JPH033170B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、螢光体を応用した光温度測定装置
に関する。

光応用温度測定は、電気信号を用いないので、
電磁界によるノイズの影響を全く受けないという
特徴をもち、光フアイバ技術を使つた種々の装置
が開発されている。なかでも、螢光体からの発光
を利用した光温度測定は、螢光体の励起−発光過
程で光の波長が変換されるために、計測系の入力
光と出力光すなわち励起光と螢光体からの螢光お
よび残光とを分離できるという利点がある。この
ため、単線の光フアイバを用いて入、出力光を伝
達することができ、光の伝達系がコンパクトにな
る。

螢光体応用温度測定技術には大別して、螢光の
発光強度の温度変化を利用するものと、励起後の
残光時間の温度変化を利用するものとがある。螢
光の発光強度の温度変化を利用した温度測定にお
いては、強度の大きな励起光と強度の小さな螢光
とが同時に存在するために、これらの分光その他
の方法で波長分離しなければならず、そのための
光学系が必要であるとともに、Ｓ／Ｎ比の高い計
測が困難であるという欠点がある。これに対し
て、残光の温度変化を利用する温度測定において
は、励起停止後の光である残光を検知するから原
理的には励起光が残光測定に影響を与えることが
なく光学的な計測が容易となるという利点をもつ
ている。しかしながら、残光の減衰過程の残光強
度の測定であるから、低い残光強度の測定が困難
で、残光強度が零になつた時点の判定に誤差が生
じやすく残光時間を正確に測定できないという問
題がある。

この発明は、残光の温度変化を利用する測定で
あることにより励起光による悪影響を排除するこ
とができ、しかも残光時間を正確に計測すること
のできる螢光体応用光温度測定装置を提供するこ
とを目的とする。

この発明による温度測定装置は、温度を測定す
べき雰囲気または物体に配置され、残光特性が温
度依存性をもつ螢光体、螢光体を励起する励起手
段、励起された螢光体から発光される光のうち少
なくとも残光を検知する受光器、受光器の出力を
増幅して出力するものであつて、測定温度範囲内
において発光される残光のうちの最も低いピーク
輝度によつて出力が飽和するように調整された増
幅手段、増幅手段の出力をその飽和レベルよりも
低い所定のしきい値によつて弁別し、増幅手段の
出力がしきい値以下になつたことを検出する弁別
手段、および螢光体の励起停止時点から弁別手段
の検出時点までの時間を測定し、この測定時間
を、螢光体に応じてあらかじめ設定された残光時
間の温度特性と比較することにより温度を演算す
る演算手段を備えたことを特徴とする。

螢光体からの残光は受光器によつて検知され、
受光器の出力は増幅手段に含まれる増幅器によつ
て増幅される。そしてこの増幅手段は、測定温度
範囲内において発光される残光のうちの最も低い
ピーク輝度によつてその出力が飽和するように調
整されている。したがつて、測定の対象となるい
かなる温度においても、残光の初期においては増
幅手段の出力は飽和レベルにあり、その後、温度
に応じた時点で急激に立下る。そしてこの立下り
が、飽和レベルよりも低いレベルのしきい値によ
つて弁別され、励起停止の時点すなわち残光の開
始の時点から、増幅手段の出力がしきい値以下に
なつた時点までの時間が計測され、この計測され
た時間にもとづいて温度が測定される。増幅手段
の出力の急峻な立下りにもとづいて残光時間を測
定しているから、その測定を正確に行なうことが
できる。また残光を測定しているから、励起光と
分離する必要がなく、励起光による悪影響を受け
ることなく高いＳ／Ｎ比の測定が可能であるとと
もに、分光装置なども必要である。

この発明では、残光特性が温度依存性をもちか
つ測定可能な残光時間をもつ螢光体であれば、そ
の種類を限定されず種々のものを用いることがで
きる。好ましくは、残光時間が10^-6sec〜10^-3sec
程度の螢光体がよい。たとえば、Y₂O₂Si：Euな
どの希上類金属オキシサルフアイド、ZnS：Ln、
SrS：Lnなどの硫化物螢光体、LnF₃：（Yb、Er）
などが使用される。

以下、図面を参照してこの発明をさらに詳細に
説明する。

第１図は、パルス状ないし方形波状の励起光お
よびこの励起光によつて励起された螢光体から発
光される光の波形を示している。励起されている
間に発光される光が螢光で、励起が停止した時点
（t0で示す）以降に発光され、時間とともに減衰
する光が残光である。螢光体によつて異なるが、
残光は指数関数的にまたは双曲線関数的に減衰す
る。

第２図の左側のグラフは、螢光体の残光を検知
する受光器の出力の時間にともなう変化を示して
いる。残光が減衰する時間（残光の時間特性）
は、螢光体の温度によつて異なる。T1〜T3はそ
れぞれ異なる温度を示し、T1＜T2＜T3の関係に
ある。一般には、残光時間は温度が低いほど長く
なる傾向にある。受光器の出力信号が入力する増
幅手段は、測定温度範囲内において発光される残
光のうち最も低いピーク輝度によつて、その増幅
手段の出力が飽和するように、その増幅度等があ
らかじめ調節されている。測定可能な温度範囲内
で最も高い温度をたとえばT3とすると、この温
度T3における受光器の出力の時点t0における値
が、上述の最も低いピーク輝度である。温度T3
における時点t0での受光器の出力レベルよりも若
干低いレベルS0を仮想し、このレベルS0の入力
信号によつて増幅手段の出力が飽和するようにす
る。すると増幅手段の出力は、第２図の右側のグ
ラフに示されているように、時点t0からしばらく
の間飽和レベルにあり、温度T1〜T3に応じた時
間τ1〜τ3が経過した時点で急激に立下る。時点t0
から増幅手段の出力の立下り開始までの時間τ1〜
τ3を便宜的に残光時間と呼ぶ。これらの残光時間
τ1〜τ3は、飽和レベルよりも若干低いしきい値Ｓ
によつて増幅手段の出力を弁別し、励起の停止し
た時点t0から増幅手段の出力がしきい値Ｓ以下に
なる時点までを計測することにより容易に求める
ことができる。

これは、受光器の出力をレベルS0で弁別し、
時点t0から受光器の出力がレベルS0以下になるま
での時間を計測することと等価である。しかしな
がら、増幅手段の飽和レベルをS0に設定してい
ることにより、単調に減少している受光器出力
を、時間的変化のない飽和状態から急峻に変化す
る信号に変換しているので、レベル弁別が容易と
なりかつ正確となる。また、この発明においては
比較的高い輝度レベルで弁別しているので、時間
的な変化の緩慢な輝度が零に近いレベルを検出す
る従来例に比べて、残光時間の測定が正確になり
かつ高いＳ／Ｎ比が得られる。

第３図は残光時間の温度特性を示している。温
度測定装置の増幅手段に設定された飽和レベルに
おいて、使用される螢光体について、種々の温度
Ｔに対してその残光時間τが測定され、既知関数
として第３図に示すような残光時間の温度特性が
あらかじめ設定されている。測定された残光時間
（たとえばτ2）がこの温度特性と比較されること
により、温度（たとえばT2）が求められる。

第４図は温度測定装置の構成を示している。光
フアイバ１の先端に所定の螢光体２が取付けら
れ、温度ブローブが構成されている。この温度ブ
ローブは、その先端が温度測定すべき雰囲気中に
または物体に接触した状態で配置される。CPU
１０によつて制御されるタイミング発生回路４か
らは２種類のタイミング・パルス信号Ｐ１，Ｐ２
が出力される。パルスＰ１は、発光器３を駆動さ
せるためのものであつて、第６図に示すように、
一定周期Taで出力される。この周期Taは、測定
範囲内のすべての温度において、螢光体２から発
光された残光が完全に消失するのに充分な時間に
設定されている。パルスＰ１が入力すると発光器
３から励起光が出力され、光フアイバ１を通つて
螢光体２に照射される。この励起によつて螢光体
２から発光された螢光および残光は光フアイバ１
を伝搬し、ビーム・スプリツタ９を介して取出さ
れ、受光器５の検知信号は前置増幅器６で増幅さ
れたのち、サンプル・ホールド回路７に入力す
る。

タイミング発生回路４から出力されるタイミン
グ・パルスＰ２は、第７図に示すように、パルス
Ｐ１の立下りの時点t0から次のパルスＰ１が出力
される時点まで出力される。各パルスＰ２の出力
される時点をt0、t1、t1、…tnとする。またパル
スＰ２の周期を△ｔとする。この周期△ｔはアナ
ログ／デイジタル（AD）変換器１２のAD変換
動作時間より若干長く設定されている。タイミン
グ・パルスＰ２は、サンプル・ホールド回路７お
よびAD変換器１２に送られる。受光器５によつ
て検知された光のうち残光の信号のみがサンプ
ル・ホールド回路７でそのレベルがパルスＰ２ご
とにホールドされる。サンプル・ホールド回路７
の出力は増幅回路８で増幅されたのちAD変換器
１２に送られ、時間△ｔの間にデイジタル信号に
変換されて、RAM１１にストアされる。増幅回
路８が上述した増幅手段の一部を構成するもので
あつて、レベルS0以上の入力は飽和レベルにま
で増幅されて、飽和レベルの出力となる。AD変
換器のAD変換レジンによつて飽和レベルを定め
ることもできる。この場合には増幅回路８は飽和
レベルにまで増幅する増幅度をもたなくてもよ
い。

RAM１１には、第５図に示すように、AD変
換されたサンプリング・データを記憶するエリ
ア、パルスＰ１の繰返しの回数ｍを記憶するエリ
ア、上述のしいき値Ｓを記憶するエリア、および
第３図に示す残光時間τの温度特性を記憶するエ
リアが設けられている。この実施例においては、
螢光体２の励起がｍ回繰返され、サンプリング・
データの積算平均にもとづいて残光時間が求めら
れる。サンプリング・データ・エリアには各サン
プリング時点t0〜tnごとに、第１回目の励起から
第ｍ回目の励起におけるサンプリング・データ、
それらのｍ回の積算値および平均値を記憶する場
所が設けられている。

第４図に示す温度測定装置はCPU１０によつ
て制御される。このCPU１０の制御および温度
演算処理手順が第９図に示されている。まず
CPU１０からパルスＰ１の出力指令がタイミン
グ発生回路４に出力され、かつCPU１０内のタ
イマによつて周期Taの計時が開始される（ステ
ツプ21）。これにより、タイミング発生回路４か
らパルスＰ１が出力され、かつパルスＰ１の立下
りの時点からパルスＰ２が出力される。CPU１
０では、時間Taが経過するまで待つ（ステツプ
22）。

この間に上述したように、螢光体２が励起さ
れ、その後螢光体２から発光された残光がパルス
Ｐ２ごとにサンプリングされ、かつAD変換され
たのち、このデータが各サンプリング時点ごとに
RAM１１内のその繰返し回数に応じた記憶場所
にストアされる。Taを計時しているタイマがタ
イム・アツプすると、RAM１１内の繰返し回数
ｍが−１され（ステツプ23）、この結果が０にな
つたかどうかが検査される（ステツプ24）。ｍ＝
０でなければ、再びステツプ21に戻り、同様に螢
光体２の励起と残光信号のサンプリングが繰返さ
れる。

ｍ回の残光の測定が終了すると、RAM１１内
のｍ回分のサンプリング・データが、各サンプリ
ング時点ごとに積算され（ステツプ25）、そのｍ
回の平均が算出される（ステツプ26）。そして、
平均値が各サンプリング時点ごとに読出され（ス
テツプ27）、しきい値Ｓと比較される（ステツプ
28）。この比較がサンプリング時点t0、t1、t2、
…というように順次行なわれていき、しきい値Ｓ
よりも小さな平均値が見付かると、残光時間τの
算出に進む（ステツプ29）。しきい値Ｓ以下の最
初の平均値が時点tiのものである場合には、残光
時間はτ＝△ｔ・ｉで求められる。最後に、算出
された残光時間ｒが残光時間の温度関係と比較さ
れ、温度Ｔが算出される。（ステツプ30）。

サンプリング・データの積算回数ｍが不足して
いたり、何らかの異常により、積算データまたは
その平均値が、第８図にＶで示すように、飽和レ
ベルであるべき箇所でやや小さな値となつている
ようなときまたはそのおそれがあるときには、し
きい値Ｓをやや低目に設定しておくとよい。この
場合には、残光時間の温度特性（第３図）も低目
に設定されたしきい値Ｓで修正しておくことが好
ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は励起光と、螢光体から発光した螢光お
よび残光とを示す波形図、第２図はこの発明の基
本的な考え方を示すための残光信号を示すグラ
フ、第３図は残光時間の温度特性を示すグラフ、
第４図はこの発明の実施例を示すブロツク図、第
５図はRAMの内容を示す図、第６図および第７
図は、第４図に示す回路の動作を示すためのタイ
ム・チヤート、第８図は他のしきい値レベルを示
すための波形図、第９図はCPUの動作を示すフ
ロー・チヤートである。 １……光フアイバ、２……螢光体、３……発光
器、４……タイミング発生回路、５……受光器、
７……サンプル・ホールド回路、８……増幅回
路、１０……CPU、１１……RAM、１２……
AD変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 残光特性が温度依存性をもつ螢光体、 螢光体を励起する励起手段、 励起された螢光体から発光される光のうち少な
   くとも残光を検知する受光器、 受光器の出力を増幅して出力するものであつ
   て、測定温度範囲内において発光される残光のう
   ちの最も低いピーク輝度によつて出力が飽和する
   ように調整された増幅手段、 増幅手段の出力をその飽和レベルよりも低い所
   定のしきい値によつて弁別し、増幅手段の出力が
   しきい値以下になつたことを検出する弁別手段、
   および 螢光体の励起停止時点から弁別手段の検出時点
   までの時間を測定し、この測定時間を、螢光体に
   応じてあらかじめ設定された残光時間の温度特性
   と比較することにより温度を演算する演算手段、 を備えた温度測定装置。