JPH1078444A

JPH1078444A - 計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH1078444A
Application number: JP23377596A
Authority: JP
Inventors: Masahide Tsujishita; 正秀辻下; Hikari Hirano; 光平野; Masashi Nishigaki; 雅司西垣; Hideki Okamoto; 秀樹岡本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス流に於ける流速及び特定化学種の濃度計
測を、同一部位において同時的におこなうことが可能な
計測方法を得る。【解決手段】レーザー光源からのレーザー光を、計測
域に２方向から照射し、前記計測域に前記レーザー光に
よる干渉縞を形成するとともに、前記計測域内に観測粒
子を投入して、この干渉縞を通過する前記観測粒子が散
乱させる散乱光の時間領域における変化を検出して、計
測域内にある流体の流速を求める流速計測工程と、計測
域内にある特定化学種から、レーザー光の吸収に基づい
て発生される蛍光を検出して、この蛍光の強度より特定
化学種の濃度を求める濃度計測工程とを備え、計測レー
ザー光として、特定化学種により吸収されて蛍光が発生
される波長のレーザー光を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスの流速及び特
定化学種濃度の同時測定に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザーを利用してガス流速を測
定する技術としては、レーザードップラー流速計測法が
知られている。この方法にあっては、測定対象域に、所
定の角度θを備えて同一光源からのコーヒレントなレー
ザー光を照射して、測定対象域に干渉縞を形成する。一
方、ガスの流路内に観測粒子を分散させ、この干渉縞間
を、ガスと同じ速度で移動する観測粒子が通過する時間
により、ガスの流速を計測する。この方法にあっては、
形成される干渉縞の間隔より小さな粒子が、ガス内に投
入され、この粒子が干渉縞の濃淡部、それぞれより散乱
させる散乱光の周期的な変化が計測され、この周期によ
って、ガス流速を計測できる。従来、この手法にあって
は、計測用のレーザー光としては、アルゴンイオンレー
ザーの可視光（４８８、５１４、・・・ｎｍ）が使用さ
れていた。一方、ガス中にある特定化学種の濃度、その
分布等を計測、観測する手法としては、いわゆるレーザ
ー誘起蛍光法（ＬＩＦ）が知られている。この手法は、
ガス内に特定の周波数を有するレーザー光を照射し、ガ
ス内にある特定化学種（例えば、ＯＨ、ＮＯ、ＣＨ、Ｃ
Ｎ等）がレーザー光を吸収し、この吸収に伴って発生す
る蛍光を、別途、計測することにより、この蛍光の強
度、分布から、特定化学種の濃度、分布等を計測、観測
する。従来、この手法にあっては、波長可変レーザー、
ＹＡＧレーザー等を使用して、計測をおこなっていた。
即ち、レーザードップラー流速計測法とレーザー誘起蛍
光法とにおいては、使用されるレーザー光として異なっ
たものが使用されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】さて、このような流速
及び化学種濃度等を、ほぼ同時に且つ同一の位置で計測
する必要が生じる場合がある。即ち、火炎を対象とし
て、その火炎内で発生している現象を解明するにあたっ
ては、ガスの流速及び濃度等を、ほぼ同時的に同一位置
で計測したい。しかしながら、従来の技術にあっては、
レーザードップラー流速計とレーザー誘起蛍光装置と
を、共に用意して、計測対象部位に、別々に別々の波長
のレーザー光を照射して、別々に計測をおこなうしか、
有効な方法がなかった。この場合、計測系の構成が複雑
になるとともに、同一部位の流速、濃度を知りたい場合
にあっても、光軸合わせが困難で、実際上、このような
計測を良好におこなうことが不可能であった。従って、
本発明の目的は、比較的簡単な装置系を使用しながら、
ガス流に於ける流速及び特定化学種の濃度計測を、同一
部位において同時的におこなうことが可能な計測方法及
び計測装置を得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による計測方法は、計測域にレーザー光源から
のレーザー光を照射し、前記計測域に前記レーザー光に
より干渉縞を形成するとともに、前記干渉縞を通過する
観測粒子が散乱させる散乱光の時間領域における変化を
検出して、前記計測域内にある流体の流速を求める流速
計測工程と、前記計測域内にある特定化学種から、照射
されたレーザー光の吸収に基づいて発生される蛍光を検
出して、前記蛍光の強度より前記特定化学種の濃度を求
める濃度計測工程とを備え、前記計測域に照射する計測
レーザー光として、前記特定化学種により吸収されて前
記蛍光が発生される波長のレーザー光を使用し、前記計
測レーザー光による散乱光を前記流速計測工程で、前記
計測レーザー光による蛍光を前記濃度計測工程で使用す
ることにある。この計測方法にあっては、計測レーザー
光として、流速計測に適するとともに、計測対象である
所望の特定化学種により吸収されて蛍光が発生される波
長のレーザー光が使用される。従って、レーザー光源は
単一ですみ、装置系は簡略化される。そして、計測域よ
り観測粒子により散乱されてきた光を計測するととも
に、レーザードップラー手法で解析することにより、計
測域に於けるガスの流速を求めることができる。一方、
計測域に存在する特定化学種の濃度に関しては、計測域
内にある特定化学種より発っせられる蛍光を計測し、こ
れを、レーザー誘起蛍光手法により解析することによ
り、計測域に於ける特定化学種の濃度を求めることがで
きる。この手法にあっては、同一の計測レーザー光に基
づいて、その散乱光の計測と蛍光の計測とをおこなうた
め、同一計測域に対する観測を、同時的におこなうこと
ができる。

【０００５】このような計測をおこなう場合に、前記レ
ーザー光として波長２２０〜４００ｎｍの範囲内にある
レーザー光を使用することが好ましい。波長２２０〜４
００ｎｍの範囲内にあっては、多数の化学種が、吸収帯
を有し、この吸収により蛍光を発生する。従って、この
ような波長域内にあるレーザー光を計測域に照射するこ
とにより、流速と特定化学種の濃度とを効率的に、良好
に計測できる。しかも、この波長域帯にあっては、吸収
を起こす化学種が多種存するため、多種の化学種を対象
として、異なった波長の蛍光を検出することで、有効な
計測を比較的単純な装置系でおこなうことができる。

【０００６】さらに、上記の手法に従って計測をおこな
う場合に、アルゴンイオンレーザーの紫外光を使用する
ことが好ましい。従来、レーザードップラー計測法にお
いては、アルゴンイオンレーザーの可視光（４８８、５
１４ｎｍ・・・）が流速計測に使用されているが、この
周波数領域に吸収帯を有し蛍光を発する化学種はほとん
ど存在しない。従って、この波長域のレーザー光源を利
用した場合、流速と化学種濃度の同時計測はほとんど期
待できない。一方、本願のように、紫外光（３３３．６
〜３６３．８ｎｍ、３５１．１、３５１．４、３６３．
８等）を使用する場合は、多くの化学種が、この紫外波
長に吸収帯を持ち、光を吸収して蛍光を発する。しか
も、それぞれ発する蛍光の波長域が異なるため、この波
長で、本願の手法を使用すると、流速の計測及び複数種
の化学種の濃度計測を同時におこなうことができる。こ
の場合、実質上は、アルゴンイオンレーザーを備えた従
来のレーザードップラー流速計測装置に対して、この紫
外光を選択的に透過するフィルターを備え、レーザー誘
起蛍光法で使用される検出系を装備するとともに、この
検出系の入光部に、発生する蛍光を選択的に透過する分
光器もしくはフィルターを備えるだけで、本願の用に供
することができるため、従来の装置を利用しながら比較
的簡単な改変で目的を達成することができる。

【０００７】先に説明した本願の計測方法を採用した計
測装置としては、これを、計測域に存する計測対象の特
定化学種により吸収され、前記吸収の結果、前記特定化
学種から蛍光が発生される計測レーザー光を照射するレ
ーザー光源を有し、前記計測レーザー光を前記計測域に
導いて前記計測域に干渉縞を形成するレーザー光照射部
を備え、前記計測域を通過する観測粒子により散乱され
る散乱光を検出して、前記散乱光の時間領域における変
化から、前記計測域を流れる流体の流速を求めるレーザ
ードップラー検出解析部を備えるとともに、前記計測域
に存する前記特定化学種から発生する前記蛍光を検出し
て、検出された蛍光強度から前記計測域に於ける前記特
定化学種の濃度を求めるレーザー誘起蛍光検出解析部を
備えて構成することが好ましい。この装置にあっては、
レーザー光照射部より計測域に干渉縞を形成するように
計測レーザー光を照射し、計測域より発生してくる散乱
光、蛍光を、それぞれレーザードップラー検出解析部、
レーザー誘起蛍光検出解析部で検出するとともに、それ
らの検出結果から、それぞれ、流速と特定化学種の濃度
を求めて、有用な計測をおこなうことができる。この構
成の装置において、先に説明したように、計測レーザー
光としては、波長が２２０〜４００ｎｍの範囲内にある
レーザー光を採用するのが好ましい。さらに、この計測
レーザー光としては、アルゴンイオンレーザーの紫外光
を使用することが好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本願の実施の形態について、以下
説明する。図１に本願の計測方法を使用して、火炎１内
におけるガスの流速及び特定化学種の一例としてのアセ
トンの分布を計測している状態を示している。先ず、計
測装置２の構成から説明する。図１に示すように、装置
２は、レーザー光源としてのアルゴンイオンレーザー３
と、このレーザー３から発生される計測レーザー光４を
一対の光路に分けるビームスプリッター５と、分離され
た計測レーザー光４ａ、４ｂを所定の角度（θ）を備え
て、計測域６に照射するレーザー光導入用光学系７を備
えたレーザー光照射部８を、照射側に備えている。この
構成により、計測域６に、レーザー光による干渉縞９が
形成される。この干渉縞９を説明的に図２（ロ）に示し
た。ここで、この干渉縞９の幅ΔＬは、計測レーザー光
４の波長λと、一対の計測レーザー光４ａ、４ｂの交差
角度θから求まる。例えば、ΔＬ＝（λ／２）／ｓｉｎ
（θ／２）の様になる。

【０００９】一方、計測域６に対する検出側は、二つの
検出解析部１０ａ、１０ｂから構成されている。即ち、
この検出側は、レーザードップラー手法により、計測域
を流れるガスの流速を計測域６から発生する散乱光１１
により求めるレーザードップラー検出解析部１０ａと、
計測域６に存在する特定化学種から発生される蛍光１２
を検出して特定化学種の濃度あるいは分布を求めるレー
ザー誘起蛍光検出解析部１０ｂとを備えている。前記レ
ーザードップラー検出解析部１０ａは、前記計測域６か
ら散乱されてくる散乱光１１を第１光検出器１３ａに導
く第１光学系１４ａと、この第１光学系１４ａにより導
入される散乱光１１を検出する第１光検出器１３ａと、
この第１光検出器１３ａからの出力信号に従って、ガス
の流速を求めるレーザードップラー解析手段１５とから
構成されている。このレーザードップラー解析手段１５
による解析は、入力信号（散乱光１１の強度）における
信号の経時的な周期（１周期ΔＴ）と、前記干渉縞９の
幅（ΔＬ）とから、流速ＶをＶ＝ΔＬ／ΔＴとして求め
るものである。前記レーザー誘起蛍光検出解析部１０ｂ
は、前記計測域６から発生してくる特定波長の蛍光１２
を第２光検出器１３ｂに導く第２光学系１４ｂと、この
第２光学系１４ｂにより導入される蛍光１２を検出する
第２光検出器１３ｂと、この第２光検出器１３ｂからの
出力信号（蛍光強度）に従って、特定化学種の濃度を求
めるレーザー誘起蛍光解析手段１６とから構成されてい
る。このレーザー誘起蛍光解析手段１６にあっては、特
定波長の蛍光強度により、概して比例的に特定化学種の
濃度が求められる。さらに、具体的には、アルゴンイオ
ンレーザー３からは、その紫外光が計測域６に照射され
る構成が採用されており、第２光検出器１３ｂの入光部
には、光学フィルター１７が備えられており、計測部６
から発生される蛍光（波長３２０〜５６０ｎｍの光）の
みが、この検出器１３ｂに到達して検出される構成とさ
れている。従って、このような波長成分を照射側と検出
側とで選択することにより、アセトンによる吸収が発生
し、この吸収により発生する蛍光を検出して、計測域６
に於けるアセトン濃度を検出することができる。

【００１０】以上が、本願に使用される計測装置２の説
明である。以下、この装置２を使用して、計測域６にあ
るガスの流速及び特定化学種（この例の場合はアセト
ン）の濃度を計測する場合について説明する。計測にあ
たっては、計測域６に観測粒子（粒径３μｍ程度のも
の）１８を散布し、この粒子１８の移動状況より、レー
ザードップラー手法により流速の計測をおこなう。ここ
で、粒径は先に説明した干渉縞９の幅ΔＬより小さいも
のが使用される。但し、図１にあっては、理解を容易に
するために、大きめに図示している。即ち、先に説明し
たように、アルゴンイオンレーザー３から発生される計
測レーザー光４をビームスプリッター５で一対に分割
し、互いに角度θを持たせて交差して測定域６に照射す
る。そして、干渉縞９を発生させ、この干渉縞９を横切
って移動する、前記観測粒子１８による散乱光１１の時
間的な強度変化から、ガスの流速を求める。この工程を
流速計測工程と呼ぶ。ここで、アルゴンイオンレーザー
３からは、その紫外光が発生されている。この紫外光
は、アセトンによって吸収され、３２０〜５６０ｎｍ域
の蛍光を発生させる（図３参照）。従って、この蛍光１
２を検出することにより、計測域６に於けるアセトン濃
度を計測することができる。この工程を濃度計測工程と
呼ぶ。

【００１１】本願の手法にあっては、同一の計測レーザ
ー光４を使用することで、計測域６から帰ってくる散乱
光１１及び蛍光１２を観測して、同一部位に於ける流速
と特定化学種の分布とを同時的に計測することができ
る。

【００１２】〔別実施の形態〕本願の別実施の形態につ
いて説明する。（イ）上記の実施の形態にあっては、火炎中の流速、
特定化学種の濃度を計測対象としたが、火炎の他、複数
種のガス成分が混合したガスの流れ、水、油等の流れ等
にも適応できる。（ロ）上記の実施の形態にあっては、アルゴンイオン
レーザー３の紫外光を使用して、アセトンの計測をおこ
なったが、レーザー光を利用して、計測対象としては、
ＯＨ、ＮＯ、ＣＨ、ＮＨ、ＣＨ₂Ｏ、（ＣＨ₃）₂ＣＯ、
ケトン類等の計測をおこなうことができる。即ち、レー
ザー光の波長として、２２０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内
にある波長の計測レーザー光４を使用することが、多種
の化学種の濃度の検出の点で好ましい。（ハ）上記の手法で使用する観測粒子１８としては、
干渉縞の幅に対して、小さなものが有効で、シリカ、ア
ルミナ、酸化チタン等の粉末を使用することができる。
さらに、これまで説明してきた例にあっては、観測粒子
を別途、投入する例を示したが、火炎内に油滴が存在す
る場合や、環境雰囲気にダスト等が、多分に含まれてお
り、これらが、火炎の流れ内に取り込まれて、移動する
場合は、これらをそのまま、観測粒子として使用でき
る。従って、この場合は、別途、観測粒子を計測域に投
入する必要はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の計測装置の構成を示す概略図

【図２】レーザードップラー手法に於ける干渉縞の間隔
と光検出器に於ける検出信号との周期の関係を示す図

【図３】波長とアセトンの吸収及び蛍光発光との関係を
示す図

【符号の説明】

３アルゴンイオンレーザー（レーザー光源）４計測レーザー光６計測域８レーザー光照射部９干渉縞１０ａレーザードップラー検出解析部１０ｂレーザー誘起蛍光検出解析部１１散乱光１２蛍光１８観測粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本秀樹大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光源からのレーザー光を計測域
に照射し、前記計測域に前記レーザー光により干渉縞を
形成するとともに、前記干渉縞を通過する観測粒子が散
乱させる散乱光の時間領域における変化を検出して、前
記計測域内にある流体の流速を求める流速計測工程と、照射されたレーザー光の吸収により、前記計測域内にあ
る特定化学種から発生される蛍光を検出して、前記蛍光
の強度より前記特定化学種の濃度を求める濃度計測工程
とを備え、前記計測域に照射する計測レーザー光として、前記特定
化学種により吸収されて前記蛍光が発生される波長のレ
ーザー光を使用し、前記計測レーザー光による散乱光を
前記流速計測工程で、前記計測レーザー光による蛍光を
前記濃度計測工程で使用する計測方法。
【請求項２】前記計測レーザー光として波長２２０〜
４００ｎｍの範囲内にあるレーザー光を使用する請求項
１記載の計測方法。
【請求項３】前記計測レーザー光として、アルゴンイ
オンレーザーの紫外光を使用する請求項１または２記載
の計測方法。
【請求項４】計測域に存する計測対象の特定化学種に
より吸収され、前記吸収の結果、前記特定化学種から蛍
光が発生される計測レーザー光を照射するレーザー光源
を有し、前記計測レーザー光を前記計測域に導いて前記
計測域に干渉縞を形成するレーザー光照射部を備え、前記計測域を通過する観測粒子により散乱される散乱光
を検出して、前記散乱光の時間領域における変化から、
前記計測域を流れる流体の流速を求めるレーザードップ
ラー検出解析部を備えるとともに、前記計測域に存する前記特定化学種から発生する前記蛍
光を検出して、検出された蛍光強度から前記計測域に於
ける前記特定化学種の濃度を求めるレーザー誘起蛍光検
出解析部を備えた計測装置。
【請求項５】前記計測レーザー光が、波長２２０〜４
００ｎｍの範囲内にあるレーザー光である請求項４記載
の計測装置。
【請求項６】前記計測レーザー光が、アルゴンイオン
レーザーの紫外光である請求項４または５記載の計測装
置。