(57)【要約】【課題】大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供する。【解決手段】微小粒子の測定システムは、液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する照射部と、微小粒子からの散乱光を検出することにより微小粒子を測定する測定部と、を備える。照射部及び測定部は、微小粒子から見て一方側に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する照射部と、
前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより前記微小粒子を測定する測定部と、
を備え、
前記照射部及び前記測定部は、前記微小粒子から見て一方側に配置される、微小粒子の測定システム。
【請求項２】
前記測定部は、前記散乱光を集光するための拡大対物レンズを含む光学系を介して、前記散乱光を受光する、請求項１に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項３】
前記拡大対物レンズは５ｍｍ以下の被写界深度を有する、請求項２に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項４】
前記測定部は、前記測定部で検出された散乱光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する形状測定部を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項５】
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記形状測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する、請求項４に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項６】
前記測定部は、前記照射部における前記レーザ光の照射タイミングと同期して前記微小粒子を連続的に撮像し、撮像フレーム間における前記微小粒子の変位に基づいて、前記微小粒子の流速を測定する流速測定部を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項７】
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記流速測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の流速を測定する、請求項６に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項８】
前記測定部は、前記散乱光に含まれる複数の特定波長の光強度を用いて二色温度計の原理により前記微小粒子の温度を測定する温度測定部を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項９】
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記温度測定部は、前記長波長光に基づいて前記微小粒子の温度を測定する、請求項８に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項１０】
前記照射部と前記二層流との間の光路に配置されたスペックルキラーを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項１１】
前記照射部と前記二層流との間の光路は、フレキシブルチューブで構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項１２】
前記照射部から照射された前記レーザ光の光路は、前記微小粒子からの前記散乱光の光路の少なくとも一部を共有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の微小粒子の測定システム。
【請求項１３】
液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する工程と、
前記微小粒子から見て前記レーザ光と同じ側において、前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより、前記微小粒子を測定する工程と、
を備える、微小粒子の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、気相中に存在する液体又は固体の微小粒子を測定するための測定システム及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラントなどの燃焼設備では、ボイラ火炉のような燃焼場において、石炭や石油などの化石燃料の燃焼が行われる。燃焼場では、石炭が粉砕された微粉炭のような固体粒子や石油が飛散した液滴のような液体粒子などの微小粒子が、気相（空気）中を浮遊する乱流場が形成されている。このような乱流場における微小粒子の挙動は、燃焼効率に大きく影響を及ぼすことが知られている。
【０００３】
このような乱流場における微小粒子の挙動を測定する手法として、例えば特許文献１が知られている。特許文献１で乱流場における微小粒子の挙動として、微小粒子の形状、径及び温度を同時測定するための測定システムが開示されている。
【０００４】
ここで図８は特許文献１の微小粒子の測定システム１００’を示す模式図である。この測定システム１００’は、微小粒子の形状及び径を計測するためのシャドウドップラー光学系１１０’と、微小粒子の温度を計測するためのカセグレン光学系１２０’とを備える。シャドウドップラー光学系１１０’では、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の交差点に形成される測定領域を通過する火炎Ｂ中の粒子によって、レーザ光Ｌ１、Ｌ２が遮光されて形成される影に基づいて、高速度カメラ１１２’で粒子を撮像し、撮像された画像信号に基づいて粒子の形状及び径が測定される。一方、カセグレン光学系１２０’では、測定領域中の粒子からの検出光に含まれる特定波長の２種類の光強度を分光器１２２’で計測し、演算装置１２４’によって二色温度計の原理に基づいて粒子の温度を計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１３５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、上述したように、粒子の形状及び径を計測するためのシャドウドップラー光学系１１０’と、粒子の温度を計測するためのカセグレン光学系１２０’とを有しているが、これらの２つの光学系は、互いに独立した筐体を有する光学系として構成されている。そのため、特許文献１の技術を用いて、ボイラ火炉のような大型な高温燃焼場内の乱流場を浮遊する微小粒子を測定する場合、各光学系に対応する計測窓を設ける必要がある。特に、シャドウドップラー光学系１１０’では、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射方向とは反対側で影の計測を行う必要があるため、照射側と受光側とにそれぞれ計測窓を設ける必要がある。しかしながら、ボイラ火炉のような大型な高温燃焼場では、良好な燃焼効率を達成するために計測窓は限られた領域に限定的に設けられているのが実情であり、特許文献１の技術を採用することは容易ではない。
【０００７】
また上記特許文献１の技術を高温燃焼場に適用するためには、光学系を冷却性能を有する保護筐体に収容することにより、燃焼場の高温雰囲気から保護する必要がある。そのため上記特許文献１では、各光学系をこのような保護筐体に収容する必要があり、装置構成が大掛かりなものになってしまう。また光学系を高温燃焼場から遠ざけることにより筐体を簡略化することも考えられるが、この場合、測定対象となる微小粒子から見込まれる有効立体角が小さくなってしまう。この場合、特に二色温度計の原理を利用したカセグレン光学系１２０’では、測定対象となる微小粒子からの輻射光の検出量が少なくなってしまう。
【０００８】
また上記特許文献１では、互いに独立したシャドウドップラー光学系１１０’とカセグレン光学系１２０’とを有するため、各光学系の光路上における屈折率が異なる場合、実質的な測定位置にズレが生じてしまい、正確な計測ができないおそれがある。
【０００９】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システムは上記課題を解決するために、
液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する照射部と、
前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより前記微小粒子を測定する測定部と、
を備え、
前記照射部及び前記測定部は、前記微小粒子から見て一方側に配置される。
【００１１】
上記（１）の構成によれば、測定対象となる微小粒子に対してレーザ光を照射する照射部と同じ側に配置された測定部によって、レーザ光の散乱光を検出することで、微小粒子の測定が行われる。このように、微小粒子に対してレーザ光を照射する照射部と、微小粒子によるレーザ光の散乱光を検出する測定部とが、微小粒子から見て一方側に配置されるので、大型の高温燃焼場においても限られた計測窓で対応でき、簡易的に微小粒子の測定を行うことができる。
【００１２】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を集光するための拡大対物レンズを含む光学系を介して、前記散乱光を受光する。
【００１３】
上記（２）の構成によれば、微小粒子からの散乱光は拡大対物レンズを含む光学系を介して測定部で受光される。測定部では、光学系によって集光される散乱光によって微小粒子が検出される。光学系には拡大対物レンズが含まれているため、その焦点距離を調整することで、微小粒子の結像位置を調整し、測定対象とする微小粒子を好適に抽出して測定できる。
【００１４】
（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、
前記拡大対物レンズは５ｍｍ以下の被写界深度を有する。
【００１５】
上記（３）の構成によれば、拡大対物レンズの被写界深度を浅く構成することにより、測定対象とする微小粒子を好適に抽出できる。
【００１６】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、
前記測定部は、前記測定部で検出された散乱光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する形状測定部を含む。
【００１７】
上記（４）の構成によれば、測定部では、微小粒子からの散乱光に基づいて、微小粒子の形状が測定される。この場合、形状測定部として、例えばＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）カメラのような高速度カメラが採用可能である。
【００１８】
（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記形状測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の形状を測定する。
【００１９】
上記（５）の構成によれば、照射部から照射されるレーザ光の波長を含む短波長光に基づいて、微小粒子の形状計測が行われる。
【００２０】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか一構成において、
前記測定部は、前記照射部における前記レーザ光の照射タイミングと同期して前記微小粒子を連続的に撮像し、撮像フレーム間における前記微小粒子の変位に基づいて、前記微小粒子の流速を測定する流速測定部を含む。
【００２１】
上記（６）の構成によれば、測定部では、所定間隔で撮像されるフレーム間における微小粒子の変異に基づいて、微小粒子の流速が測定される。
【００２２】
（７）幾つかの実施形態では上記（６）の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記流速測定部は、前記短波長光に基づいて前記微小粒子の流速を測定する。
【００２３】
上記（７）の構成によれば、照射部から照射されるレーザ光の波長を含む短波長光に基づいて、微小粒子の流速計測が行われる。
【００２４】
（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか一構成において、
前記測定部は、前記散乱光に含まれる複数の特定波長の光強度を用いて二色温度計の原理により前記微小粒子の温度を測定する温度測定部を含む。
【００２５】
上記（８）の構成によれば、散乱光に含まれる複数の特定波長の光強度を用いて二色温度計の原理により微小粒子の温度を測定できる。
【００２６】
（９）幾つかの実施形態では上記（８）の構成において、
前記測定部は、前記散乱光を、前記レーザ光の波長を含む短波長光と、前記短波長光より大きな波長を含む高波長光とに分光する分光部を有し、
前記温度測定部は、前記長波長光に基づいて前記微小粒子の温度を測定する。
【００２７】
上記（９）の構成によれば、照射部から照射されるレーザ光の波長を含む高波長光に基づいて、微小粒子の温度計測が行われる。
【００２８】
（１０）幾つかの実施形態では上記（１）から（９）のいずれか一構成において、
前記照射部と前記二層流との間の光路に配置されたスペックルキラーを備える。
【００２９】
上記（１０）の構成によれば、照射部と二層流との間の光路にスペックルキラーが設けられるため、レーザ光を微小粒子に照射する際に生じるスペックルノイズを効果的に低減し、精度のよい測定が可能となる。
【００３０】
（１１）幾つかの実施形態では上記（１）から（１０）のいずれか一構成において、
前記照射部と前記二層流との間の光路は、フレキシブルチューブで構成される。
【００３１】
上記（１１）の構成によれば、照射部と二相流との間の光路をフレキシブルチューブ（例えば光ファイバなど）で構成することで、当該光路をより柔軟なレイアウトで形成できる。
【００３２】
（１２）幾つかの実施形態では上記（１）から（１１）のいずれか一構成において、
前記照射部から照射された前記レーザ光の光路は、前記微小粒子からの前記散乱光の光路の少なくとも一部を共有する。
【００３３】
上記（１２）の構成によれば、照射部からのレーザ光と、微小粒子からの散乱光とが少なからず共通の光路を有するため、微小粒子への照射方向と散乱光の受光方向とを揃えることができる。これにより、光学系における光軸と焦点位置の調整が不要となり、より好適な運用性を有する測定システムを実現できる。
【００３４】
（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定方法は上記課題を解決するために、
液体又は固体の微小粒子が気相中に存在する二相流に対してレーザ光を照射する工程と、
前記微小粒子から見て前記レーザ光と同じ側において、前記微小粒子による前記レーザ光の散乱光を検出することにより、前記微小粒子を測定する工程と、
を備える。
【００３５】
上記（１３）の方法によれば、測定対象となる微小粒子に対するレーザ光の照射方向と同じ側において、レーザ光の散乱光を検出することで、微小粒子の測定が行われる。このように、レーザ光の照射と散乱光の検出とが、微小粒子から見て一方側で行われるので、大型の高温燃焼場においても限られた計測窓で対応でき、簡易的に微小粒子の測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システムを備える燃焼設備１の構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図１の測定システムの構成の詳細図である。
【図３】図２の測定システムで実施される測定方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図４】流速測定部で連続的に撮像した２フレーム画像の一例である。
【図５】図２の一変形例である。
【図６】図２の他の変形例である。
【図７】図２の他の変形例である。
【図８】特許文献１の微小粒子の測定システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００３９】
まず図１を参照して、本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システム１００を備える燃焼設備１の全体構成について説明する。図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る微小粒子の測定システムを備える燃焼設備１の構成を概略的に示す模式図である。
【００４０】
燃焼設備１は、燃料を燃焼させる燃焼炉２と、該燃焼炉２で生成された燃焼空気を案内する煙道４と、燃焼空気から熱エネルギを取得する再熱器ユニット６と、燃焼炉２内への燃料及び空気の供給を調整することで燃焼炉２内における燃焼状態を制御する燃焼制御装置８と、燃焼炉２内の燃焼空気に含まれる微小粒子を測定するための測定システム１００と、を備える。
【００４１】
燃焼炉２は、耐熱性材料が用いられた壁面で略箱形状に囲まれるように構成される。燃焼炉２では、後述する燃焼制御装置８から供給される燃料及び空気が燃焼されることで高温の燃焼空気が生成される。燃焼炉２は鉛直方向上側が開放されており、当該開放された箇所が煙道４に接続されている。燃焼炉２で生成された高温の燃焼空気は、煙道４に案内されるように流路を形成する。
【００４２】
再熱器ユニット６は複数の再熱器から構成されており、燃焼炉２及び煙道４における燃焼空気の流路上に配置されている。再熱器は内部に液体又は気体が封入された管状の部材からなる。再熱器に封入されている液体又は気体は、高温の燃焼空気と熱交換することにより熱エネルギを取得し、蒸気となる。この蒸気は再熱器ユニット６から所定の経路を通り、不図示のタービンを回転駆動させることで、熱エネルギを電気エネルギ又は機械的エネルギに変換して出力可能に構成されている。
【００４３】
燃焼制御装置８は、燃焼炉２内に供給される燃料及び空気を調整することにより、燃焼炉２内における燃焼状態を制御する。燃焼制御装置８は、燃焼炉２にそれぞれ燃料及び空気を供給する燃料供給部１２及び空気供給部１４を備える。
【００４４】
燃料供給部１２は、燃料を燃焼させる微粉炭バーナ（以下、適宜「バーナ」と称する）１６と、燃料である微粉炭を供給する微粉炭供給部１８と、燃料を搬送するための送風を発生させる送風機２０と、燃料の流量を調整するための流量調整弁２２と、これらを互いに接続する配管２４と、を備える。
【００４５】
微粉炭供給部１８は燃料を配管２４に供給するように構成された機構である。配管２４に供給された微粉炭は送風機２０によって配管２４中を搬送され、流量調整弁２２を介して空気供給部１４の主配管３２から導入された空気と混合された後、バーナ１６に供給される。バーナ１６は、噴射口が燃焼炉２の内側に露出するように設置された燃焼機であり、配管２４を介して供給された燃料を噴射し、燃焼炉２内で燃焼させる。
【００４６】
尚、バーナ１６は、燃焼炉２内の複数箇所に配置されており、好ましくは各バーナ１６から噴射される空気により燃焼炉２内に渦状の空気の流れができるようにレイアウトされるとよい。
【００４７】
また微粉炭供給部１８は、石炭を粉砕して微粉炭を生成し、該生成した微粉炭を配管２４に供給する機構であってもよいし、予め生成された微粉炭を貯留しておき、該貯留された微粉炭を配管２４に供給する機構であってもよい。
【００４８】
空気供給部１４は、燃焼炉２に一次空気及び二次空気をそれぞれ供給する一次空気供給ユニット２６及び二次空気供給ユニット２８と、上述の燃料供給部１２と共に一次空気供給ユニット２６及び二次空気供給ユニット２８に空気を送るブロア又はファンである送風機３０と、これらを接続する主配管３２とを備える。
【００４９】
一次空気供給ユニット２６は、吹出口３４が燃焼炉２に露出するように配置された第１配管３６と、該第１配管３６における空気の流量を調整に構成された流量調整弁３８と、を備える。第１配管３６は、流量調整弁３８を介して主配管３２に接続されており、送風機３０によって主配管３２に取り込まれた空気を吹出口３４に導入可能に構成されている。吹出口３４は、燃焼炉２内の燃焼空気の流路のうち、バーナ１６より下流側に設けられている。流量調整弁３８は、主配管３２と第１配管３６との接続部に配置されており、主配管３２から第１配管３６に供給される空気の量を調整する。
【００５０】
二次空気供給ユニット２８は、吹出口４０が燃焼炉２に露出するように配置された第２配管４２と、該第２配管４２における空気の流量を調整可能に構成された流量調整弁４４と、を備える。第２配管４２は、流量調整弁４４を介して主配管３２に接続されており、送風機３０によって主配管３２に取り込まれた空気を吹出口４０に導入可能に構成されている。吹出口４０は、燃焼炉２内の燃焼空気の流路のうち、吹出口３４より下流側に設けられている。流量調整弁４４は、主配管３２と第２配管４２との接続部に配置されており、主配管３２から第２配管４２に供給される空気の量を調整する。
【００５１】
配分制御手段４６は、流量調整弁２２、３８、４４の開度を調整することにより、送風機３０によって取り込まれた空気を燃料供給部１２、一次空気供給ユニット２６及び二次空気供給ユニット２８に対して所定比率で振り分ける。
【００５２】
燃焼炉２内には、気体媒体である空気中に微小粒子（粒径が数ｍｍ以下の粒子）である微粉炭が浮遊する二相流体としての燃焼空気が存在している。測定システム１００は、このような燃焼空気中の微粉炭を測定対象としており、特にレーザ光を用いた光学的手法に基づいて測定するシステムである。燃焼炉２の壁面には、外部から燃焼炉２の内部に対してレーザ光が透過可能な計測窓２ａが設けられており、測定システム１００は、当該計測窓２ａの外側に配置されている。後述するように測定システム１００は、測定に用いるレーザ光の照射側と受光側とを、測定対象となる微粉炭が存在する燃焼炉２から見て一方向に配置できるため、燃焼炉２の壁面に設けられる計測窓２ａが少なく済む。
【００５３】
図２は図１の測定システム１００の構成の詳細図であり、図３は図２の測定システム１００で実施される測定方法を工程毎に示すフローチャートである。測定システム１００は、レーザ光を照射する照射部１１０と、微小粒子からの散乱光を検出することにより微小粒子を測定する測定部１２０と、を備える。
【００５４】
照射部１１０は、測定光としてレーザ光を照射する（ステップＳ１）。本実施形態ではレーザ光として、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いており、特に、所定の時間間隔ｔで繰り返し照射されるパルスレーザが用いられる。
【００５５】
照射部１１０からのレーザ光は、第１光学系１１２を介して、測定対象となる微小粒子が存在する燃焼炉２内の燃焼空気に向けて出射される。第１光学系１１２は、照射部１１０と燃焼空気との間の光路を規定する光学系であり、照射部１１０からのレーザ光が、燃焼炉２の壁面に設けられた計測窓２ａを介して燃焼炉２内の燃焼空気に到達するように構成される。
【００５６】
第１光学系１１２は、必要に応じて、少なくとも一つの光学素子を含んでもよい。図２の例では、第１光学系１１２は光学素子として複数のミラー１１４ａ、１１４ｂを備えており、照射部１１０からのレーザ光が伝播する光路が規定されている。
【００５７】
計測窓２ａから照射されたレーザ光は、燃焼炉２内の燃焼空気に到達すると、燃焼空気中の微粉炭によって散乱される。微粉炭からの散乱光は、第２光学系１１６を介して、燃焼炉２の外部にある測定部１２０で受光される。第２光学系１１６は、燃焼空気と測定部１２０との間の光路を規定する光学系であり、微粉炭からの散乱光が燃焼炉２の壁面に設けられた計測窓２ａを介して測定部１２０に到達するように構成される。
【００５８】
第２光学系１１６は、必要に応じて、少なくとも一つの光学素子を含んでもよい。図２の例では、第２光学系１１６は光学素子として、散乱光を測定部１２０に集光するための拡大対物レンズ１１８を備える。測定部１２０では、第２光学系１１６によって集光される散乱光によって微粉炭が撮像される。第２光学系１１６には拡大対物レンズ１１８が含まれているため、その焦点距離を調整することで、微小粒子の結像位置を調整し、測定対象とする微小粒子を好適に抽出して測定することができる。
【００５９】
拡大対物レンズ１１８は５ｍｍ以下の被写界深度を有する。このように拡大対物レンズ１１８の被写界深度を浅く構成することにより、測定対象とする微小粒子を好適に抽出できる。
【００６０】
尚、拡大対物レンズ１１８は、目的に応じて、顕微鏡レンズ、長作動距離顕微鏡レンズ、マクロレンズ、カセグレンレンズが選択可能であり、適宜組み合わせることで焦点距離等の設定を行うとよい。
【００６１】
第２光学系１１６は、拡大対物レンズ１１８の像側端面から測定部１２０までの距離Ｌに応じてイメージガイド１２２を含んでもよい。イメージガイド１２２は、例えば、距離Ｌが数１０ｍｍである場合は拡大対物レンズのバックフォーカスであり、距離Ｌが数１０ｍｍ〜５００ｍｍ以下である場合にはＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｉｎｄｅｘ  Ｌｅｎｓ）であり、距離Ｌが５００ｍｍ〜３０００ｍｍである場合にはイメージファイバである。
【００６２】
測定部１２０は、微小粒子によるレーザ光の散乱光を検出することにより微小粒子を測定する（ステップＳ２）。本実施形態では特に、測定部１２０は、微小粒子の形状を測定する形状測定部１２４と、微小粒子の流速を測定する流速測定部１２６と、微小粒子の温度を測定する温度測定部１２８と、を含む。形状測定部１２４、流速測定部１２６及び温度測定部１２８には、それぞれ微小粒子からの散乱光が第２光学系１１６を介して取り込まれることにより、微小粒子の形状、流速及び温度という３つのパラメータが同時測定可能に構成されている。
【００６３】
イメージガイド１２２の下流側には、微小粒子からの散乱光を分光するための分光部として、ダイクロックミラー１３０ａ、１３０ｂが配置されている。ダイクロックミラー１３０ａ、１３０ｂは、それぞれ所定波長帯の光を分光可能な光学素子である。ダイクロックミラー１３０ａでは、微小粒子からの散乱光のうちレーザ光の波長を含む短波長光が分光され、形状測定部１２４及び流速測定部１２６に入射される。本実施形態では、レーザ光はＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）であることから、ダイクロックミラー１３０ａでは例えば６２０ｎｍより短波長光が分光される。
【００６４】
本実施形態では形状測定部１２４及び流速測定部１２６は、照射部１１０から照射されるレーザ光のパルス周期に同期するフレーム間隔で連続的に撮像可能な撮像装置として一体的に構成される。このような撮像装置として、例えばＰＩＶカメラを採用することができる。各フレームの露光時間は例えば数ｍｓである。
【００６５】
形状測定部１２４では、入射光（微小粒子からの散乱光に含まれる短波長光）に基づいて撮像された画像に基づいて、燃焼空気に含まれる微小粒子の形状が測定される。このような形状測定は、例えば、形状測定部１２４で、ある瞬間における画像を取得し、その画像に含まれる微小粒子を認識するとともに、その輪郭を特定することにより行うことができる。
【００６６】
流速測定部１２６では、入射光（微小粒子からの散乱光に含まれる短波長光）に基づいて撮像された画像に基づいて、燃焼空気に含まれる微小粒子の流速が測定される。このような流速測定は、例えば、流速測定部１２６で照射部１１０からのレーザ光の照射タイミングに同期させて連続的に撮像を行い、フレーム間における微小粒子の変位に基づいて行われてもよい。
【００６７】
ここで図４は流速測定部１２６で連続的に撮像した２フレーム画像の一例である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、照射部１１０からのレーザ光の照射タイミングに同期させて連続的に撮像した異なるフレームにおける画像をそれぞれ示しており、互いに同一の微小粒子が撮像されている（図４（ｂ）では図４（ａ）における微小粒子の位置が破線で示されている）。これら２フレーム画像を比較してわかるように、フレーム間隔である時間差Δｔの間に、微小粒子が変位ｘだけ移動していることが特定される。流速測定部１２６では、このような画像解析を行うことで、変位ｘを時間差Δｔで割算することで、微小粒子の流速が測定される。
【００６８】
図２及び図３に戻って、ダイクロックミラー１３０ａの透過光は、短波長光より大きな波長を含む高波長光（輻射光）となる。すなわち上記例では、６２０ｎｍより高波長光がダイクロックミラー１３０ａを透過し、ダイクロックミラー１３０ｂに入射する。ダイクロックミラー１３０ｂでは、高波長光が更に分光され、温度測定部１２８を構成するＴＣＰ（Ｔｗｏ  Ｃｌｏｌｏｒ  Ｐｙｒｏｍｅｔｒｙ）検出器１３２ａ、１３２ｂにそれぞれ入射される。ＴＣＰ検出器１３２ａ、１３２ｂでは、それぞれ特定の波長λ１、λ２における光強度Ｉλ１、Ｉλ２が検出される。ＴＣＰ検出器１３２ａ、１３２ｂで検出された光強度Ｉλ１、Ｉλ２は、不図示の解析装置に入力され、二色温度計の原理に基づいて次式
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から温度の算出が行われる。
【００６９】
尚、ＴＣＰ検出器１３２ａ、１３２ｂは、測定対象となる微小粒子が小さく（数１００μｍ以下）、輻射強度が弱い場合には、光電子増倍管やアバランチェフォトダイオードのような点計測用機材を用いてもよい。一方、測定対象となる微小粒子が大きく（１ｍｍ程度以上）、輻射強度が十分に得られる場合にはカメラを用いて構成してもよい。
【００７０】
また形状測定部１２４で測定された粒子形状と温度測定部１２８で測定された温度とを比較することにより、黒体輻射強度として適切な強度を有するか否かにより揮発分燃焼発光を除去してもよい。例えば、燃焼空気に含まれる煤などは、温度の割に輻射強度が低くなるため、測定対象である微小粒子と区別して取り扱ってもよい。
【００７１】
ここでイメージガイド１２２から形状測定部１２４、流速測定部１２６及び温度測定部１２８（ＴＣＰ検出器１３２ａ、１３２ｂ）への各々の光学距離は、互いに等しくなるように構成されている。これにより、形状測定部１２４、流速測定部１２６、温度測定部１２８の物側結像位置が一致し、同一の対象空間の計測データを取得することができる。
【００７２】
また形状測定部１２４、流速測定部１２６及び温度測定部１２８（ＴＣＰ検出器１３２ａ、１３２ｂ）の入射側には、それぞれで測定対象となる周波数帯域の測定光を透過させるための光学フィルタ（例えばバンドパスフィルタ）が配置されていてもよい。
【００７３】
このような微小粒子の測定システム１００は、照射部１１０と測定部１２０とが測定対象である微小粒子から見て一方側に配置されており、一方向からの光学アクセスのみによって微小粒子の形状、流速及び温度を同時に測定することができる。これにより、燃焼炉２の壁面に計測窓２ａを設ける場合においても、図１に示されるように限られた計測窓２ａで対応できる。そのため、計測窓２ａの設置スペースが限定される燃焼炉２への導入が容易な測定システム１００を構築できる。また形状、流速及び温度の測定を同一の第２光学系１１６を介して行うことで、媒質の屈折率変化による測定位置ズレを抑制することができ、簡易ながらも精度のよい測定が可能となる。
【００７４】
図５は図２の一変形例である。この変形例では、照射部１１０と測定対象である燃焼空気との間の光路を形成する第１光学系１１２にスペックルキラー１４０が含まれる点で、上述の実施形態と異なる（尚、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は省略する）。
【００７５】
このように第１光学系１１２にスペックルキラー１４０を含めることで、照射部１１０からのレーザ光を燃焼空気中の微小粒子に照射する際に生じるスペックルノイズを効果的に低減できるため、より精度のよい測定が可能となる。これにより、例えば、燃焼空気中における微小粒子の濃度が希薄（数１０００個／ｍ３）な場合、スペックルパターンによって制約される分解能を数１０μｍを数μｍにまで改善することができる。
【００７６】
図６は図２の他の変形例である。この変形例では、照射部１１０と測定対象である燃焼空気との間の第１光学系１１２を構成する光路がフレキシブルチューブ１５０で構成される点で、上述の実施形態と異なる（尚、上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は省略する）。
【００７７】
このように第１光学系１１２を構成する光路をフレキシブルチューブ１５０で構成することで、図２のように第１光学系１１２をミラー１１４ａ、１１４ｂなどで構成した場合に比べて、燃焼炉２の構造に応じて柔軟なレイアウトで測定システム１００を導入することができる。フレキシブルチューブとしては、例えば、光ファイバなどを採用することができ、本変形例では、フレキシブルチューブ１５０の先端に設けられた照射レンズ１５２を介して、微小粒子に対してレーザ光が照射されるように構成されている。この変形例は、他の実施形態に比べて取り扱いが容易であり、例えば反射率が低い微小粒子にも適用しやすい。
【００７８】
図７は図２の他の変形例である。この変形例では、照射部１１０から照射されたレーザ光の光路が、微小粒子からの散乱光の光路の少なくとも一部を共有する。すなわち、第１光学系１１２と第２光学系１１６の少なくとも一部が共有されるように構成される。具体的には、照射部１１０からのレーザ光は、フレキシブルチューブ１５０ａを介してスペックルキラー１４０を通過し、更にフレキシブルチューブ１５０ｂを介して照射レンズ１５４から照射される。照射レンズ１５４からの照射光は、イメージガイド１２２とダイクロックミラー１３０ａとの間に設置されたハーフミラー１５６によって、イメージガイド１２２から拡大対物レンズ１１８を介して、測定対象となる燃焼空気に照射される。微小粒子からの散乱光は、拡大対物レンズ１１８及びイメージガイド１２２を介してハーフミラー１５６に入射し、ハーフミラー１５６を透過した一部がダイクロックミラー１３０ａ側に入射する。
【００７９】
このように本変形例では、照射部１１０からのレーザ光と、微小粒子からの散乱光とが少なからず共通の光路を有するため、微小粒子への照射方向と散乱光の受光方向とを揃えることができる。これにより、光学系における光軸と焦点位置の調整が不要となり、より好適な運用性を有する測定システムを実現できる。
【００８０】
尚、上述の実施形態及び各変形例は適宜組み合わせることができるのは、言うまでもない。
【００８１】
以上説明したように上述の各実施例によれば、大型の高温燃焼場に存在する微小粒子を簡易的に測定可能な微小粒子の測定システム及び測定方法を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の少なくとも一実施形態は、気相中に存在する液体又は固体の微小粒子を測定するための測定システム及び測定方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１  燃焼設備
２  燃焼炉
２ａ  計測窓
４  煙道
８  燃焼制御装置
１２  燃料供給部
１４  空気供給部
１６  バーナ
１８  微粉炭供給部
２４  配管
２６  一次空気供給ユニット
２８  二次空気供給ユニット
１００  測定システム
１１０  照射部
１１２  第１光学系
１１４ａ，１１４ｂ  ミラー
１３０ａ，１３０ｂ  ダイクロックミラー
１１６  第２光学系
１１８  拡大対物レンズ
１２０  測定部
１２２  イメージガイド
１２４  形状測定部
１２６  流速測定部
１２８  温度測定部
１３２ａ，１３２ｂ  ＴＣＰ検出器
１４０  スペックルキラー
１５０  フレキシブルチューブ
１５２，１５４  照射レンズ
１５６  ハーフミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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