JP6210195B2 - Laser oxygen analyzer - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼制御用途で使用する高温な酸素ガスのガス濃度をガス温度の吸収強度差を利用して測定するレーザ式酸素ガス分析計に関する。   The present invention relates to a laser-type oxygen gas analyzer that measures the gas concentration of high-temperature oxygen gas used in combustion control applications by using the difference in gas temperature absorption intensity.

気体中のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。例えば、図17は、Oガス(酸素ガス)の光吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示している。縦軸の吸収強度が大きいほど吸光量が大きくなる。レーザ式酸素ガス分析計は、測定対象である酸素ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載しており、この特定波長のレーザ光を酸素ガスに吸光させることで酸素ガスの有無を検出することができる。加えてレーザ式酸素ガス分析計はレーザ光の特定波長の吸収量が酸素ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。 It is known that each gas molecule in gas has its own light absorption spectrum. For example, FIG. 17 is an example of a light absorption spectrum of O 2 gas (oxygen gas), where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the absorption intensity. As the absorption intensity on the vertical axis increases, the amount of light absorption increases. The laser type oxygen gas analyzer is equipped with a laser element that emits laser light with a wavelength that is absorbed by the oxygen gas to be measured, and the presence or absence of oxygen gas by absorbing the laser light with a specific wavelength into the oxygen gas. Can be detected. In addition, the laser oxygen gas analyzer can detect the concentration because the amount of absorption of the laser beam at a specific wavelength is proportional to the concentration of oxygen gas.

レーザ式酸素ガス分析計のガス濃度の測定方法としては、2波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。周波数変調方式による濃度測定装置は、例えば後述する特許文献1にも記載されているものである。本発明も周波数変調方式によるレーザ式酸素ガス分析計に関するものである。   Gas concentration measurement methods for a laser oxygen gas analyzer are roughly classified into a two-wavelength difference method and a frequency modulation method. A concentration measuring apparatus using a frequency modulation method is also described in, for example, Patent Document 1 described later. The present invention also relates to a laser-type oxygen gas analyzer using a frequency modulation method.

また、周波数変調では発光波長を変化させる必要があるが、このような発光波長の制御に関し、例えば、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、レーザ素子の発光波長を温度によって制御する方法も用いられており、例えば後述する特許文献2にも記載されているものである。   In addition, in the frequency modulation, it is necessary to change the emission wavelength. Regarding the control of the emission wavelength, for example, using a reference gas cell in which the same gas component as that of the measurement target gas is preliminarily sealed, the emission wavelength of the laser element is changed to the temperature. The control method is also used, for example, as described in Patent Document 2 described later.

このようなレーザ式酸素ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、具体的には主にゴミ焼却場などのボイラの燃焼制御に使用されることが多い。ボイラの燃焼制御に用いられるレーザ式酸素ガス分析計が対象とする測定対象ガスの温度は、700〜1200℃と高温である。そこで、熱による装置保護やダストによる汚れ付着を防止するために、ガスパージを常時行う必要がある。   Such a laser-type oxygen gas analyzer is particularly used for atmospheric environment measurement and control applications, and specifically, is often used mainly for combustion control of boilers such as garbage incinerators. The temperature of the measurement target gas targeted by the laser oxygen gas analyzer used for boiler combustion control is as high as 700 to 1200 ° C. Therefore, it is necessary to perform gas purging at all times in order to protect the device due to heat and prevent dirt from adhering to dust.

図18はレーザ式酸素ガス分析計をボイラなどの測定場所に設置した時の外観構造と、測定対象となる煙道ガスおよびパージガスの流れを示したものである。壁40内には燃焼により生じた煙道ガスが通流している。また、パージガスがパージガス入口20,60から導入され、パージガスが発光部ボックス10や受光部ボックス70の表面のレンズやガラス窓の汚れを防止している。ガスパージは相フランジ30,50を経て壁40内にパージガスが排出される。   FIG. 18 shows the external structure when a laser oxygen gas analyzer is installed at a measurement location such as a boiler, and the flow of flue gas and purge gas to be measured. In the wall 40, flue gas generated by combustion flows. Further, purge gas is introduced from the purge gas inlets 20 and 60, and the purge gas prevents contamination of the lens and glass window on the surface of the light emitting unit box 10 and the light receiving unit box 70. In the gas purge, the purge gas is discharged into the wall 40 through the companion flanges 30 and 50.

このパージガスとしては計装窒素が望ましい。この理由であるが、仮に計装空気を使用するとなると、計装空気には酸素ガスが含まれており、煙道の酸素ガスの分析ではこのパージガス中の酸素ガスによる影響を受けるためである。パージガスに窒素ガスを使えば、測定対象である酸素ガスの酸素濃度に影響を与えることはない。しかしながら、計装窒素の利用は設備コストや運用コストを要するため、主に製鉄所や鉄鋼所のような火災・爆発の危険性がある場所にしか採用されておらず、一般的な焼却炉では計装空気を使用している。空気を使用した場合、空気中の酸素ガスは測定対象である酸素ガスに対して影響がないようにする必要がある。   As this purge gas, instrumentation nitrogen is desirable. For this reason, if instrument air is used, the instrument air contains oxygen gas, and the analysis of the oxygen gas in the flue is affected by the oxygen gas in the purge gas. If nitrogen gas is used as the purge gas, the oxygen concentration of the oxygen gas to be measured is not affected. However, the use of instrumentation nitrogen requires equipment and operation costs, so it is mainly used only in places where there is a risk of fire and explosion, such as steelworks and steelworks, and in general incinerators. Instrument air is used. When air is used, it is necessary that the oxygen gas in the air has no influence on the oxygen gas to be measured.

先に述べた計装空気には通常では約20.6vol%の酸素が含まれている。レーザ式酸素ガス分析計は、パージガスとして計測空気を使用する場合にこの約20.6vol%の酸素の影響を受ける。この影響を回避するため計装空気に含まれる酸素ガスの酸素量を求め、予めオフセットとして濃度換算して測定する方法が考えられる。しかしながら、一般的にボイラ内で制御する酸素ガスの酸素量は数vol%(例えば3〜7vol%)であり、計装空気に含まれる酸素濃度の方が相対的に高くなるため、測定精度に影響がでる。最悪の場合、十分なS/Nが得られないこともある。このため、燃焼制御で使用する酸素計では、上記のようなレーザ式酸素ガス分析計を使用することなく、定期的な清掃などメンテナンス頻度が高い他方式の酸素計(ジルコニア酸素計)を使用してきた。   The instrument air described above normally contains about 20.6 vol% oxygen. The laser oxygen gas analyzer is affected by the oxygen of about 20.6 vol% when measuring air is used as the purge gas. In order to avoid this influence, a method is conceivable in which the oxygen amount of the oxygen gas contained in the instrument air is obtained and the concentration is converted in advance as an offset and measured. However, in general, the oxygen amount of the oxygen gas controlled in the boiler is several vol% (for example, 3 to 7 vol%), and the oxygen concentration contained in the instrument air becomes relatively high, so that the measurement accuracy is improved. It has an effect. In the worst case, sufficient S / N may not be obtained. For this reason, oxygen analyzers used in combustion control have not used the above-mentioned laser-type oxygen gas analyzers, but have used other types of oxygen meters (zirconia oxygen meters) with high maintenance frequency such as periodic cleaning. It was.

そこで、燃焼制御で使用する用途であっても、計装空気によるガスパージが可能なレーザ式酸素ガス分析計の開発が進められている。これは以下の原理による。ガスを吸収する多数ある波長のうち、ある波長では温度によって吸収強度が変化する点が知見された。この原理を用い、パージガスおよび大気に含まれる低温(常温付近)の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはなく、測定対象の燃焼ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示す波長を選定したレーザ式酸素ガス分析計とし、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ濃度測定を行う。   Therefore, development of a laser-type oxygen gas analyzer capable of purging gas with instrument air even for applications used in combustion control is underway. This is based on the following principle. It was found that the absorption intensity varies depending on the temperature at a certain wavelength among many wavelengths that absorb gas. Use this principle to select a wavelength that shows sensitivity only to high-temperature oxygen gas contained in the combustion gas to be measured, with little sensitivity to purge gas and low-temperature (near room temperature) oxygen gas contained in the atmosphere. The concentration measurement is performed only for the oxygen gas contained in the measurement target gas.

特開平7−151681号公報(段落[0005]、図4等)Japanese Patent Laid-Open No. 7-151681 (paragraph [0005], FIG. 4 etc.) 特開2001−235418号公報(段落[0012]〜[0024]、図2、図11等)JP 2001-235418 A (paragraphs [0012] to [0024], FIG. 2, FIG. 11, etc.)

レーザ式酸素ガス分析計は経時変化による測定値のズレが発生するため、半年や1年毎に定期補正を実施する必要がある。この際、一般的には設置現場から受光部と発光部を取り外し、発光部と受光部を専用の補正用ガスセルの両端に接続する。そして、補正用ガスセルに補正用のガスを流して補正を行う。しかしながら、燃焼制御で使用する用途であって計装空気によるガスパージが可能なレーザ式酸素ガス分析計では、補正に手間を要する点が確認された。この点について説明する。   Laser-type oxygen gas analyzers cause deviations in measured values due to changes over time, and therefore it is necessary to perform periodic correction every six months or one year. At this time, generally, the light receiving unit and the light emitting unit are removed from the installation site, and the light emitting unit and the light receiving unit are connected to both ends of a dedicated correction gas cell. Then, correction is performed by flowing a correction gas through the correction gas cell. However, it has been confirmed that correction is required for the laser oxygen gas analyzer that is used in combustion control and can be purged with instrument air. This point will be described.

補正時にはガスによる光吸収が必要であるが、常温のガスの吸収がなく、高温のガスのみ吸収がある波長を使用したレーザ式酸素ガス分析計では、吸収がある高温までガスを熱し、また温度が一定になるように補正用ガスセルもガス同様熱しなくてはならなかった。   At the time of correction, light absorption by the gas is necessary, but in a laser oxygen gas analyzer that uses a wavelength that does not absorb normal temperature gas but only high temperature gas, the gas is heated to a high temperature at which absorption occurs, and the temperature The correction gas cell had to be heated in the same way as the gas so that was constant.

例えば、高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さい波長を使用したレーザ式酸素ガス分析計の経時変化によるズレを補正する場合、使用するガスを400℃以上に熱する必要があり、またガスが流通する配管や補正用ガスセルもガス温度が低下しないように400℃以上に熱する必要がある。これを行うには、セラミックヒータを使って配管を熱するなど装置が大規模になり、実験室などで行うことはできてもあらゆる環境下で容易に行うことはできない。また、補正期間中温度を一定にすることが難しい上、安定するまで時間がかかり、現実的に、この方法で補正するのは、大変困難である。   For example, when correcting a shift due to a time-dependent change of a laser type oxygen gas analyzer using a wavelength having a high absorption intensity of high-temperature oxygen gas and a low absorption intensity of normal-temperature oxygen gas, the gas used is 400 ° C. or higher. It is necessary to heat to 400 ° C. or higher so that the gas temperature distribution pipe and the correction gas cell do not decrease. In order to do this, the apparatus becomes large-scale, such as heating a pipe using a ceramic heater, and although it can be performed in a laboratory, it cannot be easily performed in any environment. In addition, it is difficult to keep the temperature constant during the correction period, and it takes time until the temperature becomes stable. In reality, it is very difficult to correct by this method.

このように、高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さい波長を使用したレーザ式酸素ガス分析計は、実際の環境下で補正を行うことは非常に困難であると予想される。常温でガスの吸収がある場合の上記の一般的な補正を行えないため、補正が容易ではないという問題がある。   As described above, it is very difficult to correct the laser oxygen gas analyzer that uses a wavelength with high absorption intensity of high-temperature oxygen gas and low absorption intensity of oxygen gas at normal temperature in an actual environment. Is expected. Since the above general correction cannot be performed when there is gas absorption at room temperature, there is a problem that correction is not easy.

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス分析時にはパージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようなレーザ式酸素ガス分析計であり、特に補正時では低温の酸素ガスを用いて補正を容易に行えるようにしたレーザ式酸素ガス分析計を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to include a gas to be measured in gas analysis, although it hardly shows sensitivity to purge gas and low-temperature oxygen gas contained in the atmosphere. A laser oxygen gas analyzer that is sensitive only to high-temperature oxygen gas that can be corrected, and in particular, it can be easily corrected using low-temperature oxygen gas at the time of correction. It is in.

本発明は、常温ではガスの吸収が殆どなく、高温のみにガスの吸収がある波長を使用したレーザ式酸素ガス分析計におけるレーザ素子の電流駆動による波長掃引範囲を拡大するものであり、高温の酸素ガスのガス濃度測定に使用する目的の波長と、濃度測定に使用する波長に隣接して常温でも酸素ガスの吸収がある波長と、を含むような波長走査範囲として高温と常温の各々の酸素濃度を測定できるようにする。   The present invention expands the wavelength sweeping range by the current drive of the laser element in a laser-type oxygen gas analyzer that uses a wavelength that has almost no gas absorption at room temperature and gas absorption only at high temperature. Oxygen gas at a high temperature and a normal temperature as a wavelength scanning range including a target wavelength used for measuring the gas concentration of oxygen gas and a wavelength adjacent to the wavelength used for the concentration measurement and absorbing oxygen gas even at normal temperature Allow the concentration to be measured.

常温でも酸素ガスの吸収がある波長で測定した酸素濃度が経時変化によって生じた誤差と、高温にのみガスの吸収がある波長で測定した酸素濃度が経時変化によって生じた誤差と、の間には一定の相関関係がある。この関係を利用し、常温でも酸素ガスの吸収がある波長で測定した酸素濃度の補正を行う。   Between the error caused by time-dependent change in oxygen concentration measured at a wavelength where oxygen gas absorption is at room temperature and the error caused by time-dependent change in oxygen concentration measured at a wavelength where gas absorption is only at high temperature There is a certain correlation. Using this relationship, the oxygen concentration measured at a wavelength at which oxygen gas is absorbed even at room temperature is corrected.

これにより、高温にのみガスの吸収がある波長で測定した酸素濃度の補正を間接的に行うことが可能になる。したがって、高温にのみガスの吸収がある波長で測定した酸素濃度を直接補正するため補正に用いるガスを高温に熱する必要がなく、またガス温度が一定になるようにガスを流通する補正用ガスセルも同様に熱する必要がない。   This makes it possible to indirectly correct the oxygen concentration measured at a wavelength where gas is absorbed only at high temperatures. Therefore, it is not necessary to heat the gas used for the correction to a high temperature to directly correct the oxygen concentration measured at a wavelength at which the gas is absorbed only at a high temperature, and the correction gas cell circulates the gas so that the gas temperature is constant. Does not need to be heated as well.

そのため、どのような環境でも補正用ガスセルと補正用のガスがあれば補正することが可能であり、また常温で補正するため、ガス温度も安定しており、高温に熱して補正するよりも正確な補正を行えるようにした。   Therefore, in any environment, it is possible to correct if there is a correction gas cell and a correction gas, and since the correction is performed at room temperature, the gas temperature is also stable and more accurate than when corrected to high temperatures. It was made possible to correct.

すなわち本発明の請求項1に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光し、受光した検出光の検出ピークからガス濃度を算出する受光部と、経時変化によって生じた濃度誤差を補正係数によって補正する補正部と、を有し、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長のレーザ光によるガス分析用の検出光と、常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長のレーザ光による補正用の検出光と、をそれぞれ発光するものであり、
前記受光部は、ガス分析時ではガス分析用の検出光を受光して高温の酸素ガスのガス濃度を算出し、また、補正時では補正用の検出光を受光して検出ピークを算出するものであり、
前記補正部は、補正時では補正用の検出光から生成される検出ピークを用いて経時変化を補正する補正係数を算出するものであり、
前記受光部は、前記補正部で算出した補正係数を用いて、ガス分析用の検出光を受光して生成したガス濃度値を間接的に補正することを特徴とする。
That is, the laser oxygen gas analyzer according to claim 1 of the present invention is
A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which oxygen gas to be measured exists, and calculates a gas concentration from a detection peak of the received detection light; A laser oxygen gas analyzer for measuring a gas concentration of oxygen gas, having a correction unit that corrects a concentration error caused by a change with time by a correction coefficient,
The light emitting unit has a detection light for gas analysis with a laser beam having a wavelength such that the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is high and the absorption intensity of the oxygen gas at room temperature is small, and oxygen gas at room temperature. The detection light for correction by the laser light having a wavelength with a large absorption intensity, and the respective light emission,
The light receiving unit receives the detection light for gas analysis at the time of gas analysis and calculates the gas concentration of the high-temperature oxygen gas, and receives the detection light for correction at the time of correction to calculate the detection peak. And
The correction unit calculates a correction coefficient for correcting a change with time using a detection peak generated from correction detection light at the time of correction,
The light receiving unit indirectly corrects the gas concentration value generated by receiving the detection light for gas analysis using the correction coefficient calculated by the correction unit.

また、本発明の請求項2に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光し、受光した検出光の検出ピークからガス濃度を算出する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、経時変化によって生じた濃度誤差を補正係数によって補正する補正部と、を有し、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長と、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光によりガス分析用の検出光と補正用の検出光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
ガス分析時のガス分析用の検出光および補正時の補正用の検出光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から前記発光部における変調信号の2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて演算を行うものであり、ガス分析時ではガス分析用の検出光で高温の酸素ガスのガス濃度を算出し、また、補正時では補正用の検出光で検出ピークを算出する演算部と、
前記補正部は、補正時では補正用の検出光から生成される検出ピークを用いて経時変化を補正する補正係数を算出するものであり、
前記受光部の前記演算部が、前記補正部で算出した補正係数を用いて、ガス分析用の検出光を受光して生成したガス濃度値を間接的に補正することを特徴とする。
徴とする。
Further, a laser type oxygen gas analyzer according to claim 2 of the present invention provides:
A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which oxygen gas to be measured exists, and calculates a gas concentration from a detection peak of the received detection light; A light-emitting unit side purge unit that supplies purge gas by air to the light-emitting unit, a light-receiving unit side purge unit that supplies purge gas by air to the light-receiving unit, a correction unit that corrects a concentration error caused by a change with time, using a correction coefficient, A laser oxygen gas analyzer that measures the gas concentration of oxygen gas,
The light emitting unit
A wavelength at which the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is large and the absorption intensity of the normal-temperature oxygen gas contained in the purge gas of the light-emitting part side purge part and the light-receiving part side purge part is small, and the light-emitting part side purge Detection light for gas analysis and detection light for correction by a laser beam scanned at a scanning wavelength in a predetermined range including a wavelength at which the absorption intensity of room-temperature oxygen gas contained in the purge gas of the gas detector and the light-receiving-side purge unit is high A laser element emitting light,
A light emission side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the laser element;
A high frequency modulation signal for modulating the emission wavelength with respect to a wavelength scanning drive signal including a variable drive signal for changing the emission wavelength of the laser element to a scanning wavelength within a predetermined range so as to scan the absorption wavelength of oxygen gas. A laser drive signal generator that combines and outputs the laser drive signal;
A current controller that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current and supplies the current to the laser element;
With
The light receiving unit is
A light receiving element having sensitivity to detection light for gas analysis during gas analysis and detection light for correction during correction;
A synchronous detection unit that detects an amplitude of a second harmonic signal that is a double frequency component of a modulation signal in the light emitting unit from an output signal of the light receiving unit, and outputs a detection signal;
A filter circuit for removing noise from the output signal of the light receiving unit;
The calculation is based on the detection signal output from the filter circuit. During gas analysis, the gas concentration of high-temperature oxygen gas is calculated using the detection light for gas analysis, and the correction detection light is used during correction. A calculation unit for calculating the detection peak at
The correction unit calculates a correction coefficient for correcting a change with time using a detection peak generated from correction detection light at the time of correction,
The calculation unit of the light receiving unit indirectly corrects a gas concentration value generated by receiving detection light for gas analysis using the correction coefficient calculated by the correction unit.
It is a sign.

また、本発明の請求項3に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項1または請求項2に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記の測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であり、前記の常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長は759.65nm〜759.67nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長または759.60nm〜75.62nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
A laser oxygen gas analyzer according to claim 3 of the present invention is
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 1 or 2,
The wavelength at which the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is large and the absorption intensity of the oxygen gas at room temperature is small is a wavelength at which an absorption peak is included in the range of 759.63 nm to 759.64 nm. The wavelength at which the absorption intensity of the oxygen gas at room temperature is high is a wavelength at which an absorption peak is included in the range of 759.65 nm to 759.67 nm, or 759.60 nm to 75 9 . The wavelength is such that an absorption peak is included in a range of 62 nm.

本発明によれば、ガス分析時にはパージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようなレーザ式酸素ガス分析計であり、特に補正時では低温の酸素ガスを用いて補正を容易に行えるようにしたレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。
これにより、経時変化による補正を行う際、補正に用いるガスを高温に熱する必要がなく、常温で補正できるため、どのような環境下でも容易に行うことができ、また安定したガス温度で行えるため、正確な補正を行うことができる。
According to the present invention, at the time of gas analysis, a laser-type oxygen that shows little sensitivity to the purge gas and the low-temperature oxygen gas contained in the atmosphere, but exhibits sensitivity only to the high-temperature oxygen gas contained in the measurement target gas. It is a gas analyzer, and in particular, it is possible to provide a laser-type oxygen gas analyzer that can easily perform correction using low-temperature oxygen gas at the time of correction.
As a result, when performing correction due to changes over time, it is not necessary to heat the gas used for correction to a high temperature, and correction can be performed at room temperature, so it can be easily performed in any environment and can be performed at a stable gas temperature. Therefore, accurate correction can be performed.

ガスの吸収スペクトラム特性図である。It is an absorption spectrum characteristic view of O 2 gas. 一般的な酸素ガス温度別吸収スペクトラム例の説明図である。It is explanatory drawing of the example of a general absorption spectrum according to oxygen gas temperature. 燃焼制御用としてレーザ式酸素ガス分析計が使用される環境下の酸素濃度分布と光路長の説明図である。It is explanatory drawing of oxygen concentration distribution and optical path length in the environment where a laser-type oxygen gas analyzer is used for combustion control. 燃焼制御用の酸素ガス温度別吸収スペクトラム例の説明図である。It is explanatory drawing of the absorption spectrum example according to oxygen gas temperature for combustion control. 本発明を実施するための形態のレーザ式酸素ガス分析計の構成図である。It is a block diagram of the laser type oxygen gas analyzer of the form for implementing this invention. レーザ光源部の構成図である。It is a block diagram of a laser light source part. レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形を示す図である。It is a figure which shows the output waveform of the wavelength scanning drive signal generation part of a laser element. 本発明を実施するための形態のレーザ式酸素ガス分析計による検出を説明するための説明図であり、図8(a)はレーザ素子の走査波形およびOガスの吸収波形の説明図、図8(b)はパージガスがあるが高温の酸素ガスがないときの同期検波部の出力波形を示す図、図8(c)はパージガスと高温の酸素ガスとがあるときの同期検波部の出力波形を示す図である。It is an explanatory view for explaining a detection by laser type oxygen gas analyzer mode for carrying out the present invention, FIG. 8 (a) illustrates the scan waveform and O 2 gas absorption waveform of the laser element, Fig. FIG. 8B is a diagram showing an output waveform of the synchronous detection unit when there is a purge gas but no high-temperature oxygen gas, and FIG. 8C is an output waveform of the synchronous detection unit when there is a purge gas and a high-temperature oxygen gas. FIG. 受光素子および信号処理部の構成図である。It is a block diagram of a light receiving element and a signal processing part. 周波数変調方式の原理図である。It is a principle diagram of a frequency modulation system. ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the semiconductor laser by a drive current. 温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light emission wavelength of the semiconductor laser with temperature. レーザ式酸素ガス分析計の補正の説明図である。It is explanatory drawing of correction | amendment of a laser type oxygen gas analyzer. 高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さい波長(λ)と常温の酸素ガスに対し十分吸収強度が大きい波長(λ)のゼロ点の相関関係を示す図である。The correlation between the zero point of the wavelength (λ A ) where the absorption intensity of high-temperature oxygen gas is high and the absorption intensity of oxygen gas at room temperature is small and the wavelength (λ B ) where absorption intensity is sufficiently large for oxygen gas at room temperature FIG. 高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さい波長(λ)と常温の酸素ガスに対し十分吸収強度が大きい波長(λ)のスパン係数の相関関係を示す図である。Correlation of the span coefficient between the wavelength (λ A ) where the absorption intensity of high-temperature oxygen gas is large and the absorption intensity of oxygen gas at room temperature is small and the wavelength (λ B ) where absorption intensity is sufficiently large for oxygen gas at room temperature FIG. 本発明を実施するための他の形態のレーザ式酸素ガス分析計による検出を説明するための説明図であり、図16(a)はレーザ素子の走査波形およびOガスの吸収波形の説明図、図16(b)はパージガスがあるが高温の酸素ガスがないときの同期検波部の出力波形を示す図、図16(c)はパージガスと高温の酸素ガスとがあるときの同期検波部の出力波形を示す図である。Is an explanatory view for explaining the detection by other laser type oxygen gas analyzer mode for carrying out the present invention, FIG. 16 (a) illustrates the scan waveform and O 2 gas absorption waveform of the laser element FIG. 16B is a diagram showing an output waveform of the synchronous detection unit when there is a purge gas but no high-temperature oxygen gas, and FIG. 16C shows the output of the synchronous detection unit when there is a purge gas and a high-temperature oxygen gas. It is a figure which shows an output waveform. ガスの吸収スペクトラム特性図である。It is an absorption spectrum characteristic view of O 2 gas. パージガスの流れを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the flow of purge gas.

続いて、本発明のレーザ式酸素ガス分析計について以下に説明する。まず、検出原理について説明する。
図1に酸素ガス(Oガス)の吸収スペクトラムを示す。この酸素ガスの吸収線はそれぞれが線状のスペクトラムで表わされる。そして、一般的には、図2の酸素ガス温度別吸収スペクトラムで示すように温度依存性があり、一般的には酸素ガスの温度が高くなると同じ酸素濃度でも吸収強度が低下し、検出時において、見かけ上の濃度が低下する。
Next, the laser oxygen gas analyzer of the present invention will be described below. First, the detection principle will be described.
FIG. 1 shows an absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas). Each of the oxygen gas absorption lines is represented by a linear spectrum. In general, there is temperature dependence as shown in the absorption spectrum for each oxygen gas temperature in FIG. 2. Generally, as the temperature of the oxygen gas increases, the absorption intensity decreases even at the same oxygen concentration. The apparent density decreases.

先に説明したように、レーザ式酸素ガス分析計は炉内の熱から装置を保護するため、また、ダストの付着を防ぐためガスパージを行っている。パージガスに窒素を使えば、測定対象である酸素ガスの酸素濃度に影響を与えることはないが、窒素は設備コストやランニングコストを要するため、計装空気が使用されている。   As described above, the laser oxygen gas analyzer performs a gas purge to protect the apparatus from the heat in the furnace and to prevent the adhesion of dust. If nitrogen is used as the purge gas, the oxygen concentration of the oxygen gas to be measured will not be affected, but since nitrogen requires equipment costs and running costs, instrument air is used.

図3は、一般的な燃焼制御用途であって、パージガスとして計装空気を使用したときのレーザ式酸素ガス分析計の酸素濃度分布と光路長の関係を示している。パージガス中の酸素ガスのガス濃度は20.6vol%であり、測定対象ガス中の酸素ガスのガス濃度は3〜7vol%である。パージガス中の酸素ガスが存在する区間のパージ部距離は1m×2であり、測定対象ガス中の酸素ガスが存在する区間の煙道距離は2〜4mである。   FIG. 3 is a general combustion control application, and shows the relationship between the oxygen concentration distribution and the optical path length of a laser oxygen gas analyzer when instrumented air is used as the purge gas. The gas concentration of the oxygen gas in the purge gas is 20.6 vol%, and the gas concentration of the oxygen gas in the measurement target gas is 3 to 7 vol%. The purge section distance in the section where the oxygen gas in the purge gas exists is 1 m × 2, and the flue distance in the section in which the oxygen gas in the measurement target gas exists is 2 to 4 m.

レーザ式酸素ガス分析計における酸素濃度と光路長との関係はLambert-Beerの法則により、得られる信号強度はガス濃度とそのガスが存在する距離に比例する。Lambert-Beerの式を数1に記す。   The relationship between the oxygen concentration and the optical path length in a laser oxygen gas analyzer is based on Lambert-Beer's law, and the signal intensity obtained is proportional to the gas concentration and the distance in which the gas exists. The Lambert-Beer equation is shown in Equation 1.

[数1]
I(L)=I(0)・exp[−ks・ns・Ls]
I(L):受光光量 ks:ガス係数
I(0):発光光量 ns:ガス濃度
Ls:煙道またはセル長
[Equation 1]
I (L) = I (0) · exp [−ks · ns · Ls]
I (L): received light quantity ks: gas coefficient
I (0): Light emission quantity ns: Gas concentration
Ls: Flue or cell length

よって、信号強度はガス濃度と距離の乗算値に影響される点が理解できる。一般にレーザ式酸素ガス分析計では計測レンジを設定できるが、燃焼制御用で使用するレーザ式酸素ガス分析計のレンジは大気中の酸素が20.6vol%であることから、25vol%を選ぶことが大半である。   Therefore, it can be understood that the signal intensity is influenced by the product of the gas concentration and the distance. In general, the measurement range can be set with a laser oxygen gas analyzer, but the range of the laser oxygen gas analyzer used for combustion control is 20.6 vol% in the atmosphere, so 25 vol% can be selected. The majority.

この図3のモデルで0℃の測定レンジに対するパージエアの酸素濃度比率は(20.6vol%×パージ部距離)/(25vol%×煙道距離)で表されるが、パージ部距離=2、煙道距離=2〜4であることから酸素濃度比率=0.41〜0.82倍となり、1倍以下である。   In the model of FIG. 3, the oxygen concentration ratio of purge air with respect to the measurement range of 0 ° C. is expressed by (20.6 vol% × purge section distance) / (25 vol% × flue distance), but purge section distance = 2, smoke Since the road distance is 2 to 4, the oxygen concentration ratio is 0.41 to 0.82 times, which is 1 time or less.

しかしながら、実際の燃焼制御の環境では、図2の一般的な酸素ガスの温度別吸収強度に従うものであって、800℃の吸収強度が0℃の吸収強度の15%程度であり、この場合にはパージエアの酸素濃度は測定対象の酸素濃度に対して、(20.6vol%×パージ部距離)/(煙道内濃度vol%×煙道距離×0.15)で表されるが、パージ部距離=2、煙道距離=2〜4、煙道内濃度=3〜7であることから酸素濃度比率=9.8〜45.8倍になり、パージガスの影響が大きくなっている。   However, in an actual combustion control environment, the general oxygen gas absorption intensity according to temperature in FIG. 2 is followed, and the absorption intensity at 800 ° C. is about 15% of the absorption intensity at 0 ° C. In this case, The oxygen concentration of the purge air is expressed by (20.6 vol% × purge part distance) / (flue concentration vol% × flue distance × 0.15) with respect to the oxygen concentration to be measured. = 2, flue distance = 2-4, and concentration in the flue = 3-7, so that the oxygen concentration ratio is 9.8-45.8 times, and the influence of the purge gas is large.

また、0℃の測定レンジに対する800℃の測定ガスの吸収強度(煙道内濃度vol%×0.15)/25×100で表されるが、煙道内濃度=3〜7であることから吸収強度=1.8〜4.2%FSとなり、フルスケールに対してわずか2〜4%でしかない。   Moreover, although it represents with the absorption intensity of 800 degreeC measurement gas with respect to a 0 degreeC measurement range (concentration in flue vol% x 0.15) / 25x100, since the concentration in flue = 3-7, absorption intensity = 1.8 to 4.2% FS, which is only 2 to 4% of the full scale.

以上から、燃焼制御環境下では外乱にあたるパージエアの酸素の吸収強度が相対的に大きくなり、また測定ガスの吸収強度はガス温度の影響で小さくなり、十分なS/Nが得られない状態になる。   From the above, under the combustion control environment, the oxygen absorption intensity of the purge air, which is a disturbance, becomes relatively large, and the absorption intensity of the measurement gas becomes small due to the influence of the gas temperature, so that a sufficient S / N cannot be obtained. .

そこでこのような問題を回避するため、燃焼制御で使用する酸素の吸収線スペクトラムを図4のようなガス温度特性をもつ吸収波長を選定する。この吸収波長は、例えば所定範囲759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークがある波長である。この波長における吸収線の特長は常温付近では酸素を殆ど吸収しないが、ガス温度が高くなると酸素の吸収が発生し、400〜1200℃の吸収強度は常温に対し十分な大きさがあり、吸収強度の変化量も最大吸収強度から約20%の範囲で収まる。   Therefore, in order to avoid such a problem, an absorption wavelength having gas temperature characteristics as shown in FIG. 4 is selected as an absorption line spectrum of oxygen used in combustion control. This absorption wavelength is, for example, a wavelength having an absorption peak within a predetermined range of 759.63 nm to 759.64 nm. The characteristic of the absorption line at this wavelength is that it absorbs almost no oxygen near room temperature, but oxygen absorption occurs when the gas temperature rises, and the absorption intensity at 400 to 1200 ° C. is sufficiently large with respect to room temperature. The amount of change also falls within the range of about 20% from the maximum absorption intensity.

そのため400℃の吸収強度を基準とした場合、常温雰囲気であるパージガスの酸素濃度は殆ど無視することができ、図3のモデルで実際の燃焼制御の環境下のパージエアの酸素濃度は測定対象の酸素濃度に対してほぼ0となり、0℃の測定レンジに対する800℃の測定ガスの吸収強度は14〜34%FSになり、パージエアを使用しても、その影響を受けることが殆どなく、また十分なS/Nを得ることができる。   Therefore, when the absorption intensity at 400 ° C. is used as a reference, the oxygen concentration of the purge gas, which is a normal temperature atmosphere, can be almost ignored, and the oxygen concentration of the purge air under the actual combustion control environment in the model of FIG. The absorption intensity of the measurement gas at 800 ° C. with respect to the concentration range of 0 ° C. is 14 to 34% FS, and even if purge air is used, it is hardly affected by the concentration, and is sufficient. S / N can be obtained.

このようにパージ部に流す計装空気であるパージガスに含まれる酸素ガスと測定対象の酸素ガスとを、特定波長のガス温度差によって生じる吸収強度の違いを利用し、パージ部へ流す計装空気に含まれる酸素ガスやパージ部等の装置内の酸素ガスの影響を殆ど受けることなく、測定対象の高温の酸素濃度を効率よく測定するレーザ式酸素ガス分析計とした。   In this way, the instrumentation air that flows into the purge unit using the difference in absorption intensity caused by the gas temperature difference of the specific wavelength between the oxygen gas contained in the purge gas that is instrumentation air that flows to the purge unit and the oxygen gas to be measured The laser-type oxygen gas analyzer that efficiently measures the high-temperature oxygen concentration of the measurement object without being almost affected by the oxygen gas contained in the apparatus and the oxygen gas in the apparatus such as the purge unit.

続いて、本発明を実施するための第1の形態に係るレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図5は、本形態のレーザ式酸素ガス分析計1の構成図である。レーザ式酸素ガス分析計1は、発光部100、受光部200、発光部側パージ部300、受光部側パージ部400、通信線500、補正部600を備えている。   Next, a laser oxygen gas analyzer according to a first embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 5 is a configuration diagram of the laser oxygen gas analyzer 1 of the present embodiment. The laser oxygen gas analyzer 1 includes a light emitting unit 100, a light receiving unit 200, a light emitting unit side purge unit 300, a light receiving unit side purge unit 400, a communication line 500, and a correction unit 600.

発光部100は、さらにレーザ光源部101、発光部側光学系の具体例であるコリメートレンズ102、ボックスカバー103を備える。
受光部200は、受光部側光学系の具体例である集光レンズ201、受光素子202、信号処理部203、ボックスカバー204を備える。
発光部側パージ部300は、パージ部本体301、流入口302、流出口303を備える。
受光部側パージ部400は、パージ部本体401、流入口402、流出口403を備える。
The light emitting unit 100 further includes a laser light source unit 101, a collimating lens 102, which is a specific example of the light emitting unit side optical system, and a box cover 103.
The light receiving unit 200 includes a condenser lens 201, a light receiving element 202, a signal processing unit 203, and a box cover 204, which are specific examples of the light receiving unit side optical system.
The light emission unit side purge unit 300 includes a purge unit main body 301, an inlet 302, and an outlet 303.
The light receiving unit side purge unit 400 includes a purge unit main body 401, an inflow port 402, and an outflow port 403.

本形態のレーザ式酸素ガス分析計では、具体例として、酸素ガスを含む測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管に固定されているものとして説明する。測定対象ガスは例えば燃焼時に発生する排ガスなどである。
壁701a,701bは、この配管の壁である。相フランジ702a,702bは、この壁701a,701bに、例えば、溶接等によって固定されている。
In the laser-type oxygen gas analyzer of this embodiment, a specific example will be described on the assumption that a measurement target gas containing oxygen gas is fixed to a pipe such as a flue that passes through the inside. The measurement target gas is, for example, exhaust gas generated during combustion.
Walls 701a and 701b are walls of this pipe. The companion flanges 702a and 702b are fixed to the walls 701a and 701b by, for example, welding.

一方の相フランジ702aには、角度調整機構部を含む発光部側パージ部300のパージ部本体301が取り付けられている。この発光部側パージ部300のパージ部本体301には、発光部100のボックスカバー103が取り付けられている。発光部側パージ部300の内部通路、相フランジ702aの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー103とは、コリメートレンズ102によって空間が隔てられている。   The purge unit main body 301 of the light emitting unit side purge unit 300 including the angle adjustment mechanism unit is attached to one of the phase flanges 702a. The box cover 103 of the light emitting unit 100 is attached to the purge unit main body 301 of the light emitting unit side purge unit 300. The internal passage of the light emitting unit side purge unit 300 and the internal passage of the phase flange 702a communicate with each other, and further communicate with the inside of the pipe. A space is separated from the box cover 103 by a collimating lens 102.

他方の相フランジ702bには、角度調整機構部を含む受光部側パージ部400のパージ部本体401が取り付けられている。この受光部側パージ部400のパージ部本体401には、受光部200のボックスカバー204が取り付けられている。受光部側パージ部400の内部通路、相フランジ702bの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー204とは、集光レンズ201によって空間が隔てられている。   The purge portion main body 401 of the light receiving portion side purge portion 400 including the angle adjusting mechanism portion is attached to the other phase flange 702b. A box cover 204 of the light receiving unit 200 is attached to the purge unit main body 401 of the light receiving unit side purge unit 400. The internal passage of the light-receiving unit side purge unit 400 communicates with the internal passage of the phase flange 702b, and further communicates with the inside of the pipe. A space is separated from the box cover 204 by a condenser lens 201.

発光部100のボックスカバー103は電子基板に搭載されるレーザ光源部101、光学部品であるコリメートレンズ102を内蔵する。レーザ光源部101から出射したレーザ光は、コリメートレンズ102によって平行光にコリメートされる。コリメートされた検出光800は、発光部側パージ部300の内部通路と相フランジ702aの内部通路の中心を通って壁701a,701bの内部(煙道内部)へ入射される。   A box cover 103 of the light emitting unit 100 includes a laser light source unit 101 mounted on an electronic substrate and a collimating lens 102 which is an optical component. Laser light emitted from the laser light source unit 101 is collimated into parallel light by the collimating lens 102. The collimated detection light 800 is incident on the inside of the walls 701a and 701b (inside the flue) through the center of the internal passage of the light emitting portion side purge portion 300 and the internal passage of the companion flange 702a.

検出光800は、壁701a,701bの内部にある測定対象ガス中の酸素ガスを透過する際に吸収を受ける。また、相フランジ702a,702bの内部、発光部側パージ部300の内部通路、受光部側パージ部400の内部通路に測定対象である高温の酸素ガスが存在する場合は、通常、同様に吸収を受ける。しかしながら、後述するがガス分析時には高温の酸素ガスについては感度があるが、エアパージによる常温の酸素ガスや大気に含まれる常温の酸素ガスについては感度が低い波長を選択して高温のガスについて吸収が生じるようにする。また、補正時には常温の酸素ガスについて感度がある波長を選択して常温の酸素ガスについて吸収が生じるようにする。   The detection light 800 is absorbed when it passes through the oxygen gas in the measurement target gas inside the walls 701a and 701b. In addition, when high-temperature oxygen gas to be measured exists in the phase flanges 702a and 702b, the internal passage of the light-emitting unit side purge unit 300, and the internal passage of the light-receiving unit side purge unit 400, the absorption is usually similarly performed. receive. However, although it will be described later, there is sensitivity for high-temperature oxygen gas during gas analysis, but for oxygen gas at room temperature by air purge and oxygen gas at room temperature contained in the atmosphere, a wavelength with low sensitivity is selected to absorb high-temperature gas. Make it happen. At the time of correction, a wavelength that is sensitive to room temperature oxygen gas is selected so that absorption occurs at room temperature oxygen gas.

検出光800は受光部200へ入射される。受光部200のボックスカバー204は光学部品である集光レンズ201、電子基板に搭載される受光素子202や信号処理部203を内蔵する。壁701a,701bの内部(煙道内部)を透過した平行光である検出光800は、相フランジ702bの内部通路と受光部側パージ部400の内部通路との中心を通ってボックスカバー204内部の集光レンズ201により集光されて受光素子202により受光される。この光は、受光素子202により電気信号に変換され、後段の信号処理部203に入力される。   The detection light 800 is incident on the light receiving unit 200. The box cover 204 of the light receiving unit 200 includes a condenser lens 201 that is an optical component, a light receiving element 202 mounted on an electronic substrate, and a signal processing unit 203. Detection light 800, which is parallel light transmitted through the inside of the walls 701a and 701b (inside the flue), passes through the center of the internal passage of the companion flange 702b and the internal passage of the light-receiving unit-side purge unit 400, and the inside of the box cover 204 The light is condensed by the condenser lens 201 and received by the light receiving element 202. This light is converted into an electrical signal by the light receiving element 202 and input to the signal processing unit 203 at the subsequent stage.

この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部300には流入口302からパージ部本体301内へ圧縮空気である計装空気が流入し、発光部側パージ部300の内部通路をパージし、また流出口303を通過して相フランジ702aの内部通路をパージする。このパージの後に壁701a,701bの内部(煙道内部)へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部400には流入口402からパージ部本体401内部へ圧縮空気である計装空気が流入し、受光部側パージ部400の内部通路をパージし、また流出口403を通過して相フランジ702bの内部通路をパージする。このパージの後に壁701a,701bの内部(煙道内部)へパージガスが排出される。   At this time, in order to prevent heat, corrosion, and contamination due to the measurement target gas, instrument air, which is compressed air, flows into the purge unit main body 301 from the inlet 302 into the light emitting unit side purge unit 300, and the light emitting unit side purge unit 300 The internal passage 300 is purged, and the internal passage of the companion flange 702a is purged through the outlet 303. After this purging, the purge gas is discharged into the walls 701a and 701b (inside the flue). Similarly, instrument air, which is compressed air, flows into the light receiving unit side purge unit 400 from the inlet 402 into the purge unit main body 401, purges the internal passage of the light receiving unit side purge unit 400, and passes through the outlet 403. Then, the internal passage of the companion flange 702b is purged. After this purging, the purge gas is discharged into the walls 701a and 701b (inside the flue).

この計装空気により、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部100および受光部200のレンズ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入する計装空気が常温(例えば25℃)であり、パージ部本体301、401内、相フランジ702a,702bの内部を強制的に冷却している。   The instrument air blows away dust and the like that are included in the measurement target gas and adhere to each part, and the lens surfaces of the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 are kept clean. In addition, the instrument air flowing in for purge is at a normal temperature (for example, 25 ° C.), and the inside of the purge unit main bodies 301 and 401 and the inside of the phase flanges 702a and 702b are forcibly cooled.

次に、発光部100、および、受光部200の詳細構成について説明する。まず、発光部100について図6,図7を参照しつつ詳細に説明する。図6はレーザ光源部101の詳細を示している。このレーザ光源部101は、波長走査駆動信号発生部101aと、高周波変調信号発生部101bと、を有するレーザ駆動信号発生部101sを備える。   Next, detailed configurations of the light emitting unit 100 and the light receiving unit 200 will be described. First, the light emitting unit 100 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 6 shows details of the laser light source unit 101. The laser light source unit 101 includes a laser drive signal generation unit 101s having a wavelength scanning drive signal generation unit 101a and a high frequency modulation signal generation unit 101b.

波長走査駆動信号発生部101aは、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。なお、この波長走査駆動信号は通信線500を介して演算部203eへ送信される。
高周波変調信号発生部101bは、測定対象ガスである酸素ガスの吸収波長を検出するために、例えば10kHz程度の正弦波で波長を周波数変調するための高周波変調信号を出力する。
The wavelength scanning drive signal generator 101a outputs a wavelength scanning drive signal for making the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the absorption wavelength of the measurement target gas. The wavelength scanning drive signal is transmitted to the arithmetic unit 203e via the communication line 500.
The high-frequency modulation signal generation unit 101b outputs a high-frequency modulation signal for frequency-modulating the wavelength with a sine wave of about 10 kHz, for example, in order to detect the absorption wavelength of the oxygen gas that is the measurement target gas.

このような波長走査駆動信号発生部101aから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部101bからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行いレーザ駆動信号が生成されるようになっている。レーザ駆動信号発生部101sから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部101cにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子101eに供給される。このレーザ素子101eは、例えば、DFBレーザ(Distributed Feedback Laser)、もしくはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)といわれるレーザ素子である。   The laser scanning signal is generated by synthesizing the high frequency modulation signal from the high frequency modulation signal generating unit 101b with the wavelength scanning driving signal output from the wavelength scanning driving signal generating unit 101a and performing frequency modulation. ing. The laser drive signal output from the laser drive signal generation unit 101s is converted into a current by the current control unit 101c and supplied to the laser element 101e made of a semiconductor laser. The laser element 101e is, for example, a laser element called a DFB laser (Distributed Feedback Laser) or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).

また、レーザ素子101eには温度安定化手段が設けられている。この温度安定化手段は、温度制御部101d、サーミスタ101f、ペルチェ素子101gを備える。レーザ素子101eに近接して温度検出素子としてのサーミスタ101fが配置され、このサーミスタ101fにはペルチェ素子101gが近接して配置されている。温度制御部101dのPID(比例・積分・微分)制御によりペルチェ素子101gが吸熱して温度を変化させ、サーミスタ101fの抵抗値を一定値とし、結果としてレーザ素子101eの温度を安定化させる。   The laser element 101e is provided with a temperature stabilizing means. This temperature stabilization means includes a temperature control unit 101d, a thermistor 101f, and a Peltier element 101g. A thermistor 101f as a temperature detecting element is disposed in the vicinity of the laser element 101e, and a Peltier element 101g is disposed in the vicinity of the thermistor 101f. The Peltier element 101g absorbs heat by PID (proportional / integral / derivative) control of the temperature control unit 101d to change the temperature, and the resistance value of the thermistor 101f is set to a constant value. As a result, the temperature of the laser element 101e is stabilized.

ここで、波長走査駆動信号発生部101aから出力される波長走査駆動信号は、図7に示すように、可変駆動信号S1およびオフセット信号S2により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。   Here, as shown in FIG. 7, the wavelength scanning drive signal output from the wavelength scanning drive signal generation unit 101a becomes a substantially trapezoidal unit waveform due to the variable drive signal S1 and the offset signal S2. Is a signal repeated at a constant period.

波長走査駆動信号の可変駆動信号S1は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部101cを介してレーザ素子101eに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号S1によってレーザ素子101eの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号S1の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブnm〜数nmの範囲で走査可能である。例えばOガスであれば、(1)常温でも酸素吸収がある波長と、(2)高温のみ酸素吸収がある波長と、を含む範囲であって、0.04nm〜0.05nm程度の線幅を走査可能とする部分である。 The variable drive signal S1 of the wavelength scanning drive signal is a signal for scanning the absorption wavelength, and is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element 101e via the current control unit 101c. This signal S1 is a signal for scanning the absorption wavelength by gradually shifting the emission wavelength of the laser element 101e. The emission wavelength can be scanned in the sub-nm to several nm range according to the slope of the signal S1, that is, the amount of change in the supply current. For example, in the case of O 2 gas, the line width includes (1) a wavelength at which oxygen is absorbed even at room temperature and (2) a wavelength at which oxygen is absorbed only at a high temperature, and a line width of about 0.04 nm to 0.05 nm. Is a portion that enables scanning.

波長走査駆動信号のオフセット信号S2は、吸収波長は走査しないがレーザ素子101eは発光させておくオフセット部分であり、光源部101のレーザ素子101eの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部101のレーザ素子101eに供給するような値に設定する。信号S1と信号S2とは交互に切り替わるように挿入されている。
信号S3は駆動電流をほぼ0にした部分である。
The offset signal S2 of the wavelength scanning drive signal is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 101e to emit light, and has a value equal to or greater than a threshold current value at which the light emission of the laser element 101e of the light source unit 101 is stabilized. The value is set so as to be supplied to the 101 laser element 101e. The signal S1 and the signal S2 are inserted so as to be switched alternately.
The signal S3 is a portion where the drive current is almost zero.

続いて発光部100による発光を説明する。
まず、事前に、レーザ素子101eの温度をサーミスタ101fにより検出する。さらに、図7に示した波長走査駆動信号のS1の範囲内で測定対象ガスである酸素ガスを測定できるように(所定の吸収特性が得られるように)、温度制御部101dによりペルチェ素子101gの通電を制御してレーザ素子101eの温度を調整する。
その後にレーザ素子101eを駆動する。
Next, light emission by the light emitting unit 100 will be described.
First, the temperature of the laser element 101e is detected in advance by the thermistor 101f. Further, the temperature control unit 101d allows the Peltier element 101g to measure the oxygen gas that is the measurement target gas within the range of S1 of the wavelength scanning drive signal shown in FIG. 7 (so that a predetermined absorption characteristic can be obtained). The temperature of the laser element 101e is adjusted by controlling energization.
Thereafter, the laser element 101e is driven.

なお、図8(a)はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を10kHz,波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ(759.63nm),λ(759.64nm)は高温のみガス吸収がある酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値、および、λ(759.65nm),λ(759.67nm)は常温でもガス吸収がある酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値を示している。λは高温のみ酸素ガスの吸収波長に相当する波長を、また、λは常温のみ酸素ガスの吸収波長に相当する波長をそれぞれ示している。
レーザ素子101eがこのような波長走査されたレーザ光をコリメートレンズ102へ照射して平行光である検出光800を生成し、測定対象ガスが存在する壁701a,701bの内部空間にこの検出光800を出射し、集光した光を受光素子202へ入射させる。
FIG. 8A shows a drive signal for the laser element, where the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 (759 .63 nm) and λ 3 (759.64 nm) are the upper and lower limits of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas) that has gas absorption only at high temperatures, and λ 4 (759.65 nm), λ 5 (759.67 nm) indicates the upper and lower limits of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas) that has gas absorption even at room temperature. λ A indicates a wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas only at a high temperature, and λ B indicates a wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas only at a normal temperature.
The laser element 101e irradiates the collimating lens 102 with the laser light scanned in such a wavelength to generate detection light 800 which is parallel light, and the detection light 800 is formed in the internal space of the walls 701a and 701b where the measurement target gas exists. The condensed light is incident on the light receiving element 202.

続いて受光部200について説明する。図9は、受光素子202、信号処理部203の構成を示している。信号処理部203はさらにI/V変換部203a、同期検波部203b、発振器203c、フィルタ203d、演算部203eを備えている。   Next, the light receiving unit 200 will be described. FIG. 9 shows the configuration of the light receiving element 202 and the signal processing unit 203. The signal processing unit 203 further includes an I / V conversion unit 203a, a synchronous detection unit 203b, an oscillator 203c, a filter 203d, and a calculation unit 203e.

受光素子202は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部100のレーザ素子101eの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子202の出力電流はI/V変換部203aへ入力される。I/V変換部203aにより受光素子202の出力電流が電圧に変換される。I/V変換部203aの出力信号は、同期検波部203bに入力される。同期検波部203bには、発信器203cからの2f信号が加えられ、出射光の同位相の2倍波信号の振幅のみを抽出したガス波形信号が得られる。同期検波部203bの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ203dを介してCPU等の演算部203eに送られる。演算部203eは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素濃度の算出を行う。なお、演算部203eは、波長走査駆動信号生成部101aから波長走査駆動信号を受信する。   The light receiving element 202 is configured by a photodiode, for example, and a light receiving element having sensitivity to the light emission wavelength of the laser element 101e of the light emitting unit 100 is used. The output current of the light receiving element 202 is input to the I / V conversion unit 203a. The output current of the light receiving element 202 is converted into a voltage by the I / V conversion unit 203a. The output signal of the I / V conversion unit 203a is input to the synchronous detection unit 203b. The 2f signal from the transmitter 203c is added to the synchronous detection unit 203b, and a gas waveform signal obtained by extracting only the amplitude of the second harmonic signal having the same phase of the emitted light is obtained. The output signal of the synchronous detection unit 203b is sent to a calculation unit 203e such as a CPU through a noise removal filter 203d. The calculation unit 203e detects the presence or absence of oxygen gas and calculates the oxygen concentration by various processes described below. The arithmetic unit 203e receives the wavelength scanning drive signal from the wavelength scanning driving signal generation unit 101a.

ここで周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計の計測原理について、図10のレーザ式酸素ガス分析計の周波数変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図1の酸素ガス(Oガス)の吸収スペクトラムに示すように、この酸素ガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、周波数変調方式による濃度検出が可能である。そして、この周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計では、中心周波数f、変調周波数fで半導体レーザ素子の出射光を周波数変調し、測定対象である酸素ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子101eに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。 Here, the measurement principle of the frequency modulation type laser oxygen gas analyzer will be described with reference to the principle diagram of the frequency modulation type of the laser oxygen gas analyzer of FIG. As shown in the absorption spectrum of oxygen gas (O 2 gas) in FIG. 1, since the absorption line of this oxygen gas is represented by a linear spectrum, concentration detection by a frequency modulation method is possible. Then, the laser type oxygen gas analyzer of the frequency modulation method, the center frequency f c, the light emitted from the semiconductor laser element and frequency-modulated at a modulation frequency f m, is irradiated to the oxygen gas to be measured. Here, the frequency modulation is to modulate the waveform of the drive current supplied to the laser element 101e into a sine wave.

この周波数変調方式では、上記のように分布帰還型半導体レーザ(DFBレーザ)または垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)を用いて単一波長のレーザ光のみを出射しガス濃度を測定する。この場合、レーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。   In this frequency modulation system, as described above, only a single wavelength laser beam is emitted using a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser) or a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), and the gas concentration is measured. In this case, since the spectral line width at which the laser element emits light is smaller than the absorption line width of the measurement target gas, it is necessary to match the emission wavelength of the laser with the absorption wavelength of the measurement target gas. Therefore, the emission wavelength is controlled by controlling the temperature and current of the laser element.

レーザ素子は、図11、図12に示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化する。レーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。   As shown in FIG. 11 and FIG. 12, the laser element changes its emission wavelength depending on the drive current and temperature. Since the laser element can emit a specific wavelength according to a constant value of temperature and current, it can be adjusted to the absorption wavelength according to a preset temperature and current value. By performing frequency modulation, the emission wavelength is modulated in accordance with the modulation of the drive current.

このように半導体レーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数nmであり、測定対象ガスの吸収波長の近傍を発光するレーザ素子を使用する必要がある。このレーザ素子の波長選択性の性質から、図1に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない1本または2本である。   As described above, the wavelength of the semiconductor laser element can be changed depending on the current and temperature, but the wavelength range is several nm, and it is necessary to use a laser element that emits light in the vicinity of the absorption wavelength of the measurement target gas. Due to the wavelength-selective nature of this laser element, all absorption lines as shown in FIG. 1 cannot be measured, and the absorption lines used for measurement have a relatively large absorption intensity and One or two absorptions do not overlap.

図10に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ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fの2倍の周波数の信号(2倍波信号)が得られる。ここで、変調周波数fは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数fを数kHz程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置(DSP)または汎用のプロセッサを用いて、2倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。 As shown in FIG. 10, since the absorption lines of the gas is almost quadratic function with respect to the modulation frequency, the absorption line plays the role of a discriminator, the light receiving portion of the double modulation frequency f m A frequency signal (second harmonic signal) is obtained. Since the modulation frequency f m good at any frequency, for example, using Selecting a modulation frequency f m to several kHz, a digital signal processing device (DSP) or general-purpose processor, extraction of the second harmonic signal It is possible to perform advanced signal processing such as.

また、受光部によりエンベロープ検波を行えば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倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。   Further, if the envelope detection is performed by the light receiving unit, the fundamental wave by amplitude modulation can be estimated, and the ratio between the amplitude of the fundamental wave and the amplitude of the second harmonic signal is detected in phase synchronization, so that it exists in addition to the concentration. A signal proportional to the gas concentration to be measured can be obtained without being affected by the signal having the same frequency component.

このような原理のもと、ガス分析を行っている場合に、以下のような出力がなされる。まず、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがなく、かつ通常温度のパージガスがある場合である。この場合、同期検波部203bの出力は、図8(b)で示すようになる。   Based on this principle, the following output is made when gas analysis is performed. First, there is no high-temperature oxygen gas in the measurement target gas and there is a normal-temperature purge gas. In this case, the output of the synchronous detector 203b is as shown in FIG.

まず、高温のみ酸素吸収があり常温では酸素吸収がない波長λでは、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがないことから、同期検波部203bによって2倍波信号が検出されないので、その出力波形は、図8(b)の囲いAで示すように同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。
また、高温でも常温でも酸素吸収があるλでは、パージガスに含まれる常温の酸素ガスのみがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図8(b)の囲いBで示すように出力がピーク波形となる。この検出ピークは、常温の酸素ガスの濃度を表す。
First, at a wavelength λ A in which oxygen is absorbed only at high temperature and there is no oxygen absorption at room temperature, since there is no high-temperature oxygen gas in the gas to be measured, the second harmonic signal is not detected by the synchronous detector 203b. As shown by an enclosure A in FIG. 8B, the output of the synchronous detection unit 203b is substantially a straight line.
In addition, in λ B where oxygen is absorbed at both high temperature and normal temperature, only the oxygen gas at normal temperature contained in the purge gas is present, so only the amplitude of the double frequency component of the modulation signal of the emitted light is extracted by the synchronous detection unit 203b. Since a second harmonic signal, which is a signal, is detected, the output waveform has a peak waveform as shown by an enclosure B in FIG. 8B. This detection peak represents the concentration of oxygen gas at room temperature.

続いて、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがあり、かつ通常温度のパージガスがある場合である。この場合、同期検波部203bの出力は、図8(c)で示すようになる。   Subsequently, there is a case where there is a high-temperature oxygen gas in the measurement target gas and a normal-temperature purge gas. In this case, the output of the synchronous detector 203b is as shown in FIG.

まず、高温のみ酸素吸収があり常温では酸素吸収がない波長λでは、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図8(c)の囲いAで示すように出力がピーク波形となる。この検出ピークは、高温の酸素ガスの濃度を表す。
また、高温でも常温でも酸素吸収があるλでは、通常温度のパージガスがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図8(c)の囲いBで示すように出力がピーク波形となる。
First, at a wavelength λ A where oxygen is absorbed only at a high temperature and there is no oxygen absorption at a normal temperature, since there is a high-temperature oxygen gas in the measurement target gas, the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light by the synchronous detector 203b Since the second harmonic signal, which is only the extracted signal, is detected, the output waveform has a peak waveform as indicated by an enclosure A in FIG. This detection peak represents the concentration of high-temperature oxygen gas.
In addition, at λ B where oxygen is absorbed at both high temperature and normal temperature, there is a purge gas at normal temperature, so that the double is a signal obtained by extracting only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light by the synchronous detector 203b. Since a wave signal is detected, the output waveform has a peak waveform as shown by an enclosure B in FIG.

図8(b)または図8(c)の出力波形のいずれの場合にも、この出力波形はフィルタ203dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算部203eへ出力される。演算部203eは以下のように機能する。濃度を測定する演算部203eは、波長走査駆動信号を発光部100から入力しており、例えば波長走査駆動信号のS3を抽出するなどしてタイミング同期を行うことにより図8(b),(c)の囲いAのタイミングの検出ピーク波形のみを選択できるようになされている。ガス分析時では図8(b),(c)の囲いBの検出ピークについては考慮しない。この図8(b),(c)の囲いAの検出ピーク波形Aが測定対象ガスのうちの高温の酸素ガスによる吸収を受けた部分(ガス吸収波形)であり、この検出ピーク波形Aの最大値または最小値が測定対象ガスのうちの高温の酸素ガスのガス濃度に相当する。   In either case of the output waveform of FIG. 8B or FIG. 8C, this output waveform is noise-removed by the filter 203d, is appropriately amplified, and is output to the arithmetic unit 203e which is a subsequent CPU, DSP or the like. Is done. The calculation unit 203e functions as follows. The calculation unit 203e that measures the density receives the wavelength scanning drive signal from the light emitting unit 100, and performs timing synchronization by, for example, extracting S3 of the wavelength scanning driving signal, thereby performing FIGS. ) So that only the detected peak waveform at the timing of the enclosure A can be selected. At the time of gas analysis, the detection peak of the enclosure B in FIGS. 8B and 8C is not considered. The detection peak waveform A of the enclosure A in FIGS. 8B and 8C is a portion (gas absorption waveform) that has been absorbed by high-temperature oxygen gas in the measurement target gas, and the maximum of the detection peak waveform A The value or the minimum value corresponds to the gas concentration of the high-temperature oxygen gas in the measurement target gas.

従って、演算部203eでは、この図8(b),(c)の四角枠内に示される同期検波部203bの出力である高温の酸素ガスの検出ピーク波形Aを用いて、高温の酸素ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、高温の酸素ガスの検出ピーク波形Aの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、高温の酸素ガスの検出ピーク波形Aの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象のうちの高温の酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合に酸素ガスがないと判断する手段として機能する。   Therefore, the calculation unit 203e uses the detection peak waveform A of the high-temperature oxygen gas, which is the output of the synchronous detection unit 203b shown in the square frames of FIGS. 8B and 8C, to detect the high-temperature oxygen gas. Measure the peak value of the waveform corresponding to the concentration, measure the amplitude difference between the maximum value and the minimum value of the detection peak waveform A of the high-temperature oxygen gas, or part of the detection peak waveform A of the high-temperature oxygen gas Alternatively, it integrates all and functions as means for detecting the concentration of high-temperature oxygen gas in the measurement object from the integrated value. Also, it functions as means for determining that there is no oxygen gas when the gas concentration is lower than a predetermined value.

演算部203eには補正部600が接続されている。この補正部600は、演算部203eで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する濃度値補正部と、濃度値補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部203eは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。レーザ式酸素ガス分析計1によるガス分析はこのように行われる。   A correction unit 600 is connected to the calculation unit 203e. The correction unit 600 displays a concentration value correction unit that corrects the value converted by the arithmetic unit 203e to a concentration value corresponding to a change in gas temperature or gas pressure, and a display that displays the concentration value corrected by the concentration value correction unit. And an external transmission unit for transmitting the corrected density value in analog and digital signals. The calculation unit 203e performs output control, and the density value corrected by the correction function display unit is displayed on the display unit. Gas analysis by the laser oxygen gas analyzer 1 is performed in this way.

次にレーザ式酸素ガス分析計1の定期的な補正方法について説明する。定期補正を行う場合、一般的には設置現場から受光部と発光部を取り外し、図13に示すように発光部と受光部を専用の補正用ガスセル900の両端に接続する。窒素ガスや酸素ガスは通常は窒素ボンベ901や酸素ボンベ902から供給される。補正用ガスセルに流す窒素ガスや酸素ガスの温度は周囲温度(0〜35℃)と同じである。   Next, a periodic correction method of the laser oxygen gas analyzer 1 will be described. When performing periodic correction, the light receiving unit and the light emitting unit are generally removed from the installation site, and the light emitting unit and the light receiving unit are connected to both ends of a dedicated correction gas cell 900 as shown in FIG. Nitrogen gas and oxygen gas are usually supplied from a nitrogen cylinder 901 or an oxygen cylinder 902. The temperature of the nitrogen gas or oxygen gas passed through the correction gas cell is the same as the ambient temperature (0 to 35 ° C.).

ゼロ点のズレを確認するには、窒素ボンベ901から補正用ガスセル900へ補正用の窒素(N)ガスを流して、出荷時や前回補正時と比較してゼロ点のズレ幅を測定して、ゼロからズレが生じている場合は、補正を行い値がゼロになるようにゼロ係数を変更し、ガスボンベ濃度値と同じ値になるように補正を行う。 In order to check the deviation of the zero point, a correction nitrogen (N 2 ) gas is supplied from the nitrogen cylinder 901 to the correction gas cell 900, and the deviation width of the zero point is measured compared with the time of shipment or the previous correction. If there is a deviation from zero, correction is performed, the zero coefficient is changed so that the value becomes zero, and correction is performed so that the value becomes the same as the gas cylinder concentration value.

スパンのズレを確認するには、酸素ボンベ902から補正用ガスセル900へスパン相当の酸素ガスを流し、スパンのズレ幅を測定する。濃度値が酸素ボンベ902の濃度とズレが生じている場合は、補正を行い、スパン係数を変更する。   In order to check the displacement of the span, oxygen gas corresponding to the span is caused to flow from the oxygen cylinder 902 to the correction gas cell 900, and the displacement width of the span is measured. If the concentration value deviates from the concentration of the oxygen cylinder 902, correction is performed and the span coefficient is changed.

このような補正は、従来技術の燃焼制御で使用しない通常用途のレーザ式酸素ガス分析計では容易に行えるものであった。しかしながら、常温の酸素ガスの吸収がなく、高温の酸素ガスのみ吸収する波長により検出する新しい方式のレーザ式酸素ガス分析計では、特にスパンのズレを確認する場合にあっては、常温のスパン相当の酸素ガスを流しても、吸収が得られず補正することができないおそれがあった。   Such correction can be easily performed with a laser oxygen gas analyzer for normal use that is not used in combustion control of the prior art. However, with a new type of laser-type oxygen gas analyzer that does not absorb room temperature oxygen gas and detects only the wavelength that absorbs only high-temperature oxygen gas, it is equivalent to the span at room temperature, especially when checking the deviation of the span. Even if oxygen gas was flowed, there was a possibility that the absorption could not be obtained and correction could not be made.

一方で本発明のレーザ式酸素ガス分析計1では以下のようにして補正を行う。本発明のレーザ式酸素ガス分析計1では先に説明した図8(a)のように走査するが、補正用の常温の酸素ガスのみある場合である。この場合、同期検波部203bの出力は、図8(b)で示すようになる。   On the other hand, the laser oxygen gas analyzer 1 of the present invention performs correction as follows. The laser-type oxygen gas analyzer 1 of the present invention scans as shown in FIG. 8A described above, but this is a case where only oxygen gas at normal temperature for correction is present. In this case, the output of the synchronous detector 203b is as shown in FIG.

まず、高温のみ酸素吸収があり常温では酸素吸収がない波長λでは、高温の酸素ガスがないことから、同期検波部203bによって2倍波信号が検出されないので、その出力波形は、図8(b)の囲いAで示すように同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。
また、高温でも常温でも酸素吸収があるλでは、常温の酸素ガスのみがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図8(b)の囲いBで示すように出力がピーク波形となる。この検出ピークは、補正用の常温の酸素ガスの濃度を表す。
First, at the wavelength λ A where oxygen is absorbed only at high temperature and there is no oxygen absorption at room temperature, since there is no high-temperature oxygen gas, the second harmonic signal is not detected by the synchronous detection unit 203b. As indicated by an enclosure A in b), the output of the synchronous detector 203b is substantially a straight line.
In addition, at λ B where oxygen is absorbed at both high temperature and normal temperature, there is only oxygen gas at normal temperature, so that only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light is extracted by the synchronous detector 203b 2. Since the harmonic wave signal is detected, the output waveform has a peak waveform as shown by an enclosure B in FIG. 8B. This detection peak represents the concentration of oxygen gas at normal temperature for correction.

この出力波形はフィルタ203dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算部203eへ出力される。演算部203eは以下のように機能する。濃度を測定する演算部203eは、波長走査駆動信号を発光部100から入力しており、上記したようなタイミング同期により図8(b)の囲いBのタイミングのピーク波形を選択できるようになされている。ガス分析時と補正時とで異なるタイミングの切り替えは、例えば演算部203eに接続される図示しない切り替えスイッチ等により選択できる。この図8(b)の囲いBにおける検出ピーク波形Bが補正用の酸素ガスによる吸収を受けた部分(ガス吸収波形)であり、この検出ピーク波形Bの最大値または最小値が補正用の酸素ガスの濃度に相当する。   This output waveform is noise-removed by the filter 203d, is appropriately amplified, and is output to the arithmetic unit 203e, which is a subsequent CPU, DSP, or the like. The calculation unit 203e functions as follows. The calculation unit 203e for measuring the density receives the wavelength scanning drive signal from the light emitting unit 100, and can select the peak waveform at the timing of the enclosure B in FIG. 8B by the timing synchronization as described above. Yes. Switching between different timings for gas analysis and correction can be selected by, for example, a switch (not shown) connected to the calculation unit 203e. The detected peak waveform B in the enclosure B in FIG. 8B is a portion (gas absorption waveform) absorbed by the correction oxygen gas, and the maximum or minimum value of the detected peak waveform B is the correction oxygen. Corresponds to gas concentration.

従って、演算部203eでは、この図8(b)の四角枠内に示される同期検波部203bの出力である常温の酸素ガスの検出ピーク波形Bを用いて、常温の酸素ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、常温の酸素ガスの検出ピーク波形Bの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、常温の酸素ガスの検出ピーク波形Bの一部または全部を積分して、その積分値から常温の酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。この吸収波形Bによる濃度を用いて補正を行う。   Accordingly, the calculation unit 203e corresponds to the concentration of oxygen gas at room temperature using the detection peak waveform B of room temperature oxygen gas, which is the output of the synchronous detection unit 203b shown in the square frame of FIG. 8B. Measure the peak value of the waveform, measure the amplitude difference between the maximum or minimum value of the detection peak waveform B of oxygen gas at normal temperature, or integrate part or all of the detection peak waveform B of oxygen gas at normal temperature Thus, it functions as a means for detecting the concentration of oxygen gas at room temperature from the integrated value. Correction is performed using the density of the absorption waveform B.

なお、常温でも酸素吸収がある波長(λ)と高温のみ酸素吸収がある波長(λ)の400℃におけるゼロ点の経時変化率は図14で示す通り、相関関係がある。
また、常温でも酸素吸収がある波長(λ)と高温のみ酸素吸収がある波長(λ)の400℃におけるスパンの経時変化率は、図15で示す通り、ゼロ点と同様に相関関係がある。
Note that the rate of change with time of the zero point at 400 ° C. between the wavelength at which oxygen is absorbed even at room temperature (λ B ) and the wavelength at which oxygen is absorbed only at high temperature (λ A ) is correlated as shown in FIG.
Further, the time-dependent change rate of the span at 400 ° C. between the wavelength at which oxygen is absorbed even at room temperature (λ B ) and the wavelength at which oxygen is absorbed only at high temperature (λ A ) is correlated as shown in FIG. is there.

以上から常温でも酸素の吸収がある波長(λ)と高温のみ酸素吸収がある波長(λ)には、次の数2の関係式を用いることにより、波長(λ)の補正を行うことにより間接的に波長(λ)の補正を行うことが可能になる。 From the above, the wavelength (λ B ) is corrected by using the following relational expression 2 for the wavelength (λ B ) where oxygen is absorbed even at room temperature and the wavelength (λ A ) where oxygen is absorbed only at high temperature. This makes it possible to indirectly correct the wavelength (λ A ).

[数2]
波長(λ)のゼロ点補正値=k×波長(λ)のゼロ点補正値
波長(λ)のスパン補正値=k’×波長(λ)のスパン補正値
[Equation 2]
Wavelength (λ A ) zero point correction value = k × wavelength (λ B ) zero point correction value Wavelength (λ A ) span correction value = k ′ × wavelength (λ B ) span correction value

これら波長(λ)のゼロ点補正値と波長(λ)のスパン補正値とを補正係数として算出し、補正部600は受光部200の演算203eへ送信する。受光部200の演算203eは、内蔵するメモリにこれら補正係数を登録し、以後はこの補正係数を用いて、高温の酸素ガスのガス濃度値を補正した上で出力する。したがって、補正後では経年変化による影響を打ち消して正確なガス濃度値を得られるようになる。このような補正は、ガスや配管を熱することなく、常温でズレを補正できるようになる。このようなレーザ式酸素ガス分析計1では補正が容易になるという利点がある。 A span correction value of the zero-point correction value and the wavelength of the wavelength (λ A) A) is calculated as a correction coefficient, the correction unit 600 transmits to the arithmetic 203e of the light receiving portion 200. The calculation 203e of the light receiving unit 200 registers these correction coefficients in a built-in memory, and thereafter outputs the correction after correcting the gas concentration value of the high-temperature oxygen gas using the correction coefficient. Therefore, after correction, the influence of the secular change can be canceled and an accurate gas concentration value can be obtained. Such correction makes it possible to correct the deviation at normal temperature without heating the gas and the piping. Such a laser oxygen gas analyzer 1 has an advantage that correction is easy.

続いて他の形態の装置について図16を参照しつつ説明する。本形態ではレーザ光の走査範囲を変更するものである。まず、先の形態では図8(a)のレーザ素子の駆動信号で示すように、高周波変調信号の周波数を10kHz,波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ(759.63nm),λ(759.64nm)は高温のみガス吸収がある酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値、および、λ(759.65nm),λ(759.67nm)は常温でもガス吸収がある酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値を示している。λは高温のみ酸素ガスの吸収波長に相当する波長を、また、λは常温のみ酸素ガスの吸収波長に相当する波長をそれぞれ示している。 Next, another form of apparatus will be described with reference to FIG. In this embodiment, the scanning range of the laser beam is changed. First, as shown by the laser element drive signal in FIG. 8A in the previous embodiment, the frequency of the high frequency modulation signal is 10 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 50 Hz, λ 1 is the wavelength corresponding to the offset, λ 2 (759.63 nm) and λ 3 (759.64 nm) are the upper and lower limits of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas) that has gas absorption only at high temperatures, and λ 4 (759.65 nm). ), Λ 5 (759.67 nm) indicates the upper and lower limit values of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas) that absorbs gas even at room temperature. λ A indicates a wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas only at a high temperature, and λ B indicates a wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas only at a normal temperature.

一方で本形態では、図16に示すようにレーザ素子の駆動信号は、高周波変調信号の周波数を10kHz,波長走査駆動信号の周波数を50Hzとしてあり、λはオフセットに相当する波長、λ(759.60nm),λ(759.62nm)は常温でもガス吸収がある酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値、および、λ(759.63nm),λ(759.64nm)は高温のみガス吸収がある酸素ガス(Oガス)の吸収波長に相当する走査波長の上下限値を示している。λは高温のみ酸素ガスの吸収波長に相当する波長を、また、λは常温のみ酸素ガスの吸収波長に相当する波長をそれぞれ示している。このようなレーザ走査範囲を採用している。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 16, the laser element drive signal has a high frequency modulation signal frequency of 10 kHz and a wavelength scanning drive signal frequency of 50 Hz, λ 1 is a wavelength corresponding to an offset, and λ 2 ( 759.60 nm) and λ 3 (759.62 nm) are the upper and lower limits of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas) that has gas absorption even at room temperature, and λ 4 (759.63 nm), λ 5 (759.64 nm) indicates the upper and lower limits of the scanning wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas (O 2 gas) having gas absorption only at high temperatures. λ A indicates a wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas only at a high temperature, and λ B indicates a wavelength corresponding to the absorption wavelength of oxygen gas only at a normal temperature. Such a laser scanning range is employed.

このような原理のもと、以下のような出力がなされる。まず、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがなく、かつ通常温度のパージガスがある場合である。この場合、同期検波部203bの出力は、図16(b)で示すようになる。   Based on this principle, the following output is made. First, there is no high-temperature oxygen gas in the measurement target gas and there is a normal-temperature purge gas. In this case, the output of the synchronous detector 203b is as shown in FIG.

まず、高温でも常温でも酸素吸収があるλでは、パージガスに含まれる常温の酸素ガスのみがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図17(b)の囲いBで示すように出力がピーク波形となる。この検出ピークは、常温の酸素ガスの濃度を表す。
また、高温のみ酸素吸収があり常温では酸素吸収がない波長λでは、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがないことから、同期検波部203bによって2倍波信号が検出されないので、その出力波形は、図17(b)の囲いAで示すように同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。
First, at λ B where oxygen is absorbed at both high temperature and normal temperature, only the oxygen gas at normal temperature contained in the purge gas is present, so only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light is extracted by the synchronous detection unit 203b. Since the second harmonic signal, which is a signal, is detected, the output waveform has a peak waveform as indicated by an enclosure B in FIG. This detection peak represents the concentration of oxygen gas at room temperature.
In addition, at the wavelength λ A where oxygen is absorbed only at high temperature and there is no oxygen absorption at room temperature, since there is no high-temperature oxygen gas in the gas to be measured, the second harmonic signal is not detected by the synchronous detection unit 203b, so its output waveform As shown by an enclosure A in FIG. 17 (b), the output of the synchronous detector 203b is substantially a straight line.

続いて、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがあり、かつ通常温度のパージガスがある場合である。この場合、同期検波部203bの出力は、図16(c)で示すようになる。   Subsequently, there is a case where there is a high-temperature oxygen gas in the measurement target gas and a normal-temperature purge gas. In this case, the output of the synchronous detector 203b is as shown in FIG.

まず、高温でも常温でも酸素吸収があるλでは、通常温度のパージガスがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図16(c)の囲いBで示すように出力がピーク波形となる。
また、高温のみ酸素吸収があり常温では酸素吸収がない波長λでは、測定対象ガス中に高温の酸素ガスがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図16(c)の囲いAで示すように出力がピーク波形となる。この検出ピークは、高温の酸素ガスの濃度を表す。
First, in λ B where oxygen is absorbed at both high temperature and normal temperature, since there is a purge gas at normal temperature, the synchronous detector 203b is a signal obtained by extracting only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light. Since a wave signal is detected, the output waveform has a peak waveform as shown by an enclosure B in FIG.
In addition, at a wavelength λ A where oxygen is absorbed only at high temperature and there is no oxygen absorption at room temperature, there is a high-temperature oxygen gas in the gas to be measured. Since the second harmonic signal, which is only the extracted signal, is detected, the output waveform has a peak waveform as indicated by an enclosure A in FIG. This detection peak represents the concentration of high-temperature oxygen gas.

図16(b)または図16(c)の出力波形のいずれの場合にも、この出力波形はフィルタ203dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算部203eへ出力される。演算部203eは以下のように機能する。濃度を測定する演算部203eは、波長走査駆動信号を発光部100から入力しており、上記したようなタイミング同期により図16(b),(c)の囲いAのタイミングの検出ピーク波形Aを選択できるようになされている。この図16(b),(c)の囲いAの検出ピーク波形Aが測定対象ガスのうちの高温の酸素ガスによる吸収を受けた部分(ガス吸収波形)であり、この検出ピーク波形Aの最大値または最小値が測定対象ガスのうちの高温の酸素ガスのガス濃度に相当する。   In either case of the output waveform of FIG. 16B or FIG. 16C, this output waveform is noise-removed by the filter 203d, is appropriately amplified, and is output to the arithmetic unit 203e which is a subsequent CPU, DSP or the like. Is done. The calculation unit 203e functions as follows. The calculation unit 203e that measures the concentration receives the wavelength scanning drive signal from the light emitting unit 100, and generates the detection peak waveform A at the timing of the enclosure A in FIGS. 16B and 16C by the timing synchronization as described above. It is made available for selection. The detection peak waveform A of the enclosure A in FIGS. 16B and 16C is a portion (gas absorption waveform) that has been absorbed by high-temperature oxygen gas in the measurement target gas, and the maximum of the detection peak waveform A The value or the minimum value corresponds to the gas concentration of the high-temperature oxygen gas in the measurement target gas.

従って、演算部203eでは、この図16(b),(c)の四角枠内に示される同期検波部203bの出力である高温の酸素ガスの検出ピーク波形Aを用いて、高温の酸素ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、高温の酸素ガスの検出ピーク波形Aの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、高温の酸素ガスの検出ピーク波形Aの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象のうちの高温の酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合に酸素ガスがないと判断する手段として機能する。   Accordingly, the calculation unit 203e uses the detection peak waveform A of the high-temperature oxygen gas that is the output of the synchronous detection unit 203b shown in the square frames of FIGS. Measure the peak value of the waveform corresponding to the concentration, measure the amplitude difference between the maximum value and the minimum value of the detection peak waveform A of the high-temperature oxygen gas, or part of the detection peak waveform A of the high-temperature oxygen gas Alternatively, it integrates all and functions as means for detecting the concentration of high-temperature oxygen gas in the measurement object from the integrated value. Also, it functions as means for determining that there is no oxygen gas when the gas concentration is lower than a predetermined value.

演算部203eには補正部600が接続されている。この補正部600は、演算部203eで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する濃度値補正部と、濃度値補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部203eは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。レーザ式酸素ガス分析計1によるガス分析はこのように行われる。   A correction unit 600 is connected to the calculation unit 203e. The correction unit 600 displays a concentration value correction unit that corrects the value converted by the arithmetic unit 203e to a concentration value corresponding to a change in gas temperature or gas pressure, and a display that displays the concentration value corrected by the concentration value correction unit. And an external transmission unit for transmitting the corrected density value in analog and digital signals. The calculation unit 203e performs output control, and the density value corrected by the correction function display unit is displayed on the display unit. Gas analysis by the laser oxygen gas analyzer 1 is performed in this way.

一方で本発明のレーザ式酸素ガス分析計1では以下のようにして補正を行う。本発明のレーザ式酸素ガス分析計1では図16(a)のように走査するが、補正用の常温の酸素ガスのみある場合である。この場合、同期検波部203bの出力は、図16(b)で示すようになる。   On the other hand, the laser oxygen gas analyzer 1 of the present invention performs correction as follows. In the laser type oxygen gas analyzer 1 of the present invention, scanning is performed as shown in FIG. 16A, but there is only a room temperature oxygen gas for correction. In this case, the output of the synchronous detector 203b is as shown in FIG.

まず、高温でも常温でも酸素吸収があるλでは、常温の酸素ガスのみがあることから、同期検波部203bによって出射光の変調信号の2倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である2倍波信号が検出されるので、その出力波形は、図16(b)の囲いBで示すように出力が検出ピーク波形Bとなる。この検出ピーク波形Bは、補正用の常温の酸素ガスの濃度を表す。
また、高温のみ酸素吸収があり常温では酸素吸収がない波長λでは、高温の酸素ガスがないことから、同期検波部203bによって2倍波信号が検出されないので、その出力波形は、図16(b)の囲いAで示すように同期検波部203bの出力はほぼ直線となる。
First, in λ B where oxygen is absorbed at both high temperature and normal temperature, there is only oxygen gas at normal temperature, so that only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light is extracted by the synchronous detector 203b 2. Since the harmonic wave signal is detected, the output waveform becomes a detected peak waveform B as indicated by an enclosure B in FIG. This detection peak waveform B represents the concentration of oxygen gas at normal temperature for correction.
Further, since there is no high-temperature oxygen gas at the wavelength λ A where oxygen is absorbed only at high temperature and there is no oxygen absorption at room temperature, the second harmonic signal is not detected by the synchronous detection unit 203b. As indicated by an enclosure A in b), the output of the synchronous detector 203b is substantially a straight line.

この出力波形はフィルタ203dによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のCPUやDSP等である演算部203eへ出力される。演算部203eは以下のように機能する。濃度を測定する演算部203eは、波長走査駆動信号を発光部100から入力しており、上記のタイミング同期により図16(b)の囲いBのタイミングの検出ピーク波形Bを選択できるようになされている。タイミングの切り替えは、例えば演算部203eに接続される図示しない切り替えスイッチ等により選択できる。この図16(b)の囲いBの検出ピーク波形Bが補正用の常温の酸素ガスによる吸収を受けた部分(ガス吸収波形)であり、この検出ピーク波形Bの最大値または最小値が補正用の酸素ガスの濃度に相当する。   This output waveform is noise-removed by the filter 203d, is appropriately amplified, and is output to the arithmetic unit 203e, which is a subsequent CPU, DSP, or the like. The calculation unit 203e functions as follows. The calculation unit 203e that measures the concentration receives the wavelength scanning drive signal from the light emitting unit 100, and can select the detection peak waveform B at the timing of the enclosure B in FIG. 16B by the timing synchronization described above. Yes. Timing switching can be selected by, for example, a switch (not shown) connected to the calculation unit 203e. The detection peak waveform B of the enclosure B in FIG. 16B is a portion (gas absorption waveform) that has been absorbed by the normal-temperature oxygen gas for correction, and the maximum or minimum value of the detection peak waveform B is for correction. This corresponds to the concentration of oxygen gas.

従って、演算部203eでは、この図16(b)の四角枠内に示される同期検波部203bの出力である常温の酸素ガスの検出ピーク波形Bを用いて、常温の酸素ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、常温の酸素ガスの検出ピーク波形Bの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、常温の酸素ガスの検出ピーク波形Bの一部または全部を積分して、その積分値から常温の酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。この検出ピーク波形Bによる濃度を用いて補正を行う。そして上記のように補正を行い、上記の数3のような補正係数を得る。   Therefore, the calculation unit 203e corresponds to the concentration of oxygen gas at room temperature using the detection peak waveform B of oxygen gas at room temperature, which is the output of the synchronous detection unit 203b shown in the square frame of FIG. 16B. Measure the peak value of the waveform, measure the amplitude difference between the maximum or minimum value of the detection peak waveform B of oxygen gas at normal temperature, or integrate part or all of the detection peak waveform B of oxygen gas at normal temperature Thus, it functions as a means for detecting the concentration of oxygen gas at room temperature from the integrated value. Correction is performed using the density based on the detected peak waveform B. And it correct | amends as mentioned above and obtains a correction coefficient like said Formula 3.

これら波長(λ)のゼロ点補正値と波長(λ)のスパン補正値とを補正係数として算出し、補正部600は受光部200の演算部203eへ送信する。受光部200の演算部203eは、内蔵するメモリにこれら補正係数を登録し、以後はこの補正係数を用いて、高温の酸素ガスのガス濃度値を補正した上で出力する。したがって、補正後では経年変化による影響を打ち消して正確なガス濃度値を得られるようになる。このような補正は、ガスや配管を熱することなく、常温でズレを補正できるようになる。
本形態のレーザ式酸素ガス分析計はこのようなものである。本形態でも先に説明したレーザ式酸素ガス分析計と同じ効果を奏しうるというものである。
A span correction value of the zero-point correction value and the wavelength of the wavelength (λ A) A) is calculated as a correction coefficient, the correction unit 600 transmits to the operation unit 203e of the light receiving portion 200. The calculation unit 203e of the light receiving unit 200 registers these correction coefficients in a built-in memory, and thereafter uses the correction coefficient to correct the gas concentration value of the high-temperature oxygen gas and output the corrected gas concentration value. Therefore, after correction, the influence of the secular change can be canceled and an accurate gas concentration value can be obtained. Such correction makes it possible to correct the deviation at normal temperature without heating the gas and the piping.
The laser oxygen gas analyzer of this embodiment is such a thing. This embodiment can also achieve the same effect as the laser oxygen gas analyzer described above.

以上本発明のレーザ式酸素ガス分析計について説明した。
本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、酸素ガスの温度が異なる場合には吸収強度が異なるという物理的現象を利用し、特に高温の酸素ガスの吸収強度が大きいような特定波長で吸光させるというものであり、測定対象ガスに含まれる酸素ガスのうち、装置保護やダスト付着防止用を目的としたパージガスに使用する計装空気中の低温の酸素ガス、および、パージガスではない装置内の空気中の低温の酸素ガス、に影響されることなく、例えば、ゴミ焼却場施設などのボイラ内の測定対象ガスのうち400℃以上の高温の酸素ガスのガス濃度をレーザ光により測定するようにした。そして、特に補正時では低温の酸素ガスを用いて補正を容易に行えるようにしたため、運用が容易なレーザ式酸素ガス分析計とした。
The laser oxygen gas analyzer of the present invention has been described above.
The laser oxygen gas analyzer of the present invention uses a physical phenomenon that absorption intensity differs when the temperature of oxygen gas is different, and absorbs light at a specific wavelength where the absorption intensity of high-temperature oxygen gas is particularly high. Of the oxygen gas contained in the gas to be measured, low-temperature oxygen gas in instrument air used for purge gas for the purpose of protecting the device and preventing dust adhesion, and in the air inside the device that is not purge gas For example, the gas concentration of a high-temperature oxygen gas of 400 ° C. or higher among the measurement target gas in a boiler such as a garbage incineration facility is measured by a laser beam without being affected by the low-temperature oxygen gas. In particular, at the time of correction, since correction can be easily performed using low-temperature oxygen gas, a laser type oxygen gas analyzer that is easy to operate is obtained.

本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、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。   The laser oxygen gas analyzer of the present invention is optimal for measuring combustion exhaust gas such as boilers and garbage 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:レーザ式酸素ガス分析計
100:発光部
101:レーザ光源部
101a:波長走査駆動信号発生部
101b:高周波変調信号発生部
101c:電流制御部
101d:温度制御部
101e:レーザ素子
101f:サーミスタ
101g:ペルチェ素子
101s:レーザ駆動信号発生部
102:コリメートレンズ
103:ボックスカバー
200:受光部
201:集光レンズ
202:受光素子
203:信号処理部
204:ボックスカバー
300:発光部側パージ部
301:パージ部本体
302:流入口
303:流出口
400:受光部側パージ部
401:パージ部本体
402:流入口
403:流出口
500:通信線
600:補正部
701a,701b:壁
702a,702b:相フランジ
800:検出光
900:補正用ガスセル
901:窒素ボンベ
902:酸素ボンベ
1: Laser oxygen gas analyzer 100: Light emitting unit 101: Laser light source unit 101a: Wavelength scanning drive signal generating unit 101b: High frequency modulation signal generating unit 101c: Current control unit 101d: Temperature control unit 101e: Laser element 101f: Thermistor 101g : Peltier element 101 s: Laser drive signal generating unit 102: Collimating lens 103: Box cover 200: Light receiving unit 201: Condensing lens 202: Light receiving element 203: Signal processing unit 204: Box cover 300: Light emitting unit side purge unit 301: Purge Main part 302: Inlet 303: Outlet 400: Light receiving part side purge part 401: Purge part main body 402: Inlet 403: Outlet 500: Communication line 600: Correction part 701a, 701b: Wall 702a, 702b: Companion flange 800 : Detection light 900: Correction gas cell 901: Nitrogen cylinder 02: oxygen cylinder

Claims (3)

レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光し、受光した検出光の検出ピークからガス濃度を算出する受光部と、経時変化によって生じた濃度誤差を補正係数によって補正する補正部と、を有し、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長のレーザ光によるガス分析用の検出光と、常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長のレーザ光による補正用の検出光と、をそれぞれ発光するものであり、
前記受光部は、ガス分析時ではガス分析用の検出光を受光して高温の酸素ガスのガス濃度を算出し、また、補正時では補正用の検出光を受光して検出ピークを算出するものであり、
前記補正部は、補正時では補正用の検出光から生成される検出ピークを用いて経時変化を補正する補正係数を算出するものであり、
前記受光部は、前記補正部で算出した補正係数を用いて、ガス分析用の検出光を受光して生成したガス濃度値を間接的に補正することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which oxygen gas to be measured exists, and calculates a gas concentration from a detection peak of the received detection light; A laser oxygen gas analyzer for measuring a gas concentration of oxygen gas, having a correction unit that corrects a concentration error caused by a change with time by a correction coefficient,
The light emitting unit has a detection light for gas analysis with a laser beam having a wavelength such that the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is high and the absorption intensity of the oxygen gas at room temperature is small, and oxygen gas at room temperature. The detection light for correction by the laser light having a wavelength with a large absorption intensity, and the light emission,
The light receiving unit receives the detection light for gas analysis at the time of gas analysis and calculates the gas concentration of the high-temperature oxygen gas, and receives the detection light for correction at the time of correction to calculate the detection peak. And
The correction unit calculates a correction coefficient for correcting a change with time using a detection peak generated from correction detection light at the time of correction,
The laser-type oxygen gas analyzer, wherein the light receiving unit indirectly corrects a gas concentration value generated by receiving detection light for gas analysis using the correction coefficient calculated by the correction unit.
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光し、受光した検出光の検出ピークからガス濃度を算出する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、経時変化によって生じた濃度誤差を補正係数によって補正する補正部と、を有し、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長と、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光によりガス分析用の検出光と補正用の検出光を発光するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
ガス分析時のガス分析用の検出光および補正時の補正用の検出光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から前記発光部における変調信号の2倍周波数成分である2倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて演算を行うものであり、ガス分析時ではガス分析用の検出光で高温の酸素ガスのガス濃度を算出し、また、補正時では補正用の検出光で検出ピークを算出する演算部と、
前記補正部は、補正時では補正用の検出光から生成される検出ピークを用いて経時変化を補正する補正係数を算出するものであり、
前記受光部の前記演算部が、前記補正部で算出した補正係数を用いて、ガス分析用の検出光を受光して生成したガス濃度値を間接的に補正することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
A light emitting unit that emits detection light by laser light, a light receiving unit that receives detection light propagated through a space in which oxygen gas to be measured exists, and calculates a gas concentration from a detection peak of the received detection light; A light-emitting unit side purge unit that supplies purge gas by air to the light-emitting unit, a light-receiving unit side purge unit that supplies purge gas by air to the light-receiving unit, a correction unit that corrects a concentration error caused by a change with time, using a correction coefficient, A laser oxygen gas analyzer that measures the gas concentration of oxygen gas,
The light emitting unit
A wavelength at which the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is large and the absorption intensity of the normal-temperature oxygen gas contained in the purge gas of the light-emitting part side purge part and the light-receiving part side purge part is small, and the light-emitting part side purge Detection light for gas analysis and detection light for correction by a laser beam scanned at a scanning wavelength in a predetermined range including a wavelength at which the absorption intensity of room-temperature oxygen gas contained in the purge gas of the gas detector and the light-receiving-side purge unit is high A laser element emitting light,
A light emission side temperature stabilizing means for stabilizing the temperature of the laser element;
A high frequency modulation signal for modulating the emission wavelength with respect to a wavelength scanning drive signal including a variable drive signal for changing the emission wavelength of the laser element to a scanning wavelength within a predetermined range so as to scan the absorption wavelength of oxygen gas. A laser drive signal generator that combines and outputs the laser drive signal;
A current controller that converts the laser drive signal output from the laser drive signal generator into a current and supplies the current to the laser element;
With
The light receiving unit is
A light receiving element having sensitivity to detection light for gas analysis during gas analysis and detection light for correction during correction;
A synchronous detection unit that detects an amplitude of a second harmonic signal that is a double frequency component of a modulation signal in the light emitting unit from an output signal of the light receiving unit, and outputs a detection signal;
A filter circuit for removing noise from the output signal of the light receiving unit;
The calculation is based on the detection signal output from the filter circuit. During gas analysis, the gas concentration of high-temperature oxygen gas is calculated using the detection light for gas analysis, and the correction detection light is used during correction. A calculation unit for calculating the detection peak at
The correction unit calculates a correction coefficient for correcting a change with time using a detection peak generated from correction detection light at the time of correction,
The laser oxygen, wherein the calculation unit of the light receiving unit indirectly corrects a gas concentration value generated by receiving detection light for gas analysis using a correction coefficient calculated by the correction unit Gas analyzer.
請求項1または請求項2に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記の測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長は759.63nm〜759.64nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であり、前記の常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長は759.65nm〜759.67nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長または759.60nm〜75.62nmの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
In the laser type oxygen gas analyzer according to claim 1 or 2,
The wavelength at which the absorption intensity of the high-temperature oxygen gas to be measured is large and the absorption intensity of the oxygen gas at room temperature is small is a wavelength at which an absorption peak is included in the range of 759.63 nm to 759.64 nm. The wavelength at which the absorption intensity of the oxygen gas at room temperature is high is a wavelength at which an absorption peak is included in the range of 759.65 nm to 759.67 nm or 759.60 nm to 75 9 . A laser type oxygen gas analyzer characterized by having a wavelength that includes an absorption peak within a range of 62 nm.
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