(57)【要約】【課題】本発明は、レーザー光線によって誘導される蛍光を用いて流体温度を非侵入で測定するための光学的方法と装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、レーザー放射によって流体の測定容積部位（３）に誘導される蛍光を用いる。単一の温度感受性蛍光性トレーサを用い液状媒体中でトレーサの分子を希薄化した後に、同じトレーサの少なくとも２つの別々のスペクトルの検知ウインドウを使用する。これにより、レーザー光線によって誘導される蛍光を用いて流体温度を非侵入で測定できるようになる。【選択図】図１
2004535553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体温度を非侵入で測定するための光学的方法であって、レーザー放射（２）によって流体の測定容積部位（３）に誘導される蛍光を用いることを特徴とし、単一の温度感受性蛍光性トレーサを用い、かつ、上記液状媒体中で上記トレーサの分子を希薄化した後に同じトレーサの少なくとも２つの別々のスペクトルの検知ウインドウを使用することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、使用するトレーサがローダミンＢ（Ｃ２８Ｈ３１ＣｌＮ２Ｏ３）であることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法において、少なくとも以下のステップを含むことを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的方法。
励起用レーザー光の散乱または反射による光学信号を受信しまたは完全に除去し、
上記分割後に得られる各小さな信号のための検知ウインドウを作成し、
上記分割後に得られる各小さな信号のための検知ウインドウを作成し、
上記検知ウインドウにおいて受信する上記小さな信号を増幅し、そして、
多くの電気的な信号に上記小さな信号を転換し、そして、
受信、処理及び上記電気的な信号の表示を行う。
【請求項４】
請求項３の方法において、２つの検知ウインドウを用い、該検知ウインドウにおいて受信する信号の蛍光強度の測定比率が、
Ｒｆ＝（Ｉｆ１／Ｉｆ２）＝Ｋｅ（βｌ−β２）／Ｔ
であることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的方法。
【請求項５】
請求項４の方法において、装置定数（Ｋ）は既知の温度Ｔｏでの単一の初期較正点で決定され、上記式を変換して
ｌｎ（Ｒｆ／Ｒｆｏ）＝（β１−β２）｛（１／Ｔ）−（１／Ｔｏ）｝
（Ｒｆｏは、温度Ｔ０での比率）
であることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかの方法において、測定対象が液体の速度、液体の集中度、測定容積部位の少なくともいずれかであることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的方法。
【請求項７】
流体温度を非侵入で測定するための光学的装置であって、液体の測定容積部位（３）中でレーザー放射によって誘導される蛍光を使用するもので、上述した請求項１ないし６のいずれかの方法を実行するための装置において、
単一の受信経路に、ホログラフィック帯域拒否フィルタ（６）と光学信号（５ａ−５ｂ）を２つの光に分けるユニット（４）を備え、
各光学測定経路には、測定ウインドウをつくるためのフィルタと、
小さい信号（５ａ−５ｂ）を電気的な信号に増幅するためのアンプ（９ａ−９ｂ）と、
コンピュータ・システム（１１）を備えることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項７の装置において、上記測定ウインドウを形成する上記フィルタが帯域通過干渉フィルタ、高域フィルタ、低域フィルタから選択したものであることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【請求項９】
請求項８の装置において、１つの測定経路用に波長λ１を中心として第１の信号（５ａ）を通すバンド幅△λ１の帯域通過干渉フィルタ（７）を用い、閾値波長λ２を上回る光学的強度の信号を通す第２の信号（５ｂ）を通す高域フィルタ（８）を他の測定経路用に選択することを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【請求項１０】
請求項９の装置において、波長λ１が約５３０ｎｍであることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【請求項１１】
請求項７ないし１０のいずれかの装置において、波長λ２が約５９０ｎｍであることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれかの装置において、第３の経路と第３の測定ウインドウを、吸収量を定めるために加え得ることを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【請求項１３】
請求項７ないし１２のいずれかの装置において、レーザー放射を単一のレーザー光線、二重のレーザー光線、レーザー・シートから選択することを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【請求項１４】
請求項７ないし１３のいずれかの装置において、検知を単一の光センサで実行することを特徴とする流体温度を非侵入で測定するための光学的装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーを用いて流体温度を非侵入で測定するための光学的方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
レーザーによる測定装置は公知である。たとえば、欧州特許出願ＥＰ３４５１８８号には、外部のレーザー源から光を伝達する２つの光ファイバーの出力でパイプを流れる流体内に作られる干渉フリンジを観察することによる方法が開示されている。
【０００３】
この装置はある程度満足できるが、研究対象の流体に侵入することを必要とするため、どのような状況でも測定できるというものでは必ずしもない。
【０００４】
流体のたとえば温度や圧力というパラメータを測定するため、種々の非侵入型技術が公知である。たとえば、仏国特許出願ＦＲ２５７９３２０号は、原子炉の熱モニタリングを目的とする超音波測定方法を開示している。この技術は、被測定流体の一つのパラメータ、すなわち温度だけ測定可能である。
【０００５】
現在公知の非侵入型の温度測定の主な問題点は、応答時間が過度に長いことである。
【０００６】
難しい状況、例えばスプレー中等の液滴の温度測定、測定中の蒸発のために値が変化する場合の測定、液体とガスの二相流、平面の温度分布の測定、乱流での温度測定は、実行が不可能でなくても測定が難しく、また応答時間が短く、流れを乱す要素ができるだけ少ない装置を得ることは困難であるとされていた。
【０００７】
これらの問題を解決するため、本願発明者は光学的方法に頼った。特に、レーザーによって誘発される蛍光を用いた。この方法は、本願発明者が流体の集中を決定するためにすでに研究していたものである。この方法の原理は下記の通りである。
【０００８】
蛍光（昔から知られている物理的な現象）は、自然放出によって基底状態の方へ非能動化されている蛍光性物質が励起された状態に起因するものである。波長が蛍光性物質の吸収範囲と一致するレーザー放射によって、励起状態が誘導され得る。光子の吸収と放出の間の時間は２、３ナノ秒のオーダーであり、ごく短時間で変化する様々な現象の研究に適用できる。時間解像度は、数十ｋＨｚに届くかもしれない。レーザー放射が、集中度を低め（または高いが一定の、またはかわずかに集中度が変化する）蛍光性トレーサの媒体を通り抜けるとき、蛍光強度は、下式によって表せる。
Ｉｆｌｕｏ＝ＫｏｐｔＫｓｐｅｃＣＶｃＩｏｅβ１／Ｔ
ここでＫｏｐｔ、Ｖｃ、Ｉｏ及びＣは光学的システムを特徴づける定数であり、それぞれ、蛍光性の光子を集める部位、投射レーザー強度、蛍光性トレーサの分子集中度である。
定数Ｋｓｐｅｃとβは、蛍光性トレーサとして使われる分子の特徴のみに依存する。
【０００９】
この原理を適用すると、単純な状況において温度が得られ、測定容積部位、集中及び局所的レーザー強度をうまく制御でき、あるいは一定のままにできる。
【００１０】
部分的にこの物理的な原理を温度測定に適用した最初の技術は、上記欠点を除去するため、２つの蛍光トレーサを使用し、そして、レーザー強度及び測定容積部位の問題を解決するが、他の多くの問題が残る。すなわち、２つのトレーサの各々の集中を制御しなければならず、２つのトレーサの放出範囲を十分に分けなければならない。一組の干渉フィルタによってトレーサの各蛍光放出を切り離し得るようにするためである。しかしながら、これを実際に達成するのは難しい。
【００１１】
上記問題を全て解決するために、本願発明者は、温度測定を要求される上記液体媒体において、分子の希薄な単一のトレーサを使用する新しい着想を得た。
【００１２】
さらに、米国特許ＵＳ５７８８３７４Ａは、既知の先行技術である。この米国特許は、実際に白色光（ランプまたはキセノン）によって誘発される化学ルミネセンスに関連する。
【００１３】
使用する光物理は、完全に本願発明と異なり、２つのスペクトルバンドにおける実際の蛍光の探知に頼り、化学反応によって作られる２つの異なる生成物から、反応生成が温度に依存する。この反応は
Ｍ＋ｈν→Ｍ＊
と表せる。パートナーＮ（引用特許中のそれは、蛍光性生成物が液状で融解した重合体の基質中に存在しているように思われる）の存在下で、励起状態のモノマーＭ＊は、波長が
１Ｍ＊→Ｍ＋ｈν１
の蛍光を発するか、またはパートナーＮと化学反応した後に励起錯体Ｅ＊に変わり、それ自身で波長範囲２の蛍光を放つ。その反応は、
Ｍ＊＋Ｎ→Ｅ＊
Ｅ＊→Ｅ＋ｈν１
で表せる。
【００１４】
励起錯体（波長範囲２）に対するモノマー（波長範囲１）の蛍光比率は温度に依存し、したがって見つけ得る。この技術では、２つの蛍光性の生成物があり、本発明に係る２色蛍光技術では、一つの蛍光性生成物だけである。
【００１５】
その他、本発明に係る２色蛍光方法は、電子移行と衝突非活性化現象に関する超高度な光物理的原理を用い、照射によって誘発される化学反応を用いない。それによって本発明技術の応答時間は、従来に比べてかなり改善される。
【００１６】
また、仏国特許出願ＦＲ２４８４６３９が公知である。その特許出願の明細書に記述されている方法は、侵入型の方法であり、本発明に係る方法は非侵入型の方法であるのに対し、いろいろな測定場所にセンサを設ける必要がある。
【００１７】
さらに、使用する蛍光性の材料は、固体状態の材料である（明細書の第８ページ第２ないし３行参照）。本発明に係るトレーサは、温度を測定する液体中に溶解した分子である。
【００１８】
また、日本国特許の要約には、蛍光性の分子をトレーサを伴わない分子溶液中に播種しておいて、レーザー放射ではなくＵＶ光の照射を使うものが公知である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体の温度を非侵入で測定する光学的方法であり、液体の測定容積部位中でレーザー放射によって誘導される蛍光を使用し、そして、単一の温度感受性蛍光性トレーサを用い、かつ、上記液状媒体中で上記トレーサの分子を希薄化した後に同じトレーサの少なくとも２つの別々のスペクトルの検知ウインドウを使用することを特徴とする。
【００２０】
本方法は、望ましくは励起用レーザー光の散乱または反射による光学信号を受信しまたは完全に除去する、上記光学信号を小さないくつかの信号に分割する、上記分割後に得られる各小さな信号のための検知ウインドウを作成する、検知ウインドウにおいて受信する上記小さな信号を増幅する、そして、多くの電気的な信号に上記小さな信号を転換し、そして、受信、処理及び上記電気的な信号の表示を行う、というステップを含む。
【００２１】
また本発明は、流体の温度を非侵入で測定するための装置であり、液体の測定容積部位中でレーザー放射によって誘導される蛍光を使用するもので、上述した本発明に係る方法を実行するために、単一の受信経路には、ホログラフィック帯域拒否フィルタと光学信号を２つの光に分けるユニットを備え、各光学的測定経路には、測定ウインドウをつくるためのフィルタと小さい信号を電気的な信号に増幅するためのアンプとコンピュータ・システムを備えることを特徴とする。
【００２２】
望ましくは、レーザー放射は、単一のレーザー光線、二重のレーザー光線、レーザー・シートから選択する。
【００２３】
望ましくは、測定ウインドウを形成するフィルタは、帯域通過干渉フィルタ、高域フィルタ、低域フィルタから選択する。
【００２４】
望ましくは、１つの測定経路用に波長λ１を中心として第１の信号を通すバンド幅△λ１の帯域通過干渉フィルタを用い、閾値波長λ２を上回る光学的強度の信号を通す第２の信号を通す高域フィルタを他の測定経路用に選択する。
【００２５】
本発明は、後述する非限定的な実施形態の記述からさらによく理解できるであろう。本発明の請求項１に係るは、上記目的を達成するために、ことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、単一の蛍光性トレーサを使用する。上記トレーサは、温度の測定を要求される上記液状媒体中に希薄な分子として存在し、化学的形態に変化がなく、その蛍光性の性質が同一の分子に起因する。
【００２７】
後述する非限定的な例で使用するトレーサはローダミンＢ（Ｃ２８Ｈ３１ＣｌＮ２Ｏ３）である。これは、特に温度に敏感であるということが知られている。それに加えて、このトレーサの温度感度は、問題の蛍光性のスペクトルのスペクトル帯域に従って異なる。本発明の第１の実施形態は、単一のトレーサを使用し、２つの別々のスペクトルの検知ウインドウを使用する。
【００２８】
本発明方法の使用の結果として生じる感度は、蛍光信号における変化の２％／℃である。これは、観察される信号対雑音比を考慮に入れており、温度１℃の範囲内で精度を導く。
【００２９】
したがって、検知は２つのあらかじめ定義されたスペクトルウインドウで生じ、複数のスペクトルを研究することによっては完了せず、したがって分光計の使用を必要とせず、単純な光センサ（フォトダイオード、光電子増倍管、ＣＣＤカメラ、その他）だけを用いる。
【００３０】
この方法を実行するため、本願発明の装置（１）は、レーザー放射（２）によって流体の測定容積部位（３）に誘導される蛍光を用い、信号の分割と検知を可能にした。レーザー放射は、１本または２本のレーザー光線の形態、あるいはレーザー・シートの形態のいずれでもよい。特に、測定容積部位を定義している点で相交わっている２つのレーザー光線を使用することで、市販の速度計測システムによって同時に速度を計測することが可能になる。
【００３１】
本装置は主に、非限定的であるが、単一つの受信経路、全ての励起用レーザー構成要素（１２）の散乱または反射を除去するためのホログラフィック帯域拒否フィルタ（６）、光学信号（５）を少なくとも２つの等しいか等しくない小さな信号（５ａ、５ｂ）に分割するためのユニット（４）を備える。たとえばユニット４は、各経路で要求される力に応じて定義される２つの中立スプリッタ（４ａ、４ｂ）によって、２つの光信号を分割する。
【００３２】
各光学的測定経路では、フィルタ、例えば帯域通過干渉フィルタ、高域フィルタまたは低域フィルタを、トレーサに適する測定ウインドウをつくるために用いる。エタノールに溶解させたローダミンＢを用いる例では、信号（５ａ）を通す帯域通過干渉フィルタ（７）を備え、図２に示すような第１の測定ウインドウ１０を得る。使用するトレーサにより、フィルタ（７）は、波長λ１±△λ１（望ましくは５３０ｎｍ±５ｎｍ）を中心とし、第２の信号（５ｂ）が通過する高域フィルタ（８）は、閾値波長λ２（望ましくは約５９０ｎｍ）を上回る光学的強度を通す。波長選択の重要な基準は、異なる温度感度を持つことである。
【００３３】
ウインドウと波長は、トレーサのまたはトレーサ混合溶媒の温度反応曲線によって選択する。また、コストを基準にフィルタを選択し得る。本明細書の全ての記述において、用語「ウインドウ」は一般的な意味において理解すべきもので、一つ以上の波長範囲からなり、用語「分離」が部分的な重複やウインドウの包含を除外しないのと同様に限定的なものではなく、そして、表現「測定ウインドウ」と「検知ウインドウ」は同じ意味を持つ。
【００３４】
小さい信号（５ａ、５ｂ）を電気的な信号に増幅変換するためのアンプ（９ａ、９ｂ）は、たとえば光電子増倍管、フォトダイオードまたはＣＣＤセンサである。これらのアンプは、短い蛍光強度の応答時間で、正確な測定値を提供する。
【００３５】
ソフトウェアによるコンピュータ・システム（１１）は、受信システム（図示せず）により受信した電気的な信号を処理して、スクリーンで結果を表示する。
【００３６】
第１の信号（５ａ）の受信蛍光強度は、本願発明者が確立させた簡略な数式
Ｉｆ１＝Ｋｏｐｔ１Ｋｓｐｅｃｔ１ＣＩｏＶｃｅβ１／Ｔ
によって表すことができる。同様に第２の信号（５ｂ）の蛍光強度は
Ｉｆ２＝Ｋｏｐｔ２Ｋｓｐｅｃｔ２ＣＩｏＶｃｅβ２／Ｔ
を満足する。上記両式については、蛍光強度に関する関連吸収係数は、関連スペクトルのウインドウと同義であると言える。あるいは、積Ｃ・ｘは、制御に応じてわずかに変化し得るので、それによって簡略化できる。なおｘは、吸収性の媒体において蛍光信号によって伝わる光学経路を示す。
【００３７】
このように、検知ウインドウにおいて受信する信号の蛍光強度の測定比率は、
Ｒｆ＝Ｉｆ１／Ｉｆ２＝Ｋｅ（β１−β２）／Ｔ
と表せる。ここでＫは、使用される光学的システムと蛍光性トレーサとして使われる分子の分光特性のみに依存する定数である。この比率は、励起した蛍光性トレーサの集中、励起レーザー強度及び励起した蛍光部位から独立していることが長所である。装置定数（Ｋ）は既知の温度Ｔ０での単一の初期較正点で決定される。また上記測定比率は下記のように変換できる。
ｌｎ（Ｒｆ／Ｒｆｏ）＝（β１−β２）｛（１／Ｔ）−（１／Ｔｏ）｝
ここでＲｆｏは、温度Ｔ０での比率である。この原理は、実験的に確かめた。
【００３８】
温度に加えて、液体または測定容積部位（３）の集中を得ることが同時に可能である。蛍光強度に関する関連吸収係数が関連スペクトルウインドウ内で同じでないとき、あるいは積Ｃ・ｘが制御によりかなり変化するとき、蛍光の吸収現象を考慮しなければならない。この場合、第３の経路と第３の測定ウインドウを、吸収量を定めるために加え得る。
【００３９】
選択したトレーサは、２ｍｇ／ｌまでアルコールで薄めたローダミンＢである。これは、遮断された２つのスペクトル帯域の使用を満足し且つ可能とするが、他のトレーサ、例えばオレゴン４８８、ローダミン６Ｇ及び他の希薄液体（例えば水）も使用できた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、スプレー中等の液滴の温度測定に使用し得る。既述のように先行技術における問題は、温度による測定容積部位における変化である。このパラメータが上述した測定比率の変換式から除外されているので、測定に対する影響がなく、本発明で使用できる。また装置にとって適当な応答時間が未知である乱流での温度測定、及び流体が通過する測定平面の温度分布も、局所的レーザー強度変化とは独立に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る装置の原理を示す図である。
【図２】
ローダミンＢの発光スペクトル上での検知ウインドウの位置を示すグラフ図である。
【図１】
2004535553.tif 000003
【図２】
2004535553.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004535553.tif 000005
2004535553.tif 000006
2004535553.tif 000007
2004535553.tif 000008
2004535553.tif 000009
2004535553.tif 000010
2004535553.tif 000011
2004535553.tif 000012
2004535553.tif 000013
2004535553.tif 000014
2004535553.tif 000015
2004535553.tif 000016
2004535553.tif 000017
2004535553.tif 000018
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004535553.tif 000019
2004535553.tif 000020
【国際調査報告】
2004535553.tif 000021
2004535553.tif 000022
2004535553.tif 000023
2004535553.tif 000024
2004535553.tif 000025
2004535553.tif 000026