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技術 ガス分析装置

出願人 横河電機株式会社
発明者 松尾純一
出願日 2019年1月11日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2019-003204
公開日 2020年7月27日 (9ヶ月経過) 公開番号 2020-112428
状態 未査定
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード 耐圧防爆容器 外形長 断熱機構 非多孔質材 筒状部材内 冷媒供給口 取り付けフランジ コーナーキューブプリズム
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

高い温度のガス測定可能とする。

解決手段

管材2の中を流れる測定対象ガスGに測定光照射し、測定対象ガスGを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスGに含まれる成分分析を行うガス分析装置1であって、前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材2の中に配置される筒状部材21と、前記筒状部材21の中空部分を塞ぐと共に前記管材2の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材22とを備えて成る。

概要

背景

ガス分析装置は、測定対象ガスレーザ光照射し、測定対象ガスを透過したレーザ光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分およびその濃度等を測定する装置である。このレーザガス分析装置は、測定対象ガスに照射するレーザ光を発光する発光部と、測定対象ガスを透過したレーザ光を受光する受光部とを備える(例えば、特許文献1参照)。

概要

高い温度のガス測定可能とする。管材2の中を流れる測定対象ガスGに測定光を照射し、測定対象ガスGを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスGに含まれる成分分析を行うガス分析装置1であって、前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材2の中に配置される筒状部材21と、前記筒状部材21の中空部分を塞ぐと共に前記管材2の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材22とを備えて成る。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

管材の中を流れる測定対象ガス測定光照射し、測定対象ガスを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分の分析を行うガス分析装置であって、前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材の中に配置される筒状部材と、前記筒状部材の中空部分を塞ぐと共に前記管材の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材とを備えることを特徴とするガス分析装置。

請求項2

冷媒を前記透過部材によって前記管材の中の空間と隔離された前記筒状部材内の空間に流通させる冷却機構を備えることを特徴とする請求項1に記載のガス分析装置。

請求項3

前記透過部材によって前記管材の中の空間と隔離された前記筒状部材内の空間を真空状態とする断熱機構を備えることを特徴とする請求項1に記載のガス分析装置。

請求項4

前記筒状部材が、セラミックから成ることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガス分析装置。

請求項5

前記透過部材と所定距離離間して設けられ、前記測定光の少なくとも一部を反射可能な反射部材を備え、前記透過部材と前記反射部材との間に測定対象ガスが流通する測定領域を画成することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガス分析装置。

請求項6

前記筒状部材における少なくとも前記測定領域に面する部分が測定対象ガスを透過可能な多孔質材で構成されることを特徴とする請求項5に記載のガス分析装置。

請求項7

前記筒状部材および前記透過部材が、それぞれ対向して前記管材に設けられるものであり、対向配置される前記透過部材の間に測定対象ガスが流通する測定領域を画成することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のガス分析装置。

技術分野

0001

本発明は、ガス分析装置に関する。

背景技術

0002

ガス分析装置は、測定対象ガスレーザ光照射し、測定対象ガスを透過したレーザ光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分およびその濃度等を測定する装置である。このレーザガス分析装置は、測定対象ガスに照射するレーザ光を発光する発光部と、測定対象ガスを透過したレーザ光を受光する受光部とを備える(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0003

特開2010−185694号公報

発明が解決しようとする課題

0004

近年では、様々な技術分野でガス分析装置が用いられており、測定対象ガスの温度領域も拡大されてきている。従来のガス分析装置では、測定対象ガスの温度範囲が600℃程度であったが、近年では、600℃よりも高い温度のガス測定対象とすることがあり、600℃よりも高い温度(例えば、1000℃以上)のガスの成分およびその濃度等を測定可能なガス分析装置が求められている。

0005

本発明は、高い温度のガスを測定可能とすることを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するため、本発明に係るガス分析装置は、管材の中を流れる測定対象ガスに測定光を照射し、測定対象ガスを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分分析を行うガス分析装置であって、前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材の中に配置される筒状部材と、前記筒状部材の中空部分を塞ぐと共に前記管材の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材とを備えることを特徴とする。

発明の効果

0007

本発明に係るガス分析装置によれば、高い温度のガスを測定可能とすることができる。

図面の簡単な説明

0008

本発明の実施例1に係るガス分析装置の構造を示す概略図である。
本発明の実施例2に係るガス分析装置の構造を示す概略図である。

実施例

0009

(実施例1)
本発明の実施例1に係るガス分析装置は、本発明に係るガス分析装置をプローブ型のガス分析装置に適用したものである。ここで、プローブ型とは、例えば、光源反射構造、および光検出器を一体的に内蔵し、被測定ガスが流れる管材に片側から差し込まれる構造を有するガス分析装置の種類を意味する。

0010

実施例1に係るガス分析装置の構造について、図1を参照して説明する。

0011

図1に示すように、ガス分析装置1は、測定対象ガス(被測定ガス)Gが流れるガス管(管材)2に取り付けられており、このガス管2を流れる被測定ガスGに含まれる成分の分析(成分およびその濃度等の測定)を行う。被測定ガスGは、例えば、CO、CO2、H2O、CmHn(m、nは任意の整数)、NH3、及びO2等のガス(プロセスガス)を含む。

0012

ガス分析装置1は、ガス管2に取り付けられてその大部分がガス管2内に延在するプローブ(筒状部材)11と、このプローブ11に接続されてガス管2外に配置される冷却ユニット12と、この冷却ユニット12に接続されてガス管2の外に配置される分析ユニット13とから概略構成されている。

0013

ここで、分析ユニット13は、測定光を発光および受光して被測定ガスGの吸収スペクトルを分析するものであり、プローブ11は、測定光を反射する反射構造を有すると共に測定光を被測定ガスGに透過させるための測定領域S1aを形成するものであり、冷却ユニット12は、プローブ11から分析ユニット11への伝熱を抑制する冷却機構(伝熱抑制機構)を有するものである。つまり、ガス分析装置1において、分析ユニット13は、冷却機構を有する冷却ユニット12を介して、プローブ11に接続されている。

0014

プローブ11には、ガス管2と接続されるプローブ本体21が備えられている。プローブ本体21は、測定光が通過可能なように光路に沿った筒状(例えば、略円筒状)に形成された中空部材であり、その基端部にフランジ21aが形成されて成る。つまり、プローブ本体21は、測定光の光路を覆う筒状部材である。フランジ21aは、ガス管2に設けられた取り付け部材2aに機械的に接続されており、プローブ本体21の大部分は、ガス管2内に延在している。プローブ本体21は、例えば、ガス管2内において被測定ガスGの流動方向と略直行する方向(光軸方向)に延在し、その延在方向における外形長さd11は、例えば、500〜2000mm程度である。

0015

プローブ本体21は、ガス管2を流れる被測定ガスGの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。プローブ本体21の耐熱温度は、例えば、600℃以上であり、好ましくは1000℃以上、より好ましくは1200℃以上である。

0016

プローブ11(プローブ本体21)の先端部(ガス管2内に位置する端部)近傍には、測定光の少なくとも一部を反射可能な反射部(反射部材)22が設けられている。反射部22は、コーナーキューブプリズムおよびレトロリフレクタ等の測定光に対する任意の反射構造を含む。反射部22は、例えば、サファイアから成り、プローブ本体21の内面メタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。

0017

また、プローブ11(プローブ本体21)の略中央部には、測定光を透過可能なウィンドウ(透過部材)23が設けられている。ウィンドウ23は、例えば、サファイアから成り、プローブ本体21の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、ウィンドウ23は、反射部22から所定距離DS1aだけ離間してプローブ本体21内を閉塞するように固定されており、反射部22と共に測定領域S1aを画成している。つまり、ウィンドウ23は、プローブ本体21内において、当該ウィンドウ23よりも先端側の空間(測定領域)S1aと、当該ウィンドウ23よりも基端側の空間(測定外領域)S11とを区分け(隔離)しており、プローブ本体21の中空部分を塞ぐと共にガス管2の中を流れる被測定ガスGに晒されるように設けられている。

0018

プローブ11(プローブ本体21)には、測定領域S1aに臨む開口部21b,21cが形成されている。開口部21b,21cは、被測定ガスGの流れ方向上流側に位置して被測定ガスGを測定領域S1a内に導く上流側開口部21bと、被測定ガスGの流れ方向下流側に位置して被測定ガスGを測定領域S1a内から排出する下流側開口部21cとを含む。上流側開口部21bおよび下流側開口部21cは、測定領域S1a全体に亘って、プローブ本体21の延在方向(測定光の光軸方向)に並んで複数(図1においては、三つ)設けられている。もちろん、プローブ本体21の強度等を十分に確保できる場合には、測定領域S1a全体に亘ってプローブ本体21の延設方向に連続した(長く形成された)上流側開口部21bおよび下流側開口部21cをそれぞれ一つ設けてもよい。

0019

冷却ユニット12には、その一端部がプローブ11の基端部(先端部と反対側の端部)に取り付けられる冷却ユニット本体31が備えられている。冷却ユニット本体31は、測定光が通過可能なように光軸に沿った筒状(例えば、略円筒状)に形成された中空部材であり、その内部空間S12は、プローブ11の測定外領域S11と連通している。冷却ユニット本体31は、例えば、ガス管2の外側においてプローブ11(プローブ本体21)の延在方向と同じ方向に延在し、その延在方向における外形長さd12は、例えば、500mm程度である。

0020

冷却ユニット本体31は、ガス管2を流れる被測定ガスGの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。冷却ユニット本体31の耐熱温度は、例えば、600℃以上であり、好ましくは1000℃以上、より好ましくは1200℃以上である。冷却ユニット本体31の材質は、プローブ本体21の材質と異にしてもよい。また、冷却ユニット本体31の耐熱温度は、プローブ本体21の耐熱温度と異にしてもよく、プローブ本体21の耐熱温度よりも高い温度またはプローブ本体21の耐熱温度よりも低い温度であってもよい。冷却ユニット本体31の耐熱温度は、好ましくはプローブ本体21の耐熱温度と同じ温度、または、それ未満の温度である。

0021

冷却ユニット12(冷却ユニット本体31)の他端部近傍には、測定光を透過可能なウィンドウ(透過部材)32が設けられている。ウィンドウ32は、例えば、サファイアから成り、冷却ユニット本体31の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、ウィンドウ32は、冷却ユニット本体31内を閉塞するように固定されており、測定外領域S11と内部空間S12(プローブ本体21およびウィンドウ23と冷却ユニット本体31およびウィンドウ32)とにより、後述する冷媒で満たされる伝熱抑制空間S1bが画成されている。つまり、ウィンドウ32は、冷却ユニット本体31の中空部分を塞ぐように設けられている。

0022

冷却ユニット12(冷却ユニット本体31)には、伝熱抑制空間S1bに冷媒を供給するための冷媒供給口31aと、伝熱抑制空間S1bに供給された冷媒を排出するための冷媒排出口31bとが設けられている。冷媒供給口31aおよび冷媒排出口31bは、それぞれ内部空間S12に臨んで形成されている。ここで、内部空間S1bは測定外領域S21と連通しているため、内部空間S12および測定外領域S11の両方の空間(伝熱抑制空間)S1b内は、冷媒供給口31aから供給される冷媒で満たされるようになっている。冷媒は、測定光のスペクトルに影響を与えない流体気体または液体)であり、例えば、N2等のガスである。つまり、冷却ユニット12は、冷媒をウィンドウ32によってガス管2の中の空間(測定領域)S1aと隔離されたプローブ1内の空間(測定外領域)S11に流通させる冷却機構を有する。

0023

冷媒供給口31aおよび冷媒排出口31bは、内部空間S12および測定外領域S11の両方の空間(伝熱抑制空間)S1b内における冷媒の流通を考慮して設けられることが好ましい。例えば、冷媒供給口31aと冷媒排出口31bとを対向させずに光軸方向にずらして設けるとよい。また、冷媒供給口31aを冷媒排出口31bよりもプローブ11側に位置して設けるとよい。また、冷媒供給口31aをプローブ11側に向けて斜めに開口するように設けるとよい。また、冷媒排出口31bをプローブ11側に向けて斜めに開口するように設けるとよい。

0024

分析ユニット11には、冷却ユニット12の他端部に取り付けられる分析ユニット本体(筐体)41が備えられている。分析ユニット11には、測定光を発光する発光部42と、測定光を受光する受光部43と、測定光の吸収スペクトルを測定および分析する演算部44とが備えられている。発光部42、受光部43、および演算部44は、複数の電子基板(不図示)を介して電気的に接続されている。分析ユニット本体41は、例えば、これら各構成部を格納する耐圧防爆容器である。分析ユニット本体41は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。発光部42と受光部43とは、分析ユニット本体41内において互いに近接して配置されている。

0025

発光部42は、被測定ガスGに対してTDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrocsopy:波長可変ダイオードレーザ吸収分光)による測定が可能な任意の光源を有する。発光部42は、例えば、半導体レーザを有する。受光部43は、被測定ガスGに対してTDLASによる測定が可能な任意の光検出器を有する。受光部43は、例えば、フォトダイオードを有する。演算部44は、一つ以上のプロセッサを有する。演算部44は、発光部42および受光部43を含むガス分析装置1全体の動作を制御する。

0026

実施例1に係るガス分析装置の動作について、図1を参照して説明する。

0027

発光部42は、プローブ11の反射部22に向けて測定光を照射する。図1において、測定光のうち反射部22で反射する前の光は、出射光L1aとして示されている。発光部42は、被測定ガスGを含む測定領域S1aに出射光L1aを照射する。出射光L1aは、その光軸に沿ってウィンドウ32を透過した後、測定領域S1aと重畳するように延在するプローブ11(プローブ本体21)内をウィンドウ23を介して伝搬し、反射部22に入射する。

0028

反射部22は、測定領域S1aを通過した出射光L1aの少なくとも一部を反射させる。図1において、測定光のうち反射部22で反射した後の光は、反射光L1bとして示されている。反射光L1bは、測定領域S1aを含むプローブ11(プローブ本体21)内をウィンドウ23を介して再度通過し、ウィンドウ32を透過した後、受光部43に入射する。つまり、受光部43は、反射部22で反射し、測定領域S1aを通過した反射光L1bを受光する。

0029

演算部44は、受光部43で受光した反射光L1bのスペクトルから、被測定ガスGの吸収スペクトルを求め、被測定ガスGに含まれる成分およびその濃度を求める。

0030

ここで、ガス分析装置1は、被測定ガスGに晒されるプローブ本体21と反射部22とウィンドウ23とがそれぞれ耐熱性能の高い材質から構成されているため、高温(例えば、1000℃以上)の被測定ガスGの成分およびその濃度を測定することができる。

0031

また、ガス分析装置1は、冷却ユニット12の機能、すなわち、測定外領域S11と内部空間S12とで構成される伝熱抑制空間S1bに冷媒を流通させることにより、被測定ガスGに晒されるプローブ本体21と反射部22とウィンドウ23とからの伝熱を効果的に抑制し、分析ユニット13(発光部42、受光部43、および演算部44)に対する伝熱の影響を十分に低減することができる。

0032

以上のように、ガス分析装置1により、ガス管2を流れる被測定ガスGに含まれる成分の分析(成分およびその濃度等の測定)が行われる。

0033

ガス分析装置1は、ガス管(管材)2の中を流れる被測定ガス(測定対象ガス)Gに測定光を照射し、被測定ガスGを透過した測定光の吸収スペクトルに基づいて、被測定ガスGに含まれる成分の分析を行うものであって、測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記ガス管2の中に配置されるプローブ本体(筒状部材)21と、プローブ本体21の中空部分を塞ぐと共にガス管2の中を流れる被測定ガスGに晒されるように設けられ、測定光を透過可能なウィンドウ(透過部材)23とを備える。

0034

ガス分析装置1は、上記構成を有することにより、ガス管2内の(被測定ガスGが流れる)空間と、ガス管2外の(分析ユニット13が配置される)空間とが、ウィンドウ23によって隔離されている。よって、たとえ被測定ガスGが高温(例えば、1000℃以上)であっても、被測定ガスGがプローブ11を介して分析ユニット13に流出することはなく、被測定ガスGによるプローブ11から分析ユニット13への伝熱を抑制することができる。つまり、ガス分析装置1によって高い温度の被測定ガスGを測定することができる。

0035

また、ガス分析装置1は、冷媒をウィンドウ23によってガス管2の中の空間と隔離されたプローブ本体21内の空間に流通させる冷却ユニット(冷却機構)12すなわち冷媒供給口(冷却機構)12aおよび冷媒排出口(冷却機構)12bを備える。この構成を有することにより、ガス分析装置1は、被測定ガスGによるプローブ11から分析ユニット13への伝熱をより抑制することができる。

0036

さらに、ガス分析装置1は、プローブ本体21がアルミナ等のセラミックから成る。この構成を有することにより、ガス分析装置1は、被測定ガスGによるプローブ11から分析ユニット13への伝熱をより抑制することができる。

0037

またさらに、ガス分析装置1は、ウィンドウ23と所定距離DS1a離間して設けられ、測定光の少なくとも一部を反射可能な反射部(反射部材)22を備え、ウィンドウ23と反射部22との間に被測定ガスGが流通する測定領域S1aを画成する。この構成を有することにより、ガス分析装置1は、被測定ガスGが測定外領域S11へ流入することがないので、例えば、パージガスを流通させる機構等を必要としない。よって、ガス分析装置1によって高い温度の被測定ガスGを測定することができると共に、当該ガス分析装置1の構成を簡易なものとすることができる。

0038

本発明に係るガス分析装置は、上述した実施例1に係るプローブ型のガス分析装置1の構成に限定されず、種々の変更が可能である。本発明に係るガス分析装置は、例えば、実施例1のように、冷却ユニット12をプローブ11および分析ユニット13と独立して設ける構成に限定されない。例えば、冷却ユニットをプローブまたは分析ユニットと一体的に構成してもよい。ここで、冷却ユニットをプローブと一体的に構成した場合には、冷却ユニットの少なくとも一部をガス管内に位置させてもよい。

0039

また、本発明に係るガス分析装置は、実施例1のように、伝熱抑制空間S1bにおいて冷媒を流通させる構成に限定されない。例えば、伝熱抑制空間に冷媒を密封し、冷却ユニットを外部から冷却してもよい。また、伝熱抑制空間を真空とし、断熱効果を向上させてもよい。つまり、ガス分析装置は、ウィンドウによってガス管の中の空間と隔離されたプローブ本体内の空間を真空状態とする断熱機構を備えてもよい。このとき、冷却ユニットは、ウィンドウによってガス管の中の空間(測定領域)と隔離されたプローブ内の空間(測定外領域)を真空状態とする断熱機構を有する。このように伝熱抑制空間を真空とした場合であっても、当該冷却ユニットを外部から冷却することにより、冷却効果を付加することも可能である。

0040

さらに、本発明に係るガス分析装置は、実施例1のように、一つの伝熱抑制空間S1bに冷媒を流通させる構成に限定されない。例えば、複数(三つ以上)のウィンドウ(透過部材)を設けて伝熱抑制空間を区分け(隔離)することにより、複数(二つ以上)の伝熱抑制空間を画成し、被測定ガスからの伝熱を段階的に抑制する構成としてもよい。例えば、三つのウィンドウ(透過部材)を設け、区分け(隔離)された二つの伝熱抑制空間を画成し、プローブ側の伝熱抑制空間を真空として断熱効果を保持すると共に、分析ユニット側の伝熱抑制空間に冷媒を流通させて冷却効果を付加する構成としてもよい。このとき、冷却ユニットは、冷却機構および断熱機構の両方を有する。

0041

またさらに、本発明に係るガス分析装置は、実施例1のように、上流側開口部21bおよび下流側開口部21cを介して測定領域S1aに被測定ガスGを流通させる構成に限定されない。例えば、プローブの測定領域に面する部分を、被測定ガスを透過可能な多孔質材で構成することにより、開口部を設けることなく測定領域に被測定ガスを流通させることができる。つまり、ガス分析装置は、プローブ本体における少なくとも測定領域に面する部分が測定対象ガスを透過可能な多孔質材で構成されてもよい。このとき、例えば、開口部を多孔質材で覆う(塞ぐ)ことによってプローブを形成してもよく、また、測定領域と測定外領域とを区分け(隔離)するウィンドウを境界として、非多孔質材から成る第一の筒状部材(プローブの基端側)と多孔質材から成る第二の筒状部材(プローブの先端側)とを接続することによってプローブを形成してもよい。

0042

(実施例2)
本発明の実施例2に係るガス分析装置は、本発明に係るガス分析装置をクロスダクト型のガス分析装置に適用したものである。ここで、クロスダクト型とは、例えば、光源と光検出器とを独立して備え、被測定ガスが流れる管材を挟むように対向して設置される構造を有するガス分析装置の種類を意味する。

0043

実施例2に係るガス分析装置の構造について、図2を参照して説明する。

0044

図2に示すように、ガス分析装置101は、測定対象ガス(被測定ガス)Gが流れるガス管(管材)102に取り付けられており、このガス管102を流れる被測定ガスGに含まれる成分の分析(成分およびその濃度等の測定)を行う。被測定ガスGは、例えば、CO、CO2、H2O、CmHn(m、nは任意の整数)、NH3、及びO2等のガス(プロセスガス)を含む。

0045

ガス分析装置101は、ガス管2に取り付けられてその一部が当該ガス管102内に延在するインサーションチューブ(筒状部材)111,112と、このインサーションチューブ111,112に接続されてガス管102の外側に配置される冷却ユニット113,114と、この冷却ユニット113,114に接続されてガス管102の外側に配置される光軸調整ユニット115,116と、この光軸調整ユニット115,116に接続されてガス管102の外側に配置される発光ユニット117および受光ユニット118とから概略構成されている。インサーションチューブ111、冷却ユニット113、および発光ユニット117と、インサーションチューブ112、冷却ユニット114、および受光ユニット118とが、ガス管102を挟むように対向して設けられている。

0046

ここで、発光ユニット117は、測定光を発光して被測定ガスGに照射するものであり、受光ユニット118は、測定光を受光すると共に被測定ガスGの吸収スペクトルを分析するものであり、インサーションチューブ111,112は、測定光を被測定ガスGに透過させるための測定領域S101aを形成するものであり、光軸調整ユニット115,116は、測定光の光軸を調整するものであり、冷却ユニット113,114は、インサーションチューブ111,112から発光ユニット117または受光ユニット118への伝熱を抑制する冷却機構を有するものである。つまり、ガス分析装置101において、発光ユニット117および受光ユニット118は、冷却機構を有する冷却ユニット113,114を介して、インサーションチューブ111,112に接続されている。

0047

インサーションチューブ111,112には、ガス管102と接続されるチューブ本体121,122が備えられている。チューブ本体121,122は、測定光が通過可能なように筒状(例えば、略円筒状)に形成された中空部材であり、その基端部にフランジ121a,122aが形成されて成る。つまり、チューブ本体121,122は、測定光の光路を覆う筒状部材である。フランジ121a,122aは、ガス管102に設けられた取り付け部材102aに機械的に接続されており、チューブ本体121,122の一部は、ガス管102の内部に延在している。チューブ本体121,122は、例えば、ガス管102の内部において被測定ガスGの流動方向と略直行する方向(光軸方向)に延在し、その延在方向における外形長さd111,d112は、例えば、100〜500mm程度である。

0048

チューブ本体121,122は、ガス管102を流れる被測定ガスGの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。チューブ本体121,122の耐熱温度は、例えば、600℃以上であり、好ましくは1000℃以上、より好ましくは1200℃以上である。

0049

また、インサーションチューブ111,112(チューブ本体121,122)の先端部(ガス管102内に位置する端部)近傍には、測定光を透過可能なウィンドウ(透過部材)123,124が設けられている。ウィンドウ123,124は、例えば、サファイアから成り、チューブ本体121,122の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、対向配置されるウィンドウ123,124は、所定距離DS101aだけ離間してチューブ本体121,122内をそれぞれ閉塞するように固定されており、測定領域S101aを画成している。つまり、ウィンドウ123,124は、測定領域S101aと、チューブ本体121,122内の空間(測定外領域)S111,S112とを区分け(隔離)しており、チューブ本体121,122の中空部分を塞ぐと共にガス管102の中を流れる被測定ガスGに晒されるように設けられている。

0050

冷却ユニット113,114には、その一端部がインサーションチューブ111,112の基端部(先端部と反対側の端部)に取り付けられる冷却ユニット本体131,132が備えられている。冷却ユニット本体131,132は、測定光が通過可能なように光軸に沿った筒状(例えば、略円筒状)に形成された中空部材であり、その内部空間S113,S114は、インサーションチューブ111,112の測定外領域S111,S112と連通している。冷却ユニット本体131,132は、例えば、ガス管102の外側においてインサーションチューブ111,112(チューブ本体121,122)の延在方向と同じ方向に延在し、その延在方向における外形長さd113,d114は、例えば、500mm程度である。

0051

冷却ユニット本体131,132は、ガス管102を流れる被測定ガスGの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。冷却ユニット本体131,132の耐熱温度は、例えば、600℃以上であり、好ましくは1000℃以上、より好ましくは1200℃以上である冷却ユニット本体131,132の材質は、チューブ本体121,122の材質と異にしてもよい。また、冷却ユニット本体131,132の耐熱温度は、チューブ本体121,122の耐熱温度と異にしてもよく、チューブ本体121,122の耐熱温度よりも高い温度またはチューブ本体121,122の耐熱温度よりも低い温度であってもよい。冷却ユニット本体131,132の耐熱温度は、好ましくはチューブ本体121,122の耐熱温度と同じ温度、または、それ未満の温度である。

0052

冷却ユニット113,114(冷却ユニット本体131,132)の他端部近傍には、測定光を透過可能なウィンドウ(透過部材)133,134が設けられている。ウィンドウ133,134は、例えば、サファイアから成り、冷却ユニット本体131,132の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、ウィンドウ133,134は、冷却ユニット本体131,132内を閉塞するように固定されており、測定外領域S111,S112と内部空間S113,S114(チューブ本体121,122およびウィンドウ123,124と冷却ユニット本体131,132およびウィンドウ133,134)とにより、後述する冷媒で満たされる伝熱抑制空間S101b,S101cが画成されている。つまり、ウィンドウ133,134は、冷却ユニット本体131,132の中空部分を塞ぐように設けられている。

0053

冷却ユニット113,114(冷却ユニット本体131,132)には、伝熱抑制空間S101b,S101cに冷媒を供給するための冷媒供給口131a,132aと、伝熱抑制空間S101b,S101cに供給された冷媒を排出するための冷媒排出口131b,132bとが設けられている。冷媒供給口131a,132aおよび冷媒排出口131b,132bは、それぞれ内部空間S113,S114に臨んで形成されている。ここで、内部空間S113,S114は測定外領域S111,S112と連通しているため、内部空間S113,S114および測定外領域S111,S112の両方の空間(伝熱抑制空間)S101b,S101c内は、冷媒供給口131a,132aから供給された冷媒で満たされるようになっている。冷媒は、測定光のスペクトルに影響を与えない流体(気体または液体)であり、例えば、N2等のガスである。つまり、冷却ユニット113,114は、冷媒をウィンドウ123,124によってガス管102の中の空間(測定領域)S101aと隔離されたインサーションチューブ111,112内の空間(測定外領域)S111,S112に流通させる冷却機構を有する。

0054

光軸調整ユニット115,116には、冷却ユニット113,114の他端部に取り付けられる取り付けフランジ141,142が備えられている。光軸調整ユニット115,116には、測定光が通過可能かつ光軸方向に可撓性を有するベローズ143,144と、取り付けフランジ141,142と共にベローズ143,144を挟持する固定フランジ145,146と、取り付けフランジ141,142と固定フランジ145,146とを連結してベローズ143,144を調整する調整ねじ147,148とが備えられている。

0055

発光ユニット117には、光軸調整ユニット115の固定フランジ145に取り付けられる発光ユニット本体(筐体)151が備えられている。発光ユニット117には、測定光を発光する発光部152と、測定光の強度等を調整可能な制御部153とが備えられている。発光部152および制御部153は、複数の電子基板(不図示)を介して電気的に接続されている。発光ユニット本体151は、例えば、これら各構成部を格納する耐圧防爆容器である。発光ユニット本体151は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。

0056

発光部152は、被測定ガスGに対してTDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrocsopy:波長可変ダイオードレーザ吸収分光)による測定が可能な任意の光源を有する。発光部152は、例えば、半導体レーザを有する。制御部153は、一つ以上のプロセッサを有する。制御部153は、発光ユニット117および受光ユニット118を含むガス分析装置101全体の動作を制御可能なものであってもよい。

0057

受光ユニット118には、光軸調整ユニット116の固定フランジ146に取り付けられる受光ユニット本体(筐体)161が備えられている。受光ユニット118には、測定光を受光する受光部162と、測定光の吸収スペクトルを測定および分析する演算部163とが備えられている。受光部162および演算部163は、複数の電子基板(不図示)を介して電気的に接続されている。受光ユニット本体161は、例えば、これら各構成部を格納する耐圧防爆容器である。受光ユニット本体161は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。

0058

受光部162は、被測定ガスGに対してTDLASによる測定が可能な任意の光検出器を有する。受光部162は、例えば、フォトダイオードを有する。演算部163は、一つ以上のプロセッサを有する。演算部163は、発光ユニット117および受光ユニット118を含むガス分析装置101全体の動作を制御可能なものであってもよい。

0059

実施例2に係るガス分析装置の動作について、図2を参照して説明する。

0060

発光部152は、ガス管102に対向配置された受光ユニット118の受光部162に向けて測定光を照射する。図2において、測定光は、測定光L101として示されている。発光部152は、被測定ガスGを含む測定領域S101aに測定光L101を照射する。測定光L101は、その光軸に沿ってウィンドウ133およびウィンドウ123を透過し、ガス管102内に形成された測定領域S101aを伝搬した後、ウィンドウ124およびウィンドウ134を透過して受光部162に入射する。つまり、受光部162は、測定領域S101aを通過した測定光L101を受光する。

0061

演算部163は、受光部162で受光した測定光L101のスペクトルから、被測定ガスGの吸収スペクトルを求め、被測定ガスGに含まれる成分およびその濃度を求める。

0062

ここで、ガス分析装置101は、被測定ガスGに晒されるチューブ本体121,122とウィンドウ123,124とがそれぞれ耐熱性能の高い材質から構成されているため、高温(例えば、1000℃以上)の被測定ガスGの成分およびその濃度を測定することができる。

0063

また、ガス分析装置101は、冷却ユニット113,114の機能、すなわち、測定外領域S111,S112と内部空間S113,S114とで構成される伝熱抑制空間S101b,S101cに冷媒を流通させることにより、被測定ガスGに晒されるチューブ本体121,122とウィンドウ123,124とからの伝熱を効果的に抑制し、発光ユニット117(発光部152および制御部153等)ならびに受光ユニット118(受光部162および演算部163等)に対する伝熱の影響を十分に低減することができる。

0064

以上のように、ガス分析装置101により、ガス管102を流れる被測定ガスGに含まれる成分の分析(成分およびその濃度等の測定)が行われる。

0065

ガス分析装置101は、ガス管(管材)102の中を流れる被測定ガス(測定対象ガス)Gに測定光を照射し、被測定ガスGを透過した測定光の吸収スペクトルに基づいて、被測定ガスGに含まれる成分の分析を行うものであって、測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記ガス管102の中に配置されるチューブ本体(筒状部材)121,122と、チューブ本体121,122の中空部分を塞ぐと共にガス管102の中を流れる被測定ガスGに晒されるように設けられ、測定光を透過可能なウィンドウ(透過部材)123,124とを備える。

0066

ガス分析装置101は、上記構成を有することにより、ガス管102内の(被測定ガスGが流れる)空間と、ガス管102外の(発光ユニット117および受光ユニット118が配置される)空間とが、ウィンドウ123,124によって隔離されている。よって、たとえ被測定ガスGが高温(例えば、1000℃以上)であっても、被測定ガスGがインサーションチューブ111,112を介して発光ユニット117および受光ユニット118に流出することはなく、被測定ガスGによるインサーションチューブ111,112から発光ユニット117および受光ユニット118への伝熱を抑制することができる。つまり、ガス分析装置101によって高い温度の被測定ガスGを測定することができる。

0067

また、ガス分析装置101は、冷媒をウィンドウ123,124によってガス管102の中の空間と隔離されたチューブ本体121,122内の空間に流通させる冷却ユニット(冷却機構)113,114すなわち冷媒供給口(冷却機構)113a,114aおよび冷媒排出口(冷却機構)113b,114bを備える。この構成を有することにより、ガス分析装置101は、被測定ガスGによるインサーションチューブ111,112から発光ユニット117および受光ユニット118への伝熱をより抑制することができる。

0068

さらに、ガス分析装置101は、チューブ本体121,122がアルミナ等のセラミックから成る。この構成を有することにより、ガス分析装置101は、被測定ガスGによるインサーションチューブ111,112から発光ユニット117および受光ユニット118への伝熱をより抑制することができる。

0069

またさらに、ガス分析装置101は、チューブ本体121,122およびウィンドウ123,124が、それぞれ対向してガス管102に設けられるものであり、対向配置されるウィンドウ123,124の間に被測定ガスGが流通する測定領域S101aを画成する。この構成を有することにより、ガス分析装置101は、被測定ガスGが測定外領域S111,S112へ流入することがないので、例えば、パージガスを流通させる機構等を必要としない。よって、ガス分析装置101によって高い温度の被測定ガスGを測定することができると共に、当該ガス分析装置101の構成を簡易なものとすることができる。

0070

本発明に係るガス分析装置は、上述した実施例2に係るクロスダクト型のガス分析装置101の構成に限定されず、種々の変更が可能である。本発明に係るガス分析装置は、例えば、実施例2のように、冷却ユニット113,114をインサーションチューブ111,112、光軸調整ユニット115,116、発光ユニット117および受光ユニット118と独立して設ける構成に限定されない。例えば、冷却ユニットをインサーションチューブ、光軸調整ユニット、または発光ユニットおよび受光ユニットと一体的に構成してもよい。ここで、冷却ユニットをインサーションチューブと一体的に構成した場合には、冷却ユニットの少なくとも一部をガス管内に位置させてもよい。

0071

また、本発明に係るガス分析装置は、実施例2のように、伝熱抑制空間S101b,S101cにおいて冷媒を流通させる構成に限定されない。例えば、伝熱抑制空間に冷媒を密封し、冷却ユニットを外部から冷却してもよい。また、伝熱抑制空間を真空とし、断熱効果を向上させてもよい。このとき、冷却ユニットは、ウィンドウによってガス管の中の空間(測定領域)と隔離されたインサーションチューブ内の空間(測定外領域)を真空状態とする断熱機構を有する。このように伝熱抑制空間を真空とした場合であっても、当該冷却ユニットを外部から冷却することにより、冷却効果を付加することも可能である。

0072

さらに、本発明に係るガス分析装置は、実施例2のように、一つの伝熱抑制空間S101b,S101cに冷媒を流通させる構成としなくてもよい。例えば、複数(三つ以上)のウィンドウ(透過部材)を設けて伝熱抑制空間を区分け(隔離)することにより、複数(二つ以上)の伝熱抑制空間を画成し、被測定ガスからの伝熱を段階的に抑制する構成としてもよい。例えば、三つのウィンドウ(透過部材)を設け、区分け(隔離)された二つの伝熱抑制空間を画成し、インサーションチューブ側の伝熱抑制空間を真空として断熱効果を保持すると共に、発光ユニット側および受光ユニット側の伝熱抑制空間に冷媒を流通させて冷却効果を付加する構成としてもよい。このとき、冷却ユニットは、冷却機構および断熱機構の両方を有する。

0073

1ガス分析装置
2ガス管(管材)
2a取り付け部材
11プローブ(筒状部材)
12冷却ユニット(冷却機構、断熱機構)
13分析ユニット
21 プローブ本体(筒状部材)
21aフランジ
21b上流側開口部
21c下流側開口部
22反射部(反射部材)
23ウィンドウ(透過部材)
31 冷却ユニット本体(筒状部材)
31a冷媒供給口(冷却機構、断熱機構)
31b冷媒排出口(冷却機構、断熱機構)
32 ウィンドウ(透過部材)
41 分析ユニット本体
42発光部
43受光部
44演算部
G被測定ガス(測定対象ガス)
DS1a所定距離
S1a 測定領域
S1b伝熱抑制空間(冷却空間
S11 測定外領域
S12 内部空間
101 ガス分析装置
102 ガス管(管材)
102a 取り付け部材
111,112インサーションチューブ(筒状部材)
111a,112a フランジ
113,114 冷却ユニット(冷却機構、断熱機構)
113a,114a 冷媒供給口(冷却機構、断熱機構)
113b,114b 冷媒排出口(冷却機構、断熱機構)
115,116光軸調整ユニット
117発光ユニット
118受光ユニット
121,122 チューブ本体(筒状部材)
123,124 ウィンドウ(透過部材)
131,132 冷却ユニット本体(筒状部材)
133,134 ウィンドウ(透過部材)
141,142取り付けフランジ
143,144ベローズ
145,146固定フランジ
147,148調整ねじ
151 発光ユニット本体
152 発光部
153 制御部
161 受光ユニット本体
162 受光部
163 演算部
G 被測定ガス(測定対象ガス)
DS101a 所定距離
S101a 測定領域
S101b,S101c 伝熱抑制空間(冷却空間)
S111,S112 測定外領域
S113,S114 内部空間

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