光ファイバガスセンサを備えた感知システム
【課題】感知システム及びセンサに関し、さらに詳しくは、温度補正ガス濃度の測定を可能にする格子型光ファイバガスセンサのアレイを備えた感知システム。
【解決手段】光ファイバガスセンサ（２０）は、ファイバコア（３２）並びにファイバコアの回りに配置された、相異なる振幅変調プロファイルを有する第１及び第２の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）を含んでいる。第１及び第２の屈折率周期変調格子構造の回りにはファイバクラッディング（４０）が配置されている。一方の屈折率周期変調格子構造のファイバクラッディングの回りには感知層（４２）が配置されている。感知層は、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)又はナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘのようなＰｄ基合金からなる感知材料を含んでいる。かかる光ファイバガスセンサは、燃焼環境から局部温度補正ガス濃度及び組成を測定することを可能にする。
【解決手段】光ファイバガスセンサ（２０）は、ファイバコア（３２）並びにファイバコアの回りに配置された、相異なる振幅変調プロファイルを有する第１及び第２の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）を含んでいる。第１及び第２の屈折率周期変調格子構造の回りにはファイバクラッディング（４０）が配置されている。一方の屈折率周期変調格子構造のファイバクラッディングの回りには感知層（４２）が配置されている。感知層は、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)又はナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘのようなＰｄ基合金からなる感知材料を含んでいる。かかる光ファイバガスセンサは、燃焼環境から局部温度補正ガス濃度及び組成を測定することを可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に感知システム及びセンサに関し、さらに詳しくは、温度補正ガス濃度の測定を可能にする格子型光ファイバガスセンサのアレイを備えた感知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、合成ガス（一酸化炭素（ＣＯ）と混合した水素（Ｈ2））を燃料として用いるタービンをを備えた動力発生システムが建造されている。合成ガスは、石炭ガス化器又は他の工業プロセスを用いて生成できる。今日のガスタービンはまた、一層良好な操作性、効率又は排出物制御を達成するため、動力発生用の燃料として天然ガス（ＮＧ）とＨ2のブレンドも使用できる。通例、タービンで使用される燃料の流れは、主としてメタン（ＣＨ4）である天然ガス（ＮＧ）、窒素（Ｎ2）や一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ2）のような希釈剤、並びにエタン（Ｃ2Ｈ6）やプロパン（Ｃ3Ｈ8）のような高分子量炭化水素を含み得る。水素含有燃料は、低率のＨ2を天然ガス中にブレンドしたもの、或いは高率のＨ2をＮＧ及び／又は他の希釈剤と混合したもの、或いはＨ2とＣＯとの合成ガス混合物であり得る。かかる用途に関しては、タービンの出力及び効率に対する影響を効果的に制御するため、燃焼させる燃料の組成をモニタすることが不可欠となる。特に、Ｈ2に富む合成ガス又はＨ2をブレンドしたＮＧをガスタービン用の燃料として使用する場合、出力、排出物及び効率要件がもたらす所要の燃焼性能が得られるように制御するため、燃料組成をオンラインでモニタする必要がある。
【０００３】
既存のＨ2感知技術は、いくつかの理由から、直接のオンラインＨ2濃度又は組成モニタリングのためには多くが不適当である。１つの理由は、高いＨ2濃度のため、かかる通常の可燃ガスセンサは飽和してしまうことである。クロマトグラフィー、質量分析計、ラマン分光器、リングダウン分光計などの分光方式の測定器のみはオフラインで使用できるが、オンラインＨ2濃度又は組成測定のためには使用できない。同時に、かかるバルキーな専用の分光測定式センサを、燃料品質のリアルタイムオンラインモニタリング／分析のため、特に石炭ガス化器及び合成ガス又は天然ガス燃焼器の苛酷な環境中に配備するのが困難なことは自明である。赤外線式、電気化学式、金属酸化物半導体式の可燃ガス検出装置のような数種の常用可燃ガスセンサが存在しているが、これらは水素ガスに対して感受性を有しないか、高い濃度で飽和するか、或いは苛酷な環境中に配備できない。
【０００４】
Ｈ2に富む合成ガスの分析のためには、光ファイバエバネッセント場式近赤外レーザ吸光法のような他の光学的方法も開発されている。通常、これらのガス感知装置は透明な媒体及び感熱性光学部品の設置を必要とする。したがって、ガスタービン、燃焼器、ガス化器などの環境中における動力発生性能についてのオンライン合成ガス分析並びに動力発生効率の制御及び最適化のための実用的な解決策を得ることが要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７１５１８７２号明細書
【特許文献２】米国特許第５７８３１５２号明細書
【特許文献３】米国特許第５７０８７３５号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２１５９５９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１６９８０７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサであって、軸線を有するファイバコア、局部ガス濃度を感知するためにファイバコアの回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する第１の屈折率周期変調格子構造、局部温度を感知するために軸線に沿って第１の屈折率周期変調格子構造から距離を置いてファイバコアの回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する第２の屈折率周期変調格子構造、第１及び第２の屈折率周期変調格子構造の回りに配置されたファイバクラッディング、並びに第１の屈折率周期変調格子構造のファイバクラッディングの回りに配置された感知層であって、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される感知材料を含む感知層を含んでなる光ファイバガスセンサが提供される。
【０００７】
別の態様では、局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサであって、軸線を有するファイバコア、局部ガス濃度を感知するためにファイバコアの回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する長周期ファイバ格子構造、局部温度を感知するために軸線に沿って長周期ファイバ格子構造から距離を置いてファイバコアの回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する短周期ファイバ格子構造、長周期及び短周期ファイバ格子構造の回りに配置されたファイバクラッディング、並びに長周期ファイバ格子構造のファイバクラッディングの回りに配置された感知層であって、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される感知材料を含む感知層を含んでなる光ファイバガスセンサが提供される。
【０００８】
さらに別の態様では、１以上の光ファイバガスセンサ、各光ファイバガスセンサに機能的に結合されたＦＣ／ＡＰＣコネクタ、並びにＦＣ／ＡＰＣコネクタに機能的に結合された光スプリッタ／コンバイナ及び光スイッチの一方を含んでなる感知システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、動力発生システムの運転条件及び／又はパラメータをモニタするために本発明の光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）を含む感知システムの略図である。
【図２】図２は、図１に示した光ファイバガスセンサの略図である。
【図３】図３は、図２に示したガスセンサの長周期格子（ＬＰＧ）構造の部分断面図である。
【図４】図４は、反射式ガス感知システムにおける多点ガス感知のための光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の分布方法の略図である。
【図５】図５は、透過式ガス感知システムにおける多点ガス感知のための光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の分布方法の略図である。
【図６】図６は、Ｎ2と混合した７５％のＨ2濃度を有する１３１°Ｆのガスに関し、本発明の光ファイバガスセンサを通して伝送される信号の波長を時間に対してプロットしたグラフである。
【図７】図７は、本発明の光ファイバガスセンサから得られた、様々な水素濃度及び高温での波長シフトを示すグラフである。
【図８】図８は、Ｎ2と混合した７５％のＨ2濃度を有する１３１°Ｆのガスに関し、本発明の光ファイバガスセンサを通して伝送される信号の伝送電力損失を時間に対してプロットしたグラフである。
【図９】図９は、高温で様々な水素濃度に対する本発明の光ファイバガスセンサの応答時間を示すグラフである。
【図１０】図１０は、高温で様々な水素濃度に対する本発明のファイバガスセンサの回復時間を表すグラフである。
【図１１】図１１は、約５％のＨ2をＣＨ4及び他の炭化水素ガスとブレンドしてなる約１０４°Ｆの燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの波長シフト応答を表すグラフである。
【図１２】図１２は、約５％のＨ2をＣＨ4及び他の炭化水素ガスとブレンドしてなる約１０４°Ｆの燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの伝送電力損失応答を表すグラフである。
【図１３】図１３は、約５０％のＨ2を約５０％の天然ガス（ＮＧ）とブレンドしてなる室温の燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの波長シフトを表すグラフである。
【図１４】図１４は、約５２％のＨ2を約４８％の天然ガス（ＮＧ）とブレンドしてなる室温の燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの波長シフトを表すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の光ファイバガスセンサを用いたガスタービン用燃料デリバリ制御システムの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず図１を参照すれば、本発明の一実施形態に係る感知システム１０が略示されている。一般に、感知システム１０は光カップラ又はサーキュレータ１４と光伝送可能な状態にあるチューナブル広帯域光源のような光源１２を含んでいる。光カップラ１４は光源１２から伝送される光を受光し、その光の一部を光ファイバケーブル１６を通して伝送する。光ファイバケーブル１６を通過した光は、本発明に係る１以上の光ファイバガスセンサ（一般的に２０として示す）に入る。光ファイバガスセンサ２０の下流に位置する光検出器２２は、光ファイバケーブル２４を通してガスセンサ２０から伝送される光を受光する。光カップラ１４によって反射された光の一部もまた、光ファイバケーブル２６を通して光検出器２２により受光される。光ファイバガスセンサ２０が発生した光信号は、コンピュータ２８で処理され及び／又はコンピュータ２８に送信される。一実施形態では、１以上の光ファイバガスセンサ２０から受光した光信号に応答して光検出器２２が発生した電気信号がワイヤレスインターフェース３０によってコンピュータ２８に送信される。
【００１１】
ＦＧＳ２０は、ガスタービン、燃焼器、石炭ガス化器などの動力発生装置（図示せず）の運転条件及び／又はパラメータをモニタする。かかる運転条件及び／又はパラメータには、特に限定されないが、内部温度、圧力、及び／又は装置内で発生する燃焼ガスの有無及び濃度レベルがある。ガスタービン制御システムのような制御システム（図示せず）がガスセンサ２０と動作制御可能な状態にあって、センサ検出の結果として発生する信号を受信すると共に、バーナの燃料／空気比及び／又はタービンシステムへの総風量を調節することで排出物を減少させかつ動力発生効率を高めるように装置の動作を制御する。一実施形態では、例えば感知された温度、ひずみ又は圧力を用いてスラグ及び／又はファウリングのレベルを探知することにより、ファウリング及び／又はスラグを低減させることで効率が最適化される。別の実施形態では、例えば感知された水素ガス濃度又は天然ガス濃度を用いて燃焼プロセスを制御することにより、適正な燃料／空気比を維持することで効率が最適化される。
【００１２】
次に図２を参照すれば、本発明の一実施形態に係る光ファイバガスセンサ２０が示されている。一般に、光ファイバガスセンサ２０は、ＧｅＯ2及びＦをコドープしたシリカで形成され、軸線３４に沿って延在し、約５〜約９μｍの直径を有する中心ファイバコア３２を含んでいる。ファイバコア３２は、コアモードからクラッディングモードへの結合を高めるために相異なる振幅変調プロフィル（アポダイズ（ａｐｏｄｉｚｅｄ）又はブレーズ（ｂｌａｚｅｄ）或いはこれらの組合せ）を有する２つの屈折率周期変調格子を含んでいる。
【００１３】
一実施形態では、屈折率周期格子の一方はファイバコア３２の回りに配置された長周期ファイバ格子（ＬＰＧ）構造３６からなり、他方の格子は軸線３４に沿って長周期ファイバ格子構造３６から距離を置いてファイバコア３２の回りに配置された短周期ファイバ格子構造３８からなっている。特定の実施形態では、短周期ファイバ格子構造３８は高い熱安定性性能を有するファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）構造３８からなっている。
【００１４】
ファイバクラッディング４０はファイバコア３２の回りに円周方向に沿って配設され、約１２５μｍの外径を有し、純粋なシリカで形成されている。一実施形態では、ファイバクラッディング４０はファイバコア３２を通っての光伝搬のための導波管として働くように構成されている。広帯域のチューナブル光源１２が光ファイバケーブル１６と光伝送可能な状態で配置され、ファイバコア３２を通って伝搬する近赤外線を放射する。
【００１５】
特定の実施形態では、ＦＧＳ２０は、光ファイバコア３２の軸線３４に沿って約１０〜約５０ｍｍの長さを有している。ＬＰＧ構造３６は、軸線３４に沿って約１０〜約３０ｍｍの長さ及び約０．０５〜約０．１２５ｍｍのクラッディング直径を有している。ＬＰＧ構造３６は、軸線３４に沿って約１００〜約６００μｍのピッチサイズでの変調を有している。ＬＰＧ構造３６は、基本モードのエネルギーをファイバクラッディング４０のモードに効果的に流し出すように構成されている。感知層４２の感知材料の屈折率がファイバクラッディング４０より低い場合、ファイバクラッディング４０のモードは感知材料／クラッディングとファイバコアの界面によって導かれる。部分的な光エネルギーはエバネッセント場によって感知材料中に散逸する。逆に、クラッディングモードは部分的にエネルギーを放射モードとして感知コーティング層中に散逸させる。ＦＢＧ構造３８は、軸線３４に沿って約３〜約１０ｍｍの長さ及び約０．１２５ｍｍのクラッディング直径を有している。概して、ＬＰＧ構造３６の長さはＦＢＧ構造３８の長さの約２〜５倍であり、後者はＬＰＧ構造３６の透過スペクトルが１２ｎｍ未満の狭い線幅及び１０ｄＢを超える大きいダイナミックレンジを有することを可能にする。
【００１６】
長周期ファイバ格子（ＬＰＧ）構造３６のファイバクラッディング４０の回りにはファイバガス感知層４２が配設されている。図示された実施形態では、ガス感知層４２はＬＰＧ構造３６の又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は回りにだけ配設されており、ＦＢＧ構造３８の回りには配設されていない。しかし、本発明は感知層４２をＦＢＧ構造３８の回りに配設して実施することもできる。感知層４２は、屈折率の変化、吸光の変化又は感知材料応力の変化によってファイバクラッディング４０のモードから基本モードへの結合を効果的に助けるように構成されている。かくして、ＦＢＧ２０により光検出器２４に向けて反射及び／又は再導光される光信号は、測定量及び動作に依存する。
【００１７】
感知層４２は、（Ｐｄ，Ｐｔ）ドープトＷＯｘ、ＰｄＯｘ及び三元Ｐｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)合金のような１種以上の基材を含む感知材料又は化学ガス活性材料を含んでいる。感知材料の形態は、約５〜約１０ｎｍの直径を有するナノ粒子からなり得る。一実施形態では、感知層４２は化学ガス感受性を有する感知材料を含んでおり、これは屈折率の変化、吸光の変化又は感知材料応力の変化を誘起する化学ガスとの相互作用によって感受性及び／又は活性を示す。
【００１８】
一実施形態では、感知層４２は、Ｈ2及び／又はＨ2＋天然ガス（ＮＧ）の存在に対して感受性を有する感知材料を含んでいる。例えば、感知層４２は、特に限定されないがナノ（Ｐｄ，Ｐｔ）−ＷＯｘ（ｘ＝２．７〜３．０）感知材料、ＰｄＯｘ及び／又はナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)三元感知材料のようなパラジウム基合金を含んでいる。この実施形態では、吸着したＨ原子がパラジウムと反応して水素化物を生成する。感知材料中の水素化物はα相からβ相又はこれらの混合中間相への強い構造相転移を生じることにより、被覆感知材料の屈折率を変化させ、基本モードとクラッディングモードとの間の光結合を変化させ、長周期格子クラッディング４０及び感知層４２の両方においてクラッディングモードと放射モードとの間の結合を変化させる。これは、透過及び反射の両方について観測可能な変化を可能にし、最終的には吸着したＨ2ガスの同定をもたらす。本発明の多機能性差動呼掛け構成を用いた同一のガスセンサ２０により、Ｈ2ガス濃度及び局部温度値の同時マッピングが得られる。
【００１９】
パラジウム基合金感知材料は不透明であるが、水素と反応して水素化物を生成すると半透明になる。実際には、水素化物のα相がβ相に転移するのに伴い、誘電関数又は屈折率の変化が生じる。このような相転移特性を用いて、ファイバＨ2センサはかかる誘電関数の差を検出することができる。水素化物の生成は実際にはクラッディングモード境界及び結合効率を変化させる結果、ファイバ格子型水素センサの伝送波長及びその電力損失が変調されることになる。
【００２０】
約１０００°Ｆ未満の環境温度に対しては、感知層４２はＷＯ3又はＳｉＯ2の基材を含み得る。ＳｉＯ2基材には、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ及び／又はＮｉからなる構成な材料のナノ粒子がドープされている。ナノ粒子は約５〜約１０ｎｍの直径を有している。この実施形態では、感知層４２はスパッタリング法又は熱蒸着法を用いて作製される。感知層４２を作製するために任意適宜の方法を使用できることは当業者にとって自明であり、また本明細書中に記載した教示によって手引きされている。感知層４２を作製した後、感知層４２はＡｒ+環境中において約６００℃で約２時間アニールされるか、或いは感知材料が約１０ｎｍ未満のナノ粒子サイズを有するまでアニールされる。
【００２１】
一実施形態では、感知層４２はガス活性ナノ粒子材料を含んでいる。この実施形態では、感知層４２は、感知層４２の屈折率がファイバクラッディング４０の屈折率に近い場合に若干のクラッディングモードの伝搬を許す厚さを有している。別法として、感知層４２は、感知層４２の屈折率がファイバクラッディング４０の屈折率より大きい場合に若干の放射モードの伝搬を許す厚さを有している。さらに、感知層４２はファイバクラッディング４０の熱膨張率と異なる熱膨張率を有するので、１００ｎｍ未満の感知コーティング層厚さを選択することで材料が誘起する界面ひずみを抑制する必要がある。高温でのガス感知に関する特定の実施形態では、感知層４２とファイバクラッディング４０との間の界面ひずみがナノ多孔質の感知材料形態によって熱的に補償される結果、感知材料の熱的効果はファイバクラッディングによって支配される。別の実施形態では、感知ガスセンサ２０を保護してガスの透過のみを許すため、光ファイバケーブル１６は疎水性膜（Ｔ＜２００℃に対してはＰＴＦＥ）（図示せず）又は多孔質セラミック（Ｔ＞２００℃に対してはＡｌ2Ｏ3）の薄層で気密封止されている。
【００２２】
別の実施形態では、感知層４２はＰｄ基合金の組込みを含んでいる。かかるＰｄ基合金は、特に限定されないが、約４００℃未満の環境温度に対しては ナノＰｄＯｘ又はＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)感知材料からなり、約４００℃以上の環境温度に対してはナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘ感知材料からなる。感知層４２は、Ｈ2及びＣＨ4とブレンドされたＨ2に対するガスセンサとして機能する円周方向に被覆された薄膜を含んでいる。水素化物の生成は強い感知材料ナノ構造の変化をもたらし、これが被覆感知材料の屈折率を変化させ、基本モードとクラッディングモードとの間の光結合を変化させ、長周期格子クラッディング領域及び感知層４２においてクラッディングモードと放射モードとの間の結合を変化させる。
【００２３】
次に図３を参照すれば、ファイバクラッディング４０と感知層４２との結合を向上させるため、ファイバクラッディング４０に接着剤層４４を適用できる。一実施形態では、接着剤層５４は約５ｎｍの厚さを有するニッケル層からなり得る。別の実施形態では、接着剤層５４は約５ｎｍの厚さを有するチタン層からなり得る。接着剤層４４を堆積させる前に、ファイバクラッディング４０の表面を５０％ＨＦで５分間処理し、次いで脱イオン水樹脂及びＮ2乾燥プロセスで処理することができる。
【００２４】
動作に当たっては、まずＦＧＳ２０中に光を伝送させると、光源１２からの選択波長の光がＬＰＧ構造３６に入り、１以上の運転条件及び／又はパラメータ（例えば、Ｈ2の濃度、Ｈ2＋天然ガス（ＮＧ）の濃度又は他の可燃ガスの濃度）に対応する離散波長ピーク状の波長シフト及び伝送電力損失を受ける。光がＦＧＳ２０中を進行し続けると、光はＦＢＧ構造３８に入り、１以上の運転条件及び／又はパラメータ（例えば、温度など）に対応する波長シフトを受ける。
【００２５】
動作に当たっては、感知システム１０は、センサパッケージを包囲する発熱体によって与えられる、最適化Ｈ2感度及び選択性に対応する一定温度条件に保つことができる。別の態様では、感知システムは、ガス組成物の温度感受性によって様々な組成物及びＨ2とブレンドしたガスを識別するために使用される変調温度条件で動作させることができる。
【００２６】
感知システム１０は２つの動作モードで動作し得る。即ち、１）反射式感知システム及び２）透過式感知システムである。いずれの感知システム１０でも、本発明のガスセンサ２０は温度補正ガス濃度の測定を可能にする。透過式感知システムでは、ガスセンサ２０のＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８の両方を１回通過した光がファイバケーブル２４に入り、光検出器２２によって受光される。ＬＰＧ構造３６は、ガス（例えば、Ｈ2、Ｈ2＋Ｎ2など）に対する感知層４２の感受性のため、光信号中に伝送電力損失を生じる。さらに、ＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８からの波長シフトを用いて環境温度を測定できる。ＬＰＧ構造３６からの伝送電力損失並びにＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８からの温度差を用いて温度補正ガス濃度を測定できる。
【００２７】
反射式感知システム１０では、ＬＰＧ構造３６を通過した光がＦＢＧ構造３８で反射されて戻り、再びＬＰＧ構造３６を通過する。反射された光は光カップラ１４に入り、ファイバケーブル２６を通して伝送され、光検出器２２によって受光される。ＬＰＧ構造３６は、ガス（例えば、Ｈ2、Ｈ2＋Ｎ2など）に対する感知層４２の感受性のため、光信号中に伝送電力損失を生じる。ＦＢＧ構造３８からの波長シフトを用いて環境温度を測定できる。ＬＰＧ構造３６を２回通過した光からの伝送電力損失の差及びＦＢＧ構造３８からの温度を用いて温度補正ガス濃度を測定できる。
【００２８】
このようなガス濃度（例えばＨ2濃度）に比例する波長シフト及び電力損失の変調は、波長シフトとしての「ディジタル」Ｈ2濃度測定及び結果として生じる伝送電力損失としての「アナログ」Ｈ2濃度測定を可能にする。これら２種のセンサ応答は、本質的に統合された水素感知方法を提供する。
【００２９】
ＦＢＧ構造３８はＬＰＧ構造３６とほぼ同じ環境中に位置しているので、ＦＢＧ構造３８の相対波長シフトは環境温度をリアルタイムで測定するために使用できる。また、光が感知格子を２回通過するので、反射された伝送電力損失の変化はガス濃度の測定のためにも使用できる。その上、ＬＰＧ構造３６の波長シフト及び伝送電力損失は、一定温度又は変調温度動作条件下でガス濃度及び組成のリアルタイム測定のために使用できる。このような局部温度、ガス濃度及び組成の同時検出は、向上したセンサ性能及び低下した低擬陽性率を有することにより、温度変動及び／又は他のスプリアスイベントにかかわらず、Ｈ2ガス濃度の正確な測定を可能にする。
【００３０】
再び図２を参照すれば、長周期ファイバ格子構造３６及び短周期ファイバ格子構造３８は、ファイバケーブルの軸線３４に対して実質的に平行でありかつ一様な間隔を有するプロファイルを有している。しかし、本発明は他のタイプの長周期及び短周期ファイバ格子構造プロファイルを用いて実施することもできる。例えば、長周期ファイバ格子構造３６及び／又は短周期ファイバ格子構造３８は、ファイバケーブルの軸線３４に対して約１〜約４０度の角度をもったブレーズド格子プロファイルを有するファイバ格子構造からなり得る。別の例では、長周期ファイバ格子構造３６及び／又は短周期ファイバ格子構造３８は、例えばガウス形状、コサイン形状などを有し得るアポダイズドファイバ格子構造のように、一様でない格子プロファイルを有し得る。さらに別の例では、一様でない格子プロファイルは、ブレーズド格子プロファイルとアポダイズド格子プロファイルとの組合せであり得る。４つのタイプの格子（一様、ブレーズド、アポダイズド、ブレーズドかつアポダイズド）はいずれも、約１０〜約３０ｍｍの典型的な長さ及び約０．０５〜約０．１２５ｍｍのクラッディング直径を有している。
【００３１】
光ファイバガスセンサ２０は４つのタイプの格子プロファイル（一様、ブレーズド、アポダイズド、ブレーズドかつアポダイズド）の任意の組合せであり得るので、複数のタイプのＦＧＳ２０が存在する。例えば、第１のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関して一様な格子プロファイルを有している。第２のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関してブレーズド格子プロファイルを有している。第３のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第４のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関してブレーズドかつアポダイズド格子プロファイルを有している。第５のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６に関して一様な格子プロファイルを有し、ＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第６のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６に関してブレーズド格子プロファイルを有し、ＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。ＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関して他の組合せの格子プロファイルを使用することも本発明の技術的範囲内にあることは容易に理解されよう。
【００３２】
図示された実施形態では、ＦＧＳ２０は、ガス感知層４２で被覆された長周期ファイバ格子構造３６及びガス感知層４２をもたない短周期ファイバ格子構造３８を含んでいる。別の実施形態では、ＦＧＳ２０は１対の短周期ファイバ格子（ＦＢＧ）構造３８を含むことができ、一方のＦＢＧ構造３８はガス感知層４２を有し、他方のＦＢＧ構造３８はガス感知層４２を有しない。両方のファイバ格子構造３６，３８が温度に対する感受性を有するので、第２のＦＢＧ構造３８の温度測定を参照することでガス濃度及び組成の示差測定が行われる。上述した図示実施形態におけるＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８と同じく、１対のＦＢＧ構造を有するＦＧＳ２０の別の実施形態は、格子プロファイル（一様、ブレーズド、アポダイズド、ブレーズドかつアポダイズド）の任意の組合せであり得る。即ち、第１のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関して一様な格子プロファイルを有している。第２のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関してブレーズド格子プロファイルを有している。第３のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第４のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関してブレーズドかつアポダイズド格子プロファイルを有している。第５のタイプのＦＧＳ２０は一方のＦＢＧ構造３８に関して一様な格子プロファイルを有し、他方のＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第６のタイプのＦＧＳ２０は一方のＦＢＧ構造３８に関してブレーズド格子プロファイルを有し、他方のＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。ＦＢＧ構造３８に関して他の組合せの格子プロファイルを使用することも本発明の技術的範囲内にあることは容易に理解されよう。
【００３３】
次に図４を参照すれば、ボイラ、燃焼器、ガス化器、エンジンなどの工業環境中に１以上の光ファイバガスセンサ２０のアレイ４１２を分布させた反射式感知システム４１０が略示されている。反射式感知システム４１０では、例えば、可燃ガスをｎ個の位置での反射から測定することができる。各光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）２０は、ファイバコネクタ／アングルドポリッシュコネクタ（ＦＣ／ＡＰＣコネクタ）４１４及び１×ｎ光スプリッタ／コンバイナ４１６によって感知システム４１０に接続されている。一実施形態では、光スプリッタ／コンバイナ４１６は１×２、１×３、１×４又は１×８型のものである。別の実施形態では、多点可燃ガス感知のため、光スプリッタ／コンバイナ４１６の代わりに１×１６の光スイッチが使用される。各光ファイバガスセンサ２０からの反射光信号は、温度校正のための波長シフト、及びガス濃度モニタリングのための反射電力損失応答によって特徴づけられる。
【００３４】
次に図５を参照すれば、ボイラ、燃焼器、ガス化器、エンジンなどの工業環境中に１以上の光ファイバガスセンサ２０のアレイ４１２を分布させた透過式感知システム５１０が略示されている。透過式感知システム５１０では、例えば、可燃ガスをｎ個の位置での反射から測定することができる。各光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）２０は、１×ｎ光スイッチ５１４によって感知システム５１０に接続されている。各光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）２０は、ＦＣ／ＡＰＣコネクタ５１６及びｎ×１光コンバイナ５１８によって感知システム５１０に接続されている。一実施形態では、光スイッチ５１４及び光コンバイナ５１８は１×２、１×３、１×４又は１×８型のものである。別の実施形態では、多点可燃ガス感知のために１×１６の光コンバイナ及び光スイッチが使用される。各光ファイバガスセンサ２０からの伝送信号はガス濃度モニタリングのための波長シフト応答及び伝送電力損失応答によって特徴づけられ、この場合には短周期ブラッグ格子の波長シフトが環境温度校正のために使用される。
【００３５】
別の実施形態では、水素感知を必要とする用途（例えば、燃焼用として水素を使用する動力発生システムタービン）において任意適宜の数の光ファイバ水素感知装置が使用できることは当業者にとって容易に理解され、また本明細書中に記載した教示によって手引きされている。同一ファイバ上に複数のガス感知素子を有するという融通性は、高い空間分解能で多点可燃ガス測定を可能にする。複数のかかるセンサは、１種のガス濃度の多点検出のため直列又は並列に配置できる。このように、高い空間分解能で多重測定が可能であることは、光ファイバ格子に基づく感知システムの最大の長所の一つである。別の長所は、多種組成物（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4など）のオンラインモニタリング用の１つの感知システムにおいて異種の光ファイバガスセンサを直列に配置できることである。
【００３６】
これまでの実施可能性研究は、現在のプロトタイプ光ファイバ水素感知装置が苛酷な環境中で使用できることを実証した。図６及び図７は、約１０〜約７５％の水素ガス濃度及び周囲温度ないし約２６０°Ｆの環境温度に対する光ファイバガスセンサ２０からの波長シフト（Δλ）応答が約０．０１〜約２．０ｎｍであることを示している。センサ応答時間（Ｈ2の導入後に完全な波長シフトが起こるまでに要する時間）は通例約３．５秒であり、回復時間（Ｎ2パージ後に波長が基線に戻るための時間）は最大約２５秒である。図６に示すように、伝送電力損失（ΔＰ）は約７．８ｄＢであった。図８は、約１０〜約７５％の水素ガス濃度及び周囲温度ないし約２６０°Ｆの環境温度に対する光ファイバガスセンサ２０からの伝送電力損失（ΔＰ）が約０．２〜約７．８ｄＢの範囲内にあることを示している。
【００３７】
高温での様々な水素濃度に対する光ファイバガスセンサ２０のｄＢ単位の伝送応答及び回復時間をそれぞれ図９及び図１０に示す。図１０に示すように、応答時間及び回復時間は主として感知環境温度に応じて数百秒ないし数秒の範囲内にある。光ファイバガスセンサ２０のかかる応答特性は、温度及びガス濃度の両方に対するガスセンサ２０の応答を区別するため、インライン（リアルタイム）温度測定を可能にするファイバブラッグ格子構造３８を必要とすることに注意すべきである。
【００３８】
上述の通り、Ｈ2感知装置及びシステムは、ナノフェーズ感知材料の組込みを含むファイバ格子式波長多重化技術に基づいている。長周期格子３０は光ファイバ中に刻み込まれていて、格子位置で光がクラッディングに流れ出る。格子クラッディング２４には、厚さ２０〜３０ｎｍのナノフェーズ感知材料が堆積されている。Ｈ2又は測定量が存在しない場合、ＰｄＯｘ及びＰｄＡｕＮｉ系感知材料は金属鏡に似ていて、クラッディングモードを反射してファイバコア中に戻す。感知層中における水素化物の生成は、実際にはクラッディングモード境界及び結合効率を変化させる結果、ファイバ格子型水素センサの伝送波長及びその電力損失が変調されることになる。
【００３９】
感知材料は堆積方法によって調整できるので、プロセス流れ（例えば、合成ガスの場合）、Ｈ2燃料及び天然ガスとブレンドされたＨ2燃料の様々な成分を検出するため、ファイバ格子表面上に異なる感知材料を設置することが有用となる。同一ファイバ上に複数のパラメータ感受性素子を有し、さらにはこれらのパラメータの各々について複数の素子を有するという融通性は、高い空間分解能で多重パラメータ測定を可能にする。例えば、Ｈ2感知用途では、温度変動に対してＨ2測定値を補正するために温度用の感知素子も含まれる。同時に、Ｈ2及び温度の両方について高い空間分解能を得るため、単一のファイバ上に複数の感知素子を取り付けることができる。このように、高い空間分解能で多重測定が可能であることは、光ファイバ格子に基づく感知システムの最大の長所の一つである。
【００４０】
水素ガスは感知層中に容易に拡散できるが、他の炭化水素ガスは大きい原子又は分子サイズのために拡散できないように感知層４２の感知材料の形態を調節できることを確認するため、いくつかの実施可能性研究を行った。
【００４１】
１つの実施可能性研究では、感知材料の形態は約３〜約５ｎｍの範囲内のナノ粒子サイズを有していた。図１１及び図１２に示すように、約５％のＨ2を約９２％のＣＨ4及び他の炭化水素ガスとブレンドしてなる約１０４°Ｆの温度のガスタービン用燃料に関し、ガスセンサ２０の波長シフト応答及び伝送電力損失応答は顕著であり、サイクリング試験を通じて再現可能である。この実施可能性研究は、本発明の光ファイバガスセンサ２０の感知層４２が、Ｈ2の存在、特に運転中のガスタービン（図示せず）の燃料組成中に通例見出される天然ガス（ＮＧ）と混合されたＨ2の存在を検出するように構成できることを実証した。表Ｉは、約５％の水素を約９２．７％のＣＨ4、０．７４％のＣＯ2、１．４７％のＣ2Ｈ6、０．１３％のＣ2Ｈ4及び他のガス組成物とブレンドしてなるガスタービン燃料組成の要約である。任意所望の化学ガスを感知又は検出するため、スパッタリング法、熱蒸着法、ゾル−ゲル浸漬被覆法及び他の薄膜堆積方法のような堆積方法を用いて感知層４２を作製できることは当業者にとって自明であろう。
【００４２】
【表１】
別の実施可能性研究では、運転中のガスタービンの燃焼セル中における２種の異なるガス濃度に対するガスセンサ２０の感度を研究した。図１３に示すように、ＦＧＳ２０は、約５０％のＨ2を約５０％のＮＧとブレンドしてなる燃料中で約３０００ｐｍ又は約３ｎｍの波長シフト応答を有している。図１４に示すように、ＦＧＳ２０は、約５２％のＨ2を約４８％のＮＧとブレンドしてなる燃料中で約３５００ｐｍ又は約３．５ｎｍの波長シフト応答を有している。本発明のガスセンサ２０は、わずか２％のＨ2増加が波長応答中において５００ｐｍのシフトをもたらすことを実証した。波長応答中におけるこのような５００ｐｍの追加シフトは、通常のガスセンサ装置に比べて高い感度を有することを表している。このように、感知層４２の感知材料形態の効果的な調節は光ファイバガスセンサ２０の感度を大幅に向上させた。
【００４３】
可能な一実施形態では、図１５に示すように、ＦＧＳ２０をガスタービン６１４
の燃料デリバリ制御システム６１２中に組み込むことができる。この実施形態では、ＦＧＳ２０からのデータ出力６１６がガスタービン６１４用の制御システム６１２と統合される。ＦＧＳ２０は、ガス組成（例えば、ガス中の水素（Ｈ2）の量）を測定するため燃料供給ライン６１８に接続されている。この実施形態では、燃料は水素を含有する任意のガスであり得る。かかるガスとしては、ガス化プラントからの合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ）、炭素捕獲を備えたガス化プラントから生じる水素／窒素ガスブレンド、又は工業プロセスからの水素含有ガスが挙げられる。工業プロセスガスの場合、水素は窒素（Ｎ2）のような不活性ガスによって運ばれるか、或いはメタン（ＣＨ4）のような別の反応性ガスによって運ばれることがある。ＦＧＳ２０はガス中の水素量を測定し、次いでこのデータをガスタービン制御システム６１２に送信する。制御システム６１２はこの情報を用ることで、燃料ガスのエネルギー含有量が任意所定の時点で許容範囲内にあるか否かを判定し、或いは制御論理の適用に基づいてガスのエネルギー含有量が許容範囲を上回るか下回る不許容レベルにシフトすると予想されるか否かを判定する。エネルギー含有量が許容範囲内になければ、制御システム６１２はガスタービン燃焼システム中への燃料流量、空気流量又は（存在するならば）希釈剤流量を調整することで、燃料のエネルギー密度を許容範囲内に合わせることができる。
【００４４】
上述の通り、水素濃度の測定を必要とする工業システム又は用途のための光ファイバ格子型光ファイバガスセンサを発明した。例えば、かかる感知装置は、水素に富む合成ガスを使用する石炭ガス化式動力プラント又はＨ2とブレンドした天然ガスを使用するガスタービン動力発生プラントで使用できる。同時に、開示された感知技術は、化学プラント、ヘルスケアプラント又は工業／石油化学プラントにおけるＨ2含有ガス流中のＨ2濃度の検出に適用できる。Ｈ2感知は、合成ガス又はＨ2とブレンドした天然ガス（ＮＧ）を燃料として使用するタービンに関する燃料組成モニタリング及び制御にとって非常に重要である。他の化学又は石油化学プラントに関しては、Ｈ2感知は、Ｈ2測定を必要とするそれぞれのシステム構成部分（例えば、反応器、蒸留塔、溶鉱炉など）の最適性能を得るために必要な組成制御を可能にする。
【００４５】
以上、様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で修正を行いながら本発明を実施できることが認められよう。
【符号の説明】
【００４６】
２０ 光ファイバガスセンサ
３２ ファイバコア
３４ 軸線
３６ ＬＰＧ
３８ ＦＢＧ
４０ ファイバクラッディング
４２ 感知層
４４ 接着剤層
６１２ 燃料デリバリ制御システム
６１４ ガスタービン
４１０ 反射式感知システム
４１４ ＦＣ／ＡＰＣコネクタ
４１６ 光スプリッタ／コンバイナ
５１０ 透過式感知システム
５１４ 光スイッチ
５１６ ＦＣ／ＡＰＣコネクタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に感知システム及びセンサに関し、さらに詳しくは、温度補正ガス濃度の測定を可能にする格子型光ファイバガスセンサのアレイを備えた感知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、合成ガス（一酸化炭素（ＣＯ）と混合した水素（Ｈ2））を燃料として用いるタービンをを備えた動力発生システムが建造されている。合成ガスは、石炭ガス化器又は他の工業プロセスを用いて生成できる。今日のガスタービンはまた、一層良好な操作性、効率又は排出物制御を達成するため、動力発生用の燃料として天然ガス（ＮＧ）とＨ2のブレンドも使用できる。通例、タービンで使用される燃料の流れは、主としてメタン（ＣＨ4）である天然ガス（ＮＧ）、窒素（Ｎ2）や一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ2）のような希釈剤、並びにエタン（Ｃ2Ｈ6）やプロパン（Ｃ3Ｈ8）のような高分子量炭化水素を含み得る。水素含有燃料は、低率のＨ2を天然ガス中にブレンドしたもの、或いは高率のＨ2をＮＧ及び／又は他の希釈剤と混合したもの、或いはＨ2とＣＯとの合成ガス混合物であり得る。かかる用途に関しては、タービンの出力及び効率に対する影響を効果的に制御するため、燃焼させる燃料の組成をモニタすることが不可欠となる。特に、Ｈ2に富む合成ガス又はＨ2をブレンドしたＮＧをガスタービン用の燃料として使用する場合、出力、排出物及び効率要件がもたらす所要の燃焼性能が得られるように制御するため、燃料組成をオンラインでモニタする必要がある。
【０００３】
既存のＨ2感知技術は、いくつかの理由から、直接のオンラインＨ2濃度又は組成モニタリングのためには多くが不適当である。１つの理由は、高いＨ2濃度のため、かかる通常の可燃ガスセンサは飽和してしまうことである。クロマトグラフィー、質量分析計、ラマン分光器、リングダウン分光計などの分光方式の測定器のみはオフラインで使用できるが、オンラインＨ2濃度又は組成測定のためには使用できない。同時に、かかるバルキーな専用の分光測定式センサを、燃料品質のリアルタイムオンラインモニタリング／分析のため、特に石炭ガス化器及び合成ガス又は天然ガス燃焼器の苛酷な環境中に配備するのが困難なことは自明である。赤外線式、電気化学式、金属酸化物半導体式の可燃ガス検出装置のような数種の常用可燃ガスセンサが存在しているが、これらは水素ガスに対して感受性を有しないか、高い濃度で飽和するか、或いは苛酷な環境中に配備できない。
【０００４】
Ｈ2に富む合成ガスの分析のためには、光ファイバエバネッセント場式近赤外レーザ吸光法のような他の光学的方法も開発されている。通常、これらのガス感知装置は透明な媒体及び感熱性光学部品の設置を必要とする。したがって、ガスタービン、燃焼器、ガス化器などの環境中における動力発生性能についてのオンライン合成ガス分析並びに動力発生効率の制御及び最適化のための実用的な解決策を得ることが要望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７１５１８７２号明細書
【特許文献２】米国特許第５７８３１５２号明細書
【特許文献３】米国特許第５７０８７３５号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２１５９５９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１６９８０７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサであって、軸線を有するファイバコア、局部ガス濃度を感知するためにファイバコアの回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する第１の屈折率周期変調格子構造、局部温度を感知するために軸線に沿って第１の屈折率周期変調格子構造から距離を置いてファイバコアの回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する第２の屈折率周期変調格子構造、第１及び第２の屈折率周期変調格子構造の回りに配置されたファイバクラッディング、並びに第１の屈折率周期変調格子構造のファイバクラッディングの回りに配置された感知層であって、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される感知材料を含む感知層を含んでなる光ファイバガスセンサが提供される。
【０００７】
別の態様では、局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサであって、軸線を有するファイバコア、局部ガス濃度を感知するためにファイバコアの回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する長周期ファイバ格子構造、局部温度を感知するために軸線に沿って長周期ファイバ格子構造から距離を置いてファイバコアの回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する短周期ファイバ格子構造、長周期及び短周期ファイバ格子構造の回りに配置されたファイバクラッディング、並びに長周期ファイバ格子構造のファイバクラッディングの回りに配置された感知層であって、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される感知材料を含む感知層を含んでなる光ファイバガスセンサが提供される。
【０００８】
さらに別の態様では、１以上の光ファイバガスセンサ、各光ファイバガスセンサに機能的に結合されたＦＣ／ＡＰＣコネクタ、並びにＦＣ／ＡＰＣコネクタに機能的に結合された光スプリッタ／コンバイナ及び光スイッチの一方を含んでなる感知システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、動力発生システムの運転条件及び／又はパラメータをモニタするために本発明の光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）を含む感知システムの略図である。
【図２】図２は、図１に示した光ファイバガスセンサの略図である。
【図３】図３は、図２に示したガスセンサの長周期格子（ＬＰＧ）構造の部分断面図である。
【図４】図４は、反射式ガス感知システムにおける多点ガス感知のための光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の分布方法の略図である。
【図５】図５は、透過式ガス感知システムにおける多点ガス感知のための光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）の分布方法の略図である。
【図６】図６は、Ｎ2と混合した７５％のＨ2濃度を有する１３１°Ｆのガスに関し、本発明の光ファイバガスセンサを通して伝送される信号の波長を時間に対してプロットしたグラフである。
【図７】図７は、本発明の光ファイバガスセンサから得られた、様々な水素濃度及び高温での波長シフトを示すグラフである。
【図８】図８は、Ｎ2と混合した７５％のＨ2濃度を有する１３１°Ｆのガスに関し、本発明の光ファイバガスセンサを通して伝送される信号の伝送電力損失を時間に対してプロットしたグラフである。
【図９】図９は、高温で様々な水素濃度に対する本発明の光ファイバガスセンサの応答時間を示すグラフである。
【図１０】図１０は、高温で様々な水素濃度に対する本発明のファイバガスセンサの回復時間を表すグラフである。
【図１１】図１１は、約５％のＨ2をＣＨ4及び他の炭化水素ガスとブレンドしてなる約１０４°Ｆの燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの波長シフト応答を表すグラフである。
【図１２】図１２は、約５％のＨ2をＣＨ4及び他の炭化水素ガスとブレンドしてなる約１０４°Ｆの燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの伝送電力損失応答を表すグラフである。
【図１３】図１３は、約５０％のＨ2を約５０％の天然ガス（ＮＧ）とブレンドしてなる室温の燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの波長シフトを表すグラフである。
【図１４】図１４は、約５２％のＨ2を約４８％の天然ガス（ＮＧ）とブレンドしてなる室温の燃料によって誘起された本発明の光ファイバガスセンサの波長シフトを表すグラフである。
【図１５】図１５は、本発明の光ファイバガスセンサを用いたガスタービン用燃料デリバリ制御システムの略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
まず図１を参照すれば、本発明の一実施形態に係る感知システム１０が略示されている。一般に、感知システム１０は光カップラ又はサーキュレータ１４と光伝送可能な状態にあるチューナブル広帯域光源のような光源１２を含んでいる。光カップラ１４は光源１２から伝送される光を受光し、その光の一部を光ファイバケーブル１６を通して伝送する。光ファイバケーブル１６を通過した光は、本発明に係る１以上の光ファイバガスセンサ（一般的に２０として示す）に入る。光ファイバガスセンサ２０の下流に位置する光検出器２２は、光ファイバケーブル２４を通してガスセンサ２０から伝送される光を受光する。光カップラ１４によって反射された光の一部もまた、光ファイバケーブル２６を通して光検出器２２により受光される。光ファイバガスセンサ２０が発生した光信号は、コンピュータ２８で処理され及び／又はコンピュータ２８に送信される。一実施形態では、１以上の光ファイバガスセンサ２０から受光した光信号に応答して光検出器２２が発生した電気信号がワイヤレスインターフェース３０によってコンピュータ２８に送信される。
【００１１】
ＦＧＳ２０は、ガスタービン、燃焼器、石炭ガス化器などの動力発生装置（図示せず）の運転条件及び／又はパラメータをモニタする。かかる運転条件及び／又はパラメータには、特に限定されないが、内部温度、圧力、及び／又は装置内で発生する燃焼ガスの有無及び濃度レベルがある。ガスタービン制御システムのような制御システム（図示せず）がガスセンサ２０と動作制御可能な状態にあって、センサ検出の結果として発生する信号を受信すると共に、バーナの燃料／空気比及び／又はタービンシステムへの総風量を調節することで排出物を減少させかつ動力発生効率を高めるように装置の動作を制御する。一実施形態では、例えば感知された温度、ひずみ又は圧力を用いてスラグ及び／又はファウリングのレベルを探知することにより、ファウリング及び／又はスラグを低減させることで効率が最適化される。別の実施形態では、例えば感知された水素ガス濃度又は天然ガス濃度を用いて燃焼プロセスを制御することにより、適正な燃料／空気比を維持することで効率が最適化される。
【００１２】
次に図２を参照すれば、本発明の一実施形態に係る光ファイバガスセンサ２０が示されている。一般に、光ファイバガスセンサ２０は、ＧｅＯ2及びＦをコドープしたシリカで形成され、軸線３４に沿って延在し、約５〜約９μｍの直径を有する中心ファイバコア３２を含んでいる。ファイバコア３２は、コアモードからクラッディングモードへの結合を高めるために相異なる振幅変調プロフィル（アポダイズ（ａｐｏｄｉｚｅｄ）又はブレーズ（ｂｌａｚｅｄ）或いはこれらの組合せ）を有する２つの屈折率周期変調格子を含んでいる。
【００１３】
一実施形態では、屈折率周期格子の一方はファイバコア３２の回りに配置された長周期ファイバ格子（ＬＰＧ）構造３６からなり、他方の格子は軸線３４に沿って長周期ファイバ格子構造３６から距離を置いてファイバコア３２の回りに配置された短周期ファイバ格子構造３８からなっている。特定の実施形態では、短周期ファイバ格子構造３８は高い熱安定性性能を有するファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）構造３８からなっている。
【００１４】
ファイバクラッディング４０はファイバコア３２の回りに円周方向に沿って配設され、約１２５μｍの外径を有し、純粋なシリカで形成されている。一実施形態では、ファイバクラッディング４０はファイバコア３２を通っての光伝搬のための導波管として働くように構成されている。広帯域のチューナブル光源１２が光ファイバケーブル１６と光伝送可能な状態で配置され、ファイバコア３２を通って伝搬する近赤外線を放射する。
【００１５】
特定の実施形態では、ＦＧＳ２０は、光ファイバコア３２の軸線３４に沿って約１０〜約５０ｍｍの長さを有している。ＬＰＧ構造３６は、軸線３４に沿って約１０〜約３０ｍｍの長さ及び約０．０５〜約０．１２５ｍｍのクラッディング直径を有している。ＬＰＧ構造３６は、軸線３４に沿って約１００〜約６００μｍのピッチサイズでの変調を有している。ＬＰＧ構造３６は、基本モードのエネルギーをファイバクラッディング４０のモードに効果的に流し出すように構成されている。感知層４２の感知材料の屈折率がファイバクラッディング４０より低い場合、ファイバクラッディング４０のモードは感知材料／クラッディングとファイバコアの界面によって導かれる。部分的な光エネルギーはエバネッセント場によって感知材料中に散逸する。逆に、クラッディングモードは部分的にエネルギーを放射モードとして感知コーティング層中に散逸させる。ＦＢＧ構造３８は、軸線３４に沿って約３〜約１０ｍｍの長さ及び約０．１２５ｍｍのクラッディング直径を有している。概して、ＬＰＧ構造３６の長さはＦＢＧ構造３８の長さの約２〜５倍であり、後者はＬＰＧ構造３６の透過スペクトルが１２ｎｍ未満の狭い線幅及び１０ｄＢを超える大きいダイナミックレンジを有することを可能にする。
【００１６】
長周期ファイバ格子（ＬＰＧ）構造３６のファイバクラッディング４０の回りにはファイバガス感知層４２が配設されている。図示された実施形態では、ガス感知層４２はＬＰＧ構造３６の又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は又は回りにだけ配設されており、ＦＢＧ構造３８の回りには配設されていない。しかし、本発明は感知層４２をＦＢＧ構造３８の回りに配設して実施することもできる。感知層４２は、屈折率の変化、吸光の変化又は感知材料応力の変化によってファイバクラッディング４０のモードから基本モードへの結合を効果的に助けるように構成されている。かくして、ＦＢＧ２０により光検出器２４に向けて反射及び／又は再導光される光信号は、測定量及び動作に依存する。
【００１７】
感知層４２は、（Ｐｄ，Ｐｔ）ドープトＷＯｘ、ＰｄＯｘ及び三元Ｐｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)合金のような１種以上の基材を含む感知材料又は化学ガス活性材料を含んでいる。感知材料の形態は、約５〜約１０ｎｍの直径を有するナノ粒子からなり得る。一実施形態では、感知層４２は化学ガス感受性を有する感知材料を含んでおり、これは屈折率の変化、吸光の変化又は感知材料応力の変化を誘起する化学ガスとの相互作用によって感受性及び／又は活性を示す。
【００１８】
一実施形態では、感知層４２は、Ｈ2及び／又はＨ2＋天然ガス（ＮＧ）の存在に対して感受性を有する感知材料を含んでいる。例えば、感知層４２は、特に限定されないがナノ（Ｐｄ，Ｐｔ）−ＷＯｘ（ｘ＝２．７〜３．０）感知材料、ＰｄＯｘ及び／又はナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)三元感知材料のようなパラジウム基合金を含んでいる。この実施形態では、吸着したＨ原子がパラジウムと反応して水素化物を生成する。感知材料中の水素化物はα相からβ相又はこれらの混合中間相への強い構造相転移を生じることにより、被覆感知材料の屈折率を変化させ、基本モードとクラッディングモードとの間の光結合を変化させ、長周期格子クラッディング４０及び感知層４２の両方においてクラッディングモードと放射モードとの間の結合を変化させる。これは、透過及び反射の両方について観測可能な変化を可能にし、最終的には吸着したＨ2ガスの同定をもたらす。本発明の多機能性差動呼掛け構成を用いた同一のガスセンサ２０により、Ｈ2ガス濃度及び局部温度値の同時マッピングが得られる。
【００１９】
パラジウム基合金感知材料は不透明であるが、水素と反応して水素化物を生成すると半透明になる。実際には、水素化物のα相がβ相に転移するのに伴い、誘電関数又は屈折率の変化が生じる。このような相転移特性を用いて、ファイバＨ2センサはかかる誘電関数の差を検出することができる。水素化物の生成は実際にはクラッディングモード境界及び結合効率を変化させる結果、ファイバ格子型水素センサの伝送波長及びその電力損失が変調されることになる。
【００２０】
約１０００°Ｆ未満の環境温度に対しては、感知層４２はＷＯ3又はＳｉＯ2の基材を含み得る。ＳｉＯ2基材には、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ及び／又はＮｉからなる構成な材料のナノ粒子がドープされている。ナノ粒子は約５〜約１０ｎｍの直径を有している。この実施形態では、感知層４２はスパッタリング法又は熱蒸着法を用いて作製される。感知層４２を作製するために任意適宜の方法を使用できることは当業者にとって自明であり、また本明細書中に記載した教示によって手引きされている。感知層４２を作製した後、感知層４２はＡｒ+環境中において約６００℃で約２時間アニールされるか、或いは感知材料が約１０ｎｍ未満のナノ粒子サイズを有するまでアニールされる。
【００２１】
一実施形態では、感知層４２はガス活性ナノ粒子材料を含んでいる。この実施形態では、感知層４２は、感知層４２の屈折率がファイバクラッディング４０の屈折率に近い場合に若干のクラッディングモードの伝搬を許す厚さを有している。別法として、感知層４２は、感知層４２の屈折率がファイバクラッディング４０の屈折率より大きい場合に若干の放射モードの伝搬を許す厚さを有している。さらに、感知層４２はファイバクラッディング４０の熱膨張率と異なる熱膨張率を有するので、１００ｎｍ未満の感知コーティング層厚さを選択することで材料が誘起する界面ひずみを抑制する必要がある。高温でのガス感知に関する特定の実施形態では、感知層４２とファイバクラッディング４０との間の界面ひずみがナノ多孔質の感知材料形態によって熱的に補償される結果、感知材料の熱的効果はファイバクラッディングによって支配される。別の実施形態では、感知ガスセンサ２０を保護してガスの透過のみを許すため、光ファイバケーブル１６は疎水性膜（Ｔ＜２００℃に対してはＰＴＦＥ）（図示せず）又は多孔質セラミック（Ｔ＞２００℃に対してはＡｌ2Ｏ3）の薄層で気密封止されている。
【００２２】
別の実施形態では、感知層４２はＰｄ基合金の組込みを含んでいる。かかるＰｄ基合金は、特に限定されないが、約４００℃未満の環境温度に対しては ナノＰｄＯｘ又はＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)感知材料からなり、約４００℃以上の環境温度に対してはナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘ感知材料からなる。感知層４２は、Ｈ2及びＣＨ4とブレンドされたＨ2に対するガスセンサとして機能する円周方向に被覆された薄膜を含んでいる。水素化物の生成は強い感知材料ナノ構造の変化をもたらし、これが被覆感知材料の屈折率を変化させ、基本モードとクラッディングモードとの間の光結合を変化させ、長周期格子クラッディング領域及び感知層４２においてクラッディングモードと放射モードとの間の結合を変化させる。
【００２３】
次に図３を参照すれば、ファイバクラッディング４０と感知層４２との結合を向上させるため、ファイバクラッディング４０に接着剤層４４を適用できる。一実施形態では、接着剤層５４は約５ｎｍの厚さを有するニッケル層からなり得る。別の実施形態では、接着剤層５４は約５ｎｍの厚さを有するチタン層からなり得る。接着剤層４４を堆積させる前に、ファイバクラッディング４０の表面を５０％ＨＦで５分間処理し、次いで脱イオン水樹脂及びＮ2乾燥プロセスで処理することができる。
【００２４】
動作に当たっては、まずＦＧＳ２０中に光を伝送させると、光源１２からの選択波長の光がＬＰＧ構造３６に入り、１以上の運転条件及び／又はパラメータ（例えば、Ｈ2の濃度、Ｈ2＋天然ガス（ＮＧ）の濃度又は他の可燃ガスの濃度）に対応する離散波長ピーク状の波長シフト及び伝送電力損失を受ける。光がＦＧＳ２０中を進行し続けると、光はＦＢＧ構造３８に入り、１以上の運転条件及び／又はパラメータ（例えば、温度など）に対応する波長シフトを受ける。
【００２５】
動作に当たっては、感知システム１０は、センサパッケージを包囲する発熱体によって与えられる、最適化Ｈ2感度及び選択性に対応する一定温度条件に保つことができる。別の態様では、感知システムは、ガス組成物の温度感受性によって様々な組成物及びＨ2とブレンドしたガスを識別するために使用される変調温度条件で動作させることができる。
【００２６】
感知システム１０は２つの動作モードで動作し得る。即ち、１）反射式感知システム及び２）透過式感知システムである。いずれの感知システム１０でも、本発明のガスセンサ２０は温度補正ガス濃度の測定を可能にする。透過式感知システムでは、ガスセンサ２０のＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８の両方を１回通過した光がファイバケーブル２４に入り、光検出器２２によって受光される。ＬＰＧ構造３６は、ガス（例えば、Ｈ2、Ｈ2＋Ｎ2など）に対する感知層４２の感受性のため、光信号中に伝送電力損失を生じる。さらに、ＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８からの波長シフトを用いて環境温度を測定できる。ＬＰＧ構造３６からの伝送電力損失並びにＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８からの温度差を用いて温度補正ガス濃度を測定できる。
【００２７】
反射式感知システム１０では、ＬＰＧ構造３６を通過した光がＦＢＧ構造３８で反射されて戻り、再びＬＰＧ構造３６を通過する。反射された光は光カップラ１４に入り、ファイバケーブル２６を通して伝送され、光検出器２２によって受光される。ＬＰＧ構造３６は、ガス（例えば、Ｈ2、Ｈ2＋Ｎ2など）に対する感知層４２の感受性のため、光信号中に伝送電力損失を生じる。ＦＢＧ構造３８からの波長シフトを用いて環境温度を測定できる。ＬＰＧ構造３６を２回通過した光からの伝送電力損失の差及びＦＢＧ構造３８からの温度を用いて温度補正ガス濃度を測定できる。
【００２８】
このようなガス濃度（例えばＨ2濃度）に比例する波長シフト及び電力損失の変調は、波長シフトとしての「ディジタル」Ｈ2濃度測定及び結果として生じる伝送電力損失としての「アナログ」Ｈ2濃度測定を可能にする。これら２種のセンサ応答は、本質的に統合された水素感知方法を提供する。
【００２９】
ＦＢＧ構造３８はＬＰＧ構造３６とほぼ同じ環境中に位置しているので、ＦＢＧ構造３８の相対波長シフトは環境温度をリアルタイムで測定するために使用できる。また、光が感知格子を２回通過するので、反射された伝送電力損失の変化はガス濃度の測定のためにも使用できる。その上、ＬＰＧ構造３６の波長シフト及び伝送電力損失は、一定温度又は変調温度動作条件下でガス濃度及び組成のリアルタイム測定のために使用できる。このような局部温度、ガス濃度及び組成の同時検出は、向上したセンサ性能及び低下した低擬陽性率を有することにより、温度変動及び／又は他のスプリアスイベントにかかわらず、Ｈ2ガス濃度の正確な測定を可能にする。
【００３０】
再び図２を参照すれば、長周期ファイバ格子構造３６及び短周期ファイバ格子構造３８は、ファイバケーブルの軸線３４に対して実質的に平行でありかつ一様な間隔を有するプロファイルを有している。しかし、本発明は他のタイプの長周期及び短周期ファイバ格子構造プロファイルを用いて実施することもできる。例えば、長周期ファイバ格子構造３６及び／又は短周期ファイバ格子構造３８は、ファイバケーブルの軸線３４に対して約１〜約４０度の角度をもったブレーズド格子プロファイルを有するファイバ格子構造からなり得る。別の例では、長周期ファイバ格子構造３６及び／又は短周期ファイバ格子構造３８は、例えばガウス形状、コサイン形状などを有し得るアポダイズドファイバ格子構造のように、一様でない格子プロファイルを有し得る。さらに別の例では、一様でない格子プロファイルは、ブレーズド格子プロファイルとアポダイズド格子プロファイルとの組合せであり得る。４つのタイプの格子（一様、ブレーズド、アポダイズド、ブレーズドかつアポダイズド）はいずれも、約１０〜約３０ｍｍの典型的な長さ及び約０．０５〜約０．１２５ｍｍのクラッディング直径を有している。
【００３１】
光ファイバガスセンサ２０は４つのタイプの格子プロファイル（一様、ブレーズド、アポダイズド、ブレーズドかつアポダイズド）の任意の組合せであり得るので、複数のタイプのＦＧＳ２０が存在する。例えば、第１のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関して一様な格子プロファイルを有している。第２のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関してブレーズド格子プロファイルを有している。第３のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第４のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関してブレーズドかつアポダイズド格子プロファイルを有している。第５のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６に関して一様な格子プロファイルを有し、ＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第６のタイプのＦＧＳ２０はＬＰＧ構造３６に関してブレーズド格子プロファイルを有し、ＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。ＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８に関して他の組合せの格子プロファイルを使用することも本発明の技術的範囲内にあることは容易に理解されよう。
【００３２】
図示された実施形態では、ＦＧＳ２０は、ガス感知層４２で被覆された長周期ファイバ格子構造３６及びガス感知層４２をもたない短周期ファイバ格子構造３８を含んでいる。別の実施形態では、ＦＧＳ２０は１対の短周期ファイバ格子（ＦＢＧ）構造３８を含むことができ、一方のＦＢＧ構造３８はガス感知層４２を有し、他方のＦＢＧ構造３８はガス感知層４２を有しない。両方のファイバ格子構造３６，３８が温度に対する感受性を有するので、第２のＦＢＧ構造３８の温度測定を参照することでガス濃度及び組成の示差測定が行われる。上述した図示実施形態におけるＬＰＧ構造３６及びＦＢＧ構造３８と同じく、１対のＦＢＧ構造を有するＦＧＳ２０の別の実施形態は、格子プロファイル（一様、ブレーズド、アポダイズド、ブレーズドかつアポダイズド）の任意の組合せであり得る。即ち、第１のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関して一様な格子プロファイルを有している。第２のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関してブレーズド格子プロファイルを有している。第３のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第４のタイプのＦＧＳ２０は両方のＦＢＧ構造３８に関してブレーズドかつアポダイズド格子プロファイルを有している。第５のタイプのＦＧＳ２０は一方のＦＢＧ構造３８に関して一様な格子プロファイルを有し、他方のＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。第６のタイプのＦＧＳ２０は一方のＦＢＧ構造３８に関してブレーズド格子プロファイルを有し、他方のＦＢＧ構造３８に関してアポダイズド格子プロファイルを有している。ＦＢＧ構造３８に関して他の組合せの格子プロファイルを使用することも本発明の技術的範囲内にあることは容易に理解されよう。
【００３３】
次に図４を参照すれば、ボイラ、燃焼器、ガス化器、エンジンなどの工業環境中に１以上の光ファイバガスセンサ２０のアレイ４１２を分布させた反射式感知システム４１０が略示されている。反射式感知システム４１０では、例えば、可燃ガスをｎ個の位置での反射から測定することができる。各光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）２０は、ファイバコネクタ／アングルドポリッシュコネクタ（ＦＣ／ＡＰＣコネクタ）４１４及び１×ｎ光スプリッタ／コンバイナ４１６によって感知システム４１０に接続されている。一実施形態では、光スプリッタ／コンバイナ４１６は１×２、１×３、１×４又は１×８型のものである。別の実施形態では、多点可燃ガス感知のため、光スプリッタ／コンバイナ４１６の代わりに１×１６の光スイッチが使用される。各光ファイバガスセンサ２０からの反射光信号は、温度校正のための波長シフト、及びガス濃度モニタリングのための反射電力損失応答によって特徴づけられる。
【００３４】
次に図５を参照すれば、ボイラ、燃焼器、ガス化器、エンジンなどの工業環境中に１以上の光ファイバガスセンサ２０のアレイ４１２を分布させた透過式感知システム５１０が略示されている。透過式感知システム５１０では、例えば、可燃ガスをｎ個の位置での反射から測定することができる。各光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）２０は、１×ｎ光スイッチ５１４によって感知システム５１０に接続されている。各光ファイバガスセンサ（ＦＧＳ）２０は、ＦＣ／ＡＰＣコネクタ５１６及びｎ×１光コンバイナ５１８によって感知システム５１０に接続されている。一実施形態では、光スイッチ５１４及び光コンバイナ５１８は１×２、１×３、１×４又は１×８型のものである。別の実施形態では、多点可燃ガス感知のために１×１６の光コンバイナ及び光スイッチが使用される。各光ファイバガスセンサ２０からの伝送信号はガス濃度モニタリングのための波長シフト応答及び伝送電力損失応答によって特徴づけられ、この場合には短周期ブラッグ格子の波長シフトが環境温度校正のために使用される。
【００３５】
別の実施形態では、水素感知を必要とする用途（例えば、燃焼用として水素を使用する動力発生システムタービン）において任意適宜の数の光ファイバ水素感知装置が使用できることは当業者にとって容易に理解され、また本明細書中に記載した教示によって手引きされている。同一ファイバ上に複数のガス感知素子を有するという融通性は、高い空間分解能で多点可燃ガス測定を可能にする。複数のかかるセンサは、１種のガス濃度の多点検出のため直列又は並列に配置できる。このように、高い空間分解能で多重測定が可能であることは、光ファイバ格子に基づく感知システムの最大の長所の一つである。別の長所は、多種組成物（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4など）のオンラインモニタリング用の１つの感知システムにおいて異種の光ファイバガスセンサを直列に配置できることである。
【００３６】
これまでの実施可能性研究は、現在のプロトタイプ光ファイバ水素感知装置が苛酷な環境中で使用できることを実証した。図６及び図７は、約１０〜約７５％の水素ガス濃度及び周囲温度ないし約２６０°Ｆの環境温度に対する光ファイバガスセンサ２０からの波長シフト（Δλ）応答が約０．０１〜約２．０ｎｍであることを示している。センサ応答時間（Ｈ2の導入後に完全な波長シフトが起こるまでに要する時間）は通例約３．５秒であり、回復時間（Ｎ2パージ後に波長が基線に戻るための時間）は最大約２５秒である。図６に示すように、伝送電力損失（ΔＰ）は約７．８ｄＢであった。図８は、約１０〜約７５％の水素ガス濃度及び周囲温度ないし約２６０°Ｆの環境温度に対する光ファイバガスセンサ２０からの伝送電力損失（ΔＰ）が約０．２〜約７．８ｄＢの範囲内にあることを示している。
【００３７】
高温での様々な水素濃度に対する光ファイバガスセンサ２０のｄＢ単位の伝送応答及び回復時間をそれぞれ図９及び図１０に示す。図１０に示すように、応答時間及び回復時間は主として感知環境温度に応じて数百秒ないし数秒の範囲内にある。光ファイバガスセンサ２０のかかる応答特性は、温度及びガス濃度の両方に対するガスセンサ２０の応答を区別するため、インライン（リアルタイム）温度測定を可能にするファイバブラッグ格子構造３８を必要とすることに注意すべきである。
【００３８】
上述の通り、Ｈ2感知装置及びシステムは、ナノフェーズ感知材料の組込みを含むファイバ格子式波長多重化技術に基づいている。長周期格子３０は光ファイバ中に刻み込まれていて、格子位置で光がクラッディングに流れ出る。格子クラッディング２４には、厚さ２０〜３０ｎｍのナノフェーズ感知材料が堆積されている。Ｈ2又は測定量が存在しない場合、ＰｄＯｘ及びＰｄＡｕＮｉ系感知材料は金属鏡に似ていて、クラッディングモードを反射してファイバコア中に戻す。感知層中における水素化物の生成は、実際にはクラッディングモード境界及び結合効率を変化させる結果、ファイバ格子型水素センサの伝送波長及びその電力損失が変調されることになる。
【００３９】
感知材料は堆積方法によって調整できるので、プロセス流れ（例えば、合成ガスの場合）、Ｈ2燃料及び天然ガスとブレンドされたＨ2燃料の様々な成分を検出するため、ファイバ格子表面上に異なる感知材料を設置することが有用となる。同一ファイバ上に複数のパラメータ感受性素子を有し、さらにはこれらのパラメータの各々について複数の素子を有するという融通性は、高い空間分解能で多重パラメータ測定を可能にする。例えば、Ｈ2感知用途では、温度変動に対してＨ2測定値を補正するために温度用の感知素子も含まれる。同時に、Ｈ2及び温度の両方について高い空間分解能を得るため、単一のファイバ上に複数の感知素子を取り付けることができる。このように、高い空間分解能で多重測定が可能であることは、光ファイバ格子に基づく感知システムの最大の長所の一つである。
【００４０】
水素ガスは感知層中に容易に拡散できるが、他の炭化水素ガスは大きい原子又は分子サイズのために拡散できないように感知層４２の感知材料の形態を調節できることを確認するため、いくつかの実施可能性研究を行った。
【００４１】
１つの実施可能性研究では、感知材料の形態は約３〜約５ｎｍの範囲内のナノ粒子サイズを有していた。図１１及び図１２に示すように、約５％のＨ2を約９２％のＣＨ4及び他の炭化水素ガスとブレンドしてなる約１０４°Ｆの温度のガスタービン用燃料に関し、ガスセンサ２０の波長シフト応答及び伝送電力損失応答は顕著であり、サイクリング試験を通じて再現可能である。この実施可能性研究は、本発明の光ファイバガスセンサ２０の感知層４２が、Ｈ2の存在、特に運転中のガスタービン（図示せず）の燃料組成中に通例見出される天然ガス（ＮＧ）と混合されたＨ2の存在を検出するように構成できることを実証した。表Ｉは、約５％の水素を約９２．７％のＣＨ4、０．７４％のＣＯ2、１．４７％のＣ2Ｈ6、０．１３％のＣ2Ｈ4及び他のガス組成物とブレンドしてなるガスタービン燃料組成の要約である。任意所望の化学ガスを感知又は検出するため、スパッタリング法、熱蒸着法、ゾル−ゲル浸漬被覆法及び他の薄膜堆積方法のような堆積方法を用いて感知層４２を作製できることは当業者にとって自明であろう。
【００４２】
【表１】
別の実施可能性研究では、運転中のガスタービンの燃焼セル中における２種の異なるガス濃度に対するガスセンサ２０の感度を研究した。図１３に示すように、ＦＧＳ２０は、約５０％のＨ2を約５０％のＮＧとブレンドしてなる燃料中で約３０００ｐｍ又は約３ｎｍの波長シフト応答を有している。図１４に示すように、ＦＧＳ２０は、約５２％のＨ2を約４８％のＮＧとブレンドしてなる燃料中で約３５００ｐｍ又は約３．５ｎｍの波長シフト応答を有している。本発明のガスセンサ２０は、わずか２％のＨ2増加が波長応答中において５００ｐｍのシフトをもたらすことを実証した。波長応答中におけるこのような５００ｐｍの追加シフトは、通常のガスセンサ装置に比べて高い感度を有することを表している。このように、感知層４２の感知材料形態の効果的な調節は光ファイバガスセンサ２０の感度を大幅に向上させた。
【００４３】
可能な一実施形態では、図１５に示すように、ＦＧＳ２０をガスタービン６１４
の燃料デリバリ制御システム６１２中に組み込むことができる。この実施形態では、ＦＧＳ２０からのデータ出力６１６がガスタービン６１４用の制御システム６１２と統合される。ＦＧＳ２０は、ガス組成（例えば、ガス中の水素（Ｈ2）の量）を測定するため燃料供給ライン６１８に接続されている。この実施形態では、燃料は水素を含有する任意のガスであり得る。かかるガスとしては、ガス化プラントからの合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ）、炭素捕獲を備えたガス化プラントから生じる水素／窒素ガスブレンド、又は工業プロセスからの水素含有ガスが挙げられる。工業プロセスガスの場合、水素は窒素（Ｎ2）のような不活性ガスによって運ばれるか、或いはメタン（ＣＨ4）のような別の反応性ガスによって運ばれることがある。ＦＧＳ２０はガス中の水素量を測定し、次いでこのデータをガスタービン制御システム６１２に送信する。制御システム６１２はこの情報を用ることで、燃料ガスのエネルギー含有量が任意所定の時点で許容範囲内にあるか否かを判定し、或いは制御論理の適用に基づいてガスのエネルギー含有量が許容範囲を上回るか下回る不許容レベルにシフトすると予想されるか否かを判定する。エネルギー含有量が許容範囲内になければ、制御システム６１２はガスタービン燃焼システム中への燃料流量、空気流量又は（存在するならば）希釈剤流量を調整することで、燃料のエネルギー密度を許容範囲内に合わせることができる。
【００４４】
上述の通り、水素濃度の測定を必要とする工業システム又は用途のための光ファイバ格子型光ファイバガスセンサを発明した。例えば、かかる感知装置は、水素に富む合成ガスを使用する石炭ガス化式動力プラント又はＨ2とブレンドした天然ガスを使用するガスタービン動力発生プラントで使用できる。同時に、開示された感知技術は、化学プラント、ヘルスケアプラント又は工業／石油化学プラントにおけるＨ2含有ガス流中のＨ2濃度の検出に適用できる。Ｈ2感知は、合成ガス又はＨ2とブレンドした天然ガス（ＮＧ）を燃料として使用するタービンに関する燃料組成モニタリング及び制御にとって非常に重要である。他の化学又は石油化学プラントに関しては、Ｈ2感知は、Ｈ2測定を必要とするそれぞれのシステム構成部分（例えば、反応器、蒸留塔、溶鉱炉など）の最適性能を得るために必要な組成制御を可能にする。
【００４５】
以上、様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内で修正を行いながら本発明を実施できることが認められよう。
【符号の説明】
【００４６】
２０ 光ファイバガスセンサ
３２ ファイバコア
３４ 軸線
３６ ＬＰＧ
３８ ＦＢＧ
４０ ファイバクラッディング
４２ 感知層
４４ 接着剤層
６１２ 燃料デリバリ制御システム
６１４ ガスタービン
４１０ 反射式感知システム
４１４ ＦＣ／ＡＰＣコネクタ
４１６ 光スプリッタ／コンバイナ
５１０ 透過式感知システム
５１４ 光スイッチ
５１６ ＦＣ／ＡＰＣコネクタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサ（２０）であって、
軸線（３４）を有するファイバコア（３２）、
局部ガス濃度を感知するためにファイバコア（３２）の回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する第１の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）、
局部温度を感知するために軸線（３４）に沿って第１の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）から距離を置いてファイバコア（３２）の回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する第２の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）、
第１及び第２の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）の回りに配置されたファイバクラッディング（４０）、並びに
第１の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）のファイバクラッディング（４０）の回りに配置された感知層（４２）であって、Ｐｄ基合金からなる感知材料を含む感知層（４２）
を含んでなる光ファイバガスセンサ（２０）。
【請求項２】
さらに、ファイバクラッディング（４０）と感知層（４２）との間に配置された接着剤層（４４）を含む、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
Ｐｄ基合金が、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】
当該ガスセンサ（２０）がガスタービン（６１４）の燃料デリバリ制御システム（６１２）中に組み込まれている、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項５】
局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサ（２０）であって、
軸線（３４）を有するファイバコア（３２）、
局部ガス濃度を感知するためにファイバコア（３２）の回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する第１の短周期ファイバ格子構造（３８）、
局部温度を感知するために軸線に沿って第１の短周期ファイバ格子構造（３８）から距離を置いてファイバコア（３２）の回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する第２の短周期ファイバ格子構造（３８）、
第１及び第２の短周期ファイバ格子構造（３８）の回りに配置されたファイバクラッディング（４０）、並びに
第１の短周期ファイバ格子構造（３８）のファイバクラッディング（４０）の回りに配置された感知層（４２）であって、Ｐｄ基合金からなる感知材料を含む感知層（４２）
を含んでなる光ファイバガスセンサ（２０）。
【請求項６】
さらに、ファイバクラッディング（４０）と感知層（４２）との間に配置された接着剤層（４４）を含む、請求項５記載のガスセンサ。
【請求項７】
Ｐｄ基合金が、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項８】
感知システム（４１０、５１０）であって、
請求項１記載の光ファイバガスセンサ（２０）の１以上、
各光ファイバガスセンサ（２０）に機能的に結合されたＦＣ／ＡＰＣコネクタ（４１４、５１６）、並びに
ＦＣ／ＡＰＣコネクタ（４１４、５１６）に機能的に結合された光スプリッタ／コンバイナ（４１６）及び光スイッチ（５１４）の一方
を含んでなる感知システム（４１０、５１０）。
【請求項９】
当該感知システム（４１０、５１０）が反射式感知システム（４１０）及び透過式感知システム（５１０）の一方からなる、請求項８記載の感知システム。
【請求項１０】
当該感知システム（４１０、５１０）が単一組成物検出のための一定温度条件及び多重組成物検出のための温度変調条件の一方において動作する、請求項８記載の感知システム。
【請求項１】
局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサ（２０）であって、
軸線（３４）を有するファイバコア（３２）、
局部ガス濃度を感知するためにファイバコア（３２）の回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する第１の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）、
局部温度を感知するために軸線（３４）に沿って第１の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）から距離を置いてファイバコア（３２）の回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する第２の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）、
第１及び第２の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）の回りに配置されたファイバクラッディング（４０）、並びに
第１の屈折率周期変調格子構造（３６、３８）のファイバクラッディング（４０）の回りに配置された感知層（４２）であって、Ｐｄ基合金からなる感知材料を含む感知層（４２）
を含んでなる光ファイバガスセンサ（２０）。
【請求項２】
さらに、ファイバクラッディング（４０）と感知層（４２）との間に配置された接着剤層（４４）を含む、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
Ｐｄ基合金が、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】
当該ガスセンサ（２０）がガスタービン（６１４）の燃料デリバリ制御システム（６１２）中に組み込まれている、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項５】
局部ガス濃度の温度補正測定を可能にする光ファイバガスセンサ（２０）であって、
軸線（３４）を有するファイバコア（３２）、
局部ガス濃度を感知するためにファイバコア（３２）の回りに配置された、第１の振幅変調プロファイルを有する第１の短周期ファイバ格子構造（３８）、
局部温度を感知するために軸線に沿って第１の短周期ファイバ格子構造（３８）から距離を置いてファイバコア（３２）の回りに配置された、第２の振幅変調プロファイルを有する第２の短周期ファイバ格子構造（３８）、
第１及び第２の短周期ファイバ格子構造（３８）の回りに配置されたファイバクラッディング（４０）、並びに
第１の短周期ファイバ格子構造（３８）のファイバクラッディング（４０）の回りに配置された感知層（４２）であって、Ｐｄ基合金からなる感知材料を含む感知層（４２）
を含んでなる光ファイバガスセンサ（２０）。
【請求項６】
さらに、ファイバクラッディング（４０）と感知層（４２）との間に配置された接着剤層（４４）を含む、請求項５記載のガスセンサ。
【請求項７】
Ｐｄ基合金が、ナノＰｄＯｘ、ナノＰｄ(ｘ)Ａｕ(ｙ)Ｎｉ(１−ｘ−ｙ)及びナノＰｄ／Ａｕ／ＷＯｘからなる群から選択される、請求項１記載のガスセンサ。
【請求項８】
感知システム（４１０、５１０）であって、
請求項１記載の光ファイバガスセンサ（２０）の１以上、
各光ファイバガスセンサ（２０）に機能的に結合されたＦＣ／ＡＰＣコネクタ（４１４、５１６）、並びに
ＦＣ／ＡＰＣコネクタ（４１４、５１６）に機能的に結合された光スプリッタ／コンバイナ（４１６）及び光スイッチ（５１４）の一方
を含んでなる感知システム（４１０、５１０）。
【請求項９】
当該感知システム（４１０、５１０）が反射式感知システム（４１０）及び透過式感知システム（５１０）の一方からなる、請求項８記載の感知システム。
【請求項１０】
当該感知システム（４１０、５１０）が単一組成物検出のための一定温度条件及び多重組成物検出のための温度変調条件の一方において動作する、請求項８記載の感知システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２４４２６２（Ｐ２００９−２４４２６２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６２２６４（Ｐ２００９−６２２６４）
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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