JPH08508338A - 気体の温度、分子組成あるいは分子密度の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 溶融あるいは燃焼の工程において、閉じた反応室内の数個の分子種の分子密度、および温度を同時に測定する測定技術および方法を提供する。たとえば、冶金加工工業のごとき工業的操作において、物理的に非接触に、あるいは工程操作を妨げずに、気体あるいは火炎中の温度および成分を測定することは重要である。特に、高温では、この点は大きな問題である。ある周波数帯域の電波信号を、反応室の外部から炉被覆の窓を通して、周波数の関数として測定し、電波スペクトルとして計算機に登録する。このシステムを、反応室を貫通した放射された既知信号を用いて較正する。スペクトル線はその周波数によってデータベースから同定する。温度は、同じ分子種からの数本のスペクトル線から求める。分子密度はスペクトル線の強度から求める。この方法は、電波波長範囲５００ｍから３０μｍにおいて、分子種の振動および回転励起の測定に適する。数方向の方位からの干渉計が同時に二次元画像作成に用いられた場合、分子種密度及び温度は、反応室あるいは煙突内部の三次元画像として画像化が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 気体の温度、分子組成あるいは分子密度の測定方法 本発明は、溶融および／あるいは燃焼の工程において、気体および／あるいは 火炎中の温度、分子密度、および分子組成、あるいはそれらの組合せを測定する 方法に関わる。 従来の、赤外、常磁性、および質量分析計の技術を用いた気体分析法は、分析 すべき気体と物理的に接触する必要がある。すなわち、気体は分析器に入る前に 冷却される必要があり、それによって測定結果に影響が生じる。従来の気体分析 法のもう一つの欠点は、気体の温度測定と分析を同時に行えない点である。 排気ガス中の黒煙量の測定に、電波信号連続体の減衰が利用できることが知ら れている（日本特許公報６０−６４２３４）。この特許の方法は、分子成分、お よび温度のいずれも測定しない。 また、飛散する灰分の屈折率変化が、灰分中の炭素含有量測定に利用できるこ とが知られている（ＷＯ９０／０３５６８）。この特許の方法は、分子種間の区 別をせず、スペクトル線、あるいは、分子密度、分子形状、温度を測定しない。 また、反応機関からの排気中の減衰および反射が、排気組成の変化測定に利用 できることも知られている（ＷＯ９０／０３５６８）。この方法は、分子種ある いは温度を測定しない。 ある特定の分子種の存在が、最初にその分子の気体と運搬気体とを混合し、そ の混合気体を試料室に注入することによって測定できることが知られている（米 国特許５１２４６５３）。その試料室は分子遷移波長に調節され、電波信号の注 入によってその分子の気体は励起される。次に電波送信器のスイッチをきると、 その分子がもし存在するならば特有の周波数を発する。この方法は、一回に一つ の分子線しか測定できず、また、特に調節された分子種の測定しかできない。こ の方法は、工程内の温度あるいは分子密度を測定しない。何故ならば、その分子 の気体は、工程中の場所から取り出して特別な試料室に入れる必要があり、また 、その気体は運搬気体によって汚染されているからである。 上記の特許によれば、いずれも、複数の分子線及び種の同時測定については、 開示、検討、あるいは可能化しておらず、また、気体流れとの相互作用なしに、 作業中の溶融工程、あるいは燃焼工程の分子密度および温度の測定が不可能であ る。 電磁波面パターンの変化は、物理的に最も鋭敏な検出手段の一例である。電磁 波は物理的性質の変化する媒体中を貫通して、媒体の成分に応じて振幅および位 相に特定の変化を生じる。したがって、分子気体は、主に、その密度、物理的温 度、あるいはその気体の存在する領域の放射線場に依存して、電磁放射線を放射 あるいは吸収する。放射連続体も媒体を貫通すると影響を受けて、振幅は減衰し 、伝播速度は変化し、その結果、境界領域で位相が急激に変化する。電波帯域は 特に重要であり、この領域において電磁波はほこりの多い領域を深く貫通し、複 雑な分子を回転転位から検出および測定する。 本発明の目的は、工業工程中において、気体流れおよび工程操作を妨げること なしに、気体を分析し、また、その気体に物理的に触れることなしに直接的に気 体温度を測定する、正確かつ信頼度の高い方法を提供することにある。 以下に、図面を参照して、本発明をさらに詳しく述べる。 図１は、実験装置の構成を示す。 図２は、さらに高度な装置を模式的に示す。 図３は、図２に示した装置の上面図である。 各分子はスペクトル線という形で、それぞれの指紋を有し、電磁波領域におい て、主に、振動及び／あるいは回転状態間の定量的な転位を測定することによっ て決定される。大気中の分子線は、比較的高圧力のために非常に幅広である。最 も顕著な例外は、もし分子の流れに極めて方向性がある場合であり、たとえば、 流れに対して直角の方向から流れを見た場合には、圧力に依る幅の広がりは減少 し、分子線は良く分離できる。この例外は、煙突内の気体流れ、あるいは燃焼工 程の気体流れを横切って観察する場合に対応する。 本発明は、図１に示す実験装置の構成に基づいて説明できる。煙突（１１）は 、クロム−マグネサイト、およびシャモットからなるセラミック材料製であり、 鋼板で被覆する。その煙突は、石油燃焼器用の開口部（１２）を有する。鋼板製 の被覆は相対する両側に窓（１３）を有するが、セラミック材料にはない。窓の 外側で、窓の延長線上に、２個のパラボラアンテナ（１４、１５）を設ける。一 個のアンテナには発信器（１６）を接続し、他の一個のアンテナ（１５）には受 信器（１７）を接続する。発信器は、広い周波数帯域に渡って周波数を段階状と した信号発生器から成る。受信信号は、計算機（１９）に接続した相関計（１８ ）によって発信信号と比較される。 受信信号は、発信信号の上に重畳した煙突内部の気体から発信された多数のス ペクトル線から構成される。発信信号は、そのシステムの周波数応答および各分 子線の煙突を通しての減衰を較正する基準信号としても用いる。この基準信号を 受信信号から差し引くことによって、煙突内部の較正済分子スペクトル線強度が 求まる。 このシステムは、さらに、煙突が空のときに周波数の関数として煙突を通した ときの発信信号を測定して、較正する。 登録スペクトルが、計算機に記憶されている。測定スペクトルの最大値と周波 数が一致する既知のスペクトル線を、データベース内で探索する。その後、振幅 、周波数、線幅を決定するために、そのスペクトル線についてガウシャン分布適 合を行う。ガウシャン分布適合を行ったスペクトル線の振幅が、雑音レベル計算 値の３倍を越える場合、そのスペクトル線が検出されたものとみなす。その後、 測定振幅を較正して、絶対温度単位にする。 もし、同一の分子種から多くのスペクトル線が検出された場合には、種々のエ ネルギーレベルの相対的存在割合が決定できる。その関係は、主に、気体の物理 的温度、および分子種の密度によって、次式で求められる； ここで、Ｎ_uは転位の上位エネルギーレベルにある分子の数、ｇ_uは転位の統計 的重量、Ｅｕはケルビン単位の上位エネルギーレベルのエネルギー、Ｑは回転定 数である。Ｔ_rotは高温度に伴う衝突が励起の大部分を占める燃焼工程の場合 の物理的温度、Ｎ_rotはこの特定種分子の嵩密度である。Ｎ_u／ｇ_uは、そのスペ クトル線の積分強度に直接比例するため、測定可能である。もし、同一の分子種 から多くのスペクトル線が検出された場合には、密度（もし経路長さが既知なら ば）および物理的温度（もし分子励起が主に衝突によるものであるならば）の両 方が同時に求められる。また、もし、他の分子からの線が存在すれば、一つの分 子線の強度から、これらの分子の密度が測定できる。 電波のアンテナは、干渉計で構成できる。その干渉計の要素は、図２に示すよ うに、一平面（３１、３２）に装着されたホーンアンテナおよび適当に調節され た遅延線から成る。開口面（ｕ、ｖ）を画像面に変換することによって、分子密 度と温度の二次元的分布の再構築が可能である。 もし、システムが図３に示すように、反応室あるいは排気煙突を異なる角度か ら覗き込むように設けられたいくつかの干渉計で構成されるならば、計算機断層 撮影法に用いられる原理と同様に、ラドン変換によって分子密度と温度が三次元 的に再現できる。そのようなシステムによって、高温気体（あるいは火炎）内の 三次元的温度分布が再現できる。また、さらに重要なことは、同時に、各測定分 子種毎の三次元的密度分布が再現できることである。上記の測定は、物理的な測 定子を使用せず実施できる。なぜならば、電波信号は、以下に述べる発明者らの 実験の場合のように、煙突のセラミック製の壁を貫通するからである。 図２に示す装置を用いて、実験を行った。酸素／石油燃焼器を設置して、定常 状態で燃焼させた。図４は、煙突内の流れを貫通させた電波帯域２０−４０ＧＨ ｚについて測定したスペクトルである。大部分の線はＳＯ₂からのものであり、 他のいくつかはＮＨ₃その他の分子である。したがって、気体流れ中の電波帯域 内の分子を測定することは、明らかに可能である。その結果、その流れを画像化 することも可能である。図５に、測定結果から分子線のいくつかを判定した例を 示す。トレーサーとしてＳＯ₂を用いることによって、時間の関数として、ＳＯ₂ の密度と共に、温度を測定することも可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，Ｂ Ｒ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶融および／あるいは燃焼の工程において、気体および／あるいは火炎の中 の温度、分子組成、あるいは分子密度、あるいはそれらの組合せを測定する方法 において、 波長５００ｍから３０μｍの電波範囲における電磁放射線を、反応室および／ あるいは排気煙突の外から電波アンテナを用いて測定すること、 その測定は連続した溶融および／あるいは燃焼の工程中に行うこと、 高温衝突によって励起された分子から放出されるスペクトル線を測定すること 、並びに 衝突によって励起された分子のエネルギーレベルの数が許容するならばバック グランド信号からの吸収スペクトル線を測定すること、 からなることを特徴とする方法。 ２、請求項１記載の方法において、測定スペクトル線と識別データベースとを比 較することによって、測定スペクトル線から分子種を同定することを特徴とする 方法。 ３、請求項２記載の方法において、反応室および／あるいは排気煙突の内部温度 は、同一の分子種のいくつかのスペクトル線の強度を測定し、計算で求めた温度 の関数として予期されるエネルギーレベルの数との理論的な関係を比較して、測 定することを特徴とする方法。 ４、請求項３記載の方法において、分子種の密度は、その分子種のスペクトル線 の絶対強度を測定し、既知温度に対して理論的に予期される強度と比較すること によって、測定することを特徴とする方法。 ５、請求項１または４記載の方法において、電磁放射線は、狭い周波数チャンネ ルについて測定し、その結果得られる周波数スペクトルを既知の基準信号と比較 し、また、放射された基準信号を反応室および／あるいは排気煙突の背後で測定 して得たバックグラウンド信号に対応させて較正して測定することを特徴とする 方法。 ６、請求項５記載の方法において、信号発生器の周波数を段階的にして、基準信 号およびバックグラウンド信号を狭い周波数チャンネルとして発生させることを 特徴とする方法。 ７、請求項１、２、３、４、５、または６記載の方法において、受信アンテナは 干渉計であり、密度及び温度の二次元的分布は、各干渉計要素の信号の相関関係 に基づいて再構築することを特徴とする方法。 ８、請求項７記載の方法において、信号を、反応室および／あるいは排気煙突の 周囲に数方向の方位角に設けた干渉計によって同時に受信し、密度及び温度の三 次元的分布を投影法によって再構築することを特徴とする方法。