JP2006133005A

JP2006133005A - 温度測定装置

Info

Publication number: JP2006133005A
Application number: JP2004320258A
Authority: JP
Inventors: Toru Hinouchi; 亨日之内; Hiroshi Koyama; 弘小山; Katsumi Isozaki; 克巳磯崎
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-04
Also published as: JP4691959B2

Abstract

【課題】マイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能な温度測定装置を実現する。
【解決手段】測定領域に注入した蛍光物質が光源の出力光の照射によって発光する蛍光の強度を用いて測定領域の温度を測定する温度測定装置において、光源と、この光源の出力光が入射され蛍光物質が注入された被測定流体が流れるマイクロチャネルと、このマイクロチャネルの温度を変調する温度変調手段と、マイクロチャネルで発生した蛍光を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出された蛍光強度から変調成分及び直流成分を求め、変調成分を直流成分を除算し検量線に基づき温度を計算する信号処理手段とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定領域に注入した蛍光物質が光源の出力光の照射によって発光する蛍光の強度を用いて測定領域の温度を測定する温度測定装置に関し、特にマイクロチャネル（直径１００μｍ程度の管で構成された微小な流路：以下、単にマイクロチャネルと呼ぶ。）の温度を単純な構成で高精度に測定することが可能な温度測定装置に関する。

従来の測定領域に注入した蛍光物質が光源の出力光の照射によって発光する蛍光の強度を用いて測定領域の温度を測定する温度測定装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開平０５−１６４６２９号公報特開平０６−００３２０３号公報特開平０６−１２９９１７号公報特開平０８−１１０２７０号公報特開２０００−２０５９７０号公報

図６は「特許文献４」に記載された従来の温度測定装置の一例を示す構成ブロック図である。図６において１はレーザ装置、２及び１２はビーム分割手段及び光路合成手段であるビームスプリッタ、３及び６はレーザ光を終端させるビームストッパ、４及び１１はミラー、５は圧力や温度等の状態量が既知である流体が封入された標準セル、７及び８は集光用のレンズ、９及び１０は光切り換え手段であるチョッパ、１３は蛍光以下の短波長或いは蛍光以上の長波長をカットするフィルタ、１４は受光手段である光電変換素子、１５は測定領域を流れる被測定流体の温度を算出する信号処理器である。

レーザ装置１の出力光であるレーザ光はビームスプリッタ２を透過し、図６中”ＬＢ０１”に示すように被測定流体が流れる測定領域（例えば、図６中”ＭＲ０１”）を伝播してビームストッパ３に入射される。ビームスプリッタ２で反射されたレーザ光は、図６中”ＬＢ０２”に示すようにミラー４で反射され、標準セル５を透過してビームストッパ６に入射される。

図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域を流れる被測定流体において発生した蛍光は、図６中”ＦＬ０１”に示すようにレンズ７を透過し、チョッパ９を通過してビームスプリッタ１２の一方の入射端に入射される。

また、標準セル５で発生した蛍光は、図６中”ＦＬ０２”に示すようにレンズ８を透過し、チョッパ１０を通過しミラー１１で反射されてビームスプリッタ１２の他方の入射端に入射される。

ビームスプリッタ１２で同一の光路に光軸をそれぞれ調整された蛍光は、図６中”ＦＬ０３”に示すようにフィルタ１３を介して光電変換素子１４に入射される。光電変換素子１４からの出力信号は信号処理器１５に供給され、信号処理器１５の制御信号はチョッパ９及び１０の制御入力端子に接続される。

ここで、図６に示す従来例の動作を説明する。レーザ装置１からのレーザ光はビームスプリッタ２で分岐された後、一方は図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域を伝播し、他方は標準セル５を伝播してそれぞれビームストッパ３及び６において終端される。

この時、図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域に流れる被測定流体や標準セル１５内の流体には蛍光を発生させるヨウ素等の蛍光物質が微量に注入されている。

このため、レーザ光の照射によって図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域に流れる被測定流体や標準セル１５内の流体では蛍光が発生し、それぞれレンズ７及び８で集光され、チョッパ９及び１０で選択的に切り換えられた後、ビームスプリッタ１２で同一の光路に光軸を調整され光電変換素子１４で電気信号に変換される。

言い換えれば、チョッパ９及び１０で選択的に切り換えられることにより、交互に、図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域で発生した蛍光の光量を電気信号に変換した蛍光量電圧と、標準セル５で発生した蛍光の光量を電気信号に変換した蛍光量電圧とを得ることができる。

信号処理器１５では図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域の蛍光量電圧を標準セル５の蛍光量電圧で除算することにより、ノイズの影響を除去した信号を得ることができ、当該信号に基づき図６中”ＭＲ０１”に示す測定領域に流れる被測定流体の温度を算出する。

この結果、測定領域に流れる被測定流体及び標準セル５に蛍光を発生させるヨウ素等の蛍光物質を微量に注入しそれぞれレーザ光を照射し、それぞれで発生した蛍光の光量を電気信号に変換し、測定領域の蛍光量電圧を標準セル５の蛍光量電圧で除算することにより、レーザ装置１の不安定性の影響を受けずに温度の測定をすることが可能になる。

しかし、図６に示す従来例では、ビーム分割手段であるビームスプリッタ２、光切り換え手段であるチョッパ９及び１０、光路合成手段であるビームスプリッタ１２等の多くの光学手段が必要になり、構成が複雑になってしまうと言った問題点があった。

また、標準セル５を基準にしているため、温度測定中には当該標準セル５の状態が変動しないように維持しなければならないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、マイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能な温度測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定領域に注入した蛍光物質が光源の出力光の照射によって発光する蛍光の強度を用いて測定領域の温度を測定する温度測定装置において、
光源と、この光源の出力光が入射され蛍光物質が注入された被測定流体が流れるマイクロチャネルと、このマイクロチャネルの温度を変調する温度変調手段と、前記マイクロチャネルで発生した蛍光を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出された蛍光強度から変調成分及び直流成分を求め、変調成分を直流成分を除算し検量線に基づき温度を計算する信号処理手段とを備えたことにより、マイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である温度測定装置において、
前記光検出手段で前記マイクロチャネルを走査させ、或いは、複数の光検出手段で構成される光センサアレイを用いて複数の測定点を測定することにより、平面的（２次元的）な温度分布（相対温度分布）を測定することも可能である。

請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である温度測定装置において、
共焦点顕微鏡や共焦点スキャナを用いることにより、奥行き方向を含む３次元の温度分布を測定することが可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項２若しくは請求項３記載の発明である温度測定装置において、
前記信号処理手段が、
計算により温度の変調振幅を求め、或いは、予め温度の変調振幅を測定しておき各測定点間の温度差を得ることにより、相対温度分布を測定することも可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項４記載の発明である温度測定装置において、
前記信号処理手段が、
任意の一点の測定点で絶対温度を測定しておき各測定点間の温度差を得ることにより、絶対温度分布を測定することも可能になる。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である温度測定装置において、
前記マイクロチャネルと前記光検出手段との間に像の拡大や縮小を行なう光学手段を設けることにより、測定点を数マイクロメートル程度の微小な分解能で測定したり、或いは、広範囲の領域で測定することが可能になる。

請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である温度測定装置において、
前記光源が、
レーザ光源、ＬＥＤ、或いは、長期的な安定性が得られないランプであることにより、マイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能になる。

請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である温度測定装置において、
前記温度変調手段が、
ペルチェ素子、電熱素子、熱交換器、或いは、電磁波等の照射による加熱器であることにより、マイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，７及び請求項８の発明によれば、温度変調手段を制御してマイクロチャネルに温度変調を加えると共に光検出手段で検出された蛍光強度から変調成分及び直流成分を求め、変調成分を直流成分で除算し検量線に適用して温度を計算することにより、マイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能になる。

また、請求項２の発明によれば、光検出手段でマイクロチャネルを走査させたり、或いは、複数の光検出手段で構成される光センサアレイ等を用いて平面的（２次元）な温度分布を測定することも可能になる。

また、請求項３の発明によれば、共焦点顕微鏡や共焦点スキャナ等を用いることにより奥行き方向を含む３次元（立体的）の温度分布を測定することも可能になる。

また、請求項４の発明によれば、計算により温度の変調振幅を求め、或いは、予め温度の変調振幅を測定しておき各測定点間の温度差を得ることにより、相対温度分布を測定することも可能になる。

また、請求項５の発明によれば、任意の一点の測定点で絶対温度を測定しておき各測定点間の温度差を得ることにより、絶対温度分布を測定することも可能になる。

また、請求項６の発明によれば、マイクロチャネルと光検出手段との間に像の拡大や縮小を行なう光学手段を設けることにより、測定点を数マイクロメートル程度の微小な分解能で測定したり、或いは、広範囲の領域で測定することが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る温度測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において１６はレーザ光源、１７は直径１００μｍ程度の管で構成された微小な流路であり測定領域でもあるマイクロチャネル、１８はマイクロチャネルの温度を変調するペルチェ素子等の温度変調手段、１９は像の拡大や縮小を行なうレンズ等の光学手段、２０はフォトダイオード等の光検出手段、２１はマイクロチャネル１８内の温度を演算するＣＰＵ（Central Processing Unit）等の信号処理手段である。

この時、測定領域であるマイクロチャネル１７に流れる被測定流体には蛍光を発生させるヨウ素等の蛍光物質が微量に注入されている。

レーザ光源１６の出力光であるレーザ光は、図１中”ＬＢ１１”に示すようにマイクロチャネル１７に入射され、マイクロチャネル１７においてレーザ光の照射により注入された蛍光物質で発生した蛍光は、図１中”ＦＬ１１”に示すように光学手段１９を透過して光検出手段２０に入射される。

光検出手段２０の出力信号は信号処理手段２１に供給され、温度変調手段１８はマイクロチャネル１７の温度を変調するように制御する。また、マイクロチャネル１７は直径１００μｍ程度の管で構成された微小な流路であり、マイクロチャネル１７内の温度は温度変調手段１８の加熱により瞬時に変化するので、マイクロチャネル１７の温度変調が可能になる。

ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３及び図４を用いて説明する。図２は光検出手段２０で検出される蛍光強度の一例を示す特性曲線図、図３は温度と蛍光強度の関係を示す特性曲線図、図４は蛍光強度の変調成分を蛍光強度の直流成分で除算した値と温度との関係を示す特性曲線図である。但し、図６に示す従来例と同様の動作に関しては説明を省略する。

先ず第１に、検量線作成段階において、信号処理手段２１は、温度変調をマイクロチャネル１７に加えて検量線を作成する。具体的には、恒温層等を用いてマイクロチャネル１７を既知の温度にしておくと共に温度変調手段１８を制御してマイクロチャネル１７に温度変調を加えると図２中”ＣＨ２１”に示すような蛍光強度の特性曲線が得られる。

このような蛍光強度の特性曲線から信号処理手段２１は、変調成分”Ｉａｃ”及び直流成分”Ｉｄｃ”を求めて恒温層等を用いてマイクロチャネル１７の温度を変化させた各温度において”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”を求めて検量線を作成する。

変調成分”Ｉａｃ”及び直流成分”Ｉｄｃ”はレーザ光源１６の強度や注入された蛍光物質の濃度から受ける影響は同じであるので”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”を求めることにより、レーザ光源１６の強度等の影響を相殺することができる。このため、レーザ光源１６の強度等は実測時と同様である必要性はないし、恒温層等を用いて温度を変化させた各温度毎にレーザ光源１６の強度等が異なっても構わない。

例えば、図３中”ＣＨ３１”に示すように蛍光強度が温度に対して直線的に減少する場合、変調成分”Ｉａｃ”は、どの温度においても等しくなり、直流成分”Ｉｄｃ”は高温になるほど小さくなるので、”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”は図４中”ＣＨ４１”に示すように高温になるほど大きくなる特性曲線を描くことになる。

第２に、測定段階において、信号処理手段２１は、温度変調手段１８を制御してマイクロチャネル１７に温度変調を加えると共に光検出手段２０で検出された蛍光強度から変調成分”Ｉａｃ”及び直流成分”Ｉｄｃ”を求め、”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”を計算する。

そして、信号処理手段２１は、先に求めた検量線に今回求めた”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”適用して温度を求める。

この結果、温度変調手段１８を制御してマイクロチャネル１７に温度変調を加えると共に光検出手段２０で検出された蛍光強度から変調成分”Ｉａｃ”及び直流成分”Ｉｄｃ”を求め、”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”を計算し、検量線に基づき温度を計算することにより、複雑な光学系を設けることなくマイクロチャネルの温度を単純な構成で高精度に測定することが可能になる。

また、従来例と異なり標準セルを必要としないため、温度測定中には標準セルの状態が変動しないように維持する必要性がなくなり、温度測定が容易になる。

なお、図１に示す実施例では、マイクロチャネルのある一点の測定点における温度を測定していが、光検出手段でマイクロチャネルを走査させたり、或いは、複数の光検出手段で構成される光センサアレイ等を用いて複数の測定点を測定することにより、平面的（２次元的）な温度分布（相対温度分布）を測定することも可能である。

例えば、温度変調手段１８によるマイクロチャネル１７の温度の変調振幅が”Ｔａｃ”、そのときに蛍光強度の変調振幅が”Ｉａｃ”であり、蛍光強度”Ｉ１”及び”Ｉ２”の２点の測定点間の温度差”ΔＴ”は、
ΔＴ＝(Ｉ１−Ｉ２)／Ｉａｃ×Ｔａｃ（１）
で求まる。

式（１）における蛍光強度”Ｉ１”及び”Ｉ２、蛍光強度の変調振幅”Ｉａｃ”は測定により求まるので、温度の変調振幅”Ｔａｃ”が得られれば各測定点間の温度差（相対温度）を得ることができる。

温度の変調振幅”Ｔａｃ”に関しては図３中”ＣＨ３１”に示す特性曲線に蛍光強度の変調振幅”Ｉａｃ”を適用することにより求まり、或いは、検量線作成時に測定領域であるマイクロチャネル１７やその近傍に温度センサ（温度測定時は不要）を設けて予め温度の変調振幅”Ｔａｃ”を測定しておいても構わない。

この場合、温度の変調振幅”Ｔａｃ”を測定するだけであるので厳密なゼロ点補償は不要であり、逆に、任意の一点の測定点で絶対温度を測定しておけば、平面的（２次元的）な温度分布（絶対温度分布）を得ることができる。

例えば、図５は平面的（２次元的）な温度分布（相対温度分布、或いは、絶対温度分布）の測定結果の一例を示す説明図であって、図５中”ＴＰ５１”、”ＴＰ５２”、”ＴＰ５３”、”ＴＰ５４”、”ＴＰ５５”及び”ＴＰ５６”に示すような温度の分布を各測定点で得ることができる。

また、共焦点顕微鏡や共焦点スキャナ等を用いることにより奥行き方向を含む３次元（立体的）の温度分布（相対温度分布、或いは、絶対温度分布）を測定することも可能になる。

また、マイクロチャネル１７と光検出手段２０との間に像の拡大や縮小を行なう光学手段１９を設けることにより、前述の測定点を数マイクロメートル程度の微小な分解能で測定したり、或いは、広範囲の領域で測定することが可能になる。ちなみに、光学手段１９は必須の構成要素ではない。

また、図１に示す実施例では光源としてレーザ光源を例示しているが、前述の説明のように”Ｉａｃ／Ｉｄｃ”を求めてレーザ光源１６の強度等の影響を相殺しているので、ドリフトや劣化等に起因して長期的な安定性が得られないランプやＬＥＤ（Light Emitting Diode）等であっても光源として用いることができる。

また、図１に示す実施例では温度変調手段１８としてペルチェ素子を例示しているが、勿論、ヒータ等の電熱素子、熱交換器、電磁波等の照射による加熱器等を用いることも可能である。

その他、蛍光強度に対する依存性があれば、他の物理量であっても、図１に示す実施例を適用することが可能である。例えば、圧力変動に依存する蛍光物質を被測定流体に注入し、被測定流体が流れるにマイクロチャネルに圧力変調を加えることにより、単純な構成で高精度に圧力を測定することが可能になる。

本発明に係る温度測定装置の一実施例を示す構成ブロック図である。光検出手段で検出される蛍光強度の一例を示す特性曲線図である。温度と蛍光強度の関係を示す特性曲線図である。蛍光強度の変調成分を蛍光強度の直流成分で除算した値と温度との関係を示す特性曲線図である。平面的な温度分布の測定結果の一例を示す説明図である。従来の温度測定装置の一例を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１レーザ装置
２，１２ビームスプリッタ
３，６ビームストッパ
４，１１ミラー
５標準セル
７，８レンズ
９，１０チョッパ
１３フィルタ
１４光電変換素子
１５信号処理器
１６レーザ光源
１７マイクロチャネル
１８温度変調手段
１９光学手段
２０光検出手段
２１信号処理手段

Claims

測定領域に注入した蛍光物質が光源の出力光の照射によって発光する蛍光の強度を用いて測定領域の温度を測定する温度測定装置において、
光源と、
この光源の出力光が入射され蛍光物質が注入された被測定流体が流れるマイクロチャネルと、
このマイクロチャネルの温度を変調する温度変調手段と、
前記マイクロチャネルで発生した蛍光を検出する光検出手段と、
この光検出手段で検出された蛍光強度から変調成分及び直流成分を求め、変調成分を直流成分を除算し検量線に基づき温度を計算する信号処理手段と
を備えたことを特徴とする温度測定装置。
前記光検出手段で前記マイクロチャネルを走査させ、或いは、複数の光検出手段で構成される光センサアレイを用いて複数の測定点を測定することを特徴とする
請求項１記載の温度測定装置。
共焦点顕微鏡や共焦点スキャナを用いることを特徴とする
請求項２記載の温度測定装置。
前記信号処理手段が、
計算により温度の変調振幅を求め、或いは、予め温度の変調振幅を測定しておき各測定点間の温度差を得ることを特徴とする
請求項２若しくは請求項３記載の温度測定装置。
前記信号処理手段が、
任意の一点の測定点で絶対温度を測定しておき各測定点間の温度差を得ることを特徴とする
請求項４記載の温度測定装置。
前記マイクロチャネルと前記光検出手段との間に像の拡大や縮小を行なう光学手段を設けることを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の温度測定装置。
前記光源が、
レーザ光源、ＬＥＤ、或いは、長期的な安定性が得られないランプであることを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の温度測定装置。
前記温度変調手段が、
ペルチェ素子、電熱素子、熱交換器、或いは、電磁波等の照射による加熱器であることを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の温度測定装置。