JP2004125741A - Temperature measuring apparatus, signal processor and signal processing program - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve efficiency of temperature measuring, using a heterodyne interferometric method. <P>SOLUTION: A phase meter 204 calculates the phase change of a laser light which passes through a temperature measuring region, from the beat frequency rising from the difference in a reference signal and a test signal. A data operation part 205 calculates the temperature of the temperature measuring region, based on the phase information calculated by the phase meter 204. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【００２３】
ただし、ｆ_ｂはビート周波数、ψ_ｔは計測領域８の物質の位相変化である。
また、測定開始から時刻ｔまで測定したヘテロダイン信号の位相変化をψ_Ｈとすると、計測領域８の気体の位相が変化することにより、測定信号の位相変化量ψ_Ｈが変わる。
ここで、測定信号の位相変化量ψ_Ｈは、計測領域８の気体の位相変化ψ_ｔと次の関係を持つ。
【００２４】
【数２】

【００２５】
また、計測領域８の気体の位相変化ψ_ｔは、計測領域８の気体の屈折率変化ｎ_ｔと次の関係を持つ。
ψ_ｔ＝２πφ_ｔ／λ_ｓ＝２πｎ_ｔＬ_ｔ／λ_ｓ　　　　　　　　　　　・・・（３）
ただし、φ_ｔは計測領域８での光路長変化、Ｌ_ｔは計測領域８の長さ、λ_ｓは試験光Ｌｓの周波数である。
【００２６】
また、気体の屈折率変化ｎ_ｔはビート周波数ｆ_ｂを変化させるため、以下に示すように、ビート周波数ｆ_ｂは時間ｔの関数ｆ_ｂ（ｔ）となる。
ｆ_ｂ→ｆ_ｂ（ｔ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）
そして、（４）式を（２）式に代入すると、計測領域８の位相変化ψ_ｔは、以下の式で求めることができる。
【００２７】
【数３】

【００２８】
一方、気体の屈折率変化ｎ_ｔと気体の密度ρとの関係は、以下に示すように、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式で近似的に求めることができる。
ｎ_ｔ＝１＋（ρ_ｔＲ_Ｇｔ）／Ｍ_ｔ＝１＋（Ｐ_ｔＲ_Ｇｔ）／（Ｒ_０Ｔ_ｔ）・・・（６）
ただし、Ｒ_ＧｔはＧｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅ定数で、使用するレーザの波長と気体の種類により決めることができる。また、Ｍは気体の分子量、Ｒ_０は気体定数、Ｐ_ｔは計測領域８の圧力、Ｔ_ｔは計測領域８の絶対温度である。
【００２９】
なお、ｓ種の混合気体のＧｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅ定数Ｒ_Ｇｔは、次式に示すように、ｉ成分気体のモル分率Ｘ_ｉから求めることができる。
【００３０】
【数４】

【００３１】
ただし、Ｒ_ｔｉはｉ成分気体のＧｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅ定数である。
従って、計測領域８の気体の温度Ｔ_ｔは次式で求めることができる。
Ｔ_ｔ＝２πＰ_ｔＲ_ＧｔＴ_ｔ０Ｌ_ｔ／（２πＰ_ｔ０Ｒ_ＧｔＬ_ｔ＋ψ_ｔＴ_ｔ０Ｒ_０λ）・・・（８）
すなわち、初期状態の圧力Ｐ_ｔ０および温度Ｔ_ｔ０が既知であり、計測領域８の気体の組成が不変であれば、計測領域８の気体の圧力および位相変化ψ_ｔを測定することにより、計測領域８の気体の温度Ｔ_ｔを求めることが可能となる。
【００３２】
また、ビート周波数の変化を計測することにより、測定領域８での液体温度の変化も求めることもできる。
ここで、測定領域８での位相変化量ψ_ｔと屈折率ｎ_ｔには、次のような関係がある。
ψ_ｔ＝２πｎ_ｔＬ_ｔ／λ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
ただし、Ｌ_ｔは測定領域８の長さ、λはレーザの波長である。
【００３３】
また、液体の屈折率ｎ_ｔと密度ρ_ｔには、次のようなＬｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式で表すことができる。
ｎ_ｔ＝（（１＋２ρ_ｔＲ_Ｌｔ／Ｍ_ｔ）／（１−ρ_ｔＲ_Ｌｔ／Ｍ_ｔ））^１／２・・・（１０）
ただし、Ｍ_ｔは測定対象となる液体の分子量、Ｒ_Ｌｔはモル屈折率で、使用するレーザの波長λと測定対象となる液体によって決まる定数である。
【００３４】
従って、（９）および（１０）式を用いることにより、密度ρ_ｔは以下の式で求めることができる。
ρ_ｔ＝（Ａ^２−１）Ｍ_ｔ／（（２＋Ａ^２）Ｒ_Ｌｔ）　　　　　　　・・・（１１）
ただし、Ａは以下の式で表される
Ａ＝ψ_ｔλ／（２πＬ_ｔ）＋√（（１＋２ρ_ｔ０Ｒ_Ｌｔ／Ｍ_ｔ）／（１−ρ_ｔ０Ｒ_Ｌｔ／Ｍ_ｔ））
また、ρ_ｔ０は液体の初期密度である。
【００３５】
そして、（１１）式と、液体の温度と密度の関係により、液体の温度を求めることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係るヘテロダイン干渉法を用いた温度計測装置の概略構成を示す平面図である。
図２において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１（例えば、出力１ｍＷ、波長６２３．８ｎｍ）から出射されたレーザ光は音響光学素子１２に入射され、ヘテロダイン用音響光学素子１２（ブラッグセル式）にて、周波数が８０．０ＭＨｚと７９．９８７５ＭＨｚや、８０．０ＭＨｚと７９．９７５ＭＨｚなどの異なる周波数に周波数シフトされ、周波数シフトされた２本のビームは、それぞれＰ偏光およびＳ偏光に分離される。
【００３６】
なお、以下の実施形態では、Ｐ偏光のビームを８０．１２５ＭＨｚ、Ｓ偏光のビームを８０．１ＭＨｚに設定した。
そして、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離された一方のビームは、ミラー１３および偏光ビームスプリッタ１４で反射され、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離された他方のビームは、偏光ビームスプリッタ１４を透過することで、１本のビームに合波される。
【００３７】
そして、１本のビームに合波された光の一部は、ハーフミラー１５を透過し、試験光Ｌｓが生成されるとともに、１本のビームに合波された光の一部はハーフミラー１５で反射され、参照光Ｌｒが生成される。
そして、ハーフミラー１５で反射された参照光Ｌｒは、偏光フィルタ１６に入射して干渉した後、フォトトランジスタ１７に入射する。
【００３８】
そして、偏光フィルタ１６で生成された干渉光がフォトトランジスタ１７に入射すると、２５ｋＨｚのビート周波数が参照信号として検出される。
一方、ハーフミラー１５を通過した試験光Ｌｓは偏光ビームスプリッタ１８に入射し、それぞれＰ偏光およびＳ偏光の偏波面を持つ２本のビームに分離される。
【００３９】
そして、偏光ビームスプリッタ１８で分離されたＰ偏光の偏波面を持つビームは、偏光ビームスプリッタ１８を透過し、１／４波長板２１に入射する。
そして、１／４波長板２１に入射したＰ偏光の偏波面を持つビームは、円偏光に変換された後、ミラー２２により反射され、１／４波長板２１に入射する。
そして、１／４波長板２１に入射した円偏光のビームは、１／４波長板２１にてＳ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１８により反射される。
【００４０】
ここで、Ｐ偏光の偏波面を持つビームを円偏光に変換することにより、周囲の気体変動の影響を受け難くして、計測精度を向上させることが可能となる。
一方、偏光ビームスプリッタ１８で分離されたＳ偏光の偏波面を持つビームは、偏光ビームスプリッタ１８で反射され、１／２波長板２３を介してセルフォックマイクロレンズ２４に入射する。
【００４１】
そして、セルフォックマイクロレンズ２４に入射した光は、ビーム径が絞られコリメート化された後、偏波面保存型光ファイバ２５に入射する。
ここで、偏波面保存型光ファイバ２５の前段にセルフォックマイクロレンズ２４を設けることにより、レーザービームを偏波面保存型光ファイバ２５に効率よく入射させることが可能となる。
【００４２】
そして、偏波面保存型光ファイバ２５に入射したビームは、温度センサ３１に導かれる。
ここで、温度センサ３１には、セルフォックマイクロレンズ３２、光学窓３３およびミラー３５が設けられ、セルフォックマイクロレンズ３２、光学窓３３およびミラー３５は光軸が一致するように、温度センサ３１内に配置されるとともに、光学窓３３とミラー３５との間には、ガス２７が侵入可能な計測領域３４が設けられている。
【００４３】
なお、光学窓３３の材料としては、例えば、サファイアを用いることができる。
そして、温度センサ３１は、温度センサ３１の先端がセンサ取り付け面２６から突き出るようにして固定され、計測領域３４およびミラー３５がガス２７に晒される。
【００４４】
そして、偏波面保存型光ファイバ２５を介して温度センサ３１に導かれたレーザービームは、セルフォックマイクロレンズ３２に入射し、コリメート化された後、温度センサ３１内の空間を直進して、光学窓３３を透過する。
そして、レーザービームが光学窓３３を透過すると、レーザービームは、ガス２７内に入射する。
【００４５】
そして、ガス２７内に入射したレーザービームは、ガス２７内を直進し、ミラー３５に反射されて、ガス２７内を再び直進し、光学窓３３を再び透過して、ガス２７内から抜け出す。
ここで、レーザービームがガス２７内を直進すると、ガス２７の屈折率変化およびガス２７内の進行距離に応じて、レーザービームの位相が変化する。
【００４６】
そして、ミラー３５に反射されて、光学窓３３を再び透過したレーザービームは、温度センサ３１内の空間を逆に進んで、セルフォックマイクロレンズ３２に再び入射し、コリメート化された後、偏波面保存型光ファイバ２５に再び入射する。
そして、偏波面保存型光ファイバ２５に入射したレーザービームは、セルフォックマイクロレンズ２４に戻されて、コリメート化された後、１／２波長板２３を介して偏光ビームスプリッタ１８に入射し、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。
【００４７】
そして、偏光ビームスプリッタ１８を透過したレーザービームは、偏光ビームスプリッタ１８により反射されたレーザービームと合波して、１本のビームとなり、偏光フィルタ１９に入射して干渉した後、フォトトランジスタ２０に入射する。
そして、偏光フィルタ１９で生成された干渉光がフォトトランジスタ２０に入射すると、ビート周波数が試験信号として検出される。
【００４８】
そして、フォトトランジスタ２０で検出された試験信号は、例えば、５００ｋＨｚのサンプリング周波数でメモリに記憶され、参照信号と試験信号とのビート周波数の違いから、参照光Ｌｒと試験光Ｌｓとの位相差を算出することができる。
ここで、例えば、温度センサ３１をエンジンの燃焼室に取り付けた場合、火炎伝播により圧縮された燃料と空気の混合ガスや、燃焼により温度が変化した燃焼ガスは、密度の変化に伴って、屈折率が変化する。
【００４９】
そして、これらのガス２７の屈折率が変化すると、計測領域３４を通過するレーザービームの位相が変化するため、参照信号と試験信号の位相差が変化し、干渉光強度が変化する。
そして、干渉光強度の変化を、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わすことができる。
【００５０】
図３は、本発明の一実施形態に係る温度センサ３１の構成を示す断面図である。
図３において、温度センサ３１には、光学窓３３およびミラー３５を光軸上に保持するとともに、光学窓３３とミラー３５との間に計測領域３４を形成する筒状筐体４１が設けられている。
【００５１】
ここで、ミラー３５は、金属などで円筒状に構成され、ボルト４２により脱着自在な状態で、筒状筐体４１の先端部分に取り付けられている。
そして、ミラー３５を金属で構成することにより、ミラー３５の耐熱性を向上させることが可能となり、エンジンの燃焼ガスなどの高温気体の温度を計測する際の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５２】
また、ミラー３５をボルト４２で筒状筐体４１に固定する場合、筒状筐体４１の先端から光軸方向に沿ってミラー３５を挿入し、ミラー３５の挿入方向にボルト４２で締め付けるようにする。
これにより、ボルト４２を筒状筐体４１内に収めることが可能となり、ボルト４２が筒状筐体４１から突出することを防止して、温度センサ３１のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、ミラー３５を脱着自在に取り付けることを可能として、ミラー３５が燃焼ガスから発生する煤などで汚れた場合に容易に洗浄または交換することが可能となる。
【００５３】
また、計測領域３４には開口部３４ａが設けられ、光学窓３３とミラー３５との間の光軸上の空間にガス２７が侵入できるようにされている。
さらに、光学窓３３は、例えば、サファイアなどで円筒状に構成され、ボルト４４により脱着自在な状態で筒状筐体４１に取り付けられている。
そして、光学窓３３をサファイアで構成することにより、良好な光透過性を確保しつつ、光学窓３３の耐熱性を向上させることが可能となり、エンジンの燃焼ガスなどの高温気体の温度を計測する際の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５４】
ここで、ボルト４４で光学窓３３を筒状筐体４１に固定する場合、筒状筐体４１の後端から光軸方向に沿って光学窓３３を挿入し、光学窓３３の挿入方向にボルト４４で締め付けるようにする。
これにより、ボルト４４を筒状筐体４１内に収めることが可能となり、ボルト４４が筒状筐体４１から突出することを防止して、温度センサ３１のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、光学窓３３を脱着自在に取り付けることを可能として、光学窓３３が燃焼ガスから発生する煤などで汚れた場合に容易に洗浄または交換することが可能となる。
【００５５】
また、ボルト４４には、中心軸に沿って開口部４４ａが形成され、ボルト４４で光学窓３３を締め付けるために、ボルト４４を光軸上に配置した場合においても、レーザービームの進路がボルト４４により遮断されることを防止することができる。
また、光学窓３３の前面には、光学窓３３の外形に対応したガスケット４３が設けられている。
【００５６】
ここで、ガスケット４３は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレスなどでリング状に構成することができ、例えば、光学窓３３の径が２．５ｍｍφとすると、ガスケット４３の外径は２．５ｍｍφ、内径は１．８ｍｍφ、厚みは０．１ｍｍとすることができる。
そして、リング状のガスケット４３を光学窓３３の前面に設けることにより、計測領域３４側の光学窓３３の外縁部と筒状筐体４１との間の隙間をシールすることが可能となる。
【００５７】
このため、レーザービームの進路がガスケット４３により遮断されることを防止しつつ、計測領域３４に進入したガス２７が光学窓３３と筒状筐体４１との間の隙間から外部に漏れ出すことを防止することができ、高温・高圧となるエンジン内の燃焼ガスなどの温度変化を精度よく計測することができる。
また、筒状筐体４１の外周には、筒状筐体４１の外径を変換するためのアダプタ４５が脱着自在に嵌め込まれている。
【００５８】
ここで、アダプタ４５は２段構造で構成され、アダプタ４５の後段面には、リング状のガスケット４６が設けられている。
そして、筒状筐体４１の外周にアダプタ４５を設けることにより、穴径が異なる場合においても、気密性を維持しつつ、温度センサ３１の先端を挿入することが可能となり、様々の気体の温度を計測することが可能となる。
【００５９】
なお、筒状筐体４１の外周面には、例えば、Ｍ５のネジ４１ａを切ることができる。
これにより、一般的なエンジン筒内の圧力センサの取り付け方法と同様の方法で温度センサ３１をエンジンに取り付けることが可能となり、実用機関を改造することなく、温度センサ３１を設置することが可能となる。
【００６０】
また、温度センサ３１には、筒状筐体４１の外径よりも大きな外径を有し、筒状筐体４１の後端部を挿入可能な筒状筐体５０が設けられ、筒状筐体５０の先端面には、リング状のガスケット４７が設けられている。
また、筒状筐体５０内には、レーザービームを遮るためのシャッタ４９が設けられるとともに、セルフォックマイクロレンズ３２を保持するとともに、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸を調整する光軸調整用レンズ保持部５１が設けられている。
【００６１】
ここで、光軸調整用レンズ保持部５１は、筒状筐体５０内に収容可能なように円筒状に構成され、光軸調整用レンズ保持部５１の外径は、筒状筐体５０の内径よりも小さく設定されて、筒状筐体５０内で光軸調整用レンズ保持部５１を傾けることが可能なように構成されている。
また、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分および後端部分の外周面は球面状に加工されている。
【００６２】
また、筒状筐体５０の内周面は、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の形状に対応して球面状に加工され、筒状筐体５０の内周面が、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の外周面に面接触できるように構成されている。
そして、光軸調整用レンズ保持部５１の後側には、光軸調整用レンズ保持部５１を光軸方向に固定するためのリテーナ５２が設けられ、リテーナ５２の先端は、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分の形状に対応して球面状に加工されている。
【００６３】
また、筒状筐体５０の外周面には、光軸調整用レンズ保持部５１を周囲から固定するための芋ネジ５３が設けられている。
また、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部には光ファイバ２５が結合され、光ファイバ２５の周囲には、光ファイバ２５を保護するパイプ５６が設けられ、パイプ５６の先端には、光ファイバ２５の曲がりを防止するガイド５４が設けられている。
【００６４】
そして、ガイド５４が設けられたパイプ５６は、リング状のネジ５５により筒状筐体５０に脱着自在に固定されている。
ここで、筒状筐体５０の外径を筒状筐体４１の外径よりも大きくすることで、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを可能としつつ、計測領域３４の大きさを縮小することが可能となる。
【００６５】
このため、燃焼室内の限られたスペースに温度センサ３１を容易に挿入することが可能となり、実機を用いて温度計測を行なうことが可能となる。
また、光軸調整用レンズ保持部５１を用いてセルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０内に保持することにより、光軸調整用レンズ保持部５１の傾きを調整することで、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸を調整することが可能となり、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを容易に行うことが可能となる。
【００６６】
さらに、セルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０で直接保持するのではなく、光軸調整用レンズ保持部５１を介して保持することにより、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを可能としつつ、セルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０と切り離すことが可能となり、ガス２７の熱がセルフォックマイクロレンズ３２に伝わり難くすることができる。
【００６７】
このため、燃焼ガスなどの温度を測定する場合においても、セルフォックマイクロレンズ３２が高温に晒されることを抑制することができ、セルフォックマイクロレンズ３２の特性劣化を抑制することが可能となる。
さらに、光ファイバ２５を計測領域３４と切り離すことが可能となり、光ファイバ２５に熱が伝わり難くして、光ファイバ２５による位相変化を抑制することができる。
【００６８】
図４は、本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
図４において、温度計測装置２００には、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０１、ヘテロダイン干渉用光学系２０２、光電変換部２０３、位相計２０４、データ演算部２０５および表示部２０６が設けられ、温度計測装置２００は光ファイバ２１２を介してセンサ部２１１に接続されている。
【００６９】
なお、センサ部２１１、光ファイバ２１２およびヘテロダイン干渉用光学系２０２は、例えば、図２の構成を用いることができる。
そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０１で発生されたレーザ光はヘテロダイン干渉用光学系２０２に入射され、ヘテロダイン干渉用光学系２０２にてビート信号を生成するための参照光と試験光とが生成される。
【００７０】
ここで、ヘテロダイン干渉用光学系２０２で生成された試験光は、光ファイバ２１２を介してセンサ部２１１に入射し、センサ部２１１に入射した試験光は、温度計測領域の温度変化に基づいて位相が変化する。
そして、センサ部２１１に入射した試験光は、センサ部２１１にて反射され、光ファイバ２１２を介してヘテロダイン干渉用光学系２０２に戻され、ビート信号に変換された後、光電変換部２０３に入力される。
【００７１】
そして、光電変換部２０３でビート光が電気信号に変換された後、位相計２０４にて、参照信号と試験信号とのビート周波数差から、温度計測領域を通過したレーザ光の位相変化が算出される。
ここで、位相計２０４のサンプリング周波数と試験信号のビート周波数により、得られる温度計測分解能を決定することができ、サンプリング周波数を高く、ビート周波数を低く設定することにより、温度計測分解能を向上させることができる。
【００７２】
また、ヘテロダイン干渉法による温度計測方法では、温度計測領域の長さが長いほど位相変化量が大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が向上し、温度計測分解能も向上する。
しかし、温度計測領域の長さが長くなると、局所的な温度計測が困難になるとともに、実用機関への設置を考えた場合、筒内への突き出し量が増加するため、設置場所が限定される。
【００７３】
一方、温度計測領域の長さが短くなると、Ｓ／Ｎ比が劣化し、温度計測分解能も劣化するが、局所的な温度計測が可能となるとともに、設置場所を自由に選択できるようになる。
このため、サンプリング周波数、ビート周波数および温度計測領域の長さを調整することにより、温度計測の局所性および設置場所を考慮しつつ、得たい温度変化の時間分解能を決定することができる。
【００７４】
なお、位相変化を得るためには、ロックインアンプなどの位相計やデータ集積装置を用いることができ、位相計２０４では、そのサンプリング周波数に見合ったリアルタイムでの位相情報を得ることができ、その位相情報から温度変化を見積もることができる。
また、データ集積装置では、参照信号および試験信号のビート周波数変化を計測し、参照信号および試験信号の周波数変化を読み取ることで、温度変化を見積もることができる。
【００７５】
そして、データ演算部２０５は、位相計２０４にて位相情報が得られると、この位相情報に基づいて温度計測領域の温度を算出する。
ここで、データ演算部２０５は、温度計測領域の温度を算出する場合、位相計２０４で算出された位相情報に基づいて、温度計測領域の屈折率変化を算出し、この屈折率変化に基づいて、度計測領域の温度を算出することができる。
【００７６】
そして、温度計測領域が気体の場合、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式を適用することで屈折率変化を算出することができ、温度計測領域が液体の場合、Ｌｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式を適用することで屈折率変化を算出することができる。
そして、データ演算部２０５にて温度計測領域の温度が算出されると、表示部２０６はデータ演算部２０５で算出された温度を表示する。
【００７７】
これにより、計測領域３４でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための処理を温度計測装置２００に行わせることが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムで表示部２０６に表示させることが可能となる。
【００７８】
図５は、本発明の一実施形態に係る温度センサの計測部長さと温度計測分解能との関係を示す図である。なお、図５の関係は、温度６６０Ｋ、圧力３．２ＭＰａの条件での火花点火における未燃焼ガスの温度履歴を基に位相変化量を見積もり、図３の計測領域３４の長さと温度計測分解能との関係を求めたものである。
図５において、横軸は計測領域３４の長さを示し、縦軸は温度の最小読み取り値を示す。
【００７９】
この結果から、計測領域３４の長さが長くなるに従って、温度の最小読み取り値が小さくなり、温度計測分解能が向上していることがわかる。
そして、温度計測分解能、実用機関への設置場所および温度計測の局所性を考慮すると、ダブルパス方式で１３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
図６は、図３の温度センサのエンジンへの取り付け状態を示す断面図、図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ線で切断して温度センサ側を見た場合の断面図、図７（ｂ）は、図３の温度センサが取り付けられたシリンダヘッドの構成を示す上面図、図８は、図３の温度センサが取り付けられたエンジンを図６のＢ方向から見た場合の斜視図である。
【００８０】
図６〜図８において、シリンダ６１の外周には冷却フィン６３が設けられるとともに、シリンダ６１内にはピストン６４が挿入され、ピストン６４はピストンピン６５を介してコネクティングロッド６６に連結され、コネクティングロッド６６はクランクピン７２を介してクランクシャフト７３に連結されている。
また、シリンダ６１上にはシリンダヘッド６２が設けられ、シリンダヘッド６２には、吸気ポート８５ａおよび排気ポート８６ａが形成され、吸気ポート８５ａには吸気弁８５が挿入され、排気ポート８６ａには排気弁８６が挿入され、吸気ポート８５ａはキャブレタ８７に接続されている。
【００８１】
また、吸気弁８５は弁バネ８３で吸気ポート８５ａを開閉可能なように保持されるとともに、排気弁８６は弁バネ８４で排気ポート８６ａを開閉可能なように保持されている。
また、吸気弁８５上には吸気ロッカーアーム８１の一端が配置されるとともに、排気弁８６上には排気ロッカーアーム８２の一端が配置され、吸気ロッカーアーム８１の他端および排気ロッカーアーム８２の他端がカムシャフト６９に当接するように配置されている。
【００８２】
また、シリンダヘッド６２には、点火プラグ６７が取り付けられるとともに、横方向から温度センサ３１が取り付けられ、温度センサ先端３１ａがシリンダヘッド６２内に突き出している。
そして、温度センサ３１には、センサ出力を取り出すための光ファイバ２５が接続されるとともに、光ファイバ２５はジャバラ管９４で保護されている。
【００８３】
ここで、光ファイバ２５をジャバラ管９４で保護することにより、フレキシビリティーを確保しつつ、エンジンの熱から光ファイバ２５を保護することができる。
そして、ジャバラ管９４は、コネクタ９５を介して温度計測装置２００に接続され、光ファイバ２５は、ヘテロダイン干渉用光学系２０２に接続されている。
【００８４】
ここで、位相計２０４およびデータ演算部２０５を温度計測装置２００に設けることにより、ヘテロダイン干渉用光学系２０２で生成された参照光と試験光とのビート周波数差を検出し、計測領域３４の温度を算出するまでの処理を温度計測装置２００に一貫して行わせることが可能となる。
このため、計測領域３４でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、内燃機関の燃焼室内のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムに表示部２０６に表示させることが可能となる。
【００８５】
また、温度センサ３１を実用機関に取り付ける場合、図３のアダプタ４５を取り外すことにより、Ｍ５のネジ４１ａで温度センサ３１を固定することが可能となる。
また、温度センサ３１をシリンダヘッド６２に取り付けると、図５の温度センサ３１の領域Ｒ１の部分が、シリンダヘッド６２内に突き出した状態となり、温度センサ３１の領域Ｒ２の部分が、シリンダヘッド６２の壁内に保持されるとともに、ガスケット４７がシリンダヘッド６２の外面に接触して、シリンダ６１内の気密性を保つことが可能となる。
【００８６】
そして、カムシャフト６９には、カムスプロケット７０ａが取り付けられるとともに、クランクシャフト７３には、クランクスプロケット７０ｂが取り付けられ、カムスプロケット７０ａとクランクスプロケット７０ｂとの間にはカムチェーン７１が架けられている。
また、クランクシャフト７３は、クラッチ７６を介して、トランスミッションドライブ側軸７７に接続され、トランスミッションドライブ側軸７７にはトランスミッションドライブ側ギア７８が設けられ、トランスミッションドライブ側ギア７８はトランスミッションドリブン側ギア８０を介してトランスミッションドリブン側軸７９に接続されている。
【００８７】
そして、クラッチ７６の上方にはオイルフィルタ７４が設けられ、クランクシャフト７３の端にはジェネレータ７５が設けられ、ジェネレータ７５にはタイミングチェック用窓９２が設けられている。
また、トランスミッションドリブン側ギア８０の下方にはオイルパン９０が設けられ、オイルパン９０にはオイルドレンボルト９１が取り付けられている。
【００８８】
図９は、本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
図９において、温度計測装置２００´には、図３の温度センサ３１に構成に加えて、熱電対２０７、２０８が設けられ、熱電対２０７は、計測領域３４内に設置されるとともに、熱電対２０８は、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間に設けられている。
【００８９】
また、データ演算部２０５´は、位相計２０４により得られた位相情報に基づいて温度計測領域の温度を算出するとともに、（８）式を用いて温度を算出する場合、熱電対２０７により計測された温度を初期状態の温度Ｔ_ｔ０として使用する。
さらに、データ演算部２０５´は、熱電対２０７により計測された温度に基づいて、レーザービームが光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間の空間を通過する際に生じた位相変化による温度計測値の誤差を補正する。
【００９０】
すなわち、（８）式に示すように、ヘテロダイン干渉法により、ガス２７の温度変化を求めるためには、初期状態のガス２７の温度が既知である必要がある。
このため、ガス２７の初期温度を計測する熱電対２０７を計測領域３４に設け、ヘテロダイン干渉法による温度計測を実行する際に、ガス２７の初期温度を熱電対２０７により直接計測する。
【００９１】
これにより、温度センサ３１の大型化・高コスト化を抑制しつつ、ガス２７の初期温度を直接計測することが可能となり、ヘテロダイン干渉法による温度計測にかかる手間を軽減することが可能となる。
また、アダプタ４５を取り外して、図２のセンサ取り付け面２６に温度センサ３１を取り付けた場合、図３の温度センサ３１の領域Ｒ１がガス２７に晒され、温度センサ３１の領域Ｒ２がセンサ取り付け面２６の壁内に保持され、温度センサ３１の領域Ｒ３が外気に晒される。
【００９２】
そして、温度センサ３１に入射したレーザービームは、光学窓３３を境界として、計測領域３４側では、ガス２７内を通過し、計測領域３４の反対側では、空気内を通過する。
このため、例えば、エンジンの燃焼室内の燃焼ガスの温度を計測する場合、燃焼ガスが高温になるため、センサ取り付け面２６の壁の温度も高温になり、温度センサ３１の領域Ｒ２の空気も高温になる。
【００９３】
従って、レーザービームが温度センサ３１内を進むと、レーザービームの位相は、ガス２７の温度変化の影響だけでなく、空気の温度変化の影響も受け、ガス２７の温度計測値に誤差が生じる。
そこで、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間に熱電対２０８を設け、ヘテロダイン干渉法による温度計測を実行する際に、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間の空気の平均温度を熱電対２０８により直接計測する。
【００９４】
これにより、ガス２７の温度だけでなく、レーザ−ビームが通過する光路のうち測定対象以外の空間の温度も計測することができ、ヘテロダイン干渉法による温度計測の手間を増加させることなく、ガス２７の周囲の空間の温度変化による誤差を補正することを可能として、温度計測の精度を向上させることができる。図１０は、本発明の一実施形態に係る温度センサの実験に用いた圧縮膨張機関の概略構成を示す断面図である。
【００９５】
図１０において、シリンダ１０１内には、ピストン１０２が挿入され、ピストン１０２は、コネクティングロッド１０３を介してフライホイール１０４に接続され、フライホイール１０４は、ベルト１０５を介して電気モータ１０６に接続されている。
また、フライホイール１０４の回転軸には、ロータリーエンコーダ１０７が設けられるとともに、フライホイール１０４の外周には、ＴＤＣセンサ１０８が設けられている。
【００９６】
また、シリンダ１０１の上方には拡張シリンダ１１１が設けられるとともに、ピストン１０２の上方にはスペーサ１１９を介して拡張ピストン１１３が設けられている。
そして、拡張シリンダ１１１には、拡張シリンダ１１１内を観測するための観測窓１１２が設けられ、拡張ピストン１１３には、石英製のピストンヘッド１１３ａが設けられるとともに、４５度の傾きでミラー１１４が取り付けられ、燃焼室内の燃焼状態をボトムビュー方式で可視化できるようにされている。
【００９７】
なお、スペーサ１１９を取り替えることにより、圧縮比を可変することができ、今回の実験では、圧縮比を９．７および１１．２に設定した。
また、拡張シリンダ１１１上には、シリンダヘッド１１５が設けられ、シリンダヘッド１１５には、点火電極１１６が横方方向から取り付けられるとともに、シリンダヘッド１１５上には、温度センサ３１、きのこ弁１１７および圧力変換素子１１８が取り付けられ、きのこ弁１１７は連結管１２６を介して混合タンク１２１に連結されている。
【００９８】
そして、混合タンク１２１には、ガスを導入するバルブ１２２〜１２４が設けられるとともに、混合タンク１２１内の混合ガスの温度を計測する熱電対１２５が設けられている。
ここで、温度センサ３１を実験装置に取り付ける場合、図３のアダプタ４５を取り付けることにより、温度センサ３１をネジ４５ａで実験装置に固定することが可能となるとともに、ガスケット４６により拡張シリンダ１１１内の気密性を保つことが可能となる。
【００９９】
そして、実験装置の燃焼室内の燃焼ガスの温度を計測する場合、シリンダヘッド１１５に取り付けられたきのこ弁１１７を開け、拡張シリンダ１１１内を真空状態にして、拡張ピストン１１３をＴＤＣに設置する。
次に、混合タンク１２１内で生成された混合ガスを、所定の圧力になるまで、連結管１２６を介して拡張シリンダ１１１内に充填する。
【０１００】
そして、きのこ弁１１７を開けた状態で、ベルト１０５を介して電気モータ１０６によりフライホイール１０４を回転させることにより、拡張ピストン１１３を駆動する。
そして、一定時間後のＢＤＣできのこ弁１１７を閉じ、点火電極１１６によりＢＴＤＣ２０°で混合ガスに点火した。
【０１０１】
ここで、きのこ弁１１７が閉じた時の拡張シリンダ１１１内の混合ガスの温度は、混合タンク１２１に取り付けられた熱電対１２５により計測することができ、ヘテロダイン干渉法により温度を求める場合に必要となる初期温度を得ることができる。
そして、温度センサ３１を用いることにより、きのこ弁１１７が閉じた後の最初の圧縮膨張行程におけるガス温度をヘテロダイン干渉法により計測した。
【０１０２】
ここで、ガス温度計測時の機械的振動などの影響を調べるため、初めにモータリング時でのヘテロダイン干渉法によるガス温度変化の測定を行なった。
図１１（ａ）は、モータリング時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図である。
図１１（ａ）において、きのこ弁１１７を開け、図１０の圧縮膨張機関に空気を室温で大気圧まで充填した後、きのこ弁１１７を閉じ、電気モータ１０６で機関を駆動する。
【０１０３】
そして、温度センサ３１および圧力変換素子１１８を用いることにより、クランク角に対する拡張シリンダ１１１内の位相変化量および圧力を測定した。なお、圧縮比は９．７である。
圧縮工程において、クランク角３００°までの緩やかな圧力上昇に対して、位相変化量も緩やかに増加している。
【０１０４】
また、クランク角３００°から３６０°までの急激な圧力上昇に対しては、位相変化量も急激に増加していることがわかる。
そして、図１１（ａ）の位相変化量および圧力履歴に基づいて、拡張シリンダ１１１内のガス温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１１（ｂ）は、モータリング時にクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【０１０５】
図１１（ｂ）において、ヘテロダイン干渉法により求めた拡張シリンダ１１１内の温度（黒丸）と、拡張シリンダ１１１内の圧力からポリトロープ変化を仮定して計算した温度（実線）とを比較した。
この結果、両者の値を概ね一致するものの、クランク角２４０°付近では、両者の値に違いが見られる。
【０１０６】
これは、圧力が低いと、位相変化量も小さいため、位相の読み取り誤差が影響することと、きのこ弁１１７が閉じた時の振動の影響が考えられる。
一方、ＴＤＣ付近になると、位相変化量も増大し、きのこ弁１１７が閉じた時の振動の影響も少なくなるため、両者の値は比較的よく一致することがわかる。
図１１の結果により、モータリング時でのヘテロダイン干渉法によるガス温度変化の測定は、十分に可能であることがわかった。
【０１０７】
次に、圧縮膨張機関において火花点火を行い、未燃焼ガスの温度変化測定を試みた。
図１２（ａ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図である。
なお、ガスには、当量比１．０のメタン−空気混合気を用いた。また、圧縮比は１１．２であり、点火時期はＢＴＤＣ２０°である。また、機関回転速度は６００ｒｐｍである。
【０１０８】
図１２（ａ）において、図１１（ａ）のモータリング時と同じように、クランク角３４０°までの緩やかな圧力上昇に対して、位相変化量も緩やかに増加している。
そして、クランク角３４０°から火炎が計測領域３４を通過するまでの急激な圧力上昇に伴って、位相変化量も急激に増加し、モータリング時と比較して位相変化量も大きいことがわかる。また、試験信号が急激に減少した時を、火炎が計測領域３４を通過した時と判断した。
【０１０９】
この図１２（ａ）の位相変化量および圧力履歴に基づいて、拡張シリンダ１１１内の未燃焼ガスの温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１２（ｂ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
図１２（ｂ）において、ヘテロダイン干渉法により求めた拡張シリンダ１１１内の未燃焼ガスの温度（黒丸）と、拡張シリンダ１１１内の圧力から以下の式を用いて計算した温度（実線）とを比較した。
【０１１０】
Ｔｍ＝Ｔｉｇ（Ｐｔ／Ｐｉｇ）（（κ−１）／κ）　　　　　・・・（１２）
ただし、κは、未燃焼混合ガスの比熱比であり、温度３００Ｋ〜６００Ｋ、圧力０．１〜３ＭＰａの範囲における平均値を１．３８０として用いた。
これら両者の値を比較すると、下死点から点火時期まで混合ガスが圧縮されるに従って、緩やかに温度上昇しており、両者の値は比較的よく一致していることがわかる。
【０１１１】
また、点火後の急激な温度上昇についても、ヘテロダイン干渉法により求めた値の方が、（１２）式を用いて求めた値よりも若干高くなっているが、両者の値はほぼ一致していることがわかる。
以上の結果から、温度センサ３１を用いたヘテロダイン干渉法により、エンジン内の未燃焼ガスの温度変化を局所的に計測できることが確認できた。
【０１１２】
なお、今回の実験では、２５ｋＨｚのビート周波数信号をＡ／Ｄ変換して、５００ｋＨｚのサンプリング周波数で記録した。この時、２０点で１周期分が記録される。
このため、１／２０周期分の光路長変化を位相の最小読み取り値とすると、圧力の増加に伴い、ビート周波数が変化するため、最小読み取り値は変化する。
【０１１３】
図１３は、本発明の一実施形態に係る温度センサの温度計測分解能とガス圧との関係を示す図である。
図１３において、圧力の増加に伴い、温度計測分解能が上昇していることがわかる。また、火炎が測定領域３４を通過する直前の温度計測分解能は、０．７Ｋ程度である。
【０１１４】
温度計測分解能は、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数、ヘテロダイン干渉法のビート周波数および測定領域３４の長さにより決定されるため、これらの最適化を行うことで、温度計測分解能を改善することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差に基づいて、温度計測領域の温度を温度計測装置に算出させることにより、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法の原理を説明する平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る温度計測装置のヘテロダイン干渉用光学系の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る温度センサの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る温度センサの計測部長さと温度計測分解能との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度センサのエンジンへの取り付け状態を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ線で切断して温度センサ側を見た場合の断面図、図７（ｂ）は、温度センサが取り付けられたシリンダヘッドの構成を示す上面図である。
【図８】温度センサが取り付けられたエンジンを図６のＢ方向から見た場合の斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る温度センサの実験に用いた圧縮膨張機関の概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、モータリング時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図、図１１（ｂ）は、モータリング時にクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図、図１２（ｂ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る温度センサの温度計測分解能とガス圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、２０１、３０１　Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２、５、１５　ハーフミラー
３　参照領域
４、６、１３、２２、３５、１１４　ミラー
７　周波数シフタ
８、３４　計測領域
９　検出器
Ｌｒ　参照光
Ｌｓ　試験光
１２　音響光学素子
１４、１８　偏光ビームスプリッタ
１６、１９　偏光フィルタ
１７、２０　フォトトランジスタ
２１　１／４波長板
２３　１／２波長板
２４、３２　セルフォックマイクロレンズ
２５、２１２　光ファイバ
光ファイバ
２６　センサ取り付け面
２７　ガス
３１　温度センサ
３１ａ　温度センサ先端
３３　光学窓
４１、５０　筒状筐体
４１ａ、４５ａ　ネジ
４２、４４　ボルト
４３、４６、４７　ガスケット
３４ａ、４４ａ　開口部
４５　アダプタ
４９　シャッタ
５１　光軸調整用レンズ保持部
５２　リテーナ
５３　芋ネジ
５４　ガイド
５５　ネジ
５６　パイプ
６１、１０１　シリンダ
６２、１１５　シリンダヘッド
６３　冷却フィン
６４、１０２　ピストン
６５　ピストンピン
６６、１０３　コネクティングロッド
６７、１１６　点火プラグ
６９　カムシャフト
７０ａ　カムスプロケット
７０ｂ　クランクスプロケット
７１　カムチェーン
７２　クランクピン
７３　クランクシャフト
７４　オイルフィルタ
７５　ジェネレータ
７６　クラッチ
７７　トランスミッションドライブ側軸
７８　トランスミッションドライブ側ギア
７９　トランスミッションドリブン側軸
８０　トランスミッションドリブン側ギア
８１　吸気ロッカーアーム
８２　排気ロッカーアーム
８３、８４　弁バネ
８５　吸気弁
８５ａ　吸気ポート
８６　排気弁
８６ｂ　排気ポート
８７　キャブレタ
９０　オイルパン
９１オイルドレンボルト
９２　タイミングチェック用窓
９４　ジャバラ管
９５　コネクタ
１０４　フライホイール
１０５　ベルト
１０６　電気モータ
１０７　ロータリーエンコーダ
１０８　ＴＤＣセンサ
１１１　拡張シリンダ
１１２　観測窓
１１３　拡張ピストン
１１７　きのこ弁
１１８　圧力変換素子
１１９　スペーサ
１２１　混合タンク
１２２〜１２４　バルブ
１２５、２０７、２０８　熱電対
１２６　連結管
２００、２００´　温度計測装置
２０２　ヘテロダイン干渉用光学系
２０３　光電変換部
２０４　位相計
２０５、２０５´　データ演算部
２０６　表示部
２１１　センサ部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature measurement device, a signal processing device, and a signal processing program, and is particularly suitable for application to a temperature measurement device using heterodyne interferometry.
[0002]
[Prior art]
As a conventional temperature measurement device, for example, as disclosed in Patent Document 1, a method of measuring gas temperature using heterodyne interferometry has been proposed in order to measure gas temperature in a non-contact manner.
In this method, by using heterodyne interferometry using an acousto-optic modulator, a change in the refractive index of a gas is calculated from a phase change in a beat frequency in a temperature measurement region, and Gladstone-Dale (Gradstone-Dale) is calculated from the composition of the gas. The gas temperature is calculated from the gas state equation by calculating a Stone-Dale constant and using the gas pressure value.
[0003]
Then, by using the heterodyne interferometry, the gas temperature can be measured in a non-contact, high-accuracy, high-response manner.
Further, the temperature measurement method using the heterodyne interferometry has a feature that it is resistant to mechanical vibration, and its application to an internal combustion engine or the like accompanied by mechanical vibration has been attempted.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-39870 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional temperature measurement method using heterodyne interferometry, a reference signal and a test signal are captured by an oscilloscope into a data recorder, and a phase change of a beat frequency is calculated from the reference signal and the test signal captured by the data recorder. In addition, it is necessary to calculate the gas temperature by further using the gas pressure value in the temperature measurement region.
[0006]
Therefore, in the temperature measurement method using the heterodyne interferometry, it takes time and effort to obtain the temperature from the phase change of the beat frequency in the temperature measurement region, and the temperature measurement method using the heterodyne interferometry is applied to an internal combustion engine or the like. In this case, there is a problem that it is difficult to know a rapid change in temperature in the combustion chamber in real time.
Therefore, an object of the present invention is to provide a temperature measurement device, a signal processing device, and a signal processing program capable of improving the efficiency of temperature measurement using heterodyne interferometry.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a temperature measuring apparatus, comprising: a heterodyne interference optical system configured to generate a reference light and a test light for generating a beat signal; A temperature sensor provided with a temperature measurement area for detecting the temperature measurement area, based on the beat frequency difference between the reference light generated by the heterodyne interference optical system and the test light passing through the temperature measurement area, Signal processing means for calculating the temperature.
[0008]
This makes it possible to detect the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system, and to have the temperature measurement device perform the processing up to calculating the temperature in the temperature measurement area consistently It becomes.
For this reason, it is possible to reduce the trouble of obtaining the temperature from the phase change of the beat frequency in the temperature measurement region, and even when the temperature measurement method using the heterodyne interference method is applied to an internal combustion engine or the like, the combustion chamber can be reduced. It is possible to know a rapid change in temperature in real time.
[0009]
Further, according to the temperature measuring device of the second aspect, the temperature sensor includes: an optical fiber that transmits the test light; a condenser that collects laser light emitted from the optical fiber; A light transmitting window that transmits the laser light condensed by the unit, a reflecting unit that reflects the laser light transmitted through the light transmitting window, and the condensing unit, the light transmitting window, and the reflecting unit on the optical axis. Holding means for holding, wherein the temperature measurement region is provided between the light transmitting window and the reflection portion in a state in which a temperature measurement target can enter.
[0010]
This makes it possible to detect the phase change of the test light by inserting the tip of the temperature sensor into the temperature measurement target, and to facilitate the selection of the installation location of the temperature sensor and the temperature. The optical fiber can be separated from the measurement area to protect the optical fiber from heat, and the temperature measurement method using heterodyne interferometry can be easily applied to an internal combustion engine or the like.
[0011]
Further, according to the temperature measuring device of the third aspect, the signal processing means is configured to determine a phase change of the laser light passing through the temperature measuring region based on a beat frequency difference between a reference signal and a test signal by heterodyne interferometry. And a temperature calculation means for calculating the temperature of the temperature measurement area based on the phase change calculated by the phase change calculation means.
[0012]
This makes it possible to calculate the phase change from the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system, and to easily calculate the temperature in the temperature measurement region.
Further, according to the temperature measuring device of claim 4, the temperature calculating means calculates a refractive index change of the temperature measurement area based on the phase change calculated by the phase change calculating means. Means, based on the refractive index change calculated by the refractive index calculation means, comprising a density calculation means for calculating the density change of the temperature measurement area, based on the density change, the temperature of the temperature measurement area It is characterized in that it is calculated.
[0013]
This makes it possible to calculate the density change in the temperature measurement area from the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system, and to realize the temperature change in the temperature measurement area on the order of milliseconds in real time. Can be calculated.
Further, according to the temperature measurement device of the fifth aspect, when the temperature measurement region is a gas, the refractive index calculation means calculates a change in the refractive index by applying the Gladstone-Dale equation, and calculates the temperature change. When the region is a liquid, the change in the refractive index is calculated by applying the Lorenz-Lorentz equation.
[0014]
This makes it possible to easily calculate the refractive index change in the temperature measurement region from the phase change of the test light for both gas and liquid, and to easily calculate the temperature change on the order of milliseconds of various substances. Becomes possible.
According to the signal processing device of the sixth aspect, a phase change calculating means for calculating a phase change of a laser beam passing through a temperature measurement region based on a beat frequency difference between a reference signal and a test signal by heterodyne interferometry. And temperature calculating means for calculating the temperature of the temperature measurement area based on the phase change calculated by the phase change calculating means.
[0015]
This makes it possible to detect the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system, and to have the temperature measurement device perform the processing up to calculating the temperature in the temperature measurement area consistently Thus, it is possible to calculate a temperature change on the order of milliseconds in the temperature measurement area in real time.
Further, according to the signal processing program according to claim 7, a step of calculating a phase change of the laser light passing through the temperature measurement region based on a beat frequency difference between the reference signal and the test signal by heterodyne interferometry; Calculating the temperature of the temperature measurement area based on the calculated phase change.
[0016]
Thus, by installing the signal processing program in the computer, the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system is detected, and the processing up to calculating the temperature of the temperature measurement area is performed by the computer. The temperature change in the temperature measurement region on the order of milliseconds can be calculated in real time.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a temperature measurement device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view illustrating the principle of a temperature measurement method using heterodyne interferometry according to one embodiment of the present invention.
[0018]
In FIG. 1, part of the laser light emitted from the He-Ne laser 1 passes through the half mirror 2 to generate reference light Lr, and part of the laser light emitted from the He-Ne laser 1 The test light Ls is reflected by the half mirror 2 and is generated.
The reference light Lr transmitted through the half mirror 2 is transmitted through the reference area 3 and reflected by the mirror 4, and then a part of the reference light Lr is reflected by the half mirror 5.
[0019]
On the other hand, the test light Ls reflected by the half mirror 2 is reflected by the mirror 6, is frequency-shifted by the frequency shifter 7, and transmits through the measurement area 8.
Then, a part of the test light Ls transmitted through the measurement area 8 passes through the half mirror 5, is combined with the reference light Lr reflected by the half mirror 5, and enters the detector 9.
Then, the detector 9 detects a frequency difference between the reference light Lr and the test light Ls as a beat frequency.
[0020]
Here, since the phase of the test light Ls transmitted through the measurement region 8 changes in accordance with the change in the refractive index of the gas in the measurement region 8, the change in the refractive index of the gas in the measurement region 8 changes the beat frequency.
The change in the refractive index of the gas in the measurement area 8 depends on the change in the density of the gas in the measurement area 8, and the change in the density of the gas in the measurement area 8 depends on the change in the temperature of the gas in the measurement area 8.
[0021]
Therefore, by detecting the frequency difference between the reference light Lr and the test light Ls as the beat frequency, the temperature of the gas in the measurement region 8 can be measured.
That is, the beam intensities of the reference light Lr and the test light Ls are set to I ₀ Then, the interference signal I can be expressed by the following equation.
[0022]
(Equation 1)

[0023]
Where f _b Is the beat frequency, ψ _t Is the phase change of the substance in the measurement area 8.
Further, the phase change of the heterodyne signal measured from the start of the measurement to the time t is represented by ψ _H Then, when the phase of the gas in the measurement area 8 changes, the phase change amount of the measurement signal ψ _H Changes.
Here, the phase change amount of the measurement signal ψ _H Is the phase change of the gas in the measurement area 8 ψ _t Has the following relationship.
[0024]
(Equation 2)

[0025]
Further, the phase change of the gas in the measurement area 8 ψ _t Is the refractive index change n of the gas in the measurement area 8 _t Has the following relationship.
ψ _t = 2πφ _t / Λ _s = 2πn _t L _t / Λ _s ... (3)
Where φ _t Is the optical path length change in the measurement area 8, L _t Is the length of the measurement area 8, λ _s Is the frequency of the test light Ls.
[0026]
Also, the refractive index change n of the gas _t Is the beat frequency f _b To change the beat frequency f _b Is a function f of time t _b (T).
f _b → f _b (T) ... (4)
Then, when the equation (4) is substituted into the equation (2), the phase change of the measurement region 8 ψ _t Can be obtained by the following equation.
[0027]
[Equation 3]

[0028]
On the other hand, the refractive index change n of the gas _t And the density ρ of the gas can be approximately determined by the Gladstone-Dale equation as shown below.
n _t = 1 + (ρ _t R _Gt ) / M _t = 1 + (P _t R _Gt ) / (R ₀ T _t ) ・ ・ ・ (6)
Where R _Gt Is a Gladstone-Dale constant, which can be determined by the wavelength of the laser to be used and the type of gas. M is the molecular weight of the gas, R ₀ Is the gas constant, P _t Is the pressure in the measurement area 8, T _t Is the absolute temperature of the measurement area 8.
[0029]
In addition, Gladstone-Dale constant R of s kinds of mixed gas _Gt Is the molar fraction X of the i-component gas, as shown in the following equation. _i Can be obtained from
[0030]
(Equation 4)

[0031]
Where R _ti Is the Gladstone-Dale constant of the i-component gas.
Therefore, the temperature T of the gas in the measurement area 8 _t Can be obtained by the following equation.
T _t = 2πP _t R _Gt T _t0 L _t / (2πP _t0 R _Gt L _t + Ψ _t T _t0 R ₀ λ) (8)
That is, the pressure P in the initial state _t0 And temperature T _t0 Is known, and if the composition of the gas in the measurement area 8 does not change, the pressure and phase change of the gas in the measurement area 8 ψ _t By measuring the temperature T of the gas in the measurement area 8 _t Can be obtained.
[0032]
Further, by measuring the change in the beat frequency, the change in the liquid temperature in the measurement area 8 can also be obtained.
Here, the phase change amount in the measurement area 8 ψ _t And the refractive index n _t Has the following relationship:
ψ _t = 2πn _t L _t / Λ (9)
Where L _t Is the length of the measurement area 8, and λ is the wavelength of the laser.
[0033]
Also, the refractive index n of the liquid _t And density ρ _t Can be expressed by the following Lorenz-Lorentz equation.
n _t = ((1 + 2ρ _t R _Lt / M _t ) / (1-ρ _t R _Lt / M _t )) ^1/2 ... (10)
Where M _t Is the molecular weight of the liquid to be measured, R _Lt Is the molar refractive index, which is a constant determined by the wavelength λ of the laser used and the liquid to be measured.
[0034]
Therefore, by using equations (9) and (10), the density ρ _t Can be obtained by the following equation.
ρ _t = (A ² -1) M _t / ((2 + A ² ) R _Lt ) (11)
Here, A is represented by the following equation.
A = ψ _t λ / (2πL _t ) + √ ((1 + 2ρ _t0 R _Lt / M _t ) / (1-ρ _t0 R _Lt / M _t ))
Also, ρ _t0 Is the initial density of the liquid.
[0035]
Then, the temperature of the liquid can be obtained from Expression (11) and the relationship between the temperature and the density of the liquid.
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a temperature measurement device using heterodyne interferometry according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 2, laser light emitted from a He—Ne laser 11 (for example, output 1 mW, wavelength 623.8 nm) is incident on an acousto-optic element 12, and the frequency is changed by an acousto-optic element 12 for heterodyne (Bragg cell type). The two frequency-shifted beams are frequency-shifted to different frequencies such as 80.0 MHz and 79.9875 MHz or 80.0 MHz and 79.975 MHz, and are separated into P-polarized light and S-polarized light, respectively.
[0036]
In the following embodiments, the P-polarized beam is set at 80.125 MHz, and the S-polarized beam is set at 80.1 MHz.
Then, one beam split into P-polarized light and S-polarized light is reflected by the mirror 13 and the polarizing beam splitter 14, and the other beam split into P-polarized light and S-polarized light is transmitted through the polarizing beam splitter 14. Are combined into one beam.
[0037]
Part of the light multiplexed into one beam passes through the half mirror 15 to generate test light Ls, and part of the light multiplexed into one beam is used as the half mirror 15. And the reference light Lr is generated.
Then, the reference light Lr reflected by the half mirror 15 is incident on the polarization filter 16 and interferes, and then is incident on the phototransistor 17.
[0038]
When the interference light generated by the polarization filter 16 is incident on the phototransistor 17, a beat frequency of 25 kHz is detected as a reference signal.
On the other hand, the test light Ls that has passed through the half mirror 15 enters the polarization beam splitter 18 and is split into two beams having P-polarized light and S-polarized light, respectively.
[0039]
Then, the beam having the polarization plane of the P-polarized light separated by the polarization beam splitter 18 passes through the polarization beam splitter 18 and enters the quarter-wave plate 21.
Then, the beam having the polarization plane of the P-polarized light incident on the １ ／ wavelength plate 21 is converted into circularly polarized light, reflected by the mirror 22, and incident on the ４ wavelength plate 21.
Then, the circularly polarized beam incident on the 波長 wavelength plate 21 is converted into S-polarized light by the 波長 wavelength plate 21 and then reflected by the polarization beam splitter 18.
[0040]
Here, by converting the beam having the polarization plane of the P-polarized light into the circularly-polarized light, it is hard to be affected by the fluctuation of the surrounding gas, and the measurement accuracy can be improved.
On the other hand, the beam having the polarization plane of the S-polarized light separated by the polarization beam splitter 18 is reflected by the polarization beam splitter 18 and enters the Selfoc microlens 24 via the half-wave plate 23.
[0041]
Then, the light that has entered the SELFOC microlens 24 has its beam diameter reduced and is collimated, and then enters the polarization-maintaining optical fiber 25.
Here, the laser beam can be efficiently incident on the polarization-maintaining optical fiber 25 by providing the SELFOC microlens 24 before the polarization-maintaining optical fiber 25.
[0042]
Then, the beam incident on the polarization-maintaining optical fiber 25 is guided to the temperature sensor 31.
Here, the temperature sensor 31 is provided with a selfoc microlens 32, an optical window 33, and a mirror 35, and the selfoc microlens 32, the optical window 33, and the mirror 35 are arranged inside the temperature sensor 31 so that their optical axes coincide. And a measurement area 34 into which the gas 27 can enter is provided between the optical window 33 and the mirror 35.
[0043]
In addition, as a material of the optical window 33, for example, sapphire can be used.
The temperature sensor 31 is fixed such that the tip of the temperature sensor 31 protrudes from the sensor mounting surface 26, and the measurement area 34 and the mirror 35 are exposed to the gas 27.
[0044]
Then, the laser beam guided to the temperature sensor 31 via the polarization-maintaining optical fiber 25 enters the SELFOC microlens 32 and is collimated. It passes through the window 33.
Then, when the laser beam passes through the optical window 33, the laser beam enters the gas 27.
[0045]
The laser beam entering the gas 27 travels straight through the gas 27, is reflected by the mirror 35, travels straight through the gas 27 again, passes through the optical window 33 again, and exits from the gas 27.
Here, when the laser beam goes straight in the gas 27, the phase of the laser beam changes according to the change in the refractive index of the gas 27 and the traveling distance in the gas 27.
[0046]
Then, the laser beam reflected by the mirror 35 and transmitted again through the optical window 33 travels in the space inside the temperature sensor 31 in the reverse direction, enters the Selfoc microlens 32 again, is collimated, and then is polarized. The light enters the storage optical fiber 25 again.
Then, the laser beam incident on the polarization-maintaining optical fiber 25 is returned to the SELFOC microlens 24 and collimated. Then, the laser beam is incident on the polarization beam splitter 18 via the half-wave plate 23 and is polarized. The light passes through the beam splitter 18.
[0047]
The laser beam transmitted through the polarization beam splitter 18 is combined with the laser beam reflected by the polarization beam splitter 18 to form a single beam. Incident.
When the interference light generated by the polarization filter 19 is incident on the phototransistor 20, the beat frequency is detected as a test signal.
[0048]
Then, the test signal detected by the phototransistor 20 is stored in the memory at a sampling frequency of, for example, 500 kHz, and the phase difference between the reference light Lr and the test light Ls is determined based on the difference in beat frequency between the reference signal and the test signal. Can be calculated.
Here, for example, when the temperature sensor 31 is attached to the combustion chamber of the engine, the mixed gas of fuel and air compressed by the flame propagation or the combustion gas whose temperature has changed due to combustion is refracted with the change in density. The rate changes.
[0049]
When the refractive index of the gas 27 changes, the phase of the laser beam passing through the measurement region 34 changes, so that the phase difference between the reference signal and the test signal changes, and the intensity of the interference light changes.
Then, the change in the interference light intensity can be represented as phase information of the beat signal by the heterodyne interferometer.
[0050]
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the temperature sensor 31 according to one embodiment of the present invention.
3, the temperature sensor 31 is provided with a cylindrical housing 41 that holds the optical window 33 and the mirror 35 on the optical axis and forms a measurement area 34 between the optical window 33 and the mirror 35. I have.
[0051]
Here, the mirror 35 is formed of metal or the like in a cylindrical shape, and is attached to a distal end portion of the cylindrical housing 41 in a detachable manner with a bolt 42.
By configuring the mirror 35 with metal, the heat resistance of the mirror 35 can be improved, and the reliability of measuring the temperature of a high-temperature gas such as an engine combustion gas can be improved. .
[0052]
When the mirror 35 is fixed to the cylindrical housing 41 with the bolts 42, the mirror 35 is inserted along the optical axis direction from the tip of the cylindrical housing 41, and tightened with the bolts 42 in the insertion direction of the mirror 35. I do.
This allows the bolt 42 to be housed in the cylindrical housing 41, prevents the bolt 42 from protruding from the cylindrical housing 41, and allows the temperature sensor 31 to be compact. The mirror 35 can be detachably attached, so that the mirror 35 can be easily cleaned or replaced when it becomes dirty with soot generated from combustion gas.
[0053]
An opening 34 a is provided in the measurement area 34 so that the gas 27 can enter a space on the optical axis between the optical window 33 and the mirror 35.
Further, the optical window 33 is formed of, for example, sapphire in a cylindrical shape, and is attached to the cylindrical housing 41 in a detachable manner by bolts 44.
By configuring the optical window 33 with sapphire, it is possible to improve the heat resistance of the optical window 33 while securing good light transmittance, and measure the temperature of a high-temperature gas such as engine combustion gas. In this case, it is possible to improve reliability.
[0054]
Here, when fixing the optical window 33 to the cylindrical housing 41 with the bolt 44, the optical window 33 is inserted along the optical axis direction from the rear end of the cylindrical housing 41, and the bolt is inserted in the insertion direction of the optical window 33. Tighten at 44.
Thereby, the bolt 44 can be housed in the cylindrical housing 41, and the bolt 44 can be prevented from protruding from the cylindrical housing 41, so that the temperature sensor 31 can be made compact. The optical window 33 can be detachably attached, so that the optical window 33 can be easily cleaned or replaced when the optical window 33 is contaminated with soot generated from combustion gas.
[0055]
Further, the bolt 44 has an opening 44a formed along the central axis. Even when the bolt 44 is arranged on the optical axis in order to fasten the optical window 33 with the bolt 44, the path of the laser beam is not changed. Can be prevented from being interrupted.
On the front surface of the optical window 33, a gasket 43 corresponding to the outer shape of the optical window 33 is provided.
[0056]
Here, the gasket 43 can be formed in a ring shape using, for example, stainless steel such as SUS304. For example, if the diameter of the optical window 33 is 2.5 mmφ, the outer diameter of the gasket 43 is 2.5 mmφ, and the inner diameter is 2.5 mmφ. The diameter can be 1.8 mmφ and the thickness can be 0.1 mm.
By providing the ring-shaped gasket 43 on the front surface of the optical window 33, it is possible to seal a gap between the outer edge of the optical window 33 on the measurement area 34 side and the cylindrical housing 41.
[0057]
For this reason, while preventing the path of the laser beam from being blocked by the gasket 43, the gas 27 that has entered the measurement area 34 leaks out of the gap between the optical window 33 and the cylindrical housing 41 to the outside. It is possible to accurately measure the temperature change of the combustion gas or the like in the engine which becomes high temperature and high pressure.
An adapter 45 for changing the outer diameter of the cylindrical housing 41 is detachably fitted on the outer periphery of the cylindrical housing 41.
[0058]
Here, the adapter 45 has a two-stage structure, and a ring-shaped gasket 46 is provided on a rear surface of the adapter 45.
By providing the adapter 45 on the outer periphery of the cylindrical housing 41, even when the hole diameter is different, the tip of the temperature sensor 31 can be inserted while maintaining airtightness, and the temperature of various gases can be increased. Can be measured.
[0059]
Note that, for example, an M5 screw 41a can be cut on the outer peripheral surface of the cylindrical housing 41.
This makes it possible to attach the temperature sensor 31 to the engine in the same manner as a general method of attaching a pressure sensor in an engine cylinder, and it is possible to install the temperature sensor 31 without modifying a practical engine. Become.
[0060]
The temperature sensor 31 is provided with a cylindrical housing 50 having an outer diameter larger than the outer diameter of the cylindrical housing 41 and capable of inserting the rear end of the cylindrical housing 41. A ring-shaped gasket 47 is provided on the distal end surface of the body 50.
In addition, a shutter 49 for blocking a laser beam is provided in the cylindrical housing 50, and an optical axis adjusting lens that holds the SELFOC microlens 32 and adjusts the optical axis of the SELFOC microlens 32. A holding section 51 is provided.
[0061]
Here, the optical axis adjusting lens holding portion 51 is formed in a cylindrical shape so as to be housed in the cylindrical housing 50, and the outer diameter of the optical axis adjusting lens holding portion 51 is equal to that of the cylindrical housing 50. It is set smaller than the inner diameter, and is configured so that the optical axis adjusting lens holding portion 51 can be tilted in the cylindrical housing 50.
Further, the outer peripheral surfaces of the front end portion and the rear end portion of the optical axis adjusting lens holding portion 51 are processed into a spherical shape.
[0062]
Further, the inner peripheral surface of the cylindrical housing 50 is processed into a spherical shape corresponding to the shape of the distal end portion of the lens holder 51 for optical axis adjustment, and the inner peripheral surface of the cylindrical housing 50 is adjusted for the optical axis adjustment. It is configured to be able to make surface contact with the outer peripheral surface of the distal end portion of the lens holding portion 51.
A retainer 52 for fixing the optical axis adjustment lens holder 51 in the optical axis direction is provided on the rear side of the optical axis adjustment lens holder 51, and the tip of the retainer 52 is an optical axis adjustment lens. The holding portion 51 is processed into a spherical shape corresponding to the shape of the rear end portion.
[0063]
Further, on the outer peripheral surface of the cylindrical housing 50, a pot screw 53 for fixing the optical axis adjusting lens holding portion 51 from the periphery is provided.
The optical fiber 25 is coupled to the rear end of the optical axis adjusting lens holding portion 51, and a pipe 56 for protecting the optical fiber 25 is provided around the optical fiber 25. A guide 54 for preventing bending of the optical fiber 25 is provided.
[0064]
The pipe 56 provided with the guide 54 is detachably fixed to the cylindrical housing 50 by a ring-shaped screw 55.
Here, by making the outer diameter of the cylindrical housing 50 larger than the outer diameter of the cylindrical housing 41, the size of the measurement region 34 is reduced while enabling the optical axis alignment of the SELFOC microlens 32. It becomes possible.
[0065]
For this reason, the temperature sensor 31 can be easily inserted into a limited space in the combustion chamber, and the temperature can be measured using the actual machine.
In addition, by holding the SELFOC microlens 32 in the cylindrical housing 50 using the optical axis adjusting lens holding part 51, the inclination of the optical axis adjusting lens holding part 51 is adjusted, and thus the SELFOC microlens is adjusted. The optical axis of the lens 32 can be adjusted, and the optical axis of the SELFOC microlens 32 can be easily adjusted.
[0066]
Further, instead of directly holding the SELFOC microlens 32 by the cylindrical housing 50, the SELFOC microlens 32 is held via the optical axis adjusting lens holding part 51, thereby enabling the optical axis alignment of the SELFOC microlens 32. In addition, the SELFOC microlens 32 can be separated from the cylindrical housing 50, and the heat of the gas 27 can be hardly transmitted to the SELFOC microlens 32.
[0067]
Therefore, even when measuring the temperature of the combustion gas or the like, the exposure of the SELFOC microlens 32 to high temperatures can be suppressed, and the deterioration of the characteristics of the SELFOC microlens 32 can be suppressed.
Further, it becomes possible to separate the optical fiber 25 from the measurement area 34, and it is difficult for heat to be transmitted to the optical fiber 25, so that a phase change due to the optical fiber 25 can be suppressed.
[0068]
FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the temperature measuring device according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 4, the temperature measurement device 200 includes a He-Ne laser 201, a heterodyne interference optical system 202, a photoelectric conversion unit 203, a phase meter 204, a data calculation unit 205, and a display unit 206. It is connected to the sensor unit 211 via the optical fiber 212.
[0069]
Note that the sensor unit 211, the optical fiber 212, and the optical system for heterodyne interference 202 can use, for example, the configuration shown in FIG.
Then, the laser light generated by the He-Ne laser 201 is incident on the heterodyne interference optical system 202, and the heterodyne interference optical system 202 generates reference light and test light for generating a beat signal.
[0070]
Here, the test light generated by the heterodyne interference optical system 202 is incident on the sensor unit 211 via the optical fiber 212, and the test light incident on the sensor unit 211 has a phase based on a temperature change in the temperature measurement area. Changes.
Then, the test light incident on the sensor unit 211 is reflected by the sensor unit 211, returned to the heterodyne interference optical system 202 via the optical fiber 212, converted into a beat signal, and then input to the photoelectric conversion unit 203. Is done.
[0071]
Then, after the beat light is converted into an electric signal by the photoelectric conversion unit 203, the phase change of the laser light passing through the temperature measurement region is calculated by the phase meter 204 from the beat frequency difference between the reference signal and the test signal. You.
Here, the obtained temperature measurement resolution can be determined by the sampling frequency of the phase meter 204 and the beat frequency of the test signal, and the temperature measurement resolution can be improved by setting the sampling frequency high and the beat frequency low. Can be.
[0072]
Further, in the temperature measurement method using the heterodyne interferometry, the longer the length of the temperature measurement area is, the larger the amount of phase change is, so that the S / N ratio is improved and the temperature measurement resolution is also improved.
However, when the length of the temperature measurement area is long, local temperature measurement becomes difficult, and when installing in a practical engine, the amount of protrusion into the cylinder increases, so the installation location is limited. .
[0073]
On the other hand, when the length of the temperature measurement area is reduced, the S / N ratio is deteriorated and the resolution of the temperature measurement is also deteriorated. However, local temperature measurement can be performed and the installation location can be freely selected.
For this reason, by adjusting the sampling frequency, the beat frequency, and the length of the temperature measurement region, it is possible to determine the time resolution of the desired temperature change while considering the locality of the temperature measurement and the installation location.
[0074]
In order to obtain the phase change, a phase meter such as a lock-in amplifier or a data accumulator can be used. The phase meter 204 can obtain real-time phase information corresponding to the sampling frequency. The temperature change can be estimated from the phase information.
Further, the data integration device can estimate the temperature change by measuring the change in the beat frequency of the reference signal and the test signal and reading the change in the frequency of the reference signal and the test signal.
[0075]
Then, when the phase information is obtained by the phase meter 204, the data calculation unit 205 calculates the temperature of the temperature measurement area based on the phase information.
Here, when calculating the temperature of the temperature measurement region, the data calculation unit 205 calculates a change in the refractive index of the temperature measurement region based on the phase information calculated by the phase meter 204, and based on the change in the refractive index. , The temperature of the degree measurement area can be calculated.
[0076]
When the temperature measurement region is a gas, the refractive index change can be calculated by applying the Gladstone-Dale expression. When the temperature measurement region is a liquid, the refractive index can be calculated by applying the Lorenz-Lorentz expression. The change can be calculated.
When the temperature of the temperature measurement area is calculated by the data calculation unit 205, the display unit 206 displays the temperature calculated by the data calculation unit 205.
[0077]
This makes it possible to cause the temperature measurement device 200 to perform a process for obtaining a temperature from the phase change of the beat frequency in the measurement region 34, and to apply a temperature measurement method using heterodyne interferometry to an internal combustion engine or the like. In this case, it is also possible to display the temperature change on the order of milliseconds in the combustion chamber on the display unit 206 in real time.
[0078]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the measurement unit length of the temperature sensor and the temperature measurement resolution according to one embodiment of the present invention. The relationship in FIG. 5 is based on the estimation of the amount of phase change based on the temperature history of the unburned gas in spark ignition under the conditions of a temperature of 660 K and a pressure of 3.2 MPa. The relationship was obtained.
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the length of the measurement area 34, and the vertical axis indicates the minimum temperature reading.
[0079]
From this result, it can be seen that as the length of the measurement area 34 becomes longer, the minimum read value of the temperature becomes smaller, and the resolution of the temperature measurement is improved.
In consideration of the temperature measurement resolution, the installation location in a practical institution, and the locality of temperature measurement, it is preferable to set the thickness to about 13 mm by the double-pass method.
6 is a cross-sectional view showing a state where the temperature sensor of FIG. 3 is attached to an engine. FIG. 7A is a cross-sectional view of the temperature sensor taken along line AA of FIG. 7 (b) is a top view showing the configuration of the cylinder head to which the temperature sensor of FIG. 3 is attached, and FIG. 8 is a perspective view of the engine to which the temperature sensor of FIG. 3 is attached when viewed from the direction B in FIG. FIG.
[0080]
6 to 8, a cooling fin 63 is provided on the outer periphery of a cylinder 61, and a piston 64 is inserted into the cylinder 61. The piston 64 is connected to a connecting rod 66 via a piston pin 65, and a connecting rod 66 is connected to a crankshaft 73 via a crankpin 72.
Further, a cylinder head 62 is provided on the cylinder 61, an intake port 85a and an exhaust port 86a are formed in the cylinder head 62, an intake valve 85 is inserted into the intake port 85a, and an exhaust valve is inserted into the exhaust port 86a. The intake port 85 a is connected to the carburetor 87.
[0081]
The intake valve 85 is held by a valve spring 83 so that the intake port 85a can be opened and closed, and the exhaust valve 86 is held by a valve spring 84 so that the exhaust port 86a can be opened and closed.
One end of an intake rocker arm 81 is arranged on the intake valve 85, and one end of an exhaust rocker arm 82 is arranged on the exhaust valve 86. The other end of the intake rocker arm 81 and the other ends of the exhaust rocker arm 82 The end is arranged to abut on the camshaft 69.
[0082]
An ignition plug 67 is attached to the cylinder head 62, and a temperature sensor 31 is attached to the cylinder head 62 from a lateral direction, and a temperature sensor tip 31 a protrudes into the cylinder head 62.
An optical fiber 25 for extracting a sensor output is connected to the temperature sensor 31, and the optical fiber 25 is protected by a bellows tube 94.
[0083]
Here, by protecting the optical fiber 25 with the bellows tube 94, it is possible to protect the optical fiber 25 from engine heat while securing flexibility.
The bellows tube 94 is connected to a temperature measuring device 200 via a connector 95, and the optical fiber 25 is connected to a heterodyne interference optical system 202.
[0084]
Here, by providing the phase meter 204 and the data calculation unit 205 in the temperature measurement device 200, the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system 202 is detected, and the temperature of the measurement region 34 is measured. Can be consistently performed by the temperature measurement device 200 until the calculation of.
For this reason, it is possible to reduce the trouble of obtaining the temperature from the phase change of the beat frequency in the measurement area 34, and to display the temperature change on the order of milliseconds in the combustion chamber of the internal combustion engine on the display unit 206 in real time. It becomes possible.
[0085]
When attaching the temperature sensor 31 to a practical institution, by removing the adapter 45 in FIG. 3, the temperature sensor 31 can be fixed with the M5 screw 41a.
When the temperature sensor 31 is mounted on the cylinder head 62, the region R1 of the temperature sensor 31 in FIG. 5 is in a state of protruding into the cylinder head 62, and the region R2 of the temperature sensor 31 is While being held in the wall, the gasket 47 comes into contact with the outer surface of the cylinder head 62, so that the airtightness in the cylinder 61 can be maintained.
[0086]
A cam sprocket 70a is attached to the camshaft 69, a crank sprocket 70b is attached to the crankshaft 73, and a cam chain 71 is hung between the cam sprocket 70a and the crank sprocket 70b.
The crankshaft 73 is connected to a transmission drive-side shaft 77 via a clutch 76. The transmission drive-side shaft 77 is provided with a transmission drive-side gear 78, and the transmission drive-side gear 78 is connected to a transmission driven-side gear 80. It is connected to the transmission driven side shaft 79 via the transmission.
[0087]
An oil filter 74 is provided above the clutch 76, a generator 75 is provided at an end of the crankshaft 73, and the generator 75 is provided with a timing check window 92.
An oil pan 90 is provided below the transmission driven gear 80, and an oil drain bolt 91 is attached to the oil pan 90.
[0088]
FIG. 9 is a diagram illustrating a schematic configuration of a temperature measuring device according to the second embodiment of the present invention.
9, a thermocouple 207 and a thermocouple 208 are provided in the temperature measurement device 200 ′ in addition to the configuration of the temperature sensor 31 in FIG. 3, and the thermocouple 207 is installed in the measurement region 34 and the thermocouple 207 is provided. Reference numeral 208 is provided between the optical window 33 and the SELFOC microlens 32.
[0089]
In addition, the data calculation unit 205 ′ calculates the temperature of the temperature measurement area based on the phase information obtained by the phase meter 204, and when calculating the temperature using Expression (8), the data is measured by the thermocouple 207. Temperature T in the initial state _t0 Use as
Further, based on the temperature measured by the thermocouple 207, the data calculation unit 205 'measures the temperature by the phase change generated when the laser beam passes through the space between the optical window 33 and the SELFOC microlens 32. Correct the value error.
[0090]
That is, as shown in the equation (8), in order to obtain the temperature change of the gas 27 by the heterodyne interferometry, the temperature of the gas 27 in the initial state needs to be known.
Therefore, a thermocouple 207 for measuring the initial temperature of the gas 27 is provided in the measurement region 34, and the temperature of the gas 27 is directly measured by the thermocouple 207 when performing the temperature measurement by the heterodyne interference method.
[0091]
As a result, it is possible to directly measure the initial temperature of the gas 27 while suppressing an increase in size and cost of the temperature sensor 31, and it is possible to reduce the labor required for temperature measurement by the heterodyne interferometry.
When the adapter 45 is removed and the temperature sensor 31 is attached to the sensor attachment surface 26 of FIG. 2, the region R1 of the temperature sensor 31 of FIG. 3 is exposed to the gas 27, and the region R2 of the temperature sensor 31 is attached to the sensor attachment surface. 26, the region R3 of the temperature sensor 31 is exposed to the outside air.
[0092]
The laser beam that has entered the temperature sensor 31 passes through the gas 27 on the measurement area 34 side and passes through the air on the opposite side of the measurement area 34 with the optical window 33 as a boundary.
Therefore, for example, when measuring the temperature of the combustion gas in the combustion chamber of the engine, the temperature of the combustion gas becomes high, so that the temperature of the wall of the sensor mounting surface 26 also becomes high, and the air in the region R2 of the temperature sensor 31 also becomes high temperature. become.
[0093]
Therefore, when the laser beam travels inside the temperature sensor 31, the phase of the laser beam is affected not only by the temperature change of the gas 27 but also by the temperature change of the air, and an error occurs in the temperature measurement value of the gas 27.
Therefore, a thermocouple 208 is provided between the optical window 33 and the SELFOC microlens 32 to measure the average temperature of the air between the optical window 33 and the SELFOC microlens 32 when performing the temperature measurement by the heterodyne interference method. Is directly measured by the thermocouple 208.
[0094]
Accordingly, it is possible to measure not only the temperature of the gas 27 but also the temperature of the space other than the object to be measured in the optical path through which the laser beam passes, and without increasing the time and effort of measuring the temperature by the heterodyne interferometry. It is possible to correct an error due to a temperature change in a space around the device, thereby improving the accuracy of temperature measurement. FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a compression / expansion engine used in an experiment of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
[0095]
In FIG. 10, a piston 102 is inserted into a cylinder 101, the piston 102 is connected to a flywheel 104 via a connecting rod 103, and the flywheel 104 is connected to an electric motor 106 via a belt 105. I have.
A rotary encoder 107 is provided on the rotating shaft of the flywheel 104, and a TDC sensor 108 is provided on the outer periphery of the flywheel 104.
[0096]
An expansion cylinder 111 is provided above the cylinder 101, and an expansion piston 113 is provided above the piston 102 via a spacer 119.
The extension cylinder 111 is provided with an observation window 112 for observing the inside of the extension cylinder 111, and the extension piston 113 is provided with a piston head 113a made of quartz, and a mirror 114 is attached at an inclination of 45 degrees. The combustion state in the combustion chamber can be visualized by a bottom view method.
[0097]
The compression ratio can be changed by replacing the spacer 119. In this experiment, the compression ratio was set to 9.7 and 11.2.
A cylinder head 115 is provided on the expansion cylinder 111, and an ignition electrode 116 is attached to the cylinder head 115 from a lateral direction. On the cylinder head 115, a temperature sensor 31, a mushroom valve 117 and a pressure The conversion element 118 is attached, and the mushroom valve 117 is connected to the mixing tank 121 via the connection pipe 126.
[0098]
The mixing tank 121 is provided with valves 122 to 124 for introducing a gas and a thermocouple 125 for measuring the temperature of the mixed gas in the mixing tank 121.
Here, when attaching the temperature sensor 31 to the experimental device, by attaching the adapter 45 shown in FIG. Airtightness can be maintained.
[0099]
Then, when measuring the temperature of the combustion gas in the combustion chamber of the experimental apparatus, the mushroom valve 117 attached to the cylinder head 115 is opened, the inside of the expansion cylinder 111 is evacuated, and the expansion piston 113 is installed on the TDC.
Next, the mixed gas generated in the mixing tank 121 is filled into the expansion cylinder 111 via the connecting pipe 126 until a predetermined pressure is reached.
[0100]
Then, while the mushroom valve 117 is open, the expansion piston 113 is driven by rotating the flywheel 104 by the electric motor 106 via the belt 105.
After a certain time, the BDC mushroom valve 117 was closed, and the mixed gas was ignited by the ignition electrode 116 at BTDC 20 °.
[0101]
Here, the temperature of the mixed gas in the expansion cylinder 111 when the mushroom valve 117 is closed can be measured by the thermocouple 125 attached to the mixing tank 121, which is necessary when obtaining the temperature by the heterodyne interference method. It is possible to obtain an initial temperature.
Then, by using the temperature sensor 31, the gas temperature in the first compression and expansion stroke after the mushroom valve 117 was closed was measured by the heterodyne interferometry.
[0102]
Here, in order to investigate the influence of mechanical vibration and the like at the time of gas temperature measurement, first, a gas temperature change was measured by heterodyne interferometry during motoring.
FIG. 11A is a diagram showing the relationship between the crank angle, the amount of phase change, and the pressure in the combustion chamber during motoring.
In FIG. 11A, after opening the mushroom valve 117 and filling the compression / expansion engine of FIG. 10 with air at room temperature to atmospheric pressure, the mushroom valve 117 is closed and the engine is driven by the electric motor 106.
[0103]
Then, by using the temperature sensor 31 and the pressure conversion element 118, the amount of phase change and the pressure in the expansion cylinder 111 with respect to the crank angle were measured. The compression ratio is 9.7.
In the compression step, the amount of phase change gradually increases with a gradual increase in pressure up to a crank angle of 300 °.
[0104]
In addition, it can be seen that the phase change amount also sharply increases with respect to a rapid pressure increase from a crank angle of 300 ° to 360 °.
Then, based on the amount of phase change and the pressure history in FIG. 11A, the change in gas temperature in the expansion cylinder 111 was estimated using the equation (8).
FIG. 11B is a diagram showing the relationship between the crank angle and the temperature in the combustion chamber during motoring.
[0105]
In FIG. 11B, the temperature (solid circle) in the expansion cylinder 111 obtained by the heterodyne interferometry was compared with the temperature (solid line) calculated from the pressure in the expansion cylinder 111 assuming a polytropic change.
As a result, although the two values almost coincide with each other, there is a difference between the two values near the crank angle of 240 °.
[0106]
This is because when the pressure is low, the phase change amount is also small, so that the phase reading error is affected, and the influence of vibration when the mushroom valve 117 is closed is considered.
On the other hand, near TDC, the amount of phase change also increases, and the effect of vibration when the mushroom valve 117 is closed is reduced.
From the results of FIG. 11, it was found that the measurement of the gas temperature change by the heterodyne interferometry during motoring is sufficiently possible.
[0107]
Next, spark ignition was performed in the compression-expansion engine, and an attempt was made to measure the temperature change of the unburned gas.
FIG. 12A is a diagram showing the relationship between the crank angle, the amount of phase change, and the pressure in the combustion chamber during the combustion of the compressed gas.
The gas used was a methane-air mixture having an equivalent ratio of 1.0. The compression ratio is 11.2, and the ignition timing is BTDC 20 °. The engine speed is 600 rpm.
[0108]
In FIG. 12A, as in the case of motoring in FIG. 11A, the amount of phase change gradually increases with a gradual increase in pressure up to a crank angle of 340 °.
Then, with the rapid pressure increase from the crank angle of 340 ° until the flame passes through the measurement region, the amount of phase change sharply increases, and the amount of phase change is larger than that during motoring. Also, it was determined that the time when the test signal sharply decreased was when the flame passed through the measurement area 34.
[0109]
Based on the phase change amount and the pressure history in FIG. 12A, the temperature change of the unburned gas in the expansion cylinder 111 was estimated by using the equation (8).
FIG. 12B is a diagram showing the relationship between the crank angle and the temperature in the combustion chamber during the combustion of the compressed gas.
In FIG. 12B, the temperature of the unburned gas in the expansion cylinder 111 obtained by the heterodyne interferometry (solid circle) is compared with the temperature calculated from the pressure in the expansion cylinder 111 by the following equation (solid line). did.
[0110]
Tm = Tig (Pt / Pig) ((κ-1) / κ) (12)
Here, κ is a specific heat ratio of the unburned mixed gas, and an average value in a temperature range of 300K to 600K and a pressure of 0.1 to 3 MPa was used as 1.380.
Comparing these two values, it can be seen that as the mixed gas is compressed from the bottom dead center to the ignition timing, the temperature rises gently, and that the two values agree relatively well.
[0111]
Also, as for the rapid temperature rise after ignition, the value obtained by the heterodyne interferometry is slightly higher than the value obtained by using the equation (12), but the values are almost the same. You can see that there is.
From the above results, it was confirmed that the heterodyne interferometry using the temperature sensor 31 can locally measure the temperature change of the unburned gas in the engine.
[0112]
In this experiment, a beat frequency signal of 25 kHz was A / D converted and recorded at a sampling frequency of 500 kHz. At this time, one cycle is recorded at 20 points.
Therefore, if the change in the optical path length for 1/20 cycle is the minimum read value of the phase, the minimum read value changes because the beat frequency changes with an increase in pressure.
[0113]
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between the temperature measurement resolution of the temperature sensor and the gas pressure according to the embodiment of the present invention.
In FIG. 13, it can be seen that the temperature measurement resolution increases as the pressure increases. The temperature measurement resolution immediately before the flame passes through the measurement area 34 is about 0.7K.
[0114]
Since the temperature measurement resolution is determined by the sampling frequency at the time of A / D conversion, the beat frequency of the heterodyne interferometry, and the length of the measurement area 34, it is possible to improve the temperature measurement resolution by optimizing these. it can.
[0115]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the temperature of the temperature measurement region is calculated by the temperature measurement device based on the beat frequency difference between the reference light and the test light generated by the heterodyne interference optical system, It is possible to reduce the time and effort required to obtain the temperature from the phase change of the beat frequency in the temperature measurement area, and even when the temperature measurement method using heterodyne interferometry is applied to an internal combustion engine, etc. It becomes possible to know the temperature change in real time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view illustrating the principle of a temperature measurement method using heterodyne interferometry according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view illustrating a schematic configuration of an optical system for heterodyne interference of the temperature measuring device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a temperature measuring device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a measurement unit length and a temperature measurement resolution of the temperature sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the temperature sensor according to the embodiment of the present invention is mounted on an engine.
7A is a cross-sectional view of the temperature sensor taken along line AA in FIG. 6, and FIG. 7B is a configuration of a cylinder head to which the temperature sensor is attached. FIG.
8 is a perspective view of the engine to which the temperature sensor is attached when viewed from a direction B in FIG. 6;
FIG. 9 is a diagram illustrating a schematic configuration of a temperature measuring device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a compression / expansion engine used in an experiment of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
11A is a diagram showing a relationship between a crank angle, a phase change amount, and a pressure in a combustion chamber during motoring, and FIG. 11B is a diagram showing a relationship between the crank angle and the temperature in the combustion chamber during motoring. It is a figure showing a relation.
12A is a diagram showing the relationship between the crank angle and the phase change amount and the pressure in the combustion chamber during the combustion of the compressed gas, and FIG. 12B is a diagram showing the relationship between the crank angle and the crank angle during the combustion of the compressed gas. FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship with a combustion chamber temperature.
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a temperature measurement resolution of a temperature sensor and a gas pressure according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,11,201,301 He-Ne laser
2, 5, 15 Half mirror
3 Reference area
4, 6, 13, 22, 35, 114 mirrors
7 Frequency shifter
8, 34 Measurement area
9 Detector
Lr reference light
Ls test light
12 Acousto-optic element
14,18 Polarizing beam splitter
16, 19 Polarizing filter
17, 20 Phototransistor
21 1/4 wavelength plate
23 1/2 wave plate
24, 32 Selfoc microlens
25, 212 Optical fiber
Optical fiber
26 Sensor mounting surface
27 gas
31 Temperature sensor
31a Temperature sensor tip
33 Optical window
41, 50 cylindrical housing
41a, 45a screw
42, 44 volts
43, 46, 47 Gasket
34a, 44a opening
45 Adapter
49 Shutter
51 Optical axis adjustment lens holder
52 Retainer
53 potato screw
54 Guide
55 screws
56 pipes
61, 101 cylinder
62, 115 cylinder head
63 Cooling fin
64, 102 piston
65 piston pin
66, 103 Connecting rod
67, 116 Spark plug
69 camshaft
70a cam sprocket
70b crank sprocket
71 cam chain
72 crankpin
73 crankshaft
74 oil filter
75 generator
76 clutch
77 Transmission drive side shaft
78 Transmission drive side gear
79 Transmission driven side shaft
80 Transmission driven gear
81 Intake rocker arm
82 Exhaust rocker arm
83, 84 Valve spring
85 Intake valve
85a Intake port
86 exhaust valve
86b exhaust port
87 carburetor
90 oil pan
91 oil drain bolt
92 Timing check window
94 Bellows tube
95 Connector
104 flywheel
105 belt
106 electric motor
107 Rotary encoder
108 TDC sensor
111 expansion cylinder
112 observation window
113 Expansion piston
117 Mushroom Valve
118 Pressure transducer
119 spacer
121 Mixing tank
122-124 valve
125, 207, 208 thermocouple
126 connecting pipe
200, 200 'temperature measurement device
202 Heterodyne interference optical system
203 photoelectric conversion unit
204 phase meter
205, 205 'data operation unit
206 Display
211 Sensor unit

Claims (7)

A heterodyne interference optical system that generates a reference light and a test light for generating a beat signal,
A temperature sensor provided with a temperature measurement region for detecting a phase change in the test light,
Signal processing means for calculating the temperature of the temperature measurement region based on a beat frequency difference between the reference light generated by the heterodyne interference optical system and the test light having passed through the temperature measurement region. Temperature measurement device. The temperature sensor is
An optical fiber for transmitting the test light,
A condensing unit for condensing the laser light emitted from the optical fiber,
A light transmission window for transmitting the laser light collected by the light collection unit,
A reflecting portion for reflecting the laser light transmitted through the light transmitting window,
Holding means for holding the condensing part, the light transmitting window and the reflecting part on an optical axis,
The temperature measurement device according to claim 1, wherein the temperature measurement region is provided between the light transmission window and the reflection unit in a state where a temperature measurement target can enter. The signal processing means,
Based on the beat frequency difference between the reference signal and the test signal by heterodyne interferometry, a phase change calculation unit that calculates a phase change of the laser beam that has passed through the temperature measurement region,
The temperature measurement device according to claim 1, further comprising a temperature calculation unit configured to calculate a temperature of the temperature measurement region based on the phase change calculated by the phase change calculation unit. The temperature calculating means,
Based on the phase change calculated by the phase change calculating means, a refractive index calculating means for calculating a refractive index change of the temperature measurement area,
Based on the refractive index change calculated by the refractive index calculating means, comprising a density calculating means for calculating a density change of the temperature measurement region,
4. The signal processing device according to claim 3, wherein a temperature of the temperature measurement region is calculated based on the density change. The refractive index calculating means,
When the temperature measurement region is a gas, the refractive index change is calculated by applying the Gladstone-Dale equation,
5. The signal processing apparatus according to claim 4, wherein when the temperature measurement region is a liquid, the change in the refractive index is calculated by applying the Lorenz-Lorentz equation. Phase change calculating means for calculating a phase change of the laser light passing through the temperature measurement region, based on a beat frequency difference between the reference signal and the test signal by the heterodyne interferometry,
A signal processing device comprising: a temperature calculating unit that calculates a temperature of the temperature measurement area based on the phase change calculated by the phase change calculating unit. Based on the beat frequency difference between the reference signal and the test signal by heterodyne interferometry, calculating a phase change of the laser light that has passed through the temperature measurement region,
A step of calculating a temperature of the temperature measurement area based on the calculated phase change.

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