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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6373979
(24)【登録日】2018年7月27日
(45)【発行日】2018年8月15日
(54)【発明の名称】赤外線センサ
(51)【国際特許分類】
G01J 1/44 20060101AFI20180806BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20180806BHJP
G01J 5/10 20060101ALI20180806BHJP
G01J 5/14 20060101ALI20180806BHJP
【ＦＩ】
G01J1/44 D
G01J1/02 R
G01J1/02 C
G01J5/10 B
G01J5/14
【請求項の数】19
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2016-517360(P2016-517360)
(86)(22)【出願日】2014年8月14日
(65)【公表番号】特表2016-532086(P2016-532086A)
(43)【公表日】2016年10月13日
(86)【国際出願番号】US2014051068
(87)【国際公開番号】WO2015047578
(87)【国際公開日】20150402
【審査請求日】2017年5月18日
(31)【優先権主張番号】14/037,963
(32)【優先日】2013年9月26日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】597115727
【氏名又は名称】ローズマウント インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100098914
【弁理士】
【氏名又は名称】岡島 伸行
(72)【発明者】
【氏名】ルド， ジェイソン ハロルド
【審査官】
塚本 丈二
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許第０５８２９８７６（ＵＳ，Ａ）
【文献】
特開２０００−１３６９６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０９−１２６８９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｊ １／００−１／６０
Ｇ０１Ｊ ５／００−５／６２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
関心のある点の温度の関数として電圧を生成するための熱電対列と、
前記熱電対列が直列に接続されて回路を構成し、周囲温度の関数として抵抗が変化する測温抵抗体（ＲＴＤ）と、
前記ＲＴＤの第１のＲＴＤ端子に接続されている第１及び第２の導線と、
前記ＲＴＤの第２のＲＴＤ端子及び前記熱電対列の第１の熱電対列端子に接続されている第３の導線と、
前記熱電対列の第２の熱電対列端子に接続されている第４の導線と、を備え、
前記第２の導線は励起電流を前記ＲＴＤへ、前記第３の導線は前記励起電流を前記ＲＴＤから、それぞれ供給するように構成され、
前記第１の導線及び前記第４の導線は、前記直列回路の両端間電圧を、前記第１の導線及び前記第４の導線を前記励起電流が流れることなく測定できるように構成される、
赤外線センサ。
前記熱電対列が直列に接続されて回路を構成し、周囲温度の関数として抵抗が変化する測温抵抗体（ＲＴＤ）と、
前記ＲＴＤの第１のＲＴＤ端子に接続されている第１及び第２の導線と、
前記ＲＴＤの第２のＲＴＤ端子及び前記熱電対列の第１の熱電対列端子に接続されている第３の導線と、
前記熱電対列の第２の熱電対列端子に接続されている第４の導線と、を備え、
前記第２の導線は励起電流を前記ＲＴＤへ、前記第３の導線は前記励起電流を前記ＲＴＤから、それぞれ供給するように構成され、
前記第１の導線及び前記第４の導線は、前記直列回路の両端間電圧を、前記第１の導線及び前記第４の導線を前記励起電流が流れることなく測定できるように構成される、
赤外線センサ。
【請求項2】
請求項１に記載の赤外線センサにおいて、前記ＲＴＤに励起電流が流れていないときに前記直列回路の両端間の第１電圧を測定し、前記ＲＴＤに励起電流が流れているときに前記直列回路の両端間の第２電圧を測定するために構成された前記第１、第２、第３及び第４の導線に接続されている測定回路をさらに備える、赤外線センサ。
【請求項3】
請求項２に記載の赤外線センサにおいて、前記測定回路は、前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、補償された温度測定値を生成する、赤外線センサ。
【請求項4】
請求項３に記載の赤外線センサにおいて、前記第１電圧は、前記ＲＴＤに励起電流が流れていないときの前記第１の導線と前記第４の導線との間の電圧である、赤外線センサ。
【請求項5】
請求項４に記載の赤外線センサにおいて、前記第２電圧は、前記ＲＴＤに励起電流が流れているときの前記第１の導線と前記第４の導線との間の電圧である、赤外線センサ。
【請求項6】
請求項４に記載の赤外線センサにおいて、前記第２電圧は、前記ＲＴＤに励起電流が流れているときの前記第１の導線と前記第３の導線との間の電圧である、赤外線センサ。
【請求項7】
請求項３に記載の赤外線センサにおいて、前記測定回路は、前記第２電圧が測定されるときに前記励起電流を提供するために前記第２の導線及び前記第３の導線に接続されている励起回路と、
前記第１電圧に基づいて第１電圧値を生成し、前記第２電圧に基づいて第２電圧値を生成する信号処理回路と、
前記第１電圧値及び前記第２電圧値に基づいて、前記補償された温度測定値を生成するデジタルプロセッサと、を含む、赤外線センサ。
前記第１電圧に基づいて第１電圧値を生成し、前記第２電圧に基づいて第２電圧値を生成する信号処理回路と、
前記第１電圧値及び前記第２電圧値に基づいて、前記補償された温度測定値を生成するデジタルプロセッサと、を含む、赤外線センサ。
【請求項8】
請求項７に記載の赤外線センサにおいて、前記励起回路は、前記信号処理回路及び前記デジタルプロセッサのいずれか一によって制御される、赤外線センサ。
【請求項9】
請求項７に記載の赤外線センサにおいて、前記測定回路は、第１、第２、第３及び第４の端子を有する端子台を含み、
前記第１、第２、第３及び第４の導線は、前記第１、第２、第３及び第４の端子にそれぞれ接続されており、
前記励起回路は、前記第２及び第３の端子に接続されており、
前記信号処理回路は、前記第１及び第４の端子に接続されている、赤外線センサ。
前記第１、第２、第３及び第４の導線は、前記第１、第２、第３及び第４の端子にそれぞれ接続されており、
前記励起回路は、前記第２及び第３の端子に接続されており、
前記信号処理回路は、前記第１及び第４の端子に接続されている、赤外線センサ。
【請求項10】
請求項９に記載の赤外線センサにおいて、前記信号処理回路は、前記第３の端子にも接続されている、赤外線センサ。
【請求項11】
第１のＲＴＤ端子及び第２のＲＴＤ端子を有する測温抵抗体（ＲＴＤ）と、
第１の熱電対列端子及び第２の熱電対列端子を有し、前記第１の熱電対列端子が前記第２のＲＴＤ端子に接続されている熱電対列と、
前記第１のＲＴＤ端子に接続されている第１の励起電流導線と、
前記第２のＲＴＤ端子に接続されている第２の励起電流導線と、
前記第１のＲＴＤ端子に接続されている第１の電圧感知導線と、
前記第２の熱電対列端子に接続されている第２の電圧感知導線と、
前記第１及び第２の励起電流導線に励起電流が流れていないときには、前記第１の電圧感知導線と前記第２の電圧感知導線との間の第１電圧に基づいて温度測定値を提供し、前記第１及び第２の励起電流導線に励起電流が流れているときには、前記第１の電圧感知導線と前記第２の電圧感知導線又は前記第２の励起電流導線のいずれかとの間の第２電圧に基づいて温度測定値を提供する測定回路と、を備える赤外線センサ。
第１の熱電対列端子及び第２の熱電対列端子を有し、前記第１の熱電対列端子が前記第２のＲＴＤ端子に接続されている熱電対列と、
前記第１のＲＴＤ端子に接続されている第１の励起電流導線と、
前記第２のＲＴＤ端子に接続されている第２の励起電流導線と、
前記第１のＲＴＤ端子に接続されている第１の電圧感知導線と、
前記第２の熱電対列端子に接続されている第２の電圧感知導線と、
前記第１及び第２の励起電流導線に励起電流が流れていないときには、前記第１の電圧感知導線と前記第２の電圧感知導線との間の第１電圧に基づいて温度測定値を提供し、前記第１及び第２の励起電流導線に励起電流が流れているときには、前記第１の電圧感知導線と前記第２の電圧感知導線又は前記第２の励起電流導線のいずれかとの間の第２電圧に基づいて温度測定値を提供する測定回路と、を備える赤外線センサ。
【請求項12】
請求項１１に記載の赤外線センサにおいて、前記測定回路は、前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、補償された温度測定値を生成する、赤外線センサ。
【請求項13】
請求項１２に記載の赤外線センサにおいて、前記第１電圧は、前記ＲＴＤに励起電流が流れていないときの前記第１の電圧感知導線と前記第２の電圧感知導線との間の電圧である、赤外線センサ。
【請求項14】
請求項１３に記載の赤外線センサにおいて、前記第２電圧は、前記ＲＴＤに励起電流が流れているときの前記第１の電圧感知導線と前記第２の電圧感知導線との間の電圧である、赤外線センサ。
【請求項15】
請求項１３に記載の赤外線センサにおいて、前記第２電圧は、前記ＲＴＤに励起電流が流れているときの前記第１の電圧感知導線と前記第２の励起電流導線との間の電圧である、赤外線センサ。
【請求項16】
請求項１２に記載の赤外線センサにおいて、前記測定回路は、前記第２電圧が測定されるときに前記励起電流を提供するために前記第１及び第２の励起電流導線に接続されている励起回路と、
前記第１電圧に基づいて第１電圧値を生成し、前記第２電圧に基づいて第２電圧値を生成する信号処理回路と、
前記第１電圧値及び前記第２電圧値に基づいて、前記補償された温度測定値を生成するデジタルプロセッサと、さらに含む、赤外線センサ。
前記第１電圧に基づいて第１電圧値を生成し、前記第２電圧に基づいて第２電圧値を生成する信号処理回路と、
前記第１電圧値及び前記第２電圧値に基づいて、前記補償された温度測定値を生成するデジタルプロセッサと、さらに含む、赤外線センサ。
【請求項17】
請求項１６に記載の赤外線センサにおいて、前記励起回路は、前記信号処理回路及び前記デジタルプロセッサのいずれか一によって制御される、赤外線センサ。
【請求項18】
請求項１６に記載の赤外線センサにおいて、前記測定回路は、第１、第２、第３及び第４の端子を有する端子台を含み、
前記第１及び第２の電圧感知導線は、前記第１及び第４の端子にそれぞれ接続されており、
前記第１及び第２の励起電流導線は、前記第２及び第３の端子にそれぞれ接続されており、
前記励起回路は、前記第２及び第３の端子に接続されており、
前記信号処理回路は、前記第１及び第４の端子に接続されている、赤外線センサ。
前記第１及び第２の電圧感知導線は、前記第１及び第４の端子にそれぞれ接続されており、
前記第１及び第２の励起電流導線は、前記第２及び第３の端子にそれぞれ接続されており、
前記励起回路は、前記第２及び第３の端子に接続されており、
前記信号処理回路は、前記第１及び第４の端子に接続されている、赤外線センサ。
【請求項19】
請求項１８に記載の赤外線センサにおいて、前記信号処理回路は、前記第３の端子にも接続されている、赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、温度測定デバイスに関し、より具体的には赤外線センサに関する。
【背景技術】
【0002】
赤外線（ＩＲ）スポットセンサ（或いは赤外線放射温度計）のような赤外線センサは、関心のある点の温度を示す出力信号を提供するために用いられる。多くの赤外線スポットセンサは、熱電対列及び測温抵抗体（ＲＴＤ）の両方を使用する。熱電対列は、関心のある点の温度を示す出力電圧を生成する。ＲＴＤは、周囲温度の補償のために用いられ、抵抗の関数であり周囲温度の関数である電圧を生成するためにＲＴＤを通じて流れる電流を要する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
全体の導線の数を最小限にするために、赤外線センサの熱電対列及びＲＴＤは、２つの独立した測定のための２本の電線によって互いに接続されている。ＲＴＤのような抵抗デバイスを２本の導線だけで測定するときには、その導線の抵抗が、全てのＲＴＤセンサ抵抗に直接に加わることによって測定誤差を生じさせる。
【0004】
２線式ＲＴＤ測定において、導線の抵抗によって引き起こされる誤差に対処する１つのアプローチは、大きい（高抵抗の）ＲＴＤを用いることである。例えばＯｐｔｒｉｓ社が販売する赤外線放射温度計の感知ヘッドの１つ（モデルＬＴ１５）は、熱電対列及びＰＴ１０００ＲＴＤを含む。このＰＴ１０００ＲＴＤは、約３０オーム／度Ｃの公称感度を有し、これは例えばＰＴ１００ＲＴＤのようなより小さいＲＴＤを有する２線式の類似の回路に比べて、導線の抵抗の影響を最小限にするのに役立つ。
【0005】
しかし大きいＲＴＤセンサは、その高い抵抗に起因して、電磁妨害（ＥＭＩ）電流を増幅することになり、それに曝され、デジタル処理の分解能が低下することになる。このように大きいＲＴＤは、ＰＴ１０００ＲＴＤの周囲温度補償抵抗により提供される２線式測定に、ＰＴ１００ＲＴＤのようなより小さいＲＴＤデバイスに比べて、よりノイジーで精度が低いという結果をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の赤外線センサは、関心のある点の温度の関数として電圧を生成する熱電対列、及び周囲温度の関数として抵抗が変化するＲＴＤを含む。この熱電対列及びＲＴＤは、直列に接続された回路を構成し、その直列回路に４本の導線が接続されている。第１及び第２の導線は、ＲＴＤに接続されており、第３の導線は、ＲＴＤ及び熱電対列に接続されており、第４の導線は、熱電対列に接続されている。４本の導線は、熱電対列によって生成される出力電圧の周囲温度補償のための３又は４線式の抵抗測定を可能にする。
【0007】
本発明の赤外線センサは、温度センサと測定回路を含む。温度センサは、熱電対列及びＲＴＤを含む。熱電対列は、第１の熱電対列端子及び第２の熱電対列端子を有し、ＲＴＤは、第１のＲＴＤ端子及び第２のＲＴＤ端子を有する。第１の熱電対列端子は、第２のＲＴＤ端子に接続されている。第１の励起電流導線は、第１のＲＴＤ端子に接続され、第２の励起電流導線は、第２のＲＴＤ端子に接続されている。第１の電圧感知導線は、第１のＲＴＤ端子に接続され、第２の電圧感知導線は、第２の熱電対列端子に接続されている。
【0008】
測定回路は、第１及び第２の励起電流導線に励起電流が流れていないときに、第１及び第２の電圧感知導線の間の第１電圧に基づく温度測定値を提供し、第１及び第２の励起電流導線に励起電流が流れているときに、第１の電圧感知導線と第２の電圧感知導線又は第２の励起電流導線のいずれか一方との間の第２電圧に基づく温度測定値を提供する。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図１は、赤外線スポットセンサ（又は赤外線放射温度計）１０の実施例を図示したものである。赤外線スポットセンサ１０は、ＩＲ熱センサ１２及び送信器１４を含む。赤外線スポットセンサ１０は、４本の導線だけを用いて連結及び測定される４線式の抵抗測定及び２線式のミリボルト熱電対列出力を可能にする。
【0011】
センサ１２は、ＩＲ感知熱電対列１６、周囲温度補償抵抗ＲＴＤ１８（例えばＰＴ１００ＲＴＤ等）及び導線２０、２２、２４、２６を含む。導線２０、２６は、第１及び第２の電圧感知導線である。導線２２、２４は、第１及び第２の励起電流導線である。
【0012】
送信器１４は、励起回路３０、信号プロセッサ３２、デジタルプロセッサ３４及び通信インタフェース３６を含む。信号の変換、調整及び送信が送信器１４の主要機能である。
【0013】
端子台２８は、センサ１２と送信器１４の電気回路との間の相互接続を提供する。図１の実施例において端子台２８は、１〜４の番号が付された４つの端子を含む。センサ１２の第１の電圧感知導線２０は、端子台２８の端子１に接続されている。第２の電圧感知導線２６は、端子台２８の端子４に接続されている。第１及び第２の励起電流導線２２、２４は、端子台２８の端子２、３にそれぞれ接続されている。
【0014】
励起回路３０は、センサ１２の周囲温度の関数である周囲温度補償電圧ＶCOMPを生成するためにＲＴＤ１８に流れる励起電流ＩEXCを提供する。
【0015】
信号プロセッサ３２は、端子台２８の端子１及び端子４から受電し、その端子１と端子４との間の電圧をデジタル値に変換する。このデジタル値は、デジタルプロセッサ３４へ提供される。
【0016】
図１に図示された実施例において信号プロセッサ３２は、２つの別個の測定結果を示す電圧値を提供する。信号プロセッサ３２（或いはデジタルプロセッサ３４）は、第１電圧測定のために励起電流ＩEXCが流れていない状態、及び第２電圧測定のために励起電流ＩEXCが流れている状態で、端子１と端子４との間の電圧が測定され得るように励起回路３０の動作を制御する。第１及び第２電圧測定は、いずれかの順番で交互に実行され得る。
【0017】
熱電対列１６は、熱電対列１６が受ける赤外線放射の関数である電圧ＶDETを生成する。熱電対列１６は熱センサであることから、ＩＲセンサ１２の周囲温度は、電圧ＶDETの値に影響を及ぼす。そのため周囲温度補償抵抗１８は、周囲温度補償信号ＶCOMPを生成するために用いられる。周囲温度補償抵抗１８の抵抗値ＲCOMPは、センサ１２の周囲温度の関数として変化する。補償信号は、ＶCOMP＝ＩEXC・ＲCOMPとなる。
【0018】
図１に図示されている導線２０、２２、２４、２６の配線に伴い、端子台２８の端子１と端子４との間の電圧が感知される。第１電圧測定のために励起回路３０が停止されると、補償抵抗１８に電流は流れない。補償抵抗１８に電流が流れないので、補償抵抗１８における電圧降下はゼロとなる。端子１と端子４との間の第１電圧Ｖ1は、熱電対列１６が生成する電圧に等しくなる。すなわちＶ1＝ＶDETとなる。信号プロセッサ３２は、第１電圧Ｖ1をデジタル値に変換し、その電圧値をデジタルプロセッサ３４へ提供する。第２電圧測定は、励起回路３０が動作している状態で、信号プロセッサ３２によって行われる。第２電圧測定の間、端子１と端子４との間の第２電圧Ｖ2は、熱電対列１６の電圧に周囲温度補償電圧を加算した電圧に等しくなる。すなわちＶ2＝ＶDET＋ＶCOMPとなる。第２電圧Ｖ2も同様に、デジタル値に変換され、デジタルプロセッサ３４へ提供される。
【0019】
デジタルプロセッサ３４は、ＩＲセンサ１２によって観測される関心のある点の補償された周囲温度測定結果を生成するために、周囲温度の関数として熱電対列電圧ＶDETの補償を実行する。デジタルプロセッサ３４は、電圧Ｖ2を示す値から電圧Ｖ1を示す値を減算することによって、周囲温度を示す値を取得する。その結果、デジタルプロセッサ３４は、ＶDET及びＶCOMPを示す値を有することになる。これらの値からデジタルプロセッサ３４は、ＩＲセンサ１２によって観測される関心のある点の温度を示す補償された温度測定値を導出する。
【0020】
デジタルプロセッサ３４は、その補償された温度測定値を通信インタフェース３６へ供給し、通信インタフェース３６は、その値をモニタリング又は制御システム（図示せず）へ通信する。通信インタフェース３６による通信は、４〜２０ｍＡの間で変化するアナログ電流レベル、デジタル情報が４〜２０ｍＡの電流に変調されるＨＡＲＴ通信プロトコル、例えばフィールドバス（ＩＥＣ６１１５８）等のデジタルバスを介する通信プロトコル、或いは例えば無線ＨＡＲＴ（ＩＥＣ６２９５１）等の無線プロトコルを用いる無線ネットワークを介する無線通信を含む様々な公知の形式で行われ得る。
【0021】
図１に図示されている測定形態によって、熱電対列１６からのミリボルト信号、及びＲＴＤ周囲温度補償抵抗１８の抵抗は、例えばＥＭＦ補償が統合されたＲｏｓｅｍｏｕｎｔ３１４４Ｐ温度送信機等の温度送信機で用いられるような４線形態で共に測定され得る。これは、より高い信頼性を提供できる周囲温度補償のためのとても小さいＲＴＤをセンサ１２に実装することを可能にする。
【0022】
図２は、図１のＩＲスポットセンサ１０に類似し、信号プロセッサ３２が端子台２８の端子３にも接続されているＩＲスポットセンサ１０Ａが図示されている。当該実施例においてＶCOMPは、４線式測定というよりは、むしろ信号プロセッサ３２による３線式測定として測定される。励起回路３０が停止しているときには、信号プロセッサ３２は、端子１と端子４との間の電圧Ｖ1を測定する。励起回路３０が停止して補償抵抗１８に電流が流れないため、Ｖ1＝ＶDETとなる。励起回路３０が動作しているときには、信号プロセッサ３２は、端子１と端子３との間の電圧Ｖ2を測定する。励起電流ＩEXCがＲＴＤ１８に流れている間、端子１と端子３との間の電圧は、導線２４の導線抵抗Ｒ24にＩEXCが流れることによって生成される電圧降下をＶCOMPに加算した電圧に等しくなり、すなわちＶ2＝ＶCOMP＋ＩEXC・Ｒ24となる。
【0023】
この３線式測定は、導線誤差を含んでいるものの、その誤差はＲＴＤ１８の２線式測定の誤差よりも小さくなる。この３線式測定は、一の電圧測定値から他の電圧測定値を減算することなく補償値を提供する。
【0024】
本発明について例示的な実施形態を参照しながら説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形が可能であり、各構成要素を等価なものに置き換えることが可能であることは、当業者に理解されるであろう。さらに個々の状況又は材料を本発明の教示に適合するために、本発明の本質から逸脱することなく、多くの改良がなされ得る。それ故、本発明は、本明細書に開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内の全ての実施形態を含む。