JP2003121359A - レーザを用いた組成成分計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各組成成分から発生するプラズマ光の発生タ
イミングが異なっていても、正確に組成成分計測をす
る。 【解決手段】 測定対象物にレーザを照射してプラズマ
化すると、各組成成分からプラズマ光が時間的にずれて
発生する。プラズマ光はレンズ１５にて集光されて光フ
ァイバ１２２，１２３にて伝送され、分光器１１６にて
分光され、分光されたスペクトル光がＣＣＤカメラ１１
７にて撮影され、撮影した映像（スペクトル状態）を基
に、組成成分の同定や濃度検出をする。ＣＣＤカメラ１
１７は、先に発生して長い光ファイバ１２３を伝送され
てきたプラズマ光を分光したスペクトル光と、後に発生
して短い光ファイバ１２２を伝送されてきたプラズマ光
を分光したスペクトル光が、分光器１１６から同時に出
力されるタイミングで撮影を開始する。このため、時間
的にずれてプラズマ光を発生する各組成成分に対応する
スペクトル光を同時に撮影することができ、正確に組成
成分の計測ができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明はレーザを用いた組成
成分計測装置に関し、微粉炭，フライアッシュ，セメン
ト原料の発熱量，未燃分，組成成分を計測するのに適用
して好適なものである。 【０００２】 【従来の技術】微粉炭，フライアッシュ，セメント原料
の発熱量，未燃分，組成成分を計測するため、レーザ誘
起ブレークダウン法（Laser Induced Breakdown Spectr
oscopy:ＬＩＢＳ法）を採用した、組成成分計測装置が
開発されている。 【０００３】図５は、すでに開発したＬＩＢＳ法を採用
した組成成分計測装置を示している。同図に示すよう
に、各種プラント等の配管２１内には、測定対象物が存
在（流通）している。測定対象物としては、微粉炭，フ
ライアッシュ，セメント原料等がある。この配管２１の
うち測定場２０の部分には、パージ流路１３ａを備えた
計測窓１３が設置されている。パルスレーザ装置１１か
ら出力されたレーザ光は、レンズ１２及び計測窓１３を
介して測定場２０に集光される。このため、測定場２０
に存在する微粒子（測定対象物の粒子）がプラズマ化
し、プラズマ化した組成成分からはプラズマ光が発生す
る。 【０００４】発生したプラズマ光は、測定場２０の計測
窓１３から外部に出力され、ミラー１４で反射され、さ
らにレンズ１５で集光されて分光器１６に入射される。
分光器１６は、プラズマ光を分光してスペクトル光と
し、分光したスペクトル光をＣＣＤカメラ１７に入力す
る。 【０００５】高速ゲートが可能なＣＣＤカメラ１７は、
分光器１６にて分光されたスペクトル光を撮影し、この
スペクトル光に応じた映像信号をコンピュータ１８に転
送する。なお、ＣＣＤカメラ１７は、同期ライン１９を
介してパルスレーザ装置１１と接続されており、ＣＣＤ
カメラ１７のゲート制御と、パルスレーザ装置１１の発
振とを同期させている。 【０００６】コンピュータ１８は、転送されてきた映像
信号（各成分からの発光強度情報を有している）を情報
処理演算することにより、測定場２０に存在する微粉
炭，フライアッシュ，セメント原料の発熱量，未燃分，
組成成分等をリアルタイムで算出する。つまり、図６に
示すようなスペクトル光の発光波長の違いから組成成分
を同定するとともに、発光強度から組成成分の濃度を求
めている。 【０００７】そして例えば、石炭焚き火力プラントのボ
イラ火炉から排出される排ガス中に含まれている未燃分
を検出するためには、灰中の主成分であるＳｉ，Ａｌ，
Ｃａ，Ｆｅ及び未燃分に起因するＣ成分を計測し、Ｓ
ｉ，Ａｌ，Ｃａ，Ｆｅ及び未燃分に起因するＣの比より
未燃分を算出する。そして算出した未燃分に基づき、微
粉炭の粉砕度を増減する等、ボイラ火炉における燃焼条
件を変化させて未燃分を制御することができる。 【０００８】このように測定現場にてリアルタイムで測
定対象物の組成成分の計測ができるので、計測結果に基
づき、プラント等の運転制御を良好に実行することがで
きるようになる。 【０００９】なお本装置は、微粉炭，フライアッシュ，
セメント原料の組成を計測する分野のみならず、Ｃ，Ｓ
ｉ，Ａ１，Ｆｅ，Ｃａ，Ｍｇ，Ｋ，Ｎａ等を主成分とし
た微粒子の組成計測をする分野などにも適用することが
できる。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】ところで、測定対象物
にレーザ光を照射すると、プラズマ化した各組成成分か
らプラズマ光が発生するが、各組成成分毎に発光開始タ
イミングや発光継続時間が異なっている。つまり、図２
に示すように、ある組成成分Ａに関しては、レーザ光を
照射したタイミング（ｔ０）から短い時間後に（タイミ
ングｔ１で）発光が開始されこの発光開始タイミングｔ
１から発光時間Ｔ１に亘り発光が継続されるのに対し
て、他の組成成分Ｂに関してはレーザ光を照射したタイ
ミング（ｔ０）から長い時間が経過後に（タイミングｔ
２で）発光が開始されこの発光開始タイミングｔ２から
発光時間Ｔ２に亘り発光が継続される。その他の成分に
関しても、発光開始タイミングや発光時間が異なってい
る。ちなみに、レーザ光を照射してから短時間で発光す
る組成成分としては、ＦｅやＣ等があり、長い時間経過
後に発光する組成成分としてはＡ１等がある。 【００１１】したがって、各組成成分からは時間的にず
れて発光時間の異なるプラズマ光が発生し、このように
時間的にずれたプラズマ光を分光したスペクトル光が、
時間的にずれてＣＣＤカメラ１７に入射される。このた
め、ＣＣＤカメラ１７の撮影開始時刻と撮影継続時間を
一定に（固定）していた場合には、組成成分の検出精度
の向上に限界があった。 【００１２】本発明は、上記従来技術に鑑み、測定対象
物の組成成分の計測精度を向上させることのできるレー
ザを用いた組成成分計測装置を提供することを目的とす
る。 【００１３】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、測定対象物にレーザ光を照射してその組成
成分をプラズマ化するレーザ装置と、プラズマ化した各
組成成分から時間的にずれて発生するプラズマ光を集光
する光学系と、集光されたプラズマ光を伝送する複数本
の光ファイバと、複数本の光ファイバで伝送されてきた
各プラズマ光をそれぞれ独立に分光してスペクトル光と
すると共に、分光された各スペクトル光を空間的に異な
る位置に振り分けて出力する分光器と、分光器から出力
された複数のスペクトル光を撮影し、撮影して得た映像
信号を出力する固体撮像素子カメラと、前記映像信号を
基に前記測定対象物の組成成分の同定と組成成分の濃度
検出をするコンピュータとを有し、前記複数本の光ファ
イバは、最も短い光ファイバに対しそれよりも長い他の
光ファイバの長さが、最も最初にプラズマ光を発生する
組成成分からプラズマ光が発生したタイミングからその
後にプラズマ光を発生する組成成分からプラズマ光が発
生したタイミングまでの時間に、前記光ファイバ中の光
の伝送速度を掛けた距離だけ長くなっていることを特徴
とする。 【００１４】 【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。 【００１５】図１は本発明の実施の形態にかかるレーザ
を用いた組成成分計測装置を示す。同図に示すように、
各種プラント等の配管１２１内には、測定対象物が存在
（流通）している。測定対象物としては、微粉炭，フラ
イアッシュ，セメント原料等がある。この配管１２１の
うち測定場１２０の部分には、パージ流路１１３ａを備
えた計測窓１１３が設置されている。パルスレーザ装置
１１１から出力されたレーザ光は、レンズ１１２及び計
測窓１１３を介して測定場１２０に集光される。このた
め、測定場１２０に存在する微粒子（測定対象物の粒
子）がプラズマ化し、プラズマ化した組成成分からはプ
ラズマ光が発生する。 【００１６】発生したプラズマ光は、測定場１２０の計
測窓１１３から外部に出力され、ミラー１１４で反射さ
れ、さらにレンズ１１５で集光されて、２本の光ファイ
バ１２２，１２３に同時に入射される。光ファイバ１２
２に対して光ファイバ１２３は長くなっている。具体的
には、組成成分Ａの発光開始タイミングｔ１と組成成分
Ｂの発光開始タイミングｔ２との間の時間Ｔ３（図２参
照）に、光ファイバ１２２，１２３中の光の伝送速度を
掛けた距離だけ、光ファイバ１２２に対して光ファイバ
１２３が長くなっている。なお、図３は図１のIII-III
断面図である。 【００１７】光ファイバ１２２，１２３に入射されたプ
ラズマ光は、光ファイバ１２２，１２３により伝送され
て分光器１１６に入射される。分光器１１６は、光ファ
イバ１２２により伝送されてきたプラズマ光と光ファイ
バ１２３により伝送されてきたプラズマ光とを、それぞ
れ独立して分光して、それぞれのスペクトル光を得る。
そして、それぞれのスペクトル光を空間的に異なる位置
に振り分けて出力する。 【００１８】高速ゲートが可能なＣＣＤカメラ（固体撮
像素子カメラ）１１７は、分光器１１６から空間的に異
なる位置に振り分けて出力されたスペクトル光を撮影す
る。図４は、ＣＣＤカメラ１１７により撮影したスペク
トル光の状態を示しており、αは光ファイバ１２２を伝
送してきたプラズマ光を分光したスペクトル光を示し、
βは光ファイバ１２３を伝送してきたプラズマ光を分光
したスペクトル光を示す。このＣＣＤカメラ１１７は、
撮影したスペクトル光α，βに応じた映像信号をコンピ
ュータ１１８に転送する。なお、ＣＣＤカメラ１１７
は、同期ライン１１９を介してパルスレーザ装置１１１
と接続されており、ＣＣＤカメラ１１７のゲート制御
と、パルスレーザ装置１１１の発振とを同期させてい
る。なお、同期タイミングについては後述する。 【００１９】コンピュータ１１８は、転送されてきた映
像信号（各成分からの発光強度情報を有している）を情
報処理演算することにより、測定場１２０に存在する組
成成分Ａ，Ｂの同定や濃度をリアルタイムで算出する。 【００２０】ここでＣＣＤカメラ１１７の撮影タイミン
グについて説明する。図２に示すように組成成分Ａのプ
ラズマ光が先に発生してから、その後に組成成分Ｂのプ
ラズマ光が発生する。組成成分Ａと組成成分Ｂのプラズ
マ光は共に光ファイバ１２２，１２３に入射されて伝送
される。ここで、組成成分Ａのプラズマ光について検討
すると、組成成分Ａのプラズマ光のうち光ファイバ１２
２を伝送したものは先に分光器１１６に到達してスペク
トル光となり、組成成分Ａのプラズマ光のうち光ファイ
バ１２３を伝送したものはその後に分光器１１６に到達
してスペクトル光となる。次に、組成成分Ｂのプラズマ
光について検討すると、組成成分Ｂのプラズマ光のうち
光ファイバ１２２を伝送したものは先に分光器１１６に
到達してスペクトル光となり、組成成分Ｂのプラズマ光
のうち光ファイバ１２３を伝送したものはその後に分光
器１１６に到達してスペクトル光となる。 【００２１】前述したように、光ファイバ１２２に対し
て光ファイバ１２３は、組成成分Ａの発光開始タイミン
グｔ１と組成成分Ｂの発光開始タイミングｔ２との間の
時間Ｔ３（図２参照）に、光ファイバ１２２，１２３中
の光の伝送速度を掛けた距離だけ長くなっている。この
結果、先に発光する組成成分Ａのプラズマ光のうち長い
方の光ファイバ１２３を伝送していったものと、後に発
光する組成成分Ｂのプラズマ光のうち短い方の光ファイ
バ１２２を伝送していったものとは、同時に分光器１１
６に到達し、それぞれ分光されてスペクトル光β，αと
なる。 【００２２】ＣＣＤカメラ１１７は、先に発光する組成
成分Ａのプラズマ光のうち長い方の光ファイバ１２３を
伝送していったものと、後に発光する組成成分Ｂのプラ
ズマ光のうち短い方の光ファイバ１２２を伝送していっ
たものとが、同時に分光器１１６に到達して分光された
スペクトル光β，αが、分光器１１６から出力されるタ
イミングで撮影を開始し、この撮影開始タイミングから
一定時間撮影をする。このときに撮影したスペクトル光
β，αは、組成成分Ａ，Ｂから発生したプラズマ光の発
光強度が大きくなったときの光を分光して得たものであ
る。 【００２３】このようにＣＣＤカメラの撮影タイミング
を設定することにより、一度の撮影により、組成成分
Ａ，Ｂから発生した発光強度の大きいときのプラズマ光
を分光して得たスペクトル光β，αを同時に撮影するこ
とができる。このため測定対象物の組成成分の計測精度
を向上することができる。 【００２４】なお、発光タイミングの異なる３種以上の
組成成分を検出する場合には、３本以上の光ファイバを
用い、３本以上の光ファイバは、最も短い光ファイバに
対しそれよりも長い他の光ファイバの長さが、最も最初
にプラズマ光を発生する組成成分からプラズマ光が発生
したタイミングからその後にプラズマ光を発生する組成
成分からプラズマ光が発生したタイミングまでの時間
に、光ファイバ中の光の伝送速度を掛けた距離だけ長く
なるように調整しておく。このようにすれば、３種以上
の組成成分から発生した発光強度の大きいときのプラズ
マ光を分光して得た３種以上のスペクトル光を同時に撮
影することができ、測定対象物の組成成分の計測精度を
向上することができる。 【００２５】 【発明の効果】以上実施の形態と共に具体的に説明した
ように、本発明では、測定対象物にレーザ光を照射して
その組成成分をプラズマ化するレーザ装置と、プラズマ
化した各組成成分から時間的にずれて発生するプラズマ
光を集光する光学系と、集光されたプラズマ光を伝送す
る複数本の光ファイバと、複数本の光ファイバで伝送さ
れてきた各プラズマ光をそれぞれ独立に分光してスペク
トル光とすると共に、分光された各スペクトル光を空間
的に異なる位置に振り分けて出力する分光器と、分光器
から出力された複数のスペクトル光を撮影し、撮影して
得た映像信号を出力する固体撮像素子カメラと、前記映
像信号を基に前記測定対象物の組成成分の同定と組成成
分の濃度検出をするコンピュータとを有し、前記複数本
の光ファイバは、最も短い光ファイバに対しそれよりも
長い他の光ファイバの長さが、最も最初にプラズマ光を
発生する組成成分からプラズマ光が発生したタイミング
からその後にプラズマ光を発生する組成成分からプラズ
マ光が発生したタイミングまでの時間に、前記光ファイ
バ中の光の伝送速度を掛けた距離だけ長くなっているた
め、複数種類の組成成分から発生した発光強度の大きい
ときのプラズマ光を分光して得た複数のスペクトル光を
同時に撮影することができ、測定対象物の組成成分の計
測精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態にかかるレーザを用いた組
成成分計測装置を示す構成図。 【図２】各組成成分のプラズマ発生タイミングを示す特
性図。 【図３】図１のIII-III 断面図。 【図４】ＣＣＤカメラにより撮影したスペクトル光の状
態を示す特性図。 【図５】従来のレーザを用いた組成成分計測装置を示す
構成図。 【図６】微粉炭のプラズマ発光スペクトルを示す特性
図。 【符号の説明】 １１，１１１ パルスレーザ装置 １２，１１２ レンズ １３，１１３ 計測窓 １４，１１４ ミラー １５，１１５ レンズ １６，１１６ 分光器 １７，１１７ ＣＣＤカメラ １８，１１８ コンピュータ １９，１１９ 同期ライン ２０，１２０ 測定場 ２１，１２１ 配管 １２２，１２３ 光ファイバ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 測定対象物にレーザ光を照射してその組
   成成分をプラズマ化するレーザ装置と、 プラズマ化した各組成成分から時間的にずれて発生する
   プラズマ光を集光する光学系と、 集光されたプラズマ光を伝送する複数本の光ファイバ
   と、 複数本の光ファイバで伝送されてきた各プラズマ光をそ
   れぞれ独立に分光してスペクトル光とすると共に、分光
   された各スペクトル光を空間的に異なる位置に振り分け
   て出力する分光器と、 分光器から出力された複数のスペクトル光を撮影し、撮
   影して得た映像信号を出力する固体撮像素子カメラと、 前記映像信号を基に前記測定対象物の組成成分の同定と
   組成成分の濃度検出をするコンピュータとを有し、 前記複数本の光ファイバは、最も短い光ファイバに対し
   それよりも長い他の光ファイバの長さが、最も最初にプ
   ラズマ光を発生する組成成分からプラズマ光が発生した
   タイミングからその後にプラズマ光を発生する組成成分
   からプラズマ光が発生したタイミングまでの時間に、前
   記光ファイバ中の光の伝送速度を掛けた距離だけ長くな
   っていることを特徴とするレーザを用いた組成成分計測
   装置。