多成分用激光式气体分析计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及对空间内的各种测定对象气体的有无、浓度进行分析的多成分用激光式气体分析计。
【背景技术】
[0002]激光式气体分析计例如在石油化工厂的加热处理、火力发电等中用于对高温燃烧气体的燃烧状态的监控。燃烧状态的参数通常是排气成分中的02(氧气)气体浓度和CO( —氧化碳)气体浓度。参照附图对这点进行说明。图5是表示燃烧器内的空气过剩率与气体浓度之间的关系的特性图。此外，作为后述的专利文献I的图2而公开了该图5。通过该特性图可知以下的情况。
[0003](a)随着空气过剩率的增大、S卩氧气的增多，燃烧所未使用的氧气增加，02气体浓度也会提高。进而剩余的氧气对氮气进行氧化，从而NOx气体浓度也会提高。这样，能通过监视02气体浓度来判定空气过剩。
(b)相反地，随着空气过剩率减小、即氧气减少，成为不完全燃烧，CO气体浓度提高。进而，燃烧所未使用的燃料(烃类)增加，燃料的气体浓度也会提高。这样，能通过监视CO浓度来判定空气不足。
[0004]因此，通过对排气中的02气体浓度和CO气体浓度进行监视，来实现一边维持完全燃烧状态一边使过剩空气变得最小的最合适的燃烧控制。另外，实现能量损耗较小的高效的燃烧。除此以外，还会减轻作为环境污染物质的Nox气体的排出。
[0005]接着，对排气中的多成分气体分析的现有技术进行说明。例如，已知专利文献1、2所记载的发明、非专利文献I所公开的技术。对各文献的内容进行概括，并参照附图来对这些现有技术进行说明。
[0006]作为现有技术I，已知有专利文献I所记载的发明。图6是包含使用了现有技术的激光的燃烧气体分析装置的燃烧系统的整体结构图。燃烧系统100在围栏/壁101内具有燃烧器102、103。将空气及燃料提供给这些燃烧器102、103。来自燃烧器120、103的火焰104、105对管道106内的碳化氢进行加热。
[0007]燃烧气体分析装置具有包含可调谐二极管激光器(以下表述为TDL)107、109及检测器108、110的两组TDL分析系统。这两组TDL分析系统对一氧化碳(CO)、气相的水(H2O)以及气相的碳化氢(例如包含甲烷(CH4))进行测定。另外，燃烧气体分析装置包含氧化锆传感器111、112。氧化锆传感器111、112对氧气(O2)进行测定。
[0008]利用光学性测定即TDL分光来进行该气体分析。在TDL分光中，在与⑶、H2O及碳化氢(CH4等)有关的各个吸收峰值的波长下对激光进行吸收。所吸收的光的量用通过其它方式进行检测、测定的气体浓度、压力、温度及光学性路径长度的函数来表示。按照以下(I)?
(4)的顺序来进行该气体分析。
[0009](I)单体的可调谐二极管激光器照射出波长被调节至2.0?2.5μπι的范围内的光。该光通过燃烧气体而射入至光检测器。光检测器生成燃烧气体的吸收分布。 (2)将燃烧气体的吸收分布进行数字化。
(3)数字计算机对数字化后的吸收分布进行保存。
(4)数字计算机对数字化后的吸收分布进行处理，从而对燃烧气体中的OKH2O及碳化氢(CH4等)的浓度进行测定。
[0010]这里，由于能同时对OKH2O及碳化氢(CH4等)进行测定，因此，从以下多个候选项中选择波长。
当燃烧气体的温度约为1100°c时，能从2302.I ； 2303.9 ； 2319.1 ； 2323.6 ； 2325.2 ；2326.8; 2331.9; 2333.7 ； 2335.5 ； 2342.8 ； 2346.8 ； 2348.2 ； 2356.I ； 2363.I ；及2373.I这些特定的波长(纳米)中进行选择。
[0011]另外，当燃烧气体的温度约为300°C时，能从2307.8 ； 2320.6 ； 2323.6 ； 2331.9 ；2339.3 ； 2353.9 ； 2360.8 ； 2368.0 ； 2373.I ； 2389.3 ；及2401.0这些特定的波长(纳米)中进行选择。
[0012]最佳的波长选择依赖于用途，通过适度的实验来决定。在该测定时，采用多变量模型，该多变量模型利用在多个波长下的测定结果。该燃烧气体分析装置利用多个波长来进行激光气体分析，利用多变量模型来计算出燃烧气体中的一氧化碳、气相的水及气相的碳化氢的气体浓度。此外，氧化锆传感器对氧气的气体浓度进行测定。即，对燃烧气体中的CO气体浓度和O2气体浓度进行测定。专利文献I所记载的发明如上所述。
[0013]另外，作为现有技术2，已知有专利文献2所记载的发明。引用以下文献的内容并进行概括，以对本发明进行说明。图7是使用了现有技术的激光的气体浓度测量装置的整体结构图。该气体浓度测量装置使用两个激光二极管来对两种气体浓度进行测量。
[0014]激光的光源由第一激光二极管(LD1WOl和第二激光二极管(LD2)202构成。第一激光二极管201与LDi电流驱动电路203、204相连接，并对温度和电流进行控制。第二激光二极管202与LD2电流驱动电路205、206相连接，并对温度和电流进行控制。
[0015]LD1电流驱动电路203上经由加法器207而分别施加有第一直流电流208、谐波209、调谐信号210、211、分时单元212的脉冲信号212a以及波长锁定信号213。另外，LD2电流驱动电路205上经由加法器214而分别施加有第二直流电流215、谐波209、调谐信号210、211、分时单元212的脉冲信号212a以及波长锁定信号213。
[0016]第一激光二极管201与第二激光二极管202交替起振。第一激光二极管201利用所施加的电流(第一直流电流208、脉冲信号212a相加后的电流)，在第一气体成分的吸收波长A1下起振。另外，第二激光二极管202利用所施加的电流(第二直流电流215与脉冲信号212a相加后的电流)，在第二气体成分的吸收波长入2下起振。
[0017]如此，利用合波器216对来自第一激光二极管201的起振激光和来自第二激光二极管202的起振激光交替地进行合流，并使其通过光纤的激光光路而射入至分波器217。从分波器217照射出的激光光束经由一个透镜(准直器)218而通过气体流通区域，并输出至另一个透镜(聚焦透镜)219。
[0018]通过气体流通区域后的激光被配置于另一个透镜219附近的受光单元220的光电二极管(PD)所接受。基于被受光单元220所接受的气体吸收信号，利用后级的解调处理单元221、标准信号处理单元222、AD转换器223及计算机224，来计算出两种气体浓度。
[0019]图8中示出了来自第一激光二极管201的波长&的起振及来自第二激光二极管202的波长λ2的起振的概要。成为波长A1起振的期间与波长λ2起振的期间交替出现的激光。能根据波长λ I起振的时间内的气体的吸收信号来测量出第一气体的气体浓度，并根据波长λ2起振的时间内的气体的吸收信号来测量出第二气体的气体浓度。
[0020]此外，时间分割(△t)的定时与所取出的气体信号之间的对应，在计算机224中自动进行计算。由此，能简单且可靠地计算出多种气体浓度。
如此，即使第一、第二激光光束通过相同的光轴，也能以分时方式交替地向受光单元220照射各个激光，因此，容易取出与各个气体相对应的信号。
[0021]这样的现有技术的气体浓度测量装置以锅炉、垃圾焚烧炉、燃烧机关的燃烧室等密闭容器内所产生的气体、或从该密闭容器向外部排出的气体作为检测对象。在现有技术中，第一、第二气体成分气体以NH3气体和H2O气体为对象，但能通过波长的变更来对O2浓度和CO浓度来进行检测。这样的气体浓度测量装置利用激光来对这些气体进行测定，从而能高效地对多种气体浓度进行测量。专利文献2所记载的发明如上所述。
[0022]另外，作为现有技术3有非专利文献I所记载的发现。该发现是关于在对CO进行气体分析时水分的影响的发现。引用非专利文献I的记载一边进行概括一边对该发现进行说明。
[0023]在该非专利文献I中对利用假设燃烧气体中的CO气体浓度的波长可变半导体激光分光法(以下记为TDLAS)而做出的分析进行了记载。另外，对提高检测灵敏度的波长调谐分光法(以下记为WMS)进行了记载。
[0024]在图9的表示高温、高浓度的水分气体和CO气体的吸收频谱的特性图中使用了被称为R( 10)、R( 11)的CO气体的吸收谱线。R( 10)、R( 11)是位于波长2.3微米频带的吸收谱线。R( 10)在波数4297.7cm—1 (波长2326.8nm)处具有吸收强度的峰值，R( 11)在波数4300.7cm"1(波长2325.2nm)处具有吸收强度的峰值。
[0025]在该图9中，还示出了包含R(10)、R(11)的波长区域中的CO气体、水分的吸收频谱。在R(1)、R(11)的波长周边具有水分的吸收强度，因此，在高温、高浓度的水分环境下的CO浓度测定伴随着水分干扰。即使如此，在R(10)、R(11)的波长下水分的吸收也较小。一边利用这些R( 10)或R(11)的吸收谱线来抑制水分的影响，一边检测CO气体的吸收。主要由水分干扰来决定CO气体浓度的测定精度。
非专利文献I所记载的发明如上所述。
现有技术文献专利文献
[0026]专利文献1:日本专利特表2010-519544号公报(发明名称“燃烧气体分析”)
专利文献2:日本专利特开2