JP5234381B1 - Laser oxygen analyzer - Google Patents
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
【課題】パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度の測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計を提供する。
【解決手段】発光部１００は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部３００および受光部側パージ部４００のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長のレーザ光を発光し、受光部４００は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光するようなレーザ式酸素ガス分析計とした。
【選択図】図５[PROBLEMS] To show almost sensitivity to purge gas and low-temperature oxygen gas contained in the atmosphere by utilizing the temperature difference between the oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas. There is no laser-type oxygen that detects the presence or absence of oxygen gas or measures the concentration of only the oxygen gas contained in the measurement target gas so as to show sensitivity only to the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas. Provide a gas analyzer.
A light emitting unit has a high absorption intensity of a high temperature oxygen gas to be measured, and an absorption intensity of a low temperature oxygen gas contained in a purge gas of a light emitting unit side purge unit and a light receiving unit side purge unit. The light-receiving unit 400 is a laser-type oxygen gas analyzer that receives detection light in which a large amount of high-temperature oxygen gas to be measured is absorbed.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、ガス温度の吸収強度差を利用してボイラ内の高温酸素濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計に関する。 The present invention relates to a laser-type oxygen gas analyzer that measures a high-temperature oxygen concentration in a boiler using a difference in absorption intensity of gas temperature.
気体中のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。例えば、図２４は、Ｏ２ガス（酸素ガス）の光吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示している。縦軸の吸収強度が大きいほど吸光量が大きくなる。レーザ式酸素ガス分析計は、測定対象である酸素ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載しており、この特定波長のレーザ光を酸素ガスに吸光させることで酸素ガスの有無を検出することができる。加えてレーザ式酸素ガス分析計はレーザ光の特定波長の吸収量が酸素ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。 It is known that each gas molecule in gas has its own light absorption spectrum. For example, FIG. 24 shows an example of a light absorption spectrum of O 2 gas (oxygen gas), where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption intensity. As the absorption intensity on the vertical axis increases, the amount of light absorption increases. The laser type oxygen gas analyzer is equipped with a laser element that emits laser light with a wavelength that is absorbed by the oxygen gas to be measured, and the presence or absence of oxygen gas by absorbing the laser light with a specific wavelength into the oxygen gas. Can be detected. In addition, the laser oxygen gas analyzer can detect the concentration because the amount of absorption of the laser beam at a specific wavelength is proportional to the concentration of oxygen gas.
レーザ式酸素ガス分析計のガス濃度の測定方法としては、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。周波数変調方式による濃度測定装置は、例えば後述する特許文献１にも記載されているものである。本発明も周波数変調方式によるレーザ式酸素ガス分析計に関するものである。
Gas concentration measurement methods for a laser oxygen gas analyzer are roughly classified into a two-wavelength difference method and a frequency modulation method. A concentration measuring apparatus using a frequency modulation method is also described in, for example,
また、周波数変調では発光波長を変化させる必要があるが、このような発光波長の制御に関し、例えば、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、レーザ素子の発光波長を温度によって制御する方法も用いられており、例えば後述する特許文献２にも記載されているものである。
In addition, in the frequency modulation, it is necessary to change the emission wavelength. Regarding the control of the emission wavelength, for example, using a reference gas cell in which the same gas component as that of the measurement target gas is preliminarily sealed, the emission wavelength of the laser element is changed to the temperature. The control method is also used, for example, as described in
このようなレーザ式酸素ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、具体的には主にゴミ焼却場などのボイラの燃焼制御に使用されることが多い。ボイラの燃焼制御に用いられるレーザ式酸素ガス分析計が対象とする測定対象ガスの温度は、７００〜１２００℃と高温である。そこで、熱による装置保護やダストによる汚れ付着を防止するために、ガスによるパージ（以下ガスパージという）を常時行う必要がある。図２５はレーザ式酸素ガス分析計をボイラなどの測定場所に設置した時の外観構造と、測定対象となる煙道ガスおよびパージガスの流れを示したものである。壁４０内には燃焼により生じた煙道ガスが通流している。また、パージガスがパージガス入口２０，６０から導入され、パージガスが発光部ボックス１０や受光部ボックス７０の表面のレンズやガラス窓の汚れを防止している。ガスパージは相フランジ３０，５０を経て壁４０内にパージガスが排出される。
Such a laser-type oxygen gas analyzer is particularly used for atmospheric environment measurement and control applications, and specifically, is often used mainly for combustion control of boilers such as garbage incinerators. The temperature of the measurement target gas targeted by the laser oxygen gas analyzer used for boiler combustion control is as high as 700 to 1200 ° C. Therefore, in order to protect the apparatus due to heat and to prevent contamination due to dust, purging with gas (hereinafter referred to as gas purging) must always be performed. FIG. 25 shows the external structure when a laser-type oxygen gas analyzer is installed at a measurement location such as a boiler, and the flow of flue gas and purge gas to be measured. In the
このパージガスとしては計装窒素が望ましい。この理由であるが、仮に計装空気を使用するとなると、計装空気には酸素が含まれており、煙道の酸素ガスの分析ではこのパージガス中の酸素ガスによる影響を受けるためである。しかしながら、計装窒素の利用は設備コストや運用コストを要するため、主に製鉄所や鉄鋼所のような火災・爆発の危険性がある場所にしか採用されておらず、一般的な焼却炉では計装空気を使用している。 As this purge gas, instrumentation nitrogen is desirable. For this reason, if instrument air is used, the instrument air contains oxygen, and the analysis of the oxygen gas in the flue is affected by the oxygen gas in the purge gas. However, the use of instrumentation nitrogen requires equipment and operation costs, so it is mainly used only in places where there is a risk of fire and explosion, such as steelworks and steelworks, and in general incinerators. Instrument air is used.
先に述べた計装空気には通常では約２０．６ｖｏｌ％の酸素が含まれている。レーザ式酸素ガス分析計は、パージガスとして計測空気を使用する場合にこの約２０．６ｖｏｌ％の酸素の影響を受ける。この影響を回避するため計装空気に含まれる酸素ガスの酸素量を求め、予めオフセットとして濃度換算して測定する方法が考えられる。しかしながら、一般的にボイラ内で制御する酸素ガスの酸素量は数ｖｏｌ％（例えば３〜７ｖｏｌ％）であり、計装空気に含まれる酸素濃度の方が相対的に高くなるため、測定精度に影響がでる。最悪の場合、十分なＳ／Ｎが得られないこともある。このため、燃焼制御で使用する酸素計はレーザ式酸素ガス分析計を使用することなく、定期的な清掃などメンテナンス頻度が高い他方式の酸素計（ジルコニア酸素計）を使用してきた。 The instrument air described above normally contains about 20.6 vol% oxygen. The laser oxygen gas analyzer is affected by the oxygen of about 20.6 vol% when measuring air is used as the purge gas. In order to avoid this influence, a method is conceivable in which the oxygen amount of the oxygen gas contained in the instrument air is obtained and the concentration is converted in advance as an offset and measured. However, in general, the oxygen amount of the oxygen gas controlled in the boiler is several vol% (for example, 3 to 7 vol%), and the oxygen concentration contained in the instrument air becomes relatively high, so that the measurement accuracy is improved. It has an effect. In the worst case, sufficient S / N may not be obtained. For this reason, the oxygen meter used in combustion control has not used a laser-type oxygen gas analyzer, but has used another type of oxygen meter (zirconia oxygen meter) with high maintenance frequency such as periodic cleaning.
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to utilize the temperature difference between the oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas, About the oxygen gas contained in the measurement target gas so as to show sensitivity only to the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas, although the sensitivity to the purge gas and the low-temperature oxygen gas contained in the atmosphere is hardly exhibited. The only object is to provide a laser-type oxygen gas analyzer that detects the presence or absence of oxygen gas and measures its concentration.
本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、酸素ガスの温度が異なる場合には吸収強度が異なるという物理的現象を利用し、特に高温の酸素ガスの吸収強度が大きいような特定波長で吸光させるというものであり、測定対象ガスに含まれる酸素ガスのうち、装置保護やダスト付着防止用を目的としたパージガスに使用する計装空気中の低温の酸素ガス、および、パージガスではない装置内の空気中の低温の酸素ガス、に影響されることなく、例えば、ゴミ焼却場施設などのボイラ内の測定対象ガスのうち４００℃以上の高温の酸素ガスのガス濃度のみをレーザ光により測定するようにした。 The laser oxygen gas analyzer of the present invention uses a physical phenomenon that absorption intensity differs when the temperature of oxygen gas is different, and absorbs light at a specific wavelength where the absorption intensity of high-temperature oxygen gas is particularly high. Of the oxygen gas contained in the gas to be measured, low-temperature oxygen gas in instrument air used for purge gas for the purpose of protecting the device and preventing dust adhesion, and in the air inside the device that is not purge gas Without being affected by the low-temperature oxygen gas, for example, only the gas concentration of the high-temperature oxygen gas of 400 ° C or higher among the measurement target gas in the boiler of the garbage incineration facility or the like is measured by the laser beam. .
すなわち本発明の請求項１に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とする。
That is, the laser oxygen gas analyzer according to
A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space where oxygen gas to be measured exists, and a light emitting unit side purge that supplies purge gas by air to the light emitting unit A frequency-modulation-type laser oxygen gas analyzer that measures the concentration of oxygen gas, and a light-receiving unit-side purge unit that supplies a purge gas by air to the light-receiving unit,
The light emitting section has an absorption wavelength such that the absorption intensity of the high temperature oxygen gas to be measured is large and the absorption intensity of the low temperature oxygen gas contained in the purge gas of the light emitting section side purge section and the light receiving section side purge section is small. A laser beam scanned at a scanning wavelength in a predetermined range including the light is emitted, and the light receiving unit receives detection light in which a large amount of high-temperature oxygen gas to be measured is absorbed.
また、本発明の請求項２に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項１に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
Further, a laser type oxygen gas analyzer according to
The laser oxygen gas analyzer according to
The absorption wavelength is a wavelength in which an absorption peak is included in a range of 759.63 nm to 759.64 nm.
また、本発明の請求項３に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの有無の検出または酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to
A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space where oxygen gas to be measured exists, and a light emitting unit side purge that supplies purge gas by air to the light emitting unit A frequency-modulated laser-type oxygen gas analyzer that detects the presence or absence of oxygen gas or measures the concentration of oxygen gas. ,
The light emitting unit
It has a predetermined range including an absorption wavelength such that the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is large, and the absorption intensity of the low-temperature oxygen gas contained in the purge gas of the light emitting unit side purge unit and the light receiving unit side purge unit is small. A laser element that emits detection light by laser light scanned at a scanning wavelength;
A light emission side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the laser element;
A high frequency modulation signal for modulating the emission wavelength with respect to a wavelength scanning drive signal including a variable drive signal for changing the emission wavelength of the laser element to a scanning wavelength within a predetermined range so as to scan the absorption wavelength of oxygen gas. A laser drive signal generator that combines and outputs the laser drive signal;
A current controller that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current and supplies the current to the laser element;
With
The light receiving unit is
A light receiving element having sensitivity to laser light, which is detection light in which a large amount of high-temperature oxygen gas to be measured is absorbed;
A synchronous detection unit that detects an amplitude of a second harmonic signal that is a double frequency component of a modulation signal in the light source unit from an output signal of the light receiving unit, and outputs a detection signal;
A filter circuit for removing noise from the output signal of the light receiving unit;
A calculation unit that functions as means for calculating the amount of oxygen gas based on the detection signal output from the filter circuit and measuring the concentration of oxygen gas based on the amount of light absorption;
It is characterized by providing.
また、本発明の請求項４に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
A laser type oxygen gas analyzer according to
In the laser type oxygen gas analyzer according to
The absorption wavelength is a wavelength in which an absorption peak is included in a range of 759.63 nm to 759.64 nm.
また、本発明の請求項５に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to
In the laser type oxygen gas analyzer according to
The computing unit is
A part or all of the gas absorption waveform of the detection signal is integrated, and functions as means for detecting the concentration of the gas to be measured from the integrated value.
また、本発明の請求項６に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to
In the laser type oxygen gas analyzer according to
The computing unit is
It functions as means for detecting the concentration of the gas to be measured from the difference between the maximum value and the minimum value of the gas absorption waveform of the detection signal.
また、本発明の請求項７に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to claim 7 of the present invention is
In the laser type oxygen gas analyzer according to
The computing unit is
It functions as means for detecting the concentration of the gas to be measured from a value obtained by multiplying the difference between the maximum value and the minimum value of the gas absorption waveform of the detection signal by a gas concentration conversion coefficient.
また、本発明の請求項８に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項７の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to
In the laser type oxygen gas analyzer according to any one of
The wavelength scanning drive signal further includes an offset signal, and is a signal in which the variable drive signal and the offset signal are repeated at a constant cycle,
The offset signal is a value that supplies a current equal to or greater than a threshold current value of the laser element to the laser element.
また、本発明の請求項９に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to
In the laser type oxygen gas analyzer according to any one of
A pulse-like trigger signal output from the laser drive signal generation unit is synchronized with the wavelength scanning drive signal, and the calculation unit performs calculation at a synchronized timing.
また、本発明の請求項１０に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項９に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させたことを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to claim 10 of the present invention is
In the laser type oxygen gas analyzer according to
The trigger signal is synchronized with the timing of the wavelength scanning drive signal that makes the drive current of the laser element zero.
また、本発明の請求項１１に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記検出信号のガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to claim 11 of the present invention is
In the laser type oxygen gas analyzer according to any one of
The light receiving unit further includes an extraction unit that extracts a component of the wavelength scanning drive signal from an output signal of the light receiving unit,
The calculation unit functions as means for correcting the amplitude of the gas absorption waveform of the detection signal using a received light amount correction coefficient that is a ratio between an output signal of the extraction unit and a received light amount setting value.
また、本発明の請求項１２に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項１１に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とする。
A laser type oxygen gas analyzer according to claim 12 of the present invention includes:
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 11,
The calculation unit sets the received light amount setting value to a level of an output signal of the extraction unit when the received light amount is maximum.
本発明によれば、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。 According to the present invention, by using the temperature difference between the purge gas and the oxygen gas contained in the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas, the sensitivity to the low-temperature oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere is increased. A laser that rarely shows, but detects only the oxygen gas contained in the measurement target gas and performs concentration measurement only for the oxygen gas contained in the measurement target gas so as to show sensitivity only to the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas. An oxygen gas analyzer can be provided.
続いて、本発明のレーザ式酸素ガス分析計について以下に説明する。まず、本発明の特徴をなす検出原理について説明する。
図１に酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収スペクトラムを示す。この酸素ガスの吸収線はそれぞれが線状のスペクトラムで表わされる。そして、一般的には、図２の酸素ガス温度別吸収スペクトラムで示すように温度依存性があり、酸素ガスの温度が高くなると同じ酸素濃度でも吸収強度が低下し、検出時において、見かけ上の濃度が低下する。
Next, the laser oxygen gas analyzer of the present invention will be described below. First, the detection principle that characterizes the present invention will be described.
FIG. 1 shows an absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas). Each of the oxygen gas absorption lines is represented by a linear spectrum. In general, as shown in the absorption spectrum for each oxygen gas temperature in FIG. 2, there is temperature dependence, and as the temperature of the oxygen gas increases, the absorption intensity decreases even at the same oxygen concentration. The concentration decreases.
先に説明したように、レーザ式酸素ガス分析計は炉内の熱から装置を保護するため、また、ダストの付着を防ぐためガスパージを行っている。パージガスに窒素を使えば、測定対象である酸素ガスの酸素濃度に影響を与えることはないが、窒素は設備コストやランニングコストを要するため、計装空気が使用されている。 As described above, the laser oxygen gas analyzer performs a gas purge to protect the apparatus from the heat in the furnace and to prevent the adhesion of dust. If nitrogen is used as the purge gas, the oxygen concentration of the oxygen gas to be measured will not be affected, but since nitrogen requires equipment costs and running costs, instrument air is used.
図３は、一般的な燃焼制御用途であって、パージガスとして計装空気を使用したときのレーザ式酸素ガス分析計の酸素濃度分布と光路長の関係を示している。パージガス中の酸素ガスのガス濃度は２０．６ｖｏｌ％であり、測定対象ガス中の酸素ガスのガス濃度は３〜７ｖｏｌ％である。パージガス中の酸素ガスが存在する区間のパージ部距離は１ｍ×２であり、測定対象ガス中の酸素ガスが存在する区間の煙道距離は２〜４ｍである。 FIG. 3 is a general combustion control application, and shows the relationship between the oxygen concentration distribution and the optical path length of a laser oxygen gas analyzer when instrumented air is used as the purge gas. The gas concentration of the oxygen gas in the purge gas is 20.6 vol%, and the gas concentration of the oxygen gas in the measurement target gas is 3 to 7 vol%. The purge section distance in the section where the oxygen gas in the purge gas exists is 1 m × 2, and the flue distance in the section in which the oxygen gas in the measurement target gas exists is 2 to 4 m.
レーザ式酸素ガス分析計における酸素濃度と光路長との関係はLambert-Beerの法則により、得られる信号強度はガス濃度とそのガスが存在する距離に比例する。Lambert-Beerの式を数１に記す。
The relationship between the oxygen concentration and the optical path length in a laser oxygen gas analyzer is based on Lambert-Beer's law, and the signal intensity obtained is proportional to the gas concentration and the distance in which the gas exists. The Lambert-Beer equation is shown in
［数１］
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ（０）・ｅｘｐ［−ｋｓ・ｎｓ・Ｌｓ］
Ｉ（Ｌ）：受光光量 ｋｓ：ガス係数
Ｉ（０）：発光光量 ｎｓ：ガス濃度
Ｌｓ：煙道またはセル長
[Equation 1]
I (L) = I (0) · exp [−ks · ns · Ls]
I (L): received light quantity ks: gas coefficient
I (0): Light emission quantity ns: Gas concentration
Ls: Flue or cell length
よって、信号強度はガス濃度と距離の乗算値に影響される点が理解できる。一般にレーザ式酸素ガス分析計では計測レンジを設定できるが、燃焼制御用で使用するレーザ式酸素ガス分析計のレンジは大気中の酸素が２０．６ｖｏｌ％であることから、２５ｖｏｌ％を選ぶことが大半である。 Therefore, it can be understood that the signal intensity is influenced by the product of the gas concentration and the distance. In general, the measurement range can be set with a laser oxygen gas analyzer, but the range of the laser oxygen gas analyzer used for combustion control is 20.6 vol% in the atmosphere, so 25 vol% can be selected. The majority.
この図３のモデルで０℃の測定レンジに対するパージエアの酸素濃度比率は（２０．６ｖｏｌ％×パージ部距離）／（２５ｖｏｌ％×煙道距離）で表されるが、パージ部距離＝２、煙道距離＝２〜４であることから酸素濃度比率＝０．４１〜０．８２倍となり、１倍以下である。 In the model of FIG. 3, the oxygen concentration ratio of purge air with respect to the measurement range of 0 ° C. is expressed by (20.6 vol% × purge section distance) / (25 vol% × flue distance), but purge section distance = 2, smoke Since the road distance is 2 to 4, the oxygen concentration ratio is 0.41 to 0.82 times, which is 1 time or less.
しかしながら、実際の燃焼制御の環境では、図２の一般的な酸素ガスの温度別吸収強度に従うものであって、８００℃の吸収強度が０℃の吸収強度の１５％程度であり、この場合にはパージエアの酸素濃度は測定対象の酸素濃度に対して、（２０．６ｖｏｌ％×パージ部距離）／（煙道内濃度ｖｏｌ％×煙道距離×０．１５）で表されるが、パージ部距離＝２、煙道距離＝２〜４、煙道内濃度＝３〜７であることから酸素濃度比率＝９．８〜４５．８倍になり、パージガスの影響が大きくなっている。 However, in an actual combustion control environment, the general oxygen gas absorption intensity according to temperature in FIG. 2 is followed, and the absorption intensity at 800 ° C. is about 15% of the absorption intensity at 0 ° C. In this case, The oxygen concentration of the purge air is expressed by (20.6 vol% × purge part distance) / (flue concentration vol% × flue distance × 0.15) with respect to the oxygen concentration to be measured. = 2, flue distance = 2-4, and concentration in the flue = 3-7, so that the oxygen concentration ratio is 9.8-45.8 times, and the influence of the purge gas is large.
また、０℃の測定レンジに対する８００℃の測定ガスの吸収強度（煙道内濃度ｖｏｌ％×０．１５）／２５×１００で表されるが、煙道内濃度＝３〜７であることから吸収強度＝１．８〜４．２％ＦＳとなり、フルスケールに対してわずか２〜４％でしかない。 Moreover, although it represents with the absorption intensity of 800 degreeC measurement gas with respect to a 0 degreeC measurement range (concentration in flue vol% x 0.15) / 25x100, since the concentration in flue = 3-7, absorption intensity = 1.8 to 4.2% FS, which is only 2 to 4% of the full scale.
以上から、燃焼制御環境下では外乱にあたるパージエアの酸素の吸収強度が相対的に大きくなり、また測定ガスの吸収強度はガス温度の影響で小さくなり、十分なＳ／Ｎが得られない状態になる。 From the above, under the combustion control environment, the oxygen absorption intensity of the purge air, which is a disturbance, becomes relatively large, and the absorption intensity of the measurement gas becomes small due to the influence of the gas temperature, so that a sufficient S / N cannot be obtained. .
そこでこのような問題を回避するため、燃焼制御で使用する酸素の吸収線スペクトラムは図４のようなガス温度特性をもつ吸収波長を選定する。この吸収波長は、例えば所定範囲７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークがある波長である。この波長における吸収線の特長は常温付近では酸素を殆ど吸収しないが、ガス温度が高くなると酸素の吸収が発生し、４００〜１２００℃の吸収強度は常温に対し十分な大きさがあり、吸収強度の変化量も最大吸収強度から約２０％の範囲で収まる。 Therefore, in order to avoid such a problem, an absorption wavelength having gas temperature characteristics as shown in FIG. 4 is selected for the absorption line spectrum of oxygen used in combustion control. This absorption wavelength is, for example, a wavelength having an absorption peak within a predetermined range of 759.63 nm to 759.64 nm. The characteristic of the absorption line at this wavelength is that it absorbs almost no oxygen near room temperature, but oxygen absorption occurs when the gas temperature rises, and the absorption intensity at 400 to 1200 ° C. is sufficiently large with respect to room temperature. The amount of change also falls within the range of about 20% from the maximum absorption intensity.
そのため４００℃の吸収強度を基準とした場合、常温雰囲気であるパージガスの酸素濃度は殆ど無視することができ、図３のモデルで実際の燃焼制御の環境下のパージエアの酸素濃度は測定対象の酸素濃度に対してほぼ０となり、０℃の測定レンジに対する８００℃の測定ガスの吸収強度は１４〜３４％ＦＳになり、パージエアを使用しても、その影響を受けることが殆どなく、また十分なＳ／Ｎを得ることができる。 Therefore, when the absorption intensity at 400 ° C. is used as a reference, the oxygen concentration of the purge gas, which is a normal temperature atmosphere, can be almost ignored, and the oxygen concentration of the purge air under the actual combustion control environment in the model of FIG. The absorption intensity of the measurement gas at 800 ° C. with respect to the concentration range of 0 ° C. is 14 to 34% FS, and even if purge air is used, it is hardly affected by the concentration, and is sufficient. S / N can be obtained.
このようにパージ部に流す計装空気であるパージガスに含まれる酸素ガスと測定対象の酸素ガスとを、特定波長のガス温度差によって生じる吸収強度の違いを利用し、パージ部へ流す計装空気に含まれる酸素ガスやパージ部等の装置内の酸素ガスの影響を殆ど受けることなく、測定対象の高温の酸素濃度を効率よく測定するレーザ式酸素ガス分析計とした。 In this way, the instrumentation air that flows into the purge unit using the difference in absorption intensity caused by the gas temperature difference of the specific wavelength between the oxygen gas contained in the purge gas that is instrumentation air that flows to the purge unit and the oxygen gas to be measured The laser-type oxygen gas analyzer that efficiently measures the high-temperature oxygen concentration of the measurement object without being almost affected by the oxygen gas contained in the apparatus and the oxygen gas in the apparatus such as the purge unit.
続いて、本発明を実施するための第１の形態に係るレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図５は、本形態のレーザ式酸素ガス分析計１の構成図である。レーザ式酸素ガス分析計１は、発光部１００、受光部２００、発光部側パージ部３００、受光部側パージ部４００を備えている。
Next, a laser oxygen gas analyzer according to a first embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 is a configuration diagram of the laser
発光部１００は、さらにレーザ光源部１０１、発光部側光学系の具体例であるコリメートレンズ１０２、ボックスカバー１０３を備える。
受光部２００は、受光部側光学系の具体例である集光レンズ２０１、受光素子２０２、信号処理部２０３、ボックスカバー２０４を備える。
発光部側パージ部３００は、パージ部本体３０１、流入口３０２、流出口３０３を備える。
受光部側パージ部４００は、パージ部本体４０１、流入口４０２、流出口４０３を備える。
The
The
The light emission unit
The light receiving unit
本形態のレーザ式酸素ガス分析計では、具体例として、酸素ガスを含む測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管に固定されているものとして説明する。測定対象ガスは例えば燃焼時に発生する排ガスなどである。
壁５０１ａ，５０１ｂは、この配管の壁である。相フランジ５０２ａ，５０２ｂは、この壁５０１ａ，５０１ｂに、例えば、溶接等によって固定されている。
In the laser-type oxygen gas analyzer of this embodiment, a specific example will be described on the assumption that a measurement target gas containing oxygen gas is fixed to a pipe such as a flue that passes through the inside. The measurement target gas is, for example, exhaust gas generated during combustion.
The
一方の相フランジ５０２ａには、角度調整機構部を含む発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１が取り付けられている。この発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１には、発光部１００のボックスカバー１０３が取り付けられている。発光部側パージ部３００の内部通路、相フランジ５０２ａの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー１０３とは、コリメートレンズ１０２によって空間が隔てられている。
The purge unit
他方の相フランジ５０２ｂには、角度調整機構部を含む受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１が取り付けられている。この受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１には、受光部２００のボックスカバー２０４が取り付けられている。受光部側パージ部４００の内部通路、相フランジ５０２ｂの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー２０４とは、集光レンズ２０１によって空間が隔てられている。
The purge portion
発光部１００のボックスカバー１０３は電子基板に搭載されるレーザ光源部１０１、光学部品であるコリメートレンズ１０２を内蔵する。レーザ光源部１０１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ１０２によって平行光にコリメートされる。コリメートされた検出光６００は、発光部側パージ部３００の内部通路と相フランジ５０２ａの内部通路の中心を通って壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。
A
検出光６００は、壁５０１ａ，５０１ｂの内部にある測定対象ガス中の酸素ガスを透過する際に吸収を受ける。また、相フランジ５０２ａ，５０２ｂの内部、発光部側パージ部３００の内部通路、受光部側パージ部４００の内部通路に測定対象である高温の酸素ガスが存在する場合は、通常、同様に吸収を受ける。しかしながら、エアパージによる低温の酸素ガスや大気に含まれる低温の酸素ガスについては感度が低いため吸収は生じない。
The
検出光６００は受光部２００へ入射される。受光部２００のボックスカバー２０４は光学部品である集光レンズ２０１、電子基板に搭載される受光素子２０２や信号処理部２０３を内蔵する。壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）を透過した平行光である検出光６００は、相フランジ５０２ｂの内部通路と受光部側パージ部４００の内部通路との中心を通ってボックスカバー２０４内部の集光レンズ２０１により集光されて受光素子２０２により受光される。この光は、受光素子２０２により電気信号に変換され、後段の信号処理部２０３に入力される。
The
この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部３００には流入口３０２からパージ部本体３０１内へ圧縮空気である計装空気が流入し、発光部側パージ部３００の内部通路をパージし、また流出口３０３を通過して相フランジ５０２ａの内部通路をパージする。このパージの後に壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部４００には流入口４０２からパージ部本体４０１内部へ圧縮空気である計装空気が流入し、受光部側パージ部４００の内部通路をパージし、また流出口４０３を通過して相フランジ５０２ｂの内部通路をパージする。このパージの後に壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。
At this time, in order to prevent heat, corrosion, and contamination due to the measurement target gas, instrument air, which is compressed air, flows into the purge unit
この計装空気により、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部１００および受光部２００のレンズ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入する計装空気が常温（例えば２５℃）であり、パージ部本体３０１、４０１内、相フランジ５０２ａ、５０２ｂの内部を強制的に冷却している。
The instrument air blows away dust and the like that are included in the measurement target gas and adhere to each part, and the lens surfaces of the
次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図６，図７を参照しつつ詳細に説明する。図６はレーザ光源部１０１の詳細を示している。このレーザ光源部１０１は、波長走査駆動信号発生部１０１ａと、高周波変調信号発生部１０１ｂと、を有するレーザ駆動信号発生部１０１ｓを備える。
Next, detailed configurations of the
波長走査駆動信号発生部１０１ａは、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。
高周波変調信号発生部１０１ｂは、測定対象ガスである酸素ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調するための高周波変調信号を出力する。
The wavelength scanning
The high-frequency modulation
このような波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部１０１ｂからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行いレーザ駆動信号が生成されるようになっている。レーザ駆動信号発生部１０１ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部１０１ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子１０１ｅに供給される。このレーザ素子１０１ｅは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザ素子である。
The laser scanning signal is generated by synthesizing the high frequency modulation signal from the high frequency modulation
また、レーザ素子１０１ｅには温度安定化手段が設けられている。この温度安定化手段は、温度制御部１０１ｄ、サーミスタ１０１ｆ、ペルチェ素子１０１ｇを備える。レーザ素子１０１ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ１０１ｆが配置され、このサーミスタ１０１ｆにはペルチェ素子１０１ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子１０１ｇは、サーミスタ１０１ｆの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部１０１ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御が行われ、結果としてレーザ素子１０１ｅの温度を安定化するように動作するものである。
The
ここで、波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力される波長走査駆動信号は、図７に示すように、可変駆動信号Ｓ１およびオフセット信号Ｓ２により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。
Here, as shown in FIG. 7, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive
波長走査駆動信号の可変駆動信号Ｓ１は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部１０１ｃを介してレーザ素子１０１ｅに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ１によってレーザ素子１０１ｅの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号Ｓ１の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブｎｍ〜数ｎｍの範囲で走査可能である。例えばＯ２ガスであれば、０．０３ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
The variable drive signal S1 of the wavelength scanning drive signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the
波長走査駆動信号のオフセット信号Ｓ２は、吸収波長は走査しないがレーザ素子１０１ｅは発光させておくオフセット部分であり、光源部１０１のレーザ素子１０１ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部１０１のレーザ素子１０１ｅに供給するような値に設定する。信号Ｓ１と信号Ｓ２とは交互に切り替わるように挿入されている。
信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
The offset signal S2 of the wavelength scanning drive signal is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the
The signal S3 is a portion where the drive current is almost zero.
続いて発光部１００による発光を説明する。
まず、事前に、レーザ素子１０１ｅの温度をサーミスタ１０１ｆにより検出する。さらに、図７に示した波長走査駆動信号のＳ１の中心部分で測定対象ガスである酸素ガスを測定できるように（所定の吸収特性が得られるように）、温度制御部１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。
その後にレーザ素子１０１ｅを駆動する。
Next, light emission by the
First, the temperature of the
Thereafter, the
なお、図８はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ，波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２（７５９．６２ｎｍ），λ３（７５９．６５ｎｍ）は酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収波長に相当する走査波長の上下限値を示している。
レーザ素子１０１ｅがこのようなレーザ光をコリメートレンズ１０２へ照射して平行光である検出光６００を生成し、測定対象ガスが存在する壁５０１ａ，５０１ｂの内部空間にこの検出光６００を出射し、集光した光を受光素子２０２へ入射させる。
FIG. 8 shows the drive signal of the laser element, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 (759.62 nm) , Λ 3 (759.65 nm) indicates the upper and lower limits of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas).
The
続いて受光部２００について説明する。図９は、受光素子２０２、信号処理部２０３の構成を示している。信号処理部２０３はさらにＩ／Ｖ変換部２０３ａ、同期検波部２０３ｂ、発振器２０３ｃ、フィルタ２０３ｄ、演算部２０３ｅを備えている。
Next, the
受光素子２０２は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部１００のレーザ素子１０１ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子２０２の出力電流はＩ／Ｖ変換部２０３ａへ入力される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａにより受光素子２０２の出力電流が電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号は、同期検波部２０３ｂに入力される。同期検波部２０３ｂには、発信器２０３ｃからの２ｆ信号が加えられ、出射光の同位相の２倍波信号の振幅のみを抽出したガス波形信号が得られる。同期検波部２０３ｂの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０３ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０３ｅに送られる。演算部２０３ｅは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素濃度の算出を行う。
The
ここで周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計の計測原理について、図１０のレーザ式酸素ガス分析計の周波数変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図１の酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収スペクトラムに示すように、この酸素ガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、周波数変調方式による濃度検出が可能である。そして、この周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザ素子の出射光を周波数変調し、測定対象である酸素ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子１０１ｅに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。
Here, the measurement principle of the frequency modulation type laser oxygen gas analyzer will be described with reference to the principle diagram of the frequency modulation type of the laser oxygen gas analyzer of FIG. As shown in the absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas) in FIG. 1, since the absorption line of this oxygen gas is represented by a linear spectrum, concentration detection by a frequency modulation method is possible. Then, the laser type oxygen gas analyzer of the frequency modulation method, the center frequency f c, the light emitted from the semiconductor laser element and frequency-modulated at a modulation frequency f m, is irradiated to the oxygen gas to be measured. Here, the frequency modulation is to modulate the waveform of the drive current supplied to the
この周波数変調方式では、上記のように分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いて単一波長のレーザ光のみを出射しガス濃度を測定する。この場合、レーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。 In this frequency modulation system, as described above, only a single wavelength laser beam is emitted using a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser) or a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), and the gas concentration is measured. In this case, since the spectral line width at which the laser element emits light is smaller than the absorption line width of the measurement target gas, it is necessary to match the emission wavelength of the laser with the absorption wavelength of the measurement target gas. Therefore, the emission wavelength is controlled by controlling the temperature and current of the laser element.
レーザ素子は、図１１Ａ、図１１Ｂに示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化する。レーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。 As shown in FIGS. 11A and 11B, the emission wavelength of the laser element varies depending on the drive current and temperature. Since the laser element can emit a specific wavelength according to a constant value of temperature and current, it can be adjusted to the absorption wavelength according to a preset temperature and current value. By performing frequency modulation, the emission wavelength is modulated in accordance with the modulation of the drive current.
このように半導体レーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数ｎｍであり、測定対象ガスの吸収波長の近傍を発光するレーザ素子を使用する必要がある。このレーザ素子の波長選択性の性質から、図１に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない１本または２本である。 As described above, the wavelength of the semiconductor laser element can be changed depending on the current and temperature, but the wavelength range is several nm, and it is necessary to use a laser element that emits light in the vicinity of the absorption wavelength of the measurement target gas. Due to the wavelength-selective nature of this laser element, all absorption lines as shown in FIG. 1 cannot be measured, and the absorption lines used for measurement have a relatively large absorption intensity and One or two absorptions do not overlap.
図１０に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用いて、２倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。 As shown in FIG. 10, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line plays the role of a discriminator, the light receiving portion of the double modulation frequency f m A frequency signal (second harmonic signal) is obtained. Since the modulation frequency f m good at any frequency, for example, using Selecting a modulation frequency f m to several kHz, a digital signal processing device (DSP) or general-purpose processor, extraction of the second harmonic signal It is possible to perform advanced signal processing such as.
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。 Further, if the envelope detection is performed by the light receiving unit, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the second harmonic signal is detected in phase synchronization, so that it exists in addition to the concentration. A signal proportional to the gas concentration to be measured can be obtained without being affected by the signal having the same frequency component.
このような原理のもと、同期検波部２０３ｂにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波部２０３ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる（図１６参照）。
Based on such a principle, when the laser beam is not absorbed by the measurement target gas in the
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂによって出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である２倍波信号が検出される。その出力波形は図８の長方形の枠内に図示された同期検波部２０３ｂの出力波形や図１７のようなピーク波形になる。このピーク波形はフィルタ２０３ｄによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のＣＰＵやＤＳＰ等である演算部２０３ｅへ出力される。演算部２０３ｅは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素濃度の算出を行う。
On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, a double wave signal that is a signal obtained by extracting only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal of the emitted light is detected by the
演算部２０３ｅは以下のように機能する。まず、この図８の四角枠内のピーク波形におけるＡが測定対象ガスによる吸収を受けた部分（ガス吸収波形）であり、この吸収波形Ａの最大値または最小値が測定対象ガスの濃度に相当する。従って、演算部２０３ｅでは、この図８の四角枠内に示される同期検波部２０３ｂの出力であるガス吸収波形Ａを用いて、測定対象ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、ガス吸収波形Ａの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、ガス吸収波形Ａの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象である酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合に酸素ガスがないと判断する手段として機能する。
The
演算部２０３ｅには図示しない変換器が接続されている。この変換器は、演算部２０３ｅで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する補正部と、補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部２０３ｅは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。
A converter (not shown) is connected to the
以上のようにこの実施形態について説明した。従来技術では、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、を区別できず、ともに計測していたため信頼性の点で難があった。これに対し、本実施形態では、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度の測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計とすることができる。 This embodiment has been described above. In the prior art, the oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas cannot be distinguished from each other and are measured together, which is difficult in terms of reliability. On the other hand, in this embodiment, by using the temperature difference between the oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas, the low temperature oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere is used. However, only the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas is sensitive so that only the oxygen gas contained in the measurement target gas is detected for the presence or absence of oxygen gas and the concentration is measured. It can be set as the laser type | formula oxygen gas analyzer which performs.
続いて本発明の第２形態について図を参照しつつ説明する。先の第１形態と比較すると、本形態では、基本的に図５と同じ構成を有するものであるが、図１２で示すように発光部１００のレーザ光源部１０１’と、受光部２００の信号処理部２０３’と、を通信可能に接続する点が相違する。詳しくは、図１３で示すように、レーザ光源部１０１’の波長走査駆動信号発生部１０１ａから波長走査駆動信号のうちのトリガ信号Ｓ４（図１５参照）が抽出されて出力され、また、図１４で示すように、信号処理部２０３’の演算部２０３ｅがこのトリガ信号Ｓ４を入力し、トリガ信号Ｓ４（図１５参照）を用いて同期を取る点が相違する。なお、図１３の発光部１００のレーザ光源部１０１’と、図１４の受光部２００の信号処理部２０３’と、は、図６のレーザ光源部１０１と図９の信号処理部２０３と比較すると同一の構成を有するがトリガ信号Ｓ４を入出力し、演算部２０３ｅがこのトリガ信号Ｓ４に基づいて演算処理する点が相違するものであり、他の構成については同じ符号を付すともに重複する説明を省略し、相違点のみを説明するものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared with the previous first embodiment, this embodiment basically has the same configuration as that in FIG. 5, but as shown in FIG. 12, the laser
図１５は、上記トリガ信号Ｓ４を説明するための図である。演算部２０３ｅに、波長走査駆動信号発生部１０１ａからトリガ信号Ｓ４が入力される。図示するように、トリガ信号Ｓ４は、上記Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた波長走査駆動信号の１周期に同期して波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号Ｓ４は、例えば、レーザ素子１０１ｅの駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング（信号Ｓ３の発生タイミング）に同期して発生させればよい。波長走査駆動信号発生部１０１ａよりトリガ信号Ｓ４が出力され、通信線７００を介して、演算回路２０３ｅへ入力される。
FIG. 15 is a diagram for explaining the trigger signal S4. The trigger signal S4 is input from the wavelength scanning drive
続いて本形態の信号処理部２０３の演算部２０３ｅによる酸素ガスの濃度算出方法について説明する。図１５で示すように、レーザ光源部１０１では、波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、温度制御部１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。レーザ素子１０１ｅを駆動し、測定対象ガスが存在する壁５０１ａ，５０１ｂの内部空間にレーザ光を出射する。
Next, a method for calculating the concentration of oxygen gas by the
レーザ光は、集光部２０１により集光され、この集光した光を受光素子２０２へ入射させる。測定対象ガスとして酸素ガスを測定する。この受光素子２０２は、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して信号処理部２０３に送る。これら信号処理部２０３は、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。信号処理部２０３において、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がない場合は、図１６で示すように、同期検波部２０３ｂによって２倍周波数信号が検出されないため、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。
The laser beam is condensed by the condensing
一方で、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂによって２倍周波数信号が検出される。図１７は、同期検波部２０３ｂの出力信号ＳｂをＩ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号Ｓａと併せて示した波形図である。図１７において、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Ａである。
On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, the double frequency signal is detected by the
ここで、何らかの原因によって同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂにオフセットがある場合、図１８に示すように、本来の出力信号Ｓｂ０ではなくオフセット分が加算された信号Ｓｂ１が現れる。その結果、図１７におけるガス吸収波形Ａの最大値または最小値、あるいは波形の積分値による検出では誤差が生じてしまい、ガス濃度を正確に検出できないおそれがある。そこで、本形態では、ガス濃度を更に高精度かつ安定的に検出するために、以下のような方法を用いることとした。
Here, when there is an offset in the output signal Sb of the
前述したように、測定対象ガスが存在しない図１６で示すような場合は、同期検波部２０３ｂにより２倍周波数信号は検出されず、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。しかし、様々なノイズが存在するので、仮に測定対象ガスが存在しない場合でも、図１６に示すように、同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂは少しの凹凸のある波形となる。このような波形の場合、単純に波形の最大値や最小値のみを検出する方法ではノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認し、最大値や最小値を誤って検出するおそれがある。また、波形の積分値を求める場合にも、同様に誤検出する可能性がある。特に、測定対象ガスが低濃度である場合には、上記凹凸部分がガス濃度検出時の大きな誤差要因となる。
As described above, in the case shown in FIG. 16 where the measurement target gas does not exist, the double frequency signal is not detected by the
このため、本形態では、ノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認しないように、図１５で示すような、波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるトリガ信号Ｓ４を用いて、ガス吸収波形の最大値または最小値が存在するべき位置を特定する。トリガ信号Ｓ４は、波長走査駆動信号の一周期に同期し特に波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。このトリガ信号Ｓ４と同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂとの間には一定の時間的な相関関係がある。
For this reason, in this embodiment, the trigger signal S4 output from the wavelength scanning drive signal generator 204a as shown in FIG. 15 is used to avoid misidentifying the uneven portion due to noise as the gas absorption waveform. Identifies the position where the maximum or minimum value should be. The trigger signal S4 is synchronized with one cycle of the wavelength scanning drive signal, and is particularly synchronized with S3 of the wavelength scanning drive signal. There is a certain temporal correlation between the trigger signal S4 and the output signal Sb of the
つまり、測定対象ガスが存在する場合に、トリガ信号Ｓ４のタイミングに対して図１６，図１７のガス吸収波形Ａや最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが発生するタイミングは、予めほぼ正確に検出可能である。そこで、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過したときに同期検波部出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場するものとして計測を行う。この。これら所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。 That is, when the measurement target gas exists, the timing at which the gas absorption waveform A, the maximum value C, and the minimum values B and D in FIGS. 16 and 17 are generated with respect to the timing of the trigger signal S4 is detected almost accurately in advance. Is possible. Therefore, measurement is performed on the assumption that the minimum value B at point B, the maximum value C at point C, and the minimum value D at point D appear in the synchronous detector output waveform when a predetermined time tb, tc, td has elapsed from the trigger signal. . this. These predetermined times tb, tc, and td are preliminarily calculated experimentally before factory shipment or at the time of calibration, and are registered in a memory (not shown). The concentration is calculated using this value.
そして、ガス濃度の測定時には、波長走査駆動信号発生部２０４ａから受信したトリガ信号Ｓ４を基準として、最大値Ｃ及び最小値Ｂ，Ｄが発生するべきタイミング所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄにおける同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂ（フィルタ２０３ｄの出力信号）から最大値及び最小値を測定する。
When measuring the gas concentration, the synchronous detector at the predetermined times tb, tc and td at which the maximum value C and the minimum values B and D should be generated with reference to the trigger signal S4 received from the wavelength scanning drive signal generator 204a. The maximum value and the minimum value are measured from the output signal Sb of 203b (the output signal of the
これにより、測定対象ガスの濃度が限りなく０に近いような低濃度の場合にも、演算部２０３ｅは、トリガ信号Ｓ４に基づいてガス吸収波形Ａや最大値Ｃ及び最小値Ｂ，Ｄを検出する手段として機能する。演算部２０３ｅは、これら値を正確に検出し、測定することができる。従って、ノイズによる波形の凹凸部分に影響されることなく、ガス濃度の演算を高精度に行うことが可能である。
As a result, even when the concentration of the measurement target gas is as low as possible, the
そして演算部２０３ｅとしては、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過するときに同期検波部出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する手段として機能する。この同期検波部出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。これらＡＢＣＤを用いて濃度を計測する。図１４の演算部２０３ｅは、図１７に示したガス吸収波形Ａにおいて、最大値Ｃとその前後の最小値Ｂ，Ｄとを検出し、以下の数２または数３によってガス濃度を演算する手段として機能する。
The
［数２］
酸素ガス濃度＝α×｜Ｂ−Ｃ｜
[Equation 2]
Oxygen gas concentration = α × | BC
［数３］
酸素ガス濃度＝α×｜Ｃ−Ｄ｜
[Equation 3]
Oxygen gas concentration = α × | CD |
なお、数２、数３においては、αはガス濃度変換係数である。ガス濃度変換係数αは、測定ガス成分の濃度が既知であるガスで予め校正することによって決定される。たとえば、測定ガス成分の濃度が０ｐｐｍのゼロガスと、測定ガス成分の濃度が所望の測定レンジの最大濃度であるスパンガスと、を測定し、ゼロガス、スパンガスの実測値を第一校正点、第二校正点とし、その２点を結ぶ直線を基準検量線とする。該基準検量線の傾きをガス濃度変換係数αとする。酸素ガス濃度はこのようにして算出される。また、図１６で示すような同期検波部出力の場合には酸素ガス濃度が所定値以下となり、酸素がないと判定される。演算部２０３ｅはこのような処理を行う手段として機能する。
In
以上のようにこの実施形態について説明した。単にガス吸収波形の最大値や最小値、あるいは積分値だけを検出する場合に比べ、トリガ信号の同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。特に酸素ガスは濃度が低いことが多いため、上記構成を採用すれば計測精度をより高めることができる。 This embodiment has been described above. Compared to simply detecting the maximum value, minimum value, or integral value of the gas absorption waveform, the peak position can be accurately detected by synchronizing the trigger signal, so the detection capability of low-concentration gas is also improved. . In particular, since the concentration of oxygen gas is often low, the measurement accuracy can be further improved by adopting the above configuration.
また、低損失であるためピークが確実に表れるようにしてやはり低濃度の酸素ガスの検出能力を向上させた。
また、特に、レーザ素子の駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミングに同期させており、同期信号を判別できる。
In addition, since the loss is low, the peak can be surely displayed, and the detection ability of low concentration oxygen gas is improved.
In particular, it is synchronized with the timing of the wavelength scanning drive signal that makes the drive current of the laser element zero, and the synchronization signal can be discriminated.
また、特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。 In particular, when the gas concentration is low, the effects of noise caused by interference of laser light from optical window materials and lenses, etc., become stronger, and these noises are detected as peaks, making it difficult to find peaks. However, in the present invention, since the portion where gas absorption occurs is set in advance and the gas absorption peak is detected based on the trigger signal, accurate gas concentration detection can be performed without being affected by noise or the like. There is an advantage.
続いて本発明の第３形態について図を参照しつつ説明する。先の第１形態と比較すると、本形態では、全体構成として図５のレーザ式酸素ガス分析計と同様の構造を有し、また、発光部１００に関しては図６のレーザ光源部と同一の構成を有しているが、受光部２００に関しては図１９の受光部２００の信号処理部２０３”において、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａと演算部２０３ｅとに接続される抽出部２０３ｆをさらに備え、この抽出部２０３ｆで抽出された受光光量レベルを信号処理部２０３の演算部２０３ｅを入力し、受光光量レベルを参照値として得る点が相違する。なお、図５、図６，図９と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared with the previous first embodiment, this embodiment has the same structure as the laser-type oxygen gas analyzer of FIG. 5 as an overall structure, and the
図１９において、受光素子２０２の出力は電流信号であり、この電流信号はＩ／Ｖ変換部２０３ａにより電圧信号に変換される。この電圧信号を受光信号と呼ぶものとし、その波形の一例を図２０Ａ、図２０Ｂに示す。図２０Ａは、測定環境にダストがない清浄な空間における受光信号波形であり、図２０Ｂは、ダストが存在する空間における受光信号波形である。これらの図から明らかなように、ダストが存在する場合にはレーザ光が遮られるため、受光光量（受光信号レベル）が低下している。
In FIG. 19, the output of the
前述したように、同期検波部２０３ｂにより、出射光の変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅のみが抽出される。例えば、図２０Ａ、図２０Ｂに示した受光信号を同期検波とすると、それぞれ図２１Ａ、図２１Ｂのような波形が得られる。
図２１ＡにおけるＡは前記同様にガス吸収波形であり、この波形の振幅ｗ（＝ｗａ）を検出することでガス濃度を測定することができる。
一方、ダストが存在する場合の図２１Ｂでは、図２０Ｂに対応して振幅ｗ（＝ｗｂ）も小さくなっている。
このように、受光光量によってガス吸収波形の振幅が変動するために、特にダスト量が変動する環境では、正確なガス濃度の測定が困難である。
As described above, only the amplitude of the second harmonic signal, which is the second frequency component of the modulated signal of the emitted light, is extracted by the
A in Fig. 21A is the same as the gas absorption waveform, it is possible to measure the gas concentration by detecting the amplitude w (= w a) of this waveform.
On the other hand, in FIG. 21B when dust is present, the amplitude w (= w b ) is also reduced corresponding to FIG. 20B.
Thus, since the amplitude of the gas absorption waveform varies depending on the amount of received light, it is difficult to accurately measure the gas concentration particularly in an environment where the amount of dust varies.
そこで、本実施形態では、図２２に示すように受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとがほぼ比例関係にあることに着目し、演算部２０３ｅにおいて受光光量レベルを得るための波長走査駆動信号成分を参照してガス吸収波形の振幅を補正することにより、ダスト等が存在する環境においても正確なガス濃度の検出を可能にしたものである。
Therefore, in the present embodiment, focusing on the fact that the received light amount level and the amplitude level of the gas absorption waveform are substantially proportional as shown in FIG. 22, the wavelength scanning drive signal for obtaining the received light amount level in the
すなわち、図１９に示すように、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａから出力された受光信号を抽出部（フィルタ）２０３ｆに入力して、波長走査駆動信号成分を取り出す。そして、演算部２０３ｅにより、波長走査駆動信号成分と受光光量設定値との比を受光光量補正係数βとして算出し、フィルタ２０３ｄから出力されるガス吸収波形の振幅を、上記補正係数βにより補正するようにした。
That is, as shown in FIG. 19, the received light signal output from the I /
例えば、図２１Ａ，図２１Ｂに示した受光信号を抽出部（フィルタ）２０３ｆに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図２３Ａ、図２３Ｂのような波形が得られる。図２３Ａはダストがなく受光光量が低下していない場合、図２３Ｂはダストがあって受光光量が低下している場合である。 For example, when the received light signal shown in FIGS. 21A and 21B is input to the extraction unit (filter) 203f to extract the wavelength scanning drive signal component, waveforms as shown in FIGS. 23A and 23B are obtained. FIG. 23A shows a case where there is no dust and the amount of received light is not reduced, and FIG. 23B is a case where there is dust and the amount of received light is reduced.
図２３Ａのように、ある時点において、ダストがなく受光光量が最大である時の受光信号（フィルタ２０３ｆから出力される波長走査駆動信号）のレベルＰ（＝Ｐｍａｘ）を、前記受光光量設定値として演算部２０３ｅに予め設定登録しておく。演算部２０３ｅは、図２１Ａのようにダストがある場合の受光信号レベルＰを検出し、このＰと同一時点のＰｍａｘとの比を、受光光量補正係数βとして数式４により演算する。
As shown in FIG. 23A, the level P (= P max ) of the received light signal (the wavelength scanning drive signal output from the
［数４］
β＝Ｐｍａｘ／Ｐ
[Equation 4]
β = P max / P
上記の補正係数βを、ガス吸収波形の振幅ｗ（例えば図２１Ｂのｗｂ）に乗算または除算することにより、数式５に示すごとく、ダストに起因する受光光量の変動分を補正した振幅ｗｈを得ることができる。
By multiplying or dividing the above correction coefficient β by the amplitude w of the gas absorption waveform (for example, w b in FIG. 21B), as shown in
［数５］
ｗｈ＝ｗ×β
[Equation 5]
w h = w × β
こうして補正されたガス吸収波形の振幅ｗｈを用いてガス濃度を測定することで、煙道のようにダスト量が多い環境で受光光量の減少が著しい場合にも、ガス濃度を正確に測定することができる。 Thus by measuring the gas concentration by using the amplitude w h of the corrected gas absorption waveform, if reduction of the amount of received light at the amount of dust is large environment as flue significant also, to accurately measure the gas concentration be able to.
このようなレーザ式酸素ガス分析計によれば、受光部の出力信号からの前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部（フィルタ）を備え、出力信号を演算部に出力する。演算部は、抽出部（フィルタ）の出力信号と受光光量設定値（例えば、ダストがない清浄な環境で測定した場合の、受光光量が最大であるときの抽出手段の出力信号レベル）との比である受光光量補正係数を用いて、ガス吸収波形の振幅を補正するようにしたため、さらに燃焼制御装置用の酸素ガス濃度分析能力を高めている。 According to such a laser type oxygen gas analyzer, an extraction unit (filter) for extracting the component of the wavelength scanning drive signal from the output signal of the light receiving unit is provided, and the output signal is output to the calculation unit. The calculation unit compares the output signal of the extraction unit (filter) with the received light amount setting value (for example, the output signal level of the extraction means when the received light amount is maximum when measured in a clean environment free from dust). Since the amplitude of the gas absorption waveform is corrected using the received light quantity correction coefficient, the oxygen gas concentration analysis capability for the combustion control device is further enhanced.
以上本発明のレーザ式酸素ガス分析計について説明した。
本発明によれば、ボイラなどの高温の酸素ガスをレーザ分析計で測定するプロセスにおいて、パージガスに使用するガス成分に影響されることなく、測定対象の酸素濃度を効率よく測定することができる。パージガスに計装空気を使用できることは導入コスト、運用コスト面において、大きなメリットがある。
The laser oxygen gas analyzer of the present invention has been described above.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the process which measures high temperature oxygen gas, such as a boiler, with a laser analyzer, the oxygen concentration of a measuring object can be measured efficiently, without being influenced by the gas component used for purge gas. The ability to use instrument air as the purge gas has great advantages in terms of introduction cost and operation cost.
通常、パージガスに空気を使用した場合、空気に含まれる酸素量は、測定対象の酸素量に対し、外乱として影響を及ぼす十分な量がある場合が多く、さらに常温の酸素濃度に対して大きな感度がある吸収線は、５００℃以上の高温になると吸収強度が４０〜８０％程度低下する傾向が多くあり、その結果、Ｓ／Ｎが低下して測定が困難になる。 Normally, when air is used as the purge gas, the amount of oxygen contained in the air is often sufficient to affect the amount of oxygen being measured as a disturbance, and has a large sensitivity to the oxygen concentration at room temperature. Some absorption lines tend to decrease the absorption strength by about 40 to 80% at a high temperature of 500 ° C. or higher, and as a result, the S / N decreases and measurement becomes difficult.
一方、本発明は常温の空気中の酸素濃度に影響されず、４００〜１２００℃の吸収強度は常温に対して十分な大きさがあり、吸収強度の変化量も最大吸収強度から約２０％の範囲で収まる。
その結果、パージガスに酸素を含むエアを使用しても、その影響を受けず、測定対象となる高温ガス中の酸素濃度に対して、正確な計測が可能となる。
On the other hand, the present invention is not affected by the oxygen concentration in the air at normal temperature, the absorption intensity at 400 to 1200 ° C. is sufficiently large with respect to normal temperature, and the amount of change in absorption intensity is about 20% from the maximum absorption intensity. Fits in range.
As a result, even if air containing oxygen is used as the purge gas, the oxygen concentration in the high-temperature gas to be measured can be accurately measured without being affected by this.
また、半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式酸素ガス分析計において、従来の光ファイバ式ガス分析計では、ガスの吸収スペクトラム波形のピークを検出するように信号処理していたが、信号強度が電気信号ノイズよりも大きくなければならず、濃度が低いガス濃度検出が困難であったが、本願発明では低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。さらに、ダスト等の影響も考慮してガス吸収ピークを検出することで、さらに低濃度ガス検出が可能となった。 In addition, in a laser-type oxygen gas analyzer based on absorption spectroscopy using a semiconductor laser, the conventional optical fiber-type gas analyzer performs signal processing to detect the peak of the absorption spectrum waveform of the gas. The intensity must be greater than the electrical signal noise, and it was difficult to detect the gas concentration at a low concentration.However, in the present invention, since the loss is low, the ability to detect a low concentration gas is ensured by ensuring that a peak appears. Improved. Furthermore, by detecting the gas absorption peak based on the trigger signal of the wavelength scanning signal, the low concentration gas can be detected. Furthermore, by detecting the gas absorption peak in consideration of the influence of dust and the like, it has become possible to detect a lower concentration gas.
本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ペレット設備）、コークス炉］、青果貯蔵及び熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。 The laser oxygen gas analyzer of the present invention is optimal for measuring combustion exhaust gas such as boilers and garbage incineration. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.
１，１’，１”：レーザ式酸素ガス分析計
１００：発光部
１０１，１０１’：レーザ光源部
１０１ａ：波長走査駆動信号発生部
１０１ｂ：高周波変調信号発生部
１０１ｃ：電流制御部
１０１ｄ：温度制御部
１０１ｅ：レーザ素子
１０１ｆ：サーミスタ
１０１ｇ：ペルチェ素子
１０１ｓ：レーザ駆動信号発生部
１０２：コリメートレンズ
１０３：ボックスカバー
２００：受光部
２０１：集光レンズ
２０２：受光素子
２０３，２０３’，２０３”：信号処理部
２０４：ボックスカバー
３００：発光部側パージ部
３０１：パージ部本体
３０２：流入口
３０３：流出口
４００：受光部側パージ部
４０１：パージ部本体
４０２：流入口
４０３：流出口
５０１ａ，５０１ｂ：壁
５０２ａ，５０２ｂ：相フランジ
６００：検出光
７００：通信線
1, 1 ′, 1 ″: Laser oxygen gas analyzer 100:
Claims (12)
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space where oxygen gas to be measured exists, and a light emitting unit side purge that supplies purge gas by air to the light emitting unit A frequency-modulation-type laser oxygen gas analyzer that measures the concentration of oxygen gas, and a light-receiving unit-side purge unit that supplies a purge gas by air to the light-receiving unit,
The light emitting section has an absorption wavelength such that the absorption intensity of the high temperature oxygen gas to be measured is large and the absorption intensity of the low temperature oxygen gas contained in the purge gas of the light emitting section side purge section and the light receiving section side purge section is small. The laser-type oxygen gas analysis is characterized in that it emits laser light scanned at a scanning wavelength within a predetermined range, and the light-receiving unit receives detection light in which a large amount of high-temperature oxygen gas to be measured is absorbed. Total.
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 The laser oxygen gas analyzer according to claim 1,
The laser type oxygen gas analyzer, wherein the absorption wavelength is a wavelength in which an absorption peak is included in a range of 759.63 nm to 759.64 nm.
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space where oxygen gas to be measured exists, and a light emitting unit side purge that supplies purge gas by air to the light emitting unit A frequency-modulated laser-type oxygen gas analyzer that detects the presence or absence of oxygen gas or measures the concentration of oxygen gas. ,
The light emitting unit
It has a predetermined range including an absorption wavelength such that the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is large, and the absorption intensity of the low-temperature oxygen gas contained in the purge gas of the light emitting unit side purge unit and the light receiving unit side purge unit is small. A laser element that emits detection light by laser light scanned at a scanning wavelength;
A light emission side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the laser element;
A high frequency modulation signal for modulating the emission wavelength with respect to a wavelength scanning drive signal including a variable drive signal for changing the emission wavelength of the laser element to a scanning wavelength within a predetermined range so as to scan the absorption wavelength of oxygen gas. A laser drive signal generator that combines and outputs the laser drive signal;
A current controller that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current and supplies the current to the laser element;
With
The light receiving unit is
A light receiving element having sensitivity to laser light, which is detection light in which a large amount of high-temperature oxygen gas to be measured is absorbed;
A synchronous detection unit that detects an amplitude of a second harmonic signal that is a double frequency component of a modulation signal in the light source unit from an output signal of the light receiving unit, and outputs a detection signal;
A filter circuit for removing noise from the output signal of the light receiving unit;
A calculation unit that functions as means for calculating the amount of oxygen gas based on the detection signal output from the filter circuit and measuring the concentration of oxygen gas based on the amount of light absorption;
A laser oxygen gas analyzer characterized by comprising:
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 3,
The laser type oxygen gas analyzer, wherein the absorption wavelength is a wavelength in which an absorption peak is included in a range of 759.63 nm to 759.64 nm.
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 3 or 4,
The computing unit is
A laser type oxygen gas analyzer which functions as means for integrating a part or all of the gas absorption waveform of the detection signal and detecting the concentration of the measurement target gas from the integrated value.
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 3 or 4,
The computing unit is
A laser-type oxygen gas analyzer that functions as means for detecting a concentration of a measurement target gas from a difference between a maximum value and a minimum value of a gas absorption waveform of the detection signal.
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 3 or 4,
The computing unit is
A laser oxygen gas analyzer, which functions as means for detecting the concentration of a measurement target gas from a value obtained by multiplying a difference between a maximum value and a minimum value of a gas absorption waveform of the detection signal by a gas concentration conversion coefficient.
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to any one of claims 3 to 7,
The wavelength scanning drive signal further includes an offset signal, and is a signal in which the variable drive signal and the offset signal are repeated at a constant cycle,
The laser type oxygen gas analyzer, wherein the offset signal is a value that supplies a current equal to or higher than a threshold current value of the laser element to the laser element.
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させたことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to any one of claims 3 to 8,
A laser-type oxygen gas analyzer characterized in that a pulse-like trigger signal output from the laser drive signal generator is synchronized with the wavelength scanning drive signal.
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 9,
A laser-type oxygen gas analyzer characterized in that the trigger signal is synchronized with the timing of the wavelength scanning drive signal so that the drive current of the laser element is zero, and the calculation unit performs the calculation at the synchronized timing. .
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記検出信号のガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to any one of claims 3 to 8,
The light receiving unit further includes an extraction unit that extracts a component of the wavelength scanning drive signal from an output signal of the light receiving unit,
The calculation unit functions as means for correcting the amplitude of the gas absorption waveform of the detection signal using a received light amount correction coefficient that is a ratio between an output signal of the extraction unit and a received light amount setting value. Type oxygen gas analyzer.
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 11,
The said calculating part sets the said received light quantity setting value to the level of the output signal of the said extraction part when the received light quantity is the maximum, The laser type oxygen gas analyzer characterized by the above-mentioned.
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