CN108463710A - 使用激光束的气体分析装置以及气体分析方法 - Google Patents
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Abstract
气体分析装置具备：激光源，输出激光束；照射部，使来自激光源的激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；多个受光器，接收透射测量区域的激光束，输出与接收的激光束的强度对应的电信号；以及分析装置，基于从各受光器输出的电信号，对测量对象气体的物理状态进行分析。分析装置至少在测量区域中设定表示测量对象气体的物理状态(浓度、温度等)的函数(例如二维多项式f(X，Y))，使用根据从受光器输出的电信号得到测量值，确定函数中包含的各项系数(ak‑i,i)，从而对测量对象气体的物理状态进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及使用激光束来检测对象气体的物理状态(浓度、温度等)的气体分析装置以及气体分析方法。
背景技术
近年来，从地球温暖化、化石燃料的枯竭、防止环境污染等方面考虑，在各个领域中，地球环保、能源的有效利用受到关注，因此，正在进行各种环境技术的研究。
在这种环境技术中，详细解析发动机、燃烧器等中的燃烧现象的燃烧构造及其过渡行为是重要的。近年来，作为通过高响应以时间序列方式测量燃烧气体中温度、浓度的分布的方法，开发了活用半导体激光吸收法的测量技术。
通常，吸收法是利用气体分子按照化学物种吸收特有波长的红外线的性质及其吸收量的温度、浓度依赖性的测量方法。能够通过求出入射光通过光路长度同样的吸收介质(对象气体)时的入射光的强度(Iλ0)与透射光(Iλ)的强度的比(Iλ/Iλ0)，从而测量对象气体的浓度、温度。
作为使用半导体激光并活用吸收法对测量对象气体的性质(浓度、温度)进行测量的技术，有专利文献1等中公开的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-040747号公报
考虑以二维方式对测量对象气体的入射光与透射光的强度比进行测量，使用CT(Computed Tomography：计算机断层扫描)技术进行测量场所的二维图像重建。为了使用CT技术高精度地进行二维图像的重建，需要较多路径信息。
另一方面，在设置有较多路径的情况下，分析测量对象气体会耗费时间，进行二维图像的重建也耗费时间。因此，在需要实时把握时刻变化的燃烧状态的领域，高精度地进行二维图像的重建难以实用化。
发明内容
本发明提供能够短时间且高精度地进行测量对象气体的分析的气体分析装置以及气体分析方法。
在本发明的第一方式中，提供对二维或者三维区域中的测量对象气体的物理状态进行分析的气体分析装置。气体分析装置具备：激光源，输出激光束；激光控制部，控制激光源；分波器，将来自激光源的激光束分支为多个光路；照射部，使分支的激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；多个受光器，接收投射测量区域的激光束，输出与接收的激光束的强度对应的电信号；以及分析装置，基于从各受光器输出的电信号，对测量对象气体的物理状态进行分析。分析装置至少在测量区域设定表示测量对象气体的物理状态(例如浓度分布、温度分布)的函数，例如规定平面分布或者空间分布的多项式(二维多项式或者三维多项式)，使用根据从受光器输出的电信号得到的测量值，确定多项式中包含的各项系数，从而对测量对象气体的物理状态进行测量。
在本发明的第二方式中，提供对二维或者三维区域中的测量对象气体的物理状态进行分析的气体分析方法。气体分析方法包含下述步骤：使激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；接收投射测量区域的激光束；以及基于接收的激光束的信息对测量对象气体的物理状态(例如，浓度分布、温度分布)进行分析。在分析步骤中，至少在测量区域设定表示测量对象气体的物理状态的函数，例如，规定平面分布或者空间分布的多项式(二维多项式或者三维多项式)，使用根据接收的激光束的信息得出的测量值，确定多项式中包含的各项系数。
根据本发明，能够短时间且高精度地进行测量对象气体的分析。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的气体分析装置结构的图。
图2是表示气体分析装置的测量单元路径的图。
图3是表示气体分析装置中的分析装置结构的图。
图4是说明路径以及网格的图。
图5是说明用于进行CT分析规定的二维多项式的图。
图6是说明与CT分析相关的分析区域的图。
图7是表示CT分析处理的流程图。
图8是对比表示吸光度的计算值与测量值的图。
图9是说明对不同区域应用分辨率不同的函数(二维多项式)的图。
图10是说明空间分辨率不同的函数(二维多项式)的图。
图11是表示适当或者不适当设定函数(二维多项式)的次数时的计算结果的图。
图12是说明本发明的实施方式的测量单元针对发动机的应用例的图。
图13是说明本发明的实施方式的测量单元针对燃烧器的应用例的图。
图14是说明本发明的实施方式的测量单元针对喷气式发动机的应用例的图。
具体实施方式
下面，参照添加的附图，对本发明所涉及的用于气体分析装置的测量单元的实施方式进行说明。
(实施方式1)
1、气体分析装置的结构
图1是表示本发明所涉及的气体分析装置的一个实施方式的结构图。气体分析装置是能够以二维方式对测量对象气体的浓度、温度进行测量的装置。如图1所示，气体分析装置1具备激光器11、激光控制装置14、光纤分路器15、测量单元30、放大器21以及分析装置23。
激光器11是能够输出规定波段的激光束的光源(激光二极管)，例如，由DFB激光器构成。
激光控制装置14控制激光器11，控制激光器11输出的激光束的波长以及强度。具体来讲，激光控制装置14控制激光器11，使激光束的波长随时间变化(扫描)的同时输出激光束。作为激光控制装置14，可以使用对激光二极管注入电流、使激光二极管发光(驱动)的市面上出售各种装置，例如，可以使用Asahidata systems公司生产的LD Driver ALP-7033CC。
光纤分路器15将来自激光器11的激光束分支为多个光路输出。
测量单元30配置在包含有测量对象气体的测量场所使用，是规定测量场所中的激光束的光路的装置。自测量单元30对测量对象气体照射激光束，投射测量对象气体的激光束再次射入测量单元30内。
在测量单元30中安装有光学适配器51a、51b、53a、53b。光学适配器51a、51b在内部分别包含有多个准直器17。光学适配器51a、51b与光纤分路器15通过光纤18连接。准直器17是用于调整激光束的行进方向的光学部件(透镜)。
光学适配器53a、53b在内部分别包含有多个受光器19。光学适配器53a、53b中包含的各受光器19分别与光学适配器51a、51b内的对应的准直器17相对配置。受光器19包含光电二极管、光电晶体管这样的受光元件，接收投射测量对象气体的激光束，并转换为与接收的激光束的强度对应的电信号。光学适配器53a、53b与放大器21之间通过传输电信号的配线20连接。
测量单元30在中央具有圆形的开口35。测量单元30以该开口35配置在测量场所内的方式配置使用。
放大器21将来自受光器19的电信号(模拟信号)放大并转换为数字信号。
分析装置23从放大器21输入信号，对输入的信号的波形(吸收光谱)进行分析，求出气体的浓度以及温度的分布，生成分别表示浓度分布以及温度分布的二维图像。
图2是为了说明测量单元30的框体31a的内部结构而将测量单元30的框体31a以与测量单元30的主面平行的面切断的截面图。测量单元30在中央部分具有开口35。在开口35的周围，配置有具有透光性的窗部件44以及保持窗部件的保持框42。
并且，在测量单元30的框体31a中，从开口35以放射状形成有第一光路33a～33r以及第二光路34a～34r。第一光路33a～33r是用于将来自光学适配器51a、51b(准直器17)的激光束向测量单元30的开口35(即，测量场所)引导的路径。第二光路34a～34r是用于将投射开口35的光向光学适配器53a、53b的受光器19引导的路径。在保持框42的侧面，在与各光路33a～33r、34a～34r对应的位置设置有光的投射孔41。
测量单元30在其开口35，使准直器17与受光器19成对形成路径。在图2中，开口35内所示的虚线箭头表示路径。在本实施方式中，测量单元30具有18个路径。各路径形成为包含在同一平面内，能够在该平面内进行二维测量。
图3是说明分析装置23的具体结构的图。分析装置23例如可以由计算机(信息处理装置)实现。分析装置23具备控制其整体动作的控制器61、显示各种信息的显示部63、用户进行操作的操作部65、暂时存储数据的RAM66、存储数据、程序的数据存储部67、以及用于与外部机器(特别是移动信息终端1)进行通信的通信接口68。
显示部63例如由液晶显示器、有机EL显示器、LED等构成。显示部63能够显示表示气体的浓度分布以及温度分布的二维图像。操作部65是按键、触摸面板这种可接受用户操作的用户界面。
通信接口68是用于按照规定的通信规格(USB、HDMI(注册商标)、WIFI、Bluetooth(注册商标)等)进行通信的电路(模块)。
RAM66例如由DRAM、SRAM等半导体器件构成，可暂时存储数据，并且，作为控制器61的工作区发挥作用。
数据存储部67是存储用于实现规定功能的必要参数、控制程序67a、测量数据等的存储介质。数据存储部67例如由硬盘(HDD)、半导体存储装置(SSD)构成。
通过控制器61执行控制程序67a实现后面所述的规定的功能。另外，控制器61也可以是为了实现后面所述的功能而设计的专用硬件电路。控制器61可以由CPU、MPU、DSP、FPGA、ASIC等构成。此外，控制程序67a可以由DVD-ROM、CD-ROM等存储介质提供，也可以经由通信回线从网络的服务器上下载。
2、操作
说明以上述方式构成的气体分析装置1的操作。
气体分析装置1扫描从激光器11输出的激光束的波长，并且使激光束照射测量场所(例如，发动机的气缸内的燃烧室)内的测量对象气体，分析此时得到的激光束的吸收光谱，从而进行测量对象气体的浓度、温度的测量(分析)。在进行测量对象气体的浓度、温度的测量的情况下，测量单元30安装于燃烧机，使测量单元30的开口35内包含测量场所。
激光器11输出例如包含测量对象气体的成分吸收的特定波长的波段的激光束。或者，激光器11也可以输出包含测量对象气体的成分不吸收的特定波长或者吸收测量对象气体以外的气体成分的波长的波段的激光束。
从激光器11射出的激光束向光纤分路器15输入。光纤分路器15将来自激光器11的激光束分支，向光学适配器51a、51b内的各准直器17输入。输入到各准直器17的激光束向设置在测量单元30的框体内的光路33a～33r输入。输入到各光路33a～33r的激光束投射保持框42以及窗部件44，向测量场所(测量单元30的开口)照射。
照射到测量场所(测量单元30的开口35)的光投射气体时，特定波长成分会被测量场所的气体中包含的测量对象气体吸收。投射测量场所(测量单元30的开口35)的激光束经由窗部件44以及保持框42向受光侧的光路34a～34r射入，向配置在光学适配器53a、53b内的受光器19射入。受光器19将接收的激光束转换为电信号。
来自受光器19的电信号通过放大器21放大，转换为数字信号并向分析装置23输入。
分析装置23基于来自各受光器19的信号波形，重建表示气体成分的浓度和/或温度分布的二维图像。分析装置23使用CT(Computed Tomography)技术进行二维图像的重建。
下面，详细说明本实施方式的分析装置23的二维图像的重建处理(下面称为“CT分析处理”)。
2.1、吸收法
对测量对象气体照射激光束，求出激光束通过测量对象气体(吸收介质)时的入射光的强度(Iλ0)与透射光(Iλ)的强度的比(Iλ/Iλ0)，从而对测量对象气体的浓度、温度进行测量。通过下式表示入射光与透射光的强度比(Iλ/Iλ0)。
式1
λ：激光束的波长
Aλ：针对波长λ的吸光度
ni：顺位i的分子数密度
L：路径长
Si,j(t)：吸收线强度
T：温度
Gvi,j：吸收线的致宽函数
各路径p的吸光度Aλ,p通过下式表示。
式2
Aλ,p：各路径p的吸光度
np：网格q内的分子数密度(浓度)
αλ,q：网格q内的吸光系数
Lp,q：通过网格q的路径p的路径长
λ：激光束的波长
p：路径的编号
q：网格的编号
其中，路径以及网格以图4的方式设定。即，在测量单元30的开口35内的平面区域，在配置为网状的矩形区域的中心设定网格1～25。各网格的位置用XY坐标表示。另外，路径是开口35内的平面区域中从各准直器17朝向与之相对的受光器19的光路，如图4所示，在本实施方式中，存在18个路径(路径1～18)。
通过式(2)，根据测量对象气体的浓度(n)、吸光系数(αλ,q)、路径长(L)可求出针对某个波长的吸光度Aλ,p。其中，路径长(L)是已知的值，因此，对于各路径中包含的多个网格(q)，只要知道各自的测量对象气体的浓度(n)以及吸光系数(αλ,q)，就能够求出每个路径(p)的吸光度Aλ,p。其中，吸光系数(αλ,q)是温度(T)的函数。因此，或者说，对于各路径中包含的多个网格(q)，只要知道各自的测量对象气体的浓度(n)以及温度(T)，就能够求出每个路径(p)的吸光度Aλ,p。
因此，在本实施方式的CT分析处理中，对于对象气体的浓度(n)以及温度(t)，规定图5(A)所示的函数，例如，规定对象气体的浓度(n)与温度(t)的平面分布的m次的二维多项式。图5(A)所示的等式是针对分析对象即区域R0规定浓度分布或者温度分布的函数。X、Y是设定在区域R0上的XY坐标系的坐标，ak-i,i是各项系数。因此，使用与浓度分布以及温度分布相关的函数(m次的二维多项式)求出吸光度的计算值，将吸光度的计算值与吸光度的测量值比较，求出它们的误差最小时的系数ak-i,。由此，确定规定对象气体的浓度(n)以及温度(t)的平面分布的函数(m次的二维多项式)。即，求出测量对象气体的浓度分布以及温度分布。
具体如下，对气体的浓度以及温度分别设定m次的二维多项式(函数)。
浓度分布函数n(X，Y)例如以下述方式设定为m次的二维多项式。
式3
根据式(3)，通过求出系数ak-i,求出浓度分布函数n(X，Y)。
温度分布函数T(X，Y)例如以下述方式设定为m次的二维多项式。
式4
根据式(4)中，通过求出系数bk-i,i求出温度分布函数T(X，Y)。
其中，
2.2、CT分析
气体分析装置1以二维方式从多个方向向开口35照射激光束，接收透射开口35的激光束，基于接收的光的强度求出吸光度，基于该吸光度，分析测量单元30的开口35内的区域的气体的燃烧状态(气体的浓度、温度)。
图6是说明气体分析装置1的CT分析处理的分析区域的图。测量单元30的开口35内的区域R1是测量区域。在本CT分析处理中，将包含测量区域R1的比测量区域R1大的区域R2设定为分析区域。
针对分析区域R2中的区域R1，设定分别规定式(3)以及式(4)所示的测量对象气体的浓度以及温度的分布的函数(例如m次的二维多项式)。另一方面，针对分析区域R2中的区域R1的外侧的区域R21(图6的斜线阴影区域)，设定限制条件。具体来讲，在区域R21设定函数(浓度、温度)的上限值，或者，针对区域R21，设定赋予固定值的函数。区域R1的周缘部(接近外周的区域)的路径数量较少，因此，“通过分别规定浓度以及温度的函数计算的值”可能会较大地背离“实际的浓度以及温度值”(测量精度大幅度降低)。因此，如上所述，可以通过对区域R21设定限制条件，包含区域R21进行计算，从而防止降低区域R1与区域R21的边界附近的测量精度。
在区域R1，根据式(3)以及式(4)，使用对测量对象气体的测量值求出系数ak-i,、bk-i,i，从而确定规定测量对象气体的浓度或者温度的分布的二维多项式。
图7是表示由分析装置23的控制器61执行的CT分析处理的流程图。参照图7的流程图说明分析处理。
首先，作为初始设定，控制器61设定测量对象气体的浓度分布函数n(X，Y)以及温度分布函数T(X，Y)(S11)。具体来讲，将式(3)、(4)中的次数m的值以及系数ak、bk设定为各自的初始值。次数m例如设定为2。
然后，控制器61使用浓度分布函数n以及温度分布函数T计算出吸光度A的理论值(S12)。具体来讲，控制器61使用式(2)对各路径(p)以及取样的多个波长(λ)分别求出吸光度Aλ,p。针对每个网格(q)，计算出nqαλ,qLp,q，将所有网格的nqαλ,qLp,q相加求出吸光度Aλ,p。根据式(3)求出nq。基于使用式(4)求出的温度求出αλ,q。
然后，控制器61基于下面的式(5)计算出吸光度的计算值与吸光度的测量值的误差(Error)(S13)。具体来讲，通过下面的步骤计算吸光度的((Aλ,p)theo)计算值与吸光度的测量值((Aλ,p)exp)的误差。
步骤1)对于所有路径以及所有波长，针对每个路径(p)以及每个波长(λ)求出吸光度(Aλ,p)的计算值与测量值的差值的平方。其中，基于各路径的受光器19接收到的激光束的信息计算出吸光度的测量值。
步骤2)针对每个路径(p)，将求出的差值的平方值以全波长方式合计。
步骤3)将每个路径(p)求出的差值的平方值以所有路径方式合计，从而计算出误差(Error)。
式5
控制器61使浓度分布函数n、温度分布函数T的系数ak、bk分别变化(S17)，并将上述处理重复固定次数，求出误差(Error)非常小时的系数ak、bk(S14)。此时，可以使浓度分布函数n的系数ak以及温度分布函数T的系数bk同时变化。或者，也可以使浓度分布函数n的系数ak以及温度分布函数T的系数bk中的一个始终变化。即，可以重复进行使温度分布函数T的系数bk不变而优化浓度分布函数n的步骤(步骤A)以及使浓度分布函数n的系数ak不变而优化温度函数T的步骤(步骤B)。
控制器61在检测到误差极小时的系数ak、bk的情况下，使用这些系数确定浓度分布函数n以及温度分布函数T(S15)。控制器61分别使用确定的浓度分布函数n以及温度分布函数T生成分别表示测量区域内的浓度分布以及温度分布的图像(S16)。生成的图像的数据保存在数据存储部67中。分别表示浓度分布以及温度分布的图像显示在显示部63。
图8是对比表示1个路径的吸光度的测量值((Aλ,p)exp)与通过上述CT分析方法求出的使用浓度分布函数n以及温度分布函数T计算出的吸光度的计算值((Aλ,p)theo)的图。根据该图可知，相对于吸光度的测量值((Aλ,p)exp)，能够得到高精度的计算值((Aλ,p)theo)。
在上述的实施方式中，对气体的浓度预计温度分别仅规定了一种浓度分布函数以及温度分布函数，但也可以设定多种。即，可以根据分析区域，使用于分析的浓度函数n和/或温度函数T不同。例如，如图9所示，在对应开口35的区域R1，在中央部的区域R12以及其外侧的区域R11规定浓度分布以及温度分布的函数可以不同。根据路径配置的关系，在中央部的区域R12，从较多的路径获取信息，与之相对，在其外侧的区域R11，仅从较少的路径获取信息。因此，如图10(A)、(B)所示，准备空间分辨率不同的两种函数f1、f2，对从较多的路径获取信息的区域R12应用分辨率较高的函数f2，对仅从较少的路径获取信息的区域R11应用分辨率较低的函数f1。这样，能够提高区域R12的空间分辨率。即，根据路径配置区别使用函数f1、f2，从而能够提高特定区域的空间分辨率。
空间分辨率取决于激光路径的配置，无法得到激光路径的间隔以下的空间分辨率。因此，在图像重建中，为了不存在激光路径的间隔以下的空间分辨率，设定浓度分布和/或温度分布的函数的次数m。图11是对比表示测量对象气体(甲烷(CH4))的浓度的计算值以及测量值的图。图11(A)表示适当设定规定浓度的函数的次数m的情况，图11(B)表示规定浓度的函数的次数m过大的情况。如图11(B)所示，当次数m过大时，计算值产生偏差。即，如图11(B)所示，当计算结果产生偏差时，需要以不产生偏差的方式将函数的次数m调整为较低的值。
2.3、三维区域的扩展
本实施方式的思想还能够扩展为测量三维区域的气体的温度、浓度的情况。例如，在进行三维区域的测量的情况下，以下述方式将三维空间的浓度分布函数n(X，Y，Z)设定为m次的三维多项式。
式6
与分析二维区域的方式同样，根据式(6)，求出系数ak-i,i-j,j，从而求出三维区域的浓度分布函数n(X，Y，Z)。进行优化的步骤与上述二维方式相同。与浓度分布的方式同样，根据下式，设定m次的三维多项式，从而求出三维区域的温度分布。
式7
3、总结
本实施方式的气体分析装置1是对二维或者三维区域中的测量对象气体的物理状态(例如，浓度分布、温度分布)进行分析的装置。气体分析装置11具备：激光器11，输出激光束；激光控制装置14，控制激光器11；光纤分路器(分波器)15，将来自激光器11的激光束分支为多个光路；准直器17以及测量单元30(照射部的一个例子)，使分支的激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；多个受光器19，接收透射测量区域的激光束，输出与接收的激光束的强度对应的电信号；以及分析装置23，基于从各受光器19输出的电信号分析测量对象气体的物理状态。分析装置23至少在测量区域设定表示测量对象气体的物理状态(例如，浓度分布、温度分布)的多维多项式(式(3)、(4)、式(6)、(7)(函数的一个例子))，使用根据从受光器19输出的电信号得到的测量值，确定多维多项式中包含的各项系数(ak-i,i、bk-i,i)(ak-i,i-j,j、bk-i,i-j,j)，从而对测量对象气体的物理状态进行测量。
另外，本实施方式公开了以下的对二维或者三维区域中的测量对象气体的物理状态(例如，浓度分布、温度分布)进行分析的气体分析方法。气体分析方法包含下述步骤：使激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；接收透射测量区域的激光束；以及基于接收的激光束的信息，分析测量对象气体的物理状态(例如，浓度分布、温度分布)。在分析步骤中，至少在测量区域设定表示测量对象气体的物理状态的多维多项式(式(3)、(4)、式(6)、(7)(函数的一个例子))，使用根据接收的激光束的信息得到测量值，确定多维多项式中包含的各项系数(ak-i,i、bk-i,i)(ak-i,i-j,j、bk-i,i-j,j)。
根据具有上述结构的气体分析装置以及气体分析方法，能够短时间且高精度地进行测量对象气体的分析。因此，在需要实时把握时刻变化的燃烧状态的领域，也能够高精度地进行二维图像的重建。
(实施方式2)
在本实施方式中，说明实施方式1所示的气体分析装置1针对各种燃烧机的应用例。
A)应用例1
图12是说明将气体分析装置1应用于发动机时的测量单元30针对发动机的安装状态的图。如图12所示，以测量单元30的开口35位于发动机200的燃烧室的方式，将测量单元30配置在发动机200的气缸210的上部。这样，通过配置测量单元30，对发动机200内的燃烧室中的燃烧气体照射激光束，能够测量透射燃烧气体的激光束，能够使用导体激光吸收法以二维方式分析燃烧气体的燃烧状态(浓度、温度)。
此外，在上述例子中，以测量单元30的开口35配置于发动机200的燃烧室的方式配置测量单元30，但是，也可以取代燃烧室，对从气缸210排出的排出气体的流路即排气管设置测量单元30。根据该结构，能够测量分析排出气体的状态。另外，也可以对气缸210或者排气管设置多个测量单元30，使它们沿其法线方向排列配置。由此，能够以三维方式测量气体的状态。
如上所述，使用本实施方式的测量单元30的气体分析装置1能够在发动机的气缸内或者排气系统中检测各种气体的温度、浓度，对于解析过度燃烧现象、未燃烧燃料排除行为是有用的。
B)应用例2
能够将上述实施方式的气体分析装置1应用于检测火力发电所等使用的锅炉用燃烧器的燃烧室内的燃烧状态(对象气体的温度、浓度)。图13(A)是说明上述气体分析装置1应用于锅炉用燃烧器的图。例如，如图13(A)所示，以测量单元30的开口35配置于锅炉的燃烧室110的方式配置测量单元30。由此，能够以二维的方式把握燃烧器100的燃烧室110内的燃烧状态。并且，如图13(B)所示，可以对燃烧室110配置多个测量单元30，使它们沿其法线方向排列，从而能够测量三维区域中的燃烧状态。
C)应用例3
还能够将气体分析装置1应用于检测喷气式发动机、工业用气体涡轮机的燃烧状态(对象气体的温度、浓度)。图14(A)是说明将本实施方式的气体分析装置1应用于喷气式发动机的图。在喷气式发动机300(或者气体涡轮机)中，获取的气流被以涡轮机303的旋转力为原动力的压缩机压缩，在燃烧器301中与燃料混合燃烧。燃烧产生的燃烧气体使涡轮机303旋转，并且从喷射口向外部排气。测量单元30例如如图14(A)所示，可以设置在喷气式发动机300的喷射口附近。由此，能够检测喷气燃料气缸内部的燃烧状态。这种技术对解析流场以及燃料不均匀导致的振动现象是有用的。另外，如图14(B)所示，也可以将测量单元30在喷射口附近沿燃烧气体的排气方向排列配置多个，由此，能够检测三维区域的燃烧状态。
如上所述，通过将实施方式1的气体分析装置1的结构应用于以二维或者三维方式测量温度、浓度分布的方法，能够实现装置的简化、定量化、高敏感度，并且可扩展应用于锅炉、发动机、气体涡轮机等燃烧机。
(变形例)
在上述实施方式的气体分析装置1中，仅使用一个激光源，但也可以使用两种激光源。在使用两种激光源的情况下，将分别来自两种激光源的激光束使用合波器合成后，向光纤分路器输入，分支为多个光路。
另外，从一个激光源输出的激光束(下面称为“激光束1”)的波段与从另一个激光源输出的激光束(下面称为“激光束2”)的波段不同。例如，可以将激光束1的波段设置为包含测量对象气体的成分吸收的特定波长的波段，将激光束2的波段设置为包含测量对象气体成分不吸收的特定波长的波段。此时，能够通过激光束1的吸收光谱中观测的吸收线，对测量对象气体成分进行测量。或者，也可以将扫描激光束1时的波段设置为包含第一测量对象气体的成分吸收的特定波长(第一波长)的波段，将扫描激光束2时的波段设置为包含非第一测量对象气体的其他气体成分(第二测量对象气体)吸收的特定波长(第二波长)的波段。在该情况下，能够通过激光束1以及激光束2各自的吸收光谱中观测的吸收线，同时测量两种气体成分。
上述实施方式的气体分析装置求出测量对象气体的浓度分布以及温度分布，但分析对象不限于浓度、温度。通过设定与想要测量的物理量相关的多维多项式(例如，二维或者三维多项式)，能够同样分析气体的浓度、温度以外的其他物理量。
另外，上述实施方式中公开的分析方法不限于气体分析，能够广泛应用于CT技术。即，可广泛应用于以下装置：对位于测量对象区域(二维平面或者三维空间)的测量对象物照射测量用信号，基于通过测量对象物的信号，分析测量对象物的状态、构造。即，对测量对象区域(二维平面或者三维空间)规定与测量项目(测量对象的物理量)相关的二维或者三维多项式，基于通过测量对象区域的信号的信息，决定二维或者三维多项式的各项系数。由此，能够确定与测量项目(测量对象物的物理量)相关的多项式，能够对测量对象物进行分析。
Claims (11)
1.一种气体分析装置，分析二维或者三维区域中的测量对象气体的物理状态，其特征在于，具备：
激光源，输出激光束；
激光控制部，控制所述激光源；
分波器，将来自所述激光源的激光束分支为多个光路；
照射部，使分支的激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；
多个受光器，接收透射所述测量区域的激光束，输出与接收的激光束的强度对应的电信号；以及
分析装置，基于从各受光器输出的电信号，对测量对象气体的物理状态进行分析，
所述分析装置至少在所述测量区域中设定表示所述测量对象气体的物理状态的函数，
使用根据从所述受光器输出电信号得到的测量值，确定所述函数中包含的各项系数，从而测量所述测量对象气体的物理状态。
2.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，
所述函数由二维多项式或者三维多项式表示。
3.根据权利要求1或2所述的气体分析装置，其特征在于，
所述函数包含所述测量对象气体的表示浓度分布的函数以及表示温度分布的函数。
4.根据权利要求3所述的气体分析装置，其特征在于，
所述分析装置设定表示所述测量对象气体的浓度分布的第一多项式以及表示所述测量对象气体的温度分布的第二多项式作为所述函数，
使用所述第一多项式以及第二多项式求出所述测量对象气体的吸光度的计算值，
基于从所述受光器输出的电信号求出所述测量对象气体的吸光度的测量值，
基于所述吸光度的计算值与测量值的误差，确定各多项式中包含的各项系数，从而求出所述测量对象气体的浓度分布以及温度分布。
5.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，
所述分析装置将包含所述测量区域以及所述测量区域的外侧规定区域的区域设定为分析对象区域，在所述外侧规定区域中设定限制。
6.根据权利要求4所述的气体分析装置，其特征在于，
作为所述限制，在所述外侧规定区域中设定所述函数的值的上限值，或者将所述外侧规定区域中的所述函数的值设定为固定值。
7.根据权利要求1所述的气体分析装置，其特征在于，
所述分析装置将所述测量区域分割为多个区域进行管理，在分割的各区域中应用不同的函数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体分析装置，其特征在于，
所述分析装置基于所述测量对象气体的物理状态的测量结果生成二维图像。
9.一种气体分析方法，对二维或者三维区域中的测量对象气体的物理状态进行分析，其特征在于，包含下述步骤：
使激光束从多个方向照射包含有测量对象气体的测量区域；
接收透射所述测量区域的激光束；以及
基于接收的激光束的信息，对测量对象气体的物理状态进行分析，
在所述进行分析的步骤中，
至少在所述测量区域中设定表示所述测量对象气体的物理状态的函数，
使用根据所述接收的激光束的信息得到的测量值，确定所述函数中包含的各项系数。
10.根据权利要求9所述的气体分析方法，其特征在于，
对于所述分析步骤，
设定表示所述测量对象气体的浓度分布的第一多项式以及表示所述测量对象气体的温度分布的第二多项式作为所述函数，
使用所述第一多项式以及第二多项式求出所述测量对象气体的吸光度的计算值，
基于所述接收的激光束的信息求出所述测量对象气体的吸光度的测量值，
基于所述吸光度的计算值与测量值的误差，确定各多项式中包含的各项系数，从而求出所述测量对象气体的浓度分布以及温度分布。
11.根据权利要求9或10所述的气体分析方法，其特征在于，
所述函数由二维多项式或者三维多项式表示。
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