(57)【要約】  試料ガス中の所定成分濃度を分析する分析装置に用いられる測定ユニット（１）であって、測定光を試料ガス中へ照射する照射部（２１）と、測定光を受光面において受光する受光部（２４）と、照射部（２１）および／または受光部（２４）の近傍にパージエアを導入するパージエア導入口（１４）と、照射部（２１）から受光部（２４）までの測定光の光路上に配置され、ガスとパージエアとの温度差により生ずる熱レンズ効果によって伝搬経路が変動する測定光を受光部の受光面内に集光させる集光レンズ（２３）とを備える。
2012161067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガス中の所定成分濃度を分析する分析装置に用いられる測定ユニットであって、
測定光を前記試料ガス中へ照射する照射部と、
前記測定光を受光面において受光する受光部と、
前記照射部および／または前記受光部の近傍にパージエアを導入するパージエア導入部と、
前記照射部から前記受光部までの前記測定光の光路上に配置され、前記試料ガスと前記パージエアとの温度差により生ずる熱レンズ効果によって伝搬経路が変動する前記測定光を前記受光部の受光面内に集光させる集光レンズとを備える、測定ユニット。
【請求項２】
前記集光レンズは、前記受光部の直前に配置されており、
少なくとも前記集光レンズを保護するべく前記集光レンズの直前に配置された光学窓をさらに備え、
前記パージエア導入部は、前記光学窓の直前において前記パージエアを導入する、請求項１に記載の測定ユニット。
【請求項３】
前記試料ガスを内部に導入する導入孔が設けられた筒状のプローブ管をさらに備え、
前記パージエア導入部は、前記プローブ管内に前記パージエアを導入し、
前記照射部は、前記プローブ管内に導入された前記試料ガス中へ前記測定光を照射する、請求項１又は２に記載の測定ユニット。
【請求項４】
前記プローブ管の一方端部側に配置された反射鏡をさらに備え、
前記照射部は、前記プローブ管の他方端部側に配置され、前記測定光を前記反射鏡へ向けて照射し、
前記受光部は、前記プローブ管の前記他方端部側に配置され、前記反射鏡により反射された前記測定光を受光する、請求項３に記載の測定ユニット。
【請求項５】
前記集光レンズの開口数が、０．０８以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の測定ユニット。
【請求項６】
前記受光面と前記集光レンズの結像面とが成す角度が１０（°）以上となるよう前記受光部が前記集光レンズに対して傾斜して配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の測定ユニット。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の測定ユニットと、
前記受光部から受信した信号に基づいて試料ガス中の所定成分濃度を算出する演算処理装置と、
を備えたガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分析装置および測定ユニットに関し、より特定的には試料ガス中の所定成分の濃度を光吸収法を用いて分析するガス分析装置およびこれに用いられる測定ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、石炭や重油を燃焼させるボイラから排出される燃焼排ガスの中にはＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ2、ＣＯ等の成分が含まれている。そして、ガス中におけるこれらの成分の含有量を分析するガス分析装置が開発されている。このようなガス分析装置としては、例えば、オープンパス方式や、プローブ方式などの種々の方式を採用した装置が開発されている。【０００３】
上述したプローブ式のガス分析装置に用いられる、筒状の測定ユニットの一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示される測定ユニットは、筒状筐体の内部に導入された試料ガスを通過するように当該筐体一方端部側に配置された光源から測定光を照射する。測定光は筐体の他方端部側に配置された反射鏡で反射され、当該反射された測定光は受光センサで受光される。このようにして受光センサにおいて得られた測定光の情報と、光源から照射された時点の測定光の情報との差分から、試料ガス中での測定光の吸収量を求め、当該吸収量に基づいて試料ガスに含まれる所定成分の濃度を算出することができる。【０００４】
このような原理から、上述のような測定光を用いたガス分析装置で正確な分析を行うためには、測定光を受光センサの受光面内に照射させることが重要となる。その点、一般的なプローブ方式のガス分析装置は上述の通り光源、反射鏡、および受光センサ等の光学系部品が単一筐体内に固定されており、これらの光学系部品が分離配置されるオープンパス方式のガス分析装置に比べて当該光学系部品の位置決めが容易であると考えられている。すなわち、プローブ方式のガス分析装置では、測定光の照射点を受光センサの受光面内に比較的容易に収めることが可能であると考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６８０９８２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のようなプローブ方式のガス分析装置であっても、測定光の照射点を受光センサの受光面内に良好に収めることができない場合があった。【０００７】
上述のようなセンサや反射鏡等の光学系を用いた測定ユニットでは、これらの光学系が試料ガスに含まれる粉塵等により汚れることを防ぐため、筐体内の光学系部品の周囲に清浄空気（いわゆる、パージエア）を所定の圧力で導入している場合がある。【０００８】
ここで、上述のようなボイラから排出される試料ガスは非常に高温であるのに対して、パージエアは外気温相当の温度となっていることが一般的である。このようにパージエアと試料ガスとに温度差がある場合、測定ユニットの筐体内、すなわち測定光の経路上で空間的な温度変化分布が生ずる。このような空間的な温度変化が生じた場合、これに比例して屈折率が空間的に変化する。そして、屈折率の変化が過渡的な光学レンズとして作用する（いわゆる熱レンズ効果が生ずる）ことにより、当該空間内を伝搬する測定光が屈折してしまう場合がある。【０００９】
具体的には、図９に示すように、通常であれば直進経路Ｒ１をたどる測定光Ｌｂ２が、試料ガスＳｇとパージエアＰａとの温度差によって経路Ｒ３に示すように屈折した経路を進行する場合がある。【００１０】
なお、図９は、従来の測定ユニットにおいて測定光が良好に受光されない様子を示すイメージ図である。このように測定光Ｌｂ２が屈折すると、測定光Ｌｂ２を受光センサ５４の受光面内に収めることができず、正確な分析が困難となる場合があった。【００１１】
また、試料ガスＳｇとパージエアＰａの気流の変化に伴い、熱レンズ効果による測定光Ｌｂ２の屈折状態も経時的に変化する。その結果、仮に測定光Ｌｂ２が受光センサ５４の受光面内に照射されていたとしても図１０に示すように受光面上における測定光Ｌｂ２の照射点Ｌｂｐ２が当該面上で不安定に移動する場合があった。【００１２】
なお、図１０は、従来の測定ユニットにおいて、照射点Ｌｂｐ２が受光面上で移動する様子を示す図である。図１０において、軌跡線Ｔｒ２は照射点Ｌｂｐ２の移動軌跡を示す線である。図１０において、軌跡線Ｔｒ２が蛇行していることから、上述の通り照射点Ｌｂｐ２が不安定に移動していることが示されている。受光センサによっては同じ受光面上であっても、受光面の位置に応じて受光感度特性が異なっている場合がある。このような受光センサにおいて照射点Ｌｂｐ２の位置が移動すると、たとえ測定光Ｌｂ２の光量が一定であったとしても、安定した信号を受光センサから得ることができない場合があった。【００１３】
なお、オープンパス方式のガス分析装置においても上記プローブ方式と同様にパージガスを用いることで、測定光が熱レンズ効果により屈折することがあり、測定光測定光の照射点を受光センサの受光面内に良好に収めることができない場合があった。【００１４】
本発明は上記の課題を鑑みて成されたものであり、試料ガスを従来に比して正確に分析可能とする測定ユニットおよびガス分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一見地に係る測定ユニットは、試料ガス中の所定成分濃度を分析する分析装置に用いられる測定ユニットである。測定ユニットは、照射部と、受光部と、パージエア導入部と、集光レンズとを備える。照射部は、測定光を試料ガス中へ照射する。受光部は、測定光を受光面において受光する。パージエア導入部は、照射部および／または受光部の近傍にパージエアを導入する。集光レンズは、照射部から受光部までの測定光の光路上に配置され、試料ガスとパージエアとの温度差により生ずる熱レンズ効果によって伝搬経路が変動する測定光を受光部の受光面内に集光させる。
測定光の経路が熱レンズ効果によって屈折した場合であっても、測定光を受光部の受光面内で良好に受光することができる。また、測定光を受光面内の所定位置に安定的に照射することができる。したがって、受光部において測定光の情報を正確に得ることができ、当該情報に基づいて試料ガス中の所定成分を正確に分析することができる。【００１６】
集光レンズは、受光部の直前に配置されており、少なくとも集光レンズを保護するべく集光レンズの直前に配置された光学窓をさらに備え、パージエア導入部は、光学窓の直前においてパージエアを導入してもよい。
適切な位置でパージエアを導入することにより、光学系部品を良好に保護することができる。また、その背反として熱レンズ効果が生じやすくなったとしても、集光レンズを備えることによって良好に測定光を受光部の受光面内に受光することができる。【００１７】
測定ユニットは、試料ガスを内部に導入する導入孔が設けられた筒状のプローブ管をさらに備えていてもよい。パージエア導入部は、プローブ管内にパージエアを導入し、照射部は、プローブ管内に導入された試料ガス中へ測定光を照射してもよい。
特に熱レンズ効果による測定光の屈曲が生じ易いプローブ方式の測定ユニットにおいて、測定光を受光部の受光面内で良好に受光することができる。【００１８】
測定ユニットは、プローブ管の一方端部側に配置された反射鏡をさらに備えていてもよい。照射部は、プローブ管の他方端部側に配置され、測定光を反射鏡へ向けて照射し、受光部は、プローブ管の他方端部側に配置され、反射鏡により反射された測定光を受光してもよい。【００１９】
集光レンズの開口数は、０．０８以上であってもよい。
例えば、受光部の受光面が多層半導体により構成されている場合に、当該半導体層中における測定光の多重反射による干渉を抑制することができる。したがって、受光部において測定光の光量を正確に検出することができる。【００２０】
受光面と集光レンズの結像面とが成す角度が１０（°）以上となるよう受光部が集光レンズに対して傾斜して配置されていてもよい。
例えば、受光部の受光面が多層半導体により構成されている場合に、当該半導体層中における測定光の多重反射による干渉を抑制することができる。したがって、受光部において測定光の光量を正確に検出することができる。
。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る測定ユニット１の外観構成図
【図２】第１の実施形態に係る測定ユニット１の内部構成を示す断面図
【図３】第１の実施形態に係る測定ユニット１内において屈折した測定光Ｌｂ１が集光レンズ２３によって受光部２４の受光面内に誘導される様子を示すイメージ図
【図４】第１の実施形態に係る測定ユニット１において、照射点Ｌｂｐ１の受光面上での移動が抑制されている様子を示す図
【図５】第１の実施形態に係る受光部２４の詳細構成を示す断面図
【図６】第１の実施形態に係る測定ユニット１において集光レンズ２３および受光部２４の設定を変更し、各設定において得られた受光部２４の電気信号の安定性を示すグラフ
【図７】図６の一部を拡大図示したグラフ
【図８】第２の実施形態に係る測定ユニット２の内部構成を示す断面図
【図９】従来の測定ユニットにおいて測定光Ｌｂ２が良好に受光されない様子を示すイメージ図
【図１０】従来の測定ユニットにおいて、照射点Ｌｂｐ２が受光面上で移動する様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、測定ユニット１およびこれを用いたガス分析装置１００について説明する。ガス分析装置１００は、いわゆるプローブ方式のガス分析装置であり、測定ユニット１は、いわゆるプローブユニットである。先ず、図１および図２を参照して測定ユニット１の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る測定ユニット１の外観構成図である。また、図２は、第１の実施形態に係る測定ユニット１の内部構成を示す断面図である。なお、図２は、図１に示す測定ユニット１のＡ−Ａ断面を含む図である。図１に示すように、測定ユニット１は、プローブ管１１、光学ユニット１２、およびフランジ１３を備える。
【００２３】
プローブ管１１は、試料ガスＳｇを拡散により内部に導入する導入孔１１１が設けられた円筒状の部材である。プローブ管１１の材質は、測定ユニット１の使用環境に応じて任意の金属素材を選択して良い。導入孔１１１は、例えば図１に示すように、プローブ管１１の側面に断続的なスリットとして形成されている。プローブ管１１の内部一方端部側には、図２に示すように反射鏡２２が備えられている。一方、プローブ管１１の他方端部は光学ユニット１２と接続されている。
【００２４】
光学ユニット１２は、図２に示すように照射部２１、集光レンズ２３、受光部２４、および光学窓２５を備える光学装置である。照射部２１は、測定光Ｌｂ１をプローブ管１１内部へ照射する光源装置である。照射部２１は、典型的には、赤外線レーザー発振装置やＬＥＤ（Light Emitting Diode）、紫外線領域の光を射出する重水素ランプ等、所定波長域光を射出する光源装置である。受光部２４は、測定光Ｌｂ１を受光面において受光する受光装置である。受光部２４は、典型的には、フォトダイオード等の光電変換装置である。集光レンズ２３は、測定光Ｌｂ１を受光部２４の受光面内に集光させるレンズ部材である。集光レンズ２３は、受光部２４の直前に配置される。受光部２４は、演算処理装置１５と電気的に接続され、受光した測定光Ｌｂ１に関する情報（例えば光量）を電気信号として演算処理装置３０へ送信する。光学窓２５は、測定光Ｌｂ１を透過する素材で形成された板状部材である。光学窓２５は、例えば、図２に示すように光学ユニット１２の筐体とプローブ管１１との連結箇所、すなわち照射部２１および集光レンズ２３の直前に配置され、照射部２１および集光レンズ２３を保護する部材である。なお、上述の反射鏡２２は、照射部２１から照射された測定光Ｌｂ１を受光部２４へ向けて反射するよう予めプローブ管１１内に配置される。
【００２５】
演算処理装置３０は、照射部２１および受光部２４の動作を制御すると共にプローブ管１１内の所定成分の濃度を受光部２４から受信した信号に基づいて算出する。演算処理装置３０は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の情報処理装置、メモリ
等の記憶装置、ユーザーの操作を受け付けるインターフェース装置、分析結果を表示する表示装置等を備え、ユーザーの操作および記憶装置に記憶されたプログラムに基づいた演算処理を行う。
【００２６】
上述のプローブ管１１には、図２に示すようにプローブ管１１の内部にパージエアＰａを導入するためのパージエア導入口１４が設けられている。パージエア導入口１４は、例えば図１および図２に示すように、プローブ管１１が光学ユニット１２と連結されている連結部近傍に設けられる。このように配置されたパージエア導入口１４からパージエアＰａが所定圧で導入されることによってプローブ管１１内の試料ガスＳｇや粉塵が光学ユニット１２の光学窓２５に触れることを防ぎ、光学窓２５の汚れや腐食を抑制することができる。なお、図２においてパージエアＰａの流路のイメージを黒色太線矢印にて示す。また、図２において試料ガスＳｇの流路のイメージを白色矢印にて示す。上述のパージエア導入口１４は、光学窓２５の直前においてパージエアＰａを導入するよう配置されることが、より好ましい。このように適切な位置でパージエアＰａを導入することにより、集光レンズ２３等の光学系部品を良好に保護することができる。
【００２７】
さらに、プローブ管１１は、パージエアＰａを反射鏡２２の前面へ導入し、それを保護するパージエア導入パイプ１６を備える。このような構成によれば、プローブ管１１内の試料ガスＳｇや粉塵が反射鏡２２に触れることを防ぎ、反射鏡２２の汚れや腐食を抑制す
ることができる。
【００２８】
また、図２に示すようにプローブ管１１には、導入孔１１１の両端裏側（試料ガスＳｇの流れの上流側）に孔６７、６８が各々形成されている。このような孔６７、６８から試料ガスＳｇを流入させることにより、パージエアＰａはプローブ管１１の中央部に流入することを防止することができ、試料ガスＳｇと混ざり合って、導入孔１１１から排出される（ＳｇＰａ）。導入孔１１１は、パージエアＰａを排出する排出口としても用いられる。
【００２９】
フランジ１３は、試料ガスＳｇを排出する煙筒５００や、試料ガスＳｇが封入された容器に測定ユニット１を固定するための部材である（図２参照）。フランジ１３は、例えば、円盤板状の部材であり、プローブ管１１の一方端部側（光学ユニットと連結している側）において、プローブ管１１に貫通されるように設けられている。フランジ１３は、煙筒５００に例えばボルトを介して締結される。
【００３０】
次いで、照射部２１から照射された測定光Ｌｂ１の光路について説明する。図２において測定光Ｌｂ１の進行経路を一点鎖線にて示す。図２に示すように、照射部２１から照射された測定光Ｌｂ１は、プローブ管１１内部の空間を通過し、反射鏡２２に反射される。反射鏡２２に反射された測定光Ｌｂ１は、プローブ管１１内部の空間を通過し受光部２４へ向けて進行する。このように、測定光Ｌｂ１は試料ガスＳｇで満たされたプローブ管１１内の空間を往復した後に受光部２４にて受光される。
【００３１】
ここで、反射鏡２２に反射された測定光Ｌｂ１は、プローブ管１１内において、いわゆる熱レンズ効果により屈折し、反射鏡２２から受光部２４へ向けて必ずしも直進しない場合がある。より詳細には、プローブ管１１内には試料ガスＳｇとパージエアＰａとが流入しており、これら試料ガスＳｇとパージエアＰａとに温度差がある場合、プローブ管１１内において空間的な温度の勾配変化が生じる。このような温度の勾配変化に応じてプローブ管１１内では空間的な屈折率の変化が生じ、測定光Ｌｂ１が屈折する場合がある。
【００３２】
この点を鑑みて、測定ユニット１は集光レンズ２３を備えた構成としている。測定ユニット１は集光レンズ２３を備えていることによって、図３に示すように屈折した測定光Ｌｂ１の進行方向を変更し、測定光Ｌｂ１を受光部２４の受光面内へ誘導することができる。図３は、測定ユニット１内において屈折した測定光Ｌｂ１が集光レンズ２３によって受光部２４の受光面内に誘導される様子を示すイメージ図である。具体的には、図３に示すように熱レンズ効果によって経路Ｒ３を辿るよう屈折した測定光Ｌｂ１は、集光レンズ２３に入射することによって経路Ｒ２を辿るよう進行方向が変更され、最終的に受光部２４の受光面内へ到達する。
【００３３】
また、測定ユニット１によれば、集光レンズ２３へ入射した測定光Ｌｂ１が集光レンズ２３の特性に応じた所定の集光点に集光される。そのため、図４に示すように、受光部２４の受光面上における測定光Ｌｂ１の照射点Ｌｂｐ１の不要な移動を抑制することができる。なお、図４は、測定ユニット１において、照射点Ｌｂｐ１の受光面上での移動が抑制されている様子を示す図である。図４において軌跡線Ｔｒ１は照射点Ｌｂｐ１の移動軌跡を示す線である。図４において、軌跡線Ｔｒ１が蛇行していないことから、上述の通り照射点Ｌｂｐ１の移動が抑制されていることが示されている。このように、本発明の実施形態に係る測定ユニット１によれば、測定光Ｌｂ１を常に受光部２４の受光面上の所定領域内で受光することができる。したがって、仮に受光部２４が、受光面の位置次第で受光感度特性にばらつきを有するデバイスであったとしても、このような感度特性のばらつきの影響を受けることなく安定した受光信号を受光部２４から得ることができる。
【００３４】
以上に示したように、測定ユニット１によれば、プローブ管１１内を往復した測定光Ｌｂ１を受光部２４の受光面内において良好に受光することができる。すなわち、測定光Ｌｂ１の光量に応じた正確な電気信号を受光部２４から得ることができる。したがって、測定ユニット１を備えるガス分析装置１００においては、正確な電気信号に基づいて試料ガスＳｇを正確に分析することができる。
【００３５】
特に、プローブ方式のガス分析装置では、プローブ管内の限られた空間内に試料ガスおよびパージエアが導入されるため、測定光の伝搬空間中で試料ガスに対するパージエアが占める割合がオープンパス方式の装置に比べ高くなり易い。すなわち、プローブ方式のガス分析装置の方が、オープンパス方式の装置に比べ、熱レンズ効果による測定光の屈折が発生し易い。故に、本実施形態は上述のようなプローブ方式の測定ユニット１およびこれを用いたガス分析装置１００として適用すると、より効果的である。
【００３６】
なお、測定ユニット１においては、集光レンズ２３として開口数ＮＡ（Numerical Aperture）が０．０８以上のレンズを用いることが好ましい。受光部２４は、受光部２４の受光面と当該集光レンズ２３の光軸とが実質的に垂直となるよう配置して用いることが好ましい。開口数ＮＡは、集光レンズ２３が集光した光線の光軸に対する最大角度をφとし、集光レンズ２３と受光部２４との間の媒質の屈折率をｎとした場合、式（１）で表される値である。
ＮＡ＝ｎsinφ      …（１）
すなわち、開口数ＮＡは、集光レンズ２３の集光角に比例する値である。
【００３７】
また、測定ユニット１においては、集光レンズ２３の結像面に対する受光部２４の受光面の角度を傾斜角ωとした場合（図３参照）、傾斜角ωが１０（°）以上となるよう受光部２４を集光レンズ２３に対して傾斜して配置する。これにより、開口数ＮＡをいたずらに大きくせず、次の多重反射を抑えることができるので、集光レンズ２３と受光部２４との距離に関し、設計自由度を上げることができる。さらに、入射した光がそのまま反射して戻り、ノイズ成分となるようなことを防止することができる。
【００３８】
以下、集光レンズ２３の開口数ＮＡを０．０８以上とし、さらには傾斜角ωを１０（°）以上することが好ましいとする根拠について説明する。
【００３９】
上述の受光部２４の受光面は、図５に示すような多層構造の半導体によって構成されている。図５は、受光部２４の詳細構成を示す断面図である。具体的には、受光部２４は、パッケージ基板２４４と、パッケージ基板２４４の主面上に設けられたＩｎＰウェハ層２４３と、ＩｎＰウェハ層２４３中に形成されたＩｎＧａＡｓ吸収層２４２と、ＩｎＰウェハ層２４３表面に形成されたＡＲ（Anti Reflection）コート層
２４１とを備える。なお、パッケージ基板２４４表面には金メッキが施されている。このようなＡＲコート層２４１によりコーティングされている面が受光部２４の受光面となる。受光部２４の受光面に入射した測定光Ｌｂ１はＩｎＧａＡｓ吸収層２４２において吸収される。そして、受光部２４は、ＩｎＧａＡｓ吸収層２４２に吸収された光量に応じた電気信号を生成し、演算処理装置３０へ出力する。なお、受光部２４が測定光Ｌｂ１を光電変換する方法は、従来周知の任意の手法を用いて良い。
【００４０】
ここで、従来の技術では、受光部２４において測定光Ｌｂ１が受光する際に、上述図５に示した半導体層中において多重反射およびこれに伴う干渉（いわゆるエタロン効果）が生じ、測定光Ｌｂ１の光量に応じた電気信号を正確に得られない場合があった。より詳細には、受光部２４に入射した測定光Ｌｂ１は、ＡＲコート層２４１において一部が反射され、ＩｎＰウェハ層２４３中へ進行する。測定光Ｌｂ１は、ＩｎＰウェハ層２４３中にお
いてＩｎＧａＡｓ吸収層２４２に一部吸収された後、これらの層を透過してパッケージ基板２４４の表面で反射される。パッケージ基板２４４の表面で反射された測定光Ｌｂ１は、再度ＩｎＰウェハ層２４３中およびＩｎＧａＡｓ吸収層２４２を透過し、ＡＲコート層２４１とＩｎＰウェハ層２４３との境界において再度反射する。このように、測定光Ｌｂ１が所定の入射角で受光部２４の受光面に入射した場合、受光部２４を構成する半導体層中において反射を繰り返し、反射光と入射光とが干渉する場合があった。そして、このような干渉が生ずると、受光部２４に入射する時点で測定光Ｌｂ１の強度が一定であったとしても、ＩｎＧａＡｓ吸収層２４２で吸収される光量が安定せず、受光部２４から得られる電気信号の大きさが安定しない場合があった。
【００４１】
以上の点から、測定ユニット１では上述のエタロン効果を抑制することが好ましく、そのためには測定光Ｌｂ１の受光部２４の受光面への入射角θを大きくして多重反射を抑制することが好ましい。ここで、集光レンズ２３の開口数ＮＡが大きいほど入射角θが取り得る値は大きくなる。また、受光部２４の受光面を集光レンズ２３の光軸に対して傾けることによっても入射角θが取り得る値を調整することができる。この点を鑑みた発明者は後述の実験において試行錯誤を繰り返したところ、測定ユニット１においては、集光レンズ２３の開口数ＮＡを０．０８以上とし、さらには入射角θを１０（°）以上することが好ましいという結論を得るに至った。
【００４２】
以下、測定ユニット１において、集光レンズ２３の開口数ＮＡおよび傾斜角ωの値を種々に変更して得られた実験結果を示す。図６は、第１の実施形態に係る測定ユニット１において集光レンズ２３および受光部２４の設定を変更し、各設定において得られた受光部２４の電気信号の安定性を示すグラフである。図６の縦軸は、対応する開口数ＮＡおよび入射角θにおいて測定した受光部２４の電気信号強度のピーク値およびボトム値の差分値ΔＥ（ａ．ｕ．）を示す。また、図６の横軸は、入射角θ（°）を示す。また、図６において、一点鎖線曲線はＮＡ＝０．０２のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示し、実線曲線はＮＡ＝０．０８のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示す。
【００４３】
また、図６、図７に示すように、開口数ＮＡの値が０．０８以上である場合に入射角θを１０（°）以上とすると、差分値ΔＥを限りなく０に近い値に収束させることができることが解った。なお、図７は、図６の一部を拡大した図である。図７の縦軸および横軸は図６と同様のパラメータを表す。図７において、実線曲線はＮＡ＝０．０８のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示し、二点鎖線曲線はＮＡ＝０．１４のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示す。
【００４４】
以上、図６および図７に示した通り、測定ユニット１においては、集光レンズ２３の開口数ＮＡを０．０８以上とすることで、受光部２４から更に正確な電気信号を得ることができる。さらに好ましくは、入射角θを１０（°）以上とすることで、より正確な電気信号を得ることができる。したがって、このように集光レンズ２３および受光部２４が設定された測定ユニット１を備えるガス分析装置１００においては、更に正確な電気信号に基づいて試料ガスＳｇを、より正確に分析することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、本発明をプローブ方式の測定ユニットに適用した例について説明したが、オープンパス方式の測定ユニットに適用しても構わない。以下、第２の実施形態に係る測定ユニット２およびこれを用いたガス分析装置２００について説明する。なお、上述第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４６】
図８は、第２の実施形態に係る測定ユニット２の内部構成を示す断面図である。図８に示すように、測定ユニット２は、各々別体的に形成されたオシレータユニット３２およびディテクタユニット３３から成る。オシレータユニット３２は試料ガスＳｇが流れる煙筒５００の一方側面に取り付けられ、ディテクタユニット３３は煙筒５００の他方側面に互いに対向するよう取り付けられる。
【００４７】
オシレータユニット３２は、照射部２１、光学窓２５Ａ、パージエア導入口１４Ａ、およびフランジ１３Ａを備える。光学窓２５Ａは照射部２１の直前に配置され、パージエア導入口１４Ａは光学窓２５Ａの直前において煙筒５００と連結した空間内にパージエアＰａを導入する。ディテクタユニット３３は、集光レンズ２３、受光部２４、光学窓２５Ｂ、パージエア導入口１４Ｂ、およびフランジ１３Ｂを備える。集光レンズ２３は受光部２４の直前に配置され、光学窓２５Ｂは集光レンズ２３の直前に配置され、パージエア導入口１４Ｂは光学窓２５Ｂの直前において煙筒５００と連結した空間内にパージエアＰａを導入する。
【００４８】
なお、オシレータユニット３２およびディテクタユニット３３は、照射部２１から照射される測定光Ｌｂ１が受光部２４へ向けて照射されるよう予め相互の位置を調整して各々フランジ１３Ａおよび１３Ｂを介して煙筒５００へ取り付けられるものとする。
【００４９】
上記のような測定ユニット２によれば、第１の実施形態と同様に、パージエアＰａおよび試料ガスＳｇによって熱レンズ効果が生じて測定光Ｌｂ１が屈曲したとしても、集光レンズ２３によって良好に受光部２４の受光面内に集光させることができる。なお、第２の実施形態においても、開口数ＮＡを０．０８以上とし、さらには入射角θを１０（°）以上とすることが、より好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る測定ユニットおよびガス分析装置は、試料ガスを従来に比して正確に分析可能とする測定ユニットおよびガス分析装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１００、２００    ガス分析装置
１、２    測定ユニット
１１  プローブ管
１２  光学ユニット
１３  フランジ
１４  パージエア導入口
１６  パージエア導入パイプ
２１  照射部
２２  反射鏡
２３  集光レンズ
２４  受光部
３０  演算処理装置
２４１  ＡＲコート層
２４２  ＩｎＧａＡｓ吸収層
２４３  ＩｎＰウェハ層
２４４  パッケージ基板
３２  オシレータユニット
３３  ディテクタユニット
５４  受光センサ
【図１】
2012161067.tif 000003
【図２】
2012161067.tif 000004
【図３】
2012161067.tif 000005
【図４】
2012161067.tif 000006
【図５】
2012161067.tif 000007
【図６】
2012161067.tif 000008
【図７】
2012161067.tif 000009
【図８】
2012161067.tif 000010
【図９】
2012161067.tif 000011
【図１０】
2012161067.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月20日(2013.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガス中の所定成分濃度を分析する分析装置に用いられる測定ユニットであって、
測定光を前記試料ガス中へ照射する照射部と、
前記測定光を受光面において受光する受光部と、
前記照射部および／または前記受光部の近傍にパージエアを導入するパージエア導入部と、
前記照射部から前記受光部までの前記測定光の光路上に配置され、前記試料ガスと前記パージエアとの温度差により生ずる熱レンズ効果によって伝搬経路が変動する前記測定光を前記受光部の前記受光面内に集光させる集光レンズとを備える、測定ユニット。
【請求項２】
前記集光レンズは、前記受光部の直前に配置されており、
少なくとも前記集光レンズを保護するべく前記集光レンズの直前に配置された光学窓をさらに備え、
前記パージエア導入部は、前記光学窓の直前において前記パージエアを導入する、請求項１に記載の測定ユニット。
【請求項３】
前記試料ガスを内部に導入する導入孔が設けられた筒状のプローブ管をさらに備え、
前記パージエア導入部は、前記プローブ管内に前記パージエアを導入し、
前記照射部は、前記プローブ管内に導入された前記試料ガス中へ前記測定光を照射する、請求項１又は２に記載の測定ユニット。
【請求項４】
前記プローブ管の一方端部側に配置された反射鏡をさらに備え、
前記照射部は、前記プローブ管の他方端部側に配置され、前記測定光を前記反射鏡へ向けて照射し、
前記受光部は、前記プローブ管の前記他方端部側に配置され、前記反射鏡により反射された前記測定光を受光する、請求項３に記載の測定ユニット。
【請求項５】
前記集光レンズの開口数が、０．０８以上である、請求項１〜４のいずれかに記載の測定ユニット。
【請求項６】
前記受光面と前記集光レンズの結像面とが成す角度が１０（°）以上となるよう前記受光部が前記集光レンズに対して傾斜して配置されている、請求項１〜５のいずれかに記載の測定ユニット。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の測定ユニットと、
前記受光部から受信した信号に基づいて試料ガス中の所定成分濃度を算出する演算処理装置と、
を備えたガス分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
石炭や重油を燃焼させるボイラから排出される燃焼排ガスの中にはＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ２、ＣＯ等の成分が含まれている。そして、ガス中におけるこれらの成分の含有量を分析するガス分析装置が開発されている。このようなガス分析装置としては、例えば、オープンパス方式や、プローブ方式などの種々の方式を採用した装置が開発されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
このような原理から、上述のような測定光を用いたガス分析装置で正確な分析を行うためには、測定光を受光センサの受光面内に照射させることが重要となる。その点、一般的なプローブ方式のガス分析装置において、上述の通り光源、反射鏡、および受光センサ等の光学系部品が単一筐体内に固定されており、これらの光学系部品が分離配置されるオープンパス方式のガス分析装置に比べて当該光学系部品の位置決めが容易であると考えられている。すなわち、プローブ方式のガス分析装置では、測定光の照射点を受光センサの受光面内に比較的容易に収めることが可能であると考えられている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
ここで、上述のようなボイラから排出される試料ガスは非常に高温であるのに対して、パージエアは外気温相当の温度となっていることが一般的である。このようにパージエアと試料ガスとに温度差がある場合、測定ユニットの筐体内、すなわち測定光の経路上で空間的な温度分布が生ずる。このような空間的な温度分布が生じた場合、これに比例して屈折率が空間的に変化する。そして、屈折率の変化が過渡的な光学レンズとして作用する（いわゆる熱レンズ効果が生ずる）ことにより、当該空間内を伝搬する測定光が屈折してしまう場合がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
具体的には、図９に示すように、通常であれば直進経路Ｒ１をたどる測定光Ｌｂ２が、試料ガスＳｇ２とパージエアＰａ２との温度差によって経路Ｒ３に示すように屈折した経路を進行する場合がある。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、試料ガスＳｇ２とパージエアＰａ２の気流の変化に伴い、熱レンズ効果による測定光Ｌｂ２の屈折状態も経時的に変化する。その結果、仮に測定光Ｌｂ２が受光センサ５４の受光面内に照射されていたとしても図１０に示すように受光面上における測定光Ｌｂ２の照射点Ｌｂｐ２が当該面上で不安定に移動する場合があった。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
なお、オープンパス方式のガス分析装置においても上記プローブ方式と同様にパージガスを用いることで、測定光が熱レンズ効果により屈折することがあり、測定光の照射点を受光センサの受光面内に良好に収めることができない場合があった。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
集光レンズは、受光部の直前に配置されており、少なくとも集光レンズを保護するべく集光レンズの直前に配置された光学窓をさらに備え、パージエア導入部は、光学窓の直前においてパージエアを導入してもよい。
適切な位置でパージエアを導入することにより、光学系部品を良好に保護することができる。また、パージエアを導入することにより熱レンズ効果が生じやすくなったとしても、集光レンズを備えることによって良好に測定光を受光部の受光面内に受光することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
集光レンズの開口数は、０．０８以上であってもよい。
例えば、受光部の受光面が多層半導体により構成されている場合に、当該半導体層境界面における測定光の多重反射による干渉を抑制することができる。したがって、受光部において測定光の光量を正確に検出することができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
受光面と集光レンズの結像面とが成す角度が１０（°）以上となるよう受光部が集光レンズに対して傾斜して配置されていてもよい。
例えば、受光部の受光面が多層半導体により構成されている場合に、当該半導体層境界面における測定光の多重反射による干渉を抑制することができる。したがって、受光部において測定光の光量を正確に検出することができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
光学ユニット１２は、図２に示すように照射部２１、集光レンズ２３、受光部２４、および光学窓２５を備える光学装置である。照射部２１は、測定光Ｌｂ１をプローブ管１１内部へ照射する光源装置である。照射部２１は、典型的には、赤外線レーザー発振装置やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）、紫外線領域の光を射出する重水素ランプ等、所定波長域光を射出する光源装置である。受光部２４は、測定光Ｌｂ１を受光面において受光する受光装置である。受光部２４は、典型的には、フォトダイオード等の光電変換装置である。集光レンズ２３は、測定光Ｌｂ１を受光部２４の受光面内に集光させるレンズ部材である。集光レンズ２３は、受光部２４の直前に配置される。受光部２４は、演算処理装置３０と電気的に接続され、受光した測定光Ｌｂ１に関する情報（例えば光量）を電気信号として演算処理装置３０へ送信する。光学窓２５は、測定光Ｌｂ１を透過する素材で形成された板状部材である。光学窓２５は、例えば、図２に示すように光学ユニット１２の筐体とプローブ管１１との連結箇所、すなわち照射部２１および集光レンズ２３の直前に配置され、照射部２１および集光レンズ２３を保護する部材である。なお、上述の反射鏡２２は、照射部２１から照射された測定光Ｌｂ１を受光部２４へ向けて反射するよう予めプローブ管１１内に配置される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
演算処理装置３０は、照射部２１および受光部２４の動作を制御すると共にプローブ管１１内の試料ガスＳｇの所定成分の濃度を受光部２４から受信した信号に基づいて算出する。演算処理装置３０は、典型的には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等の情報処理装置、メモリ等の記憶装置、ユーザーの操作を受け付けるインターフェース装置、分析結果を表示する表示装置等を備え、ユーザーの操作および記憶装置に記憶されたプログラムに基づいた演算処理を行う。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
さらに、プローブ管１１は、パージエアＰａを反射鏡２２の前面へ導入し、それを保護するパージエア導入パイプ１６を備える。このような構成によれば、プローブ管１１内の試料ガスＳｇや粉塵が反射鏡２２に触れることを防ぎ、反射鏡２２の汚れや腐食を抑制することができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
また、図２に示すようにプローブ管１１には、導入孔１１１の両端裏側（試料ガスＳｇの流れの上流側）に孔６７、６８が各々形成されている。このような孔６７、６８から試料ガスＳｇを流入させることにより、パージエアＰａがプローブ管１１の中央部に流入することを防止することができ、試料ガスＳｇと混ざり合って、導入孔１１１から排出される（ＳｇＰａ）。導入孔１１１は、パージエアＰａを排出する排出口としても用いられる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
フランジ１３は、試料ガスＳｇを排出する煙筒５００や、試料ガスＳｇが封入された容器に測定ユニット１を固定するための部材である（図２参照）。フランジ１３は、例えば、円盤板状の部材であり、プローブ管１１の一方端部側（光学ユニット１２と連結している側）において、プローブ管１１に貫通されるように設けられている。フランジ１３は、煙筒５００に例えばボルトを介して締結される。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
特に、プローブ方式のガス分析装置では、プローブ管内の限られた空間内に試料ガスおよびパージエアが導入されるため、測定光の伝搬空間中で試料ガスに対するパージエアが占める割合がオープンパス方式の装置に比べ高くなり易い。すなわち、プローブ方式のガス分析装置の方が、オープンパス方式の装置に比べ、熱レンズ効果による測定光の屈折が発生し易い。故に、本実施形態はプローブ方式の測定ユニットおよびこれを用いたガス分析装置に適用すると、より効果的である。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
なお、測定ユニット１においては、集光レンズ２３として開口数ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が０．０８以上のレンズを用いることが好ましい。受光部２４は、受光部２４の受光面と当該集光レンズ２３の光軸とが実質的に垂直となるよう配置して用いることが好ましい。開口数ＮＡは、集光レンズ２３が集光した光線の光軸に対する最大角度をφとし、集光レンズ２３と受光部２４との間の媒質の屈折率をｎとした場合、式（１）で表される値である。
ＮＡ＝ｎｓｉｎφ      …（１）
すなわち、開口数ＮＡは、集光レンズ２３の集光角の正弦に比例する値である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
また、測定ユニット１においては、集光レンズ２３の結像面に対する受光部２４の受光面の角度を傾斜角ωとした場合（図３参照）、傾斜角ωが１０（°）以上となるよう受光部２４を集光レンズ２３に対して傾斜して配置する。これにより、開口数ＮＡをいたずらに大きくせず、多重反射を抑えることができるので、集光レンズ２３と受光部２４との距離に関し、設計自由度を上げることができる。さらに、入射した光がそのまま反射して戻り、ノイズ成分となるようなことを防止することができる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
ここで、従来の技術では、受光部２４において測定光Ｌｂ１を受光する際に、上述図５に示した半導体層中において多重反射およびこれに伴う干渉（いわゆるエタロン効果）が生じ、測定光Ｌｂ１の光量に応じた電気信号を正確に得られない場合があった。より詳細には、受光部２４に入射した測定光Ｌｂ１は、ＡＲコート層２４１において一部が反射され、ＩｎＰウェハ層２４３中へ進行する。測定光Ｌｂ１は、ＩｎＰウェハ層２４３中においてＩｎＧａＡｓ吸収層２４２に一部吸収された後、これらの層を透過してパッケージ基板２４４の表面で反射される。パッケージ基板２４４の表面で反射された測定光Ｌｂ１は、再度ＩｎＰウェハ層２４３中およびＩｎＧａＡｓ吸収層２４２を透過し、ＡＲコート層２４１とＩｎＰウェハ層２４３との境界において再度反射する。このように、測定光Ｌｂ１が所定の入射角で受光部２４の受光面に入射した場合、受光部２４を構成する半導体層境界面において反射を繰り返し、反射測定光と入射測定光とが干渉する場合があった。そして、このような干渉が生ずると、受光部２４に入射する時点で測定光Ｌｂ１の強度が一定であったとしても、ＩｎＧａＡｓ吸収層２４２で吸収される光量が安定せず、受光部２４から得られる電気信号の大きさが安定しない場合があった。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
以下、測定ユニット１において、集光レンズ２３の開口数ＮＡおよび傾斜角ωの値を種々に変更して得られた実験結果を示す。図６は、第１の実施形態に係る測定ユニット１において集光レンズ２３および受光部２４の設定を変更し、各設定において得られた受光部２４の電気信号の安定性を示すグラフである。図６の縦軸は、対応する開口数ＮＡおよび入射角θにおいて測定した受光部２４の電気信号強度のピーク値およびボトム値の差分値ΔＥ（ａ．ｕ．）を示す。また、図６の横軸は、入射角θ（°）を示す。また、図６において、一点鎖線曲線はＮＡ値が０．０２のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示し、実線曲線はＮＡ値が０．０８のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示す。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
また、図６、図７に示すように、開口数ＮＡの値が０．０８以上である場合に入射角θを１０（°）以上とすると、差分値ΔＥを限りなく０に近い値に収束させることができることが解った。なお、図７は、図６の一部を拡大した図である。図７の縦軸および横軸は図６と同様のパラメータを表す。図７において、実線曲線はＮＡ値が０．０８のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示し、二点鎖線曲線はＮＡ値が０．１４のレンズを集光レンズ２３として用いた場合の差分値ΔＥを示す。
【国際調査報告】
2012161067.tif 000013
2012161067.tif 000014
2012161067.tif 000015
2012161067.tif 000016