JPS62118225A - 反射補正型光学式高温計 - 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、更に詳細には偏差的な
エネルギ信号処理が行われるデュアルスペクトル光学式
高温計に係る。

従来の技術 光学式高温計は当技術分野に於てよく知られており、過
酷な環境や、温度が高いことにより通常の接触型高温計
を使用することができない用途に於て広範囲に従来より
使用されている。光学式高温計は対象物より来る放射エ
ネルギより対象物の温度を計算する。或る与えれらた波
長間隔にて全放射線を測定することにより、又は波長の
関数として光エネルギの分布を観察することにより、対
象物の表面温度を判定するためのアルゴリズムが使用さ
れる。対象物の温度が高くなればなるほど、短い波長の
光エネルギの比率が高くなる。

光学式高温計は必然的に燃焼火炎、即ちファイヤボール
を含む環境を有する運転状態にあるジェットエンジン内
に於てもタービンブレードの表面温度を測定するために
開発された。タービンブレードの温度を正確に測定する
ためには、光学式高温計はタービンブレードより放射さ
れた放射線と混合され該放射線の障害となる燃焼火炎よ
りの反射された放射線が存在することの影響を排除する
よう測定結果を補正し得るものでなければならない。

デュアルスペクトル光学式高温計は、対象物であるター
ビンブレードより放射された放射線とブレードにより反
射された放射線とを区別し、反射された放射線がもたら
す観察された温度の誤差を補正するために開発された。

米国特許第４，２２２．６６３号には、二つの互いに独
立した高温計を含むデュアルバンド（二色）型光学式高
温計が開示されている。各高温計はタービンブレードよ
り来る光の全スペクトル範囲の互いに異なるが互いにオ
ーバラップする成分を検出する。

二つの高温計は互いに異なる波長帯域の光に感応し、タ
ービンブレードの表面より来るエネルギにより互いに異
なった態様にて影響を受ける。ファイヤボールよりの光
（放射線）がブレードにより反射されると、短い波長の
光を検出するよう設定された高温計は余分な反射された
エネルギに対しより高く応答し、その出力信号は長い波
長の光を検出するう設定された高温計の出力信号よりも
高い比率にて増大する。従って高反射条件下に於て燃焼
火炎の温度に対する反射された放射線の量が増減すると
、これに対応して短い波長の光線用高温計゛に於て指め
される温度の値が増減する。

各高温計に於ては、アルゴリズムが各高温計が受ける光
よりタービンブレードの温度を計算する。

受けたパワーと温度との関係を線形化することを要する
このプロセスは複雑であり、その系の一時的な応答性を
低下させる。線形化された温度信号はタービンブレード
の等価黒体温度を示す。しかし遥かに高温の燃焼火炎の
反射されたエネルギは二つの高温計の各々に互いに異な
る温度値（何れも真のブレード温度よりも高い）を表示
させる。

追加の温度補正アルゴリズムが各チャンネルの温度を受
け、温度誤差の大きさを決定する。温度補正信号は二つ
の高温計により求められた温度の間の差（各高温計のス
ペクトル範囲より生じる）と、ファイヤボールの等価黒
体温度と、各高温計の信号に存在する反射された放射線
の割合との関数である。温度補正信号の演算はハードウ
ェアの骨の折れる過酷なプロセスであり、デュアルスペ
クトル光学式高温計の用途を地上に設置される診断の用
途に制限している。

発明の開示 本発明の目的は、遠隔の対象物の温度を測定すべく偏差
的にエネルギ信号を処理する反射補正型光学式高温計を
提供することである。

本発明によれば、反射補正型光学式高温計は対象物より
放射された成分と等価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光
線を対象物より受けるための光ガイドを含んでいる。検
出モジュールが対象物光線を受け、該対象物光線を第一
及び第二の光線に分割し、それらと等価な第一及び第二
の電気信号を発生する。第二の光線は対象物光線のスペ
クトル幅の一部である或るスペクトル幅を有するよう選
定される。また高温計には第一及び第二の電気信号及び
エネルギ比信号を受ける信号処理装置が含まれている。

信号処理装置はエネルギ比信号と第二の電気信号との積
と第一の電気信号との間の差より反射補正されたエネル
ギ信号を発生する。

本発明の他の一つの局面によれば、デジタル式反射補正
型光学式高温計は、対象物より放射された成分と等価温
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光線を対象物より受けるた
めの光ガイドを含んでいる。検出モジュールが対象物光
線を受け、該対象物光線を第一及び第二の光線に分割し
、それらと等価な第一及び第二の電気信号を発生する。

第二の光線は対象物光線のスペクトル幅の一部である或
るスペクトル幅を有するよう選定される。

また光学式高温計には第一及び第二の電気信号を記憶す
る記憶手段を有するデジタル信号処理装置が含まれてい
る。これらの信号はそれぞれ関連する反射補正されたエ
ネルギ（Ｅ）信号の大きさに対応する複数の補正された
対象物温度の値を示す信号を含んでいる。またデジタル
信号処理装置は第一及び第二の電気信号及びエネルギ比
信号を受ける。この信号処理装置はエネルギ比信号と第
二の電気信号との積と第一の電気信号との差より反射補
正されたエネルギ信号を発生する。更に信号処理装置は
各反射補正されたエネルギ信号を記憶手段に記憶された
複数の正しい対象物温度信号の関連する一つの信号と同
定し、正しい対象物温度信号を出力する。

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図は本発明による反射補正型光学式高温計の簡略化
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１
２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
、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、近似は従来より版体と呼ばれる。

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」ニさせるに必要な他
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。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
ジンの型式に応じて種々の置換や修正が行われてよい。

光ガイド２０が設けられており、該光ガイドは対象物光
線を検出モジュール２２へ供給する。典型的には光ガイ
ド２０は融合された光ファイバ束又は従来の広帯域水晶
又は融合されたシリカよりなる繊維を含んでいる。

検出モジュールも通常のものであり、第一の光検出器が
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成分を吸収するよう、
対象物光線を二つの光線に分割する。最良の形態の実施
例に於ては、検出モジュールは二股状の光フアイバカブ
ラであって、通常の光学フィルタがカプラにより分割さ
れた二つの光線の一方の経路に挿入されたカブラを含ん
でいる。第二の光検出器は二股状の光フアイバカプラよ
りの残りの光線を受けるようになっている。

第一及び第二の光検出器は典型的にはシリコンを含んで
おり、０，４〜１，０５μのスペクトル応答を有してい
る。最良の形態の実施例に於ては、スペクトル帯域幅の
差が、第一の光検出器のスペクトル帯域を０．４〜０．
８５μに制限する通常の光学フィルタを第一の光検出器
の前方に挿入することにより与えられる。スペクトル帯
域の幅は変化されてよく、用途に応じて選定されなけれ
ばならない。

第一の光検出器は第一の光線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
が第一の光線のスペクトル帯域に対応する第一の（フィ
ルタに通される）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第二の光線のスペク
トル帯域である第二の（フィルタに通されない）信号チ
ャンネルを含んでおり、第二の光線のエネルギを示す信
号をライン２６へ出力するようになっている。

これらの信号は信号処理装置２８により受信される。第
２図との関連で後に詳細に説明する如く、信号処理装置
２８はそれが受信した全ての信号より下記の式により定
義される反射補正されたエネルギ信号（Ｅ）を演算する
。

Ｅ−Ｅ　　−ＲＥ　、　　・−・−・−（１）ｕ　　　
　ｆ’ ここにＥｒ及びＥ、はそれぞれ第一及び第二の光検出器
より受信した信号の大きさに対応しており、Ｒは第２図
との関連で後に説明するエネルギ比信号であり、外部信
号処理装置３２よりライン３０を経て受信される。

パラメータＥは対象物のみより放射された放射線の関数
であり、従ってブレードの真の温度に直接関連している
。ファイヤボールの概算された等価黒体温度及び検出器
及びフィルタのスペクトル特性が与えられると、正しい
温度と反射補正されたエネルギ信号（Ｅ）との間に或る
関数関係が決定される。この関・係は二つの値をもつ関
数であるが、問題の温度範囲に於ては一つの値をもつ関
数である。用途に応じて、信号処理装置は外部信号処理
装置３６へ至るライン３４へ演算された反射補正された
信号（Ｅ）又は補正温度信号を出力する。

両方のエネルギ信号を線形化し、各信号チャンネルにつ
いて黒体温度を求めなければならない従来のデュアルス
ペクトル光学式高温計とは異なり、本発明による反射補
正型光学式高温計に於ては、それが受けるエネルギ信号
の線形化を行うことは不要である。更に反射補正された
信号（Ｅ）のダイナミックレンジはフィルタに通される
エネルギ信号及びフィルタに通されないエネルギ信号の
ダイナミックレンジよりも実質的に小さく、従って信号
処理装置のハードウェアに対する要求が低減され、また
必要な演算が単純化されることにより信号処理速度が増
大される。

第２図は第１図に示された高温計に使用される信号処理
装置２８を示す拡大されたブロック線図である。タービ
ンブレードよりの対象物光線は、ブレードより放射され
たエネルギと、燃焼火炎、即ちファイヤボールにて発生
されブレードにより反射されたエネルギとの合計である
熱エネルギＥ１を含んでおり、下記の式にて表わされる
。

Ｅ　　−Ｅｂ＋Ｅ、−・・・・・・・・（２）を 上記式に於ける。及び、はそれぞれブレードより放射さ
れたエネルギ及びファイヤボールにて発生されブレード
により反射されたエネルギを示している。対象物光線は
検出モジュールにより互いに異なるスペクトル幅を有す
る二つの光線に分割される。最良の形態の実施例に於て
は、かかる分割は、Ｅ　がフィルタに通されない信号チ
ャンネルに於て受けた全エネルギに対応し、Ｆｒがフィ
ルタに通される信号チャンネルにて受けた全エネルギに
対応するよう、二股状の光ファイバ束及び通常の光学フ
ィルタにより達成される。

フィルタに通される全エネルギ及びフィルタに通されな
い全エネルギはそれぞれ以下の如く表わされる。

Ｅ　　−Ｅ　ｕｂ＋　Ｅ　ｕｒ・・・・・・・・・（３
）Ｅｒ−Ｅ、ｂ＋Ｅ、、−−−−−−−・−（４）或る
与えられた反射されたエネルギの等価黒体温度に於ては
、フィルタに通される信号チャンネルとフィルタに通さ
れない信号チャンネルとの間のエネルギ比は一定である
。即ち下記の式が成立する。

従ってフィルタに通されない信号チャンネルに於ける全
エネルギの式は以下の如く書き直される。

Ｅ　　−Ｅ　　＋ＲＥｒｒ・・・・・・・・・（６）　
　　ｕｂ 反射されフィルタに通されたエネルギは以下の如くなる
。

Ｅ　ｆｒ＝　Ｅ　ｆＥ　ｆｂ　＝・・・・・・・（７）
式（７）を式（６）に代入することにより下記の式が得
られる。

Ｅ　　−ＲＥｒ−ＥＵｂ−ＲＥｒｂ・−・・・−・・（
８）新たなパラメータ、即ち反射補正されたエネルギ（
Ｅ）は式（８）より以下の如く表わされる。

Ｅ　　−ＲＥｒ−Ｅ−ＲＥｕｂ−Ｅｒｂ・−・町・−（
９）式（９）の左辺はフィルタに通されるエネルギとフ
ィルタに通されないエネルギとの合計、即ちブレードよ
り放射されたエネルギとブレードにて反射されたエネル
ギとの合計のみの関数であるのに対し、式（９）の右辺
はブレードより放射されたエネルギのみの関数である。

従ってパラメータＥはタービンブレードより放射された
エネルギのみの関数であり、燃焼火炎より発生されブレ
ードにより反射されたエネルギが存在することにより影
響を受けないものである。更にＥはエネルギ比の大きさ
の値と共にフィルタに通されない信号チャンネル及びフ
ィルタに通された信号チャンネルの両方に於ける全エネ
ルギより得られるものである。

反射等価黒体温度のファイヤボール、即ち燃焼火炎につ
いてのエネルギ比Ｒの値は、ジェットエンジン内のファ
イヤボールの等価黒体温度（例えば４５００下（２４８
０℃））にほぼ等しい温度に於ける黒体よりの放射線に
て検出モジュールを照射することにより演算され実験的
に求められる。

同様にＥと反射補正された温度との間の関係は、Ｒの或
る与えられた値について種々の温度（約１３００下（約
７００℃））の黒体放射線を検出モジュールへ供給する
ことにより演算され実験的に求められる。問題の各パワ
ー比について同様の関係が得られる。Ｅと補正温度との
間の関係が得られると、信号処理装置の構造が決定され
る。

最良の形態の実施例に於ては、信号はアナログ式に処理
される。飛行機搭載用の高温計に於ては、アナログ式に
信号の処理が行われることにより信号処理速度が向上さ
れ、またハードウェアが簡略化される。フィルタに通さ
れない（Ｕ　　）及びフィルタに通された（Ｅｒ）エネ
ルギ信号はそれぞれライン２４及び２６を経て受信され
、検出モジュール（第１図の検出モジュール２２）内の
光検出器よりの光電流を含んでいる。通常のトランスイ
ンピーダンス増幅器３８及び４０がエネルギ信号を受け
、通常の広帯域増幅器４６及び４８へ通ずるライン４２
及び４４へ等値電圧を出力する。

更にパワー比の大きさくＲ）を示す信号がライン３０を
経て増幅器４６により受信される。最良の形態の実施例
に於ては、Ｒの大きさは増幅器のフィードバック調節、
典型的には或る選定された大きさを有するフィードバッ
ク用可変抵抗器に対応している。

広帯域増幅器よりの出力信号はそれぞれ式（２）於ける
Ｅ　及びＲＥｒに対応している。これらの信号はライン
５０及び５２を経て通常の差動増幅器５４へ出力され、
増幅器５４は上述の如く定義される反射補正されたエネ
ルギ信号をライン５６へ出力する。用途に応じて、反射
補正されたエネルギ信号はエンジンのフィードバック制
御回路のフィードバック信号の一部としてそのままの形
態にて使用されてよい。或いは反射補正されたエネルギ
信号は、オンボード型飛行制御装置の如き本発明の一部
を構成せず図には示されていない外部信号処理装置へ供
給され、該処理装置に於てそれらのエネルギ信号がデジ
タル化され通常のルックアップテーブルフォーマットに
て正しいブレード温度の関数として記憶された反射補正
されたエネルギ信号の大きさと比較されてよい。

第３図は第２図の信号処理装置の他の一つの実施例５８
を示している。

信号処理装置５８はそれぞれフィルタに通されない（Ｕ
　　）及びフィルタに通された（Ｅｒ）エリ ネルギを示す信号をライン６０及び６２をより受信する
。これらの信号はＡ／Ｄ変換器６４及び６６により変換
され、バス６８へ供給される。信号処理装置５８は通常
の中央処理ユニット（ＣＰＵ）７０と信号を記憶するラ
ンダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）７２とを含んでいる。

反射補正されたエネルギ信号を正しい温度信号に関連付
けるコンビレ−ジョンが通常のルックアップテーブルフ
ォーマットにてリードオンリメモリ（ＲＯＭ）７４に記
憶されている。

ＣＰＵ７０はそれに入力されたエネルギ信号及びライン
７６より受信しＤ／Ａ変換器７７によりデジタル化され
たエネルギ比信号よりＥの値を演算する。反射補正され
たエネルギ信号の大きさが解ると、信号処理装置はＲＯ
Ｍ７４より対応する正しい温度信号の値を選定する。Ｒ
ＡＭ７２はかかるプロセス中に必要に応じてＣＰＵ７０
によりアクセスされる。正しい温度に対応する信号は信
号処理装置により或る用途に於ては外部信号処理装置へ
ライン７８を経て直接供給され、或いはＤ／Ａ変換器８
０へ出力され、次いで外部アナログ電子装置へ出力され
る。

第４図はＥと正しい温度の値との間の一つの典型的な関
係を示すグラフである。このグラフの軸８２及び８４は
それぞれＥ及び正しい温度に対応している。曲線８６は
パラメータＥの値に対応している。このグラフより明ら
かである如く関数Ｅは二つの値を持っている。しかし問
題となる範囲は破線８８よりも下方の領域に対応する３
０００下（１６５０℃）以下の温度に制限される。

反射補正されたエネルギ（Ｅ）は第−又は第二の光検出
器よりの入力エネルギ信号よりも実質的に小さい大きさ
範囲を有している。本発明による反射補正型光学式高温
計によれば、反射補正された信号の範囲内にて大きさが
低減される。何故ならば、反射補正されたエネルギはフ
ィルタに通されないエネルギとフィルタに通されたエネ
ルギとの間の差の関数である。信号の範囲の低減により
周波数応答性が改善され、また従来のデュアルスペクト
ル高温計に勝る重要な利点が得られる。

第５図は第３図のデジタル式信号処理装置の他の一つの
実施例９０を示す解図である。この信号処理装置９０は
、第３図のＲＯＭ７４について上述した信号と共に、エ
ネルギ比信号をＲＯＭ９２に記憶されたファイヤボール
の等価黒体温度信号に関連付けるルックアップテーブル
信号コンビレ−ジョンを特徴としている。エネルギ比信
号は本発明の一部を構成せず図には示されていない外部
信号処理装置によりライン９４を経て供給されるファイ
ヤボールの等価黒体温度信号に対応している。信号処理
装置９０はエネルギ比信号に応答してメモリ内の対応す
るＲの値をまず選定し、第３図について上述した要領と
同一の要領にて反射補正されたエネルギ信号を演算する
。第４図の信号処理装置は他の全ての点については第３
図の信号処理装置と同一である。

更に他のアナログ又はデジタル式ハードウェア及びソフ
トウェアを使用する他のアルゴリズムか採用されてよい
ことは当業者にとって明らかであろう。

以−に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図は本発明による反射補正型光学式高温計のブロッ
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アナログ式
信号処理装置のブロック線図である。 第３図は信号処理装置の他の一つのデジタル式の実施例
を示すブロック線図である。 第４図は反射補正されたエネルギＥと正しい温度の値と
の関係を示すグラフである。 第５図は信号処理装置のデジタル式の他の一つの実施例
を示すブロック線図である。 １０・・・光学式高温計、１２・・・プローブ、１４・
・・ケーシング、１６．１８・・・タービンブレード、
２０・・・光ガイド、２２・・・検出モジュール、２４
．２６・・・ライン、２８・・・信号処理装置、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、３８．４０・・・トランスイ
ンピーダンス増幅器、４２．４４・・・ライン、４６．
４８・・・広帯域増幅器、５０．５２・・・ライン、５
４・・・差動増幅器、５６・・・ライン、５８・・・信
号処理装置。 ６０．６２・・・ライン、６４．６６・・・Ａ／Ｄ変換
器。 ６８・・・バス、７０・・・中央処理ユニット（ＣＰＵ
）。 ７２・・・ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、７４・
・・リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、７６・・・ライン
。 ７７・・・Ｄ／Ａ変換器、７８・・・ライン、８０・・
・Ｄ／Ａ変換器、９０・・・信号処理装置、９２・・・
リードオンリメモリ、９４・・・ライン 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 代　　理　　人　　　弁理士　　　明　　石　　昌　　
毅Ｌ　　、Ｊ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）遠隔の対象物の温度を測定する反射補正型光学式
   高温計にして、 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し或るスペ
   クトル幅を有する対象物光線を対象物より受ける光ガイ
   ド手段と、 前記対象物光線を受け、該対象物光線を第一及び第二の
   光線に分割し、該第一及び第二の光線と等価な第一及び
   第二の電気信号を発生する検出モジュール手段であって
   、前記第二の光線は前記対象物光線のスペクトル幅の一
   部に選定された或るスペクトル幅を有する検出モジュー
   ル手段と、前記第一及び第二の電気信号を受け、エネル
   ギ比信号を受け、前記エネルギ比信号と前記第二の電気
   信号との積と前記第一の電気信号との間の差より反射補
   正されたエネルギ信号を発生する信号処理手段と、 を含む反射補正型光学式高温計。
2. （２）遠隔の対象物の温度を測定するデジタル式反射補
   正型光学式高温計にして、 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し或るスペ
   クトル幅を有する対象物光線を対象物より受ける光ガイ
   ド手段と、 前記対象物光線を受け、該対象物光線を第一及び第二の
   光線に分割し、該第一及び第二の光線と等価な第一及び
   第二の電気信号を発生する検出モジュール手段であって
   、前記第二の光線は前記対象物光線のスペクトル幅の一
   部に選定された或るスペクトル幅を有する検出モジュー
   ル手段と、それぞれ関連する反射補正されたエネルギ（
   Ｅ）信号の大きさに対応する複数の正しい対象物温度の
   値を示す信号を含む信号を記憶する記憶手段を有するデ
   ジタル信号処理手段であって、前記第一及び第二の電気
   信号を受け、更にエネルギ比信号を受け、前記エネルギ
   比信号と前記第二の電気信号との積と前記第一の電気信
   号との間の差より反射補正されたエネルギ信号を発生し
   、各反射補正されたエネルギ信号を前記記憶手段に記憶
   された前記複数の正しい対象物温度信号の関連する一つ
   の信号と同定し該正しい対象物温度を示す信号を発生す
   るよう構成されたデジタル信号処理手段と、を含むデジ
   タル式反射補正型光学式高温計。