JP2002039864A - 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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼火炎温度測定用の分光計を提供する。 【解決手段】 分光計(100)は、燃焼火炎からの光
を受ける位置に配置される少なくとも2個の光検出器で
あって、それぞれの出力信号を発生するためのオーバー
ラップする異なる光応答帯域幅を持っている少なくとも
2個の光検出器(1、2、3、4)と、前記少なくとも
2個の光検出器のうちの第1の光検出器の第1の出力信
号と前記少なくとも2個の光検出器のうちの第2の光検
出器の第2の出力信号との差を求め、この差を前記第1
及び第2の出力信号のうちの一方によって除算して正規
化出力信号を求め、この正規化出力信号を用いて燃焼火
炎温度を決定するコンピュータ(34)とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は一般には光学的火炎
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。
【0002】
【発明の背景】ブラウン(Brown)等の米国特許第
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。
【0003】
【発明の概要】したがって、もっと直接的な温度測定手
法を得ることが望ましいということがわかる。
【0004】簡単に述べると、本発明の一態様に従え
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個の光検出器であって、それぞれの出力信号を発
生するためのオーバーラップする(部分的に重なり合
う)異なる光応答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の光検出器の第1の出力信号と前記少なくとも2個の
光検出器のうちの第2の光検出器の第2の出力信号との
差を求め、この差を前記第1及び第2の出力信号のうち
の一方によって除算して正規化出力信号を求め、この正
規化出力信号を用いて燃焼火炎温度を決定するコンピュ
ータとを含む。
【0005】新規と信じられる本発明の特徴は添付され
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。
【0006】
【発明の詳しい記述】図1及び図2に、本発明の一実施
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及び/又は15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)を含む。少なくとも2個の光検出
器の各々は、オーバーラップする(部分的に重なり合
う)異なる光応答帯域幅を持っていて、(好ましくは、
OH発光帯から)それぞれの出力信号を発生する。分光
計100はまた、前記少なくとも2個の光検出器のうち
の第1の光検出器の第1の出力信号と前記少なくとも2
個の光検出器のうちの第2の光検出器の第2の出力信号
との差を求め、この差を前記第1及び第2の出力信号の
うちの一方によって除算して正規化出力信号を求め、こ
の正規化出力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)を含む。
【0007】この310ナノメートル(nm)域の波長
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。
【0008】窒化ガリウム(GaN、Eg=3.4e
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
X GaX-1 N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AlX GaX-1 N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。
【0009】光検出器1−4(図1および図2)の配列
はOH発光帯の異なるセグメントの火炎強度(光14及
び/又は15)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。
【0010】たとえば、図1に関して、2個の光検出器
1及び2の各々が1つ以上の基板10上に配置される。
一実施態様では、各々の基板は燃焼環境に耐えうる十分
に透明な物質よりなる。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1
14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Al0.35Ga0.65N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、不
純物を添加していない又は不純物を低濃度に添加した第
2の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0.1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306ナノメートルへ変化する。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214
によって支持され、第2のコンタクト・パッド124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
アルミニウム又はアルミニウム・ガリウム窒化物のバッ
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0.1ミクロンか
ら約1ミクロンの範囲の厚みを持つ。上述の実施態様
は、基板を介して光の照射を受けるときに最適な性能が
得られるように構成されている。第2の実施態様は(こ
れはp型半導体層118及び218を介しての光の照射
の場合に最適化されるが)、バッファ層112および2
12並びに第1の半導体層114および214(これ
は、例えば、窒化ガリウムで構成される)を含むことが
できる。この第2の実施態様では、さらに最上部のp型
の第2の半導体層116および216を含んでいてよ
く、また随意選択によるp型の第3の半導体層118お
よび218は、活性p型の第2の半導体層116および
216のアルミニウム成分よりも大きいか又は等しいア
ルミニウム成分を有するアルミニウム・ガリウム窒化物
で構成される。
【0011】4個の光検出器1−4を図2に示すが、本
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。
【0012】そのうえ、各光検出器の最小光応答波長が
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。
【0013】さらに、説明のため各最小光応答波長がお
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。出力信号群を得る方法の厳
密な説明は省くとして、本発明による出力信号群は、オ
ーバーラップする異なる光応答帯域幅を持つ光検出器に
よって発生される少なくとも2つの出力信号を含む。
「オーバーラップする異なる光応答帯域幅」とは、好ま
しくは、光応答カットオフの最小波長か又は最大波長の
いずれか一方がほぼ同じである帯域幅、もしくは、幾分
共通の光応答を持つが、最小および最大光応答カットオ
フが異なる帯域幅を含んでいることを意味する。
【0014】オーバーラップする波長領域内での応答の
大きさが実質的に同じでない場合、一実施態様では、オ
ーバーラップ領域内で大きさを補正するように較正処理
を行うことができる。補正係数は、波長がオーバーラッ
プ領域内にある1つ又はそれ以上の狭い帯域の光で光検
出器を照射することにより決定することができる。この
補正係数をコンピュータで使用して、応答の大きさがオ
ーバーラップ領域内でほぼ同じになるようにすることが
できる。
【0015】少なくとも2つの出力信号群の一方から他
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。
【0016】基板10(又は光学窓)が燃焼環境によっ
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。
【0017】前述のように、光検出器を追加することに
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。
【0018】310ナノメートル(nm)波長域のOH
発光帯は、この波長領域で信号強度が強く、1100゜
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。
【0019】図8は本発明の実施態様による図1および
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1−2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つの増幅器30に送
るか、又はいくつかの別々の増幅器130及び230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。これらの信号は次に単
一のアナログ−デジタル(A/D)変換器32か又は別
々のA/D変換器132及び232によってディジタル
信号に変換される。
【0020】一実施態様では、例えば、これらの出力信
号の差をコンピュータ34の減算部136により求め、
次いで除算器138を用いて、この差を出力信号のうち
の1つの信号で除算することにより正規化出力信号を求
める。より具体的な実施態様では、出力信号のうちの大
きい方の信号から出力信号のうちの小さい方の信号を減
算し、該大きい方の信号で除算を行う。
【0021】正規化出力信号を求めた後、コンピュータ
34がルックアップ・テーブル40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
ーブルは図3〜図6に示すような各曲線のセグメント内
で正規化出力信号の算出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。
【0022】増幅やA/D変換のためにマルチプレクサ
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。また、減算処理および除算処理の前および後にコン
ピュータで長時間出力信号を平均化して、ノイズの影響
を低減するように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。
【0023】他の実施態様においては、この測定系が火
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。
【0024】この明細書では本発明のある特定の好まし
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様により用いられる光検出器
の側断面図である。
【図2】本発明の一実施態様により用いられる光検出器
の平面図である。
【図3】異なる温度におけるOH発光の線強度および分
布を示すグラフである。
【図4】異なる温度におけるOH発光の線強度および分
布を示すグラフである。
【図5】異なる温度におけるOH発光の線強度および分
布を示すグラフである。
【図6】異なる温度におけるOH発光の線強度および分
布を示すグラフである。
【図7】図1および図2の光検出器の光応答の最大波長
例を示すグラフである。
【図8】本発明の実施態様による図1および図2の光検
出器の出力を分析する手法のブロック図である。
【符号の説明】
1、2、3、4 光検出器 10 基板 12 フィルタ 14、15 光 30 増幅器 32 アナログ−ディジタル変換器 34 コンピュータ 100 分光計 114、214 第1のn型半導体層 116、216 第2のn型半導体層 118、218 第3のp型半導体層 120、220 第1のコンタクト・パッド 124、224 第2のコンタクト・パッド 112、212 バッファ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01J 5/28 G01J 5/28 Fターム(参考) 2G020 AA05 BA13 CD04 CD24 CD34 CD37 2G065 AA04 AB05 AB18 BA02 BA34 BB27 BC16 BC35 CA08 DA06 2G066 AA04 AA15 AC14 BA13 BA23 BB01

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃焼火炎温度測定用の分光計(100)
    であって、 燃焼火炎からの光を受ける位置に配置される少なくとも
    2個の光検出器であって、それぞれの出力信号を発生す
    るためのオーバーラップする異なる光応答帯域幅を持っ
    ている少なくとも2個の光検出器(1、2、3、4)
    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
    の第1の出力信号と前記少なくとも2個の光検出器のう
    ちの第2の光検出器の第2の出力信号との差を求め、こ
    の差を前記第1及び第2の出力信号のうちの一方によっ
    て除算して正規化出力信号を求め、この正規化出力信号
    用いて燃焼火炎温度を決定するコンピュータ(34)
    と、を含んでいる燃焼火炎温度測定用分光計。
  2. 【請求項2】 前記光検出器の各々がOH発光帯から出
    力信号を発生する、請求項1記載の分光計。
  3. 【請求項3】 前記の第1及び第2の出力信号の差を求
    めることが、前記第1及び第2の出力信号のうちの大き
    い方の信号から前記第1及び第2の出力信号のうちの小
    さい方の信号を減算することよりなり、前記差を前記第
    1及び第2の出力信号のうちの一方によって除算するこ
    とが、前記差を前記第1及び第2の出力信号のうちの大
    きい方の信号で除算することよりなる、請求項2記載の
    分光計。
  4. 【請求項4】 前記少なくとも2個の光検出器の各々が
    ほぼ同じ最小又は最大光応答波長を有している、請求項
    1記載の分光計。
  5. 【請求項5】 さらに、前記少なくとも2個の光検出器
    の各々が異なる最小又は最大光応答波長を有するように
    前記光検出器の少なくとも1個の光検出器の波長応答性
    を変更する光学フィルタ(12)を含んでいる、請求項
    1記載の分光計。
  6. 【請求項6】 前記コンピュータは、前記正規化出力信
    号用いて燃焼火炎温度を決定するためのルックアップ・
    テーブルを含んでいる、請求項1記載の分光計。
  7. 【請求項7】 前記少なくとも2個の光検出器の各々
    は、 アルミニウム・ガリウム窒化物を含む第1の半導体層
    (114、214)と、 前記第1の半導体層によって支持された第1のコンタク
    ト・パッド(120、220)と、 前記第1の半導体層によって支持された、アルミニウム
    ・ガリウム窒化物を含む第2の半導体層(116、21
    6)と、 前記第1及び第2の半導体層によって支持された第2の
    コンタクト・パッド(124、224)と、を含み、 前記少なくとも2個の光検出器のそれぞれの第1及び第
    2の半導体層は異なるレベルのアルミニウムを含んでい
    る、請求項1記載の分光計。
  8. 【請求項8】 燃焼火炎温度測定用の分光計(100)
    であって、 燃焼火炎からの光を受ける位置に配置される少なくとも
    2個の光検出器であって、OH発光帯からそれぞれの出
    力信号を発生するためのオーバーラップする異なる光応
    答帯域幅を持っている少なくとも2個の光検出器(1、
    2、3、4)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
    の第1の出力信号と前記少なくとも2個の光検出器のう
    ちの第2の光検出器の第2の出力信号との差を求め、こ
    の差を前記第1の出力信号によって除算して正規化出力
    信号を求め、ルックアップ・テーブルを用いることによ
    り前記正規化出力信号を用いて燃焼火炎温度を決定する
    ためのるコンピュータ(34)と、を含んでいる燃焼火
    炎温度測定用分光計。
  9. 【請求項9】 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、オーバーラップする異な
    る光帯域幅を持つ燃焼火炎から少なくとも2つの出力信
    号を得る工程と、 第1の出力信号と第2の出力信号との差を求める工程
    と、 前記差を前記第1及び第2の出力信号のうちの一方によ
    って除算して正規化出力信号を求める工程と、 前記正規化出力信号を用いて燃焼火炎温度を決定する工
    程と、 を含んでいる燃焼火炎温度測定方法。
  10. 【請求項10】 前記少なくとも2つの出力信号がOH
    発光帯から得られる、請求項9記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記第1及び第2の出力信号の差を求
    めることが、前記第1及び第2の出力信号のうちの大き
    い方の信号から前記第1及び第2の出力信号のうちの小
    さい方の信号を減算することよりなり、前記差を前記第
    1及び第2の出力信号のうちの一方によって除算するこ
    とが、前記差を前記第1及び第2の出力信号のうちの大
    きい方の信号で除算することよりなる、請求項10記載
    の方法。
  12. 【請求項12】 前記少なくとも2つの出力信号を得る
    ことが、検出した光の少なくとも幾分かをフィルタリン
    グすることを含んでいる、請求項10記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記燃焼火炎温度を決定することが、
    ルックアップ・テーブルを用いることを含んでいる、請
    求項10記載の方法。
  14. 【請求項14】 燃焼火炎温度測定用の分光計(10
    0)であって、 オーバーラップする異なる光帯域幅を持つOH発光帯か
    ら燃焼火炎を表す少なくとも2つの出力信号を得る手段
    と、 第1及び第2の出力信号の一方を他方から減算してセグ
    メント信号を求める手段と、 前記セグメント信号を前記第1の出力信号によって除算
    して正規化出力信号を求める手段と、 前記正規化出力信号を用いて燃焼火炎温度を決定する手
    段と、を含んでいる燃焼火炎温度測定用分光計。
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