JP2010133800A

JP2010133800A - ガス成分計測装置

Info

Publication number: JP2010133800A
Application number: JP2008309078A
Authority: JP
Inventors: Shinsaku Dobashi; 晋作土橋; Chisato Tsukahara; 千幸人塚原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: JP5022349B2

Abstract

【課題】産業設備のプラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、オンラインでガス成分の分析が可能なガス成分計測装置を提供する。
【解決手段】レーザ装置２１から発振されたレーザ光（ｎｍ）２２を第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、発振されたレーザ光２２を波長変換し、第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１及び第２のレーザ光を導入するガス測定部２５と、照射される第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２により高い準位（Ｅ準位）に励起された励起分子が低い準位（Ｃ準位）に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（ＡＳＥ）１４を計測する光検出器２６とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザによる発光分析によるガス成分計測装置に関する。

産業設備のガスプラント内のガス配管内のガス濃度を計測する方法として、従来より半導体レーザ吸収法による方法が確立され、ＪＩＳ化されている（ＪＩＳＢ７９９３：非特許文献１）。

この半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略を図５に示す。
図５に示すように、ガス配管から分岐されたサンプル配管１０１に対し、レーザ装置１１０からレーザ光Ｌを照射し、被測定ガス１０２のガス成分を分析している。
ここで、符号１０１ａ、１０１ｂは石英窓、１１２は反射ミラー、１１３は第１の検出器であり、１１４は第２の検出器である。
前記第１の検出器１１３では、参照光（Ｉ₀）を求め、第２の検出器１１４ではサンプル配管１０１内の透過した光（Ｉ）を求めており、透過率Ｔ＝（Ｉ／Ｉ₀）を求めている。この分析手法により、様々なガス成分濃度のオンライン分析が可能となってきている。

ＪＩＳＢ７９９３

ところで、ガス成分の分析を行うに際して、図５のような配管から分岐されたサンプル配管１０１を用いて、半導体レーザ吸収法により計測する場合には、光の吸収の問題はないものの、図６に示すようなガス配管１２０の長さが長い場合、入射したレーザ光Ｌが散乱されることで、第２の検出器１１４で十分な光強度が検知されない、という問題がある。なお、図６中、符号１２１ａ、１２１ｂは石英窓である。

また、ガス吸収量が大きい場合には入射したレーザ光が吸収されてしまい、十分な光強度が検知されない、という問題がある。

そこで、産業設備の各種プラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、入射光が吸収散乱されることなく、オンラインでガス成分の分析が可能な方法が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、産業設備のプラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、オンラインでガス成分の分析が可能なガス成分計測装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、被測定ガスに対して照射されるレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス１２中のガス成分を計測することを特徴とするガス成分計測装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記レーザ光が二種類の波長のレーザ光であることを特徴とするガス成分計測装置にある。

第３の発明は、レーザ装置から発振されたレーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、発振されたレーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、第１及び第２のレーザ光を導入するガス測定部と、照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器とを具備することを特徴とするガス成分計測装置にある。

第４の発明は、第３の発明において、前記ガス測定部が、レーザ光を導入する光導入ラインと、発生した自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を放出する光放出ラインとを具備することを特徴とするガス成分計測装置にある。

第５の発明は、第３の発明において、前記光導入ラインと、前記光放出ラインとが同一ラインからなることを特徴とするガス成分計測装置にある。

本発明によれば、ＡＳＥの赤外領域での発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで分析可能となる。
また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例に係るガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係るガス成分計測装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、煙道１５中の被測定ガス１１に対して照射されるレーザ光２２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス１１中のガス成分を計測するものである。

具体的な装置構成としては、図１に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、レーザ装置２１から発振されたレーザ光（１０６４ｎｍ）２２を第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、発振されたレーザ光２２を波長変換し、第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１及び第２のレーザ光を導入するガス測定部２５と、照射される第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２により高い準位（Ｅ準位）に励起された励起分子が低い準位（Ｃ準位）に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：以下「ＡＳＥ」という）１４を計測する光検出器２６とを具備するものである。
図１中、１５ａ、１５ｂはレーザ光の透過する石英窓、２９は分光器、３１は集光レンズ、３３は光フィルタ、３４ａ〜３４ｄはミラーを各々図示する。

本発明のガス成分計測装置は、ＡＳＥの発光する原理を用いており、従来のような吸収分析と異なるので、被測定ガス１１のガス吸収による影響がなくなるものとなる。

次に、図２に示すＮＯのエネルギー準位の模式図を参照してＡＳＥの発光原理を説明する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素（ＮＯ）にレーザ光２２を照射して、電子的に励起させると、図２に示すように、基底状態（Ｘ）から、励起状態に遷移（Ｘ準位→Ａ準位→Ｅ準位）する。

具体的には第１のレーザ光（２２６ｎｍ）２２−１の励起波長ではＸ準位からＡ準位に励起され、次いで第２のレーザ光（６００ｎｍ）２２−２の励起波長ではＡ準位からＥ準位に励起される。
このとき、Ｅ準位の分子の数がＣ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＣ準位に自然放出され、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１１７０〜１１８４ｎｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。

被測定ガス中の計測対象のガス成分としては、一酸化窒素（ＮＯ）以外に、例えば
一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ₂Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ₂）、メタン（ＣＨ₄）、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。

図３は一酸化炭素（ＣＯ）のエネルギー準位の模式図である。
図３に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）では、基底状態から２１５ｎｍの励起波長ではＸ準位からＡ準位に励起され、次いで２１５ｎｍの励起波長ではＡ準位からＥ準位に励起される。

このとき、Ｅ準位の分子の数がＢ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＢ準位に自然放出がされ、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１．７μｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。

また、ＡＳＥは、赤外領域（例えばＮＯの場合には、１１７０〜１１８４ｎｍ）の波長であるので、可視領域や紫外領域と異なり、フィルタ３３での分離が容易であり、計測精度が向上する。

蛍光やラマン等の発光分析は等方発光で四方八方に光が拡がり、指向性が無いのに対し、ＡＳＥは指向性（レーザ光２２の入射方向と出射方向のみＡＳＥ１４が発光する）があり、高感度での分離が可能となる。
よって、本実施例では、前記ガス測定部２５に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したＡＳＥ１４を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。

この結果、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで可能となる。
また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。

次に、実施例２において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図４は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。図４に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ｂは、煙道１５内に、レーザ光を吸収するダンパ４１を設けており、ＡＳＥ１４をレーザ光２２の入射ライン側に設けた光検出器２６で計測するようにしている。

本実施例では、前記光導入ラインと、前記光放出ラインとを同一ラインとしているので、実施例１のような煙道に石英窓を２つ設けることが無くなり、装置構成が簡素化されることとなる。

本実施例では、レーザ光とＡＳＥとは波長域が異なるので、両者の分離が可能となり、フィルタ３３を用いて赤外領域のみを透過させることで、光検出器２６での計測が可能となる。

以上のように、本発明に係るガス成分計測装置によれば、発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析が可能となる。

実施例１に係るガス成分計測装置の概略図である。ＮＯのエネルギー準位の模式図である。ＣＯのエネルギー準位の模式図である。実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。従来の半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略図である。煙道を半導体レーザ吸収法により計測する模式図である。

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂガス成分計測装置
１１被測定ガス
１４ＡＳＥ
２１レーザ装置
２２レーザ光
２２−１第１のレーザ光
２２−２第２のレーザ光
２３第１の波長変換部
２４第２の波長変換部
２５ガス測定部
２６光検出器

Claims

被測定ガスに対して照射されるレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス中のガス成分を計測することを特徴とするガス成分計測装置。
請求項１において、
前記レーザ光が二種類の波長のレーザ光であることを特徴とするガス成分計測装置。
レーザ装置から発振されたレーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
発振されたレーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、
第１及び第２のレーザ光を導入するガス測定部と、
照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器とを具備することを特徴とするガス成分計測装置。
請求項３において、
前記ガス測定部が、レーザ光を導入する光導入ラインと、
発生した自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を放出する光放出ラインとを具備することを特徴とするガス成分計測装置。
請求項３において、
前記光導入ラインと、前記光放出ラインとが同一ラインからなることを特徴とするガス成分計測装置。