配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道
【課題】産業設備のプラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、オンラインでガス成分の分析が可能な配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道を提供する。
【解決手段】発振された基本レーザ光２２を第１のレーザ光２１−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部２５と、照射される第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器２６と、前記被測定ガス１１中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光５０を計測する蛍光検出部５１とを具備する。
【解決手段】発振された基本レーザ光２２を第１のレーザ光２１−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部２５と、照射される第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器２６と、前記被測定ガス１１中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光５０を計測する蛍光検出部５１とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザによる発光分析による配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業設備のガス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、従来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）。
【０００３】
この半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略を図１５に示す。
図１５に示すように、ガス配管から分岐されたサンプル配管１０１に対し、レーザ装置１１０からレーザ光Ｌを照射し、被測定ガス１０２のガス成分を分析している。
ここで、符号１０１ａ、１０１ｂは石英窓、１１２は反射ミラー、１１３は第１の検出器であり、１１４は第２の検出器である。
前記第１の検出器１１３では、参照光（Ｉ0）を求め、第２の検出器１１４ではサンプル配管１０１内の透過した光の強度（Ｉ）を求めており、透過率Ｔ＝（Ｉ／Ｉ0）を求めている。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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＪＩＳＢ７９９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ガス成分の分析を行うに際して、図１５のような配管から分岐されたサンプル配管１０１を用いて、半導体レーザ吸収法により計測する場合には、光の吸収の問題はないものの、図１６に示すようなガス配管１２０の長さが長い場合、入射したレーザ光Ｌが散乱されることで、第２の検出器１１４で十分な光強度が検知されない、という問題がある。なお、図１６中、符号１２１ａ、１２１ｂは石英窓である。
【０００６】
また、ガス吸収量が大きい場合には入射したレーザ光が吸収されてしまい、十分な光強度が検知されない、という問題がある。
【０００７】
そこで、産業設備の各種プラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、入射レーザ光が吸収されることなく、オンラインでガス成分の分析が可能な方法が切望されている。
また、ガス組成以外に、ガスプラント由来のガス成分以外の成分（例えばハイドロカーボン（ＨＣ：油分）、煤塵、アルカリ金属等）についても、同時に計測することで一度の計測で多面的な分析が可能な配管中のガス成分計測装置の出現が望まれている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、産業設備のプラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、オンラインでガス成分の分析が可能な配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、レーザ装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１１】
第３の発明は、第１又は２の発明において、第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１２】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１３】
第５の発明は、第１の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第２の蛍光検出器でＮＯ濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１５】
第７の発明は、第５又は６の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１６】
第８の発明は、第６又は７の発明において、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１７】
第９の発明は、第５乃至８の発明のいずれか一つの配管中のガス成分計測装置を有することを特徴とする排ガス成分計測用煙道にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＡＳＥの赤外領域での発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで分析可能となる。また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。なお、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
さらに、同時にガス中の油分（ハイドロカーボン）、煤塵、金属成分等の成分も計測でき、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図２】図２は、ＮＯのエネルギー準位の模式図である。
【図３】図３は、ＣＯのエネルギー準位の模式図である。
【図４】図４は、実施例２に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図５】図５は、ＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量指数（Ｊ）との関係図である。
【図６】図６は、温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度図である。
【図７】図７は、実施例３に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図８】図８は、実施例３に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図９】図９は、実施例４に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１０】図１０は、実施例５に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１１】図１１は、実施例６に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１２】図１２は、実施例７に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１３】図１３は、実施例８に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１４】図１４は、実施例９に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１５】図１５は、従来の半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略図である。
【図１６】図１６は、煙道を半導体レーザ吸収法により計測する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２１】
本発明による実施例に係る配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ａは、煙道１５中の被測定ガス１１に対して照射される基本レーザ光（なお、実線は光軸を示す）２２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス１１中のガス成分を計測するものである。
【００２２】
具体的な装置構成としては、図１に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ａは、レーザ装置２１から発振された基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２を第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、発振されたレーザ光２２を波長変換し、第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２の合波レーザ光２２−３を導入して、被測定ガス１１中のガス成分に照射するガス測定部２５と、照射される合波レーザ光２２−３（第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２）により、高い準位（Ｅ準位）に励起された励起分子が低い準位（Ｃ準位）に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：以下「ＡＳＥ」という）１４を計測する光検出器（例えばフォトダイオード、ＭＣＴディテクタ等）２６と、被測定ガス１１中の成分が発する蛍光５０を計測する蛍光検出部５１とを具備するものである。
図１中、１５ａ、１５ｂはレーザ光の透過する石英窓、２９は分光器、３１は集光レンズ、３３は光フィルタ、３４ａ〜３４ｄはミラーを各々図示する。
【００２３】
本発明の配管中のガス成分計測装置は、ＡＳＥの発光する原理を用いており、従来のような吸収分析と異なるので、被測定ガス１１のガス吸収光強度低下の影響がなくなるものとなる。
【００２４】
次に、図２に示すＮＯのエネルギー準位の模式図を参照してＡＳＥの発光原理を説明する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素（ＮＯ）にレーザ光を照射して、電子的に励起させると、図２に示すように、基底状態（Ｘ）から、励起状態に励起（Ｘ準位→Ａ準位→Ｅ準位）する。
【００２５】
具体的には第１のレーザ光（２２６ｎｍ）２２−１の励起波長ではＸ準位からＡ準位に励起され、次いで第２のレーザ光（６００ｎｍ）２２−２の励起波長ではＡ準位からＥ準位に励起される。
このとき、Ｅ準位の分子の数がＣ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＣ準位に自然放出され、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１１７０〜１１８４ｎｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００２６】
被測定ガス中の計測対象のガス成分としては、一酸化窒素（ＮＯ）以外に、例えば
一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、メタン（ＣＨ4）、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。
【００２７】
図３は一酸化炭素（ＣＯ）のエネルギー準位の模式図である。
図３に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）では、基底状態から２１５ｎｍの２光励起により、Ｘ準位からＥ準位に励起される。
【００２８】
このとき、Ｅ準位の分子の数がＢ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＢ準位に自然放出がされ、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１．７μｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００２９】
また、ＡＳＥは、赤外領域（例えばＮＯの場合には、１１７０〜１１８４ｎｍ）の波長であるので、可視領域や紫外領域と異なり、フィルタ３３での分離が容易であり、計測精度が向上する。
【００３０】
蛍光やラマン等の発光分析は等方発光であるので四方八方に光が拡がり、指向性が無いのに対し、ＡＳＥは指向性（レーザ光２２の入射方向と出射方向との二方向のみＡＳＥ１４が発光する）があり、高感度での分離が可能となる。
よって、本実施例では、前記ガス測定部２５に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したＡＳＥ１４を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。
【００３１】
この結果、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで可能となる。
また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
【００３２】
また、本実施例においては、ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボン（ＨＣ）が発生する蛍光５０を蛍光検出部５１で計測している。
ここで、前記ハイドロカーボンの検出には蛍光検出部５１において、波長３００〜４５０ｎｍ（より好適には３５０〜４００ｎｍ）以外の波長を除外する分光器を備え、ハイドロカーボン検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中に存在するハイドロカーボン（ＨＣ）の分析も可能となる。
【００３３】
この結果、ガスプラント由来のガス成分以外の他の成分であるハイドロカーボン（ＨＣ）についても同時に計測することで、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
【００３４】
この結果、排ガス中に含まれるハイドロカーボン量が多いような場合には、排ガス中の油分（特にタール成分）が多いと判断され、燃焼条件の見直しを行う制御を図示しない制御装置で行うようにしている。この結果、ガス精製設備の負担が軽減し、配管の閉塞等が解消される。
【実施例２】
【００３５】
次に、実施例２において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図４は、実施例２に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図４に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ａは、前記蛍光検出部５１において、ガス成分中のＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測し、予め測定しておいた温度曲線に照らして、ガス中の温度計測を行うようにしている。
ここで、前記ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出には蛍光検出部５１において、波長３００ｎｍ以下の波長の光を透過するフィルタ（好適には２０５ｎｍ以下、例えば２２７ｎｍのフィルタ等）を有する分光器を備え、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中の温度を計測することが可能となる。
【００３６】
図５はＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量子数（Ｊ）との関係図である。図５中、黒丸印は３００Ｋにおける測定値であり、四角印は１２５０Ｋにおける測定値である。これらのプロットを結ぶ線は下記式（１）を用いたフィッテイングである。
このチャートは電子状態における基底状態から第一励起状態の電子励起振動回転スペクトルである。
【００３７】
また、図６は温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度（ポンプ光波長４４０６０ｃｍ-1）の図である（波長２２６ｎｍ付近で挿引している）。
【００３８】
このスペクトル線の回転量子数（Ｊ）に対応する相対強度を測定し、その測定結果から、下記式（１）を温度の関数としてあてはめることにより、測定場の温度を算出することができる。
Ｎj／Ｎj=0＝（２Ｊ＋１）ｅｘｐ(−［（ｋｃＢＪ）・（Ｊ＋１）］／（ｋＴ）)…（１）
ここで、
Ｎj：回転量子数Ｊにおける分子数（数密度）
Ｎj=0：全分子数
Ｊ：回転量子数
ｋ：ボルツマン定数
ｃ：光速度
Ｂ：回転定数
Ｔ：温度（回転温度）
である。
【００３９】
よって、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａにより信号強度を求め、比較することで、排ガスの温度を予測することができる。この結果、従来においては、例えば熱電対等における配管内部の温度計測は、スポット的な温度計測であったものが、計測場全体（レーザ光の光路長全体）の平均温度を非接触で求めることができる。
また、ハイドロカーボン（ＨＣ）由来の蛍光との分離には、ＨＣ由来の蛍光は３５０〜４００ｎｍの範囲で計測するので、３００ｎｍ以下となるように、分光器を用いて分光する。これにより、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０ＡとＨＣ由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂの両方の蛍光が測定できる。
【実施例３】
【００４０】
次に、実施例３において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例３に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図７に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｂは、図１に示した蛍光検出部５１以外に、さらに、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−１のいずれかを用いて、ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光６０を計測する煤塵検出部６１を具備するものである。これにより、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めることができる。なお、前記煤塵検出部６１としては、例えばファトダイオード（Ｓｉ半導体型等）を例示することができるが、これに限定されるものではない。
【００４１】
ここで、波長の短い第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１を用いる場合には、小さい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
一方、波長の長い第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２を用いる場合には、大きい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
よって、求める粒径に応じて、第１のレーザ光か第２のレーザ光かを選択し、どちらかのラインを遮断するチョッパ６２−１、６２−２を設けるようにしている。
【００４２】
蛍光の分析との併用する場合には、実施例１で説明したように、先ず蛍光分析を行ってＡＳＥを計測した後、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−２を用いて、煤塵濃度を計測するようにすればよい。
【００４３】
また、本実施例の変形例を示す図８に示すように、例えば３０ｃｍ／１ｎｓ程度の時間遅れとなるディレイライン６３−１、６３−２を設け、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２を用いて先ず、蛍光によるＮＯのＡＳＥを計測し、その後、タイミングをずらして煤塵濃度を計測するようにすればよい。なお、ディレイライン６３−１、６３−２には、前記チョッパ６２−１、６２−２をそれぞれ有するようにしている。
【実施例４】
【００４４】
次に、実施例４において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図９は、実施例４に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図９に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｃは、図１に示した蛍光検出部５１以外に、前記基本レーザ光２２を用いて、ガス中に存在するアルカリ金属成分が発するプラズマ光７０を計測する金属成分検出部７１を具備するものである。
本実施例では、レーザ装置２１からの波長１０６４ｎｍの基本レーザ光２２を排ガス中の金属成分に照射させ、この際に発生するプラズマ光７０を金属成分検出部７１で計測している。
【００４５】
これにより、蛍光によるＮＯのＡＳＥを計測した後、排ガス中に含まれる金属酸化物（Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇの酸化物等）を時間遅れで計測するようにしている。この結果、排ガス中の金属成分濃度を検出し、必要に応じて対応を行うようにすればよい。このように、金属成分の排出量が把握できるので、プラント保持に関するデータとして活用することができる。例えばＮａ、Ｋ成分は、スラッギング、ファウリングの原因となるため、その予測のためのデータと成りうる。
【実施例５】
【００４６】
次に、実施例５において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１０は、実施例５に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１０に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｄは、図１に示した装置において、前記ガス測定部が長い配管である煙道１５ａからなる計測部であり、長い煙道１５ａ内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、合波レーザ光２２−３を照射し、前記配管８１に沿った所定間隔の各ゾーンＳ1〜Ｓｎの計測位置毎に、第１の蛍光検出部５１Ａの焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂを検出するようにしている。
ここで、図１０中、符号１５ｂ、１５ｃは石英窓、８１は、特定の波長の光（ＡＳＥ１４）を反射し、その他の波長の光（蛍光５０）を透過するダイクロイックミラー、８２は受光した光の内、所定の波長をカットするフィルタである。
なお、ＡＳＥ１４の計測は、前述したのと同様に、光検出器２６にて計測する。
【００４７】
前記第１の蛍光検出部５１Ａとしては、例えばＩＣＣＤカメラを用い、受光の際の焦点を各ゾーンＳ1〜Ｓｎに合わせ、合波レーザ光２２−３であるパルスレーザ（例えば１０〜５００Ｈｚ）が到達したときに、ＩＣＣＤカメラにてゾーン毎に順次蛍光強度の測定を行うようにしている。各ゾーンＳ1〜Ｓｎの計測を順次行い、その強度の和を求め、平均濃度を求める。
【００４８】
ここで、蛍光はＡＳＥと異なり、指向性を有さない光（等方的に発振する光）であるので、各ゾーンにおいて蛍光を測定し、その強度を積算し、平均を求める。これにより、長い配管内部におけるハイドロカーボンの濃度を確認することが可能となる。
ここで、本発明で長い配管とは、（配管長さ／配管直径）＞１０の配管をいい、産業設備の各種プラントにおける配管の場合、最低５ｍ以上の長さのものを一般に示している。
そして、少なくとも数カ所の各ゾーンＳ1〜Ｓｎで計測し、その平均を求めるので、排ガス状態をより的確に把握することができる。
【００４９】
また、フィルタ８２として二種類（３５０〜４００ｎｍの波長の光を透過するフィルタ及び２５０以下の波長の光を透過するフィルタ）用意し、先ず３５０〜４００ｎｍの光を透過するフィルタを用いて蛍光（ＨＣ）５０Ｂよりハイドロカーボンを計測する。その後２５０ｎｍ以下の波長の光を透過するフィルタに交換して、蛍光（ＮＯ）５０ＡよりＮＯ濃度を計測し、前述と同様にして温度を求めることができる。
温度情報は、各ゾーンＳ1〜Ｓｎでの配管内の温度分布情報と、その平均温度情報との両方を求めることができる。
なお、ＮＯ濃度の蛍光（ＮＯ）５０Ａの計測には、図６に示すように、Ｊ＝１６．５の計測と、Ｊ＝４．５の計測と二回の波長挿引することが必要となる。
【００５０】
これにより、実施例２のように排ガス中のハイドロカーボン濃度と温度とをピンポイントではなく、長い煙道１５ａ内で計測でき、より排ガスの状態を計測することが可能となる。
なお、ＮＯの代わりに、ＣＯ濃度を計測することでも温度を計測することができる。その場合の分光手段は１０７〜１０８ｎｍの波長のみを透過できるものを用いるようにすればよい。この光学手段としては、真空紫外用分光器を例示でき、測定波長域が真空紫外域であるため、酸素のない測定場である必要がある。ここでＣＯ濃度を計測するにはさらに、フィルタを切り替えて計測する。
【実施例６】
【００５１】
次に、実施例６において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１１は、実施例６に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１１に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｅは、図１０に示した装置において、さらに、前記煙道１５ａに沿った所定間隔のゾーンＳ1〜Ｓｎ毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート８３−１〜８３−ｎを複数設け、蛍光（ＮＯ）５０Ａより分光器５１ｂを有する第２の蛍光検出部５１ＢでＮＯ濃度を検出するものである。なお、図１１中、符号８４は光ファイバを図示する。
本実施例では、前記煙道１５ａに沿った所定間隔のゾーンＳ1〜Ｓｎ毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート８３−１〜８３−ｎを複数設けることにより、各ゾーンでの蛍光（ＮＯ）５０Ａを各ポートで各々検出し、分光器５１ｂを有する第２の蛍光検出部５１Ｂで蛍光強度を計測するようにしている。本実施例では、分光器５１ｂを有するので、実施例５のような、図６に示すＪ＝１６．５の計測と、Ｊ＝４．５の計測と二回の波長挿引が不要となる。
よって、第１の蛍光検出部５０Ａでハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂを計測すると共に、第２の蛍光検出部５０ＢでＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測することができる。
【実施例７】
【００５２】
次に、実施例７において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１２は、実施例７に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１２に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｆは、実施例６に示す配管中のガス成分計測装置１０Ｅにおいて、前記煙道１５ａに沿った所定間隔のゾーンＳ1〜Ｓｎ毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート８３−１〜８３−ｎを複数設けることにより、各ゾーンでのミー散乱光６０を各光検出ポートで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第１の蛍光検出部５１Ａでハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０ＢとＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測すると共に、煤塵検出部６１で煤塵濃度を計測することができる。
【実施例８】
【００５３】
次に、実施例８において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１３は、実施例８に係るガス成分計測装置の概略図である。図１３に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計配管中の測装置１０Ｇは、図１１に示す配管中のガス成分計測装置１０Ｅにおいて、さらに、各ゾーンＳ1〜Ｓｎでのミー散乱光６０を各光検出ポート８３−１〜８３−ｎで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第１の蛍光検出部５１Ａでハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂを計測すると共に、第２の蛍光検出部５１ＢでＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測し、更に煤塵検出部６１で煤塵濃度を計測することができる。
【００５４】
本実施例では、ＮＯ由来の蛍光５０Ａを計測しているが、煤塵濃度が低い場合には、この第２の蛍光検出部５１Ｂにおいて、ミー散乱光６０より煤塵濃度を計測することができる。ただし、一般にミー散乱光の強度が強いので、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａとミー散乱光６０の検出とは別々の独立した検出器にて検出することが好ましい。
【実施例９】
【００５５】
次に、実施例９において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１４は、実施例９に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１４に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｈは、図１３に示す配管中のガス成分計測装置１０Ｇにおいて、さらに、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２を照射するラインを有し、移動集光レンズ９０が移動レール９１上を移動し、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２の焦点を各ゾーンＳ1〜Ｓｎにあて、これにより発生するプラズマ光７０を各ゾーンＳ1〜Ｓｎで計測し、それを光ファイバ８５により、金属成分検出部７１に送り、ここでレーザブレイクダウン法により、排ガス中に含まれる金属成分（Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇの酸化物等）を検出するようにしている。
【００５６】
以上説明したような、配管中のガス成分計測装置を有する長い煙道１５ａを用い、既存の排ガス煙道からその一部の排ガスを該長い煙道１５ａ内へバイパスさせ、この長い煙道１５ａ内において、蛍光、ＡＳＥ、プラズマ光の計測をすることで排ガス成分を効率よく計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明に係る配管中のガス成分計測装置によれば、発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、その配管全体のガス成分の濃度分析が可能となると共に、同時にガス中の油分（ハイドロカーボン）、煤塵、アルカリ金属等の成分も計測でき、信頼性の高い多面的な分析データの提供が可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１０Ａ〜１０Ｈ 配管中のガス成分計測装置
１１ 被測定ガス
１４ ＡＳＥ
２１ レーザ装置
２２ 基本レーザ光
２２−１ 第１のレーザ光
２２−２ 第２のレーザ光
２３ 第１の波長変換部
２４ 第２の波長変換部
２５ ガス測定部
２６ 光検出器
５０ 蛍光
５０Ａ 蛍光（ＮＯ）
５０Ｂ 蛍光（ＨＣ）
５１ 蛍光検出部
５１Ａ 第１の蛍光検出部
５１Ｂ 第２の蛍光検出部
６０ ミー散乱光
６１ 煤塵検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザによる発光分析による配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業設備のガス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、従来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）。
【０００３】
この半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略を図１５に示す。
図１５に示すように、ガス配管から分岐されたサンプル配管１０１に対し、レーザ装置１１０からレーザ光Ｌを照射し、被測定ガス１０２のガス成分を分析している。
ここで、符号１０１ａ、１０１ｂは石英窓、１１２は反射ミラー、１１３は第１の検出器であり、１１４は第２の検出器である。
前記第１の検出器１１３では、参照光（Ｉ0）を求め、第２の検出器１１４ではサンプル配管１０１内の透過した光の強度（Ｉ）を求めており、透過率Ｔ＝（Ｉ／Ｉ0）を求めている。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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＪＩＳＢ７９９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ガス成分の分析を行うに際して、図１５のような配管から分岐されたサンプル配管１０１を用いて、半導体レーザ吸収法により計測する場合には、光の吸収の問題はないものの、図１６に示すようなガス配管１２０の長さが長い場合、入射したレーザ光Ｌが散乱されることで、第２の検出器１１４で十分な光強度が検知されない、という問題がある。なお、図１６中、符号１２１ａ、１２１ｂは石英窓である。
【０００６】
また、ガス吸収量が大きい場合には入射したレーザ光が吸収されてしまい、十分な光強度が検知されない、という問題がある。
【０００７】
そこで、産業設備の各種プラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、入射レーザ光が吸収されることなく、オンラインでガス成分の分析が可能な方法が切望されている。
また、ガス組成以外に、ガスプラント由来のガス成分以外の成分（例えばハイドロカーボン（ＨＣ：油分）、煤塵、アルカリ金属等）についても、同時に計測することで一度の計測で多面的な分析が可能な配管中のガス成分計測装置の出現が望まれている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、産業設備のプラントの現場における配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、オンラインでガス成分の分析が可能な配管中のガス成分計測装置及び排ガス成分計測用煙道を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、レーザ装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１１】
第３の発明は、第１又は２の発明において、第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１２】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つにおいて、前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１３】
第５の発明は、第１の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第２の蛍光検出器でＮＯ濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１５】
第７の発明は、第５又は６の発明において、前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１６】
第８の発明は、第６又は７の発明において、前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置にある。
【００１７】
第９の発明は、第５乃至８の発明のいずれか一つの配管中のガス成分計測装置を有することを特徴とする排ガス成分計測用煙道にある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＡＳＥの赤外領域での発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで分析可能となる。また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。なお、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
さらに、同時にガス中の油分（ハイドロカーボン）、煤塵、金属成分等の成分も計測でき、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図２】図２は、ＮＯのエネルギー準位の模式図である。
【図３】図３は、ＣＯのエネルギー準位の模式図である。
【図４】図４は、実施例２に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図５】図５は、ＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量指数（Ｊ）との関係図である。
【図６】図６は、温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度図である。
【図７】図７は、実施例３に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図８】図８は、実施例３に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図９】図９は、実施例４に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１０】図１０は、実施例５に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１１】図１１は、実施例６に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１２】図１２は、実施例７に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１３】図１３は、実施例８に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１４】図１４は、実施例９に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。
【図１５】図１５は、従来の半導体レーザ吸収法によるレーザ装置の概略図である。
【図１６】図１６は、煙道を半導体レーザ吸収法により計測する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２１】
本発明による実施例に係る配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ａは、煙道１５中の被測定ガス１１に対して照射される基本レーザ光（なお、実線は光軸を示す）２２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス１１中のガス成分を計測するものである。
【００２２】
具体的な装置構成としては、図１に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ａは、レーザ装置２１から発振された基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２を第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、発振されたレーザ光２２を波長変換し、第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２の合波レーザ光２２−３を導入して、被測定ガス１１中のガス成分に照射するガス測定部２５と、照射される合波レーザ光２２−３（第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２）により、高い準位（Ｅ準位）に励起された励起分子が低い準位（Ｃ準位）に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：以下「ＡＳＥ」という）１４を計測する光検出器（例えばフォトダイオード、ＭＣＴディテクタ等）２６と、被測定ガス１１中の成分が発する蛍光５０を計測する蛍光検出部５１とを具備するものである。
図１中、１５ａ、１５ｂはレーザ光の透過する石英窓、２９は分光器、３１は集光レンズ、３３は光フィルタ、３４ａ〜３４ｄはミラーを各々図示する。
【００２３】
本発明の配管中のガス成分計測装置は、ＡＳＥの発光する原理を用いており、従来のような吸収分析と異なるので、被測定ガス１１のガス吸収光強度低下の影響がなくなるものとなる。
【００２４】
次に、図２に示すＮＯのエネルギー準位の模式図を参照してＡＳＥの発光原理を説明する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素（ＮＯ）にレーザ光を照射して、電子的に励起させると、図２に示すように、基底状態（Ｘ）から、励起状態に励起（Ｘ準位→Ａ準位→Ｅ準位）する。
【００２５】
具体的には第１のレーザ光（２２６ｎｍ）２２−１の励起波長ではＸ準位からＡ準位に励起され、次いで第２のレーザ光（６００ｎｍ）２２−２の励起波長ではＡ準位からＥ準位に励起される。
このとき、Ｅ準位の分子の数がＣ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＣ準位に自然放出され、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１１７０〜１１８４ｎｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００２６】
被測定ガス中の計測対象のガス成分としては、一酸化窒素（ＮＯ）以外に、例えば
一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、メタン（ＣＨ4）、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。
【００２７】
図３は一酸化炭素（ＣＯ）のエネルギー準位の模式図である。
図３に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）では、基底状態から２１５ｎｍの２光励起により、Ｘ準位からＥ準位に励起される。
【００２８】
このとき、Ｅ準位の分子の数がＢ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＢ準位に自然放出がされ、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１．７μｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００２９】
また、ＡＳＥは、赤外領域（例えばＮＯの場合には、１１７０〜１１８４ｎｍ）の波長であるので、可視領域や紫外領域と異なり、フィルタ３３での分離が容易であり、計測精度が向上する。
【００３０】
蛍光やラマン等の発光分析は等方発光であるので四方八方に光が拡がり、指向性が無いのに対し、ＡＳＥは指向性（レーザ光２２の入射方向と出射方向との二方向のみＡＳＥ１４が発光する）があり、高感度での分離が可能となる。
よって、本実施例では、前記ガス測定部２５に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したＡＳＥ１４を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。
【００３１】
この結果、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで可能となる。
また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
【００３２】
また、本実施例においては、ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボン（ＨＣ）が発生する蛍光５０を蛍光検出部５１で計測している。
ここで、前記ハイドロカーボンの検出には蛍光検出部５１において、波長３００〜４５０ｎｍ（より好適には３５０〜４００ｎｍ）以外の波長を除外する分光器を備え、ハイドロカーボン検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中に存在するハイドロカーボン（ＨＣ）の分析も可能となる。
【００３３】
この結果、ガスプラント由来のガス成分以外の他の成分であるハイドロカーボン（ＨＣ）についても同時に計測することで、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
【００３４】
この結果、排ガス中に含まれるハイドロカーボン量が多いような場合には、排ガス中の油分（特にタール成分）が多いと判断され、燃焼条件の見直しを行う制御を図示しない制御装置で行うようにしている。この結果、ガス精製設備の負担が軽減し、配管の閉塞等が解消される。
【実施例２】
【００３５】
次に、実施例２において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図４は、実施例２に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図４に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ａは、前記蛍光検出部５１において、ガス成分中のＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測し、予め測定しておいた温度曲線に照らして、ガス中の温度計測を行うようにしている。
ここで、前記ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出には蛍光検出部５１において、波長３００ｎｍ以下の波長の光を透過するフィルタ（好適には２０５ｎｍ以下、例えば２２７ｎｍのフィルタ等）を有する分光器を備え、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中の温度を計測することが可能となる。
【００３６】
図５はＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量子数（Ｊ）との関係図である。図５中、黒丸印は３００Ｋにおける測定値であり、四角印は１２５０Ｋにおける測定値である。これらのプロットを結ぶ線は下記式（１）を用いたフィッテイングである。
このチャートは電子状態における基底状態から第一励起状態の電子励起振動回転スペクトルである。
【００３７】
また、図６は温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度（ポンプ光波長４４０６０ｃｍ-1）の図である（波長２２６ｎｍ付近で挿引している）。
【００３８】
このスペクトル線の回転量子数（Ｊ）に対応する相対強度を測定し、その測定結果から、下記式（１）を温度の関数としてあてはめることにより、測定場の温度を算出することができる。
Ｎj／Ｎj=0＝（２Ｊ＋１）ｅｘｐ(−［（ｋｃＢＪ）・（Ｊ＋１）］／（ｋＴ）)…（１）
ここで、
Ｎj：回転量子数Ｊにおける分子数（数密度）
Ｎj=0：全分子数
Ｊ：回転量子数
ｋ：ボルツマン定数
ｃ：光速度
Ｂ：回転定数
Ｔ：温度（回転温度）
である。
【００３９】
よって、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａにより信号強度を求め、比較することで、排ガスの温度を予測することができる。この結果、従来においては、例えば熱電対等における配管内部の温度計測は、スポット的な温度計測であったものが、計測場全体（レーザ光の光路長全体）の平均温度を非接触で求めることができる。
また、ハイドロカーボン（ＨＣ）由来の蛍光との分離には、ＨＣ由来の蛍光は３５０〜４００ｎｍの範囲で計測するので、３００ｎｍ以下となるように、分光器を用いて分光する。これにより、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０ＡとＨＣ由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂの両方の蛍光が測定できる。
【実施例３】
【００４０】
次に、実施例３において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例３に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図７に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｂは、図１に示した蛍光検出部５１以外に、さらに、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−１のいずれかを用いて、ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光６０を計測する煤塵検出部６１を具備するものである。これにより、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めることができる。なお、前記煤塵検出部６１としては、例えばファトダイオード（Ｓｉ半導体型等）を例示することができるが、これに限定されるものではない。
【００４１】
ここで、波長の短い第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１を用いる場合には、小さい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
一方、波長の長い第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２を用いる場合には、大きい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
よって、求める粒径に応じて、第１のレーザ光か第２のレーザ光かを選択し、どちらかのラインを遮断するチョッパ６２−１、６２−２を設けるようにしている。
【００４２】
蛍光の分析との併用する場合には、実施例１で説明したように、先ず蛍光分析を行ってＡＳＥを計測した後、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−２を用いて、煤塵濃度を計測するようにすればよい。
【００４３】
また、本実施例の変形例を示す図８に示すように、例えば３０ｃｍ／１ｎｓ程度の時間遅れとなるディレイライン６３−１、６３−２を設け、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２を用いて先ず、蛍光によるＮＯのＡＳＥを計測し、その後、タイミングをずらして煤塵濃度を計測するようにすればよい。なお、ディレイライン６３−１、６３−２には、前記チョッパ６２−１、６２−２をそれぞれ有するようにしている。
【実施例４】
【００４４】
次に、実施例４において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図９は、実施例４に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図９に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｃは、図１に示した蛍光検出部５１以外に、前記基本レーザ光２２を用いて、ガス中に存在するアルカリ金属成分が発するプラズマ光７０を計測する金属成分検出部７１を具備するものである。
本実施例では、レーザ装置２１からの波長１０６４ｎｍの基本レーザ光２２を排ガス中の金属成分に照射させ、この際に発生するプラズマ光７０を金属成分検出部７１で計測している。
【００４５】
これにより、蛍光によるＮＯのＡＳＥを計測した後、排ガス中に含まれる金属酸化物（Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇの酸化物等）を時間遅れで計測するようにしている。この結果、排ガス中の金属成分濃度を検出し、必要に応じて対応を行うようにすればよい。このように、金属成分の排出量が把握できるので、プラント保持に関するデータとして活用することができる。例えばＮａ、Ｋ成分は、スラッギング、ファウリングの原因となるため、その予測のためのデータと成りうる。
【実施例５】
【００４６】
次に、実施例５において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１０は、実施例５に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１０に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｄは、図１に示した装置において、前記ガス測定部が長い配管である煙道１５ａからなる計測部であり、長い煙道１５ａ内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、合波レーザ光２２−３を照射し、前記配管８１に沿った所定間隔の各ゾーンＳ1〜Ｓｎの計測位置毎に、第１の蛍光検出部５１Ａの焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂを検出するようにしている。
ここで、図１０中、符号１５ｂ、１５ｃは石英窓、８１は、特定の波長の光（ＡＳＥ１４）を反射し、その他の波長の光（蛍光５０）を透過するダイクロイックミラー、８２は受光した光の内、所定の波長をカットするフィルタである。
なお、ＡＳＥ１４の計測は、前述したのと同様に、光検出器２６にて計測する。
【００４７】
前記第１の蛍光検出部５１Ａとしては、例えばＩＣＣＤカメラを用い、受光の際の焦点を各ゾーンＳ1〜Ｓｎに合わせ、合波レーザ光２２−３であるパルスレーザ（例えば１０〜５００Ｈｚ）が到達したときに、ＩＣＣＤカメラにてゾーン毎に順次蛍光強度の測定を行うようにしている。各ゾーンＳ1〜Ｓｎの計測を順次行い、その強度の和を求め、平均濃度を求める。
【００４８】
ここで、蛍光はＡＳＥと異なり、指向性を有さない光（等方的に発振する光）であるので、各ゾーンにおいて蛍光を測定し、その強度を積算し、平均を求める。これにより、長い配管内部におけるハイドロカーボンの濃度を確認することが可能となる。
ここで、本発明で長い配管とは、（配管長さ／配管直径）＞１０の配管をいい、産業設備の各種プラントにおける配管の場合、最低５ｍ以上の長さのものを一般に示している。
そして、少なくとも数カ所の各ゾーンＳ1〜Ｓｎで計測し、その平均を求めるので、排ガス状態をより的確に把握することができる。
【００４９】
また、フィルタ８２として二種類（３５０〜４００ｎｍの波長の光を透過するフィルタ及び２５０以下の波長の光を透過するフィルタ）用意し、先ず３５０〜４００ｎｍの光を透過するフィルタを用いて蛍光（ＨＣ）５０Ｂよりハイドロカーボンを計測する。その後２５０ｎｍ以下の波長の光を透過するフィルタに交換して、蛍光（ＮＯ）５０ＡよりＮＯ濃度を計測し、前述と同様にして温度を求めることができる。
温度情報は、各ゾーンＳ1〜Ｓｎでの配管内の温度分布情報と、その平均温度情報との両方を求めることができる。
なお、ＮＯ濃度の蛍光（ＮＯ）５０Ａの計測には、図６に示すように、Ｊ＝１６．５の計測と、Ｊ＝４．５の計測と二回の波長挿引することが必要となる。
【００５０】
これにより、実施例２のように排ガス中のハイドロカーボン濃度と温度とをピンポイントではなく、長い煙道１５ａ内で計測でき、より排ガスの状態を計測することが可能となる。
なお、ＮＯの代わりに、ＣＯ濃度を計測することでも温度を計測することができる。その場合の分光手段は１０７〜１０８ｎｍの波長のみを透過できるものを用いるようにすればよい。この光学手段としては、真空紫外用分光器を例示でき、測定波長域が真空紫外域であるため、酸素のない測定場である必要がある。ここでＣＯ濃度を計測するにはさらに、フィルタを切り替えて計測する。
【実施例６】
【００５１】
次に、実施例６において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１１は、実施例６に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１１に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｅは、図１０に示した装置において、さらに、前記煙道１５ａに沿った所定間隔のゾーンＳ1〜Ｓｎ毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート８３−１〜８３−ｎを複数設け、蛍光（ＮＯ）５０Ａより分光器５１ｂを有する第２の蛍光検出部５１ＢでＮＯ濃度を検出するものである。なお、図１１中、符号８４は光ファイバを図示する。
本実施例では、前記煙道１５ａに沿った所定間隔のゾーンＳ1〜Ｓｎ毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート８３−１〜８３−ｎを複数設けることにより、各ゾーンでの蛍光（ＮＯ）５０Ａを各ポートで各々検出し、分光器５１ｂを有する第２の蛍光検出部５１Ｂで蛍光強度を計測するようにしている。本実施例では、分光器５１ｂを有するので、実施例５のような、図６に示すＪ＝１６．５の計測と、Ｊ＝４．５の計測と二回の波長挿引が不要となる。
よって、第１の蛍光検出部５０Ａでハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂを計測すると共に、第２の蛍光検出部５０ＢでＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測することができる。
【実施例７】
【００５２】
次に、実施例７において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１２は、実施例７に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１２に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｆは、実施例６に示す配管中のガス成分計測装置１０Ｅにおいて、前記煙道１５ａに沿った所定間隔のゾーンＳ1〜Ｓｎ毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポート８３−１〜８３−ｎを複数設けることにより、各ゾーンでのミー散乱光６０を各光検出ポートで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第１の蛍光検出部５１Ａでハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０ＢとＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測すると共に、煤塵検出部６１で煤塵濃度を計測することができる。
【実施例８】
【００５３】
次に、実施例８において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１３は、実施例８に係るガス成分計測装置の概略図である。図１３に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計配管中の測装置１０Ｇは、図１１に示す配管中のガス成分計測装置１０Ｅにおいて、さらに、各ゾーンＳ1〜Ｓｎでのミー散乱光６０を各光検出ポート８３−１〜８３−ｎで各々検出し、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めるようにしている。
よって、第１の蛍光検出部５１Ａでハイドロカーボン由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂを計測すると共に、第２の蛍光検出部５１ＢでＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測し、更に煤塵検出部６１で煤塵濃度を計測することができる。
【００５４】
本実施例では、ＮＯ由来の蛍光５０Ａを計測しているが、煤塵濃度が低い場合には、この第２の蛍光検出部５１Ｂにおいて、ミー散乱光６０より煤塵濃度を計測することができる。ただし、一般にミー散乱光の強度が強いので、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａとミー散乱光６０の検出とは別々の独立した検出器にて検出することが好ましい。
【実施例９】
【００５５】
次に、実施例９において、本発明の他の配管中のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１４は、実施例９に係る配管中のガス成分計測装置の概略図である。図１４に示すように、本実施例に係る配管中のガス成分計測装置１０Ｈは、図１３に示す配管中のガス成分計測装置１０Ｇにおいて、さらに、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２を照射するラインを有し、移動集光レンズ９０が移動レール９１上を移動し、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２の焦点を各ゾーンＳ1〜Ｓｎにあて、これにより発生するプラズマ光７０を各ゾーンＳ1〜Ｓｎで計測し、それを光ファイバ８５により、金属成分検出部７１に送り、ここでレーザブレイクダウン法により、排ガス中に含まれる金属成分（Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇの酸化物等）を検出するようにしている。
【００５６】
以上説明したような、配管中のガス成分計測装置を有する長い煙道１５ａを用い、既存の排ガス煙道からその一部の排ガスを該長い煙道１５ａ内へバイパスさせ、この長い煙道１５ａ内において、蛍光、ＡＳＥ、プラズマ光の計測をすることで排ガス成分を効率よく計測することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように、本発明に係る配管中のガス成分計測装置によれば、発光分析によりガス成分を計測することができるので、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、その配管全体のガス成分の濃度分析が可能となると共に、同時にガス中の油分（ハイドロカーボン）、煤塵、アルカリ金属等の成分も計測でき、信頼性の高い多面的な分析データの提供が可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１０Ａ〜１０Ｈ 配管中のガス成分計測装置
１１ 被測定ガス
１４ ＡＳＥ
２１ レーザ装置
２２ 基本レーザ光
２２−１ 第１のレーザ光
２２−２ 第２のレーザ光
２３ 第１の波長変換部
２４ 第２の波長変換部
２５ ガス測定部
２６ 光検出器
５０ 蛍光
５０Ａ 蛍光（ＮＯ）
５０Ｂ 蛍光（ＨＣ）
５１ 蛍光検出部
５１Ａ 第１の蛍光検出部
５１Ｂ 第２の蛍光検出部
６０ ミー散乱光
６１ 煤塵検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、
第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部２５と、
照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、
前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第２の蛍光検出器でＮＯ濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項８】
請求項６又は７において、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を金属成分検出部で検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一つの配管中のガス成分計測装置を有することを特徴とする排ガス成分計測用煙道。
【請求項１】
レーザ装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、
第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部２５と、
照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、
前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記レーザ光を用いて、被測定ガス中に存在する金属成分が発するプラズマ光を計測する金属成分検出部を具備することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔の各ゾーンの計測位置毎に、蛍光検出器の焦点を順次調整してハイドロカーボン由来の蛍光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に蛍光を計測する光検出ポートを複数設け、蛍光より分光器を有する第２の蛍光検出器でＮＯ濃度を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、
前記ガス測定部が長い配管からなる計測部であり、
長い配管内に計測する排ガスの流れ方向と同一方向に、レーザ光を照射し、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置に煤塵が発するミー散乱光を計測する光検出ポートを複数設け、煤塵由来のミー散乱光を検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項８】
請求項６又は７において、
前記配管に沿った所定間隔のゾーン毎の計測位置にレーザ光の焦点を順次合わせ、発生するプラズマ光よりアルカリ金属成分を金属成分検出部で検出することを特徴とする配管中のガス成分計測装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか一つの配管中のガス成分計測装置を有することを特徴とする排ガス成分計測用煙道。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１０７０９４（Ｐ２０１１−１０７０９４Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６５３３２（Ｐ２００９−２６５３３２）
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２０日（２００９．１１．２０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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