JP2019158440A - System and method for measuring microparticle - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、気相中に存在する液体又は固体の微小粒子を測定するための測定システム及び測定方法に関する。 The present disclosure relates to a measurement system and a measurement method for measuring liquid or solid microparticles present in a gas phase.
火力発電プラントなどの燃焼設備では、ボイラ火炉のような燃焼場において、石炭や石油などの化石燃料の燃焼が行われる。燃焼場では、石炭が粉砕された微粉炭のような固体粒子や石油が飛散した液滴のような液体粒子などの微小粒子が、気相(空気)中を浮遊する乱流場が形成されている。このような乱流場における微小粒子の挙動は、燃焼効率に大きく影響を及ぼすことが知られている。 In a combustion facility such as a thermal power plant, fossil fuels such as coal and oil are burned in a combustion field such as a boiler furnace. In the combustion field, a turbulent flow field is formed in which solid particles such as pulverized coal that has been pulverized and liquid particles such as liquid droplets in which oil is dispersed float in the gas phase (air). Yes. It is known that the behavior of fine particles in such a turbulent flow field greatly affects the combustion efficiency.
このような乱流場における微小粒子の挙動を測定する手法として、例えば特許文献1が知られている。特許文献1で乱流場における微小粒子の挙動として、微小粒子の形状、径及び温度を同時測定するための測定システムが開示されている。
As a technique for measuring the behavior of fine particles in such a turbulent flow field, for example,
ここで図8は特許文献1の微小粒子の測定システム100’を示す模式図である。この測定システム100’は、微小粒子の形状及び径を計測するためのシャドウドップラー光学系110’と、微小粒子の温度を計測するためのカセグレン光学系120’とを備える。シャドウドップラー光学系110’では、2本のレーザ光L1、L2の交差点に形成される測定領域を通過する火炎B中の粒子によって、レーザ光L1、L2が遮光されて形成される影に基づいて、高速度カメラ112’で粒子を撮像し、撮像された画像信号に基づいて粒子の形状及び径が測定される。一方、カセグレン光学系120’では、測定領域中の粒子からの検出光に含まれる特定波長の2種類の光強度を分光器122’で計測し、演算装置124’によって二色温度計の原理に基づいて粒子の温度を計測している。
Here, FIG. 8 is a schematic diagram showing a
特許文献1では、上述したように、粒子の形状及び径を計測するためのシャドウドップラー光学系110’と、粒子の温度を計測するためのカセグレン光学系120’とを有しているが、これらの2つの光学系は、互いに独立した筐体を有する光学系として構成されている。そのため、特許文献1の技術を用いて、ボイラ火炉のような大型な高温燃焼場内の乱流場を浮遊する微小粒子を測定する場合、各光学系に対応する計測窓を設ける必要がある。特に、シャドウドップラー光学系110’では、2本のレーザ光L1、L2の照射方向とは反対側で影の計測を行う必要があるため、照射側と受光側とにそれぞれ計測窓を設ける必要がある。しかしながら、ボイラ火炉のような大型な高温燃焼場では、良好な燃焼効率を達成するために計測窓は限られた領域に限定的に設けられているのが実情であり、特許文献1の技術を採用することは容易ではない。
In
また上記特許文献1の技術を高温燃焼場に適用するためには、光学系を冷却性能を有する保護筐体に収容することにより、燃焼場の高温雰囲気から保護する必要がある。そのため上記特許文献1では、各光学系をこのような保護筐体に収容する必要があり、装置構成が大掛かりなものになってしまう。また光学系を高温燃焼場から遠ざけることにより筐体を簡略化することも考えられるが、この場合、測定対象となる微小粒子から見込まれる有効立体角が小さくなってしまう。この場合、特に二色温度計の原理を利用したカセグレン光学系120’では、測定対象となる微小粒子からの輻射光の検出量が少なくなってしまう。
Moreover, in order to apply the technique of the said
また上記特許文献1では、互いに独立したシャドウドップラー光学系110’とカセグレン光学系120’とを有するため、各光学系の光路上における屈折率が異なる場合、実質的な測定位置にズレが生じてしまい、正確な計測ができないおそれがある。
Further, in
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供することを目的とする。 At least one embodiment of the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a microparticle measurement system and a measurement method capable of simply measuring microparticles present in a large high-temperature combustion field. And
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システムは上記課題を解決するために、
液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する照射部と、
前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより前記微小粒子を測定する測定部と、
を備え、
前記照射部及び前記測定部は、前記微小粒子から見て一方側に配置される。
(1) In order to solve the above problems, a microparticle measurement system according to at least one embodiment of the present invention
An irradiation unit for irradiating laser light to a two-phase flow in which liquid or solid microparticles exist in the gas phase;
A measuring unit for measuring the microparticles by detecting the scattered light of the laser beam by the microparticles;
With
The irradiation unit and the measurement unit are arranged on one side when viewed from the fine particles.
上記(1)の構成によれば、測定対象となる微小粒子に対してレーザ光を照射する照射部と同じ側に配置された測定部によって、レーザ光の散乱光を検出することで、微小粒子の測定が行われる。このように、微小粒子に対してレーザ光を照射する照射部と、微小粒子によるレーザ光の散乱光を検出する測定部とが、微小粒子から見て一方側に配置されるので、大型の高温燃焼場においても限られた計測窓で対応でき、簡易的に微小粒子の測定を行うことができる。 According to the configuration of (1) above, the microparticles are detected by detecting the scattered light of the laser beam by the measurement unit arranged on the same side as the irradiation unit that irradiates the laser beam to the microparticles to be measured. Is measured. In this way, the irradiation unit that irradiates the microparticles with laser light and the measurement unit that detects the scattered light of the laser light from the microparticles are arranged on one side when viewed from the microparticles. Even in a combustion field, it is possible to cope with a limited measurement window, and it is possible to easily measure fine particles.
(2)幾つかの実施形態では上記(1)の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を集光するための拡大対物レンズを含む光学系を介して、前記散乱光を受光する。
(2) In some embodiments, in the configuration of (1) above,
The measurement unit receives the scattered light through an optical system including a magnification objective lens for collecting the scattered light.
上記(2)の構成によれば、微小粒子からの散乱光は拡大対物レンズを含む光学系を介して測定部で受光される。測定部では、光学系によって集光される散乱光によって微小粒子が検出される。光学系には拡大対物レンズが含まれているため、その焦点距離を調整することで、微小粒子の結像位置を調整し、測定対象とする微小粒子を好適に抽出して測定できる。 According to the configuration of (2) above, the scattered light from the microparticles is received by the measurement unit via the optical system including the magnifying objective lens. In the measurement unit, fine particles are detected by the scattered light collected by the optical system. Since the magnifying objective lens is included in the optical system, by adjusting the focal length, the imaging position of the microparticles can be adjusted, and the microparticles to be measured can be suitably extracted and measured.
(3)幾つかの実施形態では上記(2)の構成において、
前記拡大対物レンズは5mm以下の被写界深度を有する。
(3) In some embodiments, in the configuration of (2) above,
The magnifying objective lens has a depth of field of 5 mm or less.
上記(3)の構成によれば、拡大対物レンズの被写界深度を浅く構成することにより、測定対象とする微小粒子を好適に抽出できる。 According to the configuration of (3) above, by configuring the depth of field of the magnifying objective lens to be shallow, it is possible to suitably extract fine particles to be measured.
(4)幾つかの実施形態では上記(1)から(3)のいずれか一構成において、
前記測定部は、前記測定部で検出された散乱光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する形状測定部を含む。
(4) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (3),
The measurement unit includes a shape measurement unit that measures the shape of the microparticle based on the scattered light detected by the measurement unit.
上記(4)の構成によれば、測定部では、微小粒子からの散乱光に基づいて、微小粒子の形状が測定される。この場合、形状測定部として、例えばPIV(Particle Tracking Velocimetry)カメラのような高速度カメラが採用可能である。 According to the configuration of (4) above, the measurement unit measures the shape of the microparticle based on the scattered light from the microparticle. In this case, a high-speed camera such as a PIV (Particle Tracking Velocity) camera can be employed as the shape measuring unit.
(5)幾つかの実施形態では上記(4)の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記形状測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する。
(5) In some embodiments, in the configuration of (4) above,
The measurement unit includes a spectroscopic unit that splits the scattered light into short wavelength light including the wavelength of the laser light and high wavelength light including a wavelength larger than the short wavelength light.
The shape measuring unit measures the shape of the microparticle based on the short wavelength light.
上記(5)の構成によれば、照射部から照射されるレーザ光の波長を含む短波長光に基づいて、微小粒子の形状計測が行われる。 According to the configuration of (5) above, the shape measurement of the microparticles is performed based on the short wavelength light including the wavelength of the laser light irradiated from the irradiation unit.
(6)幾つかの実施形態では上記(1)から(5)のいずれか一構成において、
前記測定部は、前記照射部における前記レーザ光の照射タイミングと同期して前記微小粒子を連続的に撮像し、撮像フレーム間における前記微小粒子の変位に基づいて、前記微小粒子の流速を測定する流速測定部を含む。
(6) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (5),
The measurement unit continuously images the microparticles in synchronization with the irradiation timing of the laser light in the irradiation unit, and measures the flow velocity of the microparticles based on the displacement of the microparticles between imaging frames. Includes a flow rate measurement unit.
上記(6)の構成によれば、測定部では、所定間隔で撮像されるフレーム間における微小粒子の変異に基づいて、微小粒子の流速が測定される。 According to the configuration of (6) above, the measurement unit measures the flow velocity of the microparticles based on the microparticle variation between frames imaged at a predetermined interval.
(7)幾つかの実施形態では上記(6)の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記流速測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の流速を測定する。
(7) In some embodiments, in the configuration of (6) above,
The measurement unit includes a spectroscopic unit that splits the scattered light into short wavelength light including the wavelength of the laser light and high wavelength light including a wavelength larger than the short wavelength light.
The flow velocity measurement unit measures the flow velocity of the microparticles based on the short wavelength light.
上記(7)の構成によれば、照射部から照射されるレーザ光の波長を含む短波長光に基づいて、微小粒子の流速計測が行われる。 According to the configuration of (7) above, the flow velocity measurement of the microparticles is performed based on the short wavelength light including the wavelength of the laser light irradiated from the irradiation unit.
(8)幾つかの実施形態では上記(1)から(7)のいずれか一構成において、
前記測定部は、前記散乱光に含まれる複数の特定波長の光強度を用いて二色温度計の原理により前記微小粒子の温度を測定する温度測定部を含む。
(8) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (7),
The measurement unit includes a temperature measurement unit that measures the temperature of the microparticles based on the principle of a two-color thermometer using light intensities of a plurality of specific wavelengths included in the scattered light.
上記(8)の構成によれば、散乱光に含まれる複数の特定波長の光強度を用いて二色温度計の原理により微小粒子の温度を測定できる。 With configuration (8) above, the temperature of the microparticles can be measured by the principle of a two-color thermometer using the light intensities at a plurality of specific wavelengths included in the scattered light.
(9)幾つかの実施形態では上記(8)の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記温度測定部は、前記長波長光に基づいて前記微小粒子の温度を測定する。
(9) In some embodiments, in the configuration of (8) above,
The measurement unit includes a spectroscopic unit that splits the scattered light into short wavelength light including the wavelength of the laser light and high wavelength light including a wavelength larger than the short wavelength light.
The temperature measurement unit measures the temperature of the microparticles based on the long wavelength light.
上記(9)の構成によれば、照射部から照射されるレーザ光の波長を含む高波長光に基づいて、微小粒子の温度計測が行われる。 According to the configuration of (9) above, the temperature measurement of the fine particles is performed based on the high wavelength light including the wavelength of the laser light irradiated from the irradiation unit.
(10)幾つかの実施形態では上記(1)から(9)のいずれか一構成において、
前記照射部と前記二層流との間の光路に配置されたスペックルキラーを備える。
(10) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (9),
A speckle killer is provided in the optical path between the irradiation unit and the two-layer flow.
上記(10)の構成によれば、照射部と二層流との間の光路にスペックルキラーが設けられるため、レーザ光を微小粒子に照射する際に生じるスペックルノイズを効果的に低減し、精度のよい測定が可能となる。 According to the configuration of (10) above, since the speckle killer is provided in the optical path between the irradiation unit and the two-layer flow, the speckle noise generated when the laser beam is irradiated to the fine particles is effectively reduced. , Accurate measurement is possible.
(11)幾つかの実施形態では上記(1)から(10)のいずれか一構成において、
前記照射部と前記二層流との間の光路は、フレキシブルチューブで構成される。
(11) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (10),
The optical path between the irradiating unit and the two-layer flow is configured by a flexible tube.
上記(11)の構成によれば、照射部と二相流との間の光路をフレキシブルチューブ(例えば光ファイバなど)で構成することで、当該光路をより柔軟なレイアウトで形成できる。 According to the configuration of (11) above, by configuring the optical path between the irradiation unit and the two-phase flow with a flexible tube (for example, an optical fiber), the optical path can be formed with a more flexible layout.
(12)幾つかの実施形態では上記(1)から(11)のいずれか一構成において、
前記照射部から照射された前記レーザ光の光路は、前記微小粒子からの前記散乱光の光路の少なくとも一部を共有する。
(12) In some embodiments, in any one of the above configurations (1) to (11),
The optical path of the laser light irradiated from the irradiation unit shares at least a part of the optical path of the scattered light from the fine particles.
上記(12)の構成によれば、照射部からのレーザ光と、微小粒子からの散乱光とが少なからず共通の光路を有するため、微小粒子への照射方向と散乱光の受光方向とを揃えることができる。これにより、光学系における光軸と焦点位置の調整が不要となり、より好適な運用性を有する測定システムを実現できる。 According to the configuration of (12) above, since the laser light from the irradiation unit and the scattered light from the microparticles have a common optical path, the irradiation direction to the microparticles and the light receiving direction of the scattered light are aligned. be able to. This eliminates the need for adjustment of the optical axis and the focal position in the optical system, thereby realizing a measurement system having more suitable operability.
(13)本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定方法は上記課題を解決するために、
液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する工程と、
前記微小粒子から見て前記レーザ光と同じ側において、前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより、前記微小粒子を測定する工程と、
を備える。
(13) In order to solve the above-described problem, a method for measuring microparticles according to at least one embodiment of the present invention,
Irradiating laser light to a two-phase flow in which liquid or solid microparticles exist in the gas phase;
Measuring the microparticles by detecting the scattered light of the laser light by the microparticles on the same side as the laser beam as seen from the microparticles;
Is provided.
上記(13)の方法によれば、測定対象となる微小粒子に対するレーザ光の照射方向と同じ側において、レーザ光の散乱光を検出することで、微小粒子の測定が行われる。このように、レーザ光の照射と散乱光の検出とが、微小粒子から見て一方側で行われるので、大型の高温燃焼場においても限られた計測窓で対応でき、簡易的に微小粒子の測定を行うことができる。 According to the above method (13), the microparticles are measured by detecting the scattered light of the laser light on the same side as the irradiation direction of the laser light with respect to the microparticles to be measured. In this way, the irradiation of the laser beam and the detection of the scattered light are performed on one side as seen from the microparticles, so even a large high-temperature combustion field can be handled with a limited measurement window, and the microparticles can be easily Measurements can be made.
本発明の少なくとも一実施形態によれば、大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供できる。 According to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a microparticle measurement system and a measurement method capable of easily measuring microparticles present in a large high-temperature combustion field.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained.
In addition, for example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes not only represent shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes in a strict geometric sense, but also within the range where the same effect can be obtained. A shape including a chamfered portion or the like is also expressed.
On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
まず図1を参照して、本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システム100を備える燃焼設備1の全体構成について説明する。図1は本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システムを備える燃焼設備1の構成を概略的に示す模式図である。
First, with reference to FIG. 1, the whole structure of the
燃焼設備1は、燃料を燃焼させる燃焼炉2と、該燃焼炉2で生成された燃焼空気を案内する煙道4と、燃焼空気から熱エネルギを取得する再熱器ユニット6と、燃焼炉2内への燃料及び空気の供給を調整することで燃焼炉2内における燃焼状態を制御する燃焼制御装置8と、燃焼炉2内の燃焼空気に含まれる微小粒子を測定するための測定システム100と、を備える。
The
燃焼炉2は、耐熱性材料が用いられた壁面で略箱形状に囲まれるように構成される。燃焼炉2では、後述する燃焼制御装置8から供給される燃料及び空気が燃焼されることで高温の燃焼空気が生成される。燃焼炉2は鉛直方向上側が開放されており、当該開放された箇所が煙道4に接続されている。燃焼炉2で生成された高温の燃焼空気は、煙道4に案内されるように流路を形成する。
The
再熱器ユニット6は複数の再熱器から構成されており、燃焼炉2及び煙道4における燃焼空気の流路上に配置されている。再熱器は内部に液体又は気体が封入された管状の部材からなる。再熱器に封入されている液体又は気体は、高温の燃焼空気と熱交換することにより熱エネルギを取得し、蒸気となる。この蒸気は再熱器ユニット6から所定の経路を通り、不図示のタービンを回転駆動させることで、熱エネルギを電気エネルギ又は機械的エネルギに変換して出力可能に構成されている。
The
燃焼制御装置8は、燃焼炉2内に供給される燃料及び空気を調整することにより、燃焼炉2内における燃焼状態を制御する。燃焼制御装置8は、燃焼炉2にそれぞれ燃料及び空気を供給する燃料供給部12及び空気供給部14を備える。
The combustion control device 8 controls the combustion state in the
燃料供給部12は、燃料を燃焼させる微粉炭バーナ(以下、適宜「バーナ」と称する)16と、燃料である微粉炭を供給する微粉炭供給部18と、燃料を搬送するための送風を発生させる送風機20と、燃料の流量を調整するための流量調整弁22と、これらを互いに接続する配管24と、を備える。
The
微粉炭供給部18は燃料を配管24に供給するように構成された機構である。配管24に供給された微粉炭は送風機20によって配管24中を搬送され、流量調整弁22を介して空気供給部14の主配管32から導入された空気と混合された後、バーナ16に供給される。バーナ16は、噴射口が燃焼炉2の内側に露出するように設置された燃焼機であり、配管24を介して供給された燃料を噴射し、燃焼炉2内で燃焼させる。
The pulverized
尚、バーナ16は、燃焼炉2内の複数箇所に配置されており、好ましくは各バーナ16から噴射される空気により燃焼炉2内に渦状の空気の流れができるようにレイアウトされるとよい。
Note that the
また微粉炭供給部18は、石炭を粉砕して微粉炭を生成し、該生成した微粉炭を配管24に供給する機構であってもよいし、予め生成された微粉炭を貯留しておき、該貯留された微粉炭を配管24に供給する機構であってもよい。
The pulverized
空気供給部14は、燃焼炉2に一次空気及び二次空気をそれぞれ供給する一次空気供給ユニット26及び二次空気供給ユニット28と、上述の燃料供給部12と共に一次空気供給ユニット26及び二次空気供給ユニット28に空気を送るブロア又はファンである送風機30と、これらを接続する主配管32とを備える。
The
一次空気供給ユニット26は、吹出口34が燃焼炉2に露出するように配置された第1配管36と、該第1配管36における空気の流量を調整に構成された流量調整弁38と、を備える。第1配管36は、流量調整弁38を介して主配管32に接続されており、送風機30によって主配管32に取り込まれた空気を吹出口34に導入可能に構成されている。吹出口34は、燃焼炉2内の燃焼空気の流路のうち、バーナ16より下流側に設けられている。流量調整弁38は、主配管32と第1配管36との接続部に配置されており、主配管32から第1配管36に供給される空気の量を調整する。
The primary
二次空気供給ユニット28は、吹出口40が燃焼炉2に露出するように配置された第2配管42と、該第2配管42における空気の流量を調整可能に構成された流量調整弁44と、を備える。第2配管42は、流量調整弁44を介して主配管32に接続されており、送風機30によって主配管32に取り込まれた空気を吹出口40に導入可能に構成されている。吹出口40は、燃焼炉2内の燃焼空気の流路のうち、吹出口34より下流側に設けられている。流量調整弁44は、主配管32と第2配管42との接続部に配置されており、主配管32から第2配管42に供給される空気の量を調整する。
The secondary
配分制御手段46は、流量調整弁22、38、44の開度を調整することにより、送風機30によって取り込まれた空気を燃料供給部12、一次空気供給ユニット26及び二次空気供給ユニット28に対して所定比率で振り分ける。
The distribution control means 46 adjusts the opening degree of the flow
燃焼炉2内には、気体媒体である空気中に微小粒子(粒径が数mm以下の粒子)である微粉炭が浮遊する二相流体としての燃焼空気が存在している。測定システム100は、このような燃焼空気中の微粉炭を測定対象としており、特にレーザ光を用いた光学的手法に基づいて測定するシステムである。燃焼炉2の壁面には、外部から燃焼炉2の内部に対してレーザ光が透過可能な計測窓2aが設けられており、測定システム100は、当該計測窓2aの外側に配置されている。後述するように測定システム100は、測定に用いるレーザ光の照射側と受光側とを、測定対象となる微粉炭が存在する燃焼炉2から見て一方向に配置できるため、燃焼炉2の壁面に設けられる計測窓2aが少なく済む。
In the
図2は図1の測定システム100の構成の詳細図であり、図3は図2の測定システム100で実施される測定方法を工程毎に示すフローチャートである。測定システム100は、レーザ光を照射する照射部110と、微小粒子からの散乱光を検出することにより微小粒子を測定する測定部120と、を備える。
FIG. 2 is a detailed view of the configuration of the
照射部110は、測定光としてレーザ光を照射する(ステップS1)。本実施形態ではレーザ光として、YAGレーザの第2高調波(波長:532nm)を用いており、特に、所定の時間間隔tで繰り返し照射されるパルスレーザが用いられる。
The
照射部110からのレーザ光は、第1光学系112を介して、測定対象となる微小粒子が存在する燃焼炉2内の燃焼空気に向けて出射される。第1光学系112は、照射部110と燃焼空気との間の光路を規定する光学系であり、照射部110からのレーザ光が、燃焼炉2の壁面に設けられた計測窓2aを介して燃焼炉2内の燃焼空気に到達するように構成される。
Laser light from the
第1光学系112は、必要に応じて、少なくとも一つの光学素子を含んでもよい。図2の例では、第1光学系112は光学素子として複数のミラー114a、114bを備えており、照射部110からのレーザ光が伝播する光路が規定されている。
The first
計測窓2aから照射されたレーザ光は、燃焼炉2内の燃焼空気に到達すると、燃焼空気中の微粉炭によって散乱される。微粉炭からの散乱光は、第2光学系116を介して、燃焼炉2の外部にある測定部120で受光される。第2光学系116は、燃焼空気と測定部120との間の光路を規定する光学系であり、微粉炭からの散乱光が燃焼炉2の壁面に設けられた計測窓2aを介して測定部120に到達するように構成される。
When the laser light emitted from the
第2光学系116は、必要に応じて、少なくとも一つの光学素子を含んでもよい。図2の例では、第2光学系116は光学素子として、散乱光を測定部120に集光するための拡大対物レンズ118を備える。測定部120では、第2光学系116によって集光される散乱光によって微粉炭が撮像される。第2光学系116には拡大対物レンズ118が含まれているため、その焦点距離を調整することで、微小粒子の結像位置を調整し、測定対象とする微小粒子を好適に抽出して測定することができる。
The second
拡大対物レンズ118は5mm以下の被写界深度を有する。このように拡大対物レンズ118の被写界深度を浅く構成することにより、測定対象とする微小粒子を好適に抽出できる。
The
尚、拡大対物レンズ118は、目的に応じて、顕微鏡レンズ、長作動距離顕微鏡レンズ、マクロレンズ、カセグレンレンズが選択可能であり、適宜組み合わせることで焦点距離等の設定を行うとよい。
Note that the
第2光学系116は、拡大対物レンズ118の像側端面から測定部120までの距離Lに応じてイメージガイド122を含んでもよい。イメージガイド122は、例えば、距離Lが数10mmである場合は拡大対物レンズのバックフォーカスであり、距離Lが数10mm〜500mm以下である場合にはGRIN(Gradient Index Lens)であり、距離Lが500mm〜3000mmである場合にはイメージファイバである。
The second
測定部120は、微小粒子によるレーザ光の散乱光を検出することにより微小粒子を測定する(ステップS2)。本実施形態では特に、測定部120は、微小粒子の形状を測定する形状測定部124と、微小粒子の流速を測定する流速測定部126と、微小粒子の温度を測定する温度測定部128と、を含む。形状測定部124、流速測定部126及び温度測定部128には、それぞれ微小粒子からの散乱光が第2光学系116を介して取り込まれることにより、微小粒子の形状、流速及び温度という3つのパラメータが同時測定可能に構成されている。
The
イメージガイド122の下流側には、微小粒子からの散乱光を分光するための分光部として、ダイクロックミラー130a、130bが配置されている。ダイクロックミラー130a、130bは、それぞれ所定波長帯の光を分光可能な光学素子である。ダイクロックミラー130aでは、微小粒子からの散乱光のうちレーザ光の波長を含む短波長光が分光され、形状測定部124及び流速測定部126に入射される。本実施形態では、レーザ光はYAGレーザの第2高調波(波長:532nm)であることから、ダイクロックミラー130aでは例えば620nmより短波長光が分光される。
On the downstream side of the
本実施形態では形状測定部124及び流速測定部126は、照射部110から照射されるレーザ光のパルス周期に同期するフレーム間隔で連続的に撮像可能な撮像装置として一体的に構成される。このような撮像装置として、例えばPIVカメラを採用することができる。各フレームの露光時間は例えば数msである。
In the present embodiment, the
形状測定部124では、入射光(微小粒子からの散乱光に含まれる短波長光)に基づいて撮像された画像に基づいて、燃焼空気に含まれる微小粒子の形状が測定される。このような形状測定は、例えば、形状測定部124で、ある瞬間における画像を取得し、その画像に含まれる微小粒子を認識するとともに、その輪郭を特定することにより行うことができる。
The
流速測定部126では、入射光(微小粒子からの散乱光に含まれる短波長光)に基づいて撮像された画像に基づいて、燃焼空気に含まれる微小粒子の流速が測定される。このような流速測定は、例えば、流速測定部126で照射部110からのレーザ光の照射タイミングに同期させて連続的に撮像を行い、フレーム間における微小粒子の変位に基づいて行われてもよい。
The flow velocity measuring unit 126 measures the flow velocity of the microparticles included in the combustion air based on the image captured based on the incident light (short wavelength light included in the scattered light from the microparticles). Such a flow velocity measurement may be performed based on the displacement of microparticles between frames by, for example, continuously imaging in synchronization with the irradiation timing of the laser light from the
ここで図4は流速測定部126で連続的に撮像した2フレーム画像の一例である。図4(a)及び図4(b)は、照射部110からのレーザ光の照射タイミングに同期させて連続的に撮像した異なるフレームにおける画像をそれぞれ示しており、互いに同一の微小粒子が撮像されている(図4(b)では図4(a)における微小粒子の位置が破線で示されている)。これら2フレーム画像を比較してわかるように、フレーム間隔である時間差Δtの間に、微小粒子が変位xだけ移動していることが特定される。流速測定部126では、このような画像解析を行うことで、変位xを時間差Δtで割算することで、微小粒子の流速が測定される。
Here, FIG. 4 is an example of a two-frame image continuously captured by the flow velocity measuring unit 126. FIGS. 4A and 4B respectively show images in different frames that are continuously imaged in synchronism with the irradiation timing of the laser beam from the
図2及び図3に戻って、ダイクロックミラー130aの透過光は、短波長光より大きな波長を含む高波長光(輻射光)となる。すなわち上記例では、620nmより高波長光がダイクロックミラー130aを透過し、ダイクロックミラー130bに入射する。ダイクロックミラー130bでは、高波長光が更に分光され、温度測定部128を構成するTCP(Two Clolor Pyrometry)検出器132a、132bにそれぞれ入射される。TCP検出器132a、132bでは、それぞれ特定の波長λ1、λ2における光強度Iλ1、Iλ2が検出される。TCP検出器132a、132bで検出された光強度Iλ1、Iλ2は、不図示の解析装置に入力され、二色温度計の原理に基づいて次式
から温度の算出が行われる。
2 and 3, the transmitted light of the
From this, the temperature is calculated.
尚、TCP検出器132a、132bは、測定対象となる微小粒子が小さく(数100μm以下)、輻射強度が弱い場合には、光電子増倍管やアバランチェフォトダイオードのような点計測用機材を用いてもよい。一方、測定対象となる微小粒子が大きく(1mm程度以上)、輻射強度が十分に得られる場合にはカメラを用いて構成してもよい。
The
また形状測定部124で測定された粒子形状と温度測定部128で測定された温度とを比較することにより、黒体輻射強度として適切な強度を有するか否かにより揮発分燃焼発光を除去してもよい。例えば、燃焼空気に含まれる煤などは、温度の割に輻射強度が低くなるため、測定対象である微小粒子と区別して取り扱ってもよい。
Further, by comparing the particle shape measured by the
ここでイメージガイド122から形状測定部124、流速測定部126及び温度測定部128(TCP検出器132a、132b)への各々の光学距離は、互いに等しくなるように構成されている。これにより、形状測定部124、流速測定部126、温度測定部128の物側結像位置が一致し、同一の対象空間の計測データを取得することができる。
Here, the optical distances from the
また形状測定部124、流速測定部126及び温度測定部128(TCP検出器132a、132b)の入射側には、それぞれで測定対象となる周波数帯域の測定光を透過させるための光学フィルタ(例えばバンドパスフィルタ)が配置されていてもよい。
Further, an optical filter (for example, a band) for transmitting measurement light in a frequency band to be measured on the incident side of the
このような微小粒子の測定システム100は、照射部110と測定部120とが測定対象である微小粒子から見て一方側に配置されており、一方向からの光学アクセスのみによって微小粒子の形状、流速及び温度を同時に測定することができる。これにより、燃焼炉2の壁面に計測窓2aを設ける場合においても、図1に示されるように限られた計測窓2aで対応できる。そのため、計測窓2aの設置スペースが限定される燃焼炉2への導入が容易な測定システム100を構築できる。また形状、流速及び温度の測定を同一の第2光学系116を介して行うことで、媒質の屈折率変化による測定位置ズレを抑制することができ、簡易ながらも精度のよい測定が可能となる。
In such a
図5は図2の一変形例である。この変形例では、照射部110と測定対象である燃焼空気との間の光路を形成する第1光学系112にスペックルキラー140が含まれる点で、上述の実施形態と異なる(尚、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は省略する)。
FIG. 5 is a modification of FIG. This modification is different from the above-described embodiment in that the
このように第1光学系112にスペックルキラー140を含めることで、照射部110からのレーザ光を燃焼空気中の微小粒子に照射する際に生じるスペックルノイズを効果的に低減できるため、より精度のよい測定が可能となる。これにより、例えば、燃焼空気中における微小粒子の濃度が希薄(数1000個/m3)な場合、スペックルパターンによって制約される分解能を数10μmを数μmにまで改善することができる。
By including the
図6は図2の他の変形例である。この変形例では、照射部110と測定対象である燃焼空気との間の第1光学系112を構成する光路がフレキシブルチューブ150で構成される点で、上述の実施形態と異なる(尚、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は省略する)。
FIG. 6 shows another modification of FIG. This modification is different from the above-described embodiment in that the optical path constituting the first
このように第1光学系112を構成する光路をフレキシブルチューブ150で構成することで、図2のように第1光学系112をミラー114a、114bなどで構成した場合に比べて、燃焼炉2の構造に応じて柔軟なレイアウトで測定システム100を導入することができる。フレキシブルチューブとしては、例えば、光ファイバなどを採用することができ、本変形例では、フレキシブルチューブ150の先端に設けられた照射レンズ152を介して、微小粒子に対してレーザ光が照射されるように構成されている。この変形例は、他の実施形態に比べて取り扱いが容易であり、例えば反射率が低い微小粒子にも適用しやすい。
In this way, by configuring the optical path constituting the first
図7は図2の他の変形例である。この変形例では、照射部110から照射されたレーザ光の光路が、微小粒子からの散乱光の光路の少なくとも一部を共有する。すなわち、第1光学系112と第2光学系116の少なくとも一部が共有されるように構成される。具体的には、照射部110からのレーザ光は、フレキシブルチューブ150aを介してスペックルキラー140を通過し、更にフレキシブルチューブ150bを介して照射レンズ154から照射される。照射レンズ154からの照射光は、イメージガイド122とダイクロックミラー130aとの間に設置されたハーフミラー156によって、イメージガイド122から拡大対物レンズ118を介して、測定対象となる燃焼空気に照射される。微小粒子からの散乱光は、拡大対物レンズ118及びイメージガイド122を介してハーフミラー156に入射し、ハーフミラー156を透過した一部がダイクロックミラー130a側に入射する。
FIG. 7 shows another modification of FIG. In this modification, the optical path of the laser light irradiated from the
このように本変形例では、照射部110からのレーザ光と、微小粒子からの散乱光とが少なからず共通の光路を有するため、微小粒子への照射方向と散乱光の受光方向とを揃えることができる。これにより、光学系における光軸と焦点位置の調整が不要となり、より好適な運用性を有する測定システムを実現できる。
Thus, in this modification, since the laser beam from the
尚、上述の実施形態及び各変形例は適宜組み合わせることができるのは、言うまでもない。 Needless to say, the above-described embodiments and modifications can be appropriately combined.
以上説明したように上述の各実施例によれば、大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供できる。 As described above, according to the above-described embodiments, it is possible to provide a microparticle measurement system and a measurement method that can easily measure microparticles present in a large-scale high-temperature combustion field.
本発明の少なくとも一実施形態は、気相中に存在する液体又は固体の微小粒子を測定するための測定システム及び測定方法に利用可能である。 At least one embodiment of the present invention can be used in a measurement system and a measurement method for measuring liquid or solid microparticles present in a gas phase.
1 燃焼設備
2 燃焼炉
2a 計測窓
4 煙道
8 燃焼制御装置
12 燃料供給部
14 空気供給部
16 バーナ
18 微粉炭供給部
24 配管
26 一次空気供給ユニット
28 二次空気供給ユニット
100 測定システム
110 照射部
112 第1光学系
114a,114b ミラー
130a,130b ダイクロックミラー
116 第2光学系
118 拡大対物レンズ
120 測定部
122 イメージガイド
124 形状測定部
126 流速測定部
128 温度測定部
132a,132b TCP検出器
140 スペックルキラー
150 フレキシブルチューブ
152,154 照射レンズ
156 ハーフミラー
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより前記微小粒子を測定する測定部と、
を備え、
前記照射部及び前記測定部は、前記微小粒子から見て一方側に配置される、微小粒子の測定システム。 An irradiation unit for irradiating laser light to a two-phase flow in which liquid or solid microparticles exist in the gas phase;
A measuring unit for measuring the microparticles by detecting the scattered light of the laser beam by the microparticles;
With
The said irradiation part and the said measurement part are the measurement systems of a microparticle arrange | positioned seeing from the said microparticle.
前記形状測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する、請求項4に記載の微小粒子の測定システム。 The measurement unit includes a spectroscopic unit that splits the scattered light into short wavelength light including the wavelength of the laser light and high wavelength light including a wavelength larger than the short wavelength light.
The microparticle measurement system according to claim 4, wherein the shape measurement unit measures the shape of the microparticles based on the short wavelength light.
前記流速測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の流速を測定する、請求項6に記載の微小粒子の測定システム。 The measurement unit includes a spectroscopic unit that splits the scattered light into short wavelength light including the wavelength of the laser light and high wavelength light including a wavelength larger than the short wavelength light.
The microparticle measurement system according to claim 6, wherein the flow velocity measurement unit measures the flow velocity of the microparticles based on the short wavelength light.
前記温度測定部は、前記長波長光に基づいて前記微小粒子の温度を測定する、請求項8に記載の微小粒子の測定システム。 The measurement unit includes a spectroscopic unit that splits the scattered light into short wavelength light including the wavelength of the laser light and high wavelength light including a wavelength larger than the short wavelength light.
The microparticle measurement system according to claim 8, wherein the temperature measurement unit measures the temperature of the microparticles based on the long wavelength light.
前記微小粒子から見て前記レーザ光と同じ側において、前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより、前記微小粒子を測定する工程と、
を備える、微小粒子の測定方法。
Irradiating laser light to a two-phase flow in which liquid or solid microparticles exist in the gas phase;
Measuring the microparticles by detecting the scattered light of the laser light by the microparticles on the same side as the laser beam as seen from the microparticles;
A method for measuring fine particles.
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