JP2644652B2 - 高精度非接触熱歪測定方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば宇宙用熱機関
発電システムにおける蓄熱器のように、測定対象体が真
空容器に収容され、運転中は1000℃以上の高温で、強く
発光しているようなものでも高精度で、連続的に測定す
ることができるような非接触歪測定法法とその装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星には太陽光を熱源とする宇宙用
熱機関発電システムが搭載されているが、低高度を飛行
する人工衛星においては地球の影の部分に入った時には
太陽光の入射が途絶えるため、発電システムを連続的に
運転するためには蓄熱器を搭載して人工衛星が地球の影
の部分に入った時にはこれより高温流体をガスタービン
に供給して発電を継続させる必要がある。

【０００３】このような目的に使用する蓄熱器の性能は
発電システムの性能を決定する重要な要素となってい
る。原理的には蓄熱器は蓄熱温度が高いほど、システム
の性能が良くなるが、実用上は少なくとも1000℃以上の
蓄熱温度が必要とされている。

【０００４】しかし、これらの蓄熱器においては人工衛
星が太陽光の当たる部分を断続的に通過するため、外部
表面が断続的に加熱される。このため、熱歪が発生し易
く、設計、製作に充分考慮を払わないと、この熱歪に伴
う応力により蓄熱器が破壊されることもある。

【０００５】この熱歪に伴う応力により、破壊されない
ように蓄熱器の設計、製作が適切になされることが重要
であるが、設計、製作が適切であることを検証するため
に蓄熱器の運転条件下において蓄熱器の熱歪を十分な精
度で測定する必要がある。

【０００６】しかし、蓄熱器は真空容器中に納められて
いるので、測定途中では歪測定の校正ができず、しかも
運転中は1000℃以上の高温で加熱され、その表面が強く
発光状態にある中で、十分な精度で、且つ数十時間連続
して計測しても測定精度が変わらないような測定を行な
うのは従来の歪測定方法では極めて困難である。

【０００７】高温の熱歪測定装置の一例として、高温度
に耐える材質の歪ゲージを測定対象体に接着して、その
電気抵抗の変化により、測定対象体の歪を推定する方法
がある。

【０００８】また、光を用いた歪の非接触測定方法の一
例では、測定対象体の二点を一つの光学測定装置で捕ら
えて、その間の距離を測定し、対象体の大きさと比較し
て、歪を計算する方法がある。

【０００９】その他、光の干渉を利用して測定点の変位
を測定し、それを歪に換算することで、目的を達成する
方法もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の高温の
熱歪測定装置を使用した方法では、歪ゲージの特性が温
度と共に変化し、しかもその変化状態は個々の歪ゲージ
で異なり、またこの歪ゲージは経年変化するため、測定
の都度補償の調整をする必要がある。

【００１１】特に、1000℃以上の高温度においては、多
くの場合測定中に歪ゲージに無視できないほどの特性変
化が起こるので、精度の信頼性に乏しい。

【００１２】また上記の利用分野に示されるように、測
定対象体が真空容器中に封じ込まれているような場合に
は、特に調整が困難で、実用は殆ど不可能である。

【００１３】一方、上述の光を用いた歪の非接触測定方
法では、対象体の全体を撮影装置に一度に捕らえるた
め、撮影装置の分解性能以上に歪めの測定精度を上げら
れず、現在のところその分解能は1/1000の程度であり、
この分解能を一桁上げるのは極めて困難である。

【００１４】また、上述の光の干渉を利用する方法にお
いては、干渉光がその通路の影響を敏感に受け、上述の
真空容器内に収容された蓄熱器の歪測定においては、容
器内外の温度差やのぞき窓の材質等による影響が、干渉
状態に極めて大きな影響を及ぼし、事実上、測定が不可
能である。

【００１５】そこで、この発明は宇宙用熱機関発電シス
テムの蓄熱器のように、測定対象体が容器内に収容さ
れ、測定途中で校正が出来ない状況下にあっても、十分
な精度で、しかも数十時間連続して計測しても測定精度
が変わらないような非接触歪測定方法を開発することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明におい
ては容器内に収容された測定対象体の熱歪を容器外より
測定する非接触熱歪測定方法において、測定対象体上に
定められた二箇所の測定点をマークし、上記測定点間の
距離を演算処理装置に記憶させるとともに、先ず照射装
置により所定領域の波長の光を、上記それぞれのマーク
に照射して反射させ、更にこの反射光をのぞき窓及び光
学装置を通すことにより、マークされた測定点付近をそ
れぞれ拡大し、拡大された測定点付近を一台の撮影装置
で撮影し、この撮影面上より得られるそれぞれのマーク
の最初の位置を演算処理装置に記憶し、次に上記測定対
象体に温度を与えたときのマークされた測定点付近を上
記同様に拡大して撮影し、この撮影面上より得られるそ
れぞれのマークの位置を演算処理装置で読み取り、最初
に記憶したそれぞれのマークとの関係から演算処理装置
で測定対象体上での上記二箇所の測定点の間の距離の変
化を計算し、この計算された距離の変化と最初に記憶し
た測定点の間の距離から演算処理装置で熱歪を計算する
非接触熱歪測定方法を提案するものである。

【００１７】更に、この発明においてはこの発明の測定
方法を行う装置として、測定対象体上に定められた二箇
所の測定点をマークする所定領域の波長の光を反射する
測定用マークと、上記所定領域の波長の光をのぞき窓を
通して入射する照射装置と、測定点からの映像をそれぞ
れ拡大する機能を持った光学装置と、この光学装置を通
して送られるマークされた測定点付近の拡大された映像
を撮影する一台の撮影装置と、この撮影装置により得ら
れた撮影面に基づいて測定対象体に温度を与えたときの
熱歪を計算する演算処理装置とから構成される高精度非
接触熱歪測定装置を提案するものである。

【００１８】

【作用】即ち、この発明においては測定を開始する前
に、測定対象体につけられた二箇所のマークの距離を正
確に計り、演算処理装置に記憶しておく。

【００１９】そして、先ず照明装置により所定領域の波
長の光を、それぞれのマークに照明するとともに、それ
ぞれのマークではこの光を反射させ、のぞき窓を通し
て、それぞれのマーク付近の視野を引き出し、この視野
を光学装置を通して拡大して撮影し、この撮影面上より
得られるそれぞれのマークの最初の位置を演算処理装置
に記憶しておく。

【００２０】なお、照明装置としては、加熱された測定
対象体から発生する例えば可視光の低波長領域の光と区
別するために、可視光の高波長領域の光を発生する超高
圧水銀灯が使用される。

【００２１】次に、高温加熱等の物理的変化を与えた後
に同様にしてそれぞれのマーク付近の視野を光学装置を
通して拡大して撮影し、この撮影面上より得られるそれ
ぞれのマークの位置を演算処理装置で読み取り、最初に
記憶したそれぞれのマークの位置と、変化した後のマー
クの位置との関係から、演算処理装置の処理プログラム
を使って、それぞれのマークの移動距離を求め、求めた
移動距離から、演算処理装置の処理プログラムにより、
二箇所のマークの間の距離の変化を計算する。この距離
の変化と最初に記憶したマークの間の距離から演算処理
装置の処理プログラムを使って、生じた歪を計算して求
める。

【００２２】測定精度は、原理的には、撮影装置の分解
能を光学装置の倍率で除した値になる。例えば、撮影装
置の分解能が1/1000であり、光学装置の倍率が100 なら
ば、1/100000という高精度の歪測定ができる。

【００２３】

【実施例】以下、この発明を図示の実施例に基づいて説
明する。この実施例は宇宙用熱機関発電のエネルギー貯
蔵システムの試験装置において、蓄熱器の歪を長時間に
わたり連続して測定した例を示すものであり、図１にお
いて１は真空容器であり、真空容器１はのぞき窓1aを有
し、内部には測定対象体である蓄熱器２が収容されてい
る。

【００２４】蓄熱器１は、外壁がインコネル製で、その
厚さは1mm であり、蓄熱器の内部にはフッ化リチウムを
充填してあり、稼動時には蓄熱器の最高温度は約1000℃
に上昇する。この蓄熱器２の表面にはのぞき窓1aに臨む
位置に、二箇所の測定点を定め、この測定点にマークａ
とｂが付される。

【００２５】３は、測定に必要な光を上記二箇所の測定
点に照射する照明装置で、照明装置３としては超高圧水
銀灯が使用される。４は視野を拡大する機能を有する光
学装置で、光学装置４の前には測定点より発せられた光
のみを通過させるための光学フィルタ4aが設けられてお
り、光学装置４は反射鏡4b…及び拡大鏡4cから構成され
る。

【００２６】更に、５は光学装置４で拡大されたマーク
付近の視野を撮影する撮影装置、６は演算処理装置であ
る。

【００２７】なお、照明装置３からの光がのぞき窓1aで
反射して光学装置４に入光しないように、照明装置３、
のぞき窓1a、光学装置４にはコーティング処理がなされ
ている。

【００２８】この装置を使用して行なう歪の測定は、蓄
熱器２の表面につけられた二箇所のマークａとｂの距離
を正確に計り、演算処理装置６に記憶しておく。

【００２９】そして、先ず照明装置３により、それぞれ
のマークａ、ｂを照明し、のぞき窓を通して、マークａ
付近の視野Ａとマークｂ付近の視野Ｂを引き出し、この
視野Ａ、Ｂはそれぞれ光学装置４の反射鏡4b…を通って
拡大鏡4cに入射され、更に撮影装置５に入射され、ここ
で視野Ａ、Ｂの拡大された撮影視野Ａ´、Ｂ´を得る
（図２参照）。このマークａとｂの最初の位置は演算処
理装置６に記憶される。

【００３０】次に、蓄熱器２が高温加熱された後に同様
にしてマークａとｂ付近の視野ＡとＢを光学装置４を通
して拡大して撮影し、この撮影面上より得られるそれぞ
れのマークａとｂの位置を演算処理装置６で読み取り、
最初に記憶したそれぞれのマークの位置と、変化した後
のマークの位置との関係から、演算処理装置６の処理プ
ログラムを使って、それぞれのマークの移動距離を求
め、求めた移動距離から、演算処理装置の処理プログラ
ムにより、二箇所のマークの間の距離の変化を計算す
る。この距離の変化と最初に記憶したマークの間の距離
から演算処理装置の処理プログラムを使って、生じた歪
を計算して求めた。

【００３１】この場合、光学装置４の倍率を約25倍、撮
影装置５の分解能を1/493 とした結果、約1/10000 の精
度で、歪を測定できた。

【００３２】

【発明の効果】この発明によれば、1000℃以上の高温雰
囲気にあり従来極めて測定が困難であった宇宙用熱機関
発電システムのにおける蓄熱器の熱歪を、1/10000 以上
の高精度をもって測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のシステム概念図

【図２】この発明の測定原理を示す図

【図３】この発明における、測定点付近において二つの
測定点をそれぞれ拡大する方法の原理を示す図

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 蓄熱器 ３ 照明装置 ４ 光学装置 ５ 撮影装置 ６ 演算処理装置 ａとｂ 測定点のマーク ＡとＢ マークａとｂ付近の視野 Ａ´とＢ´ 視野ＡとＢの拡大撮影視野

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−250006（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−226612（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−135841（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−79109（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−158508（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−99355（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器内に収容された測定対象体の熱歪を
   容器外より測定する非接触熱歪測定方法において、測定
   対象体上に定められた二箇所の測定点をマークし、上記
   測定点間の距離を演算処理装置に記憶させるとともに、
   先ず照射装置により所定領域の波長の光を、上記それぞ
   れのマークに照射して反射させ、更にこの反射光をのぞ
   き窓及び光学装置を通すことにより、マークされた測定
   点付近をそれぞれ拡大し、拡大された測定点付近を一台
   の撮影装置で撮影し、この撮影面上より得られるそれぞ
   れのマークの最初の位置を演算処理装置に記憶し、次に
   上記測定対象体に温度を与えたときのマークされた測定
   点付近を上記同様に拡大して撮影し、この撮影面上より
   得られるそれぞれのマークの位置を演算処理装置で読み
   取り、最初に記憶したそれぞれのマークとの関係から演
   算処理装置で測定対象体上での上記二箇所の測定点の間
   の距離の変化を計算し、この計算された距離の変化と最
   初に記憶した測定点の間の距離から演算処理装置で熱歪
   を計算することを特徴とする非接触熱歪測定方法。
2. 【請求項２】 測定対象体が宇宙用燃料機関発電システ
   ムにおける蓄熱器である請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 容器内に収容された測定対象体の歪を容
   器に設けられたのぞき窓を通して測定する非接触熱歪測
   定装置において、測定対象体上に定められた二箇所の測
   定点をマークする所定領域の波長の光を反射する測定用
   マークと、上記所定領域の波長の光をのぞき窓を通して
   入射する照射装置と、測定点からの映像をそれぞれ拡大
   する機能を持った光学装置と、この光学装置を通して送
   られるマークされた測定点付近の拡大された映像を撮影
   する一台の撮影装置と、この撮影装置により得られた撮
   影面に基づいて測定対象体に温度を与えたときの熱歪を
   計算する演算処理装置とから構成されることを特徴とす
   る高精度非接触熱歪測定装置。