JPWO2016136844A1 - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、気体の温度、特に水蒸気を含む気体の温度を非接触で精度よく測定することが可能な技術を提供するものである。分光部１０は、水蒸気からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する。第１波長帯域と第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされている。かつ、第１波長帯域の中心波長と第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされている。温度算出部２０は、第１波長帯域での光強度と、第２波長帯域での光強度との比を用いて、水蒸気の温度を算出する構成となっている。
Description
本発明は、気体の温度、特に水蒸気を含む気体の温度を測定するための技術に関するものである。
水蒸気は、空気および多くの高温反応性ガスに含まれている。基本的に水蒸気は、それを含む気体と熱平衡である。このため、気体温度の測定としては、水蒸気をトラッキングして測ることができる。水蒸気に対する簡易な温度測定手段としては、接触型センサである熱電対が幅広く用いられている。しかしながら、熱電対は、接触型であるために、系を乱すという問題がある。また、熱電対は、比較的低温度から測定できるものの、熱電対材料の耐熱温度などの制約により、高温領域への対応は難しい。
一方で、非接触測定においては、レーザーを用いたLIF法やCARS法などがある。しかしながら、これらを実現するためのシステムは非常に高価であり、汎用性が低いという問題がある。
さらに、二酸化炭素の放射を利用した赤外放射測定による温度測定手法も存在する。しかしながら、この手法では、二酸化炭素を添加する必要が生じる。しかも、赤外領域で使用できるガラス、およびインジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)などのセンサは特殊であり、システムが高価になるという不都合がある。
また、黒体輻射を用いた二色法による高温測定も知られている（例えば下記特許文献１）。しかしながら、この方法では、黒体輻射を生じる固体が測定対象物に含まれる必要がある。このため、この二色法を水蒸気測定に利用するためには、例えば固体粒子を存在させる必要があり、利用環境が制約されてしまうという問題がある。
前記問題を解決するため、本発明者らが種々研究を重ねた結果、下記の知見を得た。
・燃焼や反応生成ガスに含まれる水蒸気は、他の主要な化学種と比較して、近赤外域において強い発光強度を持つ。すなわち、水蒸気からの発光は、他の主要な化学種の発光に対して、波長帯域におけるオーバーラップがほとんど無い。
・したがって、水蒸気の温度と、水蒸気から放射される近赤外光の強度との関係を用いて、水蒸気温度を精度よく測定することができる。
・燃焼や反応生成ガスに含まれる水蒸気は、他の主要な化学種と比較して、近赤外域において強い発光強度を持つ。すなわち、水蒸気からの発光は、他の主要な化学種の発光に対して、波長帯域におけるオーバーラップがほとんど無い。
・したがって、水蒸気の温度と、水蒸気から放射される近赤外光の強度との関係を用いて、水蒸気温度を精度よく測定することができる。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、本発明の主な目的は、気体の温度、特に水蒸気を含む気体の温度を非接触で精度よく測定することが可能な技術を提供することである。
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
（項目１）
分光部と、温度算出部とを備えており、前記分光部は、測定対象である気体に含まれる水蒸気からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっており、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされており、前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度との比を用いて、前記水蒸気の温度を算出する構成となっていることを特徴とする温度測定装置。
分光部と、温度算出部とを備えており、前記分光部は、測定対象である気体に含まれる水蒸気からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっており、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされており、前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度との比を用いて、前記水蒸気の温度を算出する構成となっていることを特徴とする温度測定装置。
（項目２）
前記近赤外領域の帯域とは、約７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長の帯域である項目１に記載の温度測定装置。
前記近赤外領域の帯域とは、約７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長の帯域である項目１に記載の温度測定装置。
（項目３）
前記第１波長帯域の中心波長は、約８１０〜８９０ｎｍの範囲内であり、前記第２波長帯域の中心波長は、約９００〜９５０ｎｍの範囲内である項目１又は２に記載の温度測定装置。
前記第１波長帯域の中心波長は、約８１０〜８９０ｎｍの範囲内であり、前記第２波長帯域の中心波長は、約９００〜９５０ｎｍの範囲内である項目１又は２に記載の温度測定装置。
（項目４）
前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、互いに重ならない帯域に設定されている項目１〜３のいずれか１項に記載の温度測定装置。
前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、互いに重ならない帯域に設定されている項目１〜３のいずれか１項に記載の温度測定装置。
（項目５）
前記分光部は、前記第１波長帯域における光強度と前記第２波長帯域における光強度とを、前記水蒸気からの放射光の二次元画像として取得する光強度取得部を備えている項目１〜４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
前記分光部は、前記第１波長帯域における光強度と前記第２波長帯域における光強度とを、前記水蒸気からの放射光の二次元画像として取得する光強度取得部を備えている項目１〜４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
（項目６）
前記分光部は、光学系を備えており、前記光学系は、前記測定対象中の一点における前記放射光を前記分光部に伝送する構成となっている項目１〜４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
前記分光部は、光学系を備えており、前記光学系は、前記測定対象中の一点における前記放射光を前記分光部に伝送する構成となっている項目１〜４のいずれか１項に記載の温度測定装置。
（項目７）
前記分光部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度とを取得するための光強度取得部をさらに備えている項目６に記載の温度測定装置。
前記分光部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度とを取得するための光強度取得部をさらに備えている項目６に記載の温度測定装置。
（項目８）
前記光強度取得部は、前記第１波長帯域での光強度を取得するための第１検出部と、前記第２波長帯域での光強度を取得するための第２検出部とを備えている項目７に記載の温度測定装置。
前記光強度取得部は、前記第１波長帯域での光強度を取得するための第１検出部と、前記第２波長帯域での光強度を取得するための第２検出部とを備えている項目７に記載の温度測定装置。
（項目９）
前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と前記第２波長帯域での光強度との比と、水蒸気温度との関係を示す較正曲線を用いて、前記水蒸気の温度を算出する構成となっている項目１〜８のいずれか１項に記載の温度測定装置。
前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と前記第２波長帯域での光強度との比と、水蒸気温度との関係を示す較正曲線を用いて、前記水蒸気の温度を算出する構成となっている項目１〜８のいずれか１項に記載の温度測定装置。
（項目１０）
分光部と、温度算出部とを備えており、前記分光部は、測定対象である気体からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっており、前記気体は、少なくとも近赤外領域において、環境中に通常存在する物質に比較して、加熱に伴う強い発光スペクトルを持っており、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされており、前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度との比を用いて、前記気体の温度を算出する構成となっていることを特徴とする気体温度測定装置。
分光部と、温度算出部とを備えており、前記分光部は、測定対象である気体からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっており、前記気体は、少なくとも近赤外領域において、環境中に通常存在する物質に比較して、加熱に伴う強い発光スペクトルを持っており、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされており、前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度との比を用いて、前記気体の温度を算出する構成となっていることを特徴とする気体温度測定装置。
（項目１１）
測定対象である気体に含まれる水蒸気からの放射光を用いて、第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度との比を求めるステップと、前記比を用いて、前記水蒸気の温度を算出するステップとを備えており、ここで、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされている温度測定方法。
測定対象である気体に含まれる水蒸気からの放射光を用いて、第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度との比を求めるステップと、前記比を用いて、前記水蒸気の温度を算出するステップとを備えており、ここで、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされている温度測定方法。
本発明によれば、気体温度を非接触で精度よく測定することが可能となる。
以下、本発明の第１実施形態に係る温度測定装置（以下単に「測定装置」と略称することがある）を、添付の図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態の構成）
本実施形態の測定装置は、分光部１０と、温度算出部２０とを備えている（図１参照）。さらに、この測定装置は、光学系３０を追加的要素として備えている。この測定装置は、水蒸気発生部４０で発生する水蒸気の温度を測定するためのものである。
本実施形態の測定装置は、分光部１０と、温度算出部２０とを備えている（図１参照）。さらに、この測定装置は、光学系３０を追加的要素として備えている。この測定装置は、水蒸気発生部４０で発生する水蒸気の温度を測定するためのものである。
（分光部）
分光部１０は、測定対象である水蒸気からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっている。
分光部１０は、測定対象である水蒸気からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっている。
本実施形態の分光部１０は、いわゆる分光器によって構成されている。本実施形態の分光部１０は、取得した光の強度を必要な帯域ごとに取得して、帯域ごとの光強度データを温度算出部２０に送ることができるようになっている。
ここで、本実施形態において用いる第１波長帯域と第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされている。第１波長帯域の中心波長と第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされている。
また、本実施形態において、近赤外領域の帯域とは、約７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長の帯域であり、より好ましくは、約７００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長の帯域である。
本実施形態における第１波長帯域の中心波長は、約８１０〜８９０ｎｍの範囲内であり、第２波長帯域の中心波長は、約９００〜９５０ｎｍの範囲内となっている。
また、本実施形態において、第１波長帯域と第２波長帯域とは、互いに重ならない帯域となっている。
分光部１０の詳しい動作については後述する。
（光学系）
光学系３０は、測定対象中の一点における放射光を分光部１０に伝送する構成となっている。より具体的には、本実施形態の光学系３０は、一組のレンズ３１と、光ファイバ３２とを備えている。
光学系３０は、測定対象中の一点における放射光を分光部１０に伝送する構成となっている。より具体的には、本実施形態の光学系３０は、一組のレンズ３１と、光ファイバ３２とを備えている。
レンズ３１は、水蒸気発生部４０で発生する炎５０の一点からの光を光ファイバ３２の受光部３２１に送るように構成されている。また、レンズ３１の被写界深度は、比較的に狭い値に設定されており、これによって、炎５０の奥行き方向における特定の位置の温度を測定できるようになっている。
光ファイバ３２は、レンズ３１から送られた光束を、分光部１０に伝送する構成となっている。ここで、本実施形態の光ファイバ３２としては、第１波長帯域及び第２波長帯域において優れた伝送特性を有するものを用いることが好ましい。
（温度算出部）
温度算出部２０は、第１波長帯域での光強度と、第２波長帯域での光強度との比を用いて、水蒸気の温度を算出する構成となっている。温度算出部２０は、これらの光強度データを、分光部１０から取得することができる。本例の温度算出部２０は、例えば、パーソナルコンピュータと必要なコンピュータプログラムとの組み合わせによって構成することができる。
温度算出部２０は、第１波長帯域での光強度と、第２波長帯域での光強度との比を用いて、水蒸気の温度を算出する構成となっている。温度算出部２０は、これらの光強度データを、分光部１０から取得することができる。本例の温度算出部２０は、例えば、パーソナルコンピュータと必要なコンピュータプログラムとの組み合わせによって構成することができる。
より具体的には、温度算出部２０は、第１波長帯域での光強度と第２波長帯域での光強度との比と、水蒸気温度との関係を示す較正曲線を用いて、水蒸気の温度を算出する構成となっている。図２は、光強度比と温度との関係を示す較正曲線の一例である。図示例の較正曲線は、例えば下記の一次関数で表すことができる。
ｙ＝f(x)=Ａｘ＋Ｂ
ここで、
ｙ：温度（Ｋ）
ｘ：光強度比
Ａ，Ｂ：係数
である。
ｙ：温度（Ｋ）
ｘ：光強度比
Ａ，Ｂ：係数
である。
図示例では、
Ａ＝２１５４
Ｂ＝１１４３
である。
Ａ＝２１５４
Ｂ＝１１４３
である。
なお、較正曲線を一次式で表すことは単なる一例であり、これに制約されるわけではない。温度算出部２０の詳しい動作についても後述する。
（水蒸気発生部）
水蒸気発生部４０は、バーナ４１を備えている。バーナ４１は、このバーナ４１に送り込まれたＨ２ガス４２、Ｎ２ガス４３及び空気４４の混合ガスを燃焼させることにより、炎５０を発生させるものである。本例で用いる原料ガスには水素が含まれているので、炎５０は、一般に、加熱された水蒸気を含んでいる。なお、Ｎ２ガスは、ここでは、燃焼温度の制御のために用いられている。また、水蒸気発生部４０は、ガス流路を開閉するためのバルブ４５、ガスの逆流を防ぐための逆止弁４６、流量を測定するためのフローメータ４７、ガス流量を調整するための調整弁４８を備えている。
水蒸気発生部４０は、バーナ４１を備えている。バーナ４１は、このバーナ４１に送り込まれたＨ２ガス４２、Ｎ２ガス４３及び空気４４の混合ガスを燃焼させることにより、炎５０を発生させるものである。本例で用いる原料ガスには水素が含まれているので、炎５０は、一般に、加熱された水蒸気を含んでいる。なお、Ｎ２ガスは、ここでは、燃焼温度の制御のために用いられている。また、水蒸気発生部４０は、ガス流路を開閉するためのバルブ４５、ガスの逆流を防ぐための逆止弁４６、流量を測定するためのフローメータ４７、ガス流量を調整するための調整弁４８を備えている。
（水蒸気温度の測定方法）
前記した第１実施形態の測定装置を用いて水蒸気の温度（すなわち気体の温度）を求める手順を、図３をさらに参照しながら説明する。
前記した第１実施形態の測定装置を用いて水蒸気の温度（すなわち気体の温度）を求める手順を、図３をさらに参照しながら説明する。
（図１のＳＡ−１）
まず、水蒸気発生部４０を動作させて、炎５０を発生させる。
まず、水蒸気発生部４０を動作させて、炎５０を発生させる。
一方、光学系３０のレンズ３１の焦点を炎５０の一点（例えばその表面上の一点）に合わせる。これにより、炎５０の一箇所からの発光を、レンズ３１を介して、光ファイバ３２に送ることができる。ここで、本例の炎５０は、水蒸気を含むので、炎５０からの発光は、水蒸気からの発光（放射光）を含んでいる。
光ファイバ３２は、炎５０からの発光を、分光部１０に送る。分光部１０では、第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを、分光によって取得する。この工程は、通常の分光器と同様に実施できるので、詳細についての説明は省略する。得られたそれぞれの光強度のデータは、温度算出部２０に送られる。
ここで、すでに説明したように、第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、かつ、第１波長帯域の中心波長と第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされている。
（図３のステップＳＡ−２）
ついで、温度算出部２０は、第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度との比を求める。なお、ここで、第１波長帯域の光の透過率と、第２波長帯域の光の透過率とに相違がある場合には、その相違を補償する補正係数を導入することもできる。比をＲ、第１波長帯域における光強度（輝度値）をＩ１、第２波長帯域における光強度をＩ２とすると、例えば下記式により比を求めることができる。
ついで、温度算出部２０は、第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度との比を求める。なお、ここで、第１波長帯域の光の透過率と、第２波長帯域の光の透過率とに相違がある場合には、その相違を補償する補正係数を導入することもできる。比をＲ、第１波長帯域における光強度（輝度値）をＩ１、第２波長帯域における光強度をＩ２とすると、例えば下記式により比を求めることができる。
Ｒ＝Ｋ・Ｉ１／Ｉ２
ここでＫは補正係数である。
ここでＫは補正係数である。
（図３のステップＳＡ−３）
ついで、温度算出部２０は、前記した比を用いて、水蒸気の温度を算出する。ここで、温度算出部２０は、前記した通り、図２に示す較正曲線を用いる。
ついで、温度算出部２０は、前記した比を用いて、水蒸気の温度を算出する。ここで、温度算出部２０は、前記した通り、図２に示す較正曲線を用いる。
これにより、本実施形態において、水蒸気の温度を非接触で測定することができる。接触型センサである熱電対を用いた場合には、熱電対の接触により系が乱れるという問題があった。これに対して、本実施形態では、非接触型なので、系を乱すことがなく、この点で測定精度を向上させることができるという利点がある。
また，熱電対で高温水蒸気を測定する場合は、接触型であるために熱電対が系を乱すことに加え、気体温度自体ではなく熱電対の温度が測定されるという問題もある。しかも、熱電対自体の耐熱温度などの条件が制約となって、測定温度に上限があった。これに対して、本実施形態では、非接触で取得した放射光に基づいて温度を測定するので、原理的には、水蒸気と熱平衡にある気体温度自体を測定可能であり、しかも、温度上限の制約はないという利点がある。
さらに、紫外光や赤外光を用いて温度測定を行う場合には、紫外光や赤外光を透過させ、かつ検出するための特別な装置が必要となり、装置コスト及び運用コストが大きくなるという問題がある。これに対して、本実施形態では、近赤外光を用いて温度測定が可能である。このため、用いる光学系や分光器や光検出器としては、可視光用のもの、あるいはそれに近い性能のものを用いることができ、装置コストや運用コストを低く抑えることが可能である。つまり、本実施形態によれば、安価なシステムを用いて精度のよい温度測定を行うことができる。
また、近赤外光の帯域では、水蒸気以外の物質による放射が少ない。このため、近赤外光を用いることにより、検出される光強度のＳ／Ｎ比を向上させることができ、この点でも、水蒸気温度の測定精度を向上させることができる。
さらに、黒体輻射を用いた二色法による高温測定の場合は、粒子のような固形物が必要であった。これに対して本実施形態では、固形物を必要としないので、利用環境への制約が少ないという利点もある。
また、波長が１１００ｎｍ以下の近赤外領域では、一般的な可視光用センサを用いて光強度を取得できるという利点もある。
（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態に係る温度測定装置を、図４を参照しながら説明する。なお、第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
つぎに、本発明の第２実施形態に係る温度測定装置を、図４を参照しながら説明する。なお、第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
第２実施形態では、第１実施形態の分光部１０に代えて、分光部２１０を用いている。この分光部２１０は、フィルタ部２１１と、光強度取得部２１２とを備えている。
フィルタ部２１１は、第１フィルタ２１１１と、第２フィルタ２１１２とを備えている。第１フィルタ２１１１は、炎５０からの放射光のうち、第１波長帯域における光を取り出すことができるようになっており、より具体的には、バンドパスフィルタにより構成されている。同様に、第２フィルタ２１１２は、炎５０からの放射光のうち、第２波長帯域における光を取り出すことができるようになっており、より具体的には、バンドパスフィルタにより構成されている。
第１フィルタ２１１１及び第２フィルタ２１１２と炎５０との間には、それぞれ、レンズ３１が配置されている。ただし、このような配置は単なる一例であり、必要な帯域での光強度を取得できる構成であれば、種々のものを採用できる。
第２実施形態の光強度取得部２１２は、第１検出部２１２１と、第２検出部２１２２とを備えている。第１検出部２１２１は、第１フィルタ２１１１を通過した、第１波長帯域における光の強度を検出するようになっている。同様に、第２検出部２１２２は、第２フィルタ２１１２を通過した、第２波長帯域における光の強度を検出するようになっている。これらの検出部としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。ただし、必要な光強度を検出することができれば、他の構成を用いることもできる。光強度取得部２１２で取得された光強度の情報は、第１実施形態の場合と同様に、帯域ごとに温度算出部２０に送られる。
また、図４の例では、光ファイバ３２に代えて、イメージダブラー３３を介して、光を光強度取得部２１２に送っている。
第２実施形態における他の構成及び利点は、第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
（第３実施形態）
つぎに、本発明の第３実施形態に係る温度測定装置を、図５を参照しながら説明する。なお、第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
つぎに、本発明の第３実施形態に係る温度測定装置を、図５を参照しながら説明する。なお、第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
第３実施形態では、第１実施形態の分光部１０に代えて、分光部３１０を用いている。この分光部３１０は、フィルタ部３１１と、光強度取得部３１２とを備えている。
フィルタ部３１１は、第１フィルタ３１１１と、第２フィルタ３１１２とを備えている。第１フィルタ３１１１は、炎５０からの放射光のうち、第１波長帯域における光を取り出すことができるようになっており、より具体的には、バンドパスフィルタにより構成されている。同様に、第２フィルタ３１１２は、炎５０からの放射光のうち、第２波長帯域における光を取り出すことができるようになっており、より具体的には、バンドパスフィルタにより構成されている。
ただし、第３実施形態では、第１フィルタ３１１１及び第２フィルタ３１１２と炎５０との間には、レンズは配置されていない。
第３実施形態の光強度取得部３１２は、第１波長帯域における光強度と第２波長帯域における光強度とを、水蒸気からの放射光の二次元画像として取得する構成となっている。光強度取得部３１２は、各画素における輝度情報を、光強度情報として、温度算出部２０に送るようになっている。光強度取得部３１２としては、例えば近赤外領域の光で撮像可能なカメラを用いることができる。
図５の例では、光ファイバ３２に代えて、イメージダブラー３３を介して、二つの波長帯域の光を隣接させて、一枚の画像として光強度取得部３１２に送っている。ただし、光学系としては、二つの波長帯域の光に対応するそれぞれの画像を生成できればよく、それ以上に特段の制約はない。
第３実施形態では、二つの帯域に対応する二つの二次元画像（この例では、一枚の画像における異なる画像上位置での画像）における、実空間中での同一位置での輝度を、前記した輝度値Ｉ１及びＩ２として用いることができる。このため、本実施形態では、平面内の任意位置における温度測定を行うことができるという利点がある。あるいは、本実施形態では、二次元平面内での温度分布を求めることもできる。
第３実施形態における他の構成及び利点は、第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
（実施例１）
第１フィルタ及び第２フィルタとして、下記の構成のものを用いて、較正曲線を作成した。
第１フィルタ及び第２フィルタとして、下記の構成のものを用いて、較正曲線を作成した。
第１フィルタ
中心波長：８５０ｎｍ、半値幅：５０ｎｍ
第２フィルタ
中心波長：９２５ｎｍ、半値幅：２５ｎｍ
中心波長：８５０ｎｍ、半値幅：５０ｎｍ
第２フィルタ
中心波長：９２５ｎｍ、半値幅：２５ｎｍ
火炎はＨ２と空気の予混合ガスにより発生させた。火炎条件は以下の通りである。
Ｈ２ガス：２９stdL/min
空気：４６stdL/min
当量比：１．６
燃焼温度：１９６２Ｋ（バーナの１５ｍｍ下流での値）
Ｈ２ガス：２９stdL/min
空気：４６stdL/min
当量比：１．６
燃焼温度：１９６２Ｋ（バーナの１５ｍｍ下流での値）
なお、較正曲線作成時の温度測定は、火炎中に配置されたＳｉＣフィラメントの黒体輻射を用いた。
第３実施形態の構成を用いて、温度測定を行った。結果は、すでに他の方法で実証されている温度分布にほぼ一致した。
（実施例２）
実施例１に対して、火炎条件は以下の通りに変更した。
Ｈ２ガス：５．０stdL/min
空気：３４stdL/min
当量比：０．４
燃焼温度：１７９７Ｋ（バーナの１５ｍｍ下流での値）
実施例１に対して、火炎条件は以下の通りに変更した。
Ｈ２ガス：５．０stdL/min
空気：３４stdL/min
当量比：０．４
燃焼温度：１７９７Ｋ（バーナの１５ｍｍ下流での値）
他の条件は実施例１と同様にした。実施例２においても、測定結果は、すでに他の方法で実証されている温度分布にほぼ一致した。
（第４実施形態）
つぎに、本発明の第４実施形態に係る温度測定装置を、図６及び図７を参照しながら説明する。なお、第４実施形態の説明においては、前記した第１実施形態及び第３実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
つぎに、本発明の第４実施形態に係る温度測定装置を、図６及び図７を参照しながら説明する。なお、第４実施形態の説明においては、前記した第１実施形態及び第３実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
第４実施形態では、第３実施形態のイメージダブラー３３に代えて、イメージダブラー４３３を用いている（図６参照）。イメージダブラー４３３は、炎５０からの放射光を案内するためのミラー４３３１〜４３３８を備えている（図７参照）。これらのミラーのうち、ミラー４３３１〜４３３４が、一方の（第１波長帯域の光のための）光路５１を構成し、ミラー４３３５〜４３３８が、他方の（第２波長帯域の光のための）光路５２を構成するようになっている。ここで、本実施形態では、両方の帯域に対応する光路の長さが実質的に等しくされている。ここで実質的にとは、実際に支障のない程度の差異あるいは誤差を許容する意味である。また、ミラーの構成はあくまで一例であり、要するに、測定に適する光路を構成できればよい。
また、第４実施形態では、第３実施形態のフィルタ部３１１に代えて、フィルタ部（分光部の一例に対応）４１１が用いられている（図７参照）。フィルタ部４１１は、第１フィルタ４１１１と第２フィルタ４１１２とを備えている。これらのフィルタは、イメージダブラー４３３の内部に配置されている。また、第１フィルタ４１１１は、第１波長帯域の光のための光路上に配置されており、第２フィルタ４１１２は、第２波長帯域の光のための光路上に配置されている。これらのフィルタの位置は、イメージダブラー４３３の内部である必要はなく、その前後の位置であってもよい。要するに、各フィルタは、対応する光路上に配置されていればよい。なお、この例では、第２フィルタ４１１２に隣接して、各フィルタの透過特性を整合させるためのＮＤフィルタ４１１３が配置されているが、このＮＤフィルタの設置を省略すること、あるいはその設置位置を変更することは可能である。
第４実施形態の装置によれば、水蒸気（発光源）から光強度取得部３１２までの光路長を、第１波長帯域の光と第２波長帯域の光との間で等しくすることができる。光路長が両者で異なる場合は、外乱の影響や光の減衰量が、帯域間で異なる可能性があり、精度劣化の可能性がある。これに対して、第４実施形態では、光路の長さを等しくしたため、温度測定精度の向上を図ることができるという利点がある。
第４実施形態における他の構成及び利点は、第３実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
（第５実施形態）
つぎに、本発明の第５実施形態に係る温度測定装置を、図８を参照しながら説明する。なお、第５実施形態の説明においては、前記した第１実施形態及び第３実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
つぎに、本発明の第５実施形態に係る温度測定装置を、図８を参照しながら説明する。なお、第５実施形態の説明においては、前記した第１実施形態及び第３実施形態と基本的に共通する要素においては、同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
第５実施形態では、第３実施形態のイメージダブラー３３を省略した。さらに、一つの光強度取得部３１２に代えて、二つの光強度取得部３１２ａ及び３２１ｂを用いた。この例では、第１フィルタ３１１１を通過する光路５１は、光強度取得部３１２ａに入射し、第２フィルタ３１１２を通過する光路５２は、光強度取得部３１２ｂに入射するようになっている。すなわち、この実施形態では、各帯域に対応する画像をそれぞれ生成し、それぞれの画像から、前記した輝度値Ｉ１及びＩ２を取得して、温度測定を行うことができる。ここで、各画像における画像上座標と、実空間上の座標との対応関係は、キャリブレーションなどの適宜な方法により取得されており、画像上の任意の位置における温度を算出することにより、その画像に表れた実空間上の任意の位置における温度を測定することができる。
第５実施形態の装置においても、水蒸気から光強度取得部３１２ａ及び３１２ｂまでの光路長を、第１波長帯域の光と第２波長帯域の光との間で等しくすることができるという利点がある。
第５実施形態における他の構成及び利点は、第３実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
なお、本発明の内容は、前記各実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
例えば、温度測定に用いる近赤外光の波長帯域としては、前記に限らず、他の帯域も利用可能である。
また、前記では、燃焼系を前提として説明したが、燃焼に限らず、他の反応系に存在する水蒸気温度の測定も可能である。
さらに、分光部としては、例えばプリズムのように、前記以外の他の適宜な分光手段を用いることができる。
また、分光部における光強度の取得手段としては、一つのカメラで二つの帯域での光強度を取得する方法、それぞれのカメラで各帯域での光強度を取得する方法など、種々の構成を使用可能である。
また、前記分光部は、光強度増幅部、例えばイメージ・インテンシファイアや、光電子増倍管を備えることができる。このようにすると、水蒸気からの放射光が微弱な場合、水蒸気濃度が低い場合、水蒸気が低温の場合、あるいは高速度での計測の場合でも、放射光を増幅して、必要な帯域での光強度を、高いＳ／Ｎ比で取得することができる。
さらに、前記した各実施形態では、水蒸気の温度測定を対象として説明したが、水蒸気に代えて、近赤外領域における強い発光スペクトルを持つ気体を用いることができる。通常の環境中では、近赤外領域で強い発光スペクトルを有する物質は水蒸気のみなので、このような気体を用いることにより、水蒸気が希薄な環境下での温度測定が可能になる。
また、前記した各構成要素、例えば温度算出部は、機能ブロックとして存在していればよく、独立したハードウエアとして存在しなくても良い。また、実装方法としては、ハードウエアを用いてもコンピュータソフトウエアを用いても良い。さらに、本発明における一つの機能要素が複数の機能要素の集合によって実現されても良く、本発明における複数の機能要素が一つの機能要素により実現されても良い。
さらに、機能要素は、物理的に離間した位置に配置されていてもよい。この場合、機能要素どうしがネットワークにより接続されていても良い。グリッドコンピューティング又はクラウドコンピューティングにより機能を実現し、あるいは機能要素を構成することも可能である。
１０・２１０・３１０ 分光部
２１１・３１１・４１１ フィルタ部
２１１１・３１１１・４１１１ 第１フィルタ
２１１２・３１１２・４１１２ 第２フィルタ
２１２・３１２ 光強度取得部
２１２１ 第１検出部
２１２２ 第２検出部
２０ 温度算出部
３０ 光学系
３１ レンズ
３２ 光ファイバ
３２１ 受光部
３３・４３３ イメージダブラー
４３３１〜４３３８ ミラー
４０ 水蒸気発生部
４１ バーナ
４２ Ｈ２ガス
４３ Ｎ２ガス
４４ 空気
４５ バルブ
４６ 逆止弁
４７ フローメータ
４８ 調整弁
５０ 炎
５１ 第１波長帯域の光路
５２ 第２波長帯域の光路
２１１・３１１・４１１ フィルタ部
２１１１・３１１１・４１１１ 第１フィルタ
２１１２・３１１２・４１１２ 第２フィルタ
２１２・３１２ 光強度取得部
２１２１ 第１検出部
２１２２ 第２検出部
２０ 温度算出部
３０ 光学系
３１ レンズ
３２ 光ファイバ
３２１ 受光部
３３・４３３ イメージダブラー
４３３１〜４３３８ ミラー
４０ 水蒸気発生部
４１ バーナ
４２ Ｈ２ガス
４３ Ｎ２ガス
４４ 空気
４５ バルブ
４６ 逆止弁
４７ フローメータ
４８ 調整弁
５０ 炎
５１ 第１波長帯域の光路
５２ 第２波長帯域の光路
Claims (11)
- 分光部と、温度算出部とを備えており、
前記分光部は、測定対象である気体に含まれる水蒸気からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっており、
前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、
かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされており、
前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度との比を用いて、前記水蒸気の温度を算出する構成となっている
ことを特徴とする温度測定装置。 - 前記近赤外領域の帯域とは、約７００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長の帯域である
請求項１に記載の温度測定装置。 - 前記第１波長帯域の中心波長は、約８１０〜８９０ｎｍの範囲内であり、前記第２波長帯域の中心波長は、約９００〜９５０ｎｍの範囲内である
請求項１又は２に記載の温度測定装置。 - 前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、互いに重ならない帯域に設定されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度測定装置。 - 前記分光部は、前記第１波長帯域における光強度と前記第２波長帯域における光強度とを、前記水蒸気からの放射光の二次元画像として取得する光強度取得部を備えている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度測定装置。 - 前記分光部は、光学系を備えており、
前記光学系は、前記測定対象中の一点における前記放射光を前記分光部に伝送する構成となっている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の温度測定装置。 - 前記分光部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度とを取得するための光強度取得部をさらに備えている
請求項６に記載の温度測定装置。 - 前記光強度取得部は、前記第１波長帯域での光強度を取得するための第１検出部と、前記第２波長帯域での光強度を取得するための第２検出部とを備えている
請求項７に記載の温度測定装置。 - 前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と前記第２波長帯域での光強度との比と、水蒸気温度との関係を示す較正曲線を用いて、前記水蒸気の温度を算出する構成となっている
請求項１〜８のいずれか１項に記載の温度測定装置。 - 分光部と、温度算出部とを備えており、
前記分光部は、測定対象である気体からの放射光から、少なくとも第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度とを取得する構成となっており、
前記気体は、少なくとも近赤外領域において、環境中に通常存在する物質に比較して、加熱に伴う強い発光スペクトルを持っており、
前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、
かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされており、
前記温度算出部は、前記第１波長帯域での光強度と、前記第２波長帯域での光強度との比を用いて、前記気体の温度を算出する構成となっている
ことを特徴とする気体温度測定装置。 - 測定対象である気体に含まれる水蒸気からの放射光を用いて、第１波長帯域における光強度と、第２波長帯域における光強度との比を求めるステップと、
前記比を用いて、前記水蒸気の温度を算出するステップと
を備えており、
ここで、前記第１波長帯域と前記第２波長帯域とは、いずれも近赤外領域の帯域とされており、
かつ、前記第１波長帯域の中心波長と前記第２波長帯域の中心波長とは、互いに異なった値とされている
温度測定方法。
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