JPH0461288B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、放射温度に適した光電変換装置に関
するものである。

従来技術 従来、熱源から放射される放射エネルギーを光
電変換装置によつて電気量に変換して該熱源の温
度を測定する放射温度計は知れらている。このよ
うな放射温度計において、光電変換装置自体の温
度による測定誤差を補償する為の温度補償の方法
として、(1)予め素子の温度特性を計測しておき、
素子近傍に熱電対、サーミスタ等の温度検知器を
配して、検知された温度から上記温度特性をもと
に温度補償する方法、(2)上述の如き温度検知器を
素子近傍に配し、検知された温度によつて熱源も
しくは冷源を制御して素子の温度を一定に保つ方
法、が従来知られている。しかしながら、上記(1)
(2)の方法では、いずれも素子近傍に温度検知器を
配さねばならず、構成が複雑となる上に、温度検
知器により検知される温度は素子自身の温度では
ないので素子自身の温度を正確に検知することが
できず、また温度変化に対して素子と温度検知器
との応答速度の差もある為、温度補償に誤差を生
じやすいものである。

目 的 本発明は、上述のような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、Geを光起電力素子とし
て用いた中温用放射温度計など、光起電力素子の
温度依存性が問題となるときに、該温度依存性に
かかわらず、正確に素子への入射光強度のみに応
じた電気信号を得ることが可能な光電変換装置を
提供することにある。

実施例 以下、図面に基いて本発明の実施例を詳細に説
明するが、まずその前に本発明の基本原理を説明
する。

第１図は光起電力素子の等価回路を示すもので
あり、２は入射光強度loに応じたた電流ioを流す
定電流源、４は該定電流源２に並列接続されたダ
イオードである。ダイオード４に流れる電流を
id、外部に取り出せる電流をｉとすると、 ｉ＝io−id ……(1) なる関係がある。今、素子自身の温度が一定であ
るとし、素子の両端子ｔ１，ｔ２に電圧ｖが印加
されるとすると、その電圧ｖと、素子外部にとり
出される電流ｉとの関係は第２図に示されるよう
になる。第２図において、ioは上述の如き入射光
強度loに比例する定電流で、isは電圧ｖに依存す
るダイオード固有の逆飽和電流である。

(1)式のio、idは共に温度依存性を有しており、
それぞれ、 io＝lo×ｆ（ｔ） ……(2) id＝is（e^gv/kt−１） ……(3) と示される。ここで、 lo；入射光強度 is；ダイオードの逆飽和電流 ｇ；ダイオード固有の定数 ｖ；印加電圧 ｋ；ボルツマン定数 ｔ；素子の絶対温度 である。

印加電圧ｖが負の値を取り、e^gv/kt項が１に比
べて無視できる程小さいとすると、(3)式は id＝−is ……(4) となり、(1)式は ｉ＝io＋is ……(5) となる。ここで、isにも温度依存性があり、 is＝ｇ（ｔ） ……(6) とあらわされる。

本発明は、後述の実施例において詳細に説明さ
れる如く、素子の出力電流ｉに基いて(5)式に示さ
れるio、isをそれぞれ得て、このisから(6)式に基
いて素子の絶対温度ｔを求め、この絶対温度ｔを
用いて得られたioの値を補償することによつて、
素子の絶対温度ｔには依存せず入射光強度loのみ
に依存する電気量Ｉを得ようとする基本原理に基
づくものであり、この基本原理自体新規なもので
ある。

上記基本原理を数式にて表現すると、まず、素
子の出力電流ｉから後述の方法によつてio、isを
それぞれ求める。このようにして求められたio、
isのうちまず、isから(6)式に基いて、絶対温度ｔ
を求める。

ｔ＝g^-1（is） このｔを用いると、(2)式は、 io＝lo×ｆ（g^-1（is）） とあらわされ、 Ｉ＝io／ｆ（g^-1（is）） ……(7) によりＩを求めると、これは入射光強度のみに依
存し、温度に依存しない値となるのである。

次に後述の実施例に光起電力素子として用いら
れるGeの場合に(7)式のｆ（g^-1（is））、すなわち(2)
式のｆ（ｔ）の求め方について説明する。Geの場
合、ｆ（ｔ）はｔの一次関数として、ｇ（ｔ）はｔ
のべき関数としてそれぞれ良好に近似されるもの
である。そこで、 ｆ（ｔ）＝Ａ＋Bt ……(8) ｇ（ｔ）＝α・e〓^t＝is ……(9) とし、Ａ、Ｂ、α、βはそれぞれ光起電力素子の
感度や温度依存性により定まる定数であるから、
(9)式より、 ln is＝lnα＋βt ｔ＝（ln is−lnα）／β となり、これを(8)式に代入すると、 ｆ（ｔ）＝Ａ＋Ｂ（ln is−lnα）／β ……(10) となる。ここで、ａ＝Ａ−Blnα／β、ｂ＝Ｂ／
βとすると(10)式は ｆ（ｔ）＝ａ＋ｂ・ln is ……（11） とあらわされる。ここで、ａ・ｂは温度に依存し
ない値であり、isは温度に依存する値である。(7)
式のｆ（g^-1（is））は上記（11）式のｆ（ｔ）で置
換され、 Ｉ＝io／ａ＋ｂ ln is ……（12） が得られ、この値は温度に依存せず入射光強度の
みに依存するので、入射光強度のみを正確に電気
量に変換できる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。第３
図は本発明の一実施例の光電変換装置を用いた放
射温度計の電気回路図で、同図において、６は第
１図にその等価回路が示されたGeからなる光起
電力素子である。本実施例は、素子６の出力電流
を直流的に扱う構成であり、素子６の前には該素
子６の受光状態を互いに異なる２つの状態に切換
える光制御手段８が設けられている。この光制御
手段８は、後述のマイクロコンピユータ３６によ
り一定周期でON−OFFがくり返されるアナログ
スイツチ１０、マグネツト１２、電源１４、及
び、素子６の前に進退自在で退避方向にスプリン
グ付勢されている遮光板１６からなる。アナログ
スイツチ１０は、第４図Ａのタイムチヤートに示
されるように一定周期でON−OFFをくり返さ
れ、アナログスイツチ１０がONの第１の状態の
とき、マグネツト１２は励磁されて遮光板１６は
素子６の前に位置する。この状態では、素子６は
熱源からの放射光を全く受光せず、従つて、素子
６の出力電流i₁は、逆飽和電流分isのみとなる。
次に、アナログスイツチ１０がOFFの第２の状
態になると、マグネツト１２は消磁されて遮光板
１６は素子６の前から退避する。従つて、この第
２の状態では、素子６は熱源から素子６に向かう
測定光を受光し、その出力電流i₂は、測定光の強
度l₀に応じた定電流分ioと、上記逆飽和電流分is
との和io＋isとなる。（i₂＝io＋is）アナログスイ
ツチ１０のON−OFF周期に同期して、素子６は
第５図に示される如くi₁，i₂を交互に出力する。
この出力電流は、電流−電圧変換回路１８により
電流値に応じた電圧値に変換される。

マイクロコンピユータ３６により一定周期で
ON−OFFがくり返されるアナログスイツチ２
０，２２、定電圧源２４，２６コンパレータ２
８，３０及びコンデンサ３２からなる回路３４は
Ａ／Ｄ変換回路を構成する。アナログスイツチ２
０，２２のON−OFFタイミングは、それぞれ、
第４図のＢ，Ｃに示されており、コンパレータ３
０の入出力点Ｄ，Ｅの電圧変化は第４図Ｄ，Ｅに
それぞれ示されている。Ａ／Ｄ変換回路３４は、
上記電流−電圧変換回路１８の出力電圧を順次デ
ジタル化し、マイクロコンピユータ３６に送る。
マイクロコンピユータ３６は、上記i₁，i₂に応じ
たデジタル信号に基いてまずio，isを求め（io＝
i₂−i₁、is＝i₁）（12）式を用いて、素子６に入射
する測定光の強度のみに依存し、素子６の温度に
は依存しない電気量Ｉを演算する。更に、マイク
ロコンピユータ３６は該電気量Ｉに基いて熱源の
放射温度Tmを演算する。マイクロコンピユータ
３６は、更に、数サイクルにわたつてTmの演算
を行い、その平均値を測定放射温度Toとし、To
に応じた電気量を出力する。３８は表示回路で、
マイクロコンピユータ３６の出力電気量に応じて
測定放射温度Toを表示する。

測定光強度lmに対応する電気量Ｉから放射温
度Tmを演算するには、 Ｉ／Ii＝∫P（λ、Tm）Ｓ（λ）dλ／∫P（λ、Ti）Ｓ
（λ）dλ……（13） を用いる。ここで、装置更正時の所定の光強度li
に対する電気量がIiで、これに対する放射温度が
Tiであり、 li＝∫P（λ、Ti）dλ lm＝∫P（λ、Tm）dλ である。Ｓ（λ）は装置更正時の放射温度に対す
る光起電力素子の分光感度を示す。Tmを求める
には、予めTmの（13）式右辺との関係を算出し
ておき、更正時の∫P（λ、Ti）Ｓ（λ）dλ及びIi
と、測定時に得られるＩとから∫P（λ、Tm）Ｓ
（λ）dλが求まり、それからTmを求める。

以上のように、本実施例によれば、光起電力素
子自身の有する温度依存性によつて、該素子の出
力電流を温度補償して、該温度依存性に依存せず
光起電力素子に入射する入射光強度のみに依存す
る電気量を得ることができるので、従来のよう
に、素子近傍に温度検知器を配する必要はなくな
り、構成が簡単になるとともに、素子自身の温度
に基いてその温度補償を行うことができるので、
正確に入射光強度のみに依存する電気量を得るこ
とができ、正確に熱源の温度を測定可能な放射温
度計を得ることができる。

尚、上記実施例では、開状態では測定光が全て
光起電力素子に入射し、閉状態では測定光が全く
入射しないように光制御手段が構成されていた
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例
えば、光起電力素子の前に液晶等からなる透過率
切換手段を設けて、光起電力素子の受光状態を互
いに異なる２つの状態に切換えるように構成して
も良い。この場合、第１の状態における上記透過
率切換手段の透過率をth、第２の状態における該
透過率をtl（th＞tl）とすると、光起電力素子の出
力電流は第６図の如く変化する。すなわち、上記
第１の状態における素子の出力電流iaは ia＝th・io＋is ……（14） となり、上記第２の状態における素子の出力電流
ibは ib＝tl・io＋is ……（15） となる。th、tlはそれぞれ既知の所定値であり、
ia、ibはそれぞれ得られるので、上記（13）（14）
式の連立方程式からio、isは求まり、（12）式に
基いて温度に依存せず入射光強度のみに依存する
電気量Ｉを求めることができる。

第７図は本発明の別の実施例を示すものであ
り、この実施例は光起電力素子６の前に配置され
るセクタ４０をモータ４２により高速回転させ素
子６への入射光量を連続的に変化せしめ、素子６
の出力電流を交流成分と直流成分とに分けてそれ
ぞれ検出し、これらからio、isを演算し、以後は
先の実施例と同様に電気量Ｉを演算するものであ
る。

まず、本実施例におけるio、isの検出原理につ
いて説明すと、上記交流成分M₁は M₁＝Ｒ・io ……（16） となり、一方、直流成分M₂は M₂＝io＋is／２ ……（17） となる。ここで、Ｒは定数である。（17）式より、 is＝M₂−io／２ ……（18） となり、io／２＝αM₁となるようにαを選ぶと、
（17）の式は、 is＝M₂−αM₁ ……（19） となり、M₁、M₂からisが求められる。尚、上記
αは実際には装置個々に応じて若干異なるもので
あり、温度変化によるioの変化に対してisが変化
しないように選択されるものである。一方、io
は、（16）式から io＝M₁／Ｒ ……（20） により得られる。ここでＲは、既知の入射光強度
loに対し、該loに対応するM₁が得られように選
択されるものである。

本実施例は、このようにして（19）（20）式か
ら得られるis、ioに基いて（12）式を用いて、素
子の温度には依存せず入射光強度のみに依存する
電気量Ｉを演算するものである。

以下、本実施例の構成を第７図に基いて詳細に
説明すると、第７図において、光起電力素子６の
受光面前には、該光起電力素子６の受光状態を制
御するセクタ４０が配置されており、該セクタ４
０はモータ４２によつて回転され、入射光は断続
的に光起電力素子６に入射される。光起電力素子
６の出力電流ｉは、電流−電圧変換回路４４によ
り電圧に変換される。この電圧のうち、直流成分
はローパスフイルタ４６を介して検出され、一
方、交流成分は直流除去回路４８、両波整流回路
５０及びローパスフイルタ５２を介して検出され
る。

アナログスイツチ５４，５６，５８，６０はそ
れぞれマイクロコンピユータ６４によつてON−
OFF制御されるものであり、そのタイミングが、
それぞれ、第８図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに示されてい
る。まず、アナログスイツチ５４がONのとき、
アナログスイツチ５８，６０が交互にONになつ
て、上記交流成分M₁に対応する電圧が第３図と
全く同様のＡ／Ｄ変換回路６２によつてデジタル
量に変化され、マイクロコンピユータ６４に入力
される。次に、アナログスイツチ５４がOFFに
なり、アナログスイツチ５６がONになる。この
状態で、上述と同様にアナログスイツチ５８，６
０が交互にONになり、上記直流成分M₂に対応
するデジタル量がマイクロコンピユータ６４に入
力される。Ａ／Ｄ変換回路６２のコンパレータの
入出力点Ｅ，Ｆにおける電圧変化は第８図Ｅ，Ｆ
にそれぞれ示されている。以後、マイクロコンピ
ユータ６２により制御されるON−OFFタイミン
グにより上記動作がくり返される。

マイクロコンピユータ６４は、上記（19）（20）
式に基いてそれぞれis、ioを演算し、これを用い
て（12）式により電気量Ｉを演算し、Ｉから前述
と同様にして放射温度Tmを演算する。これを数
サイクルにわたつてくり返し各放射温度Tmの平
均値Toに応じた電気信号を出力する。表示回路
６６は放射温度Toを表示する。

以上は、本実施例装置を用いて熱源の放射温度
を測定する測定時の動作を説明したもので、該測
定時においてはスイツチ６８は図示の如く(A)側に
設定されている。該スイツチ６８は手動操作可能
であり、装置製造時には（12）式のａ、ｂの値を
更正する為に(B)側に設定される。更正時の操作及
びマイクロコンピユータ６４における計算手順を
第９図のフローチヤートを用いて説明する。フロ
ーチヤート中、○印にて囲んだステツプはマイク
ロコンピユータ６４内の計算手順を示し、その
他、無印のステツプは操作者の操作手順を示す。

まず、ステツプ１、２に示される如く、素子の
温度を一定taにし、素子への入射光をゼロにす
る。ステツプは、アナログスイツチ５４が
OFF、５６がON状態で温度taにおける（17）式
のisを求めるステツプである。この状態ではio＝
０であるから、m₁＝M₂＝isとなる。isの測定が
完了すると、終了表示がなされる。すると、操作
者が素子への入射光強度を一定値loとする。（ス
テツプ４）この状態で、素子の出力電流の交流成
分から温度taにおける（16）式のM₁が測定され、
m₂＝M₁＝Ｒ・ioがメモリされる。（ステツプ）
次に素子の出力電流の直流成分から温度taにおけ
る（17）式のM₂が測定され、m₃＝M₂＝is＋io／
２としてメモリされる。（ステツプ）ステツプ
が完了すると、終了表示がなされる。ステツプ
は、上記m₁〜m₃から（19）式のαを演算し、
これを更正するステツプである。αはm₄として
メモリされる。次に、ステツプ８で、素子の温度
をステツプ１の温度taとは異なる任意の温度tbに
する。ステツプは、それぞれ、ステツプ
と同様にして温度tbにおけるM₁，M₂を求めるス
テツプであり、これらはそれぞれm₅、m₆として
メモリされる。ステツプは（19）式に基いて温
度tbにおけるisを求めるステツプで、これはm₇と
してメモリされる。ステツプは（12）式のａを
演算、更正するステツプ、ステツプは（12）式
のｂを演算、更正するステツプである。このよう
にして、（19）式のα及び（12）式のａ、ｂが更
正され、更正が完了すると終了表示かなされる。

次に、測定時のマイクロコンピユータ６４の計
算手順を第１０図のフローチヤートに示す。測定
時には、スイツチ６８が(A)側に切換えられ、マイ
クロコンピユータ６４のプログラムが測定用に設
定される。ステツプは、更正時のステツプ
と同様にして、測定光に対する素子の出力電流
の交流成分M₁、直流成分M₂を求めるステツプ
で、それぞれm₁₀、m₁₁としてメモリされる。ス
テツプは、（19）式に基いてisを求めるステツ
プでisはm₁₂としてメモリされる。ステツプは
（12）式の演算を行なつて電気量Ｉを求めるステ
ツプで、Ｉはm₁₃としてメモリされる。ステツプ
は（13）式の演算を行なつて熱源の放射温度
Tmを求めるステツプである。ステツプ〜を
１サイクルとして、各サイクルごとにTmが求め
られ、Tmの平均値に応じて電気量が出力され
る。（ステツプ） 以上のように、本実施例においても、光起電力
素子の近傍に温度検知器を設けなくとも該素子の
温度補償を行うことができるので、装置をコンパ
クトにすることができるし、更に、素子自身の温
度に基いて温度補償がなされるので非常に正確で
あり、精度の良い光電変換装置を得ることができ
るとともに、精度の良い測定結果に基いた高精度
の放射温度計を得ることができる。

更に、上記両実施例共に、光起電力素子のダイ
オード成分の逆飽和特性を利用しているので、該
素子への印加電圧Ｖが変動してもisはほとんど変
動せず、簡単に精度の良い光電変換装置が得ら
れ、更にそれを用いた精度の良い放射温度が得ら
れる。

尚、上記実施例においては、いずれも素子の温
度を得る為に逆飽和電流isを用いていたが、本発
明はこれを限定されるものではなく、任意の印加
電圧に対して温度にのみ依存する電流とその温度
との関係が定まり、該電流値から素子の温度が一
義的に定まるものであればよい。

効 果 以上のように、本発明は光起電力素子を用いる
光電変換装置において、光源から上記光起電力素
子に入射する入射光の光量を変化せしめる光制御
手段と、上記光量変化による上記光起電力素子の
出力電流変化に基いて該光起電力素子の温度依存
性を補償する演算を行なつて、該光起電力素子に
入射する入射光の強度のみに応じた電気信号を得
る演算手段とを有することを特徴とするものであ
り、このように構成することによつて、従来のよ
うに素子近傍に温度検知器を設けなくとも良いの
で構成が簡単かつコンパクトになるし、更に素子
自身の温度をもとに温度補償を行うことができる
ので、正確に素子への入射光強度のみに応じた電
気信号を得ることができる。

更に、実施態様のように、素子の温度を検知す
る為に該素子の出力電流中の逆飽和電流分を用い
れば、これは温度のみによつて増減し、印加電圧
の変動によつてはほとんど増減しないので、印加
電圧の変動による精度の悪化を防止することがで
きる。

更に、実施態様のようにGeからなる光起電力
素子の出力電流のうち、入射光強度及び温度に依
存する定電流分を温度の一次関数とし近似し、温
度に依存する逆飽和電流分を温度のべき関数とし
て近似すると、良好な近似がなされ演算も簡単に
なる。

更に、Geを光起電力素子として用いることに
より、200℃〜800℃の中温域用の放射温度計に適
し、入射光強度のみに応じた電気信号が得られる
光電変換装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光起電力素子の等価回路を示す電気回
路図、第２図はその電圧−電流特性を示すグラ
フ、第３図は本発明一実施例の光電変換装置を用
いた放射温度計の概略図、第４図はそのタイムチ
ヤート、第５図はその光起電力素子の出力電流変
化を示すグラフ、第６図はその変形例における光
起電力素子の出力電流変化を示すグラフ、第７図
は本発明の別の実施例の光電変換装置を用いた放
射温度計の概略図、第８図はそのタイムチヤー
ト、第９図はその更正時の操作及び計算手順を示
すフローチヤート、第１０図はその測定時の計算
手順を示すフローチヤートである。 ６；光起電力素子、８；光制御手段、３６；演
算手段、４０，４２；光制御手段、６４：演算手
段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光起電力素子に入射する入射光の強度と該素
   子の温度にのみ依存する出力電流分ioおよび該素
   子の温度にのみ依存する出力電流分isが、それぞ
   れ下記(1)、(2)式によりあらわされる光起電力素子
   からなる光電変換装置において、上記入射光の光
   量を変化せしめる光抑制手段と、上記光量変化に
   よる上記光起電力素子の出力電流変化に基づい
   て、上記光起電力素子に入射する入射光の強度と
   該素子の温度とに依存する出力電流分ioおよび、
   該素子の温度のみに依存する出力電流分isを求め
   る手段と、上記io、isを用い、下式(3)の演算を行
   なつて入射光の強度のみに応じた電気信号Ｉを得
   る手段とを有することを特徴とする光電変換装
   置： (1) io＝lo×（Ａ＋BT） (2) is＝αe〓^T 但し、ここで、 lo：入射光強度 Ｔ：素子の絶対温度 Ａ、Ｂ、α、β：それぞれ素子の感度や依存性に
   より定まる定数である。 (3) Ｉ＝io／（ａ＋ｂ・lnis） 但し、ここで、ａ、ｂはそれぞれ光起電力素子
   の感度や温度依存性により定まる定数である。 ２ 上記光制御手段は、光源から光起電力素子へ
   の入射光路内外に進退可能な遮光手段を有し、上
   記演算手段は、該遮光手段が上記入射光路上に位
   置する閉状態における光起電力素子の出力電流
   と、該遮光手段が上記入射光路外に退避した開状
   態における光起電力素子の出力電流とに基いて該
   光起電力素子の温度依存性を補償する演算を行う
   よう構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光電変換装置。 ３ 上記光制御手段は、光源から光起電力素子へ
   の入射光路上に配置された透過率可変手段を有
   し、上記演算手段は、該透過率可変手段の透過率
   が互いに異なる２つの状態における光起電力素子
   の出力電流に基いて該光起電力素子の温度依存性
   を補償する演算を行うことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の光電変換装置。 ４ 上記光制御手段は、光源から光起電力素子へ
   の入射光量を連続的に変化せしめる手段を有し、
   上記演算手段は、光起電力素子の出力電流変化の
   交流成分を求める手段と、該出力電流変化の直流
   成分を求める手段と、該交流成分および直流成分
   に基いて光起電力素子の温度依存性を補償する演
   算を行う手段とを有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の光電変換装置。