(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振波長を計測対象ガスに固有な吸収波長に調整可能な光源部と、
前記光源部から発振されたレーザ光の一部を計測領域に導入する手段と、
前記計測対象ガスを一定量含むガスを保持若しくは通流させながらレーザ光が前記ガス中を透過しうる機能を有した参照セルと、
前記レーザ光の一部を前記参照セルに導入する手段と、
前記光源部から発振されるレーザ光の発振波長に二重変調を加えるための信号であって相互に異なる周波数を有する変調信号をそれぞれ出力するとともに、その変調信号に同期した第１及び第２参照信号をそれぞれ出力する第１及び第２の波形発生器を有する変調部と、
前記計測領域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第１の受光装置と、
前記変調部の前記第１の波形発生器からの前記第１参照信号に基づき前記第１の受光装置の信号の中からレーザ光に加えた前記第１参照信号と同期した成分若しくはその高調波成分を検出し、出力する第１の位相敏感検波部と、
前記第２の波形発生器からの前記第２参照信号に基づいて前記第１の位相敏感検波部の信号の中から前記第２参照信号と同期した成分若しくはその高調波成分を検出し、出力する第２の位相敏感検波部と、
前記受光部の信号の中から交流成分を除去して直流成分のみを検出する第１の直流成分検出部と、
前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２の受光装置と、
前記第２の受光装置からの受光信号を受け、前記第１の波形発生器からレーザ光の波長の変調に同期した前記第１参照信号が与えられる第３の位相敏感検波部と、
前記第３の位相敏感検波部から出力された信号および前記第２の波形発生器からレーザ光の波長の変調に同期した前記第２参照信号が与えられる第４の位相敏感検波部と、
前記の第２の受光装置からの受光信号を受ける第２の直流成分検出部と、
前記第２の位相敏感検波部から出力された信号と前記第４の位相敏感検波部から出力された信号と前記第２の直流成分検出部から出力された信号と前記第１の直流成分検出部からの信号とに基づき前記計測領域の前記計測対象ガスの濃度を算出すると共に、前記第１の直流成分検出部からの信号および前記第２の直流成分検出部からの信号に基づいて、前記計測領域中の固体粒子濃度を算出する解析部と、を具備することを特徴とするガス濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼計測や環境調査等、ガス濃度、固体粒子濃度を計測する必要がある分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガス濃度を計測するためには、ガスクロマトグラフィーやジルコニア式酸素濃度計のように、計測領域からガスをサンプリングし、その後、計測妨害物質をサンプリングガスから除去する等の前処理を実施し、最後に、その処理ガスを計測装置に導入して対象ガスの濃度を測定する。その他、対象ガスからの発光強度、蛍光強度や、計測領域での光吸収強度からガス濃度を計測する技術も存在する。
【０００３】
また、対象ガス中の固体粒子濃度を検出するためには、一定量のガスをサンプリングして円筒濾紙に導入し、計測前と計測後における円筒濾紙の重量変化を計測し、サンプリングガス量と濾紙の重量変化分から、ガス中の固体粒子濃度を検出していた。また、固体粒子濃度を光の散乱や透過量から連続計測する技術も一部存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃焼排ガス分析や環境調査等を行なう際に、多くの場合はガス濃度と固体粒子濃度とを同時に計測する必要があり、この要望に応えるために上述の従来法のうちから幾つかを選び出し、２つ以上の装置を組合わせて実施している。そのため従来は、高価で複雑な装置系を組合わせるためにコスト高となる。また、煩雑な操作を要する計測手段を組合わせるために操作性および応答性がよくない。
【０００５】
さらに、上記の問題点の他に、ガスおよび固体粒子の同時サンプリング計測には次の問題点（１）〜（５）がある。
【０００６】
（１）計測領域からのサンプリングにより状態が乱される為、計測を望む真の状態を把握することが困難となる。
【０００７】
（２）サンプリング時間が必要不可欠であるため、応答性が悪く、計測・制御の高速化への対応が困難となる。
【０００８】
（３）サンプリング流量、温度などの計測条件を正確に制御する装置が必要になる。
【０００９】
（４）計測妨害物質を取り除くための前処理が必要になる。
【００１０】
（５）一定量以上のサンプリングガスが必要なため、微量分析が困難である。
【００１１】
また、従来の光学計測で、ガス濃度、固体粒子濃度を非接触計測するための技術には下記の問題点（６）〜（９）がある。
【００１２】
（６）発光・蛍光法による計測は、共存ガスの影響を受け易く、定量的計測が困難である。
【００１３】
（７）煤塵等の固体粒子が浮遊している場所では、従来の発光・蛍光法による計測は困難である。
【００１４】
（８）従来の単純な吸収法では計測感度が低い。
【００１５】
（９）従来の単純に波長変調手法を応用した吸収法では、長時間計測において計測値の周期的ドリフトが発生する。
【００１６】
また、光の散乱、透過に基づいて固体粒子濃度を計測する従来の技術には下記の問題点（10）がある。
【００１７】
（10）ガス濃度と固体粒子濃度とを同時に計測できない。
【００１８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、計測領域の状態を乱すことなく、前処理することなく、共存成分ガスおよび固体粒子の共存下であっても対象ガス濃度と固体粒子濃度とを高精度に同時計測でき、かつ計測値にドリフトを生じることなく長期間にわたり安定に計測でき、低コストで、操作性および応答性に優れたガス濃度計測装置を提供することを目的とする。また、そのようなガス濃度計測装置を有する燃焼炉を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガス濃度計測装置は、レーザ発振波長を計測対象ガスに固有な吸収波長に調整可能な光源部と、前記光源部から発振されたレーザ光の一部を計測領域に導入する手段と、前記計測対象ガスを一定量含むガスを保持若しくは通流させながらレーザ光が前記ガス中を透過しうる機能を有した参照セルと、前記レーザ光の一部を前記参照セルに導入する手段と、前記光源部から発振されるレーザ光の発振波長に二重変調を加えるための信号であって相互に異なる周波数を有する変調信号をそれぞれ出力するとともに、その変調信号に同期した第１及び第２参照信号をそれぞれ出力する第１及び第２の波形発生器を有する変調部と、前記計測領域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第１の受光装置と、前記変調部の前記第１の波形発生器からの前記第１参照信号に基づき前記第１の受光装置の信号の中からレーザ光に加えた前記第１参照信号と同期した成分若しくはその高調波成分を検出し、出力する第１の位相敏感検波部と、前記第２の波形発生器からの前記第２参照信号に基づいて前記第１の位相敏感検波部の信号の中から前記第２参照信号と同期した成分若しくはその高調波成分を検出し、出力する第２の位相敏感検波部と、前記受光部の信号の中から交流成分を除去して直流成分のみを検出する第１の直流成分検出部と、前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２の受光装置と、前記第２の受光装置からの受光信号を受け、前記第１の波形発生器からレーザ光の波長の変調に同期した前記第１参照信号が与えられる第３の位相敏感検波部と、前記第３の位相敏感検波部から出力された信号および前記第２の波形発生器からレーザ光の波長の変調に同期した前記第２参照信号が与えられる第４の位相敏感検波部と、前記の第２の受光装置からの受光信号を受ける第２の直流成分検出部と、前記第２の位相敏感検波部から出力された信号と前記第４の位相敏感検波部から出力された信号と前記第２の直流成分検出部から出力された信号と前記第１の直流成分検出部からの信号とに基づき前記計測領域の前記計測対象ガスの濃度を算出すると共に、前記第１の直流成分検出部からの信号および前記第２の直流成分検出部からの信号に基づいて、前記計測領域中の固体粒子濃度を算出する解析部と、を具備することを特徴とする。
【００２５】
本発明装置は上記課題を解決するために次に列挙する各要素を備えている。
【００２６】
（１）基本構成
本発明装置の基本原理は、ガスが種類毎に特有波長の光を吸収し、固体粒子の吸収・散乱特性は光の波長に依存しない性質に基づいた吸収分光法にある。つまり、本発明は光学的手法に基づいており、サンプリング計測による問題点を克服することが可能になる。さらに下記の手段を用いることにより通常の吸収分光法では達成できない性能を実現している。
【００２７】
（２）精密波長設定光源の採用（共存ガスの影響除去）
本発明装置においては、レーザ波長を精密設定できる光源を用いることにより計測への共存ガスの影響（ノイズ）を除去している。その原理は次に示す通りである。
【００２８】
図１０は横軸に波長（ｎｍ）をとり、縦軸に吸光度Ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）をとって、酸素ガスが特有波長の光を吸収する状態を示す特性線図である。なお、Ｉ／Ｉ0はレーザ透過率を表わす。ガスが特有波長の光を吸収する状態（吸収帯）を、波長的に高分解能な分光技術で観察すると、この図１０に示すように非常に細かい吸収スペクトルの一群となる。
【００２９】
本発明では、この吸収スペクトル群のうちの一本（回転線）を対象に精密計測を行うことにより、共存ガスの吸収帯が対象ガスの吸収帯とほぼ同じ波長域にあった場合でも、その影響を受けずに定量的計測が可能となる。これは、波長に関して高分解能で観察した場合に、異なるガスの回転線が重なることは殆ど無いためである。また、偶然に、一本の回転線がほぼ重なった状態になっても、他の回転線が全て重なる事は決して無いために、計測対象を他の回転線に変更することにより、この問題の回避が可能である。
【００３０】
（３）波長変調と位相敏感検波による高感度計測
本発明装置はレーザの発振波長に対して変調をかける装置を備えている。すなわち、レーザ光の発振波長に変調を印可し、更にレーザ受光信号の中から変調同期成分、若しくは、その高調波成分のみを検出することにより、計測を妨害するノイズ成分を大幅に減少させ、対象ガスによるレーザ吸収量のみを高感度に計測することが可能となる。本発明では、以上のような波長変調法を採用することにより、通常の吸収分光法よりも高感度な計測を実現している。
【００３１】
（４）計測領域でのレーザ透過率Ｉ／Ｉ0の検出による固体粒子濃度の同時計測従来の蛍光分光法や発光分光法では測定経路の途中に煤塵などの固体粒子が存在すると、光の到達量が変動して測定が困難になる。また、通常の吸光分光法でも光の透過量の変動はノイズ増大の原因となり、測定感度を低下させていた。
【００３２】
本発明装置では、受光信号中から位相敏感検波器を用いて変調に同期した成分、若しくは、その高調波成分（交流成分）のみを取出すことにより各種各様のガスや固体粒子が混在・浮遊している場所（計測領域中）での対象ガスの定量検出を可能とし、さらに、受光信号中から直流成分検出装置を用いて直流成分（計測領域でのレーザ透過率Ｉ／Ｉ0に相当）を同時に計測できる機能を有することにより前記計測領域中の固体粒子濃度の同時計測も可能としている。
【００３３】
以下にガス／固体粒子濃度を同時計測する原理について説明する。
【００３４】
ガスと固体粒子が混在している領域を計測する場合に、レーザ入射強度をＩ0、透過強度Ｉとすると、直流成分検出装置から得られるレーザ透過率（Ｉ／Ｉ0）および位相敏感検波信号ＳPSDは下式（１），（２），（３）にそれぞれ従う。なお、ＳPSDは吸収中心波長での値を示したものである。
【００３５】
【数１】
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【００３６】
上式より明らかなように、ガスによる光の吸収は波長依存性を有している為、（式３）で表されるように、位相敏感検波器にて取出される交流成分のみに依存している。一方、固体粒子による光の吸収・散乱は波長依存性が無い為、（式１）で表されるように、レーザ透過率（直流成分）のみに依存している。。
【００３７】
さらに、図１１によって説明を加えると、固体粒子による吸収・散乱は波長依存性を持たないため、スペクトル全体の上下に影響を与える。そのため、レーザ受光信号の直流成分（の対数）は固体粒子濃度に比例する。一方、波長変調による交流成分を位相敏感検波した出力は波長変調幅の間の節と腹の値の差分（図１１では、ガス吸収ピークとベースとの差分）に相当する。よって、固体粒子濃度が変化したとしても、ガス吸収ピークとベースとの差分は変化しないので、固体粒子の存在に影響を受けることなく、ガス濃度を定量的に検出することができる。
【００３８】
（５）計測値ドリフトを低減し、計測安定性を向上させる二重変調法の採用
本発明装置ではレーザ発振波長に対して変調を二重にかける２つの波形発生器を用いることにより、計測ドリフトの無い、安定した計測を実現している。計測値ドリフトの原因と、二重変調法による計測ドリフトの抑制の原理は、次の通りである。
【００３９】
図１０中の回転線一本一本を一重変調で計測する場合は、理想的には図１２の（ａ）に示すように、直線のベースラインと元の吸収スペクトルの微分量（微分吸収スペクトル）が得られ、ベースラインとピークとの差分から、ガス濃度の検出が可能になる。しかし、実際の計測では、計測光路中で起きる多重反射等が影響を及ぼし、図１２（ｂ）に示すように、蛇行したベースライン上に微分吸収スペクトルが重なった形となる。そのため、外部温度等が変化し、計測条件が異なってくると、ベースラインの蛇行状態が移動し、ガス濃度が一定でも、ピーク位置（高さ）が変化する。よって、レーザ波長をガス吸収中心波長に固定し、吸収ピークの上下をのみを観察する場合、上記変動が原因となり、計測値変動（計測値ドリフト）が生じる。また、スペクトル全体を計測することで、このドリフトを除去しようとすると、蛇行したベースラインとピーク間の差を検出する際に誤差が生じ、計測感度が悪くなるばかりでなく、計測時間が長くなり応答性が悪くなる。
【００４０】
そこで、本発明では、二重変調検波法を用いることにより上記問題点を克服している。つまり、第１変調による微分吸収スペクトル信号（例：図１２（ｂ））に、図１１の場合と同じように、さらに変調を掛け（第２変調）、図１２（ｃ）に示すような二重微分吸収スペクトルを得ることにより、ベースラインの蛇行を低減し、計測の安定性、感度、応答性を向上させている。
【００４１】
本発明の装置は次に列挙する利点を有する。
【００４２】
（１）光学計測のため、サンプリング計測で問題となる、計測領域を乱す問題が起きない。
【００４３】
（２）固体粒子が浮遊している状態でも、ガス濃度計測が可能となる。
【００４４】
（３）単一装置にて、ガス濃度、固体粒子濃度、温度の同時計測が可能となる。
【００４５】
（４）ガス濃度計測の際に、共存ガスの影響を受けない。
【００４６】
（５）共存物質の除去や流量制御等の前処理を行わずに、定量的な計測が可能となる。
【００４７】
（６）計測感度が良好であるので、微量分析が可能となる。
【００４８】
（７）時間応答性が良好であるので、計測・制御の高速化に対応できる。
【００４９】
（８）長時間の計測でも、計測ドリフトの無い安定した計測が可能となる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。
【００５１】
（第１の実施形態）
図１〜図３を参照しながら本発明の第１の実施形態について説明する。本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。
図１に示すように、本実施形態のガス濃度計測装置１Ａは、窒素ガスパージされた容器２のなかにレーザダイオード３（以下、ＬＤという）、ハーフミラー６、計測セル７、第１のフォトダイオード８（以下、ＰＤSという）、ミラー９、参照セル１０、第２のフォトダイオード１１（以下、ＰＤRという）を備えている。計測セル７はガス供給装置（図示せず）に連通するガス管７ｃ，７ｄを備え、ガス管７ｃ，７ｄを介して測定対象ガスとして種々異なる酸素（Ｏ2）濃度の標準ガスが計測セル７に循環されるようになっている。標準ガスの酸素濃度は、例えば０％，２％，１０．５％，２１％のように既知の値にそれぞれ調整される。
【００５２】
計測セル７の一方端には入射窓７ａが、他方端には出射窓７ｂが設けられている。入射窓７ａの前方にはハーフミラー６が配置され、ハーフミラー６の更に前方には光源としてのＬＤ３が配置されている。ＬＤ３から射出されたレーザ光５はハーフミラー６を通って部分透過光５ａとなり、入射窓７ａを介して計測セル７に入射するようになっている。なお、ＬＤ３のレーザ発振動作はＬＤドライバ４からの制御信号Ｓ１により制御される。このＬＤドライバ４は、ＬＤ３から射出されるレーザ光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備えている。
【００５３】
計測セルの出射窓７ｂの後方には第１のフォトダイオードとしてのＰＤS８が配置されている。ＰＤS８は、計測セル７を通過したレーザ光５ｂを受光し、その強度に応じた信号Ｓ４を直流成分検出部としてのローパスフィルタ（以下、ＬＰＦSという）２１と位相敏感検波器２２とにそれぞれ出力するようになっている。
【００５４】
ハーフミラー６の近傍にはミラー９が設けられ、ハーフミラー６からの反射光５ｃを参照セル１０に入射させるようになっている。反射光５ｃは窓１０ａを通って参照セル１０に入射し、参照セル１０を通過した後に、窓１０ｂを通って参照セル１０から出て行く。参照セル１０の中には酸素濃度２１％の標準ガスが封入されている。参照セル１０を通過したレーザ光５ｄは第２のフォトダイオード１１（ＰＤR）により受光されるようになっている。このＰＤR１１からは受光信号Ｓ６がローパスフィルタ１２（ＬＰＦR）および位相敏感検波器１３（ＰＳＤR）のそれぞれに出力されるようになっている。
【００５５】
変調部は、光源部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可するとともに、その変調に同期した参照信号をそれぞれ出力する第１及び第２の波形発生器１６，１７（変調成分発生器；以下、ＦＧという）を備えている。第１のＦＧ１６は、ＬＤ３のレーザ発振波長に変調を加えるための変調信号Ｓ２をＬＤドライバ４に出力すると共に、その信号に同期した参照信号Ｓ２を位相敏感検波部の２つのＰＳＤR１３およびＰＳＤS２２にそれぞれ出力するようになっている。第２のＦＧ１７は、ＬＤ３のレーザ発振波長に変調を加えるための変調信号Ｓ３をＬＤドライバ４に出力すると共に、その信号に同期した参照信号Ｓ３を位相敏感検波部の３つのＰＳＤR１４，１５およびＰＳＤS２３にそれぞれ出力するようになっている。
【００５６】
位相敏感検波部は、第１及び第２のＦＧ１６，１７からの参照信号Ｓ２，Ｓ３とＰＤS８からの受光信号Ｓ４とから計測セル中の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２２，２３（ＰＳＤｓ）を備えている。一方のＰＳＤｓ２２は、受光信号Ｓ４の交流成分中から参照信号（第１変調信号）Ｓ２の2倍高調波に同期する成分の強度を示す信号Ｓ８を他方のＰＳＤｓ２３に出力するようになっている。他方のＰＳＤｓ２３は、信号Ｓ８の交流成分中から参照信号（第２変調信号）Ｓ３の2倍高調波に同期する成分の強度を示す信号Ｓ９を解析部としてのパーソナルコンピュータ２４（ＰＣ）に出力するようになっている。
【００５７】
直流信号検出部は、ＰＤｓ８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２１（ＬＰＦｓ）を備えている。ＬＰＦｓ２１は、信号Ｓ４から変調成分やノイズ成分など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ＰＣ２４に出力するようになっている。
【００５８】
解析部は、ＰＳＤｓ２３からの信号Ｓ９及びＬＰＦｓ２１からの信号Ｓ５に基づいて計測セル内の酸素濃度および固体粒子濃度をそれぞれ算出するパーソナルコンピュータ２４（ＰＣ）と、このＰＣ２４で算出し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）と、を備えている。
【００５９】
また、この第１実施形態の装置１Ａでは、ＬＤ３からのレーザ光５を２つに分光し、一方の光を一定の酸素濃度に保持した標準ガス（酸素濃度２１％）を封入した参照セル７に入射させ、第１及び第２のＰＳＤR１３，１４やローパスフィルタ１２（以下、ＬＰＦRという）を用いて計測セル中の酸素濃度計測値の較正を行なったり、第１及び第３のＰＳＤR１３，１５を用いてレーザ波長を酸素吸収中心波長に固定するためのロック機構を付加している。
【００６０】
さらに、図１２（ｃ）に示す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を出力する波長掃引ＦＧ２５（波形発生器）も付加している。
【００６１】
なお、計測セル中以外の酸素の影響を除去するために、本実施形態では、計測領域全体を窒素（Ｎ2）ガスパージした容器２の中に収めて計測を行なった。
【００６２】
図１に示すような系統にて、各種酸素濃度の標準ガスを計測セル中に流入させ、本発明によるＯ2濃度計測信号と比較を行なった。
【００６３】
上記第１の実施形態にて、計測セル中の酸素濃度を各種変化させた場合の計測結果を、図２（ａ），（ｂ）に示す。図２（ａ）は、波長掃引ＦＧ２５からの信号Ｓ１３を用いてレーザ発振波長を掃引し、図１２（ｃ）のような二重微分吸収スペクトル（酸素濃度２１％）を計測した結果を示す。図１２（ｃ）に示すような理想的な直線のベースラインと、吸収スペクトルの重ね合せが得られている。また、図２（ｂ）は、レーザ発振波長を吸収中心波長に固定し、計測セル７中の濃度を変化させた場合の結果であり、標準ガス中Ｏ2濃度とＰＣ２４から出力されるＯ2濃度計測信号とが、正確に比例していることを確認でき、実験とは逆に、ＰＣ信号から計測領域の酸素濃度を非接触計測できることを実証できた。
【００６４】
また、今回の実験で得られた酸素濃度２１％のときの信号強度と、０％の信号ノイズレベルとの比から、本装置での酸素濃度の計測下限界が、９ｐｐｍ・ｍ／Ｈｚ1/2であることを見積ることができた。この値は、計測時定数が１ｓｅｃで、計測長が１ｍの条件では、酸素濃度を９ｐｐｍ感度で計測できることを表し、本装置での酸素の高感度計測が可能であることを示している。また、酸素の計測下限界を０．１％に設定すると、計測時定数は約８０μｓｅｃまで短縮することができ、本装置１Ａを用いたさらに高速応答な酸素計測が可能であることも同時に示している。
【００６５】
次に、計測セル７中に酸素濃度２１％のガスを封入する一方で、切換スイッチ２６を波長掃引ＦＧ２５の回路からＰＳＤR１５の回路に切り換え、ＰＳＤR１５からＬＤドライバ４にロック信号Ｓ１２を出力し、レーザ発振波長を酸素吸収中心波長に固定した。このようにレーザ発振波長を固定した状態で長時間計測を行なった結果を、図３（ａ），（ｂ）に示す。図３（ａ）は、本実施例の一部を変更し、図１２（ａ），（ｂ）のように一重変調で長時間計測した結果を示し、図３（ｂ）は、本実施例を用いて、図１２（ｃ）のような二重変調で計測した結果を示す。図３（ａ）から明らかなように、一重変調の場合は、計測セル７中の酸素濃度が一定であっても濃度計測信号が変動し、計測ドリフトが発生する。一方、図３（ｂ）に示すように、二重変調の場合は、計測ドリフトはほとんど発生していない。これらのことから二重変調計測を行なうことにより計測ドリフトが抑制されることを実証することができた。
【００６６】
本実施形態の装置によれば下記の効果を得られることが実証できた。
【００６７】
・ガス濃度の非接触計測が可能であり、サンプリング方式に伴う課題を克服できる。
【００６８】
・高感度計測が可能であり、微量分析への応用も可能になる。
【００６９】
・計測の応答性が早く、計測に基づいた高速制御への応用も可能になる。
【００７０】
・長時間の計測でも、計測ドリフトの無い、安定した計測が可能になる。
【００７１】
（第２の実施形態）
図４および図５を参照しながら本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２実施形態の装置１Ｂが上記の第１実施形態の装置１Ａと共通する部分の説明は省略する。この第２実施形態のガス濃度計測装置１Ｂでは、固体粒子濃度の非接触計測の確認のために、カーボンブラック３４を水３２に浮遊させたビーカ３１を用いた。すなわち、ガス濃度と固体粒子濃度との非接触な同時計測を実証するために、水中に浮遊状態にあるカーボンブラック３４と光路途中の大気中酸素濃度（２１％）を非接触で同時計測する実験を行った。
【００７２】
図４に本実施形態の装置系統図を示す。光源部３、受光部８，１１、変調部１６，１７、位相敏感検波部１３，１４，１５，２２，２３、直流信号検出部１２，２１、濃度解析部２４、及び、濃度参照部１０は上記第１の実施形態と同じものを用いた。計測セルの代わりとして、大気開放した空間に水３２を張ったビーカ３１を設置し、その中に一定量のカーボンブラック３４を投入し、大気中に固体粒子が浮遊している状態を模擬した。
【００７３】
ビーカ３１内にカーボンブラック３４を所定量投入し、カーボンブラック３４の均一拡散が目視で確認できるまで液体３２をスターラ３３によって攪拌し、その後ビーカ３１内の液体３２が静定するのをまって測定を開始する。この場合に例えば、ビーカ３１の径は１４０ｍｍ、大気中測定長は４００ｍｍ、カーボンブラック濃度（積算量）はそれぞれ０，５，１０，２０，４０ｇ／Ｎｍ3である。
【００７４】
本実施例の計測結果を図５の（ａ），（ｂ）に示す。図５の（ａ）は、横軸にビーカ内に投入したカーボンブラック量（ｇ／Ｎｍ3）をとり、縦軸に直流信号検出装置からの信号をカーボンブラック未投入時の信号強度で規格化した結果（固体粒子濃度信号＝レーザ透過率）をとってカーボンブラック濃度と直流成分計測値との相関を示す特性線図である。この結果より、カーボンブラック投入量と固体粒子濃度信号の対数値が正確に比例していることが確認でき、本実施例とは逆に、固体粒子濃度信号から固体粒子濃度を計測できることは明らかである。また、図５の（ｂ）は、横軸にカーボンブラック量をとり、縦軸に本発明に基づく酸素濃度計測値（％）をとって両者の相関を示す特性線図である。この結果からは、投入したカーボンブラックの量に拘わらず、大気中の酸素濃度（２１％）が正確に計測できており、本発明装置を用いた場合に、固体粒子が浮遊している場合であっても、ガス濃度の正確な計測が可能であることも確認することができた。
【００７５】
以上の結果より、ガス濃度と固体粒子濃度の非接触同時計測が可能となることを実証できた。
【００７６】
（第３の実施形態）
図６および図７を参照しながら本発明の第３の実施形態について説明する。この第３実施形態では図６に示す大型燃焼テスト炉からサンプリングした排ガス中の酸素濃度および煤塵濃度を同時計測した。
【００７７】
本実施形態では、本発明を用いた計測が共存物質やガス流量の影響を受けないことを実際の燃焼排ガス・レベルで検証するために、ボイラを模擬した大型燃焼テスト炉からサンプリングした燃焼排ガス中の酸素濃度、煤塵濃度を同時に計測する実験を行った。
【００７８】
図６に本実施形態の装置系統図を示す。
【００７９】
大型燃焼テスト炉４０の燃焼スペース４１には、バーナ４３から火炎を吹出すとともに空気取入口４４から二次空気が供給されるようになっている。燃焼スペース４１は煙道部４２に続いており、煙道部４２は図示しない脱硝装置、脱硫装置、煙突に連通している。燃焼スペース４１から煙道部４２へ移行する箇所に過熱器４５と再熱器４６が設けられている。
【００８０】
サンプリング管５０，６０の採取口５０ａ，６０ａが煙道部４２の適所に挿入され、煙道部４２を通流する燃焼排ガスが採取されるようになっている。一方のサンプリング管５０には計測セル５１が取り付けられ、他方のサンプリング管６０には円筒濾紙６１が取り付けられている。
【００８１】
一方のサンプリング管５０は計測セル５１の下流側で分岐している。一方側の分岐管５０ｂは大気開放され、他方側の分岐管５０ｃは前処理器５８及び酸素計５９を経由して大気開放されている。前処理器５８はサンプリングガスから水分や共存ガスを除去する機能を備えている。酸素計５９は従来方式のものである。上流側のポンプ５７で吸引すると計測セル５１のみにサンプリングガスが流れ込み、下流側のポンプ５７で吸引すると更に前処理器５８および酸素計５９にサンプリングガスが流れ込むようになっている。
【００８２】
他方のサンプリング管６０には円筒濾紙６１、ポンプ６２、ガスメータ６３がこの順に取り付けられている。円筒濾紙６１は煤塵捕捉用である。
【００８３】
計測セル５１は２つの窓５１ａを備えている。一方側の窓５１ａを介して光源部５２から発振されたレーザ光５が計測セル５１内に入射され、他方の窓５１ｂを介して計測セル５１を通過したレーザ光５が受光器５５で受光されるようになっている。受光器５４はレーザ光を受光し、その受光強度に応じた受光信号Ｓ４を解析部５５に出力するようになっている。
【００８４】
変調部５３は、異なる波長に変調された二重変調信号Ｓ２，Ｓ３を光源部５２および解析部５５のそれぞれに出力するようになっている。この変調部５３は上記の第１実施形態の変調部と実質的に同じである。
【００８５】
解析部５５は、第１実施形態の直流成分検出部や位相敏感検出部等を含む構成の装置である。解析部５５は、変調信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１１および受光信号Ｓ４に基づきガス濃度を求めるとともに、直流成分検出信号Ｓ５，Ｓ７に基づき固体粒子濃度を求めるようになっている。また、解析部５５は図示しない表示装置に接続され、得られたガス濃度および固体粒子濃度を数値化又はグラフ化して表示装置の画面に表示させるようになっている。
【００８６】
計測セル５１の適所には熱電対を有する温度計５６が取り付けられている。温度計５６は解析部５５に温度検出信号を出力するようになっている。解析部５５は、検出温度信号に基づき計測セル５１内の温度測定値を求め、この温度測定値も計測濃度値と同様に表示装置の画面上に表示されると共に、計測濃度値の温度補正等を行なうようになっている。
【００８７】
サンプリングガス中の水分が凝結しないように計測セル５１の温度を２００℃に保持し、大型燃焼テスト炉の煙道部４２から採取した燃焼排ガスを計測セル５１に流入させ、レーザ計測を行なった。また、この実験の場合には、排ガス中の水分や共存ガスを取り除くための前処理や、計測セルへの排ガス量の制御等は行っていない。
【００８８】
なお、本実施例では、本発明の計測値を検証するために、サンプリングガスの一部に前処理を施した上での従来式酸素計測や、本実験のサンプリング位置とほぼ同位置での従来式サンプリング煤塵計測を行った。  本実施例の計測結果を図７（ａ），（ｂ）に示す。図７（ａ）は横軸に計測時間（時間）をとり、縦軸には酸素濃度計測値（％）をとって、長時間の連続計測における酸素濃度計測値の経時変化を示す特性線図である。図中にて白丸は従来法による計測結果を示し、実線は本発明装置による計測結果を示す。図７（ｂ）は、横軸に計測時間（時間）をとり、縦軸に煤塵濃度計測値（ｍｇ／Ｎｍ3）をとって、長時間の連続計測における煤塵濃度計測値の経時変化を示す特性線図である。図中にて白丸は従来法による計測結果を示し、実線は本発明装置による計測結果を示す。これらの結果から明らかなように、本発明装置による酸素濃度および煤塵濃度計測結果は、従来式計測装置による結果と完全に一致している。
【００８９】
このことから本発明装置を次のように評価することができる。
【００９０】
・従来法を組合わせただけでは困難、複雑、高価であったガス濃度、固体粒子濃度の同時計測が、単一装置で簡単に実現することが可能である。
【００９１】
・本発明装置による濃度計測は、サンプリング流量の変動や共存物質の有無に影響を受けない。
【００９２】
（第４の実施形態）
図８および図９を参照しながら本発明の第４の実施形態について説明する。この第４実施形態では図８に示す大型燃焼テスト炉内にレーザ光を入射して排ガス中の酸素濃度を直接計測した。なお、本実施形態が上記の第３実施形態と共通する部分の説明は省略する。
【００９３】
本実施形態は、本発明を用いて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、ボイラを模擬した大型燃焼テスト炉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実験を行った。
【００９４】
図８に本実施形態の装置系統図を示す。
【００９５】
大型燃焼テスト炉４０の側壁に２つの計測窓５１ａ，５１ｂが取り付けられている。計測窓５１ａ，５１ｂは、二次空気取入口４４よりも上方に位置し、かつ、燃焼炉内４１にレーザ光５を直接投射できる箇所に設けられている。光源部５２は一方側の計測窓５１ａに対面配置されている。受光部５４は他方側の計測窓５１ｂに対面配置されている。
【００９６】
光源部５２にはテスト炉制御室７０内の変調部５３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５４はテスト炉制御室７０内の解析５５に受光信号Ｓ４が出力されるようになっている。また、変調部５３からは変調信号Ｓ２，Ｓ３が解析部５５に出力されるようになっている。これらの光源部５２、変調部５３、受光部５４、解析部５５は、上記の第３実施形態のものと実質的に同じである。
【００９７】
サンプリング管５０の採取口５０ａが燃焼炉内４１の適所に挿入され、燃焼炉内４１を通流する燃焼ガスが採取されるようになっている。このサンプリング管５０には上記実施形態と同様の前処理器５８および酸素計５９とともに、熱電対５６が取り付けられている。熱電対５６による温度測定信号は解析部５５に送られるようになっている。
【００９８】
また、サンプリング管６０の採取口６０ａが煙道部４２の適所に挿入され、煙道部４２を通流する燃焼排ガスが採取されるようになっている。このサンプリング管６０には上記実施形態と同じ円筒濾紙６１およびガスメータ６３が取り付けられている。
【００９９】
本実施例では、本発明の計測値を検証するために、レーザ計測位置とほぼ同位置でサンプリング方式によるＯ2濃度の従来計測を行なっている。更に、煤塵計測の方は、温度の関係からレーザ計測位置での従来計測が不可能であるため、レーザ計測位置より後流側でサンプリング方式による煤塵濃度の従来計測を行った。
【０１００】
本実施例の計測結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。図９（ａ）は横軸に計測時間（時間）をとり、縦軸に酸素濃度計測値（％）をとって、長時間の連続計測における酸素濃度計測値の経時変化を示す特性線図である。図中にて白丸は従来法による計測結果を示し、実線は本発明装置による計測結果を示す。図９（ｂ）は、横軸に計測時間（時間）をとり、縦軸に煤塵濃度計測値（ｍｇ／Ｎｍ3）をとって、長時間の連続計測における煤塵濃度計測値の経時変化を示す特性線図である。図中にて白丸は従来法による計測結果を示し、実線は本発明装置による計測結果を示す。
【０１０１】
本実施例の結果では、本発明の酸素濃度信号が短時間の微動を繰り返しており、その瞬時値を数秒間の時間平均した値と、サンプリングによる従来式計測結果がほぼ一致した。これは、従来式計測法の応答性と比較して、本発明の応答性が良いためと考えられる。
【０１０２】
また、煤塵濃度計測では、本発明による煤塵計測値は、酸素濃度が低下すると上昇し、逆に、酸素濃度が上昇すると低下しており、従来の知見と整合する結果が得られている。また、本発明による煤塵計測結果は、従来法の計測値よりやや高めになっているが、この原因は、従来計測装置を設置した位置がレーザ計測位置より後流側にあることが原因と考えられる。
【０１０３】
このことから本発明装置を次のように評価することができる。
【０１０４】
・ガスのサンプリングが必要でなくなり、計測状態や計測領域に影響を与えることなく非接触の直接計測が単一装置で簡単に実現可能になる。
【０１０５】
・ガスサンプリングによる従来計測法と比較して、計測応答性が非常に高いため、プラント制御の高速化／高精度化に適用可能である。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明を用いることで、従来技術の課題を克服した、ガス濃度、固体粒子濃度の同時計測が可能となり、様々な計測／制御システムに下記（１）〜（９）の効果をもたらす。
【０１０７】
（１）ガス濃度の非接触計測が可能であり、サンプリング方式に伴う課題を克服できる。
【０１０８】
（２）高感度計測が可能であり、微量分析への応用が可能になる。
【０１０９】
（３）計測の応答性が早く、計測に基づいた高速制御への応用も可能になる。
【０１１０】
（４）長時間の計測でも、計測ドリフトの無い、安定した計測が可能になる。
【０１１１】
（５）本発明によるガス濃度と固体粒子濃度の非接触同時計測が可能になる。
【０１１２】
（６）従来法の組合わせでは困難、複雑、高価であった、ガス濃度、固体粒子濃度の同時計測が、単一装置で簡単に実現可能になる。
【０１１３】
（７）本発明による計測は、サンプリング流量の変動や共存物質の有無に影響を受けない。
【０１１４】
（８）ガス・サンプリングの必要が無く、計測状態や計測領域に影響を与えることなく非接触の直接計測が単一装置で簡単に実現可能になる。
【０１１５】
（９）ガス・サンプリングによる従来計測法と比較して、計測応答性が非常に高いため、プラント制御の高速化／高精度化に適用可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス濃度計測装置を示すブロック回路図。
【図２】（ａ）は本発明の第１実施形態の装置を用いて酸素吸収スペクトルを計測した結果を示す特性線図、（ｂ）は標準ガス中の酸素濃度と計測結果（酸素濃度を変化させた場合の計測結果）との相関を示す特性線図。
【図３】（ａ）は比較例としての一重変調法による酸素濃度計測結果（一定に保持した酸素濃度の長時間計測結果）を示す特性線図、（ｂ）は本発明の第１実施形態の装置を用いる二重変調法による酸素濃度計測結果（一定に保持した酸素濃度の長時間計測結果）を示す特性線図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るガス濃度計測装置を示すブロック回路図。
【図５】（ａ）は本発明の第２実施形態の装置による計測領域中に浮遊する固体粒子を模擬させたカーボンブラック濃度と固体粒子濃度信号（レーザ透過率）の相関を示す計測結果を示す特性線図、（ｂ）は前記カーボンブラック濃度と計測光路中の酸素濃度計測値との相関を示す特性線図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るガス濃度計測装置を示す構成ブロック図（大型燃焼テスト炉からのサンプリング・ガスの非接触計測）。
【図７】（ａ）は本発明の第３実施形態の装置による大型燃焼テスト炉からのサンプリングガス中の酸素濃度計測結果と従来装置による酸素濃度計測結果とを比較して示す特性線図、（ｂ）は本発明の第３実施形態の装置による大型燃焼テスト炉からのサンプリングガス中の煤塵濃度の計測結果と従来装置による煤塵濃度の計測結果とを比較して示す特性線図。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るガス濃度計測装置を示す構成ブロック図（大型燃焼テスト炉内の直接計測）。
【図９】（ａ）は本発明の第４実施形態の装置による大型燃焼テスト炉内の酸素濃度計測結果と従来装置による酸素濃度計測結果とを比較して示す特性線図、（ｂ）は本発明の第４実施形態の装置による大型燃焼テスト炉内の煤塵濃度の計測結果と従来装置による煤塵濃度の計測結果とを比較して示す特性線図。
【図１０】酸素の吸収スペクトル線図。
【図１１】吸収スペクトル（回転線）に対するガスや固体粒子の影響を説明するための透過スペクトル線図。
【図１２】（ａ）は理想的な一重変調計測結果を示す特性線図、（ｂ）は一般的な一重変調計測結果を示す特性線図、（ｃ）は二重変調計測結果を示す特性線図。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ…ガス濃度計測装置、
２…密閉容器、２ａ…レーザ出射窓、
３…レーザダイオード（ＬＤ）、４…ＬＤドライバ、
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…レーザ光、
６…ハーフミラー、
７…計測セル、
８，１１…フォトダイオード（ＰＤ）、
９…ミラー
１０…参照セル、
１２，２１…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、
１３，１４，１５，２２，２３…位相敏感検波器（PSD；ロックインアンプ）、
１６，１７…波形発生器（ＦＧ）、
２４…パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、
２５…波形発生器（波長掃引ＦＧ）、
２６…切換スイッチ、
３１…透明容器、３２…水、３３…スターラ、３４…カーボンブラック、
４０…大型燃焼テスト炉、４１…燃焼炉、４２…煙道部、４３…バーナ、４４…二次空気取入口、４５…過熱器、４６…再熱器、
５０…サンプリング管、５０ａ…吸引口、５０ｂ，５０ｃ…排気口、
５１…計測セル、５１ａ，５１ｂ…計測窓、
５２…光源部、５３…変調部、５４…受光部、５５…解析部、
５６…温度検出部、５７…ポンプ、５８…前処理器、５９…酸素計、
６０…サンプリング管、６０ａ…吸引口、６０ｂ…排気口、
６１…円筒濾紙、６２…ポンプ、６３…ガスメーター、
７０…テスト炉制御室。
【図１】
0004467674.tif 000003
【図２】
0004467674.tif 000004
【図３】
0004467674.tif 000005
【図４】
0004467674.tif 000006
【図５】
0004467674.tif 000007
【図６】
0004467674.tif 000008
【図７】
0004467674.tif 000009
【図８】
0004467674.tif 000010
【図９】
0004467674.tif 000011
【図１０】
0004467674.tif 000012
【図１１】
0004467674.tif 000013
【図１２】
0004467674.tif 000014