JPH10185814A

JPH10185814A - 濃度測定装置

Info

Publication number: JPH10185814A
Application number: JP9604697A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kato; 光雄加藤; Masazumi Taura; 昌純田浦; Kenji Muta; 研二牟田; Kimiyo Tokuda; 君代徳田; Koutarou Fujimura; 皓太郎藤村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 1998-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス状物質濃度と固体粒子物質濃度とを同時に
測定することのできる濃度測定装置。【解決手段】測定対象に対して該測定対象中のガス状物
質に固有な吸収波長のレーザ光を照射する光源部１０
と、この光源部１０から発振されるレーザ光の波長に変
調を加えるための波形発生器２０と、前記測定対象を通
過したレーザ光を受光し、光強度を検出する受光部３０
と、検出された光強度から前記測定対象の透過率を検出
する直流成分検出器４１と、検出された光強度とレーザ
光に加えられた変調成分とから前記測定対象中のガス状
物質による光吸収量を検出する位相敏感検波器４１と、
検出された透過率と光吸収量とから前記測定対象中のガ
ス状物質濃度と固体粒子濃度とを検出する濃度演算器４
２とを具備してなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス状物質と固体
粒子濃度とを同時に測定する濃度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象中のガス状物質の濃度を測定す
るには、ガス・クロマトグラフィーやジルコニア式酸素
濃度計のように、測定対象からガスをサンプリングし、
サンプリングしたガスに対して測定妨害物質の除去など
の前処理を施して測定装置に採り入れ、測定対象中のガ
ス状物質濃度の測定を行っていた。その他、ガス状物質
からの発光・蛍光強度や、測定領域での光吸収量からガ
ス状物質濃度を測定する技術も存在している。

【０００３】また、測定対象中に浮遊している固体粒子
の濃度を測定するには、一定量のガスをサンプリングし
て円筒濾紙などを通過させ、通過前と通過後の円筒濾紙
の重量変化を測定し、サンプリングガス量と濾紙の重量
変化量から測定対象中の固体粒子濃度を測定していた。
また、固体粒子濃度を光透過量から連続測定する技術も
一部存在する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、燃焼ガス分析や
環境調査等の多くの場合、ガス状物質濃度と固体粒子濃
度を同時に測定する必要があり、上記従来測定方法のい
くつかを組み合わせて濃度測定を行っていた。しかし、
上記した測定装置は高価であり、また複雑な操作系と複
雑な測定手順が必要であるという問題があった。

【０００５】また、前記したガス状物質の濃度測定方法
ではガスをサンプリングして濃度測定を行うが、以下に
示すような問題点がある。・サンプリングにより測定領域の状態を乱す。

【０００６】・サンプリング時間が必要で、測定・制御
の高速化が困難である。・サンプリング流量・温度を正確に制御する装置が必要
である。・測定妨害物質を取り除く煩雑な前処理が必要である。

【０００７】・一定量以上のサンプリングガスが必要な
場合、微量分析が困難である。また、光測定によってガ
ス状物質の濃度を非サンプリング測定する技術には、以
下に示すような問題点がある。

【０００８】・煤塵等の固体粒子が浮遊している場所で
は、発光・蛍光法による測定が困難である。・単純吸収法による測定では測定感度が低い。

【０００９】また、光透過量によって固体粒子の濃度を
測定する技術には、固体粒子濃度とガス状物質濃度との
同時測定を行うことができないという問題点が存在す
る。本発明の目的は、サンプリング，前処理を不要と
し、固体粒子濃度とガス状物質濃度とを同時に測定する
ことができる濃度測定装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の濃度測定装置
は、上記課題を解決するために以下のように構成されて
いる。本発明の濃度測定装置は、測定対象中のガス状物
質に固有な吸収波長のレーザ光を照射する光源部と、こ
の光源部から発振されるレーザ光の波長に変調を加える
ための変調信号発生器と、前記測定対象を通過したレー
ザ光を受光し、光強度を検出する受光部と、検出された
光強度から前記測定対象の透過率を検出する直流成分検
出器と、検出された光強度とレーザ光に加えられた変調
成分とから前記測定対象中のガス状物質による光吸収量
を検出する位相敏感検波器と、検出された透過率と光吸
収量とから前記測定対象中のガス状物質濃度と固体粒子
濃度とを演算する濃度演算器とを具備してなることを特
徴とする。

【００１１】発振するレーザ光の波長を測定対象のガス
状物質の吸収波長にロックするための手段を具備する。
検出された光強度信号から、レーザ光に加えられた変調
成分に同期した成分を取り除いて、ノイズ成分を取り除
き、ガス状物質による光吸収量だけを位相敏感検波す
る。

【００１２】測定対象を通過する前のレーザ光の強度を
測定する手段を具備する。本発明の濃度測定装置は、上
記構成によって以下の作用・効果を有する。本発明の濃
度測定装置の原理は、ガス状物質は物質毎に特有波長の
光を吸収し、固体粒子の吸収・散乱特性は光の波長に依
存しない性質に基づいた吸収分光法である。つまり、本
発明の濃度測定装置は、光学的手法に基づいており、サ
ンプリング測定による問題点を克服することが可能であ
るが、それ以外に、下記の理由により通常の吸収分光法
では達成することのできない性能を実現している。

【００１３】（１）共存ガスの影響を受けない。ガス状
物質（酸素）が特有波長の光を吸収する状態を高分解能
分光技術によって分析を行うと、図８に示すように、非
常に細かい吸収スペクトルの一群となっている。本発明
では、この吸収スペクトルの中の一本（回転線）を対象
に吸収量の測定を行っているため、測定対象中に存在す
る共存ガスがほぼ同じ波長域に吸収帯を有している場合
でも所望のガス成分の濃度測定を行うことができる。な
ぜなら、波長に関して高分解能で観た場合、異なる物質
の回転線が重なることはほとんどないからである。ま
た、たまたま、１本の回転線が重なる場合でも、他の回
転線は決して重ならないために、測定の対象の回転線を
他の回転線にすることで、この問題を回避することがで
きる。

【００１４】（２）測定感度が高い。前述の通り一般的
に吸収分光法は測定感度が悪いため、光の吸収量が少な
い物質（吸収係数が低い物質）や微量の物質の測定には
適さない。本発明の濃度測定装置では、波長変調法によ
る測定を行うことで測定感度の向上を実現している。こ
の波長変調法とは、発振させるレーザ光の波長に対して
変調を加え、測定対象を通過した信号の中から変調に同
期した成分を取りだすことによってノイズ成分を取り除
き、ガス状物質による光吸収量だけを位相敏感検波する
方法である。

【００１５】（３）固体粒子とガス状物質の濃度の同時
測定が可能。従来の蛍光分光法や発光分光法では、測定
経路の途中に煤塵等の固体粒子が存在すると、光の到達
量が変動し測定が困難になる。また、通常の吸収分光法
でも光の透過量の変動はノイズ増大の原因となり測定感
度を低下させていた。

【００１６】一方、本発明の濃度測定装置に基づいた測
定では、位相敏感検波器と直流成分検出器を用いること
で上記問題を克服している。本発明を用いて図９に示す
ようなガス状物質と固体粒子が混在する領域を測定する
際、レーザ透過率（Ｉ／Ｉ₀ ）は、Ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ₀ ）＝−（ε_g Ｃ_g ＋ε_p Ｃ_p ）Ｄ …（１）に従い、また位相敏感検波器の吸収中心波長での出力Ｘ
は、

【００１７】

【数１】に従う。ここで、Ｉは透過光の強度、Ｉ₀ は入射光の強
度、ε_g ，Ｃ_g はガス状物質の吸収係数，濃度、ε_p ，
Ｃ_p は固体粒子の吸収係数，濃度、Ｄは測定長である。

【００１８】つまり、上記２つの式は、ガス状物質の吸
収係数は波長依存性を有し、固体粒子による吸収は波長
依存性を持たない。従って、図１０に示すように、吸収
の中心波長での吸収は、固体粒子による吸収Ａ_p とガス
状物質による吸収Ａ_g との足しあわせになる。

【００１９】そして、本発明では波長変調に基づく位相
敏感検波を行っているため、位相敏感検波器の出力は、
常に変調幅の両端の値の差、つまりガス状物質による吸
収Ａ_g に相当する。従って、測定長及びガス状物質の濃
度の変動がない限り、吸収ピークＡ（Ａ＝Ａ_g ＋Ａ_p ）
と固体粒子による吸収Ａ_p の差は変化せず、波長依存性
を持たない固体粒子の吸収散乱は位相敏感検波の測定に
影響を与えない。

【００２０】従って、固体粒子の影響を受けない位相敏
感検波によって測定されたガス状物質による吸収量から
ガス状物質濃度の検出が可能である。そして同時に、
（１）式から直流成分検出器によって測定されたレーザ
透過率とガス状物質の濃度から固体粒子濃度を検出する
ことができることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。（第１実施形態）本発明の原理実証のために、大気中に
レーザ光を照射し、且つレーザ光の光路の途中に固体粒
子が浮遊している状態を人工的に作りだし、その固体粒
子濃度を徐々に変化させて、大気中の酸素濃度をサンプ
リングせずに測定を行った。

【００２２】図１は本発明の第１実施形態に係わる濃度
測定装置の構成を示す模式図である。光源部１０が、レ
ーザ発振波長を酸素分子に固有な吸収波長に調整可能な
レーザダイオード１１にＬＤ制御信号Ｓ１によって制御
を行うＬＤドライバ１２が接続されて構成されている。

【００２３】レーザダイオード１１から発振されるレー
ザ光波長に変調を加えるための変調信号Ｓ２が波形発生
器（変調信号発生器）２０から、ＬＤドライバ１２と位
相敏感検波器４０に出力されている。

【００２４】レーザダイオード１１からのレーザ光を受
光し強度を検出する受光部３０が設置されている。受光
部３０は、受光したレーザ光を電気信号に変換するフォ
トダイオード３１と、変換された信号から光強度を検出
するＰＤ−Ａｍｐ．３２から構成されている。そして、
ＰＤ−Ａｍｐ．３２から受光信号Ｓ３が直流成分検出器
４１と位相敏感検波器４０に出力されている。

【００２５】直流成分検出器４１では受光信号Ｓ３から
透過率が検出され、透過率信号Ｓ４が濃度演算器４２に
出力されている。また、位相敏感検波器４０では受光信
号Ｓ３と変調信号Ｓ２とから酸素による吸収量が検出さ
れ、吸収量信号Ｓ５が濃度演算器４２に出力されてい
る。そして、濃度演算器４２では透過率信号Ｓ４と吸収
量信号Ｓ５とからカーボンブラック（ＣＢ）濃度と酸素
濃度とが検出され、酸素濃度信号Ｓ６とＣＢ濃度信号Ｓ
７が出力されている。

【００２６】光源部１０と受光部３０との間のレーザ光
の光路にはスターラ５０上に載置されたビーカ５１が設
置されている。ビーカ５１内には水と０．５ｗｔ％の界
面活性剤が入っており、測定条件毎に一定量のカーボン
ブラックが投入される。そして、ビーカ５１内の液体は
スターラ５０によって攪拌され、カーボンブラックが均
一に浮遊する。

【００２７】動作について説明する。先ずビーカ５１内
にカーボンブラック（煤塵）を一定量投入し、カーボン
ブラックの均一分散が目で確認できる程度まで液体をス
ターラ５０によって攪拌し、その後ビーカ５１内の液体
が静定するのをまって測定を行う。なお、測定条件は表
１に示す通りである。

【００２８】

【表１】

【００２９】波形発生器２０は変調信号Ｓ２をＬＤドラ
イバ１２と位相敏感検波器４０に出力する。ＬＤドライ
バ１２は、酸素に固有な吸収波長を発振し、且つ入力さ
れた変調信号Ｓ２に従った変調信号が加わるようＬＤ制
御信号Ｓ１をレーザダイオード１１に出力し、レーザダ
イオード１１はＬＤ制御信号Ｓ１に従ってレーザを発振
する。レーザダイオード１１から発振されたレーザ光は
大気及びビーカ５１内の液体を通過し、フォトダイオー
ド３１に入射する。

【００３０】フォトダイオード３１は入射した光を電気
信号に変換してＰＤ−Ａｍｐ．３２に出力する。ＰＤ−
Ａｍｐ．３２では出力された信号から光強度を検出し、
位相敏感検波器４０と直流成分検出器４１に受光信号Ｓ
３を出力する。

【００３１】直流成分検出器４１では強度から大気及び
ビーカ５１内の液体の両方を通過したレーザ光の透過率
を検出し、濃度演算器４２に透過率信号Ｓ４を出力す
る。また、位相敏感検波器４０では、変調信号Ｓ２と受
光信号Ｓ３との比較により、受光信号Ｓ３の中からレー
ザダイオード１１から出射されたレーザ光の変調成分に
同期した成分のみを取りだしてノイズを除去し、酸素分
子による吸収スペクトル中の１本の回転線を対象に酸素
による吸収量を検出し、吸収量信号Ｓ５を濃度演算器４
２に出力する。

【００３２】そして、濃度演算器４２は、吸収量信号Ｓ
５から酸素濃度を演算し、酸素濃度信号Ｓ６を出力す
る。また、濃度演算器４２は、透過率信号Ｓ４と吸収量
信号Ｓ５とからカーボンブラックの濃度を演算し、ＣＢ
濃度信号Ｓ７を出力する。

【００３３】測定の結果を図２（ａ），（ｂ）に示す。
図２（ａ）は透過率のカーボンブラック濃度依存性を示
す特性図で、図２（ｂ）は酸素濃度測定値のカーボンブ
ラック濃度依存性を示す特性図である。なお、図２
（ａ）の透過率は、カーボンブラック未投入時の透過率
を１とした場合の透過率を対数で示している。

【００３４】図２（ａ）から透過率の対数とカーボンブ
ラック濃度は比例関係にあり、実験とは逆に透過率を測
定し、透過率から測定領域のカーボンブラックの濃度を
測定可能なことは明白である。

【００３５】また、図２（ｂ）では、カーボンブラック
濃度が変化し、レーザ光の透過率が変化しても、酸素濃
度測定値は大気中の酸素濃度であるほぼ２１％を示して
いる。

【００３６】本実施形態の濃度測定装置によれば、酸素
とカーボンブラック濃度とを同時に非サンプリングで測
定を行うことが可能であることを検証することができ
た。（第２実施形態：大型燃焼テスト煙道内からのサンプリ
ングガス中酸素・煤塵測定）本実施形態では、実燃焼排
ガスの測定可能性を検証した。具体的には、燃焼試験中
の大型燃焼炉における煙道部から燃焼排ガスをサンプリ
ングし、排ガス中の水分や共存物質を取り除く前処理を
行わずに、排ガス中の酸素濃度及び煤塵濃度の同時測定
を行った。

【００３７】図３は本発明の第２実施形態に係わる濃度
測定装置の系統を示す模式図である。光源部１０が、レ
ーザ発振波長を酸素分子に固有な吸収波長に調整可能な
レーザダイオード１１にＬＤ制御信号Ｓ１によって制御
を行うＬＤドライバ１２が接続されて構成されている。

【００３８】レーザダイオード１１から発振されるレー
ザ光波長に変調を加えるための変調信号Ｓ２が波形発生
器２０から、ＬＤドライバ１２と第１の位相敏感検波器
４０と第２の位相敏感検波器８０に出力されている。

【００３９】レーザダイオード１１から出射されたレー
ザ光の光路にハーフミラー６１が設置されている。ハー
フミラー６１で反射した光は、ミラー６２を介して、第
２の受光部７０に入射し、測定対象を通過しない光の強
度が検出される。第２の受光部は、光を受光し電気信号
に変換する第２のフォトダイオード７１と、変換された
信号から光強度を検出する第２のＰＤ−Ａｍｐ．７２と
から構成されている。そして、第２のＰＤ−Ａｍｐ．７
２から検出された光強度が受光信号Ｓ１０として第２の
位相敏感検波器８０と第２のローパスフィルター８１に
出力されている。第２のローパスフィルター８１から参
照レーザ光強度信号Ｓ１２が濃度演算器４２に出力され
ている。また、第２の位相敏感検波器８０には波形発生
器２０から変調信号Ｓ２が入力され、受光信号Ｓ１０と
変調信号Ｓ２とから正確な酸素の吸収波長が検出され、
レーザダイオード１１が吸収波長を発振するよう波長ロ
ック信号Ｓ１１がＬＤドライバ１２に出力されている。

【００４０】ハーフミラー６１を透過したレーザ光は測
定セル９０を通過し、受光部３０のフォトダイオード３
１で受光されている。フォトダイオード３１は受光した
レーザ光を電気信号に変換し、電気信号が光強度を検出
するＰＤ−Ａｍｐ．３２に出力されている。ＰＤ−Ａｍ
ｐ．３２から受光信号Ｓ３が第１のローパスフィルター
（直流成分検出器）８２と第１の位相敏感検波器４０に
出力されている。

【００４１】第１のローパスフィルター８２では受光信
号Ｓ３から透過率が検出され、透過率信号Ｓ４が濃度演
算器４２に出力されている。第１の位相敏感検波器４０
では入力された受光信号Ｓ３と変調信号Ｓ２とから酸素
の吸収量が検出され、吸収量信号Ｓ５が濃度演算器４２
に出力されている。

【００４２】そして、濃度演算器４２では、参照レーザ
光強度信号Ｓ１２と透過率信号Ｓ４と吸収量信号Ｓ５と
から酸素濃度と煤塵濃度とが検出され、酸素濃度信号Ｓ
１３と煤塵濃度信号Ｓ１４とが出力されている。

【００４３】また、波形発生器２０と第２の位相敏感検
波器８０とから変調部１００が構成され、第１，第２の
ローパスフィルタ８１，８２と第１の位相敏感検波器４
０と濃度演算器４２とで解析部１０１が構成されてい
る。

【００４４】測定セル９０は、レーザ光が透過するため
の測定窓を備えており、その周りはリボンヒータ（不図
示）と断熱材（不図示）とで覆われ、測定セル９０中を
通過する排ガスの温度がほぼ２００℃に保持されてい
る。なお、ガスのサンプリング流量に関しては特に制御
が行われていない。

【００４５】図４は本発明の第２実施形態に係わる実験
の装置の配置構成を示す模式図である。なお、図４にお
いて、図３と同一部分には同一符号を付し、その詳しい
説明を省略する。なお、受光部１０２は、図３中の第１
の受光部３０と第２の受光部７０とで構成されている。

【００４６】大型燃焼炉１１０中にバーナ１１１が設け
られ、バーナ１１１の火炎による燃焼排ガスが煙道部１
１２を経由してガスクーラ１１３に導かれている。煙道
部１１２の排ガスは吸引ポンプ１２０，１２１，１２２
によってサンプリングされている。

【００４７】また、煙道部１１２の排ガスが吸引ポンプ
１２１，１２２によってサンプリングされ、測定セル９
０内で本実施形態の装置によって酸素濃度と煤塵濃度と
が測定される。そして、測定セル９０を通過した排ガス
は吸引ポンプ１２２によってサンプリングされ、前処理
器１２６を介して、従来の酸素計１２７に導かれてい
る。また、吸引ポンプ１２０によってサンプリングされ
た排ガスは、円筒濾紙１２４を介して、ガスメータ１２
５に導かれている。

【００４８】動作について説明する。大型燃焼炉１１０
内のバーナ１１１の火炎による排ガスが、煙道部１１２
を介してガスクーラ１１３に導かれる。吸引ポンプ１２
１，１２２によって煙道部１１２の排ガスがサンプリン
グされ、測定セル９０に導かれる。光源部１０から変調
部１００によって変調されたレーザ光が測定セル９０を
通過して、受光部１０２で受光され、解析部１０１によ
って炉内の酸素濃度と煤塵濃度とが測定され、酸素濃度
信号Ｓ１３と煤塵濃度信号Ｓ１４とが出力される。

【００４９】この炉内酸素濃度と炉内煤塵濃度を測定す
る動作について以下で詳しく説明する。変調信号発生器
２０は変調信号Ｓ２をＬＤドライバ１２と第１の位相敏
感検波器４０と第２の位相敏感検波器８０に出力する。
ＬＤドライバ１２は変調信号Ｓ２に従ってレーザダイオ
ード１１を制御する。レーザダイオード１１から発振さ
れたレーザ光はハーフミラー６１で、反射光と透過光と
に分けられる。反射光はミラー６２を介して第２のフォ
トダイオード７１に入射する。第２のフォトダイオード
７１に入射した光は電気信号に変換され、第２のＰＤ−
Ａｍｐ．７２に出力される。第２のＰＤ−Ａｍｐ．７２
は、フォトダイオード７１に入射した光の強度を検出
し、受光信号Ｓ１０を第２のローパスフィルタ８１と第
２の位相敏感検波器８０に出力する。第２の位相敏感検
波器８０は、変調信号Ｓ２と受光信号Ｓ１０とから、酸
素の吸収中心波長を検出し、レーザダイオード１１から
発振するレーザ光の波長を吸収中心波長にロックするよ
う、波長ロック信号Ｓ１１をＬＤドライバ１２に出力す
る。また、第２のローパスフィルタ８１は参照レーザ光
強度信号Ｓ１２を濃度演算器４２に出力する。

【００５０】ハーフミラー６１を透過したレーザ光は、
測定セル９０の測定窓から入射して、サンプリングされ
た排ガスを通過し、測定窓から出射する。そして、測定
セル９０を通過したレーザ光がフォトダイオード３１に
入射する。フォトダイオード３１は入射した光を電気信
号に変換し、ＰＤ−Ａｍｐ．３２に出力する。ＰＤ−Ａ
ｍｐ．３２は光強度を検出し、受光信号Ｓ３を第１のロ
ーパスフィルタ８２と第１の位相敏感検波器４０に出力
する。第１のローパスフィルタ８２は入力された受光信
号Ｓ３からレーザ光の透過率を検出し、濃度演算器４２
に透過率信号Ｓ４を出力する。

【００５１】そして、第１の位相敏感検波器４０では、
変調信号Ｓ２と受光信号Ｓ３との比較により、受光信号
Ｓ３の中からレーザダイオード１１から出射されたレー
ザ光の変調成分に同期した成分のみを取りだしてノイズ
を除去し、酸素分子による吸収スペクトル中の１本の回
転線を対象にレーザ吸収量を検出し、吸収量信号Ｓ５を
濃度演算器４２に出力する。

【００５２】そして、濃度演算器４２は吸収量信号Ｓ５
から酸素濃度を演算し、酸素濃度信号Ｓ１３を出力す
る。また、濃度演算器４２は、透過率信号Ｓ４と吸収量
信号Ｓ５とから測定セル９０中の煤塵濃度を演算し、煤
塵濃度信号Ｓ１４を出力する。

【００５３】以上が本実施形態に係わる濃度測定動作で
ある。次いで、参照のために行った従来の装置による濃
度測定を説明する。測定セル９０を通過した排ガスの一
部は吸引ポンプ１２２によって、前処理器１２６に導か
れる。前処理器１２６では、排ガス中から測定妨害物質
の除去などの前処理が行われる。前処理が行われたガス
は従来法の酸素計１２７に導かれて、酸素濃度が測定さ
れる。

【００５４】吸引ポンプ１２０によって煙道部１１２中
の排ガスがサンプリングされ、円筒濾紙１２４を通過す
る。円筒濾紙１２４を通過したガスはガスメータ１２５
を通過して排気される。そして、円筒濾紙１２４のガス
の通過前と通過後の重量変化を測定し、ガスメータ１２
５でサンプリングされたガスの量が測定される。そし
て、ガス量と円筒濾紙１２５の重量変化からガス中の煤
塵濃度が測定される。

【００５５】本実施形態の測定結果を図５（ａ），
（ｂ）に示す。図５（ａ）は横軸に、測定時間、縦軸に
酸素濃度を示し、図中の実線が本実施形態の測定結果を
示し、白丸が従来の酸素濃度計の測定結果を示してい
る。また、図５（ｂ）は横軸に測定時間、縦軸に煤塵濃
度を示したもので、図中の実線が本実施形態の測定結
果、白丸が従来の方法による測定結果である。図５
（ａ），（ｂ）から明らかなとおり、本実施形態の測定
結果は従来法による測定結果と一致していることがわか
る。

【００５６】従って、本実施形態の濃度測定装置は、従
来法の組み合わせでは困難，複雑，高価であったガス濃
度と煤塵濃度の同時測定が単一装置で簡単に実現するこ
とが可能である。また、サンプリング流量の変動や共存
物質の有無に影響を受けないため、それらを制御するた
めの前処理が不要となり、測定手段の簡素化、装置のコ
ンパクト化を図ることが可能となる。また、従来の吸収
分光法と比較して、測定感度が高く微量分析が可能であ
る。

【００５７】また、測定セルを通過しないレーザ光の強
度を測定することによって、測定感度をさらに向上させ
ることができる。また、レーザ光の波長を酸素の吸収中
心波長にロックすることによって、測定感度をさらに向
上させることができる。

【００５８】（第３実施形態：大型燃焼炉内の非サンプ
リング酸素濃度・煤塵濃度測定）次に、本発明の濃度測
定装置の非サンプリング測定可能性を検証した。具体的
には、燃焼試験中の大型燃焼炉における煙道部中にて非
サンプリング測定し、煙道部中の酸素・煤塵濃度を測定
する実験を行った。

【００５９】本実施形態の装置の配置構成を図６に示
す。図４と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説
明を省略する。本実施形態では図４で測定セルであった
部分を煙道部１１２に置き換えて、排ガスのサンプリン
グを行わずに測定を行った。また、変調部１００と解析
部１０１とを燃焼炉制御室１３０に設置し、光源部１０
及び受光部１０２との間を信号ケーブル１３１で接続し
て測定を行った。

【００６０】なお、測定位置とほぼ同位置から煙道部１
１２内の排ガスをサンプリングし、従来方法の装置によ
る酸素濃度と煤塵濃度の測定を行い、本実施形態の装置
の測定値と比較検証を行った。

【００６１】本実施形態の測定結果を図７（ａ），
（ｂ）に示す。図７（ａ）は横軸に測定時刻、縦軸に酸
素濃度を示し、図中の実線が本実施形態の装置の測定結
果を示し、白丸が従来式酸素濃度計による測定結果を示
す。また、図７（ｂ）は、横軸に測定時刻、縦軸に煤塵
濃度を示し、図中の実線が本実施形態の装置の測定結
果、白丸が従来の装置の測定結果を示す。図７（ａ），
（ｂ）より明らかなとおり、本実施形態の装置の測定結
果は、従来式の装置の測定結果と一致している。

【００６２】本実施形態の濃度測定装置によれば、従来
法の装置の組み合わせでは不可能であったガス・煤塵が
共存する場所でのガス・煤塵濃度の非サンプリング同時
測定が、安価な単一装置によって可能となる。また、レ
ーザ光を利用した非サンプリング測定であり、測定対象
・領域を乱すことがないため、必要とされる条件下での
正確な測定が可能である。また、サンプリング時間がな
いため、測定・制御の高速化を図ることが可能となる。

【００６３】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。例えば、レーザダイオードの発振波長を他の物
資の吸収波長に変えれば、酸素以外の物質の濃度を測定
することが可能である。その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することが可能である。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の濃度測定装
置によれば、測定対象中のガス状物質の吸収波長のレー
ザ光を照射し、吸収量と透過率とを測定、比較すること
によって、ガス状物質濃度と固体粒子濃度とを同時に測
定することができる。

【００６５】また、レーザ光に変調成分を加えて発振
し、受光信号から変調成分を取り除いて吸収量を検出す
ることで、ノイズを除去し測定感度の向上を図ることが
できる。また、吸収スペクトルの１本の回転線を対象に
して吸収量を測定することによって、共存ガスの影響を
受けないので、煩雑な前処理が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わる濃度測定装置の構成を示
す模式図。

【図２】第１実施形態の測定結果を示す特性図。

【図３】第２実施形態に係わる濃度測定装置の構成を示
す模式図。

【図４】第２実施形態に係わる濃度測定装置の配置構成
を示す図。

【図５】第２実施形態の測定結果を示す特性図。

【図６】第３実施形態に係わる濃度測定装置の配置構成
を示す図。

【図７】第３実施形態の測定結果を示す特性図。

【図８】酸素分子の吸収スペクトルを示す特性図。

【図９】本発明の原理を説明する図。

【図１０】本発明の原理を説明する図。

【符号の説明】

１０光源部１１レーザダイオード（ＬＤ）１２ＬＤドライバ２０波形発生器（変調成分発生器，Ｆ．Ｇ）３０（第１の）受光部３１（第１の）フォトダイオード（ＰＤ，ＰＤ１）３２（第１の）ＰＤ−Ａｍｐ．（Ｎｏ．１ＰＤ−Ａｍ
ｐ）４０（第１の）位相敏感検波器４１直流成分検出器４２濃度演算器５０スターラ５１ビーカ６１ハーフミラー（Ｈ．Ｍ）６２ミラー７０第２の受光部７１第２のフォトダイオード（ＰＤ２）７２第２のフォトダイオードダイオード（Ｎｏ．２Ｐ
Ｄ−Ａｍｐ．）８０第２の位相敏感検波器（Ｎｏ．２ＰＳＤ）８１第２のローパスフィルタ（Ｎｏ．２ＬＰＦ）８２第１のローパスフィルタ（Ｎｏ．１ＬＰＦ）９０測定セル１００変調部１０１解析部１０２受光部１１０大型燃焼炉１１１バーナ１１２煙道部１１３ガスクーラ１２０，１２１，１２２吸引ポンプ１２４円筒濾紙１２５ガスメータ１２６前処理器１２７酸素計１３０燃焼炉制御室１３１信号ケーブルＳ１ＬＤ制御信号Ｓ２変調信号Ｓ３受光信号Ｓ４透過率信号Ｓ５吸収量信号Ｓ６酸素濃度信号Ｓ７ＣＢ濃度信号Ｓ１０受光信号Ｓ１１波長ロック信号Ｓ１２参照レーザ光強度信号Ｓ１３酸素濃度信号Ｓ１４煤塵濃度信号

フロントページの続き (72)発明者徳田君代長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者藤村皓太郎長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象中のガス状物質に固有な吸収波長
のレーザ光を照射する光源部と、この光源部から発振されるレーザ光の波長に変調を加え
るための変調信号発生器と、前記測定対象を通過したレーザ光を受光し、光強度を検
出する受光部と、検出された光強度から前記測定対象の透過率を検出する
直流成分検出器と、検出された光強度とレーザ光に加えられた変調成分とか
ら前記測定対象中のガス状物質による光吸収量を検出す
る位相敏感検波器と、検出された透過率と光吸収量とから前記測定対象中のガ
ス状物質濃度と固体粒子濃度とを演算する濃度演算器と
を具備してなることを特徴とする濃度測定装置。