(57)【要約】【課題】パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度の測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計を提供する。【解決手段】発光部１００は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部３００および受光部側パージ部４００のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような波長のレーザ光を発光し、受光部４００は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光するようなレーザ式酸素ガス分析計とした。【選択図】図５
2014102140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項３】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの有無の検出または酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項６】
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項７】
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項８】
請求項３〜請求項７の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項９】
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させたことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項１０】
請求項９に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項１１】
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記ガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項１２】
請求項１１に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス温度の吸収強度差を利用してボイラ内の高温酸素濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体中のガス分子には、それぞれ固有の光吸収スペクトラムがあることが知られている。例えば、図２４は、Ｏ２ガス（酸素ガス）の光吸収スペクトラム例であり、横軸が波長、縦軸は吸収強度を示している。縦軸の吸収強度が大きいほど吸光量が大きくなる。レーザ式酸素ガス分析計は、測定対象である酸素ガスが吸収する波長のレーザ光を発光するレーザ素子を搭載しており、この特定波長のレーザ光を酸素ガスに吸光させることで酸素ガスの有無を検出することができる。加えてレーザ式酸素ガス分析計はレーザ光の特定波長の吸収量が酸素ガスの濃度に比例するため濃度を検出することもできる。
【０００３】
レーザ式酸素ガス分析計のガス濃度の測定方法としては、２波長差分方式と周波数変調方式とに大別される。周波数変調方式による濃度測定装置は、例えば後述する特許文献１にも記載されているものである。本発明も周波数変調方式によるレーザ式酸素ガス分析計に関するものである。
【０００４】
また、周波数変調では発光波長を変化させる必要があるが、このような発光波長の制御に関し、例えば、測定対象ガスと同じガス成分を予め封入した参照ガスセルを用いて、レーザ素子の発光波長を温度によって制御する方法も用いられており、例えば後述する特許文献２にも記載されているものである。
【０００５】
このようなレーザ式酸素ガス分析計は、特に大気環境測定や制御用途に使用され、具体的には主にゴミ焼却場などのボイラの燃焼制御に使用されることが多い。ボイラの燃焼制御に用いられるレーザ式酸素ガス分析計が対象とする測定対象ガスの温度は、７００〜１２００℃と高温である。そこで、熱による装置保護やダストによる汚れ付着を防止するために、ガスによるパージ（以下ガスパージという）を常時行う必要がある。図２５はレーザ式酸素ガス分析計をボイラなどの測定場所に設置した時の外観構造と、測定対象となる煙道ガスおよびパージガスの流れを示したものである。壁４０内には燃焼により生じた煙道ガスが通流している。また、パージガスがパージガス入口２０，６０から導入され、パージガスが発光部ボックス１０や受光部ボックス７０の表面のレンズやガラス窓の汚れを防止している。ガスパージは相フランジ３０，５０を経て壁４０内にパージガスが排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１５１６８１号公報（段落［０００５］、図４等）
【特許文献２】特開２００１−２３５４１８号公報（段落［００１２］〜［００２４］、図２、図１１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このパージガスとしては計装窒素が望ましい。この理由であるが、仮に計装空気を使用するとなると、計装空気には酸素が含まれており、煙道の酸素ガスの分析ではこのパージガス中の酸素ガスによる影響を受けるためである。しかしながら、計装窒素の利用は設備コストや運用コストを要するため、主に製鉄所や鉄鋼所のような火災・爆発の危険性がある場所にしか採用されておらず、一般的な焼却炉では計装空気を使用している。
【０００８】
先に述べた計装空気には通常では約２０．６ｖｏｌ％の酸素が含まれている。レーザ式酸素ガス分析計は、パージガスとして計測空気を使用する場合にこの約２０．６ｖｏｌ％の酸素の影響を受ける。この影響を回避するため計装空気に含まれる酸素ガスの酸素量を求め、予めオフセットとして濃度換算して測定する方法が考えられる。しかしながら、一般的にボイラ内で制御する酸素ガスの酸素量は数ｖｏｌ％（例えば３〜７ｖｏｌ％）であり、計装空気に含まれる酸素濃度の方が相対的に高くなるため、測定精度に影響がでる。最悪の場合、十分なＳ／Ｎが得られないこともある。このため、燃焼制御で使用する酸素計はレーザ式酸素ガス分析計を使用することなく、定期的な清掃などメンテナンス頻度が高い他方式の酸素計（ジルコニア酸素計）を使用してきた。
【０００９】
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、酸素ガスの温度が異なる場合には吸収強度が異なるという物理的現象を利用し、特に高温の酸素ガスの吸収強度が大きいような特定波長で吸光させるというものであり、測定対象ガスに含まれる酸素ガスのうち、装置保護やダスト付着防止用を目的としたパージガスに使用する計装空気中の低温の酸素ガス、および、パージガスではない装置内の空気中の低温の酸素ガス、に影響されることなく、例えば、ゴミ焼却場施設などのボイラ内の測定対象ガスのうち４００℃以上の高温の酸素ガスのガス濃度のみをレーザ光により測定するようにした。
【００１１】
すなわち本発明の請求項１に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項１に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの有無の検出または酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項４に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項５に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項６に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項７に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項８に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項７の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項９に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項１０に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項９に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項１１に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記ガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の請求項１２に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項１１に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】Ｏ２ガスの吸収スペクトラム特性図である。
【図２】一般的な酸素ガス温度別吸収スペクトラム例の説明図である。
【図３】燃焼制御用としてレーザ式酸素ガス分析計が使用される環境下の酸素濃度分布と光路長の説明図である。
【図４】燃焼制御用の酸素ガス温度別吸収スペクトラム例の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計の構成図である。
【図６】レーザ光源部の構成図である。
【図７】レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形を示す図である。
【図８】本発明の実施形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、Ｏ２ガスの吸収波形および同期検波部の出力波形を示す図である。
【図９】受光素子および信号処理部の構成図である。
【図１０】周波数変調方式の原理図である。
【図１１Ａ】ドライブ電流による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１１Ｂ】温度による半導体レーザの発光波長の変化を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計の構成図である。
【図１３】レーザ光源部の構成図である。
【図１４】受光素子および信号処理部の構成図である。
【図１５】レーザ素子の波長走査駆動信号発生部の出力波形および信号処理部に送られるトリガ信号の説明図である。
【図１６】Ｉ／Ｖ変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。
【図１７】Ｉ／Ｖ変換部及び同期検波部の出力信号を示す図である。
【図１８】同期検波部の出力信号を示す図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態のレーザ式酸素ガス分析計の信号処理部の構成図である。
【図２０Ａ】受光信号の波形図である。
【図２０Ｂ】受光信号の波形図である。
【図２１Ａ】図２０Ａに対応した同期検波部の出力波形を示す図である。
【図２１Ｂ】図２０Ｂに対応した同期検波部の出力波形を示す図である。
【図２２】受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとの関係を示す図である。
【図２３Ａ】図２１Ａに対応した波長走査信号成分の波形図である。
【図２３Ｂ】図２１Ｂに対応した波長走査信号成分の波形図である。
【図２４】Ｏ２ガスの吸収スペクトラム特性図である。
【図２５】パージガスの流れを説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
続いて、本発明のレーザ式酸素ガス分析計について以下に説明する。まず、本発明の特徴をなす検出原理について説明する。
図１に酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収スペクトラムを示す。この酸素ガスの吸収線はそれぞれが線状のスペクトラムで表わされる。そして、一般的には、図２の酸素ガス温度別吸収スペクトラムで示すように温度依存性があり、酸素ガスの温度が高くなると同じ酸素濃度でも吸収強度が低下し、検出時において、見かけ上の濃度が低下する。
【００２６】
先に説明したように、レーザ式酸素ガス分析計は炉内の熱から装置を保護するため、また、ダストの付着を防ぐためガスパージを行っている。パージガスに窒素を使えば、測定対象である酸素ガスの酸素濃度に影響を与えることはないが、窒素は設備コストやランニングコストを要するため、計装空気が使用されている。
【００２７】
図３は、一般的な燃焼制御用途であって、パージガスとして計装空気を使用したときのレーザ式酸素ガス分析計の酸素濃度分布と光路長の関係を示している。パージガス中の酸素ガスのガス濃度は２０．６ｖｏｌ％であり、測定対象ガス中の酸素ガスのガス濃度は３〜７ｖｏｌ％である。パージガス中の酸素ガスが存在する区間のパージ部距離は１ｍ×２であり、測定対象ガス中の酸素ガスが存在する区間の煙道距離は２〜４ｍである。
【００２８】
レーザ式酸素ガス分析計における酸素濃度と光路長との関係はLambert-Beerの法則により、得られる信号強度はガス濃度とそのガスが存在する距離に比例する。Lambert-Beerの式を数１に記す。
【００２９】
［数１］
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ（０）・ｅｘｐ［−ｋｓ・ｎｓ・Ｌｓ］
Ｉ（Ｌ）：受光光量      ｋｓ：ガス係数
Ｉ（０）：発光光量      ｎｓ：ガス濃度
Ｌｓ：煙道またはセル長
【００３０】
よって、信号強度はガス濃度と距離の乗算値に影響される点が理解できる。一般にレーザ式酸素ガス分析計では計測レンジを設定できるが、燃焼制御用で使用するレーザ式酸素ガス分析計のレンジは大気中の酸素が２０．６ｖｏｌ％であることから、２５ｖｏｌ％を選ぶことが大半である。
【００３１】
この図３のモデルで０℃の測定レンジに対するパージエアの酸素濃度比率は（２０．６ｖｏｌ％×パージ部距離）／（２５ｖｏｌ％×煙道距離）で表されるが、パージ部距離＝２、煙道距離＝２〜４であることから酸素濃度比率＝０．４１〜０．８２倍となり、１倍以下である。
【００３２】
しかしながら、実際の燃焼制御の環境では、図２の一般的な酸素ガスの温度別吸収強度に従うものであって、８００℃の吸収強度が０℃の吸収強度の１５％程度であり、この場合にはパージエアの酸素濃度は測定対象の酸素濃度に対して、（２０．６ｖｏｌ％×パージ部距離）／（煙道内濃度ｖｏｌ％×煙道距離×０．１５）で表されるが、パージ部距離＝２、煙道距離＝２〜４、煙道内濃度＝３〜７であることから酸素濃度比率＝９．８〜４５．８倍になり、パージガスの影響が大きくなっている。
【００３３】
また、０℃の測定レンジに対する８００℃の測定ガスの吸収強度（煙道内濃度ｖｏｌ％×０．１５）／２５×１００で表されるが、煙道内濃度＝３〜７であることから吸収強度＝１．８〜４．２％ＦＳとなり、フルスケールに対してわずか２〜４％でしかない。
【００３４】
以上から、燃焼制御環境下では外乱にあたるパージエアの酸素の吸収強度が相対的に大きくなり、また測定ガスの吸収強度はガス温度の影響で小さくなり、十分なＳ／Ｎが得られない状態になる。
【００３５】
そこでこのような問題を回避するため、燃焼制御で使用する酸素の吸収線スペクトラムは図４のようなガス温度特性をもつ吸収波長を選定する。この吸収波長は、例えば所定範囲７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークがある波長である。この波長における吸収線の特長は常温付近では酸素を殆ど吸収しないが、ガス温度が高くなると酸素の吸収が発生し、４００〜１２００℃の吸収強度は常温に対し十分な大きさがあり、吸収強度の変化量も最大吸収強度から約２０％の範囲で収まる。
【００３６】
そのため４００℃の吸収強度を基準とした場合、常温雰囲気であるパージガスの酸素濃度は殆ど無視することができ、図３のモデルで実際の燃焼制御の環境下のパージエアの酸素濃度は測定対象の酸素濃度に対してほぼ０となり、０℃の測定レンジに対する８００℃の測定ガスの吸収強度は１４〜３４％ＦＳになり、パージエアを使用しても、その影響を受けることが殆どなく、また十分なＳ／Ｎを得ることができる。
【００３７】
このようにパージ部に流す計装空気であるパージガスに含まれる酸素ガスと測定対象の酸素ガスとを、特定波長のガス温度差によって生じる吸収強度の違いを利用し、パージ部へ流す計装空気に含まれる酸素ガスやパージ部等の装置内の酸素ガスの影響を殆ど受けることなく、測定対象の高温の酸素濃度を効率よく測定するレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００３８】
続いて、本発明を実施するための第１の形態に係るレーザ式酸素ガス分析計について図を参照しつつ以下に説明する。図５は、本形態のレーザ式酸素ガス分析計１の構成図である。レーザ式酸素ガス分析計１は、発光部１００、受光部２００、発光部側パージ部３００、受光部側パージ部４００を備えている。
【００３９】
発光部１００は、さらにレーザ光源部１０１、発光部側光学系の具体例であるコリメートレンズ１０２、ボックスカバー１０３を備える。
受光部２００は、受光部側光学系の具体例である集光レンズ２０１、受光素子２０２、信号処理部２０３、ボックスカバー２０４を備える。
発光部側パージ部３００は、パージ部本体３０１、流入口３０２、流出口３０３を備える。
受光部側パージ部４００は、パージ部本体４０１、流入口４０２、流出口４０３を備える。
【００４０】
本形態のレーザ式酸素ガス分析計では、具体例として、酸素ガスを含む測定対象ガスが内部を通過する煙道などの配管に固定されているものとして説明する。測定対象ガスは例えば燃焼時に発生する排ガスなどである。
壁５０１ａ，５０１ｂは、この配管の壁である。相フランジ５０２ａ，５０２ｂは、この壁５０１ａ，５０１ｂに、例えば、溶接等によって固定されている。
【００４１】
一方の相フランジ５０２ａには、角度調整機構部を含む発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１が取り付けられている。この発光部側パージ部３００のパージ部本体３０１には、発光部１００のボックスカバー１０３が取り付けられている。発光部側パージ部３００の内部通路、相フランジ５０２ａの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー１０３とは、コリメートレンズ１０２によって空間が隔てられている。
【００４２】
他方の相フランジ５０２ｂには、角度調整機構部を含む受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１が取り付けられている。この受光部側パージ部４００のパージ部本体４０１には、受光部２００のボックスカバー２０４が取り付けられている。受光部側パージ部４００の内部通路、相フランジ５０２ｂの内部通路が連通しており、さらに配管内と連通している。ボックスカバー２０４とは、集光レンズ２０１によって空間が隔てられている。
【００４３】
発光部１００のボックスカバー１０３は電子基板に搭載されるレーザ光源部１０１、光学部品であるコリメートレンズ１０２を内蔵する。レーザ光源部１０１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ１０２によって平行光にコリメートされる。コリメートされた検出光６００は、発光部側パージ部３００の内部通路と相フランジ５０２ａの内部通路の中心を通って壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へ入射される。
【００４４】
検出光６００は、壁５０１ａ，５０１ｂの内部にある測定対象ガス中の酸素ガスを透過する際に吸収を受ける。また、相フランジ５０２ａ，５０２ｂの内部、発光部側パージ部３００の内部通路、受光部側パージ部４００の内部通路に測定対象である高温の酸素ガスが存在する場合は、通常、同様に吸収を受ける。しかしながら、エアパージによる低温の酸素ガスや大気に含まれる低温の酸素ガスについては感度が低いため吸収は生じない。
【００４５】
検出光６００は受光部２００へ入射される。受光部２００のボックスカバー２０４は光学部品である集光レンズ２０１、電子基板に搭載される受光素子２０２や信号処理部２０３を内蔵する。壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）を透過した平行光である検出光６００は、相フランジ５０２ｂの内部通路と受光部側パージ部４００の内部通路との中心を通ってボックスカバー２０４内部の集光レンズ２０１により集光されて受光素子２０２により受光される。この光は、受光素子２０２により電気信号に変換され、後段の信号処理部２０３に入力される。
【００４６】
この際、測定対象ガスによる熱や腐食、汚れを防ぐため、発光部側パージ部３００には流入口３０２からパージ部本体３０１内へ圧縮空気である計装空気が流入し、発光部側パージ部３００の内部通路をパージし、また流出口３０３を通過して相フランジ５０２ａの内部通路をパージする。このパージの後に壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。同様に受光部側パージ部４００には流入口４０２からパージ部本体４０１内部へ圧縮空気である計装空気が流入し、受光部側パージ部４００の内部通路をパージし、また流出口４０３を通過して相フランジ５０２ｂの内部通路をパージする。このパージの後に壁５０１ａ，５０１ｂの内部（煙道内部）へパージガスが排出される。
【００４７】
この計装空気により、測定対象ガスに含まれて各部に付着した煤塵等を吹き飛ばし、発光部１００および受光部２００のレンズ表面を清浄に保っている。また、パージ用に流入する計装空気が常温（例えば２５℃）であり、パージ部本体３０１、４０１内、相フランジ５０２ａ、５０２ｂの内部を強制的に冷却している。
【００４８】
次に、発光部１００、および、受光部２００の詳細構成について説明する。まず、発光部１００について図６，図７を参照しつつ詳細に説明する。図６はレーザ光源部１０１の詳細を示している。このレーザ光源部１０１は、波長走査駆動信号発生部１０１ａと、高周波変調信号発生部１０１ｂと、を有するレーザ駆動信号発生部１０１ｓを備える。
【００４９】
波長走査駆動信号発生部１０１ａは、測定対象ガスの吸収波長を走査するようにレーザ素子の発光波長を可変とするための波長走査駆動信号を出力する。
高周波変調信号発生部１０１ｂは、測定対象ガスである酸素ガスの吸収波長を検出するために、例えば１０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調するための高周波変調信号を出力する。
【００５０】
このような波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力される波長走査駆動信号に対し、高周波変調信号発生部１０１ｂからの高周波変調信号を合成して周波数変調を行いレーザ駆動信号が生成されるようになっている。レーザ駆動信号発生部１０１ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部１０１ｃにより電流に変換され、半導体レーザからなるレーザ素子１０１ｅに供給される。このレーザ素子１０１ｅは、例えば、ＤＦＢレーザ（Distributed Feedback Laser）、もしくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）といわれるレーザ素子である。
【００５１】
また、レーザ素子１０１ｅには温度安定化手段が設けられている。この温度安定化手段は、温度制御部１０１ｄ、サーミスタ１０１ｆ、ペルチェ素子１０１ｇを備える。レーザ素子１０１ｅに近接して温度検出素子としてのサーミスタ１０１ｆが配置され、このサーミスタ１０１ｆにはペルチェ素子１０１ｇが近接して配置されている。このペルチェ素子１０１ｇは、サーミスタ１０１ｆの抵抗値が一定値になるようにするため、温度制御部１０１ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御が行われ、結果としてレーザ素子１０１ｅの温度を安定化するように動作するものである。
【００５２】
ここで、波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力される波長走査駆動信号は、図７に示すように、可変駆動信号Ｓ１およびオフセット信号Ｓ２により、ほぼ台形波状の単位波形となり、このような単位波形が一定周期で繰り返される信号である。
【００５３】
波長走査駆動信号の可変駆動信号Ｓ１は、吸収波長を走査する信号であり、電流制御部１０１ｃを介してレーザ素子１０１ｅに供給される電流の大きさを直線的に変える部分である。この信号Ｓ１によってレーザ素子１０１ｅの発光波長を徐々にずらしていき、吸収波長を走査する信号である。信号Ｓ１の傾き、すなわち、供給電流の変化量によって、発光波長をサブｎｍ〜数ｎｍの範囲で走査可能である。例えばＯ２ガスであれば、０．０３ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００５４】
波長走査駆動信号のオフセット信号Ｓ２は、吸収波長は走査しないがレーザ素子１０１ｅは発光させておくオフセット部分であり、光源部１０１のレーザ素子１０１ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値を光源部１０１のレーザ素子１０１ｅに供給するような値に設定する。信号Ｓ１と信号Ｓ２とは交互に切り替わるように挿入されている。
信号Ｓ３は駆動電流をほぼ０にした部分である。
【００５５】
続いて発光部１００による発光を説明する。
まず、事前に、レーザ素子１０１ｅの温度をサーミスタ１０１ｆにより検出する。さらに、図７に示した波長走査駆動信号のＳ１の中心部分で測定対象ガスである酸素ガスを測定できるように（所定の吸収特性が得られるように）、温度制御部１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。
その後にレーザ素子１０１ｅを駆動する。
【００５６】
なお、図８はレーザ素子の駆動信号を示しており、高周波変調信号の周波数を１０ｋＨｚ，波長走査駆動信号の周波数を５０Ｈｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２（７５９．６２ｎｍ），λ３（７５９．６５ｎｍ）は酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収波長に相当する走査波長の上下限値を示している。
レーザ素子１０１ｅがこのようなレーザ光をコリメートレンズ１０２へ照射して平行光である検出光６００を生成し、測定対象ガスが存在する壁５０１ａ，５０１ｂの内部空間にこの検出光６００を出射し、集光した光を受光素子２０２へ入射させる。
【００５７】
続いて受光部２００について説明する。図９は、受光素子２０２、信号処理部２０３の構成を示している。信号処理部２０３はさらにＩ／Ｖ変換部２０３ａ、同期検波部２０３ｂ、発振器２０３ｃ、フィルタ２０３ｄ、演算部２０３ｅを備えている。
【００５８】
受光素子２０２は例えばフォトダイオードによって構成されており、発光部１００のレーザ素子１０１ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この受光素子２０２の出力電流はＩ／Ｖ変換部２０３ａへ入力される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａにより受光素子２０２の出力電流が電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号は、同期検波部２０３ｂに入力される。同期検波部２０３ｂには、発信器２０３ｃからの２ｆ信号が加えられ、出射光の同位相の２倍波信号の振幅のみを抽出したガス波形信号が得られる。同期検波部２０３ｂの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ２０３ｄを介してＣＰＵ等の演算部２０３ｅに送られる。演算部２０３ｅは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素濃度の算出を行う。
【００５９】
ここで周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計の計測原理について、図１０のレーザ式酸素ガス分析計の周波数変調方式の原理図を参照しつつ説明する。図１の酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収スペクトラムに示すように、この酸素ガスの吸収線は線状のスペクトラムで表わされるため、周波数変調方式による濃度検出が可能である。そして、この周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計では、中心周波数ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザ素子の出射光を周波数変調し、測定対象である酸素ガスに照射する。ここで、周波数変調とは、レーザ素子１０１ｅに供給するドライブ電流の波形を正弦波状に変調することである。
【００６０】
この周波数変調方式では、上記のように分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いて単一波長のレーザ光のみを出射しガス濃度を測定する。この場合、レーザ素子が発光するスペクトラム線幅が測定対象ガスの吸収線幅よりも小さいため、レーザの発光波長を測定対象ガスの吸収波長に合わせる必要がある。そこでレーザ素子の温度制御や電流制御を行って発光波長の制御を行う。
【００６１】
レーザ素子は、図１１Ａ、図１１Ｂに示すようにドライブ電流や温度によって発光波長が変化する。レーザ素子は温度と電流の一定値によって、特定の波長を発光することができるため、予め設定した温度と電流値によって吸収波長にあわせることができる。そして、周波数変調を行うことにより、ドライブ電流の変調に伴って発光波長が変調されることになる。
【００６２】
このように半導体レーザ素子は電流や温度で波長を変えることができるが、その波長範囲は数ｎｍであり、測定対象ガスの吸収波長の近傍を発光するレーザ素子を使用する必要がある。このレーザ素子の波長選択性の性質から、図１に示したような全ての吸収線を測定対象にすることができず、測定に使用する吸収線は、比較的吸収強度が大きく、他ガスと吸収が重なり合わない１本または２本である。
【００６３】
図１０に示したように、ガスの吸収線は変調周波数に対してほぼ２次関数となっているので、この吸収線が弁別器の役割を果たし、受光部では変調周波数ｆｍの２倍の周波数の信号（２倍波信号）が得られる。ここで、変調周波数ｆｍは任意の周波数で良いため、例えば、変調周波数ｆｍを数ｋＨｚ程度に選ぶと、ディジタル信号処理装置（ＤＳＰ）または汎用のプロセッサを用いて、２倍波信号の抽出等の高度な信号処理を行うことが可能になる。
【００６４】
また、受光部によりエンベロープ検波を行えば振幅変調による基本波を推定でき、この基本波の振幅と前記２倍波信号の振幅との比を位相同期させて検出することで、濃度以外に存在する同じ周波数成分の信号に影響されずに測定対象ガス濃度に比例した信号を得ることができる。
【００６５】
このような原理のもと、同期検波部２０３ｂにおいて、測定対象ガスによるレーザ光の吸収が無い場合は、同期検波部２０３ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる（図１６参照）。
【００６６】
一方、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂによって出射光の変調信号の２倍周波数成分の振幅のみが抽出された信号である２倍波信号が検出される。その出力波形は図８の長方形の枠内に図示された同期検波部２０３ｂの出力波形や図１７のようなピーク波形になる。このピーク波形はフィルタ２０３ｄによりノイズが除去され、適宜増幅して後段のＣＰＵやＤＳＰ等である演算部２０３ｅへ出力される。演算部２０３ｅは後述する各種の処理により酸素ガスの有無の検出や酸素濃度の算出を行う。
【００６７】
演算部２０３ｅは以下のように機能する。まず、この図８の四角枠内のピーク波形におけるＡが測定対象ガスによる吸収を受けた部分（ガス吸収波形）であり、この吸収波形Ａの最大値または最小値が測定対象ガスの濃度に相当する。従って、演算部２０３ｅでは、この図８の四角枠内に示される同期検波部２０３ｂの出力であるガス吸収波形Ａを用いて、測定対象ガスの濃度に相当する波形のピーク値を測定するか、ガス吸収波形Ａの最大値または最小値の振幅差を測定するか、または、ガス吸収波形Ａの一部または全部を積分して、その積分値から測定対象である酸素ガスの濃度を検出する手段として機能する。また、ガス濃度が所定値より低い場合に酸素ガスがないと判断する手段として機能する。
【００６８】
演算部２０３ｅには図示しない変換器が接続されている。この変換器は、演算部２０３ｅで濃度換算した値をガス温度やガス圧力の変化に応じた濃度値に補正する補正部と、補正部で補正した濃度値をディスプレイ表示する表示部と、補正した濃度値をアナログ、ディジタル信号を送信する外部伝送部と、を備えている。演算部２０３ｅは出力制御をおこなって補正機能表示部で補正された濃度値が表示部でディスプレイ表示がなされる。
【００６９】
以上のようにこの実施形態について説明した。従来技術では、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、を区別できず、ともに計測していたため信頼性の点で難があった。これに対し、本実施形態では、パージガスおよび大気に含まれる酸素ガスと、測定対象ガスに含まれる酸素ガスと、の温度差を利用することで、パージガスおよび大気に含まれる低温の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはないが、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのみに感度を示すようにして、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ酸素ガスの有無の検出や濃度の測定を行うようなレーザ式酸素ガス分析計とすることができる。
【００７０】
続いて本発明の第２形態について図を参照しつつ説明する。先の第１形態と比較すると、本形態では、基本的に図５と同じ構成を有するものであるが、図１２で示すように発光部１００のレーザ光源部１０１’と、受光部２００の信号処理部２０３’と、を通信可能に接続する点が相違する。詳しくは、図１３で示すように、レーザ光源部１０１’の波長走査駆動信号発生部１０１ａから波長走査駆動信号のうちのトリガ信号Ｓ４（図１５参照）が抽出されて出力され、また、図１４で示すように、信号処理部２０３’の演算部２０３ｅがこのトリガ信号Ｓ４を入力し、トリガ信号Ｓ４（図１５参照）を用いて同期を取る点が相違する。なお、図１３の発光部１００のレーザ光源部１０１’と、図１４の受光部２００の信号処理部２０３’と、は、図６のレーザ光源部１０１と図９の信号処理部２０３と比較すると同一の構成を有するがトリガ信号Ｓ４を入出力し、演算部２０３ｅがこのトリガ信号Ｓ４に基づいて演算処理する点が相違するものであり、他の構成については同じ符号を付すともに重複する説明を省略し、相違点のみを説明するものである。
【００７１】
図１５は、上記トリガ信号Ｓ４を説明するための図である。演算部２０３ｅに、波長走査駆動信号発生部１０１ａからトリガ信号Ｓ４が入力される。図示するように、トリガ信号Ｓ４は、上記Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を含めた波長走査駆動信号の１周期に同期して波長走査駆動信号発生部１０１ａから出力されるパルス状の信号である。このトリガ信号Ｓ４は、例えば、レーザ素子１０１ｅの駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミング（信号Ｓ３の発生タイミング）に同期して発生させればよい。波長走査駆動信号発生部１０１ａよりトリガ信号Ｓ４が出力され、通信線７００を介して、演算回路２０３ｅへ入力される。
【００７２】
続いて本形態の信号処理部２０３の演算部２０３ｅによる酸素ガスの濃度算出方法について説明する。図１５で示すように、レーザ光源部１０１では、波長走査駆動信号Ｓ１の中心部分で測定対象ガスを測定できるように、温度制御部１０１ｄによりペルチェ素子１０１ｇの通電を制御してレーザ素子１０１ｅの温度を調整する。レーザ素子１０１ｅを駆動し、測定対象ガスが存在する壁５０１ａ，５０１ｂの内部空間にレーザ光を出射する。
【００７３】
レーザ光は、集光部２０１により集光され、この集光した光を受光素子２０２へ入射させる。測定対象ガスとして酸素ガスを測定する。この受光素子２０２は、受光量に応じて、電気信号による検出信号に変換して信号処理部２０３に送る。これら信号処理部２０３は、例えば、検出信号に対して増幅やノイズのフィルタリングを行い、濃度を検出する。信号処理部２０３において、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がない場合は、図１６で示すように、同期検波部２０３ｂによって２倍周波数信号が検出されないため、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。
【００７４】
一方で、測定対象ガスによるレーザ光の吸収がある場合は、同期検波部２０３ｂによって２倍周波数信号が検出される。図１７は、同期検波部２０３ｂの出力信号ＳｂをＩ／Ｖ変換部２０３ａの出力信号Ｓａと併せて示した波形図である。図１７において、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Ａである。
【００７５】
ここで、何らかの原因によって同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂにオフセットがある場合、図１８に示すように、本来の出力信号Ｓｂ０ではなくオフセット分が加算された信号Ｓｂ１が現れる。その結果、図１７におけるガス吸収波形Ａの最大値または最小値、あるいは波形の積分値による検出では誤差が生じてしまい、ガス濃度を正確に検出できないおそれがある。そこで、本形態では、ガス濃度を更に高精度かつ安定的に検出するために、以下のような方法を用いることとした。
【００７６】
前述したように、測定対象ガスが存在しない図１６で示すような場合は、同期検波部２０３ｂにより２倍周波数信号は検出されず、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。しかし、様々なノイズが存在するので、仮に測定対象ガスが存在しない場合でも、図１６に示すように、同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂは少しの凹凸のある波形となる。このような波形の場合、単純に波形の最大値や最小値のみを検出する方法ではノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認し、最大値や最小値を誤って検出するおそれがある。また、波形の積分値を求める場合にも、同様に誤検出する可能性がある。特に、測定対象ガスが低濃度である場合には、上記凹凸部分がガス濃度検出時の大きな誤差要因となる。
【００７７】
このため、本形態では、ノイズによる凹凸部分をガス吸収波形として誤認しないように、図１５で示すような、波長走査駆動信号発生部２０４ａから出力されるトリガ信号Ｓ４を用いて、ガス吸収波形の最大値または最小値が存在するべき位置を特定する。トリガ信号Ｓ４は、波長走査駆動信号の一周期に同期し特に波長走査駆動信号のＳ３と同期がとれている。このトリガ信号Ｓ４と同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂとの間には一定の時間的な相関関係がある。
【００７８】
つまり、測定対象ガスが存在する場合に、トリガ信号Ｓ４のタイミングに対して図１６，図１７のガス吸収波形Ａや最大値Ｃ、最小値Ｂ，Ｄが発生するタイミングは、予めほぼ正確に検出可能である。そこで、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過したときに同期検波部出力波形でＢ点の最小値Ｂ、Ｃ点の最大値Ｃ、Ｄ点の最小値Ｄが登場するものとして計測を行う。この。これら所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄは工場出荷前や校正時に実験的に予め算出しておいて、図示しないメモリに登録しておく。この値を用いて濃度を算出する。
【００７９】
そして、ガス濃度の測定時には、波長走査駆動信号発生部２０４ａから受信したトリガ信号Ｓ４を基準として、最大値Ｃ及び最小値Ｂ，Ｄが発生するべきタイミング所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄにおける同期検波部２０３ｂの出力信号Ｓｂ（フィルタ２０３ｄの出力信号）から最大値及び最小値を測定する。
【００８０】
これにより、測定対象ガスの濃度が限りなく０に近いような低濃度の場合にも、演算部２０３ｅは、トリガ信号Ｓ４に基づいてガス吸収波形Ａや最大値Ｃ及び最小値Ｂ，Ｄを検出する手段として機能する。演算部２０３ｅは、これら値を正確に検出し、測定することができる。従って、ノイズによる波形の凹凸部分に影響されることなく、ガス濃度の演算を高精度に行うことが可能である。
【００８１】
そして演算部２０３ｅとしては、トリガ信号から所定時間ｔｂ，ｔｃ，ｔｄ経過するときに同期検波部出力波形の値を読みとって記憶し、その後に濃度を算出する手段として機能する。この同期検波部出力波形はその波形のピークにある最大値がそのままガス濃度を表すため、例えば、最大値を濃度として出力する。または最大値から最小値を減じた差分値を濃度とするというものである。これらＡＢＣＤを用いて濃度を計測する。図１４の演算部２０３ｅは、図１７に示したガス吸収波形Ａにおいて、最大値Ｃとその前後の最小値Ｂ，Ｄとを検出し、以下の数２または数３によってガス濃度を演算する手段として機能する。
【００８２】
［数２］
酸素ガス濃度＝α×｜Ｂ−Ｃ｜
【００８３】
［数３］
酸素ガス濃度＝α×｜Ｃ−Ｄ｜
【００８４】
なお、数２、数３においては、αはガス濃度変換係数である。ガス濃度変換係数αは、測定ガス成分の濃度が既知であるガスで予め校正することによって決定される。たとえば、測定ガス成分の濃度が０ｐｐｍのゼロガスと、測定ガス成分の濃度が所望の測定レンジの最大濃度であるスパンガスと、を測定し、ゼロガス、スパンガスの実測値を第一校正点、第二校正点とし、その２点を結ぶ直線を基準検量線とする。該基準検量線の傾きをガス濃度変換係数αとする。酸素ガス濃度はこのようにして算出される。また、図１６で示すような同期検波部出力の場合には酸素ガス濃度が所定値以下となり、酸素がないと判定される。演算部２０３ｅはこのような処理を行う手段として機能する。
【００８５】
以上のようにこの実施形態について説明した。単にガス吸収波形の最大値や最小値、あるいは積分値だけを検出する場合に比べ、トリガ信号の同期によりピーク位置を正確に検出できるようにしたため、やはり低濃度のガスの検出能力を向上させた。特に酸素ガスは濃度が低いことが多いため、上記構成を採用すれば計測精度をより高めることができる。
【００８６】
また、低損失であるためピークが確実に表れるようにしてやはり低濃度の酸素ガスの検出能力を向上させた。
また、特に、レーザ素子の駆動電流をゼロにするような波長走査駆動信号のタイミングに同期させており、同期信号を判別できる。
【００８７】
また、特にガス濃度が低くなると、光学窓材料やレンズなどによるレーザ光の干渉による影響のノイズの影響が強くなり、これらのノイズがピークとなって検出されてしまうなど、ピークの発見が困難であるが、本発明ではこのようにガス吸収が発生する部分をあらかじめ設定しトリガ信号を基準にガス吸収のピークを検出するようにしたため、ノイズ等に影響されることなく正確なガス濃度検出ができるという利点がある。
【００８８】
続いて本発明の第３形態について図を参照しつつ説明する。先の第１形態と比較すると、本形態では、全体構成として図５のレーザ式酸素ガス分析計と同様の構造を有し、また、発光部１００に関しては図６のレーザ光源部と同一の構成を有しているが、受光部２００に関しては図１９の受光部２００の信号処理部２０３”において、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａと演算部２０３ｅとに接続される抽出部２０３ｆをさらに備え、この抽出部２０３ｆで抽出された受光光量レベルを信号処理部２０３の演算部２０３ｅを入力し、受光光量レベルを参照値として得る点が相違する。なお、図５、図６，図９と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００８９】
図１９において、受光素子２０２の出力は電流信号であり、この電流信号はＩ／Ｖ変換部２０３ａにより電圧信号に変換される。この電圧信号を受光信号と呼ぶものとし、その波形の一例を図２０Ａ、図２０Ｂに示す。図２０Ａは、測定環境にダストがない清浄な空間における受光信号波形であり、図２０Ｂは、ダストが存在する空間における受光信号波形である。これらの図から明らかなように、ダストが存在する場合にはレーザ光が遮られるため、受光光量（受光信号レベル）が低下している。
【００９０】
前述したように、同期検波部２０３ｂにより、出射光の変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅のみが抽出される。例えば、図２０Ａ、図２０Ｂに示した受光信号を同期検波とすると、それぞれ図２１Ａ、図２１Ｂのような波形が得られる。
図２１ＡにおけるＡは前記同様にガス吸収波形であり、この波形の振幅ｗ（＝ｗａ）を検出することでガス濃度を測定することができる。
一方、ダストが存在する場合の図２１Ｂでは、図２０Ｂに対応して振幅ｗ（＝ｗｂ）も小さくなっている。
このように、受光光量によってガス吸収波形の振幅が変動するために、特にダスト量が変動する環境では、正確なガス濃度の測定が困難である。
【００９１】
そこで、本実施形態では、図２２に示すように受光光量レベルとガス吸収波形の振幅レベルとがほぼ比例関係にあることに着目し、演算部２０３ｅにおいて受光光量レベルを得るための波長走査駆動信号成分を参照してガス吸収波形の振幅を補正することにより、ダスト等が存在する環境においても正確なガス濃度の検出を可能にしたものである。
【００９２】
すなわち、図１９に示すように、Ｉ／Ｖ変換部２０３ａから出力された受光信号を抽出部（フィルタ）２０３ｆに入力して、波長走査駆動信号成分を取り出す。そして、演算部２０３ｅにより、波長走査駆動信号成分と受光光量設定値との比を受光光量補正係数βとして算出し、フィルタ２０３ｄから出力されるガス吸収波形の振幅を、上記補正係数βにより補正するようにした。
【００９３】
例えば、図２１Ａ，図２１Ｂに示した受光信号を抽出部（フィルタ）２０３ｆに入力して波長走査駆動信号成分を取り出すと、図２３Ａ、図２３Ｂのような波形が得られる。図２３Ａはダストがなく受光光量が低下していない場合、図２３Ｂはダストがあって受光光量が低下している場合である。
【００９４】
図２３Ａのように、ある時点において、ダストがなく受光光量が最大である時の受光信号（フィルタ２０３ｆから出力される波長走査駆動信号）のレベルＰ（＝Ｐｍａｘ）を、前記受光光量設定値として演算部２０３ｅに予め設定登録しておく。演算部２０３ｅは、図２１Ａのようにダストがある場合の受光信号レベルＰを検出し、このＰと同一時点のＰｍａｘとの比を、受光光量補正係数βとして数式４により演算する。
【００９５】
［数４］
β＝Ｐｍａｘ／Ｐ
【００９６】
上記の補正係数βを、ガス吸収波形の振幅ｗ（例えば図２１Ｂのｗｂ）に乗算または除算することにより、数式５に示すごとく、ダストに起因する受光光量の変動分を補正した振幅ｗｈを得ることができる。
【００９７】
［数５］
ｗｈ＝ｗ×β
【００９８】
こうして補正されたガス吸収波形の振幅ｗｈを用いてガス濃度を測定することで、煙道のようにダスト量が多い環境で受光光量の減少が著しい場合にも、ガス濃度を正確に測定することができる。
【００９９】
このようなレーザ式酸素ガス分析計によれば、受光部の出力信号からの前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部（フィルタ）を備え、出力信号を演算部に出力する。演算部は、抽出部（フィルタ）の出力信号と受光光量設定値（例えば、ダストがない清浄な環境で測定した場合の、受光光量が最大であるときの抽出手段の出力信号レベル）との比である受光光量補正係数を用いて、ガス吸収波形の振幅を補正するようにしたため、さらに燃焼制御装置用の酸素ガス濃度分析能力を高めている。
【０１００】
以上本発明のレーザ式酸素ガス分析計について説明した。
本発明によれば、ボイラなどの高温の酸素ガスをレーザ分析計で測定するプロセスにおいて、パージガスに使用するガス成分に影響されることなく、測定対象の酸素濃度を効率よく測定することができる。パージガスに計装空気を使用できることは導入コスト、運用コスト面において、大きなメリットがある。
【０１０１】
通常、パージガスに空気を使用した場合、空気に含まれる酸素量は、測定対象の酸素量に対し、外乱として影響を及ぼす十分な量がある場合が多く、さらに常温の酸素濃度に対して大きな感度がある吸収線は、５００℃以上の高温になると吸収強度が４０〜８０％程度低下する傾向が多くあり、その結果、Ｓ／Ｎが低下して測定が困難になる。
【０１０２】
一方、本発明は常温の空気中の酸素濃度に影響されず、４００〜１２００℃の吸収強度は常温に対して十分な大きさがあり、吸収強度の変化量も最大吸収強度から約２０％の範囲で収まる。
その結果、パージガスに酸素を含むエアを使用しても、その影響を受けず、測定対象となる高温ガス中の酸素濃度に対して、正確な計測が可能となる。
【０１０３】
また、半導体レーザを用いた吸収分光法に基づくレーザ式酸素ガス分析計において、従来の光ファイバ式ガス分析計では、ガスの吸収スペクトラム波形のピークを検出するように信号処理していたが、信号強度が電気信号ノイズよりも大きくなければならず、濃度が低いガス濃度検出が困難であったが、本願発明では低損失であるためピークが確実に表れるようにして低濃度のガスの検出能力を向上させた。さらに波長走査信号のトリガ信号をもとに、ガス吸収ピークを検出することで、低濃度ガス検出が可能となった。さらに、ダスト等の影響も考慮してガス吸収ピークを検出することで、さらに低濃度ガス検出が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明のレーザ式酸素ガス分析計は、ボイラ、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定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］、青果貯蔵及び熟成、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。
【符号の説明】
【０１０５】
１，１’，１”：レーザ式酸素ガス分析計
１００：発光部
１０１，１０１’：レーザ光源部
１０１ａ：波長走査駆動信号発生部
１０１ｂ：高周波変調信号発生部
１０１ｃ：電流制御部
１０１ｄ：温度制御部
１０１ｅ：レーザ素子
１０１ｆ：サーミスタ
１０１ｇ：ペルチェ素子
１０１ｓ：レーザ駆動信号発生部
１０２：コリメートレンズ
１０３：ボックスカバー
２００：受光部
２０１：集光レンズ
２０２：受光素子
２０３，２０３’，２０３”：信号処理部
２０４：ボックスカバー
３００：発光部側パージ部
３０１：パージ部本体
３０２：流入口
３０３：流出口
４００：受光部側パージ部
４０１：パージ部本体
４０２：流入口
４０３：流出口
５０１ａ，５０１ｂ：壁
５０２ａ，５０２ｂ：相フランジ
６００：検出光
７００：通信線
【図１】
2014102140.tif 000003
【図２】
2014102140.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年2月7日(2013.2.7)
【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】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光を発光し、前記受光部は、測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光を受光することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項３】
レーザ光による検出光を出射する発光部と、測定対象である酸素ガスが存在する空間を介して伝播された検出光を受光する受光部と、空気によるパージガスを発光部に供給する発光部側パージ部と、空気によるパージガスを受光部に供給する受光部側パージ部と、を備え、酸素ガスの有無の検出または酸素ガスの濃度の測定を行う周波数変調方式のレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、
測定対象である高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、発光部側パージ部および受光部側パージ部のパージガスに含まれる低温の酸素ガスの吸収強度が小さいような吸収波長を含む所定範囲の走査波長で走査されるレーザ光による検出光を出射するレーザ素子と、
前記レーザ素子の温度を安定化させる発光側温度安定化手段と、
酸素ガスの吸収波長を走査するように前記レーザ素子の発光波長を所定範囲の走査波長に可変とする可変駆動信号を含む波長走査駆動信号に対し、前記発光波長を変調するための高周波変調信号を合成してレーザ駆動信号として出力するレーザ駆動信号発生部と、
このレーザ駆動信号発生部から出力された前記レーザ駆動信号を電流に変換して前記レーザ素子へこの電流を供給する電流制御部と、
を備え、
前記受光部は、
測定対象である高温の酸素ガスが多く吸光された検出光であるレーザ光に感度を有する受光素子と、
前記受光部の出力信号から光源部における変調信号の２倍周波数成分である２倍波信号の振幅を検出して検出信号を出力する同期検波部と、
前記受光部の出力信号からノイズを除去するフィルタ回路と、
フィルタ回路から出力された検出信号に基づいて酸素ガスによる吸光量を算出し、この吸光量に基づいて酸素ガスの濃度の測定を行う手段として機能する演算部と、
を備えることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記吸収波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に吸収のピークが含まれる波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の一部または全部を積分し、その積分値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項６】
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項７】
請求項３または請求項４に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、
前記検出信号のガス吸収波形の最大値と最小値との差分にガス濃度変換係数を乗じた値から測定対象ガスの濃度を検出する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項８】
請求項３〜請求項７の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記波長走査駆動信号は、さらにオフセット信号を含むものであって可変駆動信号とオフセット信号とが一定周期で繰り返される信号であり、
前記オフセット信号は、前記レーザ素子のスレッショルド電流値以上の電流を前記レーザ素子に供給するような値であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項９】
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記レーザ駆動信号発生部から出力されるパルス状のトリガ信号を、前記波長走査駆動信号と同期させたことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項１０】
請求項９に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記トリガ信号を、前記レーザ素子の駆動電流をゼロにするような前記波長走査駆動信号のタイミングに同期させ、前記演算部は同期したタイミングで演算を行うことを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項１１】
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記検出信号のガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【請求項１２】
請求項１１に記載したレーザ式酸素ガス分析計において、
前記演算部は、前記受光光量設定値を、受光光量が最大であるときの前記抽出部の出力信号のレベルに設定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、本発明の請求項１１に係るレーザ式酸素ガス分析計は、
請求項３〜請求項８の何れか一項に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記受光部は、前記受光部の出力信号から前記波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出部を更に備え、
前記演算部は、前記抽出部の出力信号と受光光量設定値との比である受光光量補正係数を用いて前記検出信号のガス吸収波形の振幅を補正する手段として機能することを特徴とする。