JP5120640B2 - ガス分析計 - Google Patents

Description

本発明はガス分析計に関し、詳しくは、測定対象ガスが流れる管路内に測定光を入射させ、前記測定対象ガスを通過した測定光の波長吸収量に基づいて前記測定対象ガス中の測定対象成分の濃度を測定するガス分析計に関するものである。

図４は、従来のガス分析計の一例として示すレーザ式ガス分析計の構成図である。このレーザ式ガス分析計は、排ガスが流れる煙道などに直接取り付けて分析を行う直挿型として構成されている。

測定対象ガスＳＧが、管路１００内を図中上から下へと流れている。管路１００の対向する壁面には、取り付け管１０１，１０２の各一方の端部が固定されている。取り付け管１０１の他方の端部には、管路１００を流れる測定対象ガスＳＧに向けてレーザ光を出射する光源部２が固定されている。また、取り付け管１０２の他方の端部には、測定対象ガスＳＧを通過したレーザ光を受光する受光部４が固定されている。取り付け管１０１，１０２の内部は、それぞれウェッジウィンドウで構成されたウィンドウ部１３１，１３２によって仕切られており、測定対象ガスＳＧはこれらのウィンドウ部よりも管路１００側を流れるように隔離されている。
なお、ウィンドウ部１３１，１３２を構成するウェッジウィンドウは、互いの対向面が平行でない平面を有する光学素子であり、光源へ光が戻らないように反射させるために使用される部品である。また、Ｌは光源部２から受光部４までのレーザ光の光路を示している。

受光部４にて受光される測定対象ガスＳＧを通過したレーザ光から、測定対象成分に固有の吸収波長の減衰度合いを計測し、この計測結果に基づいて測定対象ガス中に含まれる測定対象成分の濃度が求められる。

ところで、測定対象ガスＳＧには粉塵や油分などの汚れＤが含まれている。ウィンドウ部１３１，１３２の管路１００側の面は、測定対象ガスＳＧに直接接触するため、汚れＤの付着により表面が汚れる場合がある。光路Ｌ上に汚れが生じると、レーザ光の通過が遮られ、正常なレーザ光の照射および受光ができない。そのため、測定対象ガスＳＧの分析結果に誤差が生じてしまう。

そこで、ウィンドウ部１３１，１３２の表面にパージガスＰＧを連続的に噴射することによって、ウィンドウ部１３１，１３２の表面に汚れが生じるのを防止している。パージガスＰＧとしては、通常の空気や窒素が用いられることが多い。

下記特許文献１には、レーザ光を発信（または受信）する発信器（または受信器）の前部に設けられた集光レンズ表面の汚れ防止のために、パージガスを連続的に供給するレーザ式分析計が記載されている。

特開２００６−１２５８４８号公報

しかしながら、上記のようなガス分析計では、ウィンドウ部１３１，１３２の表面が汚れるのを防止するために常にパージガスＰＧを供給し続けなければならず、多額のメンテナンスコストやランニングコストが必要となる。

また、ガス分析計のアプリケーションによっては、パージガスＰＧの供給により測定対象ガスＳＧのガス組成のバランスが崩れてしまい、測定対象ガスＳＧを正確に分析することができなくなってしまう。
たとえば、燃焼制御等の目的でごみ焼却炉や灰溶融炉の排ガス中の酸素濃度を測定する場合には、パージガスＰＧとして空気を用いると、排ガス中の酸素濃度に変動が生じる。そのため、パージガスＰＧとして利用できるガスが窒素などに限定されてしまう。

また、そのような適切なパージガスＰＧを供給できる設備がないところでは、上記のようなガス分析計を利用することができない。

本発明は、従来装置の問題をなくし、パージを行う必要のないガス分析計を提供することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、請求項１の発明は、
測定対象ガスが流れる管路内に測定光を入射させ、測定対象ガスを通過した測定光の波長吸収量に基づいて測定対象ガス中の測定対象成分の濃度を測定するガス分析計において、
測定光の光路上であって、管路内部に表面が露出するように配置されるウィンドウ部と、
このウィンドウ部の測定対象ガスの流れ方向に沿った両端部に取り付けられ、電圧が印加される電極部とを備え、
ウィンドウ部は、管路内部に露出する表面に、電解質イオンを含む薬剤が塗布されたことを特徴とする。

請求項２の発明は、
請求項１に記載のガス分析計において、薬剤は、測定光に対する波長吸収のピークが測定対象成分と異なることを特徴とする。

請求項３の発明は、
請求項１または２に記載のガス分析計において、薬剤は、ゲル状であることを特徴とする。

請求項４の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載のガス分析計において、ウィンドウ部は、電極部を介して管路に固定されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載のガス分析計において、電極部は、所定の周期で電圧が印加されることを特徴とする。

請求項６の発明は、
請求項１〜５のいずれかに記載のガス分析計において、測定光はレーザ光であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、
ウィンドウ部に電解質イオンを含む薬剤を塗布し、このウィンドウ部に電極部を取り付けて電圧を印加し、電解質イオンが移動するのを利用してウィンドウ部に付着した汚れを測定光の光路上から除去することにより、パージを行う必要のないガス分析計を提供することができる。
ガス分析計をパージレスとしたことにより、パージを行うことにより問題が生じていたアプリケーションにも、ガス分析計を適用することができる。さらに、パージに起因するメンテナンスコストやランニングコストを削減できる。

請求項２の発明によれば、
薬剤の測定光に対する波長吸収のピークが測定対象成分と異なるため、測定対象ガスによる波長吸収に影響を与える心配がない。

請求項３の発明によれば、
薬剤がゲル状であるため、乾燥しにくく、長期間安定してウィンドウ部に付着した汚れを除去できる。

請求項４の発明によれば、
ウィンドウ部が電極部を介して管路に固定されているため、電極部が固定部材としての機能を兼ね、少ない部品数でガス分析計を構成できる。

請求項５の発明によれば、
電極部は、所定の周期で電圧が印加されるため、ウィンドウ部に付着した汚れがある程度たまった段階で効率良く汚れを除去できる。

請求項６の発明によれば、
測定光をレーザ光とすることにより、レーザ式ガス分析計を構成することができる。

図１は、本発明を直挿型のレーザ式ガス分析計に適用した一実施例を示す構成図であり、従来例と同じ構成要素には同じ番号を付して説明を省略する。

測定対象ガスＳＧが管路１内を図中上から下へと流れている。管路１の対向する壁面には、レーザ光を透過させるウィンドウ部３１，３２が固定され、さらにこれらのウィンドウ部３１，３２にはそれぞれ取り付け管１１，１２の一方の端部が固定されている。取り付け管１１の他方の端部には光源部２が固定され、取り付け管１２の他方の端部には受光部４が固定されている。
取り付け管１１，１２はそれぞれウィンドウ部３１，３２によって管路１から仕切られており、測定対象ガスＳＧから隔離されている。

ウィンドウ部３１，３２は、それぞれレーザ光の光路Ｌにほぼ直交する垂直面（以下、単に「垂直面」と記載する。）と斜交する傾斜面とを有している。ウィンドウ部３１，３２は、ともに垂直面がレーザ光の入射側、すなわち光源部２側を向くように、さらに、レーザ光の戻り光がないように光路Ｌに対し各々若干傾斜させた状態で固定・配置されている。ウィンドウ部３１は、傾斜面が管路１の内部に露出するようにして固定されている。また、ウィンドウ部３２は、垂直面が管路１の内部に露出するようにして固定されている。

ウィンドウ部３１の測定対象ガスＳＧの上流側の端面には電極部３１０が、下流側の端面には電極部３１１が設けられている。同様に、ウィンドウ部３２の測定対象ガスＳＧの上流側の端面には電極部３２０が、下流側の端面には電極部３２１が設けられている。電極部３１０，３２０は電源部５の正（＋）側の出力端子に接続され、電極部３１１，３２１は電源部５の負（−）側の出力端子に接続される。これにより、ウィンドウ部３１，３２に対して所定の電圧が印加できるようになっている。

図２はウィンドウ部３１，３２およびこれらのウィンドウ部に設けられた電極部を示す図である。図２の（ａ）はウィンドウ部３１とその電極部３１０，３１１、（ｂ）はウィンドウ部３２とその電極部３２０，３２１である。

図２の（ａ）において、ウィンドウ部３１は、ウェッジウィンドウ３１ａと、このウェッジウィンドウ３１ａの表面に塗布された薬剤３１ｂとから構成されている。電極部３１０，３１１は、それぞれ薬剤３１ｂに接触するようにウェッジウィンドウ３１ａに取り付けられている。なお、電極部３１０，３１１は、ウィンドウ部３１全体を管路１に固定するための固定部材としての機能を兼ねる。

薬剤３１ｂは、ウェッジウィンドウ３１ａの傾斜面、すなわち管路１の内部に露出する面に塗布される。薬剤３１ｂは、導電性高分子ゲルなど、電解質イオンを含むものを使用する。また、薬剤３１ｂは、光源部２からのレーザ光に対する波長吸収のピークが、測定対象ガスＳＧに含まれる測定対象成分による吸収波長のピークと異なるものを使用する。

薬剤３１ｂは電解質イオンを含んでいるため、電源部５からウィンドウ部３１に電圧が印加されると、薬剤３１ｂ中の電解質イオンは一定の方向に移動する。すなわち、薬剤３１ｂ中の陰イオンは正電圧が印加される電極部３１１側へ移動し、陽イオンは負電圧が印加される電極部３１０側へ移動する。

図２の（ｂ）に示すウィンドウ部３２は、垂直面に薬剤が塗布されている点以外はウィンドウ部３１と同じ構造である。
ウィンドウ部３２は、ウェッジウィンドウ３２ａと、このウェッジウィンドウ３２ａの垂直面の表面に塗布された薬剤３２ｂとから構成されている。電極部３２０，３２１は、それぞれ薬剤３２ｂに接触するようにウェッジウィンドウ３２ａに取り付けられている。なお、電極部３２０，３２１は、ウィンドウ部３２全体を管路１に固定するための固定部材としての機能を兼ねる。

薬剤３２ｂは、薬剤３１ｂと同じものを用いる。電源部５からウィンドウ部３２に電圧が印加されると、薬剤３２ｂ中の陰イオンは正電圧が印加される電極部３２１側へ移動し、陽イオンは負電圧が印加される電極部３２０側へ移動する。

図３は、本実施例のレーザ式ガス分析計の動作説明図である。図３では、ウィンドウ部３１，３２に付着した汚れＤの除去について、代表してウィンドウ部３１で説明する。

管路１を測定対象ガスＳＧが流れる際に、測定対象ガスＳＧ中に含まれる汚れＤがウィンドウ部３１の光路Ｌ内に付着する。このとき、図３の（ａ）に示すように、汚れＤはウェッジウィンドウ３１ａに直接付着するのではなく、薬剤３１ｂに付着する。薬剤３１ｂに付着した汚れＤは、薬剤３１ｂ中の陰イオンまたは陽イオンのいずれかと結合する。

電源部５からウィンドウ部３１に電圧が印加されると、薬剤３１ｂ中の陰イオン、陽イオンは、それぞれ電極部３１１側、電極部３１０側へ移動する。このとき、汚れＤも、結合した電解質イオンの極性に応じて電極部３１１，３１０のいずれかの方向に引き寄せられる。すなわち、汚れＤが結合した電解質イオンが陰イオンであった場合には汚れＤは電極部３１１側へ移動し、汚れＤが結合した電解質イオンが陽イオンであった場合には汚れＤは電極部３１０側へ移動する。図３の（ｂ）は、汚れＤが陰イオンと結合して電極部３１１側へ移動する様子を示している。このようにして、汚れＤは、光路Ｌ外へと排除される。

移動した汚れＤは、図３の（ｃ）に示すように、ウィンドウ部３１の傾斜面の縁部に蓄積されていく。汚れＤは、ある程度蓄積された時点で、図３の（ｄ）に示すように、測定対象ガスＳＧの流れによってさらに下流側へと飛ばされていく。

なお、図３の（ｂ），（ｃ）では、汚れＤが陰イオンと結合して電極部３１１側へ移動する例を示したが、汚れＤが陽イオンと結合した場合には、汚れＤは電極部３１０側へ移動する。汚れＤの移動方向は、測定対象ガスＳＧの上流側である電極部３１０側であっても問題ない。汚れＤを、ウィンドウ部３１上に最初に付着した地点からいずれかの方向に移動させて光路Ｌから排除することにより、レーザ式ガス分析計の本来の分析精度が保たれる。

本実施例は以上のように構成され、
ウェッジウィンドウ３１ａ，３２ａに電解質イオンを含む薬剤３１ｂ，３２ｂを塗布してウィンドウ部３１，３２を構成し、このウィンドウ部３１，３２に電極部３１０，３１１，３２０，３２１を取り付けて電圧を印加し、電解質イオンが移動するのを利用してウィンドウ部３１，３２に付着した汚れＤをレーザ光の光路Ｌ上から除去することにより、パージを行う必要のないレーザ式ガス分析計を提供することができる。

電極部３１０，３１１，３２０，３２１に電圧を印加するだけで容易に汚れＤを光路Ｌ上から除去できる。また、電極部３１０，３１１，３２０，３２１に電圧を印加しておけば、ウィンドウ部３１，３２のメンテナンスを長期間不要とすることができる。

本実施例のレーザ式ガス分析計はパージレスであるため、パージを行うことにより問題が生じていたアプリケーションにも適用することができる。さらに、パージに起因するメンテナンスコストやランニングコストを削減できる。

また、光路Ｌ上に薬剤３１ｂ，３２ｂが存在することになるが、薬剤３１ｂ，３２ｂのレーザ光に対する波長吸収のピークは測定対象成分による波長吸収のピークと異なるため、測定対象ガスＳＧの分析結果に影響を与えない。塗布する薬剤を、レーザ式ガス分析計のアプリケーションに合わせて選定すれば、様々な測定対象成分の分析に対応できる。

また、薬剤３１ｂ，３２ｂはゲル状であるため、乾燥しにくく、長期間安定してウィンドウ部３１，３２に付着した汚れＤを除去できる。

また、ウィンドウ部３１，３２は、電極部３１０，３１１，３２０，３２１を介して管路１に固定されているため、これらの電極部が固定部材としての機能を兼ね、少ない部品数でレーザ式ガス分析計を構成できる。

なお、本実施例では、各電極部はウィンドウ部３１，３２の上流・下流方向の両端部に取り付けられていたが、電極部の取り付け位置はこれに限らず、少なくとも光路Ｌを挟む位置に配置すれば光路Ｌ上の汚れが除去できる。

また、本実施例では電源部５は常時電圧を印加していたが、所定の周期で電圧を印加するようにしてもよい。たとえば、ウィンドウ部の光路Ｌ上にある程度汚れがたまったと考えられる周期で電圧を印加すれば、汚れをまとめて除去することができ、効率がよい。

また、本実施例では、ウィンドウ部３１，３２に対する電圧の印加方向が固定されていたが、電圧の印加方向は定期的に逆転させてもよい。

また、本実施例では、汚れＤに電気的な極性がないという前提で説明したが、汚れＤに特定の極性がある場合には、その極性に応じてウィンドウ部３１，３２に対する電圧の印加方向を決定する。電圧の印加方向は、汚れＤが薬剤３１ｂ，３２ｂに付着した後、測定対象ガスＳＧの下流側に移動するように決定する。たとえば、汚れＤが負（−）極性を有している場合には、電極部３１１，３２１に正（＋）側の電圧を印加し、汚れＤが下流側に引き寄せられるようにする。

本発明の一実施例を示すレーザ式ガス分析計の構成図である。 ウィンドウ部３１，３２およびこれらのウィンドウ部に設けられた電極部を示す図である。 レーザ式ガス分析計の動作説明図である。 従来のガス分析計の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 管路
２ 光源部
３１，３２ ウィンドウ部
３１ａ，３２ａ ウェッジウィンドウ
３１ｂ，３２ｂ 薬剤
３１０，３２０ 電極部
３１１，３２１ 電極部
４ 受光部
５ 電源部
Ｄ 汚れ
Ｌ 光路
ＳＧ 測定対象ガス

Claims (6)

1. 測定対象ガスが流れる管路内に測定光を入射させ、前記測定対象ガスを通過した測定光の波長吸収量に基づいて前記測定対象ガス中の測定対象成分の濃度を測定するガス分析計において、
   前記測定光の光路上であって、前記管路内部に表面が露出するように配置されるウィンドウ部と、
   このウィンドウ部の前記測定対象ガスの流れ方向に沿った両端部に取り付けられ、電位差が与えられる電極部とを備え、
   前記ウィンドウ部は、前記管路内部に露出する表面に、電解質イオンを含む薬剤が塗布されたことを特徴とするガス分析計。
2. 前記薬剤は、前記測定光に対する波長吸収のピークが前記測定対象成分と異なることを特徴とする請求項１に記載のガス分析計。
3. 前記薬剤は、ゲル状であることを特徴とする請求項１または２に記載のガス分析計。
4. 前記ウィンドウ部は、前記電極部を介して前記管路に固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガス分析計。
5. 前記電極部は、所定の周期で電位差が与えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス分析計。
6. 前記測定光はレーザ光であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス分析計。

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