JP6076812B2 - レーザ濃度計測装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ濃度計測装置及び方法に関するものである。

従来、例えばボイラプラント内のガス配管内のガス濃度を計測する方法として、半導体レーザ吸収法による方法が確立され、ＪＩＳ化されている（ＪＩＳＢ７９９３：非特許文献１）。

この半導体レーザ吸収法によるレーザ装置では、ガス配管（主煙道）からガスの一部を分岐したガスを導入するサンプル配管に対し、レーザ装置からレーザ光を照射し、被測定ガス（例えばアンモニア）の成分・濃度等を分析している。例えば第１の検出器では、参照光（Ｉ₀）を求め、第２の検出器ではサンプル配管内の透過した光の強度（Ｉ）を求めており、透過率Ｔ＝（Ｉ／Ｉ₀）を求めており、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。

ＪＩＳＢ７９９３

ところで、レーザ手段は、レーザ発振部とレーザ受光部とを用いているので、レーザ光の光軸調整の精度が求められている。
しかしながら、ボイラプラント等の煙道近傍に、レーザ計測を実施する場合、レーザ送光部とレーザ受光部との光軸精度が不安定となる、という問題がある。

よって、例えばボイラプラント等の振動が大きい箇所においても、レーザ計測を実施することができる簡易なレーザ計測設備の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、例えばボイラプラント等の振動が大きい箇所においても、レーザ計測を実施することができる簡易なレーザ濃度計測装置及び方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、レーザ送光器からのレーザ光を導入する第１のコア及び第１のクラッドからなる送光用光ファイバと、レーザ受光器へレーザ光を導出する第２のコア及び第２のクラッドからなる受光用光ファイバと、前記送光用光ファイバ及び前記受光用光ファイバと各々コネクタを介して接続され、第３のコアの周囲に設けられた第３のクラッドに、前記第３のコア近傍から前記第３のクラッドの表面近傍まで軸方向に沿って微小細孔を複数形成してなる濃度計測用光ファイバと、を具備してなり、前記第３のクラッドの最外周に位置する微小細孔と前記第３のクラッド表面との間の距離（ｄ）が５λ（μｍ）以下であり、前記λは計測対象の成分の光吸収波長であり、前記濃度計測用光ファイバの外部に存在する計測対象媒体中に存在する計測対象成分の濃度に応じて、前記第３のクラッドから染み出る光の量により計測対象成分の濃度を求めることを特徴とするレーザ計測によるレーザ濃度計測装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記微小細孔の間の配置幅（Ｗ）が１λ(μｍ)以上２λ(μｍ)以下であることを特徴とするレーザ濃度計測装置にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記濃度計測用光ファイバがフォトニック結晶ファイバであることを特徴とするレーザ濃度計測装置にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記第３のコアが中空コアであることを特徴とするレーザ濃度計測装置にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記計測対象媒体が気相中、液相中、固相のいずれかの媒体に存在することを特徴とするレーザ濃度計測装置にある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つにおいて、前記コネクタが煙道に配置されると共に、前記濃度計測用光ファイバが前記煙道内に配置され、前記計測対象媒体が排ガスであることを特徴とするレーザ濃度計測装置にある。
第７の発明は、第１乃至５のいずれか一つにおいて、前記コネクタが煙道から排ガスが抜き出される試料チャンバに設置されると共に、前記濃度計測用光ファイバが前記試料チャンバ内に配置され、前記計測対象媒体が排ガスであることを特徴とするレーザ濃度計測装置にある。
第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つのレーザ濃度計測装置を用い、前記濃度計測用光ファイバを前記計測対象媒体中に晒し、計測対象成分の濃度に応じて前記第３のクラッドから染み出る光の量により、予め計測していた光の量と計測対象成分の濃度との関係から前記計測対象成分の濃度を求めることを特長とするレーザ濃度計測方法にある。

本発明によれば、濃度計測用光ファイバを用いてレーザ光の染み出し作用により光ファイバの外部に晒された計測対象物の濃度を求めることができ、従来のようなレーザ光を計測対象箇所に導入するためのレンズ群が不要となり、光軸調整も不要となって、例えばボイラプラント等の振動が大きい箇所においても、レーザ計測を実施することができる。

図１−１は、レーザ濃度計測装置に用いる濃度計測用光ファイバの断面図である。 図１−２は、レーザ濃度計測装置に用いる濃度計測用光ファイバの断面図である。 図２は、実施例１に係るレーザ濃度計測装置の概略図である。 図３は、吸収分光計測の吸収チャート図である。 図４は、実施例２に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。 図５は、煙道に設置するレーザ濃度計測装置の概略図である。 図６は、実施例３に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１−１、１−２は、レーザ濃度計測装置に用いる濃度計測用光ファイバの断面図である。図２は、実施例１に係るレーザ濃度計測装置の概略図である。
図２に示すように、本実施例に係るレーザ濃度計測装置１０は、レーザ送光器（以下「送光器」という）１１からのレーザ光１２を導入する第１のコア及び第１のクラッドからなる送光用光ファイバ１３と、レーザ受光器（以下「受光器」という）１４へレーザ光１２を導出する第２のコア及び第２のクラッドからなる受光用光ファイバ１５と、送光用光ファイバ１３及び受光用光ファイバ１５と各々第１及び第２のコネクタ１６、１７を介して接続され、且つ第３のコア２３の周囲に設けられた第３のクラッド２４に、軸方向に沿って微小細孔２２を、第３のコア２３近傍から前記第３のクラッド２４の表面２４ａ近傍まで複数形成してなる濃度計測用光ファイバ２５（図１−１参照）と、を具備してなり、濃度計測用光ファイバ２５の外部に存在する計測媒体（例えばガス）中に存在する計測対象成分（例えばアンモニア）の濃度に応じて、第３のクラッド２４から染み出る、いわゆるエバネッセント効果による光の量により計測対象成分の濃度を求めるものである。

本発明で用いる濃度計測用光ファイバ２５は、図１−１に示すように、第３のコア２３の周囲に設けられた第３のクラッド２４に、光ファイバの軸方向に沿って微小細孔２２を、第３のコア２３近傍から前記第３のクラッドの表面２４ａ近傍まで複数形成してなるものである。
このような光ファイバを構成する石英中に微小細孔２２の空孔の無数の配列構造を有するフォトニック結晶ファイバを用いている。

そして、微小細孔２２同士の間隔を調整することにより、微小細孔２２の光閉じ込め効果が変わってくるため、微小細孔２２部分に漏れ出す光の量を調整することができる。
本発明では、微小細孔２２，２２同士の間隔（幅：Ｗ）が２λ（μｍ）程度である場合、光はある程度、微小細孔部より漏れ出す。しかしながら、１λ（μｍ）以下の場合は、光閉じ込め効果が大きく、光は漏れ出す効果は少なくなるので好ましくない。

また、複数の微小細孔２２の内で最外周に位置する微小細孔２２と第３のクラッドの表面２４ａとの距離（ｄ）は、５λ（μｍ）以下、より好ましくは５λ以下２λ以上とするのが良い。これは、５λ（μｍ）以上であると、光の染み出る効果が薄れるからである。

このような構成の濃度計測用光ファイバ２５とすることで、濃度計測用光ファイバ２５の外部に存在する計測媒体（例えばガス）中に存在する計測対象成分（例えばアンモニア）の濃度に応じて、第３のクラッド２４から染み出る、いわゆるエバネッセント効果による光の量により計測対象成分の濃度を求めることができる。

ここで、λ(μｍ)は、計測対象の成分の光吸収波長に依存する。

また、図１−１は第３のコア２３と、微小細孔２２を有する第３のクラッド２４が例えば石英からなり、芯となるコアは中実であるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１−１のＡ部拡大の図１−２に示すように、コアが中空コア２３Ａとして、コア内の空気中に光を通過させるようにしても良い。

本実施例では、計測対象の媒体をガス（気相）とし、ガス中に存在する計測対象物、例えばアンモニア（ＮＨ₃）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化硫黄（ＳＯ₂）、メタン（ＣＨ₄）等の濃度を求めるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば液相中、固相等媒体に存在する計測対象物の濃度を計測することもできる。
ここで、液相への適用例としては、例えばボイラ脱硝装置への注入前ＮＨ₃液の濃度の管理、例えば人工衛星や魚雷燃料のＮＯ測定からの燃料濃度監視、例えばペットボトル内容物の水又は可燃物の識別、例えば工場排水のＮＨ₃の監視、海水や工場排水のメタン計測による全有機炭素（ＴＯＣ）モニタリング等の計測を例示することができる。
また、固相への適用例としては、例えば堆肥・肥料中のＮＨ₃の測定、海洋メタンハイドレート中のメタンの純度測定等を例示することができる。

レーザ濃度計測装置１０を用いて計測対象の濃度を計測する方法について説明する。
先ず、レーザ濃度計測装置１０を用い、濃度計測用光ファイバ２５を計測対象媒体（ガス）中に晒し、濃度計測用光ファイバ２５の外部に存在する計測対象成分（例えばアンモニア）の濃度に応じて、第３のクラッド２４から染み出る光の量を求める。
そして、予め計測していた光の量と濃度との関係から、測定時における濃度を求めることができる。

例えばガス中のガス成分であるアンモニア（ＮＨ₃）を計測する場合について説明する。
ここで、図３は、吸収分光計測の吸収チャート図である。
そして、ガス中のガス成分（例えばアンモニア（ＮＨ₃））を計測する場合には、所定濃度の計測対象成分（アンモニア等）が含まれる送光点（Ｘ）と受光点（Ｙ）との間のレーザ経路（光路長）Ｌであるガス濃度計測用光ファイバ２５の計測領域（Ｌ）を通過した後の受光強度（Ｉ₀’）を基準とし、この基準からガス成分の吸収による光強度（Ｉ）を求める。
計測対象成分（アンモニア）の濃度が増えると、光ファイバのクラッドから染み出る光の量が増えるので、受光器での受光強度は減少することとなる。
そして、（Ｉ）／（Ｉ₀’）によりガス成分（例えばアンモニア）濃度を求めることができる。
なお、受光強度（Ｉ₀）は、測定対象領域中に計測対象のガス成分（例えばアンモニア）がない環境で測定した光透過率の初期データである。

ガス成分（アンモニア等）の濃度を求める場合の光透過率は、ファイバまわりのガス濃度がすべて一様であると仮定した場合、∝＝ｆ（α・Ｃ・Ｌ・ｔ）の関数形であらわすことができる。
αは、アンモニア吸光係数（ｐｐｍ／ｍ²）である。
Ｃは、アンモニア濃度（ｐｐｍ／ｍ³）である。
Ｌは、濃度計測用光ファイバ２５の長さ（送光点（Ｘ）と受光点（Ｙ）との距離）である。
ｔは、温度補正値である。
上式より、予めファイバ長さＬを測定し、アンモニア濃度に応じたアンモニア吸光係数から換算表を求めておくことにより、アンモニアガス濃度Ｃを計測することができる。

ここで、第３のクラッド２４に形成される微小細孔２２の距離（ｄ）と幅（Ｗ）は、波長（λ）に依存し、対象ガス成分の光吸収波長に相当する。
計測対象成分として、例えばアンモニア（ＮＨ₃）を計測する場合には、レーザとしては、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓ）を例示することができ、波長（λ）は１．５μｍである。なお、レーザ出力としては、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる。

ここで、ガスとして排ガス中のＮＯを計測するには量子カスケードレーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示することができる。波長（λ）：５〜６μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる）を用いている。

また、ＳＯ₂（酸化硫黄）を計測する場合には、量子カスケードレーザ（波長（λ）：７．０〜７．５μｍを例示することができる）を用いることができる。

また、ガス成分として、メタン（ＣＨ₄）を計測する場合には、半導体レーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓを例示することができる。波長（λ）：１．６μｍ、出力：１ｍＷ程度のものを例示することができる）を用いることができる。

また、ガス成分として、酸素（Ｏ₂）を計測する場合には、ＡｌＧａＡｓ 系の化合物レーザ（波長（λ）：０．７８μｍ、出力：０．１〜１００ｍＷ（１ｍＷが好適）程度のものを例示することができる）を用いることができる。

図４は、実施例２に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。図５は、煙道に設置するレーザ濃度計測装置の概略図である。
図４に示すように、実施例２に係るボイラ装置１００Ａは、ボイラ１０１からの燃焼排ガス（以下「排ガス」という）１０２中に還元剤（例えばアンモニア：ＮＨ₃）を供給する還元剤供給手段であるアンモニア注入装置１０４と、還元剤が含まれた排ガス１０２中のＮＯｘを脱硝する脱硝触媒１０６を備えた脱硝装置１０５と、前記脱硝装置１０５の入口側に設けられ、前記脱硝装置１０５に導入する前の排ガス中のアンモニア濃度を計測する濃度計測用光ファイバ２５を有するレーザ濃度計測装置１０Ａ−１、１０Ａ−２とを具備し、前記レーザ濃度計測装置１０Ａ−１、１０Ａ−２の計測結果より、排ガス１０２中のアンモニア濃度を求めるものである。
図４中、符号３０はレーザ送光器１１及びレーザ受光器１４を備えたレーザ装置、３１はレーザ受光器１４からの検出情報を受け取り、アンモニア注入装置１０４に供給するアンモニアの開度を調整する指示を送る制御装置、１０７は空気予熱器、１０８は煙突、１０９は開度設定部を各々図示する。
レーザ装置３０は送光用光ファイバ１３及び受光用光ファイバ１５により、防爆エリア外に設置することができる。

図５に示すレーザ濃度計測装置１０Ａは、濃度計測用光ファイバ２５をＵ字型として、煙道１０３に設置した第１及び第２のコネクタ１６、１７を介して、送光用光ファイバ１３及び受光用光ファイバ１５と接続している。第１及び第２のコネクタ１６、１７の送光点（Ｘ）と受光点（Ｙ）との距離が計測対象物を計測するためのレーザ経路（光路長）Ｌとなる。

ここで、レーザ濃度計測装置１０Ａ−１、１０Ａ−２でアンモニアを計測する場合には、脱硝装置１０５の入口でレーザ濃度計測装置１０Ａ−１によりアンモニア供給量の確認と、脱硝装置１０５の出口で、レーザ濃度計測装置１０Ａ−２によりリークアンモニアの濃度の確認とを行い、この計測結果により、脱硝が適切になされているかを判断している。
適切に脱硝がなされていない場合には、制御装置３１から開度設定部１０９に信号を送り、開度設定部１０９からアンモニア注入装置１０４に開度信号を送って、アンモニアの供給量を調整するようにしている。

また、アンモニア（ＮＨ₃）濃度の計測以外に窒素酸化物（ＮＯ）の計測において、レーザ光の波長が異なるレーザ濃度計測装置を設置することで、これらの計測を同時に行い、脱硝が確実になされたか否かを確認することができる。

また、アンモニア計測以外に、レーザ濃度計測装置１０Ａ−１、１０Ａ−２として、一酸化窒素（ＮＯ）を計測する場合には、一酸化窒素（ＮＯ）計測用の波長（λ）５〜６μｍの濃度計測用光ファイバ２５を用いて、量子カスケードレーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ）を例示することができる。波長：５〜６μｍ、出力：１ｍＷ）を用いるようにしている。
そして、脱硝触媒１０６の入口側と出口側のＮＯ濃度の差により、脱硝が確実になされたかをその濃度計測の結果により制御装置３１で判断するようにしている。

そして、ＮＯ濃度が基準値以上であると判断したら、脱硝不良として、制御装置３１から開度設定部１０９に信号を送り、開度設定部１０９からアンモニア注入装置１０４に開度信号を送って、アンモニアの供給量を調整するようにしている。

このような脱硝装置１０５によれば、レーザ濃度計測装置１０Ａ−１、１０Ａ−２によって、煙道１０３における脱硝触媒１０６の入口側と出口側におけるＮＯ濃度分布が検出され、この検出結果が、制御装置３１を介して開度設定部１０９に出力される。

このとき、流量制御元弁の開度制御は、予め定めたアンモニア濃度と流量制御元弁毎の開度とのマップに基づいて行われるので、窒素酸化物濃度により総供給量が規定されたアンモニアは、流量制御元弁の開度に応じてアンモニア供給系統に対するアンモニア分配量を調整することができる。

このように、濃度計測用光ファイバ２５を用いてレーザ光の染み出し作用により光ファイバの外部に晒された計測対象物の濃度を求めることができるので、従来のようなレーザ光を計測対象箇所に導入するための、例えばレンズ群が不要となり、光軸調整も不要となって、例えばボイラプラント等の振動が大きい箇所においても、レーザ計測を実施することができる。

図６は、実施例３に係る脱硝装置を備えたボイラ装置の概略図である。
図６に示すように、実施例３に係るボイラ装置１００Ｂは、排ガス１０２の煙道１０３から排ガス１０２の一部１０２ａを抜き出し、濃度計測用光ファイバ２５が設置される試料チャンバ４２を備えたレーザ濃度計測装置１０Ｂ−１、１０Ｂ−２を設置している。
そして、排ガス１０２の一部を煙道１０３から抜き出し、試料チャンバ４２内に導入している。なお、排ガスは煙道内に戻すようにしている。
試料チャンバ４２内に導入された排ガス１０２の一部１０２ａ中に存在する計測対象（例えばアンモニア等）の濃度を、レーザ濃度計測装置１０Ｂ−１、１０Ｂ−２の濃度計測用光ファイバ２５により計測するようにしている。

ここで、レーザ濃度計測装置１０Ｂ−１、１０Ｂ−２でアンモニアを計測する場合には、脱硝装置１０５の入口でレーザ濃度計測装置１０Ｂ−１によりアンモニア供給量の確認と、脱硝装置１０５の出口で、レーザ濃度計測装置１０Ｂ−２によりリークアンモニアの濃度の確認とを行い、この計測結果により、脱硝が適切になされているかを判断している。
適切に脱硝がなされていない場合には、制御装置３１から開度設定部１０９に信号を送り、開度設定部１０９からアンモニア注入装置１０４に開度信号を送って、アンモニアの供給量を調整するようにしている。

また、実施例２と同様にアンモニア計測以外に、レーザ濃度計測装置１０Ｂ−１、１０Ｂ−２として、一酸化窒素（ＮＯ）を計測する場合には、一酸化窒素（ＮＯ）計測用の波長（λ）５〜６μｍの濃度計測用光ファイバ２５を用いて、量子カスケードレーザ（半導体素子：ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ）を例示することができる。波長：５〜６μｍ、出力：１ｍＷ）を用いるようにしている。
そして、脱硝触媒１０６の入口側と出口側のＮＯ濃度の差により、脱硝が確実になされたかをその濃度計測の結果により制御装置３１で判断するようにしている。

１０、１０Ａ−１、１０Ａ−２、１０Ｂ−１、１０Ｂ−２ レーザ濃度計測装置
１１ レーザ送光器
１２ レーザ光
１３ 送光用光ファイバ
１４ レーザ受光器
１５ 受光用光ファイバ
１６ 第１のコネクタ
１７ 第２のコネクタ
２２ 微小細孔
２３ 第３のコア
２４ 第３のクラッド
２５ 濃度計測用光ファイバ

Claims (8)

1. レーザ送光器からのレーザ光を導入する第１のコア及び第１のクラッドからなる送光用光ファイバと、
   レーザ受光器へレーザ光を導出する第２のコア及び第２のクラッドからなる受光用光ファイバと、
   前記送光用光ファイバ及び前記受光用光ファイバと各々コネクタを介して接続され、第３のコアの周囲に設けられた第３のクラッドに、前記第３のコア近傍から前記第３のクラッドの表面近傍まで軸方向に沿って微小細孔を複数形成してなる濃度計測用光ファイバと、を具備してなり、
   前記第３のクラッドの最外周に位置する微小細孔と前記第３のクラッド表面との間の距離（ｄ）が５λ（μｍ）以下であり、前記λは計測対象の成分の光吸収波長であり、
   前記濃度計測用光ファイバの外部に存在する計測対象媒体中に存在する計測対象成分の濃度に応じて、前記第３のクラッドから染み出る光の量により計測対象成分の濃度を求めることを特徴とするレーザ計測によるレーザ濃度計測装置。
2. 請求項１において、
   前記微小細孔の間の配置幅（Ｗ）が１λ（μｍ）以上２λ（μｍ）以下であることを特徴とするレーザ濃度計測装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記濃度計測用光ファイバがフォトニック結晶ファイバであることを特徴とするレーザ濃度計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   前記第３のコアが中空コアであることを特徴とするレーザ濃度計測装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   前記計測対象媒体が気相中、液相中、固相のいずれかの媒体に存在することを特徴とするレーザ濃度計測装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記コネクタが煙道に配置されると共に、前記濃度計測用光ファイバが前記煙道内に配置され、前記計測対象媒体が排ガスであることを特徴とするレーザ濃度計測装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記コネクタが煙道から排ガスが抜き出される試料チャンバに設置されると共に、前記濃度計測用光ファイバが前記試料チャンバ内に配置され、前記計測対象媒体が排ガスであることを特徴とするレーザ濃度計測装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つのレーザ濃度計測装置を用い、
   前記濃度計測用光ファイバを前記計測対象媒体中に晒し、前記計測対象成分の濃度に応じて前記第３のクラッドから染み出る光の量により、予め計測していた光の量と計測対象成分の濃度との関係から前記計測対象成分の濃度を求めることを特長とするレーザ濃度計測方法。

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