によれば、
内管の一端にはレーザ（または集光レンズ）、他端にはコリメートレンズ（または受光素子）を気密に配置して、これらレーザ（または集光レンズ）と他端に配置されたコリメートレンズ（または受光素子）で構成される空間を気体でパージするので、レーザとコリメートレンズの間や集光レンズと受光素子の間を清浄に維持することができ、精度の高いレーザ式ガス分析計を実現することができる。

請求項６によれば、投光部モジュール及び受光部モジュールの少なくとも一方に受光素子の出力をモニタリングするためのインジケータを設けたので、光軸調整作業の省力化をはかったレーザ式ガス分析計を実現することができる。

図１（ａ，ｂ）は本発明のレーザ式ガス分析計の実施形態の一例を示すもので、図１（ａ）は要部構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の一部拡大断面図である。
これらの図において、図３に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。
図１（ａ）において、２０ａは投光部モジュールであり、接続管２１ａの一端に固定された投光側ケース１８および取付けフランジ６ａで構成されており、取付けフランジ６ａは固定フランジ３ａに取り付けられている。同様に受光部モジュール１０ｂも接続管２１ｂの一端に固定された受光側ケース１９および取付けフランジ６ｂで構成されており、取付けフランジ６ａは固定フランジ３ａに取り付けられている。

図１（ｂ）は投光部モジュール２０ａを構成する接続管２１ａの断面拡大図を示すが、受光部モジュール２０ｂを構成する接続管２１ｂもＬＤがＰＤとなり、コリメートレンズが集光レンズとなりその位置が異なるほかは同様の構成となっている。ここでは投光部モジュール２０ａの構成について説明する。

接続管２１ａの中には接続管２１ａと同じか少し短かく所定の長さを有する内管２２が長手方向の中心付近に配置されている。２３は接続管２１ａの外周から内周に貫通して設けられた押しねじであり、図では４本を一組として接続管２１ａの外周に所定の距離を隔てて２組設けられており、一組のねじのそれぞれは接続管の外周を４等分した位置で内管２２を支持している。

内管２２の一端にはＬＤ５が、他端にはコリメートレンズ２４が気密に配置されている。２５ａ，２５ｂは接続管２１ａの外周に所定の距離を隔てて形成された貫通孔、２６ａ，２６ｂは内管の外周に所定の距離を隔てて形成された貫通孔である。

２７は内管２２の両端付近の外周に形成されたシールリングで、このシールリング２７の内周と内管２２の外周は気密に固定されている。２８はシールリングの外周の両側に沿って形成された保持リングであり、この保持リング２８内に弾性部材（例えばゴム）２９がシールリング２７の外周に沿って配置されている。ゴム２９は中空に形成され、中空部には気体が充填されている。中空ゴムの外周は接続管２１ａの内周に気密に接するように配置されている。

上述の構成によれば、所定の距離を隔てて対向して配置された一組の４本の押しねじを出し入れして調整することにより内管２２の角度を上下左右に自在に動かすことが可能である。そして、ゴムの外周が押圧されて保持リング２８の外周が接続管２１ａの内周に接して調整不能になった場合は、ゴム２９に更に気体を注入して膨張させれば角度調整範囲を拡げることができる。

また、接続管２１ａの外周に形成した貫通孔２５ａから矢印イ方向に空気を注入し、矢印ロの方向に排出すれば内管２２のＬＤ５とコリメータレンズ２４で形成される空間をパージして清浄に保持することができ空間に異種ガスが侵入して生じる精度劣化を招くことを防止することができる。

図２は請求項６に関する実施例を示すもので、この例においては投光側モジュール２０ａと受光側モジュール２０ｂの両方に内管を配置する。そして、投光部モジュール２０ａ及び受光部モジュール２０ｂにＰＤ（受光素子）の出力をモニタリングするためのインジケータ３０を設けている（配線は省略）。

図２の構成によれば、投光部モジュール２０ａと受光部モジュール２０ｂにＰＤ（受光素子）の出力をモニタリングするためのインジケータ３０を設けているので、図１に示す押しねじ２３の調整によってＬＤ５からの光が正確にＰＤ７を照射しているか否かを投光側と受光側の両方で観察することができる。その結果、現場で光軸調整を行う場合、一人でも作業が可能となり省力化をはかったレーザ式ガス分析計を実現することができる。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。図１では投光部モジュール２０ａのみに内管２２を設けたが受光部モジュール２０ｂにも同様の内管を設けて両方で光軸合わせを行う構成としてもよい。また、図２においてはインジケータ３０を投光部モジュール２０ａと受光部モジュール２０ｂの両方に設けたが一方にのみ設けたものであってもよい。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明のレーザ式ガス分析計の実施形態の一例を示す要部構成図および要部断面拡大断面図である。 投光側モジュールと受光側モジュールにモニタ用インジケータを設けた状態を示す要部構成図である。 従来のレーザ式ガス分析計の一例を示す要部構成図である。 従来の光軸合わせの要部構成を示すである。

符号の説明

１ 管路
２ 測定ガス
３ 固定フランジ
４ 導管
５ レーザダイオード（ＬＤ）
６ 取付けフランジ
７ フォトダイオード（ＰＤ）
８，１８ 投光側ケース
９，１９ 受光側ケース
１０ａ，２０ａ 投光部モジュール
１０ｂ，２０ｂ 受光部モジュール
１１ 検出器ユニット
１４ リング
１５ 調節ねじ
２１ 接続管
２２ 内管
２３ 押ねじ
２４ コリメートレンズ
２５，２６ 孔
２７ シールリング
２８ 保持リング
２９ 弾性体（ゴム）
３０ インジケータ

Claims (6)

1. 測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析計において、
   前記測定ガスが流れる管路に対向して配置された固定フランジと、この固定フランジに取付けフランジを介してそれぞれ固定された投光部モジュール及び受光部モジュールと、 これら投光部モジュールまたは受光部モジュールを構成し前記取付けフランジに固定された所定の長さを有する接続管と
   これらの接続管の内部の少なくとも一方に配置されレーザ又は受光素子のいずれかが固定された所定の長さを有する内管と、
   前記接続管の外周からねじ込まれ前記内管を前記接続管の長手方向に対して所定の角度に支持する複数の押しねじを備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
2. 前記内管の一端にはレーザ（または集光レンズ）、他端にはコリメートレンズ（または受光素子）が気密に配置され、これらレーザ（または集光レンズ）と他端に配置されたコリメートレンズ（または受光素子）で構成される空間を気体でパージするための貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析計。
3. 前記複数の押しねじは少なくとも３本を一組として前記接続管の外周に所定の距離を隔てて２組設けられ、前記一組のねじのそれぞれは接続管の外周を等分した位置で前記内管を支持することを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析計。
4. 前記内管の少なくとも一方の外周に前記接続管の内周に気密に接する弾性部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ式ガス分析計。
5. 前記弾性部材は前記内管の外周に気密に固定されたシールリングの外周に配置され内部に気体が封入されたことを特徴とする請求項４に記載のレーザ式ガス分析計。
6. 前記投光部モジュール及び受光部モジュールに前記受光素子の出力をモニタリングするためのインジケータを設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析計。

Images