(57)【要約】【課題】測定対象物質が含まれるガス又は液体を採取することなく、測定対象物質の濃度分布を取得することが可能な濃度分布測定装置及び脱硝装置を提供することを目的とする。【解決手段】濃度分布測定装置１は、測定対象が含まれるガスが存在する機器２の外部に固定され、レーザ光を照射する送光器１１と、機器２の外部に固定され、機器２の内部空間を伝搬したレーザ光を受光する受光器１２と、レーザ光を反射する反射ミラー１３と、機器２の壁部に設けられ、機器２の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、レーザ光が通過する複数のレーザビーム窓１５と、機器２の外部において反射ミラー１３を移動するガイドレール１４及び可動台１９と、機器２の内部におけるレーザ経路に基づいて、複数のレーザビーム窓１５から二つのレーザビーム窓１５が選択され、レーザ光が機器２の内部空間を通過するように反射ミラー１３を移動させる制御装置２０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象が含まれるガスが存在する機器の外部に固定され、レーザ光を照射する送光部と、
前記機器の外部に固定され、前記送光部から照射されて前記機器の内部空間を伝搬したレーザ光を受光し、前記レーザ光の光強度を検出する受光部と、
前記送光部から照射された前記レーザ光を反射する反射部と、
前記機器の壁部に設けられ、前記機器の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、前記レーザ光が通過する複数の窓部と、
前記反射部が載置され、前記機器の外部において前記反射部を移動する移動部と、
前記機器の内部におけるレーザ経路に基づいて、前記複数の窓部から二つの前記窓部が選択され、一の前記窓部から他の前記窓部に向けて前記レーザ光が照射されて前記レーザ光が前記機器の前記内部空間を通過するように、前記移動部によって前記反射部を移動させる制御部と、
を備える濃度分布測定装置。
【請求項２】
前記移動部は、載置された前記反射部の角度を調整する請求項１に記載の濃度分布測定装置。
【請求項３】
レーザ光を照射する送光部と、
前記送光部から照射されて、測定対象が含まれるガスが存在する機器の内部空間を伝搬したレーザ光を受光し、前記レーザ光の光強度を検出する受光部と、
前記機器の壁部に設けられ、前記機器の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、前記レーザ光が通過する複数の窓部と、
前記送光部又は前記受光部が載置され、前記送光部又は前記受光部を移動する移動部と、
前記機器の内部におけるレーザ経路に基づいて、前記複数の窓部から二つの前記窓部が選択され、一の前記窓部から他の前記窓部に向けて前記レーザ光が照射されて前記レーザ光が前記機器の前記内部空間を通過するように、前記移動部によって前記送光部又は前記受光部を移動させる制御部と、
を備える濃度分布測定装置。
【請求項４】
前記移動部は、載置された前記送光部又は前記受光部の角度を調整する請求項３に記載の濃度分布測定装置。
【請求項５】
前記レーザ光の照射強度、前記レーザ光の受光強度、前記内部空間のうち前記測定対象が存在する領域で前記レーザ光が通過する距離に基づいて、前記測定対象の濃度を算出する濃度算出部を更に備える請求項１から４のいずれか１項に記載の濃度分布測定装置。
【請求項６】
排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置であって、
還元剤主系統に設けた総流量制御弁の下流から分岐させた複数の還元剤供給系統が各々少なくとも１個の注入ノズルと該注入ノズルの上流側に位置する流量制御元弁とを備え、前記排ガスを流す流路内に設置されて前記注入ノズルから前記排ガス中に前記還元剤を注入する還元剤注入装置と、
前記還元剤と前記排ガスとを混合させる流体混合装置と、
前記窒素酸化物と前記還元剤とを反応させた後に主として水と窒素とに分解する脱硝触媒と、
前記脱硝触媒下流側の前記流路断面内における前記還元剤濃度分布を測定する請求項１から５のいずれか１項に記載の濃度分布測定装置と、
窒素酸化物濃度を計測する窒素酸化物濃度計と、
前記還元剤濃度分布及び前記窒素酸化物濃度の計測値が入力され、前記窒素酸化物濃度に基づいて前記総流量制御弁の開度の設定を行うとともに、前記還元剤濃度分布に基づいて複数個所の前記流量制御元弁毎の開度の設定を行う開度設定部と、
を具備する脱硝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃度分布測定装置及び脱硝装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配合ガスに含まれる特定物質の濃度測定を行う装置としてレーザ式ガス分析計が知られている。このレーザ式分析計は、気体状のガス分子がそれぞれ固有の光吸収スペクトルを有するという特性を利用し、特定物質が含まれるガスにレーザ光を照射し、その特定波長の吸光量から特定物質の濃度を測定するものである。
【０００３】
下記特許文献１には、アンモニアを含むガスが流通する配管ユニットからガスを吸引し、吸引したガスをレーザ式ガス分光計に導いてガス中に含まれるアンモニア濃度を測定する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、煙道の内部に挿入されて排ガスを採取するサンプリング管と、サンプリング管に対して加熱導管を介して接続されるフローセルユニットと、フローセルユニットに接続されるレーザ式ガス分析計とを備えるアンモニア濃度測定装置が開示されている。特許文献２に開示されているアンモニア濃度測定装置では、サンプリング管の内部に三酸化硫黄（ＳＯ３）を吸着するがアンモニアを通過させる吸着剤を装填し、排ガスから三酸化硫黄を除去したガスをレーザ式ガス分析計に導入させることで、アンモニアの測定精度を向上させている。
【０００５】
特許文献１、２に開示されているサンプリング方式の濃度測定装置では、以下のような問題点があった。
ガスを吸引して測定用の配管に導く際、測定の高速化が困難である。
ガスを測定用の配管に引き込んだ後に濃度測定を行うことから、配管を流通しているガスと測定管に引き込まれたガスの状態（例えば、温度等）が異なってしまい、測定精度が低下する。
流通ガスを局所的に採取して濃度測定を行うため、局所的なガス濃度測定はできても、濃度分布を取得することができない。また、サンプリング箇所を逐次変えて濃度測定を行えば、濃度分布を取得することは可能であるが、位置毎にガスの吸引、排出が必要となり、作業が煩雑であるとともに時間がかかる。
【０００６】
また、上記のように、ガスを測定用の配管に吸引するのではなく、ガスが流通する管そのものにレーザ式ガス分析計を配置する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３には、ガスが存在する内部空間に突出させた外筒と、外筒内にレーザを透過する光透過性部材によって閉塞された密閉空間を有する内筒とからなる二重管ノズルをレーザ光照射装置とレーザ光受光装置とにそれぞれ設け、この二重管ノズルの間の距離及び突出位置を調節することにより、二重管ノズル間に存在する特定物質の濃度を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−８００８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３６８７７号公報
【特許文献３】特開２０１１−３８８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３には、濃度分布を取得することについては何ら開示されていない。また、特許文献３に開示されている装置を用いて濃度分布を取得する場合には、濃度測定位置に応じて二重管ノズルの位置を調節する必要があり、制御が煩雑となる上、相当な時間を要するという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、測定対象物質が含まれるガス又は液体を採取することなく、測定対象物質の濃度分布を取得することが可能な濃度分布測定装置及び脱硝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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の濃度分布測定装置及び脱硝装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る濃度分布測定装置は、測定対象が含まれるガスが存在する機器の外部に固定され、レーザ光を照射する送光部と、前記機器の外部に固定され、前記送光部から照射されて前記機器の内部空間を伝搬したレーザ光を受光し、前記レーザ光の光強度を検出する受光部と、前記送光部から照射された前記レーザ光を反射する反射部と、前記機器の壁部に設けられ、前記機器の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、前記レーザ光が通過する複数の窓部と、前記反射部が載置され、前記機器の外部において前記反射部を移動する移動部と、前記機器の内部におけるレーザ経路に基づいて、前記複数の窓部から二つの前記窓部が選択され、一の前記窓部から他の前記窓部に向けて前記レーザ光が照射されて前記レーザ光が前記機器の前記内部空間を通過するように、前記移動部によって前記反射部を移動させる制御部とを備える。
【００１１】
この発明によれば、機器の壁部に複数の窓部が設けられ、窓部は、機器の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、レーザ光を通過させる。反射部は、移動部によって移動し、送光部から照射されたレーザ光を反射することによって、機器の内部において予め設定されたレーザ経路どおりにレーザ光を照射できる。機器の内部のレーザ経路は、一の窓部から他の窓部に向けてレーザ光が照射される光路であり、機器の内部空間を通過する。複数のレーザ経路が予め設定されており、そのうち一つのレーザ経路が選択されるとき、複数の窓部から二つの窓部が選択されて、レーザ光が選択された二つの窓部を通過するように反射部が移動する。
【００１２】
上記発明において、前記移動部は、載置された前記反射部の角度を調整してもよい。この発明によれば、反射部の角度が調整されることから、レーザ光を確実に機器の内部に導入できる。
【００１３】
また、本発明に係る濃度分布測定装置は、レーザ光を照射する送光部と、前記送光部から照射されて、測定対象が含まれるガスが存在する機器の内部空間を伝搬したレーザ光を受光し、前記レーザ光の光強度を検出する受光部と、前記機器の壁部に設けられ、前記機器の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、前記レーザ光が通過する複数の窓部と、前記送光部又は前記受光部が載置され、前記機器の外部において前記送光部又は前記受光部を移動する移動部と、前記機器の内部におけるレーザ経路に基づいて、前記複数の窓部から二つの前記窓部が選択され、一の前記窓部から他の前記窓部に向けて前記レーザ光が照射されて前記レーザ光が前記機器の前記内部空間を通過するように、前記移動部によって前記送光部又は前記受光部を移動させる制御部とを備える。
【００１４】
この発明によれば、機器の壁部に複数の窓部が設けられ、窓部は、機器の内部と外部とのガスの流通を遮断し、かつ、レーザ光を通過させる。送光部と受光部が移動部によって移動されることによって、機器の内部において予め設定されたレーザ経路どおりにレーザ光を照射できる。機器の内部のレーザ経路は、一の窓部から他の窓部に向けてレーザ光が照射される光路であり、機器の内部空間を通過する。複数のレーザ経路が予め設定されており、そのうち一つのレーザ経路が選択されるとき、複数の窓部から二つの窓部が選択されて、レーザ光が選択された二つの窓部を通過するように送光部と受光部が移動する。
【００１５】
上記発明において、前記移動部は、載置された前記送光部又は前記受光部の角度を調整してもよい。この発明によれば、反射部の角度が調整されることから、レーザ光を確実に機器の内部に導入できる。
【００１６】
上記発明において、前記レーザ光の照射強度、前記レーザ光の受光強度、前記内部空間のうち前記測定対象が存在する領域で前記レーザ光が通過する距離に基づいて、前記測定対象の濃度を算出する濃度算出部を更に備えてもよい。
この発明によれば、送光部から照射されたレーザ光が、機器の内部空間のうち測定対象が存在する領域を通過し、受光部で受光される。このとき、レーザ光の照射強度、測定対象の影響を受けたレーザ光の受光強度、及び測定対象が存在する領域をレーザ光が通過する距離に基づいて、測定対象の濃度を算出できる。濃度の算出には、例えば、レーザ光の光強度と測定対象の濃度との関係を示す関係式（ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則）を使用できる。
【００１７】
また、本発明に係る脱硝装置は、排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝装置であって、還元剤主系統に設けた総流量制御弁の下流から分岐させた複数の還元剤供給系統が各々少なくとも１個の注入ノズルと該注入ノズルの上流側に位置する流量制御元弁とを備え、前記排ガスを流す流路内に設置されて前記注入ノズルから前記排ガス中に前記還元剤を注入する還元剤注入装置と、前記還元剤と前記排ガスとを混合させる流体混合装置と、前記窒素酸化物と前記還元剤とを反応させた後に主として水と窒素とに分解する脱硝触媒と、前記脱硝触媒下流側の前記流路断面内における前記還元剤濃度分布を測定する上述の濃度分布測定装置と、窒素酸化物濃度を計測する窒素酸化物濃度計と、前記還元剤濃度分布及び前記窒素酸化物濃度の計測値が入力され、前記窒素酸化物濃度に基づいて前記総流量制御弁の開度の設定を行うとともに、前記還元剤濃度分布に基づいて複数個所の前記流量制御元弁毎の開度の設定を行う開度設定部とを具備する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、測定対象物質が含まれるガス又は液体を採取することなく、測定対象物質の濃度分布を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】機器内部の濃度測定領域の分割領域を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る濃度分布測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る濃度分布測定装置の送光側のレーザビーム窓を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る濃度分布測定装置の受光側のレーザビーム窓を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る濃度分布測定装置の変形例の全体構成を示す概略図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置において設定される複数のレーザ経路を示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置の変形例の全体構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置の変形例のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置の変形例のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置の変形例のレーザ経路の一例を示す説明図である。
【図１７】脱硝装置の概略構成を示した図である。
【図１８】図１７に示したアンモニア注入装置の概略構成例を示す系統図である。
【図１９】機器内部における濃度分布測定領域を示す説明図である。
【図２０】ランベルト・ベールの法則を説明するための図である。
【図２１】濃度演算式について説明するための図である。
【図２２】本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置の制御装置が備える濃度分布測定機能を示した機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る濃度分布測定装置１及び濃度分布測定方法について図面を参照して説明する。
図１９は、本実施形態に係る濃度分布測定領域について説明するための図である。図１９に示すように、機器２の内部空間１０には測定対象を含むガスが流通している。機器２の一例としては、事業用ボイラ、産業用ボイラ、工業炉などの排ガス口に接続された排気ダクトなどのガス配管や、ガスが充填された容器等が挙げられる。
【００２１】
内部空間１０には、濃度測定領域Ｓが仮想的に設定されている。濃度測定領域Ｓは内部空間１０内に任意に設定される領域である。図１９では、濃度測定領域Ｓは２次元的に設定されているが、３次元的に設定されてもよい。
濃度測定領域Ｓは、例えば、機器２がガスの流通する排気ダクトなどの配管である場合には、ガス流れの所定の位置における流路断面とされる。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る濃度分布測定装置１の全体構成を示す概略図である。図２に示すように、濃度分布測定装置１は、レーザ光源を有しレーザ光を照射する送光器１１と、可動台１９上に載置され送光器１１から照射されたレーザ光を反射する複数の反射ミラー１３と、光検出部を有しレーザ光を受光する受光器１２と、可動台１９が移動可能に載置されるガイドレール１４と、機器２の壁面に設置されるレーザビーム窓１５とを有している。
【００２３】
送光器１１及び受光器１２は、それぞれ１箇所に固定されており、送光器１１のレーザ光の照射方向や受光器１２のレーザ光の受光方向は、一定である。図２に示す例では、送光器１１は、機器２の外側の隅に設置され、長辺側の壁面に対して平行に反射ミラー１３に向けてレーザ光を照射する。受光器１２は、機器２の中心に対して送光器１１とは対称の位置に設置され、長辺側の壁面に対して平行な反射ミラー１３で反射されたレーザ光を受光する。ガイドレール１４は、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に設置されており、可動台１９上に載置された反射ミラー１３は、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に移動する。
【００２４】
機器２内の濃度測定領域Ｓが、図１に示すように、第１壁部３又は第２壁部４の面内方向に対して平行方向に５列に分割され、第１壁部３から第２壁部４にわたって３行に分割される場合、濃度測定領域Ｓには、仮想的に１５個の分割領域が形成される。分割領域ごとに、測定対象の平均濃度を測定することで、濃度測定領域Ｓにおける測定対象の濃度分布を得ることができる。
【００２５】
濃度測定領域Ｓが、１５個に分割されるとき、互いに平行な１５本のレーザ経路が設定される。図２には、１５本のレーザ経路に対応するレーザビーム窓１５及びパイプ５の配置関係が概略的に示されている。各レーザ経路は、第１壁部３に設けられたレーザビーム窓１５から第２壁部４に設けられたレーザビーム窓１５へ向かう光路であり、図２の破線で示すように、複数の分割領域を通過する。
【００２６】
送光器１１から照射され一方のレーザビーム窓１５を通過したレーザ光は、濃度測定領域Ｓ（図１参照）に向けて照射され、濃度測定領域Ｓに存在する測定対象のガスの影響を受けながら伝搬し、他方のレーザビーム窓１５を通過し受光器１２により受光される。
【００２７】
一つの分割領域のみの濃度を測定するため、濃度を測定しない分割領域のレーザ経路には中空のパイプ５が設置される。パイプ５内にはレーザビーム窓１５から供給されるシールエアが充満され、機器２内の測定対象が存在しない。一方、濃度を測定する分割領域にはパイプ５が設置されない。したがって、レーザ経路上では、パイプ５が設置されていない分割領域にのみ測定対象が存在することになり、該分割領域における測定対象の濃度を測定できる。
【００２８】
図３及び図４は、レーザビーム窓１５とパイプ５を概略的に示した図である。レーザビーム窓１５は、図３及び図４に示すように、中空部材であり、フランジ１６により機器２の外壁面にそれぞれ固定されている。レーザビーム窓１５の内部には、機器２の内部と外部との間のガスの出入りを遮断するシール用光学ガラス１７が設けられる。シール用光学ガラス１７の受光面は、レーザ光の反射を防止するため、レーザ光に対して垂直ではなく斜めに形成されてもよい。
【００２９】
レーザビーム窓１５のシール用光学ガラス１７の両面側には、それぞれ給気口１８が設けられる。給気口１８からシールエアが吹き出すことによって、シール用光学ガラス１７への物質の付着を防止できる。なお、シールエアは、シール用光学ガラス１７に対して両面側ではなく、濃度測定領域Ｓ側のみに吹き出されるとしてもよい。
【００３０】
パイプ５を機器２の内壁面に設置する場合は、図３及び図４に示すように、例えばフランジ１６の端部にパイプ５の端部が接続される。パイプ５の径は、レーザビーム窓１５の径よりも大きく、レーザビーム窓１５に供給されたシールエアは、パイプ５の内部に供給される。
【００３１】
なお、濃度測定領域Ｓにおける分割領域の形成方法は、上述した５列×３行の１５個に限定されない。列数や行数、分割領域の数は、他の数でもよい。濃度測定領域ＳがＭ列×Ｎ行でＰ個の分割領域が形成される場合、Ｐ本のレーザ経路が設定される。
【００３２】
図２に示すように、送光器１１は、制御ケーブル２１で結ばれた制御装置２０によって制御される。送光器１１が照射するレーザ光としては、測定対象の吸光度の特性に応じた適切な波長を出力する光が採用される。制御装置２０によって起動・停止の信号が出力されることにより、送光器１１の起動・停止が制御される。
【００３３】
ガイドレール１４や反射ミラー１３は、制御ケーブル２２で結ばれた制御装置２０によって制御される。制御装置２０によってガイドレール１４に設けられた可動台１９が移動し、反射ミラー１３の角度が調整されることにより、送光器１１から照射されたレーザ光が送光器１１側の反射ミラー１３で反射し、濃度測定領域Ｓに向けて照射される。また、濃度測定領域Ｓを通過したレーザ光は、受光器１２側の反射ミラー１３で反射し、受光器１２によって受光される。
【００３４】
送光器１１から照射されるレーザ光の照射強度や、受光器１２によって検出された受光強度は、制御装置２０に通知される。受光器１２は、入力された光の情報を電気信号に変換して制御装置２０に出力する。
【００３５】
なお、ガイドレール１４は、設置場所の影響で必ずしも直線上に配置できない場合があるが、反射ミラー１３の角度をレーザ経路ごとに細かく調整できるようにしておけば、ガイドレール１４の設置場所の影響を受けないで、送光器１１から受光器１２までレーザ光を到達させることができる。これは、制御装置２０が反射ミラー１３の角度をレーザ経路ごとに記憶しておくことによって実現可能である。
【００３６】
制御装置２０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Random Access Memory）、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（HDD）、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えている。これら各部は、バスを介して接続されている。更に、制御装置２０は、キーボードやマウス等からなる入力部及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部などと接続されていてもよい。
【００３７】
上記ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭに限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。なお、本実施形態では、制御装置２０を一つのコンピュータによって実現する構成としているが、複数のコンピュータによって実現してもよい。
【００３８】
次に、本実施形態に係る濃度分布測定の原理について、図を参照して説明する。
レーザ光の光強度と測定対象の濃度との関係を示す関係式として、ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則が知られている。
【００３９】
ランベルト・ベールの法則は、図２０に示すように、送光点と受光点との間の距離（以下「レーザ経路の距離」という。）をＬとし、レーザ光の照射強度をＩ０、レーザ光の受光強度をＩ（Ｌ）、距離Ｌ中に存在する測定対象の濃度をＣ０とした場合、以下の（１）式の関係が成立するというものである。
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−ｋＣ０Ｌ）  ……（１）
ここで、ｋは測定対象の吸光度に応じて設定される比例係数である。
【００４０】
測定対象の濃度を測定する分割領域の濃度平均値をＣ１、分割領域におけるレーザ経路の距離（パイプ５が設置されていない部分の距離）をＬ１とすると、上記（１）式は、以下の（２）式のように表すことができる。
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−ｋＣ１Ｌ１）  ……（２）
【００４１】
予め設定されたレーザ経路ごとにレーザ光を照射する際、分割領域におけるレーザ経路の距離（パイプ５が設置されていない部分の距離）をＬ１と、レーザ光の照射強度Ｉ０、レーザ光の受光強度Ｉ（Ｌ）は、既知であるから、上記（２）式によって、未知数である分割領域の濃度平均値Ｃ１を算出できる。
【００４２】
そして、上記構成を備える濃度分布測定装置１においては、以下のような手順により、濃度測定領域Ｓの濃度分布が取得される。
まず、測定を行うレーザ経路に対応するように、ガイドレール１４上にて反射ミラー１３が載置された可動台１９を移動させ、反射ミラー１３の角度を調整する。そして、制御装置２０によって送光器１１が起動され、更に、レーザ光の出力が安定した後に、レーザ経路における測定が行われる。
【００４３】
一のレーザ経路における測定が終了した後、次のレーザ経路における測定を開始する。このようにして、レーザ経路ごとの測定を順次行う。例えば、可動台１９が予め設定された所定の順番に従って順次移動し、レーザ経路に応じて反射ミラー１３の角度が調整される。その後、送光器１１からレーザ光が照射され、レーザ光が所定のレーザ経路を通過することで測定対象により吸光されたレーザ光が受光器１２によって受光される。
【００４４】
受光器１２は、受光した光によって光強度を検出する。レーザ光の検出値は、制御装置２０に出力される。このとき、制御装置２０は、受光器１２による検出値とその検出値に対応するレーザ経路の識別情報とを関連付けることができる。
【００４５】
制御装置２０に入力された検出値とレーザ経路の情報は、互いに関連付けられて制御装置２０にて記憶される。更に、上記レーザ照射の際の送光器１１からのレーザ光の照射強度も制御装置２０にて記憶される。そして、制御装置２０では、記憶されたデータに基づいて濃度分布が作成される。
【００４６】
具体的には、各レーザ経路上の分割領域の距離や、入力された検出値及びレーザ光の照射強度が読み出されて、上記（２）式で表わされる濃度演算式を用いることにより分割領域ごとの測定対象の濃度が算出される。そして、各分割領域の濃度が補間されることにより、濃度測定領域Ｓの濃度分布が作成される。これにより、濃度測定領域Ｓにおける測定対象の濃度分布が得られることとなる。
このようにして得られた濃度測定領域Ｓの濃度分布は、例えば、制御装置２０と接続された表示装置（図示略）に表示されることによって、ユーザに提示される。あるいは、他の制御に用いられることとしてもよい。
【００４７】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る濃度分布測定装置１及び濃度分布測定方法によれば、各レーザ経路においてレーザ光の照射と受光が行われることにより、各レーザ経路の光強度を取得し、この測定結果を用いて演算により濃度測定領域Ｓにおける濃度分布を取得するので、比較的簡易な構成により濃度分布を得ることができる。また、従来のように、ガスを吸引する必要がないので、測定に要する時間を大幅に短縮できる。更に、送光器１１や受光器１２の設置位置を調整する必要もないので、計測制御も従来に比べて簡易に実現することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、濃度測定領域Ｓを長方形に設定した場合について述べたが、濃度測定領域Ｓの形状はこれに限定されない。例えば、２つの等しい長さの平行線と二つの半円形とを組み合わせた形状（オーバル）など、さまざまな形状に対応することが可能である。
【００４９】
また、上述した実施形態では、レーザビーム窓１５が第１壁部３又は第２壁部４に対して直交方向に固定されるとしたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、一の壁部に対して斜め方向にレーザビーム窓１５が固定され、レーザ経路が斜め方向に設定されてもよい。
【００５０】
また、上述した濃度分布測定を数回に渡り繰り返し行い、数回分の各代表点における濃度を平均化した値を用いて最終的な濃度分布を取得することとしても良い。このようにすることで、精度を向上させることが可能となる。また、このように数回繰り返して行う場合には、レーザ照射の順番をそれぞれ変えることとしてもよい。
【００５１】
次に、本実施形態に濃度分布測定装置１の変形例について説明する。
図２を用いて説明した濃度分布測定装置１は、送光器１１及び受光器１２が固定されており、反射ミラー１３が可動台１９に載置され、反射ミラー１３がガイドレール１４上を移動するとしたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、図５に示すように、送光器１１及び受光器１２が可動台１９に載置され、送光器１１及び受光器１２がガイドレール１４上を移動するとしてもよい。
【００５２】
すなわち、変形例に係る濃度分布測定装置１は、レーザ光源を有しレーザ光を照射する送光器１１と、光検出部を有しレーザ光を受光する受光器１２と、可動台１９が移動可能に載置されるガイドレール１４と、機器２の壁面に設置されるレーザビーム窓１５とを有している。ガイドレール１４は、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に設置される。
【００５３】
送光器１１及び受光器１２は、それぞれ異なる可動台１９に載置され、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に移動する。送光器１１及び受光器１２は、可動台１９上で回動可能であり、送光方向又は受光方向を調整できる。したがって、送光器１１は、レーザ経路に応じて、機器２の外壁面に設けられたレーザビーム窓１５にレーザ光を照射でき、受光器１２は、レーザ経路に応じて、レーザビーム窓１５を通過したレーザ光を受光できる。
【００５４】
機器２の外壁回りにおける複数のレーザビーム窓１５や、機器２内部におけるパイプ５の配置位置は、上述した実施形態と同様である。また、濃度分布測定方法も上述した実施形態と同様であり、上記（１）式として知られているランベルト・ベールの法則が上記（２）式のように表されるという点に着目して、未知数として表された各分割領域の濃度平均値Ｃ１を算出する。
【００５５】
具体的には、受光器１２によって検出されたレーザ光の受光強度、送光器１１から照射されたレーザ光の照射強度、分割領域の距離に基づいて、濃度測定領域Ｓに設定された各分割領域における濃度平均値Ｃ１を演算により取得し、濃度測定領域Ｓの濃度分布を作成する。
【００５６】
本変形例に係る濃度分布測定装置１では、まず、測定を行うレーザ経路に対応するように、ガイドレール１４上にて送光器１１又は受光器１２が載置された可動台１９をそれぞれ移動させ、送光器１１及び受光器１２の角度を調整する。そして、制御装置２０によって送光器１１が起動され、更に、レーザ光の出力が安定した後に、レーザ経路における測定が行われる。
【００５７】
一のレーザ経路における測定が終了した後、次のレーザ経路における測定を開始する。このようにして、レーザ経路ごとの測定を順次行う。例えば、送光器１１又は受光器１２が載置された可動台１９が予め設定された所定の順番に従って順次移動し、レーザ経路に応じて送光器１１及び受光器１２の角度が調整される。その後、送光器１１からレーザ光が照射され、レーザ光が所定のレーザ経路を通過することで測定対象により吸光されたレーザ光が受光器１２によって受光される。
その後の制御装置２０を用いた各レーザ経路における濃度の算出方法や濃度分布の作成方法は、上述した実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００５８】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る濃度分布測定装置１及び濃度分布測定方法について図面を参照して説明する。
図７は、本実施形態に係る濃度分布測定装置１の全体構成を示す概略図である。図７に示すように、濃度分布測定装置１は、レーザ光源を有しレーザ光を照射する送光器１１と、可動台１９上に載置され送光器１１から照射されたレーザ光を反射する複数の反射ミラー１３と、光検出部を有しレーザ光を受光する受光器１２と、可動台１９が移動可能に載置されるガイドレール１４と、機器２の壁面に設置されるレーザビーム窓１５とを有している。
【００５９】
送光器１１及び受光器１２は、それぞれ１箇所に固定されており、送光器１１のレーザ光の照射方向や受光器１２のレーザ光の受光方向も一定である。図７に示す例では、送光器１１は、機器２の外側の隅に設置され、長辺側の壁面に対して平行に反射ミラー１３に向けてレーザ光を照射する。受光器１２は、機器２の中心に対して送光器１１とは対称の位置に設置され、反射ミラー１３で反射した長辺側の壁面に対して平行なレーザ光を受光する。ガイドレール１４は、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に設置されており、可動台１９上に載置された反射ミラー１３は、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に移動する。
【００６０】
図６には、複数のレーザビーム窓１５の配置関係と複数のレーザ経路が概略的に示している。レーザビーム窓１５は、第１実施形態と同様に、フランジ１６により機器２の外壁面にそれぞれ固定されている。送光器１１から照射され一方のレーザビーム窓１５を通過したレーザ光は、濃度測定領域Ｓ（図１参照）に向けて照射され、濃度測定領域Ｓに存在する測定対象のガスの影響を受けながら伝搬し、他方のレーザビーム窓１５を通過し受光器１２により受光される。レーザビーム窓１５のシール用光学ガラス１７の両面にそれぞれ設けられた給気口１８からシールエアが吹き出すことによって、シール用光学ガラス１７への物質の付着を防止できる。なお、シールエアは、シール用光学ガラス１７に対して両面側ではなく、いずれか一方の片面のみ（例えば濃度測定領域Ｓ側のみ）に吹き出されるとしてもよい。
【００６１】
機器２の外壁回りにおける複数のレーザビーム窓１５の配置位置は、濃度測定領域Ｓの濃度分布を取得するのに適切な位置に配置されている。なお、配置の詳細な説明については後述する。
【００６２】
ガイドレール１４や反射ミラー１３は、制御ケーブル２２で結ばれた制御装置２０によって制御される。制御装置２０によってガイドレール１４に設けられた可動台１９が移動し、反射ミラー１３の角度が調整されることにより、送光器１１から照射されたレーザ光が送光器１１側の反射ミラー１３で反射し、濃度測定領域Ｓに向けて照射される。また、濃度測定領域Ｓを通過したレーザ光は、受光器１２側の反射ミラー１３で反射し、受光器１２によって受光される。
【００６３】
送光器１１から照射されるレーザ光の照射強度や、受光器１２によって検出された受光強度は、制御装置２０に通知される。受光器１２は、入力された光の情報を電気信号に変換して制御装置２０に出力する。
【００６４】
なお、ガイドレール１４は、設置場所の影響で必ずしも直線上に配置できない場合があるが、反射ミラー１３の角度をレーザ経路ごとに細かく調整できるようにしておけば、ガイドレール１４の設置場所の影響を受けないで、送光器１１から受光器１２までレーザ光を到達させることができる。これは、制御装置２０が反射ミラー１３の角度をレーザ経路ごとに記憶しておくことによって実現可能である。
【００６５】
次に、レーザビーム窓１５の配置位置について、本実施形態に係る濃度分布測定の原理も含め、図を参照して説明する。
【００６６】
まず、本実施形態に係る濃度分布の取得原理について説明する。
レーザ光の光強度と測定対象の濃度との関係を示す関係式として、ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則が知られている。
【００６７】
ランベルト・ベールの法則は、図２０に示すように、送光点と受光点との間の距離（以下「レーザ経路の距離」という。）をＬとし、レーザ光の照射強度をＩ０、レーザ光の受光強度をＩ（Ｌ）、距離Ｌ中に存在する測定対象の濃度をＣ０とした場合、以下の（１）式の関係が成立するというものである。
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−ｋＣ０Ｌ）  ……（１）
ここで、ｋは測定対象の吸光度に応じて設定される比例係数である。
【００６８】
次に、図２１のように、レーザ経路をｎ個の区間に分割し、各区間の濃度平均値をそれぞれＣ１、Ｃ２、・・・Ｃｎとし、各区間の距離をＬ１、Ｌ２、・・・、Ｌｎとすると、上記（１）式は以下の（３）式のように表すことができる。
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ０ｅｘｐ［−ｋ（Ｃ１Ｌ１＋Ｃ２Ｌ２＋・・・＋ＣｎＬｎ）］  ……（３）
【００６９】
本実施形態に係る濃度分布測定方法は、上記（１）式として知られているランベルト・ベールの法則が上記（３）式のように表されるという点に着目して、１つのレーザ経路を複数の区間に仮想的に分割するとともに、さまざまな方向から濃度測定領域Ｓにレーザ光を照射することによりレーザ経路毎に測定値を得、この測定値を用いて各区間の平均濃度を未知数とした光強度と濃度との関係を表わす条件式をレーザ経路毎に定義して連立方程式を作成し、この連立方程式を解くことにより、未知数として表された各区間の平均濃度を算出するものである。
【００７０】
以下、濃度測定領域Ｓにおけるレーザビーム窓１５の配置位置、換言すると、レーザの照射経路の設定について具体的に説明する。
まず、図１に示すように、濃度測定領域ＳにＮ個の代表点を設定する。ここで、代表点の個数、位置については任意に設定することができる。本実施形態では、一例として、濃度測定領域Ｓを３行５列からなる１５個のセルに等分し、各セルの中心に代表点Ｐ１〜Ｐ１５を設定している。
【００７１】
次に、各代表点を少なくとも１回は通過するとともに、交差点が代表点となるようなＮ通り以上のレーザ経路を設定する。換言すると、各代表点の濃度を未知数とした場合に、上記（３）式の濃度演算式を用いた連立方程式により各代表点の濃度を算出できるようなレーザ経路を設定する。
【００７２】
図６は、レーザ経路の一例を示した図である。図６では、濃度測定領域Ｓの端部に配置された代表点Ｐ１、Ｐ３、Ｐ１３、Ｐ１５については、その代表点のみを通過するレーザ経路を設定している。また、同列に並べられている代表点（例えば、代表点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）をそれぞれ通過するようなレーザ経路が設定され、更に、これらのレーザ経路に斜めに交差するレーザ経路が設定されている。なお、レーザ経路については図６に示したものに限定されない。また、レーザ経路については様々なバリエーションが存在するが、レーザ経路の長さを短く設定することが好ましい。これは、レーザ経路が長いほど、外乱（例えば、内部空間内のダスト等）による影響を受けやすく、測定精度が低下するおそれがあるからである。
このようにして設定されたレーザ経路の各々には、例えば、固有の識別情報が付され、識別情報によって特定が可能とされる。
【００７３】
レーザ経路が決定されると、決定されたレーザ経路に沿ってレーザ光を照射するべく、機器２の外壁周りにおけるレーザビーム窓１５の配置位置及び角度が決定され、ガイドレール１４上の反射ミラー１３の移動位置が決定される（図８〜図１２参照）。図８は、図の下側の壁部から上側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ６、Ｐ５、Ｐ４を通過する例を示し、図９は、図の下側の壁部から左側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ３を通過する例を示し、図１０は、図の左側の壁部から上側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ１を通過する例を示し、図１１は、図の右側の壁部から上側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ１４、Ｐ１０を通過する例を示し、図１２は、図の下側の壁部から右側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ１２、Ｐ１４を通過する例を示している。
【００７４】
制御装置２０は、受光器１２によって検出されたレーザ光の受光強度、送光器１１から照射されたレーザ光の照射強度等に基づいて、濃度測定領域Ｓに設定された各代表点における濃度を演算により取得し、濃度測定領域Ｓの濃度分布を作成する。
【００７５】
図２２は、制御装置２０が備える濃度分布測定機能を示した機能ブロック図である。図２２に示すように制御装置２０は、第１記憶部３１、第２記憶部３２、距離算出部３３、方程式作成部３４、濃度算出部３５、及び分布作成部３６を備えている。
【００７６】
第１記憶部３１には、例えば、上記受光器１２によって検出された測定結果、すなわち、レーザ光の受光強度がレーザ経路の識別情報と関連付けられて格納されるとともに、送光器１１側から通知されたレーザ光の照射強度が測定されて格納される。
第２記憶部３２には、上記（３）式で表わされる濃度演算式、濃度測定領域Ｓにおける代表点の位置、濃度測定領域Ｓに設定された各レーザ経路とその距離情報など、濃度測定領域Ｓにおける濃度分布を得るために必要となる情報が格納されている。
【００７７】
距離算出部３３は、レーザ経路毎に、該レーザ光が通過する各代表点に対応する局所区間の距離を算出する（距離算出工程）。距離算出部３３は、レーザ経路が１つの代表点のみを通過する場合には、そのレーザ経路の距離を該代表点に対応する局所区間として算出する。また、レーザ経路が複数の代表点を通過する場合には、当該レーザ光の経路を、当該レーザ光の経路上の隣接する代表点間で分割し、それぞれの局所区間の距離を算出する。より具体的には、距離算出部３３は、複数の代表点を通過するレーザ経路については、隣接する代表点を結ぶ線分をその中点で分割することにより、各代表点に対応する各局所区間を設定し、この局所区間の距離を算出する。
【００７８】
例えば、図８に示すように、代表点Ｐ６、Ｐ５、Ｐ４を通過するレーザ経路であれば、代表点Ｐ６とＰ５との中点及び代表点Ｐ５とＰ４との中点において当該レーザ経路を分割し、各局所区間の距離Ｌ６、Ｌ５、Ｌ４を算出する。なお、レーザ経路の分割位置は、代表点と代表点との間のいずれかの位置であればよく、中点に限定されない。
【００７９】
方程式作成部３４は、上記（３）式で表わされる濃度演算式に対して、第１記憶部３１に格納された測定結果及び距離算出部３３で算出された局所区間の距離を用いることにより、レーザ経路毎に代表点の濃度を未知数とした条件式を作成する。
例えば、図８に示した代表点Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６を通過するレーザ経路であれば、このレーザ経路に対応する条件式は以下の（４）式で表わされる。
【００８０】
Ｉ（Ｌ）＝Ｉ０ｅｘｐ［−ｋ（Ｃ４Ｌ４＋Ｃ５Ｌ５＋Ｃ６Ｌ６）］    ……（４）
【００８１】
上記（４）式において、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６以外は既知の値であり、Ｉ（Ｌ）には当該レーザ経路の測定時におけるレーザ光の照射強度が、Ｉ０には当該レーザ経路におけるレーザ光の受光強度が、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６には、距離算出部３３によって算出された局所区間の距離がそれぞれ用いられる。また、ｋには予め設定されている比例係数が用いられる。
そして、このような条件式が各レーザ経路に対応して作成されることにより、レーザ経路の数に対応する条件式からなる連立方程式が作成される。
【００８２】
方程式作成部３４において作成される連立方程式は、多元連立一次方程式として表わされる。また、濃度測定を行うにあたって、上述したようにレーザ経路は全ての代表点の濃度を算出することができるように予め設定されているため、ここで作成される連立方程式の相互の関係は、独立であり、かつ、矛盾がないものとなる。
【００８３】
濃度算出部３５は、方程式作成部３４によって作成された連立方程式を解くことで、各代表点の濃度を算出する。
分布作成部３６は、濃度算出部３５によって算出された各代表点の濃度を補間することにより濃度測定領域Ｓの濃度分布を作成する。
【００８４】
そして、上記構成を備える濃度分布測定装置１においては、以下のような手順により、濃度測定領域Ｓの濃度分布が取得される。
まず、測定を行うレーザ経路に対応するように、ガイドレール１４上にて反射ミラー１３が載置された可動台１９を移動させ、反射ミラー１３の角度を調整する。そして、制御装置２０によって送光器１１が起動され、更に、レーザ光の出力が安定した後に、レーザ経路における測定が行われる。
【００８５】
一のレーザ経路における測定が終了した後、次のレーザ経路における測定を開始する。このようにして、レーザ経路ごとの測定を順次行う。例えば、可動台１９が予め設定された所定の順番に従って順次移動し、レーザ経路に応じて反射ミラー１３の角度が調整される。その後、送光器１１からレーザ光が照射され、レーザ光が所定のレーザ経路を通過することで測定対象により吸光されたレーザ光が受光器１２によって受光される。
【００８６】
受光器１２は、受光した光によって光強度を検出する。レーザ光の検出値は、制御装置２０に出力される。このとき、制御装置２０は、受光器１２による検出値とその検出値に対応するレーザ経路の識別情報とを関連付けることができる。
【００８７】
制御装置２０に入力された検出値とレーザ経路の情報は、互いに関連付けられて第１記憶部３１（図２２参照）に格納される。更に、上記レーザ照射の際の送光器１１からのレーザ光の照射強度も制御装置２０の第１記憶部３１に格納される。
【００８８】
制御装置２０では、第１記憶部３１及び第２記憶部３２に格納されているデータに基づいて濃度分布が作成される。
具体的には、距離算出部３３によって各レーザ経路上の代表点に対応する局所区間の距離が算出される。このとき、算出された各レーザ経路上における局所区間の距離をレーザ経路の識別情報と関連付けて第２記憶部３２に格納する。
【００８９】
続いて、方程式作成部３４により、レーザ経路毎に代表点の濃度を未知数とした連立方程式が作成される。連立方程式は、上記（３）式で表わされる濃度演算式に対して、第１記憶部３１に格納された測定結果及び距離算出部３３で算出された局所区間の距離を用いることにより作成される。そして、この連立方程式が濃度算出部３５によって解かれ、未知数として設定された各代表点の濃度が算出される。各代表点の濃度は、分布作成部３６に出力され、各代表点の濃度が補間されることにより、濃度測定領域Ｓの濃度分布が作成される。これにより、濃度測定領域Ｓにおける測定対象の濃度分布が得られることとなる。
このようにして得られた濃度測定領域Ｓの濃度分布は、例えば、制御装置２０と接続された表示装置（図示略）に表示されることによって、ユーザに提示される。あるいは、他の制御に用いられることとしてもよい。
【００９０】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る濃度分布測定装置１及び濃度分布測定方法によれば、濃度測定領域Ｓに仮想的に設けられたＮ（Ｎは２以上の整数）個の代表点のそれぞれを少なくとも１回は通過するとともに、交差点が代表点となるようなＮ通り以上のレーザ経路が設定され、各レーザ経路においてレーザ光の照射と受光が行われることにより、各レーザ経路の光強度を取得し、この測定結果を用いて演算により濃度測定領域Ｓにおける濃度分布を取得するので、比較的簡易な構成により濃度分布を得ることができる。また、従来のように、ガスを吸引する必要がないので、測定に要する時間を大幅に短縮できる。更に、送光器１１や受光器１２の設置位置を調整する必要もないので、計測制御も従来に比べて簡易に実現することができる。
【００９１】
次に、本実施形態に濃度分布測定装置１の変形例について説明する。
図７ないし図１２を用いて説明した濃度分布測定装置１は、送光器１１及び受光器１２が固定されており、反射ミラー１３が可動台１９に載置され、反射ミラー１３がガイドレール１４上を移動するとしたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、図１３に示すように、送光器１１及び受光器１２が可動台１９に載置され、送光器１１及び受光器１２がガイドレール１４上を移動するとしてもよい。
【００９２】
すなわち、濃度分布測定装置１は、レーザ光源を有しレーザ光を照射する送光器１１と、光検出部を有しレーザ光を受光する受光器１２と、可動台１９が移動可能に載置されるガイドレール１４とを有している。ガイドレール１４は、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に設置され、かつ、機器２の外部の隅部にもＬ字状に設置される。
【００９３】
送光器１１及び受光器１２は、それぞれ異なる可動台１９に載置され、機器２の外部にて機器２の壁面に対して平行に移動したり、機器２の外部の隅部に位置したりすることができる。
【００９４】
送光器１１及び受光器１２は、可動台１９上で回動可能であり、送光方向又は受光方向を調整できる。したがって、送光器１１は、レーザ経路に応じて、機器２の外壁面に設けられたレーザビーム窓１５にレーザ光を照射でき、受光器１２は、レーザ経路に応じて、レーザビーム窓１５を通過したレーザ光を受光できる。
【００９５】
機器２の外壁回りにおける複数のレーザビーム窓１５の配置位置は、上述した実施形態と同様である。また、濃度分布測定方法も上述した実施形態と同様であり、上記（１）式として知られているランベルト・ベールの法則が上記（３）式のように表されるという点に着目して、１つのレーザ経路を複数の区間に仮想的に分割するとともに、さまざまな方向から濃度測定領域Ｓにレーザ光を照射することによりレーザ経路毎に測定値を得、この測定値を用いて各区間の平均濃度を未知数とした光強度と濃度との関係を表わす条件式をレーザ経路毎に定義して連立方程式を作成し、この連立方程式を解くことにより、未知数として表された各区間の平均濃度を算出する。
【００９６】
レーザ経路が決定されると、決定されたレーザ経路に沿ってレーザ光を照射するべく、機器２の外壁周りにおけるレーザビーム窓１５の配置位置及び角度が決定され、送光器１１及び受光器１２の移動位置が決定される（図１４〜図１６参照）。図１４は、図の下側の壁部から上側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ１２、Ｐ８、Ｐ４を通過する例を示し、図１５は、図の下側の壁部から上側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ６、Ｐ５、Ｐ４を通過する例を示し、図１６は、図の左側の壁部から上側の壁部にレーザ光が照射され、代表点Ｐ２、Ｐ４を通過する例を示している。
【００９７】
制御装置２０は、受光器１２によって検出されたレーザ光の受光強度、送光器１１から照射されたレーザ光の照射強度等に基づいて、濃度測定領域Ｓに設定された各代表点における濃度を演算により取得し、濃度測定領域Ｓの濃度分布を作成する。
【００９８】
そして、上記構成を備える濃度分布測定装置１においては、まず、測定を行うレーザ経路に対応するように、ガイドレール１４上にて送光器１１又は受光器１２が載置された可動台１９をそれぞれ移動させ、送光器１１及び受光器１２の角度を調整する。そして、制御装置２０によって送光器１１が起動され、更に、レーザ光の出力が安定した後に、レーザ経路における測定が行われる。
【００９９】
一のレーザ経路における測定が終了した後、次のレーザ経路における測定を開始する。このようにして、レーザ経路ごとの測定を順次行う。例えば、送光器１１又は受光器１２が載置された可動台１９が予め設定された所定の順番に従って順次移動し、レーザ経路に応じて送光器１１及び受光器１２の角度が調整される。その後、送光器１１からレーザ光が照射され、レーザ光が所定のレーザ経路を通過することで測定対象により吸光されたレーザ光が受光器１２によって受光される。
【０１００】
その後の制御装置２０を用いた各レーザ経路における濃度の算出方法や濃度分布の作成方法は、上述した実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。
【０１０１】
［適用例］
次に、上述した本発明の第１実施形態又は第２実施形態に係る濃度分布測定装置１を脱硝装置７０に適用する場合の一実施形態について説明する。
図１７は、本実施形態に係る脱硝装置７０の概略構成を示した図である。図１７において、脱硝装置７０は、たとえば石炭を燃料とするボイラ装置８５に設置され、石炭を燃焼させて生成された燃焼排ガス中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元剤のアンモニアと反応させた後、脱硝触媒７２を用いて主として水と窒素とに分解して除去する装置である。この脱硝装置７０は、ボイラ本体８６に接続されて燃焼排ガスを煙突８７に導く煙道８８に設置されており、煙道８８の出口には、燃焼排ガス中の排熱を回収する熱交換器の空気予熱器８９が設置されている。
【０１０２】
脱硝装置７０は、煙道８８の直管部に設置されてアンモニアを注入するアンモニア注入装置７１と、注入したアンモニアを燃焼排ガスと混合させる混合器（不図示）と、窒素酸化物とアンモニアとを反応させた後に水と窒素とに分解する脱硝触媒７２と、アンモニア注入量等の制御を行う開度設定部７３と、脱硝後のＮＯｘ濃度を監視（測定）する窒素酸化物濃度計（ＮＯｘ計）７４及び脱硝後のガス流路に仮想的に設けられた濃度測定領域における脱硝後のアンモニア濃度分布を測定する濃度分布測定装置１を備えている。
【０１０３】
アンモニア注入装置７１は、たとえば図１８に示すように、アンモニア供給源に接続された流路配管のアンモニア主系統７６に総流量制御弁７７を備えている。このアンモニア主系統７６は、総流量制御弁７７の下流において、ヘッダ７８から分岐させた複数本（図示の例では６本）のアンモニア供給系統８０を備えている。
【０１０４】
アンモニア供給系統８０は、各々が流量制御元弁７９及び複数個（図示の例では３個）の注入ノズル７５を備えており、排ガスを流す流路である煙道８８の内部に注入ノズル７５が格子状の配置となるように設置されている。注入ノズル７５は、流路配管のアンモニア主系統７６、ヘッダ７８及びアンモニア供給系統８０を通ってアンモニア供給源から供給されたアンモニアを煙道８８の内部に液滴又はガスの状態で流出させ、燃焼排ガス中に還元剤のアンモニアを注入するものである。なお、液滴の状態で注入されたアンモニアは、高温の燃焼排ガスから吸熱して気化する。
【０１０５】
こうして煙道８８の内部に注入されたアンモニアのガスは、混合器を通過することにより燃焼排ガスと撹拌混合される。この結果、アンモニアは窒素酸化物と反応して脱硝触媒７２を通過するので、水と窒素とに分解されることで窒素酸化物が燃焼排ガス中から除去される。
【０１０６】
開度設定部７３には、濃度分布測定装置１で測定したアンモニア濃度分布、及びＮＯｘ計７４で測定した窒素酸化物濃度の測定値が入力される。このようなアンモニア濃度及び窒素酸化物濃度の入力を受けた開度設定部７３は、窒素酸化物濃度に基づいて総流量制御弁７７の開度の設定（開度制御）を行うとともに、複数個所のアンモニア濃度に基づいて各流量制御元弁７９の開度の設定（開度制御）を行う。すなわち、開度設定部７３は、窒素酸化物濃度に基づく総流量制御弁７７や、濃度分布測定装置１で得られたアンモニア濃度分布に基づく流量制御元弁７９の開度制御信号を出力する。
【０１０７】
この場合、開度設定部７３による流量制御元弁７９の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁７９毎の開度との相関関係を定めた制御マップに基づいて行われる。すなわち、脱硝装置７０は、ボイラ装置８５毎に諸条件（煙道８８の流路系統や流路断面積、燃料の種類等）が異なるため、事前に相関関係のデータを実験等により入手して制作した制御マップを開度設定部７３に記憶しておく。なお、この制御マップでは、煙道８８内のアンモニア濃度を同一流路断面内で測定した複数位置のアンモニア濃度に対して、複数系統のアンモニア供給系統８０毎に異なる流量制御元弁７９の開度を個別に設定するものである。
【０１０８】
ＮＯｘ計７４は、煙道８８において脱硝触媒７２の下流側で脱硝後の窒素酸化物濃度を測定する。すなわち、ＮＯｘ計７４は、脱硝装置７０による脱硝効果を監視するセンサであり、所望の脱硝が行われるように、開度設定部７３からアンモニア供給量を増減するように総流量制御弁７７の開度信号を出力する。
【０１０９】
濃度分布測定装置１は、上述したように、脱硝触媒７２の下流側における煙道８８の流路断面内に仮想的に設定した濃度測定領域のアンモニア濃度分布を作成し、このアンモニア濃度分布を開度設定部７３に出力する。
【０１１０】
このような脱硝装置７０によれば、濃度分布測定装置１によって、煙道８８における脱硝触媒７２の下流側におけるアンモニア濃度分布が検出されるとともに、ＮＯｘ計７４によって窒素酸化物濃度が検出され、この検出結果がそれぞれ開度設定部７３に出力される。開度設定部７３では、窒素酸化物濃度に基づいて総流量制御弁７７の開度制御が行われ、かつ、濃度分布測定装置１によって得られたアンモニア濃度分布に基づいて流量制御元弁７９の開度制御が行われる。これにより、脱硝装置７０の運転を継続しながら、時定数の短いアンモニア濃度の測定値に応じ、複数のアンモニア供給系統８０毎に分配されるアンモニア注入量を自動的に調整することができる。
【０１１１】
このとき、流量制御元弁７９の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁７９毎の開度とのマップに基づいて行われるので、窒素酸化物濃度により総供給量が規定されたアンモニアは、流量制御元弁７９の開度に応じてアンモニア供給系統８０に対するアンモニア分配量が調整される。
アンモニア濃度の検出値が高いことは、すなわち、リークアンモニア（未反応アンモニア）が増大したことは、脱硝触媒７２の触媒性能が劣化したことを意味するので、濃度分布測定装置１によって測定されたアンモニア濃度分布から、煙道８８の流路断面位置に対応した脱硝触媒７２の劣化状況を把握できる。
【０１１２】
このように、アンモニア濃度分布が脱硝触媒７２の性能劣化と関連しているので、アンモニア濃度分布に基づいてアンモニア注入装置７１によるアンモニア注入量の分布制御を実施すれば、リークアンモニアの分布をコントロールすることができる。また、リークアンモニアは、空気予熱器８９を閉塞させる原因でもあるから、アンモニア濃度検出に基づいてアンモニア注入装置７１によるアンモニア注入量の分布制御を実施すれば、空気予熱器８９の閉塞防止も可能になる。
【０１１３】
本実施形態に係る脱硝装置７０によれば、脱硝装置７０の運転を継続しながら、時定数の短い還元剤濃度の測定値に応じて、複数の還元剤供給系統毎に分配される還元剤注入量を自動的に調整することが可能になる。これにより、還元剤注入の分配最適化による脱硝触媒７２の寿命延長や脱硝触媒７２の更新の効率化を達成することができる。この結果、脱硝装置７０においては、脱硝触媒７２の更新に伴うコストの低減やアンモニア消費量の最適化を実現できる。
【０１１４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
例えば、上述した実施形態では、複数のレーザビーム窓１５がほぼ同一面内に設置される場合について説明したが、複数のレーザビーム窓１５の配置面は、厳密に同一面である必要はなく、測定結果に影響を及ぼさない範囲で異なる面に配置されてもよい。
【符号の説明】
【０１１５】
１  濃度分布測定装置
２  機器
３  第１壁部
４  第２壁部
５  パイプ
１０  内部空間
１１  送光器（送光手段）
１２  受光器（受光手段）
１３  反射ミラー（反射部）
１４  ガイドレール（移動部）
１５  レーザビーム窓（窓部）
１６  フランジ
１７  シール用光学ガラス
１８  給気口
１９  可動台（移動部）
２０  制御装置（制御部、濃度算出部）
２１  制御ケーブル
２２  制御ケーブル
Ｓ  濃度測定領域
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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２０】
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【図２１】
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【図２２】
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