JP6947471B2 - ガス濃度計測装置 - Google Patents

Description

本願発明は、管路内を流れるガス中における成分濃度を計測するためのガス濃度計測装置に関するもので、特に、光照射によるガス濃度計測装置に関する。

従来より、内燃機関や焼却炉などの燃焼機関からの排気ガスや、ガスエンジンや燃料電池などのガス機関への燃料ガスにおける各種ガス成分を測定するために、光を利用するガス濃度計測装置が採用されている。そして、光照射によるガス濃度計測装置による測定方式として、干渉させた赤外光の強度分布を利用したフーリエ変換赤外分光方式（ＦＴＩＲ：Fourier transform infrared spectrometer）や、照射したレーザ光の光吸収を利用した波長可変半導体レーザ光吸収分光法（ＴＤＬＡＳ：（tunable diode laser absorption spectroscopy）などが知られている。

ＴＤＬＡＳ法を用いたガス濃度計測装置は、計測対象ガスの吸収スペクトルに一致した波長のレーザ光を照射し、透過後のレーザ光の減衰量を測定することで、計測対象ガスの濃度を計測する（特許文献１参照）。ＴＤＬＡＳ法によるガス濃度計測装置は、測定用光学系に対して、計装空気や窒素ガスなどのパージガスを吹き付けることにより、光学系の汚れや結露を防いでいる。

特許第５６０６０５６号公報

ＴＤＬＡＳ法では、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に基づく、以下の（１）式に基づいて、計測対象ガスのガス濃度を測定する。すなわち、ＴＤＬＡＳ法によるガス濃度の測定においては、測定対象を透過するレーザ光の光路長（透過光路長）をパラメータとして含む。ガス濃度を精度よく分析するには、サンプルガス（領域）中を透過するレーザ光の光路長が変動しないことが好ましい。そのため、計測対象ガスが流れる測定幅を一定にする必要がある。
Ｉ１＝Ｉ０×ｅｘｐ（−ε×Ｎ×Ｌ） … （１）
（Ｉ０：透過前のレーザ光強度、Ｉ１：透過後のレーザ光強度、ε：モル吸光係数、Ｎ：測定対象のモル濃度、Ｌ：透過光路長）

しかしながら、従来では、計測対象ガスが流れる管路（測定セル）を挟むようにして、ガス濃度計測装置の受発光部それぞれを設置させた場合、管路を流れるサンプルガスがガス濃度計測装置側に侵入する。ガス濃度計測装置の受発光部の光学系が汚損しないように、パージガスを導入するガイド管を設け、パージガスを流してサンプルガスの侵入を防いでいるが、パージガス流量が適切でない場合は、上述した測定幅（透過光路長Ｌ）が不安定な値となり、測定値の信頼性が低くなる。

本願発明は、上記のような現状を検討して改善を施したガス濃度計測装置を提供することを目的としている。

本願発明のガス濃度計測装置は、筒型の計測管路を挟んで発光部及び受光部が対向して配置され、前記発光部からの照射光が前記計測管路内を透過して前記受光部で受光されることで、前記計測管路内を通過する計測対象ガスの濃度を測定するガス濃度計測装置であって、前記発光部及び前記受光部における光学系にパージガスを導入させるガイド管が、前記計測管路の側壁に連結して、互いに対向する位置で計測対象ガスの流れ方向に直交させて配置されており、前記計測管路がガス供給口から計測対象ガス流れ方向下流側に向かって広がるテーパー状のガス入口部を有しているというものである。

上記ガス濃度計測装置において、前記計測管路は、前記計測部の下流側に設けたガス出口部を、計測対象ガス流れ方向下流側端部のガス排出口に向かって狭まるテーパー状としているものとしてもよい。

また、上記ガス濃度計測装置において、前記排気流出口がメイン経路側に設けられているものとしてもよいし、前記排気流出口がバイパス経路側に設けられているものとしてもよい。

また、上記ガス濃度計測装置において、前記パージガスガイド管に供給されるパージガスの流量は、短径部分となるガス流入口の断面積に対する長径部分となる前記計測部の断面積の比率と前記計測管路に流入するガス流速とに基づいて算出されるものとしてもよい。

また、上記ガス濃度計測装置において、前記計測管路に流入するガスの流速変化を検出し、この流速変化に応じたパージガス流量に調整するものとしてもよい。

本願発明によると、計測管路内において、パージガスガイド管と計測管路との連結部へのサンプルガスの流入を抑制できる。従って、計測管路中のサンプルガスにレーザ光を照射した際の光路長を一定に維持し、ガス濃度の計測値の信頼性を向上できる。また、パージガスガイド管へのパージガスの供給流量を抑制できる。従って、パージガス供給用の各装置を小型化できるだけでなく、パージガス供給の為の電力、燃料コストを低減できる。

また、本願発明によると、計測管路における短径部分の断面積に対する長径部分の断面積の比率が大きいほど、パージガスガイド管へのサンプルガスの侵入を抑制できる。これにより、パージガス流量を容易に算出でき、サンプルガスの流速に応じて必要なパージガス流量を設定できる。

計測管路を含むガス濃度計測装置の構成を示す斜視図である。 ガス濃度計測装置のシステム構成を示す概略図である。 ガス濃度計測装置の断面図である。 計測管路の拡大断面図である。

以下に、本願発明におけるガス濃度計測装置について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるガス濃度計測装置の構成を示す概略斜視図であり、図２は、本実施形態におけるガス濃度計測装置のシステム構成を示す概略図であり、図３は、本実施形態におけるガス濃度計測装置の構成を示す断面図である。

図１〜図３に示すように、本実施形態のガス濃度計測装置１は、計測対象ガスを含むサンプルガスが流れる計測管路（計測セル）２と、計測管路２にレーザ光を照射する発光部３と、計測管路２を透過したレーザ光を受光する受光部４とを備える。計測管路２は、サンプルガスを計測管路２に流出するガス供給管路５と、計測管路２からサンプルガスが流入するガス排出管路６との間に設置される。すなわち、計測管路２の排気ガス入口側にガス供給管路５が連結される一方、計測管路２の排気ガス出口側にガス排出管路６が連結される。なお、サンプルガスとして、例えば、燃焼機関からの排気ガスやガス機関への燃料ガスが供給され、計測対象ガスとして、アンモニア、ハロゲン化水素、窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、酸素、水、炭化水素、硫化水素など赤外領域の光を吸収する特性を有する気体の濃度が測定される。

発光部３及び受光部４は、計測管路２を挟んで対称となる位置に設けられており、発光部３から受光部４への光軸が、計測管路２を流れるサンプルガスの流れ方向に対して直交する。計測管路２は、サンプルガスが流れる主管７を備えている。そして、主管７側壁には、発光部３からのレーザ光を計測管路２の主管７内に誘導する入射管（枝管）８が、発光部３の設置位置に相対するようにして設けられるとともに、主管７内を透過したレーザ光を受光部４に誘導する出射管（枝管）９が、発光部３の設置位置に相対するようにして設けられる。即ち、入射管８及び出射管９はそれぞれ、その長手方向を主管７の径方向とするとともに、主管７の軸心を中心として対称となる位置に設けられている。

発光部３は、レーザ光を出射するレーザダイオード（不図示）を具備しており、レーザ光出射側に、出射したレーザ光の光軸を調整する光学系を備えた光軸調整部１０の入射側が連結されている。そして、光軸調整部１０の出射側が、光軸調整部１０に吹き付けるパージガスを流すパージガスガイド管１１を介して、計測管路２の入射管８と連結している。すなわち、発光部３は、光軸調整部１０及びパージガスガイド管１１を介して、計測管路２の入射管８と連結している。

受光部４は、レーザ光を受光して光電変換するフォトダイオード（不図示）を具備しており、レーザ光入射側に、入射されるレーザ光の光軸を調整する光学系を備えた光軸調整部１２の出射側が連結されている。そして、光軸調整部１２の入射側が、光軸調整部１２に吹き付けるパージガスを流すパージガスガイド管１３を介して、計測管路２の出射管９と連結している。すなわち、受光部４は、光軸調整部１２及びパージガスガイド管１３を介して、計測管路２の出射管９と連結している。

計装空気や窒素ガスなどのパージガスは、パージガス源１５と接続されたパージ流量調整部１６で流量が調整され、分岐されたガス管路１７，１８を通じて、ガス導入口１９，２０よりパージガスガイド管１１，１３内に供給される。すなわち、パージガスガイド管１１，１３のガス導入口１９，２０それぞれとパージ流量調整部１６とをガス管路１７，１８で接続している。

ガス管路１７，１８上にはそれぞれ、ガス流量計３０，３１が設けられている。ガス流量計３０，３１が、パージガスガイド管１１，１３へのパージガスの供給流量を測定して、その測定信号を計測制御部３２に出力する。また、パージ流量調整部１６は、計測制御部３２からの指令信号に基づいて、パージガスの供給流量を決定する。

計測制御部３２は、計測管路２の主管７内を流れるサンプルガスの流速に基づいて、パージガスの供給流量を設定し、設定した流速を通知するべく、パージ流量調整部１６に指令信号を出力する。また、計測制御部３２は、発光部３に指令信号を与えて、計測対象ガスの吸収スペクトルに一致した波長のレーザ光（近赤外の波長域のレーザ光）を照射させ、受光部４で受光したレーザ光の光量を測定信号として受ける。計測制御部３２は、受光部４からの測定信号を受けると、測定信号より確認された透過光量を確認し、ＴＤＬＡＳ法による上述の（１）式に基づいて、サンプルガス中における計測対象ガスの濃度を算出する。また、計測制御部３２は、サンプルガスの流速変化を検出し、この流速変化に応じたパージガス流量に調整する。

計測管路２は、サンプルガスが流入する流入口を備えたガス入口部２１と、サンプルガスを排出する排出口を備えたガス出口部２２と、ガス入口部２１及びガス出口部２２の間に設けられた筒状の計測部２３とを備える。すなわち、主管７が、ガス入口部２１、ガス出口部２２及び計測部２３によって構成されており、入射管８及び出射管９を計測部２３の側壁から突設させている。

ガス入口部２１は、ガス供給管路５と連結しており、計測部２３に向かって内径が広がるテーパー状に構成されている。一方、ガス出口部２２は、ガス排出管路６と連結しており、計測部２３に向かって内径が広がるテーパー状に構成されている。計測管路２の主管７において、計測部２３での内径が、ガス入口部２１の流入口及びガス出口部２２の排出口それぞれの内径よりも大きく、主管７は、ガス供給管路５及びガス排出管路６それぞれと連結する両端を狭めた徳利形状を有する。すなわち、計測管路２の計測位置となる計測部２３の内径が、ガス供給管路５及びガス排出管路６それぞれの内径よりも大きい。計測管路２は、ガス入口部２１をサンプルガス流れ上流側に向かうに連れて断面積を縮小するような先窄まりのテーパー状（錐形状）とすることで、計測部２３において、入射管８及び出射管９へのサンプルガスの流入を抑制する。

図３に示すように、計測部２３の内径Ｒ２がガス入口部２１の流入口の内径Ｒ１より大きいことから、計測部２３の中心部をサンプルガスが流れようとし、ガス入口部２１より下流側に向かって、サンプルガスの分布幅が広がる。このとき、サンプルガスの分布幅が計測部２３の内壁に達する位置よりも上流側に、入射管８及び出射管９を設置している。これにより、サンプルガスの入射管８及び出射管９への流入量を低減でき、入射管８及び出射管９の設置位置におけるサンプルガスの分布幅を一定とできる。

また、入射管８及び出射管９へのサンプルガスの流入を抑制できることから、パージガスガイド管１１，１３へのパージガスの供給流量を少量に低減できる。計測制御部３２は、ガス供給管路５を流れるサンプルガスの流速Ｓｆの測定信号を受けて、以下の（２）式に基づいて、パージガスの供給流量Ｐｆを設定する。
Ｐｆ＝（Ｋ１×Ｓｆ）／（Ｒ２^２／Ｒ１^２）^２ …（２）
（Ｋ１：定数）

上述したように、本実施形態のガス濃度計測装置１は、筒型の計測管路２を挟んで発光部３及び受光部４が対向して配置され、発光部３からの照射光が計測管路２内を透過して受光部４で受光されることで、計測管路２内を通過する計測対象ガスの濃度を測定する。発光部３及び受光部４における光学系にパージガスを導入させるパージガスガイド管１１，１３が計測管路２の側壁に連結される。計測管路２は、ガス供給口から下流側に向かって広がるテーパー状のガス入口部２１を有している。パージガスガイド管１１，１３は、ガス入口部２１より下流側であって互いに対向する位置で、サンプルガスの流れ方向（計測管路２の長手方向）に直交させて配置される。

これにより、計測管路２内において、パージガスガイド管１１，１３と計測管路２との連結部へのサンプルガスの流入を抑制できる。従って、計測管路２中のサンプルガスにレーザ光を照射した際の光路長を一定に維持し、ガス濃度の計測値の信頼性を向上できる。また、パージガスガイド管１１，１３へのパージガスの供給流量を抑制できる。従って、パージガス供給用の各装置を小型化できるだけでなく、装置駆動のための電力又は燃料コストを低減できる。

計測管路２において、パージガスガイド管１１，１３と連結される計測部２３が、ガス入口部２１内径の最大値と同一径の内径で構成された筒形状を有する。また、計測管路２は、下流側端部のガス出口部２２を、ガス排出口から上流側に向かって広がるテーパー状としている。換言すると、計測部２３の下流側に設けたガス出口部２２を、下流側端部のガス排出口に向かって狭まるテーパー状としている。すなわち、計測管路２は、両端をテーパー状で狭めた徳利形状を有する。

パージガスガイド管１１，１３に供給されるパージガスの流量は、短径部分となるガス流入口の断面積に対する長径部分となる計測部２３の断面積の比率と、計測部２３を流れるサンプルガスの流速に基づいて算出される。このとき、計測管路２における短径部分の断面積に対する長径部分の断面積の比率が大きいほど、パージガスガイド管１１，１３へのサンプルガスの侵入を抑制できる。これにより、パージガス流量を容易に算出でき、サンプルガスの流速に応じて必要なパージガス流量を設定できる。

なお、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば、計測管路２の入射管８及び出射管９それぞれにパージガスを供給するものとして、パージガスガイド管１１，１３を省略した構成としても構わない。また、計測管路２の計測部２３を円筒形状としたが、円筒形状に限らず、例えば、多角筒形状としても構わない。

１ ガス濃度計測装置
２ 計測管路（計測セル）
３ 発光部
４ 受光部
５ ガス供給管路
６ ガス排出管路
７ 主管
８ 入射管（枝管）
９ 出射管（枝管）
１０ 光軸調整部
１１ パージガスガイド管
１２ 光軸調整部
１３ パージガスガイド管
１５ パージガス源
１６ パージ流量調整部
１７ ガス管路
１８ ガス管路
１９ ガス導入口
２０ ガス導入口
２１ ガス入口部
２２ ガス出口部
２３ 計測部
３０ ガス流量計
３１ ガス流量計
３２ 計測制御部

Claims (2)

1. 筒型の計測管路を挟んで発光部及び受光部が対向して配置され、前記発光部からの照射光が前記計測管路内を透過して前記受光部で受光されることで、前記計測管路内を通過する計測対象ガスの濃度を測定するガス濃度計測装置であって、
   前記発光部及び前記受光部における光学系にパージガスを導入させるガイド管が、前記計測管路の側壁に連結して、互いに対向する位置で計測対象ガスの流れ方向に直交させて配置されており、
   前記計測管路は、ガス供給口から計測対象ガス流れ方向下流側に向かって広がるテーパー状のガス入口部を有するとともに、前記ガス入口部より計測対象ガス流れ方向下流側に、内径を一定として筒状の計測部を備えており、該計測部に、直管形状の前記ガイド管が直交するように設置されており、
   前記ガイド管に供給されるパージガスの流量は、短径部分となるガス流入口の断面積に対する長径部分となる前記計測部の断面積の比率と前記計測管路に流入するガス流速とに基づいて算出され、前記計測管路に流入するガスの流速変化を検出し、この流速量変化に応じたパージガス流量に調整する、
   ガス濃度計測装置。
2. 前記計測対象ガスが赤外領域の光を吸収する特性を有する気体であり、
   前記発光部及び前記受光部は、前記計測管路を挟んで対称となる位置に設けられている、
   請求項１に記載のガス濃度計測装置。
   

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