JP4472156B2 - ガス成分測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス成分測定装置及び方法に係わり、特にガスに光を照射した際の光吸収に基づいてガスの成分を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば排ガスに含まれる微量ガス成分を測定する方法として、近赤外線レーザ（検査光）を排ガスに直接照射して得られる透過光の吸収スペクトルを分析することにより、リアルタイムで排ガス内に含まれる微量ガス成分を測定する技術が実用化されている。
【０００３】
しかしながら、このような近赤外線レーザを用いる測定方法では、測定対象である近赤外線レーザの光路長（つまり排ガスの流路の幅）が比較的長い場合、近赤外線レーザが排ガスによって完全に吸収されてしまうために透過光を取得することができず、よって測定不能となる。このような問題に対して、近赤外域よりも高出力化が可能な紫外域のレーザを用いることが考えられるが、酸化硫黄（ＳＯ2）が含まれている石炭焚きあるいは重油焚き等の排ガスの場合、紫外域において広範な吸収域を有する酸化硫黄（ＳＯ2）が含まれているために、当該酸化硫黄と吸収域がオーバーラップする成分、例えば一酸化窒素（ＮＯ）やアンモニア（ＮＨ3）等の成分を十分な精度で測定することができないという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）光の吸収域がオーバーラップする成分を含むガスの当該成分を分離測定する。
（２）紫外域のレーザ光を用いて光の吸収域がオーバーラップする成分を含むガスの当該成分を分離測定する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ガス成分測定装置に係わる第１の手段として、測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する装置において、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測定光を測定対象ガスに照射すると共に、測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光を測定対象ガスに照射するレーザ光源装置と、前記第１測定光〜第４測定光の測定対象ガスからの第１透過光〜第４透過光の各光強度をそれぞれ検出する透過光検出手段と、前記第１測定光〜第４測定光の光路長とその光吸収係数とをそれぞれ記憶する記憶手段と、前記第１透過光と第２透過光との各光強度及び第１測定光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を算出し、さらに当該外乱成分濃度、前記第３透過光と第４透過光との各光強度及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を算出する成分濃度演算手段とを具備する手段を採用する。
【０００６】
また、ガス成分測定装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、レーザ光源装置は、ＹＡＧレーザ発振器と該ＹＡＧレーザ発振器を励起光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可変レーザ発振器とに基づいて第１測定光〜第４測定光を発光するという手段を採用する。
【０００７】
ガス成分測定装置に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、測定対象ガスの圧力を検出する圧力計と測定対象ガスの温度を検出する温度計とを備えると共に、記憶手段は測定対象ガスの各圧力及び温度に応じた第１測定光〜第４測定光の各光吸収係数をデータベースとして記憶し、また成分濃度演算手段は、圧力計及び温度計の各検出値に対応する各光吸収係数を記憶手段から取得して外乱成分濃度と測定対象成分濃度とを算出するという手段を採用する。
【０００８】
ガス成分測定装置に係わる第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、透過光検出手段は、第１透過光〜第４透過光に応じて光増幅度を可変するフォトマルチプライヤであるという手段を採用する。
【０００９】
ガス成分測定装置に係わる第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、透過光検出手段の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光減衰量を可変する光アッテネータを設けるという手段を採用する。
【００１０】
ガス成分測定装置に係わる第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であるという手段を採用する。
【００１１】
ガス成分測定装置に係わる第７の手段として、上記第１〜第６いずれかの手段において、測定対象ガスは排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ2）かつ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）であるという手段を採用する。
【００１２】
一方、本発明では、ガス成分測定方法に係わる第１の手段として、測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する方法において、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出する工程Ａと、該工程Ａによって検出された第１測定光と第２測定光との各光透過率及び第１測定光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を推定する工程Ｂと、測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出する工程Ｃと、前記工程Ｂにおいて推定された外乱成分濃度、前記工程Ｃにおいて検出された第３測定光と第４測定光との各光透過率及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を推定する工程Ｄとを有する手段を採用する。
【００１３】
また、ガス成分測定方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であるという手段を採用する。
【００１４】
ガス成分測定方法に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、測定対象ガスが排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ2）かつ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）であるという手段を採用する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わるガス成分測定装置及び方法の一実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係わるガス成分測定装置のブロック図である。この図において、参照符号Ｘは測定対象ガス、１はレーザ光源装置、２は波長計、３は波長表示装置、４Ａ〜４Ｃは光アッテネータ（ＡＴＴ）、５は透過光検出手段、６Ａ〜６ＤはＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）、７は制御演算部（濃度演算手段）、８は演算データ記憶部（記憶手段）、９は操作装置、１０は出力装置、１１は圧力計、また１２は温度計である。
【００１７】
測定対象ガスＸは、ボイラ等の排ガスであり、測定対象成分として一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）を含む。この排ガスは、このような測定対象成分に対して光吸収域が重なる外乱成分として酸化硫黄（ＳＯ2）を含むものである。一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）は、紫外域における光（レーザ光）の吸収スペクトルがほぼ２３０ｎｍ迄の紫外域の波長領域に分布し、酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルは、これら一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）の各吸収スペクトルと重なると共に多少広い波長領域、例えば波長の長い側で見ると約３２０ｎｍ迄分布している。
【００１８】
図２は２１２ｎｍ〜２１８ｎｍの紫外域におけるアンモニア（ＮＨ3）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長特性を示し、また図３は２１４ｎｍ〜２１６ｎｍにおける一酸化窒素（ＮＯ）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。これらの図に示すように、一酸化窒素（ＮＯ）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長は互いに重なると共に、アンモニア（ＮＨ3）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長も互いに重なっている。また、一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ3）及び酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルのレベル変動すなわち光吸収率の変動は、これら各成分特有のものとなっており、各成分個々で相違している。
【００１９】
レーザ光源装置１は、紫外域における光吸収域が外乱成分である酸化硫黄（ＳＯ2）のみに吸収される波長の第１測定光ａと、測定対象成分及び外乱成分つまり一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸化硫黄（ＳＯ2）のいずれにも吸収されない波長の第２測定光ｂとを発光して測定対象ガスＸに照射するものである。詳細については後述するが、この第１測定光ａ及び第２測定光ｂは、上記排ガス中の酸化硫黄（ＳＯ2）単体の濃度（酸化硫黄濃度）の測定に供されるものであり、以下では第１測定光ａを酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、また第２測定光ｂを酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂと記載する。
【００２０】
また、本レーザ光源装置１は、一酸化窒素（ＮＯ）あるいはアンモニア（ＮＨ3）のいずれか及び酸化硫黄（ＳＯ2）、つまり測定対象成分及び外乱成分に対して比較的強く吸収される波長の第３測定光ｃ1，ｃ2と、該第３測定光に比較して一酸化窒素（ＮＯ）あるいはアンモニア（ＮＨ3）のいずれか及び酸化硫黄（ＳＯ2）、つまり測定対象成分及び外乱成分に対する吸収が弱い波長の第４測定光ｄ1，ｄ2をも発光して測定対象ガスＸに照射するものである。
【００２１】
ここで、この第３測定光ｃ1，ｃ2と第４測定光ｄ1，ｄ2とは、少なくとも測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる波長であれば十分であるが、本実施形態では、測定精度を確保するために比較的強く吸収される波長と吸収が弱い波長とに設定している。
【００２２】
このような第３測定光ｃ1，ｃ2及び第４測定光ｄ1，ｄ2のうち、第３測定光ｃ1及び第４測定光ｄ1は、一酸化窒素（ＮＯ）の濃度（一酸化窒素濃度）あるいはアンモニア（ＮＨ3）単体の濃度（アンモニア濃度）の測定に供されるものであり、以下では一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1と記載する。一方、第３測定光ｃ2及び第４測定光ｄ2はアンモニア（ＮＨ3）単体の濃度（アンモニア濃度）の測定に供されるものであり、以下ではアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2と記載する。
【００２３】
ここで、本実施形態は、上述した一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）に加えて、酸素（Ｏ2）をも測定対象成分とするものである。酸素（Ｏ2）の光吸収域は紫外域よりも長い波長域に分布しており、酸化硫黄（ＳＯ2）光吸収域とは異なっている。レーザ光源装置１は、排ガス中の酸素（Ｏ2）の濃度をも測定可能とするために、酸素（Ｏ2）に強く吸収される波長の酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素（Ｏ2）に対する吸収が弱い波長の酸素用ＯＦＦ測定光ｆを発光して測定対象ガスＸに照射するように構成されている。
【００２４】
以下の説明では、上記酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2、酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆを総称する場合には、単に測定光と記載する。
【００２５】
図４は、このようなレーザ光源装置１の詳細な機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、本レーザ光源装置１は、ＹＡＧレーザ発振器１ａ、波長可変レーザ発振器１ｂ（ＯＰＯ：Optical Parameter Oscillator）、高調波発生器１ｃ，１ｄ及び２波長合成器１ｅから構成されている。ＹＡＧレーザ発振器１ａは、制御演算部７によって発振動作が制御されるものであり、発振したレーザ光のうち、基本波ω（波長＝１０６４ｎｍ）を２波長合成器１ｅに出力し、２倍波２ω（波長＝５３２ｎｍ）を高調波発生器１ｃに出力し、３倍波３ω（波長＝３５５ｎｍ）を波長可変レーザ発振器１ｂに出力する。
【００２６】
波長可変レーザ発振器１ｂは、上記ＹＡＧレーザ発振器１ａと同様に制御演算部７によって発振動作が制御されるようになっており、上記３倍波３ωを励起光として所定波長範囲内の所定波長のレーザ光を発振するものである。例えば、この波長可変レーザ発振器１ｂは、波長４４０ｎｍ〜６９０ｎｍ範囲内の所定波長のシグナル光を発振して高調波発生器１ｄに出力し、波長７３５ｎｍ〜１８００ｎｍ範囲内の所定波長のアイドラ光を発振し上記酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆとして測定対象ガスＸに照射し、また波長３５５ｎｍの励起光を上記酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂとして測定対象ガスＸに照射する。なお、シグナル光及びアイドラ光の各波長は、制御演算部７によって時分割的に設定されるようになっており、詳細については後述する。
【００２７】
高調波発生器１ｃは、ＹＡＧレーザ発振器１ａから入力された波長５３２ｎｍの２倍波２ωの高調波（２倍波）つまり４倍波４ω（波長＝２６６ｎｍ）を生成し上記酸化硫黄用ＯＮ測定光ａとして測定対象ガスＸに照射するものである。高調波発生器１ｄは、上記シグナル光の高調波（２倍波）、つまり波長２２０ｎｍ〜３４５ｎｍ範囲内の所定波長のレーザ光を生成し、上記一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1として測定対象ガスＸに照射すると共に２波長合成器１ｅに出力するものである。
【００２８】
なお、このシグナル光の２倍波は、上記波長計２にも出力されるようになっている。２波長合成器１ｅは、ＹＡＧレーザ発振器１ａから入力された基本波ωと高調波発生器１ｄから入力されたシグナル光の２倍波とを合成することにより波長２００ｎｍ〜２２０ｎｍ範囲内の所定波長のレーザー光を生成し、上記アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2として測定対象ガスＸに照射するものである。
【００２９】
例えば、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長は上記波長２２０ｎｍ〜３４５ｎｍ内の２２６．９ｎｍに設定され、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長は波長２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２２７．２ｎｍに設定され、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長は上記２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２１６．９ｎｍに設定され、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長は２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２１６．８ｎｍに設定される。また、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長は７６０ｎｍに設定され、酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長は７５９ｎｍに設定される。
【００３０】
一方、図１に示す波長計２は、高調波発生器１ｄから入力されたシグナル光の２倍波の波長をレーザ光源装置１から出射される測定光の各波長の代表値として計測し、その計測結果を波長表示装置３に出力するものである。波長表示装置３は、上記計測結果に基づいて当該シグナル光の２倍波の波長を数値表示するものである。
【００３１】
光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、所定範囲内の光減衰量を可変設定可能なものであり、該光減衰量は上記制御演算部７によって設定されるようになっている。このうち、光アッテネータ４Ａは、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の一酸化窒素用ＯＮ透過光Ｐｃ1、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の一酸化窒素用ＯＦＦ透過光Ｐｄ1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2のアンモニア用ＯＮ透過光Ｐｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2のアンモニア用ＯＦＦ透過光Ｐｄ2の光路上に共通状態に介挿されている。また、光アッテネータ４Ｂは酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂの光路上に介挿され、光アッテネータ４Ｃは酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａの光路上に介挿されている。
【００３２】
このような光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、外乱成分である酸化硫黄（ＳＯ2）の濃度変化に起因する上記各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2の強度変化、つまり酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ2、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に対する測定対象ガスＸの光透過率の変化に対して後段の透過光検出手段５における光強度の検出精度を確保するためのものである。すなわち、測定対象ガスＸが酸化硫黄（ＳＯ2）を含む石炭焚きあるいは重油焚き等の排ガスの場合、酸化硫黄（ＳＯ2）の濃度は状況に応じて大幅に変化する。光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、このような点を考慮し、透過光検出手段５を光強度検出特性の直線性の良い領域で動作させ、よって光強度の検出精度を所定精度以上に確保するための設けられている。
【００３３】
なお、酸素用測定光ｅの酸素用透過光Ｐｅの光路上には光アッテネータが介挿されていないが、これは酸素（Ｏ2）の吸収スペクトルが酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルと重なり合っていないので、酸化硫黄濃度の変化に起因して酸素用測定光ｅの光透過率が変化することなく比較的安定しているためである。
【００３４】
透過光検出手段５は、各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｅの光強度をそれぞれ検出するものであり、図示するように４つのフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄから構成されている。このうち、フォトマルチプライヤ５Ａは光アッテネータ４Ａを介して透過光Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2の光強度を検出し、フォトマルチプライヤ５Ｂは光アッテネータ４Ｂを介して酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂの光強度を検出し、フォトマルチプライヤ５Ｃは光アッテネータ４Ｃを介して酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａの光強度を検出し、さらフォトマルチプライヤ５Ｄは酸素用透過光Ｐｅの光強度を直接検出する。
【００３５】
周知のようにフォトマルチプライヤは、光増幅機能を有している。上記各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄは、上記制御演算部７によって個々の光増幅度が設定されるようになっており、個々の光増幅度は各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光検出精度を一定範囲内に維持すると共に、後段のＡ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄがオーバーフローを生じないことをも考慮して設定される。すなわち、本実施形態では、当該フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光増幅度の設定と上記光アッテネータ４Ａ〜４Ｃの光減衰量の設定との共同によってフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光検出精度が確保されると共に、Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄの入力信号のダイナミックレンジが当該Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄがオーバーフローを生じないように設定されている。
【００３６】
Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄは、上記フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの各検出信号（アナログ信号）をデジタル信号（デジタル検出信号）に変換して制御演算部７に出力するものである。このうち、Ａ／Ｄコンバータ６Ａはフォトマルチプライヤ５Ａの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｂはフォトマルチプライヤ５Ｂの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｃはフォトマルチプライヤ５Ｃの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｄはフォトマルチプライヤ５Ｄの検出信号をデジタル検出信号に変換する。
【００３７】
演算データ記憶部８は、演算制御部７による上記測定対象成分の濃度の算出に必要な各種演算データを記憶するものであり、演算制御部７の要求に応じて所定の演算データを読み出して演算制御部７に出力する。この演算データ記憶部８は、演算データの１つとして、上述したようにレーザ光源装置１において変更設定可能な一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λc1 NO、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長λd1 NO、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λc2 NH3、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長λd2 NH3、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λe O2及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λf O2を波長データベースとして記憶する。
【００３８】
また、演算データ記憶部８は、各測定光の各光吸収係数、すなわち酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数αa SO2、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光吸収係数αb SO2、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光吸収係数αc1 NO、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光吸収係数αd1 NO、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光吸収係数αc2 NH3、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光吸収係数αd2 NH3、酸素用ＯＮ測定光ｅの光吸収係数αe O2及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光吸収係数αf O2を、測定対象ガスＸの圧力及び温度からなる２次元パラメータに対応する光吸収係数データベースとして記憶する。
【００３９】
光吸収係数は、測定対象ガスＸの圧力と温度とをパラメータとして一義的に決まるものである。すなわち、光吸収係数は、測定対象ガスＸの圧力毎及び温度毎に異なる値となる。演算データ記憶部８は、上述した各測定光に関して測定対象ガスＸの圧力と温度とから成る複数の２次元パラメータに対して予め実験的に求められた複数の光吸収係数を記憶する。この２次元パラメータの範囲つまり圧力と温度との各範囲は、当然に測定対象ガスＸである排ガスの圧力変動範囲及び温度変動範囲をカバーするものである。
【００４０】
また、この演算データ記憶部８は、先行測定された各測定光の光強度すなわち酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光強度Ｉa in、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光強度Ｉb in、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光強度Ｉc1 in、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光強度Ｉd1 in、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光強度Ｉc2 in、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光強度Ｉd2 in、酸素用ＯＮ測定光ｅの光強度Ie in及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光強度Ｉf inを測定光強度データとして記憶する。これら各光強度は、例えばレーザ光源装置１の出射口で計測された光量である。
【００４１】
また、演算データ記憶部８は、各測定光の測定対象ガスＸにおける光路長をも、演算データの１つとして記憶する。本実施形態は、測定対象ガスＸに照射した各測定光の透過光を透過光検出手段５で受光することにより各測定対象成分の濃度を測定するものであり、各測定光の測定対象ガスＸに対する照射口と透過光検出手段５とが測定対象ガスＸの煙道を挟んで対向配置される。上記光路長は、例えばこのような排ガスが通過する煙道において測定光が排ガスを通過する距離であり、上記照射口と透過光検出手段５を煙道に設置した時点で一義的に決定されるものである。本実施形態では各測定光の光路長は全て等しいものとし、以下では光路長Ｌgと記載する。
【００４２】
さらに、演算データ記憶部８は、レーザ光源装置１の上記出射口と透過光検出手段５との間に配置された各種光学部品（上記光アッテネータ４Ａ〜４Ｃを除く）による酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数Ｃ1及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光吸収係数Ｃ2をも演算データの１つとして記憶する。上記光学部品は、例えばレーザ光源装置１における出射口から測定対象ガスＸに対する照射口まで各測定光を案内する光導波路等である。
【００４３】
操作装置９は、制御演算部７に対して人為的な操作指示を入力するためのものであり、例えばキーボードやポインティングデバイスである。出力装置１０は、表示装置、印刷装置及びデータ記憶装置等から成るものであり、制御演算部７から出力される測定データを表示、印刷及び記憶保持するものである。圧力計１１は、測定対象ガスＸの圧力を計測するものであり、測定対象ガスＸである排ガスの煙道に設けられる。温度計１２は、測定対象ガスＸの温度を計測するものであり、上記圧力計１１と同じく排ガスの煙道に設けられる。この圧力計１１と温度計１２とは、上記光吸収係数データベースを検索するための２次元パラメータを制御演算部７に提供するためのものである。
【００４４】
制御演算部７は、上記操作装置９から入力される操作指示に基づいてレーザ光源装置１、光アッテネータ４Ａ〜４Ｃ及び透過光検出手段５の動作を制御すると共に、当該制御の結果として各Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄから入力されるデジタル検出信号、圧力計１１から入力される測定対象ガスＸの圧力、温度計１２から入力される測定対象ガスＸの温度及び演算データ記憶部８に記憶された波長データベースと光吸収係数データベースと光路長Ｌg等の演算データに基づいて一酸化窒濃度ＮNOとアンモニア濃度ＮNH3及び酸素濃度ＮO2を算出し、上記出力装置１０に出力するものである。
【００４５】
次に、本ガス成分測定装置を用いた測定対象成分濃度の測定方法について、図５のフローチャートに沿って詳しく説明する。
【００４６】
〔ステップ：Ｓ1〕
まず始めに、測定に先立って測定対象成分の選定が行われる。例えば、測定作業者が操作装置９を操作することにより、出力装置１０に画像表示された測定対象成分一覧の中から特定の測定対象成分を指示操作すると、この指示操作情報は制御演算部７に入力され、よって測定対象成分が制御演算部７に入力される。
【００４７】
〔ステップ：Ｓ2〕
いま、一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸素（Ｏ2）の濃度測定が選定指示されたとすると、制御演算部７は、この選定指示に基づいてレーザ光源装置１（正確には波長可変レーザ発振器１ｂ）の発振波長の設定を行う。
【００４８】
すなわち、演算データ記憶部８の波長データベースから一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸素（Ｏ2）の測定光に該当する波長データ、つまり一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λc1 NO、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長λd1 NO、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λc2 NH3、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長λd2 NH3、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λe O2及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λf O2を読み出し、このうち波長λc1 NO、波長λc2 NH3及び波長λe O2を発振するように波長可変レーザ発振器１ｂを制御する。
【００４９】
一酸化窒素測定用の波長λc1 NOと波長λd1 NOは、制御演算部７によって時分割的に設定されるようになっている。また、アンモニア測定用の波長λc2 NH3と波長λd2 NH3及び酸素測定用の波長λe O2と波長λf O2についても同様に、制御演算部７によって時分割的に設定されるようになっている。これら時分割設定される各測定光の波長のうち、当該ステップＳ2においては、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λc1 NOとアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λc2 NH3と酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λe O2が初期設定される。
【００５０】
ここで、酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの波長λa SO2及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの波長λb SO2については、上述したレーザ光源装置１の構成から容易に理解できるように固定的なＹＡＧレーザ発振器１ａの発振波長に基づくので、波長λa SO2は２６６５ｎｍに、また波長λb SO2は３５５ｎｍに予め固定値として設定されている。
【００５１】
〔ステップ：Ｓ3〕
このようにしてレーザ光源装置１の波長設定が完了すると、制御演算部７は、各光アッテネータ４Ａ〜４Ｃの光減衰量を初期設定する。上述したように、この光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、酸化硫黄濃度の変動に起因して酸素用ＯＮ透過光Ｐｅ及び酸素用ＯＦＦ透過光Ｐｆを除く他の透過光の光強度が大幅に変化することに対応して設けられたものである。ここで設定される光減衰量の初期値は、例えば最も標準的な酸化硫黄濃度に対応した光減衰量である。
【００５２】
また、制御演算部７は、このステップＳ3において各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光増幅度をも初期設定する。この各光増幅度の初期値についても、例えば上記光減衰量の初期値と同様に、最も標準的な酸化硫黄濃度に対応した光増幅度である。
上記ステップＳ1〜Ｓ3の処理によって測定の前準備が完了したことになる。
【００５３】
〔ステップ：Ｓ4〕
ここでは、ステップＳ2において波長設定された各測定光がレーザ光源装置１から測定対象ガスＸに向けて一斉に照射され、各測定光の透過光の光強度が各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによってそれぞれ検出され、各々検出信号として各Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄに入力される。そして、各検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄによってデジタル検出信号に変換されて制御演算部７に出力される。
【００５４】
すなわち、このステップＳ4では、透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｅの各光強度が光強度データとして制御演算部７に取得される。この光強度データは、各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｅ毎の光アッテネータ４Ａ〜４Ｃによる光減衰量の相違及びフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによる光増幅度の相違を是正するために、制御演算部７によって当該光減衰量及び光増幅度に基づく係数がそれぞれ乗算されて正規の光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉc1 out，Ｉc2 out，Ｉe outにそれぞれ修正される。そして、この光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉc1 out，Ｉc2 out，Ｉe outは、透過光データとして制御演算部７内のメモリに一時記憶させる。
【００５５】
〔ステップ：Ｓ5〕
続いて、制御演算部７は、ステップＳ2において波長設定された各測定光の波長λc1 NO、波長λc2 NH3及び波長λe O2を波長λd1 NO、波長λd2 NH3及び波長λf O2に変更するようにレーザ光源装置１（波長可変レーザ発振器１ｂ）を制御する。この波長変更によって、レーザ光源装置１は、一酸化窒素測定用の波長λd1 NOとアンモニア測定用の波長λd2 NH3と酸素測定用の波長λf O2と共に、酸化硫黄測定用の波長λa SO2と波長λb SO2を発振する状態に設定される。
【００５６】
〔ステップ：Ｓ6〕
そして、このように波長設定された各測定光ａ，ｂ，ｄ1，ｄ2，ｆは、上記ステップＳ4と同様にしてレーザ光源装置１から測定対象ガスＸに向けて一斉に照射され、その透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｆの各光強度がフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによってそれぞれ検出される。そして、当該各光強度は、上記ステップＳ4と同様にして光強度データとして制御演算部７に取得され、各光アッテネータ４Ａ〜４Ｃによる光減衰量の相違及び各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによる光増幅度の相違を是正する係数が乗算されて正規の光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉd1 out，Ｉd2 out，Ｉf outに修正される。この光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉd1 out，Ｉd2 out，Ｉf outは、透過光データとして制御演算部７内のメモリに一時記憶される。
【００５７】
また、制御演算部７は、当該透過光データの取得処理と並行して圧力計１１から取得された測定対象ガスＸの圧力データ及び温度計１２から取得された測定対象ガスＸの温度データをも、自らのメモリに記憶させる。以上の処理によって、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸素（Ｏ2）の濃度の算出に必要となる透過光データの全て並びに圧力データ及び温度データが制御演算部７に取得されたことになる。これ以降、制御演算部７は、自らのメモリに記憶した透過光データ及び圧力データと温度データ並びに演算データ記憶部８に予め記憶された演算データを用いて各測定対象成分の濃度を算出する。
【００５８】
〔ステップ：Ｓ7〕
このステップＳ7では制御演算部７によって、以下に詳説するように酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａ（第１透過光）と酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂ（第２透過光）との各光強度Ｉa out，Ｉb out及び酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ（第１測定光）と酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ（第２測定光）との光路長Ｌgと光吸収係数αb SO2並びに酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ（第１測定光）の光透過率Ｔaと酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（２）（第１のランベルト・ベールの理論式）及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ（第２測定光）の光透過率Ｔbと酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（３）（第２のランベルト・ベールの理論式）に基づいて、酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）が算出される。
【００５９】
すなわち、制御演算部７は、当該ステップＳ7において、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）に対して光吸収域が重なる外乱成分としての酸化硫黄（ＳＯ2）について、ランベルト・ベールの理論式（１），（２）を用いてその酸化硫黄濃度ＮSO2を先行演算する。
【００６０】
周知のランベルト・ベールの法則によれば、ある光吸収媒体を透過して得られる透過光の光強度Ｉoutは、入射光（測定光）の光強度をＩin、光吸収係数をα、光吸収媒体の濃度をＮ、入射光の光吸収媒体における光路長をＬとすると、以下の理論式（１）によって表される。
【００６１】
【数１】
【００６２】
ここで、光吸収係数αは、光吸収媒体の圧力及び温度の関数であり、実験的に確認することができる量である。また、光路長Ｌも計測可能である。したがって、入射光の光透過率をＴ（＝Ｉout/Ｉin）とすると、光強度Ｉin，Ｉoutを測定することによって光透過率Ｔが求められるので、濃度Ｎを演算推定することができる。
【００６３】
制御演算部７は、この上記ランベルト・ベールの法則に基づいて以下のように酸化硫黄濃度ＮSO2を算出する。すなわち、上記理論式（１）を酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに適用すると、当該酸化硫黄用ＯＮ測定光ａと酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの各光透過率Ｔa，Ｔbについて以下の理論式（２），（３）が得られる。
【００６４】
【数２】
【００６５】
【数３】
【００６６】
ここで、Ｃ1は、上述したように酸化硫黄用ＯＮ測定光ａに関する光学部品の光吸収係数、Ｃ2は酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに関する光学部品の光吸収係数であり、予め計測されて演算データ記憶部８に記憶されているものである。また、Ｃ3は、測定対象ガスＸ中に含まれる粉塵の光吸収係数であり、変動する未知の量である。
【００６７】
また、理論式（３）に対応する酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの波長λb SO2は、上述したように酸化硫黄（ＳＯ2）に全く吸収されない波長つまり３５５ｎｍに設定されている。したがって、理論式（３）におけるαb SO2は、測定対象ガスＸの圧力及び温度に関わりなく「０」であり、下式（４）が成立する。
【００６８】
【数４】
【００６９】
この式（４）を理論式（３）に代入すると、当該理論式（３）は式（５）のように表される。
【００７０】
【数５】
【００７１】
すなわち、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光透過率Ｔbは、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに関する光学部品の光吸収係数Ｃ2と粉塵の光吸収係数Ｃ3の積として与えられる。この式（５）と上記式（２）との比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵に関する光吸収係数Ｃ3が消去されて、式（６）が得られる。
【００７２】
【数６】
【００７３】
さらに、この式（６）を変形すると、酸化硫黄用ＯＮ測定光ａに関する酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収量Ａa SO2について式（７）が得られる。
【００７４】
【数７】
【００７５】
制御演算部７は、この式（７）に基づいて上記酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収量Ａa SO2を算出する。すなわち、自らのメモリに記憶した酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの透過光Ｐａに関する光強度Ｉa out及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの透過光Ｐbに関する光強度Ｉb out並びに演算データ記憶部８に記憶された酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光強度Ｉa in及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光強度Ｉb inから光透過率Ｔa，Ｔbを算出し、該光透過率Ｔa，Ｔbと光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とから光吸収量Ａa SO2を算出する。
【００７６】
また、制御演算部７は、自らのメモリに記憶した測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて演算データ記憶部８内の光吸収係数データベースを検索することにより、測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数αa SO2を取得する。また、これと共に光路長Ｌgを演算データ記憶部８から取得する。そして、先行計算した上記光吸収量Ａa SO2を光吸収係数αon SO2及び光路長Ｌgで除算することにより、酸化硫黄濃度ＮSO2を算出する。
【００７７】
〔ステップ：Ｓ8〕
このステップＳ8において、制御演算部は７は、上記ステップＳ7の演算結果である酸化硫黄濃度ＮSO2、一酸化窒素用ＯＮ透過光Ｐｃ1（第３透過光）と一酸化窒素用ＯＦＦ透過光Ｐｄ1（第４透過光）との各光強度Ｉc1 out，Ｉd1 out及び一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1（第３測定光）と一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1（第４測定光）とに関する光路長Ｌgと光吸収係数αc1 NO，αd1 NO，αc1 SO2，αd1 SO2並びに一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1（第３測定光）の光透過率Ｔc1と一酸化窒濃度ＮNO（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（８）（第３のランベルト・ベールの理論式）及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1（第４測定光）の光透過率Ｔd1と一酸化窒濃度ＮNO（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（９）（第４のランベルト・ベールの理論式）に基づいて、測定対象成分の１つである一酸化窒素（ＮＯ）の一酸化窒濃度ＮNO（測定対象成分濃度）を算出する。
【００７８】
すなわち、上記理論式（１）を一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1に適用すると、当該一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1と一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の各光透過率Ｐc1，Ｐd1について以下の理論式（８），（９）が得られる。
【００７９】
【数８】
【００８０】
【数９】
【００８１】
この理論式（８）及び理論式（９）の比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵の光吸収係数Ｃ3が消去されて下式（１０）が得られる。
【００８２】
【数１０】
【００８３】
この式（１０）を式（１１）のように変形して光吸収比Ｈc1/d1と置き、式（１１）をさらに一酸化窒濃度ＮNOについて解くと、最終的に式（１２）が得られる。
【００８４】
【数１１】
【００８５】
【数１２】
【００８６】
制御演算部７は、自らのメモリに記憶した一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の透過光Ｐc1に関する光強度Ｉc1 out及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の透過光Ｐd1に関する光強度Ｉd1 out並びに演算データ記憶部８に記憶された一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光強度Ｉc1 in及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光強度Ｉd1 inから光透過率Ｔc1，Ｔd1を算出し、該光透過率Ｔc1，Ｔd1と光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とを式（１１）に代入することにより光吸収比Ｈc1/d1を算出する。
【００８７】
そして、このように算出した光吸収比Ｈc1/d1、ステップＳ7で算出した酸化硫黄濃度ＮSO2、測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて光吸収係数データベースを検索して得た測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1に関する一酸化窒素（ＮＯ）の光吸収係数αc1 NOと酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αc1 SO2、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1に関する一酸化窒素（ＮＯ）の光吸収係数αd1 NOと酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αd1 SO2及び光路長Ｌgを式（１２）に代入することにより一酸化窒濃度ＮNOを算出する。
【００８８】
〔ステップ：Ｓ9〕
さらに、当該ステップＳ9において制御演算部は７は、上記ステップＳ7の演算結果である酸化硫黄濃度ＮSO2、アンモニア用ＯＮ透過光Ｐｃ2（第３透過光）とアンモニア用ＯＦＦ透過光Ｐｄ2（第４透過光）との各光強度Ｉc2 out，Ｉd2 out及びアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2（第３測定光）とアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2（第４測定光）とに関する光路長Ｌgと光吸収係数αc2 NH3，αd2 NH3，αc2 SO2，αd2 SO2並びにアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2（第３測定光）の光透過率Ｔc2とアンモニア濃度ＮNH3（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（１３）（第３のランベルト・ベールの理論式）及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2（第４測定光）の光透過率Ｔd2とアンモニア濃度ＮNH3（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（１４）（第４のランベルト・ベールの理論式）に基づいて、もう１つの測定対象成分であるアンモニア（ＮＨ3）のアンモニア濃度ＮNH3（測定対象成分濃度）を算出する。
【００８９】
すなわち、上記理論式（１）をアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に適用すると、当該アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2とアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の各光透過率Ｐc2，Ｐd2について以下の理論式（１３），（１４）が得られる。
【００９０】
【数１３】
【００９１】
【数１４】
【００９２】
この理論式（１３）及び理論式（１４）の比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵の光吸収係数Ｃ3が消去されて下式（１５）が得られる。
【００９３】
【数１５】
【００９４】
この式（１５）を式（１６）のように変形して光吸収比Ｈc2/d2と置き、さらに当該式（１６）をアンモニア濃度ＮNH3について解くと、最終的に式（１７）が得られる。
【００９５】
【数１６】
【００９６】
【数１７】
【００９７】
制御演算部７は、自らのメモリに記憶したアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の透過光Ｐc2に関する光強度Ｉc2 out及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の透過光Ｐd2に関する光強度Ｉd2 out並びに演算データ記憶部８に記憶されたアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光強度Ｉc2 in及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光強度Ｉd2 inから光透過率Ｔc2，Ｔd2を算出し、該光透過率Ｔc2，Ｔd2と光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とを式（１６）に代入することにより光吸収比Ｈc2/d2を算出する。
【００９８】
そして、このように算出した光吸収比Ｈc2/d2、ステップＳ7で取得した酸化硫黄濃度ＮSO2、測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて光吸収係数データベースを検索して得た測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応したアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2に関するアンモニア（ＮＨ3）の光吸収係数αc2 NH3と酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αc2 SO2、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に関するアンモニア（ＮＨ3）の光吸収係数αd2 NH3と酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αd2 SO2及び光路長Ｌgを式（１７）に代入することによりアンモニア濃度ＮNH3を算出する。
【００９９】
〔ステップ：Ｓ10〕
本実施形態では、制御演算部７はさらに測定対象ガスＸの酸素濃度ＮO2を算出する。
【０１００】
すなわち、上記理論式（１）を酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆに適用すると、当該酸素用ＯＮ測定光ｅと酸素用ＯＦＦ測定光ｆの各光透過率Ｔe，Ｔfについて以下の理論式（１８），（１９）が得られる。
【０１０１】
【数１８】
【０１０２】
【数１９】
【０１０３】
この式（１８）と式（１９）との比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵に関する光吸収係数Ｃ3が消去されて、式（２０）が得られる。ここで、酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λf O2は、上述したように酸素（Ｏ2）に全く吸収されない波長に設定されている。したがって、理論式（２０）におけるαf O2は、測定対象ガスＸの圧力及び温度に関わりなく「０」である。したがって、酸素用ＯＮ測定光ｅに関する酸素（Ｏ2）の光吸収量Ａe O2について式（２１）が得られる。
【０１０４】
【数２０】
【０１０５】
【数２１】
【０１０６】
制御演算部７は、この式（２１）に基づいて酸素（Ｏ2）の光吸収量Ａe O2を算出する。すなわち、自らのメモリに記憶した酸素用ＯＮ測定光ｅの透過光Ｐeに関する光強度Ｉe out及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの透過光Ｐfに関する光強度Ｉf out並びに演算データ記憶部８に記憶された酸素用ＯＮ測定光ｅの光強度Ｉe in及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光強度Ｉf inから光透過率Ｔe，Ｔfを算出し、該光透過率Ｔe，Ｔfと光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とから光吸収量Ａe O2を算出する。
【０１０７】
そして、制御演算部７は、自らのメモリに記憶した測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて演算データ記憶部８内の光吸収係数データベースを検索することにより測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した酸素用ＯＮ測定光ｅの光吸収係数αe O2を演算データ記憶部８から取得し、また光路長Ｌgをも演算データ記憶部８から取得する。そして、先行計算した上記光吸収量Ａe O2を光吸収係数αe O2及び光路長Ｌgで除算することにより酸素濃度ＮO2を算出する。
【０１０８】
以上のステップＳ1〜Ｓ10の処理によって、本実施形態の測定対象ガスＸである排ガスについて、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ3）及び酸素（Ｏ2）の各濃度、すなわち一酸化窒濃度ＮNO、アンモニア濃度ＮNH3及び酸素濃度ＮO2の測定が終了した。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わるガス成分測定装置及び方法によれば、以下のような効果を奏する。
【０１１０】
（１）請求項１または８記載の発明によれば、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される波長の第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない波長の第２測定光の測定対象ガスに対する光透過率並びに第１測定光と第２測定光とに関する第１のランベルト・ベールの理論式及び第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を算出する。また、このように算出した外乱成分濃度並びに測定対象成分と外乱成分とに対して比較的強く吸収される波長の第３測定光及び該第３測定光に比較して測定対象成分と外乱成分とに対する吸収が弱い波長の第４測定光の測定対象ガスに対する光透過率及び第３測定光と第４測定光とに関する第３のランベルト・ベールの理論式と第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を算出する。すなわち、光吸収域がオーバーラップする測定対象成分と外乱成分とを含む測定対象ガスに対して各成分濃度を分離測定することが可能である。
【０１１１】
（２）請求項２記載の発明によれば、ガス成分測定装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、レーザ光源装置は、ＹＡＧレーザ発振器と該ＹＡＧレーザ発振器を励起光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可変レーザ発振器とに基づいて第１測定光〜第４測定光を発光するので、ＹＡＧレーザ発振器を唯一の光源として各測定光を発光することが可能である。すなわち、複数の光源を必要とすることなく、複数の測定光を発光することが可能である。
【０１１２】
（３）請求項３記載の発明によれば、測定対象ガスの圧力と温度に対応した光吸収係数を用いて外乱成分濃度及び測定対象成分濃度を算出するので、測定対象ガスの圧力と温度に応じて正確な外乱成分濃度及び測定対象成分濃度を算出することが可能である。
【０１１３】
（４）請求項４記載の発明によれば、透過光検出手段として第１透過光〜第４透過光に応じて光増幅度を可変するフォトマルチプライヤを採用するので、第１透過光〜第４透過光の光強度の変化に対して、透過光検出手段の光検出精度を一定範囲内に維持することが可能である。
【０１１４】
（５）請求項５記載の発明によれば、透過光検出手段の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光減衰量を可変する光アッテネータを設けるので、第１透過光〜第４透過光の光強度の変化に対して、透過光検出手段の光検出精度を一定範囲内に維持することが可能である。
【０１１５】
（６）請求項６または９記載の発明によれば、第１測定光〜第４測定光は、従来の近赤外光に比較して高出力化が可能な紫外域のレーザ光を用いるので、測定対象ガスに関する光路長を従来よりも長くすることができる。すなわち、測定対象ガスに対する測定光の通過距離を従来よりも長くすることが可能なので、ガス成分測定装置の適用範囲を従来よりも拡大することができる。
【０１１６】
（７）請求項７または１０記載の発明によれば、排ガスに含まれる酸化硫黄（ＳＯ2）並びに一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）の各濃度を分離測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係わるガス成分測定装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係わり、ＮＨ3とＳＯ2の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。
【図３】 本発明の一実施形態に係わり、ＮＯとＳＯ2の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。
【図４】 本発明の一実施形態におけるレーザ光源装置の機能構成を示すブロック図である。
【図５】 本発明の一実施形態に係わるガス成分測定装置の測定動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｘ……測定対象ガス
１……レーザ光源装置
１ａ……ＹＡＧレーザ発振器
１ｂ……波長可変レーザ発振器
１ｃ，１ｄ……高調波発生器
１ｅ……２波長合成器
２……波長計
３……波長表示装置
４Ａ〜４Ｃ……光アッテネータ（ＡＴＴ）
５……透過光検出手段
５Ａ〜５Ｄ……フォトマルチプライヤ
６Ａ〜６Ｄ……Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）
７……制御演算部（濃度演算手段）
８……演算データ記憶部（記憶手段）
９……操作装置
１０……出力装置
１１……圧力計
１２……温度計
ａ……酸化硫黄用ＯＮ測定光（第１測定光）
ｂ……酸化硫黄用ＯＦＦ測定光（第２測定光）
ｃ1……一酸化窒素用ＯＮ測定光（第３測定光）
ｃ2……アンモニア用ＯＮ測定光（第３測定光）
ｄ1……一酸化窒素用ＯＦＦ測定光（第４測定光）
ｄ2……アンモニア用ＯＦＦ測定光（第４測定光）
ｅ……酸素用ＯＮ測定光
ｆ……酸素用ＯＦＦ測定光
Ｐａ……酸化硫黄用ＯＮ透過光（第１透過光）
Ｐｂ……酸化硫黄用ＯＦＦ透過光（第２透過光）
Ｐｃ1……一酸化窒素用ＯＮ透過光（第３透過光）
Ｐｃ2……アンモニア用ＯＮ透過光（第３透過光）
Ｐｄ1……一酸化窒素用ＯＦＦ透過光（第４透過光）
Ｐｄ2……アンモニア用ＯＦＦ透過光（第４透過光）
Ｐｅ……酸素用ＯＮ透過光
Ｐｆ……酸素用ＯＦＦ透過光
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス成分測定装置及び方法に係わり、特にガスに光を照射した際の光吸収に基づいてガスの成分を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば排ガスに含まれる微量ガス成分を測定する方法として、近赤外線レーザ（検査光）を排ガスに直接照射して得られる透過光の吸収スペクトルを分析することにより、リアルタイムで排ガス内に含まれる微量ガス成分を測定する技術が実用化されている。
【０００３】
しかしながら、このような近赤外線レーザを用いる測定方法では、測定対象である近赤外線レーザの光路長（つまり排ガスの流路の幅）が比較的長い場合、近赤外線レーザが排ガスによって完全に吸収されてしまうために透過光を取得することができず、よって測定不能となる。このような問題に対して、近赤外域よりも高出力化が可能な紫外域のレーザを用いることが考えられるが、酸化硫黄（ＳＯ2）が含まれている石炭焚きあるいは重油焚き等の排ガスの場合、紫外域において広範な吸収域を有する酸化硫黄（ＳＯ2）が含まれているために、当該酸化硫黄と吸収域がオーバーラップする成分、例えば一酸化窒素（ＮＯ）やアンモニア（ＮＨ3）等の成分を十分な精度で測定することができないという問題点がある。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的とするものである。
（１）光の吸収域がオーバーラップする成分を含むガスの当該成分を分離測定する。
（２）紫外域のレーザ光を用いて光の吸収域がオーバーラップする成分を含むガスの当該成分を分離測定する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ガス成分測定装置に係わる第１の手段として、測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する装置において、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測定光を測定対象ガスに照射すると共に、測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光を測定対象ガスに照射するレーザ光源装置と、前記第１測定光〜第４測定光の測定対象ガスからの第１透過光〜第４透過光の各光強度をそれぞれ検出する透過光検出手段と、前記第１測定光〜第４測定光の光路長とその光吸収係数とをそれぞれ記憶する記憶手段と、前記第１透過光と第２透過光との各光強度及び第１測定光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を算出し、さらに当該外乱成分濃度、前記第３透過光と第４透過光との各光強度及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を算出する成分濃度演算手段とを具備する手段を採用する。
【０００６】
また、ガス成分測定装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、レーザ光源装置は、ＹＡＧレーザ発振器と該ＹＡＧレーザ発振器を励起光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可変レーザ発振器とに基づいて第１測定光〜第４測定光を発光するという手段を採用する。
【０００７】
ガス成分測定装置に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、測定対象ガスの圧力を検出する圧力計と測定対象ガスの温度を検出する温度計とを備えると共に、記憶手段は測定対象ガスの各圧力及び温度に応じた第１測定光〜第４測定光の各光吸収係数をデータベースとして記憶し、また成分濃度演算手段は、圧力計及び温度計の各検出値に対応する各光吸収係数を記憶手段から取得して外乱成分濃度と測定対象成分濃度とを算出するという手段を採用する。
【０００８】
ガス成分測定装置に係わる第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、透過光検出手段は、第１透過光〜第４透過光に応じて光増幅度を可変するフォトマルチプライヤであるという手段を採用する。
【０００９】
ガス成分測定装置に係わる第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、透過光検出手段の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光減衰量を可変する光アッテネータを設けるという手段を採用する。
【００１０】
ガス成分測定装置に係わる第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であるという手段を採用する。
【００１１】
ガス成分測定装置に係わる第７の手段として、上記第１〜第６いずれかの手段において、測定対象ガスは排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ2）かつ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）であるという手段を採用する。
【００１２】
一方、本発明では、ガス成分測定方法に係わる第１の手段として、測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する方法において、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出する工程Ａと、該工程Ａによって検出された第１測定光と第２測定光との各光透過率及び第１測定光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を推定する工程Ｂと、測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出する工程Ｃと、前記工程Ｂにおいて推定された外乱成分濃度、前記工程Ｃにおいて検出された第３測定光と第４測定光との各光透過率及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を推定する工程Ｄとを有する手段を採用する。
【００１３】
また、ガス成分測定方法に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であるという手段を採用する。
【００１４】
ガス成分測定方法に係わる第３の手段として、上記第１または第２の手段において、測定対象ガスが排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ2）かつ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）であるという手段を採用する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わるガス成分測定装置及び方法の一実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係わるガス成分測定装置のブロック図である。この図において、参照符号Ｘは測定対象ガス、１はレーザ光源装置、２は波長計、３は波長表示装置、４Ａ〜４Ｃは光アッテネータ（ＡＴＴ）、５は透過光検出手段、６Ａ〜６ＤはＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）、７は制御演算部（濃度演算手段）、８は演算データ記憶部（記憶手段）、９は操作装置、１０は出力装置、１１は圧力計、また１２は温度計である。
【００１７】
測定対象ガスＸは、ボイラ等の排ガスであり、測定対象成分として一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）を含む。この排ガスは、このような測定対象成分に対して光吸収域が重なる外乱成分として酸化硫黄（ＳＯ2）を含むものである。一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）は、紫外域における光（レーザ光）の吸収スペクトルがほぼ２３０ｎｍ迄の紫外域の波長領域に分布し、酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルは、これら一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）の各吸収スペクトルと重なると共に多少広い波長領域、例えば波長の長い側で見ると約３２０ｎｍ迄分布している。
【００１８】
図２は２１２ｎｍ〜２１８ｎｍの紫外域におけるアンモニア（ＮＨ3）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長特性を示し、また図３は２１４ｎｍ〜２１６ｎｍにおける一酸化窒素（ＮＯ）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。これらの図に示すように、一酸化窒素（ＮＯ）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長は互いに重なると共に、アンモニア（ＮＨ3）と酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルの波長も互いに重なっている。また、一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ3）及び酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルのレベル変動すなわち光吸収率の変動は、これら各成分特有のものとなっており、各成分個々で相違している。
【００１９】
レーザ光源装置１は、紫外域における光吸収域が外乱成分である酸化硫黄（ＳＯ2）のみに吸収される波長の第１測定光ａと、測定対象成分及び外乱成分つまり一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸化硫黄（ＳＯ2）のいずれにも吸収されない波長の第２測定光ｂとを発光して測定対象ガスＸに照射するものである。詳細については後述するが、この第１測定光ａ及び第２測定光ｂは、上記排ガス中の酸化硫黄（ＳＯ2）単体の濃度（酸化硫黄濃度）の測定に供されるものであり、以下では第１測定光ａを酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、また第２測定光ｂを酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂと記載する。
【００２０】
また、本レーザ光源装置１は、一酸化窒素（ＮＯ）あるいはアンモニア（ＮＨ3）のいずれか及び酸化硫黄（ＳＯ2）、つまり測定対象成分及び外乱成分に対して比較的強く吸収される波長の第３測定光ｃ1，ｃ2と、該第３測定光に比較して一酸化窒素（ＮＯ）あるいはアンモニア（ＮＨ3）のいずれか及び酸化硫黄（ＳＯ2）、つまり測定対象成分及び外乱成分に対する吸収が弱い波長の第４測定光ｄ1，ｄ2をも発光して測定対象ガスＸに照射するものである。
【００２１】
ここで、この第３測定光ｃ1，ｃ2と第４測定光ｄ1，ｄ2とは、少なくとも測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる波長であれば十分であるが、本実施形態では、測定精度を確保するために比較的強く吸収される波長と吸収が弱い波長とに設定している。
【００２２】
このような第３測定光ｃ1，ｃ2及び第４測定光ｄ1，ｄ2のうち、第３測定光ｃ1及び第４測定光ｄ1は、一酸化窒素（ＮＯ）の濃度（一酸化窒素濃度）あるいはアンモニア（ＮＨ3）単体の濃度（アンモニア濃度）の測定に供されるものであり、以下では一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1と記載する。一方、第３測定光ｃ2及び第４測定光ｄ2はアンモニア（ＮＨ3）単体の濃度（アンモニア濃度）の測定に供されるものであり、以下ではアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2と記載する。
【００２３】
ここで、本実施形態は、上述した一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）に加えて、酸素（Ｏ2）をも測定対象成分とするものである。酸素（Ｏ2）の光吸収域は紫外域よりも長い波長域に分布しており、酸化硫黄（ＳＯ2）光吸収域とは異なっている。レーザ光源装置１は、排ガス中の酸素（Ｏ2）の濃度をも測定可能とするために、酸素（Ｏ2）に強く吸収される波長の酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素（Ｏ2）に対する吸収が弱い波長の酸素用ＯＦＦ測定光ｆを発光して測定対象ガスＸに照射するように構成されている。
【００２４】
以下の説明では、上記酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2、酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆを総称する場合には、単に測定光と記載する。
【００２５】
図４は、このようなレーザ光源装置１の詳細な機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、本レーザ光源装置１は、ＹＡＧレーザ発振器１ａ、波長可変レーザ発振器１ｂ（ＯＰＯ：Optical Parameter Oscillator）、高調波発生器１ｃ，１ｄ及び２波長合成器１ｅから構成されている。ＹＡＧレーザ発振器１ａは、制御演算部７によって発振動作が制御されるものであり、発振したレーザ光のうち、基本波ω（波長＝１０６４ｎｍ）を２波長合成器１ｅに出力し、２倍波２ω（波長＝５３２ｎｍ）を高調波発生器１ｃに出力し、３倍波３ω（波長＝３５５ｎｍ）を波長可変レーザ発振器１ｂに出力する。
【００２６】
波長可変レーザ発振器１ｂは、上記ＹＡＧレーザ発振器１ａと同様に制御演算部７によって発振動作が制御されるようになっており、上記３倍波３ωを励起光として所定波長範囲内の所定波長のレーザ光を発振するものである。例えば、この波長可変レーザ発振器１ｂは、波長４４０ｎｍ〜６９０ｎｍ範囲内の所定波長のシグナル光を発振して高調波発生器１ｄに出力し、波長７３５ｎｍ〜１８００ｎｍ範囲内の所定波長のアイドラ光を発振し上記酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆとして測定対象ガスＸに照射し、また波長３５５ｎｍの励起光を上記酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂとして測定対象ガスＸに照射する。なお、シグナル光及びアイドラ光の各波長は、制御演算部７によって時分割的に設定されるようになっており、詳細については後述する。
【００２７】
高調波発生器１ｃは、ＹＡＧレーザ発振器１ａから入力された波長５３２ｎｍの２倍波２ωの高調波（２倍波）つまり４倍波４ω（波長＝２６６ｎｍ）を生成し上記酸化硫黄用ＯＮ測定光ａとして測定対象ガスＸに照射するものである。高調波発生器１ｄは、上記シグナル光の高調波（２倍波）、つまり波長２２０ｎｍ〜３４５ｎｍ範囲内の所定波長のレーザ光を生成し、上記一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1として測定対象ガスＸに照射すると共に２波長合成器１ｅに出力するものである。
【００２８】
なお、このシグナル光の２倍波は、上記波長計２にも出力されるようになっている。２波長合成器１ｅは、ＹＡＧレーザ発振器１ａから入力された基本波ωと高調波発生器１ｄから入力されたシグナル光の２倍波とを合成することにより波長２００ｎｍ〜２２０ｎｍ範囲内の所定波長のレーザー光を生成し、上記アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2として測定対象ガスＸに照射するものである。
【００２９】
例えば、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長は上記波長２２０ｎｍ〜３４５ｎｍ内の２２６．９ｎｍに設定され、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長は波長２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２２７．２ｎｍに設定され、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長は上記２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２１６．９ｎｍに設定され、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長は２００ｎｍ〜２２０ｎｍ内の２１６．８ｎｍに設定される。また、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長は７６０ｎｍに設定され、酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長は７５９ｎｍに設定される。
【００３０】
一方、図１に示す波長計２は、高調波発生器１ｄから入力されたシグナル光の２倍波の波長をレーザ光源装置１から出射される測定光の各波長の代表値として計測し、その計測結果を波長表示装置３に出力するものである。波長表示装置３は、上記計測結果に基づいて当該シグナル光の２倍波の波長を数値表示するものである。
【００３１】
光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、所定範囲内の光減衰量を可変設定可能なものであり、該光減衰量は上記制御演算部７によって設定されるようになっている。このうち、光アッテネータ４Ａは、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の一酸化窒素用ＯＮ透過光Ｐｃ1、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の一酸化窒素用ＯＦＦ透過光Ｐｄ1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2のアンモニア用ＯＮ透過光Ｐｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2のアンモニア用ＯＦＦ透過光Ｐｄ2の光路上に共通状態に介挿されている。また、光アッテネータ４Ｂは酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂの光路上に介挿され、光アッテネータ４Ｃは酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａの光路上に介挿されている。
【００３２】
このような光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、外乱成分である酸化硫黄（ＳＯ2）の濃度変化に起因する上記各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2の強度変化、つまり酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ2、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に対する測定対象ガスＸの光透過率の変化に対して後段の透過光検出手段５における光強度の検出精度を確保するためのものである。すなわち、測定対象ガスＸが酸化硫黄（ＳＯ2）を含む石炭焚きあるいは重油焚き等の排ガスの場合、酸化硫黄（ＳＯ2）の濃度は状況に応じて大幅に変化する。光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、このような点を考慮し、透過光検出手段５を光強度検出特性の直線性の良い領域で動作させ、よって光強度の検出精度を所定精度以上に確保するための設けられている。
【００３３】
なお、酸素用測定光ｅの酸素用透過光Ｐｅの光路上には光アッテネータが介挿されていないが、これは酸素（Ｏ2）の吸収スペクトルが酸化硫黄（ＳＯ2）の吸収スペクトルと重なり合っていないので、酸化硫黄濃度の変化に起因して酸素用測定光ｅの光透過率が変化することなく比較的安定しているためである。
【００３４】
透過光検出手段５は、各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｅの光強度をそれぞれ検出するものであり、図示するように４つのフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄから構成されている。このうち、フォトマルチプライヤ５Ａは光アッテネータ４Ａを介して透過光Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｄ1，Ｐｄ2の光強度を検出し、フォトマルチプライヤ５Ｂは光アッテネータ４Ｂを介して酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂの光強度を検出し、フォトマルチプライヤ５Ｃは光アッテネータ４Ｃを介して酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａの光強度を検出し、さらフォトマルチプライヤ５Ｄは酸素用透過光Ｐｅの光強度を直接検出する。
【００３５】
周知のようにフォトマルチプライヤは、光増幅機能を有している。上記各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄは、上記制御演算部７によって個々の光増幅度が設定されるようになっており、個々の光増幅度は各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光検出精度を一定範囲内に維持すると共に、後段のＡ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄがオーバーフローを生じないことをも考慮して設定される。すなわち、本実施形態では、当該フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光増幅度の設定と上記光アッテネータ４Ａ〜４Ｃの光減衰量の設定との共同によってフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光検出精度が確保されると共に、Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄの入力信号のダイナミックレンジが当該Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄがオーバーフローを生じないように設定されている。
【００３６】
Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄは、上記フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの各検出信号（アナログ信号）をデジタル信号（デジタル検出信号）に変換して制御演算部７に出力するものである。このうち、Ａ／Ｄコンバータ６Ａはフォトマルチプライヤ５Ａの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｂはフォトマルチプライヤ５Ｂの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｃはフォトマルチプライヤ５Ｃの検出信号をデジタル検出信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ６Ｄはフォトマルチプライヤ５Ｄの検出信号をデジタル検出信号に変換する。
【００３７】
演算データ記憶部８は、演算制御部７による上記測定対象成分の濃度の算出に必要な各種演算データを記憶するものであり、演算制御部７の要求に応じて所定の演算データを読み出して演算制御部７に出力する。この演算データ記憶部８は、演算データの１つとして、上述したようにレーザ光源装置１において変更設定可能な一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λc1 NO、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長λd1 NO、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λc2 NH3、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長λd2 NH3、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λe O2及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λf O2を波長データベースとして記憶する。
【００３８】
また、演算データ記憶部８は、各測定光の各光吸収係数、すなわち酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数αa SO2、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光吸収係数αb SO2、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光吸収係数αc1 NO、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光吸収係数αd1 NO、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光吸収係数αc2 NH3、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光吸収係数αd2 NH3、酸素用ＯＮ測定光ｅの光吸収係数αe O2及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光吸収係数αf O2を、測定対象ガスＸの圧力及び温度からなる２次元パラメータに対応する光吸収係数データベースとして記憶する。
【００３９】
光吸収係数は、測定対象ガスＸの圧力と温度とをパラメータとして一義的に決まるものである。すなわち、光吸収係数は、測定対象ガスＸの圧力毎及び温度毎に異なる値となる。演算データ記憶部８は、上述した各測定光に関して測定対象ガスＸの圧力と温度とから成る複数の２次元パラメータに対して予め実験的に求められた複数の光吸収係数を記憶する。この２次元パラメータの範囲つまり圧力と温度との各範囲は、当然に測定対象ガスＸである排ガスの圧力変動範囲及び温度変動範囲をカバーするものである。
【００４０】
また、この演算データ記憶部８は、先行測定された各測定光の光強度すなわち酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光強度Ｉa in、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光強度Ｉb in、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光強度Ｉc1 in、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光強度Ｉd1 in、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光強度Ｉc2 in、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光強度Ｉd2 in、酸素用ＯＮ測定光ｅの光強度Ie in及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光強度Ｉf inを測定光強度データとして記憶する。これら各光強度は、例えばレーザ光源装置１の出射口で計測された光量である。
【００４１】
また、演算データ記憶部８は、各測定光の測定対象ガスＸにおける光路長をも、演算データの１つとして記憶する。本実施形態は、測定対象ガスＸに照射した各測定光の透過光を透過光検出手段５で受光することにより各測定対象成分の濃度を測定するものであり、各測定光の測定対象ガスＸに対する照射口と透過光検出手段５とが測定対象ガスＸの煙道を挟んで対向配置される。上記光路長は、例えばこのような排ガスが通過する煙道において測定光が排ガスを通過する距離であり、上記照射口と透過光検出手段５を煙道に設置した時点で一義的に決定されるものである。本実施形態では各測定光の光路長は全て等しいものとし、以下では光路長Ｌgと記載する。
【００４２】
さらに、演算データ記憶部８は、レーザ光源装置１の上記出射口と透過光検出手段５との間に配置された各種光学部品（上記光アッテネータ４Ａ〜４Ｃを除く）による酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数Ｃ1及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光吸収係数Ｃ2をも演算データの１つとして記憶する。上記光学部品は、例えばレーザ光源装置１における出射口から測定対象ガスＸに対する照射口まで各測定光を案内する光導波路等である。
【００４３】
操作装置９は、制御演算部７に対して人為的な操作指示を入力するためのものであり、例えばキーボードやポインティングデバイスである。出力装置１０は、表示装置、印刷装置及びデータ記憶装置等から成るものであり、制御演算部７から出力される測定データを表示、印刷及び記憶保持するものである。圧力計１１は、測定対象ガスＸの圧力を計測するものであり、測定対象ガスＸである排ガスの煙道に設けられる。温度計１２は、測定対象ガスＸの温度を計測するものであり、上記圧力計１１と同じく排ガスの煙道に設けられる。この圧力計１１と温度計１２とは、上記光吸収係数データベースを検索するための２次元パラメータを制御演算部７に提供するためのものである。
【００４４】
制御演算部７は、上記操作装置９から入力される操作指示に基づいてレーザ光源装置１、光アッテネータ４Ａ〜４Ｃ及び透過光検出手段５の動作を制御すると共に、当該制御の結果として各Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄから入力されるデジタル検出信号、圧力計１１から入力される測定対象ガスＸの圧力、温度計１２から入力される測定対象ガスＸの温度及び演算データ記憶部８に記憶された波長データベースと光吸収係数データベースと光路長Ｌg等の演算データに基づいて一酸化窒濃度ＮNOとアンモニア濃度ＮNH3及び酸素濃度ＮO2を算出し、上記出力装置１０に出力するものである。
【００４５】
次に、本ガス成分測定装置を用いた測定対象成分濃度の測定方法について、図５のフローチャートに沿って詳しく説明する。
【００４６】
〔ステップ：Ｓ1〕
まず始めに、測定に先立って測定対象成分の選定が行われる。例えば、測定作業者が操作装置９を操作することにより、出力装置１０に画像表示された測定対象成分一覧の中から特定の測定対象成分を指示操作すると、この指示操作情報は制御演算部７に入力され、よって測定対象成分が制御演算部７に入力される。
【００４７】
〔ステップ：Ｓ2〕
いま、一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸素（Ｏ2）の濃度測定が選定指示されたとすると、制御演算部７は、この選定指示に基づいてレーザ光源装置１（正確には波長可変レーザ発振器１ｂ）の発振波長の設定を行う。
【００４８】
すなわち、演算データ記憶部８の波長データベースから一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸素（Ｏ2）の測定光に該当する波長データ、つまり一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λc1 NO、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の波長λd1 NO、アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λc2 NH3、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の波長λd2 NH3、酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λe O2及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λf O2を読み出し、このうち波長λc1 NO、波長λc2 NH3及び波長λe O2を発振するように波長可変レーザ発振器１ｂを制御する。
【００４９】
一酸化窒素測定用の波長λc1 NOと波長λd1 NOは、制御演算部７によって時分割的に設定されるようになっている。また、アンモニア測定用の波長λc2 NH3と波長λd2 NH3及び酸素測定用の波長λe O2と波長λf O2についても同様に、制御演算部７によって時分割的に設定されるようになっている。これら時分割設定される各測定光の波長のうち、当該ステップＳ2においては、一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の波長λc1 NOとアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の波長λc2 NH3と酸素用ＯＮ測定光ｅの波長λe O2が初期設定される。
【００５０】
ここで、酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの波長λa SO2及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの波長λb SO2については、上述したレーザ光源装置１の構成から容易に理解できるように固定的なＹＡＧレーザ発振器１ａの発振波長に基づくので、波長λa SO2は２６６５ｎｍに、また波長λb SO2は３５５ｎｍに予め固定値として設定されている。
【００５１】
〔ステップ：Ｓ3〕
このようにしてレーザ光源装置１の波長設定が完了すると、制御演算部７は、各光アッテネータ４Ａ〜４Ｃの光減衰量を初期設定する。上述したように、この光アッテネータ４Ａ〜４Ｃは、酸化硫黄濃度の変動に起因して酸素用ＯＮ透過光Ｐｅ及び酸素用ＯＦＦ透過光Ｐｆを除く他の透過光の光強度が大幅に変化することに対応して設けられたものである。ここで設定される光減衰量の初期値は、例えば最も標準的な酸化硫黄濃度に対応した光減衰量である。
【００５２】
また、制御演算部７は、このステップＳ3において各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄの光増幅度をも初期設定する。この各光増幅度の初期値についても、例えば上記光減衰量の初期値と同様に、最も標準的な酸化硫黄濃度に対応した光増幅度である。
上記ステップＳ1〜Ｓ3の処理によって測定の前準備が完了したことになる。
【００５３】
〔ステップ：Ｓ4〕
ここでは、ステップＳ2において波長設定された各測定光がレーザ光源装置１から測定対象ガスＸに向けて一斉に照射され、各測定光の透過光の光強度が各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによってそれぞれ検出され、各々検出信号として各Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄに入力される。そして、各検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ６Ａ〜６Ｄによってデジタル検出信号に変換されて制御演算部７に出力される。
【００５４】
すなわち、このステップＳ4では、透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｅの各光強度が光強度データとして制御演算部７に取得される。この光強度データは、各透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ1，Ｐｃ2，Ｐｅ毎の光アッテネータ４Ａ〜４Ｃによる光減衰量の相違及びフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによる光増幅度の相違を是正するために、制御演算部７によって当該光減衰量及び光増幅度に基づく係数がそれぞれ乗算されて正規の光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉc1 out，Ｉc2 out，Ｉe outにそれぞれ修正される。そして、この光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉc1 out，Ｉc2 out，Ｉe outは、透過光データとして制御演算部７内のメモリに一時記憶させる。
【００５５】
〔ステップ：Ｓ5〕
続いて、制御演算部７は、ステップＳ2において波長設定された各測定光の波長λc1 NO、波長λc2 NH3及び波長λe O2を波長λd1 NO、波長λd2 NH3及び波長λf O2に変更するようにレーザ光源装置１（波長可変レーザ発振器１ｂ）を制御する。この波長変更によって、レーザ光源装置１は、一酸化窒素測定用の波長λd1 NOとアンモニア測定用の波長λd2 NH3と酸素測定用の波長λf O2と共に、酸化硫黄測定用の波長λa SO2と波長λb SO2を発振する状態に設定される。
【００５６】
〔ステップ：Ｓ6〕
そして、このように波長設定された各測定光ａ，ｂ，ｄ1，ｄ2，ｆは、上記ステップＳ4と同様にしてレーザ光源装置１から測定対象ガスＸに向けて一斉に照射され、その透過光Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｄ1，Ｐｄ2，Ｐｆの各光強度がフォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによってそれぞれ検出される。そして、当該各光強度は、上記ステップＳ4と同様にして光強度データとして制御演算部７に取得され、各光アッテネータ４Ａ〜４Ｃによる光減衰量の相違及び各フォトマルチプライヤ５Ａ〜５Ｄによる光増幅度の相違を是正する係数が乗算されて正規の光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉd1 out，Ｉd2 out，Ｉf outに修正される。この光強度Ｉa out，Ｉb out，Ｉd1 out，Ｉd2 out，Ｉf outは、透過光データとして制御演算部７内のメモリに一時記憶される。
【００５７】
また、制御演算部７は、当該透過光データの取得処理と並行して圧力計１１から取得された測定対象ガスＸの圧力データ及び温度計１２から取得された測定対象ガスＸの温度データをも、自らのメモリに記憶させる。以上の処理によって、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）とアンモニア（ＮＨ3）と酸素（Ｏ2）の濃度の算出に必要となる透過光データの全て並びに圧力データ及び温度データが制御演算部７に取得されたことになる。これ以降、制御演算部７は、自らのメモリに記憶した透過光データ及び圧力データと温度データ並びに演算データ記憶部８に予め記憶された演算データを用いて各測定対象成分の濃度を算出する。
【００５８】
〔ステップ：Ｓ7〕
このステップＳ7では制御演算部７によって、以下に詳説するように酸化硫黄用ＯＮ透過光Ｐａ（第１透過光）と酸化硫黄用ＯＦＦ透過光Ｐｂ（第２透過光）との各光強度Ｉa out，Ｉb out及び酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ（第１測定光）と酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ（第２測定光）との光路長Ｌgと光吸収係数αb SO2並びに酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ（第１測定光）の光透過率Ｔaと酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（２）（第１のランベルト・ベールの理論式）及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂ（第２測定光）の光透過率Ｔbと酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（３）（第２のランベルト・ベールの理論式）に基づいて、酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）が算出される。
【００５９】
すなわち、制御演算部７は、当該ステップＳ7において、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）及びアンモニア（ＮＨ3）に対して光吸収域が重なる外乱成分としての酸化硫黄（ＳＯ2）について、ランベルト・ベールの理論式（１），（２）を用いてその酸化硫黄濃度ＮSO2を先行演算する。
【００６０】
周知のランベルト・ベールの法則によれば、ある光吸収媒体を透過して得られる透過光の光強度Ｉoutは、入射光（測定光）の光強度をＩin、光吸収係数をα、光吸収媒体の濃度をＮ、入射光の光吸収媒体における光路長をＬとすると、以下の理論式（１）によって表される。
【００６１】
【数１】
ここで、光吸収係数αは、光吸収媒体の圧力及び温度の関数であり、実験的に確認することができる量である。また、光路長Ｌも計測可能である。したがって、入射光の光透過率をＴ（＝Ｉout/Ｉin）とすると、光強度Ｉin，Ｉoutを測定することによって光透過率Ｔが求められるので、濃度Ｎを演算推定することができる。
【００６３】
制御演算部７は、この上記ランベルト・ベールの法則に基づいて以下のように酸化硫黄濃度ＮSO2を算出する。すなわち、上記理論式（１）を酸化硫黄用ＯＮ測定光ａ及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに適用すると、当該酸化硫黄用ＯＮ測定光ａと酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの各光透過率Ｔa，Ｔbについて以下の理論式（２），（３）が得られる。
【００６４】
【数２】
【数３】
ここで、Ｃ1は、上述したように酸化硫黄用ＯＮ測定光ａに関する光学部品の光吸収係数、Ｃ2は酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに関する光学部品の光吸収係数であり、予め計測されて演算データ記憶部８に記憶されているものである。また、Ｃ3は、測定対象ガスＸ中に含まれる粉塵の光吸収係数であり、変動する未知の量である。
【００６７】
また、理論式（３）に対応する酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの波長λb SO2は、上述したように酸化硫黄（ＳＯ2）に全く吸収されない波長つまり３５５ｎｍに設定されている。したがって、理論式（３）におけるαb SO2は、測定対象ガスＸの圧力及び温度に関わりなく「０」であり、下式（４）が成立する。
【００６８】
【数４】
この式（４）を理論式（３）に代入すると、当該理論式（３）は式（５）のように表される。
【００７０】
【数５】
すなわち、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光透過率Ｔbは、酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂに関する光学部品の光吸収係数Ｃ2と粉塵の光吸収係数Ｃ3の積として与えられる。この式（５）と上記式（２）との比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵に関する光吸収係数Ｃ3が消去されて、式（６）が得られる。
【００７２】
【数６】
さらに、この式（６）を変形すると、酸化硫黄用ＯＮ測定光ａに関する酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収量Ａa SO2について式（７）が得られる。
【００７４】
【数７】
制御演算部７は、この式（７）に基づいて上記酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収量Ａa SO2を算出する。すなわち、自らのメモリに記憶した酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの透過光Ｐａに関する光強度Ｉa out及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの透過光Ｐbに関する光強度Ｉb out並びに演算データ記憶部８に記憶された酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光強度Ｉa in及び酸化硫黄用ＯＦＦ測定光ｂの光強度Ｉb inから光透過率Ｔa，Ｔbを算出し、該光透過率Ｔa，Ｔbと光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とから光吸収量Ａa SO2を算出する。
【００７６】
また、制御演算部７は、自らのメモリに記憶した測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて演算データ記憶部８内の光吸収係数データベースを検索することにより、測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した酸化硫黄用ＯＮ測定光ａの光吸収係数αa SO2を取得する。また、これと共に光路長Ｌgを演算データ記憶部８から取得する。そして、先行計算した上記光吸収量Ａa SO2を光吸収係数αon SO2及び光路長Ｌgで除算することにより、酸化硫黄濃度ＮSO2を算出する。
【００７７】
〔ステップ：Ｓ8〕
このステップＳ8において、制御演算部は７は、上記ステップＳ7の演算結果である酸化硫黄濃度ＮSO2、一酸化窒素用ＯＮ透過光Ｐｃ1（第３透過光）と一酸化窒素用ＯＦＦ透過光Ｐｄ1（第４透過光）との各光強度Ｉc1 out，Ｉd1 out及び一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1（第３測定光）と一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1（第４測定光）とに関する光路長Ｌgと光吸収係数αc1 NO，αd1 NO，αc1 SO2，αd1 SO2並びに一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1（第３測定光）の光透過率Ｔc1と一酸化窒濃度ＮNO（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（８）（第３のランベルト・ベールの理論式）及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1（第４測定光）の光透過率Ｔd1と一酸化窒濃度ＮNO（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（９）（第４のランベルト・ベールの理論式）に基づいて、測定対象成分の１つである一酸化窒素（ＮＯ）の一酸化窒濃度ＮNO（測定対象成分濃度）を算出する。
【００７８】
すなわち、上記理論式（１）を一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1に適用すると、当該一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1と一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の各光透過率Ｐc1，Ｐd1について以下の理論式（８），（９）が得られる。
【００７９】
【数８】
【数９】
この理論式（８）及び理論式（９）の比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵の光吸収係数Ｃ3が消去されて下式（１０）が得られる。
【００８２】
【数１０】
この式（１０）を式（１１）のように変形して光吸収比Ｈc1/d1と置き、式（１１）をさらに一酸化窒濃度ＮNOについて解くと、最終的に式（１２）が得られる。
【００８４】
【数１１】
【数１２】
制御演算部７は、自らのメモリに記憶した一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の透過光Ｐc1に関する光強度Ｉc1 out及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の透過光Ｐd1に関する光強度Ｉd1 out並びに演算データ記憶部８に記憶された一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1の光強度Ｉc1 in及び一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1の光強度Ｉd1 inから光透過率Ｔc1，Ｔd1を算出し、該光透過率Ｔc1，Ｔd1と光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とを式（１１）に代入することにより光吸収比Ｈc1/d1を算出する。
【００８７】
そして、このように算出した光吸収比Ｈc1/d1、ステップＳ7で算出した酸化硫黄濃度ＮSO2、測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて光吸収係数データベースを検索して得た測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した一酸化窒素用ＯＮ測定光ｃ1に関する一酸化窒素（ＮＯ）の光吸収係数αc1 NOと酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αc1 SO2、一酸化窒素用ＯＦＦ測定光ｄ1に関する一酸化窒素（ＮＯ）の光吸収係数αd1 NOと酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αd1 SO2及び光路長Ｌgを式（１２）に代入することにより一酸化窒濃度ＮNOを算出する。
【００８８】
〔ステップ：Ｓ9〕
さらに、当該ステップＳ9において制御演算部は７は、上記ステップＳ7の演算結果である酸化硫黄濃度ＮSO2、アンモニア用ＯＮ透過光Ｐｃ2（第３透過光）とアンモニア用ＯＦＦ透過光Ｐｄ2（第４透過光）との各光強度Ｉc2 out，Ｉd2 out及びアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2（第３測定光）とアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2（第４測定光）とに関する光路長Ｌgと光吸収係数αc2 NH3，αd2 NH3，αc2 SO2，αd2 SO2並びにアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2（第３測定光）の光透過率Ｔc2とアンモニア濃度ＮNH3（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（１３）（第３のランベルト・ベールの理論式）及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2（第４測定光）の光透過率Ｔd2とアンモニア濃度ＮNH3（測定対象成分濃度）と酸化硫黄濃度ＮSO2（外乱成分濃度）との関係を示すランベルト・ベールの理論式（１４）（第４のランベルト・ベールの理論式）に基づいて、もう１つの測定対象成分であるアンモニア（ＮＨ3）のアンモニア濃度ＮNH3（測定対象成分濃度）を算出する。
【００８９】
すなわち、上記理論式（１）をアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に適用すると、当該アンモニア用ＯＮ測定光ｃ2とアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の各光透過率Ｐc2，Ｐd2について以下の理論式（１３），（１４）が得られる。
【００９０】
【数１３】
【数１４】
この理論式（１３）及び理論式（１４）の比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵の光吸収係数Ｃ3が消去されて下式（１５）が得られる。
【００９３】
【数１５】
この式（１５）を式（１６）のように変形して光吸収比Ｈc2/d2と置き、さらに当該式（１６）をアンモニア濃度ＮNH3について解くと、最終的に式（１７）が得られる。
【００９５】
【数１６】
【数１７】
制御演算部７は、自らのメモリに記憶したアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の透過光Ｐc2に関する光強度Ｉc2 out及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の透過光Ｐd2に関する光強度Ｉd2 out並びに演算データ記憶部８に記憶されたアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2の光強度Ｉc2 in及びアンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2の光強度Ｉd2 inから光透過率Ｔc2，Ｔd2を算出し、該光透過率Ｔc2，Ｔd2と光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とを式（１６）に代入することにより光吸収比Ｈc2/d2を算出する。
【００９８】
そして、このように算出した光吸収比Ｈc2/d2、ステップＳ7で取得した酸化硫黄濃度ＮSO2、測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて光吸収係数データベースを検索して得た測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応したアンモニア用ＯＮ測定光ｃ2に関するアンモニア（ＮＨ3）の光吸収係数αc2 NH3と酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αc2 SO2、アンモニア用ＯＦＦ測定光ｄ2に関するアンモニア（ＮＨ3）の光吸収係数αd2 NH3と酸化硫黄（ＳＯ2）の光吸収係数αd2 SO2及び光路長Ｌgを式（１７）に代入することによりアンモニア濃度ＮNH3を算出する。
【００９９】
〔ステップ：Ｓ10〕
本実施形態では、制御演算部７はさらに測定対象ガスＸの酸素濃度ＮO2を算出する。
【０１００】
すなわち、上記理論式（１）を酸素用ＯＮ測定光ｅ及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆに適用すると、当該酸素用ＯＮ測定光ｅと酸素用ＯＦＦ測定光ｆの各光透過率Ｔe，Ｔfについて以下の理論式（１８），（１９）が得られる。
【０１０１】
【数１８】
【数１９】
この式（１８）と式（１９）との比を取ると、測定対象ガスＸ中の粉塵に関する光吸収係数Ｃ3が消去されて、式（２０）が得られる。ここで、酸素用ＯＦＦ測定光ｆの波長λf O2は、上述したように酸素（Ｏ2）に全く吸収されない波長に設定されている。したがって、理論式（２０）におけるαf O2は、測定対象ガスＸの圧力及び温度に関わりなく「０」である。したがって、酸素用ＯＮ測定光ｅに関する酸素（Ｏ2）の光吸収量Ａe O2について式（２１）が得られる。
【０１０４】
【数２０】
【数２１】
制御演算部７は、この式（２１）に基づいて酸素（Ｏ2）の光吸収量Ａe O2を算出する。すなわち、自らのメモリに記憶した酸素用ＯＮ測定光ｅの透過光Ｐeに関する光強度Ｉe out及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの透過光Ｐfに関する光強度Ｉf out並びに演算データ記憶部８に記憶された酸素用ＯＮ測定光ｅの光強度Ｉe in及び酸素用ＯＦＦ測定光ｆの光強度Ｉf inから光透過率Ｔe，Ｔfを算出し、該光透過率Ｔe，Ｔfと光学部品の光吸収係数Ｃ1，Ｃ2とから光吸収量Ａe O2を算出する。
【０１０７】
そして、制御演算部７は、自らのメモリに記憶した測定対象ガスＸの圧力データと温度データとから成る２次元パラメータを用いて演算データ記憶部８内の光吸収係数データベースを検索することにより測定対象ガスＸの実際の圧力及び温度に対応した酸素用ＯＮ測定光ｅの光吸収係数αe O2を演算データ記憶部８から取得し、また光路長Ｌgをも演算データ記憶部８から取得する。そして、先行計算した上記光吸収量Ａe O2を光吸収係数αe O2及び光路長Ｌgで除算することにより酸素濃度ＮO2を算出する。
【０１０８】
以上のステップＳ1〜Ｓ10の処理によって、本実施形態の測定対象ガスＸである排ガスについて、測定対象成分である一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ3）及び酸素（Ｏ2）の各濃度、すなわち一酸化窒濃度ＮNO、アンモニア濃度ＮNH3及び酸素濃度ＮO2の測定が終了した。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係わるガス成分測定装置及び方法によれば、以下のような効果を奏する。
【０１１０】
（１）請求項１または８記載の発明によれば、光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される波長の第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない波長の第２測定光の測定対象ガスに対する光透過率並びに第１測定光と第２測定光とに関する第１のランベルト・ベールの理論式及び第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を算出する。また、このように算出した外乱成分濃度並びに測定対象成分と外乱成分とに対して比較的強く吸収される波長の第３測定光及び該第３測定光に比較して測定対象成分と外乱成分とに対する吸収が弱い波長の第４測定光の測定対象ガスに対する光透過率及び第３測定光と第４測定光とに関する第３のランベルト・ベールの理論式と第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を算出する。すなわち、光吸収域がオーバーラップする測定対象成分と外乱成分とを含む測定対象ガスに対して各成分濃度を分離測定することが可能である。
【０１１１】
（２）請求項２記載の発明によれば、ガス成分測定装置に係わる第２の手段として、上記第１の手段において、レーザ光源装置は、ＹＡＧレーザ発振器と該ＹＡＧレーザ発振器を励起光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可変レーザ発振器とに基づいて第１測定光〜第４測定光を発光するので、ＹＡＧレーザ発振器を唯一の光源として各測定光を発光することが可能である。すなわち、複数の光源を必要とすることなく、複数の測定光を発光することが可能である。
【０１１２】
（３）請求項３記載の発明によれば、測定対象ガスの圧力と温度に対応した光吸収係数を用いて外乱成分濃度及び測定対象成分濃度を算出するので、測定対象ガスの圧力と温度に応じて正確な外乱成分濃度及び測定対象成分濃度を算出することが可能である。
【０１１３】
（４）請求項４記載の発明によれば、透過光検出手段として第１透過光〜第４透過光に応じて光増幅度を可変するフォトマルチプライヤを採用するので、第１透過光〜第４透過光の光強度の変化に対して、透過光検出手段の光検出精度を一定範囲内に維持することが可能である。
【０１１４】
（５）請求項５記載の発明によれば、透過光検出手段の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光減衰量を可変する光アッテネータを設けるので、第１透過光〜第４透過光の光強度の変化に対して、透過光検出手段の光検出精度を一定範囲内に維持することが可能である。
【０１１５】
（６）請求項６または９記載の発明によれば、第１測定光〜第４測定光は、従来の近赤外光に比較して高出力化が可能な紫外域のレーザ光を用いるので、測定対象ガスに関する光路長を従来よりも長くすることができる。すなわち、測定対象ガスに対する測定光の通過距離を従来よりも長くすることが可能なので、ガス成分測定装置の適用範囲を従来よりも拡大することができる。
【０１１６】
（７）請求項７または１０記載の発明によれば、排ガスに含まれる酸化硫黄（ＳＯ2）並びに一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）の各濃度を分離測定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係わるガス成分測定装置の機能構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係わり、ＮＨ3とＳＯ2の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。
【図３】 本発明の一実施形態に係わり、ＮＯとＳＯ2の吸収スペクトルの波長特性を示す特性図である。
【図４】 本発明の一実施形態におけるレーザ光源装置の機能構成を示すブロック図である。
【図５】 本発明の一実施形態に係わるガス成分測定装置の測定動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｘ……測定対象ガス
１……レーザ光源装置
１ａ……ＹＡＧレーザ発振器
１ｂ……波長可変レーザ発振器
１ｃ，１ｄ……高調波発生器
１ｅ……２波長合成器
２……波長計
３……波長表示装置
４Ａ〜４Ｃ……光アッテネータ（ＡＴＴ）
５……透過光検出手段
５Ａ〜５Ｄ……フォトマルチプライヤ
６Ａ〜６Ｄ……Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）
７……制御演算部（濃度演算手段）
８……演算データ記憶部（記憶手段）
９……操作装置
１０……出力装置
１１……圧力計
１２……温度計
ａ……酸化硫黄用ＯＮ測定光（第１測定光）
ｂ……酸化硫黄用ＯＦＦ測定光（第２測定光）
ｃ1……一酸化窒素用ＯＮ測定光（第３測定光）
ｃ2……アンモニア用ＯＮ測定光（第３測定光）
ｄ1……一酸化窒素用ＯＦＦ測定光（第４測定光）
ｄ2……アンモニア用ＯＦＦ測定光（第４測定光）
ｅ……酸素用ＯＮ測定光
ｆ……酸素用ＯＦＦ測定光
Ｐａ……酸化硫黄用ＯＮ透過光（第１透過光）
Ｐｂ……酸化硫黄用ＯＦＦ透過光（第２透過光）
Ｐｃ1……一酸化窒素用ＯＮ透過光（第３透過光）
Ｐｃ2……アンモニア用ＯＮ透過光（第３透過光）
Ｐｄ1……一酸化窒素用ＯＦＦ透過光（第４透過光）
Ｐｄ2……アンモニア用ＯＦＦ透過光（第４透過光）
Ｐｅ……酸素用ＯＮ透過光
Ｐｆ……酸素用ＯＦＦ透過光
Claims (10)
- 測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する装置であって、
光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測定光を測定対象ガスに照射すると共に、測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光を測定対象ガスに照射するレーザ光源装置（１）と、
前記第１測定光〜第４測定光の測定対象ガスからの第１透過光〜第４透過光の各光強度をそれぞれ検出する透過光検出手段（５）と、
前記第１測定光〜第４測定光の光路長とその光吸収係数とをそれぞれ記憶する記憶手段（８）と、
前記第１透過光と第２透過光との各光強度及び第１測定光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を算出し、さらに当該外乱成分濃度、前記第３透過光と第４透過光との各光強度及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を算出する成分濃度演算手段（７）と、
を具備することを特徴とするガス成分測定装置。 - レーザ光源装置（１）は、ＹＡＧレーザ発振器（１ａ）と該ＹＡＧレーザ発振器（１ａ）を励起光源として所定波長範囲内のレーザ光を出射する波長可変レーザ発振器（１ｂ）とに基づいて第１測定光〜第４測定光を発光することを特徴とする請求項１記載のガス成分測定装置。
- 測定対象ガスの圧力を検出する圧力計（１１）と測定対象ガスの温度を検出する温度計（１２）とを備えると共に、記憶手段（８）は測定対象ガスの各圧力及び温度に応じた第１測定光〜第４測定光の各光吸収係数をデータベースとして記憶し、また成分濃度演算手段（７）は、圧力計（１１）及び温度計（１２）の各検出値に対応する各光吸収係数を記憶手段（８）から取得して外乱成分濃度と測定対象成分濃度とを算出することを特徴とする請求項１または２記載のガス成分測定装置。
- 透過光検出手段（５）は、第１透過光〜第４透過光に応じて光増幅度を可変するフォトマルチプライヤ（５Ａ〜５Ｄ）であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のガス成分測定装置。
- 透過光検出手段（５）の前段に第１透過光〜第４透過光に応じて光減衰量を可変する光アッテネータ（４Ａ〜４Ｃ）を設けることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のガス成分測定装置。
- 第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のガス成分測定装置。
- 測定対象ガスは排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ2）かつ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）であることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載のガス成分測定装置。
- 測定対象ガスにレーザ光による測定光を照射した際の光吸収に基づいて測定対象ガスの成分を測定する方法であって、
光吸収域が測定対象成分と重なる外乱成分のみに吸収される第１測定光及び測定対象成分と外乱成分とのいずれにも吸収されない第２測定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出する工程Ａと、
該工程Ａによって検出された第１測定光と第２測定光との各光透過率及び第１測定光と第２測定光との光路長と光吸収係数並びに第１測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第１のランベルト・ベールの理論式及び第２測定光の光透過率と外乱成分濃度との関係を示す第２のランベルト・ベールの理論式に基づいて外乱成分濃度を推定する工程Ｂと、
測定対象成分及び外乱成分に対して吸収量が異なる第３測定光及び第４測定光の測定対象ガスに対する光透過率をそれぞれ検出する工程Ｃと、
前記工程Ｂにおいて推定された外乱成分濃度、前記工程Ｃにおいて検出された第３測定光と第４測定光との各光透過率及び第３測定光と第４測定光との光路長と光吸収係数並びに第３測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第３のランベルト・ベールの理論式及び第４測定光の光透過率と測定対象成分濃度と外乱成分濃度との関係を示す第４のランベルト・ベールの理論式に基づいて測定対象成分濃度を推定する工程Ｄと、
を有することを特徴とするガス成分測定方法。 - 第１測定光〜第４測定光は、紫外域の波長を有するレーザ光であることを特徴とする請求項８記載のガス成分測定方法。
- 測定対象ガスが排ガスであり、外乱成分が酸化硫黄（ＳＯ2）かつ測定対象成分が一酸化窒素（ＮＯ）及び／またはアンモニア（ＮＨ3）であることを特徴とする請求項８または９記載のガス成分測定方法。
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