JP6044760B2 - Laser gas analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、煙道内のガス等の各種ガス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。 The present invention relates to a laser type gas analyzer that measures various gas concentrations such as gas in a flue with a laser beam.
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。
図19はアンモニア(NH3)の光吸収スペクトルの例であり、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。
このような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、レーザ式ガス分析計が知られている。この分析計は、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光源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・原子によるレーザ光の吸収を利用してガス濃度を計測するものである。
It is known that each gas molecule / atom has its own light absorption spectrum.
FIG. 19 is an example of a light absorption spectrum of ammonia (NH 3 ). The horizontal axis of the graph indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the light absorption rate.
Laser gas analyzers are known as gas analyzers that detect various gas concentrations using such light absorption spectra. This analyzer irradiates the measurement target gas with light emitted from a laser light source having the same emission wavelength region as the light absorption spectrum of the measurement target gas, and utilizes the absorption of laser light by the molecules and atoms of the measurement target gas. Concentration is measured.
レーザ光を用いたガス分析計は、このように特定波長の吸収量がガスの濃度に比例する原理に基づいて、ガス濃度を測定する。ここで、吸収線の中心の波長fc における減衰量は、ガスの濃度に比例する。したがって、fc の発振波長をもつ半導体レーザ光をガスに照射し、その減衰量を測定し適当な係数を掛けることでガスの濃度を推定することができる。 The gas analyzer using laser light measures the gas concentration based on the principle that the absorption amount at a specific wavelength is proportional to the gas concentration. Here, the attenuation at the wavelength fc at the center of the absorption line is proportional to the gas concentration. Therefore, the concentration of the gas can be estimated by irradiating the gas with semiconductor laser light having an oscillation wavelength of fc, measuring the attenuation, and multiplying the gas by an appropriate coefficient.
このようにレーザ光を用いたガス分析による濃度計測方法は、大きく差分吸収方式と周波数変調方式がある。通常、差分吸収方式では、比較的簡単な構成でガス濃度の測定が可能である。一方、周波数変調方式では、信号処理が複雑になるが高感度なガス濃度測定が可能である。 As described above, the concentration measurement method based on the gas analysis using the laser beam includes a differential absorption method and a frequency modulation method. Usually, in the differential absorption method, the gas concentration can be measured with a relatively simple configuration. On the other hand, with the frequency modulation method, signal processing is complicated, but highly sensitive gas concentration measurement is possible.
差分吸収方式によりガス濃度を測定する装置は、例えば特許文献1(特開平7−151681号公報、発明の名称「ガス濃度測定装置」)に記載されている。このガス濃度測定装置は、特許文献1の図8で示すように、2波長式半導体レーザ、ガスセル、受光レンズ、受光部、ガス濃度測定装置を備えた装置である。
An apparatus for measuring a gas concentration by a differential absorption method is described in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681, “Gas Concentration Measuring Device”). As shown in FIG. 8 of
そして、図20の差分吸収方式による濃度測定原理でも示すように、吸収線の中心波長fcを発振波長とするレーザ光と、吸収線の無い中心波長frを発振波長とするレーザ光と、という2種のレーザ光をガスに照射し、それぞれの受光部が出力する信号の強度を差分して得た信号強度差に適当な比例定数を掛けて濃度に換算する、というものである。 Then, as shown in concentration measurement principle of the differential absorption method of FIG. 20, a laser beam for the laser beam to the center wavelength f c of the absorption line and the oscillation wavelength, the free central wavelength f r absorption line and the oscillation wavelength, The gas is irradiated with the two types of laser light, and the signal intensity difference obtained by subtracting the intensity of the signal output from each light receiving unit is multiplied by an appropriate proportionality constant to be converted into a concentration.
また、周波数変調方式によりガス濃度を測定する装置も、例えば先に述べた特許文献1に記載されている。このガス濃度測定装置は、特許文献1の図7で示すように、周波数変調式半導体レーザ、ガスセル、受光レンズ、受光部、ガス濃度測定装置を備えた装置である。
An apparatus for measuring a gas concentration by a frequency modulation method is also described in, for example,
そして、図21の周波数変調方式による濃度測定原理で示すように、中心波長fc、変調周波数fmで半導体レーザの出力を周波数変調し、対象となる測定対象ガスに照射する。ガスの吸収線は波長に対してほぼ2次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし受光部では変調周波数fmの2倍の周波数の信号(2倍波)が得られる。そして、受光部でエンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記2倍波の振幅の比を位相同期させることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得る、というものである。 Then, as shown in concentrations measuring principle according to the frequency modulation scheme of Figure 21, the center wavelength f c, the output of the semiconductor laser is frequency-modulated at a modulation frequency f m, is irradiated to the measurement target gas of interest. Since the absorption line of the gas is almost quadratic function with respect to the wavelength, twice the frequency of the signal (second harmonic) is obtained in the modulation frequency f m in the role played light receiving portion of the absorption lines discriminator It is done. The fundamental wave by amplitude modulation can be estimated by performing envelope detection at the light receiving unit, and the ratio of the amplitude of the fundamental wave to the amplitude of the second harmonic wave is phase-synchronized to be proportional to the gas concentration regardless of the distance. To get a value.
そして、レーザ光を用いたガス分析計の従来技術としては、例えば、図22に示すレーザ式ガス分析計が知られている。なお、このレーザ式ガス分析計は、特許文献2(特開2009−47677号公報、発明の名称「レーザ式ガス分析計」)に記載されているものである。 For example, a laser gas analyzer shown in FIG. 22 is known as a conventional technique of a gas analyzer using laser light. This laser type gas analyzer is described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-47677, title of the invention “laser type gas analyzer”).
図22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が対向した位置にそれぞれ配置されている。
In FIG. 22,
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が取り付けられている。この発光部筐体203aには、レーザ光源204とコリメートレンズ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を介して受光部筺体203bが取り付けられている。この受光部筺体203bには、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。
A light
上記構成において、レーザ光源204から出射されたレーザ光は測定対象空間である煙道内部に照射され、レーザ光源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。
この受光により、煙道内部に測定対象ガスが存在する場合にはレーザ光が吸収されるので、この光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、受光部回路基板208上の受光信号処理回路が測定対象ガス濃度を演算するものである。
In the above configuration, the laser light emitted from the
When the measurement target gas is present inside the flue due to this light reception, the laser light is absorbed. Therefore, the light
この種のレーザ式ガス分析計は、例えばゴミ焼却場等の煙道に設置されることが多い。この煙道内には測定対象ガス以外に煤塵(ダスト)や水が存在する。ダストによる光量減衰の影響は、特許文献2に記載された従来技術によって補正することが可能であり、仮に煙道内にダストが存在しても、ガス濃度を正確に測定することができる。
This type of laser gas analyzer is often installed in a flue such as a garbage incinerator. In this flue, dust and water are present in addition to the gas to be measured. The influence of light amount attenuation due to dust can be corrected by the conventional technique described in
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SO2,NO,NO2等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。
これらのガスは、中赤外領域に光吸収スペクトルが存在する。例えば、図23はSO2の光吸収スペクトルであり、このような光吸収スペクトルを検出するためには、レーザ光源として、量子カスケードレーザ等の中赤外領域の波長のレーザ光を出射するものを用いることが好ましい。
However, in recent years, in the field of refuse incineration and the like, there is an increasing need for finely measuring gas concentrations of SO 2 , NO, NO 2 and the like in the exhaust gas treatment process with the aim of realizing optimal process control.
These gases have a light absorption spectrum in the mid-infrared region. For example, FIG. 23 shows a light absorption spectrum of SO 2. In order to detect such a light absorption spectrum, a laser light source that emits laser light having a wavelength in the mid-infrared region such as a quantum cascade laser is used. It is preferable to use it.
しかし、この中赤外領域には、測定対象ガスであるSO2の光吸収スペクトル以外に、水の光吸収スペクトルが多数存在している。図24は、水の光吸収スペクトルを示しており、この光吸収スペクトルを外してSO2濃度を測定することは非常に困難である。
すなわち、測定対象空間の水分濃度が高い場合、レーザ光源としての量子カスケードレーザから出射されるレーザ光は測定対象ガス以外に水の影響を受けるため、著しく減衰してしまう。
However, in this mid-infrared region, there are many light absorption spectra of water in addition to the light absorption spectrum of SO 2 that is the measurement target gas. FIG. 24 shows the light absorption spectrum of water, and it is very difficult to measure the SO 2 concentration by removing this light absorption spectrum.
That is, when the moisture concentration in the measurement target space is high, the laser light emitted from the quantum cascade laser as the laser light source is affected by water other than the measurement target gas, and thus is significantly attenuated.
例えば、SO2の光吸収スペクトル波長(約7.2μm)を検出する条件において、水による吸収の影響を実験的に調べた場合の受光信号(言い換えれば受光光量)のレベルを図25に示す。
受光光量の減衰がダストによる影響だけであれば、特許文献2に記載された方法により補正が可能であるが、図25によれば、水分濃度(体積濃度)が高くなるにつれて受光光量が減衰することがわかる。このため、従来のレーザ式ガス分析計では、測定対象空間に水分が存在すると測定対象ガスの測定値が減衰してしまい、ガス濃度を正確に測定できないという問題があった。
For example, FIG. 25 shows the level of the received light signal (in other words, the received light amount) when the influence of absorption by water is experimentally investigated under the condition for detecting the optical absorption spectrum wavelength (about 7.2 μm) of SO 2 .
If the attenuation of the amount of received light is only affected by dust, it can be corrected by the method described in
また、ガス濃度測定方法は、特許文献1にも記載のように、吸収スペクトルのピーク付近をその発振波長付近で発光するレーザ素子などによってスキャンし、光量のわずかな変化を捉える方法である。例えば、図26に示すようなスペクトルを持つHClガスは、使用する近赤外レーザ素子が走査できる波長範囲に、測定対象ガス成分の吸収を受けない波長の光を含むことが可能である。そのため、測定対象ガス成分の吸収を受けない波長の光を利用して受光光量補正を用いた正確なガス濃度測定が可能である。
Further, as described in
ところが、図27に示すようなスペクトルを持つSO2ガスは、使用する中赤外レーザ素子の発光可能な波長範囲に測定対象ガス成分の吸収を受けないような波長の光が含まれていない。そのため、測定対象ガスによってDC的な吸収が発生する。ダストによる光量減少はDC的であり、SO2のようなガスを中赤外光で測定する場合は、測定対象ガスによる吸収なのか、ダストによる光量減衰なのかを判定し、受光光量補正を行い正確なガス濃度測定を行うことが困難である。 However, the SO 2 gas having a spectrum as shown in FIG. 27 does not include light of a wavelength that does not receive absorption of the gas component to be measured in the wavelength range in which the mid-infrared laser element used can emit light. Therefore, DC absorption occurs due to the measurement target gas. Light amount decreasing by dust is DC, when measured in the mid-infrared light gases such as SO 2, either the absorption by the gas for measurement, determines whether the amount of light attenuation due to dust, perform light amount correction It is difficult to perform accurate gas concentration measurement.
そこで本発明の解決課題は、高濃度の水分やダストが存在する測定環境であっても測定対象ガスの濃度を高精度に測定可能としたレーザ式ガス分析計を提供することにある。 Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a laser type gas analyzer capable of measuring the concentration of a measurement target gas with high accuracy even in a measurement environment where a high concentration of moisture and dust exists.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、
測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長のレーザ光を出射する中赤外レーザ発光部と、
前記中赤外レーザ発光部を駆動する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部から出射されたレーザ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中赤外レーザ光学部と、
前記中赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な中赤外受光信号として出力する中赤外受光部と、
前記中赤外受光信号から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から測定対象ガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
を有するレーザ式ガス分析計において、
すくなくとも測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まない近赤外領域の波長のレーザ光を出射する近赤外レーザ発光部と、
前記近赤外レーザ発光部を駆動する近赤外レーザ駆動部と、
前記近赤外レーザ発光部から出射されたレーザ光をコリメートして測定対象空間に照射する近赤外レーザ光学部と、
前記近赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な近赤外受光信号として出力する近赤外受光部と、
前記近赤外光受光信号から前記空間のダストによる光量減少量を検出する光量減少量検出部と、
前記ガス濃度演算部により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、前記光量減少量検出部により求めた光量減少量を用いて補正するガス濃度補正部と、
を備えたことを特徴とするものである。
In order to solve the above problem, the invention according to
A mid-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the mid-infrared region including the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A mid-infrared laser driving section for driving the mid-infrared laser emitting section;
A mid-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the mid-infrared laser emission unit and irradiates the measurement target space where the measurement target gas exists; and
A mid-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the mid-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical mid-infrared light reception signal;
A gas concentration calculation unit that extracts a signal component affected by light absorption by the measurement target gas from the mid-infrared light reception signal, and calculates a measurement target gas concentration from a change amount of the signal component;
In a laser gas analyzer having
A near-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the near-infrared region that does not include at least the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A near infrared laser driving section for driving the near infrared laser emitting section;
A near-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the near-infrared laser light emitting unit and irradiates the space to be measured;
A near-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the near-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical near-infrared light reception signal;
A reduction in the amount of light detection unit that detects a reduction in the amount of light due to the dust of the space from the near-infrared light receiving optical signals,
A gas concentration correction unit that corrects the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculation unit using the light amount reduction amount obtained by the light amount reduction amount detection unit;
It is characterized by comprising.
請求項2に係る発明は、
測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長のレーザ光を出射する中赤外レーザ発光部と、
前記中赤外レーザ発光部を駆動する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部から出射されたレーザ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中赤外レーザ光学部と、
前記中赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な中赤外受光信号として出力する中赤外受光部と、
前記中赤外受光信号から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から測定対象ガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
を有するレーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まず、かつ、測定対象空間に存在する水の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長のレーザ光を出射する近赤外レーザ発光部と、
前記近赤外レーザ発光部を駆動する近赤外レーザ駆動部と、
前記近赤外レーザ発光部から出射されたレーザ光をコリメートして測定対象空間に照射する近赤外レーザ光学部と、
前記近赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な近赤外受光信号として出力する近赤外受光部と、
前記近赤外受光信号から測定対象領域に存在する水による光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から水分濃度に相当する光量減少量を演算する水分濃度演算部と、
前記ガス濃度演算部により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、前記水分濃度演算部により求めた水分濃度に相当する光量減少量を用いて補正するガス濃度補正部と、
を備えたことを特徴とするものである。
The invention according to
A mid-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the mid-infrared region including the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A mid-infrared laser driving section for driving the mid-infrared laser emitting section;
A mid-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the mid-infrared laser emission unit and irradiates the measurement target space where the measurement target gas exists; and
A mid-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the mid-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical mid-infrared light reception signal;
A gas concentration calculation unit that extracts a signal component affected by light absorption by the measurement target gas from the mid-infrared light reception signal, and calculates a measurement target gas concentration from a change amount of the signal component;
In a laser gas analyzer having
A near-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the near-infrared region that does not include the light absorption spectrum of the measurement target gas and includes the light absorption spectrum of water present in the measurement target space;
A near infrared laser driving section for driving the near infrared laser emitting section;
A near-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the near-infrared laser light emitting unit and irradiates the space to be measured;
A near-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the near-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical near-infrared light reception signal;
A moisture concentration calculation unit that extracts a signal component affected by light absorption by water existing in the measurement target region from the near-infrared light reception signal, and calculates a light amount reduction amount corresponding to the moisture concentration from the change amount of the signal component When,
A gas concentration correction unit that corrects the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculation unit using a light amount reduction amount corresponding to the water concentration obtained by the moisture concentration calculation unit;
It is characterized by comprising.
請求項3に係る発明は、
請求項2に記載のレーザ式ガス分析計において、
水分濃度演算部が、ダストによる光量減少量検出を併せて行い、ダストによる光量減少量および水分濃度に相当する光量減少量を用いて補正することを特徴とするものである。
The invention according to
The laser gas analyzer according to
Water concentration calculation unit, have rows together reduction in the amount of light detected by the dust, is characterized in that the corrected using the reduction in the amount of light corresponding to the reduction in the amount of light and water content by dust.
請求項4に係る発明は、
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載したレーザ式ガス分析計において、
前記中赤外レーザ発光部から出射される中赤外領域のレーザ光の波長が3〜10μmであり、前記近赤外レーザ発光部から出射される近赤外領域のレーザ光の波長が0.7〜3μmであることを特徴とするものである。
The invention according to
In the laser type gas analyzer according to any one of
The wavelength of the laser beam in the mid-infrared region emitted from the mid-infrared laser emission unit is 3 to 10 μm, and the wavelength of the laser beam in the near-infrared region emitted from the near-infrared laser emission unit is 0. It is 7 to 3 μm.
本発明によれば、高濃度の水分やダストが存在する環境において、中赤外レーザ発光部を用いてSO2等のガス濃度を測定する場合にも、測定対象空間に存在する水分の影響を除去して測定に必要なレーザ光量を確保することができ、目的とするガス濃度を高精度に測定することができる。 According to the present invention, even when measuring the gas concentration of SO 2 or the like using a mid-infrared laser emitting unit in an environment where high concentration of moisture or dust exists, the influence of moisture present in the measurement target space is reduced. The amount of laser light required for the measurement can be secured by removing, and the target gas concentration can be measured with high accuracy.
以下、図に沿って本発明の第1の実施形態を説明する。本形態では特にダストが存在する環境において、中赤外レーザ発光部を用いてSO2等のガス濃度を測定する場合にも、測定対象空間に存在するダストの影響を除去して測定に必要なレーザ光量を確保することができ、目的とするガス濃度を高精度に測定するものである。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, especially in the environment where dust exists, even when measuring the gas concentration of SO 2 or the like using the mid-infrared laser light emitting unit, it is necessary for measurement by removing the influence of dust existing in the measurement target space. The laser light quantity can be secured, and the target gas concentration is measured with high accuracy.
まず、図1はこの実施形態に係るレーザ式ガス分析計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等の煙道壁101a,101bに、溶接等によってそれぞれ固定されている。
First, FIG. 1 shows an overall configuration of a laser gas analyzer according to this embodiment. In FIG. 1, a light emitting
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、中赤外レーザ光を出射する中赤外レーザ発光部7、近赤外レーザ光を出射する近赤外レーザ発光部8、レンズ9、凹面ミラー10が気密に配置されている。そして、図2のブロック図で示すように、使用する波長の光を透過するウィンドウ18を配置することにより、発光部筐体203a内部の気密が確保されている。
図1に戻るが、発光部筐体203aには発光部ケース3が取り付けられていると共に、その内部の発光部回路基板4には、詳しくは図2のブロック図で示すように、中赤外レーザ駆動部20及び近赤外レーザ駆動部21が搭載されている。これらの中赤外レーザ駆動部20及び近赤外レーザ駆動部21から中赤外レーザ発光部7及び近赤外レーザ発光部8に電気信号が送られて中赤外レーザ発光部7が中赤外光を、また、近赤外レーザ発光部8が近赤外光をそれぞれ出射するように構成されている。
A light emitting
Returning to FIG. 1, the light emitting unit case 203 is attached to the light emitting unit casing 203 a, and the light emitting
ここで、中赤外レーザ発光部7は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長3〜10μmの中赤外レーザ光を出射する量子カスケードレーザ等の素子であり、中赤外レーザ駆動部20では、上記の中赤外領域の波長を掃引するようなレーザ駆動信号を生成して中赤外レーザ発光部7を発光させる。
一方、近赤外レーザ発光部8は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まず、煙道内部1(測定対象空間)に存在するダストの散乱を検出するための近赤外領域の波長0.7〜3μmの近赤外レーザ光を出射する半導体レーザ等の素子であり、近赤外レーザ駆動部21では、上記の近赤外領域の波長を掃引するようなレーザ駆動信号を生成して近赤外レーザ発光部8を発光させる。
Here, the mid-infrared laser
On the other hand, the near-infrared laser
中赤外レーザ発光部7からの出射光は、本発明の中赤外レーザ光学部としての凹面ミラー10によりコリメートされて平行光となり、発光部フランジ201aの中心を通って中赤外レーザ光2として煙道内部1に照射される。この中赤外レーザ光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。
また、近赤外レーザ発光部8からの出射光は、レンズ9によって平行光となり、近赤外レーザ光17として、凹面ミラー10の中央部付近に形成された開口部11から発光部フランジ201aの中心を通って煙道内部1に照射される。なお、レンズ9及び開口部11は、本発明の近赤外レーザ光学部を構成している。
上記のように、近赤外レーザ光17は中赤外レーザ光2の内部を同軸上に出射されることになり、この近赤外レーザ光17は、煙道内部1の測定対象ガスと同時に存在するダストによる光散乱の影響を受ける。
The emitted light from the mid-infrared laser
The light emitted from the near-infrared laser light-emitting
As described above, the near-
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を通過した中赤外レーザ光2は、受光部筐体203bの内部に気密に配置された凹面ミラー15より集光されて中赤外受光素子12により受光される。そして、図2のブロック図で示すように、使用する波長の光を透過するウィンドウ19を配置することにより、発光部筐体203a内部の気密が確保されている。なお、凹面ミラー15及び中赤外受光素子12は、本発明の中赤外受光部を構成している。
中赤外受光素子12は中赤外領域の波長に感度を持つMCT(Mercury Cadmium Tellurium)光導電素子等であり、中赤外受光素子12の出力信号は、受光部ケース5内の受光部回路基板6に搭載されるSO2などのガス濃度演算部22(図2参照)へ入力される。ガス濃度演算部22は、中赤外光受光素子13の信号を信号処理し、測定対象ガスの光吸収による信号変化成分が抽出されてガス濃度信号として得るものであり、光量減衰を補正しないときのSO2濃度を測定する。
On the other hand, the light receiving
The mid-infrared
また、近赤外レーザ光17は、凹面ミラー15の中央部付近に形成された開口部16を通ってレンズ14により集光され、近赤外受光素子13により受光される。なお、開口部16、レンズ14及び近赤外受光素子13は、本発明における近赤外受光部を構成している。
近赤外受光素子13は、近赤外領域の波長に感度を持つフォトダイオード等の素子であり、近赤外受光素子13の出力信号は、受光部回路基板6の光量減少量検出部23(図2参照)へ入力される。光量減少量検出部23は、近赤外光受光素子14の信号を信号処理することで、ダストの光散乱による信号変化成分が抽出されて光量減少量を測定する。
The near-
The near-infrared
ガス濃度演算部22および光量減少量検出部23は、ガス濃度補正部24に接続されており、補正を行ってダストによる減少が考慮された正確なガス濃度を算出する。
The gas
続いて各部の動作について説明する。発光部10は、詳しくは図3で示すように、中赤外レーザ駆動部20として、さらに波長走査駆動信号発生部20a、高周波変調信号発生部20b、レーザ駆動信号発生部20c、温度制御部20dを備える。また、中赤外レーザ発光部7として、さらに中赤外レーザ素子7a、温度検出部(サーミスタ)7b、温度調節部(ペルチェ素子)7cを備える。
Next, the operation of each unit will be described. As shown in detail in FIG. 3, the
中赤外レーザ素子7aは、発光波長がガスの吸光特性に一致する波長およびその周辺領域にて発光が可能であり、さらに、図4(a)に示したようにドライブ電流により発光波長を可変とすることができ、また、図4(b)に示したように温度によって発光波長を可変とすることができる。本形態では測定対象ガスの具体例として二酸化硫黄ガス(SO2ガス)を測定するものとし、波長も二酸化硫黄ガス(SO2ガス)を吸収する波長を採用するものとする。
The
図3において、中赤外レーザ素子7aの温度は、サーミスタ等の温度検出部7bを用いて検出される。この温度検出部7bは、中赤外レーザ駆動部20の温度制御部20dに接続されている。この温度制御部20dは、中赤外レーザ素子7aの発光波長の安定化および波長の調節のため、サーミスタ等の温度検出部7bから得られる抵抗値が一定になるようにPID制御等を行ってペルチェ素子等の温度調節部7cの温度制御を行い、中赤外レーザ素子7aの温度を調節する。
In FIG. 3, the temperature of the
また、測定対象ガスの吸収波長をスキャンするようにレーザの発光波長を変化させる波長走査駆動信号発生部20aの出力信号と、測定対象ガスの吸収波形を検出するための例えば10kHz程度の正弦波で発光波長を周波数変調させるための高周波変調信号発生部20bの出力信号とを、駆動信号発生部20cへ入力すると、駆動信号発生部20cがこれら出力信号を合成して駆動信号を生成し、この駆動信号をV−I変換して中赤外レーザ素子7aに供給する。
The output signal of the wavelength scanning
ここで、レーザ光の変調について説明する。図5は、波長走査駆動信号発生部20aの出力信号を示している。測定対象ガスの吸光特性を走査する波長走査駆動信号S1は、中赤外レーザ素子7aの駆動電流値を直線的に変化させて中赤外レーザ素子7aの発光波長を徐々に変化させ、例えば、0.2nm程度の吸光特性を走査する。一方、信号S2は、駆動電流値を中赤外レーザ素子7aが安定するスレッショルドカレント以上に保ち、一定波長で発光させるためのものである。さらに、信号S3では、駆動電流値を0mAにしておく。
Here, the modulation of the laser light will be described. FIG. 5 shows an output signal of the wavelength scanning
図3の高周波変調信号発生部20bの下側には高周波変調信号発生部20bから出力される変調信号の波形図が図示されているが、この変調信号は、例えば周波数が10kHzの正弦波であり、波長幅が0・02nm程度である。
図6は、図3のレーザ駆動信号発生部20cから出力される駆動信号(波長走査駆動信号発生部20aの出力信号と高周波変調信号発生部20bの出力信号との合成信号)の波形図である。この駆動信号は、一定周期で繰り返される台形形状である。レーザ駆動信号発生部20cが、この駆動信号を中赤外レーザ素子7aに供給すると、中赤外レーザ素子7aからは、測定対象ガスの0.2nm程度の吸光特性を波長幅0.02nm程度で検出可能な変調光が出力される。
A waveform diagram of a modulation signal output from the high-frequency modulation
FIG. 6 is a waveform diagram of a drive signal output from the laser drive
これにより、中赤外レーザ素子7aからは、測定対象ガスの吸光特性を走査するための、周波数変調された所定波長のレーザ光が出射される。図1で示すように、中赤外レーザ素子7aから出射したレーザ光は凹面ミラー10により平行な中赤外レーザ光2として出射される。中赤外レーザ素子7aの温度は、事前に波長走査駆動信号の中心部分でガスが計測されるように温度を調整される。
As a result, a laser beam having a predetermined wavelength that is frequency-modulated for scanning the light absorption characteristics of the measurement target gas is emitted from the
このような中赤外レーザ光2は、壁3a,3bの内部区間(測定対象ガスが流通する空間)である煙道内部を伝播し、この間を透過する際にガス吸収を受ける。本発明の中赤外レーザ駆動部、中赤外レーザ発光部、中赤外レーザ光学部の動作・機能はこのようになる。
Such
本発明の近赤外レーザ発光部21は、図3で示すように、波長走査駆動信号発生部20a、高周波変調信号発生部20b、レーザ駆動信号発生部20c、温度制御部20dを備え、また、近赤外レーザ発光部8として、さらに近赤外レーザ素子8a、温度検出部(サーミスタ)7b、温度調節部(ペルチェ素子)7cを備え、近赤外レーザ光学部は、レンズ9、開口部11を備える。そして、動作は、上記の中赤外レーザと同様の動作を行なって、近赤外レーザ素子8aが、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まない近赤外領域の波長のレーザ光を出射し、変調された近赤外レーザ光を出力するというものであり、重複する説明を省略する。なお、近赤外レーザ光17は、測定対象ガスによる吸収を受けないような波長であり、測定対象ガス成分の吸収スペクトルを含まない波長領域を掃引するように発光する。煙道内部にダストが無ければ受光時に同じ光量が得られることになる。
As shown in FIG. 3, the near-infrared laser
続いて、本発明の中赤外受光部について説明する。
測定対象ガスが存在する空間を介して伝播され、ガス吸収を受けた検出光は凹面ミラー15により集光されてから中赤外受光素子12により受光される。中赤外受光素子12は、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。中赤外受光素子12は、例えばフォトダイオードであり、レーザの発光波長に感度を持つ素子を適用する。
Next, the mid-infrared light receiving unit of the present invention will be described.
The detection light that has propagated through the space where the measurement target gas exists and has absorbed the gas is collected by the
続いて、ガス濃度演算部22について説明する。ガス濃度演算部22は、図7で示すように、I/V変換部22a、同期検波部22b、発振器22c、フィルタ22d、演算部22eを備える。中赤外受光素子12からガス濃度演算部22へ入力された検出信号は、I/V変換部22aによって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号は、図9に示すような出力波形を有する。この電圧信号が同期検波部22bへ入力される。また、参照信号発生部(発振器)22cは、高周波変調信号発生部20b(図3参照)による高周波変調信号の2倍周波数の信号を参照信号として同期検波部22bへ出力する。同期検波部22bでは、変調信号の2倍周波数成分の振幅のみを取り出す。
Next, the gas
これは先に説明した図21の周波数変調方式による濃度測定原理で示すように、中心波長fc、変調周波数fmでレーザ発光部12aの出力が周波数変調されており、対象となる測定対象ガスに照射すると、ガスの吸収線は波長に対してほぼ2次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし変調周波数fmの2倍の周波数の信号(2倍波)が得られる。そして、エンベロープ検波を行うことで振幅変調による基本波を推定でき、基本波の振幅と前記2倍波の振幅の比を位相同期させることで、距離に関係なくガス濃度に比例した値を得る。この信号はフィルタ部22dでノイズを除去後に演算部22eに入力されるとともに、この演算部22eにおいて測定対象ガスの濃度が演算されることになる。
This is because the output of the laser emission part 12a is frequency-modulated at the center wavelength f c and the modulation frequency f m as shown in the concentration measurement principle by the frequency modulation method of FIG. Upon irradiation, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the wavelength, twice the frequency of the signal of the absorption lines serve discriminator modulation frequency f m (2 harmonic) is can get. By performing envelope detection, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and by synchronizing the phase ratio between the fundamental wave amplitude and the amplitude of the second harmonic wave, a value proportional to the gas concentration is obtained regardless of the distance. This signal is input to the
次に、周波数変調方式による測定対象ガスの濃度を検出する原理について説明する。ここでは、二酸化硫黄(SO2ガス)について検出する。測定対象ガス、すなわち二酸化硫黄(SO2ガス)に吸光特性がある場合、同期検波部22bから図11のような同期検波信号を抽出する。同期検波信号は、演算部22eへ出力される。このピーク値がガス濃度となるために、演算部22eは、ピーク振幅を計測しても良いし、信号変化を積分しても良い。
Next, the principle of detecting the concentration of the measurement target gas by the frequency modulation method will be described. Here, to detect the sulfur dioxide (SO 2 gas). When the measurement target gas, that is, sulfur dioxide (SO 2 gas) has an absorption characteristic, a synchronous detection signal as shown in FIG. 11 is extracted from the
一例を挙げれば、演算部22eは、図11のような同期検波信号の振幅WAに対してあるスパン校正値GAおよびガス温度補正係数αAを掛けることでガス濃度を検出できる。
In one example, the
[数1]
測定対象ガス濃度=αA×GA×WA
[Equation 1]
Measured gas concentration = α A × G A × W A
ガス温度補正係数αAは、ガス温度に対して一意に決まる係数であればよく、関数形式やテーブル形式などという形式は限定されない。 The gas temperature correction coefficient α A may be any coefficient that is uniquely determined with respect to the gas temperature, and the format such as the function format or the table format is not limited.
演算部22eは、この測定対象ガス濃度をガス濃度補正部24へ送る。なお、ガス濃度補正部24による処理は後述する。中赤外光によるガス濃度検出はこのように行われる。
The
続いて、近赤外光を用いるダストによる光量減少量の算出について説明する。
測定対象ガスが存在する空間を介して伝播され、ダストにより散乱のため光量が減少した近赤外レーザ光17は凹面ミラー15の開口部16を通過してレンズ14により集光されてから近赤外受光素子13により受光される。近赤外受光素子13は、受光量に応じて電気信号による検出信号を出力する。
Next, calculation of the amount of light reduction due to dust using near infrared light will be described.
Near-
続いて、光量減少量検出部23について説明する。光量減少量検出部23は、その内部にはガス濃度演算部22と同じ構成を有するものであり、図7で示すように、I/V変換部22a、同期検波部22b、発振器22c、フィルタ22d、演算部22eを備える。近赤外受光素子13からガス濃度演算部22へ入力された検出信号は、I/V変換部22aによって電流信号から電圧信号に変換される。この電圧信号は、ダストのみによる光量の減少を受けて図10に示すような出力波形を有する。この電圧信号が同期検波部22bへ入力される。また、参照信号発生部(発振器)22cは、図3の高周波変調信号発生部20bによる高周波変調信号の2倍周波数の信号を参照信号として同期検波部22bへ出力する。同期検波部22bでは、変調信号の2倍周波数成分の振幅のみを取り出す。そして、上記の周波数変調方式による濃度測定原理により、ダスト量に比例した値を得る。この信号はフィルタ部22dでノイズを除去後に演算部22eに入力されるとともに、この演算部22eにおいて減少量が演算されることになる。
Next, the light amount decrease
続いて演算により光量の減少量の算出について説明する。まず、検出原理について説明する。上記したようにレーザ式ガス分析計は、例えばごみ焼却場の煙道などに設置される。この煙道内には、測定対象ガス以外に煤塵(ダスト)が存在する。この場合、ダストの影響によってレーザ光が遮られてしまい、受光光量が減少する。受光光量が減少すると、検出されるガス吸収波形の振幅も減少するので、ガス濃度を正確に測定することができない。 Next, calculation of the light amount reduction amount by calculation will be described. First, the detection principle will be described. As described above, the laser gas analyzer is installed, for example, in a flue of a garbage incinerator. In the flue, dust is present in addition to the measurement target gas. In this case, the laser light is blocked by the influence of dust, and the amount of received light is reduced. When the amount of received light decreases, the amplitude of the detected gas absorption waveform also decreases, so that the gas concentration cannot be measured accurately.
例えば、ダストが無い環境下で図9、図11のような受光信号及び同期検波信号が得られたとすると、この波形の振幅w(=wa)を検出することでガス濃度を測定することができる。一方、ダストがある環境下では、図10、図12のように受光信号レベルが低下し、同期検波信号の振幅w(=wb)も小さくなり、正確なガス濃度検出ができない。 For example, Figure 9 dust environment with no, if the received signal and the synchronous detection signal as shown in FIG. 11 is obtained, to measure the gas concentration by detecting the amplitude w (= w a) of this waveform it can. On the other hand, in an environment with dust, the received light signal level decreases as shown in FIGS. 10 and 12, the amplitude w (= w b ) of the synchronous detection signal decreases, and accurate gas concentration detection cannot be performed.
そこで、図8に示すように受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルがほぼ比例関係にあることに着目し、光量減少量検出部23において補正係数を算出するための受光量を算出し、ガス濃度補正部24で補正することにより、ダスト等が存在する環境下においても正確なガス濃度検出が可能となる。
Therefore, paying attention to the fact that the received light quantity level and the amplitude level of the gas absorption waveform are substantially proportional as shown in FIG. 8, the received light quantity for calculating the correction coefficient is calculated in the light quantity
次に光量補正の詳細について述べる。近赤外光と中赤外光のダスト量に対する受光光量の変化は図15で示すようになる。特に近赤外光ではダスト量が増大するに連れて受光光量が大きく減少する。この値から次式により光量減少量を計算する。 Next, details of light amount correction will be described. The change in the amount of received light with respect to the dust amount of near-infrared light and mid-infrared light is as shown in FIG. In particular, in the case of near infrared light, the amount of received light greatly decreases as the amount of dust increases. From this value, the amount of light reduction is calculated by the following equation.
[数2]
光量減少量=−log(受光光量相対値)
[Equation 2]
Light reduction amount = -log (Received light intensity relative value)
そして、近赤外光光量減少量と中赤外光光量減少量の相関をとると、図16のようなグラフになり、ダストに対する近赤外光と中赤外光の光量減少の特性は強い相関があることが分かる。そこで、ダストにより減少する中赤外光の受光光量は、ダストにより減少する近赤外光受光光量に基づいて推定することが可能である。 Then, when the correlation between the near-infrared light quantity reduction amount and the mid-infrared light quantity reduction amount is taken, a graph as shown in FIG. 16 is obtained, and the characteristics of the near-infrared light and mid-infrared light quantity reduction against dust are strong. It can be seen that there is a correlation. Therefore, the amount of received mid-infrared light that is reduced by dust can be estimated based on the amount of received near-infrared light that is reduced by dust.
図9,図10に示した受光信号を光量減少量検出部23のフィルタ22dに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図13,図14のような波形が得られる。図13はダストがなく受光光量が低下していない場合、図14はダストがあって受光光量が低下している場合である。なお、この近赤外光では測定対象ガスによる影響を受けないため、ダストの影響による減少のみを検出することができる。
When the received light signal shown in FIGS. 9 and 10 is input to the
図13のように、工場出荷時や校正時というある時点において、ダストが無く受光光量が最大であるときの受光信号のレベルPmaxを受光光量設定値として演算部22eに予め設定しておく。演算部22eは、図14のようにダストがある場合の受光信号レベルPsを検出し、このPsと同一時点のPmaxとの比を、受光光量補正係数βとして、数式3により算出する。
As shown in FIG. 13, at a certain point of time at the time of factory shipment or calibration, the level P max of the received light signal when there is no dust and the received light amount is maximum is set in advance in the
[数3]
β=Pmax/Ps
[Equation 3]
β = P max / P s
光量減少量検出部23は、この受光光量補正係数βをガス濃度補正部24へ出力する。ガス濃度補正部24は、この受光光量補正係数βを、ガス吸収波形の振幅wに乗算または除算することにより、数式4のように、ダストに起因する受光光量の変動分を補正した振幅whを得ることができる。
The light amount decrease
[数4]
測定対象ガス濃度(補正後)=β×測定対象ガス濃度(補正前)
=Pmax/Ps×測定対象ガス濃度(補正前)
[Equation 4]
Measurement target gas concentration (after correction) = β x Measurement target gas concentration (before correction)
= P max / P s × Measurement gas concentration (before correction)
そして、数1により次式のように表される。
Then, it is expressed by the following formula by
[数5]
測定対象ガス濃度(補正後)=αA×GA×WA×Pmax/Ps
[Equation 5]
Gas concentration to be measured (after correction) = α A × G A × W A × P max / P s
ガス濃度補正部24は、この測定対象ガス濃度を出力部へ送る。出力部は、例えば、ディスプレイ装置や警報装置などであり、あるいは、他のコンピュータへ送信する送信装置などである。周波数変調方式による測定対象ガスの濃度の検出はこのように行われる。このように光量の減少分が補正されたガス濃度を算出することで、ダストにより受光光量が変動する環境下においても正確なガス濃度測定が可能となる。
The gas
以上本発明について説明したが、本発明は各種の変形形態が可能である。例えば、本発明のレーザ式ガス分析計によれば、図5,図6で示すようにS3信号が1周期ごとに出力される信号である点に着目し、S3信号を検出してから所定時間経過したときに同期検波部出力波形のピーク値が登場するため、このタイミングで濃度を算出すると良い。
また、濃度を測定するものとしたが、濃度がほぼ0の時には測定対象ガスが存在しないものと判定することで測定対象ガスの有無を検出することもできる。
Although the present invention has been described above, the present invention can be variously modified. For example, according to the laser gas analyzer of the present invention, FIG. 5, focusing on the point that a signal S 3 signal is output for each cycle as shown in Figure 6, from the detection of the S 3 signal Since the peak value of the synchronous detector output waveform appears when a predetermined time has elapsed, the concentration should be calculated at this timing.
Although the concentration is measured, the presence or absence of the measurement target gas can be detected by determining that the measurement target gas does not exist when the concentration is almost zero.
また、先に説明した形態では、例示的に硫化酸素ガス(SO2)であるものとして説明したが、これに限定される趣旨ではなく、中赤外領域の波長に光吸収スペクトルを持つSO2,NO,NO2等のガスなどの他の成分のガスでもよい。その場合、他の成分のガスを検出できるような波長を有するレーザ発光部が採用され、この波長で検出できるように演算部の演算処理内容が変更されて用いられるというものである。 Also, SO 2 in the embodiment described above, with has been described as an exemplary sulfurized oxygen gas (SO 2), but not intended to be limited to this, the light absorption spectrum in the wavelength of the mid-infrared region , NO, NO 2 , and other gas components may be used. In that case, a laser emission unit having a wavelength capable of detecting other component gases is employed, and the calculation processing content of the calculation unit is changed so as to be detected at this wavelength.
また、本形態では中赤外光と近赤外光とで光路が一致しているが、光路が分かれた構成としても良い。しかしながら、煙道内のダストの分布が一様とは限らないため、ガス分析を行う光路とダストによる光量減少を測定する光路は一致していることが望ましい。 In this embodiment, the optical paths of the mid-infrared light and the near-infrared light are the same, but a configuration in which the optical paths are separated may be employed. However, since the dust distribution in the flue is not always uniform, it is desirable that the optical path for performing gas analysis and the optical path for measuring the reduction in the amount of light due to dust coincide.
なお、この実施形態では、中赤外レーザ光2の内部を近赤外レーザ光17が同軸上に通過するようにすれば良く、例えば中赤外レーザ発光部7と近赤外レーザ発光部8との配置を逆にすることにより、近赤外レーザ光17の内部を中赤外レーザ光2が同軸上に通過するようにしてもよい。
これらのレーザ発光部7,8の配置以外に関しても、本発明は上述の実施形態に限定されず、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。
In this embodiment, the near-
The present invention is not limited to the above-described embodiment other than the arrangement of the laser
本発明によれば、測定対象ガスによる光量減衰がない波長のレーザ光を、測定対象ガスによる吸収がある波長のレーザ光と同軸上に出射させる光学系により、ガス濃度測定する光路上の光量減少量を測定することが可能となり、SO2のようなレーザ光波長走査範囲全域にわたって吸収スペクトルを持つガスの濃度を正確に測定することが可能となる。 According to the present invention, the amount of light on the optical path for measuring the gas concentration is reduced by an optical system that emits laser light having a wavelength that is not attenuated by the measurement target gas coaxially with laser light having a wavelength that is absorbed by the measurement target gas. The amount can be measured, and the concentration of a gas having an absorption spectrum over the entire laser light wavelength scanning range such as SO 2 can be accurately measured.
続いて図に沿って本発明の第2の実施形態を説明する。本形態では特に高濃度の水分が存在する環境において、中赤外レーザ発光部を用いてSO2等のガス濃度を測定する場合にも、測定対象空間に存在する水分の影響を除去して測定に必要なレーザ光量を確保することができ、目的とするガス濃度を高精度に測定するものである。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, even when measuring the concentration of gas such as SO 2 using the mid-infrared laser emission section, especially in an environment where a high concentration of moisture exists, measurement is performed by removing the influence of moisture existing in the measurement target space. Therefore, it is possible to secure a necessary amount of laser light and to measure the target gas concentration with high accuracy.
まず、図17はこの実施形態に係るレーザ式ガス分析計の回路ブロック図を示している。図1の全体構成図に示すように第2の実施形態においても、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等の煙道壁101a,101bに、溶接等によってそれぞれ固定されている。
First, FIG. 17 shows a circuit block diagram of a laser type gas analyzer according to this embodiment. As shown in the overall configuration diagram of FIG. 1, also in the second embodiment, the light emitting
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、中赤外レーザ光を出射する中赤外レーザ発光部7、近赤外レーザ光を出射する近赤外レーザ素子8、レンズ9、凹面ミラー10が気密に配置されている。
発光部筐体203aには発光部ケース3が取り付けられていると共に、その内部の発光部回路基板4には、詳しくは図3の回路ブロック図で示すような、中赤外レーザ駆動部20及び近赤外レーザ駆動部21が搭載されている。これらの中赤外レーザ駆動部20及び近赤外レーザ駆動部21から中赤外レーザ発光部7及び近赤外レーザ発光部8に電気信号が送られて中赤外レーザ発光部7から中赤外レーザ光が、及び、近赤外レーザ発光部8から近赤外レーザ光をそれぞれ出射するように構成されている。
A light emitting
A light emitting
ここで、中赤外レーザ素子7は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域の波長3〜10μmの中赤外レーザ光を出射する量子カスケードレーザ等の素子であり、中赤外レーザ駆動部20では、先に説明したように中赤外領域の波長を掃引するようなレーザ駆動信号を生成して中赤外レーザ発光部7を発光させる。
一方、近赤外レーザ発光部8は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まず、煙道内部1(測定対象空間)に存在する水の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長0.7〜3μmの近赤外レーザ光を出射する半導体レーザ等の素子であり、近赤外レーザ駆動部21では、上記の近赤外領域の波長を掃引するようなレーザ駆動信号を生成して近赤外レーザ素子8を発光させる。
Here, the
On the other hand, the near-infrared laser
中赤外レーザ発光部7からの出射光は、本発明の中赤外レーザ光学部としての凹面ミラー10によりコリメートされて平行光となり、発光部フランジ201aの中心を通って中赤外レーザ光2として煙道内部1に照射される。この中赤外レーザ光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。
また、近赤外レーザ発光部8からの出射光は、レンズ9によって平行光となり、近赤外レーザ光17として、凹面ミラー10の中央部付近に形成された開口部11から発光部フランジ201aの中心を通って煙道内部1に照射される。なお、レンズ9及び開口部11は、本発明の近赤外レーザ光学部を構成している。
上記のように、近赤外レーザ光17は中赤外レーザ光2の内部を同軸上に出射されることになり、この近赤外レーザ光17は、煙道内部1の測定対象ガスと同時に存在する水による光吸収の影響を受ける。
The emitted light from the mid-infrared laser
The light emitted from the near-infrared laser light-emitting
As described above, the near-
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を通過した中赤外レーザ光2は、受光部筐体203bの内部に気密に配置された凹面ミラー15より集光されて中赤外受光素子12により受光される。なお、凹面ミラー15及び中赤外受光素子12は、本発明の中赤外受光部を構成している。
中赤外受光素子12は中赤外領域の波長に感度を持つMCT(Mercury Cadmium Tellurium)光導電素子等であり、中赤外受光素子12の出力信号は、受光部ケース5内の受光部回路基板6に搭載されたガス濃度演算部内の処理回路により増幅され、測定対象ガスの光吸収による信号変化成分が抽出されてガス濃度信号として得られるようになっている。
On the other hand, the light receiving
The mid-infrared
また、近赤外レーザ光17は、凹面ミラー15の中央部付近に形成された開口部16を通ってレンズ14により集光され、近赤外受光素子13により受光される。なお、開口部16、レンズ14及び近赤外受光素子13は、本発明の近赤外受光部を構成している。
近赤外受光素子13は、近赤外領域の波長に感度を持つフォトダイオード等の素子であり、近赤外受光素子13の出力信号は、受光部回路基板6の水分濃度補正部26内の信号処理回路により増幅され、水の光吸収による信号変化成分が抽出されて水分濃度信号として得られるようになっている。
The near-
The near-infrared
さて、本実施形態における測定対象ガスは、中赤外領域の波長に光吸収スペクトルを持つSO2,NO,NO2等のガスであり、以下では、測定対象ガスがSO2である場合の動作を説明する。
先に説明したように、SO2の光吸収スペクトルは図25のようになっており、この光吸収スペクトルに基づいて中赤外レーザ素子7が発光するレーザ光の波長を選定する。受光部回路基板6内のガス濃度演算部21では、中赤外レーザ光2の受光による中赤外受光素子12の出力信号(中赤外受光信号)から、SO2による吸収成分を抽出し増幅してSO2濃度を演算する。このガス濃度を求める方法は第1の形態で説明した方法(特許文献2に記載された方法)と同様であるため、詳述を省略する。
Now, the measurement target gas in the present embodiment is a gas such as SO 2 , NO, NO 2 having a light absorption spectrum at a wavelength in the mid-infrared region, and hereinafter, the operation when the measurement target gas is SO 2. Will be explained.
As described above, the light absorption spectrum of SO 2 is as shown in FIG. 25, and the wavelength of the laser light emitted from the
ここで問題になるのが、前述したように水の光吸収スペクトルの存在であり、この光吸収スペクトルは、図24に示したように中赤外領域に広く分布している。
測定対象空間に水が存在する場合には、SO2による光吸収と水による光吸収とが干渉するので、SO2濃度を正確に測定することが困難になる。水による光吸収の影響を除去するためには、水の光吸収スペクトルとSO2の光吸収スペクトルとを比較して、水の光吸収スペクトルができるだけ存在しない波長を選定することが考えられる。この対策によれば、ある程度の水分濃度までは対応可能であるが、例えば水分濃度が10vol%(体積濃度)以上の高濃度の環境では水による光吸収が非常に強く、測定対象であるSO2測定値が減少するためSO2濃度を高精度に測定することができない。そこで、SO2濃度を正確に測定するためには、水分濃度に応じてSO2濃度を補正する必要がある。
The problem here is the presence of the light absorption spectrum of water as described above, and this light absorption spectrum is widely distributed in the mid-infrared region as shown in FIG.
When water is present in the measurement target space, light absorption by SO 2 interferes with light absorption by water, so that it is difficult to accurately measure the SO 2 concentration. In order to eliminate the influence of light absorption by water, it is conceivable to compare the light absorption spectrum of water and the light absorption spectrum of SO 2 and select a wavelength at which the light absorption spectrum of water does not exist as much as possible. According to this countermeasure, it is possible to cope with a certain level of water concentration. For example, in a high concentration environment where the water concentration is 10 vol% (volume concentration) or more, light absorption by water is very strong, and SO 2 that is a measurement object Since the measured value decreases, the SO 2 concentration cannot be measured with high accuracy. Therefore, in order to accurately measure the SO 2 concentration, it is necessary to correct the SO 2 concentration in response to the moisture concentration.
このため、本実施形態では、SO2による光吸収スペクトルの存在しない波長領域で水分濃度を測定し、この水分濃度を用いてSO2濃度の測定値を補正するようにした。なお、この補正処理は、受光部回路基板6に搭載されたガス濃度補正部26により実現される。
以下、この補正方法について詳述する。
For this reason, in the present embodiment, the moisture concentration is measured in a wavelength region where the light absorption spectrum due to SO 2 does not exist, and the measured value of the SO 2 concentration is corrected using this moisture concentration. This correction process is realized by the gas
Hereinafter, this correction method will be described in detail.
水の光吸収スペクトルは、中赤外領域の他には近赤外領域に存在する。波長領域1.3〜1.5μmの水の光吸収スペクトルを図18に示す。
これに対し、SO2の光吸収スペクトルは、2μm以下の近赤外領域には存在しない。
そこで、水分濃度を測定するための近赤外レーザ素子8として、例えば波長1.3μmのレーザ光を出射する半導体レーザ素子を選定する。受光部回路基板6内の水分濃度演算部25では、近赤外レーザ光を受光した近赤外受光素子13の出力信号(近赤外受光信号)から、水による吸収成分を抽出し増幅して水分濃度を演算する。水分濃度演算部25は、図7で示すように、その内部にはガス濃度演算部22と同じ構成を有するものであり、I/V変換部22a、同期検波部22b、発振器22c、フィルタ22d、演算部22eを備える。そしてガス光量減少量検出部22と同様の周波数変調方式で水分子の濃度を算出する。
The light absorption spectrum of water exists in the near infrared region in addition to the mid infrared region. The light absorption spectrum of water in the wavelength region of 1.3 to 1.5 μm is shown in FIG.
On the other hand, the light absorption spectrum of SO 2 does not exist in the near infrared region of 2 μm or less.
Therefore, for example, a semiconductor laser element that emits laser light having a wavelength of 1.3 μm is selected as the near-
このようにして求めた水分濃度に基づき、先に求めたSO2の濃度測定値を補正する。
この補正方法としては、測定対象空間の水分濃度に応じてガス濃度測定値がどの程度減少するかは予め測定可能であるから、水分濃度による光量減少量に応じた既知のガス濃度測定値減少量を用いて、先に求めたガス濃度測定値を補正すればよい。水分濃度による光量減少量はダストによる光量減少量と同じ手法で算出することができる。
Based on the water concentration thus obtained, the previously determined SO 2 concentration measurement value is corrected.
As this correction method, it is possible to measure in advance how much the gas concentration measurement value decreases according to the moisture concentration in the measurement target space, so the known gas concentration measurement value decrease amount according to the light amount decrease amount due to the moisture concentration Is used to correct the previously obtained gas concentration measurement value. The amount of light reduction due to moisture concentration can be calculated by the same method as the amount of light reduction due to dust.
具体的には、図9,図10に示した受光信号を水分濃度演算部25のフィルタ22dに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図13,図14のような波形が得られる。図13は水分がなく受光光量が低下していない場合、図14は水分があって受光光量が低下している場合である。
Specifically, when the received light signal shown in FIGS. 9 and 10 is input to the
図13のように、ある時点において、水分が無く受光光量が最大であるときの受光信号のレベルPmaxを受光光量設定値として演算部22eに予め設定しておく。演算部22eは、図14のように水分がある場合の受光信号レベルPsを検出し、このPsと同一時点のPmaxとの比を、受光光量補正係数γとして、数式6により算出する。
As shown in FIG. 13, at a certain point in time, the level P max of the received light signal when there is no moisture and the received light amount is maximum is preset in the
[数6]
γ=Pmax/Ps
[Equation 6]
γ = P max / P s
水分濃度演算部25は、この受光光量補正係数γをガス濃度補正部26へ出力する。ガス濃度補正部26は、この受光光量補正係数γを、ガス吸収波形の振幅wに乗算または除算することにより、数式7のように、水分に起因する受光光量の変動分を補正した振幅whを得ることができる。
The
[数7]
測定対象ガス濃度(補正後)=γ×測定対象ガス濃度(補正前)
=Pmax/Ps×測定対象ガス濃度(補正前)
[Equation 7]
Measurement target gas concentration (after correction) = γ x Measurement target gas concentration (before correction)
= P max / P s × Measurement gas concentration (before correction)
そして、数1により次式のように表される。
Then, it is expressed by the following formula by
[数8]
測定対象ガス濃度(補正後)=αA×GA×WA×Pmax/Ps
[Equation 8]
Gas concentration to be measured (after correction) = α A × G A × W A × P max / P s
以上のようにこの実施形態によれば、煙道内部等の測定対象空間に水分が高濃度で存在する場合でも、近赤外レーザ光17を用いて水分濃度を測定することによりガス濃度測定値を補正することができるため、測定対象ガスの濃度を高精度に測定することができる。
As described above, according to this embodiment, even when moisture is present at a high concentration in a measurement target space such as the inside of a flue, the gas concentration measurement value is obtained by measuring the moisture concentration using the near-
なお、この実施形態では、中赤外レーザ光2の内部を近赤外レーザ光17が同軸上に通過しているが、中赤外レーザ素子7と近赤外レーザ素子8との配置を逆にすることにより、近赤外レーザ光17の内部を中赤外レーザ光2が同軸上に通過するようにしてもよい。
これらのレーザ素子7,8の配置以外に関しても、本発明は上述の実施形態に限定されず、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。
In this embodiment, the near-
The present invention is not limited to the above-described embodiment other than the arrangement of these
さて、第1の形態では測定対象ガスの吸収線以外の波長を採用してダストの補正を行い、また、第2形態では測定対象ガスの吸収線以外の波長であるとともに水分の吸収線の波長を採用して水分の補正を行っていた。しかしながら、環境にダストと水分とが両方ある場合には、両者を考慮した補正が必要である。そこで、第2形態について考察すると水分を考慮するものであるがこの際にダストによる散乱にも影響された検出がなされている。つまり、水分濃度演算部25が、光量減少量検出を併せて行っている。
このような第2形態ではダストや水分よる影響を排除した正確な検出を行うことができる。
Now, in the first embodiment employs a wavelength other than the absorption line of the gas for measurement corrects dust, also, the wavelength of moisture absorption lines with the second embodiment is a wavelength other than the absorption line of the gas for measurement Was used to compensate for moisture. However, when there are both dust and moisture in the environment, a correction that takes both into account is necessary. Therefore, considering the second embodiment, moisture is taken into consideration, but at this time, detection is also influenced by scattering by dust. That is, the moisture
In such a second embodiment, it is possible to perform accurate detection without the influence of dust and moisture.
本発明のレーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析[高炉、転炉、熱処理炉、焼結(ペレット設備)、コークス炉]、青果貯蔵及び熟成、生化学(微生物)[発酵]、大気汚染[焼却炉、排煙脱硫・脱硝]、自動車排ガス(除テスタ)、防災[爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析]、植物育成用、化学用分析[石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント]、環境用[着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理]、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。 Laser Shikiga scan analyzer of the present invention is optimal boiler, as combustion exhaust gas measurement, such as waste incineration. In addition, gas analysis for steel [blast furnace, converter, heat treatment furnace, sintering (pellet equipment), coke oven], fruit and vegetable storage and ripening, biochemistry (microorganism) [fermentation], air pollution [incinerator, flue gas desulfurization / Denitration], automobile exhaust gas (remove tester), disaster prevention [explosive gas detection, toxic gas detection, new building material combustion gas analysis], plant growth, chemical analysis [oil refinery plant, petrochemical plant, gas generation plant], It is also useful as an analyzer for environmental [landing concentration, tunnel concentration, parking lot, building management], and various physics and chemistry experiments.
1:煙道内部(測定対象空間)
2:中赤外レーザ光
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
7:中赤外レーザ発光部
7a:中赤外レーザ素子
7b:温度検出部(サーミスタ)
7c:温度調節部(ペルチェ素子)
8:近赤外レーザ発光部
8a:近赤外レーザ素子
9,14:レンズ
10,15:凹面ミラー
11,16:開口部
12:中赤外受光素子
13:近赤外受光素子
17:近赤外レーザ光
18,19:ウィンドウ
20:中赤外レーザ駆動部
20a:波長走査駆動信号発生部
20b:高周波変調信号発生部
20c:レーザ駆動信号発生部
20d:温度制御部
21:近赤外レーザ駆動部
22:ガス濃度演算部
23:光量減少量検出部
24:ガス濃度補正部
25:水分濃度演算部
26:ガス濃度補正部
101a,101b:煙道壁
201a:発光部フランジ
201b:受光部フランジ
203a:発光部筺体
203b:受光部筺体
1: Inside the flue (measurement target space)
2: Mid-infrared laser beam 3: Light-emitting part case 4: Light-emitting part circuit board 5: Light-receiving part case 6: Light-receiving part circuit board 7: Mid-infrared laser light-emitting
7c: Temperature control unit (Peltier element)
8: Near-infrared laser
Claims (4)
前記中赤外レーザ発光部を駆動する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部から出射されたレーザ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中赤外レーザ光学部と、
前記中赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な中赤外受光信号として出力する中赤外受光部と、
前記中赤外受光信号から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から測定対象ガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
を有するレーザ式ガス分析計において、
すくなくとも測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まない近赤外領域の波長のレーザ光を出射する近赤外レーザ発光部と、
前記近赤外レーザ発光部を駆動する近赤外レーザ駆動部と、
前記近赤外レーザ発光部から出射されたレーザ光をコリメートして測定対象空間に照射する近赤外レーザ光学部と、
前記近赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な近赤外受光信号として出力する近赤外受光部と、
前記近赤外光受光信号から前記空間のダストによる光量減少量を検出する光量減少量検出部と、
前記ガス濃度演算部により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、前記光量減少量検出部により求めた光量減少量を用いて補正するガス濃度補正部と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。 A mid-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the mid-infrared region including the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A mid-infrared laser driving section for driving the mid-infrared laser emitting section;
A mid-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the mid-infrared laser emission unit and irradiates the measurement target space where the measurement target gas exists; and
A mid-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the mid-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical mid-infrared light reception signal;
A gas concentration calculation unit that extracts a signal component affected by light absorption by the measurement target gas from the mid-infrared light reception signal, and calculates a measurement target gas concentration from a change amount of the signal component;
In a laser gas analyzer having
A near-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the near-infrared region that does not include at least the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A near infrared laser driving section for driving the near infrared laser emitting section;
A near-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the near-infrared laser light emitting unit and irradiates the space to be measured;
A near-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the near-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical near-infrared light reception signal;
A reduction in the amount of light detection unit that detects a reduction in the amount of light due to the dust of the space from the near-infrared light receiving optical signals,
A gas concentration correction unit that corrects the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculation unit using the light amount reduction amount obtained by the light amount reduction amount detection unit;
A laser gas analyzer characterized by comprising:
前記中赤外レーザ発光部を駆動する中赤外レーザ駆動部と、
前記中赤外レーザ発光部から出射されたレーザ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中赤外レーザ光学部と、
前記中赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な中赤外受光信号として出力する中赤外受光部と、
前記中赤外受光信号から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から測定対象ガス濃度を演算するガス濃度演算部と、
を有するレーザ式ガス分析計において、
測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まず、かつ、測定対象空間に存在する水の光吸収スペクトルを含む近赤外領域の波長のレーザ光を出射する近赤外レーザ発光部と、
前記近赤外レーザ発光部を駆動する近赤外レーザ駆動部と、
前記近赤外レーザ発光部から出射されたレーザ光をコリメートして測定対象空間に照射する近赤外レーザ光学部と、
前記近赤外レーザ光学部から照射されたレーザ光を受光して電気的な近赤外受光信号として出力する近赤外受光部と、
前記近赤外受光信号から測定対象領域に存在する水による光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から水分濃度に相当する光量減少量を演算する水分濃度演算部と、
前記ガス濃度演算部により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、前記水分濃度演算部により求めた水分濃度に相当する光量減少量を用いて補正するガス濃度補正部と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。 A mid-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the mid-infrared region including the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A mid-infrared laser driving section for driving the mid-infrared laser emitting section;
A mid-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the mid-infrared laser emission unit and irradiates the measurement target space where the measurement target gas exists; and
A mid-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the mid-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical mid-infrared light reception signal;
A gas concentration calculation unit that extracts a signal component affected by light absorption by the measurement target gas from the mid-infrared light reception signal, and calculates a measurement target gas concentration from a change amount of the signal component;
In a laser gas analyzer having
A near-infrared laser emitting section that emits laser light having a wavelength in the near-infrared region that does not include the light absorption spectrum of the measurement target gas and includes the light absorption spectrum of water present in the measurement target space;
A near infrared laser driving section for driving the near infrared laser emitting section;
A near-infrared laser optical unit that collimates the laser light emitted from the near-infrared laser light emitting unit and irradiates the space to be measured;
A near-infrared light receiving unit that receives the laser light emitted from the near-infrared laser optical unit and outputs it as an electrical near-infrared light reception signal;
A moisture concentration calculation unit that extracts a signal component affected by light absorption by water existing in the measurement target region from the near-infrared light reception signal, and calculates a light amount reduction amount corresponding to the moisture concentration from the change amount of the signal component When,
A gas concentration correction unit that corrects the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculation unit using a light amount reduction amount corresponding to the water concentration obtained by the moisture concentration calculation unit;
A laser gas analyzer characterized by comprising:
水分濃度演算部が、ダストによる光量減少量検出を併せて行い、ダストによる光量減少量および水分濃度に相当する光量減少量を用いて補正することを特徴とするレーザ式ガス分析計。 The laser gas analyzer according to claim 2, wherein
Water concentration calculation unit, have rows together reduction in the amount of light detected by the dust, the laser gas analyzer and correcting with reduction in the amount of light corresponding to the reduction in the amount of light and water content by dust.
前記中赤外レーザ発光部から出射される中赤外領域のレーザ光の波長が3〜10μmであり、前記近赤外レーザ発光部から出射される近赤外領域のレーザ光の波長が0.7〜3μmであることを特徴とするレーザ式ガス分析計。 In the laser type gas analyzer according to any one of claims 1 to 3,
The wavelength of the laser beam in the mid-infrared region emitted from the mid-infrared laser emission unit is 3 to 10 μm, and the wavelength of the laser beam in the near-infrared region emitted from the near-infrared laser emission unit is 0. A laser type gas analyzer characterized by being 7 to 3 μm.
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