JPS6161024A

JPS6161024A - 放射温度計

Info

Publication number: JPS6161024A
Application number: JP59184961A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Takahashi; 謙一高橋; Noriyuki Ashida; 葭田　典之
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1984-09-03
Filing date: 1984-09-03
Publication date: 1986-03-28

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。

放射温度針は、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
することによって、被測定物の温度を算出するものであ
る。

入射方向、入射の偏光状態に関係なくすべての波長の放
射を完全に吸収する物体を黒体又は完全放射体という。

黒体放射に関し、ブランクの放射則が成立すＣ，＝　　
８．７４１Ｘ１０　　（Ｗ−ｍ２）　　＋２１Ｃ２＝　
　１．４３９　Ｘ　１０　　（ｍ−Ｋ）　　ｆ３１であ
る。（１）は輻射スペクトルを与えるが、これをスに関
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　＝　βＴ４　　　　　　　　　　　　　（４１であ
る。これをステファン・ポルツマンの法則といい、 β　＝　　５．５５Ｘ１０　　ｅｒｇ−ｆｆ　　、ｓ　
　−Ｋ　　　　　（５１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
ることにより温度を測定する。実際に、被測定物は黒体
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０から
１の間の定数である。

検出器の出力は、（４）式で示される温度による放射エ
ネルギーではなく（１）式と、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
ることができる。多くの場合、温度と、放射エネルギー
の対数とがほぼリニアである。

（イ）背景技術ウィーンの変位前から、物体の温度Ｔ　（’Ｋ　）と、
放射エネルギー密度が最大である波長λｍとは、λｍＴ
　　＝　　２８９８＃ｍ−Ｋ　　　　　　　　　　　（
６）という関係がある。２００℃〜２０００℃の比較的
高温の測定には、可視光、近赤外光が主になる。これら
の光であれば、たとえば石英ガラヌファイバを使って、
光を伝送させる事ができる。

放射パワーの大きさ、検出器、伝送の容易さなどの点で
、放射温度計は、高温測定に適している、という事がで
きる。

しかし、本発明は０〜２００℃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を検知し
て、その温度を黒体輻射の法則から算出して、計測する
ものである。

被測定物のすぐ近くに赤外検出器を設けることができれ
ば問題はないが、被測定物が、複雑な形状をしていたシ
、入りくんだ場所にある場合は、被測定物のすぐ近くに
検出器を置くことができ々い。

このような場合、光ファイバで被測定物と検出器とを結
合する、という試みが行われる。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。

（勿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
ァイバ自体が赤外線を放射し、被測定物が放射した赤外
線とともに赤外線検出器に入射するので、ファイバ自体
が放射する赤外線（外乱と呼ぶ）の分を差引いて、被測
定物が放射する赤外線量を求める必要がある。

ファイバが放射する赤外線の量は、ファイバの温度によ
って変動するので、予め外乱の大きさを知ることはでき
ない。

そこで、外乱の強さをなんらかの手段で検出し、赤外線
検出器の出力から、リニアライザなどによつて求めた温
度を補正する、という事が行われる。

しかし、この補正は大層難しい点がある。外乱の大きさ
は、赤外光伝送用ファイバの温度を測定することによっ
て求める事ができる。しかし、ファイバの全体にわたっ
て温度を求め、これを積分して、補正値を算出しなけれ
ばならないので、検出器が大がかりなものＫなってしま
う。

に）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
イバに加わる外乱の変動を押え、かつ、簡便に温度補正
のできる構造を提供することが本発明の目的である。

このため、赤外光伝送用ファイバを常に一定温度に保持
する。こうすれば、ファイバの中で生ずる輻射エネルギ
ーは一定になり、補正は容易である。

赤外線検出器の出力をＩ、とする。これは、被測定物の
温度に依存する放射（信号成分という）Ｓと、光ファイ
バの内部で生ずる放射（外乱成分）Ｒとの和である。

■。　＝　　Ｓ　　＋　　Ｒ（７１８は、被測定物の温度に依存する量である。Ｒは光ファ
イバの温度分布による量である。本発明は、Ｒを一定に
する事により、工。からＳを求め、被測定物の温度を簡
単に求められるようにする。

（４）構　成本発明の放射温度計は、外乱成分Ｒを一定にするため、
赤外光伝送用ファイバの温度を一定に維持するようにし
た。

このため、赤外光伝送用ファイバの外周にファイバの温
度測定装置と、温度調整装置とを設ける。

温度測定装置としては、抵抗温度係数の大きい抵抗体の
線又は膜をファイバの外周に巻きつけ、或は貼りつける
ことによってなされる。

温度が変化すると、抵抗の値がこれに伴って変化するか
ら、抵抗の値を測定すれば、温度を知ることができる。

赤外光伝送用ファイバ用の温度測定のだめの抵抗体とし
ては、（１）白金、ニッケル１アルミニウム、銅、金、タンタ
ルなどの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。

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

などを使用する事ができる。

このような抵抗材料は、赤外光伝送用ファイバの外周に
巻きつけてもよい。第１図はこのような例を示す。

また、巻きつけるかわりに、抵抗材料は、膜として、赤
外光伝送用ファイバの側面に蒸着してもよい。第２図は
このような例を示している。

線の太さ、膜の厚さは、ファイバの各部で調度調整装置
をコントロールするに充分な抵抗変化が起るように決め
ればよい。

第１図のように、抵抗線を外周に巻きつける場合につい
て一例を記す。

赤外光伝送用ファイバ１は、外径が１ｆｆ、長さが１ｍ
のファイバである。抵抗線２は、直径Ｏ，Ｏａ酊の白金
線が５　ｍ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℃に於て、５０Ωである
。

第２図のように蒸着膜を設けるものについて一例を記す
。

赤外光伝送用ファイバ１は、外径がＩＨ１長さ１ｍのフ
ァイバである。この側面に白金抵抗膜３が真空蒸着しで
ある。膜厚は１．７μｍ１幅は１ｆｆである。白金抵抗
膜３の全抵抗は２０℃に於て５０Ωである。

各部の温度変動による抵抗変化は、いずれも１℃あたυ
帆２Ωである。

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４から、温度と放射率に依存した強さの赤外線
が放射される。この赤外線は、集光光学系５によって集
光され、赤外光伝送用ファイバ１の前端へ入射する。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、可撓性に冨んでいる
から、被測定物４は、狭い場所、あるいは入りくんだ場
所にあってもよいし、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として、次のようなものを使うこ
とができる。

（１）　　タリウムハフイドＴｌＢｒ　、　　ＫＲＳ−５（２）　　アルカリハフイドＣｓＢｒ　　Ｃ５Ｉ（３）銀ハフイドＡｇＢｒ　、　Ａｇ（Ｊ赤外光伝送用ファイバ１の外周には、第１図、第２図に
示すように１抵抗線が巻きつけられているか、或は抵抗
膜が蒸着しである。この図では、抵抗線を巻きつけた例
を示している。

光ファイバ１の他端は、データ処理装置６につながって
いる。データ処理装置６は、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、ＨｇＣｄＴｅ検出器などである。赤外光
伝送用ファイバ１の中を伝送された赤外光は、赤外検出
器で検出される。電気信号として、得られるから、増幅
器で増幅する。この信号を、リニアライザで温度に変換
する。一般に、赤外光のエネルギーの対数が、温度に対
しリニアに近い関係にある。放射エネルギーＳの大きさ
が分るためＫは、検出器量カニ。から外乱成分Ｒを差引
く補正をしなければならない。この発明では、Ｒは一定
値であるから、補正は簡単である。Ｓを求めることがで
きれば、被測定物の温度Ｔは直ちに求められる。

こうして求めた温度は記録計８に記録され、別に表示器
に表示されることもある。

赤外光伝送用ファイバ１の温度調整装置は、ある温度の
空気を強制的にファイバ１の外周に送風することによっ
て構成する事ができる。

第４図はそのような赤外光伝送用ファイバ温度調整装置
を示している。赤外光伝送用ファイバ１を包むように空
気流通チューブ１０を新しく設ける。チューブ１０の入
口Ａから、空気を強制的に送シ込む。空気の流量は、フ
ァンの回転数を変えることにより、自在に調整できるよ
うにしておく。

赤外光伝送用ファイバ１の設定温度をＴｏとする。

これに対する抵抗体の抵抗がＲｏであるとする。ファイ
バ１の温度がＴｏより高い場合、つまりＴ＞Ｔ。

であれば、空気流量をより大きくする。

ファイバ１の温度ＴがＴｏより低い場合、つまりＴくＴ
ｏの時、空気流量をより少くする。

空気流量Ｑは、冷却能力に比例する。Ｑを増せば、冷却
能力が増加し、温度が下降する。Ｑを減ずれば、温度が
上昇する。

ファイバ温度Ｔと、設定温度Ｔｏの大小関係は、抵抗体
の抵抗Ｒと、基準抵抗Ｒ８の大小関係によって分る。金
属抵抗の場合は、正の温度係数をもつので、Ｒ）Ｒｏで
あれば、Ｔ）Ｔｏである。負の温度係数をもつサーミス
タ材料の場合、Ｒ＜ＲｏであればＴ＞Ｔｏである。

いずれにしても、抵抗体の抵抗Ｒと、基準抵抗Ｒｏの大
小関係により、温度の設定温度Ｔｏからのズレが分り、
ＴをＴｏに近づけるよう、空気流量Ｑを増加すればよい
。

このため、第３図に於て、抵抗線の両端に温度測定装置
７が接続されている。これは、抵抗線の抵抗の値から、
ファイバの平均温度Ｔ１又は、Ｔと基準温度Ｔｏの差を
求めるものである。

温度測定装置７の出力は、Ｔ又は（Ｔ　　Ｔｏ）を与え
るから、これによって、流量制御装置１１は、空気の流
量を加減し、空気流通チューブ１０の中へ送シこみ、赤
外光伝送用ファイバの温度を調整する。

温度調整装置は、このように空気を冷却媒体として使う
ものがもつとも現実的である。

空気温度を、設定温度Ｔ０や外気の温度Ｔａよ如高いも
のにしておけば、空気を加熱媒体とすることもできる。

２種類の温度Ｔ１、Ｔ２　　を有する空気を作り、両者
のいずれか一方を空気流通チューブ１０へ通すようにし
て、温度ＴをＴ。に収束させるようにしてもよい。

（９）効　果（１）赤外光伝送用ファイバの温度を一定に維持してい
るから、ファイバによって生ずる外乱の強さが一定にな
り、赤外検出器の検出値を容易に補正し、真の温度を求
めることができる。

（２）２本の赤外光伝送用ファイバを用い、一方は盲板
で塞いでおき、外乱成分の大きさを知るようにした放射
温度計に比較すると、構造が単純であって、より正確に
測定することができる。

（３）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ことが
できる。

（４）０〜２００℃の低温の放射温度計測が可能である
。

（５）電磁ノイズの影響を受けない。

（６）局所的、微小面積の温度計測ができる。

（７）熱電対による接触測定に比し、応答速度が速い。

（蛸実施例被測定物として、ブフヌチツクを被覆した電熱線を採用
した。電熱線に通電し、０〜２００℃の間に加熱し、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）本発明のように、ファイバ温度を一定に保持した
放射温度計による測定。

（３）放射温度計によるが、ファイバ温度を一定に保つ
ようにはしないで、外乱のままにした測定。

これについて（２）との相異を出すためファイバの途中
１０ｃｍについて、０〜１００℃に加熱し、異常な外乱
を強制的に学えた。

熱電対による方法と、本発明の方法とは、被測定物が０
〜２００℃の温度域にある時、誤差の範囲内に於て、一
致した。

ファイバ温度を保持する機構を持たない放射温度計によ
る方法と、熱電対による方法とを比較すると、１０〜２
０％の温度の差が見られた。

本発明の方法は、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、ということが分る。

【図面の簡単な説明】

第１図は赤外光伝送用ファイバの外周に抵抗線を巻きつ
けてファイバの温度測定を行わせる例を示す斜視図。第２図は赤外光伝送用ファイバの側面に抵抗膜を蒸着し
ファイバの温度測定を行わせる例を示す斜視図。第３図は本発明の放射温度計の構成図。第４図は赤外光伝送用ファイバの温度調整装置の一例を
示す斜視図。１　・・・・・・・・・・赤外光伝送用ファイバ２・・
・・・・・・・・抵抗線３　・・・・・・・・・・　白金抵抗膜４　・・・・・
・・・・・被測定物５　・・・・・・・・・・　集光光学系６　・・・・・
・・・・・　データ処理装置７　・・・・・・・・・・
温度測定装置８・・・・・・・・・・記録計１０　・・・・・・・・空気流通チューブ１１　・・・
・・・・・流量制御装置発明者　　　　　　　　　　　　高　　橋　　謙　　−
葭　　１）　典　　之

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定物４から放射される赤外光を集光する集光
光学系５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
信号から被測定物の温度を求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膜よりなる温度変化により抵抗値の
変化する抵抗体と、抵抗体の抵抗値を測つて赤外光伝送
用ファイバ１の温度を検出する温度測定装置７と、赤外
光伝送用ファイバ１を囲む空気流通チューブ１０と、空
気流通チューブの中へ通す空気の流量Ｑを、温度測定装
置７の測定温度Ｔが設定温度Ｔ＿０に接近するように制
御するようにした流量制御装置１１とより構成され、赤
外光伝送用ファイバ１の温度をＴ＿０に維持したことを
特徴とする放射温度計。
（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）抵抗体として、白金、ニッケル、アルミニウム、
銅、金、タンタル、サーシ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。