(57)【要約】【課題】蛍光体結晶に汚れが付着する環境であっても、蛍光温度センサを用いてより正確に温度測定ができるようにする。【解決手段】温度信号生成部１２１で、補正用温度センサ１０４における抵抗変化などから温度信号を出力し、変化幅検出部１２２で、温度信号生成部１２１より出力される温度信号における、設定時間内の変化幅を検出し、設定値以下の変化幅が検出されると、補正部１２３で、この時点において温度信号生成部１２１より出力される温度信号を用い、温度信号生成部１１６における温度補正を実施する。【選択図】  図１
2016080608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
保護管と、
測定対象と接触する接触領域を備えて前記保護管の一端に固定された蛍光体結晶と、
前記保護管の他端から装入され、前記蛍光体結晶への励起光および前記蛍光体結晶からの蛍光を導波する光ファイバと、
前記保護管の内部に配置された温度補正用の非光学式の補正用温度センサと
を備える蛍光温度センサの温度補正方法であって、
前記蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値または前記補正用温度センサによって得られた温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する変化幅検出ステップと、
設定値以下の前記変化幅の検出により、前記補正用温度センサによって得られた温度測定値で、前記蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値を補正する補正ステップと
を備えることを特徴とする温度測定方法。
【請求項２】
保護管と、
測定対象と接触する接触領域を備えて前記保護管の一端に固定された蛍光体結晶と、
前記保護管の他端から装入され、前記蛍光体結晶への励起光および前記蛍光体結晶からの蛍光を導波する光ファイバと、
前記保護管の内部に配置された温度補正用の非光学式の補正用温度センサと、
前記蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値または前記補正用温度センサによって得られた温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する変化幅検出部と、
前記変化幅検出部による設定値以下の前記変化幅の検出により、前記補正用温度センサによって得られた温度測定値で、前記蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値を補正する補正部と
を備えることを特徴とする温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルビーなどの結晶からなる蛍光材料を用いた蛍光温度センサによる温度測定装置および温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の温度測定には、例えば、熱電対および測温抵抗体を用いた温度センサが用いられている。温度測定対象が腐食性ガスや腐食性溶液の場合、上述した温度センサを保護管に収容し、腐食環境から温度センサを保護している。しかしながら、このような構成では、保護管を介した温度測定になるため、温度測定の応答が著しく遅くなる。
【０００３】
これに対し、ルビーなどの結晶からなる蛍光材料を用いた蛍光温度センサによれば、腐食環境においても、検出部となるルビーの耐腐食性が高いため、これを保護管に収容することなく、温度測定に供することが可能となる（非特許文献１，２参照）。このため、保護管に測温抵抗体を収容した温度センサに対し、蛍光温度センサは、応答速度が１桁程度早くなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】H. Aizawa et al. , "Evaluation of the Fiber-Optic Thermometer Using Fluorescent Lifetime of Ruby", IEEJ Trans. SM, vol.123, no.6, pp.178-184,2003.
【非特許文献２】衣笠  静一朗、加藤  淳之、菊池  則雄、柳川  雄成、「蛍光温度センサの開発」、azbil Technology Review、６２−６７頁、２０１２年１月発行号。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、蛍光温度センサは、蛍光体結晶の表面に汚れが付着すると、光学特性に変化が生じて測定結果がシフトする。蛍光体結晶が、温度測定対象の流体に接触している構成では、接触面に汚れが付着しやすい状態となる。一般には、定期的に蛍光温度センサを取り外して洗浄し、また、洗浄後に再較正（温度補正）している。
【０００６】
しかしながら、定期的な温度補正が実施されるまでの期間は、測定結果のシフトの状態を把握することができず、シフトしている場合、プロセスに影響を及ぼすことになる。また、上述したような定期的な洗浄・温度補正は、プロセスを中断することになり、頻繁に実施することができない。このように、蛍光温度センサを用いた温度測定では、正確な温度測定ができない場合が発生するという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、蛍光体結晶に汚れが付着する環境であっても、蛍光温度センサを用いてより正確に温度測定ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る温度測定装置は、保護管と、測定対象と接触する接触領域を備えて保護管の一端に固定された蛍光体結晶と、保護管の他端から装入され、蛍光体結晶への励起光および蛍光体結晶からの蛍光を導波する光ファイバと、保護管の内部に配置された温度補正用の非光学式の補正用温度センサと、前記蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値または補正用温度センサによって得られた温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する変化幅検出部と、変化幅検出部による設定値以下の変化幅の検出により、補正用温度センサによって得られた温度測定値で、蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値を補正する補正部とを備える。
【０００９】
また、本発明に係る温度測定方法は、保護管と、測定対象と接触する接触領域を備えて保護管の一端に固定された蛍光体結晶と、保護管の他端から装入され、蛍光体結晶への励起光および蛍光体結晶からの蛍光を導波する光ファイバと、保護管の内部に配置された温度補正用の非光学式の補正用温度センサとを備える蛍光温度センサの温度補正方法であって、前記蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値または補正用温度センサによって得られた温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する変化幅検出ステップと、設定値以下の変化幅の検出により、補正用温度センサによって得られた温度測定値で、蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値を補正する補正ステップとを備える。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したことにより、本発明によれば、蛍光体結晶に汚れが付着する環境であっても、蛍光温度センサを用いてより正確に温度測定ができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における温度測定装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における温度測定方法を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、蛍光温度センサによる温度測定の応答性（ａ）および測温抵抗体による温度測定の応答性（ｂ）を示す特性図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における温度測定装置の構成を示す構成図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２における温度測定方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１３】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における温度測定装置の構成を示す構成図である。この装置は、まず、保護管１０１と、測定対象と接触する接触領域を備えて保護管１０１の一端に固定された蛍光体結晶１０２と、保護管１０１の他端から装入され、蛍光体結晶１０２への励起光および蛍光体結晶１０２からの蛍光を導波する光ファイバ１０３とを備える。また、保護管１０１の内部には、温度補正用の非光学式の補正用温度センサ１０４が配置されている。補正用温度センサ１０４は、例えば、熱電対や測温抵抗体から構成されている。
【００１４】
蛍光体結晶１０２は、例えば、ルビーである。ルビーは、酸化アルミニウム単結晶体にクロムイオン（Ｃｒ3+）が添加された結晶である。よく知られているように、例えば中心波長５５０ｎｍの励起光照射により、波長６９４．３ｎｍを中心とした蛍光を発する。この蛍光の寿命が、温度によって変化する。
【００１５】
まず、励起光制御部１１１に制御された発光ダイオード１１２を出射し、ダイクロイックフィルター１１３を反射して集光レンズ１１４を通過した励起光が、光ファイバ１０３を導波して蛍光体結晶１０２に到達する。このようにして励起光が照射された蛍光体結晶１０２は、蛍光を発する。この蛍光は、光ファイバ１０３を導波して集光レンズ１１４で集光され、ダイクロイックフィルター１１３を透過してフォトダイオード１１５で受光され、光電変換されて検出信号として出力される。出力された検出信号は、温度信号生成部１１６により温度信号（温度測定値）とされる。
【００１６】
上述した構成に加え、実施の形態１では、温度信号生成部１２１，変化幅検出部１２２，補正部１２３を備える。温度信号生成部１２１は、補正用温度センサ１０４における抵抗変化などから、温度信号を出力する。
【００１７】
変化幅検出部１２２は、補正用温度センサ１０４によって得られた温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する。実施の形態１では、温度信号生成部１２１より出力される温度信号における、設定時間内の変化幅を検出する。例えば、５秒間における温度信号の変化幅を検出する。
【００１８】
補正部１２３は、変化幅検出部１２２による設定値以下の変化幅の検出により、補正用温度センサ１０４によって得られた温度測定値で、蛍光体結晶１０２からの蛍光による温度測定値を補正する。実施の形態１では、設定値以下の変化幅が検出されると、この時点において温度信号生成部１２１より出力される温度信号で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施する。
【００１９】
次に、実施の形態１における温度測定方法について図２のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１で、設定されている補正実施時刻になると、ステップＳ２０２で、変化幅検出部１２２が、補正用温度センサ１０４によって得られている温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する。例えば、５秒間における温度信号の変化幅を検出する。
【００２０】
次に、ステップＳ２０３で、補正部１２３が、検出された温度信号変化幅が設定値より小さいかどうかを判定する。検出された温度信号変化幅が設定値より大きい場合（ステップＳ２０３のｎ）、再度、補正用温度センサ１０４によって得られている温度測定値の設定されている時間における変化幅を検出する。これに対し、検出された温度信号変化幅が設定値より小さい場合（ステップＳ２０３のｙ）、ステップＳ２０４に進み、この時点において温度信号生成部１２１より出力される温度信号で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施する。この後、動作停止の指示が受け付けられるまで（ステップＳ２０５）、上記動作を継続する。
【００２１】
補正用温度センサ１０４は、保護管１０１に収容されており、測定対象に触れることがないため、腐食性流体の場合でも素子やリード線の腐食による抵抗値変化（測温抵抗体の場合）により温度測定値がシフトすることはない。しかしながら、測温抵抗体などを用いた補正用温度センサ１０４は、完全に保護管内に収納されるため、蛍光温度センサに比較して応答速度が遅い。例えば、図３に示すように、蛍光温度センサの応答（ａ）に比較して、保護官に収容された白金による測温抵抗体を用いた補正用温度センサの応答（ｂ）は遅い。
【００２２】
一方、測定対象のプロセス温度は、常に一定で推移しているわけではなく、変化している。このように温度が変化している過程では、上述したように応答速度が異なるため、測温抵抗体などを用いた補正用温度センサによる温度測定値と、蛍光温度センサによる温度測定値とは、異なることになる。従って、単に、設定されている時刻において、補正用温度センサ１０４による温度測定値で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施すると、誤った温度測定がなされる状態となる。
【００２３】
ここで、図３からも明らかなように、例えば５秒間の応答性の変化幅が５程度に小さい箇所では、応答性の差がほぼなく、測温抵抗体による温度測定値と、正常（清浄）な状態の蛍光温度センサによる温度測定値とは、ほぼ一致しているものとすることができる。従って、変化幅検出部１２２により、補正用温度センサ１０４による温度測定値の変化が設定値（例えば１℃）より小さくなった時点では、補正用温度センサ１０４による温度測定値が、蛍光体結晶１０２に汚れの付着していない状態における温度信号生成部１１６による温度測定値に等しいものとすることができる。これらの知見をもとに、実施の形態１では、補正用温度センサ１０４による温度測定値の変化が設定値（例えば１℃）より小さくなった時点において、補正用温度センサ１０４による温度測定値で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施するようにした。
【００２４】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における温度測定装置の構成を示す構成図である。この装置は、まず、保護管１０１と、測定対象と接触する接触領域を備えて保護管１０１の一端に固定された蛍光体結晶１０２と、保護管１０１の他端から装入され、蛍光体結晶１０２への励起光および蛍光体結晶１０２からの蛍光を導波する光ファイバ１０３とを備える。また、保護管１０１の内部には、温度補正用の非光学式の補正用温度センサ１０４が配置されている。補正用温度センサ１０４は、例えば、熱電対や測温抵抗体から構成されている。
【００２５】
蛍光体結晶１０２は、例えば、ルビーである。ルビーは、酸化アルミニウム単結晶体にクロムイオン（Ｃｒ3+）が添加された結晶である。よく知られているように、例えば中心波長５５０ｎｍの励起光照射により、波長６９４．３ｎｍを中心とした蛍光を発する。この蛍光の寿命が、温度によって変化する。
【００２６】
まず、励起光制御部１１１に制御された発光ダイオード１１２を出射し、ダイクロイックフィルター１１３を反射して集光レンズ１１４を通過した励起光が、光ファイバ１０３を導波して蛍光体結晶１０２に到達する。このようにして励起光が照射された蛍光体結晶１０２は、蛍光を発する。この蛍光は、光ファイバ１０３を導波して集光レンズ１１４で集光され、ダイクロイックフィルター１１３を透過してフォトダイオード１１５で受光され、光電変換されて検出信号として出力される。出力された検出信号は、温度信号生成部１１６により温度信号（温度測定値）とされる。
【００２７】
また、実施の形態２では、温度信号生成部１２１，変化幅検出部４２２，補正部４２３を備える。温度信号生成部１２１は、前述した実施の形態１と同様であり、補正用温度センサ１０４における抵抗変化などから、温度信号を出力する。
【００２８】
変化幅検出部４２２は、蛍光体結晶からの蛍光により得られた温度測定値の設定されている時間間隔における単位時間当たりの温度変化を検出する。実施の形態２では、温度信号生成部１１６より出力される温度信号における、設定時間内で単位時間当たりの温度変化（変化幅）を検出する。例えば、蛍光体結晶からの蛍光により得られた温度測定の単位時間当たりの変化幅を、設定されている３０秒間、検出し続ける。
【００２９】
補正部４２３は、変化幅検出部４２２による設定値（例えば０．１℃）以下の変化幅の検出により、補正用温度センサ１０４によって得られた温度測定値で、蛍光体結晶１０２からの蛍光による温度測定値を補正する。実施の形態２では、設定値以下の変化幅が検出されると、この時点において温度信号生成部１２１より出力される温度信号で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施する。
【００３０】
次に、実施の形態２における温度測定方法について図５のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ５０１で、設定されている補正実施時刻になると、ステップＳ５０２で、変化幅検出部４２２が、蛍光体結晶１０２からの蛍光による温度測定値の、設定されている時間（例えば３０秒）における温度変化幅を検出する。
【００３１】
次に、ステップＳ５０３で、補正部４２３が、検出されている温度測定値の単位時間当たりの変化幅が設定値より小さいかどうかを判定する。検出された温度信号変化幅が設定値より大きい場合（ステップＳ５０３のｎ）、ステップＳ５０２に戻る。
【００３２】
これに対し、検出された温度信号変化幅が設定値より小さい場合（ステップＳ５０３のｙ）、ステップＳ５０４に進み、この時点において温度信号生成部１２１より出力される温度信号で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施する。この後、動作停止の指示が受け付けられるまで（ステップＳ５０５）、上記動作を継続する。
【００３３】
補正用温度センサ１０４は、保護管１０１に収容されており、測定対象に触れることがないため、腐食性流体の場合でも素子やリード線の腐食による抵抗値変化（測温抵抗体の場合）により、温度測定値がシフトすることはない。しかしながら、測温抵抗体などを用いた補正用温度センサ１０４は、完全に保護管内に収納されるため、蛍光温度センサに比較して応答速度が遅い。例えば、図３を用いて説明したように、蛍光温度センサの応答（ａ）に比較して、保護官に収容された白金による測温抵抗体を用いた補正用温度センサの応答（ｂ）は遅い。
【００３４】
一方、測定対象のプロセス温度は、常に一定で推移しているわけではなく、変化している。このように温度が変化している過程では、上述したように応答速度が異なるため、測温抵抗体などを用いた補正用温度センサによる温度測定値と、蛍光温度センサによる温度測定値とは、異なることになる。従って、単に、設定されている時刻において、補正用温度センサ１０４による温度測定値で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施すると、誤った温度測定がなされる状態となる。
【００３５】
ここで、図３からも明らかなように、例えば３０秒間、測定対象の温度が一定であれば、応答性の差による到達温度の差がほぼ無くなり、測温抵抗体による温度測定値と、正常（清浄）な状態の蛍光温度センサによる温度測定値とは、ほぼ一致しているものとすることができる。従って、変化幅検出部４２２により、所定時間内で、蛍光温度センサによる温度測定値の変化幅が設定値（例えば０．１℃）より小さくなった時点では、測定対象の温度が十分に安定していると判断し、補正用温度センサ１０４による温度測定値が、蛍光体結晶１０２に汚れの付着していない状態における温度信号生成部１１６による温度測定値に等しいものとすることができる。
【００３６】
これらの知見をもとに、実施の形態２では、所定時間内で、蛍光温度センサによる温度測定値の変化幅が設定値（例えば０．１℃）より小さくなった時点において、補正用温度センサ１０４による温度測定値で、温度信号生成部１１６における温度補正を実施するようにした。
【００３７】
なお、所定時間内で検出している変化幅が設定値以下とならない場合、測定対象の温度が変化している状態と考えることができる。上述したように、補正用温度センサ１０４の応答速度は遅いため、測定対象の温度が変化している状態における補正用温度センサ１０４の温度測定値は、正しい測定結果とすることはできない。従って、所定時間（例えば３０秒）の間に、蛍光体結晶１０２からの蛍光による温度測定値の変化幅が設定値より小さくならない場合、この状態を測定対象の温度が変化しているものとし、温度の補正をしないものとした。
【００３８】
以上に説明したように、本発明では、蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値または補正用温度センサによって得られた温度測定値の設定されている時間における変化幅が設定値以下であることが検出されると、補正用温度センサによって得られた温度測定値で、蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値を補正するようにしたので、蛍光体結晶に汚れが付着する環境であっても、蛍光温度センサを用いてより正確に温度測定ができるようになる。
【００３９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、蛍光体結晶は、ルビーに限るものではなく、ＭｇＡｌ2Ｏ4，ＹＡｌＯ3，イットリウム・アルミニウム・ガーネットなどの結晶から構成してもよい。
【００４０】
また、蛍光体結晶からの蛍光による温度測定値を常に監視し、温度測定値変化幅が設定値（例えば０．１℃）以下の状態となる時間を計測し、この時間が３０秒以上となった（３０秒以上継続した）場合、補正用温度センサによる測定結果で補正を実施するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０１…保護管、１０２…蛍光体結晶、１０３…光ファイバ、１０４…補正用温度センサ、１１１…励起光制御部、１１２…発光ダイオード、１１３…ダイクロイックフィルター、１１４…集光レンズ、１１５…フォトダイオード、１１６…温度信号生成部、１２１…温度信号生成部、１２２…変化幅検出部、１２３…補正部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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