JPH03206927A

JPH03206927A - 高温センサー

Info

Publication number: JPH03206927A
Application number: JP2286016A
Authority: JP
Inventors: Kyung-Shik Lee; キュン―シク・リー; Dennis J Toms; デニス・ジェイ・トムス
Original assignee: Tacan Corp
Current assignee: Tacan Corp
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1991-09-10
Also published as: EP0425229A1; CA2028352A1; AU6495590A

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】［産業上の利用分野コ本発明は高温、特に５００℃から３５００℃の範囲の温
度の測定装置及びその方法に関する。

Ｃ従来の技術及びその課題コ高温域はその温度を正確且つ容易に測定するのが特に困
難な範囲である。例えば熱電対及び光ファイバー温度計
の如き一般的温度測定デバイスの多くは、この様な温度
域に於いては簡単に壊れるか又は作動しない。

従来から、特殊なデバイスが高温測定を行うように設計
されている。これらの多くは光放射高温計である。この
種の光高温計は、その温度域で加熱された物体の輝度と
、標準輝度のソースのそれとを比較することによって温
度測定をする。放射パイロメーターは広い範囲の波長の
エネルギーの放射率を測定するか、又は２つの波長の放
射を比較することによって測定を行う。

過酷な環境で使用される高温計は各種の問題を抱えてい
る。最も重要な問題は、温度及びそれに伴うその他の環
境が、測定者が加熱ソースに接近してそのデバイスを操
作することが出来ないような環境なので、離れた場所で
これを使用しなければならない点である。離れた場所に
デバイスを置くことは、必然的に、温度決定に誤差を伴
う。更に、多くのデバイスは温度測定に非常に長い時間
を必要とする。このため、過酷な条件における操作及び
使用に重大な問題が発生する。最後に、従来のデバイス
の多くは相対的に輝度を比較する主観的比較に頼ってお
り、従って、測定者が違ったり、同じ測定者でも条件が
違ったりした場合、誤差が発生する。

従来、この標準的高温度光高温計の欠点を克服するため
に各種のデバイスが提案されている。米国特許４．５７
８．４８８号は、２４００℃までの温度を測定するソリ
ッドのオブティカル・ロッド温度計を提案している。こ
の温度計は、ソリッド詰まり“むく”のサファイヤのオ
ブティカル・ロッドの端部の回りに形成された黒体キャ
ビティーを高温環境の中に置くことによって測定を行う
。このキャビティーから発せられる光がこのファイバー
を介してセンサー・システムに送られ、これがその環境
の温度で感知された光と相関比較される。この光をフォ
ーカスさせることが難しく、光度測定上の及び放射率上
の誤差が当該温度範囲の中で実質的に変化する。米国特
許４，３１３．３４４号は、製鋼炉に用いられるオプテ
ィカル・ファイバー温度計を開示しており、この場合は
、黒体キャビティーからの熱放射がオブティカル・ファ
イバー・コンジットの中に放射される。このオプティカ
ル・ファイバー・コンジットが２つの光路に分けられ、
その各々が別々の検出及び測定システムに向かって進む
。

高温で運転される製鋼炉に於けるが如き工業的環境は、
一般的に、スタティックな条件と考えられている。上記
の型の光温度計はこの様な環境の中で十分に作動するが
、ダイナミックな環境においては、適切な測定を行うこ
とが普通出来ない。

高度にダイナミックな高温環境の中に、溶鋼レ一ドルの
中の湯溜まり及び、タービンエンジンの内部等があり、
タービンの場合その羽根は非常に高温の中で８　０　０
　０　ｒｐＩ１までの回転をする。この様な場合は、そ
の中の温度をリアルタイムで測定することが極めて重要
である。高温におけるリアルタイムの測定の、及びこれ
を行うために提案された従来の多くのシステムの問題点
が米国特許３，６２３，３８８　、４．３２８，７９８
　、及び４，５２８．４２８の各号に示されている。

更に、従来は、誘電材料又は金属で作られた円形の中空
導波管は、この中空導波管の案内軸の曲率によってもた
らされるオプティカルロスが光ファイバーにおけるオブ
ティカルロスよりも更に厳しいので、長距離の光伝達に
は適さないと考えられて来た。金属導波管の如き中空導
波管、誘電体導波管、及び誘電体被覆された金属導波管
、はＣＯ２レーザビームのハイパワー伝達に用いて成功
しているが、伝達距離が非常に短い場合のみで、この導
波管は、曲りによるオブティカルロスが最小になるよう
に設計されており、中空導波管のレーザ誘起ロスの限界
が極めて高い。

ダイナミック環境における温度測定に有効なシステムに
とっては、これが同時に、材料科学、製造上の品質管理
、及び燃焼技術の如く、比較的よりスタティックな環境
にも適用することが出来ることが好ましいことは勿諭で
ある。この様な環境が例えば米国特許２，７０９　、４
．４８８，７７１及び４．４４６．７２３号に記載され
ている。間欠的ダイナミック条件のシステム、切削工具
の挙動、が米国特許３，５７９．７７５号に記載されて
いる。

［課題を解決するための手段］最も広義な形において、本発明による温度測定システム
は、１９の態様において、約３５００℃までの物体又は
環境の温度の測定装置を含み、これが、物体又は環境か
ら放射される熱を吸収し、この熱の吸収に答えて光放射
を放出する検出手段で、この場合光放射の波長分布とそ
の強度の性質がその物体又は環境の温度の関数である、
ものと；この光放射を案内し伝達する中空手段で、放射
された応答光放射の少なくとも一部分を受取り、これを
光学レンズのアレーに送るものと；上記光学レンズアレ
ーからなる手段で、上記の放射された光放射の伝送部分
を検出し、その波長分布及び強度の少なくとも１９の特
性から、この検出された特性に正比例する少なくとも１
９の測定可能のコンポーネントを持つ電気信号を発する
ものと；及び、上記光学レンズアレーに接続された信号
処理手段で、上記信号を受取り、これから物体又は環境
の温度を決定するものと；を含んでいる。

更に、本発明は別の態様において、約３５００℃までの
物体又は環境の温度の測定方法を含み、この方法が、物
体又は環境から放射される熱を検出し；この熱の検出に
応答して光放射を放射し、この場合光放射の波長分布及
び強度特性は物体又は環境の温度の関数である；上記の
放射された光放射の少なくとも一部分を中空の光案内及
び伝送手段を介して光学レンズアレーに送り、この場合
、光学レンズアレーが上記の放射された応答光放射の伝
送部分を検出し、波長分布及び強度の少なくとも１９の
特性から、上記の検出された特性に正比例する少なくと
も１９の測定可能の特性を持つ信号を発し；この信号を
処理して、これから物体又は環境の温度を決定する；手
順を含んでいる。

本発明の好ましい実施例においては、上記の光を案内し
伝送する手段が、スペクトル屈折する内面を持つ細長い
中空管の形をした導波管である。

別の実施例においては、上記の光を案内し伝達する手段
が、その中に少なくとも１９のフォーカスレンズが配置
された中空のチューブの形をしている。

又本発明の更に別の実施例は、上記の光を案内し伝送す
る手段と光学レンズアレーとの中間に配置された光ファ
イバーを含み、上記光案内手段から光学レンズアレーに
光放射を伝達する。

更に別の実施例においては、検出された放射の特性がそ
の波長分布の一部分であり、物体又は環境の温度が、こ
れと波長及び温度の予め決定された相関式とを比較する
ことによって決定される。

更に別の実施例においては、検出された複数の波長分布
部分があり、物体又は環境の温度が、これらの部分を互
いに比較し、又これらの間の差と温度との予め決定され
た相関式によって決定される。

更に別の実施例においては、検出された放射の特性がそ
の強度であり、物体又は環境の温度が、これを強度と温
度との予め決定された相関式と比較することによって決
定される。

更に別の実施例においては、上記検出手段が金属又はセ
ラミック体のキャビティーの形をした黒体又は灰色体の
エミッターを持ち、これが物体又は環境からの放射によ
り物体又は環境の温度にまで加熱され、この加熱に応答
してこのエミッターの温度の放射特性値を出す。

［実施例コ熱電対、抵抗温度計、パイ口メーター、及び光ファイバ
ー温度計の如き従来の温度計が全く作動せず、高速且つ
リアルタイムの条件で十分に正確な値を迅速且つ容易に
提供することが出来ないリアルタイムのダイナミックな
環境の中で、本発明による温度測定システムは迅速、正
確、且つ容易に作動する。

本発明の説明を行うのに先立ち、円形中空導波管がどの
ようにして放射フラックスを長さ０．３から１＋ａの中
空導波管に沿う黒体放射キャビティーから案内するのか
に就いて説明する。（このモデルは単に例として説明す
るもので、当該技術者に本発明に含まれる概念の全体的
理解を与えることを目的とする。これによってここに記
載され請求されている本発明が制限されるものではない
。）このモデルにおいては、誘電性及び金属のいずれも
の中空導波管が一般的円形中空導波管の１９の特殊ケー
スとして考えられ、その外側媒体の光学的性質が限定さ
れた複屈折率によって特徴付けられる。外側媒体の中に
屈折したフィールドが反射してチューブの中に戻り、空
気コア（　ｃｏｒｅ）の中のフィールドに加えられる。

然し、以下の分析を通じて、チューブの（又は中空導波
管の）外壁の厚さは、屈折したフィールドが空気コアに
戻ることが出来ない厚さであると仮定する。

温度によって誘起された放射を放出するキャビティーが
放射を放出すとき、色々なモードが高温の中空導波管の
中に励起される。この放射はインコヒーレント即ち非干
渉性であると共に非偏光である。この放射の強さ及びス
ペクトル分布は、放射を誘起した温度を放出するキャビ
ティーの温度の関数である。放射の伝搬は電磁界のパワ
ー伝搬によって説明される。この電磁界（又は放射）が
異なった伝搬定数で軸方向に伝搬し、半径方向のパワー
の一部を失う。各モードのパワーロスが軸方向に沿う距
離２によって異なり、ｅｘｐ（−２α。。２）によって
表わされる。この場合、α。．はモードナンバーｎ及び
ｍによって示すモードの減衰係数である。内径０．５１
■のサファイヤで作られた代表的円形中空導波管に対し
ては、３００の最低モードの減衰係数が、波長１．０μ
ｍで１．６×１’０−’Ｃｍ−’から８　Ｘ　１　０−
’ｃｍ−’の範囲である。同じ内径のタングステンで作
られた円形中空導波管に対しては、これが、波長１．０
μｍで、３．２Ｘ　１　０−６ｃｍ−’から８　Ｘ　１
　０−’ｃｍ−’の範囲である。

このことは、放射が長さ３０ｃｍの円形中空導波管に沿
い非常に小いさなロス（平均約１９％）で伝搬されるこ
とを示す。これは放射モードが最低３００のモードの間
に均一に分布しているものとした場合で、このモードは
キャビティーの形状で制御することが出来る。

システム全体の第１及び１７図に模式図的に示されてい
る。このシステムが高温感知手段４と、光案内及び伝達
手段５と、検出光学レンズアレー４６と、信号発信器５
７と、及び信号処理器５６とから戒っている。

先ず第１から１６図の実施例について説明すると、感知
手段４が放出手段１を含み、これが物体デバイス又は環
境からの熱を検出し、その温度に応じて、温度によって
誘起されたエミッターの特性を表す放射を放出する。こ
の放出手段ｌは支持手段２０の中に格納されている。

この放出手段１は又放射一放出部材とも言われ、これが
黒体又は灰色体キャビティ−７の形をしているか、又は
ドット即ち点２か、フィルム又はコーティング３かの形
をした材料である。第２から１５図はこの放出手段１が
とり得る幾つかの変形形態を示し、コーティング又はフ
ィルムとしては、放出手段ｔがスパッタリング（ｓｐｕ
ｔｔｅｒｉｎｇ）　、蒸着、浸漬、コーティング、その
他の一般的方法によって形或される。ドット即ち点の場
合は、放出手段が浸漬、コーティングその他これに類す
る一般的方法によって形成され、プレートの場合はこれ
が放射金属又はセラミックから作られる。黒体キャビテ
ィーの場合は、この放出手段が、そのキャビティーの形
状（球状、円筒形、円錐形等）によって各種の方法で作
られる。球状キャビティー（第６図）は薄い光学的にデ
ンスな金属又はオキサイド・コーティングを高温用材料
で作られた透明な球（又はボール）の表面にスパッタリ
ングすることによって形成される。中空円筒形のキャビ
ティ−（第１０図）は薄い光学的にデンスな金属又はオ
キサイド・コーティングを１端の閉じられた高温用チュ
ーブの外又は内表面にスパッタリングすることによって
作り出すことが出来る。中実の円筒体（第１４図）は薄
い光学的にデンスな金属又はオキサイド・コーティング
を高温用材料で作られた透明な円筒形のロッド３４の表
面にスパツタリングすることによって作ることが出来る
。薄い光学的にデンスな金属又はオキサイド・コーティ
ングをスパッタリングすることによって作られた黒体キ
ャビティーは１層以上の金属コーティング又はオキサイ
ドコーティングにすることが出来る。例えば、第１５図
に示す黒体キャビティーは円筒形のロッド３５の背面か
らその中心に小いさな孔をドリリングすることによって
作ることが出来る。この様な金属ロッドに適した高温用
金属はタングステン、タンタラム、モリブデン、ニオビ
ウム、その他これに類する高温用金属又はそのカーバイ
ド又は合金で、この中にはステンレス鋼が含まれる。黒
体キャビティーの出口は一般的方法で作ることが出来、
好ましくは、エッチング、ドリリング、グラインデイン
グ、及び研磨が良い。

この放出手段ｌが、高温用コンジットの形をした支゛持
手段２０の中に装着される。このコンジットはフォーカ
ス手段を支持する手段２６から分離された構造体ｌ３で
も良く　（第３図）、又は、これらを一体として作り構
造体ｌ２及び手段２５の如くにしても良い（第２図）。

これらはいずれも高温用セラミック又は金属から作られ
る。コンジット１２．１３は全体的に円錐形をしており
（第２〜４図）、その先端を切っても良く　（第２，３
図）、円筒形（第６，８図）、又は楕円形又はこれに似
た構造（第５図）にすることも出来る。円錐形の場合は
、支持手段２０の内側の角度を好ましくは１０゜から１
７０°の範囲にする。この中空支持手段２０を放出され
た放射に対して不透明にし、ノイズ光が問題にならない
ようにし、又好ましくは、環境ガス、煙、粒状物質、等
が入らないようにシールし、放出した放射が吸収された
り曲がったりしないようにする。シールした場合は、こ
の支持手段２０も又中の空気が抜かれる。

放出手段１からの放射の振幅及び周波数のスペクトラは
放出手段の温度の１９のメジャーである。

この放射は等方性で、非偏光で、又一般的に周波数が連
続分布している。放出手段ｌの温度は、該当する物体又
は環境に近接しているので、装置の釣り合いが出来上が
っていさえすれば、実質的に物体又は環境の温度そのも
のであるか、又は、予め作られた補正によって、少なく
ともこれに正比例させることが出来る。従って、放出さ
れた放射は物体又は環境の温度そのものをを示している
ものと考えることが出来る。

この実施例においては、光案内及び伝達手段５が高温用
導波管２５．２８に装着された少なくとも１枚のレンズ
３１（第１１．１２図）、又は好ましくは２枚のレンズ
３０．３１　　（第２から１０図）、又は３２．３１　
　（第１３から１５図）を含んでいる。放出手段ｌ　（
即ち、点、フィルム、プレート、又はキャビティー開口
）がレンズの大きさより非常に小さいときは、放出手段
ｌが放射一放出の点源として作用し、この点源からの放
射フラックスが、上記点源から約レンズの焦点距離だけ
離れて置かれた第１のレンズによってコリメート即ち平
行にされる。この場合レンズの焦点距離は当該する波長
全体の焦点距離の平均値として取られている。これはレ
ンズの焦点距離が波長の関数だからである。

レンズの焦点は又チューブ２５／　２６及びレンズ３０
の温度関数でもある。しかしながら、セラミックレンズ
に対する温度の影響は無視することが出来る、これは代
表的セラミックレンズの熱膨脹係数及びサーモ・オブテ
ィック定数（　ｄ　ｎ　／　ｄ　ｔ　）が非常に小さい
からである。

レンズ３０．３１は球状レンズか、単純又は複合レンズ
のいずれか一方である。レンズ３２は先端の切られた球
状レンズか、単純（又は複合）レンズのいずれかである
。レンズ３０．３１．３１及び黒体キャビティーは高温
接着剤によって支持手段に接着されるか、又は溶着され
る。これらは又圧接又は収縮接着によって支持手段に機
械的に取り付けても良い。２枚以上のレンズを放射フラ
ックスの案内に使うことが出来る。この高温チューブ２
５の長さは数ｃｍから１ｍ若しくはそれ以上にすること
が出来る。

レンズ３０．３１．３２、球３３及びロッド３４は当該
波長範囲（主として０．２から少なくとも７μｍ）の放
射を透過する高温用材料で作られ、例えば、サファイヤ
、ジルコニヤ、イットリア、チタニア、又はクオーツで
ある。レンズ３ｏが放出手段ｌと接触していない第２か
ら１２図のレンズに対しては、第１のレンズ３０に、屈
折率が２．０以下の例えばサファイヤを使用することが
出来る。放出手段と接触する第１３から１５図のレンズ
に対しては、屈折率が２．０以上の屈折率を持つジルコ
ニヤ、ダイヤモンド等の材料が好ましい。レンズ３１の
屈折率は２．０以下でも以上でも良い。レンズ３ｌ及び
３２の屈折率がいずれも２．０以上の時は、第１４図に
示す如くこれらのレンズの先端を切り、点源から放出さ
れる放射フラッグスが第１のレンズでコリメートされ、
第２のレンズの外側にフォーカスするようにする。

第１３から１５図に示す如く、黒体キャビティーの形を
した放出手段１を第１のレンズ３２に接着することが出
来る。

外部からの迷光（光ノイズ）は各種の方法で除去するこ
とが出来、その１９は不透明なハウジング２８（第１６
図）の中に好ましくはその端部が開放された検出及び伝
達コンポーネントを封入することによっている。その他
の技術に就いては後に説明する。

次に第１７から２７に示す実施例について考えて見る。

これらの図はいずれも本発明による実施例を示し、これ
らは誘電体の中空導波管、金属の中空導波管、及び誘電
体をコーティングした金属の中空導波管を使用し、温度
誘発する放射一放出される放射を光学アレー、好ましく
は焦点レンズを介して案内する。

これらの実施例においては、金属キャビティー又は薄い
光学的にデンスな金属フィルム又はオキサイドフィルム
をコーティングしたセラミックキャビティー高温感知手
段ｌとして用いられる。キャビティーの内部が非常に拡
散（ｄ１ｆｆｕｓｅｄ）されており、暗く全ての入射光
が完全に吸収される場合、このキャビティーが黒体とし
て作用する。黒体キャビティーの放射率はユニティー即
ち単一で、均一温度におけるこの黒体放射のスペクトル
及び放射の大きさはブランクのエネルギー分布式（　Ｐ
　ｔａｎｋ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　）によってよ
く現される。

従って、高温感知手段１として作用するキャビティーの
内面は、好ましくは、第２５図に示す如く拡散した内面
（ｄｉｆｆｕｓｅｄ　ｉｎｎｅｒ　ｓｕｒｆ’ａｃｅｓ
　）を持っている。このキャビティーの拡散した内面は
マイクロタツビング（ｓｉｃｒｏ−ｔａｐｐｌｎｇ　）
　、スクラッチング、マイクロラフイング（ｍｉｃｒｏ
　ｒｏｕｇｈｉｎｇ）、又はその他の処理方法で作るこ
とが出来る。この放出キャビティー７及び高温用導波管
ｌ４は第１７．１８．１９．２３．２４図に示す如く一
体に作ることが出来る。この場合は、チューブｌ４の内
径の約１から３倍の長さの端部のみが黒体キャビティー
の形をした高温感知手段として作用する。第２０図の高
温感知手段ｌは端部が開口しており、小いさな孔の形を
している。この代わりに、第２１．２２．２５図に示す
如く、分離された放出キャビティ−７を導波管１４の端
部に又はその中に取り付けることも出来る。第１９．２
３．２４図に示す如く、ケーシングｌ５の一部分を薄く
して、温度応答時間を良くすることが出来る。この放出
キャビテ７を導波管ｌ４の端部に、第２１．２２図の如
く圧挿するか又は第２５図の如く捩じ込むことによって
、接続することが出来、キャビティーの端部は湾曲して
も、平らでも、或いはテーバーを持っていても良い。

放出キャビティ−７は高温金属で作ることが出来るが、
その上に拡散された光学的にデンスなフィルムコーティ
ング又は光学的にデンスな材料を持つ透明なセラミック
から作ることも出来る。透明なセラミックとは、当該す
る波長に対して透明即ち透過するセラミックのことであ
る。第２１図に示す分離された放出手段７は、光学的に
デンスな（即ちメタリックな）フィルムでコーティング
された透明なセラミックチュービングか又は高温メタリ
ックチューブのいずれかである。第２２図に示す分離さ
れた放出手段ｌはセラミックの球で、その放出区域を除
く全ての表面が光学的にデンスな（即ちメタリック）フ
ィルムによって覆われている。以上説明した如く、放出
キャビティ一手段及び導波管ケーシングｌ５用の材料は
、タングステン、タンタラム、モリブデン、イリジウム
、ニオビウム、又はその他の例えば、ステンレス鋼を含
むカーバイド及び金属の合金の如き金属でも、又はサフ
ァイヤ、ジルコニア、イットリア、マグネシャ、チタニ
ヤ、クオーツ又はグラファイト、の如きセラミック材料
でも良い。好ましくは、放出キャビティー手段の材料は
熱の良導体で光学的にデンス又は不透明な材料が良い。

これは熱の良導体の材料は感知応答速度が早いからであ
る。ケーシング１５の内部キャビティーｌ４は、光の伝
搬効率の良い光学的に平滑な壁１６を持つようにする。

円形中空導波管ｌ５は高温金属、高温セラミックス、高
温合金、誘電体のコーティングを持つ高温材料、又は、
金属フィルムのコーティングを持つ高温セラミック材料
で作られる。この誘電材料は一種のセラミック材料で、
一般的に吸収フリーとされている。高温円形中空導波管
ｌ５は高温金属（又は合金）か或いは高温セラミック材
料かで作られる。然し、これらは、第２６図に示す如く
誘電体の内部コーティングを持つ金属又はセラミックの
中空導波管、又は第２７図に示す如く外面フィルムコー
ティングを持つ高温セラミックの中空導波管、で形成さ
れた多層ケーシングであっても良い。第２６図に示す高
温円形中空導波管は金属又はセラミック・ケーシング１
５の内又は外面に誘電体フィルム１Ｂをコーティングす
ることによって作ることが出来る。第２７図に示す高温
円形中空導波管はセラミック・ケーシングｌ５の外又は
内面に金属フィルム１９をコーティングすることによっ
て作ることが出来る。円形中空導波管ｌ４を形成するケ
ーシングｌ５の内面は光学的に平滑で、スペクトル反射
することが出来る（但し、内面が意図的に粗くされる黒
体キャビティーの高温感知区域は除く）。中空導波管の
内面が高温の空気中で酸化しやすい材料で作られている
場合は、この導波管を密封し、真空にするか、或いは不
活性の非酸化性のガス、例えばアルゴン、ネオン、又は
クリプトン、で充填するか、のいずれかにする。高温中
空導波管用の材料は、好ましくは、低熱伝導の不透明な
材料にする。これは不透明材料がチューブの外からの迷
光を遮断し、低熱伝導性の材料が放射一放出材料からの
熱拡散を最小にするからである。

光案内及び伝達手段５　（導波管ｌ４又はレンズ支持チ
ューブ２５／２６：３０／３１／３２）の中の放射伝搬
が第１図に示す如く光学レンズアレー４６に直接透過す
ることが出来る。然し、更に好ましくは、これがレンズ
２７（第１７図）又は３ｌにより、カブラー２３又は４
１によって伝達手段５に組み合わされている低温先案内
手段４０（代表的には光ファイバー３９）の入口端部に
フォーカスするようにする。この光案内手段４０が少な
くとも１９の光案内手段３９によって形成され、これが
第３１図に示す如く光学レンズアレー４６に直接導かれ
る。然し、好ましくは、この光案内手段３９が光を第２
の光案内手段４３に伝達するようにする。実際には、こ
れによって２つの光案内手段３９．４３の温度が異なり
、これによってファイバー３９が高温環境の至近位置に
置かれ、“高温”ファイバーと呼ばれ、一方ファイバー
４３が常温抵抗のものであり、光学レンズアレー４６及
び電子感知手段５７７５Ｂを高温物体又は環境から数メ
ートル以上経済的に離れた位置に置くことが出来る。こ
の高温光案内手段３９はコネクター４２によって低温光
案内手段４３に常に接続されている。低温光案内手段４
３の長さは一般的に１から数十メートルである。然し、
必要ならば、第１６図に示す如く追加コネクター４２に
よって更に長い低温光ファイハー４３に接続し、これを
延長することが出来る。高温光案内手段３９は、普通、
クオーツガラスの光ファイバー又はセラミックオキサイ
ドの光ファイバーである。低温光案内手段４３の材料は
赤外線光ファイバーを含み、例えば、フッ化ガラスの光
ファイバー　カルコゲン化合物のファイバー（ｃｈａｌ
ｃｏｇｅｎＩｄｅ　ｆｉｂｅｒ）　、多結晶のファイバ
ー単結晶のファイバー、ハロゲン化銀のファイバーセレ
ナイド亜鉛の光ファイバー、及び溶融シリヵの光ファイ
バーである。コネクター４２はロータリージョイントに
することが出来る。

光学レンズアレー４６、電子式感知及び出力システム５
７７５Ｂの幾つかの実施例が第１及び３１図に示されて
いる。どの実施例を使うかは、放射のどの様な性質を測
定するのか、又その性質を直接分析するのか、又はビー
ムをスブリッティングして比較するのか、によって決定
される。上述した如く、物体デバイス又は環境の温度及
びその結果として放出手段１によって放出される黒体又
は灰色体放射と最も良く相関する２つの性質は放出され
る光放射の強さと波長分布とである。（本発明の目的の
ために注釈すると、放出される“光″は可視光、赤外線
、又は紫外線又はこれらの混ざったものである。検出光
学レンズは勿論想定した放出放射を検出することの出来
るものである。）第１図に示す実施例に就いて先ず説明
すると、伝達手段５から放出される放射はレンズ４７に
よって信号ジエネレータ−５７に、直接又はフィルター
５０及びレンズ５２を介して、フォーカスする。この信
号ジエネレータ−５７がレンズ５２から入って来る光放
射を検出し、その強度、波長分布又はその両方に応じて
、検出した特定の強度又は波長分布に基づく信号を発す
る。この信号が信号処理器５６に行き、ここでこの信号
が前に用意された信号特性の相関と比較され、測定しよ
うとする物体又は環境の温度を決定する。この相関に答
えて、信号処理器５６が、目標の物体又は環境の測定温
度をリアルタイム″で示す出力信号を発する（この信号
は一般的にビデオ、メーター又はゲージ読み取りだが、
記録チャートに線図の如き永久記録を作ることも出来る
。）この信号処理器５６が又ゲインを制御し、システム
・アンプリファイヤー（又はプログラム・アンプリファ
イヤー）のオフセットとアンプリファイヤーの電圧アウ
トプットとを読むことが出来る。対象とする性質が強度
の場合はフィルターはオプションとすることが出来る。

対象とする性質が波長分布の場合は、フィルターが特定
の波長のバンドを分離する働きをする。

第３１図に示す別の実施例においては、ビーム・スプリ
ッティングが用いられ、ビームの２つの部分が比較され
、測定温度を決定する。第３１図の実施例の別の使い方
においては、光放射の異なった波長に応答する２つのパ
スが設計され（例えば異なったフィルター、検出器等）
、これによって、１９のバスが低い物体又は環境温度の
測定に最も効率よく使用され、他の一方のパスが高温測
定に使われるようにすることが出来る。この場合は、光
案内手段４０／４２を通過する光がレンズ４７によって
フォーカスし、スプリッター４８を通過してフィルター
５０及び５１にそれぞれ向かい（後者は鏡４９を経て）
、次にレンズ５２及び５３を経て検出器５４及び５５に
至る。

フィルター５０及び５ｌを通過する放射が２つの検出器
５４．５５上のレンズ５２．５３によってフォーカスさ
れ、これが検出した放射を増幅した信号に変換し、これ
が信号を処理する処理手段５Ｂに至り、放出手段の温度
を決定する。フィルター５０及び５ｌはバンドー通過フ
ィルター（ｂａｎｄ−ｐａｓｓ　ｆ’ｉｌｔｅｒ）、長
波長一通過フィルター、短波長一通過フィルタ、又はこ
れらの組み合わされたもの、のいずれかである。好まし
くは、フィルター５０及び５ｌを、０．２と７．０μｍ
との間の２つの異なった波長を中心とする狭いバンドフ
ィルターとし、最高の感度を得る如くにするのが良い。

測定しようとする主たる温度範囲はいずれにしても約５
００℃以上の高温範囲にあるが、長い方の波長を中心と
するフィルターからの信号、又は短い方の波長を中心と
するフィルターからの信号が雰囲気温度から３５００℃
までの温度を読むようにして使用しても良い。２つの信
号の比を用いて、低温ファイバーの機械的移動、バック
グランドのノイズ、及びその他の好ましくない影響、に
よる強度の“ばらつき”を補正するようにすることも出
来る。

波長範囲λからλ＋ｄλの黒体放射源の単位面積当りの
半球への黒体のスペクトラル放射放出Ｉユｄλは等式（
１）によって与えられる。

この場合、ＣＩ−３．７４Ｘ１０−１２ワットーＣｍ２
で、Ｃ２−１．４３８ｃｍ　　　Ｋで、これはブランク
の放射法則によっている。温度Ｔで黒体又は灰色体放出
手段源によって放出された放射フラックスＰ（λ、Ｔ）
が等式（２）で与えられる。

Ａは上記源の出口面積で、ε（λ，Ｔ）は放射放出材料
の放射率である（完全黒体に対しては１、灰色体に対し
てはＯから１の間の値）。検出器５４及び５５における
フォトダイオード電流Ｉｎ（Ｔ）はそれぞれ等式（３）
及び（４）で与えられる。

Ｉ　＋（Ｔ）＝　Ｊ”，　Ｃ（λ．Ｔ）・Ｋ（λ．Ｔ）
・Ｔ．（λ）・Ｐ（λ，Ｔ）・Ｒ（λ，Ｔ）ｄλ　（３
）及び１２（Ｔ）−ｆ：Ｃ（λ，Ｔ）・Ｋ（λ．Ｔ）・Ｔ２（
λ）・Ｐ（λ．Ｔ）・Ｒ（λ，Ｔ）ｄλ　（４）ここで
、Ｃ（λ，Ｔ）はレンズによって捕獲されたフラックス
と等式２によって現されるトータルフラックスとの比と
して定義される捕獲効率で、Ｒ（λ，Ｔ）は検出器の応
答率で、Ｋ（λ，Ｔ）は、レンズ２７又は３１によって
光案内手段３９／４３に結合されるトータルフラックス
と、レンズ３ｌに入るトータルフラックスとの比として
定義される結合効率であり、Ｔ＋（λ）は低温光案内手
段３９又は４３のトータル透過量であり、Ｔ２　　（λ
）は低温先案内手段３９、ビーム●スブリッター４８、
及びフィルター５１のトータル透過量である。検出器５
４における電流Ｉ１及び検出器５５における電流Ｉ２は
プログラマブル利得増幅器によって増幅される。

この２つの検出器の利得、オフセット、及び電圧アウト
プットが各種の公知の電子比較アルゴリズムによって、
デジタル又はアナログのいずれかで、処理され、複合信
号を出す。この信号は放出手段ｌの最初の温度に、従っ
て、物体又は環境の温度に正比例している。

検出システム４６／５７／５６　（第１図）は数個の検
出器からなり、これらが多数のフィルター及び又はプリ
ズム、グレーティング、鏡、スブリッター及びレンズを
持ち、温度を決定する。タービンエンジンの如き物体の
内部に分布される多様な温度を、多数のフィルター、検
出器、ビームスプリッター　レンズ、及びデマルチブレ
クサ−（ｄｅｓｕｌｔｌｐｌｅｘｅｒ　）　、及び信号
処理器を用いることによって測定することが出来る。

第２８図は、波長範囲０．８〜１．０における、１ｍま
での伝搬距離に対する、サファイヤで作られた高温中空
導波管によって制限された放射フラックスの全パワーと
、タングステンで作られた高温中空導波管の中の全パワ
ーとを示している。第２９図は、第２８図と同様に、波
長範囲１．１〜１．３における、１ｍまでの伝搬距離に
対する、サファイヤで作られた高温中空導波管によって
制限された放射フラックスの全パワーと、タングステン
で作られた高温中空導波管の中の全パワーとを示してい
る。この場合、温度誘起の放射を放出するキャビティー
の温度は７２７℃と仮定した。

第２８及び２９図の上側の曲線がサファイヤ製の中空導
波管に対するものであり、下側の曲線はタングステンの
それに対するものである。第２８図に示すごとく、温度
誘起の放射を放出するキャビティーにおける全パワー（
低２８８モードの間に均一に分布しているものと仮定）
がサファイヤの中空導波管の中を１ｍ伝搬した後最初の
全バワ−の６８％に下がり、タングステンの場合は６５
％に下がる。第２９図も同様に、サファイヤの中空導波
管及び光バンドバス・フィルター（透明波長範囲１．１
から１．３μｍ）の中を１ｍ通過した後検出器に衝突す
る放射フラッグスの全パワーは１６，３μＷで、タング
ステンの中空導波管及び同様のフィルターを１ｍ通過し
た後検出器における放射フラックスの全パワーは１５，
６μＷである、ことを示す。これらの計算においては、
温度誘起の放射を放出するキャビティーの放出面積は０
．００１９６ｃｍ２で、中空導波管の内径は０．０５ｃ
ｍで、温度誘起の放射を放出するキャビティーの温度は
７２７℃で、温度誘起の放射を放出するキャビティーの
放射率はユニティーである、と仮定する。又、温度誘起
の放射を放出するキャビティーによって放出される放射
の約２０％が２８８モードの中で均一に出ると仮定する
。単純化するために、サファイヤの屈折率は１．７４と
し、タングステンの屈折率のリアルパートとイマジナリ
ーパートをそれぞれ３．０及び４．２とする。これは、
これらの材料の分散及びサーモオブティック定数が小さ
いので穏当な仮定である。

ペンディングに基づく先損失を見るために、光パワーの
減衰と中空導波管のペンディング半径との関係をプロッ
トする。第３０図は１μｍの波長における光損失と（サ
ファイヤで作られた）中空導波管のペンディング半径と
の関係を２種類の内径について示すグラフである。上下
に示す曲線は、それぞれ２００及び５００μｍの内径を
持つ５ｃｍ長さの湾曲した導波管に沿って伝搬する光の
光損失を示す。この図は、中空導波管のペンディングに
基づく光損失が中空導波管の高温センサーの精度を下げ
ることを示すと共に、ペンディングに基づく光損失が中
空導波管を適切に設計することによって実質的に最低に
出来ることを示している。

ペンディングロスは金属中空導波管の方が誘電体の中空
導波管におけるよりも大きくない。このペンディングは
又厚くて短いチュービングによって殆ど完全に無くすこ
とが出来る。

本発明の実施例は上述したちの以外にも多数あるが、こ
れらは本発明の請求の範囲及び思想の中に属するもので
ある。従って上述した実施例は例示として説明したもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による温度感知システムで、その案内
及び伝送手段がその中に少なくとも１個のレンズを持つ
中空チューブである、ものの模式図、第２図から第１５図は、第１図のシステムの高温検出手
段と放射の案内及び検出手段との各種実施例を示す模式
図、第１６図は、第１図のシステムの別の実施例を示す模式
図、第１７図は、本発明による温度感知システムで、その放
射案内及び伝送手段が中空の高温導波管の形をしている
ものの模式図、第１８から２５図は、第１７図のシステムの高温検出手
段と放射案内及び伝送手段との各種実施例を示す模式図
、第２６及び２７図は、屈折コーティングを持つ中空導波
管の模式図、第２８及び２９図は、それぞれ０．８〜１．０μｍ及び
１．１〜１．３μｍの放射のための中空のサファイヤ及
びタングステンの導波管の、出力対伝搬距離のグラフ、第３０図は、異なる直径を持つ２つの中空導波管の、全
出力対曲げ半径のグラフ、第３ｌ図は、本発明の実施例の一部分で、中間光案内が
光放射を、光ビームを２つに分ける光学レンズアレーに
案内し、そのコンポーネントを比較する部分の模式図、
である。

Claims

【特許請求の範囲】（１）約３５００℃までの物体又は環境の温度測定装置
で、この装置が：上記物体又は環境から放出される熱を吸収し、上記熱の
吸収に応じて光放射を放出する検出手段で、この場合、
上記光放射の波長分布及び強度の性質が上記物体又は環
境の温度の関数である、ものと；中空導管の形をなし、上記の放出され応答する光放射の
少なくとも一部分を受取り、これを光学レンズのアレー
に伝達する、光放射の、案内及び伝達手段と；上記の光学レンズアレーが上記放出され応答する光放射
の上記部分を検出する手段を含み、これが、上記波長分
布及び強度の性質の少なくとも一部分から、上記検出さ
れた性質に正比例する少なくとも１つの測定可能の性質
を持つ電気信号を発する、ものと；上記光学レンズアレーに接続され、上記信号を受取り、
これから上記物体又は環境の温度を決定する信号処理手
段と；を含む、約３５００℃までの物体又は環境の温度測定装
置。（２）上記光放射の案内及び伝達手段が細長い中空チュ
ーブの形をした中空導波管である、請求項１記載の装置
。（３）更に、上記光放射の案内及び伝達手段と上記光学
レンズアレーとの中間に配置され、光放射を上記光放射
の案内及び伝達手段から上記光学レンズアレーに伝達す
るファイバー光学手段を含む、請求項２記載の装置。（４）検出された上記放射の性質がその波長分布の予め
決められた一部分であり、これを、波長分布と温度の予
め決められた相関と比較することによって、物体又は環
境の温度が決定される、請求項２記載の装置。（５）複数の部分の波長分布が検出され、これらの部分
を互いに、及びこれらの間の差と温度との予め決められ
た相関と比較することによって、物体又は環境の温度が
決定される、請求項４記載の装置。（６）検出された放射の性質がその強度であり、これを
強度と温度との予め決められた相関と比較することによ
って、物体又は環境の温度が決定される、請求項２記載
の装置。（７）上記検出手段が、金属、セラミック、又は金属と
セラミックとの複合体のキャビティーの形をした黒体又
は灰色体のエミッターを含み、これが物体又は環境から
の放射によりその物体又は環境の温度にまで加熱され、
この加熱に応じて、エミッターの温度の特性を表す放射
を放出する、請求項２記載の装置。（８）上記エミッターが黒体又は灰色体のキャビティー
である、請求項７記載の装置。（９）上記エミッターが黒体キャビティーである、請求
項８記載の装置。（１０）上記エミッターが球形キャビティーである、請
求項７記載の装置。（１１）上記エミッターが円筒形キャビティーである、
請求項７記載の装置。（１２）上記円筒形のキャビティーが中実のロッドの中
に形成された円筒形の孔の形をしている、請求項１１記
載の装置。（１３）上記エミッターが円錐形キャビティーである、
請求項７記載の装置。（１４）上記エミッターが、点、プレート、フィルム、
又はコーティングの形をしている、請求項７記載の装置
。（１５）上記エミッターが、金属、セラミック材料、又
はこれらの複合体によって形成されている、請求項１４
記載の装置。（１６）上記金属が、タングステン、タンタラム、モリ
ブデン、イリジウム、ニオビウム、又はカーバイド、又
はそれらの合金、又はステンレス鋼、のいずれか１つを
含む、請求項１４記載の装置。（１７）上記セラミック材料が、サファイヤ、ジルコニ
ヤ、イットリウム、マグネシヤ、チタニヤ、クオーツ、
ダイヤモンド、又はグラファイト、のいずれか１つから
なる、請求項１５記載の装置。（１８）上記中間ファイバー光学手段が、少なくとも１
つの光ファイバーを含む、請求項３記載の装置。（１９）上記中間ファイバー光学手段が、光結合手段に
よって結合された複数の連続的に整列された光ファイバ
ーを含む、請求項１８記載の装置。（２０）少なくとも１つの上記光ファイバーがその他の
上記複数の上記ファイバーの少なくとも１つよりも耐高
温性であり、上記のより耐高温性のファイバーが上記光
案内及び伝達手段の光出口に配置される、請求項１９記
載の装置。（２１）上記複数の光ファイバーが延長長さ部分を持ち
、上記光学レンズアレーが、温度を測定しようとする物
体又は環境から離れた位置に配置される、請求項２０記
載の装置。（２２）上記中空導波管がその内面又は外面
を誘電性フィルムでコーティングされている、請求項２
記載の装置。（２３）上記中空導波管がその内面又は外面を金属フィ
ルムでコーティングされている、請求項２記載の装置。（２４）上記導波管が密封され且つその空気が抜かれて
いる、請求項２記載の装置。（２５）上記導波管が密封され且つ不活性ガスで充填さ
れている、請求項２記載の装置。（２６）更に、上記検
出手段及び上記光放射の案内及び伝達手段の中への迷光
の侵入を防ぐ手段を含む、請求項２記載の装置。（２７）上記検出手段及び上記光放射の案内及び伝達手
段を囲む不透明な光遮断手段を含む、請求項２６記載の
装置。（２８）上記光放射の案内及び伝達手段が、その中に少
なくとも１つの焦点レンズを持つ中空チューブの形をし
ている、請求項１記載の装置。（２９）上記中空チューブの中に上記放出された放射の
光路に直列に配置された複数のレンズがある、請求項２
８記載の装置。（３０）２枚のレンズを持つ、請求項２９記載の装置。（３１）上記検出手段が上記レンズに比較して十分に小
いさな寸法を持ち、これによって、上記検出手段が上記
放出された放射の点源として機能する如くにする、請求
項２８記載の装置。（３２）更に、上記光放射の案内及び伝達手段と上記光
学レンズアレーとの中間に配置され、上記の光案内手段
から光学レンズアレーに光放射を伝達するファイバー光
学手段を含む、請求項２８記載の装置。（３３）検出された上記放射の性質がその波長分布の予
め決められた部分であり、これと、波長分布と温度との
予め決められた相関と、を比較することによって、物体
又は環境の温度が決定される、請求項２８記載の装置。（３４）検出された波長分布の複数の部分があり、これ
らを互いに、又これらの間の差と温度との予め決められ
た相関と、比較することによって、物体又は環境の温度
が決定される、請求項３３記載の装置。（３５）検出された放射の性質がその強度であり、物体
又は環境の温度が、これと、強度と温度との予め決めら
れた相関と、を比較することによって、物体又は環境の
温度が決定される、請求項２８記載の装置。（３６）上記検出手段が、キャビティー、又は金属、セ
ラミック又は金属とセラミックとの複合体、の形をした
黒体又は灰色体のエミッターを含み、これが物体又は環
境からの放射により、物体又は環境の温度にまで加熱さ
れ、この加熱に応答して、上記エミッターの温度の特性
を表す放射を放出する如くにする、請求項２８記載の装
置。（３７）上記エミッターが黒体又は灰色体のキャビティ
ーである、請求項３６記載の装置。（３８）上記エミッターが黒体キャビティーである、請
求項３７記載の装置。（３９）上記エミッターが球形キャビティーの形をして
いる、請求項３７記載の装置。（４０）上記エミッターが円筒形キャビティーの形をし
ている、請求項３７記載の装置。（４１）上記円筒形キ
ャビティーが上記ロッドの中に形成された円筒形の孔で
ある、請求項４０記載の装置。（４２）上記エミッターが円錐形キャビティーの形をし
ている、請求項３７記載の装置。（４３）上記エミッタ
ーが、点、プレート、フィルム、又はコーティングの形
をしている、請求項３７記載の装置。（４４）上記エミッターが、金属又はセラミック材料、
又はそれらの複合体、で形成されている、請求項４３記
載の装置。（４５）上記金属が、タングステン、タンタラム、モリ
ブデン、イリジウム、ニオビウム、又は、カーバイド、
又はそれらの合金、又はステンレス鋼のいずれか１つを
含む、請求項４３記載の装置。（４６）上記セラミック材料が、サファイヤ、ジルコニ
ヤ、イットリヤ、マグネシヤ、チタニヤ、クオーツ、ダ
イヤモンド、又はグラファイトのいずれか１つを含む、
請求項４４記載の装置。（４７）上記中間ファイバー光学手段が少なくとも１本
の光ファイバーを含む、請求項３２記載の装置。（４８）上記中間ファイバー光学手段が、光結合手段に
よって結合された複数の連続した配列された光ファイバ
ーを含む、請求項４７記載の装置。（４９）少なくとも１つの上記光ファイバーが、その他
の上記複数の上記ファイバーの少なくとも１つよりも耐
高温性であり、上記より耐高温性のファイバーが上記光
案内及び伝達手段の光出口に配置されている、請求項４
８記載の装置。（５０）上記複数の光ファイバーが延長長さ部分を持ち
、上記光学レンズアレーが、温度を測ろうとする物体又
は環境から離れた位置に配置される、請求項４６記載の
装置。（５１）更に、上記検出手段及び上記光放射の案内及び
伝達手段の中への迷光の侵入を防ぐ手段を含む、請求項
２８記載の装置。（５２）上記検出手段及び上記光放射の案内及び伝達手
段を囲む不透明な光遮断手段を含む、請求項５１記載の
装置。（５３）約３５００℃までの物体又は環境の温度測定方
法で、この方法が：上記物体又は環境から放出される熱を検出し；上記熱の
検出に応じて光放射を放出し、この場合、上記光放射の
波長分布及び強度の性質が上記物体又は環境の上記温度
の関数であり；上記放出された応答光放射の少なくとも一部分を、中空
の光案内及び伝達手段を介して光学レンズアレーに案内
及び伝達し；この場合、上記光学レンズアレーが上記放出された応答
光放射の上記の伝達された部分を検出し、その波長分布
及び強度の性質の少なくとも一部分から、上記検出され
た性質に正比例する少なくとも１つの測定可能の性質を
持つ信号を発する如くにし；及び、この信号を処理し、これから、上記物体又は環境の上記
温度を決定する；手順を含む、約３５００℃までの物体又は環境の温度測
定方法。（５４）検出された上記放射の性質が予め決められたそ
の波長分布の一部分であり、上記物体又は環境の上記温
度が、これと、波長分布と温度との予め決められた相関
と、を比較することによって決定される、請求項５３記
載の方法。（５５）検出された波長分布の複数の部分があり、上記
物体又は環境の温度が、これらの部分を、互いに又これ
らの間の差と温度との予め決められた相関とを比較する
ことによって決定される、請求項５４記載の方法。（５６）検出された上記放射の性質がその強度であり、
上記物体又は環境の温度が、これらと、強度と温度との
予め決められた相関と、を比較することによって決定さ
れる、請求項５３記載の方法。（５７）上記検出及び放出が、キャビティー又は金属、
セラミック、又は金属とセラミックの複合体によって行
われ、これが物体又は環境からの放射によって上記物体
又は環境の温度にまで加熱され、この加熱に応じて、エ
ミッターの温度の放射特性値を放出する、請求項５３記
載の方法。