JPH0721430B2 - デュアルスペクトル光学式高温計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光学式高温計に係り、更に詳細には直列に配
列された二つの光検出器を有するデュアルスペクトル光
学式高温計に係る。

従来の技術 光学式高温計はよく知られており、航空機用エンジンの
用途に於て広範囲に使用されている。デュアルスペクト
ル光学式高温計は運転状態にあるジェットエンジン内の
タービンブレードの温度を測定するために従来より使用
されている。二つのスペクトル帯域を使用することによ
り、高温計はブレードにより放射された光エネルギと燃
焼火炎より放射されブレードにより反射された光エネル
ギとを区別することができる。

米国特許第4,222,663号及びASME paper No.76−HT−74
に開示されたデュアルスペクトル光学式高温計に於て
は、タービンブレードよりの光が互いに異なるスペクト
ル帯域を有する二つの高温計へ供給され、それらの出力
が処理されることにより反射されたエネルギの大きさの
概算値から求められる。典型的にはこれら二つの高温計
としては、シリコン光検出器が使用されており、従って
これらの光検出器は互いに同一の固有のスペクトル帯域
を有することとなる。通過帯域がシリコンの吸収帯域の
一部となっている光学フィルタが二つの光線の一方の光
経路に配置され、これにより二つの高温計の間にスペク
トル帯域の相違が与えられる。従来のデュアルスペクト
ル光学式高温計に於ては、フィルタを有しない第一の高
温計のスペクトル帯域の波長範囲は0.4〜1.1μｍであ
り、フィルタを有する第二の高温計のスペクトル帯域の
波長範囲は0.4〜0.85μｍである。

互いに同じスペクトル帯域の材料にて形成された二つの
光検出器を使用する場合には、受けた光を分割し、分割
された二つの光線を案内する追加の光学的構成要素が必
要とされる。かかる追加の光学的構成要素は光路に対し
て正確に整合されなければならず、又、ジェットエンジ
ンの過酷な環境に於ても汚染されない状態になければな
らない。更にかかる光の分割に必要な光学的構成要素に
於ける反射損失によって元々弱い短波長の光が更に低減
される。短波長領域の光エネルギが制限されることによ
り、光検出器により発生される電気信号のノイズに対す
る信号の比（SN比）は悪化される。又、両方の光検出器
にシリコンが使用される場合にはスペクトル帯域が完全
にオーバラップしており、従って、オーバラップしてい
る波長の光を二つに分け、各々信号として受信すること
になるのでSN比が更に悪化される。

発明の開示 本発明の目的は、直列型光検出器モジュールが組込まれ
ていることを特徴とするデュアルスペクトル光学式高温
計を提供することである。

本発明によれば、遠隔の対象物の温度を測定するために
使用される直列型光検出器モジュールを有するデュアル
スペクトル光学式高温計は、対象物より放射された成分
と対象物とは別の等価黒体温度を有するファイヤボール
より放射され対象物により反射された成分とを有し或る
スペクル幅を有する光線を対象物より受けるための光ガ
イドを含んでいる。またハウジングが設けられ、該ハウ
ジングは光ガイドを受入れるよう構成される。デュアル
スペクトル光学式高温計は、対象物からの光線を受ける
ようハウジング内に収容された第一の光検出器であっ
て、対象物光線のうちの該対象物光線のスペクトル幅の
一部であるよう選定された或るスペクトル幅を有する第
一の光成分を吸収し、残りの光線を通過させるよう構成
された第一の光検出器を含んでいることを特徴としてい
る。この第一の光検出器は第一の光成分と等価な第一の
電気信号を発生する。また第二の光検出器もハウジング
内に収容されており、該第二の光検出器は残りの光線を
受け、該残りの光線と等価な第二の電気信号を発生す
る。また本発明の高温計には信号処理装置が含まれてお
り、該信号処理装置は第一及び第二の電気信号を受け、
また第一の光成分のスペクトル幅を示す信号及びファイ
ヤボールの等価黒体温度の概算値を示す信号を受けるよ
うになっている。また信号処理装置は第一の電気信号よ
り等価黒体温度を示す第一の温度信号を発生し、また第
二の電気信号より等価黒体温度を示す第二の温度信号を
発生する。更に信号処理装置はファイヤボールの等価黒
体温度の概算値を示す信号及び第一の光成分のスペクト
ル幅を示す信号に依存して第一の温度信号と第二の温度
信号との間の差異より温度補正信号を発生し、第二の温
度信号と温度補正信号との間の差より補正された温度信
号、即ち対象物の真の温度を示す信号を発生する。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 第１図は本発明による直列型光検出器モジュールを有す
るデュアルスペクトル高温計の簡略化されたブロック線
図を示しており、高温計10はジェットエンジンのケーシ
ング14内に装着されるプローブ12を含んでいる。プロー
ブは回転するタービンブレード16及び18の如き対象物よ
りの光を受光できるよう配置されなければならない。

運転状態にあるジェットエンジンに於ては、タービンの
ブレードは高温度になる。従ってブレードは放射線を放
射し、その強度及びスペクトル分布は温度の関数であ
り、一般に周知の黒体近似により、或いは放射率の補正
が含まれる場合には灰体近似により近似され得る。更に
ジェットエンジンのファイヤボール、即ち燃焼火炎から
来る光がタービンブレードによって反射され、対象物光
線の一部となる。ファイヤボールの温度はタービンブレ
ードの温度よりも実質的に高く、かかるファイヤボール
に由来する光成分のスペクトルはブレードに由来する光
成分のものよりも短波長にシフトしたものとなる。二つ
の光線が合わさって対象物光線を構成することになるの
で、その対象物光線のスペクトル分布は、タービンブレ
ードの実際の温度よりも高い温度に対応する等価黒体放
射スペクトルとなる。

タービンブレードよりの放射線は或るスペクトル幅を有
する対象物光線を含んでおり、プローブにより収集され
る。プローブはレンズ及び他の従来の光学的構成要素を
含んでいる。他の局面に於ては、プローブは通常の構成
のものであり、光ファイバ用のハウジング、プローブの
ハウジングにパージガスを流すための設備の如き構成要
素を含んでいる。上述のプローブの構成要素は典型的な
診断用高温計に使用されている。診断用や飛行機搭載用
高温計の如き高温計の用途に応じて、また高温計が適用
されるエンジンの形式に応じて種々の置換や修正が行わ
れてよい。

対象物光線は通常の方法によりプローブに固定された光
ガイド20により受けられる。光ガイド20は通常の構造の
ものであり、典型的にはエンサイン・ビックフォード・
オプティックス（Ensign Bickford Optics）HC−414−l
u繊維の如き融合された光ファイバ束又は通常の広帯域
水晶や溶製されたシリカよりなる繊維を含んでいる。第
２図に関し後に詳細に説明する如く、対象物光線は光検
出器モジュール22へ供給される。最良の形態の実施例に
於ては、光検出器モジュールは対象物光線のうちのスペ
クトル幅の一部であるよう選定された或るスペクトル幅
を有する対象物光線の第一の成分を吸収し、対象物光線
の残りを通過させる第一の光検出器を含んでいる。また
光検出器モジュールは第一の光検出器の後方にこれに対
し直列的に配置され対象物光線の残りを吸収する第二の
光検出器を含んでいる。かくして第一の光検出器に対し
第二の光検出器を直列的に配置することにより、第一の
光検出器が第二の光検出器へ供給される光を通すことと
によりスペクトル帯域が二つに分割される。従ってかか
る直列型の光検出器モジュールによれば、第一及び第二
の光検出器により吸収される光のスペクトル帯域は相互
にオーバラップせず、同じ波長の光を二つに分割するた
めの追加的な光学的要素を必要としないので二つの光検
出器への結合効率は全スペクトル範囲に渡りほぼ100％
である。

第一の光検出器はそれが受けた第一の光成分のエネルギ
を示す信号をライン24へ出力するようになっており、ス
ペクトル帯域が第一の光成分のスペクトル帯域に対応す
る第一の信号チャンネルを含んでいる。同様に第二の光
検出器はスペクトル帯域が残りの光線のスペクトル帯域
に制限された第二の信号チャンネルを含んでおり、残り
の光線のスペクトル帯域を示す信号をライン26へ出力す
る。

これらの信号は信号処理装置28により受信される。信号
処理装置28は当技術分野に於て公知の型式のものであ
り、最良の形態の実施例に於ては適当な通常のアナログ
電気回路を含んでいる。更に信号処理装置28は、本発明
の一部を構成せず図には詳細には示されていない外部信
号処理装置34よりライン30及び32を経て第一の光検出器
信号のスペクトル範囲を示す信号と及びファイヤボー
ル、即ち燃焼火炎の等価黒体温度の概算値を示す信号を
受信する。

第一の光検出器よりの信号は、第一の信号チャンネルに
ついての等価黒体温度（T₁）を示す信号を生成するよう
処理される。信号処理装置は第二の光検出器信号に対し
ても同一の機能を果し、第二の信号チャンネルについて
の第二の等価黒体温度（T₂）を示す信号を発生する。

信号処理装置は温度補正信号（Tc）を演算し、下記の式
の演算が行われるよう温度補正信号を第二の温度信号に
関連付けることにより、ライン36を経て外部信号処理装
置38へ補正された温度信号（Tt）を出力する。

Tt＝T₂−Tc ……（１） 温度補正信号を正確に演算するためには、信号処理装置
は少なくとも第一及び第二の温度信号と、第一の信
号チャンネルのスペクトル幅を示す信号と、ファイヤ
ボールの等価黒体温度の概算値を示す信号とを受信しな
ければならない。更に温度補正信号は、対象物光線内の
反射されたエネルギのパーセンテージの関数であり、そ
の関数のパラメータはしばしば第一の温度（T₁）と第二
の温度（T₂）との間の差（T₁−T₂）として表現されるこ
とが多い。

当技術分野に於てよく知られている如く、燃焼火炎の等
価黒体温度の概算値さえ与えれれれば、対象物光線内の
反射されたエネルギのパーセンテージは、０〜50％の範
囲で変化してよく、それを越えると高温計の出力信号
は、誤差の大きいものとなり、測定値として信頼できな
くなることが知られている。或る与えられた第二の光検
出器の温度信号の大きさに関して、温度補正（Tc）信号
と反射されたエネルギのパーンセンテージに関連したパ
ラメータ（T₁−T₂）との間には関数関係が存在する。

実験によれば、或るファイヤボールの等価黒体温度の概
算値について、反射されたエネルギのパーセンテージが
50％未満の場合には、温度補正信号の誤差は小さくな
る。例えば、ファイヤボールの概算された温度を4500゜
F（2480℃）とし、反射さたエネルギ成分を50％とした
場合には、たとえ概算されたファイヤボールの温度が30
0゜F（約170℃）ずれていたとしても、誤差の大きさは
約30゜F（17℃）未満となることが実験的に分かってい
る。温度補正信号は、数値解析することで（T₁−T₂）に
関連付けることができる。反射されたエネルギのパーセ
ンテージが50％未満である場合に、多数の第二の光検出
器温度信号の値に対しては、一群のTc・ｖ・（T₁−T₂）
の曲線を描くことができる。上の例についてその曲線は
通常の曲線近似法を用いて一つの方程式にて近似的に計
算され、補正された温度信号、即ち真の温度信号は、下
記の式で表現された。

Tt＝T₂−〔（0.3T₂−150）／（3500−T₂）〕（T₂−T₁）
^1.28 ……（２） ここにTtは補正された温度であり、T₁及びT₂は上述の通
りである。

ファイヤボールの他の等価黒体温度については他の実験
的に導き出された方程式が得られることは当業者にとっ
て明らかであろう。

更にアナログ手段又はデジタル手段を使用する他のアル
ゴリズムが採用されてよいことも当業者とって明らかで
あろう。特に信号処理装置のデジタル式の実施例は、通
常のコンピュータメモリ及びA/D変換器を有する高速コ
ンピュータであって、通常のルックアップテーブルフォ
ーマットにて上述した温度補正信号と同様の温度補正信
号を発生し且それをメモリに記憶するよう構成され、通
常の技法により温度補正信号より補正された温度信号が
得られるよう構成された高速コンピュータを含んでい
る。

第２図は第１図に示されたデュアルスペクトル光学式高
温計に使用される直列型光検出器モジュールを示す断面
図である。この直列型光検出器モジュール40は適宜に修
正された金属ヘッダ46及びケース44を含むTO−５又はTO
−８の如き通常の型式のハウジング42を含んでいる。ま
たハウジング42は通常の方法によりケース44に取付けら
れた光ガイドコネクタ48を含んでいる。最良の形態の実
施例に於ては、ケース44は、光ファイバ20が光ガイドコ
ネクタに取付けられ、該コネクタを貫通して延在し、光
軸50を郭定するよう、中央部を貫通する孔を穿孔するこ
とにより修正されている。

ヘッダ46内には光検出器52及び54を含む直列の検出器列
が配置されている。光検出器54は通常の方法によりヘッ
ダに装着されている。長波長の光に対する応答性を向上
させるべく、光検出器54に当接する位置には金属層55が
形成されている。電極56及び58が部分的にのみ図示され
ており、これらの電極は光軸50に沿って装着された光検
出器54との電気接点を与えている。更にケース44は電気
的に絶縁され隔置された電極60及び62のための手段を有
しており、電極60及び62は光検出器54のすぐ上側（図に
て左側）にて光軸と同軸にセラミックワッシャ64が配置
されるようヘッダを貫通して延在している。セラミック
ワッシャは通常の型式のものであり、円形の孔を有して
いる。光検出器52は通常の方法により光検出器54とほぼ
平行にセラミックワッシャの孔上にてセラミックワッシ
ャ上に直接装着されている。光検出器52には通常の方法
により電極60及び62により電気接点が与えられており、
最良の形態の実施例に於てはセラミックワッシャの上面
に形成された金属接点を含んでいる。

金属製のケース44は、対象物光線が光ファイバより出て
光検出器52へ供給され、これにより光検出器52が対象物
光線よりその第一の成分を吸収するよう、実質的に光検
出器52と接触した状態に光ファイバを位置決めすべく、
摺動によってヘッダ46畳に装着されるようになってい
る。対象物光線の残りの光線は光検出器52を通過し、光
検出器54へ供給される。ヘッダとケースと光ファイバと
の間の空隙を充填し、これにより水分や他の汚染物質を
排出させるべく、前記空隙にはシリコンエポキシ樹脂の
如き通常の封入材66が使用されている。最良の形態の実
施例に於ては、光検出器52はシリコンを含んでおり、光
検出器54はヒ化インジウム−ガリウムを含んでいる。

第３図は第２図の検出モジュールの最良の形態の実施例
に於ける光検出器の材料として使用されるシリコン及び
ヒ化インジウム−ガリウムの応答特性を示すグラフであ
る。このグラフに於て、軸67は対数目盛にて表わされた
入射パワー当りの出力電流を表わしており、軸68は波長
を表わしている。

従来のデュアルスペクトル光学式高温計は一般にシリコ
ンよりなる二つの光検出器を有している。シリコンの光
検出器は信頼性が高く、また低廉であり、温度の関数と
しての性能上の乱れが小さいものである。

両方の光検出器に対し同一の材料を使用することにより
生じるスペクトル帯域のオーバラップにより性能上の固
有の制限が課せられる。対象物光線内のエネルギの大部
分はシリコンにより吸収されるエネルギよりも長い波長
を有するので、SN比が制限される。更にタービンブレー
ドにより反射される対象物光線の成分は非常に弱い強度
しか有しておらず、二つのスペクトル帯域が互いにオー
バラップしていることにより更にSN比が低減される。

図示の実施例による直列型光検出器モジュールは機械的
安定性に優れ、また光学的構成要素が少ないだけでな
く、光検出器の材料の応答性のオーバラップが無視し得
る程度であることによりSN比が高い。

好ましい形態の実施例に於ては、第二の光検出器と直列
に配列された第一の光検出器はシリコンを含んでいる。
第２図に関し上述した如く、対象物光線が第一の光検出
器52へ入射されると、シリコンは曲線70（交点72及び74
はそれぞれ0.4μ及び1.05μの波長に対応している）に
より示されている如く、0.4〜1.05μの波長を有する成
分を実質的に吸収する。対象物光線の残りの光線はシリ
コンを通過し、第二の光検出器54へ供給される。第二の
光検出器は曲線76（交点78及び80はそれぞれ0.8μ及び
1.8μの波長に対応している）により示されている如く
1.05〜1.8μの波長を有する光に応答する。最良の形態
の実施例に於ては、光検出器54はヒ化インジウム−ガリ
ウムのフォトダイオードを含んでおり、このフォトダイ
オードはその応答性及び高周波応答性が優れており、ま
た中間の周囲温度に於ける暗電流及びノイズが比較的低
いので選定されている。ゲルマニウムの如き他の赤外線
検出材料が使用されてもよい。

更に上述の如く光検出器モジュールを直列に配列するこ
とにより、光ファイバと光検出器との間の放射線パワー
の伝達が効率的に行われるので、高周波応答性が改善さ
れる。光検出器52は光ファイバと検出器との間の界面に
於ける僅かな結合損失を除き、光ガイドより出る全ての
放射線パワーを受ける。光検出器54は最良の形態の実施
例に於ては約1.05μよりその応答範囲の上限、即ち約1.
8μまでの実質的に全ての入射パワーを受ける。光検出
器54が受けるパワーはその応答範囲の最も高い出力部分
の75％以上を含んでおり、これにより高温計の全体とし
てのSN比の性能が向上される。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による直列型光検出器モジュールを有す
るデュアルスペクトル光学式高温計の簡略化されたブロ
ック線図である。 第２図は第１図の光学式高温計に使用される直列型光検
出器モジュールを示す断面図である。 第３図は第２図の光検出器モジュールに使用される光検
出器材料の応答特性を示すグラフである。 10……高温計,12……プローブ,14……ケーシング,16、1
8……タービンブレード,20……光ガイド,22……光検出
器モジュール,24、26……ライン,28……信号処理装置,3
0、32……ライン,34……外部信号処理装置,36……ライ
ン,38……外部信号処理装置,40……光検出器モジュー
ル,42……ハウジング,44……ケース,46……ヘッダ,48…
…光ガイドコネクタ,50……光軸,52、54……光検出器,5
5……金属層,56、58、60、62……電極,64……セラミッ
クワッシャ,66……封入材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遠隔の対象物の温度を測定する直列型光検
   出器モジュールを有するデュアルスペクトル光学式高温
   計にして、 前記対象物より放射された成分と或る温度を有するファ
   イヤボールよりの反射された成分とを有し或るスペクト
   ル幅を有する対象物光線を前記対象物より受けるよう構
   成された光ガイド手段と、 前記対象物光線を受けるよう構成されたハウジング手段
   と、 前記ハウジング手段内に収容され、前記対象物光線より
   前記対象物光線のスペクトル幅の一部であるよう選定さ
   れた第一のスペクトル幅を有する第一の光成分を吸収
   し、残りの光線を通過させ、前記第一の光成分と等価な
   第一の電気信号を発生するよう構成された第一の光検出
   器手段と、 前記ハウジング手段内に収容され、前記残りの光線を受
   け、前記残りの光線を示す第二の電気信号を発生する第
   二の光検出器手段と、 前記第一及び第二の電気信号を受け、更に前記第一の光
   成分のスペクトル幅を示す信号及び前記ファイヤボール
   の等価黒体温度の概算値を示す信号を受けるよう構成さ
   れた信号処理手段であって、前記第一の電気信号より等
   価黒体温度を示す第一の温度信号を発生し、前記第二の
   電気信号より等価黒体温度を示す第二の温度信号を発生
   し、前記ファイヤボールの等価黒体温度の概算値を示す
   信号及び前記第一の光成分のスペクトル幅を示す信号に
   依存して前記第一の温度信号と前記第二の温度信号との
   間の差より温度補正信号を発生し、前記第二の温度信号
   と前記温度補正信号との間の差より補正された温度信号
   を発生するよう構成された信号処理手段と、 を含むデュアルスペクトル光学式高温計。