JP2015227828A - Laser type oxygen analyzer - Google Patents

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秀夫 金井
Hideo Kanai
秀夫 金井
亮一 東
Ryoichi Higashi
亮一 東
雅哉 田原
Masaya Tahara
雅哉 田原
増永 靖行
Yasuyuki Masunaga
靖行 増永
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser type oxygen gas analyzer which measures a gas concentration of an oxygen gas having a wide range of temperatures using a plurality of wavelengths different in absorption intensity for a gas temperature.SOLUTION: A laser type oxygen analyzer emits a laser beam large in absorption intensity of an oxygen gas of a high temperature and small in absorption intensity of a normal temperature oxygen gas, and a laser beam of a wavelength for a normal temperature measurement large in absorption intensity of the high temperature oxygen gas which is the wavelength adjacent to the wavelength for the high temperature measurement, and the gas intensity of the high temperature oxygen gas is measured by using the detection light for the high temperature measurement, and a gas concentration of the normal temperature oxygen gas is measured by using the detection light for the normal temperature measurement.

Description

本発明は、2つの波長のガス温度の吸収強度差を利用して低温から高温までの酸素ガスのガス濃度を高精度で測定するレーザ式酸素ガス分析計に関する。   The present invention relates to a laser-type oxygen gas analyzer that measures the gas concentration of oxygen gas from a low temperature to a high temperature with high accuracy using a difference in absorption intensity between gas temperatures of two wavelengths.

気体中のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。例えば、図23は、酸素ガス(Oガス)の光吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示している。縦軸の吸収強度が大きいほど光の吸収量が大きくなる。レーザ式酸素ガス分析計は、測定対象である酸素ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載し、この特定波長のレーザ光を酸素ガスに吸収させることで酸素ガスの有無を検出することができる。加えてレーザ式酸素ガス分析計はレーザ光の特定波長の吸収強度が酸素ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。 It is known that each gas molecule in gas has its own light absorption spectrum. For example, FIG. 23 is an example of a light absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas), where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption intensity. The greater the absorption intensity on the vertical axis, the greater the amount of light absorption. The laser-type oxygen gas analyzer is equipped with a laser element that emits laser light of a wavelength that is absorbed by the target oxygen gas, and detects the presence or absence of oxygen gas by absorbing the laser light of this specific wavelength into the oxygen gas. can do. In addition, the laser oxygen gas analyzer can detect the concentration because the absorption intensity of the laser light at a specific wavelength is proportional to the concentration of oxygen gas.

このようなレーザ式酸素ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、具体的には主にゴミ焼却場などの燃焼制御に使用されることが多い。一般的に燃焼制御に用いられるレーザ式酸素ガス分析計が対象とする測定対象ガスの温度は、700〜1200℃と高温である。また、煤塵等が含まれていることもある。そこで、熱からの装置保護、配管閉塞の防止、および、ダストによる窓の汚れ付着の防止等のために、ガスによるパージ(以下パージガスという)を常時行う必要がある。   Such a laser-type oxygen gas analyzer is particularly used for atmospheric environment measurement and control purposes, and specifically, is often used mainly for combustion control in a garbage incineration plant or the like. Generally, the temperature of the measurement target gas which is a target of a laser oxygen gas analyzer used for combustion control is as high as 700 to 1200 ° C. In addition, dust may be included. Therefore, purging with gas (hereinafter referred to as purge gas) must be performed at all times in order to protect the device from heat, prevent piping blockage, and prevent dust from sticking to windows.

図24はレーザ式酸素ガス分析計をボイラなどの測定場所に設置した時の外観構造と、測定対象となる煙道ガスおよびパージガスの流れを示す。壁40内には燃焼により生じた煙道ガスが通流している。また、パージガスがパージガス入口20,60から導入され、パージガスが発光部ボックス10や受光部ボックス70の表面のレンズやガラス窓の汚れを防止している。パージガスは相フランジ30,50を経て壁40内に排出される。   FIG. 24 shows the external structure when a laser-type oxygen gas analyzer is installed at a measurement location such as a boiler, and the flow of flue gas and purge gas to be measured. In the wall 40, flue gas generated by combustion flows. Further, purge gas is introduced from the purge gas inlets 20 and 60, and the purge gas prevents contamination of the lens and glass window on the surface of the light emitting unit box 10 and the light receiving unit box 70. The purge gas is discharged into the wall 40 through the companion flanges 30 and 50.

このパージガスとしては計装空気と計装窒素とがある。パージガスが計装空気である場合、計装空気には酸素が含まれており、煙道の酸素ガスの分析ではこの計装空気中の酸素ガスによる影響を受ける点が問題となる。また、パージガスが計装窒素である場合、測定対象である酸素ガスのガス濃度に影響を与えることはないが、計装窒素の利用は設備コストや運用コストを要するため、主に製鉄所という火災・爆発の危険性がある場所でしか採用されていない。結局、一般的な焼却炉の殆どが計装空気を使用する。   The purge gas includes instrument air and instrument nitrogen. When the purge gas is instrument air, the instrument air contains oxygen, and the analysis of the flue oxygen gas is affected by the oxygen gas in the instrument air. In addition, when the purge gas is instrumentation nitrogen, it does not affect the gas concentration of the oxygen gas that is the object of measurement, but the use of instrumentation nitrogen requires equipment and operational costs, so it is mainly a fire called steelworks.・ It is only used in places where there is a risk of explosion. After all, most common incinerators use instrument air.

先に述べた計装空気には通常では約20.6vol%の酸素が含まれる。レーザ式酸素ガス分析計は、パージガスとして計測空気を使用する場合にこの約20.6vol%の酸素の影響を受ける。この影響を回避するため計装空気に含まれる酸素ガスの酸素量を求め、オフセットとして予め濃度換算してから測定する方法が考えられる。しかしながら、一般的にボイラ内での燃焼制御に用いられる酸素ガスの酸素量は数vol%(例えば3〜7vol%)であり、計装空気に含まれる酸素ガスのガス濃度の方が相対的に高くなり、測定精度に影響を及ぼす。高温ガスでは、最悪の場合、十分なS/Nが得られないこともある。このため、燃焼制御で使用する酸素計は、レーザ式酸素ガス分析計ではなく、他方式の酸素計(ジルコニア酸素計)を使用してきたが、定期的な清掃などメンテナンス頻度が高く、またセンサを年次交換しなくてはならないという問題もあった。   The instrument air described above usually contains about 20.6 vol% oxygen. The laser oxygen gas analyzer is affected by the oxygen of about 20.6 vol% when measuring air is used as the purge gas. In order to avoid this influence, a method is conceivable in which the oxygen amount of the oxygen gas contained in the instrument air is obtained and the concentration is converted in advance as an offset and then measured. However, the oxygen amount of oxygen gas generally used for combustion control in the boiler is several vol% (for example, 3 to 7 vol%), and the gas concentration of oxygen gas contained in instrument air is relatively higher. Increases and affects measurement accuracy. In the worst case, high temperature gas may not provide sufficient S / N. For this reason, the oxygen meter used for combustion control is not a laser-type oxygen gas analyzer, but another type of oxygen meter (zirconia oxygen meter) has been used. There was also a problem that they had to be replaced annually.

そこで、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる常温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示す波長を選択して、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計が開発された。このようなレーザ式酸素ガス分析計の先行技術が、例えば、特許文献1(特許第5234381号公報)に開示されている。   Therefore, by using the temperature difference between the purge gas and the oxygen gas contained in the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas, it is possible to show almost sensitivity to the purge gas and the room temperature oxygen gas contained in the atmosphere. There is no laser-type oxygen that detects the presence or absence of oxygen gas and measures the concentration only for oxygen gas contained in the gas to be measured by selecting a wavelength that is sensitive only to the high-temperature oxygen gas contained in the gas to be measured. A gas analyzer was developed. The prior art of such a laser type oxygen gas analyzer is disclosed, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 5234381).

特許文献1のレーザ式酸素ガス分析計では、ガスを吸収する全ての波長は、温度によって吸収強度が変化するという原理を用いる(特許文献1の図2,図4参照)。燃焼制御用途で使用するレーザ式酸素ガス分析計は、高温時に酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ常温の酸素ガスの吸収強度が小さい波長の検出光を用いる。このような波長を選定することで、パージガスおよび大気に含まれる常温(25℃付近)の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはなく、測定対象の燃焼ガスに含まれる高温(400℃以上)の酸素ガスにのみ感度を示すため、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ濃度測定を行えるようにして、S/Nを向上させている。   The laser oxygen gas analyzer of Patent Document 1 uses the principle that the absorption intensity changes with temperature for all wavelengths that absorb gas (see FIGS. 2 and 4 of Patent Document 1). A laser oxygen gas analyzer used for combustion control uses detection light having a wavelength that has a high absorption intensity of oxygen gas at a high temperature and a low absorption intensity of oxygen gas at room temperature. By selecting such a wavelength, there is almost no sensitivity to the oxygen gas at normal temperature (around 25 ° C.) contained in the purge gas and the atmosphere, and the high temperature (400 ° C. or higher) contained in the combustion gas to be measured. In order to show the sensitivity only to the oxygen gas, the concentration ratio can be measured only for the oxygen gas contained in the measurement target gas, thereby improving the S / N.

特許第5234381号公報(段落[0035]〜[0037]、図2,図4,図5等)Japanese Patent No. 5234381 (paragraphs [0035] to [0037], FIG. 2, FIG. 4, FIG. 5, etc.)

さて、上記のレーザ式酸素ガス分析計はガス化溶融炉を使用するゴミ焼却場で用いられることがある。この場合に、応答速度、ダストなどの耐環境性に優れたレーザ式酸素ガス分析計は高温ガスの燃焼管理で主に用いられるが、併せて温度が低い炉立ち上がり時の酸素ガスのガス濃度の変化を計測したいというニーズがある。このようにアプリケーションによっては常温から高温までの全ての領域で酸素ガスのガス濃度を測定したいという要望がある。   The above-described laser oxygen gas analyzer may be used in a garbage incinerator using a gasification melting furnace. In this case, the laser-type oxygen gas analyzer with excellent environmental resistance such as response speed and dust is mainly used for high temperature gas combustion management. There is a need to measure change. As described above, depending on the application, there is a demand for measuring the gas concentration of oxygen gas in all regions from room temperature to high temperature.

しかしながら、特許文献1のレーザ式酸素ガス分析計は、400℃以上の高温の酸素ガスを測定対象とするものであり、400℃未満の常温の酸素ガスを含む全温度領域の酸素ガスのガス濃度を測定したいアプリケーションでは、使用することができなかった。   However, the laser-type oxygen gas analyzer of Patent Document 1 is intended to measure high-temperature oxygen gas of 400 ° C. or higher, and the gas concentration of oxygen gas in the entire temperature region including normal-temperature oxygen gas of less than 400 ° C. Could not be used in applications that want to measure

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス温度に対し吸収強度が異なる複数の波長を用いて、広範囲の温度の酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to measure the gas concentration of oxygen gas in a wide range of temperatures using a plurality of wavelengths having different absorption intensities with respect to the gas temperature. The object is to provide an oxygen gas analyzer.

本発明の請求項1に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
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し、受光した信号強度からガス濃度を算出する受光部と、を備え、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような高温測定用波長のレーザ光と、高温測定用波長に隣接する波長であって常温の酸素ガスの吸収強度が大きいような常温測定用波長のレーザ光と、をそれぞれ発光するようになされ、前記受光部は、高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光と、常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光と、をそれぞれ受光するようになされ、高温測定用検出光を用いて高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、常温測定用検出光を用いて常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
A laser type oxygen gas analyzer according to claim 1 of the present invention includes:
A light emitting unit that emits detection light by laser light, and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which oxygen gas to be measured exists and calculates a gas concentration from the received signal intensity A laser oxygen gas analyzer for measuring the gas concentration of oxygen gas,
The light emitting part has a high temperature measurement wavelength laser light that has a high absorption intensity of high-temperature oxygen gas and a low absorption intensity of normal-temperature oxygen gas, and a wavelength adjacent to the high-temperature measurement wavelength at normal temperature. A laser beam having a wavelength for room temperature measurement that has a high absorption intensity of oxygen gas is emitted, and the light receiving unit includes a detection light for high temperature measurement absorbed by high temperature oxygen gas and oxygen at room temperature. The detection light for room temperature measurement absorbed by the gas is received, and the gas concentration of high-temperature oxygen gas is measured using the detection light for high temperature measurement. A laser oxygen gas analyzer characterized by measuring the gas concentration of oxygen gas was obtained.

また、本発明の請求項2に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項1に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記高温測定用波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であり、また、前記常温測定用波長は759.65nm〜759.67nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長あるいは759.60nm〜759.62nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
Further, a laser type oxygen gas analyzer according to claim 2 of the present invention provides:
The laser oxygen gas analyzer according to claim 1,
The high temperature measurement wavelength is a wavelength of an absorption peak included in the range of 759.63 nm to 759.64 nm, and the normal temperature measurement wavelength is an absorption wavelength included in the range of 759.65 nm to 759.67 nm. A laser type oxygen gas analyzer characterized by having a peak wavelength or an absorption peak wavelength included in the range of 759.60 nm to 759.62 nm.

また、本発明の請求項3に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項2に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は前記高温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光を受光して高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、また、この高温の酸素ガスのガス濃度の測定に前後して前記発光部は前記常温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光を受光して常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
A laser oxygen gas analyzer according to claim 3 of the present invention is
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 2,
The light emitting unit emits a laser beam scanned at a scanning wavelength in a predetermined range including the high temperature measurement wavelength, and the light receiving unit receives a high temperature measurement detection light that is largely absorbed by a high temperature oxygen gas to be measured. Then, the gas concentration of the high-temperature oxygen gas is measured, and before and after the measurement of the gas concentration of the high-temperature oxygen gas, the light emitting unit is scanned with a scanning wavelength within a predetermined range including the wavelength for measuring the room temperature. A laser-type oxygen gas characterized in that it emits light and the light-receiving unit receives a detection light for normal temperature measurement that has been absorbed by the normal-temperature oxygen gas to be measured, and measures the gas concentration of the normal-temperature oxygen gas An analyzer was used.

また、本発明の請求項4に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項2に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は、前記高温測定用波長および前記常温測定用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により多く吸光された高温測定用検出光と測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光とを受光し、高温の酸素ガスおよび常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
A laser type oxygen gas analyzer according to claim 4 of the present invention includes:
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 2,
The light emitting unit emits a laser beam scanned at a scanning wavelength within a predetermined range including the high temperature measurement wavelength and the room temperature measurement wavelength, and the light receiving unit is largely absorbed by the high temperature oxygen gas to be measured. The high temperature measurement detection light and the high temperature detection light absorbed by the room temperature oxygen gas to be measured are received, and the gas concentration of the high temperature oxygen gas and the room temperature oxygen gas is measured. A laser oxygen gas analyzer was used.

本発明によれば、ガス温度に対し吸収強度が異なる複数の波長を用いて、広範囲の温度の酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the laser-type oxygen gas analyzer which measures the gas concentration of oxygen gas of a wide range temperature using the several wavelength from which absorption intensity differs with respect to gas temperature can be provided.

ガスの吸収スペクトラム特性図である。It is an absorption spectrum characteristic view of O 2 gas. 一般的な酸素ガス温度別吸収スペクトラム例の説明図である。It is explanatory drawing of the example of a general absorption spectrum according to oxygen gas temperature. 燃焼制御用の酸素ガス温度別吸収スペクトラム例の説明図である。It is explanatory drawing of the absorption spectrum example according to oxygen gas temperature for combustion control. 本発明の第1の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the laser type oxygen gas analyzer of the 1st Embodiment of this invention. レーザ光源部の構成図である。It is a block diagram of a laser light source part. レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the wavelength scanning drive signal generation part of a laser element. 本発明の第1の実施の形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Oガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。For explaining the operation of the first embodiment of the present invention, it is a diagram showing a scanning waveform, absorption and output waveforms of the synchronous detector of the O 2 gas laser device. 受光素子および信号処理部の構成図である。It is a block diagram of a light receiving element and a signal processing part. 波長変調方式の原理図である。It is a principle diagram of a wavelength modulation system. ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the semiconductor laser by a drive current. 温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the semiconductor laser with temperature. 本発明の第2の実施の形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Oガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。For explaining the operation of the second embodiment of the present invention, it is a diagram showing a scanning waveform, absorption and output waveforms of the synchronous detector of the O 2 gas laser device. 本発明の第2の実施の形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Oガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。For explaining the operation of the second embodiment of the present invention, it is a diagram showing a scanning waveform, absorption and output waveforms of the synchronous detector of the O 2 gas laser device. 本発明の第3の実施の形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Oガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。For explaining the operation of the third embodiment of the present invention, it is a diagram showing a scanning waveform, absorption and output waveforms of the synchronous detector of the O 2 gas laser device. 本発明の第3の実施の形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Oガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。For explaining the operation of the third embodiment of the present invention, it is a diagram showing a scanning waveform, absorption and output waveforms of the synchronous detector of the O 2 gas laser device. 本発明の第4の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the laser type oxygen gas analyzer of the 4th Embodiment of this invention. レーザ光源部の構成図である。It is a block diagram of a laser light source part. 受光素子および信号処理部の構成図である。It is a block diagram of a light receiving element and a signal processing part. レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形および信号処理部に送られるトリガ信号の説明図である。It is explanatory drawing of the trigger signal sent to the output waveform of the wavelength scanning drive signal generation part of a laser element, and a signal processing part. I/V変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of an I / V conversion part and a synchronous detection part. I/V変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of an I / V conversion part and a synchronous detection part. 同期検波部の出力信号を示す図である。It is a figure which shows the output signal of a synchronous detection part. ガスの吸収スペクトラム特性図である。It is an absorption spectrum characteristic view of O 2 gas. パージガスの流れを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the flow of purge gas.

続いて、本発明のレーザ式酸素ガス分析計について以下に説明する。まず、本発明の特徴をなす検出原理について説明する。
図1に酸素ガス(O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。酸素ガスが所定の波長の光を吸収する。
Next, the laser oxygen gas analyzer of the present invention will be described below. First, the detection principle that characterizes the present invention will be described.
FIG. 1 shows an absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas). Each of the oxygen gas absorption lines is represented by a linear spectrum. Oxygen gas absorbs light of a predetermined wavelength.

ここでLambert-Beerの法則により、得られる信号強度は、ガス濃度と、そのガスが存在する距離と、により決定される点について説明する。Lambert-Beerの式を次式の数1に記す。   Here, the point that the signal intensity obtained by the Lambert-Beer law is determined by the gas concentration and the distance at which the gas exists will be described. The Lambert-Beer equation is shown in Equation 1 below.

[数1]
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
[Equation 1]
I (L) = I (0) · exp [−ks · ns · Ls]
I (L): received light quantity ks: gas coefficient
I (0): Light emission quantity ns: Gas concentration
Ls: Flue or cell length

信号強度はガス係数ks、ガス濃度ns、煙道またはセル長Lsがパラメータとなる。ガス係数ksはガス固有の値であり、また、煙道またはセル長Lsは設計により決定される定数である、すなわち、受光光量I(L)が計測できればガス濃度nsが算出される。   The signal intensity has parameters of gas coefficient ks, gas concentration ns, flue or cell length Ls. The gas coefficient ks is a value specific to the gas, and the flue or cell length Ls is a constant determined by design. That is, if the received light quantity I (L) can be measured, the gas concentration ns is calculated.

そして、同じ波長の光が酸素ガスに吸光される場合でも、吸収強度は温度による依存性がある。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、同じ酸素ガスのガス濃度でも酸素ガスの温度が常温のときに吸収強度が上昇し、検出時において、見かけ上のガス濃度が上昇する。   Even when light of the same wavelength is absorbed by oxygen gas, the absorption intensity depends on temperature. In general, as shown in the absorption spectrum according to oxygen gas temperature in FIG. 2, even when the gas concentration is the same, the absorption intensity increases when the temperature of the oxygen gas is normal, and the apparent gas concentration is detected at the time of detection. Rises.

ところが、図3の酸素ガス温度別吸収スペクトラムで示すように、ある波長では酸素ガスの温度が高くなるときに、例外的に、吸収強度が上昇し、検出時において、見かけ上のガス濃度が上昇する。   However, as shown in the absorption spectrum for each oxygen gas temperature in FIG. 3, when the temperature of the oxygen gas increases at a certain wavelength, the absorption intensity rises exceptionally, and the apparent gas concentration increases at the time of detection. To do.

そこで、炉立ち上がり時のように比較的低温である常温の酸素ガスのガス濃度の変化を計測する場合には、図2の酸素の吸収線スペクトラムのように、酸素ガスの温度が低いときにガス濃度の吸収強度が大きい吸収波長(以下、常温測定用波長)のレーザ光の検出光により検出を行う。また、燃焼制御で使用するように高温の酸素ガスのガス濃度の変化を計測する場合には、図3の酸素の吸収線スペクトラムのように、酸素ガスの温度が高いときにガス濃度の吸収強度が大きい吸収波長(以下、高温測定用波長)のレーザ光の検出光により検出を行う。以下、常温と高温とで分節して説明する。   Therefore, when measuring a change in the gas concentration of oxygen gas at room temperature, which is relatively low, such as when the furnace is started up, the gas is measured when the temperature of the oxygen gas is low, as in the oxygen absorption line spectrum of FIG. Detection is performed with detection light of a laser beam having an absorption wavelength having a high concentration intensity (hereinafter, a wavelength for normal temperature measurement). Further, when measuring the change in the gas concentration of the high-temperature oxygen gas to be used in combustion control, the absorption intensity of the gas concentration when the temperature of the oxygen gas is high as in the oxygen absorption line spectrum of FIG. Detection is performed using detection light of a laser beam having a large absorption wavelength (hereinafter referred to as a high temperature measurement wavelength). Hereinafter, description will be made by dividing into normal temperature and high temperature.

まず、高温測定用波長について説明する。
高温測定用波長は、所定範囲759.63nm〜759.64nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長である。この波長における吸収線の特長は、図3で示すように、常温付近では酸素を殆ど吸収しないが、ガス温度が高くなると酸素の吸収が発生するというものであり、400〜1200℃の高温(以下、400℃以上を高温という。また、本明細書中では高温ではない400℃未満を一律に常温として説明する。)では吸収強度が十分に大きい。
First, the wavelength for high temperature measurement will be described.
The wavelength for high temperature measurement is a wavelength of an absorption peak included in a predetermined range of 759.63 nm to 759.64 nm. The characteristic of the absorption line at this wavelength is that, as shown in FIG. 3, oxygen is hardly absorbed near room temperature, but oxygen is absorbed when the gas temperature is increased, and a high temperature of 400 to 1200 ° C. 400 ° C. or higher is referred to as high temperature, and in the present specification, less than 400 ° C., which is not high temperature, will be described as uniformly room temperature.

レーザ式酸素ガス分析計は炉内の熱から装置を保護するため、また、ダストの付着を防ぐためガスパージを行っている。したがって、測定対象ガスに含まれる常温の酸素ガスとしては、パージガスに含まれる計装空気中の常温の酸素ガスがある。   The laser oxygen gas analyzer performs gas purging to protect the apparatus from heat in the furnace and to prevent adhesion of dust. Therefore, room temperature oxygen gas contained in the measurement target gas includes room temperature oxygen gas in instrument air contained in the purge gas.

これらのような常温の酸素ガスが、測定対象である高温の酸素ガスに対して影響を及ぼさないようにする。パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる常温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度測定を行う。   Such room-temperature oxygen gas is prevented from affecting the high-temperature oxygen gas to be measured. By using the temperature difference between the purge gas and the oxygen gas contained in the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas, there is little sensitivity to the normal temperature oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere. The detection of the presence / absence of oxygen gas and the concentration measurement are performed only for the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas so as to show sensitivity only to the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas.

したがって、レーザ式酸素ガス分析計では、例えばゴミ焼却場施設などにおいて、ガス温度が高くなると酸素ガスによる光の吸収が発生するような波長で検出することで、400℃未満の常温付近では酸素ガスによる光の吸収が発生しないため、常温の酸素ガスに影響されることなく、ボイラ内の測定対象ガスのうち400℃以上の高温の酸素ガスのガス濃度のみをレーザ光により効率よく測定することができる。パージガスに空気を使用しても、精度に大きく影響するほどS/Nが低下することがない。   Therefore, in a laser type oxygen gas analyzer, for example, in a garbage incineration facility, oxygen gas is detected near room temperature of less than 400 ° C. by detecting at a wavelength at which light absorption by oxygen gas occurs when the gas temperature increases. Since the absorption of light due to is not generated, it is possible to efficiently measure only the gas concentration of high-temperature oxygen gas of 400 ° C. or higher among the measurement target gas in the boiler without being affected by oxygen gas at room temperature. it can. Even if air is used as the purge gas, the S / N ratio does not decrease so as to greatly affect the accuracy.

続いて、常温測定用波長について説明する。
常温測定用波長は、例えば759.65nm〜759.67nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長または759.60nm〜759.62nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長の何れか一方が採用される。上記の高温測定波長が含まれる所定範囲759.63nm〜759.64nmに対し、常温測定波長が含まれる所定範囲759.65nm〜759.67nmまたは所定範囲759.60nm〜759.62nmが隣接する。この常温測定用波長における吸収線の特長は、図2で示すように、高温(400℃以上)付近では酸素を殆ど吸収しないが、ガス温度が常温(400℃未満であって例えば0℃や25℃)程度で酸素の吸収強度が十分大きい。
Next, the room temperature measurement wavelength will be described.
As the wavelength for normal temperature measurement, for example, either the absorption peak wavelength included in the range of 759.65 nm to 759.67 nm or the absorption peak wavelength included in the range of 759.60 nm to 759.62 nm is adopted. Is done. The predetermined range 759.65 nm to 759.67 nm or the predetermined range 759.60 nm to 759.62 nm including the normal temperature measurement wavelength is adjacent to the predetermined range 759.63 nm to 759.64 nm including the high temperature measurement wavelength. As shown in FIG. 2, the absorption line at this normal temperature measuring wavelength hardly absorbs oxygen near a high temperature (400 ° C. or higher), but the gas temperature is normal temperature (less than 400 ° C., for example, 0 ° C. or 25 ° C. The absorption intensity of oxygen is sufficiently large at about ° C).

常温ではパージガスに使用する計装空気中の400℃未満の常温の酸素ガスがある。ここで図2でも明らかなように0℃と100℃とでは吸収強度に大きな差があるため、温度を考慮して吸収強度を決定する。パージガス中の常温の酸素ガスも炉の温度の影響を受けており、図示しない温度計で炉内温度を測定し、パージガスの流量を一定にすることでパージガスの平均温度を求め、演算部203eが温度に応じた吸収強度として演算することが可能である。なお、常温では温度一定と仮定し、一定の吸収強度として扱っても良い。   At room temperature, there is oxygen gas at room temperature below 400 ° C. in the instrument air used for purge gas. Here, as is clear from FIG. 2, the absorption intensity is greatly different between 0 ° C. and 100 ° C., and the absorption intensity is determined in consideration of the temperature. The room temperature oxygen gas in the purge gas is also affected by the temperature of the furnace. The temperature inside the furnace is measured with a thermometer (not shown), and the average temperature of the purge gas is obtained by keeping the flow rate of the purge gas constant. It is possible to calculate the absorption intensity according to the temperature. In addition, it may be treated as a constant absorption intensity assuming that the temperature is constant at room temperature.

これらを考慮の上、パージガス中の酸素ガスのガス濃度の吸収強度については、空気中の酸素ガスのガス濃度20.6vol%と煙道に設置した相フランジ長の積から求めることができる。したがって、測定値である常温の酸素ガスの吸収強度値からパージガス中の空気の酸素ガスの吸収強度値を差分することで炉立ち上がり時における炉内の常温の酸素ガスのガス濃度を求めることができる。   Taking these into consideration, the absorption intensity of the oxygen gas concentration in the purge gas can be obtained from the product of the gas concentration of 20.6 vol% of the oxygen gas in the air and the length of the phase flange installed in the flue. Therefore, by subtracting the absorption intensity value of the oxygen gas in the air in the purge gas from the absorption intensity value of the normal temperature oxygen gas that is the measured value, the gas concentration of the normal temperature oxygen gas in the furnace at the time of startup of the furnace can be obtained. .

このように常温と高温との両方でパージガスに含まれる酸素ガスの影響を排除し、測定対象となる常温の酸素ガスのみのガス濃度、または、高温の酸素ガスのみのガス濃度を検出できるようになる。検出原理はこのようなものである。   In this way, the influence of the oxygen gas contained in the purge gas at both normal and high temperatures is eliminated, and the gas concentration of only the normal temperature oxygen gas to be measured or the gas concentration of only the high temperature oxygen gas can be detected. Become. The detection principle is like this.

続いて、本発明を実施するための第1の形態に係るレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図4は、本形態のレーザ式酸素ガス分析計1の構成図である。レーザ式酸素ガス分析計1は、発光部100、受光部200、発光部側パージ部300、受光部側パージ部400を備えている。   Next, a laser oxygen gas analyzer according to a first embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4 is a configuration diagram of the laser oxygen gas analyzer 1 of the present embodiment. The laser oxygen gas analyzer 1 includes a light emitting unit 100, a light receiving unit 200, a light emitting unit side purge unit 300, and a light receiving unit side purge unit 400.

発光部100は、さらにレーザ光源部101、コリメートレンズ102、ボックスカバー103を備える。
受光部200は、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。
The light emitting unit 100 further includes a laser light source unit 101, a collimating lens 102, and a box cover 103.
The light receiving unit 200 includes a condenser lens 201, a light receiving element 202, a signal processing unit 203, and a box cover 204.

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。
The light emission unit side purge unit 300 includes a purge unit main body 301, an inlet 302, and an outlet 303.
The light receiving unit side purge unit 400 includes a purge unit main body 401, an inflow port 402, and an outflow port 403.

本形態のレーザ式酸素ガス分析計では、具体例として、酸素ガスを含む測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管に固定されているものとして説明する。測定対象ガスは例えば燃焼時に発生する排ガスなどである。
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。
In the laser-type oxygen gas analyzer of this embodiment, a specific example will be described on the assumption that a measurement target gas containing oxygen gas is fixed to a pipe such as a flue that passes through the inside. The measurement target gas is, for example, exhaust gas generated during combustion.
The walls 501a and 501b are walls of this pipe. The phase flanges 502a and 502b are fixed to the walls 501a and 501b by, for example, welding.

一方の相フランジ502aには、角度調整機構部を含む発光部側パージ部300のパージ部本体301が取り付けられている。この発光部側パージ部300のパージ部本体301には、発光部100のボックスカバー103が取り付けられている。発光部側パージ部300の内部通路と、相フランジ502aの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー103と相フランジ502aの内部通路とは、図示しないウィンドウによって空間が隔てられている。   The purge unit main body 301 of the light emitting unit side purge unit 300 including the angle adjustment mechanism unit is attached to one of the companion flanges 502a. The box cover 103 of the light emitting unit 100 is attached to the purge unit main body 301 of the light emitting unit side purge unit 300. The internal passage of the light emitting unit side purge unit 300 communicates with the internal passage of the companion flange 502a, and further communicates with the inside of the pipe. The box cover 103 and the internal passage of the companion flange 502a are separated by a window (not shown).

他方の相フランジ502bには、角度調整機構部を含む受光部側パージ部400のパージ部本体401が取り付けられている。この受光部側パージ部400のパージ部本体401には、受光部200のボックスカバー204が取り付けられている。受光部側パージ部400の内部通路と、相フランジ502bの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー204と相フランジ502bの内部通路とは、図示しないウィンドウによって空間が隔てられている。   The purge portion main body 401 of the light receiving portion side purge portion 400 including the angle adjusting mechanism portion is attached to the other phase flange 502b. A box cover 204 of the light receiving unit 200 is attached to the purge unit main body 401 of the light receiving unit side purge unit 400. The internal passage of the light receiving unit side purge unit 400 communicates with the internal passage of the phase flange 502b, and further communicates with the inside of the pipe. The box cover 204 and the internal passage of the companion flange 502b are separated by a window (not shown).

発光部100のボックスカバー103は電子基板に搭載されるレーザ光源部101、光学部品であるコリメートレンズ102を内蔵する。レーザ光源部101から出射したレーザ光は、コリメートレンズ102によって平行光にコリメートされる。コリメートされた検出光600は、発光部側パージ部300の内部通路と相フランジ502aの内部通路の中心を通って壁501a,501bの内部(煙道内部)へ入射される。   A box cover 103 of the light emitting unit 100 includes a laser light source unit 101 mounted on an electronic substrate and a collimating lens 102 which is an optical component. Laser light emitted from the laser light source unit 101 is collimated into parallel light by the collimating lens 102. The collimated detection light 600 is incident on the inside of the walls 501a and 501b (inside the flue) through the center of the inner passage of the light emitting portion side purge portion 300 and the inner passage of the companion flange 502a.

高温用測定波長の検出光600は、壁501a,501bの内部にある測定対象ガス中の酸素ガスを透過する際に吸収を受ける。また、相フランジ502a,502bの内部、発光部側パージ部300の内部通路、受光部側パージ部400の内部通路に測定対象である酸素ガスが存在する際にも同様に吸収を受ける。
また、常温用測定波長の検出光600は、パージガス中の酸素ガスや炉内の低温の酸素ガスを透過する際に吸収を受ける。
The detection light 600 having the high-temperature measurement wavelength is absorbed when it passes through the oxygen gas in the measurement target gas inside the walls 501a and 501b. Further, when oxygen gas to be measured is present in the interior of the companion flanges 502 a and 502 b, the internal passage of the light emitting unit side purge unit 300, and the internal passage of the light receiving unit side purge unit 400, absorption is similarly performed.
Further, the detection light 600 having the measurement wavelength for normal temperature is absorbed when it passes through the oxygen gas in the purge gas or the low-temperature oxygen gas in the furnace.

検出光600は、受光部200へ入射される。受光部200のボックスカバー204は光学部品である集光レンズ201、電子基板に搭載される受光素子202や信号処理部203を内蔵する。壁501a,501bの内部(煙道内部)を透過した平行光である検出光600は、相フランジ502bの内部通路と受光部側パージ部400の内部通路との中心を通ってボックスカバー204内部の集光レンズ201により集光されて受光素子202により受光される。この光は、受光素子202により電気信号に変換され、後段の信号処理部203に入力される。   The detection light 600 is incident on the light receiving unit 200. The box cover 204 of the light receiving unit 200 includes a condenser lens 201 that is an optical component, a light receiving element 202 mounted on an electronic substrate, and a signal processing unit 203. The detection light 600, which is parallel light transmitted through the walls 501a and 501b (inside the flue), passes through the center of the internal passage of the companion flange 502b and the internal passage of the light-receiving unit-side purge unit 400, and the inside of the box cover 204. The light is condensed by the condenser lens 201 and received by the light receiving element 202. This light is converted into an electrical signal by the light receiving element 202 and input to the signal processing unit 203 at the subsequent stage.

この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部300には流入口302からパージ部本体301内へ圧縮空気である計装空気が流入し、発光部側パージ部300の内部通路をパージし、また流出口303を通過して相フランジ502aの内部通路をパージする。このパージの後に壁501a,501bの内部(煙道内部)へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部400には流入口402からパージ部本体401内部へ圧縮空気である計装空気が流入し、受光部側パージ部400の内部通路をパージし、また流出口403を通過して相フランジ502bの内部通路をパージする。このパージの後に壁501a,501bの内部(煙道内部)へパージガスが排出される。   At this time, in order to prevent heat, corrosion, and contamination due to the measurement target gas, instrument air, which is compressed air, flows into the purge unit main body 301 from the inlet 302 into the light emitting unit side purge unit 300, and the light emitting unit side purge unit 300 The internal passage 300 is purged, and the internal passage of the companion flange 502 a is purged through the outlet 303. After this purging, the purge gas is discharged into the walls 501a and 501b (inside the flue). Similarly, instrument air, which is compressed air, flows into the light receiving unit side purge unit 400 from the inlet 402 into the purge unit main body 401, purges the internal passage of the light receiving unit side purge unit 400, and passes through the outlet 403. Then, the internal passage of the companion flange 502b is purged. After this purging, the purge gas is discharged into the walls 501a and 501b (inside the flue).

この計装空気により、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部100および受光部200の図示しないウィンドウ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入する計装空気が常温(例えば25℃)であり、パージ部本体301、401内、相フランジ502a、502bの内部を強制的に冷却している。   The instrument air blows away dust and the like contained in the measurement target gas and adhered to each part, and keeps the window surfaces (not shown) of the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 clean. In addition, the instrument air flowing in for purge is at a normal temperature (for example, 25 ° C.), and the inside of the purge unit main bodies 301 and 401 and the phase flanges 502a and 502b are forcibly cooled.

次に、発光部100、および、受光部200の詳細構成について説明する。まず、発光部100について図5,図6を参照しつつ詳細に説明する。図5はレーザ光源部101の詳細を示している。このレーザ光源部101は、波長走査駆動信号発生部101aと、高周波変調信号発生部101bと、を有するレーザ駆動信号発生部101sを備える。   Next, detailed configurations of the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 will be described. First, the light emitting unit 100 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 5 shows details of the laser light source unit 101. The laser light source unit 101 includes a laser drive signal generation unit 101s having a wavelength scanning drive signal generation unit 101a and a high frequency modulation signal generation unit 101b.

波長走査駆動信号発生部101aは、測定対象ガスである高温または常温の酸素ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。
高周波変調信号発生部101bは、測定対象ガスである高温または常温の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波長変調するための高周波変調信号を出力する。
The wavelength scanning drive signal generator 101a outputs a wavelength scanning drive signal for making the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the absorption wavelength of the high-temperature or normal-temperature oxygen gas that is the measurement target gas.
The high-frequency modulation signal generation unit 101b outputs a high-frequency modulation signal for wavelength-modulating the wavelength with a sine wave of about 10 kHz, for example, in order to detect the absorption wavelength of the high-temperature or normal-temperature oxygen gas that is the measurement target gas.

このような波長走査駆動信号発生部101aから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部101bからの高周波変調信号を合成して波長変調を行いレーザ駆動信号が生成されるようになっている。レーザ駆動信号発生部101sから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部101cにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子101eに供給される。このレーザ素子101eは、例えば、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser)、もしくはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)といわれるレーザ素子である。   The wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a is combined with the high frequency modulation signal from the high frequency modulation signal generation unit 101b to perform wavelength modulation to generate a laser drive signal. ing. The laser drive signal output from the laser drive signal generation unit 101s is converted into a current by the current control unit 101c and supplied to the laser element 101e made of a semiconductor laser. The laser element 101e is, for example, a laser element called a DFB laser (Distributed Feedback Laser) or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).

また、レーザ素子101eには温度安定化手段が設けられている。この温度安定化手段は、温度制御部101d、サーミスタ101f、ペルチェ素子101gを備える。レーザ素子101eに近接して温度検出素子としてのサーミスタ101fが配置され、このサーミスタ101fにはペルチェ素子101gが近接して配置されている。このペルチェ素子101gは、サーミスタ101fの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部101dによってPID(比例・積分・微分)制御が行われ、結果としてレーザ素子101eの温度を安定化するように動作させるものである。   The laser element 101e is provided with a temperature stabilizing means. This temperature stabilization means includes a temperature control unit 101d, a thermistor 101f, and a Peltier element 101g. A thermistor 101f as a temperature detecting element is disposed in the vicinity of the laser element 101e, and a Peltier element 101g is disposed in the vicinity of the thermistor 101f. The Peltier element 101g is subjected to PID (proportional / integral / differential) control by the temperature control unit 101d so that the resistance value of the thermistor 101f becomes a constant value, and as a result, the temperature of the laser element 101e is stabilized. It is what makes it operate.

ここで、波長走査駆動信号発生部101aから出力される波長走査駆動信号は、図6に示すように、可変駆動信号S1およびオフセット信号S2により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。   Here, as shown in FIG. 6, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a becomes a substantially trapezoidal unit waveform due to the variable drive signal S1 and the offset signal S2. Is a signal repeated at a constant period.

波長走査駆動信号の可変駆動信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部101cを介してレーザ素子101eに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号S1によってレーザ素子101eの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号S1の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブnm〜数nmの範囲で走査可能である。例えば酸素ガスであれば、0.02nm程度の線幅を走査可能とする部分である。   The variable drive signal S1 of the wavelength scanning drive signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element 101e via the current control unit 101c. This signal S1 is a signal for scanning the absorption wavelength by gradually shifting the emission wavelength of the laser element 101e. The emission wavelength can be scanned in the sub-nm to several nm range according to the slope of the signal S1, that is, the amount of change in the supply current. For example, in the case of oxygen gas, it is a portion that can scan a line width of about 0.02 nm.

波長走査駆動信号のオフセット信号S2は、吸収波長は走査しないがレーザ素子101eは発光させておくオフセット部分であり、光源部101のレーザ素子101eの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部101のレーザ素子101eに供給するように設定する。信号S1と信号S2とは交互に切り替わるように挿入されている。
信号S3は駆動電流をほぼ0にした部分である。
The offset signal S2 of the wavelength scanning drive signal is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 101e to emit light, and has a value equal to or greater than a threshold current value at which the light emission of the laser element 101e of the light source unit 101 is stabilized. 101 is set to be supplied to the laser element 101e. The signal S1 and the signal S2 are inserted so as to be switched alternately.
The signal S3 is a portion where the drive current is almost zero.

続いて発光部100による発光を説明する。
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6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。
Next, light emission by the light emitting unit 100 will be described.
First, the temperature of the laser element 101e is detected in advance by the thermistor 101f. Further, the temperature control unit 101d allows the Peltier element 101g to be measured so that the oxygen gas as the measurement target gas can be measured at the central portion of S1 of the wavelength scanning drive signal shown in FIG. 6 (so that a predetermined absorption characteristic can be obtained). The temperature of the laser element 101e is adjusted by controlling energization. Thereafter, the laser element 101e is driven.

図7は酸素ガスを検出する際のレーザ素子の駆動信号を示している。まず、高温の酸素ガスを検出するものとして説明する。高周波変調信号の周波数を10kHz,波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ(759.63nm),λ(759.64nm)は高温の酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値、λは吸収波形のピークの波長を示している。
レーザ素子101eがこのように波長λ(759.63nm)からλ(759.64nm)まで変化する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。
FIG. 7 shows a drive signal for the laser element when oxygen gas is detected. First, description will be made assuming that high-temperature oxygen gas is detected. The frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is a wavelength corresponding to the offset, λ 2 (759.63 nm), λ 4 (759.64 nm) are high-temperature oxygen gas (O The upper and lower limit values of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of ( 2 gas), λ 3 indicates the wavelength of the peak of the absorption waveform.
The laser element 101e irradiates the collimating lens 102 with the laser light that changes from the wavelength λ 2 (759.63 nm) to λ 4 (759.64 nm) in this way to generate the detection light 600 that is parallel light, and the measurement target gas The detection light 600 is emitted into the internal space of the walls 501 a and 501 b where the light is present, and the condensed light is incident on the light receiving element 202.

続いて受光部200について説明する。図8は、受光素子202、信号処理部203の構成を示している。信号処理部203はさらにI/V変換部203a、同期検波部203b、発振器203c、フィルタ203d、演算部203eを備えている。   Next, the light receiving unit 200 will be described. FIG. 8 shows the configuration of the light receiving element 202 and the signal processing unit 203. The signal processing unit 203 further includes an I / V conversion unit 203a, a synchronous detection unit 203b, an oscillator 203c, a filter 203d, and a calculation unit 203e.

受光素子202は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部100のレーザ素子101eの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子202の出力電流はI/V変換部203aへ入力される。I/V変換部203aにより受光素子202の出力電流が電圧に変換される。I/V変換部203aの出力信号は、同期検波部203bに入力される。同期検波部203bには、発信器203cからの2f信号が加えられ、出射光の同位相の2倍波信号の振幅のみを抽出したガス波形信号が得られる。同期検波部203bの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ203dを介してCPU等の演算部203eに送られる。演算部203eは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素ガスのガス濃度の算出を行う。   The light receiving element 202 is configured by a photodiode, for example, and a light receiving element having sensitivity to the light emission wavelength of the laser element 101e of the light emitting unit 100 is used. The output current of the light receiving element 202 is input to the I / V conversion unit 203a. The output current of the light receiving element 202 is converted into a voltage by the I / V conversion unit 203a. The output signal of the I / V conversion unit 203a is input to the synchronous detection unit 203b. The 2f signal from the transmitter 203c is added to the synchronous detection unit 203b, and a gas waveform signal obtained by extracting only the amplitude of the second harmonic signal having the same phase of the emitted light is obtained. The output signal of the synchronous detection unit 203b is sent to a calculation unit 203e such as a CPU through a noise removal filter 203d. The calculation unit 203e detects the presence or absence of oxygen gas and calculates the gas concentration of oxygen gas by various processes described below.

ここで波長変調方式のレーザ式酸素ガス分析計の計測原理について、図9のレーザ式酸素ガス分析計の波長変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図1の酸素ガス(Oガス)の吸収スペクトラムに示すように、この酸素ガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、波長変調方式による濃度検出が可能である。そして、この波長変調方式のレーザ式酸素ガス分析計では、中心波長f、変調周波数fで半導体レーザ素子の出射光を波長変調し、測定対象である酸素ガスに照射する。ここで、波長変調とは、レーザ素子101eに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。 Here, the measurement principle of the wavelength modulation type laser oxygen gas analyzer will be described with reference to the principle diagram of the wavelength modulation type of the laser type oxygen gas analyzer of FIG. As shown in the absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas) in FIG. 1, since the absorption line of this oxygen gas is represented by a linear spectrum, concentration detection by a wavelength modulation method is possible. Then, this laser type oxygen gas analyzer wavelength modulation scheme, center wavelength f c, the output light of the semiconductor laser element and a wavelength modulation at the modulation frequency f m, is irradiated to the oxygen gas to be measured. Here, the wavelength modulation is to modulate the waveform of the drive current supplied to the laser element 101e into a sine wave.

この波長変調方式では、上記のように分布帰還型半導体レーザ(DFBレーザ)または垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を用いて単一波長のレーザ光のみを出射しガス濃度を測定する。この場合、レーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。   In this wavelength modulation method, the gas concentration is measured by emitting only a single wavelength laser beam using a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser) or a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) as described above. In this case, since the spectral line width at which the laser element emits light is smaller than the absorption line width of the measurement target gas, it is necessary to match the emission wavelength of the laser with the absorption wavelength of the measurement target gas. Therefore, the emission wavelength is controlled by controlling the temperature and current of the laser element.

レーザ素子は、図10、図11に示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化する。レーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、波長変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。   As shown in FIGS. 10 and 11, the laser element has an emission wavelength that varies depending on drive current and temperature. Since the laser element can emit a specific wavelength according to a constant value of temperature and current, it can be adjusted to the absorption wavelength according to a preset temperature and current value. Then, by performing wavelength modulation, the emission wavelength is modulated with the modulation of the drive current.

このように半導体レーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数nmであり、測定対象ガスの吸収波長の近傍を発光するレーザ素子を使用する必要がある。このレーザ素子の波長選択性の性質から、図1に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない1本または2本である。   As described above, the wavelength of the semiconductor laser element can be changed depending on the current and temperature, but the wavelength range is several nm, and it is necessary to use a laser element that emits light in the vicinity of the absorption wavelength of the measurement target gas. Due to the wavelength-selective nature of this laser element, all absorption lines as shown in FIG. 1 cannot be measured, and the absorption lines used for measurement have a relatively large absorption intensity and One or two absorptions do not overlap.

図9に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ2次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数fの2倍の周波数の信号(2倍波信号)が得られる。ここで、変調周波数fは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数fを数kHz程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置(DSP)または汎用のプロセッサを用いて、2倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。 As shown in FIG. 9, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line plays the role of a discriminator, the light receiving portion of the double modulation frequency f m A frequency signal (second harmonic signal) is obtained. Since the modulation frequency f m good at any frequency, for example, using Selecting a modulation frequency f m to several kHz, a digital signal processing device (DSP) or general-purpose processor, extraction of the second harmonic signal It is possible to perform advanced signal processing such as.

また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記2倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。   Further, if the envelope detection is performed by the light receiving unit, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the second harmonic signal is detected in phase synchronization, so that it exists in addition to the concentration. A signal proportional to the gas concentration to be measured can be obtained without being affected by the signal having the same frequency component.

このような原理のもと、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波部203bは2倍波信号が検出しないので、同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。   Based on such a principle, when there is no absorption of the laser beam by the measurement target gas, the synchronous detection unit 203b does not detect the second harmonic signal, and therefore the output of the synchronous detection unit 203b is almost a straight line.

一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部203bは、出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号を検出する。その出力波形は図7の点線の円内に図示された同期検波部203bのピーク波形になる。このピーク波形はフィルタ203dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算部203eへ出力される。演算部203eは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素ガスのガス濃度の算出を行う。   On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, the synchronous detection unit 203b detects a second harmonic signal that is a signal obtained by extracting only the amplitude of the second frequency component of the modulation signal of the emitted light. The output waveform is the peak waveform of the synchronous detection unit 203b shown in the dotted circle in FIG. Noise is removed from the peak waveform by the filter 203d, and the peak waveform is appropriately amplified and output to the arithmetic unit 203e such as a CPU or DSP in the subsequent stage. The calculation unit 203e detects the presence or absence of oxygen gas and calculates the gas concentration of oxygen gas by various processes described below.

演算部203eは以下のように機能する。まず、この図7の点線の円内のピーク波形が測定対象ガスによる吸収を受けた部分(ガス吸収波形A)であり、このガス吸収波形Aの最大値または最小値が測定対象ガスの濃度に相当する。従って、演算部203eでは、この図7の円内に示される同期検波部203bの出力であるガス吸収波形Aを用いて、測定対象ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、ガス吸収波形Aの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、ガス吸収波形Aの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象である酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合に酸素ガスがないと判断する手段として機能する。   The calculation unit 203e functions as follows. First, the peak waveform in the dotted circle in FIG. 7 is a portion (gas absorption waveform A) that has been absorbed by the measurement target gas, and the maximum value or minimum value of this gas absorption waveform A is the concentration of the measurement target gas. Equivalent to. Therefore, the calculation unit 203e measures the peak value of the waveform corresponding to the concentration of the measurement target gas using the gas absorption waveform A that is the output of the synchronous detection unit 203b shown in the circle of FIG. As a means for measuring the amplitude difference between the maximum value and the minimum value of the absorption waveform A, or integrating part or all of the gas absorption waveform A and detecting the concentration of oxygen gas to be measured from the integrated value. Function. Also, it functions as means for determining that there is no oxygen gas when the gas concentration is lower than a predetermined value.

演算部203eには図示しない変換器が接続されている。この変換器は、演算部203eで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する補正部と、補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部203eは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。高温の酸素ガスの検出はこのように行われる。   A converter (not shown) is connected to the calculation unit 203e. The converter corrects the concentration converted by the calculation unit 203e to a concentration value corresponding to a change in gas temperature or gas pressure, and a display unit that displays the concentration value corrected by the correction unit on the display. And an external transmission unit for transmitting the analog density value and digital signal. The calculation unit 203e performs output control, and the density value corrected by the correction function display unit is displayed on the display unit. Detection of high-temperature oxygen gas is performed in this way.

続いて、常温時の検出について説明する。これは走査波長が異なる点のみが相違する。図7はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を10kHz,波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ〜λ(759.60nm〜759.62nm、または、759.65nm〜759.67nm)は常温の酸素ガスの吸収波長に相当する走査波長の上下限値、λは吸収波形のピークの波長を示している。レーザ素子101eは、波長λからλまで変化するレーザ光を照射する。以下、後段の信号処理では同様にして常温の酸素ガスのガス濃度を検出するというものであり、重複する説明を省略する。このような波長として常温の酸素ガスのガス濃度を取得する。 Next, detection at normal temperature will be described. This differs only in that the scanning wavelengths are different. FIG. 7 shows the drive signal of the laser element, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, λ 2 to λ 4 (759.60 nm). ˜759.62 nm or 759.65 nm to 759.67 nm) is the upper and lower limit values of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas at room temperature, and λ 3 is the wavelength of the peak of the absorption waveform. Laser element 101e is irradiated with laser light to change the wavelength lambda 2 to lambda 4. Hereinafter, the signal processing in the latter stage is to detect the gas concentration of the oxygen gas at room temperature in the same manner, and redundant description is omitted. The gas concentration of oxygen gas at room temperature is acquired as such a wavelength.

ここで常温ではパージガスに使用する計装空気中の400℃未満の常温の酸素ガスがあるが、パージガス中の酸素ガスのガス濃度の吸収強度については、空気中の酸素ガスのガス濃度20.6vol%と煙道に設置した相フランジ長の積から求めることができる。したがって、測定値である常温の酸素ガスの吸収強度値からパージガス中の空気の酸素ガスの吸収強度値を差分することで炉立ち上がり時における炉内の常温の酸素ガスのガス濃度の濃度を求めることができる。   Here, there is room temperature oxygen gas of less than 400 ° C. in the instrument air used for purge gas at room temperature, but the absorption strength of the oxygen gas concentration in the purge gas is 20.6 vol of oxygen gas concentration in the air. % And the product of the length of the companion flange installed in the flue. Therefore, the concentration of the oxygen gas at normal temperature in the furnace at the time of starting up the furnace is obtained by subtracting the absorption intensity value of the oxygen gas in the purge gas from the absorption value of the normal temperature oxygen gas that is the measured value. Can do.

なお、この実施形態では、高温の酸素ガスの測定に続いて、例えばパージガスなど常温の酸素ガスを検出するものとして説明した。しかしながら、最初に炉立ち上がり時の炉内の空気に含まれる常温の酸素ガスの測定を行い、続いて高温の酸素ガスを検出するようにしても良い。高温の酸素ガスの測定に続いて常温の酸素ガスを測定するか、また、常温の酸素ガスの測定に続いて高温の酸素ガスを測定するか、の何れも選択することができる。   In this embodiment, it has been described that, following the measurement of high-temperature oxygen gas, room-temperature oxygen gas such as purge gas is detected. However, it is also possible to first measure room temperature oxygen gas contained in the air in the furnace when the furnace is started up, and then detect high temperature oxygen gas. Either measurement of normal temperature oxygen gas following measurement of high temperature oxygen gas or measurement of high temperature oxygen gas following measurement of normal temperature oxygen gas can be selected.

以上、第1の実施の形態について説明した。従来技術では、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、を区別できず、ともに計測していたため信頼性の点で難があった。これに対し、本発明では、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる常温の酸素ガス、および、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのそれぞれに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスや炉立ち上がり時の常温の酸素ガスの有無の検出や濃度の測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計とすることができる。これにより、0〜1200℃の酸素ガスのガス濃度測定を一つの装置で測ることができる。   The first embodiment has been described above. In the prior art, the oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas cannot be distinguished from each other and are measured together, which is difficult in terms of reliability. On the other hand, in the present invention, by utilizing the temperature difference between the oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere and the oxygen gas contained in the measurement target gas, the room temperature oxygen gas contained in the purge gas and the atmosphere, and A laser that detects the presence of oxygen gas contained in the measurement target gas and room temperature oxygen gas at the time of startup of the furnace and measures the concentration so that each high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas exhibits sensitivity. Type oxygen gas analyzer. Thereby, the gas concentration measurement of 0-1200 degreeC oxygen gas can be measured with one apparatus.

続いて、本発明の第2の実施の形態について図を参照しつつ説明する。本形態では先の図1〜図11を用いて説明した形態と比較すると、図7で示した走査波長に代えて、図12,図13に示すような走査波長を採用して一回の走査で常温と高温の酸素ガスの濃度計測を終了させる点が相違する。以下、走査波長についてのみ説明し、装置構成やガス濃度の算出については第1の実施の形態と同じであるものとして重複する説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared with the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 11 in this embodiment, the scanning wavelength shown in FIGS. 12 and 13 is adopted instead of the scanning wavelength shown in FIG. The difference is that the concentration measurement of oxygen gas at normal temperature and high temperature is terminated. Hereinafter, only the scanning wavelength will be described, and the calculation of the apparatus configuration and the gas concentration is the same as in the first embodiment, and redundant description is omitted.

本形態のレーザ式酸素ガス分析計におけるレーザ波長走査について説明する。波長走査駆動信号は、先に説明した図6に示すように、可変駆動信号S1およびオフセット信号S2によりほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。   Laser wavelength scanning in the laser oxygen gas analyzer of this embodiment will be described. As shown in FIG. 6 described above, the wavelength scanning drive signal is a signal having a substantially trapezoidal unit waveform due to the variable drive signal S1 and the offset signal S2, and such a unit waveform is repeated at a constant period.

波長走査駆動信号の可変駆動信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、レーザ素子に供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号S1によってレーザ素子の発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号S1の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブnm〜数nmの範囲で走査可能である。例えば高温の酸素ガスと常温の酸素ガスであれば、0.05nm程度の線幅を走査可能とする部分である。   The variable scanning signal S1 of the wavelength scanning driving signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element. This signal S1 is a signal for scanning the absorption wavelength by gradually shifting the emission wavelength of the laser element. The emission wavelength can be scanned in the sub-nm to several nm range according to the slope of the signal S1, that is, the amount of change in the supply current. For example, in the case of a high-temperature oxygen gas and a room-temperature oxygen gas, it is a portion that can scan a line width of about 0.05 nm.

次に図12はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を10kHz、波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ,λは常温および高温の酸素ガスの吸収波長を含む走査範囲の上下限値、λは高温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を、λは常温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を示している。 Next, FIG. 12 shows the drive signal of the laser element, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 and λ 5 are room temperature. The upper and lower limits of the scanning range including the absorption wavelength of high-temperature oxygen gas, λ 3 is the peak wavelength of the absorption waveform where oxygen gas is absorbed only at high temperature, and λ 4 is the absorption waveform where oxygen gas is absorbed only at normal temperature. The peak wavelength is shown.

例えば、高温検出用の所定範囲759.63nm〜759.64nmと、常温検出用の所定範囲759.65nm〜759,67nmと、の両方を範囲に含めるλ〜λ(759.63nm〜759.67nm)である。走査波長範囲を0.04〜0.05nmに拡大することになる。
レーザ素子101eがこのように波長λ(759.63nm)からλ(759.67nm)まで変化する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を出射する。
For example, λ 2 to λ 5 (759.63 nm to 759. 759) including both the predetermined range for detecting high temperature 759.63 nm to 759.64 nm and the predetermined range for detecting normal temperature 759.65 nm to 759, 67 nm. 67 nm). The scanning wavelength range is expanded to 0.04 to 0.05 nm.
The laser element 101e irradiates the collimating lens 102 with the laser light changing from the wavelength λ 2 (759.63 nm) to λ 4 (759.67 nm) in this way, and emits the detection light 600 that is parallel light.

常温の酸素ガスおよび高温の酸素ガスが共にある場合の同期検波部の出力波形は図12の下部のような二本のピークのピーク波形になる。また、常温の酸素ガスのみがある場合の同期検波部の出力波形は図13の下部のような一本のピークのピーク波形になる。これらのように波長を少しずつ変更する走査を行って一回の測定で常温と高温の酸素ガスのガス濃度を測定するものであり0〜1200℃までの酸素ガスのガス濃度を測定している。   The output waveform of the synchronous detector when there is both room temperature oxygen gas and high temperature oxygen gas is a peak waveform of two peaks as shown in the lower part of FIG. Further, the output waveform of the synchronous detector when there is only oxygen gas at room temperature is a peak waveform of one peak as shown in the lower part of FIG. In this way, the scanning is performed by changing the wavelength little by little to measure the gas concentration of oxygen gas at normal temperature and high temperature in one measurement, and the gas concentration of oxygen gas from 0 to 1200 ° C. is measured. .

このようにレーザの波長走査範囲を拡大し、常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、また、高温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、を含むような広範囲の走査波長により一回で走査することで、0〜1200℃の広範囲の酸素ガスまで測定するレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。   In this way, the laser wavelength scanning range is expanded, and a single scan with a wide range of scanning wavelengths including a wavelength with a high absorption intensity of oxygen gas at room temperature and a wavelength with a high absorption intensity of high-temperature oxygen gas. By scanning, it is possible to provide a laser type oxygen gas analyzer that measures oxygen gas in a wide range of 0 to 1200 ° C.

続いて、本発明の第3の実施の形態について図を参照しつつ説明する。本形態では先の図1〜図11を用いて説明した形態と比較すると、図7で示した走査波長に代えて、図14,図15に示すような走査波長を採用して一回の走査で計測を終了させる点が相違する。以下、走査波長についてのみ説明し、装置構成やガス濃度の算出については第1の実施の形態と同じであるものとして重複する説明を省略する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared with the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 11 in this embodiment, the scanning wavelength shown in FIGS. 14 and 15 is employed instead of the scanning wavelength shown in FIG. The difference is that the measurement is terminated. Hereinafter, only the scanning wavelength will be described, and the calculation of the apparatus configuration and the gas concentration is the same as in the first embodiment, and redundant description is omitted.

本形態のレーザ式酸素ガス分析計におけるレーザ波長走査について説明する。波長走査駆動信号は、先に説明した図6に示すように、可変駆動信号S1およびオフセット信号S2により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。   Laser wavelength scanning in the laser oxygen gas analyzer of this embodiment will be described. As shown in FIG. 6 described above, the wavelength scanning drive signal is a signal having a substantially trapezoidal unit waveform due to the variable drive signal S1 and the offset signal S2, and such a unit waveform is repeated at a constant period.

波長走査駆動信号の可変駆動信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、レーザ素子に供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号S1によってレーザ素子の発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号S1の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブnm〜数nmの範囲で走査可能である。例えば高温の酸素ガスと常温の酸素ガスであれば、0.05nm程度の線幅を走査可能とする部分である。   The variable scanning signal S1 of the wavelength scanning driving signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element. This signal S1 is a signal for scanning the absorption wavelength by gradually shifting the emission wavelength of the laser element. The emission wavelength can be scanned in the sub-nm to several nm range according to the slope of the signal S1, that is, the amount of change in the supply current. For example, in the case of a high-temperature oxygen gas and a room-temperature oxygen gas, it is a portion that can scan a line width of about 0.05 nm.

次に図14は、レーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を10kHz、波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ,λは高温と常温との酸素ガスの吸収波長を含む走査範囲の上下限値、λは常温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を、λは高温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を示している。 Next, FIG. 14 shows the drive signal of the laser element, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 and λ 5 are Upper and lower limits of the scanning range including the absorption wavelength of oxygen gas at high temperature and normal temperature, λ 3 is the wavelength of the peak of the absorption waveform where oxygen gas is absorbed only at normal temperature, and λ 4 is the absorption where oxygen gas is absorbed only at high temperature The wavelength of the peak of the waveform is shown.

例えば、常温検出用の所定範囲759.60nm〜759.62nmと、高温検出用の所定範囲759.63nm〜759.64nmと、の両者を範囲に含めるλ〜λ(759.60nm〜759.64nm)である。走査波長範囲を0.04〜0.05nmに拡大することになる。
レーザ素子101eがこのように波長λ(759.60nm)からλ(759.64nm)まで変化する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を出射する。
For example, λ 2 to λ 5 (759.60 nm to 759.59) including both the predetermined range for normal temperature detection 759.60 nm to 759.62 nm and the predetermined range for high temperature detection 759.63 nm to 759.64 nm. 64 nm). The scanning wavelength range is expanded to 0.04 to 0.05 nm.
The laser element 101e irradiates the collimator lens 102 with the laser light changing from the wavelength λ 2 (759.60 nm) to λ 4 (759.64 nm) in this way, and emits the detection light 600 that is parallel light.

常温の酸素ガスおよび高温の酸素ガスが共にある場合の同期検波部の出力波形は図14の下部のような二本のピークのピーク波形になる。また、常温の酸素ガスのみがある場合の同期検波部の出力波形は図15の下部のような一本のピークのピーク波形になる。これらのように波長を少しずつ変更する走査を行って一回の測定で常温と高温の酸素ガスのガス濃度を測定するものであり0〜1200℃までの酸素ガスのガス濃度を測定している。   The output waveform of the synchronous detector when there is both room temperature oxygen gas and high temperature oxygen gas is a peak waveform of two peaks as shown in the lower part of FIG. Further, the output waveform of the synchronous detector when there is only oxygen gas at room temperature is a peak waveform of one peak as shown in the lower part of FIG. In this way, the scanning is performed by changing the wavelength little by little to measure the gas concentration of oxygen gas at normal temperature and high temperature in one measurement, and the gas concentration of oxygen gas from 0 to 1200 ° C. is measured. .

このようにレーザの波長走査範囲を拡大し、常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、また、高温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、を含むような広範囲の走査波長により一回で走査することで、0℃から1200℃までの広範囲の酸素ガスまで測定できるレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。   In this way, the laser wavelength scanning range is expanded, and a single scan with a wide range of scanning wavelengths including a wavelength with a high absorption intensity of oxygen gas at room temperature and a wavelength with a high absorption intensity of high-temperature oxygen gas. By scanning, a laser oxygen gas analyzer capable of measuring a wide range of oxygen gas from 0 ° C. to 1200 ° C. can be provided.

続いて本発明の第4の実施の形態について図を参照しつつ説明する。先の第1の実施の形態と比較すると、本形態では、基本的に図4と同じ構成を有するものであるが、図16で示すように発光部100のレーザ光源部101’と、受光部200の信号処理部203’と、を発光部・受光部線700により通信可能に接続する点が相違する。また、受光部200の信号処理部203’と制御部900とを受光部・制御部線800により通信可能に接続する点が相違する。   Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Compared with the previous first embodiment, this embodiment basically has the same configuration as that in FIG. 4, but as shown in FIG. 16, the laser light source unit 101 ′ of the light emitting unit 100 and the light receiving unit The signal processing unit 203 ′ is connected to the 200 signal processing unit 203 ′ through a light emitting unit / light receiving unit line 700 so as to be communicable. Further, the difference is that the signal processing unit 203 ′ of the light receiving unit 200 and the control unit 900 are communicably connected by the light receiving unit / control unit line 800.

詳しくは、図17で示すように、レーザ光源部101’の波長走査駆動信号発生部101aから波長走査駆動信号のうちのトリガ信号S4(図19参照)が抽出されて出力され、また、図18で示すように、信号処理部203’の演算部203eがこのトリガ信号S4を入力し、トリガ信号S4(図20参照)を用いて同期を取る点が相違する。なお、図17の発光部100のレーザ光源部101’と、図18の受光部200の信号処理部203’と、は、図5のレーザ光源部101と図8の信号処理部203と比較すると同一の構成を有するがトリガ信号S4を入出力し、演算部203eがこのトリガ信号S4に基づいて演算処理する点が相違するものであり、他の構成については第1の実施の形態で説明した構成と同じ符号を付すともに重複する説明を省略し、相違点のみを説明する。   Specifically, as shown in FIG. 17, the trigger signal S4 (see FIG. 19) of the wavelength scanning drive signal is extracted and output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a of the laser light source unit 101 ′, and FIG. As shown by, the calculation unit 203e of the signal processing unit 203 ′ receives the trigger signal S4 and is synchronized using the trigger signal S4 (see FIG. 20). The laser light source unit 101 ′ of the light emitting unit 100 in FIG. 17 and the signal processing unit 203 ′ of the light receiving unit 200 in FIG. 18 are compared with the laser light source unit 101 in FIG. 5 and the signal processing unit 203 in FIG. Although it has the same configuration, it is different in that the trigger signal S4 is input and output, and the calculation unit 203e performs calculation processing based on the trigger signal S4. The other configuration has been described in the first embodiment. The same reference numerals as those in the configuration are attached and redundant description is omitted, and only the differences will be described.

図19は、上記トリガ信号S4を説明するための図である。演算部203eに、波長走査駆動信号発生部101aからトリガ信号S4が入力される。図示するように、トリガ信号S4は、上記S1,S2,S3を含めた波長走査駆動信号の一周期に同期して波長走査駆動信号発生部101aから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号S4は、例えば、レーザ素子101e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(信号S3の発生タイミング)に同期して発生させればよい。波長走査駆動信号発生部101aよりトリガ信号S4が出力され、発光部・受光部線700を介して、演算部203eへ入力される。   FIG. 19 is a diagram for explaining the trigger signal S4. The trigger signal S4 is input from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a to the calculation unit 203e. As shown in the figure, the trigger signal S4 is a pulse signal output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a in synchronization with one cycle of the wavelength scanning driving signal including S1, S2, and S3. For example, the trigger signal S4 may be generated in synchronization with the timing of the wavelength scanning drive signal (the generation timing of the signal S3) that makes the drive current of the laser element 101e zero. A trigger signal S4 is output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a and input to the calculation unit 203e via the light emitting unit / light receiving unit line 700.

続いて本形態の信号処理部203の演算部203eによる酸素ガスの濃度算出方法について説明する。図17で示すように、レーザ光源部101では、波長走査駆動信号S1の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、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。レーザ素子101eを駆動し、測定対象ガスが存在する壁501a,501bの内部空間にレーザ光を出射する。   Next, a method for calculating the concentration of oxygen gas by the calculation unit 203e of the signal processing unit 203 of this embodiment will be described. As shown in FIG. 17, in the laser light source unit 101, the temperature control unit 101d controls the energization of the Peltier element 101g so that the measurement target gas can be measured at the central portion of the wavelength scanning drive signal S1, and the temperature of the laser element 101e. Adjust. The laser element 101e is driven to emit laser light into the internal space of the walls 501a and 501b where the measurement target gas exists.

レーザ光は、集光部201により集光され、この集光した光を受光素子202へ入射させる。測定対象ガスとして酸素ガスを測定する。この受光素子202は、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して信号処理部203に送る。これら信号処理部203は、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。信号処理部203において、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がない場合は、図20で示すように、同期検波部203bによって2倍周波数信号が検出されないため、同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。   The laser beam is condensed by the condensing unit 201 and the collected light is incident on the light receiving element 202. Measure oxygen gas as the gas to be measured. The light receiving element 202 converts it into a detection signal based on an electric signal according to the amount of received light and sends it to the signal processing unit 203. For example, the signal processing unit 203 performs amplification or noise filtering on the detection signal to detect the density. In the signal processing unit 203, when the laser light is not absorbed by the measurement target gas, as shown in FIG. 20, since the double frequency signal is not detected by the synchronous detection unit 203b, the output of the synchronous detection unit 203b is almost linear. Become.

一方で、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部203bによって2倍周波数信号が検出される。図21は、同期検波部203bの出力信号SbをI/V変換部203aの出力信号Saと併せて示した波形図である。図21において、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Aである。これは高温の酸素ガスを検出するものとする。なお、常温の酸素ガスの検出も同様であり、重複する説明を省略する。   On the other hand, when there is absorption of laser light by the measurement target gas, the double frequency signal is detected by the synchronous detection unit 203b. FIG. 21 is a waveform diagram showing the output signal Sb of the synchronous detection unit 203b together with the output signal Sa of the I / V conversion unit 203a. In FIG. 21, the portion surrounded by the dotted line is the gas absorption waveform A. This shall detect hot oxygen gas. Note that detection of oxygen gas at room temperature is the same, and redundant description is omitted.

ここで、何らかの原因によって同期検波部203bの出力信号Sbにオフセットがある場合、図22に示すように、本来の出力信号Sbではなくオフセット分が加算された信号Sbが現れる。その結果、図21におけるガス吸収波形Aの最大値または最小値、あるいは波形の積分値による検出では誤差が生じてしまい、ガス濃度を正確に検出できないおそれがある。そこで、本形態では、ガス濃度を更に高精度かつ安定的に検出するために、以下のような方法を用いることとした。 Here, when there is an offset in the output signal Sb of the synchronous detection portion 203b by some cause, as shown in FIG. 22, offset is not the original output signal Sb 0 signal Sb 1 appears added. As a result, an error occurs in the detection based on the maximum value or the minimum value of the gas absorption waveform A in FIG. 21 or the integral value of the waveform, and the gas concentration may not be detected accurately. Therefore, in this embodiment, the following method is used in order to detect the gas concentration with higher accuracy and stability.

前述したように、測定対象ガスが存在しない図20で示すような場合は、同期検波部203bにより2倍周波数信号は検出されず、同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。しかし、様々なノイズが存在するので、仮に測定対象ガスが存在しない場合でも、図20に示すように、同期検波部203bの出力信号Sbは少しの凹凸のある波形となる。このような波形の場合、単純に波形の最大値や最小値のみを検出する方法ではノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認し、最大値や最小値を誤って検出するおそれがある。また、波形の積分値を求める場合にも、同様に誤検出する可能性がある。特に、測定対象ガスが低濃度である場合には、上記凹凸部分がガス濃度検出時の大きな誤差要因となる。   As described above, in the case shown in FIG. 20 where the measurement target gas does not exist, the double frequency signal is not detected by the synchronous detection unit 203b, and the output of the synchronous detection unit 203b becomes a substantially straight line. However, since various noises exist, even if the measurement target gas does not exist, the output signal Sb of the synchronous detection unit 203b has a slightly uneven waveform as shown in FIG. In the case of such a waveform, in a method of simply detecting only the maximum value or the minimum value of the waveform, there is a risk that the uneven portion due to noise is mistaken as a gas absorption waveform and the maximum value or the minimum value is detected erroneously. Similarly, when an integral value of a waveform is obtained, there is a possibility of erroneous detection. In particular, when the measurement target gas has a low concentration, the uneven portion becomes a large error factor when detecting the gas concentration.

このため、本形態では、ノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認しないように、図19で示すような、波長走査駆動信号発生部204aから出力されるトリガ信号S4を用いて、ガス吸収波形の最大値または最小値が存在するべき位置を特定する。トリガ信号S4は、波長走査駆動信号の一周期に同期し特に波長走査駆動信号のS3と同期がとれている。このトリガ信号S4と同期検波部203bの出力信号Sbとの間には一定の時間的な相関関係がある。   For this reason, in this embodiment, in order not to misidentify the uneven portion due to noise as the gas absorption waveform, the trigger signal S4 output from the wavelength scanning drive signal generator 204a as shown in FIG. Identifies the position where the maximum or minimum value should be. The trigger signal S4 is synchronized with one cycle of the wavelength scanning drive signal, and is particularly synchronized with S3 of the wavelength scanning drive signal. There is a certain temporal correlation between the trigger signal S4 and the output signal Sb of the synchronous detector 203b.

つまり、測定対象ガスが存在する場合に、トリガ信号S4のタイミングに対して図20,図21のガス吸収波形Aや最大値C、最小値B,Dが発生するタイミングは、予めほぼ正確に検出可能である。そこで、トリガ信号から所定時間tb,tc,td経過したときに同期検波部出力波形でB点の最小値B、C点の最大値C、D点の最小値Dが登場するものとして計測を行う。この。これら所定時間tb,tc,tdは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。   That is, when the measurement target gas exists, the timing at which the gas absorption waveform A, the maximum value C, and the minimum values B and D in FIGS. 20 and 21 are generated with respect to the timing of the trigger signal S4 is detected almost accurately in advance. Is possible. Therefore, measurement is performed on the assumption that the minimum value B at point B, the maximum value C at point C, and the minimum value D at point D appear in the synchronous detector output waveform when a predetermined time tb, tc, td has elapsed from the trigger signal. . this. These predetermined times tb, tc, and td are preliminarily calculated experimentally before factory shipment or at the time of calibration, and are registered in a memory (not shown). The concentration is calculated using this value.

そして、ガス濃度の測定時には、波長走査駆動信号発生部204aから受信したトリガ信号S4を基準として、最大値C及び最小値B,Dが発生するべきタイミング所定時間tb,tc,tdにおける同期検波部203bの出力信号Sb(フィルタ203dの出力信号)から最大値及び最小値を測定する。   When measuring the gas concentration, the synchronous detector at the predetermined times tb, tc and td at which the maximum value C and the minimum values B and D should be generated with reference to the trigger signal S4 received from the wavelength scanning drive signal generator 204a. The maximum value and the minimum value are measured from the output signal Sb of 203b (the output signal of the filter 203d).

これにより、測定対象ガスの濃度が限りなく0に近いような低濃度の場合にも、演算部203eは、トリガ信号S4に基づいてガス吸収波形Aや最大値C及び最小値B,Dを検出する手段として機能する。演算部203eは、これら値を正確に検出し、測定することができる。従って、ノイズによる波形の凹凸部分に影響されることなく、ガス濃度の演算を高精度に行うことが可能である。   As a result, even when the concentration of the measurement target gas is as low as possible, the calculation unit 203e detects the gas absorption waveform A, the maximum value C, and the minimum values B and D based on the trigger signal S4. Functions as a means to The calculation unit 203e can accurately detect and measure these values. Therefore, the gas concentration can be calculated with high accuracy without being affected by the uneven portions of the waveform due to noise.

そして演算部203eとしては、トリガ信号から所定時間tb,tc,td経過するときに同期検波部出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する手段として機能する。この同期検波部出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。これらABCDを用いて濃度を計測する。図18の演算部203eは、図21に示したガス吸収波形Aにおいて、最大値Cとその前後の最小値B,Dとを検出し、以下の数2または数3によってガス濃度を演算する手段として機能する。   The calculation unit 203e functions as a means for reading and storing the value of the synchronous detection unit output waveform when a predetermined time tb, tc, td elapses from the trigger signal, and thereafter calculating the concentration. For example, the maximum value at the peak of the waveform directly represents the gas concentration, so that the maximum value is output as the concentration. Alternatively, the difference value obtained by subtracting the minimum value from the maximum value is used as the density. The concentration is measured using these ABCD. The calculation unit 203e in FIG. 18 detects a maximum value C and minimum values B and D before and after the gas absorption waveform A shown in FIG. 21, and calculates a gas concentration by the following formula 2 or formula 3. Function as.

[数2]
酸素ガス濃度=α×|B−C|
[Equation 2]
Oxygen gas concentration = α × | BC

[数3]
酸素ガス濃度=α×|C−D|
[Equation 3]
Oxygen gas concentration = α × | CD |

なお、数2、数3においては、αはガス濃度変換係数である。ガス濃度変換係数αは、測定ガス成分の濃度が既知であるガスで予め校正することによって決定される。たとえば、測定ガス成分の濃度が0ppmのゼロガスと、測定ガス成分の濃度が所望の測定レンジの最大濃度であるスパンガスと、を測定し、ゼロガス、スパンガスの実測値を第一校正点、第二校正点とし、その2点を結ぶ直線を基準検量線とする。該基準検量線の傾きをガス濃度変換係数αとする。酸素ガス濃度はこのようにして算出される。また、図20で示すような同期検波部出力の場合には酸素ガス濃度が所定値以下となり、酸素がないと判定される。演算部203eはこのような処理を行う手段として機能する。   In Equations 2 and 3, α is a gas concentration conversion coefficient. The gas concentration conversion coefficient α is determined by calibrating in advance with a gas whose concentration of the measurement gas component is known. For example, the zero gas with the concentration of the measurement gas component of 0 ppm and the span gas with the concentration of the measurement gas component being the maximum concentration in the desired measurement range are measured, and the actual values of the zero gas and the span gas are measured as the first calibration point and the second calibration. A straight line connecting the two points is used as a reference calibration curve. The slope of the reference calibration curve is defined as a gas concentration conversion coefficient α. The oxygen gas concentration is calculated in this way. Further, in the case of the synchronous detection unit output as shown in FIG. 20, the oxygen gas concentration is equal to or lower than a predetermined value, and it is determined that there is no oxygen. The calculation unit 203e functions as means for performing such processing.

なお、本形態では、信号処理部の演算処理部が全ての信号処理を行うものとして説明したが、受光部・制御部線800により演算処理部に接続される制御部900へデータを送信し、制御部900が計算を行うような構成としても良い。これら構成は適宜選択される。また、本形態では第1の実施の形態のように高温の酸素ガスの濃度計測と、常温の酸素ガスの濃度計測と、でそれぞれ別に走査するものであるが、これに代えて、第2の実施の形態のように図12,図13に示すような走査波長を採用したり、また、第3の実施の形態のように図14,図15に示すような走査波長を採用したりして、一回の走査で常温と高温の酸素ガスの濃度計測を終了させるようにしても良い。この場合に最初のピークの最大値C及び最小値B,Dが発生するべきタイミング所定時間tb,tc,tdと次のピークの最大値F及び最小値E,Gが発生するべきタイミング所定時間te,tf,tgを予め登録して同様に同期させてガス濃度の演算処理を行うものである。これら方法については適宜選択することができる。   In this embodiment, the calculation processing unit of the signal processing unit has been described as performing all signal processing, but the data is transmitted to the control unit 900 connected to the calculation processing unit by the light receiving unit / control unit line 800, It is good also as a structure which the control part 900 performs calculation. These configurations are appropriately selected. Further, in this embodiment, as in the first embodiment, the high-temperature oxygen gas concentration measurement and the normal-temperature oxygen gas concentration measurement are separately scanned. The scanning wavelength as shown in FIGS. 12 and 13 is adopted as in the embodiment, or the scanning wavelength as shown in FIGS. 14 and 15 is adopted as in the third embodiment. Alternatively, the measurement of the oxygen gas concentration at normal temperature and high temperature may be completed in one scan. In this case, the predetermined time tb, tc, td at which the maximum value C and minimum values B, D of the first peak should occur and the timing at which the maximum value F, minimum value E, G of the next peak should occur , Tf, tg are registered in advance and the gas concentration calculation process is performed in the same manner. These methods can be appropriately selected.

以上、本実施形態について説明した。単にガス吸収波形の最大値や最小値、あるいは積分値だけを検出する場合に比べ、トリガ信号の同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。上記構成を採用すれば計測精度をより高めることができる。   The present embodiment has been described above. Compared to simply detecting the maximum value, minimum value, or integral value of the gas absorption waveform, the peak position can be accurately detected by synchronizing the trigger signal, so the detection capability of low-concentration gas is also improved. . If the said structure is employ | adopted, a measurement precision can be raised more.

また、低損失であるためピークが確実に表れるようにしてやはり低濃度の酸素ガスの検出能力を向上させた。
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。
In addition, since the loss is low, the peak can be surely displayed, and the detection ability of low concentration oxygen gas is improved.
In particular, it is synchronized with the timing of the wavelength scanning drive signal that makes the drive current of the laser element zero, and the synchronization signal can be discriminated.

また、特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。   In particular, when the gas concentration is low, the effects of noise caused by interference of laser light from optical window materials and lenses, etc., become stronger, and these noises are detected as peaks, making it difficult to find peaks. However, in the present invention, since the portion where gas absorption occurs is set in advance and the gas absorption peak is detected based on the trigger signal, accurate gas concentration detection can be performed without being affected by noise or the like. There is an advantage.

本発明によれば、ボイラなどにおいて炉立ち上げ時に発生する低温の酸素ガスや燃焼時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、測定対象の酸素ガスのガス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。   According to the present invention, in a process of measuring a low-temperature oxygen gas generated at startup of a furnace or a high-temperature oxygen gas at the time of combustion with a laser analyzer in a boiler or the like, without being affected by the gas component used for the purge gas, The gas concentration of the oxygen gas to be measured can be measured efficiently. The ability to use instrument air as the purge gas has great advantages in terms of introduction cost and operation cost.

通常、パージガスに空気を使用した場合、空気に含まれる酸素量は、測定対象の酸素量に対し、外乱として影響を及ぼす十分な量がある場合が多く、さらに常温の酸素ガスのガス濃度に対して大きな感度がある吸収線は、400℃以上の高温になると吸収強度が40〜80%程度低下する傾向が多くあり、その結果、S/Nが低下して測定が困難になる。
一方、本発明はパージガスに含まれる常温の空気中の酸素ガスのガス濃度に影響されず、測定対象となる常温または高温の酸素ガスのガス濃度に対して、正確な計測が可能となる。
Normally, when air is used as the purge gas, the amount of oxygen contained in the air is often sufficient to affect the amount of oxygen to be measured as a disturbance, and also to the oxygen gas concentration at room temperature. The absorption line having a large sensitivity tends to decrease the absorption intensity by about 40 to 80% at a high temperature of 400 ° C. or higher, and as a result, the S / N decreases and the measurement becomes difficult.
On the other hand, the present invention is not affected by the gas concentration of the oxygen gas in the air at normal temperature contained in the purge gas, and can accurately measure the gas concentration of the normal temperature or high temperature oxygen gas to be measured.

また、本発明によれば、半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式酸素ガス分析計において、低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。さらに、ダスト等の影響も考慮してガス吸収ピークを検出することで、さらに低濃度ガス検出が可能となった。   In addition, according to the present invention, in a laser-type oxygen gas analyzer based on absorption spectroscopy using a semiconductor laser, the detection capability of low-concentration gas is improved by ensuring that a peak appears due to low loss. . Furthermore, by detecting the gas absorption peak based on the trigger signal of the wavelength scanning signal, the low concentration gas can be detected. Furthermore, by detecting the gas absorption peak in consideration of the influence of dust and the like, it has become possible to detect a lower concentration gas.

また、本発明によれば、常温の酸素ガスのガス濃度も検出可能とすることで、常温から高温領域まで高精度な酸素ガスのガス濃度測定を可能とする。さらにレーザの電流駆動範囲を拡大することでレーザの波長走査範囲を広げて、複数の酸素ガスの吸収線を同時測定可能とする。複数の酸素ガスの吸収線は、温度範囲毎に最適な吸収線を選択して酸素ガスを測定することで、この点でも常温から高温領域まで高精度な酸素ガスのガス濃度測定を可能とする。   In addition, according to the present invention, the gas concentration of oxygen gas at room temperature can be detected, so that the gas concentration of oxygen gas can be measured with high accuracy from room temperature to a high temperature region. Furthermore, by expanding the current drive range of the laser, the wavelength scanning range of the laser is expanded, and a plurality of oxygen gas absorption lines can be simultaneously measured. Multiple oxygen gas absorption lines select the optimum absorption line for each temperature range and measure oxygen gas, which also enables high-precision oxygen gas concentration measurement from room temperature to high temperature range. .

本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析[高炉、転炉、熱処理炉、焼結(ペレット設備)、コークス炉]、青果貯蔵及び熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車排ガス(除テスタ)、防災[爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析]、植物育成用、化学用分析[石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント]、環境用[着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理]、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。   The laser oxygen gas analyzer of the present invention is optimal for measuring combustion exhaust gas such as boilers and garbage incineration. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.

1,1’:レーザ式酸素ガス分析計
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’:信号処理部
203a:I/V変換部
203b:同期検波部
203c:発振器
203d:フィルタ
203e:演算部
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:発光部・受光部線
800:受光部・制御部線
900:制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1 ': Laser type oxygen gas analyzer 100: Light emission part 101, 101': Laser light source part 101a: Wavelength scanning drive signal generation part 101b: High frequency modulation signal generation part 101c: Current control part 101d: Temperature control part 101e: Laser element 101f: Thermistor 101g: Peltier element 101s: Laser drive signal generation unit 102: Collimator lens 103: Box cover 200: Light receiving unit 201: Condensing lens 202: Light receiving element 203, 203 ′: Signal processing unit 203a: I / V Conversion unit 203b: synchronous detection unit 203c: oscillator 203d: filter 203e: calculation unit 204: box cover 300: light emission unit side purge unit 301: purge unit body 302: inflow port 303: outflow port 400: light receiving unit side purge unit 401: Purge part main body 402: Inlet 403: Outlet 501a, 501b: 502a, 502b: mating flange 600: Detection light 700: light emitting elements and the light-receiving section line 800: light receiving unit and control unit line 900: control unit

Claims (4)

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し、受光した信号強度からガス濃度を算出する受光部と、を備え、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような高温測定用波長のレーザ光と、高温測定用波長に隣接する波長であって常温の酸素ガスの吸収強度が大きいような常温測定用波長のレーザ光と、をそれぞれ発光するようになされ、前記受光部は、高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光と、常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光と、をそれぞれ受光するようになされ、高温測定用検出光を用いて高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、常温測定用検出光を用いて常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
A light emitting unit that emits detection light by laser light, and a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which oxygen gas to be measured exists and calculates a gas concentration from the received signal intensity A laser oxygen gas analyzer for measuring the gas concentration of oxygen gas,
The light emitting part has a high temperature measurement wavelength laser light that has a high absorption intensity of high-temperature oxygen gas and a low absorption intensity of normal-temperature oxygen gas, and a wavelength adjacent to the high-temperature measurement wavelength at normal temperature. A laser beam having a wavelength for room temperature measurement that has a high absorption intensity of oxygen gas is emitted, and the light receiving unit includes a detection light for high temperature measurement absorbed by high temperature oxygen gas and oxygen at room temperature. The detection light for room temperature measurement absorbed by the gas is received, and the gas concentration of high-temperature oxygen gas is measured using the detection light for high temperature measurement. A laser oxygen gas analyzer characterized by measuring a gas concentration of oxygen gas.
請求項1に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記高温測定用波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であり、また、前記常温測定用波長は759.65nm〜759.67nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長あるいは759.60nm〜759.62nmの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
The laser oxygen gas analyzer according to claim 1,
The high temperature measurement wavelength is a wavelength of an absorption peak included in the range of 759.63 nm to 759.64 nm, and the normal temperature measurement wavelength is an absorption wavelength included in the range of 759.65 nm to 759.67 nm. A laser type oxygen gas analyzer characterized by having a peak wavelength or an absorption peak wavelength included in a range of 759.60 nm to 759.62 nm.
請求項2に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は前記高温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光を受光して高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、また、この高温の酸素ガスのガス濃度の測定に前後して前記発光部は前記常温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光を受光して常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 2,
The light emitting unit emits a laser beam scanned at a scanning wavelength in a predetermined range including the high temperature measurement wavelength, and the light receiving unit receives a high temperature measurement detection light that is largely absorbed by a high temperature oxygen gas to be measured. Then, the gas concentration of the high-temperature oxygen gas is measured, and before and after the measurement of the gas concentration of the high-temperature oxygen gas, the light emitting unit is scanned with a scanning wavelength within a predetermined range including the wavelength for measuring the room temperature. A laser-type oxygen gas characterized in that it emits light and the light-receiving unit receives a detection light for normal temperature measurement that has been absorbed by the normal-temperature oxygen gas to be measured, and measures the gas concentration of the normal-temperature oxygen gas Analyzer.
請求項2に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は、前記高温測定用波長および前記常温測定用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により多く吸光された高温測定用検出光と測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光とを受光し、高温の酸素ガスおよび常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 2,
The light emitting unit emits a laser beam scanned at a scanning wavelength within a predetermined range including the high temperature measurement wavelength and the room temperature measurement wavelength, and the light receiving unit is largely absorbed by the high temperature oxygen gas to be measured. The high temperature measurement detection light and the high temperature detection light absorbed by the room temperature oxygen gas to be measured are received, and the gas concentration of the high temperature oxygen gas and the room temperature oxygen gas is measured. Laser oxygen gas analyzer.
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