(57)【要約】【課題】コストを抑えて簡便に煙道内の酸素濃度を測定することを可能とする酸素濃度測定方法及び装置を提供すること。【解決手段】検査領域が大気中から区画され、検査領域内の酸素濃度を、大気中を通過させ、かつ検査領域内を通過させる検査光Ｐに基づいて測定する酸素濃度測定方法であって、検査光Ｐが、２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなることを特徴とする。また、検査領域内の温度が４００℃以上とされていることを特徴とする。また、検査領域が大気中から区画され、検査領域内の酸素濃度を、大気中を通過させ、かつ検査領域内を通過させる検査光Ｐに基づいて測定する酸素濃度測定装置であって、その内部を大気中から区画して検査領域とする外殻１と、大気中を通過し、かつ検査領域を通過する検査光Ｐを発する光源３とを備えてなることを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査領域が通過領域から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記通過領域内を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定方法であって、
前記検査光が、２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなることを特徴とする酸素濃度測定方法。
【請求項２】
検査領域が大気中から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記大気中を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定方法であって、
前記検査光が、２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなることを特徴とする酸素濃度測定方法。
【請求項３】
請求項２記載の酸素濃度測定方法において、
前記検査領域内の温度Ｔ１が４００℃以上とされていることを特徴とする酸素濃度測定方法。
【請求項４】
検査領域が通過領域から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記通過領域内を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定装置であって、
その内部を前記通過領域から仕切って前記検査領域とする外殻と、前記通過領域内を通過し、かつ前記検査領域内を通過する検査光を発する光源とを備えてなることを特徴とする酸素濃度測定装置。
【請求項５】
検査領域が大気中から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記大気中を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定装置であって、
その内部を前記大気中から仕切って前記検査領域とする外殻と、前記大気中を通過し、かつ前記検査領域を通過する検査光を発する光源とを備えてなることを特徴とする酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸素濃度測定方法及び装置に関し、特に高温ガス中における高温酸素ガスの濃度を大気中の常温酸素ガスと区別して測定することを可能とする酸素濃度測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ボイラーなどから排出される排ガスは、燃焼機器の運転状況の監視や環境への影響を考慮する必要があることから、そのガスに含まれる各種成分の濃度を測定することが行われている。ボイラー出口から煙突入口までの間で酸素濃度を測定する理由としては、まず第一にボイラーへ投入される燃料に対して、これを燃焼させるのに適切な燃焼用空気が投入されることを確認する目的があり、通常はこの酸素濃度測定値を制御系へフィードバックすることにより燃焼空気量をあらかじめ定められた値に制御している。また、ＮＯＸ、ＳＯＸ、ＣＯ等の公害物質の排ガス中濃度監視目的として、これらの濃度計測と共に酸素濃度を同時に計測している。煙道排ガス中の濃度は、燃焼空気量により変化するため、測定された酸素濃度は、排ガス中の他成分の濃度と共に、大気汚染防止法に定められた計算式で適切な値に換算するのに用いられている。
【０００３】
従来、ボイラーから排出される排ガス中の酸素濃度を測定するには、排ガスを無作為に抽出し、化学的に分析を行うことが行われている。また最近では、測定の連続性と同時計測が可能であることから、近赤外域のレーザを用いて長光路差分吸収法により検出することが行われている。つまり、排ガスが通過する煙道の途中に、排ガスの排出方向に直交する一直線上に対向配置した一対の透過窓を設け、煙道外からこの透過窓を介してレーザを煙道内の酸素に照射して透過した透過光を調べることにより、煙道内の酸素濃度を測定する。この際、レーザは煙道外にある大気中の酸素も透過するため、酸素濃度の測定にあたっては、大気中の酸素の影響を排除するため、レーザを導く伝送光路を真空にするか窒素などの不活性ガスで置換することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の酸素濃度測定装置においては、近赤外域のレーザを用いて煙道内の排ガスに含まれる酸素の濃度を測定する際に、レーザを導く伝送光路を真空にするか窒素などの不活性ガスで置換しておく必要があるので、そのための手間と設備のコストがかかるという問題があった。
【０００５】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、レーザ伝送光路から測定対象でない酸素を排除することなく、コストを抑えて簡便に煙道内の酸素濃度を測定することを可能とする酸素濃度測定方法及び装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、検査領域が通過領域から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記通過領域内を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定方法であって、前記検査光が、２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなることを特徴とする。
【０００７】
この発明に係る酸素濃度測定方法によれば、通過領域中及び検査領域内に２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなる検査光を通過させると、検査光は、検査領域内の酸素のみにて吸収されて透過光が変化し、変化した透過光に基づいて検査領域内の酸素の濃度が測定される。この際、通過領域中の常温酸素を排除する必要がないので、そのための設備のコストを抑えて簡便に測定することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、検査領域が大気中から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記大気中を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定方法であって、前記検査光が、２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係る酸素濃度測定方法によれば、大気中及び検査領域内に２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲内の波長からなる検査光を通過させると、検査光は、検査領域内の酸素のみにて吸収されて透過光が変化し、変化した透過光に基づいて検査領域内の酸素の濃度が測定される。この際、大気中の常温酸素を排除する必要がないので、そのための設備のコストを抑えて簡便に測定することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２記載の酸素濃度測定方法において、前記検査領域内の温度Ｔ１が４００℃以上とされていることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係る酸素濃度測定方法によれば、検査領域内の温度Ｔ１が４００℃以上とされているので、温度がＴ１である検査領域内の酸素のみに検査光の吸収が起こり、検査領域内の酸素のみの酸素濃度が測定される。
【００１２】
請求項４に係る発明は、検査領域が通過領域から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記通過領域内を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定装置であって、その内部を前記通過領域から仕切って前記検査領域とする外殻と、前記通過領域内を通過し、かつ前記検査領域内を通過する検査光を発する光源とを備えてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る酸素濃度測定装置によれば、その内部を前記通過領域中から仕切って前記検査領域とする外殻と、前記通過領域中を通過し、かつ前記検査領域を通過する検査光を発する光源とを備えているので、通過領域中及び外殻によって仕切られた検査領域内に光源によって検査光を通過させると、検査光は、検査領域内の酸素のみにて吸収されて透過光が変化し、変化した透過光に基づいて検査領域内の酸素の濃度が測定される。この際、通過領域中の常温酸素を排除する必要がないので、そのための設備のコストを抑えて簡便に測定することができる。
【００１４】
請求項５に係る発明は、検査領域が大気中から仕切られており、前記検査領域内の酸素濃度を、前記大気中を通過させ、かつ該検査領域内を通過させる検査光に基づいて測定する酸素濃度測定装置であって、その内部を前記大気中から仕切って前記検査領域とする外殻と、前記大気中を通過し、かつ前記検査領域を通過する検査光を発する光源とを備えてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明に係る酸素濃度測定装置によれば、その内部を前記大気中から仕切って前記検査領域とする外殻と、前記大気中を通過し、かつ前記検査領域を通過する検査光を発する光源とを備えているので、大気中及び外殻によって仕切られた検査領域内に光源によって検査光を通過させると、検査光は、検査領域内の酸素のみにて吸収されて透過光が変化し、変化した透過光に基づいて検査領域内の酸素の濃度が測定される。この際、大気中の常温酸素を排除する必要がないので、そのための設備のコストを抑えて簡便に測定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す図である。
図１において、１は煙道（外殻）、２は透過窓、３はレーザ発信器（光源）、４は受光器、Ｘは排ガスである。
【００１７】
煙道１は、石炭焚き、重油焚き或いはガス焚きのボイラーの排ガスＸを導くものであり、例えば直径１０ｍの円筒形状に形成されている。排ガスＸは、４００℃から６００℃程度の高温ガスであり、例えば酸素（Ｏ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ３）等の成分を含んでいる。
【００１８】
透過窓２は、煙道１の途中の側壁に設けられており、煙道１の軸線方向に直交する一直線上に対向して一対となるよう配置されている。図１では、レーザ光（検査光）Ｐが煙道１内に入射する入射側透過窓と、レーザ光Ｐが煙道１内を透過して煙道１外へ出射する出射側透過窓２とからなる一対の透過窓２の内、出射側透過窓２のみが描かれている。この透過窓２は、高温（４００℃から６００℃程度）における光の透過が可能なように、例えば紫外光が透過する耐熱ガラスによって形成されている。
【００１９】
レーザ発信器３は、例えばＯＰＯレーザ等の波長可変レーザから構成されており、所定波長の検査用レーザ光Ｐを出射するものである。レーザ発信器３から出射される酸素濃度検査用レーザ光Ｐの波長は、例えば２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲で可変となるよう所定波長に設定されている。レーザ発信器３から出射されるレーザ光Ｐは、煙道１に設けられた入射側透過窓を介して煙道１内の排ガスＸに含まれる酸素を透過する際、透過光Ｐｔとなる。
【００２０】
受光器４は、煙道１内の排ガスＸに含まれる酸素を透過した透過光Ｐｔを受光するものであり、透過光Ｐｔの強度に応じて電気信号を出力するものである。受光器４には、不図示の演算装置が設けられており、演算装置（不図示）は、受光器４にて出力された電気信号を演算処理し、酸素（Ｏ２）の濃度を取得するものである。
【００２１】
次に、上記の構成からなる酸素濃度測定装置を用いて酸素濃度を測定する方法について説明する。
まず、二酸化硫黄（ＳＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ３）、酸素（Ｏ２）等を含んだ排ガスＸが煙道１に導かれて排出される際に、レーザ発信器３によりレーザ光Ｐを煙道１に設けられた入射側透過窓を介して煙道１内の排ガスＸ（酸素を含む）に照射する。
【００２２】
レーザ光Ｐが照射された酸素は、照射されたレーザ光Ｐの波長に応じて光の吸収が起こり、透過光Ｐｔとして出射側透過窓２を介して煙道１より出射される。出射された透過光Ｐｔは、受光器４によって受光され、透過光Ｐｔの強度に応じて電気信号に変換され、不図示の演算装置に出力される。出力された電気信号は、不図示の演算装置によって演算処理され、処理結果に基づいて酸素（Ｏ２）の濃度が取得される。
【００２３】
次に、上記の構成からなる酸素濃度測定装置を用いてレーザ光Ｐの透過率を調べた実験結果について説明する。
図２は、入射側透過窓を介してレーザ光Ｐを煙道１内の排ガスＸ（酸素を含む）に照射した際の透過率を示した実験結果である。図２において、横軸は酸素に照射したレーザ光Ｐの波長（ｎｍ）、縦軸はレーザ光Ｐの透過率（％）を表す。すなわち、波長可変レーザを用いて煙道１内の酸素（４００℃）にレーザ光Ｐを照射した際の、レーザ光Ｐの透過率の波長依存性が示されている。
【００２４】
図からわかるように、波長が２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲において、２００．２５ｎｍ、２００．４５ｎｍ、２００．６５ｎｍ、２００．９０ｎｍ、２０１．１５ｎｍ等の付近に、酸素による吸収が示されている。特に、２０１ｎｍ以下の波長領域においては、特異な鋭い吸収スペクトルがみられ、４００℃の温度を有する酸素はこの波長領域のレーザ光Ｐによって著しく吸収される結果となっている。図示はしていないが、常温を有する酸素を透過したレーザ光Ｐの透過率は、４００℃を有する酸素を透過したレーザ光Ｐの透過率とは対照的に、特異な鋭い吸収スペクトルはみられない結果となっている。
【００２５】
また、２００ｎｍ未満の波長領域（真空紫外域）では、常温の酸素によっても吸収が起こり、２０３ｎｍを超えた波長領域では、４００℃程度の酸素では十分な吸収を起こさなかった。２００ｎｍから２０３ｎｍの範囲の波長のレーザ光Ｐを用いた場合でも、４００℃未満の温度範囲では、酸素による吸収が不十分だった。なお、酸素による吸収スペクトルの出現範囲は、温度が上昇するに伴い長波長側に拡大する。
【００２６】
上記の構成によれば、酸素濃度検査用のレーザ光Ｐとして、２００ｎｍから２０３ｎｍ程度の領域の波長が用いられているので、煙道１外の大気中に存在する常温の酸素を透過したレーザ光Ｐの透過率の波長依存性は、特異な吸収スペクトルを示さない。したがって、煙道１内の排ガスＸに含まれる高温（４００℃から６００℃程度）の酸素を透過した透過光Ｐｔのみが特異な吸収スペクトルを示すので、この特異な吸収スペクトルを示す透過率の波長依存性のみを考慮することで、選択的に排ガスＸ中の酸素濃度を測定することができる。
【００２７】
また、この際、煙道１外の大気中に存在する常温の酸素を煙道１内の排ガスＸに含まれる高温の酸素と区別するために、煙道１外にてレーザを導く伝送光路を真空にするか窒素などの不活性ガスで置換する必要がないので、その分のコストを抑えて簡便に煙道１内の酸素濃度を測定することができる。
【００２８】
なお、図１では、酸素濃度検査用レーザ光Ｐと平行して合計３本のレーザ光が描かれているが、これらレーザ光は、濃度測定の対象となる排ガスＸに含まれる成分に合わせて所定の波長（域）を有するものであり、これらレーザ光の本数は、測定対象の数に応じて適宜調整してよいものである。（図１では、出射するレーザ光として描かれた３本のレーザ光の内、酸素濃度検査用の１本のみについて符号Ｐが付されている。）
【００２９】
なお、上記の実施の形態では、酸素濃度の測定対象として、排ガスＸに含まれる高温の酸素（４００℃から６００℃程度）を用いて説明したが、酸素濃度の測定対象はこれに限られず、常温程度と高温（４００℃から６００℃程度）の酸素が存在した場合の、高温の酸素であればよい。また、高温の酸素を測定する装置も、上記の実施の形態に限られない。また、高温の酸素として、４００℃から６００℃程度の温度を有する酸素として説明したが、温度範囲はこれに限られず、さらに高温の６００℃以上の条件下においても適応可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、
請求項１又は４に係る発明によれば、通過領域中の常温酸素と検査領域内の高温酸素とに検査光を照射すると、検査領域内の高温酸素にて検査光が吸収されて透過光に変化が現れ、変化した透過光に基づいて検査領域内の高温酸素の濃度が測定されるので、検査領域内の高温酸素のみの酸素濃度を測定することができる。この際、測定対象でない通過領域中の常温酸素を排除する必要がないので、そのための設備のコストを抑えて簡便に測定することができる。
【００３１】
また、請求項２又は５に係る発明によれば、大気中の常温酸素と検査領域内の高温酸素とに検査光を照射すると、検査領域内の高温酸素にて検査光が吸収されて透過光に変化が現れ、変化した透過光に基づいて検査領域内の高温酸素の濃度が測定されるので、検査領域内の高温酸素のみの酸素濃度を測定することができる。この際、測定対象でない大気中の常温酸素を排除する必要がないので、そのための設備のコストを抑えて簡便に測定することができる。
【００３２】
また、請求項３に係る発明によれば、検査領域内の温度Ｔ１が４００℃以上とされているので、温度がＴ１である検査領域内の酸素のみの濃度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る酸素濃度測定装置を示す概略図である。
【図２】この発明の一実施形態に係る酸素濃度測定装置を用いた検査光の透過率を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　　煙道（外殻）
３　　　レーザ発信器（光源）
Ｐ　　　レーザ光（検査光）
【図１】
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【図２】
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