气体成分检测装置的制作方法

本发明涉及检测气体内有无规定的成分的气体成分检测装置。

背景技术：

近年来，去除来自焚烧设备等的排气中含有的水银等有害物质的系统已为公众所知。例如，检测流过烟道的排气中含有的水银的浓度，当检测到的水银的浓度超过规定浓度时，向烟道中放入用于去除水银的活性炭的系统已为公众所知。

在所述系统中，为了检测排气中的水银，例如使用专利文献1中公开的水银分析装置，所述水银分析装置根据排气中的水银的吸光量，检测水银的浓度。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2014-126511号

但是，在以往的水银分析装置中，由于将排气取样到吸光单元等中来检测水银的浓度，所以到判断出有无水银为止需要花费较多时间。其结果，在所述系统应用了以往的水银分析装置的情况下，从产生含有水银的排气到放入活性炭，存在时间滞后。因此，为了阻止含有水银的排气从烟道排出，另外需要弥补所述时间滞后的结构。即，系统的构成变得复杂。因此，希望在所述系统中能够短时间内检测出水银的装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能够短时间内检测出气体中的成分的气体成分检测装置，所述气体成分检测装置能够根据所述成分的吸光量，检测气体中含有的成分。

以下，说明作为用于解决问题的手段的多个实施方式。可以根据需要任意组合所述的多个实施方式。

本发明提供一种气体成分检测装置，其用于检测有无检测对象成分，所述检测对象成分是流过管道内的气体中含有的检测对象成分，所述气体成分检测装置包括：光源，向所述管道内照射测量光，所述测量光至少包含与所述检测对象成分相互作用的波长范围；检测部，检测检测光，所述检测光是所述测量光中被所述管道的内壁和/或存在于所述管道内的光散射颗粒散射和/或反射回来的光；以及信号输出部，根据由所述检测部检测到的检测光的强度，输出判断信号，所述判断信号用于判断流过所述管道内的气体中是否含有所述检测对象成分。

由此，不需要对流过管道的气体进行取样，就能够在短时间内检测该气体中的检测对象成分。其结果，能够在短时间内输出用于判断气体中有无检测对象成分的信号。

检测部也可以具有第一检测部，所述第一检测部检测相互作用成分光，所述相互作用成分光是检测光中的与检测对象成分相互作用的波长范围的光。此时，信号输出部将包含与相互作用成分光的强度有关的信息的信号作为判断信号输出。

由此，能够将用于判断流过管道的气体中是否含有检测对象成分所需要的信号作为判断信号输出。

也可以当相互作用成分光的强度随时间的变化量成为了第一值以上时，判断为流过管道内的气体中含有检测对象成分。

由此，能够只根据一种信号在短时间内判断有无检测对象成分。

检测部还可以具有第二检测部，所述第二检测部检测背景光，所述背景光是检测光中的不受检测对象成分的存在影响的波长范围的光。此时，信号输出部将还包含与背景光的强度有关的信息的信号作为判断信号输出。

由此，能够同时测量检测对象成分以外的影响和检测对象成分的存在造成的影响，并将这些信息包含在判断信号中。

也可以当相互作用成分光的强度与背景光的强度的差异成为了第二值以上时，判断为流过管道内的气体中含有检测对象成分。

由此，能够根据只包含检测对象成分的存在造成的影响的信号，高精度地检测出检测对象成分。

所述气体成分检测装置也可以还包括聚光部，所述聚光部将焦点设置在管道的内壁上。此时，信号输出部根据检测光中的、被管道的内壁反射和/或散射的成分的强度，输出能够计算出检测对象成分的浓度的信号。

由此，即使在流过管道的气体几乎不含有光散射颗粒时，也能够检测到检测光。另外，能够唯一地确定测量光在管道内的光路长度。其结果，不仅能够检测有无检测对象成分而且能够测量其浓度。

光源可以从氙灯、LED或者激光二极管中选择。由此，能够产生合适波长范围的光。

本发明能够根据检测对象成分的测量光的吸光量，短时间内检测出气体中含有的检测对象成分。

附图说明

图1是表示第一实施方式的气体成分检测装置的结构的图。

图2是表示氙灯的发光光谱的图。

图3是表示控制部的构成的图。

图4是表示将焦点设置在内壁上的状态的图。

图5是表示根据第一强度和第二强度的差异判断有无水银的方法的图。

图6是表示第二实施方式的气体分析装置的结构的图。

图7是表示只根据第一强度判断有无水银的方法的图。

图8是表示第三实施方式的气体成分检测装置的结构的图。

附图标记说明

100、200、300 气体成分检测装置

1 箱体

1a 凸缘部

3 光源

31 光路变更部件

5 检测部

5a 第一检测部

5b 第二检测部

7 聚光部

9 控制部

91 光源控制部

93 聚光控制部

95 信号输出部

97 判断部

10 吹扫气体导入部

50 烟道

51 侧壁

51’ 内壁

O1、O2 开口部

51a 凸缘部

BP1 第一带通滤波器

BP2 第二带通滤波器

BS 分束器

OW 光学窗

A 光路轴

F 焦点

P 光散射颗粒

SG 排气

G_P 吹扫气体

L_m 测量光

L_d 检测光

L_d1 相互作用成分光

I_d1 第一强度

L_d2 背景光

I_d2 第二强度

S_B、S_D 随时间的变化量

Th1 第一值

Th2 第二值

θ₁ 第一角度

θ₂ 第二角度

W1 距离

W2 烟道的宽度

具体实施方式

(1)第一实施方式

(1－1)气体成分检测装置的结构

参照图1对本实施方式的气体成分检测装置100的结构进行说明。图1是表示第一实施方式的气体成分检测装置的结构的图。本实施方式的气体成分检测装置100用于检测流过焚烧炉或化学设备等的烟道50(管道的一个例子)的排气SG中的水银(检测对象成分的一个例子)。

气体成分检测装置100具备箱体1。箱体1形成气体成分检测装置100的主体。另外，在箱体1的开口部O1形成有凸缘部1a。凸缘部1a与形成于烟道50的侧壁51的开口部O2的凸缘部51a连接。由此，箱体1在箱体1的内部空间S与烟道50连接的状态下被固定在侧壁51上。

气体成分检测装置100具备光源3。光源3产生测量光L_m，所述测量光L_m至少包含与水银相互作用的波长范围。在本实施方式中，光源3配置在箱体1的内部空间S中且位于光路变更部件31的正下方。由此，从光源3产生的测量光L_m被光路变更部件31的反射面反射后被导入烟道50内。

在该情况下，例如，也可以将光路变更部件31的反射面设为凹面或者凸面，对从光源3产生的测量光L_m进行发散或聚光后将其导入到烟道50内。例如，在向流过烟道50内的气体中包含的粉尘等光散射颗粒P照射测量光L_m的情况下，可以使测量光L_m发散后将其导入。另一方面，在向烟道50的内壁51’(后面描述)照射测量光L_m的情况下，可以将测量光L_m聚光后将其导入。

在本实施方式中，光源3是氙灯。如图2所示，氙灯能够产生190nm～600nm波长范围宽的光。图2是表示氙灯的发光光谱的图。其结果，如后面所述地，通过在多个检测部(后面描述)的每个受光面配置合适的带通滤波器，能够使用一个光源同时检测多个波长范围的光。

此外，也可以使用水银灯、能够产生紫外线区域的光的LED或者激光二极管(LD)等作为光源3。

气体成分检测装置100具备检测部5。检测部5检测检测光L_d(后面描述)。在本实施方式中，检测部5具有第一检测部5a和第二检测部5b，所述第一检测部5a检测相互作用成分光L_d1，所述相互作用成分光L_d1是检测光L_d中被水银吸收(相互作用的一个例子)的波长范围(254nm附近(图2))的光，所述第二检测部5b检测背景光L_d2，所述背景光L_d2是不与水银相互作用的波长范围(例如，470nm附近(图2))的光。

第一检测部5a是能够检测紫外线区域的光的光电二极管或者光电倍增管。第一检测部5a在箱体1的内部空间S中配置在测量光L_m导入烟道50内的光路轴A(图1)上的、比光路变更部件31更远离烟道50的位置。为了使第一检测部5a能够只检测相互作用成分光L_d1，在第一检测部5a的受光面配置有只能透过相互作用成分光L_d1的第一带通滤波器BP1。

由此，第一检测部5a例如能够将以被水银吸收的波长作为中心的±5nm(例如，254nm±5nm)波长范围的光检测为相互作用成分光L_d1。

另一方面，第二检测部5b是能够检测背景光L_d2的光电二极管或者光电倍增管。第二检测部5b在箱体1的内部空间S中配置在能够检测被分束器BS分开的光的位置，所述分束器BS配置在第一检测部5a和光路变更部件31之间。为了使第二检测部5b能够只检测背景光L_d2，在第二检测部5b的受光面配置有只能透过背景光L_d2的第二带通滤波器BP2。

由此，第二检测部5b例如将以不与水银相互作用的波长作为中心的±5nm(例如，470nm±5nm)的波长范围的光检测为背景光L_d2。

由于检测部5具有第一检测部5a和第二检测部5b，所以能够同时检测相互作用成分光L_d1和背景光L_d2。

气体成分检测装置100具备聚光部7。聚光部7是利用折射或者反射将焦点F设置在烟道50内的规定的位置的部件。聚光部7例如是通过未图示的驱动机构能够在光路轴A上移动的透镜或者透镜的集合体。另外，也可以由凹面镜构成聚光部7。也可以通过组合透镜和凹面镜来构成聚光部7。聚光部7在箱体1的内部空间S中配置在比检测部5更靠近烟道50、且比光路变更部件31更远离烟道50的一侧。由此，聚光部7能够将焦点F设置在烟道50内的规定位置。

如上所述，通过将光源3、检测部5和聚光部7配置在一个箱体1内，能够抑制由于温度变动等而导致光源3、检测部5和聚光部7的配置关系偏离。其结果，能够避免在检测部5中不能检测到检测光L_d。

此外，如图1所示，在本实施方式中，箱体1以垂直于烟道50中的排气SG的流向的方式固定于侧壁51。但是，不限于此，也可以以相对于排气SG的流向倾斜的方式固定箱体1。

气体成分检测装置100具备控制部9。控制部9控制气体成分检测装置100的各构成部件。控制部9输出用于判断排气SG中是否含有检测对象成分所需要的信号。后面将对控制部9的详情详细地进行说明。

气体成分检测装置100也可以具备光学窗OW，所述光学窗OW是测量光L_m以及检测光L_d能够透过的部件。以堵塞箱体1的开口部O1的方式配置光学窗OW。由此，能够避免光源3、检测部5、聚光部7等被排气SG污染。

气体成分检测装置100也可以具备吹扫气体导入部10，所述吹扫气体导入部10向烟道50内的光学窗OW附近提供吹扫气体G_P。由此，能够抑制光学窗OW的、光散射颗粒P等导致的污染。

(1－2)控制部的构成

接着，参照图3说明控制部9的构成。图3是表示控制部的构成的图。控制部9是具备CPU、存储装置(RAM、ROM等)、以及A/D转换器、D/A转换器等各种接口的计算机系统。可以由该计算机系统通过能够动作的程序实现以下说明的控制部9的各功能的一部分或者全部。所述程序可以存储在存储装置中。也可以由定制IC实现控制部9的各功能的一部分或者全部。

控制部9具有光源控制部91。光源控制部91根据来自外部的光源控制指令，控制光源3的动作开始以及停止、测量光L_m的强度。

控制部9具有聚光控制部93。聚光控制部93根据来自外部的聚光控制指令，使聚光部7的透镜和/或凹面镜在光路轴A上移动。

控制部9具有信号输出部95。信号输出部95输出能够判断排气SG中是否含有水银的判断信号。具体地说，信号输出部95将基于由检测部5检测到的检测光L_d的强度的电信号(电压值或者电流值)转换为表示检测光L_d的强度的数值数据等，并将该数值数据作为判断信号向外部输出。

信号输出部95也可以根据检测光L_d的强度，生成并输出能够计算排气SG中的水银的浓度的信号。由此，不仅能够检测排气SG中有无水银而且能够测量水银浓度。

由于控制部9具有所述构成，所以气体成分检测装置100能够向外部输出能够判断有无水银的信号。

此外，控制部9也可以具有判断部97。判断部97根据来自信号输出部95的判断信号，判断排气SG中是否含有水银，并将判断结果作为检测信号向外部输出。关于有无水银的具体的判断方法，将在后面详细地进行说明。

此外，在该实施方式中，判断部97配置在控制部9内，但是判断部97也可以设置在控制部9的外部的系统中，控制部9将判断信号向该外部的系统输出。

(1－3)气体成分检测装置的动作

接着，对本实施方式的气体成分检测装置100的动作进行说明。在开始检测水银之前，首先，由聚光控制部93控制聚光部7，将焦点F设置在烟道50内的所希望的位置。例如，当排气SG中的光散射颗粒P的浓度高时，将焦点F的位置设定在烟道50的眼前一侧(安装有箱体1的一侧)，当光散射颗粒P的浓度低时，将焦点F的位置设定在烟道50的里侧。

此外，当排气SG中几乎不存在光散射颗粒P时，如图4所示，将焦点F设置在侧壁51的烟道50侧的表面(称为内壁51’)。图4是表示将焦点设置在内壁上的状态的图。由此，即使在不存在使测量光L_m散射的光散射颗粒P的情况下，也能够将被内壁51’反射并通过了烟道50的测量光L_m检测为检测光L_d。

另外，能够唯一地确定被内壁51’反射的测量光L_m的光路长度。因此，通过将被内壁51’反射的测量光L_m检测为检测光L_d，也能够根据该检测光L_d的强度，同时测量排气SG中的水银浓度。

在不向光学窗OW的附近导入吹扫气体GP的情况下，被内壁51’反射的测量光L_m的光路长度为从凸缘部1a和凸缘部51a连接的部分到与凸缘部1a，51a的连接部分相反一侧的内壁51’的距离W1(图4)的2倍(2W1)。

另一方面，在向光学窗OW附近导入吹扫气体G_P的情况下，被内壁51’反射的测量光L_m的光路长度为烟道50的宽度W2(图4)的2倍(2W2)。这是由于在导入吹扫气体GP的情况下，在凸缘部51a的空间部分几乎不存在排气SG。

然后，光源控制部91控制光源3，由此向烟道50内照射测量光L_m。被导入烟道50内的测量光L_m在通过烟道50的过程中一部分被排气SG中的水银吸收。另外，测量光L_m被排气SG中含有的光散射颗粒P和/或内壁51’散射和/或反射。其结果，测量光L_m在烟道50内的行进方向改变，一部分返回箱体1。检测部5将在通过烟道50内的过程中未被水银吸收而返回箱体1的测量光L_m检测为检测光L_d。检测光L_d主要包含被聚光部7聚光后、从焦点F到烟道50的开口部O2向箱体1返回的测量光L_m。

如果由检测部5检测到检测光L_d，则信号输出部95生成用于判断有无水银的判断信号并向外部输出。在本实施方式中，生成包含与相互作用成分光L_d1的第一强度I_d1有关的信息以及与背景光L_d2的第二强度I_d2有关的信息的信号作为判断信号。

接着，判断部97或者外部的系统根据从信号输出部95输入的判断信号，判断排气SG中是否含有水银。在本实施方式中，根据只包含水银的影响的信息判断有无水银。例如，如图5所示，当第二强度I_d2和第一强度I_d1的差异I_d2－I_d1成为第二值Th2以上时，判断为排气SG中含有水银。图5是表示根据第一强度和第二强度的差异判断有无水银的方法的图。

此外，也可以使用这两个强度之比(例如，I_d1/I_d2)作为第二强度I_d2和第一强度I_d1的差异。优选的是，根据第二强度I_d2和第一强度I_d1的差异的定义等，将所述第二值Th2设定为适当的值。

另一方面，在将被内壁51’反射和/或散射的测量光L_m检测为检测光L_d并测量水银的浓度的情况下，信号输出部95例如将第一强度I_d1与第二强度I_d2之比(I_d1/I_d2)作为能够计算水银的浓度的信号，向外部输出。由此，控制部9或者外部的系统通过使用朗伯比尔定律，将光路长度设为2W1或者2W2，并将从信号输出部95输入的能够计算所述水银的浓度的信号设为水银的吸光量，由此能够计算水银的浓度。

如上所述，将未被水银吸收而被改变了行进方向并返回到箱体1的测量光L_m检测为检测光L_d。由此，无需对排气SG进行取样，就能够在排气SG通过测量光L_m的光路轴A的时刻，立即输出表示有无水银的判断信号和/或检测信号。

通过根据第二强度I_d2和第一强度I_d1的差异判断有无水银，由此根据只包含有无水银的影响的信息，就能够高精度地判断有无水银。

(2)第二实施方式

在所述第一实施方式中，检测部5具备第一检测部5a和第二检测部5b。但是，不限于此，如图6所示，在第二实施方式的气体成分检测装置200中，检测部5只具有第一检测部5a。图6是表示第二实施方式的气体分析装置的结构的图。

在该情况下，信号输出部95生成并输出只包含与相互作用成分光L_d1的第一强度I_d1有关的信息的判断信号。

在第二实施方式中，判断第一强度I_d1随时间的变化量S_D是由于水银的存在造成的还是由其它的影响造成的，由此判断有无水银。

例如，如图7所示，当第一强度I_d1随时间的变化量S_D(ΔI_d1/ΔT)成为了第一值Th1以上时，判断为排气SG中含有水银。图7是表示只根据第一强度判断有无水银的方法的图。在该情况下，优选的是，使第一值Th1的值比背景光L_d2的第二强度I_d2随时间的变化量S_B(ΔI_d2/ΔT)的最大值大。

此外，也可以在随时间的变化量S_D处于第一值Th1以上的状态持续规定时间以上的情况下，判断为排气SG中含有水银。

这样，仅根据与第一强度I_d1有关的信息，就能够在短时间内判断出排气SG中有无水银。

(3)第三实施方式

在所述第一实施方式以及第二实施方式中，垂直于排气SG的流向导入测量光L_m，检测部5将在垂直于排气SG的流向的方向上返回的测量光L_m检测为检测光L_d。

但是，不限于此，在第三实施方式的气体成分检测装置300中，如图8所示，以相对于垂直于排气SG的流向的方向具有第一角度θ₁的角度的方式导入测量光L_m。检测部5将以相对于垂直于排气SG的流向的方向具有第二角度θ₂的角度的方式返回的测量光L_m检测为检测光L_d。图8是表示第三实施方式的气体成分检测装置的结构的图。

在该情况下，为了由检测部5检测强度强的检测光L_d，优选的是，第一角度θ₁和第二角度θ₂相等。也可以分别调整第一角度θ₁和第二角度θ₂。

由于将测量光L_m的导入角度和检测光L_d的检测角度从相对于排气SG的流向垂直的角度移动了，所以能够通过光散射模拟等比较简单地确定测量光L_m在烟道50内的光路长度。其结果，能够同时执行水银的检测和浓度的测量。

另外，在将测量光L_m的导入角度和检测光L_d的检测角度从相对于排气SG的流向垂直的角度移动了的情况下，可以将光源3和检测部5(以及聚光部7)装入单独的箱体中，并分别独立地安装到侧壁51上。

(4)其它实施方式

以上说明了本发明的多个实施方式，但是本发明并不限于所述实施方式，在不脱离本发明的发明思想的范围内可以进行各种变形。特别是可以根据需要任意组合本说明书所述的多个实施方式和变形例。

(A)检测对象成分的其它实施方式

在所述第一实施方式～第三实施方式中，以水银作为检测对象成分，但是通过适当地改变由检测部5检测的相互作用成分光L_d1和/或背景光L_d2的波长范围，也能够将氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、水以及一氧化碳(CO)等其它成分作为检测对象成分。

(B)有关光源控制的其它实施方式

在所述第一实施方式～第三实施方式中，光源3产生了不随时间变化的波长范围的测量光L_m。但是，不限于此，尤其是在由LD等激光构成光源3的情况下，通过使对作为光源3的LD输入的电流/电压随时间变化，能够使测量光L_m的波长范围随时间变化。在该情况下，不需要第一带通滤波器BP1和/或第二带通滤波器BP2。

在利用LD等使测量光L_m的波长范围随时间变化的情况下，能够将相互作用成分光L_d1以及背景光L_d2分别形成为例如将与测量对象成分相互作用的波长作为中心的±0.5nm的波长范围的光、以及将不与测量对象成分相互作用的波长作为中心的±0.5nm的波长范围的光。

工业实用性

本发明能够广泛地应用于基于吸光量进行气体中含有的成分的检测的气体成分检测装置。