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