JP2004157009A

JP2004157009A - Balanced type radiation temperature / emissivity measuring apparatus and method

Info

Publication number: JP2004157009A
Application number: JP2002322759A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nakabeppu; 修中別府
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a radiation temperature measurement method capable of measuring temperature, without being directly influenced by the variations and changes in the sensitivity of a thermal radiation sensor, and a method for finding emissivity at a temperature measurement site easily with a sufficient precision. <P>SOLUTION: Using the thermal radiation sensor, the sensor temperature is changed actively, and a state in which the sensor, an object to be measured, and a circumference environment equilibrium through thermal radiation, i.e. thermal radiation which goes into and out of the sensor become zero, is formed. By finding the sensor temperature (equilibrium temperature) when this zero state is formed, the surface temperature of the object to be measured is measured with a sufficient precision, and moreover the emissivity is found with a sufficient precision by combining a reflective type emissivity measurement method. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、遠隔温度計測、非接触温度計測、放射温度計測、放射率計測を行う装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射温度計測法とは、物質の発する熱放射を検出し非接触で被測定物の表面温度を計測する方法である。熱放射の強度を計測するセンサーには、熱型及び量子型がある。熱型センサーは熱放射に対する感度が低いが非冷却で使用できる簡便さを特徴とし、薄膜上に形成されたサーモパイル（熱電堆）等のセンサーによって被測定物からの熱放射を受けて放射熱伝達量を計測し、別途調べた被測定物の放射率を用い、ステファン・ボルツマンの法則に従い表面温度が算出される。一方、量子型センサーは冷却を必要とするが感度が高い特徴を持ち、被測定物からの熱放射のうち特定の波長の赤外線強度を計測し、別途調べた放射率の値を用い、プランクの法則に従い温度が算出される。
【０００３】
このように従来の放射温度計測法は、被測定物から検出器へ伝達される熱放射強度を計測し、別途求めた放射率の値を用い、熱放射の法則に従い温度を算出するものであり、温度計測精度は放射強度の絶対値計測精度、及び放射率の精度に直接依存している。
【０００４】
又、放射率は材質や表面状態、配置により大きく変化するため、温度計測の現場で放射率も測定することが重要である。従来技術では、温度及び放射率が不明な被測定物の放射率を求めるために、別の既知の熱放射源から発した熱放射が被測定物表面で反射しセンサーへ入射する量を測定する反射放射率計測法が利用可能であるが、既に被測定物からの熱放射を受けているセンサーへ別の熱放射源からの熱放射が重畳されるため、正確な計測が難しい状況である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０１−２４５１２５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−２５６８４８号公報
【０００７】
【非特許文献１】
小林正信，小野昇，「放射温度計測の基礎と応用」，熱物性，日本熱物性学会，１９９１年１月，第５巻，第１号，ｐ．１２１９
【０００８】
【非特許文献２】
架谷昌信，「最新伝熱計測技術」，初版，（株）テクノシステム，１９９２年２月１０日，ｐ．７１１１６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放射温度計測法では、正確な温度計則を行う上でセンサーの感度を正確に校正することが重要であるが、製品のばらつきや温度・湿度変化の影響、経年変化、光学系の劣化などの要因から、感度を常に既知の状態にしておくことは難しく、放射センサーを含む放射温度計測装置の校正を頻繁に行う必要が生じている。例えば、熱型センサーである市販のサーモパイルでは、個々の製品の電圧感度に３０％のばらつきがあり、個々の製品の校正を正確に行わなければ、精度を保った温度計測はできない。このため、熱放射センサーの感度のばらつきや変化に直接影響されずに、温度が計測可能な放射温度計測法が求められている。
【００１０】
又、温度及び放射率が不明な被測定物の場合、温度と共に放射率も計測する必要があるが、原理的には放射率を求める手法である上述の反射式放射率計測法は、実際には、被測定物からの熱放射を既にセンサーが受けてある出力を出している状況であり、別の熱放射源から照射され被測定物上で反射した熱放射をセンサーが受ける場合、出力の増加分を正確に測ることが難しく、精密な放射率計測が難しくなっている。このため、温度計測の現場で放射率を簡便に精度良く求める手法も求められている。
【００１１】
本発明は、熱型放射センサーを利用し、センサー温度を能動的に変化させ、熱放射を通してセンサーと被測定物、周囲環境が平衡する状態、すなわちセンサーへ出入りする熱放射がゼロとなる状態を作り出し、この時のセンサー温度（平衡温度）を求めることで、被測定物の表面温度を精度良く計測する平衡式放射温度計測の方法及び装置を提供すること、及び、この平衡式放射温度計測法に反射式放射率計測法を組合わせて精度良く放射率を求める平衡式反射放射率計測の方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
被測定物の温度、放射率をＴ_０、ε_０、既知の周囲環境の温度、放射率をＴ_∞、ε_∞（＝１）、センサーの温度、放射率をＴ_ｓ、ε_ｓとすると、熱放射によりセンサーに出入りする熱伝達量Ｑ_ｓは次のようになる。
【００１３】
Ｑ_ｓ＝Ａ｛ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４−Ｔ_ｓ ^４｝…（式１）
尚、センサー面積をＡ_ｓ、形態係数をＦ_ｓ、ステファン・ボルツマン定数をσとすると、Ａ＝Ａ_ｓＦ_ｓε_ｓσであり、Ａをセンサーの感度と呼ぶ。
【００１４】
従来の放射温度計測では、センサー温度が周囲温度と一致しており、
Ｑ_ｓ＝Ａε_０｛Ｔ_０ ^４−Ｔ_∞ ^４｝…（式２）
となり、既知のＡとε_０、Ｔ_∞を使い、計測値Ｑ_ｓからＴ_０を算出する。ここで、センサーの計測感度ＡにΔＡの変化が生じると計測値はΔＱ_ｓの変化を受け、ΔＱ_ｓ／Ｑ_ｓ＝ΔＡ／Ａなる関係が成立し、センサー感度の変化は計測値に直接影響を及ぼす。
【００１５】
しかし、本願発明のようにセンサー温度を変化させて、Ｑ_ｓ＝０となる平衡状態を実現した場合、Ａに因らず、
Ｔ_ｓ ^４＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４ …（式３）
なる関係が成り立つため、既知のＴ_∞、ε_０を使いＴ_ｓを測定することでＴ_０が求められる。このように、熱伝達量Ｑ_ｓが０であることを判定することで、放射センサーの計測感度Ａとは無関係に被測定物の温度が決定されるため、センサー感度が変化しても温度計測の結果には影響が無く、又、センサー感度が決定されていなくても温度計測が可能である。
【００１６】
一方、放射率ε_０が未知の被測定物の温度を計測する場合においては、放射率も計測する必要がある。不透明物質では放射率εと反射率ρの間にε＋ρ＝１なる関係があるため、放射率が既知である放射源からの熱放射が、被測定物上で反射してセンサーに検出される量を測ることで放射率ε_０を求めることができる（反射式放射率計測法）。熱放射源を計測系に配置し、熱放射源の等価温度をＴ_ｅｘ、被測定物から見た半球面にしめる熱放射源の面積の比をｆ_ｅｘとすると、センサーが受ける放射熱伝達量Ｑｓ’は次式に書き換えられる。
【００１７】
Ｑ_ｓ’＝Ａ｛ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）（１−ｆ_ｅｘ）Ｔ_∞ ^４＋（１−ε_０）ｆ_ｅｘＴ_ｅｘ ^４−Ｔ_ｓ ^４｝
特に、熱放射源が小さくｆ_ｅｘ≪１であると次式となる。
【００１８】

尚、Ｔ_ＥはＴ_Ｅ ^４＝ｆ_ｅｘＴ_ｅｘ ^４なる放射源の等価温度とする。
【００１９】
従来法では熱放射源を計測系に入れたことでセンサーへ入射する熱伝達量Ｑ_ｓ’は、ΔＱ_ｓ＝Ａ（１−ε_０）Ｔ_Ｅ ^４ …（式５）
だけ増加（ΔＱ_ｓ＝Ｑ_ｓ’−Ｑ_ｓ）するため、既知のＴ_Ｅ ^４と熱伝達量増加分ΔＱ_ｓを測定することで、ε_０が求められる。しかしながら、この方法では、Ａの変動は結果に直接影響するうえ、Ｑ_ｓ≫ΔＱ_ｓである場合には、ΔＱ_ｓの計測自体が困難である。
【００２０】
一方で本願発明のように既にＱｓ＝０となる平衡が成立している状態に熱放射源を加え、新たな平衡状態を作った場合には、新たなセンサー温度Ｔ_ｓ’は、
Ｔ_ｓ’＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_Ｅ ^４ …（式６）
であって、その変化（ΔＴ_ｓ＝Ｔ_ｓ’−Ｔ_ｓ）は、
ΔＴ_ｓ＝（１−ε_０）Ｔ_Ｅ ^４／（４Ｔ_ｓ ^３）…（式７）
となり、既知のＴ_Ｅ ^４と測定したＴ_ｓ、ΔＴ_ｓから、ε_０が求められる。ここで、再び、センサー感度Ａは不要であり、センサー温度を正確に測ることでε_０が精度良く測定される。
【００２１】
発明者は、上記の事実に基づいて、検出器を熱流束計測素子、温度計測素子、温度変化素子を有する複合センサーとし、被測定物と向き合った当該検出器の温度を変化させ、当該検出器に出入りする放射熱伝達が無い平衡状態を作り出し、この時の検出器温度を測ることで、被測定物の表面温度を測定すること、さらに、この平衡状態に別の熱放射源を加え、既知の熱放射が被測定物上で反射し、検出器が新たな平衡状態に移行する時の温度変化を測り被測定物の放射率を精度良く測定することを着想し、本願発明をするに至った。本願発明における計測方法には、フィードバック式と温度変調式の２通りの方法が挙げられる。
【００２２】
フィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置の発明は、被測定物の発する熱放射を利用し非接触で当該被測定物の表面温度を計測する非接触式温度測定装置において、熱流束計測素子、温度計測素子、温度変化素子を有する検出器と、当該熱流束計測素子からの出力に比例した電力を当該温度変化素子に供給するフィードバック温度変化素子制御手段と、当該温度計測素子からの出力を測定して処理演算する温度算出手段とを具備する平衡式放射温度計測装置である。
【００２３】
さらに、フィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置の発明は、当該平衡式放射温度計測装置に加えて、熱放射源を具備する平衡式放射温度・放射率計測装置とすることができ、この熱放射源は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子と当該熱放射素子の熱放射量を制御する制御手段とすることができる。
【００２４】
上記フィードバック式の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置の温度変化素子が、抵抗体ヒータのような電圧の二乗に比例する熱量を発生するものである場合には、フィードバック温度変化素子制御手段は、アンプと平方根回路とパワーアンプ（電源）とを有するものとすることができる。尚、アンプと平方根回路は、熱流束計測素子の電圧出力の平方根を増幅する平方根形増幅器とすることができる。
【００２５】
上記フィードバック式の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置の温度変化素子が、ペルチェ素子のように電流に比例する熱量を発生するものである場合には、フィードバック温度変化素子制御手段は、アンプとパワーアンプ（電源）とを有するものとすることができる。尚、アンプは、熱流束計測素子の電圧出力を単純に増幅する線形増幅器とすることができる。
【００２６】
又、変調式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置の発明は、被測定物の発する熱放射を利用し非接触で当該被測定物の表面温度及び放射率を計測する平衡式放射温度計測装置において、熱流束計測素子、温度計測素子、温度変化素子を有する検出器と、当該温度変化素子へ変調電流を供給する温度変調回路と、熱流束計測素子及び温度計測素子からの出力を計測して処理演算する温度算出手段とを具備する平衡式放射温度計測装置である。
【００２７】
さらに、温度変調式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置の発明は、当該平衡式放射温度計測装置に加えて、熱放射源を具備する平衡式放射温度・放射率計測装置とすることができ、この熱放射源は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子と当該熱放射素子の熱放射量を制御する制御手段とすることができる。
【００２８】
上記温度変調式の計測方法を用いた平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置の温度変化素子が、抵抗体ヒータのような電圧の二乗に比例する熱量を発生するものである場合には、温度変調回路は、変調信号発生器（変調回路）と平方根回路（平方根形増幅器）とパワーアンプ（電源）とを有する態様とすることができ、温度変化素子がペルチェ素子のように電流に比例する熱量を発生する場合には、温度変調回路は、パワーアンプ（電源）と変調信号発生器（変調回路）とを有するものとすることができ、さらに線形増幅器を有する態様とすることができる。
【００２９】
本発明における温度計測素子は、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体から選択される１の温度計測素子とすることができ、熱流束計測素子は、サーモパイル、差動測温抵抗体、差動熱電対から選択される１の熱流束計測素子とすることができる。さらに、熱放射素子は小型で高温となる金属フィラメントとすることができる。
【００３０】
尚、本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置は、放射温度測定と放射率とを測定する装置であるが、放射率測定のみを行う放射率計測装置とすることも可能である。
【００３１】
次に本発明のフィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測方法の発明は、熱流束計測素子と、温度変化素子、温度計測素子とを有する検出器を備えた平衡式放射温度計測装置によって、非接触で被測定物の表面温度、及び放射率を計測する計測方法であって、温度計測においては、被測定物から検出器への放射熱伝達量を当該熱流束計測素子によって検出する操作と当該検出された放射熱伝達量に比例した発熱を当該温度変化素子によって当該検出器に与える操作とを繰り返すフィードバックステップと、当該検出器の温度（平衡温度）を当該温度計測素子によって測定する検出器温度計測ステップと、被測定物の放射率と周囲環境温度と当該検出器の平衡温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる平衡式放射温度計測方法である。
【００３２】
このフィードバックステップは、熱流束計測素子からの出力を増幅し、平方根演算を行うものとすることができる。
【００３３】
この温度計測方法は、フィードバックステップと検出器温度計測ステップとを同時に行い、被測定物の温度が経時的に変化している場合等において、被測定物の温度変化を測定する方法とすることができる。
【００３４】
又、本発明の変調式の温度計測方法の発明は、熱流束計測素子と、温度変化素子、温度計測素子とを有する検出器を備えた平衡式放射温度計測装置によって、非接触で被測定物の表面温度を計測する計測方法であって、当該検出器の温度を変調させる温度変調ステップと、被測定物から伝わる放射熱伝達量及び当該検出器の温度を当該熱流束計測素子及び温度計測計測素子を用いて測定する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップと、放射熱伝達量が０になるときの検出器の温度を記録し、被測定物の放射率と周囲環境温度と当該検出器の記録された温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる温度計測方法である。
【００３５】
この温度変調ステップにおいては熱流束計測素子からの出力を増幅して平方根演算を行うようにすることができる。本発明の変調式の温度計測方法によって被測定物の温度変化を測定するようにすることができる。
【００３６】
本発明の放射率計測方法は、被測定物へ熱放射素子から熱放射を照射した状態としていない状態で上述の温度計測方法（フィードバック式、温度変調式）を実施して、平衡状態の検出器温度を算出し、平衡温度の差から放射率を測定する測定方法である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置に用いる検出器について説明する。
【００３８】
検出器は、熱放射による熱伝達を検出する熱流束検出機能、自身の温度を上昇、下降させる温度変化機能、自身の温度を検出する温度検出機能を有していればよいが、好適には本発明の検出器は、熱流束計測素子と、温度変化素子、温度計測素子とからなる複合センサーである。
【００３９】
熱流束計測素子は、放射熱伝達量の計測における熱型の検出機構であって、サーモパイル（熱電堆）や差動測温抵抗体、差動熱電対を用いることができる。又、検出器は、背面や側面からの熱流束計測素子への不要な熱放射の出入りを防ぐため、被測定物を向いた開口を残し、検出器温度と等しい一様な温度の熱放射遮蔽壁で取り囲む構造が望ましい。
【００４０】
温度変化素子は、検出器の温度を変化させるものであって、室温より高温の被測定物を計測する場合には抵抗体ヒータが、室温より低温又は高温の被測定物を計測する場合にはペルチェ素子を用いることができる。又、温度計測素子は、検出器自身の温度を検出するものであって、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体を用いることができる。
【００４１】
本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置においては、さらに熱放射源を具備するが、熱放射源は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子と当該熱放射素子の熱放射量を制御する制御手段とすることができ、この熱放射素子は小型であり、又、必要に応じて所定の熱放射を被測定物へ照射できる機能を持つ必要があり、好ましくは、熱放射素子は小型で十分高温になる金属フィラメントを用いることができる。
【００４２】
上記の複合センサによって被測定物の表面温度を非接触遠隔計測するには、検出器温度を操作する必要があり、発明者はその方法として、フィードバック式と温度変調式の２つの方法を挙げている。
【００４３】
フィードバック式では、まず、被測定物及び周囲環境と熱流束計測素子の間の放射熱伝達量を計測し、これに比例した発熱を検出器に与えるフィードバック操作を行う。発熱量が十分であれば、この操作により熱流束計測素子は被測定物及び周囲環境と平衡し、上記（式３）にあるようにＴ_ｓ ^４＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４なる関係が成立し、この時の検出器の温度（平衡温度）を計測し、被測定物の放射率、周囲環境温度を使って被測定物の温度が算出される。特に放射率（ε_０）が１に極めて近い場合は、平衡温度を被測定物温度としても良い。詳細はさらに後述する。
【００４４】
温度変調式では、予想される被測定物の温度を挟み込むように検出器の温度を上昇、下降（変調）させる。この時、放射熱伝達量は、検出器温度がＴ_ｓ ^４＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４なる関係が成立する平衡温度よりも高ければ負の値となり、低いと正の値となる。放射熱伝達量と、検出器温度を同時に計測し、放射熱伝達量が０になる時の検出器温度を求め、上の式により被測定物の温度が測定される。詳細はさらに後述する。
【００４５】
上記２種類の計測方法を用いた平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置では、検出器については同じものを用いることができるが、その他の構成は計測方法によって異なってくるので分けて説明する。
【００４６】
先ず、フィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置においては、検出器と、検出器上の熱流束計測素子からの出力に比例した発熱を前記温度変化素子で生じさせるフィードバック温度変化素子制御手段と、検出器上の温度計測素子からの出力を測定して処理演算する温度算出手段とを有している。
【００４７】
フィードバック温度変化素子制御手段（「フィードバック回路」とする場合がある）は、熱流束計測素子からの出力に比例した発熱を温度変化素子に生じさせるものであればよいが、熱流束計測素子からの出力を増幅するため、アンプを設けることができる。さらに、温度変化素子の発熱が電圧の二乗に比例する（Ｑ＝Ｖ^２／Ｒ）もの（例えば抵抗体ヒータ）である場合には、熱流束計測素子からの出力を平方根演算する平方根回路を設けることができ、温度変化素子の発熱が電流に比例するものである場合（例えばペルチェ素子）には、平方根回路は用いない。
【００４８】
又、フィードバック回路では、温度変化素子へ電力を供給するためのパワーアンプを設けることができる。これらは、熱流束計測素子側からアンプ→平方根回路→パワーアンプの順番で配置されるのが好ましい。尚、平方根回路が設けられない場合には、熱流束計測素子の側からアンプ→パワーアンプの順番で配置されることが望ましい。
【００４９】
フィードバック式における温度算出手段（「フィードバック式温度算出手段」とする場合がある）は、温度計測素子からの出力から得られる検出器温度データと、周囲温度と、被測定物の放射率とから被測定物の温度を演算する手段とすることができ、これは温度計測素子に対応した従来の計測装置と、パーソナルコンピュータとを組合せた装置とすることができるし、両方の機能を有する一つの装置としてもよい。しかし、フィードバック式温度算出手段による当該演算を行わず、検出器温度データのみを得る手段とすることも可能であり、この場合には検出器で用いる温度計測素子に対応した従来の計測装置で十分である。
【００５０】
一方で、温度変調式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置においては、検出器と、検出器上の温度変化素子へ変調電流を供給する温度変調回路と、検出器上の熱流束計測素子及び温度計測素子からの出力を測定して処理演算する温度算出手段とを有している。
【００５１】
温度変調回路は、検出器上の温度変化素子へ変調電流を供給するものであれば十分であるが、好ましくは、変調信号を発生させる信号発生器と、パワーアンプと、必要であれば、平方根回路とを有する。信号発生器は変調された電圧を発生するものであり、パワーアンプは温度変化素子へ電力を供給するためのものである。平方根回路は、フィードバック式における場合と同様であり、温度変化素子の発熱が電圧の二乗に比例する（Ｑ＝Ｖ^２／Ｒ）もの（例えば抵抗体ヒータ）である場合には、信号発生器が生成した変調信号と比例した検出器の温度変調を得るために平方根回路を設けることができ、温度変化素子の発熱が電流に比例するものである場合（例えばペルチェ素子）には、平方根回路は用いない。これらは、信号発生器→平方根回路→パワーアンプ（温度変化素子側）の順であることが好ましい。尚、平方根回路が設けられない場合には、信号発生器→パワーアンプ（温度変化素子側）の順であることが好ましい。又、温度変調回路は、予想される被測定物温度にあわせて、適当な周期、振幅で検出器の温度が変調できるように操作できることが好ましい。
【００５２】
温度変調法における温度算出手段（「温度変調式温度算出手段」とする場合がある）は、検出器上の熱流束計測素子及び温度計測素子からの出力を測定しており、熱流束計測素子の測定値を監視し、放射熱伝達量の測定値が０となるときの温度計測素子の測定値データと、周囲温度と、被測定物の放射率とから被測定物の温度を演算する手段とすることができる。温度変調式温度算出手段は、検出器で用いる熱流束計測素子、温度計測素子に対応した従来の計測装置とパーソナルコンピュータ等を組合せて用いることができるが、両方の機能を有する一つの装置としてもよい。しかし、温度変調式温度算出手段によって測定値データと、周囲温度と、被測定物の放射率とから被測定物の温度を演算する過程を行わず、温度計測素子の測定値データのみを得るようにする手段とすることも可能である。
【００５３】
さらに、平衡式放射温度・放射率計測装置放射率の計測方法は、フィードバック式又は温度変調式のいずれかの方法で検出器の平衡温度が計測されている状態で、所定の強度の熱放射を熱放射源から被測定物に向けて照射し、検出器の平衡温度の変化量を測定し、上記（式７）にあるように、ΔＴ_ｓ＝（１−ε_０）Ｔ_Ｅ ^４／（４Ｔ_ｓ ^３）なる関係から放射率（ε_０）が測定される。
【００５４】
ここで具体的な温度、放射率計測方法についてさらに詳細に説明する。
【００５５】
先ず、フィードバック式の温度計測方法では、被測定物からの放射熱伝達量を検出する操作と当該検出された放射熱伝達量に比例した発熱を前記検出器に与える操作とを繰り返すステップ（本発明においては、「フィードバックステップ」とする）と、検出器の温度を計測する検出器温度測定ステップと、放射率と周囲温度と検出器温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる。
【００５６】
フィードバックステップにおいて、被測定物からの放射熱伝達量を検出する操作は検出器の熱流束計測素子によって行うことができ、当該検出された放射熱伝達量に比例した発熱を検出器に与える操作はフィードバック回路と温度変化素子によって行うことができる。すなわち、熱流束計測素子によって被測定物の放射熱伝達量を検出してフィードバック回路に出力し、フィードバック回路はその出力に比例した発熱を温度変化素子に生じさせる。この操作を繰り返すことによって、検出器の温度は平衡温度と極近い値となる。尚、フィードバック回路は熱流束計測素子からの出力信号を増幅することや、熱流束計測素子の信号に比例した発熱を温度変化素子で生じるために信号の平方根演算を行う場合がある。
【００５７】
検出器の温度を測定する検出器温度測定ステップにおいて、検出器の温度を検出することは温度計測素子によって行うことができる。
【００５８】
フィードバック式における温度算出ステップ（「フィードバック式温度算出ステップ」とする場合がある）においては、上記の（式３）に記載されているように、検出器温度測定ステップで測定された検出器の平衡温度と被測定物の放射率、周囲環境温度からＴ_ｓ ^４＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４なる関係に従い、被測定物温度を処理演算する。この処理演算はフィードバック式温度算出手段によって行うことができるが、当該手段では演算を行わずに温度計測素子からの出力を測定して表示するのみとすることができ、その場合には演算は別手段によって行われる。
【００５９】
尚、検出器温度測定ステップ及びフィードバック式温度算出ステップは、前述のフィードバックのステップを繰り返している間も行うことができるので、被測定物の温度が変化する場合であっても、その温度変化を測定することができる。
【００６０】
次に温度変調式の温度計測方法は、検出器の温度を変調させるステップ（本発明においては、「温度変調ステップ」とする）と、熱流束検出素子へ入射する放射熱伝達量及び検出器の温度を測定する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップと、この放射熱伝達量が０になるときの検出器の温度を記録し、放射率と周囲温度と検出器温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる。
【００６１】
温度変調ステップは、温度変調回路によって行うことができる。すなわち、温度変調回路から温度変化素子へ変調電流を供給する。尚、温度変調回路は、信号発生器で変調信号を発生させ、発生した信号を必要であれば平方根回路によって平方根演算し、その信号によってパワーアンプより温度変化素子へ電力を供給することができる。
【００６２】
被測定物から伝達される放射熱伝達量及び検出器の温度を測定する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップは、熱流束計測素子と温度計測素子と温度変調式温度算出手段とによって行うことができる。すなわち、放射熱伝達量は熱流束計測素子によって検出され、検出器の温度は温度計測素子によって検出され、それぞれからの信号が温度変調式温度算出手段によって計測される。
【００６３】
温度変調式における温度算出ステップ（「温度変調式温度算出ステップ」とする場合がある）においては、熱流束計測素子に出入りする放射熱伝達量が０になるときの検出器の温度（平衡温度）を記録し、前の放射熱伝達量・検出器温度測定ステップで測定したデータを処理することで放射熱伝達量の測定値が０となるときの被測定物温度の測定値を得る。このステップは温度変調式温度算出手段によって行うことができるが、当該手段ではデータ処理を行わずに熱流束素子と温度計測素子からの出力を測定して表示するのみとすることができ、その場合にはデータ処理は別手段によって行われる。
【００６４】
尚、当該データ処理を行なわずに、温度計測素子の測定値データのみを得るようにすることも可能である。
【００６５】
あらかじめ設定された温度変調範囲での測定で放射熱伝達量の測定値が０とならない場合には、放射熱伝達量が正であれば温度変調範囲を高温側へ移動し、放射熱伝達量が負であれば温度変調範囲を定温側へ移動する操作を繰り返し、記録ステップにおいて放射熱伝達量の測定値が０となるときの温度計測素子の測定値が得られるまで行われる。
【００６６】
温度変調式温度算出ステップにおいては、上記の（式３）に記載されているように測定された検出器の平衡温度（Ｔ_ｓ）と被測定物の放射率（ε_０）、周囲環境温度（Ｔ_∞）からＴ_ｓ ^４＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４なる関係に従い、被測定物の温度を算出する。
【００６７】
被測定物の放射率が未知な場合には放射率（ε_０）を計測する必要がある。放射率計測は、フィードバック式又は温度変調式により熱流束計測素子へ出入りする熱流束が０となる検出器温度（平衡温度）を求めた後、既知の等価温度を持つ放射源から熱放射を被測定物に照射し、再び、フィードバック式又は温度変調式により新たな検出器の平衡温度を求める。上記の（式７）に記載されているように、放射源からの熱放射が行われたことによる検出器の平衡温度の変化ΔＴ_ｓ、検出器温度Ｔ_ｓ、既知の放射源の等価温度Ｔ_Ｅから被測定物の放射率ε_０がΔＴ_ｓ＝（１−ε_０）Ｔ_Ｅ ^４／（４Ｔ_ｓ ^３）なる関係に基づき測定される。ここで、放射源の等価温度（Ｔ_Ｅ）は、既知の放射率を持つ参照試料によりあらかじめ校正されて決定されるものである。
【００６８】
【実施例】
以下、実際の測定結果を含めてさらに具体的な実施例について図を用いて説明する。
【００６９】
図１は本発明の平衡式放射温度計測・放射率計測装置による非接触式の温度計測・放射率計測方法の概要を示した説明図である。
【００７０】
被測定物及び検出器１、放射源５は既知温度の周囲環境内（Ｔ_∞、ε_∞＝１）にあり、被測定物の放射率（ε_０）が既知の場合には、放射源温度は周囲環境温度と等しくし、以下の１回の計測で被測定物温度が計測される。又、被測定物の温度及び放射率（Ｔ_０、ε_０）が未知の場合、放射源５の温度を周囲環境温度（Ｔ_∞）と等しくする場合と所定の等価温度にする場合の２回の計測で、放射率と温度（Ｔ_０、ε_０）が測定される。
【００７１】
まず、放射率（ε_０）が既知の場合、放射源５は周囲環境と同温度とする。熱流束計測素子２では、被測定物から放射された熱放射と、周囲環境から放出され被測定物上で反射した熱放射と、自分自身が放出した熱放射による放射熱伝達が検出され、温度変化素子３によって検出器１の温度を変化させて、熱流束計測素子２の信号が０となるとき、すなわち検出器１がこの系内で平衡状態にあるときの検出器１の温度（平衡温度）を温度計測素子４によって検出する。
【００７２】
平衡状態にあるときには、検出器温度（Ｔ_ｓ）、被測定物温度（Ｔ_０）、周囲環境温度（Ｔ_∞）には上記（式３）にあるように、Ｔ_ｓ ^４＝ε_０Ｔ_０ ^４＋（１−ε_０）Ｔ_∞ ^４なる関係があり、既知の放射率（ε_０）、周囲環境温度（Ｔ_∞）と検出器の平衡温度（Ｔ_ｓ）から被測定物温度（Ｔ_０）が算出される。
【００７３】
次に、被測定物の放射率（ε_０）が未知の場合、まず、上述の方法で、放射源が周囲環境温度と同温度（Ｔ_∞）の場合の計測を行う。次に、放射源５の温度を所定の等価温度（Ｔ_Ｅ）に上げ、規定量の熱放射が被測定物に照射される状態とする。この状態で再び、検出器１の温度を変え、熱流束計測素子２の信号が０となる時の検出器１の温度（Ｔ_ｓ）を温度計測素子４で検出する。放射源温度を上げる前後の検出器１の温度変化（ΔＴ_ｓ）、検出器温度（Ｔ_ｓ）、等価放射源温度（Ｔ_Ｅ）から、（式７）にあるように、ΔＴ_ｓ＝（１−ε_０）Ｔ_Ｅ ^４／（４Ｔ_ｓ ^３）の関係に従い被測定物の放射率（ε_０）が算出され、その後、検出器温度（Ｔ_ｓ）及び周囲環境温度（Ｔ_∞）、放射率（ε_０）から上述のように被測定物の温度（Ｔ_０）が算出される。
【００７４】
図２は、検出器１の第一の実施形態を示した断面図である。サーミスタ４’を同封した市販のサーモパイル２’に熱放射遮蔽筒６と電気ヒータ（抵抗体ヒータ３’）を組合わせる形態である。検出器１の背面や側面からサーモパイル２’への不要な熱放射の出入りを防ぐため、被測定物を向いた開口を残し、検出器温度と等しい一様な温度の熱放射遮蔽壁で取り囲む構造である。
【００７５】
図３は、検出器１の第２の実施形態であって（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。温度計測素子４として熱電対４’’を、熱流束検出素子２として薄膜上にサーモパイル２’を、温度変化素子３として抵抗体ヒータ３’を配置したものである。このように配置することにより、熱流束検出素子２へ背面や側面から出入りする熱放射による熱伝達が無くなり、測定誤差を少なくすることができる。
【００７６】
以下、フィードバック式及び温度変調式の測定方法を用いるための手段や、具体的な実施例、さらにそれによって実際に計測した結果を示す。
【００７７】
（実施例１フィードバック式）
図４は、フィードバック式温度変化素子制御手段（フィードバック回路１０）の構成を示した概略図である。温度計測素子４、熱流束計測素子２、温度変化素子３として、それぞれサーミスタ４’、サーモパイル２’、抵抗体ヒータ３’を用いた。又、検出器１は横断面を図示した。サーモパイル２’から出力された電圧は、アンプ１１により増幅され、さらに平方根回路１２によって平方根演算された後、パワーアンプ１３によってサーモパイル出力に比例した電力が抵抗体ヒータ３’に供給される。尚、フィードバック式温度算出手段１４は図示されていないが、図中の矢印の先にあり、サーミスタ４’と接続されている。熱放射源５は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子５’と当該熱放射素子５’の熱放射量を制御する放射熱源制御手段とした。尚、当該放射熱源制御手段は図示していない。
【００７８】
サーモパイル２’による放射熱伝達量の測定、フィードバック回路１０による処理、抵抗体ヒータ３’による加熱が、連続的に行われることによってサーミスタ４’により検出される検出器１の温度は平衡温度に近づいていく。サーモパイル２’からの出力が０であるときの検出器１の温度が平衡温度であるが、サーミスタ４’の計測値が収束する値を平衡温度とすることも可能である。平衡温度（Ｔ_ｓ）、被測定物の放射率（ε_０）、周囲環境温度（Ｔ_∞）から被測定物の温度が求められる。本測定方法では、被測定物の温度が経時的に変化している場合でも、平衡温度を経時的に測定することで、その変化を追跡することが可能である。
【００７９】
図５は本発明の平衡式放射温度計測装置においてフィードバック式で検出した計測結果を示したグラフである。被測定物は、ヒーターと温度計測素子を備えた真鍮板の表面を黒くペイントしたもの（四角のプロット、ε_０＝０．９２）と研磨したもの（丸のプロット：ε_０＝０．０７４）である。ヒーターによって被測定物の温度を変化させ被測定物の実際の温度は、内蔵した温度計測素子によって計測し、平衡式放射温度計測装置による測定値と比較した。
【００８０】
縦軸が平衡式放射温度計測装置によって計測した値であり、横軸が実際の被測定物の温度である。室温は２５℃であった。尚、グラフの左端角から右端角に伸びる線は、測定温度と被測定物温度とが正確に等しい場合を表しており、測定誤差を視覚的に把握するために補助的に引かれたものである。白抜きのシンボルは検出器の平衡温度を示し、中塗りのシンボルは平衡温度、放射率、周囲環境温度から算出された温度を示している。
【００８１】
黒ペイント面の場合には、ほぼ正確に被測定物の温度が計測されており、研磨面の場合にも平衡温度が周囲環境温度に近く難しい計測にもかかわらず、良く被測定物の温度が計測されていることがわかる。抵抗体ヒータ３’は、温度を下降させることができないため、室温以下の被測定物の計測はできないが、温度変化素子として冷却が可能なもの（例えばペルチェ素子）を用いることで、被測定物温度が室温よりも低い場合についても計測することが可能である。
【００８２】
（実施例２温度変調式）
図６は、温度変調回路２０の構成を示した概略図である。温度計測素子４、熱流束計測素子２、温度変化素子３として、それぞれサーミスタ４’、サーモパイル２’、抵抗体ヒータ３’を用いた。又、検出器１は横断面を図示した。尚、図面には温度変調式温度算出手段２４は図示されていないが、温度変調式算出手段２４は、サーミスタ４’及びサーモパイル２’と接続されている。熱放射源５は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子５’と当該熱放射素子５’の熱放射量を制御する放射熱源制御手段とした。尚、当該放射熱源制御手段は図示していない。
【００８３】
温度変調回路２０は、変調信号を発生する信号発生器２１と、平方根回路２２と、パワーアンプ２３で構成される。信号発生器２１で変調信号が発生され、発生した信号が平方根回路２２によって平方根演算された後、変調信号に比例した電力がパワーアンプ２３によって抵抗体ヒータ３’に供給される。サーミスタ４’と、サーモパイル２’からの出力は、温度変調式温度算出手段２４によって計測される。温度変調式温度算出手段は測定値を監視しておりサーモパイル２’からの出力が０になるときのサーミスタ４’による検出器１の温度の測定値が平衡温度であり、放射率、周囲環境温度と併せ被測定物の温度が算出される。
【００８４】
被測定物の放射率が未知な場合は、熱放射源から所定の熱放射を被測定物に照射した状態で、再び、検出器１の平衡温度を測り、平衡温度の変化分、検出器温度、等価放射源温度から放射率を算出する。
【００８５】
以上の実施例においては、温度変化素子３として抵抗体ヒータ３’を用いたが、ペルチェ素子を用いた場合には、平方根回路１２、２２を除いて回路を形成することによって同様の計測を行うことができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明により、熱放射の強度を測る計測器の計測感度が変化しても、又不正確であっても、被測定物の温度を非接触で正確に計測することができる。又、被測定物の放射率の情報がない場合でも、反射放射率計測法を組み合わせ、簡便に精度良く放射率を測定できる。このため、放射率と温度が不明な製造プロセス中の部材に対して表面温度がその場で計測でき、又、化粧や発汗の有無等の表面状態の違いによる放射率を実測し皮膚温度を正確に測る温度計等が実現可能であり、工業や医療に貢献する種々の製品の開発に利用できる。
【００８７】
医療においては、既に鼓膜の温度を放射温度計測法で調べる乳幼児用体温計が市販されているが、特に、額や頬、体表面等の温度をを非接触で素早く正確に測る用途に本発明は適している。すなわち、体表面の放射率は、統計的に調べられてはいても、化粧を施したり、汗をかいている等の条件で変化するため、放射率をその場で計測し正確な温度を安定して測定できる本発明が有効である。
【００８８】
室内の空調では、空調機内で計測した温度をもとに室内の温度管理が行われる。しかし、空調機内の気温を調べるだけでなく、床面や壁面の温度を調べ、室温の管理をするほうが快適性の向上につながる。ここで、さまざまな条件、材質を有する床面や壁面の温度を非接触で計測する場合、放射率をその場で計測し、対象の温度を正確に測れる本発明が有効である。
【００８９】
又、人工衛星から地球を観測する場合の１つの手段として赤外線センサによって地表の状態を観測する手法があるが、長期に渡り地表の温度を正しく測るためには、センサーの感度の変化の影響を受けないことが重要であり、感度の維持が難しい熱放射センサーの感度変化には影響を受けずに対象の温度が計測できる本発明の計測方法が有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による非接触式の温度計測・放射率計測方法の概要を示した説明図である。
【図２】検出器の第１の実施形態を示した説明図である。
【図３】検出器の第２の実施形態を示した説明図であり、（ａ）は正面図であって、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】フィードバック回路の構成を示した概略図である。
【図５】フィードバック式で検出した計測結果を示したグラフである。
【図６】温度変調回路の構成を示した概略図である。
【符号の説明】
１検出器
２熱流束計測素子
２’ サーモパイル
３温度変化素子
３’ 抵抗体ヒータ
４温度計測素子
４’ サーミスタ
４’’ 熱電対
５熱放射源
５’ 熱放射素子
６熱放射源遮蔽筒
１０フィードバック回路
１１アンプ
１２平方根回路
１３パワーアンプ
１４フィードバック式温度算出手段
２０温度変調回路
２１信号発生器
２２平方根回路
２３パワーアンプ
２４温度変調式温度算出手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and a method for performing remote temperature measurement, non-contact temperature measurement, radiation temperature measurement, and emissivity measurement.
[0002]
[Prior art]
The radiation temperature measurement method is a method of detecting heat radiation emitted from a substance and measuring the surface temperature of an object in a non-contact manner. Sensors that measure the intensity of thermal radiation include thermal and quantum types. Thermal sensors have low sensitivity to heat radiation, but are characterized by the simplicity of use without cooling, and receive heat radiation from the object to be measured by a sensor such as a thermopile (thermopile) formed on a thin film to transfer radiant heat. The surface temperature is calculated according to Stefan-Boltzmann's law by measuring the amount and using the emissivity of the object to be measured separately. On the other hand, quantum sensors require cooling but have the feature of high sensitivity, measure the infrared intensity of a specific wavelength out of the heat radiation from the object to be measured, and use the separately measured emissivity value to calculate Planck's The temperature is calculated according to the law.
[0003]
As described above, the conventional radiation temperature measurement method measures the heat radiation intensity transmitted from the object to be measured to the detector, and calculates the temperature according to the law of heat radiation, using a separately obtained emissivity value. The accuracy of temperature measurement directly depends on the accuracy of absolute value measurement of radiation intensity and the accuracy of emissivity.
[0004]
Further, since the emissivity greatly varies depending on the material, surface condition, and arrangement, it is important to measure the emissivity at the site of temperature measurement. In the related art, in order to determine the emissivity of an object whose temperature and emissivity are unknown, the amount of heat radiation emitted from another known heat radiation source is reflected on the surface of the object and enters the sensor. Although the reflected emissivity measurement method can be used, accurate measurement is difficult because heat radiation from another heat radiation source is superimposed on a sensor that has already received heat radiation from the device under test.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-01-245125
[0006]
[Patent Document 2]
JP 2000-256848 A
[0007]
[Non-patent document 1]
Masanobu Kobayashi, Noboru Ono, "Basics and Application of Radiation Temperature Measurement," Thermophysical Properties, Japan Society for Thermophysical Properties, January 1991, Vol. 5, No. 1, p. 12 19
[0008]
[Non-patent document 2]
Masanobu Kaya, "Latest Heat Transfer Measurement Technology", First Edition, Techno System Co., Ltd., February 10, 1992, p. 71 116
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional radiation temperature measurement method, it is important to calibrate the sensitivity of the sensor accurately in order to perform an accurate thermometer rule.However, variations in products, the effects of temperature and humidity changes, aging, and deterioration of optical systems Due to such factors, it is difficult to always keep the sensitivity in a known state, and it is necessary to frequently calibrate a radiation temperature measuring device including a radiation sensor. For example, in a commercially available thermopile, which is a thermal sensor, the voltage sensitivity of each product varies by 30%, and accurate temperature measurement cannot be performed unless the individual products are calibrated accurately. Therefore, there is a need for a radiation temperature measurement method capable of measuring the temperature without being directly affected by variations or changes in the sensitivity of the heat radiation sensor.
[0010]
In the case of an object whose temperature and emissivity are unknown, it is necessary to measure the emissivity along with the temperature. Is a situation in which the sensor has already received the heat radiation from the device under test and is producing an output.If the sensor receives heat radiation irradiated from another heat radiation source and reflected on the device under test, the output It is difficult to accurately measure the increase, and precise emissivity measurement is difficult. Therefore, there is also a need for a method for easily and accurately obtaining the emissivity at the site of temperature measurement.
[0011]
The present invention utilizes a thermal radiation sensor, actively changes the sensor temperature, and establishes a state in which the sensor and the object to be measured and the surrounding environment are in equilibrium through thermal radiation, that is, a state in which thermal radiation entering and exiting the sensor is zero. The present invention provides a balanced radiation temperature measurement method and apparatus for accurately measuring the surface temperature of an object to be measured by determining the sensor temperature (equilibrium temperature) at this time, and the balanced radiation temperature measurement method. It is an object of the present invention to provide a balanced reflected emissivity measurement method and apparatus for accurately calculating emissivity by combining a reflected emissivity measurement method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
Let the temperature and emissivity of the DUT be T₀, Ε₀, Known ambient temperature and emissivity to T_∞, Ε_∞(= 1), temperature and emissivity of sensor_s, Ε_sThen, the amount of heat transfer Q into and out of the sensor due to heat radiation_sIs as follows.
[0013]
Q_s= A ｛ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴−T_s ⁴｝… (Equation 1)
The sensor area is A_s, The view factor is F_s, And the Stefan-Boltzmann constant is σ, A = A_sF_sε_sand A is called the sensitivity of the sensor.
[0014]
In conventional radiation temperature measurement, the sensor temperature matches the ambient temperature,
Q_s= Aε₀｛T₀ ⁴−T_∞ ⁴｝ (Equation 2)
And the known A and ε₀, T_∞Using the measured value Q_sTo T₀Is calculated. Here, when a change of ΔA occurs in the measurement sensitivity A of the sensor, the measured value becomes ΔQ_sChanges, ΔQ_s/ Q_s= ΔA / A holds, and the change in sensor sensitivity directly affects the measured value.
[0015]
However, by changing the sensor temperature as in the present invention, Q_sWhen an equilibrium state where = 0 is realized, regardless of A,
T_s ⁴= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴ … (Equation 3)
Since the following relationship holds, the known T_∞, Ε₀Using T_sBy measuring T₀Is required. Thus, the heat transfer amount Q_sIs determined to be 0, the temperature of the object to be measured is determined irrespective of the measurement sensitivity A of the radiation sensor. Therefore, even if the sensor sensitivity changes, the result of the temperature measurement is not affected, and Even if the sensor sensitivity is not determined, the temperature can be measured.
[0016]
On the other hand, emissivity ε₀When measuring the temperature of an unknown device, the emissivity also needs to be measured. For opaque materials, there is a relationship of ε + ρ = 1 between emissivity ε and reflectivity ρ, so the amount of heat radiation from a radiation source whose emissivity is known is reflected on the measured object and detected by the sensor. Measuring the emissivity ε₀(Reflection emissivity measurement method). A thermal radiation source is placed in the measurement system, and the equivalent temperature of the thermal radiation source is set to T_ex, The ratio of the area of the heat radiation source to the hemisphere as viewed from the measured object is f_exThen, the radiation heat transfer amount Qs' received by the sensor is rewritten into the following equation.
[0017]
Q_s’= A ｛ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) (1-f_ex) T_∞ ⁴+ (1-ε₀) F_exT_ex ⁴−T_s ⁴｝
In particular, the heat radiation source is small and f_exIf ≪1, the following equation is obtained.
[0018]

Note that T_EIs T_E ⁴= F_exT_ex ⁴The equivalent temperature of the radiation source.
[0019]
In the conventional method, the heat transfer quantity Q incident on the sensor by inserting the heat radiation source into the measurement system_s’Is ΔQ_s= A (1-ε₀) T_E ⁴ … (Equation 5)
Increase (ΔQ_s= Q_s'-Q_s), The known T_E ⁴And heat transfer increase ΔQ_sBy measuring₀Is required. However, in this method, the variation of A directly affects the result, and Q_s≫ΔQ_s, Then ΔQ_sMeasurement itself is difficult.
[0020]
On the other hand, when a heat radiation source is added to a state where an equilibrium where Qs = 0 has already been established as in the present invention to create a new equilibrium state, a new sensor temperature T_s’
T_s’= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴+ (1-ε₀) T_E ⁴ … (Equation 6)
And the change (ΔT_s= T_s'-T_s)
ΔT_s= (1-ε₀) T_E ⁴/ (4T_s ³) (Equation 7)
And the known T_E ⁴T measured_s, ΔT_sFrom ε₀Is required. Here, again, the sensor sensitivity A is unnecessary, and by accurately measuring the sensor temperature, ε₀Is accurately measured.
[0021]
The inventor, based on the above fact, the detector is a heat flux measuring element, a temperature measuring element, a composite sensor having a temperature change element, by changing the temperature of the detector facing the object to be measured, the detector Create an equilibrium state where there is no radiant heat transfer to and from the surface, measure the detector temperature at this time, measure the surface temperature of the object to be measured, and add another heat radiation source to this equilibrium state, The idea of measuring the temperature change when the detector is shifted to a new equilibrium state and measuring the emissivity of the object with high accuracy by reflecting the heat radiation of the object on the object to be measured, and leading to the present invention. Was. The measurement method according to the present invention includes two methods of a feedback method and a temperature modulation method.
[0022]
The invention of the equilibrium-type radiation temperature measuring device of the present invention using the feedback-type measuring method is a non-contact type temperature measuring device for measuring the surface temperature of the object to be measured in a non-contact manner using thermal radiation emitted from the object to be measured. A detector having a heat flux measurement element, a temperature measurement element, a temperature change element, a feedback temperature change element control means for supplying power proportional to an output from the heat flux measurement element to the temperature change element, And a temperature calculating means for measuring and processing the output from the measuring element to perform a processing operation.
[0023]
Furthermore, the invention of the balanced radiation temperature and emissivity measurement device of the present invention using the feedback measurement method is a balanced radiation temperature and emissivity measurement device that includes a thermal radiation source in addition to the balanced radiation temperature and emissivity measurement device. The heat radiation source may be a heat radiation element that emits heat radiation to an object to be measured and a control unit that controls the heat radiation amount of the heat radiation element.
[0024]
If the feedback-type balanced radiant temperature measuring device and the temperature change element of the balanced radiant temperature / emissivity measuring device generate heat in proportion to the square of the voltage, such as a resistor heater, feedback The temperature change element control means may include an amplifier, a square root circuit, and a power amplifier (power supply). The amplifier and the square root circuit can be a square root amplifier that amplifies the square root of the voltage output of the heat flux measuring element.
[0025]
In the case where the temperature change element of the above-mentioned feedback-type balanced radiation temperature measurement device or the balanced radiation temperature / emissivity measurement device generates heat in proportion to the current, such as a Peltier element, the feedback temperature change element The control means may include an amplifier and a power amplifier (power supply). The amplifier can be a linear amplifier that simply amplifies the voltage output of the heat flux measuring element.
[0026]
Further, the invention of the balanced type radiation temperature measuring device of the present invention using the modulation type measuring method is a method of measuring the surface temperature and the emissivity of the measured object in a non-contact manner by using the heat radiation emitted from the measured object. In the thermal radiation measuring apparatus, a heat flux measuring element, a temperature measuring element, a detector having a temperature changing element, a temperature modulation circuit for supplying a modulation current to the temperature changing element, and a heat flux measuring element and a temperature measuring element. And a temperature calculating means for processing and calculating the output.
[0027]
Further, the invention of the balanced radiation temperature / emissivity measuring device of the present invention using the temperature modulation type measurement method is a balanced radiation temperature / emission measurement device having a thermal radiation source in addition to the balanced radiation temperature / emission measurement device. The heat radiation source may be a heat radiation element that emits heat radiation to the device under test and a control unit that controls the heat radiation amount of the heat radiation element.
[0028]
Balanced radiation temperature measurement device using the above temperature modulation type measurement method, temperature change element of balanced radiation temperature / emissivity measurement device generates heat quantity proportional to the square of the voltage, such as a resistor heater. In some cases, the temperature modulation circuit may include a modulation signal generator (modulation circuit), a square root circuit (square root amplifier), and a power amplifier (power supply), and the temperature change element may be a Peltier element. In the case where a heat quantity proportional to the current is generated, the temperature modulation circuit may include a power amplifier (power supply) and a modulation signal generator (modulation circuit), and may further include a linear amplifier. be able to.
[0029]
The temperature measuring element according to the present invention may be one temperature measuring element selected from a thermocouple, a thermistor, and a resistance thermometer, and the heat flux measurement element may be a thermopile, a differential resistance thermometer, a differential thermocouple. One heat flux measuring element selected from the pair can be used. Further, the heat radiating element can be a small and high temperature metal filament.
[0030]
Although the equilibrium-type radiation temperature / emissivity measuring device of the present invention is a device for measuring radiation temperature and emissivity, it may be an emissivity measurement device for performing only emissivity measurement.
[0031]
Next, the invention of the balanced radiation temperature measuring method of the present invention using the feedback measuring method of the present invention is directed to a balanced radiation method comprising a heat flux measuring element, a temperature change element, and a detector having a temperature measuring element. A measurement method for measuring a surface temperature of an object to be measured and an emissivity by a temperature measuring device in a non-contact manner. In the temperature measurement, a radiant heat transfer amount from the object to be measured to a detector is measured by the heat flux measuring element. A feedback step of repeating an operation of detecting the temperature and an operation of giving heat proportional to the detected radiant heat transfer amount to the detector by the temperature change element, and determining a temperature (equilibrium temperature) of the detector by the temperature measurement element A temperature measurement step of calculating the temperature of the object to be measured from the emissivity of the object to be measured, the ambient temperature, and the equilibrium temperature of the detector.衡式 is the radiation temperature measurement method.
[0032]
This feedback step may be to amplify the output from the heat flux measurement element and perform a square root operation.
[0033]
This temperature measurement method may be a method in which the feedback step and the detector temperature measurement step are performed at the same time, and the temperature change of the measured object is measured, for example, when the temperature of the measured object changes over time. it can.
[0034]
Further, the invention of the modulation type temperature measurement method of the present invention is a non-contact measurement object by a balanced radiation temperature measurement device having a heat flux measurement element, a temperature change element, and a detector having a temperature measurement element. A temperature modulation step of modulating a temperature of the detector, a radiant heat transfer amount transmitted from an object to be measured and a temperature of the detector, the heat flux measurement element and the temperature measurement measurement. Measuring the temperature of the radiant heat transfer / detector temperature using the element, and recording the temperature of the detector when the radiant heat transfer becomes 0, the emissivity of the object to be measured, the ambient environment temperature, and the detector A temperature calculating step of calculating the temperature of the object to be measured from the recorded temperature.
[0035]
In this temperature modulation step, the output from the heat flux measuring element can be amplified to perform a square root operation. The temperature change of the measured object can be measured by the modulation-type temperature measurement method of the present invention.
[0036]
The emissivity measuring method according to the present invention performs the above-described temperature measuring method (feedback type, temperature modulation type) in a state where the object to be measured is not irradiated with heat radiation from the heat radiating element, and detects the equilibrium state of the detector. This is a measurement method that calculates the temperature and measures the emissivity from the difference in the equilibrium temperature.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a detector used in the balanced radiation temperature measurement device and the balanced radiation temperature / emissivity measurement device of the present invention will be described.
[0038]
The detector may have a heat flux detection function of detecting heat transfer due to heat radiation, a temperature change function of raising and lowering its own temperature, and a temperature detection function of detecting its own temperature. The detector of the present invention is a composite sensor including a heat flux measuring element, a temperature changing element, and a temperature measuring element.
[0039]
The heat flux measuring element is a thermal detection mechanism in measuring the amount of radiated heat transfer, and can use a thermopile (thermoelectric bank), a differential resistance thermometer, or a differential thermocouple. In addition, the detector has an opening facing the object to be measured to prevent unnecessary heat radiation from entering and exiting the heat flux measuring element from the back and side surfaces. A structure surrounded by a wall is desirable.
[0040]
The temperature change element is for changing the temperature of the detector, and when measuring an object to be measured at a temperature higher than room temperature, the resistor heater is used to measure an object to be measured at a temperature lower or higher than room temperature. Peltier elements can be used. The temperature measuring element detects the temperature of the detector itself, and may be a thermocouple, a thermistor, or a resistance temperature detector.
[0041]
The balanced radiation temperature / emissivity measuring apparatus of the present invention further includes a heat radiation source. The heat radiation source includes a heat radiation element that emits heat radiation to an object to be measured and a heat radiation element of the heat radiation element. The heat radiation element must be small in size and must have a function of irradiating a predetermined heat radiation to the object to be measured as necessary. As the element, a metal filament which is small and has a sufficiently high temperature can be used.
[0042]
In order to perform non-contact remote measurement of the surface temperature of an object to be measured by the above-described composite sensor, it is necessary to operate the detector temperature. The inventor has cited two methods, a feedback type and a temperature modulation type. I have.
[0043]
In the feedback method, first, a radiant heat transfer amount between the object to be measured and the surrounding environment and the heat flux measuring element is measured, and a feedback operation for giving a proportional heat generation to the detector is performed. If the calorific value is sufficient, this operation causes the heat flux measuring element to be in equilibrium with the object to be measured and the surrounding environment._s ⁴= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴The following relationship is established, and the temperature (equilibrium temperature) of the detector at this time is measured, and the temperature of the measured object is calculated using the emissivity of the measured object and the ambient temperature. In particular, the emissivity (ε₀) Is very close to 1, the equilibrium temperature may be used as the temperature of the measured object. Details will be described later.
[0044]
In the temperature modulation method, the temperature of the detector is raised and lowered (modulated) so as to sandwich the expected temperature of the device under test. At this time, the amount of radiated heat transfer is determined by the detector temperature T_s ⁴= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴If it is higher than the equilibrium temperature at which the following relationship is established, the value will be negative, and if it is lower, it will be positive. The amount of radiated heat transfer and the temperature of the detector are measured at the same time, and the temperature of the detector when the amount of radiated heat transfer becomes zero is obtained. Details will be described later.
[0045]
In the balanced-type radiation temperature measuring device and the balanced-type radiation temperature / emissivity measuring device using the above two types of measuring methods, the same detector can be used, but other configurations differ depending on the measuring method. Therefore, it is explained separately.
[0046]
First, in the balanced radiant temperature measuring device and the balanced radiant temperature / emissivity measuring device of the present invention using the feedback measuring method, the detector and the output from the heat flux measuring element on the detector are proportional to the output. It has a feedback temperature change element control means for generating heat by the temperature change element, and a temperature calculation means for measuring an output from the temperature measurement element on the detector and performing a processing operation.
[0047]
The feedback temperature change element control means (sometimes referred to as a “feedback circuit”) may be any device that causes the temperature change element to generate heat proportional to the output from the heat flux measurement element. An amplifier can be provided to amplify the output. Further, the heat generated by the temperature change element is proportional to the square of the voltage (Q = V²/ R) (for example, a resistor heater), a square root circuit for calculating the square root of the output from the heat flux measuring element can be provided, and the heat generated by the temperature change element is proportional to the current ( For example, a square root circuit is not used for a Peltier element.
[0048]
In the feedback circuit, a power amplifier for supplying power to the temperature change element can be provided. These are preferably arranged in the order of amplifier → square root circuit → power amplifier from the heat flux measuring element side. When the square root circuit is not provided, it is desirable to arrange the amplifier in order of the power amplifier from the heat flux measuring element side.
[0049]
The temperature calculating means in the feedback formula (sometimes referred to as “feedback-type temperature calculating means”) calculates the temperature based on the detector temperature data obtained from the output from the temperature measuring element, the ambient temperature, and the emissivity of the device under test. It can be a means for calculating the temperature of the object to be measured, which can be a device combining a conventional measuring device corresponding to a temperature measuring element and a personal computer, or one device having both functions It may be. However, it is also possible to use means for obtaining only detector temperature data without performing the calculation by the feedback-type temperature calculating means. In this case, a conventional measuring device corresponding to the temperature measuring element used in the detector is sufficient. It is.
[0050]
On the other hand, in the balanced radiation temperature measurement device and the balanced radiation temperature / emissivity measurement device of the present invention using the temperature modulation measurement method, the modulation current is supplied to the detector and the temperature change element on the detector. And a temperature calculating means for measuring the output from the heat flux measuring element on the detector and the output from the temperature measuring element to perform processing and calculation.
[0051]
It is sufficient that the temperature modulation circuit supplies a modulation current to the temperature change element on the detector. Preferably, the temperature modulation circuit preferably includes a signal generator for generating a modulation signal, a power amplifier, and, if necessary, a square root. And a circuit. The signal generator is for generating a modulated voltage, and the power amplifier is for supplying power to the temperature change element. The square root circuit is the same as that in the feedback type, and the heat generation of the temperature change element is proportional to the square of the voltage (Q = V²/ R) (for example, a resistor heater), a square root circuit can be provided to obtain temperature modulation of the detector in proportion to the modulation signal generated by the signal generator, and the heat generated by the temperature change element can be reduced. If the current is proportional to the current (for example, a Peltier element), the square root circuit is not used. These are preferably in the order of signal generator → square root circuit → power amplifier (temperature change element side). If the square root circuit is not provided, it is preferable that the order is from the signal generator to the power amplifier (temperature change element side). Further, it is preferable that the temperature modulation circuit can be operated so that the temperature of the detector can be modulated at an appropriate cycle and amplitude in accordance with the expected temperature of the device under test.
[0052]
The temperature calculation means in the temperature modulation method (sometimes referred to as “temperature modulation type temperature calculation means”) measures the heat flux measurement element on the detector and the output from the temperature measurement element, Means for monitoring the measured value, calculating the temperature of the measured object from the measured value data of the temperature measuring element when the measured value of the radiated heat transfer becomes 0, the ambient temperature, and the emissivity of the measured object; can do. The temperature modulation type temperature calculating means can be used in combination with a heat flux measuring element used in the detector, a conventional measuring device corresponding to the temperature measuring element and a personal computer, etc., but also as a single device having both functions. Good. However, the temperature modulation type temperature calculating means does not perform the process of calculating the temperature of the device under test from the measured value data, the ambient temperature, and the emissivity of the device under test, and obtains only the measured value data of the temperature measuring element. It is also possible to use means for
[0053]
Equilibrium-type radiation temperature and emissivity measurement device The emissivity measurement method uses a feedback type or a temperature modulation type to measure the detector's equilibrium temperature and emit heat radiation of a predetermined intensity. Irradiation is performed from the thermal radiation source toward the object to be measured, and the amount of change in the equilibrium temperature of the detector is measured._s= (1-ε₀) T_E ⁴/ (4T_s ³), The emissivity (ε₀) Is measured.
[0054]
Here, a specific temperature and emissivity measurement method will be described in more detail.
[0055]
First, in the feedback-type temperature measurement method, a step of repeating an operation of detecting an amount of radiant heat transfer from an object to be measured and an operation of giving heat to the detector in proportion to the detected amount of radiant heat transfer (the present invention) , A “feedback step”), a detector temperature measurement step of measuring the temperature of the detector, and a temperature calculation step of calculating the temperature of the device under test from the emissivity, the ambient temperature, and the detector temperature.
[0056]
In the feedback step, the operation of detecting the amount of radiant heat transfer from the measured object can be performed by the heat flux measuring element of the detector, and the operation of giving heat to the detector in proportion to the detected amount of radiant heat transfer is This can be performed by a feedback circuit and a temperature change element. That is, the heat flux measuring element detects the radiant heat transfer amount of the object to be measured and outputs it to the feedback circuit, and the feedback circuit causes the temperature change element to generate heat proportional to the output. By repeating this operation, the temperature of the detector becomes a value very close to the equilibrium temperature. The feedback circuit may amplify an output signal from the heat flux measuring element or perform a square root operation of the signal in order to generate heat in the temperature changing element in proportion to the signal of the heat flux measuring element.
[0057]
In the detector temperature measuring step of measuring the temperature of the detector, detecting the temperature of the detector can be performed by a temperature measuring element.
[0058]
In the temperature calculation step in the feedback equation (sometimes referred to as “feedback equation temperature calculation step”), the balance of the detector measured in the detector temperature measurement step is calculated as described in (Equation 3) above. T from temperature, emissivity of DUT, and ambient temperature_s ⁴= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴According to the following relationship, the temperature of the measured object is processed and calculated. This processing calculation can be performed by the feedback-type temperature calculation means, but the calculation means does not perform the calculation but can only measure and display the output from the temperature measuring element. Done by means.
[0059]
Note that the detector temperature measurement step and the feedback-type temperature calculation step can be performed while the above-described feedback step is repeated. Therefore, even when the temperature of the device under test changes, the temperature change can be determined. Can be measured.
[0060]
Next, in the temperature measurement method of the temperature modulation type, a step of modulating the temperature of the detector (referred to as a “temperature modulation step” in the present invention), a radiated heat transfer amount incident on the heat flux detection element and a temperature of the detector. Radiant heat transfer / detector temperature measurement step for measuring temperature, record the temperature of the detector when this radiant heat transfer becomes 0, and calculate the temperature of the DUT from the emissivity, ambient temperature and detector temperature. And a temperature calculating step for calculating.
[0061]
The temperature modulation step can be performed by a temperature modulation circuit. That is, the modulation current is supplied from the temperature modulation circuit to the temperature change element. In the temperature modulation circuit, a modulation signal is generated by a signal generator, the generated signal is subjected to a square root operation by a square root circuit if necessary, and the power amplifier can supply power to the temperature change element from the signal.
[0062]
The step of measuring the amount of radiated heat transfer and the temperature of the detector for measuring the amount of radiated heat transferred from the device to be measured and the temperature of the detector should be performed by the heat flux measuring element, the temperature measuring element, and the temperature modulation type temperature calculating means. Can be. That is, the radiant heat transfer is detected by the heat flux measuring element, the temperature of the detector is detected by the temperature measuring element, and signals from the respective elements are measured by the temperature modulation type temperature calculating means.
[0063]
In the temperature calculation step in the temperature modulation type (sometimes referred to as “temperature modulation type temperature calculation step”), the temperature of the detector (equilibrium temperature) when the amount of radiant heat transfer to and from the heat flux measuring element becomes zero. Is recorded and the data measured in the previous step of measuring the amount of radiated heat transfer and the temperature of the detector are processed to obtain the measured value of the temperature of the measured object when the measured value of the radiated heat transfer becomes zero. This step can be performed by the temperature modulation type temperature calculating means, but the means can only measure and display the output from the heat flux element and the temperature measuring element without performing data processing. The data processing is performed by another means.
[0064]
Incidentally, it is also possible to obtain only the measured value data of the temperature measuring element without performing the data processing.
[0065]
If the measured value of the radiated heat transfer does not become 0 in the measurement in the preset temperature modulation range, if the radiated heat transfer is positive, the temperature modulation range is moved to the higher temperature side and the radiated heat transfer is reduced. If it is negative, the operation of moving the temperature modulation range to the constant temperature side is repeated until the measured value of the temperature measuring element when the measured value of the radiated heat transfer becomes 0 in the recording step is obtained.
[0066]
In the temperature modulation type temperature calculation step, the equilibrium temperature (T) of the detector measured as described in the above (Equation 3) is used._s) And the emissivity of the DUT (ε₀), Ambient temperature (T_∞) To T_s ⁴= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴The temperature of the measured object is calculated according to the following relationship.
[0067]
If the emissivity of the DUT is unknown, the emissivity (ε₀) Needs to be measured. In the emissivity measurement, after detecting the detector temperature (equilibrium temperature) at which the heat flux entering and exiting the heat flux measuring element becomes zero by the feedback type or the temperature modulation type, heat radiation is applied from a radiation source having a known equivalent temperature. The object is irradiated, and the equilibrium temperature of the new detector is obtained again by the feedback type or the temperature modulation type. As described in (Equation 7) above, the change ΔT in the equilibrium temperature of the detector due to the thermal radiation from the radiation source is performed._s, Detector temperature T_s, Known equivalent source temperature T_EEmissivity ε of the measured object from₀Is ΔT_s= (1-ε₀) T_E ⁴/ (4T_s ³) Is measured based on the relationship Here, the equivalent temperature of the radiation source (T_E) Is determined by being calibrated in advance by a reference sample having a known emissivity.
[0068]
【Example】
Hereinafter, more specific examples including actual measurement results will be described with reference to the drawings.
[0069]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a non-contact type temperature measurement / emissivity measurement method using the balanced radiation temperature measurement / emissivity measurement device of the present invention.
[0070]
The DUT, the detector 1, and the radiation source 5 are located in a surrounding environment (T_∞, Ε_∞= 1), and the emissivity (ε₀) Is known, the radiation source temperature is made equal to the ambient environment temperature, and the temperature of the object to be measured is measured by the following single measurement. In addition, the temperature and emissivity (T₀, Ε₀) Is unknown, the temperature of the radiation source 5 is changed to the ambient temperature (T_∞), And estimating the emissivity and temperature (T₀, Ε₀) Is measured.
[0071]
First, the emissivity (ε₀) Is known, the radiation source 5 is at the same temperature as the surrounding environment. The heat flux measuring element 2 detects the heat radiation radiated from the object to be measured, the heat radiation emitted from the surrounding environment and reflected on the object to be measured, and the radiant heat transfer due to the heat radiation emitted by itself, and detects the temperature. The temperature of the detector 1 is changed by the changing element 3 so that the signal of the heat flux measuring element 2 becomes 0, that is, the temperature of the detector 1 when the detector 1 is in an equilibrium state in this system (equilibrium temperature). ) Is detected by the temperature measuring element 4.
[0072]
When in the equilibrium state, the detector temperature (T_s), Measured object temperature (T₀), Ambient temperature (T_∞) Includes T as described in (Equation 3) above._s ⁴= Ε₀T₀ ⁴+ (1-ε₀) T_∞ ⁴And the known emissivity (ε₀), Ambient temperature (T_∞) And the equilibrium temperature of the detector (T_s) To the object temperature (T₀) Is calculated.
[0073]
Next, the emissivity (ε₀) Is unknown, first, the radiation source is set to the same temperature (T_∞) Is measured. Next, the temperature of the radiation source 5 is set to a predetermined equivalent temperature (T_E) So that the object to be measured is irradiated with a specified amount of heat radiation. In this state, the temperature of the detector 1 is changed again, and the temperature of the detector 1 when the signal of the heat flux measuring element 2 becomes 0 (T_s) Is detected by the temperature measuring element 4. Temperature change of the detector 1 before and after raising the radiation source temperature (ΔT_s), Detector temperature (T_s), Equivalent radiation source temperature (T_E), As shown in (Equation 7), ΔT_s= (1-ε₀) T_E ⁴/ (4T_s ³), The emissivity of the DUT (ε₀) Is calculated, and then the detector temperature (T_s) And ambient temperature (T_∞), Emissivity (ε₀) To the temperature (T₀) Is calculated.
[0074]
FIG. 2 is a sectional view showing the first embodiment of the detector 1. In this embodiment, a heat radiation shielding tube 6 and an electric heater (resistor heater 3 ') are combined with a commercially available thermopile 2' enclosing a thermistor 4 '. In order to prevent unnecessary heat radiation from entering and exiting the thermopile 2 'from the back and side surfaces of the detector 1, an opening facing the object to be measured is left and is surrounded by a heat radiation shielding wall having a uniform temperature equal to the detector temperature. It is.
[0075]
3A and 3B show a second embodiment of the detector 1, wherein FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a sectional view taken along line A-A 'of FIG. A thermocouple 4 ″ is disposed as a temperature measuring element 4, a thermopile 2 ′ is disposed on a thin film as a heat flux detecting element 2, and a resistor heater 3 ′ is disposed as a temperature changing element 3. This arrangement eliminates heat transfer due to heat radiation entering and exiting the heat flux detection element 2 from the back and side surfaces, thereby reducing measurement errors.
[0076]
Hereinafter, means for using the feedback-type and temperature-modulation-type measurement methods, specific examples, and the results of actual measurement using the methods will be described.
[0077]
(Example 1 feedback type)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the feedback-type temperature change element control means (feedback circuit 10). As the temperature measuring element 4, the heat flux measuring element 2, and the temperature changing element 3, a thermistor 4 ', a thermopile 2', and a resistor heater 3 'were used, respectively. The cross section of the detector 1 is illustrated. The voltage output from the thermopile 2 ′ is amplified by the amplifier 11, and subjected to a square root operation by the square root circuit 12, and thereafter, the power amplifier 13 supplies power proportional to the thermopile output to the resistor heater 3 ′. The feedback temperature calculating means 14 is not shown, but is located at the tip of the arrow in the figure and is connected to the thermistor 4 '. The heat radiation source 5 is a heat radiation element 5 'that emits heat radiation to an object to be measured and a radiation heat source control unit that controls the heat radiation amount of the heat radiation element 5'. The radiant heat source control means is not shown.
[0078]
The measurement of the amount of radiated heat transferred by the thermopile 2 ′, the processing by the feedback circuit 10, and the heating by the resistor heater 3 ′ are continuously performed, so that the temperature of the detector 1 detected by the thermistor 4 ′ approaches the equilibrium temperature. To go. Although the temperature of the detector 1 when the output from the thermopile 2 'is 0 is the equilibrium temperature, a value at which the measured value of the thermistor 4' converges may be used as the equilibrium temperature. Equilibrium temperature (T_s), The emissivity of the DUT (ε₀), Ambient temperature (T_∞) Is used to determine the temperature of the device under test. In this measurement method, even when the temperature of the device under test changes over time, the change can be tracked by measuring the equilibrium temperature over time.
[0079]
FIG. 5 is a graph showing a measurement result detected by a feedback method in the balanced radiation temperature measuring apparatus of the present invention. The object to be measured was a black brass plate with a heater and a temperature measuring element (square plot, ε₀= 0.92) and the polished one (circle plot: ε)₀= 0.074). The temperature of the object to be measured was changed by a heater, and the actual temperature of the object to be measured was measured by a built-in temperature measuring element, and compared with the measured value by a balanced radiation thermometer.
[0080]
The vertical axis is the value measured by the balanced radiation temperature measuring device, and the horizontal axis is the actual temperature of the device under test. Room temperature was 25 ° C. The line extending from the leftmost corner to the rightmost corner of the graph represents the case where the measured temperature and the measured object temperature are exactly equal, and is drawn in an auxiliary manner to visually grasp the measurement error. is there. The white symbols indicate the equilibrium temperature of the detector, and the solid symbols indicate the temperature calculated from the equilibrium temperature, emissivity, and ambient temperature.
[0081]
In the case of a black paint surface, the temperature of the object to be measured is measured almost exactly, and in the case of a polished surface, the temperature of the object to be measured is good even though the equilibrium temperature is close to the ambient temperature and difficult. You can see that it is being measured. Since the resistance heater 3 'cannot lower the temperature, it cannot measure an object to be measured below room temperature. However, by using a coolable element (for example, a Peltier element) as a temperature changing element, It is possible to measure even when the temperature is lower than room temperature.
[0082]
(Example 2 temperature modulation type)
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the temperature modulation circuit 20. As the temperature measuring element 4, the heat flux measuring element 2, and the temperature changing element 3, a thermistor 4 ', a thermopile 2', and a resistor heater 3 'were used, respectively. The cross section of the detector 1 is illustrated. Although the temperature modulation type temperature calculation means 24 is not shown in the drawing, the temperature modulation type calculation means 24 is connected to the thermistor 4 'and the thermopile 2'. The heat radiation source 5 is a heat radiation element 5 'that emits heat radiation to an object to be measured and a radiation heat source control unit that controls the heat radiation amount of the heat radiation element 5'. The radiant heat source control means is not shown.
[0083]
The temperature modulation circuit 20 includes a signal generator 21 for generating a modulation signal, a square root circuit 22, and a power amplifier 23. After a modulation signal is generated by the signal generator 21 and the generated signal is subjected to a square root operation by the square root circuit 22, power proportional to the modulation signal is supplied to the resistor heater 3 ′ by the power amplifier 23. The outputs from the thermistor 4 ′ and the thermopile 2 ′ are measured by the temperature modulation type temperature calculating means 24. The temperature modulation type temperature calculation means monitors the measured value, and the measured value of the temperature of the detector 1 by the thermistor 4 'when the output from the thermopile 2' becomes 0 is the equilibrium temperature, the emissivity, the ambient environment temperature In addition, the temperature of the measured object is calculated.
[0084]
When the emissivity of the device under test is unknown, the equilibrium temperature of the detector 1 is measured again with the heat radiation source irradiating the device with predetermined heat radiation. The emissivity is calculated from the equivalent radiation source temperature.
[0085]
In the above embodiment, the resistor heater 3 ′ is used as the temperature change element 3. However, when a Peltier element is used, the same measurement is performed by forming a circuit except for the

square root circuits

12 and 22. be able to.
[0086]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the measurement sensitivity of the measuring instrument which measures the intensity | strength of a heat radiation changes or is inaccurate, the temperature of a to-be-measured object can be measured accurately by non-contact. Further, even when there is no information on the emissivity of the object to be measured, the emissivity can be easily and accurately measured by combining the reflected emissivity measurement method. For this reason, the surface temperature can be measured on the spot in the manufacturing process for which the emissivity and temperature are unknown, and the emissivity due to the difference in the surface condition such as makeup or sweating is measured to accurately determine the skin temperature. It can be used to develop various products that contribute to industry and medical care.
[0087]
In medicine, thermometers for infants that already measure the temperature of the eardrum by radiation thermometry are commercially available. Are suitable. In other words, the emissivity on the body surface changes under conditions such as applying makeup and sweating, even if statistically investigated, so emissivity is measured on the spot and accurate temperature is stabilized. The present invention, which can be measured by measurement, is effective.
[0088]
In indoor air conditioning, indoor temperature management is performed based on the temperature measured in the air conditioner. However, not only checking the temperature inside the air conditioner, but also checking the temperature of the floor surface and wall surface and managing the room temperature leads to improved comfort. Here, in the case where the temperature of the floor or wall surface having various conditions and materials is measured in a non-contact manner, the present invention which can measure the emissivity on the spot and accurately measure the temperature of the target is effective.
[0089]
One method of observing the earth from satellites is to observe the state of the earth's surface with an infrared sensor. To measure the temperature of the earth's surface correctly over a long period of time, the effect of changes in the sensitivity of the sensor must be considered. It is important that the temperature is not affected, and the measurement method of the present invention is effective for measuring the temperature of the target without being affected by the change in the sensitivity of the heat radiation sensor, which is difficult to maintain the sensitivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a non-contact type temperature measurement / emissivity measurement method according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a first embodiment of the detector.
FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing a second embodiment of the detector, wherein FIG. 3A is a front view, and FIG. 3B is a sectional view taken along line A-A ′ of FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a feedback circuit.
FIG. 5 is a graph showing measurement results detected by a feedback system.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a temperature modulation circuit.
[Explanation of symbols]
1 detector
2 Heat flux measuring element
2 'thermopile
3 Temperature change element
3 'resistor heater
4 Temperature measurement element
4 'thermistor
4 "thermocouple
5 heat radiation source
5 'heat radiation element
6 Thermal radiation source shielding cylinder
10. Feedback circuit
11 Amplifier
12 square root circuit
13 Power amplifier
14. Feedback-type temperature calculating means
20 Temperature modulation circuit
21 signal generator
22 square root circuit
23 Power Amplifier
24 Temperature modulation type temperature calculation means

Claims

In a radiation temperature measurement device that measures the surface temperature of the measured object in a non-contact manner using thermal radiation emitted by the measured object,
A heat flux measurement element, a temperature change element, a detector having a temperature measurement element,
Feedback temperature change element control means for supplying power proportional to the output from the heat flux measurement element to the temperature change element,
A temperature calculating means for measuring an output from the temperature measuring element and performing a processing calculation.

2. The balanced radiation temperature measuring apparatus according to claim 1, wherein the temperature change element generates a heat quantity proportional to the square of a voltage, and the feedback temperature change element control means includes an amplifier, a square root circuit, and a power amplifier. .

2. The balanced radiation temperature measuring device according to claim 1, wherein the temperature change element generates a heat quantity proportional to a current, and the feedback temperature change element control unit includes an amplifier and a power amplifier. 3.

In a radiation temperature measurement device that measures the surface temperature of the measured object in a non-contact manner using thermal radiation emitted by the measured object,
A heat flux measurement element, a temperature change element, a detector having a temperature measurement element,
A temperature modulation circuit for supplying a modulation current to the temperature change element,
A balanced radiation temperature measuring device, comprising: a heat flux measuring element; and a temperature calculating means for measuring and processing an output from the temperature measuring element.

5. The balanced radiation temperature measurement device according to claim 4, wherein the temperature change element generates a heat quantity proportional to the square of a voltage, and the temperature modulation circuit includes a modulation signal generator, a square root circuit, and a power amplifier.

5. The balanced radiation temperature measuring device according to claim 4, wherein the temperature change element generates a heat quantity proportional to a current, and the temperature modulation circuit has a modulation signal generator and a power amplifier.

The balanced radiation temperature measuring device according to claim 2, wherein the temperature change element is a resistor heater.

The balanced radiation temperature measuring device according to claim 3 or 6, wherein the temperature change element is a Peltier element.

The balanced-type radiation temperature measuring device according to any one of claims 1 to 8, wherein the temperature measuring element is one temperature measuring element selected from a thermocouple, a thermistor, and a resistance temperature detector.

The balanced radiation temperature measurement according to any one of claims 1 to 9, wherein the heat flux measurement element is one heat flux measurement element selected from a thermopile, a differential resistance thermometer, and a differential thermocouple. apparatus.

An equilibrium-type radiation temperature / emissivity measurement apparatus, further comprising a heat radiation source, in addition to the equilibrium-type temperature measurement apparatus according to any one of claims 1 to 10.

Heat flux measurement element, temperature change element, by a balanced radiation temperature measurement device equipped with a detector having a temperature measurement element, by a non-contact measurement method for measuring the surface temperature of the object to be measured,
A feedback step of repeating the operation of detecting the amount of radiant heat transfer by the heat flux measuring element and the operation of giving heat generated in proportion to the amount of radiant heat transfer to the detector by the temperature change element,
A detector temperature measuring step of measuring the temperature of the detector by the temperature measuring element,
A measuring method, comprising: a temperature calculating step of calculating an object temperature from an emissivity of an object, an ambient environment temperature, and the detector temperature.

The measuring method according to claim 12, wherein in the feedback step, an output from the heat flux measuring element is amplified and a square root operation is performed.

A method for measuring a temperature change of an object to be measured by the measurement method according to claim 12.

Heat flux measurement element, temperature change element, by a balanced radiation temperature measurement device equipped with a detector having a temperature measurement element, by a non-contact measurement method for measuring the surface temperature of the object to be measured,
A temperature modulation step of modulating the detector temperature;
Radiant heat transfer and detector temperature measuring step of measuring the radiant heat transfer and the temperature of the detector using the heat flux measuring element and the temperature measuring element,
A temperature calculating step of recording the temperature of the detector when the radiant heat transfer amount becomes 0, and calculating an object temperature from the emissivity of the object to be measured, the ambient environment temperature, and the recorded temperature of the detector. A measuring method characterized by comprising:

The measuring method according to claim 15, wherein in the temperature modulation step, an output from the heat flux measuring element is amplified and a square root operation is performed.

A method for measuring a temperature change of an object to be measured by the measurement method according to claim 15.

The measurement method according to any one of claims 12, 13, 15, and 16, further comprising a heat radiation source, wherein the heat radiation source does not irradiate the object to be measured with heat radiation, and A measurement method comprising: measuring the temperature of the detector in an equilibrium state when the object is irradiated with thermal radiation; and calculating an emissivity from a difference between the measured temperatures.