(57)【要約】【課題】リアルタイム且つ連続的な測定を可能にする。【解決手段】測定対象ガスの流路１に挿入され、測定対象ガス中に照射された信号光を反射させて往復させる第１の反射鏡２を有するプローブ３と、測定対象ガス中の硫黄酸化物（ターゲットガス）に吸収される波長帯域のレーザ光４を照射し且つその波長を走査可能な光源５と、レーザ光４の光路を切り替えて信号光と参照光とを交互に発生させる光路切換器６と、測定対象ガス中を通り抜けた信号光と参照光の強度を測定する光検出器７と、光検出器７によって測定された信号光強度及び参照光強度に基づいて測定対象ガス中の硫黄酸化物の濃度を求める演算部８を備えている。【選択図】図１
2010185694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガスの流路に挿入され、前記測定対象ガス中に照射された信号光を反射させて往復させる第１の反射鏡を有するプローブと、前記測定対象ガス中のターゲットガスに吸収される波長帯域のレーザ光を照射し且つその波長を走査可能な光源と、前記レーザ光の光路を切り替えて前記信号光と参照光とを交互に発生させる光路切換器と、前記測定対象ガス中を通り抜けた前記信号光と前記参照光の強度を測定する光検出器と、前記光検出器によって測定された信号光強度及び参照光強度に基づいて前記測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を求める演算部を備えることを特徴とするガス濃度測定装置。
【請求項２】
前記光路切換器は、前記光源から照射されたレーザ光を前記プローブ経由で前記光検出器に入射させる第１の位置と、前記光源から照射された前記レーザ光を前記プローブを経由させずに前記光検出器に入射させる第２の位置とを有し、前記第１の位置と前記第２の位置に交互に移動する光チョッパであることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記光路切換器は、前記光源から照射されたレーザ光を前記信号光と前記参照光とに分割する分割器と、前記信号光の光路上に配置された第１の光変調器と、前記参照光の光路上に配置された第２の光変調器とを備え、前記第１の光変調器と前記第２の光変調器は交互に開閉されるものであることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記第１の反射鏡の前方に周囲を壁で囲まれた空間を形成すると共に、前記空間にクリーニングガスを供給して前記空間内の圧力を周辺の圧力よりも高くすることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記プローブは、前記第１の反射鏡を前記信号光の光路に沿って移動させる駆動手段を備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記ターゲットガスは硫黄酸化物であることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度測定装置に関する。更に詳しくは、本発明は、測定対象ガス中にレーザ光を照射し、その波長を走査して得られる吸収特性に基づいて測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所から排出される燃焼排ガスに含まれるＳＯ３濃度の測定装置として、例えば、特開２００３−２３２７５８号公報に記載されたものがある。このＳＯ３濃度の測定装置では、図９に示すように、煙道１０１中の燃焼排ガスをスパイラル管１０２に取り込んで冷却部１０３によって冷却し、燃焼排ガス中のＳＯ３をＨ２ＳＯ４としてスパイラル管１０２の内壁に結露させる。そして、Ｈ２ＳＯ４を水洗回収し、回収したＨ２ＳＯ４水溶液の電気伝導度を伝導度計測槽１０４内の伝導計１０５によって測定し、Ｈ２ＳＯ４濃度を算出する。その後、算出したＨ２ＳＯ４濃度に基づいて燃焼排ガス中のＳＯ３を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３２７５８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記測定装置では、燃焼排ガス中のＳＯ３をＨ２ＳＯ４として結露させた後、Ｈ２ＳＯ４水溶液として水洗回収して電気伝導度を測定するので、煙道１０１中に流れている燃焼排ガス中のＳＯ３濃度をリアルタイム且つ連続的に測定することはできない。
【０００５】
本発明は、燃焼排ガス中の硫黄酸化物の濃度等、測定対象ガスに含まれるターゲットガスの濃度をリアルタイム且つ連続的に測定することができるガス濃度測定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】
【０００６】
かかる目的を達成するために、請求項１記載のガス濃度測定装置は、測定対象ガスの流路に挿入され、測定対象ガス中に照射された信号光を反射させて往復させる第１の反射鏡を有するプローブと、測定対象ガス中のターゲットガスに吸収される波長帯域のレーザ光を照射し且つその波長を走査可能な光源と、レーザ光の光路を切り替えて信号光と参照光とを交互に発生させる光路切換器と、測定対象ガス中を通り抜けた信号光と参照光の強度を測定する光検出器と、光検出器によって測定された信号光強度及び参照光強度に基づいて測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を求める演算部を備えるものである。
【０００７】
したがって、光源から照射されるレーザ光は、光路切換器の光路切り換えによって信号光又は参照光になる。信号光は測定対象ガスの流路内に挿入されたプローブに向けて照射され、流路内を流れる測定対象ガス中を通過して第１の反射鏡に反射されて戻ってくる。この戻り光の強度を光検出器で測定する。また、参照光は、流路内の測定対象ガスに触れずに光検出器に入射される。光検出器はこの入射光の強度を測定する。光路切換器は信号光と参照光とを交互に発生させるので、測定対象ガス中のターゲットガスによる吸収を受けた信号光と、そのような吸収を受けていない参照光の強度を測定することができる。光源はレーザ光の波長を走査し、各波長毎に信号光強度及び参照光強度が測定される。この測定結果に基づいて演算部がターゲットガスの濃度を求める。
【０００８】
また、請求項２記載のガス濃度測定装置は、光路切換器を、光源から照射されたレーザ光をプローブ経由で光検出器に入射させる第１の位置と、光源から照射されたレーザ光をプローブを経由させずに光検出器に入射させる第２の位置とを有し、第１の位置と第２の位置に交互に移動する光チョッパとしている。
【０００９】
したがって、光チョッパである光路切換器が第１の位置に移動すると、光源から照射されたレーザ光は信号光となり、測定対象ガス中を通過して光検出器に入射される。また、光路切換器が第２の位置に移動すると、光源から照射されたレーザ光は参照光となり、測定対象ガスを通過せずに光検出器に入射される。光チョッパは回転しており、第１の位置と第２の位置に交互に移動するので、信号光と参照光とが交互に発生され、光検出器によってそれらの強度が測定される。
【００１０】
また、請求項３記載のガス濃度測定装置は、光路切換器が光源から照射されたレーザ光を信号光と参照光とに分割する分割器と、信号光の光路上に配置された第１の光変調器と、参照光の光路上に配置された第２の光変調器とを備え、第１の光変調器と第２の光変調器は交互に開閉されるものである。
【００１１】
したがって、光源から照射されたレーザ光は分割器によって信号光と参照光に分割される。信号光の光路上の第１の光変調器を開き、参照光の光路上の第２の光変調器を閉じると、信号光のみが光検出器に到達する。一方、第１の光変調器を閉じ、第２の光変調器を開くと、参照光のみが光検出器に到達する。第１の光変調器と第２の光変調器は交互に開閉されるため、光検出器に到達するレーザ光の光路が切り換えられて光信号と参照光の強度が交互に測定される。
【００１２】
また、請求項４記載のガス濃度測定装置は、第１の反射鏡の前方に周囲を壁で囲まれた空間を形成すると共に、その空間にクリーニングガスを供給して当該空間内の圧力を周辺の圧力よりも高くするものである。したがって、第１の反射鏡の前方の空間に周辺から測定対象ガスが流れ込むのを防止することができ、ガス中のすすや粉塵等が第１の反射鏡に付着するのを防止できる。
【００１３】
さらに、請求項５記載のガス濃度測定装置は、プローブは、第１の反射鏡を信号光の光路に沿って移動させる駆動手段を備えるものである。したがって、駆動手段が第１の反射鏡を移動させると、測定対象ガス中の信号光の光路長が増減する。光路長を変化させて信号光の吸収を測定すると濃度の積分値の関数となるため、光路長に対して微分演算を行なうことにより濃度分布を求めることができる。
【００１４】
また、請求項６記載のガス濃度測定装置は、ターゲットガスを硫黄酸化物としている。したがって、測定対象ガス中の硫黄酸化物の濃度を測定することができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載のガス濃度測定装置では、リアルタイム且つ連続的に測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を測定することができる。
【００１６】
また、請求項２記載のガス濃度測定装置では、光チョッパが光路切換器であるので、機械的な構成でレーザ光を信号光と参照光とにすることができる。また、レーザ光を信号光又は参照光に切り換えて使用するので、発生させたレーザ光を有効に使用することができる。
【００１７】
また、請求項３記載のガス濃度測定装置では、電気光学的にレーザ光を信号光と参照光とにすることができ、その制御が容易である。
【００１８】
また、請求項４記載のガス濃度測定装置では、第１の反射鏡の表面を清浄な状態に維持することができる。そのため、測定対象ガス中のターゲットガスによる吸収以外に信号光強度が減少するのを防止することができ、より正確にターゲットガスの濃度を測定することができる。
【００１９】
さらに、請求項５記載のガス濃度測定装置では、流路のターゲットガスの濃度分布を求めることができる。
【００２０】
また、請求項６記載のガス濃度測定装置では、ターゲットガスを硫黄酸化物としているので、測定対象ガス中の硫黄酸化物の濃度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のガス濃度測定装置の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】同測定装置による測定の様子を示し、（Ａ）は信号光を照射している状態の概念図、（Ｂ）は参照光を照射している状態の概念図である。
【図３】第１の反射鏡の汚れ防止機構を拡大して示す断面図である。
【図４】流入防止機構を拡大して示す断面図である。
【図５】光路切換器としての光チョッパの遮光板を示し、（Ａ）は第１の位置に移動した状態の正面図、（Ｂ）は第２の位置に移動した状態の正面図である。
【図６】チョッパ同期信号からトリガ信号を生成する手順の説明図であり、（Ａ）はチョッパ同期信号、（Ｂ）は信号光用ゲート信号、（Ｃ）は参照光用ゲート信号、（Ｄ）はレーザ同期信号、（Ｅ）は信号光用トリガ信号、（Ｆ）は参照光用トリガ信号である。
【図７】本発明のガス濃度測定装置の他の実施形態を示し、（Ａ）は信号光を照射している状態の概念図、（Ｂ）は参照光を照射している状態の概念図である。
【図８】本発明のガス濃度測定装置の更に他の実施形態を示し、第１の反射鏡を移動させる駆動手段の断面図である。
【図９】従来のＳＯ３濃度測定装置を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１〜図６に、本発明のガス濃度測定装置の実施形態の一例を示す。ガス濃度測定装置は、測定対象ガスの流路１に挿入され、測定対象ガス中に照射された信号光を反射させて往復させる第１の反射鏡２を有するプローブ３と、測定対象ガス中のターゲットガスに吸収される波長帯域のレーザ光４を照射し且つその波長を走査可能な光源５と、レーザ光４の光路を切り替えて信号光と参照光とを交互に発生させる光路切換器６と、測定対象ガス中を通り抜けた信号光と参照光の強度を測定する光検出器７と、光検出器７によって測定された信号光強度及び参照光強度に基づいて測定対象ガス中のターゲットガスの濃度を求める演算部８を備えるものである。光源５はプローブ３に向けて設置されている。光路切換器６は光源５とプローブ３の間に設置されている。光検出器７は、光源５の光軸に対して直交する方向から光路切換器６に対向するように設置されている。また、光路切換器６を挟んで光検出器７の反対側には第２の反射鏡９が設置されている。光源５、光路切換器６、光検出器７、第２の反射鏡９は、ケーシング１０に収容されている。
【００２４】
本実施形態のガス濃度測定装置は硫黄酸化物測定装置であり、ターゲットガスは硫黄酸化物である。
【００２５】
プローブ３は例えば細長い円筒形状を成しており、第１の反射鏡２はプローブ３の先端３ａに基端３ｂ側に向けた状態で、換言すると光源５に向けた状態で収容されている。プローブ３の基端３ｂ近傍部の外周面には流路１への取付用のフランジ３ｃが設けられており、フランジ３ｃよりも先端３ａ側は流路１内に挿入される。プローブ３の流路１への挿入部分には、径方向に、より具体的には測定対象ガスが流れる方向に貫通し流路１内を流れる測定対象ガスが流れるガス通路３３となる長孔３ｄが形成されている。長孔３ｄはプローブ３の両端３ａ，３ｂからある程度離れた位置に形成されている。したがって、プローブ３内にはガス通路３３の両脇に周囲を周壁３ｅで囲まれた空間１１，１２が形成される。また、プローブ３の基端３ｂはケーシング１０の壁１０ａの光源５に対向する位置に取り付けられている。壁１０ａのプローブ３取付位置には窓１０ｂが設けられており、光源５から出射されたレーザ光４は窓１０ｂを通ってプローブ３内に進入し且つプローブ３内からケーシング１０内に戻る。
【００２６】
光源５は、ターゲットガスである硫黄酸化物に吸収される波長帯域、例えば波長７．０〜７．５μｍの赤外域のレーザ光４を発生させる波長可変赤外レーザ、例えば量子カスケードレーザである。光源５はプローブ３に向けてレーザ光４を照射する。
【００２７】
本実施形態の光路切換器６は、光源５から照射されたレーザ光４をプローブ３経由で光検出器７に入射させる第１の位置１３（図５（Ａ））と、光源５から照射されたレーザ光４をプローブ３を経由させずに光検出器７に入射させる第２の位置１４（図５（Ｂ））とを有し、第１の位置１３と第２の位置１４に交互に移動する光チョッパである。本実施形態では、遮光板に光源５から照射されたレーザ光４を信号光としてプローブ３内の第１の反射鏡２に向けて通過させる第１の孔１５と、第１の反射鏡２によって反射された信号光を光検出器７に向けて反射させる第１の反射部１６とを設け、これらがレーザ光４の光軸に一致する位置が第１の位置１３となっている。また、遮光板に光源５から照射されたレーザ光４を参照光として第２の反射鏡９に向けて反射させる第２の反射部１７と、第２の反射鏡９によって反射された参照光を光検出器７に向けて通過させる第２の孔１８とを設け、これらがレーザ光４の光軸に一致する位置が第２の位置１４となっている。図５に破線の円で示すように、第１の孔１５と第２の反射部１７は同一円周上に設けられ、第１の反射部１６と第２の孔１８は同一円周上に設けられている。本実施形態では、第１の孔１５及び第２の反射部１７を第１の反射部１６及び第２の孔１８よりも内側に形成しているが、第１の孔１５及び第２の反射部１７を第１の反射部１６及び第２の孔１８よりも外側に形成しても良い。
【００２８】
第１の位置１３となる第１の孔１５及び第１の反射部１６と、第２の位置１４となる第２の反射部１７及び第２の孔１８とは、周方向に等間隔で交互に設けられている。本実施形態では、これらを３０度間隔で交互に６箇所ずつ設けている。ただし必ずしも６箇所ずつに限るものではなく、他の数でも良い。光路切換器６は、光源５の光軸に対して例えば４５度だけ傾斜した状態で設けられている。
【００２９】
光検出器７はレーザ光４の強度を測定し、その測定信号を演算部８に供給する。演算部８は例えばマイクロコンピュータによって構成されている。演算部８は、例えば次の手順で測定対象ガス中のＳＯ２濃度とＳＯ３濃度を算出する。演算部８は算出手順を示すプログラムや予め測定しておいたターゲットガスの単位濃度当たりの吸収量ａ，ａ’等のデータ等を記憶装置に記憶しており、それらのデータを参照しながら当該プログラムを実行して濃度を算出する。
【００３０】
光路中のレーザ光４を吸収する物質がＳＯ２とＳＯ３のみであると仮定すると、数式１の関係が成立する。
〈数１〉
Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ［−ａｎＬ−ａ’ｎ’Ｌ］
ここで、Ｉ：第１の反射鏡２によって反射されたレーザ光を光検出器７によって測定した信号光強度、Ｉ０：第２の反射鏡９によって反射されたレーザ光を光検出器７によって測定した参照光強度、Ｌ：信号光の光路長、ｎ：光路中のＳＯ２濃度、ｎ’：ＳＯ３濃度、ａ：ＳＯ２の単位濃度当たりの吸収量、ａ’：ＳＯ３の単位濃度当たりの吸収量である。なお、ａ，ａ’は濃度や光路長に依存しない。
【００３１】
吸収量ａ，ａ’を決定するには、測定対象ガスの測定前に信号光を既知のＳＯ２濃度ｎａを入れた長さＬａのガスセルを透過させ、信号光強度Ｉａ，参照光強度Ｉ０ａを測定する。すると、数式２からａが求まる。レーザ光４の波長を走査すると波長毎の係数ａが得られる。
〈数２〉
Ｉａ＝Ｉ０ａｅｘｐ［−ａｎａＬａ］
【００３２】
数式２より数式３が得られる。
〈数３〉
ａ＝（１／ｎａＬａ）ｌｏｇｅ（Ｉ０ａ／Ｉａ）
【００３３】
同様に，上記セルに既知のＳＯ３濃度ｎａ’を入れ、信号光強度Ｉａ’、参照光強度Ｉ０ａ’を測定する。すると、数式４からａ’が求まる。レーザ光４の波長を走査すると波長毎の係数ａ’が得られる。
〈数４〉
Ｉａ’＝Ｉ０ａ’ｅｘｐ［−ａ’ｎａ’Ｌａ］
【００３４】
数式４より数式５が得られる。
〈数５〉
ａ’＝（１／ｎａ’Ｌａ）ｌｏｇｅ（Ｉ０ａ’／Ｉａ’）
【００３５】
次に、測定対象ガス測定時における数式１を数式６に書き換える。
〈数６〉
ｎａ＋ｎ’ａ’＝（１／Ｌ）ｌｏｇｅ（Ｉ０／Ｉ）
数式６の左辺はガスセルを用いた測定で得られた結果の線形関数であり，右辺は測定対象ガス中における測定で得られた結果である。
【００３６】
レーザ光４の波長ｗを走査し、波長毎にＩ０，Ｉを測定する。すると、数式６は行列の演算式ｎＡ＋ｎ’Ａ’＝Ｂとなる。ここで、Ａ，Ａ’は数式２，数式４で求められた波長毎のａ，ａ’を並べたベクトル、Ｂは数式６の右辺を波長毎に並べたベクトルである。よって、係数ｎ，ｎ’は最小二乗法などの最適化演算によって決定することができ、ＳＯ２濃度ｎとＳＯ３の濃度ｎ’が決定される。なお、最小二乗法の最適化演算の場合、数式７が最小となるｎ，ｎ’の値を求める。ここで，Ｅはガスセルを用いた測定で得られた結果の線形関数と測定対象ガス中における測定で得られた結果の偏差である。
〈数７〉
Ｅ＝‖ｎＡ＋ｎ’Ａ’−Ｂ‖２
【００３７】
本実施形態のガス濃度測定装置は、第１の反射鏡２の汚れ防止機構を備えている。汚れ防止機構は、例えば第１の反射鏡２の前方に周囲を壁で囲まれた空間１１を形成すると共に、空間１１にクリーニングガスを供給して空間１１内の圧力を周辺の圧力よりも高くするものである。本実施形態では、図３に示すように、第１の反射鏡２の前方にプローブ３の周壁３ｅで囲まれた空間１１を形成している。空間１１を囲む位置の周壁３ｅには周方向に沿って複数の空気孔１９が形成されている。各空気孔１９の周囲には環状通路２０が取り付けられている。環状通路２０には送風管２１が接続され、送風管２１は流路１の外に設けられたコンプレッサ２２に接続される。コンプレッサ２２を作動させて送風管２１から空間１１内に空気を供給し、空間１１内の圧力をその周囲の圧力よりも高くすると、測定対象ガスが空間１１内に流入するのを防止することができ、測定対象ガスに含まれるすすや塵埃等が第１の反射鏡２に付着してこれを汚すのを防止することができる。
【００３８】
また、本実施形態のガス濃度測定装置は、ケーシング１０内への測定対象ガスの流入を防止する流入防止機構を備えている。流入防止機構は、例えばプローブ３の基端３ｂに周囲を壁で囲まれた空間１２を形成すると共に、空間１２にクリーニングガスを供給して空間１２内の圧力を周囲の圧力よりも高くするものである。本実施形態では、図４に示すように、ケーシング１０の窓１０ｂの前方にプローブ３の周壁３ｅで囲まれた空間１２を形成している。空間１２を囲む位置の周壁３ｅには周方向に沿って複数の空気孔２３が形成されている。各空気孔２３の周囲には環状通路２４が取り付けられている。環状通路２４には送風管２１の途中から分岐した分岐管２５が接続される。コンプレッサ２２を作動させて送風管２１を介して分岐管２５から空間１２内に空気を供給し、空間１２内の圧力をその周囲の圧力よりも高くすると、測定対象ガスが空間１２内に流入するのを防止することができ、測定対象ガスが窓１０ｂからケーシング１０内に流入するのを防止することができる。
【００３９】
本実施形態のガス濃度測定装置における第１の反射鏡２の汚れ防止機構およびケーシング１０内への測定対象ガスの流入防止機構は、測定対象ガスを空間１１および１２内に流入するのを防止することにより当該ガスが存在する領域をガス通路３３の空間のみに留めることから、信号光の測定対象ガス中の光路長Ｌがガス通路３３の長さの２倍となることを定める。２倍となるのは信号光がガス通路３３内を往復するためである。
【００４０】
ガス濃度測定装置は、例えば火力発電で発生する燃焼排ガス中に含まれる硫黄酸化物、具体的にはＳＯ２とＳＯ３の濃度を測定するのに使用される。即ち、測定対象ガスは例えば燃焼排ガスであり、流路１は例えばボイラからの煙道である。流路１の測定位置には例えば筒状の固定部２６が設けられており、固定部２６内の奥にはプローブ３を挿入するための孔１ａが形成されている。プローブ３を固定部２６内に挿入し、更に孔１ａから流路１内に挿入し、固定部２６のフランジ２６ａにガス濃度測定装置のフランジ３ｃを固定することで、測定位置からの測定対象ガスの漏洩を防止した状態でガス濃度測定装置を取り付けることができる。ガス濃度測定装置を取り付けると、長孔３ｄは流路１内に位置する。プローブ３は、例えば測定対象ガスの流れに対し直交するように挿入される。
【００４１】
次に、ガス濃度測定装置による測定について説明する。
【００４２】
プローブ３を流路１内に挿入した状態では長孔３ｄのガス通路３３内を測定対象ガスが通過する。この状態でコンプレッサ２２及び光路切換器６を作動させ、光源５からレーザ光４を出射する。レーザ光４はパルス状に出射される。
【００４３】
光路切換器６が第１の位置１３に移動している状態で光源５から出射されたレーザ光４は第１の孔１５を通り抜けてプローブ３内に進入し、第１の反射鏡２に反射されてケーシング１０内に戻る（図２（Ａ））。このとき、レーザ光４はガス通路３３内を通り抜ける測定対象ガス中を透過することになる。即ち、レーザ光４は信号光としてプローブ３内を往復する。信号光の光軸は第１の反射鏡２によって反射される際に若干ずれるので、ケーシング１０内に戻ってきた信号光は光路切換器６の第１の反射部１６に当たり、光検出器７に向けて反射される。
【００４４】
一方、光路切換器６が第２の位置１４に移動している状態で光源５から出射されたレーザ光４は光路切換器６の第２の反射部１７に当たり、参照光として第２の反射鏡９に向けて反射される（図２（Ｂ））。そして、参照光は第２の反射鏡９によって反射されて戻ってくる。参照光の光軸は第２の反射鏡９によって反射される際に若干ずれるので、戻ってきた参照光は第２の孔１８を通過して光検出器７に入射される。光路切換器６は回転しており、第１の位置１３と第２の位置１４とに交互に移動するので、位置１３，１４の切り替わり周期に同期して信号光と参照光とが交互に発生され、光検出器７によって信号光と参照光の強度が測定される。
【００４５】
光路切換器６の各位置１３，１４の開始端及び終了端では、レーザ光４の一部が各孔１５，１８の縁に当たり強度が減少する。このようなレーザ光４の強度変動を抑制するために、各位置１３，１４の開始端及び終了端では強度測定を行なわないようにする。その概念を図６に示す。同図（Ａ）は光路切換器６が発生させる、又は図示しない外部の信号発生部から供給されるチョッパ同期信号である。更に光路切換器６はチョッパ同期信号の第１の位置１３の立ち上がり，立ち下がりがそれぞれ時間ｔだけ短くなる信号光用ゲート信号（同図（Ｂ））と、第２の位置１４の立ち上がり，立ち下がりがそれぞれ時間ｔだけ短くなる参照光用ゲート信号（同図（Ｃ））を発生させ、演算部８に供給する。
【００４６】
光源５は、レーザ光４照射の基準となるレーザ同期信号を発生させている（同図（Ｄ））。レーザ同期信号の周波数はチョッパ同期信号の周波数よりも十分大きい。演算部８は、レーザ同期信号と信号光用ゲート信号の論理的なＡＮＤ演算を行なって信号光用トリガ信号（同図（Ｅ））を発生させると共に、レーザ同期信号と参照光用ゲート信号の論理的なＡＮＤ演算を行なって参照光用トリガ信号（同図（Ｆ））を発生させる。さらに、演算部８は、信号光用トリガ信号と参照光用トリガ信号に同期して光検出器７の出力信号を記録する。これにより、光路切換器６の各位置１３，１４の開始端及び終了端において照射され、光路切換器６によって減衰されたレーザ光４に対応する光検出器７の出力信号は演算部８によって記録されず、信号光信号や参照光信号として使用されるのを防止することができる。なお、例えばチョッパ同期信号は２０〜２５Ｈｚ、レーザ同期信号は１００ｋＨｚ、時間ｔは２ｍｓである。
【００４７】
信号光と参照光の強度測定は、レーザ光４の波長を走査して各波長毎に行なわれる。演算部８は各波長毎の測定値に基づいてＳＯ２濃度とＳＯ３濃度を算出する。本発明は測定対象ガス中に信号光を透過させその光強度を測定するだけであり、極めて短時間で測定を行なうことができるので、測定対象ガス中のＳＯ２濃度とＳＯ３濃度をリアルタイム且つ連続的に測定することができる。特に、流れている測定対象ガス中のＳＯ２濃度，ＳＯ３濃度が常に変動する場合等には、リアルタイム且つ連続的な測定は有効である。
【００４８】
また、測定中に腐食性の高いＨ２ＳＯ４を発生させることがないので、測定を簡便に行なうことができる。さらに、自動測定が可能であり、また、ネットワークを介して遠隔地での測定が可能である。
【００４９】
さらに、本発明のガス濃度測定装置は連続的測定が可能であり、無人運転も可能であることから人件費削減にも効果がある。また、ガス濃度測定装置によるＳＯ２濃度測定結果とＪＩＳ規格に基づき測定されたＳＯ２濃度測定結果を照合することによりＳＯ２濃度を校正し、これに基づきＳＯ３／ＳＯ２の転化率を決定することが可能である。転化率はＳＯ２の酸化を表す化学反応ＳＯ２＋１／２Ｏ２⇔ＳＯ３の熱平衡に基づく計算によって理論的に求められるが、直接の酸化反応以外にもＦｅ２Ｏ３、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３などの酸化金属の触媒作用による転化反応も存在するため、従来は転化率は正確に求められていなかった。よって、ＳＯ３濃度測定によって転化率が決定できる本発明は有用である。
【００５０】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、火力発電のボイラからの煙道を流れる燃焼排ガスを測定対象ガスとしていたが、当該燃焼排ガス以外のガスを測定対象ガスとしても良い。
【００５１】
また、上述の説明では、光源５とプローブ３を対向配置すると共に、第２の反射鏡９と光検出器７とを対向配置していたが、必ずしもこの構成に限るものではない。例えば、光源５と光検出器７とを対向配置すると共に、プローブ３と第２の反射鏡９とを対向配置するようにしても良く、あるいは光源５と第２の反射鏡９とを対向配置すると共に、プローブ３と光検出器７とを対向配置するようにしても良い。
【００５２】
また、上述の説明では、光路切換器６を光チョッパとし、機械的に光路を切り換えるようにしていたが、これに代えて電気光学的に光路を切り換えるようにしても良い。この場合の例を図７に示す。光路切換器６は光源５から照射されたレーザ光４を信号光と参照光とに分割する分割器２７と、信号光の光路上に配置された第１の光変調器２８と、参照光の光路上に配置された第２の光変調器２９とを備え、第１の光変調器２８と第２の光変調器２９とは交互に開閉されるものである。各光変調器２８，２９を同時に「開」にした場合には、信号光と参照光の両方が同時に光検出器７に入射されるように各光変調器２８，２９は配置されている。図７（Ａ）に示すように、電気的に第１の光変調器２８を「開」、第２の光変調器２９を「閉」とすると、信号光のみが光検出器７に入射される。一方、図７（Ｂ）に示すように、第１の光変調器２８を「閉」、第２の光変調器２９を「開」とすると、参照光のみが光検出器７に入射される。この例では「閉」の状態になっている光変調器への入力光は遮断されるため、光源５の出力の一部を破棄することになるものの、電気的な操作によって光路を切り換えるため制御が容易で簡便である。なお、光変調器２８，２９として、ＡＯＭ（音響光学変調器）を用いて光強度変調を行なうことの他、ＡＯＤ（音響光学偏向器）を用いて光軸の空間的変調を行なうことも考えられる。
【００５３】
また、上述の説明では、空間１１内の圧力を増加させることで測定対象ガスが空間１１に流入するのを防止していたが、必ずしもこれに限るものではなく、他の手法によって第１の反射鏡２の汚れを防止するようにしても良い。
【００５４】
また、上述の説明では、空間１２内の圧力を増加させることで測定対象ガスが空間１２に流入するのを防止していたが、必ずしもこれに限るものではなく、他の手法によって測定対象ガスの流入を防止するようにしても良い。
【００５５】
また、プローブ３に第１の反射鏡２を信号光の光路に沿って移動させる駆動手段を設けても良い。この場合の例を図８に示す。駆動手段は、信号光の光路と平行に設けられたガイドレール３０と、ガイドレール３０に案内されて移動する反射鏡ホルダ３１と、反射鏡ホルダ３１をガイドレール３０に沿って移動させるスクリュウ３２を備えている。スクリュウ３２はガイドレール３０と平行に設けられている。第１の反射鏡２は反射鏡ホルダ３１に取り付けられている。反射鏡ホルダ３１には、ガイドレール３０に沿って摺動するスライド部３１ａと、スクリュウ３２と噛み合う雌ねじ部３１ｂが設けられている。したがって、図示しないモータによりスクリュウ３２を回転させると、反射鏡ホルダ３１がガイドレール３０に沿って移動し、測定対象ガス中を透過する光路長が変化する。本実施形態では、スライド部３１ａと雌ねじ部３１ｂを反射鏡ホルダ３１の前後両端に設け、反射鏡ホルダ３１の向きが変動し難くしている。なお、スクリュウ３２を使用する代わりに、ワイヤ等で引張って反射鏡ホルダ３１を移動させるようにしても良い。
【００５６】
プローブ３に駆動手段を設け、第１の反射鏡２を移動させることで、硫黄酸化物の濃度分布の測定が可能になる。つまり、信号光が測定対象ガスに入る位置から第１の反射鏡２（反射鏡ホルダ３１）までの距離をｘとすると、測定対象ガス中の光路長はＬ＝２ｘになる。この構成において第１の反射鏡２をプローブ３の奥行方向に移動させると、硫黄酸化物の濃度分布を測ることが出来る。一例として、第１の反射鏡２の位置をｘ＝ｘ１として測定を行い、 次にｘ＝ｘ２として測定を行った場合について述べる。ｘ＝ｘ１の場合、信号光強度はｘ＝０とｘ＝ｘ１の間に存在する硫黄酸化物による信号光の吸収を反映することになる。同様に、ｘ＝ｘ２の場合、信号光強度はｘ＝０とｘ＝ｘ２の間に存在する硫黄酸化物による信号光の吸収を反映することになる。よって、この二つの測定結果の差異はｘ＝ｘ１とｘ＝ｘ２の間の硫黄酸化物による信号光の吸収によるものである。つまり、硫黄酸化物の濃度が空間的に不均一である場合（濃度分布が存在する場合）、第１の反射鏡２を動かすことにより任意の区間における硫黄酸化物濃度を求めることが出来る。
【００５７】
以上を数式で表すと以下の通りになる。第１の反射鏡２（反射鏡ホルダ３１）の位置をｘ、信号光が測定対象ガスに入る位置をｘ＝０とし、ＳＯ２とＳＯ３の濃度分布がｎ（ｘ），ｎ’（ｘ）であるとする。この場合、数式１は数式８となる。
【数８】
2010185694.tif 000003
【００５８】
第１の反射鏡２の位置ｘ＝ｘ１，ｘ＝ｘ２において得られる信号光の強度Ｉ（ｘ１），Ｉ（ｘ２）は数式９，数式１０の通りである。
【数９】
2010185694.tif 000004
【数１０】
2010185694.tif 000005
【００５９】
よって、差分は数式１１によって求められる。
【数１１】
2010185694.tif 000006
【００６０】
ここで、ｘ＝ｘ１とｘ＝ｘ２の間における平均濃度をｎ１，ｎ１’とすると、数式１２となる。
【数１２】
2010185694.tif 000007
【００６１】
第１の反射鏡２の位置ｘは任意に設定できるため、任意の二つの位置の間の平均濃度を求めることができる。硫黄酸化物の濃度分布が存在する場合、第１の反射鏡２の位置を段階的にずらしていくことで硫黄酸化物の濃度分布を求めることができる。
【００６２】
なお、この場合には、反射鏡ホルダ３１内の第１の反射鏡２の前方空間をコンプレッサ２２からクリーニングガスが供給される空間１１にすることが好ましい。即ち、反射鏡ホルダ３１の周壁に図示しない空気孔を設けると共に、当該空気孔に環状通路及び送風管（いずれも図示省略）を通じてクリーニングガスを供給し、反射鏡ホルダ３１内への測定対象ガスの流入を防止して、第１の反射鏡２の汚れ防止と信号光の測定対象ガス中における光路長Ｌの確定を行なうようにすることが好ましい。
【００６３】
本測定装置は光源５を代えることで、硫黄酸化物以外のターゲットガスにも適用できる。例えば、光源５を波長１．５４μｍの波長可変レーザとすることで測定対象ガス中のアンモニア（ＮＨ３）濃度を測定することができる。また、光源５を波長５．３３μｍの波長可変レーザとすることで一酸化窒素（ＮＯ）濃度を、光源５を波長６．２５μｍの波長可変レーザとすることで二酸化窒素（ＮＯ２）濃度を測定することができる。また、複数のレーザを組み合わせた光源５を用いることで多成分（例えば、ＳＯｘとＮＯｘ）の同時測定を行うことができる。
【符号の説明】
【００６４】
１  流路
２  第１の反射鏡
３  プローブ
４  レーザ光
５  光源
６  光路切換器
７  光検出器
８  演算部
１１  空間
１３  第１の位置
１４  第２の位置
２７  分割器
２８  第１の光変調器
２９  第２の光変調器
３０  ガイドレール（駆動手段）
３１  反射鏡ホルダ（駆動手段）
３２  スクリュウ（駆動手段）
【図１】
2010185694.tif 000008
【図３】
2010185694.tif 000009
【図４】
2010185694.tif 000010
【図５】
2010185694.tif 000011
【図６】
2010185694.tif 000012
【図８】
2010185694.tif 000013
【図９】
2010185694.tif 000014
【図２】
2010185694.tif 000015
【図７】
2010185694.tif 000016