JPS6225976B2

JPS6225976B2 -

Info

Publication number: JPS6225976B2
Application number: JP17786180A
Authority: JP
Inventors: Shohei Noda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1980-12-16
Filing date: 1980-12-16
Publication date: 1987-06-05
Also published as: JPS57101732A

Description

[Detailed description of the invention]

レーザ光をある物質（火炎またはガス）に照射
すると、レーザ・ラマン効果によつて発生するス
トークス光の強度は振動量子νのラマン遷移前後
での変化量△ν＝１、回転量子数Ｊのラマン遷移
前後での変化量△Ｊ＝０の場合について考えるこ
ととすると第１式で与えられる。Ｉ（ν）＝Ｐ（ν→ν＋１）×Io ×｛ωｏ−△ω（ν，ν＋１）｝^４×Ｎ（ν）
…（第１式）ここに、Ｉ（ν）：エネルギー準位Ｅ（ν）からＥ（ν＋
１）にラマン遷移するとき生じるストークス
光の強度Ｐ（ν→ν＋１）：エネルギー準位Ｅ（ν）から
Ｅ（ν＋１）にラマン遷移するときの遷移確
率 Ii：照射するレーザ光の強度 ωｏ：照射するレーザ光の波数 △ω（ν，ν＋１）＝｛Ｅ（ν＋１）−Ｅ（ν）｝／hC ：ラマン効果によるラマンシフト量、ただし
ｈはプランク（Planck）の定数、Ｃは光速
度Ｎ（ν）：エネルギー準位Ｅ（ν）に存在する分
子数である。ここで、Ｉ（ν）とＩ（ν）′とを比較した場
合、ν＞ν′のときＩ（ν）を高次のストークス
光、Ｉ（ν）′を低次のストークス光と呼び、一
般に、低次のストークス光としてはＩ（０）を考
える。分子が温度Ｔで熱平衡にあるときには、エネル
ギー単位Ｅ（ν）の状態の分子数Ｎ（ν）とエネ
ルギー準位Ｅ（ν＋１）状態の分子数Ｎ（ν＋
１）との間にはボルツマン分布とよばれる第２式
が成り立つ。Ｎ（ν）／Ｎ（ν＋１）＝ｇ（ν）／ｇ（ν＋１）×ex
p 〔−｛Ｅ（ν）−Ｅ（ν＋１）｝／kT〕
……（第２式）ここにｋ：ボルツマン定数ｇ_s（ν）：エネルギー準位Ｅ（ν）の縮退度ｇ_s（ν＋１）：エネルギー準位Ｅ（ν＋１）
の縮退度また遷移確率の比は第３式で求められる。Ｐ（ν→ν＋１）／Ｐ（ν＋１→ν＋２）＝ν＋１／
ν＋２……（第３式）更に△ω（ν，ν＋１）−△ω（ν＋１，ν＋
２）はωｏ−△ω（ν＋１，ν＋２）に比べて非
常に小さいので、｛ωｏ−△ω（ν，ν＋１）／ωｏ−△ω（ν＋１，
ν＋２）｝^４≒１……（第４式）とみなすことができるので、低次のストークス光
Ｉ（ν）と高次のストークス光Ｉ（ν＋１）との
比Ｉ（ν）／Ｉ（ν＋１）は第５式で表わされ
る。Ｉ（ν）／Ｉ（ν＋１）＝ν＋１／ν＋２×ｇ_ｓ（ν
）／ｇ_ｓ（ν＋１）×exp 〔−｛Ｅ（ν）−Ｅ（ν＋１）｝／kT〕
……（第５式）一般に二原子分子では振動エネルギー準位Ｅ
（ν）は縮退していないので、ｇ_s（ν）／ｇ_s
（ν＋１）＝１となり第５式は第６式に変形され
る。Ｉ（ν）／Ｉ（ν＋１）＝ν＋１／ν＋２exp〔−Ｅ（
ν）−Ｅ（ν＋１）｝／kT〕……（第６式）すなわち、この比を検出することにより温度を
計測することができる。次に第１図につき、従来の温度計測法の一実施
態様を説明する。第１図において、０１はレーザ、０２は温度を
計測したい点にレーザ光の焦点を結ばせるための
集光レンズ、０３は低次のストークス光と高次の
ストークス光を、例えばレイリー散乱光、火炎の
光、反射光などの不要な光から分離するための分
光器、０４，０５はこの分光器で分離された低次
のストークス光と高次のストークス光を電気信号
に変換するための光電子増倍管、０６，０７はこ
れらの光電子増倍管により交換された低次のスト
ークス光と高次のストークス光の強度に比例した
電気信号を増幅する増幅器、０８は低次のストー
クス光強度と高次のストークス光強度との比を取
るための割算及び温度に比例した出力を得るため
の演算をする演算器、０９は記録計または指示計
である。第２図は、かかる装置で1850〓のN₂ガスに適
用した場合において、ラマン効果によつて発生し
たストークス光のスペクトル強度を表わすもので
あり、ピークＡがＩ（０）、ピークＢがＩ(1)を示
す。この場合、従来方法によつて求められた温度
1850〓は、熱電対による1820〓とほぼ一致する。しかしながら低次と高次のストークス光強度比
Ｉ（ν）／Ｉ（ν＋１）から温度を求める従来の
方法では、通常空気中のN₂分子を温度測定のモ
ニタ分子として用い、ν＝０としたストークス光
強度比Ｉ（０）／Ｉ(1)から温度を測定するわけで
あるが、N₂分子のＩ(1)は約1000〓以下では非常
に小さいため検出できず、従つて約1000〓以下の
測定が出来ない欠点がある。もつとも、モニタ分子としてCO₂を用いれば、
1000〓以下でも測定できるが、高いCO₂濃度（80
％程度）が必要で通常空気雰囲気では適用できな
い。又、変動温度を測る場合は、低次と高次のスト
ークス光強度を同時に測る必要があるため、スト
ークス光強度測定器が二系列必要で、装置が複
雑、高価になる欠点がある。本発明は上の事情に鑑み、ラマン効果を利用し
てガスの任意の点における温度の瞬時値を空気中
N₂分子をモニタとして、従来不可能であつた300
〓ないし1000〓の温度まで測定できる方法を提供
するものであつて圧力が変動する雰囲気内におけ
る空気ガス温度を測定したい任意の点にレーザ光
の焦点を結ばせ、既知の状態の温度（To）を基
準として、前記焦点部分から発生する空気中N₂
分子のストークス光の強度Io及びガス圧力Poをあ
らかじめ検出しておき、次に測定したい状態での
空気中N₂分子のストークス光強度Ｉ及びガス圧
力Ｐを検出し、基準状態と測定したい状態とのス
トークス光強度比Ｉ／Io、及びガス圧力比Ｐ／Po
から前記計測点における温度を計測することを特
徴とする温度計測方法である。すなわち本発明はラマン効果を利用して、空気
ガスの任意の点における温度の瞬時値を計測する
際、計測点における空気中N₂のストークス光強
度と圧力を測定し、ストークス光が圧力にも依存
することに着目し、基準状態（温度，圧力既知）
に対するストークス光強度の変化量を圧力の変化
量で補正することにより、単一のストークス光強
度のみから低温から高温までの空気ガス温度を測
定するようにしたものである。以下に本発明の考え方を述べると、先にストー
クス光強度Ｉ（ν）は第１式で表わされることを
述べたが、正確にはストークス光の強度Ｉ（ν）
及びストークス光の波数ω_R｛＝ωｏ−△ω
（ν，ν＋１）｝は、分子の回転状態を表わす量子
数Ｊの関数となり、ストークス光の波数（波長の
逆数）は各Ｊの違いによるスペクトルの拡がりを
持ち、量子数Ｊを考慮にいれたストークス光強度
Ｉ（ν，Ｊ）は次式で与えられる。Ｉ（ν，Ｊ）＝Coη（２Ｊ＋１）（ν＋１）／Ｑｒｏｔ
Ｑｖｉｂ ω_R ⁴exp｛−ｈＣ／ＫＴＧ（ν，Ｊ）｝……（第７式
）Ｇ（ν，Ｊ）＝Ｅ（ν，Ｊ）／hC ＝ωｅ（ν＋１／２）−ωexe（ν＋１／２）^２＋ωeye（ν＋１／２）^３＋（Be−αｅ／２）Ｊ（Ｊ＋１）−（De＋βｅ／２）・J²（Ｊ＋１）^２−αｅνＪ（Ｊ＋１）−βｅνJ₂・（Ｊ＋１）^２…… ω_R＝ωｏ−△ω（ν，ν＋１）＝ωｏ−△Ｇ（ν＋１），Ｊ←ν，Ｊ） △Ｇ（ν＋１，Ｊ←ν，Ｊ）＝ωｅ−２ωexe（ν＋１）＋ωeye ・（３ν^２＋６ν＋13／４）−αeJ（Ｊ＋１） −βeJ²（Ｊ＋１）^２＋…… Qrot≒KT／2hCBe Qvib≒｛１−exp（−hCωｅ／KT）｝^-1 ここで ωeye，ωexe，ωｅ；振動定数 Be，De：回転定数 αｅ，βｅ；回転一振動相互作用ｈ；プランクの定数Ｃ；光速度 ω_R；ν，Ｊで指定されたストークス光Ｉ
（ν，Ｊ）の波数Ｅ（ν，Ｊ）；ν，Ｊで指定された分子のエ
ネルギー準位 △Ｇ（ν＋１，Ｊ←ν，Ｊ）；ストークス光
Ｉ（ν，Ｊ）のラマンシフトでνがν＋１
に変化したときのＧ（ν，Ｊ）の変化量 Qrot，Qvib；分子の回転及び振動状態への
分布を決定する分配関数Ｋ；ボルツマン定数 η；核スピンＩの効果Ｔ；ガス温度第７式で表わされるストークス光Ｉ（ν，Ｊ）
は各ν，Ｊに対してスペクトルを構成するが、実
際に分光器を通して得られる波数ωでのストーク
ス光強度Ｉ（ω）は、分光器応答関数δ（ω−ω
_R）をＩ（ν，Ｊ）に掛けたものをν，Ｊに対し
て加算したもので第８式で与えられる。 δ（ω）＝０……………｜ω｜△ωｓ＝−｜ω｜／△ω＋１…｜ω｜＜△ωｓここで△ωｓ；分光器の波数分解能本発明で使用するストークス光強度は固定した
特定の波数ω_Mでの強度Ｉ（ω_M）しか用いないの
で、以下Ｉ（ω_M）をＩと記述する。第１式のＮ（ν）は空気中N₂の濃度ｎに比例
するからＩ（ν）はｎに比例する。従つて第７式
Ｉ（ν，Ｊ）及び第８式Ｉ（ω）もｎに比例する
（第７式ではCoに含まれている）。簡単のため第８式中で温度に関する部分の関数
をｇ（Ｔ）C₁を比例定数とすれば、Ｉは次式で
与えられる。Ｉ＝C₁ng（Ｔ） ……（第９式）基準状態（温度To，圧力Po）でのストークス
光強度をIoとすれば第９式よりIoは次式で与えら
れる。 Io＝C₁nog（To） ……（第10式）ここでno；基準状態での空気中N₂の濃度第９式と第10式からＩ／Ｉｏ＝ｎｇ（Ｔ）／ｎｏｇ（Ｔｏ）……（第11式
）またボイル―シヤルルの方則から PoVo＝noRTo ……（第12式） PV＝nRT ……（第13式）ここでＲ；気体定数Ｖ；測定領域の体積Ｐ；圧力本測定方法では、測定領域Ｖは計測点に集光さ
れたレーザ光の焦点部分の大きさと、分光器入射
スリツト大きさ及びストークス光受光光学系の像
倍率で決まり、定数であるのでＶ＝Voとなる。
従つて第12式、第13式からｎ／ｎｏ＝ＰＴｏ／ＰｏＴ ……（第14式）第11式と第14式からＩ／Ｉｏ＝ＰＴｏｇ（Ｔ）／ＰｏＴｇ（Ｔｏ）……（
第15式）第15式から最初温度Toが既知である基準状態
でのストークス光強度Io及び圧力Poを測つておけ
ば、測定したい状態での温度ＴはＩとＰを測るこ
とにより次のようにして第15式から求められる。すなわち、先ず既知圧力Po及び既知温度Toに
おけるストークス強度Ioを測定し、次に測定した
い温度Ｔの状態におけるストークス強度Ｉ及びＰ
を測定する。第15式を若干変形すると次式で表わ
される。Ｉ／Ｉｏ×Ｐｏ／Ｐ＝Ｐｏ／Ｔ×ｇ（Ｔ）／ｇ（Ｔｏ
）……（第16式）左辺は実験的に測定される量で、既知である。
右辺は前述したようにｇ（Ｔ）／ｇ（To）が各
温度に対して理論計算できる（第３図）。従つて
Ｔｏ／Ｔ×ｇ（Ｔ）／ｇ（Ｔｏ）も各温度に対して計算
できる。従つて、Tog（Ｔ）／Tg（To）を第３図と同様に横
軸にＴ、縦軸にTog（Ｔ）／Tg（To）をとり、
Tog（Ｔ）／Tg（To）が実験的に得られたIPo／
IoPと等しくなる点のＴを図から見つければ温度
が求められる。なおｇ（Ｔ）／ｇ（To）は第８
式から次のようにして数値計算できる。すなわ
ち、第９式に示すように、特定の波数ω_Mでの強
度Ｉ（ω_M）は、Ｉ（ω_M）をＩと表記すれば次式
で与えられる。Ｉ≡Ｉ（ω_M）＝C₁ng（Ｔ）濃度ｎを一定として、温度To及びＴでのＩの強
度をそれぞれＩ（To）、Ｉ（Ｔ）とすれば、Ｉ（Ｔ）／Ｉ（Ｔｏ）＝Ｃ_１ｎｇ（Ｔ）／Ｃ_１ｎｇ（
Ｔｏ）＝ｇ（Ｔ）／ｇ（Ｔｏ）となる。従つて、ｇ（Ｔ）／ｇ（To）の数値計算はＩ
（Ｔ）／Ｉ（To）の数値計算することである。ここで、第８式中のＩ（ν，Ｊ）は第７式から
判るように温度の関数である。従つて、Ｉ（ω）
も温度の関数である。それを判りやすくするため
Ｉ（ν，Ｊ）及びＩ（ω）をそれぞれＩ（ν，
Ｊ，Ｔ）及びＩ（ω，Ｔ）と表わせば、第８式は
次のように表記できる。つまり、ｇ（Ｔ）／ｇ（To）は、第８式を用い
てＩ（ω_M，Ｔ）／Ｉ（ω_M，To）を数値計算す
ることにより得られる。なお第８式の When a certain substance (flame or gas) is irradiated with laser light, the intensity of the Stokes light generated by the laser Raman effect is determined by the amount of change △ν = 1 before and after the Raman transition of the vibrational quantum ν, and the Raman of the rotational quantum number J. Considering the case where the amount of change before and after the transition ΔJ=0, it is given by the first equation. I(ν)=P(ν→ν+1)×Io×{ωo−△ω(ν,ν+1)} ⁴ ×N(ν)
...(Equation 1) Here, I(ν): Energy level E(ν) to E(ν+
Intensity of Stokes light generated when Raman transitions to 1) P(ν → ν+1): Transition probability Ii when Raman transitions from energy level E(ν) to E(ν+1): Intensity of irradiated laser light ωo: Irradiation Wave number of the laser beam Δω(ν, ν+1) = {E(ν+1)−E(ν)}/hC: Amount of Raman shift due to the Raman effect, where h is Planck's constant and C is the speed of light N( ν): Number of molecules existing at energy level E(ν). Here, when comparing I(ν) and I(ν)', when ν>ν', I(ν) is called a high-order Stokes light, and I(ν)' is called a low-order Stokes light, Generally, I(0) is considered as a low-order Stokes light. When molecules are in thermal equilibrium at temperature T, the number of molecules in the state of energy unit E(ν) is N(ν), and the number of molecules in the state of energy level E(ν+1) is N(ν+
1), the second equation called the Boltzmann distribution holds true. N(ν)/N(ν+1)=g(ν)/g(ν+1)×ex
p [−{E(ν)−E(ν+1)}/kT]
...(Second formula) where k: Boltzmann constant g _s (ν): degree of degeneracy of energy level E (ν) g _s (ν+1): energy level E (ν+1)
The degree of degeneracy and the ratio of transition probabilities are determined by the third equation. P(ν→ν+1)/P(ν+1→ν+2)=ν+1/
ν+2……(3rd equation) Furthermore, △ω(ν, ν+1)−△ω(ν+1, ν+
2) is very small compared to ωo−△ω(ν+1, ν+2), so {ωo−△ω(ν, ν+1)/ωo−△ω(ν+1,
ν+2)} ⁴ ≒ 1...(4th equation) Therefore, the ratio of the low-order Stokes light I(ν) to the high-order Stokes light I(ν+1) is I(ν)/I(ν+1 ) is expressed by the fifth equation. I(ν)/I(ν+1)=ν+1/ν+2×g _s (ν
)/g _s (ν+1)×exp [−{E(ν)−E(ν+1)}/kT]
...(Equation 5) Generally, in diatomic molecules, the vibrational energy level E
(ν) is not degenerate, so g _s (ν)/g _s
(v+1)=1, and the fifth equation is transformed into the sixth equation. I(ν)/I(ν+1)=ν+1/ν+2exp[-E(
ν)-E (ν+1)}/kT]... (6th equation) That is, temperature can be measured by detecting this ratio. Next, an embodiment of a conventional temperature measurement method will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 01 is a laser, 02 is a condenser lens for focusing the laser beam on the point where the temperature is to be measured, and 03 is a condenser lens that collects low-order Stokes light and high-order Stokes light, such as Rayleigh scattered light, A spectrometer is used to separate unnecessary light such as flame light and reflected light. 04 and 05 are photoelectrons that convert the low-order Stokes light and high-order Stokes light separated by this spectrometer into electrical signals. Multiplier tubes 06 and 07 are amplifiers that amplify electrical signals proportional to the intensity of the low-order Stokes light and high-order Stokes light exchanged by these photomultiplier tubes, and 08 is an amplifier that amplifies the electric signal proportional to the intensity of the low-order Stokes light and high-order Stokes light exchanged by these photomultiplier tubes. An arithmetic unit 09 is a recorder or an indicator which performs division to obtain a ratio with the higher-order Stokes light intensity and calculation to obtain an output proportional to temperature. Figure 2 shows the spectral intensity of Stokes light generated by the Raman effect when this device is applied to _N2 gas at 1850㎓, where peak A is I(0) and peak B is I(0). (1) is shown. In this case, the temperature determined by the conventional method
1850〓 is almost the same as 1820〓 determined by thermocouple. However, in the conventional method of determining temperature from the low-order and high-order Stokes light intensity ratio I(ν)/I(ν+1), _N2 molecules in the air are usually used as monitor molecules for temperature measurement, and ν=0. Temperature is measured from the Stokes light intensity ratio I(0)/I(1), but I(1) of N ₂ molecules is very small below about 1000〓 and cannot be detected. There is a drawback that the following measurements cannot be made. However, if CO ₂ is used as a monitor molecule,
It can be measured even below 1000〓, but at high CO ₂ concentration (80
%) and cannot be applied in normal air atmospheres. Furthermore, when measuring fluctuating temperatures, it is necessary to measure low-order and high-order Stokes light intensities at the same time, so two lines of Stokes light intensity measuring instruments are required, which has the drawback of making the device complex and expensive. In view of the above circumstances, the present invention utilizes the Raman effect to measure the instantaneous value of the temperature at any point in the air.
Using _N2 molecules as a monitor, 300
This method provides a method that can measure temperatures from 〓 to 1000〓 by focusing a laser beam on any point where you want to measure the air gas temperature in an atmosphere where the pressure fluctuates, and measuring the temperature in a known state (To). Based on the _N2 in the air generated from the focal point
The Stokes light intensity Io and gas pressure Po of the molecule are detected in advance, and then the Stokes light intensity I and gas pressure P of the _N2 molecule in the air in the state to be measured are detected, and the reference state and the state to be measured are detected. Stokes light intensity ratio I/Io and gas pressure ratio P/Po
This temperature measurement method is characterized in that the temperature at the measurement point is measured from the temperature at the measurement point. In other words, the present invention utilizes the Raman effect to measure the instantaneous value of temperature at any point in air gas, by measuring the Stokes light intensity and pressure of _N2 in the air at the measurement point, and by measuring the Stokes light intensity and pressure of N2 in the air at the measurement point. Focusing on the dependence, the reference state (temperature, pressure known)
By correcting the amount of change in the Stokes light intensity with respect to the amount of change in pressure, the air gas temperature from low to high temperatures can be measured from only a single Stokes light intensity. The idea of the present invention will be described below. It was mentioned earlier that the Stokes light intensity I(ν) is expressed by the first equation, but more precisely, the Stokes light intensity I(ν)
and the wave number of Stokes light ω _R {=ωo−△ω
(ν, ν+1)} is a function of the quantum number J that represents the rotational state of the molecule, and the wave number (reciprocal of the wavelength) of Stokes light has a spectral spread due to the difference in each J, taking the quantum number J into account. Stokes light intensity I(v, J) is given by the following equation. I(ν,J)=Coη(2J+1)(ν+1)/Qrot
Qvib ω _R ⁴ exp {−hC/KTG(ν, J)}……(7th formula) G(ν, J)=E(ν, J)/hC =ωe(ν+1/2)−ωexe(ν+1/ 2) ² +ωeye(ν+1/2) ³ +(Be−αe/2)J(J+1)−(De+βe/ 2)・J ² (J+1) ² −αeνJ (J+1)−βeνJ ₂・(J+1) ² ... ω _R =ωo−△ω(ν, ν+1) =ωo−△G(ν+1), J←ν, J) △G(ν+1, J←ν, J) =ωe−2ωexe(ν+1)+ωeye ・(3ν ² +6ν+13/4) −αeJ (J+1) −βeJ ² (J+1) ² +…… Qrot≒KT／2hCBe Qvib≒{1−exp(−hCωe／KT)} ^-1 where ωeye, ωexe, ωe; vibration constant Be , De: rotation constant αe, βe; rotational vibrational interaction h; Planck's constant C; speed of light ω _R ; Stokes light I specified by ν, J
Wavenumber of (ν, J) E(ν, J); Energy level of the molecule specified by ν, J △G(ν+1, J←ν, J); Raman shift of Stokes beam I(ν, J) ν is ν+1
Amount of change in G (ν, J) when changing to Stokes light I(ν, J) expressed by
constitutes a spectrum for each ν, J, but the Stokes light intensity I(ω) at wave number ω actually obtained through a spectrometer is determined by the spectrometer response function δ(ω−ω
_R ) multiplied by I(ν, J) and added to ν, J, which is given by Equation 8. δ(ω)=0………………｜ω｜△ωs =−｜ω｜/△ω+1…｜ω｜＜△ωs Here, △ωs; wave number resolution of the spectrometer The Stokes light intensity used in the present invention is Since only the intensity I(ω _M ) at a fixed specific wave number ω _M is used, I(ω _M ) will be written as I below. Since N(ν) in the first equation is proportional to the concentration n of N ₂ in the air, I(ν) is proportional to n. Therefore, the seventh equation I(v, J) and the eighth equation I(ω) are also proportional to n (included in Co in the seventh equation). For simplicity, let g(T) _C1 be a proportionality constant for the function of the temperature-related part in the eighth equation, then I is given by the following equation. I=C ₁ ng (T) (Equation 9) If the Stokes light intensity in the standard state (temperature To, pressure Po) is Io, Io is given by the following equation from Equation 9. Io = C ₁ nog (To) ... (Equation 10) where no; concentration of N ₂ in the air under standard conditions From Equations 9 and 10, I/Io = ng (T) / nog (To) ...(Equation 11) Also, from the Boyle-Charles law, PoVo=noRTo ...(Equation 12) PV=nRT ...(Equation 13) where R: Gas constant V: Volume of measurement area P: Pressure In this measurement method, the measurement area V is determined by the size of the focal point of the laser beam focused on the measurement point, the size of the spectrometer entrance slit, and the image magnification of the Stokes light receiving optical system, and is a constant, so V = Vo becomes.
Therefore, from the 12th and 13th equations, n/no=PTo/PoT...(14th equation) From the 11th and 14th equations, I/Io=PTog(T)/PoTg(To)...(
Equation 15) From Equation 15, if we first measure the Stokes light intensity Io and pressure Po in a reference state where the temperature To is known, then the temperature T in the desired state can be calculated as follows by measuring I and P. It can be obtained from Equation 15. That is, first measure the Stokes strength Io at a known pressure Po and a known temperature To, and then measure the Stokes strength I and P at the desired temperature T.
Measure. By slightly modifying equation 15, it is expressed as the following equation. I/Io×Po/P=Po/T×g(T)/g(To
)...(Equation 16) The left side is a quantity measured experimentally and is known.
As mentioned above, on the right side, g(T)/g(To) can be theoretically calculated for each temperature (Figure 3). Therefore, To/T×g(T)/g(To) can also be calculated for each temperature. Therefore, as in Figure 3, Tog(T)/Tg(To) is plotted with T on the horizontal axis and Tog(T)/Tg(To) on the vertical axis,
Tog (T) / IPo where Tg (To) was obtained experimentally /
If you find the point T from the diagram that is equal to IoP, you can find the temperature. Note that g(T)/g(To) is the 8th
Numerical calculations can be made from the formula as follows. That is, as shown in Equation 9, the intensity I(ω _M ) at a specific wave number ω _M is given by the following equation if I(ω _M ) is written as I. I≡I(ω _M )=C ₁ ng(T) If the concentration n is constant and the intensities of I at temperatures To and T are I(To) and I(T), respectively, I(T)/I (To)=C ₁ ng(T)/C ₁ ng(
To)=g(T)/g(To). Therefore, the numerical calculation of g(T)/g(To) is I
This involves calculating the numerical value of (T)/I(To). Here, I(v, J) in the eighth equation is a function of temperature as seen from the seventh equation. Therefore, I(ω)
is also a function of temperature. To make it easier to understand, I(ν, J) and I(ω) are respectively I(ν,
J, T) and I(ω, T), the eighth equation can be written as follows. That is, g(T)/g(To) is obtained by numerically calculating I(ω _M , T)/I(ω _M , To) using the eighth equation. In addition, the 8th formula

【式】の計算は理論的にはν，Ｊをそれぞれ∞まで変化させるわけであるが、ν，
Ｊが大きいところでは第７式の中のＧ（ν，Ｊ）
が非常に大きくなり、従つてＩ（ν，Ｊ）がほと
んど０になる。従つて、実用的な計算にはν，Ｊは、それぞ
れ、ν＝５、Ｊ＝100まで計算すれば十分であ
る。一例として第３図にTo＝297〓とした時のｇ
（Ｔ）／ｇ（To）を数値計算した結果を横軸に温
度Ｔをとつて示した。第４図に本発明の方法の一実施態様の要領図を
示す。１はレーザ、２は温度を計測したい点にレーザ
光の焦点を結ばせるための集光レンズ、３は対象
物（空気）、４はストークス光を分光器５の入射
スリツトに入射させるためのラマン集光レンズ、
５は集光されたストークス光の中に含まれる背景
光や、散乱されたレーザ光など、ストークス光の
波長と異なる光をストークス光から分離するため
の分光器、６はストークス光を電気信号に変換す
るための光電子増倍管、７は光電子増倍管により
変換されたストークス光強度に比例した電気信号
を増幅する増幅器、８は対象物の圧力を電気信号
に変換する圧力ピツクアツプ、９は同ピツクアツ
プ８の増幅器、１０はストークス光強度と圧力か
ら温度に比例した出力をＡ―Ｄ変換し演算する演
算機、１１は記録計又は、表示装置である。前述したように基準状態でのストークス光強度
Io及びガス圧力Poを測定しておき、温度を測定し
たい状態でのストークス光強度Ｉ及びガス圧力Ｐ
を測定して演算機１０に入力され、上記第15式及
び第８式からガス温度Ｔが演算される。この方法では光の測定としては単一のストーク
ス光強度のみを測ればよいので、従来二系列必要
であつたストークス光強度測定系を一系列とし圧
力検出の系列を加えることによつて、従来法で不
可能であつた空気雰囲気中の約300〓ないし約
1000〓のガス温度が非接触で測れるようになつた
ため、熱交換器の境界層温度や内燃機関の圧縮温
度測定等に有効に適用することが可能である。The calculation of [Formula] theoretically changes ν and J up to ∞, but ν,
Where J is large, G(ν, J) in Equation 7
becomes very large, so that I(v, J) becomes almost zero. Therefore, for practical calculations, it is sufficient to calculate ν and J up to ν=5 and J=100, respectively. As an example, g when To=297〓 is shown in Figure 3.
The results of numerical calculation of (T)/g(To) are shown with temperature T plotted on the horizontal axis. FIG. 4 shows a schematic diagram of one embodiment of the method of the present invention. 1 is a laser, 2 is a condenser lens for focusing the laser beam on the point where you want to measure the temperature, 3 is an object (air), and 4 is a Raman lens for making the Stokes light enter the entrance slit of the spectrometer 5. Condenser lens,
5 is a spectrometer for separating from the Stokes light light with a wavelength different from that of the Stokes light, such as background light contained in the condensed Stokes light and scattered laser light; 6 is a spectrometer that converts the Stokes light into an electrical signal. 7 is an amplifier that amplifies the electrical signal proportional to the Stokes light intensity converted by the photomultiplier tube; 8 is a pressure pickup that converts the pressure of the object into an electrical signal; 9 is the same. A pickup 8 has an amplifier, 10 is an arithmetic unit that converts an output proportional to temperature from the Stokes light intensity and pressure into digital data and calculates it, and 11 is a recorder or display device. As mentioned above, the Stokes light intensity in the reference state
Measure Io and gas pressure Po, and Stokes light intensity I and gas pressure P in the state where you want to measure the temperature.
is measured and input into the calculator 10, and the gas temperature T is calculated from the above-mentioned equations 15 and 8. In this method, only a single Stokes light intensity measurement system is required for light measurement, so by adding a pressure detection system to one Stokes light intensity measurement system, which conventionally required two systems, the conventional method About 300〓 to about
Since it is now possible to measure gas temperatures of 1000㎓ without contact, it can be effectively applied to measurements of boundary layer temperatures in heat exchangers and compression temperatures in internal combustion engines.

[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来の方法による装置の概略図、第２
図は第１図の装置で得られたスペクトル強度のグ
ラフ、第３図は温度Toを既知とした時の温度Ｔ
と温度関数の比ｇ（Ｔ）／ｇ（To）の関係を示
すグラフ、第４図は本発明の方法を具現化した装
置の一実施例を示す概略図である。１…レンズ、２…集光レンズ、３…対象物、４
…ラマン光集光レンズ、５…分光器、６…光電子
増倍管、８…圧力ピツクアツプ、１０…演算機。 Figure 1 is a schematic diagram of the device according to the conventional method;
The figure is a graph of the spectral intensity obtained with the apparatus in Figure 1, and Figure 3 is the temperature T when the temperature To is known.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between g(T)/g(To) and the temperature function ratio, and FIG. 4 is a schematic diagram showing an embodiment of an apparatus embodying the method of the present invention. 1...Lens, 2...Condensing lens, 3...Object, 4
...Raman light condensing lens, 5...spectroscope, 6...photomultiplier tube, 8...pressure pickup, 10...computer.

Claims

[Claims]

1. Focus a laser beam on an arbitrary point where you want to measure the air gas temperature in an atmosphere where the pressure fluctuates, and use the known state temperature (To) as a reference to measure the amount of _N2 molecules in the air generated from the focal point. The Stokes light intensity Io and the gas pressure Po are detected in advance, and then the Stokes light intensity I and gas pressure P of _N2 molecules in the air are detected in the state to be measured, and the Stokes light intensity Io and gas pressure P are detected between the reference state and the state to be measured. A temperature measurement method characterized in that the temperature at the measurement point is measured from a light intensity ratio I/Io and a gas pressure ratio P/Po.