KR100985812B1 - 온도 센서, 및 온도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 응답 속도로 정확한 측정을 행할 수 있는 온도 센서 및 온도 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 온도 센서는, 형광 재료(21)에서 발생한 형광의 수명에 따라서 온도를 측정하는 온도 센서로서, 여기광을 출사하는 광원(12)과, 여기광에 의해 형광을 발생하는 형광 재료(21)와, 형광을 검출하여, 형광 강도에 따른 형광 신호를 출력하는 수광 소자(13)와, 수광 소자(13)로부터의 형광 신호에 기초하여 온도를 산출하는 신호 처리 회로(14)를 구비하며, 신호 처리 회로(14)가 동일한 시간 폭을 갖는 기간 A∼C에서의 형광 신호의 적분값을 각각 산출하고, 2 기간에서의 적분값에 기초하여, 차분값을 산출하며, 측정 온도에 따라 변화하는 변수를 2개의 차분값의 비로부터 산출하고, 미리 기억된 온도와 차분값의 비와의 관계를 참조하여, 산출된 변수를 온도로 환산하고 있다.

Description

온도 센서, 및 온도 측정 방법{TEMPERATURE SENSOR, AND TEMPERATURE MEASURING METHOD}
본 발명은 온도 센서, 및 온도 측정 방법에 관한 것이며, 특히 자세히는, 형광의 수명에 따라서 온도를 측정하는 온도 센서, 온도 측정 방법에 관한 것이다.
온도 센서로서, 형광체를 이용한 형광식 온도 센서가 널리 이용되고 있다. 형광식 온도 센서로는, 온도에 의해 형광 특성이 변화하는 형광체를 이용하여 온도를 측정한다. 구체적으로는, 광원으로부터의 여기광을 형광체에 조사하여, 형광체에서 발생한 형광을 검출한다. 그리고, 형광 수명 등의 형광 특성의 변화에 의해서, 온도를 측정하고 있다.
형광체를 포함하는 형광 재료는, 광파이버의 선단에 배치된다. 그리고 광원으로부터 출사된 여기광은 광파이버를 통해 형광체에 입사한다. 또한, 형광체에서 발생한 형광은 광파이버를 통해 광센서에서 검출된다. 형광 강도는, 예컨대 IOe-at 에 따라서 감쇠한다. 또한 t는 시간, e는 자연 대수의 밑(2.718‥‥)이다. 또한, I0 및 a는 임의의 정수이다.
이러한 형광식 온도 센서에서, 형광 완화 시간을 구하고, 온도를 측정하는 것이 개시되어 있다(특허문헌 1). 이 온도 센서에서는 LED가 소등된 후, 기준 광량 S1, S2의 1/e배가 되기까지의 시간을 형광 완화 시간으로 하고 있다. 그리고 미리 계측된 형광 완화 시간과 온도(T)와의 관계로부터, 온도를 산출하고 있다.
또한, 형광 강도를 적분하여, 온도를 측정하는 것이 개시되어 있다(특허문헌 2). 이 방법에서는 3개의 구간(T1∼T2, T2∼T3, T3∼T4)에서 형광 강도를 적분하고 있다(도 8 참조). 그리고, 중앙의 적분 구간(T2∼T3)의 적분 시간을 n2Δt, 양측의 적분 구간의 적분 시간(T1∼T2, T3∼T4)을 n1Δt, n3Δt로 하면, n2Δt=n1Δt+n3Δt가 된다. 그리고, 2개의 구간(T1∼T2, T3∼T4)에서의 적분값의 합으로부터, 중앙의 구간(T2∼T3)에서의 적분값을 뺀 값을 θ로 하고 있다. 이 θ에 의해서, 온도를 측정하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-71473호 공보
특허문헌 2: 미국 특허 제4816687호 명세서
광센서에서 검출된 형광 강도의 신호에는, 형광체에서 발생한 형광 성분에 비해, 노이즈나 오프셋(제로 레벨)이 가해져 있다. 즉, 광센서로 실제로 검출한 형광 강도의 신호에는, 시간적으로 변동하는 노이즈나, 측정용의 전기 회로 등에 의해 결정되는 오프셋(제로 레벨)이 불가피하게 가산되어 버린다. 또한, 광원을 소등한 직후의 초기 형광 강도가 변동하는 경우도 있다. 특허문헌 1의 온도 센서에서는, 노이즈나 오프셋이 가해진 채로, 온도를 산출하고 있다. 따라서, 정확한 측정을 행할 수 없다.
또한, 특허문헌 2에서는, 로크인 검지를 이용하고 있어, 고속 응답이 원리적으로 어렵다. 즉, 특허문헌 2의 방법으로는, 적분 구간의 설정을 자유롭게 행할 수 없어, 검출 시간이 길어진다. 따라서, 한번 광원을 점등, 소등하면, 다음 측정까지 시간이 걸려 버린다. 이와 같이, 특허문헌 2의 방법에서는 응답 속도를 높이는 것이 어렵다고 하는 문제점이 있다.
본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 높은 응답 속도로 정확한 측정을 행할 수 있는 온도 센서 및 온도 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 형태에 따른 온도 센서는, 형광체에서 발생한 형광의 수명에 따라서 온도를 측정하는 온도 센서로서, 여기광을 출사하는 광원과, 상기 여기광에 의해 형광을 발생하는 형광체와, 상기 형광을 검출하여, 형광 강도에 따른 형광 신호를 출력하는 광 검출기와, 상기 광 검출기로부터의 형광 신호에 기초하여 온도를 산출하는 처리부를 포함하고, 상기 처리부는,
상기 형광 신호가 감쇠중 미리 설정된 3 이상의 기간에서의 상기 형광 신호의 적분값을 각각 산출하며, 상기 3 이상의 기간 중 동일한 시간 폭을 갖는 2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 차분값을 산출하고, 측정 온도에 의해 변화하는 변수를 2개의 상기 차분값의 비로부터 산출하며, 미리 기억된 온도와 상기 차분값의 비와의 관계를 참조하여, 산출된 상기 변수를 온도로 환산하고 있는 것이다.
본 발명의 제2 형태에 따른 온도 센서는, 상기한 온도 센서로서, 3개의 상기 기간이 동일한 시간 폭을 가지며, 상기 3개의 기간 중, 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 상기 제1 차분값을 산출하고, 3개의 기간 중, 제1 및 제3 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 상기 제2 차분값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하고 있는 것이다.
본 발명의 제3 형태에 따른 온도 센서는, 상기한 온도 센서로서, 제1 시간 폭을 갖는 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제1 차분값을 산출하고, 제2 시간 폭을 갖는 제3 및 제4 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제2 차분값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하고 있는 것이다.
본 발명의 제4 형태에 따른 온도 센서는, 상기한 온도 센서로서, 상기 3 이상의 기간 중 적어도 하나의 설정을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제5 형태에 따른 온도 센서는, 상기한 온도 센서로서, 측정하는 온도의 레인지에 따라서, 상기 기간의 설정을 변화시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제6 형태에 따른 온도 측정 방법은, 여기광에 의해 발생한 형광의 형광 수명에 따라서 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서, 형광체에 여기광을 조사하는 단계와, 상기 여기광에 의해 상기 형광체에서 발생한 형광을 검출하는 단계와, 상기 형광 신호가 감쇠중 미리 설정된 3 이상의 기간에서의 상기 형광 신호의 적분값을 각각 산출하는 단계와, 상기 3 이상의 기간 중 동일한 시간 폭을 갖는 2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 차분값을 산출하는 단계와, 측정 온도에 의해 변화하는 변수를 2개의 상기 차분값의 비로부터 산출하는 단계와, 미리 기억된 온도와 상기 차분값의 비와의 관계를 참조하여, 산출된 상기 변수를 온도로 환산하는 단계를 포함하는 것이다.
본 발명의 제7 형태에 따른 온도 측정 방법은, 상기의 온도 측정 방법으로서, 3개의 상기 기간이 동일한 시간 폭을 가지며, 상기 3개의 기간 중, 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 상기 제1 차분값을 산출하고, 3개의 기간 중, 제1 및 제3 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 상기 제2 차분값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하고 있는 것이다.
본 발명의 제8 형태에 따른 온도 측정 방법은, 상기의 온도 측정 방법으로서, 제1 시간 폭을 갖는 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제1 차분값을 산출하고, 제2 시간 폭을 갖는 제3 및 제4 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제2 차분값을 산출하며, 상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하고 있는 것이다.
본 발명의 제9 형태에 따른 온도 측정 방법은, 상기의 온도 측정 방법으로서, 상기 3 이상의 기간중 적어도 하나의 설정을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 제10 형태에 따른 온도 측정 방법은, 상기의 온도 측정 방법으로서, 측정하는 온도의 레인지에 따라서, 상기 기간의 설정을 변화시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 높은 응답 속도로 정확한 측정을 행할 수 있는 온도 센서 및 온도 측정 방법을 제공할 수 있다.
이하에, 본 발명을 적용한 구체적인 실시형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 도 1은, 온도 센서의 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
온도 센서는, 구동 회로(11)와 광원(12)과 수광 소자(13)와 신호 처리 회로(14)와 형광 재료(21)와 도파로 로드(23)를 갖고 있다. 본 실시형태에 따른 온도 센서는, 온도에 의해 형광 특성이 변화하는 형광 재료(21)를 이용하여 온도를 측정하는 형광식 온도 센서이다. 따라서, 형광 재료(21)가 설치되어 있는 부분이 감열부가 된다. 그리고 감열부를 측정 시료에 접촉시키면, 형광 재료(21)의 온도가 변화한다. 즉, 측정 시료로부터 형광 재료(21)에의 열전도, 또는 그 반대의 열전도에 의해, 형광 재료(21)의 온도가 측정 시료와 같아진다. 형광 재료(21)는 그 온도에 의해, 형광 수명이 변화된다. 따라서, 형광 수명에 따라서 온도를 측정할 수 있다. 즉, 형광의 감쇠 곡선에 기초하여, 온도를 측정할 수 있다.
형광 재료(21) 및 도파로 로드(23)는, 온도 센서 프로브를 구성한다. 구동 회로(11)와, 광원(12)과, 수광 소자(13)와 신호 처리 회로(14)가 본체부를 구성한다. 그리고, 온도 센서 프로브를 본체부에 부착한 상태로 측정을 행한다.
광원(12)은, 형광 재료(21)를 여기하기 위한 여기광을 조사한다. 그리고, 이 여기광이 도파로 로드(23)를 통해, 형광 재료(21)에 입사한다. 형광 재료(21)는, 여기광에 의해, 여기되고, 형광을 발생한다. 이 형광이 도파로 로드(23)를 통해, 수광 소자(13)에서 검출된다.
구동 회로(11)는, 광원(12)을 구동하기 위한 구동 신호를 출력한다. 광원(12)은, 예컨대 LED 등이고, 소정의 펄스 폭, 펄스 파형의 광을 출사한다. 즉, 광원(12)은, 구동 회로(11)로부터의 구동 신호에 따른 펄스광을 출사한다. 여기서는, 수광 소자(13)에서 검출된 신호가 Ae-at에 따라서, 감쇠하는 펄스 파형으로 한다. t는 시간, e는 자연 대수의 밑(2.718‥‥)이다. 또한, A 및 a는 임의의 정수이다. 또한, 광원(12)으로부터 출사하는 펄스광의 파형은 특별히 한정되는 것이 아니다.
도파로 로드(23)는, 가늘고 긴 로드 형상을 갖고 있다. 도파로 로드(23)는, 예컨대 광을 전파하는 석영 로드나 광파이버 등의 도파로 부재이다. 더 나아가서는 복수의 광파이버를 묶은 번들 파이버를 이용하여도 좋다. 따라서, 도파로 로드(23) 는, 석영이나 유리 등의 굴절률이 높은 투명 재질에 의해 구성되어 있다. 광원(12)으로부터의 여기광, 및 형광 재료(21)에서 발생한 형광은, 도파로 로드(23) 내에서 전(全)반사를 반복하여 전파해 간다. 즉, 도파로 로드(23)는, 여기광을 형광 재료(21)에 조사하기 위한 투광로가 된다. 또한, 도 1 중, 도파로 로드(23)가 분기되어 도시되어 있지만, 1개의 로드나 파이버여도 좋다. 그리고, 본체부중에 설치된 하프 미러 등에 의해, 여기광과 형광이 분리된다.
온도 센서 프로브에는, 도파로 로드(23), 및 형광 재료(21)를 보호하는 보호관을 설치하여도 좋다. 형광 재료(21)로서는, 예컨대 루비나 알렉산드라이트 등을 이용할 수 있다. 여기서는, 루비를 형광체로서 이용하고 있다. 또한 접착제 등을 이용하여 형광체를 포함하는 형광 재료(21)를 도파로 로드(23)의 선단에 고착하여도 좋다.
수광 소자(13)는, 예컨대 포토다이오드 등의 광 검출기이다. 따라서, 수광 소자(13)는 수광량에 따른 강도의 신호를, 신호 처리 회로(14)에 출력한다. 여기서, 수광 소자(13)로부터 출력되는 신호를, 형광 신호로 한다. 형광 신호는, 형광 재료(21)에서 발생한 형광의 강도에 따른 값이 된다. 또한, 형광 신호에는, 형광 재료(21)에서 발생한 형광 성분뿐만 아니라, 노이즈나 제로 레벨(오프셋 레벨)이 가해져 있다.
신호 처리 회로(14)는, 형광 신호 측정 모듈(31)과 데이터 기억 장치(32)를 갖고 있다. 신호 처리 회로(14)는, 형광 신호로부터 온도를 측정하기 위한 연산 처리를 행한다. 신호 처리 회로(14)는, CPU(Central Processing Unit), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 통신용 인터페이스 등을 가지며, 측정을 위한 각종 신호 처리를 행한다. 예컨대 신호 처리 회로(14)로서 마이크로컴퓨터 등을 이용할 수 있다. 신호 처리 회로(14)는, 예컨대 ROM에 저장된 연산 처리 프로그램에 따라서 각종 연산을 실행한다. 물론, 디지털 회로가 좋고, 아날로그 회로여도 좋다. 더 나아가서는 이들을 조합시켜도 좋다. 신호 처리 회로(14)는, 물리적으로 단일 장치에 한정되는 것이 아니다.
예컨대, 형광 신호 측정 모듈(31)이, 형광 신호로부터 온도를 산출하기 위한 연산 처리를 행한다. 그리고, 형광 신호 측정 모듈(31)에서의 연산 결과가, 적절하게 데이터 기억 장치(32)에 기억된다. 데이터 기억 장치(32)는 예컨대, 메모리 등의 기억 디바이스이다. 즉, 형광 신호 측정 모듈(31)은 데이터 기억 장치(32)에 기억되어 있는 데이터를 판독하여, 소정의 연산 처리를 행한다. 그리고 연산 처리 결과를 데이터 기억 장치(32)에 기억시킨다.
데이터 기억 장치(32)는, 형광 강도 기억 모듈(33)과, 적분 광량 기억 모듈(34)과, 차분량 기억 모듈(35)과, 비율 기억 모듈(36)과, 관계 기억 모듈(37)과, 온도 기억 모듈(38)을 갖고 있다. 또한, 이들 모듈은 물리적으로 동일한 메모리여도 좋다.
형광 강도 기억 모듈(33)은, 형광 신호에 기초하여 형광 강도를 기억한다. 즉, 형광 강도 기억 모듈(33)은 형광 신호의 강도를 순번대로 축적해 간다. 형광 강도 기억 모듈(33)은 형광 신호의 데이터를 시계열에 따라서 축적해 간다. 따라서, 형광 강도 기억 모듈(33)에는, 형광을 검출한 시간에 따른 수의 형광 신호의 데이터가 축적된다. 이 형광 강도는, 도 2에 도시하는 바와 같이 되어 있다. 또한 도 2는, 수광 소자(13)에서 검출된 형광 신호의 시간 변화를 도시하는 도면이다. 도 2의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 형광 신호의 강도를 나타내고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 광원(12)의 소등 시각부터 형광 강도는, 시간과 함께 감쇠해 간다. 즉, 시간이 경과하면 형광 강도가 약해져 간다. 형광 강도가 감쇠하는 속도는, 형광 재료(21)의 온도에 의존하고 있다. 형광 신호에는, 오프셋 전압인 베이스 라인 전압[이하, 제로 레벨(C)]이 중첩되어 있다. 즉, 형광이 다 감쇠된 후에도, 형광 강도는 O이 되지 않고, 제로 레벨(C)에서 일정해진다. 또한, 형광 신호에는, 백색 잡음과 같이 행동하는 노이즈가 존재한다. 이 노이즈를 n(t)로 한다. 이 노이즈는 시간에 따라 변동하기 때문에, 시간(t)의 함수로 되어 있다. 노이즈[n(t)]는 랜덤으로 발생한다. 이와 같이, 형광 신호는 실제로 형광 재료(21)에서 발생한 형광 성분에 노이즈[n(t)]와 제로 레벨(C)이 중첩된 강도가 된다. 그리고, 광원(12)을 소등한 후, 형광 신호는 지수 함수적으로 감쇠해 간다. 따라서, 광원(12)을 소등한 후, 충분한 시간이 경과하면, 노이즈[n(t)]를 제외한 형광 강도는 제로 레벨(C)에서 대략 일정해진다.
그리고, 형광 신호 측정 모듈(31)은 형광 강도 기억 모듈(33)에 기억되어 있는 형광 강도의 데이터에 기초하여, 형광 강도를 적분한다. 여기서는, 미리 설정되어 있는 3개의 기간 A, B, C에 대해서 각각 적분 광량(적분값)을 산출한다. 예컨대 기간 A에서의 적분 광량은, 시간 tA∼tA+Δt까지의 형광 강도의 총합이 된다. 또한, 기간 A∼기간 C는 동일한 시간 폭(Δt)이 되도록 설정되어 있다. 따라서, 기간 B의 적분 광량은, 시간 tB∼tB+Δt까지의 형광 강도의 총합이 된다. 이와 같이, 기간 A∼C의 형광 강도를 적분하여, 각 기간의 적분값을 구한다.
또한, 기간 A∼C에서의 적분 광량을 IA∼IC로 하면, 적분 광량 IA∼IC는 이하의 식 (1)로 표시된다.
[수학식 1]
Figure 112008081541315-pat00001
또한, f(t)는 형광 강도 곡선을 나타내는 함수, I0는 초기 형광 강도이다. 초기 형광 강도(I0)는 t=0, 즉 광원 소등 시각에서의 형광 강도가 된다. 또한 형광의 감쇠 곡선이 지수 함수에 근사할 수 있기 때문에, 형광 강도 I(t)는 이하에 나타내는 식 (2)가 된다.
I(t)=I0exp(-t/τ)+n(t)+c… 식 (2)
τ는, 형광 수명이고, 주위의 온도(T)의 함수가 되기 때문에, τ=τ(T)가 된다.
다음에, 형광 신호 측정 모듈(31)은, 적분 광량의 차를 구하고, 그 차분값을 차분량 기억 모듈(35)에 기억한다. 여기서는, IA-IB와, IB-IC의 2개의 차분값을 차분량으로서 산출한다. 이 2개의 차분량이 차분량 기억 모듈(35)로서 기억된다. 여기서, 적분 광량 IA∼IC에는 식 (1)에 나타낸 바와 같이, 제로 레벨(C)과 노이즈[n(t)]의 항이 존재한다. 그래서, 2개의 적분값의 차분을 구하는 것에 의해, 제로 레벨(C), 및 노이즈[n(t)]를 보정할 수 있다. 즉, 각 기간의 시간 폭(Δt)이 동일하기 때문에, 제로 레벨(C)×Δt가 캔슬된다. 또한, 시간 폭(Δt)을 어느 정도 길게 하면, 기간 A∼C에서 노이즈[n(t)]가 0에 수속되어 간다. 또한 시간 폭(Δt)이 같기 때문에, 기간 A∼C에서 노이즈[n(t)]가 대략 동일한 값이 된다. 따라서, 노이즈[n(t)]의 차가 0에 수속되어 가고, 노이즈 성분이 캔슬된다. 이것에 의해, 노이즈에 의한 영향을 배제할 수 있어, 보다 정밀도가 높은 측정을 행할 수 있다.
다음에, 2개의 차분량(차분값)의 비율(g)을 구한다. 비율(g)은 하기의 식 (3)에 의해 구할 수 있다.
g(τ)=(IA-IB)/(IB-IC)… 식 (3)
이와 같이, (IA-IB)와, (IB-IC)의 비에 따라서, 비율(g)을 산출할 수 있다. 또한 분자와 분모를 반대로 하여, 비율(g)=(IB-IC)/(IA-IB)로 하여도 좋다. 즉 비율(g)은 2개의 차분량의 비에 따른 값이면 좋다. 차분량의 비를 취하는 것에 의해, 초기 형광 강도의 변동에 의한 영향이 저감된다.
형광 신호 측정 모듈(31)은, 상기의 비율(g)에 기초하여 온도를 측정한다. 즉, 비율(g)이 측정 온도에 의해 변화하는 변수가 된다. 그리고, 변수인 비율(g)이 온도로 환산된다. 감쇠 곡선은, 주위의 온도(T)에 의해 변화된다.
이와 같이, 식 (2)에 나타내는 바와 같이 감쇠 곡선 함수가 온도에 따라서 변화된다. 이 때문에, 차분량(IB-IC), 및 (IA-IB)의 값도, 온도(T)에 의해 변화된다. 비율(g)의 값을 온도(T)로 변환할 수 있다. 즉, 비율(g)이 결정되면 온도가 결정된다. 이와 같이, 비율(g)과 측정 온도는 1대1의 관계에 있기 때문에, 비율(g)을 온도(T)로 환산할 수 있다. 형광 신호 측정 모듈(31)은, 미리 설정되어 있는 비율(g)과 온도(T)와의 관계를 참조하여, 비율(g)을 온도(T)로 변환한다. 이와 같이 하여, 형광 신호 측정 모듈(31)은, 비율(g)로부터 온도(T)를 산출하고 있다. 비율(g)과 온도(T)와의 관계는, 관계 기억 모듈(37)에 기억되어 있다.
예컨대, 비율(g)과 온도(T)의 관계는, 도 3에 도시하는 바와 같이 된다. 도 3은 비율(g)과 온도(T)와의 관계를 나타내는 그래프이고, 횡축은 비율(g), 종축은 주위의 온도(T)를 나타내고 있다. 또한, 도 3은 적분 시간을 1 msec로 했을 때의 결과를 나타내는 그래프이다. 즉, 소등 시간을 0으로 하면, IA는 0 msec∼1 msec의 적분값, IB는 1 msec∼2 msec의 적분값, IC는 2 msec∼3 msec의 적분값으로 되어 있다. 예컨대, 교정용의 기준 온도를 몇 지점을 측정하여 관계식을 산출한다. 즉, 온도가 기지의 측정 시료에 대하여 측정을 행하고, 비율(g)을 구한다. 그리고 상이한 온도로 측정을 복수회 행하고, 관계식(교정 함수)을 도출한다. 여기서는, 비율(g) 과 온도의 함수를 다항식으로 근사함으로써, 비율(g)과 온도(T)의 관계식을 구하고 있다. 또한 근사식은, 임의의 차수의 다항식을 이용할 수 있다. 물론, 다항식 이외의 식으로 근사해도 좋다. 이러한 근사식에 비율(g)을 대입함으로써, 온도(T)가 산출된다. 물론, 근사식이 아니라, 비율(g)과 온도(T)의 관계를 나타내는 환산 테이블을 참조하여, 비율(g)을 온도(T)로 환산하여도 좋다. 형광 신호 측정 모듈(31)은, 측정한 온도를 온도 기억 모듈(38)에 기억시킨다. 온도 기억 모듈(38)은, 측정한 온도를 순차 축적해 간다.
이러한 처리로 온도를 구함으로써, 보다 정확히 측정할 수 있다. 즉, 차분량을 구함으로써 제로 레벨(C)의 영향을 배제할 수 있다. 또한, 노이즈 성분의 영향을 배제할 수 있다. 또한, 차분량의 비를 구함으로써 초기 형광 강도(IO)의 변동의 영향을 배제할 수 있다. 따라서, 정확한 온도 측정이 가능해진다. 이와 같이, 시간 적분의 차분값의 비를 취하는 것에 의해, 순간적인 변동의 영향을 억제할 수 있어, 고정밀도화가 가능해진다.
또한, 상기한 측정에서는, 기간 A∼C를 자유롭게 설정할 수 있다. 따라서, 기간 A∼C를 형광 강도가 다 감쇠되기 전의 시간대에 설정할 수 있다. 또한, 최소제곱법이나, 피드백 제어를 이용하지 않고 측정하는 것이 가능해져, 연산 처리를 단시간에 행할 수 있다. 이 때문에, 응답 속도를 향상할 수 있다. 즉, 형광 강도가 다 감쇠될 때까지 대기하지 않아도 좋기 때문에, 측정 시간을 단축할 수 있다. 따라서, 온도 센서의 응답성을 향상할 수 있다. 또한 기간 A∼C는 일부가 중복되어 있어도 좋고, 분리되어 있어도 좋다.
또한, 온도의 레인지에 따라서, 사용하는 기간을 변경함으로써, 보다 정밀도가 높은 측정이 가능해진다. 예컨대, 도 3에 나타내는 그래프에서는, 저온 레인지에서는, 온도가 변하여도 비율(g)이 거의 변화하지 않는다. 저온 레인지에서는, 형광의 감쇠 곡선에 따른 형광 수명(τ)이 비교적 긴 특성을 갖는, 즉 완만한 감쇠 곡선이기 때문이다. 따라서, 저온 레인지에서는, 기간의 설정을 변경하여도 좋다. 즉, 기간 A∼C의 시작 시간, 및 시간 폭을 변경한다. 물론, 시작 시간, 또는 시간 폭을 변경하면 좋다. 이와 같이 함으로써, 넓은 측정 레인지에 대하여 정확한 측정이 가능해진다. 즉, 정밀도 좋게 측정할 수 있는 측정 범위를 넓힐 수 있다. 또한, 고온시에서는, 광원(12)을 소등한 후의 이른 시간대에 기간이 설정되기 때문에, 응답성을 보다 향상할 수 있다.
또한, 측정 레인지의 판별에 대해서는, 예컨대 가장 이른 기간인 기간 A의 적분 광량을 이용할 수 있다. 즉 적분 광량(IA)에 따라서, 고온 레인지인지 저온 레인지인지를 판별한다. 그리고, 실제로 사용하는 기간을 나눠 사용한다. 적분 광량(IA)이 소정의 범위이면, 시간 폭을 유지한다. 적분 광량(IA)이 소정의 범위 이하인 경우는, 고온 레인지로서, 적분 시간을 짧게 한다. 또한 적분 광량(IA)이 소정의 범위보다 큰 경우, 시간 폭을 길게 한다. 이와 같이 함으로써, 저온시에도 고온시에도 정밀도가 높은 측정이 가능해진다.
이와 같이, 측정 레인지에 따라서 기간의 설정을 변경할 수 있다. 이것에 의 해, 정밀도가 높은 측정이 가능해진다. 기간의 설정을 변경하는 경우, 기간 A∼C와 상이한 기간 D, E, F 등을 미리 설정해 두어도 좋다. 미리 4 이상의 기간을 설정해 두고, 측정 레인지에 따라서 기간을 나눠 사용하여도 좋다. 물론, 측정 레인지의 판별은 특별히 한정되는 것이 아니다. 이와 같이, 각 기간의 시작 시간, 및 시간 폭의 설정을 가변으로 함으로써 보다 정밀도가 높은 온도 측정을 행할 수 있다. 또한, 기간을 나눠 사용하는 경우는, 각각의 비율(g)에 대한 관계식, 또는 환산 테이블을 기억시켜 둔다.
또한, 비율(g)은 식 (3)에 한정되는 것이 아니다. 즉, 동일한 시간 폭을 갖는 2개의 기간의 차분량에 기초를 둔 것이면 좋다. 예컨대 비율(g)을 식(4)로부터 구해도 좋다.
g(τ)=[(IA-IB)-(IB-IC)]/[(IA-IB)+(IB-IC)] ...식 (4)
이와 같이, 노이즈[n(t)], 제로 레벨(C)의 영향을 저감할 수 있도록 하는 비율(g)이면 좋다. 따라서, 동일한 시간 폭을 갖는 2 기간에서의 적분값에 기초하여, 차분값을 산출한다. 그리고, 측정 온도에 의해 변화하는 변수를 2개의 차분값의 비로부터 산출하면 좋다. 즉, 2개의 차분값에 기초하여 변수를 산출하면 좋다. 이와 같이 함으로써, 초기 형광 강도(IO)의 변동, 노이즈[n(t)], 제로 레벨(C)의 영향을 저감할 수 있다.
상기한 설명에서는, 3개의 기간 A∼C를 이용하여 비율(g)을 산출하였지만, 4개의 기간을 이용하여, 비율(g)을 산출하는 것도 가능하다. 예컨대 도 4에 도시하 는 바와 같이, 기간 A∼기간 D를 설정한다. 여기서, 기간 A, B의 시간 폭(Δt1)은 같아져 있다. 또한, 기간 C, D의 시간 폭(Δt2)은 같아져 있다. 즉, 시간 폭이 같은 2개의 기간을 2세트 설정해 둔다. 여기서, 기간 C, D는 기간 A, B와, 일부 중복되어 있다.
그리고, 기간 A∼D의 적분 광량을 마찬가지로 하여 산출한다. 즉, 형광 강도를 기간 A∼D의 각각으로 적분한다. 그리고, 각각의 적분 광량 IA∼ID에 기초하여, 2개의 차분량을 산출한다. 여기서는, 동일한 시간 폭을 갖는 2개 기간에 대하여, 차분량을 산출한다. 따라서, 차분량(IA-IB), 및 차분량(IC-ID)을 구할 수 있다.
그리고, 차분량(IA-IB), 및 차분량(IC-ID)에 기초하여 비율(g)을 산출한다. 여기서 비율(g)은 이하의 식 (5)에 의해 구할 수 있다.
g(τ)=(IA-IB)/(IC-ID) …식 (5)
이와 같이 동일한 시간 폭을 갖는 2개 기간에 대한 차분량으로부터 비율(g)을 산출한다. 그리고, 이 비율(g)은 상기와 같이, 온도(T)에 대한 변수로 되어 있다. 따라서, 비율(g)과 온도(T)의 관계를 참조함으로써, 비율(g)을 온도(T)로 변환할 수 있다. 이 경우, 미리 비율(g)=(IA-IB)/(IC-ID)과 온도의 관계를 설정해 둔다. 예컨대 4개의 기간 A∼D를 이용한 경우의 비율(g)과 온도(T)의 관계는, 도 5에 도시하게 된다. 도 5는 비율(g)과 온도(T)와의 관계를 나타내는 그래프이고, 횡축은 비율(g), 종축은 주위의 온도(T)를 나타내고 있다. 여기서, 소등 시간을 0으로 하 면, IA는 0 msec∼2 msec의 적분값, IB는 2 msec∼4 msec의 적분값, IC는 0 msec∼3 msec의 적분값, ID는 3 msec∼6 msec의 적분값이 되어 있다.
이와 같이 4 기간을 설정함으로써, 정밀도 좋게 측정할 수 있다. 즉, 폭 넓은 측정 레인지에 있어서, 주위의 온도(T)의 변화에 대한 비율(g)의 변화량이 커진다. 따라서, 저온부터 고온까지의 폭 넓은 측정 레인지에 있어서, 고정밀도의 측정이 가능해진다. 또한, 기간 A, B와 기간 C, D의 일부가 오버랩되어 있기 때문에, 3개의 기간을 설정한 경우와 같은 정도의 시간으로 측정하는 것이 가능해진다.
다음에, 도 6을 이용하여, 본 실시형태에 따른 온도 센서를 이용한 온도 측정 방법에 대해서 설명한다. 우선, 온도 센서 프로브의 감열부를 측정 시료에 접촉시킨 상태로, 광원(12)을 점등한다(단계 S101). 그리고, 일정 시간 경과 후, 광원(12)을 소등한다(단계 S102). 즉, 소정의 펄스 폭만큼, 광원(12)을 점등시킨다. 그리고, 여기광에 의해 발생한 형광을 수광 소자(13)에서 검출하고, 형광 강도의 데이터를 메모리에 취입한다(단계 S103). 이것에 의해, 형광 강도 기억 모듈(33)에, 형광 강도의 데이터가 기억된다.
그리고, 기간 A의 적분 광량(IA)을 산출하여(단계 S104), 메모리에 취입한다(단계 S105). 또한 기간 B의 적분 광량(IB)을 산출하여(단계 S106), 메모리에 취입한다(단계 S107). 기간 C의 적분 광량(IC)을 산출하여(단계 S108), 메모리에 취입한다(단계 S109). 또한, 4 이상의 기간이 설정되어 있는 경우는, 기간 D, E, F의 적분 광량(ID, IE, IF)을 산출하여(단계 S110), 메모리에 취입한다(단계 S111). 또한 기간의 시작 시간, 및 시간 폭은 미리 설정되어 있다. 이들 처리는, 병렬하여 행해도 좋다.
그리고, 차분량, 및 비율(g)을 구하기 위한 계산을 행한다(단계 S112). 여기서는 동일한 적분 시간의 2개의 적분값에 대한 차분량을 구한다. 또한, 2개의 차분량에 대한 비에 따라서 비율(g)을 산출한다. 그리고, 차분량, 및 비율(g)의 계산 결과를 메모리에 취입한다(단계 S113). 이것에 의해, 차분량 기억 모듈(35)에 차분량이 기억된다. 비율 기억 모듈(36)에 비율(g)이 기억된다. 또한, 미리 기억되어 있는 환산 테이블을 판독하고(단계 S114), 온도를 대조한다(단계 S115). 이것에 의해, 비율(g)이 온도(T)로 변환된다. 물론, 환산 테이블이 아니라, 교정용의 관계식(근사식)을 이용하여도 좋다.
대조한 온도를 메모리에 취입하고(단계 S116), 표시 화면상에 표시시킨다(단계 S117). 이것에 의해, 온도 측정이 종료한다. 이와 같이 하여 온도를 측정함으로써, 측정 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 단시간에 측정할 수 있기 때문에, 응답성을 빠르게 할 수 있다. 본 실시형태에 따른 온도 센서에 의하면, 높은 응답 속도로 정확한 온도 측정을 행할 수 있다.
다음에, 도 7을 이용하여, 온도의 교정 방법에 대해서 설명한다. 교정은, 예컨대 온도 센서의 신호 처리 회로(14)가 외부 처리 장치에 접속된 상태로 행해진다. 외부 처리 장치로서는, 예컨대 관계식을 구하기 위한 프로그램이 저장된 퍼스 널 컴퓨터를 이용할 수 있다. 우선, 기준 온도를 측정하기 위한 시료를 준비하고, 시료에 온도 센서 프로브의 감열부를 접촉시킨다. 그리고, 광원을 점등하고(단계 S201), 소정의 시간 경과 후, 광원을 소등한다(단계 S202). 형광을 소등한 후의 형광 데이터를 내부 메모리에 취입한다(단계 S203). 즉, 형광 강도 기억 모듈(33)에 형광 강도의 데이터를 기억시킨다. 그리고, 형광 데이터를 외부 메모리에 전송한다(단계 S204). 즉, 신호 처리 회로(14)를 외부 처리 장치인 퍼스널 컴퓨터에 접속하여, 형광 데이터를 외부 처리 장치의 외부 메모리에 전송한다. 이 퍼스널 컴퓨터에는, 관계식을 구하기 위한 프로그램이 저장되어 있다.
또한, 단계 S202∼단계 S204와 병행하여, 주위 온도를 측정한다(단계 S205). 여기서의 온도 측정은, 다른 온도 센서에 의해 행해진다. 예컨대 이미 교정이 종료되어 있는 형광식의 온도 센서를 이용하여 온도를 측정한다. 물론, 형광식 온도 센서 이외의 온도 센서를 이용하여 측정하여도 좋다. 그리고, 이 주위 온도가 교정을 행하기 위한 기준 온도가 된다. 주위 온도를 다른 온도 센서의 내부 메모리에 취입한다(단계 S206). 그리고, 그 주위 온도를 외부 메모리에 전송하다(단계 S207). 이 외부 메모리는, 상기의 형광 데이터가 전송된 외부 처리 장치에 설치되는 메모리이다.
그리고, 형광 데이터의 감쇠 곡선에 대하여, 기간을 설정한다(단계 S208). 여기서는, 3 이상의 기간에 대하여, 시작 시간, 시간 폭, 종료 시간 등이 설정된다. 기간의 설정은, 조작자가 행하여도 좋고, 미리 정해져 있어도 좋다. 이들의 기간은 형광 강도가 다 감쇠되기까지의 시간대에서 설정된다. 그리고, 비율을 산출한 다(단계 S209). 그리고, 상이한 온도로 복수회 측정을 행하고, 기준 온도와의 관계식을 도출한다(단계 S210). 여기서는, 최소 제곱법 등을 이용하여, 비율(g)과 온도와의 관계식을 다항식으로 근사한다. 따라서, 다항식의 각 항의 계수가 산출된다. 이것에 의해, 도 3, 도 5와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
그리고, 측정기 메모리의 관계식을 보존한다(단계 S211). 이것에 의해, 관계 기억 모듈(37)에 관계식이 기억된다. 물론, 관계식을 구했을 때의 기간의 설정도 기억시킨다. 이와 같이 하여, 온도 센서의 교정이 종료한다. 또한 4 이상의 기간을 설정해 두어도 좋다. 이 경우, 나눠 사용하는 기간에 따라서, 각각 비율과 온도의 관계식을 산출해 둔다. 즉, 나눠 사용하는 기간마다 관계식을 미리 구하여, 교정을 행한다. 물론, 관계식에 한하지 않고, 환산 테이블을 관계 기억 모듈(37)에 기억시켜도 좋다.
또한, 상기한 설명에서는 형광 강도가 지수 함수에 따라서 감쇠하는 것으로서 설명하였지만, 본 발명은, 이것에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형광 감쇠 곡선에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 온도 센서의 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는 형광의 감쇠 곡선을 도시하는 그래프.
도 3은 비율과 온도의 관계를 도시하는 그래프.
도 4는 4개의 기간을 설정한 경우에서의 형광의 감쇠 곡선을 도시하는 그래프.
도 5는 4개의 기간을 설정한 경우에서의 비율과 온도의 관계를 도시하는 그래프.
도 6은 본 실시형태에 따른 온도 센서를 이용한 온도 측정 방법을 도시하는 흐름도.
도 7은 본 실시형태에 따른 온도 센서에서, 교정 방법을 도시하는 흐름도.
<부호의 설명>
11: 구동 회로, 12: 광원, 13: 수광 소자, 14: 신호 처리 회로, 21: 형광 재료, 23: 도파로 로드, 31: 형광 신호 측정 모듈, 32: 데이터 기억 장치, 33: 형광 강도 기억 모듈, 34: 적분 광량 기억 모듈, 35: 차분량 기억 모듈, 36: 관계 기억 모듈, 37: 관계 기억 모듈, 38: 온도 기억 모듈

Claims (10)

  1. 형광체에서 발생한 형광의 수명에 따라서 온도를 측정하는 온도 센서로서,
    여기광을 출사하는 광원과,
    상기 여기광에 의해 형광을 발생하는 형광체와,
    상기 형광을 검출하여, 형광 강도에 따른 형광 신호를 출력하는 광 검출기와,
    상기 광 검출기로부터의 형광 신호에 기초하여 온도를 산출하는 처리부
    를 포함하며,
    상기 처리부는,
    상기 형광 신호가 감쇠중 미리 설정된 3 이상의 기간에서의 상기 형광 신호의 적분값을 각각 산출하고,
    상기 3 이상의 기간 중 동일한 시간 폭을 갖는 2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 차분값을 산출하며,
    측정 온도에 의해 변화하는 변수를 2개의 상기 차분값의 비로부터 산출하고,
    미리 기억된 온도와 상기 차분값의 비와의 관계를 참조하여, 산출된 상기 변수를 온도로 환산하고 있는 것인 온도 센서.
  2. 제1항에 있어서, 3개의 상기 기간은 동일한 시간 폭을 가지며,
    상기 3개의 기간 중, 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 제1 차분값을 산출하고,
    상기 3개의 기간 중, 제1 및 제3 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 제2 차분값을 산출하며,
    상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하는 온도 센서.
  3. 제1항에 있어서, 제1 시간 폭을 갖는 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제1 차분값을 산출하고,
    제2 시간 폭을 갖는 제3 및 제4 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제2 차분값을 산출하며,
    상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하는 온도 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3 이상의 기간중 적어도 하나의 설정을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 측정하는 온도의 레인지에 따라서, 상기 기간의 설정을 변화시키는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
  6. 여기광에 의해 발생한 형광의 형광 수명에 따라서 온도를 측정하는 온도 측정 방법으로서,
    형광체에 여기광을 조사하는 단계와,
    상기 여기광에 의해 상기 형광체에서 발생한 형광을 검출하는 단계와,
    형광 신호가 감쇠중 미리 설정된 3 이상의 기간에서의 상기 형광 신호의 적분값을 각각 산출하는 단계와,
    상기 3 이상의 기간 중 동일한 시간 폭을 갖는 2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 차분값을 산출하는 단계와,
    측정 온도에 의해 변화하는 변수를 2개의 상기 차분값의 비로부터 산출하는 단계와,
    미리 기억된 온도와 상기 차분값의 비와의 관계를 참조하여, 산출된 상기 변수를 온도로 환산하는 단계
    를 포함한 온도 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 3개의 상기 기간이 동일한 시간 폭을 가지며,
    상기 3개의 기간 중, 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 상기 제1 차분값을 산출하고,
    3개의 기간 중, 제1 및 제3 기간에서의 상기 적분값에 기초하여, 상기 제2 차분값을 산출하며,
    상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하는 온도 측정 방법.
  8. 제6항에 있어서, 제1 시간 폭을 갖는 제1 및 제2 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제1 차분값을 산출하고,
    제2 시간 폭을 갖는 제3 및 제4 기간에서의 상기 적분값으로부터, 제2 차분값을 산출하며,
    상기 제1 및 제2 차분값의 비로부터 상기 변수를 산출하는 온도 측정 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 3 이상의 기간중 적어도 하나의 설정을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
  10. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 측정하는 온도의 레인지에 따라서, 상기 기간의 설정을 변화시키는 것을 특징으로 하는 온도 측정 방법.
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