JP2002139428A - ガス成分測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の吸収域がオーバーラップする成分を含む
ガスの当該成分を分離測定する。 【解決手段】 光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成
分のみに吸収される第１測定光、測定対象成分と外乱成
分とのいずれにも吸収されない第２測定光、測定対象成
分及び外乱成分に対して比較的強く吸収される第３測定
光及び該第３測定光に比較して測定対象成分及び外乱成
分に対する吸収が弱い波長の第４測定光を測定対象ガス
にそれぞれ照射して得られた第１透過光〜第４透過光の
各光強度と、上記第１測定光〜第４測定光に関する第１
〜第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対
象成分濃度を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス成分測定装置
及び方法に係わり、特にガスに光を照射した際の光吸収
に基づいてガスの成分を測定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例えば
排ガスに含まれる微量ガス成分を測定する方法として、
近赤外線レーザ（検査光）を排ガスに直接照射して得ら
れる透過光の吸収スペクトルを分析することにより、リ
アルタイムで排ガス内に含まれる微量ガス成分を測定す
る技術が実用化されている。

【０００３】しかしながら、このような近赤外線レーザ
を用いる測定方法では、測定対象である近赤外線レーザ
の光路長（つまり排ガスの流路の幅）が比較的長い場
合、近赤外線レーザが排ガスによって完全に吸収されて
しまうために透過光を取得することができず、よって測
定不能となる。このような問題に対して、近赤外域より
も高出力化が可能な紫外域のレーザを用いることが考え
られるが、酸化硫黄（ＳＯ₂）が含まれている石炭焚き
あるいは重油焚き等の排ガスの場合、紫外域において広
範な吸収域を有する酸化硫黄（ＳＯ₂）が含まれている
ために、当該酸化硫黄と吸収域がオーバーラップする成
分、例えば一酸化窒素（ＮＯ）やアンモニア（ＮＨ₃）
等の成分を十分な精度で測定することができないという
問題点がある。

【０００４】本発明は、上述する問題点に鑑みてなされ
たもので、以下の点を目的とするものである。 （１）光の吸収域がオーバーラップする成分を含むガス
の当該成分を分離測定する。 （２）紫外域のレーザ光を用いて光の吸収域がオーバー
ラップする成分を含むガスの当該成分を分離測定する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、ガス成分測定装置に係わる第１の手段
として、測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射し
た際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する
装置において、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成
分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱
成分とのいずれにも吸収されない第２測定光を測定対象
ガスに照射すると共に、測定対象成分及び外乱成分に対
して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光を測定対
象ガスに照射するレーザ光源装置と、前記第１測定光〜
第４測定光の測定対象ガスからの第１透過光〜第４透過
光の各光強度をそれぞれ検出する透過光検出手段と、前
記第１測定光〜第４測定光の光路長とその光吸収係数と
をそれぞれ記憶する記憶手段と、前記第１透過光と第２
透過光との各光強度及び第１測定光と第２測定光との光
路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成
分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論
式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を
示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱
成分濃度を算出し、さらに当該外乱成分濃度、前記第３
透過光と第４透過光との各光強度及び第３測定光と第４
測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透
過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す
第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光
透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示
す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対
象成分濃度を算出する成分濃度演算手段とを具備する手
段を採用する。

【０００６】また、ガス成分測定装置に係わる第２の手
段として、上記第１の手段において、レーザ光源装置
は、ＹＡＧレーザ発振器と該ＹＡＧレーザ発振器を励起
光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可
変レーザ発振器とに基づいて第１測定光〜第４測定光を
発光するという手段を採用する。

【０００７】ガス成分測定装置に係わる第３の手段とし
て、上記第１または第２の手段において、測定対象ガス
の圧力を検出する圧力計と測定対象ガスの温度を検出す
る温度計とを備えると共に、記憶手段は測定対象ガスの
各圧力及び温度に応じた第１測定光〜第４測定光の各光
吸収係数をデータベースとして記憶し、また成分濃度演
算手段は、圧力計及び温度計の各検出値に対応する各光
吸収係数を記憶手段から取得して外乱成分濃度と測定対
象成分濃度とを算出するという手段を採用する。

【０００８】ガス成分測定装置に係わる第４の手段とし
て、上記第１〜第３いずれかの手段において、透過光検
出手段は、第１透過光〜第４透過光に応じて光増幅度を
可変するフォトマルチプライヤであるという手段を採用
する。

【０００９】ガス成分測定装置に係わる第５の手段とし
て、上記第１〜第４いずれかの手段において、透過光検
出手段の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光減衰
量を可変する光アッテネータを設けるという手段を採用
する。

【００１０】ガス成分測定装置に係わる第６の手段とし
て、上記第１〜第５いずれかの手段において、第１測定
光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であ
るという手段を採用する。

【００１１】ガス成分測定装置に係わる第７の手段とし
て、上記第１〜第６いずれかの手段において、測定対象
ガスは排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ₂）か
つ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアン
モニア（ＮＨ₃）であるという手段を採用する。

【００１２】一方、本発明では、ガス成分測定方法に係
わる第１の手段として、測定対象ガスにレーザ光による
測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの
成分を測定する方法において、光吸収域が測定対象成分
と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定
対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測
定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出す
る工程Ａと、該工程Ａによって検出された第１測定光と
第２測定光との各光透過率及び第１測定光と第２測定光
との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と
外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベール
の理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との
関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づい
て外乱成分濃度を推定する工程Ｂと、測定対象成分及び
外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測
定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出す
る工程Ｃと、前記工程Ｂにおいて推定された外乱成分濃
度、前記工程Ｃにおいて検出された第３測定光と第４測
定光との各光透過率及び第３測定光と第４測定光との光
路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対
象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベ
ルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定
対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のラン
ベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を
推定する工程Ｄとを有する手段を採用する。

【００１３】また、ガス成分測定方法に係わる第２の手
段として、上記第１の手段において、第１測定光〜第４
測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であるという
手段を採用する。

【００１４】ガス成分測定方法に係わる第３の手段とし
て、上記第１または第２の手段において、測定対象ガス
が排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ₂）かつ測
定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニ
ア（ＮＨ₃）であるという手段を採用する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係わるガス成分測定装置及び方法の一実施形態について
説明する。

【００１６】図１は、本実施形態に係わるガス成分測定
装置のブロック図である。この図において、参照符号Ｘ
は測定対象ガス、１はレーザ光源装置、２は波長計、３
は波長表示装置、４Ａ〜４Ｃは光アッテネータ（ＡＴ
Ｔ）、５は透過光検出手段、６Ａ〜６ＤはＡ／Ｄコンバ
ータ（Ａ／Ｄ）、７は制御演算部（濃度演算手段）、８
は演算データ記憶部（記憶手段）、９は操作装置、１０
は出力装置、１１は圧力計、また１２は温度計である。

【００１７】測定対象ガスＸは、ボイラ等の排ガスであ
り、測定対象成分として一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモ
ニア（ＮＨ₃）を含む。この排ガスは、このような測定
対象成分に対して光吸収域が重なる外乱成分として酸化
硫黄（ＳＯ₂）を含むものである。一酸化窒素（ＮＯ）
及びアンモニア（ＮＨ₃）は、紫外域における光（レー
ザ光）の吸収スペクトルがほぼ２３０ｎｍ迄の紫外域の
波長領域に分布し、酸化硫黄（ＳＯ₂）の吸収スペクト
ルは、これら一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ
₃）の各吸収スペクトルと重なると共に多少広い波長領
域、例えば波長の長い側で見ると約３２０ｎｍ迄分布し
ている。

【００１８】図２は２１２ｎｍ〜２１８ｎｍの紫外域に
おけるアンモニア（ＮＨ₃）と酸化硫黄（ＳＯ₂）の吸収
スペクトルの波長特性を示し、また図３は２１４ｎｍ〜
２１６ｎｍにおける一酸化窒素（ＮＯ）と酸化硫黄（Ｓ
Ｏ₂）の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図であ
る。これらの図に示すように、一酸化窒素（ＮＯ）と酸
化硫黄（ＳＯ₂）の吸収スペクトルの波長は互いに重な
ると共に、アンモニア（ＮＨ₃）と酸化硫黄（ＳＯ₂）の
吸収スペクトルの波長も互いに重なっている。また、一
酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ₃）及び酸化硫黄
（ＳＯ₂）の吸収スペクトルのレベル変動すなわち光吸
収率の変動は、これら各成分特有のものとなっており、
各成分個々で相違している。

【００１９】レーザ光源装置１は、紫外域における光吸
収域が外乱成分である酸化硫黄（ＳＯ₂）のみに吸収さ
れる波長の第１測定光ａと、測定対象成分及び外乱成分
つまり一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ₃）と酸
化硫黄（ＳＯ₂）のいずれにも吸収されない波長の第２
測定光ｂとを発光して測定対象ガスＸに照射するもので
ある。詳細については後述するが、この第１測定光ａ及
び第２測定光ｂは、上記排ガス中の酸化硫黄（ＳＯ₂）
単体の濃度（酸化硫黄濃度）の測定に供されるものであ
り、以下では第１測定光ａを酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、
また第２測定光ｂを酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂと記載す
る。

【００２０】また、本レーザ光源装置１は、一酸化窒素
（ＮＯ）あるいはアンモニア（ＮＨ ₃）のいずれか及び
酸化硫黄（ＳＯ₂）、つまり測定対象成分及び外乱成分
に対して比較的強く吸収される波長の第３測定光ｃ1，
ｃ2と、該第３測定光に比較して一酸化窒素（ＮＯ）あ
るいはアンモニア（ＮＨ₃）のいずれか及び酸化硫黄
（ＳＯ₂）、つまり測定対象成分及び外乱成分に対する
吸収が弱い波長の第４測定光ｄ1，ｄ2をも発光して測定
対象ガスＸに照射するものである。

【００２１】ここで、この第３測定光ｃ1，ｃ2と第４測
定光ｄ1，ｄ2とは、少なくとも測定対象成分及び外乱成
分に対して吸収量が異なる波長であれば十分であるが、
本実施形態では、測定精度を確保するために比較的強く
吸収される波長と吸収が弱い波長とに設定している。

【００２２】このような第３測定光ｃ1，ｃ2及び第４測
定光ｄ1，ｄ2のうち、第３測定光ｃ1及び第４測定光ｄ1
は、一酸化窒素（ＮＯ）の濃度（一酸化窒素濃度）ある
いはアンモニア（ＮＨ₃）単体の濃度（アンモニア濃
度）の測定に供されるものであり、以下では一酸化窒素
用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1と記
載する。一方、第３測定光ｃ2及び第４測定光ｄ2はアン
モニア（ＮＨ₃）単体の濃度（アンモニア濃度）の測定
に供されるものであり、以下ではアンモニア用ＯＮ測定
光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2と記載する。

【００２３】ここで、本実施形態は、上述した一酸化窒
素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ₃）に加えて、酸素
（Ｏ₂）をも測定対象成分とするものである。酸素
（Ｏ₂）の光吸収域は紫外域よりも長い波長域に分布し
ており、酸化硫黄（ＳＯ₂）光吸収域とは異なってい
る。レーザ光源装置１は、排ガス中の酸素（Ｏ₂）の濃
度をも測定可能とするために、酸素（Ｏ₂）に強く吸収
される波長の酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素（Ｏ₂）に対
する吸収が弱い波長の酸素用ＯＦＦ測定光ｆを発光して
測定対象ガスＸに照射するように構成されている。

【００２４】以下の説明では、上記酸化硫黄用ＯＮ測定
光ａ、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ、一酸化窒素用ＯＮ測
定光ｃ1、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1、アンモニア用
ＯＮ測定光ｃ2、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2、酸素用
ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆを総称する場合
には、単に測定光と記載する。

【００２５】図４は、このようなレーザ光源装置１の詳
細な機能構成を示すブロック図である。この図に示すよ
うに、本レーザ光源装置１は、ＹＡＧレーザ発振器１
ａ、波長可変レーザ発振器１ｂ（ＯＰＯ：Optical Para
meter Oscillator）、高調波発生器１ｃ，１ｄ及び２波
長合成器１ｅから構成されている。ＹＡＧレーザ発振器
１ａは、制御演算部７によって発振動作が制御されるも
のであり、発振したレーザ光のうち、基本波ω（波長＝
１０６４ｎｍ）を２波長合成器１ｅに出力し、２倍波２
ω（波長＝５３２ｎｍ）を高調波発生器１ｃに出力し、
３倍波３ω（波長＝３５５ｎｍ）を波長可変レーザ発振
器１ｂに出力する。

【００２６】波長可変レーザ発振器１ｂは、上記ＹＡＧ
レーザ発振器１ａと同様に制御演算部７によって発振動
作が制御されるようになっており、上記３倍波３ωを励
起光として所定波長範囲内の所定波長のレーザ光を発振
するものである。例えば、この波長可変レーザ発振器１
ｂは、波長４４０ｎｍ〜６９０ｎｍ範囲内の所定波長の
シグナル光を発振して高調波発生器１ｄに出力し、波長
７３５ｎｍ〜１８００ｎｍ範囲内の所定波長のアイドラ
光を発振し上記酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測
定光ｆとして測定対象ガスＸに照射し、また波長３５５
ｎｍの励起光を上記酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂとして測
定対象ガスＸに照射する。なお、シグナル光及びアイド
ラ光の各波長は、制御演算部７によって時分割的に設定
されるようになっており、詳細については後述する。

【００２７】高調波発生器１ｃは、ＹＡＧレーザ発振器
１ａから入力された波長５３２ｎｍの２倍波２ωの高調
波（２倍波）つまり４倍波４ω（波長＝２６６ｎｍ）を
生成し上記酸化硫黄用ＯＮ測定光ａとして測定対象ガス
Ｘに照射するものである。高調波発生器１ｄは、上記シ
グナル光の高調波（２倍波）、つまり波長２２０ｎｍ〜
３４５ｎｍ範囲内の所定波長のレーザ光を生成し、上記
一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測
定光ｄ1として測定対象ガスＸに照射すると共に２波長
合成器１ｅに出力するものである。

【００２８】なお、このシグナル光の２倍波は、上記波
長計２にも出力されるようになっている。２波長合成器
１ｅは、ＹＡＧレーザ発振器１ａから入力された基本波
ωと高調波発生器１ｄから入力されたシグナル光の２倍
波とを合成することにより波長２００ｎｍ〜２２０ｎｍ
範囲内の所定波長のレーザー光を生成し、上記アンモニ
ア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2と
して測定対象ガスＸに照射するものである。

【００２９】例えば、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波
長は上記波長２２０ｎｍ〜３４５ｎｍ内の２２６．９ｎ
ｍに設定され、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長は
波長２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２２７．２ｎｍに設定
され、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長は上記２００
ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２１６．９ｎｍに設定され、アン
モニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長は２００ｎｍ〜２２０
ｎｍ内の２１６．８ｎｍに設定される。また、酸素用Ｏ
Ｎ測定光ｅの波長は７６０ｎｍに設定され、酸素用ＯＦ
Ｆ測定光ｆの波長は７５９ｎｍに設定される。

【００３０】一方、図１に示す波長計２は、高調波発生
器１ｄから入力されたシグナル光の２倍波の波長をレー
ザ光源装置１から出射される測定光の各波長の代表値と
して計測し、その計測結果を波長表示装置３に出力する
ものである。波長表示装置３は、上記計測結果に基づい
て当該シグナル光の２倍波の波長を数値表示するもので
ある。

【００３１】光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、所定範囲内
の光減衰量を可変設定可能なものであり、該光減衰量は
上記制御演算部７によって設定されるようになってい
る。このうち、光アッテネータ４Ａは、一酸化窒素用Ｏ
Ｎ測定光ｃ1の一酸化窒素用ＯＮ透過光Ｐｃ1、一酸化窒
素用ＯＦＦ測定光ｄ1の一酸化窒素用ＯＦＦ透過光Ｐｄ
1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2のアンモニア用ＯＮ透過
光Ｐｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2のアンモニア
用ＯＦＦ透過光Ｐｄ2の光路上に共通状態に介挿されて
いる。また、光アッテネータ４Ｂは酸化硫黄用ＯＦＦ測
定光ｂの酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂの光路上に介挿さ
れ、光アッテネータ４Ｃは酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの酸
化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａの光路上に介挿されている。

【００３２】このような光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、
外乱成分である酸化硫黄（ＳＯ₂）の濃度変化に起因す
る上記各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐ
ｄ2の強度変化、つまり酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、酸化
硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ2、
一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1、アンモニア用ＯＮ測定
光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に対する測定対
象ガスＸの光透過率の変化に対して後段の透過光検出手
段５における光強度の検出精度を確保するためのもので
ある。すなわち、測定対象ガスＸが酸化硫黄（ＳＯ₂）
を含む石炭焚きあるいは重油焚き等の排ガスの場合、酸
化硫黄（ＳＯ₂）の濃度は状況に応じて大幅に変化す
る。光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、このような点を考慮
し、透過光検出手段５を光強度検出特性の直線性の良い
領域で動作させ、よって光強度の検出精度を所定精度以
上に確保するための設けられている。

【００３３】なお、酸素用測定光ｅの酸素用透過光Ｐｅ
の光路上には光アッテネータが介挿されていないが、こ
れは酸素（Ｏ₂）の吸収スペクトルが酸化硫黄（ＳＯ₂）
の吸収スペクトルと重なり合っていないので、酸化硫黄
濃度の変化に起因して酸素用測定光ｅの光透過率が変化
することなく比較的安定しているためである。

【００３４】透過光検出手段５は、各透過光Ｐａ，Ｐ
ｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｅの光強度をそれ
ぞれ検出するものであり、図示するように４つのフォト
マルチプライヤ５Ａ〜５Ｄから構成されている。このう
ち、フォトマルチプライヤ５Ａは光アッテネータ４Ａを
介して透過光Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2の光強度を検
出し、フォトマルチプライヤ５Ｂは光アッテネータ４Ｂ
を介して酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂの光強度を検出
し、フォトマルチプライヤ５Ｃは光アッテネータ４Ｃを
介して酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａの光強度を検出し、さ
らフォトマルチプライヤ５Ｄは酸素用透過光Ｐｅの光強
度を直接検出する。

【００３５】周知のようにフォトマルチプライヤは、光
増幅機能を有している。上記各フォトマルチプライヤ５
Ａ〜５Ｄは、上記制御演算部７によって個々の光増幅度
が設定されるようになっており、個々の光増幅度は各フ
ォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光検出精度を一定範囲
内に維持すると共に、後段のＡ／Ｄコンバータ６Ａ〜６
Ｄがオーバーフローを生じないことをも考慮して設定さ
れる。すなわち、本実施形態では、当該フォトマルチプ
ライヤ５Ａ〜５Ｄの光増幅度の設定と上記光アッテネー
タ４Ａ〜４Ｃの光減衰量の設定との共同によってフォト
マルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光検出精度が確保されると
共に、Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄの入力信号のダイナ
ミックレンジが当該Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄがオー
バーフローを生じないように設定されている。

【００３６】Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄは、上記フォ
トマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの各検出信号（アナログ信
号）をデジタル信号（デジタル検出信号）に変換して制
御演算部７に出力するものである。このうち、Ａ／Ｄコ
ンバータ６Ａはフォトマルチプライヤ５Ａの検出信号を
デジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｂはフ
ォトマルチプライヤ５Ｂの検出信号をデジタル検出信号
に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｃはフォトマルチプライ
ヤ５Ｃの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄ
コンバータ６Ｄはフォトマルチプライヤ５Ｄの検出信号
をデジタル検出信号に変換する。

【００３７】演算データ記憶部８は、演算制御部７によ
る上記測定対象成分の濃度の算出に必要な各種演算デー
タを記憶するものであり、演算制御部７の要求に応じて
所定の演算データを読み出して演算制御部７に出力す
る。この演算データ記憶部８は、演算データの１つとし
て、上述したようにレーザ光源装置１において変更設定
可能な一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λ_{c1 NO}、一酸
化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長λ_{d1 NO}、アンモニア用
ＯＮ測定光ｃ2の波長λ_{c2 NH3}、アンモニア用ＯＦＦ測
定光ｄ2の波長λ_{d2 NH3}、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λ
_{e O2}及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λ_{f O2}を波長デー
タベースとして記憶する。

【００３８】また、演算データ記憶部８は、各測定光の
各光吸収係数、すなわち酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸
収係数α_{a SO2}、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光吸収係
数α_{b SO2}、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光吸収係数α
_{c1 NO}、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光吸収係数α
_{d1 NO}、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光吸収係数α
_{c2 NH 3}、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光吸収係数α
_{d2 NH3}、酸素用ＯＮ測定光ｅの光吸収係数α_{e O2}及び酸
素用ＯＦＦ測定光ｆの光吸収係数α_{f O2}を、測定対象ガ
スＸの圧力及び温度からなる２次元パラメータに対応す
る光吸収係数データベースとして記憶する。

【００３９】光吸収係数は、測定対象ガスＸの圧力と温
度とをパラメータとして一義的に決まるものである。す
なわち、光吸収係数は、測定対象ガスＸの圧力毎及び温
度毎に異なる値となる。演算データ記憶部８は、上述し
た各測定光に関して測定対象ガスＸの圧力と温度とから
成る複数の２次元パラメータに対して予め実験的に求め
られた複数の光吸収係数を記憶する。この２次元パラメ
ータの範囲つまり圧力と温度との各範囲は、当然に測定
対象ガスＸである排ガスの圧力変動範囲及び温度変動範
囲をカバーするものである。

【００４０】また、この演算データ記憶部８は、先行測
定された各測定光の光強度すなわち酸化硫黄用ＯＮ測定
光ａの光強度Ｉ_{a in}、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光強
度Ｉ _{b in}、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光強度
Ｉ_{c1 in}、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光強度Ｉ
_{d1 in}、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光強度Ｉ_{c2 in}、
アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光強度Ｉ_{d2 in}、酸素用
ＯＮ測定光ｅの光強度_{Ie in}及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆ
の光強度Ｉ_{f in}を測定光強度データとして記憶する。こ
れら各光強度は、例えばレーザ光源装置１の出射口で計
測された光量である。

【００４１】また、演算データ記憶部８は、各測定光の
測定対象ガスＸにおける光路長をも、演算データの１つ
として記憶する。本実施形態は、測定対象ガスＸに照射
した各測定光の透過光を透過光検出手段５で受光するこ
とにより各測定対象成分の濃度を測定するものであり、
各測定光の測定対象ガスＸに対する照射口と透過光検出
手段５とが測定対象ガスＸの煙道を挟んで対向配置され
る。上記光路長は、例えばこのような排ガスが通過する
煙道において測定光が排ガスを通過する距離であり、上
記照射口と透過光検出手段５を煙道に設置した時点で一
義的に決定されるものである。本実施形態では各測定光
の光路長は全て等しいものとし、以下では光路長Ｌ_gと
記載する。

【００４２】さらに、演算データ記憶部８は、レーザ光
源装置１の上記出射口と透過光検出手段５との間に配置
された各種光学部品（上記光アッテネータ４Ａ〜４Ｃを
除く）による酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数Ｃ₁
及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光吸収係数Ｃ₂をも演
算データの１つとして記憶する。上記光学部品は、例え
ばレーザ光源装置１における出射口から測定対象ガスＸ
に対する照射口まで各測定光を案内する光導波路等であ
る。

【００４３】操作装置９は、制御演算部７に対して人為
的な操作指示を入力するためのものであり、例えばキー
ボードやポインティングデバイスである。出力装置１０
は、表示装置、印刷装置及びデータ記憶装置等から成る
ものであり、制御演算部７から出力される測定データを
表示、印刷及び記憶保持するものである。圧力計１１
は、測定対象ガスＸの圧力を計測するものであり、測定
対象ガスＸである排ガスの煙道に設けられる。温度計１
２は、測定対象ガスＸの温度を計測するものであり、上
記圧力計１１と同じく排ガスの煙道に設けられる。この
圧力計１１と温度計１２とは、上記光吸収係数データベ
ースを検索するための２次元パラメータを制御演算部７
に提供するためのものである。

【００４４】制御演算部７は、上記操作装置９から入力
される操作指示に基づいてレーザ光源装置１、光アッテ
ネータ４Ａ〜４Ｃ及び透過光検出手段５の動作を制御す
ると共に、当該制御の結果として各Ａ／Ｄコンバータ６
Ａ〜６Ｄから入力されるデジタル検出信号、圧力計１１
から入力される測定対象ガスＸの圧力、温度計１２から
入力される測定対象ガスＸの温度及び演算データ記憶部
８に記憶された波長データベースと光吸収係数データベ
ースと光路長Ｌ_g等の演算データに基づいて一酸化窒濃
度Ｎ_NOとアンモニア濃度Ｎ_NH3及び酸素濃度Ｎ_O2を算出
し、上記出力装置１０に出力するものである。

【００４５】次に、本ガス成分測定装置を用いた測定対
象成分濃度の測定方法について、図５のフローチャート
に沿って詳しく説明する。

【００４６】〔ステップ：Ｓ1〕まず始めに、測定に先
立って測定対象成分の選定が行われる。例えば、測定作
業者が操作装置９を操作することにより、出力装置１０
に画像表示された測定対象成分一覧の中から特定の測定
対象成分を指示操作すると、この指示操作情報は制御演
算部７に入力され、よって測定対象成分が制御演算部７
に入力される。

【００４７】〔ステップ：Ｓ2〕いま、一酸化窒素（Ｎ
Ｏ）とアンモニア（ＮＨ₃）と酸素（Ｏ₂）の濃度測定が
選定指示されたとすると、制御演算部７は、この選定指
示に基づいてレーザ光源装置１（正確には波長可変レー
ザ発振器１ｂ）の発振波長の設定を行う。

【００４８】すなわち、演算データ記憶部８の波長デー
タベースから一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）と酸素（Ｏ₂）の測定光に該当する波長データ、つ
まり一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λ_{c1 NO}、一酸化
窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長λ_{d 1 NO}、アンモニア用Ｏ
Ｎ測定光ｃ2の波長λ_{c2 NH3}、アンモニア用ＯＦＦ測定
光ｄ2の波長λ_{d2 NH3}、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λ
_{e O2}及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λ_{f O2}を読み出
し、このうち波長λ_{c1 NO}、波長λ_{c2 NH3}及び波長λ_{e O
2}を発振するように波長可変レーザ発振器１ｂを制御す
る。

【００４９】一酸化窒素測定用の波長λ_{c1 NO}と波長λ
_{d1 NO}は、制御演算部７によって時分割的に設定される
ようになっている。また、アンモニア測定用の波長λ
_{c2 NH3}と波長λ_{d2 NH3}及び酸素測定用の波長λ_{e O2}と波
長λ_{f O2}についても同様に、制御演算部７によって時分
割的に設定されるようになっている。これら時分割設定
される各測定光の波長のうち、当該ステップＳ2におい
ては、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λ_{c1 NO}とアン
モニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λ_{c2 NH3}と酸素用ＯＮ測
定光ｅの波長λ_{e O2}が初期設定される。

【００５０】ここで、酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの波長λ
_{a SO2}及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの波長λ_{b SO2}につ
いては、上述したレーザ光源装置１の構成から容易に理
解できるように固定的なＹＡＧレーザ発振器１ａの発振
波長に基づくので、波長λ _{a SO2}は２６６５ｎｍに、ま
た波長λ_{b SO2}は３５５ｎｍに予め固定値として設定さ
れている。

【００５１】〔ステップ：Ｓ3〕このようにしてレーザ
光源装置１の波長設定が完了すると、制御演算部７は、
各光アッテネータ４Ａ〜４Ｃの光減衰量を初期設定す
る。上述したように、この光アッテネータ４Ａ〜４Ｃ
は、酸化硫黄濃度の変動に起因して酸素用ＯＮ透過光Ｐ
ｅ及び酸素用ＯＦＦ透過光Ｐｆを除く他の透過光の光強
度が大幅に変化することに対応して設けられたものであ
る。ここで設定される光減衰量の初期値は、例えば最も
標準的な酸化硫黄濃度に対応した光減衰量である。

【００５２】また、制御演算部７は、このステップＳ3
において各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光増幅度
をも初期設定する。この各光増幅度の初期値について
も、例えば上記光減衰量の初期値と同様に、最も標準的
な酸化硫黄濃度に対応した光増幅度である。上記ステッ
プＳ1〜Ｓ3の処理によって測定の前準備が完了したこと
になる。

【００５３】〔ステップ：Ｓ4〕ここでは、ステップＳ2
において波長設定された各測定光がレーザ光源装置１か
ら測定対象ガスＸに向けて一斉に照射され、各測定光の
透過光の光強度が各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄに
よってそれぞれ検出され、各々検出信号として各Ａ／Ｄ
コンバータ６Ａ〜６Ｄに入力される。そして、各検出信
号は、Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄによってデジタル検
出信号に変換されて制御演算部７に出力される。

【００５４】すなわち、このステップＳ4では、透過光
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｅの各光強度が光強度デ
ータとして制御演算部７に取得される。この光強度デー
タは、各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｅ毎の光
アッテネータ４Ａ〜４Ｃによる光減衰量の相違及びフォ
トマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによる光増幅度の相違を是
正するために、制御演算部７によって当該光減衰量及び
光増幅度に基づく係数がそれぞれ乗算されて正規の光強
度Ｉ_{a out}，Ｉ_{b out}，Ｉ_{c1 out}，Ｉ_{c2 out}，Ｉ _{e out}に
それぞれ修正される。そして、この光強度Ｉ_{a out}，Ｉ
_{b out}，Ｉ_{c1 out}，Ｉ_{c2 out}，Ｉ_{e out}は、透過光データ
として制御演算部７内のメモリに一時記憶させる。

【００５５】〔ステップ：Ｓ5〕続いて、制御演算部７
は、ステップＳ2において波長設定された各測定光の波
長λ_{c1 NO}、波長λ_{c2 NH3}及び波長λ_{e O2}を波長
λ_{d1 NO}、波長λ_{d2 NH3}及び波長λ_{f O2}に変更するよう
にレーザ光源装置１（波長可変レーザ発振器１ｂ）を制
御する。この波長変更によって、レーザ光源装置１は、
一酸化窒素測定用の波長λ _{d1 NO}とアンモニア測定用の
波長λ_{d2 NH3}と酸素測定用の波長λ_{f O2}と共に、酸化硫
黄測定用の波長λ_{a SO2}と波長λ_{b SO2}を発振する状態に
設定される。

【００５６】〔ステップ：Ｓ6〕そして、このように波
長設定された各測定光ａ，ｂ，ｄ1，ｄ2，ｆは、上記ス
テップＳ4と同様にしてレーザ光源装置１から測定対象
ガスＸに向けて一斉に照射され、その透過光Ｐａ，Ｐ
ｂ，Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｆの各光強度がフォトマルチプラ
イヤ５Ａ〜５Ｄによってそれぞれ検出される。そして、
当該各光強度は、上記ステップＳ4と同様にして光強度
データとして制御演算部７に取得され、各光アッテネー
タ４Ａ〜４Ｃによる光減衰量の相違及び各フォトマルチ
プライヤ５Ａ〜５Ｄによる光増幅度の相違を是正する係
数が乗算されて正規の光強度Ｉ_{a out}，Ｉ_{b out}，Ｉ
_{d1 out}，Ｉ_{d2 out}，Ｉ_{f out}に修正される。この光強度
Ｉ_{a out}，Ｉ_{b out}，Ｉ_{d1 out}，Ｉ_{d2 out}，Ｉ_{f out}は、
透過光データとして制御演算部７内のメモリに一時記憶
される。

【００５７】また、制御演算部７は、当該透過光データ
の取得処理と並行して圧力計１１から取得された測定対
象ガスＸの圧力データ及び温度計１２から取得された測
定対象ガスＸの温度データをも、自らのメモリに記憶さ
せる。以上の処理によって、測定対象成分である一酸化
窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ₃）と酸素（Ｏ₂）の濃
度の算出に必要となる透過光データの全て並びに圧力デ
ータ及び温度データが制御演算部７に取得されたことに
なる。これ以降、制御演算部７は、自らのメモリに記憶
した透過光データ及び圧力データと温度データ並びに演
算データ記憶部８に予め記憶された演算データを用いて
各測定対象成分の濃度を算出する。

【００５８】〔ステップ：Ｓ7〕このステップＳ7では制
御演算部７によって、以下に詳説するように酸化硫黄用
ＯＮ透過光Ｐａ（第１透過光）と酸化硫黄用ＯＦＦ透過
光Ｐｂ（第２透過光）との各光強度Ｉ_{a out}，Ｉ_{b out}及
び酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ（第１測定光）と酸化硫黄用
ＯＦＦ測定光ｂ（第２測定光）との光路長Ｌ_gと光吸収
係数α_{b SO2}並びに酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ（第１測定
光）の光透過率Ｔ_aと酸化硫黄濃度Ｎ_SO2（外乱成分濃
度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（２）
（第１のランベルト・ベールの理論式）及び酸化硫黄用
ＯＦＦ測定光ｂ（第２測定光）の光透過率Ｔ_bと酸化硫
黄濃度Ｎ_SO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベル
ト・ベールの理論式（３）（第２のランベルト・ベール
の理論式）に基づいて、酸化硫黄濃度Ｎ_SO2（外乱成分
濃度）が算出される。

【００５９】すなわち、制御演算部７は、当該ステップ
Ｓ7において、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）
及びアンモニア（ＮＨ₃）に対して光吸収域が重なる外
乱成分としての酸化硫黄（ＳＯ₂）について、ランベル
ト・ベールの理論式（１），（２）を用いてその酸化硫
黄濃度Ｎ_SO2を先行演算する。

【００６０】周知のランベルト・ベールの法則によれ
ば、ある光吸収媒体を透過して得られる透過光の光強度
Ｉ_outは、入射光（測定光）の光強度をＩ_in、光吸収係
数をα、光吸収媒体の濃度をＮ、入射光の光吸収媒体に
おける光路長をＬとすると、以下の理論式（１）によっ
て表される。

【００６１】

【数１】

【００６２】ここで、光吸収係数αは、光吸収媒体の圧
力及び温度の関数であり、実験的に確認することができ
る量である。また、光路長Ｌも計測可能である。したが
って、入射光の光透過率をＴ（＝Ｉ_out/Ｉ_in）とする
と、光強度Ｉ_in，Ｉ_outを測定することによって光透過
率Ｔが求められるので、濃度Ｎを演算推定することがで
きる。

【００６３】制御演算部７は、この上記ランベルト・ベ
ールの法則に基づいて以下のように酸化硫黄濃度Ｎ_SO2
を算出する。すなわち、上記理論式（１）を酸化硫黄用
ＯＮ測定光ａ及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに適用する
と、当該酸化硫黄用ＯＮ測定光ａと酸化硫黄用ＯＦＦ測
定光ｂの各光透過率Ｔa，Ｔbについて以下の理論式
（２），（３）が得られる。

【００６４】

【数２】

【００６５】

【数３】

【００６６】ここで、Ｃ₁は、上述したように酸化硫黄
用ＯＮ測定光ａに関する光学部品の光吸収係数、Ｃ₂は
酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに関する光学部品の光吸収係
数であり、予め計測されて演算データ記憶部８に記憶さ
れているものである。また、Ｃ₃は、測定対象ガスＸ中
に含まれる粉塵の光吸収係数であり、変動する未知の量
である。

【００６７】また、理論式（３）に対応する酸化硫黄用
ＯＦＦ測定光ｂの波長λ_{b SO2}は、上述したように酸化
硫黄（ＳＯ₂）に全く吸収されない波長つまり３５５ｎ
ｍに設定されている。したがって、理論式（３）におけ
るα_{b SO2}は、測定対象ガスＸの圧力及び温度に関わり
なく「０」であり、下式（４）が成立する。

【００６８】

【数４】

【００６９】この式（４）を理論式（３）に代入する
と、当該理論式（３）は式（５）のように表される。

【００７０】

【数５】

【００７１】すなわち、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光
透過率Ｔ_bは、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに関する光学
部品の光吸収係数Ｃ₂と粉塵の光吸収係数Ｃ₃の積として
与えられる。この式（５）と上記式（２）との比を取る
と、測定対象ガスＸ中の粉塵に関する光吸収係数Ｃ₃が
消去されて、式（６）が得られる。

【００７２】

【数６】

【００７３】さらに、この式（６）を変形すると、酸化
硫黄用ＯＮ測定光ａに関する酸化硫黄（ＳＯ₂）の光吸
収量Ａ_{a SO2}について式（７）が得られる。

【００７４】

【数７】

【００７５】制御演算部７は、この式（７）に基づいて
上記酸化硫黄（ＳＯ₂）の光吸収量Ａ_{a SO2}を算出する。
すなわち、自らのメモリに記憶した酸化硫黄用ＯＮ測定
光ａの透過光Ｐａに関する光強度Ｉ_{a out}及び酸化硫黄
用ＯＦＦ測定光ｂの透過光Ｐbに関する光強度Ｉ_{b out}並
びに演算データ記憶部８に記憶された酸化硫黄用ＯＮ測
定光ａの光強度Ｉ_{a in}及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの
光強度Ｉ_{b in}から光透過率Ｔ_a，Ｔ_bを算出し、該光透過
率Ｔ_a，Ｔ_bと光学部品の光吸収係数Ｃ₁，Ｃ₂とから光吸
収量Ａ_{a SO2}を算出する。

【００７６】また、制御演算部７は、自らのメモリに記
憶した測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから
成る２次元パラメータを用いて演算データ記憶部８内の
光吸収係数データベースを検索することにより、測定対
象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した酸化硫黄用Ｏ
Ｎ測定光ａの光吸収係数α_{a SO2}を取得する。また、こ
れと共に光路長Ｌ_gを演算データ記憶部８から取得す
る。そして、先行計算した上記光吸収量Ａ_{a SO2}を光吸
収係数α_{on SO2}及び光路長Ｌ_gで除算することにより、
酸化硫黄濃度Ｎ_SO2を算出する。

【００７７】〔ステップ：Ｓ8〕このステップＳ8におい
て、制御演算部は７は、上記ステップＳ7の演算結果で
ある酸化硫黄濃度Ｎ_SO2、一酸化窒素用ＯＮ透過光Ｐｃ1
（第３透過光）と一酸化窒素用ＯＦＦ透過光Ｐｄ1（第
４透過光）との各光強度Ｉ_{c1 out}，Ｉ_{d1 out}及び一酸化
窒素用ＯＮ測定光ｃ1（第３測定光）と一酸化窒素用Ｏ
ＦＦ測定光ｄ1（第４測定光）とに関する光路長Ｌ_gと光
吸収係数α_{c1 NO}，α_{d1 NO}，α_{c1 SO2}，α_{d 1 SO2}並びに
一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1（第３測定光）の光透過率
Ｔ_c1と一酸化窒濃度Ｎ_NO（測定対象成分濃度）と酸化硫
黄濃度Ｎ_SO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベル
ト・ベールの理論式（８）（第３のランベルト・ベール
の理論式）及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1（第４測
定光）の光透過率Ｔ_d1と一酸化窒濃度Ｎ_NO（測定対象成
分濃度）と酸化硫黄濃度Ｎ_SO2（外乱成分濃度）との関
係を示すランベルト・ベールの理論式（９）（第４のラ
ンベルト・ベールの理論式）に基づいて、測定対象成分
の１つである一酸化窒素（ＮＯ）の一酸化窒濃度Ｎ
_NO（測定対象成分濃度）を算出する。

【００７８】すなわち、上記理論式（１）を一酸化窒素
用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1に適
用すると、当該一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1と一酸化窒
素用ＯＦＦ測定光ｄ1の各光透過率Ｐc1，Ｐd1について
以下の理論式（８），（９）が得られる。

【００７９】

【数８】

【００８０】

【数９】

【００８１】この理論式（８）及び理論式（９）の比を
取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵の光吸収係数Ｃ₃が消
去されて下式（１０）が得られる。

【００８２】

【数１０】

【００８３】この式（１０）を式（１１）のように変形
して光吸収比Ｈ_c1/d1と置き、式（１１）をさらに一酸
化窒濃度Ｎ_NOについて解くと、最終的に式（１２）が得
られる。

【００８４】

【数１１】

【００８５】

【数１２】

【００８６】制御演算部７は、自らのメモリに記憶した
一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の透過光Ｐc1に関する光強
度Ｉ_{c1 out}及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の透過光
Ｐd1に関する光強度Ｉ_{d1 out}並びに演算データ記憶部８
に記憶された一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光強度Ｉ
_{c1 in}及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光強度Ｉ
_{d1 in}から光透過率Ｔ_c1，Ｔ_d1を算出し、該光透過率Ｔ
_c1，Ｔ_d1と光学部品の光吸収係数Ｃ₁，Ｃ₂とを式（１
１）に代入することにより光吸収比Ｈ_c1/d1を算出す
る。

【００８７】そして、このように算出した光吸収比Ｈ
_c1/d1、ステップＳ7で算出した酸化硫黄濃度Ｎ_SO2、測
定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次
元パラメータを用いて光吸収係数データベースを検索し
て得た測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した
一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1に関する一酸化窒素（Ｎ
Ｏ）の光吸収係数α_{c1 NO}と酸化硫黄（ＳＯ₂）の光吸収
係数α_{c1 SO2}、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1に関する
一酸化窒素（ＮＯ）の光吸収係数α_{d1 NO}と酸化硫黄
（ＳＯ₂）の光吸収係数α_{d1 SO2}及び光路長Ｌ_gを式（１
２）に代入することにより一酸化窒濃度Ｎ_NOを算出す
る。

【００８８】〔ステップ：Ｓ9〕さらに、当該ステップ
Ｓ9において制御演算部は７は、上記ステップＳ7の演算
結果である酸化硫黄濃度Ｎ_SO2、アンモニア用ＯＮ透過
光Ｐｃ2（第３透過光）とアンモニア用ＯＦＦ透過光Ｐ
ｄ2（第４透過光）との各光強度Ｉ_{c2 out}，Ｉ_{d2 ou t}及
びアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2（第３測定光）とアンモ
ニア用ＯＦＦ測定光ｄ2（第４測定光）とに関する光路
長Ｌ_gと光吸収係数α_{c2 NH3}，α_{d2 NH3}，α_{c2 S O2}，α
_{d2 SO2}並びにアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2（第３測定
光）の光透過率Ｔ_c2とアンモニア濃度Ｎ_NH3（測定対象
成分濃度）と酸化硫黄濃度Ｎ_SO2（外乱成分濃度）との
関係を示すランベルト・ベールの理論式（１３）（第３
のランベルト・ベールの理論式）及びアンモニア用ＯＦ
Ｆ測定光ｄ2（第４測定光）の光透過率Ｔ_d2とアンモニ
ア濃度Ｎ_NH3（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度Ｎ_SO2
（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの
理論式（１４）（第４のランベルト・ベールの理論式）
に基づいて、もう１つの測定対象成分であるアンモニア
（ＮＨ₃）のアンモニア濃度Ｎ_NH3（測定対象成分濃度）
を算出する。

【００８９】すなわち、上記理論式（１）をアンモニア
用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に適
用すると、当該アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2とアンモニ
ア用ＯＦＦ測定光ｄ2の各光透過率Ｐc2，Ｐd2について
以下の理論式（１３），（１４）が得られる。

【００９０】

【数１３】

【００９１】

【数１４】

【００９２】この理論式（１３）及び理論式（１４）の
比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵の光吸収係数Ｃ₃
が消去されて下式（１５）が得られる。

【００９３】

【数１５】

【００９４】この式（１５）を式（１６）のように変形
して光吸収比Ｈ_c2/d2と置き、さらに当該式（１６）を
アンモニア濃度Ｎ_NH3について解くと、最終的に式（１
７）が得られる。

【００９５】

【数１６】

【００９６】

【数１７】

【００９７】制御演算部７は、自らのメモリに記憶した
アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の透過光Ｐc2に関する光強
度Ｉ_{c2 out}及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の透過光
Ｐd2に関する光強度Ｉ_{d2 out}並びに演算データ記憶部８
に記憶されたアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光強度Ｉ
_{c2 in}及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光強度Ｉ
_{d2 in}から光透過率Ｔ_c2，Ｔ_d2を算出し、該光透過率Ｔ
_c2，Ｔ_d2と光学部品の光吸収係数Ｃ₁，Ｃ₂とを式（１
６）に代入することにより光吸収比Ｈ_c2/d2を算出す
る。

【００９８】そして、このように算出した光吸収比Ｈ
_c2/d2、ステップＳ7で取得した酸化硫黄濃度Ｎ_SO2、測
定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次
元パラメータを用いて光吸収係数データベースを検索し
て得た測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した
アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2に関するアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）の光吸収係数α_{c2 NH3}と酸化硫黄（ＳＯ₂）の光吸
収係数α_{c2 SO2}、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に関す
るアンモニア（ＮＨ₃）の光吸収係数α_{d2 NH3}と酸化硫
黄（ＳＯ₂）の光吸収係数α_{d2 SO2}及び光路長Ｌ_gを式
（１７）に代入することによりアンモニア濃度Ｎ_NH3を
算出する。

【００９９】〔ステップ：Ｓ10〕本実施形態では、制御
演算部７はさらに測定対象ガスＸの酸素濃度Ｎ_O2を算出
する。

【０１００】すなわち、上記理論式（１）を酸素用ＯＮ
測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆに適用すると、当該
酸素用ＯＮ測定光ｅと酸素用ＯＦＦ測定光ｆの各光透過
率Ｔe，Ｔfについて以下の理論式（１８），（１９）が
得られる。

【０１０１】

【数１８】

【０１０２】

【数１９】

【０１０３】この式（１８）と式（１９）との比を取る
と、測定対象ガスＸ中の粉塵に関する光吸収係数Ｃ₃が
消去されて、式（２０）が得られる。ここで、酸素用Ｏ
ＦＦ測定光ｆの波長λ_{f O2}は、上述したように酸素（Ｏ
₂）に全く吸収されない波長に設定されている。したが
って、理論式（２０）におけるα_{f O2}は、測定対象ガス
Ｘの圧力及び温度に関わりなく「０」である。したがっ
て、酸素用ＯＮ測定光ｅに関する酸素（Ｏ₂）の光吸収
量Ａ_{e O2}について式（２１）が得られる。

【０１０４】

【数２０】

【０１０５】

【数２１】

【０１０６】制御演算部７は、この式（２１）に基づい
て酸素（Ｏ₂）の光吸収量Ａ_{e O2}を算出する。すなわ
ち、自らのメモリに記憶した酸素用ＯＮ測定光ｅの透過
光Ｐeに関する光強度Ｉ_{e out}及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆ
の透過光Ｐfに関する光強度Ｉ _{f out}並びに演算データ記
憶部８に記憶された酸素用ＯＮ測定光ｅの光強度Ｉ_{e i n}
及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光強度Ｉ_{f in}から光透過率
Ｔ_e，Ｔ_fを算出し、該光透過率Ｔ_e，Ｔ_fと光学部品の光
吸収係数Ｃ₁，Ｃ₂とから光吸収量Ａ_{e O2}を算出する。

【０１０７】そして、制御演算部７は、自らのメモリに
記憶した測定対象ガスＸの圧力データと温度データとか
ら成る２次元パラメータを用いて演算データ記憶部８内
の光吸収係数データベースを検索することにより測定対
象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した酸素用ＯＮ測
定光ｅの光吸収係数α_{e O2}を演算データ記憶部８から取
得し、また光路長Ｌ_gをも演算データ記憶部８から取得
する。そして、先行計算した上記光吸収量Ａ_{e O2}を光吸
収係数α_{e O2}及び光路長Ｌ_gで除算することにより酸素
濃度Ｎ_O2を算出する。

【０１０８】以上のステップＳ1〜Ｓ10の処理によっ
て、本実施形態の測定対象ガスＸである排ガスについ
て、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニ
ア（ＮＨ ₃）及び酸素（Ｏ₂）の各濃度、すなわち一酸化
窒濃度Ｎ_NO、アンモニア濃度Ｎ_{NH 3}及び酸素濃度Ｎ_O2の
測定が終了した。

【０１０９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わるガ
ス成分測定装置及び方法によれば、以下のような効果を
奏する。

【０１１０】（１）請求項１または８記載の発明によれ
ば、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸
収される波長の第１測定光及び測定対象成分と外乱成分
とのいずれにも吸収されない波長の第２測定光の測定対
象ガスに対する光透過率並びに第１測定光と第２測定光
とに関する第１のランベルト・ベールの理論式及び第２
のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度
を算出する。また、このように算出した外乱成分濃度並
びに測定対象成分と外乱成分とに対して比較的強く吸収
される波長の第３測定光及び該第３測定光に比較して測
定対象成分と外乱成分とに対する吸収が弱い波長の第４
測定光の測定対象ガスに対する光透過率及び第３測定光
と第４測定光とに関する第３のランベルト・ベールの理
論式と第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測
定対象成分濃度を算出する。すなわち、光吸収域がオー
バーラップする測定対象成分と外乱成分とを含む測定対
象ガスに対して各成分濃度を分離測定することが可能で
ある。

【０１１１】（２）請求項２記載の発明によれば、ガス
成分測定装置に係わる第２の手段として、上記第１の手
段において、レーザ光源装置は、ＹＡＧレーザ発振器と
該ＹＡＧレーザ発振器を励起光源として所定波長範囲内
のレーザ光を出射する波長可変レーザ発振器とに基づい
て第１測定光〜第４測定光を発光するので、ＹＡＧレー
ザ発振器を唯一の光源として各測定光を発光することが
可能である。すなわち、複数の光源を必要とすることな
く、複数の測定光を発光することが可能である。

【０１１２】（３）請求項３記載の発明によれば、測定
対象ガスの圧力と温度に対応した光吸収係数を用いて外
乱成分濃度及び測定対象成分濃度を算出するので、測定
対象ガスの圧力と温度に応じて正確な外乱成分濃度及び
測定対象成分濃度を算出することが可能である。

【０１１３】（４）請求項４記載の発明によれば、透過
光検出手段として第１透過光〜第４透過光に応じて光増
幅度を可変するフォトマルチプライヤを採用するので、
第１透過光〜第４透過光の光強度の変化に対して、透過
光検出手段の光検出精度を一定範囲内に維持することが
可能である。

【０１１４】（５）請求項５記載の発明によれば、透過
光検出手段の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光
減衰量を可変する光アッテネータを設けるので、第１透
過光〜第４透過光の光強度の変化に対して、透過光検出
手段の光検出精度を一定範囲内に維持することが可能で
ある。

【０１１５】（６）請求項６または９記載の発明によれ
ば、第１測定光〜第４測定光は、従来の近赤外光に比較
して高出力化が可能な紫外域のレーザ光を用いるので、
測定対象ガスに関する光路長を従来よりも長くすること
ができる。すなわち、測定対象ガスに対する測定光の通
過距離を従来よりも長くすることが可能なので、ガス成
分測定装置の適用範囲を従来よりも拡大することができ
る。

【０１１６】（７）請求項７または１０記載の発明によ
れば、排ガスに含まれる酸化硫黄（ＳＯ₂）並びに一酸
化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ₃）の各
濃度を分離測定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係わるガス成分測定装
置の機能構成を示すブロック図である。

【図２】 本発明の一実施形態に係わり、ＮＨ₃とＳＯ₂
の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。

【図３】 本発明の一実施形態に係わり、ＮＯとＳＯ₂
の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。

【図４】 本発明の一実施形態におけるレーザ光源装置
の機能構成を示すブロック図である。

【図５】 本発明の一実施形態に係わるガス成分測定装
置の測定動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

Ｘ……測定対象ガス １……レーザ光源装置 １ａ……ＹＡＧレーザ発振器 １ｂ……波長可変レーザ発振器 １ｃ，１ｄ……高調波発生器 １ｅ……２波長合成器 ２……波長計 ３……波長表示装置 ４Ａ〜４Ｃ……光アッテネータ（ＡＴＴ） ５……透過光検出手段 ５Ａ〜５Ｄ……フォトマルチプライヤ ６Ａ〜６Ｄ……Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ） ７……制御演算部（濃度演算手段） ８……演算データ記憶部（記憶手段） ９……操作装置 １０……出力装置 １１……圧力計 １２……温度計 ａ……酸化硫黄用ＯＮ測定光（第１測定光） ｂ……酸化硫黄用ＯＦＦ測定光（第２測定光） ｃ1……一酸化窒素用ＯＮ測定光（第３測定光） ｃ2……アンモニア用ＯＮ測定光（第３測定光） ｄ1……一酸化窒素用ＯＦＦ測定光（第４測定光） ｄ2……アンモニア用ＯＦＦ測定光（第４測定光） ｅ……酸素用ＯＮ測定光 ｆ……酸素用ＯＦＦ測定光 Ｐａ……酸化硫黄用ＯＮ透過光（第１透過光） Ｐｂ……酸化硫黄用ＯＦＦ透過光（第２透過光） Ｐｃ1……一酸化窒素用ＯＮ透過光（第３透過光） Ｐｃ2……アンモニア用ＯＮ透過光（第３透過光） Ｐｄ1……一酸化窒素用ＯＦＦ透過光（第４透過光） Ｐｄ2……アンモニア用ＯＦＦ透過光（第４透過光） Ｐｅ……酸素用ＯＮ透過光 Ｐｆ……酸素用ＯＦＦ透過光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 熊崎 脩 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20−１ 中部電力株式会社内 (72)発明者 平野 正義 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20−１ 中部電力株式会社内 (72)発明者 中島 勇人 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東京エンジニアリング センター内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB01 CC05 CC06 CC07 EE01 GG01 GG03 HH01 HH02 HH03 HH06 JJ25 KK01 KK03 LL04 MM01 MM09 MM10 PP04

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象ガスにレーザ光による測定光を
   照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測
   定する装置であって、 光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収さ
   れる第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれ
   にも吸収されない第２測定光を測定対象ガスに照射する
   と共に、測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異
   なる第３測定光及び第４測定光を測定対象ガスに照射す
   るレーザ光源装置（１）と、 前記第１測定光〜第４測定光の測定対象ガスからの第１
   透過光〜第４透過光の各光強度をそれぞれ検出する透過
   光検出手段（５）と、 前記第１測定光〜第４測定光の光路長とその光吸収係数
   とをそれぞれ記憶する記憶手段（８）と、 前記第１透過光と第２透過光との各光強度及び第１測定
   光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定
   光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のラン
   ベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外
   乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの
   理論式に基づいて外乱成分濃度を算出し、さらに当該外
   乱成分濃度、前記第３透過光と第４透過光との各光強度
   及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並
   びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成
   分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論
   式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱
   成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理
   論式に基づいて測定対象成分濃度を算出する成分濃度演
   算手段（７）と、 を具備することを特徴とするガス成分測定装置。
2. 【請求項２】 レーザ光源装置（１）は、ＹＡＧレーザ
   発振器（１ａ）と該ＹＡＧレーザ発振器（１ａ）を励起
   光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可
   変レーザ発振器（１ｂ）とに基づいて第１測定光〜第４
   測定光を発光することを特徴とする請求項１記載のガス
   成分測定装置。
3. 【請求項３】 測定対象ガスの圧力を検出する圧力計
   （１１）と測定対象ガスの温度を検出する温度計（１
   ２）とを備えると共に、記憶手段（８）は測定対象ガス
   の各圧力及び温度に応じた第１測定光〜第４測定光の各
   光吸収係数をデータベースとして記憶し、また成分濃度
   演算手段（７）は、圧力計（１１）及び温度計（１２）
   の各検出値に対応する各光吸収係数を記憶手段（８）か
   ら取得して外乱成分濃度と測定対象成分濃度とを算出す
   ることを特徴とする請求項１または２記載のガス成分測
   定装置。
4. 【請求項４】 透過光検出手段（５）は、第１透過光〜
   第４透過光に応じて光増幅度を可変するフォトマルチプ
   ライヤ（５Ａ〜５Ｄ）であることを特徴とする請求項１
   〜３いずれかに記載のガス成分測定装置。
5. 【請求項５】 透過光検出手段（５）の前段に第１透過
   光〜第４透過光に応じて光減衰量を可変する光アッテネ
   ータ（４Ａ〜４Ｃ）を設けることを特徴とする請求項１
   〜４いずれかに記載のガス成分測定装置。
6. 【請求項６】 第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波
   長を有するレーザ光であることを特徴とする請求項１〜
   ５いずれかに記載のガス成分測定装置。
7. 【請求項７】 測定対象ガスは排ガスであり、外乱成分
   が酸化硫黄（ＳＯ₂）かつ測定対象成分が一酸化窒素
   （ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ₃）であること
   を特徴とする請求項１〜６いずれかに記載のガス成分測
   定装置。
8. 【請求項８】 測定対象ガスにレーザ光による測定光を
   照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測
   定する方法であって、 光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収さ
   れる第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれ
   にも吸収されない第２測定光の測定対象ガスに対する光
   透過率をそれぞれ検出する工程Ａと、 該工程Ａによって検出された第１測定光と第２測定光と
   の各光透過率及び第１測定光と第２測定光との光路長と
   光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度
   との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び
   第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第
   ２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃
   度を推定する工程Ｂと、 測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３
   測定光及び第４測定光の測定対象ガスに対する光透過率
   をそれぞれ検出する工程Ｃと、 前記工程Ｂにおいて推定された外乱成分濃度、前記工程
   Ｃにおいて検出された第３測定光と第４測定光との各光
   透過率及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収
   係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と
   外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベール
   の理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度
   と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベー
   ルの理論式に基づいて測定対象成分濃度を推定する工程
   Ｄと、 を有することを特徴とするガス成分測定方法。
9. 【請求項９】 第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波
   長を有するレーザ光であることを特徴とする請求項８記
   載のガス成分測定方法。
10. 【請求項１０】 測定対象ガスが排ガスであり、外乱成
    分が酸化硫黄（ＳＯ ₂）かつ測定対象成分が一酸化窒素
    （ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ₃）であること
    を特徴とする請求項８または９記載のガス成分測定方
    法。