JP6416453B2 - ガス分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガス分析装置に関し、より特定的には試料ガス中の所定成分の濃度を光吸収法を用いて分析するガス分析装置に関する。
従来、石炭や重油を燃焼させるボイラから排出される燃焼排ガスの中にはＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ2、ＣＯ等の成分が含まれている。そして、ガス中におけるこれらの成分の含有量を分析するガス分析装置が開発されている。このようなガス分析装置としては、例えば、プローブ方式を採用した装置が開発されている。プローブ方式のガス分析装置は、光源から出射された測定光をプローブ先端部に配置されたリフレクタで反射させ、当該リフレクタで反射された測定光の情報に基づいて試料ガスの成分濃度を分析するものである。
従来のプローブ方式のガス分析装置には、上記した成分濃度分析機能の他に、ゼロ補正機能を有するものがある。例えば、光源から出射された１本の測定光を光カプラ・スプリッタで２本の光束に分岐させ、そのうちの１本の光束をガス成分分析に用い、もう１本の光束をゼロ補正に用いている。ガス成分分析に用いられる光束と、ゼロ補正に用いられる光束は、別々の受光部に入力されて個別に信号処理される。
しかしながら、上記したガス分析装置には以下の課題が存在した。すなわち、光カプラ・スプリッタは、波長依存性を有しており、波長域によっては分岐後の２本の光束を同じ強度で出力することができない。また、受光部にも個体差（機差）があり、同じ設計の受光部であれば、本来、同じ入力に対して同じ出力が生じるはずであるが、実際には出力に若干の違いが出ることが多い。また、受光部の後段にある信号処理回路も受光部毎に別々のものが使用され、各信号処理回路の処理結果において若干の個体差がある。よって、上記した分岐後の２本の光束から得られる信号処理結果には、各部品の個体差に基づく違いが累積して生じる可能性が高かった。このため、正確なゼロ補正を行うことができず、精度の高い成分分析が困難であるという課題があった。また、分岐後の２本の光束をそれぞれ、別々の系（受光部と信号処理回路からなる系）が必要となるので、分析装置全体が大型化するとともに、各系からの発熱によって分析装置全体での発熱量が大きくなり、信号処理回答等の耐久性が低下するという課題があった。プローブ方式のガス分析装置は、煙突等に装着して使用されるものなので、試料ガスの熱の影響を受けて高温になりやすく、特に劣化しやすい。
また、プローブ方式のガス分析装置として、成分濃度分析機能の他に、キャリブレーション機能を有するものが、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されるガス分析装置は、試料ガスを導入する導入孔が形成されたプローブ管を有している。このプローブ管は、先端部を含む殆どの部分が煙道壁の内側に配置され、基端部のみが煙道壁の外側に配置されている。このガス分析装置では、測定光が、煙道壁の外側に配置された光源からプローブ管内の試料ガスに向かって出射される。測定光は筒状筐体の先端部に配置された第１のリフレクタで反射され、当該反射された測定光は煙道壁の外側に配置された受光センサで受光される。受光センサにおいて得られた測定光の情報に基づき、試料ガスに含まれる所定成分の濃度を算出することができる。
このガス分析装置は、上記したように、光源から出射された測定光を第１のリフレクタで反射させて試料ガスの成分濃度を分析する機能に加え、光源から出射された測定光を第２のリフレクタで反射させてガス分析装置のキャリブレーションを行う機能を有している。第２のリフレクタは、プローブ管の中途部でかつ煙道壁の内側に配置されている。第２のリフレクタは、切替部によって位置を変更できるようになっている。この切替部は、プローブ筒の中途部でかつ煙道壁の内側に配置され、成分濃度の分析を行うときには第２のリフレクタを光路上から外し、キャリブレーションを行うときには第２のリフレクタを光路上に配置するように構成されている。切替部の切替動作により、ガスの成分濃度分析と、ガス分析装置のキャリブレーションとを選択的に行うことができる。
しかしながら、特許文献１に開示されるガス分析装置には、以下の課題が存在した。すなわち、第２のリフレクタと切替部は、煙道壁の内側に配置されているため、煙道内を流れる高温の試料ガスから熱の影響を受けやすく、劣化が早いという課題があった。また、第２のリフレクタと切替部が煙道壁の内側に配置されているため、第２のリフレクタと切替部を交換する際には、プローブ管を含むガス分析装置全体を煙道から引き抜く必要があり、交換作業にかなりの手間がかかるという課題があった。
米国特許第５７８１３０６号明細書
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、コンパクトでかつ製造コスト、維持コストを低く抑えることができるとともに、濃度分析精度に優れたガス分析装置の提供を目的とする。
本発明の一見地に係るガス分析装置は、煙道を流れる試料ガス中の所定成分濃度を分析する装置であって、１つの照射部と、第１のリフレクタと、１つの受光部と、フランジと、筒状部材と、第２のリフレクタと、既知物質収容部と、演算部と、切替部とを備えている。
照射部は、煙道を構成する壁の外側に配置され、測定光を煙道内に流れる試料ガス中へ照射する。
第１のリフレクタは、照射部から出射され煙道の中を通過した測定光を反射する。
受光部は、照射部の近傍でかつ壁の外側に配置され、第１のリフレクタで反射された測定光を受光する。
フランジは、煙道の壁に固定されている。
筒状部材は、フランジから煙道と離れる側に延びる。
第２のリフレクタは、壁の外側において照射部及び受光部と壁との間で筒状部材の内外に移動可能に配置され、測定光を受光部に向けて反射する。
既知物質収容部は、照射部と第２のリフレクタの間および第２のリフレクタと受光部の間の光路上の空間領域に設けられ、照射部から照射される測定光を減衰させないかまたは所定量減衰させる既知物質を収容する。
演算部は、照射部から出射された測定光を第１のリフレクタで反射させて試料ガスの成分濃度を分析するとともに、照射部から出射された測定光を第２のリフレクタで反射させてガス分析装置の既知物質を用いた補正および校正の少なくともいずれか一方を行う。
切替部は、壁の外側において照射部及び受光部と壁との間で配置され、成分濃度の分析を行うときには第２のリフレクタを光路上から外し、補正及び校正の少なくともいずれか一方を行うときには第２のリフレクタを光路上に配置する。
「既知物質」は、測定光を照射した場合に透過する光量が予め分かっている物質であればよく、例えば、ゼロガスやスパンガス、さらには測定光に対して完全に透明または透過する測定光を所定量に制限するような光透過板や光学素子を含むものである。
また、「補正」とは、照射部から測定光を既知物質に対して照射し、当該既知物質を透過した測定光を受光して行うゼロ補正を含み、「校正」とは、照射部から測定光を既知物質に対して照射し、当該既知物質を透過した測定光を受光して行うゼロ校正およびスパン校正を含むものである。
また、「測定光を減衰させない」とは、測定光を完全に透過させることである。そのような性質を有する既知物質としては、例えばゼロガスが挙げられる。
この装置によれば、第２のリフレクタと切替部が煙道壁の外側に配置されているので、これらの部品が高温の試料ガスに晒されない。よって、第２のリフレクタと切替部の劣化を抑制することができ、部品交換の頻度を抑えて維持コストを抑えることができる。また、本発明においては、切替部の切替動作により、第２のリフレクタを光路から外している状態と、第２のリフレクタを光路上に配置する状態とに選択的に設定することができる。よって、光カプラ・スプリッタで２つの光束に分岐させずに、１つの受光部で成分濃度分析とゼロ補正、ゼロ校正、スパン校正などを行うことができる。よって、従来のように２つの受光部を設けたことによる個体差の影響を受けることがなく、高い精度で成分濃度分析を行うことができる。また、１つの系（受光部、信号処理回路からなる系）で成分濃度分析とゼロ補正、ゼロ校正、スパン校正などを行うことができるので、ガス分析装置全体を少ない部品点数でコンパクトに構成することができ、製造コストを抑えることができる。また、第２のリフレクタと切替部が煙道壁の外側に配置されているので、これらの部品の交換を容易に行うことができる。
ガス分析装置は、試料ガスを内部に導入する導入孔が設けられた筒状のプローブ管をさらに備えていてもよい。その場合、照射部は、プローブ管内に導入された試料ガス中に測定光を照射する。
この装置では、煙道壁への取り付け、および維持管理が容易なプローブ式のガス分析装置に適用することができる。
第１のリフレクタは、先端部が煙道の中に配置されたプローブ管の当該先端部に配置されていてもよい。その場合、第２のリフレクタおよび既知物質収容部は、基端部が煙道の中に配置されたプローブ管の当該基端部に配置されている。
この装置では、第２のリフレクタおよび既知物質収容部は、プローブ管の基端部（煙道壁の外側）に配置されているので、第２のリフレクタおよび既知物質収容部を交換する際、プローブを煙道から引き抜かずに容易に交換することができる。
第１のリフレクタは、上記煙道における上記第２のリフレクタとは反対側の壁の外側に配置されていてもよい。
この装置では、第１のリフレクタを、煙道における第２のリフレクタとは反対側の壁の外側に配置して、いわゆるオープンパス式のガス分析装置に適用することができる。
切替部は、上記第２のリフレクタを上記光路上から外すことと、光路上に配置することができる進退移動機構を有してもよい。
この装置では、第２のリフレクタを進退させることにより、当該第２のリフレクタを光路上から外すことができ、さらに光路上に配置することができる。よって、簡易な構成で第２のリフレクタの位置を確実に切り替えることができる。
進退移動機構は、エアシリンダと、エアシリンダが第２のリフレクタを光路上に配置するときに第２のリフレクタを常に同じ向きと同じ位置を位置決めするための位置決め機構とを有していてもよい。
この装置では、エアシリンダからの力によって第２のリフレクタが光路上に戻されたときに、位置決め機構によって第２のリフレクタが同じ向きと同じ位置に位置決めされる。特に、位置決めのための複雑な機構又は特別なエネルギー源が不要になるので、コストが低くなる。
位置決め機構は、第２のリフレクタに固定されたホルダと、ホルダを受け止める軸受部材とを有していてもよい。その場合、軸受部材は、円錐形状の凹部を有している。ホルダは、円錐形状又は球形状の凸部を有している。凹部には、円周方向の一部において凹部の外径より内側から底部に向かって延びる第１平面が形成されている。凸部には、第１平面に対して相補的に当接可能な第２平面が形成されている。
この装置では、エアシリンダが第２のリフレクタ及びホルダを軸受部材に向けて押すと、ホルダの凸部が軸受部材の凹部に嵌り込む。このとき、上記形状によって凸部は凹部に対して回転方向に移動を許容された状態で凹部に近づいていき、最後に、凸部の第２平面が凹部の第１平面に相補的に当接する。この状態で、凸部は凹部に対して移動方向及び回転方向に移動不能になる。このようにして、第２のリフレクタが常に同じ向きと同じ位置に位置決めされる。
本発明によれば、コンパクトでかつ製造コスト、維持コストを低く抑えることができるとともに、分析精度に優れたガス分析装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係るガス分析装置の外観構成図 図１に示すガス分析装置のＡ−Ａ断面を含む図であり、ガス濃度分析モードを示す図 図１に示すガス分析装置のＡ−Ａ断面を含む図であり、補正モードまたは校正モードを示す図 本発明の第１実施形態における切替部の構成を示す断面図であって、ガス濃度分析モードを示す図 本発明の第１実施形態における切替部の構成を示す断面図であって、補正モードまたは校正モードを示す図 本発明の第１実施形態における切替部の他の構成を示す断面図であって、ガス濃度分析モードを示す図 本発明の第１実施形態における切替部の他の構成を示す断面図であって、補正モードまたは校正モードを示す図 本発明の第２実施形態に係るガス分析装置の内部構成を示す断面図であり、ガス濃度分析モードを示す図 本発明の第２実施形態に係るガス分析装置の内部構成を示す断面図であり、補正モードまたは校正モードを示す図 本発明の第３実施形態における切替部の構成を示す断面図であって、補正モードまたは校正モードを示す図 軸受部材の斜視図 軸受部材の平面図 図１０の部分拡大図 第３実施形態の第１変形例としての位置決め機構の断面図 第３実施形態の第２変形例における軸受部材の斜視図
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るガス分析装置１００について説明する。ガス分析装置１００は、いわゆるプローブ方式のガス分析装置である。図１は、本発明の第１実施形態に係るガス分析装置の外観構成図である。図２は、図１に示すガス分析装置のＡ−Ａ断面を含む図であり、ガス濃度分析モードを示す図である。図３は、図１に示すガス分析装置のＡ−Ａ断面を含む図であり、補正モードまたは校正モードを示す図である。
第１実施形態に係るガス分析装置１００は、煙道１を流れる試料ガス中の所定成分濃度を分析するガス分析装置である。ガス分析装置１００は、例えば、非分散型赤外分析計（Non-dispersive Infrared Analyzer: NDIR）である。
図２、３に示されるように、ガス分析装置１００は、１つの照射部２と、第１のリフレクタ３と、１つの受光部４と、第２のリフレクタ５と、既知物質収容部６と、演算部７と、切替部８と、プローブ管９とを備えている。第１のリフレクタ３と、第２のリフレクタ５と、既知物質収容部６は、プローブ管９の中に収められている。照射部２と受光部４は、光学ユニットを構成しており、これらは光学ユニットの筐体１１内に収められている。筐体１１とプローブ管９の接続箇所には、光学窓１２が配置されている。光学窓１２は、測定光Ｌｂを透過する素材で形成された板状部材である。
プローブ管９は、試料ガスＳｇを拡散により内部に導入する導入孔９１が設けられた円筒状の部材である。プローブ管９の材質は、ガス分析装置１００の使用環境に応じて任意の金属素材を選択してよい。導入孔９１は、例えば図１に示すように、プローブ管９の側面に断続的なスリットとして形成されている。プローブ管９内の先端部には、図２に示すように第１のリフレクタ３が備えられている。一方、プローブ管９内の基端部には、第２のリフレクタ５および既知物質収容部６が備えられている。
照射部２は、筒状の煙道１を構成する壁１ａの外側に配置され、測定光Ｌｂを煙道１内に流れる試料ガスＳｇ中へ照射するものである。照射部２は、典型的には、赤外線レーザー発振装置等、直進性の高い所定波長域光を射出する光源装置である。
第１のリフレクタ３は、照射部２から出射され煙道１の中を通過した測定光Ｌｂを受光部４に向けて反射するものである。すなわち、第１のリフレクタ３は、照射部２から出射された光（光軸）の向きを受光部４の方向へ変更する手段であって、例えばコーナーキューブであり、図２に示される例では、コーナーキューブ・プリズムとされている。なお、第１のリフレクタ３は、コーナーキューブ・ミラーであってもよい。
受光部４は、照射部２の近傍でかつ壁１ａの外側に配置され、第１のリフレクタ３で反射された測定光Ｌｂを受光するものである。受光部４は、測定光Ｌｂ１を受光面において受光する受光装置である。受光部４は、典型的には、フォトダイオード等の光電変換装置である。受光部４は、演算部７と電気的に接続され、受光した測定光Ｌｂに関する情報（例えば光量）を電気信号として演算部７へ送信する。
第２のリフレクタ５は、壁１ａの外側に配置され、測定光Ｌｂを受光部４に向けて反射するものである。すなわち、第２のリフレクタ５は、照射部２から出射された光（光軸）の向きを受光部４の方向へ変更する手段であって、例えばコーナーキューブであり、図２に示される例では、コーナーキューブ・プリズムとされている。なお、第２のリフレクタ５は、コーナーキューブ・ミラーであってもよい。
既知物質収容部６は、照射部２と第２のリフレクタ５の間および第２のリフレクタ５と受光部４の間の光路上の空間領域に設けられ、照射部２から照射される測定光Ｌｂを減衰させないかまたは所定量減衰させる既知物質を収容するものである。ここで、「既知物質」は、測定光Ｌｂを照射した場合に透過する光量が予め分かっている物質であればよく、例えば、ゼロガスやスパンガス、さらには測定光に対して完全に透明または透過する測定光を所定量に制限するような光透過板や光学素子を含むものである。図２，３に示される例では、既知物質収容部６は、ガス分析装置１００を補正または校正するために使用される既知のガス（ゼロガスやスパンガス）を充填するようになっている。既知物質収容部６は、例えば、光透過性のセル６１と、セル６１内に既知のガスを供給するガス導入パイプ６２と、セル６１内の既知のガスを排出するガス排出パイプ６３とで構成することができる。第１実施形態において、「補正」とは、例えばゼロ補正を行うことを意味する。また、「校正」とは、例えばゼロ校正またはスパン校正を行うことを意味する。ゼロガスは、ガス分析装置１００のゼロ点を補正するための基準ガスであって、例えば窒素を採用することができる。なお、既知物質収容部６の構成は、上記した構成に限定されるものではなく、例えば、光透過性のセル６１を設けずに、第２のリフレクタ５が光路上に配置されている状態で、光学窓１２と第２のリフレクタ５の間の空間領域に既知のガスを導入して充填させることで構成してもよい。また、校正を行う場合には、既知物質収容部６に、スパンガスを入れるか、または、ゼロガスとスパンガスを交互に入れればよい。
演算部７（演算処理装置）は、照射部２、受光部４、および切替部８の動作を制御すると共に、照射部２から出射された測定光Ｌｂを第１のリフレクタ３で反射させ、受光部４から受信した信号に基づいてプローブ管９内の試料ガスＳｇの成分濃度を分析するものである。また演算部７は、照射部２から出射された測定光Ｌｂを第２のリフレクタ５で反射させてガス分析装置１００の既知のガスを用いた補正または校正を行うものである。演算部７は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の情報処理装置、メモリ等の記憶装置、ユーザの操作を受け付けるインターフェース装置、分析結果を表示する表示装置等を備え、ユーザの操作および記憶装置に記憶されたプログラムに基づいた演算処理を行う。
切替部８は、壁１ａの外側に配置され、成分濃度の分析を行うときには第２のリフレクタ５を光路上から外し（図２，４参照）、補正または校正を行うときには第２のリフレクタ５を光路上に配置する（図３，５参照）ものである。
切替部８の構成は、特に限定されるものではないが、例えば、図４、５に示される構成とすることができる。図４は、切替部８の構成の一例を示す断面図であって、ガス濃度分析モードを示す図である。図５は、切替部８の構成の一例を示す断面図であって、補正モードまたは校正モードを示す図である。図４、５に示される例では、切替部８は、第２のリフレクタ５を光路上から外したり、当該光路上に配置したりする進退移動機構を有している。進退移動機構は、第２のリフレクタ５をばね８１の弾性力によって光路上に配置するばね機構８２と、第２のリフレクタ５をばね８１の弾性力に抗する空気圧で光路上から外す空気圧機構８３とを含んでいる。
空気圧機構８３は、第２のリフレクタ５の上方に設けられたエアシリンダ８４と、このエアシリンダ８４に空気圧を供給する供給側バルブ８５と、エアシリンダ８４内の空気を排出する排出側バルブ８６と、ピストン８７と、ロッド８８とを備えている。エアシリンダ８４は、ピストン８７を介して２つの空気室を有している。一方の空気室８４０は、エアシリンダ８４の基端側底部とピストン８７の間に形成され、当該一方の空気室８４０には圧縮コイル型のばね８１が配置されている。他方の空気室８４１にはばねは配置されていない。供給側バルブ８５と排出側バルブ８６は、他方の空気室８４１に接続されており、当該他方の空気室８４１内にコンプレッサからの空気を供給し、また当該他方の空気室８４１内の空気を排出するようになっている。
図４に示されるように、供給側バルブ８５がオープンで、排出側バルブがクローズになっているときには、コンプレッサからの空気が供給側バルブ８５を通じて他方の空気室８４１内に流れ込み、当該他方の空気室８４１内の空気圧を高まる。ばね８１の弾性力よりも空気圧による力が大きくなると、ばね８１が縮んでピストン８７が上昇する。ピストン８７の上昇に伴って、ロッド８８に接続された第２のリフレクタ５が上昇し、第２のリフレクタ５は光路から外れる。
一方、図５に示されるように、供給側バルブ８５がクローズで、排出側バルブがオープンになっているときには、コンプレッサからの空気が供給側バルブ８５によって遮断され、他方の空気室８４１内の空気圧が低下する。ばね８１の弾性力が空気圧による力よりも大きくなると、ばね８１が伸びてピストン８７が降下する。ピストン８７の降下に伴って、ロッド８８に接続された第２のリフレクタ５が降下し、第２のリフレクタ５は光路上に配置される。
また、図５に示されるように、停電等による異常によってコンプレッサからの空気の供給が断たれたときは、供給側バルブ８５がオープンであったとしても、他方の空気室８４１内の空気圧が低下する。ばね８１の弾性力が空気圧による力よりも大きくなると、ばね８１が伸びてピストン８７が降下する。ピストン８７の降下に伴って、ロッド８８に接続された第２のリフレクタ５が降下し、第２のリフレクタ５は光路上に配置される。第２のリフレクタ５はシャッタの役割を果たしてプローブ管９内を塞ぐので、試料ガスＳｇが照射部２側に侵入するのを防止することができる。
なお、切替部８の構成は、上記の構成に代えて、図６、７に示される構成とすることも可能である。図６は、切替部８の構成の一例を示す断面図であって、ガス濃度分析モードを示す図である。図７は、切替部８の構成の一例を示す断面図であって、補正モードまたは校正モードを示す図である。図６、７に示される例では、切替部８は、第２のリフレクタ５を光路上から外したり、当該光路上に配置したりする進退移動機構を有している。進退移動機構は、第２のリフレクタ５をばね８１０の弾性力によって光路上から外すばね機構８２０と、第２のリフレクタ５をばね８１０の弾性力に抗する空気圧で光路上に配置する空気圧機構８３０とを含んでいる。
空気圧機構８３０は、第２のリフレクタ５の上方に設けられたエアシリンダ８４と、このエアシリンダ８４に空気圧を供給する供給側バルブ８５と、エアシリンダ８４内の空気を排出する排出側バルブ８６と、ピストン８７と、ロッド８８とを備えている。エアシリンダ８４は、ピストン８７を介して２つの空気室を有している。一方の空気室８４０は、エアシリンダ８４の基端側底部とピストン８７の間に形成され、当該一方の空気室８４０には引張コイル型のばね８１０が配置されている。他方の空気室８４１にはばねは配置されていない。供給側バルブ８５と排出側バルブ８６は、一方の空気室８４０に接続されており、当該一方の空気室８４０内にコンプレッサからの空気を供給し、また当該一方の空気室８４０内の空気を排出するようになっている。
図６に示されるように、供給側バルブ８５がクローズで、排出側バルブ８６がオープンになっているときには、コンプレッサからの空気が供給側バルブ８５によって遮断され、一方の空気室８４０内の空気圧が低下する。ばね８１０の弾性力が空気圧による力よりも大きくなると、ばね８１０が縮んでピストン８７が上昇する。ピストン８７の上昇に伴って、ロッド８８に接続された第２のリフレクタ５が上昇し、第２のリフレクタ５は光路から外れる。
また、図６に示されるように、停電等による異常によってコンプレッサからの空気の供給が断たれたときは、供給側バルブ８５がオープンであったとしても、一方の空気室８４０内の空気圧が低下する。ばね８１０の弾性力が空気圧による力よりも大きくなると、ばね８１０が縮んでピストン８７が上昇する。ピストン８７の上昇に伴って、ロッド８８に接続された第２のリフレクタ５が上昇し、第２のリフレクタ５は光路から外れる。
一方、図７に示されるように、供給側バルブ８５がオープンで、排出側バルブがクローズになっているときには、コンプレッサからの空気が供給側バルブ８５を介して一方の空気室８４０内に供給され、一方の空気室８４０内の空気圧が高まる。空気圧による力がばね８１０の弾性力よりも大きくなると、ばね８１０が伸びてピストン８７が降下する。ピストン８７の降下に伴って、ロッド８８に接続された第２のリフレクタ５が降下し、第２のリフレクタ５は光路上に配置される。
上述のプローブ管９には、図２に示すようにプローブ管９の内部にパージエアＰａを導入するためのパージエア導入口１４が設けられている。パージエア導入口１４は、例えば図２に示すように、煙道壁１ａの外側であって、かつ第２のリフレクタ５の煙道側に設けられる。このように配置されたパージエア導入口１４からパージエアＰａが所定圧で導入されることによってプローブ管９内の試料ガスＳｇや粉塵が光学窓１２に触れることを防ぎ、光学窓１２の汚れや腐食を抑制することができる。なお、図２においてパージエアＰａの流路のイメージを黒色太線矢印にて示す。また、図２において試料ガスＳｇの流路のイメージを白色矢印にて示す。
さらに、プローブ管９は、パージエアＰａを第１のリフレクタ３の前面へ導入し、それを保護するパージエア導入パイプ１６を備える。このような構成によれば、プローブ管９内の試料ガスＳｇや粉塵が第１のリフレクタ３に触れることを防ぎ、第１のリフレクタ３の汚れや腐食を抑制することができる。
また、図２に示すようにプローブ管９には、導入孔９１の対向面両端側（試料ガスＳｇの流れの上流側）に孔１７、１８が各々形成されている。このような孔１７、１８から試料ガスＳｇを流入させることにより、パージエアＰａはプローブ管９の中央部に流入することを防止することができ、試料ガスＳｇと混ざり合って、導入孔９１から排出される（ＳｇＰａ）。導入孔９１は、パージエアＰａを排出する排出口としても用いられる。
フランジ１５は、試料ガスＳｇを排出する煙道壁１ａや、試料ガスＳｇが封入された容器にガス分析装置１００を固定するための部材である（図２参照）。フランジ１５は、例えば、円盤板状の部材であり、プローブ管９の基端部側（光学ユニットと連結している側）において、プローブ管９に貫通されるように設けられている。フランジ１５は、煙道壁１ａに例えばボルトを介して締結される。
次に、ガス分析装置１００の使用方法について説明する。
まず、通常のガス濃度分析を行う場合について説明する。
ユーザは、演算部７に対して、ガス濃度分析の実行を指示する。すると、図２、４に示されるように、切替部８によって第２のリフレクタ５が照射部２から出射される測定光Ｌｂの光路から外される。照射部２から出射された測定光Ｌｂはプローブ管９内の試料ガスＳｇを通過して第１のリフレクタ３に反射され、その反射された測定光Ｌｂは再度試料ガスＳｇを通過して受光部４に受光される。測定光Ｌｂは、試料ガスＳｇを通過する際にその一部が試料ガスＳｇに吸収される。演算部７は、受光部４おいて得られた測定光Ｌｂの情報と、照射部２から照射された時点の測定光Ｌｂの情報との差分から、試料ガスＳｇでの測定光Ｌｂの吸収量を求め、当該吸収量に基づいて試料ガスＳｇに含まれる所定成分の濃度を算出することができる。
次に、補正（ゼロ補正）を行う場合について説明する。
ユーザは、演算部７に対して、補正の実行を指示する。すると、図３、５に示されるように、切替部８によって第２のリフレクタ５が照射部２から出射される測定光Ｌｂの光路上に配置される。照射部２から出射された測定光Ｌｂは既知物質収容部６内に供給されたゼロガスを通過して第２のリフレクタ５に反射され、その反射された測定光Ｌｂは再度既知物質収容部６内のゼロガスを通過して受光部４に受光される。演算部７は、受光部４おいて得られた測定光Ｌｂの情報と、照射部２から照射された時点の測定光Ｌｂの情報との差分から、ゼロ補正用の基準値を算出することができる。演算部７は、算出した基準値を用いて、ガス分析装置１００のゼロ補正を行う。ゼロ補正の実行は、例えば、１時間毎に行うとよい。なお、ゼロ補正は、ユーザの指示で逐一行われるようにしてもよいし、自動的に定期的な実行が行われるようにしてもよい。
次に、校正を行う場合について説明する。ここでは、ゼロ補正とスパン校正の双方を行う場合を例にとって説明する。
ゼロ補正とスパン校正を行う場合には、既知物質収容部６に、ゼロガスとスパンガスを交互に入れるとともに、図３，５に示されるように、切替部８によって第２のリフレクタ５が照射部２から出射される測定光Ｌｂの光路上に配置されるようにすればよい。ゼロガス導入時には、照射部２から出射された測定光Ｌｂは既知物質収容部６内に供給されたゼロガスを通過して第２のリフレクタ５に反射され、その反射された測定光Ｌｂは再度既知物質収容部６内のゼロガスを通過して受光部４に受光される。演算部７は、受光部４おいて得られた測定光Ｌｂの情報と、照射部２から照射された時点の測定光Ｌｂの情報との差分から、ゼロ補正用の基準値を算出することができる。そして、スパンガス導入時には、照射部２から出射された測定光Ｌｂは既知物質収容部６内に供給されたスパンガスを通過して第２のリフレクタ５に反射され、その反射された測定光Ｌｂは再度既知物質収容部６内のスパンガスを通過して受光部４に受光される。演算部７は、受光部４おいて得られた測定光Ｌｂの情報と、照射部２から照射された時点の測定光Ｌｂの情報との差分から、スパン校正用の基準値を算出することができる。演算部７は、ゼロガス導入時およびスパンガス導入時にそれぞれ算出した基準値を用いて、ガス分析装置１００の校正を行う。校正の実行は、例えば、１時間毎に行うとよい。なお、校正は、ユーザの指示で逐一行われるようにしてもよいし、自動的に定期的な実行が行われるようにしてもよい。
第１実施形態によれば、第２のリフレクタ５と切替部８が煙道壁１ａの外側に配置されているので、これらの部品が高温の試料ガスＳｇに晒されない。よって、第２のリフレクタ５と切替部８の劣化を抑制することができ、部品交換の頻度を抑えて維持コストを抑えることができる。本実施形態においては、成分濃度分析（サンプリング）を高い精度で行うために、補正または校正の少なくともいずれか一方を行う。補正に用いられるゼロガスの温度は、分析対象ガスの温度と同程度にする必要はない（ゼロガスは温度に関わらず測定光を実質的に吸収しないため）ので、本実施形態においては既知物質収容部６を第２のリフレクタ５とともに煙道壁１ａの外側に配置することができる。なお、既知物質収容部６を第２のリフレクタ５とともに煙道壁１ａの外側に配置しても、上記の如く校正は可能である。また、本実施形態においては、切替部８の切替動作により、第２のリフレクタ５を光路から外している状態と、第２のリフレクタ５を光路上に配置する状態とに選択的に設定することができる。よって、光カプラ・スプリッタで２つの光束に分岐させずに、１つの受光部４で成分濃度分析とゼロ補正、ゼロ校正、スパン校正を行うことができる。よって、従来のように２つの受光部を設けたことによる個体差の影響を受けることがなく、高い精度で成分濃度分析を行うことができる。また、１つの系（受光部４、演算部７からなる系）で成分濃度分析とゼロ補正、ゼロ校正、スパン校正を行うことができるので、ガス分析装置１００全体を少ない部品点数でコンパクトに構成することができ、製造コストを抑えることができる。また、第２のリフレクタ５と切替部８が煙道壁１ａの外側に配置されているので、これらの部品の交換を容易に行うことができる。
また、図４，５に記載した進退移動機構は、ノーマルクローズの考え方を採用している。すなわち、空気圧の供給がバルブ８５，８６の正常な動作によって行われているときは、空気圧はばね８１の弾性力に抗して第２のリフレクタ５を光路から外し、ガス分析装置１００はガス濃度分析モードとなる（図４参照）。一方、空気圧の供給がバルブ８５，８６の正常な動作によって断たれているときは、ばね８１の弾性力によって第２のリフレクタ５が光路上に配置され、ガス分析装置１００はゼロ補正モードまたは校正モードとなる（図５参照）。また、停電等の異常によって空気圧の供給が断たれているときは、ばね８１の弾性力によって第２のリフレクタ５が光路上に配置され、ガス分析装置１００はゼロ補正モードまたは校正モードとなる（図５参照）。これにより、停電等の異常時には第２のリフレクタ５がシャッタの機能を果たし、試料ガスＳｇが照射部２や受光部４側に侵入するのを防止することができる。
また、図６，７に記載した進退移動機構は、ノーマルオープンの考え方を採用している。すなわち、空気圧の供給がバルブ８５，８６の正常な動作によって行われているときは、空気圧はばね８１０の弾性力に抗して第２のリフレクタ５を光路上に配置し、ガス分析装置１００は補正モードまたは校正モードとなる（図７参照）。一方、空気圧の供給がバルブ８５，８６の正常な動作によって断たれているときは、ばね８１０の弾性力によって第２のリフレクタ５が光路上から外され、ガス分析装置１００はガス濃度分析モードとなる（図６参照）。また、停電等の異常によって空気圧の供給が断たれているときは、ばね８１０の弾性力によって第２のリフレクタ５が光路上から外され、ガス分析装置１００はガス濃度分析モードとなる（図６参照）。
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係るガス分析装置２００について説明する。ガス分析装置２００は、いわゆるオープンパス方式のガス分析装置である。図８は、本発明の第２実施形態に係るガス分析装置の内部構成を示す断面図であり、ガス濃度分析モードを示す図である。図９は、本発明の第２実施形態に係るガス分析装置の内部構成を示す断面図であり、ゼロ補正モードを示す図である。第２実施形態については、主として第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同様の構成については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
第２実施形態では、図８、９に示すように、ガス分析装置２００は、各々別体的に形成された第１のユニット１９および第２のユニット２０から成る。第１のユニット１９は試料ガスＳｇが流れる煙道壁１ａの一方側面に取り付けられ、第２のユニット２０は煙道壁１ａの他方側面に互いに対向するよう取り付けられる。
第１のユニット１９は、照射部２、受光部４、第２のリフレクタ５、既知物質収容部６、演算部７、切替部８、光学窓１２Ａ、パージ導入口１４Ａを備える。パージエア導入口１４Ａは第２のリフレクタ５の直前において煙道壁１ａと連結した空間内にパージエアＰａを導入する。
第２のユニット２０は、第１のリフレクタ３、光学窓１２Ｂ、パージ導入口１４Ｂを備える。パージエア導入口１４Ｂは光学窓１２Ｂの直前において煙道壁１ａと連結した空間内にパージエアＰａを導入する。
次に、ガス分析装置２００の使用方法について説明する。
まず、通常のガス濃度分析を行う場合について説明する。
ユーザは、演算部７に対して、ガス濃度分析の実行を指示する。すると、図８に示されるように、切替部８によって第２のリフレクタ５が照射部２から出射される測定光Ｌｂの光路から外される。照射部２から出射された測定光Ｌｂは煙道１内の試料ガスＳｇを通過して第１のリフレクタ３に反射され、その反射された測定光Ｌｂは再度煙道１内の試料ガスＳｇを通過して受光部４に受光される。測定光Ｌｂは、試料ガスＳｇを通過する際にその一部が試料ガスＳｇに吸収される。演算部７は、受光部４おいて得られた測定光Ｌｂの情報と、照射部２から照射された時点の測定光Ｌｂの情報との差分から、試料ガスＳｇでの測定光Ｌｂの吸収量を求め、当該吸収量に基づいて試料ガスＳｇに含まれる所定成分の濃度を算出することができる。
次に、ゼロ補正を行う場合について説明する。
ユーザは、演算部７に対して、ゼロ補正の実行を指示する。すると、図９に示されるように、切替部８によって第２のリフレクタ５が照射部２から出射される測定光Ｌｂの光路上に配置される。照射部２から出射された測定光Ｌｂは既知物質収容部６内のゼロガスを通過して第２のリフレクタ５に反射され、その反射された測定光Ｌｂは再度既知物質収容部６内のゼロガスを通過して受光部４に受光される。演算部７は、受光部４おいて得られた測定光Ｌｂの情報と、照射部２から照射された時点の測定光Ｌｂの情報との差分から、ゼロ補正用の基準値を算出することができる。演算部７は、算出した基準値を用いて、ガス分析装置２００のゼロ補正を行う。ゼロ補正の実行は、例えば、１時間毎に行うとよい。なお、ゼロ補正は、ユーザの指示で逐一行われるようにしてもよいし、自動的に定期的な実行が行われるようにしてもよい。
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の優れた効果を奏することができる。
なお、上記各実施形態では、既知物質収容部６は、ゼロガスやスパンガスを収容しているが、これに代えて、測定光Ｌｂに対して完全に透明または透過する測定光Ｌｂを所定量に制限するような光透過板や光学素子を収容してもよい。
また、上記各実施形態では、既知物質収容部６は、プローブ管９の中に固定的に配置されているが、これに代えて、プローブ管９から出し入れ可能に構成されてもよい。この場合、既知物質収容部６をプローブ管９内に配置した状態ではガス分析装置の補正または校正を行い、既知物質収容部６をプローブ管９の外に出した状態ではガス濃度分析を行うことができる。出し入れ機構としては、例えば、上記した進退移動機構と同様の構成を採用することができる。
また、上記各実施形態では、既知物質収容部６は、プローブ管９の中に配置されているが、これに代えて、光学ユニットの筐体１１、第１のユニット１９の筐体内に配置してもよい。この場合、光学窓１２、１２Ａと第２のリフレクタ５を近接させて、その間の隙間を実質的になくすようにすることができる。
（第３実施形態）
図１０〜図１３を用いて、第３実施形態を説明する。第３実施形態は、第２のリフレクタ５を支持する構造のみが前記実施形態と異なる。図１０は、第３実施形態における切替部の構成を示す断面図であって、補正モードまたは校正モードを示す図である。図１１は、軸受の斜視図である。図１２は、軸受の平面図である。図１３は、図１０の部分拡大図である。
第２のリフレクタ５は、ミラーホルダ１０４によって保持されている。
図１０に示すように、この実施形態では、進退移動機構は、エアシリンダ８４が第２のリフレクタ５を光路上に戻すときに第２のリフレクタ５を常に同じ向きと同じ位置を位置決めするための位置決め機構１０１を有している。
位置決め機構１０１は、第２のリフレクタ５及びミラーホルダ１０４の下方に配置されており、軸受部材１０２と、ミラーホルダ１０４に設けられた凸部１０３とから構成されている。
軸受部材１０２は、図１１に示すように、板状の部材である。軸受部材１０２には、上面に開口した凹部１０５が形成されている。凹部１０５は、概ね円錐形状である。凹部１０５は、円錐面１０６を有している。凹部１０５には、円周方向の一部において凹部１０５の円錐面１０６の外径より内側から底部に向かって延びる第１平面１０７が形成されている。第１平面１０７は、底部に向かって幅が狭くなる台形状になっている。なお、第１平面１０７の上縁１０７ａは、照射部２及び受光部４側に配置されており、上縁１０７ａは光路に対して垂直である。
ミラーホルダ１０４の凸部１０３は、概ね球形状である。凸部１０３は、球面１０３ａを有している。また、凸部１０３は、円周方向の一部に第２平面１０３ｂが形成されている。第２平面１０３ｂは、球面の一部を内側に削られたように形成されており、形状及び大きさは第１平面１０７に対応している。
なお、第１平面１０７と第２平面１０３ｂは、第２のリフレクタ５の反射面を向けたい側に形成されている。
この装置では、エアシリンダ８４からの力によって第２のリフレクタ５が光路上に戻されたときに、位置決め機構１０１によって第２のリフレクタ５が同じ向きと同じ位置を位置決めされる。特に、位置決めのための複雑な機構又は特別なエネルギー源が不要になるので、コストが低くなる。
より具体的には、エアシリンダ８４が第２のリフレクタ５及びミラーホルダ１０４を軸受部材１０２に向けて押すと、ミラーホルダ１０４の凸部１０３が軸受部材１０２の凹部１０５に嵌り込む。このとき、上記形状によって凸部１０３は凹部１０５に対して回転方向に移動を許容された状態で上下方向に移動し、最後に、凸部１０３の第２平面１０３ｂが凹部１０５の第１平面１０７に相補的に当接する。この状態で、凸部１０３は、凹部１０５に対して移動方向及び回転方向に移動不能になる。このようにして、第２のリフレクタ５が常に同じ向きと同じ位置に位置決めされる。
特に、エアシリンダ８４が第２のリフレクタ５を押すだけで、位置決め機構１０１によって第２のリフレクタ５の向き及び移動方向の位置が精度良く決められる。
第３の実施形態の第１変形例として、図１４に、位置決め機構１１１を示す。図１４は、第３実施形態の第１変形例としての位置決め機構の断面図である。
凹部１０５の構造は上記実施形態と同じである。
ミラーホルダ１０４の凸部１１３は、概ね円錐形状である。凸部１１３は、円錐面１１３ａを有している。また、凸部１０３は、円周方向の一部に第２平面１１３ｂが形成されている。第２平面１１３ｂは、円錐面１１３ａの一部を内側に削られたように形成されており、形状及び大きさは第１平面１０７に対応している。
エアシリンダ８４が第２のリフレクタ５及び、ミラーホルダ１０４を軸受部材１０２に向けて押すと、ミラーホルダ１０４の凸部１１３が軸受部材１０２の凹部１０５に嵌り込む。このとき、上記形状によって凸部１１３は凹部１０５に対して回転方向に移動を許容された状態で上下方向に移動し、最後に、凸部１１３の第２平面１１３ｂが凹部１０５の第１平面１０７に相補的に当接する。この状態で、凸部１１３は、凹部１０５に対して移動方向及び回転方向に移動不能になる。また、このようにして、第２のリフレクタ５が常に同じ向きと同じ位置に位置決めされる。
特に、エアシリンダ８４が第２のリフレクタ５を押すだけで、位置決め機構１０１によって第２のリフレクタ５の向き及び移動方向の位置が精度良く決められる。
第３の実施形態の第２変形例として、図１５に、軸受部材１１２を示す。図１５は、第３実施形態の第２変形例における軸受部材の斜視図である。
軸受部材１１２は、図１５に示すように、板状の部材である。軸受部材１１２には、上面に開口した凹部１１５が形成されている。凹部１１５は、概ね円錐形状である。凹部１１５は、円錐面１０６を有している。凹部１１５には、円周方向の一部において凹部１１５の外径より内側から底部に向かって延びる第１平面１１７が形成されている。第１平面１１７は、底部に向かって幅が狭くなる台形状になっている。なお、第１平面１１７の上縁１１７ａは、照射部２及び受光部４側に配置されており、上縁１０７ａは光路に対して垂直である。
この変形例では、第１平面１１７の円周方向両側に第３平面１１８及び第４平面１１９が形成されている。第３平面１１８及び第４平面１１９は、第１平面１１７と同様に、底部に向かって延び、底部に向かって幅が狭くなる台形状になっている。ただし、第３平面１１８及び第４平面１１９の円周方向幅は、第１平面１１７の円周方向幅より狭い。
図示していないが、ミラーホルダの凸部には、第１平面１１７、第３平面１１８及び第４平面１１９に相補的に当接可能な形状の面を有している。
以上の構造により、この変形例でも、上記の実施形態と同様の効果が得られる。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
本発明に係る測定ユニットおよびガス分析装置は、試料ガスを従来に比して正確に分析可能とする測定ユニットおよびガス分析装置などとして有用である。
１００、２００ ガス分析装置
１ 煙道
１ａ 煙道壁
３ 第１のリフレクタ
４ 受光部
５ 第２のリフレクタ
６ 既知物質収容部
７ 演算部
８ 切替部
８１ ばね
８２、８２０ ばね機構
８３、８３０ 空気圧機構
８４ エアシリンダ
８４１ 一方の空気室
８４２ 他方の空気室
８５ 供給側バルブ
８６ 排出側バルブ
８７ ピストン
８８ ロッド
９ プローブ管
９１ 導入孔
１１ 光学ユニットの筐体
１２ 光学窓
１４、１６ パージエア導入口
１５ フランジ
１７、１８ 孔
１９ 第１のユニット
２０ 第２のユニット
Ｌｂ 測定光
Ｓｇ 試料ガス

Claims (3)

  1. 煙道を流れる試料ガス中の所定成分濃度を分析するガス分析装置であって、
    前記煙道内に配置された内側部分及び前記煙道外に配置された外側部分を有し、前記内側部分には前記試料ガスを内部に導入する導入孔が形成されている、筒状のプローブ管と、
    前記プローブ管を前記煙道を構成する壁に固定するためのフランジと、
    前記煙道を構成する壁の外側に配置され、測定光を前記プローブ管の前記内側部分内に導入された前記試料ガス中に照射する１つのレーザ発振装置と、
    前記プローブ管の前記内側部分の先端部に配置され、前記レーザ発振装置から出射され前記プローブ管の前記内側部分内の前記試料ガスの中を通過した測定光を反射するコーナーキューブ・プリズムからなる第１のリフレクタと、
    前記レーザ発振装置の近傍でかつ前記壁の外側に配置され、前記第１のリフレクタで反射された測定光を受光する１つの受光部と、
    前記壁の外側において前記レーザ発振装置及び前記受光部と前記壁との間で前記外側部分の内外に移動可能に配置され、前記測定光を前記受光部に向けて反射するコーナーキューブ・プリズムからなる第２のリフレクタと、
    前記外側部分内において、前記レーザ発振装置と前記第２のリフレクタの間および当該第２のリフレクタと前記受光部の間の光路上の空間領域に設けられ、前記レーザ発振装置から照射される測定光を減衰させないかまたは所定量減衰させる既知物質を収容する既知物質収容部と、
    前記プローブ管の前記外側部分に接続され、前記レーザ発振装置及び前記受光部が収容された光学ユニット筐体と、
    前記レーザ発振装置から出射された測定光を前記第１のリフレクタで反射させて前記試料ガスの成分濃度を分析するとともに、前記レーザ発振装置から出射された測定光を前記第２のリフレクタで反射させて前記ガス分析装置の前記既知物質を用いた補正及び校正の少なくともいずれか一方を行う演算部と、
    前記壁の外側において前記レーザ発振装置及び前記受光部と前記壁との間で配置され、前記成分濃度の分析を行うときには前記第２のリフレクタを前記光路上から外し、前記補正及び前記校正の少なくともいずれか一方を行うときには前記第２のリフレクタを前記光路上に配置する切替部と、を備え、
    前記切替部は、前記第２のリフレクタを前記光路上から外すことと、当該光路上に配置することができる進退移動機構を有し、
    前記進退移動機構は、前記第２のリフレクタを前記光路上に配置するときに前記第２のリフレクタを同じ向きと同じ位置に位置決めするための位置決め機構を有している、ガス分析装置。
  2. 前記進退移動機構は、前記第２のリフレクタを駆動するエアシリンダを有している、請求項１に記載のガス分析装置。
  3. 前記位置決め機構は、前記第２のリフレクタに固定されたホルダと、前記ホルダを受け止める軸受部材とを有し、
    前記軸受部材は、円錐形状の凹部を有しており、
    前記ホルダは、円錐形状又は球形状の凸部を有しており、
    前記凹部には、円周方向の一部において前記凹部の外径より内側から底部に向かって延びる第１平面が形成されており、
    前記凸部には、前記第１平面に対して相補的に当接可能な第２平面が形成されている、請求項１又は２に記載のガス分析装置。
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