(57)【要約】【課題】従来のレーザ分析計は、煙道の側壁に２箇所の開口を設ける必要があった。既設の煙道に、レーザ分析計を後付けで設置する場合に、煙道の側壁に対して大掛かりな取り付け加工が必要であった。【解決手段】レーザ式ガス分析装置は、煙道の側壁の外部から、側壁に設けられた開口部を通過させて、開口部に対向する側壁の内面へレーザ光を照射する照射部と、内面で反射したレーザ光を受光する受光部と、照射部が出力するレーザ光の強度と受光部が受光するレーザ光の強度に基づいて煙道を通過する対象ガスの濃度を演算する演算部とを備える。【選択図】図１
2017211357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
煙道の側壁の外部から、前記側壁に設けられた開口部を通過させて、前記開口部に対向する前記側壁の内面へレーザ光を照射する照射部と、
前記内面で反射した前記レーザ光を受光する受光部と、
前記照射部が出力する前記レーザ光の強度と前記受光部が受光する前記レーザ光の強度に基づいて前記煙道を通過する対象ガスの濃度を演算する演算部と
を備えるレーザ式ガス分析装置。
【請求項２】
前記照射部は、前記レーザ光として、第１波長を中心波長とする第１レーザ光と、前記第１波長とは異なる第２波長を中心波長とする第２レーザ光とを選択的に照射可能であり、
前記演算部は、前記照射部が出力する前記第１レーザ光の強度および前記第２レーザ光の強度と、前記受光部が受光する前記第１レーザ光の強度および前記第２レーザ光の強度に基づいて、前記対象ガス以外の成分による影響を緩和して、前記濃度を演算する請求項１に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項３】
前記照射部から照射された前記レーザ光の光路中に、前記内面で反射された前記レーザ光を前記受光部に向けて屈折させる光学素子を備える請求項１または２に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項４】
前記光学素子は、前記照射部から照射された前記レーザ光を通過させる通過部を有する、前記内面で反射された前記レーザ光を前記受光部に集光する凹面鏡である請求項３に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項５】
前記光学素子は、ハーフミラーである請求項３に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項６】
前記照射部から照射された前記レーザ光と前記内面とが交わる点を物点とし、前記受光部における受光面の一点を像点とする光学系を備える請求項１または２に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項７】
前記側壁に固定する固定部と、
前記固定部よりも前記照射部側に設置された、前記レーザ光を通過させつつ光路を閉塞する保護部材と
を備える請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項８】
前記保護部材の表面は、前記側壁の表面に対して斜交している請求項７に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項９】
前記照射部は、前記レーザ光をパルス照射させ、
前記受光部は、前記パルス照射の照射タイミングに対して受光タイミングを遅延させる請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項１０】
前記受光タイミングの遅延時間は、前記内面までの距離に基づいて設定される請求項９に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項１１】
前記開口部から前記煙道へ補助ガスを噴出させる噴出部を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項１２】
前記受光部の受光面から臨む、前記レーザ光の通過する空間が、前記内面で最大化されるように前記照射部と前記受光部とが設置されている請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項１３】
前記開口部に対向し、前記内面の代わりに前記レーザ光を照射するターゲット面を備える請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項１４】
前記受光部の受光面から臨む、前記レーザ光の通過する空間が、前記ターゲット面で最大化されるように前記照射部と前記受光部とが設置されている請求項１３に記載のレーザ式ガス分析装置。
【請求項１５】
前記照射部のレーザ光路上にスペックル低減素子を備える請求項１から１４のいずれか１項に記載のレーザ式ガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ式ガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ分析計は、ガス濃度、ダスト量等を分析する装置である。レーザ分析計は、測定対象となる特定のガスの吸収線の波長を含み、狭いスペクトル線幅のレーザ光を、測定領域に照射する。照射されたレーザ光は、測定領域内の対象ガスによって吸収されて、伝播距離に応じて減衰される。レーザ分析計は、測定領域を通過したレーザ光を受光素子で検出して、測定領域を通過する前後のレーザ光の強度変化から、測定領域に含まれる対象ガスの濃度を計測する。また、レーザ分析計は、対象ガスが吸収しない波長のレーザ光を測定領域に照射して、ダストによる吸収、散乱に起因するレーザ光の減衰量、あるいは散乱光の一部を受光素子で検出することによりダスト量を計測する。
【０００３】
従来、レーザ分析計は、煙道を通過する燃焼ガス中のガス濃度を計測するために、煙道に対して略直交するように光源部からレーザ光を出射し、燃焼ガス中を通過したレーザ光を受光部で受光して、燃焼ガスに含まれる対象ガスの濃度を測定するものである。従来のレーザ分析計は、煙道の側壁の２か所に開口を設けて、発光部と受光部とを煙道を挟むように配置していた。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特開２０１３−１１３６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ分析計は、煙道の側壁に２箇所の開口を設ける必要があった。既設の煙道に、レーザ分析計を後付けで設置する場合に、煙道の側壁に対して大掛かりな取り付け加工が必要であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様におけるレーザ式ガス分析装置は、煙道の側壁の外部から、側壁に設けられた開口部を通過させて、開口部に対向する側壁の内面へレーザ光を照射する照射部と、内面で反射したレーザ光を受光する受光部と、照射部が出力するレーザ光の強度と受光部が受光するレーザ光の強度に基づいて煙道を通過する対象ガスの濃度を演算する演算部とを備える。
【０００６】
照射部は、前記レーザ光として、第１波長を中心波長とする第１レーザ光と、第１波長とは異なる第２波長を中心波長とする第２レーザ光とを選択的に照射可能であってもよい。そして、演算部は、照射部が出力する第１レーザ光の強度および第２レーザ光の強度と、受光部が受光する第１レーザ光の強度および第２レーザ光の強度に基づいて、対象ガス以外の成分による影響を緩和して、濃度を演算してもよい。
【０００７】
また、レーザ式ガス分析装置は、照射部から照射されたレーザ光の光路中に、煙道の内面で反射されたレーザ光を受光部に向けて屈折させる光学素子を備えてもよい。
【０００８】
レーザ光を受光部に向けて屈折させる光学素子は、照射部から照射されたレーザ光を通過させる通過部を有してもよい。また、光学素子は、煙道の内面で反射されたレーザ光を受光素子に集光する凹面鏡であってもよい。
【０００９】
また、レーザ光を受光部に向けて屈折させる光学素子は、ハーフミラーであってもよい。
【００１０】
レーザ式ガス分析装置は、照射部から照射されたレーザ光と煙道の内面とが交わる点を物点とし、受光部における受光面の一点を像点とする光学系を備えてもよい。
【００１１】
レーザ式ガス分析装置は、側壁に固定する固定部と、固定部よりも照射部側に設置された、レーザ光を通過させつつ光路を閉塞する保護部材とを備えてもよい。そして、保護部材の表面は、側壁の表面に対して斜交していてもよい。
【００１２】
レーザ式ガス分析装置の照射部は、レーザ光をパルス照射させてもよい。そして受光部は、パルス照射タイミングに対して受光タイミングを遅延させてもよい。また、受光部の受光タイミングの遅延時間は、煙道の内面までの距離に基づいて設定されてもよい。
【００１３】
レーザ式ガス分析装置は、開口部から煙道へ補助ガスを噴出させる噴出部を備えてもよい。
【００１４】
受光部の受光面から臨む、レーザ光の通過する空間が、煙道の内面で最大化されるように照射部と受光部とが設置されてよい。
【００１５】
レーザ式ガス分析装置は、開口部に対向し、煙道の内面の代わりにレーザ光を照射するターゲット面を備えてよい。
【００１６】
受光部の受光面から臨む、レーザ光の通過する空間が、ターゲット面で最大化されるように照射部と受光部とが設置されてよい。
【００１７】
レーザ式ガス分析装置は、照射部のレーザ光路上にスペックル低減素子を備えてよい。
【００１８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係るガス分析装置の構成を示す概略図である。
【図２】対象ガスとダストの分光吸収率の一例を示す図である。
【図３】第１レーザ光と第２レーザ光の発光強度と受光強度の関係を概念的に説明する説明図である。
【図４】パルス光の発光時間と受光時間の関係を示す図である。
【図５】第２実施形態に係るガス分析装置の構成を示す概略図である。
【図６】第３実施形態に係るガス分析装置の構成を示す概略図である。
【図７】第４実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略図である。
【図８】第５実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２１】
図１は、第１実施形態に係るガス分析装置１００の構成を示す概略図である。煙道１０は、側壁１２と、側壁１２に一つだけ設けられた開口部１４と、ガス分析装置１００を固定するために開口部１４に設けられたフランジ１６を備える。煙道１０の内径はφ０．２５〜１０ｍであり、内部には、ボイラー、エンジン等の燃焼機関から排出される高温の燃焼ガスが流通している。
【００２２】
ガス分析装置１００は、煙道１０の外部において側壁１２に溶接等により固定される。そして、ガス分析装置１００は、煙道１０を流通する燃焼ガスに含まれる残留酸素（Ｏ２）などの対象ガスの濃度を計測する。なお、燃焼ガスには、対象ガス以外に煤塵（ダスト）、水蒸気などが含まれる。
【００２３】
ガス分析装置１００は、制御部１０２、レーザ素子１０６、コリメートレンズ１０８、凹面鏡１１０、光学窓１１４、受光素子１１６を備える。また、ガス分析装置１００は、筐体１１８、フランジ１２０を備える。
【００２４】
ガス分析装置１００は、フランジ１６とフランジ１２０が溶接されることによって煙道１０の側壁１２に固定される。フランジ１６とフランジ１２０の固定方法は、溶接に限らず、高温環境下において気密を保つ様々な固定方法を採用し得る。フランジ１２０には、筐体１１８が取り付けられる。
【００２５】
制御部１０２は、ガス分析装置１００の各要素の動作を統括的に制御する。制御部１０２は、後述するレーザ素子１０６が出射するレーザ光の波長を切り替えるタイミングを制御する。また、制御部１０２は、演算部１０４を有する。演算部１０４は、レーザ素子１０６から出射されたレーザ光の強度と、受光素子１１６で受光された当該レーザ光の強度とから公知の演算方法を用いて対象ガスの濃度を演算する。
【００２６】
レーザ素子１０６は、印加電流、動作温度によって発振波長が可変である半導体レーザ素子である。本実施形態においては、レーザ素子１０６は、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザである。レーザ素子１０６には、ＤＦＢレーザに限らず、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）などを使用することができる。なお、レーザ素子１０６は、不図示の電流制御部および温度制御部によって印加電流と動作温度とが制御されて、後述する第１波長λ１または第２波長λ２に発振波長が制御される。
【００２７】
レーザ素子１０６は、第１波長λ１を中心波長とする第１レーザ光と、第１波長λ１とは異なる第２波長λ２を中心波長とする第２レーザ光とを選択的に出射する。ここで、第１波長λ１は、対象ガスの吸収特性により選択的に吸収される波長（吸収線）である。また、第２波長は、対象ガスにほとんど吸収されない波長である。なお、第１波長λ１と第２波長λ２については、図を参照して後述する。
【００２８】
レーザ素子１０６は、第１レーザ光、もしくは第２レーザ光をコリメートレンズ１０８へ向けて出射する。なお、以降の説明において、レーザ素子１０６の側を「前方」あるいは「前側」、煙道１０の側を「後方」あるいは「後側」と称する場合がある。
【００２９】
コリメートレンズ１０８は、レーザ素子１０６の後方に配置され、レーザ素子１０６が出射するレーザ光を平行光に変換して、後方に配置された凹面鏡１１０へ出射する。コリメートレンズ１０８は、前側焦点位置の近傍にレーザ光のビームウェストが位置するように配置される。なお、コリメートレンズ１０８は、平行度の高い平行光に変換するために、非球面レンズが用いられる。図１において、コリメートレンズ１０８は、一枚のレンズで代表して示されているが、複数枚のレンズで構成されてもよい。また、コリメートレンズ１０８は、ミラーなどの反射光学素子であってもよい。
【００３０】
凹面鏡１１０は、孔部１１１、反射面１１２を有する。凹面鏡１１０は、コリメートレンズ１０８の後方において、コリメートレンズ１０８が出射するレーザ光が孔部１１１を通過するように配置される。なお、孔部１１１の内径は、コリメートレンズ１０８からのレーザ光が通過するために十分な大きさであればよい。ここで、十分な大きさとは、コリメートレンズ１０８から入射するレーザ光が凹面鏡１１０によってけられない大きさである。
【００３１】
凹面鏡１１０の孔部１１１を通過したレーザ光は、凹面鏡１１０の後方に配置された光学窓１１４を透過して、照射光Ｒ１として煙道１０へ出射される。照射光Ｒ１は、煙道１０の内面で反射・散乱されて、一部の光が反射光Ｒ２として再び光学窓１１４を通過して、凹面鏡１１０の反射面１１２に入射する。
【００３２】
反射面１１２は、煙道１０の側に向かって凹面となるように配置される。反射面１１２は、レーザ光のビーム中心軸から光軸を外して配置した軸外し放物面である。反射面１１２の形状は、放物面に限定されず、様々な面形状をとることができる。例えば、反射面１１２は、球面であってもよいし、楕円面、双曲面などの円錐面であってもよい。反射面１１２に楕円面を採用する場合には、煙道１０の内面における照射光Ｒ１の照射点と、受光素子１１６の受光面上の集光点が、楕円面のそれぞれの焦点に位置するように配置してもよい。なお、凹面鏡１１０によって集光される反射光Ｒ１は、受光素子１１６の受光面の有効領域に集光されていればよく、スポット径の大きさは当該有効領域に収まる範囲で許容される。
【００３３】
反射面１１２は、煙道１０の内面で反射・散乱した反射光Ｒ２を折り曲げて、受光素子１１６の受光面に集光させる。換言すると、反射面１１２は、入射する反射光Ｒ２を、反射光Ｒ２が通過する領域外に配置された受光素子１１６に集光させる。したがって、反射光Ｒ２が受光素子１１６によって遮蔽されないため、反射面１１２の実効的な反射面積を大きく確保することができ、ガスの検出感度を高めることができる。
【００３４】
光学窓１１４は、保護部材としてフランジ１２０よりも前方に設置される。光学窓１１４は、レーザ光を透過させつつ光路を閉塞する。換言すると、光学窓１１４は、煙道１０を流通する燃焼ガスの筐体１１８内部への侵入を防止する。また、光学窓１１４は、面間反射によるレーザ光の干渉を防止するために、入射面と出射面とが平行ではない楔形の形状である。
【００３５】
受光素子１１６は、煙道１０の内面で反射・散乱して、凹面鏡１１０によって集光された反射光Ｒ２を受光する。そして、受光素子１１６は、受光した光の強度信号を電気信号である受光信号へ変換して、制御部１０２へ送信する。受光素子１１６は、例えば、アバランシェフォトダイオードである。しかし、受光素子１１６には、計測に使用するレーザ光の波長、要求される感度に応じて、様々な受光素子を使用することができる。受光素子１１６は、例えば、フォトマルチプライヤ、ＭＣＴ光導電素子などを使用することができる。また、受光素子１１６は、計測に使用するレーザ光の波長帯域を含む狭い帯域の光を透過し、他の帯域の光を遮断または減衰する帯域透過フィルタを有してもよい。
【００３６】
次に、ガス濃度の検出方法について説明する。レーザ素子１０６の温度および電流値は、対象ガスが選択的に吸収する第１波長λ１の第１レーザ光と、吸収しない第２波長λ２の第２レーザ光との間で交互に切り替わるように制御部１０２により制御される。
【００３７】
第１レーザ光と第２レーザ光は、異なるタイミングでレーザ素子１０６から出射されてコリメートレンズ１０８で平行光に変換される。そして、第１レーザ光と第２レーザ光は、煙道１０の内部空間を通過して開口部１４と対向する煙道１０の内面で反射・散乱されて、再びガス分析装置１００に入射して、凹面鏡１１０によって集光されて、受光素子１１６に受光される。
【００３８】
受光素子１１６における受光強度を、第１レーザ光と第２レーザ光とで比較する。第２レーザ光は、煙道１０を流通するダストによる散乱、吸収、および煙道１０の内面の散乱により減衰される。一方で、第１レーザ光は、ダストによる散乱、吸収、および煙道１０の内面の散乱に加えて、対象ガスにおける吸収によって減衰される。そこで、第１レーザ光の受光強度と、第２レーザ光の受光強度の比率から、ダスト、煙道１０の内面の散乱、吸収の影響をキャンセルして、対象ガスの濃度を正確に測定することができる。
【００３９】
ガス分析装置１００は、リアルタイム測定が可能であり、例えば、１秒ごとに対象ガスの濃度の測定結果を更新する。ガス分析装置１００は、測定結果の更新周期に合わせて、間欠的に第１レーザ光および第２レーザ光をパルス照射する。そして、第１レーザ光及び第２レーザ光のそれぞれのパルス光の発光強度および受光強度から、対象ガスの濃度を算出して出力する。一例において、ガス分析装置１００は、波長変調分光法により対象ガスを検出する。
【００４０】
従来のガス分析装置は、煙道を挟んで発光部と受光部を配置するために、煙道の側壁に互いに対向する２箇所の開口を設ける必要があった。既設の煙道にガス分析装置を取り付ける場合には、煙道の側壁に２箇所の開口を加工して、さらに現場で発光部と受光部の光軸を調整するという大掛かりな取り付け作業が必要であった。しかし、本実施形態におけるガス分析装置１００は、受光部と発光部が一体で構成されており、煙道の側壁に開口を１箇所だけ設ければよい。このため、従来のガス分析装置と比較して、煙道の加工および取り付け作業が簡便である。また、煙道１０の内面からの反射・散乱光を対象ガスの濃度分析に利用するため、煙道１０の内部にミラー等の反射素子を挿入する必要がなく、簡易な構成によって対象ガスの濃度を分析することができる。
【００４１】
また、本実施形態におけるガス分析装置１００は、煙道１０の内部において、照射光Ｒ１と反射光Ｒ２の中心軸が略一致するように構成されている。このため、ガス分析装置１００は、反射面までの距離が異なる様々な煙道に取り付ける場合であっても、取り付け現場で光学系の配置の調整を必要としない。
【００４２】
図２は、対象ガスとダストの分光吸収率特性の一例を示す図である。図２において、縦軸は、吸収率を示し、横軸は、波長を示す。また、対象ガスの分光吸収率を実線で示し、ダストの分光吸収率を破線で示す。
【００４３】
図の例において、対象ガスに注目すると、対象ガスの吸収率は、波長λ１でピーク値０．８を示す。すなわち、対象ガスは、図に示した波長の範囲において、波長λ１の光を最も吸収する。一方、対象ガスは、例えば、波長λ２の光はほとんど吸収しない。また、ダストに注目すると、ダストの吸収率は、図に示した波長の範囲において０．１程度であり、顕著な変化はない。
【００４４】
図の例においては、対象ガスの吸収率が高い波長である波長λ１を第１波長とすることができる。また、対象ガスの吸収率が比較的低い波長の内、例えば、波長λ２を第２波長とすることができる。例えば、酸素（Ｏ２）を対象ガスとする場合には、第１波長λ１として７６０ｎｍ、第２波長λ２として７５９ｎｍを選択することができる。
【００４５】
図３は、第１レーザ光と第２レーザ光の発光強度と受光強度の関係を概念的に説明する説明図である。本図において、縦軸はレーザ光の発光強度を１．０に規格化した相対強度を示し、左から順に、第１レーザ光および第２レーザ光の発光強度、第１レーザ光の受光強度、そして、第２レーザ光の受光強度を示す。
【００４６】
図の例において、レーザ素子１０６から出射される第１波長λ１の第１レーザ光と第２波長λ２の第２レーザ光の発光強度は等しい。なお、説明を簡単にするために、コリメートレンズ１０８、光学窓１１４などの要素におけるレーザ光の吸収は考慮せず、および受光素子１１６における分光感度は一定とする。
【００４７】
また、第１レーザ光は、煙道１０の内部を通過する過程で、対象ガスおよびダストに吸収されて減衰する。図の例において、受光素子１１６で検出される第１レーザ光の受光強度は、発光強度に対して強度変化量Ａだけ減衰している。
【００４８】
また、第２レーザ光は、煙道１０の内部を通過する過程で、ダストに吸収されて減衰する。図の例において、受光素子１１６で検出される第２レーザ光の受光強度は、発光強度に対して強度変化量Ｂだけ減衰している。
【００４９】
図２を参照して説明したように、ダストによる吸収は、第１波長λ１と第２波長λ２とで概ね等しい。したがって、第１レーザ光が対象ガスによって吸収された吸収量は、強度変化量Ａと強度変化量Ｂの差分（Ａ−Ｂ）から算出することができる。
【００５０】
図４は、パルス光の発光時間と受光時間の関係を示す図である。図４は、測定光であるレーザ光の強度の時間変化、すなわちレーザ光の光信号を示している。
【００５１】
図４（ａ）は、レーザ素子１０６から出射されるレーザ光の光信号を示す。図４（ａ）において、縦軸は出射されるレーザ光の強度を示し、横軸は時間を示す。レーザ素子１０６は、予め定められた時間間隔で、パルス状のレーザ光を出射する。図４（ａ）の例においては、時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３にパルス光ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３がそれぞれ出射される。図３を参照して説明した発光強度は、図４（ａ）に示した光信号の、例えばＴ１からＴ２の区間における光信号の積分値に相当する。
【００５２】
図４（ｂ）は、受光素子１１６で受光されるレーザ光の光信号を示す。図４（ｂ）において、縦軸は受光されるレーザ光の強度を示し、横軸は時間を示す。図４（ｂ）の例においては、信号ＮＳ１および信号ＥＳ１は、パルス光ＰＬ１に対応する光信号である。信号ＮＳ２および信号ＥＳ２は、パルス光ＰＬ２に対応する光信号である。信号ＮＳ３および信号ＥＳ３は、パルス光ＰＬ３に対応する光信号である。図３を参照して説明した受光強度は、図４（ｂ）に示した光信号の、例えばＴ１からＴ２の区間における積分値に相当する。
【００５３】
パルス光である照射光Ｒ１の一部は、煙道１０の内面に入射するまで往路上で、ダストによって散乱されて、ガス分析装置１００に戻り、受光素子１１６によって検出される場合がある。往路における散乱光は、反射光Ｒ２の検出においてノイズの要因となる。図４（ｂ）の例においては、信号ＮＳ１〜ＮＳ３は、往路におけるダストからの散乱光に対応する光信号である。
【００５４】
レーザ式のガス分析装置は、出射したレーザ光の強度Ｉ０、受光したレーザ光の強度Ｉおよびレーザ光の経路長ｌの情報を用いて、対象ガスの濃度を算出する。本実施形態においては、ガス分析装置１００から出射されて、煙道１０の内面で反射して、再びガス分析装置１００に戻る経路を辿るレーザ光の強度情報から対象ガスの濃度を算出する。具体的には、煙道１０の内径をｄとすると、ガス分析装置１００は、煙道１０の内部を往復する経路長２ｄをレーザ光が伝播する間に対象ガスによって吸収される吸収量から対象ガスの濃度を算出する。したがって、例えば、煙道１０の内面に到達するまでの間に、ダストによって散乱されて受光素子１１６で検出される光は、対象ガスの濃度演算に不要なノイズ光である。特に、ガス分析装置１００から近い距離においてダストから散乱された光は、減衰されずに比較的高い強度をもったままガス分析装置１００に戻ってくる場合があり、測定精度を低下させる要因となる。
【００５５】
本実施形態において、ガス分析装置１００は、第１レーザ光と第２レーザ光を照射して、それぞれの受光強度の差分を取ることによりダストの影響をキャンセルして、対象ガスのみの吸収量を算出する。第１レーザ光と第２レーザ光は、互いに異なるタイミングで出射されるため、互いの出射時間にはタイムラグがある。また、煙道１０の内部を流通するダストの濃度分布は、時事刻々と変化する。したがって、ダストによる散乱が生じる往路上の位置は、第１レーザ光と第２レーザ光とで異なり、さらに受光素子１１６の受光面に到達する強度も異なる。このため、第１レーザ光と第２レーザ光の受光強度の差分を取ったとしても、往路上におけるダストからの散乱光の影響を十分にキャンセルできない場合がある。
【００５６】
そこで、ガス分析装置１００は、上述の往路上におけるダストによる散乱光に起因する光信号を除外するために、パルス光を出射して、出射したパルス光が煙道１０の内面で反射されて戻ってくるまでの時間を経過するまで受光素子１１６の受光時間を遅延させる。本実施形態においては、ガス分析装置１００は、レーザ素子１０６から出射されたレーザ光が、煙道１０の内面で反射して、受光素子１１６に到達するまでの往復時間ｔ０を、設計値から予め算出しておく。そして、ガス分析装置１００は、レーザ光の出射時間から往復時間ｔ０を経過したときに、受光素子１１６に入射光の検出を開始させる。
【００５７】
図４（ａ）および図４（ｂ）を参照しながら説明すると、受光素子１１６は、パルス光ＰＬ１が出射された時間Ｔ１から往復時間ｔ０を経過した時間（Ｔ１＋ｔ０）より、入射光の検出を開始する。そして、受光素子１１６は、次のパルス光ＰＬ２が出射される時間Ｔ２まで、入射光の検出を続ける。したがって、受光素子１１６から出力される受光強度は、図４（ｂ）において、期間ｔ１の光信号の積分値である。
【００５８】
同様に、受光素子１１６は、パルス光ＰＬ２が出射された時間Ｔ２から往復時間ｔ０を経過した時間（Ｔ２＋ｔ０）より、入射光の検出を開始する。そして、受光素子１１６は、次のパルス光ＰＬ３が出射される時間Ｔ３まで、入射光の検出を続ける。したがって、受光素子１１６から出力される受光強度は、図４（ｂ）において、期間ｔ２の光信号の積分値である。
【００５９】
なお、ガス分析装置１００は、パルス光が出射されてから往復時間ｔ０が経過した後、次のパルス光が出射されるまでの間だけ入射光を検出するように受光素子１１６の受光タイミングを制御してもよい。本実施形態のガス分析装置１００は、レーザ光を出射してから、出射されたレーザ光が煙道１０の内部を往復する時間ｔ０が経過するまで受光素子１１６の検出を停止させて、往路上のダストからの散乱光を検出対象から除外する。これにより、良好なＳＮ比を維持して、測定精度を向上することができる。
【００６０】
なお、受光強度の算出において、往路上におけるダストによる散乱光の成分を取り除く方法は、上記で説明した方法に限定されず様々な方法をとり得る。多くの場合は、ダストによる後方散乱光の強度よりも、煙道１０の内面での反射光の強度の方が高いため、光信号において後方散乱光の成分（ＮＳ１〜ＮＳ３）よりも反射光の成分（ＥＳ１〜ＥＳ３）の方が信号強度は高くなる。そこで、例えば、パルス光ＰＬ１に対しては、時間Ｔ１から時間Ｔ２の間の光信号を、散乱光成分と反射光成分を分解できるサンプリング周期でサンプリングを行う。そして、ピークホールド回路を用いて光信号のピーク値を抽出して、抽出したピーク値から受光強度を算出してもよい。
【００６１】
なお、上記の説明においては、ガス分析装置１００は、第１レーザ光及び第２レーザ光についてそれぞれ１つのパルス光の強度情報から対象ガスの濃度を算出して出力する場合を例示した。しかし、ガス分析装置１００は、例えば、測定結果の更新周期である１秒間にレーザ光を２００パルス出射して、それぞれのパルス光について演算された受光強度を統計処理することにより、対象ガスの濃度を算出してもよい。この場合には、ガス分析装置１００は、前半の０．５秒間は第１レーザ光を１００パルス出射して、後半の０．５秒間は第２レーザ光を１００パルス出射してもよいし、第１レーザ光のパルスと第２レーザ光のパルスを交互に出射させてもよい。複数のパルス光における演算結果を統計処理することにより、ノイズ信号の影響を除去して対象ガスの濃度を正確に得ることができる。
【００６２】
図５は、第２実施形態に係るガス分析装置２００の構成を示す概略図である。なお、前述した実施形態と類似した部分については重複を避けるためにその具体的な説明を省略し、前述した実施形態と比較して変わった特徴について具体的に説明する。
【００６３】
本実施形態に係るガス分析装置２００は、第１実施形態のガス分析装置１００の凹面鏡１１０をハーフミラー２０２と集光レンズ２０４で置き換えて構成される。コリメートレンズ１０８から出射された平行光は、ハーフミラー２０２を透過して、照射光Ｒ１として煙道１０へ照射される。そして、照射光Ｒ１は、煙道１０の内面で反射されて、反射光Ｒ２としてガス分析装置２００に入射する。そして、反射光Ｒ２は、ハーフミラー２０２によって反射されたのち、集光レンズ２０４によって、受光素子１１６の受光面に集光される。本実施形態のように、ハーフミラー２０２と集光レンズ２０４を使用することにより、反射光Ｒ２の光束全体を受光素子１１６に取り込むことができる。
【００６４】
図６は、第３実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略図である。なお、前述した実施形態と類似した部分については重複を避けるためにその具体的な説明を省略し、前述した実施形態と比較して変わった特徴について具体的に説明する。
【００６５】
本実施形態に係るガス分析装置３００は、第１実施形態のガス分析装置１００の凹面鏡１１０を集光レンズ３０４で置き換えて構成される。レーザ素子１０６とコリメートレンズ１０８で構成される照射部の光軸と、集光レンズ３０４と受光素子１１６で構成される受光部の光軸が、煙道１０の内面上で交わるように配置される。
【００６６】
コリメートレンズ１０８から出射された平行光は、照射光Ｒ１として煙道１０へ照射される。そして、照射光Ｒ１は、煙道１０の内面で反射されて、反射光Ｒ２としてガス分析装置２００に入射する。そして、反射光Ｒ２は、集光レンズ３０４によって、受光素子１１６の受光面に集光される。本実施形態のように、照射部と受光部の光軸を異ならせることにより、反射光Ｒ２の光束全体を受光素子１１６に取り込むことができる。
【００６７】
なお、集光レンズ３０４と受光素子１１６は、照射したレーザ光の煙道１０の内面における照射面と、受光素子１１６の受光面とが共役となるように配置されてもよい。このように配置することにより、照射面から反射されるレーザ光以外の入射光の影響を低減させることができる。特に、レーザ光軸近傍からのダストによる後方散乱光が受光する影響を低減させることができる。また、このようにダスト散乱光の影響が小さくなる場合には、必ずしもパルス発光である必要はないため、レーザを非パルス点灯しつつ、波長変調分光法を適用することにより、高感度にガス濃度を計測できる。なお、照射部および受光部は、受光部の受光面から臨む、レーザ光の通過する空間が、煙道１０の内面で最大化されるように設置されてよい。
【００６８】
図７は、第４実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略図である。なお、前述した実施形態と類似した部分については重複を避けるためにその具体的な説明を省略し、前述した実施形態と比較して変更された特徴について具体的に説明する。
【００６９】
本実施形態に係るガス分析装置は、第１〜第３の実施形態のガス分析装置に加えて、レーザ光を照射するターゲット４０２を備える。本実施形態に係るガス分析装置は、開口部に対向する側壁の内面の代わりに、ターゲット４０２面にレーザ光を照射する。ターゲット４０２は鏡である必要はなく、側壁の内面と同程度の光吸収や光散乱を引き起こすものでよい。ターゲット４０２は、例えば、挿入管４０４によって支持される。挿入管４０４は排ガスあるいは燃焼ガスが内部を流れるように開口が設けられる。したがって、ガス分析装置は挿入管４０４内部を流れる排ガスあるいは燃焼ガスを分析する。このようなターゲット４０２を追加することにより、光路長を適当な長さに制限できるので、煙道が１０ｍを超えるような場合、あるいはダスト濃度が高く光透過が困難な場合であっても、ガスを測定できる。なお、照射部および受光部は、受光部の受光面から臨む、レーザ光の通過する空間が、ターゲット４０２面で最大化されるように設置されてよい。
【００７０】
なお、上述した第１実施形態から第３実施形態に係るガス分析装置において、開口部１４から煙道１０へ補助ガスを噴出させる噴出部を備えてもよい。補助ガスには、例えば、対象ガスを０％または２０％の濃度で含む窒素（Ｎ２）ガスを使用することができる。噴出部から煙道１０の内面に向けて補助ガスを噴出させることによって、照射光Ｒ１および反射光Ｒ２の光路上のガスを補助ガスに置換して、対象ガスの濃度が０％、２０％の場合におけるキャリブレーションを行ってもよい。
【００７１】
また、煙道１０の内面には、非燃焼成分等が堆積物として堆積する。当該堆積物によって、照射光Ｒ１が吸収されてしまい、反射光Ｒ２の受光量が減少する。反射光Ｒ２の受光量の減少に伴い、濃度の解析精度は低下する。そこで、本実施形態においては、噴射部から補助ガスを高圧で噴射することによって、煙道１０の内面のレーザ光を照射する位置における堆積物を除去してもよい。これにより、煙道１０の内面における堆積物に起因した反射光Ｒ２の光量の減少を抑制して、解析精度の低下を防ぐことができる。
【００７２】
なお、以上の説明においては、煙道１０の内部を対象ガスとダストの混合気体が流通する場合を例に挙げて、２波長のレーザ光を使用することによってダストの吸収成分をキャンセルして、対象ガスの濃度を算出する実施形態について説明した。しかし、煙道１０の内部を対象ガスだけが流通する場合、または対象ガス以外のガスが対象ガスの吸収線の光をほとんど吸収しないという場合には、対象ガスの吸収線のレーザ光だけを照射させて濃度を計測することができる。１波長のレーザ光だけを照射して対象ガスの濃度を計測する場合であっても、煙道１０の側壁１２には開口を一つだけ設ければよい。
【００７３】
図８は、第５実施形態に係るレーザ式ガス分析装置の構成を示す概略図である。なお、前述した実施形態と類似した部分については重複を避けるためにその具体的な説明を省略し、前述した実施形態と比較して変更された特徴について具体的に説明する。
【００７４】
本実施形態に係るガス分析装置は、第１〜第４の実施形態のガス分析装置に加えて、コリメートレンズ１０８近傍のレーザ光路上の前あるいは後ろにスペックル低減素子１３０を備える。スペックル低減素子１３０は、光透過性の粗面すなわち拡散板であってよい。さらに、前記の板がレーザ光軸に対して回転あるいは搖動するものであってよい。このようなスペックル低減素子１３０を追加することにより、開口部に対向する側壁の内面あるいはターゲット４０２面にて発生するスペックルを低減することができる。スペックルが存在する場合、光路上の温度やレーザの波長変化によりスペックルパターンが変化し、受光光量が変化することによりガス濃度計測へのノイズとなりえる。したがって、スペックル低減素子１３０を追加することにより、スペックルパターンの変化、すなわち受光光量の変化を低減し、より正確かつ安定な計測を実現することができる。
【００７５】
本発明に係るガス分析装置は、ボイラー、ゴミ焼却等の燃焼排ガス測定用、燃焼制御用として好適である。その他、鉄鋼用ガス分析［高炉、転炉、熱処理炉、焼結（ベレット設備）、コークス炉］、青果貯蔵、および熟成、生化学（微生物）［発酵］、大気汚染［焼却炉、排煙脱硫・脱硝］、自動車・船等の内燃機関の排ガス（除テスタ）、防災［爆発性ガス検知、有毒ガス検知、新建築材燃焼ガス分析］、植物育成用、化学用分析［石油精製プラント、石油化学プラント、ガス発生プラント］、環境用［着地濃度、トンネル内濃度、駐車場、ビル管理］、理化学各種実験用などの分析計としても有用である。
【００７６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００７７】
１０  煙道、１２  側壁、１４  開口部、１６  フランジ、１００、２００、３００  ガス分析装置、１０２  制御部、１０４  演算部、１０６  レーザ素子、１０８  コリメートレンズ、１１０  凹面鏡、１１１  孔部、１１２  反射面、１１４  光学窓、１１６  受光素子、１１８  筐体、１２０  フランジ、１３０  スペックル低減素子、２０２  ハーフミラー、２０４  集光レンズ、３０４  集光レンズ、４０２  ターゲット、４０４  挿入管、Ｒ１  照射光、Ｒ２  反射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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