JP2002071473A

JP2002071473A - 蛍光式光ファイバー温度計

Info

Publication number: JP2002071473A
Application number: JP2000267134A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kawaguchi; 雄一川口; Kunihiro Haga; 邦博芳賀
Original assignee: Anritsu Meter Co Ltd
Current assignee: Anritsu Meter Co Ltd
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-03-08

Abstract

(57)【要約】【課題】、測温時に蛍光物質に適切な光量の励起光線を
照射することにより、温度計測に必要十分な蛍光光線の
減衰曲線を得ることができ、しかも、消費電力を節約で
きる高精度の蛍光式光ファイバー温度計を提供する。【解決手段】温度により蛍光特性が変化する蛍光物質４
１に光ファイバー４２を経由して励起光線Ｌ1 を照射
し、前記蛍光物質４１から放射される蛍光光線Ｌ2を測
定することにより、測温対象物１８の温度を算出する蛍
光式光ファイバー温度計１において、前記励起光線Ｌ1
を青色ＬＥＤ２１によって発生すると共に、１回の計測
における前記青色ＬＥＤ２１の発光時間ｔａを２ｍｓ〜
５００ｍｓとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、感温部の蛍光物質
に光ファイバー経由で励起用光線を照射して蛍光物質で
発生する蛍光光線の光量から温度を算出して測定する蛍
光式光ファイバー温度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この蛍光式光ファイバー温度計は、温度
検出部に蛍光物質を先端に配置した光ファイバーを使用
し、蛍光物質から放射される蛍光光線の減衰特性を使用
して温度計測する。そのため、電気・電子的な外部干渉
をキャンセルでき、自己発熱や環境攪乱も無いので、マ
イクロ波やラジオフリケンシー等の高周波環境や高レベ
ルの電気ノイズを発生する高電圧機器等においても使用
でき、また、電気的に完全に絶縁されているため、火薬
などの危険物や、火災や爆発の可能性のある場所等にも
対応できる。

【０００３】また、熱伝導が極めて低く、優れた応答特
性を有し、耐化学薬品性に優れ、生物に対しても無害で
衛生的であり、その上，−１９５℃から４５０℃の広い
測定範囲を有し、真空環境にも対応できるので、広範囲
な分野で使用されている。

【０００４】図５に示すように、この蛍光式光ファイバ
ー温度計１Ｘは、光源部２Ｘと光分波器３と蛍光物質４
１を有する温度検出部４と光検出器５と演算制御部６と
から構成される。

【０００５】この温度検出部４は、直径１ｍｍ以下の超
小型の光ファイバー４の先端に温度によって異なった減
衰特性を示す蛍光光線を放射する蛍光物質４１を配置
し、この光ファイバー４１全体をテフロン等の保護カバ
ー（プローブ・カバー）で包んで保護して形成される。

【０００６】この温度検出部４の先端を、測温対象物１
２に当接、または、測温対象の環境内に保持し、蛍光物
質４１の温度が測温対象物１２や測温対象の環境内と同
じ温度になった後、光源部２Ｘの励起用のパルス光源で
あるキセノンフラッシュランプ２１Ｘを発光して、この
励起用光線Ｌ1 を青色フィルター２１、ハーフミラー３
１、光ファイバー４２を経由して蛍光物質４１に照射す
る。

【０００７】このマグネシウム蛍光体等の蛍光物質４１
が青色の励起用光線Ｌ1 の照射を受けると、これを吸収
して励起し赤色の蛍光光線Ｌ2 を放出する。この蛍光光
線Ｌ2 を光ファイバー４２の元側の光分波器３のハーフ
ミラー３１で反射させ、赤色フィルター３２を経由して
光検出器５に導く。

【０００８】この蛍光光線Ｌ2 の光量（輝度）の減衰特
性が蛍光物質４１の温度によって変化するので、この蛍
光光線Ｌ2 の光量を光検出器５で検出し、励起用光線Ｌ
1 のパルス照射よって放射される蛍光光線Ｌ2 の特定波
長の減衰特性を電子回路により測定して、この減衰特性
と蛍光物質の温度との関係から温度を算出する。

【０００９】より具体的には、図６に示すように、励起
光線Ｌ1 を約３ｍｓの所定時間ｔａの間発光し、発光終
了した時ｔ1 から所定時間Ｔｂ経過した時ｔ2 の蛍光光
線Ｌ21（低温），Ｌ22（高温）の基準となる光量（基準
の輝度）Ｓ1 ，Ｓ2 を計測し、この基準となる光量Ｓ1
，Ｓ2 に対して、光量がＳ1 ／ｅ，Ｓ2 ／ｅ（ｅ＝
２．７１８．．．．．）になるまで蛍光緩和和時間τ1
，τ2 を検出し、予め計測された蛍光緩和時間τと温
度Ｔの関係から温度Ｔ1 ，Ｔ2 を算出する。

【００１０】なお、この蛍光式光ファイバー温度計の計
測原理は、特表昭６２−５０１４４８号公報に詳細に述
べられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術の蛍光式光ファイバー温度計においては、実際上
は光源としてキセノンフラッシュランプを使用している
ため、必要な電力が大きく、電源をバッテリー化するの
が困難であり、電源が大きく重くなってしまい、しか
も、キセノンフラッシュランプ自体が大きいので、装置
全体の小型化や軽量化が難しく、ハンディタイプの装置
を作ることが困難であるという問題があった。

【００１２】因みに、キセンノンフラッシュランプを使
用した従来技術の温度測定装置では、消費電力約２０Ｗ
で、通常のもので、大きさは幅３２ｃｍ，高さ１７ｃ
ｍ，奥行き４０ｃｍで、重さ約１１ｋｇであり、小型化
したものでも、大きさは幅２６ｃｍ，高さ１５ｃｍ，奥
行き２５ｃｍで、重さ約４．５ｋｇとなっている。

【００１３】そのため、キセノンフラッシュランプの代
わりになる光源を捜して、多くの実験を繰り返していた
が、青色ＬＥＤが開発され製品化されるに伴って、この
青色ＬＥＤを光源に使用することが考えられた。

【００１４】しかしながら、この青色ＬＥＤを使用した
場合には、蛍光光線の減衰曲線は、図４に示すように、
青色ＬＥＤの発光時間の長短の影響を受け、同じ温度で
あっても蛍光緩和時間が発光時間によって変化するた
め、十分な精度で温度計測を行うことができるような減
衰曲線を簡単には得られないという問題がある。

【００１５】つまり、発光時間が短いと図４（ａ）に示
すように、減衰曲線が緩やかに減少する曲線となり、発
光時間が長くなると図４（ｂ）に示すような減衰曲線と
なり、更に長くなると、図４（ｃ）に示すように、減衰
曲線が急激に減少する曲線となる。

【００１６】そのため、青色ＬＥＤを使用する場合は、
青色ＬＥＤの発光時間によって温度計測に使用できる減
衰曲線の形状が異なってしまい、計測精度に影響が出る
ため、発光時間の設定が重要な問題となる。

【００１７】また、一方で、この青色ＬＥＤはキセノン
フラッシュランプに比べれば、小容量であるが、電源を
バッテリー化した場合には、消費電力が問題となる。

【００１８】この消費電力の問題は、消費電力が小さく
なれば、電池寿命が延びるだけではなく、装置自体の小
型化、軽量化を図ることができ、そして、この小型化、
軽量化が可能になり、ハンディタイプになると、用途が
大きく拡大されることになるため、特に重要な問題とな
る。

【００１９】従って、必要以上に発光時間を長くする
と、消費電力が嵩むことになり、バッテリの寿命が短く
なり、ハンディタイプの装置が実用的で無くなるので、
この面からも発光時間の設定が重要な問題となる。

【００２０】更に、青色ＬＥＤの発光時間によって得ら
れる蛍光光線の減衰曲線の形状が、変化し、しかも、キ
セノンフラッシュランプで得られる蛍光光線の減衰曲線
の形状と異なるため、蛍光光線の減衰曲線のどの部分を
使用して減衰緩和時間を検出するかによっても、計測精
度に影響が出るので、単純に従来技術のキセンノンフラ
ッシュランプの場合と同じように減衰特性を計測すると
計測精度が落ちてしまうという問題が生じる。

【００２１】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、測温時に蛍光物質に適
切な光量の励起光線を照射することにより、温度計測に
必要十分な蛍光光線の減衰曲線を得ることができ、しか
も、消費電力を節約できる高精度の蛍光式光ファイバー
温度計を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するための蛍光式光ファイバー温度計は、次のように形
成される。

【００２３】１）温度により蛍光特性が変化する蛍光物
質に光ファイバーを経由して励起光線を照射し、前記蛍
光物質から放射される蛍光光線を測定することにより、
測温対象物の温度を算出する蛍光式光ファイバー温度計
であって、前記励起光線を青色ＬＥＤによって発生する
と共に、１回の計測における前記青色ＬＥＤの発光時間
を２ｍｓ〜５００ｍｓとする。

【００２４】この青色ＬＥＤの発光時間（図２のｔａ＝
ｔ1 −ｔ2 ）を１回の計測において、計測のサンプリン
グ間隔からは２ｍｓ〜５００ｍｓに、消費電力の面から
は２ｍｓ〜５ｍｓで、より好ましくは３．０ｍｓとする
ことにより、消費電力を抑制しながら、温度計測に適し
た蛍光光線の減衰曲線を得ることができる。

【００２５】この発光時間が２ｍｓ〜５ｍｓという値
は、種々の実験結果から導かれた値であり、２ｍｓ未満
では温度計測を精度よく行うことができる蛍光光線の減
衰曲線を得ることができず、５ｍｓ以上では同じ減衰曲
線となるので、５ｍｓより長いといたずらに消費電力が
大きくなる。

【００２６】２）また、上記の蛍光式光ファイバー温度
計において、前記青色ＬＥＤへのパルス電流を定格電流
の６５％〜７５％にする。

【００２７】このパルス電流を青色ＬＥＤ定格電流の６
５％〜７５％、好ましくは７０％とすることにより、必
要にして十分な光量の青色光線を蛍光物質に供給でき、
しかも、消費電力を最小にすることができる。

【００２８】この６５％〜７５％という値は、種々の実
験結果から導かれた値であり、これ６５％であると光量
が不足し、また、７５％より大きいと消費電力が大きく
なる。

【００２９】３）そして、上記の蛍光式光ファイバー温
度計において、前記蛍光光線の減衰特性を計測するにあ
たって、減衰測定の基準となる光量（以下基準光量と言
うことにする。）を計測する時刻を前記青色ＬＥＤの発
光終了時から、３ｍｓ〜５ｍｓの所定時間経過後とす
る。

【００３０】この３ｍｓ〜５ｍｓ、好ましくは４ｍｓ経
過後に蛍光光線（図２のＬ21，Ｌ22）の減衰量、特に蛍
光緩和時間（図２のτ1 ．τ2 ）を計測する時の基準光
量（図２のＳ1 ，Ｓ2 ）を計測することにより、蛍光物
質における温度による減衰特性が、より明確になる減衰
曲線の範囲を使用することができるので、計測精度が向
上する。

【００３１】なお、この蛍光緩和時間とは、基準光量Ｓ
1 ，Ｓ2 の１／ｅ倍（ｅ＝２．７１８．．．）となるま
での時間であり、時定数に相当するような時間である。
以下、基準光量Ｓ1 ，Ｓ2 の１／ｅ倍のＳ1 ／ｅ，Ｓ2
／ｅを計時光量と呼ぶことにする。

【００３２】つまり、３ｍｓより小さいと、蛍光光線の
光量（輝度）は急激に減少しているので、蛍光緩和時間
の計測精度を確保するのが難しくなる。また、５ｍｓよ
り大きいと蛍光光線の減衰は緩やかであるので、蛍光光
線の減衰が進んでしまって、蛍光光線の基準光量の値や
蛍光緩和時間を測定するための計時光量の値の計測精度
が悪くなる。

【００３３】そこで、この３ｍｓ〜５ｍｓ、好ましくは
４ｍｓ経過後に蛍光光線の蛍光緩和時間を計測する時の
基準光量を計測することにより、温度計測を高精度で行
えるようにするのである。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明に係
る蛍光式光ファイバー温度計について説明する。

【００３５】図１に示すように、本発明の蛍光式光ファ
イバー温度計１は、光源部２と光分波器３と蛍光物質４
１を有する温度検出部４と光検出器５と演算制御部６と
を有して構成される。

【００３６】光源部２は、光源の青色ＬＥＤ２１を備え
て形成され、１回の計測における青色ＬＥＤ２１の発光
時間（図２に示すｔａ）を２ｍｓ〜５００ｍｓ、好まし
くは２ｍｓ〜５００ｍｓ、より好ましくは３ｍｓとし、
また、青色ＬＥＤ２１へのパルス電流を定格電流の６５
％〜７５％、好ましくは７０％にする。つまり、例え
ば、定格電流１００ｍＡに対してパルス電流を７０ｍＡ
とする。

【００３７】また、光分波器３は、励起光線Ｌ1 を通過
させ、蛍光光線Ｌ2 を光検出器５側に反射するハーフミ
ラー３１と、赤色フィルター３２を備えて形成される。

【００３８】そして、温度検出部４は、光ファイバー４
の先端に温度によって異なった蛍光特性を示すマグネシ
ウム蛍光体等の蛍光物質４１を配置し、この光ファイバ
ー４２全体をテフロン（登録商標）等の保護カバー（プ
ローブ・カバー）で包んで保護して形成される。

【００３９】光検出器５は、入射してくる蛍光光線Ｌ2
の光量（輝度）を測定する部分であり、演算制御部６
は、主として電子回路からなり、蛍光光線Ｌ2 の減衰特
性、特に蛍光緩和時間を計測し、予め入力されているこ
の蛍光緩和時間と蛍光物質４１の温度との関係から、温
度を算出する機能を有する部分である。

【００４０】そして、以上の構成の蛍光式光ファイバー
温度計１による計測は次のようにして行われる。

【００４１】先ず、光ファイバー４２の先端を、測温対
象物１２に当接し、蛍光物質４１の温度が測温対象物１
２と同じ温度になった後、励起用のパルス光源である青
色ＬＥＤ２１を所定の時間ｔａの間発光させて励起用光
線Ｌ1 をハーフミラー３１と光ファイバー４を経由して
蛍光物質４１に照射する。

【００４２】この蛍光物質４１に青色の励起用光線Ｌ1
が照射されると、これを吸収して励起し赤色の蛍光光線
Ｌ2 を放出するので、この蛍光光線Ｌ2 を光ファイバー
４２経由で光分波器３に導き、更に、この光分波器３内
のハーフミラー３１で反射させ、赤色フィルター３２を
通過させて光検出器５に導く。

【００４３】この蛍光光線Ｌ2 の赤色フィルター３２を
通過した特定波長の光量（輝度）の時間的変化を光検出
器５の電子回路により測定して、この減衰特性と蛍光物
質の温度との関係から温度を算出する。

【００４４】より具体的には、図２に示すように、青色
ＬＥＤ２１の所定時間ｔａの発光を終了した時ｔ1 から
３ｍｓ〜５００ｍｓ、好ましくは３ｍｓ〜５ｍｓ、より
好ましくは３ｍｓの所定時間ｔｂ経過した時ｔ2 の蛍光
光線Ｌ21の基準光量（基準の輝度）Ｓ1 を計測し、この
基準光量Ｓ1 に対して、Ｓ1 ／ｅ（ｅ＝２．７１
８．．．．．）になるまでの蛍光緩和時間τ1 を検出
し、予め計測された蛍光緩和時間τと温度Ｔの関係から
温度Ｔ1 を算出する。

【００４５】なお、この蛍光緩和時間τ1 とは、基準光
量Ｓ1 から計時光量Ｓ1 ／ｅとなるまでの時間であり、
時定数に対応する時間であり、図２の蛍光光線Ｌ21，基
準光量（基準の輝度）Ｓ1 ，計時光量Ｓ1 ／ｅ，蛍光緩
和時間τ1 は、蛍光物質４１が低温の時を示し、蛍光光
線Ｌ22，基準光量（基準の輝度）Ｓ2 ，計時光量Ｓ2／
ｅ，蛍光緩和時間τ2 は、蛍光物質４１が高温の時を示
す。

【００４６】そして、この青色ＬＥＤ２１の発光終了後
ｔ1 から３ｍｓ〜５ｍｓ、好ましくは４ｍｓの所定時間
Ｔｂ経過後に蛍光光線Ｌ21，Ｌ22の蛍光緩和時間τ1 ，
τ2を計測するための基準光量Ｓ1 ，Ｓ2 を計測するこ
とにより、蛍光物質４１における温度による減衰特性が
より明確になるので、計測精度が向上する。

【００４７】つまり、図３に示すように、下限値３ｍｓ
より小さいＺａゾーンでは、蛍光光線Ｌ1 ，Ｌ2 の光量
は急激に減少しているので、温度による蛍光緩和時間τ
1'，τ2'の変化量が小さく、計測精度を確保するのが難
しくなる。

【００４８】また、上限値５ｍｓより大きいＺｂゾーン
では蛍光光線Ｌ1 ，Ｌ2 の減衰が進んでしまって、蛍光
光線Ｌ1 ，Ｌ2 の基準光量の値Ｓ1"，Ｓ2"が小さくなっ
てしまい、蛍光緩和時間τ1"，τ2"を測定するための、
基準光量の値Ｓ1"，Ｓ2"と計時光量の値Ｓ1"／ｅ，Ｓ2"
／ｅの計測精度が悪くなる。

【００４９】以上の構成の蛍光式光ファイバー温度計１
によれば、次のような効果を奏することができる。

【００５０】この青色ＬＥＤ２１の発光時間ｔａを１回
の計測において、２ｍｓ〜５００ｍｓ、好ましくは２ｍ
ｓ〜５ｍｓ、より好ましく３ｍｓとすることにより、適
切なサンプリング間隔で、しかも、消費電力を抑制しな
がら、温度計測が十分な精度を持って行うことが可能な
蛍光光線Ｌ2 の減衰曲線を得ることができる。

【００５１】また、青色ＬＥＤ２１を発光するためのパ
ルス電流を青色ＬＥＤ２１の定格電流の６５％〜７５
％、好ましくは７０％とすることにより、必要にして十
分な光量の青色光線Ｌ1 を蛍光物質４１に供給でき、し
かも、消費電力を最小にすることができる。

【００５２】そして、この青色ＬＥＤ２１を使用した場
合の温度測定装置１は、定格電圧ＤＣ５〜１２Ｖ，消費
電力６Ｗ程度であり、従来技術のキセノンフラッシュラ
ンプを使用した装置の定格電圧ＡＣ１００Ｖ、消費電力
２０Ｗに比べれば非常に小さくなる。特に、通常の電池
を使用できるのでコンパクトにすることができ、また、
携帯に便利となる。

【００５３】また、蛍光光線Ｌ21，Ｌ22の減衰量を計測
する時の基準光量Ｓ1 ，Ｓ2 を計測する時刻ｔ2 を励起
光線Ｌ1 の発光終了時ｔ1 から、３ｍｓ〜５ｍｓ、好ま
しくは４ｍｓの所定時間Ｔｂ経過後とすることにより、
蛍光光線Ｌ21，Ｌ22の蛍光緩和時間τ1 ，τ2 の計測を
精度よく行うことができ、また、この範囲の減衰曲線に
おける蛍光緩和時間τ1 ，τ2 は温度による変化が大き
いので、温度の計測精度を向上することができる。

【００５４】

【発明の効果】以上の説明のように、本発明の蛍光式光
ファイバー温度計によれば、次のような効果を奏するこ
とができる。

【００５５】励起光線を青色ＬＥＤによって発生すると
共に、１回の計測における青色ＬＥＤの発光時間を２ｍ
ｓ〜５００ｍｓ、好ましくは２ｍｓ〜５ｍｓ、より好ま
しく３ｍｓとすることにより、消費電力を抑制しなが
ら、温度計測を十分な精度を持って行うことができる蛍
光光線Ｌ2 の減衰曲線を得ることができる。

【００５６】更に、このパルス電流を青色ＬＥＤの定格
電流の６５％〜７５％、好ましくは７０％とすることに
より、必要にして十分な光量の青色光線を蛍光物質に供
給でき、しかも、消費電力を最小にすることができる。

【００５７】そして、蛍光光線の減衰量を計測する時の
基準光量を計測する時刻を励起光線の発光終了時から、
３ｍｓ〜５ｍｓ、好ましくは４ｍｓ経過後とすることに
より、蛍光光線の蛍光緩和時間の計測を精度よく行うこ
とができ、また、この範囲の蛍光緩和時間は温度による
変化が大きいので、温度の計測精度を向上することがで
きる。

【００５８】従って、測温時に蛍光物質に対して光ファ
イバー経由で計測に必要十分な光量の光を発生でき、し
かも、消費電力を最小にできる高精度の蛍光式光ファイ
バー温度計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る蛍光式光ファイバー温度計の構成
図である。

【図２】図１の蛍光式光ファイバー温度計の計測原理を
説明するための蛍光光線の減衰図である。

【図３】図２における計測に不適な部分を示す蛍光光線
の減衰図である。

【図４】青色ＬＥＤの発光時間と減衰曲線との関係を示
す図で、（ａ）は発光時間が短い場合を示し、（ｂ）は
適正な発光時間の場合を示し、（ｃ）は発光時間が長い
場合を示す。

【図５】従来技術の蛍光式光ファイバー温度計の構成図
である。

【図６】従来技術の蛍光式光ファイバー温度計の計測原
理を説明するための蛍光光線の減衰図である。

【符号の説明】

１蛍光式光ファイバー温度計１８測温対象物２１青色ＬＥＤ４１蛍光物質４２光ファイバーｔａフラッシング継続時間Ｌ1 励起光線Ｌ2 ，Ｌ21，Ｌ22 蛍光光線Ｓ1 ，Ｓ2 基準光量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度により蛍光特性が変化する蛍光物質
に光ファイバーを経由して励起光線を照射し、前記蛍光
物質から放射される蛍光光線を測定することにより、測
温対象物の温度を算出する蛍光式光ファイバー温度計で
あって、前記励起光線を青色ＬＥＤによって発生すると
共に、１回の計測における前記青色ＬＥＤの発光時間を
２ｍｓ〜５００ｍｓとすることを特徴とする蛍光式光フ
ァイバー温度計。
【請求項２】前記青色ＬＥＤへのパルス電流を定格電
流の６５％〜７５％にすることを特徴とする前記請求項
１に記載の蛍光式光ファイバー温度計。
【請求項３】前記蛍光光線の減衰特性を計測するにあ
たって、減衰測定の基準となる基準光量の計測する時刻
を前記青色ＬＥＤの発光終了時から、３ｍｓ〜５ｍｓの
所定時間経過後とすることを特徴とする前記請求項１又
は２に記載の蛍光式光ファイバー温度計。