JP2014102140A - レーザ式酸素ガス分析計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光部100は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部300および受光部側パージ部400のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長のレーザ光を発光し、受光部400は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光するようなレーザ式酸素ガス分析計とした。
【選択図】図5
Description
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とする。
請求項1に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの有無の検出または酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とする。
請求項3に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
請求項3または請求項4に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
請求項3または請求項4に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
請求項3または請求項4に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
請求項3〜請求項7の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする。
請求項3〜請求項8の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とする。
請求項9に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させたことを特徴とする。
請求項3〜請求項8の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記ガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とする。
請求項11に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とする。
図1に酸素ガス(O2ガス)の吸収スペクトラムを示す。この酸素ガスの吸収線はそれぞれが線状のスペクトラムで表わされる。そして、一般的には、図2の酸素ガス温度別吸収スペクトラムで示すように温度依存性があり、酸素ガスの温度が高くなると同じ酸素濃度でも吸収強度が低下し、検出時において、見かけ上の濃度が低下する。
I(L)=I(0)・exp[−ks・ns・Ls]
I(L):受光光量 ks:ガス係数
I(0):発光光量 ns:ガス濃度
Ls:煙道またはセル長
受光部200は、受光部側光学系の具体例である集光レンズ201、受光素子202、信号処理部203、ボックスカバー204を備える。
発光部側パージ部300は、パージ部本体301、流入口302、流出口303を備える。
受光部側パージ部400は、パージ部本体401、流入口402、流出口403を備える。
壁501a,501bは、この配管の壁である。相フランジ502a,502bは、この壁501a,501bに、例えば、溶接等によって固定されている。
高周波変調信号発生部101bは、測定対象ガスである酸素ガスの吸収波長を検出するために、例えば10kHz程度の正弦波で波長を周波数変調するための高周波変調信号を出力する。
信号S3は駆動電流をほぼ0にした部分である。
まず、事前に、レーザ素子101eの温度をサーミスタ101fにより検出する。さらに、図7に示した波長走査駆動信号のS1の中心部分で測定対象ガスである酸素ガスを測定できるように(所定の吸収特性が得られるように)、温度制御部101dによりペルチェ素子101gの通電を制御してレーザ素子101eの温度を調整する。
その後にレーザ素子101eを駆動する。
レーザ素子101eがこのようなレーザ光をコリメートレンズ102へ照射して平行光である検出光600を生成し、測定対象ガスが存在する壁501a,501bの内部空間にこの検出光600を出射し、集光した光を受光素子202へ入射させる。
酸素ガス濃度=α×|B−C|
酸素ガス濃度=α×|C−D|
また、特に、レーザ素子の駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミングに同期させており、同期信号を判別できる。
図21AにおけるAは前記同様にガス吸収波形であり、この波形の振幅w(=wa)を検出することでガス濃度を測定することができる。
一方、ダストが存在する場合の図21Bでは、図20Bに対応して振幅w(=wb)も小さくなっている。
このように、受光光量によってガス吸収波形の振幅が変動するために、特にダスト量が変動する環境では、正確なガス濃度の測定が困難である。
β=Pmax/P
wh=w×β
本発明によれば、ボイラなどの高温の酸素ガスをレーザ分析計で測定するプロセスにおいて、パージガスに使用するガス成分に影響されることなく、測定対象の酸素濃度を効率よく測定することができる。パージガスに計装空気を使用できることは導入コスト、運用コスト面において、大きなメリットがある。
その結果、パージガスに酸素を含むエアを使用しても、その影響を受けず、測定対象となる高温ガス中の酸素濃度に対して、正確な計測が可能となる。
100:発光部
101,101’:レーザ光源部
101a:波長走査駆動信号発生部
101b:高周波変調信号発生部
101c:電流制御部
101d:温度制御部
101e:レーザ素子
101f:サーミスタ
101g:ペルチェ素子
101s:レーザ駆動信号発生部
102:コリメートレンズ
103:ボックスカバー
200:受光部
201:集光レンズ
202:受光素子
203,203’,203”:信号処理部
204:ボックスカバー
300:発光部側パージ部
301:パージ部本体
302:流入口
303:流出口
400:受光部側パージ部
401:パージ部本体
402:流入口
403:流出口
501a,501b:壁
502a,502b:相フランジ
600:検出光
700:通信線
請求項3〜請求項8の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記検出信号のガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とする。
Claims (12)
- レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項1に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの有無の検出または酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3または請求項4に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3または請求項4に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3または請求項4に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3〜請求項7の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3〜請求項8の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させたことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項9に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項3〜請求項8の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記ガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。 - 請求項11に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
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