JP2013127385A - Laser gas analyzer - Google Patents
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Abstract
【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[PROBLEMS] To measure a gas concentration accurately even in an environment where there is a lot of dust, without measuring other instruments such as a dust meter when measuring a high concentration gas or SO2 measurement gas. A laser type gas analyzer is provided.
A correction reference beam having a wavelength that is not absorbed by a measurement target gas is emitted on an optical axis that is disposed in the vicinity of the measurement laser light source and is parallel to the optical axis of the gas measurement laser beam. The correction light source 208 and the measurement light receiving element 207 are arranged in the vicinity of the correction light receiving element 209 for receiving the correction reference light via the measurement target space 1, and the light reception signal from the correction light receiving element is set in advance. The light transmittance detecting means for detecting the light transmittance in the measurement target space from the measured initial light amount signal, and the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculating means are output from the light transmittance detecting means. Gas concentration correcting means for correcting using the light transmittance.
[Selection] Figure 1
Description
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。 The present invention relates to a laser-type gas analyzer that measures the concentration of various gases such as gas and exhaust gas in a flue with a laser beam.
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。 It is known that each gas molecule / atom has its own light absorption spectrum. Laser gas analyzers are known as gas analyzers that detect various gas concentrations and the like using this light absorption spectrum. The laser gas analyzer uses a laser light source having the same emission wavelength band as the light absorption spectrum of the measurement target gas, irradiates the measurement target gas with light emitted from the laser light source, and lasers the measurement gas with molecules and atoms. The gas concentration is measured using light absorption.
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。 In general, a gas analyzer using laser light includes a laser light source that emits laser light toward a measurement target space where a measurement gas exists, a light receiving element that receives laser emitted light that has passed through the measurement target space, and a light receiving element. And a signal processing circuit for extracting the absorption amount of the laser emission light derived from the measurement target gas concentration based on the received light signal and obtaining the gas concentration by various arithmetic processes.
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。 As such a laser type gas analyzer, for example, the one described in Patent Document 1 is known. FIG. 5 is a block diagram of the main part of a conventional laser gas analyzer. In FIG. 5, 101a and 101b are flue walls through which the measurement target gas flows. On the flue walls 101a and 101b, a light emitting portion flange 201a and a light receiving portion flange 201b are arranged so as to face each other.
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。 A light emitting unit casing 203a is attached to the light emitting unit flange 201a via a mounting seat 202a. Optical components such as a laser light source 204 and a collimating lens 205 are built in the light emitting unit housing 203a. A light receiving unit casing 203b is attached to the light receiving unit flange 201b via a mounting seat 202b. Inside the light receiving unit casing 203b, a condenser lens 206, a light receiving element 207, and a light receiving unit circuit board 208 for processing an output signal of the light receiving element 207 are incorporated.
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。 In the above-described configuration, the laser light emitted from the laser light source 204 is applied to the interior 1 of the flue, which is a measurement target space, and is received by the light receiving element 207 in the light receiving unit housing 203b disposed to face the laser light source 204. Is done. At this time, when the measurement target gas exists on the optical path, the laser light is absorbed. The laser gas analyzer calculates the gas concentration to be measured by the signal processing circuit on the light receiving unit circuit board 208 using the fact that the degree of light absorption is related to the concentration of the gas to be measured. is there.
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。 As described above, the laser gas analyzer measures the gas concentration by emitting the laser beam directly to the space where the measurement target gas exists, and if the measurement target space is in a clean environment, the gas concentration is satisfactory. Can be detected. However, most laser gas analyzers are installed in exhaust gas processes and flues at factories and incinerators. In such a case, there is a considerable amount of dust (soot) in the measurement target space, and the variation in the amount of dust may affect the measurement of the gas concentration.
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。 For example, when there is a lot of dust in the measurement target space, the emitted light from the laser light source 204 is blocked by the dust, and the amount of light received by the light receiving element 207 decreases. In general, it is difficult to distinguish between the decrease in the amount of received light caused by dust and the decrease in the amount of light that occurs as a result of light absorption by the gas, when there is a lot of dust and the amount of dust generated varies greatly. However, there is a problem that the gas concentration detection error becomes large and the measurement accuracy cannot be maintained.
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。 As a measure for reducing the gas concentration detection error caused by the change in the amount of received light derived from dust, the conventional laser gas analyzer described in Patent Document 1 absorbs the measurement light out of the emitted light from the laser light source 204. The gas concentration is corrected using a part of the light that is not received. Specifically, an extraction means for extracting the component of the wavelength scanning drive signal from the output signal of the light receiving element 207 is added, and the output signal of the extraction means and the received light amount setting value (when measured in a clean environment free from dust). The amplitude of the gas absorption waveform is corrected using a correction coefficient which is a ratio to the output signal level of the extracting means.
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。 According to the laser type gas analyzer equipped with a means for correcting the amplitude of the gas absorption waveform, if the measurement target gas is a gas such as HCl (hydrogen chloride) or NH3 (ammonia) having a low concentration, it is caused by dust. Even if there are fluctuations in the amount of received light, the gas concentration can be detected accurately.
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。 However, when the concentration of the gas to be measured is high, or when the gas to be measured is SOx (sulfur oxide), NOx (nitrogen oxide), etc., a large number of gas absorption spectra exist over a wide area in the mid-infrared region. Therefore, it is difficult to select the light emitted from the laser light source 204 in a wavelength region that is not affected by gas absorption, and it is caused by light absorption by the measurement target gas, whether it is a change in the amount of received light caused by dust. Therefore, there is a problem that it is impossible to determine whether the amount of received light is changed and the correction means does not function well.
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。 In other words, in the conventional apparatus, the influence of fluctuations in the amount of received light caused by dust is dealt with by correcting the gas absorption waveform using a part of the emitted light from the laser light source 204 for measurement. It cannot be applied to the case of measuring the concentration of gas or gas concentration such as SO 2, and an improvement in this respect is desired.
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。 Therefore, an object of the present invention is to accurately measure gas even in an environment where a lot of dust exists without measuring other measuring instruments such as a dust meter when measuring a measurement gas such as high concentration gas or SO2. An object of the present invention is to provide a laser gas analyzer capable of measuring the concentration.
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。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1
A laser light source for measurement that emits laser light having a wavelength including the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A light-receiving element for measurement that receives the laser light for gas measurement emitted from the laser light source for measurement through the space to be measured;
A gas concentration calculating means for extracting a signal component affected by light absorption by the measurement target gas from a light reception signal of the measurement light receiving element, and calculating a measurement target gas concentration from a change amount of the signal component;
A laser gas analyzer comprising:
A correction light source that is arranged in the vicinity of the measurement laser light source and emits a reference light for correction having a wavelength that is not absorbed by the measurement target gas on an optical axis parallel to the optical axis of the gas measurement laser light. When,
A correction light-receiving element that is disposed in the vicinity of the measurement light-receiving element and receives the correction reference light through the measurement target space;
A light transmittance detecting means for detecting a light transmittance in the measurement target space from a light reception signal from the correction light receiving element and a preset initial light amount signal;
A gas concentration correction means for correcting the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculation means using the light transmittance output from the light transmittance detection means;
It is provided with.
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。
The invention according to claim 2 is the laser gas analyzer according to claim 1,
The light transmittance detecting means calculates a light transmittance T based on Equation 1,
T = S1 / S0 (Formula 1)
However, S1: The magnitude of the received light signal output from the correcting light receiving element when measuring the gas concentration
S0: Output from the correction light receiving element when the measurement target space is in a clean state.
The magnitude of the initial light quantity signal The gas concentration correction means uses the concentration measurement value G0 of the measurement target gas and the light transmittance T, and calculates the gas concentration signal G1 obtained by correcting the light quantity change amount caused by dust based on Equation 2. calculate,
G1 = G0 / T (Formula 2)
It is characterized by that.
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。 According to the present invention, even in the case of measuring the concentration of gas such as SO2 in an environment where there is a lot of dust, the effect of dust existing in the measurement target space can be removed without using another instrument such as a dust meter. The concentration can be measured accurately.
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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the configuration of a laser gas analyzer according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a light emitting portion flange 201a and a light receiving portion flange 201b are fixed to, for example, a flue wall 101a, 101b such as a flue through which the measurement target gas passes, by welding or the like.
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。 A light emitting unit casing 203a having a bottomed cylindrical shape is attached to the light emitting unit flange 201a via a mounting seat 202a. The inside of the light emitting unit housing 203a is partitioned and airtight by a wedge window 210a having an optical axis adjustment function, and a correction light source 208 including a gas measuring laser light source 204, a collimating lens 205, and a laser diode. Has been placed.
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。 A light emitting unit case 214 that houses the light emitting unit circuit board 213 is provided at an end of the light emitting unit housing 203a. On the light emitting unit circuit board 213, a control circuit (not shown) for controlling the light emission of the measurement laser light source 204 and the correction light source 208 is mounted. An electrical signal is sent from the control circuit, and the measurement laser light source 204 and the correction light source 208 are configured to emit a gas measurement laser beam 401 and a correction reference beam 402, respectively.
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。 FIG. 2 shows the configuration of the measurement laser light source 204. The measurement laser light source 204 includes a laser drive signal generator 204s including a wavelength scanning drive signal generator 204a and a high frequency modulation signal generator 204b.
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。 The wavelength scanning drive signal generation unit 204a makes the emission wavelength of the laser element variable so as to scan the absorption wavelength of the measurement target gas, and the high frequency modulation signal generation unit 204b detects, for example, the absorption wavelength of the measurement target gas. The wavelength is frequency-modulated with a sine wave of about 50 kHz. A laser drive signal is generated by combining the output signals of these signal generators 204a and 204b in the laser drive signal generator 204s. The laser drive signal output from the laser drive signal generation unit 204s is converted into a current by the current control unit 204c and supplied to the laser element 204e made of a semiconductor laser.
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。 A thermistor 204f as a temperature detection element is disposed in the vicinity of the laser element 204e, and a Peltier element 204g is disposed in the vicinity of the thermistor 204f. The Peltier element 204g is PID (proportional / integral / differential) controlled by the temperature control unit 204d so that the resistance value of the thermistor 204f becomes a constant value, and stabilizes the temperature of the laser element 204e.
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。 As shown in FIG. 3, the output signal of the wavelength scanning drive signal generator 204a is a substantially trapezoidal signal repeated at a constant period. A signal W1 in FIG. 3 is an offset portion that does not scan the absorption wavelength but causes the laser element 204e to emit light, and is set to a value equal to or greater than a threshold current value at which the light emission of the laser element 204e is stabilized.
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。 In FIG. 3, a signal W2 for scanning the absorption wavelength is a part that linearly changes the magnitude of the current supplied to the laser element 204e via the current control unit 204c. The emission wavelength of the laser element 204e is gradually shifted by this signal W2. For example, when the measurement target gas is SO2 gas, a line width of about 0.2 nm can be scanned.
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。 In FIG. 3, the frequency of the high frequency modulation signal is 50 kHz, the frequency of the wavelength scanning drive signal is 0.2 kHz, λ 1 corresponds to the wavelength corresponding to the offset, and λ 2 and λ 3 correspond to the absorption wavelength of the SO 2 gas. The upper and lower limit values of the scanning range are shown.
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。 The laser light emitted from the measurement laser light source 204 is converted into parallel light by an optical system including the collimator lens 205, and is irradiated to the flue interior 1 as the gas measurement laser light 401 through the center of the flange 201a. The laser beam 401 for gas measurement is affected by light absorption by the measurement target gas existing inside the flue 1.
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。 Further, the wavelength of the correction reference light 402 emitted from the correction light source 208 is set to be different from the wavelength of the measurement laser light 401. Further, the optical axis 402 a of the correction reference light 402 emitted from the correction laser light source 208 and the optical axis 401 b of the measurement laser light 401 are positioned and adjusted so as to be close and parallel. The correction reference light 402 is applied to the flue interior 1 through the center of the flange 201a, but is not affected by light absorption by the measurement target gas.
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。 On the other hand, a bottomed cylindrical light receiving unit casing 203b is attached to the light receiving unit flange 201b via a mounting seat 202b. The interior of the light receiving unit housing 203b is partitioned and airtight by a wedge window 210b having an optical axis adjustment function, and a condenser lens 206, a measurement light receiving element 207, and a correction light receiving element 209 are arranged. Yes. A light receiving unit case 212 that houses the light receiving unit circuit board 211 is provided at the end of the light receiving unit housing 203b.
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。 The gas measuring laser beam 401 that has passed through the flue interior 1 is condensed by the condensing lens 206 in the light receiving unit housing 203 b and received by the measuring light receiving element 207. The gas measuring light receiving element 207 is formed of, for example, a photodiode, and a light receiving element having sensitivity to the emission wavelength of the laser element 204e is used. The optical signal detected by the measurement light receiving element 207 is converted into a current signal and input to a signal processing circuit provided on the light receiving unit circuit board 211.
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。
FIG. 4 shows the configuration of the signal processing circuit on the light receiving unit circuit board 211.
As will be described later, this signal processing circuit functions as “gas concentration calculation means”, “light transmittance detection stage” and “gas concentration correction means” in claims.
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。 First, the output current of the gas measuring light receiving element 207 is converted into a voltage by the I / V converter 211a. The output signal of the I / V converter 211a is input to the synchronous detection circuit 211b to which the 2f signal (double wave signal) from the oscillator 211c is added, and only the amplitude of the double frequency component of the modulated signal of the emitted light is extracted. The The output signal of the synchronous detection circuit 211b is sent to a calculation unit 211e such as a CPU via a noise removal filter 211d.
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。 The correction reference light 402 that has passed through the flue interior 1 is received by the measurement light receiving element 207. The correction light receiving element 209 is also formed of a photodiode, and a light receiving element having sensitivity to the emission wavelength of the correction light source 208 is used. The output current of the correction light receiving element 209 is converted into a voltage by the I / V converter 211a and then sent to the calculation unit 211e.
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。
Next, the measurement operation of the laser gas analyzer according to this embodiment will be described.
First, in the signal processing circuit on the light receiving unit circuit board 211 in FIG. 4, when the measurement laser light 401 is not absorbed by the measurement target gas, the second harmonic signal is not detected by the synchronous detection circuit 211b. The output of the circuit 211b is almost a straight line.
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。 On the other hand, when the measurement laser beam 401 is absorbed by the measurement target gas, the second harmonic signal is detected by the synchronous detection circuit 211b, and the output waveform is as shown in FIG. A in this waveform is a portion (gas absorption waveform) that has been absorbed by the measurement target gas, and the maximum or minimum value of this absorption waveform A corresponds to the concentration of the measurement target gas.
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。 Accordingly, the calculation unit 211e measures the maximum value or the minimum value of the gas absorption waveform A, or integrates part or all of the gas absorption waveform A, and obtains the gas concentration signal G0 from the integrated value. .
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。 The problem here is a change in the amount of received light derived from dust existing in the measurement space. In this embodiment, the correction reference light 402 emitted from the correction light source 208 and transmitted through the flue interior 1 is used. The gas concentration measurement value (gas concentration signal G0) is corrected according to the dust concentration at the time of measurement. This correction processing is executed by the arithmetic unit 211e and the like mounted on the light receiving unit circuit board 211. Less than. The contents of this correction process will be described in detail.
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。 The output current from the correction light receiving element 209 that has received the correction reference light 402 having a wavelength different from that of the gas measurement laser light 401 is converted into a voltage by the I / V converter 211f, and then the light receiving signal S1 as the calculation unit 211e. Sent to.
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。 The calculation unit 211e uses the light reception signal S1 and the light reception signal S0 (initial value) when the flue interior 1 set in advance in a storage unit (not shown) is in a clean state. The transmittance T of the transmitted light is calculated based on Equation 1.
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。
T = S1 / S0 (Formula 1)
This light transmittance T varies according to the amount of dust generated. For example, when there is a lot of dust, the transmittance T is small. At this time, the gas concentration signal G0 described above is also affected by dust and becomes small. In order to remove this influence, the calculation unit 211e uses the gas concentration signal G0 and the light transmittance T as a corrected gas concentration signal G1 obtained by correcting the amount of light change caused by dust, based on Equation 2. I am trying to calculate.
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。
G1 = G0 / T (Formula 2)
The corrected gas concentration signal G1 is output from the light receiving unit circuit board 211 to an external display unit, and is displayed as the gas concentration inside the flue 1.
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。 As is clear from the above description, according to this embodiment, even in the case where the concentration of gas such as SO2 is measured in a situation where a lot of dust is generated in the measurement target space such as the inside of the flue, Since the measured value of the gas concentration is corrected using the light transmittance, the influence of dust can be removed and the gas concentration can be measured with high accuracy.
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。 In this embodiment, a laser diode is used as the light source of the correction reference light 402, but a light source such as an LED may be used. The present invention is not limited to the above-described embodiment with respect to other types of light sources, and includes many changes without departing from the essence thereof.
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
1: flue interior 101a, 101b: flue wall 201a: light emitting portion flange 201b: light receiving portion flange 203a: light emitting portion casing 203b: light receiving portion casing 204: measurement laser light source 205: collimating lens 206: condenser lens 207 : Measurement light-receiving element 208: Correction light source 209: Correction light-receiving element 211: Light-receiving unit circuit board 213: Light-emitting unit circuit board 401: Gas measurement laser beam 402: Correction reference beam
Claims (2)
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。 A laser light source for measurement that emits laser light having a wavelength including the light absorption spectrum of the gas to be measured;
A light-receiving element for measurement that receives the laser light for gas measurement emitted from the laser light source for measurement via a measurement target space;
A gas concentration calculating means for extracting a signal component affected by light absorption by the measurement target gas from a light reception signal of the measurement light receiving element, and calculating a measurement target gas concentration from a change amount of the signal component;
A laser gas analyzer comprising:
A correction light source that is arranged in the vicinity of the measurement laser light source and emits a reference light for correction having a wavelength that is not absorbed by the measurement target gas on an optical axis parallel to the optical axis of the gas measurement laser light. When,
A correction light-receiving element that is disposed in the vicinity of the measurement light-receiving element and receives the correction reference light through the measurement target space;
A light transmittance detecting means for detecting a light transmittance in the measurement target space from a light reception signal from the correction light receiving element and a preset initial light amount signal;
A gas concentration correction means for correcting the concentration measurement value of the measurement target gas obtained by the gas concentration calculation means using the light transmittance output from the light transmittance detection means;
A laser gas analyzer characterized by comprising:
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。
In the laser type gas analyzer according to claim 1,
The light transmittance detecting means calculates a light transmittance T based on Equation 1,
T = S1 / S0 (Formula 1)
However, S1: The magnitude of the received light signal output from the correcting light receiving element when measuring the gas concentration
S0: Output from the correction light receiving element when the measurement target space is in a clean state.
The magnitude of the initial light quantity signal The gas concentration correction means uses the concentration measurement value G0 of the measurement target gas and the light transmittance T, and calculates the gas concentration signal G1 obtained by correcting the light quantity change amount caused by dust based on Equation 2. calculate,
G1 = G0 / T (Formula 2)
A laser gas analyzer characterized by that.
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