(57)【要約】【課題】流体温度の計測に関して、精度が高く、低コストで実施可能とする。【解決手段】温度計測装置１０は、レーザ光Ｌの照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する粒子７が多数混入された流体８を溜めるケース１１と、ケース１１内に向けてレーザ光Ｌを照射する光源装置１２と、粒子７の反射光を撮影し波長毎に識別された信号を出力可能である撮影装置１３と、撮影装置１３が出力する前記信号に基づいてアンチストークス光の強度を示すデータを取得し、当該データを用いた換算処理を行うことで流体８の温度を求める処理装置１４とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する粒子が多数混入された流体を溜めるケースと、
前記ケース内に向けてレーザ光を照射する光源装置と、
前記粒子の反射光を撮影し波長毎に識別された信号を出力可能である撮影装置と、
前記撮影装置が出力する前記信号に基づいてアンチストークス光の強度を示すデータを取得し、当該データを用いた換算処理を行うことで前記流体の温度を求める処理装置と、
を備える温度計測装置。
【請求項２】
前記撮影装置は、ハイパースペクトルカメラである、請求項１に記載の温度計測装置。
【請求項３】
前記処理装置は、アンチストークス光の強度を示すデータの他に、アンチストークス光と異なる波長の光の強度を示すデータとの比を求め、
前記比を、前記流体の温度に換算する、請求項１又は２に記載の温度計測装置。
【請求項４】
前記光源装置は、面状としたレーザ光を、前記ケース内において、当該レーザ光の面に交差する方向に移動させ、
前記レーザ光の移動に併せて、前記撮影装置は当該レーザ光の面内における前記粒子の反射光を撮影する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度計測装置。
【請求項５】
レーザ光の照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する粒子が、多数混入された流体を溜めているケース内に向けて、レーザ光を照射し、
撮影装置によって前記粒子の反射光を撮影し、撮影装置から出力される波長毎に識別された信号に基づいて、アンチストークス光の強度を示すデータを取得し、当該データを用いた換算処理を行うことで前記流体の温度を求める、温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体温度を計測するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱流体計測方法の代表例として、レーザ誘起蛍光法が知られている（例えば、特許文献１参照）。レーザ誘起蛍光法は、次のとおりである。測定対象に蛍光粒子を与え、測定対象にレーザ光を照射する。レーザ光により励起・放出される蛍光粒子の蛍光を、カメラが撮影する。撮影により得られた蛍光強度のデータに基づいて、測定対象の温度が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０６８４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ誘起蛍光法の場合、レーザ光の照射によって蛍光粒子が時間経過に伴って劣化（消光）することがある。このため、計測精度が低下するという問題点がある。また、蛍光粒子が高価であるという問題点もある。
【０００５】
そこで、本発明は、流体温度の計測に関して、精度が高く、低コストで実施可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の温度計測装置は、レーザ光の照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する粒子が多数混入された流体を溜めるケースと、前記ケース内に向けてレーザ光を照射する光源装置と、前記粒子の反射光を撮影し波長毎に識別された信号を出力可能である撮影装置と、前記撮影装置が出力する前記信号に基づいてアンチストークス光の強度を示すデータを取得し、当該データを用いた換算処理を行うことで前記流体の温度を求める処理装置と、を備える。
【０００７】
レーザ光の照射対象の温度が上昇すると、その照射対象からのラマン散乱光のうち、アンチストークス光の強度は、上昇することが知られている。本開示の温度計測装置は、この特性に着目して成されたものである。レーザ光の照射によって粒子から拡散されるアンチストークス光は劣化（消光）しない。このため、本開示の温度計測装置によれば、レーザ誘起蛍光法よりも、温度計測の精度を高めることが可能となる。また、高価な蛍光粒子は不要であり、例えば樹脂製又はガラス製の粒子が採用されればよく、低コストで計測が可能となる。
【０００８】
また、好ましくは、前記撮影装置は、ハイパースペクトルカメラである。この場合、アンチストークス光の強度を、他の光成分と精度良く識別して求めることが可能となる。アンチストークス光の強度の微小な変化を捉え、その変化に応じた信号を出力することができる。このため、計測精度が高まる。また、他のカメラの場合、そのカメラとケースとの間にアンチストークス光を通過させる光学フィルターを設置すればよいが、この場合、難しい光学設計が必要となる。ハイパースペクトルカメラによれば、難しい光学設計が不要となる。
【０００９】
また、好ましくは、前記処理装置は、アンチストークス光の強度を示すデータの他に、アンチストークス光と異なる波長の光の強度を示すデータとの比を求め、前記比を、前記流体の温度に換算する。
この構成によれば、レーザ光の強度が時間的に変動する場合であっても、その変動による計測誤差が低減される。このため、計測精度が高まる。
【００１０】
また、好ましくは、前記光源装置は、面状としたレーザ光を、前記ケース内において、当該レーザ光の面に交差する方向に移動させ、前記レーザ光の移動に併せて、前記撮影装置は当該レーザ光の面内における前記粒子の反射光を撮影する。この場合、ケース内の流体の三次元計測が可能となる。
【００１１】
また、本開示の温度計測方法は、レーザ光の照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する粒子が、多数混入された流体を溜めているケース内に向けて、レーザ光を照射し、撮影装置によって前記粒子の反射光を撮影し、撮影装置から出力される波長毎に識別された信号に基づいて、アンチストークス光の強度を示すデータを取得し、当該データを用いた換算処理を行うことで前記流体の温度を求める。
【００１２】
本開示の温度計測方法によれば、レーザ誘起蛍光法よりも、温度計測の精度を高めることが可能となる。また、高価な蛍光粒子は不要であり、低コストで計測が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本開示の発明によれば、温度計測の精度を高めることが可能となり、また、低コストで計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】温度計測装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】粒子の散乱光の強度を示す説明図である。
【図３】検量線情報の説明図である。
【図４】検量線情報の説明図である。
【図５】温度計測装置の変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、温度計測装置の一例を示す概略構成図である。本開示の温度計測装置１０は、流体８の温度を計測する。このために、流体８に微小な粒子７を多数混入し、粒子７の温度を捉える。粒子７の温度は流体８の温度と等しいことから、粒子７の温度を計測することで、流体８の温度を求めることが可能となる。
【００１６】
温度計測装置１０は、粒子７が多数混入された流体８を溜めるケース１１と、ケース１１内に向けてレーザ光Ｌを照射する光源装置１２と、撮影装置１３と、演算等の各種処理を実行する処理装置１４とを備える。
【００１７】
粒子７は、レーザ光Ｌが照射されると、粒子７の表面でレーザ光Ｌが散乱し、反射光（散乱光）としてラマン散乱光を拡散する材質からなる。粒子７は、例えば樹脂製又はガラス製である。例えばナイロン製の粒子７が用いられる。粒子７は、流体８を浮遊する。粒子７の直径（相当径）は、例えば数十ナノミリメートルである。
【００１８】
ケース１１は、粒子７からのラマン散乱光を透過する材質からなる壁１５を有する。ケース１１は、測定専用の容器であってもよいが、機械製品の一部を構成するタンク等であってもよい。
【００１９】
光源装置１２は、レーザ光Ｌを出力するレーザ出力器２１を有する。図１に示すレーザ出力器２１は、焦点がスポット状となるレーザ光Ｌを出力する。更に説明すると、レーザ出力器２１は、比較的大きなスポット径を有するレーザ光Ｌを出力する。スポット径は例えば、１０ｍｍ〜３０ｍｍである。
【００２０】
光源装置１２は、レーザ光Ｌの焦点位置を変更する機構を備えるのが好ましい。その機構として、例えば、レーザ光Ｌを反射するミラー等の光学部品、及びそのミラーの傾きを変更してレーザ光Ｌの反射方向を変更するアクチュエータを備える。光源装置１２は例えばガルバノミラーを備える。この構成によれば、ケース１１内を走査し、広い範囲での温度計測が可能となる。
【００２１】
本開示の撮影装置１３は、ハイパースペクトルカメラである。このため、撮影装置１３は、波長毎のバンドを分光してスペクトラルキューブを測定することができる。撮影装置１３は、少なくとも、粒子７から拡散するラマン散乱光の内のアンチストークス光の情報を取得する。撮影装置１３は、アンチストークス光の他に、入射光となるレーザ光Ｌの反射光（レイリー散乱光）の情報、又は、ラマン散乱光の内のストークス光の情報を取得する。更に、撮影装置１３は、アンチストークス光の強度に応じた信号（第一信号ｉ１）を出力する。撮影装置１３は、レイリー散乱光又はストークス光の強度に応じた信号（第二信号ｉ２）を出力することも可能である。
【００２２】
なお、アンチストークス光等、特定の波長を識別して信号を出力可能であれば、撮影装置１３はハイパースペクトルカメラに限定されない。例えば、光学フィルターによって所定の波長、つまり、アンチストークス光を捉えることができる撮影装置１３であればよい。このように、撮影装置１３は、粒子７の反射光を撮影し、波長毎に識別された信号を出力する。
【００２３】
図２は、粒子７の散乱光の強度（スペクトル分布）を示す説明図である。入射光であるレーザ光Ｌの波長が「λ１」である。アンチストークス光の波長が「λ２」であり、ストークス光の波長が「λ３」である。流体８の温度、つまり、流体８に含まれる粒子７の温度は、その粒子７から散乱するアンチストークス光の強度と相関がある。具体的に説明すると、粒子７の温度が上昇すると、その粒子７のラマン散乱光のうち、アンチストークス光の強度は上昇する。このように、レーザ光Ｌの照射対象（粒子７）の温度が上昇すると、その照射対象からのラマン散乱光のうち、アンチストークス光の強度は、上昇することが一般的に知られている。
【００２４】
処理装置１４は、コンピュータ装置によって構成され、各種演算等の処理を実行する機能を有する。処理装置１４は、撮影装置１３が出力する信号（第一信号ｉ１、第二信号ｉ２）を取得する。処理装置１４は、この信号を処理し、流体８中の粒子７の温度を求める。つまり、撮影装置１３からの出力信号に基づいて流体８の温度が処理装置１４によって求められる。
【００２５】
前記のとおり撮影装置１３は、取得した撮影データに基づいて、アンチストークス光の強度に応じた信号（第一信号ｉ１）を出力する。処理装置１４は、第一信号ｉ１に基づいて、アンチストークス光の強度を示すデータ（第一データｊ１）を取得する。この第一データｊ１は、アンチストークス光の強度の値（レベル）であってもよく、第一信号ｉ１の電圧値であってもよい。このように、処理装置１４は、撮影装置１３が出力する信号（第一信号ｉ１）に基づいてアンチストークス光の強度を示すデータ（第一データｊ１）を、取得することができる。
【００２６】
また、前記のとおり、撮影装置１３は、取得した撮影データに基づいて、レイリー散乱光又はストークス光の強度に応じた信号（第二信号ｉ２）を出力する。処理装置１４は、第二信号ｉ２に基づいて、レイリー散乱光又はストークス光の強度を示すデータ（第二データｊ２）を取得する。この第二データｊ２は、レイリー散乱光又はストークス光の強度の値（レベル）であってもよく、第二信号ｉ２の電圧値であってもよい。このように、処理装置１４は、撮影装置１３が出力する信号（第二信号ｉ１）に基づいてレイリー散乱光又はストークス光の強度を示すデータ（第二データｊ２）を、取得することができる。
【００２７】
処理装置１４は、第一データｊ１を取得すると、この第一データｊ１を用いた換算処理を行う。この換算処理によりケース１１内の温度が求められる。このために、処理装置１４が有するハードディスク等から成る記憶部１７に、検量線情報（参照情報）が記憶されている。この検量線情報は、粒子７の温度と、その温度にある粒子７からのアンチストークス光の強度との関係について、予め測定されることで得られた情報である（図３参照）。処理装置１４は、第一データｊ１を取得すると、前記検量線情報と照合し、第一データｊ１に相当する温度を抽出する。これにより、粒子７の温度、つまり、流体８の温度が求められる。このように、処理装置１４は、第一データｊ１を用いた換算処理を行うことで流体８の温度を求める処理を行う。
【００２８】
処理装置１４が行う処理の変形例について説明する。前記のとおり、処理装置１４は、レイリー散乱光又はストークス光の強度を示す第二データｊ２を取得することができる。なお、レイリー散乱光又はストークス光は「アンチストークス光と異なる波長の光」であるといえる。そこで、処理装置１４は、第一データｊ１と第二データｊ２との比ｅを求める。つまり、処理装置１４は、アンチストークス光の強度と、アンチストークス光と異なる波長の光の強度との比ｅを求める。この場合、前記検量線情報は、下記に定義する「比ｅ」と、粒子７の温度との関係について、予め測定されることで得られた情報である（図４参照）。
「比ｅ」：その温度にある粒子７からのアンチストークス光の強度（第一データｊ１）と、アンチストークス光と異なる波長の光の強度（第二データｊ２）との比
【００２９】
この場合、処理装置１４は、第一データｊ１及び第二データｊ２を取得すると、前記検量線情報と照合し、第一データｊ１と第二データｊ２との比ｅに相当する温度を抽出する。これにより、粒子７の温度、つまり、流体８の温度が求められる。このように、処理装置１４は、第一データｊ１及び第二データｊ２（これらの比ｅ）を用いた換算処理を行うことで流体８の温度を求める処理を行う。
【００３０】
図５は、温度計測装置１０の変形例を示す概略構成図である。図５に示す温度計測装置１０は、図１に示す装置と比較して、光源装置１２の構成、及び処理装置１４が行う処理が異なる。他については同じである。
【００３１】
光源装置１２は、レーザ光Ｌを出力するレーザ出力器２１の他に、レーザ光Ｌを面状（シート状）に広げる光学部品を備える。そして、ガルバノミラー２２によって、面状のレーザ光Ｌを、そのレーザ光Ｌの面に交差（直交）する方向に移動させる。このように、光源装置１２は、面状としたレーザ光Ｌを、ケース１１内において、レーザ光Ｌの面に交差する方向に移動させることができる。なお、レーザ光Ｌを移動させる手段は、他であってもよい。
【００３２】
そして、この面状であるレーザ光Ｌの移動に併せて、撮影装置（ハイパースペクトルカメラ）１３は、このレーザ光の面内における粒子７の反射光（ラマン散乱光）を撮影する。撮影装置１３は、前記移動の間に、複数の異なる仮想面上の画像を取得する。各画像における撮影装置１３が出力する第一信号ｉ１に基づいて、アンチストークス光の強度を示す第一データｊ１を、処理装置１４は取得する。処理装置１４は、その第一データｊ１を用いた換算処理を行うことでケース１１内の流体８の温度を求める処理を行う。このように、面状である二次元のレーザ光Ｌを、前記のとおり移動させることで、三次元領域の温度計測が可能となる。なお、この形態においても、前記のとおり第二データｊ２との比ｅが用いられてもよい。
【００３３】
以上のように、本開示の温度計測装置１０は、ケース１１、光源装置１２、撮影装置１３、及び処理装置１４を備える。ケース１１には、粒子７が多数混入された流体８が溜められる。粒子７は、撮影装置１３が出力するレーザ光Ｌの照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する特性を有する。光源装置１２は、ケース１１内に向けてレーザ光Ｌを照射する。撮影装置１３は、粒子７の反射光を撮影し、波長毎に識別された信号を出力可能である。処理装置１４は、撮影装置１３が出力する前記信号に基づいてアンチストークス光の強度を示すデータ（第一データｊ１）を取得する。処理装置１４は、そのデータ（第一データｊ１）を用いた換算処理を行うことで流体８の温度を求める処理を行う。
【００３４】
前記温度計測装置１０によって実行される温度計測方法は、次の（１）（２）の工程を含む。
（１）レーザ光Ｌの照射により反射光としてラマン散乱光を拡散する粒子７が、多数混入された流体８を溜めているケース１１内に向けて、レーザ光Ｌを照射する。
（２）撮影装置１３によって粒子７の反射光を撮影し、撮影装置１３から出力される波長毎に識別された信号に基づいて、アンチストークス光の強度を示すデータを取得し、そのデータを用いた換算処理を行うことで流体８の温度を求める。
【００３５】
前記のとおり、レーザ光Ｌの照射対象（粒子７）の温度が上昇すると、その照射対象からのラマン散乱光のうち、アンチストークス光の強度は、上昇することが知られている。そこで、本開示の温度計測装置１０は、アンチストークス光の強度を示すデータを取得し、そのデータを用いた換算処理を行うことで流体８の温度を求めている。本開示では、蛍光粒子ではなく、レーザ光Ｌの照射によりラマン散乱光を拡散する粒子７が用いられる。レーザ光Ｌの照射によって粒子７から拡散されるアンチストークス光は劣化（消光）しない。このため、従来のレーザ誘起蛍光法よりも、温度計測の精度を高めることが可能となる。また、高価な蛍光粒子は不要であり、例えば樹脂製又はガラス製の粒子７が採用されればよく、低コストで計測が可能となる。
【００３６】
また、流体８の温度が変化すれば、流体８に含まれる粒子７の温度も変化する。これに併せてアンチストークス光の強度も変化する。このように変化した後のアンチストークス光の強度を示すデータを、再び取得し、そのデータを用いた換算処理を行うことで、流体８の変化後の温度が求められる。
【００３７】
本開示の撮影装置１３は、光を波長毎に分光して撮影可能であるハイパースペクトルカメラにより構成されている。このため、アンチストークス光の強度を、例えば、入射光（レイリー散乱光）等の他の光成分と精度良く識別して求めることが可能となる。図２では、説明を容易とするために、レーザ光Ｌの波長λ１と、アンチストークス光の波長λ２とが離れているが、実際では近接している。ハイパースペクトルカメラによれば、レーザ光Ｌとアンチストークス光との識別（区別）が容易に行われる。
【００３８】
したがって、撮影装置１３は、アンチストークス光の強度の微小な変化を捉えることができる。撮影装置１３は、その変化に応じた信号を出力する。このため、計測精度が高まる。なお、撮影装置１３は、ハイパースペクトルカメラ以外に、他のカメラであってもよい。この場合、そのカメラとケース１１との間に光学フィルターを設置すればよい。しかし、この場合、難しい光学設計（各構成機器のレイアウト）が必要となる。これに対して、ハイパースペクトルカメラによれば、難しい光学設計が不要となる。
【００３９】
変形例（図４参照）として既に説明したように、処理装置１４は、アンチストークス光の強度を示すデータ（第一データｊ１）の他に、アンチストークス光と異なる波長の光の強度を示すデータ（第二データｊ２）との比ｅを求める。処理装置１４は、前記比ｅを、流体８の温度に換算する処理を行う。この場合、光源装置１２から出力されるレーザ光Ｌの強度が時間的に変動する場合であっても、その変動による計測誤差が低減される。このため、計測精度が高まる。
【００４０】
異なる波長に基づく第一データｊ１と第二データｊ２とを取得する場合であっても、撮影装置１３がハイパースペクトルカメラであることから、カメラは一台のみで済む。
【００４１】
前記実施形態では、ケース１１が測定専用の容器である。しかし、ケース１１は他であってもよく、軸受又は歯車等の機械要素の潤滑油が溜められるタンク（油槽）であってもよい。この場合、そのタンク中の潤滑油の温度計測が可能となる。なお、このために、潤滑油に粒子７が混ぜられる。また、計測の対象となる流体８は潤滑油以外に、冷却液であってもよい。例えば、モーターの冷却液の温度計測に、前記温度計測装置１０が用いられてもよい。
【００４２】
また、撮影装置１３によって粒子７の移動を捉えれば、流体８の移動、つまり、温度の流れを計測することも可能となる。
【００４３】
今回開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
７：粒子            ８：流体      １０：温度計測装置
１１：ケース      １２：光源装置  １３：撮影装置（ハイパースペクトルカメラ）
１４：処理装置      Ｌ：レーザ光
【図１】
2020176840.tif 000003
【図２】
2020176840.tif 000004
【図３】
2020176840.tif 000005
【図４】
2020176840.tif 000006
【図５】
2020176840.tif 000007