JP2010286349A

JP2010286349A - レーザ式ガス分析装置及びこの装置を用いたガス分析方法

Info

Publication number: JP2010286349A
Application number: JP2009140210A
Authority: JP
Inventors: Junichi Matsuo; 純一松尾; Tomoaki Nanko; 智昭南光
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: JP5483161B2

Abstract

【課題】機器をプロセスラインから取外すことなくキャリブレーションを行うことが可能なレーザ式ガス分析装置を提供する。
【解決手段】測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置において、
レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ式ガス分析装置に関し、詳しくはプロセスラインに取付けられた分析装置をプロセスラインから取り外すことなくキャリブレーションが可能なレーザ式ガス分析装置及びこの装置を用いたガス分析方法に関する。

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

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

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

１０ａは一端に取付けフランジ６ａが固定された投光部モジュールで、レーザ光源（ＬＤ）５を内蔵した投光室７と、投光側ケース８ａで構成されている。１０ｂは一端に取付けフランジ６ｂが固定された受光部モジュールで、ＰＤ（フォトダイオード）９を内蔵した受光室１１と、受光側ケース８ｂで構成されている。

１３は制御部・表示部であり、ＬＤ５の出力を制御したり、ＰＤ９の出力を表示する。投光側ケース８ａには制御部１３からの指令によりＬＤを駆動するための電子回路が組み込まれ、受光側ケース８ｂにはＰＤ９からの信号を処理するための電子回路が組み込まれている。なお、投光室７及び受光室１１にはパージガスの入口、出口（Ｐ１〜Ｐ４）が設けられパージガス（Ｎ_２）によりパージされている。

上述の構成において、投光部モジュール１０ａと受光部モジュール１０ｂがそれぞれ固定フランジ３ａおよび３ｂに対向して取付けられ、測定用レーザ光Ａが管路１中を流れる測定ガス２に照射され、受光部モジュール１０ｂを構成するＰＤ９に入射する。

この計測は、光路上のガス等により測定用レーザ光が吸収され、この吸収量がガス等の濃度と関連することを利用してその濃度等を検出するものである。即ち、波長を連続的に変化させながら（変調をかけながら）測定用レーザ光を測定空間に照射しており、この結果得られるＰＤ９の出力信号を制御部・表示部１３に含まれる演算処理装置（図示省略）で演算・分析することにより検出対象である分子・原子のデータを得るものである。

上述の構成のレーザ式ガス分析装置は、煙道など排気ガスが流れる箇所に直接設置されており、また、測定ガスの吸収のみを見るためそれ以外の空間はパージガス出入口（ｐ1〜ｐ４）により不活性ガス（例えばＮ_２）でパージされている。

特開２００７−１７０８４１号公報特開２００９−４７６７７号公報

ところで、このようなレーザ式ガス分析装置は所定時間経過毎、若しくは必要に応じて校正を行う必要がある。その場合、大口径のプロセスライン中にゼロガス・スパンガスを流すことは不可能であるため、機器の校正を行う場合には、投光部モジュール１０ａおよび受光部モジュールを１０ｂをプロセスラインから取外し別のユニット（校正セル等）を用いてキャリブレーションを行う必要があった。

そのため、校正に際しては多くの工数を要するという課題があった。従って本発明は、機器をプロセスラインから取外すことなくキャリブレーションを行うことが可能なレーザ式ガス分析装置を提供することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置においては、
測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置において、
レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備えたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置において、
前記分岐手段はビームスプリッタであることを特徴とする。

請求項３においては、請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置において、
前記第１、第２フォトダイオードは同じ温度になる程度に近接して配置されたことを特徴とする。

請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ式ガス分析装置において、ゼロガスとしてＮ_２、スパンガスとして測定対象ガスを用いたことを特徴とする。

請求項５においては、
測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置のゼロ・スパン調整方法において、
レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備え、
ゼロ調整時には前記第１、第２投光室と第１、第２受光室にゼロガスを流して得られた第１，第２フォトダイオードの出力に基づいてゼロ調整を行い、スパン調整時には第１投光室と第１受光室にスパンガスを流して得られた第１フォトダイオードの出力と、第２投光室と第２受光室にスパンガスを流して得られた第２フォトダイオードの出力に基づいてスパン調整を行うことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１〜４によれば、レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備えているので、機器を取付けた状態のままでゼロ・スパン調整が可能なレーザ式ガス分析装置を実現することができる。

請求項５によれば、
測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置のゼロ・スパン調整方法において、
レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備え、
ゼロ調整時には前記第１、第２投光室と第１、第２受光室にゼロガスを流して得られた第１，第２フォトダイオードの出力に基づいてゼロ調整を行い、スパン調整時には第１投光室と第１受光室にスパンガスを流して得られた第１フォトダイオードの出力と、第２投光室と第２受光室にスパンガスを流して得られた第２フォトダイオードの出力に基づいてスパン調整を行うので、機器を取付けた状態のままでゼロ・スパン調整が可能となる。

本発明のレーザ式ガス分析装置の実施形態の一例を示す要部構成図である。従来のレーザ式ガス分析装置の一例を示す要部構成図である。

図１は本発明のレーザ式ガス分析装置の実施形態の一例を示す要部構成図である。
図１において、図２に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。
１は測定ガス２が流れる管路であり、この管路１の途中には固定フランジ３ａ，３ｂが導管４ａ，４ｂを介して対向して配置されている。

２０ａは一端に取付けフランジ６ａが固定された投光部モジュールで、投光部１７と投光側ケース１８ａで構成されている。投光部１７にはＬＤ５、ビームスプリッタ（ＢＳ）２２及びミラー２３が配置されている。また、投光部１７は第１投光室１７ａと、第２投光室１７ｂに分割されており、互いの室は気体の交換がないように気密に隔離されている。

２０ｂは一端に取付けフランジ６ｂが固定された受光部モジュールで、受光部２１と受光側ケース１８ｂで構成されている。受光部２１はＰＤ９ａが配置された第１受光室２１ａと、ＰＤ９ｂが配置された第２受光室２１ｂに分割されており、互いの室は気体の交換がないように気密に隔離されている。

投光部モジュール１０ａと受光部モジュール１０ｂはそれぞれ固定フランジ３ａおよび３ｂに対向して取付けられる。
１３は制御部・表示部であり、ＬＤ５の出力を制御したり、ＰＤ９ａ又はＰＤ９ｂのいずれか、又は両方の出力の平均値を表示する。

上述の構成において、ＬＤ５から出力された測定用レーザ光ＡがＢＳ２２により透過光Ａ１と反射光Ａ２に分割され、反射光はミラー２３により反射して透過光と反射光が同時に管路１中を流れる測定ガス２に照射される。測定ガス２で特定の波長が吸収されたレーザ光は対向して配置された第１受光室２１ａ及び第２受光室２１ｂ内に配置されたＰＤ９ａ、ＰＤ９ｂにそれぞれ入射する。

なお、第１，第２投光室１７ａ、１７ｂ及び第１，第２受光室２１ａ、２１ｂにはパージガスの入口、出口（Ｐ１〜Ｐ８）が設けられ、吸収のない不活性ガス（Ｎ_２等）によりパージされている。
そして、通常の測定においては、ＰＤ１、ＰＤ２の出力のどちらか一方、もしくは双方の出力の平均から測定ガスの濃度を算出する。

次にゼロ調整を行う場合について説明する。ゼロ調整の方法としてはＰＤ１若しくはＰＤ２のいずれかを基準とし、その基準に合わせ込む方法で行う。
第１，第２投光室１７ａ、１７ｂ及び第１，第２受光室２１ａ、２１ｂには入口Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ７から吸収のない不活性ガス（Ｎ_２等）が導入され、出口Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８から排出されている。

ここで、ＰＤ１の出力をＰｏｕｔ１、ＰＤ２の出力をＰｏｕｔ２とし、測定ガスに吸収されるレーザの吸収量（減衰量）をそれぞれＱ１、Ｑ２とすると
Ｐｏｕｔ１＝Ｑ１
Ｐｏｕｔ２＝Ｑ２
となるが、装置組立の状態でＱ１＝Ｑ２となるように２つのＰＤのＧａｉｎ調整を行っておく。
また、実際のプロセスライン中では２つのＰＤは非常に近接して配置されるため
ガス温度、圧力、濃度分布差はほぼ等しいことから、Ｑ１≒Ｑ２となるが装置環境などによりＱ１，Ｑ２はそれぞれ変動要因を有している。

そこで、ＰＤ１信号からＰＤ２信号を減算した信号Ｐｏｕｔ１’またはＰｏｕｔ１’の符号を反転された信号（＝Ｐｏｕｔ２’）により、ＰＤ１またはＰＤ２のいずれかを基準にゼロキャリブレーションを実施する。

次にスパン調整を行う場合について説明する。
第１投光室１７ａ、第１受光室２１ａにパージガスの入出口（Ｐ３，Ｐ４，Ｐ７，Ｐ８）を介してスパンガス（例えば１００％のＯ_２を混入したガス）を導入する。
プロセスラインの測定ガスの吸収をＡとすれば、ＰＤ９ａの出力は
Ｐｏｕｔ１＝Ａ＋Ｓ１＋Ｓ２（Ｓ１：第１投光室１７ａで受けるスパンガス吸収）
（Ｓ２：第１受光室２１ａで受けるスパンガス吸収）
となる。

同時に第２投光室１７ｂ、第２受光室２１ｂにパージガスの入出口（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ５，Ｐ６）を介して不活性ガス（例えばＮ_２）を導入する。
この場合も、プロセスラインの測定ガスの吸収をＡとすれば、ＰＤ９ｂの出力は

Ｐｏｕｔ１＝Ａ
となる。

２つの出力差分信号（Ｐｏｕｔ１’＝Ｐｏｕｔ１−Ｐｏｕｔ２＝
Ｓ１＋Ｓ２(スパンガス吸収)から、ＰＤ１に対してスパンキャリブレーションを行うことが可能となる。

この方法によれば、サンプルラインのガス濃度変動影響を受けないため機器を設置したまま、機器の校正を行うことが可能となる。
なお、第１，第２投光部１７ａ，１７ｂ、第１，第２受光部２１ａ，２１ｂの長さはキャリブレーションに必要な規定のパス長（例えば１００ｍｍ程度）を備えているものとする、

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば、スパン調整に際しては１００％（フルスパン）の点について示したが２５％，５０％，７５％の点についても同様に行うことができる。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１管路
２測定ガス
３固定フランジ
４導管
５レーザダイオード（ＬＤ）
６取付けフランジ
７投光室
８ａ，１８ａ投光側ケース
８ｂ，１８ｂ受光側ケース
９フォトダイオード（ＰＤ）
１０ａ，２０ａ投光部モジュール
１０ｂ，２０ｂ受光部モジュール
１１受光室
１３制御部・表示部
２１受光部
２１ａ第１受光室
２１ｂ第２受光室
２２ビームスプリッタ（ＢＳ）
２３ミラー

Claims

測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置において、
レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析装置。
前記分岐手段はビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置。
前記第１、第２フォトダイオードは同じ温度になる程度に近接して配置されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置。
ゼロガスとしてＮ_２、スパンガスとして測定対象ガスを用いたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ式ガス分析装置。
測定ガス中にレーザ光を照射し、そのレーザ光の光吸収による光量変化からガス濃度を測定するレーザ式ガス分析装置のゼロ・スパン調整方法において、
レーザダイオードと、該レーザダイオードから出射したレーザ光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐したレーザ光がそれぞれ入射する所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２投光室と、該それぞれの投光室を通り測定ガスを透過したレーザ光を受光する第１、第２フォトダイオードと、前記それぞれのフォトダイオードが配置され所定の長さを有すると共に気密に隔てられた第１、第２受光室を備え、
ゼロ調整時には前記第１、第２投光室と第１、第２受光室にゼロガスを流して得られた第１，第２フォトダイオードの出力に基づいてゼロ調整を行い、スパン調整時には第１投光室と第１受光室にスパンガスを流して得られた第１フォトダイオードの出力と、第２投光室と第２受光室にスパンガスを流して得られた第２フォトダイオードの出力に基づいてスパン調整を行うことを特徴とするレーザ式ガス分析装置の測定方法。