JPH0587623A - 等温制御形カロリメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は等温制御形カロリメータに関し、そ
の目的は、等温制御に要する時間を短縮することにより
全体の測定時間を短縮できる等温制御形カロリメータを
提供することにある。 【構成】 光吸収体，ヒータ，冷却手段，温度検出素子
が断熱ジャケットで覆われた光検出部Ａと、温度検出素
子６，６ａからの温度検出信号に基づいてヒータ４を駆
動して光検出部Ａの温度を一定に保つよう制御する制御
部２３、並びにヒータ４に加えられた電力の入射光の有
無による差異から入射光パワーを算出する入射光パワー
算出手段２５とを有する本体部Ｂとからなる等温制御形
カロリメータにおいて、前記制御部２３のゲインを入射
光の有無または制御偏差の大きさに応じて変化させるよ
うに構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばレーザ等の光のパ
ワーを測定するための等温制御形カロリメータに関し、
更に詳しくは、入射光の断続制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の等温制御形カロリメータとして
は、図６の構成のものがよく知られている。

【０００３】図において、１はセンサー部Ｓを形成する
熱吸収体であり、内面に光吸収塗料２が塗布された筒体
３及びヒータ４が埋設された伝熱板５で構成されてい
る。６，６ａは温度差検出素子、７は熱電冷却素子であ
り、これらの素子は同等な性能を有するペルチェ素子で
形成され、伝熱板５と基準ジャケット８に挾まれた状態
で固定されている。なお、基準ジャケット８の外周は温
度を安定化するために図８のように中間ジャケット９と
外部ジャケット１０で囲まれていて、センサー部Ｓが三
重のジャケットで囲まれた受光ヘッドＡとして構成され
ている。なお、筒体３を含む伝熱板５の熱容量と基準ジ
ャケット８の熱容量は、1:1000程度で準ジャケット９の
方が大きくなっている。

【０００４】１１は熱電冷却素子７に接続された定電流
源である。１２は温度検出素子６，６ａからの出力を増
幅する増幅器であり、この出力はフィルター１３及び電
圧計１６に入力され、フィルター１３の出力信号は加算
器１４に入力される。一方、電圧計１６からの出力は演
算装置１７，プログラマブル電源１８を経て加算器１４
に入力されてフィルター１３からの出力と加算され、そ
の出力は開平演算器１５を経てヒータ４に出力される。
１９はデジタル電圧計であり、ヒータ４に加えられる電
圧Ｖ_Ｈを測定し、その測定値を演算装置１７へ帰還す
る。これら回路部分は、受光ヘッドＡに対する本体Ｂを
構成している。

【０００５】上記構成において、測定光が入力されてい
ない場合、基準ジャケット８は室温とされ、ペルチェ素
子からなる熱電冷却素子７には定電流源１１から一定な
値Ｉ _Ａの電流が常時加えられ、伝熱板５側を常に冷却し
ている。この場合、基準ジャケット８側は加熱されるこ
とになるが、この基準ジャケット８の熱容量は大きく、
熱電冷却素子７の加熱量は僅かであるため基準ジャケッ
ト８の温度を上昇させるまでには至らない。

【０００６】従って、図６に示す装置では、熱電冷却素
子７と定電流源１１により、常時、基準ジャケット８側
の温度を高め、熱吸収体１側の温度を低める方向に作用
している。

【０００７】一方、温度差検出素子６，６ａはこの温度
差（ｎＶレベル）を検出し、増幅器１２はその出力を
（ｍＶレベル）に増幅し、フィルター１３及びデジタル
電圧計１６に出力する。フィルター１３はノイズ（高周
波）成分の除去を行った後、その信号Ｖ_ｆを加算器１４
に出力する。デジタル電圧計１６で測定された温度差Δ
Ｐは、演算装置１７に加えられ、所定の演算（この演算
は伝熱板５と基準ジャケット８の温度が速く一致するよ
うに制御するための公知の演算）が施された後、その演
算値はプログラマブル電圧源１８に加えられる。この演
算値に基づいたプログラマブル電圧源１８の出力Ｖ
_ｐと、フィルター１３からの出力Ｖ_ｆが加算器１４で加
算されて開平演算器１５に加えられ、そこで（Ｖ_ｐ＋Ｖ
_ｆ）１／２の演算を行う。この開平演算器１５の出力は
ヒータ４に加えられてヒータ４の温度を上昇させ、温度
差検出素子６，６ａの出力が零になるように制御する。

【０００８】従って、図６の装置では、熱電冷却素子７
と定電流源１１の作用により冷却された伝熱板５に対し
て開平演算器１５から電圧（電流Ｉ）をヒータ４へ加え
て伝熱板５を加熱し、熱吸収体１の温度と基準ジャケッ
ト８の温度が一致するように制御している。

【０００９】このような状態で、測定すべきレーザ光Ｌ
_ａが筒体３の上部から入射されると熱吸収体１が光を吸
収し、その光パワーに応じて温度が上昇する。その熱は
伝熱板５に伝導され、温度平衡状態にあった伝熱板５と
基準ジャケット８間に温度差が発生する。この温度差を
温度差検出素子６，６ａが検出し、開平演算器１５はヒ
ータ４に送出していた電圧値を減少させる。従って、ヒ
ータ４の温度は低下し、伝熱板５と基準ジャケット８の
温度は再び一致する。

【００１０】ところで、図６に示す増幅器，フィルタ
ー，開平演算器までの部分は、ＰＩＤによりアナログ制
御とすることができる。このようにすると、構成要素を
少なくすることができ、装置を低価格化することが可能
になる。

【００１１】ＰＩＤ制御を用いる場合、Ｐ（比例），Ｉ
（積分），Ｄ（微分）のそれぞれの定数を決める必要が
あるが、光検出部（光吸収体，温度検出素子）の応答時
定数は個体によってばらつきがある。従って、個々の検
出部に対してＰＩＤ定数を調整するか、検出部時定数に
対して鈍感なＰＩＤ定数を選択する等の手段により対応
している。

【００１２】ところが、個々の検出部に対してＰＩＤ定
数を調整する方式では、光検出部とＰＩＤ等を含む処理
部（以下本体という）の独立性（互換性）がなくなり、
システムの発展性を制限することになる。検出部時定数
に対して鈍感なＰＩＤ定数を調整する方式では、応答速
度が最小となるＰＩＤ定数（臨界制動条件）を用いるこ
とができないため、測定時間が遅くなるという問題があ
る。

【００１３】そこで、出願人は、光検出部の互換性を損
なうことなく、個々の光検出部固有の時定数に従った最
適のＰＩＤ定数による応答時間最小の等温制御が可能な
等温制御形カロリーメータを特願平３−４０２５号（以
下先行例という）により出願している。この先行例は、
光検出部を本体部に対して交換可能に構成し、各検出部
に最適なＰＩＤ定数もしくはＰＩＤ定数を算出する情報
を記憶する記憶手段を設け、本体部は光検出部内の記憶
手段からＰＩＤ定数もしくはＰＩＤ定数を算出する情報
を読み出し、ＰＩＤ定数を設定してＰＩＤ制御による等
温制御を行うものである。

【００１４】図７は先行例の構成図、図８は図７の要部
の構成図、図９は測定状態の説明図、図１０は測定の際
の動作を示すタイミングチャートである。まず、装置全
体の動作を図９及び図１０により説明する。図９におい
て、安定化光源Ｄから出力されるレーザ光はアッテネー
タＥ及びシャッタＦを経て受光ヘッドＡに入射されるも
のとする。

【００１５】測定動作の第１ステップではシャッタＦは
閉になり、受光ヘッドＡに光は入射されない。この状態
で、基準ジャケット８と熱吸収体１が熱平衡状態になる
ようにヒータパワーＰ_ｈが制御される。このときのヒー
タパワーＰ_ｈをＰ_０とする。

【００１６】第２ステップでは、シャッタＦが開いた状
態で基準ジャケット８と熱吸収体１が熱平衡状態になる
ようにヒータパワーＰ_ｈが制御される。このときのヒー
タパワーＰ_ｈをＰ_１とする。

【００１７】これにより、入射光パワーＰはヒータパワ
ーＰ_ｈの差（Ｐ_０−Ｐ_１）に置換され、Ｐ_０とＰ_１を知
ることによって入射光パワーＰを知ることができる。こ
れらの関係は、 Ｐ＝Ｋ（Ｐ_０−Ｐ_１） で与えられる。Ｋは校正係数である。

【００１８】次に、図７及び図８を参照して先行例の特
徴部分を説明する。図７において、熱電冷却素子には定
電流源２１が接続されている。温度差検出素子の出力信
号はプリアンプ２２に接続され、適切な大きさに増幅さ
れた後、ＰＩＤアンプ２３に入力される。該ＰＩＤアン
プ２３の出力信号はパワーアンプ２４で増幅されてヒー
タを駆動する。該ヒータの両端の電圧は電圧計２７に接
続されている。コントローラ２５は、定電流源２１の電
流設定、ＰＩＤアンプ２３の制御、電圧計２７からの測
定値の読み込み等を行い、それらに基づく演算を行って
表示部２６に表示する。キー入力部２８は測定に関する
条件設定を行う。２９はメモリであり、受光ヘッドＡの
時定数が予め測定されて記録されている。コントローラ
２５は、電源投入時にメモリ２９の情報を読み取り、Ｐ
ＩＤアンプ２３内のプログラマブルアッテネータ３６に
設定する。

【００１９】図８は図７のＰＩＤアンプ２３の回路図で
ある。図８において、３１は入力端子であり、ゲイン切
換アンプ３２の入力端子に接続されている。該ゲイン切
換アンプ３２の出力端子には比例アンプ（Ｐ）３３，微
分アンプ（Ｄ）３４及びプログラマブルアッテネータ３
６を介して積分アンプ（Ｉ）３５が並列に接続されてい
る。これら各アンプ３３〜３５の出力端子は加算アンプ
３７の入力端子に接続され、該加算アンプ３７の出力端
子には出力端子３８が接続されている。３９はプログラ
マブルアッテネータ３６の制御線である。

【００２０】ここで、プログラマブルアッテネータ３６
の減衰率をＤ，積分アンプ３５の抵抗をＲ，積分アンプ
３５に接続された容量をＣとすると、積分アンプ３５の
出力Ｖ_２は、以下のようにして求められる。

【００２１】Ｖ_１＝ＤＶ_０ Ｉ＝Ｖ_１／Ｒ Ｖ_２＝−（１／Ｃ）∫Ｉｄｔ ＝−（Ｄ／ＣＲ）∫Ｖ_０ｄｔ 従って、積分アンプ３５の出力Ｖ_２は、時定数ＣＲ／Ｄ
でＶ_０が積分されたものになっている。

【００２２】従って、受光ヘッドＡの固有の定数Ｄを設
定することにより、最適条件で臨界制動のＰＩＤ制御を
実行できる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、測定に要す
る時間Ｔは、等温制御に要する時間をＴ_ｃ、ヒータパワ
ーＰ_ｈを測定するのに要する時間をＴ_ｓとすると、 Ｔ＝２（Ｔ_ｃ＋Ｔ_ｓ） で与えられる。ここで、２倍になっているのは、シャッ
タ開閉が必要なことによる。

【００２４】図１１はこれらの時間関係の説明図であ
る。具体例では、等温制御に要する時間Ｔ_ｃは２０ｓｅ
ｃ程度、ヒータパワーＰ_ｈを測定するのに要する時間Ｔ
_ｓは測定パワーレベルと求める精度によって大きく異な
るが１ｍＷレベルでは０．５ｓｅｃ〜１ｓｅｃである。
すなわち、この場合、測定時間Ｔは４１ｓｅｃ〜４２ｓ
ｅｃになるが、大部分は等温制御に要する時間Ｔ_ｃが占
めている。

【００２５】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、等温制御に要する時間を
短縮することにより全体の測定時間を短縮できる等温制
御形カロリメータを提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
る本発明は、光吸収体，ヒータ，冷却手段，温度検出素
子が断熱ジャケットで覆われた光検出部と、温度検出素
子からの温度検出信号に基づいてヒータを駆動して光検
出部の温度を一定に保つよう制御する制御部、並びにヒ
ータに加えられた電力の入射光の有無による差異から入
射光パワーを算出する入射光パワー算出手段とを有する
本体部とからなる等温制御形カロリメータにおいて、前
記制御部のゲインを入射光の有無または制御偏差の大き
さに応じて変化させることを特徴とするものである。

【００２７】

【作用】パワーが大きく変化するときには系が発振しな
い範囲でゲインを高くすることにより系の収束時間を短
くし、測定時には系が不安定にならない範囲でゲインを
下げることによりノイズを下げる。

【００２８】このようにして等温制御に要する時間を短
縮でき、全体の測定時間を短縮できる。

【００２９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。図１は本発明に係る等温制御形カロリメ
ータの一実施例の回路図、図２は図１で用いるＰＩＤア
ンプの回路図であり、図７及び図８と共通する部分には
共通の符号を付けてそれらの再説明は省略する。

【００３０】図１において、４０はコンパレータであ
り、該コンパレータ４０にはプリアンプ２２の出力信号
が入力され、コンパレータ４０の出力信号はコントロー
ラ２５に入力されている。該コンパレータ４０は、プリ
アンプ２２の出力信号に基づいて制御偏差が零になるの
を検出してその結果をコントローラ２５に出力する。

【００３１】図２において、先行例におけるプログラマ
ブルアッテネータ３６は省略されていて、ゲイン切換ア
ンプ３２のゲインをコントローラ２５により制御するよ
うに構成されている。

【００３２】このような構成において、パワーが大きく
変化するときには系が発振しない範囲でゲインを高くす
ると系の収束が早くなる。また、測定時には系が不安定
にならない範囲でゲインを下げることによりノイズを下
げることができる。

【００３３】そこで、光入力の断続時の断続時にはゲイ
ンを増加させて測定時にはゲインを下げることにより、
等温制御時間を短くしている。図３はシャッタＦを開く
場合の動作を説明するタイミングチャートで、（Ａ）は
ゲインの変化を示し、（Ｂ）はヒーターパワーの変化を
示し、（Ｃ）は制御偏差の変化を示している。

【００３４】シャッタＦを開く直前にＰＩＤアンプ２
３のゲインを通常ゲインＧ１からＧ２に上げる。 シャッタＦを開く。

【００３５】等温制御系は常に動作しているので、一
度大きくなった制御偏差は徐々に小さくなり、零を横切
る。コンパレータ４０は制御偏差が零になるのを検出す
る。 コンパレータ４０からの信号によりＰＩＤアンプのゲ
インをＧ２からＧ１に下げる。

【００３６】ヒータパワーの測定を行う。 図４，図５は電気回路によるシミュレーション結果の説
明図であり、図４はゲイン切換を行わない場合を示し、
図５はシャッタＦを開く前にゲインを１０倍増加させ制
御偏差が０になった時点でゲインを元に戻す場合を示し
ている。

【００３７】図４ではヒーターパワーが完全に収束する
までに１７．７ｓｅｃかかっているが、図５では８．８
ｓｅｃで収束している。すなわち、ヒーターパワーが収
束するまでにかかる時間，制御時間を約１／２にするこ
とができる。

【００３８】これにより、等温制御形カロリメータの測
定時間を１／２程度に短縮できる。なお、ＰＩＤゲイン
の増減制御の時期は実施例に限るものではない。すなわ
ち、ゲイン増加時期はシャッタの開閉と同時でもよい
し、ゲイン低減の時期は制御偏差が零クロスする時期で
なくてもよい。特に、ゲイン低減の時期をシャッタの開
閉から一定時間後にコントローラが制御するように構成
することにより、コンパレータは不要になり、コスト低
減が図れる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、以下のような効果が得られる。すなわち、入射光
のパワーが大きく変化するときには系が発振しない範囲
で制御部のゲインを高くすることにより系の収束時間を
短くし、測定時には系が不安定にならない範囲でゲイン
を下げてノイズを下げているので等温制御に要する時間
を短縮でき、全体の測定時間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る等温制御形カロリメータの一実施
例の回路図である。

【図２】図１で用いるＰＩＤアンプの回路図である。

【図３】図１の動作を説明するタイミングチャートであ
る。

【図４】電気回路によるシミュレーション結果の説明図
である。

【図５】電気回路によるシミュレーション結果の説明図
である。

【図６】公知の等温制御形カロリメータの構成図であ
る。

【図７】ＰＩＤ制御の等温制御形カロリメータの先行例
の回路図である。

【図８】図７で用いるＰＩＤアンプの回路図である。

【図９】図７の構成の測定状態の説明図である。

【図１０】図７の動作を説明するタイミングチャートで
ある。

【図１１】図７の構成のシャッタの開閉に伴う時間関係
の説明図である。

【符号の説明】

Ａ 受光ヘッド Ｂ 本体 Ｆ シャッタ Ｓ センサー部 １ 熱吸収体 ４ ヒータ ６，６ａ 温度差検出素子 ７ 熱電冷却素子 ８ 基準ジャケット ２３ ＰＩＤアンプ ２５ コントローラ ４０ コンパレータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光吸収体，ヒータ，冷却手段，温度検出
   素子が断熱ジャケットで覆われた光検出部と、 温度検出素子からの温度検出信号に基づいてヒータを駆
   動して光検出部の温度を一定に保つよう制御する制御
   部、並びにヒータに加えられた電力の入射光の有無によ
   る差異から入射光パワーを算出する入射光パワー算出手
   段とを有する本体部とからなる等温制御形カロリメータ
   において、 前記制御部のゲインを入射光の有無または制御偏差の大
   きさに応じて変化させることを特徴とする等温制御形カ
   ロリメータ。