(57)【要約】【課題】長期間に亙って安定してガス成分の計測ができるガス成分計測装置及びその光軸調整方法を提供する。【解決手段】被測定ガス１２に対して照射されるレーザ光１１により発生するラマン散乱から被測定ガス１２中のガス成分濃度を計測するガス成分計測装置において、前記被測定ガス１２にレーザ光１１を照射するレーザ装置１３と、前記被測定ガス１２が導入された測定領域１４内に照射されたレーザ光１１により発生するラマン散乱光１５を計測する分光部１６と、前記測定領域１４内に一時的に挿入され、ラマン散乱光以外の光１７を発生又は反射するニードル１８と、前記ラマン散乱光以外の光１７を検知する光検出器１９とを具備してなり、一時的に挿入されたニードル１８によるラマン散乱光以外の光１７の情報により、レーザ光１１の光軸調整、分光部の集光位置調整のいずれか一方又は両方を行う。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスに対して照射されるレーザ光により発生するラマン散乱から被測定ガス中のガス成分濃度を計測するガス成分計測装置において、
前記被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記被測定ガスが導入された測定領域内に照射されたレーザ光により発生するラマン散乱光を計測する分光部と、
前記測定領域内に一時的に挿入され、ラマン散乱光以外の光を発生又は反射するプローブと、
前記ラマン散乱光以外の光を検知する光検出器とを具備してなることを特徴とするガス成分計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
レーザ光が測定領域内に無いときに、レーザ装置のレーザ光の反射ミラー光軸調整又は集光レンズの位置の調整を行うことを特徴とするガス成分計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
レーザ出力計測部に位置検出手段を具備することを特徴とするガス成分計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
レーザ出力計測部を具備し、
レーザ装置のレーザ光の出力の補正を行うことを特徴とするガス成分計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つのガス成分計測装置を用い、
測定領域内にプローブを挿入し、
レーザ光の径の範囲にレーザ光が存在すると、正常な場合と判断し、
そのまま計測を継続し、
レーザ光が測定領域の範囲外にずれた場合には、レーザ装置のレーザ光の出力の補正を行うことを特徴とするガス成分計測装置の光軸調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス等の被測定ガス中のガス成分濃度を計測するガス成分計測装置及びその光軸調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガス中のガス成分の濃度をレーザ装置により計測することが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、レーザ装置は長期間に亙って連続計測することが求められており、その長寿命化が課題となっている。
とくに、レーザ出力の低下や光軸のずれによる、ラマン散乱光の発光効率の低下が問題となる。
そこで、長期間に亙って安定して計測が可能となるガス成分計測装置の出現が切望されている。
【０００５】
特に、レーザ装置は振動等の機械的な影響が大きな要因となり、産業設備に近接して設置し、排ガス等を直接計測する場合には、光軸の調整等が必要となり、その対策として簡易な光軸対策が望まれている。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑み、レーザ出力の低下や光軸のずれによる、ラマン散乱光の発光効率の低下を常に監視し、必要に応じて調整して、長期間に亙って安定してガス成分の計測ができるガス成分計測装置及びその光軸調整方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、被測定ガスに対して照射されるレーザ光により発生するラマン散乱から被測定ガス中のガス成分濃度を計測するガス成分計測装置において、前記被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、前記被測定ガスが導入された測定領域内に照射されたレーザ光により発生するラマン散乱光を計測する分光部と、前記測定領域内に一時的に挿入され、ラマン散乱光以外の光を発生又は反射するプローブと、前記ラマン散乱光以外の光を検知する光検出器とを具備してなることを特徴とするガス成分計測装置にある。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、レーザ光が測定領域に無いときに、レーザ装置のレーザ光の反射ミラー光軸調整又は集光レンズの位置の調整を行うことを特徴とするガス成分計測装置にある。
【０００９】
第３の発明は、第１又は２の発明において、レーザ出力計測部に位置検出手段を具備することを特徴とするガス成分計測装置にある。
【００１０】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、レーザ出力計測部を具備し、レーザ装置のレーザ光の出力の補正を行うことを特徴とするガス成分計測装置にある。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つのガス成分計測装置を用い、測定領域内にプローブを挿入し、レーザ光の径の範囲にレーザ光が存在すると、正常な場合と判断し、そのまま計測を継続し、レーザ光が測定領域の範囲外にずれた場合には、レーザ装置のレーザ光の出力の補正を行うことを特徴とするガス成分計測装置の光軸調整方法にある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ラマン散乱光以外の光を発生又は反射するプローブ（例えばニードル）と、前記ラマン散乱光以外の光を検知する光検出器とを具備してなるので、被測定ガスの測定領域内にレーザ光が確実に存在していることを常に監視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１４】
本発明による実施例に係る燃料ガス中の組成を計測するガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係るガス成分計測装置の概略図である。
図１に示すように、ガス成分計測装置１０は、被測定ガス１２に対して照射されるレーザ光１１により発生するラマン散乱から被測定ガス１２中のガス成分濃度を計測するガス成分計測装置において、前記被測定ガス１２にレーザ光１１を照射するレーザ装置１３と、前記被測定ガス１２が導入された測定領域１４内に照射されたレーザ光１１により発生するラマン散乱光１５を計測する分光部１６と、前記測定領域１４内に一時的に挿入され、ラマン散乱光以外の光１７を発生（図２参照；例えば蛍光、プラズマ光等）又は反射（例えばレーザ光の多重反射）するプローブであるニードル１８と、前記ラマン散乱光以外の光１７を検知する光検出器１９とを具備してなり、一時的に挿入されたニードル１８によるラマン散乱光以外の光１７の情報により、レーザ光１１の光軸調整、分光部の集光位置調整のいずれか一方又は両方を行うものである。
ここで、図１において、符号２０は被測定ガス１２が導入され、レーザ光１１を照射してガス成分を計測する測定チャンバ、２１はレーザ装置１３からのレーザ光１１を反射する反射ミラー、２２はレーザ光１１を集光する集光レンズ、２３はＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ、２４はデータ処理手段（ＣＰＵ）を各々図示する。
【００１５】
ここで、前記ラマン散乱光以外の光１７を発生（例えば蛍光、プラズマ光等）又は反射（例えばレーザ光の多重反射）するプローブであるニードル１８とは、例えばステンレス製のものを用い、鉄、ニッケル、クロム等の成分が合わさったプラズマ光を発生されるものとするのが好ましい。
また、ニードル１８の表面に蛍光剤を塗布又は、連続して供給することにより、蛍光を発生させるようにしてもよい。
【００１６】
また、図２に示すように、ニードル１８の挿入により発生するプラズマ光１７は光検出器１９で検出しており、検出器としては、例えば光電子増倍管、フォトダイオード等を挙げることができる。
前記プラズマ光１７はレーザ光が高いものとなるが、多重反射はレーザ光密度が低いものとなるので、計測対象に応じて光検出器１９の感度を調整するようにしている。
そして、後述するように、このニードル１８の挿入により、レーザ光１１が正しく、測定領域１４内に照射されているか否かを判断することができる。よって、この監視を所定期間毎行うようにすることで、レーザ光１１の光軸のずれを監視し、もしレーザ光の光軸がずれているような場合には、光軸調整を行うようにすることで、長期間に亙って連続して安定したガス成分の計測が可能となる。
【００１７】
ここで、レーザ装置１３からのレーザ光１１は、反射ミラー２１を介して測定チャンバ２０側へ反射させて、集光手段である集光レンズ２２により集光し、次いで測定チャンバ２０内へ送られ、測定領域１４内にレーザ光１１を入射させ、測定チャンバ２０内に導入される被測定ガス１２へ照射している。
なお、測定チャンバ２０は被測定ガス１２を内部に導入、保持又は排出させる機能を有するものであり、この導入は、生成ガスを送球する送給管の一部を又は送給管から分枝させて導入するようにしてもよい。
【００１８】
また、測定領域１４の中心部から散乱されたラマン散乱光１５は、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６で分光され、該分光部１６に接続されたＩＣＣＤカメラ２３により各波長の光の強度を計測する。
前記ＩＣＣＤカメラ２３からの計測データは、ＣＰＵ２４に送られ、ここで、例えばガス成分計測データとして取り出すようにしている。
【００１９】
本実施例では、被測定ガス１２としては、産業設備から排出される排ガスであればいずれでもよい。
一例として、バイオマスガス化ガスの計測チャート一例を図３に示す。図３に示すように、水素（Ｈ2）が８％、水（Ｈ2Ｏ）が６２％、二酸化炭素（ＣＯ2）が１２％、一酸化炭素（ＣＯ）が６％、メタン（ＣＨ4）が１％、窒素（Ｎ2）が１２％である。なお割合はチャートからの計算による。
【００２０】
以下に、レーザ装置を用いたガス成分計測装置１０の各構成部材について説明する。
先ず、レーザ光１１を出力し被測定ガス１２へ照射する機能を有するレーザ装置１３について説明する。
レーザ装置１３は、レーザ発振によりレーザ光１１を出力するものであり、使用するレーザにより、レーザ光１１の波長は、所望のものを使用できる。
本発明では、波長が可視光域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）のものを使用するのが好ましい。ここでは、５３２ｎｍのものを用いている。
【００２１】
なお、測定チャンバ２０内に設けられるパワーメータ２６は、レーザ装置１３から出力されるレーザ光１１の進行方向上に設けられており、レーザ光１１の出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ装置１３の出力を調整する。
なお、パワーメータの代わりに、レーザ光プロファイラを設置してレーザ光の光軸のずれを検知するようにしてもよい。
これにより、レーザ光の位置検出精度が向上し、光軸修正を迅速に行うことが可能となる。ただし、劣悪環境では不向きである。
【００２２】
また、反射ミラー２１は、出力されたレーザ光１１の進行方向を、被測定ガス１２の存在する計測チャンバ２０の方向へ、反射により向けさせるミラーである。このミラー２１の角度を調整することにより、測定領域１４内で任意の位置での計測を可能としている。
【００２３】
次に、レーザ光１１が照射できるような形で被測定ガス１２を保持又は流通させる機能を有する測定チャンバ２０について説明する。測定チャンバ２０は、計測される被測定ガス１２が内部に存在しており、それを外部（レーザ部や分光器を含む）にリークさせないような構造をしている。なお、測定用のレーザ光１１及び被測定ガス１２からのラマン散乱光１５は、第１の窓２７−１及び第２の窓２７−２から出入りする。
【００２４】
第２の窓２７−２は、被測定ガス１２を外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓をレーザ光１１が透過できるようにするためである。なお、この窓は二重にしており、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにしている。
【００２５】
また、測定チャンバ２０のレーザ光１１の通路には、電磁弁（図示せず）が設けられており、通常は、閉じている。これは、長期間に亙って測定チャンバ２０側の第２の窓２７−２を被測定ガス１２に曝しておくと、該被測定ガス１２中の不純物により、第２の窓２７−２が汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。なお、前記電磁弁は測定時には開口される。
【００２６】
測定チャンバ２０は、レーザ光１１の進行方向上の被測定ガス１２が存在している測定領域１４を含む場所であり、該測定領域１４に存在する被測定ガス１２にレーザ光１１が照射されることにより測定がなされる。ただし、被測定ガス１２は、この場所で留まっている必要は無く、ガス供給用の配管の途中であって、その配管中をガスが滞留することなく流れている（動いている）状態であっても測定可能である。
【００２７】
次に、被測定ガス１２からのラマン散乱光１５を分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光部１６について説明する。ここで、測定領域１４の中心部から散乱されたラマン散乱光１５は、レーザ光１１からある角度をなして、第２の窓２７−２及び第１の窓２７−１を経由して分光部１６へ入る。
【００２８】
上記分光部１６内に設けられる偏光子（図示せず）は、特定の偏光面を持つ散乱光のみを進行方向は変えずに透過させる偏光手段であり、この偏光子で透過した散乱光は、集光レンズ（図示せず）により集光された後に、フィルタ（図示せず）により、特定の波長の散乱光のみ透過させるようにしている。本実施の形態では、５７０〜７００ｎｍの領域の光が透過するフィルタを使用する。
【００２９】
そして、特定の波長領域となったラマン散乱光１５は分光部１６で分光され、ここに接続されているＩＣＣＤカメラ２３により、光の強度を計測している。そして、このＩＣＣＤカメラ２３は光電子増倍型のデバイスであり、ここで分光部１６により分光された各波長の光の強度を計測するようにしている。
【００３０】
図４は、ガス成分計測装置１０により、レーザ光の光軸のずれを調整する手法を図示するものであり、レーザ装置１３とＩＣＣＤカメラ２３とニードル１８とを同期させている模式図である。
先ず同期装置からは３つのタイミング信号を出す。これらの信号を信号１〜３として表すと、信号１はレーザ装置１３からの発振タイミングを制御する信号であり、信号２はＩＣＣＤカメラ２３からの撮影タイミングを制御する信号であり、信号３はニードル１８の動作を制御する信号である。
先ず、同期装置から信号１及び２が出力され、レーザ装置１３及びＩＣＣＤカメラ２３にそれぞれ入力される。
レーザ装置１３は、信号１の入力後、レーザ発振がなされる（信号１入力後、レーザ発振されるまでに遅延時間は、ナノ秒オーダと短いために考慮しない）。
例えば同期装置より発振される信号１の信号が１０Ｈｚであったとすると、レーザ発振は１秒間に１０回の周期で発振される。レーザ発振の後、ナノ秒オーダで燃料ガス成分のラマン散乱光１５がＩＣＣＤカメラ２３に届くので、当該ＩＣＣＤカメラ２３のシャッターを開く。
このとき、本例においては、例えば９回分を被測定ガスのラマン散乱光１５の検出のために用い、残りの１回をニードル挿入のために使用するようにしている。
なお、このときのニードル挿入時間は１００ｍｓ未満となる。
挿入されたニードル１８により発生した光（プラズマ光等）を光検出器１９で検出する。
これにより、ラマン散乱光１５の測定領域１４におけるレーザ光１１の位置をオンラインで確認することができる。
【００３１】
次に、ニードル挿入と光軸調整について図１、図２及び図５を参照しつつ説明する。
図５はその監視及び調整のフローチャートである。
図２及び図５に示すように、測定領域１４内にニードル１８を挿入する（Ｓ１１）。
次に、光検出器１９でプラズマ光１７を検出し、レーザ光１１の光軸のずれが無い（正常）か、光軸のずれが有る（異常）か否かを判断する（Ｓ１２）。
光軸のずれが無い（正常）の場合には、計測を続行する。
これに対し、光軸のずれが有る（異常）の場合には、レーザ光の光軸調整（反射ミラー２１、集光レンズ２２）を行う（Ｓ１３）。
再度、ニードル挿入操作を行い、光軸のずれが許容されるまで光軸調整を行う。
【００３２】
ここで、光軸のずれの有無の判断の手法について図６を参照しつつ説明する。
図６に示すように、測定領域１４内にニードル１８を挿入する様子を示す模式図である。なお、図１では、ニードル１８を図示しているが、これは構成を説明するものであり、実際の挿入は、図６において紙面に鉛直な方向をレーザ光１１の光軸とすると、この光軸に対して直交する鉛直方向（紙面では上から下への方向）から挿入するようにしている。
よって、正常な範囲であると、レーザ光の径（略３ｍｍ）の範囲にレーザ光が存在すると、正常な場合として、判断される。
そして、レーザ光が測定領域の上側（［１］方向）にずれた場合には、出力が大きくなる。これに対して、レーザ光が測定領域の下側、左右側（［２］〜［４］方向）にずれた場合には、出力が小さくなる。
【００３３】
よって、出力が所定範囲の場合（例えば出力１００±１０％）と判断された場合には、光軸調整は行わず、計測モードに切替て、ガス成分を計測するようにしている。
これに対し、出力が所定範囲を超えた場合（例えば出力１００±１０以上）と判断された場合には、光軸調整を行なう。そして、この光軸調整モードを継続し、所定範囲内にあることを確認してから、計測モードに切替て、ガス成分を計測するようにしている。
【００３４】
この計測モードは、一日に２〜３回、又は数回行うようにすればよいが、レーザ装置の設置環境が劣悪の場合等、光軸調整が頻繁に必要であると判断される場合には、さらに回数を増加するようにすればよい。
【００３５】
図７はレーザ光によるラマン散乱信号強度とレーザ出力との相関関係を示す図であり、レーザ出力が低下すると、それに比例してラマン散乱が低下することが確認できる。
よって、前述したレーザ装置の光軸調整と共に、レーザ出力の低下の有無を確認することにより、常に適正なラマン散乱信号強度を計測することとなる。
ここで、レーザ装置の出力の調整は、電圧値の補正又は電流値の補正を行うことで対応できる。電圧により制御する場合としては、フラッシュランプ励起型レーザ装置等があり、電流により制御する場合としては、レーザダイオード励起型レーザ装置等がある。
【００３６】
本発明にかかるガス成分計測装置は、例えば加圧流動床ボイラ、ガス化炉、コークス炉等からの生成ガスの組成の計測や、例えばタービンやガスエンジン、各種ボイラに供給される導入ガスの気相成分濃度を計測する際において、レーザ光の光軸を常に監視することで長期間に亙って安定してガス成分計測を行うことができることとなる。
また、発電プラントのみならず、化学プラントから得られる有用ガス（例えばＧＴＬ）の気相成分濃度を計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明のガス成分計測装置によれば、係る長期間に亙って安定してガス成分の計測ができ、種々の気相成分濃度の計測を安定してできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図２】実施例に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図３】バイオマスガス化ガスの計測チャートである。
【図４】レーザ装置とＩＣＣＤカメラとニードルとを同期させている模式図である。
【図５】監視及び調整のフローチャートである。
【図６】光軸のずれの有無の判断の手法の説明図である。
【図７】ラマン散乱信号強度とレーザ出力との相関関係図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガス成分計測装置
１１  レーザ光
１２  被測定ガス
１３  レーザ装置
１４  測定領域
１５  ラマン散乱光
１６  分光部
１７  ラマン散乱光以外の光
１８  ニードル
１９  光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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