(57)【要約】本発明は、レーザー(2a)を用い、プロセスガスを収容した容器(1)内を通過する光路にレーザー(2a)を導いてプロセスガスの少なくとも一つの成分の濃度を測定する装置と方法に関する。本発明は、光路の一部の区間ではレーザーがプロセスガスから遮蔽されることなくプロセスガス中を通過するように自由空間中に導かれていると共に光路の他の区間ではレーザーがプロセスガスから遮蔽されるように遮蔽体内に導かれていることを特徴とする。自由空間中を通過するレーザー光路区間のみが測定区間(4)として画定され、この測定区間がレーザー分光分析による単一吸収線の分光測定に用いられる。
2005526978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー(2a)を用い、プロセスガスを収容した容器(1)内を通過する光路に前記レーザー(2a)を導いてプロセスガスの少なくとも一つの成分の濃度を測定する装置において、前記光路の一部の区間ではレーザーがプロセスガスから遮蔽されることなくプロセスガス中を通過するように自由空間中に導かれていると共に前記光路の他の区間ではレーザーがプロセスガスから遮蔽されるように遮蔽体内に導かれており、前記自由空間中を通過するレーザー光路区間のみが単一吸収線を分光測定するための測定区間(4)として画定されていることを特徴とする気体濃度分光測定装置。
【請求項２】
前記遮蔽体(3)が中空体(3)によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記遮蔽体(3)の領域に、遮蔽体(3)又は中空体(3)内部からプロセスガスを掃気するための洗滌ガス供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記遮蔽体(3)が管状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記遮蔽体(3)が水冷ランスとして構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記遮蔽体(3)が耐熱性及び／又は耐酸性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記遮蔽体(3)がセラミック材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
レーザー光源(2a)の射出光路側と、該レーザー光源からのレーザーを受光する検知器(2ｂ)の入射光路側との双方にそれぞれ遮蔽体(3)が取り付けられ、これら遮蔽体(3)によって測定区間(4)が両側から限定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
レーザー(2a)を用い、プロセスガスを収容した容器(1)内を通過する光路に前記レーザー(2a)を導いてプロセスガスの少なくとも一つの成分の濃度を測定する方法において、前記光路の一部の区間ではレーザーをプロセスガスから遮蔽することなくプロセスガス中の自由空間に導くと共に前記光路の他の区間ではレーザーをプロセスガスから遮蔽する遮蔽体内に導き、前記自由空間中を通過するレーザー光路区間のみを測定区間(4)としてレーザー(2a)による前記成分の濃度の分光測定に用い、前記測定区間における単一吸収線の分光測定を行うことを特徴とする気体濃度分光測定方法。
【請求項１０】
遮蔽体(3)の内部を洗滌ガスによる掃気によって洗滌する操作を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
洗滌ガスとして窒素ガスを使用することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを用い、プロセスガスを収容した容器内を通過する光路にレーザーを導いてプロセスガスの少なくとも一つの成分の濃度を測定する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
混合ガスの個々の成分濃度をレーザーを用いて分光測定する測定方法及び測定装置は公知である。
【０００３】
しかしながら、粉塵を随伴するプロセスガス（混合ガス）における成分濃度の測定にレーザー分光分析法を利用する場合、公知の方法では粉塵粒子によって生起されるレーザー光の吸収や反射散乱による制約を受けることが多い。比較的多量の粉塵を随伴し、しかも測定区間が長い場合、例えば横断面積の大きな管を横切るような測定区間の場合には、測定区間長を越えて検知器に到達するレーザー光の強度が激減し、検知器からは利用可能な信号が出力されなくなる。従って、このような用途には公知の方法は適合しない。
【０００４】
上述のような応用の要求は、金属加工技術、或いはエネルギー生産及び発電所技術の領域で比較的頻繁に発生する。即ち、これらの技術領域では粉塵で汚染されたプロセスガスが大量に副生され、装置を運転する者にとってプロセスガスの組成が大きな関心事だからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って本発明の主要な課題は、プロセスガスの成分濃度をレーザー分光測定するための改良された方法及び装置を提供することであり、特に粉塵を随伴する大きな体積流量のプロセスガスに対しても好適な気体濃度分光測定装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、装置に関しては、レーザー光の光路の一部の区間ではレーザーがプロセスガスから遮蔽されることなくプロセスガス中を通過するように自由空間中に導かれていると共に前記光路の他の区間ではレーザーがプロセスガスから遮蔽されるように遮蔽体内に導かれており、前記自由空間中を通過するレーザー光路区間のみが単一吸収線を分光測定するための測定区間(4)として画定されていることによって解決される。この方式には、或る領域を端から端まで連続的に測定する分光測定（走査法）に比べ、格段に高い測定精度が得られるという利点がある。本発明では、いわゆる単一吸収線分光分析法を適用する。従って、波長が予め定められた設定値に固定されているか固定可能であり、しかも波長が正確に維持されるようなレーザー装置を使用するのことが好ましい。例えば、一酸化炭素の測定には、波長が正確に定義された赤外線レーザーが使用される。これに対して走査型レーザー、即ち、予め定められた手順に従って或る波長領域を端から端まで連続的に測定（走査）するレーザー装置は、本発明の目的である高い精度には適さない。本発明では、単一の周波数だけに固定された単一吸収線分光測定法を用いるので、特別な補助手段なしにレーザーの連続的な自動較正が可能である。これに対し、走査型レーザーの場合には一種又は複数種の対照ガスが必要であり、これは対照ガスを用いてレーザーを連続的に較正しなければならないためである。
【０００７】
本発明において、前記光路の他の区間でレーザーをプロセスガスから遮蔽するための遮蔽体は中空体によって構成されていることが好ましい。また、この遮蔽体の領域には、遮蔽体、特に中空体の内部からプロセスガスを掃気するための洗滌ガス供給手段が設けられていることが更に好ましく、それによって遮蔽体の内部に既知の組成の汚染されていないガスで満たせば、レーザー光は殆ど強度の低下なしに洗滌ガス中を通過し、従ってこの洗滌ガスは濃度測定に対して実質的に影響を及ぼさないか、或いは既知の組成に基いて事後に測定値からその影響分を消去し得る利点が得られる。洗滌ガスとしては、例えば窒素ガスが極めて優れている。一般的には、その他の種々の不活性ガスも洗滌ガスとして適当と考えられる。或るガスが洗滌ガスとして適当であるか否かは、特にプロセスガスのどの成分を測定対象とするかによって決定され得るものである。
【０００８】
本発明の有利な一実施形態では、遮蔽体は管状に形成されている。遮蔽体は水冷ランスとして構成されていると特に有利である。このような実施形態によれば、本発明による濃度測定を非常に高温のプロセスガスにも問題なく適用することが可能となる。
【０００９】
本発明の別の有利な一実施形態では、遮蔽体は耐熱性及び／又は耐酸性を有する材料によって構成されている。この場合、遮蔽体をセラミック材料で構成することが有利である。これらの材料により、困難な条件下、例えばプロセスガスに酸性成分が含有されている場合にも、本発明による濃度測定を問題なく適用することが可能となる。
【００１０】
本発明の更に別の一実施形態では、レーザー光源の射出光路側と、該レーザー光源からのレーザーを受光する検知器の入射光路側との双方にそれぞれ遮蔽体が取り付けられ、これら遮蔽体によって測定区間が両側から限定されている。この実施形態では、特に測定に対する周縁効果（ガス体積部分の周縁領域における影響）を弱めることができるという利点が得られる。周縁効果による妨害は、例えば流動しているプロセスガスにおいて現われることがある。
【００１１】
方法に関して言えば、前述の課題は、レーザー光の光路の一部の区間ではレーザーをプロセスガスから遮蔽することなくプロセスガス中の自由空間に導くと共に前記光路の他の区間ではレーザーをプロセスガスから遮蔽する遮蔽体内に導き、前記自由空間中を通過するレーザー光路区間のみを測定区間としてレーザーによる前記成分の濃度の分光測定に用い、前記測定区間における単一吸収線の分光測定を行うことによって解決される。このような方法によれば、測定区間が長大になりがちな場合でも遮蔽体によって限定でき、また粉塵の随伴などで汚染されたプロセスガスや、或いは全般的に微粒子が混入したプロセスガスなどについても、高精度で信頼できる測定が可能になる。この場合、プロセスガスは高温であっても問題はなく、それは、高温の場合に予想される水蒸気の吸収バンドも単一吸収線による本発明の測定（単一線分光分析）には妨げとなるような影響を全く受けないからである。
【００１２】
遮蔽体は、洗滌ガスで掃気することが好ましい。洗滌ガスとしては窒素が特に有利に使用可能である。この洗滌ガスによる掃気により、遮蔽体の内部には既知の組成の汚染されていないガスが存在することにあると言う利点がもたらされる。この洗滌ガスはレーザー光を殆ど強度の低下なく通過させ、濃度測定に対しては無影響の挙動をとる。即ち、例えば洗滌月として窒素ガスを用いた場合は、窒素化合物の濃度測定を行う場合でない限り、測定結果には全く影響が現れない。一般的に言えば、或る気体が洗滌ガスとして適当であるか否かは、プロセスガスのいかなる成分の濃度を測定するかによって決まる。通常は、濃度測定の対象成分ガスとスペクトル的に著しく異なるガスを洗滌ガスとして選択することが望ましい。
【００１３】
窒素以外の種々の不活性ガスも洗滌ガスとして好適に使用することができる。不活性ガスの場合の特別な利点は、洗滌ガスとプロセスガスとの間の化学反応を排除できることである。
【００１４】
本発明により測定法の別の有利な実施形態では、洗滌ガスとして大気が使用される。この実施形態には、特にプロセスのコストを低廉化できると言う利点がある。但し、測定区間中に大気が存在すると望ましくない場合もある。例えば、各種の燃焼排気ガス中の一酸化炭素濃度を測定する場合に大気を洗滌ガスとして使用すると、本来の測定の妨害になる可能性があり、従ってこの場合には窒素を洗滌ガスとして用いるとよい。
【００１５】
同様に、例えばプロセスガス中の酸素濃度を測定する場合も、洗滌ガスとしては窒素が好ましい。
【００１６】
更に本発明は、濃度測定に比較的低出力のレーザーを使用し得る利点を有する。なぜなら、本発明に従って光路の一部に測定対象ガスからの遮蔽が行われるため、遮蔽を行わない測定方式に比べて測定区間長が縮小されるからである。それに加えて、低出力のレーザーを使用することによってプロセスガス中のレーザー光エネルギーによって誘発され得る好ましくないプロセスガスの変性ないし変質が少なくなる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明とその目的及び利点の更なる詳細について図示の実施例によって以下に詳しく説明する。この場合、図面は一つだけであり、プロセスガスを収容した容器の断面を示している。
【００１８】
即ち、図１はプロセスガスを収容した容器１の断面を示し、この容器は管状の管壁を備えている。この管状容器は管壁の一方の側にレーザー光源２ａを、またそれに向き合ってレーザー受光検知器２ｂを備え、レーザー光源から射出されて容器１内を横断したレーザー光の強度を検知器２ｂで受光検出し、図示しない測定装置によりレーザー光の受光強度を記録するようになっている。レーザー光源２ａから受光検知器までのレーザー光の光路は、容器内のプロセスガスから遮蔽されるように部分的に二つの遮蔽体３によって取り囲まれており、これらの遮蔽体がレーザー光源２ａの射出光路側と受光検知器２ｂの入射光路側との双方から隔てられた限定領域に測定区間４を画定している。これらの遮蔽体２には、好ましくは洗滌ガス（例えば窒素）を供給する図示しないノズル手段が設けられる。
【００１９】
容器１は、例えば高温のプロセスガス（例えば製鉄所の炉から出る排気ガス）で満たされた管路又は該管路に接続された測定用容器であり、本実施例ではガス温度は８００℃以上であり、ガス中の一酸化炭素濃度を測定すべく意図されている。この目的で、二つの水冷構造のセラミック管３から成る遮蔽体が使用されている。洗滌ガスとしては窒素ガスが使用され、例えば冷却水を通すコイル状管（図示されていない）で冷却されるセラミック管３の内部からプロセスガスを掃気して排除するのに用いられる。
【００２０】
本発明において、遮蔽体３の長さ寸法は、レーザー光源２ａと受光検知器２ｂとの間隔寸法に応じて測定区間４が例えば１０cm〜３０cmの長さとなるようにするとよい。測定区間４の長さ寸法としては約２０cmが特に好ましいことが判っている。
【００２１】
レーザー光源は例えば波長調整可能なレーザー装置であり、本発明に従って測定に先立って選定された単一の周波数で運転される。波長調整可能なレーザー装置には、その調整可能な周波数範囲から測定対象のガス成分によって良好に吸収される周波数（波長）を選定できる利点がある。この場合、選択した波長の吸収線の強度低下がプロセスガス中の測定すべきガス成分の濃度の尺度となることは述べるまでもない。
【００２２】
尚、レーザー光源として測定対象のガス成分に適合した周波数で発振煤単一モードのレーザー装置又はデバイスを使用することも可能である。
【００２３】
本発明のレーザーによる気体成分の濃度測定は、管路を流れるガスに対する連続測定法として特に有利に実施することができる。但し、本発明の別の実施形態においては、不連続的な濃度測定も成功裏に実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る測定系の模式構成を示すプロセスガス収容容器の断面図である。
2005526978.tif 000003
【国際調査報告】
2005526978.tif 000004
2005526978.tif 000005
2005526978.tif 000006
2005526978.tif 000007
2005526978.tif 000008
2005526978.tif 000009