JP2023544781A - 燃焼ゾーン化学物質検知システム及び関連する方法 - Google Patents

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Abstract

Figure 2023544781000001
入力ファイバ（１５０）からのＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートするピッチ反射光学素子（１１０）と、反射器（１２０）と、反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバ（１５２）の中へ集束させるキャッチ反射光学素子（１１２）と、出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出する検出器（１４０）とを含む燃焼ゾーン化学物質検知システム（１００）が開示される。入力ファイバ（１５０）からのＭＩＲ電磁エネルギーを反射器（１２０）に向けてコリメートするピッチ反射光学素子（１１０）と、反射器から反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバ（１５２）の中へ集束させるキャッチ反射光学素子（１１２）と、燃焼ゾーンに隣接する構造体と接合する位置合わせハウジングとを含む燃焼ゾーン（１０４）を検知するための光学ヘッド（１０２）が開示される。燃焼ゾーンを横断するように入力ファイバから出るＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートすることと、燃焼ゾーンからの反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させることとを含む燃焼ゾーン内のガス濃度を決定するための方法が開示される。

Description

（関連出願）
本出願は、２０２０年１０月０９日に出願された、米国仮特許出願第６３／０８９，５５５号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（tunable diode laser absorption spectroscopy、ＴＤＬＡＳ）が、大規模炉内の燃焼を含む燃焼を監視するために使用されてきた。ＴＤＬＡＳシステムは、燃焼プロセスチャンバ内及び燃焼ゾーンにおけるガスの存在又は濃度を監視する。これらのシステムは、光ファイバケーブルとともに近赤外線（near infrared、ＮＩＲ）及び可視光を使用して、レーザからの電磁エネルギーを燃焼ゾーンの一方の側に方向付け、そこでチャンバ内の化学種によって光が吸収され得る。残りの光は、燃焼ゾーンの他方の側の別の光ファイバケーブルの中へ集束され、検出器に方向付けられ、そこで信号が検出され、分析されて、１つ以上の種の濃度が計算され得る。
したがって、従来のＴＤＬＡＳシステムは、別個のピッチヘッド及びキャッチヘッドを利用し、両方とも光ファイバケーブルによってレーザ及び検出器にそれぞれ接続される。これは、ＴＤＬＡＳシステムの電子機器、レーザ、及び検出器と高温燃焼プロセスチャンバとの間に十分な距離を維持することを可能にする。ピッチヘッド及びキャッチヘッドは、燃焼プロセスチャンバの周りの２つの場所にあり、光と燃焼種との相互作用を最大化し、それによって信号対雑音比を増加させるように、チャンバを挟んで真向かいに位置決めされ得る。
実施形態では、燃焼ゾーン化学物質検知システムは、入力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートする、燃焼ゾーンの第１の側のピッチ反射光学素子と、コリメートされたＭＩＲ電磁エネルギーを反射する、燃焼ゾーンの第２の側の反射器と、反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させる、燃焼ゾーンの第１の側のキャッチ反射光学素子と、出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出する検出器と、を含む。
実施形態では、燃焼ゾーンを検知するための光学ヘッドは、入力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを反射器に向けてコリメートするピッチ反射光学素子と、反射器から反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させるキャッチ反射光学素子と、燃焼ゾーンに隣接する構造体と接合し、燃焼ゾーンに対してピッチ反射光学素子及びキャッチ反射光学素子を保持及び位置決めする位置合わせハウジングと、を含む。
実施形態では、燃焼ゾーン内のガス濃度を決定するための方法は、燃焼ゾーンを横断するように入力ファイバから出るＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートすることと、燃焼ゾーンからの反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させることと、を含む。
実施形態による燃焼ゾーン化学物質検知システムを示す。 実施形態による、図１の燃焼ゾーン化学物質検知システムとともに使用され得る検知するための光学ヘッドを示す。 実施形態による、直交軸に沿って見た図２の光学ヘッドを示す。 ２つの垂直な側面図に沿って見た図２及び図３に示される光学ヘッドの一実施形態を示す。 ２つの垂直な側面図に沿って見た図２及び図３に示される光学ヘッドの一実施形態を示す。 実施形態による、燃焼ゾーン内のガス濃度を決定し、図１のシステムとともに使用するのに適した方法を示すフローチャートである。
燃焼プロセスチャンバ内の効率を監視するために光学技術を使用することは、他の理由の中でも、侵襲的監視プローブが監視対象のプロセスに影響を及ぼす場合があるので、有利である。波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）は、燃焼環境において見られるガスの様々な吸収特徴を使用して、様々な燃焼プロセスを監視するために使用されてきた。水蒸気、二酸化炭素、及び一酸化炭素は、それらの比較的強い吸収特徴のために、頻繁な標的であり、各々、電磁スペクトルの近赤外（ＮＩＲ）及び可視領域において既知の吸収特徴を有する。場合によっては、ＴＤＬＡＳシステムで使用される光の帯域幅を拡大することが望ましく、それは、いくつかの分子は、赤外線のより長い波長部分、特に中赤外線（mid infrared、ＭＩＲ）内で強い吸収特徴を有するからである。例えば、一酸化炭素は、λ＝２３０２ナノメートル（ｎｍ）付近に吸収特徴を有し、これは、ＮＩＲ及び可視における任意のＣＯ吸収特徴よりもはるかに強い吸収を示す。
しかしながら、ＴＤＬＡＳシステムを赤外線で動作させることは、実際には困難であり、それは、従来の光ファイバで使用される材料は、より長い波長で減衰した透過を示すことが多く、これは、赤外線測定の利用可能な信号対雑音比を制限するからである。このため、従来のＴＤＬＡＳは、λ＝１５６０ｎｍにおけるＣＯ吸収特徴を使用し、これは、より弱い吸収断面積に起因してＣＯの検出限界を制限する。
ＴＤＬＡＳシステムをＭＩＲ電磁エネルギーで動作させる際の別の課題は、光ファイバケーブルの中へ及び光ファイバケーブルから光を集束させるために使用されるレンズが、より長い波長では色収差を示すことである。従来のレンズは、レンズ材料の屈折率を使用して、レンズの表面で光を屈折させ、方向転換させる。しかしながら、屈折率は変化する波長とともに変化するので、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーだけでなくＭＩＲ電磁エネルギーも集束させるレンズベースの光学系を設計することは困難である。
本実施形態は、上述の課題を改善し、可視波長、ＮＩＲ波長、及びＭＩＲ波長でのＴＤＬＡＳシステムの使用を可能にし、それによって検出感度及びシステム機能を高める。
ＭＩＲ電磁エネルギーを使用して測定を実行するのに十分な光強度を維持するために、本実施形態は、燃焼プロセスチャンバに搭載されている単一の光学ヘッド（図１、図２、図３、図４）を有するＴＤＬＡＳシステムを説明する。第２の光学ヘッドの必要性を除去することによって、必要とされる光ファイバケーブルの長さが劇的に低減される一方で、燃焼プロセスチャンバとＴＤＬＡＳを動作させるために必要とされる電気システムとの間に十分な距離が維持される。従来の２光学ヘッド構成では、ピッチヘッド及びキャッチヘッドの両方をシステムの電気的構成要素に接続するために追加の光ファイバケーブルが必要である。大きなプロセスチャンバ、例えば、１５メートルに等しい直径を有するチャンバでは、光ファイバケーブルは、他の光学ヘッドをレーザ、検出器、及び関連する電子機器に接続するためにチャンバの周囲の半分を移動しなければならず、約２０メートルの追加の光ファイバケーブルがシステムに追加される。光ファイバケーブル内でのＭＩＲ光の低透過率を所与とすると、２ヘッドの従来技術の解決策でＭＩＲ測定を実行するのに十分な光強度がない。
本明細書に記載される光学ヘッドと組み合わせて、反射器が燃焼プロセスチャンバの内側に搭載されて、電磁エネルギーを光学ヘッドから燃焼プロセスチャンバを横切って単一の光学ヘッドに戻すように方向転換する。実施形態では、再帰反射器（例えば、コーナーキューブ鏡）が反射器として使用されて、入射光を出力光ファイバへの入力のために光学ヘッドに向かって直接戻すように方向付け、出力光ファイバにおいて、関連する検出器及び分析電子機器によって分析され得る。
光の広い帯域幅に対応するために、本明細書に記載される燃焼ゾーン化学物質検知システムは、使用される周波数の範囲にわたって無視できる波長依存性を示す鏡を利用する。したがって、実施形態では、軸外放物面鏡を使用して、光学ヘッドの入力光ファイバケーブルを出る光をコリメートし、同じ光学ヘッドにおける第２の軸外放物面鏡を使用して、光を出力光ファイバケーブルの中へ集束させる。
図１は、ピッチ反射光学素子１１０と、反射器１２０と、キャッチ反射光学素子１１２と、検出器１４０とを有する燃焼ゾーン化学物質検知システム１００を示す。ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２は、燃焼ゾーン１０４の第１の側１０６上にあり、反射器１２０は、燃焼ゾーン１０４の第２の側１０８上にある。ピッチ反射光学素子１１０は、入力ファイバ１５０からのＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートして、燃焼ゾーン１０４を横断するコリメートされた電磁エネルギー１１６を形成する。電磁エネルギーは、図示のように燃焼ゾーン１０４を直接横切って位置決めされ得る反射器１２０によって反射される。反射器１２０は、本明細書の範囲から逸脱することなく、燃焼ゾーン１０４の周りの他の位置にあってもよい。キャッチ反射光学素子１１２は、反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバ１５２の中へ集束させ、そこで検出器１４０に伝達される。実施形態では、ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２は両方とも、燃焼ゾーン１０４に対してピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２を保持及び位置決めする光学ヘッド１０２に搭載されている。実施形態では、コリメートされた電磁エネルギー１１６は、燃焼ゾーン１０４内にある燃焼源１１４によって生成されたガス種１１８と相互作用し、コリメートされた電磁エネルギー１１６の一部が吸収され、検出器１４０によって測定されるパワーの低減につながる。この吸収を使用して、燃焼ゾーン１０４内に存在するガス種１１８の濃度を計算することができる。図１は、軸インジケータ１９８Ｘ、１９８Ｙ、及び１９８Ｚを含み、これらは、図１に示される燃焼ゾーン化学物質検知システム１００に関連するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を有するデカルト座標系を示す。
実施形態では、ピッチ反射光学素子１１０は、ＭＩＲ電磁エネルギーに加えて、近赤外線（ＮＩＲ）及び可視電磁エネルギーを更にコリメートする。ＭＩＲにおけるように、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーは、反射器１２０によって反射され、次いで、キャッチ反射光学素子１１２によって出力ファイバ１５２の中へ集束され、その後、検出器１４０によって検出される。この実施形態では、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、ＭＩＲ、ＮＩＲ、及び可視光とともに使用することができ、それによって、検出され得る分子の範囲を拡大し、検出感度を増加させる。例えば、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、ＣＯによって強く吸収されるλ＝２３０２ｎｍの電磁エネルギーを使用して、また、Ｏ2によって強く吸収されるλ＝７６０ｎｍの電磁エネルギーで動作させることができる。
実施形態では、入力ファイバ１５０及び出力ファイバ１５２は、２８メートル未満の組み合わされた長さを有する。より長い波長、例えば、λ＝２３０２ｎｍの電磁エネルギーは、より短い波長、例えば、λ＝７６０ｎｍの光よりも多く吸収される。燃焼ゾーン化学物質検知システム１００で使用される光ファイバケーブルの全長を短くすることは、燃焼ゾーン１０４及び検出器１４０に到達するＭＩＲ電磁エネルギーの総量を増加させ、それによって、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００の感度を増加させる。
実施形態では、反射器１２０は、コリメートされた電磁エネルギー１１６を反射して、燃焼ゾーン１０４の第１の側１０６に向けて戻し、光学ヘッド１０２に戻す再帰反射器である。再帰反射器を使用することにより、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００に必要な位置合わせ要件が低減され、これは、設置の複雑さ、並びに潜在的な保守／再設置コスト及び動作中の潜在的な故障の原因を有益に減少させる。
実施形態では、ピッチ反射光学素子１１０は、ＭＩＲ、ＮＩＲ、及び可視を含む広帯域範囲の電磁エネルギーをコリメートする単一の反射鏡のみを有する。実施形態では、ピッチ反射光学素子１１０は、入力ファイバ１５０の出口と位置合わせされた焦点を有する軸外放物面鏡である。燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、ピッチ反射光学素子１１０に対して入力ファイバ１５０の出口を位置決めするための入力ファイバマウント１７０を含むことができる。
実施形態では、キャッチ反射光学素子１１２は、ＭＩＲ、ＮＩＲ、及び可視を含む広帯域範囲の電磁エネルギーを収集及び集束する単一の反射鏡のみを有する。実施形態では、キャッチ反射光学素子１１２は、出力ファイバ１５２の入口と位置合わせされた焦点を有する軸外放物面鏡である。燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、キャッチ反射光学素子１１２に対して出力ファイバ１５２の入口を位置決めするための出力ファイバマウント１７２を含むことができる。ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２の一方又は両方は各々、本明細書の範囲から逸脱することなく、２つ以上の光学要素を有してもよい。
実施形態では、入力ファイバ１５０はシングルモード光ファイバであり、出力ファイバ１５２はマルチモード光ファイバであるが、本明細書の範囲から逸脱することなく、入力ファイバ１５０がマルチモードファイバであってもよく、出力ファイバ１５２がシングルモードファイバであってもよい。
実施形態では、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、入力ファイバ１５０の中へ方向付けられ、コリメートされた電磁エネルギー１１６として燃焼ゾーン１０４を通って伝搬するＭＩＲ電磁エネルギーを生成するレーザ１５４を含む。システムは、検出器１４０及びレーザ１５４に通信可能に結合するプロセッサ１６０を更に含み得る。プロセッサ１６０は、機械可読命令を記憶するメモリ１６２に通信可能に結合され、機械可読命令は、プロセッサ１６０によって実行されると、検出器１４０によって測定されたパワーに少なくとも基づいて、燃焼ゾーン１０４内のガス種１１８の濃度を決定する。
レーザ１５４又は複数のレーザ１５４は、２つ以上の波長で電磁エネルギーを生成することができ、各波長は、標的ガス種の既知の吸収特徴に関連しており、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００が、燃焼ゾーン１０４内に存在する２つ以上のガス種１１８の濃度を計算することができるようにする。例えば、レーザ１５４は、ＣＯによって強く吸収されるλ＝２３０２ｎｍの電磁エネルギーを生成し、Ｏ2によって強く吸収されるλ＝７６０ｎｍの電磁エネルギーを生成することができる。それによって、プロセッサ１６０は、各波長で生成された電磁エネルギーについて検出器１４０によって測定されたパワーに基づいて、ＣＯ及びＯ2の両方の濃度を計算することができる。燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、本明細書の範囲から逸脱することなく、他の波長の電磁エネルギーを使用して動作することもでき、ＣＯ及びＯ2に加えて、又はその代わりに他の化学種の濃度を計算することもできる。
燃焼ゾーン化学物質検知システム１００は、燃焼ゾーン１０４を光学ヘッド１０２から分離する窓１７４を含み得る。窓１７４は、ＭＩＲ、ＮＩＲ、及び可視のうちの１つ以上を含む電磁エネルギーの範囲に対して透過性である材料で形成されてもよい。
図２は、燃焼ゾーン２０４を検知するように示される図１の光学ヘッド１０２を示す。光学ヘッド１０２は、ピッチ反射光学素子１１０と、キャッチ反射光学素子１１２と、位置合わせハウジング２３０とを含む。ピッチ反射光学素子１１０は、入力ファイバ１５０からのＭＩＲ電磁エネルギーを反射器２２０に向けてコリメートする。キャッチ反射光学素子１１２は、反射器２２０から反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバ１５２の中へ集束させる。位置合わせハウジング２３０は、燃焼ゾーン２０４に隣接する構造体２３４と接合する。構造体２３４は、燃焼プロセスチャンバ、炉、又は燃焼プロセスに関連する他の構造であってもよく、図２に示されるように燃焼ゾーン２０４を包囲しなくてもよい。位置合わせハウジング２３０は、燃焼ゾーン２０４に対して、ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２を保持及び位置決めする。図２は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を有するデカルト座標系を示す軸インジケータ１９８Ｘ、１９８Ｙ、及び１９８Ｚとともに光学ヘッド１０２の側面図を示す。ピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされた電磁エネルギーは、Ｚ軸に平行に伝搬する。
実施形態では、位置合わせハウジング２３０は、機械的開口２３６を形成し、この機械的開口２３６を通して、（ａ）ピッチ反射光学素子１１０が燃焼ゾーン２０４の中へＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートし、（ｂ）キャッチ反射光学素子１１２が燃焼ゾーン２０４からのＭＩＲ電磁エネルギーを捕捉する。
実施形態では、光学ヘッド１０２は、ピッチ反射光学素子１１０に対して入力ファイバ１５０を位置決めする入力ファイバマウント１７０と、キャッチ反射光学素子１１２に対して出力ファイバ１５２を位置決めする出力ファイバマウント１７２とを含む。入力ファイバマウント１７０及び出力ファイバマウント１７２は両方とも、位置合わせハウジング２３０に固定される。実施形態では、出力ファイバ１５２は、出力ファイバ１５２からのＭＩＲ電磁エネルギーを検出する検出器１４０に接続される。
実施形態では、ピッチ反射光学素子１１０は、ＭＩＲ電磁エネルギーに加えて、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーをコリメートする。光学ヘッド１０２によるＭＩＲ、ＮＩＲ、及び可視電磁エネルギーの使用は、燃焼ゾーン２０４内に存在する、広範囲の波長の電磁エネルギーを吸収するガス種、例えば、燃焼ゾーン１０４内のガス種１１８の検出を可能にする。実施形態では、光学ヘッド１０２によって使用されるＭＩＲ電磁エネルギーは、２２５０～２３５０ｎｍの波長を有し、これは、２３０２ｎｍで電磁エネルギーを強く吸収するＣＯガスを監視するのに有用である。
実施形態では、位置合わせハウジングは、ピッチ反射光学素子１１０によって反射されたＭＩＲ電磁エネルギーが、キャッチ反射光学素子１１２によって集束される直前のＭＩＲ電磁エネルギーに対して逆平行であるように、ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２を位置決めする。これは、光学ヘッド１０２の設置の複雑さを減少させ、潜在的な保守／再設置コストを低減し、動作中の潜在的な故障の原因を低減するので、有益である。
燃焼ゾーン２０４及び反射器２２０は、それぞれ図１の燃焼ゾーン１０４及び反射器１２０の例であり、各要素の説明は、２つの図に適用される。
図３は、実施形態では、ピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされた電磁エネルギーに平行である、１９８Ｚとして示されるＺ軸に沿って見た光学ヘッド１０２を示す。光学ヘッド１０２は、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００における使用に適合している。光学ヘッド１０２は、キャッチ反射光学素子１１２、並びに入力ファイバ１５０、入力ファイバマウント１７０、出力ファイバ１５２、及び出力ファイバマウント１７２を含む。ピッチ反射光学素子１１０、入力ファイバマウント１７０、キャッチ反射光学素子１１２、及び出力ファイバマウント１７２は、位置合わせハウジング２３０に取り付けられている。
図３に示されるように、ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２は、Ｚ軸に沿って見たときに重なり合うことができ、キャッチ反射光学素子１１２は、ピッチ反射光学素子１１０よりも大きい。実際には、ピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされた電磁エネルギーは、わずかに発散する（完全にはコリメートされていない）場合があり、電磁エネルギーがキャッチ反射光学素子１１２に反射されると、電磁エネルギーは拡大する。その結果、より多くの光を収集するためには、より大きな光学素子が適切である。ピッチ反射光学素子１１０及びキャッチ反射光学素子１１２の相対的なサイズ及び位置は、本明細書の範囲から逸脱することなく変更することができる。
図４Ａ及び図４Ｂは、実施形態における光学ヘッド１０２の機械的実施態様を示しており、合わせて見ることが最良ある。図４Ａは、Ｙ軸に沿って見た光学ヘッド１０２を示し、ピッチ反射光学素子１１０、キャッチ反射光学素子１１２、出力ファイバマウント１７２、及び機械的開口２３６を示し、これらは全て位置合わせハウジング２３０に搭載されている。出力ファイバマウント１７２は、キャッチ反射光学素子１１２に対して出力ファイバ１５２を位置決めする。ピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされた電磁エネルギー及びキャッチ反射光学素子１１２に向かって反射された電磁エネルギーは、図４Ａに真横向きで示されている機械的開口２３６を通って進む。説明を明確にするために、入力ファイバ１５０は図示されておらず、入力ファイバマウント１７０は図４Ａに示されていない。
図４Ｂは、Ｚ軸に沿って見た光学ヘッド１０２を示し、ピッチ反射光学素子１１０、キャッチ反射光学素子１１２、入力ファイバマウント１７０、及び機械的開口２３６を示し、これらは全て位置合わせハウジング２３０に搭載されている。入力ファイバマウント１７０は、ピッチ反射光学素子１１０に対して入力ファイバ１５０を位置決めする。ピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされた電磁エネルギー及びキャッチ反射光学素子１１２に向かって反射された電磁エネルギーは、図４Ｂに正面向きに示されている機械的開口２３６を通って進む。説明を明確にするために、出力ファイバ１５２は図４Ｂに示されていない。
図５は、燃焼ゾーン内のガス濃度を決定するための方法５００を示すフローチャートである。方法５００は、燃焼ゾーン化学物質検知システム１００とともに使用されてもよく、あるいは、光学ヘッド１０２を採用してもよい。方法５００は、ブロック５１０及び５２０を含む。実施形態では、方法５００はまた、５１２、５３０、５４０、及び５５０のうちの１つ以上を含む。
方法５００のブロック５１０において、入力ファイバを出るＭＩＲ電磁エネルギーは、コリメートされ、燃焼ゾーンを横切るように方向付けられる。ブロック５１０の一例では、ＭＩＲ電磁エネルギーは、入力ファイバ１５０を出た後にピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされ、次いで燃焼ゾーン１０４を横断する。
方法５００のブロック５２０において、燃焼ゾーンからの反射されたＭＩＲ電磁エネルギーは、出力ファイバの中へ集束される。ブロック５２０の一例では、燃焼ゾーン１０４からのＭＩＲ電磁エネルギーは、キャッチ反射光学素子１１２によって出力ファイバ１５２の中へ集束される。
特定の実施形態では、方法５００は、図５のフローチャートの１つ以上の追加のブロックを含む。ブロック５１２において、電磁エネルギーは、反射器及び再帰反射器のうちの１つで反射される。ブロック５１２の一例では、電磁エネルギーは、再帰反射器の形態の反射器１２０によって反射される。
方法５００のブロック５３０において、出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーが検出器で検出される。ブロック５３０の一例では、出力ファイバ１５２を出るＭＩＲ電磁エネルギーが検出器１４０によって検出される。
方法５００のブロック５４０において、入力ファイバを出るＮＩＲ及び可視電磁エネルギーが、コリメートされ、燃焼ゾーンを横切るように方向付けられる。ブロック５４０の一例では、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーは、入力ファイバ１５０を出た後にピッチ反射光学素子１１０によってコリメートされ、次いで燃焼ゾーン１０４を横断する。
方法５００のブロック５５０において、燃焼ゾーンからの反射されたＮＩＲ及び可視電磁エネルギーは、出力ファイバの中へ集束される。ブロック５５０の一例では、燃焼ゾーン１０４からのＮＩＲ及び可視電磁エネルギーは、キャッチ反射光学素子１１２によって出力ファイバ１５２の中へ集束される。
上記の方法及びシステムでの変更は、本実施形態の範囲を逸脱せずに行うことができる。したがって、上記の説明に含まれ、又は添付図面に示された主題は、例示的なものとして解釈されるべきであり、かつ限定的な意味で解釈されるべきではないことを留意されたい。以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載された全ての一般的かつ特定の特徴、並びに本発明の方法及びシステムの範囲の全ての陳述をカバーすることを意図し、それは、言葉として、それらの間にあると言ってもよい。
特徴の組み合わせ
（Ａ１）第１の態様において、燃焼ゾーン化学物質検知システムは、入力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートする、燃焼ゾーンの第１の側のピッチ反射光学素子と、コリメートされたＭＩＲ電磁エネルギーを反射する、燃焼ゾーンの第２の側の反射器と、反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させる、燃焼ゾーンの第１の側のキャッチ反射光学素子と、出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出する検出器と、を含む。
（Ａ２）Ａ１の実施形態では、ピッチ反射光学素子は、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーを更にコリメートする。
（Ａ３）Ａ１又はＡ２のいずれかの実施形態では、入力ファイバ及び出力ファイバを更に含み、入力ファイバ及び出力ファイバの組み合わされた長さは、２８メートル未満である。
（Ａ４）Ａ３の実施形態では、出力ファイバはマルチモード光ファイバである。
（Ａ５）Ａ１～Ａ４のいずれかの実施形態では、反射器は、再帰反射器である。
（Ａ６）Ａ１～Ａ５のいずれかの実施形態では、ピッチ反射光学素子は、軸外放物面鏡を含み、キャッチ反射光学素子は、軸外放物面鏡を含む。
（Ａ７）Ａ１～Ａ６のいずれかの実施形態では、入力ファイバの中へ伝達されるＭＩＲ電磁エネルギーを生成するレーザと、検出器に通信可能に結合されたプロセッサと、プロセッサに通信可能に結合され、プロセッサによって実行されると、検出器によって測定されたパワーに少なくとも基づいて燃焼ゾーン内のガス種の濃度を計算する機械可読命令を記憶するメモリと、を更に含む。
（Ｂ１）第２の態様では、燃焼ゾーンを検知するための光学ヘッドは、入力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを反射器に向けてコリメートするピッチ反射光学素子と、反射器から反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させるキャッチ反射光学素子と、燃焼ゾーンに隣接する構造体と接合し、燃焼ゾーンに対してピッチ反射光学素子及びキャッチ反射光学素子を保持及び位置決めする位置合わせハウジングと、を含む。
（Ｂ２）Ｂ１の実施形態では、位置合わせハウジングは、機械的開口を形成し、機械的開口を通して、ａ）ピッチ反射光学素子が燃焼ゾーンの中へＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートし、（ｂ）キャッチ反射光学素子が燃焼ゾーンからのＭＩＲ電磁エネルギーを捕捉する。
（Ｂ３）Ｂ１又はＢ２のいずれかの実施形態では、ピッチ反射光学素子に対して入力ファイバを位置決めする入力ファイバマウントと、キャッチ反射光学素子に対して出力ファイバを位置決めする出力ファイバマウントと、を更に含む。
（Ｂ４）Ｂ１～Ｂ３のいずれかの実施形態では、位置合わせハウジングは、ピッチ反射光学素子によって反射されたＭＩＲ電磁エネルギーが、キャッチ反射光学素子によって集束される前のＭＩＲ電磁エネルギーに対して逆平行であるように、ピッチ反射光学素子及びキャッチ反射光学素子を位置決めする。
（Ｂ５）Ｂ１～Ｂ４のいずれかの実施形態では、ＭＩＲ電磁エネルギーは、２２５０～２３５０ナノメートルの波長を有する。
（Ｂ６）Ｂ１～Ｂ５のいずれかの実施形態では、出力ファイバは、出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出する検出器に接続されている。
（Ｂ７）Ｂ１～Ｂ６のいずれかの実施形態では、ピッチ反射光学素子は、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーを更にコリメートする。
（Ｂ８）Ｂ１～Ｂ７のいずれかの実施形態では、ピッチ反射光学素子は、軸外放物面鏡を含み、キャッチ反射光学素子は、軸外放物面鏡を含む。
（Ｃ１）第３の態様では、燃焼ゾーン内のガス濃度を決定するための方法は、燃焼ゾーンを横断するように入力ファイバから出るＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートすることと、燃焼ゾーンからの反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させることと、を含む。
（Ｃ２）Ｃ１の実施形態では、出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出することを更に含む。
（Ｃ３）Ｃ１又はＣ２のいずれかの実施形態では、燃焼ゾーンを横断するように入力ファイバから出るＮＩＲ及び可視電磁エネルギーをコリメートすることと、燃焼ゾーンからのＮＩＲ及び可視の反射された電磁エネルギーを出力ファイバの中へ集束させることと、を更に含む。
（Ｃ４）Ｃ１～Ｃ３のいずれかの実施形態では、反射器及び再帰反射器のうちの１つを用いて電磁エネルギーを反射することを更に含む。
（Ｃ５）Ｃ１～Ｃ４のいずれかの実施形態では、コリメートするステップは、軸外放物面反射器を用いて電磁エネルギーを反射することを含み、集束させるステップは、軸外放物面反射器を用いて電磁エネルギーを集束させることを含む。

Claims (20)

  1. 燃焼ゾーン化学物質検知システムであって、
    入力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートする、前記燃焼ゾーンの第１の側のピッチ反射光学素子と、
    コリメートされたＭＩＲ電磁エネルギーを反射する、前記燃焼ゾーンの第２の側の反射器と、
    反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバに集束させる、前記燃焼ゾーンの前記第１の側のキャッチ反射光学素子と、
    前記出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出するための検出器と、を備える、燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  2. 前記ピッチ反射光学素子が、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーを更にコリメートする、請求項１に記載の燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  3. 入力ファイバと、出力ファイバとを更に備え、前記入力ファイバ及び前記出力ファイバの組み合わせた長さが、２８メートル未満である、請求項１に記載の燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  4. 前記出力ファイバが、マルチモード光ファイバである、請求項３に記載の燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  5. 前記反射器が、再帰反射器である、請求項１に記載の燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  6. 前記ピッチ反射光学素子が、軸外放物面鏡を備え、前記キャッチ反射光学素子が、軸外放物面鏡を備える、請求項１に記載の燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  7. 入力ファイバに伝達されるＭＩＲ電磁エネルギーを発生させるレーザと、
    前記検出器に通信可能に結合されたプロセッサと、
    前記プロセッサに通信可能に結合され、機械可読命令を記憶するメモリであって、前記機械可読命令が、前記プロセッサによって実行されると、前記検出器によって測定されたパワーに少なくとも基づいて、前記燃焼ゾーン内のガス種の濃度を計算する、メモリと、を更に備える、請求項１に記載の燃焼ゾーン化学物質検知システム。
  8. 燃焼ゾーンを検知するための光学ヘッドであって、
    反射器に向かって、入力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートするピッチ反射光学素子と、
    前記反射器から反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを出力ファイバに集束させるキャッチ反射光学素子と、
    前記燃焼ゾーンに隣接する構造体と接合し、前記燃焼ゾーンに対して前記ピッチ反射光学素子及びキャッチ反射光学素子を保持して位置決めする、位置合わせハウジングと、を備える、光学ヘッド。
  9. 前記位置合わせハウジングが、機械的開口を形成し、前記機械的開口を通して、ａ）前記ピッチ反射光学素子が前記燃焼ゾーンにＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートし、（ｂ）前記キャッチ反射光学素子が前記燃焼ゾーンからのＭＩＲ電磁エネルギーを捕捉する、請求項８に記載の光学ヘッド。
  10. 前記位置合わせハウジングが、
    前記ピッチ反射光学素子に対して前記入力ファイバを位置決めする入力ファイバマウントと、
    前記キャッチ反射光学素子に対して前記出力ファイバを位置決めする出力ファイバマウントと、を更に備える、請求項８に記載の光学ヘッド。
  11. 前記位置合わせハウジングが、前記ピッチ反射光学素子によって反射されたＭＩＲ電磁エネルギーが前記キャッチ反射光学素子によって集束される前のＭＩＲ電磁エネルギーに逆平行であるように、前記ピッチ反射光学素子及びキャッチ反射光学素子を位置決めする、請求項８に記載の光学ヘッド。
  12. 前記ＭＩＲ電磁エネルギーが、２２５０～２３５０ナノメートルの波長を有する、請求項８に記載の光学ヘッド。
  13. 前記出力ファイバが、前記出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出する検出器に接続されている、請求項８に記載の光学ヘッド。
  14. 前記ピッチ反射光学素子が、ＮＩＲ及び可視電磁エネルギーを更にコリメートする、請求項８に記載の光学ヘッド。
  15. 前記ピッチ反射光学素子が、軸外放物面鏡を備え、前記キャッチ反射光学素子が、軸外放物面鏡を備える、請求項８に記載の光学ヘッド。
  16. 燃焼ゾーン内のガス濃度を決定するための方法であって、燃焼ゾーンを横断するように入力ファイバから出るＭＩＲ電磁エネルギーをコリメートすることと、
    反射されたＭＩＲ電磁エネルギーを前記燃焼ゾーンから出力ファイバに集束させることと、を含む、方法。
  17. 前記出力ファイバからのＭＩＲ電磁エネルギーを検出することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記燃焼ゾーンを横断するように前記入力ファイバから出るＮＩＲ及び可視電磁エネルギーをコリメートすることと、
    前記燃焼ゾーンからのＮＩＲ及び可視反射電磁エネルギーを前記出力ファイバに集束させることと、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 反射器及び再帰反射器のうちの１つを用いて電磁エネルギーを反射することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記コリメートするステップが、軸外放物面反射器を用いて電磁エネルギーを反射することを含み、
    前記集束させるステップが、軸外放物面反射器を用いて電磁エネルギーを集束させることを含む、請求項１６に記載の方法。
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