JPH09507299A - 非接触能動温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 離れた対象物の温度を測定するための非接触能動赤外線センサ(1)は二つに分けた検出用素子(6,7)を備える。第１の素子(6)はその対象物に独特な形で向けられ、輻射フラックスを形成する。第２の素子(7)は第１の素子(6)と同じ局部環境に形状付与されるが、前記対象物からの輻射からは分離されている。これら素子(6,7)の熱伝達を比較し、その対象物でのフラックス対応の熱伝達の成分を分離して温度信号に変換する。このセンサシステムは、これらセンサ素子(6,7)を熱的に互いに分離する一方、これら素子(6,7)にそれぞれ個別の熱制御ユニット(34,38)をとり込んで熱伝達を正確に制御するので有利である。これによって、離れた物体の温度のより正確な測定表示値が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 非接触能動温度センサ この発明は概括的には非接触温度測定システムに関し、特に温度計表示値の精 度を確保するために誤差誘発信号を分離し除去する赤外線温度測定用装置および 方法に関する。 発明の背景 赤外線輻射による温度測定のために熱（赤外）線輻射の検出を周知の多数のセ ンサで行うことができる。熱線は電磁波の性質を備え、したがって量子検出器ま たは熱検出器で検出できる。フォトレジスタやフォトダイオードなどの量子検出 器は比較的低い温度を高精度で測定するのに極低温冷却を必要とする。一方、熱 検出器は量子検出器ほどには感度が高くないものの、通常の室温で動作できる。 この発明は非接触温度計として最も広く用いられる熱温度計に関する。この種の 温度計の一つの例は鼓膜およびその周辺の組織からの非接触温度測定の可能なイ ンスタント医用耳温度計である。赤外線温度計で通常用いられる温度センサは熱 電対列、パイロ電気素子、ボロメーターおよび能動赤外線検出器である。 赤外線センサの目的はそのセンサと測定対象物との間にある正味赤外線フラッ クスΦを表す電気信号を発生することである。このフラックスは二つの温度、す なわちそのセンサそのものの表面温度Ｔ_sおよび対象物（目標物）の表面温度Ｔ_b に左右される。これら二つの温度とフラックスとの関係はシュテファン・ボルツ マンの法則、すなわち Φ＝ｋε_bε_s(Ｔ_b ⁴−Ｔ_s ⁴) (1) によって決定される。ここで、ε_bおよびε_sはそれぞれ目標物およびセンサの放 射率であり、ｋは定数である。温度測定の究極の目的はＴ_bの確定である。温度 Ｔ_bの計算には二つの変数、すなわち赤外線フラックスΦの大きさおよびセンサ 表面温度Ｔ_sをまず確定しなければならない。 表面温度測定はサーミスタや熱電素子など周知の多数の温度検出器の一つで行 えるが、一方、正味赤外線フラックスの測定は熱赤外線センサとして周知の光電 子デバイスを要する。熱赤外線センサには二つの種類、すなわち受動赤外線セン サ(PIR)および能動遠赤外線センサ(AFIR)がある。PIR検出器の例はパイロ電気素 予、熱電対列、およびボロメーターである。PIR検出器による赤外線流束量の測 定は単純ではない。何故ならば、高速応答のセンサは一般に薄片状または薄膜状 に作られ、その表面の温度は測定が難しいだけでなく目標物に向けたとたんに変 化するからである。センサ表面温度Ｔ_sの不正確な測定は非接触温度計算の誤差 を生ずる。PIR検出器におけるセンサ表面温度は目標物への露出によって変化す るので、検出素子の応答速度を改善するには、その熱容量をごく小さくしなけれ ばならない。それはPIRセンサ設計に極めて厳しい要求を課し、コストを上昇さ せる。 PIRと対照的に、AFIRセンサは所定の（多くの場合、一定の）検出素子温度Ｔ_s で動作する。AFIRセンサはフレイドゥン(Fraden)名義の米国特許第4,854,730号 および同第5,054,936号に基づくものである。AFIRセンサの動作原理は下記の例 で説明できる。センサ容器内には、温度検出器（例えば、サーミスタ）とヒータ （定数＋抵抗器）とを含む検出素子を備える。ヒータは検出器と熱結合する。こ の検出素子を電子回路、すなわち温度検出器を通じてその素子の温度を測定し前 記ヒータに電流を供給して周囲温度以上にその温度を上昇させる電子回路に接続 する。この回路は前記素子の温度を所定のＴ_sレベル、すなわち目標物の最高温 度よりも通常高いレベルに維持する。このように、AFIR検出素子は加熱され、目 標物向けに導かれる正味フラックスを有する赤外線輻射の供給源となる。このフ ラックスの大きさは既知の温度Ｔ_sと未知の目標物温度Ｔ_bとの間の温度勾配に関 連する。理想化した条件の下では、エネルギー保存の法則に従って、センサから 目標物への輻射熱Φは抵抗性ヒータへの供給電力Ｐに等しくなければならない。 ここで、理想化した条件とは、上記素子からの熱エネルギー損失が目標物向けの 輻射だけによることを意味する。ヒータへの供給電力はヒータ抵抗値Ｒとその端 子電圧Ｖとによって次式で表される。 したがって、式(1)および(2)を組み合わせて、目標物温度を次式で計算できる。 目標物温度の計算値は一つの変数、すなわち発熱抵抗体の端子電圧Ｖだけによ って定まる。式(3)のこれ以外の部分はすべて定数か予め定められた数である。 ま た、Ｔ_bと無関係に電子回路が効率的にＴ_sレベルを維持する場合は、目標物への 露出によっても素子温度は変化せずAFIRセンサは高精度になるだけでなく高速に なる。検出素子の熱容量に対する厳しい要求なしにそれを達成できる。実質的に は、AFIRセンサは電力から熱輻射電力への直接の高効率変換器である。Ｔ_sの値 は通常は40℃から100℃の範囲で選ぶ。医療用には50℃近傍が好ましい。 実際にはAFIRセンサは理想化された条件では動作しない。発熱抵抗体の放散す る熱エネルギーは目標物だけでなくセンサ内部構造の構成部品すべてにも向かう 。また、この発熱素子からの熱の伝搬は輻射だけでなく熱伝導およびセンサ容器 内ガスの重力による対流によっても行われる。式(3)は影響の増大する変数をほ かに含んでいないので、同式の計算はまったく不正確になる。その変数というの はセンサ容器の温度、すなわち環境（周囲）温度である。すなわち、AFIRセンサ の設計および使用に伴う主な困難はセンサシステムからの浮遊熱損失の補償に関 わるものである。 検出素子からの有害な熱損失を補償するために、いくつかの方法および装置が 提案されてきた。例えば本願出願人名義の米国特許第4,854,730号および同第5,0 54,936号を参照されたい。これら２件の特許は上記参照によって全文再掲の形で この明細書に組み入れる。AFIRセンサに関わる信号など誤りのいくつかに対処す るのに上記手法は好影響をもたらしているが、信号分離および表示値精度向上に おける全般的性能の向上への必要性は解消されていない。この発明の実現は上述 のとおりの従来技術の理解に基づくものである。 この発明の目的および概要 この発明の目的はセンサ精度が周囲温度に実質的に左右されないようにする非 接触温度測定方法を提供することである。 この発明のもう一つの目的は高速応答の能動赤外線温度センサを提供すること である。 この発明のさらにもう一つの目的は広い動作温度範囲にわたって安定な能動赤 外線温度計を提供することである。 この発明のさらにもう一つの目的は寸法の小さい能動赤外線センサを提供する ことである。 この発明のさらにもう一つの目的は予め定めた光学的性能を有する能動赤外線 温度センサを提供することである。 この発明の上記目的およびそれら以外の目的は二つの個別の能動センサ素子(A FIR)を非接触温度計内に所定の向きにして収めた特定のセンサ配置で実現する。 二つの個別のセンサ素子の利用により目標物温度信号を、通常は単一のセンサ素 子に関連する他の誤差誘発信号成分から分離できる。より詳細に述べると、第１ の検出素子は遠赤外線を目標物に放射するのに用い、一方、ほぼ同一の第２の検 出素子を、目標物向けとは独立に、両検出素子の局部環境を反映する補償信号の 発生に用いる。後者の目標物から独立した信号は局部的周囲熱伝導の補償に用い るので正確な目標物温度の計算が可能になる。 二つの個別の検出素子の間の熱的漏話に起因する制約の解消のために、これら 検出素子を個別の熱的に互いに分離した基板状に形成する。各素子はそれ自体の 温度を所定の既知の値に保つためにそれ自体の電子制御回路を備える。両素子の 温度はほぼ等しいのが好ましい。各素子は補助ヒータおよび制御回路を備える。 この制御回路は素子温度を測定し熱を抵抗器経由で加え、所定温度を維持する。 この構成において、両素子からの浮遊熱損失はほぼ等しく、放射素子だけが熱 輻射を目標物向けに放射できる。放射素子からの浮遊熱損失は上記第２の素子お よびその制御回路により補助ヒータ経由で補償されているので、輻射素子および その制御回路は熱輻射電力だけに応答できればよい。両検出素子は熱的に互いに 分離されているので、制御回路は互いに独立に動作でき、それによって両者の安 定動作が確実になる。 図面の説明 図１は二つの検出素子を備えるAFIRセンサの断面図であり、 図２は共通のスペーサで支持した二つの検出素子を備える検出素子を示し、 図３は円筒状光導波体を備えるセンサの等角図であり、 図４はパラボラ状光導波体を備えるセンサの等角図であり、 図５は円錐状光導波体を備えるセンサの等角図であり、 図６は共通の支持体で保持した二つのAFIR検出素子を示し、 図７は基板の一つの表面上に複数の層を備えるAFIR検出素子の拡大断面図であ り、 図８は軸方向接点付きの個別温度センサを備える検出素子の拡大断面図であり 、 図９は表面接点付きの個別温度センサを備える検出素子の拡大断面図であり、 図10は基板の両側表面上に複数の層を備える検出素子の拡大断面図であり、 図11は制御回路に接続したデュアルセンサのブロック図を示し、 図12は集積回路を備える検出組立体である。 本発明の説明 図１を参照すると、内部を汚染から保護するとともに内部構造の熱的環境を等 化するための保護キャップ３にAFIRセンサ１を収容した状態が示してある。キャ ップ３は金属で製作するのが好ましいが、同じ目的である種のプラスチックおよ びセラミックを用いることもできる。センサ１の内部空間43には乾燥空気または 不活性ガスを充填する。この内部空間43の真空を維持するように排気することも できる。キャップ３の上部には光導入開口40を設ける。センサ外部の所望の方向 へ赤外線フラックスを向けるようにこの開口を光導波体11の形に形成することも できる。導波体11の内側表面12は高度の反射面にするのが好ましい。遠赤外波長 領域では金が最も効果的な反射体となるので、前記表面を磨いて金メッキする。 光導波体11の外側開口は窓13で保護する。この窓は光導波体に接着するか溶接 する。窓は遠赤外波長領域で良好な透過特性を備えなければならない。窓はポリ オレフィンなどのプラスチックでも形成できるが、好適な材料はシリコン、ゲル マニウム、セレン化亜鉛、AMTIR、その他の適当な硬質結晶質または非晶質の元 素または化合物である。透過特性の改善のために、窓には動作波長に合わせた反 射防止膜(ARC)を形成することもできる。 キャップ３は溶接、はんだ付け、または適当な結合剤によりヘッダ２にとり付 ける。このようにして、キャップ３、窓13およびヘッダ２により内側空間43を封 止する。 センサ１の内部には、スペーサ５と二つの素子６および７とで構成した検出用 組立体４がある。輻射素子６は光導波体に面しており、補償用素子７はヘッダ２ の表面に面している。輻射素子６は光導波体11および窓13を通じてセンサの外部 に光結合される。補償用素子はスペーサ５とヘッダ２との間に挟まれている。ヘ ッダ２の表面41は反射面であって金メッキにするのが好ましく、補償用素子７の 放射レベルは低い。素子６および７とセンサ内壁との間の輻射結合をさらに減ら すために、キャップ３の内側表面42も反射面にし、好ましくは金メッキする。 スペーサ５は中心に開口を有する環状のものである。この開口はセンサ素子６ および７の間に空胴を形成しこれら素子の間の熱結合を最小にする。熱絶縁をさ らに改善するために、空間20には熱伝導率の低い材料を充填する。検出用組立体 ４は外部回路への電気的接続を形成する端子15で保持する。端子15とヘッダ２と の間の強固な封止を確実にするために、端子15の表面とヘッダ２の表面との間に 絶縁用鳩目穴44を設ける。 検出用組立体４を、図６に示すように、すなわち素子６および７をいくつかの 支持体16乃至19で保持し個別のスペーサ５を不要にした形で設計することもでき る。この構成において、端子への電気的接続はワイヤボンディング、導電性エポ キシ、表面メタライズなど周知の手法の一つにより達成できる。一例として、図 ６は支持体18の表面メタライズを示す。このメタライズにより、クランプ部21で 素子６との間のインタフェースを形成する導体22を形成する。センサ組立体４の 上述の構成およびこれ以外の構成に伴う所要の機能的特性には、機械的一体性、 検出素子間の良好な熱絶縁、およびセンサ端子への電気的接続などがある。 もう一つの実施例では、検出素子を熱伝導率の小さい支持体でAFIR容器内に保 持する。これによって、素子間の熱漏話および素子からセンサ容器への熱損失の 両方を最小にできる。これら素子と端子との間の電気的接続は、ワイヤボンディ ング技術など当業界で周知の標準的手法の一つにより達成できる。熱損失低減に はワイヤ長を最大にして断面積を最小にすることを確実にすることが重要である 。 広い視野を要する用途もある。そのような場合は、光導波体を図１に示すとお り円筒状のものにして、図３に示すとおり比較的広い視野70-aを備えるようにす る。他の用途では光導波体を完全に省略してもよい。光導波体なしのセンサでは 、窓13を光開口40の縁に直接にとり付ける。特に医用温度計の製造など他の用途 においてはより狭い視野が必要になる。その場合は窓でなく集束用レンズを光開 口40にとり付ける。そのようなレンズは遠赤外波長領域で良好な透過特性を有す る材料で製造しなければならない。 光導波体として非結像集束手段を用いることもできる。そのような集束手段は 例えばダブリュウ．ティー．ウェルフォード(W.T．Welford)およびアール．ウィ ルソン(R．Wilson)共著アカデミック プレス社1989年刊「高度集束非結像光学」 （この引用により同書の記載事項をこの明細書に組み入れる。）に記載されてい る。 集束手段の利用を図解するために、パラボラ状側面の光導波体11を図４に示し、 円錐状側面の光導波体11を図５に示す。いずれの光導波体11も窓13で覆われてお り、図３に示したものに比べて相対的に狭い視野70-bおよび70-cを備える。狭い 視野を得るには円錐状のものよりもパラボラ状の光導波体が一般により効率的で あるが、円錐状のもののほうが製造しやすい。 図１を再び参照すると、互いに同一の検出素子６および７の各々が複雑な構成 を備えることが理解されよう。素子６を参照すると、この素子は表面上に多層堆 積を有する基板14から構成される。層の順序は決定的ではないが、少なくとも一 つの温度検出層８と、第１の抵抗層９と、第２の抵抗層10とがなければならない 。実際の製造のためには検出層８を最上部に保つのが通常は好ましい。導体層相 互間にはいくつかの電気分離層を配置し得る。 実例となる検出素子（素子６または７に好適）の断面を図７に示し、同図には 分離層26および27が示してある。この構成において、第１および第２の抵抗性層 ９および10はそれぞれヒータとして作用し、検出層８は多層構造の温度検出用で ある。素子６の上記層は電気的に相互に分離されており、同時に熱的には相互に 密接に結合されている。 温度検出層８はスパッタリング技術で堆積させ、温度感応性抵抗器として作用 する半導体材料薄膜を形成する。窒化アルミニウムなど熱伝導率の大きい材料で 基板を形成した場合は、温度検出層８と抵抗層９および10とは図１０に示すとお り基板14の互いに反対側の面に堆積させることができる。抵抗性層９および10、 および絶縁層26は厚膜技術の利用により形成でき、温度検出層８は薄膜技術によ り形成できるので、上記構成はセンサ製造を単純化する。 温度検出層８を個別の温度センサに置換することもできる。図８は多層構造組 立体の上に配置した温度センサとしてチップサーミスタを用いることを示してい る。温度センサ29は金属接続28にはんだ付けその他で電気的に接続できる導体31 の形の終端部を備える。導体31は温度センサ29の種々の側に配置できる。図８は 導体31の軸に位置づけた場合を示し、図９は接続部28および導体パッド47にそれ ぞれ接続した上側メタライズ層45および下側メタライズ層46付きの温度センサ29 を示す。接続部28および導体パッド47は温度センサ29と基板14上の導体、すなわ ちセンサ端子15（図７−10には示してない）にあとでとり付ける導体との間の電 気的インタフェースを構成する。個別の温度センサ29は、検出素子の高速で効率 的な熱制御を確実にするために、第１および第２の抵抗性層９および10に熱的に よく結合させなければならない。 検出組立体の最上部が動作波長で高度の放射率を示すという要件は各構成に特 定的である。上側表面は図９の上面メタライズ層45と同様に金属で形成するのが 適当である。それらの場合には金属表面を放射率が0.9以上になるように加工し なければならない。これは当業界で周知の標準的手法の一つを用いて達成可能で ある（例えば、ここに引用してこの明細書に組み入れるジェイ．フレイドゥン著 「AIP最新センサハンドブック」米国物理学会1993年刊第465頁参照）。 AFIRセンサは能動型であり、したがって動作のためには外部エネルギー源を必 要とする。この機能は電子回路で達成できる。二つの個別センサ素子を利用する 構成では、デュアル回路を必要とする。図11はその種の回路のブロック図である 。この図において、最下部は補償素子７に接続する。この回路は第１の誤差増幅 器32と第１の制御回路34、すなわち補償素子７の第２の抵抗性層100に電流を供 給するための内蔵電力駆動装置を有する制御回路34とから成る。また回路34は輻 射素子６の第２の抵抗性層10にも等しい電流を供給する。この電流は導線35経由 で供給され出力電圧Ｖ_compで表してある。 動作の際には、第１の誤差増幅器32で温度感応性層80からの信号を基準入力33 の第１の基準信号Ｖ_ref1と比較し、差を第１の制御回路34に供給する。この回路 は、温度感応性層80の出力をこの第１の基準信号Ｖ_ref1にほぼ等しく保つに必要 な大きさの出力電圧Ｖ_compを発生する。この基準信号は電圧基準またはホイート ストーンブリッジ（図示してない）により発生できる。第１の基準信号Ｖ_ref1を 予め定めておけば、補償素子７の温度も所定レベル、すなわちセンサの特定用途 に応じて一定の場合もあり一定でない場合もある所定レベルに維持される。 素子６および７は両方とも同一でありそれら素子の抵抗性層10および100には 第１の制御回路34から同一の電流が供給されているので、これら素子の温度は互 いに近似している。温度差はこれら素子６および７の光の条件の差から生ずる。 輻射素子６は赤外線フラックスを外部対象物に向けて放射し、補償素子７はそれ から遮蔽されている。上側では基板140とほぼ等しい温度の過熱状態の基板14に よって放射を妨げられ、下側ではヘッダ２の反射面41に相対している。 また、補償素子７の外側層（図11では温度感応性層80）には放射率をさらに下 げるために金属被膜を形成できる。したがって、補償センサからの熱の散逸は伝 導および対流だけによるが、輻射センサについては輻射も散逸に加わる。この付 加的熱散逸によって輻射素子６にある程度の温度低下が生ずる。この温度低下を 補償するために温度検出層８からの信号を第２の誤差増幅器36、すなわち第２の 基準信号Ｖ_ref2の供給を基準入力37に受ける増幅器36に供給する。Ｖ_ref2の大き さは二つの検出素子６および７の温度を確実に等しくする値である。 図11を引き続き参照すると、増幅器36の誤差信号は、第１の抵抗性層９への制 御信号39を生ずる第２の制御回路38に供給される。制御信号39の大きさは目標物 向けの輻射による損失に等しい熱を生ずるに十分な値である。この信号を出力電 圧Ｖ_outとして用いる。輻射以外による損失は第１の制御回路34によりほぼ完全 に補償されているので、第２の制御回路38による補償は輻射素子６からの輻射損 失だけを補償すればよい。したがって、出力電圧Ｖ_outは周囲温度の影響をほと んど受けない。すなわち、周囲温度は輻射以外による損失を確定し、輻射損失は 遠隔目標物の温度に左右されるからである。 素子６および７は熱伝導率のごく小さい空間20で隔てられているので、二つの 制御回路は十分に熱的に分離されている。この熱的分離を確実にするために導線 35は細く長くするのが好ましい。これら素子６および７の間の熱結合を低くする ことによってセンサの安定動作を確実にする。 多くの利用分野において、センサ温度制御回路をセンサ容器中に収めるのが望 ましい。電子部品の大部分は図12に示すとおり補償素子７に直接にとりつけ可能 な集積回路の形に作ることができる。検出用組立体４の全般的形状は上述のとお りほぼ同じである。唯一の相違点は集積回路72を絶縁体71の表面に接着してある ことだけである。温度検出器を集積回路に含めて補償素子７が図11に示すとおり 温度検出層80を必要としないようにすることもできる。第１の抵抗層90は一般に 制御回路のいずれにも接続してないので（図11）、図12に示すとおりこれを省略 して絶縁体71を第２の抵抗層100の上面に堆積させることができる。 上述の構成はこの発明の原理の単なる例示である。当業者にはこの発明の真意 と範囲を逸脱することなく多数の変形や改変が容易に明らかになろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１２月６日 【補正内容】 （頁第10-第13） 請求の範囲 １．遠隔表面の温度の非接触測定のためのセンサシステムであって、 所定周波数範囲対応の熱輻射結合を許容する光通路を有するセンサ容器と、 前記センサ容器内にあって前記光通路経由で熱輻射を受けるセンサ組立体手段 とを含み、前記組立体手段が、個別の基板にそれぞれ別々にとり付けられ熱伝導 率の小さい障壁により熱的に互いに分離されている前記熱輻射受容の輻射素子と 補償素子とを含み、前記輻射素子および補償素子の両方がそれら素子のそれぞれ の温度の個別制御のために別々の温度制御手段にそれぞれ個別に結合されており 、前記輻射素子に接続されている前記温度制御手段が前記遠隔表面と前記輻射素 子との間に存在する輻射熱フラックスに対応する信号を発生する センサシステム。 ２．前記遠隔表面が前記輻射素子に光学的に結合されているとともに前記補償素 子から光学的に分離されている請求項１記載のシステム。 ３．前記輻射熱フラックスを前記遠隔表面の測定温度表示値に変換する信号処理 手段をさらに含む請求項２記載のシステム。 ４．前記補償素子が前記容器の内部反射面に光学的に露出している請求項２記載 のシステム。 ５．前記輻射素子が動作波長において放射率の大きい露出表面を有する請求項２ 記載のシステム。 ６．前記補償素子基板および輻射素子基板がほぼ同じ温度に維持される請求項２ 記載のシステム。 ７．前記補償素子および輻射素子の各々が抵抗性ヒータを含む請求項２記載のシ ステム。 ８．前記輻射素子および前記補償素子のための前記抵抗性ヒータが温度制御回路 により個々の素子の温度に応答して活性化される請求項７記載のシステム。 ９．前記温度制御手段が前記輻射素子および補償手段の両方のための温度センサ をさらに含む請求項８記載のシステム。 10．前記熱センサおよび前記抵抗性ヒータが前記輻射素子基板の互いに反対側の 面に配置してある請求項９記載のシステム。 11．前記熱センサおよび前記抵抗性ヒータが前記補償素子基板の互いに反対側の 面に配置してある請求項９記載のシステム。 12．前記輻射素子および補償素子が気体充填空間で分離された個別の基板に別々 にとり付けてある請求項２記載のシステム。 13．前記基板が低い熱伝導率を有する請求項12記載のシステム。 14．離れた物体の温度を測定する装置であって、 熱的に実質的に互いに分離されるように低熱伝導率の障壁で互いに分離されて いる第１のセンサ素子および第２のセンサ素子を含む輻射感応性センサ組立体と 、 前記輻射感応性センサ組立体を納めるセンサ容器手段であって、前記第１のセ ンサ素子との赤外線輻射授受を許容するとともに前記第２のセンサ素子と前記セ ンサ容器の外の輻射源との間の赤外線輻射授受を阻止するような向きの赤外線輻 射通路を含むセンサ容器手段とを含み、 前記第１および第２のセンサ素子が周囲条件に応答してほぼ等価の伝導熱およ び対流熱フラックスをもたらすような環境を前記センサ容器手段が形成する 装置。 15．前記第１および第２のセンサ素子が互いに別々に制御される第１および第２ のヒータ素子をそれぞれ含む請求項14記載の装置。 16．前記第１および第２のセンサ素子が個別の基板手段に別々にとり付けてある 請求項14記載の装置。 17．前記第１の基板手段が、前記第２の基板手段との間の伝導による熱伝達を実 質的に阻止するようにその第２の基板手段から隔てられている請求項16記載の装 置。 18．前記第１のセンサ素子が層間に電気的分離層の差し込みを受けた複数の抵抗 性層をさらに含む請求項14記載の装置。 19．前記第１および第２のヒータ素子を制御する温度補償回路をさらに含む請求 項15記載の装置。 20．前記第１および第２のセンサ素子が熱的に前記センサ素子にそれぞれ結合さ れた第１および第２の温度センサを含む請求項19記載の装置。 21．前記温度補償回路が前記温度センサ手段からの温度信号を受け、前記出力信 号が前記第１および第２のセンサ素子の両方の中の前記ヒータ素子への第２の出 力と前記第１のセンサ素子の中の第３のヒータ素子への第１の出力とを含む請求 項20記載の装置。 22．前記第１の出力が前記第１のセンサ素子の輻射熱フラックスの値に対応して いる請求項21記載の装置。 23．前記赤外線輻射通路が、前記離れた対象物の所定の視野をもたらす光導波体 をさらに含む請求項14記載の装置。 24．前記光導波体が狭い視野をもたらす請求項23記載の装置。 25．前記輻射通路が前記離れた対象物の狭い視野を形成する非結像集束手段を含 む請求項14記載の装置。 26．離れた位置にある遠隔対象物の温度をその対象物に接触することなく測定す る方法であって、 前記遠隔対象物と第１のセンサ素子および第２のセンサ素子を含むセンサ組立 体との間に赤外線輻射通路を形成する過程と、 前記赤外線輻射通路を前記第１のセンサ素子に向け、前記第２のセンサ素子を 前記遠隔対象物との間の赤外線授受から実質的に分離する過程と、 前記第１のセンサ素子の発揮する伝導および対流による熱伝導成分のほぼ全部 を前記第２のセンサ素子も同時に発揮するような局部環境を前記センサ組立体の 周囲に形成する過程と、 前記第１のセンサ素子を前記第２のセンサ素子から熱的に分離し、前記第１の センサ素子および前記第２のセンサ素子の温度を別々に制御する過程と、 前記第１のセンサへの熱制御信号を測定し、その信号を前記遠隔対象物の前記 温度対応の値に変換する過程と を含む方法。 27．前記局部環境が前記第１および第２のセンサ素子を内部に納めたセンサ組立 体容器で形成される請求項26記載の方法。 28．前記赤外線輻射通路が、前記容器内の別の光学的窓を用いて、前記赤外線輻 射を所定の視野内で前記第１のセンサ素子にもたらすように、形成される請求項 27記載の方法。 29．前記容器が前記第２のセンサ素子への露出のための高反射率内面を有する請 求項27記載の方法。 30．前記第１のセンサ素子が第１の熱センサと第１の熱制御回路による制御を受 ける第１の抵抗性ヒータとを含む請求項27記載の方法。 31．第２の熱制御回路が前記第２のセンサ素子の中の第２の熱センサおよび第２ の抵抗性ヒータに接続されている請求項30記載の方法。 32．前記熱制御回路が温度誘起電圧を各センサ素子について基準電圧値とそれぞ れ比較し、その比較における不一致を補償するように各センサ素子内の前記抵抗 性ヒータに電流を出力する請求項31記載の方法。 33．前記第１および第２のセンサ素子がほぼ同じ温度に保たれる請求項26記載の 方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．遠隔表面温度の非接触測定のためのセンサシステムであって、 所定周波数範囲対応の熱輻射結合を許容する光通路を有するセンサ容器と、 前記センサ容器内にあって前記光通路経由で熱輻射を受けるセンサ組立体手段 とを含み、前記組立体手段が、個別の基板にそれぞれ別々にとり付けられ熱伝導 率の小さい障壁により熱的に互いに分離されている前記熱輻射受容の輻射素子と 補償素子とを含み、前記輻射素子および補償素子の両方がそれら素子の温度の個 別制御のために別々の温度制御手段にそれぞれ個別に結合されており、前記輻射 素子に接続されている前記温度制御手段が前記遠隔表面と前記輻射素子との間に 存在する輻射熱フラックスに対応する信号を発生する センサシステム。 ２．前記遠隔表面が前記輻射素子に光学的に結合されているとともに前記補償素 子から光学的に分離されている請求項１記載のシステム。 ３．前記輻射熱フラックスを前記遠隔表面の測定温度表示値に変換する信号処理 手段をさらに含む請求項２記載のシステム。 ４．前記補償素子が前記容器の内部反射面に光学的に露出している請求項２記載 のシステム。 ５．前記輻射素子が動作波長において放射率の大きい露出表面を有する請求項２ 記載のシステム。 ６．前記補償素子基板および輻射素子基板がほぼ同じ温度に維持される請求項２ 記載のシステム。 ７．前記補償素子および輻射素子の各々が抵抗性ヒータを含む請求項２記載のシ ステム。 ８．前記輻射素子および前記補償素子のための前記抵抗性ヒータが温度制御回路 により個々の素子の温度に応答して活性化される請求項７記載のシステム。 ９．前記温度制御手段が前記輻射素子および補償手段の両方のための温度センサ をさらに含む請求項８記載のシステム。 10．前記熱センサおよび前記抵抗性ヒータが前記輻射素子基板の互いに反対側の 面に配置してある請求項９記載のシステム。 11．前記熱センサおよび前記抵抗性ヒータが前記補償素子基板の互いに反対側の 面に配置してある請求項９記載のシステム。 12．前記輻射素子および補償素子が気体充填空間で分離された個別の基板に別々 にとり付けてある請求項２記載のシステム。 13．前記輻射素子基板が低い熱伝導率を有する請求項12記載のシステム。 14．離れた物体の温度を測定する装置であって、 熱的に実質的に互いに分離されるように低熱伝導率熱障壁で互いに分離されて いる第１のセンサ素子および第２のセンサ素子を含む輻射感応性センサ組立体と 、 前記輻射感応性センサ組立体を納めるセンサ容器手段であって、前記第１のセ ンサ素子との赤外線輻射授受を許容するとともに前記第２のセンサ素子と前記容 器の外の輻射源との問の赤外線輻射授受を阻止するような向きの赤外線輻射通路 を含むセンサ容器手段とを含み、 前記第１および第２のセンサ素子が周囲条件に応答してほぼ等価の伝導熱およ び対流熱フラックスをもたらすような環境を前記センサ容器手段が形成する 装置。 15．前記第１および第２のセンサ素子が互いに別々に制御される第１および第２ のヒータ素子をそれぞれ含む請求項14記載の装置。 16．前記第１および第２のセンサ素子が個別の基板手段に別々にとり付けてある 請求項14記載の装置。 17．前記第１の基板手段が、前記第２の基板手段との間の伝導による熱伝達を実 質的に阻止するようにその第２の基板手段から隔てられている請求項16記載の装 置。 18．前記第１のセンサ素子が層間に電気的分離層の差し込みを受けた複数の抵抗 性層をさらに含む請求項14記載の装置。 19．前記第１および第２のヒータ素子を制御する温度補償回路をさらに含む請求 項15記載の装置。 20．前記第１および第２のセンサ素子が熱的に前記センサ素子にそれぞれ結合さ れた第１および第２の温度センサ手段を含む請求項19記載の装置。 21．前記温度補償回路が前記温度センサ手段からの温度信号を受け、前記出力信 号が前記第１および第２のセンサ素子の両方の中の前記ヒータ素子への第２の出 力と前記第１のセンサ素子の中の第３のヒータ素子への第１の出力とを含む請求 項20記載の装置。 22．前記第１の出力が前記第１のセンサ素子の輻射熱フラックスの値に対応して いる請求項21記載の装置。 23．前記赤外線輻射通路が、前記離れた対象物の所定の視野をもたらす光導波体 をさらに含む請求項14記載の装置。 24．前記光導波体が狭い視野をもたらす請求項23記載の装置。 25．前記輻射通路が前記離れた対象物の狭い視野を形成する非結像集束手段を含 む請求項14記載の装置。 26．離れた位置にある遠隔対象物の温度をその対象物に接触することなく測定す る方法であって、 前記遠隔対象物と第１のセンサ素子および第２のセンサ素子を含むセンサ組立 体との間に赤外線輻射通路を形成する過程と、 前記赤外線輻射通路を前記第１のセンサ素子に向け、前記第２のセンサ素子を 前記遠隔対象物との間の赤外線授受から実質的に分離する過程と、 前記第１のセンサ素子の発揮する伝導および対流による熱伝導成分のほぼ全部 を前記第２のセンサ素子も同時に発揮するような局部環境を前記センサ組立体の 周囲に形成する過程と、 前記第１のセンサ素子を前記第２のセンサ素子から熱的に分離し、前記第１の センサ素子および前記第２のセンサ素子の温度を別々に制御する過程と、 前記第１のセンサへの熱制御信号を測定し、その信号を前記遠隔対象物の前記 温度対応の値に変換する過程と を含む方法。 27．前記局部環境が前記第１および第２のセンサ素子を内部に納めたセンサ組立 体容器で形成される請求項26記載の方法。 28．前記赤外線輻射通路が、前記容器内の別の光学的窓を用いて、前記赤外線輻 射を所定の視野で前記第１のセンサ素子にもたらすように、形成される請求項27 記載の方法。 29．前記容器が前記第２のセンサ素子への露出のための高反射率内面を有する請 求項27記載の方法。 30．前記第１のセンサ素子が第１の熱センサと第１の熱制御回路による制御を受 ける第１の抵抗性ヒータとを含む請求項27記載の方法。 31．第２の熱制御回路が前記第２のセンサ素子の中の第２の熱センサおよび第２ の抵抗性ヒータに接続されている請求項30記載の方法。 32．前記熱制御回路が温度誘起電圧を各センサ素子について基準電圧値とそれぞ れ比較し、その比較における不一致を補償するように各センサ素子内の前記抵抗 性ヒータに電流を出力する請求項31記載の方法。 33．前記第１および第２のセンサ手段がほぼ同じ温度に保たれる請求項26記載の 方法。