(57)【要約】本発明は、レーザパルスによって、発電プラント又は熱電併給プラントの燃焼室内の或る位置における少なくとも１つのガスの状態を求める方法に関する。この方法は、レーザパルスを室内に照射する工程（Ｓ１）、レーザパルスが室内に照射された第１の時点を求める工程（Ｓ２）、室内の上記位置においてガス分子によって後方散乱されたレーザ光を検出する工程（Ｓ３）、ガス分子によって後方散乱されたレーザ光が検出された第２の時点を求める工程（Ｓ４）、第１の時点、第２の時点及びレーザパルスのパルス長に基づいて上記位置を求める工程（Ｓ５）、並びに、第２の時点で検出された後方散乱されたレーザ光の少なくとも１つの特徴に基づいて上記位置における少なくとも１つのガスの状態を求める工程（Ｓ５）を含む。ガス測定システム及び燃焼システムも本明細書において提示される。
2014508301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルスによって、発電プラント又は熱電併給プラントの燃焼室内の或る位置における少なくとも１つのガスの状態を求める方法であって、
レーザパルスを室内に照射する工程（Ｓ１）、
レーザパルスが室内に照射された第１の時点を求める工程（Ｓ２）、
室内の前記位置においてガス分子によって後方散乱されたレーザ光を検出する工程（Ｓ３）、
ガス分子によって後方散乱されたレーザ光が検出された第２の時点を求める工程（Ｓ４）、
第１の時点、第２の時点及びレーザパルスのパルス長に基づいて前記位置を求める工程（Ｓ５）、及び、
第２の時点で検出された後方散乱されたレーザ光の少なくとも１つの特徴に基づいて、前記位置における少なくとも１つのガスの状態を求める工程（Ｓ６）
を含む方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの特徴を求める工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの特徴を求める工程は、後方散乱されたレーザ光の量を求めることを伴う、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの特徴を求める工程は、後方散乱されたレーザ光のスペクトル特性を求めることを伴う、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
検出された後方散乱されたレーザ光はレイリー散乱レーザ光である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項６】
検出された後方散乱されたレーザ光はラマン散乱レーザ光である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
レーザパルスの波長を規定する工程を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
レーザパルスが室内に照射されたときに最初に伝播する第１の平面とは異なる第２の平面内を伝播するレーザパルスから、前記位置に向かって移動するガス分子によって後方散乱された付加的なレーザ光を検出する工程を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
第２の平面におけるガス分子の濃度を求める工程、及び、
第１の平面内の前記位置における少なくとも１つのガスの状態を求める工程と第２の平面において求められたガス分子の濃度とに基づいて、第１の平面内の前記位置におけるガスの流速を求める工程
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
発電プラント又は熱電併給プラントの燃焼室内の或る位置における少なくとも１つのガスの状態を求めるガス測定装置（１）であって、ガス測定システムは、
レーザパルスを室内に照射するように構成されているレーザ装置（３）、
室内の前記位置においてガス分子によって後方散乱された光を検出するように構成されている散乱検出器（５）、及び、
処理装置（７）であって：
レーザパルスが室内に照射された第１の時点を求め、
後方散乱されたレーザ光が散乱検出器（５）によって検出された第２の時点を求め、
第１の時点、第２の時点及びレーザパルスのパルス長に基づいて、ガスの状態の前記位置を求め、かつ、
第２の時点で検出された後方散乱された光の少なくとも１つの特徴に基づいて、前記位置における少なくとも１つのガスの状態を求めるように適合された処理装置（７）
を備える、ガス測定装置。
【請求項１１】
処理装置（７）は、後方散乱されたレーザ光の量を求めることによって、少なくとも１つのガスの状態のうちの、位置におけるガスの濃度を求めるように構成されている、請求項１０に記載のガス測定装置（１）。
【請求項１２】
処理装置（７）は、後方散乱されたレーザ光のスペクトル特性に基づいて、ガスの状態のうちの、前記位置における温度を求めるように構成されている、請求項１０又は１１に記載のガス測定装置（１）。
【請求項１３】
燃焼システム（１５）であって、
請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のガス測定装置（１）、
ガスを収容するように適合された燃焼室であって、レーザ装置（３）から燃焼室内へのレーザパルスの照射を可能にするように構成された開口を備える囲い壁を有する燃焼室
を含む、燃焼システム。
【請求項１４】
室の開口内に配置された窓ユニット（１１）を含み、窓ユニット（１１）は、レーザ装置（３）から室内へのレーザパルスの照射を可能にするように構成されており、窓ユニット（１１）は、室外のガスの供給を受けるように構成されており、室外のガスは、室内のガスよりも高い圧力を有する、請求項１３に記載の燃焼システム（１５）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的にはガス測定に関し、特に、室内におけるガスの状態及びその位置を求める方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、発電プラントにおいて蒸気を発生させる燃焼システム内、例えばボイラ内を流れるガスの特性を知っておくことが望ましい場合がある。特に、例えば燃焼システムの種々の位置におけるガスの温度を求めることが望ましい場合がある。ガスの局所的な温度を求めることによって、ガスが燃焼システム内を流れるときにガスの温度が最適に分散するように、ガスの流れ又は燃料の分散を制御することが可能となり得る。それによって、燃焼システムにおける最適な燃焼及び最小限の損耗を達成することができる。
【０００３】
燃焼システムにおける温度を測定する１つの方法が、燃焼室の内部に取り付けられた熱電対を用いることによるものである。しかし、この方法では、各熱電対について１つの位置での局所的なガスの温度しか測定されず、測定される温度は放射の影響を受け、したがって多くの場合に真のガスの温度から外れる。
【０００４】
ボイラ内のガス流の断面のガス温度を測定するために、これまでは音響的な方法が用いられてきた。このために、音波を燃焼システム内に伝送することができ、それによって、ガスの温度を、音波がガス内を進むのにかかる時間の関数として求めることができる。これは、音波の伝播速度がガスの温度の関数であることに起因する。温度分布の２次元画像を得ることが可能であるように、複数の送信機を内側ボイラ壁上に分散させることができる。しかし、測定値を処理して温度分布の２次元画像を生成することが可能であるためには、高い計算資源が必要である。例えば、温度分布画像を生成することが可能であるように、測定が行われていない平面の部分において補間を用いる必要があり得る。
【０００５】
燃焼システムにおいて分かっていることが望ましいガスの別の特性は、ガス種の個々のガス分子の濃度である。ガスの濃度を求めることによって、ガスの最適な濃度を提供するようにガス流を制御することができ、それによって、燃焼システムにおける燃焼に関してより高い効率を達成することができる。より詳細には、酸素（Ｏ２）と一酸化炭素（ＣＯ）等の他の燃焼ガスとを、燃焼がより効率的になるように均一に混合することができる。さらに、ＮＯＸガスの形成も低減する。
【０００６】
燃焼室内のガスの温度を求めるためのサクションパイロメータによる方法が既知である。サクションパイロメータによる方法には、ガスを燃焼室から引き出し、放射の影響を最小限に抑えるとともに真のガスの温度を測定するようにガスを遮蔽された熱電対に通すことが伴う。この技法によって、１１００℃までの温度を通常は測定することができる。より高価な材料の場合、約１６００℃までの温度を測定することができる。その後、取り出されたガスを用いて、燃焼室内の種々のガスの濃度を求めることもできる。プローブを燃焼室内の種々の位置に位置決めすることによって、濃度及び温度の空間分布を得ることができる。しかし、サクションパイロメータによる方法は、燃焼システムにおけるガスの濃度又は温度の空間分布を求める効率的な方法を提供するものではない。特に、サクションパイロメータによる方法は、ガスの濃度及び／又はガスの温度の空間分布を求めるリアルタイムツールを提供するものではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記を考慮して、例えば燃焼システムの室内のガスの空間温度分布及び／又は濃度を求める改良された方法及びシステムを提供することが必要とされている。
したがって、本発明の包括的な目的は、室内のガスの状態及びその位置を求めるための方法及びガス測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様では、レーザパルスによって、発電プラント又は熱電併給プラントの燃焼室内の或る位置における少なくとも１つのガスの状態を求める方法であって：レーザパルスを室内に照射する工程；レーザパルスが室内に照射された第１の時点を求める工程；室内の前記位置においてガス分子によって後方散乱されたレーザ光を検出する工程；ガス分子によって後方散乱されたレーザ光が検出された第２の時点を求める工程；第１の時点、第２の時点及びレーザパルスのパルス長に基づいて前記位置を求める工程、及び、第２の時点で検出された後方散乱されたレーザ光の少なくとも１つの特徴に基づいて前記位置における少なくとも１つのガスの状態を求める工程を含む方法が提供される。
【０００９】
レーザ光を用いることによって、本発明の測定システムは、通常は室外に位置付けられるため温度の影響を受けにくいという点で、温度に依存しなくなる。さらに、例えば０．２メートル〜０．３メートルであり得るレーザパルスの空間パルス長が、室内のガス分子の群の位置を求める上で非常に高い空間分解能を提供する。その上、ガスの状態の空間分布を提供する測定は、リアルタイムで行うことができる。
【００１０】
ガスの状態とは、本明細書では或るガスの或る状態として規定される。ガスの状態は、例えば、室内のガスの（局所的な）温度、室内のガスの（局所的な）濃度とすることができる。
【００１１】
１つの実施形態は、少なくとも１つの特徴を求める工程を含んでもよい。
後方散乱されるレーザ光の特徴は、本明細書では広範に解釈するべきである。特に、レーザ光の特徴は、例えば、レーザ光のエネルギー及び波長等の平均スペクトル特性であり得る。レーザ光の特徴の他の例は、光の強度、又は検出された後方散乱された光に含まれる光子の量であり得る。
【００１２】
少なくとも１つの特徴を求める工程には、後方散乱されたレーザ光の量を求めることが伴い得る。それによって、ガスの濃度を、後方散乱された光の求められた量の関数として求めることができる。
【００１３】
室内の特定の位置におけるガスの濃度を求めることによって、室内の一様なガスの濃度を得るようにガスの分散又はガスの流れを制御することが可能となり得る。それによって、室が燃焼室であるか又はボイラの一部である場合、燃焼はより効率的になり、したがって、結果としてより高レベルの燃焼が生じる。発電プラントの用途では、このことは、長期にわたって同様の効果を得るのに、より少ない燃料しか必要とされないため、発電に関連するコストを低減しながらも、発電がより効率的になることを意味する。その上、ＮＯＸガスの発生を低減することができる。
【００１４】
少なくとも１つの特徴を求める工程には、後方散乱されたレーザ光のスペクトル特性を求めることが伴い得る。それによって、ガスの温度を求めることができる。それによって、求められた温度分布に従ってガスの流れを制御することによって一様な温度分布を得ることができる。
【００１５】
検出された後方散乱されたレーザ光は、レイリー散乱レーザ光とすることができる。
検出された後方散乱されたレーザ光は、ラマン散乱レーザ光とすることができる。ラマン散乱は、ストークス散乱及び反ストークス散乱を提供し、双方のタイプの散乱によって、ガス分子によって散乱される前のレーザパルスの光子のエネルギーと、後方散乱されたレーザ光との間にエネルギーの差が生じる。この差を測定することによって、室内のガスの温度を求めることができる。ラマン散乱は、検出されたラマン散乱光の量によってガスの濃度を求めるための情報も提供する。
【００１６】
１つの実施形態は、レーザパルスの波長を規定する工程を更に含んでもよい。レーザパルスの波長を規定することによって、光が後方散乱された位置におけるガスの温度を求めることを、ラマン散乱に基づいて行うことができる。
【００１７】
１つの実施形態は、レーザパルスが室内に照射されたときに最初に伝播する第１の平面とは異なる第２の平面内を伝播するレーザパルスから、前記位置に向かって移動するガス分子によって後方散乱された付加的なレーザ光を検出する工程を含んでもよい。
【００１８】
１つの実施形態は、ガス分子の濃度を求める工程、及び、第１の平面内の前記位置における少なくとも１つのガスの状態を求める工程と第２の平面において求められたガス分子の濃度とに基づいて、第１の平面内の前記位置におけるガスの流速を求める工程を含んでもよい。
【００１９】
本発明の第２の態様によると、発電プラント又は熱電併給プラントの燃焼室内の或る位置における少なくとも１つのガスの状態を求めるガス測定装置であって、ガス測定システムが；所定の長さを有するレーザパルスを室内に照射するように構成されているレーザ装置；室内の前記位置においてガス分子によって後方散乱された光を検出するように構成されている散乱検出器；及び、処理装置であって、レーザパルスが室内に照射された第１の時点を求め、後方散乱されたレーザ光が散乱検出器によって検出された第２の時点を求め、第１の時点、第２の時点及びレーザパルスのパルス長に基づいてガスの状態の前記位置を求め、かつ、第２の時点で検出された後方散乱された光の少なくとも１つの特徴に基づいて前記位置における少なくとも１つのガスの状態を求めるように適合された処理装置を備えるガス測定装置が提供される。
【００２０】
処理装置は、後方散乱されたレーザ光の量を求め、それによって、少なくとも１つのガスの状態のうちの、前記位置におけるガスの濃度を求めるように構成されてもよい。
処理装置は、後方散乱されたレーザ光のスペクトル特性に基づいて、ガスの状態のうちの、前記位置における温度を求めるように構成することができる。
【００２１】
本発明の第３の態様では、燃焼システムであって、上記で開示したようなガス測定装置、ガスを収容するように適合された燃焼室であって、レーザ装置から燃焼室内へのレーザパルスの照射を可能にするように構成された開口を備える囲い壁を有する燃焼室を含む燃焼システムが提供される。
【００２２】
１つの実施形態は、室の開口内に配置される窓ユニットを含んでもよく、レーザパルス入力ユニットはレーザ装置から室内へのレーザパルスの照射を可能にするように構成されており、窓ユニットは、室外のガスの供給を受けるように構成されており、室外のガスは、室内のガスよりも高い圧力を有する。
【００２３】
当業者には明らかであるように、本発明の上記の態様は全て、同一又は同様の利点を広く提示するものである。
更なる特徴及び利点は以下に開示される。
【００２４】
ここで、本発明及びその利点を、添付の図面を参照して非限定的な例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】光子の弾性後方散乱を示す図である。
【図１ｂ】光子の非弾性後方散乱を示す図である。
【図１ｃ】光子の非弾性後方散乱を示す図である。
【図２】ガス測定装置の例を示す図である。
【図３】図２のガス測定装置によるガス測定の第１の例を示す図である。
【図４】図２のガス測定装置によるガス測定の第２の例を示す図である。
【図５】ガスの状態及びその位置を求める方法のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は概して、光を用いて、ガスを収容しているとともにガスが流れることができる室又はダクト内のガスの状態及びその状態の位置を求めることができるという本発明者らの認識に基づくものである。
【００２７】
特に、本発明者らは、室内のガスの状態及びガスの状態の位置を求めるために光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）技法を用いることができると認識している。
ＬＩＤＡＲ技法は、一般的に、ガス又はエアロゾルの物理的特性又は化学的特性を測定するのに用いることができる。ＬＩＤＡＲ測定は通常、そのコヒーレンス及び狭ビームのためにレーザ光を用いる。
【００２８】
ＬＩＤＡＲ技法は、通常は所定のレーザ光パルスを用いて測距、すなわち、パルスの移動時間及び（後方）散乱された光の移動時間を求めることによってパルスを位置決めすることを可能にする。パルス長によって最小の空間分解能が求められる。
【００２９】
レーザ光が分子と衝突すると、レーザ光の一部が後方散乱される。後方散乱される光は例えば、レイリー散乱光又はラマン散乱光であり得る。
ここで、図１ａ〜図１ｃを参照してラマン散乱及びレイリー散乱の概念をより詳細に記載する。
【００３０】
レイリー散乱には、後方散乱された光子が、光子と分子との衝突が生じる前と同じエネルギーを有するという点で、いわゆる弾性散乱が伴う。この場合、レーザ光子がガス分子と衝突することによって分子を励起する。励起された分子は次いで、この分子を励起した光子が有していたのと同じエネルギーを有する光子を放射する。この現象が図１ａに示されている。
【００３１】
ラマン散乱には、放射された光子が分子との衝突前のレーザ光の光子のエネルギーと比べて異なるエネルギーを有するという点で、いわゆる非弾性散乱が伴う。そのような非弾性散乱は、ストークス散乱又は反ストークス散乱の形態であり得る。
【００３２】
ストークス散乱は、衝突後に放射された後方散乱された光子が、分子を励起したレーザ光子よりも低いエネルギーを有することを意味する。したがって、後方散乱された光の波長は、衝突前よりも長くなる。光子のストークス散乱は図１ｂに概略的に示されている。
【００３３】
反ストークス散乱は、後方散乱された光子が、分子との衝突前のレーザ光子よりも高いエネルギーを有することを意味する。したがって、後方散乱された光の波長は、衝突前よりも短くなる。光子の反ストークス散乱は図１ｃに概略的に示されている。
【００３４】
図２は、本発明によるガス測定装置１の例を示している。ガス測定装置１は概して、室内でのガスの状態及びそれらのそれぞれの位置を求めるのに用いることができる。そのような室は、ガスを収容するとともにガスを室内に流すことを可能にするのに好適な、任意の種類の室とすることができる。室は例えば、発電プラント、熱プラント又は熱電併給プラントの燃焼室とすることができる。以下では、室は、発電プラントにおいて蒸気を発生させるボイラの一部によって概して例示される。
【００３５】
例示されるガス測定システム１は、室内のガスの状態及びその位置を求めるために光学的な方法を用いる。特に、例示されるガス測定システム１は、有利には、ガスが収容されている室内のガスの状態及びそのガスの状態の位置を求めるためにＬＩＤＡＲ技法を用いる。
【００３６】
ガス測定システム１は、レーザ装置３、散乱検出器５、処理装置７、レーザ装置３に電力を供給する電源９、窓ユニット１１、及び窓ユニット１１に接続されているポンプユニット１３を含む。
【００３７】
レーザ装置３は、１つの実施形態では、レーザパルスを照射することが可能なレーザとすることができる。レーザ装置３は例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、エキシマ励起色素レーザ、又は任意の他の同様のタイプのレーザ装置とすることができる。レーザパルスの波長は例えば２６６ｎｍ〜１０６４ｎｍとすることができる。レーザパルスのスポットサイズは例えば３ｍｍ〜１５ｍｍとすることができる。パルスの持続時間は、例えば、空間パルス長が０．００９ｍ〜３ｍの範囲であるとすると、３０×１０−１２秒〜１０×１０−９秒の範囲とすることができる。パルス長によって測定値の空間分解能が決まる。パルスの持続時間及び空間的長さは概して特定の用途に応じて変わる。レーザのパルス繰り返し率は、例えば、任意のパルスの強度で１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚとすることができる。
【００３８】
燃焼室の壁１０の開口に配置することができる窓ユニット１１は、室につながる窓を提供する。レーザ装置３は、レーザ装置３が照射したレーザパルスが窓ユニット１１を通って室に入ることができるように構成されている。窓ユニット１１には、ポンプユニット１３からガスが供給される。ポンプユニット１３は１つの実施形態ではガスシリンダとすることができる。ポンプユニット１３によって窓ユニット１１に供給される、パージガスと呼ばれることもあるガスは、通常、室内を流れるガスよりも高い圧力を有する。そのため、窓ユニット１１はパージガスによって保護される。窓ユニット１１を用いることによってレーザパルスを室内に供給することができ、室と室の外側との間に清浄な光インタフェースを概ね常に提供しながら、後方散乱された光を散乱検出器５によって検出することができる。
【００３９】
室は、例えば炉であってもよく、この場合、室の壁は炉壁である。
図２に示されている実施形態では、レーザ装置３は、散乱検出器５の下面に向かって垂直方向にレーザパルスを照射するように構成されている。この構成は、例えばレーザ装置３の正面のミラー装置によって実現することができる。散乱検出器５は、レーザパルスを窓ユニット１１に向かって、したがって室内へ方向付けるミラー装置（図示せず）を含む。それによって、散乱検出器５によって検出される後方散乱された光は、レーザ光が伝播する際に沿う光学軸Ｏと同じ平面内にある分子又は原子によって後方散乱されたものであることが分かる。
【００４０】
１つの実施形態では、散乱検出器５は、テレスコープ構造及び専用の検出器システムを含んでもよい。散乱検出器５は、光電子増倍管（ＰＭＴ）等の１つ又は複数の放射線感受性要素を含むことができる。ＰＭＴは、集めた放射線を、更にデジタル処理することができる電気信号に変換することができる。
【００４１】
ラマン散乱に依存する実施形態は、通常、ラマン散乱光からレイリー散乱光を除去するために、散乱検出器に配置されたフィルタを有する。それによって、検出及び処理をラマン散乱光に集中して行うことができる。そのような実施形態では、２つ以上のＰＭＴを直列に接続することができる。各ＰＭＴは、この場合、反ストークス散乱光及びストークス散乱光の一方を検出するように構成することができる。したがって、第１のＰＭＴは例えばガス種から反ストークス散乱を検出するように構成することができ、第２のＰＭＴは同じガス種からストークス散乱を検出するように構成することができる。ストークス散乱光子の数と反ストークス散乱光子の数との間の信号の商（signal quotient）によって、これらの光子が室内で後方散乱された位置における室内のガスの温度が求められる。空間パルス長によって、求められた位置の空間分解能が決まる。
【００４２】
散乱検出器５は、ポンプユニット１３によって窓ユニット１１へ供給されるガスによってもたらされる後方散乱に起因する測定誤差を排除するために、そのガスを考慮に入れるように較正することができる。代替的には、ポンプユニット１３によって窓ユニット１１へ供給されるガスによってもたらされる後方散乱に起因する測定誤差を排除するために、そのガスを考慮に入れるように処理装置７を較正してもよい。
【００４３】
処理装置７は散乱検出器５に動作可能に連結されている。処理装置７は、散乱ユニット５から受け取ったデータを処理する集積ユニットとすることができる。代替的には、処理装置は、処理装置をともに形成する幾つかのユニットを含むことができる。
【００４４】
ここで、図３ａを参照して、室内のガスの状態及びその位置を求める第１の例をより詳細に記載する。
図３ａは、炉等の燃焼室１７及びガス測定装置１を含む燃焼システム１５の概略側面図を示している。分かりやすくするために、ガス測定システム１の全ての特徴が図３ａに示されているわけではない。
【００４５】
空気又は酸素が、矢印Ａによって示されているように燃焼室１７に供給される。さらに、油、石炭又は天然ガス等の燃料が、矢印Ｂによって示されているように燃焼室１７に供給される。これらの混合物は着火され、燃料及び酸素／空気が供給されるゾーンにおいて燃焼が生じる。ガス測定装置１によって、燃焼システム１５を通って流れるガスＧの温度及び濃度の空間分布を求めることが可能であり、このガスＧは、燃焼室１７内で空気又は酸素及び燃料を燃やした結果として生じるものである。
【００４６】
この例では、ガスＧは燃焼システム１５において上方へ垂直方向に流れる。しかし、本発明では、ガスは、概して燃焼システムの向きに応じて任意の方向へ流れ得ることに留意されたい。
【００４７】
ガスＧは、燃焼室内を、排煙ダクト２０を通って、蒸気を発生させる水等の流体を加熱することができるボイラ領域に向かって流れる。ガスＧは通常、窒素、二酸化炭素、酸素、一酸化炭素、硫黄化合物（ＳＯＸ）及びＮＯＸガス等の幾つかのガスの混合物である。
【００４８】
光学軸ＯにおけるガスＧの断面の状態の空間分布を求めるために、図５にも示されているようにステップＳ１においてレーザパルスをレーザ装置３によって照射し、燃焼室１７に供給する。レーザパルスは、例えば１０Ｈｚ又は５００Ｈｚのレートで燃焼室１７内に供給することができる。
【００４９】
ここで、図３ｂを参照して後方散乱の基本的な原理をより詳細に記載する。
窓ユニット１１を介して燃焼室１７内に照射されるレーザパルスＰは、燃焼室１７内を伝播する。レーザパルスＰは、燃焼室１７の内壁１７−１間を伝播する。レーザパルスＰは、パルス持続時間によって決まる長さｌを有する。
【００５０】
燃焼室Ｇ内を流れるガスＧは、分子Ｍ−１、Ｍ−２及びＭ−ｎ等の複数の分子を含む。以下で、分子Ｍ−１、Ｍ−２及びＭ−ｎを酸素分子によって例示する。概して、多数の分子が燃焼室のそれぞれの任意に選択された体積ユニット内に分散されることに留意されたい。しかし、簡単にするために、この例は３つの分子に基づくものとする。
【００５１】
ガスＧは概して、上述したような幾つかの分子の種類の不均一な混合物である。ガスＧは、ガスＧの異なる部分では異なる温度を有することもある。
レーザパルスＰが燃焼室１７においてガスＧを通って伝播すると、光子がガスＧ中の分子によって後方散乱される。これは、この例では、分子Ｍ−１、Ｍ−２及びＭ−ｎそれぞれによって後方散乱される光子１９−１、１９−２及び１９−ｎによって説明される。分子Ｍ−１、Ｍ−２及びＭ−ｎは、内壁１７−１から或る距離ｄのところに近接して位置し、レーザパルスＰは内壁１７−１から燃焼室１７内に照射される。処理装置７は、ステップＳ２において、レーザパルスＰが燃焼室１７に入った第１の時点に関連するデータを受け取っている。
【００５２】
例として、光子１９−１は反ストークス散乱として後方散乱されると仮定され、このことは、光子１９−１がレーザパルスＰの波長よりも短い波長を有することを意味する。さらに、光子１９−２はストークス散乱として後方散乱されると仮定され、このことは、光子１９−２がレーザパルスＰの波長よりも長い波長を有することを意味する。さらに、光子１９−ｎはレイリー散乱として後方散乱されると仮定される。
【００５３】
後方散乱された光子１９−１、１９−２及び１９−ｎは、窓ユニット１１を通して燃焼室１７を励起した後で、Ｓ３において散乱検出器５によって検出される。
レイリー散乱された光子１９−ｎはフィルタによって除去される。反ストークス散乱された光子１９−１及びストークス散乱された光子１９−２は、散乱検出器５のそれぞれのＰＭＴによって検出される。
【００５４】
処理装置７は、検出されたストークス散乱された光子の数及び検出された反ストークス散乱された光子の数に関するデータを散乱検出器５から受け取る。さらに、第２の時点、すなわち光子が検出された時点もステップＳ４において記録される。後方散乱された光子１９−１及び１９−２の波長の変化は、分子Ｍ−１及びＭ−２の種類を求めるために処理装置７によって用いられる。距離ｄから検出された後方散乱された分子の量によって、処理装置７は、ステップＳ６において、距離ｄにおける酸素の濃度を求めることができる。ステップＳ５では、分子Ｍ−１及びＭ−２の位置が距離ｄによって求められ、空間分解能が、レーザパルスＰの所定のパルス長ｌによって求められる。それによって、分子Ｍ−１及びＭ−２の位置は、長さｌの空間分解能によって距離ｄにあるものと判断することができる。
【００５５】
分子Ｍ−１及びＭ−２の温度は、後方散乱されたラマン光子１９−１及び１９−２間の商に基づいて求めることができる。概して、特定の位置におけるガスＧの温度は、後方散乱されたストークス光子及び反ストークス光子の総量の商に基づいて求めることができる。
【００５６】
ラマン散乱ではなく、レイリー散乱を用いて燃焼室内のガスの空間温度分布を求めてもよいことに留意されたい。
図４を参照すると、本発明の更なる用途が示されている。図４ａに示されている用途では、ガスＧの流速の空間分布も求めることができる。それによって、質量流量も求めることができる。
【００５７】
図４に示されている燃焼システム１５は、図３ａの燃焼システムと同様である。図４の例では、ガス測定アセンブリ１は、レーザ装置３及び散乱検出器５に対して燃焼室１７の反対側に配置されているミラー装置２１を更に含む。
【００５８】
この例では、ミラー装置２１は燃焼室１７の外に配置されている。したがって、窓ユニット１１が、散乱検出器５が配置される燃焼室の壁とは反対の壁に配置される。それによって、レーザパルスは燃焼室１７を出ると、燃焼室１７の外側のミラー装置２１によって再び方向付けられて窓ユニット１１を介して燃焼室に戻ることができる。この例では、ミラー装置２１によって再び方向付けられたレーザパルスは、レーザ装置３によって燃焼室内に最初に照射されたときのレーザパルスの方向とは反対の方向に方向付けられる。再び方向付けられたレーザパルスは、レーザパルスがガス測定アセンブリ１によって照射されたときに伝播する第１の平面２３−１と平行な第２の平面２３−２内を伝播することができる。
【００５９】
ガスＧの空間分布及び空間温度分布は、図３ａ及び図３ｂを参照して上述した方法と同様の方法で求めることができる。
図４の実施形態による更なる利点は、ガスＧの流速の空間分布もこの設定によって求めることができることである。しかし、ミラー装置の配置は用途に応じて異なっていてもよいことに留意されたい。当業者であれば、これに関してミラー装置の異なる構成を容易に予測するであろう。
【００６０】
ここで、光学軸を横断する流れ軸２５に沿う流速を求める工程について記載する。流速を求めるこの例は、２次元後方散乱測定に基づくものである。
流れ軸２５は、燃焼室１７の壁から距離ｄ２のところに位置する。
【００６１】
第２の平面２３−２を伝播する再び方向付けられたレーザパルスから後方散乱された光又は光子が検出され、第２の平面２３−２内のガス分子から後方散乱されたものと判断される。これは、レーザパルスがレーザ装置３によって燃焼室１７に入る第１の時点を求めるとともに、後方散乱された光が検出される第２の時点を求めることによって計算することができる。燃焼室１７の幅が分かっているため、検出された後方散乱された光が第２の平面２３−２内の分子から生じる時を求めることができる。
【００６２】
次に、濃度を、本明細書において図３ｂを参照して上述した原理に基づいて第２の平面２３−２と流れ軸２５との交点の近傍において求めることができる。この場合、第２の平面２３−２と流れ軸２５との交点の近傍におけるガスＧの求められた濃度はタイムスタンプされる。
【００６３】
レーザパルスは、例えば１０Ｈｚ〜５００Ｈｚのレートで燃焼室内に照射される。第２の平面２３−２と流れ軸２５との交点の近傍におけるガスＧの濃度を求めるのと同時に、第１の平面２３−１と流れ軸２５との交点の近傍におけるガスＧの濃度を同様に求める。
【００６４】
このガスの濃度が、第２の平面２３−２と流れ軸２５との交点の近傍において求められた濃度と等しいか又は非常に類似している場合、これもタイムスタンプされる。次に、処理装置７で、第２の平面２３−２と流れ軸２５との交点の近傍において求められた濃度の測定値と、第１の平面２３−１と流れ軸２５との交点の近傍における同様の測定結果との時間差を求めることによって、流れ軸２５に沿う流速を求めることができる。
【００６５】
質量流量は、濃度を流速で乗算することによって求めることができる。
空間温度分布は、本明細書において図３ａ及び図３ｂを参照して上述した方法と同じ方法で求めることができる。
【００６６】
本明細書において提示されている実施形態のいずれにおいても、燃焼室内の検出平面を画定するために１つ又は複数のミラーを用いることができる。そのようなミラーは、図２の光学軸Ｏと同じ平面上に、燃焼室の内壁の、レーザ装置に対して離れた端に配置することができる。
【００６７】
本明細書において記載するガス測定装置は、発電プラントにおけるガス測定、並びに、ガスの流れ及びガスの分散の特徴及び／又は状態を求めることが重要である任意の同様の分野において応用することができる。
【００６８】
当業者は、本発明が本明細書において上述した例に決して限定されないことを認識する。それどころか、添付の特許請求の範囲の範囲内で多くの変更及び変形が可能である。例えば、ミラー装置及び１つのレーザ装置を用いる代わりに、２つの平行なレーザ装置の設定によって２次元流速測定を行うことができる。この場合、それぞれの個々のレーザ装置のそれぞれの平行なレーザパルスの照射時点を、ガスの流れを求めるために用いることができる。さらに、ミラー装置は、レーザパルスが室内に照射される主平面に対して、本明細書において上記で提供された例におけるように上流ではなく下流に配置することができる。
【図１ａ】
2014508301.tif 000003
【図１ｂ】
2014508301.tif 000004
【図１ｃ】
2014508301.tif 000005
【図２】
2014508301.tif 000006
【図３ａ】
2014508301.tif 000007
【図３ｂ】
2014508301.tif 000008
【図４】
2014508301.tif 000009
【図５】
2014508301.tif 000010
【国際調査報告】
2014508301.tif 000011
2014508301.tif 000012
2014508301.tif 000013
2014508301.tif 000014