多相燃焼システムのための光学式検出方法及び装置
【課題】多相流燃焼システム用の多重検出システムを提供する。
【解決手段】光を送る段階と、光を第１の波長（４０）に調整する段階と、第２の位置において光を受ける段階と、第１の周期の間に光を第１の波長（４０）から第２の波長（４２）まで変化させる段階と、第１の周期の間に第１の吸収線（３２）と第１の非吸収ベースライン信号（３４）とを測定する段階と、光を第３の波長（４４）に切り替える段階と、第２の周期にわたって光を第３の波長（４４）から第４の波長（４６）まで変化させる段階と、第２の周期の間に第２の吸収線（３６）と第２の非吸収ベースライン信号（３５）とを測定する段階とを含む。波長可変光源からの光は、第１の位置から送られ、第２の位置において受けられる、第１の位置と第２の位置との間で、エミッション生成物を通過する。第１の波長はエミッション生成物の第１の吸収線に対応し、第３の波長は第１及び第２の波長とは異なる。
【解決手段】光を送る段階と、光を第１の波長（４０）に調整する段階と、第２の位置において光を受ける段階と、第１の周期の間に光を第１の波長（４０）から第２の波長（４２）まで変化させる段階と、第１の周期の間に第１の吸収線（３２）と第１の非吸収ベースライン信号（３４）とを測定する段階と、光を第３の波長（４４）に切り替える段階と、第２の周期にわたって光を第３の波長（４４）から第４の波長（４６）まで変化させる段階と、第２の周期の間に第２の吸収線（３６）と第２の非吸収ベースライン信号（３５）とを測定する段階とを含む。波長可変光源からの光は、第１の位置から送られ、第２の位置において受けられる、第１の位置と第２の位置との間で、エミッション生成物を通過する。第１の波長はエミッション生成物の第１の吸収線に対応し、第３の波長は第１及び第２の波長とは異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式検出システムに関し、より具体的には多相流燃焼システムで使用するための光学式検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業プロセスプラントの運転を効率、エミッション、信頼性及び安全性の領域で改善しようとする趨勢がある。上述の領域での成功を実現するには、センサ技術が従来に増してより重要なものとなってきている。オンライン又はオフライン最適化、エミッション監視、システム又はコンポーネントの健全性監視及び切迫した突発故障の予告徴候の検出において、リアルタイムの、現場でのかつ空間分解の測定から得られた高品質センサデータは、極めて重要である。
【０００３】
従来の抽出型の測定を実行するサンプリングシステムでは、擬似現場での空間分解データが得られるが、サンプリングシステムに関連する固有の遅れのためにリアルタイムデータを得ることはできない。さらに、サンプルガスを抽出すると、サンプルガスは別の流路に沿って進み、その元の性質が変化する可能性がある。従って、高品質センサデータのためには、従来の抽出型のサンプリングシステムは適切ではなく、別の型のセンサが求められる。
【０００４】
多数の工業プロセスに関して、例えば石炭燃焼炉のような多相流燃焼システムは、センサ技術の適用に対して極めて厳しい環境を与える。例えば石炭燃焼炉の火炎域内部でのような高温に耐えて存続することができるセンサは、殆ど無い。存続するセンサは、法外に高価であるか、又は高度な保守を必要とするか、又は限られた寿命を有するかのいずれかである場合が多い。石炭燃焼炉のような多相流燃焼システムの場合に、現場測定用の貫入型センサは、さらに一層困難な問題に直面する。煤塵（粒子）が、センサの表面に付着してプローブを塞ぐ可能性がある。還元性又は酸化性環境もまた、センサ表面上に望ましくない反応を引き起こしてセンサの損傷をもたらす可能性がある。
【０００５】
これまで非貫入型ガス検知の形態で光学式センサを使用して、上述の問題を回避してきた。光学式検知法は一般的に、多相流から放射される光を検出するか又は多相流が外部光源と相互作用した時の多相流の応答を検出するかのいずれかを含む。大規模な反応型多相流で使用する場合、光学式センサはまた、実施上の問題を受ける。多相流内の粒子は、光を大幅に遮断するか又は散乱する可能性がある。Ｈ２Ｏのような分子による広帯域吸収は、光を大きく減弱させる可能性がある。特に、多相流場が大規模であるか、粒子負荷が高いか又は広帯域吸収可能種の濃度が高い場合には、限られた強度の測定光ビームは、多相流場を完全に貫通透過しない可能性がある。同様に、視線の遠い側からの光の放射は、その光の放射が検出器に到達できる前に、遮断されるか、散乱されるか又は吸収される可能性がある。粒子はしばしば、光学面を汚染する。乱流でありかつ不均一な熱的及び化学的特性を有する多相流に共通の他の問題点は、ビームステアリングと視線に沿った空間変動を解析（デコンボリューション）することが不能であることとである。
【０００６】
センサは、多くの場合、ただ１つの種類の測定に対して専用になっている。従って、複数の検知ニーズを満たすためには、異なる種類のセンサを含む多重検出システムが必要となる。多重検出システムを設置することのコスト及び複雑さは、多重検出システムの幅広い使用に対する障害となっている。１つ以上の種類の測定を実行することができるセンサは、限られているが、コスト及び単純さに関して確かに魅力的である。
【０００７】
複数の位置での検知は、空間変動を求めかつ反応型多相流の異なる位置で起こる異なる現象を捕捉するのに望ましい。これには、複数のセンサが必要となる。幾つかのケースでは、異なる種類のセンサが必要となる場合さえある。システムのコストは通常、設置するセンサの数に比例する。
【特許文献１】米国特許第４０１００４８号
【特許文献２】米国特許出願２００５／０００９０８１Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の問題に対しては、１つのセンサ内に複数の測定種類を組み込むことができるコンポーネントを設計するのが望ましい。また、広範に変化する作動環境の複数の位置、すなわちバーナから始まり排気筒で終わる位置において検知するためのコスト効果がある方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の例示的な実施形態は、エミッション生成物を現場監視する方法を含む。本方法は、光を送る段階と、光を第１の波長に調整する段階と、第２の位置において光を受ける段階と、第１の周期の間に光を第１の波長から第２の波長まで変化させる段階と、第１の周期の間に第１の吸収線と第１の非吸収ベースライン信号とを測定する段階と、光を第３の波長に切り替える段階と、第２の周期にわたって光を第３の波長から第４の波長まで変化させる段階と、第２の周期の間に第２の吸収線と第２の非吸収ベースライン信号とを測定する段階とを含む。光は、波長可変光源によって第１の位置から送られ、第２の位置において受けられる。光は、第１の位置と第２の位置との間で光路に沿ってエミッション生成物を通過する。第１の波長は、エミッション生成物の第１の吸収線に対応する。第３の波長は、第１及び第２の波長とは異なる。
【００１０】
本発明の別の例示的な実施形態は、エミッション生成物を現場監視するための分光式感知システムを含む。本システムは、波長可変光源と、検出器と、光ネットワークとを含む。波長可変光源は、レーザビームを約８０ナノメートルの範囲にわたり１０６ナノメートル／秒の調整速度で調整することができる。検出器は、レーザビームを受けるように構成される。光ネットワークは、流れ場内に配置される。光ネットワークは、波長可変光源と検出器との間で光通信を行う。
【００１１】
本発明の上述及び他の目的、特徴及び利点は、同一の参照符号が同様の要素を示している添付の図面と併せて以下の説明を読むことにより、明らかになるであろう。
【００１２】
次に、幾つかの図において同様な要素に同じ番号を付した図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、多相燃焼システムにおける多数の作動及びエミッションパラメータの空間分解のかつ現場での監視を実行するのに適した光学式検出システムのブロック図を示す。光学式検出システムは、レーザ吸収分光学の一般的原理に基づいて作動する。分子は、離散的エネルギー状態間での固有の遷移を有する。この固有の遷移は、特定の分子と分子が保有する分子結合の種類との関数である。分子が、例えば離散的エネルギー状態間での固有の遷移を引き起こすのに必要なエネルギーに対応するエネルギー準位を保有するフォトンと相互作用した場合、分子は、フォトンを吸収し、より高いエネルギー状態に励起される。
【００１４】
図１を参照すると、本光学式検出システムは、波長可変ダイオードレーザ（ＴＤＬ）１０と、光ネットワーク２０と、検出器３０とを含む。本光学式検出システムは、例示的な実施形態ではＴＤＬ１０を含むが、あらゆる適切な波長可変光源で置き換えることができることを想定している。ＴＤＬ１０は、検出対象の特定の分子の離散的エネルギー状態間での固有の遷移を引き起こすのに必要なエネルギー準位に対応するエネルギー準位を有するレーザビーム１２の形態でフォトン又は光を出力するように周波数調整することができる。レーザビーム１２は次に、光ネットワーク２０に送られる。光ネットワーク２０は、レーザビーム１２を多相燃焼システムの流れ場１００（図７を参照）を通る光路上に向ける。レーザビーム１２が流れ場１００を通過した後に、検出器３０は、流れ場１００を通過する間に分子によって吸収されなかったレーザビーム１２からの光を受ける。Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔの法則が適用されると仮定すると、吸収線強度としても知られる吸収された光の量を使用して、光路に沿って存在する検出対象の特定の分子の濃度を得ることができる。ＴＤＬ１０はまた、分子の２つ又はそれ以上の別個の吸収線強度を測定するように調整することができる。２つの吸収線強度の比率は、流れ場１００の温度に関係する。
【００１５】
多相燃焼システム内の多くの分子は、例えば発電プラントのオペレータにとって関心のあるガスである。存在する分子の濃度は、発電プラントが規制限界値を満たしているか否かを判定するのに使用することができ、或いは多相燃焼システム内での切迫した故障を検出するのに役立てることができる。多相燃焼システム内での分子の多くについての吸収線強度は、約６５０ナノメートル（ｎｍ）〜約２０００ナノメートル（ｎｍ）の波長範囲によって容易にカバーされる近赤外線（ＩＲ）域で検出される。近ＩＲ域は、多くの市販のＴＤＬによってカバーされる。しかしながら、市販のＴＤＬには、優れた精度、安定性及び再現性を備えた状態で広範な調整範囲にわたって極めて高速の調整を提供できるものは、現在のところ殆ど無い。
【００１６】
例示的な実施形態では、ＴＤＬ１０は、最大約８０ナノメートルまでの範囲にわたって連続的に極めて高速の（最大約１０６ナノメートル／秒までの）調整を行うことができる。ＴＤＬ１０は、１つ又はそれ以上のレーザダイオードを作動させ、手の平サイズの装置と同じくらい小さい単一の筺体内にパッケージすることができる。ＴＤＬ１０は、可動部品を全く有しておらず、堅牢な全電子装置である。ＴＤＬ１０は、最大約８０ナノメートルまでの範囲にわたって連続的に極めて高速の（最大約１０６ナノメートル／秒までの）調整を行うために、電流注入を使用する。特定の吸収線の典型的な線幅が約０．１ナノメートル又はそれ以下のオーダであることを考慮すると、ＴＤＬ１０が吸収線全体にわたって調整するには約１００ナノ秒（ｎｓ）を要することになる。
【００１７】
図２は、例示的な実施形態による、第１の特定の分子の２つの別個の吸収線に対する調整プロセスを示す。ＴＤＬ１０は、約１００ナノ秒かけて第１の吸収線３２をスキャンする。ＴＤＬ１０は次に、別の約１００ナノ秒の間に第１の吸収線３２の外側を引き続きスキャンして第１の非吸収ベースライン信号３４をスキャンする。ＴＤＬ１０は、別の波長に切り替える（モードホップする）ために約１００ナノ秒を要し、その後さらに別の約１００ナノ秒を費やして第２の吸収線３６をスキャンし、その次に、第２の非吸収ベースライン信号３５をスキャンするさらに別の約１００ナノ秒が続く。ＴＤＬ１０は次に、約１００ナノ秒以内に第１の吸収線３２に戻るように切り替わることができる。２つの線をスキャンするための全調整サイクルは、全体で約６００ナノ秒すなわち線当たり約３００ナノ秒を要する。第１の特定の分子の温度を測定するためには、少なくとも第１及び第２の吸収線３２及び３６をスキャンすべきである。この例示的な実施形態では、第１の特定の分子の第１及び第２の吸収線３２及び３６のみをスキャンしたが、複数の特定の分子の各々に対してＴＤＬ１０を順次調整することによって複数の特定の分子をスキャンすることができることは、当業者には分かるであろう。従って、５つの線をスキャンした場合には、最大４つまでの分子濃度と流れ場１００の温度とを得ることができる。
【００１８】
図２を参照すると、ＴＤＬ１０は、第１の波長４０で開始し、第２の波長４２に到達するまで、第１の吸収線３２と第１の非吸収ベースライン信号３４との測定の波長を徐々に増加させることによってスキャンを実行する。ＴＤＬ１０は、第２の波長４２から第３の波長４４に急速に切り替わる。ＴＤＬ１０は次に、第４の波長４６に到達するまで、第２の吸収線３６と第２の非吸収ベースライン信号３５との測定の波長を徐々に増加させる。第４の波長４６において、ＴＤＬ１０は、第１の波長４０か又は別の分子に対応する異なる波長かのいずれかに、再び急速に切り替わる。
【００１９】
多相燃焼システムの流れ場１００内の流速が一般的に約２０メータ／秒に達することを考慮しかつ平均乱流強度の３００％の乱流強度であると仮定すると、局所的乱流速度は、約６０メートル／秒に達する。６００ナノ秒の周期が経過した時、流れの最大移動量は、わずかに約３６マイクロメートル（０．０３６ミリメートル）だけである。この移動量は、一般的に約１ｍｍ又はそれよりも大きいレーザビーム１２の直径と比較するとわずかに約３．６％又はそれ以下でしかない。従って、ＴＤＬ１０によって送られたレーザビーム１２の基準枠からすれば、流れ場１００は、全調整サイクルの間に事実上停滞又は動かない状態である。ＴＤＬ１０の高速調整特性のために、流れ場１００の流速の変動による誤差は、無視できる程度である。流れ変動により持ち込まれる誤差の実例には、１）レーザビーム１２に流入しまたレーザビーム１２から流出する粒子による散乱及び消滅量の変化と２）レーザビーム１２に流入しまたレーザビーム１２から流出する吸収種による吸収量の変化とが含まれることに注目されたい。
【００２０】
上述の調整速度が不足したＴＤＬ１０では、流れ場１００がもはやレーザビーム１２に対して動かない状態とは見なせず、また流れの変動、従って誤差がもはや無視できる程度ではないので、測定値に関係する誤差が増大する。従って、極めて高速の調整速度は、測定値における流れ誤差を排除する上で極めて重要である。
【００２１】
図３は、例えば第１の吸収線３２のような例示的な吸収信号の表現を示す。ｙ軸上の数字は、元のレーザビーム強度５０に対する割合を表わす単に基準としてのものである。レーザビーム１２が図１の光ネットワーク２０（例えば、光ファイバ、コリメータレンズ及び汚れた光学面）を通過すると、レーザビーム１２は、強度の或る部分を失う。光損失後強度５２は、光ネットワーク２０による損失を差引いた時の残存強度である。何らかの特定の分子による吸収に加えて、レーザビーム１２は、レーザビーム１２が流れ場を横断する時に散乱（レーザビーム１２よりも小さな又は同程度の寸法の粒子による）及び消滅（（レーザビーム１２よりも大きい粒子による）によって更なる損失を受ける。消滅及び散乱による損失後の残存強度は、流れ場損失後強度５４である。検出器において、レーザビーム１２とは別の光源からの迷光がまた、流れ場からの光放射に起因して感知される場合がある。しかしながら、狭帯域バンドパスフィルタを使用して、迷光を最小限にすることができる。流れ場１００からの光放射を含む測定信号強度は、光放射後強度５６である。流れ場１００からの迷光が無視される場合には、粒子による散乱及び消滅に起因する損失は高信頼度で測定され、流れの不透過率が導き出される。
【００２２】
例示的な実施形態では、光ネットワーク２０は、送光器又は送光用光ファイバ７０と、レーザビーム１２を受けるための受光器又は受光用光ファイバ７２とを有する光ファイバネットワークを含む（図６を参照）。レーザビーム１２を送りかつ受ける最も単純な方法は、レーザビーム１２を流れ場１００の一方側から送り、流れ場１００を横断してレーザビーム１２を移動させて流れ場の反対側で受けるようにすることであり、これは、視線測定法として知られている。例えば大規模公共事業用ボイラのような大型の多相燃焼システムの場合には、ボイラを横断する単一パスが、約３０〜約４０フィートとなる。ボイラのバーナに接近した高粒子流領域では、レーザビーム１２は、粒子散乱及び消滅による損失に起因して、そのような巨大長さを貫通透過できない場合がある。粒子散乱及び消滅による損失を低減するために、図１の光ネットワーク２０は、プローブ６０（図４を参照）を含む。プローブ６０は、流れ場を通るより短い光路を可能にする。光路は、プローブ６０の設計に基づいてその長さが調節できる。プローブ６０を流れ場１００の高粒子領域内に挿入することによって、レーザビーム１２が流れ場全体を横断して移動する場合には不可能であった高粒子領域の正確な測定が可能となる。
【００２３】
プローブ６０を使用することに関連する他の重要な観点は、局所化又は高空間分解能測定をもたらす能力である。長い光路全体にわたる視線測定法と比較すると、より短い光路を備えたプローブ６０は、はるかに高い空間分解能を有する。従って、プローブ６０は、流れパラメータの局所的不均一性を正確に特定する高い能力を有する。また、プローブ６０は格納式であり、このことにより、局所化測定のために流れ場１００内部の異なる位置にプローブ６０を挿入することが可能になる。プローブ６０は、手動で又は自動的に流れ場１００内に挿入することができる。例示的な実施形態では、プローブ６０は、測定時に流れ場１００内に挿入され、不使用時には流れ場１００から引き出される。
【００２４】
例示的な実施形態では、プローブ６０は、最大約２５００°Ｆまでの温度環境で作動可能である。プローブ６０は、高温使用の場合には、プローブ６０を通して例えば空気のみ、空気及び水などのような冷却流体を流すことによって冷却される。必要な冷却流の量は、以下に説明する３つの方法の何らかの組合せを使用して最小限にされる。第１に、プローブ６０は、耐熱材料を使用して、流れ場１００の高温ガスとプローブ６０との間の温度差を最小限にする。第２に、プローブ６０の外面を断熱皮膜（ＴＢＣ）で覆ってプローブ６０への熱伝達を最小限にする。ＴＢＣはまた、プローブ６０の金属部を腐食性侵食から防護する。第３に、プローブ６０の直径を最小限にし、従って熱伝達に対する表面積を最小限にする。例えば、プローブの直径は、約２．６センチメートルよりも小さい。
【００２５】
図４を参照すると、例示的な実施形態では、プローブ６０は、プローブ本体６２、冷却及びパージ流体入り口６４、冷却及びパージ流体出口６６、パージノズル６８、送光用光ファイバ７０、受光用光ファイバ７２（図５を参照）、レンズ７４及びプリズム７６を含む。プローブ本体６２は、耐熱材料、ＴＢＣを用いた皮膜及び最小直径を含む。冷却及びパージ流体入り口６４は、熱を除去するために冷却流体がプローブ本体６２に接触するのを可能にする。例示的な実施形態では、冷却流体はパージ流体と同一であるが、これら流体は、別個のものとすることもできる。別個の冷却及びパージ流体を使用する場合には、任意選択的に別個の対応する入口及び出口を使用する。冷却及びパージ流体出口６６は、冷却及びパージ流体のための戻り通路を提供する。例示的な実施形態では、冷却及びパージ流体出口６６は省略され、冷却及びパージ流体は、流れ場１００に放出される。パージノズル６８は、送光用光ファイバ７０、レンズ７４及びプリズム７６を覆うようにパージ空気を向ける。この例示的な実施形態では、第１のパージノズル６７は、パージ流体の流れを送光用光ファイバ７０及びレンズ７４の表面に対してほぼ直角に矢印７８で示す第１の方向に向ける。第２のパージノズル６９は、パージ流体の流れをプリズム７６の表面に対してほぼ直角に矢印８０で示す第２の方向に向ける。第２の方向は、第１の方向とほぼ反対方向である。この例示的な実施形態では、第１及び第２の方向７８及び８０は反対方向であるが、方向７８及び８０は必ずしも反対方向である必要はない。冷却流体はプローブ本体６２を冷却し、またパージ流体は、プローブ６０の光学面（例えば、レンズ７４、プリズム７６及び送光用光ファイバ７０）を覆って流れて、粒子が光学面に堆積しない状態に保つ。パージ流体の流量は、冷却流体の最大流量に等しいのが理想的である。
【００２６】
図５は、例示的な実施形態による、プローブ６０を含む光ネットワーク２０の概略図である。図６は、プローブ６０の光学面の拡大図である。図５及び図６を参照すると、最大約１３００°Ｆまで作動可能な２つの高温用金メッキ全シリカ光ファイバケーブルが、プローブ６０に接続される。１つの光ファイバケーブルは、送光用光ファイバ７０として機能し、流れ場１００を通して第１の方向８４にレーザビーム１２を発射し、他の光ファイバケーブルは、受光用光ファイバ７２として機能する。レーザビーム１２は、９０度プリズムの内部で２回反射した後に、第１の方向８４と反対の第２の方向８６にレンズ７４に向かって進む。レンズ７４は、レーザビーム１２の直径の約５〜約１０倍であり、レーザビーム１２を受光用光ファイバ７２上に集束させるために使用される。レーザビーム１２の直径よりも大きい直径を有するレンズ７４は、ビームステアリングを行って、流れ場１００での乱流を補正する。例示的な実施形態では、プリズム７６及びレンズ７４は、高耐熱性及び耐化学物質性のサファイアで作られるが、他の適切な材料もまた想定される。パージノズル６８があるにも拘わらず、プローブ６０の光学面は、粒子によって被覆されてレーザビーム１２の減弱を引き起こす場合がある。しかしながら、この光学面が被覆されることは、吸収のピークにおける検出信号がノイズレベルに接近するまでは、全く影響が無い。非吸収ベースライン信号は、光学面が被覆されたことの徴候を示す。従って、非吸収ベースライン信号３４は、時間の経過による下方ドリフトのために監視される。下方ドリフトがプローブ６０の清掃を提示した時に、警報が発せられる。
【００２７】
上で説明したように、複数の分子濃度、温度及び不透過率を含む多重測定が、実施可能となる。さらに他の種類の測定もまた、組み込むことができる。例えば、流れ場１００からの光放射の収集に基づいた測定は、同一の光学式アクセスを利用する利点を生かして、送光用及び受光用光ファイバ７０及び７２の両方を使用して光を収集することによって、或いは別個の光ファイバを送光用又は受光用光ファイバ７０又は７２のいずれかに束ねることによって達成される。従って、１つのプローブ６０において、異なる測定のために複数のセンサをパッケージすることができる。収集した光は次に、分光計又はフォトダイオードのいずれかと選択バンドパスフィルタとの組合せに接続されて、スペクトル的に分解した測定値を得ることができる。ＵＶ域での光放射は、温度及び燃空比情報を得るのに使用することができる。ＩＲ域での光放射は、高温測定に対して使用することができる。個々のスペクトル線はまた、アルカリ金属を監視するのに使用することができる。従って、光学式検出システムへの最小限の改良でしかも追加の光学式アクセスを必要とせずに、全く新しい種類の測定を付加することができる。
【００２８】
上で述べたように、プローブ６０は、任意選択的に格納式とし、厳しい流れ場１００環境で使用するようになっている。プローブ６０の特性により、流れ場１００全体にわたって複数のプローブ６０を配置すること（図８を参照）が可能である。複数のプローブ６０は、多重センサ法を使用して２次元（２−Ｄ）又はさらに３次元（３−Ｄ）情報を生成するためのグリッドを形成するように構成可能である。各プローブ６０が流れ場１００内で同一平面上に位置するように複数のプローブ６０を配置することによって、測定パラメータの２次元表現が可能になる。各プローブ６０が流れ場１００全体にわたって非同一平面上に位置するように複数のプローブ６０を配置することによって、測定パラメータの３次元表現が可能になる。３次元表現はまた、プローブ６０が１つ以上の平面内に位置するように複数のプローブ６０を配置した場合に得られる。（２−Ｄ）及び（３−Ｄ）測定はまた、図７に示すように複数の視線測定を実行するような例示的な実施形態において可能となる。測定パラメータの（２−Ｄ）表現は、流れ場１００を通る光路８７の第１の平面を使用することによって得られる。測定パラメータの（３−Ｄ）表現は、光路８８の第２の平面と組合せて光路８７の第１の平面を使用することによって得られる。
【００２９】
複数のプローブ６０又は複数の視線測定を使用することは、複数のＴＤＬ１０及び検出器３０の両方、又はＴＤＬ１０及び検出器３０の資源共用を可能にするためのマルチプレックス装置（光スイッチ）を使用することを必要とする。図７は、複数の視線測定の構成を使用して資源共用するようになった光ネットワーク２０を示す。複数のプローブ６０又は複数の視線測定を使用することにより、流れ場のレーザトモグラフィーが実行される。
【００３０】
単純な多重センサ法は、図８に示すように、ただ１つのＴＤＬ１０と、１つの検出器３０と、マルチプレクサ９０及びデマルチプレクサ９２を備えた光ネットワーク２０とを含む。マルチプレクサ９０は、レーザビーム１２を多重化して複数のプローブ６０に供給する。デマルチプレクサ９２は、複数のプローブ６０の各プローブ６０の出力を逆多重化して単一の検出器３０を使用することを可能にする。例示的な実施形態では、検出器３０は、下方ドリフトがプローブ６０の清掃を提示した時に警報を発するアラーム９４を備えている。
【００３１】
加えて、例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から離れることなく、本発明の要素に様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から離れることなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。さらに、第１の、第２のなどの用語の使用は、いかなる順序又は重要性を示すものではなくて、第１の、第２のなどの用語は、１つの要素を他と区別するために使用している。さらに、数詞のない用語の使用は、数量の限定を示すものではなく、記載したアイテムの少なくとも1つが存在することを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】例示的な実施形態による光学式検出システムのブロック図。
【図２】例示的な実施形態による、特定の分子の２つの吸収線に対する調整プロセスを示す図。
【図３】例示的な吸収信号の構造を示す図。
【図４】例示的な実施形態によるプローブの斜視図。
【図５】例示的な実施形態による、光ネットワークが図４のプローブを含む光学式検出システムの概略図。
【図６】図５のプローブの検知面の拡大概略図。
【図７】例示的な実施形態による、多重センサ法を使用して流れ場内のパラメータを測定する光学式検出システムの概略図。
【図８】例示的な実施形態による、光ネットワーク内に複数のプローブを含む多重センサ法を使用する光学式検出システムのブロック図。
【符号の説明】
【００３３】
１２ レーザビーム
２０ 光ネットワーク
３０ 検出器
６０ プローブ
７０ 送光用光ファイバ
７２ 受光用光ファイバ
７４ レンズ
７６ ９０度プリズム
１００ 流れ場
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式検出システムに関し、より具体的には多相流燃焼システムで使用するための光学式検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業プロセスプラントの運転を効率、エミッション、信頼性及び安全性の領域で改善しようとする趨勢がある。上述の領域での成功を実現するには、センサ技術が従来に増してより重要なものとなってきている。オンライン又はオフライン最適化、エミッション監視、システム又はコンポーネントの健全性監視及び切迫した突発故障の予告徴候の検出において、リアルタイムの、現場でのかつ空間分解の測定から得られた高品質センサデータは、極めて重要である。
【０００３】
従来の抽出型の測定を実行するサンプリングシステムでは、擬似現場での空間分解データが得られるが、サンプリングシステムに関連する固有の遅れのためにリアルタイムデータを得ることはできない。さらに、サンプルガスを抽出すると、サンプルガスは別の流路に沿って進み、その元の性質が変化する可能性がある。従って、高品質センサデータのためには、従来の抽出型のサンプリングシステムは適切ではなく、別の型のセンサが求められる。
【０００４】
多数の工業プロセスに関して、例えば石炭燃焼炉のような多相流燃焼システムは、センサ技術の適用に対して極めて厳しい環境を与える。例えば石炭燃焼炉の火炎域内部でのような高温に耐えて存続することができるセンサは、殆ど無い。存続するセンサは、法外に高価であるか、又は高度な保守を必要とするか、又は限られた寿命を有するかのいずれかである場合が多い。石炭燃焼炉のような多相流燃焼システムの場合に、現場測定用の貫入型センサは、さらに一層困難な問題に直面する。煤塵（粒子）が、センサの表面に付着してプローブを塞ぐ可能性がある。還元性又は酸化性環境もまた、センサ表面上に望ましくない反応を引き起こしてセンサの損傷をもたらす可能性がある。
【０００５】
これまで非貫入型ガス検知の形態で光学式センサを使用して、上述の問題を回避してきた。光学式検知法は一般的に、多相流から放射される光を検出するか又は多相流が外部光源と相互作用した時の多相流の応答を検出するかのいずれかを含む。大規模な反応型多相流で使用する場合、光学式センサはまた、実施上の問題を受ける。多相流内の粒子は、光を大幅に遮断するか又は散乱する可能性がある。Ｈ２Ｏのような分子による広帯域吸収は、光を大きく減弱させる可能性がある。特に、多相流場が大規模であるか、粒子負荷が高いか又は広帯域吸収可能種の濃度が高い場合には、限られた強度の測定光ビームは、多相流場を完全に貫通透過しない可能性がある。同様に、視線の遠い側からの光の放射は、その光の放射が検出器に到達できる前に、遮断されるか、散乱されるか又は吸収される可能性がある。粒子はしばしば、光学面を汚染する。乱流でありかつ不均一な熱的及び化学的特性を有する多相流に共通の他の問題点は、ビームステアリングと視線に沿った空間変動を解析（デコンボリューション）することが不能であることとである。
【０００６】
センサは、多くの場合、ただ１つの種類の測定に対して専用になっている。従って、複数の検知ニーズを満たすためには、異なる種類のセンサを含む多重検出システムが必要となる。多重検出システムを設置することのコスト及び複雑さは、多重検出システムの幅広い使用に対する障害となっている。１つ以上の種類の測定を実行することができるセンサは、限られているが、コスト及び単純さに関して確かに魅力的である。
【０００７】
複数の位置での検知は、空間変動を求めかつ反応型多相流の異なる位置で起こる異なる現象を捕捉するのに望ましい。これには、複数のセンサが必要となる。幾つかのケースでは、異なる種類のセンサが必要となる場合さえある。システムのコストは通常、設置するセンサの数に比例する。
【特許文献１】米国特許第４０１００４８号
【特許文献２】米国特許出願２００５／０００９０８１Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の問題に対しては、１つのセンサ内に複数の測定種類を組み込むことができるコンポーネントを設計するのが望ましい。また、広範に変化する作動環境の複数の位置、すなわちバーナから始まり排気筒で終わる位置において検知するためのコスト効果がある方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の例示的な実施形態は、エミッション生成物を現場監視する方法を含む。本方法は、光を送る段階と、光を第１の波長に調整する段階と、第２の位置において光を受ける段階と、第１の周期の間に光を第１の波長から第２の波長まで変化させる段階と、第１の周期の間に第１の吸収線と第１の非吸収ベースライン信号とを測定する段階と、光を第３の波長に切り替える段階と、第２の周期にわたって光を第３の波長から第４の波長まで変化させる段階と、第２の周期の間に第２の吸収線と第２の非吸収ベースライン信号とを測定する段階とを含む。光は、波長可変光源によって第１の位置から送られ、第２の位置において受けられる。光は、第１の位置と第２の位置との間で光路に沿ってエミッション生成物を通過する。第１の波長は、エミッション生成物の第１の吸収線に対応する。第３の波長は、第１及び第２の波長とは異なる。
【００１０】
本発明の別の例示的な実施形態は、エミッション生成物を現場監視するための分光式感知システムを含む。本システムは、波長可変光源と、検出器と、光ネットワークとを含む。波長可変光源は、レーザビームを約８０ナノメートルの範囲にわたり１０６ナノメートル／秒の調整速度で調整することができる。検出器は、レーザビームを受けるように構成される。光ネットワークは、流れ場内に配置される。光ネットワークは、波長可変光源と検出器との間で光通信を行う。
【００１１】
本発明の上述及び他の目的、特徴及び利点は、同一の参照符号が同様の要素を示している添付の図面と併せて以下の説明を読むことにより、明らかになるであろう。
【００１２】
次に、幾つかの図において同様な要素に同じ番号を付した図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、多相燃焼システムにおける多数の作動及びエミッションパラメータの空間分解のかつ現場での監視を実行するのに適した光学式検出システムのブロック図を示す。光学式検出システムは、レーザ吸収分光学の一般的原理に基づいて作動する。分子は、離散的エネルギー状態間での固有の遷移を有する。この固有の遷移は、特定の分子と分子が保有する分子結合の種類との関数である。分子が、例えば離散的エネルギー状態間での固有の遷移を引き起こすのに必要なエネルギーに対応するエネルギー準位を保有するフォトンと相互作用した場合、分子は、フォトンを吸収し、より高いエネルギー状態に励起される。
【００１４】
図１を参照すると、本光学式検出システムは、波長可変ダイオードレーザ（ＴＤＬ）１０と、光ネットワーク２０と、検出器３０とを含む。本光学式検出システムは、例示的な実施形態ではＴＤＬ１０を含むが、あらゆる適切な波長可変光源で置き換えることができることを想定している。ＴＤＬ１０は、検出対象の特定の分子の離散的エネルギー状態間での固有の遷移を引き起こすのに必要なエネルギー準位に対応するエネルギー準位を有するレーザビーム１２の形態でフォトン又は光を出力するように周波数調整することができる。レーザビーム１２は次に、光ネットワーク２０に送られる。光ネットワーク２０は、レーザビーム１２を多相燃焼システムの流れ場１００（図７を参照）を通る光路上に向ける。レーザビーム１２が流れ場１００を通過した後に、検出器３０は、流れ場１００を通過する間に分子によって吸収されなかったレーザビーム１２からの光を受ける。Ｂｅｅｒ−Ｌａｍｂｅｒｔの法則が適用されると仮定すると、吸収線強度としても知られる吸収された光の量を使用して、光路に沿って存在する検出対象の特定の分子の濃度を得ることができる。ＴＤＬ１０はまた、分子の２つ又はそれ以上の別個の吸収線強度を測定するように調整することができる。２つの吸収線強度の比率は、流れ場１００の温度に関係する。
【００１５】
多相燃焼システム内の多くの分子は、例えば発電プラントのオペレータにとって関心のあるガスである。存在する分子の濃度は、発電プラントが規制限界値を満たしているか否かを判定するのに使用することができ、或いは多相燃焼システム内での切迫した故障を検出するのに役立てることができる。多相燃焼システム内での分子の多くについての吸収線強度は、約６５０ナノメートル（ｎｍ）〜約２０００ナノメートル（ｎｍ）の波長範囲によって容易にカバーされる近赤外線（ＩＲ）域で検出される。近ＩＲ域は、多くの市販のＴＤＬによってカバーされる。しかしながら、市販のＴＤＬには、優れた精度、安定性及び再現性を備えた状態で広範な調整範囲にわたって極めて高速の調整を提供できるものは、現在のところ殆ど無い。
【００１６】
例示的な実施形態では、ＴＤＬ１０は、最大約８０ナノメートルまでの範囲にわたって連続的に極めて高速の（最大約１０６ナノメートル／秒までの）調整を行うことができる。ＴＤＬ１０は、１つ又はそれ以上のレーザダイオードを作動させ、手の平サイズの装置と同じくらい小さい単一の筺体内にパッケージすることができる。ＴＤＬ１０は、可動部品を全く有しておらず、堅牢な全電子装置である。ＴＤＬ１０は、最大約８０ナノメートルまでの範囲にわたって連続的に極めて高速の（最大約１０６ナノメートル／秒までの）調整を行うために、電流注入を使用する。特定の吸収線の典型的な線幅が約０．１ナノメートル又はそれ以下のオーダであることを考慮すると、ＴＤＬ１０が吸収線全体にわたって調整するには約１００ナノ秒（ｎｓ）を要することになる。
【００１７】
図２は、例示的な実施形態による、第１の特定の分子の２つの別個の吸収線に対する調整プロセスを示す。ＴＤＬ１０は、約１００ナノ秒かけて第１の吸収線３２をスキャンする。ＴＤＬ１０は次に、別の約１００ナノ秒の間に第１の吸収線３２の外側を引き続きスキャンして第１の非吸収ベースライン信号３４をスキャンする。ＴＤＬ１０は、別の波長に切り替える（モードホップする）ために約１００ナノ秒を要し、その後さらに別の約１００ナノ秒を費やして第２の吸収線３６をスキャンし、その次に、第２の非吸収ベースライン信号３５をスキャンするさらに別の約１００ナノ秒が続く。ＴＤＬ１０は次に、約１００ナノ秒以内に第１の吸収線３２に戻るように切り替わることができる。２つの線をスキャンするための全調整サイクルは、全体で約６００ナノ秒すなわち線当たり約３００ナノ秒を要する。第１の特定の分子の温度を測定するためには、少なくとも第１及び第２の吸収線３２及び３６をスキャンすべきである。この例示的な実施形態では、第１の特定の分子の第１及び第２の吸収線３２及び３６のみをスキャンしたが、複数の特定の分子の各々に対してＴＤＬ１０を順次調整することによって複数の特定の分子をスキャンすることができることは、当業者には分かるであろう。従って、５つの線をスキャンした場合には、最大４つまでの分子濃度と流れ場１００の温度とを得ることができる。
【００１８】
図２を参照すると、ＴＤＬ１０は、第１の波長４０で開始し、第２の波長４２に到達するまで、第１の吸収線３２と第１の非吸収ベースライン信号３４との測定の波長を徐々に増加させることによってスキャンを実行する。ＴＤＬ１０は、第２の波長４２から第３の波長４４に急速に切り替わる。ＴＤＬ１０は次に、第４の波長４６に到達するまで、第２の吸収線３６と第２の非吸収ベースライン信号３５との測定の波長を徐々に増加させる。第４の波長４６において、ＴＤＬ１０は、第１の波長４０か又は別の分子に対応する異なる波長かのいずれかに、再び急速に切り替わる。
【００１９】
多相燃焼システムの流れ場１００内の流速が一般的に約２０メータ／秒に達することを考慮しかつ平均乱流強度の３００％の乱流強度であると仮定すると、局所的乱流速度は、約６０メートル／秒に達する。６００ナノ秒の周期が経過した時、流れの最大移動量は、わずかに約３６マイクロメートル（０．０３６ミリメートル）だけである。この移動量は、一般的に約１ｍｍ又はそれよりも大きいレーザビーム１２の直径と比較するとわずかに約３．６％又はそれ以下でしかない。従って、ＴＤＬ１０によって送られたレーザビーム１２の基準枠からすれば、流れ場１００は、全調整サイクルの間に事実上停滞又は動かない状態である。ＴＤＬ１０の高速調整特性のために、流れ場１００の流速の変動による誤差は、無視できる程度である。流れ変動により持ち込まれる誤差の実例には、１）レーザビーム１２に流入しまたレーザビーム１２から流出する粒子による散乱及び消滅量の変化と２）レーザビーム１２に流入しまたレーザビーム１２から流出する吸収種による吸収量の変化とが含まれることに注目されたい。
【００２０】
上述の調整速度が不足したＴＤＬ１０では、流れ場１００がもはやレーザビーム１２に対して動かない状態とは見なせず、また流れの変動、従って誤差がもはや無視できる程度ではないので、測定値に関係する誤差が増大する。従って、極めて高速の調整速度は、測定値における流れ誤差を排除する上で極めて重要である。
【００２１】
図３は、例えば第１の吸収線３２のような例示的な吸収信号の表現を示す。ｙ軸上の数字は、元のレーザビーム強度５０に対する割合を表わす単に基準としてのものである。レーザビーム１２が図１の光ネットワーク２０（例えば、光ファイバ、コリメータレンズ及び汚れた光学面）を通過すると、レーザビーム１２は、強度の或る部分を失う。光損失後強度５２は、光ネットワーク２０による損失を差引いた時の残存強度である。何らかの特定の分子による吸収に加えて、レーザビーム１２は、レーザビーム１２が流れ場を横断する時に散乱（レーザビーム１２よりも小さな又は同程度の寸法の粒子による）及び消滅（（レーザビーム１２よりも大きい粒子による）によって更なる損失を受ける。消滅及び散乱による損失後の残存強度は、流れ場損失後強度５４である。検出器において、レーザビーム１２とは別の光源からの迷光がまた、流れ場からの光放射に起因して感知される場合がある。しかしながら、狭帯域バンドパスフィルタを使用して、迷光を最小限にすることができる。流れ場１００からの光放射を含む測定信号強度は、光放射後強度５６である。流れ場１００からの迷光が無視される場合には、粒子による散乱及び消滅に起因する損失は高信頼度で測定され、流れの不透過率が導き出される。
【００２２】
例示的な実施形態では、光ネットワーク２０は、送光器又は送光用光ファイバ７０と、レーザビーム１２を受けるための受光器又は受光用光ファイバ７２とを有する光ファイバネットワークを含む（図６を参照）。レーザビーム１２を送りかつ受ける最も単純な方法は、レーザビーム１２を流れ場１００の一方側から送り、流れ場１００を横断してレーザビーム１２を移動させて流れ場の反対側で受けるようにすることであり、これは、視線測定法として知られている。例えば大規模公共事業用ボイラのような大型の多相燃焼システムの場合には、ボイラを横断する単一パスが、約３０〜約４０フィートとなる。ボイラのバーナに接近した高粒子流領域では、レーザビーム１２は、粒子散乱及び消滅による損失に起因して、そのような巨大長さを貫通透過できない場合がある。粒子散乱及び消滅による損失を低減するために、図１の光ネットワーク２０は、プローブ６０（図４を参照）を含む。プローブ６０は、流れ場を通るより短い光路を可能にする。光路は、プローブ６０の設計に基づいてその長さが調節できる。プローブ６０を流れ場１００の高粒子領域内に挿入することによって、レーザビーム１２が流れ場全体を横断して移動する場合には不可能であった高粒子領域の正確な測定が可能となる。
【００２３】
プローブ６０を使用することに関連する他の重要な観点は、局所化又は高空間分解能測定をもたらす能力である。長い光路全体にわたる視線測定法と比較すると、より短い光路を備えたプローブ６０は、はるかに高い空間分解能を有する。従って、プローブ６０は、流れパラメータの局所的不均一性を正確に特定する高い能力を有する。また、プローブ６０は格納式であり、このことにより、局所化測定のために流れ場１００内部の異なる位置にプローブ６０を挿入することが可能になる。プローブ６０は、手動で又は自動的に流れ場１００内に挿入することができる。例示的な実施形態では、プローブ６０は、測定時に流れ場１００内に挿入され、不使用時には流れ場１００から引き出される。
【００２４】
例示的な実施形態では、プローブ６０は、最大約２５００°Ｆまでの温度環境で作動可能である。プローブ６０は、高温使用の場合には、プローブ６０を通して例えば空気のみ、空気及び水などのような冷却流体を流すことによって冷却される。必要な冷却流の量は、以下に説明する３つの方法の何らかの組合せを使用して最小限にされる。第１に、プローブ６０は、耐熱材料を使用して、流れ場１００の高温ガスとプローブ６０との間の温度差を最小限にする。第２に、プローブ６０の外面を断熱皮膜（ＴＢＣ）で覆ってプローブ６０への熱伝達を最小限にする。ＴＢＣはまた、プローブ６０の金属部を腐食性侵食から防護する。第３に、プローブ６０の直径を最小限にし、従って熱伝達に対する表面積を最小限にする。例えば、プローブの直径は、約２．６センチメートルよりも小さい。
【００２５】
図４を参照すると、例示的な実施形態では、プローブ６０は、プローブ本体６２、冷却及びパージ流体入り口６４、冷却及びパージ流体出口６６、パージノズル６８、送光用光ファイバ７０、受光用光ファイバ７２（図５を参照）、レンズ７４及びプリズム７６を含む。プローブ本体６２は、耐熱材料、ＴＢＣを用いた皮膜及び最小直径を含む。冷却及びパージ流体入り口６４は、熱を除去するために冷却流体がプローブ本体６２に接触するのを可能にする。例示的な実施形態では、冷却流体はパージ流体と同一であるが、これら流体は、別個のものとすることもできる。別個の冷却及びパージ流体を使用する場合には、任意選択的に別個の対応する入口及び出口を使用する。冷却及びパージ流体出口６６は、冷却及びパージ流体のための戻り通路を提供する。例示的な実施形態では、冷却及びパージ流体出口６６は省略され、冷却及びパージ流体は、流れ場１００に放出される。パージノズル６８は、送光用光ファイバ７０、レンズ７４及びプリズム７６を覆うようにパージ空気を向ける。この例示的な実施形態では、第１のパージノズル６７は、パージ流体の流れを送光用光ファイバ７０及びレンズ７４の表面に対してほぼ直角に矢印７８で示す第１の方向に向ける。第２のパージノズル６９は、パージ流体の流れをプリズム７６の表面に対してほぼ直角に矢印８０で示す第２の方向に向ける。第２の方向は、第１の方向とほぼ反対方向である。この例示的な実施形態では、第１及び第２の方向７８及び８０は反対方向であるが、方向７８及び８０は必ずしも反対方向である必要はない。冷却流体はプローブ本体６２を冷却し、またパージ流体は、プローブ６０の光学面（例えば、レンズ７４、プリズム７６及び送光用光ファイバ７０）を覆って流れて、粒子が光学面に堆積しない状態に保つ。パージ流体の流量は、冷却流体の最大流量に等しいのが理想的である。
【００２６】
図５は、例示的な実施形態による、プローブ６０を含む光ネットワーク２０の概略図である。図６は、プローブ６０の光学面の拡大図である。図５及び図６を参照すると、最大約１３００°Ｆまで作動可能な２つの高温用金メッキ全シリカ光ファイバケーブルが、プローブ６０に接続される。１つの光ファイバケーブルは、送光用光ファイバ７０として機能し、流れ場１００を通して第１の方向８４にレーザビーム１２を発射し、他の光ファイバケーブルは、受光用光ファイバ７２として機能する。レーザビーム１２は、９０度プリズムの内部で２回反射した後に、第１の方向８４と反対の第２の方向８６にレンズ７４に向かって進む。レンズ７４は、レーザビーム１２の直径の約５〜約１０倍であり、レーザビーム１２を受光用光ファイバ７２上に集束させるために使用される。レーザビーム１２の直径よりも大きい直径を有するレンズ７４は、ビームステアリングを行って、流れ場１００での乱流を補正する。例示的な実施形態では、プリズム７６及びレンズ７４は、高耐熱性及び耐化学物質性のサファイアで作られるが、他の適切な材料もまた想定される。パージノズル６８があるにも拘わらず、プローブ６０の光学面は、粒子によって被覆されてレーザビーム１２の減弱を引き起こす場合がある。しかしながら、この光学面が被覆されることは、吸収のピークにおける検出信号がノイズレベルに接近するまでは、全く影響が無い。非吸収ベースライン信号は、光学面が被覆されたことの徴候を示す。従って、非吸収ベースライン信号３４は、時間の経過による下方ドリフトのために監視される。下方ドリフトがプローブ６０の清掃を提示した時に、警報が発せられる。
【００２７】
上で説明したように、複数の分子濃度、温度及び不透過率を含む多重測定が、実施可能となる。さらに他の種類の測定もまた、組み込むことができる。例えば、流れ場１００からの光放射の収集に基づいた測定は、同一の光学式アクセスを利用する利点を生かして、送光用及び受光用光ファイバ７０及び７２の両方を使用して光を収集することによって、或いは別個の光ファイバを送光用又は受光用光ファイバ７０又は７２のいずれかに束ねることによって達成される。従って、１つのプローブ６０において、異なる測定のために複数のセンサをパッケージすることができる。収集した光は次に、分光計又はフォトダイオードのいずれかと選択バンドパスフィルタとの組合せに接続されて、スペクトル的に分解した測定値を得ることができる。ＵＶ域での光放射は、温度及び燃空比情報を得るのに使用することができる。ＩＲ域での光放射は、高温測定に対して使用することができる。個々のスペクトル線はまた、アルカリ金属を監視するのに使用することができる。従って、光学式検出システムへの最小限の改良でしかも追加の光学式アクセスを必要とせずに、全く新しい種類の測定を付加することができる。
【００２８】
上で述べたように、プローブ６０は、任意選択的に格納式とし、厳しい流れ場１００環境で使用するようになっている。プローブ６０の特性により、流れ場１００全体にわたって複数のプローブ６０を配置すること（図８を参照）が可能である。複数のプローブ６０は、多重センサ法を使用して２次元（２−Ｄ）又はさらに３次元（３−Ｄ）情報を生成するためのグリッドを形成するように構成可能である。各プローブ６０が流れ場１００内で同一平面上に位置するように複数のプローブ６０を配置することによって、測定パラメータの２次元表現が可能になる。各プローブ６０が流れ場１００全体にわたって非同一平面上に位置するように複数のプローブ６０を配置することによって、測定パラメータの３次元表現が可能になる。３次元表現はまた、プローブ６０が１つ以上の平面内に位置するように複数のプローブ６０を配置した場合に得られる。（２−Ｄ）及び（３−Ｄ）測定はまた、図７に示すように複数の視線測定を実行するような例示的な実施形態において可能となる。測定パラメータの（２−Ｄ）表現は、流れ場１００を通る光路８７の第１の平面を使用することによって得られる。測定パラメータの（３−Ｄ）表現は、光路８８の第２の平面と組合せて光路８７の第１の平面を使用することによって得られる。
【００２９】
複数のプローブ６０又は複数の視線測定を使用することは、複数のＴＤＬ１０及び検出器３０の両方、又はＴＤＬ１０及び検出器３０の資源共用を可能にするためのマルチプレックス装置（光スイッチ）を使用することを必要とする。図７は、複数の視線測定の構成を使用して資源共用するようになった光ネットワーク２０を示す。複数のプローブ６０又は複数の視線測定を使用することにより、流れ場のレーザトモグラフィーが実行される。
【００３０】
単純な多重センサ法は、図８に示すように、ただ１つのＴＤＬ１０と、１つの検出器３０と、マルチプレクサ９０及びデマルチプレクサ９２を備えた光ネットワーク２０とを含む。マルチプレクサ９０は、レーザビーム１２を多重化して複数のプローブ６０に供給する。デマルチプレクサ９２は、複数のプローブ６０の各プローブ６０の出力を逆多重化して単一の検出器３０を使用することを可能にする。例示的な実施形態では、検出器３０は、下方ドリフトがプローブ６０の清掃を提示した時に警報を発するアラーム９４を備えている。
【００３１】
加えて、例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から離れることなく、本発明の要素に様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から離れることなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合させるように多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。さらに、第１の、第２のなどの用語の使用は、いかなる順序又は重要性を示すものではなくて、第１の、第２のなどの用語は、１つの要素を他と区別するために使用している。さらに、数詞のない用語の使用は、数量の限定を示すものではなく、記載したアイテムの少なくとも1つが存在することを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】例示的な実施形態による光学式検出システムのブロック図。
【図２】例示的な実施形態による、特定の分子の２つの吸収線に対する調整プロセスを示す図。
【図３】例示的な吸収信号の構造を示す図。
【図４】例示的な実施形態によるプローブの斜視図。
【図５】例示的な実施形態による、光ネットワークが図４のプローブを含む光学式検出システムの概略図。
【図６】図５のプローブの検知面の拡大概略図。
【図７】例示的な実施形態による、多重センサ法を使用して流れ場内のパラメータを測定する光学式検出システムの概略図。
【図８】例示的な実施形態による、光ネットワーク内に複数のプローブを含む多重センサ法を使用する光学式検出システムのブロック図。
【符号の説明】
【００３３】
１２ レーザビーム
２０ 光ネットワーク
３０ 検出器
６０ プローブ
７０ 送光用光ファイバ
７２ 受光用光ファイバ
７４ レンズ
７６ ９０度プリズム
１００ 流れ場
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッション生成物を現場監視する方法であって、
波長可変光源を使用して第１の位置から光を送る段階と、
前記光をエミッション生成物の第１の吸収線（３２）に対応する第１の波長（４０）に調整する段階と、
第２の位置において、前記第１の位置と該第２の位置との間で光路に沿ってエミッション生成物を通過した前記光を受ける段階と、
第１の周期の間に前記光を前記第１の波長（４０）から第２の波長（４２）まで変化させる段階と、
前記第１の周期の間に前記第１の吸収線（３２）と第１の非吸収ベースライン信号（３４）とを測定する段階と、
前記光を前記第１及び第２の波長（４０、４２）とは異なる第３の波長（４４）に切り替える段階と、
第２の周期にわたって前記光を前記第３の波長（４４）から第４の波長（４６）まで変化させる段階と、
前記第２の周期の間に第２の吸収線（３６）と第２の非吸収ベースライン信号（３５）とを測定する段階と、を具備する監視方法
【請求項２】
前記光を前記第３の波長（４４）に切り替える段階が、約１００ナノ秒よりも短い時間内に切り替わることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１及び第２の吸収線（３２、３６）を測定する段階が、各々が約１００ナノ秒の長さである前記第１及び第２の周期をさらに含み、前記第１及び第２の吸収線（３２、３６）が、それぞれ前記第１及び第２の周期の第１の半分の間に測定され、また前記第１及び第２の非吸収ベースライン信号が、それぞれ前記第１及び第２の周期の第２の半分の間に測定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
プローブ内に前記第１及び第２の位置を配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記プローブが、前記第１及び第２の位置間の光通信路内に配置されて前記光を反射するようになった９０度プリズム（７６）を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記エミッション生成物のパラメータの２次元表現を生成するための流れ場（１００）内での同一平面配置、
前記エミッション生成物のパラメータの３次元表現を生成するための流れ場（１００）内での非同一平面配置、及び
前記エミッション生成物のパラメータの３次元表現を生成するための流れ場（１００）の複数の平面内配置、
のうちの少なくとも１つの形態で複数のプローブ（６０）を配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記第１の吸収線（３２）を使用して前記エミッション生成物の濃度を計算する段階、
前記第１及び第２の吸収線（３２、３６）を使用して前記エミッション生成物の温度を計算する段階、及び
前記エミッション生成物の不透過率を計算する段階、
のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
同一の第１の波長（４０）及び異なるエミッション生成物の第１の吸収線（３２）に対応する異なる第１の波長（４０）のうちの１つのを使用して請求項１の方法を反復する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
エミッション生成物を現場監視するための分光式感知システムであって、
レーザビーム（１２）を約８０ナノメートルの範囲にわたり１０６ナノメートル／秒の調整速度で調整することができる波長可変光源と、
前記レーザビーム（１２）を受けるように構成された検出器（３０）と、
流れ場（１００）内に配置され、前記波長可変光源と前記検出器（３０）との間で光通信を行う光ネットワーク（２０）と、を備えた光式感知システム。
【請求項１０】
前記光ネットワーク（２０）が、
前記波長可変光源からレーザビーム（１２）を送るように構成された送光器と、
前記波長可変光源からのレーザビーム（１２）を受け、前記流れ場（１００）を通る光路を介して前記送光器と光通信を行うように構成された受光器と、を含むことを特徴とする請求項９記載のシステム。
【請求項１】
エミッション生成物を現場監視する方法であって、
波長可変光源を使用して第１の位置から光を送る段階と、
前記光をエミッション生成物の第１の吸収線（３２）に対応する第１の波長（４０）に調整する段階と、
第２の位置において、前記第１の位置と該第２の位置との間で光路に沿ってエミッション生成物を通過した前記光を受ける段階と、
第１の周期の間に前記光を前記第１の波長（４０）から第２の波長（４２）まで変化させる段階と、
前記第１の周期の間に前記第１の吸収線（３２）と第１の非吸収ベースライン信号（３４）とを測定する段階と、
前記光を前記第１及び第２の波長（４０、４２）とは異なる第３の波長（４４）に切り替える段階と、
第２の周期にわたって前記光を前記第３の波長（４４）から第４の波長（４６）まで変化させる段階と、
前記第２の周期の間に第２の吸収線（３６）と第２の非吸収ベースライン信号（３５）とを測定する段階と、を具備する監視方法
【請求項２】
前記光を前記第３の波長（４４）に切り替える段階が、約１００ナノ秒よりも短い時間内に切り替わることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１及び第２の吸収線（３２、３６）を測定する段階が、各々が約１００ナノ秒の長さである前記第１及び第２の周期をさらに含み、前記第１及び第２の吸収線（３２、３６）が、それぞれ前記第１及び第２の周期の第１の半分の間に測定され、また前記第１及び第２の非吸収ベースライン信号が、それぞれ前記第１及び第２の周期の第２の半分の間に測定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
プローブ内に前記第１及び第２の位置を配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記プローブが、前記第１及び第２の位置間の光通信路内に配置されて前記光を反射するようになった９０度プリズム（７６）を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記エミッション生成物のパラメータの２次元表現を生成するための流れ場（１００）内での同一平面配置、
前記エミッション生成物のパラメータの３次元表現を生成するための流れ場（１００）内での非同一平面配置、及び
前記エミッション生成物のパラメータの３次元表現を生成するための流れ場（１００）の複数の平面内配置、
のうちの少なくとも１つの形態で複数のプローブ（６０）を配置する段階をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記第１の吸収線（３２）を使用して前記エミッション生成物の濃度を計算する段階、
前記第１及び第２の吸収線（３２、３６）を使用して前記エミッション生成物の温度を計算する段階、及び
前記エミッション生成物の不透過率を計算する段階、
のうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
同一の第１の波長（４０）及び異なるエミッション生成物の第１の吸収線（３２）に対応する異なる第１の波長（４０）のうちの１つのを使用して請求項１の方法を反復する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
エミッション生成物を現場監視するための分光式感知システムであって、
レーザビーム（１２）を約８０ナノメートルの範囲にわたり１０６ナノメートル／秒の調整速度で調整することができる波長可変光源と、
前記レーザビーム（１２）を受けるように構成された検出器（３０）と、
流れ場（１００）内に配置され、前記波長可変光源と前記検出器（３０）との間で光通信を行う光ネットワーク（２０）と、を備えた光式感知システム。
【請求項１０】
前記光ネットワーク（２０）が、
前記波長可変光源からレーザビーム（１２）を送るように構成された送光器と、
前記波長可変光源からのレーザビーム（１２）を受け、前記流れ場（１００）を通る光路を介して前記送光器と光通信を行うように構成された受光器と、を含むことを特徴とする請求項９記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２２７００３（Ｐ２００６−２２７００３Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９５２８（Ｐ２００６−２９５２８）
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【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１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【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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