JP2009002811A - Temperature measuring instrument and temperature measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
測定場の温度をレーザ照射によってトレーサ物質が発する蛍光に基づいて非接触にて精度良く測定する装置、方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and a method for accurately measuring the temperature of a measurement field in a non-contact manner based on fluorescence emitted from a tracer substance by laser irradiation.
気体や液体等の流体の温度を測定する方法としては、熱電対を用いる方法が最も一般的であり、広く行われている。しかし、熱電対を用いた温度測定方法では、被検流体に熱電対を接触させなければならず、測定場内に配置を大幅に乱すため、正確な温度分布計測は困難である。また、１個の熱電対は１点又はその近傍に於ける温度計測を行うに過ぎず、例えば２次元温度分布を瞬時に計測するためには、多数の熱電対を挿入する必要があってさらに測定場を乱すこととなり、測定点が離散的である点でも正確な温度分布計測が難しい。 As a method of measuring the temperature of a fluid such as gas or liquid, a method using a thermocouple is the most common and widely used. However, in the temperature measurement method using a thermocouple, the thermocouple must be brought into contact with the fluid to be tested, and the arrangement in the measurement field is greatly disturbed, so that accurate temperature distribution measurement is difficult. One thermocouple only measures temperature at or near one point. For example, in order to instantaneously measure a two-dimensional temperature distribution, it is necessary to insert a large number of thermocouples. The measurement field is disturbed, and accurate temperature distribution measurement is difficult even when the measurement points are discrete.
上記熱電対と異なり、非接触にて被検流体の温度を測定する方法として、光学的な測定法が採用されている。その簡便な方法として、下記非特許文献１等において、赤外吸収・放射法を用いた手法が示されている。しかし、これらの計測値に吸収・放射光の光軸上の全ての情報が含まれるため、例えば光軸上の任意の断面、特に二次元以上の断面における温度分布を得るなどの処理が難しい。また、下記非特許文献２等には、ＣＡＲＳ（コヒーレントアンティストークス分光法）やラマン分光法を利用した温度計測についての報告もあるが、この計測についても、例えば瞬時に二次元領域についての温度分布を得るなどの処理は難しい。 Unlike the thermocouple described above, an optical measurement method is employed as a method for measuring the temperature of the fluid under test in a non-contact manner. As a simple method, a technique using an infrared absorption / radiation method is shown in the following Non-Patent Document 1 or the like. However, since all the information on the optical axis of the absorbed / radiated light is included in these measured values, it is difficult to perform processing such as obtaining a temperature distribution in an arbitrary cross section on the optical axis, particularly a cross section of two or more dimensions. Non-Patent Document 2 below also reports on temperature measurement using CARS (Coherent Anti-Stokes Spectroscopy) or Raman spectroscopy. For example, the temperature distribution in a two-dimensional region is instantaneous. Processing such as obtaining
非特許文献３等には、２次元の温度分布についてもこれを迅速に測定する有力な方法として、レーザ誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence：ＬＩＦ法）が示されている。このＬＩＦ法では、異なった２つの波長のレーザ光を、ＯＨ等、燃焼で生成されるラジカルに照射して得られる２次元の蛍光像を、２つのレーザ光のそれぞれについて計測する。そして、その蛍光像の強度の比と分子またはラジカルのボルツマン分布から、温度の２次元分布を測定することが示されている。 Non-Patent Document 3 and the like show a laser-induced fluorescence (LIF method) as an effective method for quickly measuring a two-dimensional temperature distribution. In this LIF method, two-dimensional fluorescence images obtained by irradiating laser light of two different wavelengths to radicals generated by combustion, such as OH, are measured for each of the two laser lights. Then, it is shown that a two-dimensional temperature distribution is measured from the ratio of the intensity of the fluorescence image and the Boltzmann distribution of molecules or radicals.
なお、非特許文献４には、ＬＩＦ法を用いた蛍光強度が温度による依存性を持ち、それがレーザの励起波長によって異なることを利用し、強度比から温度を決定する手法が報告されている。 Non-Patent Document 4 reports a method for determining the temperature from the intensity ratio by utilizing the fact that the fluorescence intensity using the LIF method has a temperature dependence and varies depending on the excitation wavelength of the laser. .
また、特許文献１には、ガス温度を測定する場合に、測定場にレーザ光を照射して蛍光を発生させており、温度測定のためのトレーサ物質として、上記非特許文献３と同様にＯＨを用いることが開示されている。 Further, in Patent Document 1, when measuring the gas temperature, the measurement field is irradiated with laser light to generate fluorescence. As a tracer substance for temperature measurement, OH is used as in Non-Patent Document 3 above. Is disclosed.
さらに、特許文献２および３にも、ＬＩＦ法を用いた温度測定方法が示されており、これらの文献では、火炎などの温度を測定する場合に、火炎中のＮＯをトレーサ物質として利用し、レーザ光照射によってこのＮＯ分子が発する蛍光に基づいて火炎における温度測定を実行することが開示されている。 Furthermore, Patent Documents 2 and 3 also show temperature measurement methods using the LIF method. In these documents, when measuring the temperature of a flame or the like, NO in the flame is used as a tracer substance, It is disclosed that temperature measurement in a flame is performed based on the fluorescence emitted from the NO molecules by laser light irradiation.
上記非特許文献３や、特許文献１などに開示されたＬＩＦ法では、トレーサ物質としてＯＨ等のラジカルを利用しており、例えば燃焼場の温度測定など、ラジカルが存在する環境でなければ測定ができない。 In the LIF methods disclosed in Non-Patent Document 3 and Patent Document 1 and the like, radicals such as OH are used as a tracer substance. For example, measurement is not performed in an environment where radicals are present, such as temperature measurement of a combustion field. Can not.
また、非特許文献４に記載された方法では、トレーサ物質として３−ペンタノン（3-Pentanone）などの炭化水素系の蛍光剤を用いている。したがって、例えばエンジン筒内等の燃焼環境における温度計測にこの方法を採用する場合、炭化水素系の蛍光剤が燃焼によってＨ2Ｏ，ＣＯ2等に変化し、蛍光剤そのものが消失してしまう。このため、燃焼前の温度は測定することができるが、燃焼後の温度は計測できない。また、ＬＩＦ法において、無機材料からなる粒子状のトレーサ物質を用いた流体の流れ計測と温度計測を実行することが特許文献４に開示されているが、トレーサ物質が粒子状であるため、計測用の窓を汚す可能性や、燃焼のような化学反応を伴う場において、トレーサ粒子が消失する可能性などがあり、やはり燃焼環境などにおける温度測定には適していない。 In the method described in Non-Patent Document 4, a hydrocarbon-based fluorescent agent such as 3-pentanone is used as a tracer substance. Therefore, for example, when this method is employed for temperature measurement in a combustion environment such as in an engine cylinder, the hydrocarbon-based fluorescent agent is changed to H 2 O, CO 2 or the like by combustion, and the fluorescent agent itself disappears. For this reason, the temperature before combustion can be measured, but the temperature after combustion cannot be measured. Moreover, in the LIF method, it is disclosed in Patent Document 4 that fluid flow measurement and temperature measurement are performed using a particulate tracer substance made of an inorganic material. However, since the tracer substance is particulate, measurement is performed. There is a possibility that the tracer particles may disappear in a place with a chemical reaction such as combustion, which may contaminate the window for use in the combustion, and is not suitable for temperature measurement in a combustion environment.
特許文献２及び３に開示されたＮＯ分子をトレーサ物質として用いたＬＩＦ法では、レーザ照射によって得られるＮＯ分子の蛍光強度が低い。また、レーザ光源を波長チューニングし、かつ蛍光の波長スキャンを実行する必要がある。よって、燃焼環境の測定場に用いることはできるが、瞬時の高精度計測をすることが難しい。 In the LIF method using NO molecules disclosed in Patent Documents 2 and 3 as a tracer substance, the fluorescence intensity of NO molecules obtained by laser irradiation is low. In addition, it is necessary to tune the wavelength of the laser light source and perform a wavelength scan of fluorescence. Therefore, although it can be used for a measurement site of a combustion environment, it is difficult to perform instantaneous high-precision measurement.
本発明は、燃焼環境などの測定場などにおいても、高精度かつ高速度での温度測定を実現する。 The present invention realizes high-precision and high-speed temperature measurement even in a measurement field such as a combustion environment.
本発明は、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測装置であり、前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生するレーザ光源と、順次発生する前記複数の異なる励起波長のレーザ光を前記レーザ光源から順次前記測定場の同一箇所に導いて照射するため光学機構部と、前記レーザ光の照射によって得られた蛍光を撮影する撮影部と、前記撮影部からの撮影結果から各励起波長に対応する蛍光強度の強度比を求め、前記強度比に基づいて前記測定場の温度を算出する温度算出部と、を備える。 The present invention irradiates a measurement field in which a tracer substance exists with a plurality of laser beams having different excitation wavelengths, and measures the temperature of the measurement field based on the fluorescence intensity of the fluorescence emitted from the tracer substance by the laser light irradiation. A laser light source that generates laser light having wavelengths different from each other in temperature dependence of the fluorescence intensity of the sulfur oxide, as the plurality of different excitation wavelengths, using a sulfur oxide as the tracer substance. An optical mechanism for sequentially irradiating and irradiating a plurality of laser beams having different excitation wavelengths that are sequentially generated from the laser light source to the same location of the measurement field, and an imaging unit for photographing fluorescence obtained by the irradiation of the laser light And calculating the intensity ratio of the fluorescence intensity corresponding to each excitation wavelength from the imaging result from the imaging unit, and calculating the temperature of the measurement field based on the intensity ratio. Comprising a calculation unit, a.
本発明の他の態様では、上記装置において、前記撮影部は、前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、前記温度算出部にて前記蛍光強度から得た強度比に基づいて前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を測定する。 In another aspect of the present invention, in the apparatus, the imaging unit observes the fluorescence intensity along an optical path of the laser beam irradiated on the measurement field, and the temperature calculation unit calculates the fluorescence intensity from the fluorescence intensity. Based on the obtained intensity ratio, the temperature of the measurement field in the optical path direction of the laser beam is measured.
本発明の他の態様では、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長を用い、前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する。 In another aspect of the present invention, the measurement field in which the tracer substance is present is irradiated with a plurality of laser beams having different excitation wavelengths, and the measurement field is based on the fluorescence intensity of the fluorescence emitted by the tracer substance by the laser light irradiation. A temperature measurement method for measuring the temperature of the sulfur oxide as the tracer material, and the plurality of different excitation wavelengths using wavelengths having different temperature dependence of fluorescence intensity of the sulfur oxide, Laser beams of different excitation wavelengths are sequentially irradiated onto the measurement field, an intensity ratio is obtained from the fluorescence intensity obtained corresponding to each excitation wavelength, and the temperature of the measurement field is measured based on the intensity ratio.
本発明の他の態様では、上記装置または方法において、前記測定場は、燃焼室内である。 In another aspect of the present invention, in the above apparatus or method, the measurement field is in a combustion chamber.
本発明の他の態様では、上記装置または方法において、前記トレーサ物質は、ＳＯ2であり、前記複数の励起波長は波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲である。 In another aspect of the present invention, in the above apparatus or method, the tracer substance is SO 2 , and the plurality of excitation wavelengths are in a wavelength range of 190 nm to 400 nm.
また、本発明の他の態様では、上記複数の励起波長として、例えば、それぞれ２４８ｎｍ、３０８ｎｍを採用することができる。 In another aspect of the present invention, for example, 248 nm and 308 nm can be employed as the plurality of excitation wavelengths, respectively.
本発明の他の態様では、上記方法において、前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を計測する。 In another aspect of the present invention, in the above method, the fluorescence intensity is observed along the optical path of the laser beam irradiated on the measurement field, and the temperature of the measurement field in the optical path direction of the laser beam is measured. .
本発明の他の態様では、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、前記測定場は、燃焼室であり、前記トレーサ物質として、前記燃焼室内における燃焼反応の前後において化学組成の変化しない不燃性ガスを用い、前記複数の異なる励起波長としては、前記トレーサ物質の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる１９０ｎｍから４００ｎｍの範囲の波長を用い、前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する。 In another aspect of the present invention, the measurement field in which the tracer substance is present is irradiated with a plurality of laser beams having different excitation wavelengths, and the measurement field is based on the fluorescence intensity of the fluorescence emitted by the tracer substance by the laser light irradiation. The measurement field is a combustion chamber, and the tracer material is an incombustible gas that does not change in chemical composition before and after the combustion reaction in the combustion chamber, and the plurality of different As the excitation wavelength, a wavelength in the range of 190 nm to 400 nm, which is different in temperature dependence of the fluorescence intensity of the tracer substance, is used, and the measurement field is sequentially irradiated with the laser beams of the plurality of different excitation wavelengths. The intensity ratio is obtained from the fluorescence intensity obtained corresponding to the above, and the temperature of the measurement field is measured based on the intensity ratio.
レーザ光を照射による非接触の温度計測に際し、トレーサ物質として用いる硫黄酸化物は、測定場が燃焼環境である場合においても、その燃焼前、燃焼後のいずれにおいても、化学的に安定な物質である。このため、燃焼前後でトレーサ物質を変更することによる光源や光学機構部などの変更を行うことなくレーザ光照射で硫黄酸化物から得られる蛍光から温度計測を実行することができる。 In non-contact temperature measurement by irradiation with laser light, sulfur oxide used as a tracer substance is a chemically stable substance both in the combustion environment and before and after combustion. is there. For this reason, it is possible to perform temperature measurement from fluorescence obtained from sulfur oxide by laser light irradiation without changing the light source, the optical mechanism, and the like by changing the tracer substance before and after combustion.
この硫黄酸化物は、蛍光強度の温度依存性が励起波長によって変化する特性を備えており、特にその依存性の波長による変化が大きい。このため、励起波長に対応する蛍光強度の大きな強度比を得ることができ、非常に高精度な温度計測をすることができる。 This sulfur oxide has a characteristic that the temperature dependence of the fluorescence intensity varies depending on the excitation wavelength, and the dependence of the dependence on the wavelength is particularly large. For this reason, it is possible to obtain a large intensity ratio of fluorescence intensity corresponding to the excitation wavelength, and it is possible to perform temperature measurement with very high accuracy.
また、硫黄酸化物は、広い（ブロードな）吸収波長域を持ち、レーザ光源の波長チューニングなどを実行することなく効率的に蛍光を得ることができる。このため、高い蛍光強度を容易に得ることができ、温度計測を高精度に実行することができる。 In addition, sulfur oxide has a wide (broad) absorption wavelength range, and can efficiently obtain fluorescence without executing wavelength tuning of the laser light source. For this reason, high fluorescence intensity can be obtained easily and temperature measurement can be performed with high accuracy.
さらに、得られる蛍光の強度が高く、フィルタによって蛍光波長域を任意に決めることができる。このため、レーザ光を照射して得られた蛍光から直ちに温度を計測することができ、例えばエンジン筒内などのように変化の速い測定場においても、瞬時の温度測定を実行することができる。 Furthermore, the intensity of fluorescence obtained is high, and the fluorescence wavelength range can be arbitrarily determined by a filter. For this reason, the temperature can be measured immediately from the fluorescence obtained by irradiating the laser beam, and instantaneous temperature measurement can be performed even in a measurement field where the change is fast, such as in an engine cylinder.
蛍光強度を測定場に照射されたレーザ光の光路に沿って観察すれば、その強度比に基づいてレーザ光の光路方向における測定場の温度分布を得ることができる。例えば照射するレーザ光をシート状とすれば、このレーザ光が照射される２次元領域における温度分布を得ることができ、さらに、このシート状のレーザ光をそのレーザ光路方向に直交する方向にスキャンすれば３次元温度分布を得ることも可能となる。 If the fluorescence intensity is observed along the optical path of the laser light irradiated to the measurement field, the temperature distribution of the measurement field in the optical path direction of the laser light can be obtained based on the intensity ratio. For example, if the laser beam to be irradiated is in the form of a sheet, the temperature distribution in the two-dimensional region irradiated with this laser beam can be obtained, and the sheet-shaped laser beam is scanned in a direction perpendicular to the laser beam path direction. Then, it is possible to obtain a three-dimensional temperature distribution.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。 Embodiments (hereinafter, embodiments) of the present invention will be described below with reference to the drawings.
［温度計測概要］
本実施形態に係る温度計測装置は、トレーサ物質を存在させた測定場に対し複数の異なる励起波長のレーザ光を照射し、トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度の比に基づき測定場の温度を計測する。トレーサ物質としては、燃焼環境の前後において化学的に安定であって、得られる蛍光強度が高く、かつその温度依存性及び波長依存性が高い硫黄酸化物を採用する。
[Temperature measurement overview]
The temperature measuring apparatus according to the present embodiment irradiates a measurement field in which a tracer substance is present with a plurality of laser beams having different excitation wavelengths, and measures the temperature of the measurement field based on the ratio of the fluorescence intensity of fluorescence emitted by the tracer substance. To do. As the tracer substance, a sulfur oxide that is chemically stable before and after the combustion environment, has high fluorescence intensity, and has high temperature dependency and wavelength dependency is employed.
図１は、この温度計測装置１００の概略構成の一例を示しており、装置１００は、レーザ光源２０、光学機構部３０、撮影部４０、温度算出部５０および各部の動作を制御する制御部６０を備え、測定場７０内のトレーサ物質がレーザ光照射によって発する蛍光強度に基づいて測定場７０の温度を測定する。 FIG. 1 shows an example of a schematic configuration of the temperature measuring apparatus 100. The apparatus 100 includes a laser light source 20, an optical mechanism unit 30, an imaging unit 40, a temperature calculating unit 50, and a control unit 60 that controls the operation of each unit. And the temperature of the measurement field 70 is measured based on the intensity of fluorescence emitted by the tracer substance in the measurement field 70 by laser light irradiation.
レーザ光源２０は、複数の異なる励起波長として、トレーサ物質である硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生する。この励起波長としては、波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で選択でき、例えば、２４８ｎｍ付近と、３０８ｎｍを採用することができる。もちろん、この２つには限られず、例えば２６６ｎｍと、３０８ｎｍの組み合わせ、２４８ｎｍと２６６ｎｍとの組み合わせ、或いは用いるレーザ光源に応じて他の波長を採用することもできる。 The laser light source 20 generates laser beams having wavelengths having different temperature dependencies of fluorescence intensity of sulfur oxide as a tracer substance as a plurality of different excitation wavelengths. The excitation wavelength can be selected within a wavelength range of 190 nm to 400 nm, and for example, around 248 nm and 308 nm can be adopted. Of course, it is not limited to these two, and for example, a combination of 266 nm and 308 nm, a combination of 248 nm and 266 nm, or other wavelengths can be adopted depending on the laser light source to be used.
図１の例では、光源２０として、それぞれ所望の励起波長のレーザ光を発生する第１レーザ光源２１０，第２レーザ光源２２０を採用し、励起波長Ｌ１，Ｌ２として、２４８ｎｍ付近と、３０８ｎｍを採用している。励起波長Ｌ１として２４８ｎｍを採用する場合、第１レーザ光源２１０には、エキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレーザ）光源２１０を採用することができる。励起波長Ｌ２として３０８ｎｍ付近を採用する場合、第２レーザ光源２２０としては、ＹＡＧレーザ光源２２２（第２高調波５３２ｎｍ），色素レーザ光源２２４（６１６ｎｍ）、倍波装置２２６を用い、５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光から目的とする３０８ｎｍ付近のレーザ光を得ている。なお、レーザ光源２０は、トレーサ物質に照射すべきレーザ光の励起波長に応じて最適な光源を採用し、上記例に限らず、単一光源から、それぞれ異なる所定のＮ次高調波を作成して励起波長Ｌ１、Ｌ２として用いてもよいし、励起波長Ｌ１，Ｌ２の一方はレーザ光源の基本波長、他方は基本波長を倍波装置などを用いて倍波長とするなどによって得ることもできる。 In the example of FIG. 1, a first laser light source 210 and a second laser light source 220 that respectively generate laser light having a desired excitation wavelength are employed as the light source 20, and the vicinity of 248 nm and 308 nm are employed as the excitation wavelengths L1 and L2. is doing. When 248 nm is employed as the excitation wavelength L1, an excimer laser (KrF excimer laser) light source 210 can be employed as the first laser light source 210. When the vicinity of 308 nm is employed as the excitation wavelength L2, the YAG laser light source 222 (second harmonic 532 nm), the dye laser light source 224 (616 nm), and the harmonic device 226 are used as the second laser light source 220, and a 532 nm YAG laser. The target laser beam near 308 nm is obtained from the light. The laser light source 20 employs an optimum light source according to the excitation wavelength of the laser light to be irradiated on the tracer substance, and is not limited to the above example, and creates different predetermined N-order harmonics from a single light source. The excitation wavelengths L1 and L2 may be used, or one of the excitation wavelengths L1 and L2 may be obtained by setting the fundamental wavelength of the laser light source, and the other by setting the fundamental wavelength to a double wavelength using a harmonic device or the like.
光学機構部３０は、シリンドリカルレンズなどの光学レンズ３２、ハーフミラー（ビームスプリッタとしての用途もある）３４、ミラー３６などを備え、レーザ光源２０から順次射出される互いに異なる励起波長のレーザ光を、順次、測定場７０の所定の箇所（同一の箇所）に導き、測定場７０に照射する。 The optical mechanism unit 30 includes an optical lens 32 such as a cylindrical lens, a half mirror (also used as a beam splitter) 34, a mirror 36, and the like, and laser beams having different excitation wavelengths sequentially emitted from the laser light source 20 Sequentially, the measurement field 70 is guided to a predetermined location (the same location) and irradiated to the measurement site 70.
測定場７０は、図１の例では容器内であり、後述するエンジン筒内（７００）や、タービン内を測定場とすることができる。これらの容器内を測定場７０とする場合、容器にはレーザ光を透過可能なレーザ光の入射窓７２、トレーサ物質の発する蛍光を観察するため、該蛍光を透過可能な観察窓７４を設ける。もちろん、測定場７０は、密閉された容器内には限られず、開放された空間（例えば火炎内）でも良く、このような開放空間であれば入射窓７２や、観察窓７４等は不要である。 The measurement field 70 is in the container in the example of FIG. 1, and the measurement field 70 can be an engine cylinder (700) described later or the turbine. When these containers are used as the measurement field 70, the container is provided with an incident window 72 for transmitting laser light and an observation window 74 capable of transmitting the fluorescence for observing the fluorescence emitted by the tracer substance. Of course, the measurement field 70 is not limited to a sealed container, and may be an open space (for example, in a flame). In such an open space, the entrance window 72, the observation window 74, and the like are not necessary. .
撮影部４０は、例えばＣＣＤカメラ４２を備え、測定場７０にレーザ光を照射し、トレーサ物質が発する蛍光を撮影する。このＣＣＤカメラ４２としては、特に高感度のＩＣＣＤカメラを採用することができる。ＩＣＣＤ（Intensified Charge Coupled Device）カメラは、高感度であると共に短期間毎の撮影が可能であり、短時間のレーザ光照射で得られる蛍光を時間精度良く検出することが容易である。 The imaging unit 40 includes, for example, a CCD camera 42 and irradiates the measurement field 70 with laser light, and images fluorescence emitted from the tracer substance. As the CCD camera 42, a highly sensitive ICCD camera can be employed. An ICCD (Intensified Charge Coupled Device) camera has high sensitivity and can shoot every short period of time, and can easily detect fluorescence obtained by laser light irradiation in a short period of time with high accuracy.
なお、上記ＣＣＤカメラ４２の入射側には、観察すべき蛍光波長を選択的に透過するフィルタ４４、観察する蛍光波長に適したレンズ（ここではＵＶレンズ）４６を設けることで測定精度の一層の向上を図ることが出来る。また、図１では省略しているが、複数のＣＣＤカメラを用いて蛍光を観察することでカメラの特性ばらつきによる測定精度のばらつきを低減することができる。 In addition, on the incident side of the CCD camera 42, a filter 44 that selectively transmits the fluorescence wavelength to be observed and a lens (here, a UV lens) 46 that is suitable for the fluorescence wavelength to be observed are provided to further increase the measurement accuracy. Improvements can be made. Although omitted in FIG. 1, by observing fluorescence using a plurality of CCD cameras, variations in measurement accuracy due to variations in camera characteristics can be reduced.
温度算出部５０は、撮影部４０からの撮影結果（撮像データ：画像データ）から各励起波長に対応する蛍光強度と、その強度比を求め、強度比に基づいて測定場７０の温度を算出する。なお、図示しないが、装置は、算出処理に必要な処理データ格納メモリや、テーブルを適宜備えており、算出部５０は、記憶されたデータを利用して演算処理を実行する。 The temperature calculation unit 50 obtains the fluorescence intensity corresponding to each excitation wavelength and the intensity ratio from the imaging result (imaging data: image data) from the imaging unit 40, and calculates the temperature of the measurement field 70 based on the intensity ratio. . Although not shown, the apparatus appropriately includes a processing data storage memory and a table necessary for the calculation process, and the calculation unit 50 executes the calculation process using the stored data.
制御部６０は、測定場７０に照射するための目的とする励起波長を発生するレーザ光源２１０，２２０を順に動作させ、測定場７０のトレーサ物質に対して順にレーザ光を照射する。つまり、レーザ光源２０に対し、その照射・発光タイミングを切替制御する。また、レーザ光源２０の切替制御と同期して（レーザ光を照射して蛍光が観察されるまでの時間ずれや、蛍光の継続期間を考慮したタイミングで）、撮影部４０で蛍光の撮像が行われるよう撮影部４０を制御する。また、温度算出部５０が、対応する励起波長のレーザ光を照射したタイミングで撮影部４０から得られる撮像データに基づいて、対応する蛍光強度を求めるように該温度算出部５０を制御する。 The control unit 60 sequentially operates laser light sources 210 and 220 that generate a target excitation wavelength for irradiating the measurement field 70, and sequentially irradiates the tracer substance of the measurement field 70 with laser light. That is, the irradiation / light emission timing of the laser light source 20 is switched. In addition, in synchronization with the switching control of the laser light source 20 (at a timing that takes into account the time lag until the fluorescence is observed after the laser light is irradiated and the duration of the fluorescence), the imaging unit 40 captures the fluorescence. The imaging unit 40 is controlled so as to be displayed. Further, the temperature calculation unit 50 controls the temperature calculation unit 50 so as to obtain the corresponding fluorescence intensity based on the imaging data obtained from the imaging unit 40 at the timing when the laser beam having the corresponding excitation wavelength is irradiated.
測定場７０へのトレーサ物質の供給タイミングは、目的とする温度計測前であればどのタイミングでもよく、例えば測定場７０が後述するようなエンジン筒内の場合には、硫黄酸化物をエンジンの吸気管から新気に混合し、エンジン筒内に供給すればよい。 The supply timing of the tracer substance to the measurement site 70 may be any timing as long as the target temperature is not measured. For example, when the measurement site 70 is in an engine cylinder as described later, sulfur oxide is taken into the intake air of the engine. What is necessary is just to mix fresh air from a pipe | tube and supply in an engine cylinder.
ここで、図１の装置例では、レーザ光を測定場７０に対して対向入射する方式を採用しており、光学機構部３０は、対向入射のため、各レーザ光源２０からのレーザ光を途中でハーフミラー３４を用いて分割し、対向配置されている入射窓７２ａ，７２ｂを介して測定場７０に対向入射している。光学機構部３０は、レーザ光源２０から測定場７０までの間の光路に応じて上述のような必要な光学素子を配置するが、光路中でレーザ光を２手に分割するために所望の位置にハーフミラー３４を用いればよい。 Here, in the apparatus example of FIG. 1, a method in which laser light is incident on the measurement field 70 is employed, and the optical mechanism unit 30 applies the laser light from each laser light source 20 on the way for the opposite incidence. Are divided by using the half mirror 34 and are incident on the measurement field 70 through the incident windows 72a and 72b arranged opposite to each other. The optical mechanism unit 30 arranges the necessary optical elements as described above according to the optical path from the laser light source 20 to the measurement field 70, but a desired position for dividing the laser light into two in the optical path. A half mirror 34 may be used.
図１の例では、レーザ光をシート状に成形する光学レンズ（シリンドリカルレンズ）を光路中に２つ配置しており、測定場７０に対向入射するレーザ光、ビーム形状を等しくするため、この光学レンズ３２による成形後に、ハーフミラー（ビームスプリッタ）によってレーザ光を分割している。レーザ光源２１０から射出される励起波長Ｌ１のレーザ光、レーザ光源２２０から射出される励起波長Ｌ２のレーザ光は、それぞれの発生タイミングでハーフミラー３４またはミラー（全反射ミラー）３６を経て光学レンズ３２に到達し、この光学レンズ３２でシート状に成形されたレーザ光が、その射出側に配置されているハーフミラー３４によって２つに分割される。分割された一方のレーザ光は、石英板３５ａによって第１入射窓７２ａから測定場７０に照射され、他方はミラー３６を経て石英板３５ｂによって第２入射窓７２ｂから測定場７０に照射される。 In the example of FIG. 1, two optical lenses (cylindrical lenses) that form laser light into a sheet shape are arranged in the optical path, and this optical light is incident on the measurement field 70 in order to equalize the beam shape. After the molding by the lens 32, the laser beam is divided by a half mirror (beam splitter). The laser light having the excitation wavelength L1 emitted from the laser light source 210 and the laser light having the excitation wavelength L2 emitted from the laser light source 220 pass through the half mirror 34 or the mirror (total reflection mirror) 36 at the respective generation timings, and the optical lens 32. The laser beam formed into a sheet shape by the optical lens 32 is divided into two by the half mirror 34 disposed on the emission side. One of the divided laser beams is irradiated to the measurement field 70 from the first incident window 72a by the quartz plate 35a, and the other is irradiated to the measurement field 70 from the second incident window 72b by the quartz plate 35b via the mirror 36.
なお、図１の例では、石英板３５ａの反射面の後方に、この反射面から一部射出されるレーザ光の強度を観察するためのパワーメータ３８を配置している。このパワーメータ３８の測定結果により、レーザ光源として用いるパルスレーザ光の各ショット間（パルスレーザにおけるショット間）のパワーばらつきを検出し、その測定結果に応じ、測定場７０で得られる蛍光強度の補正を行う。 In the example of FIG. 1, a power meter 38 for observing the intensity of the laser beam partially emitted from the reflection surface is disposed behind the reflection surface of the quartz plate 35a. Based on the measurement result of the power meter 38, the power variation between shots of the pulse laser beam used as the laser light source (between shots in the pulse laser) is detected, and the fluorescence intensity obtained at the measurement field 70 is corrected according to the measurement result. I do.
以上の図１に示すようなレーザ光の対向入射構成を採用することで、測定場７０内でレーザ光の光路方向において蛍光強度の勾配が発生することを防止でき、蛍光強度の測定精度を高めることが容易となる。 By adopting the laser beam facing incident configuration as shown in FIG. 1 as described above, it is possible to prevent a fluorescence intensity gradient from occurring in the optical path direction of the laser light in the measurement field 70, and to increase the measurement accuracy of the fluorescence intensity. It becomes easy.
図２は、本実施形態の温度計測装置の上記図１と異なる例を示している。図２の装置において図１に示す構成と相違するのは、測定場７０に対し、レーザ光を対向入射ではなく、片側から入射する光学機構部３０を採用している点であり、他の構成は上記図１と共通する。 FIG. 2 shows an example different from FIG. 1 of the temperature measuring device of the present embodiment. 2 is different from the configuration shown in FIG. 1 in that an optical mechanism unit 30 for entering the laser beam from one side instead of facing the measurement field 70 is employed. Is common to FIG.
図２に示すように、測定場７０に対し、片側からのみレーザ光を照射する場合には、レーザ光源２０から測定場７０までの光学機構部３０中にレーザ光を分割するためのハーフミラー３４は不要である。したがって、各レーザ光源２１０，２２０から射出されるレーザ光は光路配置に応じて全反射ミラー３６，ハーフミラー３４等によって光路内に入射された後は、シリンドリカルレンズなどの成形用の光学レンズ（図２では記載を省略）と、全反射ミラー３６を経て入射窓７２ａから測定場７０に照射される。なお、図２では、測定場７０に入射する直前の光路中に配置された石英板３５ａ，３５ｂによってレーザ光の一部を、撮影部４０の前に配置された参照板３９に照射する。この参照板３９からの反射光を撮影部４０によって検出し、その強度からレーザ光のパワーばらつきを検出し、測定場７０から対応するレーザ光によって得られる蛍光強度の補正を実行する。なお、このレーザ光のパワーばらつきは、図１に示すようにパワーメータ３８を採用して測定しても良く、また図１のような対向入射構成の場合に、図２のように撮影部４０を利用して測定しても良い。 As shown in FIG. 2, when the measurement field 70 is irradiated with laser light from only one side, the half mirror 34 for dividing the laser light into the optical mechanism unit 30 from the laser light source 20 to the measurement field 70. Is unnecessary. Therefore, after the laser light emitted from each of the laser light sources 210 and 220 is incident on the optical path by the total reflection mirror 36, the half mirror 34, etc. according to the optical path arrangement, an optical lens for molding such as a cylindrical lens (FIG. 2, the measurement field 70 is irradiated from the incident window 72a through the total reflection mirror 36. In FIG. 2, a part of the laser light is irradiated to the reference plate 39 disposed in front of the photographing unit 40 by the quartz plates 35 a and 35 b disposed in the optical path immediately before entering the measurement field 70. The reflected light from the reference plate 39 is detected by the imaging unit 40, the power variation of the laser light is detected from the intensity, and the fluorescence intensity obtained from the corresponding laser light from the measurement field 70 is corrected. The power variation of the laser beam may be measured by using a power meter 38 as shown in FIG. 1, and in the case of the opposite incidence configuration as shown in FIG. 1, the photographing unit 40 as shown in FIG. You may measure using.
次に、トレーサ物質である硫黄酸化物に照射する励起波長について説明する。硫黄酸化物として、ＳＯ2を採用する場合、複数の励起波長の帯域は上述のように波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で選択することができる。例えば、２４８ｎｍ付近、３０８ｎｍ付近の励起波長Ｌ１、Ｌ２のレーザ光を照射し、その蛍光強度比を求めることで精度良くトレーサ物質のおかれた測定場７０における温度を求めることができる。 Next, the excitation wavelength with which the sulfur oxide as the tracer material is irradiated will be described. When SO 2 is employed as the sulfur oxide, a plurality of excitation wavelength bands can be selected in the wavelength range of 190 nm to 400 nm as described above. For example, the temperature at the measurement field 70 where the tracer substance is placed can be obtained with high accuracy by irradiating laser light having excitation wavelengths L1 and L2 near 248 nm and 308 nm and obtaining the fluorescence intensity ratio.
具体例については後述するが（図３〜図５参照）、２４８ｎｍ付近の各励起波長によって得られるＳＯ2の蛍光（ＬＩＦ）強度は、温度によって大きく異なる。一方、３０８ｎｍ付近の励起波長によって得られるＳＯ2の蛍光強度は、２４８ｎｍ付近での蛍光強度と比較すると、その温度依存性は低い。したがって、２４８ｎｍの励起波長の蛍光強度と３０８ｎｍの蛍光強度との強度比を求めると、温度による強度比の差が大きくとれ、高精度な温度計測を実現することができる。 Although a specific example will be described later (see FIGS. 3 to 5), the fluorescence (LIF) intensity of SO 2 obtained by each excitation wavelength near 248 nm greatly varies depending on the temperature. On the other hand, the fluorescence intensity of SO 2 obtained with an excitation wavelength near 308 nm is less temperature dependent than the fluorescence intensity near 248 nm. Therefore, when the intensity ratio between the fluorescence intensity at the excitation wavelength of 248 nm and the fluorescence intensity at 308 nm is obtained, the difference in intensity ratio due to temperature can be increased, and high-precision temperature measurement can be realized.
また、両方の励起波長によって得られる蛍光強度の比を取ることで、濃度の影響をキャンセルすることができる。 Moreover, the influence of the concentration can be canceled by taking the ratio of the fluorescence intensities obtained by both excitation wavelengths.
上述した非特許文献４等に開示されている３−ペンタノンや、トルエンなどの炭化水素系の蛍光剤を用いたＬＩＦ法では、得られる蛍光強度比は、２．４〜２．５倍、高くても３倍程度である。しかし、本実施形態のようにトレーサ物質としてＳＯ2等の硫黄酸化物を採用し、例えば上記２４８ｎｍ付近と３０８ｎｍ付近の蛍光強度を用いた場合、最大で７倍程度の強度比を得ることができ、燃焼環境などの測定場７０においても、そして、その燃焼前でも燃焼後でも、非常に高い精度で温度計測を実行することができる。 In the LIF method using 3-pentanone disclosed in Non-Patent Document 4 and the like and hydrocarbon-based fluorescent agents such as toluene, the obtained fluorescence intensity ratio is 2.4 to 2.5 times higher. Even about three times. However, when a sulfur oxide such as SO 2 is used as the tracer material as in the present embodiment, and the fluorescence intensities near 248 nm and 308 nm are used, for example, an intensity ratio of about 7 times at maximum can be obtained. The temperature measurement can be performed with very high accuracy in the measurement field 70 such as the combustion environment and before and after the combustion.
以下、温度（常温〜２５０℃）、圧力（〜１．０ＭＰａ）を任意に制御可能な定容容器（図１の測定場７０参照）を用い、レーザ光が照射された際に得られるＳＯ2の蛍光強度の温度依存性を求めた結果について説明する。なお、励起波長は２４８ｎｍ，３０８ｎｍそれぞれで行い、その結果より強度比を算出した。 Hereinafter, SO 2 obtained when laser light is irradiated using a constant volume container (see measurement field 70 in FIG. 1) capable of arbitrarily controlling temperature (room temperature to 250 ° C.) and pressure (up to 1.0 MPa). The results obtained by determining the temperature dependence of the fluorescence intensity of will be described. The excitation wavelengths were 248 nm and 308 nm, respectively, and the intensity ratio was calculated from the results.
（励起波長２４８ｎｍを用いた温度、圧力依存性の測定）
図１の第１レーザ光源２１０として、ＫｒＦエキシマレーザを用い、得られた２４８ｎｍのレーザ光を、定容容器内（７０）に導き、ＣＣＤカメラ４２を用いた撮影部４０によって、容器内に充填されたＳＯ2の蛍光強度を計測した。
(Measurement of temperature and pressure dependence using an excitation wavelength of 248 nm)
A KrF excimer laser is used as the first laser light source 210 in FIG. 1, and the obtained 248 nm laser light is guided into a constant volume container (70) and filled into the container by the imaging unit 40 using the CCD camera. The fluorescence intensity of the formed SO 2 was measured.
測定場７０である定容容器は、この例では、３６７．９ｃｃの容積であり、この容器内を所定の温度に保ち（例えば１００℃）、ＳＯ2の１ｖｏｌ％（空気希釈）を容器内に０．１ＭＰａとなるよう充填した。 In this example, the constant volume container which is the measuring field 70 has a volume of 367.9 cc. The inside of the container is kept at a predetermined temperature (for example, 100 ° C.), and 1 vol% of SO 2 (air dilution) is placed in the container. It filled so that it might be set to 0.1 MPa.
第１レーザ光源２１０から出射した光は、シリンドリカルレンズ３２でシート状にして定容容器７０に導いた。定容容器７０のレーザ入射窓７２（７２ａ，７２ｂ）及び観察窓７４は、いずれも石英ガラスを採用しており、紫外光を透過することができる。撮影部４０における蛍光強度の測定は、ＵＶレンズ４６にフィルタ４４を装着したＩＣＣＤカメラ４２によって行った。 The light emitted from the first laser light source 210 was made into a sheet shape by the cylindrical lens 32 and led to the constant volume container 70. The laser incident window 72 (72a, 72b) and the observation window 74 of the constant volume container 70 are both made of quartz glass and can transmit ultraviolet light. The fluorescence intensity in the photographing unit 40 was measured by an ICCD camera 42 in which a filter 44 was attached to the UV lens 46.
レーザ光（５ｍＪ）は、容器両側から入射窓７２ａ，７２ｂから対向入射させた。このレーザ光はパルスレーザであり、レーザパワーのパルス間の変動は、パワーメータ３８で測定することによってモニタし、ショット間の変動による蛍光強度の補正を行った。なお、ＣＣＤカメラ４２前部のＵＶレンズ４６の前のフィルタ４４としては、３２０ｎｍ以上の波長を通すフィルタを採用した。 Laser light (5 mJ) was incident on both sides of the container from the incident windows 72a and 72b. This laser beam is a pulse laser, and the fluctuation of the laser power between pulses was monitored by measuring with a power meter 38, and the fluorescence intensity was corrected by the fluctuation between shots. As the filter 44 in front of the UV lens 46 in front of the CCD camera 42, a filter that passes a wavelength of 320 nm or more is employed.
まず、このような初期状態で定容容器７０内にレーザ光を照射した際の蛍光強度を撮影部４０での撮像データに基づいて測定し、ＬＩＦ強度の基準とした。その後、定容容器７０内に空気を加え、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａ、１．０ＭＰａと圧力を増加させていき、各圧力における蛍光強度（蛍光強度の圧力依存性）を計測した。また、定容容器７０内を初期温度を１００℃（３７３Ｋ）から上昇させ、各温度における蛍光強度を測定することによって温度の依存性を求めた。図３は、これらの測定結果を示しており、いずれの圧力でも、温度上昇と共に、ＬＩＦ強度が増加することがわかる。 First, the fluorescence intensity at the time of irradiating the constant volume container 70 with laser light in such an initial state was measured based on the imaging data in the imaging unit 40 and used as a reference for the LIF intensity. Thereafter, air is added into the constant volume container 70 and the pressure is increased to 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.6 MPa, 0.8 MPa, and 1.0 MPa, and the fluorescence intensity at each pressure (pressure dependence of fluorescence intensity). ) Was measured. Further, the temperature dependence was determined by raising the initial temperature in the constant volume container 70 from 100 ° C. (373 K) and measuring the fluorescence intensity at each temperature. FIG. 3 shows these measurement results, and it can be seen that the LIF intensity increases with increasing temperature at any pressure.
（励起波長３０８ｎｍを用いた温度、圧力依存性の測定）
同様に図１の装置を用い、第１レーザ光源２１０ではなく、第２レーザ光源２２０を動作させ、励起波長３０８ｎｍのレーザ光を光学機構部３０を介して定容容器７０に導き、対向照射した。なお、フィルタ４４，ＵＶレンズ４６は、上記２４８ｎｍの励起波長の照射の時と同様の条件とした。また、２４８ｎｍの励起波長の場合と同様、容器７０内を所定の温度に保ち（例えば１００℃）、ＳＯ2の１ｖｏｌ％（空気希釈）を容器内に０．１ＭＰａとなるよう充填した。このような初期状態で定容容器７０内に上記３０８ｎｍの励起波長のレーザ光を照射した際の蛍光強度を測定し、基準とした。その後、定容容器７０内に空気を加え、２４８ｎｍの場合と同様に圧力を増加させていき、圧力依存性を計測した。また、定容容器７０内を初期温度を１００℃（３７３Ｋ）から上昇させ、各温度における蛍光強度を撮影部４０での撮像データに基づいて測定することによって温度の依存性を求めた。図４は、これらの各測定結果を示しており、励起波長２４８ｎｍの場合と異なり、どの圧力条件の場合にも、温度に対する蛍光強度の変化はほとんどないことがわかる。
(Measurement of temperature and pressure dependence using an excitation wavelength of 308 nm)
Similarly, using the apparatus of FIG. 1, not the first laser light source 210 but the second laser light source 220 is operated, and laser light with an excitation wavelength of 308 nm is guided to the constant volume container 70 via the optical mechanism unit 30 and irradiated oppositely. . The filter 44 and the UV lens 46 were under the same conditions as in the irradiation with the excitation wavelength of 248 nm. Similarly to the case of the excitation wavelength of 248 nm, the inside of the container 70 was kept at a predetermined temperature (for example, 100 ° C.), and 1 vol% (air dilution) of SO 2 was filled into the container so as to be 0.1 MPa. In this initial state, the fluorescence intensity when the constant volume container 70 was irradiated with the laser beam having the excitation wavelength of 308 nm was measured and used as a reference. Thereafter, air was added to the constant volume container 70, and the pressure was increased in the same manner as in the case of 248 nm, and the pressure dependence was measured. Further, the temperature dependence was determined by raising the initial temperature in the constant volume container 70 from 100 ° C. (373 K) and measuring the fluorescence intensity at each temperature based on the imaging data in the imaging unit 40. FIG. 4 shows each of these measurement results. Unlike the case of the excitation wavelength of 248 nm, it can be seen that there is almost no change in fluorescence intensity with respect to temperature under any pressure condition.
（温度算出）
上記励起波長２４８ｎｍ（Ｌ１）、３０８ｎｍ（Ｌ２）のレーザ光照射によって得られた各ＬＩＦ強度の結果を用い、温度に対する強度比（２４８ｎｍ／３０８ｎｍ）を求めた結果を、図５に示す。測定した０．１ＭＰａ、０．２ＭＰａ、０．４ＭＰａ、０．６ＭＰａ、０．８ＭＰａ、１．０ＭＰａのいずれの圧力においても、３０８ｎｍの励起波長のレーザ光に対しては蛍光強度の温度依存性は、ほとんど無い。一方、２４８ｎｍの励起波長では蛍光強度の温度依存性は非常に大きい。したがって、２４８ｎｍ，３０８ｎｍそれぞれの励起波長のレーザ光による蛍光強度の強度比を求めると、いずれの圧力条件についても非常に高い強度比が得られる。
(Temperature calculation)
FIG. 5 shows the result of obtaining the intensity ratio (248 nm / 308 nm) with respect to the temperature using the results of the LIF intensities obtained by the laser beam irradiation with the excitation wavelengths of 248 nm (L1) and 308 nm (L2). At any measured pressure of 0.1 MPa, 0.2 MPa, 0.4 MPa, 0.6 MPa, 0.8 MPa, and 1.0 MPa, the temperature dependence of fluorescence intensity for laser light with an excitation wavelength of 308 nm is ,almost none. On the other hand, the temperature dependence of fluorescence intensity is very large at an excitation wavelength of 248 nm. Therefore, when the intensity ratio of the fluorescence intensity by the laser beams having the excitation wavelengths of 248 nm and 308 nm is obtained, a very high intensity ratio can be obtained for any pressure condition.
図５に示すような各温度に対する強度比を記憶し、データベース化することで、下記実施形態１，２等に示すように具体的な測定場で得た測定強度比と、その際の測定場の圧力から、レーザ光の照射された位置における温度を算出することができる。 By storing the intensity ratio for each temperature as shown in FIG. 5 and creating a database, the measurement intensity ratio obtained at a specific measurement field as shown in the following Embodiments 1, 2, etc., and the measurement field at that time From this pressure, the temperature at the position irradiated with the laser beam can be calculated.
ここで、図１の装置では、光学レンズ３２によりレーザ光をシート状に成形しているが、シート状ではなく線上のレーザ光を照射すれば、非常に高い精度でレーザ光の光軸方向に沿った１次元温度分布を求めることができる。レーザ光をシート状に成形して測定場７０に照射した場合、照射されるレーザ光のエネルギ密度が線状に集光したレーザ光よりも低くなるため、得られる蛍光強度も低くなる。しかし、本実施形態のような硫黄酸化物をトレーサ物質として用い、２４８ｎｍ、３０８ｎｍの励起波長のレーザ光を照射した場合、従来の炭化水素系材料や、ＮＯ分子等のトレーサ物質を用いた場合と比較しても、その２倍以上の蛍光強度比を得ることができる。よって、本実施形態の温度計測装置、計測方法によれば、シート状のレーザ光が照射された測定場の温度分布、すなわち測定場の２次元の温度分布を精度良く求めることができる。また、このシート状のレーザ光を所定方向に走査することで３次元温度分布を求めることも可能となる。 Here, in the apparatus of FIG. 1, the laser beam is formed into a sheet shape by the optical lens 32. However, if the laser beam on the line is irradiated instead of the sheet shape, the optical axis direction of the laser beam is very high. A one-dimensional temperature distribution along can be obtained. When the laser beam is formed into a sheet shape and irradiated to the measurement field 70, the energy density of the irradiated laser beam is lower than that of the laser beam condensed linearly, so that the obtained fluorescence intensity is also low. However, when the sulfur oxide as in this embodiment is used as a tracer substance and irradiated with laser light having an excitation wavelength of 248 nm or 308 nm, a conventional hydrocarbon material or a tracer substance such as NO molecules is used. Even by comparison, it is possible to obtain a fluorescence intensity ratio that is twice or more. Therefore, according to the temperature measurement device and the measurement method of the present embodiment, the temperature distribution of the measurement field irradiated with the sheet-like laser light, that is, the two-dimensional temperature distribution of the measurement field can be obtained with high accuracy. It is also possible to obtain a three-dimensional temperature distribution by scanning the sheet-like laser light in a predetermined direction.
なお、以上では、図１に示す対向入射方式を採用した温度測定を例に説明したが、上述の図２に示すような片側からの入射方式を採用しても原理上、図１と同じ温度依存性を得ることができ、その依存性データに基づいて温度計測を実行することができる。 In the above description, the temperature measurement using the opposite incidence method shown in FIG. 1 has been described as an example. However, even if the incidence method from one side as shown in FIG. Dependency can be obtained, and temperature measurement can be performed based on the dependency data.
［実施形態１］
以下、測定場７０として、エンジン筒内を採用した場合の温度計測装置の例を、図６〜図１０を参照して説明する。本実施形態では、エンジン筒内でトレーサ物質の発する蛍光の強度を観察するため、図６に示すような可視化エンジンを採用している。具体的には、例えば石英シリンダ７１０と石英ピストン７１２をそれぞれ採用することで、波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲のレーザ光の筒内への照射を可能とし、かつ、トレーサ物質の蛍光を撮影部４００において観察することを可能としている。なお、トレーサ物質には、硫黄酸化物としてＳＯ2を用い、励起波長は、上記具体例と同様に、２４８ｎｍ，３０８ｎｍとし各励起波長のレーザ光の照射によって得られる蛍光強度に基づいて温度計測を行うことができる。
[Embodiment 1]
Hereinafter, an example of a temperature measurement device when the inside of the engine cylinder is employed as the measurement field 70 will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a visualization engine as shown in FIG. 6 is employed to observe the intensity of fluorescence emitted by the tracer substance in the engine cylinder. Specifically, for example, by adopting each of the quartz cylinder 710 and the quartz piston 712, it is possible to irradiate the cylinder with laser light having a wavelength in the range of 190 nm to 400 nm, and the fluorescence of the tracer substance in the imaging unit 400 It is possible to observe. As the tracer material, SO 2 is used as the sulfur oxide, and the excitation wavelengths are 248 nm and 308 nm as in the above specific example, and temperature measurement is performed based on the fluorescence intensity obtained by irradiation with laser light of each excitation wavelength. It can be carried out.
レーザ光源２０（２１０，２２０）からのレーザ光は、図７に示すような光学機構部３０を経てエンジン筒内７００に導かれる。ここで、光学機構部３０は、図７（ａ）に示すように、光学レンズ３２、ハーフミラー３４、全反射ミラー３６等を備え、２つの光源からの各励起波長のレーザ光は、最初のハーフミラー３４を透過（例えば第１光源２１０からのレーザ光）し、又は反射され（第２光源２２０からのレーザ光）、次のハーフミラー３４において、２つに分離される。分離されたレーザ光は、それぞれ全反射ミラー３６を経て、各光路に設けられたシリンドリカルレンズ等の光学レンズ３２を経てエンジン７００の筒内に対向入射される。 Laser light from the laser light source 20 (210, 220) is guided to the engine cylinder 700 through the optical mechanism 30 as shown in FIG. Here, as shown in FIG. 7A, the optical mechanism unit 30 includes an optical lens 32, a half mirror 34, a total reflection mirror 36, and the like. The laser beams of the respective excitation wavelengths from the two light sources are the first ones. The light is transmitted through the half mirror 34 (for example, laser light from the first light source 210) or reflected (laser light from the second light source 220) and separated into two in the next half mirror 34. The separated laser beams are incident on the cylinder of the engine 700 through the total reflection mirror 36 and the optical lens 32 such as a cylindrical lens provided in each optical path.
光学レンズ３２は、例えば、レーザ光のビームを幅方向に拡大するためのシリンドリカルレンズと、厚さ方向にビームを縮小するシリンドリカルレンズの組み合わせによって構成することができる。その拡大率、縮小率は、照射するエンジン筒内の大きさ、レーザ光のエネルギー密度に応じて適切に設定する。一例として、シート幅方向には５０ｍｍの長さ、シート厚さ方向には１ｍｍの長さに成形することができる。このようなシート状に成形したレーザ光をエンジン筒内に照射することでレーザシートが照射された領域、つまり２次元領域における温度計測が可能である。 The optical lens 32 can be configured by, for example, a combination of a cylindrical lens for expanding the laser beam in the width direction and a cylindrical lens for reducing the beam in the thickness direction. The enlargement ratio and reduction ratio are appropriately set according to the size of the engine cylinder to be irradiated and the energy density of the laser beam. As an example, the sheet can be formed to have a length of 50 mm in the sheet width direction and 1 mm in the sheet thickness direction. By irradiating the engine tube with laser light formed in such a sheet shape, temperature measurement in a region irradiated with the laser sheet, that is, a two-dimensional region, is possible.
ここで、図６の構成例では、エンジン筒内の横断面（シリンダ７１０の横断面）方向にそのシート幅が拡大されたシート状のレーザ光を照射している。このような方向にレーザ光を照射すれば、シリンダ７１０の横断面方向に沿った蛍光強度分布を知ることができる。なお、この場合、図６に示すように、透明なピストン７１２の下部に配置された反射ミラー３１０が、気筒内で発生した蛍光を外部で観察するための反射ミラーとして利用され、射出窓７４０より蛍光を観察する。 Here, in the configuration example of FIG. 6, the sheet-shaped laser light whose sheet width is expanded in the direction of the transverse section in the engine cylinder (the transverse section of the cylinder 710) is irradiated. If the laser beam is irradiated in such a direction, the fluorescence intensity distribution along the cross-sectional direction of the cylinder 710 can be known. In this case, as shown in FIG. 6, the reflection mirror 310 disposed below the transparent piston 712 is used as a reflection mirror for observing the fluorescence generated in the cylinder from the outside. Observe fluorescence.
また、図６に示す温度計測装置において、撮影部４０としては、各励起波長Ｌ１，Ｌ２のレーザ光を照射して得られるＳＯ2からの蛍光を撮影するために、複数の撮影部４１０，４２０を設けている。この複数の撮影部で蛍光を撮影することで、一方を３０８ｎｍから得られる蛍光を、他方を２４８ｎｍから得られる蛍光の撮影に用いることができる。これにより２つのレーザ（３０８ｎｍ、２４８ｎｍ）の発光間隔を短くして（＞１００ｎｓ）、ほぼ同時刻の計測を行うことが可能である。複数の撮影部４０を用いる場合、エンジン７００から射出された光は、射出窓７４０からミラー３１０を介してハーフミラー３１２に導き、ここで分離して各撮影部４０に等しく供給する。なお、ハーフミラー３１２を用いず、撮影部を１つとする構成を採用することも可能である。この場合には、３０８ｎｍ、２４８ｎｍを個々に撮影すれば良い。 Further, in the temperature measuring apparatus shown in FIG. 6, the imaging unit 40 includes a plurality of imaging units 410 and 420 for imaging fluorescence from SO 2 obtained by irradiating the laser beams having the excitation wavelengths L1 and L2. Is provided. By photographing the fluorescence with the plurality of photographing units, one can be used for photographing fluorescence obtained from 308 nm and the other for photographing fluorescence obtained from 248 nm. As a result, the light emission interval between the two lasers (308 nm, 248 nm) can be shortened (> 100 ns), and measurement at almost the same time can be performed. When using a plurality of imaging units 40, the light emitted from the engine 700 is guided from the exit window 740 to the half mirror 312 via the mirror 310, separated here, and equally supplied to each imaging unit 40. In addition, it is also possible to employ a configuration in which the half mirror 312 is not used and one photographing unit is provided. In this case, 308 nm and 248 nm may be individually photographed.
次に、エンジンの縦断面（ピストン７１２の稼働）方向における蛍光強度分布を計測する場合には、図８及び図９に示すような構成を採用すればよい。具体的には、図８に示すように上記反射ミラー３１０、窓７４０を、それぞれ、レーザ光をエンジン筒内に照射するための反射ミラー３１０及び入射窓７４０として用い、ピストン７１２の下方から、ピストン７１２の可動（エンジンの縦断面）方向に沿って、シート状に成形したレーザ光の光軸方向を照射する。筒内で発生した蛍光はシリンダ７１０の横方向（側方）から取り出し、撮影部４１０、４２０は、ハーフミラー３１２を介してこの蛍光を計測する。 Next, when measuring the fluorescence intensity distribution in the longitudinal section of the engine (operation of the piston 712), the configuration shown in FIGS. 8 and 9 may be employed. Specifically, as shown in FIG. 8, the reflection mirror 310 and the window 740 are respectively used as the reflection mirror 310 and the incident window 740 for irradiating the laser beam into the engine cylinder. Irradiate the optical axis direction of the laser beam formed into a sheet shape along the movable direction (vertical cross section of the engine) 712. The fluorescence generated in the cylinder is taken out from the lateral direction (side) of the cylinder 710, and the imaging units 410 and 420 measure the fluorescence via the half mirror 312.
温度計測に用いる可視化エンジン７００は、透明なシリンダ７１０内に透明なピストン７１２が配され、かつ、図９に示すように、吸気管７２２の上流に、ＳＯ2を新気に混合させるための噴射弁７３０を備える点を除けば、通常のエンジンと同様の構成、同様の動作をする。一例として、トレーサ物質が混合された新気（燃料及び空気）は、吸気バルブ７２４が開くと吸気管７２２から吸気バルブ７２４を介して燃焼室７２０内に吸気される。吸気バルブ７２４が閉じてピストン７１２が上昇して燃焼室内のガスが圧縮され、その状態でシリンダ７１０の上部に設けられた図示しない点火ブラグによって着火されて燃焼（爆発）が起きる。爆発行程及び膨張行程の後、排気管７２６に設けられた排気バルブ７２８が開くと、燃焼室７２０内の燃焼ガスは、排気バルブ７２８を介して排気される。 In the visualization engine 700 used for temperature measurement, a transparent piston 712 is arranged in a transparent cylinder 710, and as shown in FIG. 9, an injection for mixing SO 2 with fresh air upstream of the intake pipe 722. Except for the point that the valve 730 is provided, the configuration and operation are the same as those of a normal engine. As an example, fresh air (fuel and air) mixed with a tracer substance is taken into the combustion chamber 720 from the intake pipe 722 via the intake valve 724 when the intake valve 724 is opened. The intake valve 724 is closed, the piston 712 is raised, the gas in the combustion chamber is compressed, and in this state, it is ignited by an ignition brag (not shown) provided at the top of the cylinder 710 to cause combustion (explosion). When the exhaust valve 728 provided in the exhaust pipe 726 is opened after the explosion stroke and the expansion stroke, the combustion gas in the combustion chamber 720 is exhausted through the exhaust valve 728.
本実施形態に係る温度計測装置では、このような可視化エンジン７００に対し、目的とする任意の温度計測タイミングでレーザ光を燃焼室７２０内に所望の方向（横断方向、縦断方向）から照射し、その時の燃焼室７２０の中のＳＯ2の蛍光を観察することができる。 In the temperature measurement device according to the present embodiment, laser light is irradiated into the combustion chamber 720 from a desired direction (transverse direction, longitudinal direction) to such a visualization engine 700 at a desired arbitrary temperature measurement timing, The fluorescence of SO 2 in the combustion chamber 720 at that time can be observed.
図１０は、撮影部４０において温度計測に際して実行される画像処理を概念的に示している。なお、図１０では、図６に示すようにエンジンの横断面方向における温度分布を測定する場合を例に画像処理の様子を示している。まず、ＳＯ2を混合せずにエンジン７００を動作させ、撮影を行う所定のクランク角毎にそれぞれ燃焼室７２０に励起波長３０８ｎｍ、２４８ｎｍのレーザ光をそれぞれ照射し、画像データを得る。ここでは、この画像データは、複数サイクルの平均画像データを得て、これを基準背景データとして予め記憶しておく。 FIG. 10 conceptually shows image processing executed when the photographing unit 40 measures temperature. Note that FIG. 10 shows the state of image processing by taking as an example the case of measuring the temperature distribution in the cross-sectional direction of the engine as shown in FIG. First, the engine 700 is operated without mixing SO 2 , and each combustion chamber 720 is irradiated with laser beams having excitation wavelengths of 308 nm and 248 nm for each predetermined crank angle at which imaging is performed, thereby obtaining image data. Here, average image data of a plurality of cycles is obtained as this image data, and this is stored in advance as reference background data.
次に、噴射弁７３０からＳＯ2を燃料及び空気に混合した状態でエンジン７００を動作させ、励起波長３０８ｎｍ、２４８ｎｍの各レーザ光を照射する。上述の図１、２に示す温度算出部５０は、励起波長３０８ｎｍのレーザ光を照射して得られる蛍光強度画像データから、対応する基準背景データを減算し、蛍光強度画像Ｉ３０８（ｘ，ｙ）を得る。同様に励起波長２４８ｎｍのレーザ光照射によって得られる画像から対応する基準背景データを減算し、蛍光強度画像Ｉ２４８（ｘ，ｙ）を求める。なお、これらの画像データは所望の画像メモリに記憶させて画像処理に利用する。温度算出部５０は、これらの画像の割り算、つまり、Ｉ２４８（ｘ，ｙ）／Ｉ３０８（ｘ，ｙ）を実行し、この除算処理によりＣＣＤカメラ４２で撮像する画素毎に、蛍光強度比を求めることができる。 Next, the engine 700 is operated in a state where SO 2 is mixed with fuel and air from the injection valve 730, and each laser beam having an excitation wavelength of 308 nm and 248 nm is irradiated. The temperature calculation unit 50 shown in FIGS. 1 and 2 subtracts the corresponding reference background data from the fluorescence intensity image data obtained by irradiating the laser beam having the excitation wavelength of 308 nm to obtain the fluorescence intensity image I308 (x, y). Get. Similarly, the corresponding reference background data is subtracted from an image obtained by laser beam irradiation with an excitation wavelength of 248 nm to obtain a fluorescence intensity image I248 (x, y). These image data are stored in a desired image memory and used for image processing. The temperature calculation unit 50 performs division of these images, that is, I248 (x, y) / I308 (x, y), and obtains a fluorescence intensity ratio for each pixel imaged by the CCD camera 42 by this division processing. be able to.
次に、蛍光強度の測定時におけるエンジン筒内の指圧を参照し、上述の図５に示すようなＬＩＦ強度比−温度の関係テーブルから、画素毎の温度を求めることができ、その結果、二次元温度分布を求めることができる。 Next, referring to the finger pressure in the engine cylinder when measuring the fluorescence intensity, the temperature for each pixel can be obtained from the LIF intensity ratio-temperature relationship table as shown in FIG. A dimensional temperature distribution can be determined.
ここで、レーザ光の入射に対するＳＯ2の蛍光寿命は１００ｎｓ以下である。特定のクランク角で、シングルショット（単一のパルス光照射による）計測を行う場合、厳密には、同時に２波長のレーザ光を入射する必要がある。しかし、２波長のレーザ光の入射によって得られる蛍光スペクトルを分離することは難しいため、本実施形態では、蛍光寿命以上の時間の時間差を設け２波長のレーザをそれぞれ入射する。この時間差によるクランク角のズレは、仮に５００ｎｓの時間差で２波長のレーザ光を順次入射した場合を想定すると、エンジン回転数が例えば６０００ｒｐｍと非常に高速に動作している場合であっても、その時間差はクランク角で０．０１８°である。このため燃焼室７２０内の環境に大きな差は生じておらず、この時間差による２つの波長のレーザ光照射による温度計測は精度上、大きな問題とはならない。また、既に説明したように、各励起波長のレーザ光照射によって得られる蛍光は、２台のカメラ４２によって撮影され、それぞれから得られる画像の強度比より温度を決定する。 Here, the fluorescence lifetime of SO 2 with respect to the incidence of laser light is 100 ns or less. Strictly speaking, when measuring a single shot (by irradiation with a single pulsed light) at a specific crank angle, it is necessary to simultaneously enter two wavelengths of laser light. However, since it is difficult to separate the fluorescence spectrum obtained by the incidence of two-wavelength laser light, in this embodiment, a two-wavelength laser is respectively incident with a time difference equal to or longer than the fluorescence lifetime. Assuming a case where two wavelengths of laser light are sequentially incident with a time difference of 500 ns, even if the engine speed is very high, for example, 6000 rpm, The time difference is 0.018 ° in crank angle. For this reason, there is no great difference in the environment in the combustion chamber 720, and temperature measurement by irradiating laser light of two wavelengths due to this time difference is not a big problem in accuracy. Further, as already described, the fluorescence obtained by irradiating the laser light of each excitation wavelength is photographed by the two cameras 42, and the temperature is determined from the intensity ratio of the images obtained from each.
以上、本実施形態によって求められるエンジン筒内の温度分布は、ＨＣＣＩ（予混合圧縮自己着火燃焼）の燃焼率制御や、ガソリンエンジンのノッキング等に対して重要な物理量である。本実施形態によれば、高精度な温度分布計測が可能となることから、その分布等を有効に利用した燃焼を行うことが可能となり、エンジンの性能（出力、排気、燃費等）向上に寄与できる。 As described above, the temperature distribution in the engine cylinder determined by the present embodiment is an important physical quantity for the combustion rate control of HCCI (premixed compression self-ignition combustion), the knocking of the gasoline engine, and the like. According to the present embodiment, it becomes possible to measure temperature distribution with high accuracy, so that combustion using the distribution and the like can be performed effectively, contributing to improvement of engine performance (output, exhaust, fuel consumption, etc.). it can.
燃焼前の温度は、上記のようなガソリンエンジンのノッキング等に影響を与えることは知られているが、本実施形態によれば、燃焼前におけるエンジン内の温度分布とノッキング発生との関係を計測することができる。また、例えば、ノッキングが発生しにくい温度分布を意図的に形成できるエンジン構成を作り、それが本当に意図する分布となっているかを確認できる。このため、本実施形態の温度計測方法を用いて、筒内の温度分布を正確に測定することにより、新しい燃焼コンセプトのメカニズムの確認が可能となる。 Although it is known that the temperature before combustion affects the knocking of the gasoline engine as described above, according to this embodiment, the relationship between the temperature distribution in the engine and the occurrence of knocking before combustion is measured. can do. In addition, for example, it is possible to create an engine configuration that can intentionally form a temperature distribution in which knocking is unlikely to occur, and to confirm whether or not the distribution is really intended. For this reason, the mechanism of the new combustion concept can be confirmed by accurately measuring the temperature distribution in the cylinder using the temperature measurement method of the present embodiment.
また、ＨＣＣＩ燃焼等では微小な温度ムラが燃焼に及ぼす影響に着目した研究がある。本実施形態の温度計測によって、そのような測定場における温度分布を求めることで、燃焼制御等に用いていくことができる。 In HCCI combustion, etc., there is research that focuses on the influence of minute temperature unevenness on combustion. By obtaining the temperature distribution in such a measurement field by the temperature measurement of the present embodiment, it can be used for combustion control or the like.
さらに、燃焼途中、燃焼後における筒内温度は、煤，ＮＯｘ等の生成に大きく影響を与える。したがって、温度分布を計測することで煤、ＮＯｘ等の生成メカニズムの解明や観察領域内の温度が、目標とする温度域にあるのか否かといったことを把握することができ、その結果を元にエンジン開発に応用でき、性能向上に寄与できる。 Further, the in-cylinder temperature during and after combustion greatly affects the generation of soot, NOx, and the like. Therefore, by measuring the temperature distribution, it is possible to elucidate the generation mechanism of soot, NOx, etc. and to understand whether the temperature in the observation region is within the target temperature range, and based on the results It can be applied to engine development and contribute to performance improvement.
また、本実施形態によって得られた温度分布と、ＣＦＤ（数値流体力学）を用いた計算結果（温度計算結果）と比較することができ、ＣＦＤの計算精度等を検証できる。 Further, the temperature distribution obtained by this embodiment can be compared with the calculation result (temperature calculation result) using CFD (computational fluid dynamics), and the calculation accuracy of CFD and the like can be verified.
［実施形態２］
上記実施形態１では、測定場としてエンジンを用いたが、エンジンに限らず、トレーサ物質として上記のような硫黄酸化物を用い、１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の中で複数の励起波長のレーザ光を照射することで、一般的な検査対象に対しても温度分布計測が可能である。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the engine is used as the measurement field. However, the present invention is not limited to the engine, and the sulfur oxide as described above is used as a tracer substance, and laser beams having a plurality of excitation wavelengths are irradiated in a range of 190 nm to 400 nm. By doing so, it is possible to measure the temperature distribution even for a general inspection object.
図１１は、実施形態２として、他の測定場７５０における温度計測方法を概念的に示している。検査対象領域である測定場７５０の温度計測を行う場合、この測定場７５０には、選択した複数の励起波長（例えば、２４８ｎｍ、３０８ｎｍ）のレーザ光を透過する入射用の窓７２３、７２４と、観察対象であるＬＩＦ光を透過させる観察用窓７２５があれば、上記実施形態と同様に温度分布の計測が可能である。例えば、既に説明したが、この測定場７５０の一例としては、ガスタービン等が挙げられる。なお、更に閉じた空間でなければ窓も必要とはならない。 FIG. 11 conceptually shows a temperature measurement method in another measurement field 750 as the second embodiment. When measuring the temperature of the measurement field 750 that is the inspection target region, the measurement field 750 includes incident windows 723 and 724 that transmit laser beams having a plurality of selected excitation wavelengths (for example, 248 nm and 308 nm), and If there is an observation window 725 that allows the LIF light to be observed to pass through, the temperature distribution can be measured as in the above embodiment. For example, as already described, an example of the measurement field 750 includes a gas turbine. Note that a window is not required unless the space is closed.
１００ 温度計測装置、２０，２１０，２２０ レーザ光源、３０ 光学機構部、３２ 光学レンズ（成形用光学レンズ、シリンドリカルレンズ）、３４ ハーフミラー（ビームスプリッタ）、３５ 石英板、３６，３１０ ミラー（全反射ミラー）、３８ パワーメータ、３９ 参照板、４０、４１０，４２０ 撮影部、４２ ＣＣＤカメラ、４４ フィルタ、４６ ＵＶレンズ、５０ 温度算出部、６０ 制御部、７０ 測定場、７２，７２ａ，７２ｂ 入射窓、７４ 観察窓、７００ 測定場（エンジン，可視化エンジン）、７１０ シリンダ、７１２ ピストン、７２０ 燃焼室、７２２ 吸気管、７２４ 吸気バルブ、７２６ 排気管、７２８ 排気バルブ、７３０ トレーサ物質噴射弁、７４０ 射出／入射窓。 100 temperature measuring device 20, 210, 220 laser light source, 30 optical mechanism section, 32 optical lens (molding optical lens, cylindrical lens), 34 half mirror (beam splitter), 35 quartz plate, 36, 310 mirror (total reflection) Mirror), 38 power meter, 39 reference plate, 40, 410, 420 photographing unit, 42 CCD camera, 44 filter, 46 UV lens, 50 temperature calculation unit, 60 control unit, 70 measuring field, 72, 72a, 72b incident window , 74 Observation window, 700 Measurement field (engine, visualization engine), 710 cylinder, 712 piston, 720 combustion chamber, 722 intake pipe, 724 intake valve, 726 exhaust pipe, 728 exhaust valve, 730 Tracer material injection valve, 740 Injection / Entrance window.
Claims (12)
前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測装置であり、
前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、
前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長のレーザ光を発生するレーザ光源と、
順次発生する前記複数の異なる励起波長のレーザ光を前記レーザ光源から順次前記測定場の同一箇所に導いて照射するため光学機構部と、
前記レーザ光の照射によって得られた蛍光を撮影する撮影部と、
前記撮影部からの撮影結果から各励起波長に対応する蛍光強度の強度比を求め、前記強度比に基づいて前記測定場の温度を算出する温度算出部と、を備えることを特徴とする温度計測装置。 Irradiate the measurement field where the tracer substance exists with multiple laser beams with different excitation wavelengths.
A temperature measuring device that measures the temperature of the measurement field based on the fluorescence intensity of the fluorescence emitted by the tracer substance by the irradiation of the laser light;
Using sulfur oxide as the tracer material,
As the plurality of different excitation wavelengths, a laser light source that generates laser light having wavelengths different from each other in temperature dependence of the fluorescence intensity of the sulfur oxide,
An optical mechanism unit for sequentially guiding and irradiating the plurality of laser light beams having different excitation wavelengths sequentially from the laser light source to the same place in the measurement field;
An imaging unit for imaging fluorescence obtained by the laser light irradiation;
A temperature calculation unit that calculates an intensity ratio of fluorescence intensity corresponding to each excitation wavelength from an imaging result from the imaging unit, and calculates a temperature of the measurement field based on the intensity ratio; apparatus.
前記撮影部は、前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、
前記温度算出部にて前記蛍光強度から得た強度比に基づいて前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を計測する温度計測装置。 In the temperature measuring device according to claim 1,
The imaging unit observes the fluorescence intensity along the optical path of the laser beam irradiated on the measurement field,
A temperature measurement device that measures the temperature of the measurement field in the optical path direction of the laser light based on the intensity ratio obtained from the fluorescence intensity by the temperature calculation unit.
前記測定場は、燃焼室内であることを特徴とする温度計測装置。 In the temperature measuring device according to claim 1 or 2,
The temperature measurement device, wherein the measurement field is in a combustion chamber.
前記トレーサ物質は、ＳＯ2であり、
前記複数の励起波長は波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする温度計測装置。 In the temperature measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The tracer material is SO 2 ;
The plurality of excitation wavelengths are in a wavelength range of 190 nm to 400 nm.
前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、
前記トレーサ物質として硫黄酸化物を用い、
前記複数の異なる励起波長として、前記硫黄酸化物の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる波長を用い、
前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する温度計測方法。 Irradiate the measurement field where the tracer substance exists with multiple laser beams with different excitation wavelengths.
A temperature measurement method for measuring the temperature of the measurement field based on the fluorescence intensity of the fluorescence emitted by the tracer substance by the irradiation of the laser beam;
Using sulfur oxide as the tracer material,
As the plurality of different excitation wavelengths, wavelengths having different temperature dependencies of the fluorescence intensity of the sulfur oxide are used,
Irradiating the measurement field sequentially with the laser beams of the plurality of different excitation wavelengths, obtaining an intensity ratio from the fluorescence intensity obtained corresponding to each excitation wavelength, and measuring the temperature of the measurement field based on the intensity ratio Temperature measurement method.
前記測定場は、燃焼室内であることを特徴とする温度計測方法。 The temperature measurement method according to claim 5,
The temperature measurement method, wherein the measurement field is in a combustion chamber.
前記トレーサ物質として用いる硫黄酸化物は、ＳＯ2であることを特徴とする温度計測方法。 In the temperature measuring method according to claim 5 or 6,
The temperature measurement method, wherein the sulfur oxide used as the tracer substance is SO 2 .
複数の励起波長は波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする温度計測方法。 In the temperature measurement method according to any one of claims 5 to 7,
The temperature measurement method, wherein the plurality of excitation wavelengths are in a wavelength range of 190 nm to 400 nm.
前記複数の励起波長は、それぞれ２４８ｎｍ、３０８ｎｍであることを特徴とする温度計測方法。 In the temperature measuring method according to any one of claims 5 to 8,
The temperature measurement method, wherein the plurality of excitation wavelengths are 248 nm and 308 nm, respectively.
前記蛍光強度を、前記測定場に照射された前記レーザ光の光路に沿って観察し、前記レーザ光の光路方向における前記測定場の温度を計測することを特徴とする温度計測方法。 In the temperature measurement method according to any one of claims 5 to 9,
A temperature measurement method, comprising: observing the fluorescence intensity along an optical path of the laser light applied to the measurement field, and measuring a temperature of the measurement field in the optical path direction of the laser light.
前記レーザ光の照射によって前記トレーサ物質が発する蛍光の蛍光強度に基づき前記測定場の温度を計測する温度計測方法であり、
前記測定場は、燃焼室であり、
前記トレーサ物質として、前記燃焼室内における燃焼反応の前後において化学組成の変化しない不燃性ガスを用い、
前記複数の異なる励起波長としては、前記トレーサ物質の蛍光強度の温度依存性が互いに異なる１９０ｎｍから４００ｎｍの範囲の波長を用い、
前記複数の異なる励起波長のレーザ光を順次を前記測定場に照射し、各励起波長に対応して得られた蛍光強度から強度比を求め、前記強度比に基づいて測定場の温度を測定する温度計測方法。 Irradiate the measurement field where the tracer substance exists with multiple laser beams with different excitation wavelengths.
A temperature measurement method for measuring the temperature of the measurement field based on the fluorescence intensity of the fluorescence emitted by the tracer substance by the irradiation of the laser beam;
The measurement field is a combustion chamber,
As the tracer substance, using a nonflammable gas whose chemical composition does not change before and after the combustion reaction in the combustion chamber,
As the plurality of different excitation wavelengths, wavelengths in the range of 190 nm to 400 nm, which are different from each other in temperature dependence of the fluorescence intensity of the tracer substance, are used.
Irradiating the measurement field sequentially with the laser beams of the plurality of different excitation wavelengths, obtaining an intensity ratio from the fluorescence intensity obtained corresponding to each excitation wavelength, and measuring the temperature of the measurement field based on the intensity ratio Temperature measurement method.
前記トレーサ物質は、硫黄酸化物であることを特徴とする温度計測方法。 The temperature measurement method according to claim 11,
The temperature measurement method, wherein the tracer substance is sulfur oxide.
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