JP6924665B2 - ガス濃度測定システム - Google Patents

Description

本発明は、種々の製造設備や処理設備から排出される排気ガスの排気管に設置され、該排気管内を流れる排気ガス中の測定対象ガス、例えば、塩化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素等の濃度を、レーザー式ガス濃度測定装置を用いて測定するガス濃度測定システムであり、測定対象ガス濃度が低い排気ガス中の測定対象ガス濃度を測定するためのガス濃度測定システムに関する。

四塩化チタンは、酸化チタンを含む鉱石を塩素ガスで塩素化することにより製造される。そして、この四塩化チタンの製造では、微量ながらも、塩化水素が複成するため、四塩化チタンの製造設備の排気ガス中には、微量の塩化水素ガスが含まれている。

塩化水素ガスは、有害ガスであるため、四塩化チタンの製造設備から環境へ排出される排出ガスに対しては、排出規制がされており、その規制値は年々低くなってきている。例えば、神奈川県では、県条例により、排気ガス中の塩化水素ガス濃度は、５ｐｐｍ以下に規制されている。そのため、排気ガス中の塩化水素ガス濃度を連続的に測定することが必要となる。

排気ガス中の塩化水素ガス濃度を測定する方法としては、従来より、ゴミ焼却設備において、ゴミ焼却設備からの排出ガス中の塩化水素ガス濃度を、レーザー式ガス濃度測定装置を用いて測定する方法が知られている。

このレーザー式ガス濃度測定装置とは、例えば、特許文献１に開示されているように、ガスの分子又は原子に、それぞれ固有の光吸収スペクトルがあることを利用して、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長帯を有するレーザー光を出射するレーザー光源から、レーザー光を、測定対象ガスを含む測定対象空間に照射し、レーザー光が測定対象空間を透過するときの、測定対象ガスによるレーザー光の吸収量を測定し、そのレーザー光の吸収量から測定対象ガス濃度を演算して求める装置である。

図１１には、ゴミ焼却設備からの排気ガスを排出するための煙道に設置される排気ガス中の測定対象ガス濃度を測定するためのレーザー式のガス濃度測定システムを示す。図１１中、ガス濃度測定システム４０では、煙道５２に形成されるレーザー光透過用孔４８、４９に、発光器設置用フランジ部材４４と受光器設置用フランジ部材５４が嵌め込まれて設置され、発光器設置用フランジ部材４４に、発光器４１の取付フランジ部４６が取り付けられることにより、発光器４１が煙道５２設置され、また、受光器設置用フランジ部材５４に、受光器５１の取付フランジ部５６が取り付けられることにより、受光器５１が煙道５２に設置されている。このとき、発光器４１と受光器５１とは、発光器４１から出射されるレーザー光の光軸４７が、受光器５１の受光素子の受光軸と一致するように設置される。発光器４１及び受光器５１は、図示しない制御部に電気的に繋がっている。制御部は、受光素子からの受光信号に基づいて、測定対象ガスによる光吸収スペクトルの吸収量を求め、各種演算処理により、測定対象ガス濃度を演算する演算手段を有する。

そして、ガス濃度測定システム４０では、発光器４１のレーザー光源からレーザー光が、煙道５２内の排気ガス５３に向けて出射され、出射されたレーザー光は、煙道５２内の排気ガス５３を透過し、煙道５２内の排気ガス５３を透過したレーザー光は、受光器５１の受光素子にて受光される。受光素子からの受光信号に基づいて、測定対象ガスによる光吸収スペクトルの吸収量が求められ、その吸収量から測定対象ガス濃度が演算される。

このようにして、ガス濃度測定システム４０を用いて、煙道５２を通って排出される排出ガス５３中の測定対象ガス濃度が、連続的に測定される。

特開２００１−１５９６０５号公報

ゴミ焼却設備から排出される排出ガス中の塩化水素ガス濃度は、４０ｐｐｍ程度である。この程度の濃度であれば、レーザー式ガス濃度測定装置を用いて精度良く測定するために、レーザー光が測定対象空間を透過するときの透過距離（以下、レーザー光による測定距離とも記載する。）が、５００ｍｍ程度であれば十分であるため、図１１に示すガス濃度測定システム４０のように、レーザー光の光軸４７が、煙道５２の管軸方向に対して垂直であっても、十分なレーザー光による測定距離を確保することができる。

それに対して、四塩化チタンの製造設備からの排出ガスの排出規制のように、測定対象ガス濃度が非常に低い場合、精度良く測定するためには、ゴミ焼却設備から排出される排出ガス中の塩化水素ガス濃度を測定する場合に比べ、レーザー光による測定距離を長くする必要が生じる。例えば、５ｐｐｍ程度の塩化水素ガス濃度の測定には、１ｍ以上のレーザー光による測定距離を確保する必要がある。

ところが、一般に、四塩化チタンの製造設備では、排気管の管径が１ｍに満たないものが多いため、レーザー式ガス濃度測定装置のレーザー光の光軸が、排気管の管軸方向に対して垂直になるように、発光器と受光器とを設置したのでは、十分なレーザー光による測定距離を確保することはできない。

そこで、本発明者らは、十分なレーザー光による測定距離を確保するために、図１２に示すように、レーザー光の光軸６７が、排気管３０の管軸に垂直な方向に対して傾くように、発光器６１及び受光器７１を設置することを試みた。

図１２に示すガス濃度測定システム６０では、排気管３０に、排気管３０の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、発光器から排気管までレーザー光を通過させるためのレーザー光通過用第一側管６３が付設され、レーザー光通過用第一側管６３の他端側に、発光器設置用フランジ部材６４が嵌め込まれ、その発光器設置用フランジ部材６４に、発光器６１の取付フランジ部６６が取り付けられて、発光器６１が設置されており、また、排気管３０に、排気管３０の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、排気管から受光器までレーザー光を通過させるためのレーザー光通過用第二側管７３が付設され、レーザー光通過用第二側管７３の他端側に、受光器設置用フランジ部材７４が嵌め込まれ、その受光器設置用フランジ部材７４に、受光器７１の取付フランジ部７６が取り付けられて、受光器７１が設置されている。

ここで、塩化水素ガスを含有する排気管の材質には、一般に、塩化ビニルが用いられている。塩化ビニルは、鉄等の金属材料に比べ、熱により膨張及び収縮し易い材質である。

そのため、図１３に示すように、日中気温が高くなると、排気管３０は、排気管の管軸方向３２に伸びる。そして、排気管３０の管軸方向３２の伸びにより、第一側管６３と第二側管７３との管軸方向３２の距離が設置時に比べ長くなってしまう。このことにより、発光器６１の出射レーザー光の光軸６７と、受光器７１の受光素子の受光軸とがずれてしまい、正常な測定ができなくなってしまうという問題が発生した。

また、気温が低くなると、排気管３０は、排気管の管軸方向３２に縮む。そして、排気管３０の管軸方向３２の収縮により、レーザー光通過用第一側管６３とレーザー光通過用第二側管７３との管軸方向３２の距離が設置時に比べ短くなってしまう。このことにより、発光器６１の出射レーザー光の光軸６７と、受光器７１の受光素子の受光軸とがずれてしまう。

従って、本発明の目的は、レーザー光の光軸が、排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、発光器及び受光器が設置されるガス濃度測定システムであり、外気温の変化によりガス濃度測定システムが設置される排気管が管軸方向に伸縮しても、発光器の出射レーザー光の光軸と、受光器の受光素子の受光軸とがずれ難いガス濃度測定システムを提供することにある。

本発明を解決するために、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、第一フレームに発光器を固定し、第二フレームに受光器を固定して、発光器及び受光器の位置が動かないように固定し、且つ、排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、排気管に付設されるレーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管に、伸縮及び曲げ変形が可能な円筒状のフレキシブル結合部を介して、発光器及び受光器を繋げることにより、外気温の変化により排気管が管軸方向に伸縮しても、発光器の出射レーザー光の光軸と、受光器の受光素子の受光軸とがずれ難くできることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明（１）は、測定対象ガスを含む排気ガスが流れる排気管内に、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を透過させ、該レーザー光が該排気管内の該排気ガスを透過するときの測定対象ガスによる該レーザー光の吸収量を求め、該レーザー光の吸収量より、該排気ガス中の該測定対象ガスの濃度を求めるレーザー式ガス濃度測定装置と、
該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が設置され、該発光器の位置を固定するための第一フレームと、
該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が設置され、該受光器の位置を固定するための第二フレームと、
内側を該発光器から該排気管まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第一側管と、
内側を該排気管から該受光器まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第二側管と、
を有し、
該レーザー光の光軸が、該排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が該第一フレームに設置され、該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が該第二フレームに設定されており、
該発光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第一側管の他端側に繋がっており、該受光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第二側管の他端側に繋がっていること、
を特徴とするガス濃度測定システムを提供するものである。

また、本発明（２）は、前記測定対象ガスが、塩化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素又は酸素であることを特徴とする（１）のガス濃度測定システムを提供するものである。

また、本発明（３）は、前記測定対象ガスが塩化水素であり、且つ、前記排気ガス中の塩化水素濃度が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする（１）のガス濃度測定システムを提供するものである。

また、本発明（４）は、前記排気管の材質がポリエチレン、ポリプロピレン、炭素鋼又はステンレス鋼であることを特徴とする（１）〜（３）いずれかのガス濃度測定システムを提供するものである。

また、本発明（５）は、前記第一フレームと前記第二フレームとが、連結部で繋がっていることを特徴とする（１）〜（４）いずれかのガス濃度測定システムを提供するものである。

本発明によれば、レーザー光の光軸が、排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、発光器及び受光器が設置されるガス濃度測定システムであり、外気温の変化によりガス濃度測定システムが設置される排気管が管軸方向に伸縮しても、発光器の出射レーザー光の光軸と、受光器の受光素子の受光軸とがずれ難いガス濃度測定システムを提供することができる。

本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式的な斜視図である。 図１に示すガス濃度測定システム１０ａを上から見た図である。 図１に示すガス濃度測定システム１０ａを横から見た図であり、図２のＡ方向から見た図である。 図１に示すガス濃度測定システム１０ａを横から見た図であり、図２のＢ方向から見た図である。 図１に示すガス濃度測定システム１０ａを上から見た図であり、排気管３０が管軸方向に伸びたときの様子を示す図である。 図１に示すガス濃度測定システム１０ａを上から見た図であり、排気管３０が管軸方向に収縮したときの様子を示す図である。 図２中の受光器１１近傍を拡大した図であり、排気管３０が伸びる前後を重ね合わせた図である。 本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式的である。 本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式的である。 本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式的である。 ゴミ焼却設備からの排気ガス中の測定対象ガス濃度を測定するためのガス濃度測定システムである。 排気管の管軸に垂直な方向に対して、レーザー光の光軸が傾くように、発光器及び受光器を設置するガス濃度測定システムの比較例である。 図１２中のガス濃度測定システムにおいて、外気温の変化により排気管が管軸方向に伸びたときの様子を示す図である。 実施例１の結果を示すグラフである。 比較例１の結果を示すグラフである。

本発明のガス濃度測定システムは、測定対象ガスを含む排気ガスが流れる排気管内に、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を透過させ、該レーザー光が該排気管内の該排気ガスを透過するときの測定対象ガスによる該レーザー光の吸収量を求め、該レーザー光の吸収量より、該排気ガス中の該測定対象ガスの濃度を求めるレーザー式ガス濃度測定装置と、
該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が設置され、該発光器の位置を固定するための第一フレームと、
該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が設置され、該受光器の位置を固定するための第二フレームと、
内側を該発光器から該排気管まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第一側管と、
内側を該排気管から該受光器まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第二側管と、
を有し、
該レーザー光の光軸が、該排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が該第一フレームに設置され、該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が該第二フレームに設定されており、
該発光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第一側管の他端側に繋がっており、該受光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第二側管の他端側に繋がっていること、
を特徴とするガス濃度測定システムである。

本発明のガス濃度測定システムについて、図１〜図７を参照して説明する。図１は、本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式的な斜視図であり、図１（Ｂ）では、ガス濃度測定システム１０ａを実線で、排気管３０を点線で示す。図２は、図１に示すガス濃度測定システム１０ａを上から見た図である。図３は、図１に示すガス濃度測定システム１０ａを横から見た図であり、図２のＡ方向から見た図である。図４は、図１に示すガス濃度測定システム１０ａを横から見た図であり、図２のＢ方向から見た図である。図５は、図１に示すガス濃度測定システム１０ａを上から見た図であり、排気管３０が管軸方向に伸びたときの様子を示す図である。図６は、図１に示すガス濃度測定システム１０ａを上から見た図であり、排気管３０が管軸方向に収縮したときの様子を示す図である。図７は、図２中の受光器１１近傍を拡大した図であり、排気管３０が伸びる前後を重ね合わせた図である。

ガス濃度測定システム１０ａは、レーザー式ガス濃度測定装置を有する。つまり、ガス濃度測定システム１０ａは、レーザー式ガス濃度測定装置を用いるガス濃度の測定システムである。ガス濃度測定システム１０ａに用いられるレーザー式ガス濃度測定装置は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を出射するレーザー光源を備える発光器１と、排気管３０内の排気ガス３１を透過したレーザー光を受光する受光素子を備える受光器１１と、発光器１及び受光器１１に電気的に繋がる、図示しない制御部と、からなる。制御部は、ガス濃度を演算する演算部を備える。

ガス濃度測定システム１０ａは、発光器１が設置され、発光器１の位置を固定するための第一フレーム２と、受光器１１が設置され、受光器１１の位置を固定するための第二フレーム１２と、を有する。第一フレーム２は、コ字状（矩形の三辺をなす形状）の外側フレーム部２１と、発光器１の下側を固定する発光器下側固定フレーム部２２と、発光器１の上側を固定する発光器上側固定フレーム部２３と、発光器１の左側を固定する発光器左側固定フレーム部２４と、発光器１の右側を固定する発光器右側固定フレーム部２５と、からなる。第二フレーム１２は、コ字状の外側フレーム部と、受光器２の下側を固定する受光器下側固定フレーム部と、受光器２の上側を固定する受光器上側固定フレーム部と、受光器２の左側を固定する受光器左側固定フレーム部と、受光器２の右側を固定する受光器右側固定フレーム部と、からなる。そして、発光器１及び受光器１１は、外気温が変化しても位置がずれない又はずれ難い第一フレーム２及び第二フレーム１２に設置されているので、外気温が変化しても、あるいは、外気温の変化により排気管３０が管軸方向３２に伸縮しても、発光器１及び受光器１１の位置が固定される。ガス濃度測定システム１０ａでは、第一フレーム２の外側フレーム部の上側の一端と第二フレーム１２の外側フレーム部の上側の一端とが、連結部９ａ１で連結されており、第一フレーム２の外側フレーム部の上側の他端と第二フレーム１２の外側フレーム部の上側の他端とが、連結部９ａ２で連結されている。

ガス濃度測定システム１０ａは、排気管３０の管軸に垂直な方向３３に対して管軸が傾くように、一端が排気管３０に繋がるレーザー光通過用第一側管３と、排気管３０の管軸に垂直な方向３３に対して管軸が傾くように、一端が排気管３０に繋がるレーザー光通過用第二側管１３と、を有する。レーザー光通過用第一側管３は、内側を発光器１から排気管３０までレーザー光を通過させるための通過経路を形成する部材であり、また、レーザー光通過用第二側管１３は、内側を排気管３０から受光器１１までレーザー光を通過させるための通過経路を形成させる部材である。

ガス濃度測定システム１０ａでは、レーザー光の光軸７が、排気管３０の管軸２９に垂直な方向３３に対して傾くように、発光器１が第一フレーム２に設置され、受光器１１が第二フレーム１２に設定されている。つまり、発光器１の出射レーザー光の光軸と受光器１２の受光軸とがずれないように、発光器１が第一フレーム２に設置され、受光器１１が第二フレーム１２に設定されている。ガス濃度測定システム１０ａでは、レーザー光を、排気管３０の管軸に垂直な方向３３に対して傾いた方向に、排気管３０内を透過させることができるので、レーザー光が排気ガスを透過する距離（レーザー光による測定距離）を長くすることができる。

ガス濃度測定システム１０ａでは、レーザー光通過用第一側管３の他端には、発光器設置用フランジ部材４が嵌め込まれており、発光器設置用フランジ部材４と発光器１の取付フランジ部６とが、円筒状のフレキシブル結合部５で連結されている。このことにより、発光器１は、円筒状のフレキシブル結合部５を介して、レーザー光通過用第一側管３の他端側に繋がっている。また、ガス濃度測定システム１０ａでは、レーザー光通過用第二側管１３の他端には、受光器設置用フランジ部材１４が嵌め込まれており、受光器設置用フランジ部材１４と受光器１１の取付フランジ部１６とが、円筒状のフレキシブル結合部１５で連結されている。このことにより、受光器１１は、円筒状のフレキシブル結合部１５を介して、レーザー光通過用第二側管１３の他端側に繋がっている。

そして、発光器１のレーザー光源から連続して、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を、測定対象ガスを含む排気ガス３１が流れる排気管３０内に向けて出射させ、レーザー光を、排気管３０内の排気ガス３１を透過させ、排気ガス３１を透過したレーザー光を、受光器１１の受光素子で受光して、排気ガス３１を透過するときの測定対象ガスによるレーザー光の吸収量を求め、レーザー光の吸収量より、排気ガス３１中の測定対象ガスの濃度を演算して求めることにより、ガス濃度測定システム１０ａで、連続的に排気ガス３０中の測定対象ガス濃度を測定する。

図５に示すように、ガス濃度測定システム１０ａで、連続して、排気ガス３０中の測定対象ガス濃度を測定している間に、外気温が高くなり、排気管３０が管軸方向３２に伸びても、発光器１及び受光器１１は、第一フレーム２及び第二フレーム１２により、位置が固定されているため、発光器１及び受光器１１の位置はずれない。そのため、排気管３０が管軸方向３２に伸びても、発光器１の出射レーザー光の光軸７と、受光器１１の受光軸とがずれることはない。

このとき、排気管３０の管軸方向３２の伸びにより、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３の位置が、排気管３０の管軸方向３２に移動しても、フレキシブル結合部５、１５が、変形するので、発光器１及び受光器１１が、第一フレーム２及び第二フレーム１２に位置が固定されていても、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３に、大きな力が加わることはない。そのため、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３が破損することが防がれる。図７（Ａ）には、レーザー光通過用第二側管１３の位置が、移動する前の様子を実線で、移動した後の様子を二点鎖線で示す。

また、図６に示すように、ガス濃度測定システム１０ａで、連続して、排気ガス３０中の測定対象ガス濃度を測定している間に、外気温が低くなり、排気管３０が管軸方向３２に収縮しても、発光器１及び受光器１１は、第一フレーム２及び第二フレーム１２により、位置が固定されているため、発光器１及び受光器１１の位置はずれない。そのため、排気管３０が管軸方向３２に収縮しても、発光器１の出射レーザー光の光軸７と、受光器１１の受光軸とがずれることはない。

このとき、排気管３０の管軸方向３２の収縮により、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３の位置が、排気管３０の管軸方向３２に移動しても、フレキシブル結合部５、１５が、変形するので、発光器１及び受光器１１が、第一フレーム２及び第二フレーム１２に位置が固定されていても、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３に、大きな力が加わることはない。そのため、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３が破損することが防がれる。図７（Ｂ）には、レーザー光通過用第二側管１３の位置が、移動する前の様子を実線で、移動した後の様子を二点鎖線で示す。

もし、発光器１及び受光器１１が、第一フレーム２及び第二フレーム１２等の固定手段で、位置が固定されている場合に、発光器１及び受光器１１が、フレキシブル結合部５、１５を介さずに、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３に繋がっていたとすると、排気管３０の管軸方向３２の伸長又は収縮により、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３の位置が、排気管３０の管軸方向３２に移動したときには、発光器１及び受光器１１が、第一フレーム２及び第二フレーム１２に位置が固定されているために、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３に大きな力がかかってしまう。そのため、レーザー光通過用第一側管３及びレーザー光通過用第二側管１３が破損するおそれがあるので、発光器１及び受光器１１の位置を固定することができない。また、レーザー光通過用第一側管３又はレーザー光通過用第二側管１３が繋がっている発光器１又は受光器１１にも力が加わり、その結果、光軸がずれるおそれがある。

本発明のガス濃度測定システムは、測定対象ガスを含む排気ガスが流れる排気管内に、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を透過させ、該レーザー光が該排気管内の該排気ガスを透過するときの測定対象ガスによる該レーザー光の吸収量を求め、該レーザー光の吸収量より、該排気ガス中の該測定対象ガスの濃度を求めるレーザー式ガス濃度測定装置と、
該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が設置され、該発光器の位置を固定するための第一フレームと、
該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が設置され、該受光器の位置を固定するための第二フレームと、
内側を該発光器から該排気管まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第一側管と、
内側を該排気管から該受光器まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第二側管と、
を有し、
該レーザー光の光軸が、該排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が該第一フレームに設置され、該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が該第二フレームに設定されており、
該発光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第一側管の他端側に繋がっており、該受光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第二側管の他端側に繋がっていること、
を特徴とするガス濃度測定システムである。

本発明のガス濃度測定システムは、レーザー式ガス濃度測定装置を有する。つまり、本発明のガス濃度測定システムは、レーザー式ガス濃度測定装置を用いるガス濃度の測定システムである。本発明のガス濃度測定システムに用いられるレーザー式ガス濃度測定装置は、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を出射するレーザー光源を備える発光器と、排気管内の排気ガスを透過したレーザー光を受光する受光素子を備える受光器と、発光器及び受光器に電気的に繋がる、制御部と、を有する。制御部は、ガス濃度を演算する演算部を有する。

本発明のガスガス濃度測定システムに係るレーザー式ガス濃度測定装置は、ガスの分子又は原子が、固有の光吸収スペクトルを有することを利用して、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長帯を有するレーザー光を出射するレーザー光源から、連続的にレーザー光を、測定対象ガスを含有する測定対象空間に照射し、レーザー光が測定対象空間を透過するときの、測定対象ガスによるレーザー光の吸収量を測定し、そのレーザー光の吸収量から測定対象ガス濃度を演算して求める装置である。

そして、本発明のガス濃度測定システムに係るレーザー式ガス濃度測定装置としては、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長帯を有するレーザー光を出射するレーザー光源から、連続的にレーザー光を、測定対象ガスを含有する測定対象空間に照射し、レーザー光が測定対象空間を透過するときの、測定対象ガスによるレーザー光の吸収量を測定し、そのレーザー光の吸収量から測定対象ガス濃度を演算して求めることができる装置であれば、特に制限されない。レーザー式ガス濃度測定装置としては、例えば、特開２００１−１５９６０５号公報、特開２０１４−１０２１５２号公報、特開２０１７−１２２７０２号公報に記載されているレーザー式ガス濃度測定装置が挙げられる。また、レーザー式ガス濃度測定装置としては、直接挿入型レーザー方式ガス分析計ＺＳＳ（富士電機株式会社製）、レーザガス分析計ＴＤＬ８０００（横河電機株式会社製）、Ｌａｓｅｒ Ｇａｓｓ（ＮＥＯ ＭＯＮＩＴＯＲＳ社製）等が挙げられる。

本発明のガス濃度測定システムが設置される排気管は、種々の製造設備又は処理設備の排気ガスを排出するため排気管であり、そのような設備としては、例えば、四塩化チタンの製造設備、ゴミ焼却設備、産業廃棄物処理設備等が挙げられる。排気管の材質としては、特に制限されず、例えば、四塩化チタンの製造設備の場合、排気管の材質は塩化ビニルであり、ゴミ焼却設備の場合、排気管の材質はステンレス鋼であり、産業廃棄物処理設備の場合、排気管の材質はステンレス鋼である。本発明のガス濃度測定システムは、排気管が外気温の変化による伸縮が大きい材質の場合に、特に優れた効果を発揮する。本発明のガス濃度測定システムは、例えば、排気管の材質が、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、炭素鋼、ステンレス鋼の場合に、特に優れた効果を発揮する。

上記設備から排気ガス中には、塩化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素等が含まれている。つまり、本発明のガス濃度測定システムに係る測定対象ガスは、塩化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、酸素等である。本発明のガス濃度測定システムは、測定対象ガスに応じて、レーザー式ガス濃度測定装置の発光器から出射するレーザー光の発光波長帯を、測定対象ガスが有する固有の光吸収スペクトルに合わせて設定すれば、排気ガスに含まれる測定対象ガスの種類に応じた濃度測定が可能である。

そして、本発明のガス濃度測定システムは、排気ガス中の測定対象ガス濃度が低いために、排気管の管軸に対して垂直方向に、レーザー式ガス濃度測定装置の光軸を設定したのでは、十分なレーザー光による測定距離を確保できないために、レーザー式ガス濃度測定装置の光軸を、排気管の管軸に垂直な方向に対して傾いて設置する必要がある場合、すなわち、排気ガス中の測定対象ガス濃度が、低い場合に特に優れた効果を発揮する。本発明のガス濃度測定システムは、例えば、測定対象ガスが塩化水素であり、塩化水素ガス濃度が１０ｐｐｍ以下の排気ガス中の塩化水素濃度の測定、測定対象ガスが硫化水素であり、硫化水素ガス濃度が３ｐｐｍ以下の排気ガス中の硫化水素濃度の測定、測定対象ガスが一酸化炭素であり、一酸化炭素ガス濃度が２％以下の排気ガス中の一酸化炭素濃度の測定等に、特に優れた効果を発揮する。

本発明のガス濃度測定システムは、レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が設置され、発光器の位置を固定するための第一フレームと、レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が設置され、受光器の位置を固定するための第二フレームと、を有する。第一フレーム及び第二フレームは、外気温の変化に関わらず、レーザー式ガス濃度測定装置の光軸がずれないように、レーザー式ガス濃度測定装置の発光器及び受光器の位置を固定するための部材である。そのため、第一フレーム及び第二フレームの材質又は構造は、外気温の変化による変形度合が少なく且つレーザー式ガス濃度測定装置の発光器及び受光器の位置を固定でき、レーザー式ガス濃度測定装置の光軸がずれないか又は光軸がずれたとしても有効なガス濃度測定ができる程度に留まるような材質、構造、形状等が、適宜選択される。

図１に示す形態例では、第一フレーム２及び第二フレーム１２の位置をずれ難くするために、第一フレーム２の上部の一端と第二フレーム１２の上部の一端が連結部９ａ１で繋がっており、且つ、第一フレーム２の上部の他端と第二フレーム１２の上部の他端が連結部９ａ２で繋がっている。第一フレーム及び第二フレームの位置ずれを防ぐための形態例としては、これに限定されるものではなく、例えば、図１に示す形態例のように、第一フレームの上部の一端と第二フレームの上部の一端、及び第一フレームの上部の他端と第二フレームの上部の他端が、２つの連結部で繋がっている形態や、図８に示す形態例のように、第一フレームの上部の中央近傍と第二フレームの上部の中央近傍とが、１つの連結部で繋がっている形態例や、図９に示す形態例のように、第一フレームの上部の一端と第二フレームの上部の一端、及び第一フレームの上部の他端と第二フレームの上部の他端が、２つの連結部で繋がっており、且つ、第一フレームの下部の一端と第二フレームの下部の一端、及び第一フレームの下部の他端と第二フレームの下部の他端が、２つの連結部で繋がっている形態例が挙げられる。図８は、本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式図であり、上から見た図である。図８中、ガス濃度測定システム１０ｂでは、第一フレーム２の上部の中央近傍と第二フレーム１２の上部の中央近傍とが、１つの連結部９ｂで繋がっている。図９は、本発明のガス濃度測定システムの形態例を示す模式図であり、図９（Ａ）は、発光器及びレーザー光通過用第一側管を横から見た図であり、図９（Ｂ）は、発光器を光軸方向に見た図である。図９中、ガス濃度測定システム１０ｃでは、第一フレーム２の上部の一端と第二フレーム１２の上部の一端、及び第一フレーム２の上部の他端と第二フレーム１２の上部の他端が、２つの連結部９ｃ１で繋がっており、且つ、第一フレーム２の下部の一端と第二フレーム１２の下部の一端、及び第一フレーム２の下部の他端と第二フレーム１２の下部の他端が、２つの連結部９ｃ２で繋がっている。

また、本発明のガス濃度測定システムでは、第一フレーム及び第二フレームが、基礎又は土台に設置されることにより、第一フレーム及び第二フレームの位置をずれ難くできるのであれば、図１０に示す形態例のように、第一フレーム２と第二フレーム１２とが、連結部で繋がってなくてもよい。

本発明のガス濃度測定システムは、排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が排気管に繋がるレーザー光通過用第一側管と、排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が排気管に繋がるレーザー光通過用第二側管と、を有する。レーザー光通過用第一側管は、内側を発光器から排気管までレーザー光を通過させるための通過経路を形成する部材であり、また、レーザー光通過用第二側管は、内側を排気管から受光器までレーザー光を通過させるための通過経路を形成する部材である。レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の内径は、排気管が外気温の変化により伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が移動しても、レーザー光の光軸が管内に収まる径が、適宜選択される。また、排気管が外気温の変化により伸縮しても、レーザー光の光軸が管内に収まるのであれば、レーザー光通過用第一側管の管軸とレーザー光通過用第二側管の管軸とが、多少ずれていてもよい。

本発明のガス濃度測定システムでは、レーザー光の光軸が、排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、発光器が第一フレームに設置され、受光器が第二フレームに設定されている。本発明のガス濃度測定システムでは、レーザー光が、排気管の管軸に垂直な方向に対して傾いた向きで、排気管内を透過することができるので、レーザー光が排気ガスを透過する距離（レーザー光による測定距離）を長くすることができる。排気管の管軸に垂直な方向に対するレーザー光の光軸の傾き角は、排気管の内径、排気ガス中の測定対象ガス濃度により、十分なレーザー光による測定距離を確保できる範囲で、適宜選択されるが、好ましくは２０〜８０°、特に好ましくは３０〜６０°である。

本発明のガス濃度測定システムでは、発光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、レーザー光通過用第一側管の他端側に繋がっており、且つ、受光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、レーザー光通過用第二側管の他端側に繋がっている。フレキシブル結合部の形状は、円筒状である。フレキシブル結合部の内側は、レーザー光通過用第一側管又はレーザー光通過用第二側管に続く、レーザー光の通過経路の一部となるため、フレキシブル結合部は、円筒状の形状を有する。フレキシブル結合部の内径は、排気管が外気温の変化により伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が移動しても、レーザー光の光軸がフレキシブル結合部の内側に収まる径が、適宜選択される。

フレキシブル結合部は、外気温が変化して、排気管が管軸方向に伸縮し、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が変化して、発光器とレーザー光通過用第一側管との位置関係及び受光器とレーザー光通過用第二側管との位置関係がずれたときに、伸縮又は曲げ変形することにより、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置の変化を起因として、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管、レーザー光通過用第一側管又はレーザー光通過用第二側管と排気管との繋ぎ目、発光器又は受光器に加わる力を吸収できるものであれば、特に制限されず、材質、壁部構造等は、適宜選択される。フレキシブル結合部の材質としては、例えば、天然ゴム、合成ゴム、塩化ビニル、布、ステンレス鋼が挙げられる。フレキシブル結合部の壁部構造としては、例えば、蛇腹構造、球型構造等が挙げられる。

本発明のガス濃度測定システムでは、レーザー式ガス濃度測定装置の発光器のレーザー光源から連続して、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光が、測定対象ガスを含む排気ガスが流れる排気管内に向けて出射され、出射されたレーザー光は、排気管内の排気ガスを透過し、排気ガスを透過したレーザー光を、受光器の受光素子が受光して、レーザー光が排気ガスを透過するときの測定対象ガスによるレーザー光の吸収量を求め、レーザー光の吸収量より、排気ガス中の測定対象ガスの濃度を演算して求めることにより、連続的に排気ガス中の測定対象ガス濃度が測定される。

そして、本発明のガス濃度測定システムでは、発光器及び受光器は、第一フレーム及び第二フレームにより、位置が固定されているため、連続して、排気ガス中の測定対象ガス濃度を測定している間に、外気温の変化により排気管が管軸方向に伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が、排気管の管軸方向に移動しても、発光器及び受光器の位置はずれないか又はずれたとしても有効なガス濃度測定ができる程度に留まる。そのため、本発明のガス濃度測定システムでは、連続して、排気ガス中の測定対象ガス濃度を測定している間に、外気温の変化により排気管の管軸方向に伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が、排気管の管軸方向に移動しても、発光器の発光軸と、受光器の受光軸とが、ずれないか又は殆どずれないため、排気管の管軸方向の伸縮に関わらず、連続して、精度高く測定対象ガス濃度の測定を行うことができる。

また、本発明のガス濃度測定システムでは、外気温の変化により排気管の管軸方向に伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が、排気管の管軸方向に移動しても、フレキシブル結合部が変形するので、発光器及び受光器が、第一フレーム及び第二フレームに位置が固定されていても、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管に、大きな力が加わることはない。そのため、本発明のガス濃度測定システムでは、外気温の変化により排気管が管軸方向に伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が、排気管の管軸方向に移動しても、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管が破損することが防がれる。また、本発明のガス濃度測定システムでは、外気温の変化により排気管が管軸方向に伸縮して、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管の位置が、排気管の管軸方向に移動しても、フレキシブル結合部が変形するので、発光器及び受光器が、第一フレーム及び第二フレームに位置が固定されていても、レーザー光通過用第一側管及びレーザー光通過用第二側管に、大きな力が加わることはないため、レーザー光通過用第一側管又はレーザー光通過用第二側管が繋がっている発光器又は受光器に力が加わることにより、光軸がずれることも防がれる。

また、本発明のガス濃度測定システムでは、レーザー光通過用第一側管の管軸とレーザー光通過用第二側管の管軸が多少ずれていたとしても、フレキシブル結合部があるので、発光器の出射レーザー光の光軸と受光器の受光軸とがずれないように、発光器及び受光器を第一フレーム及び第二フレームに固定することができる。そのため、本発明のガス濃度測定システムによれば、簡便に、ガス濃度測定システムを構築することができる。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（実施例１）
塩化水素ガス濃度が１０ｐｐｍ程度の排気ガスが排出される四塩化チタンの製造設備の塩化ビニル製排気管（内径：５００ｍｍ）に、図１に示すガス濃度測定システム１０ａを設置し、２４時間、連続で塩素ガス濃度を測定した。そのときの排気管の伸縮による発光器の出射レーザー光の光軸に対する受光器の受光量の変動量を測定した。その結果を図１４に示す。また、塩化水素ガス濃度の測定結果も併記する。
・レーザー式ガス濃度測定装置：富士電機株式会社製、直接挿入型レーザー方式ガス分析計ＺＳＳ
・レーザー通過用第一側管及びレーザー通過用第二側管：材質は塩化ビニル、内径５０ｍｍ
・フレキシブル結合部：材質は合成ゴム、壁部構造は蛇腹構造、内径８０ｍｍ

（比較例１）
塩化水素ガス濃度が１０ｐｐｍ程度の排気ガスが排出される四塩化チタンの製造設備の塩化ビニル製排気管（内径：５００ｍｍ）に、図１２に示すガス濃度測定システム６０を設置し、２４時間、連続で塩素ガス濃度を測定した。そのときの排気管の伸縮による発光器の出射レーザー光の光軸に対する受光器の受光量の変動量を測定した。その結果を図１５に示す。また、塩化水素ガス濃度の測定結果も併記する。
・レーザー式ガス濃度測定装置：富士電機株式会社製、直接挿入型レーザー方式ガス分析計ＺＳＳ
・レーザー通過用第一側管及びレーザー通過用第二側管：材質は塩化ビニル、内径５０ｍｍ

１ 発光器
２ 第一フレーム
３ レーザー光通過用第一側管
４ 発光器設置用フランジ部材
５、１５ フレキシブル結合部
６ 発光器の取付フランジ部
７ レーザー光の光軸、発光器の出射レーザー光の光軸
９ａ１、９ａ２、９ｂ、９ｃ１、９ｃ２ 連結部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ ガス濃度測定システム
１１ 受光器
１２ 第二フレーム
１３ レーザー光通過用第二側管
１４ 受光器設置用フランジ部材
１６ 受光器の取付フランジ部
２１ 外側フレーム部
２２ 発光器下側固定フレーム部
２３ 発光器上側固定フレーム部
２４ 発光器左側固定フレーム部
２５ 発光器右側固定フレーム部
２９ 排気管の管軸
３０ 排気管
３１ 排気ガス
３２ 排気管の管軸方向
３３ 排気管の管軸に垂直な方向
１２１ 外側フレーム部
１２２ 受光器下側固定フレーム部
１２４ 受光器左側固定フレーム部
１２５ 受光器右側固定フレーム部

Claims (5)

1. 測定対象ガスを含む排気ガスが流れる排気管内に、測定対象ガスの光吸収スペクトルを含むレーザー光を透過させ、該レーザー光が該排気管内の該排気ガスを透過するときの測定対象ガスによる該レーザー光の吸収量を求め、該レーザー光の吸収量より、該排気ガス中の該測定対象ガスの濃度を求めるレーザー式ガス濃度測定装置と、
   該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が設置され、該発光器の位置を固定するための第一フレームと、
   該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が設置され、該受光器の位置を固定するための第二フレームと、
   内側を該発光器から該排気管まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第一側管と、
   内側を該排気管から該受光器まで該レーザー光が通過する管であり、該排気管の管軸に垂直な方向に対して管軸が傾くように、一端が該排気管に繋がっているレーザー光通過用第二側管と、
   を有し、
   該レーザー光の光軸が、該排気管の管軸に垂直な方向に対して傾くように、該レーザー式ガス濃度測定装置の発光器が該第一フレームに設置され、該レーザー式ガス濃度測定装置の受光器が該第二フレームに設定されており、
   該発光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第一側管の他端側に繋がっており、該受光器が、円筒状のフレキシブル結合部を介して、該レーザー光通過用第二側管の他端側に繋がっていること、
   を特徴とするガス濃度測定システム。
2. 前記測定対象ガスが、塩化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素又は酸素であることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定システム。
3. 前記測定対象ガスが塩化水素であり、且つ、前記排気ガス中の塩化水素濃度が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定システム。
4. 前記排気管の材質がポリエチレン、ポリプロピレン、炭素鋼又はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のガス濃度測定システム。
5. 前記第一フレームと前記第二フレームとが、連結部で繋がっていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のガス濃度測定システム。
   
   

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