JPH0875567A - 温度計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的低温の温度域をも計測可能であるとも
に、真の温度を計測することができる温度計測方法を得
る。 【構成】 特定化学種を励起させるレーザー光を被検体
に照射して、特定化学種から発する蛍光を受光するとと
もに、波長領域に於ける蛍光の強度分布である各回転線
の分布関数を得て、各回転線の分布関数より被検体の温
度を計測する温度計測方法において、前記特定化学種と
しての化学種ＮＯのＡ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，０）バンドを
励起させ各回転線の分布関数から温度を計測する際に、
そこから発する蛍光に含まれる検出バンドとしてのＡ²
Σ⁺−Ｘ²Π（０，１）（０，２）（０，３）（０，４）
バンドのいずれかのバンドにおける蛍光のみを検出し、
その検出結果と前記分布関数より、被検体の温度を計測
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火炎等の被検体の温度
を非接触で測定する温度測定法に関し、さらに詳細に
は、特定化学種を励起させるレーザー光を被検体に照射
して、特定化学種から発する蛍光を受光するとともに、
波長領域に於ける蛍光の強度分布である各回転線の分布
関数を得て、各回転線の分布関数より被検体の温度を計
測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザー誘起蛍光法（以後、ＬＩ
Ｆと記載する）は特定の分子の吸収波長に同調したレー
ザー光を測定対象に照射し、それから発する蛍光をレン
ズ、フィルターを通して光検出器で捉えることにより、
その分子を検出する方法である。この方法を用いると特
定の分子（トレーサー分子となる）の被検体内における
分布状態を確認できるとともに、同じ分子でもエネルギ
ー状態の異なるものを選択的に検出できるため、選択さ
れた分子のエネルギー分布状態（ボルツマン分布）を読
み出して、これからその温度を計測することができる。
従来、被検体としての火炎等の温度を検出する場合にお
いては、主に、トレーサー分子として、火炎中に多く存
在する化学種ＯＨを用いていた。即ち、ＬＩＦにより火
炎中のＯＨの特定回転準位に於ける分布を読み出し、そ
の分布状態から温度を計測していた。一方、トレーサー
分子として化学種ＮＯを使用する方法も提案されている
が、励起には２２３〜２２７ｎｍのＡ²Σ⁺−Ｘ²Π
（０，０）バンドを利用し、２３０〜２９０ｎｍ付近ま
でのブロードな蛍光を検出して、その分布状態から温度
を計測していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、夫々の手法において以下のような欠点があ
った。 （１） 化学種ＯＨをトレーサー分子とする場合 この方法を採用する場合は、化学種ＯＨが存在する火炎
の高温部のみが計測対象部位となり、実質上、火炎の一
部領域しか計測できない。 （２） 化学種ＮＯをトレーサー分子とする場合 この方法を採用する場合は、比較的低温度の領域まで計
測できるが、蛍光を検出する側において、蛍光の波長領
域として、２３０〜２９０ｎｍ付近の広い波長域を検出
するため、検出装置の受光部に備えられるレンズの色収
差が大きく、温度分布測定結果の空間分解能が著しく低
下する。この状況を、図４（イ）（ロ）に基づいて説明
する。図４（イ）はブンゼンバーナに形成される火炎の
計測状況を示しており、図４（イ）が後述する本願の手
法を用いて火炎の温度分布を求めたものである。一方、
図４（ロ）に示すものは、トレーサー分子として化学種
ＮＯを利用するとともに、２３０〜２９０ｎｍ付近の広
い波長域を検出して温度分布を求めたものである。図４
（イ）と図４（ロ）とを比較すると、従来の手法による
ものは、常温域（もしくはそれに相当する温度域）と火
炎による温度上昇域との境界部位（外炎の端部境界及び
内炎から外炎への遷移域）が不明確であるとともに、こ
れが低温側へ広がっている。例えば、図４（ロ）に示す
ものは内炎内で温度変化が認められるが、図４（イ）の
ものではそれが無い。即ち、図４（ロ）に示すものは、
炎による温度上昇域がノイズにより、本来の高温域より
も拡がっており、正確に温度を計測しているとは言いが
たい。

【０００４】従って、本発明の目的は、比較的低温の温
度域をも計測可能であるともに、真の温度を計測するこ
とができる温度計測方法を得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する温度
計測方法に於ける請求項１に係わる本願第１の特徴手段
は、特定化学種としての化学種ＮＯのＡ²Σ⁺−Ｘ²Π
（０，０）バンドを励起して、各回転線の分布関数から
温度を計測する際に、そこから発する蛍光に含まれる検
出バンドとしてのＡ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，１）バンド、Ａ²
Σ⁺−Ｘ²Π（０，２）バンド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，
３）バンド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，４）バンドのいずれ
かのバンドのみからの蛍光を検出し、その検出結果と前
記分布関数より、被検体の温度を計測することにある。
さらに、上記請求項１に係わる発明において、前記検出
バンドが、Ａ²Σ⁺−Ｘ ²Π（０，２）バンドであること
が好ましい。この構成が、請求項２に係わる本願第２の
特徴構成である。さらに、上記請求項１又は請求項２に
係わる発明において、前記被検体が燃焼火炎であること
が好ましい。この構成が、請求項３に係わる本願第３の
特徴構成である。さらに、上記請求項１、２または請求
項３に係わる発明において、前記被検体に照射される前
記レーザー光としてシート状のレーザー光を使用すると
ともに、イメージインテンシファイヤ付カメラを使用し
て、前記蛍光を２次元的に検出することにより、前記シ
ート状のレーザー光が照射される前記被検体部位に於け
るの２次元的な温度分布を求めることが好ましい。この
構成が、請求項４に係わる本願第４の特徴構成である。
そして、それらの作用・効果は以下のとおりである。

【０００６】

【作用】本願の第１の特徴構成を備えた温度計測方法に
おいては、化学種ＮＯを検出する。ここで、化学種ＯＨ
と比較すると、ＮＯはＯＨと異なり室温から火炎温度ま
でほぼ安定して存在する。従って、ＯＨをトレーサーに
用いた場合、一部の高温度領域しか温度測定不可能であ
るが、ＮＯをトレーサーに用いることにより、室温から
高温までの広い範囲に渡って、温度測定可能となる。さ
らに、レーザー誘起蛍光法で２２３〜２２７ｎｍのＡ²
Σ⁺−Ｘ²Π（０，０）バンド励起を行った場合、２２０
〜２８０ｎｍ付近までのブロードな蛍光が観測される。
しかしながら、これは、図３に示すように、Ａ²Σ⁺−Ｘ
²Π（０，０）（０，１）（０，２）（０，３）（０，
４）（０，５）バンドの６個の異なったバンドが重複し
たものである。さらに、検出の波長幅が広いためにレン
ズの色収差も出やすく、Ｓ／Ｎ比も悪くなる。そこで、
本願においては、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，０）バンドを励
起して、Ｘ²Π（ｖ＝０）に於けるＮＯ分子の各回転線
の分布を求める際に、励起バンドとは充分に離間したバ
ンド域で、特定の振動準位への蛍光に対応する特定のバ
ンド内（（０，１）（０，２）（０，３）（０，４）バ
ンド）のみにおける蛍光を検出することにより、温度を
求める。従って、レンズによる色収差も発生しにくく、
Ｓ／Ｎ比の高い正確な計測をおこなうことができる。さ
らに、本願の第２の特徴構成を備えた温度計測方法にお
いては、本願において検出バンドとして選定される４っ
のバンドの内、最も強度の強い２４５〜２５０ｎｍのＡ
²Σ⁺−Ｘ²Π（０，２）バンドの蛍光のみを検出するた
め、蛍光強度の損失を最大限に抑えながら、レンズの色
収差による空間分解能の低下を回避して、良好な温度計
測をおこなうことができる。結果、温度測定の空間分解
能も従来の手法と比較して向上する。さらに、本願の第
３の特徴構成を備えた温度計測方法においては、火炎の
温度を正確に計測することができるため、任意の燃焼装
置の燃焼状態を従来よりもより正確に捉えて、例えば低
ＮＯｘの燃料機器の開発等に役立たせることができる。
さらに、本願の第４の特徴構成を備えた温度計測方法に
おいては、従来、空間分解能が大きな問題であった火炎
等の内外部に渡る温度分布を、ＬＩＦ手法により被検体
に対して２次元的に適応して温度分布を求めることがで
きる。

【０００７】

【発明の効果】従って、比較的低温の温度域をも計測可
能であるともに、真の温度を計測することができ、温度
の２次元的な分布状態を的確に計測できる温度計測方法
を得ることができた。

【０００８】

【実施例】本願の温度計測方法を使用して、ブンゼンバ
ーナ１に形成される火炎２の温度を計測する場合につい
て説明する。図１には、温度計測装置３の構成が示され
ており、この装置３は、所謂、ＬＩＦ手法により、例え
ば被検体としての火炎２内の特定化学種の存在を確認す
るための装置系とこの系からの出力（ＬＩＦシグナル）
により、被検体の温度を求める装置系から構成されてい
る。そして、後者の装置系は実質、温度計測装置３内に
備えられるコンピュータ４のソフトから構成される。先
ず、ＬＩＦ手法を実施するための装置系から説明する。
図１に示すように、倍波発生結晶付きエキシマレーザー
励起色素レーザー５（１０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ出力）を備
えるとともに、このレーザー５より照射されるレーザー
光６を、所望のシート状のレーザー光とするためのビー
ムエクスパンダー７、シリンドリカルレンズ８、バイプ
リズム９が備えられている。この構成により、レーザー
５から発振されたレーザー光６は、高さ２０ｍｍ，厚さ
０．５ｍｍの一様な強度を持つシート状のレーザー光６
とされる。このシート状のレーザー光６は、被検体とし
ての火炎２の中心軸を含む断面に入射される位置構成が
採用され、火炎２を透過したレーザー光６は、下手側に
備えられているビームストッパ１０に受け止められる。

【０００９】一方、火炎から発せられる蛍光１１は、結
像レンズ１２、フィルタ１３、イメージインテンシファ
イヤ１４付のＣＣＤカメラ１５によって検出できる。Ｃ
ＣＤカメラ１５によって検出された検出情報は、一旦、
フレームメモリ１６に格納されて、以後の処理に供され
る。さて、装置には、さらに、励起波長スキャンスペク
トル確認用に、光電子倍増管（図外）、さらには、ボッ
クスカー積算器（図外）が備えられており、蛍光スペク
トルを捉えることができる。これらの機器は、図２に示
す励起波長スキャンスペクトル確認用にのみ使用した。

【００１０】さて、この構成において、本願の温度計測
方法では、火炎中に存在する化学種ＮＯのＡ²Σ⁺−Ｘ²
Π（０，０）バンドが励起され（実質上、このバンドを
励起可能なレーザー光が照射される）、例えば、２４８
ｎｍ中心のバンド域（主にＡ ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，２）バ
ンド）での蛍光が検出バンドとして検出されて、温度計
測の用に供される。検出バンドの選択は、フィルタ１３
の選定で決定されることとなる。従って、本願の温度計
測装置においては、化学種ＮＯを対象とする場合、複数
の振動準位への蛍光が観測できるが、従来のように、２
３０ｎｍ〜２９０ｎｍまでのブロード（比較的広い波長
領域）な範囲が検出対象とされず、その内の特定の振動
準位間（例えば上述のＡ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，２）バン
ド）への蛍光のみを検出する。従って、広い波長域を検
出対象とすることによって生じることがあるレンズによ
る色収差（ノイズ）は発生することがなく、ノイズレベ
ルはかなり低く抑えることができる。

【００１１】さて、ＣＣＤカメラ１５の各画素で検出さ
れる情報は、各画素に対応する火炎位置の温度を代表す
るものとなっている。そこで、検出情報に関して、各回
転線の分布関数を格納した分布関数導出手段１７と、こ
の分布関数より、被検体の温度を導出する温度導出手段
１８が、装置に備えられるコンピュータ４に備えられて
いる。この構成により、ＣＣＤカメラ１５で、特定の振
動準位に対応する蛍光を検出するとともに、分布関数と
検出情報との関係から、被検体の温度を計測することが
できる。本願のように、２次元的に分散されたシート状
のレーザー光を使用して、ＣＣＤカメラで蛍光画像を得
て、検出情報を２次元で処理する場合は、例えば火炎の
特定断面の２次元的な温度分布を計測することができ
る。

【００１２】本願の温度計測方法を使用する上で、その
計測原理の裏打ちとなる化学種ＮＯのＬＩＦにおける励
起波長スキャンスペクトルの状況及び、前記温度導出手
段１８の導出原理について、以下に説明する。

【００１３】図２に化学種ＮＯの励起波長スキャンスペ
クトルの一例を示した。このスキャンスペクトルの検出
にあたっては、ＬＩＦシグナルとして光電子倍増管、ボ
ックスカー積算器の前面に配置された２４８ｎｍ中心の
フィルタを通じて検出した。多数のピークを認めること
ができるが、各回転線準位に対応する吸収線が分離して
観測できる。従って、レーザーの波長を変化させること
により、特定の回転準位に対応する吸収線を励起し、そ
れより発する蛍光を検出することで、分子の分布関数を
読み出すことができる。この準位を励起した時の蛍光ス
ペクトルを図３に示す。励起バンドである２２５ｎｍ付
近のＡ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，０）バンドの蛍光以外に、異
なる振動準位への蛍光であるＡ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，１）
（０，２）（０，３）（０，４）（０，５）バンドの蛍
光遷移が観測される。この内２４８ｎｍ付近のＡ²Σ⁺−
Ｘ²Π（０，２）バンドへの蛍光は、励起波長からも充
分離れており、蛍光強度も強いため、可視化、温度計測
の検出バンドとして最適であり、この蛍光を利用するこ
とにより、励起レーザーからの迷光を除去でき、Ｓ／Ｎ
比の高い測定が可能となる。従って、本願の温度計測に
おいては、これらのバンド域の内、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π
（０，２）が使用される。但し、信号強度は下がるもの
の（０，１）（０，３）（０，４）バンドのいすれか一
つを選択しても、Ｓ／Ｎ比の高い状態を確保して、温度
計測をおこなうことができる。

【００１４】一方、温度導出手段１８は、以下の原理で
働く。ｎ番目の回転準位の分布関数ｐ（ｎ）はボルツマ
ン分布に従い、次式で表される。 ＬＩＦシグナル（Ｓ_LIF） ∝ ｐ（ｎ）＝（Ｂ／ｋＴ）（２ｎ＋１）ｅｘｐ（−Ｂ×ｎ
×（ｎ＋１）／ｋＴ） ここで、Ｓ_LIFはＬＩＦ信号強度 Ｂは分子の回転定数 ｋはボルツマン定数 Ｔは回転温度 本願の方法においては、ｎ番目の回転準位にレーザーを
同調して、それから発する蛍光を上記の検出系で捉えら
て、ＬＩＦシグナルＳ_LIFとするが、得られるＬＩＦシ
グナルＳ_LIFは、ｐ（ｎ）と比例関係にある。そして、
上式において、両辺を（２ｎ＋１）で割り、両辺の対数
を取ると、Ｉｎ（Ｓ_LIF／（２ｎ＋１））と−Ｂ×ｎ×
（ｎ＋１）との関係が得られる。これは傾き、−１／ｋ
Ｔの一次関係となっている。従って、縦軸としてＩｎ
（Ｓ_LIF／（２ｎ＋１））を取り、横軸として−Ｂ×ｎ
×（ｎ＋１）を取ったグラフを、各回転線に対して求め
られているＬＩＦシグナルに基づいて作成すると、この
グラフの傾きが（−１／ｋＴ）をなるため、グラフ上の
傾きから温度Ｔを求めることができる。ここで、温度導
出手段においては、グラフが求められるのではなく、単
なる数値処理として温度が求められる。

【００１５】以下、本願の温度計測方法を利用して、温
度計測を行った結果について説明する。上述の蛍光から
のＬＩＦシグナルは、結像比約３対１の結像レンズ１２
でイメージインテンシファイヤ１４の光電面に集光し、
ＣＣＤカメラ１５で撮像した。カメラ１５のゲート開放
時間はレーザー光６と同期して６５ｎｓとした。このゲ
ート開放時間では、火炎からの自然発光に伴うノイズは
ほぼ完全に除去することができる。

【００１６】検出にあたり使用したレーザー光強度は、
０．９ＭＷ／ｃｍ²とした。火炎はメタン／空気予混合
火炎を用いた。流量は、メタン流量０．１６リットル／
ｍｉｎ、空気流量を１．０２リットル／ｍｉｎとして、
検出を行った。結果、図４（イ）に示すように、ノイズ
の少ない状態で、温度を計測することができた。

【００１７】〔別実施例〕以下に本願の別実施例を説明
する。 （イ）上記の実施例としては、主に、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π
（０，２）バンドを使用する例を示したが、本願の目的
であるノイズ成分の除去という趣旨からすると、従来検
出されていた複数のバンドを含む波長域を検出しない
で、いずれかのバンドを検出すれば、レンズ等の色収差
に基づいく、ノイズの侵入を防止することが可能であ
る。従って、検出バンドとしては、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π
（０，２）バンドの他に、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，１）バ
ンド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，３）バンド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π
（０，４）バンドを単独で検出してもＳ／Ｎ比の高い状
態での計測をおこなうことができる。

【００１８】（ロ）上記の実施例においては、ブンゼン
バーナに形成される火炎の温度を計測対象としたが、本
願の方法は、化学種ＮＯを有する状態にある任意の被検
体の温度の計測に適応できる。こういった例としては、
エンジン・タービン等の内燃・外燃機関における火炎の
温度計測、化学種ＮＯを経る化学反応を起こす系の温度
計測等、様々な気相の温度計測に適応できる。 （ハ）さらに、上記の実施例においては、蛍光の波長バ
ンドを特定するのに、フィルターを使用したが、これを
分光器等によることも可能である。 （ニ）さらに、本願におけるＳ／Ｎ比の向上を図る場合
において、ノイズ源となっているのは、検出系に備えら
れているレンズの色収差であるため、本願が対象とする
波長域において色収差を発生しにくいアクロマティクレ
ンズからなるレンズを備えて、ＬＩＦシグナルの検出系
を構成すると、比較的広いバンドを検出する場合におい
ては、本願の課題を解決することが可能となる。

【００１９】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】温度計測装置の構成を示す図

【図２】化学種ＮＯのレーザー波長スキャンスペクトル
を示す図

【図３】ＮＯのＡ²Σ⁺−Ｘ²Πバンドにおける蛍光スペ
クトルを示す図

【図４】本願の温度測定状況と従来の温度測定状況を示
す図

【符号の説明】

６ レーザー光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤丸 直也 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定化学種を励起させるレーザー光を被
   検体に照射して、前記特定化学種から発する蛍光を受光
   するとともに、波長領域に於ける前記蛍光の強度分布で
   ある各回転線の分布関数を得て、前記各回転線の分布関
   数より前記被検体の温度を計測する温度計測方法であっ
   て、 前記特定化学種としての化学種ＮＯのＡ²Σ⁺−Ｘ²Π
   （０，０）バンドを励起して、前記各回転線の分布関数
   から温度を計測する際に、そこから発する蛍光に含まれ
   る検出バンドとしてのＡ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，１）バン
   ド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，２）バンド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π
   （０，３）バンド、Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π（０，４）バンドの
   いずれかのバンドのみからの蛍光を検出し、その検出結
   果と前記分布関数より前記被検体の温度を計測する温度
   計測方法。
2. 【請求項２】 前記検出バンドが、前記Ａ²Σ⁺−Ｘ²Π
   （０，２）バンドである請求項１記載の温度計測方法。
3. 【請求項３】 前記被検体が火炎である請求項１又は請
   求項２記載の温度計測方法。
4. 【請求項４】 前記被検体に照射される前記レーザー光
   （６）としてシート状のレーザー光を使用するととも
   に、イメージインテンシファイヤ付カメラ（１５）を使
   用して、前記蛍光を２次元的に検出することにより、前
   記シート状のレーザー光が照射される前記被検体部位に
   於ける２次元的な温度分布を求める請求項１、２又は３
   記載の温度計測方法。