JPH0684912B2

JPH0684912B2 - 温度計

Info

Publication number: JPH0684912B2
Application number: JP18671786A
Authority: JP
Inventors: シー．ジェンセンステファン
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1985-08-08
Filing date: 1986-08-08
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: EP0216458A1; EP0216458B1; CA1264090A; DE3675130D1; JPS6235232A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の属する分野）この発明は火災または高温（熱い）炭素粒子から反射さ
れた放射線の影響を除去し、または大幅に減少させるこ
とにより、被測定部材特にタービンブレードの温度を測
定するための高温計（パイロメータ）などの温度計に関
する。

（先行技術）高温計はこの技術分野において良く知られている。ま
た、物体から輻射される放射線を受けるために種々の光
学系を用いることが知られている。

1980年９月16日にゲバルト（Gebhart）他に付与された
米国特許第4,222,663号は、分析される素子からの反射
エネルギーに起因する誤差を補正するための装置を用い
た光学的高温計及び温度測定のための技術に関する。

一対の検出器が同一の目標（ターゲット）に向いている
が、１つの検出器の波長の範囲が他方の中に含まれるよ
うに、少なくとも１つの検出器は波（フィルター）さ
れた入力を有している。通常の検出器が、高速コンピュ
ータで分析される出力電圧を発生するために用いられ
る。コンピュータは、計算によって、反射されたエネル
ギー成分の強度を推定することによって、反射されたエ
ネルギーの存在を補償する出力を発生する。この特許
は、この出願において達成される、タービンブレードか
らの反射された放射成分の除去を単純にすることについ
ての教示を含んでいない。

米国特許第4,222,663号は、検出器が在来のものであ
り、フィルターが在来のものであることを示し、光ファ
イバー束を用い得ることを述べている。

異なる波長に感応する２つの光素子を使用し、２つの異
なる波長をもった、受光放射線の強度の比の測定ができ
る能力を教示する米国特許第3,715,922号においては、
２色高温計が示されている。

他の２色高温計が、温度の指示を得るために用いられ、
２つの異なる波長の放射線強度を監視するために用いら
れる米国特許第3,992,943号に示されている。しかし、
こゝにもタービン中での反射された火災の放射の影響を
除去するために、検出器からの出力信号に重み付けを付
与する点に関しては教示されていない。

英国特許第2,045,425号は、寄生（スプリアス）熱源の
存在に起因する誤差を除去するための構成を与える高温
計における改良を示している。この素子もまたタービン
ブレードの温度測定に特に用いられ、その明細書中に
は、燃焼室からの高温炭素粒子の流入により測定が劣化
される点が指摘されている。

そして、英国特許第2,045,425号はその直面する問題を
指摘しているが、そこで示唆されている解決手段は、こ
の発明の装置に比べてより複雑な回路を必要とし、この
発明の装置のように信号測定を単純化してはいない。

仏国特許公報第77-28335号（2,365,108号）は、ターボ
リアクターのフィンの温度を測定するための光学系に関
し、２つの異なる波長の放射線を透過させるフィルター
及び放射レベルを分離して検知する検出器を含み、検出
器は増幅されて除算回路に入力される出力信号を供給
し、除算回路は次に検出器からの信号の振幅の比を表わ
すアナログ信号を発生する。

出力除算回路からのアナログ信号は、CPU（中央処理ユ
ニット）において、タービンのフィンの温度の適切な測
定を行なうために使用される。しかし、ここでもまた、
タービンブレードの実際の温度の検知を単純化するため
の比例定数を与えるために放射線検出器の一方からの出
力における重み付け因子の使用は示されていない。

米国特許第4,326,798号もまた、高温にある過渡的な寄
生熱源からの放射により摂乱されている（かも知れな
い）熱源の温度を測定する高温計システムを示してい
る。それは、タービンブレードから直接検知される放射
線を２つのチャンネルに分割するフィルターを有し、そ
れらは分離して別別に検出されると共に、それらの出力
は除算され、もしも２つの検出器の出力の比が所定値を
越えると“フラッグ”を表示するような、スレッショル
ド検出器に供給され、それにより高温カーボン粒子の存
在による誤差を含む温度の読みを知らせる。

さらに、この特許の第４図は各検出器に接続された出力
増幅器を備え、増幅器の一方の出力上にスケーリング因
子（scaling factor）回路を備え、それはそれから減算
回路に供給される。しかし、こゝでも、スケーリング因
子を火災または高温炭素粒子の存在に基づく検出器出力
の部分比に比例させることにより、実際のブレードの温
度を直接与えるための適切なスケーリング因子を選択す
ることは教示されていない。

（発明の概要）この発明は、高温炭素粒子または火炎によって生じる、
タービンブレードからの寄生反射された放射を効果的に
除去した温度計に関する。検知は、検出された放射線を
２つのチャンネルに分割し、各チャンネルに使用される
検出器が異なる波長領域に感応するように、チャンネル
の少なくとも一方をフィルタリングすることにより、単
純な方法で達成される。

検出器の一方の出力は、反射された放射線に起因する２
個の検出器からの出力信号の部分間の比に基づいて決め
られる係数（因子）によって、他方に対して重み付けら
れる。すなわち、検出器の各々は全電流出力を発生する
が、各検出器からの全電流の一部は反射した放射線に起
因している。この反射した放射線に起因する出力の間の
比は決定可能であり、重み付けまたはスケーリング因子
として用いられる。

検出器の一方からのスケーリング因子を乗じた出力と、
他方の検出器からの出力との間の差は、差動増幅器また
は減算回路に供給され、タービンブレードの温度に直接
関連する信号を発生する。この信号は記録装置の駆動、
所定レベル以上のときの警報の発生または実際の温度を
算出するためのマイクロプロセッサーへの供給に使用す
ることができる。

タービンブレードの実際の温度は、タービンにおける最
も重要な温度である。高温での作動は、タービンから最
大パワーを引出し、または最高効率を得るために望まし
いが、過度の温度は部品を歪ませ、修復可能の損傷をも
たらす。

現在、ブレードの温度は、入口導管及び排気ガスの温度
の測定により、推定して決定されている。ブレードの実
際の温度は不明であるので、最大温度を越えないよう
に、現在利用可能な温度データには安全係数を見込まな
ければならず、このためにブレードの作動温度を最適値
以下に下げている。

この発明は、エンジン部品の設計パラメータを突発的に
越えることなく、タービンの作動を最適温度またはその
近傍に制御することを可能にする。

（実施例）第１図において、符号10で示されるタービンブレード
は、パイロメータ技術によってその温度が検知される。
タービンブレードは、ブレードの真の温度を示す矢印11
で表わされる放射線を輻射する。符号12で一般的に示す
火災または高温炭素粒子は、矢印13で示す放射線を輻射
し、この放射線はブレード10に当たり、総括的に符号15
で示す、通常のタイプの高温計のレンズヘッド組み立て
体に向かって、矢印11と共に、経路13Aに沿って反射さ
れる。

光ファイバーケーブル16は、レンズヘッド組み立て体に
よって受光された放射線を、総括的に符号17で示す、こ
の発明の前置増幅器パッケージに伝達するために用いら
れよう。

前置増幅器パッケージは適当な処理回路に接続される。
前置増幅器パッケージの出力は、デジタル出力直接表
示、記録装置などに接続することができる。信号が好ま
しい回路で処理された後、ブレードの実際の温度を決定
するために表（テーブル）または較正曲線が用いられ
る。

第２図に典型的な回路を示す。光ファイバーの終端は、
第２図においては符号21で示される。そして、これは放
射線を輻射し、これは第１及び第２のチャンネル、すな
わち経路22及び23に概ね分割される。少なくとも１つの
経路にはフィルターが設けられる。もちろん、図示のよ
うに、２つの異なるフィルター22Aが用いられることが
できる。

第１のフィルター22Aからの出力は、以降の説明におい
ては、フィルターされていない不波チャンネルと考え
る。フィルタリングの後、各チャンネルの放射線は他の
チャンネルとは異なる周波数領域にある（したがって異
なる波長領域を持つ）。

ここに開示した例において、フィルター22Aを介して伝
達される放射線は広い波長領域内にあり、フィルター23
Aを介して伝達される放射線はこの領域の選択された区
分内にある。もし必要ならば、フィルター22Aは、フィ
ルター23Aよって伝達される放射線と全たく異なった領
域にある波長の放射線を伝達するように選択することも
できる。

フィルター22Aからの第１のチャンネル22中の放射線レ
ベルは、出力電流（I_u）を生じる標準のフォトダイオー
ド検出器からなる放射線検出器24によって検知される。
第２の放射線検出器25は第２のチャンネルまたは経路23
においてフィルター23Aを通過した後の放射線を検知
し、波されたパイロメータチャンネルにおける電流を
表わす電流（I_f）を発生するために使用される。放射線
検出器は高温計において普通に用いられる標準検出器で
ある。

検出器24からの出力電流（I_u）は、検出電流を電圧に変
換する第１の増幅器26に供給され、ライン27に沿って電
圧出力（V₂₇）を発生する。第２の増幅器28は、検出器2
5からの電流出力（I_f）を受け入れ、それをライン32上
の電圧出力（V₃₂）に変換するように接続される。

増幅器26は、利得制御器29によって調整される第１の利
得（G₁）を有する。出力電圧（V₂₇）は入力電流（I_u）
に比例する。第２の増幅器28は利得制御器30によって調
整される第２の利得（G₂）を有する。第１の利得G₁に対
する第２の利得G₂は比はスケーリング因子に等しい、す
なわち、G₂／G₁＝Ｋである。スケーリング因子Ｋは、以
下の方程式において、火災及び高温炭素粒子の反射した
放射線によってもたらされる信号の部分を相殺するため
に使用される。

増幅器28は、ライン32によって増幅器33の第１の入力に
接続されている。増幅器26の出力は、ライン27によって
増幅器33の第２の入力に接続されている。

増幅器33は、ライン34上にライン27及び32上の信号の差
を示す出力を発生する差動または減算増幅器である。ラ
イン27及び32上の電圧（V₂₇及びV₃₂）は検出器24及び25
からの電流に比例しているから、ライン34上の増幅器33
の出力電圧（V_cと称する）は検出器24及び25からの電流
の差に比例する。すなわち、 V_c∝（I_u−ＫI_f）である。電圧V_cは、後で述べるよう
に、ブレードの温度を直接表わし、任意の必要な機能の
ために用いることができる。

既に述べたように、増幅器33の出力はブレードの温度の
関するであり、また反射した放射線の影響は少なくとも
実質上減少せしめられている。前記出力は通常のアナロ
グ−デジタル変換器35に接続され、変換器35からのデジ
タル出力信号は、次にマイクロプロセッサー20に供給さ
れる。マイクロプロセッサー20は、ブレード10の温度を
算出するようにプログラムされている。

温度（Ｔ）の解は非線形な方程式であり、補正曲線また
は方程式がマイクロプロセッサー20内にプログラムされ
ている。温度に対応するV_cの値の表もまた求めることが
でき、マイクロプロセッサーのメモリ内に設けたり、ま
たは表を必要に応じてマニュアルで使用することができ
る。補正曲線または表は、実験的に求めることもでき
る。すなわち、実際の制御された温度を検知し、その出
力電圧を較正のために記録する。

増幅器の一方からの出力を他方に対して換算するための
重み付け係数（Ｋ）の使用により、反射した放射線の影
響または値を除去できることが、以下の分析によって示
される。まず、つぎのように定義する。

I_f＝検出器25から検出された全電流（フィルターされて
いる） I_u＝検出器24から検出された全電流（フィルターされて
いない） i_f＝反射した放射線に起因するI_fの部分 i_u＝反射した放射線に起因するI_uの部分 i_fs（Ｔ）＝ブレードの温度（Ｔ）のみに起因するI_fの
部分 i_us（Ｔ）＝ブレードの温度（Ｔ）のみに起因するI_uの
部分ここで火炎は、一定温度では、信頼できる近似値である
と仮定できるので、i_fに対するi_uの比は一定である。す
なわち、Ｋ＝i_u／i_fまたは i_u＝K_if ……（１）そして、次の関数が成り立つ。

I_u＝i_u＋i_us（Ｔ） ……（２） I_f＝i_f＋i_fs（Ｔ） ……（３）式（１）を式（２）に代入し、式（３）にＫを乗じた横
との差をとれば、 I_u−KI_f＝i_us（Ｔ）−Ki_fs（Ｔ） ……（４）が得られる。

こうして、一方のチャンネルの出力に、他方に対するお
およその重み付け（Ｋ）を行ない、増幅器33において差
をとることにより、反射した放射線（火災）による信号
の成分を除去または実質的に減少せしめることができ
る。ライン34上の出力は（I_u−KI_f）に比例し、従って
ブレードの温度“T"のみの関数となる。

“K"を得るためには、較処理を行なえばよく、これによ
り容易にＫを求めることができる。高温炭素粒子及び火
災の温度は3,500°Ｆから4,500°Ｆの間にあることが知
られている。最適のブレードの温度はこれらの温度より
比較的低く、典型的には2,500°Ｆ程度である。問題の
タービン内に存在する火炎及び高温炭素粒子の平均温度
を示す温度を選択する。例えば、4,200°Ｆの温度が典
型的である。

従って、この例では4,200°Ｆの火災と等価な参照基準
熱源を与え、高温計のレンズヘッド組み立て体15によっ
て検知する。増幅器26及び28の利得G₁及びG₂を設定する
ための利得制御器29及び30は、高温計のヘッドが4,200
°Ｆの熱源を監視しているとき、差動増幅器33の出力が
零であるように、または零となるように調整される。

前記の方程式においては、このような参照熱源を使用し
たときは、G₂／G₁がＫに等しいとき、換言すれば、利得
係数の比がチャンネルの各々におきて反射した放射線に
起因する出力の比となったときに、“零”が得られる。
これは、前述したのと同じＫである。

差動増幅器33の利得は、都合の良い電圧範囲、例えばブ
レードの温度が1,500°Ｆから2,500°Ｆまで変化すると
き、零から10ボルトDCを考えるように調整される。

第３図は温度に関する増幅器26,28及び33の出力信号を
表わす正規化曲線を示す。増幅器26及び28の出力に対す
る曲線はV₂₇及びV₃₂と表示し、増幅器33からの出力はV_c
と表示されている。第３図において、出力は1,200°Ｆ
で正規化されており、出力曲線V_cは4,200°Ｆの火災に
対してモデル化された出力である。図３において、2,50
0°Ｆより高温の領域においては、増幅器33の出力V_cが
どのような値を取るかは明かでない。従って、温度と出
力とは必ずしも一対一には対応しない。そこで、温度と
出力とが一対一に対応する温度範囲内において測定を行
うようにする。

信号V_cは非線形であることが分り、従って、マイクロプ
ロセッサー20は、非線形なプログラム関数によってV_cか
らブレードの温度を算出するようブログラムされてい
る。

前述の式（４）は、出力V_cがブレードの温度のみの関数
であり、反射した放射線の影響がスケーリング因子Ｋの
使用によって変質的に減少していることを示す。

スケーリング因子Ｋは、必要とあらば、増幅器28の出力
と、これに関連する増幅器33の入力との間に接続され
た、別の付加回路によって与えられ得ることに留意すべ
きである。さらに、増幅器33から出力（V_c）は、Ｋ、選
択する較正温度において、熱源によって与えられる放射
線には依存しない点が特記されるべきである。他の火災
及び高温炭素粒子に対しては、出力（V_c）はそのような
火災及び高温炭素粒子の存在に敏感である。この発明は
実質的にそのような影響を減少させる。

火災または高温炭素粒子の反射した放射成分を出力から
除去または実質的に減少させることにより、前に述べた
ように、ブレードの温度を示す信号を直接得るための、
信頼性があり、かつ容易に使用できる信号が与えられ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による出力を得るための典型的な高
温計光学系センサーの模式図である。第２図は、この発明を実施するために使用される増幅器
及び処理回路の模式図である。そして、第３図は、タービンブレードの温度に対する正
規化された出力信号の関係を示すグラフである。 10……タービンブレード、11,13……放射線、12……火
災（炭素粒子）、15……レンズヘッド組立体、16……光
ファイバーケーブル、17……前置増幅器パッケージ、20
……マイクロプロセッサー、22……第１チャンネル、23
……第２チャンネル、35……アナログ−デジタル変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】その温度の関数として放射線を輻射すると
共に、放射線を反射するような部材に用いるための温度
計において、該部材から輻射された放射線及び反射された放射線を共
に受け入れる手段、少なくとも１つのチャンネルはフイルター手段を有し、
各チャンネルは反射された放射線の一部を検出する２つ
のチャンネルに、前記部材からの放射線を分割する手
段、フィルター手段を通過した後の、各チャンネルからの全
放射線レベルの関数である第１及び第２の電気的信号を
与える第１及び第２の検出手段、前記第１及び第２の電気信号を比較して、重み付け後の
前記第１及び第２の電気的信号の差を表わす出力信号を
発生する比較手段、および比較手段に信号を供給する前に、前記信号の一方に、他
方の信号に対する重み付け定数を付与する手段とを具備
し、前記重み付け定数は、反射された放射線を表わす第
１及び第２の電気信号のそれぞれの部分の比を示すこと
を特徴とする温度計。
【請求項２】前記１つのチャンネルは、部材から輻射し
た放射線の全量を伝達するようにした特許請求の範囲第
１項記載の温度計。
【請求項３】前記比較手段は、第２の信号から第１の信
号の一部分を減算して出力信号を発生する手段からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１または第２項記載
の温度計。