JPH05502943A - 流動媒体内の粒子を検知する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流動媒体内の粒子を検知する方法と装置技術分野 説明対象となるこの装置は、流動媒体中の粒子を連続的に検知する器具を宥して いる。この検知は、一定寸法以上の粒子、もしくは一定寸法範囲内の粒子につい て行なわれ、その検知感度は、粒子寸法か増すにつれて高くなる。その代表的な 使用分野は、カスタービンに対する煙道ガス中の粒子の浸食能、これは浸食度と も呼ばれるか、の計測である。

背景技術、理論 平行な単色光ビームか埃の粒子上に落ちると、粒子に当った光は偏向する。偏向 した光は、あらゆる方向に散乱する。散乱光の大部分は、始めの前進方向から縁 辺部近くまで偏向する。光路内に配置されたスクリーンは、粒子の向うの比較的 離れたところで、スクリーンに当る光ビームの円形表面が著しく照明される。ス クリーンのこの円形表面の外側は、埃の粒子により偏向せしめられた光によって 僅かに照明されるたけである。この偏向光は、光ビームの中心から半径方向へ遠 去かるにつれて強度か漸減する。しかし、この光は単色であるから、隣接の偏向 光ビームは互いに干渉により影響し合う。その結果、スクリーン上に同心的な複 数の暗い環が生じる。これらの暗い環の区域では、光波が互いに消し合うのであ る。その場合、スクリーン上には、間に暗い環をはさんだ複数の同心的な光の環 が認められる。この現象は、フラウンホーファー回折の一例である。このパター ンを回折パターンと呼ぶ。光か偏向する角度の大きさは、粒子の寸法によって決 まる。粒子の寸法は、この場合、光の波長よりもかなり大である。離れた距離て は回折ノくターンは、もとの光線の横断面に比較すると、より大である。

光路内の、粒子の後方にレンズを配置し、スクリーンをレンズの焦点面に配置す ると、非偏向光は、光軸上の焦点に集中する。埃の粒子により偏向した光線は、 円錐形の光面を形成する。これらの円錐形光面は、埃の粒子から延びて、焦点を 中心とする複数の光の環によりスクリーンを照明する。これらの光の環は暗い環 により分離されている。

光を偏向させる粒子の運動は、回折パターンには影響を与えない。なぜなら、平 行光ビームは、常に光軸上に焦点を結び、所与の偏向円錐角は、常に、偏向光の 焦点面内に、等しい半径方向変位を生じるからである。偏向か小さい場合には、 偏向角はＳ／ｆで与えられる。この場合、ｆはレンズの焦点距離である。

回折パターンの、異なる光の環の光の強度を記録することにより粒子の寸法を決 定する方法は、種々存在する。

強度の記録には、適当な種類の感光素子が用いられる。

背景技術 埃の粒子寸法を計測する技術の現状は、とりわけレーザ光線の使用を基礎として いる。この場合、レーザ光線を、粒子の発生や寸法を調へる区域に透過させる。

粒子か光を散乱させ、回折パターンを生じさせる性質にもとつき、感光ダイオー ドを有するプレートを、プレートに集光するレンズの焦点面に配置する。フラウ ンホーファー回折は、散乱源から遠い距離のところに生じるが、レンズの働きて 近い距離で調べることができる。一定寸法の粒子は、公知の半径及び強度を存す る光の環を生じさせる。異なる環の光の強度を感光ダイオードて計測する。

集められた計測値は、粒子の発生、寸法、量に関する情報を与える。公知の装置 が目的としているのは、流動媒体中の粒子の総量か、又は寸法の分布を計測する ことである。粒子の総量の計測では、多くの場合、粒子の組成については十分な 情報が得られない。

粒子計測用の公知の装置には、焦点面の前記プレートには多数の感光ダイオード か用いられている。これらのダイオードは、環状に配置され、検知リングと呼ば れ、これら検知リングのそれぞれか、偏向光により生じる各光の環の固有半径当 りの光を計測する。異なる偏向角度で強度を計測して、集められた値をコンピュ ータに送り、計算して請求める粒子の性質と分布が決定される。これらの計算の 基礎となる数学的処理は、Ｊ、スイゼンバンク（Ｓｗｉｔｈｅｎｂａｎｋ　）ほ かによる論文ｒ　ｔＪＸ滴及び粒子の寸１１４回エアロスペース科学会議、ワシ ントンＤ、Ｃ，。

１９７６年１月２６日〜２８日）に扱われている。この論文から、下記の式を用 いて、検知リングが検知した強度を計算する方法を知ることができる：この式に おいて、 Ｐｏは、レーザーから発せられる光の正味強度、Ｌは、測定容積の長さ、 Ｎは、粒子密度（同じ微粒子の数／体積の単位）、ｄは、粒子の直径、 λは、光の波長、 Ｓ、は、検知リング内半径／レンズの焦屯距離、Ｓ２は、検知リング外半径／レ ンズの焦点距離、Ｊ、及びＪｌは、それぞれ０次及び１次のベッセル関数、 である。

測定容積内に種々の寸法の粒子か不均一に分布する場合、その分布計算には、多 数の検知器や極めて広範囲の計算作業か必要とされる。

別の技術では、多数の充電ダイオードをマトリックス状に集めた市販の二乗検波 又は方形検知器（５ｑｕａｒｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓ　）が使用される。計測値を 、検知プレート中央から等しい相互距離にある光電ダイオードから集めることに より、既述の検知リングで得られたのと同じ関数か得られる。

既述の諸器具も、関連する種類の入手可能な器具も、本来は実験室用の器具であ るから、工業的な環境に用いるには不向きである。測定距離も大幅に限られてお り、たとえば工業用プラント内の煙道ガス通路内に設置するのは不可能である。

その種のプラント内での粒子測定用に従来の器具を設計するとすれば、極めて高 価なものとなるだろう。

長い距離、たとえば大きい煙道ガス通路での連続測定用の簡単で信頼性を存する 装置であって、一定寸法を超える粒子、又は一定寸法範囲の粒子か発生すると、 警報を発するように設計された装置は存在しない。加えて、特定の用途において は、たとえば本発明の使用分野では、比較的小さい粒子より比較的大きい粒子に 対して、より高い感度を有する装置のほうが望ましい。その場合は、すべての粒 子寸法の粒子を測定する装置は要求されず、比較的大きい粒子の含量か高くなり すぎた場合に警報を発する装置か要求される。

様々な種類の粒子測定装置が存在するか、本発明の装置が要求する、大きい寸法 の粒子の確実な計測が可能な装置は知られていない請求められているのは、装置 の発する電気的な出力信号が、少なくとも６乗までの直径、すなわち因子ｄを存 する粒子直径の発生に応して発せられる装置である。その理由は、ガスタービン 内の浸食塵か粒子の直径に従属する度合か、この関数関係によって決まるからで あり、言いかえると、ガスタービンの構成要素の摩損か、タービン内を流過する 粒子の寸法に従属する程度は、前記の関数関係によって決まるからである。

本発明の概要 ガスタービンは、固体燃料を燃焼させる発電所や動力装置において煙道ガスから 残留エネルギーを抽出するのに用いられる。本発明により、タービンに浸食作用 を及ぼす粒子か煙道ガス内に出現し始めたか否かを迅速に検知する装置が製造さ れた。この装置では、一定寸法以上の、もしくは一定寸法範囲以上の大きい粒子 が現われた時に、警告が発せられる。

単一の検知リングにより測定された光の強度は、既述の式により、散乱光を発生 される粒子の直径の関数である。原則として、分析された粒子の寸法についての 情報を得るには、１つの検知リングで十分てあろう。問題は、測定強度か、単一 の大きい粒子から発しているのか、多（の小さな埃の粒子から発していて、これ らの粒子のそれぞれが光を散乱させ、協働して光の測定強度を形成しているのか を決定することである。

異なる検知リングに当たる測定強度を電気信号に変換する場合、テストによって 立証された点は、異なる寸法の直径を有する２つの検知リングから発せられた出 力信号間の信号レベル差によって、１つの差信号力置辱られるという点である。

この差信号は、記録された増大する粒子寸法にもとづく単一の検知リングの信号 レベルより急速に増大する。この差信号を、より詳細に検討することにより、こ の信号が、６乗までの因子ｄを存する広い寸法範囲を超える粒子直径に従属する ことか分かる。これは、これまでに言及されたことのない事実である。

差信号のこのような挙動は、光の強度を表わす式において、粒子直径の４次の優 位な項が減じられることに起因している。光の強度をめる既述の式のなかのベッ セル関数Ｊ　０（Ｘ）は、偶数軍級数に展開できる。たとえばｒ数字関数ハンド ブック１　（ナショナル・ビュワー・スタンダーズ、１９６４．セクション９． ４）参照。そこには次式が挙げられている： ＪＯ（Ｘ）＝Ａ十ＢＸ”＋ＣＸ４＋　−・−・この式において、Ａ、Ｂ、Ｃは定 数である。これに対し、ベッセル関数Ｊｌ（Ｘ）は次のような奇数幕級数の展開 を有している： Ｊｌ（Ｘ）＝ＤＸ＋ＥＸ”　＋Ｆｘ５＋　・・・・・・この式において、Ｄ、Ｅ 、Ｆは定数である。

検知された光の強度をめる式では、ベッセル関数か平方因子として含まれており 、したがって、検知された光の強度の零級数展開は、独立変数の偶数次の積のみ を含み、簡単化して次のように書くことかできる：Ｐ＋　＝Ａ＋　ｄ’　十Ｂ＋ 　ｄ＠＋Ｃ＋　ｄ’＋　・・・・・−この式において、Ｐは光の強度、ｄは粒子 直径であり、Ａ＋　、Ｂ＋　、ＣＩ・・・・・・は、光の波長と装置の幾何形状 とか一定であると考えた場合、第１検知リングの定数である。第２検知リングの 場合、検知した光の強度は、次のように表わせる： Ｐｔ　＝Ａｔ　ｄ’　＋Ｂ２　ｄ’　＋Ｃｔ　ｄ”＋　・・・・・・とりわけ、 煙道ガス内に発生する粒子寸法の場合、それぞれ先行する項か、後続の項より、 大きさが、はるかに大である。したかって、光の強度値Ｐ１ではＡ、ｄ’の項か 支配的であり、第２の検知リングの光の強度Ｐ２てはＡ、ｄ’の項か支配的であ る。定数Ａ、とＡ２内のサブファクタかすべて、Ａ１とＡ、とを等しくする影響 を受けるように、検知リングか形成された場合には、検知される光の強度の差は 次式で表わされよう：Ｐ、−Ｐ、＝　（Ｂ、−Ｂ、’）　・ｄ’　＋　（Ｃ，− Ｃ２）　・ｄｌ＋　・・・・・・ この式においては、第１項（Ｂ、−Ｂ２　）　・ｄ６か支配的であり、このこと がらＰ、−Ｐ、はｄ６に対しほぼ比例する結果となる。ｄ６は請求められた寸法 依存値である。この比例は、定量的１こ立証することは極めて難しいか、実験的 な評価により裏書きされている。

値Ｐ、−Ｐ２を有する２個の検知リングにより形成される差信号は、粒子総数と 粒子の寸法分布との両方に依存する。この依存は、しかも、差信号の測定値か、 たとえばガスタービンに対する粒子の総浸食度の尺度となるような形の依存であ る。特定の目的の場合には、測定容積内の粒子総数とは無関係に、粒子の寸法分 布のみを測定する必要か生じる。既述の光の強度を表わす式から明らかであるか 、測定容積の長さ範囲内での粒子密度への従属は、絶対信号のうちの１つ、たと えばＰｌて差信号Ｐ、−Ｐ、を割ることによって消失する。その結果本発明は、 部分的に公知技術にもとづいている。レーザーは、煙道ガス通路の横に配置され る。レーサーがらのビームは、窓付きの開口から煙道ガス通路内へ放射され、煙 道ガス流に対し直角方向に延び、通路の反対側に設けられた同じような窓付き開 口がら出るようにされる。

光は、次いて小型の傾斜ミラーを中央前方に備えたレンズに当る。このミラーは 、集中された連続レーザービームを側方へ偏向させる。これに対し、レンズは、 埃の粒子により偏向せしめられた光を、感光ダイオードを備えたプレート上の焦 点に集める。これらのダイオードの役割は、これらダイオードに当る入射光の強 度を検知する。

埃の粒子がビームの径路に入ると、光がレーサーの光軸から偏向せしめられる。

検知プレート上に生じる既述の光の環により光の回折が生しる。測定は、極めて 限定的に選択されたこれら光の環について、プレート上に環状に配置された感光 ダイオードにより同時的に行なわれる。

これらの感光ダイオ−１−は、強度記録の対象となる光のリング又は光のリング の部分か、それぞれの検知リング上に当る複数位置のなかの一部にたけ配置され ている。

選択された光の環内の光の強度を記録し、電気信号に変換する。これらの信号は 、信号処理用の電子装置、たとえばコンピュータへ送られる。この電子装置は、 各検知リングに当たる光の強度の差により発生せしめられる差信号を発する。こ の差信号は、煙道ガス粒子の総浸食度についての具体的情報を与える装置を制御 する。

技術上の効果 本発明の新規性は、測定か少数の検知リングによって行なわれ、しかも、前述の ように差信号を利用して行なわれることにある。この方法を使用することにより 請求める粒子寸法の発生についての情報を迅速に得ることかできる。この方法で は、比較的簡単な構成要素か用いられるので、比較的廉価に実現でき、かつまた 市販の他の装置と比較して扱いか簡単である。検知リングを少数に限定すること によって、装置の有効測定距離を、技術的にも経済的にも妥当な公知方法の場合 よりも、数倍の長さにすることかできる。

図面の簡単な説明 第１図は、粒子直径の関数としての記録された光の強度の関係を示した図。一方 は単一の検知リングの場合、他方は、対をなして配置された検知リングからの差 強度を示している。いずれも対数尺で示す。

第２図は、直径は異なるか面積は等しい２個の検知リングの場合における、粒子 寸法の関数と（すなわち粒子寸法の関数としての）、検知された光の強度間の関 係曲線を示した図。

第３図は、装置に含まれるあらゆる構成要素を略示した図。装置を通過する光路 も示されている。

第４図は、測定装置の配置を示した図。レーサーからの出力か別の形式で測定さ れている。

実施例の説明 多数の粒子寸法の場合に既述の、強度をめる式を用い、狭い検知リングを選択し てコンピュータ計算を行なうことて、粒子直径の関数としての、検知された光強 度を示す曲線が得られる。第１図は、その合成曲線を示したものである。これら の曲線から推論できる点は、単一の検知リングの場合の読取り光強度が、粒子直 径の４乗依存により支配されるという点である。しかしなから、２個の検知リン グ間の光強度の差は、粒子直径の６乗に依存する支配的項とともに変化する。

本発明に利用した主な原理は、第２図に説明されている。第２図には、それぞれ 別個の検知リングの場合に粒子寸法とともに光の強度が変化する様子か明示され ている。図から分かるように、同じようにより大きい寸法に対する従属関係に差 があり、この差は、光を散乱させる粒子寸法の増大につれて、２個の検知リング の読取り光強度の間に生じる。光の強度のこうした差を装置か読取るように構成 することによって、流動媒体内の粒子寸法を連続的に監視することかできる。

煙道ガス内の望ましくない粒子を検知するための装置の好適実施例を、第３図に ついて説明する。

レーザーｌからの光は、先ず、ビームエキスパンダ２を有する立体フィルタに当 る。ビームエキスパンダ２は、ビームを拡大し、煙道ガス通路の、遠いほうの縁 辺部の向うの所望の距離のところに、ビームの焦点を結ばせる。

ビームは、窓３を通って煙道ガス通路から出る。ビームストップ４は、窓３の中 央か、又はレンズ６の中央に取付けられ、中心光ビームをそらせる。ビームスト ップ４はミラーとして構成されている。このミラーはビームを偏向させ、次の分 析に供する。光を散乱させる埃の粒子５は、粒子５に当るビームを発散させる。

散乱光は、色消し２重レンズ６に集められ、干渉フィルタ７を通過し、そのあと て検知リングを照明する。発生した信号は電子ユニット９へ送られ、差信号を発 生させる。差信号は粒子寸法についての情報を与える。

レーザー側の、いくぶん傾斜した窓ｌＯは、煙道ガス側にたけ反射防止コーティ ングか施されており、灰色フィルタ１１へ光を反射する。灰色フィルタｌｌは、 入射光の９９％を除去する。干渉フィルタ１２を通過したのち、この光は、検知 器１３に当り、検知器１３は透過光の強度についての情報を与える。

窓１０上の埃の粒子は、また、後方散乱を生しさせる。

二の散乱光は、レンズ１５を有する干渉フィルタ１４により集められ、検知器Ｉ ６によって測定される。窓１０の汚れも記録される。

レーサーからの透過光の強度は、また、第４図に示した別の装置によっても測定 てきる。薄いガラス窓形式のビームスプリッタ−２１か、レーザービームの径路 内にビームに対し４５°の角度で配置されている。窓の片側は反射防止コーティ ングされており、窓からの反射は、光電検知器２２に当る。検知器２２は、レー ザーの光学的出力についての情報を与える。この場合、ビームスプリッタ２１は 、立体フィルタ２の上方に配置され、傾斜ガラスからのレーザー光の妨害は、測 定体積を透過する前に濾過される。この方法により得られる２つの効果は、適当 な、横への反射光を得るために測定体積近くへ窓ＩＯを傾ける必要かないことと 、窓ｌＯは、光学的出力の制御の間、除去されることとである。もし除去されな い場合、傾斜窓１０は、測定体積を通過するレーザー光にマイナスの影響が与え られる。

ビームストップ４により偏向せしめられた集中光ビームは、先ず、斜めの灰色フ ィルタ１７に当るようにされる。灰色フィルタ１７は、光の少々の可変部分を光 フアイバケーブル１８へ反射させる。光フアイバケーブル１８からの光は検知リ ング８の１つに戻され、これらのリングの双方に等量のパックグラウンド光を与 えている。

灰色フィルタ１７を透過する光は、干渉フィルタ１９を通過したのち、象限検知 器２０に当る。光の強度を抑制して、検知器２０内のフすトダイオードに適合さ せるために、灰色フィルタは、反光の９９．９％を除去する。検知器２０は、検 知器３０又は検知器２２と組合されて、透過光強度についての情報を与える。定 心及び整線か不十分てあれば、検知器２０て読出し可能である。

測定器の目盛定めは、レンズの前方の一定距離のところ、たとえば符号５のとこ ろに検定用ガラスを配置して行なう。各検定用ガラスは、所定寸法の粒子で被覆 する。

被覆は、液体中に既知の寸法の同じ粒子を浮遊させ、ガラス板上に滴下すること により行なった。そのさい、粒子寸法は、測定範囲を十分にカバーする４種又は ５種の異なる寸法の粒子を利用するのか好ましい。検定用ガラスは、ホールダ内 に保持する。既知の粒子寸法を有する特殊な検定用ガラスをレーザービーム径路 内へ配置する場合は、測定器機は、測定値と各検定用ガラスの既知の粒子寸法と か最良の対応を示すように調整する。

装置を実現するために、前述の構成要素の代りに、他の器機を用いてもよいこと は言うまでもない。たとえば灰色フィルタの代りに、ビームスプリッタ、半透明 のミラー等を用いてもよい。また、光フアイバケーブルの代りに、ミラーを用い ることもてきる。更に、レーザーとは別の光源を用いてもよいし、フォトダイオ ードの代りに、他の感光素子、たとえば光電子増倍管を用いることもてきる。

装置の信頼性を増すために、もちろん１対以上の検知リングを用いても差支えな い。たとえば異なる対の検知リングからの差信号は、複数電子ユニット（装置） を別別に制御するようにし、これらユニットの出力信号を互いに比較又は秤量す る。

適当な調節を行なって、装置を、既述の用途とは別の用途に、たとえば液体中の 浮遊粒子の検知、又は埃の粒子の相応の存在をモニターする必要のあるその他の 分野にも用いることかできる。

検知リングの直径及び設計を信号処理電子ユニットに合せることにより、所望の 粒子寸法の検知を行なうことができる。

Ｆ／６．７ 要　約　書 国際調査報告 レーサー（１）か、媒体の横切る通路の側方に配置されている。レーサー（１） からの光ビームは通路を横断する。測定容積内の媒体に含まれる粒子（５）に光 が当り、偏向することにより、前方へ拡がる光の円錐形が生じる。これらの光の 円錐形は、レンズ（６）により通路の外で屈折し、検知プレート（８）に当たる 。検知プレート（８）に当たった光は、光の回折により生じる光の環の形状で現 われる。検知プレート（８）には少なくとも２個の検知リングか配置される。こ れらの検知リングは、感光素子から成り、これら感光素子に当たる光の環内の光 の強度か測定されるようにされている。電子式の微分ユニット（９）内で、これ ら２つの検知リングからの測定光強度値間の差が形成される。それにより得られ た差信号は、流動媒体内に現われる粒子の寸法分布に関連づけることができる。

（第３図） １−Ｉ−＋＋−＋ａｍ、−＋、６１１Ｎａ、　ＰＣＴ／ＳＥ　９０１００８５８ 国際調査報告 ＰＣＴ／ＳＥ　９０１００８５８

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．レーザー（１）を用いて流動媒体内の粒子（５）を検知する方法であって、 レーザー（１）の光が、媒体の横切る通路を透過するようにされ、検知リング（ ８）が光の環内の光の強度を記録するようにされ、媒体内の粒子（５）によるレ ーザー光の偏向時に生じる光の回折により、レーザー光が前記検知リング（８） に当るさいに前記光の環が形成される形式のものにおいて、２個の検知リング（ ８）の光の測定強度値間の差が検知されるようにされ、かつまた、そのようにし て得られた差信号が、前記媒体内での粒子寸法の分布の尺度となるようにしたこ とを特徴とする、流動媒体内の粒子を検知する方法。
2. ２．立体フィルタ及びビームエキスパンダー（２）を有するレーザー（１）と、 光学窓（３）又はレンズ（６）の中央に取付けられたビームストップ（４）並び にこれに後置された干渉フィルタ（７）及び検知プレート（８）と、干渉フィル タ（１１）、レンズ（１２）、検知器（１３）を有する窓（１０）と、 干渉フィルタ（１４）、レンズ（１５）、検出器（１６）と、 ガラスファイバケーブル（１８）、干渉フィルタ（１９）、検知器（２０）を有 する斜め灰色フィルタ（１７）とを備えた、請求項１記載の流動媒体内の粒子を 検知する方法を実施する装置において、検知プレート（８）か、極めて少ない数 の、すなわち２個の同心的なリング、又は対称的に位置する同心的なリングの部 分に配置された複数感光素子を有しており、それにより、感光素子が取付けられ たプレート（８）上のリング又はリングの部分に当たる光の環の光の強度を別個 に測定する素子が構成され、更に、光を記録するこれらのリング又はリングの部 分が、測定値を電子ユニット（９）へ送り、これら電子ユニット内で少なくとも １つの差信号が生ぜしめられ、この差信号が粒子寸法分布の、求める尺度に関連 づけることができ、更に、この差信号が、１対の光記録リングから得られる測定 光強度値の大きさの差をなすことを特徴とする、請求項１記載の方法を実施する 装置。
3. ３．光電検知器の前方、それも色消し２重レンズ（６）の中央前方に、傾斜ミラ ーの形式でビームストップ（４）が取付けられ、このビームストップ（４）の側 方の光路内に、傾斜灰色フィルタ（１７）が配置されて、光の一部を光ファイバ ・ケーブル（１８）へ反射し、更にまた、この光ファイバ・ケーブル（１８）が 、始めの光ビームのうちの小部分を検知プレート（８）へ透過させることを特徴 とする請求項２記載の装置。
4. ４．対をなして検知プレート（８）上に配置された光記録リング又はリングの部 分から得られる複数測定値間の光の強度差が、前記対に含まれる一方のリングか らの測定値で、電子ユニット（９）内で除せられ、その商の信号が、流動媒体の 測定体積内の粒子の幾何平均体積の近似量に変換されることを特徴とする、請求 項２記載の装置。
5. ５．レーザーの光学的出力が、測定され、かつレーザー（１）と立体フィルタ（ ２）との間に、ビーム側方の光記録ユニット（２２）へ光を反射させる傾斜透明 板（２１）の形式で配置されたビームスプリッタにより制御されることを特徴と する、請求項２記載の装置。
6. ６．装置が、既知の寸法の粒子をコーティングされたガラス板をレーザービーム の光路内に配置することにより目盛り定めされ、そのようにして期待信号の発信 が電子ユニットへ開始されることを特徴とする、請求項２記載の装置。