JPH09329501A

JPH09329501A - 温度測定装置

Info

Publication number: JPH09329501A
Application number: JP9051761A
Authority: JP
Inventors: Serge Gourrier; グーリエセルジュ; Jean-Pierre Hazan; ピエールアザンジャン
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1997-12-22
Also published as: BR9701217A; EP0794415A1; US6015234A

Abstract

(57)【要約】【課題】ボロメータにより行なわれる温度測定の精度
を改善する。【解決手段】機械的接触を行なわない温度測定装置５
は、ホイートストンブリッジとして構成したサーミスタ
２０₁〜２０₄を有するボロメータを具える。これらサ
ーミスタのうちの幾つか２０₂，２０₄が遮蔽され、他
の幾つか２０₁，２０₃が遮蔽されず、前者が被検体２
７から熱放射２５を受けず、後者がこの熱放射を受ける
ようにする。この熱放射が遮蔽されていないサーミスタ
を加熱してブリッジの不平衡電圧ｖを生ぜしめる。この
不平衡電圧を、すべてのサーミスタを付加的な加熱手段
１８；２６により加熱することにより相殺する。平衡状
態では被検体の温度がサーミスタの温度に等しくなる。
付加的な加熱手段による加熱はブリッジに供給される電
力を変えることにより達成するのが好ましい。計算手段
（１４）が被検体の温度をサーミスタに関する電流／電
圧比から取出しうるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホイートストンブ
リッジとして構成したボロメータと、このブリッジの対
角線アームの１つに接続された電力供給手段と、このブ
リッジの対角線アームの他の１つにおける不平衡電圧を
測定する検出手段とを有し、機械的接触を行なわない温
度測定装置であって、前記ボロメータは温度変化に感応
する素子を有し、これら素子の幾つかが遮蔽され他の幾
つかが遮蔽されず、これら素子と前記ボロメータに対向
して配置される被検体との間の放射による熱交換により
遮蔽された素子の温度が変化されず遮蔽されない素子の
温度が変化されるようになっており、温度測定装置は更
に前記素子の付加的な加熱を達成する加熱手段を有して
いる、当該温度測定装置に関するものである。

【０００２】この装置は種々の分野で機械的接触を行な
わずに温度を測定するのに用いることができる。ボロメ
ータは、放射を吸収し、この放射を熱に変換し、この熱
によりボロメータの温度を上昇させる熱検出器である。
ボロメータの特性、一般にその電気抵抗値は温度に応じ
て変化し、これによりボロメータに入射される放射束の
強度を測定しうるようになる。従って、ボロメータの前
に配置された熱い物体から放射が放出されると、この熱
い物体の温度を決定することができる。

【０００３】

【従来の技術】一般のボロメータの構造は、放射を受け
るための１つのサーミスタ、すなわち温度感応素子と、
放射から遮蔽された他の３つの素子とを有するホイート
ストンブリッジの構造となっている。これら他の３つの
素子は温度感応素子が受ける温度変化を補償するための
基準として用いられている。一般に、ブリッジは放射が
無い場合に平衡状態にあり、並列に給電される２つのブ
リッジアームは互いに等しい抵抗値を有する。ブリッジ
を形成する素子が互いに等しい又は互いに近似する電気
抵抗値を有する場合に最適な感度が得られる。

【０００４】この原理に基づく温度測定装置はドイツ連
邦共和国特許ＤＥ２６０７８０６号明細書に開示されて
いる。この温度測定装置は、１つのサーミスタと、温度
変化に感応しない３個の固定抵抗とを有するボロメータ
を具えている。この温度測定装置は検出感度が高いとと
もに電力消費が低いという特性を合わせ持っており、放
射がない場合にボロメータを調整するいかなるサーモス
タット手段をも必要としない。このドイツ国特許明細書
によれば、この温度測定装置を動作させるに際しブリッ
ジを自動調整するために、ブリッジを流れる電流を変え
ることによりサーミスタを加熱する。ブリッジの不平衡
電圧の測定値に基づいて帰還手段がブリッジ電流を変え
てボロメータを平衡状態にし、従ってこのボロメータを
調整し、使用準備完了状態にする。次に、放射束を所定
のレートで変えて不平衡信号をこれと同じレートで発生
させる。

【０００５】測定信号を処理する場合、補正手段が電流
をブリッジに流すことにより不平衡信号を補正し、これ
により、調整によるサーミスタ温度の上昇を生ぜしめ
る。しかし、このような温度測定装置は依然として不正
確な測定を行なう。その理由は、ボロメータと放射放出
物体とを区別する放射率を考慮していない為である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はボロメ
ータによる温度測定の精度を改善することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ホイートスト
ンブリッジとして構成したボロメータと、このブリッジ
の対角線アームの１つに接続された電力供給手段と、こ
のブリッジの対角線アームの他の１つにおける不平衡電
圧を測定する検出手段とを有し、機械的接触を行なわな
い温度測定装置であって、前記ボロメータは温度変化に
感応する素子を有し、これら素子の幾つかが遮蔽され他
の幾つかが遮蔽されず、これら素子と前記ボロメータに
対向して配置される被検体との間の放射による熱交換に
より遮蔽された素子の温度が変化されず遮蔽されない素
子の温度が変化されるようになっており、温度測定装置
は更に前記素子の付加的な加熱を達成する加熱手段を有
している、当該温度測定装置において、 −前記ボロメータが、ブリッジ中で互いに対向して配置
された２つの遮蔽された素子と、ブリッジ中で互いに対
向して配置された２つの遮蔽されない素子とを有し、 −前記付加的な加熱により、遮蔽されない素子の温度と
被検体の温度とが等しくなるまで前記素子の温度を変え
うるようになっており、この温度が等しくなることは前
記検出手段により前記不平衡電圧の相殺を検出すること
により測定されるようになっており、 −温度測定装置は、前記不平衡電圧の相殺が達成された
際に遮蔽されていない素子と、被検体とに共通の温度を
決定する温度測定手段を有していることを特徴とする。

【０００８】本発明によれば、遮蔽されていない素子が
放射の影響を受け、交換放射束間の熱平衡に達した後、
被検体及び遮蔽された素子の放射率に依存せずに行なわ
れる付加的な加熱による影響の下で不平衡電圧が補償さ
れると、遮蔽された素子の温度が被検体の温度に等しく
なる。付加的な加熱は、ブリッジの電力供給手段により
消費される電力を変えることにより達成させるのが好ま
しい。従って、ボロメータを、検査すべき被検体の放射
率特性に適合させるために校正を行なう必要がない。な
お、このような校正は間違いの根源となる。遮蔽された
素子と遮蔽されない素子とに対し同一種類のサーミスタ
を用いるのが好ましい。本発明の上述した及びその他の
特徴は以下の実施例に基づく説明から明らかとなるであ
ろう。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、 −４つのサーミスタ２０₁，２０₂，２０₃，２０₄を
有するホイートストンブリッジの形態のボロメータと、 −このブリッジに電力を供給する手段ＰＯＷ１８と、 −ブリッジの不平衡電圧ｖを測定する検出手段１７とを
具える温度測定装置５の電気回路を示す。手段１８は一
方の対角線アームＢＤに接続され、検出手段１７は他方
の対角線アームＡＣに接続されている

【００１０】好適実施例では、４つのサーミスタ２
０₁，２０₂，２０₃，２０₄を同一のものとし、同じ
製造処理で形成する。ブリッジの一方の対向アームにあ
るサーミスタ、例えばサーミスタ２０₂及び２０₄は被
検体２７から放出される放射２５の影響を受けないよう
に遮蔽されている。ブリッジの他方の対向アームにある
サーミスタ２０₁及び２０₃は遮蔽されておらず、放射
を受けて吸収する吸収性があるか吸収層を有している。

【００１１】ボロメータが均一温度内にあると、ホイー
トストンブリッジは平衡しており、従ってブリッジの不
平衡電圧ｖは零である。実際、被検体が存在しないと、
サーミスタが加熱されない程度に低い供給電流が用いら
れる。ボロメータが放射２５に曝されると、遮蔽されて
いないサーミスタが放射を吸収し、これらの温度が上昇
する。その結果、不平衡電圧ｖは零でなくなる。本発明
によれば、この場合に熱をボロメータに供給してブリッ
ジの平衡を回復させる。例えば、４つのサーミスタにお
いて電力が消費されるようにブリッジの供給電流を変化
させる。遮蔽されていないサーミスタ２０₁，２０₃が
放射２５から受けるのと同じエネルギーをこれらサーミ
スタ２０₁，２０₃が放出する場合にもブリッジは平衡
状態となる。この瞬時に、４つのサーミスタと被検体と
が同じ温度となる。被検体と遮蔽されていないサーミス
タとの間の熱的不平衡度は零である為、被検体及びサー
ミスタの放射率がこの平衡度に影響を及ぼさない。この
ことは、遮蔽されていないサーミスタが実質的に被検体
からのみ放射を受け周囲からのいかなる漏洩放射をも受
けない場合のみ満足される。従って、上述したパラメー
タの影響を回避することにより、サーミスタの温度に基
づいて被検体の温度を決定することができるも、これま
でパラメータの影響を回避することができなかった。

【００１２】サーミスタを付加的に加熱することは、サ
ーミスタへの供給電流を高める直接加熱により達成する
か、或いはサーミスタから電気的に分離された追加の加
熱素子２６による熱伝導を介する加熱により達成するこ
ともできる（図２Ｂ）。

【００１３】温度測定装置は、供給電流の値を測定する
手段１６と供給電圧の値を測定する手段１５とを有する
サーミスタ温度測定手段１１を具えている。不平衡電圧
が零となった場合、これらの供給電流及び供給電圧の値
はそれぞれＩ_T及びＶ_Tである。値Ｉ_T及びＶ_Tを決定
するために、検出手段により制御信号１３を生ぜしめ、
この制御信号により計算手段１４を動作させる。この計
算手段は、ブリッジが同一の構成素子を有する場合にす
べてのサーミスタに対し共通の電気抵抗値である比Ｒ＝
Ｖ_T／Ｉ_Tを決定する。サーミスタの電気抵抗値の変化
は前もっての校正により分っている為、サーミスタの温
度従って被検体の温度を見い出すためにはルックアップ
テーブル１２を用いることができる。このルックアップ
テーブル１２は計算手段１４の一部を構成するようにし
うる。

【００１４】図２Ａ及び２Ｂはボロメータの物理的構造
の一例を示す。図２Ｂは図２ＡのＸ−Ｘ線上を断面とす
る断面図である。基板２１上には、４つのサーミスタ
を、例えばサーミスタの形成に適した温度係数を有する
真空蒸着薄膜材料の４つの領域として形成する。次に、
このアセンブリ上に反射材料の層２３を堆積し、この層
に孔２２を形成して放射がサーミスタ２０₁，２０₃に
当るようにする。すべてのサーミスタをほぼ同様な製造
処理により形成することにより、これらサーミスタは同
じ特性を有するようになる。従って、放射が全くない場
合には、ブリッジはその構造の点で平衡している。遮蔽
されていない素子は対応する遮蔽された素子に充分接近
させて、有効な放射の吸収によっては生じないが例えば
熱的な環境の不均一性によって生じる熱的な非対称性を
回避するようにする必要がある。しかし、遮蔽された素
子は遮蔽されていない素子から満足に熱絶縁させて、遮
蔽されていない素子の、有効放射による加熱が遮蔽され
た素子に伝播されないようにする必要がある。熱的な非
対称性が熱的な環境によって生ぜしめられないようにす
るために、例えば基板２１を満足な熱伝導度を有する支
持体２４上に配置することができる。

【００１５】図３は、遮蔽されていないサーミスタの温
度変化を時間ｔの関数として表わす曲線１と不平衡電圧
ｖの変化を時間ｔの関数として表わす曲線２とを示して
いる。放射がない場合には、ブリッジが平衡状態にあ
り、不平衡電圧が零、すなわちｖ＝０である。サーミス
タはすべて同じ温度Ｔ_aにある。瞬時ｔ＝０で、遮蔽さ
れていないサーミスタが、温度Ｔ_pを有する被検体２７
から生じる放射に曝される。その結果、遮蔽されていな
いサーミスタの温度が温度Ｔ_bまで上昇する（瞬時
ｔ₁）。これによりブリッジ不平衡電圧を生ぜしめる。
次に、付加的な加熱素子を動作させるか或いは電力供給
手段１８によりサーミスタで消費される電力を変えるこ
とにより、付加的な加熱を開始させる。この変化は供給
電流の変化又は供給電圧の変化又はこれらの組合せにす
ることができる。

【００１６】これにより、サーミスタが加熱され、特に
放射を受けるサーミスタが例えば曲線１に応じて加熱さ
れる。これによりサーミスタ間の温度差が減少し、不平
衡電圧が減少し、サーミスタの温度が被検体の温度に等
しくなり被検体と遮蔽されていないサーミスタとの間で
交換される熱流束が釣り合うとこの不平衡電圧は零とな
る（瞬時ｔ₂）。前述したように処理を行なうために瞬
時ｔ₂において供給電流Ｉ_T及び供給電圧Ｖ_Tを決定す
る。

【００１７】サーミスタの製造処理により電気抵抗値間
に差を導入する場合には、ボロメータが均一温度にある
際に残留不平衡電圧が生じる。ブリッジの平衡を回復す
る原理は前述した場合と同様であり、不平衡電圧が残留
電圧の値に達した際に前述した付加的な加熱による平衡
の回復を行なうという制限を伴なう。

【００１８】前述した熱平衡状態にボロメータが到達す
るのに要する時間を減少させるためには、不平衡電圧を
用いてサーミスタにおける電力消費を制御するようにす
ることができる。

【００１９】これとは逆に、被検体の温度が予め決定し
た値に到達する瞬時を決定することができる。この目的
のために、供給電圧Ｖ及び供給電流Ｉの値を所定の値に
し、その結果として比Ｒ＝Ｖ／Ｉが所定の値にされるよ
うにする。不平衡電圧が値零を通過すると、被検体と遮
蔽されていないサーミスタとの間が熱的に平衡となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ブリッジ回路の形態のボロメータを有する本発
明による温度測定装置を示す電気回路図である。

【図２】遮蔽された２つの素子と遮蔽されない２つの素
子とを有するボロメータの一例を示す平明図（図２Ａ）
及び断面図（図２Ｂ）である。

【図３】温度平衡化処理中の、遮蔽されていないサーミ
スタの温度変化及び不平衡電圧の変化を示す特性曲線で
ある。

【符号の説明】

５温度測定装置１１サーミスタ温度測定手段１２ルックアップテーブル１３制御信号１４計算手段１５供給電圧測定手段１６供給電流測定手段１７検出手段１８電力供給手段２０₁〜２０₄ サーミスタ２１基板２２孔２３反射材料層２４支持体２５放射２７被検体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ホイートストンブリッジとして構成した
ボロメータと、このブリッジの対角線アームの１つに接
続された電力供給手段（１８）と、このブリッジの対角
線アームの他の１つにおける不平衡電圧（ｖ）を測定す
る検出手段（１７）とを有し、機械的接触を行なわない
温度測定装置（５）であって、前記ボロメータは温度変
化に感応する素子（２０₁，２０₂，２０₃，２０₄）
を有し、これら素子の幾つか（２０₂，２０₄）が遮蔽
され他の幾つか（２０₁，２０ ₃）が遮蔽されず、これ
ら素子と前記ボロメータに対向して配置される被検体
（２７）との間の放射（２５）による熱交換により遮蔽
された素子の温度が変化されず遮蔽されない素子の温度
が変化されるようになっており、温度測定装置は更に前
記素子の付加的な加熱を達成する加熱手段（２６；１
８）を有している、当該温度測定装置において、 −前記ボロメータが、ブリッジ中で互いに対向して配置
された２つの遮蔽された素子（２０₂，２０₄）と、ブ
リッジ中で互いに対向して配置された２つの遮蔽されな
い素子（２０₁，２０₃）とを有し、 −前記付加的な加熱により、遮蔽されない素子（２
０₁，２０₃）の温度と被検体の温度とが等しくなるま
で前記素子（２０₁，２０₂，２０₃，２０₄）の温度
を変えうるようになっており、この温度が等しくなるこ
とは前記検出手段（１７）により前記不平衡電圧（ｖ）
の相殺を検出することにより測定されるようになってお
り、 −温度測定装置（５）は、前記不平衡電圧の相殺が達成
された際に遮蔽されていない素子と、被検体とに共通の
温度を決定する温度測定手段（１１）を有していること
を特徴とする温度測定装置。
【請求項２】請求項１に記載の温度測定装置におい
て、電力供給手段（１８）によって消費される電力を変
えることにより付加的な加熱が達成されるようになって
いることを特徴とする温度測定装置。
【請求項３】請求項１に記載の温度測定装置におい
て、付加的な加熱素子（２６）により前記付加的な加熱
が達成されるようになっていることを特徴とする温度測
定装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項に記載の温
度測定装置において、遮蔽された素子と遮蔽されない素
子とが、これらの温度が互いに同じである際に同じ電気
抵抗を有していることを特徴とする温度測定装置。
【請求項５】請求項４に記載の温度測定装置におい
て、前記ボロメータが４つの同一のサーミスタを有し、
前記温度測定手段（１１）は、被検体（２７）がボロメ
ータに対向して存在することにより誘起される不平衡電
圧（ｖ）を相殺させる供給電流の値及び供給電圧の値を
測定する手段（１６及び１５）を有し、前記温度測定手
段が前記供給電圧の値と前記供給電流の値との比を計算
し（１２，１４）、この比に基づいて被検体の温度を取
出すようになっていることを特徴とする温度測定装置。