JP7077651B2 - 分光分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、分光分析装置に関する。
従来、測定対象成分の濃度を測定する装置としてＴＤＬＡＳ（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy:波長可変ダイオードレーザー吸収分光）式レーザガス分析計が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、例えば煙道の炉壁に取り付けられ、煙道内の測定対象成分の濃度を測定する。より具体的には、ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、煙道内のプロセスガスの流路に挿入され、レーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光を受光する受光部と、プロセスガス中に照射されたレーザ光を反射させて往復させる反射体を有するプローブとを備える。そして、ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、レーザ光源から照射されるレーザ光を反射体で反射させて、プロセスガス中を通り抜けたレーザ光の強度を受光部によって測定し、測定した強度に基づいて測定対象の成分濃度を直接測定する。
ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣｎＨｍ、ＮＨ３、Ｏ２など多くのガス分子は、赤外から近赤外域に分子の振動・回転エネルギ遷移による光吸収スペクトルを持つ。吸収スペクトルは、成分分子固有であり、吸光度が成分濃度と光路長に比例するため（Lambert-Beerの法則）、吸収スペクトル強度を測定することで対象成分の濃度を測定することができる。
ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計では、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。レーザ光のスキャン範囲はアプリケーションによって異なる。例えば、Ｏ２計の場合は、レーザ光の線幅は０．０００２ｎｍ程度であり、スキャン幅は０．１～０．２ｎｍ程度である。ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、この０．１～０．２ｎｍ幅をスキャンすることで、吸収スペクトルの測定を行う。そして、ＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、測定した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を算出する。
特開２０１０－１８５６９４号公報
ところで、特許文献１に記載のガス濃度測定装置やＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計は、煙道壁に設置される。そのため、設置環境に定常的な振動、又は、一時的な外乱によって起こる振動がある場合、ガス濃度測定装置やＴＤＬＡＳ式レーザガス分析計等のレーザガス分析計は振動の影響を受ける。例えば、煙道の周辺に存在するモータやファン等の機器が稼働することによって、レーザガス分析計が取り付けられた煙道壁自体が振動する場合がある。
通常の振動であれば、レーザガス分析計も煙道壁と一緒に揺れるだけであるため、測定に対する影響は小さい。しかしながら、煙道壁の振動源（モータやファン等の機器）の周波数が、プローブの煙道壁との固定箇所から先端までの部分の固有振動数ｆｎと一致あるいは近い周波数である場合、プローブは煙道壁側を固定端として共振を起こし、激しく振動してしまう。
図１２は、プローブの共振時の様子を示す図である。図１２に示すように、プローブ１００が共振してしまうと、レーザ光源１１０及び受光部１２０と、プローブの先端に取り付けられた反射体１３０との相対位置が変動し、レーザ光源１１０がレーザ光を出射しても、反射されたレーザ光が受光部１２０の受光面から外れるようになる（あるいは、戻ってこなくなる）。その結果、分析に必要なスキャン信号が得られなくなってしまう場合がある。そのため、レーザガス分析計は、ガスの濃度の測定に必要なデータを収集することができない。その結果、従来のレーザガス分析計では、ガスの濃度を測定することができないという問題があった。なお、このような問題は、ガスの濃度を測定するレーザガス分析計に限らず、流体の吸光特性の分析を行う装置においても同様に生じる問題である。
上記事情に鑑み、本発明は、設置場所において共振による影響を受けた場合であっても、測定対象の流体の分析を行うことができる技術の提供を目的としている。
本発明の一態様は、測定対象流体の流路に挿入されているプローブ内に設けられた反射体に向けて、波長が変化するレーザ光を照射するレーザ光源部と、前記反射体で反射された前記レーザ光を受光する受光部と、前記プローブの振動の加速度を検出する加速度センサと、前記受光部の受光結果を用いた前記測定対象流体の分析と、前記加速度センサの検出結果を用いた前記レーザ光源部の制御とを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記加速度センサの検出結果を用いて前記反射体で反射された前記レーザ光が前記受光部に照射される照射時間を算出し、前記レーザ光源部から照射される前記レーザ光の波長を、ある波長範囲で掃引するのに要する時間であるスキャン時間が前記照射時間の半分以下となるように前記レーザ光源部のレーザ光出力を制御する分光分析装置である。
上記の構成により、分光分析装置の制御部は、プローブの振動により得られる加速度に基づいて、照射時間の半分以下の時間となるようにスキャン時間を決定する。これにより、１スキャン分の完全なスキャン信号を受光部が最低１つは検出することができる。そのため、プローブの振動によりレーザ光源部及び受光部に対する反射体の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号を取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
本発明の一態様は、上記の分光分析装置であって、前記制御部は、前記加速度センサの検出結果を用いて、前記プローブの振動振幅を算出し、算出した前記振動振幅と、前記プローブの振動周波数と、前記受光部の受光面の大きさとに基づいて、前記照射時間を算出する。
上記の構成により、分光分析装置は、加速度センサの検出結果の他に、受光部の受光面の大きさとプローブの振動周波数とを踏まえて照射時間を算出するため、受光部においてより確実にスキャン信号を検出することができる周期でレーザ光源部のレーザ光出力を制御することができる。その結果、プローブの振動によりレーザ光源部及び受光部に対する反射体の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号を取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
本発明の一態様は、上記の分光分析装置であって、前記プローブの振動周波数は、予め求められる固有振動数である。
上記の構成により、分光分析装置は、予め求められた固有振動数を用いるため、スキャン時間を決定する際に固有振動数を求める必要がない。そのため、演算に要する処理負荷を軽減することができる。
本発明の一態様は、測定対象流体の流路に挿入されているプローブ内に設けられた反射体に向けて、波長が変化するレーザ光を照射するレーザ光源部と、前記反射体で反射された前記レーザ光を受光する受光部と、前記受光部の受光結果を用いた前記測定対象流体の分析と、前記レーザ光源部の制御とを行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記受光部の受光結果を積算して得られる積算結果の平均である積算平均信号の検出の有無に応じて、前記レーザ光源部を制御して、前記スキャン時間の調整を行う分光分析装置である。
上記の構成により、分光分析装置は、受光部の受光結果に基づいて得られる積算平均信号の検出の有無に応じて、レーザ光源部を制御して、スキャン時間の調整を行うため、受光部における検出結果をスキャン時間に反映して調整することができる。したがって、繰り返し実行することによって、１スキャン分の完全なスキャン信号を受光部が最低１つは検出することができるようになる。そのため、プローブの振動によりレーザ光源部及び受光部に対する反射体の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号を取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
本発明の一態様は、上記の分光分析装置であって、前記制御部は、前記積算平均信号が検出されるまで、前記スキャン時間を徐々に短くする。
上記の構成により、分光分析装置は、積算平均信号が検出されるまで、スキャン時間を徐々に短くして繰り返し実行することによって、１スキャン分の完全なスキャン信号を受光部が最低１つは検出することができるようになる。そのため、プローブの振動によりレーザ光源部及び受光部に対する反射体の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号を取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
本発明により、設置場所において共振による影響を受けた場合であっても、測定対象の流体の分析を行うことが可能となる。
第１の実施形態におけるガス濃度測定装置の構成を示す図である。 受光部の出力イメージを示す図である。 第１の実施形態における制御部の構成を示すブロック図である。 波長スキャンのイメージを示す図である。 レーザ駆動電流のイメージを示す図である。 第１の実施形態におけるガス濃度測定装置の処理の流れを示すフローチャートである。 従来における問題点を説明するための図である。 本発明による解決方法を説明するための図である。 第２の実施形態におけるガス濃度測定装置の構成を示す図である。 第２の実施形態における制御部の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態におけるガス濃度測定装置の処理の流れを示すフローチャートである。 プローブの共振時の様子を示す図である。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるガス濃度測定装置１０の構成を示す図である。ガス濃度測定装置１０は、煙道内を流れる測定ガスに含まれる対象成分の濃度を測定する。対象成分は、例えば酸素（Ｏ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）、二酸化炭素（ＣＯ２）、炭化水素（ＣｎＨｍ）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び近赤外線領域に吸収性を持つガスである。ガス濃度測定装置１０は、分光分析装置の一態様である。
ガス濃度測定装置１０は、プローブ部１及び分析部２を備える。
プローブ部１は、例えば金属製で、断面が円形状の筒状物体で構成されている。プローブ部１の長さは、例えば１～２ｍ程度である。プローブ部１は、大部分が煙道内部に位置するようにフランジ３を介して煙道壁４に取り付けられている。プローブ部１には、複数の開口部１１が設けられており、煙道内を流れる測定ガス（図１では、下側から上側に測定ガスが流れている）がプローブ部１の内部を流通するようになっている。
また、プローブ部１の先端部の内部には、反射体１２が設けられている。反射体１２は、例えばコーナーキューブプリズムのような多面体である。プローブ部１の先端部の内部は、パージガスで満たされている。また、プローブ部１の先端部の外部には、加速度センサ５が取り付けられている。加速度センサ５は、プローブ部１の振動の加速度を検出する。
分析部２は、プローブ部１の反射体１２が設けられた端部と反対側の端部に取り付けられ、煙道の外側に位置している。分析部２は、レーザ光源部２０、受光部２１及び制御部２２を備える。
レーザ光源部２０は、制御部２２の制御に応じて、プローブ部１の反射体１２に向けて、波長が変化するレーザ光を照射する。つまり、レーザ光源部２０は、制御部２２の制御の下で、波長スキャンを行う。例えば、レーザ光源部２０は、吸収スペクトルを取得する吸収ピークの波長を挟み込むよう波長ｗ１から波長ｗ２まで連続的に波長が変化するレーザ光を照射する。この例における１波長スキャンの範囲は、波長ｗ１から波長ｗ２までの範囲である。レーザ光源部２０は、波長可変レーザである。図１では、レーザ光源部２０が照射したレーザ光をＬ１として示している。レーザ光Ｌ１は、プローブ部１の内部を通過し、反射体１２で反射される。反射体１２によって反射された戻り光は、再度プローブ部１の内部を通過し、受光部２１で受光される。図１では、反射された戻り光をＬ２として示している。
レーザ光Ｌ１及びＬ２は、プローブ部１の内部を通過する際に、プローブ部１内部を流通する測定ガスによって光吸収を受ける。ガス濃度測定装置１０は、この吸収スペクトルを測定することによって測定ガス中の測定対象成分の濃度を求める。
受光部２１は、レーザ光Ｌ２（戻り光）を受光し、レーザ光Ｌ２の光強度を一連のスキャン信号ＳＳとして制御部２２に出力する。スキャン信号ＳＳは、レーザ光源部２０の駆動電流の波長スキャンのタイミングに合わせて強度が変化する波形となる。ただし、レーザ光Ｌ２が測定ガスによる光吸収を受けているため、スキャン信号ＳＳの一部は、図２に示すように光吸収による強度減少が生じる。図２は、受光部２１の出力イメージを示す図である。
制御部２２は、受光部２１の受光結果を用いた測定対象流体の分析と、加速度センサ５の検出結果を用いたレーザ光源部２０の制御とを行う。具体的には、制御部２２は、加速度センサ５の検出結果を用いて反射体１２で反射されたレーザ光Ｌ２が受光部２１に照射される照射時間を算出し、スキャン時間Ｔｓが照射時間の半分以下となるようにレーザ光源部２０のレーザ光出力を制御する。測定対象流体の分析は、例えば測定ガス中の測定対象成分の濃度の演算である。スキャン時間Ｔｓは、レーザ光源部２０から照射されるレーザ光Ｌ１の発光波長を、測定ガスの吸収スペクトルを取得する吸収ピークの波長を挟み込む波長範囲（波長ｗ１から波長ｗ２）にわたって掃引するのに要する時間である。
図３は、第１の実施形態における制御部２２の構成を示すブロック図である。制御部２２は、操作部２２１、スキャン時間設定部２２２、波長制御部２２３、レーザ駆動部２２４、演算部２２５、表示制御部２２６及び表示部２２７で構成される。
操作部２２１は、ユーザによるガス濃度測定装置１０の各種設定（例えば、測定ガス種、濃度レンジ等）、測定開始指示及び測定終了指示の入力を受け付ける。
スキャン時間設定部２２２は、加速度センサ５から得られた加速度に基づいてスキャン時間Ｔｓを決定する。具体的には、まずスキャン時間設定部２２２は、加速度センサ５から得られた加速度を用いて、プローブ部１の振動振幅ａを算出する。次に、スキャン時間設定部２２２は、プローブ部１が共振したときに受光部２１がスキャン信号ＳＳを取得可能な期間Ｔｄを算出する。具体的には、スキャン時間設定部２２２は、プローブ部１の固有振動数ｆｎ（プローブの振動周波数）と、算出した振動振幅ａと、受光部２１の受光面の大きさｄとに基づいて照射時間を算出する。算出された照射時間が、プローブ部１が共振したときに受光部２１がスキャン信号ＳＳを取得可能な期間Ｔｄである。なお、プローブ部１の固有振動数ｆｎは、実験的に予め求めてもよいし、プローブ部１の形状や重さ、材質等から計算で予め求めてもよい。
そして、スキャン時間設定部２２２は、算出した期間Ｔｄの１/２以下の時間を、スキャン時間Ｔｓとして決定する。ここで、スキャン時間Ｔｓを期間Ｔｄの１/２以下とするのは、このように設定しておけば、期間Ｔｄが到来するタイミングと、波長スキャンのタイミングとの相対的な関係に関わらず、１スキャン分の完全なスキャン信号ＳＳを受光部２１が最低１つは検出することができるようになるためである。
スキャン時間Ｔｓは、期間Ｔｄあたり、完全なスキャン信号ＳＳが２～３スキャン分取得可能な程度の時間であることが望ましい。スキャン時間設定部２２２は、決定したスキャン時間Ｔｓを波長制御部２２３に出力する。
波長制御部２２３は、スキャン時間設定部２２２によって決定されたスキャン時間Ｔｓに合わせて波長スキャンが行われるようにレーザ駆動部２２４へのレーザ駆動信号を制御する。レーザ駆動信号とは、レーザ光源部２０から照射するレーザ光Ｌ１の波長を制御するための信号である。このとき、波長制御部２２３は、図４に示すように、レーザ光Ｌ１の発光波長を、吸収スペクトルを取得する吸収ピークの波長を挟み込むように波長ｗ１から波長ｗ２まで連続的に波長を変化させるように波長制御を行う。図４は、波長スキャンのイメージを示す図である。図４において、縦軸は光吸収の強さを表し、横軸は波長を表す。波長制御部２２３は、生成したレーザ駆動信号をレーザ駆動部２２４に出力する。なお、測定対象成分毎に、ターゲットとする吸収ピークはあらかじめ定めておく。波長制御部２２３は、１測定あたり波長スキャンをレーザ光源部２０に数千回繰り返し行わせる。
レーザ駆動部２２４は、入力されたレーザ駆動信号に応じたレーザ駆動電流を生成し、生成したレーザ駆動電流をレーザ光源部２０に出力する。レーザ駆動部２２４は、スキャン時間Ｔｓの間、レーザ駆動電流をレーザ光源部２０に出力する。図５は、レーザ駆動電流のイメージを示す図である。図５において、縦軸は駆動電流を表し、横軸は時間を表す。これにより、レーザ光源部２０からは、吸収ピークの波長を挟み込むように波長ｗ１～波長ｗ２の範囲で連続的に波長が変化するレーザ光Ｌ１が照射される。
演算部２２５は、入力された一連のスキャン信号ＳＳに基づいて、測定ガス中の測定対象成分の濃度を演算する。具体的には、まず演算部２２５は、入力された一連のスキャン信号ＳＳの中から濃度演算に適さないスキャン信号ＳＳを取り除く前処理を行う。濃度演算に適さないスキャン信号とは、例えば、１スキャンの中で信号の一部が欠けている信号である。次に、演算部２２５は、ノイズ除去のため、得られたスキャン信号ＳＳを積算する。次に、演算部２２５は、積算したスキャン信号ＳＳの平均信号を求める。以下、積算したスキャン信号ＳＳの平均信号を、積算平均信号と記載する。その後、演算部２２５は、積算平均信号に基づいて、ピーク高さ法、スペクトル面積法、２ｆ法等の既存の濃度換算手法を用いて、測定対象成分の濃度演算を行う。演算部２２５は、濃度演算の結果を表示制御部２２６に出力する。
表示制御部２２６は、表示部２２７を制御して表示部２２７の表示を制御する。例えば、表示制御部２２６は、濃度演算の結果を表示部２２７に表示させる。
表示部２２７は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の表示装置であり、操作部２２１とタッチパネルとして一体構成されている。表示部２２７は、表示制御部２２６の制御に応じ表示を行う。例えば、表示部２２７は、濃度演算の結果である測定対象成分の濃度値を表示する。なお、表示部２２７及び操作部２２１は、ガス濃度測定装置１０と通信で接続された別体であってもよい。
図６は、第１の実施形態におけるガス濃度測定装置１０の処理の流れを示すフローチャートである。
加速度センサ５は、プローブ部１の振動の加速度を取得する（ステップＳ１０１）。加速度センサ５は、取得した加速度の情報を制御部２２に出力する。スキャン時間設定部２２２は、加速度センサ５から出力された加速度の情報を取得する。スキャン時間設定部２２２は、取得した加速度の情報に基づいてスキャン時間Ｔｓを決定する（ステップＳ１０２）。具体的には、まずスキャン時間設定部２２２は、加速度に基づいて得られるプローブの振動振幅ａと、プローブの固有振動数ｆｎと、受光部２１の受光面の大きさｄとを用いて、以下の式１に基づいて期間Ｔｄを算出する。
Figure 0007077651000001
そして、スキャン時間設定部２２２は、上式１によって得られた期間Ｔｄの１／２以下の時間を、スキャン時間Ｔｓとして決定する。スキャン時間設定部２２２は、決定したスキャン時間Ｔｓを波長制御部２２３に出力する。
波長制御部２２３は、スキャン時間設定部２２２によって決定されたスキャン時間Ｔｓに応じた波長制御を行う（ステップＳ１０３）。具体的には、波長制御部２２３は、スキャン時間設定部２２２によって決定されたスキャン時間Ｔｓに合わせて波長スキャンが行われるようにレーザ駆動部２２４へのレーザ駆動信号を制御する。レーザ駆動部２２４は、入力されたレーザ駆動信号に応じたレーザ駆動電流を生成し、生成したレーザ駆動電流をレーザ光源部２０に出力する。
レーザ光源部２０は、レーザ駆動部２２４から出力されるレーザ駆動電流を用いてレーザ光Ｌ１を照射する（ステップＳ１０４）。
受光部２１は、反射体１２により反射されたレーザ光Ｌ２を受光する（ステップＳ１０５）。受光部２１は、受光したレーザ光Ｌ２の光強度を一連のスキャン信号ＳＳとして演算部２２５に出力する。演算部２２５は、入力された一連のスキャン信号ＳＳの中から濃度演算に適さないスキャン信号ＳＳを取り除く前処理を行う（ステップＳ１０６）。演算部２２５は、前処理後のスキャン信号ＳＳを積算する（ステップＳ１０７）。その後、演算部２２５は、積算したスキャン信号ＳＳを用いて積算平均信号を取得する。演算部２２５は、積算された積算平均信号に基づいて測定対象成分の濃度演算を行う（ステップＳ１０８）。演算部２２５は、濃度演算の結果を表示制御部２２６に出力する。表示制御部２２６は、濃度演算の結果を表示部２２７に表示する（ステップＳ１０９）。
次に、図７及び図８を用いて、従来における問題点と、本発明による解決方法について説明する。図７は、従来における問題点を説明するための図である。図８は、本発明による解決方法を説明するための図である。まず図７を用いて説明する。なお、図７及び図８において、破線で示す波形は、受光部で受光されていない波形を表す。
プローブ部１が共振（共振周波数＝プローブ部１の固有振動数ｆｎ）を起こすと、スキャン信号ＳＳを取得可能な期間Ｔｄは、レーザ光源部及び受光部と、反射体との相対位置が、レーザ光Ｌ１が反射体で反射され、その反射光であるレーザ光Ｌ２が受光部まで戻ってくることができる位置関係になるタイミングに限られる。
期間Ｔｄの長さがスキャン時間Ｔｓよりも短い場合には、受光部は１スキャン分のスキャン信号ＳＳを捉えることができない。また、期間Ｔｄの長さがスキャン時間Ｔｓよりも長い場合であっても、期間Ｔｄとスキャンのタイミングの関係によっては、スキャン時間Ｔｓの一部が期間Ｔｄの外にはみ出してしまい、受光部は１スキャン分のスキャン信号ＳＳを捉えることができなくなる。１スキャン分の完全なスキャン信号が得られないと濃度演算に使用できないため、測定対象成分の濃度を算出することができなくなる。
次に、図８を用いて本発明について説明する。図８において、スキャン信号ＳＳ１～ＳＳ５は、１スキャン分の完全なスキャン信号が得られた波長スキャンを示している。図７に示すように、スキャン時間設定部２２２によってスキャン時間Ｔｓを期間Ｔｄの１/２以下となるように決定することにより、期間Ｔｄが到来したときに最低１つは完全なスキャン信号ＳＳが受光部２１で得られるようになる。１スキャン分の完全なスキャン信号が得られることで、測定対象成分の濃度を算出することができる。
以上のように構成されたガス濃度測定装置１０によれば、プローブ部１の振動により得られる加速度に基づいて、期間Ｔｄの１/２以下の時間となるようにスキャン時間Ｔｓを決定する。そのため、１スキャン分の完全なスキャン信号ＳＳを受光部２１が最低１つは検出することができる。このように、プローブ部１の振動によりレーザ光源部２０及び受光部２１に対する反射体１２の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号ＳＳを取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
＜第１の実施形態の変形例＞
加速度センサ５は、プローブ部１の先端に取り付けることで、加速度の出力が最も大きく得られる。しかし、加速度センサ５の取り付け位置は、プローブ部１の先端に限らず、プローブ部１の他の部分に取り付けられていてもよい。例えば、加速度センサ５は、開口部１１の近傍に取り付けられてもよいし、プローブ部１の煙道壁４に近い部分に取り付けられてもよいし、プローブ部１の内部（例えば、反射体１２の近傍）に取り付けられてもよい。例えば、プローブ部１の煙道壁４に近い部分に取り付けられていた場合には、振動の固定端に近いため、その分加速度の出力が小さくなるが、出力の低下分を補正演算することで対応可能である。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ガス濃度測定装置が、加速度センサを備えずに期間Ｔｄを取得する実施形態である。
図９は、第２の実施形態におけるガス濃度測定装置１０ａの構成を示す図である。ガス濃度測定装置１０ａは、分析部２に代えて分析部２ａを備える点、加速度センサ５を備えない点でガス濃度測定装置１０と構成が異なる。ガス濃度測定装置１０ａは、その他の構成についてはガス濃度測定装置１０と同様である。そのため、ガス濃度測定装置１０ａ全体の説明は省略し、分析部２ａの構成について説明する。
分析部２ａは、プローブ部１の反射体１２が設けられた端部と反対側の端部に取り付けられ、煙道の外側に位置している。分析部２ａは、レーザ光源部２０、受光部２１及び制御部２２ａを備える。レーザ光源部２０及び受光部２１は、第１の実施形態における同名の機能部と同様の処理を行うため説明を省略する。
制御部２２ａは、受光部２１の受光結果を用いた測定対象流体の分析と、レーザ光源部２０の制御とを行う。具体的には、制御部２２ａは、受光部２１の受光結果を積算して得られる積算結果の平均である積算平均信号の検出の有無に応じて、レーザ光源部２０を制御して、スキャン時間Ｔｓの調整を行う。ここで、積算平均信号の検出があるとは、スキャン信号ＳＳの積算結果を平均した結果として、完全なスキャン信号ＳＳに類似する波形の信号が得られることである。これに対し、積算平均信号の検出がないとは、上記の結果として、完全なスキャン信号ＳＳに類似する波形の信号が得られないことである。尚、上記の類似とは、スキャン信号ＳＳの積算結果を平均した結果の波形と、完全なスキャン信号ＳＳの波形とが、所定の割合以上一致することを意味する。また、制御部２２ａは、積算平均信号が検出されるまで、スキャン時間Ｔｓを徐々に短くする。
図１０は、第２の実施形態における制御部２２ａの構成を示すブロック図である。制御部２２ａは、操作部２２１ａ、スキャン時間設定部２２２ａ、波長制御部２２３、レーザ駆動部２２４、演算部２２５ａ、表示制御部２２６ａ及び表示部２２７で構成される。制御部２２ａは、操作部２２１、スキャン時間設定部２２２、演算部２２５及び表示制御部２２６に代えて操作部２２１ａ、スキャン時間設定部２２２ａ、演算部２２５ａ及び表示制御部２２６ａを備える点で制御部２２と構成が異なる。制御部２２ａは、その他の構成については制御部２２と同様である。そのため、制御部２２ａ全体の説明は省略し、操作部２２１ａ、スキャン時間設定部２２２ａ、演算部２２５ａ及び表示制御部２２６ａの構成について説明する。
操作部２２１ａは、ユーザによるガス濃度測定装置１０ａの各種設定（例えば、測定ガス種、濃度レンジ等）、測定開始指示、測定終了指示及びスキャン時間Ｔｓに対する指示の入力を受け付ける。スキャン時間Ｔｓに対する指示とは、例えばスキャン時間Ｔｓを変更する旨を示す指示である。スキャン時間Ｔｓに対する指示には、例えば再度設定すべきスキャン時間Ｔｓの情報が含まれる。スキャン時間Ｔｓに対する指示には、現在設定されているスキャン時間Ｔｓよりも短いスキャン時間Ｔｓの情報が含まれることが望ましい。
スキャン時間設定部２２２ａは、操作部２２１ａから入力されるスキャン時間Ｔｓに対する指示に基づいてスキャン時間Ｔｓを決定する。
演算部２２５ａは、入力された一連のスキャン信号ＳＳに基づいて、測定ガス中の測定対象成分の濃度を演算する。具体的には、まず演算部２２５ａは、入力された一連のスキャン信号ＳＳの中から濃度演算に適さないスキャン信号ＳＳを取り除く前処理を行う。次に、演算部２２５ａは、ノイズ除去のため、得られたスキャン信号ＳＳを積算する。次に、演算部２２５ａは、積算したスキャン信号ＳＳを用いて平均を取ることによって積算平均信号を検出することができたか否かを判定する。
スキャン時間Ｔｓが適切ではない場合、受光部２１において１スキャン分の完全なスキャン信号ＳＳが取得できない可能性が高いため、演算部２２５ａが積算平均信号を検出することができない可能性が高い。一方、スキャン時間Ｔｓが適切である場合、受光部２１において１スキャン分の完全なスキャン信号ＳＳが取得できる可能性が高いため、演算部２２５ａは積算平均信号を検出することができる可能性が高い。ここで、スキャン時間Ｔｓが適切ではない場合とは、例えば、スキャン時間Ｔｓが期間Ｔｄと同じあるいは期間Ｔｄよりも大きい場合である。特に、スキャン時間Ｔｓが適切ではない場合、得られたスキャン信号ＳＳを積算して平均を取ると、ノイズと混在してしまうため、演算部２２５ａにおいて積算平均信号を検出することができない。
演算部２２５ａは、積算平均信号を検出することができた場合、スキャン時間設定部２２２ａにその旨を通知する。一方、演算部２２５ａは、積算平均信号を検出することができなかった場合、エラーである旨を表示制御部２２６ａに通知する。
表示制御部２２６ａは、表示部２２７を制御して表示部２２７の表示を制御する。例えば、表示制御部２２６ａは、エラーである旨や濃度演算の結果を表示部２２７に表示させる。
図１１は、第２の実施形態におけるガス濃度測定装置１０ａの処理の流れを示すフローチャートである。
スキャン時間設定部２２２ａは、スキャン時間Ｔｓを決定する（ステップＳ１０１）。例えば、スキャン時間設定部２２２ａは、予めスキャン時間として設定されている時間をスキャン時間Ｔｓと決定してもよいし、操作部２２１ａから入力された時間をスキャン時間Ｔｓと決定してもよい。スキャン時間設定部２２２ａは、決定したスキャン時間Ｔｓを波長制御部２２３に出力する。
波長制御部２２３は、スキャン時間設定部２２２ａによって決定されたスキャン時間Ｔｓに応じた波長制御を行う（ステップＳ２０２）。具体的には、波長制御部２２３は、スキャン時間設定部２２２ａによって決定されたスキャン時間Ｔｓに合わせて波長スキャンが行われるようにレーザ駆動部２２４へのレーザ駆動信号を制御する。レーザ駆動部２２４は、入力されたレーザ駆動信号に応じたレーザ駆動電流を生成し、生成したレーザ駆動電流をレーザ光源部２０に出力する。
レーザ光源部２０は、レーザ駆動部２２４から出力されるレーザ駆動電流を用いてレーザ光Ｌ１を照射する（ステップＳ２０３）。
受光部２１は、反射体１２により反射されたレーザ光Ｌ２を受光する（ステップＳ２０４）。受光部２１は、受光したレーザ光Ｌ２の光強度を一連のスキャン信号ＳＳとして演算部２２５ａに出力する。演算部２２５ａは、入力された一連のスキャン信号ＳＳの中から濃度演算に適さないスキャン信号ＳＳを取り除く前処理を行う（ステップＳ２０５）。演算部２２５ａは、前処理後のスキャン信号ＳＳを積算する（ステップＳ２０６）。その後、演算部２２５ａは、積算したスキャン信号ＳＳを用いて、積算平均信号が検出できたか否かを判定する（ステップＳ２０７）。例えば、演算部２２５ａは、積算したスキャン信号ＳＳを平均した結果として、完全なスキャン信号ＳＳに類似する波形の信号が得られた場合に積算平均信号が検出できたと判定する。
演算部２２５ａは、積算平均信号が検出できた場合（ステップＳ２０７－ＹＥＳ）、検出できた積算平均信号に基づいて測定対象成分の濃度演算を行う（ステップＳ２０８）。演算部２２５ａは、濃度演算の結果を表示制御部２２６ａに出力する。表示制御部２２６ａは、濃度演算の結果を表示部２２７に表示する（ステップＳ２０９）。
一方、演算部２２５ａは、積算平均信号が検出できなかった場合（ステップＳ２０７－ＮＯ）、エラーである旨を表示制御部２２６ａに通知する。表示制御部２２６ａは、演算部２２５ａからの通知に応じて、表示部２２７を制御してエラーを表示させる（ステップＳ２１０）。その後、ガス濃度測定装置１０ａは外部からスキャン時間Ｔｓに対する指示を受け付ける（ステップＳ２１１）。操作部２２１ａを介してスキャン時間Ｔｓに対する指示が入力されると、スキャン時間設定部２２２ａは入力されたスキャン時間Ｔｓに対する指示に基づいて再度スキャン時間Ｔｓを決定する（ステップＳ２１２）。例えば、スキャン時間設定部２２２ａは、スキャン時間Ｔｓに対する指示に含まれるスキャン時間Ｔｓ（例えば、現在設定されているスキャン時間Ｔｓよりも短いスキャン時間Ｔｓ）を、新たに設定すべきスキャン時間Ｔｓに決定する。その後、ステップＳ２０２以降の処理が実行される。このように、ガス濃度測定装置１０ａは、積算平均信号が検出されるまで、スキャン時間Ｔｓを徐々に短くする。
以上のように構成されたガス濃度測定装置１０ａによれば、加速度を用いずにスキャン信号ＳＳの波形を用いてスキャン時間Ｔｓを決定する。具体的には、ガス濃度測定装置１０ａは、受光部２１の受光結果に基づいて得られる積算平均信号の検出の有無に応じて、レーザ光源部２０を制御して、スキャン時間Ｔｓの調整を行う。このように、スキャン信号ＳＳの波形を用いてスキャン時間Ｔｓを決定する場合には、加速度を用いた計算が不要となる。したがって、加速度センサ５が不要になる。特に、プローブ部１が挿入される煙道は高温（数百度℃）環境であることも多いため、煙道内に配置する部品は少ない方が望ましい。さらに、ガス濃度測定装置１０ａは、積算平均信号の検出の有無に応じてスキャン時間Ｔｓを調整するため、受光部２１における検出結果をスキャン時間Ｔｓに反映して調整することができる。したがって、繰り返し実行することによって、１スキャン分の完全なスキャン信号ＳＳを受光部２１が最低１つは検出することができるようになる。そのため、第１の実施形態よりもコストを抑えることができるとともに、プローブ部１の振動によりレーザ光源部２０及び受光部２１に対する反射体１２の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号ＳＳを取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
また、ガス濃度測定装置１０ａは、積算平均信号が検出されるまで、スキャン時間Ｔｓを徐々に短くする。したがって、繰り返し実行することによって、１スキャン分の完全なスキャン信号ＳＳを受光部２１が最低１つは検出することができるようになる。そのため、プローブ部１の振動によりレーザ光源部２０及び受光部２１に対する反射体１２の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号ＳＳを取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
＜第２の実施形態の変形例＞
スキャン時間設定部２２２ａは、スキャン時間Ｔｓに対する指示が入力される度に、所定の間隔でスキャン時間Ｔｓを短く設定するように構成されてもよい。
＜第１の実施形態及び第２の実施形態に共通する変形例＞
反射体１２は、コーナーキューブプリズムに限らず、レーザ光源部２０から照射されたレーザ光を受光部２１に対して反射することができる多面体であればどのような物であってもよい。
演算部２２５及び２２５ａは、前処理を行わず、受光部２１から出力されたスキャン信号ＳＳを全て積算するように構成されてもよい。
スキャン時間設定部２２２及びスキャン時間設定部２２２ａは、測定対象成分の光吸収の度合に応じて、スキャン時間Ｔｓを変更するように構成されてもよい。光吸収の度合は、測定対象成分の種類や濃度、温度、圧力によって変化する。測定対象成分の光吸収の度合が所定の閾値以上である場合には、測定対象成分の濃度演算に必要となるスキャン信号ＳＳの数は比較的少なくて済む。そのため、スキャン時間設定部２２２及びスキャン時間設定部２２２ａは、期間Ｔｄ内に完全なスキャン信号ＳＳを最低１つ取得できるようにスキャン時間Ｔｓを期間Ｔｄ×１／２に近い値に設定する。
一方、測定対象成分の光吸収の度合が所定の閾値未満である場合には、測定対象成分の濃度演算に必要となるスキャン信号ＳＳの数は比較的多くなる。そのため、スキャン時間設定部２２２及びスキャン時間設定部２２２ａは、期間Ｔｄ内に完全なスキャン信号ＳＳを複数取得できるようにスキャン時間Ｔｓをより短い値に設定することが望ましい。
以上のように構成されることによって、測定対象成分の光吸収の度合に応じて適切なスキャン時間を設定することができる。これにより、期間Ｔｄ内において、より確実に必要となるスキャン信号ＳＳを取得することができる。そのため、プローブ部１の振動によりレーザ光源部２０及び受光部２１に対する反射体１２の相対位置が変動した場合であっても、完全なスキャン信号ＳＳを取得できるようになるため測定対象成分の濃度の測定が可能となる。
本発明は、測定対象のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に限らず、流体の吸光特性の分析を行う分光分析装置にも適用可能である。
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
１０、１０ａ…ガス濃度測定装置， １…プローブ部， ２、２ａ…分析部， ３…フランジ， ４…煙道壁， ５…加速度センサ， １１…開口部， １２…反射体， ２０…レーザ光源部， ２１…受光部， ２２、２２ａ…制御部， ２２１、２２１ａ…操作部， ２２２、２２２ａ…スキャン時間設定部， ２２３…波長制御部， ２２４…レーザ駆動部， ２２５、２２５ａ…演算部， ２２６ａ…表示制御部， ２２７…表示部

Claims (5)

  1. 測定対象流体の流路に挿入されているプローブ内に設けられた反射体に向けて、波長が変化するレーザ光を照射するレーザ光源部と、
    前記反射体で反射された前記レーザ光を受光する受光部と、
    前記プローブの振動の加速度を検出する加速度センサと、
    前記受光部の受光結果を用いた前記測定対象流体の分析と、前記加速度センサの検出結果を用いた前記レーザ光源部の制御とを行う制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記加速度センサの検出結果を用いて前記反射体で反射された前記レーザ光が前記受光部に照射される照射時間を算出し、前記レーザ光源部から照射される前記レーザ光の波長を、ある波長範囲で掃引するのに要する時間であるスキャン時間が前記照射時間の半分以下となるように前記レーザ光源部のレーザ光出力を制御する分光分析装置。
  2. 前記制御部は、前記加速度センサの検出結果を用いて、前記プローブの振動振幅を算出し、算出した前記振動振幅と、前記プローブの振動周波数と、前記受光部の受光面の大きさとに基づいて、前記照射時間を算出する、請求項１に記載の分光分析装置。
  3. 前記プローブの振動周波数は、予め求められる固有振動数である、請求項２に記載の分光分析装置。
  4. 測定対象流体の流路に挿入されているプローブ内に設けられた反射体に向けて、波長が変化するレーザ光を照射するレーザ光源部と、
    前記反射体で反射された前記レーザ光を受光する受光部と、
    前記受光部の受光結果を用いた前記測定対象流体の分析と、前記レーザ光源部の制御とを行う制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記受光部の受光結果を積算して得られる積算結果の平均である積算平均信号の検出の有無に応じて、前記レーザ光源部を制御して、ある波長範囲で掃引するのに要する時間であるスキャン時間の調整を行う分光分析装置。
  5. 前記制御部は、前記積算平均信号が検出されるまで、前記スキャン時間を徐々に短くする、請求項４に記載の分光分析装置。
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