JP5630642B2 - レーザガス分析計 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象ガスが流れるプロセスラインに発光部からレーザ光を出射し、測定対象ガスを通過したレーザ光を受光部で受けて測定対象ガス中の測定対象成分濃度を測定するレーザガス分析計に関し、詳しくは、プロセスラインから発光部および受光部を取り外すことなく、現場での校正が可能なレーザガス分析計に関するものである。

レーザガス分析計は、測定対象ガス中のＯ₂（酸素）やＣＯ（一酸化炭素）等の測定対象成分の濃度を測定する分析計である。レーザガス分析計は、レーザ光を測定対象ガスに照射し、このレーザ光が測定対象ガスを通過するときに吸収される光の量から測定対象成分の濃度を測定する。

図３は、従来のレーザガス分析計の一例を示した構成図である。
図３において、プロセスラインＰは、例えば、化学プラントにおける各種工程のプロセスガスが流れる配管や電力プラントの大型ボイラから排出される燃焼排ガスが流れる煙道等である。発光部１は、測定対象成分の濃度測定に使用されるレーザ光を出射するレーザ光源を有してする。受光部２は、発光部１から出射されたレーザ光を受けるフォトダイオードを有している。

発光部１および受光部２は、図３に示すように、プロセスラインＰを挟んで互いに向き合うように取り付けられる。また、発光部１と受光部２の間は、信号ケーブルが接続され、互いに電気的信号の授受が行われる。

このようなレーザガス分析計の動作を説明する。
発光部１は、プロセスラインＰを流れる測定対象ガスにレーザ光を出射する。受光部２は、プロセスラインＰの測定対象ガスを通過したレーザ光が入射される。この測定は、発光部１から出射されたレーザ光の光路上の測定対象ガスによりレーザ光が吸収され、この吸収量が測定対象成分の濃度と関連することを利用してその濃度を検出するものである。すなわち、波長を連続的に変化させながら（変調をかけながら）レーザ光を測定対象ガスの空間に照射しており、この結果得られる受光部２のフォトダイオードの出力信号を演算制御部（図示せず）で分析・演算することにより測定対象成分の濃度を得る。

なお、演算制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等から構成され、レーザガス分析計を統括的に制御する。演算制御部は、発光部１、受光部２、または、それ以外の外部（例えば、操作用パネル等）に設けられる。

図４は、従来のレーザガス分析計の他の一例を示した構成図である。
図４に示す例では、プロセスラインＰにレーザガス分析計を直接取り付けられないために、プロセスラインＰの一区分をバルブで区切り、区切った部分と平行にバイパスラインＢを設けている。そして、このバイパスラインＢの両端に発光部１および受光部２を取り付けている。測定対象成分濃度の測定は、図３に示す例と同じで、異なる点は、プロセスラインＰに流れるガスを測定するのではなく、バイパスラインＢに流れるガスを測定する点である。

特許文献１には、簡易な構成で光軸調整範囲を広げたＬＤ出力部およびＬＤ光受光部を搭載して計測精度を向上させ、現場で光軸調整を行う場合、一人でも作業を可能として省力化をはかったレーザ式ガス分析計が記載されている。

特開２０１０−０９６６３１号公報

レーザガス分析計は、測定精度を維持するために、定期的に校正を行う必要がある。しかし、図３に示す従来例では、レーザガス分析計の校正を行う場合に、プロセスラインＰから発光部１および受光部２を取り外さなければならず、現場でのゼロ・スパン校正ができないという問題があった。

具体的には、ゼロ・スパン校正と呼ばれる校正を行う。レーザガス分析計におけるゼロ・スパン校正は、校正に使用される校正ガスと、校正ガスが充填される校正セルを用いて行われる。校正ガスは、測定対象ガスの濃度を測定する際の測定レンジの下限値の校正に使用されるゼロガスと、測定レンジの上限値の校正に使用されるスパンガスがある。例えは、測定対象ガスが最高濃度２０％の酸素である場合には、ゼロガスは窒素を用い、スパンガスは２０％濃度の酸素を用いる。

図３に示す従来例では、レーザガス分析計の校正を行う場合に、プロセスラインＰから発光部１および受光部２を取り外し、外部の校正セルに取り付ける。そして、校正セルにゼロガスまたはスパンガスを充填した状態で、測定を行い、測定値と期待値のずれを合わせ込んで校正を行う。

また、図４に示す従来例では、レーザガス分析計の校正を行う場合に、バルブを制御してプロセスラインＰとバイパスラインＢを分離し、バイパスラインＢに校正ガスを充填して校正を行う。すなわち、図４に示す従来例では、バイパスラインＢを校正セルとして代用しているために、発光部１と受光部２を取り外さずに校正を行うことができる。

しかし、図４に示す従来例では、プロセスラインＰからバイパスラインＢに測定対象ガスを引き込んでいるため、測定対象ガスがバイパスラインＢに到達するまでに時間がかかり、プロセスラインＰにレーザガス分析計を直接取り付ける方式（図３の例）よりも測定に時間がかかるという問題があった。さらに、バイパスラインＢの配管を行い、レーザガス分析計を取り付けるための強度をバイパスラインＢに持たせるために、コストがかかるという問題もあった。

そこで本発明の目的は、測定の高速性を維持し、プロセスラインＰから発光部および受光部を取り外すことなく、安価に現場での校正が可能なレーザガス分析計を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
測定対象ガスが流れるプロセスラインに発光部からレーザ光を出射し、前記測定対象ガスを通過した前記レーザ光を受光部で受けて前記測定対象ガス中の測定対象成分濃度を測定するレーザガス分析計において、
校正時の基準となる校正ガスが充填される校正セルと、
前記発光部から光ファイバーを介して入射されたレーザ光を測定時には前記プロセスラインに出射し、校正時には前記校正セルに出射する第１の光スイッチと、
測定時には前記プロセスラインを通過した前記レーザ光を光ファイバーを介して前記受光部へ出射し、校正時には前記校正セルを通過した前記レーザ光を光ファイバーを介して前記受光部へ出射する第２の光スイッチと、
前記第１の光スイッチからの前記レーザ光を前記プロセスラインへ導く光ファイバーと前記プロセスラインを通過した前記レーザ光を前記第２の光スイッチへ導く光ファイバーを前記プロセスラインにそれぞれ固定する第１の光ファイバー接続部と、
前記第１の光スイッチからの前記レーザ光を前記校正セルへ導く光ファイバーと前記校正セルを通過した前記レーザ光を前記第２の光スイッチへ導く光ファイバーを前記校正セルにそれぞれ固定する第２の光ファイバー接続部と
を備え、
前記第１の光スイッチと第２の光ファイバー接続部をつなぐ光ファイバーと前記第２の光スイッチと第２の光ファイバー接続部をつなぐ光ファイバーは、前記校正セルと第２の光ファイバー接続部と共に、前記第１の光スイッチと前記第２の光スイッチから取り外すことが可能なことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記第１の光ファイバー接続部は、
前記レーザ光の光軸の調整が可能なことを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記校正ガスを充填させることが可能な中空部分を有し、この中空部分に前記レーザ光を通過させる構造を有する光ファイバーを前記校正セルおよび前記第２の光ファイバー接続部の代わりに用いたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
測定対象ガスが流れるプロセスラインに発光部からレーザ光を出射し、前記測定対象ガスを通過した前記レーザ光を受光部で受けて前記測定対象ガス中の測定対象成分濃度を測定するレーザガス分析計において、校正時の基準となる校正ガスが充填される校正セルと、前記発光部から光ファイバーを介して入射されたレーザ光を測定時には前記プロセスラインに出射し、校正時には前記校正セルに出射する第１の光スイッチと、測定時には前記プロセスラインを通過した前記レーザ光を光ファイバーを介して前記受光部へ出射し、校正時には前記校正セルを通過した前記レーザ光を光ファイバーを介して前記受光部へ出射する第２の光スイッチと、前記第１の光スイッチからの前記レーザ光を前記プロセスラインへ導く光ファイバーと前記プロセスラインを通過した前記レーザ光を前記第２の光スイッチへ導く光ファイバーを前記プロセスラインにそれぞれ固定する第１の光ファイバー接続部と、前記第１の光スイッチからの前記レーザ光を前記校正セルへ導く光ファイバーと前記校正セルを通過した前記レーザ光を前記第２の光スイッチへ導く光ファイバーを前記校正セルにそれぞれ固定する第２の光ファイバー接続部とを備えたことにより、レーザガス分析計はプロセスラインに直接取り付けられ、光ファイバーは引き回しの自由度も高く、現場工事も簡単にできるので、測定の高速性を維持し、プロセスラインから発光部および受光部を取り外すことなく、安価に現場で校正することができる。

本発明のレーザガス分析計の第１の実施例を示した構成図である。 本発明のレーザガス分析計の第２の実施例を示した構成図である。 従来のレーザガス分析計の一例を示した構成図である。 従来のレーザガス分析計の他の一例を示した構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明のレーザガス分析計の第１の実施例を示した構成図である。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、図３に示す構成と異なる点は、光スイッチ３、校正セル４、光スイッチ５、光ファイバー接続部６および光ファイバー接続部７が新たに設けられている点である。

図１において、発光部１から光スイッチ３の間、光スイッチ３から光ファイバー接続部６の間、光スイッチ３から光ファイバー接続部７の間、光ファイバー接続部６から光スイッチ５の間、光ファイバー接続部７から光スイッチ５の間および光スイッチ５から受光部２の間は全て光ファイバーで接続されている。

光スイッチ３は、発光部１から測定対象ガスの測定に用いられるレーザ光が入射され、プロセスラインＰまたは校正セル４のどちらか一方に出射する。校正セル４は、レーザガス分析計の校正時に使用され、校正時の基準となる校正ガスが充填される。光スイッチ５は、測定時にはプロセスラインＰを通過したレーザ光を受光部２へ出射し、校正時には校正セル４を通過したレーザ光を受光部２へ出射する。

光ファイバー接続部６は、光スイッチ３からのレーザ光をプロセスラインＰへ導く光ファイバーとプロセスラインＰを通過したレーザ光を光スイッチ５へ導く光ファイバーをプロセスラインＰにそれぞれ固定する。また、光ファイバー接続部６は、光ファイバーを固定する機能だけではなく、光スイッチ３からプロセスラインＰへの光ファイバーから出射されるレーザ光が、プロセスラインＰを隔てて対向に位置する光スイッチ５への光ファイバーへ入射されるようにレーザ光の光軸を調整することができる。

光ファイバー接続部７は、光スイッチ３からのレーザ光を校正セル４へ導く光ファイバーと校正セル４を通過したレーザ光を光スイッチ５へ導く光ファイバーを校正セル４にそれぞれ固定する。また、光ファイバー接続部７は、光ファイバーを固定する機能だけではなく、光スイッチ３から校正セル４への光ファイバーから出射されるレーザ光が、校正セル４を隔てて対向に位置する光スイッチ５への光ファイバーへ入射されるようにレーザ光の光軸を調整することができる。

このようなレーザガス分析計の動作を説明する。
測定時には、光スイッチ３は、プロセスラインＰ側（図１中のａ方向）にレーザ光を出射するように制御され、光スイッチ５は、プロセスラインＰ（図１中のｃ方向）から入射されるレーザ光を受光部２へ出射するように制御される。なお、光スイッチ３および光スイッチ５の制御は、演算制御部（図示せず）が行い、この演算制御部は、従来と同様に、発光部１、受光部２、または、それ以外の外部（例えば、操作用パネル等）に設けられる。

発光部１は、光スイッチ３および光ファイバー接続部６を介して、プロセスラインＰを流れる測定対象ガスにレーザ光を出射する。受光部２は、プロセスラインＰの測定対象ガスを通過したレーザ光が、光ファイバー接続部６および光スイッチ５を介して入射される。そして、従来と同様に、測定対象成分の濃度を求める。

一方、校正時には、光スイッチ３は、校正セル４側（図１中のｂ方向）にレーザ光を出射するように制御され、光スイッチ５は、校正セル４（図１中のｄ方向）から入射されるレーザ光を受光部２へ出射するように制御される。そして、校正セル４に校正ガスを充填し、ゼロ・スパン校正を行う。なお、校正ガスは、バルブ（図示せず）等を介して外部から校正セル４へ流入される。

従来と同様に、校正ガスは、測定対象成分の濃度を測定する際の測定レンジの下限値が濃度０．１％の場合に校正に使用されるゼロガスと、測定レンジの上限値の校正に使用されるスパンガスがあり、例えば、測定対象成分が最大濃度２０％の酸素である場合には、ゼロガスは窒素を用い、スパンガスは２０％濃度の酸素を用いる。

このように、演算制御部が、測定時には、光スイッチ３および光スイッチ５にプロセスラインＰ側を選択させて測定を行い、校正時には、光スイッチ３および光スイッチ５に校正セル４側を選択させて校正を行うことにより、レーザガス分析計はプロセスラインＰに取り付けた状態で校正ができ、また、直接取り付けられているので、図４に示す従来例のバイパス方式と比較して高速に測定することができる。

また、発光部１から光スイッチ３の間、光スイッチ３から光ファイバー接続部６の間、光スイッチ３から光ファイバー接続部７の間、光ファイバー接続部６から光スイッチ５の間、光ファイバー接続部７から光スイッチ５の間および光スイッチ５から受光部２の間を全て光ファイバーで接続することにより、図４に示す従来例のように高価なバイパスラインＢを設ける必要はなくなり、光ファイバーは引き回しの自由度も高く、現場工事も簡単にできるので、コストを抑えることができる。

結果として、測定の高速性を維持し、プロセスラインＰから発光部１および受光部２を取り外すことなく、安価に現場で校正することができる。

［第２の実施例］
図２は、本発明のレーザガス分析計の第２の実施例を示した構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図２において、図１に示す構成と異なる点は、校正セル４および光ファイバー接続部７の代わりに光ファイバー８が設けられている点である。

図２において、光ファイバー８は、校正ガスを充填させることが可能な中空部分を有し、中空部分にレーザ光を通過させる構造となっている。校正ガスは、図２に示すように、光ファイバー８の中空部分に開いた穴等から流入される。

このようなレーザガス分析計の動作を説明する。
測定時の動作は、図１に示す実施例と同じため、省略する。校正時、光スイッチ３は、光ファイバー８側（図２中のｂ方向）にレーザ光を出射するように制御され、光スイッチ５は、光ファイバー８（図２中のｄ方向）から入射されるレーザ光を受光部２へ出射するように制御される。そして、光ファイバー８の中空部分に校正ガスを充填し、図１に示す実施例と同様に、ゼロ・スパン校正を行う。

このように、光ファイバー８を用いて校正を行うことにより、図１に示す実施例と同様に、測定の高速性を維持し、プロセスラインＰから発光部１および受光部２を取り外すことなく、安価に現場で校正することができる。また、図１に示すような校正セル４および光ファイバー接続部７がなくなるので、さらにコストを抑えることができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）図１に示す実施例において、光スイッチ３と光ファイバー接続部７をつなぐ光ファイバーと、光スイッチ５と光ファイバー接続部７をつなぐ光ファイバーは、校正セル４と光ファイバー接続部７と共に、光スイッチ３および光スイッチ５から取り外すことが可能な構造にしてもよい。この場合、校正時には、光スイッチ３と光ファイバー接続部７をつなぐ光ファイバー、光スイッチ５と光ファイバー接続部７をつなぐ光ファイバー、校正セル４および光ファイバー接続部７を取り付けてから校正を行うようにする。

（２）同様に、図２に示す実施例において、光ファイバー８は、光スイッチ３および光スイッチ５から取り外すことが可能な構造にしてもよい。この場合、校正時には、光ファイバー８を取り付けてから校正を行うようにする。

１ 発光部
２ 受光部
３ 光スイッチ（第１の光スイッチ）
４ 校正セル
５ 光スイッチ（第２の光スイッチ）
６ 光ファイバー接続部（第１の光ファイバー接続部）
７ 光ファイバー接続部（第２の光ファイバー接続部）
８ 光ファイバー
Ｐ プロセスライン

Claims (3)

1. 測定対象ガスが流れるプロセスラインに発光部からレーザ光を出射し、前記測定対象ガスを通過した前記レーザ光を受光部で受けて前記測定対象ガス中の測定対象成分濃度を測定するレーザガス分析計において、
   校正時の基準となる校正ガスが充填される校正セルと、
   前記発光部から光ファイバーを介して入射されたレーザ光を測定時には前記プロセスラインに出射し、校正時には前記校正セルに出射する第１の光スイッチと、
   測定時には前記プロセスラインを通過した前記レーザ光を光ファイバーを介して前記受光部へ出射し、校正時には前記校正セルを通過した前記レーザ光を光ファイバーを介して前記受光部へ出射する第２の光スイッチと、
   前記第１の光スイッチからの前記レーザ光を前記プロセスラインへ導く光ファイバーと前記プロセスラインを通過した前記レーザ光を前記第２の光スイッチへ導く光ファイバーを前記プロセスラインにそれぞれ固定する第１の光ファイバー接続部と、
   前記第１の光スイッチからの前記レーザ光を前記校正セルへ導く光ファイバーと前記校正セルを通過した前記レーザ光を前記第２の光スイッチへ導く光ファイバーを前記校正セルにそれぞれ固定する第２の光ファイバー接続部と
   を備え、
   前記第１の光スイッチと第２の光ファイバー接続部をつなぐ光ファイバーと前記第２の光スイッチと第２の光ファイバー接続部をつなぐ光ファイバーは、前記校正セルと第２の光ファイバー接続部と共に、前記第１の光スイッチと前記第２の光スイッチから取り外すことが可能なことを特徴とするレーザガス分析計。
2. 前記第１の光ファイバー接続部は、
   前記レーザ光の光軸の調整が可能なことを特徴とする請求項１記載のレーザガス分析計。
3. 前記校正ガスを充填させることが可能な中空部分を有し、この中空部分に前記レーザ光を通過させる構造を有する光ファイバーを前記校正セルおよび前記第２の光ファイバー接続部の代わりに用いたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザガス分析計。

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