JPS63238533A - 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】 イ、産業上の利用分野 本発明は、放射温度計に関する。

口、従来の技術 第１２図に一従来例を示す、第１２図において、測定対
象からの熱放射エネルギー２はレンズ１によって測定域
規制板１５上の開口１５ａに収束するが、その直前にお
かれたチョッパ１６によって断続される。チョッパ１６
はモータ５によって駆動される。開口１５ａを通過した
光束は、検知器１１に入射し、電気信号Ｓに変換される
。電気信号Ｓはアンプ１２によって増幅されＳｏとなり
、処理回路１３に入力する。処理回路１３はチョッパが
開のときの信号■（エネルギー信号）＋Ｉｄ（暗信号）
から閏のときの信号Ｉｄを差引いて、Ｓ′″−Ｉを出力
し、リニアライザ１４に入力する。リニアライザ１４は
Ｓ′′をリニアライズして温度情報Ｔを出力する。

この放射温度計の原理は次のようなものである。黒体の
成る波長λにおける放射輝度Ｌλは温度の関数であって
、これはブランクの公式で波長を固定した形である。一
般物体の放射輝度はその波長λにおける反射率をＲとす
ると（１−Ｒ）Ｌλで与えられる。実際の物体からの放
射輝度は０穿の温度輻射成分の他に周囲物体からの放射
の反射成分が含まれている。周囲物体からの放射の反射
成分は、放射温度計内のチョッパー１６が周囲の平均温
度と同一とみなせるから、チョッパー１６自身の温度放
射と比例関係にある。即ち、前述した暗信号Ｉｄはチョ
ッパ１６自身の温度放射が検出器に入射している状態の
検出出力であるから、このＩｄを以って周囲物体からの
放射の反射成分の信号とし、これをチョッパ１６が開い
ているときの信号Ｉから引算することによって（１−Ｒ
）Ｌλを得る。Ｒが測定対象について既知であるので、
（１−Ｒ）Ｌλから温度が求まる。リニアライザは（１
−Ｒ）Ｌλを温度値に変換する回路である。

ここで測温のための波長λの選択について考える。第１
３図は波長と放射輝度との関係を色々な温度について示
す。この図から、測温範囲が３００°に前後と低い場合
は波長λは３〜６μｍと長波長域にとると高感度が得ら
れ、１０００°に７ｍ後と高温の場合は０．８〜１μｍ
付近にとるのがよいしかし、室温程度から２０００°に
位までを一つの装置でカバーしようとすると、中間の１
．５〜４μｍ付近の波長を選択せねばならない。

所で、２〜３００°Ｃから２０００℃ぐらいまでのいわ
ゆる中温用の放射温度計は各種の炉を加熱開始時から連
続してモニターできるというメリットを持つ。これを、
得やすい炉の窓材を用いる場合〈長波長を透す窓材は高
価である）を考えて、１．５〜２．５μｍ帯の赤外線を
用いた放射温度計で実現しようとすると、第１４図に示
すようにエネルギーのダイナミックレンジが１０Ｇ〜１
０７にも及ぶ。

従来はこれに用いられている検知器としては、波長１μ
ｍ付近に感度ピークを有するシリコンフォトダイオード
（ＳＰＤ）があるが、最適な測定温度域は６００〜３０
００℃となり、３００℃ではピーク波長対応の温度（３
０００°Ｋ）の場合の１／１０８以下の出力となるため
に、２００〜８００℃の測定温度域に対しては不適であ
る。その他に高速、高感度の量子型検知器があるが、こ
れは高価となる。熱望検知器は応答速度が遅く低感度で
あると云う問題点がある。

２μｍ前後の波長域でよく用いられるＧｅやＰｂｓ検知
器があるが、これらの検知器は高速（応答速度１ｍ５ｅ
ｃ以下）・高感度であるが、ダイナミックレンジは１０
程度であり、波長を２．５μｍ、測定温度レンジの下限
を２００℃としても、上限は８００℃にしかならない。

ハ２発明が解決しようとする問題点 本発明は、上述したように１．５〜２．５μｍ帯の赤外
線を検知する検知器は、高速、高感度のものは高価とな
り、安価なものは低速、低感度であり、安価で高速、高
感度なものはダイナミックレンジが狭く測定温度域を広
くとれないと云う問題を解消し、安価で高速・高感度で
測定温度域が広い放射温度計を提供することを目的とす
る。

二０問題点解決のための手段 放射温度計において、測定対象からの放射エネルギー光
束を結像面に収束する光学系と、放射工木ルギーキＴＩ
：ｉを楕暫Ｌｍ　Ｇ　ｍｌオス千賜ン　公如１さハた光
束の内少なくとも一つの光束を減衰させる手段と、分割
された光束を検知して電気信号に変換する検知手段と、
分割された複数の光束から測定に用いる一つの光束を温
度域によって選択する手段と、泗択された光束による電
気信号より選択された光束の減衰比等を基にして測定対
象の温度を算出する演算手段を設けた。

ホ　作用 ＧｅやＰｂＳ検知器のダイナミックレンジは１０程度で
あり、この程度のレンジでは測定温度範囲としては２０
０〜８００°Ｃが限度である。従って、検知器の測定温
度範囲を１００℃〜２０００°Ｃとするためには、検知
器のダイナミックレンジを５×１０にする必要がある。

本発明はＧｅやＰｂＳ検知器のダイナミックレンジを拡
大するために、検知器に入射する光束をｔ１５００程度
に減衰する手段を設けた測定光路と、検知器に入射する
光束を減衰させない測定光路との２つの測定光路を設け
、測定対象の温度が低いときは非減衰光路を、測定対象
の温度が高いときは減衰光路を選択することにより、検
出器の見掛は上のダイナミックレンジは５×１♂となり
、波長を１，５μｍとすれば３００℃〜２０ｏｏ℃、波
長を２．５μｍとすれば１００℃〜２０００℃をカバー
することができるようにしたものである。

これらのことにより、ＧｅやＰｂｓ等の検知器を用いて
、安価でしがも高速・高感度で２００〜２０００℃の測
定温度域を持つ放射温度計を提供できるようになった。

へ、実施例 第１図に本発明の一実施例を示す。第１図において、測
定対象がらの熱放射エネルギー２はレンズ１によって測
定域規制板１５上の開口１５ａに収束するが、その直前
におかれたチョッパ１６によって断続される。チ３．ツ
バ１６はモータ５によって駆動される。開口１５ａを通
過した光束Ｉは、リレーレンズ２０によって検知器１１
ａ上に再び収束する。リレーレンズ２ｏと検知器１１ａ
との間に、クラウンガラス（波長２μｍで透過率９０％
）板よりなるビームスプリッタ２１がおがれ、光束の一
部（く１０％）を反射し、検知器１１ｂに入射させる。

検知器１１ｂはリレーレンズ２０の焦点位置を外して置
かれており、その位置をｃ　−ｃ　’の方向に移動する
ことで、入射光量を調整することができる。

つまり、検知器１１ａには、わずがな減衰Ａａを受けた
光束Ａａ−１が入射し、ｌｌｂには大きな減衰Ａｂ　（
１１５００程度）を受けた光束Ａｂ・■が入射して、各
々電気信号Ｓａ、Ｓｂに変換される。Ｓａ、Ｓｂはアン
プ１２ａ、１２ｂで増幅されてＳａ’　、Ｓｂ’　とな
り、Ｓａ’　、Ｓｂ’は処理回路１３ａ、１３ｂによっ
て、従来例と同様の処理（チョッパ１６と連動した暗信
号の抽出、引算等）を受けて、信号Ｓａ”、Ｓｂ”とな
ってリニアライザ１４に入力される。リニアライザ１４
は、測定温度範囲によって、信号Ｓａ″”、Ｓｂ　”の
うち適当なものを選び、Ｓａ”＝Ｓａ”、ｓｂ”’−ｓ
ｂ”Ｘ　Ａ　ａ　／　Ａ　ｂなるＳａ”’、ｓｂ”’を
リニアライズして、温度情報Ｔを出力する。上ミコノー
ｔＪＥＬ：’ＩＩ＋０ＩＩｋ＋２）’％５；Ｌ（Ｍ−”
曽−Ｔ１；ｅｂｌ＾−１ｌｌ−ＩＪ−４−（し、対象の
温度が高温の場合（信号Ｓａ’“のレベルが所定値以上
の場合〉は、検知器１１ａに入射する光束は、検知器の
ダイナミックレンジを越えているため、ｓ　ｂ　”を選
び、低温の場合は検知器１１ｂに入射する光束は検知器
のノイズレベル以下となっているため、Ｓａ”を選ぶ。

原理的にはＳａ”’とｓｂ”’は一直線となるはずであ
るが、減衰率Ａａ、Ａｂが変化した場合には不連続とな
るそこで、この実施例では第２図に示すように、Ｓａ”
とｓｂ”に重なりＤを設け、Ｄの領域ではＳａ”’、ｓ
ｂ”′の加重平均によるＳＤＩ”を採用することで、連
続性を保っている。

第３図に本発明の第２実施例を示す。測定対象からの熱
放射エネルギー２はレンズ１によって光ファイバ３の測
定域規制板を兼ねる入射開口３ａに入射される。光フア
イバ３内を伝播した光束は、光ファイバ３の出射開口３
ｂから出射し、モータ５によって回転する反射光学系６
による光路切替！半「昏ｔこ上って　ファイバ７乃アに
只めスＤ矛轢而７ａ及び８ａＩ″−順次入射する。７ａ
及び８ａは出射開口３ｂの中心を中心とする円周上に配
置されている。モータ５の回転軸５ａは、出射開口３ｂ
の中心軸と一致しており、反射面６ａを持つレンズ６は
、この回転軸５ａを中心として回転するが、その光軸６
ｂは回転軸５ａと平行に少しズレでいる。レンズ６と出
射開口３ｂの距離はレンズ６の焦点距離と一致させてお
り、出射開口３ｂの像は再び３ｂのある面上にできる。

モータが回転すると、この３ｂの像が前述の光＠６ｂと
回転軸５ａのズレによって、入射量ロアａ及び８ａの配
置された円周上を回転するようになっている。光ファイ
バ７．８共に、検知器１１に接続されているが、光ファ
イバ８．８′は検知器に至る一本の光ファイバーの一部
を切除された形で、開口８ｂ。

８ａ’が間隔ｄをおいて向き合っている。従って、開口
８ｂから出射して拡がった光束の一部が開口８ａ’に入
射する。これによる出射光の輝度減衰は距Ｍｄの平方に
比例しており、光ファイバ８゛の径をＤ、出射光の広が
り角度をαとし、ｔａｎ（α／２）−０，２とすれば距
Ｎｄにおける出射光の径は０，４ｄとなるから、出射光
の輝度の減衰率は（Ｄｌｏ、４ｄ）となる。

出射開口３ｂからでた光束が、モータの回転によって、
入射量ロアａ及び８ａに交互入射することにより、検知
器には入射開口３ａに入射した光束を減衰率１及び（Ｄ
ｌｏ、　４ａｆで減衰した光束が交互入射することにな
る。

検知器１１は、これを電気信号Ｓに変換し、アンプ］２
に送るが、アンプ１２の出力Ｓ′は図に示すように、入
射光束０の暗信号Ｉｄに減衰率１のＩ１と減衰率＜Ｄｌ
ｏ、　４ａ）２のＩ２が上乗せられた信号となっている
。処理回路１３ではＳ′からＩｄを差引いて得られるＩ
、、Ｉ２に等しい直流信号Ｓ１パとＳ２′°を出力して
リニアライザ１４に送る。リニアライザ１４は、その信
号レベルに応じて第１図の実施例と同様にしてＳＬ”及
びＳ２”のどちらか適当なものを選択して、温度に変換
してＴ信号として出力する。

例えば、光ファイバ８′の径りを０．１ｍｍとすれば、
ｄ’＝５．６ｍｍとすることによって、１７′５００の
減衰を得ることができる。

第４図に第３実施例を示す。この実施例では、７及び８
の２つの光ファイバに各々検知器１１ａ、ｌｌｂを接続
し、各々アンプ１２ａ、１２ｂ、処理回路１３ａ、ｉ３
ｂによッテ信号Ｓａ”、Ｓｂ　”を得て、リニアライザ
１４に入力している。

この実施例における光束減衰方法は前記第２実施と同じ
で、ファイバー８を途中で切断して８，８′に分けてい
る。

第５図に第４実施例を示す。一つの例として、光ファイ
バ３の径を太（０，７ｍｍとして、光束切替手段の調整
ズレによるファイバ３の開口３ｂの光ファイバ７．８の
開ロアａ、７ｂにおける像の位置ズレを吸収し、光ファ
イバ８′はＯ，１ｍｍとして、大きな減衰率を得ると共
に、検知器１１に接続されるファイバ８゛の開口８’ｂ
の面積を小さくして、検知面積の小さな検知器との結合
を容易にしている（光ファイバ８′が７と同じ径で訊ス
レ　−／１ハ１．〕ｌぐ九妊ｊ→輪軸ＫＯ１１ホ霞光面
からはみ出さないように取付けることができない）。

この場合、ファイバ８″の径をＤ、光ファイバ３の径を
Ｄ′、間隙をｄ、光の広がり角度を０４とおくと、輝度
の減衰率は（Ｄｌｏ、４ｄ）’と表されるから、減衰率
１１５００を得る間隙ｄは（Ｄｌｏ、４ｄ）＝　（０，
１１０，４ｄ）”＝１１５００からｄ岬５．５９とすれ
ばよい。

第６図に第５実施例を示す。この実施例は２波長式放射
温度計に本発明を応用したものである。

２波長放射温度計に本発明を応用する場合は、第６図Ａ
に示すように光路切替手段に波長λ１．λ２の各々の光
束に減衰率１の光ファイバ系７．１７及び減衰率１１５
００の光ファイバ系８，１８を配置し、合計４つの入射
量ロアａ、１７ａ、８ａ、１８ａに順次出射開口３ｂか
らの光束を入射させる。この順次入射手段は第３図に示
した実施例におけるものと同じで、出射開口３ｂから出
射される光束の光軸上に配置された回転光学素子を用い
たものである６入射開ロアａ、８ａの前には透過波長λ
１のフィルタ１５を、１７ａ、１８ａの前には、透過波
長λ２のフィルタ１６を配置している。４つの光ファイ
バは第６図Ｂに示すように一つに束ねて検知器１１に接
続される。従って、４つの光ファイバが束ねられて接続
された検知器１１には、減衰率１の波長λ１．λ２の光
束と、減衰率１１５００の波長λ１．λ２の光束が順次
入射し、検知器１１は信号（Ｓｌ）λ１．　　（Ｓｔ）
λ２及び（Ｓ　ｌ１５００　）ス１．（Ｓ１１５゜。）
ス２を出力する。図示しない信号処理手段が２つの比Ｒ
１＝（Ｓｌ）ス＋／　（Ｓ　ｔ　）、ｑ　２及びＲ２−
（Ｓ　５１５ｏａ　）２＋／　（Ｓ　Ｉ／、。。）λ２
のうち適当なものを選択して温度に変換する。光ファイ
バ系８．１８における減衰手段は既述第２〜第４実施例
或は後述第６実施例における方法を用いることができる
が、この実施例では第５図に示す第４実施例の方法を用
いている。

第７図に第６実施例を示す。測定対象からの熱放射エネ
ルギー２は、レンズ１によって光ファイバー３の入射開
口３ａに収束する。また、光ファイバー３のレンズ側に
はモータ５によって駆動されるチョッパ１６があり、こ
れが熱放射エネルギーを断続する。入射開口３ａから入
射したエネルギーは、光フアイバー３内を通過して、３
ａとは逆の出射開口より出射後、検知器１１ａに入射し
、電気信号Ｓａに変換される。一方、第８図に拡大断面
図が示されるように、光ファイバー３は途中１ケ所に加
工部３ｂが設けられている９入射量口３ａより入射した
エネルギーは、光ファイバ３のクラッドとコアの境界層
で反射しながら、コアの中を通ってゆくが、加工部３ｂ
ではクラッドがないので、エネルギーはコアの外の検知
器１１ｂに照射させられる。検知器１１ｂで受けた光エ
ネルギーを電気信号ｓｂに変換する。３ｂから出射する
エネルギーは、一定の方向をもっているが、加工部にお
けるコア露出面３Ｃを粗面にしておくと拡散し、方向性
がなくなり、検知器１１ｂで検知しやすくなる。

加工部３ｂの大きさ・深さ又は検知器１１ｂの加工部３
ｂからの設置位置によって、入射エネルギーの分割比を
任意に設定できる。Ｓａ、Ｓｂの電気的な処理は、第１
実施例と同じである。

第９図に第７実施例を示す。測定対象からの熱放射エネ
ルギー２は、レンズ１によって測定域規制板１５の開口
１５ａに収束する。規制板１５とレンズ１の間には、モ
ータ５により駆動され、入射エネルギー２を断続するチ
ョッパー１６がある、開口１５ａを通過したエネルギー
は、検知器１１に入り、電気信号Ｓに変換され、更に、
アンプ１２により増幅されＳ′となる。チョッパ１６を
第１１図に詳しく示した。チョッパ１６は１８０°にわ
たって遮光部のない全開口部１６ａと、全閉部１６ｂ、
そして、部分開口部１６ｃの３つで構成されている。今
、レンズ１を通った光束は、チョッパ１６の位置におい
て２′の大きさになっているとすると、チョッパ１６の
回転により、Ｓ′は３つのレベルをとる。即ち第１０図
に示すように、開口１６ａが光束の広がり２′を横切っ
ている時出力■１．全閉部１６ｂが２′を横切って１（
ｆ　ｎｈ＋山−１＋ｔｙ　　　１　ｔ　−ｊ、（４’　
ｆ、ｍＪ−Ｔｌ　　ｆ１％〕時の出力Ｖ３の３つである
。光束の大きさ２゛と、部分開口部１６ｃとの面積比に
よって、減衰率は設定できる。例えば、２”は２０ｍｍ
Φとすると、１１５００の減衰率を得るには１６ｃの直
径ｒは、ｒ＝２０ｘＦ「］］て＝０．８９（ｍｍ中）に
すればよい。信号Ｓ′の電気的処理は、第２実施例（第
３図）の場合と同じである。

ト、効果 本発明によれば、ＧｅやＰｂＳ等の検知器に入射する光
束の量を調整する光路を設けることによって、ＧｅやＰ
ｂＳ等の検知器のダイナミックレンジを拡大することが
可能になったことにより、測定温度範囲を大幅に拡大す
ることができるようになり、安価でしかも高速・高怒度
で測定温度域が広い放射温度計を提供できるようになっ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は上記実施
例の出力信号図、第３図は第２実施例の構成図、第４図
は第３実施例の構成図、第５図は坑４　宙方缶例め橿酵
団　　坑６　ＭＬ土坑ら　宙に耐訓で闇団Ａは光路切替
手段からみたファイバ開口部の詳細図、同図Ｂは検知器
からみたファイバ開口部の詳細図、第７図は第６実施例
の構成図、第８図は前記実施例の開開口部の断面図、第
９図は第７実施例の構成図、第１０図は上記実施例の出
力信号図、第１１図は前記実施例のチョッパの詳細図、
第１２図は従来例の構成図、第１３図は放射輝度の波長
分布図、第１４図は検知器のダイナミックレンジグラフ
である。 １・・・レンズ、２・・・熱放射エネルギー、５・・・
モータ、１１ａ、１　ｌｂ、、、検知器、１２ａ、１２
ｂ・・・アンプ、１３ａ、１３ｂ・・・信号処理回路、
１４・・・リニアライザ、１５・・・測定域規制板、１
５ａ・・・開口、１６・・・チョッパ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象からの放射エネルギー光束を結像面に収
   束する光学系と、放射エネルギー光束を複数に分割する
   手段と、分割された光束の内少なくとも一つの光束を減
   衰させる手段と、分割された光束を検知して電気信号に
   変換する検知手段と、分割された複数の光束から測定に
   用いる一つの光束を温度域によって選択する手段と、選
   択された光束による電気信号より選択された光束の減衰
   比等を基にして測定対象の温度を算出する演算手段を設
   けたことを特徴とする放射温度計。
2. （２）選択手段として減衰していない光束による電気信
   号強度によって分割された複数の光束から測定に用いる
   一つの光束を選択する手段を設けたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の放射温度計。
3. （３）減衰手段として透明反射体によって光束の一部を
   分割して取出す手段を設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の放射温度計。
4. （４）減衰手段として光ファイバーの途中を切断して光
   束の一部だけを光ファイバーに戻す手段を設けたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の放射温度計。
5. （５）減衰手段として光ファイバーの途中に切欠部を設
   け、同切欠部から光束の一部だけを検知器に入射させる
   手段を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の放射温度計。
6. （６）減衰手段として、検知器の前面に異なる開口を有
   するチョッパーを設け、検知器の前面で前記開口を切換
   えることにより測定光束の強度を変更させるようにした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の放射温度
   計。