(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項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・化学種の高速計測システム。
【発明の詳細な説明】
【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／ＩO ）v ＝ｅｘｐ（−ｋv Ｌ）                      ……（１）
ここで、ＩO は入射光強度、Ｉは透過光強度、Ｌは光路長であり、ｋv は吸収係数である。そして、この吸収係数ｋv 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】
ｋv ＝Ｓ（Ｔ）Ｐabs φv                                 ……（２）
【００１４】
0004038631.tif 000002
【００１５】
ここで、Ｓ（Ｔ）〔ｃｍ-2ａｔｍ-1〕は吸収線遷移強度、Ｐabs 〔ａｔｍ〕は光を吸収する気体の分圧、φv 〔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）＝Ｐabs 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】
0004038631.tif 000003
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 ，……，λn ，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λa 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Ｖa0と計測時のフォトダイオード５７の出力電圧値Ｖa1との比Ｖa0／Ｖa1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ＮＯX ・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ＮＯX 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ＮＯX 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】
・ＮＯX 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、ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 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ＮＯX 、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。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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