(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的容易な作業で水分濃度測定の校正を正確に行う。【解決手段】校正方法は、照射部２を用いてガス中の水分濃度を測定するガス分析装置１００を校正する方法である。この方法は、以下の工程を備えている。測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、照射部２によって測定可能であり測定予定濃度の水分の球種スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスと、の関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正する。【選択図】図１
2013130509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置の校正方法であって、
測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、前記光源によって測定可能であり前記測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、前記他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正すること、
を備えた水分濃度測定装置の校正方法。
【請求項２】
前記測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、前記他成分ガスの吸収スペクトルの強度とは概ね同じである、請求項１に記載の水分濃度測定装置の校正方法。
【請求項３】
光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置の校正装置であって、
測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、前記光源によって測定可能であり前記測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、を記憶する記憶部と、
測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、前記光源によって測定可能であり前記測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、前記他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正する校正部と、
を備えた水分濃度測定装置の校正装置。
【請求項４】
前記測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、前記他成分ガスの吸収スペクトルの強度とは概ね同じである、請求項３に記載の水分濃度測定装置の校正装置。
【請求項５】
前記校正部は、
前記他成分ガスの吸収スペクトルの強度を、校正環境において前記光源を用いて測定する測定部と、
ランベルト・ベールの法則に基づいて、前記光源を用いて前記校正環境において測定された他成分ガスの吸収スペクトルの強度を用いて、前記光源を用いて測定環境における他成分ガスの吸収スペクトルの強度を算出し、当該吸収スペクトルの強度に基づいて水分濃度測定値を校正する演算部と、
を含む、請求項３又は４に記載の水分濃度測定装置の校正装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置の校正方法及び校正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、石炭や重油を燃焼させるボイラから排出される燃焼排ガスの中にはＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ2、ＣＯ等の成分が含まれている。そして、ガス中におけるこれらの成分の含有量を分析するガス分析装置が開発されている。
このようなガス分析装置としては、例えば、プローブ方式を採用した装置が開発されている。プローブ方式のガス分析装置は、光源から出射された測定光をプローブ先端部に配置されたリフレクタで反射させ、当該リフレクタで反射された測定光の情報に基づいて試料ガス中の所定成分の濃度を分析するものである。
【０００３】
また、プローブ方式のガス分析装置として、成分濃度分析機能の他に、キャリブレーション機能を有するものが知られている。
【０００４】
しかし、例えば、燃焼工程及び水溶液を使用した除外処理工程後の排ガス工程中の水分などの０°Ｃ飽和以上の水分の濃度を計測する場合、ガス分析装置の校正は困難である。特に、露点が室温以上となるような高濃度の水分を用いて校正を行う場合は、測定領域を含めたガスが流入する全ての配管を、露点以上の温度に保つ必要がある。そのような校正設備は、実験室のような環境で準備できたとしても、実際の設備環境に導入することは困難である。
【０００５】
そのような問題を解決するために、水分濃度を測定可能なレーザ式ガス分析計の校正装置が提案されている（特許文献１を参照。）。この装置は、発光ユニット２５０及び受光ユニット２６０を備え、信号処理回路が受光部２０７の出力信号から光源部２０４の変調信号の２倍波信号を検出して測定対象ガスの濃度を測定するものである。両ユニット２５０，２６０の間に気密的に接続され、レーザ光の所定の光路長を保持する配管３０１と、配管３０１内に所定水分濃度の空気を供給するガス洗浄瓶５００と、配管３０１内に供給された水分含有空気の酸素濃度を測定する酸素計４００とが設けられている。装置は、測定した酸素濃度から水分濃度を換算し、この水分濃度と前記光路長とを用いてガス分析計による水分濃度の測定値を校正する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−９６５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の水分濃度の校正装置では、バブリングによって発生させたガスの濃度を補償するために、バブリングの前後で酸素濃度を測定している。しかし、この場合、校正装置を現場まで運ぶ必要があるので、実際の校正作業が困難である。
【０００８】
本発明の課題は、比較的容易な作業で水分濃度測定値の校正を正確に行うことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
【００１０】
本発明の一見地に係る方法は、光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置の校正方法である。この方法は、以下の工程を備えている。
◎測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、光源によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正する。なお、吸収スペクトルの強度同士の関係とは、例えば、両者の比、及び両者の差である。
この方法では、測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と当該吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて水分濃度測定値が校正されるので、比較的容易な作業で水分濃度測定値を正確に校正できる。つまり、水分濃度の校正のコストが低下し、さらに水分濃度の校正の操作性が良くなる。
【００１１】
測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、他成分ガスの吸収スペクトルの強度とは概ね同じであってもよい。この場合、数値の換算作業が不要になる。
【００１２】
本発明の他の見地に係る水分濃度校正装置は、光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置の校正装置である。校正装置は、記憶部と、校正部とを有している。記憶部は、測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、光源によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、を記憶する。校正部は、測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、光源によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正する。
【００１３】
測定予定濃度の水分のスペクトルの強度と、他成分ガスのスペクトルの強度とは概ね同じであってもよい。
【００１４】
校正部は、測定部と、演算部とを有している。測定部は、校正環境において他成分ガスの吸収スペクトルの強度を、光源を用いて測定する。演算部は、ランベルト・ベールの法則に基づいて、光源を用いて校正環境において測定された他成分ガスの吸収スペクトルの強度を用いて、光源を用いて測定環境における他成分ガスの吸収スペクトルの強度を算出し、当該吸収スペクトルの強度に基づいて水分濃度測定値を校正する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る水分濃度測定装置の校正方法及び校正装置では、比較的容易な作業で水分濃度測定値の校正が正確に行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス分析装置の模式断面図。
【図２】演算制御部の構成を示すブロック図。
【図３】水分濃度１．１％の水の吸収スペクトルと１２０ｐｐｍのアンモニアの吸収スペクトルの関係を示すグラフ。
【図４】水分濃度４％の水の吸収スペクトルと４０ｐｐｍの塩化水素の吸収スペクトルの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（１）ガス分析装置全体の構成
図１を用いて、本発明の一実施形態に係るガス分析装置１００を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガス分析装置の模式断面図である。
【００１８】
ガス分析装置１００は、煙道１を流れる試料ガス中の所定成分濃度を分析するガス分析装置である。ガス分析装置１００は、レーザ光を用いるものであり、例えば、分散型赤外分光光度計又はフーリエ変換赤外分光光度計である。
【００１９】
ガス分析装置１００は、１つの照射部２と、第１のリフレクタ３と、１つの受光部４と、第２のリフレクタ５と、既知物質収容部６と、演算制御部７と、切替部８と、プローブ管９とを備えている。
第１のリフレクタ３と、第２のリフレクタ５と、既知物質収容部６は、プローブ管９の中に収められている。照射部２と受光部４は、光学ユニットを構成しており、これらは光学ユニットの筐体１１内に収められている。筐体１１とプローブ管９の接続箇所には、光学窓１２が配置されている。光学窓１２は、測定光Ｌｂを透過する素材で形成された板状部材である。
【００２０】
プローブ管９は、試料ガスＳｇを拡散により内部に導入する導入孔９１が設けられた円筒状の部材である。プローブ管９の材質は、ガス分析装置１００の使用環境に応じて任意の金属素材を選択してよい。導入孔９１は、プローブ管９の側面に断続的なスリットとして形成されている。
プローブ管９内の先端部には、第１のリフレクタ３が備えられている。一方、プローブ管９内の基端部には、第２のリフレクタ５及び既知物質収容部６が備えられている。
【００２１】
照射部２は、筒状の煙道１を構成する壁１ａの外側に配置され、測定光Ｌｂを煙道１内に流れる試料ガスＳｇ中へ照射するものである。照射部２は、典型的には、赤外線レーザ発振装置等、直進性の高い所定波長域光を射出する光源装置である。
【００２２】
第１のリフレクタ３は、照射部２から出射され煙道１の中を通過した測定光Ｌｂを受光部４に向けて反射するものである。すなわち、第１のリフレクタ３は、照射部２から出射された光（光軸）の向きを受光部４の方向へ変更する手段であって、例えばコーナーキューブである。
【００２３】
受光部４は、照射部２の近傍でかつ壁１ａの外側に配置され、第１のリフレクタ３で反射された測定光Ｌｂを受光するものである。受光部４は、測定光Ｌｂを受光面において受光する受光装置である。受光部４は、典型的には、フォトダイオード等の光電変換装置である。受光部４は、演算制御部７と電気的に接続され、受光した測定光Ｌｂに関する情報（例えば光量）を電気信号として演算制御部７へ送信する。
【００２４】
第２のリフレクタ５は、壁１ａの外側に配置され、測定光Ｌｂを受光部４に向けて反射するものである。すなわち、第２のリフレクタ５は、照射部２から出射された光（光軸）の向きを受光部４の方向へ変更する手段であって、例えばコーナーキューブである。
【００２５】
また、図１に示すようにプローブ管９には、導入孔９１の対向面両端側（試料ガスＳｇの流れの上流側）に孔１７、１８が各々形成されている。このような孔１７、１８から試料ガスＳｇを流入させることにより、パージエアＰａはプローブ管９の中央部に流入することを防止することができ、試料ガスＳｇと混ざり合って、導入孔９１から排出される（ＳｇＰａ）。
以上に述べた孔１７、１８間が、測定環境における測定場になっており、その長さが光路長として定義されている。
【００２６】
既知物質収容部６は、照射部２と第２のリフレクタ５の間及び第２のリフレクタ５と受光部４の間の光路上の空間領域に設けられ、照射部２から照射される測定光Ｌｂを減衰させないか又は所定量減衰させる既知物質を収容するものである。ここで、「既知物質」は、測定光Ｌｂを照射した場合に透過する光量が予め分かっている物質であればよく、例えば、ゼロガスやスパンガス、さらには測定光に対して完全に透明又は透過する測定光を所定量に制限するような光透過板や光学素子を含むものである。
この実施形態では、既知物質収容部６は、ガス分析装置１００を補正又は校正するために使用される既知の濃度のガス（ゼロガスやスパンガス）を充填するようになっている。既知物質収容部６は、例えば、光透過性のセル６１と、セル６１内に既知のガスを供給するガス導入パイプ６２と、セル６１内の既知のガスを排出するガス排出パイプ６３とで構成することができる。
なお、既知物質収容部６の構成は、上記した構成に限定されるものではなく、例えば、光透過性のセル６１を設けずに、第２のリフレクタ５が光路上に配置されている状態で、光学窓１２と第２のリフレクタ５の間の空間領域に既知のガスを導入して充填させることで構成してもよい。
【００２７】
切替部８は、壁１ａの外側に配置され、成分濃度の分析を行うときには第２のリフレクタ５を光路上から外し、補正又は校正を行うときには第２のリフレクタ５を光路上に配置するものである。
【００２８】
（２）演算制御部の構成
次に、図２を用いて、演算制御部７を説明する。図２は、演算制御部の構成を示すブロック図である。
【００２９】
演算制御部７は、照射部２、受光部４、及び切替部８の動作を制御する制御機能を有している。それにより、照射部２が測定光Ｌｂを出射し、測定光Ｌｂが第１のリフレクタ３で反射させられ、反射光が受光部４に入射する。さらに、演算制御部７は、受光部４によって検出された反射光に基づいてプローブ管９内の試料ガスＳｇの成分濃度を分析する演算機能を有している。
さらに、演算制御部７は、照射部２から出射された測定光Ｌｂを第２のリフレクタ５で反射させてガス分析装置１００の既知のガスを用いた補正又は校正を行う校正機能を有している（後述）。
【００３０】
演算制御部７は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の情報処理装置、メモリ等の記憶装置、ユーザの操作を受け付けるインターフェース装置、分析結果を表示する表示装置等を備え、ユーザの操作及び記憶装置に記憶されたプログラムに基づいた制御処理、演算処理、校正処理を行う。
【００３１】
より詳細には、演算制御部７は、ＣＰＵ１１１と、レーザ駆動部１１２と、Ａ／Ｄ１１３と、メモリ１１４とを有している。ＣＰＵ１１１は、前述の各種機能を実現可能である。レーザ駆動部１１２は、ＣＰＵ１１１からの駆動指令に基づいて照射部２を駆動する。Ａ／Ｄ１１３は、受光部４からの検出信号をＡ／Ｄ変換した後に、ＣＰＵ１１１に送信する。メモリ１１４は、プログラム及び各種データを保存している。
さらに、ＣＰＵ１１１には、表示装置１１５及び操作装置１１６が接続されている。表示装置１１５は、例えば、液晶ディスプレイである。操作装置１１６は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルである。
【００３２】
（３）水分濃度測定値の校正方法
次に、図３を用いて、水分濃度測定値の校正方法を説明する。図３は、水分濃度１．１％の水の吸収スペクトルと１２０ｐｐｍのアンモニアの吸収スペクトルの関係を示すグラフである。水の吸収スペクトル１０１は実線で示され、アンモニアの吸収スペクトル１０２は破線で示されている。
【００３３】
上記のような吸収スペクトルの取得の一般例を説明する。例えば、波長可変型レーザを用いて水分濃度及びアンモニア濃度を測定する場合、レーザへの印加電流の制御により、レーザに変調をかけ、その信号を検波することにより吸収スペクトルを得る。具体的には、レーザ光を検出器で受光し、その信号をＡＤ変換し、ＣＰＵにて変調の２倍の周波数にて検波することにより吸収スペクトルを得ている。
【００３４】
図３から明らかなように、同じ波長領域において、水とアンモニアの信号強度が同一である。このように測定環境での所定濃度の水を含むガスの信号出力と所定濃度の特定成分を含むガスの信号出力が概ね同じであるという情報が予め得られている。このことは、測定に用いられる水の吸収係数εとアンモニアの吸収係数εとの関係が判明していることを意味する。
上記の関係情報（測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、照射部２によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との比が分かる吸収スペクトルの強度を有する第１の濃度の他成分ガスとの関係）は、ＣＰＵ１１１によって取得されてメモリ１１４に保存されている。
【００３５】
以下、水分濃度測定値の校正方法を説明する。なお、以下の各装置を制御する動作は、主に、演算制御部７のＣＰＵ１１１によって実行される。
最初に、第２のリフレクタ５が下降し、既知物質収容部６にアンモニアを含む校正ガスが導入される。続いて、照射部２が測定光Ｌｂを発射し、第２のリフレクタ５で反射された光が受光部４に入力される。この結果、ＣＰＵ１１１は、校正ガス測定時の信号出力が得られる。この得られた信号出力に基づいて、ＣＰＵ１１１は水分濃度測定値の校正に用いる係数を算出する。
【００３６】
以下、上記の校正について詳細に説明する。ガスの吸収強度（吸光度）は、ランベルト−ベール則（α＝εｃＬ）によって得られる。αは吸光度、εは吸収係数、ｃは濃度、Ｌは光路長である。ここで、吸収係数εは、同一のガス種であっても吸収線一本ごとに異なっており、また校正環境（例えば、温度、圧力）によっても変化する。
【００３７】
一実施例として、例えば、測定環境において濃度１％の水を含むガスの信号出力を１にしたい場合に、水１％の信号出力と１０００ｐｐｍの成分Ａのガスの信号出力が同じであるという関係情報が事前に得られているとする。そして、成分Ａのガスを測定した条件が、既知物質収容部６の光路長Ｌ＝１０ｃｍ、濃度ｃ＝１００ｐｐｍであった場合に、信号出力が０．９であったとする。また、測定環境において、光路長Ｌ＝１０ｃｍである。
その場合に、以下の数式が成立する。
【数１】
2013130509.tif 000003
この式より、１０００ｐｐｍの成分Ａの出力信号ｘ（＝水１％の出力信号）が算出される。このｘの値を用いて、水分濃度測定値が校正される。例えば、測定環境での信号出力を１としたい場合は、測定された水分濃度の測定値の校正以前の値に１／ｘを掛ければよい。
なお、水とアンモニアでは、波長掃引範囲を狭くでき、校正時間を短縮させることができる。また、注入電流による温度の立ち上がりを少なくできるので、測定精度も向上する。
【００３８】
図４は、水分濃度４％の水の吸収スペクトルと４０ｐｐｍの塩化水素の吸収スペクトルの関係を示すグラフである。水の吸収スペクトル１０３は実線で示され、塩化水素の吸収スペクトルは破線１０４で示されている。図４から明らかなように、異なる波長領域において、水と塩化水素の信号強度が同一である。
このように両者の波長領域は異なるが、レーザの温度を変更することで波長領域を変更できその再現性も良いので、レーザの発振が可能な波長領域内にあれば、近傍の吸収線以外でも校正に用いることができる。
【００３９】
（４）実施形態の作用効果
上記実施形態は、下記のように表現可能である。
【００４０】
（Ａ）上記の校正方法は、照射部２（光源の一例）を用いてガス中の水分濃度を測定するガス分析装置１００（水分濃度測定装置の一例）を校正する方法である。この方法は、以下の工程を備えている。
◎測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、照射部２によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正する。
この方法では、測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と当該吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度とに基づいて水分濃度測定値が校正されるので、比較的容易な作業で水分濃度測定値を正確に校正できる。その結果、水分濃度測定値の校正のコストが低下し、さらに水分濃度測定値の校正の操作性が良くなる。
【００４１】
（Ｂ）測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、他成分ガスの吸収スペクトルの強度とは概ね同じである。
ただし、両者は必ずしも同じでなくてもよい。両者の比が分かればランベルト・ベールの法則が利用可能だからである。
【００４２】
（Ｃ）校正装置は、光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置水分濃度測定装置に用いられる。校正装置は、メモリ１１４（記憶部の一例）と、ＣＰＵ１１１（校正部の一例）とを有している。メモリ１１４は、測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、照射部２によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、を記憶する。ＣＰＵ１１１は、測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度と、照射部２によって測定可能であり測定予定濃度の水分の吸収スペクトルの強度との関係が分かる他成分ガスの吸収スペクトルの強度との関係と、他成分ガスを測定して得られる吸収スペクトルの強度に基づいて、水分濃度測定値を校正する。
【００４３】
（Ｄ）ＣＰＵ１１１は、測定機能と、演算機能とを有している。測定機能は、他成分ガスの吸収スペクトルの強度を、照射部２を用いて校正環境において測定する。演算機能は、ランベルト・ベールの法則に基づいて、照射部２を用いて校正環境において測定された他成分ガスの吸収スペクトルの強度を用いて、照射部２を用いて測定環境における第１光路長における他成分ガスの吸収スペクトルの強度を算出し、当該吸収スペクトルの強度に基づいて水分濃度測定値を校正する。
【００４４】
（５）他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
（ａ）ガス分析装置の具体的な構造は前記実施形態に限定されない。
（ｂ）既知濃度ガスを別途導入する代わりに、既知濃度のガスを封入したガスセルをガス分析装置内に設けてもよい。
（ｃ）既知濃度のガスとして、濃度変化の少ない大気中のガス（酸素又は二酸化炭素）を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、光源を用いてガス中の水分濃度を測定する水分濃度測定装置の校正方法及び校正装置に広く適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１        煙道
１ａ      壁
２        照射部
３        第１のリフレクタ
４        受光部
５        第２のリフレクタ
６        既知物質収容部
７        演算制御部
８        切替部
９        プローブ管
１１      筐体
１２      光学窓
６１      セル
６２      ガス導入パイプ
６３      ガス排出パイプ
９１      導入孔
１００    ガス分析装置
１１１    ＣＰＵ
１１２    レーザ駆動部
１１３    Ａ／Ｄ
１１４    メモリ
１１５    表示装置
１１６    操作装置
【図１】
2013130509.tif 000004
【図２】
2013130509.tif 000005
【図３】
2013130509.tif 000006
【図４】
2013130509.tif 000007