特開 2024-131902 光軸調節方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131902

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】光軸調節方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/61 20060101AFI20240920BHJP

   G01N 21/05 20060101ALI20240920BHJP

   G01N 21/39 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

G01N21/61

G01N21/05

G01N21/39

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023042460

(22)【出願日】2023-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112140

【弁理士】

【氏名又は名称】塩島 利之

(74)【代理人】

【識別番号】100119297

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 正男

(72)【発明者】

【氏名】山田 義裕

(72)【発明者】

【氏名】戸村 啓二

【テーマコード（参考）】

2G057

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G057AA01

2G057AA02

2G057AB02

2G057AB04

2G057AB06

2G057AB08

2G057AC03

2G057AD20

2G057BA05

2G057BB01

2G057BB06

2G057DC07

2G057EA01

2G057EA06

2G057EA08

2G057GA01

2G057GA05

2G057JA03

2G059AA01

2G059BB01

2G059DD16

2G059EE01

2G059EE02

2G059GG01

2G059GG02

2G059HH01

2G059KK01

2G059LL01

2G059MM01

2G059NN02

(57)【要約】

【課題】送信側から受信側に光を到達させることができる光軸調節方法を提供する。
【解決手段】計測場３を仕切る壁を貫通する筒部７の窓９の外側に計測装置４を設置し、筒部７内をエアパージする。筒部７内に温度を調節したパージエアを吹き込むことによって及び／又は筒部７の近傍に温度調節装置１４を設置することによって、筒部７内に温度勾配を形成し、計測装置４が発光する光の屈折を制御する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測場を仕切る壁を貫通する筒部の窓の外側に計測装置を設置し、
前記筒部内をエアパージし、
前記筒部内に温度を調節したパージエアを吹き込むことによって及び／又は前記筒部の近傍に温度調節装置を設けることによって、前記筒部内に温度勾配を形成し、前記計測装置が発光する光及び／又は受光する光の屈折を制御する光軸調節方法。

【請求項2】

パージエアを噴き出す複数のノズルを備え、
各ノズルから噴き出すパージエアの温度を調節することを特徴とする請求項１に記載の光軸調節方法。

【請求項3】

前記温度調節装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光軸調節方法。

【請求項4】

温度計測装置が測定した前記筒部内の温度勾配の情報及び／又は受信側の計測装置での光軸の到達位置の情報に基づいて、前記筒部内に吹き込むパージエアの温度を調節し及び／又は前記温度調節装置を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の光軸調節方法。

【請求項5】

計測場を仕切る壁を貫通する筒部の窓の外側に設置される計測装置と、
前記筒部内にパージエアを吹き込む少なくとも一つのノズルと、
前記少なくとも一つのノズルから噴き出すパージエアの温度を調節するパージエア温度調節装置及び／又は前記筒部の近傍に設けられる温度調節装置と、
前記パージエア温度調節装置及び／又は前記温度調節装置を制御することによって、前記筒部内に温度勾配を形成し、前記計測装置が発光する光及び／又は受光する光の屈折を制御する制御装置と、を備える光軸調節装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、送信側から受信側に光を到達させる光軸調節方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

計測場を流れるガスの濃度の計測方法として、計測場にレーザ光等の光を通過させ、送信側の光の強度と受信側の光の強度の比からガスの特定成分（例えば一酸化炭素、酸素等）の濃度を計測する方法が知られている（特許文献１参照）。

【0003】

図４に示すように、灰、ダスト等の塵芥５３が多い計測場５０でレーザ光等の光を用いた計測を行うとき、計測場５０を仕切る壁５０ａに筒部５１を貫通させ、筒部５１に光を透過する窓５２を設置して外に塵芥５３が漏れないようにし、窓５２の外側に計測装置５４を設置し、窓５２に塵芥５３が付着しないように筒部５１内をエアパージするのが一般的である。符号５４は、レーザ光等の光を発光する計測装置（送信機５４）である。符号５５は、筒部５１内にパージエアを吹き込むノズルである。図４には、送信側の筒部５１と計測装置５４（送信機５４）を示すが、計測場５０を挟んだ反対側にも筒部と受信側の計測装置（受信機）が設置される。

【0004】

この場合、送信側と受信側の両方の狭い筒部５１を光が貫通しないと、受信機に光が到達しない。従来の光軸調節装置では、送信機５４の角度を機械的に調節することにより、送信機から受信機に光が到達するようにしていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９－２６４８１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、光軸が受信機から外れると、光軸がどの程度受信機からずれているかの情報が得られなくなり、光軸を受信機に合わせることが困難になる。筒部５１の途中にミラーやプリズムを設ければ筒部５１の中で光を屈折させることができるが、エアパージがさえぎられるのでミラーやプリズムにダストが付着するし、光軸が受信機から外れた場合には同様に光軸を受信機に合わせることが困難になる。

【0007】

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、送信側から受信側に光を到達させることができる光軸調節方法及び装置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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、計測場を仕切る壁を貫通する筒部の窓の外側に計測装置を設置し、前記筒部内をエアパージし、前記筒部内に温度を調節したパージエアを吹き込むことによって及び／又は前記筒部の近傍に温度調節装置を設けることによって、前記筒部内に温度勾配を形成し、前記計測装置が発光する光及び／又は受光する光の屈折を制御する光軸調節方法である。

【0009】

本発明の他の態様は、計測場を仕切る壁を貫通する筒部の窓の外側に設置される計測装置と、前記筒部内にパージエアを吹き込む少なくとも一つのノズルと、前記少なくとも一つのノズルから噴き出すパージエアの温度を調節するパージエア温度調節装置及び／又は前記筒部の近傍に設けられる温度調節装置と、前記パージエア温度調節装置及び／又は前記温度調節装置を制御することによって、前記筒部内に温度勾配を形成し、前記計測装置が発光する光及び／又は受光する光の屈折を制御する制御装置と、を備える光軸調節装置である。

【発明の効果】

【0010】

光は進行方向に交わる方向に温度勾配があると屈折する。光の屈折率の大きさは温度勾配から理論的に予測することができる。本発明によれば、筒部内に温度を調節したパージエアを吹き込むことによって及び／又は筒部の近傍に温度調節装置を設けることによって、筒部内に温度勾配を形成し、計測装置が発光する光及び／又は受光する光の屈折を制御するので、送信側から受信側に光を到達させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態の光軸調節装置の構成を示す図（計測場の縦断面図）である。

【図2】温度勾配に起因する光の屈折の原理を説明する図（筒部の縦断面図）である。

【図3】送信側の筒部における光の屈折を説明する図（筒部の縦断面図）である。

【図4】従来の筒部の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の光軸調節方法及び装置を説明する。ただし、本発明の光軸調節方法及び装置は、種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態の光軸調節装置１，２（送信側の光軸調節装置１と受信側の光軸調節装置２）の構成を示す図である。符号３は計測場である。送信側の光軸調節装置１は、送信側の計測装置４（以下、送信機４という）を備える。受信側の光軸調節装置２は、受信側の計測装置５（以下、受信機５という）を備える。

【0014】

送信機４は、レーザ光等の光２１を発光する。光２１は計測場３を通過する。受信機５は、計測場３を通過（透過、反射又は散乱等）した光２１を受光する。送信機４と受信機５は、通信線２２を介して制御装置６に電気的に接続される。送信機４は、発光した光２１の強度に関する情報を制御装置６に送信する。受信機５は、受光した光２１の強度に関する情報を制御装置６に送信する。制御装置６は、送信機４が発光した光２１の強度と受信機５が受光した光２１の強度の比に基づいて、計測場３を流れるガスの特定成分（例えば一酸化炭素、酸素等）の濃度を計測する。計測場３は、壁３ａによって仕切られる。壁３ａは、例えば断熱壁である。

【0015】

計測場３は、例えば廃棄物焼却炉の排ガスが流れる煙道である。計測場３はこれに限定されるものではなく、エンジン、ガスタービン等の排ガスが流れる排気管でもよい。

【0016】

筒部７，８は、計測場３の壁３ａを貫通する。筒部７，８には、光２１を透過する窓９，１０が設置される。窓９，１０は、透明なガラス、樹脂等である。計測場３は、ダスト、灰等の塵芥を含む。窓９，１０は、塵芥が外に漏れるのを防止する。送信機４と受信機５は、窓９，１０の外側に設置される。窓９，１０に塵芥が付着しないように、筒部７，８内はエアパージされる。符号１１，１２，１３は、筒部７，８内にパージエアを吹き込むノズルである。

【0017】

送信側の光軸調節装置１は、送信機４、ノズル１１，１２、パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂ、制御装置６を備える。送信機４は、上記のようにレーザ光等の光２１を計測場３に照射する。送信機４は、例えばレーザ発振装置を備え、特定波長域のレーザ光を発光する。例えば測定対象が一酸化炭素の場合、送信機４は一酸化炭素を吸収する波長域のレーザ光を発光する。また、測定対象が酸素の場合、送信機４は酸素を吸収する波長域のレーザ光を発光する。送信機４として、レーザ発振装置の替わりに、発光ダイオード（ＬＥＤ）、重水素ランプ等の光源と光源が発光する光を平行光にするコリメートレンズを用いてもよい。

【0018】

ノズル１１，１２は、複数設けられる。ノズル１１，１２の数は、２以上であり、望ましくは４以上である。各ノズル１１，１２は、筒部７内に温度を調節したパージエアを噴き出す。ノズル１１は、筒部７の上側に配置される。ノズル１２は、筒部７の下側に配置される。ノズル１１とノズル１２は、筒部７の軸方向にずれて配置されてもよいし、筒部７の軸方向の同一位置に配置されてもよい。ノズル１１，１２の取付け位置を動かせるようにしてもよい。

【0019】

ノズル１１には、ポンプ１１ａ、パージエア温度調節装置１１ｂ、流量調節装置１１ｃが接続される。ノズル１２には、ポンプ１２ａ、パージエア温度調節装置１２ｂ、流量調節装置１２ｃが接続される。ポンプ１１ａ，１２ａは、ノズル１１，１２にパージエアを供給する。パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂは、筒部７内にパージエアの温度勾配を形成するために設けられる。パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂは、例えばヒータであり、ノズル１１，１２が噴き出すパージエアの温度を調節する。パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂは、ノズル１１が噴き出すパージエアの温度とノズル１２が噴き出すパージエアの温度を互いに異ならせる。流量調節装置１１ｃ，１２ｃは、パージエアの必要な流量を確保した上で、筒部７内にパージエアの温度勾配を形成するために設けられる。流量調節装置１１ｃ，１２ｃは、例えば流量調節弁であり、ノズル１１，１２が噴き出すパージエアの流量を調節する。パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂ、流量調節装置１１ｃ，１２ｃは、制御装置６によって制御される。

【0020】

受信側の光軸調節装置２は、受信機５、ノズル１３、パージエア温度調節装置１３ｂ、温度調節装置１４、制御装置６を備える。制御装置６は、受信側の光軸調節装置２と送信側の光軸調節装置１とで共用される。受信機５は、計測場３を通過した光２１を受光する。受信機５は、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ等の光検出器を備え、受光した光２１の強度を検出する。

【0021】

ノズル１３は、筒部８内に温度を調節したパージエアを吹き込む。ノズル１３には、ポンプ１３ａ、パージエア温度調節装置１３ｂが接続される。ポンプ１３ａは、ノズル１３にパージエアを供給する。パージエア温度調節装置１３ｂは、例えばヒータであり、ノズル１３が噴き出すパージエアの温度を調節する。なお、受信側には温度調節装置１４が設けられているので、パージエア温度調節装置１３ｂを省略することも可能である。

【0022】

温度調節装置１４は、例えばヒータであり、筒部８内に温度勾配を形成するために筒部８の近傍に設けられる。温度調節装置１４は、筒部８の上側又は下側に設けられて、筒部８の上側又は下側を加熱する。

【0023】

計測場３を流れるガスに特定成分（例えば一酸化炭素、酸素等）が含まれていると、計測場３を通過する光２１が特定成分のガスによって吸収される。このため、受信機５に到達する光２１の強度は、特定成分のガスの濃度によって変化する。制御装置６は、送信機４が発光した光２１の強度と受信機５が受光した光２１の強度の比を算出し、特定成分のガスの濃度を算出する。また、制御装置６は、パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ、流量調節装置１１ｃ，１２ｃ、温度調節装置１４を制御する。制御装置６は、ＣＰＵ、メモリ、ユーザの操作を受け付けるインターフェース、表示装置等を備え、ユーザの操作及び記憶装置に記憶されたプログラムにしたがって特定成分のガスの濃度を算出し、これらの装置を制御する。

【0024】

なお、上記実施形態では、送信側に温度勾配を形成するためのノズル１１，１２を設け、筒部８内に温度勾配を形成するための温度調節装置１４を受信側に設けているが、送信側に温度調節装置１４を設け、受信側にノズル１１，１２を設けてもよい。また、上記実施形態では、送信側と受信側の両方に温度勾配を形成するための装置を設けているが、送信側のみに設けてもよいし、受信側のみに設けてもよい。また、送信側と受信側の少なくとも一方において、ノズル１１，１２と温度調節装置１４を併用してもよい。

【0025】

以下に、筒部７，８内での温度勾配に起因する光２１の屈折の原理を説明する。図２に示すように、筒部７，８内が高温と低温の二層になっていると仮定する。高温空気の屈折率をｎ１、低温空気の屈折率をｎ２とすると、二層の境界での屈折率ｎ１２は以下の数式で表される。
（数式）
ｎ１２＝ｎ２／ｎ１＝ｓｉｎ（ｉ）／ｓｉｎ（ｒ）

【0026】

入射角ｉ＝８９°で高温が１００℃、低温が５０℃の二層の空気境界２３に光２１が入射したとすると、高温空気の屈折率ｎ１が約１．０００１９３、低温空気の屈折率ｎ２が約１．０００２４３となるので、出射角ｒ＝８８．８５°になる。図２の破線は温度勾配で屈折した光路（出射角ｒ＝８８．８５°）を示し、図２の実線は温度勾配がない時の光路（出射角ｒ＝８９°）を示す。このとき、例えば４ｍ先では光軸の到達位置を１０ｍｍずらすことができる。実際には温度はきれいな二層ではなく徐々に変化するため、計算はもっと複雑になるがホイヘンスの原理を利用することで屈折の大きさを理論的に予測できる。

【0027】

図３（ａ）に示すように、例えば筒部７の上側と下側にノズル１１，１２を設け、ノズル１１，１２から異なる温度のパージエアを噴き出せば、筒部７内に温度勾配を形成することができ、送信機４から発光する光２１を屈折させることができる。符号２４はダスト、灰等の塵芥である。また、図３（ｂ）に示すように、上側のノズル１１の位置と下側のノズル１２の位置を筒部７の軸方向にずらせば、光２１を多様に屈折させることができる。さらに、図３（ｃ）に示すように、ノズル１３と温度調節装置１４を併用しても、光２１を多様に屈折させることができる。受信側の筒部８でも同様である。

【0028】

制御装置６は、パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂと温度調節装置１４を制御することによって、筒部７，８内に温度勾配を形成し、光２１の屈折を制御する。制御装置６は、筒部７，８内に設けられた温度測定装置が測定した筒部７，８内の温度勾配の情報に基づいて、パージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂと温度調節装置１４を制御してもよい。また、制御装置６は、受信機５での光軸の到達位置の情報に基づいて、光軸が受信機５の受光面の中心にくるようにパージエア温度調節装置１１ｂ，１２ｂと温度調節装置１４を制御してもよい。受信機５での光軸の到達位置の情報に加えて到達位置での光軸の角度の情報を使用してもよい。
以下に、本実施形態の光軸調節装置１，２の効果を説明する。

【0029】

本実施形態の光軸調節装置１，２によれば、筒部７内に温度を調節したパージエアを吹き込むことによって及び／又は筒部８の近傍に温度調節装置１４を設けることによって、筒部７，８内に温度勾配を形成し、光２１の屈折を制御するので、送信機４から受信機５に光２１を到達させることができる。

【0030】

送信側の光軸調節装置１がパージエアを噴き出す複数のノズル１１，１２を備え、各ノズル１１，１２から噴き出すパージエアの温度を調節するので、筒部７内にパージエアの温度勾配を容易に形成することができる。

【0031】

受信側の光軸調節装置２が温度調節装置１４を備えるので、筒部８内にパージエアの温度勾配を容易に形成することができる。

【符号の説明】

【0032】

１…送信側の光軸調節装置
２…受信側の光軸調節装置
３…計測場
３ａ…壁
４…送信機（計測装置）
５…受信機（計測装置）
６…制御装置
７…筒部
８…筒部
９…窓
１０…窓
１１…ノズル
１１ｂ…パージエア温度調節装置
１２…ノズル
１２ｂ…パージエア温度調節装置
１３…ノズル
１３ｂ…パージエア温度調節装置
１４…温度調節装置
２１…光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】