JP7139781B2

JP7139781B2 - レーザ分析計

Info

Publication number: JP7139781B2
Application number: JP2018155924A
Authority: JP
Inventors: 芳准山内; 和裕小泉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2038-08-23
Also published as: JP2020030112A

Description

本発明は、レーザ分析計に関する。

従来、レーザ分析計は、煙道を通過する燃焼ガス中のガス濃度を計測するために、煙道に対して略直交するように光源部からレーザ光を出射し、燃焼ガス中を通過したレーザ光を受光部で受光して、燃焼ガスに含まれる対象ガスの濃度を測定するものである。従来のレーザ分析計は、煙道の側壁の２か所に開口を設けて、発光部と受光部とを煙道を挟むように配置していた（例えば、特許文献１）。

従来のレーザ分析計は、煙道の側壁に２箇所の開口を設ける必要があった。既設の煙道に、レーザ分析計を後付けで設置する場合に、煙道の側壁に対して大掛かりな取り付け加工が必要であった。

そこで、受光部を一体の構造とし、煙道の側壁に１つだけ開口を設けることで煙道の加工および取り付け作業を簡便にすることが可能なレーザ分析計が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２では、照射されたレーザ光を反射するターゲットを挿入管に支持し、挿入管には対象ガスが内部を流れるように開口を設けることで、挿入管の内部を流れる対象ガスを分析する装置が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１３－１１３６４７号公報
［特許文献２］特開２０１７－２１１３５７号公報

しかしながら、従来のレーザ分析計では、挿入管の内壁で反射した光が受光素子へ回り込み計測精度が悪化する場合がある。

本発明の第１の態様においては、煙道の側壁の外部から、側壁に設けられた側壁開口を通過させて、煙道の内部にレーザ光を照射する照射部と、側壁開口に対向して設けられ、入射したレーザ光を反射するターゲットと、煙道の内部に設けられ、ターゲットを固定するための挿入管と、ターゲットで反射したレーザ光を受光する受光部と、照射部が出力するレーザ光の強度と受光部が受光するレーザ光の強度に基づいて煙道を通過する対象ガスの濃度を演算する演算部と、を備え、挿入管は、レーザ光を通過させる光通過部が設けられた仕切板を有し、仕切板は、挿入管の内壁で反射されたレーザ光を、挿入管に設けられた開口部から挿入管の外部に反射するレーザ分析計を提供する。

仕切板は、光通過部を通過するレーザ光の光軸と直交する方向に対して傾斜された傾斜面を有してよい。

レーザ分析計は、照射部を制御することにより、レーザ光の波長を変調する制御部を備えてよい。演算部は、レーザ光の波長変調分光法により対象ガスの濃度を演算してよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の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。

レーザ分析計１００の構成を示す概略図である。対象ガスとダストの分光吸収率特性の一例を示す図である。第１レーザ光と第２レーザ光の発光強度と受光強度の関係を概念的に説明する説明図である。パルス光の発光時間と受光時間の関係を示す図である。実施例に係るレーザ分析計１００の挿入管２０４の拡大図を示す。比較例に係るレーザ分析計５００の挿入管５０４の拡大図を示す。

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、レーザ分析計１００の構成を示す概略図である。レーザ分析計１００は、煙道１０に取り付けられ、煙道１０の内部の対象ガスをレーザ光により分析する。本明細書では、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交座標軸を用いて技術的事項を説明する。本明細書では、煙道１０の燃焼ガスがＺ軸の正側に流れる場合について説明する。

煙道１０は、側壁１２を備える。側壁１２には、側壁開口１４が一つだけ設けられている。一例において、煙道１０の内径はφ０．５～１０ｍであり、内部には、ボイラー、エンジン等の燃焼機関から排出される高温の燃焼ガスが流通している。燃焼ガスには、レーザ分析計１００が分析する対象ガスが含まれる。

レーザ分析計１００は、対象ガスのガス濃度や、ダスト量等を分析する装置である。レーザ分析計１００は、測定対象となる特定のガスの吸収線の波長を含み、狭いスペクトル線幅のレーザ光を、測定領域に照射する。照射されたレーザ光は、測定領域内の対象ガスによって吸収されて、伝播距離に応じて減衰される。レーザ分析計１００は、測定領域を通過したレーザ光を受光素子１１６で検出して、測定領域を通過する前後のレーザ光の強度変化から、測定領域に含まれる対象ガスの濃度を計測する。また、レーザ分析計１００は、対象ガスが吸収しない波長のレーザ光を測定領域に照射して、ダストによる吸収、散乱に起因するレーザ光の減衰量、あるいは散乱光の一部を受光素子１１６で検出することによりダスト量を計測する。

レーザ分析計１００は、煙道１０の側壁開口１４が設けられた位置において、煙道１０の側壁１２に溶接等により固定される。本例では、フランジ１６によって、レーザ分析計１００が側壁開口１４に固定される。そして、レーザ分析計１００は、煙道１０を流通する燃焼ガスに含まれる対象ガスの濃度を計測する。例えば、対象ガスは、塩化水素（ＨＣｌ）、アンモニア（ＮＨ_３）、酸素（Ｏ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）または二酸化炭素（ＣＯ_２）である。なお、燃焼ガスには、対象ガス以外に煤塵（ダスト）および水蒸気などが含まれる。

レーザ分析計１００は、煙道１０の外部において、制御部１０２、レーザ素子１０６、コリメートレンズ１０８、凹面鏡１１０、光学窓１１４および受光素子１１６を備える。また、レーザ分析計１００は、煙道１０の外部において、筐体１１８およびフランジ１２０を備える。レーザ素子１０６は、照射部の一例であり、受光素子１１６は、受光部の一例である。

レーザ分析計１００は、フランジ１６とフランジ１２０が溶接されることによって煙道１０の側壁１２に固定される。フランジ１６とフランジ１２０の固定方法は、溶接に限らず、高温環境下において気密を保つ様々な固定方法を採用し得る。フランジ１２０には、筐体１１８が取り付けられる。

レーザ素子１０６は、駆動電流、動作温度によって発振波長が可変である半導体レーザ素子である。本実施形態においては、レーザ素子１０６は、ＤＦＢ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）レーザである。レーザ素子１０６には、ＤＦＢレーザに限らず、ＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ、ＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）などを使用することができる。なお、レーザ素子１０６は、後述する制御部１０２によって駆動電流と動作温度とが制御されて、後述する第１波長λ１または第２波長λ２に発振波長が制御されてよい。

レーザ素子１０６は、第１波長λ１を中心波長とする第１レーザ光と、第１波長λ１とは異なる第２波長λ２を中心波長とする第２レーザ光とを選択的に出射する。ここで、第１波長λ１は、対象ガスの吸収特性により選択的に吸収される波長（吸収線）である。また、第２波長は、対象ガスにほとんど吸収されない波長である。なお、第１波長λ１と第２波長λ２については、図を参照して後述する。

レーザ素子１０６は、レーザ光をコリメートレンズ１０８へ向けて出射する。なお、以降の説明において、レーザ素子１０６の側を「前方」あるいは「前側」、後述するターゲット２０２の側を「後方」あるいは「後側」と称する場合がある。本例では、「前方」がＹ軸方向の正側であり、「後方」がＹ軸方向の負側である。

コリメートレンズ１０８は、レーザ素子１０６の後方に配置され、レーザ素子１０６が出射するレーザ光を平行光に変換して、後方に配置された凹面鏡１１０へ出射する。コリメートレンズ１０８は、前側焦点位置の近傍にレーザ光のビームウェストが位置するように配置される。なお、コリメートレンズ１０８は、平行度の高い平行光に変換するために、非球面レンズが用いられる。図１において、コリメートレンズ１０８は、一枚のレンズで代表して示されているが、複数枚のレンズで構成されてもよい。また、コリメートレンズ１０８は、ミラーなどの反射光学素子であってもよい。

凹面鏡１１０は、孔部１１１、反射面１１２を有する。凹面鏡１１０は、コリメートレンズ１０８の後方において、コリメートレンズ１０８が出射するレーザ光が孔部１１１を通過するように配置される。なお、孔部１１１の内径は、コリメートレンズ１０８からのレーザ光が通過するために十分な大きさであればよい。

凹面鏡１１０の孔部１１１を通過したレーザ光は、凹面鏡１１０の後方に配置された光学窓１１４を透過して、照射光Ｒ１としてターゲット２０２へ出射される。

照射光Ｒ１は、ターゲット２０２で反射および散乱されて、一部の光が反射光Ｒ２として再び光学窓１１４を通過して、凹面鏡１１０の反射面１１２に入射する。反射光Ｒ２は、仕切板２１０に反射されることなく、反射面１１２に入射する。

挿入管２０４は、側壁開口１４の対応する位置において、煙道１０の内側に設けられる。挿入管２０４は、ターゲット２０２を支持する。挿入管２０４は、開口部２０６および非開口部２０８を有する。

ターゲット２０２は、側壁開口１４に対向して設けられる。ターゲット２０２は、レーザ素子１０６から入射された照射光Ｒ１を反射する。ターゲット２０２は鏡である必要はなく、側壁の内面と同程度の光吸収や光散乱を引き起こすものでよい。例えば、ターゲット２０２の材料は、フランジ１２０や煙道１０で用いられているような鋼材（例えば、ステンレス鋼材：ＳＵＳ）であってよい。

レーザ分析計１００は、ターゲット２０２を備えることにより、煙道１０の径によらず光路長を任意の長さに制限できるので、煙道１０が１０ｍを超えるような場合、あるいはダスト濃度が高く光透過が困難な場合であっても、対象ガスをレーザ分析することができる。

開口部２０６は、挿入管２０４に設けられた開口である。開口部２０６は、燃焼ガスが挿入管２０４の内部を流れるように、挿入管２０４の周囲に設けられる。また、本例のレーザ分析計１００は、開口部２０６を介して、不要なレーザ光を挿入管２０４の外部に出射する。本例の挿入管２０４は、３つの開口部２０６ａ～開口部２０６ｃと、４つの非開口部２０８ａ～非開口部２０８ｄを有するが、個数はこれに限られない。

非開口部２０８は、挿入管２０４の周囲において、開口のない領域である。即ち、非開口部２０８は、開口部２０６以外の領域である。非開口部２０８は、挿入管２０４の強度を確保するために設けられる。複数の非開口部２０８は、予め定められた間隔で配置されてよい。本例の非開口部２０８ａ～非開口部２０８ｄは、等間隔に設けられるが、これに限定されない。

仕切板２１０は、挿入管２０４に設けられる。本例では、非開口部２０８ａ～非開口部２０８ｃに対応して、仕切板２１０ａ～仕切板２１０ｃの３つの仕切板が設けられているが、これに限定されない。仕切板２１０は、挿入管２０４の内壁で反射した不要な照射光が受光素子１１６側に回り込むのを防止する。仕切板２１０は、不要な照射光を開口部２０６から、挿入管２０４の外部に出射するように設けられる。

仕切板２１０は、レーザ光が入射する側において、レーザ光を反射する金属等の材料を有する。即ち、仕切板２１０は、黒色テフロン（登録商標）材等の乱反射を抑制する材料で構成する必要がないので、煙道１０の高温に耐えることができる。したがって、レーザ分析計１００は、高温となり得る挿入管２０４におけるレーザ光の乱反射の影響を抑制することができる。

反射面１１２は、煙道１０の側に向かって凹面となるように配置される。反射面１１２の形状は、放物面に限定されず、様々な面形状をとることができる。例えば、反射面１１２は、球面であってもよいし、楕円面、双曲面などの円錐面であってもよい。反射面１１２に楕円面を採用する場合には、煙道１０の内面における照射光Ｒ１の照射点と、受光素子１１６の受光面上の集光点が、楕円面のそれぞれの焦点に位置するように配置してもよい。なお、凹面鏡１１０によって集光される反射光Ｒ１は、受光素子１１６の受光面の有効領域に集光されていればよく、スポット径の大きさは当該有効領域に収まる範囲で許容される。

反射面１１２は、ターゲット２０２で反射した反射光Ｒ２を折り曲げて、受光素子１１６の受光面に集光させる。換言すると、反射面１１２は、入射する反射光Ｒ２を、反射光Ｒ２が通過する領域外に配置された受光素子１１６に集光させる。したがって、反射光Ｒ２が受光素子１１６によって遮蔽されないため、反射面１１２の実効的な反射面積を大きく確保することができ、ガスの検出感度を高めることができる。

光学窓１１４は、保護部材としてフランジ１２０よりも前方に設置される。光学窓１１４は、レーザ光を透過させつつ光路を閉塞する。換言すると、光学窓１１４は、煙道１０を流通する燃焼ガスの筐体１１８内部への侵入を防止する。また、光学窓１１４は、面間反射によるレーザ光の干渉を防止するために、入射面と出射面とが平行ではない楔形の形状である。

受光素子１１６は、ターゲット２０２で反射して、凹面鏡１１０によって集光された反射光Ｒ２を受光する。そして、受光素子１１６は、受光した光の強度信号を電気信号である受光信号へ変換して、制御部１０２へ送信する。受光素子１１６は、例えば、アバランシェフォトダイオードである。しかし、受光素子１１６には、計測に使用するレーザ光の波長、要求される感度に応じて、様々な受光素子を使用することができる。受光素子１１６は、例えば、フォトマルチプライヤ、ＭＣＴ光導電素子などを使用することができる。また、受光素子１１６は、計測に使用するレーザ光の波長帯域を含む狭い帯域の光を透過し、他の帯域の光を遮断または減衰する帯域透過フィルタを有してもよい。

制御部１０２は、レーザ分析計１００の各要素の動作を統括的に制御する。例えば、制御部１０２は、レーザ素子１０６が出射するレーザ光の波長を変調する。制御部１０２は、レーザ素子１０６が出射するレーザ光の波長を切り替えるタイミングを制御してもよい。また、制御部１０２は、演算部１０４を有する。

演算部１０４は、対象ガスの濃度を演算する。本例の演算部１０４は、レーザ素子１０６から出射されたレーザ光の強度と、受光素子１１６で受光された当該レーザ光の強度とから公知の演算方法を用いて対象ガスの濃度を演算する。例えば、演算部１０４は、波長変調分光法により対象ガスの濃度を演算する。

次に、ガス濃度の検出方法について説明する。レーザ素子１０６の駆動電流と動作温度は、対象ガスが選択的に吸収する第１波長λ１の第１レーザ光と、吸収しない第２波長λ２の第２レーザ光との間で交互に切り替わるように制御部１０２により制御される。

第１レーザ光と第２レーザ光は、異なるタイミングでレーザ素子１０６から出射されてコリメートレンズ１０８で平行光に変換される。そして、第１レーザ光と第２レーザ光は、煙道１０の内部空間を通過して側壁開口１４と対向するターゲット２０２で反射されて、再びレーザ分析計１００に入射して、凹面鏡１１０によって集光されて、受光素子１１６に受光される。

受光素子１１６における受光強度を、第１レーザ光と第２レーザ光とで比較する。第２レーザ光は、煙道１０を流通するダストによる散乱、吸収、および挿入管２０４の内壁の散乱により減衰される。一方で、第１レーザ光は、ダストによる散乱、吸収、および挿入管２０４の内壁の散乱に加えて、対象ガスにおける吸収によって減衰される。そこで、第１レーザ光の受光強度と、第２レーザ光の受光強度の比率から、ダスト、挿入管２０４の内壁の散乱、吸収の影響をキャンセルして、対象ガスの濃度を正確に測定することができる。

制御部１０２は、信号処理回路および電流駆動回路として機能する。ガス濃度を計測するためには特定のガスの吸光特性に応じたレーザ光を照射する必要がある。例えば、酸素（Ｏ_２）を対象ガスとする場合には７６０ｎｍ付近、塩化水素（ＨＣｌ）を測定する場合は１７４０ｎｍ付近を使用する。加えて、レーザ光は、波長変調された変調光とする必要がある。そこで、制御部１０２は、このようなレーザ光を発光するための駆動電流信号を、レーザ素子１０６に供給する。

制御部１０２は、駆動電流と動作温度により、レーザ素子１０６の発光波長を可変制御する。一例において、制御部１０２は、レーザ素子１０６の発光中心波長は特定のガスの特定の吸収スペクトルの中心波長となるように温度制御する。また、制御部１０２は、特定の吸収線スペクトルの中心波長の周辺の波長を時間的に掃引されるように、駆動電流が制御してよい。さらに、制御部１０２は、波長変調分光法により高感度に測定できるように、駆動電流には適切な正弦波変調を重畳してよい。

このように照射されたレーザ光が特定のガスを含むガスが存在する空間に伝搬するとその受光信号は特定のガスによる吸収信号を含んでおり、演算部１０４に電気信号として送られる。演算部１０４では、電気信号を処理して、ガス濃度値を算出する。演算部１０４には、波長変調されたレーザ光の変調周波数の高調波をロックイン検波する回路が設けられ、高感度なガス検出を実現することができる。

レーザ分析計１００は、リアルタイム測定が可能であり、例えば、１秒ごとに対象ガスの濃度の測定結果を更新する。レーザ分析計１００は、測定結果の更新周期に合わせて、間欠的に第１レーザ光および第２レーザ光をパルス照射する。そして、第１レーザ光及び第２レーザ光のそれぞれのパルス光の発光強度および受光強度から、対象ガスの濃度を算出して出力する。一例において、レーザ分析計１００は、波長変調分光法により対象ガスを検出する。

従来のレーザ分析計は、煙道を挟んで発光部と受光部を配置するために、煙道の側壁に互いに対向する２箇所の開口を設ける必要があった。既設の煙道にレーザ分析計を取り付ける場合には、煙道の側壁に２箇所の開口を加工して、さらに現場で発光部と受光部の光軸を調整するという大掛かりな取り付け作業が必要であった。しかし、本実施形態におけるレーザ分析計１００は、受光部と発光部が一体で構成されており、煙道の側壁に開口を１箇所だけ設ければよい。このため、従来のレーザ分析計と比較して、煙道の加工および取り付け作業が簡便である。また、煙道１０の内面からの反射・散乱光を対象ガスの濃度分析に利用するため、煙道１０の内部にミラー等の反射素子を挿入する必要がなく、簡易な構成によって対象ガスの濃度を分析することができる。

また、本実施形態におけるレーザ分析計１００は、煙道１０の内部において、照射光Ｒ１と反射光Ｒ２の中心軸が略一致するように構成されている。このため、レーザ分析計１００は、反射面までの距離が異なる様々な煙道に取り付ける場合であっても、取り付け現場で光学系の配置の調整を必要としない。

図２は、対象ガスとダストの分光吸収率特性の一例を示す図である。図２において、縦軸は、吸収率を示し、横軸は、波長を示す。また、対象ガスの分光吸収率を実線で示し、ダストの分光吸収率を破線で示す。

図の例において、対象ガスに注目すると、対象ガスの吸収率は、波長λ１でピーク値０．８を示す。すなわち、対象ガスは、図に示した波長の範囲において、波長λ１の光を最も吸収する。一方、対象ガスは、例えば、波長λ２の光はほとんど吸収しない。また、ダストに注目すると、ダストの吸収率は、図に示した波長の範囲において０．１程度であり、顕著な変化はない。

図の例においては、対象ガスの吸収率が高い波長である波長λ１を第１波長とすることができる。また、対象ガスの吸収率が比較的低い波長の内、例えば、波長λ２を第２波長とすることができる。例えば、酸素（Ｏ_２）を対象ガスとする場合には、第１波長λ１として７６０ｎｍ、第２波長λ２として７５９ｎｍを選択することができる。

図３は、第１レーザ光と第２レーザ光の発光強度と受光強度の関係を概念的に説明する説明図である。本図において、縦軸はレーザ光の発光強度を１．０に規格化した相対強度を示し、左から順に、第１レーザ光および第２レーザ光の発光強度、第１レーザ光の受光強度、そして、第２レーザ光の受光強度を示す。

図の例において、レーザ素子１０６から出射される第１波長λ１の第１レーザ光と第２波長λ２の第２レーザ光の発光強度は等しい。なお、説明を簡単にするために、コリメートレンズ１０８、光学窓１１４などの要素におけるレーザ光の吸収は考慮せず、および受光素子１１６における分光感度は一定とする。

また、第１レーザ光は、煙道１０の内部を通過する過程で、対象ガスおよびダストに吸収されて減衰する。図の例において、受光素子１１６で検出される第１レーザ光の受光強度は、発光強度に対して強度変化量Ａだけ減衰している。

また、第２レーザ光は、煙道１０の内部を通過する過程で、ダストに吸収されて減衰する。図の例において、受光素子１１６で検出される第２レーザ光の受光強度は、発光強度に対して強度変化量Ｂだけ減衰している。

図２を参照して説明したように、ダストによる吸収は、第１波長λ１と第２波長λ２とで概ね等しい。したがって、第１レーザ光が対象ガスによって吸収された吸収量は、強度変化量Ａと強度変化量Ｂの差分（Ａ－Ｂ）から算出することができる。

図４は、パルス光の発光時間と受光時間の関係を示す図である。図４は、測定光であるレーザ光の強度の時間変化、すなわちレーザ光の光信号を示している。

図４の発光強度のグラフは、レーザ素子１０６から出射されるレーザ光の光信号を示す。縦軸は出射されるレーザ光の強度を示し、横軸は時間を示す。レーザ素子１０６は、予め定められた時間間隔で、パルス状のレーザ光を出射する。時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３にパルス光ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３がそれぞれ出射される。図３を参照して説明した発光強度は、例えばＴ１からＴ２の区間における光信号の積分値に相当する。

図４の受光強度のグラフは、受光素子１１６で受光されるレーザ光の光信号を示す。縦軸は受光されるレーザ光の強度を示し、横軸は時間を示す。信号ＮＳ１および信号ＥＳ１は、パルス光ＰＬ１に対応する光信号である。信号ＮＳ２および信号ＥＳ２は、パルス光ＰＬ２に対応する光信号である。信号ＮＳ３および信号ＥＳ３は、パルス光ＰＬ３に対応する光信号である。図３を参照して説明した受光強度は、例えばＴ１からＴ２の区間における積分値に相当する。

パルス光である照射光Ｒ１の一部は、煙道１０の内面に入射するまで往路上で、ダストによって散乱されて、レーザ分析計１００に戻り、受光素子１１６によって検出される場合がある。往路における散乱光は、反射光Ｒ２の検出においてノイズの要因となる。受光強度の信号ＮＳ１～ＮＳ３は、往路におけるダストからの散乱光に対応する光信号である。

レーザ分析計１００は、出射したレーザ光の強度Ｉ_０、受光したレーザ光の強度Ｉおよびレーザ光の経路長ｌの情報を用いて、対象ガスの濃度を算出する。本実施形態においては、レーザ分析計１００から出射されて、ターゲット２０２で反射して、再びレーザ分析計１００に戻る経路を辿るレーザ光の強度情報から対象ガスの濃度を算出する。具体的には、側壁１２からターゲット２０２までの距離をｄとすると、レーザ分析計１００は、煙道１０の内部を往復する経路長２ｄをレーザ光が伝播する間に対象ガスによって吸収される吸収量から対象ガスの濃度を算出する。したがって、例えば、煙道１０の内面に到達するまでの間に、ダストによって散乱されて受光素子１１６で検出される光は、対象ガスの濃度演算に不要なノイズ光である。特に、レーザ分析計１００から近い距離においてダストから散乱された光は、減衰されずに比較的高い強度をもったままレーザ分析計１００に戻ってくる場合があり、測定精度を低下させる要因となる。

本実施形態において、レーザ分析計１００は、第１レーザ光と第２レーザ光を照射して、それぞれの受光強度の差分を取ることによりダストの影響をキャンセルして、対象ガスのみの吸収量を算出する。第１レーザ光と第２レーザ光は、互いに異なるタイミングで出射されるため、互いの出射時間にはタイムラグがある。また、煙道１０の内部を流通するダストの濃度分布は、時事刻々と変化する。したがって、ダストによる散乱が生じる往路上の位置は、第１レーザ光と第２レーザ光とで異なり、さらに受光素子１１６の受光面に到達する強度も異なる。このため、第１レーザ光と第２レーザ光の受光強度の差分を取ったとしても、往路上におけるダストからの散乱光の影響を十分にキャンセルできない場合がある。

そこで、レーザ分析計１００は、上述の往路上におけるダストによる散乱光に起因する光信号を除外するために、パルス光を出射して、出射したパルス光がターゲット２０２で反射されて戻ってくるまでの時間を経過するまで受光素子１１６の受光時間を遅延させる。本実施形態においては、レーザ分析計１００は、レーザ素子１０６から出射されたレーザ光が、ターゲット２０２で反射して、受光素子１１６に到達するまでの往復時間ｔ０を、設計値から予め算出しておく。そして、レーザ分析計１００は、レーザ光の出射時間から往復時間ｔ０を経過したときに、受光素子１１６に入射光の検出を開始させる。

図４を参照しながら説明すると、受光素子１１６は、パルス光ＰＬ１が出射された時間Ｔ１から往復時間ｔ０を経過した時間（Ｔ１＋ｔ０）より、入射光の検出を開始する。そして、受光素子１１６は、次のパルス光ＰＬ２が出射される時間Ｔ２まで、入射光の検出を続ける。したがって、受光素子１１６から出力される受光強度は、期間ｔ１の光信号の積分値である。

同様に、受光素子１１６は、パルス光ＰＬ２が出射された時間Ｔ２から往復時間ｔ０を経過した時間（Ｔ２＋ｔ０）より、入射光の検出を開始する。そして、受光素子１１６は、次のパルス光ＰＬ３が出射される時間Ｔ３まで、入射光の検出を続ける。したがって、受光素子１１６から出力される受光強度は、期間ｔ２の光信号の積分値である。

なお、レーザ分析計１００は、パルス光が出射されてから往復時間ｔ０が経過した後、次のパルス光が出射されるまでの間だけ入射光を検出するように受光素子１１６の受光タイミングを制御してもよい。本実施形態のレーザ分析計１００は、レーザ光を出射してから、出射されたレーザ光が煙道１０の内部を往復する時間ｔ０が経過するまで受光素子１１６の検出を停止させて、往路上のダストからの散乱光を検出対象から除外する。これにより、良好なＳＮ比を維持して、測定精度を向上することができる。

なお、受光強度の算出において、往路上におけるダストによる散乱光の成分を取り除く方法は、上記で説明した方法に限定されず様々な方法をとり得る。多くの場合は、ダストによる後方散乱光の強度よりも、煙道１０の内面での反射光の強度の方が高いため、光信号において後方散乱光の成分（ＮＳ１～ＮＳ３）よりも反射光の成分（ＥＳ１～ＥＳ３）の方が信号強度は高くなる。そこで、例えば、パルス光ＰＬ１に対しては、時間Ｔ１から時間Ｔ２の間の光信号を、散乱光成分と反射光成分を分解できるサンプリング周期でサンプリングを行う。そして、ピークホールド回路を用いて光信号のピーク値を抽出して、抽出したピーク値から受光強度を算出してもよい。

なお、上記の説明においては、レーザ分析計１００は、第１レーザ光及び第２レーザ光についてそれぞれ１つのパルス光の強度情報から対象ガスの濃度を算出して出力する場合を例示した。しかし、レーザ分析計１００は、例えば、測定結果の更新周期である１秒間にレーザ光を２００パルス出射して、それぞれのパルス光について演算された受光強度を統計処理することにより、対象ガスの濃度を算出してもよい。この場合には、レーザ分析計１００は、前半の０．５秒間は第１レーザ光を１００パルス出射して、後半の０．５秒間は第２レーザ光を１００パルス出射してもよいし、第１レーザ光のパルスと第２レーザ光のパルスを交互に出射させてもよい。複数のパルス光における演算結果を統計処理することにより、ノイズ信号の影響を除去して対象ガスの濃度を正確に得ることができる。

図５は、実施例に係るレーザ分析計１００の挿入管２０４の拡大図を示す。挿入管２０４は、開口部２０６、非開口部２０８および仕切板２１０を有する。仕切板２１０には、傾斜面２１４が設けられている。仕切板２１０は、照射光Ｒ１および照射光Ｒ２を通過させるが、照射光Ｒ３を遮断する。

開口部２０６は、煙道１０に流れる対象ガスを挿入管２０４内に導入するために設けられる。開口部２０６は、挿入管２０４のＺ軸方向の正側の端部と負側の端部に設けられる。即ち、挿入管２０４のＸ軸方向の正側の端部と、Ｘ軸方向の負側の端部には開口部２０６が設けられなくてよい。

ここで、ガスの吸収は光路長に比例する。したがって、感度良くガス濃度度を計測するためには、ガスによりレーザ光が吸収される領域を十分確保する必要がある。そのため、例えば、対象ガスの流れる領域が０．５ｍ～１ｍ程度確保される。そこで、挿入管２０４の強度を確保するために、非開口部２０８を設けることが好ましい。

光通過部２１２は、照射光Ｒ１および照射光Ｒ２が仕切板２１０を通過するための開口である。光通過部２１２は、仕切板２１０のＸＺ平面の中心付近に設けられる。本例の光通過部２１２は、仕切板２１０ａ～仕切板２１０ｃに対応して設けられた３つの光通過部２１２ａ～光通過部２１２ｃを有する。複数の光通過部２１２の径は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。光通過部２１２の径が異なる場合、ターゲット２０２との距離が短いほど、径が小さくなるように設計されてよい。即ち、光通過部２１２ａは、光通過部２１２ｂおよび光通過部２１２ｃよりも径が大きく、光通過部２１２ｂは、光通過部２１２ｃよりも径が大きい。これにより、仕切板２１０は、不要なレーザ光を遮断しやすくなる。

傾斜面２１４は、仕切板２１０のターゲット２０２側に設けられる。傾斜面２１４は、光通過部２１２を通過するレーザ光の光軸と直交する方向に対して傾斜されている。仕切板２１０は、傾斜面２１４を有することにより、照射光Ｒ３を開口部２０６に向けて反射させる。傾斜面２１４は、照射光Ｒ３を挿入管２０４の外部に反射させて、挿入管２０４の内部での再反射を防止する。これにより、傾斜面２１４は、照射光Ｒ３が受光素子１１６に入射する影響を抑制することができる。このように、仕切板２１０は、照射光Ｒ３を挿入管２０４の外部に反射させればよく、黒色塗料やテフロン（登録商標）材を使用する必要がないので、高温環境下でも使用することができる。

以上の通り、仕切板２１０ａは、照射光Ｒ３ａを傾斜面２１４ａで反射して、開口部２０６ａから挿入管２０４の外部に放出する。仕切板２１０ｂおよび仕切板２１０ｃも同様に、照射光Ｒ３ｂおよび照射光Ｒ３ｃを挿入管２０４の外部に放出する。これにより、レーザ分析計１００は、不要な照射光Ｒ３の回り込みを抑制し、対象ガスの分析精度を向上することができる。

図６は、比較例に係るレーザ分析計５００の挿入管５０４の拡大図を示す。レーザ分析計５００は、挿入管の構造がレーザ分析計１００と相違する。本例では、レーザ分析計５００が備える挿入管５０４について具体的に説明する。挿入管５０４は、ターゲット５０２を固定し、開口部５０６および非開口部５０８を有する。照射光Ｒ１は、ターゲット５０２で反射されて照射光Ｒ２となる。

照射光Ｒ４は、挿入管５０４の内部で乱反射されて、光学窓５１４に入射されるレーザ光である。レーザ分析計５００は、照射光Ｒ４が光学窓５１４に入射すると、対象ガスの濃度を正確に測定することができない。

ここで、レーザ分析計５００は、仕切板を有さないので、挿入管５０４の内壁で反射した光Ｒ３が挿入管５０４の内壁で反射を繰り返し、受光素子１１６に入射される場合がある。この場合、レーザ分析計１００は、本来受光信号として受光する信号の光路長よりも長い光路長の光も含めて受光することとなり、計測誤差の要因となる。また、光路長の異なる光が受光素子に到達することで干渉ノイズを引き起こす要因となり計測精度を悪化させる恐れがある。

これに対して、実施例に係るレーザ分析計１００は、仕切板２１０を設けることにより、挿入管２０４の内壁で反射しないレーザ光が受光素子１１６に入射され、挿入管２０４の内壁に反射したレーザ光が仕切板２１０によって反射することができる。これにより、レーザ分析計１００は、不要な照射光Ｒ３が受光素子１１６に入射することを防止することができる。

以上の通り、レーザ分析計１００は、受光部の部品を一体とした光学系により、フランジ１６が１つで済むことにより設置が容易である。また、レーザ分析計１００は、仕切板２１０を設けることにより、精度の高い計測を実現できる。さらに、仕切板２１０は、金属等の高温に耐え得る材質で構成できるので、煙道の排ガス監視用途で使用できる。レーザ分析計１００は、光路長を適当な長さに制限できるので、煙道１０が１０ｍを超えるような場合、あるいはダクト濃度が高く光透過が困難な場合であっても、測定することができる。

なお、以上の説明においては、煙道１０の内部を対象ガスとダストの混合気体が流通する場合を例に挙げて、２波長のレーザ光を使用することによってダストの吸収成分をキャンセルして、対象ガスの濃度を算出する実施形態について説明した。しかし、煙道１０の内部を対象ガスだけが流通する場合、または対象ガス以外のガスが対象ガスの吸収線の光をほとんど吸収しないという場合には、対象ガスの吸収線のレーザ光だけを照射させて濃度を計測することができる。１波長のレーザ光だけを照射して対象ガスの濃度を計測する場合であっても、煙道１０の側壁１２には開口を一つだけ設ければよい。

本発明に係るレーザ分析計は、ボイラー、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、燃焼制御用として好適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ベレット設備）、コークス炉］、青果貯蔵、および熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車・船等の内燃機関の排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。

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。上記実施の形態に、多様な変更また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。その様な変更また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。

１０・・・煙道、１２・・・側壁、１４・・・側壁開口、１６・・・フランジ、１００・・・レーザ分析計、１０２・・・制御部、１０４・・・演算部、１０６・・・レーザ素子、１０８・・・コリメートレンズ、１１０・・・凹面鏡、１１１・・・孔部、１１２・・・反射面、１１４・・・光学窓、１１６・・・受光素子、１１８・・・筐体、１２０・・・フランジ、２０２・・・ターゲット、２０４・・・挿入管、２０６・・・開口部、２０８・・・非開口部、２１０・・・仕切板、２１２・・・光通過部、２１４・・・傾斜面、５００・・・レーザ分析計、５０２・・・ターゲット、５０４・・・挿入管、５０６・・・開口部、５０８・・・非開口部、５１４・・・光学窓

Claims

煙道の側壁の外部から、前記側壁に設けられた側壁開口を通過させて、前記煙道の内部にレーザ光を照射する照射部と、
前記側壁開口に対向して設けられ、入射した前記レーザ光を反射するターゲットと、
前記煙道の内部に設けられ、前記ターゲットを固定するための挿入管と、
前記ターゲットで反射した前記レーザ光を受光する受光部と、
前記照射部が出力する前記レーザ光の強度と前記受光部が受光する前記レーザ光の強度に基づいて前記煙道を通過する対象ガスの濃度を演算する演算部と、
を備え、
前記挿入管は、前記レーザ光を通過させる光通過部が設けられた仕切板を有し、
前記仕切板は、前記挿入管の内壁で反射された前記レーザ光を、前記挿入管に設けられた開口部から前記挿入管の外部に反射する
レーザ分析計。
前記仕切板は、前記光通過部を通過する前記レーザ光の光軸と直交する方向に対して傾斜された傾斜面を有する
請求項１に記載のレーザ分析計。
前記照射部を制御することにより、前記レーザ光の波長を変調する制御部を備え、
前記演算部は、前記レーザ光の波長変調分光法により前記対象ガスの濃度を演算する
請求項１または２に記載のレーザ分析計。