WO2015181956A1 - 多成分用レーザ式ガス分析計 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a multi-component laser gas analyzer that analyzes the presence and concentration of various measurement target gases in a space.
- FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the excess air ratio and gas concentration in the burner.
- FIG. 5 is disclosed as FIG. 2 of Patent Document 1 described later. The following can be seen from this characteristic diagram.
- Patent Documents 1 and 2 the inventions disclosed in Patent Documents 1 and 2 and those disclosed in Non-Patent Document 1 are known. These prior arts will be described while summarizing the contents of each document and referring to the drawings.
- FIG. 6 is an overall configuration diagram of a combustion system including a combustion gas analyzer using a conventional laser beam.
- Combustion system 100 has burners 102, 103 within enclosure / wall 101. Air and fuel are supplied to these burners 102, 103. Flames 104 and 105 from the burners 102 and 103 heat hydrocarbons in the pipe 106.
- the combustion gas analyzer has two sets of TDL analysis systems including tunable diode lasers (hereinafter referred to as TDL) 107 and 109 and detectors 108 and 110. These two sets of TDL analysis systems make measurements on carbon monoxide (CO), gas phase water (H 2 O), and gas phase hydrocarbons (eg, including methane (CH 4 )). Further, the combustion gas analyzer includes zirconia oxygen sensors 111 and 112. The zirconia oxygen sensors 111 and 112 measure oxygen (O 2 ).
- TDL tunable diode lasers
- TDL spectroscopy This gas analysis is performed by TDL spectroscopy, which is an optical measurement.
- TDL spectroscopy laser light is absorbed at wavelengths of individual absorption peaks for CO, H 2 O, and hydrocarbons (CH 4, etc.). The amount of light absorbed is expressed as a function of separately detected or measured gas concentration, pressure, temperature, and optical path length.
- This gas analysis is performed according to the following procedures (1) to (4).
- a single tunable diode laser irradiates light whose wavelength is adjusted to a range of 2.0 to 2.5 ⁇ m. This light passes through the combustion gas and enters the photodetector. The light detector generates a combustion gas absorption profile.
- the combustion gas absorption profile is digitized.
- the digital computer stores the digitized absorption profile.
- the digital computer processes the digitized absorption profile and measures the concentrations of CO, H 2 O, and hydrocarbons (such as CH 4 ) in the combustion gas.
- a wavelength is selected from the following plurality of selection candidates.
- the temperature of the combustion gas is about 1100 ° C., 2302.1; 2303.9; 2319.1; 2323.6; 2325.2; 2326.8; 2331.9; 2333.7; 8; 2346.8; 2348.2; 2356.1; 2363.1; and 2373.1.
- the temperature of the combustion gas is about 300 ° C., 2307.8; 2320.6; 2323.6; 2331.9; 2333.9; 2353.9; 2360.8; 2368.0; 2389.3; and 2401.0 specific wavelengths (nanometers).
- the selection of the best wavelength depends on the application and is determined by reasonable experimentation.
- a multivariate model using measurement results at a number of wavelengths is adopted.
- This combustion gas analyzer performs laser gas analysis with a large number of wavelengths, and calculates the gas concentrations of carbon monoxide, gas phase water, and gas phase hydrocarbons in the combustion gas using a multivariate model.
- a zirconia oxygen sensor measures the oxygen gas concentration. That is, the CO gas concentration and the O 2 gas concentration in the combustion gas are measured.
- the invention described in Patent Document 1 is as described above.
- FIG. 7 is an overall configuration diagram of a gas concentration measuring apparatus using a conventional laser beam. This gas concentration measuring apparatus measures two kinds of gas concentrations using two laser diodes.
- the light source of the laser light includes a first laser diode (LD 1 ) 201 and a second laser diode (LD 2 ) 202.
- the first laser diode 201 is connected to the LD 1 current drive circuits 203 and 204 to control the temperature and current.
- the second laser diode 202 is connected to the LD 2 current drive circuits 205 and 206 to control the temperature and current.
- the LD 1 current drive circuit 203 receives the first DC current 208, the ramp wave 209, the modulation signals 210 and 211, the pulse signal 212a of the time division unit 212, and the wavelength lock signal 213 via the adder 207, respectively. Applied.
- the LD 2 current drive circuit 205 also passes through the adder 214 to the second DC current 215, the ramp wave 209, the modulation signals 210 and 211, the pulse signal 212a of the time division unit 212, and the wavelength lock signal 213. Are applied respectively.
- the first laser diode 201 and the second laser diode 202 oscillate alternately.
- the first laser diode 201 oscillates at the absorption wavelength ⁇ 1 of the first gas component by the applied current (the first DC current 208, the pulse signal 212a, and the added current thereof).
- the second laser diode 202 oscillates at the absorption wavelength ⁇ 2 of the second gas component by the applied current (added current of the second DC current 215 and the pulse signal 212a).
- the oscillation laser from the first laser diode 201 and the oscillation laser from the second laser diode 202 are alternately combined by the multiplexer 216, and enter the duplexer 217 through the laser optical path of the optical fiber. Is done.
- the laser beam emitted from the demultiplexer 217 passes through the gas flow region via one lens (collimator) 218 and is emitted to the other lens (condenser lens) 219.
- the laser beam that has passed through the gas flow region is received by the photodiode (PD) of the light receiving means 220 disposed in the vicinity of the other lens 219.
- PD photodiode
- two kinds of gas concentrations are calculated by the demodulation processing means 221, the standard signal processing means 222, the AD converter 223, and the computer 224 at the subsequent stage.
- FIG. 8 shows an outline of oscillation of the wavelength ⁇ 1 from the first laser diode 201 and oscillation of the wavelength ⁇ 2 from the second laser diode 202.
- Period and the wavelength lambda 2 wavelength lambda 1 is oscillated and the period of oscillation is a laser beam appear alternately.
- Measuring the gas concentration of the first gas from the absorption signal of the gas at the time of the wavelength lambda 1 is oscillated it is possible to wavelength lambda 2 measures the gas concentration of the second gas from the absorption signal of the gas in time to oscillate.
- the correspondence between the timing of time division ( ⁇ t) and the extracted gas signal is automatically calculated by the computer 224. This makes it possible to calculate a plurality of types of gas concentrations easily and reliably. Thus, even if the first and second laser beams pass through the same optical axis, each laser beam is alternately irradiated to the light receiving means 220 in a time-sharing manner, so that it corresponds to each gas. The signal can be easily taken out.
- Such a prior art gas concentration measuring device uses gas generated in a closed container such as a boiler, a garbage incinerator, or a combustion chamber of a combustion engine, or a gas discharged from the closed container as an object of measurement.
- the first and second gas component gases are NH 3 gas and H 2 O gas, but the O 2 concentration and the CO concentration can be detected by changing the wavelength.
- Such a gas concentration measuring apparatus can measure a plurality of types of gas concentrations efficiently by measuring these gases using a laser beam.
- the invention described in Patent Document 2 is as described above.
- Non-Patent Document 1 As the third conventional technique, there is knowledge described in Non-Patent Document 1. This knowledge is about the influence of moisture during CO gas analysis. This knowledge will be described while summarizing the description of Non-Patent Document 1.
- This Non-Patent Document 1 describes analysis by a wavelength tunable semiconductor laser spectroscopy method (hereinafter referred to as TDLAS) that assumes the CO gas concentration in the combustion gas. Further, it describes wavelength modulation spectroscopy (hereinafter referred to as WMS) that enhances detection sensitivity.
- TDLAS wavelength tunable semiconductor laser spectroscopy method
- WMS wavelength modulation spectroscopy
- CO gas absorption lines called R (10) and R (11) are used.
- R (10) and R (11) are absorption lines in the wavelength 2.3 micrometer band.
- R (10) has a peak of absorption intensity at a wave number of 4297.7 cm ⁇ 1 (wavelength 2326.8 nm), and R (11) has a wave number of 4300.7 cm ⁇ 1 (wavelength 2325.2 nm).
- Patent Document 1 a wide range of wavelengths including the wavelengths of a large number of absorption lines are swept for gas concentration analysis using a multivariate model. Therefore, it takes time to sweep and acquire absorption data. In addition, wavelength modulation spectroscopy is not employed. For these reasons, it is difficult to detect a low concentration CO gas concentration at high speed and with high sensitivity. In addition, since a pair of transmission units and detectors measure CO gas and a zirconia oxygen sensor measures O 2 gas, it is necessary to provide many transparent windows and sensor installation locations in the furnace. Many.
- a multiplexer 216 and an optical fiber laser beam path are used to make the two laser diodes 201 and 202 have the same laser beam.
- the amount of light decreases due to insertion loss and transmission loss.
- the amount of light that can be received by the light receiving element decreases. Therefore, there is a problem that the signal intensity for calculating the gas concentration is lowered and the stability of the gas concentration measurement is impaired.
- Non-Patent Document 1 it was necessary to eliminate the influence of the H 2 O gas concentration when detecting the CO gas concentration.
- the present invention has been made to solve all of the above-mentioned problems, and its purpose is to simultaneously achieve high-speed, high-precision, high-sensitivity, and high-stable O 2 gas concentration and CO gas concentration with a single device. It is an object of the present invention to provide a laser gas analyzer for measuring.
- the present invention provides By wavelength tunable laser spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy for measuring the concentration of the first measurement target gas that is either oxygen gas or carbon monoxide gas in the measurement target space and the second measurement target gas that is the other A multi-component laser gas analyzer, A first light emitting element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption spectrum of the first measurement target gas; A second light emitting element that emits a laser beam having a wavelength band including the light absorption spectrum of the second measurement target gas; A parallel light conversion unit that converts laser light emitted and diffused from the first light emitting element into first substantially parallel light and emits it as first detection light; A through-hole for transmitting the first detection light, and a parabola for reflecting the laser light emitted from the second light emitting element and diffusing it into the second substantially parallel light to be emitted as the second detection light; A parabolic mirror having a light emitting part hole for propagating the first and second detection lights to the measurement target space on the same optical
- Wavelength sweeping the first light emitting element or the second light emitting element to include The light receiving signal processing unit of the light receiving unit calculates the carbon monoxide gas concentration and the moisture gas concentration based on the absorption information of the carbon monoxide gas and the absorption of the moisture gas, and the interference due to the moisture gas is based on the absorption information of the moisture gas.
- a multi-component laser gas analyzer characterized by the corrected carbon monoxide gas concentration was obtained.
- the present invention also provides: By wavelength tunable laser spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy for measuring the concentration of the first measurement target gas that is either oxygen gas or carbon monoxide gas in the measurement target space and the second measurement target gas that is the other A multi-component laser gas analyzer, A first light emitting element that emits a laser beam in a wavelength band including a light absorption spectrum of the first measurement target gas; A second light emitting element that emits a laser beam having a wavelength band including the light absorption spectrum of the second measurement target gas; A parallel light conversion unit that converts laser light emitted and diffused from the first light emitting element into first substantially parallel light and emits it as first detection light; A through-hole for transmitting the first detection light, and a parabola for reflecting the laser light emitted from the second light emitting element and diffusing it into the second substantially parallel light to be emitted as the second detection light; A parabolic mirror having a light emitting part hole for propagating the first and second detection lights to the measurement target space on the same
- Wavelength sweeping the first light emitting element or the second light emitting element to include The light receiving signal processing unit of the light receiving unit calculates the carbon monoxide gas concentration and the moisture gas concentration based on the absorption information of the carbon monoxide gas and the absorption of the moisture gas, and the interference due to the moisture gas is based on the absorption information of the moisture gas.
- a multi-component laser gas analyzer characterized by the corrected carbon monoxide gas concentration was obtained.
- the laser gas analyzer of high stability measure O 2 gas concentration and CO gas concentration in a single device.
- FIG. 1 is an overall configuration diagram of a multi-component laser gas analyzer according to a first embodiment for carrying out the present invention. It is a graph which shows the wavelength dependence of the light reception sensitivity of a typical InGaAs photodiode.
- 3A and 3B are diagrams showing detection waveforms of moisture gas and CO gas
- FIG. 3A is a diagram showing detection waveforms when there is moisture gas and CO gas
- FIG. 3B is a detection waveform when there is only moisture gas
- FIG. 3C is a diagram showing a detection waveform when only CO gas is present. It is a whole block diagram of the multi-component laser type gas analyzer which concerns on the 2nd form for implementing this invention.
- FIG. 1 is an overall configuration diagram of a multi-component laser gas analyzer according to the present embodiment.
- the multi-component laser gas analyzer 1 of this embodiment includes a gas concentration of oxygen gas (hereinafter referred to as O 2 gas) that is a first measurement target gas contained in the gas flowing through the walls 50a and 50b.
- O 2 gas gas concentration of oxygen gas
- CO gas carbon monoxide gas
- the multi-component laser gas analyzer 1 includes a light emitting unit 10, a light receiving unit 20, and a communication line 30 in detail.
- the light emitting unit 10 includes a modulated light generating unit 11, a first light emitting element 12a, a second light emitting element 12b, a collimating lens 13, a parabolic mirror 14 with a light emitting part hole provided with a through hole 14a, and light emission.
- a partial window plate 15, a light emitting unit container 16, and an optical axis adjusting flange 52 a are provided.
- the light receiving unit 20 includes a light receiving signal processing unit 21, a broadband condenser lens 22, a broadband light receiving element 23, a light receiving unit window plate 24, a light receiving unit container 25, and an optical axis adjusting flange 52b.
- the communication line 30 communicates between the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 by an electric signal, and the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 perform signal processing in synchronization.
- the light emission part 10 emits the laser beam which analyzes 1st measurement object gas
- the light-receiving part 20 performs the process which analyzes 1st measurement object gas.
- the light emitting unit 10 emits a laser beam for analyzing the second measurement target gas
- the light receiving unit 20 performs a process of analyzing the second measurement target gas.
- a communication unit such as wireless or optical communication may be employed instead of the communication line.
- a communication unit using these communication lines, wireless communication, or optical communication can be employed.
- the light emitting unit 10 emits the first detection light 40a or the second detection light 40b. Both the first detection light 40a and the second detection light 40b are projected on the same optical axis 41. Only one of the first detection light 40a and the second detection light 40b is projected onto the measurement target space inside the walls 50a and 50b in a time-sharing manner.
- a part of the light amount of the first detection light 40a is absorbed by the O 2 gas, or a part of the light amount of the second detection light 40b is absorbed by the CO gas.
- the remaining light that has not been absorbed, that is, transmitted light, enters the light receiving unit 20 and the amount of light is detected.
- the gas concentration to be measured is obtained from the detected light quantity.
- holes 50a and 50b such as pipes through which gas containing O 2 gas and CO gas flows, are respectively perforated.
- the flanges 51a and 51b are fixed to those holes by welding or the like.
- the optical axis adjusting flanges 52a and 52b are attached to the flanges 51a and 51b so as to be mechanically movable.
- the positions of the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 can be adjusted by the optical axis adjusting flanges 52a and 52b.
- the optical axis adjustment flange 52a adjusts the emission angles of the first detection light 40a and the second detection light 40b.
- the optical axis adjustment flange 52b adjusts the incident angles of the first detection light 40a and the second detection light 40b.
- the first detection light 40a or the second detection light 40b emitted from the light emitting unit 10 is received by the light receiving unit 20 with the maximum light amount by the optical axis adjusting flanges 52a and 52b.
- both the first detection light 40a and the second detection light 40b have the same optical axis 41 and are received by the light receiving unit 20 with the maximum light amount.
- the light-emitting unit container 16 and the light-receiving unit container 25 have a light-emitting element, an optical component, and an electric / electronic circuit incorporated therein, and are isolated from the outside air and protected from wind, rain, dust, and dirt.
- the light emitting unit window plate 15 and the light receiving unit window plate 24 are provided so as to make a hole in a part of the light emitting unit container 16 and the light receiving unit container 25 and close the holes.
- the light emitting unit window plate 15 and the light receiving unit window plate 24 are in the optical paths of the first detection light 40a and the second detection light 40b, and transmit the first detection light 40a and the second detection light 40b, while O 2 gas, A gas containing CO gas is prevented from entering the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20. Thereby, a light emitting element, an optical component, and an electric and electronic circuit do not touch gas directly, and the inside is protected.
- the mechanical structure is like this.
- the wavelength absorbed by the O 2 gas is ⁇ 1 .
- ⁇ 1 is selected from the range of wavelength 759 nm to wavelength 770 nm. Further, the wavelength at which CO gas is absorbed and lambda 2. lambda 2 wavelength 2336.8nm is selected.
- the CO gas concentration in the combustion gas is typically on the order of 100 ppm, and the moisture concentration is on the order of 10%.
- the absorption intensity of CO gas is low at a wavelength of 1.6 micrometers, and it is difficult to detect a CO gas concentration of the order of 100 ppm.
- the moisture absorption intensity is too large, and it is difficult to eliminate moisture interference.
- the wavelength band of 2.3 micrometers is optimal from the viewpoint of sensitivity and moisture interference.
- an absorption line having a center wavelength particularly at a wavelength of 2326.8 nm is used.
- the wavelength of 2326.8 nm (R (10) of FIG. 9) is the CO gas in the wavelength band of 2.3 micrometers.
- absorption lines it is known as a wavelength having an absorption line with particularly small moisture interference.
- the laser element for analyzing CO gas is capable of simultaneously analyzing the absorption line of carbon monoxide gas and the absorption line of moisture gas that exist in the vicinity of a wavelength of 2326.8 nm and have different absorption intensity peak wavelengths.
- the light emitting unit 10 and the light receiving unit 20 cannot optically separate signals when the first light emitting element 12a and the second light emitting element 12b emit light simultaneously. Therefore, the first light emitting element 12 a and the second light emitting element 12 b of the light emitting unit 10 are operated in a time-sharing manner, and signal processing is alternately performed in synchronization in the light receiving unit 20 through the communication line 30.
- the first light emitting element 12a of the light emitting unit 10 emits light and irradiates the first detection light 40a
- the light receiving signal processing unit 21 uses the detection signal received by the broadband light receiving element 23.
- the second light emitting element 12b of the light emitting unit 10 emits light and emits the second detection light 40b
- the light reception signal processing unit 21 performs the second measurement using the detection signal received by the broadband light receiving element 23.
- the gas concentration of the target gas CO gas is analyzed. In this way, signal separation is performed electrically.
- it is possible to calculate the gas concentration of the second measurement target gas is a first measurement target gas and CO gas is O 2 gas independently. They are detected almost simultaneously in time.
- the modulated light generator 11 is a signal processing / current driving circuit.
- the first detection light corresponding to the light absorption characteristics of O 2 gas is irradiated.
- the first detection light is modulated light that is wavelength-modulated according to O 2 gas. Therefore, the modulated light generation unit 11 supplies a drive current signal for emitting detection light based on such laser light to the first light emitting element 12a.
- the first light emitting element 12a is a laser element, and is, for example, a DFB laser diode (Distributed Feedback Laser Diode), a VCSEL diode (Vertical cavity Surface Emitting Laser diode), or a DBR laser diode (Distributed Bragg Reflector Laser Diode).
- the first light emitting element 12a can variably control the emission wavelength according to current and temperature.
- the first light emitting element 12a is a laser element that emits light at a wavelength lambda 1 and the wavelength of its periphery.
- the first light emitting element 12a scans at a wavelength including the O 2 gas absorption line.
- ⁇ 1 is selected from the range of wavelength 759 nm to wavelength 770 nm.
- the temperature is controlled so that the emission center wavelength of the first light emitting element 12a becomes the center wavelength of a specific absorption line of O 2 gas.
- the drive current is controlled so that the wavelength around the center wavelength of the specific absorption line of O 2 gas is swept in time. Furthermore, an appropriate sine wave modulation is superimposed on the drive current so that it can be measured with high sensitivity by wavelength modulation spectroscopy.
- the light emitting point of the first light emitting element 12 a is disposed near the focal point of the collimating lens 13.
- the outgoing light from the first light emitting element 12a enters the collimating lens 13 while being diffused, and is converted into first detection light 40a that is substantially parallel light.
- the collimating lens 13 has a high transmittance at the wavelength ⁇ 1 and its surrounding wavelengths.
- this form demonstrates as what uses the collimating lens 13 as a parallel light conversion part of this invention, it is not the meaning limited to a collimating lens.
- a parabolic mirror can be used as the parallel light conversion unit instead of the collimating lens.
- the parabolic mirror 14 with a light emitting portion hole includes a through hole 14a near the center of the parabolic mirror.
- the through hole 14a transmits the first detection light 40a. Therefore, it is desirable that the size of the hole is approximately the same as the beam diameter of the first detection light 40a.
- the first detection light 40a which is substantially parallel light, passes through the light-emitting unit window plate 15 and propagates into the walls 50a and 50b, that is, the space where the gas containing O 2 gas and CO gas flows.
- the light receiving unit 20 receives the first detection light 40a transmitted through the light receiving unit window plate 24, and analyzes the light absorbed by the light absorption characteristics of the measurement target gas.
- the first detection light 40 a is incident on the broadband condenser lens 22.
- the broadband condenser lens 22 has a high transmittance at the wavelength ⁇ 1 and its surrounding wavelengths.
- the first detection light 40 a condensed by the broadband condenser lens 22 is incident on the broadband light receiving element 23 having a light receiving surface disposed near the focal point of the broadband condenser lens 22.
- the positional relationship between the broadband condenser lens 22 and the broadband light receiving element 23 is optimally arranged with respect to the optical axis 41 and is maximized in the broadband light receiving element 23 as described in the light emitting unit 10. Get.
- the broadband light receiving element 23 is a light receiving element having sensitivity at a wavelength ⁇ 1 (a wavelength range from 759 nm to 770 nm) and its peripheral wavelengths.
- the light reception signal from the broadband light receiving element 23 includes an absorption signal of O 2 gas and is sent to the light reception signal processing unit 21 as an electrical signal.
- the received light signal processing unit 21 is provided with a circuit for lock-in detection of the high frequency of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light, and highly sensitive gas detection is possible.
- the received light signal processing unit 21 processes the electrical signal to calculate a gas concentration value of O 2 gas.
- the modulated light generation unit 11 irradiates the second detection light corresponding to the light absorption characteristic of CO gas.
- the second detection light is modulated light that is wavelength-modulated according to the CO gas. Therefore, the modulated light generation unit 11 supplies a drive current signal for emitting detection light by such laser light to the second light emitting element 12b.
- the second light emitting element 12b is a laser element, for example, a DFB laser diode, a VCSEL diode, or a DBR laser diode as described above.
- the second light emitting element 12b can variably control the emission wavelength according to current and temperature.
- the second light emitting element 12b is a laser element that emits light with lambda 2 and wavelength of its periphery.
- the second light emitting element 12b scans at a wavelength including the CO gas absorption line and the moisture absorption line near the peak.
- ⁇ 2 has a wavelength of 2336.8 nm.
- the temperature of the emission center wavelength of the second light emitting element 12b is controlled so as to be the center wavelength of a specific absorption line of CO gas. Further, the drive current is controlled so that the wavelength around the center wavelength of the specific absorption line of the CO gas is swept in time. Furthermore, an appropriate sine wave modulation is superimposed on the drive current so that it can be measured with high sensitivity by wavelength modulation spectroscopy.
- the light emitting point of the second light emitting element 12b is arranged near the focal point of the paraboloid of the parabolic mirror 14 with the light emitting portion hole.
- the emitted light from the second light emitting element 12b enters the parabolic mirror 14 with an optical hole while diffusing, and is converted into second detection light 40b that is substantially parallel light.
- the parabolic mirror 14 with the light-emitting portion hole has a high reflectance at the wavelength ⁇ 2 and the surrounding wavelengths.
- an off-axis parabolic mirror with an angle of 90 degrees is used, but the off-axis angle need not be 90 degrees.
- the through hole 14a of the parabolic mirror 14 with the light emitting portion hole is the same as the beam diameter of the first detection light 40a as described above, and has a minimum allowable opening diameter.
- the beam diameter of the first detection light 40a must be smaller than the beam diameter of the second detection light 40b. In order to realize this, it is desirable to make the focal length of the collimating lens 13 sufficiently smaller than the focal length of the parabolic mirror 14 with a light emitting portion hole.
- the through hole 14a is provided so as to be parallel to the optical axis of the second detection light 40b.
- the first detection light 40a that has passed through the through hole 14a and the second detection light 40b that has become substantially parallel light by the parabolic mirror 14 with the light emitting portion hole have the same optical axis, although the beam diameters are different. 41 can be overlaid.
- an optical axis fine adjustment mechanism (not shown) can finely adjust the emission angles of the first detection light 40a and the second detection light 40b while maintaining substantially parallel light. Thereby, the optical axes 41 of the first detection light 40a and the second detection light 40b coincide.
- the second detection light 40b which is substantially parallel light on which the optical axis 41 is superimposed, passes through the light-emitting unit window plate 15, and enters the inside of the walls 50a and 50b, that is, the space in which the gas containing O 2 gas and CO gas circulates. Propagate.
- the light receiving unit 20 receives the second detection light 40b transmitted through the light receiving unit window plate 24, and analyzes the light absorbed by the light absorption characteristics of the measurement target gas.
- the second detection light 40 b is incident on the broadband condenser lens 22.
- the broadband condenser lens 22 has a high transmittance at the wavelength ⁇ 2 and its surrounding wavelengths. Since the broadband condenser lens 22 also transmits the first detection light 40a, the broadband condenser lens 22 is made of a material having a high transmittance at the wavelength ⁇ 1 and its surrounding wavelengths, and at the wavelength ⁇ 2 and its surrounding wavelengths.
- the second detection light 40 b collected by the broadband condenser lens 22 is incident on the broadband light receiving element 23 having a light receiving surface disposed near the focal point of the broadband condenser lens 22.
- the positional relationship between the broadband condenser lens 22 and the broadband light receiving element 23 is optimally arranged with respect to the optical axis 41 and is maximized in the broadband light receiving element 23 as described in the light emitting unit 10. Get.
- the broadband light receiving element 23 has sensitivity at a wavelength ⁇ 2 (wavelength 2336.8 nm) and its surrounding wavelengths. Since the broadband light receiving element 23 also receives the first detection light 40a, the wavelength ⁇ 1 (range from the wavelength 759 nm to the wavelength 770 nm) and its surrounding wavelengths, the wavelength ⁇ 2 (wavelength 2336.8 nm) and its surroundings A light receiving element having sensitivity at both wavelengths is selected.
- the broadband light receiving element 23 may be a light receiving element corresponding to a wavelength in the near infrared region.
- an InGaAs (indium gallium arsenide) photodiode having sensitivity of 500 nm to 2500 nm is used. Can be adopted.
- the light receiving sensitivity is as small as 0.2 A / W or less at a wavelength of 900 nm or less, such a signal can be detected, and analysis can be performed by appropriately amplifying the detection signal.
- the InGaAs photodiode can detect a plurality of measurement target gases having absorption at 500 nm to 2500 nm, and can take out a signal with one light receiving element.
- the light reception signal from the broadband light receiving element 23 includes a CO gas absorption signal and is sent to the light reception signal processing unit 21 as an electrical signal.
- the received light signal processing unit 21 is provided with a circuit for lock-in detection of the high frequency of the modulation frequency of the wavelength-modulated laser light, and highly sensitive gas detection is possible.
- the received light signal processing unit 21 processes the electrical signal to calculate a gas concentration value of CO gas.
- the influence of chromatic aberration due to the difference between the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 appears. Therefore, in order to reduce a decrease in the amount of received light due to chromatic aberration, the influence of chromatic aberration can be reduced by using a single lens, a doublet lens, a diffraction lens, or the like instead of the broadband condenser lens 22. Further, the light receiving area of the broadband light receiving element 23 is increased, and light can be received even if the focusing positions of the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 are shifted.
- the light reception signal processing unit 21 of the laser gas analyzer calculates the CO gas concentration and the moisture gas concentration based on the information of the absorption of the CO gas and the absorption of the moisture gas obtained by wavelength sweeping the laser element, and In the calculation of the CO gas concentration, the interference due to the moisture gas is corrected based on the absorption information of the moisture gas.
- FIG. 3 shows an example in which absorption of moisture gas and CO gas is observed around a wavelength of 2326.8 nm by using a laser element that is wavelength-swept and wavelength-modulated.
- the absorption waveform shown in FIG. 3 approximates the second derivative of the absorption waveform without wavelength modulation. It has become a shape.
- FIG. 3A shows a waveform in which absorption of moisture gas and CO gas is observed.
- FIG. 3B is a waveform in which only absorption of moisture gas is observed.
- FIG. 3C shows a waveform in which only CO gas absorption is observed.
- the concentrations of moisture gas and CO gas are calculated from these absorption waveforms and the amplitude between the bottom and peak. For example, the concentration of moisture gas is calculated from the difference in voltage between VPx ′ and Vbx ′ as shown in FIG. At the same time, for example, the concentration of CO gas is calculated from the difference between the voltages of Vpx and Vbx.
- CO gas has a wide interval between absorption lines and does not overlap adjacent absorption lines.
- moisture gas has a complex spectrum as if there is absorption everywhere in a high temperature and high concentration state like combustion gas.
- the voltage is flat because there is no absorption around the CO gas absorption peak, whereas in FIG. 3B, there is absorption around the moisture gas absorption peak as well. Therefore, the voltage is not necessarily flat, and affects the wavelength at which the CO gas has absorption.
- FIG. 3A when absorption of moisture gas and CO gas coexists, the absorption waveform of carbon monoxide gas is deformed by moisture gas. This causes moisture gas interference in the measurement of the CO gas concentration and causes the measurement accuracy to deteriorate.
- the multi-component laser gas analyzer 1 has been described above.
- the multi-component laser gas analyzer can be variously modified.
- the laser element first light emitting element 12a is emitting light at a wavelength of 1 and around the wavelength lambda
- the second light emitting element 12b was laser element that emits light with lambda 2 and wavelength of its periphery.
- the first light emitting element 12a may be irradiated with laser light for detecting CO gas
- the second light emitting element 12b may be irradiated with laser light for detecting O 2 gas.
- the first light emitting element 12a is a laser element that emits light at wavelengths lambda 2 and its periphery
- the second light emitting element 12b is a laser element that emits light at lambda 1 and the wavelength of its periphery.
- Collimator lens 13 the transmittance for material having a high at the wavelength lambda 2.
- the parabolic mirror 14 with the light emitting part hole is made of a material having a high reflectance at the wavelength ⁇ 1 .
- the CO light concentration and the O 2 gas concentration are detected by the broadband light receiving element 23. If signal processing is performed synchronously on the light emitting unit 10 side and the light receiving unit 20 side, measurement can be performed in the same manner as described above. It can also be set as such a form.
- a multi-component laser gas analyzer 2 according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
- a light receiving unit 20 ′ in which a part of the configuration of the light receiving unit 20 is changed in the first embodiment is adopted.
- the communication line 30, and a detection process since it is the same as the previous description, the overlapping description is abbreviate
- the light receiving unit 20 ′ includes a light receiving signal processing unit 21, a broadband light receiving element 23, a light receiving unit window plate 24, a light receiving unit container 25, a light receiving unit parabolic mirror 26, and an optical axis adjusting flange 52b. .
- a light receiving part parabolic mirror 26 without holes is used as a condenser part, and a broadband light receiving element 23 is used as a light receiving element.
- the light receiving unit parabolic mirror 26 is made of a material having a high reflectance at both the wavelength ⁇ 1 and its surrounding wavelengths, and at the wavelength ⁇ 2 and its surrounding wavelengths.
- both the first detection light 40a and the second detection light 40b are incident on the light receiving portion paraboloid mirror 26, and the reflected first detection light 40a and second detection light 40b are condensed and the broadband light receiving element 23. Is incident on. Since the light is condensed by the reflection method, there is an advantage that there is no influence of chromatic aberration due to the difference between the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
- the first light emitting element 12a of the light emitting unit 10 emits light and emits the first detection light 40a and the broadband light receiving element 23 receives light in a certain period, as in the first embodiment.
- the light reception signal processing unit 21 analyzes the gas concentration of the first measurement target gas using the detection signal.
- the second light emitting element 12b of the light emitting unit 10 emits light and emits the second detection light 40b, and the light reception signal processing unit 21 performs the second measurement using the detection signal received by the broadband light receiving element 23. Analyze the gas concentration of the target gas.
- signal processing is alternately performed in synchronization in the light receiving unit 20 through the communication line 30. In this way, signal separation is performed electrically.
- the gas concentrations of the O 2 gas and the CO gas that are the first and second measurement target gases can be calculated independently.
- the first light emitting element may emit laser light for detecting CO gas
- the second light emitting element may emit laser light for detecting O 2 gas
- the first light emitting element 12a is a laser element that emits light at wavelengths lambda 2 and its periphery
- the second light emitting element 12b is a laser element that emits light at lambda 1 and the wavelength of its periphery.
- Collimator lens 13 the transmittance for material having a high at the wavelength lambda 2.
- the parabolic mirror 14 with the light emitting part hole is made of a material having a high reflectance at the wavelength ⁇ 1 . If processing is performed synchronously on the light emitting unit 10 side and the light receiving unit 20 side, measurement can be performed in the same manner as described above. Even if such a configuration is adopted, the present invention can be implemented.
- the present invention has been described above. According to the present invention, a simple spatial optical system that does not use an optical fiber optical system is used, and the light from two laser diodes is combined on the same optical axis, and the light quantity of the laser light is efficiently transmitted to the light receiving element. By transmitting, increasing the signal strength of the gas to be measured and reducing noise, the insertion loss, transmission loss and optical interference noise are reduced, and multiple gas concentrations are simultaneously measured (first in time and continuously). , The second gas to be measured is detected and can be said to be almost simultaneous), and a multi-component laser gas analyzer capable of measuring stably can be provided.
- the present invention suppresses the loss of the first and second detection lights, which are laser lights, and reduces noise, thereby increasing the signal intensity of the measurement target gas and simultaneously and stably adjusting a plurality of gas concentrations.
- a multi-component laser gas analyzer for measurement can be provided.
- the present invention it is possible to provide a laser type gas analyzer that can measure the O 2 gas concentration and the CO gas concentration simultaneously, at a high speed, with high accuracy, high sensitivity, and high stability with a single device.
- the multi-component laser gas analyzer of the present invention is most suitable for combustion exhaust gas measurement such as boiler and garbage incineration, and combustion control.
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Abstract
Ｏ２ガス濃度とＣＯガス濃度を１台の装置で同時、高速、高精度、高感度、高安定に測定するレーザ式ガス分析計を提供する。 ある期間に発光部穴付き放物面鏡の貫通穴および広帯域集光レンズを経由する第１の検出光を広帯域受光素子が受光し、および、他の期間に発光部穴付き放物面鏡の放物面鏡および広帯域集光レンズを経由する第２の検出光を広帯域受光素子が受光し、広帯域受光素子から期間別に受信した第１，第２の検出信号に基づいてＯ２ガス濃度とＣＯガス濃度をそれぞれ個別に測定する多成分用レーザ式ガス分析計とする。
Description
本発明は、空間内の各種の測定対象ガスの有無や濃度を分析する多成分用レーザ式ガス分析計に関する。
レーザ式ガス分析計は、たとえば、石油化学プロセスの加熱処理や火力発電などにおいて、高温燃焼ガスの燃焼状態のモニタリングに用いられる。燃焼状態のパラメータは、通常、排ガス成分中のＯ２（酸素）ガス濃度とＣＯ（一酸化炭素）ガス濃度である。この点について図を参照しつつ説明する。図５はバーナー内における空気過剰率とガス濃度との関係を示す特性図である。なお、この図５は、後述する特許文献１の図２として開示されている。この特性図から以下のことがわかる。
（ａ）空気過剰率が大きくなる、つまり酸素が多くなるにつれて、燃焼に用いられなかった酸素が増加し、Ｏ２ガス濃度も高くなる。さらに余剰の酸素が窒素を酸化し、ＮＯｘガス濃度も高くなる。このようにＯ２ガス濃度を監視することで空気過剰を判定できる。
（ｂ）逆に空気過剰率が小さくなる、つまり酸素が少なくなるにつれて、不完全燃焼となり、ＣＯガス濃度が高くなる。さらに燃焼に用いられなかった燃料（炭化水素）が増加し、燃料のガス濃度も高くなる。このようにＣＯ濃度を監視することで空気不足を判定できる。
（ｂ）逆に空気過剰率が小さくなる、つまり酸素が少なくなるにつれて、不完全燃焼となり、ＣＯガス濃度が高くなる。さらに燃焼に用いられなかった燃料（炭化水素）が増加し、燃料のガス濃度も高くなる。このようにＣＯ濃度を監視することで空気不足を判定できる。
したがって、排ガス中のＯ２ガス濃度とＣＯガス濃度とを監視することで、完全燃焼状態を維持しつつ過剰空気を最小にした最適な燃焼制御を実現する。また、エネルギ損失の小さい効率的な燃焼を実現する。さらにまた、環境有害物質のＮＯｘガスの排出低減にもつながる。
続いて、排ガス中の多成分ガス分析の従来技術について説明する。例えば、特許文献１，２に記載の発明や非特許文献１に開示されたものが知られている。これらの従来技術について各文献の内容を要約するとともに、図を参照しつつ説明する。
第１の従来技術として、特許文献１に記載の発明が知られている。図６は、従来技術のレーザ光を用いた燃焼ガス分析装置を含む燃焼システムの全体構成図である。燃焼システム１００は、囲い／壁１０１内にバーナー１０２，１０３を有する。空気及び燃料がこれらのバーナー１０２，１０３へ供給される。バーナー１０２，１０３からの炎１０４，１０５は、パイプ１０６内の炭化水素を加熱する。
燃焼ガス分析装置は、チューナブルダイオードレーザー（以下、ＴＤＬと表す）１０７，１０９及び検知器１０８，１１０を含む２組のＴＤＬ分析システムを有する。これら２組のＴＤＬ分析システムが、一酸化炭素（ＣＯ）、気相の水（Ｈ２Ｏ）、及び気相の炭化水素（例えばメタン（ＣＨ４）を含む）についての測定を行う。また、燃焼ガス分析装置はジルコニア酸素センサー１１１，１１２を含む。ジルコニア酸素センサー１１１，１１２が酸素（Ｏ２）ついての測定を行う。
このガス分析は光学的測定であるＴＤＬ分光により行われる。ＴＤＬ分光では、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、及び、炭化水素（ＣＨ４等）に関する個々の吸収ピークの波長でレーザ光を吸収する。吸収される光の量は、別途検出や測定されるガス濃度、圧力、温度、及び光学的経路長の関数で表される。このガス分析は以下（１）～（４）の手順で行う。
（１）波長が２．０～２．５μｍの範囲に調節された光を、単体のチューナブルダイオードレーザーが照射する。この光は、燃焼ガスを通過して、光検知器へ入射する。光検知器は燃焼ガスの吸収プロファイルを生成する。
（２）燃焼ガスの吸収プロファイルをディジタル化する。
（３）ディジタルコンピュータは、ディジタル化された吸収プロファイルを保存する。
（４）ディジタルコンピュータは、ディジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中のＣＯ，Ｈ２Ｏ、及び、炭化水素（ＣＨ４等）の濃度を測定する。
（２）燃焼ガスの吸収プロファイルをディジタル化する。
（３）ディジタルコンピュータは、ディジタル化された吸収プロファイルを保存する。
（４）ディジタルコンピュータは、ディジタル化された吸収プロファイルを処理して燃焼ガス中のＣＯ，Ｈ２Ｏ、及び、炭化水素（ＣＨ４等）の濃度を測定する。
ここでＣＯ，Ｈ２Ｏ、及び炭化水素（ＣＨ４等）の同時測定を可能にするため、以下の複数の選択候補から波長を選択する。
燃焼ガスの温度が約１１００℃であるとき、２３０２．１；２３０３．９；２３１９．１；２３２３．６；２３２５．２；２３２６．８；２３３１．９；２３３３．７；２３３５．５；２３４２．８；２３４６．８；２３４８．２；２３５６．１；２３６３．１；及び２３７３．１という特定の波長（ナノメートル）から選択できる。
燃焼ガスの温度が約１１００℃であるとき、２３０２．１；２３０３．９；２３１９．１；２３２３．６；２３２５．２；２３２６．８；２３３１．９；２３３３．７；２３３５．５；２３４２．８；２３４６．８；２３４８．２；２３５６．１；２３６３．１；及び２３７３．１という特定の波長（ナノメートル）から選択できる。
また、燃焼ガスの温度が約３００℃であるとき、２３０７．８；２３２０．６；２３２３．６；２３３１．９；２３３９．３；２３５３．９；２３６０．８；２３６８．０；２３７３．１；２３８９．３；及び２４０１．０という特定の波長（ナノメートル）から選択できる。
最もよい波長の選択は用途に依存し、適度の実験によって決定される。この測定に際し、多数の波長での測定結果を利用する多変量モデルを採用する。この燃焼ガス分析装置は、多数の波長によるレーザーガス分析を行い、多変量モデルを用いて燃焼ガス中の一酸化炭素、気相の水、及び気相の炭化水素のガス濃度を算出する。さらにジルコニア酸素センサーが酸素のガス濃度を測定する。つまり、燃焼ガス中のＣＯガス濃度およびＯ２ガス濃度を測定する。特許文献１に記載の発明は、以上のようなものである。
また、第２の従来技術として、特許文献２に記載の発明が知られている。この発明について、以下に文献の内容を引用しつつ要約して説明する。図７は、従来技術のレーザ光を用いたガス濃度計測装置の全体構成図である。このガス濃度計測装置は、２個のレーザダイオードを用いて、２種のガス濃度を計測する。
レーザ光の光源は、第１レーザダイオード（ＬＤ１）２０１と第２レーザダイオード（ＬＤ２）２０２とからなる。第１レーザダイオード２０１は、ＬＤ１電流駆動回路２０３，２０４に接続されて温度と電流とが制御される。第２レーザダイオード２０２は、ＬＤ２電流駆動回路２０５，２０６に接続されて温度と電流とが制御される。
ＬＤ１電流駆動回路２０３には、加算器２０７を経由して、第１直流電流２０８、ランプ波２０９、変調信号２１０，２１１、時分割手段２１２のパルス信号２１２ａ、および、波長ロック信号２１３がそれぞれ印加される。また、ＬＤ２電流駆動回路２０５にも、加算器２１４を経由して、第２直流電流２１５、ランプ波２０９、変調信号２１０，２１１、時分割手段２１２のパルス信号２１２ａ、および、波長ロック信号２１３がそれぞれ印加される。
第１レーザダイオード２０１と第２レーザダイオード２０２とは交互に発振する。第１レーザダイオード２０１は、印加される電流（第１直流電流２０８とパルス信号２１２ａとその加算電流）により、第１ガス成分の吸収波長λ１で発振する。また、第２レーザダイオード２０２は、印加される電流（第２直流電流２１５とパルス信号２１２ａとの加算電流）により、第２ガス成分の吸収波長λ２で発振する。
このように第１レーザダイオード２０１からの発振レーザと第２レーザダイオード２０２からの発振レーザは、合波器２１６によって交互に合流されて、光ファイバのレーザ光路を通って、分波器２１７へ入射される。分波器２１７から照射されたレーザビームは、一方のレンズ（コリメータ）２１８を介してガス流通領域を通過し、他方のレンズ（集光レンズ）２１９へ出射される。
ガス流通領域を通過したレーザ光は、他方のレンズ２１９の近傍に配置された受光手段２２０のフォトダイオード（ＰＤ）によって受光される。受光手段２２０によって受光されたガス吸収信号に基づいて、後段の復調処理手段２２１、標準信号処理手段２２２、ＡＤ変換器２２３およびコンピュータ２２４により、２種のガス濃度が算出される。
図８には、第１レーザダイオード２０１からの波長λ１の発信と、第２レーザダイオード２０２からの波長λ２との発振の概要が示されている。波長λ１が発振する期間と波長λ２が発振する期間とが交互に出現するレーザ光となっている。波長λ１が発振する時間におけるガスの吸収信号から第１ガスのガス濃度を計測し、波長λ２が発振する時間におけるガスの吸収信号から第２ガスのガス濃度を計測することができる。
なお、時間分割（Δｔ）のタイミングと取出したガス信号との対応付けは、コンピュータ２２４において自動的に算出される。これにより複数種のガス濃度を簡単確実に算出可能とする。
このように第１，第２のレーザビームが同じ光軸を通過するものであっても、時分割して交互にそれぞれのレーザ光が受光手段２２０に照射されるため、それぞれのガスに対応する信号の取出しが容易である。
このように第１，第２のレーザビームが同じ光軸を通過するものであっても、時分割して交互にそれぞれのレーザ光が受光手段２２０に照射されるため、それぞれのガスに対応する信号の取出しが容易である。
このような従来技術のガス濃度計測装置は、ボイラ、ゴミ焼却炉、燃焼機関の燃焼室等の密閉容器内に発生するガス、または、この密閉容器から外部に排出されるガスを測定対象とする。従来技術では第１，第２ガス成分ガスはＮＨ３ガスとＨ２Ｏガスを対象とするが、波長の変更によりＯ２濃度とＣＯ濃度を検知できる。このようなガス濃度計測装置は、これらガスに対してレーザ光を用いて測定することにより、複数種のガス濃度を効率よく計測可能とする。特許文献２に記載の発明は、以上のようなものである。
また、第３の従来技術として、非特許文献１に記載の知見がある。この知見はＣＯのガス分析時における水分の影響についての知見である。この知見について、非特許文献１の記載を引用して要約しつつ説明する。
この非特許文献１には、燃焼ガス中のＣＯガス濃度を想定する波長可変半導体レーザ分光法（以下、ＴＤＬＡＳと記す）による分析について記載されている。また、検出感度を高める波長変調分光法（以下、ＷＭＳと記す）について記載されている。
図９の高温、高濃度の水分ガスとＣＯガスの吸収スペクトルを示す特性図のうちＲ（１０）、Ｒ（１１）と呼ばれるＣＯガスの吸収線が用いられる。Ｒ（１０）、Ｒ（１１）は、波長２．３マイクロメートル帯にある吸収線である。Ｒ（１０）は波数４２９７．７ｃｍ－１（波長２３２６．８ｎｍ）、Ｒ（１１）は波数４３００．７ｃｍ－１（波長２３２５．２ｎｍ）に吸収強度のピークを有する。
この図９では、Ｒ（１０）、Ｒ（１１）を含む波長領域におけるＣＯガスや水分の吸収スペクトルも示される。Ｒ（１０）、Ｒ（１１）の波長周辺に水分の吸収強度があるため、高温、高濃度の水分環境下でのＣＯ濃度測定は、水分干渉を伴う。それでも、Ｒ（１０）、Ｒ（１１）の波長では水分の吸収が小さい。これらＲ（１０）またはＲ（１１）の吸収線を用いて水分の影響を抑えつつＣＯガスによる吸収が検知される。ＣＯガス濃度の測定精度は主に水分干渉によって決定される。
非特許文献１に記載の知見は以上のようなものである。
非特許文献１に記載の知見は以上のようなものである。
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０ （２００９） １１５２０１ （９ｐｐ）（論文題目「Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ＣＯ ｉｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｇａｓｅｓ ｕｓｉｎｇ ２．３μｍ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒｓ」）
特許文献１に記載の従来技術では、多変量モデルによるガス濃度分析のために、多数の吸収線の波長を含む幅広い波長を掃引する。したがって、掃引して吸光データを取得するための時間を要する。また、波長変調分光法を採用していない。これらの理由から、低濃度のＣＯガス濃度を高速かつ高感度で検出することが困難である。また、一組の伝送ユニットと検知器がＣＯガスを測定し、ジルコニア酸素センサーがＯ２ガスを測定するため、炉には透明窓やセンサー設置箇所を多数設ける必要があり、設計上の制約が多い。
特許文献２に記載の従来技術では、２個のレーザダイオード２０１，２０２を同一のレーザビームとするために、合波器２１６と光ファイバのレーザ光路とを用いている。一般に複数のレーザダイオードからのレーザ光を結合し光ファイバを介して伝送する際、挿入損失および伝送損失により光量が低下する。その結果、受光素子で受光可能な光量が低下する。したがって、ガス濃度を算出するための信号強度が低下し、ガス濃度測定の安定性を損ねるという課題がある。
また、レーザダイオードからのレーザ光を光ファイバに結合する際に、レーザダイオードと光ファイバとの間で光学干渉ノイズが発生するおそれがある。この光学干渉ノイズにより、ガス濃度を算出する検出信号に含まれるノイズが増加し、この場合もガス濃度測定の安定性を損ねるという課題がある。
また、非特許文献１の知見から、ＣＯガス濃度検出時におけるＨ２Ｏガス濃度の影響を排除する必要があった。
そこで、本発明は上記の課題をすべて解決するためになされたものであり、その目的は、Ｏ２ガス濃度とＣＯガス濃度を１台の装置で同時、高速、高精度、高感度、高安定に測定するレーザ式ガス分析計を提供することにある。
そこで、本発明は、
測定対象空間の酸素ガスか一酸化炭素ガスかの何れか一方である第１の測定対象ガスと他方である第２の測定対象ガスの濃度を測定する波長可変レーザ分光法及び波長変調分光法による多成分用レーザ式ガス分析計であって、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
第１，第２の測定対象ガスに応じて波長変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に集光させる広帯域集光部と、
広帯域集光部で集光した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とは、同期され、時間別に酸素ガスと一酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ個別に測定し、
発光部の変調光生成部は、一酸化炭素ガスの分析時に一酸化炭素ガスの波長２３２６．８ｎｍの吸収線と波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる水分ガスの吸収線を含むように第１の発光素子または第２の発光素子を波長掃引し、
受光部の受光信号処理部は、一酸化炭素ガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいて一酸化炭素ガス濃度と水分ガス濃度を演算し、水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正した一酸化炭素ガス濃度とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
測定対象空間の酸素ガスか一酸化炭素ガスかの何れか一方である第１の測定対象ガスと他方である第２の測定対象ガスの濃度を測定する波長可変レーザ分光法及び波長変調分光法による多成分用レーザ式ガス分析計であって、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
第１，第２の測定対象ガスに応じて波長変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に集光させる広帯域集光部と、
広帯域集光部で集光した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とは、同期され、時間別に酸素ガスと一酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ個別に測定し、
発光部の変調光生成部は、一酸化炭素ガスの分析時に一酸化炭素ガスの波長２３２６．８ｎｍの吸収線と波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる水分ガスの吸収線を含むように第１の発光素子または第２の発光素子を波長掃引し、
受光部の受光信号処理部は、一酸化炭素ガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいて一酸化炭素ガス濃度と水分ガス濃度を演算し、水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正した一酸化炭素ガス濃度とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
また、本発明は、
測定対象空間の酸素ガスか一酸化炭素ガスかの何れか一方である第１の測定対象ガスと他方である第２の測定対象ガスの濃度を測定する波長可変レーザ分光法及び波長変調分光法による多成分用レーザ式ガス分析計であって、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
第１，第２の測定対象ガスに応じて波長変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に反射させる受光部放物面鏡と、
受光部放物面鏡で集光しつつ反射した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とは、同期され、時間別に酸素ガスと一酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ個別に測定し、
発光部の変調光生成部は、一酸化炭素ガスの分析時に一酸化炭素ガスの波長２３２６．８ｎｍの吸収線と波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる水分ガスの吸収線を含むように第１の発光素子または第２の発光素子を波長掃引し、
受光部の受光信号処理部は、一酸化炭素ガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいて一酸化炭素ガス濃度と水分ガス濃度を演算し、水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正した一酸化炭素ガス濃度とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
測定対象空間の酸素ガスか一酸化炭素ガスかの何れか一方である第１の測定対象ガスと他方である第２の測定対象ガスの濃度を測定する波長可変レーザ分光法及び波長変調分光法による多成分用レーザ式ガス分析計であって、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
第１，第２の測定対象ガスに応じて波長変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に反射させる受光部放物面鏡と、
受光部放物面鏡で集光しつつ反射した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とは、同期され、時間別に酸素ガスと一酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ個別に測定し、
発光部の変調光生成部は、一酸化炭素ガスの分析時に一酸化炭素ガスの波長２３２６．８ｎｍの吸収線と波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる水分ガスの吸収線を含むように第１の発光素子または第２の発光素子を波長掃引し、
受光部の受光信号処理部は、一酸化炭素ガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいて一酸化炭素ガス濃度と水分ガス濃度を演算し、水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正した一酸化炭素ガス濃度とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計とした。
本発明によれば、Ｏ２ガス濃度とＣＯガス濃度を１台の装置で同時、高速、高精度、高感度、高安定に測定するレーザ式ガス分析計を提供することができる。
続いて、本発明を実施するための第１の形態に係る多成分用レーザ式ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図１は、本形態の多成分用レーザ式ガス分析計の全体構成図である。
本形態の多成分用レーザ式ガス分析計１は、壁５０ａと壁５０ｂとの内部を流通するガスに含まれる第１測定対象ガスである酸素ガス（以下Ｏ２ガスと記す）のガス濃度と、第２の測定対象ガスである一酸化炭素ガス（以下ＣＯガスと記す）のガス濃度と、を測定する。また、ガス濃度が０や所定値以下であるならばガスが無いことを検出できるものであり、ガスの有無も検出できる。
多成分用レーザ式ガス分析計１は、詳しくは発光部１０、受光部２０、通信線３０を備える。
発光部１０は、変調光生成部１１と、第１発光素子１２ａと、第２発光素子１２ｂと、コリメートレンズ１３と、貫通穴１４ａが設けられた発光部穴付き放物面鏡１４と、発光部窓板１５と、発光部容器１６と、光軸調整フランジ５２ａと、を備える。
受光部２０は、受光信号処理部２１と、広帯域集光レンズ２２と、広帯域受光素子２３と、受光部窓板２４と、受光部容器２５と、光軸調整フランジ５２ｂと、を備える。
通信線３０は発光部１０と受光部２０との間で電気信号により通信し、発光部１０と受光部２０とが同期して信号処理を行う。後述するが発光部１０が第１測定対象ガスを分析するレーザ光を発光するときには受光部２０が第１測定対象ガスを分析する処理を行う。また、発光部１０が第２測定対象ガスを分析するレーザ光を発光するときには受光部２０が第２測定対象ガスを分析する処理を行う。なお、通信線に代えて無線や光通信のような通信部を採用しても良い。これら通信線、無線、光通信による通信部を採用できる。
このような多成分用レーザ式ガス分析計１では、発光部１０が、第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂを出射する。これら第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂは、共に同一の光軸４１で投光される。そして、第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂの何れか一方のみが時分割で壁５０ａと壁５０ｂとの内部の測定対象空間に投光される。
このとき、第１検出光４０ａの光量の一部はＯ２ガスによって吸収され、または、第２検出光４０ｂの光量の一部はＣＯガスによって吸収される。吸収されなかった残りの光、すなわち透過光が、受光部２０に入射し、その光量が検出される。検出された光量から測定対象のガス濃度が求められる。
続いて多成分用レーザ式ガス分析計１の機械的な構造について説明する。
図１に示すように、Ｏ２ガス、ＣＯガスを含むガスが流通する配管等の壁５０ａ，５０ｂにそれぞれ穴が開けられている。フランジ５１ａ，５１ｂは、溶接等によりそれらの穴に固定されている。光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂは、これらフランジ５１ａ，５１ｂに対して機械的に移動可能に取り付けられる。発光部１０、受光部２０は光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂにより位置調整することができる。
図１に示すように、Ｏ２ガス、ＣＯガスを含むガスが流通する配管等の壁５０ａ，５０ｂにそれぞれ穴が開けられている。フランジ５１ａ，５１ｂは、溶接等によりそれらの穴に固定されている。光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂは、これらフランジ５１ａ，５１ｂに対して機械的に移動可能に取り付けられる。発光部１０、受光部２０は光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂにより位置調整することができる。
したがって、光軸調整フランジ５２ａは、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの出射角を調整する。また、光軸調整フランジ５２ｂは、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの入射角を調整する。光軸調整フランジ５２ａ，５２ｂにより、発光部１０から出射される第１検出光４０ａまたは第２検出光４０ｂが受光部２０において最大の光量で受光される。さらに第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂは、両者が同一の光軸４１であり、受光部２０でともに最大の光量で受光される。
発光部容器１６および受光部容器２５は、それぞれの内部に発光素子、光学部品、および、電気電子回路を内蔵し、それらを外気から隔絶して風雨、塵埃、および、汚れ等から保護する。
発光部窓板１５および受光部窓板２４は、発光部容器１６および受光部容器２５の一部に穴を開けてそれを塞ぐように備えられている。発光部窓板１５および受光部窓板２４は、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの光路内にあり、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂを透過させつつ、Ｏ２ガス、ＣＯガスを含むガスが発光部１０や受光部２０の内部に進入しないようにする。これにより、発光素子、光学部品、および、電気電子回路が直接ガスに触れないことになり、内部が保護される。機械的構造はこのようなものである。
次に、光学系について説明する。Ｏ２ガスが吸収する波長をλ１とする。λ１は波長７５９ｎｍから波長７７０ｎｍの範囲から選択される。また、ＣＯガスが吸収する波長をλ２とする。λ２は波長２３３６．８ｎｍが選択される。
ここにＣＯガスを検出するための特定の波長λ２（２３３６．８ｎｍ）の吸収線が選定された理由について述べる。
ＣＯガスは波長１．６マイクロメートル帯、波長２．３マイクロメートル帯、波長４．６マイクロメートル帯に吸収スペクトルを有するため、これらの波長で発光するレーザ光の吸光から、ＣＯガス濃度を測定することができる。
ＣＯガスは波長１．６マイクロメートル帯、波長２．３マイクロメートル帯、波長４．６マイクロメートル帯に吸収スペクトルを有するため、これらの波長で発光するレーザ光の吸光から、ＣＯガス濃度を測定することができる。
ここで、燃焼ガス中のＣＯガス濃度は典型的には１００ｐｐｍのオーダであり、水分濃度は１０％のオーダであることを考慮する。この場合、波長１．６マイクロメートル帯ではＣＯガスの吸収強度が低く１００ｐｐｍオーダのＣＯガス濃度を検出することは困難である。また、波長４．６マイクロメートル帯では水分の吸収強度が大きすぎて水分干渉を排除することが困難である。
そこで、燃焼ガス中のＣＯガス濃度を正確かつ安定に計測するためには、感度と水分干渉の観点から波長２．３マイクロメートル帯が最適である。さらに、波長２．３マイクロメートル帯にある多数のＣＯガス吸収線の中で、本実施形態では特に波長２３２６．８ｎｍに中心波長を有する吸収線を用いる。非特許文献１の知見や本願添付図面の図９の特性図でも示されているように、波長２３２６．８ｎｍ（図９のＲ（１０））は、波長２．３マイクロメートル帯におけるＣＯガスの吸収線の中でも、特に水分干渉が小さい吸収線を有する波長として知られている。
この吸収線が波長単一モードで波長掃引され、かつ波長変調されながらＣＯガスの吸収線を分析するレーザ素子を用いることにより、他の吸収線と比較しても水分干渉が低い状態で、ＣＯガス濃度を計測することができる。しかしながら、非特許文献１における知見でも示されているように、水分の干渉が全くないわけではないため、水分への対応が無ければＣＯガスの測定精度は水分の吸収に由来する干渉で決定されてしまう。
そこで、本実施形態では、ＣＯガスを分析するレーザ素子は、波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる一酸化炭素ガスの吸収線と水分ガスの吸収線を同時に分析可能なように波長掃引する。波長２３２６．８ｎｍ付近には、ＣＯガス吸収線のピーク近傍に、水分の吸収線があり、１個のレーザ素子の波長掃引範囲に収めることができるため、水分ガスとＣＯガス濃度を同時に測定することが可能である。
次に発光部１０および受光部２０の光学的機能・信号処理機能について説明する。これら発光部１０および受光部２０では第１発光素子１２ａと第２発光素子１２ｂとで同時に発光した場合に光学的に信号を分離することはできない。そこで、発光部１０の第１発光素子１２ａと第２発光素子１２ｂとで時分割動作させ、通信線３０を通じて受光部２０において同期して交互に信号処理する。
図８でも示したように、ある期間では発光部１０の第１発光素子１２ａが発光して第１検出光４０ａを照射し、広帯域受光素子２３が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第１の測定対象ガスＯ２ガスのガス濃度を分析する。また、他の期間では発光部１０の第２発光素子１２ｂが発光して第２検出光４０ｂを照射し、広帯域受光素子２３が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第２の測定対象ガスＣＯガスのガス濃度を分析する。このように信号分離を電気的に行う。これにより、Ｏ２ガスである第１の測定対象ガスとＣＯガスである第２の測定対象ガスのガス濃度を独立に算出することができる。時間的にはほぼ同時に検出される。
まず、Ｏ２ガスを検出する際の発光部１０・受光部２０について説明する。
変調光生成部１１は、信号処理・電流駆動回路である。Ｏ２ガスの吸光特性に応じた第１の検出光を照射する。加えて、第１の検出光はＯ２ガスに応じて波長変調された変調光とする。そこで、変調光生成部１１は、このようなレーザ光による検出光を発光するための駆動電流信号を、第１発光素子１２ａに供給する。
変調光生成部１１は、信号処理・電流駆動回路である。Ｏ２ガスの吸光特性に応じた第１の検出光を照射する。加えて、第１の検出光はＯ２ガスに応じて波長変調された変調光とする。そこで、変調光生成部１１は、このようなレーザ光による検出光を発光するための駆動電流信号を、第１発光素子１２ａに供給する。
第１発光素子１２ａは、レーザ素子であり、例えば、ＤＦＢレーザダイオード（Distributed Feedback Laser Diode）、ＶＣＳＥＬダイオード（Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode）、もしくはＤＢＲレーザダイオード（Distributed Bragg Reflector Laser Diode）である。第１発光素子１２ａは、電流と温度により、発光波長を可変制御可能である。
第１発光素子１２ａは波長λ１及びその周辺の波長で発光するレーザ素子である。第１発光素子１２ａはＯ２ガス吸収線を含める波長で走査する。λ１は波長７５９ｎｍから波長７７０ｎｍの範囲から選択される。
そこで、第１発光素子１２ａの発光中心波長は、Ｏ２ガスの特定の吸収線の中心波長となるように温度制御される。また、Ｏ２ガスの特定の吸収線の中心波長の周辺の波長が時間的に掃引されるように、駆動電流が制御される。さらに、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が重畳される。
第１発光素子１２ａの発光点は、コリメートレンズ１３の焦点付近に配置されている。第１発光素子１２ａからの出射光は、拡散しつつコリメートレンズ１３に入射して、略平行光である第１検出光４０ａに変換される。コリメートレンズ１３は、波長λ１及びその周辺の波長において透過率が高い。なお、本形態では本発明の平行光変換部としてコリメートレンズ１３を用いるものとして説明するが、コリメートレンズに限定する趣旨ではない。例えば、平行光変換部として、コリメートレンズの代わりに放物面鏡を用いることもできる。
発光部穴付き放物面鏡１４は、その放物面鏡の中心付近に貫通穴１４ａを備えている。貫通穴１４ａは、第１検出光４０ａを透過させる。従って、その穴の大きさは、第１検出光４０ａのビーム直径と同程度であることが望ましい。略平行光である第１検出光４０ａは、発光部窓板１５を透過し、壁５０ａ，５０ｂの内部、すなわちＯ２ガス、ＣＯガスを含むガスが流通する空間に伝播する。
次に、受光部２０について説明する。受光部２０は、受光部窓板２４を透過した第１検出光４０ａを受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析する。第１検出光４０ａは、広帯域集光レンズ２２に入射する。広帯域集光レンズ２２は、波長λ１及びその周辺の波長において透過率が高い。
広帯域集光レンズ２２によって集光された第１検出光４０ａは、広帯域集光レンズ２２の焦点付近に受光面が配置された広帯域受光素子２３に入射する。このような広帯域集光レンズ２２、広帯域受光素子２３の位置関係は、発光部１０での説明と同様に、光軸４１に対して最適に配置され、広帯域受光素子２３では最大化された受光光量を得る。
広帯域受光素子２３は、波長λ１（波長７５９ｎｍから波長７７０ｎｍの範囲）及びその周辺の波長において、感度を有する受光素子である。広帯域受光素子２３からの受光信号は、Ｏ２ガスの吸収信号を含んでおり、受光信号処理部２１に電気信号として送られる。受光信号処理部２１には波長変調されたレーザ光の変調周波数の高周波をロックイン検波する回路が設けられ、高感度なガス検出が可能となっている。受光信号処理部２１では、前記電気信号を処理して、Ｏ２ガスのガス濃度値を算出する。
次にＣＯガスを検出する際の発光部１０・受光部２０について説明する。
変調光生成部１１は、ＣＯガスの吸光特性に応じた第２の検出光を照射する。加えて、第２の検出光はＣＯガスに応じて波長変調された変調光とする。そこで、変調光生成部１１は、これらのようなレーザ光による検出光を発光するための駆動電流信号を第２発光素子１２ｂに供給する。
変調光生成部１１は、ＣＯガスの吸光特性に応じた第２の検出光を照射する。加えて、第２の検出光はＣＯガスに応じて波長変調された変調光とする。そこで、変調光生成部１１は、これらのようなレーザ光による検出光を発光するための駆動電流信号を第２発光素子１２ｂに供給する。
第２発光素子１２ｂは、レーザ素子であり、例えば、上記のようなＤＦＢレーザダイオード、ＶＣＳＥＬダイオード、もしくはＤＢＲレーザダイオードである。第２発光素子１２ｂは、電流と温度により、発光波長を可変制御可能である。第２発光素子１２ｂはλ２及びその周辺の波長で発光するレーザ素子である。第２発光素子１２ｂはＣＯガス吸収線と、このピーク近傍の水分の吸収線を含める波長で走査する。λ２は波長２３３６．８ｎｍである。
第２発光素子１２ｂの発光中心波長は、ＣＯガスの特定の吸収線の中心波長となるように温度制御される。またＣＯガスの特定の吸収線の中心波長の周辺の波長が時間的に掃引されるように、駆動電流が制御される。さらに、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が重畳される。
第２発光素子１２ｂの発光点は、発光部穴付き放物面鏡１４の放物面の焦点付近に配置されている。第２発光素子１２ｂからの出射光は、拡散しつつ光学部穴付き放物面鏡１４に入射して、略平行光である第２検出光４０ｂに変換される。発光部穴付き放物面鏡１４は、波長λ２及びその周辺の波長において反射率が高い。なお本形態では、角度９０度の軸外し放物面鏡を用いているが、軸外し角度は９０度でなくともよい。
第２発光素子１２ｂからの発光のうち、貫通穴１４ａに入射する分の光量は第２検出光４０ｂに変換されないため、損失する。この損失を小さく抑えるためには、貫通穴１４ａの開口径は小さければ小さいほどよい。一方、発光部穴付き放物面鏡１４の貫通穴１４ａは、上記したが第１検出光４０ａのビーム直径と同程度であり、許容しうる最小の開口径としている。
また、第１検出光４０ａのビーム直径は、第２検出光４０ｂのビーム直径より小さくなくてはならない。これを実現するために、コリメートレンズ１３の焦点距離を、発光部穴付き放物面鏡１４の焦点距離より十分小さくすることが望ましい。
また、貫通穴１４ａを第２検出光４０ｂの光軸と平行になるように設ける。これにより、貫通穴１４ａを透過した第１検出光４０ａと、発光部穴付き放物面鏡１４によって略平行光となった第２検出光４０ｂとは、ビーム直径は異なるものの、同一の光軸４１上に重ねることができる。
また、図示しない光軸微調整機構は、略平行光を維持したままで、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの出射角度を微調整することができる。これにより、第１検出光４０ａおよび第２検出光４０ｂの光軸４１が一致する。
光軸４１が重ねられた略平行光である第２検出光４０ｂは、発光部窓板１５を透過し、壁５０ａ，５０ｂの内部、すなわちＯ２ガス、ＣＯガスを含むガスが流通する空間に伝播する。
次に、受光部２０について説明する。受光部２０は、受光部窓板２４を透過した第２検出光４０ｂを受光し、測定対象ガスの吸光特性により吸収された光について分析する。
第２検出光４０ｂは、広帯域集光レンズ２２に入射する。広帯域集光レンズ２２は、波長λ２及びその周辺の波長において透過率が高い。なお、広帯域集光レンズ２２は、第１検出光４０ａも透過することから、波長λ１及びその周辺の波長、および、波長λ２及びその周辺の波長において、透過率が高い材料で構成する。
広帯域集光レンズ２２によって集光された第２検出光４０ｂは、広帯域集光レンズ２２の焦点付近に受光面が配置された広帯域受光素子２３に入射する。このような広帯域集光レンズ２２、広帯域受光素子２３の位置関係は、発光部１０での説明と同様に、光軸４１に対して最適に配置され、広帯域受光素子２３では最大化された受光光量を得る。
広帯域受光素子２３は、波長λ２（波長２３３６．８ｎｍ）及びその周辺の波長において、感度を有する。なお、広帯域受光素子２３は、第１検出光４０ａも受光することから、波長λ１（波長７５９ｎｍから波長７７０ｎｍの範囲）及びその周辺の波長と、波長λ２（波長２３３６．８ｎｍ）及びその周辺の波長において、ともに感度を有する受光素子を選択する。
上記したλ１やλ２は、何れも近赤外領域（７００ｎｍ～２５００ｎｍ）に含まれる。従って、広帯域受光素子２３は、近赤外領域の波長に対応する受光素子とすれば良く、例えば、図２に示すように、５００ｎｍ～２５００ｎｍに感度をもつＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウムヒ化物）フォトダイオードを採用することができる。
なお、波長が９００ｎｍ以下では受光感度が０．２Ａ／Ｗ以下と小さいがこのような信号でも検出可能であり、検出信号を適宜増幅することで分析は可能である。ＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、５００ｎｍ～２５００ｎｍに吸収をもつ複数の測定対象ガスを検出することができ、１個の受光素子で信号を取り出すことが可能である。
広帯域受光素子２３からの受光信号は、ＣＯガスの吸収信号を含んでおり、受光信号処理部２１に電気信号として送られる。受光信号処理部２１には波長変調されたレーザ光の変調周波数の高周波をロックイン検波する回路が設けられ、高感度なガス検出が可能となっている。受光信号処理部２１では、前記電気信号を処理して、ＣＯガスのガス濃度値を算出する。
なお、本形態では、広帯域集光レンズ２２の屈折効果によって広帯域受光素子２３に集光するために、波長λ１とλ２の違いによる色収差の影響がでる。そこで、色収差による受光光量の低下を低減するため、広帯域集光レンズ２２に代えて、単レンズ、ダブレットレンズや回折レンズなどを用いることで、色収差の影響を低減することができる。また、広帯域受光素子２３の受光面積を大きくし、波長λ１とλ２の集束位置がずれても受光することができる。
続いて水分の補正について説明する。レーザ式ガス分析計の受光信号処理部２１は、前記レーザ素子を波長掃引することによって得られるＣＯガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいてＣＯガス濃度と水分ガス濃度を演算し、さらにＣＯガス濃度の演算においては水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正する。
図３は、波長２３２６．８ｎｍ周辺において、波長掃引しつつ波長変調をかけたレーザ素子を用いて、水分ガスとＣＯガスの吸収を観測した例である。この説明においては、波長変調の周波数の２倍の周波数をロックイン検波する場合を想定しているため、図３で示された吸収波形は、波長変調しない場合の吸収波形の２階微分に近似される形状となっている。
図３（ａ）は、水分ガスとＣＯガスの吸収が観測された波形である。図３（ｂ）は、水分ガスの吸収のみが観測された波形である。図３（ｃ）は、ＣＯガスの吸収のみが観測された波形である。水分ガス及びＣＯガスの濃度は、これらの吸収波形とボトムとピークの間の振幅から演算されるものである。例えば、図３（ａ）に示すようなＶＰｘ‘とＶｂｘ’の電圧の差分から水分ガスの濃度が演算される。同時に、例えばＶｐｘとＶｂｘの電圧の差分からＣＯガスの濃度が演算される。
この波長領域におけるガスの吸収スペクトルの特徴として、ＣＯガスは吸収線同士の間隔が広く特定の吸収線と隣り合う吸収線が重なることがない。一方、水分ガスは燃焼ガスのように高温高濃度状態においては、いたるところに吸収が存在するかのような複雑なスペクトルを有する。
このような特徴を反映して、波長２３２６．８ｎｍ周辺における水分ガスとＣＯガスの吸収線のピークは分離しているように見えるが、実は水分ガスはいたるところに吸収が存在するために、ＣＯガスの吸収波長においても水分ガスの吸収が存在している。
そのために、図３（ｃ）においてはＣＯガスの吸収のピーク周辺は吸収がないために電圧が平坦である一方で、図３（ｂ）においては水分ガスの吸収のピーク周辺にも吸収があるために必ずしも電圧は平坦ではなく、ＣＯガスが吸収を有する波長にまで影響を及ぼす。その結果、図３（ａ）に示すように、水分ガスとＣＯガスの吸収が共存する場合においては、一酸化炭素ガスの吸収波形が水分ガスによって変形する。これがＣＯガス濃度の測定における水分ガス干渉として、測定の精度を悪化させる原因となる。
しかし、この水分干渉の影響は、水分ガス濃度に比例していることがわかった。そこで本形態では、ＣＯガス濃度を算出するにあたり、水分ガス濃度も同時に測定しておき、その水分ガス濃度に適当な比例係数を乗じた補正値を算出し、計測したＣＯガス濃度からこの補正値を減じて水分干渉の影響を低減したＣＯガス濃度とする補正を行うこととしている。これにより、ＣＯガス濃度測定をより高精度にすることができる。
以上、多成分用レーザ式ガス分析計１について説明した。なお、この多成分用レーザ式ガス分析計では各種の変形形態が可能である。例えば、上記形態では、第１発光素子１２ａは波長λ１及びその周辺の波長で発光するレーザ素子、第２発光素子１２ｂはλ２及びその周辺の波長で発光するレーザ素子とした。しかしながら、第１発光素子１２ａがＣＯガスを検出するレーザ光を照射し、また、第２発光素子１２ｂがＯ２ガスを検出するレーザ光を照射するようにしても良い。
この場合、第１発光素子１２ａは波長λ２及びその周辺の波長で発光するレーザ素子とし、第２発光素子１２ｂはλ１及びその周辺の波長で発光するレーザ素子とする。コリメートレンズ１３は、波長λ２において透過率が高い材料で構成する。発光部穴付き放物面鏡１４は、波長λ１において反射率が高い材料で構成する。これにより広帯域受光素子２３でＣＯガス濃度やＯ２ガス濃度を検出する。発光部１０側と受光部２０側で同期して信号処理すれば、先の説明と同様に測定することができる。このような形態とすることもできる。
続いて第２の形態の多成分用レーザ式ガス分析計２について図４を参照しながら説明する。本形態では、先の第１の形態のうち、受光部２０の構成の一部を変更した受光部２０’を採用する。なお、発光部１０、通信線３０、検出処理については先の説明と同じであるとして重複する説明を省略し、相違点のみ重点的に説明する。
受光部２０’は、受光信号処理部２１と、広帯域受光素子２３と、受光部窓板２４と、受光部容器２５と、受光部放物面鏡２６と、光軸調整フランジ５２ｂと、を備える。
本形態では、第１の形態の広帯域集光レンズ２２に代えて、穴がない受光部放物面鏡２６を集光部として用い、受光素子として広帯域受光素子２３を用いる。受光部放物面鏡２６は、波長λ１及びその周辺の波長と、波長λ２及びその周辺の波長において、ともに反射率が高い材料で構成する。
本形態では、第１の形態の広帯域集光レンズ２２に代えて、穴がない受光部放物面鏡２６を集光部として用い、受光素子として広帯域受光素子２３を用いる。受光部放物面鏡２６は、波長λ１及びその周辺の波長と、波長λ２及びその周辺の波長において、ともに反射率が高い材料で構成する。
本形態では、第１検出光４０ａと第２検出光４０ｂは共に受光部放物面鏡２６に入射し、反射した第１検出光４０ａと第２検出光４０ｂが集光して広帯域受光素子２３に入射する。反射方式で集光するために、波長λ１とλ２の違いによる色収差の影響が出ないという利点がある。
このような受光部２０’は、先の第１形態と同様に、ある期間では発光部１０の第１発光素子１２ａが発光して第１検出光４０ａを照射し、広帯域受光素子２３が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第１の測定対象ガスのガス濃度を分析する。また、他の期間では発光部１０の第２発光素子１２ｂが発光して第２検出光４０ｂを照射し、広帯域受光素子２３が受光した検出信号を用いて受光信号処理部２１が第２の測定対象ガスのガス濃度を分析する。この際、通信線３０を通じて受光部２０において同期して交互に信号処理する。このように信号分離を電気的に行う。これにより、第１，第２の測定対象ガスであるＯ２ガス、ＣＯガスのガス濃度を独立に算出することができる。
また、変形形態として第１発光素子がＣＯガスを検出するレーザ光を照射し、また、第２発光素子がＯ２ガスを検出するレーザ光を照射するようにしても良い。この場合に、第１発光素子１２ａは波長λ２及びその周辺の波長で発光するレーザ素子とし、第２発光素子１２ｂはλ１及びその周辺の波長で発光するレーザ素子とする。コリメートレンズ１３は、波長λ２において透過率が高い材料で構成する。発光部穴付き放物面鏡１４は、波長λ１において反射率が高い材料で構成する。発光部１０側および受光部２０側で同期して処理すれば、先の説明と同様に測定することができる。このような構成を採用しても本発明の実施は可能である。
以上、本発明について説明した。本発明によれば、光ファイバ光学系を使用しない簡易な空間光学系を用いて、２個のレーザダイオードからの発光を同一光軸上に結合しつつ、レーザ光の光量を効率よく受光素子まで伝送し、測定対象ガスの信号強度を高め、ノイズを低減することにより、挿入損失、伝送損失および光学干渉ノイズを低減し、複数のガス濃度を同時（時間的には連続して瞬時に第１，第２の測定対象ガスが検出され、ほぼ同時といえる）とかつ安定に測定する多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。
また、本発明は、レーザ光である第１，第２の検出光の損失を抑え、また、ノイズを低減することにより、測定対象ガスの信号強度を高め、複数のガス濃度を同時かつ安定に測定する多成分用レーザ式ガス分析計を提供することができる。
総じて、本発明によれば、Ｏ２ガス濃度とＣＯガス濃度を１台の装置で同時、高速、高精度、高感度、高安定に測定するレーザ式ガス分析計を提供することができる。
本発明の多成分用レーザ式ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、燃焼制御用として最適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ペレット設備）、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。
１，２：多成分用レーザ式ガス分析計
１０：発光部
１１：変調光生成部
１２ａ：第１発光素子
１２ｂ：第２発光素子
１３：コリメートレンズ
１４：発光部穴付き放物面鏡
１４ａ：貫通穴
１５：発光部窓板
１６：発光部容器
２０，２０’：受光部
２１：受光信号処理部
２２：広帯域集光レンズ
２３：広帯域受光素子
２４：受光部窓板
２５：受光部容器
２６：受光部放物面鏡
３０：通信線
４０ａ：第１検出光
４０ｂ：第２検出光
４１：光軸
５０ａ，５０ｂ：壁
５１ａ，５１ｂ：フランジ
５２ａ，５２ｂ：光軸調整フランジ
１０：発光部
１１：変調光生成部
１２ａ：第１発光素子
１２ｂ：第２発光素子
１３：コリメートレンズ
１４：発光部穴付き放物面鏡
１４ａ：貫通穴
１５：発光部窓板
１６：発光部容器
２０，２０’：受光部
２１：受光信号処理部
２２：広帯域集光レンズ
２３：広帯域受光素子
２４：受光部窓板
２５：受光部容器
２６：受光部放物面鏡
３０：通信線
４０ａ：第１検出光
４０ｂ：第２検出光
４１：光軸
５０ａ，５０ｂ：壁
５１ａ，５１ｂ：フランジ
５２ａ，５２ｂ：光軸調整フランジ
Claims (2)
- 測定対象空間の酸素ガスか一酸化炭素ガスかの何れか一方である第１の測定対象ガスと他方である第２の測定対象ガスの濃度を測定する波長可変レーザ分光法及び波長変調分光法による多成分用レーザ式ガス分析計であって、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
第１，第２の測定対象ガスに応じて波長変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に集光させる広帯域集光部と、
広帯域集光部で集光した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とは、同期され、時間別に酸素ガスと一酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ個別に測定し、
発光部の変調光生成部は、一酸化炭素ガスの分析時に一酸化炭素ガスの波長２３２６．８ｎｍの吸収線と波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる水分ガスの吸収線を含むように第１の発光素子または第２の発光素子を波長掃引し、
受光部の受光信号処理部は、一酸化炭素ガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいて一酸化炭素ガス濃度と水分ガス濃度を演算し、水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正した一酸化炭素ガス濃度とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。 - 測定対象空間の酸素ガスか一酸化炭素ガスかの何れか一方である第１の測定対象ガスと他方である第２の測定対象ガスの濃度を測定する波長可変レーザ分光法及び波長変調分光法による多成分用レーザ式ガス分析計であって、
第１の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第１の発光素子と、
第２の測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長帯域のレーザ光を出射する第２の発光素子と、
第１の発光素子から出射して拡散するレーザ光を第１の略平行光に変換し第１の検出光として出射する平行光変換部と、
第１の検出光を透過させる貫通穴と、第２の発光素子から出射して拡散するレーザ光を反射して第２の略平行光に変換し第２の検出光として出射するための放物面鏡と、を有し、第１，第２の検出光を同一の光軸上で測定対象空間に伝播させる発光部穴付き放物面鏡と、
第１，第２の測定対象ガスに応じて波長変調されたレーザ光の駆動電流を第１，第２の発光素子に供給する変調光生成部と、
を有する発光部と、
同一の光軸上で測定対象空間に伝播する第１，第２の検出光を共に反射させる受光部放物面鏡と、
受光部放物面鏡で集光しつつ反射した第１，第２検出光を受光して第１，第２の検出信号を出力する広帯域受光素子と、
広帯域受光素子から受信した第１，第２の検出信号に基づいてガス分析を行う受光信号処理部と、
を有する受光部と、
を備え、
発光部の変調光生成部と受光部の受光信号処理部とは、同期され、時間別に酸素ガスと一酸化炭素ガスの濃度をそれぞれ個別に測定し、
発光部の変調光生成部は、一酸化炭素ガスの分析時に一酸化炭素ガスの波長２３２６．８ｎｍの吸収線と波長２３２６．８ｎｍ付近に存在し吸収強度のピーク波長が異なる水分ガスの吸収線を含むように第１の発光素子または第２の発光素子を波長掃引し、
受光部の受光信号処理部は、一酸化炭素ガスの吸収と水分ガスの吸収の情報に基づいて一酸化炭素ガス濃度と水分ガス濃度を演算し、水分ガスによる干渉を水分ガスの吸収情報に基づいて補正した一酸化炭素ガス濃度とすることを特徴とする多成分用レーザ式ガス分析計。
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