JPH0731084B2 - 温度計測装置 - Google Patents
温度計測装置Info
- Publication number
- JPH0731084B2 JPH0731084B2 JP59270501A JP27050184A JPH0731084B2 JP H0731084 B2 JPH0731084 B2 JP H0731084B2 JP 59270501 A JP59270501 A JP 59270501A JP 27050184 A JP27050184 A JP 27050184A JP H0731084 B2 JPH0731084 B2 JP H0731084B2
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- JP
- Japan
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- light
- optical fiber
- optical
- temperature
- ions
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/12—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance
- G01K11/14—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance of inorganic materials
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、温度に依存し光学密度の変化する光吸収体を
被計測物に配置し、光吸収体を透過した光強度より被計
測物の温度を計測する温度計測装置に関するものであ
る。
被計測物に配置し、光吸収体を透過した光強度より被計
測物の温度を計測する温度計測装置に関するものであ
る。
近年、光フアイバ応用技術の進展にともない光フアイバ
温度センサが開発されつつある。特に最近赤外光フアイ
バが開発され、既に光学系で赤外線放射を直接受ける方
式の放射温度計が実用化されていることもあり、赤外光
フアイバをこれを適用し、応用範囲を拡大することが期
待されている。赤外光フアイバは、石英系光フアイバよ
り長波長の赤外光を透過できる為、石英系光フアイバを
利用する場合より低温域の測温に利用できるという利点
がある。
温度センサが開発されつつある。特に最近赤外光フアイ
バが開発され、既に光学系で赤外線放射を直接受ける方
式の放射温度計が実用化されていることもあり、赤外光
フアイバをこれを適用し、応用範囲を拡大することが期
待されている。赤外光フアイバは、石英系光フアイバよ
り長波長の赤外光を透過できる為、石英系光フアイバを
利用する場合より低温域の測温に利用できるという利点
がある。
ところで、一般に光フアイバ温度センサは光源装置、入
出力用光フアイバ，光トランスデユーサ，受光器および
信号処理回路等から構成されており、光トランスデユー
サとしては、螢光体や半導体の光吸収端を利用するもの
が知られている。光フアイバ自体に光トランスデユーサ
の機能を持たせれば、温度センサ全体の構成を簡素化で
きるとともに、細径でありかつ可撓性に優れた光フアイ
バ自体を直接プローブとして利用できる為、微小部分や
プローブを接近させることが困難であつた環境の温度計
測が容易になる。また低温域の温度計測が可能な光フア
イバ型の光トランスデューサが実現されれば、光フアイ
バ温度センサの応用域は一層広がることが期待される。
出力用光フアイバ，光トランスデユーサ，受光器および
信号処理回路等から構成されており、光トランスデユー
サとしては、螢光体や半導体の光吸収端を利用するもの
が知られている。光フアイバ自体に光トランスデユーサ
の機能を持たせれば、温度センサ全体の構成を簡素化で
きるとともに、細径でありかつ可撓性に優れた光フアイ
バ自体を直接プローブとして利用できる為、微小部分や
プローブを接近させることが困難であつた環境の温度計
測が容易になる。また低温域の温度計測が可能な光フア
イバ型の光トランスデューサが実現されれば、光フアイ
バ温度センサの応用域は一層広がることが期待される。
現在開発されている赤外光フアイバである重金属弗化物
光フアイバ、又はKPS−５多結晶光フアイバを用いた場
合でも、たとえば10m長のフアイバを利用したとき、そ
れぞれ200℃および50℃以上の温度検出に用いるのがせ
いぜいであり、０℃以下の低温の計測には利用できない
という問題がある。
光フアイバ、又はKPS−５多結晶光フアイバを用いた場
合でも、たとえば10m長のフアイバを利用したとき、そ
れぞれ200℃および50℃以上の温度検出に用いるのがせ
いぜいであり、０℃以下の低温の計測には利用できない
という問題がある。
本発明は従来の問題点を解決するため、光路中に少くと
も一種の希土類元素を含む赤外透過材料からなる光フア
イバで構成した光トランスデユーサと、光トランスデユ
ーサに光を入射する光入射手段と、光トランスデユーサ
を透過した光を検知する光検出手段と、光検知手段によ
り検知した光強度と前記希土類元素の既知の温度・吸収
特性から光強度を温度に換算する手段とを備えて構成す
ることを特徴としている。
も一種の希土類元素を含む赤外透過材料からなる光フア
イバで構成した光トランスデユーサと、光トランスデユ
ーサに光を入射する光入射手段と、光トランスデユーサ
を透過した光を検知する光検出手段と、光検知手段によ
り検知した光強度と前記希土類元素の既知の温度・吸収
特性から光強度を温度に換算する手段とを備えて構成す
ることを特徴としている。
本発明は、温度によつて透過率が敏感に変化し、０℃以
下の低温域の温度計測も可能な光フアイバ型の光トラン
スデユーサを含んだ構成であることから、微小部分やプ
ローブを接近させることが困難な環境における温度計測
が可能となり、特に光トランスデユーサを構成する光フ
アイバのコアにEu3+イオンを添加することにより、Eu3+
イオンの多重項間熱励起分布の温度による変化を利用す
ることから、０℃以下の低温の計測が可能となる。以下
実施例により詳細に説明する。
下の低温域の温度計測も可能な光フアイバ型の光トラン
スデユーサを含んだ構成であることから、微小部分やプ
ローブを接近させることが困難な環境における温度計測
が可能となり、特に光トランスデユーサを構成する光フ
アイバのコアにEu3+イオンを添加することにより、Eu3+
イオンの多重項間熱励起分布の温度による変化を利用す
ることから、０℃以下の低温の計測が可能となる。以下
実施例により詳細に説明する。
第１図は、本発明の一実施例の構成概略図である。光分
岐器３に光トランスデユーサとしての光フアイバプロー
ブ１と入力用光フアイバ４と出力用光フアイバ２とが接
続されている。入力用光フアイバ４からの光は光フアイ
バプローブ１に結合され、光フアイバプローブ１からの
反射光の一部が出力用光フアイバ２に結合される。光フ
アイバプローブ１の先端部７は、この発明の特徴をなす
光トランスデユーサ機能を有する構造になつている。光
フアイバプローブ１の先端部７を被計測物６に接触する
か、又は、計測雰囲気中に置き温度計測を行う。入力用
光フアイバ４に図に示していない光源により光を入射
し、光分岐器３を介して光フアイバプローブ１に入射光
を導く。光フアイバプローブ１の先端部７で反射しても
どつた光を光分岐器３を介し出力用光フアイバ２に導
き、その強度を受光器５によつて受け、その出力信号を
信号処理演算回路20に与える。
岐器３に光トランスデユーサとしての光フアイバプロー
ブ１と入力用光フアイバ４と出力用光フアイバ２とが接
続されている。入力用光フアイバ４からの光は光フアイ
バプローブ１に結合され、光フアイバプローブ１からの
反射光の一部が出力用光フアイバ２に結合される。光フ
アイバプローブ１の先端部７は、この発明の特徴をなす
光トランスデユーサ機能を有する構造になつている。光
フアイバプローブ１の先端部７を被計測物６に接触する
か、又は、計測雰囲気中に置き温度計測を行う。入力用
光フアイバ４に図に示していない光源により光を入射
し、光分岐器３を介して光フアイバプローブ１に入射光
を導く。光フアイバプローブ１の先端部７で反射しても
どつた光を光分岐器３を介し出力用光フアイバ２に導
き、その強度を受光器５によつて受け、その出力信号を
信号処理演算回路20に与える。
第２図ａおよび第２図ｂに光フアイバ先端部７の二種の
実施例の構造を示す。
実施例の構造を示す。
第２図ａは、光フアイバプローブ１の一構成例である。
クラツド８およびコア９の素材はZrF4−BaF2−GdF3−Al
F3系ガラスで作られており、屈折率差は主にAlF3の濃度
を変えることにより、付けられている。ガラス組成は上
記のものだけに限られるわけではなく、I a族、II a
族、III B族、IV a族、IV b族元素または希土類元素の
弗化物からなる他の弗化物多成分ガラスでも良い。図中
10はコア９にEu3+イオンが添加されている部分である。
光フアイバプローブ１の端面にはリフレクタ11を配置
し、入射され、光フアイバプローブ１を伝送されてきた
光がこのリフレクタ11により反射され、転送されるよう
にしてある。
クラツド８およびコア９の素材はZrF4−BaF2−GdF3−Al
F3系ガラスで作られており、屈折率差は主にAlF3の濃度
を変えることにより、付けられている。ガラス組成は上
記のものだけに限られるわけではなく、I a族、II a
族、III B族、IV a族、IV b族元素または希土類元素の
弗化物からなる他の弗化物多成分ガラスでも良い。図中
10はコア９にEu3+イオンが添加されている部分である。
光フアイバプローブ１の端面にはリフレクタ11を配置
し、入射され、光フアイバプローブ１を伝送されてきた
光がこのリフレクタ11により反射され、転送されるよう
にしてある。
第２図ｂは、光フアイバプローブ１の一構成例である。
この光フアバプローブ１は光フアイバの端面に光吸収体
12を配置し、その外側にリフレクタ11を設け、光吸収体
12を透過した光を光フアイバ中にもどすようにしてあ
る。光吸収体12としてはEuF3の単結晶板、多結晶板また
は、蒸着膜が有効である。これらの厚さや、第２図ａの
10の部分の長さは被計測雰囲気の広さや測温目的などに
応じて決定すれば良い。なお光吸収体12としてはユーロ
ビウムの弗化物以外、塩化物等の他のハロゲン化物でも
よい。
この光フアバプローブ１は光フアイバの端面に光吸収体
12を配置し、その外側にリフレクタ11を設け、光吸収体
12を透過した光を光フアイバ中にもどすようにしてあ
る。光吸収体12としてはEuF3の単結晶板、多結晶板また
は、蒸着膜が有効である。これらの厚さや、第２図ａの
10の部分の長さは被計測雰囲気の広さや測温目的などに
応じて決定すれば良い。なお光吸収体12としてはユーロ
ビウムの弗化物以外、塩化物等の他のハロゲン化物でも
よい。
第３図は第１図で示した温度計測装置の他の実施例であ
る。第１図は、反射型の光フアイバプローブ１を用いた
が、本実施例は透過型光フアイバプローブ１′を適用し
たものである。
る。第１図は、反射型の光フアイバプローブ１を用いた
が、本実施例は透過型光フアイバプローブ１′を適用し
たものである。
第４図に第３図に示した実施例の光フアイバプローブ
１′の構成を示す。８はクラツド、９はコア、10はコア
９にEu3+イオンを添加した部分である。
１′の構成を示す。８はクラツド、９はコア、10はコア
９にEu3+イオンを添加した部分である。
第５図に示したEu3+イオンの4f6電子配置から生ずる多
重項のエネルギーダイヤグラムで、上記温度センサの原
理を示す。Eu3+イオンの特徴は、基底状態7F0を第１励
起状態7F1とのエネルギー差が250cm-1から300cm-1と小
さく室温での熱エネルギーの大きさ200cm-1とほぼ同程
度であることである。この為、室温においてたとえば30
0Kの温度においてEu3+イオンは全体のイオンの約40％の
第１励起状態に励起されている。Eu3+イオンの添加され
たガラス又はEuF3結晶の光透過スペクトルを測定する
と、たとえば7F0→7F6,7F1→7F6間のエネルギー差に対
応する励起光13および14を入射させると、基底状態（7F
0）から励起状態（7F6）への光学遷移による光吸収およ
び第１励起状態（7F1）から励起状態（7F6）への光学遷
移による光吸収が起る。しかるに上記ガラス又は結晶の
温度を下げ、第１励起状態に熱励起されているEu3+イオ
ンの割合を低下させれば、7F1→7F6遷移による光吸収の
光学密度は低下する一方で、基底状態に落ちたEu3+イオ
ンの数は増加する為、7F0→7F6遷移による光吸収の光学
密度は増大する。よつて第１図における入力用光フアイ
バ４に7F0→7F6遷移に対応する励起光、又は7F1→7F6遷
移に対応する励起光を入射させ、出力用光フアイバ２の
出力をこれら遷移による光吸収の温度変化特性を予め演
算回路等に与え、検出した出力と比較して温度の算出が
できる。
重項のエネルギーダイヤグラムで、上記温度センサの原
理を示す。Eu3+イオンの特徴は、基底状態7F0を第１励
起状態7F1とのエネルギー差が250cm-1から300cm-1と小
さく室温での熱エネルギーの大きさ200cm-1とほぼ同程
度であることである。この為、室温においてたとえば30
0Kの温度においてEu3+イオンは全体のイオンの約40％の
第１励起状態に励起されている。Eu3+イオンの添加され
たガラス又はEuF3結晶の光透過スペクトルを測定する
と、たとえば7F0→7F6,7F1→7F6間のエネルギー差に対
応する励起光13および14を入射させると、基底状態（7F
0）から励起状態（7F6）への光学遷移による光吸収およ
び第１励起状態（7F1）から励起状態（7F6）への光学遷
移による光吸収が起る。しかるに上記ガラス又は結晶の
温度を下げ、第１励起状態に熱励起されているEu3+イオ
ンの割合を低下させれば、7F1→7F6遷移による光吸収の
光学密度は低下する一方で、基底状態に落ちたEu3+イオ
ンの数は増加する為、7F0→7F6遷移による光吸収の光学
密度は増大する。よつて第１図における入力用光フアイ
バ４に7F0→7F6遷移に対応する励起光、又は7F1→7F6遷
移に対応する励起光を入射させ、出力用光フアイバ２の
出力をこれら遷移による光吸収の温度変化特性を予め演
算回路等に与え、検出した出力と比較して温度の算出が
できる。
第６図および第７図は、上記した温度計測の基礎となる
弗化物ガラス中にドープされたEu3+イオンによる２μｍ
付近の光吸収帯の温度変化と該吸収帯中2.2μｍピーク
の光学密度の温度変化を示したものである。
弗化物ガラス中にドープされたEu3+イオンによる２μｍ
付近の光吸収帯の温度変化と該吸収帯中2.2μｍピーク
の光学密度の温度変化を示したものである。
第８図ａ〜ｅは、第２図ａで示した光フアイバプローブ
用プリフオームの作製法を示す。金属鋳型15にクラツド
用弗化物ガラス融液８′をキアステイングし（第８図
ａ）、融液全体がガラス化する前に鋳型中心部の融液を
流し出し（第８図ｂ）、クラツドガラス管８を形成す
る。その後、Eu3+を添加したコア用ガラス融液10′をク
ラツドガラス管８の途中までキアステイングし（第８図
ｃ）、次に、Eu3+を添加しないコア用ガラス融液９′を
キアステイングする（第８図ｄ）。このとき、融液10′
と融液９′とがまじり合わないようにEu3+添加ガラス融
液10′のキアステイング後、所定の時間をおくことおよ
びEu3+無添加ガラス融液９′が入るべき空洞のクラツド
ガラス壁にEu3+添加ガラス融液10′がふれないようキア
ステイング時に注意が必要である。金属鋳型15の全体を
十分アニールした後、室温まで徐冷したプリフオームを
得（第８図ｅ）、これをフアイバ線引きし第２図ａの光
フアイバプローブを得ることができる。
用プリフオームの作製法を示す。金属鋳型15にクラツド
用弗化物ガラス融液８′をキアステイングし（第８図
ａ）、融液全体がガラス化する前に鋳型中心部の融液を
流し出し（第８図ｂ）、クラツドガラス管８を形成す
る。その後、Eu3+を添加したコア用ガラス融液10′をク
ラツドガラス管８の途中までキアステイングし（第８図
ｃ）、次に、Eu3+を添加しないコア用ガラス融液９′を
キアステイングする（第８図ｄ）。このとき、融液10′
と融液９′とがまじり合わないようにEu3+添加ガラス融
液10′のキアステイング後、所定の時間をおくことおよ
びEu3+無添加ガラス融液９′が入るべき空洞のクラツド
ガラス壁にEu3+添加ガラス融液10′がふれないようキア
ステイング時に注意が必要である。金属鋳型15の全体を
十分アニールした後、室温まで徐冷したプリフオームを
得（第８図ｅ）、これをフアイバ線引きし第２図ａの光
フアイバプローブを得ることができる。
上記実施例ではEu3+イオンを用いた場合について述べた
が、Sm3+イオン等の他の希土類イオンを用いた場合で
も、それらのイオンのｆ−ｆ遷移による光吸収帯の温度
変化にともなう吸収帯ピークの光学密度の変化または吸
収帯の幅の変化を利用し、温度計測を行うことができ
る。
が、Sm3+イオン等の他の希土類イオンを用いた場合で
も、それらのイオンのｆ−ｆ遷移による光吸収帯の温度
変化にともなう吸収帯ピークの光学密度の変化または吸
収帯の幅の変化を利用し、温度計測を行うことができ
る。
第９図はSm3+イオンの光吸収帯の弗化物ガラス中での温
度変化を示す。低温になるに従い、光吸収帯にナローイ
ングが起こり、光学密度が変化していることがわかる。
このナローイングによる光学密度変化を光トランスデユ
ーサに応用することが可能である。ナローイングは他の
希土類イオンの光吸収帯で起こるのでSm3+イオンに限ら
ず光トランスデユーサに応用できる。
度変化を示す。低温になるに従い、光吸収帯にナローイ
ングが起こり、光学密度が変化していることがわかる。
このナローイングによる光学密度変化を光トランスデユ
ーサに応用することが可能である。ナローイングは他の
希土類イオンの光吸収帯で起こるのでSm3+イオンに限ら
ず光トランスデユーサに応用できる。
上記実施例で述べたように、Eu3+イオンの光吸収の温度
による変化を利用した光フアイバ型の光トランスデユー
サを構成でき、微小部分やプローブを接近させることが
困難な環境の温度計測が可能となる。特に、Eu3+イオン
の多重項間の熱励起分布の温度による変化を利用する
為、従来、赤外線温度計では計測が不可能であつた０℃
以下の低温の計測が可能となるという利点がある。
による変化を利用した光フアイバ型の光トランスデユー
サを構成でき、微小部分やプローブを接近させることが
困難な環境の温度計測が可能となる。特に、Eu3+イオン
の多重項間の熱励起分布の温度による変化を利用する
為、従来、赤外線温度計では計測が不可能であつた０℃
以下の低温の計測が可能となるという利点がある。
第１図は本発明の温度計測装置の一実施例の構成概要
図、第２図a,bはそれぞれ第１図における光フアイバプ
ローブの先端の光トランスデユーサ部の構成例、第３図
は本発明の温度計測装置の他の実施例の構成概要図、第
４図は第３図における光フアイバプローブの先端の光ト
ランスデユーサ部の構成を示す図、第５図はEu3+イオン
の多重項のエネルギーダイヤグラム、第６図はZrF4系弗
化物ガラスに添加されたEu3+イオンの波長２μｍ付近に
現れる光吸収帯の温度変化、第７図は第６図中の波長2.
2μｍピークの光学密度の温度変化、第８図ａ〜ｅは第
２図ａに示した光フアイバプローブ用プリフオームの製
造方法の主要工程を説明する図、第９図はZrF系弗化物
ガラスに添加されたSm3+イオンの光吸収帯の温度変化を
示す図である。 1,1′……光フアイバプローブ、２……出力用光フアイ
バ、３……光分岐路、４……入力用光フアイバ、５……
受光器、６……被計測物、７……光フアイバプローブ先
端の光トランスデユーサ部、20……信号処理演算回路、
８……クラツド、９……コア、10……Eu3+イオン添加コ
ア部、11……リフレクタ、12……光吸収体、13,14……
励起光、８′……クラツド用弗化物ガラス融液、９′…
…コア用弗化物ガラス融液、10′……Eu3+イオン添加コ
ア用弗化物ガラス融液、15……金属鋳型
図、第２図a,bはそれぞれ第１図における光フアイバプ
ローブの先端の光トランスデユーサ部の構成例、第３図
は本発明の温度計測装置の他の実施例の構成概要図、第
４図は第３図における光フアイバプローブの先端の光ト
ランスデユーサ部の構成を示す図、第５図はEu3+イオン
の多重項のエネルギーダイヤグラム、第６図はZrF4系弗
化物ガラスに添加されたEu3+イオンの波長２μｍ付近に
現れる光吸収帯の温度変化、第７図は第６図中の波長2.
2μｍピークの光学密度の温度変化、第８図ａ〜ｅは第
２図ａに示した光フアイバプローブ用プリフオームの製
造方法の主要工程を説明する図、第９図はZrF系弗化物
ガラスに添加されたSm3+イオンの光吸収帯の温度変化を
示す図である。 1,1′……光フアイバプローブ、２……出力用光フアイ
バ、３……光分岐路、４……入力用光フアイバ、５……
受光器、６……被計測物、７……光フアイバプローブ先
端の光トランスデユーサ部、20……信号処理演算回路、
８……クラツド、９……コア、10……Eu3+イオン添加コ
ア部、11……リフレクタ、12……光吸収体、13,14……
励起光、８′……クラツド用弗化物ガラス融液、９′…
…コア用弗化物ガラス融液、10′……Eu3+イオン添加コ
ア用弗化物ガラス融液、15……金属鋳型
Claims (1)
- 【請求項１】希土類元素を少くとも一種光路中に含む赤
外線透過材料からなる光ファイバで構成した光トランス
デューサと、 前記光トランスデューサに光を入射する光入射手段と、 前記光トランスデューサを透過した光を検知する光検知
手段と、 前記光検知手段により検知した光強度と前記希土類元素
の既知の温度・吸収特性から前記光強度を温度に換算す
る手段と を備えてなる温度計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59270501A JPH0731084B2 (ja) | 1984-12-21 | 1984-12-21 | 温度計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59270501A JPH0731084B2 (ja) | 1984-12-21 | 1984-12-21 | 温度計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61148333A JPS61148333A (ja) | 1986-07-07 |
| JPH0731084B2 true JPH0731084B2 (ja) | 1995-04-10 |
Family
ID=17487136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59270501A Expired - Lifetime JPH0731084B2 (ja) | 1984-12-21 | 1984-12-21 | 温度計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0731084B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FI860632A (fi) * | 1986-02-12 | 1987-11-18 | Soundek Oy | Fiberoptisk temperaturalarm. |
| KR101193492B1 (ko) | 2010-11-03 | 2012-10-22 | 순천향대학교 산학협력단 | 원자력 발전소 냉각계통의 온도 측정을 위한 삽입형 적외선 광섬유 프로브 및 이를 이용한 온도 측정 시스템 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57161623A (en) * | 1981-03-31 | 1982-10-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical temperature sensor |
| JPS57161624A (en) * | 1981-03-31 | 1982-10-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Optical temperature sensor |
-
1984
- 1984-12-21 JP JP59270501A patent/JPH0731084B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61148333A (ja) | 1986-07-07 |
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