JP5349996B2 - Gas concentration measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス濃度測定装置に関する。更に詳しくは、本発明は、測定対象ガス中にレーザ光を照射し、その波長を走査して得られる吸収特性に基づいて測定対象ガス中のターゲットガスの濃度分布を測定するガス濃度測定装置に関するものである。 The present invention relates to a gas concentration measuring apparatus. More specifically, the present invention relates to a gas concentration measuring apparatus for measuring a concentration distribution of a target gas in a measurement target gas based on absorption characteristics obtained by irradiating the measurement target gas with laser light and scanning the wavelength thereof. Is.
火力発電所から排出される燃焼排ガスに含まれるSO3濃度の測定装置として、例えば、特開2003−232758号公報に記載されたものがある。このSO3濃度の測定装置では、図9に示すように、煙道101中の燃焼排ガスをスパイラル管102に取り込んで冷却部103によって冷却し、燃焼排ガス中のSO3をH2SO4としてスパイラル管102の内壁に結露させる。そして、H2SO4を水洗回収し、回収したH2SO4水溶液の電気伝導度を伝導度計測槽104内の伝導計105によって測定し、H2SO4濃度を算出する。その後、算出したH2SO4濃度に基づいて燃焼排ガス中のSO3を算出する。 As an apparatus for measuring the concentration of SO 3 contained in combustion exhaust gas discharged from a thermal power plant, for example, there is one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-232758. In this SO 3 concentration measuring apparatus, as shown in FIG. 9, the combustion exhaust gas in the flue 101 is taken into the spiral tube 102 and cooled by the cooling unit 103, and the SO 3 in the combustion exhaust gas is spirally converted to H 2 SO 4. Condensation is caused on the inner wall of the tube 102. Then, H 2 SO 4 is washed and recovered, and the electrical conductivity of the recovered H 2 SO 4 aqueous solution is measured by the conductivity meter 105 in the conductivity measuring tank 104 to calculate the H 2 SO 4 concentration. Thereafter, SO 3 in the combustion exhaust gas is calculated based on the calculated H 2 SO 4 concentration.
しかしながら、上記測定装置では、燃焼排ガス中のSO3をH2SO4として結露させた後、H2SO4水溶液として水洗回収して電気伝導度を測定するので、煙道101中に流れている燃焼排ガス中のSO3濃度をリアルタイム且つ連続的に測定することはできない。 However, the above measuring device, after condensation the SO 3 in the combustion exhaust gas as H 2 SO 4, since measuring the electrical conductivity and washed with water recovered as aqueous H 2 SO 4, and flows into the flue 101 The SO 3 concentration in the flue gas cannot be measured in real time and continuously.
本発明は、燃焼排ガス中の硫黄酸化物の濃度分布等、測定対象ガスに含まれるターゲットガスの濃度分布をリアルタイム且つ連続的に測定することができるガス濃度測定装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a gas concentration measuring device capable of continuously measuring a concentration distribution of a target gas contained in a measurement target gas such as a concentration distribution of sulfur oxide in combustion exhaust gas in real time. .
かかる目的を達成するために、請求項1記載のガス濃度測定装置は、測定対象ガスの流路に挿入され、測定対象ガス中に照射された信号光を反射させて往復させる第1の反射鏡及び第1の反射鏡を信号光の光路に沿って移動させる駆動手段を有するプローブと、測定対象ガス中のターゲットガスに吸収される波長帯域のレーザ光を照射し且つその波長を走査可能な光源と、レーザ光の光路を切り替えて信号光と参照光とを交互に発生させる光路切換器と、測定対象ガス中を通り抜けた信号光と参照光の強度を測定する光検出器と、光検出器によって測定された信号光強度及び参照光強度に基づいて測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を求めると共に第1の反射鏡の位置を変えて求めたターゲットガスの濃度の差に基づいてターゲットガスの信号光の光路に沿った濃度分布を求める演算部を備えるものである。 In order to achieve this object, the gas concentration measuring device according to claim 1 is inserted into the flow path of the measurement target gas, and reflects and reciprocates the signal light irradiated in the measurement target gas. And a probe having driving means for moving the first reflecting mirror along the optical path of the signal light, and a light source capable of irradiating laser light in a wavelength band absorbed by the target gas in the measurement target gas and scanning the wavelength An optical path switch that alternately generates a signal light and a reference light by switching an optical path of the laser light, a photodetector that measures the intensity of the signal light and the reference light that has passed through the measurement target gas, and a photodetector target gas based on a difference in concentration of the target gas obtained by changing the position of the first reflecting mirror together determine the concentration of target gas in the gas as the object of measurement based on the signal light intensity and reference light intensity measured by the Those comprising a calculation unit for obtaining a concentration distribution along the optical path of the signal light.
したがって、光源から照射されるレーザ光は、光路切換器の光路切り換えによって信号光又は参照光になる。信号光は測定対象ガスの流路内に挿入されたプローブに向けて照射され、流路内を流れる測定対象ガス中を通過して第1の反射鏡に反射されて戻ってくる。この戻り光の強度を光検出器で測定する。また、参照光は、流路内の測定対象ガスに触れずに光検出器に入射される。光検出器はこの入射光の強度を測定する。光路切換器は信号光と参照光とを交互に発生させるので、測定対象ガス中のターゲットガスによる吸収を受けた信号光と、そのような吸収を受けていない参照光の強度を測定することができる。光源はレーザ光の波長を走査し、各波長毎に信号光強度及び参照光強度が測定される。この測定結果に基づいて演算部がターゲットガスの濃度を求める。そして、プローブは、第1の反射鏡を信号光の光路に沿って移動させる駆動手段を備えており、駆動手段が第1の反射鏡を移動させると、測定対象ガス中の信号光の光路長が増減する。光路長を変化させて信号光の吸収を測定すると濃度の積分値の関数となるため、光路長に対して微分演算を行なうことにより濃度分布を求めることができる。 Therefore, the laser light emitted from the light source becomes signal light or reference light by switching the optical path of the optical path switch. The signal light is irradiated toward the probe inserted in the flow path of the measurement target gas, passes through the measurement target gas flowing in the flow path, is reflected by the first reflecting mirror, and returns. The intensity of this return light is measured with a photodetector. Further, the reference light is incident on the photodetector without touching the measurement target gas in the flow path. The photodetector measures the intensity of this incident light. Since the optical path switch alternately generates the signal light and the reference light, it is possible to measure the intensity of the signal light that has been absorbed by the target gas in the measurement target gas and the reference light that has not received such absorption. it can. The light source scans the wavelength of the laser light, and the signal light intensity and the reference light intensity are measured for each wavelength. Based on the measurement result, the calculation unit obtains the concentration of the target gas. The probe includes driving means for moving the first reflecting mirror along the optical path of the signal light, and when the driving means moves the first reflecting mirror, the optical path length of the signal light in the measurement target gas. Increases or decreases. If the absorption of the signal light is measured while changing the optical path length, it becomes a function of the integrated value of the concentration. Therefore, the concentration distribution can be obtained by performing a differential operation on the optical path length.
また、請求項2記載のガス濃度測定装置は、光路切換器を、光源から照射されたレーザ光をプローブ経由で光検出器に入射させる第1の位置と、光源から照射されたレーザ光をプローブを経由させずに光検出器に入射させる第2の位置とを有し、第1の位置と第2の位置に交互に移動する光チョッパとしている。 Further, the gas concentration measuring apparatus according to claim 2, wherein the optical path switch includes a first position where the laser beam emitted from the light source is incident on the photodetector via the probe, and the laser beam emitted from the light source is probed. The optical chopper has a second position that is incident on the photodetector without passing through the first chopper, and moves alternately to the first position and the second position.
したがって、光チョッパである光路切換器が第1の位置に移動すると、光源から照射されたレーザ光は信号光となり、測定対象ガス中を通過して光検出器に入射される。また、光路切換器が第2の位置に移動すると、光源から照射されたレーザ光は参照光となり、測定対象ガスを通過せずに光検出器に入射される。光チョッパは回転しており、第1の位置と第2の位置に交互に移動するので、信号光と参照光とが交互に発生され、光検出器によってそれらの強度が測定される。 Therefore, when the optical path switch, which is an optical chopper, moves to the first position, the laser light emitted from the light source becomes signal light, passes through the measurement target gas, and is incident on the photodetector. When the optical path switch is moved to the second position, the laser light emitted from the light source becomes reference light and enters the photodetector without passing through the measurement target gas. Since the optical chopper is rotating and alternately moves to the first position and the second position, the signal light and the reference light are alternately generated, and their intensity is measured by the photodetector.
また、請求項3記載のガス濃度測定装置は、光路切換器が光源から照射されたレーザ光を信号光と参照光とに分割する分割器と、信号光の光路上に配置された第1の光変調器と、参照光の光路上に配置された第2の光変調器とを備え、第1の光変調器と第2の光変調器は交互に開閉されるものである。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the gas concentration measuring apparatus according to the third aspect, wherein the optical path switching unit divides the laser light emitted from the light source into signal light and reference light, and the first disposed on the optical path of the signal light. An optical modulator and a second optical modulator disposed on the optical path of the reference light are provided, and the first optical modulator and the second optical modulator are alternately opened and closed.
したがって、光源から照射されたレーザ光は分割器によって信号光と参照光に分割される。信号光の光路上の第1の光変調器を開き、参照光の光路上の第2の光変調器を閉じると、信号光のみが光検出器に到達する。一方、第1の光変調器を閉じ、第2の光変調器を開くと、参照光のみが光検出器に到達する。第1の光変調器と第2の光変調器は交互に開閉されるため、光検出器に到達するレーザ光の光路が切り換えられて光信号と参照光の強度が交互に測定される。 Therefore, the laser light emitted from the light source is split into signal light and reference light by the splitter. When the first optical modulator on the optical path of the signal light is opened and the second optical modulator on the optical path of the reference light is closed, only the signal light reaches the photodetector. On the other hand, when the first optical modulator is closed and the second optical modulator is opened, only the reference light reaches the photodetector. Since the first optical modulator and the second optical modulator are alternately opened and closed, the optical path of the laser light reaching the photodetector is switched, and the intensity of the optical signal and the reference light are measured alternately.
また、請求項4記載のガス濃度測定装置は、第1の反射鏡の前方に周囲を壁で囲まれた空間を形成すると共に、その空間にクリーニングガスを供給して当該空間内の圧力を周辺の圧力よりも高くするものである。したがって、第1の反射鏡の前方の空間に周辺から測定対象ガスが流れ込むのを防止することができ、ガス中のすすや粉塵等が第1の反射鏡に付着するのを防止できる。 Further, the gas concentration measuring apparatus according to claim 4 forms a space surrounded by a wall in front of the first reflecting mirror and supplies a cleaning gas to the space to reduce the pressure in the space. Higher than the pressure. Therefore, the measurement target gas can be prevented from flowing into the space in front of the first reflecting mirror from the periphery, and soot and dust in the gas can be prevented from adhering to the first reflecting mirror.
さらに、請求項5記載のガス濃度測定装置は、駆動手段は、信号光の光路と平行に設けられたガイドレールと、ガイドレールに案内されて移動すると共に第1の反射鏡が取り付けられた反射鏡ホルダと、反射鏡ホルダをガイドレールに沿って移動させるスクリュウを備えるものである。 Further, in the gas concentration measuring apparatus according to claim 5, the drive means is a guide rail provided in parallel with the optical path of the signal light, and is guided and moved by the guide rail, and the first reflector is attached. A mirror holder and a screw for moving the reflector holder along the guide rail are provided.
また、請求項6記載のガス濃度測定装置は、ターゲットガスを硫黄酸化物としている。したがって、測定対象ガス中の硫黄酸化物の濃度を測定することができる。 In the gas concentration measuring apparatus according to claim 6, the target gas is sulfur oxide. Therefore, the concentration of sulfur oxide in the measurement object gas can be measured.
請求項1記載のガス濃度測定装置では、リアルタイム且つ連続的に測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を測定し、流路のターゲットガスの濃度分布を求めることができる。 In the gas concentration measuring apparatus according to the first aspect, the concentration of the target gas in the measurement target gas can be measured continuously in real time, and the concentration distribution of the target gas in the flow path can be obtained.
また、請求項2記載のガス濃度測定装置では、光チョッパが光路切換器であるので、機械的な構成でレーザ光を信号光と参照光とにすることができる。また、レーザ光を信号光又は参照光に切り換えて使用するので、発生させたレーザ光を有効に使用することができる。 In the gas concentration measuring apparatus according to the second aspect, since the optical chopper is an optical path switch, the laser light can be converted into signal light and reference light with a mechanical configuration. Further, since the laser light is switched to the signal light or the reference light and used, the generated laser light can be used effectively.
また、請求項3記載のガス濃度測定装置では、電気光学的にレーザ光を信号光と参照光とにすることができ、その制御が容易である。 In the gas concentration measuring apparatus according to the third aspect, the laser beam can be converted into the signal beam and the reference beam electro-optically, and the control thereof is easy.
また、請求項4記載のガス濃度測定装置では、第1の反射鏡の表面を清浄な状態に維持することができる。そのため、測定対象ガス中のターゲットガスによる吸収以外に信号光強度が減少するのを防止することができ、より正確にターゲットガスの濃度を測定することができる。 In the gas concentration measuring apparatus according to claim 4, the surface of the first reflecting mirror can be maintained in a clean state. Therefore, it is possible to prevent the signal light intensity from decreasing other than the absorption by the target gas in the measurement target gas, and the concentration of the target gas can be measured more accurately.
さらに、請求項5記載のガス濃度測定装置のように、駆動手段が、信号光の光路と平行に設けられたガイドレールと、ガイドレールに案内されて移動すると共に第1の反射鏡が取り付けられた反射鏡ホルダと、反射鏡ホルダをガイドレールに沿って移動させるスクリュウを備えるものとすることが好ましい。 Further, as in the gas concentration measuring apparatus according to claim 5 , the driving means is guided by the guide rail provided parallel to the optical path of the signal light, and is moved by being guided by the guide rail, and the first reflecting mirror is attached. It is preferable to include a reflecting mirror holder and a screw that moves the reflecting mirror holder along the guide rail.
また、請求項6記載のガス濃度測定装置では、ターゲットガスを硫黄酸化物としているので、測定対象ガス中の硫黄酸化物の濃度を測定することができる。 In the gas concentration measuring apparatus according to the sixth aspect, since the target gas is sulfur oxide, the concentration of sulfur oxide in the measurement target gas can be measured.
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on the best mode shown in the drawings.
図1〜図6に、本発明のガス濃度測定装置の実施形態の一例を示す。ガス濃度測定装置は、測定対象ガスの流路1に挿入され、測定対象ガス中に照射された信号光を反射させて往復させる第1の反射鏡2を有するプローブ3と、測定対象ガス中のターゲットガスに吸収される波長帯域のレーザ光4を照射し且つその波長を走査可能な光源5と、レーザ光4の光路を切り替えて信号光と参照光とを交互に発生させる光路切換器6と、測定対象ガス中を通り抜けた信号光と参照光の強度を測定する光検出器7と、光検出器7によって測定された信号光強度及び参照光強度に基づいて測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を求める演算部8を備えるものである。光源5はプローブ3に向けて設置されている。光路切換器6は光源5とプローブ3の間に設置されている。光検出器7は、光源5の光軸に対して直交する方向から光路切換器6に対向するように設置されている。また、光路切換器6を挟んで光検出器7の反対側には第2の反射鏡9が設置されている。光源5、光路切換器6、光検出器7、第2の反射鏡9は、ケーシング10に収容されている。 FIGS. 1-6 shows an example of embodiment of the gas concentration measuring apparatus of this invention. The gas concentration measuring device is inserted into the flow path 1 of the measurement target gas, and includes a probe 3 having a first reflecting mirror 2 that reflects and reciprocates the signal light irradiated in the measurement target gas, and the measurement target gas. A light source 5 capable of irradiating a laser beam 4 in a wavelength band absorbed by the target gas and scanning the wavelength; and an optical path switch 6 for alternately generating a signal light and a reference light by switching an optical path of the laser light 4; The photodetector 7 that measures the intensity of the signal light and the reference light that has passed through the measurement target gas, and the target gas in the measurement target gas based on the signal light intensity and the reference light intensity measured by the photodetector 7. A calculation unit 8 for obtaining the concentration is provided. The light source 5 is installed toward the probe 3. The optical path switch 6 is installed between the light source 5 and the probe 3. The photodetector 7 is installed so as to face the optical path switch 6 from a direction orthogonal to the optical axis of the light source 5. A second reflecting mirror 9 is installed on the opposite side of the photodetector 7 with the optical path switch 6 interposed therebetween. The light source 5, the optical path switch 6, the photodetector 7, and the second reflecting mirror 9 are accommodated in the casing 10.
本実施形態のガス濃度測定装置は硫黄酸化物測定装置であり、ターゲットガスは硫黄酸化物である。 The gas concentration measuring device of this embodiment is a sulfur oxide measuring device, and the target gas is sulfur oxide.
プローブ3は例えば細長い円筒形状を成しており、第1の反射鏡2はプローブ3の先端3aに基端3b側に向けた状態で、換言すると光源5に向けた状態で収容されている。プローブ3の基端3b近傍部の外周面には流路1への取付用のフランジ3cが設けられており、フランジ3cよりも先端3a側は流路1内に挿入される。プローブ3の流路1への挿入部分には、径方向に、より具体的には測定対象ガスが流れる方向に貫通し流路1内を流れる測定対象ガスが流れるガス通路33となる長孔3dが形成されている。長孔3dはプローブ3の両端3a,3bからある程度離れた位置に形成されている。したがって、プローブ3内にはガス通路33の両脇に周囲を周壁3eで囲まれた空間11,12が形成される。また、プローブ3の基端3bはケーシング10の壁10aの光源5に対向する位置に取り付けられている。壁10aのプローブ3取付位置には窓10bが設けられており、光源5から出射されたレーザ光4は窓10bを通ってプローブ3内に進入し且つプローブ3内からケーシング10内に戻る。 The probe 3 has, for example, an elongated cylindrical shape, and the first reflecting mirror 2 is accommodated at the distal end 3 a of the probe 3 toward the base end 3 b, in other words, toward the light source 5. A flange 3c for attachment to the flow path 1 is provided on the outer peripheral surface in the vicinity of the base end 3b of the probe 3, and the distal end 3a side of the flange 3c is inserted into the flow path 1. In the insertion portion of the probe 3 into the flow path 1, a long hole 3 d serving as a gas passage 33 through which the measurement target gas flows in the radial direction, more specifically in the direction in which the measurement target gas flows, flows. Is formed. The long hole 3d is formed at a position away from the both ends 3a and 3b of the probe 3 to some extent. Accordingly, spaces 11 and 12 surrounded by the peripheral wall 3e are formed on both sides of the gas passage 33 in the probe 3. The proximal end 3 b of the probe 3 is attached at a position facing the light source 5 on the wall 10 a of the casing 10. A window 10b is provided at a position where the probe 3 is attached to the wall 10a, and the laser light 4 emitted from the light source 5 enters the probe 3 through the window 10b and returns from the probe 3 into the casing 10.
光源5は、ターゲットガスである硫黄酸化物に吸収される波長帯域、例えば波長7.0〜7.5μmの赤外域のレーザ光4を発生させる波長可変赤外レーザ、例えば量子カスケードレーザである。光源5はプローブ3に向けてレーザ光4を照射する。 The light source 5 is a wavelength tunable infrared laser, such as a quantum cascade laser, which generates laser light 4 in the wavelength band absorbed by sulfur oxide, which is a target gas, for example, an infrared region having a wavelength of 7.0 to 7.5 μm. The light source 5 emits laser light 4 toward the probe 3.
本実施形態の光路切換器6は、光源5から照射されたレーザ光4をプローブ3経由で光検出器7に入射させる第1の位置13(図5(A))と、光源5から照射されたレーザ光4をプローブ3を経由させずに光検出器7に入射させる第2の位置14(図5(B))とを有し、第1の位置13と第2の位置14に交互に移動する光チョッパである。本実施形態では、遮光板に光源5から照射されたレーザ光4を信号光としてプローブ3内の第1の反射鏡2に向けて通過させる第1の孔15と、第1の反射鏡2によって反射された信号光を光検出器7に向けて反射させる第1の反射部16とを設け、これらがレーザ光4の光軸に一致する位置が第1の位置13となっている。また、遮光板に光源5から照射されたレーザ光4を参照光として第2の反射鏡9に向けて反射させる第2の反射部17と、第2の反射鏡9によって反射された参照光を光検出器7に向けて通過させる第2の孔18とを設け、これらがレーザ光4の光軸に一致する位置が第2の位置14となっている。図5に破線の円で示すように、第1の孔15と第2の反射部17は同一円周上に設けられ、第1の反射部16と第2の孔18は同一円周上に設けられている。本実施形態では、第1の孔15及び第2の反射部17を第1の反射部16及び第2の孔18よりも内側に形成しているが、第1の孔15及び第2の反射部17を第1の反射部16及び第2の孔18よりも外側に形成しても良い。 The optical path switching device 6 of the present embodiment is irradiated from the light source 5 with a first position 13 (FIG. 5A) where the laser light 4 irradiated from the light source 5 is incident on the photodetector 7 via the probe 3. The second position 14 (FIG. 5B) where the laser beam 4 is incident on the photodetector 7 without passing through the probe 3 is alternately provided at the first position 13 and the second position 14. A moving chopper. In the present embodiment, the first reflecting mirror 2 and the first reflecting mirror 2 allow the laser light 4 irradiated from the light source 5 to the light shielding plate to pass as signal light toward the first reflecting mirror 2 in the probe 3. A first reflecting portion 16 that reflects the reflected signal light toward the photodetector 7 is provided, and a position where these portions coincide with the optical axis of the laser light 4 is a first position 13. Further, the second reflecting portion 17 that reflects the laser light 4 irradiated from the light source 5 onto the light shielding plate toward the second reflecting mirror 9 as reference light, and the reference light reflected by the second reflecting mirror 9 A second hole 18 that is passed toward the photodetector 7 is provided, and a position where these holes coincide with the optical axis of the laser light 4 is a second position 14. As shown by a broken-line circle in FIG. 5, the first hole 15 and the second reflecting portion 17 are provided on the same circumference, and the first reflecting portion 16 and the second hole 18 are on the same circumference. Is provided. In the present embodiment, the first hole 15 and the second reflecting portion 17 are formed inside the first reflecting portion 16 and the second hole 18, but the first hole 15 and the second reflecting portion are formed. The portion 17 may be formed outside the first reflecting portion 16 and the second hole 18.
第1の位置13となる第1の孔15及び第1の反射部16と、第2の位置14となる第2の反射部17及び第2の孔18とは、周方向に等間隔で交互に設けられている。本実施形態では、これらを30度間隔で交互に6箇所ずつ設けている。ただし必ずしも6箇所ずつに限るものではなく、他の数でも良い。光路切換器6は、光源5の光軸に対して例えば45度だけ傾斜した状態で設けられている。 The first hole 15 and the first reflecting portion 16 that are the first position 13 and the second reflecting portion 17 and the second hole 18 that are the second position 14 are alternately arranged at equal intervals in the circumferential direction. Is provided. In the present embodiment, these are alternately provided at six locations at intervals of 30 degrees. However, the number is not necessarily limited to six, and other numbers may be used. The optical path switch 6 is provided in a state inclined by, for example, 45 degrees with respect to the optical axis of the light source 5.
光検出器7はレーザ光4の強度を測定し、その測定信号を演算部8に供給する。演算部8は例えばマイクロコンピュータによって構成されている。演算部8は、例えば次の手順で測定対象ガス中のSO2濃度とSO3濃度を算出する。演算部8は算出手順を示すプログラムや予め測定しておいたターゲットガスの単位濃度当たりの吸収量a,a’等のデータ等を記憶装置に記憶しており、それらのデータを参照しながら当該プログラムを実行して濃度を算出する。 The photodetector 7 measures the intensity of the laser beam 4 and supplies the measurement signal to the arithmetic unit 8. The calculation unit 8 is constituted by a microcomputer, for example. The calculation unit 8 calculates the SO 2 concentration and the SO 3 concentration in the measurement target gas, for example, by the following procedure. The calculation unit 8 stores a program indicating a calculation procedure, data such as absorption amounts a and a ′ per unit concentration of the target gas measured in advance in a storage device, and refers to the data while referring to the data. Run the program to calculate the concentration.
光路中のレーザ光4を吸収する物質がSO2とSO3のみであると仮定すると、数式1の関係が成立する。
〈数1〉
I=I0exp[−anL−a’n’L]
ここで、I:第1の反射鏡2によって反射されたレーザ光を光検出器7によって測定した信号光強度、I0:第2の反射鏡9によって反射されたレーザ光を光検出器7によって測定した参照光強度、L:信号光の光路長、n:光路中のSO2濃度、n’:SO3濃度、a:SO2の単位濃度当たりの吸収量、a’:SO3の単位濃度当たりの吸収量である。なお、a,a’は濃度や光路長に依存しない。
Assuming that the substances that absorb the laser beam 4 in the optical path are only SO 2 and SO 3 , the relationship of Equation 1 is established.
<Equation 1>
I = I 0 exp [−anL−a′n′L]
Here, I: signal light intensity obtained by measuring the laser beam reflected by the first reflecting mirror 2 by the photodetector 7, I 0 : laser beam reflected by the second reflecting mirror 9 by the photodetector 7 Measured reference light intensity, L: optical path length of signal light, n: SO 2 concentration in the optical path, n ′: SO 3 concentration, a: absorption amount per unit concentration of SO 2 , a ′: unit concentration of SO 3 The amount absorbed per unit. Note that a and a ′ do not depend on the concentration or the optical path length.
吸収量a,a’を決定するには、測定対象ガスの測定前に信号光を既知のSO2濃度naを入れた長さLaのガスセルを透過させ、信号光強度Ia,参照光強度I0aを測定する。すると、数式2からaが求まる。レーザ光4の波長を走査すると波長毎の係数aが得られる。
〈数2〉
Ia=I0aexp[−anaLa]
Absorption a, to determine a 'is measured before the measurement of the gas signal light is transmitted through the gas cell of known SO 2 concentration n length was placed a L a, the signal light intensity I a, the reference beam The intensity I 0a is measured. Then, a is obtained from Equation 2. When the wavelength of the laser beam 4 is scanned, a coefficient a for each wavelength is obtained.
<Equation 2>
I a = I 0a exp [-an a L a ]
数式2より数式3が得られる。
〈数3〉
a=(1/naLa)loge(I0a/Ia)
Equation 3 is obtained from Equation 2.
<Equation 3>
a = (1 / n a L a) log e (I 0a / I a)
同様に,上記セルに既知のSO3濃度na’を入れ、信号光強度Ia’、参照光強度I0a’を測定する。すると、数式4からa’が求まる。レーザ光4の波長を走査すると波長毎の係数a’が得られる。
〈数4〉
Ia’=I0a’exp[−a’na’La]
Similarly, a known SO 3 concentration n a ′ is put in the cell, and the signal light intensity I a ′ and the reference light intensity I 0a ′ are measured. Then, a ′ is obtained from Equation 4. When the wavelength of the laser beam 4 is scanned, a coefficient a ′ for each wavelength is obtained.
<Equation 4>
I a '= I 0a' exp [-a'n a 'L a]
数式4より数式5が得られる。
〈数5〉
a’=(1/na’La)loge(I0a’/Ia’)
Equation 5 is obtained from Equation 4.
<Equation 5>
a ′ = (1 / n a ′ L a ) log e (I 0a ′ / I a ′)
次に、測定対象ガス測定時における数式1を数式6に書き換える。
〈数6〉
na+n’a’=(1/L)loge(I0/I)
数式6の左辺はガスセルを用いた測定で得られた結果の線形関数であり,右辺は測定対象ガス中における測定で得られた結果である。
Next, Formula 1 at the time of measurement of the measurement target gas is rewritten to Formula 6.
<Equation 6>
na + n′a ′ = (1 / L) log e (I 0 / I)
The left side of Equation 6 is a linear function of the result obtained by the measurement using the gas cell, and the right side is the result obtained by the measurement in the measurement target gas.
レーザ光4の波長wを走査し、波長毎にI0,Iを測定する。すると、数式6は行列の演算式nA+n’A’=Bとなる。ここで、A,A’は数式2,数式4で求められた波長毎のa,a’を並べたベクトル、Bは数式6の右辺を波長毎に並べたベクトルである。よって、係数n,n’は最小二乗法などの最適化演算によって決定することができ、SO2濃度nとSO3の濃度n’が決定される。なお、最小二乗法の最適化演算の場合、数式7が最小となるn,n’の値を求める。ここで,Eはガスセルを用いた測定で得られた結果の線形関数と測定対象ガス中における測定で得られた結果の偏差である。
〈数7〉
E=‖nA+n’A’−B‖2
The wavelength w of the laser beam 4 is scanned, and I 0 and I are measured for each wavelength. Then, Expression 6 becomes a matrix arithmetic expression nA + n′A ′ = B. Here, A and A ′ are vectors in which a and a ′ for each wavelength obtained by Equations 2 and 4 are arranged, and B is a vector in which the right side of Equation 6 is arranged for each wavelength. Therefore, the coefficients n and n ′ can be determined by an optimization operation such as a least square method, and the SO 2 concentration n and the SO 3 concentration n ′ are determined. In the case of the optimization operation of the least square method, the values of n and n ′ that minimize Equation 7 are obtained. Here, E is a deviation between the linear function of the result obtained by the measurement using the gas cell and the result obtained by the measurement in the measurement target gas.
<Equation 7>
E = ‖nA + n'A'-B‖ 2
本実施形態のガス濃度測定装置は、第1の反射鏡2の汚れ防止機構を備えている。汚れ防止機構は、例えば第1の反射鏡2の前方に周囲を壁で囲まれた空間11を形成すると共に、空間11にクリーニングガスを供給して空間11内の圧力を周辺の圧力よりも高くするものである。本実施形態では、図3に示すように、第1の反射鏡2の前方にプローブ3の周壁3eで囲まれた空間11を形成している。空間11を囲む位置の周壁3eには周方向に沿って複数の空気孔19が形成されている。各空気孔19の周囲には環状通路20が取り付けられている。環状通路20には送風管21が接続され、送風管21は流路1の外に設けられたコンプレッサ22に接続される。コンプレッサ22を作動させて送風管21から空間11内に空気を供給し、空間11内の圧力をその周囲の圧力よりも高くすると、測定対象ガスが空間11内に流入するのを防止することができ、測定対象ガスに含まれるすすや塵埃等が第1の反射鏡2に付着してこれを汚すのを防止することができる。 The gas concentration measuring apparatus of the present embodiment includes a contamination preventing mechanism for the first reflecting mirror 2. The dirt prevention mechanism forms, for example, a space 11 surrounded by a wall in front of the first reflecting mirror 2 and supplies a cleaning gas to the space 11 so that the pressure in the space 11 is higher than the surrounding pressure. To do. In this embodiment, as shown in FIG. 3, a space 11 surrounded by the peripheral wall 3 e of the probe 3 is formed in front of the first reflecting mirror 2. A plurality of air holes 19 are formed in the circumferential wall 3e at a position surrounding the space 11 along the circumferential direction. An annular passage 20 is attached around each air hole 19. A blower pipe 21 is connected to the annular passage 20, and the blower pipe 21 is connected to a compressor 22 provided outside the flow path 1. When the compressor 22 is operated to supply air from the blower pipe 21 into the space 11 and the pressure in the space 11 is made higher than the surrounding pressure, it is possible to prevent the measurement target gas from flowing into the space 11. It is possible to prevent soot and dust contained in the measurement target gas from adhering to the first reflecting mirror 2 and contaminating it.
また、本実施形態のガス濃度測定装置は、ケーシング10内への測定対象ガスの流入を防止する流入防止機構を備えている。流入防止機構は、例えばプローブ3の基端3bに周囲を壁で囲まれた空間12を形成すると共に、空間12にクリーニングガスを供給して空間12内の圧力を周囲の圧力よりも高くするものである。本実施形態では、図4に示すように、ケーシング10の窓10bの前方にプローブ3の周壁3eで囲まれた空間12を形成している。空間12を囲む位置の周壁3eには周方向に沿って複数の空気孔23が形成されている。各空気孔23の周囲には環状通路24が取り付けられている。環状通路24には送風管21の途中から分岐した分岐管25が接続される。コンプレッサ22を作動させて送風管21を介して分岐管25から空間12内に空気を供給し、空間12内の圧力をその周囲の圧力よりも高くすると、測定対象ガスが空間12内に流入するのを防止することができ、測定対象ガスが窓10bからケーシング10内に流入するのを防止することができる。 In addition, the gas concentration measurement device of the present embodiment includes an inflow prevention mechanism that prevents the measurement target gas from flowing into the casing 10. The inflow prevention mechanism forms, for example, a space 12 surrounded by a wall at the base end 3b of the probe 3 and supplies a cleaning gas to the space 12 to make the pressure in the space 12 higher than the surrounding pressure. It is. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, a space 12 surrounded by the peripheral wall 3 e of the probe 3 is formed in front of the window 10 b of the casing 10. A plurality of air holes 23 are formed in the circumferential wall 3e at a position surrounding the space 12 along the circumferential direction. An annular passage 24 is attached around each air hole 23. A branch pipe 25 branched from the middle of the blower pipe 21 is connected to the annular passage 24. When the compressor 22 is operated to supply air from the branch pipe 25 to the space 12 via the blower pipe 21 and the pressure in the space 12 is made higher than the surrounding pressure, the measurement target gas flows into the space 12. It is possible to prevent the measurement target gas from flowing into the casing 10 from the window 10b.
本実施形態のガス濃度測定装置における第1の反射鏡2の汚れ防止機構およびケーシング10内への測定対象ガスの流入防止機構は、測定対象ガスを空間11および12内に流入するのを防止することにより当該ガスが存在する領域をガス通路33の空間のみに留めることから、信号光の測定対象ガス中の光路長Lがガス通路33の長さの2倍となることを定める。2倍となるのは信号光がガス通路33内を往復するためである。 The contamination prevention mechanism of the first reflecting mirror 2 and the inflow prevention mechanism of the measurement target gas into the casing 10 in the gas concentration measurement apparatus of the present embodiment prevent the measurement target gas from flowing into the spaces 11 and 12. Thus, since the region where the gas exists is limited to the space of the gas passage 33, it is determined that the optical path length L in the measurement target gas of the signal light is twice the length of the gas passage 33. The double is because the signal light reciprocates in the gas passage 33.
ガス濃度測定装置は、例えば火力発電で発生する燃焼排ガス中に含まれる硫黄酸化物、具体的にはSO2とSO3の濃度を測定するのに使用される。即ち、測定対象ガスは例えば燃焼排ガスであり、流路1は例えばボイラからの煙道である。流路1の測定位置には例えば筒状の固定部26が設けられており、固定部26内の奥にはプローブ3を挿入するための孔1aが形成されている。プローブ3を固定部26内に挿入し、更に孔1aから流路1内に挿入し、固定部26のフランジ26aにガス濃度測定装置のフランジ3cを固定することで、測定位置からの測定対象ガスの漏洩を防止した状態でガス濃度測定装置を取り付けることができる。ガス濃度測定装置を取り付けると、長孔3dは流路1内に位置する。プローブ3は、例えば測定対象ガスの流れに対し直交するように挿入される。 The gas concentration measuring device is used, for example, to measure the concentration of sulfur oxides, specifically SO 2 and SO 3 contained in combustion exhaust gas generated by thermal power generation. That is, the measurement target gas is, for example, combustion exhaust gas, and the flow path 1 is, for example, a flue from a boiler. For example, a cylindrical fixing portion 26 is provided at the measurement position of the flow path 1, and a hole 1 a for inserting the probe 3 is formed in the back of the fixing portion 26. The probe 3 is inserted into the fixed portion 26, and further inserted into the flow path 1 through the hole 1a, and the flange 3c of the gas concentration measuring device is fixed to the flange 26a of the fixed portion 26, so that the measurement target gas from the measurement position A gas concentration measuring device can be attached in a state in which leakage of gas is prevented. When the gas concentration measuring device is attached, the long hole 3d is located in the flow path 1. For example, the probe 3 is inserted so as to be orthogonal to the flow of the measurement target gas.
次に、ガス濃度測定装置による測定について説明する。 Next, measurement by the gas concentration measuring device will be described.
プローブ3を流路1内に挿入した状態では長孔3dのガス通路33内を測定対象ガスが通過する。この状態でコンプレッサ22及び光路切換器6を作動させ、光源5からレーザ光4を出射する。レーザ光4はパルス状に出射される。 In a state where the probe 3 is inserted into the flow channel 1, the measurement target gas passes through the gas passage 33 of the long hole 3d. In this state, the compressor 22 and the optical path switch 6 are operated, and the laser light 4 is emitted from the light source 5. The laser beam 4 is emitted in a pulse shape.
光路切換器6が第1の位置13に移動している状態で光源5から出射されたレーザ光4は第1の孔15を通り抜けてプローブ3内に進入し、第1の反射鏡2に反射されてケーシング10内に戻る(図2(A))。このとき、レーザ光4はガス通路33内を通り抜ける測定対象ガス中を透過することになる。即ち、レーザ光4は信号光としてプローブ3内を往復する。信号光の光軸は第1の反射鏡2によって反射される際に若干ずれるので、ケーシング10内に戻ってきた信号光は光路切換器6の第1の反射部16に当たり、光検出器7に向けて反射される。 The laser beam 4 emitted from the light source 5 while the optical path switch 6 is moved to the first position 13 passes through the first hole 15 and enters the probe 3 and is reflected by the first reflecting mirror 2. It returns to the inside of the casing 10 (FIG. 2 (A)). At this time, the laser beam 4 passes through the measurement target gas passing through the gas passage 33. That is, the laser beam 4 reciprocates in the probe 3 as signal light. Since the optical axis of the signal light is slightly shifted when reflected by the first reflecting mirror 2, the signal light returning into the casing 10 hits the first reflecting portion 16 of the optical path switch 6 and strikes the photodetector 7. Reflected towards.
一方、光路切換器6が第2の位置14に移動している状態で光源5から出射されたレーザ光4は光路切換器6の第2の反射部17に当たり、参照光として第2の反射鏡9に向けて反射される(図2(B))。そして、参照光は第2の反射鏡9によって反射されて戻ってくる。参照光の光軸は第2の反射鏡9によって反射される際に若干ずれるので、戻ってきた参照光は第2の孔18を通過して光検出器7に入射される。光路切換器6は回転しており、第1の位置13と第2の位置14とに交互に移動するので、位置13,14の切り替わり周期に同期して信号光と参照光とが交互に発生され、光検出器7によって信号光と参照光の強度が測定される。 On the other hand, the laser light 4 emitted from the light source 5 in a state where the optical path switch 6 is moved to the second position 14 hits the second reflecting portion 17 of the optical path switch 6 and is used as a reference light for the second reflecting mirror. It is reflected toward 9 (FIG. 2B). Then, the reference light is reflected by the second reflecting mirror 9 and returned. Since the optical axis of the reference light is slightly shifted when reflected by the second reflecting mirror 9, the returned reference light passes through the second hole 18 and enters the photodetector 7. Since the optical path switch 6 rotates and alternately moves to the first position 13 and the second position 14, the signal light and the reference light are alternately generated in synchronization with the switching cycle of the positions 13 and 14. Then, the light detector 7 measures the intensity of the signal light and the reference light.
光路切換器6の各位置13,14の開始端及び終了端では、レーザ光4の一部が各孔15,18の縁に当たり強度が減少する。このようなレーザ光4の強度変動を抑制するために、各位置13,14の開始端及び終了端では強度測定を行なわないようにする。その概念を図6に示す。同図(A)は光路切換器6が発生させる、又は図示しない外部の信号発生部から供給されるチョッパ同期信号である。更に光路切換器6はチョッパ同期信号の第1の位置13の立ち上がり,立ち下がりがそれぞれ時間tだけ短くなる信号光用ゲート信号(同図(B))と、第2の位置14の立ち上がり,立ち下がりがそれぞれ時間tだけ短くなる参照光用ゲート信号(同図(C))を発生させ、演算部8に供給する。 At the start end and the end end of each position 13, 14 of the optical path switch 6, a part of the laser beam 4 hits the edge of each hole 15, 18 and the intensity decreases. In order to suppress such fluctuations in the intensity of the laser beam 4, intensity measurement is not performed at the start and end ends of the positions 13 and 14. The concept is shown in FIG. FIG. 2A shows a chopper synchronization signal generated by the optical path switch 6 or supplied from an external signal generator (not shown). Further, the optical path switch 6 has a signal light gate signal (FIG. 5B) in which the rise and fall of the first position 13 of the chopper synchronization signal are shortened by time t, and the rise and rise of the second position 14 respectively. A reference light gate signal (FIG. 5C) in which the decrease is shortened by time t is generated and supplied to the arithmetic unit 8.
光源5は、レーザ光4照射の基準となるレーザ同期信号を発生させている(同図(D))。レーザ同期信号の周波数はチョッパ同期信号の周波数よりも十分大きい。演算部8は、レーザ同期信号と信号光用ゲート信号の論理的なAND演算を行なって信号光用トリガ信号(同図(E))を発生させると共に、レーザ同期信号と参照光用ゲート信号の論理的なAND演算を行なって参照光用トリガ信号(同図(F))を発生させる。さらに、演算部8は、信号光用トリガ信号と参照光用トリガ信号に同期して光検出器7の出力信号を記録する。これにより、光路切換器6の各位置13,14の開始端及び終了端において照射され、光路切換器6によって減衰されたレーザ光4に対応する光検出器7の出力信号は演算部8によって記録されず、信号光信号や参照光信号として使用されるのを防止することができる。なお、例えばチョッパ同期信号は20〜25Hz、レーザ同期信号は100kHz、時間tは2msである。 The light source 5 generates a laser synchronization signal that is a reference for the irradiation of the laser beam 4 ((D) in the figure). The frequency of the laser synchronization signal is sufficiently larger than the frequency of the chopper synchronization signal. The calculation unit 8 performs a logical AND operation of the laser synchronization signal and the signal light gate signal to generate a signal light trigger signal (FIG. 5E), and also calculates the laser synchronization signal and the reference light gate signal. A logical AND operation is performed to generate a reference light trigger signal ((F) in the figure). Further, the calculation unit 8 records the output signal of the photodetector 7 in synchronization with the signal light trigger signal and the reference light trigger signal. As a result, the output signal of the photodetector 7 corresponding to the laser beam 4 irradiated at the start and end ends of the positions 13 and 14 of the optical path switch 6 and attenuated by the optical path switch 6 is recorded by the arithmetic unit 8. It is possible to prevent the signal light signal and the reference light signal from being used. For example, the chopper synchronization signal is 20 to 25 Hz, the laser synchronization signal is 100 kHz, and the time t is 2 ms.
信号光と参照光の強度測定は、レーザ光4の波長を走査して各波長毎に行なわれる。演算部8は各波長毎の測定値に基づいてSO2濃度とSO3濃度を算出する。本発明は測定対象ガス中に信号光を透過させその光強度を測定するだけであり、極めて短時間で測定を行なうことができるので、測定対象ガス中のSO2濃度とSO3濃度をリアルタイム且つ連続的に測定することができる。特に、流れている測定対象ガス中のSO2濃度,SO3濃度が常に変動する場合等には、リアルタイム且つ連続的な測定は有効である。 The intensity measurement of the signal light and the reference light is performed for each wavelength by scanning the wavelength of the laser light 4. The calculation unit 8 calculates the SO 2 concentration and the SO 3 concentration based on the measured values for each wavelength. In the present invention, only the signal light is transmitted through the measurement target gas and the light intensity is measured, and the measurement can be performed in an extremely short time. Therefore, the SO 2 concentration and the SO 3 concentration in the measurement target gas can be measured in real time. It can be measured continuously. In particular, real-time and continuous measurement is effective when the SO 2 concentration and the SO 3 concentration in the flowing measurement target gas constantly fluctuate.
また、測定中に腐食性の高いH2SO4を発生させることがないので、測定を簡便に行なうことができる。さらに、自動測定が可能であり、また、ネットワークを介して遠隔地での測定が可能である。 Moreover, since highly corrosive H 2 SO 4 is not generated during the measurement, the measurement can be performed easily. Furthermore, automatic measurement is possible, and measurement at a remote place is possible via a network.
さらに、本発明のガス濃度測定装置は連続的測定が可能であり、無人運転も可能であることから人件費削減にも効果がある。また、ガス濃度測定装置によるSO2濃度測定結果とJIS規格に基づき測定されたSO2濃度測定結果を照合することによりSO2濃度を校正し、これに基づきSO3/SO2の転化率を決定することが可能である。転化率はSO2の酸化を表す化学反応SO2+1/2O2⇔SO3の熱平衡に基づく計算によって理論的に求められるが、直接の酸化反応以外にもFe2O3、V2O5、Cr2O3などの酸化金属の触媒作用による転化反応も存在するため、従来は転化率は正確に求められていなかった。よって、SO3濃度測定によって転化率が決定できる本発明は有用である。 Furthermore, since the gas concentration measuring apparatus of the present invention can perform continuous measurement and can perform unmanned operation, it is effective in reducing labor costs. Also, to calibrate the SO 2 concentration by matching the SO 2 concentration measurement results measured on the basis of the SO 2 concentration measurements and JIS standards by the gas concentration measuring apparatus, determining the conversion of SO 3 / SO 2 based on this Is possible. The conversion rate is theoretically obtained by calculation based on the thermal equilibrium of the chemical reaction SO 2 + 1 / 2O 2 ⇔SO 3 representing the oxidation of SO 2 , but besides the direct oxidation reaction, Fe 2 O 3 , V 2 O 5 , Since there is also a conversion reaction due to the catalytic action of a metal oxide such as Cr 2 O 3 , conventionally the conversion rate has not been accurately determined. Therefore, the present invention in which the conversion rate can be determined by measuring the SO 3 concentration is useful.
また、プローブ3に第1の反射鏡2を信号光の光路に沿って移動させる駆動手段を設けている。この例を図8に示す。駆動手段は、信号光の光路と平行に設けられたガイドレール30と、ガイドレール30に案内されて移動する反射鏡ホルダ31と、反射鏡ホルダ31をガイドレール30に沿って移動させるスクリュウ32を備えている。スクリュウ32はガイドレール30と平行に設けられている。第1の反射鏡2は反射鏡ホルダ31に取り付けられている。反射鏡ホルダ31には、ガイドレール30に沿って摺動するスライド部31aと、スクリュウ32と噛み合う雌ねじ部31bが設けられている。したがって、図示しないモータによりスクリュウ32を回転させると、反射鏡ホルダ31がガイドレール30に沿って移動し、測定対象ガス中を透過する光路長が変化する。本実施形態では、スライド部31aと雌ねじ部31bを反射鏡ホルダ31の前後両端に設け、反射鏡ホルダ31の向きが変動し難くしている。なお、スクリュウ32を使用する代わりに、ワイヤ等で引張って反射鏡ホルダ31を移動させるようにしても良い。 Further, there is provided a driving means for moving the first reflecting mirror 2 to the optical path of the signal light to the probe 3. An example of this is shown in Figure 8. The driving means includes a guide rail 30 provided parallel to the optical path of the signal light, a reflector holder 31 that moves while being guided by the guide rail 30, and a screw 32 that moves the reflector holder 31 along the guide rail 30. I have. The screw 32 is provided in parallel with the guide rail 30. The first reflecting mirror 2 is attached to the reflecting mirror holder 31. The reflector holder 31 is provided with a slide portion 31 a that slides along the guide rail 30 and a female screw portion 31 b that meshes with the screw 32. Therefore, when the screw 32 is rotated by a motor (not shown), the reflector holder 31 moves along the guide rail 30, and the optical path length that passes through the measurement target gas changes. In this embodiment, the slide part 31a and the female thread part 31b are provided at both front and rear ends of the reflector holder 31 so that the orientation of the reflector holder 31 is not easily changed. Instead of using the screw 32, the reflector holder 31 may be moved by pulling with a wire or the like.
プローブ3に駆動手段を設け、第1の反射鏡2を移動させることで、硫黄酸化物の濃度分布の測定が可能になる。つまり、信号光が測定対象ガスに入る位置から第1の反射鏡2(反射鏡ホルダ31)までの距離をxとすると、測定対象ガス中の光路長はL=2xになる。この構成において第1の反射鏡2をプローブ3の奥行方向に移動させると、硫黄酸化物の濃度分布を測ることが出来る。一例として、第1の反射鏡2の位置をx=x1として測定を行い、 次にx=x2として測定を行った場合について述べる。x=x1の場合、信号光強度はx=0とx=x1の間に存在する硫黄酸化物による信号光の吸収を反映することになる。同様に、x=x2の場合、信号光強度はx=0とx=x2の間に存在する硫黄酸化物による信号光の吸収を反映することになる。よって、この二つの測定結果の差異はx=x1とx=x2の間の硫黄酸化物による信号光の吸収によるものである。つまり、硫黄酸化物の濃度が空間的に不均一である場合(濃度分布が存在する場合)、第1の反射鏡2を動かすことにより任意の区間における硫黄酸化物濃度を求めることが出来る。 By providing a driving means for the probe 3 and moving the first reflecting mirror 2, the concentration distribution of sulfur oxide can be measured. That is, when the distance from the position where the signal light enters the measurement target gas to the first reflecting mirror 2 (reflecting mirror holder 31) is x, the optical path length in the measurement target gas is L = 2x. In this configuration, when the first reflecting mirror 2 is moved in the depth direction of the probe 3, the concentration distribution of sulfur oxide can be measured. As an example, a case will be described in which measurement is performed with the position of the first reflecting mirror 2 set to x = x 1 and then measured with x = x 2 . For x = x 1, signal light intensity will reflect the absorption of the signal light by the sulfur oxide present between x = 0 and x = x 1. Similarly, for x = x 2, the signal intensity will reflect the absorption of the signal light by the sulfur oxide present between x = 0 and x = x 2. Therefore, the difference in these two measurements is due to the absorption of the signal light due to sulfur oxides during the x = x 1 and x = x 2. That is, when the sulfur oxide concentration is spatially non-uniform (when a concentration distribution exists), the sulfur oxide concentration in an arbitrary section can be obtained by moving the first reflecting mirror 2.
以上を数式で表すと以下の通りになる。第1の反射鏡2(反射鏡ホルダ31)の位置をx、信号光が測定対象ガスに入る位置をx=0とし、SO2とSO3の濃度分布がn(x),n’(x)であるとする。この場合、数式1は数式8となる。
第1の反射鏡2の位置x=x1,x=x2において得られる信号光の強度I(x1),I(x2)は数式9,数式10の通りである。
よって、差分は数式11によって求められる。
ここで、x=x1とx=x2の間における平均濃度をn1,n1’とすると、数式12となる。
第1の反射鏡2の位置xは任意に設定できるため、任意の二つの位置の間の平均濃度を求めることができる。硫黄酸化物の濃度分布が存在する場合、第1の反射鏡2の位置を段階的にずらしていくことで硫黄酸化物の濃度分布を求めることができる。 Since the position x of the first reflecting mirror 2 can be arbitrarily set, the average density between any two positions can be obtained. When the concentration distribution of sulfur oxide exists, the concentration distribution of sulfur oxide can be obtained by shifting the position of the first reflecting mirror 2 stepwise.
なお、この場合には、反射鏡ホルダ31内の第1の反射鏡2の前方空間をコンプレッサ22からクリーニングガスが供給される空間11にすることが好ましい。即ち、反射鏡ホルダ31の周壁に図示しない空気孔を設けると共に、当該空気孔に環状通路及び送風管(いずれも図示省略)を通じてクリーニングガスを供給し、反射鏡ホルダ31内への測定対象ガスの流入を防止して、第1の反射鏡2の汚れ防止と信号光の測定対象ガス中における光路長Lの確定を行なうようにすることが好ましい。 In this case, it is preferable that the space in front of the first reflecting mirror 2 in the reflecting mirror holder 31 is the space 11 to which the cleaning gas is supplied from the compressor 22. That is, an air hole (not shown) is provided in the peripheral wall of the reflector holder 31, and a cleaning gas is supplied to the air hole through an annular passage and a blower pipe (both not shown) so that the measurement target gas enters the reflector holder 31. It is preferable to prevent the inflow to prevent the first reflecting mirror 2 from being contaminated and to determine the optical path length L in the signal light measurement gas.
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、火力発電のボイラからの煙道を流れる燃焼排ガスを測定対象ガスとしていたが、当該燃焼排ガス以外のガスを測定対象ガスとしても良い。
また、上述の説明では、光源5とプローブ3を対向配置すると共に、第2の反射鏡9と光検出器7とを対向配置していたが、必ずしもこの構成に限るものではない。例えば、光源5と光検出器7とを対向配置すると共に、プローブ3と第2の反射鏡9とを対向配置するようにしても良く、あるいは光源5と第2の反射鏡9とを対向配置すると共に、プローブ3と光検出器7とを対向配置するようにしても良い。
また、上述の説明では、光路切換器6を光チョッパとし、機械的に光路を切り換えるようにしていたが、これに代えて電気光学的に光路を切り換えるようにしても良い。この場合の例を図7に示す。光路切換器6は光源5から照射されたレーザ光4を信号光と参照光とに分割する分割器27と、信号光の光路上に配置された第1の光変調器28と、参照光の光路上に配置された第2の光変調器29とを備え、第1の光変調器28と第2の光変調器29とは交互に開閉されるものである。各光変調器28,29を同時に「開」にした場合には、信号光と参照光の両方が同時に光検出器7に入射されるように各光変調器28,29は配置されている。図7(A)に示すように、電気的に第1の光変調器28を「開」、第2の光変調器29を「閉」とすると、信号光のみが光検出器7に入射される。一方、図7(B)に示すように、第1の光変調器28を「閉」、第2の光変調器29を「開」とすると、参照光のみが光検出器7に入射される。この例では「閉」の状態になっている光変調器への入力光は遮断されるため、光源5の出力の一部を破棄することになるものの、電気的な操作によって光路を切り換えるため制御が容易で簡便である。なお、光変調器28,29として、AOM(音響光学変調器)を用いて光強度変調を行なうことの他、AOD(音響光学偏向器)を用いて光軸の空間的変調を行なうことも考えられる。
また、上述の説明では、空間11内の圧力を増加させることで測定対象ガスが空間11に流入するのを防止していたが、必ずしもこれに限るものではなく、他の手法によって第1の反射鏡2の汚れを防止するようにしても良い。
また、上述の説明では、空間12内の圧力を増加させることで測定対象ガスが空間12に流入するのを防止していたが、必ずしもこれに限るものではなく、他の手法によって測定対象ガスの流入を防止するようにしても良い。
本測定装置は光源5を代えることで、硫黄酸化物以外のターゲットガスにも適用できる。例えば、光源5を波長1.54μmの波長可変レーザとすることで測定対象ガス中のアンモニア(NH3)濃度を測定することができる。また、光源5を波長5.33μmの波長可変レーザとすることで一酸化窒素(NO)濃度を、光源5を波長6.25μmの波長可変レーザとすることで二酸化窒素(NO2)濃度を測定することができる。また、複数のレーザを組み合わせた光源5を用いることで多成分(例えば、SOxとNOx)の同時測定を行うことができる。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above description, the combustion exhaust gas flowing through the flue from the boiler of the thermal power generation is used as the measurement target gas, but a gas other than the combustion exhaust gas may be used as the measurement target gas.
In the above description, the light source 5 and the probe 3 are disposed opposite to each other, and the second reflecting mirror 9 and the photodetector 7 are disposed opposite to each other. However, the configuration is not necessarily limited to this. For example, the light source 5 and the photodetector 7 may be disposed opposite to each other, and the probe 3 and the second reflecting mirror 9 may be disposed to face each other, or the light source 5 and the second reflecting mirror 9 may be disposed to face each other. In addition, the probe 3 and the photodetector 7 may be arranged to face each other.
In the above description, the optical path switch 6 is an optical chopper and the optical path is mechanically switched. Alternatively, the optical path may be switched electro-optically. An example of this case is shown in FIG. The optical path switch 6 includes a splitter 27 that divides the laser light 4 emitted from the light source 5 into signal light and reference light, a first light modulator 28 disposed on the optical path of the signal light, and a reference light The second optical modulator 29 is disposed on the optical path, and the first optical modulator 28 and the second optical modulator 29 are alternately opened and closed. When the optical modulators 28 and 29 are simultaneously “opened”, the optical modulators 28 and 29 are arranged so that both the signal light and the reference light are simultaneously incident on the photodetector 7. As shown in FIG. 7A, when the first optical modulator 28 is electrically “open” and the second optical modulator 29 is “closed”, only the signal light is incident on the photodetector 7. The On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the first optical modulator 28 is “closed” and the second optical modulator 29 is “open”, only the reference light is incident on the photodetector 7. . In this example, since the input light to the optical modulator in the “closed” state is blocked, a part of the output of the light source 5 is discarded, but the control is performed to switch the optical path by electrical operation. Is easy and convenient. In addition to performing optical intensity modulation using an AOM (acousto-optic modulator) as the optical modulators 28 and 29, it is also conceivable to perform spatial modulation of the optical axis using an AOD (acousto-optic deflector). It is done.
In the above description, the measurement target gas is prevented from flowing into the space 11 by increasing the pressure in the space 11, but the present invention is not necessarily limited to this, and the first reflection is performed by another method. The mirror 2 may be prevented from being soiled.
Further, in the above description, the measurement target gas is prevented from flowing into the space 12 by increasing the pressure in the space 12, but the present invention is not necessarily limited to this, and the measurement target gas is not limited to this. You may make it prevent inflow.
This measuring apparatus can be applied to a target gas other than sulfur oxide by replacing the light source 5. For example, the ammonia (NH 3 ) concentration in the measurement target gas can be measured by setting the light source 5 to a wavelength tunable laser having a wavelength of 1.54 μm. Further, the nitric oxide (NO) concentration is measured by using a light source 5 as a wavelength variable laser having a wavelength of 5.33 μm, and the nitrogen dioxide (NO 2 ) concentration is measured by using a light source 5 as a wavelength variable laser having a wavelength of 6.25 μm. can do. Moreover, simultaneous measurement of multiple components (for example, SO x and NO x ) can be performed by using the light source 5 in which a plurality of lasers are combined.
1 流路
2 第1の反射鏡
3 プローブ
4 レーザ光
5 光源
6 光路切換器
7 光検出器
8 演算部
11 空間
13 第1の位置
14 第2の位置
27 分割器
28 第1の光変調器
29 第2の光変調器
30 ガイドレール(駆動手段)
31 反射鏡ホルダ(駆動手段)
32 スクリュウ(駆動手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flow path 2 1st reflective mirror 3 Probe 4 Laser light 5 Light source 6 Optical path switch 7 Photo detector 8 Calculation part 11 Space 13 1st position 14 2nd position 27 Divider 28 1st light modulator 29 Second optical modulator 30 Guide rail (driving means)
31 Reflector holder (drive means)
32 screw (driving means)
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