JPH0617861B2

JPH0617861B2 - 粒子密度計測装置

Info

Publication number: JPH0617861B2
Application number: JP60018558A
Authority: JP
Inventors: 憲一相馬; 紀夫嵐; 茂小豆畑; 清楢戸; 徹稲田; 啓信小林; 和寿東山; 馨象大塚
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-02-04
Filing date: 1985-02-04
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: JPS61178645A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、空間に分散している粒子密度の計測装置に係
り、特に、粒子が分散している空間場を乱さず計測する
に好適な、粒子密度計測装置に関する。

〔発明の背景〕

空気に分散している粒子密度の計測は、工業的に非常に
重要な技術の１つである。例えば、煙道中のダストの計
測は、集塵装置の設計、運転等に重要となる。更に、粉
体燃料や液体燃料のノズル回りでの燃料の分散状態を把
握することは、高効率燃焼技術、排ガス中窒素酸化物
（以下、ＮＯ^Ｘと記す）濃度低減技術にとり重要とな
る。この情報はノズルの設計や、燃焼制御技術、排ガス
処理装置（例えば、電気集塵器）制御技術へも波及す
る。

以下、空間に分散している粒子密度の計測について、従
来技術を説明する。

最も簡単な方法は、サンプリングプローブを、粒子が分
散している空間にそう入し、粒子を吸引する方法であ
る。この方法は、吸引した時の気体の体積と、その気体
体積中に含まれていた粒子の重量とから、その空間にお
ける粒子の度を算出するものである。気体の体積はガス
メーターにて計測し、粒子の重量は、紙，布等で捕
集しててんびん等の重量計で計測する。この方法では、
紙の重量を測定する操作にて、サンプリングプローブ
より紙等をはずす作業，てんびんで重量を計測する作
業が伴う。従つて、短時間で計測を行なうことは困難で
あり、よつて、制御技術等への応用は不可能であつた。

そこで、短時間で計測が可能となるような計測方法とし
て、粒子の重量測定作業に光散乱を応用した発明がなさ
れた。該発明では、粒子を含む気体をサンプリングし、
該気体に対して、光散乱を応用したものである。すなわ
ち、気体中の粒子密度の増加に伴い、粒子に照射された
光の散乱強度が増加する原理により、粒子密度が計測出
来る。しかも、光の散乱強度は、光電素子を用いて計測
する方法が採られている例が多いので、すなわち、光信
号を電気信号に変換することにより、短時間での計測が
可能となるものである。この種の装置に関連するものに
は、例えば、燃焼排ガスの如きエアロゾルを直接サンプ
リングし、ばいじんを精度良く連続測定できる、光散乱
方式のエアロゾルモニタ（特公昭５２−４４２２２）が
挙げられる。

ところが、上述のサプリングによる方法では、以下の点
が操作上問題となる。すなわち、気体中に含まれる粒子
密度が高くなつた場合に、サンプリング管の口径，処理
ガス量によつては、へいそくしてしまうこと、気体が高
温である時は（例えば、微粉炭火炎中のように）、サン
プリングプローブの水冷が必要であり、更にそのためプ
ローブが太くなること、気体の湿度が高い場合には、プ
ローブ中で露結し、よつてへいそくししまうこと、等々
が挙げられる。そして、最も問題となることは、プロー
ブを測定領域にそう入することによつて、その場の流れ
等を乱してしまうことにある。流れを乱すことは、すな
わち、精度の高い計測及び制御とはなり得ない。

従つて、次に要求される技術として、プローブを使わな
い、いわゆる非接触計測技術が挙げられる。該技術は、
例えば光透過を利用した技術である。すなわち、光路上
を通過する粒子の密度が高くなれば、光透過が悪くな
り、低くなれば、光透過が良くなることを原理としたも
のである。例えば、電気集塵器の入口側及び出口側ダク
トにおける排ガス中のばいじん濃度を光学的に検知し、
ばいじん濃度差に応じた電気信号レベルによつて荷重電
圧を制御するようにしたことを特徴とする電気集塵器
（実開昭５９−９３７５２）に応用されている。

しかし、該原理を用いた発明では、光路上に入つた粒子
全ての情報が得られることになり、空間に噴霧された粒
子の分散が問題となるような、噴霧ノズル等への応用は
困難である。空間分解能が高い、かつ、非接触による、
空間に分散した粒子密度の計測方法の点については従来
配慮がなされていなかつた。

上述の如き理由により、サンプリングプローブ法の空間
分解能性と、光透過法の流れを乱さない非接触性との両
方の長所をかねそなえた計測方法が求められていた。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とす
るところは、空間に分散している粒子の密度を、分散し
ている空間場を乱すことのない、非接触で計測し、更
に、分散状態の把握等が重要となる噴霧ノズル等への応
用のため、高空間分解能計測，時間分解能の高い計測が
可能な、粒子密度計測装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するための本発明の特徴とするところ
は、空間に分散している粒子に対し、ブイイクダウン発
光を起こさせるレーザー光源と、この光源から発生する
光を測定対象領域に集光する集光光学系と、測定対象物
から発生するブレイクダウン発光を受光する受光光学系
と、この受光光学系で受光したブレイクダウン発光の強
度を測定し、この強度から測定点における粒子の密度を
算出する検知処理器とからなる粒子密度計測装置にあ
る。

前記ブレイクダウン発光とは、電磁波であるレーザー光
がレンズで集光され焦点付近において高密度、高エネル
ギー状態になり、そのために雰囲気に存在する分子等か
ら電離、解離したイオンや電子が多くなつたいわゆる準
プラズマ状態が局所的に形成され平衡状態になつている
ところで、何らかの刺激条件で平衡状態がくずれ、その
際の電荷移動に伴い発生する発光である。平衡状態を崩
す何らかの刺激条件とは本発明では分散粒子であり、粒
子表面から広い波長域にわたつて発光する現象である。
すなわち、焦点からのみブレイクダウン発光が生じるこ
とになり、そのため高空間分解能となる。更に、レーザ
ーにパルスレーザーを用いると、１シヨツトの間の光は
ナノ秒程度であり、よつて時間分解能が高い計測が可能
である。また、ブレイクダウン発光の場合、発光するの
は粒子自体ではなく、周囲のイオンや電子による発光な
ので、粒子が加熱されることも、変質することも非常に
少ない。

〔発明の実施例〕

以下、本発明について、実施例を用いて詳細に説明す
る。

第１図に、本発明の構成を示す。すなわち空間に分散し
ている粒子による、ブレイクダウン発光を起こさせるに
必要なエネルギーを出力するレーザー光源１０、該光源
１０から出射したレーザー光を測定対象領域３０に集光
する集光光学系２０、該領域３０より発生するブレイク
ダウン発光を受光する受光光学系４０、該光学系４０に
より受光集光された光を検知する検知器５０、該検知器
５０からの信号により、測定対象領域３０における空間
の粒子密度を算出する処理器６０により構成される粒子
密度計測装置である。なお、集光光学系２０及びそれに
対応する受光光学系４０は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の任意の
位置の測定が３次元的に可能であるよう、駆動機構７０
に接続している。

この構成に基づいた実施例を第２図にて説明する。直径
が１００mmのガラス管１５０を用い、粉体１７０を上部
からガラス管１５０内に、粉体定量供給装置１６０を用
いて自然落下させる。その際、下向流に乱れを生じない
よう、吸引ポンプ２００にて、ガラス管１５０の下部か
ら吸引した。吸引された粉体１７０が吸引ポンプ２００
内に入り込まぬよう、バクフイルター０９０をポンプ２
００の前段に配置する。以上の装置にて空間に粉体が分
散する状態を測定対象とした。そして、該装置に本発明
の装置を組み込んだ。すなわち、レーザー光源にはＹＡ
Ｇレーザー１０Ａを用い、更に、集光光学系２０Ａ及び
受光光学系４０Ａを組んだ。検知部は分光器１１０、ダ
イオードアレイデイテクター１２０及びモニター１３０
を組んだ。ＹＡＧレーザー１０Ａは、波長が５３２ｎｍ
で２５０ｍｊ／pulse出力、１０Ｈｚである。分光器１
１０は、１ｍツエルニターナ方式、1800Ｇ／mmダブルモ
ノクロメーターある。更に、ダイオードアレイデイテク
ター１２０は５１２チヤンネルである。

測定は、粉体定量供給装置１６０から供給する粉体量と
ブレイクダウン発光強度との関係について行つた。

第３図に、粉体定量供給装置１６０から供給する粉体量
とブレイクダウン発光強度との関係測定について示す。
すなわち、供給量の増加に伴つてブレイクダウン発光強
度が増加していることが分る。本測定に用いている光学
系では、焦点の大きさは、直径が約３mmの球に相当し、
更に、ＹＡＧレーザー８０の１シヨツトの発光時間は約
６ナノ秒である。従つて、高空間分解能，時間分解能が
高い計測が達成される。第３図の横軸の供給量が増加す
ることは、すなわち、測定点である約３mmの球の中を通
過する粉体量が増加することであり、言い換えるなら
ば、空間に分散する粒子の密度が増加することである。
よつて、第３図の横軸は、密度と読み換えることが可能
であり、すなわち、この結果は、空間に分散する粒子の
密度計測のための標準線（検量線）となるわけである。

次に、この検査線を用いて、粉体定量供給装置１６０の
ノズル１６１鉛直下方向の粉体１７０の密度測定を行つ
た結果を第４図に示す。この測定では、第２図に示す測
定点１８０は固定し、ノズル１６１の粉体噴出口を上下
させてノズル１６１からの距離を変化させた。第４図の
結果では、ノズル１６１から噴出した粉体１７０が、距
離がはなれるにしたがい、散らばつていく様子が定量化
されている。その結果は、単一ノズルからの自然噴流の
状態を表わしているものであり、更に本発明の、空間に
分散している粒子の密度を非接触で計測する目的を達成
していることを示すものである。

本発明の応用の１つとして、粉体燃料や液体燃料のノズ
ル回りでの燃料の分散状態の把握がある。そこで、第２
図において、ガラス管１５０の周囲にヒーター１５１を
まいて、該ガラス管１５０を管壁温度で約８００℃迄加
熱し、ノズル１６１から噴出させる粉体１７０を微粉炭
（７５ミクロン以下）とし、第３図及び第４図の測定結
果を得たと同様の実験を行つた。赤熱した微粉炭からの
発光により、本発明の目的が達成出来ない懸念が有つた
が、第３図及び第４図に示すと同様の傾向が得られ、ノ
ズル回りでの燃料の分散状態の把握の可能性を示唆し
た。

次に、実際に火炎を形成し得る微粉炭バーナについて、
本発明を適用した。測定は、ノズルから任意位置離れ、
半径方向距離について行なつた結果を第５図に示す。す
なわち、半径方向距離０のところに、微粉炭密度に極大
値を示し、中心から外周に向つて更に２個所に極大値を
示している。本測定に用いているバーナーは円対称にな
つているので、中心から外周に向う２個所に極大値を示
している。この結果を基にした、微粉炭の分散状態の様
子を第６図に示す。まず、ノズルについて述べる。微粉
炭は、微粉炭用の配管２１０中を搬送用気体にて搬送さ
れてきて、ノズル２３０から噴出する。燃焼に必要な空
気は配管２２０より供給されノズル２４０から噴出され
る。すなわち、ノズル２３０から噴出する微粉炭をノズ
ル２４０から噴出される空気にて、微粉炭を良好に分散
させ高効率燃焼を図ることを目的とした構造を採つてい
る。本発明による測定結果第５図を得るまでは、微粉炭
の分散は、図中２５０のみの分散と考えられていた。と
ころが、第５図の結果から、バーナー出口、中心部付近
には、周囲よりも負圧の領域が形成されており、その部
分への気体の流れ込みに伴い、微粉炭がまきこまれてい
る。まきこまれ分散した微粉炭が２６０である。すなわ
ち、本実施例によれば第５図の測定結果のように、空気
に分散している微粉炭の密度分布が非接触で計測出来、
更にその結果から、第６図の如き、分散状態が予想さ
れ、バーナー設計にとつて大きな情報を提供する効果が
ある。レーザー光線を使用する非接触計測法としては、
他に特公昭５１−１０１１３号公報に記載の方法があ
る。これは測定対象である分散粒子を何らかの方法で加
熱し、加熱に伴つてその粒子自体から発生する発光をス
ペクトル分析すなわち炎光分光分析する方法であり、そ
の加熱方法の一つとしてレーザー光を用いるとしてい
る。この方法では発光するのは粒子自体であり、測定対
象の粒子は可燃性粒子に限られ、しかもその粒子は燃焼
し消失してしまう。これに対し、本発明では、発光する
のは粒子の周囲のイオンや電子であり、粒子は可燃性及
び不燃性のいずれでもよく、しかも粒子が加熱されるこ
とも、変質することも殆どない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザーを利用することで、空間に分
散している粒子の密度を、分散している空間場を乱すこ
となく、非接触でかつ、高空間分解能，時間分解能の高
い計測を行うことができる。しかも、本発明ではブレイ
クダウン発光が発光の原理であり、発光するのは粒子自
体ではなく、粒子表面の電子や周囲のイオンによる発光
なので、粒子が加熱され、変質することも殆どない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の粒子密度計測装置の骨子図、第２図は
第１図の詳細説明図、第３図は本発明の計測による粉体
供給量とブレイクダウン発光強度の関係を示す線図、第
４図は本発明の計測によるノズルからの距離と粉体密度
の関係を示す線図、第５図は本発明の他の実施例の計測
によるバーナーの半径方向距離と微粉炭密度の関係を示
す線図、第６図は第５図のバーナー回りでの微粉炭の分
散の様子を示す説明図である。１０……レーザー光源、１０Ａ……ＹＡＧレーザー、２
０，２０Ａ……集光光学系、３０……測定対象領域、４
０，４０Ａ……受光光学系、５０……検知器、６０……
処理器、７０……駆動機構、１１０……分光器、１２０
……ダイオードアレイデイテクター、１３０……モニタ
ー、１５０……ガラス管、１６０……粉体定量供給装
置、１９０……バグフイルター、２００……吸引ポン
プ、２３０……微粉炭噴出ノズル、２４０……空気噴出
ノズル、２５０，２６０……微粉炭。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者楢戸清茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者稲田徹茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小林啓信茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者東山和寿茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者大塚馨象茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間に分散している粒子の密度を非接触で
計測する装置において、粒子に対しブレイクダウン発光
を起させるレーザー光源と、この光源から発生する光を
測定対象領域に集光する集光光学系と、測定対象物から
発生するブレイクダウン発光を受光する受光光学系と、
この受光光学系で受光したブレイクダウン発光の強度を
測定し、この強度から測定点における粒子の密度を算出
する検知処理器とから構成したことを特徴とする粒子密
度計測装置。
【請求項２】集光光学系及び受光光学系は、Ｘ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸の任意位置の測定が３次元的に可能な駆動機構
を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の粒子密度計測装置。