JP6196289B2 - 方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光計を有する炉内再帰反射体 - Google Patents

Description

本開示は、ボイラーまたは炉の内部における燃焼特性を測定するための方法と装置に導かれ、より詳しくは、方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光計と連携して炉内再帰反射体を利用しているボイラーまたは炉における燃焼特性を測定するための方法と装置に導かれる。

米国特許第７４６９０９２号は、波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）を使用する、工程の監視と制御のための方法と装置を開示している。簡潔に述べると、ＴＤＬＡＳによる方法と装置は、多数の別個の波長の多重化ビームである光のビームを、ボイラーまたは炉の燃焼室に方向を向けて、温度や、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂及びＨ₂Ｏを含む種々の燃焼化学種の濃度のようなボイラーまたは炉の燃焼特性を測定することを含んでいる。ＴＤＬＡＳによる監視技術は、関心のある領域を通して光が送光され、燃焼の結果である気体化学種に特有の特定のスペクトル帯域において吸収された後に、検出器により受光されたレーザ光の量と性質の間の所定の関係に基づいている。検出器により受光された吸収スペクトルは、解析と、温度のような関連する燃焼パラメータとにより、気体化学種の量を決定するために使用され得る。

この技術はボイラーまたは炉を通しての照準線を必要とする。複数のボイラーまたは炉の位置において燃焼特性を測定することが望ましいことがよくあるため、実際には、多数の照準線が典型的に必要とされる。典型的には、波長多重化レーザビームが、投光光学機器から、ボイラーまたは炉の反対側の受光光学機器に送光される。ある適用では、１５以上の測定経路を必要とし、そのため、１５以上の投光／受光光学機器の対と、３０以上の炉の貫通口が必要となる。しかし、実質的に同一の投光／受光光学機器の１５以上の対の使用と、３０以上の対応する炉の貫通口の必要性は、システムの複雑性を増すことはもちろん、高いコストがかかることになる。いくつかのケースでは、システムの設置は、ボイラーまたは炉の計画的停止のために数年待つことが必要なことがある。

光学機器と、対応する炉の貫通口のコストと複雑性のために、従来のシステムの実用性は、炉内のより多くの数の燃焼ゾーンを監視することを（及びおそらく制御することも）望む場合には限度がある。

米国特許第７４６９０９２号明細書

本発明は、上記に検討した問題の１つ以上を克服することを目的としている。

本開示の第１形態は、燃焼炉の内部における燃焼特性（これには、温度と種々の燃焼化学種の濃度が含まれるが、それらに限定されることはない）を監視する方法である。この方法は、炉の壁に少なくとも１つの貫通口を設ける段階と、炉の内部の中に少なくとも２つの再帰反射表面を設ける段階と、炉の内部の外側に位置決めされたコリメータレンズであって、炉の内部に光のビームを、少なくとも２つの再帰反射表面の第１再帰反射表面に向けて投射するために、少なくとも１つの貫通口に光学的に結合されたコリメータレンズを具備する光学機器を通して光のビームを投射する段階と、第１再帰反射表面からの光のビームを光学機器で受光する段階と、第１再帰反射表面からの受光した光のビームに基づいて燃焼特性を測定する段階と、光のビームを、光学機器を通して、少なくとも２つの再帰反射表面の第２再帰反射表面に向けて方向を変更する段階と、第２再帰反射表面からの光のビームを光学機器で受光する段階と、少なくとも、第２再帰反射表面からの受光した光のビームに基づいて燃焼特性を測定する段階とを含む。ここで使用されているように、再帰反射体は、ビームが再帰反射体の開口部に入射する限り、入射角に関係なく、入射レーザ光をその光源に向けて方向を変更して戻す光学装置として広く定義される。

幾つかの実施形態によれば、光のビームは、マルチモードファイバと、コリメータレンズを具備する光学機器を通して伝搬／投射され、再帰反射表面の１つから反射され、同じコリメータレンズにより受光され、同じマルチモードファイバ内を反対方向に伝搬される。

幾つかの実施形態において、少なくとも１つの貫通口は、円形貫通口と、炉の壁に組み込まれている金属薄膜により分離されている複数の平行蒸気管に平行な細長い貫通口のうちの１つを含んでいる。例えば、石炭を動力とする発電プラントのボイラーの中には、平行な蒸気管を必要とするものがある。蒸気管のない炉に対しては、ビームが貫通口を通して効率的よく投射及び／または受光される限り、貫通口の任意の形状（例えば、三角形、正方形、長方形、楕円、他の多角形など）を利用できる。

幾つかの実施形態によれば、少なくとも２つの再帰反射表面のそれぞれは、サファイヤと水晶から構成されるグループから選択された材料から作製されている。一実施形態において、少なくとも２つの再帰反射表面のそれぞれは、単一の大型再帰反射体、または、より小型の再帰反射体要素のアレイのうちの１つである。幾つかの実施形態において、少なくとも２つの再帰反射表面は、コーナーキューブ再帰反射光学機器または、キャッツアイ再帰反射球体のうちの少なくとも１つを含んでいる。幾つかの実施形態において、第１及び第２再帰反射表面は、離散している再帰反射体のアレイを具備する単一の再帰反射表面の第１及び第２部分であり、第１再帰反射表面から第２再帰反射表面へ方向を変更する段階は、単一の再帰反射表面の第１部分から第２部分へ方向を変更する段階である。

ここで使用され、参照され、例として挙げられているように、再帰反射体は、（ａ）燃焼工程を監視及び／または制御することが望まれる炉において、離散した場所に位置決めされた単一の大型再帰反射体（例えば、「離散再帰反射体」）と、（ｂ）より小型の離散している再帰反射体要素のアレイであって（つまり、「再帰反射体アレイ」または「アレイ再帰反射体」）、（ａ）において記述された単一の大型再帰反射体に取って替わる、より小型の離散している再帰反射体要素のアレイの何れかを意味することができる。

幾つかの実施形態によれば、本方法は更に、搭載構造体を提供する段階を含み、搭載構造体は、火炎放射バーナーが配置されている炉の内部の側とは反対側の炉の他方の側に位置決めされた炉の内部の中に各再帰反射表面を搭載するためのものであって、少なくとも２つの再帰反射体のそれぞれは、搭載構造体に固定されるように構成されている。少なくとも１つの搭載構造体は、各再帰反射体が保持されるスロットを有するセラミック製搭載構造体を含むこともできる。または、ニクロム線（例えば、８０％のニッケルと２０％にクロムを含むニクロム合金から作製できる）を、各再帰反射体を搭載構造体に固定するために使用することもできる。幾つかの実施形態において、炉は天井と床を含んでおり、天井と床は、炉の壁に実質的に垂直であり、火炎放出バーナーは天井に搭載され、一方、各搭載構造体は床に搭載される。実施形態は、搭載構造体に取り付けられている２つ以上の再帰反射体を含むこともできる。例えば、これは、再帰反射体が複数の小型再帰反射体を具備する実施形態や、２つ以上の、より大型の再帰反射体が単一の搭載構造体に取り付けられている実施形態においてさえ当てはまる。

幾つかの実施形態に基づくと、少なくとも２つの再帰反射体を炉の内部の中に設ける段階は、複数の再帰反射体を、単一平面構造形、多平面構造形、事前配置構造形、及び任意の構造形の少なくとも１つの構成で炉の内部全体にわたり配置する段階を含んでいる。幾つかの実施形態において、単一平面構造形と多平面構造形の各平面は、炉の壁に垂直であるか、または光学機器を通して投射される光のビームに平行であるかの何れかである。

幾つかの実施形態によれば、光学機器を使用してビームの方向を変更する段階は、少なくとも１つの貫通口の光軸に垂直な２本の直交軸の少なくとも一方の周りで光学機器を傾ける段階を含んでいる。

一実施形態によれば、光のビームを受光する段階は、ビームをマルチモード光ファイバ内に受光する段階を含んでおり、燃焼特性を測定する段階は、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のモードノイズ誘発信号レベル変動を平均化することによりノイズをフィルタ処理する段階を含んでいる。

幾つかの実施形態によれば、少なくとも２つの再帰反射体を設ける段階は、炉の内部の燃焼ゾーンを監視するために、炉の内部の中に位置決めされた複数の再帰反射体を設ける段階を含んでおり、光のビームを投射する段階は、複数の再帰反射体のそれぞれに向けてビームを投射する段階を含んでおり、燃焼特性を測定する段階は、各ゾーンから反射されて受光されたビームの測定値を考慮することにより燃焼特性を計算する段階を含んでいる。

幾つかの実施形態において、光学機器は、炉の内部の外側に位置決めされたリレーレンズを更に含んでおり、前記リレーレンズは、コリメータレンズに光学的に結合され、また、少なくとも２つの再帰反射体の第１及び第２再帰反射体のそれぞれに向けてビームを炉の内部に投射するために、少なくとも１つの貫通口に光学的に結合されている。

本開示の第２の形態は、燃焼炉の内部における燃焼特性（これには温度や、種々の燃焼化学種の濃度が含まれるが、それらに限定されることはない）を感知するための装置である。本装置は、ダイオードレーザと、コリメータレンズと、少なくとも２つの再帰反射体と、可動傾斜ステージと、検出器と、を具備する。ダイオードレーザは、選択レージング周波数を有している。コリメータレンズは、ダイオードレーザにより生成されるビームに光学的に結合され、コリメータレンズは、ダイオードレーザからのビームを、炉の壁における貫通口内に投射するように構成されている。少なくとも２つの再帰反射体は、炉の内部の中に位置しており、それぞれは、コリメータレンズからのビームを反射して、コリメータレンズに戻すように構成されている。可動傾斜ステージは、少なくとも１つのステッパモータと、モータ駆動装置と、コリメータレンズに結合されているステージを含んでいる。少なくとも１つのステッパモータは、第１貫通口の光軸に垂直な２本の直交軸の少なくとも一方の周りでステージを傾けて、少なくとも２つの再帰反射体の１つからの他方に光のビームの方向を変更するように構成されている。検出器は、選択レージング周波数を感知し、コリメータレンズに光学的に結合されるタイプである。

本装置は、幾つかの実施形態によれば、ビームがダイオードレーザからコリメータレンズに伝搬されるマルチモードファイバを更に具備している。コリメータレンズは、ダイオードレーザとマルチモードファイバからのビームを、貫通口を通して、炉の内部において位置決めされた少なくとも２つの再帰反射表面の１つに投射するように構成されている。コリメータレンズは更に、少なくとも２つの再帰反射表面の前記１つからの反射ビームを受光し、反射ビームを同じマルチモードファイバを通して、マルチモードファイバに光学的に結合されている検出器に戻すように送光するように構成されている。

幾つかの実施形態によれば、第１貫通口は、円形貫通口と、炉の壁に組み込まれている金属薄膜により分離されている複数の平行蒸気管に平行な細長い貫通口のうちの１つを含んでいる。典型的には、ボイラーのみが平行蒸気管を必要とする。蒸気管のない炉に対しては、ビームが貫通口を通して効率的よく投射及び／または受光され得る限り、貫通口の任意の形状が利用されてよい。

幾つかの実施形態において、少なくとも２つの再帰反射体のそれぞれは、サファイヤと水晶から構成されるグループから選択された材料から作製されている。一実施形態において、少なくとも２つの再帰反射体のそれぞれは、より小型の再帰反射体要素のアレイである。幾つかの実施形態において、少なくとも２つの再帰反射体は、コーナーキューブ再帰反射光学機器とキャッツアイ再帰反射球体のうちの少なくとも１つを含んでいる。

幾つかの実施形態によれば、本装置は更に、火炎放射バーナーが配置されている炉の内部の側とは反対側の炉の他方の側に位置決めされた炉の内部の中に各再帰反射表面を搭載するための搭載構造体を備えており、少なくとも２つの再帰反射体のそれぞれは、搭載構造体に固定されるように構成されている。一実施形態において、各搭載構造体は、各再帰反射体が保持されるスロットを有するセラミック製搭載構造体を含んでいる。他の実施形態において、少なくとも２つの再帰反射体のそれぞれは、ニクロム線（例えば、８０％のニッケルと２０％にクロムを含むニクロム合金から作製できる）を介して、１つの搭載構造体に固定されている。実施形態は、搭載構造体に取り付けられた２つ以上の再帰反射体を含むこともできる。例えば、これは、再帰反射体が複数の小型再帰反射体を具備する実施形態や、２つ以上の、より大型の再帰反射体が単一の搭載構造体に取り付けられている実施形態においてさえ当てはまる。

幾つかの実施形態に基づくと、炉は天井と床を含んでおり、天井と床は、炉の壁に実質的に垂直であり、火炎放出バーナーは天井に搭載され、一方、各搭載構造体は床に搭載される。

幾つかの実施形態において、少なくとも２つの再帰反射体は、単一平面構造形、多平面構造形、事前配置構造形、及び任意の構造形の少なくとも１つの構成で、炉の内部全体にわたって配置されている複数の再帰反射体を含んでいる。幾つかの実施形態において、単一平面構造形と多平面構造形の各平面は、炉の壁に垂直であるか、または光学機器を通して投射される光のビームに平行であるかの何れかである。

幾つかの実施形態において、少なくとも２つの再帰反射体は、炉の内部の燃焼ゾーンを監視するために、炉の内部の中に位置決めされた複数の再帰反射体を含んでおり、コリメータレンズは、複数の再帰反射体のそれぞれに向けてビームを投射し、検出器は、各ゾーンから反射されて受光されたビームの測定値を考慮することにより燃焼特性を計算する。

本装置は、幾つかの実施形態によれば、リレーレンズを含んでいる。リレーレンズはコリメータレンズと貫通口に光学的に結合され、ダイオードレーザからのビームを、コリメータレンズと貫通口を通して、少なくとも２つの再帰反射体にビームを向けて投射するように構成されている。

本開示の第３の形態は、記録可能媒体に格納されたコンピュータソフトウェアを目的とし、このコンピュータソフトウェアは、プロセッサ（例えば、汎用コンピュータまたはアプリケーションに特有のコンピュータのうちの１つ）により実行されると、プロセッサに下記のこと、即ち、炉の内部の中の再帰反射体の位置を決定するためにデータベースにアクセスすること、送受光光学機器が収納されているステージを傾けるために少なくとも１つのステッパモータを駆動させて、それにより、送受光光学機器から投射されたビームを、再帰反射体の決定された位置に基づいて再帰反射体の１つに方向を変更するような指示をモータ駆動装置に送ること、送受光光学機器に光学的に結合された検出器であって、再帰反射体の前記１つから送受光光学機器に反射して戻されたビームを検出した検出器からの信号を受信して格納すること、及び検出器から受信して格納した信号に基づいて燃焼特性を計算することを行わせる。

幾つかの実施形態において、コンピュータソフトウェアはそれがプロセッサにより実行されたときに、プロセッサに更に下記のこと、即ち、再帰反射体の決定された位置に基づいて、炉の第１の所定ゾーン内の再帰反射体のそれぞれにビームをジャンプさせるように、モータ駆動装置に対して指示を送ること、炉の第１の所定ゾーン内の前記各再帰反射体から、送受光光学機器に反射して戻されたビームを検出した検出器からの信号を受信して格納すること、及び検出器から受信して格納した信号に基づいて、第１の所定ゾーンの燃焼特性を計算することを行わせる。

幾つかの実施形態によれば、コンピュータソフトウェアはそれがプロセッサにより実行されたときにプロセッサに更に下記のこと、即ち、再帰反射体の決定された位置に基づいて、炉の第２の所定ゾーン内の再帰反射体のそれぞれにビームをジャンプさせるように、モータ駆動装置に対して指示を送ること、炉の第２の所定ゾーン内の前記各再帰反射体から、送受光光学機器に反射して戻されたビームを検出した検出器からの信号を受信して格納すること、及び第１の所定ゾーンの計算された燃焼特性を考慮して、検出器から受信して格納した信号に基づいて第２の所定ゾーンの燃焼特性を計算することを行わせる。

幾つかの実施形態において、コンピュータソフトウェアはそれがプロセッサにより実行されたときにプロセッサに更に下記のこと、即ち、再帰反射体の前記１つの複数の部分へ向けてビームの方向を変更するような指示をモータ駆動装置に送ること、再帰反射体の前記１つの前記複数の部分から反射されて戻されたビームを検出した検出器からの較正信号を受信して格納すること、再帰反射体の前記１つの複数の部分のうちのどの部分が最も強い較正信号を反射するかに基づいて最適位置を決定すること、及び最適位置に向けてビームの方向を変更するような指示をモータ駆動装置に送ることを行わせる。この自動位置合わせ機能は、それ自体が熱作用による動き又は風及び振動による動きに晒される炉、または過酷工程室上に送受光光学機器と再帰反射体がボルトで固定されていたとしても、送受光光学機器が、炉内再帰反射体と、それ自体との光学的位置合わせ状態を維持することを可能にする。

ここで記述された、炉の内部における燃焼特性を測定するための方法と装置により、別の投光及び受光光学機器を使用する必要なく燃焼特性の検出を可能にするので、必要なポートと、光学設備と、位置合わせ機器の数を少なくとも半減する結果になる。本方法と装置は追加的に、方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムを炉内再帰反射体のアレイと連携して利用することにより、光学設備と位置合わせ機器の数を更に減少させることを可能にし、最小数の光学設備と位置合わせ機器による最大数のビーム経路をも可能にする。従って、本方法と装置は、炉内再帰反射体に結合されている燃焼投光／受光光学機器及び／または方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムを利用しないシステムに比べて、燃焼の監視の多くの特典を、効率よく、低価格で、しかも複雑性が低減された状態で受けることを可能にする。

ボイラーまたは炉内部への光学的アクセスを提供するための、ボイラーまたは炉の壁における貫通口を例示している。 ボイラーまたは炉内部への光学的アクセスを提供するための、ボイラーまたは炉の壁における貫通口を例示している。 ボイラーまたは炉の内部の中のビームの方向を変更するための、方向可変投光／受光光学機器を例示している。 ボイラーまたは炉の内部の中のビームの方向を変更するための、方向可変投光／受光光学機器を例示している。 位置合わせ可能及び方向可変投光／受光光学機器の実施形態の模式図である。 位置合わせ可能及び方向可変投光／受光光学機器の代替の実施形態の模式図である。 炉内再帰反射体のアレイと連携して使用される組合わせ投光／受光光学機器を具備する方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムの実施形態の模式図である。 炉内再帰反射体のアレイと連携して使用される組合せ投光／受光光学機器のアレイの実施形態の模式的平面図である。 炉内再帰反射体のアレイと連携して使用される組合せ投光／受光光学機器を具備する方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムの実施形態の模式的平面図である。 炉内再帰反射体のアレイと連携して使用される組合せ投光／受光光学機器を具備する方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムの実施形態の模式的平面図であり、燃焼監視と制御は、炉内の所定ゾーン上で行われる。 方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムの実施形態の模式的側面図であり、実施形態３００は、（平面内）１Ｄの方向可変の監視を例示しており、一方、実施形態４００は２Ｄの方向可変の監視を例示し、実施形態５００は多平面の方向可変の監視を例示している。 炉の内部の中における燃焼特性の、ゾーンに基づく監視と測定を例示しているフローチャートである。 炉内再帰反射体のアレイと連携して使用される組合せ投光／受光光学機器を具備する方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムを示している、バーナー列間の工程管列を具備する炉の平面図であり、燃焼の監視と制御は、炉内の所定ゾーン上で行われる。 煙道ガスの出口が炉の底部に位置決めされた下方燃焼炉の側面図であり、炉内再帰反射体のアレイと連携して使用される組合せ投光／受光光学機器を具備する方向可変の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムを更に示しており、燃焼の監視と制御は、炉内の所定のゾーン上で行われる。

他に指示されない限り、本明細書と請求項で使用されている構成要素の量、寸法、反応状態などを示すすべての数は、すべての例において「約」という用語により修飾されているものと理解されたい。

本出願及び請求項において、単数の使用は、具体的に他に述べられていない限り複数も含まれている。更に、「または」の使用は、他に述べられていない限り、「及び／または」を意味している。更に、「含んでいる」という用語の使用は、「含む」や「含まれている」などのような他の形態と共に、限定的ではない。また、「要素」や「構成要素」のような用語は、具体的に他に述べられていない限り、１つのユニットを具備する要素と構成要素と、２つ以上のユニットを具備する要素と構成要素の両者を含んでいる。

その内容の全体がここにおいて組み込まれる米国特許第７４６９０９２号は、ボイラーへの光学的アクセスを提供するために、ボイラーの壁に管の曲部の設置が必要なタイプの燃焼工程の監視と制御のための方法と装置を開示している。米国特許第７４６９０９２号は、それ自体が熱効果、風、及び振動による動きに晒されるボイラー、または過酷工程室上にボルトで固定されていたとしても、投光及び受光光学機器が、光学的に位置合わせされた状態を維持することを可能にする自動位置合わせ機能を組み込んでいる感知システムを開示している。記述されているシステムは、フィードバック制御傾斜ステージ上に搭載されている別々の投光及び受光コリメータレンズを含む別々の投光及び受光光学機器を提供している。入力ファイバと受光コリメータレンズに直接取り付けられ、測定領域の反対側端部に位置し、送光された光を、典型的にはマルチモードファイバである出力ファイバに光学的に結合するコリメータ投光レンズにより多重化光が測定領域全体にわたって放たれる。結果として、受光光学機器は、投光光学機器から出射されるビームと同一直線上となるような向きにならなければならない。これは、焦点の合った送光された光が、マルチモードファイバの受光可能な円錐内に到着するために必要である。

以下では、「ボイラー」と「炉」という用語は、燃焼工程の監視と制御が望まれる任意の燃焼室を指すものとして交換可能に使用される。

図１〜１０を参照すると、米国特許第７４６９０９２号に記載されているシステムとは対照的に、種々の実施形態に係るシステムは、フィードバック制御傾斜ステージ上に搭載されている投光／受光コリメータレンズを含む組合せ投光／受光光学機器を提供している。多重化光が、入力ファイバに直接取り付けられたコリメータ投光レンズにより測定領域全体にわたって放たれ、またコリメータ受光レンズが、送光された光を典型的にはマルチモードファイバである出力ファイバに光学的に結合する。ここで、コリメータ投光レンズとコリメータ受光レンズは、同じコリメータレンズに包含されている。測定領域全体にわたり放たれた多重化光は、炉の中に位置決めされた少なくとも１つの再帰反射体により、その光源に反射されて戻される。再帰反射体は、ビームが再帰反射体の開口部への入口に当たるならば、入射角に無関係に、入射レーザ光をその光源に向けて戻すように方向を変える光学装置である。

図１Ａと１Ｂは、炉の内部への光学的アクセスを提供するための、炉１０の壁１２における貫通口１６の２つの例を示している。図１Ａは、金属薄膜１２ａにより分離されている一連の平行蒸気管１４を具備するボイラー壁１２を示している。図１Ａに示されているように、管の曲部１４ａは、蒸気管１４を貫通口の周りで迂回させるために設けられており、貫通口は、例えば、２インチ（５．０８ｃｍ）径の円形貫通口１６’であってよい。

図１Ｂは、代替の実施形態を示しており、国際公開第２０１０／０８０８９２号に記述されたものであり、その内容の全体はこれにより本明細書に組み込まれる。図１Ｂは、ほぼ１／２インチ（１．２７ｃｍ）の幅（薄膜１２ａの幅と等しい）を有し、蒸気管１４に平行な方向に細長いスロット状薄膜貫通口１６”を示している。この配置により、管の曲部１４ａ（図１Ａに示されているような）を設ける必要性はなくなり、また、集光効率の点において若干の支援をしている。しかし、位置合わせ及び位置合わせの保守は、図１Ａに示されているような、管の曲部による方法で支持されている２インチ（５．０８ｃｍ）の円形貫通口１６’に要求されるものよりも相当に難しく、より厳しい位置合わせの許容範囲を必要とする。

図１Ａと１Ｂに示されている実施形態は、ボイラーの壁に蒸気管を有するボイラーを目的としたものであるが、実施形態はそれには限定されず、燃焼特性の監視が望まれる任意の燃焼室にも適用できる。そのような場合、貫通口１６を通してビームが効率的に投射及び受光されることが可能な限り、貫通口１６の形状は任意の形状（円形、実質的に円形、楕円、長方形、三角形、正方形、他の多角形などが含まれるが、これらに限定されることはない）であってよい。

図２Ａと２Ｂを参照すると、種々の実施形態が、リレーレンズ２２と、コリメータレンズ２４と、調整可能ステージ２６と、を具備する方向変更位置合わせシステム２０を提供している。リレーレンズ２２は、コリメータレンズ２４と光学的に連通した状態で設けられている。リレーレンズ２２は、貫通口１６（上述したような円形貫通口１６’、スロット状薄膜貫通口１６”または他の形状の貫通口を含む）の軸線３０（例えば、図３に示されている）上での構築中に位置合わせが行われる。リレーレンズ２２がそのように位置合わせされると、リレーレンズ２２により受光されたビームは、リレーレンズ２２の焦点である場所において貫通口１６を通過しなければならなくなる。ビームが貫通口１６を通過する角度は、コリメータレンズからリレーレンズ上の異なる位置にビームを向けることにより、二次元的に調整可能である。これは、ビームが貫通口１６を通して方向を変えられることを可能にし、方向変更位置合わせシステム２０のリレーレンズ２２とコリメータレンズ２４に向けてビームを反射して戻すように、炉内に設けられている再帰反射体４２（図５〜９に示されているような）上のビームの入射角を制御する。リレーレンズを組み込んでいる図２Ａと２Ｂに示されているような実施形態は、図１Ｂに示されているような、狭い貫通口を有する燃焼室において好ましいことが最もよくある。

そのため、それ自体が熱効果、風、及び振動による動きに晒されるボイラー、または過酷工程室上に方向変更位置合わせシステム２０と再帰反射体４２がボルトで固定されていたとしても、方向変更位置合わせシステム２０は、組合せ投光及び受光光学機器が、炉内再帰反射体４２とそれ自体との光学的に位置合わせされた状態を維持することを可能にする自動位置合わせ機能を提供する。調整可能ステージ２６を使用することは、最大強度の平行化された受光ビームが、光学的に結合されているマルチモードファイバ２５（図３〜５に示されているような）に伝達されることを確実にする。効率的な光学的結合を更に提供するために、投光ビームは、従来技術のシステムにおける２０ｍｍ台とは対照的に、約５ｍｍの直径に平行化される。

種々の実施形態によれば、方向変更位置合わせシステム２０は、１つのみの再帰反射体４２に向けてだけでなく、複数の炉内再帰反射体４２のそれぞれにビームを向けるように方向を変更するように構成でき（例えば、図７〜９に示されているように）、これは以下で詳細に検討される。

図３は、方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器の実施形態を模式的に示している。方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器は、光ファイバ２５から出て来るレーザ光の平行化ビームを生成する送光機と、（複数の炉内再帰反射体４２の１つから反射された）光の平行化ビームを捕捉して、ビームの焦点を光ファイバ２５内に合わせる受光機の両者として機能する。

組合わせ投光／受光光学機器は、窓部２１により占められている孔部を有する先頭側面を備えるハウジング２８に搭載できる。ハウジングは、組合わせ投光／受光光学機器を環境から保護するためのＮＥＭＡ−４容器であってよい。図３に示されているように、実施形態は、方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器の光軸３０に直交する直交軸（つまり、ＸとＹ軸）の周りで、コリメータレンズ１８を傾けて傾斜するように位置決めされた可動傾斜ステージ２６に取り付けられているコリメータレンズ２４を含んでいる。種々の実施形態において、コリメータレンズは単一のレンズ、または二重レンズ、または３枚以上のレンズを含んでよい。可動傾斜ステージ２６は、ステージ２６ａと、２つの直接駆動ステッパモータ２６ｂと、モータ駆動装置２６ｃと、を含んでいる。ステッパモータ２６ｂは、光軸３０に垂直な直交軸ＸとＹの周りでステージ２６ａを傾けて傾斜するように構成されており、イーサネット（登録商標）または類似の接続を介してコンピュータにより制御される。この接続は、電気的干渉を避けるために光ファイバを通して行ってもよい。ステッパモータ２６ｂは、電源が断たれたときにそれ自体の位置を保持し、それにより、光学的位置合わせの状態は、電源の一時的遮断に影響されない。ステッパモータ２６ｂはモータ駆動装置２６ｃにより駆動される。

定期的、または連続的なシステムの位置合わせの間、制御コンピュータは、送光されて検出されたレーザ光の量を監視する。好ましくは、可視光または近赤外線光のような離散的位置合わせ波長を、連続的または定期的な位置合わせ処理に対して提供できる。如何なる位置合わせのずれも、この検出される信号を減少させる。自動位置合わせモードにおいて、コンピュータは検出された信号を測定し、２つのステッパモータ２６ｂの１つを、１方向に少しだけ動くように指示し、その後、検出された信号を再度測定する。信号が増大すれば、コンピュータはステッパモータ２６ｂの１つを、信号が増大しなくなるまで同じ方向に再び動くように指示する。そして、コンピュータは、他のステッパモータ２６ｂに、検出された信号を最大にするために直交軸に沿って動くように指示し、そして、他のセンサヘッドに対してこの全工程を繰り返す。検出される信号が増大するにつれて、自動位置合わせが信号サイズの数回の繰返しだけ行われるように、検出器の増幅器利得は自動的に減少する。自動位置合わせシステムは、数ナノワットから数ミリワットの検出された電力で機能できる。

この「山登り（hill-climbing）」アルゴリズムは、相当なノイズが存在しても、信号のほぼ全損失の後にシステムの位置合わせを行うことができ、そのため、ビームの遮蔽、電源の一時的遮断、機械的衝撃、及び他の位置合わせシステムを、制御電子機器の限界までずらしてしまう可能性のある他の擾乱に対して耐性がある。自動位置合わせに必要なものは、位置空間における全体の最大値（極大値ではなく）を有する有限信号のみである。特定の設置条件によっては、自動位置合わせが、数日の稼働のようなある長期間の後に、毎時または随時のような設定された間隔で定期的に起きてもよい。制御コンピュータは指示された信号を監視して、信号が予め設定された閾値以下に低下したときのみ、自動位置合わせを行うようにしてもよい。

幾つかの実施形態において、コンピュータは、ステッパモータ２６ｂに、所定のまたは計算された角度だけ第２炉内再帰反射体４２に「ジャンプ」するように指示することにより、ビームを第２炉内再帰反射体４２に向ける。これは、炉内再帰反射体が単一平面にアレイとして配置されている場合は、単一の平面において行うことが可能であり、「ジャンプすること」が、ステッパモータ２６ｂを、方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器の光軸に垂直な１つの直交軸（例えば、Ｘ軸）の周りで駆動することにより、炉内再帰反射体のアレイが存在している単一平面に沿ってビームを走査するように一次元的に行われる。または、「ジャンプすること」が、方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器の光軸に垂直な２本の直交軸（例えば、ＸとＹ軸）の周りでステッパモータ２６ｂを駆動することにより二次元的に行われてもよく、その場合は、炉内再帰反射体４２が、ある事前配置パターンで複数の平面に存在するように、または、炉内の任意の位置において存在するように配置されることができる。１つ以上の平面は炉１０の床に平行であるか、またはビームが出射されている特別な時は、ビームに平行であり得る（そのような場合、複数の平面は、互いに対して、所定の、または計算された角度だけ変位される）。

図３に戻ると、一実施形態において、照準管１２ｂが基端部と末端部を有している。基端部は、炉１０の外部壁１２から垂直に延びるように取り付けられており、貫通口１６は照準管１２ｂの内部と連通している。照準管１２ｂの末端部には、フランジが設けられている。フランジは、ハウジング２８が、その先頭端部と炉のフランジが当接するように取り付けられることを可能にし、窓部２１が貫通口１６と光学的に連通している状態となる。このようにして、ビームは貫通口１６を通して炉の内部に送光されて、炉１０の中に位置決めされた少なくとも１つの炉内再帰反射体４２により反射されて貫通口１６に戻され、窓部２１を通過してコリメータレンズ２４により捕捉され得る。これらの実施形態において、マルチモード光ファイバ２５は、ビームを送光して、反射されたビームを受光するように構成できる。

図４は、方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器２０の代替の実施形態を例示している。この代替の実施形態において、レンズ２４は光ファイバ２５に光学的に結合されている。レンズ２４は本明細書では「コリメータ」レンズと呼称され、また、実際のコリメータレンズ（実質的に一定の径のビームを生成する）であってもよい。または、コリメータレンズ２４は、ビーム２５ａをわずかに拡大する「ほぼ」コリメータレンズであってもよい。ファイバ２５とコリメータレンズ２４は、一定の関係で互いに機械的に連結されており、方向可変で位置合わせ可能な組合せ投光／受光光学機器の光軸３０に垂直な直交Ｘ−Ｙ軸に沿って、平行移動機構２６による「平行移動」により動くことができる。出射されたビーム２５ａは、リレーレンズ２２の選択された部分に当たるように平行移動により動かすことができ、リレーレンズ２２は、薄膜スロット１６を通るようにビームを向け、複数の炉内再帰反射体４２の約１つにビームの焦点を合わせる（例えば、図５〜９に示されているように）。ステッパモータ２６ｂ（例えば、図３に示されているような）と、コンピュータコントローラ２６ｃ（例えば、これもまた図３に示されているような）と、図３の実施形態に関して上記で検討したものと類似している「山登り」アルゴリズムは、実質的に連続な位置合わせ補正を提供するように、及び炉内再帰反射体４２間で「ジャンプすること」を提供するように、平行移動機構２６と作動可能に関係付けられている。

図５を参照すると、方向変更位置合わせシステム２０の種々の実施形態が、炉１０に結合された状態で示されており、炉１０は、その中に位置決めされた少なくとも１つの炉内再帰反射体４２を有している。方向変更位置合わせシステム２０は、マルチモード光ファイバ２５と、送受光光学機器２４と、調整可能ステージ２６と、ノイズ低減モジュール３２と、光分岐器３４と、波長可変ダイオードレーザ３６と、検出器３８と、を含んでいる。一実施形態において、マルチモード光ファイバ２５と、送受光光学機器２４と、調整可能ステージ２６は、例えば、図２Ａから４において示されているような実施形態の何れかに対して記述したものであってもよい。送受光光学機器２４は、リレーレンズ２２は含まずに、コリメータレンズのみを含むこともできる。ノイズ低減モジュール３２は、任意のタイプのノイズ低減装置を含む。例えば、ノイズ低減モジュール３２は、マルチモード光ファイバ２５内を伝搬する光のモードノイズ誘発信号レベル変動を平均化するために、マルチモード光ファイバ２５に作動可能に関係付けることができる平均化構成要素を含むことができる。一実施形態において、平均化構成要素３２は機械的振動器である。国際公開第２０１１／０１９７５５号は、その内容の全体がこれにより本明細書に組み込まれるが、マルチモード光ファイバにおけるノイズを低減する種々のシステムと方法を開示している。

幾つかの実施形態において、平均化構成要素は、選択された期間においてマルチモード光ファイバの屈折率を周期的に変化させること、及び／またはマルチモード光ファイバ内の光分布をスクランブルすることにより、モードノイズ誘発信号レベル変動を平均化できる。マルチモード光ファイバの屈折率は、マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させることにより、周期的に変化させることができる。周期的及び物理的にマルチモード光ファイバを操作することにより、屈折率を変化させること、またはマルチモード光ファイバ内の光分布をスクランブルすることができる。

幾つかの実施形態において、マルチモード光ファイバの温度は、マルチモード光ファイバと熱的に連通して設置されている熱構成要素の作用により変化させることができる。熱構成要素として使用するのに適切な装置としては、熱電気モジュール、抵抗ヒーター、赤外線ヒーター、化学ヒーター、従来の冷却装置、化学クーラー、常温以下に冷却された流体源、または常温以上に加熱された流体源が含まれるが、これらに限定されることはない。光学装置は、マルチモード光ファイバと熱的に接触する熱電対のような温度センサと、温度センサからの入力を受け取り、熱構成要素を制御するコントローラを含むことができる。

マルチモード光ファイバを周期的に操作するための装置を特徴とする代替の実施形態において、この操作は、マルチモード光ファイバを捩じること、引き伸ばすこと、及び振動させることを含むことができる。マルチモード光ファイバの周期的な引き伸ばしを実現するために、圧電ストレッチャを使用することができる。または、ファイバの縦軸線に関して及びファイバの固定部分に対して、時計回り方向と反時計回り方向交互に、マルチモード光ファイバの一部分を周期的に捩じるためにモータを使用することができる。

国際公開第２００５／１０３７８１号は、その内容の全体がこれにより本明細書に組み込まれるが、光学モードノイズの平均化のための種々の装置と方法を記載しており、光学モードノイズの平均化には、上記のような、マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させることと、マルチモード光ファイバを捩じること、引き伸ばすこと、または振動させることにより周期的に操作することの１つにより屈折率を周期的に変化させることを含んでいる。

図５を再び参照すると、マルチモード光ファイバ２５は、送受光光学機器２４に光学的に結合されている。マルチモード光ファイバ２５は更に、波長可変ダイオードレーザ３６に光学的に結合されており、波長可変ダイオードレーザ３６は、選択波長の光のビームを生成する。一実施形態において、光分岐器３４は、マルチモード光ファイバ２５に光学的に関係付けられている。光分岐器３４は、例として、通信関連の用途で使用されるタイプの空間マルチプレクサ、またはサーキュレータであってよい。光分岐器３４の機能は、波長可変ダイオードレーザ３６により生成された光信号から、送受光光学機器２４により受信された光信号を分割して、信号の受信部分を検出器３８に渡すことであり、前記検出器３８は、典型的には、波長可変ダイオードレーザ３６により生成された光の周波数を感知する光検出器である。選択された実施形態において、ＴＤＬＡＳセンサ２０が、外部壁１２と、少なくとも１つの内部に位置決めされた炉内再帰反射体４２を有する内部空間を含む燃焼炉１０の一部分と、作動可能に関係付けられている。

波長可変ダイオードレーザ３６により生成されたプローブビーム４４が、図５に示されているように、反射されて送受光光学機器２４に戻るように、少なくとも１つの炉内再帰反射体４２から離れるように方向付けられる。送受光光学機器２４により受光された送光ビームの一部分は、検出器３８による検出のためにマルチモード光ファイバ２５によって光分岐器３４に伝達される。幾つかの実施形態において、ノイズ低減モジュール３２（機械的振動器のような平均化構成要素を含め得る）が、マルチモード光ファイバ２５内を伝搬する光のモードノイズ誘発信号変動を低減するために使用され得る（例えば、モードノイズ誘発信号変動を平均化することにより）。

図６を参照すると、実施形態１００が示されており、この実施形態１００においては、送受光光学機器２４_１〜ｎと、炉内再帰反射体のアレイとの間には、１つの送受光光学機器２４ｘからのビーム４４が送光され、複数の炉内再帰反射体４２の１つのみによって反射されて、前記送受光光学機器２４ｘに向けて戻されるような１対１の関係がある。このようにして、３０の経路に対しては、３０の送受光光学機器２４_１〜ｎと、３０の炉内再帰反射体４２が必要となる。複数の再帰反射体のそれぞれは、各グリッド１１に対する燃焼の監視と制御を可能とするように、炉１０のグリッド１１に配置されてよい。

または、図７に関して、実施形態２００は、１つの送受光光学機器２４ｘから、炉１０内で単一平面、多平面、所定のパターン、または任意の位置に配置してもよい（上述したように）複数の炉内再帰反射体４２へビーム４４を「ジャンプ」させるために、上記の方向変更及び「ジャンプさせる」技術を利用できる。一実施形態において、図７に示されているように、５つの送受光光学機器２４_１〜ｎが、各グリッド１１が３０の再帰反射体４２の１つの中に位置決めされた３０グリッドの炉における燃焼工程を監視及び制御するために使用され得る。

図８を参照すると、複数の送受光光学機器２４（それぞれが、例えば、図２Ａ〜５に関して示され記述されたような、方向変更位置合わせシステム２０の一部）が、炉１０の周囲の約半分に沿って（例えば、長方形の炉１０の２つの壁１２に沿って（例えば、図８に示されているような）、または円形または楕円形の炉の弧（図示せず）に沿って）配置されている実施形態が示されている。幾つかの実施形態において、再帰反射体４２は、バーナー１８間のゾーンまたはグリッド１１に位置している。本システムを使用可能な炉の実施形態としては、例えば、蒸気メタン改質（ＳＭＲ）炉において、またはエチレン分解のような他の工程を行うための炉の管を備える、同じように設計された他の炉において知られているような、バーナー１８間の工程管５０の列を含むことができる。そのような炉の模式的平面図が図１１に示されている。再帰反射体は、バーナー、またはバーナーの適切なグループの下流で、工程管に隣接している燃焼ゾーンのサンプリングを可能にするように位置している。各送受光光学機器２４は、その割り当てられたゾーンまたはグリッド１１における再帰反射体４２のそれぞれに向けてビーム４４の方向を変更し、「ジャンプ」させるように構成されている。

幾つかの実施形態において、図８を参照すると、温度または化学種の濃度は、ゾーン１１ｃに最初に対応する最短経路に沿って測定される。そのような場合、送受光光学機器２４は、ゾーンまたはグリッド１１ｃにおける２つの再帰反射体４２のそれぞれに向けてビーム４４の方向を変更または「ジャンプ」させる。ゾーン１１ｃにおける状態が分かれば、ビーム４４を、ゾーン１１ｂにおけるサンプリングも可能にする再帰反射体４２に向けることができる。ゾーン１１ｃの状態と、ゾーン１１ｃと１１ｂにおける吸収測定値を含む吸収測定値の情報から、ゾーン１１ｂに対する状態を計算可能である。ゾーン１１ｂと１１ｃにおける状態が分かれば、ゾーン１１ａの状態は、ゾーン１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃのサンプリングを可能にする、再帰反射体に測定ビーム４４を向けることにより、同様な方法で測定可能である。この工程は、実際にあるだけの数のゾーンに対して繰り返すことが可能である。ビーム４４の方向を変更すること、または「ジャンプさせること」は、必ずしもグリッド１１ｃからグリッド１１ｂへ、そしてグリッド１１ａへという順序である必要はなく、任意の所定の順序でよい。そのような場合、ゾーンの状態の計算は、すべての測定が行われた後に行うことができる。他の送受光光学機器２４のそれぞれによるビーム４４の方向を変更すること、または「ジャンプさせること」は、同様な方法で行うことができる。

この方向を変更すること、または「ジャンプさせること」による方法の１つの利点は、必要とされる炉の貫通口の数が少なくとも半分に減少することであり、それにより設置コストが削減される。加えて、図８で示されているように、単一のヘッドが単一平面において、または図７において画定されている平面にない位置に対して測定を行うことができる。このため、体積測定に関する空間情報を得ることが可能である。

図９は、炉１０における燃焼を監視及び制御するための種々の実施形態を例示しており、実施形態３００に示されているような（平面内）１Ｄの方向可変の監視と、実施形態４００に示されているような２Ｄの方向可変の監視と、実施形態５００に示されているような多平面の方向可変の監視が含まれている。ここにおいて、１Ｄと２Ｄは、送受光光学機器２４から見たときの方向変更の次元ことである。実施形態３００と４００に対しては、送受光光学機器２４を、炉１０の床に対して望ましい如何なる高さにも配置でき、また、例えば図８に示されているような類似の方法で、炉１０の側面の周りに配置できる。実施形態５００に対しては、１Ｄの方向可変の監視及び／または２Ｄの方向可変の監視の如何なる組合せをも炉１０の周りに配置できる（例えば、炉１０の床に対する２つ以上の所定の高さにおいて２つ以上の平行な平面を監視するために配置された１Ｄの方向可変の監視のみ、または炉１０の内部の実質的にすべて、または一部分にわたり配置されている再帰反射体を備える炉１０の異なる高さのゾーンを監視するために配置された２Ｄの方向可変の監視など）。図９は、炉１０の床に向けて下方に火炎を放つバーナー１８の下方に向けられたセットを示しているが、種々の実施形態は、そのようには限定されてはおらず、バーナー１８は、炉の内部の任意の場所に配置されてよく、炉１０の床に設置して、炉１０の天井に向けて火炎を放出するような配置、または炉１０の側面に設置して、炉１０の反対側の側面に向けて火炎を放出するような配置も含まれる。幾つかのケースにおいては、放射壁バーナーを使用することもでき、そのケースにおいては、火炎はこれらの壁に搭載されているバーナーにより、耐火材に裏張りされた炉の壁に沿って向けられる。これらのバーナーの目的は、耐火材を加熱して、この耐火材が、主に放射された熱の伝達により管を加熱することである。そのようなケースすべてにおいて、再帰反射体は一般的に、上述したような種々の可能な構成、または炉１０における燃焼工程の監視と制御を可能にする任意の構造形において、好ましくは可能な限りバーナー１８の火炎の概ね下流に配置される（例えば、バーナーに対して炉の反対側）。

再帰反射体４２を使用することの利点としては、必要な経路の数がより少なくて済み、それにより、緻密に機器が詰め込まれている炉において、角度を有する経路の複雑性が回避されることが含まれる。加えて、各セルを測定するために使用されるレーザビーム４４は前後方向に伝搬する必要があり、それにより経路長さが倍になり（「二重通過レーザ経路」）、吸収信号強度が増大される。吸収信号の強度が高いとその分、モードノイズ、エタロン、検出器ノイズなどのノイズ源の有害な効果がより低減される。更に、「自動位置合わせレーザ経路」を得ることができる。言い換えれば、当然のことながら、炉内の再帰反射目標物は、入射レーザ光を光源に向けて戻すように方向を変え、センサヘッドが戻った光を収集して、それを光学検出器に送る。センサヘッドは、送光ビームを再帰反射体に向ける必要があるが、その後は、追加的な位置合わせは必要ない。上で検討した自動位置合わせ工程が、ビームを再帰反射体の１つに整列させるであろう。

炉のガス出口の近辺では一般的に１０００から１３００℃に達する可能性のある炉内における効果的な使用のために、炉内再帰反射体は、酸化環境に耐えることができると共に、これらの高温に耐えることができなければならない。そのような環境内でも存在し続けることができる光学要素が必要なばかりでなく、そのような光学要素を定位置に保持するための搭載または上部構造体要素が必要となる可能性がある。

炉内再帰反射体として適切な２つの使用可能な材料には、２０３０℃の融点を有するサファイヤと、１６７０〜１７１３℃の融点を有する水晶が含まれる。このようにサファイヤと水晶の両者は、炉の高温に耐えることが可能である。酸化物として、サファイヤと水晶の両者は酸化環境において安定している。他の材料もまた機能できるが、コストと入手可能性の問題がある。

再帰反射体のための材料だけではなく、考慮すべき種々のタイプがある。例えば、幾つかの実施形態において、コーナーキューブ再帰反射体、つまり、代表的な再帰反射体要素が使用できる。サファイヤを含む標準的な光学材料から作製されているコーナーキューブは、広く市場で入手可能である。コーナーキューブは、後方反射効率が非常に高くなるように、要素の後側における内部全反射を利用している。コーナーキューブは光学的パワーを有していないので、キューブに入射する発散ビームは、同じ発散の程度のビームとして出射される。このため、光源へ戻る再帰反射の最大の効率は、コーナーキューブに入射するビームが平行化されたときに得られる（平面波照射）。

他の実施形態において、キャッツアイ再帰反射球体を使用できる。屈折率２．０の球体もまた入射ビームを再帰反射する。平行光化された照射ビームからの光線は、球体の後表面上に焦点を形成し、これらの光線の一部分は、入力光線と同じ角度に沿って反射されて戻る。光学的に高品質な球体でも、一般的には同程度のサイズの再帰反射体よりも低コストである。

キャッツアイ再帰反射体の１つの欠点は、コーナーキューブと比較して、全体の反射率が低いということである。コーナーキューブとは異なり、キャッツアイの後表面から反射された光は、全体に内部反射されるわけでなない。キャッツアイの後表面の反射率は、材料の屈折率に依存するが、４〜８％の範囲である。幾つかの実施形態によれば、より低い温度における適用においては、表面反射率を高めるために金のような部分的反射コーティングが球体に施される。

幾つかの実施形態によれば、炉の内部における特定の場所に位置決めされた単一の大型再帰反射体ではなく、より小型の再帰反射体のアレイが使用され得る。単一のビーム４４を再帰反射するための再帰反射体４２’のアレイは、位相共役鏡により類似して作用する傾向がある。つまり、照射ビームが平行化、発散、または収束されているかいないかに拘わらず、再帰反射されたビームは、光源に向けてその入射経路を再びたどって戻る傾向がある。そのため、発散光源ビームは、その光源に向けて戻る収束ビームとして再帰反射される。更に、より小型の再帰反射要素は、反射の際の更なる散乱に貢献する。更に、各再帰反射体は、反射されたビーム上に干渉パターンを生成する。この干渉パターンは、波長走査ＴＤＬＡＳ信号における強度縞として観測される。単一の大型再帰反射体は、干渉波の数が少ないので、大きな鮮明な縞を有するであろうことが予想される。一方、小型再帰反射体のアレイは、より多くの干渉波を生成するので、ＴＤＬＡＳ信号における結果としての縞は振幅がより小さく、時間の経過における静止状態がより短く、信号の平均化とモードスクランブルにより容易に消失する可能性が高い。加えて、一定の再帰反射体表面積に対しては、より小型要素のアレイは、単一の大型要素よりも低コストである。

幾つかの実施形態において、燃焼工程の監視及び／または制御が望まれる炉内の離散した場所に位置決めされた各離散再帰反射体、または、再帰反射体のアレイの代わりに、離散小型再帰反射体要素のアレイを備える１つまたは２つ以上の広範囲の再帰反射表面を使用することができ、各広範囲の再帰反射表面の２つ以上の再帰反射表面は、燃焼工程の監視及び／または制御が望まれる炉内の第１位置、第２位置、第３位置等をカバーできる。そのような広範囲の再帰反射表面に対しては、可動ステージは、第１位置に位置決めされた１つの再帰反射表面から第２位置に位置決めされた他の再帰反射表面に、などのようにビームを「ジャンプ」させるように構成できる。

再帰反射体の搭載に関しては、幾つかの実施形態によれば、搭載上部構造体が使用される。搭載上部構造体に対しては、高温と酸化環境の両者に耐えることができるセラミックスがおそらく最良の材料である。セラミックスは、所望の形状に加工または鋳造して、焼成できる。セラミック上部構造体は、再帰反射体光学機器を捕捉かつ保持するスロットまたは他の装備を有して形成できる。接着剤は、炉の温度に耐えることはできないが、一実施形態によれば、サファイヤまたは水晶光学機器がセラミック搭載上部構造体に融着される。または、他の実施形態によれば、光学機器は、セラミックスとして形成されたスロットまたは他の装備に捕捉／保持され得る。

代りに、一実施形態によれば、ニクロム線を使用できる。通常のニクロム合金は８０％のニッケルと２０％のクロムを含み、ほぼ１４００℃の融点を有し、酸化クロムの保護層のために、相対耐酸化性がある。一実施形態において、再帰反射光学機器のアレイは、光学機器における孔を通して（糸を通されたビーズのように）、または各要素を捕捉するワイヤーケージを作成することにより、線で共に接続されている。そして、ニクロム線を、炉上の搭載装備、またはセラミック搭載台に結び付けることが可能である。下方に火炎を放つ炉に対しては、幾つかの実施形態によれば、煙道ガスの出口５２が炉の底部に位置決めされた場所には（図１２参照）、床における対応する孔に挿入されるセラミックピンのような保持留め装備が、炉の底部または床上に再帰反射体を搭載するために設けられている。一般的には、レーザ経路は、燃焼がまさに完了する場所に配置されることが望ましく、この配置は良く機能する。上方または側面に向けて火炎を放つ炉が使用される代替の実施形態においては、再帰反射体の搭載台をバーナーの反対側、つまり、煙道ガスの出口が典型的に位置決めされた場所に配置することができ、それにより、レーザ経路は、燃焼がまさに完了する場所に位置することになる。放射壁バーナーの場合であって、火炎が壁に平行な方向に外側に向けて半径方向に向けられるために、バーナーが搭載されている壁に非常に近い場所で燃焼が完了する場合は、グリッドはバーナー壁に近接して結合され得る。

図１０を参照すると、炉の内部の中のゾーンに対する燃焼特性を監視及び計算するための実施形態６００を例示するフローチャートが示されている。ステップ６０５において、汎用コンピュータまたはアプリケーションに特有のコンピュータを使用して、特定の炉の内部の中に位置決めされたすべての再帰反射体の位置を決定できる。これは、例えば、再帰反射体の位置が格納されているデータベースにアクセスすることにより達成できる。または、走査ビームを使用して炉の内部を走査して、反射されたビーム（例えば、反射されて戻されたビームまたは別の検出器に反射されたビーム）が検出されたときに、再帰反射体の位置を決定できる。ステップ６１０において、コンピュータは、ステッパモータ２６ｂを駆動して、再帰反射体４２（単一の大型再帰反射体、または、より小型の再帰反射要素のアレイの何れか）の１つにビームを「方向を変更する」ように、ステージ２６ａを傾斜させる指示をモータ駆動装置２６ｃに送る。上述したような自動位置合わせが、再帰反射体４２から反射される最適な信号を確実にするために行われてよい。ステップ６１５において、コンピュータは、再帰反射体４２からの反射ビームに対応する、検出器からのＴＤＬＡＳ信号を格納して処理する。ステップ６２０において、コンピュータは、ステッパモータ２６ｂを駆動して、炉の所定のゾーンにおける他の再帰反射体４２にビームを「ジャンプさせる」ようにステージ２６ａを傾斜させる指示をモータ駆動装置２６ｃに送る。この時もまた、自動位置合わせが行われてよい。ステップ６２５において、コンピュータは、ゾーンにおけるすべての再帰反射体４２からの反射ビームに対応する、検出器からのＴＤＬＡＳ信号を格納して処理する。

ステップ６３０において、ステップ６２０〜６２５が、この特別な送受光光学機器が割り当てられる他のゾーンのそれぞれに対して繰り返される。ステップ６３５において、コンピュータは、図８に対して上述した方法と類似する方法で、他のゾーンに対する計算値を考慮して、各ゾーンに対する燃焼特性を計算する。ステップ６０５〜６３５は、この後も、各送受光光学機器に対して繰り返すことができる。コンピュータを制御するためのソフトウェアは、下記に限定されることはないが、フロッピーディスク、フラッシュメモリドライブ、データベース、サーバー、ＳＤメモリドライブ、ハードディスクなどを含む任意の記録可能媒体に格納できる。

以上においては、典型的な再帰反射体（コーナーキューブ、キャッツアイ、または他のタイプの再帰反射体などを含むが、これらに限定されることはない）が炉内で使用されたが、光学鏡、またはアレイ、または小型光学鏡もまた、炉の壁の外部に搭載されている光源の光学機器、または異なる光学機器へビームを反射して戻すために使用され得る。しかし、そのような実施形態は、単一の送受光光学機器と再帰反射体を使用する実施形態よりも、送光ビームを鏡から受光光学機器に向けるための位置合わせが難しいかもしれない。

本開示の種々の実施形態はまた、各従属請求項が、独立請求項と共に先行する従属請求項のそれぞれの限定を組み込んでいる複数の従属請求項であるかのように、請求項において引用された種々の要素の順番を入れ替えたものも含むことも可能である。そのような順番を入れ替えたものは、本開示の範囲内であることは明白である。

本発明は、多数の実施形態を参照して特に示され且つ記述されたが、当業者であれば、形状及び詳細における変更を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくここに開示された種々の実施形態に加えることができ、またここで開示された種々の実施形態は、請求項の範囲を限定するようには意図されていないということが理解されるであろう。ここで引用されたすべての文献は、その全体が参照により組み込まれる。

Claims (20)

1. 燃焼炉の内部における燃焼特性を監視する方法であって、
   前記炉の壁に１つの貫通口を設ける段階と、
   前記炉の内部の中に少なくとも２つの再帰反射表面を設ける段階と、
   前記炉の前記内部の外側に位置決めされたコリメータレンズであって、前記炉の前記内部に光のビームを、前記少なくとも２つの再帰反射表面の第１再帰反射表面に向けて投射するために、前記１つの貫通口に光学的に結合されたコリメータレンズを具備する光学機器を通して前記ビームを投射する段階と、
   前記第１再帰反射表面からの前記光のビームを前記光学機器により受光する段階と、
   前記第１再帰反射表面からの前記受光した光のビームに基づいて燃焼特性を測定する段階と、
   前記光のビームを、前記光学機器を通して、前記少なくとも２つの再帰反射表面の第２再帰反射表面に向けて方向を変更する段階と、
   前記第２再帰反射表面からの前記光のビームを前記光学機器により受光する段階と、
   少なくとも、前記第２再帰反射表面からの前記受光した光のビームに基づいて燃焼特性を測定する段階と、を含む方法。
2. 前記少なくとも２つの再帰反射表面のそれぞれは、単一の再帰反射体、または、前記単一の再帰反射体より小型の再帰反射体要素のアレイのうちの少なくとも１つである請求項１に記載の方法。
3. 前記第１再帰反射表面と前記第２再帰反射表面は、離散している再帰反射体のアレイを具備する単一の再帰反射表面の第１及び第２部分であり、
   前記第１再帰反射表面から前記第２再帰反射表面に方向を変更する段階は、前記単一の再帰反射表面の前記第１部分から前記第２部分に方向を変更する段階である請求項１に記載の方法。
4. 前記少なくとも２つの再帰反射表面を前記炉の前記内部の中に設ける段階は、複数の再帰反射体を、単一平面構造形、多平面構造形、及び事前配置構造形のうちの少なくとも１つにおいて配置する段階を含む請求項１に記載の方法。
5. 前記単一平面構造形と前記多平面構造形の各平面は、前記炉の前記壁に垂直である請求項４に記載の方法。
6. 前記光のビームを前記光学機器を通して方向を変更する段階は、前記１つの貫通口の光軸に垂直な２本の直交軸の少なくとも一方の周りで前記光学機器を傾ける段階を含む請求項１に記載の方法。
7. 前記光のビームを受光する段階は、前記ビームをマルチモード光ファイバ内に受光する段階を含み、
   前記燃焼特性を測定する段階は、前記マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のモードノイズ誘発信号レベル変動を平均化することによりノイズをフィルタ処理する段階を含む請求項１に記載の方法。
8. 前記少なくとも２つの再帰反射表面を設ける段階は、前記炉内の燃焼ゾーンを監視するために前記炉の前記内部の中に位置する複数の再帰反射体を設ける段階を含み、
   前記光のビームを投射する段階は、前記複数の再帰反射体のそれぞれに向けて前記ビームを投射する段階を含み、
   前記燃焼特性を測定する段階は、各ゾーンから反射されて受光された前記ビームの測定値を考慮して前記燃焼特性を計算する段階を含む請求項１に記載の方法。
9. 燃焼炉の内部における燃焼特性を感知するための装置であって、
   選択レージング周波数を有するダイオードレーザと、
   前記ダイオードレーザにより生成されるビームに光学的に結合されるコリメータレンズであって、前記ビームを前記ダイオードレーザから、前記炉の壁における貫通口内に投射するように構成されているコリメータレンズと、
   前記炉の内部の中に位置決めされた少なくとも２つの再帰反射表面であって、それぞれが、前記コリメータレンズからの前記ビームを、前記コリメータレンズに、反射して戻すように構成されている少なくとも２つの再帰反射表面と、
   少なくとも１つのステッパモータと、モータ駆動装置と、少なくとも前記コリメータレンズに結合されているステージとを含む可動傾斜ステージであって、前記少なくとも１つのステッパモータは、前記貫通口の光軸に垂直な２本の直交軸の少なくとも一方の周りで前記ステージを傾けて、前記ビームを、前記少なくとも２つの再帰反射表面の第１再帰反射表面から第２再帰反射表面に方向を変更するように構成されている可動傾斜ステージと、
   前記選択レージング周波数を感知し、前記コリメータレンズに光学的に結合されている検出器と、を具備する装置。
10. 前記少なくとも２つの再帰反射表面のそれぞれは、サファイヤと水晶から構成されるグループから選択された材料から作製されている請求項９に記載の装置。
11. 前記少なくとも２つの再帰反射表面のそれぞれは、単一の再帰反射体と、前記単一の再帰反射体より小型の再帰反射体要素のアレイと、のうちの１つである請求項１０に記載の装置。
12. 前記少なくとも２つの再帰反射表面は、コーナーキューブ再帰反射光学機器と、キャッツアイ再帰反射球体と、のうちの少なくとも１つを含む請求項１０に記載の装置。
13. 火炎放射バーナーが配置されている前記炉の前記内部の側とは反対側の前記炉の側に位置決めされた前記炉の前記内部の中に設けられている搭載構造体を更に具備し、
    前記少なくとも２つの再帰反射表面のそれぞれは、搭載構造体に固定されるように構成されている請求項９に記載の装置。
14. 前記少なくとも１つの搭載構造体は、前記再帰反射表面のそれぞれが保持されるスロットを有するセラミック搭載構造体を含む請求項１３に記載の装置。
15. 前記炉は天井と床を含んでおり、前記天井と床は、前記炉の前記壁に実質的に垂直であり、
    前記火炎放射バーナーは前記天井に搭載され、一方、前記搭載構造体は前記床に搭載される請求項１３に記載の装置。
16. 前記少なくとも２つの再帰反射表面は、単一平面構造形、多平面構造形、及び事前配置構造形のうちの少なくとも１つにおいて配置されている複数の再帰反射体を含む請求項９に記載の装置。
17. 前記単一平面構造形と前記多平面構造形の各平面は、前記炉の前記壁に垂直である請求項１６に記載の装置。
18. 前記コリメータレンズと前記検出器に光学的に結合されたマルチモード光ファイバであって、前記コリメータレンズからの反射ビームを受光して、前記反射ビームを前記検出器に送光するように構成されているマルチモード光ファイバを更に具備する請求項９に記載の装置。
19. 前記マルチモード光ファイバ内を伝搬する光のモードノイズ誘発信号レベル変動を平均化することによりノイズをフィルタ処理し、フィルタ処理された信号を前記検出器に出力するように構成されているノイズ低減構成要素を更に具備する請求項１８に記載の装置。
20. 前記コリメータレンズと前記貫通口に光学的に結合されているリレーレンズを更に具備しており、前記リレーレンズは、前記ダイオードレーザからの前記ビームを前記コリメータレンズと前記貫通口を通して、前記少なくとも２つの再帰反射表面に投射し、前記少なくとも２つの再帰反射表面それぞれからの反射ビームを受光して、前記反射ビームを前記検出器に送光するように構成されている請求項９に記載の装置。

Images