JP5992683B2 - ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス分析装置に関し、特に、配管内を流れる試料ガス中の所定成分の濃度を分析するために配管内に配置されるガス分析用プローブを備えるガス分析装置に関する。

石炭や重油を燃焼させるボイラから排出される燃焼排ガスの中には、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）などの成分が含まれている。

ガス中に含まれる各成分の含有量を分析するためのガス分析装置として、たとえば、配管中のガス流路に交差するようにプローブを配置し、光源からガスに向けて出射された測定光をプローブの先端部に配置されたリフレクタで反射させ、反射された測定光の情報に基づいて試料ガスの成分濃度を分析するものがある。

図８は、従来のガス分析装置に用いられるプローブを模式的に示す断面図である。

図８に示すプローブＡは、内部を測定光が通過する中空のパイプ形状のプローブ管Ｂを備えており、このプローブ管Ｂが煙道Ｃ内のガス流路と交差するように配管側壁Ｄに取り付けられる。

配管側壁ＤはプローブＡを取り付けるための取付部Ｅを有しており、フランジＦを介してプローブＡが取付部Ｅに取り付けられる。

プローブＡの基端部には、プローブ管Ｂ内に測定光を出射する発光部Ｇと、反射光を受光する受光部Ｈとが設けられ、先端部には、発光部Ｇからの測定光を受光部Ｈ側に反射するリフレクタＩが設けられている。

このようにしたプローブＡを用いたガス分析装置では、プローブ管Ｂ内に煙道Ｃ中の試料ガスを導入し、発光部Ｇから出射されリフレクタＩによって反射された測定光を受光部Ｇで受光し、この測定光の特性からガス中の各成分を分析することが可能となる。

しかし、煙道Ｃ中を流れる試料ガスをプローブ管Ｂ内に導入する際に、試料ガスがプローブ管Ｂを介して発光部Ｇ、受光部Ｈ、リフレクタＩなどの光学系部材に到達すると、これら光学系部材が高温の試料ガスに晒されることとなり、粉塵による汚染や腐食などにより劣化するおそれがある。

そこで、光学系部材が高温の試料ガスに晒されることを防止するために、プローブＡにパージガス供給部Ｊを設け、発光部Ｇ及び受光部Ｈとプローブ管Ｂの測定領域との間にパージガスを供給することが行われる。

また、プローブ管Ｂ内に配置されるパージガス供給管（図示せず）によって、プローブ管Ｂの先端部にパージガスを供給して、リフレクタＩが試料ガスに晒されることを防止するように構成することができる。

プローブ管Ｂの基端部は、複数の部品を用いて構成されていることから、その内径が均一ではない。このことから、プローブ管Ｂの内部にパージガスを供給する場合には、プローブ管Ｂ内のパージガスに乱流が発生して、測定光の光路に温度差が生じるおそれがある。

プローブ管Ｂ内に温度差が存在する場合には、熱レンズ効果現象の影響により、測定光であるレーザビームがふらつく、光軸がずれるなどの問題が生じ、受光部における受光状態が不安定となり、測定精度が悪くなるという問題がある。

また、プローブ管Ｂの先端部に対してパージガスを供給するには、パージガス供給管が配置される位置において、プローブ管Ｂ内の温度差が生じることにより、熱レンズ効果現象の影響により、高い測定精度を得ることができないおそれがある。

米国特許第５７８１３０６号明細書

本発明の課題は、配管内を流れる試料ガスの濃度を光学測定系により測定するガス分析用プローブを備えるガス分析装置において、光学系部材を保護するためにプローブ内に導入されるパージガスによってプローブに温度差を生じることを防止し、熱レンズ効果現象の影響を抑制して、測定精度の高めることにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合わせることができる。

本発明の一見地に係るガス分析装置は、管状部材と、光学系部材と、パージガス供給管とを備える。管状部材は、配管内を流れる試料ガスの所定の測定領域に測定光を投光し、及び／又は当該測定領域から測定光を受光するための光路を形成する。光学系部材は、測定領域内の試料ガスに対して測定光を投受光する。パージガス供給管は、光学系部材と測定領域との間の領域にパージガスを供給するためのパージガス流路と測定光の光路とを含む中空部を有し、管状部材の内壁面と間隙を空けて管状部材の内部に配置される。

このガス分析装置では、パージガス供給管が管状部材の内壁面と間隙を空けて配置されていることから、パージガス供給管を通過するパージガスを外気と断熱することができる。また、管状部材が、配管側壁に取り付けるためのフランジとの接合部、パージガス導入のための配管との接合部、光学系部材との接合部などを備えることから、その内径が均一でないような場合であっても、光軸方向に対して段差なく滑らかな内径を有するパージガス供給管を用いることによって、パージガスに乱流を生じることがなく、それにより熱レンズ効果現象の発生を抑制することができる。パージガス供給管の内径は、たとえば、全長にわたって均等な内径を有するものを用いることができる。以上の結果、測定光のふらつきがなく光学系部材によるガス分析処理の測定精度を高めることができ、さらに、設置時における光軸調整などの初期設定を短時間で容易にすることができる。

パージガス供給管の中空部を流れるパージガスは層流であることが好ましい。

内部を流れるパージガスの流速を考慮して、パージガス供給管の径を決定することにより、レイノルズ数を小さくすれば、パージガスに乱流が発生して温度分布の不均一を招くことがなくなる。たとえば、前述したように、全長にわたって均等な内径を有するパージガス供給管を用いることで、さらに内部のパージガスを層流にすることで、外部から伝わる熱による熱レンズ効果現象の発生による測定光のふらつきを抑制して、測定精度を高くすることができる。

パージガス供給管の先端は、測定領域の端部近傍に配置することができる。

この場合、測定領域に導入された試料ガスが光学系部材側に流入することを防止でき、光学系部材の劣化や汚損を防止できる。また、測定領域の端部近傍の温度分布の不均一を防止できる。

パージガス供給管の先端に設けられ、管状部材との間隙を測定領域から遮蔽する遮蔽板をさらに設けることができる。

この場合には、管状部材とパージガス供給管との間隙に試料ガスが流入することがなく、管状部材の温度分布に不均一が生じることを抑制できる。また、管状部材とパージガス供給管との間隙が遮蔽板によって密閉されることにより、この間隙による断熱効果が高くなり、外気温の影響により温度分布が不均一になることを防止できる。

管状部材は、配管内を流れる試料ガスを内部中空内の測定領域に導入するために、配管内の試料ガスの流路に交差して配置することができる。さらに、光学系部材は、管状部材の第１端に設けられ測定光を測定領域に出射する発光部と測定領域内の試料ガスを通過した測定光を受光する受光部とを含む第１光学系部材と、管状部材の第２端に設けられ発光部からの照射光を受光部側に反射するリフレクタで構成される第２光学系部材とを含むことができる。パージガス供給管と管状部材との間隙と連通するとともに第２光学系部材の近傍に先端が位置する先端部パージガス供給管と、先端部パージガス供給管を通過するパージガスの温度分布を均一にするために、パージガス供給管と管状部材との間隙に設けられた攪拌部とをさらに備えることができる。パージガスは、間隙及び先端部パージガス供給管を通って、第２光学系部材近傍に供給される。

この場合、パージガス供給管を介して測定領域の一端に供給されるパージガスが、パージガス供給管と管状部材との間隙を通過することによりパージガス供給管内が断熱され、外気温の影響を受けにくくなる。さらに、パージガス供給管と管状部材との間隙を通過するパージガスは、攪拌部により攪拌されて温度分布が均一になっていることから、パージガス供給管への熱の伝わり方が均一になるため、測定光の光路に存在するパージガスの温度が均一に維持され、熱レンズ効果現象をさらに抑制することができる。

ガス分析装置は、配管の側壁の対向する位置に取り付けられる第１ユニットと第２ユニットを備えることができる。この場合、第１ユニット及び第２ユニットが、それぞれ、第１端が煙道の内部または内周面に位置し第２端が煙道外部に位置する管状部材と、管状部材の第２端に設けられる光学系部材と、管状部材の内壁面と間隙を空けて配置され第１のパージガス経路を構成するパージガス供給管を備える構成とし、管状部材とパージガス供給管との間隙は、管状部材の第１端にパージガスを案内する第２のパージガス経路を構成するとともに、通過するパージガスの温度分布を均一にするための攪拌部を備えるように構成できる。

この場合には、オープンパス方式のガス分析装置に本発明の構成を適用して、測定精度を高めることができる。オープンパス方式のガス分析装置として、たとえば、測定領域に測定光を投受光する発光部及び受光部が第１ユニットに設けられ、発光部からの測定光を受光部に反射するリフレクタが第２ユニットに設けられるような装置、発光部が第１ユニットに設けられ、受光部が第２ユニットに設けられるような装置などに適用できる。

攪拌部は、管状部材とパージガス供給管の間隙を通過するパージガスを攪拌するためにパージガス供給管の外壁面に形成される１または複数の仕切板を含むことができる。

仕切り板として、たとえば、間隙を複数の領域に仕切るための円板状部材を、パージガス供給管の軸方向に離間して１または複数配置することで、間隙を複数の領域に分割することができる。この場合、パージガスは、円板状部材によって仕切られた領域に流入する際に、円板状部材と管状部材の内壁面との間の隙間を通過して乱流を発生し、この領域内において攪拌される。したがって、管状部材とパージガス供給管の間隙を通過するパージガスは、攪拌されて温度分布が均一化し、パージガス供給管への熱の伝わり方が均一になるため、それにより熱レンズ効果現象の発生を抑制することができる。

攪拌部は、パージガス供給管の外壁面に突出する螺旋状の突条部材を含んでもよい。この場合には、管状部材とパージガス供給管との間隙を通過するパージガスが、螺旋状の突条部材に沿ってパージガス供給管の外表面を旋回するように案内されて攪拌される。このことにより、パージガスの温度分布が均一化し、熱レンズ効果現象の発生を抑制することができる。

本発明に係るガス分析装置では、測定光が通過する光路上の温度分布を均一化し、熱レンズ効果現象の発生を防止して、測定精度を高めることができる。

図１は、第１実施形態のガス分析装置の斜視図である。 図２は、第１実施形態のガス分析装置の側面図である。 図３は、第１実施形態のガス分析装置の要部拡大断面図である。 図４は、第２実施形態のガス分析装置の要部拡大断面図である。 図５は、第２実施形態のガス分析装置の要部拡大断面図である。 図６は、第３実施形態のガス分析装置の要部を示す斜視図である。 図７は、第４実施形態のガス分析装置の側面図である。 図８は、従来例のガス分析装置の要部説明図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るガス分析装置１の構成を示す斜視図であり、図２は、その側面図である。

ガス分析装置１は、プローブ管１１（管状部材の一例）と、分析ユニット１２と、フランジ１３と、導光管１４とを有している。

分析ユニット１２（第１光学系部材の一例）は、発光部１５、受光部１６、制御部１７を備えている。

発光部１５は、測定対象となるガスに対して導光管１４及びプローブ管１１を通して測定光となるレーザビームを出射する光源であり、直進性の高い所定波長域の光を照射するための赤外線レーザ発振装置などで構成できる。

受光部１６は、煙道内の測定対象ガスを通して入射する測定光を受光する受光素子である。

制御部１７は、発光部１５からのレーザビームの出射を制御し、受光部１６により受光した測定光に基づいて測定対象であるガスの成分分析を行う。

分析ユニット１２は、導光管１４及びフランジ１３を介してプローブ管１１と接続されている。

プローブ管１１は、内部中空の円筒状に形成されており、配管側壁５１内部に構成される煙道５０内のガス流Ｓに直交するように配置される。

プローブ管１１の測定領域には、ガス流Ｓの下流側に位置して、プローブ管１１内にガスを導入するための開口１８が設けられている。図示した例では、開口１８に複数のリブ１９を設けてプローブ管１１の強度を維持するように構成している。このような開口１８の形状やリブ１９の個数は、図示した例に限定されない。

プローブ管１１の先端部には、分析ユニット１２の発光部１５から出射される測定光を反射するためのリフレクタ２０（第２光学系部材の一例）が設けられている。

リフレクタ２０は、発光部１５から出射された測定光を受光部１６側に反射するものであって、コーナーキューブ・プリズムで構成できる。

ガス分析装置１は、煙道５０を構成する配管側壁５１の取付部５２に取り付けられる。

取付部５２は、たとえば、配管側壁５１の開口５３に取り付けられた設置用パイプ５４で構成できる。

設置用パイプ５４は、円筒状の部材であって、溶接やビス止めなどによって配管側壁５１に固定される。

また、設置用パイプ５４は、ガス分析装置１を固定するための取付フランジ５５を備えており、ガス分析装置１のフランジ１３がこの取付フランジ５５に溶接またはビス止めされることにより、ガス分析装置１が間接的に配管側壁５１に固定される。

設置用パイプ５４とプローブ管１１との間に間隙５６がある場合には、この間隙５６に煙道５０を流れるガス流Ｓの一部が流入しないように、遮蔽板２１を設けることができる。

プローブ管１１は、第１パージガス供給部２２及び第２パージガス供給部２３を備えている。

第１パージガス供給部２２及び第２パージガス供給部２３は、それぞれ分析ユニット１２に設けられた発光部１５、受光部１６などで構成される第１光学系部材及びプローブ管１１の先端部に設けられたリフレクタ２０で構成される第２光学系部材を保護するために、プローブ管１１内にパージガスを供給するものである。

なお、パージガスＰａを第１パージガス供給部２２及び第２パージガス供給部２３に供給するために、流量制御ユニット４８が設けられている。流量制御ユニット４９では、圧力をレギュレータ（図示せず）で制御して、流量計（図示せず）を見ながらニードルバルブ(図示せず）の調整を行うことで、流量を制御している。

図３は、プローブ管１１の一端側における断面図である。

プローブ管１１及び導光管１４の内壁面に間隙２８を空けて、パージガス供給管２６（パージガス供給管の一例）が配置されている。パージガス供給管２６は、プローブ管１１内に配置される部分と導光管１４内に配置される部分が一体に形成されていてもよく、フランジ１３部分においてプローブ管１１側と導光管１４側に分割されていてもよい。

パージガス供給管２６は、中空部を有するパイプ形状であり、第１パージガス供給部２２が接続される接続口３０が設けられている。第１パージガス供給部２２から供給されるパージガスは、接続口３０を介してパージガス供給管２６の中空部に供給され、先端部２７方向に流れる。

また、パージガス供給管２６の中空部は、発光部１５から出射される測定光がリフレクタ２０側に通過し、リフレクタ２０で反射してプローブ管１１の測定領域を通過した測定光が受光部１６側に通過する光路を構成する。

パージガス供給管２６は、第１パージガス供給部２２との接続口３０から、プローブ管１１の測定領域端部の近傍に位置する先端部２７まで、ほぼ均一の内径を有する。

パージガス供給管２６の先端部２７には、プローブ管１１との間隙２８を遮蔽する遮蔽板２９が設けられている。

プローブ管１１の測定領域の一方の端部に位置する上流側には、切欠孔２４が設けられている。切欠孔２４には、ガス流Ｓが流れ込む。

図３に示すように、パージガス供給管２６の先端部２７において、パージガスＰａとガス流Ｓが互いに衝突する。パージガスＰａは、ガス流Ｓによって、プローブ管１１内の測定領域側に流入することが防止される。この結果、測定領域においてパージガスによる測定誤差が生じることがなくなる。また、ガス流Ｓは、パージガスＰａによって、切欠孔２４から流入したガス流Ｓが分析ユニット１２側に流れ込むことが防止される。この結果、発光部１５及び受光部１６などの光学系の汚染及び腐食などを防止できる。このため、切欠孔２４を介してプローブ管１１内に流入するガス流Ｓがパージガス供給管２６の中空部断面全域を横切るように、切欠孔２４の大きさをパージガス供給管２６の内径よりも大きくすることが好ましい。

この実施形態では、プローブ管１１がフランジ１３側において片持ち支持で配管側壁５１に取り付けられている。したがって、フランジ１３近傍の取付部、第１パージガス供給部２２との接合部、分析ユニット１２との接合部などにおいて、プローブ管１１が複雑な構造になり、その内径にばらつきを有する場合がある。そのような場合であっても、パージガス供給管２６を介してプローブ管１１の測定領域一端に対して、パージガスを層流状態で供給することができ、温度分布の不均一を防止することができる。

なお、流量制御ユニット４９による流量制御によって、上述の層流状態を確実に得ることができる。

また、プローブ管１１とパージガス供給管２６との間隙２８が遮蔽板２９によって密閉されていることから、この間隙２８の断熱効果により、パージガス供給管２６を通過するパージガスに外気温の影響による温度分布の不均一が発生することを防止できる。

なお、第２パージガス供給部２３から供給されるパージガスは、導光管１４及びプローブ管１１内に配置されるパージガス供給管（図示せず）によって、プローブ管１１の先端部に供給され、プローブ管１１の切欠孔２５から流入して下流側に流れるガス流Ｓとともに煙道５０内に導入される。このことにより、プローブ管１１内の測定領域側にパージガスが流入することを防止でき、測定領域においてパージガスによる測定誤差が生じることがなくなる。また、第２パージガス供給部２３から供給されるパージガスによって、切欠孔２５から流入したガス流Ｓがリフレクタ２０側に流れ込むことを防止でき、リフレクタ２０の汚染及び腐食を防止できる。この場合も、切欠孔２５の大きさをパージガス供給管の径よりも大きくすることにより、パージガス供給管から流入するパージガスが測定領域に流入することを防止できる。

図２に示すように、プローブ管１１に遮蔽板２１を設けた場合には、設置用パイプ５４とプローブ管１１との間隙５６にガス流Ｓの一部が流入することがなくなり、温度分布の不均一を防止する効果をさらに高めることができる。 パージガス供給管２６の形状は、測定光が通過可能な内部中空を有する構成であればよく、その断面が多角形、楕円形、またはこれらの複合的な形状とすることもできる。
（第２実施形態）
図４及び図５は、本発明の第２実施形態のガス分析装置の要部断面図である。

第２実施形態において、第１実施形態と同一形態の構成要素について同一符号を付して、その詳細な説明を省略することとする。

第２実施形態におけるガス分析装置１は、第１実施形態と同様に、プローブ管１１と、分析ユニット（図示せず）と、フランジ（図示せず）と、導光管１４とを有しており、分析ユニットに取り付けられる発光部及び受光部により測定光の投光及び受光を行って試料ガスの濃度分析を行う。

プローブ管１１の中空部にはプローブ管１１の内壁面と隙間を空けてパージガス供給管２６が配置されている。

パージガス供給管２６は、中空部を有するパイプ形状であり、第１パージガス供給部２２が接続される接続口３０が設けられている。第１パージガス供給部２２から供給されるパージガスは、接続口３０を介してパージガス供給管２６の中空部に供給され、先端部２７方向に流れる。

プローブ管１１には、第２パージガス供給部２３が接続される接続口３１が設けられている。第２パージガス供給部２３をこの接続口３１に接続することにより、第２パージガス供給部２３から供給されるパージガスを、プローブ管１１とパージガス供給管２６の間隙２８に導入することができる。

パージガス供給管２６の先端部２７には、プローブ管１１との間隙２８を遮蔽する遮蔽板２９が設けられており、遮蔽板２９には開口３２が設けられている。遮蔽板２９の開口３２には、プローブ管１１の先端に設けられたリフレクタ２０の近傍にパージガスを供給するための先端部パージガス供給管３３（先端部パージガス供給管の一例）が接続されている。

プローブ管１１の測定領域の両端に位置する上流側には、切欠孔２４、２５が設けられている。切欠孔２４、２５には、ガス流Ｓが流れ込む。

図４に示すように、パージガス供給管２６の先端部２７において、パージガスＰａとガス流Ｓが互いに衝突する。パージガスＰａは、ガス流Ｓによって、プローブ管１１内の測定領域側に流入することが防止される。この結果、測定領域においてパージガスによる測定誤差が生じることがなくなる。また、ガス流Ｓは、パージガスＰａによって、分析ユニット１２側に流れ込むことが防止される。その結果、発光部１５及び受光部１６などの光学系の汚染及び腐食などを防止できる。

図５に示すように、切欠孔２５及び先端部パージガス供給管３３の先端の近傍において、パージガスＰａとガス流Ｓが互いに衝突する。先端部パージガス供給管３３からプローブ管１１の先端部に供給されたパージガスＰａは、プローブ管１１の切欠孔２５から流入して下流側に流れるガス流Ｓとともに煙道５０内に導入される。このことにより、プローブ管１１内の測定領域側にパージガスＰａが流入することを防止でき、測定領域においてパージガスＰａによる測定誤差が生じることがなくなる。また、ガス流Ｓは、パージガスＰａによってリフレクタ２０側に流れ込むことが防止される。その結果、リフレクタ２０の汚染及び腐食を防止できる。

このことから、遮蔽板２９の開口３２及び先端部パージガス供給管３３は、切欠孔２４，２５から導入される試料ガスの流路を妨げないように、プローブ管１１の中心部から偏心した位置に設けられる。図示したように、先端部パージガス供給管３３をプローブ管１１内のガス流Ｓ下流側にすることで、切欠孔２４，２５から導入されるガス流が先端部パージガス供給管３３に衝突して対流が生じることを防止できる。先端部パージガス供給管３３の先端部は、リフレクタ２０の表面であって測定光の光路上にパージガスを供給するために、ガス流の上流側またはリフレクタの中心部に位置することが好ましい。

プローブ管１１とパージガス供給管２６との間隙２８において、パージガス供給管２６の外面に複数の仕切板３４（仕切板の一例）が設けられている。

仕切板３４は、プローブ管１１が円筒形状である場合には、プローブ管１１の内壁面との間に所定の間隔３５ができるように、プローブ管１１の内径よりも小さい径の円板で構成される。このことにより、プローブ管１１とパージガス供給管２６との間隙２８は、仕切板３４によって仕切られた複数のリング状の空洞部３６（攪拌部の一例）が間隔３５で連通した構造となる。なお、仕切板３４は、円板形状に限定されるものではなく、間隙２８を複数の空洞部３６に仕切るとともに各空洞部３６を間隔３５で連通する構成であればよく、プローブ管１１の内壁面の形状やパージガス供給管２６の形状に応じて適宜変更することが可能である。

第２パージガス供給部２３から供給されるパージガスは、接続口３１を介して間隙２８に流入し、パージガス供給管２６の先端部２７にある開口３２を介して先端部パージガス供給管３３に流入する。

間隙２８内を流れるパージガスは、仕切板３４の位置では間隔３５を通過することで流路が狭くなり、空洞部３６に入ると急激に流路が広がることから、図４の矢印Ａ，Ｂ，Ｃで示すような乱れた流れを形成する。

したがって、間隙２８内を流れるパージガスは空洞部３６内で攪拌され、間隙２８の外周であってプローブ管１１の内壁面に沿って通過する気流と、パージガス供給管２６の外壁面に沿って通過する気流とが混ざり合うことになる。

このようにして、先端部パージガス供給管３３に供給されるパージガスは、間隙２８を通過することにより温度分布が均一になっている。したがって、測定領域に配置された先端部パージガス供給管３３を通過するパージガスと、プローブ管１１内に導入される試料ガスとの温度差が少なくなり、つまりプローブ管１１の温度分布が均一になってその結果熱レンズ効果現象の発生を防止できる。
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態のガス分析装置の要部拡大斜視図である。

第３実施形態において、第１実施形態及び第２と同一形態の構成要素について同一符号を付して、その詳細な説明を省略することとする。

第３実施形態におけるガス分析装置１は、第１実施形態と同様に、プローブ管１１と、分析ユニット（図示せず）と、フランジ（図示せず）と、導光管（図示せず）とを有しており、分析ユニットに取り付けられる発光部及び受光部により測定光の投光及び受光を行って試料ガスの濃度分析を行う。

プローブ管１１の中空部にはプローブ管１１の内壁面と隙間を空けてパージガス供給管２６が配置されている。

パージガス供給管２６は、中空部を有するパイプ形状であり、第１パージガス供給部（図示せず）から中空部に供給されるパージガスを先端部２７側に案内する。

プローブ管１１には、第２パージガス供給部（図示せず）が接続されており、第２パージガス供給部から供給されるパージガスが、プローブ管１１とパージガス供給管２６の間隙２８に導入される。

パージガス供給管２６の先端部２７には、プローブ管１１との間隙２８を遮蔽する遮蔽板２９が設けられている。遮蔽板２９には、開口３２が設けられており、プローブ管１１の先端側にパージガスを案内する先端部パージガス供給管３３が開口３２に接続されている。

この場合も、図示したように、先端部パージガス供給管３３をプローブ管１１内のガス流Ｓ下流側にすることで、切欠孔２４から導入されるガス流が先端部パージガス供給管３３に衝突して対流が生じることを防止できる。

パージガス供給管２６の外壁面には螺旋状の突条部材４０（仕切板の一例）が設けられている。突条部材４０は、外周がプローブ管１１の内壁面に当接していてもよく、外周とプローブ管１１の内壁面との間に隙間がある構成であってもよい。この突条部材４０によって、プローブ管１１とパージガス供給管２６の間隙には、パージガス供給管２６の外壁面に沿って旋回する螺旋状のガス通過経路４１（攪拌部の一例）が構成される。

第２パージガス供給部から供給されたパージガスは、プローブ管１１とパージガス供給管２６の間隙に導入され、開口３２に向けて流れる。このとき、パージガスは、パージガス供給管２６の外壁面に設けられた突条部材４０に沿って螺旋状に進行し、ガス通過経路４１内で攪拌されながら開口３２に到達する。

このようにして、先端部パージガス供給管３３に供給されるパージガスは、間隙２８を通過することにより温度分布が均一になっている。したがって、測定領域に配置された先端部パージガス供給管３３を通過するパージガスと、プローブ管１１内に導入される試料ガスとの温度差が少なくなり、それによりプローブ管１１の温度分布が均一になって熱レンズ効果現象の発生を防止できる。
（第４実施形態）
図７は、本願発明の第４実施形態によるガス分析装置１００の断側面図である。

ガス分析装置１００は、配管側壁１５１の対向する位置に配置される第１ユニット１１０（第１ユニットの一例）と第２ユニット１３０（第２ユニットの一例）とを備えている。

第１ユニット１１０は、分析ユニット１１１、第１導光管１１５、第１フランジ１１６、第１スリーブ１１７（管状部材の一例）を備えている。

分析ユニット１１１は、発光部１１２、受光部１１３及び制御部１１４を備える。

発光部１１２は、測定対象となるガスに対して第１導光管１１５及び第１スリーブ１１７を通して測定光となるレーザビームを出射する光源であり、直進性の高い所定波長域の光を照射するための赤外線レーザ発振装置などで構成することができる。

受光部１１３は、煙道内の測定対象ガスを通して入射する測定光を受光する受光素子である。

制御部１１４は、発光部１１２からのレーザビームの出射を制御し、受光部１１３により受光した測定光に基づいて測定対象であるガスの成分分析を行う。

分析ユニット１１１は、第１導光管１１５及び第１フランジ１１６を介して第１スリーブ１１７と接続されている。

第１ユニット１１０の第１導光管１１５及び第１スリーブ１１７の内側には、間隙１１８を空けて第１パージガス供給管１２０が配置されている。第１パージガス供給管１２０は、第１スリーブ１１７内に配置される部分と第１導光管１１５内に配置される部分が一体に形成されていてもよく、第１フランジ１１６部分において第１スリーブ１１７側と第１導光管１１５側に分割されていてもよい。

第１パージガス供給管１２０は、中空部を有するパイプ形状であり、第１パージガス供給部１２１が接続される接続口１２２が設けられている。第１パージガス供給部１２１から供給されるパージガスは、接続口１２２を介して第１パージガス供給管１２０の中空部に供給され、先端部方向に流れる。

このように、第１パージガス供給管１２０の中空部は、第１パージガス供給部１２１から供給されるパージガスの案内経路を提供するとともに、発光部１１２から出射される測定光の経路を提供する。

第１パージガス供給管１２０は、接続口１２２から配管側壁１５１の内周面近傍に位置する先端部１２９まで、ほぼ均一の内径を有する。

このことにより、第１パージガス供給管１２０の中空部を通過するパージガスを層流とすることができ、温度分布の不均一に基づく熱レンズ効果現象の発生を防止できる。

第１導光管１１５には、第２パージガス供給部１２３が接続される接続口１２４が設けられている。第２パージガス供給部１２３をこの接続口１２４に接続することにより、第２パージガス供給部１２３から供給されるパージガスを、第１スリーブ１１７と第１パージガス供給管１２０の間隙１１８に導入することができる。

なお、パージガスＰａを第１パージガス供給部１２１及び第２パージガス供給部１２３に供給するために、流量制御ユニット１４８が設けられている。流量制御ユニット１４８では、圧力をレギュレータ（図示せず）で制御して、流量計（図示せず）を見ながらニードルバルブ(図示せず）の調整を行うことで、流量を制御している。

第１スリーブ１１７と第１パージガス供給管１２０との間隙１１８において、第１パージガス供給管１２０の外面に複数の仕切板１２５（仕切板の一例）が設けられている。

仕切板１２５は、第１スリーブ１１７が円筒形状である場合には、第１スリーブ１１７の内壁面との間に所定の間隔１２６ができるように、第１スリーブ１１７の内径よりも小さい径の円板で構成される。このことにより、第１スリーブ１１７と第１パージガス供給管１２０との間隙１１８は、仕切板１２５によって仕切られた複数のリング状の空洞部１２７（攪拌部の一例）が間隔１２６で連通した構造となる。なお、仕切板１２５は、円板形状に限定されるものではなく、間隙１１８を複数の空洞部１２７に仕切るとともに各空洞部１２７を間隔１２６で連通する構成であればよく、第１スリーブ１１７の内壁面の形状や第１パージガス供給管１２０の形状に応じて適宜変更することが可能である。

第２パージガス供給部１２３から供給されるパージガスは、接続口１２４を介して間隙１１８に流入し、複数の空洞部１２７を介して煙道１５０内に案内される。

間隙１１８内を流れるパージガスは、仕切板１２５の位置では間隔１２６を通過することで流路が狭くなり、空洞部１２７に入ると急激に流路が広がることから、図７の矢印Ａ，Ｂ，Ｃで示すような乱れた流れを形成する。

したがって、間隙１１８内を流れるパージガスは空洞部１２７内で攪拌され、第１スリーブ１１７の内壁面に沿って通過する気流と、第１パージガス供給管１２０の外壁面に沿って通過する気流とが混ざり合うことになる。

このようにして、間隙１１８内を流れるパージガスの温度分布が均一になり、第１パージガス供給管１２０の内部を流れるパージガスが外気の不均一な温度影響を受けることを防止し、測定光の光路上における温度分布を均一にすることができる。その結果、熱レンズ効果現象の発生を防止でき、測定精度を高めることができる。

図７に示す例では、第１スリーブ１１７と第１パージガス供給管１２０との間の間隙１１８は、先端部分において煙道１５０に向けて開放しているが、この先端部分に遮蔽板を設けることも可能である。その場合、第１パージガス供給管１２０の先端部よりもガス流Ｓの上流側に位置して、遮蔽板に開口を設けることで、試料ガスが光学系部材に到達することを防止するパージガスを効果的に流すことができる。

また、このような遮蔽板を第１パージガス供給管１２０の先端部１２９に設けることにより、第１パージガス供給管１２０の先端部１２９を第１スリーブ１１７に固定することができ、第１パージガス供給管１２０の先端部１２９が振動することを防止して測定精度を高めることが可能となる。

第１取付部１５２は、たとえば、配管側壁１５１の開口１５３に設けられる第１取付フランジ１５４を備えている。

第１取付部１５２の開口１５３と、第１スリーブ１１７との間隙１５５を遮蔽するように遮蔽板１２８が取付けられる。

遮蔽板１２８は、配管側壁１５１の内表面１５６近傍に位置して設けられている。このように、遮蔽板１２８が設けられているのが煙道１５０側なので、試料ガスが間隙１５５に流入するのが抑えられる。

遮蔽板１２８は、第１スリーブ１１７の外周面に固定された円板状の部材であり、外周縁が開口１５３の内周面に近接又は当接している。近接の場合は試料ガスの遮断の観点からは隙間が小さいことが好ましい。また、当接の場合は、間隙１５５が遮蔽されて、試料ガスの遮断効果が高くなる。

図示した例では、１つの遮蔽板１１９を第１スリーブ１１７に取り付けた例を示しているが、複数の遮蔽板を第１スリーブ１１７の軸方向に隙間を空けて配置することも可能であり、この場合にはさらに試料ガスが間隙１５５に流入しにくい。

第２ユニット１３０は、リフレクタ１３１、第２導光管１３２、第２フランジ１３３、第２スリーブ１３４（管状部材の一例）を備えている。

リフレクタ１３１は、発光部１１２から出射された測定光を受光部１１３側に反射するものであって、コーナーキューブ・プリズムで構成することができる。

リフレクタ１３１は、第２導光管１３２及び第２フランジ１３３を介して第２スリーブ１３４と接続されている。

第２ユニット１３０の第２導光管１３２及び第２スリーブ１３４の内側には、間隙１３５を空けて第２パージガス供給管１３６が配置されている。第２パージガス供給管１３６は、第２スリーブ１３４内に配置される部分と第２導光管１３４内に配置される部分が一体に形成されていてもよく、第２フランジ１３３部分において第２スリーブ１３４側と第２導光管１３２側に分割されていてもよい。

第２パージガス供給管１３６は、中空部を有するパイプ形状であり、第３パージガス供給部１３７が接続される接続口１３８が設けられている。第３パージガス供給部１３７から供給されるパージガスは、接続口１３８を介して第２パージガス供給管１３６の中空部に供給され、先端部方向に流れる。

このように、第２パージガス供給管１３６の中空部は、第３パージガス供給部１３７から供給されるパージガスの案内経路を提供するとともに、発光部１１２から出射されリフレクタ１３１によって反射される測定光の経路を提供する。

第２パージガス供給管１３６は、接続口１３８から配管側壁１５１の内周面近傍に位置する先端部１４５まで、ほぼ均一の内径を有する。

このことにより、第２パージガス供給管１３６の中空部を通過するパージガスを層流とすることができ、温度分布の不均一に基づく熱レンズ効果現象の発生を防止できる。

第２導光管１３２には、第４パージガス供給部１３９が接続される接続口１４０が設けられている。第４パージガス供給部１３９をこの接続口１４０に接続することにより、第４パージガス供給部１３９から供給されるパージガスを、第２スリーブ１３４と第２パージガス供給管１３６の間隙１３５に導入することができる。

なお、パージガスＰａを第３パージガス供給部１３７及び第４パージガス供給部１３９に供給するために、流量制御ユニット１４９が設けられている。流量制御ユニット１４９では、圧力をレギュレータ（図示せず）で制御して、流量計（図示せず）を見ながらニードルバルブ(図示せず）の調整を行うことで、流量を制御している。

第２スリーブ１３４と第２パージガス供給管１３６との間隙１３５において、第２パージガス供給管１３６の外面に複数の仕切板１４１が設けられている。

仕切板１４１は、第２スリーブ１３４が円筒形状である場合には、第２スリーブ１３４の内壁面との間に所定の間隔１４２ができるように、第２スリーブ１３４の内径よりも小さい径の円板で構成される。このことにより、第２スリーブ１３４と第２パージガス供給管１３６との間隙１３５は、仕切板１４１によって仕切られた複数のリング状の空洞部１４３が間隔１４２で連通した構造となる。なお、仕切板１４１は、円板形状に限定されるものではなく、間隙１３５を複数の空洞部１４３に仕切るとともに各空洞部１４３を間隔１４２で連通する構成であればよく、第２スリーブ１３４の内壁面の形状や第２パージガス供給管１３６の形状に応じて適宜変更することが可能である。

第４パージガス供給部１３９から供給されるパージガスは、接続口１４０を介して間隙１３５に流入し、複数の空洞部１４３を介して煙道１５０内に案内される。

間隙１３５内を流れるパージガスは、仕切板１４１の位置では間隔１４２を通過することで流路が狭くなり、空洞部１４３に入ると急激に流路が広がることから、第１スリーブ１１７側と同様の乱流が形成される。

したがって、間隙１３５内を流れるパージガスは空洞部１４３内で攪拌され、第２スリーブ１３４の内壁面に沿って通過する気流と、第２パージガス供給管１３６の外壁面に沿って通過する気流とが混ざり合うことになる。

このようにして、間隙１３５内を流れるパージガスの温度分布が均一になり、第２パージガス供給管１３６の内部を流れるパージガスが外気の影響を受けることを防止し、測定光の光路上における温度分布を均一にすることができる。その結果、熱レンズ効果現象の発生を防止でき、測定精度を高めることができる。

図７に示す例では、第２スリーブ１３４においても、第２パージガス供給管１３６との間の間隙１３５が煙道１５０に向けて開放した構成となっているが、この先端部分に遮蔽板を設けることも可能である。その場合、第２パージガス供給管１３６の先端部よりもガス流Ｓの上流側に位置して、遮蔽板に開口を設けることで、試料ガスが光学系部材に到達することを防止するパージガスを効果的に流すことができる。

また、このような遮蔽板を第２パージガス供給管１３６の先端部１４５に設けることにより、第２パージガス供給管１３６の先端部１４５を第２スリーブ１３４に固定することができ、第２パージガス供給管１３６の先端部１４５が振動することを防止して測定精度を高めることが可能となる。

第２取付部１６０は、たとえば、配管側壁１５１の開口１６１に設けられる第２取付フランジ１６２を備えている。

第２取付部１６０の開口１６１と、第２スリーブ１３４との間隙１６３を遮蔽するように遮蔽板１６４が取付けられる。

遮蔽板１６４は、配管側壁１５１の内表面１５６近傍に位置して設けられている。このように、遮蔽板１６４が設けられているのが煙道１５０側なので、試料ガスが間隙１６３に流入するのが抑えられる。

遮蔽板１６４は、第２スリーブ１３４の外周面に固定された円板状の部材であり、外周縁が開口１６１の内周面に近接又は当接している。近接の場合は試料ガスの遮断の観点からは隙間が小さいことが好ましい。また、当接の場合は、間隙１６３が遮蔽されて、試料ガスの遮断効果が高くなる。

図示した例では、１つの遮蔽板１６４を第２スリーブ１３４に取り付けた例を示しているが、複数の遮蔽板を第２スリーブ１３４の軸方向に隙間を空けて配置することも可能であり、この場合にはさらに試料ガスが間隙１６３に流入しにくい。

第４実施形態では、投受光を行う光学系部材を備える第１ユニット１１０と、リフレクタを含む光学系部材を備える第２ユニット１３０が、配管側壁１５１の対向する位置に取り付けられた場合に、パージガスによって試料ガスが光学系部材に到達することを防止して光学系部材の汚染を防止するとともに、測定光の光路上に位置するパージガスの温度分布を均一にして熱レンズ効果現象の発生を防止している。

第１スリーブ１１７及び第２スリーブ１３４の先端は、配管側壁１５１の内表面１５６よりも煙道１５０内に突き出した構成とすることもできる。たとえば、測定領域の長さを配管側壁１５１の内径よりも短く設定する場合には、第１スリーブ１１７の先端部及び第２スリーブ１３４の先端部の距離が測定領域の長さに一致するように、第１スリーブ１１７及び第２スリーブ１３４の長さを設定する。

この場合、第１パージガス供給管１２０の先端部１２９及び第２パージガス供給管１３６の先端部１４５が、それぞれ第１スリーブ１１７及び第２スリーブ１３４の先端部と同位置になるようにする。

円板形状の仕切板１２５及び仕切板１４１に代えて、第１パージガス供給管１２０及び第２パージガス供給管１３４の外壁面に螺旋状の突条部材を設けることができる。

突条部材は、第３実施例と同様の構成とすることができ、第１スリーブ１１７及び第２スリーブ１３４の内壁面に当接していてもよく、第１スリーブ１１７及び第２スリーブ１３４の内壁面との間に隙間がある構成であってもよい。

この突条部材によって、第１スリーブ１１７と第１パージガス供給管１２０の間隙１１８、第２スリーブ１３４と第２パージガス供給管１３６の間隙１３５には、螺旋状のガス通過経路が構成され、供給されるパージガスがガス通過経路内で攪拌されながら煙道１５０内に導入される。

このことにより、第１スリーブ１１７と第１パージガス供給管１２０の間隙１１８、第２スリーブ１３４と第２パージガス供給管１３６の間隙１３５を通過したパージガスの温度が均一になり、第１パージガス供給管１２０及び第２パージガス供給管１３６の内部を通過するパージガスの温度分布が均一になる。

したがって、測定光の光路を構成する第１パージガス供給管１２０及び第２パージガス供給管１３６の内部の温度分布が均一になることで、熱レンズ効果現象が発生することを防止し、測定精度を向上させることが可能となる。

投光部と受光部が配管側壁を挟んで対向する位置に取り付けられている場合についても、パージガス供給管を２重管構造に構成することが可能である。

（変形例Ａ）
パージガス供給管２６は、発光部１５からの出射する測定光の経路のみを含む第１パージガス供給管と、測定領域を通過して受光部１６により受光される測定光の経路のみを含む第２パージガス供給管とを独立したものとすることができる。

この場合には、第１パージガス供給管及び第２パージガス供給管にそれぞれパージガスを供給する手段を別に設ける必要がある。

このようにした場合、パージガスを供給するための管径を小さくすることができ、光学系部材を保護するためのパージガスの流量を軽減することができる。
（変形例Ｂ）
パージガス供給管２６は、断面が楕円形状のパイプを用いることができる。

この場合には、発光部１５及び受光部１６の配置状態に合わせて、パージガスの流路径を小さくすることができ、光学系部材を保護するためのパージガスの流量を軽減することができる。

また、パージガス供給管２６は、種々の断面形状とすることができ、三角形、四角形を含む多角形、及び円、楕円と多角形を組み合わせた形状にすることが可能である。

この場合、プローブ管１１やその他の部材の形状に基づく設計上の自由度を高めることができる。

（変形例Ｃ）
前述した実施形態では、プローブ管１１とパージガス供給管２６との二重管構造を提案しているが、プローブ管１１とパージガス供給管２６との間に、１以上の管部材を挿入して多重管構造とすることもできる。

この場合には、管部材同士の間にできる間隙による断熱機能によって、パージガス供給管２６内を流れるパージガスの温度が均一に維持され、それにより熱レンズ効果現象の発生を防止できる。

（変形例Ｄ）
前記実施形態では撹拌部として仕切板３４と突条部材４０が例示されたが、他の形状であってもよい。

（変形例Ｅ）
前記実施形態ではパージガス供給管２６の内径は流路方向に沿って均一であったが、パージガス供給管は内径が異なる部分を有していてもよい。

（変形例Ｆ）
各実施形態では、測定光としてレーザビームを用いたガス分析装置を開示したが、その他の光源を用いたガス分析装置に適用することが可能である。
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

たとえば、プローブの種類、ガスの種類、仕切板の位置、仕切板の枚数、仕切板の形状、仕切板のサイズ、突条部材の形状、突条部材のピッチは、それぞれを変形したものを組み合わせて構成することが可能である。

投光部と受光部が配管側壁を挟んで対向する位置に取り付けられている場合についても、本発明の構成を適用することができる。たとえば、第４実施形態の第１ユニット１１０及び第２ユニット１３０のうちの一方の発光部を備え、他方に受光部を備える構成とすることができる。

このような場合にも、発光部を含むユニット及び受光部を備えるユニットのそれぞれに２重管の構造を設けることにより、発光部及び受光部に試料ガスが到達することを防止し、パージガスの温度分布を均一することで、熱レンズ効果現象の発生に基づく測定光のふらつきを抑制して、測定精度を高めることができる。

本発明は、配管内を流れる試料ガス中の所定成分の濃度を分析するために配管内に配置されるガス分析用プローブを備えるガス分析装置に広く適用できる。

１ ガス分析装置
１１ プローブ管
１２ 分析ユニット
２６ パージガス供給管
３５ 仕切板
３６ 空洞部
４０ 突条部材
４１ ガス通過経路

Claims (7)

1. 配管内を流れる試料ガスの所定の測定領域に測定光を投光し、及び／又は当該測定領域から測定光を受光するための光路を形成する管状部材と、
   前記測定領域内の試料ガスに対して測定光を投光し、及び／またはその測定領域から測定光を受光する光学系部材と、
   前記光学系部材と前記測定領域との間の領域にパージガスを供給するためのパージガス流路と前記測定光の光路とを含む中空部を有し、前記管状部材の内壁面と第１間隙を空けて前記管状部材の内部に配置されるパージガス供給管と、
   前記配管の側壁の開口に設けられた取付部に、前記管状部材の外壁面と前記取付部の内壁面との間に第２間隙を形成するよう固定されるフランジと、
   を備えるガス分析装置。
2. 前記パージガス供給管の中空部を流れるパージガスは層流である、請求項１に記載のガス分析装置。
3. 前記パージガス供給管の先端は、前記測定領域の端部近傍に配置される、請求項１または２に記載のガス分析装置。
4. 前記パージガス供給管の先端に設けられ、前記管状部材との前記第１間隙を前記測定領域から遮蔽する遮蔽板をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載のガス分析装置。
5. 前記パージガス供給管と前記管状部材との前記第１間隙は、前記光学系部材と前記測定領域との間の領域にパージガスを供給するための第２のパージガス流路を構成し、
   前記第２のパージガス流路を通過するパージガスを攪拌するために、前記パージガス供給管と前記管状部材との前記第１間隙に設けられた攪拌部をさらに備える、請求項１〜４のいずれかに記載のガス分析装置。
6. 前記管状部材は、前記配管内を流れる試料ガスを内部中空内の前記測定領域に導入するために、配管内の試料ガスの流路に交差して配置され、
   前記光学系部材は、管状部材の第１端に設けられ前記測定光を測定領域に出射する発光部と前記測定領域内の試料ガスを通過した測定光を受光する受光部とを含む第１光学系部材と、前記管状部材の第２端に設けられ前記発光部からの照射光を前記受光部側に反射するリフレクタで構成される第２光学系部材とを含み、
   前記パージガス供給管と前記管状部材との前記第１間隙と連通するとともに前記第２光学系部材の近傍に先端が位置する先端部パージガス供給管と、
   をさらに備え、前記第２のパージガス流路と前記先端部パージガス供給管とを通って、前記第２光学系部材近傍にパージガスが供給される、請求項５に記載のガス分析装置。
7. 前記攪拌部は、前記管状部材と前記パージガス供給管との前記第１間隙を通過するパージガスを攪拌するために前記パージガス供給管の外壁面に設けられた１または複数の仕切板を含む、請求項５または６に記載のガス分析装置。
   

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