(57)【要約】【課題】  赤外線検出器の出力における環境温度の影響を除去する補正の後に、測定対象物の温度を数値演算することで、数値演算処理装置の負荷を減らし、安価で、測定対象物の温度変化にも追従可能な赤外線温度測定装置を提供する。【課題の解決手段】  赤外線温度測定装置１は、測定対象物４から放射される赤外線を電気信号に変換して出力する赤外線検出器２と、赤外線検出器２の出力を増幅する増幅器６と、赤外線検出器２の環境温度を電気信号として出力する環境温度検出器３と、この環境温度検出器３の出力に基づいて赤外線検出器２の出力を、環境温度の影響を除去するよう修正して、測定対象物４の温度に対応する電気信号として出力する補正回路７と、この補正回路７の出力をＡ／Ｄ変換器８でデジタル化した信号に基づいて測定対象物４の温度を求める数値演算処理装置９からなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物から放射される赤外線を電気信号に変換して出力する赤外線検出器と、この赤外線検出器の出力を増幅する増幅器と、前記赤外線検出器の近傍に配置されて前記赤外線検出器の環境温度を電気信号として出力する環境温度検出器と、この環境温度検出器の出力に基づいて前記赤外線検出器の出力を環境温度の影響を除去するよう修正し、測定対象物の温度に対応する電気信号として出力する補正回路と、この補正回路の出力に基づいて測定対象物の温度を求める数値演算処理装置からなる
ことを特徴とする赤外線温度測定装置。
【請求項２】
測定対象物から放射される赤外線を電気信号に変換して出力する赤外線検出器と、この赤外線検出器の出力を増幅する増幅器と、前記赤外線検出器の近傍に配置されて前記赤外線検出器の環境温度を電気信号として出力する環境温度検出器と、この環境温度検出器の出力に基づいて前記赤外線検出器の出力における環境温度の影響を修正し、測定対象物の温度に対応する電気信号を出力する補正回路と、この補正回路の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換器と、このデジタル化した前記補正回路の出力に基づいて測定対象物の温度を求める数値演算処理装置からなり、
前記補正回路は、前記環境温度検出器の出力を定数倍する増幅器と、この増幅器の出力に定数値を加減する加算器又は減算器と、この加算器又は減算器の出力を前記赤外線検出器の増幅した出力に加減する加算器又は減算器とによって構成する
ことを特徴とする赤外線温度測定装置。
【請求項３】
補正回路は、環境温度検出器の出力を定数倍する増幅器と、この増幅器の出力に定数値を加減する加算器又は減算器との組を複数有し、環境温度に応じていずれか一つの組の出力を選択し、この選択した出力を、赤外線検出器の増幅した出力に加減することを特徴とする請求項２記載の赤外線温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物から放射される赤外線を赤外線検出器により電気信号に変換し、この電気信号と測定対象物の温度との関係から測定対象物の温度を求める非接触型の赤外線温度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物からは絶対零度でない限り赤外線が放射されるので、この赤外線のエネルギー量を赤外線検出器で検出し、測定対象物の温度を知ることができるが、赤外線を検出する赤外線検出器自身も赤外線を放射しているので、測定対象物の温度を正確に測定するためには、赤外線検出器の出力に対する赤外線検出器自身の熱、換言すると環境温度、による影響を除去する必要がある。
【０００３】
従来においては、赤外線検出器の出力に対する環境温度による影響を除去するために、環境温度を測定する環境温度検出器を配置し、この環境温度検出器で検出した環境温度に対応する出力と、前記赤外線検出器で検出した環境温度の影響を含む測定対象物の温度に対応する出力とを、ともにデジタル化したうえ数値演算処理装置に入力し、数値演算処理装置は、その内部もしくは外部に保持している測定対象物温度対赤外線検出器出力、赤外線検出器出力対環境温度出力の二つの関係に基づく変換式か、又は環境温度毎の出力電圧を記録したテーブルによって測定対象物の温度を算出している。
【特許文献１】特開平１０−２８１８７７号公報
【特許文献２】特開２００１−４４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の変換式による数値演算は、赤外線検出器の出力と、環境温度検出器の出力との、両出力に関する変換式に基づくので、複雑なものにならざるをえず、数値演算装置の負荷が重く、演算に時間がかかる一方、短時間での処理を可能とするには高性能で高価な数値演算処理装置が必要となるという不都合がある。また、テーブルによる場合には、測定対象物の温度測定精度を維持しながら、演算自身を直線補間等の簡単なものにすると、参照テーブルのデータが増えてしまい、このデータを保存するための記憶領域が増加し、数値演算処理装置のチップ面積の増大、コスト増加となってしまうという不都合がある。さらに、赤外線検出器が多素子化、特に２次元配置で多素子化した場合には、上述の従来例では、数値演算処理装置はその演算に多大な時間がかかり、測定対象物の温度変化に追従できない虞がある。そして、この追従性を確保するには、やはり高性能で高価な数値演算処理装置が必要になるという不都合がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の不都合を解消し、赤外線検出器の出力における環境温度の影響を除去する補正を、数値演算に依存することなく行い、この補正後の出力に基づいて数値演算することにより、数値演算処理装置の負荷を減らして、より安価な数値演算処理装置での温度算出を可能とし、かつ演算処理時間の短縮により測定対象物の温度変化にもより早く追従可能な赤外線温度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するため、本発明の請求項１に係る赤外線温度測定装置は、測定対象物から放射される赤外線を電気信号に変換して出力する赤外線検出器と、この赤外線検出器の出力を増幅する増幅器と、前記赤外線検出器の近傍に配置されて前記赤外線検出器の環境温度を電気信号として出力する環境温度検出器と、この環境温度検出器の出力に基づいて前記赤外線検出器の出力を環境温度の影響を除去するよう修正し、測定対象物の温度に対応する電気信号として出力する補正回路と、この補正回路の出力に基づいて測定対象物の温度を求める数値演算処理装置からなるものである。
【０００７】
同じく上記目的を達成するために、本発明の請求項２に係る赤外線温度測定装置は、測定対象物から放射される赤外線を電気信号に変換して出力する赤外線検出器と、この赤外線検出器の出力を増幅する増幅器と、前記赤外線検出器の近傍に配置されて前記赤外線検出器の環境温度を電気信号として出力する環境温度検出器と、この環境温度検出器の出力に基づいて前記赤外線検出器の出力における環境温度の影響を修正し、測定対象物の温度に対応する電気信号を出力する補正回路と、この補正回路の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換器と、このデジタル化した前記補正回路の出力に基づいて測定対象物の温度を求める数値演算処理装置からなり、前記補正回路は、前記環境温度検出器の出力を定数倍する増幅器と、この増幅器の出力に定数値を加減する加算器又は減算器と、この加算器又は減算器の出力を前記赤外線検出器の出力を増幅した増幅器の出力に加減する加算器又は減算器とによって構成されるものである。
【０００８】
同じく上記目的を達成するために、本発明の請求項３に係る赤外線温度測定装置は、上述した請求項２に係る赤外線温度計測装置の構成において、補正回路は、環境温度検出器の出力を定数倍する増幅器と、この増幅器の出力に定数値を加減する加算器又は減算器との組を複数有し、環境温度に応じていずれか一つの組の出力を選択し、この選択した出力を、赤外線検出器の増幅した出力に加減することを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、本発明に係る補正回路の原理について説明する。物体から放射されるエネルギーは、下式で示すプランクの分布則で表される周波数毎に決まったエネルギー分布で電磁波を放射している。
Ｅ（ν）ｄν＝（８πｈ／ｃ３）・ν３ｄν／（ｅｈν／ｋＴ−１）
Ｅ（ν）  ：単位周波数あたりの輻射（赤外線）エネルギー
ν      ：輻射される電磁波の周波数
ｃ      ：光速
ｈ      ：プランク定数
ｋ      ：ボルツマン定数
Ｔ      ：測定対象物温度
したがって、測定対象物までの距離、面積、光学系、赤外線検出器受光部の面積が決まれば、赤外線検出器が測定対象物から受け取る輻射（赤外線）エネルギーは、上の第１式から求めることができる。また、赤外線検出器が測定すべき測定対象物から受け取る赤外線エネルギーは、環境温度にかかる赤外線エネルギーを除外したものである。そして、赤外線検出器が受け取る赤外線エネルギーは、第１式を赤外線領域で周波数で積分することにより、環境温度Ｔｅと測定対象物温度Ｔｏの関数として次の第２式のように表される。
∫（Ｅ（ν）Ｔｏ−Ｅ（ν）Ｔｅ）ｄν＝ｆ（Ｔｅ，Ｔｏ）
したがって、赤外線検出器が測定対象物から受け取るエネルギー量と環境温度を知ることができれば、第２式から測定対象物の温度を知ることができるものである。
【００１０】
ところで、環境温度の影響を受けた赤外線検出器出力電圧と測定対象物温度の関係は、環境温度をパラメータにすると図４に示すものとなる。すなわち、赤外線検出器の出力電圧が同一でも、環境温度が異なる場合は測定対象物の温度は同一ではない。したがって、測定対象物の温度を変換式に基づいて算出する場合には、まず、赤外線検出器が置かれた環境温度を補正し、次いで、補正した出力電圧に基づいて測定対象物温度を算出するという、２段階の演算が必要となる。また、変換式を用いない場合には、環境温度毎の赤外線検出器出力電圧対測定対象物温度が記録されたテーブルから算出することになる。
【００１１】
本発明では、図４に示す環境温度によって異なる赤外線検出器出力電圧対測定対象物温度の関係を、環境温度が変化しても測定対象物の温度が同一であれば、常に同一の出力電圧が得られるように補正して、単一の赤外線検出器出力電圧対測定対象物温度の関係を得るようにしたものである。図４で理解できるように、測定対象物の温度が同一であれば、環境温度が高くなるほど赤外線検出器の出力は低くなり、また、この出力差は測定対象物温度が変化してもほぼ同一である。したがって、ある環境温度、例えば２５℃における測定対象物温度を求める補正量を基準とし、その他の環境温度における測定対象物温度を求める補正量を、前記基準との差から求めると、図５に示す環境温度対補正量の関係を示す曲線が得られる。そして、この曲線で示される補正量を赤外線検出器の出力に加算あるいは減算すれば、環境温度の影響を除去した適正な測定対象物温度に対応する出力を得ることができる。
【００１２】
一方、環境温度検出器の出力は、バンドギャップ型であれば、図６に示すように、環境温度の増大に応じて直線的に減少するものとなる。この図６の直線の傾きを調整するとともに、平行移動することにより、図７に示すように、図５に示す補正量に近似させた補正量を示す近似直線を得ることができる。前記環境温度検出器の出力である直線の傾きは、前記環境温度検出器の出力電圧を増幅することで調整可能であり、前記直線の平行移動は、前記環境温度検出器の出力電圧に所定電圧値を加減することで可能である。
【００１３】
このように、補正回路は、環境温度検出器の出力電圧を増幅する増幅器と、前記出力電圧に所定電圧値を加減する加算器もしくは減算器によって構成できる。前記増幅器における増幅率、前記加算器もしくは減算器における加減量は、測定対象物及び装置構成が決まれば一意的に決まるもので、アナログ回路で実現できる。そして、この補正した出力を赤外線検出器の増幅された出力に加減することにより、環境温度に応じた補正を数値演算処理することなく行うことができる。この補正後の赤外線検出器の増幅された出力は、測定対象物温度のみに関するものとなるので、前記補正後出力に基づく測定対象物温度の数値演算処理は、環境温度のファクターが関与しない簡便なものとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の請求項１に係る赤外線温度測定装置によれば、赤外線検出器の出力における環境温度の影響を除去するよう修正する補正を、数値演算に依存することなく行い、数値演算処理装置の負荷を減らして、より安価な数値演算処理装置での温度算出を可能とし、かつ演算処理時間の短縮により測定対象物の温度変化にもより早く追従可能になるほか、多素子赤外線検出器への対応も可能になるという効果を奏する。
【００１５】
本発明の請求項２に係る赤外線温度測定装置によれば、補正回路を増幅器と加算器又は減算器との組み合わせによって構成するので、上述した請求項１に係る発明の効果に加えて、簡単な構成によって、赤外線検出器の出力における環境温度の影響を除去するよう修正する補正が可能になるという効果を奏する。
【００１６】
本発明の請求項３に係る赤外線温度測定装置によれば、補正回路は、増幅器と加算器又は減算器との組を複数有し、環境温度に応じてその中の一つの組の出力を、赤外線検出器の増幅した出力に加減するので、より精度の高い補正が可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。はじめに、各実施形態に共通な基本構成を図１のブロック図に基づいて説明する。図１に示すように、赤外線温度測定装置１は、赤外線検出器２と環境温度検出器３とを備えている。前記赤外線検出器２は、測定対象物４から放射された赤外線を光学系５で集光して結像し、熱エネルギーに変換したうえ、微小電気信号として出力する。この微小電気信号は増幅器６で増幅し、補正回路７に入力する。
【００１８】
なお、増幅器６は、図２に示すように、赤外線検出器２の出力が入力する正相入力端子を備えたオペアンプ１４からなり、このオペアンプ１４の逆相入力端子は、抵抗Ｒ１を介して共通電位３０に接続するとともに、抵抗Ｒ２を介して前記オペアンプ１４の出力端子に接続し、負帰還をかけている。
【００１９】
一方、図１に示す環境温度検出器３は、バンドギャップ型の温度検出器で、赤外線検出器２の温度を検出し、検出温度を電気信号として補正回路７に出力する。この補正回路７は、検出された環境温度に対応する近似した補正量を求め、この補正量を増幅器６で増幅した微小電気信号に加減して環境温度の影響を除去し、測定対象物温度のみに係る信号としてＡ／Ｄ変換器８に出力し、デジタル化する。
【００２０】
Ａ／Ｄ変換器８でデジタル化した信号は、数値演算処理装置９に出力され、この数値演算処理装置９で演算され、測定対象物４の温度が算出される。この数値演算処理装置における演算は、事前に補正回路７で環境温度に関する補正を行うことによって、環境温度に関するファクターを除外し、測定対象物温度のみに関するデータに基づく演算となるので、簡単なものとなる。
【００２１】
次に、上述した近似した補正量を得るための補正回路７の構成に関する第１実施形態を図２に基づいて説明する。環境温度検出器３の出力はオペアンプ１１の正相入力端子に入力し、このオペアンプ１１の逆相入力端子は、抵抗Ｒ１１を介して共通電位３０に接続するとともに、抵抗Ｒ１２を介して前記オペアンプ１１の出力端子に接続し、負帰還をかけている。前記オペアンプ１１は、図６に示す直線の傾きを図７に示す補正量近似直線の傾きに調整するために、各抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の比に応じた増幅を行う増幅器で、その出力は、抵抗Ｒ１３を介してオペアンプ１２の逆相入力端子に入力する。このオペアンプ１２の逆相入力端子には、抵抗Ｒ１４を介して、図６に示す直線を図７に示す補正量近似直線に一致させるべく平行移動する量を設定するオフセット量が入力する。また、前記逆相入力端子には、抵抗Ｒ１５を介して負帰還をかける一方、その正相入力端子は共通電位３０に接続している。前記オペアンプ１２は、前記オペアンプ１１からの増幅出力に、オフセット量を加算する加算器である。
【００２２】
オペアンプ１２の出力は、オペアンプ１３の逆相入力端子に入力し、この逆相入力端子には、増幅器６の出力が各抵抗Ｒ３，Ｒ４を介して入力し、また、この逆相入力端子は、各抵抗Ｒ５，Ｒ４を介して前記オペアンプ１３の出力端子に接続して、負帰還をかけている。また、このオペアンプ１３の正相入力端子は共通電位３０に接続している。このオペアンプ１３は、赤外線検出器２の出力を増幅したものと、前記オペアンプ１２の出力とを加算もしくは減算して、環境温度の影響を除去した補正済み出力としてＡ／Ｄ変換器８に出力するものである。
【００２３】
本実施形態は以上のように構成したので、赤外線検出器２の出力における環境温度の影響を除去するよう修正する補正を、数値演算によらず、簡単なアナログ回路による増幅、加算あるいは減算で行うことができ、数値演算処理装置９の負荷を軽減することが可能となるほか、テーブルを使った計算の場合には、テーブルのサイズを減少させ、よりチップを小さくすることが可能となり、さらには、演算処理時間が短縮されるので、赤外線検出器の多素子化にも対応可能である。本実施形態においては、図８に示すような補正結果となり、理想的な補正とは若干の開きがあるが、実用上は支障をきたさないものである。
【００２４】
次に、補正回路７の精度をより高めた実施形態について説明する。この第２実施形態は、環境温度を例えば３５℃で、低温側と高温側の範囲に２分割し、各範囲毎に補正量の曲線に近似できるように増幅率及び加減算量を決定するものである。図３に示すように、本実施形態にあっては、上述した第１実施形態の各オペアンプ１１，１２による増幅とオフセット量の加減を３５℃以下の低温側の環境温度に対応するよう設定し、３５℃を超える高温側の環境温度に対しては同様に構成した各オペアンプ１５，１６による増幅とオフセット量の加減で対応するよう設定するとともに、セレクタ１７によって環境温度に応じていずれか一方の出力を選択するよう構成したものである。
【００２５】
低温側の環境温度に対応する構成は、第１実施形態で説明したところと同一なので省略し、高温側の環境温度に対応する構成について説明すると、環境温度検出器３の出力が正相入力端子に入力するオペアンプ１５を備え、このオペアンプ１５の逆相入力端子は、抵抗Ｒ１６を介して共通電位３０に接続するとともに、抵抗Ｒ１７を介して前記オペアンプ１５の出力端子に接続し、負帰還をかけている。前記オペアンプ１５は、図９に示す高温側の近似直線の傾きを調整するために各抵抗Ｒ１６，Ｒ１７の比に応じた増幅を行う増幅器で、その出力は、抵抗Ｒ１８を介してオペアンプ１６の逆相入力端子に入力する。このオペアンプ１６の逆相入力端子には、抵抗Ｒ１９を介して、図９に示す高温側の近似直線の平行移動量を決定するオフセット量が入力し、また、抵抗Ｒ２０を介して負帰還をかける一方、その正相入力端子は共通電位３０に接続している。前記オペアンプ１６は、前記オペアンプ１５からの増幅出力に、オフセット量を加算する加算器である。
【００２６】
なお、説明を省略した低温側の環境温度に対応する各オペアンプ１１，１２に関する構成は、図９に示す低温側の補正量近似直線の傾きと平行移動量を設定するものである。
【００２７】
この第２実施形態では、セレクタ１７により、環境温度が３５℃以下であれば各オペアンプ１１，１２側の出力を選択し、環境温度が３５℃を超えると各オペアンプ１５，１６側の出力を選択して、この選択した出力を第１実施形態で説明したオペアンプ１３の逆相入力端子に入力し、このオペアンプ１３で、赤外線検出器２の出力を増幅したものと、前記セレクタ１７からの出力とを加算もしくは減算して、環境温度の影響を除去した補正済み出力としてＡ／Ｄ変換器８に出力するものである。
【００２８】
この第２実施形態によれば、低温側と高温側の２本の近似直線で対応することにより、図１０に示すような補正結果となり、理想値とほぼ一致した結果を得ることができる。
【００２９】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、環境温度検出器３は出力が直線的に変化するバンドギャップ型ではなく、曲線的に変化するサーミスタを用いたものでもよい。また、環境温度の範囲を複数に分割する場合は２分割に限らず３分割以上でもよい。さらに、環境温度に依存しない赤外線出力器電圧対測定対象物温度の曲線を求める際の基準を、環境温度が取りうる範囲の上限又は下限にすると、補正回路７における加減算は、減算又は加算のみでよくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る赤外線温度計測装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態の補正回路の構成を示すブロック図。
【図３】第２実施形態の補正回路の構成を示すブロック図。
【図４】環境温度の相違による測定対象物温度と赤外線検出器出力の関係を示すグラフ。
【図５】２５℃の環境温度を基準として環境温度と補正量の関係を示すグラフ。
【図６】バンドギャップ型環境温度検出器の出力を示すグラフ。
【図７】第１実施形態における補正近似直線を示すグラフ。
【図８】第１実施形態における測定対象物温度に対する赤外線検出器の理想出力と近似直線に基づく補正出力の関係を示すグラフ。
【図９】第２実施形態における補正近似直線を示すグラフ。
【図１０】第２実施形態における測定対象物温度に対する赤外線検出器の理想出力と近似直線に基づく補正出力の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
１      赤外線温度測定装置
２      赤外線温度検出器
３      環境温度検出器
４      測定対象物
５      光学系
６      増幅器
７      補正回路
８      Ａ／Ｄ変換器
９      数値演算処理装置
１１，１２，１３，１４，１５，１６      オペアンプ
１７      セレクタ
【図１】
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【図２】
2006053098.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006053098.tif 000011
【図１０】
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