JP6296958B2

JP6296958B2 - 蛍光温度センサ

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Publication number: JP6296958B2
Application number: JP2014210506A
Authority: JP
Inventors: 淳之加藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: JP2016080457A

Description

本発明は、ルビーなどの結晶からなる蛍光材料を用いた蛍光温度センサに関する。

流体の温度測定には、例えば、熱電対および測温抵抗体を用いた温度センサが用いられている。温度測定対象が腐食性ガスや腐食性溶液の場合、上述した温度センサを保護管に収容し、腐食環境から温度センサを保護している。しかしながら、このような構成では、保護管を介した温度測定になるため、温度測定の応答が著しく遅くなる。

これに対し、ルビーなどの結晶からなる蛍光材料を用いた蛍光温度センサによれば、腐食環境においても、検出部となるルビーの耐腐食性が高いため、保護管に収容することなく、温度測定に供することが可能となる（非特許文献１，２参照）。このため、図１０に示すように、保護管に測温抵抗体を収容した温度センサの応答（ｂ）に対し、蛍光温度センサの応答（ａ）は、応答速度が１桁程度早くなる。

ところで、上述した蛍光温度センサでは、励起光および蛍光の導波のために、光ファイバが用いられる。しかしながら、光ファイバは耐腐食性があまり高くなく、測定環境に配置することは容易ではない。このため、所定の長さの棒状のサファイアなどの先端にルビーを固定し、後端に光ファイバを接続して用いている。このような構成とすることで、測定環境内でサファイア棒の長さにより、先端に固定されたルビーを、測定環境内で所望の測定箇所にまで到達させている。この場合、光ファイバは、測定環境外に配置されるため、腐食環境などの影響を受けることがない。

H. Aizawa et al. , "Evaluation of the Fiber-Optic Thermometer Using Fluorescent Lifetime of Ruby", IEEJ Trans. SM, vol.123, no.6, pp.178-184,2003. 衣笠静一朗、加藤淳之、菊池則雄、柳川雄成、「蛍光温度センサの開発」、azbil Technology Review、６２−６７頁、２０１２年１月発行号。

しかしながら、上述した蛍光温度センサでは、屈曲させることができないサファイア棒などにより、ルビーを測定位置にまで到達させているため、測定領域が屈曲した形状の場合、蛍光体結晶であるルビーを所望とする測定箇所にまで到達させることができない場合が発生する。また、測定領域が微小である場合、サファイア棒を細くすることになるが、強度が低下し、取り扱いが容易ではなくなる。このように、従来では、測定対象が腐食性物質の場合、結晶からなる蛍光材料を、所望とする測定箇所に容易に配置できないという問題があった。また、サファイアはルビーと同様に高熱伝導材料であることから、蛍光体のルビーからの熱伝導が大きく、応答性の低下及び測定精度を悪くする要因となってしまう。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、測温対象が腐食性物質であっても、耐腐食性の高い結晶からなる蛍光材料を、所望とする測定箇所に応答性を損なわずに容易に配置できるようにすることを目的とする。

本発明に係る蛍光温度センサは、蛍光体結晶と、蛍光体結晶への励起光および蛍光体結晶の蛍光を導波する光ファイバと、光ファイバの蛍光体結晶が配置される側の光入出射端を含む光ファイバの先端領域を被包し、先端部に蛍光体結晶が固定されるフッ素樹脂から構成されたパイプ部とを備える。

上記蛍光温度センサにおいて、蛍光体結晶と光ファイバの光入出射端との間に設けられた空気絶縁層を備えるようにしてもよい。

上記蛍光温度センサにおいて、蛍光体結晶は板状とされ、光ファイバの延在方向と、蛍光体結晶の平面の法線方向とは、異なる方向とされているようにしてもよい。
また、蛍光体結晶と光入出射端との間のパイプ部の先端部との間に流体が通るスペースを備えるようにしてもよい。なお、蛍光体結晶と光入出射端との間のパイプ部の先端部の厚さは５ｍｍ以下とされていればよい。また、蛍光体結晶は、ルビーでああればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、測温対象が腐食性物質であっても、耐腐食性の高い結晶からなる蛍光材料を、所望とする測定箇所に応答性を損なわずに容易に配置できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における蛍光温度センサの構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態２における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態２における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態３における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態３における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態３における蛍光温度センサの構成を示す平面図である。図７は、本発明の実施の形態４における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図８は、本発明の実施の形態５における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図９Ａは、本発明の実施の形態６における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。図９Ｂは、本発明の実施の形態６における蛍光温度センサの一部構成を示す断面図である。図１０は、温度センサの応答例を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における蛍光温度センサの構成を示す構成図である。図１では、センサの部分は断面を示している。

この蛍光温度センサは、まず、蛍光体結晶１０１と、蛍光体結晶１０１への励起光および蛍光体結晶１０１の発光光を導波する光ファイバ１０２とを備える。蛍光体結晶１０１は、例えば、ルビーである。ルビーは、酸化アルミニウム単結晶体にクロムイオン（Ｃｒ³⁺）が添加された結晶である。よく知られているように、例えば中心波長５５０ｎｍの励起光照射により、波長６９４．３ｎｍを中心とする蛍光を発する。この蛍光の寿命が、温度によって変化する。

また、この蛍光温度センサは、光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包するパイプ部１０３を備える。パイプ部１０３は、フッ素樹脂から構成されている。例えば、ニチアス株式会社製のナフロン（登録商標）ＰＦＡ−ＳＧチューブから、パイプ部１０３を構成することができる。

また、パイプ部１０３は、光ファイバ１０２の蛍光体結晶１０１が配置される側の光入出射端１０５を含む光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包する。また、パイプ部１０３の先端部１０６に、蛍光体結晶１０１が固定される。蛍光体結晶１０１と光入出射端１０５との間のパイプ部１０３の先端部１０６の厚さは、例えば０．５ｍｍとされている。ファイバを薬液から保護する目的では厚い程望ましいが、励起光及び蛍光の光量は厚さに比例して低下するため、パイプ部の先端部の厚さは５ｍｍ以下が適当である。なお、実施の形態１では、フッ素樹脂からなる熱収縮チューブ１０７により、蛍光体結晶１０１を先端部１０６に固定している。また、実施の形態１では、蛍光体結晶１０１と光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間に、空気絶縁層１０８を設けている。

この蛍光温度センサを用いた測温では、発光ダイオード１１１を出射し、ダイクロイックフィルター１１２を反射して集光レンズ１１３を通過した励起光は、光ファイバ１０２を導波して先端部１０６に到達する。フッ素樹脂から構成されたパイプ部１０３の先端部１０６は、励起光を透過するため、励起光は蛍光体結晶１０１に到達する。このようにして励起光が照射された蛍光体結晶１０１は、蛍光（発光光）を発する。フッ素樹脂から構成されている先端部１０６は、この発光光も透過するため、発光光は、光ファイバ１０２の光入出射端１０５に到達し、光ファイバ１０２を導波して集光レンズ１１３で集光され、ダイクロイックフィルター１１２を透過してフォトダイオード１１４で受光される。

上述した実施の形態１によれば、まず、パイプ部１０３は、フッ素樹脂から構成されているので、十分な耐腐食性を備え、腐食環境であっても光ファイバ１０２の先端領域１２１を保護することができる。パイプ部１０３は、フッ素樹脂から構成されているので、光ファイバ１０２の光入出射端１０５を覆う構造としても、蛍光体結晶１０１への励起光の照射、および蛍光体結晶１０１からの発光光の光ファイバ１０２への光結合が可能となる。また、フッ素樹脂から構成されているパイプ部１０３は、変形可能であり、蛍光体結晶１０１を、所望とする測定箇所に容易に配置することが可能となる。

また、実施の形態１では、空気絶縁層１０８を備えているので、測定雰囲気に晒されて高温となる蛍光体結晶１０１と、光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間の熱伝導を抑制できる。もちろん、フッ素樹脂自体が熱絶縁材料であるため空気絶縁層が無い構成も十分可能である。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。

この蛍光温度センサは、まず、蛍光体結晶２０１と、蛍光体結晶２０１への励起光および蛍光体結晶２０１の発光光を導波する光ファイバ１０２とを備える。蛍光体結晶２０１は、例えば、円形の板状（円板状）としたルビーである。

また、この蛍光温度センサは、光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包するパイプ部２０３を備える。パイプ部２０３は、フッ素樹脂から構成されている。また、パイプ部２０３は、光ファイバ１０２の蛍光体結晶２０１が配置される側の光入出射端１０５を含む光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包する。

また、パイプ部２０３の先端部２０６に、蛍光体結晶２０１が固定される。実施の形態２では、光ファイバ１０２の延在方向と、蛍光体結晶２０１の平面の法線方向とが、異なる方向とされている。例えば、蛍光体結晶２０１の平面の法線方向は、光ファイバ１０２の延在方向に対して４５°傾いている。なお、実施の形態２では、先端部２０６に蛍光体結晶２０１を掛合させて固定している。

また、実施の形態２では、蛍光体結晶２０１と光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間に、空気絶縁層２０８を設けている。実施の形態２では、光ファイバ１０２の光入出射端１０５は、先端部２０６の遮断部２０６ａに当接しており、遮断部２０６ａと蛍光体結晶２０１との間に、空気絶縁層２０８が配置されている。また、パイプ部２０３の光ファイバ挿入部において、熱収縮チューブ２０９により、光ファイバ１０２を固定している。

ここで、図３に示すように、配管３０１を流れる流体３０２の温度測定では、流れの方向に対して光ファイバ１０２の延在方向が垂直な状態で、蛍光体結晶２０１が配管３０１断面の中央部に配置されるように、配管３０１の側部より蛍光温度センサを貫入している。このように配置される状態で、実施の形態２では、例えば、蛍光体結晶２０１の平面の法線方向を、光ファイバ１０２の延在方向に対して４５°傾けているので、流体３０２の流れに蛍光体結晶２０１の表面が向き合う状態となる。この結果、温度測定の応答速度をより高くすることが可能となる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態３における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。

この蛍光温度センサは、まず、蛍光体結晶１０１と、蛍光体結晶１０１への励起光および蛍光体結晶１０１の発光光を導波する光ファイバ１０２とを備える。蛍光体結晶１０１は、例えば、ルビーである。これらは、前述した実施の形態１と同様である。

また、この蛍光温度センサは、光ファイバ１０２の先端領域４２１を被包するパイプ部４０３を備える。パイプ部４０３は、フッ素樹脂から構成されている。また、パイプ部４０３は、光ファイバ１０２の蛍光体結晶１０１が配置される側の光入出射端１０５を含む光ファイバ１０２の先端領域４２１を被包する。また、パイプ部４０３の先端部４０６に、蛍光体結晶１０１が固定される。

実施の形態３では、先端部４０６の爪部４０９により、蛍光体結晶１０１を係止している。一方、パイプ部４０３の光ファイバ挿入部においては、接着剤４１０により、光ファイバ１０２を固定している。また、実施の形態３では、蛍光体結晶１０１と光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間に、流体が通るスペース４０８を設けている。実施の形態３では、光ファイバ１０２の光入出射端１０５は、先端部４０６の遮断部４０６ａに当接しており、遮断部４０６ａと蛍光体結晶１０１との間に、スペース４０８が配置されている。なお、円形の板状とした蛍光体結晶２０１を用いる場合、図５に示すように、パイプ部４０３の先端部４０６に固定すればよい。

例えば、図６の（ａ）に示すように、円筒形状のパイプ部４０３において、４つの爪部４０９により、蛍光体結晶１０１を係止することができる。また、図６の（ｂ）に示すように、３つの爪部４０９により、蛍光体結晶１０１を係止することができる。また、図６の（ｃ）に示すように、２つの幅広とした爪部４０９により、蛍光体結晶１０１を係止することができる。また、図６の（ｄ）に示すように、４つの爪部４０９により、円形以外の蛍光体結晶２０１を係止することができる。

この実施の形態３においても、まず、パイプ部４０３は、フッ素樹脂から構成されているので、十分な耐腐食性を備え、腐食環境であっても光ファイバ１０２の先端領域４２１を保護することができる。パイプ部４０３は、フッ素樹脂から構成されているので、遮断部４０６ａで光入出射端１０５を覆う構造としても、蛍光体結晶１０１（蛍光体結晶２０１）への励起光の照射、および蛍光体結晶１０１（蛍光体結晶２０１）からの発光光の光ファイバ１０２への光結合が可能となる。また、フッ素樹脂から構成されているパイプ部４０３は、変形可能であり、蛍光体結晶１０１（蛍光体結晶２０１）を、所望とする測定箇所に容易に配置することが可能となる。

また、実施の形態３では、流体が通るスペース４０８を備えているので、蛍光体結晶１０１（蛍光体結晶２０１）の両面が測定雰囲気に晒されるため、より高速な応答が期待できる。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態４における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。

この蛍光温度センサは、まず、円形の板状とした蛍光体結晶２０１と、蛍光体結晶２０１への励起光および蛍光体結晶２０１の発光光を導波する光ファイバ１０２とを備える。蛍光体結晶２０１は、例えば、ルビーである。また、この蛍光温度センサは、光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包するパイプ部１０３を備える。パイプ部１０３は、フッ素樹脂から構成されている。

また、パイプ部１０３は、光ファイバ１０２の蛍光体結晶２０１が配置される側の光入出射端１０５を含む光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包する。また、パイプ部１０３の先端部１０６に、蛍光体結晶２０１が固定される。蛍光体結晶２０１と光入出射端１０５との間のパイプ部１０３の先端部１０６の厚さは、例えば０．５ｍｍとされている。また、実施の形態４では、蛍光体結晶２０１と光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間に、空気絶縁層１０８を設けている。

上述した構成は、円形の板状とした蛍光体結晶２０１を用いている点以外は、実施の形態１と同様である。実施の形態４では、フッ素樹脂によるモールディング６０７により、蛍光体結晶２０１全体を被覆する状態で先端部１０６に固定している。

上述した実施の形態４においても、まず、パイプ部１０３は、フッ素樹脂から構成されているので、十分な耐腐食性を備え、腐食環境であっても光ファイバ１０２の先端領域１２１を保護することができる。パイプ部１０３は、フッ素樹脂から構成されているので、光ファイバ１０２の光入出射端１０５を覆う構造としても、蛍光体結晶２０１への励起光の照射、および蛍光体結晶２０１からの発光光の光ファイバ１０２への光結合が可能となる。また、フッ素樹脂から構成されているパイプ部１０３は、変形可能であり、蛍光体結晶２０１を、所望とする測定箇所に容易に配置することが可能となる。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態５における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。

この蛍光温度センサは、まず、円形の板状とした蛍光体結晶２０１と、蛍光体結晶２０１への励起光および蛍光体結晶２０１の発光光を導波する光ファイバ１０２とを備える。蛍光体結晶２０１は、例えば、ルビーである。また、この蛍光温度センサは、光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包するパイプ部８０３を備える。パイプ部８０３は、フッ素樹脂から構成されている。

また、パイプ部８０３は、光ファイバ１０２の蛍光体結晶２０１が配置される側の光入出射端１０５を含む光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包する。また、パイプ部８０３の先端部８０６に、蛍光体結晶２０１が固定される。蛍光体結晶２０１と光入出射端１０５との間のパイプ部８０３の先端部８０６の厚さは、例えば０．５ｍｍとされている。また、実施の形態５では、蛍光体結晶２０１と光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間に、空気絶縁層１０８を設けている。

上述した構成は、実施の形態４と同様である。実施の形態５では、パイプ部８０３の先端部８０６に一体に形成した被覆部８０９により、蛍光体結晶２０１全体を被覆する状態で先端部８０６に固定している。先端平面部８０９の厚さは、流体から蛍光体結晶２０１への熱伝導を考慮し、例えば０．２ｍｍとされている。

上述した実施の形態５においても、まず、パイプ部８０３は、フッ素樹脂から構成されているので、十分な耐腐食性を備え、腐食環境であっても光ファイバ１０２の先端領域１２１を保護することができる。パイプ部８０３は、フッ素樹脂から構成されているので、光ファイバ１０２の光入出射端１０５を覆う構造としても、蛍光体結晶２０１への励起光の照射、および蛍光体結晶２０１からの発光光の光ファイバ１０２への光結合が可能となる。また、フッ素樹脂から構成されているパイプ部８０３は、変形可能であり、蛍光体結晶２０１を、所望とする測定箇所に容易に配置することが可能となる。

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６について、図９Ａ，図９Ｂを用いて説明する。図９Ａ，図９Ｂは、本発明の実施の形態６における蛍光温度センサの構成を示す断面図である。

この蛍光温度センサは、まず、円形の板状とした蛍光体結晶２０１と、蛍光体結晶２０１への励起光および蛍光体結晶２０１の発光光を導波する光ファイバ１０２とを備える。蛍光体結晶２０１は、例えば、ルビーである。また、この蛍光温度センサは、光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包するパイプ部９０３を備える。パイプ部９０３は、フッ素樹脂から構成されている。

また、パイプ部９０３は、光ファイバ１０２の蛍光体結晶２０１が配置される側の光入出射端１０５を含む光ファイバ１０２の先端領域１２１を被包する。また、パイプ部９０３の先端部９０６に、蛍光体結晶２０１が内側パイプ部９１１により固定される。実施の形態６では、先端部９０６の先端平面部９０９より内側に、蛍光体結晶２０１が配置されている。先端平面部９０９の厚さは、流体からから蛍光体結晶２０１への熱伝導を考慮し、例えば０．２ｍｍとされている。

また、実施の形態６では、パイプ部９０３と、光ファイバ１０２との間に、内側パイプ部９１１を備えている。内側パイプ部９１１も、フッ素樹脂から構成されている。内側パイプ部９１１は、先端部９１２に、円環状の突起部９１２ａを備え、突起部９１２ａの内側に凹部を備える。この凹部の底面においては、光入出射端１０５が露出している。このように、実施の形態６では、パイプ部を２重構造としている。なお、突起部９１２ａの内側の凹部により、蛍光体結晶２０１と光ファイバ１０２の光入出射端１０５との間に、空気絶縁層１０８が形成されていることになる。

上述した実施の形態６においても、まず、パイプ部９０３，内側パイプ部９１１は、フッ素樹脂から構成されているので、十分な耐腐食性を備え、腐食環境であっても光ファイバ１０２の先端領域９２１を保護することができる。特に、実施の形態６では、２重構造としているので、より高い耐腐食性が得られる。もちろん内側パイプ９１１は、フッ素樹脂以外の材料であっても外側のフッ素樹脂パイプにより保護されるため使用可能である。

図９では、光入出射端１０５が内側パイプ部９１１端面から露出しているが、光入出射端１０５が内側パイプ部９１１でおおわれている構造も可能である。また、フッ素樹脂から構成されているパイプ部９０３，内側パイプ部９１１は、変形可能であり、蛍光体結晶２０１を、所望とする測定箇所に容易に配置することが可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、蛍光体結晶は、ルビーに限るものではなく、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，ＹＡｌＯ₃，イットリウム・アルミニウム・ガーネットなどの結晶から構成してもよい。

１０１…蛍光体結晶、１０２…光ファイバ、１０３…パイプ部、１０５…光入出射端、１０６…先端部、１０７…熱収縮チューブ、１０８…空気絶縁層、１１１…発光ダイオード、１１２…ダイクロイックフィルター、１１３…集光レンズ、１１４…フォトダイオード。

Claims

蛍光体結晶と、
前記蛍光体結晶への励起光および前記蛍光体結晶の蛍光を導波する光ファイバと、
前記光ファイバの前記蛍光体結晶が配置される側の光入出射端を含む前記光ファイバの先端領域を被包し、先端部に前記蛍光体結晶が固定されるフッ素樹脂から構成されたパイプ部と
を備えることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１記載の蛍光温度センサにおいて、
前記蛍光体結晶と前記光ファイバの前記光入出射端との間に設けられた空気絶縁層を備えることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１または２記載の蛍光温度センサにおいて、
前記蛍光体結晶は板状とされ、
前記光ファイバの延在方向と、前記蛍光体結晶の平面の法線方向とは、異なる方向とされていることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１または２記載の蛍光温度センサにおいて、
前記蛍光体結晶と前記光入出射端との間の前記パイプ部の先端部との間に流体が通るスペースを備えることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光温度センサにおいて、
前記蛍光体結晶と前記光入出射端との間の前記パイプ部の先端部の厚さは５ｍｍ以下とされていることを特徴とする蛍光温度センサ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の蛍光温度センサにおいて、
前記蛍光体結晶が、ルビーであることを特徴とする蛍光温度センサ。