(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象ガスに透過させるレーザ光を発振するためのレーザ光源と、
前記分析対象ガスを透過した前記レーザ光を受光するように構成され、受光した前記レーザ光の発光強度に応じた信号を出力するための光検出器と、
前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記分析対象ガスを分析するためのガス分析装置と、
前記分析対象ガスと前記レーザ光源との間に設けられた可変光減衰器と、
前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記分析対象ガスを透過した前記レーザ光の透過光量を評価する透過光量検出器と、
前記透過光量検出器で評価された前記レーザ光の前記透過光量に基づいて前記可変光減衰器の減衰量を制御する減衰量制御装置と、
前記レーザ光源、前記光検出器および前記可変光減衰器を収容するとともに、不活性ガスで満たされた容器と、
前記容器外の計測対象場に挿入可能に構成された挿入計測用プローブと、
を備え、
前記挿入計測用プローブは、
前記容器内の前記可変光減衰器から前記容器外の前記計測対象場まで延びる第１光ファイバと、
前記容器内の前記光検出器から前記容器外の前記計測対象場まで延びる第２光ファイバと、
前記第１光ファイバの出射面と前記第２光ファイバの入射面との間に設けられる光学系と、
を含む
こと特徴とするガス分析システム。
【請求項２】
前記光検出器は、受光した前記レーザ光の発光強度に比例した出力電圧を前記信号とする一方、
前記透過光量検出器は、前記光検出器から出力された前記出力電圧に基づいて前記分析対象ガスを透過した前記レーザ光の前記透過光量を評価すること、
を特徴とする請求項１に記載のガス分析システム。
【請求項３】
前記減衰量制御装置は、前記透過光量検出器で評価された前記レーザ光の強度が閾値を超える場合に減衰量を増やす一方、前記レーザ光の強度が閾値を超えない場合に減衰量を減らすこと
を特徴とする請求項１又は２に記載のガス分析システム。
【請求項４】
前記閾値は、前記光検出器の出力最大値の８０パーセント以上の値に設定されることを特徴とする請求項３に記載のガス分析システム。
【請求項５】
前記レーザ光源は、ボイラ内の燃焼部に設けられた観測点において前記分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するように配置されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のガス分析システム。
【請求項６】
前記観測点は、バーナ燃焼部と追加空気投入部との間に設けられることを特徴とする請求項５に記載のガス分析システム。
【請求項７】
前記ガス分析装置は、前記観測点において前記分析対象ガスとなる燃焼ガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、及びガス温度を分析することを特徴とする請求項５又は６に記載のガス分析システム。
【請求項８】
前記レーザ光源と前記可変光減衰器との間に設けられ、前記レーザ光源から発振された前記レーザ光の一部を分配するための光分配器と、
前記分析対象ガスを一定量含み、前記光分配器で分配された前記レーザ光の一部が透過するように構成された参照セルと、
前記参照セルを透過した前記レーザ光の一部を受光するように構成され、受光した前記レーザ光の一部の発光強度に応じた標準信号を出力するための標準光検出器と、
を備え、
前記ガス分析装置は、前記標準光検出器で出力された標準信号に基づいて前記分析対象ガスの分析結果を較正すること、
を特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のガス分析システム。
【請求項９】
前記ガス分析システムは、ガス分析中において、前記レーザ光源の出力量および前記光検出器のゲインを一定に維持するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のガス分析システム。
【請求項１０】
前記挿入計測用プローブは、前記レーザ光が出射される前記第１光ファイバの出射面と、前記レーザ光が入射する前記第２光ファイバの入射面との間の光路上に位置する計測部を有し、
前記計測部には前記分析対象ガスが存在すること
を特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載のガス分析システム。
【請求項１１】
前記光検出器と前記透過光量検出器との間にノイズ成分を除去するためのローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のガス分析システム。
【請求項１２】
火炉と、
前記火炉内において燃料を燃焼させるためのバーナと、
前記バーナの下流側において前記火炉内の燃焼ガスを分析するように構成された、請求項１乃至１１の何れか一項に記載のガス分析システムと、
を備えることを特徴とするボイラ。
【請求項１３】
前記バーナの下流側において前記火炉内に燃焼用追加空気を供給するための追加空気投入部をさらに備え、
前記ガス分析システムは、前記火炉内における前記バーナの下流側且つ前記追加空気投入部の上流側の位置において、前記燃焼ガスを分析するように構成されたことを特徴とする請求項１２に記載のボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガス分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近では、レーザ方式の光学化学種センサが、抽出測定技術に関連した問題に対処するために実現されている。レーザ方式の測定技術は「その場で」実現されることが可能であり、動的なプロセス制御に適している高速フィードバックというさらに別の利点を提供することが可能である。燃焼ガスの組成と温度と他の燃焼パラメータとを測定するための特に有望な技術が、波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）である。ＴＤＬＡＳは、典型的には、近赤外スペクトル領域と中赤外スペクトル領域とにおいて動作するダイオードレーザによって実現される。適しているレーザは、遠距離通信産業における使用のために大規模に開発されており、ＴＤＬＡＳ用途のために容易に入手可能である。燃焼プロセスの検出と制御とに多少とも適している様々なＴＤＬＡＳ技術が開発されている。一般的に知られている技術が、波長変調分光法と、周波数変調分光法と、直接吸収分光法である。これらの技術の各々は、光が燃焼プロセスチャンバの中を通して伝導され、プロセスチャンバすなわち燃焼室内に存在するガスに固有の特定のスペクトル帯において吸収され終わった後に検出器によって受け取られる。レーザ光の量と性質との間の予め求められた関係に基づいている。検出器によって受け取られた吸収スペクトルは、分析対象であるガス化学種の量とこれに関連した燃焼パラメータ（例えば、温度）とを求めるために使用される。
【０００３】
また、一般的に、ＴＤＬＡＳは、ターゲット環境の中を通したレーザ光の伝送と、その後での、一酸化炭素または酸素のようなターゲットのガスを原因とする特定の波長でのレーザ光の吸収の検出とによって行われる。検出された光のスペクトル分析が、レーザ経路に沿ったガスのタイプと量の識別を可能にする。レーザ吸収分光法の非接触という特徴が、このレーザ吸収分光法を、石炭燃焼発電所の燃焼区域、または、他のプローブが使用不可能な易燃性もしくは有毒性の環境のような過酷な環境に適したものにする。レーザ光の使用が、こうした環境の幾つかにおいて遭遇することがある極度の減衰（典型的には、９０％を超える光損失）の存在下において検出可能な伝送を得るために必要な高い輝度を実現する。ターゲット用途の過酷な条件により適切に耐えるために、レーザ光は、防護された光ファイバを通してターゲット環境に対して送り込まれてよい（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献２には、レーザ吸収分光法を採用したガス濃度計測装置が開示されている。かかるガス濃度計測装置は、レーザ発振波長を複数存在する計測対象ガスに固有な吸収波長に調整可能な光源部と、この光源部から発振されるレーザ発振波長に対して変調を加え、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する変調部と、計測領域の対象ガスを通過したレーザ光を受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する受光部と、変調部から出力された参照信号に基づき受光部の信号の中からレーザ光に加えた変調信号と同期した成分又はその高調波成分を検出し、出力する位相敏感検波部と、この位相敏感検波部から出力された信号と前記受光部からの信号とに基づき計測領域の対象ガス濃度および固体粒子濃度を算出する解析部と、を備えている。
【０００５】
特許文献３には、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む中赤外領域のレーザ光を受光し、測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分の変化量からガス濃度を求めるレーザ式ガス分析計が開示されている。かかるレーザ式ガス分析計は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含まず、煙道内部に存在する水の光吸収スペクトルを含む近赤外領域のレーザ光を出射する近赤外レーザ発光部と、近赤外レーザ光を煙道内部に照射するレンズ等の光学系と、近赤外レーザ光を受光して電気信号として出力するレンズ及び近赤外受光素子と、前記電気信号から煙道内部に存在する水による光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、その変化量から水分濃度を演算する水分濃度演算部と、中赤外レーザ光を用いて求めた測定対象ガスの濃度測定値を水分濃度により補正するガス濃度補正部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００６−５２２９３８号公報
【特許文献２】特許第４４６７６７４号公報
【特許文献３】特開２０１３−１１７５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１が開示するレーザ吸収分光法では、分析対象ガスとなる燃焼ガスに含まれる煤塵の濃度が高いとレーザ光が分析対象ガスで減衰されるだけでなく、煤塵による散乱等の影響によってもレーザ強度が著しく減衰(典型的には９９％を超える光損失)し、分析対象ガスを正確に分析することができない。
【０００８】
また、特許文献２が開示するガス濃度計測装置でも分析対象ガスとなる燃焼ガスに含まれる煤塵の濃度が高いとレーザ光が分析対象ガスで減衰されるだけでなく、煤塵による散乱等の影響によってもレーザ強度が著しく減衰(典型的には９９％を超える光損失)し、分析対象ガスを正確に分析することができない。
【０００９】
また、煤塵による散乱等の影響によってレーザ強度が著しく減衰(典型的には９９％を超える光損失)する環境での計測に合わせて受光感度などを設計したレーザ式ガス分析計では、煤塵の濃度が低くなり、レーザ光の発光強度が強くなると、受光素子（光検出器）が飽和するので分析対象ガスを正確に分析することができない。
【００１０】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができるガス分析システム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】
【００１１】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るガス分析システムは、
分析対象ガスに透過させるレーザ光を発振するためのレーザ光源と、
前記分析対象ガスを透過した前記レーザ光を受光するように構成され、受光した前記レーザ光の発光強度に応じた信号を出力するための光検出器と、
前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記分析対象ガスを分析するためのガス分析装置と、
前記分析対象ガスと前記レーザ光源との間に設けられた可変光減衰器と、
前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記分析対象ガスを透過した前記レーザ光の透過光量を評価する透過光量検出器と、
前記透過光量検出器で評価された前記レーザ光の前記透過光量に基づいて前記可変光減衰器の減衰量を制御する減衰量制御装置と、
を備える。
【００１２】
上記（１）の構成によれば、透過光量検出器で評価されたレーザ光の透過光量に基づいて可変光減衰器の減衰量を制御する減衰量制御装置を設けたので、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。すなわち、光検出器の感度を高めることにより、煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができる。また、光検出器の感度が高いままでも可変光減衰器の減衰量を増加させることにより、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００１３】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記光検出器は、受光した前記レーザ光の発光強度に比例した出力電圧を前記信号とする一方、
前記透過光量検出器は、前記光検出器から出力された前記出力電圧に基づいて前記分析対象ガスを透過した前記レーザ光の前記透過光量を評価する。
【００１４】
上記（２）の構成によれば、光検出器は、受光したレーザ光の発光強度に比例した出力電圧を信号とする一方、透過光量検出器は、光検出器から出力された出力電圧に基づいて分析対象ガスを透過したレーザ光の透過光量を評価するので、レーザ光の透過光量の評価を簡便化することができる。
【００１５】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記減衰量制御装置は、前記透過光量検出器で評価された前記レーザ光の強度が閾値を超える場合に減衰量を増やす一方、前記レーザ光の強度が閾値を超えない場合に減衰量を減らす。
【００１６】
上記（３）の構成によれば、透過光量検出器で評価されたレーザ光の強度が閾値を超える場合に減衰量を増やす一方、レーザ光の強度が閾値を超えない場合に減衰量を減らすので、分析対象ガスを透過したレーザ光の発光強度を適正に維持することができる。これにより、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００１７】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記閾値は、前記光検出器の出力最大値の８０パーセント以上の値に設定される。
【００１８】
上記（４）の構成によれば、光検出器の出力最大値の８０パーセント以上の値に設定されるので、レーザ光の強度が光検出器の出力最大値の８０％に満たない場合には減衰量を減らすことになる。これにより、光検出器には出力最大値の８０％以上の光が入射することになり、検出精度を高く維持することができる。
【００１９】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの構成において、
前記レーザ光源は、ボイラ内の燃焼部に設けられた観測点において前記分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するように配置される。
【００２０】
上記（５）の構成によれば、ボイラ内の燃焼部に設けられた観測点においてレーザ光源から発振されたレーザ光が分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するので、ボイラ内の燃焼部に設けられた観測点に位置する燃焼ガスを分析することができる。また、光検出器の感度を高めることにより、観測点に位置する燃焼ガスに含まれる煤塵濃度が高い場合でも燃焼ガスを分析することができる。また、光検出器の感度が高いままでも可変光減衰器の減衰量を増加させることにより、燃焼ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも燃焼ガスを分析することができる。
【００２１】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記観測点は、バーナ燃焼部と追加空気投入部との間に設けられる。
【００２２】
上記（６）の構成によれば、バーナ燃焼部と追加空気投入部との間に設けられた観測点においてレーザ光源から発振されたレーザ光が分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するので、バーナ燃焼部と燃焼完結域との間に位置する燃焼ガスを分析することができる。
【００２３】
（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、
前記ガス分析装置は、前記観測点において前記分析対象ガスとなる燃焼ガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、及びガス温度を分析する。
【００２４】
上記（７）の構成によれば、観測点において分析対象ガスとなる燃焼ガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、及びガス濃度を分析するので、ボイラの運転状態を把握することができる。
【００２５】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）から（７）の何れか一つの構成において、
前記レーザ光源と前記可変光減衰器との間に設けられ、前記レーザ光源から発振された前記レーザ光の一部を分配するための光分配器と、
前記分析対象ガスを一定量含み、前記光分配器で分配された前記レーザ光の一部が透過するように構成された参照セルと、
前記参照セルを透過した前記レーザ光の一部を受光するように構成され、受光した前記レーザ光の一部の発光強度に応じた標準信号を出力するための標準光検出器と、
を備え、
前記ガス分析装置は、前記標準光検出器で出力された標準信号に基づいて前記分析対象ガスの分析結果を較正する。
【００２６】
上記（８）の構成によれば、標準光検出器で出力された標準信号に基づいて分析対象ガスの分析結果を較正するので、可変光減衰器で減衰されたレーザ光の発光強度に基づいて分析された分析対象ガスの分析結果を比較対照することができる。また、光分配器は、レーザ光源と可変光減衰器との間、すなわち、可変光減衰器の上流に設けられるので、参照セルには可変光減衰器で減衰される前のレーザ光が分配される。したがって、参照セルは適正な発光強度のレーザ光で分析され、分析対象ガスは分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度に適した発光強度に調整されたレーザ光で分析される。これにより、参照セルは、煤塵の濃度に適した発光強度に調整されたレーザ光よりも発光強度が高い適正な発光強度のレーザ光で分析することができる。
【００２７】
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）から（８）の何れか一つの構成において、
前記可変光減衰器と前記光検出器との間に前記分析対象ガスが抽出される計測セルを設ける。
【００２８】
上記（９）の構成によれば、計測セルに抽出される分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００２９】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）から（８）の何れか一つの構成において、
前記分析対象ガスが存在する計測対象場に挿入される挿入計測用プローブと、
前記挿入計測用プローブに挿通されるとともに、前記可変光減衰器からの前記レーザ光を前記計測対象場に導くための第１光ファイバと、
前記挿入計測用プローブに挿通されるとともに、前記計測対象場からの前記レーザ光を前記光検出器に導くための第２光ファイバと、
をさらに備える。
【００３０】
上記（１０）の構成によれば、分析対象ガスが存在する計測対象場に挿入計測用プローブを挿入することができる。これにより、挿入計測用プローブの挿入が容易な計測対象場に存在する分析対象ガスを分析することができる。
【００３１】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、
前記挿入計測用プローブは、前記レーザ光が出射される前記第１光ファイバの出射面と、前記レーザ光が入射する前記第２光ファイバの入射面との間の光路上に位置する計測部を有し、
前記計測部には前記分析対象ガスが存在する。
【００３２】
上記（１１）の構成によれば、レーザ光が出射される第１光ファイバの出射面と、レーザ光が入射する第２光ファイバの入射面との間の光路上に位置する計測部に分析対象ガスが存在するので、分析対象ガスを確実に分析することができる。また、光路を短くすることができるので、煤塵濃度が濃く、分析対象ガスの全体を分析できない場合でも、レーザ光が透過する局所的な範囲でデータを取得ですることができる。
【００３３】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）から（１１）の何れか一つの構成において、
前記光検出器と前記透過光量検出器との間にノイズ成分を除去するためのローパスフィルタをさらに備える。
【００３４】
上記（１１）の構成によれば、ローパスフィルタでノイズ成分が除去されるので、分析対象ガスを正確に分析することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができるガス分析システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス分析システムの構成を概略的に示す模式図である。
【図２】一実施形態に係るガス分析システムの構成を概略的に示す模式図である。
【図３】図１及び図２に示した位相敏感検波器で得られる信号を示す図である。
【図４】図１及び図２に示した位相敏感検波器で得られるノイズレベルを示す図である。
【図５】図１及び図２に示した減衰量制御装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図６】一実施形態に係るガス分析システムが設置されたボイラを示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００３８】
図１は、本発明の一実施形態に係るガス分析システム１（１Ａ）の構成を概略的に示す模式図であり、図２は、本発明の他の実施形態に係るガス分析システム１（１Ｂ）の構成を概略的に示す模式図である。図３は、図１及び図２に示した位相敏感検波器３２で得られる信号を示す図であり、図４は、図１及び図２に示した位相敏感検波器３２に無入力状態で得られる信号（ノイズレベル）を示す図である。
図１及び図２に例示する実施形態では、非接触なガス濃度計測を実証するために、粒子濃度一定（＝０ｍｇ／Ｎｍ３）の条件下で各種標準ガス中の酸素濃度を非接触で計測する実験を行った。
【００３９】
図１及び図２に示すように、本発明の幾つかの実施形態に係るガス分析システム１（１Ａ，１Ｂ）は、レーザ光源２１と、光検出器２２と、ガス分析装置３と、可変光減衰器４１と、透過光量検出器４２と、減衰量制御装置４３とを備える。
図１及び図２に例示する実施形態において、レーザ光源２１と、光検出器２２と、可変光減衰器４１は、不活性ガス（例えば、窒素ガス）でパージされた容器２の中に収容されている。
【００４０】
レーザ光源２１は、分析対象ガスに透過させるレーザ光を発振するためのものである。
図１及び図２に例示する実施形態において、レーザ光源２１は、レーザダイオード（ＬＤ）により構成されるが、これに限られるものではなく、例えば、量子カスケードレーザにより構成されてもよい。
【００４１】
光検出器２２は、受光したレーザ光の発光強度に応じた信号を出力するためのものであり、分析対象ガスを透過したレーザ光を受光するように構成されている。
図１及び図２に例示する実施形態において、光検出器２２は、フォトダイオード（ＰＤＳ）により構成される。フォトダイオード（ＰＤＳ）は、分析対象ガスを透過したレーザ光を受光し、その強度に応じた信号を出力するようになっている。
図１及び図２に例示する実施形態において、光検出器２２は、その強度に応じた信号を出力するように感度の高いものが採用され、ゲインを調整することにより発光強度の低いレーザ光も検出可能である。
【００４２】
ガス分析装置３は、光検出器２２から出力された信号に基づいて分析対象ガスを分析するためのものである。
図１及び図２に例示する実施形態において、ガス分析装置３は、光検出器２２で得られるレーザ光の発光強度信号から分析対象ガスによる特定波長の赤外線の吸収スペクトルを得てこの吸収スペクトルからガス濃度を算出するように構成される。
【００４３】
また、図１及び図２に例示する実施形態において、ガス分析装置３は、変調部３１と、位相敏感検波器３２と、直流成分検出器３３と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４とを備えている。
【００４４】
図１及び図２に例示するように、変調部３１は、レーザ光源２１から発振されるレーザ発振波長に対して異なる周波数の変調をそれぞれ印加するとともに、その変調に同期した参照信号をそれぞれ出力するものであり、変調部３１は、第１波形発生器（変調成分発生器（ＦＧ））３１１を備えている。第１波形発生器３１１は、レーザ光源２１のレーザ発振波長に変調を加えるための変調信号Ｓ２を光源ドライバ３７に出力するとともに、その信号に同期した参照信号Ｓ２を位相敏感検波器３２に出力するようになっている。
【００４５】
図３に示すように、位相敏感検波器３２からの出力信号はピークが明確に現れ、この出力信号のレベル（ピーク高さ）がレーザ光の吸収量に比例しているので、分析対象ガスのガス濃度を求めることができる。一方、図４に示すように、レーザ光入射状態で得られる信号レベルは、位相敏感検波器３２に無入力状態で得られる信号レベル（ノイズレベル）と明らかな差があるので、レーザ光入射状態で得られる信号レベルはノイズレベルの信号に対して十分に識別可能である。例えば、位相敏感検波器３２からの出力信号のレベルと無入力状態で得られる信号レベルとではＳ／Ｎ比が１０以上であり、レーザ光入射状態で得られる信号レベルはノイズレベルの信号に対して十分に識別可能である。
【００４６】
図１及び図２に例示するように、位相敏感検波器３２は、第１波形発生器３１１からの参照信号Ｓ２と光検出器２２からの受光信号Ｓ４とに基づいて分析対象ガスに含まれる酸素分子によるレーザ光の吸収量を検出するロックインアンプ（ＰＳＤＳ）を含んでいる。
【００４７】
図１及び図２に例示するように、直流成分検出器３３は、光検出器２２の受光信号Ｓ４の中から直流成分（レーザ光の透過率に相当）を検出するローパスフィルタ（ＬＰＦＳ）を含んでいる。ローパスフィルタ（ＬＰＦＳ）は、受光信号Ｓ４から変調成分やノイズ成分等の交流成分を除去した直流成分信号Ｓ５を解析部としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４に出力するようになっている。
【００４８】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４は、位相敏感検波器３２及び直流成分検出器３３からの信号に基づいて分析対象ガスに含まれる酸素濃度及び固体粒子濃度をそれぞれ算出する演算部（図示せず）と、演算部で算出された各濃度値を数値化又はグラフ化して画面に表示する表示装置（図示せず）を含んでいる。
【００４９】
図１及び図２に例示する実施形態では、位相敏感検波器３２で得られた信号と直流成分検出器３３で得られた信号で割り算することでガスの濃度を求めることができる。
【００５０】
また、図１及び図２に例示する実施形態において、ガス分析装置３は、酸素吸収スペクトルを計測する目的から、レーザ発振波長をゆっくりと掃引させるための信号Ｓ１３を出力する波長挿引用波形発生器（「挿引用ＦＧ」）３５も備えている。
【００５１】
可変光減衰器４１は、分析対象ガスとレーザ光源２１との間に設けられる。
透過光量検出器４２は、分析対象ガスを透過したレーザ光の透過光量を評価するためのものであり、光検出器２２から出力された信号に基づいてレーザ光の透過光量が評価される。
【００５２】
減衰量制御装置４３は、可変光減衰器４１の減衰量を制御するためのものであり、透過光量検出器４２で評価されたレーザ光の透過光量に基づいて可変光減衰器４１の減衰量が制御される。
【００５３】
例えば、上記構成において、光検出器２２の出力限界が１０Ｖである場合に、光検出器２２のゲインが８．０×１０２Ｖ／Ｗのときに１０ｍＷの入力があったとすると、８．０Ｖを出力する。これにより、１０ｍＷの入力であれば計測可能である。
一方、測るべきレーザ光が０．１ｍＷである場合に、Ｓ／Ｎを確保するために８．０Ｖを出力するようにゲインを×１００倍（８．０×１０４Ｖ／Ｗ）に設定することになる。このとき、１０ｍＷのレーザ光が入力されると、光検出器が線形な出力をすれば８００Ｖを出力することとなるが光検出器２２の出力限界が１０Ｖに制限されるので、光検出器２２の出力はサチレーション（飽和）し、変調に伴う検出信号の変化を検出できず、計測できなくなってしまう。
上記構成は、このような事態を解消するもので、可変光減衰器４１の減衰量を調整する。
尚、光検出器２２のゲインを調整することも考えられるが、ゲインを調整すると光検出器２２の特性が変わってしまい、検出の時定数とに影響を与えるので、検量線、キャリブレーションをやり直す必要があり、計測中にゲインを変更することはできない（ゲインは一定）。
また、レーザ光源２１の出力量を変更することも可能なように思われるが、レーザ光源２１は流す電流値を変更するとレーザ光の波長がずれるという特性がある。これにより、ガスの分析のように、波長をピンポイントに絞った計測ではレーザ光源２１の出力量を変更することはできない。
これにより、分析対象ガスとレーザ光源２１との間に可変光減衰器４１を設け、かつ制御することで、煤塵が多いときでも煤塵が少ないときでも分析対象ガスの分析が可能となる。
【００５４】
上記構成によれば、透過光量検出器４２で評価されたレーザ光の透過光量に基づいて可変光減衰器４１の減衰量を制御する減衰量制御装置４３を備えるので、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。すなわち、光検出器２２の感度を高めることにより、煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができる。また、光検出器２２の感度が高いままでも可変光減衰器４１の減衰量を増加させることにより、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００５５】
図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態において、光検出器２２は、受光したレーザ光の発光強度に比例した出力電圧を信号とする一方、透過光量検出器４２は、光検出器２２から出力された出力電圧に基づいて分析対象ガスを透過したレーザ光の透過光量を評価する。
【００５６】
図１及び図２に例示する実施形態において、上述したように、光検出器２２は、受光したレーザ光の発光強度に比例した出力電圧を信号とするフォトダイオード（ＰＤｓ）とする一方、透過光量検出器４２は、フォトダイオード（ＰＤｓ）から出力された出力電圧に基づいて分析対象ガスを透過したレーザ光の透過光量を評価する。
【００５７】
上記構成によれば、光検出器２２は、受光したレーザ光の発光強度に比例した出力電圧を信号とする一方、透過光量検出器４２は、光検出器２２から出力された出力電圧に基づいて分析対象ガスを透過したレーザ光の透過光量を評価するので、レーザ光の透過光量の評価を簡便化することができる。
【００５８】
図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態では、光検出器２２と透過光量検出器４２との間にノイズ成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦＳ）をさらに備える。
【００５９】
上記構成によれば、ローパスフィルタ（ＬＰＦＳ）でノイズ成分が除去されるので、分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００６０】
図１に示すように、幾つかの実施形態では、可変光減衰器４１と光検出器２２との間に分析対象ガスが抽出される計測セル５を設ける。
【００６１】
計測セル５の一方端には入射窓５３が設けられ、計測セル５の他方端には出射窓５４が設けられている。
入射窓５３の前方には、上述した光分配器２５及び可変光減衰器４１が配置され、さらに前方にはレーザ光源２１が配置されている。そして、レーザ光源２１から射出されたレーザ光は光分配器２５を通って部分透過光となった後、可変光減衰器４１で減衰され、入射窓５３を介して計測セル５に入射するようになっている。尚、レーザ光源２１の発振動作は光源ドライバ３７からの制御信号Ｓ１により制御される。この光源ドライバ３７は、レーザ光源２１の発振波長を酸素分子（Ｏ２）に固有の吸収波長の一つにマッチングさせる制御回路を含んでいる。
出射窓５４の後方には、上述した光検出器２２が配置されている。光検出器２２は、計測セル５を通過したレーザ光を受光し、その強度に応じた受光信号Ｓ４を位相敏感検波器３２と直流成分検出器３３とにそれぞれ出力するようになっている。
【００６２】
上記構成によれば、計測セル５に抽出される分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００６３】
図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態では、光分配器２５と、参照セル２６と、光検出器（標準光検出器）２７と、をさらに備える。
光分配器２５は、レーザ光源２１から発振されたレーザ光の一部を分配するためのものであり、レーザ光源２１と可変光減衰器４１との間に設けられる。
図１及び図２に例示する実施形態において、光分配器２５は、例えば、ハーフミラー（図示せず）で構成される。ハーフミラーの近傍には、ミラー（図示せず）が設けられ、ハーフミラーで分配されたレーザ光の一部は、ミラーで反射され、参照セル２６の内部に入射するようになっている。
【００６４】
参照セル２６は、参照ガスを一定量含み、光分配器２５で分配されたレーザ光の一部が透過するように構成される。
【００６５】
図１及び図２に例示する実施形態において、レーザ光の一部は、窓２６１を通って参照セル２６に入射し、参照セル２６を通過した後に、窓２６２を通って参照セル２６を出て行く。参照セル２６を通過したレーザ光の一部は、光検出器２７によりレーザ光を受光するようになっている。
【００６６】
光検出器２７は、受光したレーザ光の発光強度に応じた標準信号を出力するためのものであり、参照セルを透過したレーザ光の一部を受光するように構成されている。
図１及び図２に例示する実施形態において、光検出器２７は、フォトダイオード（ＰＤＲ）により構成される。フォトダイオード（ＰＤＲ）は、分析対象ガスを透過したレーザ光を受光し、その強度に応じた信号を出力するようになっている。
【００６７】
図１及び図２に例示する実施形態において、ガス分析装置３は、さらに、位相敏感検波器３５と、直流成分検出器３６とを備えている。
図１及び図２に例示する実施形態において、第１波形発生器（変調成分発生器（ＦＧ））３１１は、レーザ光源２１のレーザ発振波長に変調を加えるための変調信号Ｓ２に同期した参照信号Ｓ２を位相敏感検波器３５に出力するようになっている。
【００６８】
図１及び図２に例示するように、位相敏感検波器３５は、第１波形発生器３１１からの参照信号Ｓ２と光検出器２７からの受光信号Ｓ６とから参照ガスに含まれる酸素分子によるレーザ光の吸収量を検出するロックインアンプ（ＰＳＤＲ）を含んでいる。ロックインアンプ（ＰＳＤＲ）は、受光信号Ｓ６の交流成分中から参照信号（第１変調信号）Ｓ６の２倍高調波に同期する成分の強度を示す信号Ｓ１１をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４に出力するようになっている。
【００６９】
図１及び図２に例示するように、直流成分検出器３６は、光検出器２７の受光信号Ｓ６の中から直流成分（レーザ光の透過率に相当）を検出するローパスフィルタ（ＬＰＦＲ）を含んでいる。ローパスフィルタ（ＬＰＦＲ）は、受光信号Ｓ６から変調成分やノイズ成分等の交流成分を除去した直流成分信号Ｓ７を解析部としてのパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４に出力するようになっている。
【００７０】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）は、光検出器２７で出力された信号に基づいて分析対象ガスの分析結果を較正する。
【００７１】
上記構成によれば、光検出器２７で出力された標準信号に基づいて分析対象ガスの分析結果を較正するので、可変光減衰器４１で減衰されたレーザ光の発光強度に基づいて分析された分析対象ガスの分析結果を比較対照することができる。また、光分配器２５は、レーザ光源２１と可変光減衰器４１との間、すなわち、可変光減衰器４１の上流に設けられるので、参照セル２６には可変光減衰器４１で減衰される前のレーザ光が分配される。したがって、参照セル２６は適正な発光強度のレーザ光で分析され、分析対象ガスは分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度に適した発光強度に調整されたレーザ光で分析される。これにより、参照セル２６は、煤塵の濃度に適した発光強度に調整されたレーザ光よりも発光強度が高い適正な発光強度のレーザ光で分析することができる。
【００７２】
図２に示すように、幾つかの実施形態では、分析対象ガスが存在する計測対象場に挿入される挿入計測用プローブ６と、挿入計測用プローブ６に挿通されるとともに、可変光減衰器４１からのレーザ光を計測対象場に導くための第１光ファイバ６１と、挿入計測用プローブ６に挿通されるとともに、計測対象場からのレーザ光を光検出器２２に導くための第２光ファイバ６２と、をさらに備える。
【００７３】
上記構成によれば、分析対象ガスが存在する計測対象場に挿入計測用プローブ６を挿入することができる。これにより、挿入計測用プローブの挿入が容易な計測対象場に存在する分析対象ガスを分析することができる。
【００７４】
図２に示すように、幾つかの実施形態では、挿入計測用プローブ６は、レーザ光が出射される第１光ファイバ６１の出射面と、レーザ光が入射する第２光ファイバ６２の入射面との間の光路上に位置する計測部６３を有し、計測部６３には分析対象ガスが存在する。
【００７５】
上記構成によれば、レーザ光が出射される第１光ファイバ６１の出射面と、レーザ光が入射する第２光ファイバ６２の入射面との間の光路上に位置する計測部６３に分析対象ガスが存在するので、分析対象ガスを確実に分析することができる。また、光路を短くすることができるので、煤塵濃度が濃く、分析対象ガスの全体を分析できない場合でも、レーザ光が透過する局所的な範囲でデータを取得することができる。
【００７６】
図５は、図１及び図２に示した減衰量制御装置４３の制御内容を示すフローチャートである。
図５に示すように、幾つかの実施形態では、減衰量制御装置４３は、透過光量検出器４２で評価されたレーザ光の強度が閾値を超える場合（ステップＳ２２：ＮＯ）に減衰量を増やす（ステップＳ２４）一方、レーザ光の強度が閾値を超えない場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）に減衰量を減らす（ステップＳ２３）ように制御する。
【００７７】
上記構成によれば、透過光量検出器４２で評価されたレーザ光の強度が閾値を超える場合に減衰量を増やす一方、レーザ光の強度が閾値を超えない場合に減衰量を減らすので、分析対象ガスを透過したレーザ光の発光強度を適正に維持することができる。これにより、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が高い場合でも分析対象ガスを分析することができ、また、分析対象ガスに含まれる煤塵の濃度が低くなった場合でも分析対象ガスを正確に分析することができる。
【００７８】
幾つかの実施形態では、閾値は、光検出器２２の出力最大値の８０パーセント以上の値に設定される。
【００７９】
上記構成によれば、光検出器２２の出力最大値の８０パーセント以上の値に設定されるので、レーザ光の強度が光検出器２２の出力最大値の８０％に満たない場合には減衰量を減らすことになる。これにより、光検出器２２には出力最大値の８０％以上の光が入射することになり、検出精度を高く維持することができる。
【００８０】
図６は、一実施形態に係るガス分析システムが設置されたボイラ７を示す概念図である。
図６に示すように、幾つかの実施形態において、レーザ光源２１は、ボイラ７内のバーナ燃焼部７１に設けられた観測点Ｐにおいて分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するように配置される。
【００８１】
図６に例示する実施形態では、燃焼炉内や煙道部内のガス濃度や固体粒子濃度をサンプリングすることなく、直接的に非接触計測できることを検証するために、ボイラ内にレーザ光を入射して燃焼排ガス中の酸素濃度及び煤塵濃度を直接計測する。
【００８２】
図６に例示する実施形態では、ボイラの側壁に二つの計測窓が設けられている。計測窓は、二次空気取入口よりも下方に位置し、かつ、燃焼炉内にレーザ光を直接投射できる箇所に設けられている。レーザ光源２１は、一方側の計測窓に対面配置されている。受光部は、他方側の計測窓に対面配置されている。
【００８３】
レーザ光源２１は、ボイラ制御室内の変調部３１から変調信号Ｓ２，Ｓ３が出力されるようになっている。また、受光部は、ボイラ制御室の解析部３８に受光信号が出力されるようになっている。また、変調部３１からは変調信号Ｓ２，Ｓ３が解析部３８に出力されるようになっている。
【００８４】
上記構成によれば、ボイラ内のバーナ燃焼部７１に設けられた観測点においてレーザ光源２１から発振されたレーザ光が分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するので、ボイラ７内のバーナ燃焼部７１に設けられた観測点Ｐに位置する燃焼ガスを分析することができる。
【００８５】
図６に示すように、幾つかの実施形態では、観測点Ｐは、バーナ燃焼部７１と燃焼完結域７２との間に設けられる。
【００８６】
上記構成によれば、バーナ燃焼部７１と燃焼完結域７２との間に設けられた観測点Ｐにおいてレーザ光源２１から発振されたレーザ光が分析対象ガスとなる燃焼ガスを透過するので、バーナ燃焼部７１と燃焼完結域７２との間に位置する燃焼ガスを分析することができる。
【００８７】
幾つかの実施形態では、ガス分析装置３は、観測点Ｐにおいて分析対象ガスとなる燃焼ガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、及びガス温度を分析する。
【００８８】
上記構成によれば、観測点Ｐにおいて分析対象ガスとなる燃焼ガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、及びガス濃度を分析するので、ボイラ７の運転状態を把握することができる。
また、酸素濃度及び一酸化炭素濃度の計測結果を基に、一次空気、二次空気、燃料投入量を制御することによって余剰な酸素量を低減し、発電端発電効率向上、低ＮＯｘ化が可能となる。
例えば、還元燃焼領域における酸素や一酸化炭素の濃度分布、温度分布に基づいて、一次空気、二次空気、燃料投入量、或いは、一次空気と二次空気の投入比を最適な燃焼域となるように増減値を決定し、ボイラ制御部に伝送する。尚、ここで最適な燃焼域とは、ＮＯｘ低減や燃焼効率向上となる燃焼状態となる領域をいう。
【００８９】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、ボイラ７の観測点Ｐにおける煤塵濃度が濃く、燃焼ガスの全体を分析できない場合でも、挿入計測用プローブ６の光路を短くして挿入すれば、局所的な範囲でデータを取得し、燃焼ガスの酸素濃度、一酸化炭素濃度、及びガス温度を分析できる。
【符号の説明】
【００９０】
１    ガス分析システム
２    容器
２１    レーザ光源
２２    光検出器
２５    光分配器
２６    参照セル
２６１，２６２    窓
２７    光検出器（標準光検出器）
３    ガス分析装置
３１    変調部
３１１    第１波形発生器
３２    位相敏感検波器
３３    直流成分検出器
３４    パーソナルコンピュータ
３５    位相敏感検波器
３６    直流成分検出器
３７    光源ドライバ
３８    解析部
４１    可変光減衰器
４２    透過光量検出器
４３    減衰量制御装置
５    計測セル
５１，５２    ガス管
５３    入射窓
５４    出射窓
６    挿入計測用プローブ
６１    第１光ファイバ
６２    第２光ファイバ
６３    計測部
７    ボイラ
７１    バーナ燃焼部
７２    燃焼完結域
【図１】
0006473367.tif 000002
【図２】
0006473367.tif 000003
【図３】
0006473367.tif 000004
【図４】
0006473367.tif 000005
【図５】
0006473367.tif 000006
【図６】
0006473367.tif 000007