JP2014035311A

JP2014035311A - ガス濃度測定装置

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Publication number: JP2014035311A
Application number: JP2012177729A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Furuyama; 康彦古山; Yutaka Ido; 豊井戸; Noriyuki Nishii; 宣之西居; Atsushi Fujii; 淳藤井; Eiji Irisa; 英二入佐
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP5958702B2

Abstract

【課題】窓材やレンズの光学特性を変化させることなく、光学系の汚れを除去できるガス濃度測定装置。
【解決手段】レーザ光を出力するレーザと光源レンズ３とを備える光源部１と、受光側に配置された集光レンズ５と、レーザ光を光源レンズと測定対象ガス１０と集光レンズとを介して受光する受光素子６と、受光素子の出力に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、光源レンズと集光レンズとの少なくとも一方のレンズの測定対象ガス側に設けられ且つ測定対象ガスと接触する表面に形成された光触媒膜４ｂを有する窓材４と、測定対象ガスに接触しない位置に配置され、光触媒膜を活性化させるための紫外線を発生する紫外線光源１４と、紫外線光源からの紫外線を前記窓材に導入する光学部材１５とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザを用いて煙道排ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関し、環境ガス分析、排ガス計測等の環境計測分野に適用される。

気体の分子は主に分子の振動とその倍音や結合音に起因する固有の吸収スペクトルが赤外線領域で観測される。この吸収の強度は光路上に存在する分子の数に比例する。このことを用いて、ガスの吸収スペクトルに波長を合わせた光源をガスに入射させ、透過した光を観測して吸光度を求めて、ガスの濃度を知ることができる。

しかしながら、対象ガスに含まれる粒子状汚染物質などにより光学系の汚れが発生する。

そこで、光学系の汚れを防止するものとして、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された赤外線センサユニットは、図９に示すように、赤外線透過基板１０２の表面に光触媒膜１０４を形成し、光触媒膜１０４に紫外線発光ダイオード１３２からの紫外線を照射することにより、紫外線透過窓材１００に付着した汚れを分解除去している。

特開２００６−２６６８２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるように、汚染物質がある側に紫外線光源である紫外線発光ダイオード１３２を配置しているため、紫外線発光ダイオード１３２自体が汚染されていた。このため、汚れの防止効果や汚れの除去効果が低下していた。

また、紫外線発光ダイオード１３２自体が汚染されないように、汚れ防止のための窓材を設けても、窓材の汚れを防止する必要があった。

本発明の課題は、窓材やレンズの光学特性を変化させることなく、光学系の汚れを除去することができるガス濃度測定装置を提供する。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を出力するレーザと光源レンズとを備える光源部と、受光側に配置された集光レンズと、前記レーザ光を前記光源レンズと測定対象ガスと前記集光レンズとを介して受光する受光素子と、前記受光素子の出力に基づいて前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、前記光源レンズと前記集光レンズとの少なくとも一方のレンズの前記測定対象ガス側に設けられ且つ前記測定対象ガスと接触する表面に形成された光触媒膜を有する窓材と、前記測定対象ガスに接触しない位置に配置され、前記光触媒膜を活性化させるための紫外線を発生する紫外線光源と、前記紫外線光源からの紫外線を前記窓材に導入する光学部材とを有することを特徴とする。
また、ガス濃度測定装置は、レーザ光を出力するレーザと光源レンズとを備える光源部と、受光側に配置された集光レンズと、前記レーザ光を前記光源レンズと測定対象ガスと前記集光レンズとを介して受光する受光素子と、前記受光素子の出力に基づいて前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、前記光源レンズと前記集光レンズとの少なくとも一方のレンズの前記測定対象ガスと接触する表面に形成された光触媒膜と、前記測定対象ガスに接触しない位置に配置され、前記光触媒膜を活性化させるための紫外線を発生する紫外線光源と、前記紫外線光源からの紫外線を前記少なくとも一方のレンズに導入する光学部材とを有することを特徴とする。

本発明によれば、窓材やレンズの光学特性を変化させることなく、光学系の汚れを除去することができるガス濃度測定装置を提供することができる。

実施例１のガス濃度測定装置の概略構成図である。実施例１のガス濃度測定装置に設けられた発光部の構造図である。実施例１のガス濃度測定装置に設けられた第２レンズの詳細な構造図である。実施例２のガス濃度測定装置の構成図である。実施例２のガス濃度測定装置に設けられた紫外線光源からの光をプリズムを介して光触媒膜を有する窓材に導く様子を示す図である。実施例３のガス濃度測定装置の構成図である。実施例４のガス濃度測定装置の構成図である。実施例５のガス濃度測定装置の構成図である。従来の赤外線センサユニットの一例を示す図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置のいくつかの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１のガス濃度測定装置の概略構成図である。図２は、実施例１のガス濃度測定装置に設けられた発光部の構造図である。図１に示すガス濃度測定装置は、レーザ（レーザ素子）を有する光源部１、コリメートレンズ２、第１レンズ３ａ、第２レンズ３ｂ（光源レンズ）、集光レンズ５、受光素子６を備える。

また、図２に示すように、光源部１、コリメートレンズ２、第１レンズ３ａ、第２レンズ３ｂ、紫外線光源１４、プリズム１５は、光源ボックス１２に収納されている。光源部１からのレーザ光１１に対して略直角方向に測定対象ガス１０が充満された煙道９が配置されている。この煙道９は、フランジ７が形成された煙道取付部８により光源ボックス１２に取り付けられている。

光源部１は、レーザからのレーザ光１１をコリメートレンズ２、第１レンズ３ａ、第２レンズ３ｂを介して測定対象ガス１０に照射する。光源部１に有するレーザは、レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザからなる。

集光レンズ５は、受光側に配置され、測定対象ガス１０を透過した光を集光して、受光素子６に導く。受光素子６は、集光レンズ５からの測定対象ガス１０を透過した光を受光し、光を電気信号に変換する。

図示しない信号処理回路は、フォトダイオード６からの電気信号を信号処理して、処理された信号の強度に基づいてガスの濃度を測定する。

測定対象ガス１０は、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＨＣＬ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、ＨＦなどである。光源部１はＤＦＢ−ＬＤ（半導体レーザ）やＤＦＢ−ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）である。受光素子６は、ＰＤ（フォトダイオード）やＭＣＴ検出器である。

光源部１からレーザ光が測定対象ガス１０に対して照射され、測定対象ガス１０を透過した光は、受光素子６により電気信号に変換された後、所定の信号処理が行われ、測定対象ガス１０の濃度が測定される。

紫外線光源１４およびプリズム１５は、光源部側と受光側とのそれぞれに、設けられている。紫外線光源１４は、光学部品（図１及び図２に示す例では第２レンズ３ｂ）又はそれ以外の隔壁によって、測定対象ガス１０に直接接触しない位置に配置され、光触媒膜３２を活性化させるための紫外線を発生する。紫外線光源１４は、ＵＶランプ、ＵＶ−ＬＥＤ、ＵＶ−レーザなどを用いることができる。

光源部側の紫外線光源１４は、発生した紫外線をプリズム１５を介して第２レンズ３ｂに導く。受光側の紫外線光源１４は、発生した紫外線をプリズム１５を介して集光レンズ５に導く。

図３（ａ）は第２レンズ３ｂおよび集光レンズ５の側面図、図３（ｂ）は第２レンズ３ｂおよび集光レンズ５の平面図を示す。第２レンズ３ｂおよび集光レンズ５は、図３に示すように略円形状の凸レンズからなり、凸面上には光触媒膜３２が形成されており、凸面の外周面は、すりガラス３１に仕上げられている。

光触媒膜３２は、第２レンズ３ｂ及び集光レンズ５の測定対象ガス１０と接触する表面に、光触媒材料による薄膜で形成されている。光触媒材料は、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化タングステン（ＷＯ３）などの半導体である。光触媒材料にそのバンドギャップエネルギー以上の光が照射されると、価電子帯にある電子が励起され伝導体に移動する。このとき、価電子帯には正孔ができる。電子と正孔とによって、酸化力、還元力をもつようになる。

ここに、大気や測定ガスに含まれる水分があると、正孔との反応によってヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）が生成される。これは非常に酸化力が強く、これにより有機物を酸化分解することができる。電子は空気中の酸素を還元し、スーパーオキサイドアニオン（Ｏ２-）という非常に酸化力の強い物質となる。スーパーオキサイドアニオン（Ｏ２-）も、有機物の酸化分解に寄与する。

光触媒膜３２の光学部品への形成方法としては、例えば、ディップ、スプレー、スピンコード、真空蒸着、スパッタ成膜などを例示できる。

また、第２レンズ３ｂおよび集光レンズ５には、略円形の一部がカットされた入射口３３が形成され、この入射口３３にプリズム１５からの紫外線が入力される。入射口３３に入射された紫外線により、レンズ面での反射光やすりガラス３１の面での拡散反射光が光触媒膜３２に到達し、光触媒膜３２は、紫外光であるエバネッセント光によって活性化し、汚れの除去効果を発現する。

このように実施例１のガス濃度測定装置によれば、光触媒膜３２が形成された第２レンズ３ｂ及び集光レンズ５により測定対象ガス１０が測定用光源側に漏洩することを防止することができる。

また、第２レンズ３ｂ及び集光レンズ５の測定光源側に光触媒膜３２を活性化させるための紫外線光源１４を配置したので、紫外線光源１４が測定対象ガス１０により汚染されることを防止することができる。即ち、光触媒の効力を発揮させる紫外線光源１４が測定対象ガス１０に含まれるすす等により汚れることなく、ガス濃度測定装置の光学部品の汚れ防止効果を継続的に維持することができる。

また、紫外線光源１４が発光する紫外光をプリズム１５により、第２レンズ３ｂ及び集光レンズ５内に導入し、第２レンズ３ｂ及び集光レンズ５内部で反射を繰り返しながら進行させる。即ち、入射口３３に入射された紫外線により、レンズ面での反射光やすりガラス３１の面での拡散反射光が光触媒膜３２に到達し、光触媒膜３２は、紫外光であるエバネッセント光や反射せずに光触媒膜を透過した紫外光によって活性化し、汚れの除去効果を発現することができる。

図４は、実施例２のガス濃度測定装置の構成図である。図４に示す実施例２のガス濃度測定装置は、図２に示す実施例１のガス濃度測定装置の構成に、さらに、第２レンズ３ｂと煙道取付部８との間、即ち、第２レンズ３ｂの測定対象ガス１０側に窓材４を設けたことを特徴とする。

なお、受光側において、集光レンズ５の測定対象ガス１０側に窓材４を設け、この窓材４に光触媒膜を形成しても良い。

窓材４は光触媒膜を有し、測定対象ガス１０が測定用光源側に漏洩するのを防止している。図５は、実施例２のガス濃度測定装置に設けられた紫外線光源１４からの光をプリズム１５を介して光触媒膜４ｂを有する窓材４に導く様子を示す図である。窓材４において、平板状のガラスからなる窓母材４ａの両面には光触媒膜４ｂが形成されている。

紫外線光源１４からの紫外光は、プリズム１５を介して窓材４に導光される。導光された紫外光は、窓材４などの薄い平行平板光学部品では、スラブ導波路として、図５（ａ）に示すように、窓母材４ａと光触媒膜４ｂの界面で反射を繰り返しながら内部を進行する。窓母材４ａと光触媒膜４ｂの界面で紫外光が反射するとき、紫外光は、図５（ｂ）に示すように、エバネッセント光として光触媒膜４ｂに染み出す。光触媒膜４ｂは、この紫外光であるエバネッセント光によって活性化し、汚れの除去能力を発現することができる。また、反射条件を満たさずに光触媒を透過する光も汚れ除去能力を発現させる。

従って、実施例２のガス濃度測定装置においても、実施例１のガス濃度測定装置の効果と同様な効果が得られる。

図６は、実施例３のガス濃度測定装置の構成図である。図６（ａ）は、シリンドリカルレンズとプリズムとの平面図、図６（ｂ）はシリンドリカルレンズとプリズムとの側面図である。図６に示す実施例３のガス濃度測定装置は、紫外線光源１４とプリズム１５との間にシリンドリカルレンズ１６を配置したことを特徴とする。

シリンドリカルレンズ１６は、円筒状のレンズからなり、紫外光を光学部品の辺に沿った形状に広げてからプリズム１５を介して窓材４に導く。即ち、シリンドリカルレンズ１６によって、図６に示すように、紫外光を平面状に伝播でき、広い面積を照射することができることから、紫外光を窓材４に効率よく導入できる。

図７は、実施例４のガス濃度測定装置の構成図である。図７（ａ）は、バンドルファイバ１７とファイバ１８との平面図、図７（ｂ）はバンドルファイバ１７とファイバ１８との側面図である。図７に示す実施例４のガス濃度測定装置は、バンドルファイバ１７とファイバ１８とを設けたことを特徴とする。

バンドルファイバ１７は、紫外線光源１４からの紫外光を複数のファイバ１８に導く。複数のファイバ１８の各々の一端は、バンドルファイバ１７の一端に接続され、複数のファイバ１８の各々の他端は、互いに一定距離だけ離間して配置されている。複数のファイバ１８の各々は、バンドルファイバ１７からの紫外光をプリズム１５を介して窓材４に導く。

このような構成によれば、紫外光をファイバ１８を用いて窓材４に導くので、紫外線光源１４の配置の自由度が大きくなる。また、複数のファイバ１８の各々の他端は、互いに一定距離だけ離間して配置されているので、複数のファイバ１８により紫外光が紫外光を平面状に伝播でき、広い面積を照射することができることから、紫外光を窓材４に効率よく導入できる。

図８は、実施例５のガス濃度測定装置の構成図である。図８に示す実施例５のガス濃度測定装置では、第２レンズ３ｃが、略円形状の凸レンズからなり、凸面上には光触媒膜が形成され、凸面の外周面は、すりガラス３１に仕上げられている。

また、第２レンズ３ｃは、略円形の一部がカットされ、略直交する方向に配置された２つの入射口３３ａ，３３ｂを有する。紫外線光源１４からの紫外光は２つのファイバ１８に導光されて、２つのファイバ１８からの紫外光は２つの入射口３３ａ，３３ｂにそれぞれ入力される。

第２レンズ３ｃの外周面に到達した紫外光は、すりガラス３１により拡散反射してガラス内面に広く拡散され、第２レンズ３ｃの中央に配置されたレーザ光透過領域３６に紫外光が集束されるので、レーザ光透過領域３６の紫外線強度を高めることができる。また、表面に形成された光触媒膜に到達する光量も増加するので、さらに汚れを除去できる。

なお、集光レンズ５も第２レンズ３ｃの構成と同じ構成に形成するようにしても良い。

また、２つのファイバ１８を用いる代わりに、２つの入射口３３ａ，３３ｂの各方向の導入用に２つの紫外線光源１４を設けるようにしても良い。

このように、図８に示す構成により紫外光を供給することにより、測定用のレーザ光透過領域３６の紫外線強度を高めることができる。

なお、本発明は、実施例１乃至５のガス濃度測定装置に限定されるものではない。実施例１乃至５のガス濃度測定装置では、窓材４とは別にプリズム１５を設けたが、プリズム１５を窓材４と一体化した窓材を用いても良い。一体化された窓材では、プリズムに対応するガラス部分を楔状に研磨して用いることができる。これにより、窓材４のコストを低減することができる。

また、実施例１，２のでは、ガス濃度測定装置では、第２レンズ３ｂ及び集光レンズ５に光触媒膜３２を形成したが、例えば、第２レンズ３ｂ又は集光レンズ５に光触媒膜３２を形成してもよい。

本発明に係るガス濃度測定装置は、火力発電所や廃棄物焼却施設の煙道ガス成分の濃度を測定するガス濃度測定装置に適用可能である。

１‥光源部、２‥コリメートレンズ、３‥ビームエキスパンダ、３ａ‥第１レンズ、３ｂ‥第２レンズ、３ｃ‥レンズ、４‥窓、４ａ‥窓母材、４ｂ‥光触媒膜、５‥集光レンズ、６‥受光素子、７‥フランジ、８‥煙道取付部、９‥煙道、１０‥測定対象ガス、１１‥レーザ光、１２‥光源ボックス、１３‥受光ボックス、１４‥紫外線光源、１５‥プリズム、１６‥シリンドリカルレンズ、１７‥バンドルファイバ、１８‥ファイバ、３１‥すりガラス、３２‥光触媒膜、３３‥入射口、３５‥拡散反射光、３６‥レーザ光透過領域。

Claims

レーザ光を出力するレーザと光源レンズとを備える光源部と、
受光側に配置された集光レンズと、
前記レーザ光を前記光源レンズと測定対象ガスと前記集光レンズとを介して受光する受光素子と、
前記受光素子の出力に基づいて前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、
前記光源レンズと前記集光レンズとの少なくとも一方のレンズの前記測定対象ガス側に設けられ且つ前記測定対象ガスと接触する表面に形成された光触媒膜を有する窓材と、
前記測定対象ガスに接触しない位置に配置され、前記光触媒膜を活性化させるための紫外線を発生する紫外線光源と、
前記紫外線光源からの紫外線を前記窓材に導入する光学部材と、
を有することを特徴とするガス濃度測定装置。
レーザ光を出力するレーザと光源レンズとを備える光源部と、
受光側に配置された集光レンズと、
前記レーザ光を前記光源レンズと測定対象ガスと前記集光レンズとを介して受光する受光素子と、
前記受光素子の出力に基づいて前記測定対象ガスの濃度を測定する信号処理回路と、
前記光源レンズと前記集光レンズとの少なくとも一方のレンズの前記測定対象ガスと接触する表面に形成された光触媒膜と、
前記測定対象ガスに接触しない位置に配置され、前記光触媒膜を活性化させるための紫外線を発生する紫外線光源と、
前記紫外線光源からの紫外線を前記少なくとも一方のレンズに導入する光学部材と、
を有することを特徴とするガス濃度測定装置。
前記光学部材は、プリズムであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度測定装置。
前記光学部材は、前記窓材に一体化されて形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項３記載のガス濃度測定装置。
前記紫外線光源からの紫外線を前記光学部材に導くシリンドリカルレンズを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項３又は請求項４記載のガス濃度測定装置。
前記紫外線光源からの紫外線を前記光学部材に導く光ファイバを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項３又は請求項４記載のガス濃度測定装置。
前記少なくとも一方のレンズは、前記紫外線を導入する面以外の外周面がすりガラス状に加工されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のガス濃度測定装置。