JP2012108009A

JP2012108009A - レーザガス分析計

Info

Publication number: JP2012108009A
Application number: JP2010257449A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Nanko; 智昭南光; Kazuto Tamura; 一人田村; Yukihiko Takamatsu; 幸彦高松; Yasushi Fukunaga; 泰福永; Yukitsugu Akutsu; 幸嗣阿久津
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: JP5609580B2

Abstract

【課題】プロセス稼動状態において熱変形などがあった場合においても常に光軸を一定に保つことができ、安定した測定ができるレーザガス分析計を実現することを目的とする。
【解決手段】測定ガス１１中にレーザ光１５を照射し、そのレーザ光１５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ガス分析計において、レーザ１１から出射されるレーザ光１５を平行光にするレンズ１２と、このレンズ１２から出射されるレーザ光１５が測定ガス１を透過した後の光量を検出する検出器と、前記レンズ１２の焦点位置にある移動平面内で前記レーザ１１を移動するアクチュエータ１３と、前記検出器からの信号に基づいてアクチュエータ１３を駆動するアクチュエータ制御部１６とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、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ガス分析計に関し、特にその測定光の光軸調整に関する。

ＴＤＬＡＳ（ＴｕｎａｂｌｅＤｉｏｄｅＬａｓｅｒＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法を用いたレーザガス分析計は測定対象に可変波長半導体レーザからの光を照射するだけで，測定対象成分の濃度を成分選択性が高く，非接触で測定できるという特長がある。このため，常温から１５００ ℃の高温ガスまで広範囲の温度条件下においても，また圧力変動のある環境下でも，あるいは腐食性，危険性の高いガス測定など，広範囲な測定条件においてもプロセスラインでの正確な直接高速測定を可能にする。この正確で応答性の高い測定信号をプロセス制御系に反映させることで，各種産業プロセスの収率やエネルギー効率の向上，安全性向上に寄与できる。

図２は従来のレーザガス分析計の一例を示す設置構成図である。レーザガス分析計は投光部２と受光部７を持ち，通常は測定プロセスガス１が流れるダクトを挟み込むように投光部２と受光部７が対向する配置（クロスダクト）で設置される。

プロセスガス１と分析計内部とは光学窓で隔離されており，投光部２の半導体レーザからの光は光学窓を通して測定プロセスガス１を通過し，受光部７の光学窓を介して光検出器（図示せず）で受光される。受光されたレーザ光パワーは光検出器で電気信号に変換され、投光部演算回路で測定対象成分の吸収スペクトルが求められ，スペクトル面積が算出され，成分濃度に変換されて標準信号として出力される。

光軸調整部４、５はプロセス上重要な気密性を保って角度調整ができるベローズ構造を有している。この光軸調整部４、５を介して投光・受光部２，７をダクトに接続させることにより，図２のような一般的なプロセス配管の両側設置時の光軸調整だけでなく，さまざまな形態の設置においても容易に光軸調整が可能となる。測定成分やそのアプリケーション毎に最適な設置形態を見出し，最適な条件で測定できる。

図３は、図２の投光部２の一部を構成し、レーザモジュール内蔵箇所３において内蔵されるレーザモジュールの構成を示す断面図である。

半導体レーザ３１およびレンズ３２はブロック３４に固定されている。半導体レーザ３１から出射されたレーザ光３５はレンズ３２で平行光とされ、第１の光軸調整部４（図２）を介してプロセスガス流１に照射される。プロセスガス流１を透過した光は、第２の光軸調整部５（図２）を介して光検出器６内蔵箇所（図２）に内蔵されるフォトダイオード等からなる光検出器で受光され、光量が検出される。プロセスガス流１を透過する際に吸収された光量に基づいて測定対象成分の濃度が演算される。

上記レーザモジュールでは、対象プロセスに固定する際に、第１の光軸調整部４にあるベローズ構造を利用して、レーザ光の光軸が手動調整される。検出器側についても同様に第２の光軸調整部５にあるベローズ構造を利用してレーザ光の光軸に対する検出器の角度が手動調整される。

レーザガス分析計の先行技術としては下記のような非特許文献１が知られている。

横河技報Ｖｏｌ．５３Ｎｏ．２（２０１０）「レーザガス分析計ＴＤＬＳ２００とその産業プロセスへの応用」（田村、南光、高松、松尾）

しかし、従来のレーザガス分析計は、プロセスが稼動し始めると熱変形などにより光軸がずれ、検出器で検出する光量が減るため安定した測定ができないことがあった。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、プロセス稼動状態において熱変形などがあった場合においても常に光軸を一定に保つことができ、安定した測定ができるレーザガス分析計を実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
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ガス分析計において、
レーザから出射されるレーザ光を平行光にするレンズと、
このレンズから出射されるレーザ光が前記測定ガスを透過した後の光量を検出する検出器と、
前記レンズの焦点位置にある移動平面内で前期レーザを移動するアクチュエータと、
前記検出器からの信号に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御部と
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のレーザガス分析計において、
前記移動平面を前記レンズの焦点位置よりわずかに前記レンズに近い位置とすることにより、前記レンズから拡散光が出射するようにしたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２に記載のレーザガス分析計において、
前記アクチュエータにより前記レーザを前記移動平面内の直行する２方向に交互に移動させ、それぞれの方向で最大光量となる位置に制御することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１または２に記載のレーザガス分析計において、
前記アクチュエータにより前記レーザを円軌道上で移動させたとき前記検出器で検出される光量が一定となるよう前記円軌道の中心位置を制御することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザガス分析計において、
前記レーザを移動する移動周波数は、レーザ波長スキャン周波数に対し十分異なる周波数であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザガス分析計において、
前記アクチュエータは超音波モータ方式であることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザガス分析計において、
前記アクチュエータはボイスコイル方式であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザガス分析計において、
前記アクチュエータは高分子アクチュエータ方式であることを特徴とする。

本発明によれば以下のような効果がある。

すなわち、プロセス稼動状態において熱変形などがあった場合においても、常にレーザの光軸をほぼ一定に保つことができ、安定した測定が実現できる。

また、レーザの位置で光軸調整ができるため、ベローズ構造を必要としないので、耐振性が向上する。

本発明の実施の形態に係るレーザガス分析計の一実施例のレーザモジュールを示す構成横断面図である。従来のレーザガス分析計の一例を示す設置構成図である。図２のレーザモジュール内蔵箇所３において内蔵されるレーザモジュールの構成を示す断面図である。

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るレーザガス分析計の一実施例のレーザモジュールを示す構成横断面図である。図２の従来のレーザガス分析計と異なり、光軸調整部４、５を持たず、レーザモジュールを内蔵する投光部２および光検出器を内蔵する受光部７は取り付けフランジ等を介して対象プロセスに直接固定される。

本レーザモジュールにおいて、半導体レーザ１１はアクチュエータ１３のほぼ中央に固定されており、アクチュエータ１３とレンズ１２とは、レーザ１１の出射面がレンズ１２の焦点位置にくるようにブロック１４に固定されている。

ここで、アクチュエータ１３は中央部に穴を有し（図１ではアクチュエータ１３の形状を側面から見たときの断面が示されている）、この穴にレーザ１１が挿入される。アクチュエータ１３は、レーザ１１の光軸に垂直な移動平面内で互いに直交する方向に変形するように、例えばＸ軸方向用とＹ軸方向用の２種類の信号で駆動される。

アクチュエータ制御部１６はＸ軸方向用とＹ軸方向用の２種類の駆動信号によりアクチュエータ１３を駆動する。これらの駆動信号によりアクチュエータはＸ軸方向とＹ軸方向に変形し、レーザ１１をレンズ１２の焦点位置においてレーザ１１の光軸と垂直な移動平面（焦点平面）内で移動させる。

図１のレーザモジュールを用いたレーザガス分析計の動作を次に説明する。

投光部２のレーザ１１から出射されたレーザ光は、レンズ１２により平行光となり、プロセスガス流１に照射される。プロセスガス流１を透過したレーザ光は受光部７の光検出器で光量が検出される。

アクチュエータ制御部１６が駆動信号でアクチュエータ１３を駆動すると、アクチュエータ１３はこの駆動信号によりレーザ１１をレンズ１２の焦点平面内で移動する。レーザ１１の移動に対応して検出器での受光光量が変化するので、この検出結果に基づきレーザ１１の位置をさらに制御し、以下これを繰り返す。その際の制御の方法として、次の（１）（２）の動作を繰り返す。
（１）まずレーザ１１を一方向（Ｘ軸方向）に移動する。その際の受光光量が最大となるレーザ位置を求め、レーザ１１の位置をその位置に制御する。
（２）次に（１）で移動した方向に対し直交する方向（Ｙ軸方向）にレーザ１１を移動し、（１）と同様にして受光光量が最大になる位置にレーザ１１の位置を制御する。

ここで、レーザ１１を移動する移動周波数は、レーザ波長スキャン周波数に対し十分異なる周波数とする。「十分異なる」とは、移動周波数とレーザ波長スキャン周波数の値が１０倍以上異なる場合を言う。

また、アクチュエータ制御部１６は、上記（１）（２）の動作毎に光量が最大となるＸ軸／Ｙ軸方向駆動量を一時的に記憶するメモリを備えており、上記（１）（２）のシーケンスを繰り返すことで、レーザ１１は常にＸ軸座標とＹ軸座標のいずれについても光量が最大となる位置に自動的に調整される。

上記のような構成のレーザガス分析計によれば、以下のような利点がある。

すなわち、プロセス稼動状態において熱変形などがあった場合においても検出器でのレーザ光の受光光量が最大になる位置にレーザ位置を制御することができるので、常にレーザの光軸を一定に保つことができ、安定した測定が実現できる。

また、レーザ位置の変化で光軸調整を行うので、従来のような光軸調整を行うためのベローズ構造を必要とせず、耐振性が向上する。

なお、レーザ１１をアクチュエータ１３により常時円軌道上を回転させ、検出器での受光光量が、光軸が完全にマッチングしている場合の例えば７〜８割の光量で一定となるように円軌道の中心位置を制御することにより、円軌道の中心位置が検出器の中心に合うように光軸調整してもよい。その結果、受光部７（図２）でのレーザ光量変化が少なく、常に安定した測定を実現することができる。これは、円軌道の中心位置が検出器の中心に合っていれば、円軌道上の各位置で検出光量はほぼ一定となるが、円軌道の中心位置が検出器の中心からずれている場合には円軌道上の位置により検出光量が変化することを利用している。

また、アクチュエータとして「ＤＳＣ用センサースイング方式手ぶれ補正技術の開発（ＫＯＮＩＣＡＭＩＮＯＬＴＡＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＲＥＰＯＲＴＶＯＬ．１（２００４））」に例示されるような超音波モータ方式や、特開２０１０−１８６０５３号公報に例示されるようなボイスコイル方式を用いれば、入手容易性、コスト低減が期待できる。また、高分子アクチュエータ方式を用いれば小型化が期待できる。

また、半導体レーザに限らず、各種のレーザを用いることができる。

また、レンズからの出射光は平行光に限らず、測定条件に合わせて拡散光を測定ガスに照射してもよい。この場合は、レンズ１２の焦点位置よりわずかにレンズ１２に近い位置において、レーザ１１の光軸と垂直な移動平面内でレーザ１１をアクチュエータ１３で移動する。拡散光を用いれば、例えば、太いパイプ内を流れるガス流濃度を測定する場合のように、レーザ−光検出器間の距離が長いときの光軸調整が容易になるメリットがある。ただし、検出感度はレーザ拡散光の拡散の程度に応じて低下する。

また、上記の実施例では、アクチュエータは、レーザ１１をレンズ１２の焦点位置においてレーザ１１の光軸と垂直な移動平面（焦点平面）内で移動させたが、これに限らず、レンズ１２の焦点位置、またはレンズ１２の焦点位置よりわずかにレンズ１２に近い位置にある任意の移動平面内でレーザ１１を移動してもよい。

また、アクチュエータ１３は中央部に穴を有する構造に限らず、任意のレーザ取付機構を有する構造を取ることができる。

また、本発明は、上記実施例や変形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測定ガス
１３アクチュエータ
１６アクチュエータ制御部
１１レーザ
１２レンズ
１５レーザ光

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ガス分析計において、
レーザから出射されるレーザ光を平行光にするレンズと、
このレンズから出射されるレーザ光が前記測定ガスを透過した後の光量を検出する検出器と、
前記レンズの焦点位置にある移動平面内で前記レーザを移動するアクチュエータと、
前記検出器からの信号に基づいて前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御部と
を備えたことを特徴とするレーザガス分析計。
前記移動平面を前記レンズの焦点位置よりわずかに前記レンズに近い位置とすることにより、前記レンズから拡散光が出射するようにしたことを特徴とする請求項１記載のレーザガス分析計。
前記アクチュエータにより前記レーザを前記移動平面内の直行する２方向に交互に移動させ、それぞれの方向で最大光量となる位置に制御することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザガス分析計。
前記アクチュエータにより前記レーザを円軌道上で移動させたとき前記検出器で検出される光量が一定となるよう前記円軌道の中心位置を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザガス分析計。
前記レーザを移動する移動周波数は、レーザ波長スキャン周波数に対し十分異なる周波数であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザガス分析計。
前記アクチュエータは超音波モータ方式であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザガス分析計。
前記アクチュエータはボイスコイル方式であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザガス分析計。
前記アクチュエータは高分子アクチュエータ方式であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザガス分析計。