JPH0712661A - 表面上の酸素含有気体の圧力を測定する方法、表面上の酸素含有気体を可視化する方法および感圧組成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】分子センサのルミネセンスの酸素消光によって
空力的表面上の酸素含有気体の圧力を測定するための方
法および組成が開示される。 【構成】物体は第１のセンサおよび少なくとも２つの付
加的なセンサのうちの１つを含むルミネセンス膜で覆わ
れ、センサの各々は異なった温度および酸素圧力に対す
る依存性を持つルミネセンスを有する。方法および組成
は１つ以上の型のセンサを有する膜で塗装された表面上
の圧力測定（質的または定量的）を改良するためにも提
供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は物体の表面と接触する酸素含有
気体によるルミネセンスの消光に基づく表面圧力測定に
関する。

【０００２】

【発明の背景】表面の、特に空力的物体の圧力地図を決
定するための便利でかつ費用のかからない方法が長く求
められてきた。空力的胴体の表面上の静圧は、現在は圧
力オリフィスまたは圧力タップを使用して決定され、こ
れらは胴体の表面に穴を開けられ、かつ細管を介して興
味のある表面の外部のマルチプレクス電子圧力走査器に
接続される。何百ものまたはさらには何千もの圧力オリ
フィスが表面全体の地図を作るために要求されるかもし
れない。圧力オリフィスは通常はかなりの距離離されて
いるので、連続的な圧力地図は達成されない。オリフィ
ス間の圧力を決定するための現在の方法は、計算流体力
学（ＣＦＤ）によってそれらを補間することである。エ
リスマン（Erisman ），A.M.およびネベス（Neves ），
K.W.のSci.Am.257,163（1987年10月）ならびにジェイム
スン（Jameson ），A のサイエンス（Science ）245,36
1 （1989年）を見られたい。

【０００３】風洞実験はＣＦＤモデルを確認するための
データを提供する。データはまた、新しいＣＦＤモデル
の開発を導くために流体の理解を得るためにも使用され
る。風洞で連続的な圧力データを収集するための方法
は、ＣＦＤモデルでの不確実性のいくらかを排除するた
めに必要とされる情報を提供するであろう。

【０００４】いくつかの方法が空力的表面上の静圧を決
定するための便利な方法を提供するための試みにおいて
使用されてきた。ディジタルホログラフィ干渉方法はそ
れによって干渉縞が計算される１つのプロセスであり、
縞間の距離は翼の表面の圧力分布情報へ処理される。マ
ーヅカーク（Merzkirch ），W.のフロー・ヴィジュアラ
イゼーション（Flow Visualization）（アカデミック・
プレス（Academic Press），ニューヨーク（New Yor
k），（1974年）を見られたい。しかしながら、この技
術は対称形の翼に対してしか当てはまらない。

【０００５】１９８０年に、ピーターソンおよびフィッ
ツジェラルド（ビーターソン（Peterson），J.I.および
フィッツジェラルド（Fitzgerald），R.V.のRev.Sci.In
strum,51,670（1980年））は風洞における流体可視化の
ための蛍光塗料の酸素消光を提案した。彼らの実験にお
いて、ルミネセンス塗料はシリカ粒子上で吸収された。
コーティングは粗く、かつ付着に問題があった。定量化
についての試みは行なわれなかった。

【０００６】ここで説明される方法および組成は分子写
真ルミネセンスに基づく。ルミネセンスは蛍光および燐
光の双方を包括する広い言葉である。紫外線または可視
領域における電磁放射線は、分子をより高い電子エネル
ギレベルに励起するために使用される。励起された分子
は数個の方法のうちの１つによってその過剰エネルギを
失う。蛍光とは第１の励起１重項状態から１重項基底状
態（Ｓ₁ →Ｓ₀ ）への電子の発光性遷移をさす。蛍光の
寿命は比較的短く、約１０^{- 9} ないし１０^{- 7}秒であ
る。しかしながら、最も低い励起１重項状態から３重項
状態へのインターシステム交差がしばしば発生し、かつ
２つの状態の位置エネルギ曲線の交差に起因すると考え
られる。そのように生み出された３重項状態は燐光とし
て知られる放射プロセスによって基底状態へ戻るかもし
れない。燐光は最も低い励起３重項状態から１重項基底
状態（Ｔ₁ →Ｓ₀ ）への電子の放射緩和である。燐光へ
と至る遷移はスピン多重度における変化を含むので、低
い確率とそれゆえに比較的長い寿命（１０^{- 4} ないし１
０秒）を有する。また、３重項状態のより低いエネルギ
のために、燐光の波長は蛍光の波長より長い。ここで、
「センサ」という言葉がルミネセンス分子をさすために
使用される。

【０００７】この発明の１つの実施例において、燐光ポ
ルフィリンが物体の表面上に塗装される。励起した上で
ポルフィリンによって発光された燐光の消光は、物体の
表面上の静圧を定量的に測定するために使用される。

【０００８】ポルフィリンは大環状テトラピロール構造
であり、それらのうちのいくつかは光の特定の周波数に
露光されたとき燐光を発することが知られている。フォ
ーク（Falk），J.E.のポルフィリンズ アンド メタロ
ポルフィリンズ（Porphyrinsand Metalloporphyrins）
の第ＩＩ巻（エルセビエル（Elsevier），アムステルダ
ム（Amsterdam ））第１章，1964年およびザ・ポルフィ
リンズ（THe Porphyrins），第ＩＩＩ巻，フィジカル
ケミストリ（Physical Chemistry），パート（Part）A,
Ed.D. ドルフィン（Dolphin ）（アカデミック プレス
（Academic Press），ニューヨーク（New York）），第
１章，1978年のゴウタマン（Gouterman），M.を見られ
たい。この燐光はまた酸素によって消光されることが知
られている。コックス（Cox ），G.S.およびウイッテン
（Whitten ），D.G.のChem.Phys.Let.67,511（1979年）
ならびにロシ（Rossi ），E.他のPhotochem.Photobiol.
42,447（1981年）を見られたい。

【０００９】白金ポルフィリンの酸素消光特性は生物体
中での酸素の測定のために使用されてきた。たとえば、
米国特許第4、810、655 号は酸素濃度を測定するための、
特に光ファイバカテーテルで血液中の酸素を調べるため
の方法および組成に向けられる。

【００１０】この発明の１つの重要な局面において、発
明者はルミネセンスの酸素消光に基づく圧力測定の先行
技術には問題があると認識してきた。特に、あるポルフ
ィリン誘導体の燐光は、圧力依存性に加えて温度依存性
を有する。したがって、この型の単一センサを含むコー
ティングに基づく圧力測定は、もし温度に変動があれ
ば、誤りになり得る。以前は、特定のルミネセンスイン
ジケータコーティングの明るさの温度依存性がないと報
告されてきた。アルダシバ（Ardasheva ），M.M., 他の
Zhur.Prik.Mek. 4,24-30（1985年）の英訳を見られた
い。それと反対に、この発明者は、ここに報告されるシ
ステムのためにはルミネセンスの温度依存性は物体の表
面上の温度が約０．５℃より多く変化する場合に補正さ
れなければならない影響であることに気がついた。

【００１１】圧力測定から独立して、温度感応燐光体は
空力的表面の表面温度を測定するために使われてきたと
いう趣旨での以前の報告もある。たとえば、ブラッドリ
イ（Bradley ），L.C.のRev.Sci.Instr.24(3),1953年お
よびベーカー（Baker ），H.D.他のテンプリチャ・メジ
ャメント・イン・エンジニアリング（Temperature Meas
uremet in Engineering ）の第ＩＩ巻（オメガ・プレス
（Omega Press ），スタムフォード（Stamford），コネ
ティカット（Connecticut ）190-191 （1960年）を見ら
れたい。これらの先行の報告のいずれもが、ここに開示
されるように表面の改良された圧力測定のために、２つ
の異なった型のセンサを単一の膜に組み込まなかった。

【００１２】

【発明の概要】したがって、この発明の目的は、ルミネ
センスの酸素依存性という欠点に苦しむことはない表面
上の酸素含有気体の圧力を測定するための方法および組
成を提供することである。

【００１３】この発明の他の目的は、静的状態下でのル
ミネセンスの測定による測定値の較正を要求しない表面
上の酸素含有気体の圧力を測定するための方法および組
成を提供することである。

【００１４】この発明の上述および他の目的は、数個の
発見を具体化するこの発明によって達成された。まず発
明者はルミネセンスの必須の圧力依存性に加えて、ルミ
ネセンスポルフィリンのルミネセンスの温度依存性があ
ることを決定し、かつルミネセンスのこの温度依存性
は、温度依存ルミネセンスを有するが圧力独立ルミネセ
ンスを有する第２のルミネセンス分子（つまりセンサ）
を与えることによって補正され得ると決定した。

【００１５】この発明の他の発見は、表面に対する圧力
測定値を標準化状態に較正することは、そのルミネセン
スが圧力依存である第１のセンサに加えて、そのルミネ
センスが温度および圧力の双方から比較的独立している
他の型のセンサを与えることによって達成され得るとい
うことである。

【００１６】この発明のさらに他の発見は、単一のセン
サに対してでもルミネセンスの強度は興味のある表面上
のセンサコーティングに白色の裏塗りを与えることによ
って劇的に改良され得るということである。

【００１７】この発明の方法で、センサＡおよびＢ、ま
たはセンサＡ、ＢおよびＣを含む酸素透過膜で塗装され
た物体が与えられる。センサＡは強度Ｉ_A の発光波長λ
_A で温度および酸素圧力に依存するルミネセンスを生み
出す。センサＡは好ましくは燐光ポルフィリンである。
センサＢは強度Ｉ_B の波長λ_B で温度に依存するが酸素
圧力から独立したルミネセンスを生み出す。センサＣは
強度Ｉ_C の発光波長λ _C で酸素圧力から独立しかつ温度
から独立したルミネセンスを生み出す。これらの発光波
長は同一ではない、つまりそれらは独立して測定可能で
ある。塗装された物体がそれに含まれたセンサの各々を
励起することができる波長で照射されるときに、ルミネ
センス測定が行なわれるかもしれない。この発明の方法
を実行する際に、塗装された物体は酸素含有気体が物体
の表面を流れ過ぎる間に照射される。塗装された物体が
照射されている間、センサの各々のルミネセンスは集め
られ、発光の強度はお互いにおよび／または予め定めら
れた較正値と比較され、表面上の酸素含有気体の圧力の
測定を生み出す。

【００１８】理論的に、ルミネセンスの強度は以下の等
式（シュテルン−フォルマ−（Stern-Volmer）の法則の
公式）によって酸素圧力（およびゆえに全圧力）に関連
させることが可能であり、 （Ｉ_o ／Ｉ）＝Ａ＋Ｂ（ｐ／ｐ_o ） （１） この公式で、Ｉは圧力ｐでの強度であり、Ｉ_o は基準圧
力ｐ_o での強度であり、かつＡ＋Ｂは加えられると１に
等しい定数である。複数個のセンサによって発光された
集められたルミネセンスから、２つの比率界を作りだす
ことが可能になり、 Ｉ_{o A} ／Ｉ_A ＝ｒ₁ Ｉ_B ／Ｉ_{o B} ＝ｒ₂ （２） この式において、比率またはｒ₁ は主に圧力依存である
が、いくらかの温度依存性も有する。比率ｒ₂ は温度依
存のみである。したがって、ｒ₂ はｒ₁ からｐ／ｐ_o の
正確な値を得るために使用することが可能である。代替
的な実施例において、Ｉ_{o A} およびＩ_{o B} はＩ_C 、つま
り酸素圧力から独立し、かつ温度から独立しているセン
サＣからの発光によって取って代わられる。たとえこれ
らのセンサのルミネセンス特性が理想的でないとしても
（つまりセンサＢは温度依存性と僅かな圧力依存性を有
する）、この困難性は較正において処理することが可能
である。

【００１９】上に説明された方法を実行するために必要
な分子種を含む塗料もまた開示される。たとえば、この
発明の目的のための感圧塗料は一般にセンサＡおよび
Ｂ、またはセンサＡ、ＢおよびＣを含み、センサは詳述
されるように、溶媒、および溶媒を蒸発した上でセンサ
を含む膜を形成する分子である。感圧塗料は上述の方法
を実行するために物体を塗装するために使用され得る。

【００２０】

【好ましい実施例の説明】この発明は表面の圧力測定お
よびマッピングのための酸素感応ルミネセンス膜コーテ
ィングとそれに基づく方法に焦点を当てる。一般的に、
この発明の目的は静圧分布の地図を定量的に作り、かつ
表面、特に空力的表面のための新しい「リアルタイム
の」流体可視化方法を提供することである。ここに説明
される方法およびコーティングは風洞および実際の飛行
の双方でテスト可能である。

【００２１】この発明に従って塗装される物体は、表面
圧力が測定または可視されることが望まれるものであれ
ば何でも可能である。好ましくは、その物体は何らかの
空力的適用を有するものであり、すべての型の翼、ロー
タ（たとえばヘリコプタの）、プロペラ、固定翼、ター
ビン羽根、ナセル、全航空機および他のモデルにしにく
い表面、ミサイルならびにその他同種類のものを含むで
あろう。

【００２２】酸素感応センサが所望の結果を生み出すた
めには、それはまず興味のある表面に与えられなければ
ならない。空力的テストは非常に薄くかつ平滑な表面を
要求する。たとえば、風洞において、薄く平滑な表面は
表面上の気流の偶発的な「トリッピング」を回避するた
めに要求される。一般的に、膜のルミネセンス反応は厚
さから独立しているので、その結果たとえ厚さが非均質
であっても、ここに述べられた圧力測定方法は十分な正
確さをもって使用され得る。しかしながら均質な膜は好
まれる。

【００２３】コーティングのために使用される特定の方
法はコーティングの所望の平滑さが達成される限りにお
いて必ずしも制限されるとは限らない。好ましい方法は
貯蔵カップがセンサおよびポリマー樹脂を含む溶液で満
たされるエアブラシスプレ塗装技術を含む。溶液は不活
性気体を使用して吸引され、次にスプレ塗装を表面上に
向ける。

【００２４】均質な膜を生み出すための他の可能な方法
は静電方法、ロボット方法および焼ばめ方法である。静
電方法は塗装される表面を電荷することと塗料をその反
対の電荷で電荷することとを含むので、その結果塗料は
表面に引きつけられる。この方法は薄くかつ均質なコー
ティングを生み出す一方で過剰スプレ塗装を最小限にす
る。。

【００２５】ロボット方法はコンピュータ制御のロボッ
トスプレ塗装器を使用することを含み、これは非均質な
表面上に非常に均質な膜を生み出すことが可能である。
この方法は翼をきれいで平滑でかつ均質な膜でコーティ
ングするために使用されるかもしれない。

【００２６】「焼ばめ方法」は以下のステップを含む。
まずきれいで平滑で均質な膜が平滑な表面（たとえばガ
ラスまたは固体有機ポリマー表面）上にポリマー溶液を
注ぎ、それを乾燥させることによって準備される。乾燥
した後、膜は剥がされて翼上に置かれる。焼きばめ方法
を採用することは翼のまわりにポリマー膜を密着して巻
き付けることを含む。そして双方は加熱され、室温に戻
される。この手順はポリマーの表面への密着した付着を
提供する。

【００２７】膜の塗布モードは一般に、結果として生じ
る膜が非常に薄い（望ましくは厚さが約１０−２０ミク
ロン）であるようにすべきである。膜の厚さは紫外線／
可視分光計を使用して、膜のセンサの光吸収を測定し、
次に周知のベール（Beer）の法則を適用することによっ
て決定されるかもしれない。厚さは透過率を減少させな
いはずであるが、むしろ拡散速度、それゆえに反応速度
を単に減速させるはずである。酸素透過率は選択された
特定のポリマーとともに変化するであろう。特定のポリ
マー膜で酸素透過率を測定する標準の方法は透過率の数
値を求めるために使用されるかもしれない。

【００２８】センサはまた膜に均質に分布されなければ
ならない。ポルフィリンについては、個々の分子は３重
項−３重項非活性化を防ぐために少なくとも約５０Å分
離されるべきである。この分子間分離は約１０^{- 2} モル
のポルフィリン濃度に対応する。

【００２９】一般にセンサを含む薄くかつ均質の膜は、
適当な膜形成材料とともに溶媒に溶かされたセンサを含
む先駆物質組成を使用して準備される。機能的に、溶媒
はセンサ分子を溶解できなければならず、平滑な膜を生
じるために十分な揮発性がなければならない。溶媒は好
ましくはセンサを溶かし、組成を表面上に塗布した後都
合のよい時間以内に蒸発する揮発性のある有機材料であ
る。溶媒の特定な性質はこの発明の目的にとって重要で
はないし、広範な種類の材料にわたってもよい。溶媒の
非制限的な例は、1、1、1-トリクロルエタン、ブチルアル
コールおよびイソプロピルアルコールである。

【００３０】最終的な膜はまた十分に酸素透過であり、
その結果酸素含有気体が圧力測定の間膜に含まれたセン
サのルミネセンスを消光することが可能であるというこ
とを除いては制限されないと考えられており、それらは
それらが含むセンサと相容性でなければならない。一般
的に、膜形成材料は溶媒を蒸発した上で物体の表面上に
膜を生み出す。したがって、膜形成材料は好ましくはそ
れ自体の最終膜材料と化学的に同一であり、溶媒に溶か
される。しかしながら、膜形成材料はまた溶媒の蒸発の
間または蒸発後に最終膜を形成するオリゴマのような膜
先駆物質であるかもしれない。膜形成は先駆物質の空気
の成分との化学反応、先駆物質に対する熱または光の作
用または溶媒に含まれた異なった先駆物質分子の化学相
互作用などの結果として生じるかもしれない。たとえ
ば、ペトラルク（Petrarch）ＭＢまたはジメチルポリシ
ロキサンポリマー溶液（たとえばＧＰ−１９７，ジェネ
シ・ポリマーズ・コーポレーション（Genesee Polymers
Corporation）のような熱可塑性シリコンコポリマーは
膜形成材料として使用されるかもしれない。この例にお
いて、溶媒を蒸発した上で、最終ポリマー膜は何ら意味
のある化学反応を起こさずに生成される。シリコン−ポ
リウレタンまたはシリコン−ポリエステルコポリマーの
ようなシリコンコポリマーもまた、膜形成ポリマーとし
て使用されるかもしれない。

【００３１】偶然に、もし上述のルミネセンス膜で塗装
される物体の表面がまず白色にされれば、発光ルミネセ
ンスはもし表面が白色以外、たとえば黒色表面である場
合より明るいことが発見された。実際に、ルミネセンス
は膜が黒色表面を覆う場合はほとんど検出不可能であ
る。動作の特定の理論に縛られることを望むものではな
いが、発明者は白色背景は反射表面を与え、それから非
吸収された励起光はセンサを含む膜の中に散乱すること
が可能であると信じる。したがって、光はセンサ分子を
励起する第２の機会を有する。増強効果は非常に大き
く、光子の多くは膜の総内面反射特性のために膜を介す
る多数の通過を行なうと考えられる。センサからの発光
もまた白色表面から散乱するので、検出器はより大きい
信号を検出することが可能である。

【００３２】裏塗りのための白色被覆の型の選択は重要
である。いくつかの白色コーティングは空気および紫外
線に延長して露光されると黒ずむことが観察されてき
た。いくつかのコーティングは、ルミネセンス膜によっ
て覆われると、励起光によるか、またはルミネセンス種
（たとえばポルフィリン）との酸素の光化学作用で生み
出された１重項酸素によるかのどちらかによって劣化さ
れやすい。したがって、白色被覆は励起光に無感応であ
るべきであり、および／または１重項酸素消光剤が被覆
に加えられるべきである。

【００３３】例証的な白色被覆はラスト−オレアム・ホ
ワイト・グロス・ペイント（Rust-Oleum White Gloss P
aint）およびクライロン・グロッシィ・ホワイト・スプ
レー・ペイント（Krylon Glossy White Spray Paint ）
（#1501 ）のような塗料である。クライロンはこの発明
の目的のために利点があるとわかった、なぜならそれは
励起光に延長して露光された後最も少ない量の黒ずみを
示すからである。風洞テストのためには、空力的モデル
を塗装するために通常使用される一般の市販塗料が白色
裏塗りのために使用されてもよい。

【００３４】裏塗りはできるだけ白色であるべきであ
る、なぜなら黄色がかったまたは薄い鳶色の色調は最適
の信号画質向上を生み出さないからである。表面が平滑
で、ルミネセンス信号を増加させることができる限りに
おいて、白色被覆は合成物また酸化塗装のような表面の
化学修飾であることが可能であるとも考えられる。

【００３５】この発明のセンサは大雑把に３つの型に分
けられ、センサＡ、ＢおよびＣで表わされる。いくつか
の実施例において、この発明のルミネセンスコーティン
グはセンサＡおよびＢ、またはセンサＡ、ＢおよびＣか
ら構成されるであろう。これらの３つの型のセンサの特
性は以下のとおりである： センサＡ：このセンサは強度Ｉ_A を持つλ_A で圧力に依
存するが、また幾分かの温度依存性をも有するルミネセ
ンス（たとえば、シリコンポリマにおける白金オクタエ
チルポルフィリン（ＰｔＯＥＰ））を生み出す。

【００３６】センサＢ：このセンサは強度Ｉ_B を持つλ
_B で温度に依存するが、圧力依存はほとんどまたはまっ
たく有しないルミネセンスを生み出す。

【００３７】センサＣ：このセンサは強度Ｉ_C を持つλ
_c で温度および圧力から比較的独立したルミネセンスを
生み出す。

【００３８】センサＡの好ましい型は燐光ポルフィリン
である。最も好ましいセンサＡは白金オクタエチルプロ
フィリンであり、ここではＰｔＯＥＰと省略される。こ
のメタロプロフィリンは燐光を生み出し、その強度は上
に示された理論上の考えに基づく大気の酸素の分圧に直
接関連させることが可能である。ＰｔＯＥＰのための励
起／発光スペクトルは、約３８０ｎｍでの可視スペクト
ルの近紫外領域において強い励起バンドを、約５４０ｎ
ｍでの緑領域においてより弱いバンドを示す。ＰｔＯＥ
Ｐは約６５０ｎｍでの可視スペクトルの赤い領域で燐光
を発する。ＰｔＯＥＰはその大きい燐光量子効率（約９
０％）およびその長い３重項寿命（約１００マイクロ
秒）のために好ましいセンサＡである。

【００３９】センサＢは温度に依存するが圧力依存性は
ほとんどまたはまったく有しないルミネセンスを生み出
す。センサＢのいくつかの例は以下のとおりである：ロ
ーダミンＢ、イットリウムバナジン酸塩：ユウロピウム
微結晶およびユウロピウムテノイルトリフルオロアセト
アセトネート。

【００４０】好ましいセンサＢは蛍光種である。蛍光に
固有の短い寿命は、ルミネセンスが実質的に酸素によっ
て影響を受けない程度まで、酸素消光の機会を実質的に
減少させ得る。蛍光種の最も好ましい型はローダミンＢ
（レーザ染料）である。伝えるところによれば、ローダ
ミンＢはわずか４ナノ秒の蛍光寿命と温度に依存する強
い蛍光歩留りを有する。ロマノ（Romano）他、Appl.Phy
s.B49 、527-533 （1989年）を見られたい、ロマノは生
物学的目的のための温度分布マッピングのために、この
分子を薄い膜の中に組み込むことができることを具体的
に説明した。図４は図１の装置で使われた白色塗料で覆
われたアルミニウムプレート上にスプレー塗装されたシ
リコン樹脂の中のローダミンＢのための実験室の較正曲
線を示す。サンプルチャンバ（１４）は熱によって調整
され、温度はディジタル読出のあるオメガ・モデル（Om
ega Model ）ＨＨ７１熱電対温度計で確認される。図４
において、温度Ｔでの強度Ｉは、温度Ｔ_o （測定される
最低温度）での強度Ｉ_o に比率化される。最低自乗あて
はめからの傾斜は1.24619 の修正差で-0.01945（または
度Ｃにつき約２％）であると報告される。

【００４１】発明者はセンサＢに対して他の材料を試み
た。特に、イットリウムバナジン酸塩で、ユウロピウム
が微結晶形態で利用されたとき、圧力依存性は何も発見
されなかった。それは金属中心を分子状酸素による消光
から覆うために微結晶形態で生み出されるべきであるこ
とが発見された。さらに、燐光は驚くべきことに温度と
ともに大雑把に０．８％／℃増加した。ランタンオキシ
スルフィド：ユウロピウム微結晶もまた適当であるが、
それらはより小さい温度反応、０．４％／℃を有する。
「微結晶」は約０．５−２ミクロンの範囲の大きさを有
する結晶をさす。

【００４２】センサＣは温度および圧力状態から比較的
独立した強度でルミネセンスを示す分子種である。ルミ
ネセンスの温度依存性をほとんどまたはまったく示さな
いルミネセンス分子は感圧性を排除するためにカプセル
に入れて気体不浸透ポリマ（たとえばポリアクリロニト
リル）になり、温圧感度を排除することが可能であると
考えられる。適当なルミネセンスセンサの微結晶を使う
ことも可能であろう、なぜならそれらは圧力依存性を示
さないからである。

【００４３】この発明の方法を実行するために、この発
明に従うコーティング組成（つまり塗料）は上に説明さ
れた物体の表面上に塗装され、それから物体はコーティ
ングに含まれたセンサの各々を励起する光の１つ以上の
波長で照射される。励起または発光波長がセンサ毎に異
なることは必要ではない。実際に、ある状況下ではコー
ティングに含まれるセンサの各々に対して共通の励起ま
たは発光波長を有することは好ましいかもしれない。し
かしながら、共通の励起波長があれば、異なったセンサ
の発光波長は異なり、かつ別々に測定されるように適切
に別個の最大値（たとえば２０ｎｍ）を有しなければな
らない。代替的に、共通発光波長があれば、異なったセ
ンサの励起波長は異なり、かつ適切に別個の最大値を有
しなければならない。

【００４４】好ましい実施例において、発光ルミネセン
スは異なり、一定照度の間ビデオのような、検出装置の
前で異なった干渉フィルタを回転することによって別々
に測定される。その回転をコーティングのフラッシュ照
明励起と調整することは代替の例を提供するかもしれな
いので、その結果ルミネセンスの各々の画像は異なった
フラッシュでとることが可能である。フラッシュ照明の
状況下で、フラッシュ毎に強度にいくらかの変動がある
かもしれない。この場合に、システムはこれらの変動を
補償するようにフラッシュから光の幾分かを受信するこ
とを検出器に許容するべきである。たとえば、光の幾分
かを受信するフォトダイオードモニタはフラッシュ強度
の変動性という問題を最小限にするために使用されるか
もしれない。

【００４５】

【画像捕捉および解析】その最も広い形態において、こ
の発明は表面上の少なくとも１つのセンサのルミネセン
スを検出し、次にそれを物体の表面上の圧力に関連させ
ることができるようにルミネセンスの強度の測定を処理
することによって表面上の圧力測定値を提供する。

【００４６】一般に、圧力を測定するために使用される
装置は、酸素含有気体が膜と接触している間膜の中のセ
ンサを励起するための光源、膜に含まれるセンサによっ
て発光されるルミネセンスの各々を検出するための手段
および生データを好ましくは上に論じられた理論関係に
従って酸素含有気体の圧力に関連づけられる強度の比率
に処理するための手段とを含むであろう。

【００４７】圧力較正測定のための装置の好ましい実施
例は図１に示される。この図において、（２）はキセノ
ン（Xenon ）アークランプ（たとえば、オリエル・コー
ポレーション・モデル（Oriel Corporation Model ）61
37で、アークランプ電力供給No.8510-2によって電力を
与えられる）のような光源である。光源からの光は赤外
および近赤外波長を取り除くために一般的に水（４）を
介して、そして適当な励起波長を得るために帯域干渉フ
ィルタ（６）を介して（たとえば：４００ｎｍに中心を
おくメレス・グリオット（Melles Griot）５０ｎｍ帯域
干渉フィルタ）濾過される。空間的に均質の照射ビーム
を形成するために、光は光ファイバケーブル（８）を通
過して、レンズ（１０）（たとえば４インチ焦点距離水
晶レンズ）と再び平行にされるかもしれない。平行光は
それからダイクロックミラー（１２）（たとえばコリオ
ン（Corion）ダイクロイックミラー）に突き当たり、そ
れはカットオフ値（たとえば５００ｎｍ）以下の波長の
光を反射し、カットオフ値（たとえば５００ｎｍ）以上
の波長の光を透過する。励起光は、ダイクロイックミラ
ーから反射した後、丸窓を介して密封された圧力チャン
バ（１４）に向けられ、そこでセンサ（（１５）；つま
りアルミニウムのような白色に塗られた表面上に塗装さ
れたシリコン樹脂の中のＰｔＯＥＰ）の薄い膜に衝突す
る。圧力チャンバの圧力は、圧力管によって圧力チャン
バに付着された機械式ポンプ（図示されていない）によ
って、較正目的のために注意深く制御されることが可能
である。かかるポンプの起動およびバルブの注意深い調
整によりチャンバ内に所望の圧力が生じる。圧力は標準
圧力測定手段（たとえばピエゾ抵抗圧力変換器、オメガ
・モデル（Omega Model ＃ＰＸ８１、グランビル−フィ
リップス（Granville-Phillips）２７５コンベクトロン
（convectron）ゲージまたは気体圧力計）によって監視
されかつ確認され得る。

【００４８】圧力チャンバ（１４）から、反射光および
ルミネセンスの双方が圧力チャンバの丸窓から外へ通過
する。カットオフ値以下の波長は偏向される一方でカッ
トオフ値より大きい波長はダイクロイックミラーを介し
て透過される。ルミネセンス光はそれから第２の帯域干
渉フィルタ（１６）（たとえば６５０ｎｍに中心をおく
メレス・グリオット（Melles Griot）５０ｎｍ帯域干渉
フィルタ）を通って、それから検出器（たとえばビデオ
カメラ（１８））の中に通過する。その後、検出された
ルミネセンス信号は処理のためのコンピュータまたはビ
デオレコーダ（２０）に送られる。

【００４９】図１の装置のように主に較正のために設計
されていない装置においては、塗装された物体は、圧力
チャンバの代わりに、酸素含有気体が物体を通過して流
れている任意の所望の環境にあるであろう。たとえば、
物体は風洞に置かれることも可能であるし、戸外に置か
れることも可能である。

【００５０】一般にセンサＢおよびＣの包含によって可
能にされた較正は以下のように行なわれるかもしれな
い：測定される表面上の所与の領域について、センサ
Ａ、ＢおよびＣのルミネセンス強度が測定される。表面
を亘る温度の変動を補正するためにセンサＢを使用する
ために、基準温度を選択することが必要であろう。基準
温度は周囲の「風オフ」の状態の下では、興味のある表
面に亘って優勢である温度であるかもしれない。圧力測
定に関して他の便利な温度は、たとえば高いまたは低い
極限状態のように、選ばれるかもしれない。センサＢの
ルミネセンス強度Ｉ_B を測定した後、この測定値はＩ_B
を温度に関連づける予め定められた較正曲線と比較さ
れ、それによって温度測定値を得る。一旦温度が測定さ
れれば、センサＡのルミネセンス強度、Ｉ_A はＩ_A と温
度を関連づける第２の予め定められた較正曲線または行
列を使用することによって、基準温度からの任意の温度
の変動について補正されるかもしれない。もし蛍光体Ａ
およびＢのみが存在すれば、温度較正が行なわれるかも
しれないが、基準状態への較正は標準化状態、たとえば
「風オフ」状態下での別々の測定を実行することによっ
て発生されなければならない。代替の方法は第３のセン
サＣを含み、その強度Ｉ_C は基準状態として使用され、
それゆえに「風オフ」測定の必要性を排除するであろ
う。最終的に、較正Ｉ_A 測定値はシュテルン−フォルマ
ー等式（上の等式（１）を見られたい）によって表面の
測定された領域での気体の圧力に関連づけられる。圧力
測定値は表面全体に亘る圧力プロファイルを示すために
所望されるように比較されるまたは示されるかもしれな
い。

【００５１】以下は上述の方法に関連して使われるかも
しれない較正等式のいくつかの例である（２つの可能性
が与えられる）。

【００５２】逆最小自乗行列方法：

【００５３】

【数１】

【００５４】この式で、（ｒ_1j、ｒ_2j）は表面上の点ｊ
について等式（２）で規定された（ｒ₁ 、ｒ₂ ）であ
る。応答行列Ｒは平均に中心をおかれ、かつＢ行列は実
験室での較正によって数値を求められ、そして実務でｐ
／ｐ_o およびＴを予言するために使用される。（これは
２つのセンサについて示される。もしセンサＣが使用さ
れればＩ_C は等式のＩ_{o A} およびＩ_{o B} にとって代わる
かもしれない）。

【００５５】代替例： ｐ／ｐ_o ＝α＋β（Ｉ_{o A} ／Ｉ_A ）＋γ（Ｉ_B ／Ｉ_{o B} ） （４） この式でα、βおよびγは実験室の較正で数値を求めら
れ、実務においてｐ／ｐ_o を予言するために使用され
る。（再び、Ｉ_{o A} およびＩ_{o B} は、もし第３のセンサ
が利用されれば、Ｉ_C にとって代わられるかもしれな
い。）感圧膜によって与えられる強度情報は好ましくは
ディジタル画像処理、つまり較正曲線および圧力地図を
生み出すためにデータを記録しかつ比率化するための定
量的方法によって処理される。ディジタル画像処理はコ
ンピュータによる画像の操作をさす。画像処理システム
の基本的な目的は、所望の情報を抽出するために画像を
ディジタル化し、記憶しかつ処理することである。好ま
しく採用されるビディコンまたは固体カメラは、コンピ
ュータ画像システムへの１次入力である。カメラはイメ
ージを走査するので、結果として生じる光強度の配列は
アナログ電気信号に変換される。もし「リアルタイム」
で行なわれれば、新しい画像は秒当たり３０または６０
回走査されるであろう。単一の画像フレームは２つのフ
ィールドの線−すべての奇数番号の線から作られる奇数
フィールドとすべての偶数番号の線から作られる偶数フ
ィールドとを含む。ビデオ装置はデータの個々の線を分
離する水平周期パルスおよびデータの全フィールドを分
離する垂直同期パルスを生み出す。各フィールドは１秒
の６０分の１で獲得される。フィールドを結合すること
によって、またはフィールドをインタレースすることに
よって、完全な画像フレームが１秒の３０分の１毎にデ
ィスプレイされるかもしれない。

【００５６】カメラから、アナログビデオ信号が次にデ
ィジタル化される。このプロセスの間に、画像は隣接し
た画素の水平行に分割される（つまり、個々のルミネセ
ンス測定が行なわれる表面の領域に対応する）。ディジ
タル化されたフレームの空間解像度は、画像が線毎に画
素（列）の数によって分割される多数の線（行）を持つ
行列として表わされる。典型的な空間解像度は２５６線
×２５６画素または５１２線×５１２画素である。解像
度の第２の型は輝度またはグレースケール解像度であ
る。各画素の場所で、強度は量を図られかつグレーレベ
ル値を割り当てられる。８ビットデータは共通であり黒
から白にわたるグレーの２５６の別々のレベルに対応す
る。

【００５７】一旦画像が捕捉され、ディジタル化されか
つ記憶されると、それはディジタル画像処理を受けやす
く、それによって画像はいくつかの動作を介して所望の
情報を抽出するために変えられる。好ましい実施例にお
いて、各画像の数個のフレームが合計され、そしてダー
クノイズの総計されたフレームは「風オフ」および「風
オン」データの総計されたフレームから減じられる。
「風オフ」フレームは次に「風オン」フレームによって
分割され、所望の強度比率情報Ｉ_o ／Ｉ_A を得る。もし
膜が温度および圧力の双方から独立したセンサを含め
ば、較正のために「風オフ」データを測定することは必
要ないであろう。

【００５８】再び図１を参照して、好ましい実施例にお
いて、塗装された物体によって発光されるルミネセンス
光は、写真レンズによって集められかつカメラ（１８）
によって検出される。カメラの好ましい型は二酸化珪素
配列ビディコンカメラ（RCATC-2000 ）または電荷結合
素子（ＣＣＤ）ビデオカメラ（たとえばソニー（Sony）
XC-57 ）である。入射光に対するカメラのビデオ出力の
線形応答を達成するために、自動利得制御（ＡＧＣ）が
被能動化されカメラのためのγが１の値に設定される。
データ収集のために、カメラからのビデオ出力はコンピ
ュータに入力されるかもしれない。たとえば、フレーム
グラバボード（トルーヴィジョン（Truevision、TARGA-
8 ）を備えたＩＢＭ ＰＣ／ＡＴパーソナルコンピュー
タは有利に使用されるかもしれない。ＴＡＲＧＡ−８ボ
ードはビデオ信号を８ビットにディジタル化し、その画
像を５１２×４８０離散画素場所上に記憶する。好まし
くは、データは特定化された領域上のソフトウェアパッ
ケージによってディジタル化される。風洞テストからの
データはデータ変換の登録商標クイックキャプチャ（Qu
ick Capture ）フレームグラバボードを備えたマッキン
トッシュ（Macintosh ）ＩＩコンピュータによって集め
られた。登録商標クイックキャプチャボードは６４０×
４８０二乗画素の空間解像度を有し、かつ８ビットのモ
ノクローム画像を捕捉する。発明者によって数個の洞テ
ストに関連して使用されたソフトウェアパッケージ、イ
メージ（Image ）２．０は、ザ・ナショナル・インステ
ィテューツ・オブ・ヘルス（the National Institutes
of Health ）によって創られた。信号平均化の目的のた
めに、いくつかの画像は合計され、好ましくは１６ビッ
トファイルとして記憶されるかもしれない。ソフトウェ
アは全１６ビットファイルの比率化を許容するように一
部変更された。画像処理に続いて、変更された画像がス
クリーン上で見られ、画像のハードコピーが生み出され
るかもしれない。

【００５９】図５は概略の画像処理シーケンスを示す。
対象（２）は励起光で照射され、発光された燐光はビデ
オカメラ（４）によって集められる。画像はそれからコ
ンピュータ（８）の内部のＡ／Ｄ変換器（６）によって
ディジタル化され、そして処理された画像は記憶され
る。その後画像はやはりコンピュータ（８）の内部のＤ
ＡＣ変換器（１０）によってアナログ信号に変換され、
そして最終的に処理された画像はビデオモニタ（１２）
上で見られる。

【００６０】上の例において、発明者はこの発明を特定
の型のカメラ、コンピュータ、ソフトウェアまたはフレ
ームバッファボードなどに制限することを意図するもの
ではない。

【００６１】上述の説明から、および以下に示された例
に基づいて、発明者は物体の表面上の圧力および温度変
化を表わす質的流体可視化の新しい方法を具体的に説明
した。

【００６２】以下はここに開示される組成および方法の
ために発明者によって考えられたいくつかの付加的な利
用法である： （１） 流体可視化：ＰｔＯＥＰは酸素によって消光さ
れるが窒素、アルゴンその他のもののような他の気体に
よっては消光されない。したがって、もし非消光気体、
好ましくは窒素が風洞のたとえば翼の前縁に沿って小さ
なオリフィスを介して強制的に外に出されれば、風は流
体の特性に従って窒素を吹き飛ばし、窒素がポルフィリ
ンと接触するところでルミネセンスをより明るくするで
あろう。（窒素は酸素による消光を抑制するであろ
う。）その結果は実験時の特定の状況の流体パターン特
性である。多くの現在の方法に比べてこの方法の際立っ
た利点は実験に続いてすぐに材料がその元の状態に戻れ
ることである。この実験は励起光に延長して露光するた
めに要求される再調整がほとんどまたはまったくなくて
も何回も繰返すことができる。

【００６３】（２） 機内研究：この方法を飛行中の航
空機上で使用することは実行可能である。コーティング
は空力的表面の一部上にされるであろう。飛行機の内部
から表面は励起源によって照らされ、かつ好ましくはビ
デオカメラによって監視されるであろう。実験は迷光か
らの干渉を回避するために好ましくは夜間に行なわれる
であろう。もし非常に明るい励起が使用されれば（たと
えばビデオカメラの速いシャッタと同期にされたフラッ
シュまたはレーザ）、背景光の存在下で作業をすること
が可能である。

【００６４】以下の例はこの発明の利点を例示しかつ通
常の技術を有するものが同じものを作りかつ使用するこ
とを援助するために示される。これらの例は開示の範囲
またはこの特許により与えられる保護を、いかなる方法
においても制限することを意図するものではない。

【００６５】

【例】

【００６６】

【器具】ＰｔＯＥＰを含むシリコンポリマーの薄い膜は
その酸素圧力依存性がシュテルン−フォルマーの法則に
従うルミネセンスを示すという主張を証明するために使
用される器具の概略図が図１に示される。この図は上で
詳しく論じられる。

【００６７】

【材料】この調査で使用される分子圧力センサ、ＰｔＯ
ＥＰはその大きい燐光量子効率（約９０％）およびその
長い３重項寿命（約１００μｓ）のために選択された。
これらの特性は白金エチオポルフィリンのそれと類似で
あり、そのことはしばらく前に報告された。分子は３８
０ｎｍの光で照射されるときに約６５０ｎｍで燐光を発
する。

【００６８】ＰｔＯＥＰ溶液は０．１０グラムのＰｔＯ
ＥＰを１リットルのジェネシ・ポリマーズＧＰ−１９７
ジメチルシロキサンポリマー溶液に混ぜることよって準
備される。溶剤（主に1、1、1 −トリクロルエタン）は蒸
発し、平滑な膜を残す。最良の結果は数回の薄い塗装の
塗布を各塗装を塗布の間に乾燥させて行なうことによっ
て得られる。ＰｔＯＥＰ塗布に先立って白色のクライロ
ンスプレー塗料のような市販のエポキシベースの白色ス
プレー塗料で表面を前塗りすることは、カメラで見られ
るようにルミネセンス強度信号を大きく増加させる。Ｐ
ｔＯＥＰ膜はそれ自体非常に薄い（約１０と２０μｍと
の間）。実験を通して、Ｉ_o ／Ｉ比率はこの範囲にわた
る厚さの変動によって大きく影響を受けないことが決定
された。

【００６９】

【結果】実験室の較正曲線は、約０．１０ないし１．０
気圧の圧力範囲にわたるＰｔＯＥＰサンプルの燐光強度
の示度（グレーレベル値）を読取ることによって決定さ
れる。ビデオ画像の中心近くの１００画素の特定化され
た正方形に対する強度値は各圧力で５つの異なったフレ
ームについての値を平均化することによって得られる。
平均化された示度読取りに対する標準の偏差は典型的に
は２００のうちの１部分以下である。カメラレンズが覆
われている間に取られるダークノイズ値は強度の示度読
取りから減じられる。１．０気圧または周囲気圧ｐ_o で
結果として生じる強度の示度はＩ_o であると解される。
データはシュテルンーフォルマー関係（図２を見られた
い）によって予言されるようにＩ_o ／Ｉ対ｐ／ｐ_o の間
にほぼ直線状の関係を示す。切片Ａおよび傾斜Ｂは最小
自乗当てはめによって、２３℃の周囲温度で、それぞれ
０．３２±０．０１および０．７０±０．０１であると
決定される。ＡおよびＢの合計はほぼ１の値であること
に注目されたい。

【００７０】

【風洞測定】

【００７１】

【Ｉ．ＮＡＳＡ−ＡＭＥＳでのテスト】実際の動作状態
下で、型Ａの単一蛍光体、ＰｔＯＥＰを使用する基本の
圧力測定方法の実行可能性を証明するために、風洞テス
トはモヘット・フィールド（Moffett Field ）、カリフ
ォルニア（California）のナサ−アメズ・リサーチ・セ
ンタ（NASA-Ames Research Center ）で行なわれた。

【００７２】

【器具】ＮＡＳＡでの風洞テストに使用された装置の概
略図は図３に示される。風洞（２）は流入型であり、マ
ッハ（Ｍａｃｈ）数０．６６の風速に達することが可能
である。テストセクション（４）は約１８インチ×１８
インチの断面図を有し、透明プラスチックから作られて
いるので、その結果テストを行なっている間に物体を見
ることが可能である。実験のために使われる翼（６）
は、ＮＡＣＡ−００１２対象形翼（翼弦で３インチおよ
び翼幅で１０インチ）であった。１６の圧力オリフィス
の単一の行が翼幅の中心に翼の翼弦を横切って配置され
た。テストセクションに設置されたとき、翼は５度の迎
え角で固定された。全体の翼はまず市販の白色エポキシ
ベースの塗料でスプレー塗装され、それからＰｔＯＥＰ
／シリコン樹脂溶液でスプレー塗装された。正の圧力が
塗料でオリフィスを塞がないように塗布工程の間圧力オ
リフィスに接続された管を介して印加された。空気
（７）は図３の右側からテストセクションに入り、それ
が出る左側に移動する。

【００７３】テストセクションにおける翼は側面、翼の
最も近い終端部から約６インチのところから照らされ
た。頂上の照明は不可能であった、なぜなら頂上のプラ
スチックカバーは紫外線を通さなかったからである。光
源（８）はエレクトロ−ライトコーポレーション（Elec
tro-lite Corporation）のモデル（Model ）ＥＬＣ−２
５０ＵＶランプであった。ランプは４００ｎｍ以下の波
長を有する光を通すそれ自身のフィルタを有した。ポル
フィリンの較正のために使用された同一のＲＣＡビディ
コンカメラ（１０）はこの実験のために使用された。カ
メラは外側でテストセクションの上でかつ直接翼上に取
付けられた。６５０ｎｍで中心とする５０ｎｍの帯域干
渉フィルタはカメラレンズを覆った。翼表面とカメラレ
ンズとの間の距離は約１０ないし１２インチであった。
ＩＢＭ ＡＴコンピュータ（１２）のＴＡＲＧＡ８シス
テムはデータにアクセスしかつそれをディジタル化され
たフォームに記憶した。パナソニック（Panasonic）の
白黒モニタ（１４）はＴＡＲＧＡ８フレームバッファシ
ステムによってとられた生のおよびディジタル化された
画像の双方をディスプレイした。

【００７４】ＴＡＲＧＡ−８ボードのための制御ソフト
ウェアパッケージは、翼の翼弦を横切る画素データの平
均化を許容するためにこの実験のために再び一部変更さ
れた。１００フレームのデータは画素の５つの隣接した
行の各々についてとられた。５つの行はそれからデータ
の単一の水平行を生み出すために垂直に合計された。各
離散画素場所は５００のグレーレベル値の結果として生
じる総計を含んだ。データはダークノイズ示度、風オフ
状態および風オン状態についてとられた。ダークノイズ
値は風オフおよび風オン状態の双方から減じられた。結
果として生じる風オフ強度データＩ_o は、結果として生
じる風オン強度データＩによって分割された。この方法
によって、翼弦に沿う各画素場所でのＩ_o ／Ｉ値が決定
され、かつＩ_o ／Ｉ対画素数（または翼弦長）の図が達
成された。

【００７５】従来の圧力測定は各々が２４ポートのデュ
アル変換器、スキャニバルブズ（Scanivalves ）を監視
することによって行なわれた。強度情報と同様に、圧力
データは時間平均された。約１５００のデータ点が２秒
の期間の間にとられた。圧力データはディジタル・イク
イップメント・マイクロバックス（Digital Equipment
Microvax ）ＩＩに記録されかつ記憶された。

【００７６】

【結果】ルミネセンス強度データから決定された圧力比
率を圧力タップによって直接測定された比率と比較する
ために、直接測定された値、ｐ／ｐ_o に最も当てはまる
最小自乗直線係数ＣおよびＤが規定される： ｐ／ｐ_o ＝Ｃ＋Ｄ（Ｉ_o ／Ｉ） （５） 以下の論点において、ｐ／ｐ_o は直接測定された圧力比
率を表わし、ｐ′／ｐ_o′は上の等式を使ってルミネセ
ンスデータから決定された圧力比率を表わす。

【００７７】風洞テストの間、マッハ数Ｍは０．３６な
いし０．６６の範囲にわたって変えられた。図６はＭ＝
０．３６の風速でとられた翼の１部分の写真を示す。１
本の矢印は圧力タップの行を示し、１本の矢印は圧力タ
ップに平行でルミネセンスデータがとられた場所を示
す。図６で示された位置で翼の翼弦を横切って測定され
た強度プロファイルは、図７のＩおよびＩ_o 画像につい
て示される。

【００７８】図８はＭ＝０．３６での風洞較正曲線を示
し、これは翼に接続された圧力変換器からとられた圧力
比率情報とカメラによってとられた強度比率データとか
ら準備された。線に対する切片および傾斜はそれぞれ
０．３０および０．７０である。これらの値は実験室の
較正曲線の値によく匹敵する。軸を逆にし、かつＩ_o ／
Ｉを独立変数と解し、ｐ／ｐ_o を従属変数と解すること
によって、ＣおよびＤに対する値が計算される。これら
の数字から、ｐ′／ｐ_o ′値が各Ｉ_o ／Ｉについて計算
される。実際の圧力比率（ｐ／ｐ_o ）および予測された
圧力比率（ｐ′／ｐ_o ′）は、図９に示されるように、
翼を横切る翼弦長の関数で図が描かれる。図を見てわか
るように、実際の値と予測された値は非常に好都合に匹
敵する。

【００７９】０．６６のマッハ数と５度の迎え角で、衝
撃波はＮＡＣＡ−００１２翼の前縁上で発達する。テス
トの間、衝撃波は翼の全翼幅に広がる明るい帯域として
現われた。翼上の衝撃波は図１０の未処理のルミネセン
ス画像で見ることが可能である。対応するルミネセンス
プロファイルは図１１で示される。ＰｔＯＥＰ燐光の強
度は衝撃波でより大きい、なぜなら酸素分圧がこの領域
ではより小さいからである。図１２はＭ＝０．６６につ
いてのｐ／ｐ_o 対Ｉ_o ／Ｉのための較正曲線を示す。実
線は最良直線当てはめを示す。２組のデータ点の間の大
きなギャップは衝撃境界のいずれかの側の著しいの静圧
差に対応する。このデータの直線状の相関関係はＭ＝
０．３６についてのデータの相関関係より弱い。図１３
は実際の圧力データと較正曲線（ｐ′／ｐ_o ′）から予
測された圧力データとを示す。衝撃境界の風上側では、
ルミネセンス予測は系統的に高く、一方で風下側では予
測は系統的に低い。これは２つの較正曲線が、１つはよ
り低い圧力領域のためにおよび１つはより高い圧力領域
のために使われるべきであることを提案する。もし翼の
後縁に関する圧力比率情報が前縁に関する圧力比率情報
より分離した線に当てはめられれば（図１４）、実際の
データへのよりよい相関関係が結果として表われる（図
１５）。図１５において、ｐ＊／ｐ_o ＊は二重直線当て
はめによって予測されたデータをさす。

【００８０】２組のデータにおける分散量を比較するた
めに、Ｆ比率が計算される。Ｆ比率は以下のように規定
される： Ｆ＝ｓ₁ ² ／ｓ₂ ² ， （６） ここでｓ₁ ² ＞ｓ₂ ² である。ここでｓは予想標準偏差
である。二重当てはめに対する標準偏差は前および後の
領域についての標準偏差を平均化し、かつそれぞれの自
由度数に従って各々を偏らせることによって決定され
る。ｐ′／ｐ_o ′およびｐ＊／ｐ_o ＊に対するＦ比率は
７０より大きいと決定された。Ｆ値の表はこの大きさの
数字を発生するランダムな確率は１０^{- 4} 以下であるこ
とを示す。二重直線当てはめはそれゆえに統計的に正当
化される。二重当てはめに対する必要性は気体の流れの
間に翼弦を横切る表面温度の変動に起因すると考えられ
る。この温度変動はより高い風速でより重大である。別
個の実験はシュテルン−フォルマーの図の傾斜および切
片はＰｔＯＥＰに対する温度依存であることを具体的に
説明した。たとえば、Ｉ_o ／Ｉ対ｐ／ｐ_o の３つの図は
３つの異なった温度、６．０℃、２３．７℃および５
０．０℃で作られ、図１６で示される。３つの曲線すべ
てに対する圧力は約２０トルから７６０トルの範囲であ
った。すべての３つの曲線に対するＩ_o は周囲温度でと
られたものであった。励起光は膜の劣化を防ぐために示
度読取りの間遮られた。その主要な温度依存性が酸素消
光の率である分子に予想されるように、線の切片（酸素
濃度が０のところ）はほぼ同一のままであり、一方傾斜
は大幅に変化した。より高い風速では、二重直線当ては
めの使用は直接測定された圧力とルミネセンス強度デー
タから決定された圧力との間の対応を大幅に改良する。

【００８１】ＮＡＳＡ実験において、風洞における周囲
室温は約６５°Ｆであった。しかしながら、空気の流れ
の間、テストセクションの空気の温度は５０°Ｆと６０
°Ｆとの間に下がった。したがって、Ｉ_o およびＩは同
じ温度で測定されなかった。発明者の実験室における以
前の較正の実行の間に、Ｉ_o およびＩデータは同じ室温
でとられた。ほとんどの場合の周囲温度は７５°Ｆに近
かった。前に述べたように、翼自体にわたる表面温度は
前縁から後縁にかけて数度変化した。この情報から、将
来のテストのためには、較正のための圧力タップを使用
することなく正確に表面圧力を予測するために、物体の
表面上の温度を知ることが重要であることが決定され
た。もちろん、もしここで規定されたように型Ｂのセン
サもコーティングに含まれれば、二重直線当てはめは必
要ないであろう：むしろセンサＢのルミネセンスを別個
に測定して上述のようにデータを処理することによって
塗装された物体の全表面にわたる温度の変動に補正が行
なわれることが可能であろう。

【００８２】Ｉ_o データについての強度における重要な
ずれは、光源における可能な変動および／またはポルフ
ィリン材料の光分解を示した。これらの状態は結合して
実際に測定されたｐ／ｐ_o 値とルミネセンス強度データ
から決定されたｐ′／ｐ_o ′およびｐ＊／ｐ_o ＊値との
間の僅かな不一致の原因となった。圧力および温度独立
センサＣの組込みは光源ずれの補正を助けるであろう。

【００８３】

【概要】上に示された作業の結果は以下のように要約さ
れる。Ｉ_o ／Ｉ対ｐ／ｐ_o の較正曲線は、理論的に予想
されるように、ほぼ直線状の関係を示す。シリコン樹脂
行列におけるＰｔＯＥＰの薄く平滑で均質な膜は、その
圧力フィールドが所望される表面上にスプレー塗装する
ことが可能である。膜のための白色表面裏塗りは信号対
雑音を大幅に高める。「風オン」画像を「風オフ」画像
に比率化することは画像処理ハードウェアおよびソフト
ウェアで達成される。全プロセスは従来の圧力測定技術
と比較するとずっと柔軟でかつ費用がかからない。Ｉ
_{o A} ／Ｉ_A データから決定された結果として生じる圧力
は、１％の範囲内で圧力タップ測定値と一致する。Ｐｔ
ＯＥＰは紫外線に延長されて露光された後劣化するであ
ろう。しかしながら、ＰｔＯＥＰの新鮮な膜を古い膜の
上部に塗布したり、または膜および塗料を剥がして各々
の新しい塗装を塗布してもよい。

【００８４】ここで論じられた技術は空力的物体の表面
圧力を示す曲線を生み出す。これらの結果はルミネセン
ス消光および画像処理技術を使用する風洞において空力
的表面を圧力マッピングする実行可能性を支持する。

【００８５】

【ＩＩ．ボーイングでのテスト】実際の産業用風洞動作
で遭遇するかもしれない状態の型をよく理解し準備をす
るために、さらなる風洞テストがザ・ボーイング・カン
パニー（the Boeing Company）での比較的大きな遷音速
風洞において行なわれた。ボーイングの遷音速風洞はＮ
ＡＳＡでのより小さいモデルの風洞で見られたものより
高い風速および実際の飛行をより表わした状態へのアク
セスを提供した。テストは実際の日常の使用に際して特
別な注意を要求するであろう状況の型に貴重な洞察を提
供した。

【００８６】

【器具】ボーイングの遷音速風洞（ＢＴＷＴ）は大気に
排出される閉回路のシングルリターンシステムである
（図１７を見られたい）。通常の連続的流体動作範囲は
マッハ０．３から１．１である。約５４，０００馬力を
供給する１対の電動機によって電力を与えられた二段式
ファンは、洞内の空気を移動させる。８×１２フィート
のテストセクションは広い範囲の尺度決めされた空力的
モデルをテストするための柔軟性を与える。

【００８７】元は感圧塗料テストのために使用されたモ
デルは、ボーイングの商業用輸送機のハーフモデルであ
り、中央胴体から翼端まで約５フィートの大きさであっ
た。ハーフモデルは垂直の中心線上で分割された航空機
の尺度決めされた表示である。空気力学者はコスト効率
性、効果的なモデルの大きさの拡大および器具の単純化
のような理由のために、フルモデルの代わりにハーフモ
デルを使用する。圧力タップの示度はルミネセンス画像
から得られた結果と比較できるように、電子圧力走査器
によって集められた。

【００８８】ＢＴＷＴでの実験装置は図１８に示され
る。ＮＡＳＡ−Ａｍｅｓでの風洞テストのために使用さ
れた同一の画像装置が、ボーイングのテストのために使
用された。データ収集システムはＲＣＡビディコンカメ
ラ、ＩＢＭ ＡＴパーソナルコンピュータおよびＴＡＲ
ＧＡ−８フレームグラバから構成された。加えて、デー
タ・トランスレーション登録商標クイックキャプチャフ
レームグラバボードを備えかつ画像処理のためにイメー
ジソフトウェアを一部変更されたマッキントッシュＩＩ
が、データの完全なフレームを捕捉しかつディスプレイ
する際に実験使用のために使われた。ソニーＣＣＤ、モ
デルＸＣ−５７もまた、実際の風洞動作状況下でのＰｔ
ＯＥＰ発光に対する感度を決定するために、実験的ベー
スで使用された。

【００８９】商業用輸送機のハーフモデルは、翼の翼幅
を横切って数個の場所で表面に穴を開けられた数個の翼
弦の圧力タップを所有した。カメラは圧力タップの上位
３つの行が１つのディジタル化されたフレーム内に捕捉
されるように調整された。圧力タップの行の間の実際の
距離は約８インチであった。約２０インチのモデルは１
つのディジタル化されたフレームで見ることができた。
ハーフモデルを風洞に設置する前に、モデルの研磨され
た鋼表面は産業用白色エポキシベースの塗料でスプレー
塗装された。風洞における位置決めに続いて、かつテス
トの直前に、ハーフモデルはＰｔＯＥＰを含むジェネシ
ーシリコン樹脂でスプレー塗装された。ＮＡＣＡ−００
１２モデルの場合のように、正の空気圧力が、塗料でオ
リフィスを塞がないように、塗装工程の間圧力タップの
管を介して印加された。

【００９０】洞の内部で、ハーフモデルは４つのエレク
トロ−ライト・コーポレーションのモデルＥＬＣ−２５
０ＵＶランプによって照らされた。光源を覆っているフ
ィルタは３００と４００ｎｍとの間の波長および７００
ｎｍを越える波長を通過させた。すべてのランプおよび
カメラは風洞テストセクションの内側に配置された排気
壁に固定して取付けられた。構造への固定的な取付けは
非常に重要であった、なぜなら高いマッハ数での流動気
体の力は風洞動作の間取付けのあまい物品を取除くのに
十分な強さであったからである。カメラはＢＮＣケーブ
ルを介して風洞の外に配置されたＩＢＭ ＡＴおよびマ
ッキントッシュＩＩコンピュータに取付けられた。

【００９１】マッキントッシュＩＩコンピュータ上で使
用されたイメージソフトウェアは、各々の収集したフレ
ームデータに画素毎にデータベースに合計されることを
許容した。各フレームに対する収集および合計プロセス
は１秒以下で行なわれた。８ビットデータの６４のフル
フレームが集められ、合計されかつ１６ビットファイル
として記憶された。ＩＢＭパーソナルコンピュータの場
合のように、個々のファイルはダークノイズ、風オフお
よび風オン状態の各々について保持された。

【００９２】

【実験】風洞に設置されかつジェネシ／ＰｔＯＥＰ塗料
で塗装された商業用輸送機のハーフモデルは、いつでも
ルミネセンステストができる状態であった。ハーフモデ
ルは光分解影響を低減するためにテストの間黒い布で覆
われた。エレクトロ−ライトのランプはオンにされテス
トに先立って温められた。最終調整が行なわれた後、風
洞の床はテスト中に洞内を循環する埃粒子の数を減らす
ために電気掃除機で掃除された。埃および細かい破片か
らの衝撃はモデル翼の前縁上の塗料にチップを生じさせ
る。塗料のチップは翼上の平滑な空気の層流を乱れた空
気の流れに変換させ、これはこのテストにとっては望ま
しくない。「キャップ」または洞の排気側壁および天井
を覆う滑りカバーは、カメラにアクセスするために開い
たままであった。

【００９３】テストを始める直前に、ＲＣＡカメラレン
ズは覆われ、かつダークノイズ示度読取りがＩＢＭコン
ピュータで行なわれた。ダークノイズデータの６４のフ
レームもまたマッキントッシュＩＩコンピュータ上で記
録されかつ記憶された。カメラレンズのカバーはそれか
ら取除かれ、滑り風洞「キャップ」は密封された。風洞
テストセクション内および風洞テストセクションのまわ
りのすべての光は励起光源を例外としてすべて消され
た。風オフ示度読取りはＩＢＭおよびマッキントッシュ
コンピュータの両方に記録された。風洞テストセクショ
ンの周囲温度もまた記録された。

【００９４】風オフデータ収集に続いて、風洞は動作を
開始された。テストの間、風速はＭ∞＝０．７０ないし
Ｍ∞＝０．９５の範囲であった。（前記の文においてＭ
に続く∞記号は下付き文字として表わされるべきもので
ある。この明細書において以下同様である。）風洞状態
の安定化に続いて、風オンデータがＩＢＭおよびマッキ
ントッシュコンピュータの双方に記録された。周囲風洞
温度もまた記録された。強度データが収集されている
間、ハーフモデルの熱画像もまたインフラメトリックス
（Inframetrics）赤外線カメラシステムでとられてい
た。インフラメトリックスカメラでとられた画像もま
た、マッキントッシュＩＩコンピュータ上でディジタル
化され将来の基準のために記憶された。

【００９５】風オンデータ収集が１回の実験に関して完
成したとき、ファンへの電力が終結し風は停止した。キ
ャップが開かれる前に、もう１組の風オフデータがマッ
キントッシュＩＩコンピュータでとられた。周囲温度は
記録された。洞のためのキャップはそれから１人の人間
が十分入れるだけ開き、カメラのレンズを覆った。１組
の第２のダークノイズデータがマッキントッシュＩＩコ
ンピュータに記録された。第２の風オフおよびダークノ
イズ示度は、洞動作の間のかなりの周囲風洞温度の上昇
のために読取られた。温度の上昇は風を推進するために
使われたファンによる空気の加熱に起因すると考えられ
る。周囲温度は１回のテストの間洞内で約１５℃から約
５０℃へ上昇した。結果的にテスト後にとられた風オフ
画像の強度は元のテスト前読取りから大幅に減少した。
減少したプロフィリン強度は正しい圧力情報に達するた
めに補正を要求するであろう。加えて、テストセクショ
ン内部の排気壁に取付けられたカメラおよび他の装置も
またテスト中に風によって加熱された。ＲＣＡカメラの
ダークノイズは温度依存なので、テスト前およびテスト
後の読取りの間では大幅に上昇した。上昇したダークノ
イズの示度読取りは強度データに対するより小さいダイ
ナミックレンジを生み出し、結果として定量的結果にお
いて正確さが低くなった。

【００９６】先行するテスト手順は各ボーイング遷音速
風洞について繰返し行なわれた。データはＩＢＭ／ＴＡ
ＲＧＡシステムとマッキントッシュ／登録商標クイック
キャプチャシステムとの双方に各テスト毎に記録され
た。

【００９７】

【結果】ここで、ｐ／ｐ_o はモデル表面上の圧力タップ
からとられた圧力データをさし、かつｐ＊／ｐ_o ＊は二
重当てはめ強度情報から予測された圧力データをさす。

【００９８】ボーイングのテストに対する定量的データ
はＩＢＭ／ＴＡＲＧＡ画像処理システムに集められた。
ＩＢＭ ＡＴコンピュータのＴＡＲＧＡソフトウェアは
圧力タップの所望の行の上および下の両方の翼弦の各画
素場所での１００ポイントのデータを収集するようにプ
ログラムされた。結果はダークノイズ、風オフ
（Ｉ_o）、風オン（Ｉ）およびＩ_o ／Ｉ情報から構成さ
れた。そこから１組のデータが集められた翼の領域を表
わすディジタル化された生画像は図１９で示される。圧
力タップ行および強度データがとられた場所は矢印で示
される。強度データが集められた２つの行の間の実際の
距離は約１０センチメートルであった。翼のディジタル
化された画像はマッキントッシュＩＩおよびデータトラ
ンスレーションフレームグラバボードによって記録され
た。データの６４のフレームはダークノイズ、風オフお
よび風オン画像について収集されかつ平均化された。ダ
ークノイズは風オフおよび風オンデータの双方から減じ
られた。結果として生じる画像はＩ _o ／Ｉデータを生み
出すために比率化された。

【００９９】ルミネセンスデータを定量的圧力データに
変換する際の第１のステップは較正曲線を作るために必
要な情報を得るように圧力タップ情報を強度データと整
列させることであった。整列はＩＢＭシステムによって
とられたＩ_o ／Ｉ比率とＣ_pデータを図に表わすことに
よって達成され、同じグラフ上で圧力タップから測定さ
れた。図２０はＣ_p およびＩ_o ／Ｉ対翼弦長の断片の図
を示す。２組のデータは直接関係しかつ整列されている
ことが容易にわかる。Ｃ_p をｐ／ｐ_o に変換した後で、
Ｉ_o ／Ｉ対ｐ／ｐ_o の較正曲線が作られた。較正曲線は
１つの圧力タップ行につき風速マッハ数０．８６および
迎え角３度に対して決定された。これらの曲線は図２１
および図２２で示される。２つの曲線の傾斜および切片
における類似性に注目されたい。ＮＡＳＡデータと同じ
ように、衝撃波に対するデータポイントと後縁に対する
データは、温度差を説明するために異なった曲線に当て
はめられた。上述の方法によって、計算された圧力比率
（ｐ＊／ｐ_o ＊）に対する値が適当な較正曲線から決定
された。図２３および図２４は、計算された圧力（ｐ＊
／ｐ_o ＊）とマッハ数０．８６および迎え角３度でとら
れた２つの行のデータに対する測定された圧力（ｐ／ｐ
_o ）とを比較する。図２５において、強度データの最下
位行に対する傾斜および切片データが最上位行に対する
ｐ＊／ｐ_o ＊を予測するために使用される。一致状態が
非常によく、適当な温度較正をすれば翼の表面上の圧力
値は限られた数の圧力タップ行からのデータを使って正
確にかつ非常な精密さで予測され得ることを示す。

【０１００】圧力タップデータからの小さな不整合は実
際にときとして存在し、１つ以上の説明を有するかもし
れない。最も重要なものは、おそらく翼上で明白な衝撃
状態はいつも安定しているわけではなく、実際は制限さ
れた程度まで翼の翼弦を横切って前後に移動するという
事実である。その状態は動作洞内のモデルの連続的なビ
デオ記録で明らかであり、高いマッハ数（０．７０を越
えるマッハ数）および高い迎え角（３ないし７度）にお
いて特に真実である。データの平均化はこれらの不安定
な流体特性を平滑にする傾向にある。完全な圧力タップ
データは４秒以下で記録されるので、その結果衝撃波お
よび他の圧力状態が、いくつかの場合において１分以上
の間平均化されたルミネセンスデータと僅かに異なると
予測されるかもしれない。

【０１０１】圧力タップデータと強度情報から予測され
た圧力データとの間の不一致の原因となるかもしれない
他の要素は：１）風洞内のカメラの移動；２）高い風状
態のためのモデル移行；および３）再循環風洞における
高温影響である。風オン状態の間の内部構造の振動によ
って生じるカメラの移動は、カメラをテストセクション
の床または壁に直接付着されない安定した構造に取付け
ることによって削減できるかもしれない。モデル移行、
つまり気体の流れの間にモデルを後に移動させることは
比率プロセスの間に補正されるかもしれない。比率化プ
ロセスを始める前に生のＩ_o およびＩデータを整列させ
ることは必要であろう。風オフおよび風オンデータを整
列させるためにいくつかの場所でモデル上にマーカを引
くことはおそらく役に立つであろう。大きな洞ファンの
動作による高温は予想される風オン強度に相当な減少を
生じさせる。この例に示される場合のようないくつかの
場合において、風オンデータは特徴的な衝撃波情報を示
す一方で、実際は風オフデータほど激しくない。Ｉ_o ／
Ｉ比率は、それゆえに高温曲線から予測されるように１
の値より大きい。ダークノイズ示度は風オン示度読取り
の間に増加されたノイズを適当に説明するために風洞動
作に続いて行なわれるかもしれない。

【０１０２】マッキントッシュＩＩでとられた画像もま
た、空力学者に貴重で質的な情報を与える。風オン画像
では明らかでない興味ある圧力パターンは、風オフ画像
を風オン画像に比率化すると明らかになる。図２６は８
ｍｍ広角レンズでとられたより大きいボーイングの商業
用輸送機の風オフ画像を示す。翼は４度の迎え角であ
る。翼（右側の）の前縁に付着された２つのモジュール
はナセル、つまりエンジンハウジングである。光強度の
局所的な変動は翼表面上で容易に明らかである。図２７
は同一の迎え角であるがＭ∞＝０．８８の風速での翼を
示す。いくつかの圧力情報が可視であるが表面上のむら
のある光強度は圧力パターンのいくつかを隠してしま
う。図２８は翼の比率化された画像を示す。ここでむら
のあるパターンは完全に取除かれ、結果として生じる可
視のパターンが真の圧力効果を表わす。（翼の上部およ
び後縁部分の白色帯域周囲部分はモデル移行のためであ
り、これについては上で論じられた。）図２９で偽りカ
ラーが圧力パターンの画質向上のためにコンピュータに
よって加えられた。この画像の情報の多くは従来の流体
可視化方法では決して以前はアクセス可能ではなかっ
た。

【０１０３】風速を変えることによる圧力パターンにお
ける差を具体的に示すために、２つの異なるマッハ数で
の他のボーイング商業用輸送機翼のディジタル化された
画像が図３０および図３１に示される。偽りカラーはま
た、圧力分布における差を強調するためにこれらの画像
に割り当てられた。図３０において風速はＭ∞＝０．７
０である。狭い衝撃波が翼の前縁で可視である。より高
い風速で、図３２で見られるように翼の表面上の圧力分
布に劇的な差が認識される。翼は同一の迎え角（３度）
であるが、風速はＭ∞＝０．９０である。場所の違いお
よび衝撃波の形状に注目されたい。この型のデータは航
空学エンジニアによって翼の設計の即座の「現場の」評
価のために使用できる可視情報を提供する。

【０１０４】ビデオカメラレコーダによる動作風洞内の
翼のビデオ記録は動圧情報を分析するために非常に貴重
である。いくつかの場合において、ビデオテープに記録
されたルミネセンスデータは従来の方法では決して見ら
れなかったリアルタイムの動的情報を提供した。たとえ
ば、１つのボーイングの商業用輸送機翼の後縁上の小さ
な動圧波が発見されたが、これはあまりに速く動くので
電子圧力走査器によって確実に捕捉することが不可能で
ある。この「さざ波」の存在はまだ完全に理解されてい
ないが、かかる発見は新しい空力的設計基準へとつなが
るかもしれない。

【０１０５】

【ルミネセンス強度への裏塗りの効果】表１のデータは
白色の裏塗りが観察されたルミネセンスを大きく向上さ
せることを示す：

【０１０６】

【表１】

【０１０７】この発明は好ましい実施例に関して説明さ
れてきた一方で、通常の技術を持つものは前述の明細書
を読めば様々な変更、同等物の代用およびここに述べら
れた主題の変更をもたらすことができるであろう。した
がって、この特許状によって与えられる保護は前掲の特
許請求の範囲およびそれに同等のものに含まれる定義に
よってのみ制限されることを意図するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】較正のために使用される器具の概略図である。

【図２】図１の装置で用いられた白色塗料で覆われたア
ルミニウムプレート上にスプレー塗装されたシリコン樹
脂における白金オクタエチルプロフィリンのための較正
曲線を示す図である。Ｉ_o は気圧ｐ_o での燐光強度であ
る。Ｉは圧力ｐでの燐光強度である。このグラフにおい
てＦＴ（Ｉ_o ／Ｉ）＝Ａ＋Ｂ（ｐ／ｐ_o ）であり、Ａ＝
０．３２およびＢ＝０．７０でこれらは直線最小自乗当
てはめからの値である。

【図３】ＮＡＳＡ−Ａｍｅｓでの亜音速風洞で用いられ
た装置である。

【図４】図１で示された装置で用いられた白色塗料で覆
われたアルミニウムプレート上にスプレー塗装されたシ
リコン樹脂におけるローダミンＢのための実験室内の較
正曲線を示す図である。

【図５】画像処理シーケンスの概略図である。

【図６】Ｍ＝０．３６の風速でとられたＮＡＣＡ−００
１２翼を示す図である。圧力タップおよび強度プロファ
イルの場所が示される。

【図７】風オン（Ｉ）で図６から抽出された翼の翼弦を
横切る強度データプロファイルと同じ場所で風オフ（Ｉ
_o ）で抽出された基準データとを示す図である。

【図８】Ｍ＝０．３６でのＩ_o ／Ｉ対ｐ／ｐ_o を示す所
定位置の較正曲線を示す図である。

【図９】Ｍ＝０．３６についての実際の（ｐ／ｐ_o ）お
よび予測された（ｐ′／ｐ_o ′）圧力比率の比較を示す
図である。

【図１０】Ｍ＝０．６６の風速でとられたＮＡＣＡ−０
０１２翼を示す図である。圧力タップおよび強度プロフ
ァイルの場所が示される。衝撃境界もまた示される。

【図１１】風オン（Ｉ）で図１０から抽出された翼の翼
弦を横切る強度データプロファイルと同じ場所で風オフ
（Ｉ_o ）で抽出された基準データとを示す図である。

【図１２】Ｍ＝０．６６でのｐ／ｐ_o 対Ｉ_o ／Ｉを示す
所定位置の較正曲線である。

【図１３】Ｍ＝０．６６での単一直線当てはめに対する
実際の（ｐ／ｐ_o ）および予測された（ｐ′／ｐ_o ′）
圧力比率の比較を示す図である。

【図１４】衝撃波下および翼上の至るところでのデータ
の温度の変動に対する最良の当てはめを示す、Ｍ＝０．
６６についてのｐ／ｐ_o 対Ｉ_o ／Ｉの二重の較正曲線を
示す図である。下位の線は前縁からのデータであり、上
位の線は後縁からのデータである。

【図１５】Ｍ＝０．６６での翼上の２つの異なる温度領
域を示す二重直線当てはめについての実際の（ｐ／
ｐ_o ）および予測された（ｐ＊／ｐ_o ＊）圧力比率の比
較を示す図である。

【図１６】６．０℃、２３．７℃および５０℃に対する
較正曲線を示す図である。各曲線に対するＩ_o は２３．
７℃で測定された。

【図１７】ボーイングの遷音速風洞（ＢＴＷＴ）の概略
図である。トンネルは空気交換器で大気に排出される閉
回路のシングルリターンシステムである。テストセクシ
ョンの断面図は８×１２フィートの大きさがある。

【図１８】ボーイングの遷音速風洞（ＢＴＷＴ）テスト
セクションおよびテスト装置の概略図である。

【図１９】Ｍ＝０．８６の風速でとられたボーイングの
商業用輸送機翼を示す図である。圧力タップ（矢印Ｂ）
および強度プロファイル（矢印ＡおよびＣ）の場所が示
される。

【図２０】整列目的のためにＩ_o ／ＩデータおよびＣ_p
データの比較を示す図である。

【図２１】図１９の下位の矢印（Ｃ）対応するデータに
ついてＭ＝０．８６でのｐ／ｐ_o対Ｉ_o ／Ｉを示す所定
位置での較正曲線を示す図である。

【図２２】図１９の上位矢印（Ａ）に対応するデータの
ためにＭ＝０．８６でのｐ／ｐ_o対Ｉ_o ／Ｉを示す所定
位置での較正曲線を示す図である。

【図２３】図１９の下位矢印（Ｃ）に対応する実際の
（ｐ／ｐ_o ）および予測された（ｐ＊／ｐ_o ＊）圧力デ
ータの比較を示す図である。

【図２４】図１９の上位矢印（Ａ）に対応する実際の
（ｐ／ｐ_o ）および予測された（ｐ＊／ｐ_o ＊）圧力デ
ータの比較を示す図である。

【図２５】図１９の下位矢印（Ｃ）からの較正データを
使用する上位矢印（Ａ）に対応する実際の（ｐ／ｐ_o ）
および予測された（ｐ＊／ｐ_o ＊）圧力データの比較を
示す図である。

【図２６】ボーイングの商業用輸送機翼の広角図であ
る。風速は０であり、かつ迎え角は４度である。翼の表
面上の照明むらに注目されたい。

【図２７】ボーイングの商業用輸送機翼の翼の広角図で
ある。風速はＭ＝０．８８であり、かつ迎え角は４度で
ある。衝撃パターンが発達したが、照明源むらは依然と
して明らかである。

【図２８】ボーイングの商業用輸送機翼の連続圧力マッ
プを示す比率画像を示す図である。（図２６の画像は図
２７の画像によって分割された。）風速はＭ＝０．８８
であり、かつ迎え角は４度である。白色の縁は気流の間
の小さなモデル移行のためである。

【図２９】コンピュータ化された偽りカラーが圧力パタ
ーンのより大きい画質向上のために加えられた図２８の
比率画像を示す図である。

【図３０】Ｍ＝０．７０の風速でとられたボーイングの
商業用輸送機翼を示す図である。上右隅にあるプロット
はルミネセンス強度を表わす。

【図３１】Ｍ＝０．９０の風速でとられたボーイングの
商業用輸送機翼を示す図である。上右隅のプロットはル
ミネセンス強度を表わす。

【符号の説明】

２ 風洞 ４ テストセクション ６ 翼 ７ 空気 ８ 光源 １０ ＲＣＡビディコンカメラ １２ ＩＢＭ ＡＴコンピュータ １４ モニタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャネット・エル・カバンディ アメリカ合衆国、98058 ワシントン州、 レントン、ワンハンドレッドアンドサーテ ィナインス・アベニュ、エス・イー、 15461 (72)発明者 ジーン・ギャラリー アメリカ合衆国、98105 ワシントン州、 シアトル、トゥエルブス・アベニュ、エ ヌ・イー、4216、ナンバー・106 (72)発明者 ジェイムズ・ビィ・カリス アメリカ合衆国、98195 ワシントン州、 シアトル、サーティセカンド・アベニュ、 エヌ・イー、6807

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面上の酸素含有気体の圧力を測定する
   方法であって、 センサＡおよびＢならびに選択的にセンサＣを含む酸素
   透過膜で塗装された空力的表面を与えるステップを含
   み、 センサＡは、励起波長λ_a で照射した上で、強度Ｉ_A の
   発光波長λ_A で温度および酸素圧力の双方に依存するル
   ミネセンスを生み出し、 センサＢは、励起波長λ_b で照射した上で、強度Ｉ_B の
   発光波長λ_B で温度に依存するが酸素圧力から独立した
   ルミネセンスを生み出し、 センサＣは、励起波長λ_c で照射した上で、強度Ｉ_C の
   発光波長λ_C で酸素圧力から独立しかつ温度から独立し
   たルミネセンスを生み出し、前記方法は、 酸素含有気体に前記表面上を流れさせるステップと、 前記表面の少なくとも一部をλ_a およびλ_b または
   λ_a 、λ_b およびλ_c で照射する一方で、前記酸素含有
   気体は前記照射された表面上を流れるステップと、 前記照射された表面の複数個のより小さい領域に対して
   Ｉ_A およびＩ_B かＩ_A、Ｉ_B およびＩ_C かのどちらかを
   検出するステップと、さらに各より小さい領域について
   のＩ_A 値を前記より小さい領域についての対応するＩ_B
   またはＩ_C の値と比較して前記Ｉ_A 値を基準温度または
   基準状態に較正し、それによって前記表面上の前記気体
   の圧力の表示となるステップとを含む、方法。
2. 【請求項２】 前記膜はセンサＡ、ＢおよびＣを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記膜はセンサＡおよびＢを含む、請求
   項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記センサＡはポルフィリンを含む、請
   求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記ポルフィリンは白金オクタエチルプ
   ロフィリンである、請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記センサＢはローダミンＢを含む、請
   求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記センサＢはユウロピウムで覆われた
   イットリウムバナジン酸塩微結晶を含む、請求項１に記
   載の方法。
8. 【請求項８】 前記膜はシリコンポリマーを含む、請求
   項１に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記酸素含有気体は空気を含む、請求項
   １に記載の方法。
10. 【請求項１０】 λ_a ＝λ_b ＝λ_c およびλ_A ≠λ_B ≠
    λ_C である、請求項１の方法。
11. 【請求項１１】 λ_a ＝λ_b ＝λ_c およびλ_A ≠λ_B ≠
    λ_C である、請求項１の方法。
12. 【請求項１２】 前記照射は一定の光源で実行される、
    請求項１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記照射はフラッシュ光源によって実
    行される、請求項１に記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記膜は白色の空力的表面上に塗装さ
    れる、請求項１に記載の方法。
15. 【請求項１５】 前記表面は静止している、請求項１に
    記載の方法。
16. 【請求項１６】 前記表面は前記気体を通って移動す
    る、請求項１に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記比較ステップは各前記より小さい
    領域の測定された温度を得るために、前記表面の各前記
    より小さい領域からのＩ_B をセンサＢのルミネセンスを
    温度に関連させる第１の予め定められた較正曲線と比較
    するステップと、Ｉ_A を基準温度に較正するためにセン
    サＡのルミネセンスを温度に関連させる第２の予め定め
    られた較正曲線を使って、それによって温度較正された
    Ｉ_A 測定値を生み出すステップと、さらにセンサＣが存
    在するとき、各領域のための前記温度較正されたＩ_A 測
    定値の各前記領域のＩ_C との比率を得るステップと、前
    記比率を各前記領域のための前記気体の圧力に関連させ
    るステップとを含む、請求項１の方法。
18. 【請求項１８】 ビデオカメラで各前記塗装された領域
    から前記センサのルミネセンスを捕捉するステップと、
    前記ルミネセンスをディジタル化するステップと、セン
    サＢによって生み出されたディジタル化された画像をセ
    ンサＡによって生み出されたディジタル化されたルミネ
    センスを基準温度に較正するために使用するステップ
    と、さらにセンサＣが存在するとき、センサＡのルミネ
    センスを基準状態に較正するために、センサＣによって
    生み出されたディジタル化されたルミネセンスを使用し
    て、それによって前記表面上の前記酸素含有気体の圧力
    に関連づけることが可能な各塗装された領域のための較
    正されたＩ_A 値を生み出すステップとをさらに含む、請
    求項１の方法。
19. 【請求項１９】 前記較正されたＩ_A 値をディジタル化
    された画像、写真またはビデオ記録に変換することをさ
    らに含む、請求項１に記載の方法。
20. 【請求項２０】 各領域から前記較正されたＩ_A 値をア
    ナログ信号に変換することと、各前記領域での前記気体
    の圧力を示す前記表面の画像を見るために前記信号をビ
    デオモニタに経路指定することとをさらに含む、請求項
    ８の方法。
21. 【請求項２１】 前記方法は、風洞で実行される、請求
    項１の方法。
22. 【請求項２２】 前記画像はリアルタイムの質的または
    定量的気体流体可視化を提供する、請求項２０の方法。
23. 【請求項２３】 表面上の酸素含有気体を可視化する方
    法であって、 センサＡを含む酸素透過膜で塗装された表面を与えるス
    テップを含み、光λ_aの励起波長によって前記膜を照射
    した上で、センサＡは発光波長λ_A でルミネセンスを生
    み出し、前記コーティング下の物体の表面は白色であ
    り、前記方法は前記酸素含有気体が前記塗装された物体
    と接触している間に前記物体をλ_A で照射するステップ
    と、さらにλ_A で前記センサＡによって生み出されたル
    ミネセンスを観察するステップとを含む方法。
24. 【請求項２４】 前記センサＡはポルフィリンを含む、
    請求項２３に記載の方法。
25. 【請求項２５】 前記ポルフィリンは白金オクタエチル
    ポルフィリンである、請求項２４に記載の方法。
26. 【請求項２６】 前記膜はシリコンポリマーを含む、請
    求項２５に記載の方法。
27. 【請求項２７】 前記可視化は前記酸素含有気体の圧力
    についての定量的情報を提供する、請求項２３に記載の
    方法。
28. 【請求項２８】 感圧組成であって、溶媒を含み、溶媒
    はセンサＡおよびＢまたはセンサＡ、ＢおよびＣを含む
    複数個のセンサをその中に含み、光の励起波長によって
    照射された上で、 センサＡは温度および酸素圧力に依存するルミネセンス
    を生み出し、 センサＢは酸素圧力から独立し、かつ温度に依存するル
    ミネセンスを生み出し、さらにセンサＣは温度および酸
    素圧力から独立したルミネセンスを生み出し、さらに前
    記感圧組成は前記溶媒を蒸発した上で前記センサを含む
    酸素透過膜を形成する分子を含む感圧組成。
29. 【請求項２９】 センサＡはポルフィリンを含む、請求
    項２８に記載の感圧塗料。
30. 【請求項３０】 前記ポルフィリンは白金オクタエチル
    ポルフィリンである、請求項２９に記載の感圧塗料。
31. 【請求項３１】 前記センサＢはローダミンＢを含む、
    請求項２９に記載の感圧塗料。
32. 【請求項３２】 前記分子は前記溶媒を蒸発した上でシ
    リコンポリマーを形成する、請求項２８に記載の感圧塗
    料。
33. 【請求項３３】 前記溶媒は揮発性有機液体である、請
    求項２８に記載の感圧塗料。