JPH11311606A - 成分組成分析方法及び装置 - Google Patents

成分組成分析方法及び装置

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JPH11311606A
JPH11311606A JP12068498A JP12068498A JPH11311606A JP H11311606 A JPH11311606 A JP H11311606A JP 12068498 A JP12068498 A JP 12068498A JP 12068498 A JP12068498 A JP 12068498A JP H11311606 A JPH11311606 A JP H11311606A
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JP
Japan
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plasma
optical fiber
light
measured
beams
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JP12068498A
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English (en)
Inventor
Yoshihiro Deguchi
祥啓 出口
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 リアルタイムに微粉炭、フライアッシュ、セ
メント原料等の成分組成分析を行うことを可能とし、装
置のメンテナンスも簡易で、設置環境に制限のない成分
組成分析方法及び装置を提供する。 【解決手段】 レーザ光転送用光ファイバーからのレー
ザ光を被計測物に光学系によって集光し、被計測物中の
成分をプラズマ化させてプラズマ光を得た後、上記レー
ザ光転送用光ファイバーと同軸に配置された信号光転送
用光ファイバーに上記プラズマ光を信号光として上記光
学系を介して送り、転送された信号光に基づいて被計測
物中の成分組成を分析することとした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、微粉炭、フライア
ッシュ、セメント原料等の成分組成分析方法及び装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】微粉炭、フライアッシュ、セメント原料
等の成分組成分析を行う手段としては、従来いくつかの
手法が知られている。このうち図11に示す装置は、サ
ンプリングを用いた手法にかかるものである。この装置
により、発熱量、未燃分、成分組成等を計測することが
できる。この装置では、測定場4の微粒子をサンプラー
1にてサンプルし、サンプル試料を輸送経路(装置)を
介して成分分析器2に送り、この成分分析器2で分析操
作した後、微粉炭・フライアッシュ・セメント原料の発
熱量、未燃分、成分組成を算出していた。成分分析器2
としては、化学分析装置、X線分析装置等を用いてい
た。
【0003】ここで了解されるように、図11のサンプ
リング手法を実施するためには、以下の行程が必要とな
っていた。 (1)測定場4からサンプル試料を採取する。 (2)サンプル試料を成分分析器2まで輸送する。 (3)成分分析器2にてサンプル試料を分析する。 このため、測定場4からの試料の採取から分析結果が得
られるまで、かなりの時間(10〜120分)を必要と
していた。この事情から、微粉炭、フライアッシュ、セ
メント原料等の固体のリアルタイム成分分析は不可能で
あり、分析結果に基づいて装置の制御を行う上で大きな
支障となっていた。また、自動化してスピードアップを
図っても、サンプル試料の輸送装置等が必要となり、装
置が高価となる欠点を有していた。
【0004】リアルタイムに組成成分の分析を可能とし
た装置として、レーザを用いた成分組成分析装置を図1
2に示す。この装置では、励起用レーザ11をレンズ1
2を用いてパージ付計測窓13を通して測定場20に集
光し、測定場20に存在する気体、液体、固体をプラズ
マ化させる。プラズマ光は、ミラー14を介してレンズ
15で集光され、分光器16に入射される。分光器16
で分光された光を高速ゲートが可能なCCDカメラ17
にて検出する。CCDカメラ17の信号をコンピュータ
18に転送し、各成分からの発光強度情報より測定場2
0に存在する固体物質の成分を計測する。なお、励起用
パルスレーザ11の発振とCCDカメラ17をライン1
9によって同期させる。
【0005】しかし、このようなレーザを用いた成分組
成分析装置では、リアルタイムで分析結果が得られるも
のの、装置を測定場20の近傍に設置する必要があり、
装置のメインテナンスが複雑になる他、設置環境に制限
が発生するなどの欠点が存在していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に対
して、リアルタイムに微粉炭、フライアッシュ、セメン
ト原料等の成分組成分析を行うことを可能とし、装置の
メンテナンスも簡易で、設置環境に制限のない成分組成
分析方法及び装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、被計測物中の成分をプラズマ化させ、得ら
れるプラズマ光を信号光として転送することにより、被
計測物中の成分を検出する成分組成分析方法において、
レーザ光転送用光ファイバーからのレーザ光を被計測物
に光学系によって集光し、被計測物中の成分をプラズマ
化させてプラズマ光を得た後、上記レーザ光転送用光フ
ァイバーと同軸に配置された信号光転送用光ファイバー
に上記プラズマ光を信号光として上記光学系を介して送
り、転送された信号光に基づいて被計測物中の成分組成
を分析することを含むことを特徴とする。
【0008】また、本発明は別の側面として、被計測物
中の成分をプラズマ化させ、得られるプラズマ光を信号
光として転送することにより、被計測物中の成分を検出
する成分組成分析装置において、レーザ光転送用光ファ
イバーと信号光転送用光ファイバーとを同軸に配置し、
上記レーザ光を被計測物に集光するとともに上記信号光
を上記レーザ光転送用光ファイバー側に送るための光学
系を具備し、転送された信号光に基づいて被計測物中の
成分組成を分析するようにしたことを特徴とする。
【0009】本発明の適用されるレーザ光を用いた成分
組成分析装置及び方法では、レーザ光を被計測物に集光
し、被計測物中の成分をプラズマ化させて、そのプラズ
マ光を分光器に入射し、分光されたスペクトル光を高速
ゲートが可能なCCDカメラにて検出し、CCDカメラ
の信号をコンピュータに転送し、各成分からの発光強度
情報より測定場に存在する被計測物中の成分を計測する
ことが一般的である。本明細書中において、被計測物と
しては、気体、液体、固体を問わない。具体的には、微
粉炭、フライアッシュ、セメント等の固体を好適な対象
として列挙することができる。
【0010】本発明では、レーザ光転送のために光ファ
イバーを用いている。レーザ光は光学系を介して固体物
質等の被計測物に集光する。このレーザ光によって被計
測物中の成分をプラズマ化させて、そのプラズマ光を分
光することにより、被計測物中の成分を検出する。プラ
ズマ光は同じ光学系によって信号光転送用光ファイバー
に送られる。レーザ光転送用光ファイバーと信号光転送
用光ファイバーとは同軸に配置する。例えば、レーザ光
転送用光ファイバーの周囲に信号光転送用光ファイバー
を配置する。光学系は、波長によって屈折率が異なるよ
うに構成する。一般的には波長によって屈折率が異なる
材質を用いた集光レンズで構成したものが好適である。
光学系は単一の集光レンズを用いて形成することができ
る。本発明はこのような構成により、レーザ光と信号光
を同軸で転送・取得可能としている。本発明によれば、
計測場でのin−situ計測が可能となり、サンプル
試料の輸送などが必要なくなる他、装置メインテナンス
性の向上、装置適用環境の大幅な拡大が可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に添付図面に示した発明の実
施の形態を参照しながら本発明にかかる成分組成分析方
法及び装置を説明する。図1は本発明にかかる成分組成
分析方法を実施するための装置の一実施の形態を示す。
本装置は、微粉炭、フライアッシュ、セメント等の固体
物質を計測対象とするものである。この実施の形態で
は、レーザ21からのレーザ光をレンズ22を用いて光
ファイバー23に入射し、パージ付き計測窓25を通し
て測定場に集光し、測定場に存在する固体粒子をプラズ
マ化させる。プラズマ光は、光ファイバー23を介して
分光器26に入射され、分光された光を高速ゲートが可
能なCCDカメラ27にて検出する。CCDカメラ27
の信号をコンピュータ28に転送し、各成分からの発光
強度情報により測定場に存在する固体物質の成分を計測
する。なお、ライン29を介して、励起用パルスレーザ
21の発振とCCDカメラ27を同期させる。パージ付
き計測窓25は、測定場を取り囲む供試体の外壁に設け
られており、レーザー光およびプラズマ光を透過させる
透明な材質(例えばガラス)で、測定場に存在する固体
粒子が窓に付着し前記レーザー光やプラズマ光が減衰す
るのを防ぐためにその周囲から清浄なガス(例えば空
気)を供給可能としたものである。
【0012】本発明では図1の実施の形態に示したよう
に、レーザ光と信号光を同軸で転送・取得可能としてい
る。図2にこのような操作を可能とするための実施の形
態を示す。図示のようにレーザ光が入射する際のファイ
バー形状は、Aとして示したように形成されている。す
なわち、レーザー光入射側は、複数の光ファイバーが円
形に形成されており、出射側は、信号光転送用光ファイ
バーと同心円状に一体化しており、内側の円形部分がレ
ーザー光転送用光ファイバーで、その周囲にドーナツ状
に信号光転送用光ファイバーが形成されている。また、
分光器26に入射するファイバー形状は、Bとして示し
たように分光器の入り口スリット形状に合せる為に縦長
の4角形状に形成しており、それによりロスなく分光器
に信号光を取り込むような形状となっている。そして、
これらのファイバーは合流して同軸となり、少なくとも
レンズ24の近傍の信号光を受ける計測部では、Cで示
すようなファイバー形状となっている。すなわち、レー
ザ光転送用光ファイバー23Aの周囲に信号光転送用光
ファイバー23Bを配置している。
【0013】レーザ光の集光には、波長により屈折率が
異なる材質を用いたレンズ24を用いている。計測した
信号光は、ファイバーを縦長に再配列して分光器へと導
かれる。このように、レーザ光と信号光を同軸で計測す
ることを可能としているが、その原理をさらに説明す
る。
【0014】本発明にかかる装置及び方法で使用するレ
ーザ光は、例えばYAGレーザの発振波長である1.06μ
mを用いるのが一般的である。ファイバーの前に設置し
たレンズ24は、波長1.06μmのレーザ光が効率よく集
光できるように設計する。ここで図3に示すように、レ
ーザ光Lの集光位置Oを固体粒子が通過すると、固体中
の成分がプラズマ化し、プラズマ光Pを発する。発生し
たプラズマ光Pの波長は、レーザ光の波長よりも小さい
波長となる。
【0015】図5に示したものは、固体のプラズマ光の
一例である。発光波長の違いで成分が同定でき、その波
長の発光強度よりその成分の濃度(比)が決定できる。
さらに、図6に示すように、一般的にレンズにおける波
長と屈折率の関係は、波長が大きくなると屈折率が小さ
くなる傾向にある。従って、図4に示す如く、発生した
プラズマ光Pをレンズ24で集光すると、レーザ光Lよ
りも屈折率が大きいので、光ファイバーの前面より手前
に集光される。光ファイバーの端面位置では、円形に拡
がりを有している。信号光(すなわちプラズマ光)転送
用ファイバー23Bは、レーザ光転送用ファイバー24
Aの周囲に配置されているので、円形に拡がったプラズ
マ光Pが入射可能である。
【0016】図7〜図10に本発明の適用例を示す。図
7は本発明をボイラー等の微粉炭を用いた燃焼器に対
し、微粉炭の炭素及び水素成分濃度を計測することによ
り燃料の発熱量を計測する形態を示す。ミル71から微
粉炭発熱量計測部72(図1等における測定場に相当す
る)を通る粉体をプラズマ発光させることにより、成分
濃度を知ることができ、これによって発熱量を計測する
ことができる。計測部72を経た微粉炭はボイラ73で
燃焼し、電気集塵機74を経てフライアッシュ75とし
て排出される。
【0017】図8は本発明をボイラー等の微粉炭を用い
た燃焼器に対し、フライアッシュ未燃分計測部76(図
1等における測定場に相当する)を設け、フライアッシ
ュをプラズマ発光させ、その炭素及び水素成分濃度を計
測することによりフライアッシュの未燃分を計測する形
態である。図中の図7と同一番号を付した要素は同一の
機能を持つ。
【0018】図9は本発明をセメントプラントに適用す
る例であり、セメント材料の組成を解析する例である。
セメント材料91をセメント材料組成計測部92(図1
等における測定場に相当する)で材料の粒子をプラズマ
発光させ、計測する。材料はセメントキルン93に送ら
れ焼成され、粉砕処理94等を経てセメント95として
製造される。
【0019】図10は本発明をガラスプラントに適用す
る例であり、ガラス材料の不純物等を解説する例であ
る。ガラス材料101をガラス材料組成計測部102
(図1等における測定場に相当する)で材料の粒子をプ
ラズマ発光させ、計測する。材料は溶融処理103の
後、精製、加工処理等104を行ってガラス製品105
として提供される。
【0020】
【発明の効果】本発明により、装置のメインテナンス性
及び設置環境条件が大幅に改善され、微粉炭、フライア
ッシュ、セメント等の固体成分のリアルタイム計測適用
範囲が拡大し、ボイラー、セメントプラントなどの迅速
な制御、固体成分計測のコスト低減などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態にかかるLIBS計測装
置を説明する概念図である。
【図2】図1の実施の形態の原理を説明する概念図であ
る。
【図3】レーザ光の入射の受信原理を説明する概念図で
ある。
【図4】レーザ光の信号光の受信原理を説明する概念図
である。
【図5】LIBS法によるプラズマペクトルの一例を示
すグラフである。
【図6】集光レンズの屈折率と波長の関係を示すグラフ
である。
【図7】本発明の微粉炭発熱量計測への応用例を説明す
る概念図である。
【図8】本発明のフライアッシュ未燃分計測への応用例
を説明する概念図である。
【図9】本発明のセメント材料組成計測への応用例を説
明する概念図である。
【図10】本発明のガラス材料組成計測への応用例を説
明する概念図である。
【図11】従来のサンプリング法を用いた固体成分計測
装置を説明する概念図である。
【図12】従来のLIBS法による固体成分計測装置を
説明する概念図である。
【符号の説明】
1 サンプラー 2 分析装置 11 パルスレーザ 12 レンズ 13 パージ付計測窓 14 ミラー 15 レンズ 16 分光器 17 CCDカメラ 18 コンピュータ 19 同期ライン 21 励起用パルスレーザ 22 レンズ 23 光ファイバー 24 レンズ 25 パージ付計測窓 26 分光器 27 CCDカメラ 28 コンピュータ 29 同期ライン 30 測定場 72 微粉炭発熱量計測部 76 フライアッシュ未燃分計測部 92 セメント材料組成計測部 102 ガラス材料組成計測部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被計測物中の成分をプラズマ化させ、得
    られるプラズマ光を信号光として転送することにより、
    被計測物中の成分を検出する成分組成分析方法におい
    て、レーザ光転送用光ファイバーからのレーザ光を被計
    測物に光学系によって集光し、被計測物中の成分をプラ
    ズマ化させてプラズマ光を得た後、上記レーザ光転送用
    光ファイバーと同軸に配置された信号光転送用光ファイ
    バーに上記プラズマ光を信号光として上記光学系を介し
    て送り、転送された信号光に基づいて被計測物中の成分
    組成を分析することを含む成分組成分析方法。
  2. 【請求項2】 被計測物中の成分をプラズマ化させ、得
    られるプラズマ光を信号光として転送することにより、
    被計測物中の成分を検出する成分組成分析装置におい
    て、レーザ光転送用光ファイバーと信号光転送用光ファ
    イバーとを同軸に配置し、上記レーザ光を被計測物に集
    光するとともに上記信号光を上記レーザ光転送用光ファ
    イバー側に送るための光学系を具備し、転送された信号
    光に基づいて被計測物中の成分組成を分析することを特
    徴とする成分組成分析装置。
JP12068498A 1998-04-30 1998-04-30 成分組成分析方法及び装置 Pending JPH11311606A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003270150A (ja) * 2002-03-19 2003-09-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料比計測装置及び方法
JP2004069251A (ja) * 2002-08-09 2004-03-04 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 微粉炭燃焼システム
JP2005201762A (ja) * 2004-01-15 2005-07-28 Toshiba Corp リチウム漏洩検出装置およびリチウム漏洩検出方法
CN105445240A (zh) * 2016-01-11 2016-03-30 中国神华能源股份有限公司 粉煤灰生产氧化铝过程的监测系统
JP2019174199A (ja) * 2018-03-27 2019-10-10 大阪瓦斯株式会社 熱量計測装置及び熱量計測方法

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Effective date: 20031017