JP2019184523A - ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を受ける環境下においても、濃度を分析するために必要な測定光の受光量を受光部において確保できるガス分析装置を提供する。【解決手段】本発明に係るガス分析装置１は、被測定ガスＧを含む測定領域Ｒ１に測定光を照射する発光部２１と、発光部２１から照射された測定光を反射させる反射部１５と、反射部１５で反射した測定光を受光する受光部２２と、反射部１５における測定光のビーム径Ｗを、測定光が平行光であるときのビーム径よりも拡大する調整部２４と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、ガス分析装置に関する。

例えば、特許文献１に記載のガス濃度測定装置のように、所定の流路を流れる被測定ガスの濃度を光学的に求める装置が従来から知られている。

特開２０１０−１８５６９４号公報

特許文献１に記載のガス濃度測定装置は、被測定ガス中に延在するプローブ部の先端に、測定光を受光部に向けて反射させる反射鏡を有する。このとき、例えばプローブ部が振動してその先端の位置が変化すると、位置によって反射鏡による測定光の反射量が低下し、受光部における受光量が低下する。

このような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、振動を受ける環境下においても、濃度を分析するために必要な測定光の受光量を受光部において確保できるガス分析装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一実施形態に係るガス分析装置は、被測定ガスを含む測定領域に測定光を照射する発光部と、前記発光部から照射された前記測定光を反射させる反射部と、前記反射部で反射した前記測定光を受光する受光部と、前記反射部における前記測定光のビーム径を、前記測定光が平行光であるときのビーム径よりも拡大する調整部と、を備える。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記調整部は、前記測定光の光軸と略直交する方向に沿った前記反射部の幅よりも大きくなるように前記測定光のビーム径を拡大してもよい。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記調整部は、前記発光部と前記測定領域との間に配置され、前記測定光に対して作用する光学レンズを有してもよい。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記光学レンズは、平凸レンズであり、前記平凸レンズの平面は、前記発光部と対向し、前記平凸レンズの凸面は、前記測定領域と対向してもよい。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記調整部は、前記測定光の光軸に沿って前記光学レンズと前記発光部との距離を変化させる調整機構をさらに有してもよい。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記調整機構は、前記光学レンズが固定されている固定部によって前記光軸と略平行な軸まわりに回転可能に支持される調整ねじを有し、該調整ねじの一方の先端は前記発光部と接触し、他方の先端は前記固定部から前記発光部と反対側に露出してもよい。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置は、前記測定光の光軸に沿って前記測定領域と重畳するように延在するプローブ部をさらに備え、前記反射部は、前記プローブ部において前記発光部と反対側の先端に位置してもよい。

本発明の一実施形態に係るガス分析装置によれば、振動を受ける環境下においても、濃度を分析するために必要な測定光の受光量を受光部において確保できる。

一実施形態に係るガス分析装置の上面視による斜視図である。 図１のガス分析装置の下面視による斜視図である。 図１のI−I矢線に沿った断面を模式的に示した断面図である。 振動環境下におけるプローブ部の振る舞いを示した図３に対応する模式図である。 受光部によって出力されるスキャン信号の様子を示した模式図である。 発光部から照射される測定光の様子を示した図３に対応する模式図である。 図１のI−I矢線に沿った断面においてII部を拡大して示した拡大断面図である。 図７の構成部の一部を模式的に示した図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。以下の説明中の前後、左右、及び上下の方向は、図中の矢印の方向を基準とする。各矢印の方向は、図１乃至図４、図６乃至図８において、異なる図面同士で互いに整合している。

以下では、一例として、各図において下方から上方に向けて被測定ガスＧが流れているとして説明する。被測定ガスＧの流動方向はこれに限定されない。被測定ガスＧの流動方向は任意であってよく、一実施形態に係るガス分析装置１も被測定ガスＧの流動方向に合わせて任意の方向で配置されてもよい。

図１は、一実施形態に係るガス分析装置１の上面視による斜視図である。図２は、図１のガス分析装置１の下面視による斜視図である。図３は、図１のI−I矢線に沿った断面を模式的に示した断面図である。図３は、一例として、煙道Ｐ内を流れる被測定ガスＧに含まれる対象成分の成分濃度を分析するために図１のガス分析装置１が煙道壁Ｓに取り付けられている様子を示す。図３は、説明の簡便のために、一実施形態に係るガス分析装置１の構成を簡略化した状態で示す。より具体的には、図３では、後述する発光部２１のより詳細な構成、調整部２４、及び固定部２５等の分析部２０内のより詳細な構成については、その図示を省略している。

図１乃至図３を参照しながら、一実施形態に係るガス分析装置１の機能及び構成について主に説明する。

ガス分析装置１は、例えば被測定ガスＧが流れる流路に直接取り付けられ、測定対象成分の成分濃度分析を行う。被測定ガスＧは、例えばＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣｎＨｍ（炭化水素）、ＮＨ３、及びＯ２等のガスを含む。流路は、配管、煙道、及び燃焼炉等を含む。

ガス分析装置１は、例えば防爆エリア内で使用され、耐圧防爆構造を有するプローブ型ＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：波長可変ダイオードレーザ吸収分光)式ガス分析計を含む。ここで、プローブ型とは、例えば、光源、反射構造、及び光検出器を一体的に内蔵し、被測定ガスＧが流れる流路に片側から差し込まれる構造を有するガス分析装置１の種類を意味する。ガス分析装置１は、例えばプロセスガス等を含む被測定ガスＧ中に測定光となるレーザ光を照射することで測定対象成分の成分濃度を分析する。

被測定ガスＧに含まれるガス分子は、赤外から近赤外域において、分子の振動及び回転エネルギー遷移に基づく光吸収スペクトルを示す。吸収スペクトルは、成分分子に固有である。Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により、測定光に関するガス分子の吸光度がその成分濃度及び光路長に比例する。したがって、吸収スペクトル強度を測定することで測定対象成分の成分濃度が分析可能である。

ＴＤＬＡＳでは、ガス分子が有するエネルギー遷移の吸収線幅よりも十分に狭い線幅の半導体レーザ光を測定光として被測定ガスＧに照射する。半導体レーザの駆動電流を高速変調することで、測定光の波長を掃引する。被測定ガスＧを透過した測定光の光強度を測定して、１本の独立した吸収スペクトルを取得する。

レーザ光の掃引範囲は用途によって異なる。測定対象がＯ２の場合、レーザ光の線幅は例えば０．０００２ｎｍであり、掃引幅は例えば０．１〜０．２ｎｍである。０．１〜０．２ｎｍの掃引幅を掃引することで、吸収スペクトルの測定を行う。取得した１本の吸収スペクトルから濃度換算を行うことにより、測定対象成分の成分濃度が求められる。濃度換算の手法は、ピーク高さ法、スペクトル面積法、及び２ｆ法等の既知の方法を含む。

ガス分析装置１は、大きな構成要素として、プローブ部１０と、分析部２０と、を有する。図３に示すとおり、ガス分析装置１は、一例として、プローブ部１０の大部分が煙道Ｐの内部に延在し、かつ分析部２０が煙道Ｐの外側に配置された状態で支持されている。より具体的には、ガス分析装置１は、プローブ部１０の一部に形成されているフランジ１１が煙道壁Ｓに外側から取り付けられることで、煙道壁Ｓによって支持されている。

図１及び図２に示すとおり、プローブ部１０は、例えば、断面形状が略円形状である筒状物体である。フランジ１１の外面からプローブ部１０の先端までの外形の長さは、一例として０．５〜２メートル程度である。プローブ部１０は、任意の金属部材により形成されている。図３に示すとおり、プローブ部１０は、例えば、煙道Ｐの内部において被測定ガスＧの流動方向と略直交する方向に延在する。

図１に示すとおり、プローブ部１０は、左右方向にわたり延設され、上方に向けて開口している開口１２を有する。開口１２は、プローブ部１０の対応する内部を煙道Ｐ内に露出させる。プローブ部１０は、プローブ部１０の強度を維持するために開口１２に設けられている複数のリブ１３を有する。図２に示すとおり、プローブ部１０は、その表面の一部を下方から内部に向けて切り欠いた切欠き１４を有する。切欠き１４は、開口１２の左右両端と略同一の左右位置にそれぞれ形成されている。切欠き１４は、開口１２によって煙道Ｐ内に露出しているプローブ部１０の内部と当該内部よりも下側の煙道Ｐ内の空間とを連通する。

図３に示すとおり、プローブ部１０は、煙道Ｐ内の先端の内部に反射部１５を有する。反射部１５は、コーナーキューブプリズム及びレトロリフレクター等の測定光に対する任意の反射構造を含む。

分析部２０は、プローブ部１０の反射部１５が設けられている先端と反対側の端部に取り付けられ、煙道Ｐの外側に位置している。分析部２０は、被測定ガスＧに測定光を照射する発光部２１と、反射部１５で反射した測定光を受光する受光部２２と、を有する。分析部２０は、演算部２３をさらに有する。発光部２１、受光部２２、及び演算部２３は、複数枚の電子基板を介して電気的に接続されている。分析部２０の筐体は、例えば、これらの各構成部を格納する耐圧防爆容器である。分析部２０は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。発光部２１と受光部２２とは、分析部２０内において互いに近接している。

発光部２１は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光源を有する。発光部２１は、例えば、半導体レーザを有する。受光部２２は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。受光部２２は、例えば、フォトダイオードを有する。演算部２３は、１つ以上のプロセッサを有する。演算部２３は、発光部２１及び受光部２２を含むガス分析装置１全体の動作を制御する。

下方から上方に向けて煙道Ｐ内を流れる被測定ガスＧの一部は、切欠き１４を介して下方からプローブ部１０内の測定領域Ｒ１に流入する。被測定ガスＧの他の一部は、開口１２から回り込んで上方からプローブ部１０内の測定領域Ｒ１に流入する。このように、煙道Ｐを流れる被測定ガスＧは、プローブ部１０の内部を流通する。プローブ部１０の内部を流通した被測定ガスＧは、例えば開口１２から再度煙道Ｐ内に流出する。ここで、測定領域Ｒ１は、開口１２によって煙道Ｐ内に露出しているプローブ部１０の内部空間を含む。このように、測定領域Ｒ１は、被測定ガスＧによって満たされている。

一方で、プローブ部１０の内部において測定領域Ｒ１の左右両側にそれぞれ形成されている領域Ｒ２及びＲ３には、任意の機構によりパージガスが供給されている。図３において、測定領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界、及び測定領域Ｒ１と領域Ｒ３との境界それぞれは、点線によって示されている。パージガスは、反射部１５、発光部２１、及び受光部２２等の光学部品に汚染及び腐食等の不具合が生じないよう、これらの構成部への被測定ガスＧの接触を抑制する。このように、領域Ｒ２及びＲ３は、パージガスによって満たされている。

切欠き１４は、測定領域Ｒ１と領域Ｒ２及びＲ３とにおいて、被測定ガスＧとパージガスとの混合を抑制する。より具体的には、切欠き１４は、煙道Ｐからプローブ部１０内の測定領域Ｒ１に被測定ガスＧを導くことで、測定領域Ｒ１へのパージガスの混入を抑制する。同様に、切欠き１４は、領域Ｒ２及びＲ３への被測定ガスＧの混入を抑制する。

発光部２１は、プローブ部１０の反射部１５に向けて測定光を照射する。図３において、測定光のうち反射部１５で反射する前の光は、出射光Ｌ１として示されている。発光部２１は、被測定ガスＧを含む測定領域Ｒ１に出射光Ｌ１を照射する。出射光Ｌ１は、その光軸に沿って測定領域Ｒ１と重畳するように延在するプローブ部１０の内部を伝搬し、反射部１５に入射する。反射部１５は、プローブ部１０において発光部２１と反対側の先端に位置し、測定領域Ｒ１を通過した出射光Ｌ１の一部を反射させる。図３において、測定光のうち反射部１５で反射した後の光は、反射光Ｌ２として示されている。反射光Ｌ２は、測定領域Ｒ１を含むプローブ部１０の内部を再度通過する。受光部２２は、反射部１５で反射し、測定領域Ｒ１を通過した反射光Ｌ２を受光する。

受光部２２は、検出された測定光に関する測定信号を任意の増幅回路によって電気的に増幅した後、測定光の光検出強度をスキャン信号として演算部２３に出力する。出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２それぞれの一部は、プローブ部１０の内部を通過する際に、測定領域Ｒ１に流通する被測定ガスＧによって吸収される。受光部２２によって取得した測定信号に基づいてその吸収スペクトルを測定することで、被測定ガスＧ中の測定対象成分の成分濃度が求まる。

上述したようなプローブ型のガス分析装置１では、設置現場に取り付けられている状態で、発光部２１、反射部１５、及び受光部２２の各光学部品が、所定条件を満たす必要がある。所定条件は、発光部２１から照射された出射光Ｌ１が測定領域Ｒ１を通過して反射部１５で反射し、反射光Ｌ２が測定領域Ｒ１を再度通過して受光部２２に入射するような各構成部の位置関係を含む。

図４は、振動環境下におけるプローブ部１０の振る舞いを示した図３に対応する模式図である。図５は、受光部２２によって出力されるスキャン信号の様子を示した模式図である。以下では、図４及び図５を参照しながら、一例として、ガス分析装置１が振動環境下で煙道壁Ｓに設置される場合を考える。

プローブ型のガス分析装置１が設置される環境によっては、定常的な振動、又は一時的な外乱による振動が発生することも考えられる。このとき、ガス分析装置１は、これらの振動の影響を受ける。例えば、煙道Ｐの周辺に存在するモータ及びファン等を含む任意の機器の影響により、ガス分析装置１が取り付けられている煙道壁Ｓが振動する場合がある。通常の振動であれば、ガス分析装置１も煙道壁Ｓと一緒に振動するだけで、測定にほとんど影響が及ばない。しかしながら、煙道壁Ｓの振動の振動数がガス分析装置１の固有振動数（共振点）ｆｎと略一致する場合、図４において二点鎖線で示すとおり、プローブ部１０は煙道壁Ｓを固定端として共振し、激しく振動してしまう。ここで、「煙道壁Ｓの振動の振動数がガス分析装置１の固有振動数ｆｎと略一致する」とは、例えば、互いの振動数が同一であるか、又は±約０．１Ｈｚの範囲で近似することを含む。

例えば、プローブ部１０の長さ、より具体的にはフランジ１１の外面からプローブ部１０の先端までの外形の長さが２ｍで、振動における加速度が１．４ｍ/ｓ^２であるとき、プローブ部１０の先端の振幅は約１００ｍｍとなる。したがって、発光部２１から照射された測定光がφ３〜４ｍｍ程度のビーム径を有する平行光の場合、反射部１５の位置によっては測定光の大部分が反射部１５に入射しなくなる。結果として、受光部２２に戻ってくる測定光の光強度が大幅に減少する。これにより、分析に必要な強度を有するスキャン信号の取得が困難となる。加えて、受光部２２への受光量が低下することで、図５に示すとおり、スキャン信号に対するノイズの割合が増加し、スキャン信号と共にノイズも増幅回路によって増幅されてしまう。以上のように、プローブ部１０の振動により反射部１５の位置によってはスキャン信号に含まれるノイズの割合が増加するので、ガス分析装置１のガス濃度指示値が時間的に大きく変動し、安定的な分析が困難となる。

一実施形態に係るガス分析装置１は、上記のようにプローブ部１０が振動する際、例えばその振動数が共振点と略一致する場合においても、その振動範囲にわたって、発光部２１により照射された測定光が反射部１５で反射し受光部２２に十分な光強度で戻るように構成される。これにより、ガス分析装置１は、被測定ガスＧ中の測定対象成分の成分濃度に対するガス濃度指示値の安定化を実現する。

図６は、発光部２１から照射される測定光の様子を示した図３に対応する模式図である。図７は、図１のI−I矢線に沿った断面においてII部を拡大して示した拡大断面図である。図８は、図７の構成部の一部を模式的に示した図である。図７及び図８に示すとおり、ガス分析装置１は、プローブ部１０における反射部１５の入射端面での測定光のビーム径Ｗを調整する調整部２４を、分析部２０の内部に有する。以下では、図６乃至図８を参照しながら、発光部２１の構成を詳細に説明し、ガス濃度指示値の安定化を実現する一実施形態に係るガス分析装置１の調整部２４について、その構成及び機能を説明する。

図７及び図８に示すとおり、分析部２０内部に配置されている発光部２１は、圧電素子２１ａを有する。圧電素子２１ａは、例えば位相が１８０度異なる振動を与えて、光源と光学レンズ２４ａとの間に発生する光学的なノイズを抑制する。発光部２１は、圧電素子２１ａの一方の面と接触するレーザアーム２１ｂを有する。発光部２１は、レーザアーム２１ｂに取り付けられているレーザホルダ２１ｃを有する。発光部２１は、レーザホルダ２１ｃの先端に支持される発光素子２１ｄを有する。発光素子２１ｄは、例えば半導体レーザ素子を含む。発光部２１は、レーザアーム２１ｂを左方向に押すプランジャー２１ｅを有する。

調整部２４は、発光部２１とプローブ部１０との間に配置され、測定光に対して作用する光学レンズ２４ａを有する。光学レンズ２４ａは、例えば平凸レンズである。光学レンズ２４ａは、平凸レンズの平面が発光部２１と対向し、平凸レンズの凸面がプローブ部１０と対向するように、固定部２５によって固定されている。光学レンズ２４ａは、発光部２１からの測定光の波長に対して良好な波長特性を示す材質から構成される。例えば、光学レンズ２４ａは、測定光の波長に対して透過率が略１００％となるような材質から構成される。光学レンズ２４ａは、プローブ部１０における反射部１５の入射端面での測定光のビーム径Ｗが所望する値に大まかに調整されるような焦点距離を有する。

調整部２４は、測定光の光軸Ａに沿って光学レンズ２４ａと発光部２１との距離を変化させる調整機構２４ｂをさらに有する。より具体的には、調整機構２４ｂは、光学レンズ２４ａが固定されている固定部２５によって光軸Ａと略平行な軸まわりに回転可能に支持される調整ねじ２４ｃを有する。調整ねじ２４ｃは、光学レンズ２４ａと発光部２１との距離を微調整できるような狭ピッチのねじを含む。例えば、調整ねじ２４ｃは、０．２ｍｍのピッチで形成されたねじを含む。調整ねじ２４ｃの一方の先端は発光部２１の圧電素子２１ａと接触し、他方の先端は固定部２５から発光部２１と反対側に露出する。

調整部２４は、光学レンズ２４ａによるビーム径Ｗの大まかな調整に加えて、発光部２１内の発光素子２１ｄと光学レンズ２４ａとの距離を変えることでビーム径Ｗを微調整可能である。例えば、調整ねじ２４ｃが光軸Ａと略平行な軸まわりに回転することで、圧電素子２１ａを介してレーザアーム２１ｂ及びレーザホルダ２１ｃが光軸Ａに沿って移動する。これに伴い、発光素子２１ｄも光軸Ａに沿って移動する。一方で、光学レンズ２４ａは固定部２５によって固定されており、光軸Ａに沿った光学レンズ２４ａの位置は変化しない。光学レンズ２４ａを固定して発光素子２１ｄの方を移動させることで、測定光の起点が調整される。これにより、ビーム径Ｗの調整に対する精度が向上し、その調整が容易になる。

より具体的には、調整ねじ２４ｃが締まると、圧電素子２１ａを右方向に押し込む。このとき、発光素子２１ｄが光学レンズ２４ａから遠ざかる方向に移動し、発光素子２１ｄと光学レンズ２４ａとの距離は大きくなる。このとき、ビーム径Ｗは小さくなる。調整ねじ２４ｃが緩まると、プランジャー２１ｅがレーザアーム２１ｂを左方向に押し込む。このとき、発光素子２１ｄが光学レンズ２４ａに近づく方向に移動し、発光素子２１ｄと光学レンズ２４ａとの距離は小さくなる。このとき、ビーム径Ｗは大きくなる。

調整部２４は、反射部１５における測定光のビーム径Ｗを、測定光が平行光であるときのビーム径よりも拡大する。例えば、調整部２４は、光軸Ａと略直交する方向に沿った反射部１５の両端それぞれを測定光が含むように測定光のビーム径Ｗを拡大する。すなわち、調整部２４は、光軸Ａと略直交する方向に沿った反射部１５の幅よりも大きくなるように測定光のビーム径Ｗを拡大する。例えば、調整部２４は、測定光の光軸Ａと略直交する方向に沿ったプローブ部１０の先端の振動の両端それぞれにおける反射部１５の位置を測定光が含むように測定光のビーム径Ｗを拡大する。

ここで、光軸Ａと略直交する方向は、上下方向、及び上下方向に近似する方向、並びに前後方向、及び前後方向に近似する方向を含む。図６に示すとおり、測定光の光軸Ａは、一例として左右方向に略平行である。プローブ部１０の先端は、一例として上下方向に沿って振動する。調整部２４は、プローブ部１０の先端の振動の上下両端それぞれにおける反射部１５の位置を測定光が含むように、プローブ部１０における反射部１５の入射端面での測定光のビーム径Ｗを大きくする。より具体的には、調整部２４は、例えばプローブ部１０が振動しない場合において測定光が平行光であるときの値よりも十分に大きくなるようにビーム径Ｗを調整する。例えば、調整部２４は、フランジ１１の外面からプローブ部１０の先端までの外形の長さが２ｍである場合、平行光のビーム径φ３〜４ｍｍ程度から、４ｍ先でφ２０ｍｍ〜１２０ｍｍ程度のビームに測定光が拡大されるように、測定光のビーム径Ｗを調整する。ここで規定している４ｍは、例えば、フランジ１１の外面からプローブ部１０の先端までの外形の長さ２ｍに対して、発光部２１から出射して受光部２２に測定光が戻ってくるまでの光路長に対応する。

プローブ部１０における反射部１５の入射端面での測定光のビーム径Ｗを大きくするためには、発光素子２１ｄと光学レンズ２４ａとの距離が小さくなる必要がある。測定光のビーム径Ｗの調整方法は、例えば以下のとおりである。

第１ステップでは、測定光を拡大した後のビーム径Ｗの値を、プローブ部１０の長さと分析に必要な受光部２２における測定光の受光量とに基づいて、計算及び実験等を含む任意の方法により予め求める。

第２ステップでは、例えば、ガス分析装置１を製造する際に、光学レンズ２４ａの固定位置に対して発光素子２１ｄの位置を調整可能な光軸Ａに沿った調整幅を決定する。

第３ステップでは、上記の調整幅内で発光素子２１ｄを最適位置に調整可能であり、かつ第１ステップにおいて求められたビーム径Ｗの値に近似するビーム径Ｗが得られるような光学レンズ２４ａを選定する。

第４ステップでは、第１ステップにおいて求められたビーム径Ｗの値に実際のビーム径Ｗが一致するように調整ねじ２４ｃを微調整する。これにより、選定された光学レンズ２４ａに対する発光素子２１ｄの距離を決定する。

このように、ガス分析装置１の製造過程における初期設定で調整ねじ２４ｃが一度調整されると、調整ねじ２４ｃは原則的に固定される。

以上のような一実施形態に係るガス分析装置１によれば、振動を受ける環境下においても、濃度を分析するために必要な測定光の受光量を受光部２２において確保できる。より具体的には、測定光を拡大することにより、プローブ部１０が共振点において振動する際でも、その振動範囲にわたって、発光部２１により照射された測定光が反射部１５に入射するようになる。より具体的には、反射部１５の幅よりも大きくなるように測定光のビーム径Ｗを調整部２４が拡大することで、共振点において反射部１５の位置が上下前後にずれたとしても、測定光の一部が反射部１５に入射する。これにより、受光部２２は反射部１５によって反射された測定光を安定的に受光することができる。

通常であれば、ガス分析装置１は、受光部２２における測定光の受光量を向上させるために、測定光のビーム径Ｗを反射部１５の幅よりも狭めて測定光の略全体が反射部１５で反射するように構成される。測定光のビーム径Ｗを拡大すればするほど受光部２２における測定光の受光量は減少するが、測定光の一部だけでも戻ってくれば増幅回路によって測定信号を増幅することができるので、測定対象成分の成分濃度の分析が可能である。したがって、プローブ部１０の先端が振動している場合に測定光が平行光であるときと比較して、ガス分析装置１のガス濃度指示値の変動が大幅に減少する。以上のように、測定光のビーム径Ｗを大きくすることで、プローブ部１０の先端の変位に対する測定耐性が向上する。

測定光に対して作用する光学レンズ２４ａを調整部２４が有することで、測定光のビーム径Ｗに対する所望の値への大まかな調整が可能となる。これにより、ガス分析装置１のガス濃度指示値の変動が大幅に減少する。したがって、プローブ部１０の先端の変位に対する測定耐性が向上する。

測定光の光軸Ａに沿って光学レンズ２４ａと発光部２１との距離を変化させる調整機構２４ｂを調整部２４がさらに有することで、測定光のビーム径Ｗに対する所望の値への微調整が可能となる。これにより、ガス分析装置１のガス濃度指示値の変動がさらに減少する。したがって、プローブ部１０の先端の変位に対する測定耐性がさらに向上する。

本発明は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。発明の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。

例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。

一実施形態に係るガス分析装置１は、上述した構成部以外の他の任意の構成部を有してもよい。例えば、ガス分析装置１は、発光部２１の出射直後に測定光の一部を参照光として分岐させるビームスプリッタをさらに有してもよい。例えば、ガス分析装置１は、被測定ガスＧ中の測定対象成分と同一のガスを内部に含むリファレンスセルをさらに有してもよい。リファレンスセルは、当該ガスが含まれる領域を通過した参照光を受光する光検出器を内部に含む。光検出器は、既知濃度で封入されている測定対象成分と同一のガスに対するＴＤＬＡＳ信号を出力する。このようなリファレンスセルを有する場合において、上述した一実施形態に係るガス分析装置１は、リファレンスセル内の光検出器における参照光の受光量を安定させることも可能である。より具体的には、ガス分析装置１の振動によって例えば光検出器の位置が変動したとしても、調整部２４によって測定光のビーム径が大きくなっていることで参照光のビーム径も大きくなり、光検出器における参照光の受光量が安定する。

光学レンズ２４ａは、平凸レンズに限定されない。光学レンズ２４ａは、プローブ部１０における反射部１５の入射端面での測定光のビーム径Ｗを大きくできる任意のレンズであってよい。例えば、光学レンズ２４ａは、両凸レンズであってもよいし、凹レンズであってもよい。

光学レンズ２４ａに対して発光素子２１ｄが移動することで、調整機構２４ｂは測定光の光軸Ａに沿って光学レンズ２４ａと発光部２１との距離を変化させるとして説明したが、調整方法はこれに限定されない。光学レンズ２４ａ及び発光素子２１ｄの少なくとも一方が移動することで互いの距離が調整されてもよい。

調整部２４は、焦点距離の異なる複数の光学レンズ２４ａを有し、ビーム径Ｗを大まかに調整するために任意の切り替え機構によって光学レンズ２４ａを切り替え可能なように構成されてもよい。

出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の両方が測定領域Ｒ１を通過するとして説明したがこれに限定されない。測定領域Ｒ１に含まれる被測定ガスＧ中の測定対象成分の成分濃度をガス分析装置１が分析可能であれば、出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の一方のみが測定領域Ｒ１を通過してもよい。

ガス分析装置１はプローブ型であるとして説明したが、ガス分析装置１の種類はこれに限定されない。ガス分析装置１は、例えば、分析部２０と反射部１５とが煙道Ｐを挟んで別体として対向するように構成されてもよい。より具体的には、分析部２０が取り付けられている煙道壁Ｓの一方側と対向する他方側に、反射部１５を構成する任意の反射構造が取り付けられていてもよい。このとき、反射部１５を構成する任意の反射構造は、例えば煙道壁Ｓの内面に取り付けられていてもよいし、煙道壁Ｓの外面に取り付けられていてもよい。

ガス分析装置１において分析部２０と反射部１５とが煙道Ｐを挟んで別体として対向するように構成されるような場合に、発光部２１から照射された測定光が平行光であるとき、振動に伴ってガス濃度指示値が時間的に大きく変動することも考えられる。例えば、煙道壁Ｓが振動することで、反射部１５と発光部２１との相対位置、及び反射部１５と受光部２２との相対位置の少なくとも一方が変化し、受光部２２に戻ってくる測定光の光強度が大幅に減少する。これにより、分析に必要な強度を有するスキャン信号の取得が困難となる。

一実施形態に係るガス分析装置１によれば、このような場合であっても、プローブ型のときと同様に、濃度を分析するために必要な測定光の受光量を受光部２２において確保できる。より具体的には、測定光を拡大することにより、反射部１５と発光部２１との相対位置が変化しても、発光部２１により照射された測定光が反射部１５に入射するようになる。加えて、反射部１５と受光部２２との相対位置が変化しても、反射部１５で反射した測定光が受光部２２に入射するようになる。以上により、受光部２２は反射部１５によって反射された測定光を安定的に受光することができる。

１ ガス分析装置
１０ プローブ部
１１ フランジ
１２ 開口
１３ リブ
１４ 切欠き
１５ 反射部
２０ 分析部
２１ 発光部
２１ａ 圧電素子
２１ｂ レーザアーム
２１ｃ レーザホルダ
２１ｄ 発光素子
２１ｅ プランジャー
２２ 受光部
２３ 演算部
２４ 調整部
２４ａ 光学レンズ
２４ｂ 調整機構
２４ｃ 調整ねじ
２５ 固定部
Ａ 光軸
ｆｎ 固有振動数
Ｇ 被測定ガス
Ｌ１ 出射光
Ｌ２ 反射光
Ｐ 煙道
Ｒ１ 測定領域
Ｒ２、Ｒ３ 領域
Ｓ 煙道壁
Ｗ ビーム径

Claims (7)

1. 被測定ガスを含む測定領域に測定光を照射する発光部と、
   前記発光部から照射された前記測定光を反射させる反射部と、
   前記反射部で反射した前記測定光を受光する受光部と、
   前記反射部における前記測定光のビーム径を、前記測定光が平行光であるときのビーム径よりも拡大する調整部と、
   を備える、
   ガス分析装置。
2. 前記調整部は、前記測定光の光軸と略直交する方向に沿った前記反射部の幅よりも大きくなるように前記測定光のビーム径を拡大する、
   請求項１に記載のガス分析装置。
3. 前記調整部は、前記発光部と前記測定領域との間に配置され、前記測定光に対して作用する光学レンズを有する、
   請求項１又は２に記載のガス分析装置。
4. 前記光学レンズは、平凸レンズであり、
   前記平凸レンズの平面は、前記発光部と対向し、
   前記平凸レンズの凸面は、前記測定領域と対向する、
   請求項３に記載のガス分析装置。
5. 前記調整部は、前記測定光の光軸に沿って前記光学レンズと前記発光部との距離を変化させる調整機構をさらに有する、
   請求項３又は４に記載のガス分析装置。
6. 前記調整機構は、前記光学レンズが固定されている固定部によって前記光軸と略平行な軸まわりに回転可能に支持される調整ねじを有し、
   該調整ねじの一方の先端は前記発光部と接触し、他方の先端は前記固定部から前記発光部と反対側に露出する、
   請求項５に記載のガス分析装置。
7. 前記測定光の光軸に沿って前記測定領域と重畳するように延在するプローブ部をさらに備え、
   前記反射部は、前記プローブ部において前記発光部と反対側の先端に位置する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガス分析装置。

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