JPS61275627A - 光フアイバ温度測定装置 - 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】 この発明は、温度測定装置に関し、特に。

−５０℃ないし約２５０℃の範囲の温度の遠隔検出に適
するファイバ光検出装置を使用する種類の温度測定装置
に関する。この装置は、例えば色ガラス・フィルタのよ
うなドープされた絶縁体の吸収限界の熱ずれ（ｔｈｅｒ
■ａ１、、層？番　１　ｂ　１１冨田十　ヱ　＾　表　
小づ弧　ス遠隔温度測定は一般的に電気技術に限定され
ていた。熱電対、サーミスタ、ＲＴＤ及び半導体装置が
一般的に温度応答素子として使用されて接合部の電圧変
化又はバルク抵抗変化のいずれかに従う温度応答信号を
発生する。

これらの装置の感温性は低く　（０，０４ｍＶ／”Ｏ又
は０．４！／”Ｃが一般的である）、温度応答信号はし
ばしば付近の電気装置からの雑音でマスキングされる。

特定の用途における従来の電気方法の特に重大な欠陥は
センサと遠隔制御装置との間の電気導体が、絶縁破壊又
は短絡の場合に爆発又は火災の危険があるということで
ある。

上述の欠陥を回避するために、最近温度測定のための数
多くのファイバ光装置が提供されている。この１つの装
置はクリステンセン（Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｅｎ）に与え
られた１８７８年　１月３０日発行の米国特許第４１３
１１５８８号に開示されている。この装置で、温度検出
素子は、温度の関数として単色放射エネルギーを吸収す
るガリウムヒ素のような半導体である。単色源からの放
射エネルギーは光ファイバを通って温度検出素子に送ら
れ、そして、光ファイバを通って光検出器に返され、こ
の光検出器は測定される温度に対応する出力を発生する
。この種の装置の問題は、これら装置の精度が単色源に
おいて熱誘導によるスペクトルのずれにより制限される
ということである。これらの装置が遠隔の温度測定に使
用されるときの他の問題は、伝送損失が校正に影響を与
えるので、これらの装置をこれらの装置の本来の場所で
校正する必要があるということである。

この後者の問題を克服するもう一つのファイバ光測定装
置はサンダ（Ｓａｎｄｅｒ）に与えられた１８８１年７
月１４日発行の米国特許第４．２７８，３４１１号に記
載されている。この場合、放射エネルギーは２つの異な
る波長で温度検出素子に送られる。これらの波長の一方
での単色放射エネルギーの吸収は温度依存型で、他方の
波長での吸収は温度変化によっては影響を受けない、測
定される温度はその２つの波長での検出器応答の比較に
より決定される。然し乍ら、この装置の精度も熱誘導ド
リフトにより影響を受ける。

本発明による温度測定装置は、又、検出素子を備えたフ
ァイバ系を提供する。この検出素子は、吸収限界を定め
る波長範囲にわたり高仮収特性から低吸収特性への温度
依存遷移部をもつスペクトル吸収特性を備えた材料から
なる。第１と第２の動作モードをもつ非単色放射エネル
ギー源は、吸収限界へ拡がるスペクトル範囲をもつ放射
エネルギーを放出する第１の動作モードと、完全に低吸
収特性の範囲内に吸収スペクトルをもつ放射エネルギー
を放出する第２の動作モードで動作可能である。検出素
子に結合された光ファイバは。

非単色放射エネルギー源から光検出器への放射エネルが
−の伝送のための伝送路を検出素子と共に形成する。そ
して、非単色放射エネルギー源を第１の動作モードか第
２の動作モードで選択的に動作させるための手段が設け
られている。第２の光検出器は非単色放射エネルギー源
から直接放射エネルギーを受けて非単色放射エネルギー
源の強さに相当する出力を提供するようその非単色放射
エネルギー源に光結合されている。光検出器からの出力
は検出素子の温度に対応する出力信号を得るように処理
される。この出力信号は非単色放射エネルギー源の強度
とは無関係である。

又、非単色放射エネルギー源の第２の動作モードで動作
可能な手段が上記出力信号を所定値に調整するために設
けられている。

非単色放射エネルギー源は第１と第２の動作モードで選
択的に動作可能な単一の発光ダイオードとすることがで
きる。又は、その代りに、非単色放射エネルギー源は、
各々が上記スペクトル範囲のそれぞれで動作可能な１対
の発光ダイオードとすることができる。

非単色放射エネルギー源の温度は、絶えず測定されて検
出素子の温度の決定のための補償パラメータとして使用
される。これにより、温度測定が非単色放射エネルギー
源の動作温度に対して高感度である場合、全ての「限界
検出」熱−光装置に固有の問題は除去される。

検出素子は、なるべくなら、例えば、これまで一般に使
用された半導体材料より一層小さな屈折率をもつ色ガラ
ス・フィルタのようなドープされた絶縁体であることが
好ましい。

本発明の２つの実施例を例として次に添付図面に関して
説明する。

第１図で、温度測定装置は木質的に電子制御ユニットｔ
ｏ、この電子制御ユニットｌＯにより制御される非単色
放射エネルギー源１１、導波手段となる光ファイバ系１
３により非単色放射エネルギー源１１と相互接続された
遠隔の温度検出ヘッド１２を有している。光ファイバ系
１３は、又、この光ファイバ系により伝送された放射エ
ネルギーを受ける第１の光検出器１４と温度検出ヘッド
１２を相互接続している。第２の光検出器１５は非単色
放射エネルギー源１１の強度を絶えず監視して以下に記
載する温度非依存の基準信号を提供する。

温度検出へラド１２は、第２図に示すように、適当な保
護ケース１７（これは標準的な熱保護管とすることがで
きる）に収容された検出素子１６を有している。この検
出素子１６は、木質的に吸収限界を定める波長範囲にわ
たって高吸収特性から低吸収特性への温度依存な遷移部
をもつスペクトル吸収特性を備えた材料からなる。この
検出素子１６は、最も一般的には、ガリウムヒ素のよう
な半導体材料からなるが１本願においては、その材料は
この材料がさらされる波長で、２．０より小さな反射率
をもつドープされた絶縁体であることが好ましい０本実
施例では、検出素子１６の材料は　１．５の範囲内に反
射率を有する色ガラス・フィルタである。その目的のた
めにドープされた絶縁体材料を使用する特定の利点は、
使用される不純物の種類と濃度を適当に調節することに
よって光学的特性を要求に適合させることができるとい
うことである。

検出素子１６は、１対の平行で対向する面を有する板形
状をしている。この検出素子１６の前面は温度抵抗光フ
ァイバ１８に光結合され、この温度抵抗光ファイバ１８
は保護ケース１７内に延びて検出素子１６への及びこの
検出素子１６からの放射エネルギーの共通の伝送路とな
っている。検出素子１６の後面は銀メッキか、又は、高
反射率物質１９又は誘電体鏡物質を塗布されている。こ
の後者にはフッ化マグネシウム又はシリカのような保護
物質の層２０を上塗りしてもよい、そしてこの素子組立
体は保護ケース１７内の適所に取付けられ適当な接着剤
で光ファイバ１８に接着されている。

光ファイバ１８は光ファイバ・コネクタ２１によって１
対の光ファイバ２２．２３に光結合されている。光ファ
イバ２２はその遠隔端で非単色放射エネルギー源１１に
光結合されて、これから放射エネルギーを受け、光ファ
イバ２３はその遠隔端で第１の光検出器１４に光結合さ
れている。従って、光ファイバ系１３は、検出素子１６
と、非単色放射エネルギー源１１から第１の光検出器１
４への放射エネルギーの伝送のための伝送路を形成する
。非単色放射エネルギー源１１により放射された放射エ
ネルギーは光ファイバ２２．１８に沿って伝送され、検
出素子１６の材料を通り、この検出素子１６の後面で反
射され、そして光ファイバ１８．２３を介して光検出器
１４により受けられる。

第２ａ図は検出素子を平凸レンズ１６ａとして形成した
変形例を示す、光ファイバ１８はこの検出素子１６ａの
平坦な前面に光結合されている。その後面は高反射物質
層（単数又は複数）１９ａを塗布されている。この後者
には保護物質層２０ａを上塗りしてもよい、検出素子１
６のこの構成では１反射性の後面は反射光を光ファイバ
１８の端の方へ収束する傾向があり、従って、光損失は
減少される。

波長に対する相対強度を描いた第３図で、曲線Ａは、本
発明の検出素子のために使用されるドープされた絶縁体
の代表的な伝送特性を示す、勿論、伝送特性は吸収特性
の逆である。従って、５５０ｎｍから１３２０ｍｍの波
長範囲は５５０ｎｍより大の高吸収特性から　８２０ｎ
ｍより上の低吸収特性への遷移を表わす吸収限界に対応
する。この遷移は温度依存的である。破線の曲線Ｂは高
温での対応遷移を示す。

非単色放射エネルギー源１１は、なるべくなら、加えら
れる電流の極性に従って２つの別々のモードのいずれか
一方で選択的に動作可能な単一の発光ダイオードである
ことが好ましい、その第１の動作モードでは、　ＬＥ口
１１は、吸収限界へ拡がる、第３図の曲線Ｃに対応する
スペクトル範囲をもつ光を発する。第２の動作モードで
は、発せられた光は、第３図の曲線りに対応する、即ち
、完全に検出素子の低吸収特性の範囲内にある、スペク
トル範囲を有する。第２の光検出器１５は短かい光ファ
イバ２５によってＬＨＤＩＩに直結され、これにより、
常に非単色放射エネルギー源１１の強さの直接の大きさ
である信号が提供される。

次に第４図で、電子制御ユニット１０は、ＬＥＩ）１１
から゛の光の放出を制御すると共に光検出器１４．１５
からの信号を処理するように働くマイクロプロセッサ２
４を有している。このマイクロプロセッサ２４は数社か
ら市販されて入荷可能な６８０８マイクロプロセツサで
あればよく、以下記述の機能の実行に十分適するもので
ある。

ＬＥＤＩＩはマイクロプロセッサ２４から直接電流を加
えられ、この加えられる電流の極性は、逆転スイッチと
して働くゲート３９の状態により決定される。ゲート３
９は、　ＬＥＤｌｌをその第２の動作モードに設定して
初期校正をするために、手動で、又は、マイクロプロセ
ッサ２４がオンに切換えられたとき、このマイクロプロ
セッサにより自動的に動作させることができる０通常の
温度測定では、ゲート３９はＬＨＤＩＩをその第１の動
作モードに設定するために逆転されている。

光検出器１４と１５からの信号は、夫々の調整可能な利
得増幅器２６．２７により増幅されてこれらの比を決定
するマイクロプロセッサ２４に加えられる。その比とは
温度検出へラド１２の温度に対応するが非単色放射エネ
ルギー源の強さとは無関係な値である。この値は、読取
端子２８．２９．３０でデジタル形及びアナログ形で読
取られる。

光検出器１５により受けられた光の強さは非単色放射エ
ネルギー源ｌｌの強さＩに正比例する。

光検出器１４により受けられた光の強さは、数個のファ
クタ、即ち、非単色放射エネルギー源の強さ■、光ファ
イバ系１３の温度非依存損失し、温度検出ヘッド１２の
温度非依存損失Ｃ１及び検出素子１６自体の温度依存損
失Ｆ（Ｔ）に依存する。

光検出器１４．１５からの信号の比は非単色放射エネル
ギー源の強さとは無関係で損失り、Ｃ及びＦ（Ｔ）にの
み依存する。損失りとＣは設置により決定されてその後
は一定のままである。従って、それらを絶えず監視する
ことは必要ではない、従って、温度測定装置は温度で直
接校正することができる。

時々するだけでよい校正をチェックするために、ゲート
３９は切換えられてその第２動作モードでＬＥＤＩＩに
電圧を加える。このモードでは、光検出器１４により受
けられた光は温度検出へラド１２とは無関係で非単色放
射エネルギー源の強さのみに依存する。然し乍ら、２つ
の光検出器１４．１５からの信号の比は非単色放射エネ
ルギー源の強さとは無関係で、温度測定装置からの読取
は増幅器２６．２７の利得の調整により容易に所定値に
調整することができる。

サーミスタ３１はＬＨＤＩＩに取付けられていてその温
度を測定してマイクロプロセッサ２４に温度補正信号を
提供するために使用される。この補正の理由は、ＬＥＤ
ＩＩにより放出された光のスペクトル分布が温度でずれ
るので、非単色放射エネルギー源自体が温度変化を受け
る場合に補正が要求されるからである。

次に第５図で、第２の温度測定装置は基本的には第１の
温度測定装置に類似していて、対応する部品は同一の参
照数字により示されている。この場合、然し乍ら、非単
色放射エネルギー源１１は、マイクロプロセッサ２４か
ら電流を加えられてゲート・スイッチ３６により一度に
一つづつ選択的に動作可能な１対の発光ダイオード３２
．３３を有している。発光ダイオード３２は第３図の曲
線Ｃで示されたスペクトル範囲をもつ光を発し、その動
作は第１図の非単色放射エネルギー源１１の第１の動作
モードに対応する。　　ＬＥ０３３は、第３図の曲線り
により示されたスペクトル範囲をもつ光を発し、その動
作は、第１図の非単色放射エネルギー源１１の第２の動
作モードに対応する。

第５図は、又、例えば、５００ｍを超える長大なもので
なければならない光ファイバのための好適な光学的構成
を示す、この場合、各ＬＥＤから温度検出ヘッド１２と
基準光検出器１５への光伝送、及び温度検出ヘッド１２
から光検出器１４への光伝送の結合のために双方向型の
３×２光結合部３４が使用されている。温度検出素子１
２の検出素子１６と光結合部３４との間の双方向伝送路
は、温度検出ヘッド１２の遠隔設置に適する長さの単一
の光ファイバ３５により構成されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を示す温度測定装置の光
学的構成の略図であり、 第２図は、第１図の温度測定装置の温度検出ヘッドの拡
大断面図であり、 第２ａ図は、第２図の温度検出ヘッドの変形例の詳細を
示し、 第３図は、互いに異なる波長での光伝送特性を示す図で
あり。 第４図は、第１図の電子制御ユニットの特定の構成要素
を示す略式のブロック線図であり、そして 第５図は、本発明の第２実施例を示す温度測定装置の光
学的構成を示す第１図に対応する図である。 〔主要部分の符号の説明〕 電子制御ユニット　　　・・・・・・・・　１０非単色
放射エネルギー源　・・・・・・　１１温度検出ヘッド
　　　　・・・・・・・・　１２光ファイバ系　　　　
・・・・・・・・・・　１３第１の光検出器　　　　・
・・・・・・・　１４第２の光検出器　　　　・・・・
・・・・　１５検出素子　　　　　　　・・・・・・・
・　１６保護ケース　　　　　　・・・・・・φ・　１
７温度依存光ファイバ　　　・・・・・・　１８高反射
物質層　　　　　・・・・・・・・　１９マイクロプロ
セツサ　　　φ・・・争・　２４調整可能利得制御増幅
器　・・・・２６．２７読取端子　　　　　　　２８．
２９．３０サーミスタ　　　　　・・・・・・・・・・
　３１発光ダイオード　　　　・・・・　３２．３３双
方向光結合部　　　　・・・・・・・・　３４ゲート・
スイッチ　　　・・・・・・・・　３６ゲート・・・・
・・・・３９ ＦＩＧ、　２ 手続補正書 昭和６１年　６月　２日 特許庁長官　宇　賀　道　部　　殿 １　事件の表示 昭和６１年特許願第９４９８５号 ２　発明の名称 光ファイバ温度測定装置 ３　補正をする者 事件との関係：特許出願人 氏　名　　　アーヴイン　ウェインバーガー４代理人 （１）委任状及び翻訳交番１通を提出致します。 （２）別紙の通り、印書せる全文明細書を１通提出致し
ます。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸収限界を定める波長範囲にわたり高吸収特性から
   低吸収特性への温度依存遷移部 を有するスペクトル吸収特性を持つ材料の 熱−光検出素子（１６）を備えた検出ヘッ ド（１２）、 第１の光検出器（１４）、 前記熱−光検出素子（１６）に結合され て放射エネルギー源（１１）から前記第１ の光検出器（１４）への放射エネルギーの 伝送のための伝送路を前記熱−光検出素 子（１６）と共に形成する光ファイバ系 （１３）、 放射エネルギーを放射エネルギー源 （１１）から直接受けるようこの放射エネ ルギー源（１１）に光結合された第２の光 検出器（１５）、 前記光検出器（１４）、（１５）に結合 されてこれらの光検出器により受けられた 放射エネルギーの強さに対応する信号を得 るための電子手段（１０）、及び 前記信号から前記熱−光検出素子（１６ の温度に対応する、前記放射エネルギー源 の強さとは無関係な、出力信号を得るため の処理手段（２４）を備えた温度測定装置 であって、 （ａ）前記放射エネルギー源（１１）は、前記吸収限界
   へ拡がるスペクトル範囲をもつ 放射エネルギーを放出する第１の動作モー ドと、完全に前記低吸収特性の範囲内で放 射エネルギーを放出する第２の動作モード で選択的に動作可能な非単色放射エネルギ ー源であり、そして （ｂ）前記電子手段（１０）は、前記第２の動作モード
   の選択に従って動作可能で前記 出力信号を所定値に調節するための手段を 有していることを特徴とする温度測定装 置。 ２、特許請求の範囲第１項による温度測定装置であって
   、前記放射エネルギー源が１対 の発光ダイオード（３２）、（３３）を有 し、この各発光ダイオードは前記スペクト ル範囲のそれぞれで選択的に動作可能であ ることを特徴とする温度測定装置。 ３、特許請求の範囲第１項による温度測定装置であって
   、前記放射エネルギー源は、前 記第１と第２の動作モードで選択的に動作 可能な単一の発光ダイオード（１１）であ ることを特徴とする温度測定装置。 ４、特許請求の範囲第１項による温度測定装置であって
   、前記熱−光検出素子（１６） の材料はドープされた絶縁体であることを 特徴とする温度測定装置。 ５、特許請求の範囲第４項による温度測定装置であって
   、前記熱−光検出素子（１６） は色ガラス・フィルタであることを特徴と する温度測定装置。 ６、特許請求の範囲第４項による温度測定装置であって
   、前熱−光検出素子（１６）の 材料は２．０より小さい反射率を有することを特徴とす
   る温度測定装置。 ７、特許請求の範囲第６項による温度測定装置であって
   、前記熱−光検出素子（１６） は、１対の対向する平行な面を有する前記 材料の板（１６）を有し、前記光ファイバ 手段は一方の前記面に光結合された温度− 抵抗光ファイバ（１８）を有し、対向する 前記面は反射物質（１９）を塗布されてい ることを特徴とする温度測定装置。 ８、特許請求の範囲第６項による温度測定装置であって
   、前記熱−光検出素子（１６） は、平面状の前面と球面状の後面を有する 平凸レンズ（１６ａ）として形づくられ、 前記光ファイバ系は、前記前面に光結合さ れて双方向伝送路となる温度−抵抗光ファ イバ（１８）を有し、前記後面は反射物質 （１９）を塗布されていることを特徴とす る温度測定装置。 ９、特許請求の範囲第１項による温度測定装置であって
   、前記放射エネルギー源（１１ の近くに配置された温度応答素子（３１） と、この温度応答素子から前記放射エネル ギー源の温度の変化を補償する補償信号を 得るための手段（２４）を有することを特 徴とする温度測定装置。 １０、特許請求の範囲第９項による温度測定装置であっ
   て前記温度応答素子（３１）はサ ーミスタ（３１）であることを特徴とする 温度測定装置。