JP2002039870A - ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置 - Google Patents
ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 非接触、高応答、高精度で気体温度変化を測
定することができるヘテロダイン干渉法によるガス温度
変化測定方法およびその装置を提供する。 【解決手段】 気体温度を測定するために、ヘテロダイ
ン用音響光学素子１２を利用したヘテロダイン干渉法を
用いて測定部２０でのビート周波数の位相変化から気体
の屈折率変化を算出し、前記気体組成からグラッドスト
ーン−デイル定数を求め、その気体の圧力値を用い、気
体の状態式から気体温度を測定する。
定することができるヘテロダイン干渉法によるガス温度
変化測定方法およびその装置を提供する。 【解決手段】 気体温度を測定するために、ヘテロダイ
ン用音響光学素子１２を利用したヘテロダイン干渉法を
用いて測定部２０でのビート周波数の位相変化から気体
の屈折率変化を算出し、前記気体組成からグラッドスト
ーン−デイル定数を求め、その気体の圧力値を用い、気
体の状態式から気体温度を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヘテロダイン干渉
法を用いた、極めて精度が高く、高応答で気体（ガス）
温度変化が測定可能なヘテロダイン干渉法による気体温
度測定方法およびその装置に関する。特に、気体の温度
測定において、ミリ秒オーダーでの時間的変化を非接触
で測定することができる。
法を用いた、極めて精度が高く、高応答で気体（ガス）
温度変化が測定可能なヘテロダイン干渉法による気体温
度測定方法およびその装置に関する。特に、気体の温度
測定において、ミリ秒オーダーでの時間的変化を非接触
で測定することができる。
【０００２】
【従来の技術】従来のマッハツエンダ干渉計を用いたレ
ーザ干渉法により気体温度変化を非接触にて測定する技
術が開示されている〔参考文献：浜本ら、レーザ干渉法
によるガス温度変化の測定、日本機械学会論文集（Ｂ
編）、５３巻４９６号、ｐｐ．３７９８−３８０２、１
９８７年１２月〕。
ーザ干渉法により気体温度変化を非接触にて測定する技
術が開示されている〔参考文献：浜本ら、レーザ干渉法
によるガス温度変化の測定、日本機械学会論文集（Ｂ
編）、５３巻４９６号、ｐｐ．３７９８−３８０２、１
９８７年１２月〕。
【０００３】この技術によれば、２本のレーザビームの
交点に生じる干渉縞は、両ビームが通過する気体の屈折
率の差が変化すると、光路長差が変化することによって
移動する。すなわち、一方のビーム（参照ビーム）が通
過する気体の状態を一定に保っておき、他方（テストビ
ーム）の気体の屈折率が変化するとき、干渉縞の移動を
測定することによってテストビーム側の気体の屈折率変
化を求めることができる。そして、屈折率と密度の関
係、および理想気体の状態式から気体の温度変化を求め
ることができる。
交点に生じる干渉縞は、両ビームが通過する気体の屈折
率の差が変化すると、光路長差が変化することによって
移動する。すなわち、一方のビーム（参照ビーム）が通
過する気体の状態を一定に保っておき、他方（テストビ
ーム）の気体の屈折率が変化するとき、干渉縞の移動を
測定することによってテストビーム側の気体の屈折率変
化を求めることができる。そして、屈折率と密度の関
係、および理想気体の状態式から気体の温度変化を求め
ることができる。
【０００４】図７はかかる従来のレーザ干渉法を用いた
ガス温度変化測定方法の光学系の概略図である。
ガス温度変化測定方法の光学系の概略図である。
【０００５】この図において、光源１はＨｅ−Ｎｅレー
ザ（波長λ＝６３２．８ｎｍ，出力１５ｍＷ，ビーム径
１．２ｍｍ）である。ビームスプリッタ２によって２本
に分けられたビームの一方（ビームＢR ）は大気中を通
過しており、第１のミラー３と第１のレンズ４を通過す
る。そして他方のテストビーム（ビームＢT ）は気体を
充填した容器５内を通過させた後、第２のミラー６，第
３のミラー７により反射され、第１のレンズ４を通過す
る。
ザ（波長λ＝６３２．８ｎｍ，出力１５ｍＷ，ビーム径
１．２ｍｍ）である。ビームスプリッタ２によって２本
に分けられたビームの一方（ビームＢR ）は大気中を通
過しており、第１のミラー３と第１のレンズ４を通過す
る。そして他方のテストビーム（ビームＢT ）は気体を
充填した容器５内を通過させた後、第２のミラー６，第
３のミラー７により反射され、第１のレンズ４を通過す
る。
【０００６】第１のレンズ４を通過した２本のビーム
（ビームＢR とビームＢT ）は干渉する。第１のレンズ
４と第２のレンズ８により２本のビームを一度絞った後
にビーム径を拡大し、かつ交叉角を小さくすることによ
って干渉縞の間隔が約１ｍｍになるまで拡大している。
干渉縞の動きをピンホール９後方のフォトトランジスタ
１０Ａ，１０Ｂにより検出する。干渉縞の移動方向判別
のため、ピンホールおよびフォトトランジスタ１０Ａ，
１０Ｂの位置は、干渉縞の明暗の位相が約π／２ずれる
ように調整する。なお、図７において、５Ａは熱電対、
５Ｂは圧力変換素子である。
（ビームＢR とビームＢT ）は干渉する。第１のレンズ
４と第２のレンズ８により２本のビームを一度絞った後
にビーム径を拡大し、かつ交叉角を小さくすることによ
って干渉縞の間隔が約１ｍｍになるまで拡大している。
干渉縞の動きをピンホール９後方のフォトトランジスタ
１０Ａ，１０Ｂにより検出する。干渉縞の移動方向判別
のため、ピンホールおよびフォトトランジスタ１０Ａ，
１０Ｂの位置は、干渉縞の明暗の位相が約π／２ずれる
ように調整する。なお、図７において、５Ａは熱電対、
５Ｂは圧力変換素子である。
【０００７】そこで、幅ｄの容器５内の気体の屈折率が
初期値ｎi からｎまで変化するとき、両ビームの光路長
の変化ΔＬは、 ΔＬ＝（ｎ−ｎi ）ｄ …（１） である。
初期値ｎi からｎまで変化するとき、両ビームの光路長
の変化ΔＬは、 ΔＬ＝（ｎ−ｎi ）ｄ …（１） である。
【０００８】光路長差がレーザの１波長分（＝６３２．
８ｎｍ）変化すると干渉縞が一つ移動するので、干渉縞
の移動数ＮとΔＬの関係は、 Ｎ＝ΔＬ／λ＝（ｎ−ｎi ）ｄ／λ …（２） となる。
８ｎｍ）変化すると干渉縞が一つ移動するので、干渉縞
の移動数ＮとΔＬの関係は、 Ｎ＝ΔＬ／λ＝（ｎ−ｎi ）ｄ／λ …（２） となる。
【０００９】屈折率が減少する場合にはＮは負となる。
屈折率ｎと密度ρの関係は、Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅ
ｎｚの式により、 ｎ2 ＝（１＋２ρＲL ／Ｍ）／（１−ρＲL ／Ｍ） …（３） と表される。
屈折率ｎと密度ρの関係は、Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅ
ｎｚの式により、 ｎ2 ＝（１＋２ρＲL ／Ｍ）／（１−ρＲL ／Ｍ） …（３） と表される。
【００１０】ここで、Ｍは分子量、ＲL は分子屈折であ
る。気体の場合、ｎが１に非常に近いため、近似的にグ
ラッドストーン−デイル（Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌ
ｅ）（グラッドストーン−デイル則：物質の屈折率ｎの
変化の法則、つまり、ｎ＋１が物質の密度に比例する）
の式が用いられる。
る。気体の場合、ｎが１に非常に近いため、近似的にグ
ラッドストーン−デイル（Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌ
ｅ）（グラッドストーン−デイル則：物質の屈折率ｎの
変化の法則、つまり、ｎ＋１が物質の密度に比例する）
の式が用いられる。
【００１１】 ｎ≒１＋（３ρＲL ／２Ｍ）≒１＋（ρＲG ／Ｍ） …（４） ここで、ＲG はグラッドストーン−デイル定数である。
ＲL ，ＲG は、使用するレーザの波長と測定する気体の
種類によって決定される定数である。また、混合気体の
場合は、それぞれの化学種のモル分率をｘj とすると、
ＲL ，ＲG は、使用するレーザの波長と測定する気体の
種類によって決定される定数である。また、混合気体の
場合は、それぞれの化学種のモル分率をｘj とすると、
【００１２】
【数１】
【００１３】となる。状態変化が理想気体の状態式に従
うものと仮定すると、 ｎ＝１＋（Ｐ・ＲG ）／（Ｒ0 ・Ｔ） …（７） となり、式（２）、（７）より、気体の温度Ｔは次のよ
うに求められる。
うものと仮定すると、 ｎ＝１＋（Ｐ・ＲG ）／（Ｒ0 ・Ｔ） …（７） となり、式（２）、（７）より、気体の温度Ｔは次のよ
うに求められる。
【００１４】 Ｔ＝ＰＲG Ｔ1 ｄ／（ＮλＲ0 Ｔ1 ＋ＲG Ｐ1 ｄ） …（８） ここで、Ｒ0 は一般気体定数、Ｐは圧力であり、添字１
は初期値を表す。すなわち、初期状態における温度、圧
力を既知として、干渉縞の移動数Ｎと圧力Ｐの変化を測
定することにより、温度Ｔの時間的な変化を求めること
ができる。この手法により数Ｋでの分解能で温度履歴を
測定できる。
は初期値を表す。すなわち、初期状態における温度、圧
力を既知として、干渉縞の移動数Ｎと圧力Ｐの変化を測
定することにより、温度Ｔの時間的な変化を求めること
ができる。この手法により数Ｋでの分解能で温度履歴を
測定できる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の方法は、機械的振動に対して、非常に敏感であ
るという欠点を持っている。そのため、内燃機関や燃焼
装置に適用する場合には、機関の振動に影響されない干
渉法を用いる必要がある。また、レーザ干渉法の光路上
に燃焼装置等を設置する必要があるため、測定対象が限
定される。そのため、光路上に光ファイバを使用し、測
定部のセンサ化を行う必要がある。
た従来の方法は、機械的振動に対して、非常に敏感であ
るという欠点を持っている。そのため、内燃機関や燃焼
装置に適用する場合には、機関の振動に影響されない干
渉法を用いる必要がある。また、レーザ干渉法の光路上
に燃焼装置等を設置する必要があるため、測定対象が限
定される。そのため、光路上に光ファイバを使用し、測
定部のセンサ化を行う必要がある。
【００１６】一方、エンジン内部の火炎の伝播や異常燃
焼であるノッキングの解明には、エンジン内部の特に未
燃部分の温度測定が重要である。プラグ着火から燃焼す
るまでの短時間での温度変化の測定が必要である。ＣＡ
ＲＳ（コヒーレントアンチストークス分光）法が実用化
されているが、１億円以上と高価であり、時間分解能が
低く精度も十分でない。
焼であるノッキングの解明には、エンジン内部の特に未
燃部分の温度測定が重要である。プラグ着火から燃焼す
るまでの短時間での温度変化の測定が必要である。ＣＡ
ＲＳ（コヒーレントアンチストークス分光）法が実用化
されているが、１億円以上と高価であり、時間分解能が
低く精度も十分でない。
【００１７】本願発明者等はレーザー干渉法を用いて測
定法の開発を行ってきた。定積容器内で温度変化により
気体の分子密度が変化するが、屈折率変化をレーザー干
渉法で測定し、分子密度の変化を求め、気体の物性定数
より温度変化を算出する。この方法では、レーザー干渉
法の光路上に被測定部を設置する必要があるため機械的
信号に対して、極めて敏感であるという欠点がある。
定法の開発を行ってきた。定積容器内で温度変化により
気体の分子密度が変化するが、屈折率変化をレーザー干
渉法で測定し、分子密度の変化を求め、気体の物性定数
より温度変化を算出する。この方法では、レーザー干渉
法の光路上に被測定部を設置する必要があるため機械的
信号に対して、極めて敏感であるという欠点がある。
【００１８】本発明は、上記状況に鑑みて、非接触、高
応答、高精度で気体温度を測定することができるヘテロ
ダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置を
提供することを目的とする。
応答、高精度で気体温度を測定することができるヘテロ
ダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置を
提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法にお
いて、気体温度を測定するために、音響光学変調器を利
用したヘテロダイン干渉法を用いて測定部でのビート周
波数の位相変化から気体の屈折率変化を算出し、前記気
体組成からグラッドストーン−デイル定数を求め、前記
気体の圧力値を用い、気体の状態式から気体温度を測定
することを特徴とする。
成するために、 〔１〕ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法にお
いて、気体温度を測定するために、音響光学変調器を利
用したヘテロダイン干渉法を用いて測定部でのビート周
波数の位相変化から気体の屈折率変化を算出し、前記気
体組成からグラッドストーン−デイル定数を求め、前記
気体の圧力値を用い、気体の状態式から気体温度を測定
することを特徴とする。
【００２０】〔２〕上記〔１〕記載のヘテロダイン干渉
法による気体温度測定方法において、前記測定部は定積
燃焼容器の末端部であり、この末端部での未燃焼混合気
の温度計測を行うようにしたものである。
法による気体温度測定方法において、前記測定部は定積
燃焼容器の末端部であり、この末端部での未燃焼混合気
の温度計測を行うようにしたものである。
【００２１】〔３〕ヘテロダイン干渉法による気体温度
測定装置において、音響光学変調器を利用したヘテロダ
イン干渉法を用いて測定部でのビート周波数の位相変化
から燃焼容器内の気体の屈折率変化を算出する手段と、
前記測定部内の気体組成からグラッドストーン−デイル
定数を求める手段と、前記測定部内の気体の圧力値を測
定する手段とを備え、前記気体の圧力値を用い、前記気
体の状態式から気体温度を測定することを特徴とする。
測定装置において、音響光学変調器を利用したヘテロダ
イン干渉法を用いて測定部でのビート周波数の位相変化
から燃焼容器内の気体の屈折率変化を算出する手段と、
前記測定部内の気体組成からグラッドストーン−デイル
定数を求める手段と、前記測定部内の気体の圧力値を測
定する手段とを備え、前記気体の圧力値を用い、前記気
体の状態式から気体温度を測定することを特徴とする。
【００２２】〔４〕上記〔３〕記載のヘテロダイン干渉
法による気体温度測定装置において、前記光学系におい
て、測定部までの光路上に光ファイバを使用し、構成し
たことを特徴とする。
法による気体温度測定装置において、前記光学系におい
て、測定部までの光路上に光ファイバを使用し、構成し
たことを特徴とする。
【００２３】〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載のヘテロ
ダイン干渉法による気体温度測定装置において、前記測
定部は燃焼器であることを特徴とする。
ダイン干渉法による気体温度測定装置において、前記測
定部は燃焼器であることを特徴とする。
【００２４】〔６〕上記〔５〕記載のヘテロダイン干渉
法による気体温度測定装置において、前記燃焼器は定積
燃焼容器であることを特徴とする。
法による気体温度測定装置において、前記燃焼器は定積
燃焼容器であることを特徴とする。
【００２５】このように、音響光学変調器を利用したヘ
テロダイン干渉法を用いることにより、気体温度の時系
列変化を非接触、高応答、高精度で計測できる方法とそ
の装置を提供することができる。ヘテロダイン干渉法
は、一定の周波数偏移を与えた光を重ね合わせて検出
し、気体の位相変化などの情報を効果的に取り出すレー
ザ干渉法の一つである。検出位相と出力との間に線形関
係が成立し較正の必要がない、光源の出力変動の影響を
受け難い等の特色を持っている。
テロダイン干渉法を用いることにより、気体温度の時系
列変化を非接触、高応答、高精度で計測できる方法とそ
の装置を提供することができる。ヘテロダイン干渉法
は、一定の周波数偏移を与えた光を重ね合わせて検出
し、気体の位相変化などの情報を効果的に取り出すレー
ザ干渉法の一つである。検出位相と出力との間に線形関
係が成立し較正の必要がない、光源の出力変動の影響を
受け難い等の特色を持っている。
【００２６】これにより、信号光の位相情報のみを取り
出すときは、外乱による信号光の強度変動にも影響され
ず、高精度の測定ができる。また、測定対象が限定され
る問題に関しては、光路上に光ファイバを使用し、測定
部のセンサ化を行うようにする。
出すときは、外乱による信号光の強度変動にも影響され
ず、高精度の測定ができる。また、測定対象が限定され
る問題に関しては、光路上に光ファイバを使用し、測定
部のセンサ化を行うようにする。
【００２７】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例を示すヘテ
ロダイン干渉装置の構成図である。
ロダイン干渉装置の構成図である。
【００２８】この図に示すように、光源である安定化Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ（出力１ｍＷ，波長６３２．８ｎｍ）１
１からの光は、ヘテロダイン用音響光学素子（ブラッグ
セル式）１２により、周波数を８０．０ＭＨｚと７９．
９８７５ＭＨｚや、８０．０ＭＨｚと７９．９７５ＭＨ
ｚなど異なる周波数に周波数偏移され、また、２本のビ
ームはそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光に分離される。
ｅ−Ｎｅレーザ（出力１ｍＷ，波長６３２．８ｎｍ）１
１からの光は、ヘテロダイン用音響光学素子（ブラッグ
セル式）１２により、周波数を８０．０ＭＨｚと７９．
９８７５ＭＨｚや、８０．０ＭＨｚと７９．９７５ＭＨ
ｚなど異なる周波数に周波数偏移され、また、２本のビ
ームはそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光に分離される。
【００２９】第１のミラー１３と第１の偏光ビームスプ
リッタ１４により１本のビームにまとめられ、ハーフミ
ラー１５により２本のビームに分離される。ハーフミラ
ー１５を反射したビームは、偏光面を４５度に傾けた第
１の偏光板１６を通過する。その第１の偏光板１６の偏
光面を４５度傾けているため、ビームは干渉し、第１の
フォトトランジスタ１７により、干渉ビート信号を光電
検出され、基準信号が得られる。
リッタ１４により１本のビームにまとめられ、ハーフミ
ラー１５により２本のビームに分離される。ハーフミラ
ー１５を反射したビームは、偏光面を４５度に傾けた第
１の偏光板１６を通過する。その第１の偏光板１６の偏
光面を４５度傾けているため、ビームは干渉し、第１の
フォトトランジスタ１７により、干渉ビート信号を光電
検出され、基準信号が得られる。
【００３０】一方、ハーフミラー１５を透過したビーム
は第２の偏光ビームスプリッタ１８により、２本のビー
ム（第１のビームＢ1 ，第２のビームＢ2 ；それぞれＰ
偏光とＳ偏光の偏光面を持つ）に分けられ、マイケルソ
ン干渉計を構成する。試験光の１本（例えばＰ偏光の偏
光面を持つビームＢ1 ）は、第１のλ／４波長板１９を
通過し、円偏光となる。その第１のλ／４波長板１９を
通過後、測定部（燃焼器）２０を通過する。測定部（燃
焼器）２０を通過した光は第２のミラー２１により反射
され、再度測定部（燃焼器）２０を通過する。測定部
（燃焼器）２０から射出したビームは、第１のλ／４波
長板１９によりＳ偏光に偏光される。このビームは第２
の偏光ビームスプリッタ１８により反射される。
は第２の偏光ビームスプリッタ１８により、２本のビー
ム（第１のビームＢ1 ，第２のビームＢ2 ；それぞれＰ
偏光とＳ偏光の偏光面を持つ）に分けられ、マイケルソ
ン干渉計を構成する。試験光の１本（例えばＰ偏光の偏
光面を持つビームＢ1 ）は、第１のλ／４波長板１９を
通過し、円偏光となる。その第１のλ／４波長板１９を
通過後、測定部（燃焼器）２０を通過する。測定部（燃
焼器）２０を通過した光は第２のミラー２１により反射
され、再度測定部（燃焼器）２０を通過する。測定部
（燃焼器）２０から射出したビームは、第１のλ／４波
長板１９によりＳ偏光に偏光される。このビームは第２
の偏光ビームスプリッタ１８により反射される。
【００３１】もう一方の第２のビームＢ2 （例えばＳ偏
光の偏光面を持つビーム）は、第２の偏光ビームスプリ
ッタ１８により反射され、第２のλ／４波長板２２を通
過後、円偏光となる。そして、第３のミラー２３により
反射され、再び第２のλ／４波長板２２によりＰ偏光に
偏光面を変えられる。
光の偏光面を持つビーム）は、第２の偏光ビームスプリ
ッタ１８により反射され、第２のλ／４波長板２２を通
過後、円偏光となる。そして、第３のミラー２３により
反射され、再び第２のλ／４波長板２２によりＰ偏光に
偏光面を変えられる。
【００３２】そこで、測定部（燃焼器）２０を通過し、
第２の偏光ビームスプリッタ１８により反射されたＳ偏
光面を持つビームＢ1 とともに、第２の偏光板２４を通
過後干渉し、第２のフォトトランジスタ２５により検出
される。５００ｋＨｚのサンプリング周波数でこの干渉
信号をディジタルメモリレコーダ（図示なし）に記録す
る。基準信号と試験信号のビート周波数の違いから、位
相差を算出することができる。
第２の偏光ビームスプリッタ１８により反射されたＳ偏
光面を持つビームＢ1 とともに、第２の偏光板２４を通
過後干渉し、第２のフォトトランジスタ２５により検出
される。５００ｋＨｚのサンプリング周波数でこの干渉
信号をディジタルメモリレコーダ（図示なし）に記録す
る。基準信号と試験信号のビート周波数の違いから、位
相差を算出することができる。
【００３３】図２は本発明の他の実施例を示すヘテロダ
イン干渉装置の構成図である。
イン干渉装置の構成図である。
【００３４】この実施例では、光ファイバを使用した光
学系を示す。なお、第１実施例と同じ部分については、
同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
学系を示す。なお、第１実施例と同じ部分については、
同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３５】図２に示すように、光学系に偏波面保存型
光ファイバ３３を用いる場合は、図１における第１のλ
／４波長板１９の代わりにλ／２波長板３１を使用す
る。
光ファイバ３３を用いる場合は、図１における第１のλ
／４波長板１９の代わりにλ／２波長板３１を使用す
る。
【００３６】そこで、λ／２波長板３１を通過した光は
偏波面保存型光ファイバ３３を使用して測定部（燃焼
器）２０に入射される。偏波面保存型光ファイバ３３の
両端にはセルフォックマイクロレンズ３２，３４を取り
付けてあり、レーザビームの入射を行い易く、また、偏
波面保存型光ファイバ３３から射出された光のビーム径
を細くし、コリメート化を行う。測定部（燃焼器）２０
を通過した光は第２のミラー２１に反射され、再度測定
部（燃焼器）２０を通過する。測定部（燃焼器）２０か
ら射出したビームは再び偏波面保存型光ファイバ３３に
入射され、λ／２波長板３１を通過し、第２の偏光ビー
ムスプリッタ１８により反射されたＳ偏光面を持つビー
ムＢ1 とともに、第２の偏光板２４を通過後干渉し、第
２のフォトトランジスタ２５により検出される。
偏波面保存型光ファイバ３３を使用して測定部（燃焼
器）２０に入射される。偏波面保存型光ファイバ３３の
両端にはセルフォックマイクロレンズ３２，３４を取り
付けてあり、レーザビームの入射を行い易く、また、偏
波面保存型光ファイバ３３から射出された光のビーム径
を細くし、コリメート化を行う。測定部（燃焼器）２０
を通過した光は第２のミラー２１に反射され、再度測定
部（燃焼器）２０を通過する。測定部（燃焼器）２０か
ら射出したビームは再び偏波面保存型光ファイバ３３に
入射され、λ／２波長板３１を通過し、第２の偏光ビー
ムスプリッタ１８により反射されたＳ偏光面を持つビー
ムＢ1 とともに、第２の偏光板２４を通過後干渉し、第
２のフォトトランジスタ２５により検出される。
【００３７】この実施例によれば、センサ部を偏波面保
存型光ファイバ３３と第２のミラー２１とで構成するこ
とにより、測定部の小型化、センサ化が測られる可能性
を示している。
存型光ファイバ３３と第２のミラー２１とで構成するこ
とにより、測定部の小型化、センサ化が測られる可能性
を示している。
【００３８】火炎伝播により圧縮された燃料空気の混合
気や燃焼により温度が変化した気体は、密度が変化し、
同時に屈折率が変化する。試験部の気体（ガス）の屈折
率が変わると、試験信号と参照信号の位相差が変わり、
干渉光強度が変化する。この干渉光強度変化がヘテロダ
イン干渉計によるビート信号の位相情報として表れる。
気や燃焼により温度が変化した気体は、密度が変化し、
同時に屈折率が変化する。試験部の気体（ガス）の屈折
率が変わると、試験信号と参照信号の位相差が変わり、
干渉光強度が変化する。この干渉光強度変化がヘテロダ
イン干渉計によるビート信号の位相情報として表れる。
【００３９】光信号の複素振幅は、 Ｅ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（２πｆｔ−２πｎＬf ／λ）｝ …（９） として表される。
【００４０】ここで、ｆ：周波数，ｎ：屈折率，Ｌf ：
光が通過した光路の長さである。光ファイバに入射され
る光をビームｓとし、参照光をビームｒとして、２つの
光の複素振幅は振幅をａとして、次のように示される。
光が通過した光路の長さである。光ファイバに入射され
る光をビームｓとし、参照光をビームｒとして、２つの
光の複素振幅は振幅をａとして、次のように示される。
【００４１】 Ｅs ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（２πｆs ｔ−２πΔｎt Ｌt ／λs ）｝ …（１０） Ｅr ＝ａ・ｅｘｐ｛ｉ（２πｆr ｔ）｝ …（１１） ここで、ｆs ，ｆr ：光の周波数，Δｎt ：測定部の屈
折率変化量，Ｌt ：測定部の長さ，ｔ：測定開始からの
時間である。λs は試験光のレーザの波長である。
折率変化量，Ｌt ：測定部の長さ，ｔ：測定開始からの
時間である。λs は試験光のレーザの波長である。
【００４２】２つの光は互いに干渉し、次のような合成
振幅を持つビームとなる。
振幅を持つビームとなる。
【００４３】 Ｅ＝Ｅs ＋Ｅr …（１２） 実際に光電変換して得られる光強度は振幅の２乗として
検出されるものであり、次式で表される。
検出されるものであり、次式で表される。
【００４４】 Ｉ＝｜Ｅ｜2 ＝２・Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（２πｆb ｔ＋ΔΨt ）〕 …（１３） ただし、Ｉ0 ＝ａ2 、ｆb はビート周波数ｆs −ｆr で
あり、ΔΨt は測定部の位相変化である。
あり、ΔΨt は測定部の位相変化である。
【００４５】測定開始から、ある時刻ｔまで測定したヘ
テロダイン信号の位相変化をΔΨtとすれば、測定部気
体の位相が変化することによって、測定信号の位相変化
量ΔΨH が変わる。ΔΨH は測定部の位相変化ΔΨt と
次の関係を持つ。
テロダイン信号の位相変化をΔΨtとすれば、測定部気
体の位相が変化することによって、測定信号の位相変化
量ΔΨH が変わる。ΔΨH は測定部の位相変化ΔΨt と
次の関係を持つ。
【００４６】
【数２】
【００４７】測定部の位相変化ΔΨt と屈折率の変化Δ
ｎt の関係は、 ΔΨt ＝２πΔΦt ／λs ＝２πΔｎt Ｌt ／λs …（１５） となる。ここで、Φt は測定部での光路長変化である。
ｎt の関係は、 ΔΨt ＝２πΔΦt ／λs ＝２πΔｎt Ｌt ／λs …（１５） となる。ここで、Φt は測定部での光路長変化である。
【００４８】本来、ヘテロダイン干渉法は基準信号とし
てビームスプリッタにより光源からの光の一部を分割し
干渉させる。このとき得られる光強度は次式となる。
てビームスプリッタにより光源からの光の一部を分割し
干渉させる。このとき得られる光強度は次式となる。
【００４９】 Ｉr ＝Ｉr0〔１＋ｃｏｓ（２πｆb ｔ）〕 …（１６） 式（１３）にて得られる試験信号と式（１６）にて得ら
れる基準信号の位相変化量の比較より測定部の位相変化
を求める。このように構成することにより、測定誤差の
原因であるビート周波数ｆb の不安定さや振動などによ
る影響を除去できる。
れる基準信号の位相変化量の比較より測定部の位相変化
を求める。このように構成することにより、測定誤差の
原因であるビート周波数ｆb の不安定さや振動などによ
る影響を除去できる。
【００５０】しかし、ここでは、参照信号を検出せず、
測定部の位相変化は、次式にて得られる基準信号と比較
して求めた。
測定部の位相変化は、次式にて得られる基準信号と比較
して求めた。
【００５１】 Ｉr ′＝Ｉr0〔１＋ｃｏｓ（２πｆbhｔ）〕 …（１７） ただし、
【００５２】
【数３】
【００５３】ここで、基準信号の周波数ｆbhは、参照信
号のある時間帯ｔ1 〜ｔ2 のビート周波数の平均値であ
る。
号のある時間帯ｔ1 〜ｔ2 のビート周波数の平均値であ
る。
【００５４】そこで、時間０〜ｔの間に基準信号の位相
変化は、２πｆbhｔであり、ビート周波数ｆb が安定し
ていると仮定すれば、任意の時間ｔに対して、次の関係
式が成立する。
変化は、２πｆbhｔであり、ビート周波数ｆb が安定し
ていると仮定すれば、任意の時間ｔに対して、次の関係
式が成立する。
【００５５】
【数４】
【００５６】式（１８）を式（１４）に代入すると、測
定部の位相変化ΔΨt は、 ΔΨt ＝ΔΨH −２πｆbhｔ …（１９） となり、つまり、ビート信号の周波数ｆb が安定してい
れば、測定信号の位相変化と基準信号の位相経過の差よ
り、測定部の位相変化が正確に求められる。しかし、ビ
ート周波数ｆb が安定していなければ、位相変化の測定
値に誤差が生じ、気体温度の測定に誤差をもたらす。
定部の位相変化ΔΨt は、 ΔΨt ＝ΔΨH −２πｆbhｔ …（１９） となり、つまり、ビート信号の周波数ｆb が安定してい
れば、測定信号の位相変化と基準信号の位相経過の差よ
り、測定部の位相変化が正確に求められる。しかし、ビ
ート周波数ｆb が安定していなければ、位相変化の測定
値に誤差が生じ、気体温度の測定に誤差をもたらす。
【００５７】気体温度Ｔt は計測した光学位相変化より
求められる。気体の屈折率ｎt と密度ρの関係は近似的
にグラッドストーン−デイルの式で表される。
求められる。気体の屈折率ｎt と密度ρの関係は近似的
にグラッドストーン−デイルの式で表される。
【００５８】 ｎt ＝１＋（ρt ＲGt／Ｍt ）＝１＋（Ｐt ＲGt／Ｒ0 Ｔt ）…（２０） ここで、ＲGtはグラッドストーン−デイル定数であり、
使用するレーザの波長と気体種類により決まる。Ｍは気
体の分子量、Ｒ0 はガス定数、Ｐt は測定部の圧力、Ｔ
t は測定部の絶対温度である。
使用するレーザの波長と気体種類により決まる。Ｍは気
体の分子量、Ｒ0 はガス定数、Ｐt は測定部の圧力、Ｔ
t は測定部の絶対温度である。
【００５９】グラッドストーン−デイル定数ＲGtは、使
用するレーザの波長と測定する気体の種類によって決定
される定数である。また、ｓ種の混合気体のグラッドス
トーン−デイル定数ＲGtは、次式に示すように各種気体
のモル分率ＸI から求めることができる。
用するレーザの波長と測定する気体の種類によって決定
される定数である。また、ｓ種の混合気体のグラッドス
トーン−デイル定数ＲGtは、次式に示すように各種気体
のモル分率ＸI から求めることができる。
【００６０】
【数５】
【００６１】ここで、ＲGIは各成分気体のグラッドスト
ーン−デイル定数である。
ーン−デイル定数である。
【００６２】式（２０）より、気体温度Ｔt は次式で求
まる。 Ｔt ＝（２πＰt ＲGtＴt0Ｌt ）／（２πＰt0ＲGtＬt ＋ΔΨt Ｔt0Ｒ0 λ） …（２２） すなわち、初期状態の圧力Ｐt0，温度Ｔt0が既知であ
り、混合気組成が不変であれば、圧力Ｐt および干渉光
の位相変化量ΔΨt を測定することにより、測定部の気
体温度Ｔt を求めることができる。
まる。 Ｔt ＝（２πＰt ＲGtＴt0Ｌt ）／（２πＰt0ＲGtＬt ＋ΔΨt Ｔt0Ｒ0 λ） …（２２） すなわち、初期状態の圧力Ｐt0，温度Ｔt0が既知であ
り、混合気組成が不変であれば、圧力Ｐt および干渉光
の位相変化量ΔΨt を測定することにより、測定部の気
体温度Ｔt を求めることができる。
【００６３】
【実施例】ヘテロダイン干渉法による気体温度計測に関
する実験を定積燃焼容器の末端部未燃焼混合気の温度計
測に関して実施した。
する実験を定積燃焼容器の末端部未燃焼混合気の温度計
測に関して実施した。
【００６４】図３は本発明を適用した定積燃焼容器の末
端部未燃焼混合気の気体温度計測装置の構成図であり、
図３（ａ）はその内部平面図、図３（ｂ）はその断面図
である。
端部未燃焼混合気の気体温度計測装置の構成図であり、
図３（ａ）はその内部平面図、図３（ｂ）はその断面図
である。
【００６５】これらの図に示すように、定積燃焼容器４
０を使用した。光源には周波数安定型Ｈｅ−Ｎｅレーザ
（波長：６３２．８ｎｍ）を使用した。定積燃焼器の一
部にグラスロッド４１を取り付け、測定距離Ｌt を決め
ている。燃焼室蓋４２には半導体小型圧力センサ４３が
取り付けられている。
０を使用した。光源には周波数安定型Ｈｅ−Ｎｅレーザ
（波長：６３２．８ｎｍ）を使用した。定積燃焼器の一
部にグラスロッド４１を取り付け、測定距離Ｌt を決め
ている。燃焼室蓋４２には半導体小型圧力センサ４３が
取り付けられている。
【００６６】また、一方の燃焼室蓋４４には熱電対４５
を取り付けている。燃料にはプロパンを用い、空気との
混合気を燃焼室に充填し、点火電極４６による電気火花
によって点火し、火炎伝播によって圧縮される末端部の
未燃焼混合気の温度変化を測定した。混合気の当量比は
１．０となるようにした。火炎伝播による圧縮によっ
て、燃焼室内未燃焼混合気の密度が変化すると、屈折率
が変化する。光の位相変化量と燃焼室内の圧力変化を測
定することにより、測定部の屈折率変化および気体温度
を測定する。
を取り付けている。燃料にはプロパンを用い、空気との
混合気を燃焼室に充填し、点火電極４６による電気火花
によって点火し、火炎伝播によって圧縮される末端部の
未燃焼混合気の温度変化を測定した。混合気の当量比は
１．０となるようにした。火炎伝播による圧縮によっ
て、燃焼室内未燃焼混合気の密度が変化すると、屈折率
が変化する。光の位相変化量と燃焼室内の圧力変化を測
定することにより、測定部の屈折率変化および気体温度
を測定する。
【００６７】図４に位相変化量と圧力を同時に測定した
例を示す。
例を示す。
【００６８】混合気の初期圧力Ｐ0 ＝１０１ｋＰａ，初
期温度Ｔ0 ＝２９１Ｋである。図の横軸は、点火のため
の火花放電開始時からの経過時間である。火炎が到達す
る直前までの位相変化量と圧力の値から、式（２２）に
より温度Ｔt を求めた結果を図５に示す。
期温度Ｔ0 ＝２９１Ｋである。図の横軸は、点火のため
の火花放電開始時からの経過時間である。火炎が到達す
る直前までの位相変化量と圧力の値から、式（２２）に
より温度Ｔt を求めた結果を図５に示す。
【００６９】末端部の未燃焼混合気が火炎によって断熱
圧縮されたと仮定して求めた温度を比較のために図５に
示しているが、両者はほぼ一致している。未燃焼混合気
の比熱比として温度３００〜５００Ｋ、圧力１００〜６
００ｋＰａの範囲における平均値を１．３６１として用
いた。
圧縮されたと仮定して求めた温度を比較のために図５に
示しているが、両者はほぼ一致している。未燃焼混合気
の比熱比として温度３００〜５００Ｋ、圧力１００〜６
００ｋＰａの範囲における平均値を１．３６１として用
いた。
【００７０】図６に温度の最小読み取り値と圧力との関
係を示す。
係を示す。
【００７１】約２５ｋＨｚのビート周波数信号を５００
ｋＨｚのサンプリング周波数で記録しているため、２０
点で１周期の信号を記録できるが、火炎伝播中ビート周
波数が増加しているため、火炎が測定部に到達する前で
は、実際に１周期分を記録できるのは１７点程度であ
る。ここで、１／１７周期の光路長変化を最小読み取り
値とした。これより、火炎到達直前の温度の最小読みと
り値は、光路長３６ｍｍの時、最小で０．５Ｋ程度であ
り、光路長が長くなると分解能は向上する。
ｋＨｚのサンプリング周波数で記録しているため、２０
点で１周期の信号を記録できるが、火炎伝播中ビート周
波数が増加しているため、火炎が測定部に到達する前で
は、実際に１周期分を記録できるのは１７点程度であ
る。ここで、１／１７周期の光路長変化を最小読み取り
値とした。これより、火炎到達直前の温度の最小読みと
り値は、光路長３６ｍｍの時、最小で０．５Ｋ程度であ
り、光路長が長くなると分解能は向上する。
【００７２】上記したように、本発明では、ヘテロダイ
ン干渉法を用い、レーザー光を音響光学素子に入射し、
周波数が異なる２ビーム光を発生させ、更に光束を２分
割する。２分割された一方の２ビームを干渉させて基準
ビート信号を得、他方の２ビームを分波し、１ビームを
被測定領域に通過させた後、２ビームで干渉させ、試験
ビート信号を得る。基準・試験ビート信号の位相差と被
測定気体の物性定数から温度変化を算出する。基準信号
を別途設けることにより、耐震対策のみならず、測定精
度の１桁向上を図ることができた。
ン干渉法を用い、レーザー光を音響光学素子に入射し、
周波数が異なる２ビーム光を発生させ、更に光束を２分
割する。２分割された一方の２ビームを干渉させて基準
ビート信号を得、他方の２ビームを分波し、１ビームを
被測定領域に通過させた後、２ビームで干渉させ、試験
ビート信号を得る。基準・試験ビート信号の位相差と被
測定気体の物性定数から温度変化を算出する。基準信号
を別途設けることにより、耐震対策のみならず、測定精
度の１桁向上を図ることができた。
【００７３】更に、試験光を光ファイバーで誘導するこ
とが可能になり、測定の自由度が大幅に増した。エンジ
ン内部ガスの温度から、一般流体の温度測定への展開性
がある。
とが可能になり、測定の自由度が大幅に増した。エンジ
ン内部ガスの温度から、一般流体の温度測定への展開性
がある。
【００７４】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００７５】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。
よれば、次のような効果を奏することができる。
【００７６】（Ａ）音響光学変調器を利用したヘテロダ
イン干渉法を用いることにより、気体温度の時系列変化
を非接触、高応答、高精度で計測できる。
イン干渉法を用いることにより、気体温度の時系列変化
を非接触、高応答、高精度で計測できる。
【００７７】ヘテロダイン干渉法は、一定の周波数偏移
を与えた光を重ね合わせて検出し、気体の位相変化など
の情報を効果的に取り出すレーザ干渉法の一つであり、
検出位相と出力との間に線形関係が成立し、較正の必要
がない。また、光源の出力変動の影響を受け難い等の特
色を持っている。
を与えた光を重ね合わせて検出し、気体の位相変化など
の情報を効果的に取り出すレーザ干渉法の一つであり、
検出位相と出力との間に線形関係が成立し、較正の必要
がない。また、光源の出力変動の影響を受け難い等の特
色を持っている。
【００７８】これにより、信号光の位相情報のみを取り
出すときは、外乱による信号光の強度変動にも影響され
ず、高精度の測定ができる。
出すときは、外乱による信号光の強度変動にも影響され
ず、高精度の測定ができる。
【００７９】（Ｂ）測定対象が限定される問題に関して
は、光路上に光ファイバを使用し、測定部のセンサ化を
行い、測定部の小型化、測定部のみを独立したセンサ部
として構築することができる。
は、光路上に光ファイバを使用し、測定部のセンサ化を
行い、測定部の小型化、測定部のみを独立したセンサ部
として構築することができる。
【図１】本発明の実施例を示すヘテロダイン干渉装置の
構成図である。
構成図である。
【図２】本発明の他の実施例を示すヘテロダイン干渉装
置の構成図である。
置の構成図である。
【図３】本発明を適用した定積燃焼容器の末端部未燃焼
混合気の気体温度計測装置の構成図である。
混合気の気体温度計測装置の構成図である。
【図４】図３における定積燃焼容器内の試験信号の位相
変化及び圧力履歴を示す図である。
変化及び圧力履歴を示す図である。
【図５】図３における定積燃焼容器の点火からの時間と
温度変化の測定結果を示す図である。
温度変化の測定結果を示す図である。
【図６】図３における定積燃焼容器の温度の最小読み取
り値と圧力との関係を示す図である。
り値と圧力との関係を示す図である。
【図７】従来のレーザ干渉法を用いたガス温度変化測定
方法の光学系の概略図である。
方法の光学系の概略図である。
【符号の説明】 １１ 安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザ １２ ヘテロダイン用音響光学素子 １３ 第１のミラー １４ 第１の偏光ビームスプリッタ １５ ハーフミラー １６ 第１の偏光板 １７ 第１のフォトトランジスタ １８ 第２の偏光ビームスプリッタ １９ 第１のλ／４波長板 ２０ 測定部（燃焼器） ２１ 第２のミラー ２２ 第２のλ／４波長板 ２３ 第３のミラー ２４ 第２の偏光板 ２５ 第２のフォトトランジスタ ３１ λ／２波長板 ３２，３４ セルフォックマイクロレンズ ３３ 偏波面保存型光ファイバ ４０ 定積燃焼容器 ４１ グラスロッド ４２，４４ 燃焼室蓋 ４３ 半導体小型圧力センサ ４５ 熱電対 ４６ 点火電極
Claims (6)
- 【請求項１】 気体温度を測定するために、音響光学変
調器を利用したヘテロダイン干渉法を用いて測定部での
ビート周波数の位相変化から気体の屈折率変化を算出
し、前記気体組成からグラッドストーン−デイル定数を
求め、前記気体の圧力値を用い、気体の状態式から気体
温度を測定することを特徴とするヘテロダイン干渉法に
よる気体温度測定方法。 - 【請求項２】 請求項１記載のヘテロダイン干渉法によ
る気体温度測定方法において、前記測定部は定積燃焼容
器の末端部であり、該末端部での未燃焼混合気の温度計
測を行うヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法。 - 【請求項３】（ａ）音響光学変調器を利用したヘテロダ
イン干渉法を用いて測定部でのビート周波数の位相変化
から燃焼容器内の気体の屈折率変化を算出する手段と、
（ｂ）前記測定部内の気体組成からグラッドストーン−
デイル定数を求める手段と、（ｃ）前記測定部内の気体
の圧力値を測定する手段とを備え、（ｄ）前記気体の圧
力値を用い、前記気体の状態式から気体温度を測定する
ことを特徴とするヘテロダイン干渉法による気体温度測
定装置。 - 【請求項４】 請求項３記載のヘテロダイン干渉法によ
る気体温度測定装置において、前記光学系において、測
定部までの光路上に光ファイバを使用し、構成したこと
を特徴とするヘテロダイン干渉法による気体温度測定装
置。 - 【請求項５】 請求項３又は４記載のヘテロダイン干渉
法による気体温度測定装置において、前記測定部は燃焼
器であることを特徴とするヘテロダイン干渉法による気
体温度測定装置。 - 【請求項６】 請求項５記載のヘテロダイン干渉法によ
る気体温度測定装置において、前記燃焼器は定積燃焼容
器であることを特徴とするヘテロダイン干渉法による気
体温度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000219968A JP3871860B2 (ja) | 2000-07-21 | 2000-07-21 | ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000219968A JP3871860B2 (ja) | 2000-07-21 | 2000-07-21 | ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002039870A true JP2002039870A (ja) | 2002-02-06 |
| JP3871860B2 JP3871860B2 (ja) | 2007-01-24 |
Family
ID=18714655
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000219968A Expired - Fee Related JP3871860B2 (ja) | 2000-07-21 | 2000-07-21 | ヘテロダイン干渉法による気体温度測定方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3871860B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007094435A1 (ja) * | 2006-02-15 | 2007-08-23 | National University Corporation Okayama University | 温度センサ |
| JP2009250983A (ja) * | 2008-04-02 | 2009-10-29 | Polytec Gmbh | 振動計および、物体の光学的測定方法 |
| CN114325180A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-04-12 | 国网河南省电力公司检修公司 | 一种基于六氟化硫表计压力监测的电力设备发热诊断方法 |
-
2000
- 2000-07-21 JP JP2000219968A patent/JP3871860B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007094435A1 (ja) * | 2006-02-15 | 2007-08-23 | National University Corporation Okayama University | 温度センサ |
| JP2009250983A (ja) * | 2008-04-02 | 2009-10-29 | Polytec Gmbh | 振動計および、物体の光学的測定方法 |
| CN114325180A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-04-12 | 国网河南省电力公司检修公司 | 一种基于六氟化硫表计压力监测的电力设备发热诊断方法 |
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|---|---|
| JP3871860B2 (ja) | 2007-01-24 |
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