JPH085547A

JPH085547A - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JPH085547A
Application number: JP14010494A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Yuasa; 芳郎湯浅; Akira Komatsubara; 彰小松原; Shigeki Mitani; 茂樹三谷; Masaharu Kasahara; 雅治笠原; Toshiharu Waguri; 利春和栗; Itaru Kato; 格加藤; Fumihiko Yamaguchi; 文彦山口
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; IHI Corp
Priority date: 1994-06-22
Filing date: 1994-06-22
Publication date: 1996-01-12
Anticipated expiration: 2018-06-16
Also published as: JP3418247B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスの濃度分布を精度よく求める。【構成】ガス濃度を測定する測定箇所に、光源からの
光により光路７を所定間隔を隔てて平行に複数形成して
光路群８を形成すると共に、この光路群８と所定角度ず
れた光路群８を複数形成し、これら３方向以上の角度の
異った光路群８の各光路７に沿ったガス濃度をそれぞれ
求め、これらガス濃度をＣＴアルゴリズムによって演算
処理してガス濃度分布を算出する測定器２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼排ガス等が通るダ
クト内やＬＮＧコンプレッサ室等の室内などのガス濃度
分布を測定するガス濃度測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガス分析は、対象とするガス中の特定成
分ガスの量や濃度を測定・分析するもので、例えば燃焼
排ガスや液化天然ガスの分析に用いられ、ガスを扱うプ
ロセスや環境の状態を把握しコントロールするのに必要
不可欠なものである。例えば、燃焼排ガスの場合、ガス
中のＣＯ，ＮＯなどのガスの濃度を測定して常時監視
し、測定値が許容値から逸脱したとき、バーナ等の燃焼
状態の調節を行う。すなわち、バーナ等の燃焼状態を調
節する一因としてＣＯ，ＮＯなどのガス濃度がある。

【０００３】これは、ボイラには多数のバーナが設けら
れ、これらバーナの燃焼状態が良好の場合には、その煙
道（ダクト）を通る燃焼排ガス中のＣＯなどのガス濃度
分布はほぼ均一であるが、何れかのバーナの燃焼状態が
悪くなると、ダクト内の燃焼排ガス中の例えばＣＯの濃
度分布が変わる。すなわち、どこかのバーナの燃焼状態
が悪いとそれに応じてダクト内の任意の箇所のＣＯ濃度
が高くなる。このため、燃焼排ガス中のＣＯなどの濃度
分布をみれば燃焼状態を把握することが可能であり、燃
焼排ガス中の任意のガスの濃度分布をみながら例えばバ
ーナへ供給する燃料と酸素の比を変えて燃焼状態の制御
を行える。

【０００４】このガス分析は、対象とするガス中の特定
成分ガスの濃度分布を測定するのにダクト内の多数の箇
所からサンプルを取って行っていたので、手間がかかっ
た。このため、ガスに接触することなく測定を行える非
接触ガス分析の開発が進められている。非接触ガス分析
の一つには、ガス濃度を光学的に測定する光吸収法があ
る。

【０００５】光吸収法は、各種ガス分子がそれぞれに特
有な波長の光を吸収することを利用してランバートーベ
ールの法則により例えばダクト内を流れるガスの濃度を
非接触で測定するものである。すなわち、光の伝送損失
はガスの種類によって波長域がことなるため、特定の波
長域の伝送損失を検出すれば特定のガス濃度を測定する
ことができる。例えば、ＣＯでは波長 5.0μｍ付近で特
性吸収がある。この光吸収法は、長光路・広範囲にわた
る測定が可能である、レーザのシャープな波長特性によ
り混合ガス中でも目的とするガス種のみを選択的に測定
することができる、対象ガスの吸収線に合ったレーザ波
長を選ぶだけで多種のガスに適用できる、などの優れた
特長がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のガス
分析（光吸収法）は、光源から光例えばレーザ光を発光
させ、これを受光することにより、その光路上のガス濃
度を測定することができる。平面的にガス濃度分布を測
定する場合には、光路上のガス濃度が平均しているのか
局部的にガスが濃いのかが分からないため、レーザ光を
縦横２方向に網目状に配置して各レーザ光でのガス濃度
を測定し、これらを比例配分法によってガス濃度分布を
求める。しかし、ガス濃度が高くなる箇所が二箇所以上
になると、濃度のむらはある程度把握することが可能で
あるが、濃度分布を精度よく求めることが困難で、全て
の濃度上昇箇所を特定することができない。

【０００７】そこで、本発明は、このような事情を考慮
してなされたものであり、その目的は、濃度分布を精度
よく求めることができるガス濃度測定装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のガス濃度測定装置は、ガス濃度を測定する
測定箇所に、光源からの光により光路を所定間隔を隔て
て平行に複数形成して光路群を形成すると共に、この光
路群と所定角度ずれた光路群を複数形成し、これら３方
向以上の角度の異った光路群の各光路に沿ったガス濃度
をそれぞれ求め、これらガス濃度をＣＴアルゴリズムに
よって演算処理してガス濃度分布を算出する測定器を設
けたものである。

【０００９】

【作用】測定箇所に３方向以上の角度の異った光路群を
形成することで、３方向以上の異った角度での多くのガ
ス濃度のデータが取得できる。これら測定データは、従
来の比例配分法ではガス濃度分布に演算処理できないこ
とがある。すなわち、ガス濃度が高くなる箇所が二箇所
以上になると、濃度分布を精度よく求めることができな
かったが、ＣＴアルゴリズムを用いることにより濃度上
昇箇所の個数に関係なくガス濃度分布への演算処理を行
える。従って、濃度分布を精度よく求めることが可能と
なる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００１１】本実施例ではボイラからの燃焼排ガスのガ
ス濃度分布を測定する場合について説明する。

【００１２】図１において、１は燃焼排ガスが流れる正
方形のダクトを示し、このダクト１の一角の近傍には測
定器２内に備えられた光源であるレーザ光発振器（図示
せず）からのレーザ光の第１光路３がダクト１の長手方
向に沿って形成される。

【００１３】第１光路３上には、所定の間隔を隔てて図
示例では４つの第１，第２，第３，第４平面鏡４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄが配設されている。これら平面鏡４ａ，
４ｂ，４ｃ，４ｄは、ハーフミラー等からなりレーザ光
の一部を透過させると共に、残りをダクト１の側面と平
行でかつダクト１の長手方向に直角に反射させるもので
ある。具体的には、平面鏡４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの反
射方向は、図示例において下から順に第１平面鏡４ａが
一側面に反射させるものである。第２平面鏡４ｂは一側
面に反射させると共にその一側面と連続した平面鏡がな
い側面に反射させるものである。第３平面鏡４ｃは平面
鏡が設けられている角を形成する他方の一側面（第１平
面鏡４ａによる反射される面とは異る側面）に反射させ
るものである。第４平面鏡４ｄは平面鏡４ｄが設けられ
ている角を形成する両側面に反射させるものである。

【００１４】これら平面鏡４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄによ
り反射される反射光路５上には、所定の間隔を隔てて一
側面に対して図示例では４つの移動鏡６が設けられてい
る。第１及び第３平面鏡４ａ，４ｃによる光路５上の移
動鏡６は、レーザ光を反対側面に90°反射させて、ダク
ト１内に４つの平行な光路７を形成するもので、これら
光路７により光路群８が形成される。第２及び第４平面
鏡４ｂ，４ｄの移動鏡６は、ダクト１内にその対角線と
平行に８つの平行な光路７を形成するものである。これ
ら移動鏡６により角度が45°ずれた４つの光路群８が形
成されることになる。

【００１５】移動鏡６により反射されたレーザ光の光路
７上のダクト１外には、それぞれ反射鏡９が配設され
て、これら反射鏡９は移動鏡６からのレーザ光を移動鏡
６に反射するように形成され、再び移動鏡６に反射した
光は平面鏡４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを介して測定器２に
備えられている受光器（図示せず）で受光されるように
なっている。

【００１６】具体的には、第１平面鏡４ａについて説明
すると、図２に示すように、第１平面鏡４ａにより形成
されるレーザ光の光路５上には、所定の間隔を隔てて４
つの移動鏡６が設けられ、これら移動鏡６は、レーザ光
をダクト１の反対側に平面的に直角に反射させて４つの
平行な光路７を形成するもので、駆動装置例えばシリン
ダ１０によりレーザ光反射位置と非反射位置とに移動さ
れるようになっている。また、移動鏡６がある側面と反
対側のダクト１側面の近傍には移動鏡６からのレーザ光
を移動鏡６に反射させる反射鏡９がそれぞれ設けられ、
平面鏡４ａの一番近くの移動鏡６が反射位置の時にはそ
の移動鏡６によりダクト１内に光路７が形成され、その
移動鏡６が非反射位置で次に近い移動鏡６が反射位置の
時にはその移動鏡６により光路７が形成されるようにな
っており、順次このように移動鏡６を駆動させることに
より４つの光路７が順次平行にダクト１内に形成され
る。ダクト１内で光路７を形成したレーザ光は移動鏡６
及び平面鏡４ａを介して図１に示す測定器２の受光器に
受光される。

【００１７】受光器は、受光した光を所定の波長域（例
えばＣＯでは 5.0μｍ付近の波長域）に分光してこの波
長の強度をデジタル化するものである。尚、測定器内に
分光器を設けてレーザー光発振器からのレーザ光を分光
器で所定の波長域に分光してから平面鏡に導くようにし
てもよい。

【００１８】測定器２は、前記レーザー発振器、移動鏡
６の駆動装置１０を駆動させる作動機能と、受光器で受
光された検知値に基づいて光路７に沿ったガス濃度を求
めるガス濃度測定機能と、各光路７のガス濃度をＣＴ
（ Computed Tomography）法によって演算処理してダク
ト１内のガス濃度分布を算出する分布測定機能とを備え
る。すなわち、レーザー発振器、移動鏡６を駆動させ
て、順次ダクト１内に光路７を形成すると共に、その光
路７に沿ったガス濃度を求める。これは、光路７上に例
えばＣＯが存在すると、 5.0μｍ付近の波長の光強度が
減衰する。各種ガス分子は、それぞれに特有な波長の光
を吸収する。この吸収量は、ガスの分子数と相関関係が
あり、ランバートーベールの法則により、次の関係式で
示される。

【００１９】ｌｎ（Ｉ₀／Ｉ）＝αＣＬ〔Ｉ＝Ｉ₀ｅ^-αCL〕ここでＩ₀は入射光強度，Ｉは出射光強度，αは吸収係
数，Ｃは測定長さＬの中に存在するガスの濃度である。
よって、Ｉ₀とＩの対数比を測定すれば、αとＬは既知
であるのでガス濃度Ｃを計算で求められる。そして、各
光路７のガス濃度を求め、これらを医療分野で利用され
ているＣＴアルゴリズムによって電子計算器で演算処理
して再構成し、各光路のガス濃度を点の配列にしてダク
ト１内のガス濃度分布を算出するものである。

【００２０】尚、平面鏡の間隔は、これら平面鏡により
形成される光路群が同一面とみなされ、ガス濃度分布の
算出に影響がないならば任意に決められ、これら間隔は
短ければそれだけ同一面とみなされることはいうまでも
ない。また、移動鏡の間隔は、ガス濃度分布を精度よく
算出できるように光路が形成されるならば任意に決めら
れ、例えば、10ｍ×10ｍのダクトの場合には一側面に10
本の光路が形成されるようにしてもよい。

【００２１】さて、ダクト１内の燃焼排ガス中のＣＯ濃
度を測定するには、レーザー発振器からレーザ光を発振
させると共に、第１平面鏡４ａの一番近くの移動鏡６を
反射位置に位置させる。これによりレーザ光がその移動
鏡６により反射されてダクト１内にダクト１の長手方向
と直角の光路７が形成される。そして、その光路７を形
成した光が測定器２の受光器で受光されて光路７に沿っ
たガス濃度が測定される。測定後、その移動鏡６を非反
射位置に移動させると共に次に第１平面鏡４ａに近い移
動鏡６を反射位置に位置させる。これにより、前記形成
された光路７と平行の別の光路７が形成され、この光路
７に沿ったガス濃度を測定する。このように順次移動鏡
６を駆動させて４つの光路７を順次平行にダクト１内に
形成して、各光路７に沿ったガス濃度を測定する。これ
により、第１平面鏡４ａによる光路群８の各光路７のガ
ス濃度の測定を行う。

【００２２】この第１平面鏡４ａにおける各光路７のガ
ス濃度の測定を終了したら、第２平面鏡４ｂの一番近く
の移動鏡６から順次反射位置に位置させて８つの光路７
を順次平行にダクト１内に形成すると共に、各光路７の
ガス濃度を測定する。そして残りの２つの平面鏡４ｃ，
４ｄについてもほぼ同様に順次移動鏡６を反射位置に駆
動させて４つ，８つの光路７を平行にダクト１内に形成
して、各光路７に沿ったガス濃度を測定する。この際、
４つの光路群８をガスの流れに沿って順次形成するよう
にしたが、光路群８の形成順序はこれに限定されず任意
に決められ、例えば、ガスの流れの反対方向から順次形
成するようにしてもよい。

【００２３】これにより、４方向の角度の異った光路群
８が順次形成されると共に、各光路７のガス濃度が順次
測定される。なお、任意の平面鏡における各光路のガス
濃度測定を行う際、１つの光路のガス濃度測定から他の
光路のガス濃度測定を行うのに、例えば約５秒を要す
る。これは、移動鏡の移動に例えば油圧シリンダを用い
た場合には約３秒かかると共に、ガス濃度測定に約１秒
かかる。このため、任意の平面鏡における１つの光路の
ガス濃度測定が終了したら、他の平面鏡における光路の
ガス濃度測定がすぐに行えるようにそれに応じた移動鏡
を移動させるようにする。これにより、すべての光路の
ガス濃度を短時間で測定することができる。

【００２４】そして、各光路７のガス濃度を測定した
ら、測定器２はこれらをＣＴアルゴリズムによって演算
処理してダクト１内の燃焼排ガス中のＣＯの濃度分布を
算出する。

【００２５】このように、ダクト１内に45°ずつずれた
４方向の角度の異った光路７（光路群８）を形成し、こ
れら各光路７のガス濃度をＣＴアルゴリズムによって演
算処理してダクト１内のガス濃度分布を算出することに
より、ガス濃度分布を精度よく求められる。すなわち、
３方向以上の角度の異った光路７（光路群８）を形成
し、これら各光路７のガス濃度を濃度分布に演算処理す
る場合、従来の比例配分法ではある程度の濃度のむらは
測定できるが、ガス濃度が高くなる箇所が二箇所以上に
なると、濃度分布を精度よく求めることができなかっ
た。このため、ＣＴアルゴリズムを用いることにより濃
度上昇箇所の個数に関係なくガス濃度分布への演算処理
を行えるので、燃焼排ガス中のＣＯの濃度分布を精度よ
く求めることができる。ＣＯが吸収する光の波長は 5.0
μｍ付近であり、光路７中にガスに含まれるダストが存
在しても余りダストの影響は受けないで濃度分布を求め
ることができる。尚、波長が短い（例えば 6.3μｍ程度
の可視光）場合には、光路中にダストがあるとダストの
影響を受け、光を受光器で受光できないことがある。

【００２６】具体的には、１ｍ×１ｍのダクト内に濃度
上昇箇所が図４に示すように２箇所になるようにＣＯを
流した。この際キャリヤガスとしてＮ₂を用いた。尚、
図３〜図１０中の（ａ）及び（ｂ）の高さの単位は ppm
である。このダクト内に前述のように45°ずれた４方向
の異った角度の光路（一側面１０本の光路）を形成し、
5.0μｍ付近の波長から各光路に沿ったガス濃度を測定
し、これらをＣＴアルゴリズムによって演算処理してダ
クト内のＣＯの濃度分布を算出して図３に示した。図５
及び図６は、２方向及び４方向の光路を形成し、比例配
分法でＣＯの濃度分布を算出して示したものである。

【００２７】また、前述の１ｍ×１ｍのダクト内に濃度
上昇箇所が図８に示すように３箇所になるようにＣＯを
流し、前述のように４方向の光路（一側面１０本の光
路）を形成し、 5.0μｍ付近の波長から各光路に沿った
ガス濃度を測定して、これらをＣＴアルゴリズムによっ
て演算処理してダクト内のＣＯの濃度分布を算出した。
この結果を図７に示した。図９及び図１０は、２方向及
び４方向の光路を形成し、比例配分法でＣＯの濃度分布
を算出して示したものである。

【００２８】これらからも明らかな通り、ダクト１内に
45°ずつずれた４方向の角度の異った光路７（光路群
８）を形成し、これら各光路７のガス濃度をＣＴアルゴ
リズムによって演算処理してダクト１内のガス濃度分布
を算出することにより、ガス濃度分布を精度よく求める
ことができる。

【００２９】また、ハーフミラー等の平面鏡４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄを用いて１つの平面鏡４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄで１つの光路群８を形成するため、移動鏡６の
反射角度を変えることなく、角度の異った光路７（光路
群８）を形成できる。すなわち、同一平面で角度の異っ
た光路７を形成するには例えば移動鏡の反射角度を変え
なければならないが、１つの面で同一方向の光路７を形
成する場合には移動鏡６を駆動装置１０により反射位置
・非反射位置に変えるだけで、反射角度を変える必要が
ない。つまり、移動鏡６を駆動装置１０により反射・非
反射位置に駆動するだけで、角度の異った光路７（光路
群８）を順次形成することができる。このため、多面に
よる多方向の光路７の形成が可能となり、その光路７に
沿ったガス濃度も測定でき、多くのデータの取得が容易
となる。

【００３０】さらに、レーザ光を平面鏡４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄと移動鏡６を用いて反射させることにより光路
７を形成させるため高価なレーザー発振器は１台でよ
い。

【００３１】なお、本実施例では45°ずつずれた４方向
の角度の異った光路（光路群）を形成してガス濃度分布
を測定する場合について説明したが、３方向の光路を形
成する場合には角度を60°、５方向の場合には36°、６
方向の場合には30°ずつずれるようにする。

【００３２】また、本実施例ではＣＯの濃度分布を測定
したが、他のガスでもよく、この場合、そのガスが光を
吸収する特有な波長にレーザ光を分光するようにする。
その特有な波長は例えばメタンでは 1.6μｍ付近、アン
モニアでは10.0μｍ付近である。

【００３３】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、ガスの濃
度分布を精度よく求めることができるという優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図である。

【図２】本発明の光路群の一例を示す図である。

【図３】ＣＴアルゴリズム（４方向）によってＣＯの濃
度分布を求めた図で、その（ａ）はダクト内を10×10に
分割して各エリアでのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は
（ａ）を３次元的に示した図である。

【図４】ダクト内に流したＣＯの濃度分布を示した図
で、その（ａ）はダクト内を10×10に分割して各エリア
でのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は（ａ）を３次元的に
示した図である。

【図５】比例配分法（２方向）によってＣＯの濃度分布
を求めた図で、その（ａ）はダクト内を10×10に分割し
て各エリアでのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は（ａ）を
３次元的に示した図である。

【図６】比例配分法（４方向）によってＣＯの濃度分布
を求めた図で、その（ａ）はダクト内を10×10に分割し
て各エリアでのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は（ａ）を
３次元的に示した図である。

【図７】ＣＴアルゴリズム（４方向）によってＣＯの濃
度分布を求めた図で、その（ａ）はダクト内を10×10に
分割して各エリアでのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は
（ａ）を３次元的に示した図である。

【図８】ダクト内に流したＣＯの濃度分布を示した図
で、その（ａ）はダクト内を10×10に分割して各エリア
でのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は（ａ）を３次元的に
示した図である。

【図９】比例配分法（２方向）によってＣＯの濃度分布
を求めた図で、その（ａ）はダクト内を10×10に分割し
て各エリアでのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は（ａ）を
３次元的に示した図である。

【図１０】比例配分法（４方向）によってＣＯの濃度分
布を求めた図で、その（ａ）はダクト内を10×10に分割
して各エリアでのＣＯ濃度を示した図、（ｂ）は（ａ）
を３次元的に示した図である。

【符号の説明】

２測定器７光路８光路群

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三谷茂樹大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者笠原雅治大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者和栗利春東京都江東区豊洲三丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 (72)発明者加藤格東京都江東区豊洲三丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 (72)発明者山口文彦東京都江東区豊洲三丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス濃度を測定する測定箇所に、光源か
らの光により光路を所定間隔を隔てて平行に複数形成し
て光路群を形成すると共に、この光路群と所定角度ずれ
た光路群を複数形成し、これら３方向以上の角度の異っ
た光路群の各光路に沿ったガス濃度をそれぞれ求め、こ
れらガス濃度をＣＴアルゴリズムによって演算処理して
ガス濃度分布を算出する測定器を設けたことを特徴とす
るガス濃度測定装置。