JPH09126837A - 流体の流れの計測と該流体の温度の測定とを同時に行なう方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流体の流れの計測と、該流体の温度測定（非
接触温度測定）とを同時に行なうことのできる方法を提
供すること。 【解決手段】 蛍光強度が温度依存性を有する蛍光性の
トレーサー粒子を前記流体に供給し、該流体に対し紫外
線などの励起光を照射して前記トレーサー粒子を蛍光さ
せ、この蛍光の強度を計測するか、あるいは、この蛍光
のスペクトルにおける１つのピークが示す蛍光強度と他
のピークが示す蛍光強度との比を計測し、計測値から該
流体の温度を決定し、かつ、前記蛍光は通過し前記励起
光は通過しないフィルター越しに前記流体を観測するこ
とにより該流体の流れを計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流れの計測
と該流体の温度の測定とを同時に行なう方法に関する。

【０００２】なお、ここでいう「流体の流れの計測」と
は、流体の速度（流速）の計測及び／又は流体の流れ方
（流体挙動）の可視化をいう。

【０００３】したがって、本発明でいう「流体の流れの
計測と該流体の温度の測定」とは、流速の計測と流体
温度の測定、流体挙動の可視化と流体温度の測定、或
いは流速の計測と流体挙動の可視化と流体温度の測
定、となる。

【０００４】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来、流
体の流れの計測と、該流体の温度計測とを同時に行なう
ことのできる方法はなかった。

【０００５】なお、流体の温度を測定する方法として、
熱電対などのプローブ方式を用いたものがあった。

【０００６】しかしながら、この方法にあっては、用い
たプローブにより流体の流れが乱されるという欠点があ
り、流体計測の分野で使用するには無理があった。

【０００７】その他の流体温度を測定する方法として
は、レーザー誘起蛍光法（ＬＩＦ法）、レーザー分光法
（ＣＡＲＳ法）等があった。

【０００８】これらの方法は、流体の流れを乱すことも
なく、流体計測に不利益を招く点は特にないが、上記い
ずれの方法を用いても、あるいはこれらを組み合わせて
も、流体の計測、例えば流体の速度の計測をすることは
できなかった。

【０００９】［発明の目的］本発明は、上記の実情に鑑
みてなされたものであり、その目的は、流体の流れの計
測と、該流体の温度測定（非接触温度測定）とを同時に
行なうことのできる方法を提供するところにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の方法は、
トレーサー粒子を定量的に供給した流体に対して光を照
射し、前記トレーサー粒子からの光を観測することによ
って該流体の流れを計測すると同時に、該流体の温度を
測定する方法であって、蛍光強度が、あるいは蛍光スペ
クトルにおける１つのピークが示す蛍光強度と他のピー
クが示す蛍光強度との比が温度依存性を有する蛍光性の
トレーサー粒子を前記流体に供給し、該流体に対し紫外
線などの励起光を照射して前記トレーサー粒子を蛍光さ
せ、これの蛍光強度を計測するか、あるいは蛍光強度比
を計測し、この計測値から該流体の温度を決定し、か
つ、前記蛍光は通過し前記励起光は通過しないフィルタ
ー越しに前記流体を観測することにより該流体の流れを
計測することを特徴とする流体の流れの計測と温度の測
定とを同時に行なう方法である。

【００１１】請求項２記載の方法は、トレーサー粒子を
定量的に供給した流体に対して光を照射し、前記トレー
サー粒子からの光を観測することによって該流体の流れ
を計測すると同時に、該流体の温度を測定する方法であ
って、互いに異なる波長の蛍光を発する２種のトレーサ
ー粒子を前記流体に供給し、該流体に対し紫外線などの
励起光を照射して前記トレーサー粒子を蛍光させ、一方
のトレーサー粒子の最大蛍光強度に対する他方の粒子の
最大蛍光強度の比を計測することにより該流体の温度を
決定し、かつ前記蛍光は通過し前記励起光は通過しない
フィルター越しに前記流体を観測することにより該流体
の流れを計測することを特徴とする流体の流れの計測と
温度の測定とを同時に行なう方法である。

【００１２】請求項３記載の方法は、トレーサー粒子を
定量的に供給した流体に対して光を照射し、前記トレー
サー粒子からの光を観測することによって該流体の流れ
を計測すると同時に、該流体の温度を測定する方法であ
って、混合されるべく流れる複数の流体に対し、蛍光強
度が、あるいは蛍光スペクトルにおける１つのピークが
示す蛍光強度と他のピークが示す蛍光強度との比が温度
依存性を有する蛍光性のトレーサー粒子を、流体ごとに
蛍光波長が異なるように供給し、前記複数の流体を混合
した混合流体に対し紫外線などの励起光を照射して前記
トレーサー粒子の各々を蛍光させ、これの蛍光強度を観
測するか、あるいは蛍光強度比を計測し、この計測値か
ら該混合流体の温度を決定し、かつ前記蛍光は通過し前
記励起光は通過しないフィルター越しに前記流体を観測
することにより該混合流体の流れを計測することを特徴
とする流体の流れの計測と温度の測定とを同時に行なう
方法である。

【００１３】請求項４記載の方法は、請求項１〜３のい
ずれか１項に記載の方法において、前記トレーサー粒子
が、ＳｉＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等の無
機酸化物粒子に、ユウロピウム、テルビウム、ツリウム
等の希土類元素をドープしたものであることを特徴とす
る方法である。

【００１４】請求項５記載の方法は、請求項４に記載の
方法において、前記無機酸化物粒子の内部に前記希土類
元素が入り込み、前記希土類元素は、実質的に表面に露
出していないことを特徴とする方法である。

【００１５】請求項６記載の方法は、請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の方法において、前記した流体の流れ
の計測が、レーザードップラー流速計または粒子画像追
跡装置を用いて行なわれることを特徴とする方法であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、エンジンあるいはその
他の燃焼器内、バーナー内、サイレンサー（消音器）
内、熱交換器内などにおける流体（気体（空気、燃料ガ
スなど）、液体（水、液化ガスなど）、混合気体、混合
液体）の計測に用いられる。

【００１７】励起光は通さず該励起光により発せられる
蛍光のみを通すフィルター越しにトレーサー粒子の観察
を行なえば、例えば入射窓、埃、管壁等の障害物に当た
って返ってきた光は、前記フィルターにより遮断される
ので、観測される光としては、トレーサー粒子から発せ
られる蛍光のみとなる。これにより、蛍光の強度の観測
が誤差少なくでき、またトレーサー粒子の動きをはっき
りと観測でき、流体の計測誤差が極めて少なくなり（Ｓ
／Ｎ比が高くなり）、信頼性が向上する。

【００１８】本発明により、粒子径の極めて小さいトレ
ーサー粒子を用いることができる。より粒子径の小さい
粒子を用いることにより流体の追随性が向上し、計測誤
差が小さくなるので好都合である。すなわち本発明は、
前述したように、粒子からの光のみの観測が可能である
ので、それほど大きな粒子を用いる必要はなくなり、粒
子径１μｍ程度の小さい粒子を使用しても、充分な光を
キャッチでき、高いＳ／Ｎ比での測定が可能となる。本
発明で使用し得るトレーサー粒子の平均粒子径の好まし
い範囲としては、特に限定はないが、０．５〜２００μ
ｍである。

【００１９】蛍光性のトレーサー粒子としては、蛍光
材料を含浸させたトレーサー粒子、粒子原料に蛍光材
料を配合して製造したトレーサー粒子、全体が蛍光材
料よりなるトレーサー粒子を使用することも可能である
が、蛍光強度の温度依存性が顕著に現れるという理由
で、のトレーサー粒子、すなわち、蛍光体が粒子本体
に導入（ドープ）された付活型のものであることが好ま
しい。また、前記蛍光体が前記粒子本体の内部に入り込
み、前記蛍光体は、実質的に粒子表面に露出していない
ことが、蛍光強度の温度依存性がより一層顕著に現れる
という理由で好ましい。

【００２０】本発明で使用し得る蛍光体とは、励起光の
波長と該励起光により前記波長と異なる波長の蛍光を発
するものであればどのようなものでもよく、例えば、ネ
オジウム（Ｎｄ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、テルビウム
（Ｔｂ）等のランタノイド元素を含む化合物、ローダミ
ン、クマリン、フルオレセイン、ウンベリフェン、エオ
シン、エスクリンなどが挙げられる。その他、きわめて
純度の高い亜鉛、カドミウム、カルシウム、アルミニウ
ム、イットリウム等の金属の酸化物、硫化物、ケイ酸
塩、タングステン酸塩等を主成分とし、これに微量のマ
ンガン、銀、銅、鉛、ユウロピウム等の活性化剤および
融剤を添加し、高温で焼成してつくったもの（例えばＺ
ｎＳ（Ｍｎ）、ＺｎＳ（Ｃｕ）、ＣａＳ（Ｂｉ）、Ｚｎ
Ｏ（Ｚｎ）等）も使用し得る。

【００２１】前記トレーサー粒子が、ベースとしてＳｉ
Ｏ_２、Ｐ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３などの無機酸化物粒子に、
蛍光体としてユウロピウム、テルビウム、ツリウム等の
希土類元素をドープしたものであることが、高温場（５
００℃以下）でも使用できるという理由で好ましい。

【００２２】前記トレーサー粒子の形状としては、非球
状でも球状でも構わないが、粒子１つずつの光り方が同
一となり計測精度が高くなる、２次凝集を防止できるな
どの点で、球状のトレーサー粒子を使用する方が好まし
い。

【００２３】本発明で使用し得る励起光としては特に限
定はなく、エキシマレーザー、窒素レーザー、紫外線、
短波長の可視光線、Ｄ_２ランプからの光線、Ｈｇランプ
からの光線、また可視のレーザー（ＹＡＧ／ＳＨＧ）５
３２ｎｍ、Ａｒイオンレーザーあるいはその他のレーザ
ーが挙げられる。連続発振レーザー、ランプ光源を使用
した場合にあっては、蛍光が線状につながって撮影でき
るという利点がある。本発明で使用し得るフィルターと
しては、ある特定幅の波長のみを通すことのできるフィ
ルターであればどのようなものでも構わない。例えば、
励起光の波長が５００ｎｍであり、前記励起光を受けて
発する蛍光が波長６００ｎｍ前後であるとすれば、６０
０±２０ｎｍ程度の光のみを通し得るフィルターを使用
することになる。

【００２４】トレーサー粒子を流体へ供給する装置とし
ては特に限定はなく、メジャーリングホイール式粉体フ
ィーダー（垂直回転軸を有する回転盤を備え、内外の空
気圧差によりトレーサー粒子を装置本体外部に送り出す
回転式粉体供給装置）やスクリュー式粉体フィーダーな
ど、従来公知の供給装置を使用し得るが、供給精度が高
いという点で、メジャーリングホイール式粉体フィーダ
ーを使用することが好ましい。

【００２５】流体の温度測定は、トレーサー粒子の蛍光
強度を観測することにより行なう。すなわち、蛍光体が
発する蛍光の強度は、一般的にいって温度が上昇するに
伴って減少（低下）する。この現象を利用して、蛍光体
を含むトレーサー粒子（蛍光性のトレーサー粒子）を定
量的に供給した流体に励起光を照射し、そのときの蛍光
の強度によって該流体の温度を測定することができる。

【００２６】すなわち、まず、蛍光性のトレーサー粒子
を、従来公知の粉体供給装置によって流体に定量的に供
給する。次いで、この流体に紫外線などの励起光を照射
する。これにより発せられた蛍光を、例えば蛍光光度
計、多チャンネル光検出器などで観測して、例えば該蛍
光のスペクトルを認識し、そして、この蛍光の強度か
ら、当該流体の温度を決定する。この時、最大蛍光強度
を見ることが好ましい。

【００２７】なお、用いた蛍光性トレーサー粒子の蛍光
強度と温度との関係が既知でない場合、予め、両者の関
係を表した検量線を作成しておく必要がある。あるい
は、予め、コンピュータに両者（特定の蛍光粒子の蛍光
強度と温度）の関係を記憶させておき、蛍光強度を入力
するだけで、あるいは蛍光を観測させるだけで、当該流
体の温度が出力されるようにプログラムしておくことも
できる。

【００２８】蛍光強度比を計測し、この計測値から流体
の温度を決定することもできる。すなわち、蛍光体の蛍
光スペクトルにおける蛍光強度比は、蛍光強度と同様、
一般的に、温度が上昇するに伴って減少（低下）する。
したがって、発せられた蛍光のスペクトルにおける１つ
のピークが示す蛍光強度と他のピークが示す蛍光強度と
の比を計測し（一方のピークが最大蛍光強度を示すピー
クであることが好ましい）、その計測値から該流体の温
度を決定することもできる。

【００２９】また、２種類の蛍光性トレーサー粒子を用
いて最大蛍光強度比を測定し、この測定値から流体の温
度測定を行なうこともできる。

【００３０】すなわち、１つの流体に対し、２種類の蛍
光性トレーサー粒子を定量的に供給する。ここでの２種
類の粒子は、最大蛍光強度を示すピークが互いに異なる
位置（好ましくは２０ｎｍ以上離れた位置、さらに好ま
しくは３０ｎｍ以上、さらに好ましくは５０ｎｍ以上離
れた位置）に現れる蛍光性トレーサー粒子である必要が
ある。そして、流体に励起光を照射して前記トレーサー
粒子を蛍光させ、蛍光スペクトルを計測する。スペクト
ルに現れた、一方の蛍光性トレーサー粒子の最大蛍光強
度を示すピークと、他方の蛍光性トレーサー粒子の最大
蛍光強度を示すピークとの比を測定し、この測定値から
流体の温度測定を行なうこともできる。前記トレーサー
粒子を複数種類使用して、複数の流体の混合状態を可視
化することができる。すなわち、混合されるべく流れる
複数の流体の全てに対し、蛍光波長が流体ごとに異なる
ように、温度依存性の蛍光強度を有する蛍光性のトレー
サー粒子を供給し、前記複数の流体を混合した混合流体
に対し紫外線などの励起光を照射して前記トレーサー粒
子の各々を蛍光させ、前記励起光は通過させず前記蛍光
は通過させるフィルター越しに前記流体を観測すること
により該混合流体の流れを計測し、かつ前記蛍光の強度
を観測することにより、該混合流体の温度を決定するこ
ともできる。例えば、流体Ａにトレーサー粒子Ａ（蛍光
色；緑）を、また流体Ｂにトレーサー粒子Ｂ（蛍光色；
青）を、流体Ｃにトレーサー粒子Ｃ（蛍光色；赤）を定
量的に供給し、全ての流体を混合するとともに、波長Ｘ
ｎｍの励起光を照射して各粒子を蛍光させる。そして、
混合流体を、波長Ｘｎｍの光を遮断し各粒子から発せら
れる蛍光を通過させるフィルターを透して、例えばカラ
ーのカメラ（ＣＣＤカメラ等）で画像処理すれば、各粒
子の動きをはっきりと観測することができ、混合流体に
おける流体Ａ、流体Ｂ、流体Ｃの各々の動き方、混ざり
具合等を明瞭に認識できる。なお、上記の場合において
白黒のカメラ（ＣＣＤカメラ等）で撮影する場合にあっ
ては、３台のカメラを準備して１台は粒子Ａ撮影用、も
う１台は粒子Ｂ撮影用、残りの１台は粒子Ｃ撮影用と
し、各々、担当粒子の蛍光のみを通過させるフィルター
越しに流体を撮影する。そして、各カメラにより撮影さ
れた３つの画像を処理することにより各粒子の動きを観
察することができ、３つの流体の混合状態も把握でき
る。また、これと同時に蛍光強度、スペクトルを観測
し、該混合流体の温度（温度分布）を決定することがで
きる。

【００３１】なお、流体の温度を計測する場合、蛍光ス
ペクトルを認識することができるのであれば、前記励起
光は通過させず前記蛍光は通過させるフィルターは特に
用いなくても構わない。

【００３２】

【実施例】実験例１ （Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子の蛍光強度と温度との関
係を示す実験） 図１は、実験装置の略示説明図である。観察用容器とし
て、光路長10ｍｍ、容量 3.4ｍｌのセル（31）を用い、
深さ約20ｍｍまでトレーサー（図示せず）を注入した。
レーザー光の減衰を抑えるため、セル（31）のレーザー
照射面は石英製とした。セル（31）の下方には電気ヒー
タ（32）が固定されている。この電気ヒータ（32）によ
りセル（31）中のトレーサー粒子の温度を変化させるこ
とができる。そして、トレーサー粒子の温度を測定する
ために、素線径300 μｍの白金−白金ロジウム（13％）
の熱電対（33）をセル（31）中に挿入した。

【００３３】励起光源として、波長 337.1ｎｍ、パルス
幅 5ｎｓｅｃ、パルスエネルギーが5ｍＪ／Ｐの窒素レ
ーザ（34）（宇翔ＹＫＮ−９００）を用いた。レーザー
光は、球面レンズ（35）（焦点距離ｆ＝ 500ｍｍ）によ
り集光され、セル（31）側面の深さ約10ｍｍの位置に照
射された。

【００３４】トレーサー粒子からの蛍光は球面レンズ
（36）（ｆ＝50ｍｍ）で集光され、幅25μｍのスリット
（37）を経て、イメージインテンシファイア（Ｉ．
Ｉ．）付き多チャンネル光検出器（38）（ＯＭＡ）に導
かれた。多チャンネル光検出器（38）からの電気信号は
コンピュータ（39）に導かれ、記録、観察された。ただ
し、受光角度はレーザー光に対して約30°であり、レー
ザー照射面、集光レンズ（36）、及び多チャンネル光検
出器（38）のスリット（37）は同一平面上にある。パル
スジェネレータ（40）は、レーザーの発振と多チャンネ
ル光検出器（38）の露光タイミングを制御するために用
いられた。トレーサー粒子の蛍光に対するバックグラン
ドの影響を減少させるため、多チャンネル光検出器（3
8）の露光時間は25ｍｓとした。なお、同一温度条件に
おいて、15回ずつ測定を行なった。

【００３５】図２に、 303Ｋおよび 443ＫにおけるＥｕ
−Ｙ_２Ｏ_３粒子（Ｅｕをドープしたもの。ドープしたＥ
ｕは粒子表面に露出していない。）の蛍光スペクトルを
示す。横軸は波長であり、縦軸は 303Ｋにおける波長 6
11ｎｍでの蛍光強度に対する相対値である。

【００３６】図から明らかなように、蛍光スペクトル
は、波長 611ｎｍ付近で最大の蛍光強度を示すことが分
かる。また、温度上昇に対して、スペクトル形状は変化
しないものの、蛍光強度は全波長領域にわたって減少し
ていることが分かる。

【００３７】図２に示した蛍光スペクトルにおいて、ピ
ークを示す３つの波長λr1=586ｎｍ、λr2=611ｎｍおよ
びλr3=630ｎｍにおける蛍光強度を、それぞれＩr1、Ｉ
r2、Ｉr3とし、それらと温度の関係を図３に示す。横軸
は温度を示し、縦軸は各波長における蛍光強度の最大値
に対する相対値を示している。いずれの波長においても
蛍光強度は、温度上昇とともに減少する傾向にあること
が分かる。

【００３８】図４に、λr1及びλr3における蛍光強度と
λr2における蛍光強度の比、Ｉr2／Ｉr1、及びＩr2／Ｉ
r3と温度の関係を示す。

【００３９】図より、いずれの蛍光強度比も、温度上昇
とともに直線的に減少しており、また、その温度依存性
はほどんど同様であることが分かる。図３および図４か
ら、Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子の蛍光スペクトルにおいて、ピ
ークを示す波長の蛍光強度、及びそれらの蛍光強度比は
温度依存性を有することが分かる。

【００４０】実験例２（Ｔｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子の蛍光強度
と温度との関係を示す実験） 図５に、 303Ｋおよび 4
43ＫにおけるＴｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子（Ｔｂをドープしたも
の。ドープしたＴｂは粒子表面に露出していない。）の
蛍光スペクトルを示す。横軸は波長であり、縦軸は 303
Ｋにおける波長 544ｎｍでの蛍光強度に対する相対値で
ある。Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子の場合と同様に、スペクトル
形状の温度による変化がないこと、蛍光強度が温度上昇
とともに減少することが分かる。

【００４１】図５に示した蛍光スペクトルにおいて、ピ
ークを示す３つの波長λg1=544ｎｍ、λg2=585ｎｍおよ
びλg3=619ｎｍにおける蛍光強度を、それぞれＩg1、Ｉ
g2、Ｉg3とし、それらと温度の関係を図６に示す。横軸
は温度を示し、縦軸は各波長における蛍光強度の最大値
に対する相対値を示している。

【００４２】図より、蛍光強度は、温度上昇とともに単
調に減少する傾向にあることが分かる。また、蛍光強度
の温度依存性は、いずれの波長においてもほぼ同様であ
る。このことは、Ｔｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子の蛍光スペクトル
における強度比が、温度に依存しないことを示してい
る。

【００４３】実験例３（混合粒子の蛍光強度と温度との
関係を示す実験） Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子およびＴｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子を、質量
比１：１で混合し（以下、「混合粒子」という）、その
スペクトルの温度依存性を調べた。

【００４４】図７に、 301Ｋおよび 433Ｋにおける混合
粒子の蛍光スペクトルを示す。横軸は波長であり、縦軸
は 301Ｋにおける波長 544ｎｍでの蛍光強度に対する相
対値である。Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子、Ｔｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子
それぞれから検出される蛍光スペクトルには強度差があ
るものの、同時測定が可能であることが確認された。実験例４ （最大蛍光強度比と温度との関係を示す実験） 図８に、各粒子の最大蛍光強度Ｉr2（λr2=611ｎｍ）、
Ｉg2（λg2=544ｎｍ）の比と温度の関係を示す。横軸は
温度を示し、縦軸は、蛍光強度比Ｉg1／Ｉr2の最大値に
対する相対値を示す。図から、蛍光強度比が、温度上昇
とともにほぼ直線的に減少していることが分かる。ま
た、蛍光強度比の温度に対する減少割合は、図４に示し
たＥｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子のそれに比べて大きくなっている
ことが確認される。このことから、蛍光強度比の温度依
存性を利用して温度測定を行なう場合、２種類（複数種
類）の蛍光レーサー粒子を使用する方法が有効であると
考えられる。

【００４５】実施例１（Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子を用いた流
体の流れの計測と温度測定） 平均粒子径５μｍのＥｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子（Ｙ_２Ｏ_３粒子
にＥｕをドープしたもの）の多数よりなる粉体を、メジ
ャーリングホイール式粉体フィーダー（ＭＳＦ−Ｆ、リ
キッドガス（株）製）を用いて、円管内を速度10ｍ／ｓ
で流れる高温のガスの中に供給した。

【００４６】前記円管は、直径５ｃｍの筒状をなし、励
起光入射用窓と蛍光観測用窓とを備えたものである。

【００４７】励起光入射用窓から円管内を流れるガスに
向けて、励起光（波長 337.1ｎｍ、パルス幅 5ｎｓｅ
ｃ、パルスエネルギーが 5ｍＪ／Ｐの窒素レーザ（宇翔
ＹＫＮ−９００））を照射するとともに波長 580±50ｎ
ｍの光のみを通すフィルタ（日本真空光学（株）製）お
よびイメージ・インテンシファイアー（商品名：Ｃ２９
２５、浜松ホトニクス（株）製）を透して円管内を、同
期させたＣＣＤカメラで蛍光観測用窓から撮影した。こ
れにより、トレーサー粒子が発する蛍光のみを観測する
ことができ、トレーサー粒子の位置を正確に映し出すこ
とができた。すなわち、ガスの流れ状態を可視化でき
た。

【００４８】同時に、図１の装置を用いて、トレーサー
粒子が発する蛍光のスペクトルを測定し、上記図３、図
４の結果を参考に、流体の温度を決定することができ
た。この場合も上記と同様、波長 580±50ｎｍの光のみ
を通すフィルタを介して蛍光の観測を行なった。

【００４９】また、レーザードップラー流速計（ＬＤ
Ｖ）を下記の条件で用いて、円筒内を定速で流れる（上
述したように速度10ｍ／ｓで流れる）ガスの流速の確認
測定を行なった。

【００５０】［測定装置］ファイバータイプレーザード
ップラー流速計（商品名：６０Ｘ１７及び５７Ｎ１０、
Ｄａｎｔｅｃ社製） ［測定条件］測定中心周波数：40ＭＨｚ、バンド幅：±
16ＭＨｚ、有効サンプル数：10,000、シグナルゲイン：
29ｄＢ、フォトマル電圧： 1,000Ｖ その結果、高い有効データ率が得られ、満足のいく流速
測定を行なうことができた。なお、レーザードップラー
流速計（ＬＤＶ）を用いる代わりに、粒子画像追跡装置
（ＰＩＶ）を使用しても、同様の結果を得ることができ
た。

【００５１】実施例２（混合粒子を用いた流体の流れの
計測と温度測定） Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子およびＴｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子を、質量
比１：１で混合した混合粒子よりなる粉体を、メジャー
リングホイール式粉体フィーダー（ＭＳＦ−Ｆ、リキッ
ドガス（株）製）を用いて、円管内を速度10ｍ／ｓで流
れる高温のガスの中に供給した。

【００５２】前記円管は、直径５ｃｍの筒状をなし、励
起光入射用窓と蛍光観測用窓とを備えたものである。

【００５３】励起光入射用窓から円管内を流れるガスに
向けて、励起光（波長 337.1ｎｍ、パルス幅 5ｎｓｅ
ｃ、パルスエネルギーが 5ｍＪ／Ｐの窒素レーザ（宇翔
ＹＫＮ−９００））を照射するとともに波長 580±50ｎ
ｍの光のみを通すフィルタ（日本真空光学（株）製）お
よびイメージ・インテンシファイアー（商品名：Ｃ２９
２５、浜松ホトニクス（株）製）を透して円管内を、同
期させたＣＣＤカメラで蛍光観測用窓から撮影した。こ
れにより、トレーサー粒子が発する蛍光のみを観測する
ことができ、トレーサー粒子の位置を正確に映し出すこ
とができた。すなわち、ガスの流れ状態を可視化でき
た。

【００５４】同時に、図１の装置を用いて、トレーサー
粒子が発する蛍光のスペクトルを測定し、上記図８の結
果を参考に、流体の温度を決定することができた。この
場合も上記と同様、波長 580±50ｎｍの光のみを通すフ
ィルタを介して蛍光の観測を行なった。

【００５５】また、下記の条件で、円筒内を定速で流れ
る（上述したように速度10ｍ／ｓで流れる）ガスの流速
の確認測定を行なった。

【００５６】［測定装置］ファイバータイプレーザード
ップラー流速計（商品名：６０Ｘ１７及び５７Ｎ１０、
Ｄａｎｔｅｃ社製） ［測定条件］測定中心周波数：40ＭＨｚ、バンド幅：±
16ＭＨｚ、有効サンプル数：10,000、シグナルゲイン：
29ｄＢ、フォトマル電圧： 1,000Ｖ その結果、高い有効データ率が得られ、満足のいく流速
測定を行なうことができた。

【００５７】実施例３（混合流体に対する流れの計測と
温度測定） 図９は、本実施例で使用する流体混合器（50）である。
この流体混合器（50）は、励起光入射用窓と蛍光観測用
窓（図示せず）とを備えたものである。

【００５８】図において、符号（51）は、流体混合器
（50）と連結されてなる第１円管であり、この第１円管
（51）内において気体Ａが流体混合器（50）に向けて流
れている。符号（51ａ）は第１吹込口であり、前記第１
円管（51）内を流れる気体Ａは、この第１吹込口（51
ａ）から流体混合器（50）内に吹き込まれることにな
る。符号（52）は前記流体混合器（50）と連結されてな
る第２円管であり、この第２円管（52）内において気体
Ｂが流体混合器（50）に向けて流れている。符号（52
ａ）は第２吹込口であり、前記第２円管（52）内を流れ
る気体Ｂは、この第２吹込口（52ａ）から流体混合器
（50）内に吹き込まれることになる。したがって、流体
混合器（50）内にあっては、気体Ａと気体Ｂとが混ざり
合うことになる。上記実施例で用いた平均粒径５μｍの
蛍光性トレーサー粒子（Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子）（粒子
Ａ）を、粉体供給装置を用いて定量的に第１円管（51）
内に供給するとともに、平均粒径５μｍの蛍光性トレー
サー粒子（Ｔｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子）（粒子Ｂ）を粉体供給
装置を用いて定量的に第２円管（52）内に供給した。

【００５９】その後、前記励起光入射用窓から流体混合
器（50）内を流れる混合流体に向けて励起光（波長 33
7.1ｎｍ、パルス幅 5ｎｓｅｃ、パルスエネルギーが 5
ｍＪ／Ｐの窒素レーザ（宇翔ＹＫＮ−９００））を照射
するとともに、蛍光観測用窓から流体混合器（50）内
を、粒子Ａ用として、波長 610±20ｎｍの光のみを通す
第１フィルター（日本真空光学（株）製）および第１イ
メージ・インテンシファイアー（商品名：Ｃ２９２５、
浜松ホトニクス（株）製）を透して同期させた第１ＣＣ
Ｄカメラ（白黒カメラ）で撮影し、また、粒子Ｂ用とし
て、波長 540±20ｎｍの光のみを通す第２フィルター
（日本真空光学（株）製）および第２イメージ・インテ
ンシファイアー（商品名：Ｃ２９２５、浜松ホトニクス
（株）製）を透して同期させた第２ＣＣＤカメラ（白黒
カメラ）で撮影し、これにより得た２つの画像を処理す
ることにより、気体Ａと気体Ｂの混合状態を可視化し
た。

【００６０】その結果、２種の気体の混合状態をはっき
りと観測することができた。図１０は、そのときの状態
を模式的に表わした図である。図中、符号（20）は粒子
Ａを示し、符号（22）は粒子Ｂを示す。なお、カラーの
ＣＣＤカメラを使用した場合、上記した２種類のフィル
ターを用いることなく、気体Ａと気体Ｂの混合状態をは
っきりと観測することができた。

【００６１】同時に、図１の装置を用いて、トレーサー
粒子が発する蛍光のスペクトルを測定し、上記図８の結
果を参考に、流体の温度を決定することができた。この
場合も、波長 580±50ｎｍの光のみを通すフィルタを介
して蛍光の観測を行なった。

【００６２】

【発明の効果】本発明により、流体の流れの計測と、該
流体の温度測定（非接触温度測定）とを同時に行なうこ
とができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】トレーサー粒子の蛍光強度または蛍光強度比か
ら流体の温度測定を行なうための装置を示す略示説明図
である。

【図２】Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子の蛍光強度と波長との関係
を示すグラフである。

【図３】Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子の蛍光強度と温度との関係
を示すグラフである。

【図４】Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子の蛍光強度比と温度との関
係を示すグラフである。

【図５】Ｔｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子の蛍光強度と波長との関係
を示すグラフである。

【図６】Ｔｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子の蛍光強度と温度との関係
を示すグラフである。

【図７】Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子とＴｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子より
なる混合粒子の蛍光強度と波長との関係を示すグラフで
ある。

【図８】Ｅｕ−Ｙ_２Ｏ_３粒子とＴｂ−Ｐ_２Ｏ_５粒子より
なる混合粒子の蛍光強度比と波長との関係を示すグラフ
である。

【図９】複数の流体の混合状態を測定するための流体混
合装置の略示断面図である。

【図１０】流体混合器内における２種の気体の混合状態
を示す模式図である。

【符号の説明】

１０……流体混合器 １２……第１円管 １４……第２円管 ２０……粒子Ａ ２２……粒子Ｂ ３１……セル ３２……電気ヒータ ３３……熱電対 ３４……窒素レーザ ３５……球面レンズ ３６……集光レンズ ３７……スリット ３８……イメージインテンシファイア付き多チャンネル
光検出器 ３９……コンピュータ ４０……パルスジェネレータ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トレーサー粒子を定量的に供給した流体に
   対して光を照射し、前記トレーサー粒子からの光を観測
   することによって該流体の流れを計測すると同時に、該
   流体の温度を測定する方法であって、 蛍光強度が、あるいは蛍光スペクトルにおける１つのピ
   ークが示す蛍光強度と他のピークが示す蛍光強度との比
   が温度依存性を有する蛍光性のトレーサー粒子を前記流
   体に供給し、 該流体に対し紫外線などの励起光を照射して前記トレー
   サー粒子を蛍光させ、 これの蛍光強度を計測するか、あるいは蛍光強度比を計
   測し、この計測値から該流体の温度を決定し、かつ、 前記蛍光は通過し前記励起光は通過しないフィルター越
   しに前記流体を観測することにより該流体の流れを計測
   することを特徴とする流体の流れの計測と温度の測定と
   を同時に行なう方法。
2. 【請求項２】トレーサー粒子を定量的に供給した流体に
   対して光を照射し、前記トレーサー粒子からの光を観測
   することによって該流体の流れを計測すると同時に、該
   流体の温度を測定する方法であって、 互いに異なる波長の蛍光を発する２種のトレーサー粒子
   を前記流体に供給し、 該流体に対し紫外線などの励起光を照射して前記トレー
   サー粒子を蛍光させ、 一方のトレーサー粒子の最大蛍光強度に対する他方の粒
   子の最大蛍光強度の比を計測することにより該流体の温
   度を決定し、かつ前記蛍光は通過し前記励起光は通過し
   ないフィルター越しに前記流体を観測することにより該
   流体の流れを計測することを特徴とする流体の流れの計
   測と温度の測定とを同時に行なう方法。
3. 【請求項３】トレーサー粒子を定量的に供給した流体に
   対して光を照射し、前記トレーサー粒子からの光を観測
   することによって該流体の流れを計測すると同時に、該
   流体の温度を測定する方法であって、 混合されるべく流れる複数の流体に対し、蛍光強度が、
   あるいは蛍光スペクトルにおける１つのピークが示す蛍
   光強度と他のピークが示す蛍光強度との比が温度依存性
   を有する蛍光性のトレーサー粒子を、流体ごとに蛍光波
   長が異なるように供給し、 前記複数の流体を混合した混合流体に対し紫外線などの
   励起光を照射して前記トレーサー粒子の各々を蛍光さ
   せ、 これの蛍光強度を観測するか、あるいは蛍光強度比を計
   測し、この計測値から該混合流体の温度を決定し、かつ
   前記蛍光は通過し前記励起光は通過しないフィルター越
   しに前記流体を観測することにより該混合流体の流れを
   計測することを特徴とする流体の流れの計測と温度の測
   定とを同時に行なう方法。
4. 【請求項４】前記トレーサー粒子が、ＳｉＯ_２、Ｐ_２Ｏ
   _５、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機酸化物粒子に、Ｅ
   ｕ、Ｔｂ、Ｔｍなどの希土類元素をドープしたものであ
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の
   方法。
5. 【請求項５】前記無機酸化物粒子の内部に前記希土類元
   素が入り込み、前記希土類元素は、実質的に表面に露出
   していないことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 【請求項６】前記した流体の流れの計測が、レーザード
   ップラー流速計または粒子画像追跡装置を用いて行なわ
   れることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載
   の方法。