JP5204078B2 - Gas component measuring device in piping and flue for exhaust gas component measurement - Google Patents
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Description
本発明は、レーザによる発光分析による配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道に関する。 The present invention relates to a gas component measuring device in a pipe and an exhaust gas component measuring flue by means of laser emission analysis.
産業設備のガスプラント内のガス配管内のガス濃度を計測する方法として、従来半導体レーザ吸収法による方法が確立され、JIS化されている(JISB7993:非特許文献1)。 As a method for measuring the gas concentration in a gas pipe in a gas plant of an industrial facility, a method using a conventional semiconductor laser absorption method has been established and is JIS (JIS B 7993: Non-Patent Document 1).
この半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略を図15に示す。
図15に示すように、ガス配管から分岐されたサンプル配管101に対し、レーザ装置110からレーザ光Lを照射し、被測定ガス102のガス成分を分析している。
ここで、符号101a、101bは石英窓、112は反射ミラー、113は第1の検出器であり、114は第2の検出器である。
前記第1の検出器113では、参照光(I0)を求め、第2の検出器114ではサンプル配管101内の透過した光の強度(I)を求めており、透過率T=(I/I0)を求めている。この分析手法により、様々なガス成分濃度のオンライン分析が可能となってきている。
An outline of a laser device by this semiconductor laser absorption method is shown in FIG.
As shown in FIG. 15, a laser beam L is irradiated from a
Here,
The
ところで、ガス成分の分析を行うに際して、図15のような配管から分岐されたサンプル配管101を用いて、半導体レーザ吸収法により計測する場合には、光の吸収の問題はないものの、図16に示すようなガス配管120の長さが長い場合、入射したレーザ光Lが散乱されることで、第2の検出器114で十分な光強度が検知されない、という問題がある。なお、図16中、符号121a、121bは石英窓である。
By the way, when analyzing a gas component, when measuring by the semiconductor laser absorption method using the sample pipe 101 branched from the pipe as shown in FIG. 15, there is no problem of light absorption, but FIG. When the length of the
また、ガス吸収量が大きい場合には入射したレーザ光が吸収されてしまい、十分な光強度が検知されない、という問題がある。 In addition, when the gas absorption amount is large, the incident laser beam is absorbed, and there is a problem that sufficient light intensity cannot be detected.
そこで、産業設備の各種プラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、入射レーザ光が吸収されることなく、オンラインでガス成分の分析が可能な方法が切望されている。
また、ガス組成以外に、ガスプラント由来のガス成分以外の成分(例えばハイドロカーボン(HC:油分)、煤塵、アルカリ金属等)についても、同時に計測することで一度の計測で多面的な分析が可能な配管中のガス成分計測装置の出現が望まれている。
Therefore, there is an urgent need for a method that can analyze gas components online without absorbing incident laser light, even when the piping length of industrial plants is long or when the amount of gas absorption is large. Yes.
In addition to gas composition, components other than gas components derived from gas plants (for example, hydrocarbon (HC: oil), soot, alkali metals, etc.) can be measured at the same time, allowing multifaceted analysis by one measurement. Appearance of a gas component measuring device in a simple pipe is desired.
本発明は、前記問題に鑑み、産業設備のプラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、オンラインでガス成分の分析が可能な配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道を提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention provides a gas component measuring device and exhaust gas in a pipe that can analyze gas components online even when the pipe length at the site of an industrial equipment plant is long or when the gas absorption amount is large. An object is to provide a flue for component measurement.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、レーザ装置から発振された基本レーザ光を第1のレーザ光に波長変換する第1の波長変換部と、前記基本レーザ光を波長変換し、第2のレーザ光とする第2の波長変換部と、第1及び第2のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、照射される第1のレーザ光及び第2のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)を計測する光検出器と、前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 A first invention of the present invention for solving the above-described problem is a first wavelength conversion unit that converts the wavelength of a basic laser beam oscillated from a laser device into a first laser beam, and a wavelength of the basic laser beam. A second wavelength conversion unit that converts the light into a second laser beam, a gas measurement unit that introduces the first and second laser beams and irradiates a gas component in the gas to be measured, and irradiation. Amplified Spontaneous Emission Light (Amplified Spontaneous Emission) generated when the excited molecules excited to a higher level by the first laser beam and the second laser beam are electronically relaxed to a lower level. : ASE) and a fluorescence detection unit for measuring fluorescence generated by the hydrocarbon derived from the oil present in the gas to be measured. It is in.
第2の発明は、第1の発明において、被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the gas component measuring device in the pipe is characterized in that the gas temperature of the gas to be measured is measured from the relative intensity of the fluorescence emitted from the gas component of the gas to be measured.
第3の発明は、第1又は2の発明において、第1のレーザ光又は第2のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 3rd invention WHEREIN: Soot detection which measures the Mie scattered light which the soot which exists in to-be-measured gas emits using either 1st laser beam or 2nd laser beam in 1st or 2nd invention It is in the gas component measuring device in piping characterized by comprising a part.
第4の発明は、第1乃至3のいずれか一つにおいて、前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the apparatus includes a metal component detection unit that measures the plasma light emitted from the metal component present in the gas to be measured using the laser beam. It is in the gas component measuring device in the pipe.
第5の発明は、第1の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 According to a fifth invention, in the first invention, the gas measuring unit is a measuring unit composed of a long pipe, and the laser beam is irradiated in the same direction as the flow direction of the exhaust gas measured in the long pipe to the pipe. The gas component measuring device in the pipe is characterized in that the fluorescence derived from the hydrocarbon is detected by sequentially adjusting the focal point of the fluorescence detector for each measurement position of each zone at a predetermined interval along.
第6の発明は、第5の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第2の蛍光検出器でNO濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 A sixth invention is the measurement unit according to the fifth invention, wherein the gas measuring unit is a long pipe, and the pipe is irradiated with laser light in the same direction as the flow direction of the exhaust gas measured in the long pipe. A gas component in a pipe characterized in that a plurality of light detection ports for measuring fluorescence are provided at measurement positions for each zone at predetermined intervals along the same, and NO concentration is detected by a second fluorescence detector having a spectroscope from fluorescence. In the measuring device.
第7の発明は、第5又は6の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 A seventh invention is the measurement unit according to the fifth or sixth invention, wherein the gas measurement unit is a long pipe, and the laser beam is irradiated in the same direction as the flow direction of the exhaust gas measured in the long pipe, A gas component measuring device in a pipe characterized by providing a plurality of light detection ports for measuring Mie scattered light emitted by soot dust at measurement positions for each zone at a predetermined interval along the pipe to detect Mie scattered light derived from soot dust. It is in.
第8の発明は、第6又は7の発明において、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。 The eighth invention is characterized in that, in the sixth or seventh invention, the laser beam is sequentially focused at the measurement positions of the predetermined intervals along the pipe, and the alkali metal component is detected from the generated plasma light. It is in the gas component measuring device in the pipe.
第9の発明は、第5乃至8の発明のいずれか一つの配管中のガス成分計測装置を有することを特徴とする排ガス成分計測用煙道にある。 According to a ninth aspect of the invention, there is provided a flue for measuring an exhaust gas component, comprising the gas component measuring device in the pipe according to any one of the fifth to eighth aspects of the invention.
本発明によれば、ASEの赤外領域での発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで分析可能となる。また、ASEは指向性のある光として発振するので、ASE発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。なお、ASEは赤外領域の光であるので、入射レーザ光(可視光線、紫外光)との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
さらに、同時にガス中の油分(ハイドロカーボン)、煤塵、金属成分等の成分も計測でき、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
According to the present invention, since the gas component can be measured by emission analysis in the infrared region of ASE, the gas component can be obtained even when the pipe length of the measurement target in the industrial facility is long or the gas absorption amount is large. The concentration analysis of can be analyzed online. In addition, since ASE oscillates as directional light, the ASE light emission component is easily condensed and the measurement sensitivity is high. Since ASE is light in the infrared region, separation from incident laser light (visible light, ultraviolet light) is facilitated, and detection with a high signal-to-noise ratio is possible.
Furthermore, components such as oil (hydrocarbon), dust, and metal components in the gas can be measured at the same time, and multi-faceted analysis can be performed with a single measurement.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
本発明による実施例に係る配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図1は、実施例1に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図1に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Aは、煙道15中の被測定ガス11に対して照射される基本レーザ光(なお、実線は光軸を示す)22により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)から被測定ガス11中のガス成分を計測するものである。
A gas component measuring device in piping according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the gas
具体的な装置構成としては、図1に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Aは、レーザ装置21から発振された基本レーザ光(1064nm)22を第1のレーザ光(波長:226nm)22−1に波長変換する第1の波長変換部23と、発振されたレーザ光22を波長変換し、第2のレーザ光(波長:600nm)22−2とする第2の波長変換部24と、第1のレーザ光22−1及び第2のレーザ光22−2の合波レーザ光22−3を導入して、被測定ガス11中のガス成分に照射するガス測定部25と、照射される合波レーザ光22−3(第1のレーザ光22−1及び第2のレーザ光22−2)により、高い準位(E準位)に励起された励起分子が低い準位(C準位)に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission:以下「ASE」という)14を計測する光検出器(例えばフォトダイオード、MCTディテクタ等)26と、被測定ガス11中の成分が発する蛍光50を計測する蛍光検出部51とを具備するものである。
図1中、15a、15bはレーザ光の透過する石英窓、29は分光器、31は集光レンズ、33は光フィルタ、34a〜34dはミラーを各々図示する。
As a specific apparatus configuration, as shown in FIG. 1, the gas
In FIG. 1, 15a and 15b are quartz windows through which laser light is transmitted, 29 is a spectroscope, 31 is a condenser lens, 33 is an optical filter, and 34a to 34d are mirrors.
本発明の配管中のガス成分計測装置は、ASEの発光する原理を用いており、従来のような吸収分析と異なるので、被測定ガス11のガス吸収光強度低下の影響がなくなるものとなる。 Since the gas component measuring device in the pipe of the present invention uses the principle of ASE emission and is different from the conventional absorption analysis, the influence of the decrease in gas absorption light intensity of the gas to be measured 11 is eliminated.
次に、図2に示すNOのエネルギー準位の模式図を参照してASEの発光原理を説明する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素(NO)にレーザ光を照射して、電子的に励起させると、図2に示すように、基底状態(X)から、励起状態に励起(X準位→A準位→E準位)する。
Next, the light emission principle of ASE will be described with reference to a schematic diagram of the energy level of NO shown in FIG.
When, for example, nitric oxide (NO) in the measurement gas is irradiated with laser light and excited electronically, as shown in FIG. 2, the ground state (X) is excited (X level → A level → E level).
具体的には第1のレーザ光(226nm)22−1の励起波長ではX準位からA準位に励起され、次いで第2のレーザ光(600nm)22−2の励起波長ではA準位からE準位に励起される。
このとき、E準位の分子の数がC準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、E準位からC準位に自然放出され、これがきっかけとなり、E準位からC準位の誘導放出である1170〜1184nmの自然放射増幅光(ASE)が発生する。
Specifically, it is excited from the X level to the A level at the excitation wavelength of the first laser beam (226 nm) 22-1 and then from the A level at the excitation wavelength of the second laser beam (600 nm) 22-2. Excited to E level.
At this time, when the number of molecules at the E level is larger than the number of molecules at the C level, an inversion distribution state occurs, and spontaneous emission from the E level to the C level occurs. Spontaneous radiation amplified light (ASE) of 1170 to 1184 nm, which is stimulated emission of the level, is generated.
被測定ガス中の計測対象のガス成分としては、一酸化窒素(NO)以外に、例えば
一酸化炭素(CO)、水(H2O)、二酸化窒素(NO2)、メタン(CH4)、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。
As gas components to be measured in the gas to be measured, in addition to nitrogen monoxide (NO), for example, carbon monoxide (CO), water (H 2 O), nitrogen dioxide (NO 2 ), methane (CH 4 ), Ammonia, benzene and the like can be exemplified.
図3は一酸化炭素(CO)のエネルギー準位の模式図である。
図3に示すように、一酸化炭素(CO)では、基底状態から215nmの2光励起により、X準位からE準位に励起される。
FIG. 3 is a schematic diagram of energy levels of carbon monoxide (CO).
As shown in FIG. 3, carbon monoxide (CO) is excited from the X level to the E level by two-light excitation at 215 nm from the ground state.
このとき、E準位の分子の数がB準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、E準位からB準位に自然放出がされ、これがきっかけとなり、E準位からC準位の誘導放出である1.7μmの自然放射増幅光(ASE)が発生する。 At this time, when the number of molecules at the E level is larger than the number of molecules at the B level, an inversion distribution state occurs, and spontaneous emission from the E level to the B level occurs. A spontaneous emission amplified light (ASE) of 1.7 μm, which is stimulated emission of the C level, is generated.
また、ASEは、赤外領域(例えばNOの場合には、1170〜1184nm)の波長であるので、可視領域や紫外領域と異なり、フィルタ33での分離が容易であり、計測精度が向上する。
Moreover, since ASE has a wavelength in the infrared region (for example, 1170 to 1184 nm in the case of NO), unlike the visible region and the ultraviolet region, separation by the
蛍光やラマン等の発光分析は等方発光であるので四方八方に光が拡がり、指向性が無いのに対し、ASEは指向性(レーザ光22の入射方向と出射方向との二方向のみASE14が発光する)があり、高感度での分離が可能となる。
よって、本実施例では、前記ガス測定部25に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したASE14を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。
Luminescence analysis such as fluorescence and Raman is isotropic emission, so that light spreads in all directions and there is no directivity, whereas ASE has directivity (ASE14 is only in two directions, the incident direction and the outgoing direction of laser light 22). Light emission), and separation with high sensitivity becomes possible.
Therefore, in this embodiment, a light introduction line through which laser light is introduced into the
この結果、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで可能となる。
また、ASEは指向性のある光として発振するので、ASE発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ASEは赤外領域の光であるので、入射レーザ光(可視光線、紫外光)との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
As a result, the concentration analysis of the gas component can be performed online even when the pipe length of the measurement target in the industrial facility is long or the gas absorption amount is large.
In addition, since ASE oscillates as directional light, the ASE light emission component is easily condensed and the measurement sensitivity is high.
Furthermore, since ASE is light in the infrared region, separation from incident laser light (visible light, ultraviolet light) is facilitated, and detection with a high signal-to-noise ratio is possible.
また、本実施例においては、ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボン(HC)が発生する蛍光50を蛍光検出部51で計測している。
ここで、前記ハイドロカーボンの検出には蛍光検出部51において、波長300〜450nm(より好適には350〜400nm)以外の波長を除外する分光器を備え、ハイドロカーボン検出を良好としている。
これにより、ASE14の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中に存在するハイドロカーボン(HC)の分析も可能となる。
In this embodiment, the
Here, the detection of the hydrocarbon is provided with a spectroscope that excludes wavelengths other than the wavelength of 300 to 450 nm (more preferably 350 to 400 nm) in the
Thereby, the analysis of hydrocarbon (HC) present in the gas can be performed simultaneously with the measurement of the gas component by the measurement of ASE14.
この結果、ガスプラント由来のガス成分以外の他の成分であるハイドロカーボン(HC)についても同時に計測することで、一度の計測で多面的な分析が可能となる。 As a result, it is possible to perform multi-faceted analysis with a single measurement by simultaneously measuring hydrocarbon (HC) which is a component other than the gas component derived from the gas plant.
この結果、排ガス中に含まれるハイドロカーボン量が多いような場合には、排ガス中の油分(特にタール成分)が多いと判断され、燃焼条件の見直しを行う制御を図示しない制御装置で行うようにしている。この結果、ガス精製設備の負担が軽減し、配管の閉塞等が解消される。 As a result, when the amount of hydrocarbons contained in the exhaust gas is large, it is determined that there is a large amount of oil (particularly tar components) in the exhaust gas, and the control for reviewing the combustion conditions is performed by a control device (not shown). ing. As a result, the burden on the gas purification facility is reduced and the blockage of the piping is eliminated.
次に、実施例2において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図4は、実施例2に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図4に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Aは、前記蛍光検出部51において、ガス成分中のNO由来の蛍光(NO)50Aを計測し、予め測定しておいた温度曲線に照らして、ガス中の温度計測を行うようにしている。
ここで、前記NO由来の蛍光(NO)50Aの検出には蛍光検出部51において、波長300nm以下の波長の光を透過するフィルタ(好適には205nm以下、例えば227nmのフィルタ等)を有する分光器を備え、NO由来の蛍光(NO)50Aの検出を良好としている。
これにより、ASE14の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中の温度を計測することが可能となる。
Next, in Example 2, a gas component measuring device in another pipe of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the gas
Here, in order to detect the NO-derived fluorescence (NO) 50A, the
Thereby, the temperature in the gas can be measured simultaneously with the measurement of the gas component by the measurement of ASE14.
図5はNOガスの蛍光の信号強度と、回転量子数(J)との関係図である。図5中、黒丸印は300Kにおける測定値であり、四角印は1250Kにおける測定値である。これらのプロットを結ぶ線は下記式(1)を用いたフィッテイングである。
このチャートは電子状態における基底状態から第一励起状態の電子励起振動回転スペクトルである。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the fluorescence intensity of NO gas and the rotational quantum number (J). In FIG. 5, black circles are measured values at 300K, and square marks are measured values at 1250K. The line connecting these plots is fitting using the following equation (1).
This chart is an electronic excitation vibration rotation spectrum from the ground state to the first excited state in the electronic state.
また、図6は温度300Kと1250Kにおける「A2Σ+←X2Π(0,0)」遷移におけるP12枝におけるポンプ光のエネルギーのLIF励起スペクトル強度(ポンプ光波長44060cm-1)の図である(波長226nm付近で挿引している)。
FIG. 6 is a diagram of the LIF excitation spectrum intensity (pump
このスペクトル線の回転量子数(J)に対応する相対強度を測定し、その測定結果から、下記式(1)を温度の関数としてあてはめることにより、測定場の温度を算出することができる。
Nj/Nj=0=(2J+1)exp(−[(kcBJ)・(J+1)]/(kT))…(1)
ここで、
Nj:回転量子数Jにおける分子数(数密度)
Nj=0:全分子数
J:回転量子数
k:ボルツマン定数
c:光速度
B:回転定数
T:温度(回転温度)
である。
The relative intensity corresponding to the rotational quantum number (J) of this spectral line is measured, and the temperature of the measurement field can be calculated from the measurement result by applying the following equation (1) as a function of temperature.
N j / N j = 0 = (2J + 1) exp (− [(kcBJ) · (J + 1)] / (kT)) (1)
here,
N j : Number of molecules in the rotational quantum number J (number density)
N j = 0 : total number of molecules J: rotational quantum number k: Boltzmann constant c: speed of light B: rotational constant T: temperature (rotational temperature)
It is.
よって、NO由来の蛍光(NO)50Aにより信号強度を求め、比較することで、排ガスの温度を予測することができる。この結果、従来においては、例えば熱電対等における配管内部の温度計測は、スポット的な温度計測であったものが、計測場全体(レーザ光の光路長全体)の平均温度を非接触で求めることができる。
また、ハイドロカーボン(HC)由来の蛍光との分離には、HC由来の蛍光は350〜400nmの範囲で計測するので、300nm以下となるように、分光器を用いて分光する。これにより、NO由来の蛍光(NO)50AとHC由来の蛍光(HC)50Bの両方の蛍光が測定できる。
Therefore, the temperature of the exhaust gas can be predicted by obtaining and comparing the signal intensity using the NO-derived fluorescence (NO) 50A. As a result, in the past, for example, the temperature measurement inside the pipe in a thermocouple or the like was a spot temperature measurement, but the average temperature of the entire measurement field (the entire optical path length of the laser beam) can be obtained without contact. it can.
In addition, for separation from the fluorescence derived from hydrocarbon (HC), the fluorescence derived from HC is measured in the range of 350 to 400 nm, and thus the spectrum is dispersed using a spectroscope so as to be 300 nm or less. Thereby, both fluorescence of NO-derived fluorescence (NO) 50A and HC-derived fluorescence (HC) 50B can be measured.
次に、実施例3において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図7は、実施例3に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図7に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Bは、図1に示した蛍光検出部51以外に、さらに、第1のレーザ光22−1又は第2のレーザ光22−1のいずれかを用いて、ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光60を計測する煤塵検出部61を具備するものである。これにより、煤塵が発するミー散乱光60を煤塵検出部61で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めることができる。なお、前記煤塵検出部61としては、例えばファトダイオード(Si半導体型等)を例示することができるが、これに限定されるものではない。
Next, in Example 3, a gas component measuring device in another pipe of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 7 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the third embodiment. As shown in FIG. 7, the gas
ここで、波長の短い第1のレーザ光(波長:226nm)22−1を用いる場合には、小さい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
一方、波長の長い第2のレーザ光(波長:600nm)22−2を用いる場合には、大きい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
よって、求める粒径に応じて、第1のレーザ光か第2のレーザ光かを選択し、どちらかのラインを遮断するチョッパ62−1、62−2を設けるようにしている。
Here, when the first laser beam (wavelength: 226 nm) 22-1 having a short wavelength is used, the dust concentration with a small particle size can be measured.
On the other hand, when the second laser beam (wavelength: 600 nm) 22-2 having a long wavelength is used, the dust concentration having a large particle size can be measured.
Therefore, the first laser beam or the second laser beam is selected according to the desired particle size, and choppers 62-1 and 62-2 that block either line are provided.
蛍光の分析との併用する場合には、実施例1で説明したように、先ず蛍光分析を行ってASEを計測した後、第1のレーザ光22−1又は第2のレーザ光22−2を用いて、煤塵濃度を計測するようにすればよい。 When combined with fluorescence analysis, as described in Example 1, first, fluorescence analysis is performed and ASE is measured, and then the first laser beam 22-1 or the second laser beam 22-2 is used. Use it to measure the dust concentration.
また、本実施例の変形例を示す図8に示すように、例えば30cm/1ns程度の時間遅れとなるディレイライン63−1、63−2を設け、第1のレーザ光22−1及び第2のレーザ光22−2を用いて先ず、蛍光によるNOのASEを計測し、その後、タイミングをずらして煤塵濃度を計測するようにすればよい。なお、ディレイライン63−1、63−2には、前記チョッパ62−1、62−2をそれぞれ有するようにしている。 Further, as shown in FIG. 8 showing a modification of the present embodiment, delay lines 63-1 and 63-2 having a time delay of about 30 cm / 1 ns, for example, are provided, and the first laser beam 22-1 and the second laser beam 22-1 are provided. First, the NO ASE due to fluorescence may be measured using the laser beam 22-2, and then the dust concentration may be measured at different timings. The delay lines 63-1 and 63-2 have the choppers 62-1 and 62-2, respectively.
次に、実施例4において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図9は、実施例4に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図9に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Cは、図1に示した蛍光検出部51以外に、前記基本レーザ光22を用いて、ガス中に存在するアルカリ金属成分が発するプラズマ光70を計測する金属成分検出部71を具備するものである。
本実施例では、レーザ装置21からの波長1064nmの基本レーザ光22を排ガス中の金属成分に照射させ、この際に発生するプラズマ光70を金属成分検出部71で計測している。
Next, in Example 4, a gas component measuring device in another pipe of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 9, the gas
In the present embodiment, the
これにより、蛍光によるNOのASEを計測した後、排ガス中に含まれる金属酸化物(Na、K、Li、Ca、Mgの酸化物等)を時間遅れで計測するようにしている。この結果、排ガス中の金属成分濃度を検出し、必要に応じて対応を行うようにすればよい。このように、金属成分の排出量が把握できるので、プラント保持に関するデータとして活用することができる。例えばNa、K成分は、スラッギング、ファウリングの原因となるため、その予測のためのデータと成りうる。 Thereby, after measuring the ASE of NO due to fluorescence, the metal oxides (Na, K, Li, Ca, Mg oxides, etc.) contained in the exhaust gas are measured with a time delay. As a result, the metal component concentration in the exhaust gas may be detected and a response may be made as necessary. Thus, since the discharge | release amount of a metal component can be grasped | ascertained, it can utilize as data regarding plant maintenance. For example, since Na and K components cause slugging and fouling, they can be data for prediction.
次に、実施例5において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図10は、実施例5に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図10に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Dは、図1に示した装置において、前記ガス測定部が長い配管である煙道15aからなる計測部であり、長い煙道15a内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、合波レーザ光22−3を照射し、前記配管81に沿った所定間隔の各ゾーンS1〜Snの計測位置毎に、第1の蛍光検出部51Aの焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50Bを検出するようにしている。
ここで、図10中、符号15b、15cは石英窓、81は、特定の波長の光(ASE14)を反射し、その他の波長の光(蛍光50)を透過するダイクロイックミラー、82は受光した光の内、所定の波長をカットするフィルタである。
なお、ASE14の計測は、前述したのと同様に、光検出器26にて計測する。
Next, in Example 5, a gas component measuring device in another pipe of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 10 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 10, the gas
In FIG. 10,
In addition, the measurement of ASE14 is measured by the
前記第1の蛍光検出部51Aとしては、例えばICCDカメラを用い、受光の際の焦点を各ゾーンS1〜Snに合わせ、合波レーザ光22−3であるパルスレーザ(例えば10〜500Hz)が到達したときに、ICCDカメラにてゾーン毎に順次蛍光強度の測定を行うようにしている。各ゾーンS1〜Snの計測を順次行い、その強度の和を求め、平均濃度を求める。
As the first
ここで、蛍光はASEと異なり、指向性を有さない光(等方的に発振する光)であるので、各ゾーンにおいて蛍光を測定し、その強度を積算し、平均を求める。これにより、長い配管内部におけるハイドロカーボンの濃度を確認することが可能となる。
ここで、本発明で長い配管とは、(配管長さ/配管直径)>10の配管をいい、産業設備の各種プラントにおける配管の場合、最低5m以上の長さのものを一般に示している。
そして、少なくとも数カ所の各ゾーンS1〜Snで計測し、その平均を求めるので、排ガス状態をより的確に把握することができる。
Here, unlike ASE, fluorescence is light having no directivity (light that oscillates isotropically). Therefore, fluorescence is measured in each zone, the intensity is integrated, and an average is obtained. This makes it possible to check the concentration of hydrocarbon in the long pipe.
Here, the long pipe in the present invention refers to a pipe having (pipe length / pipe diameter)> 10. In the case of a pipe in various plants of industrial equipment, a pipe having a length of at least 5 m is generally shown.
Then, measured at least several places in each zone S 1 to S n, so obtaining the average, it is possible to more accurately grasp the exhaust gas state.
また、フィルタ82として二種類(350〜400nmの波長の光を透過するフィルタ及び250以下の波長の光を透過するフィルタ)用意し、先ず350〜400nmの光を透過するフィルタを用いて蛍光(HC)50Bよりハイドロカーボンを計測する。その後250nm以下の波長の光を透過するフィルタに交換して、蛍光(NO)50AよりNO濃度を計測し、前述と同様にして温度を求めることができる。
温度情報は、各ゾーンS1〜Snでの配管内の温度分布情報と、その平均温度情報との両方を求めることができる。
なお、NO濃度の蛍光(NO)50Aの計測には、図6に示すように、J=16.5の計測と、J=4.5の計測と二回の波長挿引することが必要となる。
In addition, two types of filters 82 (filters that transmit light having a wavelength of 350 to 400 nm and filters that transmit light having a wavelength of 250 or less) are prepared. First, fluorescence (HC) is obtained using a filter that transmits light of 350 to 400 nm. ) Measure the hydrocarbon from 50B. Thereafter, the filter can be replaced with a filter that transmits light having a wavelength of 250 nm or less, the NO concentration is measured from the fluorescence (NO) 50A, and the temperature can be obtained in the same manner as described above.
Temperature information and the temperature distribution information of the pipe in each zone S 1 to S n, it is possible to determine both the average temperature information.
As shown in FIG. 6, measurement of NO concentration fluorescence (NO) 50A requires measurement of J = 16.5, measurement of J = 4.5, and two wavelength insertions. Become.
これにより、実施例2のように排ガス中のハイドロカーボン濃度と温度とをピンポイントではなく、長い煙道15a内で計測でき、より排ガスの状態を計測することが可能となる。
なお、NOの代わりに、CO濃度を計測することでも温度を計測することができる。その場合の分光手段は107〜108nmの波長のみを透過できるものを用いるようにすればよい。この光学手段としては、真空紫外用分光器を例示でき、測定波長域が真空紫外域であるため、酸素のない測定場である必要がある。ここでCO濃度を計測するにはさらに、フィルタを切り替えて計測する。
As a result, the hydrocarbon concentration and temperature in the exhaust gas can be measured not in the pinpoint but in the
Note that the temperature can also be measured by measuring the CO concentration instead of NO. In this case, the spectroscopic means may be one that can transmit only a wavelength of 107 to 108 nm. As this optical means, a spectroscope for vacuum ultraviolet can be exemplified, and since the measurement wavelength region is the vacuum ultraviolet region, it is necessary to be a measurement field without oxygen. Here, in order to measure the CO concentration, the filter is switched and measured.
次に、実施例6において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図11は、実施例6に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図11に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Eは、図10に示した装置において、さらに、前記煙道15aに沿った所定間隔のゾーンS1〜Sn毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート83−1〜83−nを複数設け、蛍光(NO)50Aより分光器51bを有する第2の蛍光検出部51BでNO濃度を検出するものである。なお、図11中、符号84は光ファイバを図示する。
本実施例では、前記煙道15aに沿った所定間隔のゾーンS1〜Sn毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート83−1〜83−nを複数設けることにより、各ゾーンでの蛍光(NO)50Aを各ポートで各々検出し、分光器51bを有する第2の蛍光検出部51Bで蛍光強度を計測するようにしている。本実施例では、分光器51bを有するので、実施例5のような、図6に示すJ=16.5の計測と、J=4.5の計測と二回の波長挿引が不要となる。
よって、第1の蛍光検出部50Aでハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50Bを計測すると共に、第2の蛍光検出部50BでNO由来の蛍光(NO)50Aを計測することができる。
Next, in Example 6, a gas component measuring device in another pipe of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 11 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 11, a gas component measuring apparatus 10E in the piping according to the present embodiment, in the apparatus shown in FIG. 10, further, for each zone S 1 to S n of the predetermined intervals along the
In this embodiment, by providing a plurality of optical detection ports 83-1~83-n for measuring the fluorescence measurement position of each zone S 1 to S n of the predetermined intervals along the
Therefore, the fluorescence (HC) 50B derived from the hydrocarbon can be measured by the first
次に、実施例7において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図12は、実施例7に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図12に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Fは、実施例6に示す配管中のガス成分計測装置10Eにおいて、前記煙道15aに沿った所定間隔のゾーンS1〜Sn毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート83−1〜83−nを複数設けることにより、各ゾーンでのミー散乱光60を各光検出ポートで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光60を煤塵検出部61で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第1の蛍光検出部51Aでハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50BとNO由来の蛍光(NO)50Aを計測すると共に、煤塵検出部61で煤塵濃度を計測することができる。
Next, in Example 7, another gas component measuring apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 12 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the seventh embodiment. As shown in FIG. 12, the gas
Therefore, the first
次に、実施例8において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図13は、実施例8に係るガス成分計測装置の概略図である。図13に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計配管中の測装置10Gは、図11に示す配管中のガス成分計測装置10Eにおいて、さらに、各ゾーンS1〜Snでのミー散乱光60を各光検出ポート83−1〜83−nで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光60を煤塵検出部61で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第1の蛍光検出部51Aでハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50Bを計測すると共に、第2の蛍光検出部51BでNO由来の蛍光(NO)50Aを計測し、更に煤塵検出部61で煤塵濃度を計測することができる。
Next, in Example 8, a gas component measuring device in another pipe of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 13 is a schematic diagram of a gas component measuring apparatus according to the eighth embodiment. As shown in FIG. 13, measuring device 10G of the gas component analyzer in the piping in the piping according to the present embodiment, the gas component measuring apparatus 10E in the piping shown in FIG. 11, further, in each zone S 1 to S n The Mie scattered light 60 is detected by the respective light detection ports 83-1 to 83 -n, and the Mie scattered light 60 generated by the dust is measured by the
Therefore, the first
本実施例では、NO由来の蛍光50Aを計測しているが、煤塵濃度が低い場合には、この第2の蛍光検出部51Bにおいて、ミー散乱光60より煤塵濃度を計測することができる。ただし、一般にミー散乱光の強度が強いので、NO由来の蛍光(NO)50Aとミー散乱光60の検出とは別々の独立した検出器にて検出することが好ましい。
In this embodiment, the NO-derived
次に、実施例9において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図14は、実施例9に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図14に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Hは、図13に示す配管中のガス成分計測装置10Gにおいて、さらに、基本レーザ光(1064nm)22を照射するラインを有し、移動集光レンズ90が移動レール91上を移動し、基本レーザ光(1064nm)22の焦点を各ゾーンS1〜Snにあて、これにより発生するプラズマ光70を各ゾーンS1〜Snで計測し、それを光ファイバ85により、金属成分検出部71に送り、ここでレーザブレイクダウン法により、排ガス中に含まれる金属成分(Na、K、Li、Ca、Mgの酸化物等)を検出するようにしている。
Next, a gas component measuring device in another pipe of the present invention in Example 9 will be described with reference to the drawings.
FIG. 14 is a schematic diagram of a gas component measuring device in piping according to the ninth embodiment. As shown in FIG. 14, the gas component measuring device 10H in the pipe according to the present embodiment further includes a line for irradiating the basic laser beam (1064 nm) 22 in the gas component measuring device 10G in the pipe shown in FIG. a
以上説明したような、配管中のガス成分計測装置を有する長い煙道15aを用い、既存の排ガス煙道からその一部の排ガスを該長い煙道15a内へバイパスさせ、この長い煙道15a内において、蛍光、ASE、プラズマ光の計測をすることで排ガス成分を効率よく計測することができる。
Using the
以上のように、本発明に係る配管中のガス成分計測装置によれば、発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、その配管全体のガス成分の濃度分析が可能となると共に、同時にガス中の油分(ハイドロカーボン)、煤塵、アルカリ金属等の成分も計測でき、信頼性の高い多面的な分析データの提供が可能となる。 As described above, according to the gas component measuring device in the pipe according to the present invention, the gas component can be measured by the emission analysis. Therefore, when the pipe length of the measurement target in the industrial facility is long, the gas absorption amount is Even when it is large, the concentration of gas components in the entire pipe can be analyzed, and at the same time, components such as oil (hydrocarbon), dust, alkali metals, etc. in the gas can be measured. Can be provided.
10A〜10H 配管中のガス成分計測装置
11 被測定ガス
14 ASE
21 レーザ装置
22 基本レーザ光
22−1 第1のレーザ光
22−2 第2のレーザ光
23 第1の波長変換部
24 第2の波長変換部
25 ガス測定部
26 光検出器
50 蛍光
50A 蛍光(NO)
50B 蛍光(HC)
51 蛍光検出部
51A 第1の蛍光検出部
51B 第2の蛍光検出部
60 ミー散乱光
61 煤塵検出部
10A-10H Gas component measuring device in piping 11 Gas to be measured 14 ASE
DESCRIPTION OF
50B fluorescence (HC)
51
Claims (9)
前記基本レーザ光を波長変換し、第2のレーザ光とする第2の波長変換部と、
第1及び第2のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部25と、
照射される第1のレーザ光及び第2のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)を計測する光検出器と、
前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 A first wavelength converter that converts the wavelength of the basic laser beam oscillated from the laser device into a first laser beam;
A second wavelength converter that converts the wavelength of the basic laser light into a second laser light;
A gas measuring unit 25 for introducing the first and second laser beams and irradiating the gas component in the gas to be measured;
When excited molecules excited to a high level by the first laser light and the second laser light to be irradiated are electronically relaxed to a low level, spontaneously amplified light generated when the level is lowered ( A photodetector that measures Amplified Spontaneous Emission (ASE);
A gas component measuring device in a pipe, comprising: a fluorescence detecting unit that measures fluorescence generated by hydrocarbon derived from oil present in the gas to be measured.
被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In claim 1,
A gas component measuring device in a pipe which measures the gas temperature of a gas to be measured from the relative intensity of fluorescence emitted from the gas component of the gas to be measured.
第1のレーザ光又は第2のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In claim 1 or 2,
A gas component in a pipe having a dust detection unit for measuring Mie scattered light emitted by dust present in the gas to be measured using either the first laser light or the second laser light Measuring device.
前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
A gas component measuring device in a pipe, comprising a metal component detecting unit that measures plasma light emitted from a metal component present in a gas to be measured using the laser beam.
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In claim 1,
The gas measuring unit is a measuring unit comprising a long pipe;
Irradiate the laser beam in the same direction as the flow direction of the exhaust gas measured in the long pipe,
A gas component measuring device in a pipe, wherein the fluorescence derived from the hydrocarbon is detected by sequentially adjusting the focus of the fluorescence detector for each measurement position of each zone at a predetermined interval along the pipe.
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第2の蛍光検出器でNO濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In claim 5,
The gas measuring unit is a measuring unit comprising a long pipe;
Irradiate the laser beam in the same direction as the flow direction of the exhaust gas measured in the long pipe,
In the piping, wherein a plurality of light detection ports for measuring fluorescence are provided at measurement positions for each zone at a predetermined interval along the piping, and the NO concentration is detected by a second fluorescence detector having a spectroscope from the fluorescence. Gas component measuring device.
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In claim 5 or 6,
The gas measuring unit is a measuring unit comprising a long pipe;
Irradiate the laser beam in the same direction as the flow direction of the exhaust gas measured in the long pipe,
Gas component measurement in piping characterized by providing a plurality of light detection ports for measuring Mie scattered light emitted by soot dust at measurement positions for each zone at a predetermined interval along the pipe to detect Mie scattered light derived from soot dust apparatus.
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を金属成分検出部で検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 In claim 6 or 7,
A gas component measuring device in a pipe, wherein a laser component is sequentially focused at a measurement position for each zone at a predetermined interval along the pipe, and an alkali metal component is detected by a metal component detector from generated plasma light. .
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