JP6100005B2 - 温度測定装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、温度測定装置に関する。

高速過度現象の一つであるプラズマの温度を測定するため、プラズマが発する光を測定して温度を算出する方法が考えられている。従来、プラズマが発する２つの原子線スペクトルの強度を選択的に同時に検知し、それらの強度比から温度を算出する方法が考えられる。しかしながら、プラズマの放射スペクトルが原子線スペクトルと共に連続光成分を含むため、この方法は、連続光成分が増加すると測定精度が低下するという課題がある。

Takeuchi, et al,「Temperature and Metal Vapor Near the Cathode in Copper Breaking Arcs According to Spectroscopic Measurement」，IEEE Transactions on Plasma Science，Vol. 28, No. 3, pp. 991-999, 2000

上記の課題を解決するため、測定対象物の放射スペクトルを用いて精度よく温度を測定する温度測定装置を提供する。

実施形態によれば、温度測定装置は、採光手段と、抽出手段と、光強度算出手段と、温度測定手段とを有する。採光手段は、測定対象物の放射スペクトルを採光する。抽出手段は、前記採光手段が採光した放射スペクトルから、原子線スペクトルの波長を持つ光と、原子線スペクトルのない波長領域中の波長を持つ光と、を抽出する。光強度算出手段は、前記抽出手段が抽出した各光の強度を算出する。温度測定手段は、前記光強度算出手段が算出した各光の強度に基づいて前記測定対象物の温度を算出する。

図１は、第１実施形態に係る温度測定装置の構成例を概略的に示す図である。 図２は、プラズマの放射スペクトルの例を示す図である。 図３は、第２実施形態に係る温度想定装置の構成例を概略的に示す図である。 図４は、原子線スペクトル対の強度比と温度の関係を示す図である。 図５は、第３実施形態に係る温度測定装置の構成例を概略的に示す図である。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。
第１実施形態に係る温度測定装置は、測定対象物の放射スペクトルを用いて、測定対象物の温度を測定する。即ち、温度測定装置は、測定対象物の放射スペクトルの中から２つの原子線スペクトルと原子線スペクトルの波長以外の波長を持つ光成分とを選択的に検知し、それぞれの強度から測定対象物の温度を測定する。

温度測定装置は、放射スペクトルの中から原子線スペクトルの２つの波長（λａ及びλｂ）を持つ光成分の強度（ＩＡ及びＩＢ）を測定する。さらに、温度測定装置は、放射スペクトルの中から原子線スペクトルの波長以外の波長（λｃ）を持つ光成分の強度（ＩＣ）を測定する。温度測定装置は、波長λａを持つ光成分の強度ＩＡ、波長λｂを持つ光成分の強度ＩＢ、及び、波長λｃを持つ光成分の強度ＩＣから測定対象物の温度を算出する。

図１は、第１実施形態に係る温度測定装置２０の構成例を概略的に示す図である。
図１に示すように、温度測定装置２０は、測定対象物２を格納する個体容器１、個体容器１内の測定対象物の放射スペクトルを採光する入光部３、入光部３を固定保持するアダプタ４、入光部３が採光する放射スペクトルを伝送する伝送部５、入光部３が採光する放射スペクトルの光量を調整する光量調節部６、光量調節部６が光量を調整した放射スペクトルから特定の波長を持つスペクトルの強度を検出する特定波長強度検出部１０、特定波長強度検出部１０が検出した各スペクトルの強度から原子線スペクトルの強度比を算出する光強度比算出部１１、及び温度算出部１５を備える。

特定波長強度検出部１０は、光量調節部６が光量を調節した放射スペクトルから特定の波長を持つ光を選択抽出する波長選択部７、波長選択部７が抽出した光の強度に応じて電圧を出力するディテクタ８ａ〜８ｃ、各ディテクタ８ａ〜８ｃが出力する電圧から光の強度を計算する較正部９ａ〜９ｃを備える。波長選択部７は、内部の温度を一定に調節する温度調節部１２の内部に設置される。

個体容器１は、内部に測定対象物２を格納する空間を有する。個体容器１が有する空間は、測定対象物２に応じた大きさ及び形状である。たとえば、個体容器１は、円柱状、矩形状などの容器であるが、個体容器１の形状は、特定の形状に限定されるものではない。
個体容器１は、測定対象物２が発生させる衝撃又は熱などに耐える強度を持つ。たとえば、個体容器１は、金属などで形成されるが、個体容器１を構成する物質は、特定の物質に限定されるものではない。
たとえば、個体容器１は、電力用ガス遮断器、又は、エンジンのシリンダなどの他の用途に用いられているものであってもよい。また、個体容器１は、測定対象物２を測定するための容器であってもよい。

個体容器１の内側表面は、少なくとも入光部３の視野範囲に入る部分について鏡面的に加工されている。即ち、入光部３は、個体容器１が発する光としては、鏡面加工されている内側表面が発する光のみを採光する。鏡面加工された物質は温度変化に応じた光を出しにくい。したがって、個体容器１の内側表面のうち入光部３の視野範囲に入る部分は、温度変化によって光を出しにくい。そのため、入光部３は、個体容器１が温度変化によって発する光を採光することなく、測定対象物２の放射スペクトルを採光することができる。

個体容器１の一部には、アダプタ４を設置するための内部へ貫通する穴が設けられる。穴の位置は、測定対象物２の放射スペクトルを採光し易いように測定対象物２の近傍であるが、特定の位置に限定されるものではない。

測定対象物２は、温度測定装置２０が温度を測定する対象物である。測定対象物２は、短時間（たとえば、数ミリ秒から数μ秒）の間に急激な温度変化を起こす現象（過度現象）などである。たとえば、測定対象物２は、爆発、燃焼、プラズマ又は化学反応などである。しかし、測定対象物２は、過度現象に限定されるものではなく、特定の物質又は現象に限定されるものではない。

入光部３は、先端から測定対象物２の放射スペクトルを採光する。また、入光部３は、採光された放射スペクトルを伝送路５を通じて光量調整部６へ供給する。入光部３は、アダプタ４に保持される。入光部３は、個体容器１内へ突出して設置されてもよいし、アダプタ４内に埋没され個体容器１内へ突出されなくともよい。また、入光部３の測定対象物２に対面する表層部は、測定対象物２が発生させる衝撃又は熱などに耐える強度を持つ。入光部３の測定対象物２に対面する表層部は、耐熱ガラス又は強化ガラスなどで形成される。

また、入光部３は、内部に焦点距離１３を持つレンズを有する。このレンズによって、入光部３は、入光部３から焦点距離１３離れた部分の光を採光することができる。即ち、入光部３は、入光部３から焦点距離１３離れた測定対象物２の部分（測定箇所）が発生する放射スペクトルを採光できる。その結果、温度測定装置２０は、測定対象物２の当該測定箇所の温度を測定することができる。また、レンズは、焦点距離１３を任意に変更できるものであってもよい。この場合、温度測定装置２０は、容易に温度を測定する箇所を変更することができる。

アダプタ４は、入光部３を固定保持する。アダプタ４は、個体容器１に設けられた穴を埋めるように、個体容器１に設置される。また、アダプタ４は、伝送路５の一端を固定保持する。伝送路５及び入光部３を固定保持することによって、アダプタ４は、入光部３と伝送路５とを光学的に接続する。

伝送路５は、入光部３が採光した放射スペクトルを光量調節部６へ伝送する。また、伝送路５は、光量調整部６が光量を調節した放射スペクトルを波長選択部７へ伝送する。また、伝送路５は、波長選択部７が供給する光をディテクタ８ａ、８ｂ、８ｃへ伝送する。伝送路５は、光を伝送路５の一端から他端まで伝送する機能を有する。たとえば、伝送路５は、光ファイバなどである。

光量調整部６は、入光部３が供給する放射スペクトルの光量を適切な光量へ調節する。即ち、光量調整部６は、入光部３が供給する放射スペクトルの光量をディテクタ８ａ〜８ｃが検出可能な光量へ調節する。具体的には、光量調整部６は、放射スペクトルの全ての光成分を均等な割合で減少させる。たとえば、入光部３が供給する放射スペクトルの光量がディテクタ８が検知できる光量を上回っている場合、ディテクタ８が検知する各原子線スペクトルの強度に差が生じず、温度測定装置２０は、測定対象物２の温度を算出できない。この場合、光量調整部６は、ディテクタ８が検知できる光量へ放射スペクトルの光量を減少させる。また、光量調整部６が放射スペクトルの光量を減少させすぎると、放射スペクトルの信号ノイズ比が悪化する。光量調整部６は、放射スペクトルの光量を、ディテクタ８が検知可能な光量であってかつ信号ノイズ比が悪化しない程度に、調整する。
また、光量調整部６は、光量を調節された放射スペクトルを伝送路５を通じて波長選択部７へ供給する。

波長選択部７は、光量調整部６が供給する放射スペクトルの中から特定の波長を持つ光のみを抽出する。実施形態において、波長選択部７は、原子線スペクトルの２つの波長λａ及びλｂを持つ光と、原子線スペクトルのない波長領域中の１つの波長λｃを持つ光とを抽出する。
λａ、λｂ及びλｃは、測定対象物２に応じて決定されるが、特定の波長に限定されるものではない。

たとえば、測定対象物２が、銅を含む電極を用いた、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を含むガス中で点弧したアークプラズマである場合、λａ及びλｂは、493nm，500nm，502nm，504nm，507nm，511nm，515nm，518nm，522nm，540nm，548nm，553nm，561nm，565nm，567nm，571nm，579nm，586nm，625nm，636nm，642nm，657nm，658nm，677nm，688nm，684nm，686nm，689nm，691nm，705nm，714nm，721nm，732nm，734nm，741nm，743nm，744nm，749nm，750nm，755nm，757nm，776nm，781nmのいずれかの波長であってもよい。この場合、λｃは、上記に記載される波長以外の波長を設定される。

また、測定対象物２が、銅を含む電極を用いた、二酸化炭素（ＣＯ２）を含むガス中で点呼したアークプラズマである場合、λａ及びλｂは、493nm，502nm，504nm，507nm，511nm，515nm，522nm，561nm，579nm，741nm，743nmのいずれかの波長であってもよい。この場合、λｃは、上記に記載される波長以外の波長を設定される。

たとえば、波長選択部７は、回折格子又はプリズムなどで放射スペクトルを分光し、特定波長の光のみを光ファイバなどで拾う構造であってもよい。また、波長選択部７は、放射スペクトルをビームスプリッタで分枝し、狭波長帯干渉フィルタで特定の波長を持つ光のみを通過させる構造であってもよい。波長選択部７が前述した波長群から抽出する光の波長を選択する場合、干渉フィルタの透過波長バンド幅は、３ｎｍ程度であればよい。波長選択部７が、特定の波長を持つ光のみを抽出する方法及び構造は、特定の構成に限定されるものではない。

波長選択部７は、抽出された光を伝送路５を通じて各ディテクタ８へ供給する。ここでは、波長選択部７は、波長λａを持つ光をディテクタ８ａへ、波長λｂを持つ光をディテクタ８ｂへ、波長λｃを持つ光をディテクタ８ｃへ供給する。

波長選択部７は、温度調節部１２の内部に設置される。温度調節部１２は、内部の温度を一定に保つ機能を有する。温度調節部１２は、波長選択部７の温度を一定の温度に保つ。波長選択部７は、通常分光器又は特定波長帯のみを通過させる干渉フィルタなどを用いる。これらの部品の温度特定は、温度変化に対して敏感である。そのため、温度調整部１２は、波長選択部７の温度を一定に保つことによって、波長選択部７の精度が温度変化によって低下することを防止する。

ディテクタ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）は、波長選択部７が抽出した光を電圧に変換する。ディテクタ８は、短時間（数ミリ秒〜数μ秒）に生じる現象が発生する光を電圧に変換するため、数μ秒程度の応答速度で電圧を生じる。たとえば、ディテクタ８は、フォトダイオード又は光電子倍増管などである。また、ディテクタ８は、特定の波長を持つ光ごとに独立して設置される。したがって、各ディテクタ８は、同時に特定の波長を持つ各光を電圧に変換することができる。

ディテクタ８は、電気的に較正部９に接続される。ディテクタ８は、発生した電圧を較正部９へ供給する。ここでは、ディテクタ８ａは、較正部９ａへ電圧を供給し、ディテクタ８ｂは、較正部９ｂへ電圧を供給し、ディテクタ８ｃは、較正部９ｃへ電圧を供給する。

較正部９（９ａ、９ｂ、９ｃ）は、ディテクタ８が供給する電圧から波長選択部７がディテクタ８へ供給した光の強度を算出する。ディテクタ８は、供給される光の強度に対してリニアな電圧を出力しない。通常、ディテクタ８に供給される光の強度が強くなると、光の強度に対する出力電圧の比率が減少する。即ち、ディテクタ８に供給される光の強度が強くなると、ディテクタ８の光を電圧に変化する効率が低下する。較正部８は、ディテクタ８の特性に基づいて、ディテクタ８が供給する電圧から、波長選択部７がディテクタ８へ供給した光の強度を算出する。較正部８は、計算回路であってもよいし、ＰＣなどであってもよい。

較正部９は、電気的に光強度算出部１１へ接続される。較正部９は、算出された光の強度を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ａは、λａの波長を持つ光の強度（ＩＡ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ｂは、λｂの波長を持つ光の強度（ＩＢ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ｃは、λｃの波長を持つ光の強度（ＩＣ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。

光強度比算出部１１は、較正部９から供給される光の強度を示す情報に基づいて、２つの原子線スペクトルの強度比を算出する。以下、算出手順について説明する。
測定対象物２の放射スペクトルは、原子線スペクトルと共にノイズである連続光成分を含む。図２は、測定対象物２の放射スペクトルの例を示す図である。図２に示すように、原子線スペクトル（線スペクトル）は、連続光成分に乗るように形成されている。したがって、光強度比算出部１１は、単に原子線スペクトルの波長を持つ光の強度を利用して原子線スペクトルの強度比を算出しようとすると、連続光成分によって正確な原子線スペクトルの強度比を算出できない。

光強度比算出部１１は、連続光成分の強度を除去して原子線スペクトルの強度比を算出する。具体的には、光強度比算出部１１は、原子線スペクトルの波長を持つ光の強度から、連続光成分の強度を減算して、測定対象物２の測定箇所が発する原子線スペクトルの強度を算出する。ここで、波長λｃを持つ光は、原子線スペクトルのない波長領域の光であるので、波長λｃを持つ光の強度は、連続光成分の強度である。したがって、光強度比算出部１１は、光強度比算出部１１は、原子線スペクトルの波長λａ及び波長λｂを持つ光の強度から波長λｃを持つ光の強度を減算することで、測定対象物２が発する原子線スペクトルの強度を算出する。光強度比算出部１１は、算出された原子線スペクトルの強度から、測定対象物２の測定箇所が発する原子線スペクトルの強度比を算出する。

実施形態において、較正部９ａは、波長λａを持つ光の強度（ＩＡ）を算出して、算出された強度を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ａが供給する情報が示す強度は、測定対象物２が発する原子線スペクトルに連続光成分が加わった状態の強度である。

また、較正部９ｃは、波長λｃを持つ光の強度（ＩＣ）を算出して、算出された強度を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。λｃは原子線スペクトルの波長ではないので、較正部９ａが供給する情報が示す強度は、連続光成分の強度である。

したがって、光強度比算出部１１は、ＩＡからＩＣを減算することで、測定対象物２が発する波長λａの原子線スペクトル強度（Ｉｎ）を得ることができる。同様に、光強度比算出部１１は、ＩＢからＩＣを減算することで、測定対象物２が発する波長λｂの原子線スペクトル強度（Ｉｍ）を得ることができる。よって、光強度比算出部１１は、以下の式によって、原子線スペクトルの強度比（Ｉｎ／Ｉｍ）を算出することができる。
Ｉｎ／Ｉｍ＝（ＩＡ−ＩＣ）／（ＩＢ−ＩＣ）
光強度比算出部１１は、計算回路であってもよいし、ＰＣなどであってもよい。
光強度比算出部１１は、温度算出部１５に電気的に接続される。光強度比算出部１１は、算出された原子線スペクトルの強度比を示す情報を温度算出部１５へ送信する。

温度算出部１５は、光強度比算出部１１が送信する原子線スペクトルの強度比を示す情報に基づいて測定対象物２の測定箇所の温度を算出する。温度算出部１５は、以下の式によって、温度を算出することができる（非特許文献１参照）。

ここで、
ｋ：ボルツマン定数 ８．６２×１０−５（ｅＶ Ｋ−１）
Ｅｍ，Ｅｎ：各原子線スペクトルに対応する励起エネルギーレベル（ｅＶ）
ｇｍ，ｇｎ：各原子線スペクトルに対応する統計重率
Ａｍ，Ａｎ：各原子線スペクトルに対応する遷移確立（ｓ−１）
である。各値は、いずれも予め決定される定数である。しがたって、温度算出部１５は、原子線スペクトルの強度比（Ｉｎ／Ｉｍ）を式（１）に代入することで、測定対象物２の測定箇所の温度を算出することができる。

温度算出部１５は、ＰＣなどであってもよい。また、温度算出部１５は、算出された温度を表示する表示部などを備えてもよい。温度算出部１５は、算出された温度を示す情報を他の装置へ送信する送信部などを備えてもよい。

なお、光強度比算出部１１及び温度算出部１５は、１つのＰＣであってもよい。また、較正部９、光強度比算出部１１及び温度算出部１５は、１つのＰＣであってもよい。各部の構成は、特定の構成に限定されるものではない。

次に、温度測定装置２０の動作例について説明する。
まず、個体容器１内において測定対象物２が発生する。たとえば、温度測定装置２０の利用者は、個体容器１内において測定対象物２であるプラズマ、爆発、又は化学反応などを発生させる。

測定対象物２が発生すると、入光部３は、入光部３から焦点距離１３離れた測定箇所の測定対象物２が放射する放射スペクトルを採光する。測定箇所の測定対象物２が放射する放射スペクトルを採光すると、入光部３は、採光された放射スペクトルを伝送路５を通じて光量調整部６へ供給する。

光量調整部６は、伝送路５を通じて入光部３が供給する放射スペクトルを供給される。放射スペクトルを供給されると、光量調整部６は、供給された放射スペクトルの光量を調節する。放射スペクトルの光量を調節すると、光量調整部６は、光量を調節された放射スペクトルを伝送路５を通じて波長選択部７へ供給する。

波長選択部７は、伝送路５を通じて光量調整部６が供給する放射スペクトルを供給される。放射スペクトルを供給されると、波長選択部７は、供給された放射スペクトルの中から波長λａ、λｂ及びλｃを持つ光成分を抽出する。波長λａ、λｂ及びλｃを持つ光成分を抽出すると、波長選択部７は、伝送路５を通じて、波長λａ、λｂ及びλｃを持つ光をそれぞれディテクタ８ａ、８ｂ及び８ｃへ供給する。

ディテクタ８ａ、８ｂ及び８ｃは、伝送路５を通じて、それぞれ波長λａ、λｂ及びλｃを持つ光を供給される。ディテクタ８ａ、８ｂ及び８ｃは、それぞれ供給された光を電圧に変換する。供給された光を電圧に変換すると、ディテクタ８ａ、８ｂ及び８ｃは、発生した電圧をそれぞれ較正部９ａ、９ｂ及び９ｃへ供給する。

較正部９ａ、９ｂ及び９ｃは、ディテクタ８ａ、８ｂ及び８ｃが光から変換した電圧をそれぞれ供給される。電圧を供給されると、較正部９ａ、９ｂ及び９ｃは、供給された電圧に基づいてそれぞれディテクタ８ａ、８ｂ及び８ｃに供給された光の強度を算出する。光の強度を算出すると、較正部９ａ、９ｂ及び９ｃは、それぞれ波長λａ、λｂ及びλｃを持つ光の強度を示す情報を光強度比算出部１１へ送信する。

光強度比算出部１１は、波長λａ、λｂ及びλｃを持つ光の強度を示す情報を受信する。各情報を受信すると、光強度比算出部１１は、各情報に基づいて測定対象物２の測定箇所が放射する原子線スペクトルの強度比を算出する。原子線スペクトルの強度比を算出すると、光強度比算出部１１は、算出された原子線スペクトルの強度比を示す情報を温度算出部１５へ送信する。

温度算出部１５は、光強度算出部１１が算出した原子線スペクトルの強度比を示す情報を受信する。原子線スペクトルの強度比を示す情報を受信すると、温度算出部１５は、式（１）に従って測定箇所の温度を算出する。測定箇所の温度を算出すると、温度算出部１５は、測定箇所の温度を示す情報を外部へ提供する。たとえば、温度算出部１５が表示部を備える場合、温度算出部１５は、表示部へ測定箇所の温度を表示する。また、温度算出部１５が送信部を備える場合、温度算出部１５は、送信部を通じて他の装置へ測定箇所の温度を示す情報を送信する。

温度算出部１５が測定箇所の温度を示す情報を外部へ提供すると、温度測定装置２０は、温度測定動作を終了する。

なお、温度測定装置２０は、原子線スペクトルのない波長領域から２つの波長λｃ及び波長λｄを持つ光の強度を測定してもよい。たとえば、波長λｃが波長λａに近接し、波長λｄは波長λｂに近接する。この場合、波長λｃを持つ光は、波長λａを持つ光の近傍の連続光成分である。したがって、λｃを持つ光の強度は、波長λａを持つ光の連続光成分の強度に近い。温度測定装置２０は、波長λａを持つ光の強度から波長λｃを持つ光の強度を減算することで、より正確に測定対象物２の測定箇所が発する波長λａを持つ原子線スペクトルの強度を算出することができる。同様に、温度測定装置２０は、波長λｂを持つ光の強度から波長λｄの強度を減算することで、より正確に測定対象物２の測定箇所が発する波長λｂを持つ原子線スペクトルの強度を算出することができる。

また、温度測定装置２０は、波長λａの周辺の連続光成分の強度を複数点について測定し、波長λａを持つ連続光成分の強度を推測してもよい。同様に、温度測定装置２０は、波長λｂの周辺の連続光成分の強度を複数点について測定し、波長λｂを持つ連続光成分の強度を推測してもよい。温度測定装置２０が強度を測定する連続光成分のポイントの数は、特定の数に限定されるものではない。

以上のように構成される温度測定装置は、原子線スペクトルの波長を持つ連続光成分を除去し、測定対象物の測定箇所が発する原子線スペクトルの強度を正確に測定することができる。これによって、温度測定装置は、測定対象物の測定箇所が発する原子線スペクトルの強度比を正確に算出することができ、その結果、測定対象物の測定箇所の温度を正確に算出することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。
第２実施形態に係る温度測定装置は、測定対象物２が発する３つ以上の原子線スペクトルの強度と原子線スペクトルの波長以外の波長を持つ光成分の強度とに基づいて測定対象物２の温度を測定する点で、第１実施形態に係る温度測定装置２０と異なる。したがって、その他の点については詳細な説明を省略する。

温度測定装置は、２つ以上の原子線スペクトル対の強度比に基づいて測定対象物２の温度を算出する。第２実施形態において、温度測定装置は、銅の２つの原子線スペクトル（スペクトル対）から強度比を算出し、フッ素の２つの原子線スペクトルから強度比を算出する。温度測定装置は、銅の原子線スペクトル対の強度比、及び、フッ素の原子線スペクトル対の強度比から測定対象物２の温度を算出する。以下、詳細に説明する。

図３は、第２実施形態に係る温度測定装置３０の構成例を概略的に示す図である。
図３に示されるように、温度測定装置３０は、さらにディテクタ８ｄ及び８ｅと較正部９ｄ及び９ｅを備える。ディテクタ８ｄ及び８ｅは、伝送路５を通じて波長選択部７と光学的に接続される。較正部９ｄ及び９ｅは、ディテクタ８ｄ及び８ｅとそれぞれ電気的に接続される。また、較正部９ｄ及び９ｅは、光強度比算出部１１に電気的に接続される。

波長選択部７は、３つ以上の原子線スペクトルの波長を持つ光と、原子線スペクトルのない波長領域中の１つの波長を持つ光とを抽出する。第２実施形態において、波長選択部７は、銅（Ｃｕ）の２つの原子線スペクトルの波長λａ及び波長λｂ、フッ素（Ｆ）の２つの原子線スペクトルの波長λｃ及び波長λｄ、及び原子線スペクトルのない波長領域中の１つの波長λｅを持つ光を抽出する。

波長選択部７は、抽出された波長λａ〜波長λｅを持つ光を、それぞれディテクタ８ａ〜８ｅへ供給する。ディテクタ８ａ〜８ｅは、供給された光を電圧へ変換する。供給された光を電圧へ変換すると、ディテクタ８ａ〜８ｅは、供給された光を変換した電圧をそれぞれ較正部９ａ〜９ｅへ供給する。較正部９ａ〜９ｅは、供給された電圧から、波長選択部７がディテクタ８へ供給した光の強度を算出する。

較正部９ａは、λａの波長を持つ光の強度（ＩＡ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ｂは、λｂの波長を持つ光の強度（ＩＢ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ｃは、λｃの波長を持つ光の強度（ＩＣ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ｄは、λｄの波長を持つ光の強度（ＩＤ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。較正部９ｅは、λｅの波長を持つ光の強度（ＩＥ）を示す情報を光強度比算出部１１へ供給する。

光強度比算出部１１は、波長λａ〜λｅを持つ光の強度（ＩＡ〜ＩＥ）を示す情報を受信する。各情報を供給されると、光強度比算出部１１は、銅の原子線スペクトル対の強度比、及び、フッ素の原子線スペクトル対の強度比を算出する。以下、算出手順について説明する。

光強度比算出部１１は、測定対象物２の測定箇所が発する原子線スペクトルの強度を算出する。第１実施形態と同様に、光強度比算出部１１は、ＩＡからＩＥを減算することで、測定対象物２が発する波長λａの原子線スペクトル強度（Ｉｃｎ）を得ることができる。同様に、光強度比算出部１１は、ＩＢからＩＥを減算することで、測定対象物２が発する波長λｂの原子線スペクトル強度（Ｉｃｍ）を得ることができる。よって、光強度比算出部１１は、以下の式によって、銅の原子線スペクトル対の強度比（Ｉｃｎ／Ｉｃｍ）を算出することができる。
Ｉｃｎ／Ｉｃｍ＝（ＩＡ−ＩＥ）／（ＩＢ−ＩＥ）
同様に、光強度比算出部１１は、以下の式によって、フッ素の原子線スペクトル対の強度比（Ｉｆｎ／Ｉｆｍ）を算出することができる。
Ｉｆｎ／Ｉｆｍ＝（ＩＣ−ＩＥ）／（ＩＤ−ＩＥ）
銅の原子線スペクトル対の強度比及びフッ素の原子線スペクトル対の強度比を算出すると、光強度比算出部１１は、銅の原子線スペクトル対の強度比を示す情報、及び、フッ素の原子線スペクトル対の強度比を示す情報を温度算出部１５へ送信する。

温度算出部１５は、各情報を受信する。各情報を受信すると、温度算出部１５は、銅の原子線スペクトル対の強度比及びフッ素の原子線スペクトル対の強度比に基づいて測定対象物２の測定箇所の温度を算出する。以下、温度算出部１５が温度を算出する手順について説明する。

まず、温度算出部１５は、温度の算出に使用する原子線スペクトル対の強度比を決定する。即ち、温度算出部１５は、温度の算出に最も適した原子線スペクトル対の強度比を決定する。

図４は、理論値に基づく銅の原子線スペクトルの強度比と温度との関係及びフッ素の原子線スペクトルの強度比と温度との関係を示す図である。
図４に示されるように、銅の原子線スペクトルの強度比と温度との関係を示す曲線の特性と、フッ素の原子線スペクトルの強度比と温度との関係を示す曲線の特性とは、大きく異なる。

温度測定装置３０が測定しようとする温度領域において、算出される温度の変化が原子線スペクトル対の強度比の変化に対して、過度に大きい、又は過度に小さい場合には、温度測定装置３０は、精度のよく温度を算出できない。たとえば、算出される温度の変化が原子線スペクトル対の強度比の変化に対して過度に大きい場合、原子線スペクトル対の強度比にわずかなノイズが発生しても、温度測定装置３０は、正確に温度を算出することができない。また、算出される温度の変化が原子線スペクトル対の強度比の変化に対して過度に小さい場合、温度測定装置３０は、原子線スペクトル対の強度比を高い値（たとえば、１０以上）まで正確に測定しなければならず、正確な温度を算出することは困難である。

したがって、算出される温度の変化が原子線スペクトル対の強度比の変化に対して一定の範囲内となるような温度領域（適正温度測定範囲）が、その原子線スペクトル対の強度比を用いた場合に精度よく温度を測定できる温度領域である。適正温度測定領域は、測定に要求される制度又は測定条件などにより決定される。たとえば、適正温度測定範囲は、以下の式を満たす温度領域をいう。

ここで、Ｉｎ＞Ｉｍを満たす。

図４に示すように、銅の原子線スペクトル対の強度比と温度との関係において、式（２）を満たす範囲は、概ね６０００Ｋ〜１００００Ｋである。また、フッ素の原子線スペクトル対の強度比と温度との関係において、式（２）を満たす範囲は、概ね２０００Ｋ〜４０００Ｋである。したがって、測定対象物２の測定箇所の温度が概ね２０００Ｋ〜４０００Ｋである場合には、温度測定装置３０は、フッ素の原子線スペクトル対の強度比を用いて温度を算出する。また、測定対象物２の測定箇所の温度が概ね６０００Ｋ〜１００００Ｋである場合には、温度測定装置３０は、銅の原子線スペクトル対の強度比を用いて温度を算出する。

温度算出部１５は、式（１）を用いて、銅の原子線スペクトル対の強度比及びフッ素の原子線スペクトル対の強度比に基づいて、測定対象物２の測定箇所の温度をそれぞれ算出する。測定対象物２の測定箇所の温度をそれぞれ算出すると、温度算出部１５は、算出された温度が適正温度測定範囲内にある原子線スペクトル対の強度比を、温度算出に用いる原子線スペクトル対の強度比と決定する。即ち、温度算出部１５は、原子線スペクトルの強度比から算出された温度が当該原子線スペクトルの適正温度測定範囲内である場合に、当該原子線スペクトルの強度比を、温度算出に用いる原子線スペクトル対の強度比と決定する。たとえば、温度算出部１５が銅の原子線スペクトル対の強度比から測定箇所の温度を７０００Ｋ（即ち、銅の原子線スペクトル対の適正温度測定範囲内）と算出した場合、温度算出部１５は、銅の原子線スペクトル対の強度比を温度算出に用いる原子線スペクトル対の強度比であると決定する。

温度算出に使用する原子線スペクトル対の強度比と決定すると、温度算出部１５は、当該原子線スペクトル対の強度比から算出される温度を測定対象物２の測定箇所の温度と決定する。測定対象物２の測定箇所の温度を決定すると、温度算出部１５は、測定箇所の温度を示す情報を外部へ提供する。測定箇所の温度を示す情報を外部へ提供すると、温度測定装置３０は、温度測定動作を終了する。

なお、第１実施形態と同様に、温度測定装置３０は、原子線スペクトルのない波長領域内の複数のポイントにおいて光の強度を測定し、測定された強度から測定対象物２の測定箇所が放射する原子線スペクトルの強度を算出してもよい。

以上のように構成される温度測定装置は、適正温度測定範囲の異なる複数個の原子線スペクトル対の強度比を測定対象物の温度に応じて切り替えることができる。これによって、温度測定装置は、温度の測定範囲に応じた原子線スペクトル対の強度比を選択でき、より精度よく測定対象物の温度を測定できる。また、温度測定装置は、測定可能な温度領域を拡大することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。
第３実施形態に係る温度測定装置は、入光部３の先端にカバーが設置される点で第１実施形態に係る温度測定装置と異なる。したがって、その他の点については詳細な説明を省略する。

図５は、第３実施形態に係る温度測定装置４０の構成例を概略的に示す図である。
図５に示されるように、温度測定装置４０は、入光部３の先端に設置されるカバー１４を備える。

カバー１４は、入光部３が測定対象物２の測定箇所の放射スペクトルのみを採光するために設置される。カバー１４は、焦点距離１３より遠方の測定対象物２又は個体容器１などが発する光が入光部３へ照射されることを防止する。これにより、入光部３は、測定対象物２の測定箇所の放射スペクトルをより明瞭に採光することができる。

カバー１４は、筒状であって、カバー１４の上下は、開口されている。カバー１４が上下に開口されていることにより、測定対象物２は、カバー１４内部へ滑らかに流入することができる。これによって、カバー１４は、測定対象物２の流れを乱すことを極力防止することができる。

カバー１４は、側面に入光部３に設置されるための穴を備える。カバー１４に設けられる穴は、カバー１４の側面を貫通する。入光部３の先端は、カバー１４に設けられた穴に固定される。これにより、入光部３は、カバー１４内部の光を採光することができる。なお、入光部３の先端は、カバー１４内部へ突出してもよいし、しなくともよい。

カバー１４の直径は、入光部３に設置されるレンズの焦点距離１３よりもわずかに大きい。これにより、入光部３は、カバー１４内部において焦点距離１３離れた測定箇所の放射スペクトルを採光することができる。また、カバー１４は、入光部３が焦点距離１３より遠方の測定対象物２が発する光を採光することを防止する。

カバー１４の内部は、鏡面的に加工されている。鏡面加工された物質は温度変化に応じた光を出しにくい。したがって、カバー１４は、温度変化に応じた光を出しにくい。そのため、入光部３は、カバー１４が温度変化によって発する光を採光することなく、測定箇所の放射スペクトルを採光することができる。

カバー１４は、測定対象物２が発生させる衝撃又は熱などに耐える強度を持つ。たとえば、カバー１４は、金属などで形成されるが、カバー１４を構成する物質は、特定の物質に限定されるものではない。

個体容器１内に測定対象物２が生じると、測定対象物２は、カバー１４内部へ滑らかに流入する。入光部３は、カバー１４内部において測定対象物２の測定箇所の放射スペクトルを採光する。以下の温度算出手順は、第１実施形態と同様である。

なお、第３実施形態は、第２実施形態の特徴も備えてもよい。
また、カバー１４は、筒状でなくともよい。カバー１４の形状は、入光部３が採光する光を測定対象物２の測定箇所が発する放射スペクトルに限定する形状であればよく、特定の形状に限定されるものではない。

以上のように構成される温度測定装置は、測定対象物の測定箇所の放射スペクトルをより明瞭に採光することができる。したがって、温度測定装置は、より正確に測定対象物の測定箇所の温度を算出することができる。また、温度測定装置は、測定対象物の流れを極力乱すことなく測定対象物の測定箇所の温度を算出することができる。
以下に本件出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
測定対象物の放射スペクトルを用いて温度を測定する温度測定装置において、
測定対象物の放射スペクトルを採光する採光手段と、
前記採光手段が採光した放射スペクトルから、原子線スペクトルの波長を持つ光と、原子線スペクトルのない波長領域中の波長を持つ光と、を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段が抽出した各光の強度を算出する光強度算出手段と、
前記光強度算出手段が算出した各光の強度に基づいて前記測定対象物の温度を算出する温度測定手段と、
を備える温度測定装置。
［Ｃ２］
前記抽出手段は、原子線スペクトルの波長を持つ２つの光と、原子線スペクトルのない波長領域中の波長を持つ少なくとも１つの光と、を抽出し、
温度測定手段は、
前記抽出手段が抽出した原子線スペクトルの波長を持つ前記２つの光の強度と、前記抽出手段が抽出した原子線スペクトルのない波長領域中の波長を持つ前記少なくとも１つの光の強度とに基づいて、前記測定対象物が発する原子線スペクトル対の強度比を算出する光強度比算出手段と、
前記光強度比算出手段が算出した原子線スペクトル対の強度比に基づいて、前記測定対象物の温度を算出する温度算出手段と、
を備える前記Ｃ１に記載の温度測定装置。
［Ｃ３］
前記抽出手段は、原子線スペクトルの波長を持つ３つ以上の光を抽出し、
前記光強度比算出手段は、前記測定対象物が発する原子線スペクトル対の強度比を２つ以上算出し、
前記温度算出手段は、前記光強度比算出手段が強度比の算出に用いた原子線スペクトル対の適正温度測定領域に基づいて前記光強度比算出手段が算出した２つ以上の前記強度比から温度を算出するために使用される強度比を決定し、決定された強度比から測定対象物の温度を算出する、
前記Ｃ２に記載の温度測定装置。
［Ｃ４］
前記温度算出手段は、前記測定対象物の温度を適正温度測定領域に含む原子線スペクトル対の強度比を前記測定対象物の温度を算出するための強度比とする、
前記Ｃ３に記載の温度測定装置。
［Ｃ５］
前記光強度比算出手段は、原子線スペクトルの波長を持つ２つの光の強度から原子線スペクトルのない波長領域中の光の強度をそれぞれ減算した２つの値の比を算出することで原子線スペクトルの強度比を算出する、
前記Ｃ２乃至４の何れか１項に記載の温度測定装置。
［Ｃ６］
前記測定対象物は、銅を含む電極を用いた、六フッ化硫黄を含むガス中で点弧したアークプラズマであって、
原子線スペクトルの前記波長は、493nm，500nm，502nm，504nm，507nm，511nm，515nm，518nm，522nm，540nm，548nm，553nm，561nm，565nm，567nm，571nm，579nm，586nm，625nm，636nm，642nm，657nm，658nm，677nm，688nm，684nm，686nm，689nm，691nm，705nm，714nm，721nm，732nm，734nm，741nm，743nm，744nm，749nm，750nm，755nm，757nm， 776nm，781nmのいずれかの波長である、
前記Ｃ１乃至５の何れか１項に記載の温度測定装置。
［Ｃ７］
前記測定対象物は、銅を含む電極を用いた、二酸化炭素を含むガス中で点呼したアークプラズマであって、
原子線スペクトルの前記波長は、493nm，502nm，504nm，507nm，511nm，515nm，522nm，561nm，579nm，741nm，743nmのいずれかの波長である、前記Ｃ１乃至５の何れか１項に記載の温度測定装置。
［Ｃ８］
前記採光手段が前記測定対象物の放射スペクトルを採光する範囲を限定する採光限定手段をさらに備える、
前記Ｃ１乃至７の何れか１項に記載の温度測定装置。
［Ｃ９］
前記採光限定手段は、上下を開口する筒型であって、内側表面を鏡面的に加工され、側面に前記採光手段に固定されるための取付口を備え、
前記採光手段は、前記取付口に接続することで前記採光限定手段を固定し、前記採光限定手段の内部へ流入した測定対象物の放射スペクトルを採光する、
前記Ｃ８に記載の温度測定装置。

１…個体容器、２…測定対象物、３…入光部（採光手段）、７…波長選択部（抽出手段）、８ａ〜８ｅ…ディテクタ、９ａ〜９ｅ…較正部、１１…光強度比算出部、１４…カバー（採光限定手段）、１５…温度算出部、２０、３０及び４０…温度測定装置。

Claims (7)

1. 測定対象物の放射スペクトルを用いて温度を測定する温度測定装置において、
   測定対象物の放射スペクトルを採光する採光手段と、
   前記採光手段が採光した放射スペクトルから、原子線スペクトルの波長を持つ３つ以上の光と、原子線スペクトルのない波長領域中の波長を持つ少なくとも１つの光と、を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段が抽出した各光の強度を算出する光強度算出手段と、
   前記光強度算出手段が算出した各光の強度に基づいて前記測定対象物の温度を算出する温度測定手段と、
   を備え、
   温度測定手段は、
   前記抽出手段が抽出した原子線スペクトルの波長を持つ前記３つ以上の光の強度と、前記抽出手段が抽出した原子線スペクトルのない波長領域中の波長を持つ前記少なくとも１つの光の強度とに基づいて、前記測定対象物が発する原子線スペクトル対の強度比を２つ以上算出する光強度比算出手段と、
   前記光強度比算出手段が強度比の算出に用いた原子線スペクトル対の適正温度測定領域に基づいて前記光強度比算出手段が算出した前記２つ以上の強度比から温度を算出するために使用される強度比を決定し、決定された前記強度比に基づいて、前記測定対象物の温度を算出する温度算出手段と、
   を備える、
   温度測定装置。
2. 前記温度算出手段は、前記測定対象物の温度を適正温度測定領域に含む原子線スペクトル対の強度比を前記測定対象物の温度を算出するための強度比とする、
   前記請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記光強度比算出手段は、原子線スペクトルの波長を持つ２つの光の強度から原子線スペクトルのない波長領域中の光の強度をそれぞれ減算した２つの値の比を算出することで原子線スペクトルの強度比を算出する、
   前記請求項１又は２に記載の温度測定装置。
4. 前記測定対象物は、銅を含む電極を用いた、六フッ化硫黄を含むガス中で点弧したアークプラズマであって、
   原子線スペクトルの前記波長は、493nm，500nm，502nm，504nm，507nm，511nm，515nm，518nm，522nm，540nm，548nm，553nm，561nm，565nm，567nm，571nm，579nm，586nm，625nm，636nm，642nm，657nm，658nm，677nm，688nm，684nm，686nm，689nm，691nm，705nm，714nm，721nm，732nm，734nm，741nm，743nm，744nm，749nm，750nm，755nm，757nm， 776nm，781nmのいずれかの波長である、
   前記請求項１乃至３の何れか１項に記載の温度測定装置。
5. 前記測定対象物は、銅を含む電極を用いた、二酸化炭素を含むガス中で点呼したアークプラズマであって、
   原子線スペクトルの前記波長は、493nm，502nm，504nm，507nm，511nm，515nm，522nm，561nm，579nm，741nm，743nmのいずれかの波長である、
   前記請求項１乃至３の何れか１項に記載の温度測定装置。
6. 前記採光手段が前記測定対象物の放射スペクトルを採光する範囲を限定する採光限定手段をさらに備える、
   前記請求項１乃至５の何れか１項に記載の温度測定装置。
7. 前記採光限定手段は、上下を開口する筒型であって、内側表面を鏡面的に加工され、側面に前記採光手段に固定されるための取付口を備え、
   前記採光手段は、前記取付口に接続することで前記採光限定手段を固定し、前記採光限定手段の内部へ流入した測定対象物の放射スペクトルを採光する、
   前記請求項６に記載の温度測定装置。

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