JP6777116B2 - レーザ式ガス分析計 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ式ガス分析計に関する。
ＣＯ，ＣＯ2，Ｏ2等の各種ガス濃度を検出する分析計として、レーザ式ガス分析計が知られている。このレーザ式ガス分析計は、レーザ光を測定対象ガスに照射して、レーザ光の光路中に存在するガスによりレーザ光が光吸収されることを利用するものである。
このようなレーザ式ガス分析計として、例えば特許文献１には、筒状部材内にパージエア供給部と、サンプルガス流入部と、第２サンプルガス流入部とを備えたガス分析用プローブが開示されている。
しかし、特許文献１に記載のガス分析用プローブでは、パージエアが測定場の中央方向に移動するのを抑制するための物理的な境界が設けられていない。従って、サンプルガスに晒されるレーザ光の光路長を安定化させることができないため、成分濃度の測定精度について改善の余地があった。
本発明は、このような問題点を解決することを課題とするものであり、その目的は、成分濃度の測定精度を向上させたレーザ式ガス分析計を提供することである。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明のレーザ式ガス分析計は、
測定対象ガスにレーザ光を照射する発光部と、
測定対象ガスを通過した前記レーザ光を反射する反射部と、
該反射部からの前記レーザ光を受光する受光部と、
前記発光部を制御し、前記受光部からの出力信号を処理する制御部と、
前記発光部と前記反射部との間に配置され、測定対象ガスが流入及び流出する開口を有する筒状の測定対象ガス通過部と、
該測定対象ガス通過部の前記発光部側に配置され、測定対象成分が含まれないパージガスが充填される第１パージ領域部と、
前記測定対象ガス通過部と前記第１パージ領域部との境界を画定し、前記レーザ光が通過可能な開孔を有する第１隔壁部と
を備え、
前記第１隔壁部には、前記発光部に対向する面に、前記レーザ光の散乱を促進する微小凹凸が形成されるか、又は前記レーザ光の散乱又は吸収を促進する表面処理が施されており、
測定対象ガスが流入及び流出する前記開口のうち、測定対象ガスが流入する少なくとも一部の上流側開口は、光軸方向の寸法が、光軸方向に直交する方向の寸法よりも短く、前記第１隔壁部に隣接して配置されていることを特徴とする。
測定対象ガスにレーザ光を照射する発光部と、
測定対象ガスを通過した前記レーザ光を反射する反射部と、
該反射部からの前記レーザ光を受光する受光部と、
前記発光部を制御し、前記受光部からの出力信号を処理する制御部と、
前記発光部と前記反射部との間に配置され、測定対象ガスが流入及び流出する開口を有する筒状の測定対象ガス通過部と、
該測定対象ガス通過部の前記発光部側に配置され、測定対象成分が含まれないパージガスが充填される第１パージ領域部と、
前記測定対象ガス通過部と前記第１パージ領域部との境界を画定し、前記レーザ光が通過可能な開孔を有する第１隔壁部と
を備え、
前記第１隔壁部には、前記発光部に対向する面に、前記レーザ光の散乱を促進する微小凹凸が形成されるか、又は前記レーザ光の散乱又は吸収を促進する表面処理が施されており、
測定対象ガスが流入及び流出する前記開口のうち、測定対象ガスが流入する少なくとも一部の上流側開口は、光軸方向の寸法が、光軸方向に直交する方向の寸法よりも短く、前記第１隔壁部に隣接して配置されていることを特徴とする。
また、本発明のレーザ式ガス分析計は、上記構成において、前記測定対象ガス通過部の前記反射部側に配置され、前記パージガスが充填される第２パージ領域部と、前記測定対象ガス通過部と前記第２パージ領域部との境界を画定し、前記レーザ光が通過可能な開孔を有する第２隔壁部とを更に備え、前記第２隔壁部には、前記発光部に対向する面に、前記レーザ光の散乱を促進する微小凹凸が形成されるか、又は前記レーザ光の散乱又は吸収を促進する表面処理が施されていることが好ましい。
また、本発明のレーザ式ガス分析計は、上記構成において、前記表面処理は、ブラスト処理であることが好ましい。
また、本発明のレーザ式ガス分析計は、上記構成において、前記第１隔壁部に対して、発光部の位置を光軸に直交する方向に調整可能であることが好ましい。
本発明によれば、成分濃度の測定精度を向上させたレーザ式ガス分析計を提供することができる。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計１００は、所定の光路長の測定対象ガス通過部２２を画定し、レーザ光１１ａの所定の光路を測定対象ガスに晒すことで光吸収させるプローブ部２０と、レーザ光１１ａを測定対象ガスに照射すると共にプローブ部２０において光吸収されたレーザ光１１ａを受光し、測定対象ガスの分析を行う分析部１０とを備えている。ここでいう、測定対象ガスとは、ＣＯ，ＣＯ2，Ｏ2等の測定対象成分を含むガスであり、測定対象ガスは、１又は複数の測定対象成分を含んでいる。
なお、本明細書、特許請求の範囲、要約書および図面では、光軸方向とは、レーザ光１１ａの出射方向に沿う方向であり、図１の左右方向である。また、発光部１１側とは、図１における右側であり、反射部２８側とは、図１における左側である。
分析部１０は、図１に示すように、レーザ光１１ａを発光させ測定対象ガスに照射する発光部１１と、測定対象ガスで光吸収されたレーザ光１１ａを受光する受光部１３と、前記発光部１１を制御すると共に受光部１３からの出力信号を処理する制御部１５とを備えている。
発光部１１は、レーザ光１１ａを発光させるレーザと、レーザに電流を供給するレーザ駆動回路とを有している。レーザには、例えば測定対象ガスの吸収波長を含む範囲で波長を掃引（スキャン）することが可能な、波長可変型の半導体レーザを用いることができる。レーザ駆動回路は、制御部１５からの制御信号に基づいてレーザに駆動電流を供給可能なトランジスタやレーザ駆動ＩＣ（Integrated Circuit）等を含むことができる。発光部１１において発光したレーザ光１１ａは、図１に矢印で示すように、測定対象ガスが流れる方向（図１の下方向）に対して略直交する方向（図１の左方向）に向けて照射される。
受光部１３は、発光部１１から照射され、測定対象ガス通過部２２において測定対象ガス中に晒されて光吸収を受けたレーザ光１１ａを受光する。受光部１３は、例えば、フォトダイオード（Photo Diode）等の受光素子と、受光素子からの光検出電流を電圧変換する電圧変換回路と、増幅器とを備えることができる。受光部１３は、入射したレーザ光１１ａの光強度を受光素子で検出し、制御部１５等に出力する。なお、受光素子は、フォトダイオード以外のものであってもよい。
制御部１５は、発光部１１を制御すると共に受光部１３からの出力信号の処理を行う。ここで、発光部１１の制御は、レーザ光１１ａの発光波長、レーザ光１１ａの出射パワー、発光パルスのパルス幅及びデューティ比の制御を含む。受光部１３からの出力信号の処理は、出力信号に基づく受光したレーザ光１１ａの吸収スペクトルの算出、吸収スペクトルに基づく測定対象ガスに含まれる成分及びその濃度の算出等の処理を含んでいる。
次に、プローブ部２０の構成について説明する。図１に示すように、プローブ部２０は、測定対象ガスが流れる配管３０の内部に、長手方向が測定対象ガスの流れに直交するように配置されている。プローブ部２０は、測定対象ガスに晒されるレーザ光１１ａの光路長を画定する測定対象ガス通過部２２と、測定対象ガス通過部２２の光軸方向両側に配置されパージガスが充填されるパージ領域部２４，２５（第１パージ領域部、及び第２パージ領域部）とを有している。プローブ部２０は、測定対象ガス通過部２２が配管３０の壁面から離れ、測定対象ガスの流れの速度分布が比較的大きな領域に配置されている。測定対象ガス通過部２２及びパージ領域部２４，２５は、プローブ部２０の外形を形成する筒状のハウジング２１により区画形成されている。ハウジング２１は、図２に示すように、測定対象ガス通過部２２の外形を形成する中央ハウジング２１ｃと、パージ領域部２４，２５の外形を形成するサイドハウジング２１ｓとを有している。本実施形態では、後述するセパレーションウォール部２６，２７（第１隔壁部、及び第２隔壁部）に対して、発光部１１の位置を光軸に直交する方向に調整可能に構成されている。これによって、レーザ光１１ａがセパレーションウォール部２６，２７に設けられた開孔２６ａ，２７ａ内の最適位置を通過するように調整可能である。
測定対象ガス通過部２２の光軸方向両端には、セパレーションウォール部２６，２７が配置されており、セパレーションウォール部２６，２７により、パージ領域部２４，２５との境界が区画形成されている。図２は、発光部１１側のセパレーションウォール部２６近傍の拡大斜視図である。
セパレーションウォール部２６（第１隔壁部）は、図２に示すように、測定対象ガス通過部２２と発光部１１側のパージ領域部２４（第１パージ領域部）との境界を画定する壁部２６ｗと、壁部２６ｗに形成された２つの開孔２６ａとを有している。本実施形態において、２つの開孔２６ａは、図１に示すように発光部１１から出射したレーザ光１１ａと、反射部２８で反射したレーザ光１１ａがそれぞれ通過することができるような位置に適切な大きさで形成されている。プローブ部２０が外乱によって振動した場合や、自重等の影響でプローブ部２０が撓んだり変形したような場合でも、開孔２６ａを大きく形成しておけば、開孔２６ａ周辺部によってレーザ光１１ａが遮られる可能性が減少し、レーザ光１１ａを安定に受光部１３に入射させることができる。一方で、パージガスは、図示しないパージガス供給部からパージ領域部２４，２５に供給され、開孔２６ａを通じてパージ領域部２４，２５の外に排出される。従って、開孔２６ａを過剰に大きく形成すると、開孔２６ａから大流量のパージガスが排出されて経済性が損なわれる。また、開孔２６ａを過剰に大きく形成すると、測定対象ガス通過部２２とパージ領域部２４，２５との境界が曖昧になり、レーザ式ガス分析において成分濃度算出の基準となる、測定対象ガスに晒される光路長に誤差が生じ易くなる。従って、振動等の外乱に対する耐性と、経済性及び要求される成分濃度の検出精度とのバランスを考慮して、開孔２６ａの大きさを定めることが望ましい。
なお、本実施形態では、セパレーションウォール部２６に２つの開孔２６ａを設けたが、この態様には限定されない。開孔２６ａの数は、発光部１１及び受光部１３の数や光路設計等によって変わり得るものである。開孔２６ａは少なくとも１箇所に設けられていればよく、３箇所以上に設けられていてもよい。
また、図示しないパージガス供給部からパージ領域部２４，２５に供給されるパージガスは、測定対象ガス中の測定対象成分が含まれないガスとするのが好ましい。パージガスには、例えばＮ2を用いることができる。
図２は、図の奥側が、測定対象ガスの上流側であり、図の手前側が、測定対象ガスの下流側である。従って、測定対象ガスは、図２の紙面に略垂直な方向の奥から手前に向かって流れている。以下の説明において、単に上流側、下流側と記載している箇所は、測定対象ガスの上流側、測定対象ガスの下流側の意味である。図示するように、測定対象ガス通過部２２は、上流側開口２２ａと、下流側開口２２ｂとを有している。
上流側開口２２ａは、図２に示すように、中央ハウジング２１ｃの上流側において、セパレーションウォール部２６に対して光軸方向に隣接した反射部２８側（図２の左側）に配置されている。上流側開口２２ａは、図２の上下方向よりも光軸方向の方が寸法が短い矩形形状を有している。上流側から上流側開口２２ａを通って測定対象ガス通過部２２内に流入した測定対象ガスは、セパレーションウォール部２６の開孔２６ａを横切って下流側に流れる。この上流側開口２２ａを通じた測定対象ガスの流れによって、セパレーションウォール部２６の開孔２６ａから流出するパージガスが、測定対象ガス通過部２２の光軸方向中央位置に向かう方向（図２の左方向）に流れないようにすることができる。このように、上流側に光軸方向の幅が狭い上流側開口２２ａを配置することで、上流側開口２２ａよりも大きなダスト等を測定対象ガス通過部２２内に侵入させないようにすることができる。なお、上流側開口２２ａは、後述するように反射部２８側のセパレーションウォール部２７にも隣接して配置されている。
下流側開口２２ｂは、図２に示すように、光軸方向に長い矩形形状を有し、中央ハウジング２１ｃの下流側において、光軸方向に複数並んで配置されている。従って、中央ハウジング２１ｃの下流側は、大面積の開口を有している。下流側に光軸方向の幅が広い下流側開口２２ｂを配置することで、上流側開口２２ａを通じて測定対象ガス通過部２２内に流入した測定対象ガスを、この下流側開口２２ｂから排出すると共に、中央ハウジング２１ｃの外側を回り込んで下流側に到達した測定対象ガスを容易に流入させることができる。なお、中央ハウジング２１ｃの外側を回り込んで下流側に到達したダスト等は、それ自身の慣性力によりそのまま下流側へと流れてしまうため、ダスト等が下流側開口２２ｂを通じて測定対象ガス通過部２２内に侵入することは軽減される。
図３は、図２に示すセパレーションウォール部２６の、（ａ）左側面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図である。セパレーションウォール部２６は、測定対象ガス通過部２２とパージ領域部２４との境界を画定する壁部２６ｗと、壁部２６ｗに形成された２つの開孔２６ａと、セパレーションウォール部２６を中央ハウジング２１ｃとサイドハウジング２１ｓにそれぞれ嵌合固定させるための嵌合部２６ｅと、セパレーションウォール部２６を中央ハウジング２１ｃに嵌合固定する際に嵌合部２６ｅを中央ハウジング２１ｃの内側へと導く案内部２６ｄとを有している。セパレーションウォール部２６は、例えばＳＵＳ３１６等の材料で形成することができる。但し、この態様には限定されず、セパレーションウォール部２６は、他の様々な金属材料等で形成することができる。
図３（ｃ）は、セパレーションウォール部２６の右側面図であり、セパレーションウォール部２６をレーザ光１１ａの入射方向から見た図である。図３（ｃ）における斜線部は、ブラスト処理を施したブラスト処理面２６ｂを示している。本実施形態では、セパレーションウォール部２６は、ＳＵＳ３１６を切削加工することによって製作しており、各加工面は鏡面に近い表面粗さを有しているが、発光部１１に対向する面にブラスト処理を施すことによって、レーザ式ガス分析に不要な反射光が受光部１５に戻るのを抑制して測定精度を向上させることができる。すなわち、図１に示す片持ち式のプローブ部２０に機械的な外乱が加わり、プローブ部２０が振動して、レーザ光１１ａの一部が開孔２６ａを通過しないでブラスト処理面２６ｂに当たってしまうような場合でも、ブラスト処理面２６ｂで反射したレーザ光１１ａは拡散されるため、受光部１３への戻り光量を減少させることができる。
なお、ブラスト処理面２６ｂに施すブラスト処理は、粒子が大きな研削剤でブラスト処理することで、表面粗さが大きい面に仕上げることができるので、ブラスト処理面２６ｂでの反射光における拡散反射成分を増加させ、受光部１３への戻り光量を効果的に抑制することができる。
測定対象ガスは高温ガスの場合があるため、本実施形態では、セパレーションウォール部２６，２７の材質として、高温に耐えられる金属材料であるＳＵＳ３１６を用いているが、この態様には限定されない。セパレーションウォール部２６，２７の材質として、ＳＵＳ３１６以外の様々な金属材料及びそれらの合金を用いることができる。また、金属材料以外の他の材料を用いてもよい。セパレーションウォール部２６，２７の製法としては、上述の切削加工の他に、例えばロストワックス鋳造等によって形成してもよい。
パージ領域部２４は、図１及び図２に示すように、測定対象ガス通過部２２の発光部１１側に配置されている。パージ領域部２４は、サイドハウジング２１ｓ及びセパレーションウォール部２６によって区画形成された領域であり、図示しないパージガス供給部から供給されるパージガスが充填される。供給されたパージガスは、セパレーションウォール部２６の開孔２６ａから排出される。パージガスは、測定対象成分が含まれないガスである。パージ領域部２４をパージガスで満たすことによって、内部に配置された光学部品等をダスト等から保護することができる。また、パージ領域部２４をパージガスで満たすことによって、パージ領域部２４に測定対象ガスが流入するのを抑制して、レーザ光１１ａが測定対象ガスに晒される光路長を安定に維持することができる。
ここで、レーザ式ガス分析計１００の原理、及びセパレーションウォール部２６における反射光を低減することによって測定精度が向上する理由について説明する。
本実施形態のレーザ式ガス分析計１００は、ＴＤＬＡＳ（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）法に基づく分析計である。ＴＤＬＡＳでは、ガス吸収線幅よりはるかに狭い線幅の半導体レーザ光を測定対象ガスに透過させ、その駆動電流を高速変調することでその波長を掃引（スキャン）し、透過光量を測定して、１本の独立した吸収スペクトルを測定する。より具体的には、図１に示すように、発光部１１から出射するレーザ光１１ａは、所定の光路長を有する測定対象ガス通過部２２において測定対象ガスに晒される。発光部１１は、レーザを駆動する駆動電流の大きさを連続的に変化させることで出射するレーザ光１１ａの波長を所定範囲で変化させる。測定対象ガスがいずれの波長を吸収するかは測定対象ガスに依存する。図４は、測定対象成分がＯ2である場合に、発光部１１から出射し測定対象ガス通過部２２を往復した後に受光部１３で検出されたレーザ光１１ａの光スペクトルを示している。Ｏ2は、図示するように、波長λO2に吸収スペクトルを有しており、波長λO2における光強度が近接する他の波長の光強度と比較して局所的に低下する。発光部１１は、局所的に光強度が低下する波長λO2を含む所定の波長範囲でレーザ光１１ａの波長を掃引させる。波長を掃引させる範囲は、図４に示すように、波長λO2の短波長側及び長波長側において、光強度が波長に依存しない平坦なカーブが得られるように決定することが望ましい。レーザ光１１ａのスキャン範囲はアプリケーションによっても異なるが、例えば、測定対象成分がＯ2の場合は、レーザ光１１ａの線幅はたとえば0.0002nmでスキャン範囲はたとえば0.1〜0.2nmである。この0.1〜0.2nmの範囲をスキャンすることで、吸収スペクトルの測定を行う。
なお、本実施形態では、レーザに供給する駆動電流を変化させることでレーザ光１１ａの波長を掃引している。従って、実際に受光部１３で検出される図４の左端の波長における光強度と右端の波長における光強度は異なる。制御部１５は、図４の左端の波長の光強度と右端の波長の光強度が同じになるようにベースラインの平坦化処理を行っている。
測定対象ガスに入射する前の光強度をＩn、測定対象ガスに入射した後の光強度をＩaとすると、吸光度Ａｂは以下の数式（１）で表すことができる。
Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則によれば、測定対象ガスの吸光度Ａｂは、測定対象ガスの成分濃度と、測定対象ガスに晒されるレーザ光１１ａの光路長に比例する。従って、図４に示す光スペクトルから、測定対象ガスに入射する前の光強度Ｉn、及び測定対象ガスに入射した後の光強度Ｉaを特定することで吸光度Ａｂを算出し、更に測定対象ガスに晒されるレーザ光１１ａの光路長を定めることで、測定対象ガスの成分濃度を検出することができる。なお、図１に示す例において、測定対象ガスに晒されるレーザ光１１ａの光路長は、測定対象ガス通過部２２の光軸方向長さａを２倍した長さとなる。発光部１１から出射したレーザ光１１ａは、反射部２８でレーザ光１１ａの入射方向に向けて略１８０度反射されて受光部１３に戻るので、長さ２ａの光路において測定対象ガスに晒されるからである。
なお、本実施形態では、濃度換算の手法として、スペクトル面積法を用いているが、この態様には限定されず、ピーク高さ法や２ｆ法等を用いてもよい。
上記の方法による測定対象ガスの成分濃度の検出では、発光部１１から出射し、反射部２８で反射したレーザ光１１ａのみが受光部１３で検出されると仮定している。しかし、上述のように、プローブ部２０が振動することでレーザ光１１ａとセパレーションウォール部２６、２７との相対位置が変動すると、レーザ光１１ａが壁部２６ｗで遮られて受光部１３に戻ることがある。この場合に検出される測定対象ガスの成分濃度について検討する。
表１は、測定対象ガス通過部２２における測定対象ガスの実際の成分濃度をＡ、パージ領域部２４，２５における測定対象ガスの実際の成分濃度をＢ、測定対象ガス通過部２２を通過して受光部１３に戻るレーザ光１１ａの透過率をＣ、パージ領域部２４で反射して受光部１３に戻るレーザ光１１ａの透過率（ここではパージ領域部２４で反射して受光部１３に戻る割合と考える）をＤとすると、レーザ式ガス分析計１００によって算出される成分濃度（レーザ式ガス分析計１００の濃度指示値ｘ）は、以下の数式（２）で表すことができる。
ここで、パージ領域部２４には、測定対象成分が含まれないパージガスのみが充填されるため、パージ領域部２４における測定対象ガスの成分濃度Ｂは０となる。従って、数式（２）は、以下の数式（３）へと変形することができる。
発光部１１から出射し、パージ領域部２４で反射して受光部１３に戻るレーザ光１１ａが存在しなければ、パージ領域部２４で反射して受光部１３に戻るレーザ光１１ａの透過率（パージ領域部２４で反射して受光部１３に戻る割合）Ｄは０となる。従って、数式（３）より、レーザ式ガス分析計１００によって算出される成分濃度（濃度指示値ｘ）は、測定対象ガスの実際の成分濃度Ａに等しくなる。しかし、プローブ部２０が振動することでレーザ光１１ａとセパレーションウォール部２６との相対位置が変動すると、壁部２６ｗで遮られて受光部１３に戻るレーザ光１１ａが増加し、パージ領域部２４で反射して受光部１３に戻るレーザ光１１ａの透過率（パージ領域部２４で反射して受光部１３に戻る割合）Ｄが増加する。従って、数式（３）より、レーザ式ガス分析計１００によって算出される成分濃度（濃度指示値ｘ）は、測定対象ガスの実際の成分濃度Ａよりも小さくなる。このｘとＡとの差分が、レーザ式ガス分析計１００によって算出される成分濃度の誤差となる。
本実施形態では、上述のようにセパレーションウォール部２６における発光部１１に対向する面（ブラスト処理面２６ｂ）をブラスト処理しているため、レーザ光１１ａが壁部２６ｗで遮られても、ブラスト処理面２６ｂによる反射光は拡散し、受光部１３に戻る光量を効果的に抑制することができる。
なお、上記の例では、セパレーションウォール部２６におけるレーザ光１１ａが照射され得る面にブラスト処理を施したが、この態様には限定されない。セパレーションウォール部２６における発光部１１に対向する面に、ブラスト処理以外の表面処理を施すことで微小凹凸を形成し、反射光を拡散させるように構成してもよい。また、セパレーションウォール部２６を鋳造等により形成する際に、鋳型等に微小凹凸を形成しておくことでセパレーションウォール部２６に微小凹凸を形成してもよい。この場合の微小凹凸の大きさは、上述のブラスト処理によって得られる微小凹凸の大きさに準じたものとするのが好ましい。また、微小凹凸を設けて反射光を拡散させる代わりに、レーザ光１１ａが照射され得る面に黒染め処理等のレーザ光１１ａを吸収させる表面処理を施すように構成してもよい。
次に、測定対象ガス通過部２２の反射部２８側の構成について、図５及び図６を用いて説明する。
図５は、測定対象ガス通過部２２の反射部２８側の構成を示しており、図の奥側が、測定対象ガスの上流側であり、図の手前側が、測定対象ガスの下流側である。従って、測定対象ガスは、図５の紙面に略垂直な方向の奥から手前に向かって流れている。図示するように、測定対象ガス通過部２２は、発光部１１側と同様に、上流側開口２２ａと、下流側開口２２ｂとを有している。なお、本実施形態において、上流側開口２２ａ及び下流側開口２２ｂは、測定対象ガス通過部２２に関して光軸方向に概ね対称に形成されており、発光部１１側に配置されているものと同一の機能を有している。
図６は、図５に示すセパレーションウォール部２７（第２隔壁部）の、（ａ）左側面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図である。セパレーションウォール部２７は、測定対象ガス通過部２２とパージ領域部２５（第２パージ領域部）との境界を画定する壁部２７ｗと、壁部２７ｗに形成された２つの開孔２７ａと、セパレーションウォール部２７を中央ハウジング２１ｃに嵌合固定させるための嵌合部２７ｅと、セパレーションウォール部２７を中央ハウジング２１ｃに嵌合固定する際に嵌合部２７ｅを中央ハウジング２１ｃの内側へと導く案内部２７ｄとを有している。セパレーションウォール部２７は、例えばＳＵＳ３１６等の材料で形成することができる。但し、この態様には限定されず、セパレーションウォール部２６は、他の様々な金属材料等で形成することができる。
図６（ｃ）は、セパレーションウォール部２７の右側面図であり、セパレーションウォール部２７をレーザ光１１ａの入射方向から見た図である。図６（ｃ）における斜線部は、ブラスト処理を施したブラスト処理面２７ｂを示している。このように、セパレーションウォール部２７における発光部１１に対向する面にブラスト処理を施すことによって、光学部品ではないセパレーションウォール部２７から受光部１３への戻り光を抑制して、受光部１３に本来の光路を通ったレーザ光１１ａのみが戻るようにすることができる。
なお、セパレーションウォール部２６に設けたブラスト処理面２６ｂとは異なり、セパレーションウォール部２７に設けたブラスト処理面２７ｂは、必ずしも必須の構成ではない。なぜなら、発光部１１から出射し、壁部２７ｗで反射して受光部１３に戻るレーザ光１１ａは、本来の光路を通るレーザ光１１ａと同様に往路と復路で測定対象ガス通過部２２を通過し、測定対象ガスによる光吸収を受けているからである。従って、成分濃度の測定精度の改善という観点からは、壁部２７ｗで反射して受光部１３に戻るレーザ光１１ａが多少存在しても、成分濃度の測定精度に大きな影響を与えないと考えられる。しかし、受光部１３に本来の光路を通ったレーザ光１１ａのみが戻るようにするという観点から、セパレーションウォール部２７にブラスト処理面２７ｂを設けることが好ましい。なお、セパレーションウォール部２７のブラスト処理面２７ｂは、セパレーションウォール部２６のブラスト処理面２６ｂと同様の処理を行ってもよいし、ブラスト処理面２６ｂとは異なる方法により微小凹凸を形成したり、表面処理を行ってもよい。
パージ領域部２５は、図１及び図５に示すように、測定対象ガス通過部２２の反射部２８側に配置されている。パージ領域部２５は、サイドハウジング２１ｓ及びセパレーションウォール部２７によって囲まれた領域であり、図示しないパージガス供給部から供給されるパージガスが充填される。パージ領域部２４と同様に、供給されたパージガスは、セパレーションウォール部２７の開孔２７ａから排出される。パージ領域部２５をパージガスで満たすことによって、内部に配置された反射部２８等の部材をダスト等から保護することができる。本実施形態において、反射部２８は、例えば、発光部１１からのレーザ光１１ａを略１８０度方向に反射するコーナーキューブプリズムとすることができる。パージ領域部２５をパージガスで満たすことによって、パージ領域部２５に測定対象ガスが流入するのを抑制して、レーザ光１１ａが測定対象ガスに晒される光路長を安定に維持することができる。
本実施形態では、ハウジング２１の外周面から径方向外側に突出するフランジ２９が形成されている。そして、フランジ２９を測定対象ガスが流れる配管３０に固定することで、レーザ式ガス分析計１００は、配管３０に固定されている。なお、フランジ２９は、例えば配管３０に対して傾き調整可能に取付けられてもよい。
以上述べたように、本実施形態では、測定対象ガスにレーザ光１１ａを照射する発光部１１と、測定対象ガスを通過したレーザ光１１ａを反射する反射部２８と、反射部２８からのレーザ光１１ａを受光する受光部１３と、発光部１１を制御し、受光部１３からの出力信号を処理する制御部１５と、発光部１１と反射部２８との間の空間に配置され、測定対象ガスが流入及び流出する開口２２ａ，２２ｂを有する筒状の測定対象ガス通過部２２と、測定対象ガス通過部２２の発光部１１側に配置され、測定対象ガスを含まないパージガスが充填されるパージ領域部２４（第１パージ領域部）と、測定対象ガス通過部２２と、パージ領域部２４との境界を画定し、レーザ光１１ａが通過可能な開孔２６ａを有するセパレーションウォール部２６（第１隔壁部）と、を備え、セパレーションウォール部２６には、発光部１１に対向する面に、レーザ光１１ａの散乱を促進する表面処理が施されているように構成した。このような構成の採用によって、特許文献１では実現できていなかった、測定対象ガス通過部２２とパージ領域部２４との間に物理的な境界を設けて測定対象ガスに晒される光路長を安定化させると共に、物理的な境界の配置に起因する、受光部１３への不要な戻り光を抑制して、測定対象ガスの成分濃度の検出精度を向上させることができる。
また、本実施形態では、測定対象ガス通過部２２の反射部２８側に配置され、パージガスが充填されるパージ領域部２５（第２パージ領域部）と、測定対象ガス通過部２２とパージ領域部２５との境界を画定し、レーザ光１１ａが通過可能な開孔２７ａを有するセパレーションウォール部２７（第２隔壁部）とを更に備え、セパレーションウォール部２７には、発光部１３に対向する面にレーザ光１１ａの散乱を促進する表面処理が施されるように構成した。このような構成の採用によって、測定対象ガス通過部２２とパージ領域部２５との間に物理的な境界を設けて測定対象ガスに晒される光路長を更に安定化させると共に、受光部１３に本来の光路を通ったレーザ光１１ａのみが戻るように構成することができる。
また、本実施形態では、セパレーションウォール部２６，２７に施す表面処理としてブラスト処理を採用した。このような構成の採用によって、不要光の除去に必要な表面処理を簡便かつ安価に実現することができる。
また、本実施形態では、ブラスト処理面２６ｂを比較的粒子が大きな研削剤でブラスト処理して表面粗さが大きい面に仕上げることによって、ブラスト処理面２６ｂでの反射光における拡散反射成分を増加させ、受光部１３への戻り光量を効果的に抑制することができる。
また、本実施形態では、セパレーションウォール部２６に対して、発光部１１の位置を光軸に直交する方向に調整可能であるように構成した。このような構成の採用によって、レーザ光１１ａがセパレーションウォール部２６に設けた開孔２６ａの中心を通るように調整することができるので、プローブ部２０に振動が加わってもレーザ光１１ａがセパレーションウォール部２６の壁部２６ｗで遮られ難くすることができる。また、自重でプローブ部２０が撓んでレーザ光１１ａが遮られても、発光部１１の位置を再調整することができる。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
例えば、本実施形態では、ブラスト処理面２６ｂ，２７ｂが、セパレーションウォール部２６，２７における発光部１１に対向する面のみに施されるように構成したが、この態様には、限定されない。ブラスト処理は、セパレーションウォール部２６，２７の内側面など、発光部１１に対向する面以外の面に施されていてもよい。
また、本実施形態では、セパレーションウォール部２６，２７の開孔２６ａ，２７ａに対してレーザ光１１ａが位置調整されている場合に、レーザ光１１ａが全て開孔２６ａ，２７ａを通過し壁部２６ｗ，２７ｗに当たらないように構成したが、この態様には限定されない。レーザ光１１ａのビーム径を開孔２６ａ，２７ａよりも大きくすることで、常にレーザ光１１ａの一部がブラスト処理面２６ｂ，２７ｂに当たるように構成してもよい。
本発明の効果を確かめるため、実施例１，２及び比較例を試作した。実施例１，２は本発明のブラスト処理面２６ｂを有しており、比較例は、発光部１１に対向する面にブラスト処理を行っていない。各実施例及び比較例の仕様を表２に示す。
表２において、ブラストメディアＡ及びブラストメディアＢは、それぞれブラスト処理に用いる研磨剤であり、粒子の細かさの度合いである粒度が異なる。ブラストメディアＢは、ブラストメディアＡよりも研磨剤の粒子が粗いブラストメディアである。測定対象ガス中の測定対象成分はＯ2であり、フランジ２９からプローブ部２０先端までの距離は２ｍである。また、測定対象ガス通過部２２の光軸に沿う長さは５０ｃｍであるため、測定対象ガスに晒されるレーザ光１１ａの光路長は１ｍである。
以下の、表３乃至表５は、それぞれ、比較例、実施例１、実施例２における、測定対象ガス通過部２２及びパージ領域部２４での透過率、レーザ式ガス分析計１００の濃度指示値ｘ等をまとめた表である。なお、実際の測定対象成分（Ｏ2）の成分濃度は２０．９である。
表３乃至表５の結果より、セパレーションウォール部２６にブラスト処理を施さない比較例と比較して、ブラスト処理面２６ｂを設けた実施例１，２では、パージ領域部２４での透過率（セパレーションウォール部２６での反射によって受光部１３へ戻る割合）が１／１０以下に低減され、レーザ式ガス分析計１００の濃度指示値ｘを実際の成分濃度２０．９に近づけることができた。なお、実施例１と比較して実施例２の方が更にパージ領域部２４での透過率を低減できているのは、ブラスト処理面２６ｂを粒子がより大きな研削剤でブラスト処理することで、表面粗さが大きい面に仕上げることができるので、ブラスト処理面２６ｂでの反射光における拡散反射成分を増加させて、受光部１３への戻り光量を効果的に抑制することができたからであると考えられる。
なお、透過率は、（光吸収後の光強度／光吸収前の光強度）を意味するパラメータであるが、本実施形態のレーザ式ガス分析計１００は、内部で係数を乗ずることで、ある状態が透過率１００％となるように設定可能である。従って、表３乃至表５における透過率の絶対値は意味を持たず、測定対象ガス通過部２２における透過率と、パージ領域部２４における透過率の比が意味を持つことに留意されたい。
１０ 分析部
１１ 発光部
１１ａ レーザ光
１３ 受光部
１５ 制御部
２０ プローブ部
２１ ハウジング
２１ｃ 中央ハウジング
２１ｓ サイドハウジング
２２ 測定対象ガス通過部
２２ａ 上流側開口
２２ｂ 下流側開口
２４ パージ領域部（第１パージ領域部）
２５ パージ領域部（第２パージ領域部）
２６ セパレーションウォール部（第１隔壁部）
２７ セパレーションウォール部（第２隔壁部）
２６ａ，２７ａ 開孔
２６ｂ，２７ｂ ブラスト処理面
２６ｄ、２７ｄ 案内面
２６ｅ，２７ｅ 嵌合部
２６ｗ，２７ｗ 壁部
２８ 反射部
２９ フランジ
３０ 配管
１００ レーザ式ガス分析計
１１ 発光部
１１ａ レーザ光
１３ 受光部
１５ 制御部
２０ プローブ部
２１ ハウジング
２１ｃ 中央ハウジング
２１ｓ サイドハウジング
２２ 測定対象ガス通過部
２２ａ 上流側開口
２２ｂ 下流側開口
２４ パージ領域部（第１パージ領域部）
２５ パージ領域部（第２パージ領域部）
２６ セパレーションウォール部（第１隔壁部）
２７ セパレーションウォール部（第２隔壁部）
２６ａ，２７ａ 開孔
２６ｂ，２７ｂ ブラスト処理面
２６ｄ、２７ｄ 案内面
２６ｅ，２７ｅ 嵌合部
２６ｗ，２７ｗ 壁部
２８ 反射部
２９ フランジ
３０ 配管
１００ レーザ式ガス分析計
Claims (4)
- 測定対象ガスにレーザ光を照射する発光部と、
測定対象ガスを通過した前記レーザ光を反射する反射部と、
該反射部からの前記レーザ光を受光する受光部と、
前記発光部を制御し、前記受光部からの出力信号を処理する制御部と、
前記発光部と前記反射部との間に配置され、測定対象ガスが流入及び流出する開口を有する筒状の測定対象ガス通過部と、
該測定対象ガス通過部の前記発光部側に配置され、測定対象成分が含まれないパージガスが充填される第１パージ領域部と、
前記測定対象ガス通過部と前記第１パージ領域部との境界を画定し、前記レーザ光が通過可能な開孔を有する第１隔壁部と
を備え、
前記第１隔壁部には、前記発光部に対向する面に、前記レーザ光の散乱を促進する微小凹凸が形成されるか、又は前記レーザ光の散乱又は吸収を促進する表面処理が施されており、
測定対象ガスが流入及び流出する前記開口のうち、測定対象ガスが流入する少なくとも一部の上流側開口は、光軸方向の寸法が、光軸方向に直交する方向の寸法よりも短く、前記第１隔壁部に隣接して配置されていることを特徴とするレーザ式ガス分析計。 - 前記測定対象ガス通過部の前記反射部側に配置され、前記パージガスが充填される第２パージ領域部と、
前記測定対象ガス通過部と前記第２パージ領域部との境界を画定し、前記レーザ光が通過可能な開孔を有する第２隔壁部と
を更に備え、
前記第２隔壁部には、前記発光部に対向する面に、前記レーザ光の散乱を促進する微小凹凸が形成されるか、又は前記レーザ光の散乱又は吸収を促進する表面処理が施されている、請求項１に記載のレーザ式ガス分析計。 - 前記表面処理は、ブラスト処理である、請求項１又は２に記載のレーザ式ガス分析計。
- 前記第１隔壁部に対して、発光部の位置を光軸に直交する方向に調整可能である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ式ガス分析計。
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