JPS60249020A - 赤外放射計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）　技　術　分　野 この発明は、赤外線放射計測装置に関する。

物体から放射される赤外線の強度は、物体の温度ととも
に増大する。物体の温度を測定する為、物体から出る赤
外線の放射強度を検出する放射温度計測は既によく知ら
れ、ているところである。

物体から出る放射線をレンズ又はミラーで集光し、赤外
線検出器に入射させ、検出器の出力から、放射線の強度
を知る。

検出信号のドリフト、検出器の雑音、直流の外乱光など
の影響を遮断するために、信号たる赤外線を、回転羽根
を有するモジュレータによって変調し、交流の検出信号
を得るようにする事が多い。

（イ）従来技術 第１図は赤外線放射計測装置の原理図である。

被測温物１から、温度に依存した強度の赤外線Ｒが放射
される。この信号たる赤外線Ｒは、モジュレータ２によ
って断続光に変換されて検出器３に入射する。

モジュレータ２は、複数の羽根、又は円板に複数の開孔
を設けた平板の回転体で、モータ４によって回転駆動さ
れる。モジュレータの面は、光を通す透光部Ａと、羽根
のある光を遮断する遮光部Ｂとが、交互に、円周方向に
配置されたものである。

実際には、モジュレータ２の前又は後に、被測温物から
出た赤外光を検出器へ入射させるためのレンズ又はミラ
ーなどの集光光学系を設ける。ここでは簡単のため省略
しである。

被測温物１と、検出器３の間に、モジュレータ２の透光
部Ａが来た時、被測温物１から放射された赤外線が検出
器３に入射する。従って、検出信号Ｓは高くなる。Ｈレ
ベルという事にする。遮光部Ｂが来た時、被測温物１か
ら放射された赤外線は遮断され、検出信号Ｓは低くなる
。Ｌレベルという事にする。第４図は検出信号Ｓの波形
例を示す。

このように検出信号Ｓは、ＨレベルとＬレベルとが交代
する交流信号成分を含むものとなる。

この交流信号の周波数ｆは、モジュレータの透光部Ａ、
遮光部Ｂの数をｎ１回転数をｍとすると、ｆ’　＝　ｍ
ｎで与えられる。

Ｈレベルは、被測温物１の温度Ｔａに対応している。こ
の点については問題ない。

しかし、Ｌレベルには、モジュレータ２０羽根など遮光
部Ｂの温度Ｔｂが対応する。より詳しく言えば、羽根の
表面粗さや湿度Ｔｂが関係してくるのである。これが問
題である。特に、被測温物１の温度Ｔａが、Ｔｂと同程
度の温度である時に、大きい誤差を生じ易い。

羽根の表面状態と温度によって、Ｌレベルが変化するか
ら、ＨレベルとＬレベルの差によって、常に正しく、Ｔ
ａの値をめる事ができない。

実際には、（Ｈ−Ｌ）の値から被測温物１の温度Ｔａを
めるが、この時、羽根からの放射量は０、或いは一定値
であると仮定している。しかし、羽根の温度は絶対０度
ではないし、被測温物１からの熱放射を受けて、温度変
動する事も多いのである。

咬）　目　的 モジュレータ２から放射され検出器３に入射する赤外線
の放射量を減らし、Ｌレベルに対応する放射量とそのド
リフトを極力抑えるようにする。

これが本発明の目的である。

に）本発明の構成　１ 物体からの赤外線の放射は、その温度と表面状態による
。

まず温度だけについて言うと、黒体輻射と同様の性質が
ある。黒体輻射は、様々の波長の赤外線を含み、スペク
トルは連続的で広く拡がっている。

極大を与える波長と絶対温度との積はほぼ一定である。

これはウィーンの変位側と呼ばれる。

つまり、黒体輻射は低温で、主として赤外線領域に分布
を持ち、温度の上昇とともに分布の極大は短波長側へ移
動する。

又、放射スペクトルを波長で積分した全放射量は、絶対
温度の４乗に比例する。これはステファン・ボルツマン
の法則である。

つまり単位時間当りの、黒体の単位表面からの全輻射エ
ネルギーＰは、 Ｐ　＝　σＴ’　（１） とナル。ａ　＝　５．７７　Ｘ　１０　ｗａｔｔ−ｏ＋
＋　／ｄｏｇ　、　Ｔは絶対温度である。

黒体は仮に考えた物体であって、輻射、吸収が最大であ
るという仮象にすぎない。実際の物質は、同じ温度であ
っても、黒体より小さいエネルギーを輻射し、吸収する
。

輻射場の中に置かれた物体が輻射場から吸収するエネル
ギーと、放射するエネルギーとは等しい（キルヒホフの
法則）。

そこで１．ある物体の輻射と、黒体の輻射を比較し、こ
の比の値を放射率（ａｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　）εという
。

これは、温度によらない定数である。

放射率εが１であれば黒体である。低い放射率を持つも
のは、吸収、輻射ともに弱い。

低放射率物質として、銀、アルミニウムなどが知られて
いる。これら物質が鏡面状態に仕上げられている時、そ
の放射率はε（Ａｇ　）＝　０．０８、ε（Ａ＃　）二
〇、０７である。

従来から、よく使用されるモジュレータは、アルミニウ
ム製で表面が酸化処理されている。アルマイト処理され
た面の放射率は、０．７程度で、かなり大きい。

モジュレータからの赤外線放射を少なくすれば良いので
ある。この為には、モジュレータの温度を下げるか、放
射率εを下げるか、いずれかがなされなければならない
。

本発明は、モジュレータ２の検出器側表面に、低放射率
物質を用い、モジュレータの遮光部からの放射を低減す
るものである。

つまり、モジュレータ２の検出器側表面を銀或いはアル
ミの鏡面とし、この面から放射し検出器へ入る赤外光を
極小化している。アルマイト表面に比し、放射率が１／
１０以下であるから、全放射量を１／１０以下にできる
し、温度変化の影響も１／１０以下にできるのである。

け）発明の構成　■ 前節に述べた構成は、モジュレータの羽根から、赤外線
が放射されにくいようにしたものである。

次に、モジュレータの羽根（遮光部）が外部の熱源によ
って加熱され難い構成を与える。これは、モジュレータ
の温度Ｔｂを下げるものである。

モジュレータの羽根の被測温物価の面へ、被測温特自体
が発する赤外線が当り、羽根を強く加熱し、モジュレー
タの温度Ｔｂを上昇させる。この他にも外部に熱源があ
れば、羽根の温度が上昇し、これからの放射も増大する
。

これを防ぐ為に、モジュレータの遮光部Ｂ（例えば羽根
）の被測温側の面に、赤外線の反射率の大きい金、銀、
アルミニウム、銅などを設ける。

これは、薄い金属膜として蒸着するだけでも良いし、よ
り厚い板材を張り付けても良い。

これらの材料は鏡面仕上げにすると、赤外光の全波長に
わたって、９５％以上の反射率を得る事ができる。

反射率が極めて高いので、赤外線の放射が面に当っても
殆ど全てが反射されてしまう。赤外線を吸収しないので
、温度上昇も少い。温度変化が僅かであるから、検出器
出力のＬレベルの直流分の変動が少い。

（力）発明の構成　■ ■の発明は、モジュレータの羽根の検出器側の表面に低
放射率の銀、アルミニウムの鏡面を形成するものであっ
た。

■の発明は、モジュレータの羽根−の被測温物価の表面
に高反射率の金、銀、アルミニウム、銅などを形成する
ものである。

■の発明に於て、モジュレータの羽根（遮光部）の検出
器側表面に、銀、アルミニウムの鏡面を形成すると、こ
れらは、高反射率の表面になるから、検出器側に熱源が
あった時に、この外部熱源からの赤外線がモジュレータ
の検出器側表面に当って反射し、検出器に入射する。と
いう事がある。

これは、温度計測の精度に悪影響を及ぼす。このような
問題を解決する為に、なされた発明が次に述べるもので
ある。

第２図は発明■の構成を示す断面図で、第３図はモジュ
レータ側から見た側面図である。

ここに於て、モジュレータ２の羽根の部分から、検出器
３に至る空間に、新しく遮蔽筒５を設けている。遮蔽筒
５の内部の端には検出器３があり、他端に近接して、モ
ジュレータ２がある。

遮蔽筒５の内周面は低放射率の銀、又はアルミニウムの
鏡面となっている。

遮蔽筒５の開口に、モジュレータ２の遮光部Ｂが対応す
る位置にある時、検出器側から見た遮蔽管５内の視野は
殆ど全て遮光部Ｂによってふさがれる。外部からの光が
遮光部Ｂの検出器側表面に当り、反射して検出器に入る
、という事がない。

又遮蔽筒５の内面が、低放射率表面であるから、モジュ
レータ自体の温度変化の影響、モジュレータ・検出器間
の構造物から放射される赤外線の影響、及びその温度変
化の影響を大幅に低減できる。

←）実　験 本発明の効果を具体的な実験例によって説明する。

被測温物として黒体炉を用いた。黒体炉の温度は５００
°Ｃ，１００°Ｃ１２０°Ｃである。

モジュレータは、従来のアルマイト処理されたアルミの
他に、発明Ｉ、■、■の構成のものを用いた。すなわち
、 発明Ｉ　・・・・・　モジュレータの検出器側面をアル
ミニウム鏡面としている。

発明■　・・・・・　モジュレータ両面をアルミニウム
鏡面としている。

発明■　・・・・・・　モジュレータと検出器の間に内
面をアルミニウム鏡面とした遮 腋部を設けた。

従来方法と、発明■、■、■のものについて、モジュレ
ータの温度変化の影響、外来放射の影響など、実験結果
を述べる。

赤外線検出器は、Ｌ　ｔ　ＴａＯ３結晶タイプの焦点型
検出器を用いた。

モジュレータは外径７０酊φ、中心角９０°の羽根を２
枚持っている。発明Ｌ　Ｉｔ、Ｉについて羽根はステン
レス製である。発明Ｉは片面に、発明■は両面にアルミ
ニウム蒸着しである。

発明■については、発明用と■とを結合したものについ
て調べた。つまりここで、発明■についての実験条件は
、モジュレータを両面アルミ蒸着し、かつ遮蔽筒を設け
たものである。

遮蔽筒は長さしがＱＱｍ、内径Ｅが８．８顛φで、内面
は鏡面に仕上げ、アルミニウムを真空蒸着している。遮
蔽筒とモジュレータの間隙ｇはＱ、５ｓ＋ｇとし、検出
器からの視野の大部分が遮蔽筒とモジュレータで覆われ
るようにした。

（ａ）　従　来　方　法 黒体炉５００°Ｃ１１００°Ｃでは、その放射赤外線が
モジュレータに吸収され、モジュレータの温度が上昇し
、信号レベルが３０分間で８０％前後ドリフトした。

黒体炉２０°ＣではＳ／Ｎのよい信号レベルは得られず
、実質的に測定不能であった。

外来放射の影響を見るために、実験環境を２０″Ｃ１５
０°Ｃとした場合、信号レベルとして７％の差があった
。

に）　発　明　Ｉ モジュレータの温度変化による影響が低減され、黒体炉
５００°ｃ、ｉｏｏｏＣでは信号レベルのドリフトが３
０分間で７％程度になった。

黒体炉２０°Ｃでも、ノイズは信号の２０％程度含まれ
ていたが、信号は検知できた。

実験環境を２０°Ｃ１５０°Ｃとした場合、信号レベル
として５％の差があった。

（Ｃ）　発　明　■ 黒体炉５００°Ｃ，１００°Ｃの場合、信号レベルのド
リフトが８０分間で１％以下となった。

実験環境を２０℃、５０°Ｃとした場合、信号レベルと
して４％の差に低減された。

（ｄ）　発　明　■ 黒体炉２０’Ｃの場合、ノイズが信号レベルの１％以内
に低減できた。

実験環境を２０°Ｃ１５０°Ｃとした場合、信号レベル
の変化は見い出せなかった。さらに１００’Ｃの実験環
境にした場合でも１％以下の信号レベルの変化しか認め
られなかった。

し）　用　途 本発明は、放射温度計、特にモジュレータの温度と同程
度の温度を有する物体の温度を測定する低温用放射温度
計に利用できる。

又放射温度計に限らず、放射赤外線を利用したガス分析
、表面分析などの、いわゆるラジオメータ一般に利用で
きる。

放射赤外線伝送路として光ファイバを用いた光フアイバ
型放射温度計、光フアイバ型ラジオメータにも、本発明
を有効に利用できる。

赤外線伝送路として、フッ化物ガラスファイバ、タリウ
ムハライド、銀ハライド、アルカリハライドの結晶質フ
ァイバ、カルコゲナイドファイバを用いる事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は赤外線放射計測装置の原理を示す斜視図。 第２図は遮蔽筒をモジュレータと検出器の間に設けた発
明■の構成を示す断面図。 第３図は測定物体の方から見た側面図。 第４図は検出器の出力波形を示す波形図。Ｈレベルは被
側温物の温度Ｔａに対応し、Ｌレベルはモジュレータの
羽根の温度Ｔｂ及び羽根の放射率、環境温度、外乱光等
によって変動する。 １　・・　・・・・・・　被　測　温　物２　・・・・
・・・　モジュレータ ３　・・・・・・・・・　検　出　器 ４　・・　・・・　・・・　モ　−　タ５　・・・・・
・・・　遮　蔽　筒 Ｔａ　・・・・・・・・・　被側温物の温度Ｔｂ　・・
・　・・・・　モジュレータの温度（遮光部）Ａ　・・
・・・・・・　透　光　部 Ｂ　・・・・・・・・　遮　光　部 発　明　者　葭　１）　典　２ 高　橋　謙　− 特許出願人　住友電気工業株式会社 ＼ 第３図　第２図 鼠 ヘハＪ℃Ｓ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）被測温物１から放射される赤外線Ｒを透過する透
   光部Ａと、遮断する遮光部Ｂとを有する回転体よりなり
   赤外＠Ｒを断続的に透過するモジュレータ２と、モジュ
   レータの透光部Ａを通過した赤外線Ｈの強度を検出する
   検出器３とよりなり、検出信号ＳのＨレベルとＬレベル
   の差から被測温物の放射赤外線Ｒをめる赤外放射計測装
   置に於て、検出器側から見たモジュレータ２の表面が銀
   又はアルミニウムの低放射率表面である事を特徴とする
   赤外放射計測装置。 （２）被測温物１から放射される赤外線Ｒを透過する透
   光部Ａと、遮断する遮光部Ｂとを有する回転体よりなり
   赤外線Ｒを断続的に透過するモジュレータ２と、モジュ
   レータ２の透光部Ａを通過した赤外線Ｒの強度を検出す
   る検出器３とよりなり、検出信号ＳのＨレベルとＬレベ
   ルの差から被測温物の放射赤外線Ｒをめる赤外放射計測
   装置に於て、被測温物価のモジュレータ２０表面が金、
   銀、アルミニウム又は銅の高反射率表面である事を特徴
   とする赤外放射計測装置。 （８）　被測温物１から放射される赤外＠Ｒを透過する
   透光部Ａと、遮断する遮光部Ｂとを有する回転体よりな
   り赤外線Ｒを断続的に透過するモジュレータ２と、モジ
   ュレータ２の透光部Ａを通過した赤外線の強度を検出す
   る検出器３と、モジュレータ２と検出器３の間に設けら
   れ内面に銀又はアルミニウムの低放射率表面を有する遮
   蔽筒５とよりなり、モジュレータ２の検出器側又は被測
   温物価の面、或（弓、両面が銀又はアルミニウムの低放
   射率表面である事を特徴とする赤外放射計測装置。