JP4038631B2 - High-speed measurement method and system for temperature, concentration, and chemical species using semiconductor laser spectroscopy - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
半導体レーザ分光法を用いると、複数化学種の温度や濃度を同時かつ高時間分解能で時系列的計測を行うことができ、レーザ自体が小型でロバスト性に優れており、装置の取扱いや光ファイバによる光学的アクセスが容易であることから、各種の実用燃焼機器の計測やリークセンサへの応用が期待されているところである。
【０００３】
【従来の技術】
従来においては、主に主要燃焼生成物であるＨ₂ Ｏの温度・濃度・流速などの計測に関する研究が多くなされていたが、最近では、ＣＨ₄ 、ＮＯ、ＣＯ、ＣＯ₂ などの計測への応用もなされている。特に、近年、地球温暖化問題で注目されているＣＯ₂ に関しては、広範囲の波長掃引が可能である１．５μｍ付近（一般には、１．３〜１．５μｍの範囲をいう）の外部キャビティ半導体レーザによる濃度計測の報告がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記波長帯は吸収強度が弱いため、数１０ｍという長い光路長が必要であるといった課題があるとともに、外部キャビティ半導体レーザは、波長掃引速度が制限されるため、高時間分解能での計測ができず、また、振動に対して弱く、装置が大掛かりになるといった課題がある。
【０００５】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、コンパクトな装置構成によって、燃焼場に存在する燃料や燃焼ガス（例えばＣＨ₄ 、ＣＯ、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ、ＮＯ、ＮＯ₂ など）の温度・濃度・化学種を数１０ｋＨｚ以上の高時間分解能で時系列計測できる半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、２μｍ付近のレーザ光をアイソレータと光ファイバとを介して被測定ガスに照射するとともに、前記レーザ光の波長掃引を行うようにし、高温領域と低温領域において最適の波長を用いるようにしている（請求項１および請求項６）。
【０００７】
従来よりも長い波長である２μｍ付近（一般には、１．８〜２．２μｍの範囲をいう）の半導体レーザを用いることによって、吸収の強い吸収線で計測を行うことができるとともに、必要航路長の短縮や、温度・濃度・化学種の計測におけるＳ／Ｎを向上させることができる。そして、前記レーザ光の波長掃引に必要な外部入力信号の波形として、直線、曲線、ステップを含む波形、より具体的には、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを用いるようにしているので、高速掃引を行うことができ、温度・濃度・化学種を高速で時系列計測することができる。特に、前記波形としてサイン波を用いた場合、半導体レーザはアンプなどの時間応答性の周波数特性を向上させることができ、１０ＭＨｚでの高速波長掃引が可能となり、これによって、１０ＭＨｚの高速で温度・濃度・化学種の時系列計測を行うことができる。さらに、高温領域と低温領域において最適の波長を用いるようにすることにより、レーザ光として、上記吸収線のうちから被測定場の温度によっておよび温度測定感動が高くなるような組み合わせとなるよう選択できる。
【０００８】
そして、２つ以上の波長の異なるレーザ光をシーケンシャルに発振（時分割発振）させるようにしてもよく、そのようにした場合、分波器などの光学手段が不要になり、装置構成を簡略化できるとともに、ロバスト性の向上を図ることができる。
【０００９】
また、２つの波長の異なるレーザ光を、双方向通信のように発振するようにしてもよく、そのようにした場合、分波器などの光学手段が不要になり、装置構成を簡略化できるとともに、ロバスト性の向上を図ることができる。
【００１０】
さらに、信号処理においてベースライン補間を行うようにしてもよい。
【００１１】
さらにまた、２つ以上の波長の異なるレーザ光を用いることによりセル窓などの汚れや振動などの外乱を補償することもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。まず、半導体レーザ分光法による温度・濃度・化学種の同時計測原理について説明すると、図９に示すように、半導体レーザ８１から波数ｖの入射光がセル８２内の気体に入射すると、前記入射光はガスの吸収を受けて、受光素子８３に受光されるが、その透過光強度は、下記（１）式で表されるランバート−ベールの法則に従う。
（Ｉ／Ｉ_O ）_v ＝ｅｘｐ（−ｋ_v Ｌ） ……（１）
ここで、Ｉ_O は入射光強度、Ｉは透過光強度、Ｌは光路長であり、ｋ_v は吸収係数である。そして、この吸収係数ｋ_v は、下記（２）式で表され、さらに、これを振動数ｖで積分した積分吸収係数は、下記（３）式で表される。
【００１３】
ｋ_v ＝Ｓ（Ｔ）Ｐ_abs φ_v ……（２）
【００１４】

【００１５】
ここで、Ｓ（Ｔ）〔ｃｍ^-2ａｔｍ^-1〕は吸収線遷移強度、Ｐ_abs 〔ａｔｍ〕は光を吸収する気体の分圧、φ_v 〔ｃｍ〕は線形関数である。
【００１６】
気体は、それぞれ固有の吸収波長帯を持っており、その吸収波長帯には、例えば図１０に示すように、多くの吸収線が存在している。この図１０は、ＣＯ₂ （２μｍ帯）の吸収線の分布を示すもので、同図（Ａ）は温度が２９６Ｋのもの、同図（Ｂ）は温度が７５０Ｋのものである。
【００１７】
そして、図１１に示すように、前記吸収線のうちの１本、例えば波長λ₁ に対して半導体レーザの発振波長を掃引することによって吸収を測定する。この波形と参照光波形との比をとることによって、スペクトルプロファイルを測定する。また、温度計測は、前記スペクトルプロファイルを異なる２つの吸収線λ₁ ，λ₂ について計測し、それらの面積比Ａ₁ ／Ａ₂ （またはピーク高さの比Ｐ₁ ／Ｐ₂ ）をとることにより求めることができる。
【００１８】
なお、前記スペクトルプロファイルを得る場合、参照光波形は必ずしも必要ではなく、半導体レーザの発振波長を掃引することによって吸収を測定したときに得られる測定光波形のみからでもベースライン補間の手法を用いることにより、スペクトルプロファイルを得ることができる。すなわち、測定光波形が、前記図１１の左上に示すような場合、図中の符号Ｘで示す部分をベースライン補間の手法によって求め、これを他の吸収のない部分（図中の符号Ｙで示す仮想線）と一直線状に結び、これを参照光波形とするのである。
【００１９】
そして、複数の吸収線のスペクトルプロファイルから一つの複合スペクトルプロファイルを形成している気体の場合、その複合スペクトルプロファイルの吸収度Ａは、下記（４）式に示すように、スペクトルプロファイルの下部の総面積で表される。
Ａ＝Σ（ＫＬ）＝Ｐ_abs ＬＳ（Ｔ） ……（４）
【００２０】
そして、２つの複合スペクトルプロファイルについて、吸収度を計測し、それらの比Ｒと、下記（５）式から温度Ｔを求める。
【００２１】

ここで、ｈ〔Ｊ・ｓ〕はプランク定数、ｃ〔ｃｍ／ｓ〕は光速、ｋ〔Ｊ／Ｋ〕はボルツマン定数、Ｅ”〔ｃｍ^-1〕は準位のエネルギーである。
【００２２】
そして、全圧Ｐ〔ａｔｍ〕と光路長Ｌ〔ｃｍ〕が既知である場合、前記（５）式から求めた温度Ｔと前記（４）式とから測定気体のモル分率を求めることができる。つまり、個々の測定対象成分の濃度が求められる。
【００２３】
【実施例】
図１は、この発明の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システム（以下、単に計測システムという）を説明するための概念図であり、図２はその実際の計測システムの構成を概略的に示す図である。以下においては、主として図２を参照しながら説明する。
【００２４】
図１および図２において、１，２は発光部としての半導体レーザで、互いに異なる波長λ₁ （例えば１．９９６μｍ），λ₂ （例えば２．０５０μｍ）のレーザ光を発し、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザよりなる。これらの半導体レーザ１，２は、ファンクションジェネレータ３によってそれぞれ電流制御される。これらの半導体レーザ１，２は、その波長掃引に必要な外部入力信号として、直線、曲線、ステップを含む波形、具体例として、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを用いるようにしている。また、これらの半導体レーザ１，２は、図示してないが、それぞれ２．０μｍ用のアイソレータを備えている。
【００２５】
４，５は前記半導体レーザ１，２に光ファイバ６，７を介して接続されるファイバカプラ、８は半導体レーザ１，２がそれぞれ発するレーザ光を後述するセル１３に測定光として送出するためのファイバカプラで、９，１０は光ファイバである。なお、光ファイバ６，７には、参照光としてのレーザ光用の光ファイバ１１，１２がそれぞれ接続されている。
【００２６】
１３は前記ファイバカプラ８の後段に設けられるセルである。このセル１３の両端部は、２μｍ付近のレーザ光を透過させるセル窓１３ａ，１３ｂで封止されるとともに、ガス導入口１３ｃ、ガス導出口１３ｄを備え、ガス導入口１３ｃには例えばＣＯ₂ と空気とを適宜の割合で供給できるように開閉弁１４，１５を備えたガス供給ライン１６，１７が接続され、ガス導出口１３ｄには開閉弁１８および真空ポンプ１９を備えたガス排出ライン２０が接続されている。この実施例においては、セル窓１３ａ，１３ｂの外部にミラー２１，２２を設け、セル１３に入射したレーザ光がセル１３内を数回通過した後、出射するように構成されている。
【００２７】
そして、２３，２４はセル１３の前段側および後段側にそれぞれ設けられるコリメータで、後段側のコリメータ２４の後段には分波器２５が設けられている。この分波器２５は、セル１３を透過した二つの波長のレーザ光（測定光）を波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光に分離するものである。
【００２８】
２６，２７は測定光用のフォトダイオード、２８，２９は参照光用のフォトダイオードで、これらのフォトダイオード２６，２７には分波器２５によって分離された波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光（測定光）が入射し、フォトダイオード２８，２９には光ファイバ１１，１２を経て波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光（参照光）が入射する。
【００２９】
３０〜３３は前記フォトダイオード２６〜２９にそれぞれ対応して設けられるプリアンプで、これらのプリアンプ３０〜３３は、Ａ／Ｄ変換器３４を経て図示していない信号処理装置（例えばコンピュータ）に入力されるように構成されている。
【００３０】
上述のように構成された計測システムにおいては、セル１３にＣＯ₂ と空気とを適宜の割合で混合したガスが被測定ガスとして供給される。この状態において、半導体レーザ１，２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ₁ ，λ₂ が、混合した状態で被測定ガスが充填されたセル１３を測定光として透過する。この測定光は、分波器２５において元の波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光となり、フォトダイオード２６，２７に入射する。一方、前記半導体レーザ１，２からそれぞれ発せられた二つの波長のレーザ光λ₁ ，λ₂ は、そのまま光ファイバ１１，１２を経て参照光としてフォトダイオード２８，２９に入射する。
【００３１】
そして、前記フォトダイオード２６〜２９からは、前記入射する光に応じた信号を出力し、これらの出力信号は、プリアンプ３０〜３３を経てＡ／Ｄ変換器３４に入り、その変換出力がコンピュータに入力され、信号処理される。セル１３に供給された被測定ガスの温度・濃度・化学種が求められる。
【００３２】
上記実施例における計測システムにおいては、計測に用いるレーザ光を、従来よりも長い波長である２μｍ付近の相異なる波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光を用いているので、吸収の強い吸収線で計測を行うことができ、必要光路長の短縮や、温度・濃度・化学種の測定におけるＳ／Ｎの向上が図れる。
【００３３】
そして、半導体レーザ１，２から前記波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光を発するに際しては、波長掃引を行わせるために、上述したように、直線、曲線、ステップを含む波形、具体例として、サイン波、ランプ波、三角波、パルス波のいずれかまたはそれらのうちのいずれかを適宜組み合わせたものを、外部入力信号として用いることができるが、特に、サイン波信号を掃引信号として用いることにより、半導体レーザ１，２やアンプなどの時間応答性の周波数特性を向上させることができ、１０ＭＨｚでの高速波長掃引が可能となり、これによって、１０ＭＨｚの高速で温度・濃度・化学種の時系列計測を行うことができる。
【００３４】
また、前記計測に際しては、１本の吸収線のスペクトルプロファイル全体を計測するのではなく、前記図１１に示したように、スペクトルのピークの高さだけを検出し、そこから温度・濃度を算出する。その際、温度・濃度・圧力・流速が変動する場ではスペクトルのピークの位置がシフトするため、波長固定ではピークからずれてしまう可能性がある。そこで、図１２に示すように、ピーク付近の狭い範囲のみに対して波長掃引を行い、確実にピークの高さを検出する。このようにすることにより、波長掃引範囲を狭くすることができ、サンプル数が少なくてもこれを有効に使うことができるので、計測をより高速に行うことができる。
【００３５】
上述の実施例においては、計測に用いる２つの波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光を分波器２５を用いて分離していたが、図３に示すように、２波長λ₁ ，λ₂ のレーザ光を交互に時分割発振させるようにしてもよい。すなわち、同図（Ａ）に示すように、一方の半導体レーザ１からのレーザ光の波長をλ₁ とし、他方の半導体レーザ２からのレーザ光の波長をλ₂ とするとき、その発振のタイミングは、同図（Ｂ）に示すように、λ₁ ，λ₂ ，λ₁ ，λ₂ ，……というように交互になるようにする。このようにした場合、分波器２５が不要になり、計測システムの構成が簡略になり、計測システムのロバスト性が向上する。そして、この時分割光学系は、波長がλ₁ ，λ₂ の２つだけのものに限られず、同図（Ｃ）に示すように、複数であってもよい。その場合、発振のタイミングは、同図（Ｄ）に示すように、λ₁ ，λ₂ ，……，λ_n ，λ₁ ，λ₂ ，……，となるようにする。
【００３６】
また、上述の実施例においては、セル１３の一方の側に半導体レーザ１，２を設け、他方の側にフォトダイオード２６，２７を設けるようにしていたが、図４に示すように、セル１３の一方の側に半導体レーザ１を、他方の側に半導体レーザ２をそれぞれ設け、半導体レーザ１に対応するフォトダイード２６を半導体レーザ２側に、半導体レーザ２に対応するフォトダイード２７を半導体レーザ１側にそれぞれ設け、あたかも双方向通信のように構成してもよい。このようにした場合、分波器２５が不要になり、計測システムの構成が簡略になり、計測システムのロバスト性が向上する。
【００３７】
ところで、計測に用いる吸収線の吸収度は、それぞれ異なる温度依存特性を持っている。２本の吸収線の吸収度の比Ｒをとると、その組み合わせにより、図５に示すような２種類に大別される。すなわち、この図において、符号Ａで示すものは全温度計測用であり、符号Ｂで示すものは高温計測用である。そして、図６は、前記曲線Ａ，Ｂの温度に対する吸収度比Ｒの変化率を示している。この値が大きいほど、精密な温度計測が可能になる。図６において符号Ａで示す曲線は、この値がゼロになることがないので、広い温度範囲での計測が可能である。また、符号Ｂで示す曲線は、７００Ｋ付近でゼロになっており、この温度付近の計測には不向きであるが、９００Ｋを超えると、前記曲線Ａよりも値が大きくなるので、高温領域の計測は曲線Ｂの方が適していると言える。したがって、測定対象の温度により、使用する吸収線の選定を行うことが望ましい。
【００３８】
この発明の計測システムは、上記実施例に例示したように、測定対象である化学種が単一の場合のみならず、化学種が２以上の複数の場合であっても、それらの温度や濃度を個別に計測することができる。図７は、例えばＣＯ₂ とＨ₂ Ｏとの温度および濃度を測定する構成の一例を示すもので、この図において、４１，４２は、ＣＯ₂ 測定用半導体レーザで、２μｍ付近で互いに異なる波長のレーザ光を出力する。また、４３，４４はＨ₂ Ｏ測定用半導体レーザで、２μｍ付近で互いに異なり、かつ、前記ＣＯ₂ 測定用半導体レーザが出力するレーザ光の波長と異なる波長のレーザ光を出力する。ここで用いるレーザ光の波長は、波長付近の吸収線が同一気体および他の気体の吸収線から比較的孤立したものが好ましい。例えば、ＣＯ₂ の吸収線は、１９９６．５ｎｍ、２０５０．０ｎｍ、２０５３．８ｎｍ、２０６６．５ｎｍであり、Ｈ₂ Ｏの吸収線は、１８９９．６ｎｍ、１８４７．１ｎｍ、１８１７．０ｎｍ、１８２１．６ｎｍ、１８０８．６ｎｍである。したがって、測定対象の化学種が、ＣＯ₂ とＨ₂ Ｏである場合、レーザ光として、上記吸収線のうちから被測定場の温度によっておよび温度測定感度が高くなるような組み合わせとなるように選択するのが好ましい。
【００３９】
そして、図７において、４５〜４８はファイバカプラ、４９〜５６は分波器２５の後段に設けられるフォトダイオードで、フォトダイオード４９〜５２が測定光用、フォトダイオード５３〜５６が参照光用である。この実施例における光路は、上述の実施例と同様に、光ファイバを用いて構成されることはいうまでもない。
【００４０】
また、この発明の計測システムにおいては、二つ以上の波長の異なるレーザ光を用いることにより、セル窓などの汚れや振動などの外乱を補償することもできる。すなわち、図８に示すように、二つの波長λ₁ ，λ₂ を用いて測定を行う場合、これらの波長λ₁ ，λ₂ とは異なる第３の波長λ_a のレーザ光を用い、これをセル１３に照射し、セル１３透過後のレーザ光をフォトダイオード５７によって受光するように構成し、計測初期のフォトダイオード５７の出力電圧値Ｖ_a0と計測時のフォトダイオード５７の出力電圧値Ｖ_a1との比Ｖ_a0／Ｖ_a1を求め、これに基づいてセル窓の汚れの度合いをモニタリングすることができる。
【００４１】
さらに、この発明の計測システムにおいては、ドップラーシフト効果を利用することもでき、このようにした場合、セル１３中のガスの移動速度を測定することができる。また、吸収量のブローディング効果により圧力を測定することもできる。
【００４２】
次に、この発明の計測システムの応用分野について説明する。
【００４３】
（自動車エンジンへの応用）
図１３は、エンジン計測への各種応用法を概略的に示すもので、この図において、６１はエンジン筒、６２は排気管、６３は排気管６２に設けられた触媒装置、６４はＥＧＲ流路である。そして、これらの各部６１〜６４に、発光側プローブとしてのコリメータ２３および受光側プローブとしてのコリメータ２４を設けることにより、上記計測を連続的にリアルタイムで行うことができる。
【００４４】
・エンジン気筒内の温度・濃度の計測
図１４に示すように、サファイア製のエンジン筒６１に、プローブとしてコリメータ２３，２４を互いに対向して設けることにより、エンジン筒６１内におけるガスの温度、化学種およびその濃度の計測が可能になる。
【００４５】
・排気管におけるＮＯ_X ・ＣＯ₂ の温度・濃度の時系列計測
図１５に示すように、排気管６２にプローブとしてコリメータ２３，２４を設けるとともに、ミラー２１，２２を設けることにより、排気ガス中に含まれるＨ₂ Ｏ、ＣＯ₂ 、ＮＯなど各種燃焼生成ガスの温度・濃度の計測が可能である。ｋＨｚ以上の高時間分解能、時系列計測が可能であるため、排気ガス濃度の時間変動をクランク角と対応させてクランク角１度に相当する分解能で測定が可能である。
【００４６】
・触媒装置における触媒の温度上昇のモニタリング
エンジン始動直後で触媒温度が低い状態では、触媒のＮＯ_X 抑制効果は小さいが、前記図１３に示すように、触媒装置６３に前記コリメータ２３，２４を互いに対向して設けた場合、エンジン始動後の触媒温度の上昇とＮＯ_X 排出量との関係を同時に計測することが可能であり、触媒の効果の時間的経過をリアルタイムでモニタリングすることができる。また、どの位置に触媒装置６３を設けるのが効果的であるかといったデータも取得することができる。さらには、コールドスタート時に生成されるホルムアルデヒドとの相関についても調べることができる。
【００４７】
・ＥＧＲにおける各気筒への分配ガスの温度計測
図１６に示すように、ＥＧＲにおいて、複数の気筒６１が互いに並列的に設けられている場合、各気筒６１への流路６５にコリメータ２３，２４を設けて排気ガスの濃度を測定することにより、再循環ガスの分配比を計測したる制御することができ、各気筒６１における燃焼状態の均一化、最適化を図ることができる。
【００４８】
・ＥＧＲガスによるインテークの空気温度の上昇のモニタリング
ＥＧＲにおいては、ＥＧＲガスによってインテークの気体温度が上昇することにより出力の低下が起こるが、インテーク部分での空気温度をリアルタイムで計測することにより、インテークの空気温度と圧力との関係を調べることができ、ＥＧＲとエンジン性能について統一的な評価を行うことができる。
【００４９】
・インテーククーラの性能評価
インテークの空気中の酸素の温度を計測することにより、インテーククーラの性能評価を行うことができる。
【００５０】
・ターボの特性評価
また、上述のように、排気ガスの温度を計測することができるので、従来のエンジンの回転数、ブート圧などに頼っていたターボの性能評価が可能となり、それにより最適設計を行うことができる。
【００５１】
・各気筒温度・濃度集合間における温度・濃度の変動の計測
そして、エンジンの各気筒ごとで気体の温度・濃度の変動を測定し、それらのばらつきを計測することもできる。また、排気管の各ポイントで計測することによって、高温ガスの移動速度を計測することができる。これにより、排気管から気筒への気体の逆流があるか否かを調べることができ、各気筒および集合管を最適に設計することができる。
【００５２】
・スパークプラグ近傍での温度・濃度の計測
さらに、スパークプラグ挿入型のファイバセンサを用いてスパークプラグ近傍での局所の温度・濃度を計測することもできる。これにより、着火前の混合ガスの温度・濃度と火炎伝播の関係を調べることもできる。
【００５３】
・ＮＯ_X 生成のメカニズムへのアプローチ
ところで、エンジンの燃焼においては、ＮＯ_X が発生するが、この生成は、燃焼ガスの温度による影響が大きい。そして、エンジンにおける燃焼ガスの流れは振動流であるため、単純ではない可能性がある。そこで、ＣＯ₂ の温度の時間的変動を計測し、それと同時にＮＯ_X の生成量も計測することによって、燃焼ガスのバルクの振動流とＮＯ_X の生成との関係を調べることができる。
【００５４】
上述のように、この発明の計測システムは、エンジンの研究や設計を行うのに非常に好適であるが、さらに、次のような分野にも適用できる。
【００５５】
（超高速燃焼場への応用）
・燃料と空気の混合状態のモニタリング
ＲＡＭ、ＳＣＲＡＭジェットエンジンの燃焼器内では、温度の変化が化学反応特性時間を大きく左右するため、燃料と空気の混合が大きな問題となる。そこで、濃度の変化を高時間分解能で時系列で計測することにより、その変動のスケールの算出が可能になり、前記混合の状態を把握することができる。
【００５６】
・Ｍａｓｓ Ｆｌｕｘ、Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ、スラストの計測
２波長を用いて２色法から燃焼ガスの温度計測を行い、Ｍａｓｓ Ｆｌｕｘ、Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ、スラストを計測することができる。これにより、従来、時間平均でしか計測できなかったが、失速時、あるいは回転数が急激に変化したときなどのようなトランジットな状態での燃焼効率の時間変動を計測することができる。
【００５７】
（乱流燃焼場への応用）
・各種パラメータの変動スケールの計測
乱流燃焼は、乱流による変動と化学反応とが組み合わさった非常に複雑な現象である。そこで、圧力、濃度、速度の乱れ成分の時間的変動から変動のスケールを求め、各々の関係を見積もることが可能であり、このデータを実機で起こる複雑反応流の解析に利用することができる。
【００５８】
（乱流場への応用）
・ガスシーディングによる混合状態の計測
乱流場の際は、燃料と酸化剤である空気との混合が問題である。ここで、燃料と空気の２流体により形成された剪断層において、１流体にＣＯ₂ やＮＯをシードし、その濃度を時系列計測することにより、前記剪断層における混合スケールを求めることができる。シーディングするものが粒子ではなく気体であるので、粒子の追従性の問題はかなり回避できる。このような高速流や高圧場での基礎データは、実機のシミュレーションを行う上で必要である。
【００５９】
（ガスタービンへの応用）
・不安定燃焼のコントロール
燃料がリーンであると燃焼が不安定となり、圧力変動が生ずる。従来は、この圧力変動を燃焼室壁面で圧力ピックアップを用いて計測していたが、この圧力変動に影響を与えていると考えられる燃焼室内のＣＨ₄ の温度・濃度のむら、時間変動をするモニタリングにより、より安定な燃焼を行わせることできる。
【００６０】
・高圧条件下での温度・濃度のモニタリング
負荷が変動したときのＣＯ₂ の生成についての把握、高圧条件下での温度・濃度のモニタリングが可能である。また、従来、排気ガスの計測は出口部分での計測は主流であったが、燃焼器内部での温度・濃度の変動を測定することができる。
【００６１】
（火炉・ボイラーへの応用）
・燃焼負荷のリアルタイムのコントロール
ＣＨ₄ 、ＮＯ、ＣＯ₂ のリアルタイムのモニタリングを可能とし、燃焼負荷のリアルタイムのコントロールが可能となる。ＮＯ、ＣＯ、ＣＯ₂ の生成状況をモニタリングすることにより、燃焼の不安定因子の抽出と、安定コントロールへのフィードバックシステムを構築する。
【００６２】
（ごみ燃焼炉への応用）
・ダイオキシンの抑制と燃焼のコントロール
ＣＯおよびＣＯ₂ の生成量とダイオキシンの生成量とに相関があると言われているが、これらの濃度をリアルタイムでモニタリングしコントロールすることによって、燃焼負荷変動により生ずるダイオキシンを低減することが可能である。また、ＣＨ₄ 、ＮＯ、ＣＯ₂ の生成量をコントロールすることにより、リバーニング減少のリアルタイムコントロールが可能となる。
【００６３】
（家庭用給湯器への応用）
・異常燃焼のセンサ
ガス漏れや燃焼の不安定性のモニタリングが可能であり、ＣＯやＮＯの排出が増大し異常燃焼が起きたときのセンサとして利用できる。
【００６４】
（環境計測への応用）
・航空機排気ガスの大気への影響調査
航空機から排出される高温ガスによって生成されるＮＯ_X 、ＣＯ₂ などの大気に与える影響を調べることができる。従来の計測器では時間応答性が悪く、また、装置の大きさなどの問題から、実機に搭載しての計測はきわめて難しかったが、この発明の計測システムは、小型、ロバストであるので、実機での計測が可能になり、Ｉｎ−ｆｌｉｇｈｔの計測システムの開発も可能になる。
【００６５】
（ガスリークセンサへの応用）
・缶からのＣＯ₂ のリークセンサ
図１７に示すように、ビールの缶６６からのリークセンサとして応用することができる。従来の計測法では、ビール缶６６から漏れる僅かなガスを検知することが困難であったが、この発明の計測システムでは、高速のリアルタイム計測が能であるため、製造過程においてビール工場のベルトコンベア６７上でリークのある不良品を検出することができる。
【００６６】
【発明の効果】
この発明の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システムは、燃焼場に存在する燃料や燃焼ガスの温度・濃度・化学種をすう１０ｋＨｚ以上の高時間分解能で時系列計測を行うことができる。高温領域と低温領域において最適の波長を用いるようにすることにより、レーザ光として、上記吸収線のうちから被測定場の温度によっておよび温度測定感動が高くなるような組み合わせとなるよう選択できる。また、装置全体の構成がコンパクトであり、多岐の分野において好適に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法および計測システムの概念図である。
【図２】前記計測システムの実際の構成を概略的に示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は２波長を用いて計測する場合の説明図で、（Ａ）は構成図、（Ｂ）はレーザ光の発振状態を示す図であり、（Ｃ），（Ｄ）はｎ波長を用いて計測する場合の説明図で、（Ｃ）は構成図、（Ｄ）はレーザ光の発振状態を示す図である。
【図４】２波長を用いて計測する場合の他の構成図である。
【図５】二つの吸収線の吸収度比と温度との関係を説明するための図である。
【図６】吸収度比の温度依存性を説明するための図である。
【図７】前記計測システムの他の構成例を概略的に示す図である。
【図８】セル窓の汚れのモニタリングを説明するための図である。
【図９】この発明の測定原理を説明するための図である。
【図１０】ＣＯ₂ の吸収線の分布を示す図である。
【図１１】波長掃引方法を説明するための図である。
【図１２】狭い範囲の波長掃引による吸収のピークの検出方法を説明するための図である。
【図１３】上記計測システムのプローブを自動車エンジンに設置した例を示す図である。
【図１４】前記プローブをエンジン気筒に設置した例を示す図である。
【図１５】前記プローブを排気管に設置した例を示す図である。
【図１６】前記プローブをＥＧＲに設置した例を示す図である。
【図１７】前記プローブをビール缶におけるガスのリークセンサとして用いた例を示す図である。
【符号の説明】
１，２…半導体レーザ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-speed temperature / concentration / chemical species measurement method and measurement system using semiconductor laser spectroscopy.
[0002]
BACKGROUND OF THE INVENTION
When semiconductor laser spectroscopy is used, the temperature and concentration of multiple chemical species can be measured simultaneously and with high time resolution in time series, and the laser itself is compact and excellent in robustness. Therefore, it is expected to be applied to various types of practical combustion equipment and leak sensors.
[0003]
[Prior art]
In the past, H was the main combustion product.₂There have been many studies on the measurement of O temperature, concentration, flow rate, etc._Four, NO, CO, CO₂It is also applied to measurement such as. In particular, CO that has been attracting attention in recent years due to global warming issues₂With regard to the above, there has been a report of concentration measurement by an external cavity semiconductor laser in the vicinity of 1.5 μm (generally a range of 1.3 to 1.5 μm) capable of sweeping a wide range of wavelengths.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the above-mentioned wavelength band has a weak absorption intensity, there is a problem that a long optical path length of several tens of meters is necessary, and the external cavity semiconductor laser has a limited wavelength sweep speed, so that measurement with high time resolution is possible. There is a problem that it cannot be performed, is weak against vibration, and becomes large.
[0005]
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned matters, and an object of the present invention is to provide fuel and combustion gas (for example, CH) existing in a combustion field by a compact device configuration._Four, CO, CO₂, H₂O, NO, NO₂Etc.), a high-speed temperature / concentration / chemical species measurement method and measurement system using semiconductor laser spectroscopy that can measure time series with a high time resolution of several tens of kHz or more.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention irradiates the gas to be measured with a laser beam of about 2 μm through an isolator and an optical fiber, and performs wavelength sweeping of the laser beam.Use the optimum wavelength in the high and low temperature range.(Claim 1 and Claim)6).
[0007]
By using a semiconductor laser having a wavelength longer than that of the conventional semiconductor laser in the vicinity of 2 μm (generally in the range of 1.8 to 2.2 μm), it is possible to perform measurement with an absorption line having strong absorption, and a necessary route length. And S / N in temperature / concentration / chemical species measurement can be improved. The waveform of the external input signal necessary for the wavelength sweep of the laser beam is a waveform including a straight line, a curve, a step, more specifically, any one of sine wave, ramp wave, triangular wave, pulse wave, or any of them Since a combination of any of these is used as appropriate, high-speed sweeping can be performed, and temperature, concentration, and chemical species can be time-series measured at high speed. In particular, when a sine wave is used as the waveform, the semiconductor laser can improve time-responsive frequency characteristics of an amplifier and the like, and a high-speed wavelength sweep at 10 MHz is possible. Time series measurement of concentration and chemical species can be performed.Furthermore, by using optimal wavelengths in the high temperature region and the low temperature region, it is possible to select a combination of laser beams that will increase the temperature measurement sensitivity according to the temperature of the field to be measured among the absorption lines. .
[0008]
Then, two or more laser beams having different wavelengths may be sequentially oscillated (time division oscillation). In such a case, optical means such as a demultiplexer are not required, and the apparatus configuration is simplified. In addition, the robustness can be improved.
[0009]
In addition, two different wavelengths of laser light may be oscillated as in two-way communication. In such a case, optical means such as a demultiplexer becomes unnecessary, and the apparatus configuration can be simplified. The robustness can be improved.
[0010]
further,Baseline interpolation may be performed in the signal processing.
[0011]
Furthermore, by using two or more laser beams having different wavelengths, it is possible to compensate for disturbances such as dirt on the cell window and vibrations.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of simultaneous measurement of temperature, concentration, and chemical species by semiconductor laser spectroscopy will be described. As shown in FIG. 9, when incident light having a wave number v enters the gas in the cell 82 from the semiconductor laser 81, the incident light Is absorbed by the gas and is received by the light receiving element 83, but the transmitted light intensity follows the Lambert-Beer law expressed by the following equation (1).
(I / I_O)_v= Exp (-k_vL) ...... (1)
Where I_OIs the incident light intensity, I is the transmitted light intensity, L is the optical path length, k_vIs the absorption coefficient. And this absorption coefficient k_vIs expressed by the following equation (2), and an integral absorption coefficient obtained by integrating this with the frequency v is expressed by the following equation (3).
[0013]
k_v= S (T) P_absφ_v                                (2)
[0014]

[0015]
Where S (T) [cm^-2atm^-1] Is absorption line transition intensity, P_abs[Atm] is the partial pressure of the gas that absorbs light, φ_v[Cm] is a linear function.
[0016]
Each gas has its own absorption wavelength band, and many absorption lines exist in the absorption wavelength band, for example, as shown in FIG. This FIG. 10 shows CO₂The distribution of absorption lines in the (2 μm band) is shown. FIG. 4A shows the temperature of 296K, and FIG. 3B shows the temperature of 750K.
[0017]
Then, as shown in FIG. 11, one of the absorption lines, for example, the wavelength λ₁In contrast, the absorption is measured by sweeping the oscillation wavelength of the semiconductor laser. The spectrum profile is measured by taking the ratio between this waveform and the reference light waveform. Further, the temperature measurement is performed by changing the spectrum profile into two absorption lines λ.₁, Λ₂And measure the area ratio A₁/ A₂(Or peak height ratio P₁/ P₂).
[0018]
When obtaining the spectral profile, the reference light waveform is not necessarily required, and the baseline interpolation method should be used only from the measured light waveform obtained when the absorption is measured by sweeping the oscillation wavelength of the semiconductor laser. Thus, a spectrum profile can be obtained. That is, when the measurement light waveform is as shown in the upper left of FIG. 11, the part indicated by the symbol X in the figure is obtained by the method of baseline interpolation, and this is the other non-absorbed part (reference numeral Y in the figure). Are connected in a straight line to form a reference light waveform.
[0019]
In the case of a gas that forms one composite spectrum profile from the spectrum profiles of a plurality of absorption lines, the absorbance A of the composite spectrum profile is the total lower part of the spectrum profile as shown in the following equation (4). Expressed in area.
A = Σ (KL) = P_absLS (T) (4)
[0020]
Then, the absorbance is measured for the two composite spectrum profiles, and the temperature T is obtained from the ratio R thereof and the following equation (5).
[0021]

Here, h [J · s] is the Planck constant, c [cm / s] is the speed of light, k [J / K] is the Boltzmann constant, and E ″ [cm^-1] Is the level energy.
[0022]
When the total pressure P [atm] and the optical path length L [cm] are known, the mole fraction of the measurement gas can be obtained from the temperature T obtained from the equation (5) and the equation (4). . That is, the concentration of each measurement target component is obtained.
[0023]
【Example】
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a high-speed temperature / concentration / chemical species measurement method and measurement system (hereinafter simply referred to as a measurement system) using the semiconductor laser spectroscopy of the present invention. FIG. It is a figure which shows the structure of this measurement system roughly. In the following, description will be made mainly with reference to FIG.
[0024]
In FIG. 1 and FIG. 2, reference numerals 1 and 2 denote semiconductor lasers as light emitting portions, which have different wavelengths λ₁(For example, 1.996 μm), λ₂A laser beam of (for example, 2.050 μm) is emitted, and is made of, for example, a distributed feedback (DFB) semiconductor laser. These semiconductor lasers 1 and 2 are current controlled by the function generator 3. These semiconductor lasers 1 and 2 have, as an external input signal necessary for the wavelength sweep, a waveform including a straight line, a curve, and a step, such as a sine wave, a ramp wave, a triangular wave, a pulse wave, or any of them. A combination of any of these is used as appropriate. The semiconductor lasers 1 and 2 are each provided with an isolator for 2.0 μm, although not shown.
[0025]
4 and 5 are fiber couplers connected to the semiconductor lasers 1 and 2 via optical fibers 6 and 7, and 8 is a laser beam emitted from each of the semiconductor lasers 1 and 2 for transmitting to a cell 13 described later as measurement light. Fiber couplers 9 and 10 are optical fibers. The optical fibers 6 and 7 are connected to optical fibers 11 and 12 for laser light as reference light, respectively.
[0026]
Reference numeral 13 denotes a cell provided in the subsequent stage of the fiber coupler 8. Both ends of the cell 13 are sealed with cell windows 13a and 13b that transmit laser light in the vicinity of 2 μm, and are provided with a gas inlet 13c and a gas outlet 13d.₂Gas supply lines 16 and 17 having on-off valves 14 and 15 are connected so that air and air can be supplied at an appropriate ratio, and a gas discharge line 20 having an on-off valve 18 and a vacuum pump 19 is connected to the gas outlet 13d. Is connected. In this embodiment, mirrors 21 and 22 are provided outside the cell windows 13a and 13b, and the laser beam incident on the cell 13 passes through the cell 13 several times and is then emitted.
[0027]
Reference numerals 23 and 24 denote collimators provided on the front stage side and the rear stage side of the cell 13, respectively. A branching filter 25 is provided on the rear stage of the collimator 24 on the rear stage side. The demultiplexer 25 converts two wavelengths of laser light (measurement light) transmitted through the cell 13 to a wavelength λ.₁, Λ₂The laser beam is separated.
[0028]
Reference numerals 26 and 27 denote photodiodes for measurement light, and reference numerals 28 and 29 denote reference light photodiodes.₁, Λ₂Laser light (measurement light) enters the photodiodes 28 and 29 via the optical fibers 11 and 12 and the wavelength λ.₁, Λ₂Laser light (reference light) enters.
[0029]
Reference numerals 30 to 33 are preamplifiers provided corresponding to the photodiodes 26 to 29, respectively. These preamplifiers 30 to 33 are inputted to a signal processing device (for example, a computer) (not shown) via an A / D converter 34. It is comprised so that.
[0030]
In the measurement system configured as described above, the cell 13 has CO 2.₂A gas in which air and air are mixed at an appropriate ratio is supplied as a measurement gas. In this state, two wavelengths of laser light λ emitted from the semiconductor lasers 1 and 2 respectively.₁, Λ₂However, the cell 13 filled with the gas to be measured is transmitted as measurement light in a mixed state. This measurement light is transmitted to the original wavelength λ in the duplexer 25.₁, Λ₂And enters the photodiodes 26 and 27. On the other hand, two wavelengths of laser light λ emitted from the semiconductor lasers 1 and 2, respectively.₁, Λ₂Enters the photodiodes 28 and 29 as reference light through the optical fibers 11 and 12 as they are.
[0031]
The photodiodes 26 to 29 output signals corresponding to the incident light, and these output signals enter the A / D converter 34 through the preamplifiers 30 to 33, and the converted output is sent to the computer. Input and signal processing. The temperature, concentration, and chemical species of the gas to be measured supplied to the cell 13 are obtained.
[0032]
In the measurement system in the above-described embodiment, the laser light used for the measurement has a different wavelength λ in the vicinity of 2 μm, which is a longer wavelength than before.₁, Λ₂Therefore, it is possible to perform measurement with an absorption line having strong absorption, shortening the required optical path length, and improving S / N in measuring temperature, concentration, and chemical species.
[0033]
Then, from the semiconductor lasers 1 and 2, the wavelength λ₁, Λ₂When emitting the laser beam, in order to perform the wavelength sweep, as described above, a waveform including a straight line, a curve, and a step, for example, one of a sine wave, a ramp wave, a triangular wave, a pulse wave, or a wave thereof Any combination of these can be used as an external input signal, but in particular, by using a sine wave signal as a sweep signal, the time response frequency characteristics of the semiconductor lasers 1, 2 and amplifiers can be improved. The high-speed wavelength sweep at 10 MHz is possible, and thus, time series measurement of temperature, concentration, and chemical species can be performed at a high speed of 10 MHz.
[0034]
In the measurement, the entire spectral profile of one absorption line is not measured, but only the peak height of the spectrum is detected and the temperature / concentration is calculated therefrom as shown in FIG. To do. At that time, when the temperature, concentration, pressure, and flow rate fluctuate, the position of the peak of the spectrum shifts. Therefore, as shown in FIG. 12, wavelength sweep is performed only on a narrow range near the peak, and the height of the peak is reliably detected. By doing so, the wavelength sweep range can be narrowed, and this can be used effectively even if the number of samples is small, so that the measurement can be performed at higher speed.
[0035]
In the above embodiment, the two wavelengths λ used for measurement₁, Λ₂Are separated using a demultiplexer 25, but as shown in FIG.₁, Λ₂These laser beams may be alternately oscillated in a time division manner. That is, as shown in FIG. 2A, the wavelength of the laser beam from one semiconductor laser 1 is λ.₁And the wavelength of the laser beam from the other semiconductor laser 2 is λ₂, The oscillation timing is λ, as shown in FIG.₁, Λ₂, Λ₁, Λ₂………… Alternate. In this case, the duplexer 25 becomes unnecessary, the configuration of the measurement system is simplified, and the robustness of the measurement system is improved. And this time division optical system has a wavelength of λ₁, Λ₂These are not limited to two, and may be plural as shown in FIG. In that case, the oscillation timing is λ as shown in FIG.₁, Λ₂, ..., λ_n, Λ₁, Λ₂………….
[0036]
In the above-described embodiment, the semiconductor lasers 1 and 2 are provided on one side of the cell 13 and the photodiodes 26 and 27 are provided on the other side. However, as shown in FIG. The semiconductor laser 1 is provided on one side, the semiconductor laser 2 is provided on the other side, the photo diode 26 corresponding to the semiconductor laser 1 is provided on the semiconductor laser 2 side, and the photo diode 27 corresponding to the semiconductor laser 2 is provided on the semiconductor laser 1 side. Each may be provided and configured as if bidirectional communication. In this case, the duplexer 25 becomes unnecessary, the configuration of the measurement system is simplified, and the robustness of the measurement system is improved.
[0037]
By the way, the absorption of absorption lines used for measurement has different temperature-dependent characteristics. Taking the ratio R of the absorbance of the two absorption lines, the combination is roughly divided into two types as shown in FIG. That is, in this figure, what is indicated by symbol A is for measuring all temperatures, and what is indicated by symbol B is for measuring high temperatures. FIG. 6 shows the rate of change of the absorbance ratio R with respect to the temperature of the curves A and B. The larger this value, the more accurate temperature measurement becomes possible. In the curve indicated by the symbol A in FIG. 6, since this value does not become zero, measurement in a wide temperature range is possible. The curve indicated by the symbol B is zero near 700K and is not suitable for measurement near this temperature. However, if it exceeds 900K, the value becomes larger than that of the curve A. It can be said that the curve B is more suitable. Therefore, it is desirable to select the absorption line to be used depending on the temperature of the measurement target.
[0038]
In the measurement system of the present invention, as exemplified in the above embodiment, not only when the chemical species to be measured is single, but also when the chemical species is two or more, their temperature and concentration Can be measured individually. For example, FIG.₂And H₂An example of a configuration for measuring temperature and concentration with O is shown. In this figure, 41 and 42 are CO 2.₂The measurement semiconductor laser outputs laser beams having different wavelengths around 2 μm. 43 and 44 are H₂O measuring semiconductor lasers which are different from each other in the vicinity of 2 μm, and the CO₂A laser beam having a wavelength different from the wavelength of the laser beam output from the semiconductor laser for measurement is output. The wavelength of the laser beam used here is preferably such that absorption lines near the wavelength are relatively isolated from absorption lines of the same gas and other gases. For example, CO₂Absorption lines of 1996, 2050.0 nm, 2053.8 nm, 2066.5 nm, and H₂The absorption lines of O are 1899.6 nm, 1847.1 nm, 1817.0 nm, 1821.6 nm, and 1808.6 nm. Therefore, the chemical species to be measured is CO₂And H₂In the case of O, it is preferable that the laser beam is selected from the above absorption lines so as to have a combination that increases the temperature measurement sensitivity according to the temperature of the field to be measured.
[0039]
In FIG. 7, 45 to 48 are fiber couplers, 49 to 56 are photodiodes provided in the subsequent stage of the demultiplexer 25, the photodiodes 49 to 52 are for measurement light, and the photodiodes 53 to 56 are for reference light. is there. Needless to say, the optical path in this embodiment is configured by using an optical fiber as in the above-described embodiment.
[0040]
Further, in the measurement system of the present invention, it is possible to compensate for disturbances such as dirt on the cell window and vibrations by using two or more laser beams having different wavelengths. That is, as shown in FIG.₁, Λ₂When measuring using₁, Λ₂A third wavelength λ different from_aThe laser light is irradiated to the cell 13, and the laser light transmitted through the cell 13 is received by the photodiode 57, and the output voltage value V of the photodiode 57 at the initial measurement stage._a0And the output voltage value V of the photodiode 57 during measurement._a1Ratio V_a0/ V_a1And the degree of contamination of the cell window can be monitored based on this.
[0041]
Furthermore, in the measurement system of the present invention, the Doppler shift effect can be used, and in this case, the moving speed of the gas in the cell 13 can be measured. The pressure can also be measured by the absorption amount broadening effect.
[0042]
Next, application fields of the measurement system of the present invention will be described.
[0043]
(Application to automobile engine)
FIG. 13 schematically shows various application methods for engine measurement. In this figure, 61 is an engine cylinder, 62 is an exhaust pipe, 63 is a catalyst device provided in the exhaust pipe 62, and 64 is an EGR flow path. It is. And by providing the collimator 23 as a light emission side probe and the collimator 24 as a light reception side probe in these each parts 61-64, the said measurement can be performed continuously in real time.
[0044]
・ Measurement of temperature and concentration in engine cylinder
As shown in FIG. 14, by providing the sapphire engine cylinder 61 with the collimators 23 and 24 facing each other as a probe, the temperature, chemical species, and concentration of the gas in the engine cylinder 61 can be measured. .
[0045]
・ NO in the exhaust pipe_X・ CO₂Time series measurement of temperature and concentration
As shown in FIG. 15, the exhaust pipe 62 is provided with collimators 23 and 24 as probes and mirrors 21 and 22 to provide H contained in the exhaust gas.₂O, CO₂It is possible to measure the temperature and concentration of various combustion products such as NO and NO. Since high time resolution of kHz or higher and time series measurement are possible, it is possible to measure with a resolution equivalent to a crank angle of 1 degree by correlating the time variation of the exhaust gas concentration with the crank angle.
[0046]
・ Monitoring of catalyst temperature rise in catalyst equipment
If the catalyst temperature is low immediately after starting the engine, the catalyst NO_XAlthough the suppression effect is small, as shown in FIG. 13, when the collimators 23 and 24 are provided facing each other in the catalyst device 63, the catalyst temperature rises after the engine starts and NO_XIt is possible to simultaneously measure the relationship with the emission amount, and the time course of the catalyst effect can be monitored in real time. Further, data such as which position it is effective to provide the catalyst device 63 can also be acquired. Furthermore, the correlation with formaldehyde produced at the cold start can also be examined.
[0047]
・ Measures the temperature of gas distributed to each cylinder in EGR
As shown in FIG. 16, in the EGR, when a plurality of cylinders 61 are provided in parallel with each other, collimators 23 and 24 are provided in the flow path 65 to each cylinder 61 to measure the exhaust gas concentration. The distribution ratio of the recirculation gas can be controlled, and the combustion state in each cylinder 61 can be made uniform and optimized.
[0048]
・ Monitoring of intake air temperature rise by EGR gas
In EGR, the output of the intake gas decreases due to the increase of the intake gas temperature due to the EGR gas. By measuring the air temperature in the intake portion in real time, the relationship between the intake air temperature and the pressure can be investigated. It is possible to perform a unified evaluation on EGR and engine performance.
[0049]
・ Intake cooler performance evaluation
By measuring the temperature of oxygen in the intake air, the performance of the intake cooler can be evaluated.
[0050]
・ Characteristic evaluation of turbo
Further, as described above, since the temperature of the exhaust gas can be measured, it is possible to evaluate the performance of the turbo that relied on the conventional engine speed, boot pressure, and the like, thereby enabling the optimum design. .
[0051]
・ Measurement of temperature / concentration variation between cylinder temperature / concentration groups
And the fluctuation | variation of the temperature and density | concentration of gas can be measured for every cylinder of an engine, and those dispersion | variation can also be measured. Further, the moving speed of the hot gas can be measured by measuring at each point of the exhaust pipe. Thereby, it can be investigated whether there is a backflow of gas from the exhaust pipe to the cylinder, and each cylinder and the collecting pipe can be optimally designed.
[0052]
・ Measurement of temperature and concentration near the spark plug
Furthermore, the local temperature and concentration in the vicinity of the spark plug can be measured using a spark plug insertion type fiber sensor. Thereby, the relationship between the temperature / concentration of the mixed gas before ignition and flame propagation can also be examined.
[0053]
・ NO_XApproach to generation mechanism
By the way, in engine combustion, NO_XThis generation is greatly influenced by the temperature of the combustion gas. And since the flow of the combustion gas in an engine is an oscillating flow, it may not be simple. So CO₂Measure the temperature variation of the temperature of NO, and at the same time NO_XBy measuring the production amount of NO, the oscillating flow of the combustion gas bulk and NO_XThe relationship with the generation of.
[0054]
As described above, the measurement system of the present invention is very suitable for engine research and design, but can also be applied to the following fields.
[0055]
(Application to ultrafast combustion field)
・ Monitoring the mixed state of fuel and air
In RAM and SCRAM jet engine combustors, the change in temperature greatly affects the chemical reaction characteristic time, so mixing of fuel and air is a major problem. Therefore, by measuring the change in concentration in time series with high temporal resolution, it is possible to calculate the scale of the fluctuation and grasp the state of mixing.
[0056]
・ Mass Flux, Heat Flux, Thrust measurement
By using two wavelengths, the temperature of the combustion gas can be measured from the two-color method, and Mass Flux, Heat Flux, and thrust can be measured. As a result, conventionally, it was possible to measure only the time average, but it is possible to measure the variation in combustion efficiency over time in a transit state such as when the vehicle stalls or when the rotational speed changes abruptly.
[0057]
(Application to turbulent combustion field)
・ Measurement of fluctuation scale of various parameters
Turbulent combustion is a very complex phenomenon that combines turbulent fluctuations and chemical reactions. Therefore, it is possible to obtain the scale of the fluctuation from the temporal fluctuation of the pressure, concentration, and velocity turbulence components and estimate the relationship between them, and this data can be used for the analysis of the complex reaction flow occurring in the actual machine.
[0058]
(Application to turbulent flow field)
・ Measurement of mixing by gas seeding
In the case of a turbulent flow field, mixing of fuel and air as an oxidant is a problem. Here, in the shear layer formed by two fluids of fuel and air, one fluid is converted into CO.₂By seeding NO or NO and measuring the concentration in time series, the mixing scale in the shear layer can be obtained. Since what is seeded is a gas, not a particle, the problem of particle followability can be largely avoided. Such basic data in a high-speed flow or high-pressure field is necessary for simulation of an actual machine.
[0059]
(Application to gas turbine)
・ Control of unstable combustion
If the fuel is lean, combustion becomes unstable and pressure fluctuations occur. Conventionally, this pressure fluctuation was measured with a pressure pickup on the combustion chamber wall surface, but the CH in the combustion chamber, which is considered to have an influence on this pressure fluctuation, was measured._FourMore stable combustion can be achieved by monitoring the temperature / concentration unevenness and time fluctuation.
[0060]
・ Temperature and concentration monitoring under high pressure conditions
CO when the load fluctuates₂It is possible to grasp the generation of selenium and monitor temperature and concentration under high pressure conditions. Conventionally, exhaust gas has been mainly measured at the outlet, but temperature and concentration fluctuations in the combustor can be measured.
[0061]
(Application to furnaces and boilers)
・ Real-time control of combustion load
CH_Four, NO, CO₂Real-time monitoring is possible, and real-time control of the combustion load becomes possible. NO, CO, CO₂By monitoring the generation status of, the instability factor of combustion is extracted and a feedback system for stability control is constructed.
[0062]
(Application to garbage combustion furnace)
・ Dioxin suppression and combustion control
CO and CO₂It is said that there is a correlation between the production amount of dioxin and the production amount of dioxin. By monitoring and controlling these concentrations in real time, it is possible to reduce dioxins caused by fluctuations in combustion load. CH_Four, NO, CO₂By controlling the amount of the generated, real-time control of the reburning reduction becomes possible.
[0063]
(Application to household water heaters)
・ Abnormal combustion sensor
Gas instability and combustion instability can be monitored, and it can be used as a sensor when abnormal combustion occurs due to increased CO and NO emissions.
[0064]
(Application to environmental measurement)
・ Investigation of the effects of aircraft exhaust gas on the atmosphere
NO produced by hot gases exhausted from aircraft_X, CO₂You can investigate the effects on the atmosphere. The conventional measuring instrument has poor time response, and due to problems such as the size of the device, it was extremely difficult to measure it on the actual machine, but the measurement system of the present invention is small and robust, so the actual machine In-flight measurement system can be developed.
[0065]
(Application to gas leak sensor)
・ CO from cans₂Leak sensor
As shown in FIG. 17, it can be applied as a leak sensor from a beer can 66. In the conventional measurement method, it was difficult to detect a small amount of gas leaking from the beer can 66. However, in the measurement system of the present invention, high-speed real-time measurement is possible. A defective product having a leak on 67 can be detected.
[0066]
【The invention's effect】
The high-speed temperature / concentration / chemical species measurement method and measurement system using the semiconductor laser spectroscopy of the present invention has a high time resolution of 10 kHz or more so that the temperature / concentration / chemical species of the fuel or combustion gas existing in the combustion field can be measured. Time series measurement can be performed.By using optimum wavelengths in the high temperature region and the low temperature region, it is possible to select a combination of laser beams that will increase the temperature measurement sensitivity depending on the temperature of the field to be measured among the absorption lines.Further, the configuration of the entire apparatus is compact, and can be suitably implemented in various fields.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a temperature / concentration / chemical species high-speed measurement method and measurement system using semiconductor laser spectroscopy according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing an actual configuration of the measurement system.
FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams when measurement is performed using two wavelengths, FIG. 3A is a configuration diagram, FIG. 3B is a diagram illustrating an oscillation state of laser light, and FIG. , (D) are explanatory diagrams when measuring using n wavelengths, (C) is a configuration diagram, and (D) is a diagram showing an oscillation state of laser light.
FIG. 4 is another configuration diagram in the case of measuring using two wavelengths.
FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the absorbance ratio of two absorption lines and temperature.
FIG. 6 is a diagram for explaining the temperature dependence of the absorbance ratio.
FIG. 7 is a diagram schematically showing another configuration example of the measurement system.
FIG. 8 is a diagram for explaining monitoring of cell window contamination;
FIG. 9 is a diagram for explaining the measurement principle of the present invention.
FIG. 10 CO₂It is a figure which shows distribution of the absorption line.
FIG. 11 is a diagram for explaining a wavelength sweeping method.
FIG. 12 is a diagram for explaining a method of detecting an absorption peak by wavelength sweeping in a narrow range.
FIG. 13 is a diagram showing an example in which the probe of the measurement system is installed in an automobile engine.
FIG. 14 is a view showing an example in which the probe is installed in an engine cylinder.
FIG. 15 is a view showing an example in which the probe is installed in an exhaust pipe.
FIG. 16 is a diagram showing an example in which the probe is installed in the EGR.
FIG. 17 is a view showing an example in which the probe is used as a gas leak sensor in a beer can.
[Explanation of symbols]
1, 2 ... Semiconductor laser.

Claims (6)

２μｍ付近のレーザ光をアイソレータと光ファイバとを介して被測定ガスに照射するとともに、前記レーザ光の波長掃引を行うようにし、高温領域と低温領域においてそれぞれ最適の波長を用いるようにしたことを特徴とする半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法。The laser light near 2 μm is irradiated to the gas to be measured through an isolator and an optical fiber, and the wavelength of the laser light is swept so that optimum wavelengths are used in the high temperature region and the low temperature region, respectively. A high-speed method for measuring temperature, concentration, and chemical species using semiconductor laser spectroscopy. ２つ以上の波長の異なるレーザ光をシーケンシャルに発振させるようにした請求項１に記載の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法。  2. A method for high-speed measurement of temperature, concentration, and chemical species using semiconductor laser spectroscopy according to claim 1, wherein two or more laser beams having different wavelengths are sequentially oscillated. ２つ以上の異なるレーザ光を対向するように発振させるようにした請求項１に記載の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法。 2. The method for high-speed measurement of temperature, concentration, and chemical species using semiconductor laser spectroscopy according to claim 1, wherein two or more different laser beams are oscillated so as to face each other . 信号処理においてベースライン補間を行うようにした請求項１に記載の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法。  2. A method for high-speed measurement of temperature, concentration, and chemical species using semiconductor laser spectroscopy according to claim 1, wherein baseline interpolation is performed in signal processing. ２つ以上の波長の異なるレーザ光を用いることにより外乱を補償するようにした請求項１に記載の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法。  The high-speed temperature / concentration / chemical species measurement method using semiconductor laser spectroscopy according to claim 1, wherein disturbance is compensated by using two or more laser beams having different wavelengths. ２μｍ付近のレーザ光をアイソレータと光ファイバとを介して被測定ガスに照射するとともに、前記レーザ光の波長掃引を行うようにし、高温領域と低温領域においてそれぞれ最適の波長を用いるようにしたことを特徴とする半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測システム。The laser light near 2 μm is irradiated to the gas to be measured through an isolator and an optical fiber, and the wavelength of the laser light is swept so that optimum wavelengths are used in the high temperature region and the low temperature region, respectively. A high-speed measurement system for temperature, concentration, and chemical species using the characteristic semiconductor laser spectroscopy.

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