JP3405589B2 - 光ファイバ式温度測定装置 - Google Patents
光ファイバ式温度測定装置Info
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/08—Optical arrangements
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光ファイバを用いて
測温する装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】溶鋼等の高温の液体金属等の温度を検出
するために、先端部を測温エレメントとした金属管被覆
ファイバを溶融金属に挿入して測温するものが提案され
ている（特開平５−２４８９６０号公報）。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバを高温の溶融金属に挿入すると先端部が消耗するの
で、順次くり出して使用する。このため光ファイバの先
端からの放射エネルギーが、他端の検出素子に達するま
での長さが異なってくるので、伝送損失の相違が発生
し、測定誤差が発生するおそれがある。 【０００４】このため、特開平５−１４２０４９号公報
において、２つの温度信号差を利用して、光ファイバの
伝送損失を補正して真温度を求めるものが提案されてい
る。 【０００５】この発明の目的は、以上の点に鑑み、３つ
の波長を利用して光ファイバの長さの影響を受けずに、
より高精度の測温を可能とした光ファイバ式温度測定装
置を提供することである。 【０００６】 【課題を解決するための手段】この発明は、光ファイバ
を介し測定対象からの放射エネルギーを受光し少くとも
３つの異なる波長についての光を検出する検出素子と、
この検出素子の各波長の出力のうち２つの波長について
の出力信号の比率信号を求め、この比率信号と他の波長
についての出力信号との差に基いて光ファイバの長さに
よる補正演算を行い温度を求める演算手段とを備えるよ
うにした光ファイバ式温度測定装置である。 【０００７】 【実施例】図１（ａ）は、この発明の一実施例を示す構
成説明図で、図において、１は金属管等で被覆された光
ファイバで、その先端部１０は、容器２０等に収容され
る高温液体金属２に挿入される。この光ファイバ１は、
繰り出し装置３で連続的ないし間欠的にくり出され、ド
ラム４に必要分巻き取られている。そして、光ファイバ
１の他端部１１は、先端部１０からの放射エネルギーを
集光し、ハーフミラー５１、５２を介し、３方に分岐
し、互いに異なった波長λ１、λ２、λ３の光を透過す
るフィルタ６１、６２、６３を介し、検出素子７１、７
２、７３で検出される。各検出素子７１、７２、７３の
各出力は増幅手段Ａ１、Ａ２、Ａ３で増幅処理され、増
幅手段Ａ１、Ａ２の出力は比率演算手段８０で比率がと
られ、この比率信号は変換手段８１で温度信号とされ、
また、増幅手段Ａ３の出力も変換手段８２で温度信号と
される。これら変換手段８１、８２の温度信号の差に基
いて、演算手段９は、光ファイバ１の長さの補正を行い
正しい温度信号を得るようにする。 【０００８】また、図１（ｂ）で示すように、フィルタ
６１、６２、６３を回転セクタ６に載置し、光ファイバ
１の他端部１０からの光を１個の検出素子７に入射させ
て検出するように構成してもよい。また、検出素子７の
出力を増幅手段Ａで増幅した後、変換や演算をマイクロ
コンピュータのような演算手段９０を用いてデジタル的
に処理してもよい。 【０００９】ここで、互いに異なる２個の測定波長帯λ
１、λ２の放射輝度比を求める２色温度計について考え
ると、波長λ、温度Ｔの分光放射輝度Ｌ（λ、Ｔ）は、
ウィーンの公式より Ｌ（λ、Ｔ）＝２Ｃ１λ5 ｅｘｐ（−Ｃ２／λＴ） （１） で与えられるので、その比率出力Ｒ（Ｔ）は次式とな
る。 【００１０】 Ｒ（Ｔ）＝（λ２／λ１）5 ｅｘｐ｛（１／λ２−１／λ１）・Ｃ２／Ｔ｝ （２） ここで、Ｃ２＝０．０１４３８８ｍＫである。 【００１１】光ファイバの分光吸収に注目すると、吸収
係数がα、長さがｘのとき、透過率はｅｘｐ（−αｘ）
で表されるから、測定波長帯λ１、λ２における吸収係
数が夫々α１、α２で、長さｘなる光ファイバを介して
温度Ｔ（Ｋ）の黒体を計測したときＳ1,2 （Ｋ）なる示
度を得たとすると、 Ｒ（Ｓ1,2 ）＝［ｅｘｐ（−α１ｘ）／ｅｘｐ（−α２ｘ）］・Ｒ（Ｔ） （３） なる関係が成立する。Ｒ（Ｓ1,2 ）とＲ（Ｔ）にウィー
ンの公式を適用して整理すれば次式を得る。 【００１２】 （１／λ２−１／λ１）Ｃ２／Ｓ1,2 ＝（α２−α１）ｘ＋（１／λ２−１／λ１）Ｃ２／Ｔ （４） これを温度Ｓ1,2 およびＴについて求めると、 １／Ｓ1,2 −１／Ｔ＝（α２−α１）ｘ／｛（１／λ２−１／λ１）Ｃ２｝ （５） を得る。これによれば、α２＝α１、すなわち光ファイ
バの分光吸収係数、したがって、分光透過率が互いに等
しいとき、Ｔ＝Ｓ1,2 となって光フアイバの長さｘに関
係なく測定誤差は発生しないことになる。 【００１３】光フアイバの分光吸収特性を、「光通信要
覧」（１９８４年８月科学新聞社発行）第３４頁の図
２．３．１（超高感度光ファイバの損失特性）から引用
して図２に示す。これによると、分光吸収としての損失
（ｄＢ）は、測定波長が０．６μｍより長くなるにつれ
て減少し、１．４〜１．６μｍ帯で最低となって、１．
６μｍ以上では再び増加する。しかも、（２）式より理
解されるように、２色温度計の感度は、２つの測定波長
λ２、λ１が互いに離れているほうが大きくなる。それ
ゆえ、図２を参考に、互いに離れた波長帯で、かつ、損
失の等しい波長帯を選定することが望ましい。このよう
な観点から、たとえば、λ１＝１．３０μｍ、λ２＝
１．６２μｍ、又は、λ１＝１．４０μｍ、λ２＝１．
６０μｍなど種々の組み合わせが選定できる。このよう
に選定し、α１＝α２が実現できれば、基本的には、光
ファイバ長の変化による指示誤差は生じない。 【００１４】しかしながら、実際上、光ファイバのロッ
ト間の微妙なバラツキ、あるいは、測定波長帯を制御す
る光フィルタのロット間のバラツキは避けられず、必ず
しもα１＝α２は成立しない。α１≠α２のとき、
（５）式から明らかなように、光ファイバ長ｘによる指
示変化を発生する。たとえば、互いの損失の差異が１％
で長さ１Ｋｍの光ファイバを用いてＴ＝１８００Ｋの場
合、（５）式から、λ１＝１．３０μｍ、λ２＝１．６
２μｍのとき、Ｔ−Ｓ1,2 ＝−１４．８Ｋ、同じく、λ
１＝１．４０μｍ、λ２＝１．６０μｍのとき、Ｔ−Ｓ
1,2 ＝−２５．２Ｋが求まる。これらの誤差は、長さに
比例するから、５００ｍでは１／２、１００ｍでは、１
／１０となる。精密な温度計測を実現するため、この誤
差は無視できない。 【００１５】そこで、光ファイバの損失の大きい波長帯
に第３の測定波長帯を設け、これによる分光輝度の測定
によって、長さの補正を行うことが本願発明の目的であ
る。 【００１６】すなわち、測定波長λ３における光ファイ
バの吸収係数をα３、長さｘのとき、温度Ｔ（Ｋ）の黒
体を計測したときの示度Ｓ3 （Ｋ）とするとウィーンの
公式から （Ｃ１／λ3 5 ）・ｅｘｐ（−Ｃ２／λ3 Ｓ3 ） ＝ｅｘｐ（−α３ｘ）・（Ｃ１／λ3 5 ）・ｅｘｐ（−Ｃ２／λ3 Ｔ） （６） が成立し、これを温度ＴおよびＳ3 について整理し、 １／Ｓ3 −１／Ｔ−＝α3 ｘλ3 ／Ｃ２ （７） が得られ、Ｔ−Ｓ3 の示度差は、光ファイバの長さｘに
比例する。測定波長帯として、λ３＝０．９μｍとし、
長さ１ｋｍの光ファイバの吸収係数を図２を参考にして
求め（１．７ｄＢ、０．３２４／ｋｍ）、温度１８００
Ｋにおける示度差Ｔ−Ｓ3 を、（７）式から求めるとＴ
−Ｓ3 ＝６５．７Ｋが得られる。 【００１７】次に、（５）式と（７）式から光ファイバ
長ｘは、 ｘ＝［１／Ｓ1,2 −１／Ｓ3 ］／ ［｛−α３λ３＋（α２−α１）／（１／λ２−１／λ１）｝／Ｃ２］ （８） と求められる。これを（５）式に適用して、温度Ｔが求
められる。 【００１８】 １／Ｔ＝１／Ｓ1,2 −（Ｓ1,2 −Ｓ3 ） ／［−α３λ３・（１／λ２−１／λ１）／（α２−α１）＋１］ （９） ここで、λ１、λ２、λ３は夫々の測定波長帯、α１、
α２、α３は各測定波長における光ファイバの吸収係数
で、初期値として扱えるから、温度Ｔは、光ファイバの
長さに関係なく２色測温の示度Ｓ1,2 および単色測温の
示度Ｓ3 から求めることができる。 【００１９】 【発明の効果】以上述べたように、この発明は、光ファ
イバを介し、３つの異なる波長の検出出力から２色演算
を行うとともに、もう１つの波長の検出出力とから光フ
ァイバの長さ補正を行うようにしたものである。このた
め、２色演算を行っているので、光ファイバの透過率の
変動の影響が少く高精度測定を行うことができ、しか
も、長さについても補正が可能で光ファイバ長の変化の
影響を受けずに、連続的に長い時間測定が安定的、高精
度に可能となる。
測温する装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】溶鋼等の高温の液体金属等の温度を検出
するために、先端部を測温エレメントとした金属管被覆
ファイバを溶融金属に挿入して測温するものが提案され
ている（特開平５−２４８９６０号公報）。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバを高温の溶融金属に挿入すると先端部が消耗するの
で、順次くり出して使用する。このため光ファイバの先
端からの放射エネルギーが、他端の検出素子に達するま
での長さが異なってくるので、伝送損失の相違が発生
し、測定誤差が発生するおそれがある。 【０００４】このため、特開平５−１４２０４９号公報
において、２つの温度信号差を利用して、光ファイバの
伝送損失を補正して真温度を求めるものが提案されてい
る。 【０００５】この発明の目的は、以上の点に鑑み、３つ
の波長を利用して光ファイバの長さの影響を受けずに、
より高精度の測温を可能とした光ファイバ式温度測定装
置を提供することである。 【０００６】 【課題を解決するための手段】この発明は、光ファイバ
を介し測定対象からの放射エネルギーを受光し少くとも
３つの異なる波長についての光を検出する検出素子と、
この検出素子の各波長の出力のうち２つの波長について
の出力信号の比率信号を求め、この比率信号と他の波長
についての出力信号との差に基いて光ファイバの長さに
よる補正演算を行い温度を求める演算手段とを備えるよ
うにした光ファイバ式温度測定装置である。 【０００７】 【実施例】図１（ａ）は、この発明の一実施例を示す構
成説明図で、図において、１は金属管等で被覆された光
ファイバで、その先端部１０は、容器２０等に収容され
る高温液体金属２に挿入される。この光ファイバ１は、
繰り出し装置３で連続的ないし間欠的にくり出され、ド
ラム４に必要分巻き取られている。そして、光ファイバ
１の他端部１１は、先端部１０からの放射エネルギーを
集光し、ハーフミラー５１、５２を介し、３方に分岐
し、互いに異なった波長λ１、λ２、λ３の光を透過す
るフィルタ６１、６２、６３を介し、検出素子７１、７
２、７３で検出される。各検出素子７１、７２、７３の
各出力は増幅手段Ａ１、Ａ２、Ａ３で増幅処理され、増
幅手段Ａ１、Ａ２の出力は比率演算手段８０で比率がと
られ、この比率信号は変換手段８１で温度信号とされ、
また、増幅手段Ａ３の出力も変換手段８２で温度信号と
される。これら変換手段８１、８２の温度信号の差に基
いて、演算手段９は、光ファイバ１の長さの補正を行い
正しい温度信号を得るようにする。 【０００８】また、図１（ｂ）で示すように、フィルタ
６１、６２、６３を回転セクタ６に載置し、光ファイバ
１の他端部１０からの光を１個の検出素子７に入射させ
て検出するように構成してもよい。また、検出素子７の
出力を増幅手段Ａで増幅した後、変換や演算をマイクロ
コンピュータのような演算手段９０を用いてデジタル的
に処理してもよい。 【０００９】ここで、互いに異なる２個の測定波長帯λ
１、λ２の放射輝度比を求める２色温度計について考え
ると、波長λ、温度Ｔの分光放射輝度Ｌ（λ、Ｔ）は、
ウィーンの公式より Ｌ（λ、Ｔ）＝２Ｃ１λ5 ｅｘｐ（−Ｃ２／λＴ） （１） で与えられるので、その比率出力Ｒ（Ｔ）は次式とな
る。 【００１０】 Ｒ（Ｔ）＝（λ２／λ１）5 ｅｘｐ｛（１／λ２−１／λ１）・Ｃ２／Ｔ｝ （２） ここで、Ｃ２＝０．０１４３８８ｍＫである。 【００１１】光ファイバの分光吸収に注目すると、吸収
係数がα、長さがｘのとき、透過率はｅｘｐ（−αｘ）
で表されるから、測定波長帯λ１、λ２における吸収係
数が夫々α１、α２で、長さｘなる光ファイバを介して
温度Ｔ（Ｋ）の黒体を計測したときＳ1,2 （Ｋ）なる示
度を得たとすると、 Ｒ（Ｓ1,2 ）＝［ｅｘｐ（−α１ｘ）／ｅｘｐ（−α２ｘ）］・Ｒ（Ｔ） （３） なる関係が成立する。Ｒ（Ｓ1,2 ）とＲ（Ｔ）にウィー
ンの公式を適用して整理すれば次式を得る。 【００１２】 （１／λ２−１／λ１）Ｃ２／Ｓ1,2 ＝（α２−α１）ｘ＋（１／λ２−１／λ１）Ｃ２／Ｔ （４） これを温度Ｓ1,2 およびＴについて求めると、 １／Ｓ1,2 −１／Ｔ＝（α２−α１）ｘ／｛（１／λ２−１／λ１）Ｃ２｝ （５） を得る。これによれば、α２＝α１、すなわち光ファイ
バの分光吸収係数、したがって、分光透過率が互いに等
しいとき、Ｔ＝Ｓ1,2 となって光フアイバの長さｘに関
係なく測定誤差は発生しないことになる。 【００１３】光フアイバの分光吸収特性を、「光通信要
覧」（１９８４年８月科学新聞社発行）第３４頁の図
２．３．１（超高感度光ファイバの損失特性）から引用
して図２に示す。これによると、分光吸収としての損失
（ｄＢ）は、測定波長が０．６μｍより長くなるにつれ
て減少し、１．４〜１．６μｍ帯で最低となって、１．
６μｍ以上では再び増加する。しかも、（２）式より理
解されるように、２色温度計の感度は、２つの測定波長
λ２、λ１が互いに離れているほうが大きくなる。それ
ゆえ、図２を参考に、互いに離れた波長帯で、かつ、損
失の等しい波長帯を選定することが望ましい。このよう
な観点から、たとえば、λ１＝１．３０μｍ、λ２＝
１．６２μｍ、又は、λ１＝１．４０μｍ、λ２＝１．
６０μｍなど種々の組み合わせが選定できる。このよう
に選定し、α１＝α２が実現できれば、基本的には、光
ファイバ長の変化による指示誤差は生じない。 【００１４】しかしながら、実際上、光ファイバのロッ
ト間の微妙なバラツキ、あるいは、測定波長帯を制御す
る光フィルタのロット間のバラツキは避けられず、必ず
しもα１＝α２は成立しない。α１≠α２のとき、
（５）式から明らかなように、光ファイバ長ｘによる指
示変化を発生する。たとえば、互いの損失の差異が１％
で長さ１Ｋｍの光ファイバを用いてＴ＝１８００Ｋの場
合、（５）式から、λ１＝１．３０μｍ、λ２＝１．６
２μｍのとき、Ｔ−Ｓ1,2 ＝−１４．８Ｋ、同じく、λ
１＝１．４０μｍ、λ２＝１．６０μｍのとき、Ｔ−Ｓ
1,2 ＝−２５．２Ｋが求まる。これらの誤差は、長さに
比例するから、５００ｍでは１／２、１００ｍでは、１
／１０となる。精密な温度計測を実現するため、この誤
差は無視できない。 【００１５】そこで、光ファイバの損失の大きい波長帯
に第３の測定波長帯を設け、これによる分光輝度の測定
によって、長さの補正を行うことが本願発明の目的であ
る。 【００１６】すなわち、測定波長λ３における光ファイ
バの吸収係数をα３、長さｘのとき、温度Ｔ（Ｋ）の黒
体を計測したときの示度Ｓ3 （Ｋ）とするとウィーンの
公式から （Ｃ１／λ3 5 ）・ｅｘｐ（−Ｃ２／λ3 Ｓ3 ） ＝ｅｘｐ（−α３ｘ）・（Ｃ１／λ3 5 ）・ｅｘｐ（−Ｃ２／λ3 Ｔ） （６） が成立し、これを温度ＴおよびＳ3 について整理し、 １／Ｓ3 −１／Ｔ−＝α3 ｘλ3 ／Ｃ２ （７） が得られ、Ｔ−Ｓ3 の示度差は、光ファイバの長さｘに
比例する。測定波長帯として、λ３＝０．９μｍとし、
長さ１ｋｍの光ファイバの吸収係数を図２を参考にして
求め（１．７ｄＢ、０．３２４／ｋｍ）、温度１８００
Ｋにおける示度差Ｔ−Ｓ3 を、（７）式から求めるとＴ
−Ｓ3 ＝６５．７Ｋが得られる。 【００１７】次に、（５）式と（７）式から光ファイバ
長ｘは、 ｘ＝［１／Ｓ1,2 −１／Ｓ3 ］／ ［｛−α３λ３＋（α２−α１）／（１／λ２−１／λ１）｝／Ｃ２］ （８） と求められる。これを（５）式に適用して、温度Ｔが求
められる。 【００１８】 １／Ｔ＝１／Ｓ1,2 −（Ｓ1,2 −Ｓ3 ） ／［−α３λ３・（１／λ２−１／λ１）／（α２−α１）＋１］ （９） ここで、λ１、λ２、λ３は夫々の測定波長帯、α１、
α２、α３は各測定波長における光ファイバの吸収係数
で、初期値として扱えるから、温度Ｔは、光ファイバの
長さに関係なく２色測温の示度Ｓ1,2 および単色測温の
示度Ｓ3 から求めることができる。 【００１９】 【発明の効果】以上述べたように、この発明は、光ファ
イバを介し、３つの異なる波長の検出出力から２色演算
を行うとともに、もう１つの波長の検出出力とから光フ
ァイバの長さ補正を行うようにしたものである。このた
め、２色演算を行っているので、光ファイバの透過率の
変動の影響が少く高精度測定を行うことができ、しか
も、長さについても補正が可能で光ファイバ長の変化の
影響を受けずに、連続的に長い時間測定が安定的、高精
度に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】この発明の一実施例を示す特性説明図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ
１０ 先端部
２ 測定対象
３ 繰り出し装置
４ ドラム
５１、５２、５３ ハーフミラー
６１、６２、６３ フィルタ
７１、７２、７３ 検出素子
８０ 比率演算手段
８１、８２ 変換手段
９ 演算手段
Ａ１、Ａ２、Ａ３ 増幅手段
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭56−101505（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−142049（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−100340（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−58816（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01K 11/12
G01J 5/08 - 5/10
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】光ファイバを介し測定対象からの放射エネ
ルギーを受光し少くとも３つの異なる波長についての光
を検出する検出素子と、この検出素子の各波長の出力の
うち２つの波長についての出力信号の比率信号を求め、
この比率信号と他の波長についての出力信号との差に基
いて光ファイバの長さによる補正演算を行い温度を求め
る演算手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ式温
度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08555594A JP3405589B2 (ja) | 1994-03-31 | 1994-03-31 | 光ファイバ式温度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08555594A JP3405589B2 (ja) | 1994-03-31 | 1994-03-31 | 光ファイバ式温度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07270254A JPH07270254A (ja) | 1995-10-20 |
| JP3405589B2 true JP3405589B2 (ja) | 2003-05-12 |
Family
ID=13862076
Family Applications (1)
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