(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に部分反射コーティングが施され、かつ高温物体（１）からの放射光を集光する集光レンズ（２）と、集光された光を伝送する光ファイバ（３）と、伝送された光量を電気信号に変換しこれから高温物体の温度Ｔを演算する光電変換装置（１０）とを備え、
光電変換装置は、伝送された光を電流信号に変換する受光素子（４）と、該電流信号を電圧信号に変換する受光回路（５）と、前記部分反射コーティングで反射する波長の所定光量Ｐの光を発する発光素子（１２）と、該発光素子をパルス状に発光させる駆動回路（１３）と、発光素子と受光素子を光ファイバに結合する光結合素子（１４）と、発光素子のＯＮ／ＯＦＦに同期して受光信号を取得するサンプリング回路（１５）と、各タイミングにおける受光回路からの電圧信号Ｓ１,Ｓ２ から伝送損失を補償する演算回路（１６）とを備え、
前記部分反射コーティングは、特定の波長λ１を選択的に反射するコーティングであり、前記発光素子（１２）の光は、波長λ１のパルス光であり、
前記部分反射コーティングは、高温物体（１）からの放射光のうち該波長λ１の光のみを反射する、ことを特徴とする伝送損失補償機能を有する放射温度計。
【請求項２】
高温物体（１）の近傍に集光レンズ（２）を有し、該集光レンズで集光した光を光ファイバ（３）を介して受光素子（４）に導き、その受光量から高温物体の温度Ｔを算出する温度計測方法において、
集光レンズの裏面に部分反射コーティングを施し、該部分反射コーティングで反射する波長の所定光量Ｐのパルス光を集光レンズ（２）に導くように光ファイバに入射させ、パルス光の有無による受光量の変化Ｓ１,Ｓ２ から伝送損失を補償し、
前記部分反射コーティングは、特定の波長λ１を選択的に反射するコーティングであり、前記パルス光は、波長λ１のパルス光であり、
前記部分反射コーティングは、高温物体（１）からの放射光のうち該波長λ１の光のみを反射する、ことを特徴とする温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伝送損失補償機能を有する放射温度計とその温度計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体温度の変化に応じて放射光（輻射光）の光量が変化する現象を応用して、物体表面の温度を非接触で測定する放射温度計が従来から用いられている。例えば、ガスタービン等のタービンブレードの温度測定では、高温回転している多数のタービンブレードを非接触で１つのセンサで計測できる等の利点がある。
【０００３】
更に、かかる放射温度計と光ファイバとを組み合わせ、光ファイバで放射光を伝送することにより、微小部分の温度を精密測定可能な装置が開発されている。光ファイバを用いたこの放射温度計は、図４に模式的に示すように、測定箇所１（例えばタービンブレード）の近傍に集光レンズ２を設置し、この集光レンズで集光した光を光ファイバ３を介して受光素子４に導き、その出力から温度を演算するようになっている。なお、この図で、５は受光回路、６は演算回路、７は出力装置である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバを用いた放射温度計では、温度変化、曲げ及び経時変化によって光ファイバの伝送損失が変化する。そのため、製作時に精密にキャリブレーション（更正）を行った放射温度計でも、温度変化、曲げ及び経時変化を受けた場合には、精密な計測ができず、再度、分解等してキャリブレーションしなおす必要があり、長時間の連続計測には適用できない問題点があった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、光ファイバの伝送損失を使用状態で補償することができ、これにより長時間の連続計測を可能にする伝送損失補償機能を有する放射温度計とその温度計測方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
予め集光レンズ（２）の裏面に部分反射コーティングを施し、放射温度計の使用時にコーティングで反射する波長の所定光量Ｐのパルス光を光ファイバを介して外部から入力して集光レンズに導くことにより、レンズの裏面で反射した光が光ファイバの往復分の伝送損失を受けて、通常の計測光に加算して計測される。従って、パルス光の有無による受光量の変化Ｓ1,Ｓ2 からパルス光の往復分の伝送損失を受けた反射光の光量ΔＳが算出でき、これから光ファイバの透過率Ｔｒを算出し伝送損失を補償することができる。本発明は、かかる新規の原理に基づくものである。
【０００７】
本発明によれば、裏面に部分反射コーティングが施され、かつ高温物体（１）からの放射光を集光する集光レンズ（２）と、集光された光を伝送する光ファイバ（３）と、伝送された光量を電気信号に変換しこれから高温物体の温度Ｔを演算する光電変換装置（１０）とを備え、光電変換装置は、伝送された光を電流信号に変換する受光素子（４）と、該電流信号を電圧信号に変換する受光回路（５）と、前記部分反射コーティングで反射する波長の所定光量Ｐの光を発する発光素子（１２）と、該発光素子をパルス状に発光させる駆動回路（１３）と、発光素子と受光素子を光ファイバに結合する光結合素子（１４）と、発光素子のＯＮ／ＯＦＦに同期して受光信号を取得するサンプリング回路（１５）と、各タイミングにおける受光回路からの電圧信号Ｓ１,Ｓ２ から伝送損失を補償する演算回路（１６）とを備え、前記部分反射コーティングは、特定の波長λ１を選択的に反射するコーティングであり、前記発光素子（１２）の光は、波長λ１のパルス光であり、前記部分反射コーティングは、高温物体（１）からの放射光のうち該波長λ１の光のみを反射する、ことを特徴とする伝送損失補償機能を有する放射温度計が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、高温物体（１）の近傍に集光レンズ（２）を有し、該集光レンズで集光した光を光ファイバ（３）を介して受光素子（４）に導き、その受光量から高温物体の温度Ｔを算出する温度計測方法において、集光レンズの裏面に部分反射コーティングを施し、該部分反射コーティングで反射する波長の所定光量Ｐのパルス光を集光レンズ（２）に導くように光ファイバに入射させ、パルス光の有無による受光量の変化Ｓ１,Ｓ２ から伝送損失を補償し、前記部分反射コーティングは、特定の波長λ１を選択的に反射するコーティングであり、前記パルス光は、波長λ１のパルス光であり、前記部分反射コーティングは、高温物体（１）からの放射光のうち該波長λ１の光のみを反射する、ことを特徴とする温度計測方法が提供される。
【００１０】
上記本発明の装置及び方法により、発光素子（１２）、駆動回路（１３）及び光結合素子（１４）により、放射温度計の使用時にコーティングで反射する波長の所定光量Ｐのパルス光を光ファイバを介して集光レンズ（２）の裏面に導き、光結合素子（１４）、サンプリング回路（１５）、受光素子（４）及び受光回路（５）により、レンズ裏面からの反射光を集光レンズの透過光量Ｓ2 に加算して計測し、パルス光の有無による受光量の変化Ｓ1,Ｓ2 から演算回路（１６）により、パルス光の往復分の伝送損失ΔＳが算出でき、これから光ファイバの透過率Ｔｒを算出し伝送損失を補償することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明による放射温度計の全体構成図である。この図に示すように、本発明の放射温度計は、集光レンズ２、光ファイバ３、及び伝送された光量を電気信号に変換しこれから高温物体の温度Ｔを演算する光電変換装置１０から構成される。
集光レンズ２は、高温物体１（例えばタービンブレード）の近傍に設置され、高温物体１からの放射光を光ファイバ３の端面に集光するようになっている。この集光レンズ２は、この図では単一の凸レンズで示しているが、２枚以上のレンズからなる複合レンズであってもよい。また、この図では集光レンズ２の保護ガラスを示していないが、かかる保護ガラスを用いてもよい。
更に、本発明によれば、集光レンズ２の裏面（図で右側表面）に部分反射コーティング２ａが施されている。この部分反射コーティング２ａは、特定の波長λ1 を選択的に反射するのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、広範囲の波長を反射するようになっていてもよい。
光ファイバ３は、集光レンズ２で集光された光を光電変換装置１０まで伝送するようになっている。この光ファイバ３は、例えば、直径約０．４ｍｍ前後の極細のファイバ線を複数（例えば３本）束ねて構成したものであり、可撓性を有している。
【００１２】
光電変換装置１０は、図に示すように、受光素子４、受光回路５、発光素子１２、駆動回路１３、光結合素子１４、サンプリング回路１５及び演算回路１６からなる。
受光素子４は、光ファイバ３で伝送された光を電流信号に変換する。受光回路５は、受光素子４で変換した電流信号を電圧信号に変換する。従って、受光素子４と受光回路５の組み合わせにより、光ファイバ３で伝送された光の受光量を電圧信号（電圧レベル）に変換することができ、この電圧信号を適当な演算回路で処理することにより、従来と同様に高温物体１の温度を算出することができる。
【００１３】
発光素子１２は、部分反射コーティング２ａで反射する波長の所定光量Ｐの光を発する。この波長は、部分反射コーティング２ａが、特定の波長λ1 を選択的に反射する場合には、これに併せて同一の波長λ1 とするのがよいが、部分反射コーティング２ａが広範囲の波長を反射する場合には、狭い波長範囲である限りで任意の波長であってもよい。
駆動回路１３は、発光素子１２をパルス状に発光させる。更に、光結合素子１４は、発光素子１２と受光素子４を光ファイバ３に結合している。この構成により、発光素子１２から光ファイバ３を介して集光レンズ２にパルス光を照射することができ、かつ同時にその反射光と透過光を併せて受光し、受光素子４により受光量を計測することができる。
【００１４】
サンプリング回路１５は、発光素子１２のＯＮ／ＯＦＦに同期して受光素子４からの受光信号を取得する。更に、演算回路１６は、発光素子１２のＯＮ／ＯＦＦの各タイミングにおける受光回路からの電圧信号Ｓ1,Ｓ2 から伝送損失を補償するようになっている。
【００１５】
図２は、本発明の原理図である。（Ａ）において、高温物体１からの放射光の光量Ｓ0 に対して部分反射コーティング２ａの透過率をＴｒ2 とすると、光ファイバ３に入力する放射光の光量は、Ｔｒ2 ×Ｓ0 となる。更に光ファイバ３の透過率をＴｒとすると、受光素子４で計測される光量Ｓ2 は、Ｔｒ2 ×Ｓ0 ×Ｔｒであり、Ｓ0 ＝Ｓ2 ／（Ｔｒ2 ×Ｔｒ）．．（式１）が成り立つ。すなわち、部分反射コーティング２ａの透過率Ｔｒ2 は、製造時の測定により既知であるから、光ファイバ３の透過率Ｔｒがわかれば放射光の光量Ｓ0 が算出でき、伝送損失を補償することができることがわかる。
【００１６】
図２（Ｂ）において、上述した放射温度計（発光素子１２、駆動回路１３、光結合素子１４）により、部分反射コーティング２ａで反射する波長の所定光量Ｐのパルス光を集光レンズ２に導くと、光ファイバ３の透過率Ｔｒを乗じたＰ×Ｔｒの光量が部分反射コーティング２ａに入射し、部分反射コーティング２ａの反射率をＦｒとすると、Ｐ×Ｔｒ×Ｆｒの光量が反射し、更に光ファイバ３の透過率Ｔｒを乗じたＰ×Ｔｒ2 ×Ｆｒ＝ΔＳ．．（式２）の光量が（Ａ）の透過光量Ｓ2 に加算され、受光素子４で光量Ｓ1 として計測される。従って、Ｓ2 ＋ΔＳ＝Ｓ1 ．．（式３）の関係が成り立。ここで、Ｓ2 、Ｓ1 、Ｐはそれぞれ既知又は計測可能であり、部分反射コーティング２ａの反射率Ｆｒも製造時の測定により既知であるから、式２から光ファイバ３の透過率Ｔｒを実測することができる。
【００１７】
上述した図２及び（式１）〜（式３）を用いることにより、所定光量Ｐのパルス光を集光レンズ２に導くように光ファイバに入射させ、パルス光の有無による受光量の変化Ｓ1,Ｓ2 から伝送損失を補償することができる。すなわち、発光素子１２、駆動回路１３及び光結合素子１４により、放射温度計の使用時にコーティングで反射する波長の所定光量Ｐのパルス光を光ファイバを介して集光レンズ２の裏面に導き、光結合素子１４、サンプリング回路１５、受光素子４及び受光回路５により、レンズ裏面からの反射光を集光レンズの透過光量Ｓ2 に加算して計測し、パルス光の有無による受光量の変化Ｓ1,Ｓ2 から演算回路１６により、パルス光の往復分の伝送損失ΔＳが算出でき（式３）、これから光ファイバの透過率Ｔｒを算出し（式２）、伝送損失を補償する（式１）ことができ、これを出力装置７でＣＲＴ等に表示し、或いは他の制御装置等に出力することができる。
【００１８】
図３は、本発明の放射温度計における入力波長と強度（光量）との関係図である。この図において、（Ａ）は、部分反射コーティング２ａが、特定の波長λ1 を選択的に反射するのコーティングであり、発光部分素子１２が波長λ1 の所定光量Ｐの光を発する場合を示している。
この場合に、高温物体１からの放射光の光量Ｓ0 は、通常例えば波長７５０ｎｍから１５５０ｎｍまでの広範囲にわたり分布しているが、コーティング２ａにより特定の波長λ1 （例えば、約１３００ｎｍ前後）の光が反射され損失となる。しかし、全体の波長領域に比べてコーティング２ａによる損失領域は非常に狭いため、放射温度計への影響はほとんどなく、全体の波長領域における損失が少ないため高精度な温度計測ができる。また、コーティング２ａが特定の波長λ1 のみに影響するため、その他の波長（例えばλ2 ）を別の用途に用いる場合、或いは波長λ1 以外の波長部分で特に高精度が要求される場合に、コーティング２ａの影響を皆無又はほとんど無視できるレベルに低減することができる。
【００１９】
図３（Ｂ）は、部分反射コーティング２ａが、広範囲の波長を均一に反射するのコーティングであり、発光部分素子１２が波長λ1 の所定光量Ｐの光を発する場合を示している。
この場合に、高温物体１からの放射光の光量Ｓ0 は、コーティング２ａにより広範囲の波長（例えば波長７５０ｎｍから１５５０ｎｍ）の光が反射され損失となる。しかし、コーティング２ａの反射率（透過率Ｔｒ）を予め計測しておけば、上述した方法により同様に温度計測ができる。
また、上述の説明では、受光素子４及び発光素子１２の光電変換における変換ゲインηを無視して（１００％として）いるが、実際の装置では、かかる変換ゲインηは既知でありこれを含めた式を適用するのがよい。
【００２０】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、本発明はガスタービン・ブレード以外にも一般の高温物体の表面温度計測にも適用することができる。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の伝送損失補償機能を有する放射温度計とその温度計測方法は、レンズ表面の付着物による伝送損失を補償することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による放射温度計の全体構成図である。
【図２】本発明の原理図である。
【図３】本発明の放射温度計における入力波長と強度（光量）との関係図である。
【図４】光ファイバを用いた従来の放射温度計の模式図である。
【符号の説明】
１  高温物体
２  集光レンズ
２ａ  部分反射コーティング
３  光ファイバ
４  受光素子
５  受光回路
６  演算回路
７  出力装置
１０  光電変換装置
１２  発光素子
１３  駆動回路
１４  光結合素子
１５  サンプリング回路
１６  演算回路
【図１】
0003932680.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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