(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
過酷な環境での物品のオンライン監視のための光学的方法であって、
前記過酷な環境に前記物品を露出するステップと、
高速度画像取得システムを使用して前記物品に直接接触する発光センサの画像を取得するステップと、
高速度データ処理システムを使用して前記画像を分析して前記物品の温度マップと前記物品のひずみマップとを同時に取得するステップと
を含む光学的方法。
【請求項２】
前記発光センサが、直接描画工程により前記物品上に形成される、請求項１記載の光学的方法。
【請求項３】
前記発光センサが、温度感受性発光セラミック材料を含む、請求項１又は請求項２記載の光学的方法。
【請求項４】
前記発光センサが、クロムがドープされたアルミナを含む、請求項１又は請求項２記載の光学的方法。
【請求項５】
前記発光センサが、希土類酸化物を含む、請求項１又は請求項２記載の光学的方法。
【請求項６】
前記発光センサが、前記物品の表面に幾何学的パターンとして配置されていて、直径約７０ミクロンで高さ４０ミクロンの特徴部であって、特徴部間の間隔が約７０ミクロンである特徴部を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の光学的方法。
【請求項７】
物品に直接接触する発光センサと、
前記発光センサの光学画像を検出するための高速度画像取得システムと、
前記画像を分析して前記物品の温度マップと前記物品のひずみマップとを同時に取得するための高速度データ処理システムと
を備える監視システム。
【請求項８】
前記発光センサが、直接描画工程により前記物品上に形成される、請求項７記載の監視システム。
【請求項９】
前記発光センサが、温度感受性発光セラミック材料を含む、請求項７又は請求項８記載の監視システム。
【請求項１０】
前記発光センサが、クロムがドープされたアルミナを含む、請求項７又は請求項８記載の監視システム。
【請求項１１】
前記発光センサが、希土類酸化物を含む、請求項７又は請求項８記載の監視システム。
【請求項１２】
前記発光センサが、前記物品の表面に幾何学的パターンとして配置されていて、直径約７０ミクロンで高さ４０ミクロンの特徴部であって、特徴部間の間隔が約７０ミクロンである特徴部を含む、請求項７乃至請求項１１のいずれか１項記載の監視システム。
【請求項１３】
過酷な環境で使用するための物品を製造するための方法であって、
直接描画工程により前記物品の表面上に発光センサを形成するステップと、
前記物品を高速度画像取得システム及び高速度データ処理システムとインターフェース接続するステップと、
前記過酷な環境での前記発光センサの画像を取得して、前記物品の温度マップと前記物品のひずみマップとを同時に取得するように、前記高速度画像取得システム及び高速度データ処理システムを構成するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記物品がタービンブレードである、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記発光センサが、前記物品の表面に幾何学的パターンとして配置されていて、直径約７０ミクロンで高さ４０ミクロンの特徴部であって、特徴部間の間隔が約７０ミクロンである特徴部を含む、請求項１３又は請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物品のオンライン監視のための方法および監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特に過酷な環境での監視は、多くの工業用途においての難題である。そのような過酷な環境で、リアルタイムで信頼性の高いデータを提供する能力は、ジェットエンジン、発電ガスタービン、工業金融、および製造工程等々において応用がきくものである。
【０００３】
例示の目的で、発電を本明細書では説明する。固有の性質により化石燃料を使用する大規模な発電では、極度の温度および圧力の両方の状態で行われる処理を必然的に含む。これらの処理、およびそれらの処理が行われる設備の状態を監視することは、信頼性の高い、コスト効果の高い、効率的な発電のために最も重要である。発電で使用されるタービン機械装置の監視は、特に有用なものとなる。現代のガスタービンは、より高い燃焼温度、より高い圧力比からのより熱い冷却材温度、および低減した冷却流量を使用することにより、より高い効率および低減した燃料消費を達成している。加えてより高い燃焼温度は、ガスタービンの可用性、信頼性、および安全性に、特に高コストの決定的に重要な高温部（ＨＧＰ）の部品の寿命に悪影響を与える。過酷な環境のもとで作動する電力システム部品の寿命は、温度およびひずみに強く左右される。温度測定精度の向上により直接の結果として、機械をその動作限界の近くで安全に動作させることができるので、タービン動作効率が向上することになる。物理ベースのライフィング（ｌｉｆｉｎｇ）モデルに対する高忠実性の入力によって、ライフィング予測精度の桁違いの向上が可能になることになる。大部分の先進的なガスタービンでは、燃焼温度はＨＧＰ部品の融点を上回るので、これらの部品を能動的に冷却しなければならない。一般には大きな設計安全域が、これらの決定的に重要な部品に対して組み込まれる。高忠実性のリアルタイムデータによって、設計安全域での信頼度が向上し、場合によってはタービン設計サイクルが短縮されることになる。電力システムの調整段階中の多特性オンライン測定によって、設計者が、決定的に重要な部品のライフィング、および起こり得る補償の設計修正をより良好に評価することが可能になることになる。電力システム／部品の監視におけるひずみおよび温度の精度の高いリアルタイムの同時測定によって、物理ベースのライフィングモデルの予測精度が向上する場合がある。この精度の向上により結果として、機械をその動作限界のより近くで安全に動作させることができるので、タービン動作効率が向上する場合がある。一例では計算によって、冷却流を１０％低減することが、１台の複合サイクルガスタービンの２０年の動作寿命の間で最高９００万ドルの節約につながる場合があることが示される。
【０００４】
動作しているタービン機械の内部から精度の高いオンラインの温度およびひずみのデータを得る必要があるにもかかわらず、この目標を達成することは非常に困難なままであった。過去１０年以内では、光学（ルミネッセンスベースの）温度計として適している希土類ベースの発光材料の開発によっていくつかの進展が見られるようになったが、相対的に高いコストおよび非常に高い温度での不十分な感度の問題点が残されている。加えてひずみのオンライン光学検出は、依然として充分に対処されていない。電力システムのオンライン評価用の、低コストの非侵入型の多機能のはめ込み型センサシステムを開発することにより、この監視の必要性に対処するという継続的な要望が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／１３８８５０号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では本発明は、物品に直接接触する発光センサ、発光センサの光学画像を検出するための高速度画像取得システム、および、画像を分析して物品の温度、物品のひずみ、またはそれらの組み合わせを決定するための高速度データ処理システムを含む監視システムに関する。
【０００７】
別の態様では本発明は、過酷な環境での物品のオンライン監視のための光学的方法に関する。方法は、過酷な環境に物品を露出するステップ、高速度画像取得システムを使用して物品に直接接触する発光センサの画像を取得するステップ、および、高速度データ処理システムを使用して画像を分析して物品の温度もしくはひずみ、またはそれらの組み合わせを決定するステップを含む。一部の実施形態では発光センサは、直接描画工程により物品上に形成される。
【０００８】
さらに別の態様では本発明は、過酷な環境で使用するための物品を製造するための方法に関する。方法は、直接描画工程、スクリーン印刷、溶射、エアロゾルスプレー、または他の印刷工程により物品の表面上に発光センサを形成するステップ、物品を高速度画像取得システムおよび高速度データ処理システムとインターフェース接続するステップ、ならびに、高速度画像取得システムおよび高速度データ処理システムを、過酷な環境での発光センサの画像を取得するように、かつ、物品の温度、物品のひずみ、またはそれらの組み合わせを決定するように構成するステップを含む。
【発明の効果】
【０００９】
説明するシステムの利点には、物理ベースのライフィングを使用して発電設備などの設備に対して向上した信頼性を達成する潜在能力を伴う、部品およびシステムの、特に過酷な環境での部品およびシステムの、リアルタイムのオンラインの監視および診断がある。システムは、状態ベースの保守および予知診断をさらに考慮したものであり、一方で他の検知システムと比較してカーボンフットプリントを低減する。
【００１０】
本開示の主題は、下記の添付の図面を参照して非限定的な実施形態の以下の説明を読むことから、より良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】様々な実施形態によるリアルタイムのオンライン監視用の多機能のはめ込み型センサに関する簡略化したシステムの線図である。
【図２Ａ】第１段ブレードの表面温度のオンライン監視用の見通し線（ＬＯＳ）およびイメージングの輻射温度測定法（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ）（ＲＴ）のシステムを示す図である。
【図２Ｂ】高温部流の外側の光学プローブを例示する図である。
【図３】温度およびひずみのマップを与えるためのデータおよび画像に対する処理のブロック線図である。
【図４】１つのはめ込み型センサのアーキテクチャを示す図であり、高温発光材料の微細パターンが直接描画され、次いで保護上部コートによって被覆される。
【図５】過酷な環境のもとでの同時のガス／表面温度およびひずみの測定用の多機能のはめ込み型センサシステムを例示する図である。
【図６】３Ｄ微細構造の上部および下部が高温発光材料によって直接描画される、はめ込み型センサのアーキテクチャの別の実施形態を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前述の概要、およびある決まった実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面とともに読むことでより良く理解されよう。図が様々な実施形態の機能ブロックの線図を例示する限りでは、機能ブロックは必ずしもハードウェア回路網間の分割を指示するものではない。したがって例えば機能ブロック（例えばプロセッサ、コントローラ、回路、またはメモリ）の１つまたは複数を、単一の部分品のハードウェアまたは複数の部分品のハードウェアで実装することが可能である。様々な実施形態は、図面に示す配置構成および手段に限定されないことを理解されたい。
【００１３】
本明細書では、単数形で記載し単語「ａ」または「ａｎ」を用いて処置した要素またはステップは、複数の前記要素またはステップを除外しないと、そのような除外を明示的に記述しない限りは理解すべきである。さらに「一実施形態」を参照することは、記載した特徴をやはり組み込む追加的な実施形態の存在を除外すると解釈されることは意図されない。さらに、そうではないと明示的に記述しない限り、個別の特性を有する１つの要素または複数の要素を「備える／含む」または「有する」実施形態は、その特性を有さない追加的なそのような要素を含み得る。
【００１４】
測定システムは、蒸気タービン、発電機、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）、および石炭焚きボイラを含む出力タービンの動作に関連するような過酷な環境の状態のもとで、２０〜１７００℃の範囲内で±５℃の不確定度を伴うガス／表面温度、および±０．０００２の精度を伴うひずみを測定可能である。はめ込み型センサ用の物品の他の例には、静翼、ロータ、ステータ、燃焼ライナ、ノズル、ケーシング、ディスク、炉、金属加工および鋳造工程などの高温製造工程、地熱および石油およびガスでの動作などのダウンホール掘削用途で使用するための設備がある。
【００１５】
図１は、ひずみおよびガス／表面温度を測定するための直接描画された発光センサを使用するシステム１００を例示する簡略化した概略の線図であり、センサは光学信号を生成し、信号は、様々な実施形態によってリアルタイムの構成でのひずみを測定するために使用される高速のコンピューティングハードウェアを用いるｕｖ光カメラの可視部を使用して取得される。システムは、高温発光材料で構成される直接描画の発光はめ込み型センサを有する物品１１０、光収集システム１２０ｂ、（ファイバスコープまたはボアスコープなどの）光送出システム１２０ａ、ならびに、随意の光源システム１２０ｃ、カメラシステム１３０、補助のタイミング／制御システム１５０、データ／画像取得システム１６０、ならびに、高速度データ処理アルゴリズムおよびハードウェア１７０を含む。一部の実施形態では光学検出システムは、複数の波長でイメージングする性能を有する。カメラからの画像は処理されて、リアルタイムのオンラインのガス／表面温度マップ１８０および／またはひずみマップ１９０をもたらす。
【００１６】
一実施形態では光収集システム１２０ｂおよび光送出システム１２０ａは、必要とされる感度を伴うひずみ測定を行うために必要とされる分解能を有する温度測定が可能である過酷な環境のイメージングシステムである。これらは例えば、ガスタービンの部品、例えば第１段ブレードの表面温度のリアルタイム測定用のオンラインの見通し線（ＬＯＳ）およびイメージングの輻射温度測定法（高温測定法）のシステムを含む。過酷な環境のもとでの放射またはフォトルミネッセンスの遠隔情報収集を可能にする過酷な環境の用途用の光学アクセスポートについて、例を図２Ａおよび図２Ｂに示す。図２ＡでのＬＯＳシステムは、酷使に耐えるガスタービンおよび航空ジェットエンジン用の監視付属品である。図２Ｂは、高温部流の外側にある、ガスタービンケーシング２３０（図２Ａでは示さない）上の光学アクセスポート２２０内に配設されるプローブ２１０を示す。
【００１７】
高速度のＣＭＯＳビデオおよびＩＣＣＤカメラなどの先進的なイメージングシステムを使用して、画像を得ることが可能である。一般に、可視部またはｕｖ波長帯域で動作し、例えば０．１ｍｍ／画素のひずみ測定のために必要とされる空間分解能に対するイメージング性能を有する、高分解能の可視カメラを使用することが可能である。ＩＣＣＤカメラを、単一の圧力振動周期の間の位相平均の画像をもたらすように振動に位相同期させることが可能である。H. Li, G.-H. Wang, N. Nirmalan, S. Dasgupta and E.R. Furlong, Passive Absorption/Emission Spectroscopy for Gas Temperature Measurements in Gas Turbine Engines, ASME Turbo Expo 2011, GT2011-45152により説明されるように、受動的な吸収／放射分光法に基づくガス／表面温度測定用の多波長温度測定法に基づく検出システムを、高い圧力（＞１５ａｔｍ）および温度（最高１７００℃）で使用することが可能であり、上記の文献の全体の内容は参照により組み込まれている。この方法では入来する光がいくつかのビームに分離され、次いで狭い帯域通過フィルタを用いる個々の検出器により検出される。温度を、高速の時間応答、すなわち１０ｋＨｚ以上によって測定することが可能である。
【００１８】
図３は、温度およびひずみを決定するための画像およびデータの処理用のシステムソフトウェアの概略的な線図である。３１０で原画像が入力され、３２０で背景／暗信号が補正され、３３０で不均一性またはゲインが補正される。３４０で不良信号の置換が遂行され、次いで３５０で２Ｄから３Ｄへのマッピングが遂行され、ここで測定した２Ｄ原画像が３Ｄ設計ＣＡＤモデルに投影される。結果として得られるデータは高速の数値アルゴリズムモジュール３６０に入力され、数値アルゴリズムモジュール３６０は、３Ｄ温度マップ３７０を決定するために必要であるならば、寿命またはレシオの較正曲線３６２を使用する。３８０でデジタル画像を、３Ｄひずみマップ３９０を与えるために基準画像３８２と組み合わせて処理することが可能である。
【００１９】
温度マップを、はめ込み型センサの光学信号から推測することが可能である。ひずみマップを、微細パターンを基準パターンと相関させることにより同時に推測することが可能である。ルミネッセンス温度測定法では、発光材料の温度および波長依存の放射特質、すなわち、光または熱による励起に続いて発光材料が、温度依存の比および強度で光子を放射することを使用する。波長依存の検出を使用することは、温度決定の精度が上昇すること、およびひずみ情報のコントラストが増大することを考えに入れたものである。一般に光学信号から温度を測定するための２つの手法、すなわち寿命およびレシオの技法が存在する。レシオの技法では、発光材料の放射スペクトルの特質、すなわち、一部の輝線が温度とほぼ無関係である一方で、他の輝線が温度とともに変動するということを利用する。したがって輝線のレシオを使用する較正を使用して、温度を推測することが可能である。寿命の技法では、照射エネルギー、対象の動き、不均一の励起光分布、および表面の変形に無関係である発光の放射の崩壊機構を利用する。はめ込み型センサシステムから温度マップを得るために、多色イメージングの輻射温度測定法、レシオ高温測定法、および高速度イメージングを含む、既知の検出プロトコルを使用する寿命イメージングおよびレシオイメージングの両方の技法を用いることが可能である。
【００２０】
発光センサを製造するためにルミネッセンス性材料および高放射率材料の組み合わせを使用することは、可能であり、動作温度のダイナミックレンジが増大した一部の実施形態において利点を有する。例えば多くの材料に関しては、光学的に誘発されたルミネッセンスは約１０００℃未満の温度で良好な温度精度を有し、一方で温度測定に対する熱放射率（高温測定法）の方法は約１０００℃を超える温度で最も有効である。
【００２１】
変位を検出しひずみを測定するために使用される光学的な技法には、局部ひずみの高分解能測定のためのモアレ法およびスペックル干渉法がある。ひずみは、パターン（例えば格子、目印の配列、およびモアレ等）においてのゆがみを基準画像と相関させるデジタルイメージングを使用することにより決定される。大きな変形のひずみ測定に対しては、格子およびドットの配列が使用される場合がある。一部の実施形態では、±０．０００２の不確定度を伴う小さな変形およびひずみを測定するための光学的な方法では、特徴部の幾何学的形状が約２×２ｍｍ２であり、パターン（ドット）サイズが４００ミクロンであることを要求する場合があり、要求されるイメージングシステムの分解能は約０．１ｍｍ／画素である。パターン形状（モアレ、格子、ドット）および要求される長さスケールを、ＤＷ製造方法により物品のそばに配設することが可能である。高速の画像相関／位置合わせアルゴリズムを使用して、変位およびひずみを決定することが可能である。これらの方法では典型的には、パターンのリアルタイム画像を基準パターン上に重ね、そのことによって局部変形の程度を決定する。格子またはドットの配列は、特に封じられた暗い過酷な環境において光学信号からのコントラストを高めることにより、ひずみ測定精度を向上させる。
【００２２】
図４は、はめ込み型センサのアーキテクチャ４００を例示し、高温発光材料の微細格子パターン４２０が遮熱コーティング（ＴＢＣ）４２２上に直接描画され、このＴＢＣが、物品表面４２６上に配設されるボンドコート４２４に接着される。例示した例では保護層４２８が耐用のライフィングを延ばすためにセンサを被覆するが、保護コーティングは多くの実施形態では必須ではない。一部の実施形態では、保護層は追加的なＴＢＣ層であり得る。
【００２３】
図５を参照すると、幾何学的パターン５１０の形式でのはめ込み型センサが、インクベースの直接描画方法によって高温部品の表面５２０上に印刷される。これらのパターンは、局部加熱により高密度に焼結される。センサがルミネッセンス性材料で構成されるならば、光学信号を、パルス光源を用いてパターンを励起することにより発生させることが可能であり、放射性（ｅｍｉｓｓｉｖｅ）材料に関しては、信号を外部光による励起なしで生成することが可能である。信号は、運転中の部品をイメージング可能な高速度カメラを用いて取得される。温度は、十分に確立した（寿命および／またはレシオの）ルミネッセンスのサーモグラフィ技法を使用して測定される。ひずみは、変形した幾何学的パターンを基準画像と相関させることにより導出される。ひずみのリアルタイム測定が、画像処理アルゴリズムおよび高速度の画像取得においての最近の進歩により可能である。タービンブレードの温度およびひずみのデータセットが制御システムおよび物理ベースのライフィングモデルに送られる、リアルタイムのオンラインの監視および診断のシステムによって、決定的に重要な部品のオンラインの予知およびライフィング予測が可能になり得る。
【００２４】
図６は、ガスおよび表面の温度を決定するための３Ｄアーキテクチャである、はめ込み型センサのアーキテクチャの別の実施形態を示す。このアーキテクチャでは、部品の表面６２０上に配設される各々のドット６１０が実際上は独立したセンサであり得る。３Ｄ微細構造の上部および下部を、付加的な直接描画工程により異なる高温発光材料から製作することが可能である。表面温度マップを、３Ｄ構造の下部で放射される光学信号から決定することが可能である。同時に３Ｄ構造の上部での表面温度を、放射される信号から決定することが可能である。３Ｄ構造全体での熱伝達率を、測定した２つの温度に基づいて計算することが可能であり、このことを、自由流れガス温度を推測するために使用することが可能である。このことを、同時にひずみマップを測定するために拡張することが可能である。一例ではひずみを決定可能である構造は、直径が約７０ミクロンで高さが４０ミクロンの特徴部のサイズを有する。微細構造間の間隔は約７０ミクロンである。
【００２５】
ガス温度マップを、３Ｄはめ込み型センサから得られたデータを使用して計算することが可能である。例えば自由流れガス／流体と表面との間の温度差によって、温度境界層が発達する。この温度差が、自由流れと表面との間のエネルギー交換につながる。自由流れガス／流体と表面との間の単位面積あたりの熱伝達率を、式１でのように表現することが可能である。表面では伝導に起因する単位面積あたりの熱伝達率を、式２でのように表記することが可能である。対流および伝導の熱伝達率は表面では同じであり、このことを、式３でのように自由流れ流体温度を推測するために使用することが可能である。無次元パラメータ、ヌセルト数を使用すると、自由流れガス温度を式４でのように表現することがさらに可能である。熱伝導率、熱伝達係数、およびヌセルト数を、較正試験、数値シミュレーション、および実験データベースから測定することが可能である。
【００２６】
【数１】
0005977820.tif 000002
【００２７】
【数２】
0005977820.tif 000003
【００２８】
【数３】
0005977820.tif 000004
【００２９】
【数４】
0005977820.tif 000005
ここで、
Ｔ∞は自由流れガス／流体の温度であり、
Ｔ1は３Ｄ構造の上部の表面温度であり、
Ｔwは３Ｄ構造の下部の表面温度であって、表面温度と同じであり、
ｈは熱伝達係数であり、
ｋは３Ｄ構造材料の熱伝導率であり、
Ｌは３Ｄ構造の厚さであり、
Ｎｕ＝ｈＬ／ｋはヌセルト数である。
【００３０】
はめ込み型センサで使用するための材料は、２０〜１７００℃の範囲内の使用温度で、ＩＲ、可視部、またはＵＶ範囲内の光を放射する。本発明の文脈では用語「発光」は、蛍光性およびリン光性を含むルミネッセンス性、または熱放射性を意味する。ルミネッセンス性材料は、異なる波長の光による励起を基にして光を放射する。熱放射性材料は、材料に対して特徴的である温度で光を放射し、高放射率材料は、可視部から赤外部の広い波長範囲にわたって昇温状態で光を輻射する。一部の実施形態では、温度に無関係の放射に対する温度依存の放射のレシオを使用して、温度を推測することが可能である。他の実施形態では放射の崩壊を使用して、温度を決定することが可能である。
【００３１】
はめ込み型センサで使用するのに適している材料には、クロム（Ｃｒ2Ｏ3）などの放射性遷移金属セラミック酸化物、および希土類酸化物、特に酸化ユウロピウムなどのルミネッセンス性材料があるが、それらに限定されない。これらの材料は、生の酸化物材料として使用される場合があり、そうでなければ、過酷な環境の状態のもとで安定的であるマトリックス材料、例えばジルコニアまたはアルミナにドープされる場合がある。ドーパントとして存在する発光材料の量は、約０．１％から約３０％、特に約０．１％から約１０％の範囲にわたる場合がある。
【００３２】
一例ではアルミナが、酸化クロムによってドープされる。酸化クロムは、アルミナとともに焼結されるときに緑色から桃色に変化する。酸化クロムは、アルミナマトリックスに組み込まれた状態となり、色中心となり、酸化クロムの吸収スペクトルを偏移させ、色偏移を引き起こす。材料は、可視スペクトルにおいて非常に高い放射率を有する。別の例では、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）マトリックスにドープされたＥｕ、Ｓｍ、およびＴｂの希土類酸化物（ＲＥＯ）、特にＥｕ2Ｏ3によってドープされたＹＳＺを使用する場合がある。ドーパントレベルは、典型的には材料に固有であり、一般には重量単位で約０．１％から約３０％の範囲にわたる。クロミアがドープされたアルミナに関してはクロミアの量は、重量単位で約１％から約２５％の範囲にわたる場合がある。Ｅｕ2Ｏ3によってドープされたＹＳＺに関しては、一実施形態ではドーパントは重量単位で、８％で存在する。付着されたパターンに関して行われた剥離試験では、ベース表面との良好な接着が明らかになった。関連性のある環境で動作する電力システム部品に関する浸食およびライフィングの試験では、はめ込み型センサの長い耐用のライフィングを予測している。２５４ｎｍでの励起によって、はめ込み型センサは５９０ｎｍ付近の光学信号を発生させる。ベース材料（遮熱コーティングの、環境障壁コーティングの、またはコーティングされない金属）の熱的および機械的特性を損なわない高感度の温度測定をもたらす他のＲＥＯ材料もまた、システムおよび技法の範囲内にある。
【００３３】
はめ込み型センサを、直接描画工程により製作することが可能である。直接描画は、一時的結合剤内で懸濁状態にある機能材料（金属またはセラミック）で構成されるインクが、ベース基板上に直接付着させられ、次いで高密度に焼結される１組の技法を指す。様々なインクおよび溶射ベースの直接描画（ＤＷ）工程は、市販で入手可能なものである。加えて、セラミックおよび金属の付着のためのインク配合は十分に理解されている。一時的結合剤（またはキャリア材料）およびセラミックまたは金属の付加物で構成される特別に配合されたインクが、３Ｄ表面上に材料の図形を選択的に付着させるために使用される。これらのシステムは、良好な焼結につながる重い粒子の装填を可能にする、１０〜１００００ｃｐｓの粘度のインクを付着させることが可能である。１０ミクロンもの細さの材料の図形を、平坦でない表面上に直接描画することが可能である。良好な特徴部の忠実性、およびＵＶまたは可視光による照射のもとでの発光。多層の付着では、高密度およびベース材料との良好なボンディングを得るために、適合性のある材料の選択および共焼結の方策の開発を必要とする。
【００３４】
様々な実施形態および／または部品、例えばモジュールまたはそれらの中の部品およびコントローラを、１つまたは複数のコンピュータまたはプロセッサの一部として実装することがさらに可能である。コンピュータまたはプロセッサは、コンピューティングデバイス、入力デバイス、表示ユニット、および例えばインターネットにアクセスするためのインターフェースを含み得る。コンピュータまたはプロセッサは、マイクロプロセッサを含み得る。マイクロプロセッサは、通信バスに接続され得る。コンピュータまたはプロセッサは、メモリをさらに含み得る。メモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）およびリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含み得る。コンピュータまたはプロセッサは、光学ディスクドライブ、ソリッドステートディスクドライブ（例えばフラッシュＲＡＭ）等々のような、ハードディスクドライブまたはリムーバブル記憶ドライブであり得る記憶デバイスをさらに含み得る。記憶デバイスは、コンピュータプログラムまたは他の命令を、コンピュータまたはプロセッサにロードするための他の同様の手段であってもよい。
【００３５】
本明細書では用語「コンピュータ」または「モジュール」は、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、論理回路、および、本明細書で説明した機能を実行可能な任意の他の回路またはプロセッサを使用するシステムを含む、任意のプロセッサベースまたはマイクロプロセッサベースのシステムを含み得る。上記の例は、単に例示的なものであり、したがって用語「コンピュータ」の定義および／または意味を少しも限定することは意図されない。
【００３６】
コンピュータまたはプロセッサは、入力データを処理するために、１つまたは複数の記憶要素に記憶される１組の命令を実行する。記憶要素は、所望または必要に応じてデータまたは他の情報を記憶することがさらに可能である。記憶要素は、処理機械内部の情報源または物理的メモリ要素の形式であり得る。
【００３７】
命令の組は、処理機械としてのコンピュータまたはプロセッサに、本発明の様々な実施形態の方法および処理などの具体的な動作を遂行するように命令する様々な指令を含み得る。命令の組は、有形の非一時的なコンピュータ可読の単数または複数の媒体の一部を形成し得る、ソフトウェアプログラムの形式であり得る。ソフトウェアは、システムソフトウェアまたはアプリケーションソフトウェアなどの様々な形式であり得る。さらにソフトウェアは、別個のプログラムもしくはモジュールの集合体、より大きなプログラム内部のプログラムモジュール、またはプログラムモジュールの一部分の形式であり得る。ソフトウェアは、オブジェクト指向プログラミングの形式でのモジュラプログラミングもまた含み得る。処理機械による入力データの処理は、操作者の指令に応答して、または前の処理の結果に応答して、または別の処理機械により行われる要求に応答してのものであり得る。
【００３８】
本明細書では用語「ソフトウェア」および「ファームウェア」は、互換的であり、コンピュータによる実行のために、ＲＡＭメモリ、ＲＯＭメモリ、ＥＰＲＯＭメモリ、ＥＥＰＲＯＭメモリ、および不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）メモリを含むメモリに記憶される任意のコンピュータプログラムを含む。上記のメモリのタイプは、単に例示的なものであり、したがってコンピュータプログラムの記憶用に使用可能なメモリのタイプに関して限定的ではない。
実施例
放射性クロミアインクを使用する直接描画工程
概略手順
試験を行った配合は、酸化アルミニウム（ＢａｉｋｏｗｓｋｉからのＣＲ６）、酸化クロム、熱硬化ポリマー（Ｈｅｒａｅｕｓからの商用名Ｖ００６）、および溶媒からなったものであり、溶媒は、材料が、重量単位で３％、６％、および９％のクロム濃度を使用して６０％の体積分率の酸化アルミニウムで吐出され得るように粘度を修正するためのものであった。アルミナおよびクロミアの粉末が混合され、次いでポリマーと化合させられた。次いでテルピネオール溶媒が、混合物に付加され、真空なしで、１０００ＲＰＭで３０分の間、混合およびより小さな粒子への粉砕を容易にするために加えられたジルコニアのメディアボールとともに、Ｔｈｉｎｋｙのプラネタリーミキサ内で混合された。次いで粘度が評価され、より多くのテルピネオールが、粘度をさらに低減するために付加され、Ｔｈｉｎｋｙ内で追加的な時間の間混合された。次いで材料は、アルミナ基板上にコーティングされ、炉に入れられ、Ｃａｎｏｎ  Ｅｏｓ  ３Ｔｉ  ＳＬＲカメラを使用してイメージングされた。試料は１２００℃に加熱され、次いで炉の扉が開けられ、写真が撮影された。炉の扉が閉じられ、この処理が、パーツが冷却した際に炉の温度を記録しながら繰り返して行われた。
【００３９】
画像が炉から取得された後、画像は、各々の色平面、赤色、緑色、および青色で、画像内の画素の明度を測定するために処理された。赤色平面がＣａｎｏｎのカメラから取得された色画像から抽出され、クロムの線の平均画素強度が、測定され、表示の温度に対してプロットされた。
【００４０】
材料の粘度が低すぎたとき、材料は付着後に広がり、元はあまり太くなかった幅の広い線を発生させることになったと判断された。粘度が高すぎた場合は、材料を流れさせるのが困難であるという理由で、幅の広いシリンジ針が必要とされることになった。針の幅が広いということは線の幅が広いということもまた意味するが、針から材料を押出する十分な空気圧によって、および十分な付着速度によって、より細い線が付着されるようにすることが可能であった。直接描画付着技法を使用する工程では、描画される特徴部を最適化するために、粘度、シリンジ針の直径、送り量（付着速度）、および吐出機に対する空気圧のバランスをとることを必要とする。アルミナ基板上に描画された線が細すぎた、すなわち浅すぎたとき、クロムの線は、１０００℃を超えて加熱されたときに炉内であまり明るく光を発しなかったことが見出された。
【実施例１】
【００４１】
４つの異なる濃度、３％、６％、９％、および２５％でクロミアを包含するインクが、５０ｕｍから３００ｕｍの範囲にわたる変動する厚さのアルミナ基板上にコーティングされた。次いでこれらの試料は、放射率測定のためにＳｕｒｆａｃｅ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ、ＣＡに送られた。データは、材料が厚いほど放射率が高いことを裏付けた。加えてそのデータは、クロムの濃度が高いほど放射率が高いことをさらに示した。
【実施例２】
【００４２】
前の結果に基づいて追加的なクロムの線が、より細い、より近い間隔の線を作製するために、直接描画技術を使用して描画された。クロム材料の粘度はテルピネオールを付加することにより低減され、材料が吐出機によって押出される圧力、および吐出機が基板の全域を移動する速度が修正された。圧力は、４０ｐｓｉから６０ｐｓｉの範囲にわたった。吐出速度は、１．５ｍｍ〜１ｍｍの範囲にわたる太い線に対する３００から、１００ｕｍから２００ｕｍの範囲にわたる線に対する１０００の範囲にわたった。これらのクロムが描画された試料もまた、炉に入れられ、８００Ｃから１２００Ｃに加熱され、クロムの線の強度が温度とともに変化することが見出された。
【００４３】
上記の説明は、例示のものであり、制限的ではないことが意図されることを理解されたい。例えば上記で説明した実施形態（および／またはそれらの態様）を、相互に組み合わせて使用することが可能である。加えて、個別の局面または材料を本発明の様々な実施形態の教示に、それらの教示の範囲から逸脱することなく適合させるために、多くの修正を行うことが可能である。本明細書で説明した材料の寸法およびタイプは、本発明の様々な実施形態のパラメータを規定することが意図されるが、実施形態は、決して限定的でなく、例示的な実施形態である。多くの他の実施形態が、上記の説明を再検討することによって当業者に明らかとなろう。したがって本発明の様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲を、そのような特許請求の範囲に権利が付与される等価物の全範囲とともに参照して決定すべきである。添付の特許請求の範囲では用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「その中で（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれの用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語の相当語句として使用される。さらに以下の特許請求の範囲では、用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」等は、単に標識として使用され、それらの用語の対象に数値的要件を課すことは意図されない。さらに以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式では表記されず、そのような特許請求の範囲の限定で、さらなる構造を欠いた機能の記述が後に続く「ための手段」という語句を明確に使用しない限り、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることは意図されない。
【００４４】
表記した本説明では、最良の形態を含めて本発明の様々な実施形態を開示するために、さらには、任意のデバイスまたはシステムを作製かつ使用すること、および任意の組み込んだ方法を遂行することを含めて、本発明の様々な実施形態を実践することを当業者ならば誰でも可能にするために例を使用する。本発明の様々な実施形態の特許的な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、それらの例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造要素を有するならば、またはそれらの例が、特許請求の範囲の文字通りの文言と実質的な違いのない等価の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００４５】
１００  システム
１１０  物品
１２０ａ  光送出システム
１２０ｂ  光収集システム
１２０ｃ  光源システム
１３０  カメラシステム
１５０  タイミング／制御システム
１６０  データ／画像取得システム
１７０  高速度データ処理アルゴリズムおよびハードウェア
１８０  ガス／表面温度マップ
１９０  ひずみマップ
２１０  プローブ
２２０  光学アクセスポート
２３０  ガスタービンケーシング
３６０  数値アルゴリズムモジュール
３６２  較正曲線
３７０  ３Ｄ温度マップ
３８２  基準画像
３９０  ３Ｄひずみマップ
４００  はめ込み型センサのアーキテクチャ
４２０  微細格子パターン
４２２  遮熱コーティング（ＴＢＣ）
４２４  ボンドコート
４２６  物品表面
４２８  保護層
５１０  幾何学的パターン
５２０  表面
６１０  ドット
６２０  表面
【図１】
0005977820.tif 000006
【図２Ａ】
0005977820.tif 000007
【図２Ｂ】
0005977820.tif 000008
【図３】
0005977820.tif 000009
【図４】
0005977820.tif 000010
【図５】
0005977820.tif 000011
【図６】
0005977820.tif 000012