(57)【要約】【課題】ガス温度に対し吸収強度が異なる複数の波長を用いて、広範囲の温度の酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計を提供する。【解決手段】高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような高温測定用波長のレーザ光と、高温測定用波長に隣接する波長であって常温の酸素ガスの吸収強度が大きいような常温測定用波長のレーザ光と、を発光し、高温測定用検出光を用いて高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、常温測定用検出光を用いて常温の酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計とした。【選択図】図３
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【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し、受光した信号強度からガス濃度を算出する受光部と、を備え、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような高温測定用波長のレーザ光と、高温測定用波長に隣接する波長であって常温の酸素ガスの吸収強度が大きいような常温測定用波長のレーザ光と、をそれぞれ発光するようになされ、前記受光部は、高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光と、常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光と、をそれぞれ受光するようになされ、高温測定用検出光を用いて高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、常温測定用検出光を用いて常温の酸素ガスのガス濃度を測定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、
前記高温測定用波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であり、また、前記常温測定用波長は７５９．６５ｎｍ〜７５９．６７ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長あるいは７５９．６０ｎｍ〜７５９．６２ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの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】
請求項２に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は前記高温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光を受光して高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、また、この高温の酸素ガスのガス濃度の測定に前後して前記発光部は前記常温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光を受光して常温の酸素ガスのガス濃度を測定す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２に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は、前記高温測定用波長および前記常温測定用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により多く吸光された高温測定用検出光と測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光とを受光し、高温の酸素ガスおよび常温の酸素ガスのガス濃度を測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、２つの波長のガス温度の吸収強度差を利用して低温から高温までの酸素ガスのガス濃度を高精度で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２３は、酸素ガス（Ｏ２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光の吸収量が大きくなる。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、この特定波長のレーザ光を酸素ガスに吸収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強度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】
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燃焼制御に使用されることが多い。一般的に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。また、煤塵等が含まれていることもある。そこで、熱からの装置保護、配管閉塞の防止、および、ダストによる窓の汚れ付着の防止等のために、ガスによるパージ（以下パージガスという）を常時行う必要がある。  
【０００４】
図２４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す。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。パージガスは相フランジ３０，５０を経て壁４０内に排出される。
【０００５】
このパージガスとしては計装空気と計装窒素とがある。パージガスが計装空気である場合、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計装空気中の酸素ガスによる影響を受ける点が問題となる。また、パージガスが計装窒素である場合、測定対象である酸素ガスのガス濃度に影響を与えることはないが、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、主に製鉄所という火災・爆発の危険性がある場所でしか採用されていない。結局、一般的な焼却炉の殆どが計装空気を使用する。
【０００６】
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、オフセットとして予め濃度換算してから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の燃焼制御に用いられ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ガスのガス濃度の方が相対的に高くなり、測定精度に影響を及ぼす。高温ガスでは、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ではなく、他方式の酸素計（ジルコニア酸素計）を使用してきたが、定期的な清掃などメンテナンス頻度が高く、またセンサを年次交換しなくてはならないという問題もあった。
【０００７】
そこで、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常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波長を選択して、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が開発された。このようなレーザ式酸素ガス分析計の先行技術が、例えば、特許文献１（特許第５２３４３８１号公報）に開示されている。
【０００８】
特許文献１のレーザ式酸素ガス分析計では、ガスを吸収する全ての波長は、温度によって吸収強度が変化するという原理を用いる（特許文献１の図２，図４参照）。燃焼制御用途で使用するレーザ式酸素ガス分析計は、高温時に酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ常温の酸素ガスの吸収強度が小さい波長の検出光を用いる。このような波長を選定することで、パージガスおよび大気に含まれる常温（２５℃付近）の酸素ガスに対して感度を殆ど示すことはなく、測定対象の燃焼ガスに含まれる高温（４００℃以上）の酸素ガスにのみ感度を示すため、測定対象ガスに含まれる酸素ガスについてのみ濃度測定を行えるようにして、Ｓ／Ｎを向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５２３４３８１号公報（段落［００３５］〜［００３７］、図２，図４，図５等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
さて、上記のレーザ式酸素ガス分析計はガス化溶融炉を使用するゴミ焼却場で用いられることがある。この場合に、応答速度、ダストなどの耐環境性に優れたレーザ式酸素ガス分析計は高温ガスの燃焼管理で主に用いられるが、併せて温度が低い炉立ち上がり時の酸素ガスのガス濃度の変化を計測したいというニーズがある。このようにアプリケーションによっては常温から高温までの全ての領域で酸素ガスのガス濃度を測定したいという要望がある。
【００１１】
しかしながら、特許文献１のレーザ式酸素ガス分析計は、４００℃以上の高温の酸素ガスを測定対象とするものであり、４００℃未満の常温の酸素ガスを含む全温度領域の酸素ガスのガス濃度を測定したいアプリケーションでは、使用することができなかった。
【００１２】
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、ガス温度に対し吸収強度が異なる複数の波長を用いて、広範囲の温度の酸素ガスのガス濃度を測定する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】
【００１３】
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し、受光した信号強度からガス濃度を算出する受光部と、を備え、酸素ガスのガス濃度を測定するレーザ式酸素ガス分析計であって、
前記発光部は、高温の酸素ガスの吸収強度が大きく、かつ、常温の酸素ガスの吸収強度が小さいような高温測定用波長のレーザ光と、高温測定用波長に隣接する波長であって常温の酸素ガスの吸収強度が大きいような常温測定用波長のレーザ光と、をそれぞれ発光するようになされ、前記受光部は、高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光と、常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光と、をそれぞれ受光するようになされ、高温測定用検出光を用いて高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、常温測定用検出光を用いて常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００１４】
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、
前記高温測定用波長は７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であり、また、前記常温測定用波長は７５９．６５ｎｍ〜７５９．６７ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長あるいは７５９．６０ｎｍ〜７５９．６２ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長であることを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００１５】
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、
請求項２に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は前記高温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である高温の酸素ガスにより多く吸光された高温測定用検出光を受光して高温の酸素ガスのガス濃度を測定し、また、この高温の酸素ガスのガス濃度の測定に前後して前記発光部は前記常温測定用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するとともに前記受光部は測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光を受光して常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【００１６】
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２に記載のレーザ式酸素ガス分析計において、
前記発光部は、前記高温測定用波長および前記常温測定用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により多く吸光された高温測定用検出光と測定対象である常温の酸素ガスにより多く吸光された常温測定用検出光とを受光し、高温の酸素ガスおよび常温の酸素ガスのガス濃度を測定することを特徴とするレーザ式酸素ガス分析計とした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガス温度に対し吸収強度が異なる複数の波長を用いて、広範囲の温度の酸素ガスのガス濃度を測定する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】
【００１８】
【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４】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５】レーザ光源部の構成図である。
【図６】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７】本発明の第１の実施の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８】受光素子および信号処理部の構成図である。
【図９】波長変調方式の原理図である。
【図１０】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１１】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１３】本発明の第２の実施の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１４】本発明の第３の実施の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１５】本発明の第３の実施の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１６】本発明の第４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１７】レーザ光源部の構成図である。
【図１８】受光素子および信号処理部の構成図である。
【図１９】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２０】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２１】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２２】同期検波部の出力信号を示す図である。
【図２３】Ｏ２ガスの吸収スペクトラム特性図である。
【図２４】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】
【００１９】
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。酸素ガスが所定の波長の光を吸収する。
【００２０】
ここで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と、により決定される点について説明する。Lambert-Beerの式を次式の数１に記す。
【００２１】
［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
【００２２】
信号強度はガス係数ｋｓ、ガス濃度ｎｓ、煙道またはセル長Ｌｓがパラメータとなる。ガス係数ｋｓはガス固有の値であり、また、煙道またはセル長Ｌｓは設計により決定される定数である、すなわち、受光光量Ｉ（Ｌ）が計測できればガス濃度ｎｓが算出される。
【００２３】
そして、同じ波長の光が酸素ガスに吸光される場合でも、吸収強度は温度による依存性がある。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、同じ酸素ガスのガス濃度でも酸素ガスの温度が常温のときに吸収強度が上昇し、検出時において、見かけ上のガス濃度が上昇する。
【００２４】
ところが、図３の酸素ガス温度別吸収スペクトラムで示すように、ある波長では酸素ガスの温度が高くなるときに、例外的に、吸収強度が上昇し、検出時において、見かけ上のガス濃度が上昇する。
【００２５】
そこで、炉立ち上がり時のように比較的低温である常温の酸素ガスのガス濃度の変化を計測する場合には、図２の酸素の吸収線スペクトラムのように、酸素ガスの温度が低いときにガス濃度の吸収強度が大きい吸収波長（以下、常温測定用波長）のレーザ光の検出光により検出を行う。また、燃焼制御で使用するように高温の酸素ガスのガス濃度の変化を計測する場合には、図３の酸素の吸収線スペクトラムのように、酸素ガスの温度が高いときにガス濃度の吸収強度が大きい吸収波長（以下、高温測定用波長）のレーザ光の検出光により検出を行う。以下、常温と高温とで分節して説明する。
【００２６】
まず、高温測定用波長について説明する。
高温測定用波長は、所定範囲７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長である。この波長における吸収線の特長は、図３で示すように、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するというものであり、４００〜１２００℃の高温（以下、４００℃以上を高温という。また、本明細書中では高温ではない４００℃未満を一律に常温として説明する。）では吸収強度が十分に大きい。
【００２７】
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。したがって、測定対象ガスに含まれる常温の酸素ガスとしては、パージガスに含まれる計装空気中の常温の酸素ガスがある。
【００２８】
これらのような常温の酸素ガスが、測定対象である高温の酸素ガスに対して影響を及ぼさないようにする。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常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高温の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。
【００２９】
したがって、レーザ式酸素ガス分析計では、例えばゴミ焼却場施設などにおいて、ガス温度が高くなると酸素ガスによる光の吸収が発生するような波長で検出することで、４００℃未満の常温付近では酸素ガスによる光の吸収が発生しないため、常温の酸素ガスに影響されることなく、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効率よく測定することができる。パージガスに空気を使用しても、精度に大きく影響するほどＳ／Ｎが低下することがない。
【００３０】
続いて、常温測定用波長について説明する。
常温測定用波長は、例えば７５９．６５ｎｍ〜７５９．６７ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長または７５９．６０ｎｍ〜７５９．６２ｎｍの範囲内に含まれる吸収のピークの波長の何れか一方が採用される。上記の高温測定波長が含まれる所定範囲７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍに対し、常温測定波長が含まれる所定範囲７５９．６５ｎｍ〜７５９．６７ｎｍまたは所定範囲７５９．６０ｎｍ〜７５９．６２ｎｍが隣接する。この常温測定用波長における吸収線の特長は、図２で示すように、高温（４００℃以上）付近では酸素を殆ど吸収しないが、ガス温度が常温（４００℃未満であって例えば０℃や２５℃）程度で酸素の吸収強度が十分大きい。
【００３１】
常温ではパージガスに使用する計装空気中の４００℃未満の常温の酸素ガスがある。ここで図２でも明らかなように０℃と１００℃とでは吸収強度に大きな差があるため、温度を考慮して吸収強度を決定する。パージガス中の常温の酸素ガスも炉の温度の影響を受けており、図示しない温度計で炉内温度を測定し、パージガスの流量を一定にすることでパージガスの平均温度を求め、演算部２０３ｅが温度に応じた吸収強度として演算することが可能である。なお、常温では温度一定と仮定し、一定の吸収強度として扱っても良い。
【００３２】
これらを考慮の上、パージガス中の酸素ガスのガス濃度の吸収強度については、空気中の酸素ガスのガス濃度２０．６ｖｏｌ％と煙道に設置した相フランジ長の積から求めることができる。したがって、測定値である常温の酸素ガスの吸収強度値からパージガス中の空気の酸素ガスの吸収強度値を差分することで炉立ち上がり時における炉内の常温の酸素ガスのガス濃度を求めることができる。
【００３３】
このように常温と高温との両方でパージガスに含まれる酸素ガスの影響を排除し、測定対象となる常温の酸素ガスのみのガス濃度、または、高温の酸素ガスのみのガス濃度を検出できるようになる。検出原理はこのようなものである。
【００３４】
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４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。
【００３５】
発光部１００は、さらにレーザ光源部１０１、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、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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の内部通路と、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と相フランジ５０２ａの内部通路とは、図示しないウィンドウによって空間が隔てられている。
【００３９】
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の内部通路と、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と相フランジ５０２ｂの内部通路とは、図示しないウィンドウによって空間が隔てられている。
【００４０】
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。
【００４１】
高温用測定波長の検出光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酸素ガスが存在する際にも同様に吸収を受ける。
また、常温用測定波長の検出光６００は、パージガス中の酸素ガスや炉内の低温の酸素ガスを透過する際に吸収を受ける。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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の図示しないウィンドウ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。
【００４５】
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５，図６を参照しつつ詳細に説明する。図５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。
【００４６】
波長走査駆動信号発生部１０１ａは、測定対象ガスである高温または常温の酸素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高温または常温の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波長変調するための高周波変調信号を出力する。
【００４７】
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波長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。
【００４８】
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させるものである。
【００４９】
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６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。
【００５０】
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。例えば酸素ガスであれば、０．０２ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００５１】
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。
【００５２】
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６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。
【００５３】
図７は酸素ガスを検出する際のレーザ素子の駆動信号を示している。まず、高温の酸素ガスを検出するものとして説明する。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（７５９．６３ｎｍ），λ４（７５９．６４ｎｍ）は高温の酸素ガス（Ｏ２ガス）の吸収波長に相当する走査波長の上下限値、λ３は吸収波形のピークの波長を示している。
レーザ素子１０１ｅがこのように波長λ２（７５９．６３ｎｍ）からλ４（７５９．６４ｎｍ）まで変化する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。
【００５４】
続いて受光部２００について説明する。図８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。
【００５５】
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ガスのガス濃度の算出を行う。
【００５６】
ここで波長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９のレーザ式酸素ガス分析計の波長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、波長変調方式による濃度検出が可能である。そして、この波長変調方式のレーザ式酸素ガス分析計では、中心波長ｆｃ、変調周波数ｆｍで半導体レーザ素子の出射光を波長変調し、測定対象である酸素ガスに照射する。ここで、波長変調とは、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。
【００５７】
この波長変調方式では、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。
【００５８】
レーザ素子は、図１０、図１１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、波長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。
【００５９】
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。
【００６０】
図９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。
【００６１】
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。
【００６２】
このような原理のもと、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は２倍波信号が検出しないので、同期検波部２０３ｂの出力はほぼ直線となる。
【００６３】
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は、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倍波信号を検出する。その出力波形は図７の点線の円内に図示された同期検波部２０３ｂのピーク波形になる。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ガスのガス濃度の算出を行う。
【００６４】
演算部２０３ｅは以下のように機能する。まず、この図７の点線の円内のピーク波形が測定対象ガスによる吸収を受けた部分（ガス吸収波形Ａ）であり、このガス吸収波形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７の円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。
【００６５】
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。高温の酸素ガスの検出はこのように行われる。
【００６６】
続いて、常温時の検出について説明する。これは走査波長が異なる点のみが相違する。図７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〜λ４（７５９．６０ｎｍ〜７５９．６２ｎｍ、または、７５９．６５ｎｍ〜７５９．６７ｎｍ）は常温の酸素ガスの吸収波長に相当する走査波長の上下限値、λ３は吸収波形のピークの波長を示している。レーザ素子１０１ｅは、波長λ２からλ４まで変化するレーザ光を照射する。以下、後段の信号処理では同様にして常温の酸素ガスのガス濃度を検出するというものであり、重複する説明を省略する。このような波長として常温の酸素ガスのガス濃度を取得する。
【００６７】
ここで常温ではパージガスに使用する計装空気中の４００℃未満の常温の酸素ガスがあるが、パージガス中の酸素ガスのガス濃度の吸収強度については、空気中の酸素ガスのガス濃度２０．６ｖｏｌ％と煙道に設置した相フランジ長の積から求めることができる。したがって、測定値である常温の酸素ガスの吸収強度値からパージガス中の空気の酸素ガスの吸収強度値を差分することで炉立ち上がり時における炉内の常温の酸素ガスのガス濃度の濃度を求めることができる。
【００６８】
なお、この実施形態では、高温の酸素ガスの測定に続いて、例えばパージガスなど常温の酸素ガスを検出するものとして説明した。しかしながら、最初に炉立ち上がり時の炉内の空気に含まれる常温の酸素ガスの測定を行い、続いて高温の酸素ガスを検出するようにしても良い。高温の酸素ガスの測定に続いて常温の酸素ガスを測定するか、また、常温の酸素ガスの測定に続いて高温の酸素ガスを測定するか、の何れも選択することができる。
【００６９】
以上、第１の実施の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、本発明では、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常温の酸素ガス、および、測定対象ガスに含まれる高温の酸素ガスのそれぞれ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や炉立ち上がり時の常温の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。これにより、０〜１２００℃の酸素ガスのガス濃度測定を一つの装置で測ることができる。
【００７０】
続いて、本発明の第２の実施の形態について図を参照しつつ説明する。本形態では先の図１〜図１１を用いて説明した形態と比較すると、図７で示した走査波長に代えて、図１２，図１３に示すような走査波長を採用して一回の走査で常温と高温の酸素ガスの濃度計測を終了させる点が相違する。以下、走査波長についてのみ説明し、装置構成やガス濃度の算出については第１の実施の形態と同じであるものとして重複する説明を省略する。
【００７１】
本形態のレーザ式酸素ガス分析計におけるレーザ波長走査について説明する。波長走査駆動信号は、先に説明した図６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。
【００７２】
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、レーザ素子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。例えば高温の酸素ガスと常温の酸素ガスであれば、０．０５ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００７３】
次に図１２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，λ５は常温および高温の酸素ガスの吸収波長を含む走査範囲の上下限値、λ３は高温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を、λ４は常温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を示している。
【００７４】
例えば、高温検出用の所定範囲７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍと、常温検出用の所定範囲７５９．６５ｎｍ〜７５９，６７ｎｍと、の両方を範囲に含めるλ２〜λ５（７５９．６３ｎｍ〜７５９．６７ｎｍ）である。走査波長範囲を０．０４〜０．０５ｎｍに拡大することになる。
レーザ素子１０１ｅがこのように波長λ２（７５９．６３ｎｍ）からλ４（７５９．６７ｎｍ）まで変化する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を出射する。
【００７５】
常温の酸素ガスおよび高温の酸素ガスが共にある場合の同期検波部の出力波形は図１２の下部のような二本のピークのピーク波形になる。また、常温の酸素ガスのみがある場合の同期検波部の出力波形は図１３の下部のような一本のピークのピーク波形になる。これらのように波長を少しずつ変更する走査を行って一回の測定で常温と高温の酸素ガスのガス濃度を測定するものであり０〜１２００℃までの酸素ガスのガス濃度を測定している。
【００７６】
このようにレーザの波長走査範囲を拡大し、常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、また、高温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、を含むような広範囲の走査波長により一回で走査することで、０〜１２００℃の広範囲の酸素ガスまで測定するレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。
【００７７】
続いて、本発明の第３の実施の形態について図を参照しつつ説明する。本形態では先の図１〜図１１を用いて説明した形態と比較すると、図７で示した走査波長に代えて、図１４，図１５に示すような走査波長を採用して一回の走査で計測を終了させる点が相違する。以下、走査波長についてのみ説明し、装置構成やガス濃度の算出については第１の実施の形態と同じであるものとして重複する説明を省略する。
【００７８】
本形態のレーザ式酸素ガス分析計におけるレーザ波長走査について説明する。波長走査駆動信号は、先に説明した図６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。
【００７９】
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、レーザ素子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。例えば高温の酸素ガスと常温の酸素ガスであれば、０．０５ｎｍ程度の線幅を走査可能とする部分である。
【００８０】
次に図１４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，λ５は高温と常温との酸素ガスの吸収波長を含む走査範囲の上下限値、λ３は常温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を、λ４は高温のみ酸素ガスの吸収がある吸収波形のピークの波長を示している。
【００８１】
例えば、常温検出用の所定範囲７５９．６０ｎｍ〜７５９．６２ｎｍと、高温検出用の所定範囲７５９．６３ｎｍ〜７５９．６４ｎｍと、の両者を範囲に含めるλ２〜λ５（７５９．６０ｎｍ〜７５９．６４ｎｍ）である。走査波長範囲を０．０４〜０．０５ｎｍに拡大することになる。
レーザ素子１０１ｅがこのように波長λ２（７５９．６０ｎｍ）からλ４（７５９．６４ｎｍ）まで変化する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を出射する。
【００８２】
常温の酸素ガスおよび高温の酸素ガスが共にある場合の同期検波部の出力波形は図１４の下部のような二本のピークのピーク波形になる。また、常温の酸素ガスのみがある場合の同期検波部の出力波形は図１５の下部のような一本のピークのピーク波形になる。これらのように波長を少しずつ変更する走査を行って一回の測定で常温と高温の酸素ガスのガス濃度を測定するものであり０〜１２００℃までの酸素ガスのガス濃度を測定している。
【００８３】
このようにレーザの波長走査範囲を拡大し、常温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、また、高温の酸素ガスの吸収強度が大きい波長と、を含むような広範囲の走査波長により一回で走査することで、０℃から１２００℃までの広範囲の酸素ガスまで測定できるレーザ式酸素ガス分析計を提供することができる。
【００８４】
続いて本発明の第４の実施の形態について図を参照しつつ説明する。先の第１の実施の形態と比較すると、本形態では、基本的に図４と同じ構成を有するものであるが、図１６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、を発光部・受光部線７００により通信可能に接続する点が相違する。また、受光部２００の信号処理部２０３’と制御部９００とを受光部・制御部線８００により通信可能に接続する点が相違する。
【００８５】
詳しくは、図１７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１９参照）が抽出されて出力され、また、図１８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２０参照）を用いて同期を取る点が相違する。なお、図１７の発光部１００のレーザ光源部１０１’と、図１８の受光部２００の信号処理部２０３’と、は、図５のレーザ光源部１０１と図８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第１の実施の形態で説明した構成と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。
【００８６】
図１９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一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、発光部・受光部線７００を介して、演算部２０３ｅへ入力される。
【００８７】
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１７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。
【００８８】
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２０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。
【００８９】
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２１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２１において、点線で囲んだ部分がガス吸収波形Ａである。これは高温の酸素ガスを検出するものとする。なお、常温の酸素ガスの検出も同様であり、重複する説明を省略する。
【００９０】
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２２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２１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。
【００９１】
前述したように、測定対象ガスが存在しない図２０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２０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。
【００９２】
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１９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。
【００９３】
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２０，図２１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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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１８の演算部２０３ｅは、図２１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。
【００９７】
［数２］
酸素ガス濃度＝α×｜Ｂ−Ｃ｜
【００９８】
［数３］
酸素ガス濃度＝α×｜Ｃ−Ｄ｜
【００９９】
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２０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。
【０１００】
なお、本形態では、信号処理部の演算処理部が全ての信号処理を行うものとして説明したが、受光部・制御部線８００により演算処理部に接続される制御部９００へデータを送信し、制御部９００が計算を行うような構成としても良い。これら構成は適宜選択される。また、本形態では第１の実施の形態のように高温の酸素ガスの濃度計測と、常温の酸素ガスの濃度計測と、でそれぞれ別に走査するものであるが、これに代えて、第２の実施の形態のように図１２，図１３に示すような走査波長を採用したり、また、第３の実施の形態のように図１４，図１５に示すような走査波長を採用したりして、一回の走査で常温と高温の酸素ガスの濃度計測を終了させるようにしても良い。この場合に最初のピークの最大値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と次のピークの最大値Ｆ及び最小値Ｅ，Ｇが発生するべきタイミング所定時間ｔｅ，ｔｆ，ｔｇを予め登録して同様に同期させてガス濃度の演算処理を行うものである。これら方法については適宜選択することができる。
【０１０１】
以上、本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。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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
本発明によれば、ボイラなどにおいて炉立ち上げ時に発生する低温の酸素ガスや燃焼時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、測定対象の酸素ガスのガス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。
【０１０５】
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、さらに常温の酸素ガスのガス濃度に対して大きな感度がある吸収線は、４００℃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。
一方、本発明はパージガスに含まれる常温の空気中の酸素ガスのガス濃度に影響されず、測定対象となる常温または高温の酸素ガスのガス濃度に対して、正確な計測が可能となる。
【０１０６】
また、本発明によれば、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、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。
【０１０７】
また、本発明によれば、常温の酸素ガスのガス濃度も検出可能とすることで、常温から高温領域まで高精度な酸素ガスのガス濃度測定を可能とする。さらにレーザの電流駆動範囲を拡大することでレーザの波長走査範囲を広げて、複数の酸素ガスの吸収線を同時測定可能とする。複数の酸素ガスの吸収線は、温度範囲毎に最適な吸収線を選択して酸素ガスを測定することで、この点でも常温から高温領域まで高精度な酸素ガスのガス濃度測定を可能とする。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
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】
【０１０９】
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’：信号処理部
２０３ａ：Ｉ／Ｖ変換部
２０３ｂ：同期検波部
２０３ｃ：発振器
２０３ｄ：フィルタ
２０３ｅ：演算部
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：発光部・受光部線
８００：受光部・制御部線
９００：制御部
【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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【図２３】
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【図２４】
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