(57)【要約】【課題】光を用いて精度良く対象物の温度を測定する方法を提供する。【解決手段】第１検出部３の発光部３１から流体に対して光を照射する。流体を透過した光を、受光部３２で受光する。ついで、受光した光の吸光度スペクトルの変化を検出する。この変化に基づいて、流体の温度を知ることができる。吸光度スペクトルの変化量を用いることにより、温度の検出精度が向上する。二つの波長における吸光度スペクトルの変化を用いることにより、温度の検出精度をさらに向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
次のステップを含むことを特徴とする温度測定方法：
（１）対象物に対して電磁波を照射するステップ；
（２）前記対象物における前記電磁波の吸光度を検出するステップ；
（３）前記吸光度に基づいて、前記対象物の温度を検出するステップ。
【請求項２】
前記対象物とは流体であることを特徴とする請求項１記載の温度測定方法。
【請求項３】
前記対象物とは生体組織であることを特徴とする請求項１記載の温度測定方法。
【請求項４】
前記吸光度に基づく対象物温度の検出は、吸光度スペクトルにおけるピーク位置の変化により行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の温度測定方法。
【請求項５】
前記吸光度は、特定の波長帯域において検出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の温度測定方法。
【請求項６】
前記特定の波長帯域とは、１４００〜１５００ｎｍであることを特徴とする請求項５記載の温度測定方法。
【請求項７】
前記特定の波長帯域とは、１４１４ｎｍまたは１４６３ｎｍ付近の帯域であることを特徴とする請求項５記載の温度測定方法。
【請求項８】
発光部と受光部と解析部とを備えており、前記受光部は、前記発光部において発せられ、かつ、対象物を通過または拡散反射した光を受光するものであり、前記解析部は、前記受光部で受光した光の吸光度に基づいて、前記対象物の温度を解析するものであることを特徴とする温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の温度を測定する方法およびそれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
流体の温度変化を検出する方法として、下記特許文献１記載のものがある。この技術は、光によって加熱された流体の到着を光によって検出するものである。この技術によれば、検出素子を流体内に配置する必要がないので、流体の汚染がなく、設備も簡素になるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、この技術では、加熱流体の温度検出を、流体における屈折率の変化または泡の発生に基づく受光量の変化により行っている。
【０００４】
屈折率の変化による受光量の変化は一般に非常に小さい。このため、これを用いた温度検出では精度が期待できない。
【０００５】
さらに、泡を発生させることが不適切な流体も存在する。また、泡を発生させるほどの加熱量は、一般にかなり大きなものとなってしまうという問題もある。
【０００６】
さらに、下記特許文献２には、青果物を透過した近赤外線の吸光度に基づいて、青果物の内部温度を測定する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、光源の波長を変化させることで、被測定温度との単相関の高い波長を割り出す必要がある。
【０００７】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−１４８０８９公報
【特許文献２】
特開平７−６３６１６公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、電磁波を用いて簡易かつ精度良く、対象物の温度を測定する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の温度測定方法は、次のステップを含んでいる。
（１）対象物に対して電磁波を照射するステップ；
（２）前記対象物における前記電磁波の吸光度を検出するステップ；および
（３）前記吸光度に基づいて、前記対象物の温度を検出するステップ。
【００１０】
前記対象物とは、例えば流体や生体組織である。
【００１１】
前記吸光度に基づく対象物温度の検出を、吸光度スペクトルにおけるピーク位置の変化により行うことができる。
【００１２】
前記吸光度を、特定の波長帯域において検出してもよい。この特定の波長帯域とは、例えば１４００〜１５００ｎｍである。さらに、特定の波長帯域とは、例えば１４１４ｎｍまたは１４６３ｎｍ付近の帯域であってもよい。
【００１３】
本発明の温度測定装置は発光部と受光部と解析部とを備えている。前記受光部は、前記発光部において発せられ、かつ、対象物を通過または拡散反射した光を受光するものである。前記解析部は、前記受光部で受光した光の吸光度に基づいて、前記対象物の温度を解析するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態に係る温度測定方法を説明する。まず、この方法に用いる測定装置を添付の図面を参照しながら説明する。この測定装置は、流量計測装置に組み込まれている。この流量計測装置は、流路１と、加熱部２と、第１検出部３と、第２検出部４と、制御部５とを主体として備えている（図１参照）。第１検出部３と第２検出部４とが、それぞれ、本発明の温度測定装置に対応している。
【００１５】
流路１は、その内部における流体（対象物）の移動を許容するものである。流路１としては、例えば、配管である。流体としては、例えば液体や気体である。液体としては、例えば水を主成分とする液体である。この実施形態では、液体として水を用いた例を説明する。流体としては、光による加熱が可能であり、かつ、加熱により吸光度スペクトルが変動するものを用いる。この実施形態では、流体は、流路１を図１中左から右へ流れると仮定する。
【００１６】
加熱部２は、流路１の内部を流れる流体を加熱するものである。具体的には、加熱部２は、発光素子を備えている。発光素子としては、この実施形態ではレーザ素子を用いている。また、発光素子としては、レーザ素子に限らず、ＬＥＤなど、流体を加熱する光を発するものであればよい。加熱部２は、この実施形態では、１２００ｎｍの波長を有する光を流体に照射するようになっている。
【００１７】
第１検出部３は、流体の流れ方向において、加熱部２よりも下流側に配置されている（図１参照）。第１検出部３は、発光部３１と受光部３２と解析部３３とを備えている。発光部３１は、発光素子としてのレーザ素子を備えている。レーザ素子としては、パルス光を発するものでも、ＣＷ光を発するものでもよい。また、発光部３１は、特定の波長帯域、例えば１４００〜１５００ｎｍ（より具体的には１４１４ｎｍおよび１４６３ｎｍ）の波長を有する光（すなわち電磁波）を発光できるようになっている。そのような発光部３１は、異なる発振波長を有するレーザ素子を並列に設置することによって容易に構成することができる。発光部３１においては、二つの波長の光を交互に発生させる。
【００１８】
受光部３２は、発光部３１において発せられ、かつ、流体を通過した光を受光するものである。受光部３２は、流路１を挟んで、発光部３１に対向して配置されている。受光部３２は、例えば一つのフォトダイオード（図示せず）を用いることによって構成することができる。
【００１９】
解析部３３は、受光部３２で受光した光の吸光度に基づいて、加熱された流体の温度を計測し、それに基づいて、加熱流体の到着時点を解析するものである。詳しい解析手順は後述する。解析部３３は、後述する制御部５と共に、コンピュータ６によって実装されている。
【００２０】
第２検出部４は、発光部４１と受光部４２と解析部とを備えている。発光部４１および受光部４２は、前記した第１検出部３における発光部３１および受光部３２と同様なので、詳しい説明を省略する。さらに、第２検出部４における解析部は、この実施形態では、前記した第１検出部３における解析部３３と共用となっている。
【００２１】
制御部５は、加熱部２、第１検出部３および第２検出部４の動作を制御するものである。これら各部の動作の詳細は後述する。制御部５は、解析部３３と同様に、コンピュータ６によって実装されている。コンピュータ６は、加熱部２、発光部３１・４１、受光部３２・４２に接続されており、これらに対して制御を行い、また、これらからの出力があれば受け取ることができるようになっている。
【００２２】
つぎに、前記のように構成された測定装置を用いた温度測定方法を説明する。まず、流路１の内部に流体を流しておく。ついで、加熱部２により、流路内を流れる流体を加熱する。この実施形態では、波長１２００ｎｍのレーザ光を流体に照射することによって流体を加熱する。水の吸光度は、１４５０ｎｍ付近で最大となる。この実施形態では、流体の加熱を、流体の吸光度が小さい（例えば最大吸光度の８０％以下の）波長を有する光で行っている。加熱された流体は、流路１の下流側に流れる。加熱時期や加熱出力の制御は、制御部５により行われる。
【００２３】
ついで、第１検出部３の発光部３１から流体に向けてレーザ光を照射する。このとき、二つの波長の光を交互に照射する。流体を透過した光は、受光部３２により受光される。受光部３２では、二つの波長の光を交互に受光する。発光部３１における発光の間隔や長さは既知なので、受光部３２におけるフォトダイオードが一つであっても、どちらの波長の光に対する出力であるかを判別することができる。受光部３２の出力は、解析部３３により解析される。解析部３３は、受光部３２で受光された光の吸光度に基づいて、対象物である流体の温度を検出する。この検出の原理を以下に詳細に説明する。
【００２４】
流体（この実施形態では水）による光の吸光度スペクトルのピークは、図３に示されるように、流体（水）の温度が高くなるほど短波長側に移動する。つまり、吸光度スペクトルは、流体温度の変化に伴って変化する。したがって、吸光度の変化量に基づいて、流体温度の変化量を決定することができる。このように、吸光度の変化量に基づいて温度の変化量を求めることも、この明細書では、吸光度に基づく温度検出の概念に含まれるものとする。吸光度スペクトルの変化量と温度との関係は、例えば予め実験的に設定した検量線により求めることができる。この実施形態では、従来の技術のような、被測定温度との単相関の高い波長を割り出す処理を行う必要がない。この実施形態の方法によれば、吸光度スペクトルの変化を検出することによって、簡易にかつ精度良く対象物の温度を検出することが可能となる。
【００２５】
さらに、吸光度スペクトルの差分値は、波長１４１４ｎｍでは温度と共に上昇し、波長１４６３ｎｍでは温度と共に減少する（図３参照）。したがって、これらの波長における出力を検出し、この２波長間の差分を取ることにより、吸光度スペクトルの変化を精度良く検出できる。これにより、対象物における温度の変化量を精度良く測定することができる。本実施形態では、解析部３３により、出力の差分（直前の時点との差分）を、二つの波長においてそれぞれ検出することができる。ただし、一方の波長における差分のみを検出に用いることも可能である。この場合も、差分を用いることにより、温度測定の精度向上を図ることができる。
【００２６】
この実施形態では、解析部３３は、加熱流体の温度がしきい値に到達するかまたはそれを超えた時点を、加熱流体の到着時点と判断することができる。すなわち、この実施形態では、流体の吸光度スペクトルの変化を検出し、その結果に基づいて加熱流体の到来を検出できる。
【００２７】
さらに、この実施形態では、第２検出部４の発光部４１からも、流体に向けてレーザ光を照射する。この光は、受光部４２により受光され、解析部３３により解析される。これらの動作は第１検出部３と同様なので、説明を省略する。第２検出部４により、第１検出部３から離間した位置における、加熱流体の到来時点を検出することができる。
【００２８】
流体の流速ｖは、以下のように算出できる。
ｖ＝Ｌ／（ｔ２−ｔ１）          （１）
ただし、
Ｌ：第１検出部３から第２検出部４までの距離（既知）、
ｔ１：第１検出部で検出された、加熱流体の到着時間、
ｔ２：第２検出部で検出された、加熱流体の到着時間、
である。
流量は、流路の断面積（既知）と、算出された流速とから算出することができる。
【００２９】
また、前記した特許文献１に記載した技術のように、流体の屈折率変化を用いた検出方法では、流体の温度が流路断面内で一様ではないことが条件となる。さらに、絶対的な温度を計測することはできない。これに対して、本実施形態の方法によれば、流体温度が流路断面内で一様であっても加熱流体の到来を検出することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の温度計測方法では、スペクトルの差分を取るのではなく、吸光度を直接検出することによって温度を計測することも可能である。例えば、吸光度の最大値（ピーク値）に対応して、温度の絶対的な値を求めることができる。吸光度のピーク値と温度との対応関係は、例えば、予め求めておいた検量線により得ることができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、第１検出部３と第２検出部４とを用いる構成としたが、第１検出部３のみを用いる構成としてもよい。この場合には、前記した式（１）において
ｔ１：加熱部による流体の加熱時点、
ｔ２：第１検出部で検出された、加熱流体の到着時間、
と読み替えればよい。もちろん、この場合には、流体へ加熱した時点を記録しておく必要がある。
【００３２】
さらに、本実施形態では、発光部３１から二つの波長のレーザ光を交互に発生させる構成としたが、これらを同時に発生させる構成としても良い。この場合には、受光部３２において、それぞれのレーザ光を別々に受光する二つのフォトダイオードを備えることが好ましい。
【００３３】
また、本実施形態では、対象物として流体を例示したが、流体に限らず、温度変化によって吸光度スペクトルが変化する物体であれば、温度を測定することが可能である。例えば、対象物は、動物や人や植物などの生体組織であってもよい。また、対象物は、流体領域と固体領域とが混在するものや、固体や、ゲル状物であってもよい。要するに、対象物としては、光の吸収や拡散反射などの特性において温度依存性があるものであればよい。
【００３４】
さらに、本実施形態で用いることができる光としては、赤外（近赤外および遠赤外を含む）、可視、紫外のいずれの領域であってもよい。さらに、本実施形態では、電磁波として光を用いたが、テラヘルツ領域（波長数百ミクロンから数ミリメータ）の電磁波を用い、この電磁波の吸光度に基づいて温度を検出することも可能である。
【００３５】
また、前記実施形態では、対象物を透過した電磁波における吸光度に基づいて対象物の温度を計測する方法を示した。しかし、これに限らず、対象物表面において拡散反射した電磁波の吸光度に基づいて対象物の温度を計測することも、同様の方法により可能である。図４（ａ）および（ｂ）に、拡散反射の場合における吸光度スペクトルと温度との関係を示す。これらの図から、対象物の温度によって吸光度（あるいは吸光度スペクトル）が変化していることが判る。
【００３６】
なお、前記各実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
また、各実施形態を実現するための各部（機能ブロックを含む）の具体的手段は、ハードウエア、ソフトウエア、ネットワーク、これらの組み合わせ、その他の任意の手段を用いることができ、このこと自体は当業者において自明である。さらに、機能ブロックどうしが複合して一つの機能ブロックに集約されても良い。また、一つの機能ブロックの機能が複数の機能ブロックの協働により実現されても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、電磁波を用いて簡易にかつ精度良く対象物の温度を測定する方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る温度測定装置を用いた流量測定装置の概略を示す要部断面図である。
【図２】図（ａ）は、温度による、水の吸光度スペクトルの変化を説明するためのグラフであって、横軸は光の波長、縦軸は吸光度である。図（ｂ）は、図（ａ）に示されるスペクトルのピーク部分（波長１４５０ｎｍ付近）における拡大図である。
【図３】温度による、水の吸光度スペクトルの変化を説明するためのグラフであって、横軸は光の波長、縦軸は各温度における吸光度の間の差分である。
【図４】図（ａ）は、温度による、水の吸光度スペクトルの変化を説明するためのグラフである。このグラフにおいて、横軸は、光の波長、縦軸は、拡散反射における吸光度である。図（ｂ）は、図（ａ）に示されるスペクトルのピーク部分（波長１４５０ｎｍ付近）における拡大図である。
【符号の説明】
１  流路
２  加熱部
３  第１検出部
３１  発光部
３２  受光部
３３  解析部
４  第２検出部
４１  発光部
４２  受光部
５  制御部
６  コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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