JPS6138806B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は物体から輻射される輻射光を検出
し、物体の温度の絶対値を比較的簡単な構成で非
接触的に求めうるようにした温度検出器に関する
ものである。

近年、物体の温度を非接触的に高精度に測定す
ることの重要性がますます増加しているが、従来
の非接触式の温度検出器としては、第１図に示す
ものがあつた。図において、１は測温体、２は温
度検出器の窓、３は窓２を通過してきた測温体１
からの輻射光を集光する集光レンズ、４は前記輻
射光の光路上に設けられたバンドパスフイルタ、
５，６は前記輻射光を観測窓７へ導くミラーであ
る。さらに１ａはタングステンフイラメント、８
はタングステンフイラメント１ａに接続された可
変抵抗、９はダスグステンフイラメント１ａに電
流を流すための電源、３ａはタングステンフイラ
メント１ａからの光を集光する集光レンズ、４ａ
は前記バンドパスフイルタ４と同じ光学的性質を
持ち、タングステンフイラメント１ａからの光の
光路上に設けられたバンドパスフイルタ、５ａは
この光を前記ミラー６とともに観測窓７へ導くミ
ラーである。

つぎに動作について説明する。測温体１からの
輻射光は窓２を通り、集光レンズ３およびバンド
パスフイルタ４を通過する。輻射光は第２図に示
すように、測温体１の温度特有の連続スペクトル
を持つているが、バンドパスフイルタ４を通過し
た光はフイルタ４の通過帯域の光の色を呈し、そ
の光強度は測温体１の温度に依存している。一
方、タングステンフイラメント１ａからの輻射光
も同様に集光レンズ３ａおよびバンドパスフイル
タ４ａを通過する。タングステンフイラメント１
ａの温度は流れる電流によつて正確に知られるか
ら、バンドパスフイルタ４を通過する光の光強度
とバンドパスフイルタ４ａを通過する光の光強度
とが一致するようにタングステンフイラメント１
ａに流す電流を調整し、一致した時の電流値から
測温体１の温度を求める。ただし測温体１は理想
的黒体ではないので、測温体１の放射率の補正を
行う。

一般に光高温体と呼ばれているこの従来の非接
触式温度検出装置は以上のように構成されている
ので、測温体は直視できる場所でなければなら
ず、たとえばシリンダ内部などの複雑な形状中の
一部分の温度を測定することは困難であつた。さ
らにバンドパスフイルタを用いるため、帯域幅分
の温度の不正確さは避けられないという欠点を持
つていた。

さらに、光学的導波器特に光フアイバも用いて
外部から直視できない部分の測温体の輻射光を導
き、気体の選択的吸収性を利用して光・音響変換
を行うことにより温度を検出するようにした温度
検出器が従来から知られているが、この方法によ
れば、測温部からの輻射光を光導波器を用いて温
度検出部に導き、検出部の前段に設けた光チヨツ
パにより、導いてきた輻射光を断続光にし、この
断続光を、輻射光の光スペクトラム内に吸収波長
をもつ気体を満したガスセル内に導くと、入射さ
れた断続輻射光はセル内の気体特有の振動準位へ
の励起に対応した吸収を受け、吸収されたエネル
ギーは熱エネルギーに変換され、結果的に気体に
断続的な熱膨脹を生じる。この変化を圧電トラン
スデユーサにより検出すると、その出力と入射さ
れた輻射エネルギ量のうち気体の特定吸収波長に
相当する成分の光強度との間に比例関係があるた
めに、輻射光のスペクトルが温度によつて決まる
ことから輻射する測温体の温度が求められる。

この方法によれば複雑な形状中の一部分の温度
を測定することが容易であり、温度検出に気体の
輻射線に対する選択的吸収性を利用するため正確
な温度測定が出来る等の利点を有するものの以下
に述べるような欠点を有する。すなわち検出器に
ガスセルを用いるため、ガスの濃度とセル内の圧
力を精密に一定に保つ必要があり、これを実現す
るためには多大の労力を要する。又気体の輻射線
吸収帯が比較的限られており、温度測定範囲が制
限されること等である。

この発明は上記欠点に着目してなされたもの
で、広い温度範囲にわたつて温度検出をより容易
にかつ正確に行なうことが出来る温度検出器を提
供することを目的とする。

この発明に係る温度検出器は光学的導波器特に
光フアイバを用いて外部から直視できない部分の
測温体の輻射光を導き、液体の選択的吸収性を利
用して光音響変換を行うことにより、温度を検出
することを特徴とする。

従つて、光フアイバ等により導かれた輻射光の
強度を液体の選択的吸収性を利用して測定するた
め、正確な温度測定ができ、さらに液体セルを用
いるためセル内の圧力の調整が不要であり、又液
体を用いることにより輻射線吸収帯を広い範囲に
わたつて任意に選択できるため温度測定範囲をひ
ろげる事ができ、従来の測定に比し容易かつ正確
な測定法である。

以下、この発明の一実施例を図に基づいて説明
する。

第３図において、１は測温体、１０は測温体１
からの輻射光を導く光学的導波器としての光フア
イバ、１１は光フアイバ１０の光を断続光にする
光チヨツパ、１２は後述する液体セル１３の窓、
１３は輻射光の光スペクトル内に急収波長を持つ
液体を満たした液体セル、１４は液体セル１３に
液体を出し入れするためのコツク、１５は液体セ
ル１３に設けられた、たとえば電圧セラミツクス
等の圧電トランスデユーサ、１６は圧電トランス
デユーサ１５の出力に接続された信号処理エレク
トロニクスである。

この装置においては測温体１からの輻射光を光
フアイバ１０を用いて温度検出部に導く。そして
検出部の前段に設けた光チヨツパ１１により、導
いてきた輻射光を一定周波数の断続光にする。こ
の断続光は窓１２を通つて輻射光の光スペクトラ
ム内に吸収波長をもつ液体を満した液体セル１３
に入る。液体セル１３に入つた断続輻射光はセル
内の液体特有の振動準位への励起に対応した吸収
を受ける。特定波長を吸収した液体の吸収した部
分で前記断続周波数と同じ周波数の弾性波が生じ
液体の内部を伝達する。この弾性波の強度はセル
内に設けた圧電トランスデユーサ１５に捕えら
れ、電気信号に変換され、信号処理エレクトロニ
クス１６へ導かれる。信号処理エレクトロニクス
１６はトランスデユーサ１５からの信号から光チ
ヨツパ１１の参照信号と周期および位相の一致し
た信号を取り出し、増幅して直流信号とする。

ところで、液体セル１３に導いてきた輻射光
は、第２図に示されるように、広い波長範囲にお
よぶ連続スペクトルを持つているが、トランスデ
ユーサ１５の信号の大きさは、この輻射光の液体
特有の吸収波長の光強度と、その波長に対する液
体の吸収係数に比例したものである。そこで液体
のある波長に対する吸収係数を一定とした場合、
トランスデユーサ１５の出力の大きさは液体セル
１３に入射する光のスペクトルのうち特定吸収波
長に相当する成分の光強度と比例関係が得られ
る。したがつて輻射光のうち特定波長の光強度が
わかれば、輻射光のスペクトルが温度によつて決
まることから輻射する測温体の温度が求められ
る。

なお、前記の一実施例では光学的導波器として
用いる光フアイバ１０を単に光フアイバとした
が、これは通常の単芯の光フアイバだけでなく、
輻射光を多くとり入れるために開口角の大きいバ
ンドルフアイバや多芯フアイバを用いてもよい。

また、物体の輻射光の光スペクトルは低温にな
るに従い、赤外波長側に、高温になるに従い可視
波長側にそれぞれ主成分が移行するので測温温度
域に応じて適当な波長域に吸収波長を持つ液体を
選択し変換すれば良いが、この変換が気体に較べ
て非常に容易であり、しかも液体に例えば色素等
の溶解性添加物を加える事により吸収波長選択が
任意となり、容易に広い温度範囲にわたつて温度
を測定することができる。

また、液体を用いることにより圧力調整が不要
となり単にコツク１４を設置するだけでよく、ト
ランスデユーサ１５の出力感度も添加物の濃度の
調整により容易に行い得る。

また、第３図における液体セル１３の壁面材料
の一部又は全部を圧電トランスデユーサ１５の材
料に置き換えることにより、検出効率を向上させ
ることが出来る。

つぎに、この発明の他の実施例を示す第４図に
ついて説明する。第４図において、１は測温体、
１０は測温体１からの輻射光を導く光学的導波器
としての光フアイバ、１７は光フアイバ１０の分
配器、１１，１１ａは光フアイバ１０の光を断続
光とする光チヨツパ、１２，１２ａは後述する液
体セル１３，１３ａの窓、１３，１３ａはたがい
に異なる吸収波長λ_１，λ_２を持つ液体を満たし
た液体セル、１４，１４ａは液体セル１３，１３
ａのコツク、１５，１５ａは液体セル１３，１３
ａに設けられた圧電トランスデユーサ、１８は圧
電トランスデユーサ１５，１５ａの出力に接続さ
れた信号処理エレクトロニクスである。

この実施例においては前記一実施例と同じく、
測温体１からの輻射光は光フアイバ１０で導か
れ、分配器１７により２つの光路に分かれ、それ
ぞれの検出部に導かれる。この場合液体セル１
３，１３ａには異なつた吸収波長λ_１，λ_２を持
つ異なつた液体が満たされているので、導かれた
輻射光は２つの特定波長λ_１，λ_２で吸収され、
それぞれの波長λ_１，λ_２の光強度に対応した電
気出力が電圧トランスデユーサ１５，１５ａから
得られる。それぞれのトランスデユーサ１５，１
５ａからの信号は信号処理エレクトロニクス１８
におい第１の実施例に述べたのと同じ処理が行な
われてそれぞれ直流信号とされ、さらにそれらの
比が演算回路により求められ、その比の値より測
温体１の温度が求められる。

前記一実施例等により温度検出をする場合、実
際の測定においては測温体と光フアイバの先端と
の距離の相違によつて入射光量が異なり、温度計
測には補正が必要になる。ところが輻射光スペク
トルは、第５図の曲線イ，ロに示すように、全体
の光量が異なつてもスペクトル分布は変わらない
から、２つの波長λ_１，λ_２における光強度の比
は一定である。そこでこの他の実施例のように、
２つの波長で光強度を測定し、その比をとれば、
測温体との距離に関係なく温度が正確に求められ
ることになる。

つぎにこの発明におけるもう一つの他の実施例
の光フアイバの分岐部分の拡大図を示す第６図に
ついて説明する。第６図において、１０は測温体
からの輻射光を導く光学的導波器としての光フア
イバ、１９はミラー上部に載置され、90゜ステツ
プ状に回転できるパルスモータから構成される光
スイツチ、２０，２１は光フアイバ１０からの光
を光スイツチ１９のミラーにより反射したのち、
これらの光を導く光フアイバである。

光フアイバ１０からの光は光スイツチ１９のミ
ラーにより２つの光フアイバ２０，２１に交互に
導かれる。この光の分岐方式によれば、光が上下
に分配されるとともに分配された光は断続光とな
るので、前記の両実施例において各光フアイバの
検出部端に設けていた光チヨツパは不要になり、
装置の簡便化がはかれる。

なお第６図ではパルスモータでミラーを回転す
る例を示したが、マグネツトの力を利用したもの
やその他の光スイツチを用いてもよい。

以上のように、この発明の温度検出器によれ
ば、測温体からの輻射光を光フアイバ等の光学的
導波器により伝搬し、その光を光・音響変換を行
なつて圧力検知素子の出力より温度を検出するよ
うにしたので、高感度、高精密に温度を測定で
き、しかも直視できない部分の温度を非接触的に
測定できる。さらに、気体セルを用い、光・音響
変換を利用した温度測定器では気体セル内のガス
の圧力を精密に一定に保つ必要があり、又気体の
特性吸収帯の波長範囲が限られているために温度
測定範囲が制限されたが、液体セルを用いること
により圧力調節が不要となり、より広い温度範囲
の測定が可能である。そして、また前記光を異な
る波長で光・音響変換し、それぞれの圧力検知素
子の出力の比を求めるようにすることにより、測
温体との距離に関係なく正確に温度を測定できる
効果がある。以上は変調輻射光の光スペクトル内
に吸収波長をもつ液体セルを、変調輻射光を入射
させる位置に配置することについて述べたが、液
体セルのかわりに変調輻射光の光スペクトル内に
吸収波長をもつ固体を、変調輻射光を入射させる
位置に配置しても、液体セルを配置した時と同様
に測温体の温度を高感度、高精度に測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の温度検出器の構成図、第２図は
黒体輻射の光スペクトル特性図、第３図はこの発
明の一実施例の構成図、第４図はこの発明の他の
実施例の構成図、第５図は他の実施例の動作説明
のための光スペクトル特性図、第６図はこの発明
におけるもう一つの他の実施例の分配器の拡大図
である。 １……測温体、１０……光学的導波器としての
光フアイバ、１１……光変調器としての光チヨツ
パ、１３……液体セル、１５……圧力検知素子と
しての圧電トランスデユーサ、１７……分配器、
１９……光スイツチ。なお、図中同一符号は同
一、または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 輻射光を出す測温体に一端が対向された光学
   的導波器と、該光学的導波器の他端側に設けられ
   た光変調器と、該光変調器により変調された変調
   輻射光を入射させる位置に配置され、かつ前記変
   調輻射光の光スペクトル内に吸収波長をもつ固体
   又は液体セルと、前記固体内又は前記液体セルの
   液体内に発生した弾性波を検知する圧力検知素子
   とを備え、前記圧力検知素子の出力より前記測温
   体の温度を求めるようにしたことを特徴とする温
   度検出器。 ２ 前記液体セルの壁面の少なくとも一部を圧電
   素子材料で形成して前記圧力検知素子としたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の温度検
   出器。 ３ 前記光学的導波器は光フアイバであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の温度検出器。 ４ 前記液体は前記吸収波長を任意にする溶解性
   添加物を含んでいることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の
   温度検出器。 ５ 輻射光を出す測温体に一端が対向された光学
   的導波器と、該光学的導波器により伝播された前
   記輻射光を分配する分配器と、該分配器により分
   配され導かれた各々の光を各々変調して変調光と
   する光変調器と、前記変調器により変調された
   各々の変調輻射光を入射させる位置に配置され、
   かつ前記変調輻射光の光スペクトル内に互いに異
   なる吸収波長をもつ固体又は液体セルと、前記固
   体内又は前記液体セルの液体内に各々発生した弾
   性波を各々検知する圧力検知素子とを備え、前記
   圧力検知素子の出力に比により前記測温体の温度
   を求めるようにしたことを特徴とする温度検出
   器。 ６ 前記液体セルの壁面の少なくとも一部を圧電
   素子材料により形成して前記圧力検知素子とした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の温
   度検出器。 ７ 前記光学的導波器として光フアイバを用いた
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項または第
   ６項記載の温度検出器。 ８ 前記分配器は反射面を有し該反射面の位置を
   切替える光スイツチであり前記光変調器をも兼ね
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項ないし
   第７項のいずれか１項に記載の温度検出器。 ９ 前記分配器は反射面を有し反射面の位置を切
   替える光スイツチと該光スイツチにより分配され
   た光を各々導く光フアイバとからなり前記光変調
   器をも兼ねることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項ないし第７項のいずれか１項に記載の温度検
   出器。