JP4214191B2 - 温度計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は温度計測装置、信号処理装置および信号処理プログラムに関し、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、温度計測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、従来のヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法では、参照信号と試験信号とをオシロスコープでデータレコーダに取り込み、このデータレコーダに取り込んだ参照信号と試験信号とからビート周波数の位相変化を算出し、温度計測領域での気体の圧力値をさらに用いて気体温度を算出する必要があった。
【０００６】
このため、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法では、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるために手間がかかり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが困難であるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測を効率化することが可能な温度計測装置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、請求項１記載の温度計測装置によれば、ビート信号を生成するための参照光と試験光とを発生させるヘテロダイン干渉用光学系と、前記試験光に位相変化を検出させる温度計測領域が設けられた温度センサと、前記ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と前記温度計測領域を通過した試験光とのビート周波数差を検出する位相計と、前記位相計によって検出されたビート周波数差に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出する信号処理手段とを備え、前記ビート周波数差の検出から前記温度計測領域の温度の算出までの処理を一貫して行うことを特徴とする。
【０００８】
これにより、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差を検出し、温度計測領域の温度を算出するまでの処理を温度計測装置に一貫して行わせることが可能となる。
このため、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが可能となる。
【０００９】
また、請求項２記載の温度計測装置によれば、前記温度センサは、前記試験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を備え、前記温度計測領域は、温度測定対象が入り込み可能な状態で前記光透過窓と前記反射部との間に設けられている。
【００１０】
これにより、温度センサの先端を温度測定対象内に挿入することで、試験光の位相変化を検出することが可能となり、温度センサの設置場所の選定を容易化することが可能となるとともに、温度計測領域から光ファイバを切り離すことを可能として、光ファイバを熱から保護することができ、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに容易に適用することが可能となる。
【００１１】
また、請求項３記載の温度計測装置によれば、前記信号処理手段は、ヘテロダイン干渉法による参照信号と試験信号とのビート周波数差に基づいて、前記温度計測領域を通過したレーザ光の位相変化を算出する位相変化算出手段と、前記位相変化算出手段により算出された位相変化に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出する温度算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
これにより、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差から位相変化を算出することが可能となり、温度計測領域の温度を容易に算出することが可能となる。
また、請求項４記載の温度計測装置によれば、前記温度算出手段は、前記位相変化算出手段により算出された前記位相変化に基づいて、前記温度計測領域の屈折率変化を算出する屈折率算出手段と、前記屈折率算出手段により算出された屈折率変化に基づいて、前記温度計測領域の密度変化を算出する密度算出手段とを備え、前記密度変化に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出することを特徴とする。
【００１３】
これにより、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差から温度計測領域の密度変化を算出することが可能となり、温度計測領域のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムで算出することが可能となる。
また、請求項５記載の温度計測装置によれば、前記屈折率算出手段は、前記温度計測領域が気体の場合、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式を適用することにより屈折率変化を算出し、前記温度計測領域が液体の場合、Ｌｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式を適用することにより屈折率変化を算出することを特徴とする。
【００１４】
これにより、気体および液体の双方について、試験光の位相変化から温度計測領域における屈折率変化を容易に算出することが可能となり、様々な物質のミリ秒オーダー程度の温度変化を容易に算出することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る温度計測装置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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
【数１】
【００２３】
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。
【００２４】
【数２】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【数３】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
【数４】
【００３１】
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および温度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。
【００３２】
また、ビート周波数の変化を計測することにより、測定領域８での液体温度の変化も求めることもできる。
ここで、測定領域８での位相変化量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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、（１１）式と、液体の温度と密度の関係により、液体の温度を求めることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係るヘテロダイン干渉法を用いた温度計測装置の概略構成を示す平面図である。
図２において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１（例えば、出力１ｍＷ、波長６２３．８ｎｍ）から出射されたレーザ光は音響光学素子１２に入射され、ヘテロダイン用音響光学素子１２（ブラッグセル式）にて、周波数が８０．０ＭＨｚと７９．９８７５ＭＨｚや、８０．０ＭＨｚと７９．９７５ＭＨｚなどの異なる周波数に周波数シフトされ、周波数シフトされた２本のビームは、それぞれＰ偏光およびＳ偏光に分離される。
【００３６】
なお、以下の実施形態では、Ｐ偏光のビームを８０．１２５ＭＨｚ、Ｓ偏光のビームを８０．１ＭＨｚに設定した。
そして、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離された一方のビームは、ミラー１３および偏光ビームスプリッタ１４で反射され、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離された他方のビームは、偏光ビームスプリッタ１４を透過することで、１本のビームに合波される。
【００３７】
そして、１本のビームに合波された光の一部は、ハーフミラー１５を透過し、試験光Ｌｓが生成されるとともに、１本のビームに合波された光の一部はハーフミラー１５で反射され、参照光Ｌｒが生成される。
そして、ハーフミラー１５で反射された参照光Ｌｒは、偏光フィルタ１６に入射して干渉した後、フォトトランジスタ１７に入射する。
【００３８】
そして、偏光フィルタ１６で生成された干渉光がフォトトランジスタ１７に入射すると、２５ｋＨｚのビート周波数が参照信号として検出される。
一方、ハーフミラー１５を通過した試験光Ｌｓは偏光ビームスプリッタ１８に入射し、それぞれＰ偏光およびＳ偏光の偏波面を持つ２本のビームに分離される。
【００３９】
そして、偏光ビームスプリッタ１８で分離されたＰ偏光の偏波面を持つビームは、偏光ビームスプリッタ１８を透過し、１／４波長板２１に入射する。
そして、１／４波長板２１に入射したＰ偏光の偏波面を持つビームは、円偏光に変換された後、ミラー２２により反射され、１／４波長板２１に入射する。
そして、１／４波長板２１に入射した円偏光のビームは、１／４波長板２１にてＳ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１８により反射される。
【００４０】
ここで、Ｐ偏光の偏波面を持つビームを円偏光に変換することにより、周囲の気体変動の影響を受け難くして、計測精度を向上させることが可能となる。
一方、偏光ビームスプリッタ１８で分離されたＳ偏光の偏波面を持つビームは、偏光ビームスプリッタ１８で反射され、１／２波長板２３を介してセルフォックマイクロレンズ２４に入射する。
【００４１】
そして、セルフォックマイクロレンズ２４に入射した光は、ビーム径が絞られコリメート化された後、偏波面保存型光ファイバ２５に入射する。
ここで、偏波面保存型光ファイバ２５の前段にセルフォックマイクロレンズ２４を設けることにより、レーザービームを偏波面保存型光ファイバ２５に効率よく入射させることが可能となる。
【００４２】
そして、偏波面保存型光ファイバ２５に入射したビームは、温度センサ３１に導かれる。
ここで、温度センサ３１には、セルフォックマイクロレンズ３２、光学窓３３およびミラー３５が設けられ、セルフォックマイクロレンズ３２、光学窓３３およびミラー３５は光軸が一致するように、温度センサ３１内に配置されるとともに、光学窓３３とミラー３５との間には、ガス２７が侵入可能な計測領域３４が設けられている。
【００４３】
なお、光学窓３３の材料としては、例えば、サファイアを用いることができる。
そして、温度センサ３１は、温度センサ３１の先端がセンサ取り付け面２６から突き出るようにして固定され、計測領域３４およびミラー３５がガス２７に晒される。
【００４４】
そして、偏波面保存型光ファイバ２５を介して温度センサ３１に導かれたレーザービームは、セルフォックマイクロレンズ３２に入射し、コリメート化された後、温度センサ３１内の空間を直進して、光学窓３３を透過する。
そして、レーザービームが光学窓３３を透過すると、レーザービームは、ガス２７内に入射する。
【００４５】
そして、ガス２７内に入射したレーザービームは、ガス２７内を直進し、ミラー３５に反射されて、ガス２７内を再び直進し、光学窓３３を再び透過して、ガス２７内から抜け出す。
ここで、レーザービームがガス２７内を直進すると、ガス２７の屈折率変化およびガス２７内の進行距離に応じて、レーザービームの位相が変化する。
【００４６】
そして、ミラー３５に反射されて、光学窓３３を再び透過したレーザービームは、温度センサ３１内の空間を逆に進んで、セルフォックマイクロレンズ３２に再び入射し、コリメート化された後、偏波面保存型光ファイバ２５に再び入射する。
そして、偏波面保存型光ファイバ２５に入射したレーザービームは、セルフォックマイクロレンズ２４に戻されて、コリメート化された後、１／２波長板２３を介して偏光ビームスプリッタ１８に入射し、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。
【００４７】
そして、偏光ビームスプリッタ１８を透過したレーザービームは、偏光ビームスプリッタ１８により反射されたレーザービームと合波して、１本のビームとなり、偏光フィルタ１９に入射して干渉した後、フォトトランジスタ２０に入射する。
そして、偏光フィルタ１９で生成された干渉光がフォトトランジスタ２０に入射すると、ビート周波数が試験信号として検出される。
【００４８】
そして、フォトトランジスタ２０で検出された試験信号は、例えば、５００ｋＨｚのサンプリング周波数でメモリに記憶され、参照信号と試験信号とのビート周波数の違いから、参照光Ｌｒと試験光Ｌｓとの位相差を算出することができる。
ここで、例えば、温度センサ３１をエンジンの燃焼室に取り付けた場合、火炎伝播により圧縮された燃料と空気の混合ガスや、燃焼により温度が変化した燃焼ガスは、密度の変化に伴って、屈折率が変化する。
【００４９】
そして、これらのガス２７の屈折率が変化すると、計測領域３４を通過するレーザービームの位相が変化するため、参照信号と試験信号の位相差が変化し、干渉光強度が変化する。
そして、干渉光強度の変化を、ヘテロダイン干渉計によるビート信号の位相情報として表わすことができる。
【００５０】
図３は、本発明の一実施形態に係る温度センサ３１の構成を示す断面図である。
図３において、温度センサ３１には、光学窓３３およびミラー３５を光軸上に保持するとともに、光学窓３３とミラー３５との間に計測領域３４を形成する筒状筐体４１が設けられている。
【００５１】
ここで、ミラー３５は、金属などで円筒状に構成され、ボルト４２により脱着自在な状態で、筒状筐体４１の先端部分に取り付けられている。
そして、ミラー３５を金属で構成することにより、ミラー３５の耐熱性を向上させることが可能となり、エンジンの燃焼ガスなどの高温気体の温度を計測する際の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５２】
また、ミラー３５をボルト４２で筒状筐体４１に固定する場合、筒状筐体４１の先端から光軸方向に沿ってミラー３５を挿入し、ミラー３５の挿入方向にボルト４２で締め付けるようにする。
これにより、ボルト４２を筒状筐体４１内に収めることが可能となり、ボルト４２が筒状筐体４１から突出することを防止して、温度センサ３１のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、ミラー３５を脱着自在に取り付けることを可能として、ミラー３５が燃焼ガスから発生する煤などで汚れた場合に容易に洗浄または交換することが可能となる。
【００５３】
また、計測領域３４には開口部３４ａが設けられ、光学窓３３とミラー３５との間の光軸上の空間にガス２７が侵入できるようにされている。
さらに、光学窓３３は、例えば、サファイアなどで円筒状に構成され、ボルト４４により脱着自在な状態で筒状筐体４１に取り付けられている。
そして、光学窓３３をサファイアで構成することにより、良好な光透過性を確保しつつ、光学窓３３の耐熱性を向上させることが可能となり、エンジンの燃焼ガスなどの高温気体の温度を計測する際の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５４】
ここで、ボルト４４で光学窓３３を筒状筐体４１に固定する場合、筒状筐体４１の後端から光軸方向に沿って光学窓３３を挿入し、光学窓３３の挿入方向にボルト４４で締め付けるようにする。
これにより、ボルト４４を筒状筐体４１内に収めることが可能となり、ボルト４４が筒状筐体４１から突出することを防止して、温度センサ３１のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、光学窓３３を脱着自在に取り付けることを可能として、光学窓３３が燃焼ガスから発生する煤などで汚れた場合に容易に洗浄または交換することが可能となる。
【００５５】
また、ボルト４４には、中心軸に沿って開口部４４ａが形成され、ボルト４４で光学窓３３を締め付けるために、ボルト４４を光軸上に配置した場合においても、レーザービームの進路がボルト４４により遮断されることを防止することができる。
また、光学窓３３の前面には、光学窓３３の外形に対応したガスケット４３が設けられている。
【００５６】
ここで、ガスケット４３は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレスなどでリング状に構成することができ、例えば、光学窓３３の径が２．５ｍｍφとすると、ガスケット４３の外径は２．５ｍｍφ、内径は１．８ｍｍφ、厚みは０．１ｍｍとすることができる。
そして、リング状のガスケット４３を光学窓３３の前面に設けることにより、計測領域３４側の光学窓３３の外縁部と筒状筐体４１との間の隙間をシールすることが可能となる。
【００５７】
このため、レーザービームの進路がガスケット４３により遮断されることを防止しつつ、計測領域３４に進入したガス２７が光学窓３３と筒状筐体４１との間の隙間から外部に漏れ出すことを防止することができ、高温・高圧となるエンジン内の燃焼ガスなどの温度変化を精度よく計測することができる。
また、筒状筐体４１の外周には、筒状筐体４１の外径を変換するためのアダプタ４５が脱着自在に嵌め込まれている。
【００５８】
ここで、アダプタ４５は２段構造で構成され、アダプタ４５の後段面には、リング状のガスケット４６が設けられている。
そして、筒状筐体４１の外周にアダプタ４５を設けることにより、穴径が異なる場合においても、気密性を維持しつつ、温度センサ３１の先端を挿入することが可能となり、様々の気体の温度を計測することが可能となる。
【００５９】
なお、筒状筐体４１の外周面には、例えば、Ｍ５のネジ４１ａを切ることができる。
これにより、一般的なエンジン筒内の圧力センサの取り付け方法と同様の方法で温度センサ３１をエンジンに取り付けることが可能となり、実用機関を改造することなく、温度センサ３１を設置することが可能となる。
【００６０】
また、温度センサ３１には、筒状筐体４１の外径よりも大きな外径を有し、筒状筐体４１の後端部を挿入可能な筒状筐体５０が設けられ、筒状筐体５０の先端面には、リング状のガスケット４７が設けられている。
また、筒状筐体５０内には、レーザービームを遮るためのシャッタ４９が設けられるとともに、セルフォックマイクロレンズ３２を保持するとともに、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸を調整する光軸調整用レンズ保持部５１が設けられている。
【００６１】
ここで、光軸調整用レンズ保持部５１は、筒状筐体５０内に収容可能なように円筒状に構成され、光軸調整用レンズ保持部５１の外径は、筒状筐体５０の内径よりも小さく設定されて、筒状筐体５０内で光軸調整用レンズ保持部５１を傾けることが可能なように構成されている。
また、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分および後端部分の外周面は球面状に加工されている。
【００６２】
また、筒状筐体５０の内周面は、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の形状に対応して球面状に加工され、筒状筐体５０の内周面が、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の外周面に面接触できるように構成されている。
そして、光軸調整用レンズ保持部５１の後側には、光軸調整用レンズ保持部５１を光軸方向に固定するためのリテーナ５２が設けられ、リテーナ５２の先端は、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分の形状に対応して球面状に加工されている。
【００６３】
また、筒状筐体５０の外周面には、光軸調整用レンズ保持部５１を周囲から固定するための芋ネジ５３が設けられている。
また、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部には光ファイバ２５が結合され、光ファイバ２５の周囲には、光ファイバ２５を保護するパイプ５６が設けられ、パイプ５６の先端には、光ファイバ２５の曲がりを防止するガイド５４が設けられている。
【００６４】
そして、ガイド５４が設けられたパイプ５６は、リング状のネジ５５により筒状筐体５０に脱着自在に固定されている。
ここで、筒状筐体５０の外径を筒状筐体４１の外径よりも大きくすることで、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを可能としつつ、計測領域３４の大きさを縮小することが可能となる。
【００６５】
このため、燃焼室内の限られたスペースに温度センサ３１を容易に挿入することが可能となり、実機を用いて温度計測を行なうことが可能となる。
また、光軸調整用レンズ保持部５１を用いてセルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０内に保持することにより、光軸調整用レンズ保持部５１の傾きを調整することで、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸を調整することが可能となり、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを容易に行うことが可能となる。
【００６６】
さらに、セルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０で直接保持するのではなく、光軸調整用レンズ保持部５１を介して保持することにより、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを可能としつつ、セルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０と切り離すことが可能となり、ガス２７の熱がセルフォックマイクロレンズ３２に伝わり難くすることができる。
【００６７】
このため、燃焼ガスなどの温度を測定する場合においても、セルフォックマイクロレンズ３２が高温に晒されることを抑制することができ、セルフォックマイクロレンズ３２の特性劣化を抑制することが可能となる。
さらに、光ファイバ２５を計測領域３４と切り離すことが可能となり、光ファイバ２５に熱が伝わり難くして、光ファイバ２５による位相変化を抑制することができる。
【００６８】
図４は、本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
図４において、温度計測装置２００には、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０１、ヘテロダイン干渉用光学系２０２、光電変換部２０３、位相計２０４、データ演算部２０５および表示部２０６が設けられ、温度計測装置２００は光ファイバ２１２を介してセンサ部２１１に接続されている。
【００６９】
なお、センサ部２１１、光ファイバ２１２およびヘテロダイン干渉用光学系２０２は、例えば、図２の構成を用いることができる。
そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０１で発生されたレーザ光はヘテロダイン干渉用光学系２０２に入射され、ヘテロダイン干渉用光学系２０２にてビート信号を生成するための参照光と試験光とが生成される。
【００７０】
ここで、ヘテロダイン干渉用光学系２０２で生成された試験光は、光ファイバ２１２を介してセンサ部２１１に入射し、センサ部２１１に入射した試験光は、温度計測領域の温度変化に基づいて位相が変化する。
そして、センサ部２１１に入射した試験光は、センサ部２１１にて反射され、光ファイバ２１２を介してヘテロダイン干渉用光学系２０２に戻され、ビート信号に変換された後、光電変換部２０３に入力される。
【００７１】
そして、光電変換部２０３でビート光が電気信号に変換された後、位相計２０４にて、参照信号と試験信号とのビート周波数差から、温度計測領域を通過したレーザ光の位相変化が算出される。
ここで、位相計２０４のサンプリング周波数と試験信号のビート周波数により、得られる温度計測分解能を決定することができ、サンプリング周波数を高く、ビート周波数を低く設定することにより、温度計測分解能を向上させることができる。
【００７２】
また、ヘテロダイン干渉法による温度計測方法では、温度計測領域の長さが長いほど位相変化量が大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が向上し、温度計測分解能も向上する。
しかし、温度計測領域の長さが長くなると、局所的な温度計測が困難になるとともに、実用機関への設置を考えた場合、筒内への突き出し量が増加するため、設置場所が限定される。
【００７３】
一方、温度計測領域の長さが短くなると、Ｓ／Ｎ比が劣化し、温度計測分解能も劣化するが、局所的な温度計測が可能となるとともに、設置場所を自由に選択できるようになる。
このため、サンプリング周波数、ビート周波数および温度計測領域の長さを調整することにより、温度計測の局所性および設置場所を考慮しつつ、得たい温度変化の時間分解能を決定することができる。
【００７４】
なお、位相変化を得るためには、ロックインアンプなどの位相計やデータ集積装置を用いることができ、位相計２０４では、そのサンプリング周波数に見合ったリアルタイムでの位相情報を得ることができ、その位相情報から温度変化を見積もることができる。
また、データ集積装置では、参照信号および試験信号のビート周波数変化を計測し、参照信号および試験信号の周波数変化を読み取ることで、温度変化を見積もることができる。
【００７５】
そして、データ演算部２０５は、位相計２０４にて位相情報が得られると、この位相情報に基づいて温度計測領域の温度を算出する。
ここで、データ演算部２０５は、温度計測領域の温度を算出する場合、位相計２０４で算出された位相情報に基づいて、温度計測領域の屈折率変化を算出し、この屈折率変化に基づいて、度計測領域の温度を算出することができる。
【００７６】
そして、温度計測領域が気体の場合、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式を適用することで屈折率変化を算出することができ、温度計測領域が液体の場合、Ｌｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式を適用することで屈折率変化を算出することができる。
そして、データ演算部２０５にて温度計測領域の温度が算出されると、表示部２０６はデータ演算部２０５で算出された温度を表示する。
【００７７】
これにより、計測領域３４でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための処理を温度計測装置２００に行わせることが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムで表示部２０６に表示させることが可能となる。
【００７８】
図５は、本発明の一実施形態に係る温度センサの計測部長さと温度計測分解能との関係を示す図である。なお、図５の関係は、温度６６０Ｋ、圧力３．２ＭＰａの条件での火花点火における未燃焼ガスの温度履歴を基に位相変化量を見積もり、図３の計測領域３４の長さと温度計測分解能との関係を求めたものである。図５において、横軸は計測領域３４の長さを示し、縦軸は温度の最小読み取り値を示す。
【００７９】
この結果から、計測領域３４の長さが長くなるに従って、温度の最小読み取り値が小さくなり、温度計測分解能が向上していることがわかる。
そして、温度計測分解能、実用機関への設置場所および温度計測の局所性を考慮すると、ダブルパス方式で１３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
図６は、図３の温度センサのエンジンへの取り付け状態を示す断面図、図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ線で切断して温度センサ側を見た場合の断面図、図７（ｂ）は、図３の温度センサが取り付けられたシリンダヘッドの構成を示す上面図、図８は、図３の温度センサが取り付けられたエンジンを図６のＢ方向から見た場合の斜視図である。
【００８０】
図６〜図８において、シリンダ６１の外周には冷却フィン６３が設けられるとともに、シリンダ６１内にはピストン６４が挿入され、ピストン６４はピストンピン６５を介してコネクティングロッド６６に連結され、コネクティングロッド６６はクランクピン７２を介してクランクシャフト７３に連結されている。
また、シリンダ６１上にはシリンダヘッド６２が設けられ、シリンダヘッド６２には、吸気ポート８５ａおよび排気ポート８６ａが形成され、吸気ポート８５ａには吸気弁８５が挿入され、排気ポート８６ａには排気弁８６が挿入され、吸気ポート８５ａはキャブレタ８７に接続されている。
【００８１】
また、吸気弁８５は弁バネ８３で吸気ポート８５ａを開閉可能なように保持されるとともに、排気弁８６は弁バネ８４で排気ポート８６ａを開閉可能なように保持されている。
また、吸気弁８５上には吸気ロッカーアーム８１の一端が配置されるとともに、排気弁８６上には排気ロッカーアーム８２の一端が配置され、吸気ロッカーアーム８１の他端および排気ロッカーアーム８２の他端がカムシャフト６９に当接するように配置されている。
【００８２】
また、シリンダヘッド６２には、点火プラグ６７が取り付けられるとともに、横方向から温度センサ３１が取り付けられ、温度センサ先端３１ａがシリンダヘッド６２内に突き出している。
そして、温度センサ３１には、センサ出力を取り出すための光ファイバ２５が接続されるとともに、光ファイバ２５はジャバラ管９４で保護されている。
【００８３】
ここで、光ファイバ２５をジャバラ管９４で保護することにより、フレキシビリティーを確保しつつ、エンジンの熱から光ファイバ２５を保護することができる。
そして、ジャバラ管９４は、コネクタ９５を介して温度計測装置２００に接続され、光ファイバ２５は、ヘテロダイン干渉用光学系２０２に接続されている。
【００８４】
ここで、位相計２０４およびデータ演算部２０５を温度計測装置２００に設けることにより、ヘテロダイン干渉用光学系２０２で生成された参照光と試験光とのビート周波数差を検出し、計測領域３４の温度を算出するまでの処理を温度計測装置２００に一貫して行わせることが可能となる。
このため、計測領域３４でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、内燃機関の燃焼室内のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムに表示部２０６に表示させることが可能となる。
【００８５】
また、温度センサ３１を実用機関に取り付ける場合、図３のアダプタ４５を取り外すことにより、Ｍ５のネジ４１ａで温度センサ３１を固定することが可能となる。
また、温度センサ３１をシリンダヘッド６２に取り付けると、図５の温度センサ３１の領域Ｒ１の部分が、シリンダヘッド６２内に突き出した状態となり、温度センサ３１の領域Ｒ２の部分が、シリンダヘッド６２の壁内に保持されるとともに、ガスケット４７がシリンダヘッド６２の外面に接触して、シリンダ６１内の気密性を保つことが可能となる。
【００８６】
そして、カムシャフト６９には、カムスプロケット７０ａが取り付けられるとともに、クランクシャフト７３には、クランクスプロケット７０ｂが取り付けられ、カムスプロケット７０ａとクランクスプロケット７０ｂとの間にはカムチェーン７１が架けられている。
また、クランクシャフト７３は、クラッチ７６を介して、トランスミッションドライブ側軸７７に接続され、トランスミッションドライブ側軸７７にはトランスミッションドライブ側ギア７８が設けられ、トランスミッションドライブ側ギア７８はトランスミッションドリブン側ギア８０を介してトランスミッションドリブン側軸７９に接続されている。
【００８７】
そして、クラッチ７６の上方にはオイルフィルタ７４が設けられ、クランクシャフト７３の端にはジェネレータ７５が設けられ、ジェネレータ７５にはタイミングチェック用窓９２が設けられている。
また、トランスミッションドリブン側ギア８０の下方にはオイルパン９０が設けられ、オイルパン９０にはオイルドレンボルト９１が取り付けられている。
【００８８】
図９は、本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
図９において、温度計測装置２００´には、図３の温度センサ３１に構成に加えて、熱電対２０７、２０８が設けられ、熱電対２０７は、計測領域３４内に設置されるとともに、熱電対２０８は、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間に設けられている。
【００８９】
また、データ演算部２０５´は、位相計２０４により得られた位相情報に基づいて温度計測領域の温度を算出するとともに、（８）式を用いて温度を算出する場合、熱電対２０７により計測された温度を初期状態の温度Ｔt0として使用する。
さらに、データ演算部２０５´は、熱電対２０７により計測された温度に基づいて、レーザービームが光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間の空間を通過する際に生じた位相変化による温度計測値の誤差を補正する。
【００９０】
すなわち、（８）式に示すように、ヘテロダイン干渉法により、ガス２７の温度変化を求めるためには、初期状態のガス２７の温度が既知である必要がある。このため、ガス２７の初期温度を計測する熱電対２０７を計測領域３４に設け、ヘテロダイン干渉法による温度計測を実行する際に、ガス２７の初期温度を熱電対２０７により直接計測する。
【００９１】
これにより、温度センサ３１の大型化・高コスト化を抑制しつつ、ガス２７の初期温度を直接計測することが可能となり、ヘテロダイン干渉法による温度計測にかかる手間を軽減することが可能となる。
また、アダプタ４５を取り外して、図２のセンサ取り付け面２６に温度センサ３１を取り付けた場合、図３の温度センサ３１の領域Ｒ１がガス２７に晒され、温度センサ３１の領域Ｒ２がセンサ取り付け面２６の壁内に保持され、温度センサ３１の領域Ｒ３が外気に晒される。
【００９２】
そして、温度センサ３１に入射したレーザービームは、光学窓３３を境界として、計測領域３４側では、ガス２７内を通過し、計測領域３４の反対側では、空気内を通過する。
このため、例えば、エンジンの燃焼室内の燃焼ガスの温度を計測する場合、燃焼ガスが高温になるため、センサ取り付け面２６の壁の温度も高温になり、温度センサ３１の領域Ｒ２の空気も高温になる。
【００９３】
従って、レーザービームが温度センサ３１内を進むと、レーザービームの位相は、ガス２７の温度変化の影響だけでなく、空気の温度変化の影響も受け、ガス２７の温度計測値に誤差が生じる。
そこで、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間に熱電対２０８を設け、ヘテロダイン干渉法による温度計測を実行する際に、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間の空気の平均温度を熱電対２０８により直接計測する。
【００９４】
これにより、ガス２７の温度だけでなく、レーザ−ビームが通過する光路のうち測定対象以外の空間の温度も計測することができ、ヘテロダイン干渉法による温度計測の手間を増加させることなく、ガス２７の周囲の空間の温度変化による誤差を補正することを可能として、温度計測の精度を向上させることができる。図１０は、本発明の一実施形態に係る温度センサの実験に用いた圧縮膨張機関の概略構成を示す断面図である。
【００９５】
図１０において、シリンダ１０１内には、ピストン１０２が挿入され、ピストン１０２は、コネクティングロッド１０３を介してフライホイール１０４に接続され、フライホイール１０４は、ベルト１０５を介して電気モータ１０６に接続されている。
また、フライホイール１０４の回転軸には、ロータリーエンコーダ１０７が設けられるとともに、フライホイール１０４の外周には、ＴＤＣセンサ１０８が設けられている。
【００９６】
また、シリンダ１０１の上方には拡張シリンダ１１１が設けられるとともに、ピストン１０２の上方にはスペーサ１１９を介して拡張ピストン１１３が設けられている。
そして、拡張シリンダ１１１には、拡張シリンダ１１１内を観測するための観測窓１１２が設けられ、拡張ピストン１１３には、石英製のピストンヘッド１１３ａが設けられるとともに、４５度の傾きでミラー１１４が取り付けられ、燃焼室内の燃焼状態をボトムビュー方式で可視化できるようにされている。
【００９７】
なお、スペーサ１１９を取り替えることにより、圧縮比を可変することができ、今回の実験では、圧縮比を９．７および１１．２に設定した。
また、拡張シリンダ１１１上には、シリンダヘッド１１５が設けられ、シリンダヘッド１１５には、点火電極１１６が横方方向から取り付けられるとともに、シリンダヘッド１１５上には、温度センサ３１、きのこ弁１１７および圧力変換素子１１８が取り付けられ、きのこ弁１１７は連結管１２６を介して混合タンク１２１に連結されている。
【００９８】
そして、混合タンク１２１には、ガスを導入するバルブ１２２〜１２４が設けられるとともに、混合タンク１２１内の混合ガスの温度を計測する熱電対１２５が設けられている。
ここで、温度センサ３１を実験装置に取り付ける場合、図３のアダプタ４５を取り付けることにより、温度センサ３１をネジ４５ａで実験装置に固定することが可能となるとともに、ガスケット４６により拡張シリンダ１１１内の気密性を保つことが可能となる。
【００９９】
そして、実験装置の燃焼室内の燃焼ガスの温度を計測する場合、シリンダヘッド１１５に取り付けられたきのこ弁１１７を開け、拡張シリンダ１１１内を真空状態にして、拡張ピストン１１３をＴＤＣに設置する。
次に、混合タンク１２１内で生成された混合ガスを、所定の圧力になるまで、連結管１２６を介して拡張シリンダ１１１内に充填する。
【０１００】
そして、きのこ弁１１７を開けた状態で、ベルト１０５を介して電気モータ１０６によりフライホイール１０４を回転させることにより、拡張ピストン１１３を駆動する。
そして、一定時間後のＢＤＣできのこ弁１１７を閉じ、点火電極１１６によりＢＴＤＣ２０°で混合ガスに点火した。
【０１０１】
ここで、きのこ弁１１７が閉じた時の拡張シリンダ１１１内の混合ガスの温度は、混合タンク１２１に取り付けられた熱電対１２５により計測することができ、ヘテロダイン干渉法により温度を求める場合に必要となる初期温度を得ることができる。
そして、温度センサ３１を用いることにより、きのこ弁１１７が閉じた後の最初の圧縮膨張行程におけるガス温度をヘテロダイン干渉法により計測した。
【０１０２】
ここで、ガス温度計測時の機械的振動などの影響を調べるため、初めにモータリング時でのヘテロダイン干渉法によるガス温度変化の測定を行なった。
図１１（ａ）は、モータリング時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図である。
図１１（ａ）において、きのこ弁１１７を開け、図１０の圧縮膨張機関に空気を室温で大気圧まで充填した後、きのこ弁１１７を閉じ、電気モータ１０６で機関を駆動する。
【０１０３】
そして、温度センサ３１および圧力変換素子１１８を用いることにより、クランク角に対する拡張シリンダ１１１内の位相変化量および圧力を測定した。なお、圧縮比は９．７である。
圧縮工程において、クランク角３００°までの緩やかな圧力上昇に対して、位相変化量も緩やかに増加している。
【０１０４】
また、クランク角３００°から３６０°までの急激な圧力上昇に対しては、位相変化量も急激に増加していることがわかる。
そして、図１１（ａ）の位相変化量および圧力履歴に基づいて、拡張シリンダ１１１内のガス温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１１（ｂ）は、モータリング時にクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【０１０５】
図１１（ｂ）において、ヘテロダイン干渉法により求めた拡張シリンダ１１１内の温度（黒丸）と、拡張シリンダ１１１内の圧力からポリトロープ変化を仮定して計算した温度（実線）とを比較した。
この結果、両者の値を概ね一致するものの、クランク角２４０°付近では、両者の値に違いが見られる。
【０１０６】
これは、圧力が低いと、位相変化量も小さいため、位相の読み取り誤差が影響することと、きのこ弁１１７が閉じた時の振動の影響が考えられる。
一方、ＴＤＣ付近になると、位相変化量も増大し、きのこ弁１１７が閉じた時の振動の影響も少なくなるため、両者の値は比較的よく一致することがわかる。図１１の結果により、モータリング時でのヘテロダイン干渉法によるガス温度変化の測定は、十分に可能であることがわかった。
【０１０７】
次に、圧縮膨張機関において火花点火を行い、未燃焼ガスの温度変化測定を試みた。
図１２（ａ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図である。
なお、ガスには、当量比１．０のメタン−空気混合気を用いた。また、圧縮比は１１．２であり、点火時期はＢＴＤＣ２０°である。また、機関回転速度は６００ｒｐｍである。
【０１０８】
図１２（ａ）において、図１１（ａ）のモータリング時と同じように、クランク角３４０°までの緩やかな圧力上昇に対して、位相変化量も緩やかに増加している。
そして、クランク角３４０°から火炎が計測領域３４を通過するまでの急激な圧力上昇に伴って、位相変化量も急激に増加し、モータリング時と比較して位相変化量も大きいことがわかる。また、試験信号が急激に減少した時を、火炎が計測領域３４を通過した時と判断した。
【０１０９】
この図１２（ａ）の位相変化量および圧力履歴に基づいて、拡張シリンダ１１１内の未燃焼ガスの温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１２（ｂ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
図１２（ｂ）において、ヘテロダイン干渉法により求めた拡張シリンダ１１１内の未燃焼ガスの温度（黒丸）と、拡張シリンダ１１１内の圧力から以下の式を用いて計算した温度（実線）とを比較した。
【０１１０】
Ｔｍ＝Ｔｉｇ（Ｐｔ／Ｐｉｇ）（（κ−１）／κ） ・・・（１２）ただし、κは、未燃焼混合ガスの比熱比であり、温度３００Ｋ〜６００Ｋ、圧力０．１〜３ＭＰａの範囲における平均値を１．３８０として用いた。
これら両者の値を比較すると、下死点から点火時期まで混合ガスが圧縮されるに従って、緩やかに温度上昇しており、両者の値は比較的よく一致していることがわかる。
【０１１１】
また、点火後の急激な温度上昇についても、ヘテロダイン干渉法により求めた値の方が、（１２）式を用いて求めた値よりも若干高くなっているが、両者の値はほぼ一致していることがわかる。
以上の結果から、温度センサ３１を用いたヘテロダイン干渉法により、エンジン内の未燃焼ガスの温度変化を局所的に計測できることが確認できた。
【０１１２】
なお、今回の実験では、２５ｋＨｚのビート周波数信号をＡ／Ｄ変換して、５００ｋＨｚのサンプリング周波数で記録した。この時、２０点で１周期分が記録される。
このため、１／２０周期分の光路長変化を位相の最小読み取り値とすると、圧力の増加に伴い、ビート周波数が変化するため、最小読み取り値は変化する。
【０１１３】
図１３は、本発明の一実施形態に係る温度センサの温度計測分解能とガス圧との関係を示す図である。
図１３において、圧力の増加に伴い、温度計測分解能が上昇していることがわかる。また、火炎が測定領域３４を通過する直前の温度計測分解能は、０．７Ｋ程度である。
【０１１４】
温度計測分解能は、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数、ヘテロダイン干渉法のビート周波数および測定領域３４の長さにより決定されるため、これらの最適化を行うことで、温度計測分解能を改善することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差に基づいて、温度計測領域の温度を温度計測装置に算出させることにより、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法の原理を説明する平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る温度計測装置のヘテロダイン干渉用光学系の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る温度センサの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る温度センサの計測部長さと温度計測分解能との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度センサのエンジンへの取り付け状態を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ線で切断して温度センサ側を見た場合の断面図、図７（ｂ）は、温度センサが取り付けられたシリンダヘッドの構成を示す上面図である。
【図８】温度センサが取り付けられたエンジンを図６のＢ方向から見た場合の斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る温度センサの実験に用いた圧縮膨張機関の概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、モータリング時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図、図１１（ｂ）は、モータリング時にクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図、図１２（ｂ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る温度センサの温度計測分解能とガス圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、２０１、３０１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２、５、１５ ハーフミラー
３ 参照領域
４、６、１３、２２、３５、１１４ ミラー
７ 周波数シフタ
８、３４ 計測領域
９ 検出器
Ｌｒ 参照光
Ｌｓ 試験光
１２ 音響光学素子
１４、１８ 偏光ビームスプリッタ
１６、１９ 偏光フィルタ
１７、２０ フォトトランジスタ
２１ １／４波長板
２３ １／２波長板
２４、３２ セルフォックマイクロレンズ
２５、２１２ 光ファイバ
光ファイバ
２６ センサ取り付け面
２７ ガス
３１ 温度センサ
３１ａ 温度センサ先端
３３ 光学窓
４１、５０ 筒状筐体
４１ａ、４５ａ ネジ
４２、４４ ボルト
４３、４６、４７ ガスケット
３４ａ、４４ａ 開口部
４５ アダプタ
４９ シャッタ
５１ 光軸調整用レンズ保持部
５２ リテーナ
５３ 芋ネジ
５４ ガイド
５５ ネジ
５６ パイプ
６１、１０１ シリンダ
６２、１１５ シリンダヘッド
６３ 冷却フィン
６４、１０２ ピストン
６５ ピストンピン
６６、１０３ コネクティングロッド
６７、１１６ 点火プラグ
６９ カムシャフト
７０ａ カムスプロケット
７０ｂ クランクスプロケット
７１ カムチェーン
７２ クランクピン
７３ クランクシャフト
７４ オイルフィルタ
７５ ジェネレータ
７６ クラッチ
７７ トランスミッションドライブ側軸
７８ トランスミッションドライブ側ギア
７９ トランスミッションドリブン側軸
８０ トランスミッションドリブン側ギア
８１ 吸気ロッカーアーム
８２ 排気ロッカーアーム
８３、８４ 弁バネ
８５ 吸気弁
８５ａ 吸気ポート
８６ 排気弁
８６ｂ 排気ポート
８７ キャブレタ
９０ オイルパン
９１オイルドレンボルト
９２ タイミングチェック用窓
９４ ジャバラ管
９５ コネクタ
１０４ フライホイール
１０５ ベルト
１０６ 電気モータ
１０７ ロータリーエンコーダ
１０８ ＴＤＣセンサ
１１１ 拡張シリンダ
１１２ 観測窓
１１３ 拡張ピストン
１１７ きのこ弁
１１８ 圧力変換素子
１１９ スペーサ
１２１ 混合タンク
１２２〜１２４ バルブ
１２５、２０７、２０８ 熱電対
１２６ 連結管
２００、２００´ 温度計測装置
２０２ ヘテロダイン干渉用光学系
２０３ 光電変換部
２０４ 位相計
２０５、２０５´ データ演算部
２０６ 表示部
２１１ センサ部
【発明の属する技術分野】
本発明は温度計測装置、信号処理装置および信号処理プログラムに関し、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、温度計測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、従来のヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法では、参照信号と試験信号とをオシロスコープでデータレコーダに取り込み、このデータレコーダに取り込んだ参照信号と試験信号とからビート周波数の位相変化を算出し、温度計測領域での気体の圧力値をさらに用いて気体温度を算出する必要があった。
【０００６】
このため、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法では、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるために手間がかかり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが困難であるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測を効率化することが可能な温度計測装置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、請求項１記載の温度計測装置によれば、ビート信号を生成するための参照光と試験光とを発生させるヘテロダイン干渉用光学系と、前記試験光に位相変化を検出させる温度計測領域が設けられた温度センサと、前記ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と前記温度計測領域を通過した試験光とのビート周波数差を検出する位相計と、前記位相計によって検出されたビート周波数差に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出する信号処理手段とを備え、前記ビート周波数差の検出から前記温度計測領域の温度の算出までの処理を一貫して行うことを特徴とする。
【０００８】
これにより、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差を検出し、温度計測領域の温度を算出するまでの処理を温度計測装置に一貫して行わせることが可能となる。
このため、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが可能となる。
【０００９】
また、請求項２記載の温度計測装置によれば、前記温度センサは、前記試験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を備え、前記温度計測領域は、温度測定対象が入り込み可能な状態で前記光透過窓と前記反射部との間に設けられている。
【００１０】
これにより、温度センサの先端を温度測定対象内に挿入することで、試験光の位相変化を検出することが可能となり、温度センサの設置場所の選定を容易化することが可能となるとともに、温度計測領域から光ファイバを切り離すことを可能として、光ファイバを熱から保護することができ、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに容易に適用することが可能となる。
【００１１】
また、請求項３記載の温度計測装置によれば、前記信号処理手段は、ヘテロダイン干渉法による参照信号と試験信号とのビート周波数差に基づいて、前記温度計測領域を通過したレーザ光の位相変化を算出する位相変化算出手段と、前記位相変化算出手段により算出された位相変化に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出する温度算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
これにより、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差から位相変化を算出することが可能となり、温度計測領域の温度を容易に算出することが可能となる。
また、請求項４記載の温度計測装置によれば、前記温度算出手段は、前記位相変化算出手段により算出された前記位相変化に基づいて、前記温度計測領域の屈折率変化を算出する屈折率算出手段と、前記屈折率算出手段により算出された屈折率変化に基づいて、前記温度計測領域の密度変化を算出する密度算出手段とを備え、前記密度変化に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出することを特徴とする。
【００１３】
これにより、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差から温度計測領域の密度変化を算出することが可能となり、温度計測領域のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムで算出することが可能となる。
また、請求項５記載の温度計測装置によれば、前記屈折率算出手段は、前記温度計測領域が気体の場合、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式を適用することにより屈折率変化を算出し、前記温度計測領域が液体の場合、Ｌｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式を適用することにより屈折率変化を算出することを特徴とする。
【００１４】
これにより、気体および液体の双方について、試験光の位相変化から温度計測領域における屈折率変化を容易に算出することが可能となり、様々な物質のミリ秒オーダー程度の温度変化を容易に算出することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る温度計測装置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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
【数１】
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。
【００２４】
【数２】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【数３】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
【数４】
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および温度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。
【００３２】
また、ビート周波数の変化を計測することにより、測定領域８での液体温度の変化も求めることもできる。
ここで、測定領域８での位相変化量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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、（１１）式と、液体の温度と密度の関係により、液体の温度を求めることができる。
図２は、本発明の一実施形態に係るヘテロダイン干渉法を用いた温度計測装置の概略構成を示す平面図である。
図２において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１（例えば、出力１ｍＷ、波長６２３．８ｎｍ）から出射されたレーザ光は音響光学素子１２に入射され、ヘテロダイン用音響光学素子１２（ブラッグセル式）にて、周波数が８０．０ＭＨｚと７９．９８７５ＭＨｚや、８０．０ＭＨｚと７９．９７５ＭＨｚなどの異なる周波数に周波数シフトされ、周波数シフトされた２本のビームは、それぞれＰ偏光およびＳ偏光に分離される。
【００３６】
なお、以下の実施形態では、Ｐ偏光のビームを８０．１２５ＭＨｚ、Ｓ偏光のビームを８０．１ＭＨｚに設定した。
そして、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離された一方のビームは、ミラー１３および偏光ビームスプリッタ１４で反射され、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離された他方のビームは、偏光ビームスプリッタ１４を透過することで、１本のビームに合波される。
【００３７】
そして、１本のビームに合波された光の一部は、ハーフミラー１５を透過し、試験光Ｌｓが生成されるとともに、１本のビームに合波された光の一部はハーフミラー１５で反射され、参照光Ｌｒが生成される。
そして、ハーフミラー１５で反射された参照光Ｌｒは、偏光フィルタ１６に入射して干渉した後、フォトトランジスタ１７に入射する。
【００３８】
そして、偏光フィルタ１６で生成された干渉光がフォトトランジスタ１７に入射すると、２５ｋＨｚのビート周波数が参照信号として検出される。
一方、ハーフミラー１５を通過した試験光Ｌｓは偏光ビームスプリッタ１８に入射し、それぞれＰ偏光およびＳ偏光の偏波面を持つ２本のビームに分離される。
【００３９】
そして、偏光ビームスプリッタ１８で分離されたＰ偏光の偏波面を持つビームは、偏光ビームスプリッタ１８を透過し、１／４波長板２１に入射する。
そして、１／４波長板２１に入射したＰ偏光の偏波面を持つビームは、円偏光に変換された後、ミラー２２により反射され、１／４波長板２１に入射する。
そして、１／４波長板２１に入射した円偏光のビームは、１／４波長板２１にてＳ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１８により反射される。
【００４０】
ここで、Ｐ偏光の偏波面を持つビームを円偏光に変換することにより、周囲の気体変動の影響を受け難くして、計測精度を向上させることが可能となる。
一方、偏光ビームスプリッタ１８で分離されたＳ偏光の偏波面を持つビームは、偏光ビームスプリッタ１８で反射され、１／２波長板２３を介してセルフォックマイクロレンズ２４に入射する。
【００４１】
そして、セルフォックマイクロレンズ２４に入射した光は、ビーム径が絞られコリメート化された後、偏波面保存型光ファイバ２５に入射する。
ここで、偏波面保存型光ファイバ２５の前段にセルフォックマイクロレンズ２４を設けることにより、レーザービームを偏波面保存型光ファイバ２５に効率よく入射させることが可能となる。
【００４２】
そして、偏波面保存型光ファイバ２５に入射したビームは、温度センサ３１に導かれる。
ここで、温度センサ３１には、セルフォックマイクロレンズ３２、光学窓３３およびミラー３５が設けられ、セルフォックマイクロレンズ３２、光学窓３３およびミラー３５は光軸が一致するように、温度センサ３１内に配置されるとともに、光学窓３３とミラー３５との間には、ガス２７が侵入可能な計測領域３４が設けられている。
【００４３】
なお、光学窓３３の材料としては、例えば、サファイアを用いることができる。
そして、温度センサ３１は、温度センサ３１の先端がセンサ取り付け面２６から突き出るようにして固定され、計測領域３４およびミラー３５がガス２７に晒される。
【００４４】
そして、偏波面保存型光ファイバ２５を介して温度センサ３１に導かれたレーザービームは、セルフォックマイクロレンズ３２に入射し、コリメート化された後、温度センサ３１内の空間を直進して、光学窓３３を透過する。
そして、レーザービームが光学窓３３を透過すると、レーザービームは、ガス２７内に入射する。
【００４５】
そして、ガス２７内に入射したレーザービームは、ガス２７内を直進し、ミラー３５に反射されて、ガス２７内を再び直進し、光学窓３３を再び透過して、ガス２７内から抜け出す。
ここで、レーザービームがガス２７内を直進すると、ガス２７の屈折率変化およびガス２７内の進行距離に応じて、レーザービームの位相が変化する。
【００４６】
そして、ミラー３５に反射されて、光学窓３３を再び透過したレーザービームは、温度センサ３１内の空間を逆に進んで、セルフォックマイクロレンズ３２に再び入射し、コリメート化された後、偏波面保存型光ファイバ２５に再び入射する。
そして、偏波面保存型光ファイバ２５に入射したレーザービームは、セルフォックマイクロレンズ２４に戻されて、コリメート化された後、１／２波長板２３を介して偏光ビームスプリッタ１８に入射し、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。
【００４７】
そして、偏光ビームスプリッタ１８を透過したレーザービームは、偏光ビームスプリッタ１８により反射されたレーザービームと合波して、１本のビームとなり、偏光フィルタ１９に入射して干渉した後、フォトトランジスタ２０に入射する。
そして、偏光フィルタ１９で生成された干渉光がフォトトランジスタ２０に入射すると、ビート周波数が試験信号として検出される。
【００４８】
そして、フォトトランジスタ２０で検出された試験信号は、例えば、５００ｋＨｚのサンプリング周波数でメモリに記憶され、参照信号と試験信号とのビート周波数の違いから、参照光Ｌｒと試験光Ｌｓとの位相差を算出することができる。
ここで、例えば、温度センサ３１をエンジンの燃焼室に取り付けた場合、火炎伝播により圧縮された燃料と空気の混合ガスや、燃焼により温度が変化した燃焼ガスは、密度の変化に伴って、屈折率が変化する。
【００４９】
そして、これらのガス２７の屈折率が変化すると、計測領域３４を通過するレーザービームの位相が変化するため、参照信号と試験信号の位相差が変化し、干渉光強度が変化する。
そして、干渉光強度の変化を、ヘテロダイン干渉計によるビート信号の位相情報として表わすことができる。
【００５０】
図３は、本発明の一実施形態に係る温度センサ３１の構成を示す断面図である。
図３において、温度センサ３１には、光学窓３３およびミラー３５を光軸上に保持するとともに、光学窓３３とミラー３５との間に計測領域３４を形成する筒状筐体４１が設けられている。
【００５１】
ここで、ミラー３５は、金属などで円筒状に構成され、ボルト４２により脱着自在な状態で、筒状筐体４１の先端部分に取り付けられている。
そして、ミラー３５を金属で構成することにより、ミラー３５の耐熱性を向上させることが可能となり、エンジンの燃焼ガスなどの高温気体の温度を計測する際の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５２】
また、ミラー３５をボルト４２で筒状筐体４１に固定する場合、筒状筐体４１の先端から光軸方向に沿ってミラー３５を挿入し、ミラー３５の挿入方向にボルト４２で締め付けるようにする。
これにより、ボルト４２を筒状筐体４１内に収めることが可能となり、ボルト４２が筒状筐体４１から突出することを防止して、温度センサ３１のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、ミラー３５を脱着自在に取り付けることを可能として、ミラー３５が燃焼ガスから発生する煤などで汚れた場合に容易に洗浄または交換することが可能となる。
【００５３】
また、計測領域３４には開口部３４ａが設けられ、光学窓３３とミラー３５との間の光軸上の空間にガス２７が侵入できるようにされている。
さらに、光学窓３３は、例えば、サファイアなどで円筒状に構成され、ボルト４４により脱着自在な状態で筒状筐体４１に取り付けられている。
そして、光学窓３３をサファイアで構成することにより、良好な光透過性を確保しつつ、光学窓３３の耐熱性を向上させることが可能となり、エンジンの燃焼ガスなどの高温気体の温度を計測する際の信頼性を向上させることが可能となる。
【００５４】
ここで、ボルト４４で光学窓３３を筒状筐体４１に固定する場合、筒状筐体４１の後端から光軸方向に沿って光学窓３３を挿入し、光学窓３３の挿入方向にボルト４４で締め付けるようにする。
これにより、ボルト４４を筒状筐体４１内に収めることが可能となり、ボルト４４が筒状筐体４１から突出することを防止して、温度センサ３１のコンパクト化を図ることが可能となるとともに、光学窓３３を脱着自在に取り付けることを可能として、光学窓３３が燃焼ガスから発生する煤などで汚れた場合に容易に洗浄または交換することが可能となる。
【００５５】
また、ボルト４４には、中心軸に沿って開口部４４ａが形成され、ボルト４４で光学窓３３を締め付けるために、ボルト４４を光軸上に配置した場合においても、レーザービームの進路がボルト４４により遮断されることを防止することができる。
また、光学窓３３の前面には、光学窓３３の外形に対応したガスケット４３が設けられている。
【００５６】
ここで、ガスケット４３は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレスなどでリング状に構成することができ、例えば、光学窓３３の径が２．５ｍｍφとすると、ガスケット４３の外径は２．５ｍｍφ、内径は１．８ｍｍφ、厚みは０．１ｍｍとすることができる。
そして、リング状のガスケット４３を光学窓３３の前面に設けることにより、計測領域３４側の光学窓３３の外縁部と筒状筐体４１との間の隙間をシールすることが可能となる。
【００５７】
このため、レーザービームの進路がガスケット４３により遮断されることを防止しつつ、計測領域３４に進入したガス２７が光学窓３３と筒状筐体４１との間の隙間から外部に漏れ出すことを防止することができ、高温・高圧となるエンジン内の燃焼ガスなどの温度変化を精度よく計測することができる。
また、筒状筐体４１の外周には、筒状筐体４１の外径を変換するためのアダプタ４５が脱着自在に嵌め込まれている。
【００５８】
ここで、アダプタ４５は２段構造で構成され、アダプタ４５の後段面には、リング状のガスケット４６が設けられている。
そして、筒状筐体４１の外周にアダプタ４５を設けることにより、穴径が異なる場合においても、気密性を維持しつつ、温度センサ３１の先端を挿入することが可能となり、様々の気体の温度を計測することが可能となる。
【００５９】
なお、筒状筐体４１の外周面には、例えば、Ｍ５のネジ４１ａを切ることができる。
これにより、一般的なエンジン筒内の圧力センサの取り付け方法と同様の方法で温度センサ３１をエンジンに取り付けることが可能となり、実用機関を改造することなく、温度センサ３１を設置することが可能となる。
【００６０】
また、温度センサ３１には、筒状筐体４１の外径よりも大きな外径を有し、筒状筐体４１の後端部を挿入可能な筒状筐体５０が設けられ、筒状筐体５０の先端面には、リング状のガスケット４７が設けられている。
また、筒状筐体５０内には、レーザービームを遮るためのシャッタ４９が設けられるとともに、セルフォックマイクロレンズ３２を保持するとともに、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸を調整する光軸調整用レンズ保持部５１が設けられている。
【００６１】
ここで、光軸調整用レンズ保持部５１は、筒状筐体５０内に収容可能なように円筒状に構成され、光軸調整用レンズ保持部５１の外径は、筒状筐体５０の内径よりも小さく設定されて、筒状筐体５０内で光軸調整用レンズ保持部５１を傾けることが可能なように構成されている。
また、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分および後端部分の外周面は球面状に加工されている。
【００６２】
また、筒状筐体５０の内周面は、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の形状に対応して球面状に加工され、筒状筐体５０の内周面が、光軸調整用レンズ保持部５１の先端部分の外周面に面接触できるように構成されている。
そして、光軸調整用レンズ保持部５１の後側には、光軸調整用レンズ保持部５１を光軸方向に固定するためのリテーナ５２が設けられ、リテーナ５２の先端は、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部分の形状に対応して球面状に加工されている。
【００６３】
また、筒状筐体５０の外周面には、光軸調整用レンズ保持部５１を周囲から固定するための芋ネジ５３が設けられている。
また、光軸調整用レンズ保持部５１の後端部には光ファイバ２５が結合され、光ファイバ２５の周囲には、光ファイバ２５を保護するパイプ５６が設けられ、パイプ５６の先端には、光ファイバ２５の曲がりを防止するガイド５４が設けられている。
【００６４】
そして、ガイド５４が設けられたパイプ５６は、リング状のネジ５５により筒状筐体５０に脱着自在に固定されている。
ここで、筒状筐体５０の外径を筒状筐体４１の外径よりも大きくすることで、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを可能としつつ、計測領域３４の大きさを縮小することが可能となる。
【００６５】
このため、燃焼室内の限られたスペースに温度センサ３１を容易に挿入することが可能となり、実機を用いて温度計測を行なうことが可能となる。
また、光軸調整用レンズ保持部５１を用いてセルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０内に保持することにより、光軸調整用レンズ保持部５１の傾きを調整することで、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸を調整することが可能となり、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを容易に行うことが可能となる。
【００６６】
さらに、セルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０で直接保持するのではなく、光軸調整用レンズ保持部５１を介して保持することにより、セルフォックマイクロレンズ３２の光軸合わせを可能としつつ、セルフォックマイクロレンズ３２を筒状筐体５０と切り離すことが可能となり、ガス２７の熱がセルフォックマイクロレンズ３２に伝わり難くすることができる。
【００６７】
このため、燃焼ガスなどの温度を測定する場合においても、セルフォックマイクロレンズ３２が高温に晒されることを抑制することができ、セルフォックマイクロレンズ３２の特性劣化を抑制することが可能となる。
さらに、光ファイバ２５を計測領域３４と切り離すことが可能となり、光ファイバ２５に熱が伝わり難くして、光ファイバ２５による位相変化を抑制することができる。
【００６８】
図４は、本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
図４において、温度計測装置２００には、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０１、ヘテロダイン干渉用光学系２０２、光電変換部２０３、位相計２０４、データ演算部２０５および表示部２０６が設けられ、温度計測装置２００は光ファイバ２１２を介してセンサ部２１１に接続されている。
【００６９】
なお、センサ部２１１、光ファイバ２１２およびヘテロダイン干渉用光学系２０２は、例えば、図２の構成を用いることができる。
そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２０１で発生されたレーザ光はヘテロダイン干渉用光学系２０２に入射され、ヘテロダイン干渉用光学系２０２にてビート信号を生成するための参照光と試験光とが生成される。
【００７０】
ここで、ヘテロダイン干渉用光学系２０２で生成された試験光は、光ファイバ２１２を介してセンサ部２１１に入射し、センサ部２１１に入射した試験光は、温度計測領域の温度変化に基づいて位相が変化する。
そして、センサ部２１１に入射した試験光は、センサ部２１１にて反射され、光ファイバ２１２を介してヘテロダイン干渉用光学系２０２に戻され、ビート信号に変換された後、光電変換部２０３に入力される。
【００７１】
そして、光電変換部２０３でビート光が電気信号に変換された後、位相計２０４にて、参照信号と試験信号とのビート周波数差から、温度計測領域を通過したレーザ光の位相変化が算出される。
ここで、位相計２０４のサンプリング周波数と試験信号のビート周波数により、得られる温度計測分解能を決定することができ、サンプリング周波数を高く、ビート周波数を低く設定することにより、温度計測分解能を向上させることができる。
【００７２】
また、ヘテロダイン干渉法による温度計測方法では、温度計測領域の長さが長いほど位相変化量が大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が向上し、温度計測分解能も向上する。
しかし、温度計測領域の長さが長くなると、局所的な温度計測が困難になるとともに、実用機関への設置を考えた場合、筒内への突き出し量が増加するため、設置場所が限定される。
【００７３】
一方、温度計測領域の長さが短くなると、Ｓ／Ｎ比が劣化し、温度計測分解能も劣化するが、局所的な温度計測が可能となるとともに、設置場所を自由に選択できるようになる。
このため、サンプリング周波数、ビート周波数および温度計測領域の長さを調整することにより、温度計測の局所性および設置場所を考慮しつつ、得たい温度変化の時間分解能を決定することができる。
【００７４】
なお、位相変化を得るためには、ロックインアンプなどの位相計やデータ集積装置を用いることができ、位相計２０４では、そのサンプリング周波数に見合ったリアルタイムでの位相情報を得ることができ、その位相情報から温度変化を見積もることができる。
また、データ集積装置では、参照信号および試験信号のビート周波数変化を計測し、参照信号および試験信号の周波数変化を読み取ることで、温度変化を見積もることができる。
【００７５】
そして、データ演算部２０５は、位相計２０４にて位相情報が得られると、この位相情報に基づいて温度計測領域の温度を算出する。
ここで、データ演算部２０５は、温度計測領域の温度を算出する場合、位相計２０４で算出された位相情報に基づいて、温度計測領域の屈折率変化を算出し、この屈折率変化に基づいて、度計測領域の温度を算出することができる。
【００７６】
そして、温度計測領域が気体の場合、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式を適用することで屈折率変化を算出することができ、温度計測領域が液体の場合、Ｌｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式を適用することで屈折率変化を算出することができる。
そして、データ演算部２０５にて温度計測領域の温度が算出されると、表示部２０６はデータ演算部２０５で算出された温度を表示する。
【００７７】
これにより、計測領域３４でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための処理を温度計測装置２００に行わせることが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムで表示部２０６に表示させることが可能となる。
【００７８】
図５は、本発明の一実施形態に係る温度センサの計測部長さと温度計測分解能との関係を示す図である。なお、図５の関係は、温度６６０Ｋ、圧力３．２ＭＰａの条件での火花点火における未燃焼ガスの温度履歴を基に位相変化量を見積もり、図３の計測領域３４の長さと温度計測分解能との関係を求めたものである。図５において、横軸は計測領域３４の長さを示し、縦軸は温度の最小読み取り値を示す。
【００７９】
この結果から、計測領域３４の長さが長くなるに従って、温度の最小読み取り値が小さくなり、温度計測分解能が向上していることがわかる。
そして、温度計測分解能、実用機関への設置場所および温度計測の局所性を考慮すると、ダブルパス方式で１３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
図６は、図３の温度センサのエンジンへの取り付け状態を示す断面図、図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ線で切断して温度センサ側を見た場合の断面図、図７（ｂ）は、図３の温度センサが取り付けられたシリンダヘッドの構成を示す上面図、図８は、図３の温度センサが取り付けられたエンジンを図６のＢ方向から見た場合の斜視図である。
【００８０】
図６〜図８において、シリンダ６１の外周には冷却フィン６３が設けられるとともに、シリンダ６１内にはピストン６４が挿入され、ピストン６４はピストンピン６５を介してコネクティングロッド６６に連結され、コネクティングロッド６６はクランクピン７２を介してクランクシャフト７３に連結されている。
また、シリンダ６１上にはシリンダヘッド６２が設けられ、シリンダヘッド６２には、吸気ポート８５ａおよび排気ポート８６ａが形成され、吸気ポート８５ａには吸気弁８５が挿入され、排気ポート８６ａには排気弁８６が挿入され、吸気ポート８５ａはキャブレタ８７に接続されている。
【００８１】
また、吸気弁８５は弁バネ８３で吸気ポート８５ａを開閉可能なように保持されるとともに、排気弁８６は弁バネ８４で排気ポート８６ａを開閉可能なように保持されている。
また、吸気弁８５上には吸気ロッカーアーム８１の一端が配置されるとともに、排気弁８６上には排気ロッカーアーム８２の一端が配置され、吸気ロッカーアーム８１の他端および排気ロッカーアーム８２の他端がカムシャフト６９に当接するように配置されている。
【００８２】
また、シリンダヘッド６２には、点火プラグ６７が取り付けられるとともに、横方向から温度センサ３１が取り付けられ、温度センサ先端３１ａがシリンダヘッド６２内に突き出している。
そして、温度センサ３１には、センサ出力を取り出すための光ファイバ２５が接続されるとともに、光ファイバ２５はジャバラ管９４で保護されている。
【００８３】
ここで、光ファイバ２５をジャバラ管９４で保護することにより、フレキシビリティーを確保しつつ、エンジンの熱から光ファイバ２５を保護することができる。
そして、ジャバラ管９４は、コネクタ９５を介して温度計測装置２００に接続され、光ファイバ２５は、ヘテロダイン干渉用光学系２０２に接続されている。
【００８４】
ここで、位相計２０４およびデータ演算部２０５を温度計測装置２００に設けることにより、ヘテロダイン干渉用光学系２０２で生成された参照光と試験光とのビート周波数差を検出し、計測領域３４の温度を算出するまでの処理を温度計測装置２００に一貫して行わせることが可能となる。
このため、計測領域３４でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、内燃機関の燃焼室内のミリ秒オーダー程度の温度変化をリアルタイムに表示部２０６に表示させることが可能となる。
【００８５】
また、温度センサ３１を実用機関に取り付ける場合、図３のアダプタ４５を取り外すことにより、Ｍ５のネジ４１ａで温度センサ３１を固定することが可能となる。
また、温度センサ３１をシリンダヘッド６２に取り付けると、図５の温度センサ３１の領域Ｒ１の部分が、シリンダヘッド６２内に突き出した状態となり、温度センサ３１の領域Ｒ２の部分が、シリンダヘッド６２の壁内に保持されるとともに、ガスケット４７がシリンダヘッド６２の外面に接触して、シリンダ６１内の気密性を保つことが可能となる。
【００８６】
そして、カムシャフト６９には、カムスプロケット７０ａが取り付けられるとともに、クランクシャフト７３には、クランクスプロケット７０ｂが取り付けられ、カムスプロケット７０ａとクランクスプロケット７０ｂとの間にはカムチェーン７１が架けられている。
また、クランクシャフト７３は、クラッチ７６を介して、トランスミッションドライブ側軸７７に接続され、トランスミッションドライブ側軸７７にはトランスミッションドライブ側ギア７８が設けられ、トランスミッションドライブ側ギア７８はトランスミッションドリブン側ギア８０を介してトランスミッションドリブン側軸７９に接続されている。
【００８７】
そして、クラッチ７６の上方にはオイルフィルタ７４が設けられ、クランクシャフト７３の端にはジェネレータ７５が設けられ、ジェネレータ７５にはタイミングチェック用窓９２が設けられている。
また、トランスミッションドリブン側ギア８０の下方にはオイルパン９０が設けられ、オイルパン９０にはオイルドレンボルト９１が取り付けられている。
【００８８】
図９は、本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
図９において、温度計測装置２００´には、図３の温度センサ３１に構成に加えて、熱電対２０７、２０８が設けられ、熱電対２０７は、計測領域３４内に設置されるとともに、熱電対２０８は、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間に設けられている。
【００８９】
また、データ演算部２０５´は、位相計２０４により得られた位相情報に基づいて温度計測領域の温度を算出するとともに、（８）式を用いて温度を算出する場合、熱電対２０７により計測された温度を初期状態の温度Ｔt0として使用する。
さらに、データ演算部２０５´は、熱電対２０７により計測された温度に基づいて、レーザービームが光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間の空間を通過する際に生じた位相変化による温度計測値の誤差を補正する。
【００９０】
すなわち、（８）式に示すように、ヘテロダイン干渉法により、ガス２７の温度変化を求めるためには、初期状態のガス２７の温度が既知である必要がある。このため、ガス２７の初期温度を計測する熱電対２０７を計測領域３４に設け、ヘテロダイン干渉法による温度計測を実行する際に、ガス２７の初期温度を熱電対２０７により直接計測する。
【００９１】
これにより、温度センサ３１の大型化・高コスト化を抑制しつつ、ガス２７の初期温度を直接計測することが可能となり、ヘテロダイン干渉法による温度計測にかかる手間を軽減することが可能となる。
また、アダプタ４５を取り外して、図２のセンサ取り付け面２６に温度センサ３１を取り付けた場合、図３の温度センサ３１の領域Ｒ１がガス２７に晒され、温度センサ３１の領域Ｒ２がセンサ取り付け面２６の壁内に保持され、温度センサ３１の領域Ｒ３が外気に晒される。
【００９２】
そして、温度センサ３１に入射したレーザービームは、光学窓３３を境界として、計測領域３４側では、ガス２７内を通過し、計測領域３４の反対側では、空気内を通過する。
このため、例えば、エンジンの燃焼室内の燃焼ガスの温度を計測する場合、燃焼ガスが高温になるため、センサ取り付け面２６の壁の温度も高温になり、温度センサ３１の領域Ｒ２の空気も高温になる。
【００９３】
従って、レーザービームが温度センサ３１内を進むと、レーザービームの位相は、ガス２７の温度変化の影響だけでなく、空気の温度変化の影響も受け、ガス２７の温度計測値に誤差が生じる。
そこで、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間に熱電対２０８を設け、ヘテロダイン干渉法による温度計測を実行する際に、光学窓３３とセルフォックマイクロレンズ３２との間の空気の平均温度を熱電対２０８により直接計測する。
【００９４】
これにより、ガス２７の温度だけでなく、レーザ−ビームが通過する光路のうち測定対象以外の空間の温度も計測することができ、ヘテロダイン干渉法による温度計測の手間を増加させることなく、ガス２７の周囲の空間の温度変化による誤差を補正することを可能として、温度計測の精度を向上させることができる。図１０は、本発明の一実施形態に係る温度センサの実験に用いた圧縮膨張機関の概略構成を示す断面図である。
【００９５】
図１０において、シリンダ１０１内には、ピストン１０２が挿入され、ピストン１０２は、コネクティングロッド１０３を介してフライホイール１０４に接続され、フライホイール１０４は、ベルト１０５を介して電気モータ１０６に接続されている。
また、フライホイール１０４の回転軸には、ロータリーエンコーダ１０７が設けられるとともに、フライホイール１０４の外周には、ＴＤＣセンサ１０８が設けられている。
【００９６】
また、シリンダ１０１の上方には拡張シリンダ１１１が設けられるとともに、ピストン１０２の上方にはスペーサ１１９を介して拡張ピストン１１３が設けられている。
そして、拡張シリンダ１１１には、拡張シリンダ１１１内を観測するための観測窓１１２が設けられ、拡張ピストン１１３には、石英製のピストンヘッド１１３ａが設けられるとともに、４５度の傾きでミラー１１４が取り付けられ、燃焼室内の燃焼状態をボトムビュー方式で可視化できるようにされている。
【００９７】
なお、スペーサ１１９を取り替えることにより、圧縮比を可変することができ、今回の実験では、圧縮比を９．７および１１．２に設定した。
また、拡張シリンダ１１１上には、シリンダヘッド１１５が設けられ、シリンダヘッド１１５には、点火電極１１６が横方方向から取り付けられるとともに、シリンダヘッド１１５上には、温度センサ３１、きのこ弁１１７および圧力変換素子１１８が取り付けられ、きのこ弁１１７は連結管１２６を介して混合タンク１２１に連結されている。
【００９８】
そして、混合タンク１２１には、ガスを導入するバルブ１２２〜１２４が設けられるとともに、混合タンク１２１内の混合ガスの温度を計測する熱電対１２５が設けられている。
ここで、温度センサ３１を実験装置に取り付ける場合、図３のアダプタ４５を取り付けることにより、温度センサ３１をネジ４５ａで実験装置に固定することが可能となるとともに、ガスケット４６により拡張シリンダ１１１内の気密性を保つことが可能となる。
【００９９】
そして、実験装置の燃焼室内の燃焼ガスの温度を計測する場合、シリンダヘッド１１５に取り付けられたきのこ弁１１７を開け、拡張シリンダ１１１内を真空状態にして、拡張ピストン１１３をＴＤＣに設置する。
次に、混合タンク１２１内で生成された混合ガスを、所定の圧力になるまで、連結管１２６を介して拡張シリンダ１１１内に充填する。
【０１００】
そして、きのこ弁１１７を開けた状態で、ベルト１０５を介して電気モータ１０６によりフライホイール１０４を回転させることにより、拡張ピストン１１３を駆動する。
そして、一定時間後のＢＤＣできのこ弁１１７を閉じ、点火電極１１６によりＢＴＤＣ２０°で混合ガスに点火した。
【０１０１】
ここで、きのこ弁１１７が閉じた時の拡張シリンダ１１１内の混合ガスの温度は、混合タンク１２１に取り付けられた熱電対１２５により計測することができ、ヘテロダイン干渉法により温度を求める場合に必要となる初期温度を得ることができる。
そして、温度センサ３１を用いることにより、きのこ弁１１７が閉じた後の最初の圧縮膨張行程におけるガス温度をヘテロダイン干渉法により計測した。
【０１０２】
ここで、ガス温度計測時の機械的振動などの影響を調べるため、初めにモータリング時でのヘテロダイン干渉法によるガス温度変化の測定を行なった。
図１１（ａ）は、モータリング時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図である。
図１１（ａ）において、きのこ弁１１７を開け、図１０の圧縮膨張機関に空気を室温で大気圧まで充填した後、きのこ弁１１７を閉じ、電気モータ１０６で機関を駆動する。
【０１０３】
そして、温度センサ３１および圧力変換素子１１８を用いることにより、クランク角に対する拡張シリンダ１１１内の位相変化量および圧力を測定した。なお、圧縮比は９．７である。
圧縮工程において、クランク角３００°までの緩やかな圧力上昇に対して、位相変化量も緩やかに増加している。
【０１０４】
また、クランク角３００°から３６０°までの急激な圧力上昇に対しては、位相変化量も急激に増加していることがわかる。
そして、図１１（ａ）の位相変化量および圧力履歴に基づいて、拡張シリンダ１１１内のガス温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１１（ｂ）は、モータリング時にクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【０１０５】
図１１（ｂ）において、ヘテロダイン干渉法により求めた拡張シリンダ１１１内の温度（黒丸）と、拡張シリンダ１１１内の圧力からポリトロープ変化を仮定して計算した温度（実線）とを比較した。
この結果、両者の値を概ね一致するものの、クランク角２４０°付近では、両者の値に違いが見られる。
【０１０６】
これは、圧力が低いと、位相変化量も小さいため、位相の読み取り誤差が影響することと、きのこ弁１１７が閉じた時の振動の影響が考えられる。
一方、ＴＤＣ付近になると、位相変化量も増大し、きのこ弁１１７が閉じた時の振動の影響も少なくなるため、両者の値は比較的よく一致することがわかる。図１１の結果により、モータリング時でのヘテロダイン干渉法によるガス温度変化の測定は、十分に可能であることがわかった。
【０１０７】
次に、圧縮膨張機関において火花点火を行い、未燃焼ガスの温度変化測定を試みた。
図１２（ａ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図である。
なお、ガスには、当量比１．０のメタン−空気混合気を用いた。また、圧縮比は１１．２であり、点火時期はＢＴＤＣ２０°である。また、機関回転速度は６００ｒｐｍである。
【０１０８】
図１２（ａ）において、図１１（ａ）のモータリング時と同じように、クランク角３４０°までの緩やかな圧力上昇に対して、位相変化量も緩やかに増加している。
そして、クランク角３４０°から火炎が計測領域３４を通過するまでの急激な圧力上昇に伴って、位相変化量も急激に増加し、モータリング時と比較して位相変化量も大きいことがわかる。また、試験信号が急激に減少した時を、火炎が計測領域３４を通過した時と判断した。
【０１０９】
この図１２（ａ）の位相変化量および圧力履歴に基づいて、拡張シリンダ１１１内の未燃焼ガスの温度変化を（８）式を用いて見積もった。
図１２（ｂ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
図１２（ｂ）において、ヘテロダイン干渉法により求めた拡張シリンダ１１１内の未燃焼ガスの温度（黒丸）と、拡張シリンダ１１１内の圧力から以下の式を用いて計算した温度（実線）とを比較した。
【０１１０】
Ｔｍ＝Ｔｉｇ（Ｐｔ／Ｐｉｇ）（（κ−１）／κ） ・・・（１２）ただし、κは、未燃焼混合ガスの比熱比であり、温度３００Ｋ〜６００Ｋ、圧力０．１〜３ＭＰａの範囲における平均値を１．３８０として用いた。
これら両者の値を比較すると、下死点から点火時期まで混合ガスが圧縮されるに従って、緩やかに温度上昇しており、両者の値は比較的よく一致していることがわかる。
【０１１１】
また、点火後の急激な温度上昇についても、ヘテロダイン干渉法により求めた値の方が、（１２）式を用いて求めた値よりも若干高くなっているが、両者の値はほぼ一致していることがわかる。
以上の結果から、温度センサ３１を用いたヘテロダイン干渉法により、エンジン内の未燃焼ガスの温度変化を局所的に計測できることが確認できた。
【０１１２】
なお、今回の実験では、２５ｋＨｚのビート周波数信号をＡ／Ｄ変換して、５００ｋＨｚのサンプリング周波数で記録した。この時、２０点で１周期分が記録される。
このため、１／２０周期分の光路長変化を位相の最小読み取り値とすると、圧力の増加に伴い、ビート周波数が変化するため、最小読み取り値は変化する。
【０１１３】
図１３は、本発明の一実施形態に係る温度センサの温度計測分解能とガス圧との関係を示す図である。
図１３において、圧力の増加に伴い、温度計測分解能が上昇していることがわかる。また、火炎が測定領域３４を通過する直前の温度計測分解能は、０．７Ｋ程度である。
【０１１４】
温度計測分解能は、Ａ／Ｄ変換時のサンプリング周波数、ヘテロダイン干渉法のビート周波数および測定領域３４の長さにより決定されるため、これらの最適化を行うことで、温度計測分解能を改善することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と試験光とのビート周波数差に基づいて、温度計測領域の温度を温度計測装置に算出させることにより、温度計測領域でのビート周波数の位相変化から温度を求めるための手間を軽減することが可能となり、ヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法を内燃機関などに適用した場合においても、燃焼室内の急激な温度変化をリアルタイムで知ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るヘテロダイン干渉法を用いた温度計測方法の原理を説明する平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る温度計測装置のヘテロダイン干渉用光学系の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る温度センサの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る温度センサの計測部長さと温度計測分解能との関係を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度センサのエンジンへの取り付け状態を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ線で切断して温度センサ側を見た場合の断面図、図７（ｂ）は、温度センサが取り付けられたシリンダヘッドの構成を示す上面図である。
【図８】温度センサが取り付けられたエンジンを図６のＢ方向から見た場合の斜視図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る温度センサの実験に用いた圧縮膨張機関の概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、モータリング時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図、図１１（ｂ）は、モータリング時にクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と位相変化量および燃焼室内圧力との関係を示す図、図１２（ｂ）は、圧縮ガスの燃焼時におけるクランク角と燃焼室内温度との関係を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る温度センサの温度計測分解能とガス圧との関係を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、２０１、３０１ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２、５、１５ ハーフミラー
３ 参照領域
４、６、１３、２２、３５、１１４ ミラー
７ 周波数シフタ
８、３４ 計測領域
９ 検出器
Ｌｒ 参照光
Ｌｓ 試験光
１２ 音響光学素子
１４、１８ 偏光ビームスプリッタ
１６、１９ 偏光フィルタ
１７、２０ フォトトランジスタ
２１ １／４波長板
２３ １／２波長板
２４、３２ セルフォックマイクロレンズ
２５、２１２ 光ファイバ
光ファイバ
２６ センサ取り付け面
２７ ガス
３１ 温度センサ
３１ａ 温度センサ先端
３３ 光学窓
４１、５０ 筒状筐体
４１ａ、４５ａ ネジ
４２、４４ ボルト
４３、４６、４７ ガスケット
３４ａ、４４ａ 開口部
４５ アダプタ
４９ シャッタ
５１ 光軸調整用レンズ保持部
５２ リテーナ
５３ 芋ネジ
５４ ガイド
５５ ネジ
５６ パイプ
６１、１０１ シリンダ
６２、１１５ シリンダヘッド
６３ 冷却フィン
６４、１０２ ピストン
６５ ピストンピン
６６、１０３ コネクティングロッド
６７、１１６ 点火プラグ
６９ カムシャフト
７０ａ カムスプロケット
７０ｂ クランクスプロケット
７１ カムチェーン
７２ クランクピン
７３ クランクシャフト
７４ オイルフィルタ
７５ ジェネレータ
７６ クラッチ
７７ トランスミッションドライブ側軸
７８ トランスミッションドライブ側ギア
７９ トランスミッションドリブン側軸
８０ トランスミッションドリブン側ギア
８１ 吸気ロッカーアーム
８２ 排気ロッカーアーム
８３、８４ 弁バネ
８５ 吸気弁
８５ａ 吸気ポート
８６ 排気弁
８６ｂ 排気ポート
８７ キャブレタ
９０ オイルパン
９１オイルドレンボルト
９２ タイミングチェック用窓
９４ ジャバラ管
９５ コネクタ
１０４ フライホイール
１０５ ベルト
１０６ 電気モータ
１０７ ロータリーエンコーダ
１０８ ＴＤＣセンサ
１１１ 拡張シリンダ
１１２ 観測窓
１１３ 拡張ピストン
１１７ きのこ弁
１１８ 圧力変換素子
１１９ スペーサ
１２１ 混合タンク
１２２〜１２４ バルブ
１２５、２０７、２０８ 熱電対
１２６ 連結管
２００、２００´ 温度計測装置
２０２ ヘテロダイン干渉用光学系
２０３ 光電変換部
２０４ 位相計
２０５、２０５´ データ演算部
２０６ 表示部
２１１ センサ部
Claims (5)
- ビート信号を生成するための参照光と試験光とを発生させるヘテロダイン干渉用光学系と、
前記試験光に位相変化を検出させる温度計測領域が設けられた温度センサと、
前記ヘテロダイン干渉用光学系で生成された参照光と前記温度計測領域を通過した試験光とのビート周波数差を検出する位相計と、
前記位相計によって検出されたビート周波数差に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出する信号処理手段とを備え、
前記ビート周波数差の検出から前記温度計測領域の温度の算出までの処理を一貫して行うことを特徴とする温度計測装置。 - 前記温度センサは、
前記試験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を備え、
前記温度計測領域は、温度測定対象が入り込み可能な状態で前記光透過窓と前記反射部との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の温度計測装置。 - 前記信号処理手段は、
ヘテロダイン干渉法による参照信号と試験信号とのビート周波数差に基づいて、前記温度計測領域を通過したレーザ光の位相変化を算出する位相変化算出手段と、
前記位相変化算出手段により算出された位相変化に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出する温度算出手段とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の温度計測装置。 - 前記温度算出手段は、
前記位相変化算出手段により算出された前記位相変化に基づいて、前記温度計測領域の屈折率変化を算出する屈折率算出手段と、
前記屈折率算出手段により算出された屈折率変化に基づいて、前記温度計測領域の密度変化を算出する密度算出手段とを備え、
前記密度変化に基づいて、前記温度計測領域の温度を算出することを特徴とする請求項３記載の信号処理装置。 - 前記屈折率算出手段は、
前記温度計測領域が気体の場合、Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ−Ｄａｌｅの式を適用することにより屈折率変化を算出し、
前記温度計測領域が液体の場合、Ｌｏｒｅｎｚ−Ｌｏｒｅｎｔｚの式を適用することにより屈折率変化を算出することを特徴とする請求項４記載の信号処理装置。
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