ガスの温度及び成分濃度計測装置
【課題】測定対象のガスの温度及び成分濃度を多点同時に計測することを可能にするガスの温度及び成分濃度計測装置を提供する。
【解決手段】複数の計測点Ｓに向かってレーザー光Ｒ１を照射するレーザー光照射手段１０と、レーザー光Ｒ１を照射することによって計測点Ｓで発生する光Ｒ２を受光する受光手段１１と、受光手段１１で受光した光Ｒ２を分光する分光手段４と、分光手段４で分光した光の特性を検出する検出手段１２とを備える。また、受光手段１１は、複数の計測点Ｓに対応して設けられた複数の光ファイバ２５と、複数の計測点Ｓで発生した光Ｒ２を、対応する光ファイバ２５の端面２５ａに集光する集光手段２０とを備える。
【解決手段】複数の計測点Ｓに向かってレーザー光Ｒ１を照射するレーザー光照射手段１０と、レーザー光Ｒ１を照射することによって計測点Ｓで発生する光Ｒ２を受光する受光手段１１と、受光手段１１で受光した光Ｒ２を分光する分光手段４と、分光手段４で分光した光の特性を検出する検出手段１２とを備える。また、受光手段１１は、複数の計測点Ｓに対応して設けられた複数の光ファイバ２５と、複数の計測点Ｓで発生した光Ｒ２を、対応する光ファイバ２５の端面２５ａに集光する集光手段２０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばガスタービン等の燃焼機内のガスの温度及び成分濃度を非接触で計測するための計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体の温度や組成（成分）を計測する方法の一つとして、ラマン散乱法が多用されている。このラマン散乱法では、測定対象の固体にレーザー光を照射し、レーザー光の照射とともに発生するラマン散乱光を受光してスペクトル解析を行うことで、固体の温度や組成を計測する。すなわち、ラマン散乱光には、測定する分子の数密度に比例し、各分子に固有な波長に遷移した光が含まれるため、このラマン散乱光のスペクトル解析を行うことにより、各分子（成分）を定性、定量することができ、また、ラマン散乱光スペクトル波形から温度を求めることができる。
【０００３】
一方、航空エンジン等の製品開発を行う際には、流体場や燃焼場のガスの温度や組成の計測を行って燃料成分や排ガス特性を評価することが重要である。これに対し、プローブや熱電対等の温度センサを用いて直接的にガスタービン等の燃焼器内のガスの温度や成分濃度を計測するようにした場合には、プローブを挿入することで流れ場（計測場）が変化してしまったり、高温によって熱電対が溶解するなどの不都合が生じてしまう。このため、ラマン散乱法を用い、非接触でガスタービン等の燃焼器内のガスの温度や成分濃度を計測することが提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、ラマン散乱法を用いる計測装置Ａは、例えば、図７に示すように、レーザーヘッド（レーザー発振器）１と、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１を受けるビームストッパ２と、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１上に焦点位置（計測点Ｓ）を合わせて配設された受光レンズ３と、分光器４と、受光レンズ３で集光したラマン散乱光Ｒ２を分光器４に導光する光ファイバ５と、分光器４で分光した光を検出するカメラ６と、カメラ６から受光信号を受けてスペクトル解析を行う信号処理器（ＰＣ）７とを備えて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２９４７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来のラマン散乱法を用いた計測装置Ａにおいては、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１上の一点が計測点Ｓとなり、この一つの計測点Ｓで発生するラマン散乱光Ｒ２を受光してガスＧの温度や成分濃度を計測するようにしている。
【０００７】
そして、この計測装置Ａをガスタービン等の燃焼器内のガスＧの温度や成分濃度の計測に使用した場合、レーザー光Ｒ１上の一点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２からガスＧの温度や成分濃度を求めることになるため、一様ではなく時々刻々と変化する燃焼器内のガスＧの性状を正確に評価することができない。
【０００８】
また、計測点Ｓをレーザー光Ｒ１上で移動させてトラバースすることにより、ガスＧの温度や成分濃度を多点で計測することも考えられるが、このようにした場合であっても、多点計測したデータは同時刻のものではない。また、各計測点Ｓでの非定常データ（時系列のデータ）を取ることはできない。
【０００９】
さらに、単純に計測装置Ａを複数用意することによって多点同時計測を行うことができるが、この種の計測装置Ａの高価なカメラ６、レーザーヘッド１、受光レンズ３等一式を複数用意することは、コストが著しく増大するため、非現実的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置は、複数の計測点に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、レーザー光を照射することによって計測点で発生する光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した光を分光する分光手段と、前記分光手段で分光した光の特性を検出する検出手段とを備え、前記受光手段が、複数の計測点に対応して設けられた複数の光ファイバと、複数の計測点で発生した光を、対応する前記光ファイバの端面に集光する集光手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、レーザー光照射手段から複数の計測点にレーザー光が照射され、複数の計測点でそれぞれ発生した光を集光手段によって各計測点に対応した光ファイバの端面に集光させ、複数の計測点でそれぞれ発生した光を分光器で分光して検出手段で検出することができる。そして、検出手段で検出した複数の計測点の受光信号から、測定対象のガスの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００１２】
また、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、前記レーザー光照射手段が複数本のレーザー光を照射するように構成されていることが望ましい。
【００１３】
この発明においては、レーザー光照射手段から複数本のレーザー光をそれぞれ計測点に向けて照射するため、各レーザー光で光を発生させ、確実に複数の計測点の多点同時にガスの温度及び成分濃度を計測することが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、複数本のレーザー光のそれぞれの強度を計測するレーザー強度計測手段を備えていることがより望ましい。
【００１５】
この発明においては、レーザー光照射手段から出射した複数のレーザー光の強度をレーザー強度計測手段で計測し、検出手段で受光信号を処理する際に、レーザー強度計測手段で計測したデータに基づいて複数のレーザー光の強度の差異を補正することで、精度良くガスの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００１６】
また、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、前記集光手段が一対の平凸レンズを備えてなり、前記一対の平凸レンズが間隔をあけ、且つ互いの間を通過する光が平行光になるように配設されていることがさらに望ましい。
【００１７】
この発明においては、集光手段が一対の平凸レンズを備え、一方の平凸レンズによって各計測点で発生した光を受光して平行光にすることができ、この平行光が一対の平凸レンズの間を通過する。また、他方の平凸レンズで平行光を受光するとともに光ファイバの端面に向けて集光することができる。そして、このように一対の平凸レンズの間を通過する光を平行光にした場合には、一対の平凸レンズの間に特定波長の光をカットするカットフィルタを挿入設置することができる。これにより、例えばレーザー光の波長をカットするカットフィルタを挿入設置することで、各計測点でのガスの温度および成分濃度の計測精度を高めることが可能になる。
【００１８】
さらに、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、計測点確認用レーザー光を受光側から照射して計測点を特定するための計測点確認用レーザー光照射手段を備えていることがより望ましい。
【００１９】
この発明においては、計測点確認用レーザー光照射手段から受光手段に計測点確認用レーザー光を照射すると、受光手段によって計測点確認用レーザー光が一点に集光される。これにより、計測点確認用レーザー光の集光位置に向けてレーザー光照射手段からレーザー光を照射することによって、確実にレーザー光が計測点を通るようにレーザー照射位置を位置合わせすることができ、複数の計測点の設定を容易に行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置によれば、複数の計測点でそれぞれ発生した光を受光し、複数の計測点の受光信号から測定対象のガスの温度及び成分濃度を求めることができるため、ガスの温度及び成分濃度を多点同時に計測することが可能になる。これにより、ガスタービン等の燃焼器内のガスの温度や成分濃度の計測に適用した場合であっても、精度良くガスの温度や成分濃度を計測することができ、正確にガスの性状を評価することが可能になる。
【００２１】
また、単純に計測装置を複数用意して多点同時計測を行うのではなく、複数の計測点でそれぞれ発生した光を複数の光ファイバのそれぞれの端面に集光させて多点同時計測を可能にしている。これにより、コストを抑えてガスの温度及び成分濃度を多点同時計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置を示す図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の光ファイバを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置のレーザースプリッタを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置のシャッタディレイ装置による制御方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の計測点確認用レーザー光照射手段から計測点確認用レーザー光を照射した状態を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の変形例を示す図である。
【図７】従来の計測装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置について説明する。
【００２４】
本実施形態の計測装置（ガスの温度及び成分濃度計測装置）Ｂは、図１に示すように、レーザー光照射手段１０と、受光手段１１と、分光手段（分光器）４と、検出手段１２と、レーザー強度計測手段（パワーメータ、信号補正装置）１３と、シャッタディレイ装置１４と、計測点確認用レーザー光照射手段１５とを備えて構成されている。
【００２５】
レーザー光照射手段１０は、複数の計測点Ｓに向かってレーザー光Ｒ１を照射する装置であり、本実施形態では、レーザーヘッド（レーザー発振器）１とレーザースプリッタ１６とを備えて構成されている。
【００２６】
レーザーヘッド１は、例えばアルゴンイオンレーザー、エキシマレーザー、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー等の一本のレーザー光Ｒ１を出射するように構成されている。また、このレーザーヘッドＲ１は、出射したレーザー光Ｒ１に対し、結晶や色素等で所望の波長以外の波長の光を除去する波長処理機能を備え、例えば５３２ｎｍの波長のレーザー光Ｒ１が必要な場合に、この所望の波長以外の光を波長処理機能で除去できるように構成されている。
【００２７】
レーザースプリッタ１６は、例えば図３（ａ）に示すように、レーザーヘッド１から出射して波長処理されたレーザー光Ｒ１を必要本数に分離するように、レーザー光Ｒ１の必要本数に応じた数のハーフミラー１７や全反射ミラー１８を適宜配置して構成されている。これにより、本実施形態の計測装置Ｂでは、レーザーヘッド１から照射した一本のレーザー光Ｒ１がレーザースプリッタ１６によって必要な本数に分離され、このレーザースプリッタ１６から複数のレーザー光Ｒ１がそれぞれ計測点Ｓに向けて出射される。
【００２８】
なお、レーザースプリッタ１６は、例えば図３（ｂ）に示すように、分離した各レーザー光Ｒ１を計測点Ｓで集光（収束）させるシリンドリカルレンズ１９を備えて構成してもよい。この場合には、計測点Ｓで発生する光強度を増大させることが可能になる。
【００２９】
受光手段１１は、図１及び図２に示すように、レーザー光照射手段１０から照射した複数のレーザー光Ｒ１上の計測点Ｓで発生する光（本実施形態ではラマン散乱光Ｒ２）を受光して分光手段４に導光するためのものであり、集光手段２０と、集光手段２０を所定位置で保持するホルダ２１と、一端をホルダ２１に接続し、他端を分光手段４に接続して配設されたファイバケーブル２２とを備えて構成されている。
【００３０】
本実施形態の集光手段２０は、一対の平凸レンズ２３、２４であり、これら一対の平凸レンズ２３、２４は、複数のレーザー光Ｒ１上にある複数の計測点Ｓで発生したラマン散乱光（光）Ｒ２を受光し、ファイバケーブル２２の光ファイバ２５の端面（一端面）２５ａに集光させるように配設されている。
【００３１】
また、本実施形態のファイバケーブル２２は、複数の光ファイバ２５を備えたバンドルファイバであり、一対の平凸レンズ２３、２４は、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生したラマン散乱光Ｒ２を、対応する光ファイバ２５の端面２５ａに集光させるように配設されている。さらに、一対の平凸レンズ２３、２４は、所定の間隔をあけて、且つ互いの間を通過する光Ｒ２が平行光になるように配設されている。
【００３２】
また、受光手段１１は、図１に示すように、集光手段２０が支持部材（アーム）２６に取り付けて支持されている。さらに、集光手段２０は、レーザー光照射手段１０から照射するレーザー光Ｒ１の照射方向に沿って進退自在に支持されている。そして、本実施形態では、レーザー光Ｒ１が横方向に照射され、集光手段２０が横方向に延びるアーム２６に進退自在に支持されている。
【００３３】
分光手段４は、プリズム、回折格子などを備え、各光ファイバ５で導光したラマン散乱光Ｒ２を複数の特定波長に分光する。
【００３４】
検出手段１２は、分光手段４で分光した光の特性を検出するためのものであり、本実施形態では、分光手段４で分光した光が感光部に照射されてこの光を検出するカメラ６と、カメラ６から送られた受光信号を処理して、ラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析を行うことで、各計測点ＳにおけるガスＧの温度及び成分濃度を求める信号処理器７とを備えている。
【００３５】
レーザー強度計測手段１３は、レーザースプリッタ１６から出射する複数のレーザー光Ｒ１の数に応じて複数設けられ、レーザースプリッタ１６から出射した各レーザー光Ｒ１がそれぞれ照射されるように配設されている。そして、各レーザー強度計測手段１３は、レーザー光Ｒ１の強度を計測し、強度信号を信号処理器７に送る。
【００３６】
シャッタディレイ装置１４は、レーザーヘッド１とカメラ６に接続して設けられている。そして、図４（ａ）に示すように、レーザーヘッド１からパルスで照射するレーザー光（パルスレーザー）Ｒ１と同期するように、且つレーザー照射の遅れを考慮して最大の受光信号強度が得られるようにディレイ時間を設定して、カメラ６のシャッタの開閉を制御する。これにより、レーザー光Ｒ１を照射したときに各計測点Ｓで発生するラマン散乱光Ｒ２の受光信号（計測信号）とノイズの比（Ｓ／Ｎ比）が大きくなり、高精度でラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析が行える。すなわち、ガスＧの温度及び成分濃度の計測精度が向上する。
【００３７】
また、本実施形態のシャッタディレイ装置１４は、図４（ｂ）に示すように、レーザー光Ｒ１が照射されていないときの信号（バックグラウンド信号）を得るために、レーザー光Ｒ１の照射とシャッタの開閉のタイミングをずらす（完全に離調する）ことも可能とされている。これにより、バックグラウンド信号を取得し、このバックグラウンド信号を受光信号から差し引くことで、さらに高精度でラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析が行えることになる。
【００３８】
計測点確認用レーザー光照射手段１５は、計測点確認用レーザー光Ｒ３を受光側から照射することによって計測点Ｓを特定するためのものである。すなわち、この計測点確認用レーザー光照射手段１５は、図１及び図５に示すように、分光手段４に接続したバンドルファイバ２２の各光ファイバ５の他端面２５ｂにレーザー光Ｒ３を照射する。これにより、照射したレーザー光Ｒ３が各光ファイバ２５の一端面２５ａから集光手段２０に入射し、集光手段２０によって一点に集光（収束）する。
【００３９】
そして、上記構成からなる本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂを用いてガスＧの温度及び成分濃度を計測する際には、はじめに、レーザー光照射手段１０から測定対象のガスＧ中にレーザー光Ｒ１が照射されるように計測装置Ｂを所定位置に設置する。
【００４０】
次に、計測点確認用レーザー光照射手段１５から確認用レーザー光Ｒ３を照射するとともに、レーザー光照射手段１０のレーザーヘッド１からレーザー光Ｒ１を照射する。このとき、確認用レーザー光Ｒ３は、各光ファイバ２５の端面２５ａから一対の平凸レンズ２３、２４に入射する。そして、複数の光ファイバ２５をそれぞれ通過した複数条の確認用レーザー光Ｒ３がそれぞれ異なる点で集光（収束）する。
【００４１】
一方、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１は、レーザースプリッタ１６によって必要な本数に分離されて出射する。そして、このようにレーザースプリッタ１６から出射した複数のレーザー光Ｒ１がそれぞれ、複数条の確認用レーザー光Ｒ３の集光点（計測点Ｓ）を通るようにレーザー照射位置の位置合わせを行うことで、複数の計測点Ｓが設定される。
【００４２】
複数の計測点Ｓの設置を終えた段階で、ガスＧの温度及び成分濃度の計測を開始する。まず、レーザー光照射手段１０から複数のレーザー光Ｒ１をそれぞれ計測点Ｓに向けて照射すると、各計測点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２が、集光手段２０（一対の平凸レンズ２３、２４）によって、対応する光ファイバ２５の端面２５ａに集光する。また、各計測点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２は、対応する光ファイバ２５によって導光され、分光手段４で複数の特定波長に分光される。
【００４３】
そして、分光手段４で分光した光がカメラ６の感光部６ａに照射されて検出手段１２で検出され、カメラ６から受光信号が信号処理器７に送られて処理されることでラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析が行われる。これにより、計測場に影響を及ぼすことなく、複数の計測点Ｓにおける同時刻のガスＧの温度及び成分濃度が求められる。
【００４４】
一方、このとき、レーザースプリッタ１６から出射した複数のレーザー光Ｒ１の強度信号がレーザー強度計測手段１３から信号処理器７に送られ、受光信号を処理する際、このデータに基づいて複数のレーザー光Ｒ１の強度の差異を補正する。
【００４５】
さらに、シャッタディレイ装置１４によって、図４（ａ）に示すように、パルスで照射するレーザー光Ｒ１と同期させ、最大の受光信号強度が得られるようにカメラ６のシャッタの開閉を制御する。これにより、受光信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ比）が大きくなり、より高精度でガスＧの温度及び成分濃度が算出されることになる。また、シャッタディレイ装置１４によって、図４（ｂ）に示すように、レーザー光Ｒ１の照射とシャッタの開閉のタイミングがずれるように制御し、レーザー光Ｒ１が照射されていないときの信号（バックグラウンド信号）を取得して信号処理器７に送る。そして、このバックグラウンド信号を受光信号から差し引く処理を行うことで、さらに高精度でガスＧの温度及び成分濃度が算出されることになる。
【００４６】
ここで、測定対象のガスＧの計測を行う前に、大気中の窒素のような基準ガスの温度及び成分濃度を計測し、計測装置Ｂの校正を行うことが望ましい。すなわち、温度や成分濃度が既知の基準ガス中にレーザー光照射手段１０から複数のレーザー光Ｒ１を照射し、セッティング状態における補正値を信号処理器７で算出し、この補正値で受光信号を補正する。例えば、ガラスなどで受光信号が変化する分を補正する。これにより、さらに高精度でガスＧの温度及び成分濃度が算出される。
【００４７】
したがって、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂにおいては、レーザー光照射手段１０から複数の計測点Ｓにレーザー光Ｒ１が照射され、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ２を集光手段２０によって各計測点Ｓに対応した光ファイバ２５の端面２５ａに集光させ、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ１を分光手段４で分光して検出手段１２で検出することができる。そして、検出手段１２で検出した複数の計測点Ｓの受光信号から、測定対象のガスＧの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００４８】
よって、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂによれば、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ２を受光し、複数の計測点Ｓの受光信号から測定対象のガスＧの温度及び成分濃度を求めることができるため、ガスＧの温度及び成分濃度を多点同時に計測することが可能になる。これにより、ガスタービン等の燃焼器内のガスＧの温度や成分濃度の計測に適用した場合であっても、精度良くガスＧの温度や成分濃度を計測することができ、正確にガスＧの性状を評価することが可能になる。
【００４９】
また、単純に計測装置を複数用意して多点同時計測を行うのではなく、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ２を複数の光ファイバ２５のそれぞれの端面２５ａに集光させて多点同時計測を可能にしている。これにより、コストを抑えてガスＧの温度及び成分濃度を多点同時計測することが可能である。
【００５０】
また、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂにおいては、レーザー光照射手段１０から複数本のレーザー光Ｒ１をそれぞれ計測点Ｓに向けて照射するため、各レーザー光Ｒ１で光Ｒ２を発生させ、確実に複数の計測点Ｓの多点同時にガスＧの温度及び成分濃度を計測することが可能になる。
【００５１】
さらに、レーザー光照射手段１０から出射した複数のレーザー光Ｒ１の強度をレーザー強度計測手段１３で計測し、検出手段１２で受光信号を処理する際に、レーザー強度計測手段１３で計測したデータに基づいて複数のレーザー光Ｒ１の強度の差異を補正することで、精度良くガスＧの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００５２】
さらに、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂにおいては、集光手段２０が一対の平凸レンズ２３、２４を備え、一対の平凸レンズ２３、２４が間隔をあけ、且つ互いの間を通過する光が平行光になるように配設されている。すなわち、集光手段２０が一対の平凸レンズ２３、２４を備え、一方の平凸レンズ２３によって各計測点Ｓで発生した光Ｒ２を受光して平行光にすることができ、この平行光が一対の平凸レンズ２３、２４の間を通過する。また、他方の平凸レンズ２４で平行光を受光するとともに光ファイバ２５の端面２５ａに向けて集光することができる。
【００５３】
そして、このように一対の平凸レンズ２３、２４の間を通過する光Ｒ２を平行光にした場合には、一対の平凸レンズ２３、２４の間に特定波長の光をカットするカットフィルタを挿入設置することができる。これにより、例えばレーザー光Ｒ１の波長をカットするカットフィルタを挿入設置することで、各計測点ＳでのガスＧの温度及び成分濃度の計測精度をさらに高めることが可能になる。なお、カットフィルタを分光手段４、光ファイバ２５の他端面２５ｂ側に設けて、特定波長の光をカットするようにしても同様の効果を得ることが可能である。
【００５４】
さらに、計測点確認用レーザー光照射手段１５から受光手段１１に計測点確認用レーザー光Ｒ３を照射すると、受光手段１１によって計測点確認用レーザー光Ｒ３が一点に集光される。これにより、計測点確認用レーザー光Ｒ３の集光位置に向けてレーザー光照射手段１０からレーザー光Ｒ１を照射することによって、確実にレーザー光Ｒ１が計測点Ｓを通るようにレーザー照射位置を位置合わせすることができ、複数の計測点Ｓの設定を容易に行うことが可能になる。
【００５５】
以上、本発明に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５６】
例えば、本実施形態では、レーザー光照射手段１０からレーザー光Ｒ１を照射するとともに計測点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２を受光することで、ガスＧの温度及び成分濃度を計測するものとして説明を行ったが、例えばレーザー光Ｒ１を照射するとともに計測点Ｓで発生する蛍光Ｒ２を受光して、ガスＧの温度及び成分濃度を計測するようにしてもよく、本発明に係る計測点Ｓで発生する光Ｒ２は、必ずしもラマン散乱光でなくてもよい。
【００５７】
また、本実施形態では、レーザー光照射手段１０から複数本のレーザー光Ｒ１を照射し、各レーザー光Ｒ１上に計測点Ｓを設け、複数の計測点Ｓのそれぞれで発生したラマン散乱光Ｒ２を受光してガスＧの温度及び成分濃度を二次元で多点同時計測するものとした。これに対し、レーザー光照射手段１０から１本のレーザー光Ｒ１を照射し、この１本のレーザー光Ｒ１上に設けた複数の計測点Ｓのそれぞれで発生したラマン散乱光Ｒ２を受光して、ガスＧの温度及び成分濃度を一次元で多点同時計測するように構成してもよい。
【００５８】
また、複数の計測点Ｓのそれぞれで発生した光Ｒ２を受光する受光手段１１の集光手段２０が一対の平凸レンズ２３、２４であるものとしたが、一つの凸レンズを集光手段２０として用いてもよい。さらに、複数の計測点Ｓのそれぞれで発生した光Ｒ２を導光する複数の光ファイバ２５は、各計測点Ｓの数、設定位置、集光手段２０の構成などに応じて、その数や配置（配列）が決まるものであり、本実施形態のように限定されるものではない。
【００５９】
さらに、支持部材２６に支持された集光手段２０を進退させ、計測点Ｓをレーザー光Ｒ１上で移動させながら、ガスＧの温度及び成分濃度をトラバース計測するようにしてもよい。また、本実施形態では、レーザー光Ｒ１を横方向に照射し、このレーザー光Ｒ１の照射方向に沿って集光手段２０が進退自在に支持部材２６に支持されているものとした。これに対し、図６に示すように、ミラー２７で反射させるなどしてレーザー光Ｒ１を上下方向に照射するようにしてもよい。また、この場合には、集光手段２０を上下方向に照射されるレーザー光Ｒ１に沿って進退させるように計測装置Ｂを構成すればよい。
【符号の説明】
【００６０】
１ レーザーヘッド（レーザー発振器）
２ ビームストッパ
３ 受光レンズ
４ 分光器（分光手段）
５ 光ファイバ
６ カメラ
７ 信号処理器
１０ レーザー光照射手段
１１ 受光手段
１２ 検出手段
１３ レーザー強度計測手段
１４ シャッタディレイ装置
１５ 計測点確認用レーザー光照射手段
１６ レーザースプリッタ
１７ ハーフミラー
１８ 全反射ミラー
１９ シリンドリカルレンズ
２０ 集光手段
２１ ホルダ
２２ ファイバケーブル
２３ 平凸レンズ
２４ 平凸レンズ
２５ 光ファイバ
２５ａ 一端面（端面）
２５ｂ 他端面
２６ 支持部材（アーム）
２７ ミラー
Ａ 従来の計測装置
Ｂ ガスの温度及び成分濃度計測装置
Ｇ ガス
Ｒ１ レーザー光
Ｒ２ ラマン散乱光（計測点で発生した光）
Ｒ３ 計測点確認用レーザー光
Ｓ 計測点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばガスタービン等の燃焼機内のガスの温度及び成分濃度を非接触で計測するための計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体の温度や組成（成分）を計測する方法の一つとして、ラマン散乱法が多用されている。このラマン散乱法では、測定対象の固体にレーザー光を照射し、レーザー光の照射とともに発生するラマン散乱光を受光してスペクトル解析を行うことで、固体の温度や組成を計測する。すなわち、ラマン散乱光には、測定する分子の数密度に比例し、各分子に固有な波長に遷移した光が含まれるため、このラマン散乱光のスペクトル解析を行うことにより、各分子（成分）を定性、定量することができ、また、ラマン散乱光スペクトル波形から温度を求めることができる。
【０００３】
一方、航空エンジン等の製品開発を行う際には、流体場や燃焼場のガスの温度や組成の計測を行って燃料成分や排ガス特性を評価することが重要である。これに対し、プローブや熱電対等の温度センサを用いて直接的にガスタービン等の燃焼器内のガスの温度や成分濃度を計測するようにした場合には、プローブを挿入することで流れ場（計測場）が変化してしまったり、高温によって熱電対が溶解するなどの不都合が生じてしまう。このため、ラマン散乱法を用い、非接触でガスタービン等の燃焼器内のガスの温度や成分濃度を計測することが提案、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、ラマン散乱法を用いる計測装置Ａは、例えば、図７に示すように、レーザーヘッド（レーザー発振器）１と、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１を受けるビームストッパ２と、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１上に焦点位置（計測点Ｓ）を合わせて配設された受光レンズ３と、分光器４と、受光レンズ３で集光したラマン散乱光Ｒ２を分光器４に導光する光ファイバ５と、分光器４で分光した光を検出するカメラ６と、カメラ６から受光信号を受けてスペクトル解析を行う信号処理器（ＰＣ）７とを備えて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２９４７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来のラマン散乱法を用いた計測装置Ａにおいては、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１上の一点が計測点Ｓとなり、この一つの計測点Ｓで発生するラマン散乱光Ｒ２を受光してガスＧの温度や成分濃度を計測するようにしている。
【０００７】
そして、この計測装置Ａをガスタービン等の燃焼器内のガスＧの温度や成分濃度の計測に使用した場合、レーザー光Ｒ１上の一点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２からガスＧの温度や成分濃度を求めることになるため、一様ではなく時々刻々と変化する燃焼器内のガスＧの性状を正確に評価することができない。
【０００８】
また、計測点Ｓをレーザー光Ｒ１上で移動させてトラバースすることにより、ガスＧの温度や成分濃度を多点で計測することも考えられるが、このようにした場合であっても、多点計測したデータは同時刻のものではない。また、各計測点Ｓでの非定常データ（時系列のデータ）を取ることはできない。
【０００９】
さらに、単純に計測装置Ａを複数用意することによって多点同時計測を行うことができるが、この種の計測装置Ａの高価なカメラ６、レーザーヘッド１、受光レンズ３等一式を複数用意することは、コストが著しく増大するため、非現実的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置は、複数の計測点に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、レーザー光を照射することによって計測点で発生する光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した光を分光する分光手段と、前記分光手段で分光した光の特性を検出する検出手段とを備え、前記受光手段が、複数の計測点に対応して設けられた複数の光ファイバと、複数の計測点で発生した光を、対応する前記光ファイバの端面に集光する集光手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、レーザー光照射手段から複数の計測点にレーザー光が照射され、複数の計測点でそれぞれ発生した光を集光手段によって各計測点に対応した光ファイバの端面に集光させ、複数の計測点でそれぞれ発生した光を分光器で分光して検出手段で検出することができる。そして、検出手段で検出した複数の計測点の受光信号から、測定対象のガスの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００１２】
また、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、前記レーザー光照射手段が複数本のレーザー光を照射するように構成されていることが望ましい。
【００１３】
この発明においては、レーザー光照射手段から複数本のレーザー光をそれぞれ計測点に向けて照射するため、各レーザー光で光を発生させ、確実に複数の計測点の多点同時にガスの温度及び成分濃度を計測することが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、複数本のレーザー光のそれぞれの強度を計測するレーザー強度計測手段を備えていることがより望ましい。
【００１５】
この発明においては、レーザー光照射手段から出射した複数のレーザー光の強度をレーザー強度計測手段で計測し、検出手段で受光信号を処理する際に、レーザー強度計測手段で計測したデータに基づいて複数のレーザー光の強度の差異を補正することで、精度良くガスの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００１６】
また、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、前記集光手段が一対の平凸レンズを備えてなり、前記一対の平凸レンズが間隔をあけ、且つ互いの間を通過する光が平行光になるように配設されていることがさらに望ましい。
【００１７】
この発明においては、集光手段が一対の平凸レンズを備え、一方の平凸レンズによって各計測点で発生した光を受光して平行光にすることができ、この平行光が一対の平凸レンズの間を通過する。また、他方の平凸レンズで平行光を受光するとともに光ファイバの端面に向けて集光することができる。そして、このように一対の平凸レンズの間を通過する光を平行光にした場合には、一対の平凸レンズの間に特定波長の光をカットするカットフィルタを挿入設置することができる。これにより、例えばレーザー光の波長をカットするカットフィルタを挿入設置することで、各計測点でのガスの温度および成分濃度の計測精度を高めることが可能になる。
【００１８】
さらに、本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置においては、計測点確認用レーザー光を受光側から照射して計測点を特定するための計測点確認用レーザー光照射手段を備えていることがより望ましい。
【００１９】
この発明においては、計測点確認用レーザー光照射手段から受光手段に計測点確認用レーザー光を照射すると、受光手段によって計測点確認用レーザー光が一点に集光される。これにより、計測点確認用レーザー光の集光位置に向けてレーザー光照射手段からレーザー光を照射することによって、確実にレーザー光が計測点を通るようにレーザー照射位置を位置合わせすることができ、複数の計測点の設定を容易に行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のガスの温度及び成分濃度計測装置によれば、複数の計測点でそれぞれ発生した光を受光し、複数の計測点の受光信号から測定対象のガスの温度及び成分濃度を求めることができるため、ガスの温度及び成分濃度を多点同時に計測することが可能になる。これにより、ガスタービン等の燃焼器内のガスの温度や成分濃度の計測に適用した場合であっても、精度良くガスの温度や成分濃度を計測することができ、正確にガスの性状を評価することが可能になる。
【００２１】
また、単純に計測装置を複数用意して多点同時計測を行うのではなく、複数の計測点でそれぞれ発生した光を複数の光ファイバのそれぞれの端面に集光させて多点同時計測を可能にしている。これにより、コストを抑えてガスの温度及び成分濃度を多点同時計測することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置を示す図である。
【図２】図１のＸ１−Ｘ１線矢視図であり、本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の光ファイバを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置のレーザースプリッタを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置のシャッタディレイ装置による制御方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の計測点確認用レーザー光照射手段から計測点確認用レーザー光を照射した状態を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の変形例を示す図である。
【図７】従来の計測装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図１から図５を参照し、本発明の一実施形態に係るガスの温度及び成分濃度計測装置について説明する。
【００２４】
本実施形態の計測装置（ガスの温度及び成分濃度計測装置）Ｂは、図１に示すように、レーザー光照射手段１０と、受光手段１１と、分光手段（分光器）４と、検出手段１２と、レーザー強度計測手段（パワーメータ、信号補正装置）１３と、シャッタディレイ装置１４と、計測点確認用レーザー光照射手段１５とを備えて構成されている。
【００２５】
レーザー光照射手段１０は、複数の計測点Ｓに向かってレーザー光Ｒ１を照射する装置であり、本実施形態では、レーザーヘッド（レーザー発振器）１とレーザースプリッタ１６とを備えて構成されている。
【００２６】
レーザーヘッド１は、例えばアルゴンイオンレーザー、エキシマレーザー、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー等の一本のレーザー光Ｒ１を出射するように構成されている。また、このレーザーヘッドＲ１は、出射したレーザー光Ｒ１に対し、結晶や色素等で所望の波長以外の波長の光を除去する波長処理機能を備え、例えば５３２ｎｍの波長のレーザー光Ｒ１が必要な場合に、この所望の波長以外の光を波長処理機能で除去できるように構成されている。
【００２７】
レーザースプリッタ１６は、例えば図３（ａ）に示すように、レーザーヘッド１から出射して波長処理されたレーザー光Ｒ１を必要本数に分離するように、レーザー光Ｒ１の必要本数に応じた数のハーフミラー１７や全反射ミラー１８を適宜配置して構成されている。これにより、本実施形態の計測装置Ｂでは、レーザーヘッド１から照射した一本のレーザー光Ｒ１がレーザースプリッタ１６によって必要な本数に分離され、このレーザースプリッタ１６から複数のレーザー光Ｒ１がそれぞれ計測点Ｓに向けて出射される。
【００２８】
なお、レーザースプリッタ１６は、例えば図３（ｂ）に示すように、分離した各レーザー光Ｒ１を計測点Ｓで集光（収束）させるシリンドリカルレンズ１９を備えて構成してもよい。この場合には、計測点Ｓで発生する光強度を増大させることが可能になる。
【００２９】
受光手段１１は、図１及び図２に示すように、レーザー光照射手段１０から照射した複数のレーザー光Ｒ１上の計測点Ｓで発生する光（本実施形態ではラマン散乱光Ｒ２）を受光して分光手段４に導光するためのものであり、集光手段２０と、集光手段２０を所定位置で保持するホルダ２１と、一端をホルダ２１に接続し、他端を分光手段４に接続して配設されたファイバケーブル２２とを備えて構成されている。
【００３０】
本実施形態の集光手段２０は、一対の平凸レンズ２３、２４であり、これら一対の平凸レンズ２３、２４は、複数のレーザー光Ｒ１上にある複数の計測点Ｓで発生したラマン散乱光（光）Ｒ２を受光し、ファイバケーブル２２の光ファイバ２５の端面（一端面）２５ａに集光させるように配設されている。
【００３１】
また、本実施形態のファイバケーブル２２は、複数の光ファイバ２５を備えたバンドルファイバであり、一対の平凸レンズ２３、２４は、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生したラマン散乱光Ｒ２を、対応する光ファイバ２５の端面２５ａに集光させるように配設されている。さらに、一対の平凸レンズ２３、２４は、所定の間隔をあけて、且つ互いの間を通過する光Ｒ２が平行光になるように配設されている。
【００３２】
また、受光手段１１は、図１に示すように、集光手段２０が支持部材（アーム）２６に取り付けて支持されている。さらに、集光手段２０は、レーザー光照射手段１０から照射するレーザー光Ｒ１の照射方向に沿って進退自在に支持されている。そして、本実施形態では、レーザー光Ｒ１が横方向に照射され、集光手段２０が横方向に延びるアーム２６に進退自在に支持されている。
【００３３】
分光手段４は、プリズム、回折格子などを備え、各光ファイバ５で導光したラマン散乱光Ｒ２を複数の特定波長に分光する。
【００３４】
検出手段１２は、分光手段４で分光した光の特性を検出するためのものであり、本実施形態では、分光手段４で分光した光が感光部に照射されてこの光を検出するカメラ６と、カメラ６から送られた受光信号を処理して、ラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析を行うことで、各計測点ＳにおけるガスＧの温度及び成分濃度を求める信号処理器７とを備えている。
【００３５】
レーザー強度計測手段１３は、レーザースプリッタ１６から出射する複数のレーザー光Ｒ１の数に応じて複数設けられ、レーザースプリッタ１６から出射した各レーザー光Ｒ１がそれぞれ照射されるように配設されている。そして、各レーザー強度計測手段１３は、レーザー光Ｒ１の強度を計測し、強度信号を信号処理器７に送る。
【００３６】
シャッタディレイ装置１４は、レーザーヘッド１とカメラ６に接続して設けられている。そして、図４（ａ）に示すように、レーザーヘッド１からパルスで照射するレーザー光（パルスレーザー）Ｒ１と同期するように、且つレーザー照射の遅れを考慮して最大の受光信号強度が得られるようにディレイ時間を設定して、カメラ６のシャッタの開閉を制御する。これにより、レーザー光Ｒ１を照射したときに各計測点Ｓで発生するラマン散乱光Ｒ２の受光信号（計測信号）とノイズの比（Ｓ／Ｎ比）が大きくなり、高精度でラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析が行える。すなわち、ガスＧの温度及び成分濃度の計測精度が向上する。
【００３７】
また、本実施形態のシャッタディレイ装置１４は、図４（ｂ）に示すように、レーザー光Ｒ１が照射されていないときの信号（バックグラウンド信号）を得るために、レーザー光Ｒ１の照射とシャッタの開閉のタイミングをずらす（完全に離調する）ことも可能とされている。これにより、バックグラウンド信号を取得し、このバックグラウンド信号を受光信号から差し引くことで、さらに高精度でラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析が行えることになる。
【００３８】
計測点確認用レーザー光照射手段１５は、計測点確認用レーザー光Ｒ３を受光側から照射することによって計測点Ｓを特定するためのものである。すなわち、この計測点確認用レーザー光照射手段１５は、図１及び図５に示すように、分光手段４に接続したバンドルファイバ２２の各光ファイバ５の他端面２５ｂにレーザー光Ｒ３を照射する。これにより、照射したレーザー光Ｒ３が各光ファイバ２５の一端面２５ａから集光手段２０に入射し、集光手段２０によって一点に集光（収束）する。
【００３９】
そして、上記構成からなる本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂを用いてガスＧの温度及び成分濃度を計測する際には、はじめに、レーザー光照射手段１０から測定対象のガスＧ中にレーザー光Ｒ１が照射されるように計測装置Ｂを所定位置に設置する。
【００４０】
次に、計測点確認用レーザー光照射手段１５から確認用レーザー光Ｒ３を照射するとともに、レーザー光照射手段１０のレーザーヘッド１からレーザー光Ｒ１を照射する。このとき、確認用レーザー光Ｒ３は、各光ファイバ２５の端面２５ａから一対の平凸レンズ２３、２４に入射する。そして、複数の光ファイバ２５をそれぞれ通過した複数条の確認用レーザー光Ｒ３がそれぞれ異なる点で集光（収束）する。
【００４１】
一方、レーザーヘッド１から照射したレーザー光Ｒ１は、レーザースプリッタ１６によって必要な本数に分離されて出射する。そして、このようにレーザースプリッタ１６から出射した複数のレーザー光Ｒ１がそれぞれ、複数条の確認用レーザー光Ｒ３の集光点（計測点Ｓ）を通るようにレーザー照射位置の位置合わせを行うことで、複数の計測点Ｓが設定される。
【００４２】
複数の計測点Ｓの設置を終えた段階で、ガスＧの温度及び成分濃度の計測を開始する。まず、レーザー光照射手段１０から複数のレーザー光Ｒ１をそれぞれ計測点Ｓに向けて照射すると、各計測点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２が、集光手段２０（一対の平凸レンズ２３、２４）によって、対応する光ファイバ２５の端面２５ａに集光する。また、各計測点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２は、対応する光ファイバ２５によって導光され、分光手段４で複数の特定波長に分光される。
【００４３】
そして、分光手段４で分光した光がカメラ６の感光部６ａに照射されて検出手段１２で検出され、カメラ６から受光信号が信号処理器７に送られて処理されることでラマン散乱光Ｒ２のスペクトル解析が行われる。これにより、計測場に影響を及ぼすことなく、複数の計測点Ｓにおける同時刻のガスＧの温度及び成分濃度が求められる。
【００４４】
一方、このとき、レーザースプリッタ１６から出射した複数のレーザー光Ｒ１の強度信号がレーザー強度計測手段１３から信号処理器７に送られ、受光信号を処理する際、このデータに基づいて複数のレーザー光Ｒ１の強度の差異を補正する。
【００４５】
さらに、シャッタディレイ装置１４によって、図４（ａ）に示すように、パルスで照射するレーザー光Ｒ１と同期させ、最大の受光信号強度が得られるようにカメラ６のシャッタの開閉を制御する。これにより、受光信号とノイズの比（Ｓ／Ｎ比）が大きくなり、より高精度でガスＧの温度及び成分濃度が算出されることになる。また、シャッタディレイ装置１４によって、図４（ｂ）に示すように、レーザー光Ｒ１の照射とシャッタの開閉のタイミングがずれるように制御し、レーザー光Ｒ１が照射されていないときの信号（バックグラウンド信号）を取得して信号処理器７に送る。そして、このバックグラウンド信号を受光信号から差し引く処理を行うことで、さらに高精度でガスＧの温度及び成分濃度が算出されることになる。
【００４６】
ここで、測定対象のガスＧの計測を行う前に、大気中の窒素のような基準ガスの温度及び成分濃度を計測し、計測装置Ｂの校正を行うことが望ましい。すなわち、温度や成分濃度が既知の基準ガス中にレーザー光照射手段１０から複数のレーザー光Ｒ１を照射し、セッティング状態における補正値を信号処理器７で算出し、この補正値で受光信号を補正する。例えば、ガラスなどで受光信号が変化する分を補正する。これにより、さらに高精度でガスＧの温度及び成分濃度が算出される。
【００４７】
したがって、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂにおいては、レーザー光照射手段１０から複数の計測点Ｓにレーザー光Ｒ１が照射され、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ２を集光手段２０によって各計測点Ｓに対応した光ファイバ２５の端面２５ａに集光させ、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ１を分光手段４で分光して検出手段１２で検出することができる。そして、検出手段１２で検出した複数の計測点Ｓの受光信号から、測定対象のガスＧの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００４８】
よって、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂによれば、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ２を受光し、複数の計測点Ｓの受光信号から測定対象のガスＧの温度及び成分濃度を求めることができるため、ガスＧの温度及び成分濃度を多点同時に計測することが可能になる。これにより、ガスタービン等の燃焼器内のガスＧの温度や成分濃度の計測に適用した場合であっても、精度良くガスＧの温度や成分濃度を計測することができ、正確にガスＧの性状を評価することが可能になる。
【００４９】
また、単純に計測装置を複数用意して多点同時計測を行うのではなく、複数の計測点Ｓでそれぞれ発生した光Ｒ２を複数の光ファイバ２５のそれぞれの端面２５ａに集光させて多点同時計測を可能にしている。これにより、コストを抑えてガスＧの温度及び成分濃度を多点同時計測することが可能である。
【００５０】
また、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂにおいては、レーザー光照射手段１０から複数本のレーザー光Ｒ１をそれぞれ計測点Ｓに向けて照射するため、各レーザー光Ｒ１で光Ｒ２を発生させ、確実に複数の計測点Ｓの多点同時にガスＧの温度及び成分濃度を計測することが可能になる。
【００５１】
さらに、レーザー光照射手段１０から出射した複数のレーザー光Ｒ１の強度をレーザー強度計測手段１３で計測し、検出手段１２で受光信号を処理する際に、レーザー強度計測手段１３で計測したデータに基づいて複数のレーザー光Ｒ１の強度の差異を補正することで、精度良くガスＧの温度及び成分濃度を求めることが可能になる。
【００５２】
さらに、本実施形態のガスの温度及び成分濃度計測装置Ｂにおいては、集光手段２０が一対の平凸レンズ２３、２４を備え、一対の平凸レンズ２３、２４が間隔をあけ、且つ互いの間を通過する光が平行光になるように配設されている。すなわち、集光手段２０が一対の平凸レンズ２３、２４を備え、一方の平凸レンズ２３によって各計測点Ｓで発生した光Ｒ２を受光して平行光にすることができ、この平行光が一対の平凸レンズ２３、２４の間を通過する。また、他方の平凸レンズ２４で平行光を受光するとともに光ファイバ２５の端面２５ａに向けて集光することができる。
【００５３】
そして、このように一対の平凸レンズ２３、２４の間を通過する光Ｒ２を平行光にした場合には、一対の平凸レンズ２３、２４の間に特定波長の光をカットするカットフィルタを挿入設置することができる。これにより、例えばレーザー光Ｒ１の波長をカットするカットフィルタを挿入設置することで、各計測点ＳでのガスＧの温度及び成分濃度の計測精度をさらに高めることが可能になる。なお、カットフィルタを分光手段４、光ファイバ２５の他端面２５ｂ側に設けて、特定波長の光をカットするようにしても同様の効果を得ることが可能である。
【００５４】
さらに、計測点確認用レーザー光照射手段１５から受光手段１１に計測点確認用レーザー光Ｒ３を照射すると、受光手段１１によって計測点確認用レーザー光Ｒ３が一点に集光される。これにより、計測点確認用レーザー光Ｒ３の集光位置に向けてレーザー光照射手段１０からレーザー光Ｒ１を照射することによって、確実にレーザー光Ｒ１が計測点Ｓを通るようにレーザー照射位置を位置合わせすることができ、複数の計測点Ｓの設定を容易に行うことが可能になる。
【００５５】
以上、本発明に係るガスの温度及び成分濃度計測装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５６】
例えば、本実施形態では、レーザー光照射手段１０からレーザー光Ｒ１を照射するとともに計測点Ｓで発生したラマン散乱光Ｒ２を受光することで、ガスＧの温度及び成分濃度を計測するものとして説明を行ったが、例えばレーザー光Ｒ１を照射するとともに計測点Ｓで発生する蛍光Ｒ２を受光して、ガスＧの温度及び成分濃度を計測するようにしてもよく、本発明に係る計測点Ｓで発生する光Ｒ２は、必ずしもラマン散乱光でなくてもよい。
【００５７】
また、本実施形態では、レーザー光照射手段１０から複数本のレーザー光Ｒ１を照射し、各レーザー光Ｒ１上に計測点Ｓを設け、複数の計測点Ｓのそれぞれで発生したラマン散乱光Ｒ２を受光してガスＧの温度及び成分濃度を二次元で多点同時計測するものとした。これに対し、レーザー光照射手段１０から１本のレーザー光Ｒ１を照射し、この１本のレーザー光Ｒ１上に設けた複数の計測点Ｓのそれぞれで発生したラマン散乱光Ｒ２を受光して、ガスＧの温度及び成分濃度を一次元で多点同時計測するように構成してもよい。
【００５８】
また、複数の計測点Ｓのそれぞれで発生した光Ｒ２を受光する受光手段１１の集光手段２０が一対の平凸レンズ２３、２４であるものとしたが、一つの凸レンズを集光手段２０として用いてもよい。さらに、複数の計測点Ｓのそれぞれで発生した光Ｒ２を導光する複数の光ファイバ２５は、各計測点Ｓの数、設定位置、集光手段２０の構成などに応じて、その数や配置（配列）が決まるものであり、本実施形態のように限定されるものではない。
【００５９】
さらに、支持部材２６に支持された集光手段２０を進退させ、計測点Ｓをレーザー光Ｒ１上で移動させながら、ガスＧの温度及び成分濃度をトラバース計測するようにしてもよい。また、本実施形態では、レーザー光Ｒ１を横方向に照射し、このレーザー光Ｒ１の照射方向に沿って集光手段２０が進退自在に支持部材２６に支持されているものとした。これに対し、図６に示すように、ミラー２７で反射させるなどしてレーザー光Ｒ１を上下方向に照射するようにしてもよい。また、この場合には、集光手段２０を上下方向に照射されるレーザー光Ｒ１に沿って進退させるように計測装置Ｂを構成すればよい。
【符号の説明】
【００６０】
１ レーザーヘッド（レーザー発振器）
２ ビームストッパ
３ 受光レンズ
４ 分光器（分光手段）
５ 光ファイバ
６ カメラ
７ 信号処理器
１０ レーザー光照射手段
１１ 受光手段
１２ 検出手段
１３ レーザー強度計測手段
１４ シャッタディレイ装置
１５ 計測点確認用レーザー光照射手段
１６ レーザースプリッタ
１７ ハーフミラー
１８ 全反射ミラー
１９ シリンドリカルレンズ
２０ 集光手段
２１ ホルダ
２２ ファイバケーブル
２３ 平凸レンズ
２４ 平凸レンズ
２５ 光ファイバ
２５ａ 一端面（端面）
２５ｂ 他端面
２６ 支持部材（アーム）
２７ ミラー
Ａ 従来の計測装置
Ｂ ガスの温度及び成分濃度計測装置
Ｇ ガス
Ｒ１ レーザー光
Ｒ２ ラマン散乱光（計測点で発生した光）
Ｒ３ 計測点確認用レーザー光
Ｓ 計測点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の計測点に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
レーザー光を照射することによって計測点で発生する光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光した光の特性を検出する検出手段とを備え、
前記受光手段が、複数の計測点に対応して設けられた複数の光ファイバと、複数の計測点で発生した光を、対応する前記光ファイバの端面に集光する集光手段とを備えていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項２】
請求項１記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
前記レーザー光照射手段が複数本のレーザー光を照射するように構成されていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項３】
請求項２記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
複数本のレーザー光のそれぞれの強度を計測するレーザー強度計測手段を備えていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
前記集光手段が一対の平凸レンズを備えてなり、
前記一対の平凸レンズが間隔をあけ、且つ互いの間を通過する光が平行光になるように配設されていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
計測点確認用レーザー光を受光側から照射して計測点を特定するための計測点確認用レーザー光照射手段を備えていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項１】
複数の計測点に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
レーザー光を照射することによって計測点で発生する光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した光を分光する分光手段と、
前記分光手段で分光した光の特性を検出する検出手段とを備え、
前記受光手段が、複数の計測点に対応して設けられた複数の光ファイバと、複数の計測点で発生した光を、対応する前記光ファイバの端面に集光する集光手段とを備えていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項２】
請求項１記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
前記レーザー光照射手段が複数本のレーザー光を照射するように構成されていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項３】
請求項２記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
複数本のレーザー光のそれぞれの強度を計測するレーザー強度計測手段を備えていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
前記集光手段が一対の平凸レンズを備えてなり、
前記一対の平凸レンズが間隔をあけ、且つ互いの間を通過する光が平行光になるように配設されていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスの温度及び成分濃度計測装置において、
計測点確認用レーザー光を受光側から照射して計測点を特定するための計測点確認用レーザー光照射手段を備えていることを特徴とするガスの温度及び成分濃度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４５３６５（Ｐ２０１２−１４５３６５Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８５（Ｐ２０１１−２０８５）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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