JP6271139B2 - 温度計 - Google Patents

Description

本発明は、煙道中を流れるガスの光吸収に基づき、煙道内の温度を測定する温度計に関する。

プラントや焼却装置などの煙道中を流れる排気ガスの温度を、排気ガス中の所定の成分の吸収スペクトルに基づき測定する装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特許文献１に示された計測システムでは、半導体レーザからの入射光をセル内の気体に入射し、当該セルを通過した透過光を受光素子にて受光する。この時、セル内の気体は、固有の波長帯の光を吸収する。当該波長帯における吸収線の存在から、半導体レーザのレーザ光の波長掃引を行うことにより、透過光（気体による光吸収）のスペクトルプロファイルが測定される。

特許文献１に示された計測システムでは、セル内の気体が吸収する光の異なる２つの波長のそれぞれに対して半導体レーザの発振波長を掃引することによって、２つの吸収線を測定し、それらの面積比（またはピーク高さの比）をとることにより、セル内の気体の温度計測を行う。

特開２０００−７４８３０号公報

特許文献１に示された計測システムを、煙道内の温度計測を行う際に適用する場合には、半導体レーザが設けられた煙道の側壁とは煙道を介して反対側の煙道の側壁に受光素子を設ける必要がある（このような構成の測定装置を、「クロススタック方式の測定装置」と呼ぶこともある）。そのため、以下のような２つの問題点が考えられる。

第１に、煙道を流れるガス中にダストなどのように、光を散乱させる光散乱粒子が多く含まれていると、半導体レーザから照射されたレーザ光が受光素子まで届かないことがある。これにより、温度測定を行うのに十分な光量の光を受光素子において受光できなくなる。その結果、煙道内の温度を精度良く測定できなくなる。

第２に、煙道を流れるガスの温度変化により、半導体レーザから照射されるレーザ光の光路（光軸）及び／又は受光素子の受光軸が取り付け時の状態からずれるため、半導体レーザから照射されるレーザ光が、受光素子に受光されなくなることがある。これは、例えば、煙道を流れるガスの温度変化により、半導体レーザや受光素子が取り付けられた煙道の側壁及び／又は取り付け部材（フランジや筐体など）が、取り付け時の状態から変形することに起因して起こる。
特に、煙道の直径は大きいため（数メートルのオーダー）、わずかな光軸及び受光軸のずれにより、半導体レーザから照射されたレーザ光が受光素子に受光されなくなる。また、煙道を流れるガスの温度は高温であり変動幅も大きいため、煙道や取り付け部材の変形が起こりやすい。

本発明の課題は、ダストなどのように、光を散乱させる光散乱粒子を含み高温であるガスが流れる煙道の所定領域の温度を、確実に、かつ、精度良く測定することにある。

以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係る温度計は、照射部と、受光部と、レンズ部と、算出部と、を備える。照射部は、光散乱粒子を含むガスが流れる煙道内に向けて測定光を照射する。受光部は、測定光のうち、光散乱粒子により散乱された散乱測定光を受光する。レンズ部は、受光部よりも煙道に近い側に設けられている。また、レンズ部は、受光部の受光面の法線方向へ伸びる受光軸上に存在する。そして、レンズ部は、受光軸上の煙道内の所定の位置に焦点を結ぶ。算出部は、複数の波長における吸収スペクトルの強度比に基づいて、前記煙道内の温度を算出する。ここで、ガス中の特定成分の吸収スペクトルは、受光部により受光された散乱測定光に含まれている。そして、煙道内の温度を算出するために用いる複数の波長における吸収スペクトルは、所定成分の吸収スペクトルから選択される。
ここで、吸収スペクトルとは、測定光の波長を変化させたときにできる波形、又は、ある波長での吸収強度のことを言う。

この温度計では、まず、照射部が、例えば、開口部を介して煙道内に向けて測定光を照射する。測定光が煙道を流れるガス中の光散乱粒子に入射すると、測定光は光散乱粒子により散乱される。測定光のうち、光散乱粒子により散乱された光を、散乱測定光と呼ぶ。次に、レンズ部が、受光軸上の煙道内の所定の位置に焦点を結ぶ。そして、受光部が、散乱測定光を開口部を介して受光する。このとき、受光部において受光される散乱測定光は、主に、測定光が煙道内に導入された位置から、レンズ部が焦点を結んだ煙道内の位置までの間において、光散乱粒子によって散乱された光である。そして、散乱測定光は、煙道内の気体によって吸収を受けた光である。
次に、算出部が、受光部により受光された散乱測定光に含まれ、煙道を流れるガス中の所定成分により吸収される複数の吸収スペクトルを選択する。そして、算出部は、選択された吸収線の強度比に基づいて、煙道内の温度を算出する。

この温度計において受光部が受光するのは、煙道内を流れるガスに含まれる光散乱粒子により散乱された散乱測定光である。よって、ダストなどの光散乱粒子濃度が高く測定光が煙道の一方から他方へ通過できない場合であっても、散乱測定光が受光部において受光される。したがって、光散乱粒子の濃度が高いガスが流れる煙道内の温度を測定できる。
また、照射部から受光部までの距離を短くでき、かつ、広立体角にて散乱測定光を取得できる。このため、煙道及び側壁の温度が変動した場合であっても、受光部において散乱測定光を受光できる。
さらに、この温度計では、煙道内の温度を測定するために、測定用プローブなどを煙道内に挿入する必要がない。そのため、煙道内に、熱電対温度計（のシース）などが腐食してしまうような腐食性のガスが流れていても、煙道内の温度を測定できる。

吸収スペクトルは、散乱測定光を所定波長帯にて波長を走査することにより得られてもよい。これにより、光源の経時的な使用により、光源に入力される電流に対する光源から出力される波長が変化しても、確実にガス中の成分による吸収スペクトルを得られる。

受光軸と測定光の光路である測定光軸とが、少なくとも煙道内において一致するように、照射部と受光部とが設置されてもよい。これにより、測定光軸上からの散乱測定光を受光部にて受光する割合が大きくなるため、受光部において受光可能な散乱測定光の光量を確保しやすくなる。

照射部及び受光部は、同一の筐体内に設けられていてもよい。これにより、温度変化などの外乱により、受光軸と測定光軸とがずれてしまうことを抑制できる。

温度計は、レンズ部の中心位置を調整する調整部をさらに備えていてもよい。これにより、レンズ部は、煙道内の所望の位置に焦点を結べる。その結果、測定光が煙道内に導入された位置から、レンズ部が焦点を結ぶ煙道内の所望の位置までの散乱測定光を受光部により受光できる。よって、測定光が煙道内に導入された位置から、レンズ部が焦点を結ぶ煙道内の所望の位置までの温度を正確に測定できる。

ダストなどのように、光を散乱させる光散乱粒子を含み高温であるガスが流れる煙道の所定の位置の温度を、確実、かつ、精度良く測定できる。

第１実施形態に係る温度計の構成を示した図 第１実施形態に係る温度計のレンズ部の構成を示した図 第１実施形態に係る温度計の駆動部の構成を示した図 第１実施形態に係る温度計の制御分析部の構成を示した図 第１実施形態に係る温度計の信号処理部の構成を示した図 煙道を流れるガスに含まれる光散乱粒子の濃度が高い場合の測定光及び散乱測定光の様子を模式的に示した図 煙道を流れるガスに含まれる光散乱粒子の濃度が低い場合の測定光及び散乱測定光の様子を模式的に示した図 煙道を流れるガスに含まれる成分の吸収スペクトルの温度依存性を示した図 他の実施形態に係る温度計の構成を示した図

（１）第１実施形態
１．温度計の構成
１−１．全体構成
本実施形態の温度計１００の構成を、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る温度計１００の構成を示した図である。温度計１００は、光散乱粒子Ｐを含むガスＳが流れる煙道５０内のガスＳの温度を測定することにより、煙道５０内の温度を測定する装置である。光散乱粒子Ｐは、例えば、ダスト微粒子やミスト状の水蒸気などの、光を散乱させる粒子である。

温度計１００は、照射部１と、受光部３と、レンズ部５と、制御分析部７と、を備える。また、温度計１００は、パージガス導入路８と、筐体９とを備える。
筐体９は、温度計１００の本体を形成し、その内部空間である筐体空間９Ｓ内に、照射部１と、受光部３と、レンズ部５とを格納する。このように、同一の筐体９内に、照射部１と受光部３とが設けられることにより、温度変化などの外乱により、受光軸と測定光軸とがずれてしまうことを抑制できる。
筐体９は、煙道５０を形成する側壁５１の一部に固定されている。具体的には、以下のようにして、筐体９は側壁５１に固定されている。
筐体９には、筐体開口部９ａが形成され、筐体開口部９ａの周囲に筐体フランジ部９１が形成されている。一方、側壁開口部５１ａの周囲には側壁フランジ部５２が形成されている。図１に示すように、筐体フランジ部９１の円周部９１１は、側壁フランジ部５２の円周部５２１と一致するように、側壁フランジ部５２の円周部５２１に固定されている。
なお、図１に示すように、本実施形態の温度計１００においては、温度計１００から煙道５０内に向けて測定プローブなどが挿入されていない。そのため、煙道５０内に、熱電対温度計（のシース）などが腐食してしまうような腐食性のガスが流れていても、煙道５０内の温度を測定できる。

また、図１に示すように、筐体９と側壁５１とは、側壁５１に設けられた側壁開口部５１ａと、筐体９に設けられた筐体開口部９ａとは一致するように固定されている。その結果、煙道５０と筐体９の間に、光が通過可能な開口部９０が形成されている。また、開口部９０の筐体開口部９ａ側には、光が透過可能であり、筐体空間９Ｓと煙道５０とを空間的に分離する光学窓９２が設けられている。

パージガス導入路８は、パージガスＧ_Ｐを、煙道５０内の光学窓９２の近辺に供給可能とするために、筐体フランジ部９１に設けられている。パージガス導入路８の、パージガスＧ_Ｐを供給する側の一端は、筐体フランジ部９１に開けられたパージガス導入口から、煙道５０内に飛び出さないように設けられている。そして、パージガス導入路８の他端は、パージガス供給部８１にパージガスＧ_Ｐを導入可能に接続されている。これにより、パージガスＧ_Ｐが、パージガス導入路８により、煙道５０内の光学窓９２の近辺に供給される。パージガスＧ_Ｐを、パージガス導入路８により、煙道５０内の光学窓９２の近辺に供給することにより、筐体空間９Ｓ内の照射部１、受光部３、レンズ部５、及び光学窓９２が、煙道５０内のガスＳ中に含まれるダストなどにより汚染されることを抑制できる。

照射部（照射部の一例）１は、筐体９の筐体空間９Ｓから、開口部９０を介して煙道５０内に向けて測定光Ｌ_ｍを照射する。照射部１から照射された測定光Ｌ_ｍは、測定光Ｌ_ｍの光路である測定光軸Ａ_ｍを形成する。なお、本実施形態では、照射部１は、測定光Ｌ_ｍの光路である測定光軸Ａ_ｍ（図１中の照射部１から煙道５０に向かって伸びる実線により示した直線）が、煙道５０が伸びる方向に対して垂直となるよう設置されているが、必ずしも垂直でなくてもよい。さらに、側壁開口部５１ａの向きも、煙道５０が伸びる方向に対して必ずしも垂直でなくてもよい。例えば、側壁開口部５１ａの向きを、煙道５０内のガスＳの流れ方向（下流方向）に設置してもよい。この場合、側壁フランジ部５２にガスＳ中のダストなどが堆積することを抑制できる。なお、照射部１の構成の詳細は後述する。

受光部３（受光部の一例）は、測定光軸Ａ_ｍと、受光部３の受光面の中心から受光面の法線方向へ伸びる受光軸Ａ_ｒ（図１中の点線により示した直線）とが、少なくとも煙道５０内において一致するように設置されている。これにより、煙道５０内の温度測定を行う際に、照射部１及び受光部３の設置位置や向きなどの調整を行う頻度を減少できる。
受光部３は、測定光Ｌ_ｍのうち、光散乱粒子Ｐにより散乱された散乱測定光Ｌ_ｄを、開口部９０を介して受光する。これにより、測定光軸Ａ_ｍ上からの散乱測定光Ｌ_ｄを受光部３にて受光する割合が大きくなるため、受光部３において受光可能な散乱測定光Ｌ_ｄの光量を確保しやすくなる。また、煙道５０を流れるガスＳ中の光散乱粒子Ｐの濃度が高く、測定光Ｌ_ｍが煙道５０の一方から他方に完全に通過できない場合であっても、受光部３において散乱測定光Ｌ_ｄを受光できる。その結果、光散乱粒子Ｐの濃度が高いガスが流れる煙道内の温度であっても、受光部３において受光された散乱測定光Ｌ_ｄに基づいて、煙道５０内の温度を測定できる。

受光部３としては、例えば、フォトダイオード、光電子増倍管などを用いることができる。特に、光電子増倍管を用いた場合には、煙道５０を流れるガスＳの光散乱粒子Ｐにより散乱された散乱測定光Ｌ_ｄの光量が少ない（散乱測定光Ｌ_ｄが弱い）場合でも、十分な電気信号を制御分析部７（後述）に送信できる。その結果、より精度良く煙道５０内の温度を測定できる。

レンズ部５（レンズ部の一例）は、受光部３よりも煙道５０に近く、照射部１よりも煙道５０に遠い側（すなわち、照射部１と受光部３との間）に設けられている。また、レンズ部５の中心Ｃは、受光軸Ａ _ｒ 上に存在する。そして、レンズ部５は、受光軸Ａ_ｒ上の煙道５０内の所定の位置に焦点Ｆを結ぶ。

図２に、本実施形態の温度計１００のレンズ部５の構成を示す。レンズ部５は、第１レンズ５３と、第２レンズ５４と、調整部５５と、を有する。第１レンズ５３は、測定光Ｌ_ｍに対して、煙道５０内の所定の位置に焦点を結ばせる。第２レンズ５４は、筐体９に固定されている。第２レンズ５４は、温度計１００に入射された散乱測定光Ｌ_ｄに対して、受光部３の受光面に焦点を結ばせる。第２レンズ５４が、温度計１００に入射された散乱測定光Ｌ_ｄに対して、受光部３の受光面に焦点を結ばせるようにすることにより、散乱測定光Ｌ_ｄを確実に受光部３に受光できる。

調整部５５は、その上部に第１レンズ５３を固定している。また、調整部５５は、レンズ部移動手段５５１と、調整部制御部５５３とを備える。レンズ部移動手段５５１は、第１レンズ５３の中心Ｃを受光軸Ａ_ｒ上において移動させる。これにより、レンズ部５は、煙道５０内の所望の位置に焦点Ｆを結べる。

上記のように、温度計１００においては、測定光Ｌ_ｍが煙道５０内に向けて通過した開口部９０と同一の開口部９０を介して、光散乱粒子Ｐにより散乱された測定光である散乱測定光Ｌ_ｄが受光部３により受光される。すなわち、本実施形態の温度計１００においては、測定光学系を形成する、照射部１と、受光部３と、レンズ部５とが、同一の筐体９の筐体空間９Ｓに格納されている。これにより、煙道５０及び側壁５１の温度が変動した場合であっても、測定光軸Ａ_ｍと受光軸Ａ_ｒとが予め調整してあった状態からずれることを抑制できる。その結果、煙道５０及び側壁５１の温度が変動することにより、測定光Ｌ_ｍを受光部３において受光不能となることを抑制できる。
本実施形態の温度計１００において、測定光Ｌ_ｍを受光部３において受光不能となることを抑制できるのは、２つの理由による。
一つ目は、側壁５１（及び／又は側壁フランジ部５２）の変形により筐体９の取り付け角度などが変化しても、筐体９内において、照射部１と、受光部３と、レンズ部５との相対的な位置関係はほとんど変化しないためである。
二つ目は、一般的に、光散乱粒子Ｐに入射した光（測定光Ｌ_ｍ）は、ある程度の広がりを持って散乱するため、照射部１と受光部３との相対的な位置関係が多少ずれて、測定光軸Ａ_ｍと受光軸Ａ_ｒが予め調整してあった状態から多少ずれたとしても、受光部３は散乱測定光Ｌ_ｄを受光できるからである。

制御分析部７は、温度計１００の制御を行う。特に、照射部１から照射する測定光Ｌ_ｍの波長の制御や、上記のように、レンズ部５が結ぶ焦点の位置を変更するための制御を行う。また、受光部３において受光した散乱測定光Ｌ_ｄの強度に基づいて受光部３から出力される信号の処理を行う。さらに、温度計１００の制御指令や受光部３から出力された信号の情報処理を行う。制御分析部７の構成については、後述する。

１−２．照射部の構成
次に、照射部１の詳細な構成について図１を用いて説明する。前述のように、照射部１は、開口部９０を介して煙道５０内に向けて測定光Ｌ _ｍ を照射する。本実施形態の照射部１は、光源１１と、駆動部１３と、温度調節部１５と、光路変更部材１７とを備える。

光源１１は、測定光Ｌ_ｍを発生する。本実施形態では、光源１１から発生された測定光Ｌ_ｍは、光路変更部材１７（後述）においてその光路を変更され、煙道５０内に照射される。光源１１として、例えば、半導体レーザや、量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ、ＱＣＬ）などを用いることができる。これにより、煙道５０内を流れるガスＳ中の成分による吸収スペクトルピーク（信号量）を大きくすることができる。この結果、温度計１００の分解能が向上し、精度良く煙道５０内の温度を測定できるようになる。

温度調節部１５は、制御分析部７（図４）からの指令に基づき、光源１１の温度を調整する。特に光源１１として半導体レーザ光源を用いた場合、光源１１を駆動する駆動電流が一定であっても、光源１１等の劣化や、光源１１の温度により光源１１から発生する測定光Ｌ_ｍの波長が変化することがある。温度調節部１５により、光源１１の温度変化を抑制することにより、同じ駆動電流に対して、同じ波長の測定光Ｌ_ｍを発生できる。温度調節部１５は、例えば、光源１１の温度を測定する温度計と、温度調整手段（主に、電子冷却器などの冷却手段）とにより構成できる。
なお、光源１１から照射される測定光Ｌ_ｍの波長を変化させるために、温度調節部１５により光源１１の温度を変化させてもよい。これにより、測定光Ｌ_ｍの波長を光源１１へ供給される駆動電流を変化させること無く、変化させることができる。

光路変更部材１７は、光源１１から発生した測定光Ｌ_ｍを煙道５０内に向けて照射する。本実施形態では、光路変更部材１７は受光軸Ａ_ｒ上に設置されているため、光路変更部材１７の面積は少なくともレンズ部５のレンズより小さいほうが好ましい。なぜなら、光路変更部材１７の面積が大きいと、光路変更部材１７により散乱測定光Ｌ_ｄが遮られる割合が大きくなり、十分な光量の散乱測定光Ｌ_ｄが受光部３にて受光できなくなるためである。
また、光路変更部材１７としては、ビームスプリッタや、ハーフミラーにより形成されたミラーなどを用いることができる。これにより、散乱測定光Ｌ_ｄの一部が光路変更部材１７を通過できるようになる。その結果、より多くの光量の散乱測定光Ｌ_ｄを受光部３にて受光できる。

駆動部１３は、光源１１に、光源１１を駆動するための駆動電流を供給する。光源１１は、駆動電流の大きさに応じた波長の測定光Ｌ_ｍを発生する。駆動部１３は、図３に示すように、主に、定電流発生器１３１を備える。定電流発生器１３１は、制御分析部７の照射部制御部７３（図４）から出力される走査波長決定信号に基づいて、一定の強度の電流（定電流）（Ｉ_ｃ）（図３中の波形（１）を参照）を発生する。これにより、光源１１は、定電流発生器１３１により発生した定電流の大きさに応じた波長を有する測定光Ｌ_ｍを発生できる。

なお、本実施形態の温度計１００においては、ある波長域での吸収スペクトルを得るために、測定光Ｌ_ｍの波長を光源１１により変化させる。ここで、波長帯とは、測定光Ｌ_ｍの波長を変化させる範囲のことを言う。そして、本実施形態では、光源１１に供給する駆動電流を変化させることにより、測定光Ｌ_ｍの波長を変化させることができる。その他、上記のように、光源１１の温度を変化させることによっても測定光Ｌ_ｍの波長を変化できる。

光源１１に供給される駆動電流により測定光Ｌ_ｍの波長を変化させるために、駆動部１３は、走査電流発生器１３３と、電流加算器１３７とをさらに備えている。走査電流発生器１３３は、制御分析部７の照射部制御部７３から出力される波長走査信号に基づいて、測定光Ｌ_ｍの波長を走査するための電流（走査電流）を発生する。図３に示す例では、走査電流発生器１３３は、電流値０からある所定の大きさの電流値（Ｉ_ｒ）まで時間に対して直線的に増加し、電流値が電流値Ｉ_ｒまで増加したのち、直線的に増加するよりもはるかに速い時間にて再び電流値０まで戻るという変化を一定の走査周期Ｔ_１を有して繰り返す走査電流を発生させる（図３中の波形（２）を参照）。このような波形を有した電流を「ランプ波電流」と呼ぶことがある。

電流加算器１３７は、定電流発生器１３１及び走査電流発生器１３３と接続され、定電流発生器１３１により発生された定電流と、走査電流発生器１３３により発生された走査電流とを入力する。そして、電流加算器１３７は、走査電流に定電流を重畳する。さらに、電流加算器１３７は、定電流と走査電流とを重畳して駆動電流として光源１１へ出力する。走査電流発生器１３３により上記のランプ波電流が発生された場合には、図３中の波形（４）に示すような駆動電流が電流加算器１３７から出力される。すなわち、図３中の波形（２）にて示したランプ波電流が、最小電流値Ｉ _ｃ の分だけシフトした波形となる。
これにより、光源１１は、定電流成分を重畳されたランプ波成分の最小電流値Ｉ_ｃにより決定される波長（走査最小波長）から、最大電流値Ｉ_ｃ＋Ｉ_ｒにより決定される波長（走査最大波長）まで、時間Ｔ_１の間に波長が変化する測定光Ｌ_ｍを発生できる。そして、走査周期Ｔ_１の間に、所定の数の散乱測定光Ｌ_ｄの強度を受光部３を用いて測定することにより、煙道５０を流れるガスＳ中の成分による吸収スペクトルが得られる。すなわち、ガスＳ中の成分による吸収スペクトルは、散乱測定光Ｌ_ｄを走査最小波長から走査最大波長までの範囲の波長帯にて波長を走査することにより得られる。

さらに、波長変調分光法（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＷＭＳ））により、煙道５０を流れるガスＳ中の成分の吸収スペクトルを測定したい場合、駆動部１３は、変調電流発生器１３５をさらに備えていてもよい。変調電流発生器１３５は、制御分析部７の照射部制御部７３から出力される波長変調信号に基づいて、振幅Ｉ_ｍと変調周期Ｔ_２（変調周期Ｔ_２は、走査周期Ｔ_１よりもはるかに短い（Ｔ_１＞＞Ｔ_２））とを有して変化する波形を有する変調電流（図３中の波形（３）の場合、正弦波。）を発生する。そして、電流加算器１３７は、定電流と走査電流に、さらに、変調電流を重畳し、変調電流をさらに重畳した駆動電流（図３中の波形（５））を出力してもよい。これにより、光源１１は、駆動電流中の定電流成分及び走査電流成分により決定される波長を中心として、変調周期Ｔ_２にて、変調電流の振幅Ｉ_ｍにより決定される波長範囲にて波長が周期的に変化する測定光Ｌ_ｍを発生できる（波長変調）。

１−３．制御分析部の構成
次に、制御分析部７の構成について図４を用いて説明する。図４は、制御分析部７の構成を示した模式図である。制御分析部７は、信号処理部７１、照射部制御部７３、レンズ部制御部７５、情報処理部７７と、を備える。
信号処理部７１は、受光部３から出力された散乱測定光Ｌ_ｄの強度に基づく信号（検出信号）を情報処理部７７において処理可能な信号に変換する。なお、前述の波長変調分光法により、煙道５０を流れるガスＳ中の成分の吸収スペクトルを測定したい場合は、信号処理部７１は、図５に示すように、ロックインアンプ７１１と、倍周器７１３と、ローパスフィルタ７１５と、を備えていてもよい。

倍周器７１３は、照射部１の駆動部１３の変調電流発生器１３５から出力される変調電流を入力し、入力した変調電流から、変調電流の変調周波数（１／Ｔ_２）のｎ倍の周波数（変調周期Ｔ_２の１／ｎの周期、Ｔ_２／ｎ）を有する信号（参照信号）（図５中の波形（６））を発生させる。ロックインアンプ７１１は、倍周器７１３から出力された参照信号と、受光部３から出力された検出信号とを乗算処理し、当該乗算処理された信号を出力する。ローパスフィルタ７１５は、ロックインアンプ７１１から出力された上記の乗算処理された信号を入力し、当該信号の直流成分のみを出力する。
このような信号処理部７１により、受光部３から出力された検出信号（図５中のスペクトル（７））から、検出信号のｎ次高調波成分（図５中のスペクトル（８））を抽出できる。このようなｎ次高調波成分は検出信号の微分成分を含むため、検出信号が小さい（散乱測定光Ｌ_ｄの光量が少ない）場合や検出信号にノイズが乗っていてＳ／Ｎ比が小さい場合でも、煙道５０を流れるガスＳ中の成分の吸収スペクトルを誤差を少なくして取得できる。その結果、当該吸収スペクトルに基づいて、煙道５０内の温度を精度良く測定できる。

照射部制御部７３は、情報処理部７７の制御指令部７７５（後述）の指令に基づいて、照射部１を制御するための信号（走査波長決定信号、波長走査信号、波長変調信号、温度制御信号）を照射部１に出力する。走査波長決定信号は、測定光Ｌ_ｍの波長を走査する際の掃引開始波長を決定する。この信号は、照射部１の駆動部１３の定電流発生器１３１に入力される。波長走査信号は、測定光Ｌ_ｍの波長を走査するための信号である。従って、波長走査信号は、駆動部１３の走査電流発生器１３３に入力される。波長変調信号は、波長変調分光法により吸収スペクトルを測定する際の、測定光Ｌ_ｍの波長の変調を行う信号である。従って、波長変調信号は、駆動部１３の変調電流発生器１３５に入力される。温度制御信号は、光源１１の温度を制御するための信号である。従って、温度制御信号は、照射部１の温度調節部１５に入力される。

レンズ部制御部７５は、レンズ部５の（中心Ｃの）位置の制御を行うための信号を調整部５５に送信する。これにより、レンズ部５が結ぶ焦点Ｆの煙道５０内における位置を制御できる。

情報処理部７７は、温度計１００の制御指令や、散乱測定光Ｌ_ｄに基づいて取得されたデータの情報処理を行う。情報処理部７７は、例えば、情報処理を行うためのコンピュータである。また、情報処理部７７は、制御分析部７の信号処理部７１、照射部制御部７３、レンズ部制御部７５との信号をやり取りするために、Ａ／Ｄ変換器などを含むインターフェースを備えていてもよい。
情報処理部７７は、スペクトル取得部７７１と、算出部７７３と、制御指令部７７５と、記憶部７７７と、を備える。なお、これら情報処理部７７の各部の機能は、情報処理部７７上において実行されるプログラムとして実現されていてもよい。また、当該プログラムは、情報処理部７７の記憶領域（記憶部７７７を含む記憶領域）に記憶されていてもよい。

スペクトル取得部７７１（スペクトル取得部の一例）は、信号処理部７１において処理された検出信号から、散乱測定光Ｌ_ｄの波長と、散乱測定光Ｌ_ｄの光量（強度）の関係を表したデータ（このデータが吸収スペクトルに対応する）を取得する。

算出部７７３（算出部の一例）は、スペクトル取得部７７１において取得したデータ（吸収スペクトル）から、２つの吸収スペクトルを選択し、２つの吸収スペクトルの強度比を求める。そして、２つの吸収スペクトルの強度比と、温度との関係に基づいて、煙道５０内の温度を算出する。ここで、選択する吸収線の数は３以上であってもよい。

制御指令部７７５は、温度計１００の制御を行うための各種設定を行う。そして、当該設定に基づいて、制御分析部７の各構成要素に対して、必要に応じて、温度計１００に制御信号を送信することを指令する。このため、制御指令部７７５は、情報処理部７７の入力装置（図示せず）からの入力を受け付ける機能も有している。

記憶部７７７は、温度計１００の制御を行うための各種設定や、ガスＳ中の特定成分の２つの吸収スペクトルの強度比と温度との関係など、散乱測定光Ｌ_ｄに基づいて煙道５０内の温度を測定するために必要な情報を記憶する。
なお、ガスＳ中の特定成分の２つの吸収スペクトルの強度比と温度との関係は、温度と２つの吸収スペクトルの強度比との関係を表す関数として記憶部７７７に記憶されている。また、温度と２つの吸収スペクトルの強度比との関係をテーブルとして記憶部７７７に記憶してもよい。

２．温度計による煙道内の温度測定
次に、本実施形態の温度計１００を用いた、煙道５０内の温度を測定する方法について説明する。本実施形態においては、煙道５０内の酸素、水分または二酸化炭素等の吸収スペクトルに基づき、煙道５０内の温度を測定する。なぜなら、煙道５０を流れるガスＳ中には、酸素、水分または二酸化炭素等が高い濃度にて含まれているためである。また、酸素、水分または二酸化炭素等の吸光係数が大きいことも理由である。これにより、十分な強度を有した吸収スペクトルを取得できる。その結果、精度良く煙道５０内の温度を測定できる。

また、本実施形態においては、煙道５０内の温度の算出は、上記の波長変調法により散乱測定光Ｌ_ｄの強度に基づいた検出信号から取得された、上記ガスＳ中の成分の吸収スペクトルの二次高調波成分に基づいて行う。

まず、照射部１が煙道５０内に向けて煙道５０内の酸素、水分または二酸化炭素等の吸収スペクトルにチューニングした波長の測定光Ｌ_ｍを照射する。測定光Ｌ_ｍは、制御分析部７の照射部制御部７３から出力される波長変調信号に基づき波長変調されている。具体的には、駆動電流中の変調電流成分により、測定光Ｌ_ｍの波長が変調されている。

次に、レンズ部５が、煙道５０内の所定の位置に焦点Ｆを結ぶ。このとき、レンズ部制御部７５は、温度を測定したい煙道５０内の所定領域に焦点Ｆが結ばれるよう、レンズ部５の中心Ｃの位置を調整する。

ここで、温度を測定したい煙道５０内の所定領域としては、例えば、散乱測定光Ｌ_ｄの強度に基づいて決定される領域や、煙道５０内の光散乱粒子Ｐの濃度に基づいて決定される領域が考えられる。
散乱測定光Ｌ_ｄの強度に基づいて決定される領域に焦点Ｆを結ぶことにより、十分な光量を有する散乱測定光Ｌ_ｄを、受光部３において受光できる。その結果、煙道５０を流れるガスＳ中の成分（酸素、水分または二酸化炭素等）の吸収スペクトルに基づいて、精度良く煙道５０内の温度を測定できる。

一方、煙道５０内の光散乱粒子Ｐの濃度に基づいて決定される領域に焦点Ｆを結ぶことについては、煙道５０内の光散乱粒子Ｐの濃度により煙道５０内の所定の位置における散乱測定光Ｌｄの強度が変化する場合に有利である。すなわち、図６Ａに示すように、煙道５０内の光散乱粒子Ｐの濃度が高くなると、測定光Ｌｍが煙道５０内の開口部９０に近い位置でほとんど散乱されてしまう。そこで、十分な強度の散乱測定光Ｌ _ｄ を受光するため、焦点Ｆの位置を、煙道５０内の測定光Ｌｍが到達可能な領域の手前に設定する。
これにより、測定光Ｌｍが煙道５０内に導入された位置から光散乱粒子Ｐの濃度に基づいて決定される煙道５０内の適切な位置までの散乱測定光Ｌｄを、受光部３において受光できる。その結果、煙道５０を流れるガスＳ中の成分（酸素、水分または二酸化炭素等）の吸収スペクトルに基づいて、精度良く煙道５０内の温度を測定できる。

煙道５０内の酸素、水分または二酸化炭素等の吸収スペクトルは次のようにして取得される。

まず、測定光Ｌ_ｍの波長を所定の波長範囲で走査する。測定光Ｌ_ｍの波長の走査は、光源１１の駆動電流の内、照射部１の駆動部１３の走査電流発生器１３３から出力される走査電流成分に基づいて行われる。図３において示した例では、走査周期Ｔ_１の間に、測定光Ｌ_ｍの波長が最小電流値Ｉ_ｃにより決定される走査最小波長から、最大電流値Ｉ_ｃ＋Ｉ_ｒにより決定される走査最大波長まで、時間に対して非線形に変化する。

その後、スペクトル取得部７７１により、煙道５０を流れるガスＳ中の酸素、水分または二酸化炭素等の吸収スペクトルを取得した後、算出部７７３が、当該吸収スペクトルの所定の２つの吸収線を選択し、選択された２つの吸収線の強度比に基づいて、煙道５０内の温度を算出する。
図７に示した吸収スペクトルにおいて、煙道５０内の温度が高くなるに従い、吸収スペクトルは、吸収スペクトルＳ３（太い実線により示したスペクトル）、吸収スペクトルＳ２（二点鎖線により示したスペクトル）、吸収スペクトルＳ１（細い実線により示したスペクトル）の順に変化していく。ここで、図７の第１吸収スペクトル（図７の「１ｓｔ ｐｅａｋ」の枠内により示された吸収スペクトル）と第２吸収スペクトル（「２ｎｄ ｐｅａｋ」の枠内により示された吸収スペクトル）とに着目すると、第２吸収スペクトルの強度の温度に対する変化のほうが、第１吸収スペクトルの強度の温度に対する変化よりも大きい。

従って、第１吸収スペクトルの強度Ｐ１と第２吸収スペクトルの強度Ｐ２との強度比（＝Ｐ２／Ｐ１）も温度によって変化する。そして、当該強度比は吸収スペクトルの強度の相対値であるため、散乱測定光Ｌ_ｄの強度が変化することにより吸収スペクトル全体の強度が変化しても変化しない。これにより、（煙道５０内の温度を測定中に）煙道５０を流れるガスＳ中の光散乱粒子Ｐの濃度が変化するなどして散乱測定光Ｌ_ｄが変化した場合でも、正確に煙道５０内の温度を測定できる。

煙道５０を流れるガスＳ中の酸素、水分または二酸化炭素等の吸収スペクトルのどの２つの吸収スペクトルを選択するかは、測定したい煙道５０内の温度範囲に応じて決定すればよい。そして、測定したい温度範囲と選択すべき２つの吸収スペクトル（が現れる波長）とは、関連付けられて記憶部７７７に記憶されていてもよい。この場合、算出部７７３は、まず、制御指令部７７５により設定された測定温度範囲と、記憶部７７７に記憶されている測定したい温度範囲とを比較する。そして、算出部７７３は、当該設定された測定温度範囲が含まれる、当該測定したい温度範囲を選択し、記憶部７７７に記憶されたその測定したい温度範囲に関連付けられた選択すべき２つの吸収スペクトル（が現れる波長）を決定する。

（２）他の実施形態
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。

（Ａ）照射部と受光部の配置についての他の実施形態
上記の第１実施形態の温度計１００においては、受光軸Ａ_ｒと測定光軸Ａ_ｍとが、少なくとも煙道５０内において一致するように、照射部１と受光部３とが設置されていた。また、測定光軸Ａ_ｍが、煙道５０が伸びる方向に対して垂直となるよう、照射部１が設置されていた。しかし、照射部１と受光部３との設置関係はこれに限られない。
図８に示す温度計２００のように、照射部１は、測定光軸Ａ_ｍが煙道５０が伸びる方向に対して垂直な軸Ａ’に対して所定の角度θ_１を有するように、温度計２００に設置されていてもよい。また、受光部３は、受光軸Ａ_ｒが煙道５０が伸びる方向に対して垂直な軸Ａ’に対して所定の角度θ_２を有するように、温度計２００に設置されていてもよい。

光散乱粒子Ｐにより散乱された測定光である散乱測定光Ｌｄは、ある程度の広がりを有して散乱されているため、図８のように受光軸Ａｒと測定光軸Ａｍとが一致していなくとも、受光部３において散乱測定光Ｌｄを受光できる。
また、図８に示す温度計２００では、受光部３より煙道５０に近い側に、レンズ部５以外の部材などが存在しない。よって、光を遮断する部材により散乱測定光Ｌｄが遮断されない。

また、図８に示す温度計２００では、照射部１及び受光部３が、照射部１及び受光部３の中心を通り、煙道５０の伸びる方向に対して垂直（図８の紙面に垂直な方向）の軸を中心に回転可能に取り付けられていてもよい。この場合、受光部３とレンズ部５とは共通の固定台（図示せず）上に取り付けられ、当該固定台が、煙道５０の伸びる方向に対して垂直（図８の紙面に垂直な方向）の軸を中心に回転可能となっている。
これにより、上記の角度θ_１及びθ_２を所望の角度に設定することが可能となる。その結果、煙道５０内の所望の位置における散乱測定光Ｌ_ｄを測定できる。よって、煙道５０内の所望の位置における温度を測定できる。

また、上記の角度θ_１及びθ_２は、同じ角度となるように設定されていてもよい。これにより、より強度の大きい散乱測定光Ｌ_ｄを受光部３において受光できる。なぜなら、光散乱粒子Ｐに入射する測定光Ｌ_ｍの入射角（θ_１）と同じ角度（θ_２）にて散乱された散乱測定光Ｌ_ｄの強度が大きくなる傾向にあるからである。

（Ｂ）レンズ部に関する他の実施形態
第１実施形態の温度計１００においては、レンズ部５には、２つのレンズ（第１レンズ５３と第２レンズ５４）が設けられていた。しかし、レンズ部５に設けられるレンズの数はこれに限られない。例えば、レンズ部５に設けられるレンズの数は、１つであってもよい。レンズ部５に設けられるレンズが１つの場合、当該レンズは、受光軸Ａｒ上を調整部５５により移動可能に筐体９に設けられていてもよい。
また、特に、予め焦点Ｆを結ぶ位置が決まっている場合などには、当該レンズは筐体９に固定されていてもよい。筐体９にレンズを固定する場合、当該レンズは、受光部３に焦点を結ぶような位置に配置される。レンズを筐体９に固定することにより、レンズから受光部３までの距離がずれることが無くなる。このため、常に、散乱測定光Ｌ_ｄに対して、受光部３の受光面に焦点を結ぶことができる。その結果、散乱測定光Ｌ_ｄを確実に受光部３にて受光できる。

本発明に係る温度計は、煙道中を流れるガスの吸収スペクトルに基づき、煙道中の温度を測定する温度計に広く適用できる。

１００、２００温度計
１ 照射部
１１ 光源
１３ 駆動部
１３１ 定電流発生器
１３３ 走査電流発生器
１３５ 変調電流発生器
１３７ 電流加算器
１５ 温度調節部
１７ 光路変更部材
３ 受光部
５ レンズ部
５３ 第１レンズ
５４ 第２レンズ
５５ 調整部
５５１ レンズ部移動手段
５５３ 調整部制御部
７ 制御分析部
７１ 信号処理部
７１１ ロックインアンプ
７１３ 倍周器
７１５ ローパスフィルタ
７３ 照射部制御部
７５ レンズ部制御部
７７ 情報処理部
７７１ スペクトル取得部
７７３ 算出部
７７５ 制御指令部
７７７ 記憶部
８ パージガス導入路
８１ パージガス供給部
９ 筐体
９ａ 筐体開口部
９Ｓ 筐体空間
９０ 開口部
９１ 筐体フランジ部
９２ 光学窓
９１１ 円周部
５０ 煙道
５１ 側壁
５１ａ 側壁開口部
５２ 側壁フランジ部
５２１ 円周部
Ａ’ 煙道の伸びる方向に対して垂直な軸
Ａ_ｍ 測定光軸
Ａ_ｒ 受光軸
Ｃ レンズ部の中心
Ｆ 焦点
Ｇ_Ｐ パージガス
Ｌ_ｄ 散乱測定光
Ｌ_ｍ 測定光
Ｐ 光散乱粒子
Ｐ１ 第１吸収スペクトルの強度
Ｐ２ 第２吸収スペクトルの強度
Ｓ ガス
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 吸収スペクトル
θ_１ 測定光軸と煙道の伸びる方向に対して垂直な軸とがなす角度
θ_２ 受光軸と煙道の伸びる方向に対して垂直な軸とがなす角度

Claims (5)

1. 光散乱粒子を含むガスが流れる煙道内に向けて測定光を照射する照射部と、
   前記測定光のうち、前記光散乱粒子により散乱された散乱測定光を受光する受光部と、
   前記受光部の法線方向へ伸びる受光軸上に存在し、前記煙道内のうち前記煙道の側壁表面を除く箇所に焦点を結ぶレンズ部と、
   前記受光部により受光された前記散乱測定光に含まれ、前記ガス中の所定成分の吸収スペクトルのうち、複数の波長における吸収スペクトルの強度比に基づいて、前記煙道内の温度を算出する算出部と、
   を備え、
   前記法線方向は、前記受光部が有する面のうち、前記レンズ部に対向する面から延びる法線の方向である、
   温度計。
2. 前記吸収スペクトルは、前記散乱測定光を所定波長帯にて波長を走査することにより得られる、請求項１に記載の温度計。
3. 前記受光軸と前記測定光の光路である測定光軸とが、少なくとも前記煙道内において一致するように、前記照射部と前記受光部とが設置される、請求項１又は２に記載の温度計。
4. 前記照射部及び前記受光部は、同一の筐体内に設けられる、請求項１から３のいずれかに記載の温度計。
5. 前記レンズ部の中心位置を調整する調整部をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の温度計。
   
   

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