JP5204078B2 - 配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道 - Google Patents
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Description
図15に示すように、ガス配管から分岐されたサンプル配管101に対し、レーザ装置110からレーザ光Lを照射し、被測定ガス102のガス成分を分析している。
ここで、符号101a、101bは石英窓、112は反射ミラー、113は第1の検出器であり、114は第2の検出器である。
前記第1の検出器113では、参照光(I0)を求め、第2の検出器114ではサンプル配管101内の透過した光の強度(I)を求めており、透過率T=(I/I0)を求めている。この分析手法により、様々なガス成分濃度のオンライン分析が可能となってきている。
また、ガス組成以外に、ガスプラント由来のガス成分以外の成分(例えばハイドロカーボン(HC:油分)、煤塵、アルカリ金属等)についても、同時に計測することで一度の計測で多面的な分析が可能な配管中のガス成分計測装置の出現が望まれている。
さらに、同時にガス中の油分(ハイドロカーボン)、煤塵、金属成分等の成分も計測でき、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
図1は、実施例1に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図1に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Aは、煙道15中の被測定ガス11に対して照射される基本レーザ光(なお、実線は光軸を示す)22により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)から被測定ガス11中のガス成分を計測するものである。
図1中、15a、15bはレーザ光の透過する石英窓、29は分光器、31は集光レンズ、33は光フィルタ、34a〜34dはミラーを各々図示する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素(NO)にレーザ光を照射して、電子的に励起させると、図2に示すように、基底状態(X)から、励起状態に励起(X準位→A準位→E準位)する。
このとき、E準位の分子の数がC準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、E準位からC準位に自然放出され、これがきっかけとなり、E準位からC準位の誘導放出である1170〜1184nmの自然放射増幅光(ASE)が発生する。
一酸化炭素(CO)、水(H2O)、二酸化窒素(NO2)、メタン(CH4)、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。
図3に示すように、一酸化炭素(CO)では、基底状態から215nmの2光励起により、X準位からE準位に励起される。
よって、本実施例では、前記ガス測定部25に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したASE14を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。
また、ASEは指向性のある光として発振するので、ASE発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ASEは赤外領域の光であるので、入射レーザ光(可視光線、紫外光)との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
ここで、前記ハイドロカーボンの検出には蛍光検出部51において、波長300〜450nm(より好適には350〜400nm)以外の波長を除外する分光器を備え、ハイドロカーボン検出を良好としている。
これにより、ASE14の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中に存在するハイドロカーボン(HC)の分析も可能となる。
図4は、実施例2に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図4に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Aは、前記蛍光検出部51において、ガス成分中のNO由来の蛍光(NO)50Aを計測し、予め測定しておいた温度曲線に照らして、ガス中の温度計測を行うようにしている。
ここで、前記NO由来の蛍光(NO)50Aの検出には蛍光検出部51において、波長300nm以下の波長の光を透過するフィルタ(好適には205nm以下、例えば227nmのフィルタ等)を有する分光器を備え、NO由来の蛍光(NO)50Aの検出を良好としている。
これにより、ASE14の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中の温度を計測することが可能となる。
このチャートは電子状態における基底状態から第一励起状態の電子励起振動回転スペクトルである。
Nj/Nj=0=(2J+1)exp(−[(kcBJ)・(J+1)]/(kT))…(1)
ここで、
Nj:回転量子数Jにおける分子数(数密度)
Nj=0:全分子数
J:回転量子数
k:ボルツマン定数
c:光速度
B:回転定数
T:温度(回転温度)
である。
また、ハイドロカーボン(HC)由来の蛍光との分離には、HC由来の蛍光は350〜400nmの範囲で計測するので、300nm以下となるように、分光器を用いて分光する。これにより、NO由来の蛍光(NO)50AとHC由来の蛍光(HC)50Bの両方の蛍光が測定できる。
図7は、実施例3に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図7に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Bは、図1に示した蛍光検出部51以外に、さらに、第1のレーザ光22−1又は第2のレーザ光22−1のいずれかを用いて、ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光60を計測する煤塵検出部61を具備するものである。これにより、煤塵が発するミー散乱光60を煤塵検出部61で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めることができる。なお、前記煤塵検出部61としては、例えばファトダイオード(Si半導体型等)を例示することができるが、これに限定されるものではない。
一方、波長の長い第2のレーザ光(波長:600nm)22−2を用いる場合には、大きい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
よって、求める粒径に応じて、第1のレーザ光か第2のレーザ光かを選択し、どちらかのラインを遮断するチョッパ62−1、62−2を設けるようにしている。
図9は、実施例4に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図9に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Cは、図1に示した蛍光検出部51以外に、前記基本レーザ光22を用いて、ガス中に存在するアルカリ金属成分が発するプラズマ光70を計測する金属成分検出部71を具備するものである。
本実施例では、レーザ装置21からの波長1064nmの基本レーザ光22を排ガス中の金属成分に照射させ、この際に発生するプラズマ光70を金属成分検出部71で計測している。
図10は、実施例5に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図10に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Dは、図1に示した装置において、前記ガス測定部が長い配管である煙道15aからなる計測部であり、長い煙道15a内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、合波レーザ光22−3を照射し、前記配管81に沿った所定間隔の各ゾーンS1〜Snの計測位置毎に、第1の蛍光検出部51Aの焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50Bを検出するようにしている。
ここで、図10中、符号15b、15cは石英窓、81は、特定の波長の光(ASE14)を反射し、その他の波長の光(蛍光50)を透過するダイクロイックミラー、82は受光した光の内、所定の波長をカットするフィルタである。
なお、ASE14の計測は、前述したのと同様に、光検出器26にて計測する。
ここで、本発明で長い配管とは、(配管長さ/配管直径)>10の配管をいい、産業設備の各種プラントにおける配管の場合、最低5m以上の長さのものを一般に示している。
そして、少なくとも数カ所の各ゾーンS1〜Snで計測し、その平均を求めるので、排ガス状態をより的確に把握することができる。
温度情報は、各ゾーンS1〜Snでの配管内の温度分布情報と、その平均温度情報との両方を求めることができる。
なお、NO濃度の蛍光(NO)50Aの計測には、図6に示すように、J=16.5の計測と、J=4.5の計測と二回の波長挿引することが必要となる。
なお、NOの代わりに、CO濃度を計測することでも温度を計測することができる。その場合の分光手段は107〜108nmの波長のみを透過できるものを用いるようにすればよい。この光学手段としては、真空紫外用分光器を例示でき、測定波長域が真空紫外域であるため、酸素のない測定場である必要がある。ここでCO濃度を計測するにはさらに、フィルタを切り替えて計測する。
図11は、実施例6に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図11に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Eは、図10に示した装置において、さらに、前記煙道15aに沿った所定間隔のゾーンS1〜Sn毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート83−1〜83−nを複数設け、蛍光(NO)50Aより分光器51bを有する第2の蛍光検出部51BでNO濃度を検出するものである。なお、図11中、符号84は光ファイバを図示する。
本実施例では、前記煙道15aに沿った所定間隔のゾーンS1〜Sn毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート83−1〜83−nを複数設けることにより、各ゾーンでの蛍光(NO)50Aを各ポートで各々検出し、分光器51bを有する第2の蛍光検出部51Bで蛍光強度を計測するようにしている。本実施例では、分光器51bを有するので、実施例5のような、図6に示すJ=16.5の計測と、J=4.5の計測と二回の波長挿引が不要となる。
よって、第1の蛍光検出部50Aでハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50Bを計測すると共に、第2の蛍光検出部50BでNO由来の蛍光(NO)50Aを計測することができる。
図12は、実施例7に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図12に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Fは、実施例6に示す配管中のガス成分計測装置10Eにおいて、前記煙道15aに沿った所定間隔のゾーンS1〜Sn毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート83−1〜83−nを複数設けることにより、各ゾーンでのミー散乱光60を各光検出ポートで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光60を煤塵検出部61で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第1の蛍光検出部51Aでハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50BとNO由来の蛍光(NO)50Aを計測すると共に、煤塵検出部61で煤塵濃度を計測することができる。
図13は、実施例8に係るガス成分計測装置の概略図である。図13に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計配管中の測装置10Gは、図11に示す配管中のガス成分計測装置10Eにおいて、さらに、各ゾーンS1〜Snでのミー散乱光60を各光検出ポート83−1〜83−nで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光60を煤塵検出部61で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第1の蛍光検出部51Aでハイドロカーボン由来の蛍光(HC)50Bを計測すると共に、第2の蛍光検出部51BでNO由来の蛍光(NO)50Aを計測し、更に煤塵検出部61で煤塵濃度を計測することができる。
図14は、実施例9に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図14に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置10Hは、図13に示す配管中のガス成分計測装置10Gにおいて、さらに、基本レーザ光(1064nm)22を照射するラインを有し、移動集光レンズ90が移動レール91上を移動し、基本レーザ光(1064nm)22の焦点を各ゾーンS1〜Snにあて、これにより発生するプラズマ光70を各ゾーンS1〜Snで計測し、それを光ファイバ85により、金属成分検出部71に送り、ここでレーザブレイクダウン法により、排ガス中に含まれる金属成分(Na、K、Li、Ca、Mgの酸化物等)を検出するようにしている。
11 被測定ガス
14 ASE
21 レーザ装置
22 基本レーザ光
22−1 第1のレーザ光
22−2 第2のレーザ光
23 第1の波長変換部
24 第2の波長変換部
25 ガス測定部
26 光検出器
50 蛍光
50A 蛍光(NO)
50B 蛍光(HC)
51 蛍光検出部
51A 第1の蛍光検出部
51B 第2の蛍光検出部
60 ミー散乱光
61 煤塵検出部
Claims (9)
- レーザ装置から発振された基本レーザ光を第1のレーザ光に波長変換する第1の波長変換部と、
前記基本レーザ光を波長変換し、第2のレーザ光とする第2の波長変換部と、
第1及び第2のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部25と、
照射される第1のレーザ光及び第2のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)を計測する光検出器と、
前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項1において、
被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項1又は2において、
第1のレーザ光又は第2のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項1において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項5において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第2の蛍光検出器でNO濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項5又は6において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項6又は7において、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を金属成分検出部で検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。 - 請求項5乃至8のいずれか一つの配管中のガス成分計測装置を有することを特徴とする排ガス成分計測用煙道。
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