第 51 回自動制御連合講演会
2008 年 11 月 22 日，23 日 山形大学工学部

２タイプ宇宙用温度計測システム○大西晃

太刀川純孝（宇宙研／JAXA）

Two types of temperature measurement systems for space use* A. Ohnishi and S. Tachikawa (ISAS/JAXA)
Abstract－ Two types of temperature measurement systems developed for space use are described. One is
the wireless multichannel temperature measurement system, it’s possible to acquire 3200 channels in 2 minutes.
The system is composed of temperature sensors, sensor modules, a base unit with antenna and a PC. The temperature range for the measurement is from 153K to 392K. And the other is the no contact wide range temperature measurement system using Christiansen effect that is emissivity is unity at the Christiansen wavelength.
The system is consists of a standard sample with Christiansen effect, a thermopile module, a narrow band passfilter with Christiansen wavelength and a dimmer filter. In the temperature range is from 173K to 1500K.
Key Words: wireless multichannel measurement, Christiansen effect, wide range measurement

1. はじめに
ここでは，宇宙機やロケットの設計および開発におおよび取得したﾃﾞｰﾀのRS-232CによるPCへの送出等がいて必要不可欠な温度計測ｼｽﾃﾑについて，2 例述べる． 行われる．PCではﾃﾞｰﾀの処理，保存，表示が行われる．
宇宙機の熱設計では，その熱設計を検証するために宇宙空間を模擬した熱真空試験が行われる．それは，大型の真空ﾁｬﾝﾊﾞ内に設置された宇宙機に，外部から時々刻々変化する太陽光，太陽光の地球表面での反射，地球自身の赤外放射等の熱入力を与え，その時の温度変化を測定し，熱設計と比較・検証を行う．温度ｾﾝｻ
は重量 1t を超える宇宙機では 500CH 以上が使われる．
そのため，宇宙機に接続された熱電対による熱損失や測定の不確かさ等から熱設計の信頼性が劣ること，加えて多数の測定点が必要なことから設備経費等のｺｽﾄが高価になるなどの問題がある．ここでは，これらの課題の改善を図ることを狙って，ﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度Fig. 1 Base unit.
計測ｼｽﾃﾑを提案する．
また，ロケットの飛翔性能を評価する燃焼試験では，低温から高温の広範囲の温度計測ｼｽﾃﾑが要求される．
Table 1 Performance of system components.
熱電対では複合材料や高温表面の温度測定において不･Base unit
確かさが生じる．また，放射温度計では測定試料表面
Frequency
312.23(Rx), 312.31(Tx) (MHz)･Sensor moduleの放射率の変化により, 正確に温度が測れない等の問
Frequency
312.23(Rx), 312.31(Tx) (MHz)
題が起こる．ここでは，任意の波長において広い温度
Size
101×32×13(mm)
範囲に渡り放射率が常に 1 になるｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を適用
Wight
37(g)
した広ﾚﾝｼﾞの温度測定が可能な放射温度計を提案する．
Range-20～+60(℃)
1, 2)ChannelMax
25CH(four branch con2．ﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑnector)
2.1 ｼｽﾃﾑ構成
Battery3(V)ﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑはPC付ﾍﾞｰｽ・ﾕﾆｯﾄ，･Temperature sensor
ｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙ，温度ｾﾝｻから構成される(宇部興産と共同
Type
Flip chip / T092
開発)．以下に各装置の機能について述べる．またTable
Size
2×1.4×0.7 / 5×5×4 (mm)1にその性能をまとめて示す．
Range-125～+125(℃)
Resolution
0.0625(℃) /a)ﾍﾞｰｽ・ﾕﾆｯﾄ (Base unit)
Accuracy±0.5(℃)
ﾍﾞｰｽ・ﾕﾆｯﾄはﾃﾞｼﾞﾀﾙ温度の取得・処理装置，送受信機，ｱﾝﾃﾅ等から構成される(Fig.1)．機能は各温度ｾﾝｻの温度とID管理，ｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙとの無線によるﾃﾞｰﾀの交換，

b) ｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙ(Sensor module)
ｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙはﾃﾞｰﾀ処理装置，内臓ｱﾝﾃﾅ付送受信機，ﾊﾞｯﾃﾘからなる(Fig.2)．機能は各温度ｾﾝｻから取得されたﾃﾞｼﾞﾀﾙ温度ﾃﾞｰﾀとIDを無線でﾍﾞｰｽ・ﾕﾆｯﾄに送る．ｾﾝ
ｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙは小型(101×32×13mm)，軽量化(37g)が図られ，広い温度範囲(-20～+60℃)と真空環境の使用に耐える．
ﾊﾞｯﾃﾘの寿命は温度ｾﾝｻの数に依存し1pcsで約300日，25pcsでは50日である．

Transceiver anddata processor

Battery
Fig. 2 Sensor module.
c) 温度ｾﾝｻ(Temperature sensor)
温度ｾﾝｻはﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟ(Fig.3)とTO92ﾊﾟｯｹｲｼﾞの2ﾀｲﾌﾟの使用が可能である．ﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟは温度範囲-125～+125℃（単体で温度校正），分解能0.0625℃，精度±0.5℃である．各温度ｾﾝｻにはIDﾅﾝﾊﾞが与えられている．
寸法はﾌﾘｯﾌﾟﾁｯﾌﾟで2×1.4×0.7mm，TO92ﾊﾟｯｹｲｼﾞでは5×5×4 mmである．

Sensor #1

Sensor #2 Sensor #3

Sensor #N

Sensor Module
Transceiver
Data Processor
Battery

Fig. 4 Plugging chart of sensor module andtemperature sensors.
2.2 熱真空試験装置への提案
熱真空試験における温度計測のｼｽﾃﾑについて，Fig.5の(a)に従来のｼｽﾃﾑ，(b)にはﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑをそれぞれ示す．従来のｼｽﾃﾑは熱電対ｾﾝｻ，熱電対ｺﾈｸﾀﾎﾞｯｸｽ，熱電対用真空ﾌﾗﾝｼﾞ，ﾃﾞｰﾀﾛｶﾞ，PCで構成される．一方，ﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑは前述したようにｼﾝﾌﾟﾙな構成となり，従来のｼｽﾃﾑに比べ次の利点がある．
・ 熱電対が不要になり，熱電対による宇宙機からの熱損失がなくなり熱設計の信頼性が向上する．
・ 設計・製造の初期の時点で温度ｾﾝｻや配線等を組み込むことが可能になり，熱真空試験前後で行われている熱電対の貼付け，取外し等の作業がなくなり，時間の短縮とｺｽﾄの削減が図られる．
・ 熱電対ｺﾈｸﾀﾎﾞｯｸｽ，熱電対用真空ﾌﾗﾝｼﾞ，ﾃﾞｰﾀﾛｶﾞ等の試験設備が不要になり，設備経費の削減と計測の信頼性の向上が図れる．
・ 熱電対の場合，校正は測定系全体で行う必要があるが，温度ｾﾝｻではｾﾝｻ単体のみですみ，計測の信頼性が向上する．
Space Chamber

Satellite
T-type Thermocouple x 1000CH
Junction Box Data Logger(1000ch)(1000ch)Temperature sensor

Flange(pin x 2000)

Data Handling Unit (PC)

GPIB interface

Fig. 3 Flip chip type temperature sensor.
d) ｼｽﾃﾑ性能
このｼｽﾃﾑはFip.4に示すようにｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙには直接25CHの温度ｾﾝｻの接続が可能で，最大20mまで延長が可能である．
配線方法は4端子ｺﾈｸﾀを使用して自由に形状を選ぶことができる．1ｼｽﾃﾑの能力はｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙ128個を用いて最大3200CHの温度ﾃﾞｰﾀを2分で処理することが可能である．それは，新しい通信ｱﾙｺﾞﾘｽﾞﾑの開発により，ﾍﾞｰｽ・ﾕﾆｯﾄと多数のｾﾝｻ･ﾓｼﾞｭｰﾙ間を同一周波数で，しかも短時間で通信を可能にしている．通信方式は312.23MHz(Uplink)，312.31MHz(Downlink)を採用し，ﾍﾞｰｽ・ﾕﾆｯﾄのｱﾝﾃﾅから10mの範囲で有効である．
変調方式はFSK(Frequency Shift Keying)，ﾍﾞｰｽﾊﾞﾝﾄﾞ信号はﾏﾝﾁｪｽﾀ符号を使用した．

(a) Conventional measurement system.
Space Chamber

SatelliteAntenna
Coaxial Cable x 1Sensor Modules(Rx/Tx)Base Unit(Rx/Tx)Flange(BNC x 1)

Data Handling Unit (PC)
Serial Interface(b) Wireless measurement system.
Fig. 5 Multichannel temperature measurement system.

3．広ﾚﾝｼﾞ放射温度計測ｼｽﾃﾑ3, 4)
0.1

3.1 ｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果
ｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を有する物質はｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ波長において温度に依存しないで放射率が常に1(反射率は0)になる．
Fig.6はｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を示す代表的な物質ZrO2，Al2O3，Si3N4の分光反射率である(室温･大気，入射角20°)．
ZrO2，Al2O3，Si3N4のｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ波長はそれぞれ12.7µm，9.5µm，8.3µmにおいて示された．ZrO2の場合，分光反射率0を示さないのは測定のﾊﾞﾗﾂｷによるものである．
ｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果は，その他ﾍﾟﾛﾌﾞｽｶｲﾄ系酸化物においても現れている．
Fig.7にZrO2のS偏光の分光反射率の入射角度依存性を示す(室温･大気)．分光反射率は入射角0～30°の範囲で，波長範囲12.676～12.707µmにおいて0を示し，ｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果が確認された．Table 2はS･P偏光の分光反射率から得られたZrO2，Al2O3，Si3N4のｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を満足する入射角度の範囲を示す．
Fig.8にZrO2の分光反射率の173～300Kの温度依存性を示す(真空，入射角20°)．波長範囲12.645～13.159µmにおいて分光反射率0を示し，低温域においてもｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果が確認された．また，分光反射率は低温域では顕著な温度依存性が示されなかった．
Fig.9にZrO2の573～1182Kの高温域の垂直分光放射率を示す(真空)．垂直分光放射率は，Work1では12.403～ 12.707µm の 波 長 範囲で ， ま た，Work2 で は波 長12.707µmでそれぞれ1を示し，高温域においてもｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果が確認された．Work1とWork2の垂直分光放射率の差は，参照黒体と装置の違いによる影響が現れたものと考える．垂直分光放射率は参照黒体を基準とする分離黒体法により測定された．

0.085°
10°
20°
30°
40°
50°
60°

0.06

0.04

0.02

0101112131415Wavelength,µm

Fig. 7 Incidence angle dependence of spectral reflectancefor ZrO2 at S polarization (room temperature).

0.2

0.15

173K
213K
233K
193K
300K
253K
273K

0.1

0.05

01011100

12131415Wavelength,µm

Spectral reflectance ,%ZrO (λ =12.7µm)
280ch

Al O (λ = 9.5µm)
23Fig. 8 Low temperature dependence of spectralreflectance for ZrO2 at incidence angle 20°.

ch

Si N (λ = 8.6µm)
34ch

6040

1200.80Work 1Work 24812Wavelength , µm

1620Fig. 6 Spectral reflectance for ZrO2, Al2O3, Si3N4 atincidence angle 20°.

0.60.4

573K
673K
773K
873K
973K
932K
1033K
1182K

0.2

Table 2 Incidence angle dependence ofChristiansen effect.
SampleP polarization
Ｓ polarization
ZrO2
10～40°
10～30°
Al2O3
10～30°
10～30°
Si3N410～40°
10～50°

0510Work 1Work 21520Wavwlength,µm

Fig. 9 High temperature dependence of normal
spectral emissivity for ZrO2 .

3.2 広ﾚﾝｼﾞ放射温度計測のｼｽﾃﾑ構成
Fig.10 に広ﾚﾝｼﾞ放射温度計測のｼｽﾃﾑを示す．ｼｽﾃﾑはｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を有する基準試料(ZrO2)，ﾊﾞﾝﾄﾞﾊﾟｽﾌｨﾙﾀ，ﾃﾞｨﾏﾌｨﾙﾀ，ｻｰﾓﾊﾟｲﾙから構成される．基準試料は測定試料との熱伝導損失を小さくするため，密着して貼り付けることが必要である．ここでは,基準試料に ZrO2 を選定した．そのため，ﾊﾞﾝﾄﾞﾊﾟｽﾌｨﾙﾀは中心波長 11.96µm，透過率約 80%とした．ﾃﾞｨﾏﾌｨﾙﾀは基準試料のふく射に対応して挿入され，ｻｰﾓﾊﾟｲﾙの入力を調整する役目を担っている．これにより，1 台の放射温度計測ｼｽﾃﾑで低温から高温の広い温度範囲の計測が可能である．
Fig. 11 Temperature sensors and sensor module attachedsatellite in thermal vacuum test.

Specimen
Dimmer filter
Thermopile

Thermal radiation

Thermopile

from SpecimenHe-Ne laser

Thermal radiation from(Elipsometer)

Specimen at λch
Band pass filter

Standard sample

Band pass filter

Fig. 12 No contact wide range temperature
measurement system.

Fig. 10 Wide range temperature measurement system.

4．まとめ
本稿では，宇宙機やロケット等の設計の評価を行う上で必要な温度計測ｼｽﾃﾑについて，ﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑとｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を適用した広ﾚﾝｼﾞ放射温計測ｼｽﾃﾑの 2 例を提案し，その有効性を示した．
ﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑは，新たな通信ｱﾙｺﾞｽﾞﾑの導入により，温度計測ｼｽﾃﾑの簡素化が図られ，従来の熱電対方式に比べ温度測定の信頼性の向上と，設備経費等の削減が達成された．Fig.11 に宇宙機の熱真空試験において具体的に使用されたﾜｲﾔﾚｽ・ﾏﾙﾁﾁｬﾝﾈﾙ温度計測ｼｽﾃﾑの例を示す．試験は 7 日間連続して行われ，その間の動作は正常であった．
広ﾚﾝｼﾞ放射温度計測ｼｽﾃﾑは，温度に依存しないで放射率が常に 1 になるｸﾘｽﾁｬﾝｾﾝ効果を基準試料にし，ｼﾝﾌﾟﾙなｼｽﾃﾑ構成でありながら，非接触で，しかも 1 台の装置で低温から高温の広い温度範囲の測定が可能である．Fig. 12 に筆者らが提案する高温域の垂直分光放射率と光学定数同時測定法の試料表面温度の決定に適用された本測定ｼｽﾃﾑを示す．垂直分光放射率は参照黒体を用いた分離黒体法を基に FTIR で測定され，光学定数，膜厚ははｴﾘﾌﾟｿﾒｰﾀで求められる．

Specimen with Christiansen effectSpecimen

謝辞
広ﾚﾝｼﾞ放射温度計測ｼｽﾃﾑの開発は，一部谷川技術振興基金の援助を受けて行われました．

参考文献
1)

2)

3)

S. Tachikawa, A, Ohnishi, H. Nagano, S. Katsuki, T. Tanaka,
Y. Saitoh, Design of Wireless Multi-Channel measurement
System, SAE Paper No. 2005-01-3027, 35th ICES (2005).
S. Tachikawa, A, Ohnishi, et all, Wireless 3200 channels
Temperature Measurement System, 1st Int. Sympo. on Thermal design and Thermophysical Property for Electronic,(2008).
D.Yajima, A.Ohnishi and Y.Nagasaka, Simultaneous measurement Method of Normal Spectral Emissivity and OpticalConstants at High Temperatures, 14th Sympo. on Thermo-4)

physical Properties, (2003).
K.Nakazawa, A.Ohnishi, Simultaneous measurement Methodof Normal Spectral Emissivity and Optical Constants of Solidat High Temperature in Vacuum, ATPC Paper No.134, The
8th Asian Thermophysical Properties Conference, (2007).