(57)【要約】      （修正有）【課題】高濃度ガスやＳＯ２等の測定ガスを計測する際に、ダスト計等の他の計器を必要とせずに、ダストが多く存在する環境下にあっても正確にガス濃度の測定が可能なレーザ式ガス分析計を提供する。【解決手段】測定用レーザ光源２０４の近傍に配置され、ガス測定用レーザ光４０１の光軸と平行な光軸上に、測定対象ガスによる光吸収を受けない波長の補正用参照光４０２を出射する補正用光源２０８と、測定用受光素子２０７の近傍に配置され、補正用参照光を測定対象空間１を介して受光する補正用受光素子２０９と、補正用受光素子からの受光信号と予め設定されている初期光量信号とから測定対象空間における光の透過率を検出する光透過率検出手段と、ガス濃度演算手段により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、光透過率検出手段から出力された光透過率を用いて補正するガス濃度補正手段と、を備えた。【選択図】図１
2013127385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長のレーザ光を出射する測定用レーザ光源と、
前記測定用レーザ光源から出射されたガス測定用レーザ光を測定対象空間を介して受光する測定用受光素子と、
前記測定用受光素子の受光信号から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から測定対象ガス濃度を演算するガス濃度演算手段と、
を有するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定用レーザ光源の近傍に配置され、前記ガス測定用レーザ光の光軸と平行な光軸上に、前記測定対象ガスによる光吸収を受けない波長の補正用参照光を出射する補正用光源と、
前記測定用受光素子の近傍に配置され、前記補正用参照光を前記測定対象空間を介して受光する補正用受光素子と、
前記補正用受光素子からの受光信号と予め設定されている初期光量信号とから前記測定対象空間における光の透過率を検出する光透過率検出手段と、
前記ガス濃度演算手段により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、前記光透過率検出手段から出力された光透過率を用いて補正するガス濃度補正手段と、
を備えたことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【請求項２】
請求項１に記載したレーザ式ガス分析計において、
前記光透過率検出手段は、数式１に基づいて光透過率Ｔを算出し、
Ｔ＝Ｓ１／Ｓ０  ・・・（数式１）
但し、Ｓ１：ガス濃度測定時に補正用受光素子から出力される受光信号の大きさ
Ｓ０：測定対象空間が清浄状態にある時に補正用受光素子から出力される
初期光量信号の大きさ
前記ガス濃度補正手段は、測定対象ガスの濃度測定値Ｇ０と光透過率Ｔとを用い、数式２に基づいてダストに起因する光量変化量を補正したガス濃度信号Ｇ１を算出する、
Ｇ１＝Ｇ０／Ｔ  ・・・（数式２）
ことを特徴とするレーザ式ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば煙道内のガスや排ガスなどの各種ガスの濃度をレーザ光により測定するレーザ式ガス分析計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスの分子・原子には、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることが知られている。この光吸収スペクトルを利用して各種ガス濃度等を検出するガス分析計としてレーザ式ガス分析計が知られている。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と同じ発光波長帯を有するレーザ光源を用いて、このレーザ光源からの出射光を測定対象ガスに照射し、測定ガスの分子・原子によるレーザ光の吸収を利用してガス濃度を計測するものである。
【０００３】
一般に、レーザ光を用いたガス分析計は、測定ガスの存在する測定対象空間に向けてレーザ光を出射するレーザ光源と、測定対象空間を透過したレーザ出射光を受光する受光素子と、受光素子からの受光信号に基づいて測定対象ガス濃度に由来するレーザ出射光の吸収量を抽出し、各種演算処理によってガス濃度を求める信号処理回路と、により構成されている。
【０００４】
このようなレーザ式ガス分析計として、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。図５は、従来のレーザ式ガス分析計の要部構成図である。図５において、１０１ａおよび１０１ｂは測定対象ガスが流れる煙道壁である。煙道壁１０１ａ、１０１ｂには、発光部フランジ２０１ａ、受光部フランジ２０１ｂが相対向するように配置されている。
【０００５】
発光部フランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して発光部筐体２０３ａが取り付けられている。この発光部筐体２０３ａの内部には、レーザ光源２０４とコリメートレンズ２０５といった光学部品が内蔵されている。受光部フランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して受光部筐体２０３ｂが取り付けられている。この受光部筐体２０３ｂの内部には、集光レンズ２０６、受光素子２０７、及び受光素子２０７の出力信号を処理する受光部回路基板２０８が内蔵されている。
【０００６】
上述の構成において、レーザ光源２０４から出射されたレーザ光は測定対象空間である煙道内部１に照射され、レーザ光源２０４に対向して配置された受光部筐体２０３ｂ内の受光素子２０７により受光される。このとき、光路上に測定対象ガスが存在する場合にはレーザ光が吸収されることになる。レーザ式ガス分析計は、この光吸収の度合いが測定対象ガスの濃度との関連性を有することを利用して、受光部回路基板２０８上の信号処理回路により測定対象ガス濃度を演算するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４７６７７号公報（段落「００２９」〜「００３８」、図１〜図７参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、レーザ式ガス分析計は測定対象ガスが存在する空間に直接レーザ光を出射してガス濃度を計測するものであり、測定対象空間が清浄な環境下であれば問題なくガス濃度の検出ができる。しかしながら、レーザ式ガス分析計の多くは、工場やごみ焼却場の排ガスプロセスや煙道などに設置される。その場合には、測定対象空間内に少なからずダスト（煤塵）が存在し、このダスト量の変動がガス濃度の計測に影響を与えることがある。
【０００９】
例えば、測定対象空間内のダストが多い場合には、ダストによってレーザ光源２０４からの出射光が遮られて受光素子２０７の受光光量が減少する。このダストに起因する受光光量の減少と、ガスによる光吸収の結果として生じる光量減少との区別は一般的に困難であって、ダストが多く発生し、かつダストの発生量が大きく変動する場合には、ガス濃度の検出誤差が大きくなり、計測精度を保つことができなくなるという問題が生じる。
【００１０】
このダスト由来の受光光量変化に伴うガス濃度検出誤差を低減する対策として、特許文献１に記載された従来のレーザ式ガス分析計では、レーザ光源２０４からの出射光のうち、測定ガスによる吸収を受けない一部の光を利用して、ガス濃度の補正を行うようにしている。具体的には、受光素子２０７の出力信号から波長走査駆動信号の成分を抽出する抽出手段を付加し、この抽出手段の出力信号と受光光量設定値（ダストがない清浄な環境で測定した場合の抽出手段の出力信号レベル）との比である補正係数を用い、ガス吸収波形の振幅を補正している。
【００１１】
このようなガス吸収波形の振幅を補正する手段を備えたレーザ式ガス分析計によれば、測定対象ガスが低濃度のＨＣｌ（塩化水素）やＮＨ３（アンモニア）といったガスであれば、ダストに起因する受光光量変動があっても正確にガス濃度の検出ができる。
【００１２】
しかしながら、測定対象ガスの濃度が高い場合、もしくは測定対象ガスがＳＯｘ（硫黄酸化物）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の場合には、ガスの吸収スペクトルが中赤外線域において広域に渡って多数存在するために、レーザ光源２０４からの出射光をガス吸収の影響を受けない波長域に選択することは困難であり、ダストに起因する受光光量の変化であるのか、測定対象ガスによる光吸収で生じた受光光量の変化であるのかを判別できず、補正手段がうまく機能しないという問題がある。
【００１３】
つまり、従来装置にあっては、ダストに起因する受光光量変動の影響を測定用のレーザ光源２０４からの出射光の一部を使ってガス吸収波形を補正することで対応しているものの、高濃度のガスやＳＯ２等のガス濃度を計測する場合には適用できず、この点に関しての改良が望まれる。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、高濃度ガスやＳＯ２等の測定ガスを計測する際に、ダスト計等の他の計器を必要とせずに、ダストが多く存在する環境下にあっても正確にガス濃度の測定が可能なレーザ式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】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
測定対象ガスの光吸収スペクトルを含む波長のレーザ光を出射する測定用レーザ光源と、
前記測定用レーザ光源から出射されたガス測定用レーザ光を測定対象空間を介して受光する測定用受光素子と、
前記測定用受光素子の受光信号から測定対象ガスによる光吸収の影響を受けた信号成分を抽出し、この信号成分の変化量から測定対象ガス濃度を演算するガス濃度演算手段と、
を有するレーザ式ガス分析計であって、
前記測定用レーザ光源の近傍に配置され、前記ガス測定用レーザ光の光軸と平行な光軸上に、前記測定対象ガスによる光吸収を受けない波長の補正用参照光を出射する補正用光源と、
前記測定用受光素子の近傍に配置され、前記補正用参照光を前記測定対象空間を介して受光する補正用受光素子と、
前記補正用受光素子からの受光信号と予め設定されている初期光量信号とから前記測定対象空間における光の透過率を検出する光透過率検出手段と、
前記ガス濃度演算手段により求めた測定対象ガスの濃度測定値を、前記光透過率検出手段から出力された光透過率を用いて補正するガス濃度補正手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載したレーザ式ガス分析計において、
前記光透過率検出手段は、数式１に基づいて光透過率Ｔを算出し、
Ｔ＝Ｓ１／Ｓ０  ・・・（数式１）
但し、Ｓ１：ガス濃度測定時に補正用受光素子から出力される受光信号の大きさ
Ｓ０：測定対象空間が清浄状態にある時に補正用受光素子から出力される
初期光量信号の大きさ
前記ガス濃度補正手段は、測定対象ガスの濃度測定値Ｇ０と光透過率Ｔとを用い、数式２に基づいてダストに起因する光量変化量を補正したガス濃度信号Ｇ１を算出する、
Ｇ１＝Ｇ０／Ｔ  ・・・（数式２）
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ダストが多い環境において、ＳＯ２等のガス濃度を測定する場合にも、ダスト計等の別の計器を用いることなく、測定対象空間に存在するダストの影響を除去してガス濃度を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の構成図である。
【図２】図１における光源部分の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の動作を説明するための、レーザ素子の走査波形、ＳＯ２ガスの吸収波形、同期検波回路の出力波形を示す図である。
【図４】図１における受光部回路基板上の信号処理回路の構成図である。
【図５】従来のレーザ式ガス分析計の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るレーザ式ガス分析計の構成を示している。図１において、発光部フランジ２０１ａ，受光部フランジ２０１ｂは、例えば、測定対象ガスが内部を通過する煙道等の煙道壁１０１ａ，１０１ｂに、溶接等によってそれぞれ固定されている。
【００２０】
発光部フランジ２０１ａには、取付座２０２ａを介して有底円筒状の発光部筐体２０３ａが取り付けられている。この発光部筐体２０３ａの内部は、光軸調整機能を有するウェッジ窓２１０aで仕切られて気密となっており、ガス測定用レーザ光源２０４、コリメートレンズ２０５、及びレーザダイオードからなる補正用光源２０８が配置されている。
【００２１】
発光部筐体２０３aの端部には、発光部回路基板２１３を収納する発光部ケース２１４が設けられている。発光部回路基板２１３には、測定用レーザ光源２０４と補正用光源２０８の発光を制御する不図示の制御回路が搭載されている。この制御回路から電気信号が送られて、測定用レーザ光源２０４、補正用光源２０８は、それぞれ、ガス測定用レーザ光４０１、補正用参照光４０２を出射するように構成されている。
【００２２】
図２は測定用レーザ光源２０４の構成を示している。測定用レーザ光源２０４は、波長走査駆動信号発生部２０４ａと、高周波変調信号発生部２０４ｂと、からなるレーザ駆動信号発生部２０４ｓを備えている。
【００２３】
波長走査駆動信号発生部２０４ａは、測定対象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し、高周波変調信号発生部２０４ｂは、測定対象ガスの吸収波長を検出するために、例えば５０ｋＨｚ程度の正弦波で波長を周波数変調する。これらの信号発生部２０４ａ，２０４ｂの出力信号をレーザ駆動信号発生部２０４ｓ内で合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。レーザ駆動信号発生部２０４ｓから出力されたレーザ駆動信号は電流制御部２０４ｃ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２０４ｅに供給される。
【００２４】
レーザ素子２０４ｅに近接して、温度検出素子としてのサーミスタ２０４ｆが配置され、サーミスタ２０４ｆにはペルチェ素子２０４ｇが近接して配置されている。ペルチェ素子２０４ｇは、サーミスタ２０４ｆの抵抗値が一定値になるように温度制御部２０４ｄによってＰＩＤ（比例・積分・微分）制御され、レーザ素子２０４ｅの温度を安定化させる。
【００２５】
波長走査駆動信号発生部２０４ａの出力信号は、図３に示すように、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。図３における信号Ｗ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子２０４ｅは発光させておくオフセット部分であり、レーザ素子２０４ｅの発光が安定するスレッショルド電流値以上の値にしておく。
【００２６】
図３において、吸収波長を走査する信号Ｗ２は、電流制御部２０４ｃを介してレーザ素子２０４ｅ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Ｗ２によってレーザ素子２０４ｅの発光波長を徐々にずらしていき、例えば、測定対象ガスがＳＯ２ガスであれば、０．２ｎｍ程度の線幅を走査可能としている。
【００２７】
なお、図３では、高周波変調信号の周波数を５０ｋＨｚ、波長走査駆動信号の周波数を０．２ｋＨｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２，λ３はＳＯ２ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。
【００２８】
測定用レーザ光源２０４から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ２０５を含む光学系によって平行光となり、ガス測定用レーザ光４０１として、フランジ２０１ａの中心を通って煙道内部１に照射される。このガス測定用レーザ光４０１は、煙道内部１に存在する測定対象ガスによる光吸収の影響を受ける。
【００２９】
また、補正用光源２０８から出射される補正用参照光４０２の波長は、測定用レーザ光４０１の波長と異なるように設定されている。さらに、補正用レーザ光源２０８から出射される補正用参照光４０２の光軸４０２ａと測定用レーザ光４０１の光軸４０１ｂとは、近接し、かつ平行になるように位置決め調整されている。この補正用参照光４０２は、フランジ２０１ａの中心を通って煙道内部１に照射されるが、測定対象ガスによる光吸収の影響を受けない。
【００３０】
一方、受光部フランジ２０１ｂには、取付座２０２ｂを介して有底円筒状の受光部筐体２０３ｂが取り付けられている。この受光部筐体２０３ｂの内部は、光軸調整機能を有するウェッジ窓２１０ｂで仕切られて気密となっており、集光レンズ２０６、測定用受光素子２０７、及び補正用受光素子２０９が配置されている。そして、受光部筐体２０３ｂの端部には、受光部回路基板２１１を収納する受光部ケース２１２が設けられている。
【００３１】
煙道内部１を通過したガス測定用レーザ光４０１は、受光部筐体２０３ｂ内の集光レンズ２０６で集光されて測定用受光素子２０７により受光される。ガス測定用受光素子２０７は例えばフォトダイオードによって構成されており、レーザ素子２０４ｅの発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。測定用受光素子２０７によって検出された光信号は、電流信号に変換され、受光部回路基板２１１に設けられている信号処理回路に入力される。
【００３２】
図４は、受光部回路基板２１１上の信号処理回路の構成を示している。
なお、この信号処理回路は、後述するとおり、請求項における「ガス濃度演算手段」「光透過率検出段」及び「ガス濃度補正手段」として機能するものである。
【００３３】
まず、ガス測定用受光素子２０７の出力電流は、Ｉ／Ｖ変換器２１１ａにより電圧に変換される。Ｉ／Ｖ変換器２１１ａの出力信号は、発振器２１１ｃからの２ｆ信号（２倍波信号）が加えられる同期検波回路２１１ｂに入力され、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る。同期検波回路２１１ｂの出力信号は、ノイズ除去用のフィルタ２１１ｄを介してＣＰＵ等の演算部２１１ｅに送られる。
【００３４】
また、煙道内部１を通過した補正用参照光４０２は、測定用受光素子２０７により受光される。補正用受光素子２０９もフォトダイオードによって構成されており、補正用光源２０８の発光波長に感度を持つ受光素子が使用される。この補正用受光素子２０９の出力電流は、Ｉ／Ｖ変換器２１１ａにより電圧に変換された後、演算部２１１ｅに送られる。
【００３５】
次いで、本実施形態に係るレーザ式ガス分析計の測定動作について述べる。
まず、図４の受光部回路基板２１１上の信号処理回路において、測定対象ガスによる測定用レーザ光４０１の吸収がない場合には、同期検波回路２１１ｂによって２倍波信号が検出されないので、同期検波回路２１１ｂの出力はほぼ直線となる。
【００３６】
一方、測定対象ガスによる測定用レーザ光４０１の吸収がある場合は、同期検波回路２１１ｂによって２倍波信号が検出され、その出力波形は図３に示すようになる。この波形におけるＡが測定対象ガスによる吸収を受けた部分（ガス吸収波形）であり、この吸収波形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。
【００３７】
従って、演算部２１１ｅでは、ガス吸収波形Ａの最大値または最小値を測定するか、あるいはガス吸収波形Ａの一部または全部を積分し、その積分値からガス濃度信号Ｇ０を得るようにしている。
【００３８】
ここで問題になるのが、測定空間内に存在するダスト由来の受光光量変化であるが、本実施形態では、補正用光源２０８から出射され、煙道内部１を透過してきた補正用参照光４０２を用い、測定時のダスト濃度に応じてガス濃度の測定値（ガス濃度信号Ｇ０）を補正するようにしている。この補正処理は、受光部回路基板２１１に搭載された演算部２１１e等により実行される。以下。この補正処理の内容について詳述する。
【００３９】
ガス測定用レーザ光４０１と異なる波長の補正用参照光４０２を受光した補正用受光素子２０９からの出力電流は、Ｉ／Ｖ変換器２１１ｆにより電圧に変換された後、受光信号Ｓ１として演算部２１１ｅに送られる。
【００４０】
演算部２１１ｅでは、この受光信号Ｓ１と、不図示の記憶手段に予め設定しておいた煙道内部１が清浄状態にある時の受光信号Ｓ０（初期値）とを用い、煙道内部１を透過する光の透過率Ｔを数式１に基づいて算出する。
【００４１】
Ｔ＝Ｓ１／Ｓ０  ・・・（数式１）
この光透過率Ｔは、ダストの発生量に応じて変化する。例えばダストが多い場合には透過率Ｔは小さくなる。このとき、上述のガス濃度信号Ｇ０もダストの影響を受けて小さくなってしまう。この影響を除去するために、演算部２１１ｅでは、ダストに起因する光量変化量を補正した補正後ガス濃度信号Ｇ１を、ガス濃度信号Ｇ０と、光透過率Ｔとを用い、数式２に基づいて算出するようにしている。
【００４２】
Ｇ１＝Ｇ０／Ｔ  ・・・（数式２）
この補正されたガス濃度信号Ｇ１は、受光部回路基板２１１から外部の表示ユニットへ出力され、煙道内部１のガス濃度として表示される。
【００４３】
上述の説明から明らかなように、この実施形態によれば、煙道内部等の測定対象空間にダストが多く発生している状況下において、ＳＯ２等のガス濃度を測定する場合であっても、光透過率を用いてガス濃度の測定値を補正するようにしているので、ダストの影響を除去してガス濃度を高精度に測定することができる。
【００４４】
なお、この実施形態では、補正用参照光４０２の光源としてレーザダイオードを用いているがＬＥＤなどの光源であってもよい。この光源の種類以外に関しても、本発明は上述の実施形態に限定されず、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更を含むものである。
【符号の説明】
【００４５】
１：煙道内部
１０１ａ，１０１ｂ：煙道壁
２０１ａ：発光部フランジ
２０１ｂ：受光部フランジ
２０３ａ：発光部筐体
２０３ｂ：受光部筐体
２０４：測定用レーザ光源
２０５：コリメートレンズ
２０６：集光レンズ
２０７：測定用受光素子
２０８：補正用光源
２０９：補正用受光素子
２１１：受光部回路基板
２１３：発光部回路基板
４０１：ガス測定用レーザ光
４０２：補正用参照光
【図１】
2013127385.tif 000003
【図２】
2013127385.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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