JP5915089B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents
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Description
本発明は、煙道内部のガスなどの各種ガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計に関するものである。
ガスの分子・原子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られている。例えば、図７はアンモニア（ＮＨ３）ガスの光吸収スペクトルの一例であり、グラフの横軸は波長を示し、縦軸は光吸収率を示している。この光吸収スペクトルを利用して各種ガス濃度を検出するガス分析計として、光源にレーザ素子を用いたレーザ式ガス分析計が知られている。
レーザ式ガス分析計は、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長領域を有するレーザ素子を用いて、このレーザ素子からの出射光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスの分子・原子によるレーザ出射光の吸収作用を利用してガス濃度を計測するものである。
この種のレーザ式ガス分析計は、測定対象ガスに向けてレーザ光を出射するレーザ素子と、測定対象空間を透過したレーザ出射光を受光する受光素子と、受光素子による受光信号から測定対象ガス濃度に由来するレーザ出射光の吸収量を抽出し、各種演算処理によりガス濃度として出力する信号処理回路と、により構成される。
この種のレーザ式ガス分析計は、測定対象ガスに向けてレーザ光を出射するレーザ素子と、測定対象空間を透過したレーザ出射光を受光する受光素子と、受光素子による受光信号から測定対象ガス濃度に由来するレーザ出射光の吸収量を抽出し、各種演算処理によりガス濃度として出力する信号処理回路と、により構成される。
このようなレーザ式ガス分析計の従来技術として、例えば、図６に示すものが知られている。図６は、従来技術としての特許文献１に記載されたレーザ式ガス分析計の構成図である。
図６において、１０１ａ，１０１ｂは測定対象ガスが流れる煙道壁である。これらの煙道壁１０１ａ，１０１ｂには、発光部フランジ２０１ａ、受光部フランジ２０１ｂが互いに対向する位置に配置されている。
図６において、１０１ａ，１０１ｂは測定対象ガスが流れる煙道壁である。これらの煙道壁１０１ａ，１０１ｂには、発光部フランジ２０１ａ、受光部フランジ２０１ｂが互いに対向する位置に配置されている。
発光部フランジ２０１ａには、取付金具２０２ａを介して発光部筐体２０３ａが取り付けられており、発光部筐体２０３ａには、レーザ素子２０４、コリメートレンズ２０５等の光学部品が内蔵されている。
受光部フランジ２０１ｂには、取付金具２０２ｂを介して受光部筐体２０３ｂが取り付けられており、受光部筐体２０３ｂには、集光レンズ２０６、受光素子２０７、及び、受光素子２０７の出力信号を処理する受光部回路基板２０８が内蔵されている。
受光部フランジ２０１ｂには、取付金具２０２ｂを介して受光部筐体２０３ｂが取り付けられており、受光部筐体２０３ｂには、集光レンズ２０６、受光素子２０７、及び、受光素子２０７の出力信号を処理する受光部回路基板２０８が内蔵されている。
上記構成において、レーザ素子２０４から出射されたレーザ光が測定対象空間である煙道内部に照射され、レーザ素子２０４に対向して配置された受光部筐体２０３ｂ内の受光素子２０７により受光される。
煙道内部に測定対象ガスが存在する場合には、測定対象ガスの光吸収スペクトルに応じて特定波長のレーザ光が吸収される。上記従来技術は、煙道内部におけるレーザ光の吸収が測定対象ガスの濃度と関連性を有することを利用してガス濃度を検出するものである。
煙道内部に測定対象ガスが存在する場合には、測定対象ガスの光吸収スペクトルに応じて特定波長のレーザ光が吸収される。上記従来技術は、煙道内部におけるレーザ光の吸収が測定対象ガスの濃度と関連性を有することを利用してガス濃度を検出するものである。
この種のガス分析計は、例えばゴミ焼却場の煙道などに設置されることが多く、この煙道内には測定対象ガス以外にダストや水蒸気が存在する。煙道内部のダスト濃度や水分濃度が低い場合には、前述した方法によって測定対象ガス濃度の測定が可能である。
しかしながら、近年、ゴミ焼却等の分野においては最適なプロセス制御の実現を狙って、排ガス処理プロセス内のガス濃度をきめ細かく測定したいというニーズが増加している。一方、排ガス処理プロセスにおいては、ダストや水分が大量に存在する測定箇所も多いため、従来の測定方法ではレーザ光がダストや水分によって完全に遮られてしまい、測定できる箇所が限定されてしまうという問題があった。
しかしながら、近年、ゴミ焼却等の分野においては最適なプロセス制御の実現を狙って、排ガス処理プロセス内のガス濃度をきめ細かく測定したいというニーズが増加している。一方、排ガス処理プロセスにおいては、ダストや水分が大量に存在する測定箇所も多いため、従来の測定方法ではレーザ光がダストや水分によって完全に遮られてしまい、測定できる箇所が限定されてしまうという問題があった。
そこで、本発明の解決課題は、高濃度のダストや水分が存在する環境であっても測定対象ガスの濃度を正確に測定可能なガス分析装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
レーザ素子と、
測定対象ガスの吸収スペクトルを含む波長領域のパルス信号に対し、測定対象ガスの吸収スペクトルの吸収線の一部であって吸収ピーク位置まで走査するような高周波変調信号を重畳して得た高周波変調パルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記高周波変調パルス信号を前記レーザ素子に印加して高周波変調パルス光を出射させるレーザ駆動手段と、
前記高周波変調パルス光をコリメートして測定対象ガスが存在する測定対象空間に照射するレーザ光学系と、
前記測定対象空間を介して受光した前記高周波変調パルス光を電気的な受光信号に変換して出力する受光手段と、
測定対象ガスがあるときの受光信号と測定対象ガスがないときの受光信号から高周波変調成分の振幅変化量を抽出し、この振幅変化量から測定対象ガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えたものである。
レーザ素子と、
測定対象ガスの吸収スペクトルを含む波長領域のパルス信号に対し、測定対象ガスの吸収スペクトルの吸収線の一部であって吸収ピーク位置まで走査するような高周波変調信号を重畳して得た高周波変調パルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記高周波変調パルス信号を前記レーザ素子に印加して高周波変調パルス光を出射させるレーザ駆動手段と、
前記高周波変調パルス光をコリメートして測定対象ガスが存在する測定対象空間に照射するレーザ光学系と、
前記測定対象空間を介して受光した前記高周波変調パルス光を電気的な受光信号に変換して出力する受光手段と、
測定対象ガスがあるときの受光信号と測定対象ガスがないときの受光信号から高周波変調成分の振幅変化量を抽出し、この振幅変化量から測定対象ガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、を備えたものである。
本発明によれば、レーザ素子を高周波変調パルス信号により駆動することで、レーザ光を高出力化することができる。これにより、高濃度のダストや水分が存在するような環境であっても、測定対象ガスの測定に必要なレーザ光量を確保して高精度な測定を行うことができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の全体的な構成を示している。図１において、発光部フランジ２０１ａ、受光部フランジ２０１ｂは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道などの煙道壁１０１ａ，１０１ｂに、溶接等によってそれぞれ固定されている。
まず、図１はこの実施形態の全体的な構成を示している。図１において、発光部フランジ２０１ａ、受光部フランジ２０１ｂは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道などの煙道壁１０１ａ，１０１ｂに、溶接等によってそれぞれ固定されている。
発光部フランジ２０１ａには発光部筐体２０３ａが取り付けられており、発光部筐体２０３ａの内部にはレーザ素子２０４及びコリメートレンズ２０５が気密に配置されている。発光部筐体２０３ａの端部には発光部ケース３が取り付けられ、その内部の発光部回路基板４に実装されたレーザ駆動手段（図示せず）によってレーザ素子２０４を発光させるようになっている。
レーザ素子２０４から出射したレーザ光２は、コリメートレンズ２０５により平行光となり、発光部フランジ２０１ａの中心を通って煙道内部１（煙道壁１０１ａ，１０１ｂの内側の測定対象空間）に照射される。このレーザ光２は、煙道内部１に存在する測定対象ガスによる光吸収の影響を受ける。ここで、コリメートレンズ２０５は請求項におけるレーザ光学系を構成している。
レーザ素子２０４から出射したレーザ光２は、コリメートレンズ２０５により平行光となり、発光部フランジ２０１ａの中心を通って煙道内部１（煙道壁１０１ａ，１０１ｂの内側の測定対象空間）に照射される。このレーザ光２は、煙道内部１に存在する測定対象ガスによる光吸収の影響を受ける。ここで、コリメートレンズ２０５は請求項におけるレーザ光学系を構成している。
一方、受光部フランジ２０１ｂには、受光部筐体２０３ｂが取り付けられている。煙道内部１を通過した前記レーザ光２は、受光部筐体２０３ｂの内部に気密に配置された集光レンズ２０６により集光されて受光素子２０７により受光される。ここで、集光レンズ２０６及び受光素子２０７は、請求項における受光手段を構成している。
受光部筐体２０３ｂの端部には受光部ケース５が取り付けられており、受光素子２０７の出力信号は、受光部ケース５内の受光部回路基板６に実装された受光信号処理回路（図示せず）に入力される。この受光信号処理回路では、増幅及びガスの光吸収による信号変化成分の抽出処理が行われ、煙道内部１に存在する測定対象ガスの濃度信号が得られるようになっている。ここで、受光信号処理回路は、請求項におけるガス濃度検出手段を構成している。
次に、レーザ素子２０４の駆動方法とガス濃度の測定原理について詳しく説明する。
本実施形態において、レーザ素子２０４は、測定対象ガスの吸収スペクトルを含む波長領域のパルス信号が印加されて発光する。このパルス信号波形は単純な方形波ではなく、パルス信号に高周波の正弦波信号が重畳された高周波変調パルス信号である。
本実施形態において、レーザ素子２０４は、測定対象ガスの吸収スペクトルを含む波長領域のパルス信号が印加されて発光する。このパルス信号波形は単純な方形波ではなく、パルス信号に高周波の正弦波信号が重畳された高周波変調パルス信号である。
図２は、レーザ素子２０４を駆動するパルス信号波形と測定対象ガスの吸収スペクトルとの関係を示している。図２において、Ｓ１はレーザ素子２０４を駆動するパルス信号であり、このパルス信号は高周波の正弦波信号により変調されている。図２におけるＳ３は、この高周波変調成分を拡大したものである。このような高周波変調パルス信号Ｓ１を生成するパルス信号発生手段は、前記発光部回路基板４に実装されたレーザ駆動手段に内蔵されている。
また、Ｓ３部分における高周波変調成分の振幅ｄｗは、測定対象ガスの吸収線Ｓ２のちょうど吸収ピーク位置まで走査できるように設定されている。つまり、図２以外の設定例としては、図３に示すような高周波変調パルス信号Ｓ４であってもよい。
また、Ｓ３部分における高周波変調成分の振幅ｄｗは、測定対象ガスの吸収線Ｓ２のちょうど吸収ピーク位置まで走査できるように設定されている。つまり、図２以外の設定例としては、図３に示すような高周波変調パルス信号Ｓ４であってもよい。
レーザ素子２０４を図２または図３に示すような高周波変調パルス信号により駆動し、図１に示した構成によって受光素子２０７がレーザ光（すなわち高周波変調パルス光）２を受光すると、図４または図５に示すように、高周波変調パルス信号Ｓ１，Ｓ４とほぼ同じ波形の受光信号Ｓ１０，Ｓ１１が得られる。なお、図４の受光信号Ｓ１０は図２のパルス信号Ｓ１によりレーザ素子２０４を駆動した場合、図５の受光信号Ｓ１１は図３のパルス信号Ｓ４によりレーザ素子２０４を駆動した場合のものである。
いま、煙道内部１に測定対象ガスが存在すると、受光信号における高周波変調成分の振幅ｄｗが変化する。
例えば、図２の高周波変調パルス信号Ｓ１によりレーザ素子２０４を発光させると図４の受光信号Ｓ１０が得られ、測定対象ガスの有無（濃度）に応じて高周波変調成分の振幅に変化量ｄ１が生じる。この振幅変化量ｄ１は測定対象ガス濃度に比例するため、図１の受光部回路基板６の受光信号処理回路に内蔵された高周波変調振幅検出手段によって振幅変化量ｄ１を抽出し、同じく受光信号処理回路に内蔵されたＡＤコンバータやＣＰＵ等によりガス濃度を演算する。
例えば、図２の高周波変調パルス信号Ｓ１によりレーザ素子２０４を発光させると図４の受光信号Ｓ１０が得られ、測定対象ガスの有無（濃度）に応じて高周波変調成分の振幅に変化量ｄ１が生じる。この振幅変化量ｄ１は測定対象ガス濃度に比例するため、図１の受光部回路基板６の受光信号処理回路に内蔵された高周波変調振幅検出手段によって振幅変化量ｄ１を抽出し、同じく受光信号処理回路に内蔵されたＡＤコンバータやＣＰＵ等によりガス濃度を演算する。
また、図３に示す高周波変調パルス信号Ｓ４によりレーザ素子２０４を発光させた場合も同様であり、図５に示すような受光信号Ｓ１１が得られ、測定対象ガスの濃度に応じて高周波変調成分の振幅に変化量ｄ２が生じる。この振幅変化量ｄ２に対し、前記同様の処理を行ってガス濃度を演算する。
上記のように、レーザ素子２０４を高周波変調パルス信号により駆動してガス濃度を測定する長所は、以下のとおりである。
（１）レーザ光の高出力化
レーザ素子をパルス発光させることにより、連続発光に比べて数倍〜数十倍の光量が得られる。これにより、従来、高濃度のダストや水分でレーザ光が遮られてしまってガス濃度の測定が不可能であった環境でも、測定が可能となる。
（２）レーザ素子の長寿命化
レーザ素子をパルス発光させることにより、連続発光に比べてパルスのデューティ比の分だけレーザ素子の寿命を延ばすことができる。
（３）信号処理の単純化
従来技術として示した特許文献１では、変調周波数の２倍の周波数を検波し、その検波信号からガス濃度を検出するために、非常に複雑な信号処理回路が必要となり、高コストとなっていた。これに対し、本実施形態によれば、高周波変調信号の振幅レベルを検出するだけでよいため、受光信号処理回路の構成や演算処理が簡単になり、コストの低減が可能になる。
（１）レーザ光の高出力化
レーザ素子をパルス発光させることにより、連続発光に比べて数倍〜数十倍の光量が得られる。これにより、従来、高濃度のダストや水分でレーザ光が遮られてしまってガス濃度の測定が不可能であった環境でも、測定が可能となる。
（２）レーザ素子の長寿命化
レーザ素子をパルス発光させることにより、連続発光に比べてパルスのデューティ比の分だけレーザ素子の寿命を延ばすことができる。
（３）信号処理の単純化
従来技術として示した特許文献１では、変調周波数の２倍の周波数を検波し、その検波信号からガス濃度を検出するために、非常に複雑な信号処理回路が必要となり、高コストとなっていた。これに対し、本実施形態によれば、高周波変調信号の振幅レベルを検出するだけでよいため、受光信号処理回路の構成や演算処理が簡単になり、コストの低減が可能になる。
以上のように、本実施形態によれば、煙道内部等の測定対象空間に高濃度のダストや水分が発生した場合においても、測定に必要なレーザ光量を確保して目的とするガス濃度を正確に測定することができる。
なお、上記説明は本発明の代表的な実施形態を示したに過ぎず、例えば、レーザ素子を駆動する高周波変調パルス信号は、図２，図３に示した波形を組み合わせたものであってもよい。従って、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更を含むものである。
なお、上記説明は本発明の代表的な実施形態を示したに過ぎず、例えば、レーザ素子を駆動する高周波変調パルス信号は、図２，図３に示した波形を組み合わせたものであってもよい。従って、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更を含むものである。
１：煙道内部（測定対象空間）
２：レーザ光
３：発光部ケース
４：発光部回路基板
５：受光部ケース
６：受光部回路基板
１０１ａ，１０１ｂ：煙道壁
２０１ａ：発光部フランジ
２０１ｂ：受光部フランジ
２０３ａ：発光部筐体
２０３ｂ：受光部筐体
２０４：レーザ素子
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：受光素子
２：レーザ光
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１０１ａ，１０１ｂ：煙道壁
２０１ａ：発光部フランジ
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２０４：レーザ素子
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：受光素子
Claims (1)
- レーザ素子と、
測定対象ガスの吸収スペクトルを含む波長領域のパルス信号に対し、測定対象ガスの吸収スペクトルの吸収線の一部であって吸収ピーク位置まで走査するような高周波変調信号を重畳して得た高周波変調パルス信号を発生するパルス信号発生手段と、
前記高周波変調パルス信号を前記レーザ素子に印加して高周波変調パルス光を出射させるレーザ駆動手段と、
前記高周波変調パルス光をコリメートして測定対象ガスが存在する測定対象空間に照射するレーザ光学系と、
前記測定対象空間を介して受光した前記高周波変調パルス光を電気的な受光信号に変換して出力する受光手段と、
測定対象ガスがあるときの受光信号と測定対象ガスがないときの受光信号から高周波変調成分の振幅変化量を抽出し、この振幅変化量から測定対象ガス濃度を検出するガス濃度検出手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
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| JP2011239876A JP5915089B2 (ja) | 2011-11-01 | 2011-11-01 | レーザ式ガス分析計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2011239876A Active JP5915089B2 (ja) | 2011-11-01 | 2011-11-01 | レーザ式ガス分析計 |
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