JP2009510480A - ２線のガス分光法の較正 - Google Patents

Abstract

較正方法は、第１の量の興味のあるガスおよび第２の無関係な量の分光的に同一または類似のガス（１０）のサンプルを通して、レーザー光を投影することを含む、吸光光度法測定を較正する方法。レーザー光の第１および第２の分光吸収は、特定の第１および第２の吸収線上で測定される。関数関係は、第１および第２の測定された分光吸収と、２つの不明変数との間でされる。次に、関数関係は、１つまたは両方の不明変数を決定するために、同時に解かれてもよい、そしてそれによってガスの第２の無関係な量で較正された第１の量の興味のあるガスに関する測定を得る。

Description

本発明は、吸光光度システムを較正するための方法および装置を対象にし、そしてさらに特に補助ガスが分光路中に存在する装置中でチューナブルダイオードレーザー吸光光度法を使用した燃焼室内のガス濃度を決定する方法および装置を対象にする。

米国で生成された電力の大部分は、石炭火力発電所で生成される。大部分の世界中の電気生産は、同様に主要なエネルギー源としての石炭に依存する。核エネルギー生成運転の長期の廃棄物の貯蔵による環境への懸念、および太陽光発電に関連した非効率性により、予測できる範囲の所与の長期の将来において、石炭は主要なエネルギー源であり続けることになりそうである。さらに莫大な世界中の石炭の埋蔵量は、現在の比率でのエネルギー生産で少なくとも２００年間充分な量で存在する。

しかし、石炭火力発電に関連した汚染物質の放出を減少させること、および石炭火力発電工程の全体的な効率の上昇への高い要求がありそして存在し続けるであろう。燃焼室または発電炉内のＯ_２および他のガスのレベルの監視は、効率監視および制御の１つの重要な構成部分である。伝統的に、発電所および他の工業用燃焼の設定においては、燃焼工程の効率および汚染物質の放出のレベルは、非分散型赤外線（ＮＤＩＲ）測光器等の技術を用いて抽出されたガスサンプルで行われる測定を通して間接的に決定されてきた。かなりの遅れがガス抽出の時刻と元素分析との間にあるので、抽出サンプリングシステムは燃焼工程の閉ループ制御にあまり適していない。さらに、抽出工程は、一般的に、非常に変わりやすい動的な燃焼プロセスチャンバー内で測定された種の実際の濃度を表すかもしれないし表さないかもしれない単一点測定となる。

レーザーを用いた光学種センサーは、近年抽出測定技術に関連する関心事項に対処するために実施されてきた。レーザーを用いた測定技術はｉｎ ｓｉｔｕで実施可能であり、そして動的な工程制御に好適な、高速のフィードバックのさらなる利点を示す。燃焼ガスの組成、温度および他の燃焼パラメーターを測定するための特に有望な技術は、チューナブルダイオードレーザー吸光光度法（ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＤＬＡＳ）である。ＴＤＬＡＳは、典型的には近赤外および中赤外スペクトルの領域で稼動されるダイオードレーザーで行われる。好適なレーザーは、電気通信業界における使用のために大規模に開発されてきて、したがって、容易にＴＤＬＡＳ用途に使用可能である。程度の差はあるが燃焼工程の検出および制御に好適なＴＤＬＡＳの種々の技術が開発されてきた。一般に知られている技術は、波長変調分光法、周波数変調分光法および直接（ｄｉｒｅｃｔ）吸光光度法である。これらの技術のそれぞれは、光が燃焼工程チャンバーを通って送信された後で、検出器によって受信されたレーザー光の量と性質との間の所定の関係および工程または燃焼室中に存在するガスの特徴である特定のスペクトル帯での吸収に基づく。検出器によって受信された吸収スペクトルは、分析しているガス種の量プラス関連した温度等の燃焼パラメーターを決定するために使用される。

例えば、Ｖｏｎ Ｄｒａｓｅｋらの米国特許出願第２００２/００３１７３７Ａｌ号明細書は、高温工程の監視および／または制御ためのチューナブルダイオードレーザーを使用する方法および装置を教示する。Ｖｏｎ Ｄｒａｓｅｋは、直接吸光光度法を使用して、多数の燃焼種の相対的な濃度、温度および他のパラメーターを決定することに特徴がある。Ｃａｌａｂｒｏの米国特許第５,８１３,７６７号明細書は、燃焼室に展開する監視燃焼および汚染物質ための類似のシステムを教示する。Ｃａｌａｂｒｏは、間接分光法技術を利用し、観察される吸収特性の形のドップラー幅（Ｄｏｐｐｌｅｒ ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）が温度分析の基礎として利用する。

Ｔｅｉｃｈｅｒｔ、Ｆｅｒｎｈｏｌｚ、およびＥｂｅｒｔは、大型石炭火力発電所の炉内のある燃焼パラメーターの検出に好適な有効なフィールドソリューションに、公知の実験室分析技術としてＴＤＬＡＳの使用を広げた。彼らの記事"近赤外ダイオードレーザーによる大型石炭火力発電所中のＣＯ、Ｈ_２Ｏ、およびガス温度の同時ｉｎ ｓｉｔｕ測定"（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ,４２（１２）：２０４３,２０Ａｐｒｉｌ２００３）の中で、著者らは石炭火力発電所での直接吸光光度法の実施の成功を発表し、そして極度な大スケールおよび石炭の燃焼過程の激しい性質から生じるある技術上の挑戦を議論する。特に、典型的な石炭火力発電所は、１０〜２０メートルの燃焼室直径を有する。プラントは、粉炭で火力を得て、極度に光る高い粉塵の充填のために、レーザー光の透過を遮蔽する燃焼工程となる。さらに、種々の強度のかく乱が発電所燃焼条件下で見出せる。工程チャンバーを通る光の全体的な透過率は、屈折率の変動により粒子による幅広い吸収、散乱またはビームの反れ（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）の結果として、長い間に動的に変動するであろう。検出器の信号に干渉できる燃焼する石炭の粒子からの強度の熱的バックグラウンド放射もある。発電所のボイラーの外の環境は、またＴＤＬＡＳ検出または制御システムの実施に問題を生じる。例えば、任意の電子、光学または他の検出分光法の構成部分は、強度の熱から離れて、または充分に遮蔽しそして冷却されて置かれることが好ましい。ＴＤＬＡＳシステムの実施はこれらの条件下では極度に困難であるが、ＴＤＬＡＳは、石炭の燃焼工程を監視しそして制御するのに特に適しているであろう。燃焼工程を監視および制御するためのＴＤＬＡＳの使用で理解できる議論は、共通で譲り受けられ共に係属中の２００４年３月３１日出願のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ０４/０１００４８号明細書、題名「燃焼の監視および制御のための方法および装置」に含まれ、そのすべてを参照により本明細書中に取り込む。

典型的には、燃焼室の内部と連絡しなければならない電子、光学、および他の検出分光法の構成部分は、燃焼室への特別な開口部と連携する。この開口部またはポートは、多くの場合、石英、溶融シリカ、または燃焼室の内部と関連する極度な高温で安定な透明材料で加工された他の窓であろう。あるいは、開口部は、透明な窓を含まないことができる。いずれにしても、典型的な石炭火力発電所内の開口部は、炉壁を横断していることが好ましく、そして長さは約１８インチであってもよい。上記の様に、燃焼室の内部は、粉炭、灰、および他の粒子状物質が満ちた極度に厳しい環境である。従って、開口部またはポートは、灰および他の粒子状物質で詰まるか、または部分的にふさがれる傾向がある。

ポートの閉塞は、ポートを通してパージ用空気を流すことによって解決できる。パージ用空気は、閉じ込められたパージガスの供給源からポートを通って一定して流されてもよくまたは、さらに通常は、燃焼室の外側からの周囲空気が利用されてもよい。典型的には、パージ用空気は、燃焼室内のＯ_２レベルに比べてかなりの量のＯ_２を含む。

燃焼工程のＴＤＬＡＳ監視および制御の一部として、Ｏ_２または他のガスのレベルを監視することは有用である。Ｏ_２を含有するパージガスの導入は、この測定を著しく複雑にする。測定が行われる炉中の場所によって、パージガスはＴＤＬＡＳ経路に沿って存在する全Ｏ_２の３０％〜６０％のいずれかを含んでもよい。適切な燃焼制御のためには、炉中のＯ_２にのみ興味がある。同様にガス量の任意の吸光光度測定は、第２の量のガスもまた測定経路に存在する場合に複雑になる。従って所望の燃焼室のＯ_２測定におけるパージガスのＯ_２の効果を正確に定量化する方法に対する要求が存在する。本発明は、上記で議論した１つまたは２つ以上の問題を克服することを対象にする。

本発明の一つの形態は、吸光光度測定を較正する方法であり、該方法では、探査レーザーの経路が、興味のあるガスの量、および所望の測定に無関係であるが測定に干渉する潜在性を有する分光的に同一または類似のガスの量の両者を横断する。較正方法は、第１の量の興味のあるガスおよび第２の無関係な量の分光的に同一または類似のガスを含有するサンプルを通してレーザー光を投影することを含む。方法は、また特定の第１および第２の吸収線上でレーザー光の第１および第２の分光吸収を測定することを含む。関数関係は、第１および第２の測定された分光吸収と不明な変数との間で決定される。関数関係は同時に解析され、不明変数の一つまたは両方を決定し、およびそれによって第２の無関係な量のガスで較正した第１の量の興味のあるガスに関係する測定を得ることができる。

方法は、第１の量の興味のあるガス内の平均温度を計算すること、第１の量の興味のあるガスを通る経路の長さを測定することまたは第２の量の分光的に同一または類似のガスを通る第２の経路の長さを測定すること等の物理的パラメーターの決定も含んでもよい。関数関係は、これらの測定されたパラメーターに関して決定されてもよい。

関数関係は、第１の選択された吸収線と関連する第１の選択された吸収線の強度、第２の選択された吸収線と関連する第２の選択された吸収線の強度、第１の選択された吸収線と関連する低エネルギー状態、第２の選択された吸収線と関連する低エネルギー状態；および第２の量の分光的に同一または類似のガスに含まれる興味のあるガスのガス濃度、を含むがこれらに限られない既知の物理定数に関して決定されてもよい。

本発明の一態様は、少なくとも１つのレーザーが少なくとも１つの開口部を通してレーザー光を燃焼室に投影するように配置され、そしてＯ_２含有パージガス流が開口部に適用されるチューナブルダイオードレーザー吸光光度法（ＴＤＬＡＳ）を使用して燃焼室内のＯ_２または他の興味のあるガス濃度を決定する方法である。方法は、開口部および燃焼容器を通してレーザー光を投影すること、第１および第２の選択されたＯ_２吸収線上でレーザー光の第１および第２の分光吸収を測定することを含む。さらに、第１の測定された分光吸収と２つの不明変数、すなわちＯ_２を含有するパージガスの温度および、燃焼室内のＯ_２濃度との間の第１の関数関係が決定される。同様に、第２の測定された分光吸収と２つの不明変数との間の第２の関数関係が最終的に決定される、第１および第２の関数関係が燃焼室内のＯ_２濃度を決定するために解析されてもよい。

方法は、燃焼室内の温度を計算すること、燃焼室を通る経路の長さを測定すること、および任意の開口部と関連するパージ経路の長さを測定することも含むことができる。本発明のこの態様において、第１および第２の関数関係が燃焼室内の測定された温度、燃焼室を通る測定された経路の長さ、および測定されたパージ経路の長さ、並びに上記に記載した不明な変数に関して決定される。第１および第２の関数関係の決定は、第１および第２の選択されたＯ_２吸収線強度、選ばれたそれぞれのＯ_２吸収線と関連する低エネルギー状態、およびＯ_２含有パージガス流のＯ_２濃度を含む既知の物理定数に関して行うことができる。

燃焼室内の温度は、任意の好適な方法によって計算されてもよい、しかし、この温度は、少なくとも２つのＨ_２Ｏ吸収線上でさらに測定された吸収スペクトルから計算できる。

第１および第２の選択されたＯ_２吸収線は、あらゆる可能なＯ_２吸収線から選ばれてもよい、しかし、７６０.２５８ｎｍの波長を有する光の吸収と関連する線および７６０.４５５ｎｍの波長を有する光の吸収と関連する線は、第１および第２の選択されたＯ_２吸収線としての使用に特に充分に適する。

本発明の別の形態は、燃焼室内のＯ_２濃度を決定するための装置である。装置は、燃焼室の中への少なくとも１つの開口部、開口部を通して光を投影するように配置されるチューナブルダイオードレーザー、および燃焼室、および開口部と流体伝達するＯ_２を含有するパージガス源を含む。また装置内に含まれるのは、燃焼室内のＯ_２濃度を、すべて上記の様に、第１の分光吸収線、第２の分光吸収線を測定するため、および関数関係を決定しそして関係を解析するための手段である。

本発明の実施に好適な装置１０が図１のブロック図に示される。装置１０は、石炭火力発電所の炉として図１に示される燃焼室１２を含む。燃焼室１２の内部へのアクセスは、燃焼室１２の壁に形成される１つまたは２つ以上の開口部１４によって提供される。全て図１に示されるように、チューナブルダイオードレーザー吸光光度法（ＴＤＬＡＳ）を行うのに好適なレーザー１６は、レーザー１６が開口部１４および燃焼室１２を通してレーザー光を投影できるように、燃焼室１２と関連しておりそして開口部１４に配置される。レーザー１６から燃焼室１２の反対側は、第２の開口部１４と関連して示される検出器１８である。あるいは、検出器１８は、燃焼室１２を通して反射された二重経路の後で受信されるレーザー光を有するレーザー１６と同じ開口部１４と関連できる。

燃焼室１２内の環境は、極度に厳しい。石炭火力発電所は、例えば、極度に高い速度で燃焼室１２に吹き込まれる粉炭が供給される。従って、燃焼室１２は、石炭の粉塵、灰、および他の粒子状物質が大渦を巻いている。これらの微粒子は、燃焼室１２と関連するあらゆる開口部１４を直ちに詰まらせ、または開口部１４と関連するあらゆる窓を覆いそして塞ぐ。

開口部１４は、パージガス源２０から開口部１４を通ってそして燃焼室１２に入って流れるパージガスによって比較的ふさがれない方式で維持されることができる。従って粉塵、灰、および他の粒子状物質を活発に除去する。パージガス源２０は、選択されたガスを圧力下で保持する自己完結型のユニットであってもよい。さらに典型的には、パージガス源２０は、単に燃焼室１２から任意の開口部１４を通って空気を供給するコンプレッサーであろう。詳細を下記で述べるように空気または他のＯ_２を含有するパージガスが利用される場合、Ｏ_２はレーザー１６の探査経路に直接導入される。探査経路の中へのＯ_２の直接導入は、燃焼室１２内のＯ_２濃度の所望の測定を複雑にする。

本発明は、主として同じまたは分光的に類似のガスが導入されて開口部をパージする燃焼室内のガス濃度または温度のＴＤＬＡＳ測定を較正するための装置および方法として記載される。しかし本発明は、そうした態様に限られない。較正方法は、光が興味のあるガスを含有する領域を通過し、および偽の信号を提供できるであろうかなりの量の他のガスを含有する領域も通過して送信される任意の分光分析の実施に適用できる。従って本発明の較正の態様は、ガス吸光光度法の任意の実施に広い用途を有する。

本発明の燃焼室の実施に好適な装置１０は、さらに具体的に記載されそして図２に示される。検出装置１０は、好ましくは近赤外または中赤外スペクトルの中で選択された波長でレーザー発振する一連のチューナブルダイオードレーザー３２からのレーザー光を使用するチューナブルダイオードレーザー吸光光度法（ＴＤＬＡＳ）を行う。それぞれのチューナブルダイオードレーザー３２の出力は、単一モードの光ファイバー３４でありそしてマルチプレクサー３６へ通じることができる個々の光ファイバーに連結されている。本明細書中で使用される場合、"連結された","光学的に連結された"または"光通信する"とは、光が中間の構成部分または自由空間を通るかまたは通らないかのいずれかで、第１の構成部分から第２の構成部分へ通過することができる、対の部品の間の機能上の関係と定義される。マルチプレクサー３６内では、生成されたいくつかまたは全ての周波数のレーザー光は、多重であり、複数の選択された周波数を有する多重の探査光束を生成する。多重の探査光束はピッチ側の光ファイバー３８に連結され、そして燃焼室４２として示される図２中の工程チャンバーと動作可能なように関連するピッチオプティック４０またはコリメーターに送信される。

ピッチオプティック４０は、燃焼室４２を通して多重の探査光束を投影するように配向される。ピッチオプティック４０と光通信する燃焼室４２の向こう側は、キャッチオプティック４４である。キャッチオプティック４４は、好ましくはピッチオプティック４０の実質的に反対側にあり、そして燃焼室４２と動作可能なように関連する。キャッチオプティック４４は、燃焼室４２を通して投影された多重の探査光束を受信するように配置されそして配向されている。キャッチオプティック４４は、光学的にキャッチ側の光ファイバー４６に連結されており、該ファイバーは、キャッチオプティック４４によって受信される多重の探査光束の一部をデマルチプレクサー４８に送信する。デマルチプレクサー４８内では、キャッチオプティック４４によって受信された多重の探査光束の一部は逆多重され、そして逆多重のレーザー光のそれぞれの波長は、出力光ファイバー５０に連結される。それぞれの出力光ファイバー５０は、次に検出器５２に光学的に連結され、該検出器は典型的には探査光束を生成するために、生成されそして多重化されたレーザー光の選択された周波数の１つに敏感な光検出器である。検出器５２は、検出器の周波数で検出器５２に送信された光の性質および量に基づく電気信号を生成する。それぞれの検出器５２からの電気信号は、データ処理システム５４中で典型的にはデジタル化されそして解析される。下記に詳細を示すように、デジタル化されそして解析されるデータは、燃焼室４２内の種々のガス種および燃焼温度の濃度を含むがこれらに限られない工程チャンバー内の物理的パラメーターを検出するために使用できる。データ処理システム５４は、フィードバックループ５６を通して、燃焼制御装置５８に信号を送信するために使用でき、そしてそれによって選択された工程パラメーターを活発に制御する。燃焼工程の場合は、制御される工程パラメーターは、燃料（例えば、粉炭）供給速度；酸素の供給速度および触媒または化学的試薬の添加速度を含むことができる。検出装置３０のピッチおよびキャッチ側の両方での、電子的および光学的構成部分の光ファイバー連結の使用は、安定な操作環境を有する制御室に配置されるチューナブルダイオードレーザー３２、検出器５２およびデータ処理システム５４等の繊細なおよび温度感受性装置を可能にする。従って、比較的堅牢なピッチおよびキャッチオプティック４０,４４のみが、燃焼室４２の厳しい環境の近くに置かれる必要がある。

本発明は、チューナブルダイオードレーザー吸光光度法（ＴＤＬＡＳ）を含むがこれに限られない任意のタイプのガス吸着分光法で行うことができる。ＴＤＬＡＳは、レーザー分光法において当業者に公知の技術で行うことができる。一般的に、ＴＤＬＡＳは、ターゲット環境を通したレーザー光の透過、続いて、ターゲットガス、例えば一酸化炭素または酸素による特定波長でのレーザー光の吸収の検出によって行われる。検出される光のスペクトル分析は、レーザー経路に沿ったガスのタイプおよび量の同定を可能にする。直接吸光光度法の詳細は、Ｔｅｉｃｈｅｒｔ、 Ｆｅｒｎｈｏｌｚ、 ａｎｄ Ｅｂｅｒｔ、 “近赤外ダイオードレーザーによる大型石炭火力発電所中のＣＯ、Ｈ_２Ｏ、およびガス温度の同時ｉｎ ｓｉｔｕ測定”（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、４２（１２）：２０４３,２０ Ａｐｒｉｌ ２００３）で説明され、本明細書中で参照することによりその全てを取り込む。レーザー吸光光度法の非接触の性質は、他のプローブを使用できない石炭火力発電所の燃焼区画、または引火性のまたは有毒な環境等の厳しい環境での使用に適する。レーザー光の使用は、これらの環境のいくつかで見られる厳しい減衰（典型的には９９.９％より大きい光の損失）の存在下で、検出可能な透過を得るために必要な高い輝度を提供する。ターゲット用途で厳しい条件により耐えるために、レーザー光は、装甲した光ファイバーを通してターゲット環境に持ち込まれてもよい。

複数の燃焼工程の構成部分でのガスの温度または濃度の効果的な検出は、複数の幅広い周波数のレーザー光を用いたＴＤＬＡＳの実行を必要とする。選ばれる周波数は、監視される遷移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）の吸収線と一致することが好ましい。例えば、放出ＮＯ濃度を概算するために６７０ｎｍの波長でＮＯ_２を監視するのが望ましいことが可能である。温度および濃度データの両者を抽出するために、石炭火力施設ボイラー中で酸素、水および一酸化炭素を監視するのもかなり有益である。発電所での実施では、好適な吸収線、および従って好適なレーザー発振周波数は、燃焼室を通るレーザー探査経路の長さがｌ０メートルに等しく、そしてそれぞれの種のモル留分が、ＣＯ（１％）,Ｏ_２（４％）,ＣＯ_２（１０％）、およびＨ_２Ｏ（１０％）であるという仮定に基づいて選択できる。周波数を選択する目的では、工程の温度は、石炭火力発電所で典型的に観察されるよりもわずかに高い１８００Ｋと仮定できるが、余裕は、計算中で安全因子として働く。他のタイプのガス吸光光度法の実施は、異なる仮定を伴うであろう。

石炭火力発電所の例に関しては、３つの水の吸収線を、以下の基準に合うＴＤＬＡＳのために選ぶことができる：
１.それぞれ〜１０００,２０００、および３０００ｃｍ^−１の低エネルギー状態
２.共振で約２０％のビーム吸収となるほぼ０.１〜０.４の都合のよい吸光度を提供する。
３.安価で高出力の、ＤＦＢダイオードテレコミュニケーションレーザーが使用できる場合、最適な状況は、１２５０〜１６５０ｎｍ領域の遷移を利用することである。
４.遷移は、容易な多重化を可能にするために充分に分離されていることが好ましい。
５.選ばれる波長は、既存の（逆）マルチプレクサー格子で、効率的に回析されることが好ましい。

好適な水の線は、以下の波長である：

表１

水に関しては、任意の他の燃焼ガスからの干渉は予想されない。
最も干渉しそうな種、ＣＯ_２を発電所の設定内でモデルにしたが、そして１.３〜１.４μｍ領域では他の強い干渉線はない。

同様に、好適な一酸化炭素の線は、上記で参照されそして取り込まれたＥｂｅｒｔの成果に基づいて選択できる。好適な一酸化炭素の線は、石炭火力公共設備ボイラー中で、Ｒ（２４）線を使用する１５５９.５６２ｎｍに見いだされる。この線の選択は、水および二酸化炭素からの干渉を避ける。光通信Ｃバンド内にあるので、公知の格子が、この波長領域中でかなり効率的である。この波長での吸光度は、０.７％と予想される。

さらに、酸素は７６０.０９３２ｎｍで測定できる。好ましい（逆）多重化格子の効率はこの領域ではわずか４０％であるが、しかし好適なレーザー出力を妥当な測定効率のために使用できる。

本明細書中で既に述べたように、ＴＤＬＡＳ検出装置のピッチ側およびキャッチ側の両方でのファイバー連結の使用は、ピッチおよびキャッチオプティックの重要なアライメントを必要とする。使える状態のアライメントは、好ましくは選択されたアライメント波長で達成される。高出力（４５ｍＷ）ダイオードがこの周波数で入手可能であり、そして６６０ｎｍは、１４番目の格子動作のピーク近傍であろうので、一つの可能なアライメント波長は、６６０ｎｍである。他のアライメント波長が同じくまたはさらに好適に決定されてもよい。

要約すれば、ＴＤＬＡＳための探査光束の多重化ために選ばれる妥当な一式の波長が表２に示すように本発明において具体化される。留意すべきはこの一式の波長は、石炭火力発電所の検出および制御に好適なＴＤＬＡＳ検出装置の１つの態様用である。他の一式の波長は、等しく好適であることができる。

表２

波長多重探査光束を用いたＴＤＬＡＳの特別な利点は、温度測定の高められた精度である。ＴＤＬＡＳで正確な濃度測定を行うために、監視されるガスの温度は知られていることが好ましい。分子吸収の強度は、温度の関数である。従って、吸収特性の振幅を濃度に変換するために、温度は知られていることが好ましい。ＣＯ等の燃焼種の濃度を測定するある以前の試みは、定量化での誤差に繋がる正確が不充分な温度測定に苦しんだ。これは、伝統的に温度測定を全く取り込んでこなかったダイオードレーザーを用いたアンモニアスリップ（ｓｌｉｐ）の監視に特に当てはまる。本発明の検出システムでは、温度は、２つまたは３つ以上の分子水の線の強度比を測定することによって決定されてもよい。２つの線の統合された強度の比率は、温度のみ（全システムの圧力が一定と仮定して）の関数である。従って、原理上は、２つの線は、正確な温度を提供する。しかし、（典型的には工業的な燃焼工程で見出されるような）非均一の温度分布の場合は、２つの線は、温度分布を決定するために充分でない。そうした非均一の温度分布では、２つの線は、"経路で平均化された"温度を決定することだけができる。対照的に、（同じ種の）２より多い線の統合された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）振幅を測定すると、調べられる温度の非均一性を可能にする。この技術の例は、Ｓａｎｄｅｒｓ、 Ｗａｎｇ、 Ｊｅｆｆｒｉｅｓ ａｎｄ Ｈａｎｓｏｎ ｉｎ “Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ” （ｖｏｋｕｍｅ ４０、 ｎｕｍｂｅｒ ２４、 ２０ Ａｕｇｕｓｔ ２００１）によってプローブ分子として酸素を使用して、示されており、本明細書中で参照することによりその全てを取り込む。好ましい技術は、視界の線に沿った測定されたピーク強度の分布が、例えば、経路の半分が３００Ｋにありそして他の半分が７００Ｋにあるので、５００Ｋの平均温度で経路と同じではないという事実による。

さらに正確な温度測定の利益に加えて、多重の探査光束の使用は、燃焼工程に渡ってさらに正確な制御を可能にする１種より多い燃焼ガス種の同時監視を可能にする。

上記の様にＴＤＬＡＳの燃焼監視および制御の応用の重要な属性は、炉または燃焼室１２内のＯ_２レベルを測定する能力である。多くの炉の設計は、開口部１４に灰が近づかないようにすることを助けるパージガスの供給２０を含む。パージガスの供給２０は、炉の作業中は典型的には常に流れ、そしてレーザー経路に沿った全Ｏ_２に比べてかなりの量を含む。炉中の場所によって、パージ用空気は、経路に沿った全Ｏ_２の３０〜６０％のいずれかを含んでもよいが、パーセンテージは所与の場所で一定である。興味のあるのは炉内のＯ_２のみであるので、追加された（パージ用空気）Ｏ_２が正確に定量化されることが好ましい。

図１は、ブロック図の形態で、開口部１４を最初に通過してそして燃焼室１２を通過する、レーザー光の経路を具体的に示す。Ｏ_２は経路内で種々の濃度で存在する。以下の式では、Ｌは経路の長さを意味し、Ｔは温度でありそしてＸ_ｏ２は、酸素濃度である。下付き文字のＰおよびＦは、それぞれパージおよび炉を意味する。
（１）Ａ_１＝Ｆ（Ｓ_１、Ｘ_Ｏ２、Ｆ、Ｘ_Ｏ２、Ｐ、Ｅ_１、Ｔ_Ｆ、Ｔ_Ｐ、Ｌ_Ｆ、Ｌ_ｐ）
（２）Ａ_２＝Ｆ（Ｓ_２、Ｘ_Ｏ２、Ｆ、Ｘ_Ｏ２、Ｐ、Ｅ_２、Ｔ_Ｆ、Ｔ_ｐ、Ｌ_Ｆ、Ｌ_ｐ）

吸光度Ａ_１およびＡ_２は、ＴＤＬＡＳ装置で測定され、そして吸収線強度Ｓ、炉のＯ_２濃度Ｘ_Ｏ２,Ｆ、パージ流れのＯ_２濃度Ｘ_Ｏ２,Ｐ、低状態吸収線エネルギーＥ、炉温度Ｔ_Ｆ、パージ流れの温度Ｔ_Ｐ、炉の経路の長さＬ_Ｆ２２およびパージ経路の長さＬ_Ｐ２４による既知の関数を有してもよい。吸収線強度および低状態エネルギーは既知の物理定数である。経路の長さ２２,２４は、手動で測定されてもよい。燃焼室１２中で温度は、他の測定（特に２つまたは３つ以上の水吸収線のＴＤＬＡＳ監視）から決定されてもよい。パージガス中のＯ_２濃度は、外側の空気がパージガスとして開口部１４を通って入ると仮定して、典型的には周囲の濃度２１％に等しい。これで、２つの不明な要素：Ｘ_Ｏ２ＦおよびＴ_Ｆ、すなわち、燃焼室１２中でのＯ_２濃度およびパージ用空気の温度を残す。

測定された吸光度および２つの不明な要素に関する２つの独立した式は、それぞれ異なる線強度を有しそして異なる低状態エネルギーを有する２つのはっきりとした吸収線でＯ_２を測定することで、このように得られる。
（３）Ａ_１＝Ｆ_１（Ｘ_０２、Ｆ、Ｔ_Ｆ）
（４）Ａ_２＝Ｆ_２（Ｘ_０２、Ｆ、Ｔ_Ｐ）

２つの（非線形の）関数関係（３）および（４）は、吸光度Ａ_１およびＡ_２を測定することによって、２つの不明な要素Ｘ_Ｏ２、ＦおよびＴ_Ｐを解くことができる。そこで、Ｘ_Ｏ２,ＦとＴ_Ｐとの間の関係は組み立てられ、そしてＮｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法等の非線形解法を使用して解くことができる。複数の非線形の関数関係を解くＮｅｗｔｏｎ−Ｒａｐｈｓｏｎ法および他の方法は、関数の可能な根に近づくことが可能な繰り返しプロセスを使用する。結果は２つの曲線となるであろうし、該曲線の交差が同時に式（３）および（４）を解き、Ｘ_Ｏ２、ＦおよびＴ_Ｐの値を決定する。

図３は、式（３）および（４）の解法の表示である。図３は７６０ｎｍＯ_２吸収バンドヘッドの近くに位置する２つの異なるＯ_２線で測定されたように、パージ用空気温度と炉Ｏ_２濃度に関係する２つの曲線を示す。図２に示される測定は、稼働中の石炭火力発電所でなされた。図３に示された交差点は、４００Ｋのパージ用空気温度および２.１％の炉Ｏ_２濃度を示す。

図３中の曲線は燃焼設定が定常状態であった間の、測定された設備に適用される本発明の較正アプローチの結果である。本発明は、動的な運転条件下でも同様に、Ｏ_２の決定に特に充分適する。

上記に詳細に記述されている例は、発電所燃焼室の環境中でのＯ_２のＴＤＬＡＳ測定の較正に関する。供給されるＯ_２は、所望の測定を複雑化させるパージガス供給を通して典型的には導入されるので、較正方法は、特に有用である。上記の方法は、探査レーザーが興味のあるガスを含有する領域、およびさもなければ分光分析をゆがませるであろう補助ガスを含有する領域の両方に渡って送信される任意のガス吸光光度法の実施に適用可能である。

本発明は、多くの態様を参照して特に示されそして記載されたが、形態および詳細の変化が、本明細書中に開示された種々の態様に、本発明の精神および範囲を離れることなくなされるであろうことおよび本明細書中に開示された種々の態様は、請求項の範囲を制限するように働くことを目的としないことを、当業者は理解するであろう。

図１は、本発明と一致する装置の略図である。 図２は、本発明と一致する装置の略図であり、燃焼室に近い構成部分に光学的に連結されことを特徴とする、離れて位置する構成部分である。 図３は、較正の本発明と一致する図式的な具体的な説明である。

Claims (10)

1. 第１の量の興味のあるガスおよび第２の量の分光的に同一または類似のガスを含有するサンプルを通してレーザー光を投影すること；
   第１の選択された吸収線上で該レーザー光の第１の分光吸収を測定すること；
   第２の選択された吸収線上で該レーザー光の第２の分光吸収を測定すること；
   該第１の測定された分光吸収と２つの不明変数との間の第１の関数関係を決定すること；
   該第２の測定された分光吸収と該２つの不明変数との間の第２の関数関係を決定すること；および、
   該第１の量の該興味のあるガス、に関する情報を決定するために、該第１の関数関係および該第２の関数関係を同時に解くこと、
   を含んで成る吸光光度法測定を較正する方法。
2. 該第１の量の該興味のあるガス内の平均温度を計算すること；
   該第１の量の該興味のあるガスを通る経路の長さを測定すること；
   該第２の量の該分光的に同一または類似のガスを通る第２の経路の長さを測定すること；および、
   該第１の量の該興味のあるガス内の該測定された温度、該第１の量の該興味のあるガスを通る該測定された経路の長さ、および該第２の量の分光的に同一または類似のガスを通る該測定された経路の長さに関して、該第１および第２の関数関係を決定すること
   をさら含む請求項１の方法。
3. 該第１の選択された吸収線と関連する第１の選択された吸収線強度；
   該第２の選択された吸収線と関連する第２の選択された吸収線強度；
   該第１の選択された吸収線と関連する低エネルギー状態；
   該第２の選択された吸収線と関連する低エネルギー状態；および、
   該第２の量の該分光的に同一または類似のガス内に含まれる該興味のあるガスのガス濃度、
   を含む定数の群から選択される既知の物理定数に関して、該第１および第２の関数関係を決定することをさらに含む請求項２の方法。
4. 少なくとも１つのレーザーがレーザー光を該燃焼室の中へ少なくとも１つの開口部を通して発信するために配置されており、Ｏ_２含有パージガス流が該開口部に適用されている、ＴＤＬＡＳによって燃焼室内の該Ｏ_２濃度を決定する方法、該方法は、
   レーザー光を、該開口部を通してそして該燃焼容器を通して投影すること；
   第１の選択されたＯ_２吸収線上で該レーザー光の第１の分光吸収を測定すること；
   第２の選択されたＯ_２吸収線上で該レーザー光の第２の分光吸収を測定すること；
   該第１の測定された分光吸収と２つの不明変数との間の第１の関数関係を決定すること；
   該第２の測定された分光吸収と該２つの不明変数との間の第２の関数関係を決定すること；および
   該燃焼室内の該Ｏ_２濃度を決定するために、該第１の関数関係および該第２の関数関係を同時に解くこと、
   を含んで成る。
5. 該２つの不明変数が、該Ｏ_２を含有するパージガスの温度および該燃焼室内の該Ｏ_２濃度である、請求項４の燃焼室内の該Ｏ_２濃度を決定する方法。
6. 該燃焼室内の平均温度を計算すること；
   該燃焼室を通る経路の長さを測定すること；
   該開口部と関連するパージ経路の長さを測定すること；および、
   該燃焼室内の該測定された温度、該燃焼室を通る該測定された経路の長さおよび該測定されたパージ経路の長さに関して該第１および第２の関数関係を決定すること、
   をさらに含んで成る請求項４の方法。
7. 該第１の選択されたＯ_２吸収線と関連する第１の選択されたＯ_２吸収線強度；
   該第２の選択されたＯ_２吸収線と関連する第２の選択されたＯ_２吸収線強度；
   該第１の選択されたＯ_２吸収線と関連する低エネルギー状態；
   該第２の選択されたＯ_２吸収線と関連する低エネルギー状態；および
   該Ｏ_２含有パージガス流のＯ_２濃度。
   を含む定数の群から選択された既知の物理定数に関して該第１および第２の関数関係を決定することをさら含んで成る請求項６の方法。
8. 少なくとも２つのＨ_２Ｏ吸収線上で測定された吸収スペクトルから、該燃焼室内の該温度を計算することをさら含む請求項６の方法。
9. 該第１の選択されたＯ_２吸収線が７６０.２５８ｎｍの波長を有する光の吸収に対応し、そして該第２の選択された吸収線が７６０.４４５ｎｍの波長を有する光の吸収に対応する、請求項４の方法。
10. 該燃焼室の中へ少なくとも１つの開口部；
    該開口部および該燃焼室を通してレーザー光を発信するために配置されるチューナブルダイオードレーザー；
    該開口部と流体伝達するＯ_２を含有するパージガス源；
    第１の選択されたＯ_２吸収線上の該レーザー光の第１の分光吸収を測定するための手段；
    第２の選択されたＯ_２吸収線上の該レーザー光の第２の分光吸収を測定するための手段；
    該第１の測定された分光吸収と、２つの不明変数すなわち該Ｏ_２を含有するパージガスの温度および該燃焼室内の該Ｏ_２濃度との間の第１の関数関係を決定するための手段、；
    該第２の測定された分光吸収と該２つの不明変数との間の第２の関数関係を決定するための手段；および、
    該燃焼室内の該Ｏ_２濃度を決定するために、該第１の関数関係および該第２の関数関係を同時に解くための手段、
    を含んで成る燃焼室内のＯ_２濃度を決定する装置。

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