JPS6161023A - 放射温度計 - 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、赤外光伝送用ファイバを用い、遠隔的に、
温度を計測する放射温度計に関する。

放射温度計は、被測定物体から、温度に依存したスペク
トル、強度の光が放射されるので、放射光の強度を測定
する事によって、被測定物の温度を算出するものである
。

黒体輻射に関し、ブランクの放射側が成立する。

Ｑ１＝　　８．７４１Ｘ１０　　　（Ｗ−ｍ）　　（２
）Ｑ２＝　　１．４８９ｘｌＯ（ｍ−Ｋ）　　　（８）
である。（１）は輻射スペクトルを与えるが、これをλ
に関して積分すると、黒体表面から、単位面積あたり、
単位時間に放射される輻射エネルギーＷをうる。

Ｗ　＝　βＴ　’　　　　　　　　　　　（４）である
。βはステファン・ポルツマンの定数でβ　＝５．５５
　Ｘ　１０　　ｅｒｇｚ　・Ｓ　　−Ｋ　　（５）であ
る。

通常は、（４）式のような放射の全エネルギーを測定す
る事により温度を測定する。

被測定物は、実際には黒体ではない。同一温度の黒体の
放射エネルギーに対する実際の放射エネルギーの比を放
射率という。これはＯから１の間の定数である。

検出器の出力に現われる量は、（１）式の輻射スペクト
ルと、経路中の波長ごとの透過率、放射率、検出器の波
長による感度特性などの積を波長で積分したものである
。これらの函数は複雑であって、必ずしも既知であるわ
けではない。

しかし、被測定物体が定まっており、放射経路、検出器
が定まっておれば、検出器出力によって、物体の温度を
知る事ができる。多くの場合、温度と、放射エネルギー
の対数とが、はぼリニアである。

（イ）背景技術 ウィーンの変位剤から、物体の温度Ｔ（ＯＫ）と、放射
エネルギー密度が最大である波長λｍとは、スｍＴ　＝
　２８９８　ｐｍ−Ｋ　　　　（６）という関係がある
。２００°Ｃ〜２０００°Ｃの高温物体の測定には、可
視光、近赤外光が主になる。これらの光であれば、たと
えば石英ガラスファイバを使って光を伝送させる事がで
きる。放射温度計は一般に、高温測定に適している。

本発明は、０〜２００°Ｃという低温の被測定物の放射
温度計を与えようとする。これは被測定物の表面から放
射される８〜１２μｍ程度の波長の赤外線強度を検出し
、その温度を、黒体輻射の法則から算出して求めるもの
である。

被測定物のすぐ近くに赤外検出器を設ける事ができれば
問題はないが、被測定物が複雑な形状をしていたり、入
りくんだ場所にある場合など、被測定物のすぐ近くに検
出器を置く事ができない。

そこで、光ファイバで、被測定物と検出器とを結合する
、という試みがなされる。

赤外光を伝送する光ファイバは既に存在する。

赤外光伝送用ファイバを用いれば、遠隔温度計測が可能
になる。電気的に絶縁された状態で計測できるという長
所もある。

沙）従来技術の欠点 赤外光伝送用ファイバを導光路とした放射温度計は、フ
ァイバ自体が有限の温度を持っており、温度に従って赤
外線を放射する。これを外乱と呼び、被測定物から放射
される赤外線（信号）と区別する。

信号成分も外乱成分も、いずれも赤外線検出器に入射す
るから、そのまま温度を求めると、実際より高くなって
しまう。検出器の出力から、外乱成分を差引いて、信号
成分のみを取出す必要がある。これを温度補正という。

放射物体の温度が低い時、信号成分が微弱であるので、
外乱成分を除去する必要性は大きい。

２本のファイバを平行に設け、外乱成分の強さを分離し
、信号成分を計算できるようにした放射温度計が提案さ
れている（特開昭５８−１９６４８０、昭和５８年１１
月１５日公開）。

同じ直径、同じ長さ、同じ特性のファイバを束にする。

一方のファイバに、被測定物の光を入射させて伝送する
。他方のファイバは、前端に盲栓をしておき、光が端面
から入射しないようにする。

このファイバは外乱成分だけを持つ。２つのファイバの
出力を別々の赤外検出器で求め、両者の差を計算して、
信号成分を得て、これから温度を求める。

これは、光ファイバが２倍の長さ必要になるし、赤外検
出器も２本必要である。２本のファイバを束にするから
、ファイバの可撓性が損われる。又、入りくんだ場所や
狭い場所では使いにくい。という欠点がある。直径が太
くなるからである。

さらに、束にしているからといって、２本のファイバが
、常に同じ温度環境下にあるとは限らない。

００　　　目　　　　　的 赤外光伝送用ファイバを用いた放射温度計に於て、ファ
イバに加わる外乱成分の大きさをモニタし、迅速かつ簡
便に温度補正し、正しい温度を求める事のできる構造を
提供する事が、本発明の目的である。

このため、赤外光伝送用ファイバに加えられた外乱を温
度の函数としてモニタする。

赤外検出器の出力を工。とする。これは、被測゛定物の
温度Ｔ１に依存する被測定物からの放射（信号成分とい
う）Ｓ（Ｔ１）と、赤外光伝送用ファイバの温度Ｔ２に
依存しファイバの内部で生ずる放射（外乱成分という）
Ｒ（Ｔ２）との和である。

■。＝　５（Ｌ）＋　　Ｒ（Ｔ２）　　　（７）求めた
い量はＳ　（Ｔ、　）である。Ｉｏは検出器出力である
から、直接に知る事ができる。そこで、外乱Ｒ（Ｔ２）
を知れば良い、という事になる。

Ｇ＋）　　　構　　　成 本発明の放射温度計は、外乱Ｒ（Ｔ２）を知るため、赤
外光伝送用ファイバの温度Ｔ２を測定する。

ファイバの温度Ｔ２を知ると、外乱Ｒ（Ｔ２）は、（４
）式のように決まる。■。からＲ（Ｔ２）を差引く事に
よって、Ｓ　（Ｔ、　）を求める事ができる。

赤外光伝送用ファイバの温度Ｔ２を求めるために、ファ
イバの外周に抵抗線を巻きつけるか、或はファイバの側
面に抵抗膜を蒸着する。これら抵抗は、温度を検出する
ためのものであるから、抵抗温度係数の大きい材料が適
している。

赤外光伝送用ファイバの温度測定のための抵抗体として
は、 （１）　　白金、ニッケル、アルミニウム、銅、金、タ
ンタルなど、抵抗温度係数の大きい金属、温度係数は正
である。

（２）　　負の温度係数をもったサーミスタ材料。

（８）　　マンガニン合金のように、温度に対する抵抗
変化が７０°Ｃをピークに放物線状になっている材料。

ただし、これを使う場合は、Ｔ２＜７０°Ｃであるか、
Ｔ、＞　７０°Ｃ以上であるか、いずれかに決まってい
なければならない。

などを使用する事ができる。

このような抵抗材料は、線材として、赤外光伝送用ファ
イバ１の外周に巻きつけても良い。第１図はこのような
例を示す。

巻きつけるかわりに、赤外光伝送用ファイバの側面に蒸
着しても良い。抵抗線フィル、抵抗薄膜とをまとめて、
抵抗体２という。

ある温度Ｔ、に於ける、抵抗体２の抵抗をｒｅとする。

温度係数をＫとすると、抵抗ｒの値から、温度Ｔ２を求
める事ができる。

Ｔｚ　　　Ｔｅ　　＝（ｒ　　ｒｅ　）　／　Ｋ（８）
である。これはリニアな場合の例であるが、より一般的
に抵抗ｒが温度の函数としてｒ（Ｔ）として与えられる
ので、ｒの測定からＴ２を求める事ができる。このよう
に、抵抗ｒから、温度Ｔを求める部分を、ここでは、抵
抗温度検出装置と呼ぶ。

線の太さ、膜の厚さ、幅は、ファイバの各部に於ける温
度変化を検出できるに十分な抵抗変化が起るように決め
れば良い。

第１図のように、抵抗線を赤外光伝送用ファイバの外周
に巻きつける場合について一例を示す。

赤外光伝送用ファイバ１は、外径ＩＨ，長さが１ｍであ
る。抵抗線２は、直径０．０３ｆｌの白金線が５ｍピッ
チでファイバ外周に巻きつけられたものである。白金線
の全抵抗は２０°Ｃに於て５０Ωであった。

第２図のように、蒸着膜を付けるものについて一例を示
す。ファイバ１は、先例と同じく、１ｆｌ直径、１ｍの
長さのファイバである。側面に、白金抵抗膜が真空蒸着
しである。膜厚は１，７７１ｍ、幅は１ｆｆで、２０°
Ｃに於ける全抵抗は５０Ωであった。

温度変動による抵抗変化は、いずれも１℃あたり、０．
２Ωである。

赤外光伝送用ファイバとして、次のようなものを使う事
ができる。

（１）　　タリウムハライド Ｔ＃Ｂｒ　　、　　ＫＲＳ−５ （２）　　アルカリハライド ＣｓＢｒ　　、　　Ｃ５Ｉ （３）銀ハライド ＡｇＢｒ　　、　　Ａｇ（Ｊ 第８図は本発明の赤外光伝送用ファイバを用いた放射温
度計の構成を示す。

被測定物３から、温度Ｔ１と、放射率に依存した強さの
赤外線が放射される。赤外線は、集光光学系４によって
集光され、赤外光伝送用ファイバ１の前端に入射する。

集光光学系５は、例えば、Ｚｎ５ｅレンズなどを用いる
。

赤外光伝送用ファイバ１は細くて可撓性に富んでいるか
ら、被測定物３は、狭い場所、あるいは入り込んだ場所
にあっても良いし、複雑な形状の物体であっても差支え
ない。

赤外光伝送用ファイバ１の外周には、第１図に示すよう
に、細い抵抗線が巻きつけてあり、温度変化を測定する
センサとなっている。これは、白金線を巻いて、全抵抗
が５０Ωにしたものである。

抵抗体２の両端は、抵抗温度検出装置６に接続されてい
る。ここで、抵抗を測定し、これから温度Ｔ２を求める
。

これは、例えば、（８）式のような線型関係から求める
事もできるし、線型でない場合も、ｒ（Ｔ）の函数形が
分っているので、ｒからＴ２を求め得る。

赤外光伝送用ファイバ１の他端は、データ処理装置５に
つながっている。データ処理装置、５は、入射した赤外
線の強度から、被測定物３の温度Ｔ。

を求めるもので、赤外検出器、増幅器、リニアライザな
どよりなる。

赤外検出器は、８〜１２７１ｍの赤外域で感度のよい検
出器を選ぶ必要がある。例えば、ＨｇＣｄＴｅ検出器々
ど検出騒々。赤外光伝送用ファイバ１の中を通った赤外
線は、赤外検出器で検出される。強度に比例した電気信
号として得られるから、増幅器で増幅する。この増幅信
号は、リニアライザによって、湿度に変換される。一般
に、赤外光のエネルギーの対数が、温度Ｔ、に対し、リ
ニアに近い関係にあり、赤外光エネルギーとＴ１の関係
は、より精密に分っているから、温度への変換は容易で
ある。

ところが、これは、（７）式に於て、！。だけが分った
という事にすぎず、Ｓ　（’ｒ、　）を求めるには、外
乱Ｒ（Ｔ２）の強さを知らなくてはならない。

本発明に於ては、赤外光伝送用ファイバの外乱Ｒ（Ｔ２
）を、Ｔ２の関数として、既知であるとし、Ｔ２をモニ
タする事により、Ｒ（Ｔ２）を求める。ファイバ温度Ｔ
２は、抵抗体２と、抵抗温度検出装置６によって求めて
いる。

Ｔ２が分るから、外乱Ｒ（Ｔ２）を求める事ができる。

マイクロコンピュータ７は、Ｔ２から、外乱の大きさＲ
（Ｔ２）を求め、さらに、 Ｓ（Ｔ２）　　＝　　Ｔ６　−　　Ｒ（Ｔ２）　　　（
９）の計算をして、Ｓ（Ｔ＋）を求め、さらに、被測定
物温度Ｔ、を知る。

Ｔ１は、記録計８に記録される。記録とともに、表示器
に温度表示される事もある。

マイクロコンピュータγによる温度補正は、必ずしも、
（９）式の順序に従うものでなくても良い。

データ処理装置５が、Ｉ、から見かけの温度Ｔ３を算出
するものであるとする。

”ｏ　　”　　５（Ｔ３）　　　　　　　（１０）であ
る。マイクロコンピュータは、信号成分の放射強度Ｓの
温度依存性５（Ｔ）を使って、Ｒ（Ｔ２）を既知とし、
（９）のかわりに、 Ｓ（Ｔ２）　　＝　　５（Ｔ３）−Ｒ（Ｔ２）　　（１
１）という式を用いて、Ｔ、を求めるようにする。

赤外光伝送用ファイバの温度変化の領域は決まっており
、函数形５（Ｔ）を求める事は容易であるから、（１０
）、（１１）式から、温度補正をするのは容易な事であ
る。

なお図示していないが、温度測定用の抵抗体２と光ファ
イバ１はプラスチックなどで被覆して一体化しても良い
。

又、集光光学系４、赤外光伝送用ファイバ１、データ処
理装置５は、通常のホルダ及びコネクタの構造と類似の
ものを用いると便利である。

又抵抗線、抵抗膜によって測定できるのは、ファイバの
平均温度Ｔ２である。ファイバの全体が同じ温度である
とは限らない。

しかし、ファイバの温度が一様でないとしても、外乱の
全体は、平均温度の函数Ｒ（Ｔ２）として求められる。

ファイバの長手方向にとった座標をＸとする。

点Ｘに於ける温度をＴとする。単位長さあたりの外乱の
大きさをｍ（ｘ）とする。

ｆ　ｍ（ｘ）　ｄｘ　　＝　　Ｒ（１２）積分は、ファ
イバの全長りにわたって行う。温度の平均がＴ２である
から、 ｆ　Ｔ（ｘ）　ｄｘ　　＝　　Ｔ２Ｌ　　　　（１８）
である。外乱の大きさｍ　（Ｔ（ｘ）　）　　は、Ｔの
みの函数で、例えば（４）式で与えられる。これをＴ２
のまわりに展開すると、 ｍ ｍ（Ｔ）　−ｍ（Ｔ＋）＋　（Ｔ−７２）　　　＋　・
−・−（１４）Ｔ となる。

ｍ（Ｔ２）（７）積分は、Ｒ（Ｔ２）である。（１４）
式をＸで積分すると、（１２）式とから、 ｍ Ｒ＝Ｒ（Ｔｇ）＋ｆ（Ｔ（Ｘ）　Ｔ２）ｄｘ×−十＋＋
＋＋＋　（１５）Ｔ ＝Ｒ（Ｔ２）＋（２次以上の項）（１６）となる。（１
５）式の２項目が消えるのは、（１３）式による。Ｒは
、真の外乱の大きさであるが、これは平均温度Ｔ２に於
ける外乱Ｒ（Ｔ２）にほぼ等しく、差は、２次以上の微
少量である事が分る。

抵抗体２、抵抗温度検出装置６によって分るのは、ファ
イバの平均温度Ｔ２だけである。細い温度分布は分らな
い。しかし、それで十分なのである。

Ｒ（Ｔ２）が分るからである。

（力）効　果 （１）赤外光伝送用ファイバの温度Ｔ２を測定しており
、このファイバによって生ずる外乱Ｒ（Ｔ２）の大きさ
を知る事ができるので、ファイバの°中に伝送された赤
外光の内、被測定物から輻射された放射赤外光の強さを
求める事ができる。このため、温度を補正し、正しい温
度を知る事ができる。

（２）２本の赤外光伝送用ファイバを使って、一方は盲
板で前端を塞ぎ、外乱成分の大きさを検出するようにし
た放射温度計に比較すると、構造がより単純であって、
より正確に測定ができる。

赤外検出器は１個、ファイバは１本ですむ。

束にする必要もない。束にすると可撓性が減退するが、
その心配もない。

（８）光ファイバを用いているから、複雑な形状物、或
は入りくんだ場所にある部分の温度測定に用いる事がで
きる。抵抗線をファイバに巻きつけるが、これは十分細
いから、光ファイバの実効直径は増えないし、可撓性も
損われないからである。

（４）０〜２００°Ｃの低温の放射温度計測が可能であ
る。外乱成分を正確に除去でき、正しく補正できるから
である。

（５）電磁ノイズの影響を受けない。抵抗線は例えば５
０Ωというように、十分低い抵抗である事ができる。こ
のように低い値であるから、電磁ノイズに対して強い。

（６）局所的、微小面積を対象とする温度計測ができる
。

（７）熱電対による接触測定に比して、応答速度が速い
。

（ト）　　実　　施　　例 被測定物として、プラスチックを被覆した電熱線を採用
した。通電して、０〜２００°Ｃの間の温度に加熱し、
これを３とおりの温度測定法で測定した。

（１）熱電対による測定。

（２）本発明による、ファイバ温度をモニタし、外乱成
分を知って温度補正する放射温度計測定。

（３）外乱成分の補正をしない放射温度計測定。これに
ついて（２）との相異を強く出すため、（２）、（３）
ともに、ファイバの途中１０ＣＭの長さについて、０〜
１００°Ｃに加熱し、異常な外乱を強制的に与えた。

熱電対測定と、本発明の測定とは、被測定物が０〜２０
０°Ｃの温度域にある時、誤差の範囲内に於て一致した
。

補正なしの測定法（３）と、熱電対測定とを比較すると
、１０〜２０％の温度の差が見られた。

本発明の測定装置は、外乱の影響を補正し、低温の被測
定物体の温度を正確に測定できる、という事が分る。

【図面の簡単な説明】

第１図はファイバの温度測定のために、外周に抵抗線を
巻きつけた赤外光伝送用ファイバの斜視図。第２図はフ
ァイバの温度測定のために側面に抵抗薄膜を蒸着した赤
外光伝送用ファイバの斜視第１図 図。 第３図は本発明の放射温度計の構成図。 １　・・・・・・・・・　赤外光伝送用ファイバ２・・
・・・・・・・抵抗体 ３　・・・・・・・・・被測定物 ４　・・・・・・・・・　集光光学系 ５　・・・・・・・・・　データ処理装置６　・・・・
・・・・・　抵抗温度検出装置７　・・・・・・・・・
　マイクロコンピュータ８・・・・・・・・・記録計 発　　明　　者　　　　　　高　　橋　　　謙　　−葭
　　　１）　　典　　之

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物３から放射される赤外光を集光する集光
   光学系４と、集光された赤外光を伝送する赤外光伝送用
   ファイバ１と、赤外光伝送用ファイバ１の中を伝送され
   た赤外光の強度を検出し電気信号に変換する赤外検出器
   と、この電気信号を増幅する増幅器と、増幅された電気
   信号から、被測定物３の温度を高めるリニアライザと、
   赤外光伝送用ファイバ１の周囲に巻きつけられた抵抗線
   又は貼りつけられた抵抗薄膜よりなる温度変化により抵
   抗値の変化する抵抗体２と、抵抗体２の抵抗値を測つて
   赤外光伝送用ファイバ１の温度Ｔ＿２を検出する抵抗温
   度検出装置６と、赤外光伝送用ファイバ１の温度Ｔ＿２
   から、赤外光伝送用ファイバ１に加えられた外乱Ｒ（Ｔ
   ＿２）の大きさを算出し、これによつて、赤外光伝送用
   ファイバ１の中を伝送されてきた赤外光強度Ｉ＿０を補
   正し被測定物の温度Ｔ＿１を求めるマイクロコンピュー
   タ７とより構成される事を特徴とする放射温度計。
2. （２）赤外光伝送用ファイバ１がＴｌＢｒ、ＫＲＳ−５
   、ＣｓＢｒ、ＣｓＩ、ＡｇＢｒ、ＡｇＣｌの内のいずれ
   かである特許請求の範囲第（１）項記載の放射温度計。
3. （３）抵抗体として、白金、ニッケル、アルミニウム、
   銅、金、タンタル、サーミスタ材料又はマンガニン合金
   が用いられている特許請求の範囲第（１）項又は第（２
   ）項記載の放射温度計。