JPS6061634A

JPS6061634A - 温度測定装置

Info

Publication number: JPS6061634A
Application number: JP58170022A
Authority: JP
Inventors: Masao Hirano; 平野　正夫; Motoaki Takaoka; 高岡　元章; Mikihiko Shimura; 幹彦志村
Original assignee: Tateisi Electronics Co; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1983-09-14
Filing date: 1983-09-14
Publication date: 1985-04-09
Also published as: US4679157A; JPH0412410B2

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】発明の背景この発明は螢光体を応用した光温度測定装置に関する。

光応用温度測定は電気信号を用いないので、電磁界によ
るノイズの影響を全く受けないという特徴を持ち、光フ
アイバ技術を使った種々の装置か開発されている。中で
も、螢光体からの発光を利用した光温度測定は、螢光体
の励起−発光過程で光の波長が変換されるために、言１
測系の入力光と出力光、すなわち励起光と螢光体からの
螢光および残光とを分離できるという利点かある。この
ため単線の光ファイ／くを用いて人、出力光を伝達する
ことかでき、光の伝送系がコンパクトになる。

螢光体応用湿度測定技術には大別して、励起中の螢光強
度の温度変化を利用するものと、励起停止後の残光時間
の湿度変化を利用するものとかある。螢光体の発光現象
において、励起中の発光を螢光、励起停止後の発光を残
光と呼んで区別している。従来の温度測定技術はすべて
、螢光または残光のいずれか一方のみを利用するもので
あり、時系列的湿度計測において測定に関与しない無駄
な時間をもっている。この共通の欠点に加えて、従来の
螢光または残光を利用した温度測定にはそれぞれ次のよ
うな問題点がある。

螢光の発光強度の温度変化を利用した温度測定において
は、強度の大きな励起光と強度の小さな螢光とが同詩に
存在するために、これらを分光その他の方法で波長分離
しなければならず、そのための光学系が必要であるとと
もに、ＳＺＮ比の高い計測が困難であるという欠点があ
る。

これに対して、残光の温度変化を利用する温度測定にお
いては、励起停止後の光である残光を検知するから原理
的には励起光か残光測定に影響を与えることがなく光学
的な計測が容易となるという利点をもっている。しかし
ながら、本 −ｑ的な残光時間の測定は、励起停止時点または輝度が
励起停止時点のピーク輝度の９０％になった時点から、
輝度かピーク輝度の１０％になった時点までの時間を測
定するものであり、これらの測定点か残光曲線のどの点
になるかは測定か終了した時点で判明するものであるか
ら、いわば残光曲線を形づくるすべての信号成分か測定
対象となるので、ノイズ等による計測過程の突発的なま
たは部分的な信号変化によって測定精度が影響されやす
いという欠点がある。また残光時間の測定は、残光の減
衰過程の残光強度の測定であるから、低い残光強度の測
定力Ｓ困難で、残光強度か零になった時点の判定に誤差
か生じやすく残光時間を正確に測定できな１７）という
問題がある。すなわち、残光曲線は指数関数的または双
曲線関数的に減少し、残光輝度かきわめて小さい部分で
はこの曲線の変化はきわめてゆるやかである。したかつ
て、残光輝度力１ピークのｌＯ係になった時点の決定に
おし）ては、誤差か大きくなることは避けられない。

発明の概要この発明は、螢光および残光の両方を測定対象とするこ
とにより螢光体の発光時間帯を有効に活用し、かつ従来
の残光時間測定におけるような欠点を解消し、精度の高
い湿度言１測を可能にする螢光体応用光温度測定装置を
提供することを目的とする。

この発明による温度測定装置は、湿度を濱１定すべき雰
囲気または物体に配置され、螢つＴｈ特性および残光特
性が湿度依存性を持つ螢光体、螢光体を励起する励起手
段、励起された螢光体力）ら発光される光を検知する受
光手段、受光された螢光信号および残光信号を所定時間
帯に４つたって積分して積分光量をめる積分手段、なら
びにめられた積分光量を、螢光体に応じて予め設定され
た光量の積分値の湿度特性と比較することにより温度を
演算する演算手段、力）らな残光信号をアナログ的に直
接積分する積分回路を用いることができる。ディジタル
的に処理する場合には、螢光信号および残光信号を適当
な時間間隔でサンプリングし、ＡＤ変換したのちサンプ
リング・データをメモリに記憶しておき、記憶されたサ
ンプリング争データを加算すればよい。これはたとえば
中央処理装置（以下ＣＰＵと云う）、好ましくはマイク
ロプロセッサによって制御される。さらに積分手段とし
て、受光された螢光信号および残光信号をその大きさに
応じた周波数のパルス信号に変換するＶ／Ｆ変換回路と
、Ｖ／Ｆ変換回路の出力ノクルスを上記所定時間帯にわ
たって計数する言１数手段とから構成されたものを用い
ることも可能である。

上記計数手段としてはカウンタまたはマイクロプロセッ
サか使用されよう。

積分時間帯としては、螢光および残光が出力されている
任意の時間帯を採用することかでき、後に詳述するよう
にこの時間帯を予め固定的に宗めておいてもよいし、螢
光および残光信号を所定のレベルで弁別してこの時間帯
を定めるようにしてもよい。

尤螢光を励起から区別するために、励起光を感知しない分
光感度特性を持つ受光素子を採用するか、または受光器
の前面に励起光を遮光するフィルタを設けることによっ
て螢光のみを効率よく取出すことかできる。

螢光体として赤外−可視変換螢光体を用いると励起光源
に赤外発光ダイオードを使用することができ、容易にパ
ルス励起か可能となる。

一般に螢光体の螢光発光輝度は湿度か低いほど高くなる
。残光輝度も全く同じ湿度特性をもっている。この発明
では螢光と残光の両方を測定対象としており、それらの
積分光量をめているから、いずれか一方のみの場合より
も測定値の温度変化率が大きく、それが高精度の測定に
つながっている。また所定時間帯にわたる積分光量を測
定しているから、従来の残光時間を測定する装置のよう
に、ノイズ等による突発的なまたは部分的な信号の変化
による影響か少なく、シかも低輝度の信号レベルにおけ
るレベル弁別も行なっていないから、湿度測定の精度を
高めることができる。

積分光量を測定していることの効果は、次のようにして
定量的に説明することかできる。説明を簡単にするため
に残光のみを取扱う。

残光信号か指数関数的に減少すると仮定すると、残光特
性は次の一般式で表わされる。

・・・（１）ここでＴは温度、むは励起停止時点から計時された時間
、　Ｉ　（Ｌ）は、時間（１）における残光輝度Ｉ　ｏ
　（Ｔ）は、励起停止時点（１＝０）における残光輝度
、τα）は螢光体における励起状態の平均寿命、Ａは比
例定数である。これらのパラメータのうちで、温度Ｔに
よって変化するものは工０（１）とτ（ト）である。τ
■の温度による変化か残光時間の温度による変化として
現われる。Ｉｏ（Ｔ）の温度による変化が螢光（ピーク
）輝度の湿度による変化として現われる。

残光時間ｔｄを、励起停止時点から残光輝度か１０係ま
で減衰するのに要する時間であるとすると、この時間ｔ
ｄは次式で与えられる。

第（２）式より、Ｉｏ（Ｔ）の湿度変化かたとえ大きな
値を示したとしても、τ（ト）の偏度変化か小さければ
残光時間ｔｄの温度変化も小さいことかわかる。

これに対して、残光輝度の積分値ｌ１ｎＬ（Ｔ）は、次
式で与えられる。

ゆ・・（３）ここでむ１、Ｌ２はそれぞれ積分時間帯の始点、終点の
時間である。第（３）式より、τ（１）の温度変化か小
さくても、積分値ｌ１ｎＬ（Ｔ）はＩｏ（Ｔ）の温度変
化に応じて大きく変化することか理解されるであろう。

ピーク輝度Ｉ　ｏ　（Ｔ）の温度変化は螢光体にとって
最も一般的な性質であるから、この発明に適用できる螢
光体材料の選択の範囲か広かり、所望の温度変化を示す
螢光体の調整か容易となる。

この発明では、螢光特性および残光特性か湿度依存性を
もつ螢光体であれば、その種類を限定されず種々のもの
を用いることかできる。好程度の螢光体がよい。たとえ
ば、紫外光励起では、Ｙ２Ｏ２５ｉ　；　Ｅｕなとの希
土類金属オキシサルファイド、ＺｎＳ　：Ｌｎ　（Ｌｎ
は希土類元素の総称）（ジンクサルファイド）、ＳｒＳ
：Ｌｎ（ストロンチウムサルファイド）などの硫化物螢
光体をはじめ、ＣＲＴ用螢光体の多くのものか使用でき
る。また赤外光励起では、Ｌｎ：Ｆ３：（Ｙｂ、Ｅｒ）
、ＬｎＯＦ　：　（Ｙｂ、ｇｒ）なとの希土類フッ化物
や希土類オキシフッ化物を母体としてＹＬＩ（イッテル
ビウム）やＥｒ　（エルビウム）を含んだ赤外−可視変
換螢光体や、リン酸ネオジウムリチウムを母体とするＬ
ｉＮｄＰ４Ｏ１２：Ｙｂなとの赤外励起赤外発光螢光体
などが使用発光ダイオードによって、ＬｉＮｄＰ４Ｏ１
２：　Ｙ１＋はＡＪＧａＡｓ発光ダイオードによってそ
れぞれ励起可能である。

実施例の説明以下、図面を参照してこの発明をさらに詳細に説明する
。

第１図は、パルス状ないし方形波状の励起光およびこの
励起光によって励起された螢光体から発光される光の波
形を示し、螢光体からの発光か湿度によって異なること
を表わしている。

励起されている間に発光される光が螢光で、励起か停止
した時点以降に発光され、時間とともに減衰する光が残
光である。これらの螢光および残光波形のうち実線で示
されるものか温度Ｔ１における波形、破線で示されるも
のか湿度Ｔ２にある。一般に、Φ光輝度は湿度が低いほ
ど高くなる傾向かある。螢光および残光か発生している
間の任意の時間帯Ｌａ〜１１＋か積分時間帯である。ハ
ツチングで示されている部分の面積か積分光量（温度Ｔ
１における）となる。

第２図は、螢光および残光の積分光量の湿度特性を示し
ている。使用される螢光体について、種々の温度Ｔに対
してその積分光量かあらかじめ測定され、既知関係とし
て第２図に示すような特性があらかじめ設定されている
。測定された積分光量かこの湿度特性と比較されること
により温度かめられる。第２図の特性をあらかじめ作成
するときの積分時間帯は、この特性が使用される温度測
定装置の積分時間帯と一致している。

第３図は温度測定装置の構成を、第５図はその動作をそ
れぞれ示している。光ファイバ（１）の先端に所定の螢
光体（２）か取付けられ、湿度プローブが構成されてい
る。この温度プローブは、その先端か湿度測定すべき雰
囲気中にまたは物体に接触した状態で配置される。ＣＰ
　Ｕ　（１０）によって制御されるタイミング発生回路
（４）からは３種類のタイミング・パルス信号Ｐ１．Ｐ
２、Ｐ３か出力される。パルスＰ１は、発光器（３）を
駆動させるためのものであって、一定固期Ｔａで出力さ
れる（第１図参照）。このＦＭ期Ｔａは、測定範囲内の
すべての湿度において、螢光体（２）から発光された残
光が完全に消失するのに充分な時間に設定されている。

パルスＰ１か入力すると発光器（３）から励起光か出力
され、光ファイバ（１）を通って螢光体（２）に照射さ
れる。この励起によって螢光体（２）から発光された螢
光および残光は光ファイバ（１）を伝搬し、ビーム・ス
プリッタ（９）を介して取出され、受光器（５）によっ
て受光される。受光器（５）の検知信号は前置増巾器（
６）で増ｌコされたのち、サンプル・ホールド回路（７
）に入力する。受光器（５）は、螢光および残光のみを
検知し、励起光を検知しないように分光感度特性をもつ
ものか使用されるか、または受光器（５）の前面に励起
光を遮断し螢光および残光のみの通過を許すフィルタが
設けられる。

発光器（３）からの励起光は光源モニタ（１５）の受光
素子（図示路）によっても受光される。励起光　−のモ
ニタリングのタイミングはパルスＰ２によって定まる。

パルスＰ２はパルスＰ１と同時に立上り、パルスＰ１の
立下りよりも前に立下る。

パルスＰ２の出力時点における励起光強度か検出され、
この検出信号にもとづいて励起光強度か常に一定になる
よう発光器（３）が制御される（制御回路は図示路）。

タイミング発生回路（４）から出力されるタイミング・
パルス（サンプリング・パルス）Ｐ３は、第５図に示す
ように、積分時間帯ｊａ−ｔｂの間でｎ個出力される。

各パルスＰ３の出力された時点をｔＯｌｔｌ、む２、・
・・ｔｎとする。またパルスＰ３の同期をΔｔとする。

この周期Δもはアナログ・デジタル（ＡＤ）変換器αり
のＡＤ変換動作時間より若干長く設定されている。積分
時間帯ｔａ−ｔｂは任意に設定することかできるが、こ
の実施例では積分時間帯の始点ｔａは励起光モニタ用パ
ルスＰ２の立下りの時点に設定されている。積分時間帯
の終点ｔｌ＋は、螢光体発光か最も低輝度となる測定温
度範囲の上限温度における残光レベルによって制約され
る。

たとえばこの上限温度における残光レベルか、ピーク輝
度（励起停止時点の輝度）の３０チ程度になる時点か終
点ｔｂとされる。第５図に示されているように、積分時
間帯の始点Ｌａを螢ながら、積分時間帯を複数に分割し
、一方の１または複数を螢光発光時間帯に、他方の１ま
たは複数を残光発光時間帯にそれぞれ設定するようにし
てもよい。

ＡＤ変換器ｕ２１の動作時間が速い場合には積分時間帯
を比較的短時間に設定、たとえば始点Ｌａを励起停止時
点より少し前にし、終点ｔｂを残光レベ火がピーク輝度
の９０優になった時点に設定することができ、この場合
にも充分な測定精度が得られる。そして、積分時間帯を
短くすることによって、温度測定を高速化することかで
きる。残光時間が比較的長い螢光体を用いた場合にも、
残光中における積分時間帯の占める割合を小さくするこ
とかできる。積分時間帯は長くすればそれだけよい再現
性が得られるか、ｃ　ｐ　Ｕ　ｔｌｏ）によるデータ処
理等の時間配分によって決めることが望ましい。

タイミング・パルスＰ３は、サンプルｅホールド回路（
７）およびＡＤ変換器（１２１に送られる。受光器（５
）によって検知された光のうち所定積分時間帯の信号の
みかサンプル・ホールド回路（７）でそのレベルかパル
スＰ３ごとにホールドされる。

この回路（７）の出力は増巾回路（８）で増巾されたの
ちＡＤ変換器α２に送られ、時間Δもの間にデジタル信
号に変換されて、ＲＡＭ（Ｉｌ＋にストアされる。

ＲＡ　Ｍ　（１１１には、第４図に示すように、ＡＤ変
換されたサンプリング・データを記憶するエリヤおよび
パルスＰ１の繰返し回数ｎｌを記憶するエリヤか設けら
れている。この実施例においては、螢光体（２）の励起
がｍ回繰返され、各時点のサンプリング・データの積算
平均にもとづいて積分光量かめられる。サンプリング・
データ・エリヤには、各サンプリング時点ＬＱ−Ｌｎご
とに、第１回目の励起から第ｒｎ回目の励起におけるサ
ンプリング・データ、それらのｍ回の積算値および平均
値、ならびに最終的な積分値を記憶する場所が設けられ
ている。またＲ　ＯＭ　ｕ３１には、第２図に示す螢光
および残光積分光量の湿度特性かたとえばテーブルの形
で記憶されている。

螢光および残光の積分光景をめるためには、上述のよう
なサンプリングとＡＤ変換の手法以外に、受光器（５）
の出力電圧信号を積分時間帯ｔａ〜ｔｂの間ＶＦ’変換
し、出力電圧に応じた同波数のパルス（第５図にＶ−Ｆ
変換信号として示されている）を得、これを計数するよ
うにしてもよい。この言１数値か積分光量を表わすのは
いうまでもない。

第３図に示す温度測定装置はＣＰ　Ｕ　（１０）によっ
て制御される。このＣＰ　Ｕ　（１０）の制御および温
度演算処理手順か第６図に示されている。まずＣＰ　Ｕ
　（１０）からパルスＰ１の出力指令がタイミング発生
回路（４）に出力され、かつＣＰＵ［０）内のタイマに
よって周期Ｔａの計時が開始される（ステップ（２１１
）。これにより、回路（４）がらパルスＰ１、Ｐ２が出
力され、かつパルスＰ２の立下すの時ヱう点からパルスζが出力される。ＣＰ　Ｕ　（１０１では
、時間Ｔａが経過するまで待つ（ステップｃ２））。

この間に上述したように、螢光体（２）が励起され、そ
の後螢光体（２）から発光された螢光および残光がパル
スＰ３ごとにサンプリングされ、がつＡＤ変換されたの
ち、このデータが各サンプリング時点ごとにＲＡ　Ｍ　
（１１）内のその繰返し回数に応じた記憶場所にストア
される。Ｔａを計時しているタイマがタイムリアップす
ると、ＲＡＭ　０１１内の繰返し回数ｍが−１され（ス
テップＱ３））、この結果がＯになったかどぅがが検査
される（ステップ０４１）。ｍ　＝　Ｑでなければ、再
びステップ（２１＋に戻り、同様に螢光体（２）の励起
と発光信号のサンプリングが繰返される。

Ｉ’１１回の板光の測定が終了すると、ＲＡ　Ｍ′（１
１＋内のｍ回分のサンプリング・データか、各サンプリ
ング時点ごとに積算され（ステップ防））、その０１回
の平均か算出される（ステップ（２６１）。そして、各
サンプリング時点ごとの平均値がすべて加算されて最終
的な積分値が得られる（ステップ０７））。最後に算出
された積分値が、螢光および残光積分光量の温度関数と
比較され、温度Ｔか算出さ九る（ステップ（財））。ス
テップ（支））では各サンプリング時点ことの平均値が
算出されているか、この処理を省絡し、各サンプリング
時点の積算値を加算することによりその積分値を算出し
、この積分値から湿度をめても結果は同じである。

上記の例では積分時間帯の始点Ｌａおよび終点１１＋は
肌らかＩ”：、１？）因中的１ｒ申つていス４＋＜　寡
光信号のレベルに応じて定めてもよい。すなわち、第８
図に示すように、始点ｔａおよび終点ｔｂを決定するた
めの輝度レベルエＳをあらがじめ定めておき、ＲＡＭＴ
ＩＩＩ内に記憶しておく。

そして、受光信号がこのレベルＩＳ以上になった時点を
始点ｔａとし、レベルエＳ以下になった時点をｔｂとす
る。この場合には、サンプリング・パルスＰ３は常時出
力され続け、受光信号の全波形についてのサンプリング
が行なわれる。

第７図は上述のやり方で始点および終点を決定した場合
のＣＰ　Ｕ　（１０）の処理手順を示している。

ステップＣＩ）〜■は第６図に示す処理と全く同じであ
る。サンプリング時点ごとの平均値が算出されると、こ
の平均値が読出され（ステップ００））、レベルＩｓと
順次比較される（ステップ１３１）　）　、。

平均値〉レベルＩＳである平均値か加算されて積分値か
算出され（ステップ（３２１）、この算出された積分値
か、積分光量の湿度関数と比較されて温度Ｔか得られる
（ステップｔ３３）　）。

上記の実施例においては、螢光体の励起の周期Ｔａは、
残光か完全に消光するのに充分な時間に設定されている
か、この周期Ｔａを短くして、第９図に示すように、残
光過程中に次のパルスＰ１を出力させて螢光体を励起し
、ダイナミックな発光応答を利用して温度を測定するこ
とも可能である。この場合には、第１番目の発光は後続
の発光とは異なるので温度測定のためには利用されない
。このやり方によると、湿度測定をより高速化すること
かできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は励起光と、螢光体から発光した螢光および残光
とを示す波形図、第２図は螢光および残光積分光量の温
度特性を示すグラフ、第３図はこの発明の実施例を示す
ブロック図、第４図はＲＡＭおよびＲＯＭの内容を示す
図、第５図は、第３図に示す回路の動作を示すタイム・
チャート、第６図および第７図はＣＰＵの動作を示すフ
ロー・チャート、第８図は、積分時間帯の終点を残光レ
ベルによって決定する例を示す波形図、第９図は、他の
励起のやり方を示すタイム・チャートである。（１）・・・光ファイバ、（２）−・・螢光体、（３）
・・・発光器、（４）・・・タイミング発生回路、（５
）・・・受光器、（７）・・−サンプル・ホールド回路
、　＋１０）・・・ＣＰＵ、α１１＠＠＊　ＲＡＭ、Ｑ
３＋　会＠−ＲＯＭ、（１２１＠＠＊　ＡＤ変換器。以　上第１図第２図１えＴ（’Ｃ）該ｒ「第５図第６図　第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）螢光特性および残光特性か温度依存性を持つ螢光
体、螢光体を励起する励起手段、励起された螢光体から発光される光を検知する受光手段
、受光された螢光信号および残光信号を所定時間帯にわた
って積分して積分光量をめる積分手段、ならひに求められた積分光量を、螢光体に応じて予め設定された
光量の積分値の温度特性と比較することにより温度を演
算する演算手段、からなる湿度測定装置。
（２）積分手段か、所定時間間隔でサンプリングされた
螢光および残光のサンプリング・データをメモリに記憶
しておき、記憶されたサンプリング・データを加算する
ものである、特許請求の範囲第（１）項記載の温度測定
装置。
（３）　積分手段か積分回路である、特許請求の範囲第
（１）項記載の温度測定装置。
（４）　積分手段か、受光された螢光信号および残光信
号をその大きさに応じた周波数のパルス信号に変換する
Ｖ／Ｆ変換回路と、Ｖ／Ｆ変換回路の出力パルスを上記
所定時間帯にわたって計数する計数手段とから構成され
ている、特許請求の範囲第（１）項記載の温度測定装置
。
（５）　積分時間帯の始点および終点かそれぞれ予め固
定的に定められている、特許請求の範囲第（１）項記載
の温度測定装置。
（６）　螢光および残光の発光中において、複数の所定
時間帯にわたって積分光量をめる、特許請求の範囲第（
１）項記載の温度測定装置。奴
（７）　積分時間帯の掩点か、測定上限温度における螢
光体のピーク輝度にもとついて決定される、特許請求の
範囲第（１）項記載の温度測定装置。
（８）　積分時間帯の始点および終点が、それぞれ螢光
信号および残光信号の予め定められた輝度レベルになっ
た時点である、特許請求の範囲＠（１）項記載の湿度測
定装置。
（９）　螢光体の励起か複数回繰返され、複数回の螢光
および残光積分光呈の平均値を用いて温度が演算される
、特許請求の範囲第（１）項記載の湿度測定装置。