(57)【要約】【課題】場所によって温度が異なるガスの温度の代表値を、労力と手間を抑えて測定することを可能とするガス温度測定方法及び測定装置を提供すること。【解決手段】酸素を含有するガスＸに検査光Ｐ１を照射し、ガスＸを透過した透過光Ｐｔ１の吸収スペクトルに基づいてガスＸの温度を測定するガス温度測定装置であって、ガスＸに照射する検査光Ｐ１を発する光源３と、透過光Ｐｔ１を受光する受光器４とを備えてなることを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査領域内に存在するガスの温度を測定するガス温度測定方法であって、
前記ガスに検査光を照射し、該ガスを透過した透過光のスペクトルに基づいて前記ガスの温度を測定することを特徴とするガス温度測定方法。
【請求項２】
請求項１記載のガス温度測定方法において、
前記ガスは、酸素を含有しており、前記スペクトルは、前記酸素の吸収スペクトルであることを特徴とするガス温度測定方法。
【請求項３】
検査領域内に存在するガスの温度を測定するガス温度測定装置であって、
前記ガスに検査光を照射する光源と、該ガスを透過した透過光のスペクトルを受光する受光器とを備えてなることを特徴とするガス温度測定装置。
【請求項４】
請求項３記載のガス温度測定装置において、
前記ガスは、酸素を含有していることを特徴とするガス温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガス温度測定方法及び測定装置に関し、特に光の吸収スペクトルに基づいてガスの温度を測定することを可能とするガス温度測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ボイラーから排出される高温の排ガス中には、二酸化硫黄（ＳＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）等の成分が含まれており、これら排ガスは、排ガスが導かれる煙道内において温度を測定することが行われている。この理由としては、例えば、排ガスの温度が低下したときに、排ガス中に含まれる成分が硫酸（Ｈ２ＳＯ４）等となって煙道や周辺機器を腐食させることがあるので、それを未然に防ぐために行われるといったことが挙げられる。
【０００３】
従来、ボイラーから排出される高温排ガスの温度を測定するには、熱電対が用いられている。熱電対は、２種類の異なる金属線を接続して１つの回路をつくったものであり、２つの接点に温度差を与えると熱起電力が生じ、この熱起電力に基づいて温度を測定するセンサーである。熱電対をセンサーとして用いた温度測定装置は、２種類の異なる金属線が接続する接点の１つを測定点とし、他の接点である基準接点を基にして測定点の温度を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のガス温度測定装置においては、温度を測定するために熱電対が用いられており、熱電対は測定点近傍の狭い領域の温度を測定するので、場所によって温度が異なるボイラーや煙道内の温度の代表値を知るためには、熱電対の設置箇所を変えて設置箇所毎の温度を測定し、得られた温度の平均から代表値を求める必要があり、そのための手間と労力がかかるという問題があった。
【０００５】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、場所によって温度が異なるガスの温度の代表値を、労力と手間を抑えて測定することを可能とするガス温度測定方法及び測定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、検査領域内に存在するガスの温度を測定するガス温度測定方法であって、前記ガスに検査光を照射し、該ガスを透過した透過光のスペクトルに基づいて前記ガスの温度を測定することを特徴とする。
【０００７】
この発明に係るガス温度測定方法によれば、検査領域内のガスに検査光を照射すると、ガスによって検査光の一部が吸収され、ガスを透過した透過光に吸収スペクトルが現れる。ガスの吸収スペクトルは、ガスの温度に依存した変化を示し、この吸収スペクトルの変化に基づいて温度が測定される。検査光は検査領域内のガスを広い範囲にわたって透過するので、労力と手間を抑えて検査領域内のガスの温度の代表値を測定することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のガス温度測定方法において、前記ガスは、酸素を含有しており、前記スペクトルは、前記酸素の吸収スペクトルであることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係るガス温度測定方法によれば、ガスに含まれる酸素によって検査光の一部が吸収され、酸素の吸収スペクトルに基づいて温度が測定される。酸素はガス中にほぼ均等に分布しており、かつ検査光の吸収はガス中の酸素それぞれで起こるので、労力と手間を抑えて検査領域内のガスの温度の代表値を測定することができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、検査領域内に存在するガスの温度を測定するガス温度測定装置であって、前記ガスに検査光を照射する光源と、該ガスを透過した透過光のスペクトルを受光する受光器とを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るガス温度測定装置によれば、検査領域内のガスに光源から検査光を照射すると、ガスによって検査光の一部が吸収され、ガスを透過した透過光が受光器で受光される。受光されたスペクトルにはガスによる吸収スペクトルが現れており、ガスの吸収スペクトルは、ガスの温度に依存した変化を示し、この吸収スペクトルの変化に基づいて温度が測定される。検査光は検査領域内のガスを広い範囲にわたって透過するので、労力と手間を抑えて検査領域内のガスの温度の代表値を測定することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３記載のガス温度測定装置において、前記ガスは、酸素を含有していることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るガス温度測定装置によれば、ガスに含まれる酸素によって検査光の一部が吸収され、酸素の吸収スペクトルに基づいて温度が測定される。酸素はガス中にほぼ均等に分布しており、かつ検査光の吸収はガス中の酸素それぞれで起こるので、労力と手間を抑えて検査領域内のガスの温度の代表値を測定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す図である。
図１において、１は煙道、２は透過窓、３はレーザ発信器（光源）、４は受光器、Ｘは排ガス（ガス）である。
【００１５】
煙道１は、石炭焚き、重油焚き或いはガス焚きのボイラーの排ガスＸを導くものであり、例えば直径１０ｍの円筒形状に形成されている。排ガスＸは、例えば４００℃から６００℃程度となった高温のガスであり、酸素（Ｏ２）の他には、例えば二酸化硫黄（ＳＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ３）等の成分を含んでいる。排ガスＸ中の酸素（Ｏ２）の濃度は、既知である。
【００１６】
透過窓２は、煙道１の途中の側壁に設けられており、煙道１の軸線方向に直交する一直線上に対向して一対となるよう配置されている。図１では、レーザ光（検査光）Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が煙道１内に入射する入射側透過窓と、レーザ光Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が煙道１内を透過して煙道１外へ出射する出射側透過窓２とからなる一対の透過窓２の内、出射側透過窓２のみが描かれている。この透過窓２は、高温（４００℃から６００℃程度）における光の透過が可能なように、例えば紫外光を透過させる耐熱ガラスによって形成されている。
【００１７】
レーザ発信器３は、例えばＯＰＯレーザ等の波長可変レーザから構成されており、検査対象となるガスの成分に応じた所定波長の検査用レーザ光Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を出射するものである。レーザ光Ｐ１は、排ガスＸに含まれる酸素（Ｏ２）の温度を測定するためのものであるが、他のレーザ光Ｐ２、Ｐ３は、排ガスＸに含まれる各成分の濃度を測定するためのものである。
【００１８】
レーザ発信器３から出射される酸素温度検査用レーザ光Ｐ１の波長は、例えば２００ｎｍから２５０ｎｍの範囲で可変となるよう所定波長に設定されており、レーザ発信器３から出射されるレーザ光Ｐ１は、煙道１に設けられた入射側透過窓を介して煙道１内の排ガスＸに含まれる酸素（Ｏ２）を透過する際、透過光Ｐｔ１となる。他に符号を付したＰｔ２、Ｐｔ３は、それぞれレーザ光Ｐ２、Ｐ３の透過光Ｐｔ１、Ｐｔ２を表す。
【００１９】
受光器４は、煙道１内の排ガスＸに含まれる酸素（Ｏ２）を透過した透過光Ｐｔ１を受光するものであり、透過光Ｐｔ１の強度に応じて電気信号を出力するものである。受光器４には、不図示の演算装置が設けられており、演算装置（不図示）は、受光器４にて出力された電気信号を演算処理し、酸素（Ｏ２）（排ガスＸ）の温度を取得するものである。
【００２０】
次に、上記の構成からなるガス温度測定装置を用いて排ガスＸの温度を測定する方法について説明する。
まず、酸素（Ｏ２）の他に、例えば二酸化硫黄（ＳＯ２）、一酸化窒素（ＮＯ）、アンモニア（ＮＨ３）等の成分を含んだ排ガスＸが煙道１に導かれて排出される際に、レーザ発信器３によりレーザ光Ｐ１を煙道１に設けられた入射側透過窓を介して煙道１内の排ガスＸ（酸素を含む）に照射する。
【００２１】
レーザ光Ｐ１が照射された酸素（Ｏ２）は、照射されたレーザ光Ｐ１の波長に応じて光の吸収が起こり、透過光Ｐｔ１として出射側透過窓２を介して煙道１より出射される。出射された透過光Ｐｔ１は、受光器４によって受光され、透過光Ｐｔ１の強度に応じた電気信号に変換され、不図示の演算装置に出力される。出力された電気信号は、不図示の演算装置によって演算処理され、処理結果に基づいて酸素（Ｏ２）の温度が取得される。排ガスＸ中の各成分は、ほぼ等しい温度をもつので、この酸素（Ｏ２）の温度が、排ガスＸの温度となる。
【００２２】
この際、酸素（Ｏ２）の温度は、酸素（Ｏ２）によるレーザ光Ｐ１の差分吸収率から求められるが、この差分吸収率は、レーザ光Ｐ１が酸素を透過した際の透過光Ｐｔ１の吸収スペクトルに基づいて求められる。また、この差分吸収率は、排ガスＸ中の酸素（Ｏ２）の濃度にも依存するが、酸素温度（排ガスＸの温度）の取得は、予め知られた濃度と吸収スペクトルの波長における差分吸収率をいくつかの濃度と波長の下で測定した、濃度と波長と差分吸収率との対応関係を示したテーブルに基づいて行われる仕組みとなっている。
【００２３】
次に、上記の構成からなるガス温度測定装置を用いて排ガスＸの温度を調べた実験結果（濃度と波長と差分吸収率との対応関係を示すテーブルの一部）について説明する。
図２は、入射側透過窓を介してレーザ光Ｐ１を煙道１内の排ガスＸ（酸素を含む）に照射し、透過光Ｐｔ１の吸収スペクトルに基づいた差分吸収率と温度との関係を示した実験結果である。図２において、横軸は排ガスＸの温度（℃）、縦軸は酸素によるレーザ光Ｐ１の差分吸収率（％）を表す。すなわち、レーザ光Ｐ１の酸素による差分吸収率の温度依存性が示されている。図２では、排ガスＸ中の酸素濃度３％において、酸素の吸収スペクトルとして２０２．５３ｎｍの波長を用いた場合の結果が示されている。図からわかるように、温度が４００℃から６００℃の範囲において、温度の上昇と共に酸素による差分吸収率が直線的に増加する結果となっている。
【００２４】
なお、この実験結果は、酸素濃度３％の結果であるが、他の酸素の濃度における実験結果も蓄積され、それがテーブルを構成する。また、この実験で用いた吸収スペクトルの波長は２０２．５３ｎｍであるが、用いる波長はこれに限られず、他の波長における結果も蓄積され、それが同様にテーブルを構成する。
【００２５】
上記の構成からなるガス温度測定方法によれば、温度測定の手段として酸素の吸収スペクトルが用いられており、この吸収スペクトルから求められるレーザ光Ｐ１の酸素による差分吸収率は温度と関係があるので、この関係に基づいて透過光Ｐｔ１の吸収スペクトルから差分吸収率を求めることにより、酸素（Ｏ２）、すなわち排ガスＸの温度が求められる。この際、酸素（Ｏ２）は排ガスＸ中にほぼ均等に分布しており、かつレーザ光Ｐ１の吸収は排ガスＸ中の酸素（Ｏ２）それぞれで起こるので、労力と手間を抑えて酸素（Ｏ２）を含む排ガスＸの温度の代表値を測定することができる。
【００２６】
なお、図１では、酸素温度検査用レーザ光Ｐ１と平行して他の成分の濃度を検査するためのレーザ光Ｐ２、Ｐ３が描かれているが、これらレーザ光Ｐ２、Ｐ３は、測定の対象となる排ガスＸに含まれる成分の吸収線に合わせて所定の波長（域）を有するものであり、これらレーザ光Ｐ２、Ｐ３の本数は、測定対象の数に応じて適宜調整してよいものである。また、本実施形態では、レーザ光Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の内、レーザ光Ｐ１のみを温度検査用のレーザ光として説明したが、温度検査用のレーザ光はレーザ光Ｐ１のみに限られず、複数個あってよい。
【００２７】
なお、上記の実施の形態では、レーザ発信器３は、レーザ光Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を排ガスＸ温度検査用又は排ガスＸに含まれる成分の濃度検査用として兼用に構成されていたが、排ガスＸ温度検査用のレーザ光Ｐ１を出射するレーザ発信器３は、これらとは独立して設けてよい。
【００２８】
図４は、レーザ発信器３を、他の排ガスＸ濃度検査用のものとは独立して設けた場合を示す図である。図４におけるレーザ発信器３は、図３で示す煙道１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線のいずれかの箇所にレーザ光Ｐ１を出射するよう配置されている。ここで、図３は、煙道１を有する燃焼炉の例を示す概略図であり、煙道１は、燃焼、熱交換、排ガス制御の各プロセスが行われる場所のそれぞれの後段に位置している。
図４において、５は光路切換部、Ｒは図１で符号４を付した受光器であり、図４中、図１と同一の符号を付したものは、同一のものを表す。光路切換部５は、複数の折曲鏡Ｍから構成されており、光路切換部５は、レーザ発信器３から出射されるレーザ光Ｐ１の進行方向を切り換えて受光器Ｒに受光させるものである。
【００２９】
図４（１）は、シングルパス方式と呼ばれるレーザ光Ｐ１の照射方法を示す図である。図４（１）において、光路切換部５は、煙道１とレーザ発信器３との間に設けられており、光路切換部５を構成する各折曲鏡Ｍは、レーザ発信器３から出射されるレーザ光Ｐ１を煙道１の軸線方向に直交する方向へ切り換えるよう配向されている。また、折曲鏡Ｍは、各折曲鏡Ｍによって切り換えられる各レーザ光Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３が煙道１内を複数本平行して透過して透過光Ｐｔ１１、Ｐｔ１２、Ｐｔ１３となって受光器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に受光されるよう、煙道１の軸線方向に沿って一直線上に所定間隔毎に複数個配置されている。この折曲鏡Ｍは、レーザ光Ｐ１を透過する機能と、反射する機能との両方を兼ね備えている。
【００３０】
上記の構成からなるガス温度測定装置においては、レーザ発信器３によりレーザ光Ｐ１を煙道１内の排ガスＸ（酸素を含む）に照射すると、各レーザ光Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３は、それぞれが透過した酸素によって吸収され、透過光Ｐｔ１１、Ｐｔ１２、Ｐｔ１３となって受光器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に受光され、それぞれの透過光Ｐｔ１１、Ｐｔ１２、Ｐｔ１３に基づいて煙道１内のそれぞれの箇所における排ガスＸの温度が取得される。
【００３１】
上記の構成によれば、煙道１内の軸線方向に沿った各箇所の排ガスＸの温度が取得されるので、１台のレーザ発信器３によって煙道１の軸線方向に沿った複数箇所の排ガスＸの温度を測定することができ、したがって、煙道１の軸線方向の温度分布を測定することができる。
【００３２】
なお、この実施の形態では、折曲鏡Ｍは、煙道１の軸線方向に沿って一直線上に複数個配置されていたが、これら折曲鏡Ｍは、煙道１の軸線方向に直交する方向へ移動可能に構成してよく、所定箇所にある一つの折曲鏡Ｍのみがレーザ光Ｐ１を煙道１内へ透過させるよう配置してよい。この場合、折曲鏡Ｍは、レーザ光Ｐ１を反射する機能のみを備えた全反射鏡となる。
【００３３】
この構成においては、レーザ光Ｐ１は、所定箇所にある一つの折曲鏡Ｍのみによって反射されて煙道１内の酸素に吸収され、所定箇所の排ガスＸの温度が取得される。この構成によれば、レーザ光Ｐ１は、複数の折曲鏡Ｍによって分割されずに反射されるので、酸素に吸収された透過光Ｐｔ１の強度が大きく、レーザ発信器３の出力が小さい場合にも有効である。また、折曲鏡Ｍの位置を選択することで、所定箇所の排ガスＸの温度を取得することができる。
【００３４】
図４（２）は、マルチパス方式と呼ばれるレーザ光Ｐ１の照射方法を示す図である。図４（２）において、光路切換部５は、煙道１とレーザ発信器３との間及び煙道１と受光器Ｒとの間に設けられており、光路切換部５を構成する各折曲鏡Ｍは、レーザ発信器３から出射されるレーザ光Ｐ１を煙道１の軸線方向に直交する方向、又は煙道１から出射した透過光Ｐｔ１を煙道１の軸線方向へ切り換えるよう配向されている。また、折曲鏡Ｍは、各折曲鏡Ｍによって切り換えられるレーザ光Ｐ１が煙道１内を、煙道１の軸線方向に直交する方向に平行して複数回往復して透過するよう、煙道１の軸線方向に沿って一直線上に所定間隔毎に複数個配置されている。煙道１の軸線方向に沿って一直線上に複数個配置された折曲鏡Ｍは、煙道１の軸線方向と煙道１内を透過する透過光Ｐｔ１の進行方向とに直交する方向から見たときに、隣同士が交互にハの字状、逆ハの字状となるように配向されている。この折曲鏡Ｍは、レーザ光Ｐ１を反射する機能のみを備えている。
【００３５】
上記の構成からなるガス温度測定装置においては、レーザ発信器３によりレーザ光Ｐ１を煙道１内の排ガスＸ（酸素を含む）に照射すると、レーザ光Ｐ１は煙道１内を往復する毎に酸素によって吸収され、透過光Ｐｔ１となって受光器Ｒに受光され、透過光Ｐｔ１に基づいて排ガスＸの温度が取得される。
【００３６】
上記の構成によれば、煙道１内の軸線方向に沿って所定間隔に位置する箇所に往復させてレーザ光Ｐ１を透過させることで、煙道１内全体の排ガスＸをレーザ光Ｐ１が透過するので、１台のレーザ発信器３によって煙道１内全体の排ガスＸの温度を測定することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１又は３に係る発明によれば、検査領域内のガスに検査光を照射すると、ガスによって検査光の一部が吸収され、ガスを透過した透過光に吸収スペクトルが現れる。ガスの吸収スペクトルは、ガスの温度に依存した変化を示し、この吸収スペクトルの変化に基づいて温度が測定される。検査光は検査領域内のガスを広い範囲にわたって透過するので、労力と手間を抑えて検査領域内のガスの温度の代表値を測定することができる。
【００３８】
請求項２又は４に係る発明によれば、ガスに含まれる酸素によって検査光の一部が吸収され、酸素の吸収スペクトルに基づいて温度が測定される。酸素はガス中にほぼ均等に分布しており、かつ検査光の吸収はガス中の酸素それぞれで起こるので、労力と手間を抑えて検査領域内のガスの温度の代表値を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るガス温度測定装置を示す概略図である。
【図２】この発明の一実施形態に係るガス温度測定装置を用いてガスの温度と酸素による検査光の差分吸収率との関係を示したグラフである。
【図３】この発明の一実施形態に係るガス温度測定装置におけるレーザ発信器の配置場所を示した概略図である。
【図４】（１）と（２）とは、いずれもこの発明の一実施形態に係るガス温度測定装置におけるレーザ光の照射方法を示した概略図である。
【符号の説明】
３　　　レーザ発信器（光源）
４　　　受光器
Ｐ１　　　レーザ光（検査光）
Ｐｔ１　　　透過光
Ｘ　　　排ガス（ガス）
【図１】
2004093420.tif 000003
【図２】
2004093420.tif 000004
【図３】
2004093420.tif 000005
【図４】
2004093420.tif 000006