JP6710839B2 - レーザ光を用いたガス分析装置及びそれに用いる計測セル - Google Patents

レーザ光を用いたガス分析装置及びそれに用いる計測セル Download PDF

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Description

本発明は、レーザ光を用いて対象ガスの濃度や温度を検出するガス分析装置及びそれに使用される計測セルに関する。
近年、地球温暖化、化石燃料の枯渇、環境汚染等の防止の観点から、様々な分野で地球環境保全やエネルギーの有効利用に関心が集まっており、そのため種々の環境技術の研究がなされている。
そのような環境技術において、エンジンやバーナー等における燃焼現象の燃焼構造や、その過渡的な振る舞いを詳細に解明することは重要なことである。近年、燃焼ガスにおいて温度や濃度の分布を高応答で時系列的に計測する手段として、半導体レーザ吸収法を活用した計測技術が開発されている。
一般に吸収法は気体分子が化学種に特有の波長の赤外線を吸収する性質及びその吸収量の温度・濃度依存性を利用した計測法である。入射光が光路長の一様な吸収媒体（対象ガス）を通過したときの、入射光の強度(Iλ0)と透過光(Iλ)の強度の比(Iλ/Iλ0)を求めることにより、対象ガスの濃度や温度を計測することができる。
半導体レーザを用いて吸収法を活用して計測対象ガスの性質（濃度や温度）を検出する技術として特許文献１等に開示された技術がある。
特開2015-040747号公報
半導体レーザ吸収法を活用して、エンジンやバーナー等の燃焼機関における燃焼現象を解析する場合、燃焼機関の燃焼室内の計測対象ガスにレーザ光を照射し、計測対象ガスを透過したレーザ光を測定する必要がある。このため、燃焼室にレーザ光を照射し、また、燃焼室からレーザ光を受光するための装置（以下「計測セル」という）が必要になる。
しかし、燃焼室のような高温、高圧場では、強度を保つために計測セルの構造（厚み）を大きく（例えば数センチメートル）する必要がある。計測セルの構造の増大化は燃焼機関内への計測セルの設置を難しくし、半導体レーザ吸収法を活用した燃焼現象の解析技術の実用化に際して障害となっていた。
本発明は、半導体レーザ吸収法を活用してガスの状態を分析する装置において使用される計測セルの薄型化を実現することを目的とする。
本開示の第１の態様において、ガス分析装置に使用される計測セルが提供される。計測セルは、
円形状の開口と、開口に向けて光を誘導する複数の第１の光路と、第１の光路に対応して設けられ、開口からの光を受ける複数の第２の光路とを有する筐体と、
開口に沿って配置されたリング状で透光性を有する窓部材と、
窓部材を保持するリング状の保持部材と、を備える。
窓部材は複数の円弧状部材で構成される。保持部材は、第１及び第２の光路のそれぞれに対応した位置に設けられた、光を透過させるための複数の孔を有する。
本開示の第２の態様において、上記セルを備えた二次元ガス分析装置が提供される。
二次元ガス分析装置は、
レーザ光を出力するレーザ光源と、
レーザ光源を制御するレーザ制御部と、
レーザ光源からのレーザ光を複数の光路に分岐する分波器と、
分波器により分岐されたレーザ光を前記第１の光路に入力する上記の計測セルと、
計測セルの第２の光路からレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号を出力する複数の受光器と、
各受光器から出力された電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／または濃度の分布に関する二次元画像を再構築する解析装置と、
を備える。
本開示の第３の態様において、上記セルを備えた三次元ガス分析装置が提供される。
三次元ガス分析装置は、
レーザ光を出力するレーザ光源と、
レーザ光源を制御するレーザ制御部と、
レーザ光源からのレーザ光を複数の光路に分岐する分波器と、
分波器により分岐されたレーザ光を入力する複数の上記の計測セルと、
各計測セルからレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号を出力する複数の受光器と、
計測セル毎に、受光器から出力された電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／または濃度の分布に関する二次元画像を再構築する解析装置と、を備える。
複数の計測セルは、第１の光路と前記第２の光路の双方に直交する方向に並べて配置されている。
本発明によれば、計測セルにおいて、高温、高圧場となる計測場に隣接して配置される窓部材を複数の部材で構成したことにより、窓部材の厚みを薄くしても、熱膨張による窓部材の破損を防止できる。その結果、窓部材及びその周辺の部材の厚みを小さくでき、計測セルの薄型化を実現することができる。
本発明の実施の形態１における二次元ガス分析装置の構成を示した図 二次元ガス分析装置の計測セルの構成を示した図 計測セルと光学アダプタの関係を説明するための図 計測セルの下側本体部に形成された光路を説明した図 計測セルの下側本体部に窓部材がはめ込まれたときの状態を説明した図 計測セルの窓部材の構成を説明した図 窓部材のフレームを説明した図 窓部材における分割された窓部材を説明した図 エンジンに対する計測セルの取り付け状態を説明した図 本発明の実施の形態１の計測セルのバーナーへの適用例を説明した図 本発明の実施の形態１の計測セルのジェットエンジンへの適用例を説明した図 本発明の実施の形態１の計測セルを用いた三次元ガス分析装置の構成の例を示した図 保持フレームに形成された楕円形形状の光透過孔を説明した図
以下、添付の図面を参照して、本発明に係る、ガス分析装置に用いる計測セルの実施の形態を説明する。
（実施の形態）
１．二次元ガス分析装置の構成
図１は、本発明に係る計測セルの一実施の形態を備えた二次元ガス分析装置の構成を示す。二次元ガス分析装置は、計測対象ガスの濃度や温度を二次元的に計測可能な装置である。図１に示すように、二次元ガス分析装置１は、レーザ１１と、レーザ制御装置１４と、ファイバスプリッタ１５と、計測セル３０と、アンプ２１と、解析装置２３とを備える。
レーザ１１は所定の波長帯域のレーザ光を出力可能な光源（レーザダイオード）であり、例えば、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザや外部共振器型半導体レーザで構成される。
レーザ制御装置１４は、レーザ１１を制御して、レーザ１１が出力するレーザ光の波長及び強度を制御する。具体的には、レーザ制御装置１４はレーザ１１を制御して、レーザ光の波長を時間的に変化（走査）させながらレーザ光を出力させる。レーザ制御装置１４としては、レーザダイオードに電流を注入し、レーザダイオードを発光（駆動）させるための市販の種々の装置が使用でき、例えば、旭データシステムズ社製のLDドライバALP-7033CCが使用できる。
ファイバスプリッタ１５はレーザ１１からのレーザ光を複数の光路に分岐して出力する。
計測セル３０は、計測セル３０は計測対象ガスが含まれる計測場に配置されて使用され、計測場におけるレーザ光の光路を規定する装置である。計測セル３０から、計測対象ガスに対してレーザ光が照射され、計測対象ガスを透過したレーザ光は再び計測セル３０内に入射する。
計測セル３０には、光学アダプタ５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂが取り付けられている。光学アダプタ５１ａ、５１ｂはそれぞれ複数のコリメータ１７を内部に含む。コリメータ１７はレーザ光の進行方向を調整するための光学部材（レンズ）である。光学アダプタ５１ａ、５１ｂとファイバスプリッタ１５とは光ファイバ１８で接続される。
光学アダプタ５３ａ、５３ｂはそれぞれ複数の受光器１９を内部に含む。光学アダプタ５３ａ、５３ｂに含まれる各受光器１９はそれぞれ、光学アダプタ５１ａ、５１ｂ内の対応するコリメータ１７と対向して配置される。受光器１９は、フォトダイオードやフォトトランジスタのような受光素子を含み、計測対象ガスを透過したレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号に変換する。光学アダプタ５３ａ、５３ｂとアンプ２１の間は電気信号を伝達する配線２０で接続される。
計測セル３０は中央に円形の開口３５を有している。計測セル３０は、その開口３５が計測場内に配置されるように配置されて使用される。
アンプ２１は、受光器１９からの電気信号（アナログ信号）を増幅するとともにデジタル信号に変換する。
解析装置２３は、アンプ２１から信号を入力し、入力した信号の波形（吸収スペクトル）を解析して、ガスの濃度、温度を解析する。解析装置２３は例えばコンピュータ（情報処理装置）により実現できる。
以上のような構成を有する二次元ガス分析装置１は、計測セル３０が計測対象のガスが含まれる計測場に配置され、計測セル３０の開口領域におけるガス成分の測定を行う。
１．１ 計測セル
図２〜図８を参照して、二次元ガス分析装置１に使用される計測セル３０の構造の詳細を説明する。
図２（ａ）は計測セル３０の展開図である。図２（ａ）に示すように、計測セル３０は、上側フレーム３１ａと、下側フレーム３１ｂと、上側オーリング４２ａと、窓部材４４と、保持フレーム４２と、下側オーリング４２ｂとで構成される。
上側及び下側フレーム３１ａ、３１ｂは金属で形成される。上側及び下側フレーム３１ａ、３１ｂには後述するように、レーザ光を通過させるための光路が設けられている。
窓部材４４はリング形状（または、高さの低い円筒状）を有し、透光性材料（例えば、ガラス材料）で形成される。保持フレーム４２は、窓部材４４を固定する金属製の部材である。窓部材４４の外側に保持フレーム４２が配置されている。保持フレーム４２には、上側及び下側フレーム３１ａ、３１ｂに形成された光路に対応して設けられた光透過孔４１が複数設けられている。
オーリング４２ａ、４２ｂは、計測セル３０の開口（計測場）内のガスが計測セル３０の外部へ漏れるのを防ぐために、上側及び下側フレーム３１ａ、３１ｂと、窓部材４４及び保持フレーム４２との間に挿入される。
図２（ｂ）は計測セル３０の側面図である。図２（ｂ）に示すように、上側及び下側フレーム３１ａ、３１ｂを対向して密着させることにより計測セル３０の筐体３１を形成する。窓部材４４は保持フレーム４２の内側で保持されて、上側及び下側フレーム３１ａ、３１ｂの境界部分において計測セル３０の開口３５に沿って配置される（以下、窓部材４４及び窓部材４４を保持する保持フレーム４２を合わせて「窓構造４０」という）。計測セル３０の側面には、レーザ光が通過する複数の孔３９が配置されている。
図３は、計測セル３０の正面図である。計測セル３０は中央部分に開口３５を有し、側面に、コリメータ１７を内部に備えた光学アダプタ５１ａ、５１ｂと、受光器１９を内部に備えた光学アダプタ５３ａ、５３ｂとが取り付けられている。また、図３において、計測セル３０内に示した放射状に延びる破線は、計測セル３０内部に形成される光路（レーザ光が通過する経路）を示している。光路は、光学アダプタ５１ａ、５１ｂからのレーザ光を計測セル３０の開口３５（すなわち、計測場）へ導くために、又は、計測セル３０の開口３５（すなわち、計測場）内のガスを通過した光を光学アダプタ５３ａ、５３ｂの受光器１９へ導くために設けられたレーザ光の通路である。光路の断面（光の進行方向に直交する平面で切断した断面）は円形である。
計測セル３０内の光路は、図２（ｂ）に示すように合わさった上側フレーム３１ａと下側フレーム３１ｂの境界付近に形成される。図２（ｂ）に示すように、計測セル３０の側面の複数の孔３９は、計測セル３０内に形成された光路の入口または出口である。各孔３９は計測セル３０の筐体３１内に形成される光路につながっている。なお、図２（ｂ）は、光学アダプタ５３ａ及び光学アダプタ５１ｂの一部が取り付けられる側の計測セル３０の側面を示している。図２（ｂ）において、９個の孔のうち左から１つ目から７つ目までの孔は、光学アダプタ５３ａ内の受光器１９の位置に対応した位置に設けられる。また、右側の２個の孔は、光学アダプタ５１ｂ内のコリメータ１７の位置に対応した位置に設けられる。
計測セル３０は、その開口３５において、コリメータ１７と受光器１９の対がパスを形成する。本実施の形態では、計測セル３０は１８個のパスを有する。各パスは同一平面に含まれるよう形成されており、この平面内において二次元的な計測が可能となる。なお、以下の説明において、各パスを含む平面の法線方向を「計測セル３０の法線方向」という。
図４は、計測セル３０の筐体３１を構成する下側フレーム３１ｂの正面図である。図４に示すように、下側フレーム３１ｂにおいて、光学アダプタ５１ａ、５１ｂからのレーザ光を計測セル３０の開口３５（すなわち、計測場）へ導くための光路を構成するための溝３３ａ〜３３ｒが設けられている。さらに、下側フレーム３１ｂにおいて、計測セル３０の開口３５（すなわち、計測場）を通過した光を光学アダプタ５３ａ、５３ｂの受光器１９へ導くための光路を構成するための溝３４ａ〜３４ｒが形成されている。上側フレーム３１ａにおいても、下側フレーム３１ｂの各溝３３ａ〜３３ｒ、３４ａ〜３４ｒと対応する位置に溝が形成されている。すなわち、上側フレーム３１ａも下側フレーム３１ｂと同様の構成を有する。上側フレーム３１ａと下側フレーム３１ｂとが合わさることにより、断面が円形状の１つの光路を形成する。このため、各溝３３ａ〜３３ｒ、３４ａ〜３４ｒの断面は半円形状となる。なお、以下の説明において、計測セルの筐体３１内に形成された各光路に対して、各光路を構成する溝３３ａ〜３３ｒ、３４ａ〜３４ｒと同じ符号を用いて説明する。例えば、溝３３ａにより形成される光路を「光路３３ａ」と呼ぶ。
下側フレーム３１ｂは、開口３５の周囲に、窓構造４０を配置するための領域３７を有する。図５は、下側フレーム３１ｂの領域３７に窓構造４０を配置した状態を示した図である。図５において、下側フレーム３１ｂの開口３５内に示した破線矢印はレーザ光が通過するパスを示している。
図６は、窓構造４０の構成を示した図である。図７は、保持フレーム４２の構成を示した図である。図８は、窓部材４４の構成を示した図である。
図６、７（ａ）に示すように、窓構造４０において、窓部材４４の外側に保持フレーム４２が配置される。保持フレーム４２は金属材料（例えば、チタン）で形成される。保持フレーム４２は、リング形状を有し、内周に向かって突出した突起部４６ａ〜４６ｄが設けられている。突起部４６ａ〜４６ｄは、保持フレーム４２の内周を四等分する位置に設けられる。図７（ｂ）に示すように、保持フレーム４２の側面には、計測セル３０の筐体３１内に形成される各光路に対応した位置に、レーザ光を通過させるための光透過孔４１が形成されている。
図６，８（ａ）に示すように、窓部材４４は４つの円弧状部材４４ａ〜４４ｄで構成される。すなわち、窓部材４４は円形状の部材を４等分して作成される。各円弧状部材４４ａ〜４４ｄは、図６に示すように、保持フレーム４２の内周側において、隣接する２つの突起部４６ａ〜４６ｄの間に配置される。
また、計測セル３０の組み立て時において、各円弧状部材４４ａ〜４４ｄと、その両側に配置される突起部４６ａ〜４６ｄとの間に隙間が形成されるように、各円弧状部材４４ａ〜４４ｄが配置される。例えば、円弧状部材４４ａと、その両側に配置される突起部４６ａ、４６ｂとの間には、隙間４７ａ、４７ｂが形成されている。この隙間により、熱膨張により円弧状部材４４ａ〜４４ｄが膨張した場合であっても、円弧状部材４４ａ〜４４ｄの膨張による増大分を吸収し、円弧状部材４４ａ〜４４ｄの破損を防止することができる。
２．動作
以上のように構成される二次元ガス分析装置１の動作を説明する。
二次元ガス分析装置１は、レーザ１１から出力されるレーザ光の波長を走査しながらレーザ光を計測対象ガスに照射し、その際得られるレーザ光の吸収スペクトルを解析することで、計測対象ガスの濃度や温度の計測を行う。
レーザ１１は、例えば、計測対象ガスの成分が吸収する特定の波長を含む波長帯のレーザ光を出力する。または、レーザ１１は、計測対象ガス成分が吸収しない特定の波長、または計測対象ガス以外のガス成分を吸収する波長を含む波長帯のレーザ光を出力してもよい。
レーザ１１から出射されたレーザ光は、ファイバスプリッタ１５に入力される。ファイバスプリッタ１５はレーザ１１からのレーザ光を分岐し光学アダプタ５１ａ、５１ｂ内の各コリメータ１７に入力させる。各コリメータ１７に入力されたレーザ光は、計測セル３０の筐体内に設けられた光路３３ａ〜３３ｒに入力される。各光路３３ａ〜３３ｒに入力されたレーザ光は保持フレーム４２に形成された光透過孔４１及び窓部材４４を透過し、計測場（計測セル３０の開口）に照射される。
計測場（計測セル３０の開口）に照射された光は、ガス中を透過する際、特定の波長成分が計測場のガス中に含まれている計測対象ガスによって吸収される。計測場（計測セル３０の開口）を透過したレーザ光は、窓部材４４及び保持フレーム４２の光透過孔４１を介して受光側の光路３４ａ〜３４ｒに入射し、光学アダプタ５３ａ、５３ｂ内に配置された受光器１９にて入射される。受光器１９は受光したレーザ光を電気信号に変換する。
受光器１９からの電気信号は、アンプ２１で増幅され、デジタル信号に変換されて解析装置２３に入力される。
解析装置２３は、各受光器１９からの信号波形を解析して、ガス成分の濃度及び／または温度分布を示す二次元画像を再構築する。二次元画像の再構築は既存のＣＴ（Computed Tomography）技術を用いて行うことができる。
図９は、エンジンの燃焼状態の解析時における、本実施形態の二次元ガス分析装置における計測セル３０のエンジンに対する取り付け状態を説明した図である。図９に示すにように、計測セル３０の開口３５がエンジン２００の燃焼室に位置するように、エンジン２００のシリンダ２１０の上部に計測セル３０を配置する。このように計測セル３０を配置することで、エンジン２００内の燃焼室における燃焼ガスに対して、レーザ光を照射し、燃焼ガスを透過したレーザ光の測定が可能となり、導体レーザ吸収法を用いて燃焼ガスの燃焼状態（濃度、温度）を二次元的に解析することが可能となる。
なお、上記の例では、計測セル３０の開口３５がエンジン２００の燃焼室に配置されるように、計測セル３０を配置したが、燃焼室に代えて、シリンダ２１０から排出される排気ガスの流路である排気管に対して計測セル３０を設けてもよい。この構成によれば、排気ガスの状態を測定、解析することができる。また、また、シリンダ２１０または排気管に対して、計測セル３０をその法線方向に複数並べて配置して設けてもよい。これにより、３次元的にガスの状態を測定することが可能になる。
以上のように、本実施形態の計測セル３０を用いた二次元ガス分析装置１は、エンジンのシリンダ内または排気系において各種ガスの温度、濃度の検出を可能とし、燃焼の過渡現象や未燃燃料排出挙動の解明に有用である。
３．まとめ
本実施形態の二次元ガス分析装置１に使用される計測セル３０は、円形状の開口３５と、開口３５に向けてレーザ光を誘導する複数の光路３３ａ〜３３ｒ（第１の光路の一例）と、光路３３ａ〜３３ｒに対応して設けられ、開口３５からの光を受ける複数の光路３４ａ〜３４ｒ（第２の光路の一例）とを有する筐体３１と、開口３５に沿って配置されたリング状の透光性を有する窓部材４４と、窓部材４４を保持するリング状の保持フレーム４２と、を備える。窓部材４４は、複数の円弧状部材４４ａ〜４４ｄで構成される。保持フレーム４２は、光路３３ａ〜３３ｒ、３４ａ〜３４ｒのそれぞれに対応した位置に設けられた、光を透過させるための複数の孔４１を有する。
計測セル３０において、窓部材４４を複数の円弧状部材４４ａ〜４４ｄで構成し、保持フレーム４２で固定することで、窓の厚みを大きくすることなく、高温・高圧下での熱膨張による窓の破損を防止できる。
本実施形態の二次元ガス分析装置１は、レーザ光を出力するレーザ光源１１と、レーザ光源１１を制御するレーザ制御装置１４と、レーザ光源１１からのレーザ光を複数の光路に分岐するファイバスプリッタ（分波器）１５と、ファイバスプリッタ１５により分岐されたレーザ光を光路３３ａ〜３３ｒ（第１の光路）に入力する計測セル３０と、計測セル３０の光路３４ａ〜３４ｒ（第２の光路）からレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号を出力する複数の受光器１９と、各受光器１９から出力された電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／または濃度の分布に関する二次元画像を再構築する解析装置２３と、を備える。
本実施形態の二次元ガス分析装置１により、計測対象ガスの温度や濃度の分布を２次元的に計測することが可能となる。
（実施の形態２）
本実施形態では、実施の形態１で示した二次元ガス分析装置１の適用例を説明する。
（１）適用例１
上記の実施の形態の二次元ガス分析装置１は、火力発電所等で使用されるボイラ用バーナーの燃焼室内の燃焼状態（対象ガスの温度、濃度）の検出に適用することができる。図１０（Ａ）は、上述の二次元ガス分析装置１のボイラ用バーナーへの適用を説明した図である。例えば、図１０（Ａ）に示すように、計測セル３０の開口３５がボイラの燃焼室１１０に配置されるように、計測セル３０を配置する。これにより、バーナー１００の燃焼室１１０内の燃焼状態を二次元的に把握することが可能となる。さらに、図１０（Ｂ）に示すように、燃焼室１１０に対して、計測セル３０を、計測セル３０の法線方向に複数並べて配置することで、３次元的に燃焼状態を測定することも可能になる（詳細は後述）。
（２）適用例２
二次元ガス分析装置１は、ジェットエンジンや産業用ガスタービンの燃焼状態（対象ガスの温度、濃度）の検出にも適用することができる。図１１（Ａ）は、本実施形態の二次元ガス分析装置１のジェットエンジンへの適用を説明した図である。ジェットエンジン３００（またはガスタービン）では、取り込んだ気流はタービン３０３の回転力を原動力とする圧縮機により圧縮され、燃焼器３０１において燃料と混合されて燃焼させられる。燃焼により生じた燃焼ガスはタービン３０３を回転させるとともに、噴射口から外部に排気される。計測セル３０は、例えば、図１１（Ａ）に示すように、ジェットエンジン３００の噴射口付近に設けてもよい。これにより、ジェット燃料シリンダ内部の燃焼状態を検出することが可能となる。このような技術は、流れ場及び燃料不均一性による振動現象の解明に有用である。また、図１１（Ｂ）に示すように、計測セル３０を、噴射口付近において、燃焼ガスの排気方向に複数並べて配置してもよく、これにより三次元的に燃焼状態の検出が可能となる（詳細は後述）。
以上のように、実施の形態１の二次元ガス分析装置１の構成を二次元あるいは三次元で温度・濃度分布を計測する手法に適用することで、装置の簡略化と定量化、高感度化を達成しつつ、ボイラ、エンジン、ガスタービンなどの燃焼機器へ応用展開させることが可能となる。
（実施の形態３）
図１０（Ｂ）及び図１１（Ｂ）に示すように、計測セルを複数重ね合わせることで、燃焼ガスの温度及び濃度を三次元的に計測する三次元ガス分析装置を構成することも可能である。以下、三次元ガス分析装置の構成を説明する。
図１２は、三次元ガス分析装置の構成の一例を示した図である。三次元ガス分析装置１ｂは、レーザ光を出力するレーザ光源１１と、レーザ光源１１を制御するレーザ制御装置１４と、レーザ光源１１からのレーザ光を複数の光路に分岐するファイバスプリッタ（分波器）１５と、各々がファイバスプリッタ１５により分岐されたレーザ光を入力する複数の計測セル３０とを含む。なお、三次元ガス分析装置１ｂを構成する各構成要素の構成及び動作は基本的に実施の形態１で説明したものと同様である。
各計測セル３０は実施の形態１で説明したように複数の光路３３ａ〜３３ｒ（第１の光路）、３４ａ〜３４ｒ（第２の光路）を有する。複数の計測セル３０は、計測セル３０の法線方向、すなわち、光路３３ａ〜３３ｒ（第１の光路）と光路３４ａ〜３４ｒ（第２の光路）の双方に直交する方向に配置されている。換言すれば、複数の計測セルは、各計測セルの開口の中心を結ぶ直線の方向が計測セルの法線方向（第１の光路と第２の光路の双方に直交する方向）と一致するように並べて配置されている。
各計測セル３０には、光学アダプタ５１ａ、５１ｂ、５３ａ、５３ｂが取り付けられている。光学アダプタ５１ａ、５１ｂはそれぞれ複数のコリメータ１７を内部に含む。光学アダプタ５３ａ、５３ｂは、各計測セル３０からレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号を出力する受光器１９を含む。
三次元ガス分析装置１ｂは、さらに、受光器１９からの電気信号（アナログ信号）を増幅するとともにデジタル信号に変換するアンプ２１と、計測セル３０毎に、受光器１９から出力された電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／または濃度の分布に関する二次元画像を再構築する解析装置２３とを備える。
解析装置２３は、計測セル３０毎に得られた燃焼ガスの温度及び濃度に関する二次元的な測定結果（二次元画像）を合成する。これにより、燃焼ガスの温度及び濃度に関する三次元的な測定結果を得ることができる。
（変形例）
上記の実施の形態では、窓部材４４を構成する円弧状部材のそれぞれの形状を、円形状部材を四等分した円弧状にしたが、他の形状でもよい。すなわち、円形状部材を、二等分、六等分、八等分等に分割して円弧状部材を形成してもよい。
また、上記の実施の形態では、図６に示すように、各円弧状部材４４ａ〜４４ｄと、その両側に配置される突起部４６ａ〜４６ｄとの間に隙間が形成されるように、各円弧状部材４４ａ〜４４ｄが配置した。しかし、隙間は、必ずしも円弧状部材４４ａ〜４４ｄの両端において設ける必要はなく、円弧状部材４４ａ〜４４ｄの少なくとも一端において突起部４６ａ〜４６ｄとの間に隙間を設ければ良い。
また、上記の実施の形態では、保持フレーム４２の光透過孔４１の断面及び光路３３ａ〜３３ｒ、３４ａ〜３４ｒの断面を円形（真円）としたが、楕円形としてもよい。特に、受光側の光路３４ａ〜３４ｒの断面を楕円形とするのが好ましい。内燃機関の内部の圧力の変化により屈折率が変化し、光の進行方向が変化するという現象が発生する。例えば、エンジンにおいて、圧力の変化による屈折率の変化にともない、ピストンの進行方向に直交する方向に光が振れることがある。このため、光の進行方向が変化する方向に長軸を有する楕円形にすることで、対象ガスを透過した光を受光素子で確実に受光できるようになる。例えば、図１３に示すように、保持フレーム４２の光透過孔４１の断面を円周方向の長さがより長い楕円形としてもよく、これにより、ピストンの進行方向に直交する方向（ピストンの進行方向を垂直方向としたときの水平方向）に光が振れた場合であっても、光を受光素子で確実に受光できるようになる。計測セル３０内に形成される受光側の光路の断面についても同様である。
上記の実施の形態の二次元ガス分析装置１では、レーザ光源を１つのみ用いたが、２種類のレーザ光源を用いてもよい。２種類のレーザ光源を用いる場合、２種類のレーザ光源それぞれからのレーザ光を合波器を用いて合成した後にファイバスプリッタに入力し、複数の光路に分岐する。
また、一方のレーザ光源から出力されるレーザ光（以下「レーザ光１」という）の波長帯と、他方のレーザ光源から出力されるレーザ光（以下「レーザ光２」という）の波長帯とを異ならせる。例えば、レーザ光１の波長帯を、計測対象ガスの成分が吸収する特定の波長を含む波長帯とし、レーザ光２の波長帯を、計測対象ガス成分が吸収しない特定の波長を含む波長帯としてもよい。このとき、レーザ光１の吸収スペクトルに観測される吸収線により、計測対象ガス成分を計測することができる。または、レーザ光１を走査する際の波長帯を、第１の計測対象ガスの成分が吸収する特定の波長（第１の波長）を含む波長帯とし、レーザ光２を走査する際の波長帯を、第１の計測対象ガスではない他のガス成分（第２の計測対象ガス）が吸収する特定の波長（第２の波長）を含む波長帯としてもよい。この場合、レーザ光１及びレーザ光２それぞれの吸収スペクトルに観測される吸収線により、２つのガス成分を同時に計測することが可能となる。

Claims (8)

  1. ガス分析装置に使用される計測セルであって、
    円形状の開口と、前記開口に向けて光を誘導する複数の第１の光路と、前記第１の光路に対応して設けられ、前記開口からの光を受ける複数の第２の光路とを有する筐体と、
    前記開口に沿って配置されたリング状で透光性を有する窓部材と、
    前記窓部材を保持するリング状の保持部材と、を備え、
    前記窓部材は複数の円弧状部材で構成され、
    前記保持部材は、前記第１及び第２の光路のそれぞれに対応した位置に設けられた、光を透過させるための複数の孔を有する
    計測セル。
  2. 前記保持部材は内周側に所定間隔毎に複数の突起部を有し、前記突起部間の領域に各円弧状部材が配置された、請求項１記載の計測セル。
  3. 前記突起部と前記円弧状部材との間に隙間を有する、請求項２記載の計測セル。
  4. 前記複数の第１の光路は、前記開口に対して二次元的に光を照射するように配置された、請求項１記載の計測セル。
  5. 前記第２の光路の断面は真円または楕円形状である、請求項１記載の計測セル。
  6. 前記窓部材はガラス材料で形成され、前記保持部材は金属材料で形成された請求項１から５のいずれかに記載の計測セル。
  7. レーザ光を出力するレーザ光源と、
    前記レーザ光源を制御するレーザ制御部と、
    前記レーザ光源からのレーザ光を複数の光路に分岐する分波器と、
    前記分波器により分岐されたレーザ光を前記第１の光路に入力する請求項１から６のいずれかに記載の計測セルと、
    前記計測セルの第２の光路からレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号を出力する複数の受光器と、
    各受光器から出力された電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／または濃度の分布に関する二次元画像を再構築する解析装置と、を備えた
    二次元ガス分析装置。
  8. レーザ光を出力するレーザ光源と、
    前記レーザ光源を制御するレーザ制御部と、
    前記レーザ光源からのレーザ光を複数の光路に分岐する分波器と、
    前記分波器により分岐されたレーザ光を入力する、請求項１ないし６のいずれかに記載の複数の計測セルと、
    各計測セルからレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた電気信号を出力する複数の受光器と、
    計測セル毎に、受光器から出力された電気信号に基づき、計測対象ガスの温度及び／または濃度の分布に関する二次元画像を再構築する解析装置と、を備え
    前記複数の計測セルは、前記第１の光路と前記第２の光路の双方に直交する方向に並べて配置された、
    三次元ガス分析装置。
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