JP2000241249A - 燃焼火炎温度測定方法及び分光計 - Google Patents
燃焼火炎温度測定方法及び分光計Info
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Abstract
を受ける位置に配置される少なくとも2個の光検出器
(1、2、3、4)と、少なくとも2個の光検出器のう
ちの第1の光検出器の各出力信号を第2の光検出器の各
出力信号から減じてセグメント信号を求め、このセグメ
ント信号を用いて燃焼火炎温度を決定するコンピュータ
(34)とを含み、この少なくとも2個の光検出器の各
々は、OH発光帯内の各出力信号を検出するためのオー
バーラップする異なる帯域幅を持っている。
Description
検出に関し、より具体的には、燃焼火炎温度測定用ソリ
ッドステート分光計に関する。
5,589,682号(1996年12月31日発行)
に述べられるような従来の炭化ケイ素火炎検出器は、火
炎の存在を検出して、広範囲な波長に亘ってその火炎光
束の強度を測定する。しかしながら、その測定強度は火
炎温度と常に相関関係にあるとは限らず、特に複数の火
炎がある燃焼器ではその関係が成り立たない。
法を得ることが望ましいということがわかる。
ば、燃焼火炎温度測定用分光計が提供され、該分光計
は、燃焼火炎からの光を受ける位置に配置された少なく
とも2個の光検出器と、この少なくとも2個の光検出器
のうちの第1の光検出器の各出力信号を第2の光検出器
の各出力信号から減じてセグメント信号を求め、このセ
グメント信号を用いて燃焼火炎温度を決定するコンピュ
ータとを含み、この少なくとも2個の光検出器の各々
は、OH発光帯内の各出力信号を検出するためのオーバ
ーラップする(部分的に重なり合う)異なる帯域幅を持
っている。
た請求項に詳しく記載されている。しかしながら、本発
明自体は、構成および作動方法の両方に関し、発明のそ
のほかの目的および利点と共に、添付図面を参照した以
下の説明から最もよく理解されよう。図面において同じ
数字は同様な部品を示すものである。
態様による燃焼火炎温度測定用の分光計100の側断面
図及び平面図を示す。分光計100は、燃焼火炎からの
光14を受ける位置に配置された少なくとも2個の光検
出器(例として、4個の光検出器1、2、3及び4を示
す)と、この少なくとも2個の光検出器のうちの第1の
光検出器の各出力信号を第2の光検出器の各出力信号か
ら減じてセグメント信号を求め、このセグメント信号を
用いて燃焼火炎温度を決定するコンピュータ34(図8
に示す)とを含む。少なくとも2個の光検出器の各々
は、OH発光帯内の各出力信号を検出するための異なる
帯域幅を持っている。
のOH発光帯はOH分子のエネルギ準位間の種々の遷移
によって生じた一連の細い輝線を含む。回転遷移および
振動遷移の両方が起こる。燃焼火炎中のOH分子は熱平
衡状態にあり、燃焼火炎温度を表す発光特性を持つ。3
10ナノメートル域のOH発光帯のこれらの輝線の強度
および分布が4段階の温度について図3〜図6に示して
ある。1500゜Kと3000゜Kとの間の温度が代表
的なガスタービン燃焼器の火炎温度である。
V)の最大吸収波長は約365ナノメートルである。す
なわち、GaNは365ナノメートル以上の波長に対し
透過性である。窒化アルミニウム(AlN、Eg=6.
2)の最大吸収波長は約200ナノメートルである。A
lXGaX-1Nで表される、GaNとAlNとの合金類
は、GaNとAlNとの両極端の間で、その合金中のア
ルミニウム量に依存して変わるバンドギャップ幅を持つ
直接バンドギャップ幅の物質である。これらの合金より
成る半導体は価電子帯から伝導帯に直接光学的に遷移
し、これらの遷移のためにフォノンの助けを必要としな
い(これに対し、炭化ケイ素はフォノンの助けを必要と
する)。その結果、応答のカットオフ特性がシャープで
あり、したがって高分解能を与える。本発明の特定の実
施態様ではAlXGaX-1Nに関して述べられているが、
他の合金も使用することができ、直接バンドギャップ幅
の合金が特に有効である。
はOH発光帯の異なるセグメントの火炎強度(光14)
の検出に用いることができる。これらの光検出器とし
て、たとえば、フォトダイオード又はフォトトランジス
タを用いることができる。好ましい実施態様において
は、各光検出器は、最小光応答波長が実質的にほぼ同じ
であるが最大光応答波長が異なるような、異なったバン
ドギャップ幅を持つ合金を含む。
1及び2がそれぞれ燃焼環境に耐えうる十分に透明な物
質よりなる基板10上に配置される。そのような物質に
ついては、たとえば、約125ミクロンから約750ミ
クロンの範囲の厚みを持つサファイヤがある。第1のn
型半導体層114及び214がアルミニウム・ガリウム
窒化物を含み、約0.5ミクロンから約5ミクロンの範
囲の厚みを持つ。元素の組合せによりAl0.35Ga0.65
Nの組成を持つ合金が得られれば、第1の半導体層の最
大吸収波長(したがって光検出器1及び2の最小光応答
波長)は約290ナノメートルであると立証されてい
る。すなわち、その合金は290ナノメートルより長い
波長を実質的に透過して290ナノメートルより短い波
長を吸収する光学フィルタの役割を果たす。この実施態
様では、低濃度に不純物を添加した第2のp型またはn
型半導体層116及び216が、アルミニウムの組成の
異なるアルミニウム・ガリウム窒化物で構成され、光検
出器の最大光応答波長を様々にかえると共に、約0.2
ミクロンから約1ミクロンの範囲の厚みを持つ。図7の
実施態様では、最大光応答波長は319ナノメートルか
ら、314ナノメートル、310ナノメートルおよび3
06ナノメートルへ変化する。随意選択による第3のp
型半導体層118及び218は、第2の半導体層116
及び216によって支持することができ、窒化ガリウム
を含む。図1の実施態様において、第1のコンタクト・
パッド120及び220が第1の半導体層114及び2
14によって支持され、第2のコンタクト・パッド12
4及び224が第1、第2および第3の半導体層によっ
て支持される。一実施態様において、この第1および第
2コンタクト・パッドは、たとえば、チタン、ニッケ
ル、アルミニウム又は金のような物質を含む金属、合
金、又は金属類ないしは合金類の層を含み、約1000
オングストロームから5000オングストロームの範囲
の厚みを持つ。そのうえ、その第1半導体層と基板との
間に窒化アルミニウムのバッファ層112および212
を設けることができる。一実施態様において、このバッ
ファ層は約0.2ミクロンから約1ミクロンの範囲の厚
みを持つ。
発明によれば2個の光検出器1−2のようなより少数の
光検出器を使用することができ、また光検出器の数の上
限も無い。光検出器の数を追加すれば、装置の費用と計
算の複雑性は増すが、より正確な結果が得られる。
おおむね同じであることが好ましいが、最小光応答波長
が異なる光検出器をもう1個追加する場合でも、1個以
上のフィルタ12(図8に示す)を用いて所定の最小光
応答波長より短い波長を除去し、温度測定に使用する出
力信号群の最小光応答波長がおおむね等しくなるように
することができる。フィルタ12は好ましくは光学フィ
ルタを含み、1つの実施態様として基板10と光検出器
1、2、3及び4の間に位置する。
おむね同じであるという観点で本発明について述べてき
たが、おおむね同じであるのが必ずしも最小光応答波長
である必要は無い。たとえば、図1にて、アルミニウム
含有量を第2半導体層116及び216でよりもむしろ
第1半導体層114及び214で変えて、各最大光応答
波長がおおむね同じになり且つ最小光応答波長がそれぞ
れ異なるようにしてもよい。
として、本発明による出力信号群は、その帯域幅は異な
るが最小光応答波長か又は最大光応答波長のいずれか一
方がおおむね同じである少なくとも2つの出力信号群を
含む。
方を減じることにより、それらの2つの最大波長の間の
スペクトル輝線の強度が求められる。たとえば、図7で
各光検出器の出力信号にA、B、C及びDと符号をつけ
てある。出力信号Aから出力信号Bを減じた場合、その
結果生じる314〜319ナノメートルの範囲の波長域
のセグメント信号の信号強度が、コンピュータ34によ
って、コンピュータ内のルックアップ・テーブル(これ
は図3〜図6のような曲線の積分をもとにグラフの形ま
たは数値の形で作成される)と比較され、これにより温
度を決定することができる。
て汚れた場合、各波長帯の信号がそれぞれ比例して低下
するので、基板または光学窓の状態にかかわらず信号強
度は温度を正確に表し、この測定系は自己補償型になっ
ている。
よって精度は増加する。たとえば、光検出器を3個使用
して、信号の減算を2回行うと(A−BおよびB−
C)、ルックアップ・テーブルで使用し測定温度が得ら
れるデータが追加される。帯域幅の広い出力信号から帯
域幅の狭い出力信号を減じることが好ましいが、そのよ
うな方針は決定的なものではない。そのうえ、精度上
は、A−B、B−C、およびC−Dのように隣接する出
力信号間の差し引きによるセグメント信号を測定するこ
とが好ましいが、A−C又はB−Dのように隣接してい
ない出力信号間のセグメント信号を用いることもでき
る。
個の光検出器が必要であるが、これより得た2個のセグ
メント信号強度から強度比を得る方法である。強度の場
合とと同様に、比は自己補償型であり、さらに単一の信
号増幅器の利得の変動によって起こる信号ドリフトの影
響を取り除くのに有効である。
とも3個の光検出器1、2及び3のうちの第1対の光検
出器1及び2の一方の光検出器1の各出力信号(A)か
ら他方の光検出器2の各出力信号(B)を減じて第1の
セグメント信号を求め、さらに少なくとも3個の光検出
器1、2及び3のうちの第2対の光検出器2及び3の一
方の光検出器2の各出力信号(B)から他方の光検出器
3の各出力信号(C)を減じて第2のセグメント信号を
求める。この実施例では、その次に、AからBを減じた
(A−B)セグメント信号の強度をBからCを減じた
(B−C)セグメント信号の強度で除算した比を得る。
上記の実施例は実施態様の1つを説明したものである。
いくつかの異なったどの様な比でも用いることができ
る。たとえば、比=(C−A)強度/(B−A)強度を
用いることもできる。
発光帯は、この波長領域で信号強度が強く、1200゜
Cもの高温な燃焼器壁(図示してない)に関する黒体放
射に起因する干渉がほとんどないことから、有効であ
る。発光帯としてはOHの発光帯が好ましいが、この原
理は他のスペクトル帯に適用することができる。
コンピュータ内のルックアップ・テーブルを用いて燃焼
火炎温度を決定することができる。この温度ルックアッ
プ・テーブルを図3〜図6に示すような各曲線のセグメ
ント内で強度を積分したものの比に基づくものにするこ
とができる。前述のように、追加のデータ部分は精度の
増加をもたらす。もしコンピュータが光検出器の第3対
から第3のセグメント信号を求め、それを使用して追加
の比を作成すると、その比を使って温度測定の精度を増
すことができる。第3のセグメント信号は、隣接してい
ない出力信号A及びCからA−Cとして求めるか、又
は、より好ましくは、4個目のフォトダイオード4の信
号Dから、たとえば、出力信号の典型としてC−Dとし
て得ることができる。
図2の光検出器の分析手法のブロック線図であり、検出
器1−4を例示している。もし望ましいのであれば、い
くつかの検出器の信号を合波して1つのアンプ30に送
るか、又はいくつかの別々の増幅器130、230、3
30及び430を使用して信号を増幅することができ
る。好ましくはアナログ式演算増幅器で増幅を行う。
タル(A/D)変換器32か又は別々のA/D変換器1
32、232、332及び432によってディジタル信
号に変換される。その後、コンピュータ34は、減算部
136、236及び336で各変換出力信号を減算して
セグメント信号を求め、ルックアップ・テーブル40の
使用に先だって除算部138及び238でセグメント信
号強度の比を求めることができる。
にマルチプレクサが用いられる場合、コンピュータは減
算および除算処理に先立ち各出力信号を保存する記憶装
置を含むことになる。ノイズの影響を低減するように減
算処理の前にコンピュータで長時間出力信号を平均化す
ることはさらに有益である。このような時間平均化は、
たとえば、数時間のオーダー又は数日のオーダーで行っ
てよい。
炎吹き消え又は着火をすばやく検知できるように設計す
ることができる。火炎の存在と平均温度に関する情報は
即時にコンピュータの制御系に伝えることができる。燃
料−空気比を最適化して燃焼で生じる窒素酸化物および
一酸化炭素の排出を最小にするために閉ループ制御を用
いることができる。
い特徴だけを例示し説明してきたが、多くの変更態様お
よび改造が当業者に思い浮かぶであろう。それゆえ、特
許請求の範囲は本発明の本来の精神の中に入るような変
更態様および改造をすべて網羅するものであることを理
解されたい。
の側断面図である。
の平面図である。
分布を示すグラフである。
分布を示すグラフである。
分布を示すグラフである。
分布を示すグラフである。
例を示すグラフである。
出器の出力を分析する手法のブロック図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 燃焼火炎からの光を受ける位置に配置さ
れた少なくとも2個の光検出器であって、該少なくとも
2個の光検出器の各々が、OH発光帯内の各出力信号を
検出するためのオーバーラップする異なる帯域幅を持っ
ている少なくとも2個の光検出器と、 前記少なくとも2個の光検出器のうちの第1の光検出器
の各出力信号を第2の光検出器の各出力信号から減じて
セグメント信号を求め、このセグメント信号を用いて燃
焼火炎温度を決定するコンピュータと、を含んでいる燃
焼火炎温度測定用分光計。 - 【請求項2】 燃焼火炎からの光を受ける位置に配置さ
れていて、各々がそれぞれの出力信号を検出のためのオ
ーバーラップする異なる帯域幅を持っている少なくとも
3個の光検出器と、 前記少なくとも3個の光検出器のうちの第1対の光検出
器の一方の光検出器の各出力信号を他方の光検出器の各
出力信号から減じて第1のセグメント信号を求めると共
に、前記少なくとも3個の光検出器のうちの第2対の光
検出器の一方の光検出器の各出力信号を他方の光検出器
の各出力信号から減じて第2のセグメント信号を求め、
これらの第1及び第2のセグメント信号の強度の比を計
算し、この比を用いて燃焼火炎温度を決定するコンピュ
ータと、を含んでいる燃焼火炎温度測定用分光計。 - 【請求項3】 燃焼火炎温度を測定する方法であって、 燃焼火炎からの光を検出して、OH発光帯内の燃焼火炎
の少なくとも2つの出力信号群を得るステップであっ
て、各々の信号は最小光応答波長または最大光応答波長
の一方がおおむね同じであるオーバーラップする異なる
帯域幅を持っているステップと、 前記少なくとも2つの出力信号群のうちの第1の出力信
号群を第2の出力信号群から減じてセグメント信号を求
めるステップと、 前記セグメント信号を用いて燃焼火炎温度を決定するス
テップと、を含んでいる燃焼火炎温度測定方法。 - 【請求項4】 燃焼火炎温度を測定する方法であって、 燃焼火炎からの光を検出して、OH発光帯内の燃焼火炎
の少なくとも3つの出力信号群を得るステップであっ
て、各々の信号は最小光応答波長または最大光応答波長
の一方がおおむね同じであるオーバーラップする異なる
帯域幅を持っているステップと、 前記少なくとも3個の光検出器のうちの第1対の光検出
器の一方の光検出器の各出力信号を他方の光検出器の各
出力信号から減じて第1のセグメント信号を求めるステ
ップと、 前記少なくとも3個の光検出器のうちの第2対の光検出
器の一方の光検出器の各出力信号を他方の光検出器の各
出力信号から減じて第2のセグメント信号を求め留ステ
ップと、 前記第1及び第2のセグメント信号の強度の比を計算
し、この比を用いて燃焼火炎温度を決定するステップ
と、を含んでいる燃焼火炎温度測定方法。 - 【請求項5】 燃焼火炎温度測定用の分光計であって、 OH発光帯内の燃焼火炎の少なくとも2つの出力信号群
を得る手段であって、各々の出力信号は最小光応答波長
または最大光応答波長の一方がおおむね同じであるオー
バーラップする異なる帯域幅を持っている手段と、 前記少なくとも2つの出力信号群のうちの第1の出力信
号群を第2の出力信号群から減じてセグメント信号を求
める手段と、 前記セグメント信号を用いて燃焼火炎温度を決定する手
段と、を含んでいる分光計。
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