JP6769454B2 - ガス分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ガス分析装置に関する。
例えば、特許文献１に記載のガス濃度測定装置のように、所定の流路を流れる被測定ガスの濃度を光学的に求める装置が従来から知られている。
特開２０１０−１８５６９４号公報
ガス濃度測定装置は、測定対象成分の吸収スペクトルピークの波長位置を検出可能とするために、参照部をさらに有する場合がある。加えて、ガス分析装置１は、取り付け条件や外乱等の取り付け状況に応じて発光部２１のビーム位置を修正するための調整機構をさらに有する場合がある。このような調整機構によって発光部２１のビーム位置が基準位置から変化すると、参照部が有する受光部における受光量も変化する。
このような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、発光部のビーム位置が基準位置から変化した場合であっても、参照部が有する受光部における参照光の受光量が安定するガス分析装置を提供することにある。
上記目的を達成する本発明の一実施形態に係るガス分析装置は、被測定ガスを含む測定領域に測定光を照射する発光部と、前記発光部から照射される前記測定光の出射位置を調整する調整機構と、前記測定領域を通過した前記測定光を受光する第１受光部と、前記発光部と前記測定領域との間に配置され、前記発光部から照射された前記測定光の一部を参照光として分岐させる分岐部と、前記被測定ガス中の測定対象成分と同一で既知濃度のガスを含み、前記ガスが含まれる領域を通過した前記参照光を受光する第２受光部を有する参照部と、前記分岐部と前記ガスが含まれる領域との間に配置されている光学部品と、を備え、前記光学部品の焦点距離は、前記調整機構により前記測定光の光軸と直交する方向の前記測定光の出射位置が調整される調整範囲にわたって前記第２受光部が前記参照光を受光可能であり、かつ前記参照光の照射強度が最も大きくなるような値に設定され、
前記光学部品は、前記第２受光部における前記参照光のビーム径を、前記第２受光部の受光径よりも拡大する。
本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記光学部品は、前記参照光に対して作用する光学レンズを含んでもよい。
本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記光学レンズは、前記ガス分析装置が前記光学部品を備えない場合と比較して、前記参照部における前記参照光の焦点をより前記光学レンズ側に位置させてもよい。
本発明の一実施形態に係るガス分析装置において、前記光学レンズは、平凸レンズであり、前記平凸レンズの平面は、前記参照部と対向し、前記平凸レンズの凸面は、前記参照部と反対側を向いてもよい。
本発明の一実施形態に係るガス分析装置は、前記分岐部と前記光学部品との間に配置され、前記分岐部によって分岐された前記参照光を前記発光部側に反射させる第１反射部をさらに備えてもよい。
本発明の一実施形態に係るガス分析装置は、前記測定光の光軸に沿って前記測定領域と重畳するように延在するプローブ部と、前記プローブ部において前記発光部と反対側の先端に位置し、前記測定領域を通過した前記測定光を反射させる第２反射部と、をさらに備え、前記第１受光部は、前記第２反射部で反射した前記測定光を受光してもよい。
本発明の一実施形態に係るガス分析装置によれば、発光部のビーム位置が基準位置から変化した場合であっても、参照部が有する受光部における参照光の受光量が安定する。
一実施形態に係るガス分析装置の上面視による斜視図である。 図１のガス分析装置の下面視による斜視図である。 図１のI−I矢線に沿った断面を模式的に示した断面図である。 分析部内において参照部前に光学部品を有さない場合の参照光に関する光学系を示した模式図である。 図１のガス分析装置の分析部内において参照光に関する光学系を示した図４に対応する模式図である。 図１のガス分析装置の分析部内における参照光の伝搬の様子を、光学部品を有する場合と有さない場合とで比較した模式図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。以下の説明中の前後、左右、及び上下の方向は、図中の矢印の方向を基準とする。各矢印の方向は、図１乃至図６において、異なる図面同士で互いに整合している。
以下では、一例として、各図において下方から上方に向けて被測定ガスＧが流れているとして説明する。被測定ガスＧの流動方向はこれに限定されない。被測定ガスＧの流動方向は任意であってよく、一実施形態に係るガス分析装置１も被測定ガスＧの流動方向に合わせて任意の方向で配置されてもよい。
図１は、一実施形態に係るガス分析装置１の上面視による斜視図である。図２は、図１のガス分析装置１の下面視による斜視図である。図３は、図１のI−I矢線に沿った断面を模式的に示した断面図である。図３は、一例として、煙道Ｐ内を流れる被測定ガスＧに含まれる対象成分の成分濃度を分析するために図１のガス分析装置１が煙道壁Ｓに取り付けられている様子を示す。図３は、説明の簡便のために、一実施形態に係るガス分析装置１の構成を簡略化した状態で示す。より具体的には、図３では、後述する光学レンズ２１ａ及び集光レンズ２５ａ等の分析部２０内のより詳細な構成については、その図示を省略している。
図１乃至図３を参照しながら、一実施形態に係るガス分析装置１の機能及び構成について主に説明する。
ガス分析装置１は、例えば被測定ガスＧが流れる流路に直接取り付けられ、測定対象成分の成分濃度分析を行う。被測定ガスＧは、例えばＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣｎＨｍ（炭化水素）、ＮＨ３、及びＯ２等のガスを含む。流路は、配管、煙道、及び燃焼炉等を含む。
ガス分析装置１は、例えば防爆エリア内で使用され、耐圧防爆構造を有するプローブ型ＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：波長可変ダイオードレーザ吸収分光)式ガス分析計を含む。ここで、プローブ型とは、例えば、光源、反射構造、及び光検出器を一体的に内蔵し、被測定ガスＧが流れる流路に片側から差し込まれる構造を有するガス分析装置１の種類を意味する。ガス分析装置１は、例えばプロセスガス等を含む被測定ガスＧ中に測定光となるレーザ光を照射することで測定対象成分の成分濃度を分析する。
被測定ガスＧに含まれるガス分子は、赤外から近赤外域において、分子の振動及び回転エネルギー遷移に基づく光吸収スペクトルを示す。吸収スペクトルは、成分分子に固有である。Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則により、測定光に関するガス分子の吸光度がその成分濃度及び光路長に比例する。したがって、吸収スペクトル強度を測定することで測定対象成分の成分濃度が分析可能である。
ＴＤＬＡＳでは、ガス分子が有するエネルギー遷移の吸収線幅よりも十分に狭い線幅の半導体レーザ光を測定光として被測定ガスＧに照射する。半導体レーザの駆動電流を高速変調することで、測定光の波長を掃引する。被測定ガスＧを透過した測定光の光強度を測定して、１本の独立した吸収スペクトルを取得する。
レーザ光の掃引範囲は用途によって異なる。測定対象がＯ２の場合、レーザ光の線幅は例えば０．０００２ｎｍであり、掃引幅は例えば０．１〜０．２ｎｍである。０．１〜０．２ｎｍの掃引幅を掃引することで、吸収スペクトルの測定を行う。取得した１本の吸収スペクトルから濃度換算を行うことにより、測定対象成分の成分濃度が求められる。濃度換算の手法は、ピーク高さ法、スペクトル面積法、及び２ｆ法等の既知の方法を含む。
ガス分析装置１は、大きな構成要素として、プローブ部１０と、分析部２０と、を有する。図３に示すとおり、ガス分析装置１は、一例として、プローブ部１０の大部分が煙道Ｐの内部に延在し、かつ分析部２０が煙道Ｐの外側に配置された状態で支持されている。より具体的には、ガス分析装置１は、プローブ部１０の一部に形成されているフランジ１１が煙道壁Ｓに外側から取り付けられることで、煙道壁Ｓによって支持されている。
図１及び図２に示すとおり、プローブ部１０は、例えば、断面形状が略円形状である筒状物体である。フランジ１１の外面からプローブ部１０の先端までの外形の長さは、一例として０．５〜２メートル程度である。プローブ部１０は、任意の金属部材により形成されている。図３に示すとおり、プローブ部１０は、例えば、煙道Ｐの内部において被測定ガスＧの流動方向と略直交する方向に延在する。
図１に示すとおり、プローブ部１０は、左右方向にわたり延設され、上方に向けて開口している開口１２を有する。開口１２は、プローブ部１０の対応する内部を煙道Ｐ内に露出させる。プローブ部１０は、プローブ部１０の強度を維持するために開口１２に設けられている複数のリブ１３を有する。図２に示すとおり、プローブ部１０は、その表面の一部を下方から内部に向けて切り欠いた切欠き１４を有する。切欠き１４は、開口１２の左右両端と略同一の左右位置にそれぞれ形成されている。切欠き１４は、開口１２によって煙道Ｐ内に露出しているプローブ部１０の内部と当該内部よりも下側の煙道Ｐ内の空間とを連通する。
図３に示すとおり、プローブ部１０は、煙道Ｐ内の先端の内部に反射部１５を有する。反射部１５は、コーナーキューブプリズム及びレトロリフレクター等の測定光に対する任意の反射構造を含む。
分析部２０は、プローブ部１０の反射部１５が設けられている先端と反対側の端部に取り付けられ、煙道Ｐの外側に位置している。分析部２０は、被測定ガスＧに測定光を照射する発光部２１と、反射部１５で反射した測定光を受光する第１受光部２２と、を有する。分析部２０は、演算部２３をさらに有する。発光部２１、第１受光部２２、及び演算部２３は、複数枚の電子基板を介して電気的に接続されている。分析部２０の筐体は、例えば、これらの各構成部を格納する耐圧防爆容器である。分析部２０は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。発光部２１と第１受光部２２とは、分析部２０内において互いに近接している。
発光部２１は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光源を有する。発光部２１は、例えば、半導体レーザを有する。第１受光部２２は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。第１受光部２２は、例えば、フォトダイオードを有する。演算部２３は、１つ以上のプロセッサを有する。演算部２３は、発光部２１及び第１受光部２２を含むガス分析装置１全体の動作を制御する。
下方から上方に向けて煙道Ｐ内を流れる被測定ガスＧの一部は、切欠き１４を介して下方からプローブ部１０内の測定領域Ｒ１に流入する。被測定ガスＧの他の一部は、開口１２から回り込んで上方からプローブ部１０内の測定領域Ｒ１に流入する。このように、煙道Ｐを流れる被測定ガスＧは、プローブ部１０の内部を流通する。プローブ部１０の内部を流通した被測定ガスＧは、例えば開口１２から再度煙道Ｐ内に流出する。ここで、測定領域Ｒ１は、開口１２によって煙道Ｐ内に露出しているプローブ部１０の内部空間を含む。このように、測定領域Ｒ１は、被測定ガスＧによって満たされている。
一方で、プローブ部１０の内部において測定領域Ｒ１の左右両側にそれぞれ形成されている領域Ｒ２及びＲ３には、任意の機構によりパージガスが供給されている。図３において、測定領域Ｒ１と領域Ｒ２との境界、及び測定領域Ｒ１と領域Ｒ３との境界それぞれは、点線によって示されている。パージガスは、反射部１５、発光部２１、及び第１受光部２２等の光学部品に汚染及び腐食等の不具合が生じないよう、これらの構成部への被測定ガスＧの接触を抑制する。このように、領域Ｒ２及びＲ３は、パージガスによって満たされている。
切欠き１４は、測定領域Ｒ１と領域Ｒ２及びＲ３とにおいて、被測定ガスＧとパージガスとの混合を抑制する。より具体的には、切欠き１４は、煙道Ｐからプローブ部１０内の測定領域Ｒ１に被測定ガスＧを導くことで、測定領域Ｒ１へのパージガスの混入を抑制する。同様に、切欠き１４は、領域Ｒ２及びＲ３への被測定ガスＧの混入を抑制する。
発光部２１は、プローブ部１０の反射部１５に向けて測定光を照射する。図３において、測定光のうち反射部１５で反射する前の光は、出射光Ｌ１として示されている。発光部２１は、被測定ガスＧを含む測定領域Ｒ１に出射光Ｌ１を照射する。出射光Ｌ１は、その光軸に沿って測定領域Ｒ１と重畳するように延在するプローブ部１０の内部を伝搬し、反射部１５に入射する。反射部１５は、プローブ部１０において発光部２１と反対側の先端に位置し、測定領域Ｒ１を通過した出射光Ｌ１の一部を反射させる。図３において、測定光のうち反射部１５で反射した後の光は、反射光Ｌ２として示されている。反射光Ｌ２は、測定領域Ｒ１を含むプローブ部１０の内部を再度通過する。第１受光部２２は、反射部１５で反射し、測定領域Ｒ１を通過した反射光Ｌ２を受光する。
第１受光部２２は、検出された測定光に関する測定信号を任意の増幅回路によって電気的に増幅した後、測定光の光検出強度をスキャン信号として演算部２３に出力する。出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２それぞれの一部は、プローブ部１０の内部を通過する際に、測定領域Ｒ１に流通する被測定ガスＧによって吸収される。第１受光部２２によって取得した測定信号に基づいてその吸収スペクトルを測定することで、被測定ガスＧ中の測定対象成分の成分濃度が求まる。
上述したようなプローブ型のガス分析装置１では、設置現場に取り付けられている状態で、発光部２１、反射部１５、及び第１受光部２２の各光学部品が、所定条件を満たす必要がある。所定条件は、発光部２１から照射された出射光Ｌ１が測定領域Ｒ１を通過して反射部１５で反射し、反射光Ｌ２が測定領域Ｒ１を再度通過して第１受光部２２に入射するような各構成部の位置関係を含む。
一実施形態に係るガス分析装置１は、測定領域Ｒ１を通過する測定光に関連した上記の光学系に加えて、発光部２１から照射された測定光の一部を参照光として使用する他の光学系を有する。以下では、ガス分析装置１が有する参照光に関連した光学系について主に説明する。
分析部２０は、発光部２１と測定領域Ｒ１との間に配置され、発光部２１から照射された測定光の一部を参照光として分岐させる分岐部２４をさらに有する。分岐部２４は、測定光を任意の割合で分岐させることができる任意の光学部品を含む。分岐部２４は、例えばビームスプリッタを含む。
分析部２０は、被測定ガスＧ中の測定対象成分と同一のガスを含む参照部２５をさらに有する。参照部２５は、例えばリファレンスセルを含む。参照部２５は、分岐部２４によって分岐され、かつガスが含まれる領域を通過した参照光を受光する第２受光部２６を有する。第２受光部２６は、例えば、参照部２５を構成するリファレンスセルの内部に配置されている。第２受光部２６は、発光部２１、第１受光部２２、及び演算部２３と同様に、複数枚の電子基板と電気的に接続されている。
分析部２０は、分岐部２４と参照部２５との間に配置され、分岐部２４によって分岐された参照光を発光部２１側に反射させる反射部２７をさらに有する。反射部２７は、参照光に対して作用するミラー等の任意の反射構造を含む。
分析部２０は、分岐部２４と参照部２５との間に配置されている光学部品２８をさらに有する。光学部品２８は、例えば、参照光に対して作用する任意の光学レンズを含む。光学部品２８は、例えば、平凸レンズを含む。光学部品２８は、平凸レンズの平面が参照部２５と対向し、平凸レンズの凸面が参照部２５と反対側を向くように分析部２０内で固定されている。
上述した分析部２０の筐体は、発光部２１、第１受光部２２、及び演算部２３に加えて、分岐部２４、参照部２５、第２受光部２６、反射部２７、及び光学部品２８を一体的に格納するモジュール構造を有する。発光部２１、第１受光部２２、及び参照部２５は、分析部２０内において上下方向に沿って互いに近接した状態で配列されている。
図４は、分析部２０内において参照部２５前に光学部品２８を有さない場合の参照光Ｌ４に関する光学系を示した模式図である。図４は従来におけるガス分析装置に適用される光学系の構成例を示す。図４を参照しながら、参照光Ｌ４に関する光学系の機能の一部について説明した後、ガス分析装置１が光学部品２８を有さない場合に生じる問題点について説明する。
発光部２１から照射された測定光は、発光部２１の出射面側に配置されている任意の光学レンズ２１ａを通過して、分岐部２４により、測定領域Ｒ１に向けて伝搬する測定光Ｌ３と参照光Ｌ４とに分岐する。測定領域Ｒ１に向けて伝搬する測定光Ｌ３は、例えば分岐部２４における透過光に対応する。参照光Ｌ４は、例えば分岐部２４における反射光に対応する。参照光Ｌ４は、反射部２７を介して略直角に反射することで、発光部２１と並行して配列されている参照部２５に入射する。より具体的には、参照光Ｌ４は、参照部２５の入射面に取り付けられている集光レンズ２５ａに入射する。その後、参照光Ｌ４は、参照部２５が有する第２受光部２６に入射する。
参照部２５を構成するリファレンスセル内の領域Ｒ４には、測定対象成分と同一のガスが吸収スペクトル測定に十分な既知濃度で封入されている。参照部２５は、参照光Ｌ４を用いて既知濃度のガスに対するＴＤＬＡＳ信号を出力する。したがって、参照部２５により、常に測定対象成分の吸収スペクトルピークが検出される。このような理由で、参照部２５は、被測定ガスＧにおける測定対象成分が低濃度である場合に使用されることが多い。低濃度測定の用途では測定光Ｌ３の吸光度が減少するため、被測定ガスＧの測定対象成分の吸収スペクトルのピーク強度が減少する。したがって、ピークの正確な波長位置を検出することが困難である。結果として、吸収スペクトルの測定が困難となる。このような問題点を解決するために、測定対象成分と同一のガスを吸収スペクトル測定に十分な既知濃度で含む参照部２５が設けられる。参照部２５により、低濃度測定においても測定対象成分の吸収スペクトルピークの正確な波長位置が検出可能である。したがって、被測定ガスＧ中の測定対象成分の成分濃度が精度良く分析可能である。
上述したガス分析装置１では、発光部２１、分岐部２４、反射部２７、参照部２５、及び第２受光部２６の各光学部品が、所定条件を満たす必要がある。所定条件は、発光部２１から照射された測定光が分岐部２４に入射し、その反射光が参照光Ｌ４として反射部２７でさらに反射し、参照部２５を構成するリファレンスセルの内部を通過して第２受光部２６に入射するような各構成部の位置関係を含む。
ところで、ガス分析装置１の取り付け条件や取り付け状況によっては、必ずしも発光部２１、反射部１５、第１受光部２２が適切な位置関係になっているとは限らない。例えば、反射部１５を先端に保持するプローブ部１０が、比較的細い径（おおよそ５０ｍｍ）で０．５〜２ｍ程度の長さがあると、煙道Ｐの内部に片持ちで取り付けられた状態では自重でたわみが発生し、反射部１５の位置および向きが設計値からずれる場合がある。また、発光部２１及び第１受光部２２を収容する分析部２０の筐体も、煙道Ｐの外部に片持ちで取り付けられた状態では自重でわずかにたわみが発生し、発光部２１及び第１受光部２２の位置及び向きが設計値からずれる場合がある。その結果、測定光Ｌ３の大部分が反射部１５に入射しなくなる場合が想定される。このとき、第１受光部２２に戻ってくる測定光Ｌ３の光強度が大幅に減少する。これにより、分析に必要な強度を有するスキャン信号の取得が困難となり、吸収スペクトルの測定精度が低下する。
このような問題点を解決するために、例えば、ガス分析装置１は、発光部２１のビーム位置、より具体的には、発光部２１から照射される測定光の出射位置を調整する任意の調整機構をさらに有してもよい。例えば、調整機構は、分析部２０の外側から発光部２１のビーム位置を調整する任意の機構を含む。このような調整機構により、測定光の光軸と略直交する方向の発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲で調整される。
ここで、所定の調整範囲は、測定光Ｌ３が反射部１５に入射して第１受光部２２に戻ってくるように発光部２１のビーム位置を適切に調整可能な任意の範囲を含む。例えば、所定の調整範囲は、発光部２１から照射される測定光の光軸と略直交する方向において発光部２１のビーム位置を調整可能な、分析部２０を構成する筐体内に設けられている余剰空間を含む。例えば、所定の調整範囲は、発光部２１のビームの基準位置から、測定光の光軸と略直交する方向において±０．７ｍｍ以内の範囲を含む。
測定光の光軸と略直交する方向は、例えば、図３における上下方向及び前後方向、並びにこれらの方向に近似する方向を含む。
しかしながら、発光部２１のビーム位置が調整されると、必ずしも発光部２１、反射部２７、第２受光部２６が適切な位置関係になっていない場合がある。例えば、発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲の上限位置及び下限位置それぞれに近づくとき、基準位置にある場合と比較して、分岐部２４における参照光Ｌ４の反射位置がずれる。これにより、参照部２５が有する第２受光部２６に入射する参照光Ｌ４の光強度が低下する。より具体的には、発光部２１のビーム位置が基準位置にある場合、参照部２５の集光レンズ２５ａを通過した参照光Ｌ４が第２受光部２６近傍で焦点Ｆを結ぶ。このとき、第２受光部２６に入射する参照光Ｌ４のビーム径は、第２受光部２６の受光径に対して同程度になる。したがって、発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲において基準位置から変化すると第２受光部２６に参照光Ｌ４が入射しにくくなる。結果として、十分な強度のスキャン信号を取得することが困難となる。すなわち、参照部２５を用いたとしても、吸収スペクトルピークの正確な波長位置を検出することが困難となる。
一実施形態に係るガス分析装置１では、参照部２５の集光レンズ２５ａの前に光学部品２８が配置されていることで、所定の調整範囲内において発光部２１のビーム位置が基準位置から変化したときであっても、第２受光部２６に十分な光強度の参照光Ｌ４が入射する。したがって、参照部２５に含まれるガスの吸収スペクトルピークの正確な波長位置が検出可能である。
図５は、図１のガス分析装置１の分析部２０内において参照光Ｌ４に関する光学系を示した図４に対応する模式図である。図５は本発明の一実施形態に係るガス分析装置１に適用される光学系の構成例を示す。図６は、図１のガス分析装置１の分析部２０内における参照光Ｌ４の伝搬の様子を、光学部品２８を有する場合と有さない場合とで比較した模式図である。図５及び図６を参照しながら、一実施形態に係るガス分析装置１の分析部２０内に配置されている光学部品２８の詳細な構成及び機能について説明する。
光学部品２８は、参照光Ｌ４が第２受光部２６に入射するよう参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆの位置を調整する。光学部品２８を構成する平凸レンズは、参照光Ｌ４の波長特性に対応する材質から構成される。例えば、平凸レンズは、参照光Ｌ４の波長に対して透過特性が良い材質から構成される。平凸レンズは、反射部２７を反射した参照光Ｌ４が入射しやすいような径を有する。例えば、平凸レンズは、分析部２０の設計許容範囲内で可能な限り大きく形成される。平凸レンズと参照部２５との距離は、分析部２０の設計許容範囲内で任意に決定される。
平凸レンズは、ガス分析装置１が光学部品２８を有さない場合と比較して、参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆをより平凸レンズ側に位置させるような焦点距離を有する。すなわち、平凸レンズは、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径をより大きくする。平凸レンズの焦点距離は、例えば、第２受光部２６が所定の調整範囲にわたって参照光Ｌ４を受光可能であり、かつ参照光Ｌ４の照射強度が最も大きくなるような値に設定される。
図６に示すとおり、ガス分析装置１が光学部品２８を有さない場合であっても、発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲の基準位置にあれば、十分な光強度の参照光Ｌ４が第２受光部２６に入射する。このとき、参照光Ｌ４は、参照部２５の集光レンズ２５ａによって参照部２５において一度集束した後、再び拡散した状態で第２受光部２６に入射する。参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆは、光学部品２８が介在する場合と比較してより第２受光部２６側に位置している。参照光Ｌ４の焦点Ｆと第２受光部２６とが近接することで、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径は小さく、参照光Ｌ４の光強度は高い。より具体的には、第２受光部２６に入射する参照光Ｌ４のビーム径は、第２受光部２６の受光径に対して同程度になる。
しかしながら、例えば、発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲の上限位置にあると、参照光Ｌ４は、集光レンズ２５ａを通過しても集束せず、第２受光部２６にほとんど入射しない。
一方で、ガス分析装置１が光学部品２８を有する場合であって、発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲の基準位置にあるとき、光学部品２８は、ガス分析装置１が光学部品２８を有さない場合と比較して、参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆをより光学部品２８側に位置させる。これにより、参照光Ｌ４の焦点Ｆと第２受光部２６とがより離間することとなるが、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径は大きくなる。光学部品２８は、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径を、第２受光部２６の受光径よりも拡大する。より具体的には、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径が第２受光部２６の受光径に対して数倍大きくなる。したがって、参照光Ｌ４が確実に第２受光部２６に入射する。
例えば、発光部２１のビーム位置が所定の調整範囲の上限位置にあるときでも、光学部品２８と集光レンズ２５ａとによって、参照光Ｌ４の一部は、参照部２５において一度集束する。集束した参照光Ｌ４の一部は再度拡がり、確実に第２受光部２６に入射する。
第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径を拡大すれば第２受光部２６における参照光Ｌ４の受光量は減少する。通常であれば、ガス分析装置１は、第２受光部２６における参照光Ｌ４の受光量を向上させるために、参照光Ｌ４のビーム径を第２受光部２６の受光径よりも狭めて参照光Ｌ４の略全体が第２受光部２６に入射するように構成される。しかしながら、本願発明では、発光部２１のビーム位置が基準位置から変化した場合であっても、第２受光部２６における参照光Ｌ４の受光量を安定させるために、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径が拡大される。吸収スペクトル測定に必要な最低限の光強度で参照光Ｌ４の一部が入射すれば、吸収スペクトルピークの波長位置が検出可能である。
なお、第２受光部２６に入射する参照光Ｌ４の光強度が大きい程、測定対象成分の吸収スペクトルピークの波長位置が容易に把握可能となる。したがって、本来であれば、第２受光部２６に照射される参照光Ｌ４の光強度は大きいほうが望ましい。一方で、参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆの位置があまりに集光レンズ２５ａに近いと、参照光Ｌ４が焦点Ｆを結んだ後に大きく拡がる。これにより、第２受光部２６に照射される参照光Ｌ４の光強度が低下する。したがって、参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆの位置は、第２受光部２６における参照光Ｌ４の照射強度と、所定の調整範囲にわたる第２受光部２６の受光可否とのトレードオフに基づいて定められる。例えば、参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆの位置は、第２受光部２６が所定の調整範囲にわたって参照光Ｌ４を受光可能であり、かつ参照光Ｌ４の照射強度が最も大きくなる位置に定められる。
以上のような一実施形態に係るガス分析装置１によれば、発光部２１のビーム位置が基準位置から変化した場合であっても、第２受光部２６における参照光Ｌ４の受光量が安定する。ガス分析装置１が光学部品２８を有することで、例えば、所定の調整範囲の上限位置及び下限位置それぞれに発光部２１のビーム位置が調整された場合であっても、第２受光部２６に参照光Ｌ４が確実に入射する。したがって、参照部２５を構成するリファレンスセル内に封入されている測定対象成分と同一のガスの吸収スペクトルピークの波長位置が容易に検出可能である。このように、参照部２５を用いたガス分析装置１では、発光部２１のビーム位置の変化に対する測定耐性が向上する。
分析部２０内に反射部２７が配置されていることで、分析部２０全体が小型化される。より具体的には、プローブ型のガス分析装置１では、エレクトロニクス部品及び上述した光学部品が分析部２０内にまとめて配置される必要がある。このような場合でも、反射部２７によって参照光Ｌ４の光路が折り返されることで、分析部２０の内部空間が効率的に利用される。
本発明は、その精神又はその本質的な特徴から離れることなく、上述した実施形態以外の他の所定の形態で実現できることは当業者にとって明白である。したがって、先の記述は例示的であり、これに限定されない。発明の範囲は、先の記述によってではなく、付加した請求項によって定義される。あらゆる変更のうちその均等の範囲内にあるいくつかの変更は、その中に包含されるとする。
例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数等は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。
光学部品２８は光学レンズを含むとして説明したがこれに限定されない。光学部品２８は、第２受光部２６における参照光Ｌ４のビーム径を拡大できる任意の部品を含んでもよい。
光学部品２８は、参照部２５における参照光Ｌ４の焦点Ｆをより集光レンズ２５ａ側に位置させるとして説明したが、調整方法はこれに限定されない。調整方法は、発光部２１のビーム位置に関する所定の調整範囲において第２受光部２６が参照光Ｌ４を確実に受光可能な任意の方法を含んでもよい。例えば、光学部品２８は、第２受光部２６に対して集光レンズ２５ａと反対側に焦点Ｆを位置させてもよい。このとき、参照光Ｌ４は、集光レンズ２５ａと第２受光部２６との間では完全に集束せずに、第２受光部２６の裏側に位置する焦点Ｆに向けて集束しようとする。したがって、参照光Ｌ４は、ビーム径がある程度拡がった状態で第２受光部２６に入射する。
光学部品２８を構成する光学レンズは、平凸レンズに限定されない。光学レンズは、発光部２１のビーム位置に関する所定の調整範囲において第２受光部２６が参照光Ｌ４を確実に受光可能な任意のレンズを含んでもよい。例えば、光学レンズは、両凸レンズであってもよいし、凹レンズであってもよい。
ガス分析装置１は、参照部２５の集光レンズ２５ａとは別に光学部品２８を有するとして説明したが、これに限定されない。光学部品２８は、ガスが含まれる領域Ｒ４と分岐部２４との間に配置され、かつ所定の調整範囲において第２受光部２６が参照光Ｌ４を確実に受光可能な任意の構成を有してもよい。例えば、集光レンズ２５ａの位置において、集光レンズ２５ａの代わりに光学部品２８を構成する平凸レンズが取り付けられてもよい。このように、光学部品２８と参照部２５とが一体的に構成されていてもよい。
第２受光部２６は、参照部２５を構成するリファレンスセルの内部に配置されているとして説明したが、これに限定されない。第２受光部２６は、リファレンスセルに封入されているガスを通過した参照光Ｌ４を受光可能である任意の位置に配置されていてもよい。例えば、第２受光部２６は、リファレンスセルにおいて集光レンズ２５ａと反対側の端部に取り付けられていてもよい。例えば、第２受光部２６は、リファレンスセルの外部に配置されていてもよい。
ガス分析装置１は、分析部２０においてスペースを確保できるのであれば、反射部２７を有さなくてもよい。このとき、参照部２５は、分岐部２４で反射した参照光Ｌ４の直線光路上に配置される。
出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の両方が測定領域Ｒ１を通過するとして説明したがこれに限定されない。測定領域Ｒ１に含まれる被測定ガスＧ中の測定対象成分の成分濃度をガス分析装置１が分析可能であれば、出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の一方のみが測定領域Ｒ１を通過してもよい。
ガス分析装置１はプローブ型であるとして説明したが、ガス分析装置１の種類はこれに限定されない。ガス分析装置１は、例えば、発光部２１と第１受光部２２とが煙道Ｐを挟んで別体として対向するように構成されてもよい。このとき、ガス分析装置１は、反射部１５を有さなくてもよく、発光部２１から照射された測定光Ｌ３の直線光路上に第１受光部２２が位置するように構成されてもよい。これにより、煙道Ｐを挟んだ両側それぞれに配置されるガス分析装置１の各構成部の部品点数が減少し、各構成部が小型化される。ガス分析装置１は、例えば、分析部２０と反射部１５とが煙道Ｐを挟んで別体として対向するように構成されてもよい。より具体的には、分析部２０が取り付けられている煙道壁Ｓの一方側と対向する他方側に、反射部１５を構成する任意の反射構造が取り付けられていてもよい。このとき、反射部１５を構成する任意の反射構造は、例えば煙道壁Ｓの内面に取り付けられていてもよいし、煙道壁Ｓの外面に取り付けられていてもよい。
１ ガス分析装置
１０ プローブ部
１１ フランジ
１２ 開口
１３ リブ
１４ 切欠き
１５ 反射部（第２反射部）
２０ 分析部
２１ 発光部
２１ａ 光学レンズ
２２ 第１受光部
２３ 演算部
２４ 分岐部
２５ 参照部
２５ａ 集光レンズ
２６ 第２受光部
２７ 反射部（第１反射部）
２８ 光学部品
Ｆ 焦点
Ｇ 被測定ガス
Ｌ１ 出射光
Ｌ２ 反射光
Ｌ３ 測定光
Ｌ４ 参照光
Ｐ 煙道
Ｒ１ 測定領域
Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 領域
Ｓ 煙道壁

Claims (6)

  1. 被測定ガスを含む測定領域に測定光を照射する発光部と、
    前記発光部から照射される前記測定光の出射位置を調整する調整機構と、
    前記測定領域を通過した前記測定光を受光する第１受光部と、
    前記発光部と前記測定領域との間に配置され、前記発光部から照射された前記測定光の一部を参照光として分岐させる分岐部と、
    前記被測定ガス中の測定対象成分と同一で既知濃度のガスを含み、前記ガスが含まれる領域を通過した前記参照光を受光する第２受光部を有する参照部と、
    前記分岐部と前記ガスが含まれる領域との間に配置されている光学部品と、
    を備え、
    前記光学部品の焦点距離は、前記調整機構により前記測定光の光軸と直交する方向の前記測定光の出射位置が調整される調整範囲にわたって前記第２受光部が前記参照光を受光可能であり、かつ前記参照光の照射強度が最も大きくなるような値に設定され、
    前記光学部品は、前記第２受光部における前記参照光のビーム径を、前記第２受光部の受光径よりも拡大する、
    ガス分析装置。
  2. 前記光学部品は、前記参照光に対して作用する光学レンズを含む、
    請求項１に記載のガス分析装置。
  3. 前記光学レンズは、前記ガス分析装置が前記光学部品を備えない場合と比較して、前記参照部における前記参照光の焦点をより前記光学レンズ側に位置させる、
    請求項２に記載のガス分析装置。
  4. 前記光学レンズは、平凸レンズであり、
    前記平凸レンズの平面は、前記参照部と対向し、
    前記平凸レンズの凸面は、前記参照部と反対側を向く、
    請求項３に記載のガス分析装置。
  5. 前記分岐部と前記光学部品との間に配置され、前記分岐部によって分岐された前記参照光を前記発光部側に反射させる第１反射部をさらに備える、
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス分析装置。
  6. 前記測定光の光軸に沿って前記測定領域と重畳するように延在するプローブ部と、
    前記プローブ部において前記発光部と反対側の先端に位置し、前記測定光を反射させる第２反射部と、
    をさらに備え、
    前記第１受光部は、前記第２反射部で反射した前記測定光を受光する、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガス分析装置。
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