JP6907785B2

JP6907785B2 - ガス分析装置

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Publication number: JP6907785B2
Application number: JP2017146074A
Authority: JP
Inventors: 充泰岡田; 幸造赤尾; 亮一東
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: JP2019027867A

Description

本発明は、ガス分析装置に関する。

レーザ光を用いたガス分析装置が知られている（例えば、特許文献１）。ガス分析装置は、発光部および受光部を備える。発光部は、煙道内部の測定対象空間に対してレーザ光を照射する。受光部は、測定対象空間を通過したレーザ光を受光する。測定対象空間中に対象ガスが存在すると特定波長のレーザ光が吸収されるので、測定対象空間中の対象ガスの濃度に応じて受光強度が変化する。ガス分析装置は、受光部によって受光されたレーザ光の強度に基づいて測定対象空間中のガス濃度を分析する。

特許文献１におけるガス分析装置においては、煙道の側壁に発光部フランジと受光部フランジが設けられている。発光部フランジを介して発光部が取り付けられ、受光部フランジを介して受光部が取り付けられる。ガスが封入された校正用セルを発光部と測定ガスの測定空間との間に設けたガス分析装置が知られている（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。
［特許文献］
［特許文献１］特許第５９０７４４２号公報
［特許文献２］特開２０１５−１８０８９９号公報
［特許文献３］特開２０１５−１２９７６９号公報

煙道内部が高温になると、熱輻射に起因して遠赤外線が生じる。発生した遠赤外線が発光部の温度を上昇させると発光部が出射するレーザ光の波長帯域が変更するため、ガス濃度の分析結果が影響を受ける。したがって、ガス分析装置においては、熱輻射により遠赤外線が生じた場合であっても、遠赤外線の影響を軽減して安定的にガス濃度を分析できることが望ましい。

本発明の第１の態様においては、ガス分析装置を提供する。ガス分析装置は、煙道内を流れるガス中に含まれる対象ガス成分を分析してよい。ガス分析装置は、フランジ部を備えてよい。フランジ部は、煙道の壁部に設けられた開口に通ずるように壁部に固定されてよい。ガス分析装置は、発光部を備えてよい。発光部は、開口を通じて煙道内にレーザ光を出射してよい。ガス分析装置は、受光部を備えてよい。受光部は、煙道内を通過したレーザ光を受光してよい。受光部は、受光強度に応じた検出信号を出力してよい。ガス分析装置は、分析部を備えてよい。分析部は、受光部から出力された検出信号に基づいて対象ガス成分を分析してよい。ガス分析部は、延長部を備えてよい。延長部は、発光部とフランジ部との間に設けられてよい。延長部は、煙道の壁部の位置から発光部までの距離を延長してよい。延長部は、少なくも壁部からフランジ部が突出している長さより長くてよい。延長部は、管状であってよい。

分析部は、基準強度と、受光部が受光したレーザ光の実測強度とに基づいて対象ガス成分の濃度を分析してよい。基準強度は、煙道内に対象ガス成分が存在しないときにおけるレーザ光の受光強度に対応してよい。ガス分析装置は、延長部の長さの設定入力値に応じて、基準強度を変更してよい。

延長部は、長さの異なる延長部に交換可能に構成されてよい。

発光部と受光部とは煙道を挟んで対向する位置に設けられてよい。煙道の壁部の位置から発光部までの距離が、煙道の壁部の位置から受光部までの距離に比べて長くてよい。

延長部は、煙道の壁部の位置から発光部までの距離が３０ｃｍ以上となるように距離を延長してよい。

フランジ部と発光部との間において、角度調整部と延長部とが直列に接続されてよい。角度調整部は、管の形状を有しており煙道に対する管の角度を調整可能であってよい。延長部の内面の表面粗さが、角度調整部の内面の表面粗さより粗くてよい。

延長部の内径が、角度調整部の内径より小さくてよい。

延長部の内径が、角度調整部の内径より大きくてよい。

ガス分析装置は、受光側フランジ部を備えてよい。受光側フランジ部は、煙道を挟んでフランジ部に対向する位置に設けられてよい。ガス分析装置は、受光側延長部を備えてよい。受光側延長部は、受光部と受光側フランジ部との間に設けられてよい。受光側延長部は、少なくとも壁部から受光側フランジ部が突出している長さより長くてよい。受光側延長部は、管状であってよい。受光部は、受光側フランジ部および受光側延長部を経てレーザ光を受光してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の第１実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す上面図である。第１実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す断面図である。受光部４０によって受光された吸収データの信号波形の一例である。本発明の第２実施形態におけるガス分析装置３００の概略構成を示す図である。本発明の第３実施形態におけるガス分析装置４００の概略構成を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の第１実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す上面図である。ガス分析装置１００は、煙道１０内を流れるガス中に含まれる対象ガス成分を分析する。ガス分析装置１００は、レーザ光照射を用いたガス濃度測定装置であってよく、その測定方式は限定されない。例えば、照射したレーザ光１の光吸収を利用した、波長可変半導体レーザ光吸収分光法（ＴＤＬＡＳ法）が測定方式として採用される。

検出対象ガス成分は、一酸化窒素（ＮＯ）等の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）、塩化水素（ＨＣｌ）、アンモニア（ＮＨ_３）、メタン（ＣＨ_４）等の炭化水素成分、および水（Ｈ_２Ｏ）から選ばれる少なくとも一つのガスであってよい。但し、対象ガス成分は、これらの成分に限定されない。本例のガス分析装置１００は、第１の対象ガス成分としてＯ_２ガスを分析し、第２の対象ガス成分としてＣＯガスを分析する。

図１において、煙道１０は、ガスを流す流路を形成する。煙道１０は、ボイラまたは燃焼炉から排出されるガスの流路であってよい。ボイラまたは燃焼炉は、石炭、重油、またはごみを燃焼してよい。但し、煙道１０は、ガス流路に限られない。本明細書における煙道１０は、分析対象ガスが流れる内部空間を含む機器であればよく、容器、煙突、排気ダクト、脱硝装置、化学プラント設備、鉄鋼プラント設備、および加熱炉等の各種機器であってよい。煙道１０の内壁は、高温に耐えるようにアルミナ等で形成されてよい。

ガス分析装置１００は、発光側フランジ部２０、発光部３０、受光部４０、分析部５０、延長部６０、発光側角度調整部７０、受光側フランジ部８０、および受光側角度調整部９０を備える。ガス分析装置１００は、レーザ光１を用いて煙道内部１１における対象ガス成分の濃度を測定する。一方、煙道１０の温度が、４００℃以上１２００℃以下程度の温度になり得るので、熱輻射現象によって煙道１０の内壁から遠赤外線４が発生する。

本実施形態のガス分析装置１００においては、延長部６０が、煙道１０の壁部１２の位置から発光部３０までの距離を延長する。延長部６０は、発光部３０に対する遠赤外線４の影響を軽減する。延長部６０の詳細については後述する。発光側フランジ部２０が、煙道１０の壁部１２に設けられた開口に通ずるように壁部１２に固定される。一方、受光側フランジ部８０は、煙道１０を挟んで発光側フランジ部２０に対向する位置において壁部１２に設けられた開口に通ずるように壁部１２に固定される。発光側フランジ部２０および受光側フランジ部８０は、例えば、煙道の壁部１２に溶接等によって固定されている。発光側フランジ部２０および受光側フランジ部８０は、ステンレス等の金属材料によって形成されてよい。

発光側フランジ部２０には、発光側角度調整部７０の一端が接続されてよい。発光側フランジ部２０と発光側角度調整部７０との接続には、固定具２２が用いられてよい。本例の発光側角度調整部７０は、蛇腹機構７１、調整機構７２、導入管取付部７３、およびパージガス導入管７４を有する。発光側角度調整部７０の蛇腹機構７１および調整機構７２は、管の形状を有しており煙道１０に対する当該管の角度を調整可能に構成されている。具体的には、調整機構７２を操作することで、蛇腹機構７１の部分において管の角度が調整される。調整機構７２は、例えば、角度微調整ボルトを含んでいる。角度微調整ボルトを締めたり、緩めたりすることによって管の角度が調整されてよい。

パージガス導入管７４は、導入管取付部７３に設けられた開口に接続されている。パージガス導入管７４は、パージガスを測定用光学系に対して導入する。発光側フランジ部２０、発光側角度調整部７０、および延長部６０は、互いにパージガスが流通可能なように連なっているで、導入されたパージガスは、発光側フランジ部２０、発光側角度調整部７０、および延長部６０の各管の内部を満たす。パージガスは、計装空気または窒素ガスであってよい。パージガスが導入されることによって、光学系の汚れおよび結露が防止される。本例では、パージガス導入管７４が、発光側角度調整部７０の導入管取付部７３に設けられる場合を説明したが、本例と異なり、延長部６０にパージガス導入管７４が設けられてもよい。

発光側角度調整部７０の他端には、延長部６０が設けられている。延長部６０は、管状をしている。延長部６０は、校正用セル等と異なり、ガスが封入された構造を有しない。延長部６０は、発光部３０と発光側フランジ部２０との間に設けられる。延長部６０は、煙道１０の壁部１２の位置から発光部３０までの距離を延長する。延長部６０の一端は、第１取付機構６２によって発光側角度調整部７０に着脱可能に取り付けられてよい。一方、延長部６０の他端は、第２取付機構６４によって発光部３０に着脱可能に取り付けられてよい。したがって、延長部６０は、長さの異なる延長部に交換可能に構成されてよい。これにより、煙道１０が加熱される温度に応じて、適切な延長部６０を使用することができる。

本例では、発光部３０と発光側フランジ部２０との間において、発光側角度調整部７０と延長部６０とが直列に接続されている。本例では、延長部６０が、発光側角度調整部７０より発光部３０側に設けられているが、この場合に限られない。発光側角度調整部７０が延長部６０より発光部３０側に設けられてよい。すなわち、延長部６０が発光側フランジ部２０に取り付けられていてよい。延長部６０および発光側角度調整部７０は、ステンレス等の金属材料で形成されてよい。

本例においては、延長部６０の内径Ｄ１が、発光側角度調整部７０の内径Ｄ２より小さい。このように延長部６０の内径Ｄ１を小さくすることによって遠赤外線４が遮られやすい。したがって、発光部３０に対する遠赤外線４の影響を軽減することができる。しかしながら、本例のガス分析装置１００は、この場合に限られない。光学系の設計仕様等によっては、延長部６０の内径Ｄ１が、発光側角度調整部７０の内径Ｄ２より大きくてよい。この場合、発光側角度調整部７０の内径Ｄ２を小さくすることによって遠赤外線４が遮られやすくなり、発光部３０に対する遠赤外線４の影響が軽減される。

延長部６０の一端には、発光部３０が設けられている。発光部３０は、煙道１０の側壁の開口を通じて煙道内部１１にレーザ光１を出射する。発光部３０は、少なくとも一つのレーザ発光素子３１を備えてよい。

受光側フランジ部８０には、受光側角度調整部９０の一端が取り付けられてよい。受光側フランジ部８０と受光側角度調整部９０との接続には、固定具８２が用いられてよい。本例の受光側角度調整部９０は、蛇腹機構９１、調整機構９２、導入管取付部９３、およびパージガス導入管９４を有する。受光側角度調整部９０の構造および材質は、上述した発光側角度調整部７０の構造および材質と同様であってよい。したがって、繰り返しの説明を省略する。

受光側角度調整部９０の他端には、受光部４０が設けられている。受光部４０は、煙道内部１１を通過したレーザ光１を受光する。受光部４０は、受光強度に応じた検出信号を出力する。受光部４０は、少なくとも一つの受光素子４１を備えてよい。発光部３０と受光部４０とはケーブルで接続されてよい。

分析部５０および制御部２００は、受光部４０とケーブルで接続された制御端末として構成されてよい。分析部５０は、受光部４０から出力された検出信号に基づいて、対象ガス成分を分析する。制御部２００は、各種の演算および制御を実行する。但し、本例と異なり、ガス分析装置１００は、必ずしも制御部２００を備えていなくてもよい。

図２は、第１実施形態におけるガス分析装置１００の概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示すガス分析装置１００のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。図２においては、パージガス導入管７４およびパージガス導入管９４については表示が省略されている。図２に示される例においては、発光部３０は、レーザ発光素子として、第１発光素子３３および第２発光素子３２を備える。第１発光素子３３および第２発光素子３２は、互いに発光波長が異なる複数の発光素子である。第１発光素子３３は、第１レーザ光３を出射する。第２発光素子３２は、第２レーザ光２を出射する。

第１発光素子３３および第２発光素子３２は、検出対象ガス成分の光吸収スペクトルを含む赤外線領域の波長範囲の第１レーザ光３および第２レーザ光２を照射してよい。具体的には、検出対象ガスの種類に応じて、第１レーザ光３および第２レーザ光２の波長が設定される。一例において、酸素（Ｏ_２）ガスの濃度測定用の第１レーザ光３として０．７以上１．１μｍ以下の波長体の近赤外線が使用されてよく、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスの濃度測定用の第２レーザ光２として１．５μｍ以上２．５μｍ以下の近赤外線が使用されてよい。

また、検出対象ガス成分によっては、第１発光素子３３および第２発光素子３２の一方が、発光波長帯域０．７以上２．５μｍである近赤外線発光素子であってよく、他方が発光波長帯域３μｍ以上１０μｍ以下の中赤外線発光素子であってよい。但し、ガス分析装置１００は、必ずしも、複数の波長のレーザ光を用いるタイプに限定されない。

本例において、発光部３０は、第１発光素子３３を駆動するための第１駆動部３５と、第２発光素子３２を駆動するための第２駆動部３４とを備えてよい。第１駆動部３５は、第１レーザ光３の波長を掃引かつ変調させる駆動回路であってよく、第２駆動部３４は、第２レーザ光２の波長を掃引かつ変調させる駆動回路であってよい。

本例では、第１発光素子３３が出力した第１レーザ光３をコリメートするために凹面鏡３６が設けられている。凹面鏡３６は、例えば、放物面鏡である。コリメートされた第１レーザ光３が煙道内部１１に向けて出射される。凹面鏡３６の中央部には、開口が設けられてよい。凹面鏡３６の裏面側に置かれた第２発光素子３２から、開口を通じて第２レーザ光２が出射される。なお、第２発光素子３２から出力されたレーザ光をコリメートするためのマイクロレンズが凹面鏡３６の裏面側に設けられてよい。

このような凹面鏡３６を含む光学系によれば、第１発光素子３３からの第１レーザ光３と、第２発光素子３２からの第２レーザ光２とは、煙道１０の壁部１２ａに設けられた開口１４を通じて煙道内部１１に出射される。互いに発光波長が異なる複数の発光素子を用いることによって、複数の対象ガス成分の濃度を分析することができる。

発光部３０は、出射管３７を備えてよい。出射管３７の端部には、発光側窓部３８が設けられている。発光側窓部３８は、出射管３７の開口を塞ぐように設けられてよい。出射管３７の端部には延長部６０の一端が取り付けられてよい。発光側窓部３８は、第１レーザ光３および第２レーザ光２を透過させつつ、測定対象空間におけるガスが発光部３０の内部に進入しないようにする。延長部６０の他端は、発光側角度調整部７０に接続される。本例の延長部６０は、管状であって両端が閉じられておらず開放されている。したがって、延長部６０の一端は出射管３７と連通し、延長部６０の他端は、発光側角度調整部７０を介して煙道１０内部まで連通する。

延長部６０の内面６６の表面粗さが、発光側角度調整部７０の内面７６の表面粗さより粗くてよい。これにより、延長部６０の内面６６において遠赤外線４が発光部３０の方向に反射されにくくすることができる。但し、本例と異なり、発光側角度調整部７０は省略されてもよい。その場合には、延長部６０と発光側フランジ部２０とが連結されてよい。

受光部４０は、受光素子４１に接続された受光回路４２を備えてよい。発光部３０と受光部４０とは信号線１１０を介して電気的に接続されてよい。受光回路４２は、例えば、受光素子４１によって光電変換された電気信号を増幅して、受光強度に応じた検出信号を出力する。一例において、受光回路４２は、レーザ光における変調周波数の定数倍の周波数を参照信号として信号をロックイン検出するロックインアンプを含む。受光回路４２は、アナログデジタル変換した検出信号を出力してもよい。なお、受光部４０も、発光部３０と同様に、第１レーザ光３用の第１発光素子と第２レーザ光２用の第２発光素子とを備えてよい。この場合、第１発光素子と第２発光素子は、感度波長範囲が互いに異なる。

受光部４０は、入射管４３を備えてよい。入射管４３の端部には、受光側窓部４４が設けられている。受光側窓部４４は、入射管４３の開口を塞ぐように設けられてよい。本例では、入射管４３の端部は、受光側角度調整部９０に連結される。本例と異なり、受光側角度調整部９０は省略されてもよい。その場合には、受光部４０の入射管４３は、受光側フランジ部８０に連結されてよい。

発光部３０と受光部４０とは煙道１０を挟んで対向する位置に設けられている。煙道１０の壁部１２ａの位置から発光部３０の位置までの距離Ｌ３は、煙道１０の壁部１２ｂの位置から受光部４０の位置までの距離Ｌ４より長くてよい。延長部６０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿う長さＬ２は、煙道１０の壁部１２ａから発光側フランジ部２０が突出しているＸ軸方向に沿う長さＬ１より長い。

延長部６０の長さＬ２は、より好ましくは２０ｃｍ以上７０ｃｍ以下であってよい。延長部６０は、煙道１０の壁部１２ａの位置から発光部３０までのＸ軸方向に沿う距離Ｌ３が３０ｃｍ以上、より好ましくは７０ｃｍ以上１３０ｃｍ以下となるように距離Ｌ３を延長してよい。煙道１０の壁部１２ａの位置から発光部３０の位置までの距離Ｌ３は、発光部３０に最も近い壁部１２の部分の位置から発光側窓部３８までの距離であってよい。同様に、煙道の壁部１２ｂの位置から受光部４０の位置までの距離は、受光部４０に最も近い壁部１２の部分の位置から受光側窓部４４までの距離であってよい。

本例における制御部２００は、表示部２１０、入力部２２０、および基準強度変更部２３０を備える。表示部２１０は、測定モード等の情報を表示してよい。表示部２１０は、分析結果を表示してよい。入力部２２０は、分析部５０において用いられるパラメータ等を利用者が入力するために利用されてよい。入力部２２０は、例えば、複数の入力ボタンである。例えば、利用者は、入力部２２０を通じて、延長部６０の長さについての情報である長さ情報を入力する。利用者は、表示部２１０に表示された複数の長さ情報の中から特定の長さ情報を選択してよい。基準強度変更部２３０は、分析部５０がガス成分の濃度を分析するために用いる基準強度を延長部６０の長さ情報に基づいて変更してよい。

図３は、受光部４０によって受光された吸収データの信号波形の一例である。図３の縦軸は、受光信号レベルを示し、横軸は時間を示す。図３に示される例において、レーザ光１（第１レーザ光３または第２レーザ光２）は、波長が所定の変調周波数で変調されている。そこで、受光部４０の受光回路４２が、レーザ光１の変調周波数の２倍の周波数を参照信号として同じ周波数成分の信号をロックイン検出する。この結果、図３に示されるような信号波形が得られる。

図３の吸収データの信号波形において、対象ガス成分の濃度によって波形の縦軸方向の振幅、すなわち、極小値と極大値との差分が変化する。但し、吸収データの信号波形は、図３に示される波形に限定されない。変調周波数の２倍の周波数を参照信号としてロックイン検出された信号波形以外の波形が使用されてもよい。

図３において、振幅Ｗｍは、受光部４０が受光したレーザ光１の実測強度に対応する。一方、振幅Ｗｒは、基準強度に対応する。基準強度は、煙道内部１１に対象ガス成分が存在しないときにおけるレーザ光の受光強度に相当する。分析部５０は、実測強度（Ｗｍ）と基準強度（Ｗｒ）とに基づいて、対象ガス成分の濃度を分析してよい。例えば、実測強度（Ｗｍ）と基準強度（Ｗｒ）との差分Ｗｓが大きくなるほど、煙道内部１１の対象ガス成分の濃度が高くなる。したがって、分析部５０は、差分Ｗｓを複数の閾値と比較することによって、対象ガス成分の濃度を測定することができる。

パージガスが対象ガス成分を含む場合には、パージガス中の対象ガス成分によってレーザ光１が吸収されるため、基準強度（Ｗｒ）が高くなる。煙道１０の壁部１２ａの位置から発光部３０までの距離Ｌ３が長くなるほど、基準強度（Ｗｒ）が高くなる。そこで、制御部２００は、延長部６０の長さと基準強度（Ｗｒ）との関係をテーブルデータや変換式として記憶してよい。基準強度（Ｗｒ）は、予めシミュレーションまたは実測により算出される。そして、入力部２２０を通じて延長部６０の長さが入力されると、基準強度変更部２３０は、入力された長さ情報を参照して、対応する基準強度（Ｗｒ）を読み出す。

分析部５０は、読み出された基準強度（Ｗｒ）を用いて、実測強度（Ｗｍ）と基準強度（Ｗｒ）との差分Ｗｓを算出してよい。分析部５０は、差分Ｗｓに基づいて、対象ガス成分の濃度を算出してよい。このようにガス分析装置１００は、延長部６０の長さの設定入力値に応じて、基準強度を変更する。したがって、延長部６０の長さが変更された場合であっても、対象ガス成分の濃度を正確に測定することができる。

以上のように、本例のガス分析装置１００は、延長部６０を用いて、煙道１０の壁部１２ａの位置から発光部３０までの距離Ｌ３を延長する。熱輻射現象によって生じた遠赤外線４によって発光部３０内のレーザ発光素子３１（第１発光素子３３、第２発光素子３２）が加熱されるとレーザ光１の波長帯域が変動する。熱輻射のエネルギー密度は、以下のシュテファン・ボルツマンの法則によって定まる。但し、Ｕはエネルギー密度、σはシュテファン・ボルツマン定数、ｃは光速、Ｔは熱放射体の表面温度である。

上記の数式１によれば、輻射によるエネルギー密度は、物体の温度Ｔが高くなるほど大きく、絶対温度Ｔの４乗に比例する。一方、エネルギー密度は、熱源となる物体からの距離の２乗に反比例して減衰する。そこで、本例のように、煙道１０の壁部１２の位置から発光部３０までの距離を延長部６０が延長することによって、発光部３０まで到達する遠赤外線のエネルギーを弱めることができ、発光部３０が受ける遠赤外線の影響を軽減することができる。

本例のガス分析装置１００によれば、煙道１０が高温になって遠赤外線４の輻射が生じた場合であっても、発光部３０まで到達する遠赤外線４のエネルギーが弱まる。これにより、発光部３０の温度上昇が抑制され、発光部３０が出射するレーザ光の波長帯域が安定する。したがって、遠赤外線４の影響を軽減して安定的にガス濃度を分析できる。

特に、本例のように、開口が形成された凹面鏡３６を光学系に含むガス分析装置１００においては、凹面鏡３６の口径が大きくなるため、遠赤外線４の影響を受けやすい。レーザ光１（図２においては第１レーザ光３）をコリメートするために、凹面鏡３６の焦点位置にレーザ発光素子３１（図２の場合は、第１発光素子３３）が配置される。凹面鏡３６が遠赤外線４を受けると、第１発光素子３３の位置に遠赤外線が集光されやすい。したがって、凹面鏡３６を光学系に含むガス分析装置１００においては、本実施形態のように、延長部６０を設けることが特に有用である。

図４は、本発明の第２実施形態におけるガス分析装置３００の概略構成を示す図である。本実施形態のガス分析装置３００は、発光部３０および受光部４０を兼ねた発光受光部１２０を備える。ガス分析装置３００は、受光側フランジ部８０および受光側角度調整部９０を有しない。一方、ガス分析装置３００は、発光側フランジ部２０、発光側角度調整部７０、延長部６０、分析部５０、および制御部２００を有しており、これらの構造は、第１実施形態のガス分析装置１００と同様である。したがって、詳しい説明は省略する。

発光受光部１２０は、発光部３０と受光部４０とを同一筐体内に含む。発光部３０と受光部４０とは筐体内部において信号線１１０によって接続されてよい。発光部３０は、第１発光素子３３および第１駆動部３５を含んでよい。本例においても、第１発光素子３３が出力したレーザ光１をコリメートするために凹面鏡３６が設けられている。凹面鏡３６は、例えば、放物面鏡である。凹面鏡３６の中央部には、開口が設けられてよい。受光部４０は、受光素子４１および受光回路４２を含んでよい。本例においては、受光素子４１が、凹面鏡３６の裏面側に置かれる。受光素子４１は、凹面鏡３６の中央部に設けられた開口を通じて反射光５を受光する。

凹面鏡３６によってコリメートされたレーザ光１は、出射管３７の端部に設けられた発光側窓部３８を通過して煙道内部１１に進む。煙道１０を挟んで発光受光部１２０と反対側に位置する壁部１２ｂには、レーザ光１を反射する反射部材が備えられてよい。反射部材は、壁部１２ｂ自体であってよく、再帰反射材であってもよい。壁部１２ｂに開口および窓部を設けてレーザ光１を煙道１０の外部に導いてもよい。この場合、煙道１０の外部に反射部材が設けられる。反射部材によって反射された反射光５は、発光受光部１２０内に戻る。本例においては、反射光５が、煙道１０内を通過したレーザ光である。受光部４０が反射光５を受光して、受光強度に応じた検出信号を出力する。

本例においても、延長部６０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿う長さＬ２は、煙道１０の壁部１２ａから発光側フランジ部２０が突出しているＸ軸方向に沿う長さＬ１より長い。延長部６０は、煙道１０の壁部１２ａの位置から発光部３０までのＸ軸方向に沿う距離Ｌ３が３０ｃｍ以上となるように、距離Ｌ３を延長してよい。本例のように、発光部３０と受光部４０とを同一筐体内に含むガス分析装置３００においても、延長部６０を設けることによって、発光部３０まで到達する遠赤外線４のエネルギーを弱めることができる。

図５は、本発明の第３実施形態におけるガス分析装置４００の概略構成を示す上面図である。第１実施形態のガス分析装置１００は、発光部側の光路において延長部６０を備える一方、受光部側の光路においては、延長部を備えていない。これに対し、第３実施形態のガス分析装置４００は、受光部側の光路において受光側延長部１６０を備える。第３実施形態のガス分析装置１００の他の構造は、第１および第２実施形態の場合と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。

受光側フランジ部８０には、受光側角度調整部９０の一端が接続されてよい。受光側角度調整部９０の他端には、受光側延長部１６０が接続されている。受光側延長部１６０は、管状をしている。受光側延長部１６０は、ステンレス等の金属材料で形成されてよい。受光側延長部１６０は、受光部４０と受光側フランジ部８０との間に設けられる。受光側延長部１６０は、煙道１０の壁部１２の位置から受光部４０までの距離を延長することにより、発光部３０に対する遠赤外線４の影響を軽減する。

受光側延長部１６０の一端は、第３取付機構１６２によって受光側角度調整部９０に着脱可能に取り付けられてよい。一方、受光側延長部１６０の他端は、第４取付機構１６４によって受光部４０の入射管４３に着脱可能に取り付けられてよい。したがって、受光側延長部１６０は、長さの異なる受光側延長部に交換可能に構成されてよい。

本例では、受光部４０と受光側フランジ部８０との間において、受光側角度調整部９０と受光側延長部１６０とが直列に接続されている。本例では、受光側延長部１６０が、受光側角度調整部９０より受光部４０側に設けられているが、この場合に限られない。受光側角度調整部９０が受光側延長部１６０より受光部４０側に設けられてよい。すなわち、受光側延長部１６０が受光側フランジ部８０に取り付けられていてよい。

本例においては、受光側延長部１６０の内径が、受光側角度調整部９０の内径より小さい。このように受光側延長部１６０の内径を小さくすることによって遠赤外線４が遮られやすい。したがって、受光部４０に対する遠赤外線４の影響を軽減することができる。しかしながら、本例のガス分析装置４００は、この場合に限られない。光学系の設計仕様等によっては、受光側延長部１６０の内径が、受光側角度調整部９０の内径より大きくてよい。この場合、受光側角度調整部９０の内径を小さくすることによって遠赤外線４が遮られやすくなり、受光部４０に対する遠赤外線４の影響が軽減される。

受光側延長部１６０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿う長さは、煙道１０の壁部１２から受光側フランジ部８０が突出しているＸ軸方向に沿う長さより長い。受光側延長部１６０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿う長さは、好ましくは２０ｃｍ以上７０ｃｍ以下であってよい。受光側延長部１６０は、煙道１０の壁部１２の位置から受光部４０までのＸ軸方向に沿う距離が３０ｃｍ以上、より好ましくは７０ｃｍ以上１３０ｃｍ以下となるように当該距離を延長してよい。煙道１０の壁部１２の位置から発光部３０の位置までの距離は、煙道１０の壁部１２の位置から受光部４０の位置までの距離と同じであってもよく、異なっていてもよい。

制御部２００は、図２に示される構成と同様に、表示部２１０、入力部２２０、および基準強度変更部２３０を備えてよい。ガス分析装置４００は、延長部６０の長さの設定入力値および受光側延長部１６０の長さの設定入力値に応じて、基準強度を変更してよい。これにより延長部６０の長さのみならず、受光側延長部１６０の長さを変更した場合にも、対象ガス成分の濃度を正確に測定することができる。

受光素子４１に遠赤外線４が入射されると、受光素子４１の温度が高くなる。したがって、受光素子４１の感度が変化し得る。また、遠赤外線４の波長帯域によっては、遠赤外線４を受光素子４１が光電変換するため、出力される検出信号が直接的に影響を受ける場合がある。これに対し、本実施形態のガス分析装置４００によれば、煙道１０が高温になって遠赤外線４の輻射が生じた場合であっても、受光部４０まで到達する遠赤外線４のエネルギーが弱まる。これにより、受光部４０によって出力される検出信号への遠赤外線４の影響が軽減されて、安定的にガス濃度を分析できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。各実施の形態として説明した構成は、互い組み合わされてもよい。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１・・レーザ光、２・・第２レーザ光、３・・第１レーザ光、４・・遠赤外線、５・・反射光、１０・・煙道、１１・・煙道内部、１２・・壁部、１４・・開口、２０・・発光側フランジ部、２２・・固定具、３０・・発光部、３１・・レーザ発光素子、３２・・第２発光素子、３３・・第１発光素子、３４・・第２駆動部、３５・・第１駆動部、３６・・凹面鏡、３７・・出射管、３８・・発光側窓部、４０・・受光部、４１・・受光素子、４２・・受光回路、４３・・入射管、４４・・受光側窓部、５０・・分析部、６０・・延長部、６２・・第１取付機構、６４・・第２取付機構、６６・・内面、７０・・発光側角度調整部、７１・・蛇腹機構、７２・・調整機構、７３・・導入管取付部、７４・・パージガス導入管、７６・・内面、８０・・受光側フランジ部、８２・・固定具、９０・・受光側角度調整部、９１・・蛇腹機構、９２・・調整機構、９３・・導入管取付部、９４・・パージガス導入管、１００・・ガス分析装置、１１０・・信号線、１２０・・発光受光部、１６０・・受光側延長部、１６２・・第３取付機構、１６４・・第４取付機構、２００・・制御部、２１０・・表示部、２２０・・入力部、２３０・・基準強度変更部、３００・・ガス分析装置、４００・・ガス分析装置

Claims

煙道内を流れるガス中に含まれる対象ガス成分を分析するガス分析装置であって、
前記煙道の壁部に設けられた開口に通ずるように前記壁部に固定されたフランジ部と、
前記開口を通じて前記煙道内にレーザ光を出射する発光部と、
前記煙道内を通過した前記レーザ光を受光して、受光強度に応じた検出信号を出力する受光部と、
前記受光部から出力された前記検出信号に基づいて前記対象ガス成分を分析する分析部と、
前記発光部と前記フランジ部との間に設けられて、前記煙道の前記壁部の位置から前記発光部までの距離を延長し、少なくも前記壁部から前記フランジ部が突出している長さより長い管状の延長部と、を備える
ガス分析装置。
前記分析部は、前記煙道内に前記対象ガス成分が存在しないときにおける前記レーザ光の受光強度に対応する基準強度と、前記受光部が受光した前記レーザ光の実測強度とに基づいて前記対象ガス成分の濃度を分析し、
前記ガス分析装置は、前記延長部の長さの設定入力値に応じて、前記基準強度を変更する
請求項１に記載のガス分析装置。
前記延長部は、長さの異なる延長部に交換可能に構成されている
請求項１または２に記載のガス分析装置。
前記発光部と前記受光部とは前記煙道を挟んで対向する位置に設けられており、
前記煙道の前記壁部の位置から前記発光部までの距離が、前記煙道の前記壁部の位置から前記受光部までの距離に比べて長い
請求項１から３の何れか１項に記載のガス分析装置。
前記延長部は、前記煙道の前記壁部の位置から前記発光部までの距離が３０ｃｍ以上となるように前記距離を延長する
請求項１から４の何れか１項に記載のガス分析装置。
前記フランジ部と前記発光部との間において、管の形状を有しており前記煙道に対する前記管の角度を調整可能な角度調整部と、前記延長部とが直列に接続されており、
前記延長部の内面の表面粗さが、前記角度調整部の内面の表面粗さより粗い
請求項１から５の何れか１項に記載のガス分析装置。
前記延長部の内径が、前記角度調整部の内径より小さい
請求項６に記載のガス分析装置。
前記延長部の内径が、前記角度調整部の内径より大きい
請求項６に記載のガス分析装置。
前記煙道を挟んで前記フランジ部に対向する位置に設けられる受光側フランジ部と、
前記受光部と前記受光側フランジ部との間に設けられており、少なくとも前記壁部から前記受光側フランジ部が突出している長さより長い管状の受光側延長部と、を更に備えており、
前記受光部は、前記受光側フランジ部および前記受光側延長部を経て前記レーザ光を受光する、
請求項１に記載のガス分析装置。