JPS62118224A - デユアルスペクトル光学式高温計用検出モジユ−ル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、更に詳細には光学的効
率の高い干渉フィルタ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 デュアルスペクトル光学式高温計は当技術分野に於てよ
く知られており、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。タービンブレードよりの放射線、即ち光は
ブレードそれ自身より放射された成分とジェットエンジ
ン内のファイヤボール（火炎）より放射されブレードに
より反射された成分とよりなっている。タービンブレー
ドより来る光に反射された成分が含まれていることによ
り高温計はブレードの実際の温度よりも高い温度を誤っ
て表示する。

米国特許第４，２２２，６６３号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
り来る光は互いに異なるスペクトル帯域を有する二つの
高温計（検出器）へ供給され、それらの高温計の出力は
反射された光エネルギの大きさの概算値を求めるべく処
理される。二つの検出器には一般にシリコンが使用され
るので、通過帯域がシリコンの通過帯域の一部である光
学フィルタが所要のスペクトル帯域差を発生するよう二
つの高温計の一方の高温計の光経路に配置されなければ
ならない。ノイズに対する信号の比（ＳＮ比）を許容し
得る値にすべく、従来のデュアルスペクトル光学式高温
計はフィルタを通過した光を受ける高温計については０
．４〜０．８５μの、フィルタを通過しない光を受ける
高温計については０．４〜１．１μのスペクトル帯域を
有している。

タービンブレードよりの放射線は高温計により収集され
、光エネルギをその後処理される電気信号に変換する一
対の検出器へ供給されなければならない。タービンブレ
ードよりの光を案内し、それを分割し、更にはそれを各
検出器へ供給すべく、従来のデュアルスペクトル光学式
高温計に於ては一般に二股状の光ファイバ束が使用され
ている。

温度が比較的低い場合には小さい光エネルギしか得られ
ないので、全体としての性能が制限される。

従って二股状の光ファイバ束が使用される場合には温度
が低い場合にＳＮ比が小さくなるので精度が低下する。

また二股状の光ファイバ束の場合には製造コストが高く
なり、また光学的損失が高くなる。更に二股状の光ファ
イバ束の耐久性は一本の光ファイバの耐久性よりも遥か
に低い。

発明の開示 本発明の一つの目的は、デュアルスペクトル光学式高温
計に使用される光学的結合効率の高い改良された検出モ
ジュールを提供することである。

本発明の他の一つの目的は、光学的結合効率の高いデュ
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デュア
ルスペクトル光学式高温計に使用される光学的結合効率
の高い検出モジュールは、或るスペクトル幅を存する対
象物光線を受けるよう構成されたハウジングを含んでい
る。また検出モジュールはそれぞれれ或る厚さを有する
第一及び第二の透明層の間に反射層を有する干渉フィル
タを含んでいる。ハウジング内に調節可能に配置される
干渉フィルタは、対象物光線を受け、該対象物光線を反
射層に於て反射された光線と対象物光線のスペクトル幅
の一部に選定された残りのスペクトル幅を有する残りの
光線とに分割する。残りの光線は干渉フィルタを通過し
て案内される。本発明による検出モジュールはハウジン
グ内に配置され反射された光線を受けるよう構成された
第一の光検出器と、ハウジング内に配置され残りの光線
を受けるよう構成された第二の光検出器とを含んでいる
。これら第一及び第二の光検出器はそれぞれ反射された
光線及び残りの光線と等価な電気信号を発生する。

本発明の他の一つの局面によれば、遠隔の対象物の温度
を測定する光学的効率の高いデュアルスペクトル高温計
は、対象物より或るスペクトル幅を有する光線を受ける
光ガイドを含んでいる。対象物光線は対象物より放射さ
れた成分と、等価黒体温度を存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ている。

ハウジングが設けられ、該ハウジングは光ガイドより対
象物光線を受け、該対象物光線をそれぞれ或る厚さを有
する第一及び第二の透明層の間に反射層を有する干渉フ
ィルタへ供給する。ハウジング内に一：Ａ節可能に配置
された干渉フィルタは対象物光線を受け、更に該対象物
光線を反射層に於て反射された光線と、対象物光線のス
ペクトル幅の一部に選定された残りのスペクトル幅を有
しフィルタを通過して案内される残りの光線とに分割す
る。また本発明による光学的効率の高いデュアルスペク
トル高温計は、それぞれハウジング内に配置され反射さ
れた光線及び残りの光線を受けるよう構成された第一及
び第二の光検出器を含んでいる。これら第一及び第二の
光検出器はそれぞれ反射された光線及び残りの光線と等
価な電気信号を発生する。信号処理装置が設けられてお
り、該処理装置は第一及び第二の光検出器よりの信号を
受け、また残りの光線のスペクトル幅の大きさを示す信
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。信号処理装置は第一の光検出器よりの信号
より等価黒体温度を示す線形化された温度信号を発生し
、また第二の光検出器よりの信号より等価黒体温度を示
す線形化された温度信号を発生する。更に信号処理装置
は概算されたファイヤボールの等価黒体温度及び残りの
光線のスペクトル幅に依存して第一及び第二の線形化さ
れた温度信号より温度補正信号を発生し、またそれらの
間の差より補正された温度信号を発生する。

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図は本発明による光学的効率の高いデュアルスペク
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１２内に装
着されるプローブ１１を含んでいる。プローブは回転す
るタービンブレード１４及び１６の如き対象物よりの光
を光学的に受は得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近似され得る。放射性の
変動が考慮される場合には、近似は従来より天体と呼ば
れる。更にジェットエンジンのファイヤボール、即ち燃
焼火炎より来る光は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、従って二つ
の光線の合計によりタービンブレードの実際の温度より
も遥かに高い温度を生じる等価黒体スペクトルエネルギ
分布が発生される。

タービンブレードよりの光は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プロ
ーブの集光及び焦点合せ能力を向上させるに必要な他の
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、光フアイバ用の
ハウジング、内部光減衰機構、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。−ヒ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
ジンの型式に応じて種々の置換や修正が行われてよい。

プローブの内側には対象物光線を受ける光ガイド１８が
固定されている。典型的には光ガイドは、エンサイン・
ビックフォード・オプティックス（Ｅｎｓｉｇｎ　Ｂｉ
ｃｋｆ’ｏｒｄ　０ｐｔｉｃｓ　）　ＨＣ−４１４−１
ｕ繊維の如く、通常の広帯域水晶や溶製されたシリカよ
りなる融合された光ファイバ束又は光ファイバを含んで
いる。対象物光線は検出モジュール２０（これについて
は第２図を参照して後に詳細に説明する）へ供給される
。最良の形態の実施例に於ては、検出モジュールは対象
物光線の波長及び強度に感応する二つの光検出器と、こ
れらの間に配置された干渉フィルタとを含んでおり、フ
ィルタは光検出器へ対象物光線のスペクトル帯域の一部
を供給する。本発明による検出モジュールが設けられれ
ば、二つの光検出器への結合効率は典型的には対応する
全スペクトル範囲の６０〜８０％になる。

第一の光検出器は反射された光線のエネルギを示す信号
をライン２２へ出力し、スペクトル帯域が対象物光線の
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対象
物光線のスペクトル帯域の一部に制限された第二の信号
チャンネルを含んでおり、残りの光線のエネルギを示す
信号をライン２４へ出力する。

これらの信号は信号処理装置２６により受信される。信
号処理装置２６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２６は第一の光検出器の信号のスペク
トル範囲及びファイヤボールの等価黒体温度の概算値を
示す信号を外部信号処理装置３２（本発明の一部を構成
せず、従って図に於ては詳細には示されていない）より
ライン２８及び３０を経て受ける。

第一の光検出器よりの信号は信号処理装置２６により線
形化され、これにより等価黒体温度を示す信号を第一の
信号チャンネルへ出力する。また信号処理装置２６は第
二の光検出器よりの信号についても同様の線形化を行い
、これにより等価黒体温度を示す信号を第二の信号チャ
ンネルへ出力する。

反射された光エネルギが７１在することにより、第一の
高温計、即ちフィルタを有しない高温計にはブレードの
実際の温度よりも高い温度の読みが与えられる。第二の
高温計、即ちフィルタを備えた高温計は更に高い温度を
表示する。何故ならば、第二の高温計のスペクトル範囲
は干渉フィルタにより比較的短い波長に制限されるから
である。

信号処理装置２６は温度補正信号（Ｔｏ）を演算し、ま
た温度補正信号をフィルタに通されていない温度信号（
Ｔ　　）と関連付けることにより、下記の式に従って補
正された温度信号（ＴＬ）を演算し、該信号をライン３
４を経て外部信号処理装置３６へ出力する。

Ｔ　　−Ｔ　　−Ｔ　　・・・・・・・・・（１）ｔ　
　　　　　ｕ　　　　　　ｃ 温度補正信号を正確に演算すべく、演算処理装置２６は
、■線形化された温度信号と、■フィルタを有する高温
計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光
エネルギのパーセンテージ、即ちフィルタに通され線形
化された温度（Ｔ「）とフィルタに通されずに線形化さ
れた温度（Ｔ　　’）との差（Ｔ、−Ｔｕ）として表現
されることが多いパラメータの関数である。

周知の如く、対象物光線中の反射された光エネルギのパ
ーセンテージは、ファイヤボールの等価黒体温度の概略
値のみが与えられた場合に於ては、高温計の信号を許容
し得ない値にする前に約０〜５０％の範囲にて変化する
。従って或る与えられたフィルタに通されずに線形化さ
れた温度信号の大きさについては、温度補正（Ｔ　　）
信号と反射された光エネルギ（Ｔｒ−Ｔｕ）のパーセン
テージとの間には関数関係が存在する。ファイヤボール
の概算された等価黒体温度のみが与えられるだけで、反
射された光エネルギのパーセンテージが５０％未満であ
る場合には、温度補正信号中の誤差は小さくなる。例え
ばファイヤボールの等価黒体温度の概算値が４５００下
（２４８０℃）であり、反射された光エネルギのパーセ
ンテージが５０％であれば、概算されたファイヤボール
の温度が３００下（１７０℃）だけずれている場合であ
っても、誤差の大きさは約３０下（１７℃）未満である
。更に反射された光エネルギのパーセンテージが５０％
未満であれば、フィルタに通されない温度の多数の値に
より得られる複数の曲線（Ｔｏ■・　（Ｔ、−Ｔｕ））
は通常の曲線近似法を用いて一つの方程式により近似さ
れ、下記の式が得られる。

１°２８　　　・・・・・・・・・（２）（Ｔｒ−Ｔ、
） ここにＴＬは補正された温度であり、Ｔ、はフィルタに
通されない温度であり、Ｔｒはフィルタに通された温度
である。

当業者には、他のファイヤボール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が
理解されよう。

更にアナログ手段又はデジタル手段を採用する他のアル
ゴリズムが採用されてもよいことは当業者にとって明ら
かであろう。特に信号処理装置のデジタル式の実施例は
、通常のメモリ及びＡ／Ｄ変換器を有し、通常のルック
アップテーブルフォーマットにて上述の温度補正信号と
同様の温度補正信号を発生しメモリに記憶するよう構成
された高速コンピュータを含み、通常の技法によりコン
ピュータより補正された温度信号を得ることができる。

第２図は本発明による光学的効率の高い検出モジュール
３８を示す断面図である。検出モジュール３８は通常の
構成のハウジング４０を含んでおり、最良の形態の実施
例に於ては機械加工されたアルミニウムにて形成されて
いる。干渉フィルタ４２が光ファイバ１８よりの対象物
光線４４を受けるべくハウジング内に配置されている。

光ファイバは通常の技法により配置されており、光軸４
６を郭定している。

干渉フィルタ４２は通常の型式のものであり、最良の形
態の実施例に於てはコリオン（Ｃｏｒｌｏｎ　）ＬＳ８
５０−Ｂ−１４８３−Ａ３４７干渉フイルタを含んでい
る。周知の如く、干渉フィルタはガラス層５０及び５２
の如き二つの透明層の間にサイドイッチ状に挾まれた一
連の誘電体反射層４８を含んでいる。干渉フィルタ４２
は吸収や逸散によるのではなく干渉現象により好ましか
らざる波長の光を除去する。幾つかの誘電体層を使用す
ることによりフィルタの通過帯域を調整することができ
、これにより殆ど損失のないフィルタが得られる。屈折
率の高い誘電体及び屈折率の低い誘電体の幾つかの層を
交互に配置することにより、一つの境界に於ける反射率
を増大させ、任意の所望の値にまで多数の反射により反
射率を増大させることができる。各層の厚さはそれらよ
りの反射が互いに同期して行われる厚さに設定されるだ
けでよい。最良の形態の実施例に於ては、干渉フィルタ
は約０．００６２ｉｎｃｈ（約０．１６■）の厚さのガ
ラス層により囲繞された厚さ約３μの反射層を有してい
る。

干渉フィルタが光軸に沿って伝搬する進入対象物光線に
対し約１５°にて配置される場合には、対象物光線中の
エネルギの約４％がガラスの前面にて反射される。反射
層に於ては０．８５〜１゜２μの波長の光エネルギの約
９９％が反射され、０．４〜０．８５μの波長の光エネ
ルギの約７５％が反射層を通過する。ガラスの背面は０
．４〜０．８５μの波長の光エネルギの約４％を反射す
る。従って対象物光線の０．４〜０．８５μの波長の光
エネルギの約６５％が干渉フィルタを通過する。

検出モジュールの光学的結合効率は波長の関数である。

１５００下（８１６℃）に於ける黒体放射については、
長い波長（０，４〜１，２μ）の光は６６〜８８％の結
合効率を有している。また短い波長（典型的には０６４
〜０．８５μ）の光の結合効率は約６０％である。この
ことは二股の光ファイバ束を使用し、短い波長及び長い
波長の光の結合効率がそれぞれ３０％、４０％である従
来の光学的高温計よりもかなり改善されていることを示
している。

更に結合効率及び光学的干渉フィルタの通過帯域は進入
する対象物光線に対するフィルタの角度の関数である。

最良の形態の実施例に於ては、フィルタは進入する対象
物光線に垂直な面に対し約１５°傾斜した角度にて配置
される。このフィルタは上述の如き通過帯域を与えつつ
、フィルタに通されない光を受ける光検出器５４へ反射
された光エネルギの大部分を導く。

光検出器５４及び５６はそれぞれ反射されフィルタを通
過しない光線５８及び残りの光線６０を受ける。最良の
形態の実施例に於ては、各光検出器は従来のシリコン光
検出器を含んでいる。シリコンはスペクトル幅が約０，
４〜１６１μである通過帯域を有している。他の材料を
含む他の光検出器が一方又は他方の光検出器に使用され
てよい。

かかる置換が行われる場合には、通過帯域が光検出器の
材料の選定に適合するよう選定された他の干渉フィルタ
が必要である。他の等価な光検出器の材料にはヒ化イン
ジウム−ガリウムがある。

光検出器５４及び５６はそれぞれ反射された光線及び残
りの光線と等価な電気信号をライン２２及び２４へ出力
する。

第３図は第２図に示された光学的効率の高い検出モジュ
ールと同様の他の一つの実施例を示している。多数の孔
を有する光ファイバ若しくは動作面積の小さい光検出器
を受入れ得るよう、検出モジュール６２は結合効率が低
下することなく使用され得るものである。この実施例に
於ては、光ファイバ１８を位置決めするハウジング６４
が含まれている。光ファイバは多数の孔（約０．４又は
それ以上）を有しているので、対象物光線はそれが光フ
ァイバより出る際に好ましからざる捏に拡散する。従っ
て光ファイバより発射された全ての光を集光すべく、ハ
ウジング内には非球面レンズ６６が通常の技法にて配置
されている。非球面レンズ６６は０．７の如き低いＦ値
を有しており、他の点については通常の非球面レンズと
同様である。

他の全ての局面に於ては、第３図に示された実施例は第
２図に示された検出モジュールと同一であり、干渉フィ
ルタ６８及び二つの光検出器７゜及び７２を含んでいる
。第２図に示された検出モジュールの場合と同様、光検
出器７ｏ及び７２はそれぞれ反射された光線及び残りの
光線と等価な電気信号をライン２２及び２４へ出力する
。非球面レンズの焦点距離は重要ではなく、反射された
光線７４及び残りの光線７６内の全てのエネルギを光検
出器の動作領域へ供給するよう選定されるだけでよい。

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、本発明はこれらの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図は本発明による光学的効率の高いデュアルスペク
トル高温計の簡略化されたブロック線図である。 第２図は第１図に示された高温計に使用される光学的効
率の高い検出モジュールを示す断面図である。 第３図は光学的効率の高い検出モジュールの他の一つの
実施例を示す第２図と同様の断面図である。 １０・・・高温計、１１・・・プローブ、１２・・・ケ
ーシング、１４．１６・・・タービンブレード、１８・
・・光ガイド、２０・・・検出モジニール、２２．２４
・・・うイン、２６・・・信号処理装置、２８．３０・
・・ライン。 ３２・・・外部信号処理装置、３４・・・ライン、３６
・・・外部信号処理装置、３８・・・検出モジュール、
４０・・・ハウジング、４２・・・干渉フィルタ、４４
・・・対象物光線、４６・・・光軸、４８・・・反射層
、５０，５２・・・ガラス層、５４．５６・・・光検出
器、５８・・・反射された光線、６０・・・残りの光線
、６２・・・検出モジュール、６４・・・ハウジング、
６６・・・非球面レンズ。 ６８・・・干渉フィルタ、７０．７２・・・光検出器、
７４・・・反射された光線、７６・・・残りの光線特許
出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポレイ
ション

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）遠隔の対象物の温度を検出するデュアルスペクト
   ル光学式高温計に使用される光学的結合効率の高い検出
   モジュールにして、 或るスペクトル幅を有する対象物光線を受けるよう構成
   されたハウジング手段と、 第一及び第二の透明層手段の間に形成された反射層手段
   を含む干渉フィルタ手段であって、前記ハウジング手段
   内に調節可能に配置されて前記対象物光線を受けこれを
   反射された光線と前記対象物光線のスペクトル幅の一部
   に選定された残りのスペクトル幅を有する残りの光線と
   に分割するよう構成され、前記残りの光線は前記干渉フ
   ィルタ手段を通過して案内されるよう構成された干渉フ
   ィルタ手段と、 前記ハウジング手段内に配置され前記反射された光線を
   受けて該反射された光線と等価な電気信号を発生する第
   一の光検出器手段と、 前記ハウジング手段内に配置され前記残りの光線を受け
   て該残りの光線と等価な電気信号を発生する第二の光検
   出器手段と、 を含む検出モジュール。
2. （２）遠隔の対象物の温度を検出する光学的効率の高い
   デュアルスペクトル光学式高温計にして、前記対象物よ
   り或るスペクトル幅を有し前記対象物より放射された成
   分と等価黒体温度を有するファイヤボールよりの反射さ
   れた成分とを有する光線を受ける光ガイド手段と、 前記光ガイド手段を受入れるよう構成されたハウジング
   手段と、 それぞれ或る厚さを有する第一及び第二の透明層手段の
   間に形成された或る厚さを有する反射層手段を含む干渉
   フィルタ手段であって、前記ハウジング手段内に調節可
   能に配置されて前記光ガイド手段より対象物光線を受け
   これを反射された光線と前記対象物光線のスペクトル幅
   の一部に選定された残りのスペクトル幅を有する残りの
   光線とに分割するよう構成され、前記残りの光線は前記
   干渉フィルタ手段を通過して案内されるよう構成された
   干渉フィルタ手段と、 前記ハウジング手段内に配置され前記反射された光線を
   受けて該反射された光線と等価な電気信号を発生する第
   一の光検出器手段と、 前記ハウジング手段内に配置され前記残りの光線を受け
   て該残りの光線と等価な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光検出器手段よりの前記電気信号を
   受け、更に前記残りの光線のスペクトル幅の大きさ及び
   前記ファイヤボールの前記等価黒体温度の概算値を示す
   信号を受けるよう構成れさた信号処理手段であって、前
   記第一の光検出器よりの前記電気信号より等価黒体温度
   を示す第一の線形化された温度信号を発生し、前記第二
   の光検出器手段よりの前記電気信号より等価黒体温度を
   示す第二の線形化された温度信号を発生し、前記概算さ
   れたファイヤボールの等価黒体温度及び前記残りの光線
   のスペクトル幅に依存して前記第一の線形化された温度
   信号と前記第二の線形化された温度信号との差より温度
   補正信号を発生し、前記第一の線形化された温度信号と
   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。