JP2012053038A - ガス分析用プローブ - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス分析用プローブ内部へのダストの流入を抑制し、内部を通過する測定光の適切な光量を確保し、高い測定精度のガス分析を可能とするガス分析用プローブを提供する。
【解決手段】ガス分析用プローブは、サンプルガスが流れる配管に設置されるガス分析用プローブであって、筒状部材と、1つ又は複数のサンプルガス流入部とを備えている。筒状部材は、サンプルガスの流れに少なくとも交差するように配置され、且つ、内部にサンプルガスが供給される測定場を有している。1つ又は複数のサンプルガス流入部は、筒状部材に設けられている。流れの向きを変えて回り込んでくるサンプルガスは、1つ又は複数のサンプルガス流入部を通って測定場内に流入する。
【選択図】図4A

Description

本発明は、ガス分析用プローブに関する。
従来、石炭や重油を燃焼させるボイラから排出される燃焼排ガスの中には、NOX、SOX、SO2、CO2、CO等の成分が含まれている。そこで、常時その成分量をガス分析計で分析し、その分析結果を脱硝、脱硫などの制御や環境監視に役立てることが行われている。このようなガス分析計としては、オープンパス方式のものや、プローブ式のものを挙げることができる。
上述したプローブ式のガス分析計としては、筒状のガス分析用プローブ(例えば、特許文献1参照)が燃焼排ガスの流れる配管に直交するように設置されたものが存在する。以下、特許文献1のガス分析用プローブについて説明する。
図10は、従来のガス分析用プローブを模式的に示す側面図である。図10に示すガス分析用プローブ200は、筒状の形状を有しており、配管202(例えば、煙道)に直交するように設置されている。プローブ200には、サンプルガスS(例えば、燃焼排ガス)の流れの上流側及び下流側に開口203A及び開口203Bがそれぞれ設けられている。配管202内を流れるサンプルガスSは、上流側の開口203Aからプローブ200内に流入するとともに、下流側の開口203Bから流出する。これにより、プローブ200内をサンプルガスSで満たすことができる。そして、プローブ200内に設けられた測定場(例えば、測定セル)に、測定対象に応じた測定光を通過させることで、測定光の減衰量により測定対象の定量等を行っている。
米国特許第5781306号明細書
しかしなから、上述のガス分析用プローブでは、燃焼排ガスの流れの上流側に開口が設けられているため、燃焼排ガス中のガス成分とともにダストが流入する。そのため、特に、ダストの量が多い場合等、測定セル内において、ダストによる測定光の吸収や散乱によって測定光の減衰が生じ、測定に必要な光量が得られないおそれがあった。つまり、測定精度が低下するという問題があった。
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、ガス分析用プローブ内部へのダストの流入を抑制し、内部を通過する測定光の適切な光量を確保し、高い測定精度のガス分析を可能とするガス分析用プローブを提供することにある。
本発明の一見地に係るガス分析用プローブは、サンプルガスが流れる配管に設置されるガス分析用プローブであって、筒状部材と、1つ又は複数のサンプルガス流入部とを備えている。筒状部材は、サンプルガスの流れに少なくとも交差するように配置され、且つ、内部にサンプルガスが供給される測定場を有している。1つ又は複数のサンプルガス流入部は、筒状部材に設けられている。流れの向きを変えて回り込んでくるサンプルガスは、1つ又は複数のサンプルガス流入部を通って、測定場内に流入する。
前記構成によれば、ガス分析用プローブでは、サンプルガスの流れが回り込んで測定場にサンプルガスが採取される。一方、ダストはある程度の質量を有しており、慣性の法則により運動方向に移動し続けるため、ガス分析用プローブに回り込み難い。従って、前記構成によれば、ダストの流入を抑制することができる。その結果、内部を通過する測定光の適切な光量を確保することが可能となる。また、ダストの流入を抑制することができるので、内部へのダストの付着量を低減でき、定期的な掃除を極力不要とすることができる。
前記構成の具体的な態様として、例えば、一旦、サンプルガスの流れをプローブの外周面や、プローブを覆うカバー等に接触させてから測定場に供給する。このような構成としては、例えば、側面にフィルタを有する筒に、プローブを内部に設置した二重管構造としてもよい。また、例えば、プローブのサンプルガスの流れの上流側側面に開口を設けるとともに、その開口を覆うカバーであって、サンプルガスが回りこんで測定場に回り込む程度の隙間を有するカバーを備えた構造であってもよい。また、例えば、ガス分析用プローブのサンプルガスの流れの左側及び/又は右側側面に開口を設けた構造であってもよい。
前記構成においては、一端又は両端の上流側に孔を設け、前記孔からサンプルガスを流入させることにより、パージエア供給部(図示しない)から供給されるパージエアが中央部に流入することを防止することが好ましい。
プローブにおいては、例えば、一端又は両端側に設けられる光学素子(例えば、測定光の受光部、発光部、ミラー等)にサンプルガスが接触しないようにパージエアを導出し、光学素子にダストや腐食成分等が接触して汚染等が発生することを抑制する構成とすることができる。しかしながら、このような構成とした場合、パージエアがガス分析用プローブの中央部へと流入するとサンプルガスの濃度が薄まり、正確な測定が行えなくなるおそれがある。そのような問題を解決するために、端部の上流側に孔が形成しており、この孔から流入するサンプルガスが壁となってパージエアがこれより内側へと進行することを抑制している。その結果、サンプルガスのより正確な測定を行うことが可能となる。
また、端部側に光学素子が設けられているか否かに関わらず、ガス分析用プローブの両端部に孔を形成する場合には、一方の孔から他方の孔までの距離を測定場の長さと規定することができ、測定場の長さをより明確なものとすることができる。その結果、測定場の長さと測定光の減衰量とに基づいたサンプルガスのより正確な濃度測定を行うことが可能となる。
前記構成においては、上流側に形成され、且つ、サンプルガスとともに流入するダストが測定に実質的に影響を与えない程度の径を有する孔を備えることが好ましい。
前記構成によれば、上流側に孔が形成されているため、上流側から流入するサンプルガスの風圧により内部にダストが堆積することを防止することができる。一方、前記孔は、サンプルガスとともに流入するダストが測定に影響を与えない程度の径であるため、内部を通過する測定光の適切な光量を確保することが可能である。
また、本発明に係る光分析装置は、前記の課題を解決するために、前記に記載のガス分析用プローブを備えることを特徴とする。
本発明によれば、ガス分析用プローブ内部へのダストの流入を抑制し、内部を通過する測定光の光量を確保することを可能とするガス分析用プローブを提供することができる。
本発明の一実施形態に係るガス分析用プローブを備える光分析装置の模式図である。 図1に示したガス分析用プローブの筒状体の斜視図である。 図2に示した筒状体の平面図である。 図2に示した筒状体の横断面図である。 図2に示した筒状体の裏面図である。 図1に示したガス分析用プローブの縦断面図である。 図1に示したガス分析用プローブの縦断面図である。 図1に示したガス分析用プローブの横断面図である。 パージエア遮断性効果のシミュレーション結果を示す図である。 パージエア遮断性効果のシミュレーション結果を示す図である。 パージエア遮断性効果のシミュレーション結果を示す図である。 パージエア遮断性効果のシミュレーション結果を示す図である。 他の実施形態に係るガス分析用プローブの平面図である。 他の実施形態に係るガス分析用プローブの縦断面図である。 他の実施形態に係るガス分析用プローブの縦断面図である。 他の実施形態に係るガス分析用プローブの横断面図である。 他の実施形態に係るガス分析用プローブの横断面図である。 従来のガス分析用プローブを模式的に示す側面図である。
1.第1実施形態
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るガス分析用プローブを備える光分析装置を模式的に示す構成図である。図2は、図1に示したプローブの筒状体の斜視図である。図3Aは、図2に示した筒状体の平面図であり、図3Bは、その横断面図であり、図3Cは、その裏面図である。
本実施形態に係る光分析装置90は、測定装置10と分析部2とを備える。測定装置10は、測定光を出力する光源11(例えば、レーザやLED)、光検出手段12(例えば、フォトダイオード)、及び、制御装置13を有する一般的な測定装置である。制御装置13は、光源11や光検出手段12の動作制御を行うとともに、光検出手段12が受信する信号に基づいて、分析対象物の濃度を算出する。制御装置13としては、例えば、アナログ回路や、CPUなどのデジタル回路を利用して構成することができる。
分析部2は、プローブ60と、光源11から出力されるレーザ光をプローブ60に導く中空の導光管51とを備える。プローブ60は、ガス分析用として使用することができる。プローブ60は、主に、筒状体61から構成されている。プローブ60は、筒状体61の端部に設けられたフランジ62をさらに有している。導光管51とプローブ60とは、フランジ62を介して接続されている。
筒状体61は、サンプルガスSが流れる配管96に、サンプルガスSの流れに直交するように設置されている。筒状体61は、配管96内に配置された第1部分61aと、配管96外の第2部分61bとを有している。第1部分61aは、測定場69(後述)をその中に含んでいる。また、筒状体61には、サンプルガス流入部としての開口65が第1部分61aに沿って形成されている。開口65は、サンプルガスSの流れに対する筒状体61の第1部分61aの下流側側面のみに形成されている。開口65は、測定場69(図5参照)の全長にわたって形成されている。この開口65からサンプルガスSをサンプリングすることができる。また、開口65には、図2及び図3に示すように、所定の間隔をおいてリブ66が設けられており、筒状体61の強度向上が図られている。
筒状体61は、延びる方向に沿った0対称軸を有し長手方向を自らの延長方向と定義する長く延びた及び/又は直線状の筒形状である。
このように、開口65は、筒状体の61の長手方向に沿って並んだ複数の開口である。
なお、本実施形態においては、筒状体61は、配管96に、サンプルガスSの流れに直交するように設置されている場合について説明するが、本発明において、筒状体は、この例に限定されず、配管に、サンプルガスの流れに少なくとも交差するように設置されていればよく、例えば、筒状体の先端(フランジとは反対側)がフランジよりも下流側に傾斜するように設置されていてもよい。
筒状体61のフランジと反対の端側には、ミラー63が設けられており、光源11から出力されるレーザ光を光検出手段12側に反射する。これにより、光検出手段12では、戻り光の光強度が検出され、その減衰量によりサンプルガスS中の測定対象物を測定することができる。
本実施形態に係るプローブ60は、サンプルガスに混入しているダストの筒状体61への流入を抑制し、筒状体61の内部を通過するレーザ光(測定光)の適切な光量の確保を可能とするものである。以下、具体的に説明する。
図4Aは、図1に示したガス分析用プローブの縦断面図である。プローブ60が備える筒状体61には、下流側側面のみに測定場の全長にわたる開口65が形成されており、筒状部材61の上流側には開口が形成されていない。従って、サンプルガスSに混入しているダストDが筒状体61の上流側から内部に侵入することはない。また、筒状体61には、下流側側面のみに測定場の全長にわたる開口65が形成されているので、サンプルガスSは下流側の開口65に回り込んで、筒状体61内に流入する。一方、サンプルガスSに混入しているダストDはある程度の質量を有しており、慣性の法則により運動方向(下流方向)に移動し続ける。そのため、下流側に形成されている開口65に回り込み難い。なお、下流側側面からのサンプル採取とは、図4Bに示すように、筒状体61を横から見て周方向に分割したとき、最下流側Uからの角度αが90度未満の位置から採取することを含み、60度未満が好ましい。角度αは、筒状体61の対称軸又は長手延長軸から見た各開口65の開き角度である。
このように、本実施形態に係るプローブ60によれば、サンプルガスSを下流側の開口65から流入させることができるとともに、ダストDのプローブ60への流入を抑制することができる。その結果、プローブ60内部を通過する測定光の光量を確保することが可能となる。また、プローブ60内部へのダストDの流入を抑制することができるため、ダストDの付着量を低減でき、定期的な掃除を極力不要とすることができる。
また、図1に示すように、光分析装置90では、導光管51側からプローブ60側へとパージエアPAが導入されている。これにより、光源11や光検出手段12に、サンプルガスSとともに流入したダスト等が接触して汚染等が発生することを抑制することができる。また、筒状体61の内部には、フランジ62側からミラー63側へとパージエアPAを導くパージエア導出管64が設けられている。これにより、ミラー63に、サンプルガスSとともに流入したダスト等が接触して汚染等が発生することを抑制することを可能としている。
ただし、このような構成とした場合、筒状体61の第1部分61aの中央方向にパージエアPAが流入し、サンプルガスSの濃度を薄め、正確な測定が行えなくなるおそれがある。そこで、プローブ60では、フランジ62側端部近傍の上流側に孔67(図1及び図3参照)を、また、他端端部近傍(ミラー63側端部)の上流側に孔68(図1及び図3参照)を設けることにより、パージエア供給部(図示しない)から供給されるパージエアPAがこれより内側(測定場の中央の方向)へと進行することを抑制している。なお、孔67及び孔68は、筒状体61の第1部分61aの両端に形成されている。以下、具体的に説明する。
図5は、図1に示したガス分析用プローブの横断面図である。プローブ60が備える筒状体61には、フランジ62側端部の上流側に孔67が設けられている。そのため、この孔67からサンプルガスSが流入しサンプルガスS流による壁が形成される。その結果、導光管51側(図示せず、図5中、右側)から筒状体61側へと流入するパージエアPA1は、このサンプルガスS流による壁により、これより内側へつまり筒状体61の第1部分61aに対応する測定場69の中央側へと進行することが抑制される。また、筒状体61には、ミラー63側端部の上流側に孔68が設けられている。そのため、この孔68からサンプルガスSが流入しサンプルガスS流による壁が形成される。その結果、パージエア導出管64(図1参照)を介してミラー63側に導出されたパージエアPA2は、このサンプルガスS流による壁により、これより内側へつまり測定場69の中央側へと進行することが抑制される。
このように、プローブ60では、サンプルガスS流による壁により、これより内側へとパージエアPA(PA1、PA2)が進行することが抑制されるため、孔67と孔68との間の測定場69でのサンプルガスSの濃度が薄まることを防止することができる。従って、より正確な測定を行うことが可能となる。また、孔67と孔68とが形成されており、測定場69の長さが定められるので、測定場69の長さと測定光の減衰量とに基づいたより正確な測定を行うことが可能となる。なお、本発明において、ガス分析用プローブの端部の上流側に形成される孔は、プローブ60のように、両端に設けられていてもよく、一端にだけ設けられていてもよい。
図6は、パージエア遮断性効果のシミュレーション結果を示す図である。図6A及び図6Bは、プローブの端部近傍の上流側に孔67及び孔68を形成した場合のシミュレーション結果を示しており、図6Aは、孔67近辺(配管96壁面近辺)の様子を示しており、図6Bは、孔68近辺(配管96の中央付近)の様子を示している。一方、図6C及び図6Dは、ガス分析用プローブの端部近傍の上流側に孔を形成していない場合のシミュレーション結果を示しており、図6Cは、図6Aに対応するプローブの箇所の様子を示しており、図6Dは、図6Bに対応するプローブの箇所の様子を示している。図中、無色部分は、配管96内のサンプルガスSと同一の濃度を示しており、有色部分は、パージエアとサンプルガスSとが混在していることを示している。
シミュレーションの条件は、下記の通りである。
(シミュレーションの条件)
孔67及び孔68の大きさ:20mm×20mm(角)
筒状体61の直径:50mm
孔67から孔68までの長さ(測定場69の長さ):1000mm
サンプルガスSの流速:15m/秒
サンプルガスSの温度:450℃
図6A及び図6Bと、図6C及び図6Dとを比較すると、図6A及び図6Bの場合、すなわち、孔67及び孔68が形成されている場合、孔67及び孔68よりも内側へのパージエアの流入が抑制されることが分かる。また、シミュレーションの結果によれば、孔67及び孔68有りの場合(図6A及び図6Bの場合)、測定場69に占めるサンプルガスSの割合は、99.5%となった。一方、孔67及び孔68なしの場合(図6C及び図6Dの場合)、測定場69に占めるサンプルガスSの割合は、82.1%となった。
2.第2実施形態
ガス分析用プローブは、上流側に小孔が設けられていてもよい。以下、この例について説明する。
図7は、他の実施形態に係るガス分析用プローブの平面図である。図7に示すプローブ70には、上流側に複数の小孔71が形成されている。複数の小孔61は所定の間隔を空けて配置されている。また、図示しないが、ガス分析用プローブ70の下流側には、プローブ60(図2参照)と同様に、下流側側面に測定場の全長にわたる方向に開口が形成されている。この下流側の開口については、既に説明済みであるからここでの説明は省略する。
小孔71の径は、サンプルガスSとともに流入するダストDが測定に実質的に影響を与えない程度の径である。小孔71の径、数、間隔等は、光源から出力される光の強度や、サンプルガスS中のダスト量等に応じて、所定の範囲内となるように適宜設定することができる。より具体的には、例えば、筒状体61の径を50mm、孔67から孔68までの長さ(測定場69の長さ)を1000mmとしたとき、小孔71の径としては、1mm〜20mmとすることができ、小孔71同士の間隔としては、10mm〜50mmとすることができる。また、小孔71の径は、(小孔71の合計面積)/(筒状体61のサンプルガスSとの接触面積)が1/1000〜1/10となるように設計することができる。なお、(筒状体61のサンプルガスSとの接触面積)とは、筒状体の側面全体のうちの上流側部分の面積、すなわち、上流側から見たときの面積をいう。
プローブ70によれば、上流側に小孔71が形成されているので、上流側の小孔71から流入するサンプルガスSによりプローブ70内部にダストが堆積することを防止することができる。一方、小孔71は、サンプルガスSとともに流入するダストDが測定に実質的に影響を与えない程度の径であるため、プローブの内部を通過する測定光の適切な光量を確保することが可能である。
3.第3実施形態
また、ガス分析用プローブは、下流側側面に測定場の全長にわたって形成された開口を開閉するカバーが取り付けられていてもよい。以下、この例について図8及び図9を用いて説明する。
図8A及び図8Bは、他の実施形態に係るガス分析用プローブの縦断面図である。図8A及び図8Bに示すプローブ74は、図1に示したプローブ60の筒状体61に内接するように、1の面全体にわたって開口75を有する筒状体76が設けられた構成を有している。筒状体76は、上述のカバーに相当するものである。プローブ74を有する光分析装置では、図8Aに示すように、筒状体76の開口75と筒状体61の開口65とが連通する位置関係となっている場合には、上述した光分析装置90と同様にしてサンプルガスSの分析を行うことができる。
ここで、図8Aの状態から筒状体76を回転させると、図8Bに示すように、筒状体76の開口75と筒状体61の開口65とが連通しない位置関係とすることができる。この状態の場合、サンプルガスSは、筒状体61内に流入することができない。従って、この状態で筒状体61内にスパンガス等を満たすことにより、測定光の校正を行うことが可能となる。このように、プローブ74によれば、筒状体61を測定用としても校正用としても使用することができ、ガス分析用プローブの構成を簡略化することができる。また、筒状体76を回転させることにより、筒状体76の開口75のエッジで筒状体61の内壁に付着したダストを取り除くこともできる。なお、筒状体76の回転は、手動で行っても電動等により行ってもよい。
4.第4実施形態
図9A及び図9Bは、他の実施形態に係るガス分析用プローブの横断面図である。図9A及び図9Bに示すガス分析用プローブ78では、筒状体61には、幅が略同一となるようにリブ79と開口80とが形成されている。また、筒状体61の内側には、筒状体82が設けられている。筒状体82は、筒状体61に内接し、開口80と略同一の幅を有する複数の開口81が形成されている。複数の開口81は、筒状体61のリブ79及び開口80側に形成されている。筒状体82は、上述のカバーに相当するものである。プローブ78を有する光分析装置では、図9Aに示すように、筒状体82の開口81と筒状体61の開口80とが連通する位置関係となっている場合には、上述した光分析装置90と同様にしてサンプルガスSの分析を行うことができる。
ここで、図9Aの状態から筒状体82を長さ方向(図9中、左右方向)にスライドさせると、図9Bに示すように、筒状体82の開口81と筒状体61の開口80とが連通しない位置関係とすることができる。この状態の場合、サンプルガスSは、筒状体61内に流入することができない。従って、この状態で筒状体61内にスパンガス等を満たすことにより、測定光の校正を行うことが可能となる。このように、プローブ78によれば、筒状体61を測定用としても校正用としても使用することができ、ガス分析用プローブの構成を簡略化することができる。また、筒状体82を長さ方向にスライドさせることにより、筒状体82の開口81のエッジで筒状体61の内壁に付着したダストを取り除くこともできる。なお、筒状体82の回転は、手動で行っても電動等により行ってもよい。
5.他の実施形態
前記複数の実施形態は適宜組み合わせることができる。例えば、第1実施形態は、単独でも実施可能であるが、第3実施形態又は第4実施形態と組み合わせ可能である。また、第2実施形態は、単独でも実施可能であるが、第3実施形態又は第4実施形態と組み合わせ可能である。
上述した実施形態では、測定光を分析部2(プローブ60)に測定装置10から直接に導入する場合について説明したが、測定装置と分析部とを、光ファイバや電線等により接続し、光ファイバを介して分析部2に測定光を導入することとしてもよい。
測定装置10は、光を用いて分析対象物を測定するものであれば、特に限定されないが、例えば、吸光分光法(TDLAS法)を利用するものを挙げることができる。TDLAS法を利用する場合、測定装置10は、測定吸収波長を選択することにより、赤外から近赤外域に吸収スペクトルを有するO、CO、CO、HO、NH、HCl等のガス濃度測定を行うことができる。また、測定装置10は、光源に量子カスケードレーザ(QCL)を用いれば、中赤外域に吸収スペクトルを有するSONO、NO等のガス濃度測定を行うことができる。
上述した実施形態では、ミラー63により測定光を反射させ、光源11と同一の箇所に設置された光検出手段12により検出させる場合について説明したが、本発明においては、ミラー63の代わりに光検出手段を設け、この光検出手段により測定光を検出することとしてもよい。
上述した実施形態では、ガス濃度を分析する場合について説明したが、TDLAS法を利用した温度計であってもよい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、各手段等の具体的構成は、適宜設計変更可能である。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
2 分析部
10 測定装置
11 光源
12 光検出手段
13 制御装置
60、70、74、78 プローブ
61 筒状体
65 (下流側の)開口
67、68 (上流側の)孔
96 配管
100 光分析装置
S サンプルガス
PA パージエア

Claims (6)

  1. サンプルガスが流れる配管に設置されるガス分析用プローブであって、
    前記サンプルガスの流れに少なくとも交差するように配置され、且つ、内部に前記サンプルガスが供給される測定場を有している、筒状部材と、
    前記筒状部材に設けられ、流れの向きを変えて回り込んでくる前記サンプルガスが前記測定場内に流入する1つ又は複数のサンプルガス流入部と、
    を備えたガス分析用プローブ。
  2. 前記1つ又は複数のサンプルガス流入部は、前記筒状部材における前記サンプルガスの流れの下流側側面のみに設けられた1つ又は複数の開口である、請求項1に記載のガス分析用プローブ。
  3. 前記筒状部材内にパージエアを供給する少なくとも1つのパージエア供給部をさらに備える、請求項1又は2に記載のガス分析用プローブ。
  4. 前記筒状部材に設けられ、前記パージエアが前記筒状部材の中央側に移動するのを防止するためのサンプルガスが前記筒状部材内に流入するための少なくとも1つの第2サンプルガス流入部をさらに備えている、請求項3に記載のガス分析用プローブ。
  5. 前記筒状部材は、サンプルガスとともに流入するダストがサンプルガスの測定に実質的に影響を与えない程度の径を有する複数の孔が形成された上流側側面を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のガス分析用プローブ。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載のガス分析用プローブを備える、光分析装置。
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