JP2020085697A - Infrared detection device, infrared detection method, program to be executed by computer, and computer-readable recording medium in which program is recorded - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、赤外線検出装置、赤外線検出方法、コンピュータに実行させるためのプログラムおよびプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。 The present invention relates to an infrared detection device, an infrared detection method, a program to be executed by a computer, and a computer-readable recording medium recording the program.
現在、赤外線の放射エネルギーを検出する赤外線検出器は、放射温度計やガスセンサの構成要素として広く利用されている。放射温度計は、非接触で測定できる赤外線の放射エネルギーを対象物の温度に換算する装置であり、ガスセンサは、対象物の赤外線エネルギーが赤外線検出器に届くまでの減衰率を観測してガス濃度に換算する装置である。 At present, infrared detectors that detect radiant energy of infrared rays are widely used as components of radiation thermometers and gas sensors. A radiation thermometer is a device that converts infrared radiant energy that can be measured in a non-contact manner into the temperature of a target object.A gas sensor observes the attenuation rate until the infrared energy of the target object reaches the infrared detector and measures the gas concentration. It is a device that converts to.
放射温度計およびガスセンサにおいては、さまざまな装置構成、温度およびガス濃度の算出方法が知られている。この理由は、赤外線の放射エネルギーが、対象物の温度、対象物と赤外線検出器間の透過率、および対象物の放射率によって影響されるためである。 For radiation thermometers and gas sensors, various device configurations, methods for calculating temperature and gas concentration are known. The reason for this is that the radiant energy of infrared rays is influenced by the temperature of the object, the transmittance between the object and the infrared detector, and the emissivity of the object.
放射温度計において、赤外線の放射エネルギーから温度を推定する方法は、赤外線検出器が検出する波長の数によって分類される。代表的な方法として、単一の波長の放射エネルギーを検出して、その強度を温度に換算する単色法、2波長の放射エネルギーを検出して、放射エネルギーの比を温度に換算する二色法が知られている。一方、3波長以上の波長の放射エネルギーを検出して温度を算出する多色法も知られている。 In the radiation thermometer, the method of estimating the temperature from the radiant energy of infrared rays is classified by the number of wavelengths detected by the infrared detector. As a typical method, a monochromatic method that detects radiant energy of a single wavelength and converts its intensity into temperature, a two-color method that detects radiant energy of two wavelengths and converts the ratio of radiant energy into temperature It has been known. On the other hand, there is also known a multicolor method in which radiant energy of three or more wavelengths is detected to calculate temperature.
これらの温度の算出方法によって高精度に温度を算出するためには、それぞれの測定方法の前提条件を満たさなければならない。例えば、単色法においては、対象物の放射率と対象物と赤外線検出器との間の透過率が既知でなければ、高精度に温度を算出することはできない。一方、二色法においては、対象物の放射率や対象物と赤外線検出器との間の透過率が波長に依存しない場合、高精度に温度を算出できる。 In order to calculate the temperature with high accuracy by these temperature calculating methods, the prerequisites of the respective measuring methods must be satisfied. For example, in the monochromatic method, the temperature cannot be calculated with high accuracy unless the emissivity of the object and the transmittance between the object and the infrared detector are known. On the other hand, in the two-color method, when the emissivity of the object and the transmittance between the object and the infrared detector do not depend on the wavelength, the temperature can be calculated with high accuracy.
対象物の放射率や対象物と赤外線検出器との間の透過率が波長に依存する場合でも、高精度に温度を算出する方法が特許文献1,2等に記載されている。特許文献1の多色法は、高温の対象物に対して放射率比を算出することで、波長依存性を持つ放射率を補正した温度の算出方法である。一方、他の検出器を用いることで、波長依存性を持つ透過率を補正する方法もある。例えば、特許文献2は、湿度計によって水蒸気の透過効果を補正した放射温度計である。
しかし、対象物の放射率や対象物と赤外線検出器との間の透過率が波長依存性を持つ場合、高精度に温度を算出するためには、ある限られた測定条件が必要である。特許文献1の方法は、対象物が放射する分光放射輝度がウィーンの法則で近似できる場合、すなわち、赤外線検出器の検出波長が短波長である場合のみ、利用することができる。例えば、対象物の温度が780℃である場合、1.4〜1.8μmの波長を検出する赤外線検出器を利用して、波長に依存した放射率を補正して温度を算出することができる。すなわち、常温(0〜100℃)程度の対象物や遠赤外領域の赤外線検出器では、特許文献1の方法を利用できない。一方で、特許文献2の方法に従えば、水蒸気の透過率を補正して高精度に温度を算出できる。しかしながら、追加の測定装置として湿度計が必要であり、装置が複雑化してしまう。
However, when the emissivity of the target object and the transmittance between the target object and the infrared detector have wavelength dependency, certain limited measurement conditions are required to calculate the temperature with high accuracy. The method of
そこで、この発明の実施の形態によれば、遠赤外及び中赤外の領域においても高精度に温度を算出可能な赤外線検出装置を提供する。 Therefore, according to the embodiment of the present invention, there is provided an infrared detection device capable of calculating temperature with high accuracy even in the far infrared region and the mid infrared region.
また、この発明の実施の形態によれば、遠赤外及び中赤外の領域においても高精度に温度を算出可能な赤外線検出方法を提供する。 Further, according to the embodiment of the present invention, there is provided an infrared detecting method capable of calculating temperature with high accuracy even in the far infrared region and the mid infrared region.
更に、この発明の実施の形態によれば、遠赤外及び中赤外の領域においても高精度な温度の算出をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。 Further, according to the embodiment of the present invention, there is provided a program for causing a computer to execute highly accurate temperature calculation even in the far infrared region and the mid infrared region.
更に、この発明の実施の形態によれば、遠赤外及び中赤外の領域においても高精度な温度の算出をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。 Further, according to the embodiment of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium in which a program for causing a computer to execute highly accurate temperature calculation in the far infrared region and the mid infrared region is recorded.
(構成1)
この発明の実施の形態によれば、赤外線検出装置は、第1および第2の検出器と、算出部とを備える。第1の検出器は、黒体分光放射輝度が最大値になる波長よりも長い第1の波長を有する第1の赤外線の第1の分光放射照度を検出する。第2の検出器は、第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度を検出する。算出部は、第1の分光放射照度と第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、第1の波長における黒体分光放射輝度と第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出し、その算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する。
(Structure 1)
According to the embodiment of the present invention, the infrared detection device includes first and second detectors and a calculation unit. The first detector detects a first spectral irradiance of a first infrared ray having a first wavelength longer than a wavelength at which the black body spectral radiance has a maximum value. The second detector detects a second spectral irradiance of a second infrared ray having a second wavelength longer than the first wavelength. The calculating unit calculates a first spectral irradiance ratio, which is a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance, a black body spectral radiance at the first wavelength, and a black body spectral at the second wavelength. The characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths is calculated based on the approximate value of the ratio with the radiance, and the temperature of the object is calculated based on the calculated characteristic value of the spectral radiance. ..
(構成2)
構成1において、第1の波長および第2の波長は、黒体分光放射輝度が最大値になる波長よりも長い。
(Structure 2)
In the
(構成3)
構成1または構成2において、算出部は、第1の分光放射照度比および近似値に基づいて、対象物から第1および第2の検出器までの間における第1の赤外線の透過率である第1の透過率と対象物から第1および第2の検出器までの間における第2の赤外線の透過率である第2の透過率との比である第1の透過率比を特性値として算出し、第1の赤外線の第1の吸光係数と第2の赤外線の第2の吸光係数との比である吸光係数比を含む根を用いた第1の透過率比の平方根を算出して第1の算出温度を算出し、その算出した第1の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Structure 3)
In the
(構成4)
構成3において、算出部は、下記の式(1)によって算出された第1の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Structure 4)
In the
(構成5)
構成3または構成4において、算出部は、第1の算出温度を補正した第2の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Structure 5)
In the
(構成6)
構成5において、算出部は、下記の式(2)によって補正された第2の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Structure 6)
In the
(構成7)
構成3において、赤外線検出装置は、第3の検出器を更に備える。第3の検出器は、第1の波長よりも短い第3の波長を有する第3の赤外線の第3の分光放射照度を検出する。算出部は、第1の透過率比から第1および第2の透過率のいずれか一方の透過率である第3の透過率を算出し、対象物から第1、第2および第3の検出器までの間における第3の赤外線の透過率である第4の透過率を第3の透過率から算出し、その算出した第4の透過率と第3の透過率とに基づいて対象物の温度を算出する。
(Structure 7)
In
(構成8)
構成1から構成7のいずれかにおいて、算出部は、更に、特性値に基づいて対象物から第1および第2の検出器までの間に存在する吸収体の絶対量または濃度を算出する。
(Structure 8)
In any one of the
(構成9)
構成8において、算出部は、更に、特性値に基づいて吸収体である水蒸気の濃度を算出し、水蒸気の濃度および対象物の温度から実質的な温度を算出する。そして、第1の波長は、3.5〜6.0μmの範囲に設定され、かつ、第2の波長は、4.5〜6.0μmの範囲に設定され、または、第1の波長は、8.0〜16.0μmの範囲に設定され、かつ、第2の波長は、13.0〜16.0μmの範囲に設定される。
(Configuration 9)
In the
(構成10)
構成8において、算出部は、更に、特性値に基づいて吸収体である二酸化炭素の濃度を算出し、二酸化炭素の濃度および対象物の温度から快適性の指数を算出する。そして、第1の波長は、3.5〜4.0μmの範囲に設定され、かつ、第2の波長は、4.0〜4.5μmの範囲に設定され、または、第1の波長は、4.5〜16.0μmの範囲に設定され、かつ、第2の波長は、13.5〜16.0μmの範囲に設定される。
(Configuration 10)
In
(構成11)
構成1において、算出部は、第1の分光放射照度比および近似値に基づいて、第1の波長における第1の放射率と第2の波長における第2の放射率との比である放射率比を特性値として算出し、その算出した放射率比に基づいて対象物の温度を算出する。
(Configuration 11)
In the
(構成12)
構成11において、算出部は、放射率比に基づいて第1および第2の放射率のいずれか一方の放射率である第3の放射率を算出し、その算出した第3の放射率に基づいて対象物の温度を算出する。
(Configuration 12)
In the
(構成13)
構成1から構成12のいずれかにおいて、赤外線検出装置は、波長選択部を更に備える。波長選択部は、中赤外から遠赤外までの波長範囲において第1および第2の波長を選択する。そして、波長選択部は、算出部によって算出される算出温度の精度を規定する精度定格を保持しており、対象物の温度の測定範囲における対象物の温度と対象物の算出温度との誤差が精度定格よりも小さくなるように第1および第2の波長を選択する。
(Configuration 13)
In any one of the
(構成14)
構成7において、第1から第3の検出器のうちの2つまたは3つの検出器は、量子井戸型または量子ドット型の同一の検出器からなる。赤外線検出装置は、同一の検出器に印加する電圧を制御して、検出する波長を制御する制御部を更に備える。
(Configuration 14)
In the
(構成15)
構成1において、アレイ状に配置された前記第1および第2の検出器は、検出器群を構成する。算出部は、第1の分光放射照度比および近似値に基づいて特性値を算出する処理を複数の検出器群によって検出された複数組の第1および第2の分光放射照度について実行して複数の特性値を算出し、その算出した複数の特性値に基づいて対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて対象物の温度分布を算出する。
(Configuration 15)
In the
(構成16)
構成7において、アレイ状に配置された第1から第3の検出器は、検出器群を構成する。算出部は、第1の透過率比から第3の透過率を算出する処理を複数の検出器群によって検出された複数組の第1および第2の分光放射照度について実行して複数の第3の透過率を算出し、複数の第3の透過率から複数の第4の透過率を算出し、複数の第3の透過率および複数の第4の透過率に基づいて対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて対象物の温度分布を算出する。
(Configuration 16)
In the
(構成17)
また、この発明の実施の形態によれば、赤外線検出方法は、黒体分光放射輝度が最大値になる波長よりも長い第1の波長を有する第1の赤外線の第1の分光放射照度と、第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度とを検出する第1のステップと、第1の分光放射照度と第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、第1の波長における黒体分光放射輝度と第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出する第2のステップと、算出された分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する第3のステップとを備える。
(Configuration 17)
Further, according to the embodiment of the present invention, the infrared detection method includes a first spectral irradiance of a first infrared ray having a first wavelength longer than a wavelength at which the black body spectral radiance has a maximum value, A first step of detecting a second spectral irradiance of a second infrared ray having a second wavelength longer than the first wavelength, and a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance The first and second wavelengths based on the first spectral irradiance ratio which is the ratio of the black body spectral radiance at the first wavelength to the black body spectral radiance at the second wavelength. And a third step of calculating the temperature of the object based on the calculated characteristic value of the spectral radiance.
(構成18)
構成17において、第1および第2の波長は、黒体分光放射輝度の最大値が得られるピーク波長よりも長い。
(Structure 18)
In the
(構成19)
構成17または構成18の第2のステップにおいて、第1の分光放射照度比および近似値に基づいて、対象物から第1および第2の検出器までの間における第1の赤外線の透過率である第1の透過率と対象物から第1および第2の検出器までの間における第2の赤外線の透過率である第2の透過率との比である第1の透過率比を特性値として算出する。また、第3のステップにおいて、第1の赤外線の第1の吸光係数と第2の赤外線の第2の吸光係数との比である吸光係数比を含む根を用いた第1の透過率比の平方根を算出して第1の算出温度を算出し、その算出した第1の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Structure 19)
In the second step of the
(構成20)
構成19の第3のステップにおいて、下記の式(1)によって算出された第1の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Configuration 20)
In the third step of the configuration 19, the first calculated temperature calculated by the following equation (1) is calculated as the temperature of the object.
(構成21)
構成19または構成20の第3のステップにおいて、第1の算出温度を補正した第2の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Configuration 21)
In the third step of the configuration 19 or the
(構成22)
構成21の第3のステップにおいて、下記の式(2)によって補正された第2の算出温度を対象物の温度として算出する。
(Configuration 22)
In the third step of the configuration 21, the second calculated temperature corrected by the following equation (2) is calculated as the temperature of the object.
(構成23)
構成19第1のステップにおいて、第1の波長よりも短い第3の波長を有する第3の赤外線の第3の分光放射照度を更に検出する。そして、第2のステップにおいて、第1の透過率比から第1および第2の透過率のいずれか一方の透過率である第3の透過率を算出するとともに、対象物から第1、第2および第3の検出器までの間における第3の赤外線の透過率である第4の透過率を第3の透過率から算出し、第3のステップにおいて、算出された第4の透過率と第3の透過率とに基づいて対象物の温度を算出する。
(Structure 23)
Configuration 19 In a first step, a third spectral irradiance of a third infrared light having a third wavelength shorter than the first wavelength is further detected. Then, in the second step, the third transmittance, which is one of the first and second transmittances, is calculated from the first transmittance ratio, and the first and second transmittances are calculated from the object. And the fourth transmittance, which is the transmittance of the third infrared ray between the third detector and the third detector, is calculated from the third transmittance, and in the third step, the calculated fourth transmittance and the fourth transmittance are calculated. The temperature of the object is calculated based on the transmittance of No. 3 and the transmittance of No. 3.
(構成24)
構成17から構成23のいずれかにおいて、赤外線検出方法は、特性値に基づいて対象物から第1および第2の検出器までの間に存在する吸収体の絶対量または濃度を算出る第5のステップを更に備える。
(Configuration 24)
In any one of
(構成25)
構成17の第2のステップにおいて、第1の分光放射照度比および近似値に基づいて、第1の波長における第1の放射率と第2の波長における第2の放射率との比である放射率比を特性値として算出し、第3のステップにおいて、算出された放射率比に基づいて対象物の温度を算出する。
(Structure 25)
In a second step of the
(構成26)
構成25の第2のステップにおいて、放射率比に基づいて第1および第2の放射率のいずれか一方の放射率である第3の放射率を算出し、第3のステップにおいて、算出された第3の放射率に基づいて対象物の温度を算出する。
(Configuration 26)
In the second step of the configuration 25, the third emissivity, which is one of the first and the second emissivity, is calculated based on the emissivity ratio, and the third emissivity is calculated in the third step. The temperature of the object is calculated based on the third emissivity.
(構成27)
構成17から構成26のいずれかにおいて、赤外線検出方法は、中赤外から遠赤外までの波長範囲において第1および第2の波長を選択する第6のステップを更に備える。そして、第6のステップにおいて、対象物の温度の測定範囲における対象物の温度と対象物の算出温度との誤差が、算出される算出温度の精度を規定する精度定格よりも小さくなるように第1および第2の波長を選択する。
(Structure 27)
In any one of the
(構成28)
構成17から構成27のいずれかにおいて、第1の分光放射照度を検出する第1の検出器および第2の分光放射照度を検出する第2の検出器は、量子井戸型または量子ドット型の同一の検出器からなる。赤外線検出方法は、同一の検出器に電圧を印加して、第1および第2の検出器が検出する波長をそれぞれ第1および第2の波長に制御する第7のステップを更に備える。
(Structure 28)
In any one of
(構成29)
構成23から構成27のいずれかにおいて、第1の分光放射照度を検出する第1の検出器、第2の分光放射照度を検出する第2の検出器および第3の分光放射照度を検出する第3の検出器は、量子井戸型または量子ドット型の同一の検出器からなる。赤外線検出方法は、同一の検出器に電圧を印加して、第1から第3の検出器が検出する波長をそれぞれ第1から第3の波長に制御する第8のステップを更に備える。
(Configuration 29)
In any one of Configuration 23 to Configuration 27, a first detector that detects the first spectral irradiance, a second detector that detects the second spectral irradiance, and a third detector that detects the third spectral irradiance. The detectors of No. 3 are the same detectors of quantum well type or quantum dot type. The infrared detection method further includes an eighth step of applying a voltage to the same detector to control the wavelengths detected by the first to third detectors to the first to third wavelengths, respectively.
(構成30)
構成17において、第1の分光放射照度を検出する第1の検出器および第2の分光放射照度を検出する第2の検出器は、アレイ状に配置された検出器群を構成する。第1のステップにおいて、複数の検出器群の各々は、第1および第2の分光放射照度を検出し、第2のステップにおいて、第1の分光放射照度比および近似値に基づいて特性値を算出する処理を複数組の第1および第2の分光放射照度について実行して複数の特性値を算出し、第3のステップにおいて、複数の特性値に基づいて対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて対象物の温度分布を算出する。
(Configuration 30)
In the
(構成31)
構成23において、第1の分光放射照度を検出する第1の検出器、第2の分光放射照度を検出する第2の検出器および第3の分光放射照度を検出する第3の検出器は、アレイ状に配置された検出器群を構成する。第1のステップにおいて、複数の検出器群の各々は、第1から第3の分光放射照度を検出し、第2のステップにおいて、第1の透過率比から第3の透過率を算出する処理を複数の検出器群によって検出された複数組の第1および第2の分光放射照度について実行して複数の第3の透過率を算出し、複数の第3の透過率から複数の第4の透過率を算出し、第3のステップにおいて、複数の第3の透過率および複数の第4の透過率に基づいて対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて対象物の温度分布を算出する。
(Configuration 31)
In the configuration 23, the first detector that detects the first spectral irradiance, the second detector that detects the second spectral irradiance, and the third detector that detects the third spectral irradiance are: A group of detectors arranged in an array is constructed. In the first step, each of the plurality of detector groups detects the first to third spectral irradiances, and in the second step, a process of calculating the third transmittance from the first transmittance ratio. For a plurality of sets of first and second spectral irradiances detected by a plurality of detector groups to calculate a plurality of third transmittances, and to calculate a plurality of fourth transmittances from the plurality of third transmittances. The transmittance is calculated, and in the third step, a plurality of temperatures in a plurality of regions of the object are calculated based on the plurality of third transmittances and the plurality of fourth transmittances, and the calculated plurality of temperatures are calculated. The temperature distribution of the object is calculated based on
(構成32)
更に、この発明の実施の形態によれば、プログラムは、受付手段が、第1の波長を有する第1の赤外線の第1の分光放射照度と、第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度とを受け付ける第1のステップと、算出手段が、第1の分光放射照度と第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、第1の波長における黒体分光放射輝度と第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出する第2のステップと、算出手段が、算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する第3のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムである。
(Configuration 32)
Further, according to the embodiment of the present invention, the program is such that the receiving means sets the first spectral irradiance of the first infrared ray having the first wavelength and the second wavelength longer than the first wavelength. A first step of receiving the second spectral irradiance of the second infrared ray having, and a first spectral irradiance ratio which is a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance by the calculating means. And a characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths based on an approximate value of the ratio of the black body spectral radiance at the first wavelength and the black body spectral radiance at the second wavelength. This is a program for causing the computer to execute the second step of performing and the third step of calculating the temperature of the object based on the calculated characteristic value of the spectral radiance.
(構成33)
構成32において、第1および第2の波長は、黒体分光放射輝度の最大値が得られるピーク波長よりも長い。
(Configuration 33)
In the configuration 32, the first and second wavelengths are longer than the peak wavelength at which the maximum value of the black body spectral radiance is obtained.
(構成34)
更に、この発明の実施の形態によれば、記録媒体は、請求項32または請求項33に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
(Structure 34)
Further, according to the embodiment of the present invention, the recording medium is a computer-readable recording medium in which the program according to claim 32 or 33 is recorded.
遠赤外及び中赤外の領域においても高精度に温度を算出できる。 It is possible to calculate the temperature with high accuracy in the far infrared region and the mid infrared region.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts will be denoted by the same reference characters and description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による赤外線検出装置の概略図である。図1を参照して、実施の形態1による赤外線検出装置10は、検出器2,3と、算出部4とを備える。
[Embodiment 1]
1 is a schematic diagram of an infrared detection device according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1,
検出器2,3は、中赤外から遠赤外までの3〜16μmの波長範囲に属する赤外線を検出する。より具体的には、検出器2は、対象物20から放射された赤外線のうち、3〜16μmの波長範囲に属する波長λ2を有する赤外線IFR2の分光放射照度I(λ2,T)を検出し、その検出した分光放射照度I(λ2,T)を算出部4へ出力する。検出器3は、対象物20から放射された赤外線のうち、3〜16μmの波長範囲に属する波長λ3(>λ2)を有する赤外線IFR3の分光放射照度I(λ3,T)を検出し、その検出した分光放射照度I(λ3,T)を算出部4へ出力する。
The
なお、波長λ2,λ3は、ある程度の波長範囲を含んでいてもよい。この場合、波長λ2,λ3は、中心波長が波長λ2,λ3であることを意味する。そして、波長範囲が狭いほど、温度の検出精度が高くなる。 The wavelengths λ 2 and λ 3 may include a certain wavelength range. In this case, the wavelengths λ 2 and λ 3 mean that the center wavelengths are the wavelengths λ 2 and λ 3 . The narrower the wavelength range, the higher the temperature detection accuracy.
実施の形態1においては、後述する理由によって、波長λ2,λ3が、黒体分光放射輝度の最大値が得られるピーク波長よりも長い場合、温度をより高精度に算出することができる。また、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)は、既知であるものとする。 In the first embodiment, if the wavelengths λ 2 and λ 3 are longer than the peak wavelength at which the maximum value of the black body spectral radiance is obtained, the temperature can be calculated with higher accuracy for the reason described later. Further, the emissivity ε(λ 2 ), ε(λ 3 ) and the extinction coefficients ε a (λ 2 ), ε a (λ 3 ) are assumed to be known.
算出部4は、透過率算出テーブル42と、輝度比パラメータ43と、波長選択部44とを含む。透過率算出テーブル42は、透過率の比と透過率との関係を含む。輝度比パラメータ43は、黒体分光放射輝度の比の近似値Restからなる。波長選択部44は、後述する方法によって、放射温度計の精度定格と対象物20の温度の測定範囲とに基づいて波長λ2,λ3を選択する。
The
算出部4は、検出器2から分光放射照度I(λ2,T)を受け、検出器3から分光放射照度I(λ3,T)を受ける。そして、算出部4は、透過率算出テーブル42および輝度比パラメータ43を用いて、後述する方法によって、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)および近似値Restに基づいて対象物20の温度T、および/または対象物20と検出器2,3との間に存在する吸収体ABSの絶対量または濃度を算出する。
The
検出器2.3の各々は、InGaAsのバンドギャップで光電変換する検出器、ボロメータのような熱型検出器に波長フィルタを搭載した構成からなる検出器、多層に積層した量子ドットのエネルギー準位を利用して光電変換する量子ドット型検出器および多層に積層した量子井戸のエネルギー準位を利用して光電変換する量子井戸型検出器等からなる。 Each of the detectors 2.3 is a detector that performs photoelectric conversion with an InGaAs bandgap, a detector that has a wavelength filter mounted on a thermal detector such as a bolometer, and energy levels of multilayered quantum dots. And a quantum dot detector that performs photoelectric conversion by utilizing the above, and a quantum well detector that performs photoelectric conversion by utilizing the energy levels of quantum wells laminated in multiple layers.
検出器2,3は、相互に同じあっても異なっていてもよい。検出器2,3が同じである場合、即ち、2つの検出器2,3が1つの検出器によって構成される場合、検出器2,3は、量子ドット型検出器または量子井戸型検出器からなる。量子ドット型検出器または量子井戸型検出器は、印加される電圧に応じて検出波長を制御することができる。これによって、1つの検出器で済むため、赤外線検出装置10の小型化および低コスト化が可能である。2つの検出器2,3が1つの検出器によって構成される場合、赤外線検出装置10は、検出する波長を波長λ2に設定するための電圧V2を検出器(量子ドット型検出器または量子井戸型検出器からなる)に印加するとともに、検出する波長を波長λ3に設定するための電圧V3を検出器(量子ドット型検出器または量子井戸型検出器からなる)に印加する制御部を更に備える。
The
[対象物の温度の算出方法]
検出器2が検出する分光放射照度I(λ2,T)は、次式によって表される。
[Calculation method of target temperature]
The spectral irradiance I(λ 2 , T) detected by the
検出割合αとは、対象物20が放射する分光放射輝度のうち、検出器2または検出器3が検出する分光放射輝度の割合である。そして、検出割合αは、対象物20の形状、対象物20と検出器2,3との距離、および検出器2,3の向きで決定される。この発明の実施の形態においては、検出器2,3のキャリブレーションを行って検出割合αを決定してもよいし、レンズの焦点距離等で決まる設計値を検出割合αとして用いてもよい。
The detection ratio α is the ratio of the spectral radiance detected by the
透過率τ(λ2)は、対象物20と検出器2,3との間の赤外線IFR2の透過率であり、対象物20によって放射される分光放射輝度が光路を通して検出器2,3に伝搬される割合である。
The transmittance τ(λ 2 ) is the transmittance of the infrared IFR2 between the
放射率ε(λ2)は、波長λ2における熱放射において、黒体分光放射輝度に対して対象物20によって放射される分光放射輝度の割合である。
The emissivity ε(λ 2 ) is the ratio of the spectral radiance emitted by the
式(1)に示す黒体分光放射輝度B(λ2,T)は、次式(プランクの式)によって表される。 The blackbody spectral radiance B(λ 2 , T) shown in the equation (1) is represented by the following equation (Planck's equation).
上述した式(1)および式(2)は、検出器3が検出する分光放射照度I(λ3,T)についても成り立つ。
The equations (1) and (2) described above also hold for the spectral irradiance I(λ 3 , T) detected by the
従って、分光放射照度I(λ2,T)についての式(1)と、分光放射照度I(λ3,T)についての式(1)より、次式が得られる。 Therefore, the following equation is obtained from the equation (1) for the spectral irradiance I(λ 2 , T) and the equation (1) for the spectral irradiance I(λ 3 , T).
実施の形態1においては、透過率の比と透過率との間に対応関係がある場合に、透過率を算出する方法を使用する。この一例としては、ランベルト・ベールの法則等、吸収体存在下の赤外線の減衰に関する法則を適用することができる。 In the first embodiment, the method of calculating the transmittance is used when there is a correspondence between the transmittance ratio and the transmittance. As an example of this, a law relating to the attenuation of infrared rays in the presence of an absorber, such as Lambert-Beer's law, can be applied.
ランベルト・ベールの法則は、次式によって表される。 Lambert-Beer's law is expressed by the following equation.
式(4)は、透過率τ(λ3)についても成立するので、透過率τ(λ2)についての式(4)と、透過率τ(λ3)についての式(4)とにより、濃度caおよび距離lを消去すると、次式が得られる。 Since the formula (4) holds for the transmittance τ(λ 3 ), the formula (4) for the transmittance τ(λ 2 ) and the formula (4) for the transmittance τ(λ 3 ) Clearing the concentration c a and the distance l, the following equation is obtained.
透過率算出テーブル42は、透過率の比τ(λ3)/τ(λ2)と透過率τ(λ2)との関係を含む。即ち、透過率算出テーブル42は、検出器2,3の利用環境において、透過率の比τ(λ3)/τ(λ2)と透過率τ(λ2)との関係を予め実験によって算出し、その算出した透過率の比τ(λ3)/τ(λ2)と透過率τ(λ2)との関係を含む。
The transmittance calculation table 42 includes a relationship between the transmittance ratio τ(λ 3 )/τ(λ 2 ) and the transmittance τ(λ 2 ). That is, the transmittance calculation table 42 calculates beforehand the relationship between the transmittance ratio τ(λ 3 )/τ(λ 2 ) and the transmittance τ(λ 2 ) by experiments in the usage environment of the
図2は、分光放射輝度と波長との関係を示す図である。図2においては、縦軸は、分光放射輝度を表し、横軸は、波長を表す。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between spectral radiance and wavelength. In FIG. 2, the vertical axis represents the spectral radiance and the horizontal axis represents the wavelength.
図2を参照して、分光放射輝度の波長依存性は、式(2)(プランクの式)によって表される。そして、分光放射輝度の最大値を与えるピーク波長λmaxと温度Tとの関係は、次式によって表されるウィーンの変位則として、一般的に知られている。 Referring to FIG. 2, the wavelength dependence of the spectral radiance is represented by Expression (2) (Planck's expression). The relationship between the peak wavelength λ max that gives the maximum value of the spectral radiance and the temperature T is generally known as the Wien's displacement law expressed by the following equation.
2つの検出波長λ2,λ3を用いて透過率および対象物20の温度を算出するための条件について説明する。
The conditions for calculating the transmittance and the temperature of the
条件1)検出波長λ2の吸光係数εa(λ2)が検出波長λ3の吸光係数εa(λ3)と異なる。 Condition 1) the extinction coefficient of the absorption coefficient of the detection wavelength λ 2 ε a (λ 2) is the detection wavelength λ 3 ε a (λ 3) differ.
吸光係数εa(λ2)が吸光係数εa(λ3)と同じである場合、例えば、式(5)により、透過率τ(λ2)を算出することができないので、条件1が必要である。
When the extinction coefficient ε a (λ 2 ) is the same as the extinction coefficient ε a (λ 3 ), for example, the transmittance τ(λ 2 ) cannot be calculated by the formula (5), so
条件2)2つの検出波長λ2,λ3が長波長である。例えば、2つの検出波長λ2,λ3が対象物20の分光放射輝度がピーク値となる波長λmaxに対して長波長である。
Condition 2) The two detection wavelengths λ 2 and λ 3 are long wavelengths. For example, the two detection wavelengths λ 2 and λ 3 are long wavelengths with respect to the wavelength λ max at which the spectral radiance of the
条件3)2つの検出波長λ2,λ3の波長差がしきい値Δλth以下である。しきい値Δλthは、例えば、2μmである。 Condition 3) The wavelength difference between the two detection wavelengths λ 2 and λ 3 is less than or equal to the threshold value Δλ th . The threshold value Δλ th is, for example, 2 μm.
そして、実施の形態1においては、条件1〜条件3の組み合わせとして、次の3つの組み合わせを用いることができる。
Then, in the first embodiment, the following three combinations can be used as the combination of the
(I)条件1〜条件3の組み合わせ
(II)条件1と条件2との組み合わせ
(III)条件1と条件3との組み合わせ
波長λ2,λ3が上記の条件2を満たすとき、黒体分光放射輝度B(λ2,T)と黒体分光放射輝度B(λ3,T)との比は、次式によって表され、温度依存性が低下する。
(I) Combination of
特に、対象物20の分光放射輝度がピーク値となる波長に対して、検出波長λ2および検出波長λ3が長波長である場合、黒体分光放射輝度は、レイリー・ジーンズの法則に従い、黒体分光放射輝度の比は、温度に依存しなくなる。この場合、黒体分光放射輝度の比は、次式によって表される。
In particular, when the detection wavelength λ 2 and the detection wavelength λ 3 are long wavelengths with respect to the wavelength at which the spectral radiance of the
この場合、上記の(I)〜(III)に示す組み合わせが用いられる。そして、上記の(I)の組み合わせが用いられる場合、対象物20の温度を最も精度良く算出することができる。
In this case, the combinations shown in (I) to (III) above are used. Then, when the combination of the above (I) is used, the temperature of the
分光放射照度I(λ3,T)についても、上述した式(1)が成り立つので、分光放射照度I(λ2,T)についての式(1)と、分光放射照度I(λ3,T)についての式(1)と、式(9)とにより、次式が得られる。 As for the spectral irradiance I(λ 3 , T), the above-mentioned formula (1) is established. Therefore, the formula (1) for the spectral irradiance I(λ 2 , T) and the spectral irradiance I(λ 3 , T) are used. The following equation is obtained from the equation (1) for () and the equation (9).
実施の形態1においては、黒体分光放射輝度の比Rは、輝度比パラメータ43として黒体分光放射輝度の比の近似値Restに設定される。即ち、輝度比パラメータ43は、近似値Restからなる。
In the first embodiment, the black body spectral radiance ratio R is set to the approximate value R est of the black body spectral radiance ratio as the
算出部4は、式(10)によって、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出する。そして、算出部4は、算出した透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を式(5)に代入して透過率τ(λ2)を算出する。
The calculating
その後、算出部4は、検出割合α、算出した透過率τ(λ2)、検出器2が検出した分光放射照度I(λ2,T)および既知である放射率ε(λ2)を、式(1)に代入して黒体分光放射輝度B(λ2,T)を算出し、その算出した黒体分光放射輝度B(λ2,T)を式(2)に代入して対象物20の温度Testを算出する。ここで、検出割合αは、算出部4に予め設定されている。
After that, the
また、算出部4は、透過率τ(λ2)に基づいて、吸収体ABSの絶対量または濃度を算出する。
Further, the
図3は、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する実施の形態1による検出方法を説明するためのフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart for explaining the detection method according to the first embodiment for detecting the temperature of the
図3を参照して、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する動作が開始されると、検出器2,3は、それぞれ分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)を検出し(ステップS1)、その検出した分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)を算出部4へ出力する。
With reference to FIG. 3, when the operation of detecting the temperature of the
算出部4は、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)をそれぞれ検出器2,3から受ける。
The
そして、算出部4は、輝度比パラメータ43から黒体分光放射輝度の比の近似値Restを検出する(ステップS2)。
Then, the
その後、算出部4は、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restを式(10)に代入して透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出する(ステップS3)。
Then, the
引き続いて、算出部4は、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)に基づいて透過率τ(λ2)を算出する(ステップS4)。より具体的には、算出部4は、透過率算出テーブル42に基づいて、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)に対応する透過率を検出することによって透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)から透過率τ(λ2)を算出する。また、算出部4は、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)の逆数および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を式(5)に代入して透過率τ(λ2)を算出する。
Subsequently, the
ステップS4の後、算出部4は、検出割合α、分光放射照度I(λ2,T)、透過率τ(λ2)および放射率ε(λ2)を式(1)に代入して黒体分光放射輝度B(λ2,T)を算出する(ステップS5)。
After step S4, the
そして、算出部4は、算出した黒体分光放射輝度B(λ2,T)を式(2)に代入して温度Testを算出する(ステップS6)。
Then, the
引き続いて、算出部4は、透過率τ(λ2)に基づいて、吸収体ABSの絶対量または濃度を算出する(ステップS7)。これによって、一連の動作が終了する。
Subsequently, the
式(10)は、透過率τ(λ3)に対する透過率τ(λ2)の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出する式であるが、透過率τ(λ2)に対する透過率τ(λ3)の比τ(λ3)/τ(λ2)は、分光放射照度I(λ2,T)についての式(1)と、分光放射照度I(λ3,T)についての式(1)とから次式のように導出される。 Equation (10), the ratio tau (lambda 2) of the transmittance with respect to transmittance τ (λ 3) τ (λ 2) / τ (λ 3) is a formula for calculating a relative transmittance tau (lambda 2) The ratio τ(λ 3 )/τ(λ 2 ) of the transmittance τ(λ 3 ) is calculated by the formula (1) for the spectral irradiance I(λ 2 ,T) and the spectral irradiance I(λ 3 ,T). It is derived from the equation (1) and the following equation.
なお、実施の形態1においては、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する動作は、ソフトウェアによって実行されてもよい。この場合、算出部4は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を備える。
In the first embodiment, the operation of detecting the temperature of
ROMは、検出器2,3からそれぞれ分光放射照度I(λ2,T),分光放射照度I(λ3,T)を受け付けるステップS1−1と、入力装置(キーボード等)を介して放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるステップS1−2と、図3に示すステップS2〜ステップS7とを備えるプログラムProg_Aを格納する。また、ROMは、図1に示す透過率算出テーブル42および輝度比パラメータ43を格納する。RAMは、CPUによって受け付けられた分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)、CPUによって検出された黒体分光放射輝度の比の近似値Rest、CPUによって算出された透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)、CPUによって算出された透過率τ(λ2)、およびCPUによって算出された温度Testを一時的に記憶する。
The ROM receives the spectral irradiance I(λ 2 , T) and the spectral irradiance I(λ 3 , T) from the
CPUは、ROMからプログラムProg_Aを読み出し、その読み出したプログラムProg_AのステップS1−1,S1−2,S2〜S7を順次実行して、上述した方法によって、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する。
The CPU reads the program Prog_A from the ROM, sequentially executes steps S1-1, S1-2, S2 to S7 of the read program Prog_A, and then performs the temperature of the
この場合、黒体分光放射輝度の比の近似値Restを検出するCPUは、「検出手段」を構成し、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)、透過率τ(λ2)および温度Testを算出するCPUは、「算出手段」を構成する。また、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるCPUは、「受付手段」を構成する。 In this case, the CPU that detects the approximate value R est of the black body spectral radiance ratio constitutes a “detection unit”, and the transmittance ratio τ(λ 2 )/τ(λ 3 ), the transmittance τ(λ 2 ) and the CPU that calculates the temperature T est form “calculation means”. Further, spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T), emissivity ε(λ 2 ), ε(λ 3 ) and extinction coefficients ε a (λ 2 ), ε a (λ 3 ) The CPU that accepts "constitutes" constitutes "accepting means".
また、プログラムProg_Aは、記録媒体(例えば、CDおよびDVD等)に記録されて流通されてもよい。この場合、コンピュータ(CPU)は、記録媒体からプログラムProg_Aを読み出して実行し、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する。従って、プログラムProg_Aを記録したCD,DVD等は、プログラムProg_Aを記録したコンピュータ(CPU)読み取り可能な記録媒体である。
Further, the program Prog_A may be recorded in a recording medium (for example, CD and DVD) and distributed. In this case, the computer (CPU) reads the program Prog_A from the recording medium and executes it to detect the temperature of the
上述したように、実施の形態1は、検出器2,3が検出した分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、既知である放射率ε(λ2),ε(λ3)、既知である吸光係数εa(λ2),εa(λ3)、および輝度比パラメータ43から検出された黒体分光放射輝度の比の近似値Restを用いる。実施の形態1による検出方法は、上述したパラメータを使用し、透過率τ(λ2)および透過率τ(λ3)のいずれか一方を算出し、その算出した透過率(透過率τ(λ2)および透過率τ(λ3)のいずれか一方)に基づいて、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を算出するものであればよい。
As described above, in the first embodiment, the spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) detected by the detectors 2 , 3 and the known emissivity ε(λ 2 ), ε are known. (Λ 3 ), known extinction coefficients ε a (λ 2 ), ε a (λ 3 ), and the approximate value R est of the ratio of the blackbody spectral radiance detected from the
このように、赤外線検出装置10は、対象物20の温度を算出する放射温度計および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を算出するガスセンサとして機能する。
In this way, the
[波長λ2,λ3の選択方法]
放射温度計の精度定格と対象物20の温度の測定範囲とに基づいて波長λ2,λ3を選択する方法について説明する。
[Selection method of wavelengths λ 2 and λ 3 ]
A method of selecting the wavelengths λ 2 and λ 3 based on the accuracy rating of the radiation thermometer and the measurement range of the temperature of the
上述したように、実施の形態1においては、黒体分光放射輝度の比を、ある値Restに近似し、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)の比から対象物20の温度を算出する。
As described above, in the first embodiment, the ratio of the black body spectral radiance is approximated to a certain value R est , and the ratio of the spectral irradiances I(λ 2 , T) and I(λ 3 , T) is calculated. The temperature of the
放射温度計の機能を有する赤外線検出装置10が検出する分光放射照度I(λ2,T)、赤外線検出装置10が算出する透過率τest(λ2)、および赤外線検出装置10が算出する温度Test1は、次式を満たす。
Spectral irradiance I(λ 2 , T) detected by the
式(14)に式(1)および式(5)を適用すると、次式が得られる。 By applying the equations (1) and (5) to the equation (14), the following equation is obtained.
式(15)は、黒体分光放射輝度B(λ3,T)と黒体分光放射輝度B(λ2,T)との比R(T)と、赤外線検出装置10に設定される黒体分光放射輝度の比の近似値Restとの商が、赤外線検出装置10が算出する透過率τest(λ2)の誤差要素であることを示す。
Formula (15) is the ratio R(T) of the black body spectral radiance B(λ 3 , T) and the black body spectral radiance B(λ 2 , T), and the black body set in the
式(15)を式(13)に代入して、式(2)を適用すると、次式が得られる。 Substituting equation (15) into equation (13) and applying equation (2), the following equation is obtained.
一方、式(15)および式(1)を式(13)に代入すると、次式が得られる。 On the other hand, when the equations (15) and (1) are substituted into the equation (13), the following equation is obtained.
放射温度計の設計では、対象物20の温度の測定範囲として、最小温度Tminと最大温度Tmaxを規定する必要がある。また、放射温度計は、ある精度定格Taよりも高精度に温度を算出できる必要がある。即ち、放射温度計の検出波長は、ある測定範囲に対して精度定格Taを満たすように設計しなければならない。なお、精度定格Taは、算出温度の精度を規定するものである。
(算出温度1と精度定格)
式(18)におけるTest1を算出温度1とし、算出誤差1を(Test1−T)で定義する。この場合、式(18)の右辺の第2項が算出誤差となる。
In the design of the radiation thermometer, it is necessary to define the minimum temperature T min and the maximum temperature T max as the measurement range of the temperature of the
(
Let T est1 in the equation (18) be the calculated
即ち、式(19)に示すように、放射温度計の精度定格(Ta)の絶対値は、対象物20の温度の測定範囲([Tmin〜Tmax])における算出誤差の絶対値(|Test1−T|)より、大きい値に設定する必要がある。 That is, as shown in equation (19), the absolute value of the calculated error in accuracy rating of the radiation thermometer absolute value of (T a), the measurement range of the temperature of the object 20 ([T min ~T max] ) ( It is necessary to set the value larger than | Test1- T|).
(算出温度2と精度定格)
上述した方法によって、放射温度計が算出する対象物20の温度(Test1)を算出した後に、Test1に補正を行うことで、より高精度に対象物20の温度(T)を算出することができる。例えば、式(20)におけるTest2を算出温度2とし、算出誤差2を(Test2−T)と定義する。
(
By calculating the temperature (T est1 ) of the
式(21)によると、放射温度計の精度定格(Ta)の絶対値は、対象物20の温度の測定範囲([Tmin〜Tmax])における算出誤差の絶対値(|Test2−T|)より、大きい値に設定する必要がある。 According to equation (21), the absolute value of the calculated error in accuracy rating of the radiation thermometer absolute value of (T a), the measurement range of the temperature of the object 20 ([T min ~T max] ) (| T est2 - It is necessary to set the value larger than T|).
検出波長λ2,λ3は、対象物20の温度の測定範囲において、式(21)に示す|Test2−T|<Taを満たす検出波長から選択すればよい。具体的には、使用可能なλ2,λ3の組み合わせで|Test2−T|を算出し、これがTaより小さくなる組み合わせを選択すればよい。
Detection wavelength lambda 2, lambda 3, in the measurement range of the temperature of the
図4は、放射温度計の精度定格と対象物の温度の測定範囲とに基づいて2つの波長λ2,λ3を選択する選択方法を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing a selection method for selecting the two wavelengths λ 2 and λ 3 based on the accuracy rating of the radiation thermometer and the measurement range of the temperature of the object.
図4を参照して、2つの波長λ2,λ3を選択する動作が開始されると、波長選択部44は、黒体分光放射輝度の比の近似値Rest、黒体分光放射輝度B(λ2,T)に対する黒体分光放射輝度B(λ3,T)の比B(λ3,T)/B(λ2,T)および吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)に基づいて算出される算出誤差ΔTestを用いて対象物20の算出温度Test1を算出する(ステップS11)。つまり、波長選択部44は、式(18)によって算出温度Test1を算出する。
Referring to FIG. 4, when the operation of selecting the two wavelengths λ 2 and λ 3 is started, the
そして、波長選択部44は、算出温度Test1と対象物20の温度Tとの差の絶対値|Test1−T|を算出する(ステップS12)。
Then, the
その後、波長選択部44は、対象物20の温度の測定範囲(Tmin〜Tmax)において、絶対値|Test1−T|が精度定格Taの絶対値|Ta|よりも小さくなるように2つの波長λ2,λ3を選択する(ステップS13)。これによって、2つの波長λ2,λ3を選択する動作が終了する。
After that, the
図5は、放射温度計の精度定格と対象物の温度の測定範囲とに基づいて2つの波長λ2,λ3を選択する別の選択方法を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing another selection method for selecting the two wavelengths λ 2 and λ 3 based on the accuracy rating of the radiation thermometer and the measurement range of the temperature of the object.
図5を参照して、2つの波長λ2,λ3を選択する動作が開始されると、波長選択部44は、検出割合α、放射率ε(λ2),ε(λ3)、分光放射照度I(λ2,T),I(λ2,T)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restに基づいて、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)を含む根を使用して、推定された透過率の比の平行根を算出し、対象物20の算出温度Test1を算出する(ステップS21)。つまり、波長選択部44は、式(16)によって算出温度Test1を算出する。
Referring to FIG. 5, when the operation of selecting the two wavelengths λ 2 and λ 3 is started, the
そして、波長選択部44は、算出温度Test1を補正して算出温度Test2を算出する(ステップS22)。即ち、波長選択部44は、算出した算出温度Test1を式(20)に代入して算出温度Test2を算出する。この場合、波長選択部44は、温度および波長と黒体分光放射輝度との関係を示す輝度テーブルを予め保持しており、その保持した輝度テーブルに基づいて黒体分光放射輝度B(λ2,Test1),B(λ3,Test1)を検出し、その検出した黒体分光放射輝度B(λ2,Test1),B(λ3,Test1)に基づいて黒体分光放射輝度の比R(Test1)=B(λ3,Test1)/B(λ2,Test1)を算出する。
Then, the
ステップS22の後、波長選択部44は、算出温度Test2と対象物20の温度Tとの差の絶対値|Test2−T|を算出する(ステップS23)。
After step S22, the
その後、波長選択部44は、対象物20の温度の測定範囲(Tmin〜Tmax)において、絶対値|Test2−T|が精度定格Taの絶対値|Ta|よりも小さくなるように2つの波長λ2,λ3を選択する(ステップS24)。これによって、2つの波長λ2,λ3を選択する動作が終了する。
Thereafter, the
波長選択部44は、図4に示すフローチャートまたは図5に示すフローチャートに従って2つの波長λ2,λ3を選択し、その選択した2つの波長λ2,λ3を算出部4へ出力する。
The
なお、実施の形態1においては、放射温度計の精度定格と対象物の温度の測定範囲とに基づいて2つの波長λ2,λ3を選択する動作は、ソフトウェアによって実行されてもよい。この場合、算出部4は、CPU、ROMおよびRAMを備える。
In the first embodiment, the operation of selecting the two wavelengths λ 2 and λ 3 based on the accuracy rating of the radiation thermometer and the measurement range of the temperature of the object may be executed by software. In this case, the
ROMは、検出器2,3からそれぞれ分光放射照度I(λ2,T),分光放射照度I(λ3,T)を受け付けるステップS1−1と、入力装置(キーボード等)を介して放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるステップS1−2と、図4に示すステップS11〜ステップS13とを備えるプログラムProg_B、または検出器2,3からそれぞれ分光放射照度I(λ2,T),分光放射照度I(λ3,T)を受け付けるステップS1−1と、入力装置(キーボード等)を介して放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるステップS1−2と、図5に示すステップS21〜ステップS24とを備えるプログラムProg_Cを格納する。また、ROMは、図1に示す透過率算出テーブル42および輝度比パラメータ43を格納する。RAMは、CPUによって受け付けられた分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)、CPUによって検出された黒体分光放射輝度の比の近似値Rest、CPUによって算出された吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)、CPUによって算出された算出誤差ΔTest、CPUによって算出された算出温度Test1,Test2、およびCPUによって算出された絶対値|Test1−T|,|Test2−T|を一時的に記憶する。
The ROM receives the spectral irradiance I(λ 2 , T) and the spectral irradiance I(λ 3 , T) from the
CPUは、ROMからプログラムProg_BまたはプログラムProg_Cを読み出し、その読み出したプログラムProg_BまたはプログラムProg_Cを実行して、上述した方法によって、2つの波長λ2,λ3を選択する。 The CPU reads the program Prog_B or the program Prog_C from the ROM, executes the read program Prog_B or the program Prog_C, and selects the two wavelengths λ 2 and λ 3 by the method described above.
この場合、黒体分光放射輝度の比の近似値Restを検出するCPUは、「検出手段」を構成し、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)、算出温度Test1,Test2、および絶対値|Test1−T|,|Test2−T|を算出するCPUは、「算出手段」を構成する。また、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるCPUは、「受付手段」を構成する。 In this case, the CPU that detects the approximate value R est of the ratio of the black body spectral radiance constitutes “detection means”, and the ratio of extinction coefficients ε a (λ 3 )/ε a (λ 2 ), the calculated temperature T. The CPU that calculates est1 , T est2 , and the absolute values |T est1 −T|, |T est2 −T| configures “calculating means”. Further, spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T), emissivity ε(λ 2 ), ε(λ 3 ) and extinction coefficients ε a (λ 2 ), ε a (λ 3 ) The CPU that accepts "constitutes" constitutes "accepting means".
また、プログラムProg_BまたはプログラムProg_Cは、記録媒体(例えば、CDおよびDVD等)に記録されて流通されてもよい。この場合、コンピュータ(CPU)は、記録媒体からプログラムProg_BまたはプログラムProg_Cを読み出して実行し、2つの波長λ2,λ3を選択する。従って、プログラムProg_BまたはプログラムProg_Cを記録したCD,DVD等は、プログラムProg_BまたはプログラムProg_Cを記録したコンピュータ(CPU)読み取り可能な記録媒体である。 Further, the program Prog_B or the program Prog_C may be recorded in a recording medium (for example, CD and DVD) and distributed. In this case, the computer (CPU) reads the program Prog_B or the program Prog_C from the recording medium and executes the program to select the two wavelengths λ 2 and λ 3 . Therefore, a CD, a DVD, or the like in which the program Prog_B or the program Prog_C is recorded is a computer (CPU) readable recording medium in which the program Prog_B or the program Prog_C is recorded.
上述したように、式(16)によって対象物20の算出温度Test1を算出でき、式(20)によって対象物20の算出温度Test2を算出できる。従って、実施の形態1においては、式(16)または式(20)を用いて対象物20の温度を算出してもよい。
As described above, can be calculated calculated temperature T est1 of the
図6は、実施の形態1における対象物20の温度を検出する検出方法を示すフローチャートである。図6に示すフローチャートは、図3に示すフローチャートのステップS3〜ステップS7をステップS31,S32に変えたものであり、その他は、図3に示すフローチャートと同じである。
FIG. 6 is a flowchart showing a detection method for detecting the temperature of the
図6を参照して、対象物20の温度を検出する動作が開始されると、算出部4は、上述したステップS1,S2を順次実行する。そして、ステップS2の後、算出部4は、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restに基づいて、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)を含む根を使用して、推定された透過率の比の平方根を算出し、対象物20の算出温度Test1を算出する(ステップS31)。即ち、算出部4は、式(16)によって算出温度Test1を算出する。
Referring to FIG. 6, when the operation of detecting the temperature of
そして、算出部4は、算出温度Test1を補正して算出温度Test2を算出する(ステップS32)。即ち、算出部4は、式(20)によって算出温度Test1を補正して算出温度Test2を算出する。これによって、対象物20の温度を検出する動作が終了する。
The
なお、対象物20の温度を検出する検出方法は、図6に示すステップS1,S2,S31に従って対象物20の算出温度Test1を算出し、その算出した算出温度Test1を対象物20の温度として検出してもよく、図6に示すステップS1,S2,S31,S32に従って対象物20の算出温度Test2を算出し、その算出した算出温度Test2を対象物20の温度として検出してもよい。
The detection method for detecting the temperature of the
そして、算出温度Test2を対象物20の温度として検出することによって、算出温度Test1を対象物20の温度として検出する場合よりも、対象物20の温度を高い精度で検出できる。
Then, by detecting the calculated temperature T est2 as the temperature of the
また、実施の形態1においては、対象物20の温度を検出する動作は、ソフトウェアによって実行されてもよい。この場合、算出部4は、CPU、ROMおよびRAMを備える。
Further, in the first embodiment, the operation of detecting the temperature of the
ROMは、検出器2,3からそれぞれ分光放射照度I(λ2,T),分光放射照度I(λ3,T)を受け付けるステップS1−1と、入力装置(キーボード等)を介して放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるステップS1−2と、図6に示すステップS2,ステップS31,ステップS32とを備えるプログラムProg_Dを格納する。また、ROMは、図1に示す透過率算出テーブル42および輝度比パラメータ43を格納する。RAMは、CPUによって受け付けられた分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)、CPUによって検出された黒体分光放射輝度の比の近似値Rest、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restに基づいてCPUによって算出された「吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)を含む根」、およびCPUによって算出された温度Test1,Test2を一時的に記憶する。
The ROM receives the spectral irradiance I(λ 2 , T) and the spectral irradiance I(λ 3 , T) from the
CPUは、ROMからプログラムProg_Dを読み出し、その読み出したプログラムProg_CのステップS1−1,S1−2,S2,S31またはステップS1−1,S1−2,S2,S31,S32を順次実行して、上述した方法によって、対象物20の温度を検出する。
The CPU reads the program Prog_D from the ROM and sequentially executes steps S1-1, S1-2, S2, S31 or steps S1-1, S1-2, S2, S31, S32 of the read program Prog_C, The temperature of the
この場合、黒体分光放射輝度の比の近似値Restを検出するCPUは、「検出手段」を構成し、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restに基づいて「吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)を含む根」を算出するCPU、および温度Test1,Test2を算出するCPUは、「算出手段」を構成する。また、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるCPUは、「受付手段」を構成する。 In this case, the CPU that detects the approximate value R est of the ratio of the black body spectral radiance constitutes “detecting means”, and the ratio of the extinction coefficients ε a (λ 3 )/ε a (λ 2 ) and the black body spectrum. CPU for calculating “root including extinction coefficient ratio ε a (λ 3 )/ε a (λ 2 )” and CPU for calculating temperatures T est1 and T est2 based on the approximate value R est of the ratio of radiances Constitutes "calculation means". Further, spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T), emissivity ε(λ 2 ), ε(λ 3 ) and extinction coefficients ε a (λ 2 ), ε a (λ 3 ) The CPU that accepts "constitutes" constitutes "accepting means".
また、プログラムProg_Dは、記録媒体(例えば、CDおよびDVD等)に記録されて流通されてもよい。この場合、コンピュータ(CPU)は、記録媒体からプログラムProg_Dを読み出して実行し、対象物20の温度を検出する。従って、プログラムProg_Dを記録したCD,DVD等は、プログラムProg_Dを記録したコンピュータ(CPU)読み取り可能な記録媒体である。
(水蒸気の影響を補正した放射温度計)
吸収体ABSによる吸光係数の比(ε(λ+0.5μm)/ε(λ))が1.5以上または0.67以下の場合について、実施の形態2に基づいて放射温度計の検出波長λ2,λ3を設計する。
Further, the program Prog_D may be recorded in a recording medium (for example, CD and DVD) and distributed. In this case, the computer (CPU) reads the program Prog_D from the recording medium and executes it to detect the temperature of the
(Radiation thermometer corrected for the effect of water vapor)
When the ratio (ε(λ+0.5 μm)/ε(λ)) of the extinction coefficient by the absorber ABS is 1.5 or more or 0.67 or less, the detection wavelength λ 2 of the radiation thermometer is based on the second embodiment. , Λ 3 is designed.
波長(λ)は、ある波長領域に属する波長である。例えば、水蒸気の吸光係数では、波長λが6.5〜9.5μmまたは11〜15.5μmに属する場合、上記の関係を満足する。 The wavelength (λ) is a wavelength belonging to a certain wavelength range. For example, in the extinction coefficient of water vapor, the above relationship is satisfied when the wavelength λ belongs to 6.5 to 9.5 μm or 11 to 15.5 μm.
例えば、水蒸気による吸収環境下において、精度定格±2℃を満たし、−50〜50℃の対象物20を測定する放射温度計を設計する。実施の形態1によると、式(16)および式(20)を使用すると、検出波長λ2,λ3が6.5〜10μmおよび11〜15.5μmの範囲であるとき、精度定格を保障することができる。
For example, in an environment where water vapor is absorbed, a radiation thermometer that meets the accuracy rating ±2°C and measures the
また、水蒸気による吸収環境下において、精度定格±2℃を満たし、―20〜120℃の対象物20を測定する放射温度計を設計する。実施の形態2によると、式(18)および式(22)を使用すると、検出波長λ2,λ3が6.5〜10μmの範囲で、精度定格を保障することができる。
In addition, a radiation thermometer that measures the
更に、水蒸気による吸収環境下において、精度定格±2℃を満たし、100〜1000℃の対象物20を測定する放射温度計を設計する。実施の形態2によると、式(16)および式(20)を使用すると、検出波長λ2,λ3が6.5〜10μmの範囲で、精度定格を保障することができる。
(ピーク波長よりも長い検出波長を使用する場合の効果)
ウィーンの変位則のピーク波長より検出波長を選ぶ場合、同等の精度定格±2℃を満たし、より広い温度範囲を測定できる放射温度計を設計することができる。
Furthermore, a radiation thermometer that measures the
(Effect of using a detection wavelength longer than the peak wavelength)
When selecting the detection wavelength from the peak wavelength of the Wien's displacement law, it is possible to design a radiation thermometer that satisfies the same accuracy rating ±2°C and can measure a wider temperature range.
例えば、水蒸気による吸収環境下において、―20〜120℃の対象物20を測定する放射温度計を設計する。上記の対象物20の温度とウィーンの変位則によれば、黒体分光放射輝度のピーク波長(λmax)は、7.4〜11.4μmとなる。従って、検出波長λ2,λ3をピーク波長より長波長側の11.4〜16μmの範囲で定める。実施の形態2に基づいて、式(14)および式(18)を使用すると、精度定格±2℃を保障することができる。
For example, a radiation thermometer is designed to measure the
更に、水蒸気による吸収環境下において、−50〜1000℃の対象物20を測定する放射温度計を設計する。上記の対象物20の温度とウィーンの変位則によれば、黒体分光放射輝度のピーク波長(λmax)は、2.3〜13μmとなる。従って、検出波長λ2,λ3をピーク波長より長波長側の13〜15.5μmの範囲で定める。実施の形態2に基づいて、式(14)および式(18)を使用すると、精度定格±2℃を保障することができる。
Further, a radiation thermometer that measures the
[温度算出精度]
実施の形態1による赤外線検出装置10が吸収体ABSの存在下で高精度に温度を算出できることを説明する。
(赤外線検出装置の設定)
まず、実施の形態1に従って赤外線検出装置10の事前準備を行う。以下、吸収体ABSが水蒸気である場合の具体例を示す。
[Temperature calculation accuracy]
It will be described that the
(Setting of infrared detector)
First, the
簡単のため、検出割合αを0.1とし、放射率εを1とする。対象物20の温度は、0〜100℃とする。
For simplicity, the detection rate α is 0.1 and the emissivity ε is 1. The temperature of the
図7は、透過率と波長との関係を示す図である。図7において、縦軸は、透過率を表し、横軸は、波長を表す。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the transmittance and the wavelength. In FIG. 7, the vertical axis represents the transmittance and the horizontal axis represents the wavelength.
図7を参照して、大気中に存在する吸収分子として、水(H2O)、酸素(O2)、オゾン(O3)および二酸化炭素(CO2)が吸収波長に対応付けて示されている。 Referring to FIG. 7, water (H 2 O), oxygen (O 2 ), ozone (O 3 ), and carbon dioxide (CO 2 ) are shown in association with absorption wavelengths as absorption molecules existing in the atmosphere. ing.
図7に示す大気の窓の範囲内より、検出波長λ2を13.0μmとし、検出波長λ3を13.5μmとする。算出部4には、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル42を予め設定しておく。また、輝度比パラメータ43の値を0.947に設定する。例えば、黒体の温度が0〜100℃のときの黒体分光放射輝度の比が0.930〜0.965であるから、黒体分光放射輝度の比は、約3.6%変化する。
Within the range of the window of the atmosphere shown in FIG. 7, the detection wavelength λ 2 is 13.0 μm and the detection wavelength λ 3 is 13.5 μm. The
透過率算出テーブル42は、透過率の比から透過率を算出する式(5)に基づいて、吸光係数の比εa(λ2)/εa(λ3)を、例えば、図3を参考にして0.5として作成する。これは、波長13.0μmおよび波長13.5μmでの水蒸気の吸光係数の比である。
(実施の形態1による算出精度)
シミュレーションに基づいて実施の形態1における温度の算出精度を説明する。初めに、シミュレーションの課題を作成した。採用した吸光係数の比0.5と整合する透過率τ(λ2)=0.50およびτ(λ3)=0.25を設定して、式(1)に基づき各温度に対応する分光放射照度I(13.0μm,T),I(13.5μm,T)の算出を行った。この分光放射照度を、検出器2,3が検出する分光放射照度と定めて、実施の形態1に基づいて対象物20の温度を算出した。
The transmittance calculation table 42 refers to the ratio of extinction coefficients ε a (λ 2 )/ε a (λ 3 ) based on the formula (5) for calculating the transmittance from the transmittance ratio, for example, referring to FIG. And create it as 0.5. This is the ratio of the extinction coefficients of water vapor at wavelengths 13.0 μm and 13.5 μm.
(Calculation accuracy according to the first embodiment)
The calculation accuracy of the temperature in the first embodiment will be described based on the simulation. First, we created a simulation task. The transmittances τ(λ 2 )=0.50 and τ(λ 3 )=0.25 that match the adopted extinction coefficient ratio of 0.5 are set, and the spectra corresponding to the respective temperatures are set based on the equation (1). Irradiances I (13.0 μm, T) and I (13.5 μm, T) were calculated. This spectral irradiance was defined as the spectral irradiance detected by the
まず、分光放射照度I(13.0μm,T),I(13.5μm,T)の比と、分光放射輝度の比0.947から、対象物20の温度を式(16)によって算出した。
First, the temperature of the
図8は、設定した対象物20の温度とシミュレーションによって得られた算出温度との温度差を示す図である。図8において、縦軸は、算出温度と対象物20の温度との差を表し、横軸は、対象物20の温度を表す。
FIG. 8 is a diagram showing a temperature difference between the set temperature of the
図8を参照して、透過率が波長に依存する場合でも、算出温度が対象物20の温度と−1.3℃から+2.1℃程度の誤差に収まる。すなわち、検出波長λ2を13.0μmとし、検出波長λ3を13.5μmとし、これらの波長での黒体分光放射輝度の比を0.947とすると、対象物20が0〜100℃の温度範囲であれば、式(16)により、−1.3℃から+2.1℃の精度で温度を算出できる。
Referring to FIG. 8, even if the transmittance depends on the wavelength, the calculated temperature falls within an error of about −1.3° C. to +2.1° C. with respect to the temperature of the
次に、算出温度と、分光放射輝度の比0.947から、補正後の算出温度を式(20)によって算出した。 Next, the corrected calculated temperature was calculated by the equation (20) from the calculated temperature and the spectral radiance ratio of 0.947.
図9は、設定した対象物20の温度とシミュレーションによって得られた補正後の算出温度の温度差を示す図である。図9において、縦軸は、補正後の算出温度と対象物20の温度との差を表し、横軸は、対象物20の温度を表す。
FIG. 9 is a diagram showing a temperature difference between the set temperature of the
図9を参照して、透過率が波長に依存する場合でも、補正後の算出温度が対象物20の温度と−0.1℃から+0.04℃程度の誤差に収まる。すなわち、検出波長λ2を13.0μmとし、検出波長λ3を13.5μmとし、これらの波長での黒体分光放射輝度の比を0.947とすると、対象物20が0〜100℃の温度範囲であれば、式(20)によって、−0.1℃から+0.04℃の精度で温度を算出できる。
With reference to FIG. 9, even when the transmittance depends on the wavelength, the calculated temperature after correction falls within an error of about −0.1° C. to +0.04° C. with respect to the temperature of the
[実施の形態1における効果]
実施の形態1の効果について説明する。
(放射温度計に関する効果)
実施の形態1による赤外線検出装置10を放射温度計として利用した場合の効果について説明する。
[Effects of First Embodiment]
The effects of the first embodiment will be described.
(Effects of radiation thermometer)
The effect of using the
従来の単色法では、透過率をある事前に予想した値に設定して温度を算出するため、透過率がその値から異なると、温度に算出誤差が生じる。例えば、検出波長8.5μmの赤外線を検出する単色法の放射温度計を想定し、透過率0.77に設定すべきところを透過率1.0と設定したとする。すなわち、放射温度計は、対象物20の分光放射輝度を本来値の0.77倍に見積る。この条件下で、式(1)に従って35℃の対象物20を検出すると、算出温度は、約21℃となり、大きな誤差が生じる。また、従来の二色法では、透過率が波長依存性を持つため、高精度に温度を算出することはできない。従来の二色法では、透過率を波長に依存しないと仮定して温度を算出するため、実際の透過率に波長依存性が生じる場合、温度に算出誤差が生じる。
In the conventional monochromatic method, the temperature is calculated by setting the transmittance to a value that is predicted in advance. Therefore, if the transmittance differs from the value, a calculation error occurs in the temperature. For example, assume that a monochromatic radiation thermometer that detects infrared rays with a detection wavelength of 8.5 μm is used, and that the transmittance should be set to 0.77 when the transmittance should be set to 0.77. That is, the radiation thermometer estimates the spectral radiance of the
例えば、検出波長8.5μmの赤外線と検出波長13.0μmの赤外線を検出する従来の二色法の放射温度計を用いて、透過率がτ(8.5μm)=0.77およびτ(13.0)=0.5の条件下で、対象物20の温度を算出する場合を想定する。この条件下で、分光放射照度の比をプランクの式の比と見なして温度を算出すると、35℃の対象物20を137℃と算出してしまう。
For example, using a conventional dichroic radiation thermometer that detects infrared rays having a detection wavelength of 8.5 μm and infrared rays having a detection wavelength of 13.0 μm, the transmittance is τ(8.5 μm)=0.77 and τ(13 .0)=0.5, the case where the temperature of the
一方で、シミュレーションおよび図8,9に示した通り、実施の形態1による赤外線検出装置10は、透過率が波長に依存する場合でも、正確な温度を算出することができる。即ち、実施の形態1による赤外線検出装置10は、従来の放射温度計にない透過率の補正機能を有する。
On the other hand, as shown in the simulation and FIGS. 8 and 9, the
実施の形態1においては、長波長領域の2波長では、黒体分光放射輝度の比の温度依存性が小さくなることを用いることにより、透過率の補正機能を追加することができる。これにより、例えば、水蒸気などの影響で透過率が大きく変化する環境(例えば、雨や霧など悪天候の屋外、風呂場など)において、人または動物の検出性能を向上することが可能である。すなわち、悪天候時において人または動物をより遠距離から検出すること、風呂場での事故の早期発見を行うことができる。 In the first embodiment, the transmittance correction function can be added by using the fact that the temperature dependence of the ratio of the black body spectral radiance is reduced for the two wavelengths in the long wavelength region. Thereby, for example, in an environment where the transmittance greatly changes due to the influence of water vapor (for example, outdoors in bad weather such as rain or fog, a bathroom, etc.), it is possible to improve the detection performance of humans or animals. That is, it is possible to detect a person or an animal from a greater distance in bad weather and to detect an accident in a bathroom early.
また、実施の形態1による赤外線検出装置10によると、水蒸気などの吸収体の存在によって透過率が低下し得る検出波長λ2,λ3を用いて、高精度に温度を算出することができる。例えば、従来、不適とされていた大気の窓の範囲外を検出波長として利用することができる。すなわち、検出波長λ2,λ3が3〜3.5μm、4.5〜8μmまたは13〜16μmに属する場合でも、温度と透過率を高精度に算出することができる。
Further, according to the
なお、対象物20と赤外線検出装置10との間に存在する吸収体ABSは、波長λ2,λ3により決まってくるので、特に、大気中であれば、あらかじめ吸収体ABSの種類を検査する必要はない。
(ガスセンサに関する効果)
実施の形態1による赤外線検出装置10をガスセンサとして利用した場合の効果について説明する。
Since the absorber ABS existing between the
(Effects on gas sensor)
The effect of using the
実施の形態1による赤外線検出装置10は、吸収体ABSの透過率を算出すると同時に、吸収体ABSの絶対量を算出することができる。対象物20と赤外線検出装置10との間の距離が既知である場合、吸収体の濃度を算出することができる。例えば、吸収体を水蒸気とすれば、対象物20と赤外線検出装置10との間の距離における水蒸気量、および湿度を算出することができる。対象となる吸収体ABSは、水蒸気に限らず、二酸化炭素などの気体の吸収体やエアロゾルなどの散乱体であってもよい。
The
実施の形態1による赤外線検出装置10によると、対象物20の温度が一定範囲内に収まっている限り、高精度に吸収体の濃度を算出することができる。すなわち、例えば、特許文献3に代表される赤外線検出器を利用したガスセンサと比較して、実施の形態1による赤外線検出装置10は、構成要素に光源を必要としない。よって、光源の設置が困難な状況や、エネルギー消費量を抑制したい状況では、実施の形態1による赤外線検出装置10を用いたガス濃度の算出が非常に有効となる。すなわち、赤外線検出装置10を省スペース、かつ、省エネルギーのガスセンサとして利用することが可能であるため、多数のセンサを配置する必要があるIoTデバイスとして利用することができる。
With the
なお、対象物20と赤外線検出装置10との間に存在する吸収体は、波長λ2,λ3により決まってくるので、特に、大気中であれば、あらかじめ吸収体の種類を検査する必要はない。
Since the absorber existing between the
なお、対象物20と赤外線検出装置10との間の距離は、対象物20と赤外線検出装置10が固定されているのであれば、あらかじめ測定しておけばよい。赤外線検出装置10にレンズが備えられている場合は、レンズの焦点距離を対象物20と赤外線検出装置10との間の距離とすればよい。
(放射温度計およびガスセンサに関する効果)
実施の形態1による赤外線検出装置10を放射温度計およびガスセンサの両方の機能を有する検出装置として利用した場合の効果について説明する。
The distance between the
(Effects of radiation thermometer and gas sensor)
The effect when the
実施の形態1による赤外線検出装置10がどのガス種を検出するかは、検出波長に吸収を持つかどうかに依存する。例えば、水蒸気であれば、室内・屋外に関わらず、対象物20の温度を測定しながら湿度を算出することができる。特許文献2では、湿度計を備えているが、この湿度計は、放射温度計付近の湿度を測定している。
Which gas species the
一方、実施の形態1による赤外線検出装置10は、対象物20から検出器2,3までの平均的な湿度を測定している。よって、対象物20と検出器2,3との間の環境が大きく異なるような状況では、実施の形態1による赤外線検出装置10を用いた温度および湿度の算出が非常に有効となる。すなわち、実施の形態1による赤外線検出装置10を水蒸気がこもる調理器具において、温度や水蒸気量の検出などに利用することが可能であるため、ユーザーまたは調理器具自体が調理の状態を判断し、フィードバックすることができる。
On the other hand, the
例えば、検出するガス種が二酸化炭素であれば、室内・室外に関わらず、対象の温度を測定しながら二酸化炭素濃度を算出することができる。特許文献4は、二酸化炭素濃度を検知するガスセンサであるが、このガスセンサは、設置場所付近の二酸化炭素濃度を測定している。
For example, if the gas type to be detected is carbon dioxide, the carbon dioxide concentration can be calculated while measuring the temperature of the object regardless of whether it is indoors or outdoors.
一方、実施の形態1による赤外線検出装置10は、対象物20から検出器2,3までの平均的な二酸化炭素濃度を測定している。よって、対象物20と検出器2,3との間の環境が大きく異なるような状況では、実施の形態1による赤外線検出装置10を用いた温度および二酸化炭素濃度の算出が非常に有効となる。すなわち、二酸化炭素濃度を調節する換気設備および空調設備において、実施の形態1による赤外線検出装置10を室内・室外の二酸化炭素濃度の検出などに利用することが可能であるため、ユーザーまたは換気設備および空調設備自体が二酸化炭素濃度の状態を判断し、フィードバックすることができる。
On the other hand, the
検出する対象をガスなどの吸収体ではなく、例えば、エアロゾルなどの散乱体にすれば、対象の温度を測定しながら散乱体の濃度を算出することができる。すなわち、換気設備、空調設備および空気清浄機において、実施の形態1による赤外線検出装置10を散乱体の検出などに利用することが可能であるため、ユーザーまたは換気設備、空調設備および空気清浄機自体が散乱体の濃度の状態を判断し、フィードバックすることができる。
(実質的な温度を測定する放射温度計およびガスセンサに関する効果)
以下においては、対象物20の周囲における実質的な温度を、単に、「実質的な温度」と言う。
If the target to be detected is not an absorber such as gas but a scatterer such as aerosol, the concentration of the scatterer can be calculated while measuring the temperature of the target. That is, in the ventilation equipment, the air conditioning equipment, and the air cleaner, since the
(Effects of radiation thermometer and gas sensor for measuring substantial temperature)
In the following, the substantial temperature around the
実施の形態1による赤外線検出装置10は、温度と吸収体の濃度を同時に検出できるため、対象物20の温度と吸収体の濃度から算出する実質的な温度や快適性の指数を測定する装置に好適である。例えば、温度と湿度を同時に検出することで、温度と湿度から算出する実質的な温度を測定することができる。実質的な温度には、例えば、人が感じる温度である体感温度や、調理器が食材に与える実効的な加熱温度などがある。一般的に、対象物20の温度と湿度の増加によって、実質的な温度は増加する。
Since the
実質的な温度を算出する際の好適な波長について説明する。上述したように、実施の形態1においては、対象物20の温度が変化すると、黒体分光放射輝度の比がわずかに変化するため、対象物20の温度と透過率に算出誤差が生じる。すなわち、対象物20の温度と透過率の算出精度は、黒体分光放射輝度の比と透過率の比の切り分け精度に依存する。
A suitable wavelength for calculating the substantial temperature will be described. As described above, in the first embodiment, when the temperature of the
一方で、対象物20の温度と透過率の切り分けに誤差が伴う場合であっても、実質的な温度を高精度に算出することは可能である。例えば、温度と湿度のどちらの値を増加させた場合でも、分光放射照度の比が増加するという条件の下では、切り分けによる算出誤差を相殺できるため、実質的な温度を高精度に算出することができる。すなわち、実験誤差や透過モデルからのずれにより、温度と湿度の切り分けが不十分で、湿度を実際よりも高く(低く)算出したとしても、温度を低く(高く)算出するため、実質的な温度に換算すると算出誤差が小さくなる。換言すれば、実質的な温度と分光放射照度の比の相関が大きくなるように波長を選択することで、実質的な温度を高精度に算出することができる。
On the other hand, even if the difference between the temperature of the
実施の形態1に従って、検出波長λ2,λ3をλ2<λ3とすると、対象物20の温度が増加する場合、プランクの式の性質によって、検出波長λ2,λ3の黒体分光放射照度の比(B(λ2,T)/B(λ3,T))は、増加する。換言すれば、対象物20の温度が増加すると検出器2と検出器3の分光放射照度の比(I(λ2,T)/I(λ3,T))は、増加する。
When the detection wavelengths λ 2 and λ 3 are set to λ 2 <λ 3 according to the first embodiment, when the temperature of the
従って、湿度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))が増加する波長λ2,λ3を選択すれば、検出器2と検出器3の分光放射照度の比(I(λ2,T)/I(λ3,T))も増加し、温度と湿度の切り分け誤差による実質的な温度の算出誤差が小さくなる。
Therefore, if the wavelengths λ 2 and λ 3 in which the transmittance ratio (τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) increases with an increase in humidity are selected, the spectral radiation of the
図10は、水蒸気の透過率と波長との関係を示す図である。図10において、縦軸は、ある湿度における水蒸気の透過率を表し、横軸は、波長を表す。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the transmittance of water vapor and the wavelength. In FIG. 10, the vertical axis represents the water vapor transmission rate at a certain humidity, and the horizontal axis represents the wavelength.
ここで、ある湿度における水蒸気の透過率と波長の関係の模式図を図10に示した。波長領域3.0〜16μmの範囲では、水蒸気の透過率を高透過率領域、第1の低透過率領域および第2の低透過率領域の3種類に分類できる。高透過率領域は、3.5〜4.5μmおよび8.0〜13.0μmの高い透過率を示す波長領域である。第1の低透過率領域は、3.0〜3.5μmおよび6.0〜8.0μmの低い透過率、かつ、波長が長くなるに従って透過率が増加する波長領域である。第2の低透過率領域は、4.5〜6.0μmおよび13.0〜16.0μmの低い透過率、かつ、波長が長くなるに従って透過率が減少する波長領域である。 Here, a schematic diagram of the relationship between the transmittance of water vapor and the wavelength at a certain humidity is shown in FIG. In the wavelength region of 3.0 to 16 μm, the water vapor transmission rate can be classified into three types: a high transmission rate region, a first low transmission rate region, and a second low transmission rate region. The high transmittance region is a wavelength region showing a high transmittance of 3.5 to 4.5 μm and 8.0 to 13.0 μm. The first low transmittance region is a low transmittance region of 3.0 to 3.5 μm and 6.0 to 8.0 μm and a wavelength region where the transmittance increases as the wavelength becomes longer. The second low transmittance region is a low transmittance region of 4.5 to 6.0 μm and 13.0 to 16.0 μm and a wavelength region where the transmittance decreases as the wavelength becomes longer.
式(4)に示すランベルト・ベールの法則によると、同一の吸収体の濃度では、透過率と吸光係数の間には負の相関がある。すなわち、湿度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))が増加する波長条件は、図10において、τ(λ2)>τ(λ3)を満たす波長となる。すなわち、検出波長λ2が高透過率領域に属し、かつ、検出波長λ3が隣接する低透過率領域(すなわち、第2の低透過率領域)に属する場合、および検出波長λ2,λ3が同じ第2の低透過率領域に属する場合である。 According to the Lambert-Beer law shown in the equation (4), there is a negative correlation between the transmittance and the extinction coefficient at the same absorber concentration. That is, the wavelength condition in which the transmittance ratio (τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) increases with an increase in humidity satisfies τ(λ 2 )>τ(λ 3 ) in FIG. Wavelength. That is, when the detection wavelength λ 2 belongs to the high transmittance region and the detection wavelength λ 3 belongs to the adjacent low transmittance region (that is, the second low transmittance region), and the detection wavelengths λ 2 and λ 3 Belong to the same second low transmittance region.
つまり、検出波長λ2が3.5〜4.5μmの範囲、かつ、検出波長λ3が4.5〜6.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。または検出波長λ2が8.0〜13.0μmの範囲、かつ、検出波長λ3が13.0〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。または検出波長λ2,λ3が4.5〜6.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。または検出波長λ2,λ3が13.0〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。 That is, when the detection wavelength λ 2 belongs to the range of 3.5 to 4.5 μm and the detection wavelength λ 3 belongs to the range of 4.5 to 6.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy. it can. Alternatively, when the detection wavelength λ 2 belongs to the range of 8.0 to 13.0 μm and the detection wavelength λ 3 belongs to the range of 13.0 to 16.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy. .. Alternatively, when the detection wavelengths λ 2 and λ 3 belong to the range of 4.5 to 6.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy. Alternatively, when the detection wavelengths λ 2 and λ 3 belong to the range of 13.0 to 16.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy.
なお、実質的な温度の算出については、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル42に変えて、検出波長λ2,λ3の分光放射照度から実質的な温度を直接算出する算出パラメータを算出部4に配置しもよい。
(快適性の指数を測定する放射温度計およびガスセンサに関する効果)
実質的な温度の算出に限らず、温度と二酸化炭素濃度または温度とエアロゾル濃度などに基づき快適性の指数を算出してもよい。これにより、ユーザーや調理器、換気装置、空調設備および空気清浄機が実質的な温度や快適性の指数に基づき判断することで、フィードバクすることができる。
Regarding the calculation of the actual temperature, the calculation unit for calculating the actual temperature directly from the spectral irradiance of the detection wavelengths λ 2 and λ 3 is used instead of the
(Effects of radiation thermometer and gas sensor for measuring comfort index)
The comfort index may be calculated based on not only the actual temperature but also the temperature and the carbon dioxide concentration or the temperature and the aerosol concentration. As a result, the user, the cooker, the ventilation device, the air conditioner, and the air purifier can perform feed back by making judgments based on the substantial temperature and the index of comfort.
温度と二酸化炭素濃度が上昇した際に減少する快適性の指数に関し、好適な波長について説明する。実質的な温度の場合と同様にして、対象物20の温度と透過率の切り分け誤差を軽減できる条件は、二酸化炭素濃度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))を増加させる2つの検出波長になる。
With respect to the comfort index that decreases when the temperature and the carbon dioxide concentration increase, a suitable wavelength will be described. Similar to the case of the substantial temperature, the condition that can reduce the error in separating the temperature of the
図11は、ある湿度における二酸化炭素の透過率と波長の関係を示す図である。図11において、縦軸は、ある湿度における二酸化炭素の透過率を表し、横軸は、波長を表す。 FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the carbon dioxide transmittance at a certain humidity and the wavelength. In FIG. 11, the vertical axis represents the carbon dioxide transmittance at a certain humidity, and the horizontal axis represents the wavelength.
ここで、ある湿度における二酸化炭素の透過率と波長の関係の模式図を図11に示した。二酸化炭素の透過率の場合には、波長領域3.0〜16μmの範囲を高透過率領域、第2の低透過率領域および第3の低透過率領域の3種類に分類できる。高透過率領域は、3.5〜4.0μmおよび4.5〜13.5μmの高い透過率を示す波長領域である。第2の低透過率領域は、13.5〜16.0μmの低い透過率、かつ、波長が長くなるに従って透過率が減少する波長領域である。第3の低透過率領域は、4.0〜4.5μmの低い透過率を示す波長領域である。 Here, a schematic diagram of the relationship between the carbon dioxide transmittance and the wavelength at a certain humidity is shown in FIG. 11. In the case of carbon dioxide transmittance, the wavelength range of 3.0 to 16 μm can be classified into three types: a high transmittance area, a second low transmittance area, and a third low transmittance area. The high transmittance region is a wavelength region showing a high transmittance of 3.5 to 4.0 μm and 4.5 to 13.5 μm. The second low transmittance region is a low transmittance region of 13.5-16.0 μm and a wavelength region in which the transmittance decreases as the wavelength becomes longer. The third low transmittance region is a wavelength region showing a low transmittance of 4.0 to 4.5 μm.
式(4)に示すランベルト・ベールの法則によると、同一の吸収体の濃度では、透過率と吸光係数の間には負の相関がある。すなわち、湿度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))が増加する波長条件は、図11において、τ(λ2)>τ(λ3)を満たす波長となる。すなわち、検出波長λ2が高透過率領域に属し、かつ、検出波長λ3が隣接する低透過率領域(すなわち、第2の低透過率領域)に属する場合、および検出波長λ2,λ3が同じ第2の低透過率領域に属する場合である。 According to the Lambert-Beer law shown in the equation (4), there is a negative correlation between the transmittance and the extinction coefficient at the same absorber concentration. That is, the wavelength condition in which the transmittance ratio (τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) increases with increasing humidity satisfies τ(λ 2 )>τ(λ 3 ) in FIG. 11. Wavelength. That is, when the detection wavelength λ 2 belongs to the high transmittance region and the detection wavelength λ 3 belongs to the adjacent low transmittance region (that is, the second low transmittance region), and the detection wavelengths λ 2 and λ 3 Belong to the same second low transmittance region.
つまり、検出波長λ2が3.5〜4.0μmの範囲、かつ、検出波長λ3が4.0〜4.5μmの範囲に属する場合に、高精度に快適性の指数を算出することができる。または検出波長λ2が4.5〜13.5μmの範囲、かつ、検出波長λ3が13.5〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に快適性の指数を算出することができる。または検出波長λ2,λ3が13.5〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に快適性の指数を算出することができる。 That is, when the detection wavelength λ 2 is in the range of 3.5 to 4.0 μm and the detection wavelength λ 3 is in the range of 4.0 to 4.5 μm, the comfort index can be calculated with high accuracy. it can. Alternatively, when the detection wavelength λ 2 belongs to the range of 4.5 to 13.5 μm and the detection wavelength λ 3 belongs to the range of 13.5 to 16.0 μm, the comfort index can be calculated with high accuracy. .. Alternatively, when the detection wavelengths λ 2 and λ 3 belong to the range of 13.5 to 16.0 μm, the comfort index can be calculated with high accuracy.
なお、快適性の指数の算出については、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル42に変えて、検出波長λ2,λ3の分光放射照度から快適性の指数を直接算出する算出パラメータを算出部4Aに配置しもよい。
(実施の形態1の応用に関する効果)
実施の形態1においては、放射率が既知である必要があるが、これは、対象物20が人、動物、調理器具および調理具材等とわかっているので、その値を入れておくだけでよい。
Regarding the calculation of the comfort index, the calculation parameter for directly calculating the comfort index from the spectral irradiance of the detection wavelengths λ 2 and λ 3 is used instead of the
(Effects of Application of First Embodiment)
In the first embodiment, the emissivity needs to be known. This is because it is known that the
なお、実施の形態1による赤外線検出装置10をアレイ化することで、赤外線カメラとして利用することができる。赤外線検出装置10を応用した赤外線カメラは、対象物20の温度に関する画像と、吸収体の絶対量に関する画像の両方を、同時に撮影することができる。この機能によって、対象物20の輪郭や分布をより高精度に判別することができる。
By forming the
[実施の形態2]
図12は、実施の形態2による赤外線検出装置の概略図である。図12を参照して、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、図1に示す赤外線検出装置10の算出部4を算出部4Aに変え検出器1を追加したものであり、その他は、赤外線検出装置10と同じである。
[Embodiment 2]
FIG. 12 is a schematic diagram of an infrared detection device according to the second embodiment. With reference to FIG. 12, an
検出器1は、波長λ1(<λ2)を有する赤外線IFR1の分光放射照度I(λ1,T)を検出し、その検出した分光放射照度I(λ1,T)を算出部4Aへ出力する。なお、波長λ1は、上述したピーク波長λmaxよりも長くても短くてもよい。
The
検出器1〜3のうちの2つまたは3つの検出器は、相互に同じあっても異なっていてもよい。検出器1〜3、または検出器1〜3のうちの2つの検出器が同じである場合、即ち、検出器1〜3が1つまたは2つの検出器によって構成される場合、検出器1〜3の複数の検出を担う検出器は、量子ドット型検出器または量子井戸型検出器からなる。量子ドット型検出器または量子井戸型検出器は、印加される電圧に応じて検出波長を制御することができる。これによって、1つの検出器で済むため、赤外線検出装置10Aの小型化および低コスト化が可能である。検出器1〜3が1つまたは2つの検出器によって構成される場合、赤外線検出装置10Aは、検出器(量子ドット型検出器または量子井戸型検出器からなる)に印加する電圧を制御し、検出する波長を制御する制御部を更に備える。検出器1〜3が1つの検出器によって構成される場合、制御部は、検出する波長を波長λ1に設定するための電圧V1と、検出する波長を波長λ2に設定するための電圧V2と、検出する波長を波長λ3に設定するための電圧V3と、に制御する3つの機能のうちの2つの機能を有する。
Two or three of the
算出部4Aは、図1に示す算出部4に透過率算出テーブル45を追加したものである。透過率算出テーブル45は、波長λ2、波長λ3、および波長λ2,λ3の両方のいずれかの透過率(τ(λ1)、τ(λ2)およびτ(λ1),τ(λ2)のいずれか)から透過率τ(λ1)を算出するためのテーブルである。
The
実施の形態2においては、実施の形態1と同じように、放射温度計の精度定格と対象物20の温度の測定範囲とに基づいて2つの波長λ2,λ3を選択し、黒体分光放射輝度B(λ2,T)と黒体分光放射輝度B(λ3,T)との比の温度依存性が小さくなることを用いる。即ち、黒体分光放射輝度B(λ2,T)と黒体分光放射輝度B(λ3,T)との比の近似値Restを用いる。また、実施の形態2においては、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)は、既知であるものとする。
In the second embodiment, as in the first embodiment, two wavelengths λ 2 and λ 3 are selected based on the accuracy rating of the radiation thermometer and the measurement range of the temperature of the
算出部4Aは、検出器1〜3からそれぞれ分光放射照度I(λ1,T)〜I(λ3,T)を受ける。また、算出部4Aは、輝度比パラメータ43から近似値Restを検出する。そして、算出部4Aは、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ2),ε(λ3)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restを式(10)に代入して透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出する。この場合、算出部4Aは、近似値Restを式(10)のRに代入する。
The calculating
その後、算出部4Bは、算出した透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)に基づいて透過率τ(λ2)を算出する。より具体的には、算出部4Aは、算出した透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)に式(5)を適用して透過率τ(λ2)を算出する。また、算出部4Aは、透過率算出テーブル42を用いて、算出した透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)に対応する透過率τ(λ2)を検出することによって透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)から透過率τ(λ2)を算出する。
Then, calculating
波長λ1,λ2についてランベルト・ベールの法則が成立する場合、透過率τ(λ1)と透過率τ(λ2)との間に次式が成り立つ。 When the Lambert-Beer law holds for the wavelengths λ 1 and λ 2 , the following equation holds between the transmittance τ(λ 1 ) and the transmittance τ(λ 2 ).
そして、算出部4Aは、分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T)、透過率τ(λ1),τ(λ2)および放射率ε(λ1),ε(λ2)を式(3)に代入して黒体分光放射輝度の比B(λ2,T)/B(λ1,T)を算出する。
Then, the
対象物20の温度を二色法によって算出する場合、黒体分光放射輝度の比B(λ1,T)/B(λ2,T)は、次式によって表される。
When the temperature of the
図13は、対象物20の温度および/または吸収体の絶対量または濃度を検出する実施の形態2による検出方法を説明するためのフローチャートである。
FIG. 13 is a flowchart for explaining the detection method according to the second embodiment for detecting the temperature of the
図13に示すフローチャートは、図3に示すフローチャートのステップS1,S5,S6をそれぞれステップS1A,S5A,S6Aに変え、ステップS7をステップS8,S9に変えたものであり、その他は、図3にフローチャートと同じである。 The flowchart shown in FIG. 13 is obtained by replacing steps S1, S5, and S6 of the flowchart shown in FIG. 3 with steps S1A, S5A, and S6A, respectively, and replacing step S7 with steps S8 and S9. It is the same as the flowchart.
図13を参照して、対象物20の温度および/または吸収体の絶対量または濃度を検出する動作が開始されると、検出器1〜3は、それぞれ、分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)を検出し(ステップS1A)、その検出した分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)を算出部4Aへ出力する。
With reference to FIG. 13, when the operation of detecting the temperature of the
その後、上述したステップS2〜ステップS4が順次実行される。そして、ステップS4の後、算出部4Aは、算出した透過率τ(λ2)に基づいて透過率τ(λ1)を算出する(ステップS5A)。より具体的には、算出部4Aは、算出した透過率τ(λ2)と、吸光係数εa(λ1),εa(λ2)とを式(22)に代入して透過率τ(λ1)を算出する。また、算出部4Aは、透過率算出テーブル45を用いて、算出した透過率τ(λ2)に対応する透過率τ(λ1)を検出することによって透過率τ(λ2)から透過率τ(λ1)を算出する。
Then, step S2 to step S4 described above are sequentially executed. Then, after step S4, the
ステップS5Aの後、算出部4Aは、分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T)、透過率τ(λ1),τ(λ2)および放射率ε(λ1),ε(λ2)を式(3)に代入して黒体分光放射輝度の比I(λ2,T)/I(λ1,T)を算出する(ステップS6A)。
After step S5A, the
引き続いて、算出部4Aは、算出した黒体分光放射輝度の比I(λ2,T)/I(λ1,T)を式(23)に代入して対象物20の温度を算出する(ステップS8)。そして、算出部4Aは、透過率τ(λ1)または透過率τ(λ2)に基づいて、吸収体ABSの絶対量または濃度を算出する(ステップS9)。これによって、対象物20の温度および/または吸収体の絶対量または濃度を検出する動作が終了する。
Subsequently, the
なお、実施の形態2においては、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する動作は、ソフトウェアによって実行されてもよい。この場合、算出部4Aは、CPU、ROMおよびRAMを備える。
In the second embodiment, the operation of detecting the temperature of the
ROMは、検出器1〜3からそれぞれ分光放射照度I(λ1,T),分光放射照度I(λ2,T),分光放射照度I(λ3,T)を受け付けるステップS1−1Aと、入力装置(キーボード等)を介して放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるステップS1−2Aと、図13に示すステップS2〜S4,S5A,S6A,S8,S9とを備えるプログラムProg_Eを格納する。また、ROMは、図12に示す透過率算出テーブル42、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル45を格納する。RAMは、CPUによって受け付けられた分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)、CPUによって検出された黒体分光放射輝度の比の近似値Rest、CPUによって算出された透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)および吸光係数εa(λ2),εa(λ3)に基づいてCPUによって算出された透過率τ(λ2)、透過率τ(λ2)に基づいてCPUによって算出された透過率τ(λ1)、CPUによって算出された黒体分光放射輝度の比B(λ2,T)/B(λ1,T)、およびCPUによって算出された対象物20の温度Tを一時的に記憶する。
The ROM receives step S1-1A that receives the spectral irradiance I(λ 1 , T), the spectral irradiance I(λ 2 , T), and the spectral irradiance I(λ 3 , T) from the
CPUは、ROMからプログラムProg_Eを読み出し、その読み出したプログラムProg_EのステップS1−1A,S1−2A,S2〜S4,S5A,S6A,S8,S9を順次実行して、上述した方法によって、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する。
The CPU reads the program Prog_E from the ROM, sequentially executes steps S1-1A, S1-2A, S2 to S4, S5A, S6A, S8, and S9 of the read program Prog_E, and executes the
この場合、黒体分光放射輝度の比の近似値Restを検出するCPUは、「検出手段」を構成し、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)、透過率τ(λ2),τ(λ1)および温度Tを算出するCPUは、「算出手段」を構成する。また、分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるCPUは、「受付手段」を構成する。 In this case, the CPU that detects the approximate value R est of the black body spectral radiance ratio constitutes a “detection unit”, and the transmittance ratio τ(λ 2 )/τ(λ 3 ), the transmittance τ(λ 2 ), τ(λ 1 ) and the CPU that calculates the temperature T constitute “calculation means”. Further, spectral irradiances I(λ 1 , T), I(λ 2 , T), I(λ 3 , T), emissivity ε(λ 1 ), ε(λ 2 ), ε(λ 3 ) and absorption The CPU that receives the coefficients ε a (λ 1 ), ε a (λ 2 ), and ε a (λ 3 ) constitutes “reception means”.
また、プログラムProg_Eは、記録媒体(例えば、CDおよびDVD等)に記録されて流通されてもよい。この場合、コンピュータ(CPU)は、記録媒体からプログラムProg_Eを読み出して実行し、対象物20の温度および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を検出する。従って、プログラムProg_Eを記録したCD,DVD等は、プログラムProg_Eを記録したコンピュータ(CPU)読み取り可能な記録媒体である。
Further, the program Prog_E may be recorded in a recording medium (for example, CD and DVD) and distributed. In this case, the computer (CPU) reads the program Prog_E from the recording medium and executes it to detect the temperature of the
また、実施の形態2においては、算出部4Aは、図6に示すフローチャートに従って対象物20の温度を算出してもよい。この場合、算出部4Aは、図6のステップS1,S2,S31に従って対象物20の算出温度Test1を算出し、その算出した算出温度Test1を対象物20の温度としてもよいし、図6のステップS1,S2,S31,S32に従って対象物20の算出温度Test2を算出し、その算出した算出温度Test2を対象物20の温度としてもよい。
Further, in the second embodiment, the
[温度算出精度]
対象物20が0〜100℃の温度範囲にあり、水蒸気の透過率を補正して温度を算出する赤外線検出装置を例として実施の形態2における効果を説明する。
(赤外線検出装置の設定)
はじめに、実施の形態2に従って赤外線検出装置10Aの事前準備を行う。以下、吸収体が水蒸気である場合の具体例を示す。簡単のため、実施の形態1と同様の検出条件を仮定する。また、検出割合αを0.1とし、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)を1とする。
[Temperature calculation accuracy]
The effect in the second embodiment will be described by taking the infrared detection device in which the
(Setting of infrared detector)
First, the
図7に示す大気の窓の範囲内より、検出波長λ1を8.5μm、検出波長λ2を13.0μm、検出波長λ3を13.5μmに選択する。 The detection wavelength λ 1 is selected to be 8.5 μm, the detection wavelength λ 2 is set to 13.0 μm, and the detection wavelength λ 3 is set to 13.5 μm from the range of the window of the atmosphere shown in FIG. 7.
算出部4Aには、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル42,45を設定しておく。また、輝度比パラメータ43の値を0.947に設定する。例えば、黒体の温度が0〜100℃のときの黒体分光放射輝度の比が0.930〜0.965であるから、黒体分光放射輝度の比は、約3.6%変化する。
The
透過率算出テーブル42は、透過率の比から透過率を算出する式(5)に基づいて、吸光係数の比εa(λ2)/εa(λ3)を、例えば、図7を参考にして0.5として作成する。これは、波長13.0μmおよび波長13.5μmにおける水蒸気の吸光係数の比である。 The transmittance calculation table 42 uses the formula (5) for calculating the transmittance from the transmittance ratio to calculate the extinction coefficient ratio ε a (λ 2 )/ε a (λ 3 ), for example, referring to FIG. 7. And create it as 0.5. This is the ratio of the extinction coefficients of water vapor at wavelengths of 13.0 μm and 13.5 μm.
透過率算出テーブル45は、透過率τ(λ2)から透過率τ(λ1)を算出する式(22)に基づいて、吸光係数の比εa(λ1)/εa(λ2)を、例えば、図7を参考にして0.37として作成する。これは、波長8.5μmおよび波長13.0μmにおける水蒸気の吸光係数の比である。
(実施の形態2による算出精度)
シミュレーションに基づいて実施の形態2における温度の算出精度を説明する。初めに、シミュレーションの課題を作成した。採用した吸光係数の比0.5,0.37と整合する透過率τ(λ1)=0.50、τ(λ2)=0.25およびτ(λ3)=0.77を設定して、式(1)に基づいて、各温度に対応する分光放射照度I(8.5μm,T)、I(13μm,T)、I(13.5μm,T)を算出した。この分光放射照度を、検出器1〜3が検出する分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)と定めて、実施の形態2に基づいて対象物20の温度を算出した。
The transmittance calculation table 45 is based on the equation (22) for calculating the transmittance τ(λ 1 ) from the transmittance τ(λ 2 ), and the extinction coefficient ratio ε a (λ 1 )/ε a (λ 2 ) Is created as 0.37 with reference to FIG. 7, for example. This is the ratio of the extinction coefficient of water vapor at a wavelength of 8.5 μm and a wavelength of 13.0 μm.
(Calculation accuracy according to the second embodiment)
The calculation accuracy of the temperature in the second embodiment will be described based on the simulation. First, we created a simulation task. Set the transmittances τ(λ 1 )=0.50, τ(λ 2 )=0.25 and τ(λ 3 )=0.77 to match the adopted extinction coefficient ratios of 0.5 and 0.37. Then, the spectral irradiances I (8.5 μm, T), I (13 μm, T), and I (13.5 μm, T) corresponding to each temperature were calculated based on the equation (1). This spectral irradiance is defined as the spectral irradiances I(λ 1 , T), I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) detected by the
はじめに、分光放射照度I(13μm,T),I(13.5μm,T)の分光放射照度の比と、輝度比パラメータ43に設定した黒体分光放射輝度の比の近似値Restから、透過率の比を式(10)に基づいて算出した。続いて、透過率の比と吸光係数の比から、式(5)に基づいて透過率τ(λ2)を算出し、その算出した透過率τ(λ2)から式(22)に基づいて透過率τ(λ1)を算出した。その後、分光放射照度I(13μm,T),I(13.5μm,T)および透過率τ(λ1),τ(λ2)から式(3)に基づいて黒体分光放射輝度の比B(λ2,T)/B(λ1,T)を算出し、その算出した黒体分光放射輝度の比B(λ2,T)/B(λ1,T)を式(23)に代入して対象物20の温度を算出した。
First, from the approximate value R est of the ratio of the spectral irradiance I (13 μm, T), I (13.5 μm, T) of the spectral irradiance and the ratio of the blackbody spectral radiance set in the
図14は、設定した対象物20の温度とシミュレーションによって得られた算出温度の温度差を示す図である。図14において、縦軸は、算出温度と対象物20の温度との差を表し、横軸は、対象物20の温度を表す。
FIG. 14 is a diagram showing a temperature difference between the set temperature of the
図14を参照して、透過率が波長に依存する場合でも、算出温度が対象物20の温度と−2.9℃から+1.5℃程度の誤差に収まる。すなわち、検出波長λ2を13.0μmとし、検出波長λ3を13.5μmとし、これらの波長での黒体分光放射輝度の比を0.947とすると、対象物20が0〜100℃の温度範囲であれば、実施の形態2における方法により、−2.9℃から+1.5℃の精度で温度を算出できる。
With reference to FIG. 14, even when the transmittance depends on the wavelength, the calculated temperature falls within an error of about −2.9° C. to +1.5° C. with respect to the temperature of the
[実施の形態2の効果]
実施の形態2の効果について説明する。
(放射温度計に関する効果)
実施の形態2による赤外線検出装置10Aを放射温度計として利用した場合の効果について説明する。
[Effects of Second Embodiment]
The effect of the second embodiment will be described.
(Effects of radiation thermometer)
The effect of using the
従来の単色法では、透過率をある事前に予想した値に設定して温度を算出するため、透過率がその値から異なると、温度に算出誤差が生じる。例えば、検出波長8.5μmを検出する単色法の放射温度計(赤外線検出装置10A)を想定し、透過率0.77に設定すべきところを透過率1.0と設定したとする。すなわち、放射温度計(赤外線検出装置10A)は、対象物20の分光放射輝度を本来値の0.77倍に見積る。この条件下で、式(1)に従って35℃の対象物20の温度を検出すると、算出温度は、約21℃となり、大きな誤差が生じる。
In the conventional monochromatic method, the temperature is calculated by setting the transmittance to a value that is predicted in advance. Therefore, if the transmittance differs from the value, a calculation error occurs in the temperature. For example, assume that a monochromatic radiation thermometer (infrared
また、従来の二色法では、透過率が波長依存性を持つため、高精度に温度を算出することはできない。従来の二色法では、透過率が波長に依存しないと仮定して温度を算出するため、実際の透過率に波長依存性が生じる場合、温度に算出誤差が生じる。例えば、検出波長8.5μmの赤外線と検出波長13.0μmの赤外線とを検出する従来の二色法の放射温度計を用いて、透過率がτ(8.5μm)=0.77およびτ(13.0)=0.5の条件下で、対象物20の温度を算出する場合を想定する。この条件下で、分光放射照度の比をプランクの式の比と見なして温度を算出すると、対象物20の温度35℃を温度137℃と算出してしまう。
Further, in the conventional two-color method, since the transmittance has wavelength dependency, it is not possible to calculate temperature with high accuracy. In the conventional two-color method, the temperature is calculated on the assumption that the transmittance does not depend on the wavelength. Therefore, when the actual transmittance has the wavelength dependency, a calculation error occurs in the temperature. For example, using a conventional two-color radiation thermometer that detects infrared rays having a detection wavelength of 8.5 μm and infrared rays having a detection wavelength of 13.0 μm, the transmittance is τ(8.5 μm)=0.77 and τ( It is assumed that the temperature of the
一方で、シミュレーションおよび図14に示した通り、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、透過率が波長に依存する場合でも、正確な温度を算出することができる。即ち、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、従来の放射温度計にない透過率の補正機能を有する。
On the other hand, as shown in the simulation and FIG. 14, the
実施の形態2によると、実施の形態1に対して検出器1を追加することにより、二色法を利用した温度算出が可能になる。即ち、実施の形態2は、事前に対象物20の放射率を知る必要がある実施の形態1とは異なり、対象物20の放射率が波長に依存しない条件であれば、高精度に温度を算出することができる。例えば、対象物20が人、動物、調理器具、調理具材などに限定されない、一般的な室外の対象物20、例えば、人、車、路面、木などに対して高精度に温度を算出することができる。
According to the second embodiment, by adding the
また、実施の形態2は、対象物20と赤外線検出装置10Aとの間の角度による見かけの放射率の影響を受けずに、高精度に透過率と温度を算出することができる。換言すると、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、必ずしも赤外線検出装置10Aを対象物20に対して直角に配置する必要がない。そのため、ユーザーは、赤外線検出装置10Aを任意に配置して、透過率と温度を算出することが可能である。例えば、部屋の角に赤外線検出装置10Aを配置することで、部屋全体の透過率および温度の監視を行うことが可能である。
Further, in the second embodiment, the transmittance and the temperature can be calculated with high accuracy without being affected by the apparent emissivity due to the angle between the
更に、実施の形態2によると、実施の形態1と同様に、透過率を補正した温度を算出することができる。これにより、例えば、水蒸気などの影響で透過率が大きく変化する環境(例えば、雨や霧など悪天候の屋外、風呂場など)において、人または動物の検出性能を向上することが可能である。すなわち、悪天候時において、人または動物をより遠距離から検出することができ、風呂場での事故の早期発見を行うことができる。 Further, according to the second embodiment, as in the case of the first embodiment, it is possible to calculate the temperature with the transmittance corrected. Thereby, for example, in an environment where the transmittance greatly changes due to the influence of water vapor (for example, outdoors in bad weather such as rain or fog, a bathroom, etc.), it is possible to improve the detection performance of humans or animals. That is, in bad weather, it is possible to detect a person or an animal from a farther distance, and it is possible to detect an accident in a bathroom early.
更に、実施の形態2による赤外線検出装置10Aによれば、水蒸気などの吸収体の存在によって透過率が低下し得る検出波長λ1,λ2,λ3を用いて、高精度に温度を算出することができる。例えば、従来、不適とされていた大気の窓の範囲外を検出波長として利用することができる。すなわち、検出波長λ1,λ2,λ3が3〜3.5μm、4.5〜8μmまたは13〜16μmに属する場合でも、温度と透過率を高精度に算出することができる。特に、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、大気の窓の範囲外を検出波長λ1または検出波長λ3として利用することで、分光放射輝度の比の算出に使用する波長の差を大きく取ることができる。これにより、対象物20の温度が変化した場合の分光放射輝度の比の変化をより大きくすることができ、既存の二色温度計と比較してより高精度に温度を算出することができる。
Further, according to the
なお、対象物20と赤外線検出装置10Aとの間に存在する吸収体ABSは、波長λ1,λ2により決まってくるので、特に、大気中であれば、あらかじめ吸収体ABSの種類を検査する必要はない。
(ガスセンサに関する効果)
実施の形態2による赤外線検出装置10Aをガスセンサとして利用した場合の効果について説明する。
The absorber ABS existing between the
(Effects on gas sensor)
The effect of using the
実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、吸収体の透過率を算出すると同時に、吸収体の絶対量を算出することができる。対象物20と赤外線検出装置10Aとの間の距離が既知である場合、吸収体の濃度を算出することができる。例えば、吸収体を水蒸気とすれば、対象物20と赤外線検出装置10Aとの間の距離における水蒸気量、および湿度を算出することができる。対象となる吸収体は、水蒸気に限らず、二酸化炭素などの気体の吸収体やエアロゾルなどの散乱体であってもよい。
The
実施の形態2による赤外線検出装置10Aによれば、対象物20の温度が一定範囲内に収まっている限り、高精度に吸収体の濃度を算出することができる。すなわち、例えば、特許文献3に代表される赤外線検出器を利用したガスセンサと比較して、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、構成要素に光源を必要としない。よって、光源の設置が困難な状況や、エネルギー消費量を抑制したい状況では、実施の形態2による赤外線検出装置10Aにおけるガス濃度の算出が非常に有効となる。すなわち、赤外線検出装置10Aを省スペース、かつ、省エネルギーのガスセンサとして利用することが可能であるため、多数のセンサを配置する必要があるIoTデバイスとして利用することができる。
According to the
なお、対象物20と赤外線検出装置10Aとの間に存在する吸収体ABSは、波長λ2,λ3により決まってくるので、特に大気中であれば、予め、吸収体ABSの種類を検査する必要はない。
Since the absorber ABS existing between the
また、対象物20と赤外線検出装置10Aとの間の距離は、対象物20と赤外線検出装置10Aが固定されているのであれば、予め、測定しておけばよい。赤外線検出装置10Aにレンズが備えられている場合は、レンズの焦点距離を対象物20と赤外線検出装置10Aとの間の距離とすればよい。
(放射温度計およびガスセンサに関する効果)
実施の形態2による赤外線検出装置10Aを放射温度計およびガスセンサの両方の機能を有する検出装置として利用した場合の効果について説明する。
The distance between the
(Effects of radiation thermometer and gas sensor)
The effect when the
実施の形態2による赤外線検出装置10Aがどのガス種を検出するかは、検出波長に吸収を持つかどうかに依存する。例えば、水蒸気であれば、室内・屋外に関わらず、対象物20の温度を測定しながら湿度を算出することができる。特許文献2では、湿度計を備えているが、この湿度計は、放射温度計付近の湿度を測定している。
Which gas species the
一方、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、対象物20から検出器1〜3までの平均的な湿度を測定している。よって、対象物20と検出器1〜3との間の環境が大きく異なるような状況では、赤外線検出装置10Aによる温度および湿度算出が非常に有効となる。すなわち、水蒸気がこもる調理器具において、温度や水蒸気量の検出などに利用することが可能であるため、ユーザーまたは調理器具自体が調理の状態を判断し、フィードバックすることができる。
On the other hand, the
例えば、検出するガス種が二酸化炭素であれば、室内・室外に関わらず、対象の温度を測定しながら二酸化炭素濃度を算出することができる。特許文献4は、二酸化炭素濃度を検知するガスセンサであるが、このガスセンサは、設置場所付近の二酸化炭素濃度を測定している。
For example, if the gas type to be detected is carbon dioxide, the carbon dioxide concentration can be calculated while measuring the temperature of the object regardless of whether it is indoors or outdoors.
一方、実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、対象物20から検出器1〜3までの平均的な二酸化炭素濃度を測定している。よって、対象物20と検出器1〜3との間の環境が大きく異なるような状況では、実施の形態2による赤外線検出装置10Aにおける温度および二酸化炭素濃度の算出が非常に有効となる。すなわち、二酸化炭素濃度を調節する換気設備および空調設備において、室内・室外の二酸化炭素濃度の検出などに利用することが可能であるため、ユーザーまたは換気設備および空調設備自体が二酸化炭素濃度の状態を判断し、フィードバックすることができる。
On the other hand, the
検出する対象をガスなどの吸収体ではなく、例えば、エアロゾルなどの散乱体にすれば、対象の温度を測定しながら散乱体の濃度を算出することができる。すなわち、換気設備、空調設備および空気清浄機において、散乱体の検出などに利用することが可能であるため、ユーザーまたは換気設備、空調設備および空気清浄機自体が散乱体の濃度の状態を判断し、フィードバックすることができる。
(実質的な温度を測定する放射温度計とガスセンサに関する効果)
実施の形態2による赤外線検出装置10Aは、温度と吸収体の濃度を同時に検出できるため、対象物20の温度と吸収体の濃度から算出する実質的な温度や快適性の指数を測定する装置に好適である。例えば、温度と湿度を同時検出することで、温度と湿度から算出する実質的な温度を測定することができる。実質的な温度には、例えば、人が感じる温度である体感温度や、調理器が食材に与える実効的な加熱温度などがある。一般的に、対象物20の温度と湿度の増加によって、実質的な温度は増加する。
If the target to be detected is not an absorber such as gas but a scatterer such as aerosol, the concentration of the scatterer can be calculated while measuring the temperature of the target. That is, since it can be used for detecting scatterers in ventilation equipment, air conditioning equipment and air cleaners, the user or the ventilation equipment, air conditioning equipment and air cleaner itself can judge the state of scatterer concentration. , You can give feedback.
(Effects of radiation thermometer and gas sensor for measuring actual temperature)
Since the
実質的な温度を算出する際の好適な波長について説明する。上述したように、実施の形態2においては、対象物20の温度が変化すると黒体分光放射輝度の比がわずかに変化するため、対象物20の温度と透過率に算出誤差が生じる。すなわち、対象物20の温度と透過率の算出精度は、黒体分光放射輝度の比と透過率の比の切り分け精度に依存する。
A suitable wavelength for calculating the substantial temperature will be described. As described above, in the second embodiment, when the temperature of the
一方で、対象物20の温度と透過率の切り分けに誤差が伴う場合であっても、実質的な温度を高精度に算出することは可能である。例えば、温度と湿度のどちらの値を増加させた場合でも、分光放射照度の比が増加するという条件の下では、切り分けによる算出誤差を相殺できるため、実質的な温度を高精度に算出することができる。すなわち、実験誤差や透過モデルからのずれにより温度と湿度の切り分けが不十分で、湿度を実際よりも高く(低く)算出したとしても、温度を低く(高く)算出するため、実質的な温度に換算すると算出誤差が小さくなる。換言すれば、実質的な温度と分光放射照度の比の相関が大きくなるように波長を選択することで、実質的な温度を高精度に算出することができる。
On the other hand, even if the difference between the temperature of the
実施の形態2に従って検出波長λ2,λ3をλ2<λ3とすると、対象物20の温度が増加する場合、プランクの式の性質によって、検出波長λ2,λ3の黒体分光放射照度の比(B(λ2,T)/B(λ3,T))は、増加する。換言すれば、対象物20の温度が増加すると検出器2,3によって検出される分光放射照度の比(I(λ2,T)/I(λ3,T))は、増加する。
When the detection wavelengths λ 2 and λ 3 are set to λ 2 <λ 3 according to the second embodiment, when the temperature of the
従って、湿度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))が増加する波長λ2,λ3を選択すれば、検出器2および検出器3によって検出される分光放射照度の比(I(λ2,T)/I(λ3,T))も増加し、温度と湿度の切り分け誤差による実質的な温度の算出誤差が小さくなる。
Therefore, if the wavelengths λ 2 and λ 3 where the transmittance ratio (τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) increases with respect to the increase in humidity are selected, they are detected by the
ここで、ある湿度における水蒸気の透過率と波長の関係の模式図を図10に示した。波長領域3.0〜16μmの範囲では、水蒸気の透過率を高透過率領域、第1の低透過率領域および第2の低透過率領域の3種類に分類できる。高透過率領域は、3.5〜4.5μmおよび8.0〜13.0μmの高い透過率を示す波長領域である。第1の低透過率領域は、3.0〜3.5μmおよび6.0〜8.0μmの低い透過率、かつ、波長が長くなるに従って透過率が増加する波長領域である。第2の低透過率領域は、4.5〜6.0μmおよび13.0〜16.0μmの低い透過率、かつ、波長が長くなるに従って透過率が減少する波長領域である。 Here, a schematic diagram of the relationship between the transmittance of water vapor and the wavelength at a certain humidity is shown in FIG. In the wavelength region of 3.0 to 16 μm, the water vapor transmission rate can be classified into three types: a high transmission rate region, a first low transmission rate region, and a second low transmission rate region. The high transmittance region is a wavelength region showing a high transmittance of 3.5 to 4.5 μm and 8.0 to 13.0 μm. The first low transmittance region is a low transmittance region of 3.0 to 3.5 μm and 6.0 to 8.0 μm and a wavelength region where the transmittance increases as the wavelength becomes longer. The second low transmittance region is a low transmittance region of 4.5 to 6.0 μm and 13.0 to 16.0 μm and a wavelength region where the transmittance decreases as the wavelength becomes longer.
式(4)に示すランベルト・ベールの法則によると、同一の吸収体の濃度では、透過率と吸光係数の間には負の相関がある。すなわち、湿度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))が増加する波長条件は、図10において、τ(λ2)>τ(λ3)を満たす波長となる。すなわち、検出波長λ2が高透過率領域に属し、かつ検出波長λ3が隣接する低透過率領域(すなわち、第2の低透過率領域)に属する場合、および検出波長λ2,λ3が同じ第2の低透過率領域に属する場合である。 According to the Lambert-Beer law shown in the equation (4), there is a negative correlation between the transmittance and the extinction coefficient at the same absorber concentration. That is, the wavelength condition in which the transmittance ratio (τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) increases with an increase in humidity satisfies τ(λ 2 )>τ(λ 3 ) in FIG. Wavelength. That is, when the detection wavelength λ 2 belongs to the high transmittance region and the detection wavelength λ 3 belongs to the adjacent low transmittance region (that is, the second low transmittance region), and the detection wavelengths λ 2 and λ 3 are This is the case where they belong to the same second low transmittance region.
すなわち、検出波長λ2が3.5〜4.5μmの範囲、かつ、検出波長λ3が4.5〜6.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。または検出波長λ2が8.0〜13.0μmの範囲、かつ、検出波長λ3が13.0〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。または検出波長λ2,λ3が4.5〜6.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。または検出波長λ2,λ3が13.0〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に実質的な温度を算出することができる。 That is, when the detection wavelength λ 2 is in the range of 3.5 to 4.5 μm and the detection wavelength λ 3 is in the range of 4.5 to 6.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy. it can. Alternatively, when the detection wavelength λ 2 belongs to the range of 8.0 to 13.0 μm and the detection wavelength λ 3 belongs to the range of 13.0 to 16.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy. .. Alternatively, when the detection wavelengths λ 2 and λ 3 belong to the range of 4.5 to 6.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy. Alternatively, when the detection wavelengths λ 2 and λ 3 belong to the range of 13.0 to 16.0 μm, the substantial temperature can be calculated with high accuracy.
なお、実質的な温度の算出については、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル42,45に変えて、検出波長λ2,λ3の分光放射照度から実質的な温度を直接算出する算出パラメータを算出部4Aに配置しもよい。
(快適性の指数を測定する放射温度計およびガスセンサに関する効果)
実質的な温度の算出に限らず、温度と二酸化炭素濃度または温度とエアロゾル濃度などに基づいて快適性の指数を算出してもよい。これにより、ユーザーや調理器、換気装置、空調設備および空気清浄機が実質的な温度や快適性の指数に基づいて判断することで、フィードバクすることができる。
Regarding the calculation of the substantial temperature, the calculation parameter for directly calculating the substantial temperature from the spectral irradiance of the detection wavelengths λ 2 and λ 3 is used instead of the
(Effects of radiation thermometer and gas sensor for measuring comfort index)
The comfort index may be calculated based on the temperature and the carbon dioxide concentration or the temperature and the aerosol concentration, instead of the actual temperature. Thus, the user, the cooking device, the ventilation device, the air conditioning device, and the air purifier can perform feed back by making a judgment based on the substantial temperature and the index of comfort.
温度と二酸化炭素濃度が上昇した際に減少する快適性の指数に関し、好適な波長について説明する。実質的な温度の場合と同様にして、対象物20の温度と透過率の切り分け誤差を軽減できる条件は、二酸化炭素濃度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))を増加させる2つの検出波長になる。
With respect to the comfort index that decreases when the temperature and the carbon dioxide concentration increase, a suitable wavelength will be described. Similar to the case of the substantial temperature, the condition that can reduce the error in separating the temperature of the
ここで、ある湿度における二酸化炭素の透過率と波長の関係の模式図を図11に示した。二酸化炭素の透過率の場合には、波長領域3.0〜16μmの範囲を高透過率領域、第2の低透過率領域および第3の低透過率領域の3種類に分類できる。高透過率領域は、3.5〜4.0μmおよび4.5〜13.5μmの高い透過率を示す波長領域である。第2の低透過率領域は、13.5〜16.0μmの低い透過率、かつ、波長が長くなるに従って透過率が減少する波長領域である。第3の低透過率領域は、4.0〜4.5μmの低い透過率を示す波長領域である。 Here, a schematic diagram of the relationship between the carbon dioxide transmittance and the wavelength at a certain humidity is shown in FIG. 11. In the case of carbon dioxide transmittance, the wavelength range of 3.0 to 16 μm can be classified into three types: a high transmittance area, a second low transmittance area, and a third low transmittance area. The high transmittance region is a wavelength region showing a high transmittance of 3.5 to 4.0 μm and 4.5 to 13.5 μm. The second low transmittance region is a low transmittance region of 13.5-16.0 μm and a wavelength region in which the transmittance decreases as the wavelength becomes longer. The third low transmittance region is a wavelength region showing a low transmittance of 4.0 to 4.5 μm.
式(4)に示すランベルト・ベールの法則によると、同一の吸収体の濃度では、透過率と吸光係数の間には負の相関がある。すなわち、湿度の増加に対して、透過率の比(τ(λ2)/τ(λ3))が増加する波長条件は、図11において、τ(λ2)>τ(λ3)を満たす波長となる。すなわち、検出波長λ2が高透過率領域に属し、かつ、検出波長λ3が隣接する低透過率領域(すなわち、第2の低透過率領域)に属する場合、および検出波長λ2,λ3が同じ第2の低透過率領域に属する場合である。 According to the Lambert-Beer law shown in the equation (4), there is a negative correlation between the transmittance and the extinction coefficient at the same absorber concentration. That is, the wavelength condition in which the transmittance ratio (τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) increases with increasing humidity satisfies τ(λ 2 )>τ(λ 3 ) in FIG. 11. Wavelength. That is, when the detection wavelength λ 2 belongs to the high transmittance region and the detection wavelength λ 3 belongs to the adjacent low transmittance region (that is, the second low transmittance region), and the detection wavelengths λ 2 and λ 3 Belong to the same second low transmittance region.
すなわち、検出波長λ2が3.5〜4.0μmの範囲、かつ、検出波長λ3が4.0〜4.5μmの範囲に属する場合に、高精度に快適性の指数を算出することができる。または検出波長λ2が4.5〜13.5μmの範囲、かつ、検出波長λ3が13.5〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に快適性の指数を算出することができる。または検出波長λ2,λ3が13.5〜16.0μmの範囲に属する場合に、高精度に快適性の指数を算出することができる。 That is, when the detection wavelength λ 2 is in the range of 3.5 to 4.0 μm and the detection wavelength λ 3 is in the range of 4.0 to 4.5 μm, the comfort index can be calculated with high accuracy. it can. Alternatively, when the detection wavelength λ 2 belongs to the range of 4.5 to 13.5 μm and the detection wavelength λ 3 belongs to the range of 13.5 to 16.0 μm, the comfort index can be calculated with high accuracy. .. Alternatively, when the detection wavelengths λ 2 and λ 3 belong to the range of 13.5 to 16.0 μm, the comfort index can be calculated with high accuracy.
なお、快適性の指数の算出については、輝度比パラメータ43および透過率算出テーブル42,45に変えて、検出波長λ2,λ3の分光放射照度から快適性の指数を直接算出する算出パラメータを算出部4Aに配置しもよい。
(実施の形態2の応用に関する効果)
実施の形態2による赤外線検出装置10Aをアレイ化することで、赤外線カメラとして利用することができる。実施の形態2による赤外線検出装置10Aを応用した赤外線カメラは、対象物20の温度に関する画像と吸収体の絶対量に関する画像の両方を、同時に撮影することができる。この機能によって、対象物20の輪郭や分布をより高精度に判別することができる。
Regarding the calculation of the comfort index, the
(Effects of Application of Second Embodiment)
By forming the
実施の形態2についてのその他の説明は、実施の形態1における説明すると同じである。 The other description of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
[実施の形態3]
図15は、実施の形態3による赤外線検出装置の概略図である。図15を参照して、実施の形態3による赤外線検出装置10Bは、図1に示す赤外線検出装置10の算出部4を算出部4Bに変えたものであり、その他は、赤外線検出装置10と同じである。
[Third Embodiment]
FIG. 15 is a schematic diagram of an infrared detection device according to the third embodiment. Referring to FIG. 15, an
算出部4Bは、図1に示す算出部4の透過率算出テーブル42を放射率算出テーブル46に変えたものであり、その他は、算出部4と同じである。
The
放射率算出テーブル46は、対象物20の物質構成や表面状態などに対して、放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)と放射率ε(λ2)の数値との関係(または放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)と放射率ε(λ3)の数値との関係)を含む。
Emissivity calculation table 46, with respect to such material structure and surface condition of the
放射率算出テーブル46は、放射率に関する実験スペクトルやそのフィッティングによって算出されてもよいし、放射率に関する理論式によって算出されてもよい。また、放射率算出テーブル46は、必ずしも放射率の比と放射率の数値の関係である必要はなく、算出パラメータを含む放射率の比と放射率の関係式であってもよい。 The emissivity calculation table 46 may be calculated by an experimental spectrum regarding emissivity or its fitting, or may be calculated by a theoretical formula regarding emissivity. Further, the emissivity calculation table 46 does not necessarily have to be the relationship between the ratio of the emissivity and the numerical value of the emissivity, and may be a relational expression of the ratio of the emissivity and the emissivity including a calculation parameter.
実施の形態3においては、検出割合αおよび透過率τ(λ2),τ(λ3)は、既知であるものとする。 In the third embodiment, the detection ratio α and the transmittances τ(λ 2 ) and τ(λ 3 ) are known.
算出部4Bは、波長選択部44によって2つの波長λ2,λ3が選択されると、検出器2,3からそれぞれ受けた分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、既知である透過率τ(λ2),τ(λ3)および既知である黒体分光放射輝度の比の近似値Restを式(10)に代入して放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)を算出する。
When the two wavelengths λ 2 and λ 3 are selected by the
そして、算出部4Bは、放射率算出テーブル46に基づいて放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)に対応する放射率ε(λ2)を検出することによって、放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)から放射率ε(λ2)を算出する。
The
その後、算出部4Bは、既知である検出割合α、既知である透過率τ(λ2)、算出した放射率ε(λ2)および分光放射照度I(λ2,T)を式(1)に代入して黒体分光放射輝度B(λ2,T)を算出する。
After that, the
そうすると、算出部4Bは、算出した黒体分光放射輝度B(λ2,T)を式(2)に代入して対象物20の温度Tを算出する。
Then, the
対象物20の放射率が変化する要因が分かれば、対象物20の放射率の変化として、対象物20の放射率の変化を通して物質構成および表面状態の変化が分かる。従って、赤外線検出装置10Bは、対象物20が何であるかを判定する判定器、または対象物20の状態を判定する判定器としても機能する。
If the cause of the change in the emissivity of the
図16は、実施の形態3における対象物20の温度を検出する検出方法を示すフローチャートである。図16に示すフローチャートは、図3に示すフローチャートのステップS3〜ステップS7をステップS41〜ステップS44に変えたものであり、その他は、図3に示すフローチャートと同じである。
FIG. 16 is a flowchart showing a detection method for detecting the temperature of the
図16を参照して、温度を検出する動作が開始されると、上述したステップS1,S2が順次実行される。 Referring to FIG. 16, when the operation of detecting the temperature is started, steps S1 and S2 described above are sequentially executed.
そして、ステップS2の後、算出部4Bは、検出器2,3からそれぞれ受けた分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)、既知である透過率τ(λ2),τ(λ3)および黒体分光照射輝度の比の近似値Restを式(10)に代入して放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)を算出する(ステップS41)。
Then, after step S2, the
その後、算出部4Bは、算出した放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)に基づいて放射率ε(λ2)を算出する(ステップS42)。より具体的には、算出部4Bは、放射率算出テーブル46に基づいて放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)に対応する放射率ε(λ2)を検出することによって放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)から放射率ε(λ2)を算出する。
Then, calculating
ステップS42の後、算出部4Bは、既知である検出割合α、測定された分光放射照度I(λ2,T)、既知である透過率τ(λ2)、および算出した放射率ε(λ2)を式(1)に代入して黒体分光放射輝度B(λ2,T)を算出する(ステップS43)。
After step S42, the
そうすると、算出部4Bは、算出した黒体分光放射輝度B(λ2,T)を式(2)に代入して対象物20の温度を算出する(ステップS44)。これによって、対象物20の温度を検出する動作が終了する。
Then, the
図16に示すフローチャートにおいては、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)に基づいて放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)を算出し、その算出した放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)から放射率ε(λ2)を算出し、その算出した放射率ε(λ2)から黒体分光放射輝度B(λ2,T)を算出して対象物20の温度を算出した。しかし、実施の形態3においては、これに限らず、式(11)によって分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)に基づいて放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)を算出し、その算出した放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)から放射率ε(λ3)を算出してもよい。この場合、その算出した放射率ε(λ3)から黒体分光放射輝度B(λ3,T)を算出して対象物20の温度を算出することができる。この場合、図16に示すフローチャートにおいて、「放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)」を「放射率の比ε(λ2)/ε(λ3)」に読み替え、「放射率ε(λ2)」を「放射率ε(λ3)」に読み替え、「分光放射照度I(λ2,T)」を「分光放射照度I(λ3,T)」に読み替え、「黒体分光放射輝度B(λ2,T)」を「黒体分光放射輝度B(λ3,T)」に読み替えればよい。
In the flowchart shown in FIG. 16, the emissivity ratio ε(λ 3 )/ε(λ 2 ) is calculated based on the spectral irradiances I(λ 2 , T) and I(λ 3 , T), and the calculation is performed. the ratio of the emissivity ε (λ 3) / ε ( λ 2) to calculate the emissivity ε (λ 2) from the calculated emissivity ε (λ 2) from the blackbody spectral radiance B (lambda 2, T ) Was calculated to calculate the temperature of the
従って、実施の形態3による対象物20の温度の検出方法は、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)に基づいて放射率ε(λ2),ε(λ3)の比を算出し、その算出した放射率ε(λ2),ε(λ3)の比から放射率(ε(λ2),ε(λ3)のいずれか)を算出し、その算出した放射率(ε(λ2),ε(λ3)のいずれか)から対象物20の温度を算出するものであればよい。
Therefore, the method for detecting the temperature of the
なお、実施の形態3においては、対象物20の温度を検出する動作は、ソフトウェアによって実行されてもよい。この場合、算出部4Bは、CPU、ROMおよびRAMを備える。
In addition, in the third embodiment, the operation of detecting the temperature of the
ROMは、検出器1〜3からそれぞれ分光放射照度I(λ1,T),分光放射照度I(λ2,T),分光放射照度I(λ3,T)を受け付けるステップS1−1Aと、入力装置(キーボード等)を介して放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるステップS1−2Aと、図16に示すステップS2,S41〜S44とを備えるプログラムProg_Fを格納する。また、ROMは、図15に示す輝度比パラメータ43および放射率算出テーブル46を格納する。RAMは、CPUによって受け付けられた分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)、CPUによって検出された黒体分光放射輝度の比の近似値Rest、CPUによって算出された放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)、放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)に基づいてCPUによって算出された放射率ε(λ2)、およびCPUによって算出された黒体分光放射輝度B(λ2,T)を一時的に記憶する。
The ROM receives step S1-1A that receives the spectral irradiance I(λ 1 , T), the spectral irradiance I(λ 2 , T), and the spectral irradiance I(λ 3 , T) from the
CPUは、ROMからプログラムProg_Fを読み出し、その読み出したプログラムProg_FのステップS1−1A,S1−2A,S2,S41〜S44を順次実行して、上述した方法によって、対象物20の温度を検出する。
The CPU reads the program Prog_F from the ROM, sequentially executes steps S1-1A, S1-2A, S2, S41 to S44 of the read program Prog_F, and detects the temperature of the
この場合、黒体分光放射輝度の比の近似値Restを検出するCPUは、「検出手段」を構成し、放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)、放射率ε(λ2)および温度Tを算出するCPUは、「算出手段」を構成する。また、分光放射照度I(λ1,T),I(λ2,T),I(λ3,T)、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)および吸光係数εa(λ1),εa(λ2),εa(λ3)を受け付けるCPUは、「受付手段」を構成する。 In this case, the CPU that detects the approximate value R est of the black body spectral radiance ratio constitutes “detection means”, and the emissivity ratio ε(λ 3 )/ε(λ 2 ) and the emissivity ε(λ 2 ) and the CPU that calculates the temperature T constitute "calculation means". Further, spectral irradiances I(λ 1 , T), I(λ 2 , T), I(λ 3 , T), emissivity ε(λ 1 ), ε(λ 2 ), ε(λ 3 ) and absorption The CPU that receives the coefficients ε a (λ 1 ), ε a (λ 2 ), and ε a (λ 3 ) constitutes “reception means”.
また、プログラムProg_Fは、記録媒体(例えば、CDおよびDVD等)に記録されて流通されてもよい。この場合、コンピュータ(CPU)は、記録媒体からプログラムProg_Fを読み出して実行し、対象物20の温度を検出する。従って、プログラムProg_Fを記録したCD,DVD等は、プログラムProg_Fを記録したコンピュータ(CPU)読み取り可能な記録媒体である。
Further, the program Prog_F may be recorded in a recording medium (for example, CD and DVD) and distributed. In this case, the computer (CPU) reads the program Prog_F from the recording medium and executes it to detect the temperature of the
[実施の形態3の効果]
実施の形態3における効果について説明する。
(放射温度計に関する効果)
実施の形態3による赤外線検出装置10Bは、従来の放射温度計にない放射率補正機能を有し、放射率が一定とは限らない対象物20に対しても、高精度に温度を算出することができる。すなわち、例えば、対象物20の表面状態や化学組成が変化し得る場合でも、高精度に温度を算出することが可能である。
[Effects of Third Embodiment]
The effects of the third embodiment will be described.
(Effects of radiation thermometer)
The
これにより、例えば、分解や化合など化学反応中の対象物20(有機物、金属やセラミックなど)に対しても、高精度に温度を測定することができる。すなわち、ユーザーは、実施の形態3による赤外線検出装置10Bを利用することで、化学反応中の対象物20に対しても高精度な温度を見積り、対象物20の温度を調整することが可能である。
(放射率の検出装置および放射温度計に関する効果)
実施の形態3による赤外線検出装置10Bは、対象物20の放射率を算出することにより、対象物20の表面状態を検知することが可能である。
Thereby, for example, the temperature of the object 20 (organic substance, metal, ceramic, etc.) undergoing a chemical reaction such as decomposition or chemical compound can be measured with high accuracy. That is, the user can estimate the temperature of the
(Effects on emissivity detector and radiation thermometer)
The
これにより、例えば、対象物20の表面状態に変化が生じる環境において、対象物20の表面粗さに基づく粗さ測定器や、対象物20の表面粗さによる劣化の進行度を測定する劣化センサなどとして、利用することができる。
Thereby, for example, in an environment where the surface state of the
また、ユーザーは、実施の形態3による赤外線検出装置10Bを利用することで、対象物20の表面状態を判断し、フィードバックすることが可能である。
Further, the user can judge the surface condition of the
更に、実施の形態3による赤外線検出装置10Bを用いて、表面状態と温度の両方の経時変化を測定することで、既存の劣化センサよりも劣化の進行度をより高精度に予測することができる。
Further, by using the
更に、実施の形態3による赤外線検出装置10Bは、対象物20の放射率を算出することにより、対象物20の化学組成を検知することが可能である。これにより、例えば、対象物20の化学組成に変化が生じる環境において、赤外線検出装置10Bを組成分析機器として利用することができる。また、ユーザーは、実施の形態3による赤外線検出装置10Bを利用することで、対象物20の表面状態を判断し、フィードバックすることが可能である。更に、実施の形態3による赤外線検出装置10Bによると、化学組成と温度の両方の検出が可能であるため、小型・低コストの組成分析機器および温度計の構築が可能である。
(実施の形態3の応用に関する効果)
上述したように、検出器2,3は、同じ検出器であってもよいので、特に、実施の形態3のように2つの検出波長λ2,λ3が近い場合は、大きな電圧を掛ける必要がないため、高速かつ低消費電力で動作し、実施の形態1における効果を得ることができる。
Furthermore, the
(Effects of Application of Third Embodiment)
As described above, since the
また、実施の形態2による赤外線検出装置10Bをアレイ化することで、赤外線カメラとして利用することができる。赤外線検出装置10Bを応用した赤外線カメラは、対象物20の温度に関する画像と物質構成や表面状態に関する画像の両方を、同時に撮影することができる。この機能によって、対象物20の輪郭をより高精度に判別することができる。
Further, by forming the
実施の形態3におけるその他の説明は、実施の形態1における説明と同じである。 The other description in the third embodiment is the same as the description in the first embodiment.
上述した実施の形態1から実施の形態3では、検出波長を8.5μm、13.0μm、13.5μmとした場合の効果を確認したが、別の検出波長を用いても同様に効果があることは言うまでもない。 In the first to third embodiments described above, the effect was confirmed when the detection wavelength was set to 8.5 μm, 13.0 μm, and 13.5 μm, but the same effect is obtained even when another detection wavelength is used. Needless to say.
図17は、この発明の実施の形態による対象物の温度の分布を検出する赤外線検出装置の概略図である。 FIG. 17 is a schematic diagram of an infrared detection device for detecting the temperature distribution of an object according to the embodiment of the present invention.
図17を参照して、赤外線検出装置100は、レンズ110と、検出器群120−1〜120−N(Nは2以上の整数)と、算出部130とを備える。
With reference to FIG. 17, the
レンズ110は、対象物20の領域REG_1から放出される赤外線を検出器群120−1に集光する。また、レンズ110は、対象物20の領域REG_2から放出される赤外線を検出器群120−2に集光する。以下、同様にして、レンズ110は、対象物20の領域REG_Nから放出される赤外線を検出器群120−Nに集光する。
The
検出器群120−1〜120−Nの各々は、例えば、実施の形態1における2つの検出器2,3を1次元または2次元に配列した構成からなる。そして、検出器群120−1は、レンズ110によって集光された赤外線の分光放射照度IREG_1(λ2,T),IREG_1(λ3,T)を検出し、その検出した分光放射照度IREG_1(λ2,T),IREG_1(λ3,T)を算出部130へ出力する。また、検出器群120−2は、レンズ110によって集光された赤外線の分光放射照度IREG_2(λ2,T),IREG_2(λ3,T)を検出し、その検出した分光放射照度IREG_2(λ2,T),IREG_2(λ3,T)を算出部130へ出力する。以下、同様にして、検出器群120−Nは、レンズ110によって集光された赤外線の分光放射照度IREG_N(λ2,T),IREG_N(λ3,T)を検出し、その検出した分光放射照度IREG_N(λ2,T),IREG_N(λ3,T)を算出部130へ出力する。
Each of the detector groups 120-1 to 120-N has, for example, a configuration in which the two
算出部130は、N個の算出部130−1〜130−Nを備える。算出部130−1〜130−Nは、それぞれ、検出器群120−1〜120−Nに対応して設けられる。そして、算出部130−1〜130−Nの各々は、例えば、実施の形態1における算出部4からなる。
The
算出部130−1は、検出器群120−1から分光放射照度IREG_1(λ2,T),IREG_1(λ3,T)を受け、その受けた分光放射照度IREG_1(λ2,T),IREG_1(λ3,T)に基づいて、上述した実施の形態1における方法によって、対象物20の領域REG_1における温度TREG_1、および対象物20の領域REG_1から検出器群120−1までの間における赤外線の透過率τREG_1(λ2)を算出する。
The calculation unit 130-1 receives the spectral irradiances I REG_1 (λ 2 , T) and I REG — 1 (λ 3 , T) from the detector group 120-1, and receives the received spectral irradiance I REG — 1 (λ 2 , T). ), I REG_1 (λ 3 ,T) and the temperature T REG_1 in the region REG_1 of the
算出部130−2は、検出器群120−2から分光放射照度IREG_2(λ2,T),IREG_2(λ3,T)を受け、その受けた分光放射照度IREG_2(λ2,T),IREG_2(λ3,T)に基づいて、上述した実施の形態1における方法によって、対象物20の領域REG_2における温度TREG_2、および対象物20の領域REG_2から検出器群120−2までの間における赤外線の透過率τREG_2(λ2)を算出する。
The calculation unit 130-2 receives the spectral irradiances I REG — 2 (λ 2 , T) and I REG — 2 (λ 3 , T) from the detector group 120-2, and receives the received spectral irradiance I REG — 2 (λ 2 , T). ), I REG_2 (λ 3 , T) and the temperature T REG_2 in the region REG_2 of the
以下、同様にして、算出部130−Nは、検出器群120−Nから分光放射照度IREG_N(λ2,T),IREG_N(λ3,T)を受け、その受けた分光放射照度IREG_N(λ2,T),IREG_N(λ3,T)に基づいて、上述した実施の形態1における方法によって対象物20の領域REG_Nにおける温度温度TREG_N、および対象物20の領域REG_Nから検出器群120−Nまでの間における赤外線の透過率τREG_N(λ1)を算出する。
Hereinafter, similarly, the calculation unit 130-N receives the spectral irradiances I REG_N (λ 2 , T) and I REG_N (λ 3 , T) from the detector group 120-N, and receives the received spectral irradiance I. REG_N (λ 2, T), based on the I REG_N (λ 3, T) , the temperature the temperature T REG_N in the region REG_N of the
そして、算出部130は、算出部130−1〜算出部130−Nによってそれぞれ算出された温度TREG_1〜TREG_N、および透過率τREG_1(λ1)〜τREG_N(λ1)に基づいて、対象物20の温度と透過率の分布を算出する。ここで、対象物20の温度と放射率との分布は、既知である対象物20の放射率を用いて算出される。
The
なお、赤外線検出装置100においては、検出器群120−1〜120−Nの各々が実施の形態2における3つの検出器1〜3を1次元または2次元に配列した構成からなり、算出部130−1〜130−Nの各々が算出部4Aから構成されていてもよく、検出器群120−1〜120−Nの各々が実施の形態3における2つの検出器2,3を1次元または2次元に配列した構成からなり、算出部130−1〜130−Nの各々が算出部4Bから構成されていてもよい。このような場合、算出部130(算出部130−1〜130−N)は、上述した実施の形態2または実施の形態3における方法によって、対象物20の温度と透過率の分布を算出する。
In the
また、算出部130は、N個の算出部130−1〜130−Nから構成されていなくてもよい。この場合、算出部130は、検出器群120−1〜120−Nからそれぞれ受けた分光放射照度IREG_1(λ2,T),IREG_1(λ3,T)、分光放射照度IREG_2(λ2,T),IREG_2(λ3,T)、・・・、分光放射照度IREG_N(λ2,T),IREG_N(λ3,T)に基づいて、実施の形態1における方法、実施の形態2における方法および実施の形態3における方法のいずれかを用いて、対象物20の温度と透過率の分布を算出する。
Further, the
更に、算出部130(算出部130−1〜130−N)の動作は、上述したプログラムProg_A〜Prog_Fのいずれかによって実行されてもよい。 Furthermore, the operation of the calculation unit 130 (calculation units 130-1 to 130-N) may be executed by any of the programs Prog_A to Prog_F described above.
このように、赤外線検出装置100を用いることによって、対象物20の温度と透過率の分布を算出できる。
As described above, by using the
図18は、図17に示す赤外線検出装置100の動作を説明するためのフローチャートである。
FIG. 18 is a flowchart for explaining the operation of the
図18を参照して、赤外線検出装置100の動作が開始されると、検出器群120−1および算出部130−1は、図3に示すフローチャート、図6に示すフローチャート、図13に示すフローチャートおよび図16に示すフローチャートのいずれかによって対象物20の温度TREG_1および透過率τREG_1を算出する(ステップS101−1)。
With reference to FIG. 18, when the operation of the
また、検出器群120−2および算出部130−2は、図3に示すフローチャート、図6に示すフローチャート、図13に示すフローチャートおよび図16に示すフローチャートのいずれかによって対象物20の温度TREG_2および透過率τREG_2を算出する(ステップS101−2)。 In addition, the detector group 120-2 and the calculation unit 130-2 perform the temperature T REG_2 of the target object 20 by any one of the flowchart shown in FIG. 3, the flowchart shown in FIG. 6, the flowchart shown in FIG. 13, and the flowchart shown in FIG. And the transmittance τ REG_2 is calculated (step S101-2).
以下、同様にして、検出器群120−Nおよび算出部130−Nは、図3に示すフローチャート、図6に示すフローチャート、図13に示すフローチャートおよび図16に示すフローチャートのいずれかによって対象物20の温度TREG_Nおよび透過率τREG_Nを算出する(ステップS101−N)。
Hereinafter, in the same manner, the detector group 120-N and the calculation unit 130-N perform the
そして、算出部130は、対象物20の温度TREG_1〜TREG_Nおよび透過率τREG_1〜τREG_Nに基づいて、対象物20の温度と透過率の分布を算出する(ステップS102)。これによって、赤外線検出装置100の動作が終了する。
The
ステップS101−1〜S101−Nの各々において、図3に示すフローチャートまたは図13に示すフローチャートが用いられる場合、算出部130−1〜130−Nの各々は、検出器2によって検出された分光放射照度I(λ2,T)と検出器3によって検出された分光放射照度I(λ3,T)との分光放射照度比I(λ2,T)/I(λ3,T)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restに基づいて透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出し、その算出した透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)に基づいて透過率τ(λ2)を算出し、その算出した透過率τ(λ2)に基づいて対象物20の温度を算出する。
When the flowchart shown in FIG. 3 or the flowchart shown in FIG. 13 is used in each of steps S101-1 to S101-N, each of the calculation units 130-1 to 130-N causes the spectral radiation detected by the
従って、算出部130−1〜130−Nは、ステップS101−1〜S101−Nによって、分光放射照度比I(λ2,T)/I(λ3,T)および近似値Restに基づいて透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出する処理をN個の検出器群によって検出されたN組の分光放射照度比I(λ2,T),I(λ3,T)について実行してN個の透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)を算出し、N個の透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)に基づいてN個の透過率τ(λ2)を算出し、N個の透過率τ(λ2)に基づいて対象物20のN個の領域REG_1〜REG_NにおけるN個の温度を算出する。
Therefore, the calculation units 130-1 to 130-N perform step S101-1 to S101-N based on the spectral irradiance ratio I(λ 2 , T)/I(λ 3 , T) and the approximate value R est. The process of calculating the transmittance ratio τ(λ 2 )/τ(λ 3 ) is performed by N sets of spectral irradiance ratios I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) was performed for calculating the ratio of N transmittance τ (λ 2) / τ ( λ 3), the ratio tau (lambda 2 of N transmittance) / τ (λ 3) on the basis of N The transmittances τ(λ 2 ) are calculated, and the temperatures N in the regions REG_1 to REG_N of the
また、ステップS101−1〜S101−Nの各々において、図6に示すフローチャートが用いられる場合、算出部130−1〜130−Nの各々は、分光放射照度比I(λ2,T)/I(λ3,T)および近似値Restに基づいて、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)を含む根を使用して、推定された透過率の比の平方根を算出し、対象物20の温度を算出する。
Further, when the flowchart shown in FIG. 6 is used in each of steps S101-1 to S101-N, each of the calculation units 130-1 to 130-N has a spectral irradiance ratio I(λ 2 , T)/I. Based on (λ 3 ,T) and the approximation R est , the root containing the ratio of extinction coefficients ε a (λ 3 )/ε a (λ 2 ) is used to calculate the square root of the estimated transmission ratio. Then, the temperature of the
従って、算出部130−1〜130−Nは、ステップS101−1〜S101−Nによって、分光放射照度比I(λ2,T)/I(λ3,T)および近似値Restに基づいて、吸光係数の比εa(λ3)/εa(λ2)を含む根を使用して、推定された透過率の比の平方根を算出し、対象物20の温度を算出する処理をN個の検出器群によって検出されたN組の分光放射照度比I(λ2,T),I(λ3,T)について実行し、対象物20のN個の温度を算出する。
Therefore, the calculation units 130-1 to 130-N perform step S101-1 to S101-N based on the spectral irradiance ratio I(λ 2 , T)/I(λ 3 , T) and the approximate value R est. , A square root of the estimated transmittance ratio is calculated using a root including the extinction coefficient ratio ε a (λ 3 )/ε a (λ 2 ), and the process of calculating the temperature of the
更に、ステップS101−1〜S101−Nの各々において、図16に示すフローチャートが用いられる場合、算出部130−1〜130−Nの各々は、検出器2によって検出された分光放射照度I(λ2,T)と検出器3によって検出された分光放射照度I(λ3,T)との分光放射照度比I(λ2,T)/I(λ3,T)および黒体分光放射輝度の比の近似値Restに基づいて放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)を算出し、その算出した放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)に基づいて放射率ε(λ2)を算出し、その算出した放射率ε(λ2)に基づいて対象物20の温度を算出する。
Furthermore, in each of steps S101-1 to S101-N, when the flowchart shown in FIG. 16 is used, each of the calculation units 130-1 to 130-N causes the spectral irradiance I(λ 2 , T) and the spectral irradiance I(λ 3 , T) detected by the
従って、算出部130−1〜130−Nは、ステップS101−1〜S101−Nによって、分光放射照度比I(λ2,T)/I(λ3,T)および近似値Restに基づいて、放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)を算出する処理をN個の検出器群によって検出されたN組の分光放射照度比I(λ2,T),I(λ3,T)について実行してN個の放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)を算出し、N個の放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)に基づいてN個の放射率ε(λ2)を算出し、その算出したN個の放射率ε(λ2)に基づいて対象物20のN個の温度を算出する。
Therefore, the calculation units 130-1 to 130-N perform step S101-1 to S101-N based on the spectral irradiance ratio I(λ 2 , T)/I(λ 3 , T) and the approximate value R est. , The emissivity ratio ε(λ 3 )/ε(λ 2 ) is calculated by N sets of spectral irradiance ratios I(λ 2 , T), I(λ 3 ) detected by N detector groups. , the ratio epsilon (lambda 3 of N emissivity was performed for T)) / ε (λ 2 ) to calculate the ratio epsilon (lambda 3 of N emissivity) / epsilon based on (lambda 2) The N emissivities ε(λ 2 ) are calculated, and the N temperatures of the
なお、赤外線検出装置100において、対象物20の温度の分布を検出する動作は、ソフトウェアによって実行されてもよい。この場合、算出部130−1〜130−Nの各々は、CPU、ROMおよびRAMを備える。
In the
ROMは、上述したプログラムProg_A,Prog_D,Prog_E,Prog_Fのいずれかを格納する。その他の説明については、上述したプログラムProg_A,Prog_D,Prog_E,Prog_Fについての説明と同じである。 The ROM stores any of the programs Prog_A, Prog_D, Prog_E, and Prog_F described above. The other description is the same as the description about the programs Prog_A, Prog_D, Prog_E, and Prog_F described above.
上述した実施の形態1においては、まず、ピーク波長λmaxよりも長い波長λ2,λ3を有する赤外線の分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)と、黒体分光放射輝度の比の近似値Restとに基づいて透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)(またはτ(λ3)/τ(λ2))を算出することを説明した。次に、その算出した透過率の比τ(λ1)/τ(λ2)(またはτ(λ3)/τ(λ2))から透過率τ(λ2)(またはτ(λ3))を算出することを説明した。最後に、その算出した透過率τ(λ1)(またはτ(λ3))に基づいて、対象物20の温度、および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を算出することを説明した。
In the first embodiment described above, first, the spectral irradiance I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) of infrared rays having wavelengths λ 2 , λ 3 longer than the peak wavelength λ max , and the black body It has been explained that the transmittance ratio τ(λ 2 )/τ(λ 3 ) (or τ(λ 3 )/τ(λ 2 )) is calculated based on the approximate value R est of the ratio of the spectral radiance. .. Next, from the calculated transmittance ratio τ(λ 1 )/τ(λ 2 )(or τ(λ 3 )/τ(λ 2 )), the transmittance τ(λ 2 ) (or τ(λ 3 ) ) Is calculated. Finally, it has been described that the temperature of the
また、上述した実施の形態2においては、まず、ピーク波長λmaxよりも長い波長λ2,λ3を有する赤外線の分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)と、黒体分光放射輝度の比の近似値Restとに基づいて透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)(またはτ(λ3)/τ(λ2))を算出することを説明した。次に、その算出した透過率の比τ(λ1)/τ(λ2)(またはτ(λ3)/τ(λ2))から透過率τ(λ2)(またはτ(λ3))を算出することを説明した。最後に、その算出した透過率τ(λ2)(またはτ(λ3))から透過率τ(λ1)を算出し、その算出した透過率τ(λ1)に基づいて、対象物20の温度、および/または吸収体ABSの絶対量または濃度を算出することを説明した。
In the second embodiment described above, first, the infrared spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) having wavelengths λ 2 , λ 3 longer than the peak wavelength λ max , The transmittance ratio τ(λ 2 )/τ(λ 3 ) (or τ(λ 3 )/τ(λ 2 )) is calculated based on the approximate value R est of the ratio of the blackbody spectral radiance. explained. Next, from the calculated transmittance ratio τ(λ 1 )/τ(λ 2 )(or τ(λ 3 )/τ(λ 2 )), the transmittance τ(λ 2 ) (or τ(λ 3 ) ) Is calculated. Finally, the transmittance τ(λ 1 ) is calculated from the calculated transmittance τ(λ 2 ) (or τ(λ 3 )), and the
更に、上述した実施の形態3においては、まず、ピーク波長λmaxよりも長い波長λ2,λ3を有する赤外線の分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)と、黒体分光放射輝度の比の近似値Restとに基づいて放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)(またはτ(λ2)/τ(λ3))を算出することを説明した。次に、その算出した放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)(またはτ(λ2)/τ(λ3))から放射率ε(λ2)(またはε(λ3))を算出することを説明した。最後に、その算出した放射率ε(λ2)(またはε(λ3))に基づいて、対象物20の温度を算出することを説明した。
Further, in the above-described third embodiment, first, infrared spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) having wavelengths λ 2 , λ 3 longer than the peak wavelength λ max , The emissivity ratio ε(λ 3 )/ε(λ 2 ) (or τ(λ 2 )/τ(λ 3 )) is calculated based on the approximate value R est of the black body spectral radiance ratio. explained. Next, from the calculated emissivity ratio ε(λ 3 )/ε(λ 2 )(or τ(λ 2 )/τ(λ 3 )), the emissivity ε(λ 2 ) (or ε(λ 3 )) ) Is calculated. Finally, it has been described that the temperature of the
このように、実施の形態1,2は、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)と、黒体分光放射輝度の比の近似値Restとに基づいて透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)(またはτ(λ3)/τ(λ2))を算出し、その算出した透過率の比τ(λ1)/τ(λ2)(またはτ(λ3)/τ(λ2))に基づいて対象物20の温度を算出することを特徴とする。また、実施の形態3は、分光放射照度I(λ2,T),I(λ3,T)と、黒体分光放射輝度の比の近似値Restとに基づいて放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)(またはτ(λ2)/τ(λ3))を算出し、その算出した放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)(またはτ(λ2)/τ(λ3))に基づいて対象物20の温度を算出することを特徴とする。ここで、透過率τ(λ1),τ(λ2),τ(λ3)は、上述したように、対象物20によって放射される分光放射輝度が光路を通して検出器2,3(または検出器1〜3)に伝搬される割合である。また、放射率ε(λ1),ε(λ2),ε(λ3)は、上述したように、波長λ1,λ2,λ3における熱放射において、黒体分光放射輝度に対して対象物20によって放射される分光放射輝度の割合である。その結果、透過率の比τ(λ2)/τ(λ3)(またはτ(λ3)/τ(λ2))および放射率の比ε(λ3)/ε(λ2)(またはτ(λ2)/τ(λ3))は、分光放射輝度の特性値に該当する。
As described above, in the first and second embodiments, the transmittance is based on the spectral irradiances I(λ 2 , T), I(λ 3 , T) and the approximate value R est of the ratio of the blackbody spectral radiance. The ratio τ(λ 2 )/τ(λ 3 ) (or τ(λ 3 )/τ(λ 2 )) is calculated, and the calculated transmittance ratio τ(λ 1 )/τ(λ 2 )( Alternatively, the temperature of the
従って、実施の形態1、実施の形態2および実施の形態3は、分光放射輝度の特性値を算出し、その算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物20の温度を算出することを特徴とする。
Therefore, in the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the characteristic value of the spectral radiance is calculated, and the temperature of the
よって、この発明の実施の形態によれば、赤外線検出装置は、黒体分光放射輝度が最大値になる波長よりも長い第1の波長を有する第1の赤外線の第1の分光放射照度を検出する第1の検出器と、第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度を検出する第2の検出器と、第1の分光放射照度と第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、第1の波長における黒体分光放射輝度と第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出し、その算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する算出部とを備えていればよい。 Therefore, according to the embodiment of the present invention, the infrared detection device detects the first spectral irradiance of the first infrared light having the first wavelength longer than the wavelength at which the black body spectral radiance is maximum. A first detector for detecting a second spectral irradiance of a second infrared ray having a second wavelength longer than the first wavelength, a first spectral irradiance Based on a first spectral irradiance ratio, which is a ratio with the spectral irradiance of 2, and an approximate value of the ratio between the black body spectral radiance at the first wavelength and the black body spectral radiance at the second wavelength. , A calculation unit that calculates the characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths and calculates the temperature of the object based on the calculated characteristic value of the spectral radiance.
また、この発明の実施の形態によれば、赤外線検出方法は、黒体分光放射輝度が最大値になる波長よりも長い第1の波長を有する第1の赤外線の第1の分光放射照度と、第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度とを検出する第1のステップと、第1の分光放射照度と第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、第1の波長における黒体分光放射輝度と第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出する第2のステップと、算出された分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する第3のステップとを備えていればよい。 Further, according to the embodiment of the present invention, the infrared detection method includes a first spectral irradiance of a first infrared ray having a first wavelength longer than a wavelength at which the black body spectral radiance has a maximum value, A first step of detecting a second spectral irradiance of a second infrared ray having a second wavelength longer than the first wavelength, and a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance The first and second wavelengths based on the first spectral irradiance ratio which is the ratio of the black body spectral radiance at the first wavelength to the black body spectral radiance at the second wavelength. The second step of calculating the characteristic value of the spectral radiance in the above and the third step of calculating the temperature of the object on the basis of the calculated characteristic value of the spectral radiance.
更に、この発明の実施の形態によれば、プログラムは、受付手段が、第1の波長を有する第1の赤外線の第1の分光放射照度と、第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度とを受け付ける第1のステップと、算出手段が、第1の分光放射照度と第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、第1の波長における黒体分光放射輝度と第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出する第2のステップと、算出手段が、算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する第3のステップとをコンピュータに実行させればよい。 Further, according to the embodiment of the present invention, the program is such that the receiving means sets the first spectral irradiance of the first infrared ray having the first wavelength and the second wavelength longer than the first wavelength. A first step of receiving the second spectral irradiance of the second infrared ray which is included; And a characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths based on an approximate value of the ratio of the black body spectral radiance at the first wavelength and the black body spectral radiance at the second wavelength. The computer may execute the second step of performing the calculation and the third step of calculating the temperature of the object based on the calculated characteristic value of the spectral radiance.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the claims, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.
この発明は、赤外線検出装置、赤外線検出方法、コンピュータに実行させるためのプログラムおよびプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に適用される。 The present invention is applied to an infrared detection device, an infrared detection method, a program to be executed by a computer, and a computer-readable recording medium recording the program.
1〜3 検出器、4,4A,4B,130,130−1〜130−N 算出部、10,10A,10B,100 赤外線検出装置、20 対象物、41 輝度テーブル、42,45 透過率算出テーブル、43 輝度比パラメータ、44 波長選択部、46 放射率算出テーブル、110 レンズ、120−1〜120−N 検出器群。 1 to 3 detector, 4, 4A, 4B, 130, 130-1 to 130-N calculation unit, 1010A, 10B, 100 infrared detection device, 20 object, 41 luminance table, 42, 45 transmittance calculation table , 43 luminance ratio parameter, 44 wavelength selection unit, 46 emissivity calculation table, 110 lens, 120-1 to 120-N detector group.
Claims (34)
前記第1の波長よりも長い第2の波長を有する第2の赤外線の第2の分光放射照度を検出する第2の検出器と、
前記第1の分光放射照度と前記第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、前記第1の波長における黒体分光放射輝度と前記第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、前記第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出し、その算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する算出部とを備える赤外線検出装置。 A first detector for detecting a first spectral irradiance of a first infrared having a first wavelength;
A second detector for detecting a second spectral irradiance of a second infrared ray having a second wavelength longer than the first wavelength;
A first spectral irradiance ratio, which is a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance, a blackbody spectral radiance at the first wavelength, and a blackbody spectrum at the second wavelength. The characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths is calculated based on the approximate value of the ratio with the radiance, and the temperature of the object is calculated based on the calculated characteristic value of the spectral radiance. Infrared detection device comprising:
前記算出部は、前記第1の透過率比から前記第1および第2の透過率のいずれか一方の透過率である第3の透過率を算出し、前記対象物から前記第1、第2および第3の検出器までの間における前記第3の赤外線の透過率である第4の透過率を前記第3の透過率から算出し、その算出した第4の透過率と前記第3の透過率とに基づいて前記対象物の温度を算出する、請求項3に記載の赤外線検出装置。 Further comprising a third detector for detecting a third spectral irradiance of a third infrared having a third wavelength shorter than the first wavelength,
The calculator calculates a third transmittance, which is one of the first and second transmittances, from the first transmittance ratio, and calculates the first and second transmittances from the object. And a fourth transmittance, which is the transmittance of the third infrared ray between the third detector and the third detector, is calculated from the third transmittance, and the calculated fourth transmittance and the third transmittance are calculated. The infrared detection device according to claim 3, wherein the temperature of the object is calculated based on a rate.
前記第1の波長は、3.5〜6.0μmの範囲に設定され、かつ、前記第2の波長は、4.5〜6.0μmの範囲に設定され、
または、
前記第1の波長は、8.0〜16.0μmの範囲に設定され、かつ、前記第2の波長は、13.0〜16.0μmの範囲に設定される、請求項8に記載の赤外線検出装置。 The calculation unit further calculates the concentration of water vapor which is the absorber based on the characteristic value, and calculates a substantial temperature from the concentration of the water vapor and the temperature of the object,
The first wavelength is set in the range of 3.5 to 6.0 μm, and the second wavelength is set in the range of 4.5 to 6.0 μm,
Or
The infrared ray according to claim 8, wherein the first wavelength is set in a range of 8.0 to 16.0 μm, and the second wavelength is set in a range of 13.0 to 16.0 μm. Detection device.
前記第1の波長は、3.5〜4.0μmの範囲に設定され、かつ、前記第2の波長は、4.0〜4.5μmの範囲に設定され、
または、
前記第1の波長は、4.5〜16.0μmの範囲に設定され、かつ、前記第2の波長は、13.5〜16.0μmの範囲に設定される、請求項8に記載の赤外線検出装置。 The calculation unit further calculates the concentration of carbon dioxide that is the absorber based on the characteristic value, and calculates the comfort index from the concentration of the carbon dioxide and the temperature of the object,
The first wavelength is set in the range of 3.5 to 4.0 μm, and the second wavelength is set in the range of 4.0 to 4.5 μm,
Or
The infrared ray according to claim 8, wherein the first wavelength is set in a range of 4.5 to 16.0 μm, and the second wavelength is set in a range of 13.5-16.0 μm. Detection device.
前記波長選択部は、前記算出部によって算出される算出温度の精度を規定する精度定格を保持しており、前記対象物の温度の測定範囲における前記対象物の温度と前記対象物の算出温度との誤差が前記精度定格よりも小さくなるように前記第1および第2の波長を選択する、請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の赤外線検出装置。 Further comprising a wavelength selection unit for selecting the first and second wavelengths in the wavelength range from mid-infrared to far-infrared,
The wavelength selection unit holds an accuracy rating that defines the accuracy of the calculated temperature calculated by the calculation unit, and the temperature of the object in the measurement range of the temperature of the object and the calculated temperature of the object. The infrared detection device according to any one of claims 1 to 12, wherein the first and second wavelengths are selected so that the error of is smaller than the accuracy rating.
前記赤外線検出装置は、前記同一の検出器に印加する電圧を制御して、検出する波長を制御する制御部を更に備える、請求項7に記載の赤外線検出装置。 Two or three detectors among the first to third detectors are the same detectors of quantum well type or quantum dot type,
The infrared detection device according to claim 7, wherein the infrared detection device further includes a control unit that controls a voltage applied to the same detector to control a wavelength to be detected.
前記算出部は、前記第1の分光放射照度比および前記近似値に基づいて前記特性値を算出する処理を複数の前記検出器群によって検出された複数組の前記第1および第2の分光放射照度について実行して複数の前記特性値を算出し、その算出した複数の特性値に基づいて前記対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて前記対象物の温度分布を算出する、請求項1に記載の赤外線検出装置。 The first and second detectors arranged in an array form a detector group,
The calculation unit performs a process of calculating the characteristic value based on the first spectral irradiance ratio and the approximate value, and a plurality of sets of the first and second spectral radiation detected by the plurality of detector groups. The plurality of characteristic values are calculated by executing the illuminance, the plurality of temperatures in the plurality of regions of the object are calculated based on the calculated plurality of characteristic values, and the target is calculated based on the calculated plurality of temperatures. The infrared detection device according to claim 1, which calculates a temperature distribution of an object.
前記算出部は、前記第1の透過率比から前記第3の透過率を算出する処理を複数の前記検出器群によって検出された複数組の前記第1および第2の分光放射照度について実行して複数の第3の透過率を算出し、前記複数の第3の透過率から複数の前記第4の透過率を算出し、前記複数の第3の透過率および前記複数の第4の透過率に基づいて前記対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて前記対象物の温度分布を算出する、請求項7に記載の赤外線検出装置。 The first to third detectors arranged in an array form a detector group,
The calculator executes a process of calculating the third transmittance from the first transmittance ratio for a plurality of sets of the first and second spectral irradiances detected by the plurality of detector groups. Calculate a plurality of third transmittances, calculate a plurality of the fourth transmittances from the plurality of third transmittances, calculate the plurality of third transmittances and the plurality of fourth transmittances. The infrared detection device according to claim 7, wherein a plurality of temperatures in a plurality of regions of the target object are calculated based on, and a temperature distribution of the target object is calculated based on the calculated plurality of temperatures.
前記第1の分光放射照度と前記第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、前記第1の波長における黒体分光放射輝度と前記第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、前記第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出する第2のステップと、
前記算出された分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する第3のステップとを備える赤外線検出方法。 First to detect a first spectral irradiance of a first infrared ray having a first wavelength and a second spectral irradiance of a second infrared ray having a second wavelength longer than the first wavelength Steps of
A first spectral irradiance ratio, which is a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance, a blackbody spectral radiance at the first wavelength, and a blackbody spectrum at the second wavelength. A second step of calculating a characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths based on an approximate value of a ratio with the radiance;
And a third step of calculating the temperature of the object based on the calculated characteristic value of the spectral radiance.
前記第3のステップにおいて、前記第1の赤外線の第1の吸光係数と前記第2の赤外線の第2の吸光係数との比である吸光係数比を含む根を用いた前記第1の透過率比の平方根を算出して第1の算出温度を算出し、その算出した第1の算出温度を前記対象物の温度として算出する、請求項17または請求項18に記載の赤外線検出方法。 In the second step, it is a transmittance of the first infrared ray between the object and the first and second detectors based on the first spectral irradiance ratio and the approximate value. A first transmittance ratio, which is a ratio of a first transmittance and a second transmittance that is the transmittance of the second infrared ray between the object and the first and second detectors, Calculated as the characteristic value,
In the third step, the first transmittance using a root including an extinction coefficient ratio that is a ratio of the first extinction coefficient of the first infrared ray and the second extinction coefficient of the second infrared ray. The infrared detection method according to claim 17 or 18, wherein a square root of the ratio is calculated to calculate a first calculated temperature, and the calculated first calculated temperature is calculated as the temperature of the object.
前記第2のステップにおいて、前記第1の透過率比から前記第1および第2の透過率のいずれか一方の透過率である第3の透過率を算出するとともに、前記対象物から前記第1、第2および第3の検出器までの間における前記第3の赤外線の透過率である第4の透過率を前記第3の透過率から算出し、
前記第3のステップにおいて、前記算出された第4の透過率と前記第3の透過率とに基づいて前記対象物の温度を算出する、請求項19に記載の赤外線検出方法。 In the first step, further detecting a third spectral irradiance of a third infrared having a third wavelength shorter than the first wavelength,
In the second step, a third transmittance, which is one of the first and second transmittances, is calculated from the first transmittance ratio, and the first transmittance is calculated from the object. , A fourth transmittance, which is the transmittance of the third infrared ray between the second and third detectors, is calculated from the third transmittance,
20. The infrared detection method according to claim 19, wherein in the third step, the temperature of the object is calculated based on the calculated fourth transmittance and the third transmittance.
前記第3のステップにおいて、前記算出された放射率比に基づいて前記対象物の温度を算出する、請求項17に記載の赤外線検出方法。 In the second step, based on the first spectral irradiance ratio and the approximate value, a ratio of a first emissivity at the first wavelength and a second emissivity at the second wavelength. Calculate a certain emissivity ratio as the characteristic value,
The infrared detection method according to claim 17, wherein in the third step, the temperature of the object is calculated based on the calculated emissivity ratio.
前記第3のステップにおいて、前記算出された第3の放射率に基づいて前記対象物の温度を算出する、請求項25に記載の赤外線検出方法。 In the second step, a third emissivity that is an emissivity of either one of the first and second emissivity is calculated based on the emissivity ratio,
The infrared detection method according to claim 25, wherein in the third step, the temperature of the object is calculated based on the calculated third emissivity.
前記第6のステップにおいて、前記対象物の温度の測定範囲における前記対象物の温度と前記対象物の算出温度との誤差が、前記算出される算出温度の精度を規定する精度定格よりも小さくなるように前記第1および第2の波長を選択する、請求項17から請求項26のいずれか1項に記載の赤外線検出方法。 Further comprising a sixth step of selecting the first and second wavelengths in the wavelength range from mid infrared to far infrared.
In the sixth step, the error between the temperature of the object and the calculated temperature of the object in the measurement range of the temperature of the object is smaller than the accuracy rating that defines the accuracy of the calculated temperature. The infrared detection method according to any one of claims 17 to 26, wherein the first and second wavelengths are selected as described above.
前記赤外線検出方法は、前記同一の検出器に電圧を印加して、前記第1および第2の検出器が検出する波長をそれぞれ第1および第2の波長に制御する第7のステップを更に備える、請求項17から請求項22のいずれか1項に記載の赤外線検出方法。 The first detector for detecting the first spectral irradiance and the second detector for detecting the second spectral irradiance are the same detector of quantum well type or quantum dot type,
The infrared detection method further comprises a seventh step of applying a voltage to the same detector to control the wavelengths detected by the first and second detectors to the first and second wavelengths, respectively. The infrared detection method according to any one of claims 17 to 22.
前記赤外線検出方法は、前記同一の検出器に電圧を印加して、前記第1から第3の検出器が検出する波長をそれぞれ第1から第3の波長に制御する第8のステップを更に備える、請求項23から請求項27のいずれか1項に記載の赤外線検出方法。 The first detector that detects the first spectral irradiance, the second detector that detects the second spectral irradiance, and the third detector that detects the third spectral irradiance are quantum It consists of the same detector of the well type or quantum dot type,
The infrared detection method further comprises an eighth step of applying a voltage to the same detector to control the wavelengths detected by the first to third detectors to the first to third wavelengths, respectively. The infrared detection method according to any one of claims 23 to 27.
前記第1のステップにおいて、複数の前記検出器群の各々は、前記第1および第2の分光放射照度を検出し、
前記第2のステップにおいて、前記第1の分光放射照度比および前記近似値に基づいて前記特性値を算出する処理を複数組の前記第1および第2の分光放射照度について実行して複数の前記特性値を算出し、
前記第3のステップにおいて、前記複数の特性値に基づいて前記対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて前記対象物の温度分布を算出する、請求項17に記載の赤外線検出方法。 The first detector for detecting the first spectral irradiance and the second detector for detecting the second spectral irradiance constitute a detector group arranged in an array,
In the first step, each of the plurality of detector groups detects the first and second spectral irradiances,
In the second step, a process of calculating the characteristic value based on the first spectral irradiance ratio and the approximate value is executed for a plurality of sets of the first and second spectral irradiances and the plurality of the Calculate the characteristic value,
In the third step, a plurality of temperatures in a plurality of regions of the target object are calculated based on the plurality of characteristic values, and a temperature distribution of the target object is calculated based on the calculated plurality of temperatures. Item 18. The infrared detection method according to Item 17.
前記第1のステップにおいて、複数の前記検出器群の各々は、前記第1から第3の分光放射照度を検出し、
前記第2のステップにおいて、前記第1の透過率比から前記第3の透過率を算出する処理を複数の前記検出器群によって検出された複数組の前記第1および第2の分光放射照度について実行して複数の第3の透過率を算出し、前記複数の第3の透過率から複数の前記第4の透過率を算出し、
前記第3のステップにおいて、前記複数の第3の透過率および前記複数の第4の透過率に基づいて前記対象物の複数の領域における複数の温度を算出し、その算出した複数の温度に基づいて前記対象物の温度分布を算出する、請求項23に記載の赤外線検出方法。 The first detector that detects the first spectral irradiance, the second detector that detects the second spectral irradiance, and the third detector that detects the third spectral irradiance are arrays. Form a detector group arranged in a
In the first step, each of the plurality of detector groups detects the first to third spectral irradiances,
In the second step, a process of calculating the third transmittance from the first transmittance ratio is performed on a plurality of sets of the first and second spectral irradiances detected by the plurality of detector groups. Executing to calculate a plurality of third transmittances, calculating a plurality of the fourth transmittances from the plurality of third transmittances,
In the third step, a plurality of temperatures in a plurality of regions of the object are calculated based on the plurality of third transmittances and the plurality of fourth transmittances, and based on the calculated plurality of temperatures. 24. The infrared detection method according to claim 23, wherein the temperature distribution of the object is calculated by calculating the temperature distribution.
算出手段が、前記第1の分光放射照度と前記第2の分光放射照度との比である第1の分光放射照度比と、前記第1の波長における黒体分光放射輝度と前記第2の波長における黒体分光放射輝度との比の近似値とに基づいて、前記第1および第2の波長における分光放射輝度の特性値を算出する第2のステップと、
前記算出手段が、前記算出した分光放射輝度の特性値に基づいて対象物の温度を算出する第3のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラム。 The reception means sets the first spectral irradiance of the first infrared ray having the first wavelength and the second spectral irradiance of the second infrared ray having the second wavelength longer than the first wavelength. The first step of accepting,
The calculating means has a first spectral irradiance ratio, which is a ratio of the first spectral irradiance and the second spectral irradiance, a blackbody spectral radiance at the first wavelength, and the second wavelength. A second step of calculating a characteristic value of the spectral radiance at the first and second wavelengths based on an approximate value of the ratio to the black body spectral radiance at
A program for causing a computer to execute a third step of calculating the temperature of an object based on the calculated characteristic value of the calculated spectral radiance.
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