JP4214190B2 - Temperature sensor - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温度センサに関し、特に、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の温度計測装置では、例えば、特許文献１に開示されているように、気体温度を非接触で計測するために、ヘテロダイン干渉法を用いて気体温度を計測する方法が提案されている。
この方法では、音響光学変調器を利用したヘテロダイン干渉法を用いることで、測定領域でのビート周波数の位相変化から気体の屈折率の変化を算出し、その気体の組成からＧｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅ（グラッドストーン−デイル）定数を求め、さらに、気体の圧力値を用いることで、気体の状態式から気体温度を算出する。
【０００３】
そして、ヘテロダイン干渉法を用いることで、非接触、高精度、高応答で気体温度を計測することができる。
また、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法は、機械的な振動に強いという特徴があり、機械的な振動を伴う内燃機関などへの適用が試みられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３９８７０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関に適用する場合、燃焼室内のガスの温度変化を計測するには、燃焼室内の気密性を維持しつつ、限られたスペース内に温度センサを設置する必要がある。
また、燃焼室は、機械的な振動が発生するとともに、高温・高圧の過酷な環境に置かれるため、温度計測を精度よく行うためには、温度センサを燃焼室に取り付けた場合の温度補正を行なったり、光軸ずれを調整したりする必要もある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、封止性を向上させつつ、コンパクト化を図ることができ、測定精度を向上させることが可能な温度センサを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、前記集光部、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する保持手段と、
前記光透過窓と前記保持手段との間をシールするシール部と、を備え、前記保持手段は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持する筐体であって、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする。
【０００８】
これにより、気体や液体などの温度測定対象が光透過窓と保持手段との間から外部に漏れ出すことを防止することができる。
このため、温度センサを燃焼室に取り付けた場合においても、高温・高圧の燃焼ガスが燃焼室から漏れ出すことを防止することでき、燃焼ガスの温度変化を精度よく計測することができる。
【０００９】
また、請求項２記載の温度センサによれば、前記シール部は、前記光透過窓の前面に密着配置されたリング状ガスケットであることを特徴とする。
これにより、光透過窓を通過するレーザ光を遮ることなく、光透過窓の外縁部を保持手段に密着させることが可能となり、測定精度を劣化させることなく、高温・高圧の燃焼ガスが燃焼室から漏れ出すことを防止することできる。
【００１０】
また、請求項３記載の温度センサによれば、ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する第１の筒状筐体と、前記第１の筒状筐体よりも大きな径で構成され、前記集光部を前記光軸上に保持する第２の筒状筐体とを備え、前記第１の筒状筐体は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持し、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする。
【００１１】
これにより、レーザ光の光路を確保しつつ、温度計測領域の大きさを縮小することが可能となる。
このため、燃焼室内の限られたスペースに温度センサ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、請求項４記載の温度センサによれば、ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、前記光透過窓と前記反射部との間に温度測定対象が入り込み可能な状態で、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する第１の筒状筐体と、前記第１の筒状筐体に連結され、前記集光部の光出射面の傾きを調整可能な状態で前記集光部を保持する第２の筒状筐体とを備え、前記第１の筒状筐体は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持し、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成する。
【００１２】
これにより、集光部の光出射面の傾きを調整することで、光軸合わせを行なうことが可能となり、温度センサの大型化を抑制しつつ、温度計測精度を向上させることが可能となる。
また、請求項５記載の温度センサによれば、前記第２の筒状筐体は、前記集光部を内部に保持し、先端部分および後端部分の外周面が球面状に加工された内側筒状筐体と、前記内側筒状筐体を傾き可能な状態で内部に保持し、前記内側筒状筐体の先端部分の外周面に対応して球面上に加工された内周面を有する外側筒状筐体とを備えることを特徴とする。
【００１３】
これにより、内側筒状筐体の後端部分を上下左右に動かすことで、集光部の光出射面を任意の方向に傾けることが可能となり、光軸合わせを容易に行なうことが可能となるとともに、内側筒状筐体の後端部分を押し付けることにより、集光部の光出射面の傾きをそのまま維持したまま、内側筒状筐体を固定することが可能となる。
【００１４】
また、内側筒状筐体を介して集光部を外側筒状筐体に保持させることにより、外側筒状筐体から集光部を切り離すことが可能となり、集光部に熱が伝わり難くして、集光部を保護することができる。
また、請求項６記載の温度センサによれば、ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、前記光透過窓と前記反射部との間に温度測定対象が入り込み可能な状態で、前記集光部、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する保持手段と、前記保持手段に設けられ、前記温度測定対象の初期温度を計測する温度計測手段とを備え、前記保持手段は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持する筐体であって、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする。
【００１５】
これにより、温度センサの大型化を抑制しつつ、温度測定対象の初期温度を直接計測することが可能となる。
このため、ヘテロダイン干渉法により温度を求めるために必要な値を容易に取得することが可能となり、測定にかかる手間を軽減しつつ、温度計測精度を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、請求項７記載の温度センサによれば、ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、前記光透過窓と前記反射部との間に温度測定対象が入り込み可能な状態で、前記集光部、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する保持手段と、前記保持手段に設けられ、前記集光部と前記光透過窓との間の温度を計測する温度計測手段とを備え、前記保持手段は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持する筐体であって、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成する。
【００１７】
これにより、温度測定対象の温度だけでなく、レーザ光が通過する光路のうち測定対象以外の温度も計測することができる。
このため、ヘテロダイン干渉法により温度計測を行なう際に、温度測定対象の温度変化により、その周囲の温度に影響が及ぶ場合においても、光路のうち測定対象以外の温度変化による誤差を補正することが可能となり、温度計測の精度を向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る温度センサについて図面を参照しながら説明する。
図１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方法の原理を説明する平面図である。
【００１９】
図１において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１から出射されたレーザ光の一部はハーフミラー２を透過し、参照光Ｌｒが生成されるとともに、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１から出射されたレーザ光の一部はハーフミラー２で反射され、試験光Ｌｓが生成される。
そして、ハーフミラー２を透過した参照光Ｌｒは参照領域３を透過し、ミラー４で反射された後、その参照光Ｌｒの一部がハーフミラー５で反射される。
【００２０】
一方、ハーフミラー２で反射された試験光Ｌｓはミラー６で反射された後、周波数シフタ７で周波数シフトされ、計測領域８を透過する。
そして、計測領域８を透過した試験光Ｌｓの一部はハーフミラー５を通過し、ハーフミラー５で反射された参照光Ｌｒと合波されて、検出器９に入射する。
そして、検出器９では、参照光Ｌｒと試験光Ｌｓとの周波数差がビート周波数として検出される。
【００２１】
ここで、計測領域８を透過した試験光Ｌｓの位相は、計測領域８の気体の屈折率変化に対応して変化するため、計測領域８の気体の屈折率変化は、ビート周波数を変化させる。
そして、計測領域８の気体の屈折率変化は、計測領域８の気体の密度変化に依存し、計測領域８の気体の密度変化は、計測領域８の気体の温度変化に依存する。
【００２２】
このため、参照光Ｌｒと試験光Ｌｓとの周波数差をビート周波数として検出することにより、計測領域８の気体の温度を計測することができる。
すなわち、参照光Ｌｒと試験光Ｌｓのビーム強度をＩ0とすると、干渉信号Ｉは次式で表すことができる。
【００２３】
【数１】

Figure 0004214190
【００２４】
ただし、ｆbはビート周波数、ψt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ψH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ψHが変わる。
ここで、測定信号の位相変化量ψHは、計測領域８の気体の位相変化ψtと次の関係を持つ。
【００２５】
【数２】
Figure 0004214190
【００２６】
また、計測領域８の気体の位相変化ψtは、計測領域８の気体の屈折率変化ｎtと次の関係を持つ。
ψt＝２πφt／λs＝２πｎtＬt／λs ・・・（３）
ただし、φtは計測領域８での光路長変化、Ｌtは計測領域８の長さ、λsは試験光Ｌｓの周波数である。
【００２７】
また、気体の屈折率変化ｎtはビート周波数ｆbを変化させるため、以下に示すように、ビート周波数ｆbは時間ｔの関数ｆb（ｔ）となる。
ｆb→ｆb（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ψtは、以下の式で求めることができる。
【００２８】
【数３】
Figure 0004214190
【００２９】
一方、気体の屈折率変化ｎt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。
ｎt＝１＋（ρtＲGt）／Ｍt＝１＋（ＰtＲGt）／（Ｒ0Ｔt）・・・（６）
ただし、ＲGt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、Ｒ0は気体定数、Ｐtは計測領域８の圧力、Ｔtは計測領域８の絶対温度である。
【００３０】
なお、ｓ種の混合気体のＧｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅ定数ＲGtは、次式に示すように、ｉ成分気体のモル分率Ｘiから求めることができる。
【００３１】
【数４】
Figure 0004214190
【００３２】
ただし、Ｒti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Ｔtは次式で求めることができる。
Ｔt＝２πＰtＲGtＴt0Ｌt／（２πＰt0ＲGtＬt＋ψtＴt0Ｒ0λ）
・・・（８）
すなわち、初期状態の圧力Ｐt0および圧力Ｔt0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ψtを測定することにより、計測領域８の気体の温度Ｔtを求めることが可能となる。
【００３３】
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ψtと屈折率ｎtには、次のような関係がある。
ψt＝２πｎtＬt／λ ・・・（９）
ただし、Ｌtは測定領域８の長さ、λはレーザの波長である。
【００３４】
また、液体の屈折率ｎtと密度ρtには、次のようなＬｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式で表すことができる。
ｎt＝（（１＋２ρtＲLt／Ｍt）／（１−ρtＲLt／Ｍt））1/2・・・（１０）
ただし、Ｍtは測定対象となる液体の分子量、ＲLt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。
【００３５】
従って、（９）および（１０）式を用いることにより、密度ρtは以下の式で求めることができる。
ρt＝（Ａ2−１）Ｍt／（（２＋Ａ2）ＲLt） ・・・（１１）
ただし、Ａは以下の式で表される
Ａ＝ψtλ／（２πＬt）
＋√（（１＋２ρt0ＲLt／Ｍt）／（１−ρt0ＲLt／Ｍt））
また、ρt0は液体の初期密度である。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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５７が結合され、光ファイバ５７の周囲には、光ファイバ５７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５７の曲がりを防止するガイド５４が設けられている。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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５７を計測領域３４と切り離すことが可能となり、光ファイバ５７に熱が伝わり難くして、光ファイバ５７による位相変化を抑制することができる。
【００６９】
図４は、本発明の一実施形態に係る温度センサの光軸合わせ方法を説明する断面図である。
図４において、温度センサ３１の光軸合わせを行なう場合、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分を上下左右に動かすことで、セルフォックマイクロレンズ３２の光出射面を傾ける。
【００７０】
このため、ネジ５５を外すことにより、筒状筐体５０からパイプ５６を外し、ネジ５５およびパイプ５６を光ファイバ５７に沿って移動させることで、筒状筐体５０とパイプ５６とを引き離す。
そして、芋ネジ５３およびリテーナ５２を緩め、光軸調整用レンズ保持部５１先端部分を筒状筐体５０内の内周面に押し付けながら、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分を上下左右に動かすことにより、温度センサ３１の光軸合わせを行なう。
【００７１】
ここで、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の外周面は球面状に加工されるとともに、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ているので、光軸調整用レンズ保持部５１先端部分を筒状筐体５０内の内周面に押し付けながら、光軸調整用レンズ保持部５１を任意の方向に傾けることができ、温度センサ３１の光軸合わせを安定して行うことができる。
【００７２】
そして、温度センサ３１の光軸合わせが終了すると、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分をリテーナ５２で締め付けることにより、光軸調整用レンズ保持部５１を光軸方向に固定する。
ここで、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分の外周面は球面状に加工されるとともに、リテーナ５２の先端部分は、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ので、光軸調整用レンズ保持部５１が傾いている場合においても、その傾きを維持しながら、光軸調整用レンズ保持部５１を光軸方向に締め付けることができ、光軸調整用レンズ保持部５１の固定を安定して行なうことが可能となる。
【００７３】
そして、光軸調整用レンズ保持部５１がリテーナ５２により光軸方向に固定されると、芋ネジ５３により光軸調整用レンズ保持部５１を周囲から固定する。
そして、光軸調整用レンズ保持部５１がリテーナ５２および芋ネジ５３で固定されると、パイプ５６を筒状筐体５０に取り付け、ネジ５５により固定する。
なお、（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。
【００７４】
このため、ガス２７の初期温度を計測する温度計測手段を計測領域３４に設けるようにしてもよく、ガス２７の初期温度を計測する際には、高応答性は要求されないので、温度計測手段として、例えば、安価な熱電対を用いることができる。
これにより、温度センサの大型化・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精度を向上させることが可能となる。
【００７５】
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。
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。
【００７６】
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。
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。
【００７７】
そこで、光学窓３３に対して計測領域３４と反対側の光路上の空間の平均温度を計測する温度計測手段を設けるようにしてもよく、計測領域３４と反対側の光路上の空間の平均温度を計測する際には、高応答性は要求されないので、温度計測手段として、例えば、安価な熱電対を用いることができる。
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り温度計測を行なう際に、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。
【００７８】
また、ヘテロダイン干渉法による温度計測方法では、計測領域３４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、計測領域３４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。
一方、計測領域３４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。
【００７９】
このため、計測領域３４の長さは、これらの条件を考慮して決定する必要がある。
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、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。
【００８０】
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。
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。
【００８１】
図６は、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、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、図８は、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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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９３が接続されるとともに、光ファイバ９３はジャバラ管９４で保護されている。
【００８５】
ここで、光ファイバ９３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９３を保護することができる。
ここで、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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
図９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。
図９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。
【００９０】
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。
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。
【００９１】
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。
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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１０（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１０（ａ）において、きのこ弁１１７を開け、図９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。
【００９８】
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。
【００９９】
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１０（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１０（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。
【０１００】
図１０（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。
【０１０１】
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１０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。
【０１０２】
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１１（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。
【０１０３】
図１１（ａ）において、図１０（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。
【０１０４】
この図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内の未燃焼ガスの温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１１（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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
図１２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１２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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光透過窓と保持手段との間をシールするシール部を設けることにより、ヘテロダイン干渉法により温度計測を行なう場合においても、温度測定対象が光透過窓の接合面から外部に漏れ出すことを防止することができ、温度計測の精度を向上させることができる。
【０１１１】
また、光透過窓および反射部を保持する部分の径よりも、集光部を保持する部分の径を大きくすることにより、温度計測領域の大きさを縮小することが可能となり、限られたスペースに温度センサを容易に挿入することが可能となる。
また、集光部の光出射面の傾きを調整可能な状態で保持することにより、集光部の光出射面の傾きを調整することで、光軸合わせを行なうことが可能となり、温度センサの大型化を抑制しつつ、温度計測精度を向上させることが可能となる。
【０１１２】
また、記温度測定対象の初期温度を計測する温度計測手段を設けることにより、温度測定対象の初期温度を直接計測することが可能となり、測定にかかる手間を軽減しつつ、温度計測の精度を向上させることが可能となる。
また、集光部と光透過窓との間の空間の温度を計測する温度計測手段を設けることにより、ヘテロダイン干渉法により温度計測を行なう際に、その周囲の温度変化による誤差を補正することが可能となり、温度計測の精度を向上させることができる。
【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】本発明の一実施形態に係る温度センサの光軸合わせ方法を説明する断面図である。
【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１０】図１０（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１０（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１１】図１１（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１０（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】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 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 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
５７、９３ 光ファイバ
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
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 熱電対
１２６ 連結管[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature sensor, and is particularly suitable for application to a temperature measurement device using heterodyne interferometry.
[0002]
[Prior art]
In the conventional temperature measuring apparatus, for example, as disclosed in Patent Document 1, in order to measure the gas temperature in a non-contact manner, a method of measuring the gas temperature using the heterodyne interferometry has been proposed.
In this method, the heterodyne interferometry using an acousto-optic modulator is used to calculate the change in the refractive index of the gas from the phase change of the beat frequency in the measurement region, and the Gladstone-Dale (Gradstone) from the composition of the gas. -Deal) A constant is obtained, and further, the gas temperature is calculated from the gas state equation by using the pressure value of the gas.
[0003]
And by using heterodyne interferometry, the gas temperature can be measured with non-contact, high accuracy, and high response.
Moreover, the temperature measurement method using the heterodyne interferometry has a feature that it is resistant to mechanical vibration, and has been attempted to be applied to an internal combustion engine or the like that involves mechanical vibration.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-39870 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the temperature measurement method using the heterodyne interferometry is applied to an internal combustion engine, in order to measure the temperature change of the gas in the combustion chamber, the temperature sensor is maintained in a limited space while maintaining the airtightness in the combustion chamber. Need to be installed.
In addition, the combustion chamber generates mechanical vibrations and is placed in a harsh environment of high temperature and high pressure. Therefore, in order to accurately measure the temperature, the temperature correction when the temperature sensor is attached to the combustion chamber is performed. It is also necessary to adjust the optical axis deviation.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a temperature sensor that can be made compact while improving sealing performance and can improve measurement accuracy.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, an optical fiber that transmits laser light for heterodyne interference, a condensing unit that condenses the laser light emitted from the optical fiber, and a laser beam condensed by the condensing unit A light transmissive window that transmits light, a reflective portion that reflects laser light that has passed through the light transmissive window, a holding unit that holds the light collecting portion, the light transmissive window, and the reflective portion on an optical axis;
A seal portion that seals between the light transmission window and the holding means. The holding means is a housing that holds the light transmission window and the reflection portion facing each other, and has an opening for introducing the temperature measurement object into the inside, and the light transmission window and the reflection portion To form a measurement area of the temperature measurement object introduced between It is characterized by that.
[0008]
Thereby, it is possible to prevent a temperature measurement object such as gas or liquid from leaking outside between the light transmission window and the holding means.
For this reason, even when the temperature sensor is attached to the combustion chamber, it is possible to prevent the high-temperature and high-pressure combustion gas from leaking out of the combustion chamber, and to accurately measure the temperature change of the combustion gas.
[0009]
The temperature sensor according to claim 2 is characterized in that the seal portion is a ring-shaped gasket arranged in close contact with the front surface of the light transmission window.
As a result, the outer edge of the light transmissive window can be brought into close contact with the holding means without blocking the laser light passing through the light transmissive window, and high-temperature and high-pressure combustion gas can flow into the combustion chamber without degrading measurement accuracy. It can be prevented from leaking out.
[0010]
According to the temperature sensor of the third aspect, the optical fiber for transmitting the heterodyne interference laser light, the condensing unit for condensing the laser light emitted from the optical fiber, and the condensing unit collect the laser light. A light transmission window that transmits the emitted laser light; a reflection portion that reflects the laser light transmitted through the light transmission window; and a first cylindrical housing that holds the light transmission window and the reflection portion on an optical axis. And a second cylindrical housing configured to have a diameter larger than that of the first cylindrical housing and hold the light collecting unit on the optical axis. The first cylindrical housing has an opening for holding the light transmission window and the reflection portion facing each other and introducing the temperature measurement object therein, and the light transmission window and the reflection portion. To form a measurement area of the temperature measurement object introduced between It is characterized by that.
[0011]
Thereby, it is possible to reduce the size of the temperature measurement region while securing the optical path of the laser beam.
For this reason, it becomes possible to insert a temperature sensor easily in the limited space in a combustion chamber, and it becomes possible to measure temperature using an actual machine.
According to the temperature sensor of the fourth aspect, the optical fiber for transmitting the heterodyne interference laser light, the condensing unit for condensing the laser light emitted from the optical fiber, and the condensing unit collect the laser light. A light transmission window that transmits the emitted laser light, a reflection portion that reflects the laser light transmitted through the light transmission window, and a temperature measurement target that can enter between the light transmission window and the reflection portion. The light transmission window and the reflection part are held on the optical axis, and the first cylindrical case is connected to the first cylindrical case, and the inclination of the light exit surface of the light collecting part can be adjusted. And a second cylindrical housing that holds the light collecting unit in a stable state The first cylindrical housing has an opening for holding the light transmission window and the reflection portion facing each other and introducing the temperature measurement object therein, and the light transmission window and the reflection portion. To form a measurement area of the temperature measurement object introduced between .
[0012]
As a result, the optical axis can be aligned by adjusting the inclination of the light exit surface of the light collecting section, and the temperature measurement accuracy can be improved while suppressing the increase in size of the temperature sensor.
According to the temperature sensor of claim 5, the second cylindrical housing holds the condensing part inside, and an inner surface in which outer peripheral surfaces of a front end part and a rear end part are processed into a spherical shape. A cylindrical housing and an inner peripheral surface that holds the inner cylindrical housing in a tiltable state and is processed on a spherical surface corresponding to the outer peripheral surface of the distal end portion of the inner cylindrical housing An outer cylindrical housing is provided.
[0013]
Thus, by moving the rear end portion of the inner cylindrical housing up and down, left and right, it is possible to tilt the light exit surface of the light collecting portion in an arbitrary direction, and the optical axis can be easily aligned. At the same time, by pressing the rear end portion of the inner cylindrical casing, it is possible to fix the inner cylindrical casing while maintaining the inclination of the light emitting surface of the condensing part as it is.
[0014]
In addition, by holding the light condensing unit on the outer cylindrical case via the inner cylindrical case, it becomes possible to separate the light collecting unit from the outer cylindrical case, making it difficult for heat to be transmitted to the light collecting unit. Thus, the condensing part can be protected.
According to the temperature sensor of the sixth aspect, the optical fiber that transmits the laser beam for heterodyne interference, the condensing unit that condenses the laser light emitted from the optical fiber, and the condensing unit collects the laser light. A light transmission window that transmits the emitted laser light, a reflection portion that reflects the laser light transmitted through the light transmission window, and a temperature measurement target that can enter between the light transmission window and the reflection portion. A holding unit that holds the light collecting unit, the light transmission window, and the reflection unit on an optical axis, and a temperature measurement unit that is provided in the holding unit and measures an initial temperature of the temperature measurement target. The holding means is a housing that holds the light transmission window and the reflection portion facing each other, and has an opening for introducing the temperature measurement object into the inside, and the light transmission window and the reflection portion To form a measurement area of the temperature measurement object introduced between It is characterized by that.
[0015]
As a result, it is possible to directly measure the initial temperature of the temperature measurement target while suppressing an increase in the size of the temperature sensor.
For this reason, it is possible to easily acquire a value necessary for obtaining the temperature by the heterodyne interferometry, and it is possible to improve the temperature measurement accuracy while reducing the labor for measurement.
[0016]
According to the temperature sensor of the seventh aspect, the optical fiber that transmits the heterodyne interference laser light, the condensing unit that condenses the laser light emitted from the optical fiber, and the condensing unit collect the laser light. A light transmission window that transmits the emitted laser light, a reflection portion that reflects the laser light transmitted through the light transmission window, and a temperature measurement target that can enter between the light transmission window and the reflection portion. A temperature measuring unit for measuring a temperature between the light collecting unit and the light transmission window, the light collecting unit, the light transmission window, and the reflection unit provided on the optical axis. With measuring means The holding means is a housing that holds the light transmission window and the reflection portion facing each other, and has an opening for introducing the temperature measurement object into the inside, and the light transmission window and the reflection portion To form a measurement area of the temperature measurement object introduced between .
[0017]
Thereby, not only the temperature of the temperature measurement target but also the temperature other than the measurement target in the optical path through which the laser light passes can be measured.
For this reason, when performing temperature measurement by heterodyne interferometry, even if the temperature change of the temperature measurement target affects the surrounding temperature, it is possible to correct errors due to temperature changes other than the measurement target in the optical path. It becomes possible, and the accuracy of temperature measurement can be improved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a temperature sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view for explaining the principle of a temperature measurement method using heterodyne interferometry according to an embodiment of the present invention.
[0019]
In FIG. 1, part of the laser light emitted from the He—Ne laser 1 is transmitted through the half mirror 2 to generate the reference light Lr, and part of the laser light emitted from the He—Ne laser 1 is Reflected by the half mirror 2, the test light Ls is generated.
Then, the reference light Lr that has passed through the half mirror 2 passes through the reference region 3, is reflected by the mirror 4, and then a part of the reference light Lr is reflected by the half mirror 5.
[0020]
On the other hand, the test light Ls reflected by the half mirror 2 is reflected by the mirror 6, is then frequency shifted by the frequency shifter 7, and passes through the measurement region 8.
A part of the test light Ls transmitted through the measurement region 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.
The detector 9 detects a frequency difference between the reference light Lr and the test light Ls as a beat frequency.
[0021]
Here, since the phase of the test light Ls that has passed through the measurement region 8 changes corresponding to 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 region 8 depends on the change in the gas density in the measurement region 8, and the change in the gas density in the measurement region 8 depends on the temperature change in the gas in the measurement region 8.
[0022]
For this reason, the temperature of the gas in the measurement region 8 can be measured by detecting the frequency difference between the reference light Lr and the test light Ls as the beat frequency.
That is, the beam intensities of the reference light Lr and the test light Ls are expressed as I 0 Then, the interference signal I can be expressed by the following equation.
[0023]
[Expression 1]
Figure 0004214190
[0024]
Where f b Is the beat frequency, ψ t Is the phase change of the substance in the measurement region 8.
Further, the phase change of the heterodyne signal measured from the start of measurement to time t is expressed as ψ H Then, when the phase of the gas in the measurement region 8 changes, the phase change amount ψ of the measurement signal H Changes.
Here, the phase change amount ψ of the measurement signal H Is the phase change ψ of the gas in the measurement region 8 t And has the following relationship:
[0025]
[Expression 2]
Figure 0004214190
[0026]
Further, the phase change ψ of the gas in the measurement region 8 t Is the refractive index change n of the gas in the measurement region 8 t And has the following relationship:
ψ t = 2πφ t / Λ s = 2πn t L t / Λ s ... (3)
However, φ t Is the optical path length change in the measurement region 8, L t Is the length of the measurement area 8, λ s Is the frequency of the test light Ls.
[0027]
Also, the refractive index change n of the gas t Is the beat frequency f b To change the beat frequency f as shown below: b Is a function f of time t b (T).
f b → f b (T) (4)
Then, if the equation (4) is substituted into the equation (2), the phase change ψ in the measurement region 8 t Can be obtained by the following equation.
[0028]
[Equation 3]
Figure 0004214190
[0029]
On the other hand, the refractive index change n of the gas t And the density ρ of the gas can be approximately obtained 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)
However, R Gt Is a Gladstone-Dale constant, which can be determined by the wavelength of the laser 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 region 8.
[0030]
Note that the Gladstone-Dale constant R of the s-type mixed gas Gt Is the molar fraction X of the i component gas, as shown in the following equation: i Can be obtained from
[0031]
[Expression 4]
Figure 0004214190
[0032]
However, R ti Is the Gladstone-Dale constant of the i component gas.
Therefore, the temperature T of the gas in the measurement region 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 initial pressure P t0 And pressure T t0 Is known and the gas composition in the measurement region 8 is unchanged, the gas pressure and phase change ψ in the measurement region 8 t By measuring the gas temperature T in the measurement region 8 t Can be obtained.
[0033]
Further, the change in the liquid temperature in the measurement region 8 can also be obtained by measuring the change in the beat frequency.
Here, the phase change amount ψ in the measurement region 8 t And refractive index n t Have the following relationship:
ψ t = 2πn t L t / Λ (9)
However, L t Is the length of the measurement region 8, and λ is the wavelength of the laser.
[0034]
The refractive index n of the liquid t And density ρ t Can be represented 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)
However, M t Is the molecular weight of the liquid to be measured, R Lt Is the molar refractive index, a constant determined by the wavelength λ of the laser used and the liquid to be measured.
[0035]
Therefore, by using the equations (9) and (10), the density ρ t Can be calculated by the following equation.
ρ t = (A 2 -1) M t / ((2 + A 2 ) R Lt (11)
However, A is represented by the following formula:
A = ψ t λ / (2πL t )
+ √ ((1 + 2ρ t0 R Lt / M t ) / (1-ρ t0 R Lt / M t ))
Ρ t0 Is the initial density of the liquid.
[0036]
And the temperature of a liquid can be calculated | required by (11) Formula and the relationship between the temperature and density of a liquid.
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a temperature measuring apparatus using heterodyne interferometry according to an 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 acoustooptic device 12, and the frequency is changed by the heterodyne acoustooptic device 12 (Bragg cell type). Two beams that are frequency-shifted to different frequencies such as 80.0 MHz and 79.9875 MHz, and 80.0 MHz and 79.975 MHz are separated into P-polarized light and S-polarized light, respectively.
[0037]
In the following embodiments, the P-polarized beam is set to 80.125 MHz, and the S-polarized beam is set to 80. 1 MHz.
Then, one beam separated into P-polarized light and S-polarized light is reflected by the mirror 13 and the polarization beam splitter 14, and the other beam separated into P-polarized light and S-polarized light is transmitted through the polarization beam splitter 14. Are combined into one beam.
[0038]
A part of the light combined with one beam is transmitted through the half mirror 15 to generate the test light Ls, and a part of the light combined with one beam is the half mirror 15. And the reference light Lr is generated.
The reference light Lr reflected by the half mirror 15 enters the polarizing filter 16 and interferes therewith, and then enters the phototransistor 17.
[0039]
When the interference light generated by the polarization filter 16 enters 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 separated into two beams each having a polarization plane of P-polarized light and S-polarized light.
[0040]
Then, the beam having the polarization plane of P-polarized light separated by the polarization beam splitter 18 passes through the polarization beam splitter 18 and enters the quarter wavelength plate 21.
The beam having the polarization plane of P-polarized light incident on the quarter-wave plate 21 is converted into circularly-polarized light, reflected by the mirror 22, and incident on the quarter-wave plate 21.
The circularly polarized beam incident on the quarter-wave plate 21 is converted to S-polarized light by the quarter-wave plate 21 and then reflected by the polarization beam splitter 18.
[0041]
Here, by converting a beam having a polarization plane of P-polarized light into circularly-polarized light, it becomes difficult to be influenced by surrounding gas fluctuations, and measurement accuracy can be improved.
On the other hand, the beam having the polarization plane of S-polarized light separated by the polarization beam splitter 18 is reflected by the polarization beam splitter 18 and enters the SELFOC microlens 24 through the half-wave plate 23.
[0042]
Then, the light incident on the SELFOC microlens 24 is collimated by reducing the beam diameter, and then enters the polarization-preserving optical fiber 25.
Here, by providing the SELFOC microlens 24 in front of the polarization-maintaining optical fiber 25, the laser beam can be efficiently incident on the polarization-maintaining optical fiber 25.
[0043]
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. The Selfoc microlens 32, the optical window 33, and the mirror 35 are arranged in the temperature sensor 31 so that their optical axes coincide with each other. In addition, a measurement region 34 through which the gas 27 can enter is provided between the optical window 33 and the mirror 35.
[0044]
For example, sapphire can be used as the material of the optical window 33.
The temperature sensor 31 is fixed so that the tip of the temperature sensor 31 protrudes from the sensor mounting surface 26, and the measurement region 34 and the mirror 35 are exposed to the gas 27.
[0045]
The laser beam guided to the temperature sensor 31 via the polarization-preserving optical fiber 25 is incident on the Selfoc microlens 32 and collimated, and then travels straight through the space in the temperature sensor 31 to optically. The light passes through the window 33.
When the laser beam passes through the optical window 33, the laser beam enters the gas 27.
[0046]
The laser beam incident on 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 travels straight in the gas 27, the phase of the laser beam changes according to the refractive index change of the gas 27 and the traveling distance in the gas 27.
[0047]
Then, the laser beam reflected by the mirror 35 and transmitted again through the optical window 33 travels backward in the space in the temperature sensor 31 and is incident again on the Selfoc microlens 32 to be collimated. The light enters the storage optical fiber 25 again.
Then, the laser beam incident on the polarization-preserving optical fiber 25 is returned to the Selfoc microlens 24, collimated, and then incident on the polarization beam splitter 18 via the half-wave plate 23 to be polarized. It passes through the beam splitter 18.
[0048]
The laser beam that has passed through the polarizing beam splitter 18 is combined with the laser beam reflected by the polarizing beam splitter 18 to form a single beam that enters the polarizing filter 19 and interferes with it, and then enters the phototransistor 20. Incident.
When the interference light generated by the polarization filter 19 enters the phototransistor 20, the beat frequency is detected as a test signal.
[0049]
The test signal detected by the phototransistor 20 is stored in a 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 calculated from 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, a mixed gas of fuel and air compressed by flame propagation or a combustion gas whose temperature has changed due to combustion is refracted as the density changes. The rate changes.
[0050]
When the refractive index of these gases 27 changes, the phase of the laser beam passing through the measurement region 34 changes, so the phase difference between the reference signal and the test signal changes, and the interference light intensity changes.
The change in the interference light intensity can be expressed as the phase information of the beat signal by the heterodyne interferometer.
[0051]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the temperature sensor 31 according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 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 region 34 between the optical window 33 and the mirror 35. Yes.
[0052]
Here, the mirror 35 is formed of a metal or the like in a cylindrical shape, and is attached to the distal end portion of the cylindrical casing 41 in a state where the mirror 35 is detachable by a bolt 42.
By configuring the mirror 35 with metal, the heat resistance of the mirror 35 can be improved, and the reliability when measuring the temperature of a high-temperature gas such as engine combustion gas can be improved. .
[0053]
Further, when the mirror 35 is fixed to the cylindrical housing 41 with the bolt 42, the mirror 35 is inserted along the optical axis direction from the tip of the cylindrical housing 41 and is tightened with the bolt 42 in the insertion direction of the mirror 35. To do.
Thus, the bolt 42 can be housed in the cylindrical housing 41, the bolt 42 can be prevented from protruding from the cylindrical housing 41, and the temperature sensor 31 can be made compact. Since the mirror 35 can be detachably attached, the mirror 35 can be easily cleaned or replaced when it becomes dirty with soot generated from the combustion gas.
[0054]
An opening 34 a is provided in the measurement region 34 so that the gas 27 can enter the space on the optical axis between the optical window 33 and the mirror 35.
Furthermore, the optical window 33 is formed in a cylindrical shape, for example, of sapphire, and is attached to the cylindrical housing 41 in a state where it can be attached and detached with a bolt 44.
And by comprising the optical window 33 with sapphire, it becomes possible to improve the heat resistance of the optical window 33 while ensuring good light transmission, and the temperature of high-temperature gas such as engine combustion gas is measured. It becomes possible to improve the reliability.
[0055]
Here, when the optical window 33 is fixed 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 with 44.
Accordingly, the bolt 44 can be accommodated in the cylindrical housing 41, the bolt 44 can be prevented from protruding from the cylindrical housing 41, and the temperature sensor 31 can be made compact. The optical window 33 can be detachably attached and can be easily cleaned or replaced when the optical window 33 is contaminated with soot or the like generated from combustion gas.
[0056]
The bolt 44 has an opening 44a 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 the bolt 44. Can be prevented from being blocked.
A gasket 43 corresponding to the outer shape of the optical window 33 is provided on the front surface of the optical window 33.
[0057]
Here, the gasket 43 can be configured in a ring shape with, 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 The thickness can be 1.8 mmφ and the thickness can be 0.1 mm.
Then, by providing the ring-shaped gasket 43 on the front surface of the optical window 33, it is possible to seal the gap between the outer edge of the optical window 33 on the measurement region 34 side and the cylindrical housing 41.
[0058]
For this reason, the gas 27 that has entered the measurement region 34 leaks outside from the gap between the optical window 33 and the cylindrical housing 41 while preventing the path of the laser beam from being blocked by the gasket 43. Therefore, it is possible to accurately measure temperature changes such as combustion gas in the engine that becomes high temperature and high pressure.
An adapter 45 for converting the outer diameter of the cylindrical housing 41 is detachably fitted to the outer periphery of the cylindrical housing 41.
[0059]
Here, the adapter 45 has a two-stage structure, and a ring-shaped gasket 46 is provided on the rear stage surface of the adapter 45.
By providing the adapter 45 on the outer periphery of the cylindrical housing 41, the tip of the temperature sensor 31 can be inserted while maintaining airtightness even when the hole diameters are different. Can be measured.
[0060]
For example, an M5 screw 41a can be cut on the outer peripheral surface of the cylindrical casing 41.
As a result, it becomes possible to attach the temperature sensor 31 to the engine in the same manner as the method of attaching a pressure sensor in a general engine cylinder, and it is possible to install the temperature sensor 31 without modifying the practical engine. Become.
[0061]
Further, the temperature sensor 31 is provided with a cylindrical casing 50 having an outer diameter larger than the outer diameter of the cylindrical casing 41 and into which the rear end portion of the cylindrical casing 41 can be inserted. A ring-shaped gasket 47 is provided on the distal end surface of the body 50.
In addition, a shutter 49 for blocking the 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 unit 51 is provided.
[0062]
Here, the optical axis adjusting lens holding portion 51 is formed in a cylindrical shape so that it can be accommodated in the cylindrical housing 50, and the outer diameter of the optical axis adjusting lens holding portion 51 is the same as 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.
[0063]
Further, the inner peripheral surface of the cylindrical casing 50 is processed into a spherical shape corresponding to the shape of the tip portion of the optical axis adjusting lens holding portion 51, and the inner peripheral surface of the cylindrical casing 50 is adjusted to the optical axis. The lens holding portion 51 is configured to be able to come into surface contact with the outer peripheral surface of the tip portion.
A retainer 52 for fixing the optical axis adjustment lens holding portion 51 in the optical axis direction is provided on the rear side of the optical axis adjustment lens holding portion 51, and the tip of the retainer 52 has an optical axis adjustment lens. It is processed into a spherical shape corresponding to the shape of the rear end portion of the holding portion 51.
[0064]
A cylindrical screw 53 is provided on the outer peripheral surface of the cylindrical housing 50 to fix the optical axis adjusting lens holding portion 51 from the periphery.
An optical fiber 57 is coupled to the rear end of the optical axis adjusting lens holding portion 51, and a pipe 56 that protects the optical fiber 57 is provided around the optical fiber 57. A guide 54 for preventing the optical fiber 57 from being bent is provided.
[0065]
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 casing 50 larger than the outer diameter of the cylindrical casing 41, the size of the measurement region 34 is reduced while enabling the optical axis alignment of the Selfoc microlens 32. It becomes possible.
[0066]
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 an actual machine.
Further, by holding the SELFOC microlens 32 in the cylindrical housing 50 using the optical axis adjusting lens holding unit 51, the inclination of the optical axis adjusting lens holding unit 51 is adjusted, and 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.
[0067]
Furthermore, the Selfoc microlens 32 is not directly held by the cylindrical housing 50, but is held via the optical axis adjustment lens holding portion 51, thereby enabling the Selfoc microlens 32 to be aligned with the optical axis. The Selfoc microlens 32 can be separated from the cylindrical housing 50, and the heat of the gas 27 can be made difficult to be transmitted to the Selfoc microlens 32.
[0068]
For this reason, even when the temperature of the combustion gas or the like is measured, the selfoc microlens 32 can be prevented from being exposed to a high temperature, and the characteristic deterioration of the selfock microlens 32 can be suppressed.
Furthermore, it becomes possible to separate the optical fiber 57 from the measurement region 34, making it difficult for heat to be transmitted to the optical fiber 57, and suppressing a phase change caused by the optical fiber 57.
[0069]
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an optical axis alignment method for a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 4, when the optical axis of the temperature sensor 31 is aligned, the light exit surface of the Selfoc micro lens 32 is tilted by moving the rear end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51 up and down and left and right.
[0070]
Therefore, by removing the screw 55, the pipe 56 is removed from the cylindrical housing 50, and the screw 55 and the pipe 56 are moved along the optical fiber 57, whereby the cylindrical housing 50 and the pipe 56 are separated.
Then, the screw 53 and the retainer 52 are loosened, and the rear end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51 is moved up and down while pressing the front end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51 against the inner peripheral surface of the cylindrical housing 50. The optical axis of the temperature sensor 31 is adjusted by moving it left and right.
[0071]
Here, the outer peripheral surface of the tip portion of the optical axis adjusting lens holding portion 51 is processed into a spherical shape, and the inner peripheral surface of the cylindrical housing 50 is the shape of the tip portion of the optical axis adjusting lens holding portion 51. The optical axis adjustment lens holding portion 51 is pressed in an arbitrary direction while pressing the tip end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51 against the inner peripheral surface of the cylindrical housing 50. The optical axis alignment of the temperature sensor 31 can be performed stably.
[0072]
When the optical axis alignment of the temperature sensor 31 is completed, the rear end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51 is fastened by the retainer 52, thereby fixing the optical axis adjustment lens holding portion 51 in the optical axis direction.
Here, the outer peripheral surface of the rear end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51 is processed into a spherical shape, and the front end portion of the retainer 52 corresponds to the shape of the rear end portion of the optical axis adjustment lens holding portion 51. Thus, even when the optical axis adjustment lens holding portion 51 is inclined, the optical axis adjustment lens holding portion 51 can be tightened in the optical axis direction while maintaining the inclination. This makes it possible to stably fix the optical axis adjusting lens holding portion 51.
[0073]
When the optical axis adjusting lens holding part 51 is fixed in the optical axis direction by the retainer 52, the optical axis adjusting lens holding part 51 is fixed from the periphery by the screw 53.
Then, when the optical axis adjusting lens holding portion 51 is fixed by the retainer 52 and the scissors screw 53, the pipe 56 is attached to the cylindrical housing 50 and fixed by the screw 55.
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.
[0074]
For this reason, temperature measuring means for measuring the initial temperature of the gas 27 may be provided in the measurement region 34, and when the initial temperature of the gas 27 is measured, high responsiveness is not required. For example, an inexpensive thermocouple can be used.
As a result, it is possible to directly measure the initial temperature of the gas 27 while suppressing the increase in size and cost of the temperature sensor, and it is possible to improve the temperature measurement accuracy by the heterodyne interferometry.
[0075]
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 the sensor attachment surface. 26, the region R3 of the temperature sensor 31 is exposed to the outside air.
The laser beam incident on the temperature sensor 31 passes through the gas 27 on the measurement region 34 side with the optical window 33 as a boundary, and passes through the air on the opposite side of the measurement region 34.
[0076]
For this reason, for example, when measuring the temperature of the combustion gas in the combustion chamber of the engine, the temperature of the wall of the sensor mounting surface 26 is also high because the combustion gas is high, and the air in the region R2 of the temperature sensor 31 is also high. become.
Accordingly, when the laser beam travels through 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.
[0077]
Therefore, temperature measuring means for measuring the average temperature of the space on the optical path opposite to the measurement area 34 with respect to the optical window 33 may be provided, and the average temperature of the space on the optical path opposite to the measurement area 34 may be provided. Since high responsiveness is not required when measuring the temperature, for example, an inexpensive thermocouple can be used as the temperature measuring means.
Thereby, not only the temperature of the gas 27 but also the temperature of the space other than the measurement target in the optical path through which the laser beam passes can be measured. When the temperature measurement is performed by the heterodyne interferometry, the surroundings of the gas 27 are measured. It is possible to correct an error due to a temperature change in the space, and to improve the accuracy of temperature measurement.
[0078]
Further, in the temperature measurement method using the heterodyne interferometry, the phase change amount increases as the length of the measurement region 34 increases, so that the S / N ratio is improved and the temperature measurement resolution is also improved.
However, when the length of the measurement region 34 is increased, local temperature measurement becomes difficult, and when considering installation in a practical engine, the amount of protrusion into the cylinder increases, so the installation location is limited. .
On the other hand, when the length of the measurement region 34 is shortened, the S / N ratio is degraded and the temperature measurement resolution is also degraded, but local temperature measurement is possible and the installation location can be freely selected.
[0079]
For this reason, the length of the measurement region 34 needs to be determined in consideration of these conditions.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between the measurement unit length of the temperature sensor and the temperature measurement resolution according to an embodiment of the present invention. The relationship shown in FIG. 5 is that the amount of phase change is estimated based on the temperature history of unburned gas in spark ignition under conditions of a temperature of 660 K and a pressure of 3.2 MPa, and the relationship between the length of the measurement region 34 and the temperature measurement resolution is as follows. It is what I have requested.
[0080]
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the length of the measurement region 34, and the vertical axis indicates the minimum temperature reading.
From this result, it can be seen that as the length of the measurement region 34 becomes longer, the minimum temperature reading value becomes smaller and the temperature measurement resolution is improved.
In consideration of the temperature measurement resolution, the installation location in the practical engine, and the locality of the temperature measurement, it is preferable to set to about 13 mm by the double pass method.
[0081]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the temperature sensor according to the embodiment of the present invention is attached to the engine, and FIG. 7A is a view when the temperature sensor is viewed by cutting along the line AA in FIG. FIG. 7B is a top view showing the configuration of the cylinder head to which the temperature sensor is attached, and FIG. 8 is a perspective view when the engine to which the temperature sensor is attached is viewed from the direction B in FIG. It is.
[0082]
6 to 8, a cooling fin 63 is provided on the outer periphery of the 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. 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. 86 is inserted, and the intake port 85 a is connected to the carburetor 87.
[0083]
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.
In addition, one end of the intake rocker arm 81 is disposed on the intake valve 85, and one end of the exhaust rocker arm 82 is disposed on the exhaust valve 86. The end is disposed so as to contact the camshaft 69.
[0084]
In addition, a spark plug 67 is attached to the cylinder head 62, and the temperature sensor 31 is attached from the lateral direction, and the temperature sensor tip 31 a protrudes into the cylinder head 62.
The temperature sensor 31 is connected with an optical fiber 93 for taking out the sensor output, and the optical fiber 93 is protected by a bellows tube 94.
[0085]
Here, by protecting the optical fiber 93 with the bellows tube 94, the optical fiber 93 can be protected from the heat of the engine while ensuring flexibility.
Here, when attaching the temperature sensor 31 to a practical engine, it is possible to fix the temperature sensor 31 with the M5 screw 41a by removing the adapter 45 of FIG.
[0086]
When the temperature sensor 31 is attached to the cylinder head 62, the region R1 of the temperature sensor 31 in FIG. 5 protrudes 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.
[0087]
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 provided 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. The transmission drive side gear 78 is connected to the transmission driven side gear 80. Via a transmission driven shaft 79.
[0088]
An oil filter 74 is provided above the clutch 76, a generator 75 is provided at the end of the crankshaft 73, and a timing check window 92 is provided in the generator 75.
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.
[0089]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a compression / expansion engine used in a temperature sensor experiment according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 9, 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. Yes.
[0090]
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.
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.
[0091]
The expansion cylinder 111 is provided with an observation window 112 for observing the inside of the expansion cylinder 111, the expansion piston 113 is provided with a quartz piston head 113a, and a mirror 114 is attached at an inclination of 45 degrees. The combustion state in the combustion chamber can be visualized by the bottom view method.
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.
[0092]
A cylinder head 115 is provided on the expansion cylinder 111, and an ignition electrode 116 is attached to the cylinder head 115 from the lateral direction. On the cylinder head 115, a temperature sensor 31, a mushroom valve 117, and a pressure are provided. A conversion element 118 is attached, and the mushroom valve 117 is connected to the mixing tank 121 via a connecting pipe 126.
[0093]
The mixing tank 121 is provided with valves 122 to 124 for introducing gas, and a thermocouple 125 for measuring the temperature of the mixed gas in the mixing tank 121.
Here, when the temperature sensor 31 is attached to the experimental apparatus, it is possible to fix the temperature sensor 31 to the experimental apparatus with the screw 45a by attaching the adapter 45 of FIG. Airtightness can be maintained.
[0094]
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 in the TDC.
Next, the gas mixture generated in the mixing tank 121 is filled into the expansion cylinder 111 through the connecting pipe 126 until a predetermined pressure is reached.
[0095]
The expansion piston 113 is driven by rotating the flywheel 104 by the electric motor 106 via the belt 105 with the mushroom valve 117 opened.
Then, the BDC mushroom valve 117 after a certain time was closed, and the mixed gas was ignited by the ignition electrode 116 at BTDC 20 °.
[0096]
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, and is necessary for obtaining the temperature by the heterodyne interferometry. An initial temperature can be obtained.
And by using the temperature sensor 31, the gas temperature in the first compression / expansion stroke after the mushroom valve 117 was closed was measured by heterodyne interferometry.
[0097]
Here, in order to investigate the influence of mechanical vibration at the time of gas temperature measurement, gas temperature change was first measured by heterodyne interferometry during motoring.
FIG. 10A is a diagram showing the relationship between the crank angle, the phase change amount, and the pressure in the combustion chamber during motoring.
In FIG. 10A, the mushroom valve 117 is opened and the compression / expansion engine of FIG. 9 is filled with air up to atmospheric pressure at room temperature, then the mushroom valve 117 is closed and the engine is driven by the electric motor 106.
[0098]
Then, by using the temperature sensor 31 and the pressure conversion element 118, the phase change amount and pressure in the expansion cylinder 111 with respect to the crank angle were measured. The compression ratio is 9.7.
In the compression process, the phase change amount gradually increases with a gradual pressure increase up to a crank angle of 300 °.
[0099]
It can also be seen that the amount of phase change increases rapidly with a sudden pressure increase from 300 ° to 360 ° crank angle.
Then, based on the phase change amount and the pressure history in FIG. 10A, the gas temperature change in the expansion cylinder 111 was estimated using the equation (8).
FIG. 10B is a diagram showing the relationship between the crank angle and the temperature in the combustion chamber during motoring.
[0100]
In FIG. 10B, the temperature in the expansion cylinder 111 (black circle) obtained by the heterodyne interferometry was compared with the temperature calculated by assuming a polytropic change from the pressure in the expansion cylinder 111 (solid line).
As a result, although both values almost coincide with each other, there is a difference between the two values in the vicinity of a crank angle of 240 °.
[0101]
This is because, when the pressure is low, the amount of phase change is small, so that the phase reading error has an influence and the influence of vibration when the mushroom valve 117 is closed can be considered.
On the other hand, in the vicinity of TDC, the amount of phase change increases, and the influence of vibration when the mushroom valve 117 is closed is reduced. From the result of FIG. 10, it was found that the measurement of the gas temperature change by the heterodyne interferometry during motoring is sufficiently possible.
[0102]
Next, spark ignition was performed in a compression / expansion engine, and the temperature change of unburned gas was measured.
FIG. 11A is a diagram showing the relationship between the crank angle, the phase change amount, 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.
[0103]
In FIG. 11A, as in the case of motoring in FIG. 10A, the phase change amount gradually increases with a gradual pressure increase up to a crank angle of 340 °.
It can be seen that the amount of phase change increases rapidly with a rapid pressure rise from the crank angle of 340 ° until the flame passes through the measurement region 34, and the amount of phase change is larger than that during motoring. Further, the time when the test signal rapidly decreased was determined as the time when the flame passed through the measurement region 34.
[0104]
Based on the phase change amount and the pressure history of FIG. 11A, the temperature change of the unburned gas in the expansion cylinder 111 was estimated using the equation (8).
FIG.11 (b) is a figure which shows the relationship between the crank angle at the time of combustion of compressed gas, and a combustion chamber temperature.
In FIG. 11B, the temperature of the unburned gas in the expansion cylinder 111 (black circle) obtained by the heterodyne interferometry is compared with the temperature (solid line) calculated from the pressure in the expansion cylinder 111 using the following equation. did.
[0105]
Tm = Tig (Pt / Pig) ((κ-1) / κ) (12) where κ is a specific heat ratio of the unburned mixed gas, and has a temperature of 300K to 600K and a pressure of 0.1 to 3 MPa. The average value in the range was used as 1.380.
Comparing these two values, it can be seen that the temperature gradually increases as the mixed gas is compressed from the bottom dead center to the ignition timing, and the two values agree relatively well.
[0106]
Also, for the sudden temperature rise after ignition, the value obtained by the heterodyne interferometry is slightly higher than the value obtained using the equation (12), but both values are almost the same. I understand that.
From the above results, it was confirmed that the temperature change of the unburned gas in the engine can be locally measured by the heterodyne interferometry using the temperature sensor 31.
[0107]
In this experiment, a 25 kHz beat frequency signal was A / D converted and recorded at a sampling frequency of 500 kHz. At this time, one cycle is recorded at 20 points.
For this reason, if the change in the optical path length for 1/20 period is the minimum read value of the phase, the beat frequency changes as the pressure increases, so the minimum read value changes.
[0108]
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the temperature measurement resolution and the gas pressure of the temperature sensor according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 12, it can be seen that the temperature measurement resolution increases as the pressure increases. Further, the temperature measurement resolution immediately before the flame passes through the measurement region 34 is about 0.7K.
[0109]
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 region 34, it is possible to improve the temperature measurement resolution by performing these optimizations. it can.
[0110]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by providing a seal portion that seals between the light transmission window and the holding means, even when temperature measurement is performed by heterodyne interferometry, the temperature measurement object is the light transmission window. It is possible to prevent leakage from the joint surface to the outside, and to improve the accuracy of temperature measurement.
[0111]
In addition, it is possible to reduce the size of the temperature measurement region by increasing the diameter of the portion that holds the light condensing portion than the diameter of the portion that holds the light transmission window and the reflection portion, and the limited space It becomes possible to easily insert the temperature sensor into the.
Also, by holding the tilt of the light exit surface of the condensing unit in an adjustable state, it is possible to adjust the optical axis by adjusting the tilt of the light exit surface of the condensing unit. It is possible to improve the temperature measurement accuracy while suppressing the increase in size.
[0112]
In addition, by providing a temperature measurement means that measures the initial temperature of the temperature measurement target, it is possible to directly measure the initial temperature of the temperature measurement target, improving the accuracy of temperature measurement while reducing the labor involved in measurement. It becomes possible to make it.
In addition, by providing a temperature measuring means for measuring the temperature of the space between the light condensing unit and the light transmission window, it is possible to correct an error due to a change in the surrounding temperature when performing temperature measurement by heterodyne interferometry It becomes possible, and the accuracy of temperature measurement can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view for explaining the principle of a temperature measurement method using heterodyne interferometry according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a temperature measuring device using heterodyne interferometry according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an optical axis alignment method for a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the measurement unit length of the temperature sensor and the temperature measurement resolution according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which a temperature sensor according to an embodiment of the present invention is attached to an engine.
7A is a cross-sectional view when the temperature sensor side is seen by cutting along line AA in FIG. 6, and FIG. 7B is a configuration of a cylinder head to which the temperature sensor is attached. FIG.
FIG. 8 is a perspective view of the engine with the temperature sensor attached when viewed from the direction B in FIG. 6;
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a compression / expansion engine used in a temperature sensor experiment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 (a) is a diagram showing the relationship between the crank angle during motoring, the amount of phase change, and the pressure in the combustion chamber, and FIG. 10 (b) is the relationship between the crank angle and the temperature in the combustion chamber during motoring. It is a figure which shows a relationship.
FIG. 11 (a) is a diagram showing the relationship between the crank angle during combustion of compressed gas, the amount of phase change, and the pressure in the combustion chamber, and FIG. 10 (b) is the crank angle during combustion of compressed gas. It is a figure which shows the relationship with the temperature in a combustion chamber.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the temperature measurement resolution and the gas pressure of the temperature sensor according to one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,11 He-Ne laser
2, 5, 15 half mirror
3 Reference area
4, 6, 13, 22, 35, 114 mirror
7 Frequency shifter
8, 34 Measurement area
9 Detector
Lr Reference light
Ls test light
12 Acousto-optic elements
14, 18 Polarizing beam splitter
16, 19 Polarizing filter
17, 20 Phototransistor
21 1/4 wave plate
23 1/2 wave plate
24, 32 Selfoc micro lens
25 Optical fiber
26 Sensor mounting surface
27 Gas
31 Temperature sensor
31a Temperature sensor tip
33 Optical window
41, 50 Tubular housing
41a, 45a screw
42, 44 volts
43, 46, 47 Gasket
34a, 44a opening
45 adapter
49 Shutter
51 Lens holding part for optical axis adjustment
52 Retainer
53 芋 Screw
54 Guide
55 screws
56 pipes
57, 93 Optical fiber
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
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 thermocouple
126 Connecting pipe

Claims (7)

ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、
前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、
前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、
前記集光部、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する保持手段と、
前記光透過窓と前記保持手段との間をシールするシール部と、を備え、
前記保持手段は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持する筐体であって、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする温度センサ。An optical fiber that transmits laser light for heterodyne interference;
A condensing unit for condensing laser light emitted from the optical fiber;
A light transmission window that transmits the laser light collected by the light collecting unit;
A reflection part for reflecting the laser light transmitted through the light transmission window;
Holding means for holding the light collecting section, the light transmission window, and the reflection section on an optical axis;
A seal portion that seals between the light transmission window and the holding means ,
The holding means is a casing that holds the light transmission window and the reflection portion so as to face each other, and has an opening for introducing the temperature measurement object therein, and the light transmission window, the reflection portion, and the like. A temperature sensor characterized by forming a measurement region of a temperature measurement object introduced between the two . 前記シール部は、前記光透過窓の前面に密着配置されたリング状ガスケットであることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。  The temperature sensor according to claim 1, wherein the seal portion is a ring-shaped gasket disposed in close contact with the front surface of the light transmission window. ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、
前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、
前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、
前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する第１の筒状筐体と、
前記第１の筒状筐体よりも大きな径で構成され、前記集光部を前記光軸上に保持する第２の筒状筐体とを備え、
前記第１の筒状筐体は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持し、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする温度センサ。An optical fiber that transmits laser light for heterodyne interference;
A condensing unit for condensing laser light emitted from the optical fiber;
A light transmission window that transmits the laser light collected by the light collecting unit;
A reflection part for reflecting the laser light transmitted through the light transmission window;
A first cylindrical housing that holds the light transmission window and the reflecting portion on an optical axis;
Consists of a larger diameter than said first cylindrical housing, and a second cylindrical housing for holding the condensing unit on the optical axis,
The first cylindrical housing has an opening for holding the light transmission window and the reflection portion facing each other and introducing the temperature measurement object therein, and the light transmission window, the reflection portion, and the like. A temperature sensor characterized by forming a measurement region of a temperature measurement object introduced between the two . ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、
前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、
前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、
前記光透過窓と前記反射部との間に温度測定対象が入り込み可能な状態で、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する第１の筒状筐体と、
前記第１の筒状筐体に連結され、前記集光部の光出射面の傾きを調整可能な状態で前記集光部を保持する第２の筒状筐体とを備え、
前記第１の筒状筐体は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持し、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする温度センサ。An optical fiber that transmits laser light for heterodyne interference;
A condensing unit for condensing laser light emitted from the optical fiber;
A light transmission window that transmits the laser light collected by the light collecting unit;
A reflection part for reflecting the laser light transmitted through the light transmission window;
A first cylindrical housing that holds the light transmission window and the reflection portion on an optical axis in a state in which a temperature measurement object can enter between the light transmission window and the reflection portion;
A second cylindrical casing connected to the first cylindrical casing and holding the condensing part in a state in which the inclination of the light exit surface of the condensing part can be adjusted ;
The first cylindrical housing has an opening for holding the light transmission window and the reflection portion facing each other and introducing the temperature measurement object therein, and the light transmission window, the reflection portion, and the like. A temperature sensor characterized by forming a measurement region of a temperature measurement object introduced between the two . 前記第２の筒状筐体は、
前記集光部を内部に保持し、先端部分および後端部分の外周面が球面状に加工された内側筒状筐体と、
前記内側筒状筐体を傾き可能な状態で内部に保持し、前記内側筒状筐体の先端部分の外周面に対応して球面上に加工された内周面を有する外側筒状筐体とを備えることを特徴とする請求項４記載の温度センサ。The second cylindrical housing is
An inner cylindrical housing that holds the light condensing part inside, and whose outer peripheral surfaces of the front end part and the rear end part are processed into a spherical shape,
An outer cylindrical housing that holds the inner cylindrical housing in an inclinable state and has an inner peripheral surface processed on a spherical surface corresponding to the outer peripheral surface of the tip portion of the inner cylindrical housing; The temperature sensor according to claim 4, further comprising: ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、
前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、
前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、
前記光透過窓と前記反射部との間に温度測定対象が入り込み可能な状態で、前記集光部、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する保持手段と、
前記保持手段に設けられ、前記温度測定対象の初期温度を計測する温度計測手段とを備え、
前記保持手段は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持する筐体であって、前 記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする温度センサ。An optical fiber that transmits laser light for heterodyne interference;
A condensing unit for condensing laser light emitted from the optical fiber;
A light transmission window that transmits the laser light collected by the light collecting unit;
A reflection part for reflecting the laser light transmitted through the light transmission window;
Holding means for holding the condensing unit, the light transmitting window, and the reflecting unit on an optical axis in a state in which a temperature measurement object can enter between the light transmitting window and the reflecting unit;
A temperature measuring means provided in the holding means for measuring an initial temperature of the temperature measuring object ;
It said holding means, and said light transmissive window the reflective portion a housing for holding in opposition, has an opening for introducing the pre-Symbol temperature measured therein, the said light transmissive window reflecting portion A temperature sensor characterized by forming a measurement region of a temperature measurement object introduced between the two . ヘテロダイン干渉用のレーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を集光させる集光部と、
前記集光部で集光されたレーザ光を透過させる光透過窓と、
前記光透過窓を透過したレーザ光を反射させる反射部と、
前記光透過窓と前記反射部との間に温度測定対象が入り込み可能な状態で、前記集光部、前記光透過窓および前記反射部を光軸上に保持する保持手段と、
前記保持手段に設けられ、前記集光部と前記光透過窓との間の温度を計測する温度計測手段とを備え、
前記保持手段は、前記光透過窓と前記反射部とを対向させて保持する筐体であって、前記温度測定対象を内部に導入する開口部を有し、前記光透過窓と前記反射部との間に導入された温度測定対象の計測領域を形成することを特徴とする温度センサ。An optical fiber that transmits laser light for heterodyne interference;
A condensing unit for condensing laser light emitted from the optical fiber;
A light transmission window that transmits the laser light collected by the light collecting unit;
A reflection part for reflecting the laser light transmitted through the light transmission window;
Holding means for holding the condensing unit, the light transmitting window, and the reflecting unit on an optical axis in a state in which a temperature measurement object can enter between the light transmitting window and the reflecting unit;
A temperature measuring means provided on the holding means for measuring a temperature between the light collecting section and the light transmission window ;
The holding means is a casing that holds the light transmission window and the reflection portion so as to face each other, and has an opening for introducing the temperature measurement object therein, and the light transmission window, the reflection portion, and the like. A temperature sensor characterized by forming a measurement region of a temperature measurement object introduced between the two .
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