JP5229767B2 - Analysis method and apparatus in laser-induced plasma spectroscopy - Google Patents

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本発明は物質(気体、液体、固体)の組成分析法であるレーザー誘起プラズマ分光分析法において、定量的な計測を行う際のスペクトル解析の方法に関する。   The present invention relates to a method for spectral analysis when quantitative measurement is performed in laser-induced plasma spectroscopy, which is a composition analysis method for substances (gas, liquid, solid).

レーザー誘起プラズマ分光分析法(Laser Induced Plasma Spectroscopy :以下、LIPS法という。)では、パルスレーザー光をレンズで集束させてプラズマを発生させ、プラズマが冷却する過程で発する光のスペクトル分析を行うことで、物質の元素組成を調べる。LIPS法は物質の元素組成を調べる手法として広く用いられている。これまでLIPS法は、固体試料の元素分析に用いられることが多かったが、近年、ガス組成分析への適用が注目され始めている。
本出願人の航空エンジン技術開発センターでは、LIPS法を用いて、航空機エンジン燃焼器における燃料と空気の混合度(当量比)を計測する研究を進めている。図7に示したのが、そのLIPS計測システムである。レーザー発振器1から放射したレーザービームを集光レンズ4によって試料に焦点照射し、レーザー誘起プラズマを発生させる。発生したプラズマを分光分析器8を用いて周波数分離してスペクトルを得、ICCDカメラ9を用いて画像化する。この装置はレーザー誘起プラズマを発生させる装置と受光及び分光分析のための装置から構成され、図中3はミラー(反射率5%)であり、5はビームダンパ、6はレンズ、7は光ファイバ、そして2は試料への照射前後のビームエネルギーを測定するパワーメータである。図3に示したグラフは、2つの異なる当量比の混合ガスについて計測された分光スペクトルの例である。元素の種類やエネルギー緩和の過程によって発光波長が異なるが、このデータから、当量比が増加すると水素原子からの発光に対応する波長のピーク値が大きくなることがわかる。これは燃料であるメタン(CH)の割合の増加によるものである。このような性質を利用して、エンジン燃焼器内部の当量比分布の計測を行っている。このLIPS法は、計測装置のコンパクト化が図れることや光学系設定が比較的容易にできるという利点を持っていることから、計測が困難な高温高圧条件におけるジェットエンジン内部の計測やセンサーとしての応用が期待されているところである。
Laser Induced Plasma Spectroscopy (hereinafter referred to as LIPS method) is a technique in which pulsed laser light is focused by a lens to generate plasma, and the spectrum of light emitted during the process of cooling the plasma is analyzed. Investigate the elemental composition of substances. The LIPS method is widely used as a method for examining the elemental composition of substances. Until now, the LIPS method has often been used for elemental analysis of solid samples, but in recent years, application to gas composition analysis has begun to attract attention.
The applicant's aircraft engine technology development center is conducting research to measure the fuel (air) mixing ratio (equivalent ratio) in aircraft engine combustors using the LIPS method. FIG. 7 shows the LIPS measurement system. A laser beam emitted from the laser oscillator 1 is focused on the sample by the condenser lens 4 to generate laser-induced plasma. The generated plasma is frequency-separated using a spectroscopic analyzer 8 to obtain a spectrum and imaged using an ICCD camera 9. This device comprises a device for generating laser-induced plasma and a device for light reception and spectroscopic analysis, in which 3 is a mirror (reflectance 5%), 5 is a beam damper, 6 is a lens, 7 is an optical fiber, Reference numeral 2 denotes a power meter that measures the beam energy before and after irradiation of the sample. The graph shown in FIG. 3 is an example of a spectral spectrum measured for a mixed gas having two different equivalence ratios. Although the emission wavelength varies depending on the type of element and the process of energy relaxation, this data shows that the peak value of the wavelength corresponding to the emission from the hydrogen atom increases as the equivalence ratio increases. This is due to an increase in the proportion of methane (CH 4 ) as a fuel. Utilizing such properties, the equivalence ratio distribution inside the engine combustor is measured. This LIPS method has the advantage that the measuring device can be made compact and the optical system can be set relatively easily, so it can be used as a measurement and sensor inside a jet engine in high-temperature and high-pressure conditions where measurement is difficult. Is expected.

LIPS法で定量的な計測を行う場合には、発生するプラズマの状態が、レーザーやレンズで構成される光学系の特性に依存することに注意を払う必要がある。即ち、どのようなプラズマ状態における発光スペクトルなのかを明確に把握することが必要となる。特に、気体を対象としたLIPSにおいて入射エネルギーが小さいという条件下では、プラズマ状態の変動が大きくなる。そのため、定量計測には、プラズマ状態の特定が重要な要件となる。従来手法では、プラズマ発生に使われたエネルギーを、プラズマ発生前後のレーザーパルスエネルギーの差と考えることで、校正実験を行っている(非特許文献1参照)。しかし、プラズマ状態は、レーザー光源やレンズなどの光学系にも依存するため、使用する光学系ごとに校正実験を行う必要性がある。また、レーザーパルスエネルギーをモニターするためには、従来装置では図7に示すように、入射側レーザー光のエネルギーとプラズマ発生後の出射レーザー光のエネルギー差を検出して発生したプラズマの状態を推定するため、プラズマの前後二箇所にパワーメータ2を設置する必要がある。このパワーメータの配備は、装置をコンパクト化する際にデメリットとなる。計測対象によっては、プラズマ前後にエネルギー計測器を設置できない場合があり、計測対象が限られるという制約も生じる。また、通常、装置のコンパクト化の観点から、入射レーザーのパワーは小さいことが望まれるが、パワーが小さいほどパルスごとのプラズマ状態の変動は大きくなるため、従来は、特許文献1に見られるように比較的大きなレーザーパワーを用い、かつ、一つの光学系のみを用いて校正実験を行うことが多かった。
米国特許第6,700,660号明細書 “ Method and apparatus for in-process liquid analysis by laser induced plasma spectroscopy” March 2, 2004 T.X. Phuoc, F.P. White,“Laser-Induced Spark for Measurements of the Fuel-to-Air Ratio of a Combustible Mixture” Fuel,81 (2002) 1761-1765.
When performing quantitative measurement with the LIPS method, it is necessary to pay attention to the fact that the state of the generated plasma depends on the characteristics of the optical system composed of a laser and a lens. That is, it is necessary to clearly grasp the emission spectrum in which plasma state. In particular, the plasma state fluctuates greatly under the condition that the incident energy is small in the LIPS for gas. Therefore, specifying the plasma state is an important requirement for quantitative measurement. In the conventional method, a calibration experiment is performed by considering the energy used for plasma generation as a difference in laser pulse energy before and after plasma generation (see Non-Patent Document 1). However, since the plasma state also depends on an optical system such as a laser light source and a lens, it is necessary to perform a calibration experiment for each optical system to be used. In order to monitor the laser pulse energy, in the conventional apparatus, as shown in FIG. 7, the state of the generated plasma is estimated by detecting the energy difference between the incident side laser light energy and the emitted laser light after plasma generation. Therefore, it is necessary to install the power meter 2 at two places before and after the plasma. This arrangement of the power meter is a disadvantage when the device is made compact. Depending on the measurement target, there may be a case where the energy measuring device cannot be installed before and after the plasma, and there is a restriction that the measurement target is limited. In general, from the viewpoint of downsizing the apparatus, it is desirable that the power of the incident laser is small. However, since the fluctuation of the plasma state for each pulse increases as the power decreases, the conventional technique can be seen in Patent Document 1. In many cases, a relatively large laser power is used for the calibration and only one optical system is used for the calibration experiment.
US Pat. No. 6,700,660 “Method and apparatus for in-process liquid analysis by laser induced plasma spectroscopy” March 2, 2004 TX Phuoc, FP White, “Laser-Induced Spark for Measurements of the Fuel-to-Air Ratio of a Combustible Mixture” Fuel, 81 (2002) 1761-1765.

本発明の課題は、前述したような従来手法の問題点を解決すること、すなわち、LIPS計測法において、レーザーパルスエネルギーの計測を利用せずに、プラズマそのものの情報から、プラズマ状態を特定できる手法を提示すること、更にはそのことによってコンパクトであるだけでなく精度の良いLIPS計測装置を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the problems of the conventional methods as described above, that is, in the LIPS measurement method, a method that can specify a plasma state from information of the plasma itself without using laser pulse energy measurement It is to provide a LIPS measuring device that is not only compact but also accurate.

本発明のLIPS定量計測の解析手法は得られたプラズマスペクトルにおける1つ以上のスペクトル線のピーク値の比(A1/A2)に基づいてプラズマ状態を判定するステップと、組成物の一方の物質の着目原子Aのピーク値A1と他方の物質の着目原子Bのエミッションピーク値の比(A1/B1)を計算するステップと、(A1/A2)値毎の(A1/B1)値と当量比との関係を示すテーブルを準備しておき、そのテーブルを参照して先に求めた(A1/A2)値を特定しその校正特性から(A1/B1)値に対応する当量比の校正値を得るステップとを踏むものとした。
更には、先の原子Aのピーク値A1と他方の物質の着目原子Cのエミッションピーク値の比(A1/C1)を計算するステップと、テーブルを参照して先に求めた(A1/A2)値を特定しその校正特性から(A1/C1)値に対応する当量比の校正値を得るステップとを踏むものとした。
具体的には、炭化水素系燃料と空気の混合状態の測定において、水素を着目原子としその486nmと656nmのスペクトル線のピーク値の比を算出してプラズマ状態の判定に利用するものとした。
本発明のLIPS定量計測の解析手法は、燃料と空気の一方の成分量に依存するスペクトル線のピーク値と他方の成分量に依存するスペクトル線のピーク値の比を二組算出し、準備されたプラズマ状態に対応する上記二組の比と当量比との関係を示すテーブルに基づいて校正当量比を二組得、双方の当量比が規定値内の時のみ適正値として採用することにより計測精度を向上させるようにした。
本発明のLIPS定量計測の解析手法は、燃料と空気の混合状態の測定において、計測精度を向上させるためにレーザー集束点に発生するプラズマ核の数が一つのときのみ解析を実施するものとした。
A step of determining the plasma state based on the ratio (A1 / A2) of the peak value of one or more spectral lines in the plasma spectral analysis technique obtained in LIPS quantitative measurement of the present invention, of one material composition Calculating a ratio (A1 / B1) of the peak value A1 of the target atom A and the emission peak value of the target atom B of the other substance; and (A1 / B1) value and equivalent ratio for each (A1 / A2) value A table showing the relationship is prepared, the (A1 / A2) value obtained previously is specified with reference to the table, and the calibration value of the equivalence ratio corresponding to the (A1 / B1) value is obtained from the calibration characteristics. Steps were taken.
Furthermore, the step (A1 / C1) of calculating the ratio (A1 / C1) of the peak value A1 of the previous atom A to the emission peak value of the target atom C of the other substance was obtained previously with reference to the table (A1 / A2) A step of obtaining a calibration value of an equivalent ratio corresponding to the (A1 / C1) value from the calibration characteristics is specified .
Specifically, in the measurement of the mixed state of hydrocarbon fuel and air, hydrogen is used as the atom of interest, and the ratio of the peak values of the spectral lines of 486 nm and 656 nm is calculated and used for the determination of the plasma state.
The LIPS quantitative measurement analysis method of the present invention is prepared by calculating two sets of ratios of the peak value of the spectral line depending on the amount of one component of fuel and air and the peak value of the spectral line depending on the amount of the other component. Two calibration equivalent ratios can be obtained based on the table showing the relationship between the above two sets of ratios corresponding to the plasma state and the equivalent ratio, and measurement is performed by adopting them as appropriate values only when both equivalent ratios are within the specified values. Improved accuracy.
The analysis method for LIPS quantitative measurement according to the present invention performs analysis only when the number of plasma nuclei generated at the laser focusing point is one in order to improve the measurement accuracy in the measurement of the mixed state of fuel and air. .

本発明のLIPS定量計測装置は、レーザービームを照射するレーザー発振器とレーザービームを集光するレンズと、レーザー焦点領域の発生するプラズマの光を受光する光学系と、該受光光を分析する分光分析器と、スペクトルを撮像するICCDカメラとを備えた燃料と空気の混合状態の測定用のLIPS装置において、前記分光分析器には得られたプラズマスペクトルにおける1つ以上のスペクトル線のピーク値の比に基づいてプラズマ状態を判定する手段と、プラズマ状態に対応する校正曲線が蓄積されており、前記手段で得られたプラズマ状態情報に基づいて校正曲線を選択して校正データを得るのものとした。
また、本発明のLIPS定量計測装置は、レーザー焦点領域に発生するプラズマを撮像する光検出装置を備え、該光検出装置はプラズマ核の数を確認し、数が一つであるとき前記分光分析器の機能を有効にするようにした。
The LIPS quantitative measurement apparatus according to the present invention includes a laser oscillator for irradiating a laser beam, a lens for condensing the laser beam, an optical system for receiving plasma light generated in a laser focal region, and spectroscopic analysis for analyzing the received light. In the LIPS device for measuring the mixed state of fuel and air, equipped with a detector and an ICCD camera for imaging the spectrum, the spectroscopic analyzer includes a ratio of peak values of one or more spectral lines in the obtained plasma spectrum. And a calibration curve corresponding to the plasma state is accumulated, and a calibration curve is selected based on the plasma state information obtained by the means to obtain calibration data. .
The LIPS quantitative measurement apparatus of the present invention further includes a light detection device for imaging plasma generated in a laser focal region, and the light detection device confirms the number of plasma nuclei, and the spectral analysis is performed when the number is one. The function of the vessel was enabled.

本発明のLIPS定量計測の解析手法は、プラズマスペクトルにおける1つ以上のスペクトルピーク値に基づいてプラズマ状態を判定し、校正データとして用いるようにしたので、従来装置に必要であったレーザーパルスエネルギーの計測手段が不要となり、コンパクトな構成で試験領域に配置することができる。また、レーザーパルスエネルギー差からではなくプラズマ状態を反映する1つ以上のスペクトルピーク値に基づいてプラズマ状態を判定するものであるから、計測精度が向上する。また、従来技術では、光学系ごとに校正実験を行う必要があったが、本発明では計測しやすい単純形態の実験設定で行った校正実験の結果(校正曲線)を光学系の異なるシステムにおいても利用することができる。更には、校正曲線をデータベース化することも可能であり、データベースができれば、各自が校正実験を行う必要がなくなる。
炭化水素系燃料と空気の混合状態の測定において、最も放射レベルの高い水素を着目原子としプラズマ状態を反映するその486nmと656nmのスペクトル線のピーク値の比を算出して校正するようにしたので、計測精度が向上された。
本発明のLIPS定量計測の解析手法は、一方の成分量に依存するスペクトル線のピーク値と他方の成分量に依存するスペクトル線のピーク値の比を算出し、異なるスペクトル線のピーク値の2つ比が近い値を示すときのみデータを採用するようにしたので、データの信頼性が増し計測精度を向上させることができた。
本発明のLIPS定量計測の解析手法は、レーザー集束点に発生するプラズマ核の数が一つのときのみ解析を実施するものとしたので、異なるプラズマ状態からの発光情報が混在する場合のデータを排除でき、計測精度を向上させることができる。
本発明のLIPS定量計測の解析手法は、レーザー集束点に発生するプラズマのサイズ情報をスペクトル線のピーク値情報と総合することができるので、計測対象ガスの温度の計測精度を向上させることができる。
The LIPS quantitative measurement analysis method of the present invention determines the plasma state based on one or more spectral peak values in the plasma spectrum and uses it as calibration data. A measuring means becomes unnecessary and it can arrange | position to a test area | region with a compact structure. Moreover, since the plasma state is determined based on one or more spectral peak values reflecting the plasma state, not from the laser pulse energy difference, the measurement accuracy is improved. In the prior art, it was necessary to carry out a calibration experiment for each optical system. However, in the present invention, the result of a calibration experiment (calibration curve) performed in an experiment setting of a simple form that is easy to measure can be performed even in a system with a different optical system. Can be used. Furthermore, a calibration curve can be made into a database, and if a database is created, it is not necessary for each person to perform a calibration experiment.
In the measurement of the mixed state of hydrocarbon fuel and air, the hydrogen with the highest radiation level is used as the atom of interest, and the ratio of the peak value of the 486 nm and 656 nm spectral lines reflecting the plasma state is calculated and calibrated. Measurement accuracy was improved.
The analysis method for LIPS quantitative measurement of the present invention calculates the ratio of the peak value of a spectral line depending on the amount of one component and the peak value of the spectral line depending on the amount of the other component, and calculates 2 of the peak values of different spectral lines. Since the data is adopted only when the ratio shows a close value, the reliability of the data is increased and the measurement accuracy can be improved.
Since the analysis method of LIPS quantitative measurement of the present invention performs the analysis only when the number of plasma nuclei generated at the laser focusing point is one, the data when light emission information from different plasma states is mixed is excluded. Measurement accuracy can be improved.
The LIPS quantitative measurement analysis method of the present invention can improve the measurement accuracy of the temperature of the measurement target gas because the size information of the plasma generated at the laser focusing point can be integrated with the peak value information of the spectrum line. .

本発明のLIPS定量計測装置は、従来のLIPS装置に加えて、レーザー焦点領域に発生するプラズマを撮像する光検出装置と、発生するプラズマ核の数が一つのときのみ解析を実施する手段とを備えるものであるから、異なるプラズマ状態からの発光情報が混在する場合のデータを効果的に排除でき、計測精度を向上させることができる。
また、本発明のLIPS定量計測装置は、従来のLIPS装置に加えて、レーザー焦点領域に発生するプラズマを撮像する光検出装置と、プラズマのサイズ情報をスペクトル線のピーク値情報と総合する手段とを増設するようにしたものであるから、計測対象ガスの温度の計測精度を向上させることができる。
In addition to the conventional LIPS device, the LIPS quantitative measurement device of the present invention includes a light detection device for imaging plasma generated in the laser focal region, and means for performing analysis only when the number of generated plasma nuclei is one. Since it is provided, data in the case where light emission information from different plasma states coexists can be effectively eliminated, and measurement accuracy can be improved.
In addition to the conventional LIPS device, the LIPS quantitative measurement device of the present invention includes a light detection device for imaging plasma generated in the laser focus region, and means for integrating the size information of the plasma with the peak value information of the spectral lines. Therefore, the measurement accuracy of the temperature of the measurement target gas can be improved.

本発明の解析方法は、1つ以上の原子(またはイオン)の電子的励起状態を、プラズマスペクトル上の対応波長におけるピーク値(またはピーク値の比)からプラズマ状態を判定しようとするものである。まず、プラズマスペクトル上の対応波長におけるピーク値(またはピーク値の比)からプラズマ状態を判定できる根拠について説明する。プラズマスペクトル上のピーク値は原子の種類によって波長が特定され、励起された電子のレベルに対応して波長毎のレベルが決まる。因みに水素については図3からも分かるように486nmと656nmのピークが観察される。今、エンジン燃焼器における炭化水素と空気の当量比測定に用いる目的でLIPS計測を行う場合における波長486nmの水素のピーク値と波長746nmの窒素のピーク値の比(H486/N746)と当量比との関係を示す。水素は炭化水素の量に対応し、窒素は空気の量に対応する原子である。さて、図4に示したものは波長486nmの水素のピーク値と波長656nmの水素のピーク値の比(H486/H656)がそれぞれ0.04,0.50,0.60,0.70,0.80であるときのデータ毎に整理したものである。このように(H486/N746)値と当量比との関係はほぼ線形に近い特性曲線であるが(H486 /H656)値によってシフトされる関係にあることが認められる。すなわち、この(H486/H656)値は励起された水素の電子がどのレベルに励起されたかの比率に対応するものであるから、これはとりもなおさずその際のプラズマ状態を示すものと解される。すなわち、そのときのプラズマ状態に対応した(H486/H656)値を把握しておけば、得られた(H486 /N746)値から当量比を推定することができることになる。本発明はこの知見に基づいてなされたもので、プラズマ状態を示すこの(H486/H656)値毎の(H486 /N746)値と当量比との関係を示すテーブルが校正曲線として用いられる。
スペクトル線(波長)の選択は、使用する光学系の構成や調べたい原子(またはイオン)によって決められる。例えば、エンジン燃焼器の当量比測定に用いる目的でLIPS計測を行う場合、計測精度を向上させるために、燃料と酸化剤に由来する独立した3つ以上のエミッションピークを利用する。得られた2つのピーク比の値が近い値を示すときのみ解析が実施される。
The analysis method of the present invention is to determine the plasma state of the electronically excited state of one or more atoms (or ions) from the peak value (or ratio of peak values) at the corresponding wavelength on the plasma spectrum. . First, the grounds for determining the plasma state from the peak value (or peak value ratio) at the corresponding wavelength on the plasma spectrum will be described. The wavelength of the peak value on the plasma spectrum is specified by the kind of atom, and the level for each wavelength is determined in accordance with the level of excited electrons. For hydrogen, peaks of 486 nm and 656 nm are observed as can be seen from FIG. The ratio of the peak value of hydrogen at a wavelength of 486 nm to the peak value of nitrogen at a wavelength of 746 nm (H 486 / N 746 ) and equivalent when performing LIPS measurement for the purpose of measuring the equivalent ratio of hydrocarbon to air in an engine combustor The relationship with the ratio is shown. Hydrogen corresponds to the amount of hydrocarbons and nitrogen is an atom corresponding to the amount of air. FIG. 4 shows each data when the ratio of the peak value of hydrogen at a wavelength of 486 nm to the peak value of hydrogen at a wavelength of 656 nm (H 486 / H 656 ) is 0.04, 0.50, 0.60, 0.70, and 0.80, respectively. It is organized. Thus, the relationship between the (H 486 / N 746 ) value and the equivalence ratio is a characteristic curve that is almost linear, but it is recognized that the relationship is shifted by the (H 486 / H 656 ) value. That is, this (H 486 / H 656 ) value corresponds to the ratio of the excited level of the excited electrons of hydrogen, and it is understood that this indicates the plasma state at that time. Is done. That is, if the (H 486 / H 656 ) value corresponding to the plasma state at that time is grasped, the equivalent ratio can be estimated from the obtained (H 486 / N 746 ) value. The present invention has been made based on this finding, and a table showing the relationship between the (H 486 / N 746 ) value and the equivalence ratio for each (H 486 / H 656 ) value indicating the plasma state is used as a calibration curve. It is done.
The selection of the spectral line (wavelength) is determined by the configuration of the optical system to be used and the atom (or ion) to be examined. For example, when performing LIPS measurement for the purpose of measuring the equivalence ratio of an engine combustor, three or more independent emission peaks derived from fuel and oxidant are used in order to improve measurement accuracy. The analysis is performed only when the obtained two peak ratio values are close to each other.

図1に本発明に係る計測システムの概要図を示した。このシステムは、レーザー発振器1から放射したレーザービームを集光レンズ4によって試料に焦点照射し、レーザー誘起プラズマを発生させ、発生したプラズマを分光分析器8を用いて周波数分離してスペクトルを得、ICCDカメラ9を用いて画像化するという点では図7に示した従来のLIPS装置と同様であり、上記の構成が採られている。ただし、本システムはプラズマ状態をプラズマ発生前後のレーザーパルスエネルギーの差から推定するものではないので、この装置では従来装置における2つのミラーと2つのエネルギーメータは不要となるが、得られたスペクトル情報についてプラズマ状態を把握するための異なる処理がなされることになる。図中のレンズ6はプラズマ発光を捉えるものであり、プラズマの光は指向性を持つものではないので図のようにレーザービームに対して垂直な配置に限定されるものではない。ビームダンパ5は必須のものではなく場合によっては省略しても良い。また、本発明に係るシステムの好ましい態様として後述する機能を備えるICCDカメラのようなプラズマ現象観察用の光学検出器10を配置する。   FIG. 1 shows a schematic diagram of a measurement system according to the present invention. In this system, a laser beam emitted from a laser oscillator 1 is focused on a sample by a condenser lens 4 to generate laser-induced plasma, and the generated plasma is frequency-separated using a spectroanalyzer 8 to obtain a spectrum. The point of imaging using the ICCD camera 9 is the same as that of the conventional LIPS apparatus shown in FIG. 7, and the above configuration is adopted. However, since this system does not estimate the plasma state from the difference in laser pulse energy before and after plasma generation, this apparatus does not require two mirrors and two energy meters in the conventional apparatus, but the obtained spectral information A different process for grasping the plasma state will be performed. The lens 6 in the figure captures the plasma emission, and the plasma light is not directional, so it is not limited to the arrangement perpendicular to the laser beam as shown in the figure. The beam damper 5 is not essential and may be omitted in some cases. Further, as a preferred embodiment of the system according to the present invention, an optical detector 10 for observing a plasma phenomenon such as an ICCD camera having a function described later is disposed.

本発明における解析、ここでは異なる物質の当量比の測定を想定したフローチャートを図2に示す。まず、ステップ1でレーザー発振器1からレーザーパルスを照射して焦点領域にある試料をプラズマ状態にする。ステップ2ではパルス毎に発生するプラズマについてスペクトル情報を光学系を介して取得する。ステップ3ではプラズマ状態を把握するため着目する原子Aの異なる周波数のエミッションピーク値の比(A/A)を計算する。ステップ4では一方の物質の着目原子Aのピーク値Aと他方の物質の着目原子Bのエミッションピーク値の比(A/B)を計算する。ステップ5では(A/A)値毎の(A/B)値と当量比との関係を示すテーブルを準備しておき、そのテーブルを参照して先に求めた(A/A)値を特定しその校正特性から(A/B)値に対応する当量比の校正値を得る。ステップ6では先の原子Aのピーク値Aと他方の物質の着目原子Cのエミッションピーク値の比(A/C)を計算する。ステップ7ではテーブルを参照して先に求めた(A/A)値を特定しその校正特性から(A/C)値に対応する当量比の校正値を得る。このステップ6とステップ7はステップ4とステップ5に並行して実施しても良い。ステップ8では得られた異なる原子のエミッションピーク値を基に算出した双方の当量比が規定された制限内の値(例えば2.5%)であることを確認し、制限内であれば適正な測定値として採用し、制限内でなければ不採用として測定を終える。なお、BとCは他の物質にのみ含まれる原子の異なるスペクトル線であればよく、異なる原子のスペクトル線に限らず、波長が異なる同一原子のスペクトル線であっても良い。 FIG. 2 shows a flowchart assuming analysis in the present invention, here, measurement of equivalent ratios of different substances. First, in step 1, a laser pulse is emitted from the laser oscillator 1 to bring the sample in the focal region into a plasma state. In step 2, spectral information about the plasma generated for each pulse is acquired via an optical system. In step 3, the ratio (A 1 / A 2 ) of emission peak values of different frequencies of the atom A of interest is calculated in order to grasp the plasma state. In step 4 calculates the ratio of the emission peak value of a target atom B of the peak value A 1 and the other materials of interest atoms A of one material (A 1 / B 1). In step 5, a table indicating the relationship between the (A 1 / B 1 ) value and the equivalence ratio for each (A 1 / A 2 ) value is prepared, and the table (A 1 / A 2 ) value is specified, and a calibration value of an equivalent ratio corresponding to the (A 1 / B 1 ) value is obtained from its calibration characteristics. In step 6, the ratio (A 1 / C 1 ) between the peak value A 1 of the previous atom A and the emission peak value of the target atom C of the other substance is calculated. In step 7, the previously obtained (A 1 / A 2 ) value is specified with reference to the table, and the calibration value of the equivalent ratio corresponding to the (A 1 / C 1 ) value is obtained from the calibration characteristics. Steps 6 and 7 may be performed in parallel with steps 4 and 5. In step 8, it is confirmed that the equivalence ratio calculated based on the emission peak values of different atoms obtained is within the specified limit (for example, 2.5%). If it is not within the limits, the measurement is terminated as non-adoption. B 1 and C 1 need only be spectral lines with different atoms contained only in other substances, and are not limited to spectral lines with different atoms, but may be spectral lines with the same atom having different wavelengths.

図2において右側の破線枠で囲った部分のステップ9乃至ステップ11までは必須の構成ではないが、オプションとして推奨の手法である。このステップはプラズマ状態をモニタするイメージ増強機能付のダイオード・アレイやCCD素子アレイなどのような光検出器10(図1参照)を配置することが必要となる。ステップ9ではプラズマのサイズや発生するプラズマ核の数を、プラズマ観察用光検出器10によって撮像する。ステップ10では撮像した画像情報からプラズマ核の数がいくつあるか判定する。ステップ11ではプラズマ核の数が1つのときのみ、プラズマ状態の特定及び、LIPS解析を行うこととし、ステップ3においてなされる「原子Aの異なる周波数のエミッションピーク値の比(A/A)の計算を」実行させ、1つ以上であったときはその計算を中止する。即ち、プラズマ核の数によって計測を行うか否かのON/OFF条件として用いるのである。プラズマ核が複数あるということは複数のプラズマ状態のスペクトルが混在していることであり、正しい計測ができない。このステップを加えることにより、得られた測定値の信頼性は高くなる。
また、ステップ9ではプラズマ観察用光学検出器10によってプラズマ核の数の他、プラズマのサイズを検出することができる。この検出値はスペクトルのレベル情報と総合して判定することにより計測ガスの温度計測精度をより向上させることができる。
Steps 9 to 11 in the portion surrounded by the broken line on the right side in FIG. 2 are not indispensable components, but are optional recommended methods. In this step, it is necessary to arrange a photodetector 10 (see FIG. 1) such as a diode array or a CCD element array with an image enhancement function for monitoring the plasma state. In step 9, the plasma size and the number of generated plasma nuclei are imaged by the plasma observation photodetector 10. In step 10, it is determined how many plasma nuclei are present from the captured image information. In step 11, only when the number of plasma nuclei is one, the plasma state is specified and LIPS analysis is performed. In step 3, the “ratio of emission peak values of different frequencies of atom A (A 1 / A 2 )” is performed. The calculation is executed, and when there is one or more, the calculation is stopped. That is, it is used as an ON / OFF condition for determining whether or not to perform measurement depending on the number of plasma nuclei. The fact that there are a plurality of plasma nuclei means that the spectra of a plurality of plasma states are mixed, and correct measurement cannot be performed. By adding this step, the reliability of the measured values obtained is increased.
In step 9, the plasma observation optical detector 10 can detect the size of the plasma in addition to the number of plasma nuclei. The detection value can be determined in combination with the spectrum level information, thereby further improving the temperature measurement accuracy of the measurement gas.

次に、2つの異なる実験条件における実験結果の例を示す。1つ目の条件は、10kwの熱発生率をもつ、比較的小さなメタン−空気の予混合バーナーの常温条件を計測対象とした。光源には、120mJ−8nsのスペックを持つNd:YAGレーザー発振器を用い、本発明の手法による当量測定を実施した。図3のグラフは実はこの2つの当量比条件における平均プラズマスペクトルを示したものである。各元素のエミッションの値は、各波長における背景レベル(ピークの現れていない範囲における平均値)を取り除いてから、ピークをはさんで±3nmの平均を取ることで決定した。
もう一つの実験では、100kw級の熱発生率をもつ、700Kに予熱したメタン−空気予混合燃焼器を対象とした。光源には、400mJ−7nsのスペックを持つNd:YAGレーザーを用いて本発明の手法による計測を実施した。図5のグラフは、この条件における当量比計測結果を、1つ目の実験条件における結果とともに示したものである。異なる実験設定における当量比計測結果が良い一致を示していることから、本発明が提案する解析手法によって、一般性のある校正が行われていることが確認できる。
Next, examples of experimental results under two different experimental conditions are shown. The first condition was a room temperature condition of a relatively small methane-air premixed burner having a heat generation rate of 10 kw. An Nd: YAG laser oscillator having a specification of 120 mJ-8 ns was used as the light source, and equivalent measurement was performed by the method of the present invention. The graph of FIG. 3 actually shows the average plasma spectrum under these two equivalence ratio conditions. The emission value of each element was determined by removing the background level at each wavelength (average value in a range where no peak appears) and then taking an average of ± 3 nm across the peak.
In another experiment, a methane-air premixed combustor preheated to 700 K with a heat generation rate of 100 kW class was targeted. As a light source, an Nd: YAG laser having a specification of 400 mJ-7 ns was used, and measurement by the method of the present invention was performed. The graph of FIG. 5 shows the equivalence ratio measurement result under this condition together with the result under the first experimental condition. Since equivalence ratio measurement results in different experimental settings show good agreement, it can be confirmed that general calibration is performed by the analysis method proposed by the present invention.

図6は、従来手法による校正を行った場合と本提案手法による校正を行った場合との精度の違いを示したものである。横軸に当量比を取り、縦軸に計測値の不確実性を取り当量比毎の計測値の不確実性を%で示したグラフである。(H486 /H656)値が0.50,0.60,0.70のときの本発明の解析手法による計測データの信頼性はそれぞれ若干の差があるものの、従来法による信頼性に比べ、遙かに高くなっているこが見て取れる。また、2つの異なるエミッションピーク値を基に算出した当量比が規定された制限(2.5%)内の値であることを確認して得た計測値は、更に信頼性が高くなっていることが分かる。本提案手法による校正を行った場合、広い当量比範囲で精度の顕著な改善がなされることが確認できた。 FIG. 6 shows the difference in accuracy between the case where the calibration is performed by the conventional method and the case where the calibration is performed by the proposed method. It is the graph which took equivalence ratio on the horizontal axis | shaft, took uncertainty of the measured value on the vertical axis | shaft, and showed the uncertainty of the measured value for every equivalence ratio in%. (H 486 / H 656 ) Although the reliability of the measurement data obtained by the analysis method of the present invention when the values are 0.50, 0.60, and 0.70 is slightly different from each other, it is much higher than the reliability of the conventional method. You can see what is going on. In addition, the measured value obtained by confirming that the equivalence ratio calculated based on two different emission peak values is within the specified limit (2.5%) must be more reliable. I understand. It was confirmed that when the calibration by the proposed method was performed, the accuracy was remarkably improved in a wide equivalence ratio range.

自動車エンジン、ガスタービンエンジンにおける当量比計測、バーナー出口での有害な金属の濃度計測など、産業上の利用可能性は多岐にわたる。LIPS計測が行われる全ての場合にこの解析手法を取り入れることで、計測精度の改善が期待できる。特に、プラズマ状態の変動が問題となるような計測ではその効果は大きいといえる。   Industrial applicability is diverse, such as measuring equivalence ratios in automobile engines and gas turbine engines, and measuring harmful metal concentrations at the outlet of burners. Improvement of measurement accuracy can be expected by incorporating this analysis method in all cases where LIPS measurement is performed. In particular, it can be said that the effect is great in the measurement in which the fluctuation of the plasma state becomes a problem.

本発明のLIPS定量計測装置の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the LIPS quantitative measurement apparatus of this invention. 本発明のLIPS定量計測における解析方法のフローチャートである。It is a flowchart of the analysis method in the LIPS quantitative measurement of this invention. 2つの当量比条件における平均プラズマスペクトルを示したものである。The average plasma spectrum in two equivalence ratio conditions is shown. 486 とN746のピーク比と当量比との関係における水素励起状態の影響を示したグラフである。It is the graph which showed the influence of the hydrogen excitation state in the relationship between the peak ratio of H486 and N746 , and an equivalence ratio. 本発明の手法による2つの異なる実験条件でのH486 とN746のピーク比を示したグラフである。6 is a graph showing peak ratios of H486 and N746 under two different experimental conditions according to the technique of the present invention. 本発明の手法による計測精度の向上を示すグラフである。It is a graph which shows the improvement of the measurement precision by the method of this invention. 従来のLIPS定量計測装置の基本構成を示す図である。It is a figure which shows the basic composition of the conventional LIPS quantitative measurement apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザー発振器(Nd-YAGレーザー) 2 パワーメータ
3 ミラー(5%反射) 4 集光レンズ
5 ビームダンパ 6 レンズ
7 光ファイバ 8 分光器
9 ICCDカメラ 10 プラズマ観察用光検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser oscillator (Nd-YAG laser) 2 Power meter 3 Mirror (5% reflection) 4 Condensing lens 5 Beam damper 6 Lens 7 Optical fiber 8 Spectrometer 9 ICCD camera 10 Photodetector for plasma observation

Claims (3)

得られたプラズマスペクトルにおける1つ以上の同一原子のスペクトル線のピーク値の比(A1/A2)に基づいてプラズマ状態を判定するステップと、組成物の一方の物質の着目原子Aのピーク値A1と他方の物質の着目原子Bのエミッションピーク値の比(A1/B1)を計算するステップと、(A1/A2)値毎の(A1/B1)値と両物質の当量比との関係を示すテーブルを準備しておき、そのテーブルを参照して先に求めた(A1/A2)値を特定し該テーブルの校正特性から(A1/B1)値に対応する前記当量比の校正値を得るステップとを踏むものであって、
先の原子Aのピーク値A1と他方の物質の着目原子Cのエミッションピーク値の比(A1/C1)を計算するステップと、テーブルを参照して先に求めた(A1/A2)値を特定しその校正特性から(A1/C1)値に対応する当量比の校正値を得るステップとを加え、双方の当量比が規定値内の時のみ適正な校正値として採用することにより計測精度を向上させることを特徴とするLIPS定量計測の解析手法。
A step of determining a plasma state based on a ratio (A1 / A2) of peak values of spectral lines of one or more identical atoms in the obtained plasma spectrum, and a peak value A1 of the target atom A of one substance of the composition And calculating the ratio (A1 / B1) of the emission peak value of the target atom B of the other substance and the relationship between the (A1 / B1) value for each (A1 / A2) value and the equivalent ratio of both substances leave preparing a table, the step of obtaining a calibration value of the equivalent ratio corresponding to (A1 / B1) values from the calibration characteristics of the table identifies the by referring to the table obtained in advance (A1 / A2) value And step on
A step of calculating the ratio (A1 / C1) of the peak value A1 of the previous atom A and the emission peak value of the target atom C of the other substance, and specifying the previously obtained (A1 / A2) value with reference to the table In addition, a step of obtaining a calibration value of the equivalent ratio corresponding to the (A1 / C1) value from the calibration characteristics is added, and the measurement accuracy is improved by adopting it as an appropriate calibration value only when both equivalent ratios are within the specified value. An analysis method for LIPS quantitative measurement, characterized by
炭化水素系燃料と空気の混合状態の測定において、水素を着目原子としその486nmと656nmのスペクトル線のピーク値の比を算出してプラズマ状態の判定に利用するものである請求項1に記載の解析手法。   2. The measurement of a mixed state of a hydrocarbon fuel and air, which uses hydrogen as a target atom and calculates a ratio of peak values of spectral lines of 486 nm and 656 nm to be used for determination of a plasma state. Analytical method. 燃料と空気の混合状態の測定において、レーザー集束点に発生するプラズマ核の数が一つのときのみ解析を実施するものとした請求項1または2に記載の解析手法。 The analysis method according to claim 1 or 2 , wherein in the measurement of the mixed state of fuel and air, the analysis is performed only when the number of plasma nuclei generated at the laser focusing point is one.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8387399B1 (en) * 2011-09-12 2013-03-05 General Electric Company System and method for controlling a combustor assembly
WO2015037640A1 (en) * 2013-09-10 2015-03-19 株式会社Ihi Substance identification device, and substance identification method
SI24727B (en) 2014-05-22 2023-08-31 Institut "Jožef Stefan" Method and device for detection and measuring the density of neutral atoms of hydrogen, oxygen or nitrogen
WO2017100972A1 (en) * 2015-12-14 2017-06-22 General Electric Company Component treatment process and treated gas turbine component
CN105784678B (en) * 2016-01-31 2019-04-09 华南理工大学 The method of characteristic peak intensity standard deviation identification particle stream spectrum of laser plasma
CN105699366A (en) * 2016-03-18 2016-06-22 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 Plasma spectral measurement device and method for SF6 mixed gas
KR101943579B1 (en) * 2017-02-28 2019-01-30 서울대학교산학협력단 Feedback system and operation method thereof for flow of internal fluid of hypersonic transportation using Laser-induced breakdown spectroscopy

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58219440A (en) * 1982-06-15 1983-12-20 Kawasaki Steel Corp Method for spectrochemical analysis using laser light
JP3377699B2 (en) * 1996-11-05 2003-02-17 三菱重工業株式会社 Trace component measurement method and device using laser
JP3920211B2 (en) * 2002-12-24 2007-05-30 株式会社東芝 Elemental analysis method and apparatus

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