CN104204744B - 温度测定方法及温度测定装置 - Google Patents
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Abstract
回归式制成部(3)对于通过使用接触式温度计测定了测定对象物的温度测定值而确定的检量线制成用的分光光谱信息进行基础分解，算出基础的得分a(k，j)，根据得分a(k，j)和检量线制成用的分光光谱信息所对应的接触式温度计(30)的温度指示值的温度，算出多元回归系数(c(k)，k＝1，2)。温度推定部(4)基于测定对象物的分光光谱信息和通过回归式制成部(3)算出的基础，算出基础的得分a(k，j)，基于算出的得分a(k，j)和多元回归系数(c(k)，k＝1，2)来推定测定对象物的温度。由此，不计算放射率的组合解，能够不受放射率的变动的影响而高精度地对测定对象物的温度进行测定。
Description
技术领域
本发明涉及对从测定对象物发出的(emit)放射(radiation)能量进行分光测定(measure spectrum)，对得到的分光光谱信息(spectrum)进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定的温度测定方法及温度测定装置。
背景技术
用于对测定对象物的温度进行测定的技术存在各种。其中，放射温度测定技术(radiation thermometry)是利用来自测定对象物的放射光(radiation)而非接触地对测定对象物的表面温度进行测定的技术，作为放射温度计(radiation thermometer)而被实用化。放射温度计具备光电转换元件(photoelectric element)和滤光片(opticalfilter)，测定规定的波长带域(range of wavelength)中的测定对象物的放射能量，将测定到的放射能量值转换成温度，由此对测定对象物的表面温度进行测定。这样的放射温度计中，存在以单一的波长测定放射能量的单色放射温度计(single-color radiationthermometer)、以2波长测定放射能量的2波长式放射温度计(2色放射温度计(two-colorradiation thermometer))、以及以更多的波长测定放射能量的多波长式放射温度计(多色放射温度计(multi-color radiation thermometer))。
测定对象物的放射能量成为将来自理想的黑体(black body)的放射能量乘以测定对象物的放射率(emissivity)所得到的值，因此在利用放射温度计对测定对象物的表面温度进行测定时，需要测定对象物的放射率的值。因此，在单色放射温度计中，对测定对象物的放射率预先进行测定，使用预先测定的放射率，对测定对象物的表面温度进行测定。而且，在专利文献1中公开了一种如下的技术：一边变更放射源向测定对象物放射的放射能量的贡献率，一边对测定对象物的放射能量进行测定，由此将放射率和测定对象物的表面温度一起测定。
另一方面，作为不具有上述那样的放射源的放射温度计，存在以下那样的2波长式放射温度计。即，该2波长式放射温度计预先测定而设定2波长下的放射率之比，或在接近的2波长中假定为放射率相等，对测定对象物的表面温度进行测定。然而，放射率根据测定对象物的状态而变化，在测定对象物的放射率时间性地变化的情况下，温度测定误差变大。因此，在2波长式放射温度计及多波长式放射温度计中，为了减小温度测定误差而提出了各种方案。
具体而言，在专利文献2～4、非专利文献1中记载了如下的技术：对测定对象物的放射率进行动态地校正，使用动态地校正后的放射率而对测定对象物的表面温度进行测定。详细而言，在这些文献中记载了如下的技术：使用基于实验的测常数据而得到的实验式或分光放射率(spectral emissivity)的理论式来制成一种检量线，或者以决定满足关系式(实验式、理论式)的放射率的组合解这样的方法来动态地校正放射率。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平2-245624号公报
专利文献2：日本特公平3-4855号公报
专利文献3：日本特开平2-85730号公报
专利文献4：日本特开平2-238333号公报
非专利文献
非专利文献1：J.L.gardner，T.P.Jones and R.Davis，"A six-wavelengthradiation pyrometer"，High Temp-High pressure，vol.13，No.5，p.459-466(1981)
发明内容
发明要解决的课题
在现有技术中，将相对于放射率的实际值而具有小的误差的放射率的初始值向关系式(实验式、理论式)赋予而反复进行计算，由此来决定放射率的组合解，因此运算精度决定放射温度计的测定精度。因此，为了构成测定精度高的放射温度计，需要使用高精度的关系式。然而，尤其是在使用实验式作为关系式的情况下，为了求出高精度的实验式，需要进行较多的实验，需要较多的时间和劳力。而且，为了求出放射率的组合解，需要软件及硬件，尤其是反复计算是花费时间的运算，要求能够高速处理的软件及硬件。而且，在放射率时间性地变化的情况下，反复计算未必保证收敛于放射率的实际值。
这样，现有技术存在通过计算来决定放射率的组合解所引起的问题。因此，期待提供一种不计算放射率的组合解，不受到放射率的变动的影响而能够高精度地对测定对象物的表面温度进行测定的技术。
本发明为了解决上述的问题点而作出，其目的在于提供一种不计算放射率的组合解，不受到放射率的变动的影响而高精度地对测定对象物的温度进行测定的温度测定方法及温度测定装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述的课题，实现目的，本发明的温度测定方法对从测定对象物发出的放射能量进行分光测定，对所得到的分光光谱信息进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定，所述温度测定方法的特征在于，基于从所述测定对象物得到的分光光谱信息而算出预先取得的基础光谱(basis spectrum)的得分(score)，按照预先取得的检量式而使用所述得分来进行所述表面温度的测定，根据使用接触式温度计(contact-type ofthermometer)对测定对象物进行了测定的温度测定值，来决定所述基础光谱及所述检量式。
另外，本发明的温度测定方法以上述发明为基础，其特征在于，根据测定对象物的分光光谱信息和测定与所述接触式温度计的温度测定值相同温度的黑体炉(black bodyfurnace)而得到的放射能量的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析(principal component analysis)而得到主成分(principalcomponent)，将与该主成分正交的光谱决定作为所述基础光谱。
另外，本发明的温度测定方法以上述发明为基础，其特征在于，预先算出对关于多个温度进行了测定的黑体炉的放射能量的分光光谱信息进行了主成分分析而得到的一个以上的主成分的得分与所述黑体炉的温度之间的关系式，根据测定对象物的分光光谱信息与使用利用所述关系式确定的所述接触式温度计的温度测定值所对应的得分而再构成的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到主成分，将与该主成分正交的光谱决定作为所述基础光谱。
另外，本发明的温度测定方法以上述发明为基础，其特征在于，对于测定对象物的分光光谱信息和所述接触式温度计的温度测定值适用局部的最小二乘法(partial leastsquares regression)，由此来决定所述基础光谱。
另外，本发明的温度测定装置对从测定对象物发出的放射能量进行分光测定，对所得到的分光光谱信息进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定，所述温度测定装置的特征在于，基于从所述测定对象物得到的分光光谱信息而算出预先取得的基础光谱的得分，按照预先取得的检量式，使用所述得分来进行所述表面温度的测定，所述基础光谱及所述检量式根据使用接触式温度计对测定对象物进行了测定的温度测定值来决定。
另外，本发明的温度测定装置以上述发明为基础，其特征在于，根据测定对象物的分光光谱信息和测定与所述接触式温度计的温度测定值相同温度的黑体炉而得到的放射能量的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到主成分，与该主成分正交的光谱被决定作为所述基础光谱。
另外，本发明的温度测定装置以上述发明为基础，其特征在于，预先算出对关于多个温度进行了测定的黑体炉的放射能量的分光光谱信息进行了主成分分析而得到的一个以上的主成分的得分与所述黑体炉的温度之间的关系式，根据测定对象物的分光光谱信息与使用利用所述关系式确定的所述接触式温度计的温度测定值所对应的得分再构成的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到主成分，与该主成分正交的光谱被决定作为所述基础光谱。
另外，本发明的温度测定装置以上述发明为基础，其特征在于，对于测定对象物的分光光谱信息和所述接触式温度计的温度测定值适用局部的最小二乘法，由此决定所述基础光谱。
发明效果
根据本发明的温度测定方法及温度测定装置，不计算放射率的组合解，不受放射率的变动的影响而能够高精度地对测定对象物的温度进行测定。
附图说明
图1是表示某集团的组成人员的身高与体重的关系的分布图。
图2是表示多点的波长信息与第一主成分的关系的图。
图3A是表示对于7阶段的温度的黑体放射能量光谱的图。
图3B是表示对于图3A所示的黑体放射能量光谱实施对数运算的结果的图。
图4是表示通过对图3B所示的放射能量的对数运算值执行主成分分析而得到的第一主成分及第二主成分的图。
图5A是表示使用了第一主成分的黑体放射能量光谱的再构成例的图。
图5B是表示使用了第一主成分和第二主成分的黑体放射能量光谱的再构成例的图。
图6是表示放射率变动的主成分矢量与放射能量的主成分矢量的关系的图。
图7是表示放射率变动的一例的图。
图8是表示从测定对象物取得的分光能量光谱的图。
图9是表示通过对理想的黑体放射能量光谱执行主成分分析而得到的第一主成分所对应的得分与测定对象物的温度的关系的图。
图10A是表示基于图9所示的关系而对测定对象物的表面温度进行了测定的结果的图。
图10B是表示使用现有技术对测定对象物的表面温度进行了测定的结果的图。
图11是表示本发明的一实施方式的温度测定装置的结构的框图。
图12是表示图11所示的FTIR的内部结构的示意图。
图13是表示图11所示的接触式温度计的结构的示意图。
图14是表示本发明的一实施方式的回归式制成处理的流程的流程图。
图15是表示本发明的一实施方式的温度推定处理的流程的流程图。
图16是说明本发明的另一实施方式的温度测定装置的结构的示意图。
图17是表示图16所示的分光器的内部结构的示意图。
图18是表示以不同的温度条件测定多个钢板的放射率的结果的图。
图19是实施例1中的放射率的实测值相对于放射率的平均值之比的对数值与使用第一主成分来表现对数值的情况的关系的图。
图20A是表示通过实施例1和现有技术测定的测定对象物的表面温度的测定误差的图。
图20B是表示通过实施例1和现有技术测定到的测定对象物的表面温度的测定误差的图。
图21是表示测定以不同的速度移动的多个钢板的放射率的结果的图。
图22A是表示实施例2中的放射率的实测值相对于放射率的平均值之比的对数值与使用第一主成分来表现对数值的情况的关系的图。
图22B是表示实施例2中的放射率的实测值相对于放射率的平均值之比的对数值与使用第一主成分及第二主成分来表现对数值的情况的关系的图。
图23是表示通过实施例2的主成分分析而得到的放射率变动的第一主成分、放射率变动的第二主成分、及与第一主成分及第二主成分正交的放射能量的主成分的图。
图24是表示通过实施例2和现有技术而测定到的测定对象物的表面温度的测定误差的图。
具体实施方式
〔本发明的概念〕
在利用了测定对象物的放射能量的测定对象物的表面温度测定中，如以下的数学式(1)所示，测定向黑体放射能量光谱(black body radiation spectrum)LB(λ，T)乘以预先假定的放射率的光谱ε(λ)所得到的测定值L(λ，T)。需要说明的是，数学式(1)中的参数λ表示放射能量的测定波长，参数T表示测定对象物的表面温度。
[数学式1]
L(λ，T)＝ε(λ)·LB(λ，T)…(1)
在此，当取数学式(1)的两边的log(自然对数)并进行变形时，得到以下所示的数学式(2)。因此，向数学式(2)的右边代入测定值L(λ，T)和放射率的光谱ε(λ)，由此能够算出黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)的推定值。需要说明的是，在此表现为“推定值”的理由是因为不知道预先假定的放射率的光谱ε(λ)是否准确。即，在放射率的光谱ε(λ)从假定的值偏离的情况下，算出的黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)的值不是正值。
[数学式2]
logLB(λ，T)＝logL(λ，T)-logε(λ)…(2)
其中，黑体放射能量光谱LB(λ，T)本来通过以下的数学式(3)所示的普朗克放射定律(Planck's laws of radiation)来表现。需要说明的是，数学式(3)中的参数c1、c2表示物理常数(physical constants)。因此，即使在黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)包含以放射率的光谱ε(λ)为起因的误差，本来可取得的黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)的方式是确定的，因此存在与放射率的光谱ε(λ)无关地能够推定黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)的真正的方式的可能性。因此，作为用于着眼于黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)的方式的一手法，可考虑进行主成分分析(基础分解)的情况。
[数学式3]
首先，参照图1，说明一般的主成分分析手法。图1是表示某集团的组成人员的身高X1与体重X2的关系的分布图。通常，可以说身高X1大的人的体重X2重，因此图1所示的分布图具有左低右高的分布。图1中插入的左低右高的线段L1是通过该分布的中心的线，表示所谓“身体的大小”这样的尺度。主成分分析手法是统计性地引导对于该身高X1与体重X2的组合数据(二维信息)的本质性的解释以“身体的大小t1”这样的一维的尺度代表这样的情况的手法。在数学上，该“身体的大小”是第一主成分，与该第一主成分正交的、第一主成分的接下来的本质的信息成为第二主成分。在图1所示的例子中，第二主成分可称为在物理上成为“肥胖度t2”的尺度(线段L2)。
在图1所示的例子中，原来的二维信息(身高、体重)通过主成分分析而缩减为“身体的大小”这样的一维信息。因此，若将抽出其本质这样的信息处理适用于表面温度推定中的放射能量光谱波形，则能够从多点的波长信息中提取出本质。这种情况下，多点的波长信息如图2所示那样表现为与测定波长的个数相同的维数的空间上的1点。例如若赋予对于7个温度的n波长的分光光谱数据，则被赋予n维空间上的7个点。因此，考虑到这7个点的n维空间中的分布的扩展，扩展最大的方向成为第一主成分的方向，这是对前述的7个点进行区别即对7个温度进行区别的最有力的线索。
在此，对于logLB(λ，T)(图3B)进行了主成分分析时得到的第一主成分及第二主成分如图4所示，该logLB(λ，T)是向图3A所示的7个温度所对应的黑体放射能量光谱LB(λ，T)(这通过测定黑体炉来得到)实施对数运算的结果。图4所示的第一主成分是7个温度所对应的黑体放射能量光谱的自然对数logLB(λ，T)的最为代表的光谱波形。需要说明的是，对黑体放射能量光谱LB(λ，T)实施了对数运算的理由是在实际测定了测定对象物的表面温度时为了将乘以黑体放射能量光谱LB(λ，T)的方式影响的放射率ε(λ)以logε(λ)的加法运算这样的方式进行分离。
接着，取出了与该第一主成分正交的矢量空间中的7点的变动第二大的方向的主成分为第二主成分，将其表示在该图中。在直观上，第一主成分被看作表现伴随温度而增大的平均性的能量的基础，第二主成分被看作用于表现细微的方式的基础。以后，同样地也能够求出第三主成分以后的主成分。这些低次的主成分信息是原来的7个黑体放射能量光谱logLB(λ，T)的本质性的光谱信息(基础光谱)。
为了验证这些低次的主成分信息确实是原来的7个黑体放射能量光谱LB(λ，T)的本质性的光谱信息(基础光谱)，从基础光谱再构成原来的7个黑体放射能量光谱LB(λ，T)时的适用情况如图5A、图5B所示。再构成是指将基础矢量设为系数倍而相加这样的求和运算、即通过进行线性操作而构成原来的光谱。根据原来的7个黑体放射能量光谱LB(λ，T)中包含低次的基础矢量信息的哪个位而再构成时的适用情况发生变化。图5A表示仅利用第一主成分再构成的结果，图5B表示利用直至第二主成分为止再构成的结果。
从图5B可知，通过使用直至第二主成分为止，7个黑体放射能量光谱LB(λ，T)都非常良好地再构成。这表示1个1个的黑体放射能量光谱LB(λ，T)不需要以N点的波长信息、即N维的各坐标进行表现，仅利用2个基础矢量的线性和这样的2个系数量的2点的信息就能够表现。换言之，也可以说将N维数据压缩成二维数据。此时，可想到的是，维数虽然被大幅压缩，但是利用“基础矢量”这样本质性的光谱形式再构成的情况至关重要，难以受到先前叙述的放射率变动这样的干扰的影响。
将图3B所示的对数运算结果重新以数学式的方式进行补充。图3B所示的对数运算结果是例如对于在波长2～10μm的波长范围内每0.32μm测定到的波长方向(横轴)N＝250点处的放射能量实施了对数运算的结果。在此，将放射能量的log值表示为x(i，j)。需要说明的是，参数i(＝1～250)表示测定波长编号，参数j(＝1～7)表示温度编号。相对于参数j的温度为y(j)。而且，对于放射能量的log值x(i，j)实施了主成分分析的结果所得到的主成分矢量为w(i，k)。主成分矢量w(i，k)的决定方法的说明让给主成分解析的一般的文献，但是简单说明的话，是以关于以下所示的数学式(4)中的参数j的变动成为最大的方式决定第一主成分w(i，1)，并以与第一主成分w(i，1)正交的矢量之中的关于以下所示的数学式(5)中的参数j的变动成为最大的方式决定第二主成分w(i，2)的情况。
[数学式4]
[数学式5]
各主成分的大小(i＝1～N的各成分的平方和的平方根)为1。在主成分矢量w(i，k)中，参数i考虑为1～250的范围，参数k在数学上考虑为1～N的范围，但是在本例中考虑为k＝1，2的范围。通常，在参数k更小(低次的主成分)时更能表现放射能量的log值x(i，j)的本质，但是关于参数k的范围的选取方法在本发明中没有特别限定。需要说明的是，仅通过第一主成分w(i，1)再构筑原来的放射能量数据的值由以下所示的数学式(6)表示。
[数学式6]
数学式(6)中的参数a(k，j)是在数学上被称为主成分记分或得分的常数(标量)。并且，对数学式(6)实施对数运算之前的状态、即作为以下所示的数学式(7)表示的值而显示的例子是图5A所示的再构筑例。需要说明的是，数学式(7)中的e表示自然对数的底。
[数学式7]
同样，将第一主成分w(i，1)加上第二主成分w(i，2)而再构筑原来的放射能量数据的值由以下所示的数学式(8)表示。并且，同样，对数学式(8)实施对数运算之前的状态而显示的例子是图5B所示的再构筑例。通过使用直至该第二主成分w(i，2)为止而再构筑的放射能量数据能够大致再现原来的放射能量的log值x(i，j)。这表示在推定实际温度的情况下，取代使用由250点的数据构成的放射能量的log值x(i，j)的情况，即便使用至多2点的数据即得分a(k，j)而信息的品质也不会降低。
[数学式8]
需要说明的是，得分a(k，j)通过算出主成分矢量w(i，k)与原来的放射能量的log值x(i，j)的内积来导出，各个成分通过以下所示的数学式(9)来导出。
[数学式9]
以上是对于分光光谱数据进行主成分分析时的基本的考虑方法。在此，还考虑了用于避免受到测定对象物的放射率变动的影响的主成分分析的适用方法。在放射率存在变动的情况下，将放射率分为预先已知的放射率值ε(λ)和因操作条件等而能变化的放射率变动量δε(λ)，能够以对应于数学式(1)的方式将测定值L(λ，T)如以下所示的数学式(10)那样记述。在此，数学式(10)中的参数ε0(λ)表示成为设定值等的基准的放射率，参数δε(λ)表示各种条件下的放射率的变动。
[数学式10]
L(λ，T)＝δε(λ)·ε0(λ)·LB(λ，T)…(10)
当取上述数学式(10)两边的log(自然对数)进行变形时，能得到以下所示的数学式(11)。在以往的放射温度测定中，测定波长下的放射率ε0(λ)已知，在单色温度计中进行由以下所示的数学式(12)表示的假定，在2色温度计中进行由以下所示的数学式(13)表示的假定，通过求解方程式来求出表面温度。然而，这些假定不是严格成立而产生温度误差的情况较多。
[数学式11]
logLB(λ，T)＝logL(λ，T)-logε0(λ)-logδε(λ)…(11)
[数学式12]
δε＝0…(12)
[数学式13]
δε(λ1)＝δε(λ2)…(13)
因此，这里预先已知测定对象物的放射率变动的行为，对于该放射率变动数据进行主成分分析，算出放射率变动的第一主成分v(i，1)。放射率变动的第一主成分v(i，1)表现测定对象物的放射率变动的统计性的行为。换言之，与该放射率变动的主成分矢量正交的矢量全部可称为不受到放射率变动的矢量。图6示出以上的说明的概念图。即，如图6所示，与放射率变动的主成分矢量V2正交的放射能量的主成分矢量V1不受放射率变动的影响，对于测定对象物的温度的灵敏度最大。
因此，在与放射率变动的第一主成分v(i，1)必然正交这样的制约下，通过进行放射能量的主成分分析，能够不受放射率变动的影响而取出放射能量的本质性的信息。作为具体的次序，如以下的数学式(14)所示，对于从放射能量x(i，j)预先将放射率变动的第一主成分v(i，1)除去后的值进行主成分分析。由此，求出的主成分均与放射率变动的第一主成分v(i，1)正交。而且大多数情况下，放射率变动的第一主成分v(i，1)只不过是统计性的，实际的放射率变动与放射率变动的第一主成分v(i，1)不完全一致而可认为存在偏差。然而，即使在这样的情况下，也可认为利用数学式(14)求出的主成分与放射率变动的第一主成分v(i，1)大致正交，因此可认为能实现最不易乘以误差的条件。
[数学式14]
基于上述的概念，说明进行了放射率的大小如图7所示那样变化的测定对象物的温度测定模拟的例子。需要说明的是，本例是在放射率变动为常数倍，即参数K为常数时，以下所示的数学式(15)成立的例子。因此，实施了对数运算之后的放射率变动的主成分成为全部的波长成分具有同一值的所谓直流成分。在放射率这样变化的情况下，测定的放射能量测定作为图5A所示那样的黑体放射能量乘以放射率所得到的值。对应于800℃的情况的各放射率而测定的分光能量光谱如图8所示。从图可知，在800℃下放射率低的情况下，波形与750℃下放射率如设想值的情况类似，以往方式中，利用单色温度计难以高精度地测定放射率这样变化的测定对象物。
[数学式15]
δε(λ)＝K…(15)
因此，在对上述的波形进行了对数运算后，对于减去了假想的放射率数据即logε(λ)所得到的波形，使用表现放射率变动的基础(这种情况下为直流成分)和与表现放射率变动的基础正交且表现黑体放射能量光谱的本质性的基础(第一主成分)进行表现。并且，关注与该第一主成分相乘的系数。其理由是可考虑为黑体放射能量光谱的第一主成分所对应的系数不受放射率变动的影响，为了表现黑体放射能量光谱波形而具有本质性的信息。
在此，关注将放射率变动的主成分除去后的第一主成分的系数而观察时可知，将主成分分析适用于理想的黑体放射能量光谱时的、对于第一主成分的系数(得分)与测定对象的温度的关系是图9所示那样的关系。因此，根据图9所示的关系，预先计算表示对于第二主成分的系数与测定对象的温度的关系的检量线，使用根据放射率增减时的测定放射能量光谱所计算的第一主成分的系数来推定温度。其结果是确认到即使存在图7所示那样的放射率的增减的情况下也收敛于图10A所示那样的误差的情况。需要说明的是，通过2色温度计(这种情况下为波长2μm和波长4μm)进行了测定时的误差如图10B所示，在放射率之比完全相等的条件成立的情况下误差小，但是在放射率之比未必相等而存在变动的情况下大。
因此，作为本发明的目的的温度推定用的原信息，对于由多个波长构成的分光信息进行主成分分析，确认到了以低次的主成分再构成原分光信息时的、基础矢量的系数倍这样的信息(主成分记分)有效。对照于先前的例子，换言之，取代原来的根据N点波长数据来推定温度的情况，将N点波长数据进行降维压缩(dimension reduction)成到第二主成分为止的得分即2点数据，根据该2点信息利用通常的多元回归手法(multiple regressionanalysis method)来推定温度数据。这是因为，如图5A、5B所示，当考虑到根据该2点信息能够充分地再现N点波长数据的情况时，用于推定温度的充分的信息进入了该2点信息的缘故。
以数学式的方式进行补充的话，取代原始的根据N点波长数据而推定温度的以下所示的数学式(16)，使用根据到第二主成分为止的得分即2点数据而推定温度的以下所示的数学式(17)，来推定温度。
[数学式16]
是推定温度，b(i)是多元回归系数(250ケ)...(16)
[数学式17]
c(k)是多元回归系数(2ケ)...(17)
以下，参照附图，详细说明基于上述的本发明的概念而想到的本发明的一实施方式的温度测定装置及其温度测定方法。
〔温度测定装置的结构〕
首先，参照图11、图12，说明本发明的一实施方式的温度测定装置的结构。
图11是表示本发明的一实施方式的温度测定装置的结构的框图。图12是表示图11所示的FTIR的内部结构的示意图。图13是表示图11所示的接触式温度计的结构的示意图。如图11所示，本发明的一实施方式的温度测定装置1具备FTIR(傅立叶变换红外分光光度计(Fourier transform infrared spectroscopy))2、接触式温度计30、气缸40、回归式制成部3及温度推定部4。
FTIR2对来自测定对象物即钢板5的放射能量的分光光谱进行测定。如图12所示，FTIR2具备反射镜11、半透明反射镜(half mirror)12、可动反射镜(movable mirror)13、反射镜14、反射镜15、16及检测器(detector)17，反射镜11、半透明反射镜12、可动反射镜13及反射镜14～16构成干涉计(interferometer)18。从钢板(steel sheet)5发出的放射光被导向干涉计18，检测器17对从干涉计18发出的光的光量进行测定。
此时，对于一边使干涉计18的可动反射镜13移动一边时序地测定的检测器17的信号进行傅立叶变换，由此能得到来自钢板5的放射能量的分光光谱信息。这种情况下，为了得到1个分光光谱信息，需要使可动反射镜13移动的时间，但是在此期间的温度变动只要足够小就没有问题。对分光光谱进行测定的方法除此以外，可考虑利用衍射光栅(diffraction grating)的方法、利用波长选择滤光片(wavelength selective opticalfilter)的方法等各种方法，但也可以利用任一方法。
接触式温度计30使热电偶与作为测定对象物的钢板5接触来测定钢板5的温度。在实际的制造工艺中的温度测定情况下，将在退火炉(annealing furnace)等的炉内以规定速度被搬运的状态的钢板作为对象来测定温度。因此，在本实施方式中，接触式温度计30采用的是作为测定移动体的温度的结构而通常使用的结构。
即，例如图13所示，接触式温度计30经由用于进行稳定追随的触碰辊31而将主体33载放到以规定速度被搬运的钢板5上，安装于该主体33的翘曲状的金属箔(metal foil)35在钢板5上滑动。在该金属箔35的背面侧配置有热电偶(thermocouple)37的热敏部371，温度测定由该热敏部371进行。在此，主体33对热电偶37进行支承而将热敏部371保持在金属箔35的背面侧的规定位置，配置成经由金属箔35来测定温度。该接触式温度计30对安装于主体33的气缸40进行驱动，由此在图13中箭头所示的上下方向上能够移动，温度测定时，金属箔35与钢板5进行接触·滑动，另一方面，在不测温时，从钢板5分离而向上方退避。该接触式温度计30的温度指示值(温度测定值)向回归式制成部3随时输出。
回归式制成部3及温度推定部4由微型计算机等信息处理装置构成。回归式制成部3通过执行后述的回归式制成处理，算出温度推定部4推定钢板5的表面温度时使用的基础数据(基础光谱及多元回归系数)。温度推定部4通过执行后述的温度推定处理，使用由回归式制成部3算出的基础数据来测定钢板5的表面温度。
具有这样的结构的温度测定装置1通过执行以下所示的回归式制成处理及温度推定处理，而推定钢板5的表面温度。以下，参照图14及图15所示的流程图，说明执行回归式制成处理及温度推定处理时的温度测定装置1的动作。
〔回归式制成处理〕
首先，参照图14所示的流程图，说明执行回归式制成处理时的温度测定装置1的动作。
图14是表示本发明的一实施方式的回归式制成处理的流程的流程图。图14所示的流程图在测定钢板5的表面温度之前的规定的时间开始，回归式制成处理进入步骤S1的处理。需要说明的是，在执行该回归式制成处理之前，预先通过FTIR2测定从各种温度的黑体炉发出的放射能量的分光光谱信息，将得到的分光光谱信息与此时的黑体炉的温度建立对应而进行数据库化。而且，与该回归式制成处理并行地，接触式温度计30在炉内间歇地与钢板5接触而测定钢板5的温度，并与该温度测定同时地，FTIR2取得钢板5的放射能量的分光光谱信息，该温度指示值及分光光谱信息向回归式制成部3随时输入。
在步骤S1的处理中，回归式制成部3如前述那样基于从接触式温度计30随时输入的温度指示值，从前述的数据库检索出与该温度建立对应的黑体炉的放射能量的分光光谱信息，作为检量线制成用的分光光谱信息而取得。由此，步骤S1的处理完成，回归式制成处理进入步骤S2的处理。
在此，从接触式温度计30输入的温度指示值假定根据测定该温度时的金属箔35与钢板5的接触情况而变动的情况。因此，并不局限于直接使用从接触式温度计30输入的温度指示值的情况，也可以使用例如在规定时间内测定到的多个温度指示值的最大值、平均值等二次性地算出的值。
另外，也存在作为测定对象物的温度而假定的温度范围为大范围的情况等、以包罗该温度范围的方式对于全部的温度难以测定黑体炉的分光光谱信息的情况。这样的情况下，也可以对于预先测定温度范围内的何点的温度的黑体炉的分光光谱信息进行主成分分析而算出得分，并预先算出得分与黑体炉温度的关系式。并且，在步骤S1中，也可以根据算出的关系式来求出与温度指示值的温度对应的得分，使用求出的得分利用与图5B所示同样的手法再构成温度指示值的温度下的分光光谱信息，并将其取得作为检量线制成用的分光光谱信息。
在步骤S2的处理中，回归式制成部3进行通过步骤S1的处理而随时取得的检量线制成用的分光光谱信息与在对应的分光光谱信息的取得中所使用的温度指示值的温度测定时经由FTIR2取得的钢板5的放射能量的分光光谱信息的比运算，由此蓄积放射率数据。并且，进行从蓄积的放射率数据得到的放射率变动数据的对数运算。由此，步骤S2的处理完成，回归式制成处理进入步骤S3的处理。
在步骤S3的处理中，回归式制成部3对于通过步骤S2的处理而算出的放射率变动数据来执行主成分分析。然后，进而回归式制成部3对于通过同样的步骤S2的处理而算出的黑体炉的放射能量光谱，在与放射率变动数据的主成分正交的条件的基础上执行主成分分析。由此，步骤S3的处理完成，回归式制成处理进入步骤S4的处理。
在步骤S4的处理中，回归式制成部3根据通过步骤S3的处理而得到的主成分分析的结果，从而以使用的主成分为基础进行提取。而且，回归式制成部3利用已述的数学式(9)，算出各基础光谱的得分a(k，j)。由此，步骤S4的处理完成，回归式制成处理进入步骤S5的处理。
在步骤S5的处理中，回归式制成部3将通过步骤S4的处理而算出的得分a(k，j)和与检量线制成用的分光光谱信息对应的接触式温度计30的温度指示值的温度向已述的数学式(17)适用，由此算出已述的数学式(17)的多元回归式中的多元回归系数c(k)。然后，回归式制成部3以基础光谱(主成分w(i，k)，k＝1，2)及多元回归系数(c(k)，k＝1，2)的数据为基础数据，向温度推定部4输出。由此，步骤S5的处理完成，一连串的回归式制成处理结束。
需要说明的是，在此，求出放射率变动的主成分，通过求出与该放射率变动的主成分正交的放射能量的主成分而提取不受放射率变动的影响的基础，但没有限定于此。例如，可以使用PLS(局部的最小二乘法(Partial Least Squares regression))等，基于根据受到放射率变动的影响的钢板而取得的分光光谱信息，直接求出与接触式温度计30的温度指示值最相关的基础，基础的提取可以使用各种数理统计解析方法。
〔温度推定处理〕
接下来，参照图15所示的流程图，说明执行温度推定制成处理时的温度测定装置1的动作。
图15是表示本发明的一实施方式的温度推定处理的流程的流程图。图15所示的流程图在回归式制成处理结束之后的规定的时间开始，温度推定处理进入步骤S11的处理。
在步骤S11的处理中，温度推定部4经由FTIR2取得来自钢板5的放射能量的分光光谱信息。由此，步骤S11的处理完成，温度推定处理进入步骤S12的处理。
在步骤S12的处理中，温度推定部4对于通过步骤S11的处理而取得的分光光谱信息来执行对数运算处理，利用已述的数学式(2)从对数运算值减去假定的放射率的光谱ε(λ)的对数值。由此，步骤S12的处理完成，温度推定处理进入步骤S13的处理。
在步骤S13的处理中，温度推定部4将步骤S12的减算处理结果x(i，j)和从回归式制成部3输入的基础光谱(主成分w(i，k)，k＝1，2)向已述的数学式(9)代入，由此算出与本发明的第二系数对应的测定对象物的得分a(k，j)。由此，步骤S13的处理完成，温度推定处理进入步骤S14的处理。
在步骤S14的处理中，温度推定部4将通过步骤S13的处理而算出的得分a(k，j)和从回归式制成部3输入的多元回归系数(c(k)，k＝1，2)向已述的数学式(17)适用，由此进行回归运算，从而推定钢板5的表面温度。由此，步骤S14的处理完成，一连串的温度推定处理结束。
从以上的说明可知，在本发明的一实施方式的温度测定装置1中，回归式制成部3对检量线制成用的分光光谱信息进行基础分解，算出该基础的得分a(k，j)，根据得分a(k，j)和与检量线制成用的分光光谱信息对应的温度数据来算出多元回归系数(c(k)，k＝1，2)。具体而言，此时，在实际的制造工艺中使用的退火炉中，利用接触式温度计30测定钢板5的温度，并且与该温度测定同时，取得钢板5的放射能量的分光光谱信息，按照接触式温度计30的温度指示值，使用从钢板5取得的分光光谱信息，由此得到基础光谱而算出多元回归系数。而后，温度推定部4基于测定对象物的分光光谱信息和利用回归式制成部3算出的基础而算出基础的得分a(k，j)，基于算出的得分a(k，j)和多元回归系数(c(k)，k＝1，2)来推定测定对象物的温度。由此，根据预先使用接触式温度计等而测定出的测定对象物的温度，能够取得基础光谱、多元回归系数，由此在测定对象物的温度测定时，能够抑制炉内的气氛等退火炉固有的误差。因此，不计算放射率的组合解，不受放射率的变动的影响而能够高精度地对测定对象物的温度进行测定。
需要说明的是，用于实现本发明的温度测定装置的结构没有限定为图11所示的结构。图16是本发明的另一实施方式的温度测定装置1a的结构及将适用了该温度测定装置1a的退火炉的局部切口而表示内部的示意图。图17是表示图16所示的分光器(spectrometer)8的内部结构的示意图。需要说明的是，在图16中，对于与上述的实施方式同样的结构，标注同一标号。
该温度测定装置1a在制造工艺中用于测定在退火炉等炉内被加热的钢板5a的温度，具备向将退火炉的炉体9及该炉体9内表面的隔热材料91贯通的贯通孔93插入的光纤6、在光纤6的位于炉内侧的一端侧设置的准直透镜(collimating lens)7、与光纤6的炉外侧的另一端连接的分光器8、回归式制成部3及温度推定部4。从作为测定对象物的钢板5a大致平行地放射的光(测定光)经由准直透镜7及光纤6而向分光器8入射。
在此，插入到贯通孔93内的光纤6的一端部及一端侧的准直透镜7利用水冷遮光管(water-cooled shielding pipe)95而与周围分隔，以免从隔热材料91等放射的光向测定光混入。而且，该水冷遮光管95的内部空间为了防止透镜部分等的污染，通过经由配管97而填充的氮进行扫气。
分光器8例如由交叉的切尔尼—特纳型的分光器(crossed Czerny-Turnerspectroscope)实现，具备准直光镜(collimating mirror)81、衍射光栅82、聚焦镜(focusing mirror)83及检测器84。在该分光器8中，从光纤6的另一端入射的测定光由准直光镜81形成为平行光(parallel beam)之后，向衍射光栅82入射而被分光。并且，分光后的测定光经由聚焦镜83，由检测器84同时接受全波长而检测出。在本例中，以炉内的钢板5a为测定对象物，测定800℃～1100℃前后的比较高温的温度。因此，作为检测器84的检测元件，使用一维阵列状(linear array)的Si的CCD、光电二极管阵列等，检测比较短的波长区域，具体而言0.4μm～0.8μm、0.4μm～1.0μm等的波长区域。
〔实施例1〕
图18是表示在炉内以800～1100℃的不同温度条件测定了多个钢板的放射率的结果的图。预先使温度变化而测定了黑体炉，进行通过图16所示的温度测定装置1a测定了钢板时的输出(分光光谱信息)和与通过使未图示的热电偶与钢板接触而测定的真正温度相同的温度下的黑体炉的放射能量的分光光谱信息的比运算，由此求出图18所示的放射率。
根据该图18所示的数据来算出放射率的平均值，计算放射率的实测值相对于放射率的平均值之比(放射率变动量)的对数的情况(细线；数学式(11)的logδε(λ))和利用第一主成分对其进行表现的情况(粗线)如图19所示。从图19可知，虽然有细微的部分不一致的部位，但是大致统计性地能够利用第一主成分来表现放射率变动量。并且，在与该放射率变动的第一主成分正交的制约下，进行放射能量的主成分分析，计算对于该主成分(第一主成分)的得分，由此测定了温度的结果如图20A、图20B所示。从图20A、图20B可知，根据本发明的一实施方式的温度测定装置，与2色温度计进行比较，确认到了不受放射率的变动的影响而能够高精度地测定测定对象物的温度的情况。
〔实施例2〕
图21是表示炉温恒定为860℃的状态下，测定了以不同的速度在炉内被搬运的多个钢板的放射率的结果的图。这假定炉内的钢板的移动速度(搬运速度)发生变化的情况。当钢板的移动速度变化时，炉内的加热时间发生变化。其结果是，由于氧化膜厚(thicknessof oxide film)发生变化，因此如图21所示放射率也变动。
根据该图21所示的数据来算出放射率的平均值，计算放射率的实测值相对于放射率的平均值之比(放射率变动量)的对数，进行主成分分析。关于求出的对数(细线)与仅使用第一主成分对其进行表现的情况(粗线)的对比，代表性的情况如图22A所示。而且，关于求出的对数(细线)与使用第一主成分及第二主成分对其进行表现的情况(粗线)的对比，代表性的情况如图22B所示。在实施例2中，在仅通过第一主成分来表现放射率变动量的情况下，如图22A所示，成为两者产生了不一致的部分的结果。另一方面，在除了第一主成分之外还使用了第二主成分的情况下，如图22B所示，能得到两者大体一致的结果，良好地表现了放射率变动量。
因此，在实施例2中，在与放射率变动的第一主成分正交且与第二主成分正交的制约下，进行了放射能量的主成分分析。通过该主成分分析而得到的放射率变动的第一主成分、放射率变动的第二主成分、及与放射率变动(第一主成分及第二主成分)正交的放射能量的主成分如图23所示。并且，通过计算对于该放射能量的主成分(第一主成分)的得分而进行了温度测定。
图24表示如以上那样进行使用至第二主成分为止的主成分分析而测定了860℃的钢板时的温度误差与使用中心波长0.9μm的单色放射温度计而测定了同样的860℃的钢板时的温度误差的对比。如图24所示，使用实施例2的提案方法进行了温度测定时的温度误差最大为1.1℃，相对于此，使用单色温度计进行了温度测定时的温度误差为5.1℃。而且，其标准偏差在实施例2的提案方法下为0.4℃，在使用了单色温度计的情况下为1.7℃。根据该图24所示的结果可知，根据本发明的一实施方式的温度测定装置，与单色温度计相比，确认到了不受放射率的变动的影响而能够高精度地对测定对象物的温度进行测定的情况。
需要说明的是，为了进行比较，不使用放射率变动的第二主成分，而与实施例1同样地仅使用放射率变动的第一主成分，计算与其正交的放射能量的主成分，由此进行了温度测定。其结果是，温度误差最大为2.8℃，标准偏差为0.6℃。这样，在实施例2的适用情况下，即使在仅使用第一主成分时，精度也比使用了单色温度计的温度测定高，但是使用至第二主成分为止的一方确认到了不会受到放射率变动的影响而能够高精度地对测定对象物的温度进行测定的情况。
以上，说明了适用了通过本发明者们进行的发明的实施方式，但是没有通过成为基于本实施方式的本发明的公开的一部分的记述及附图来限定本发明。即，基于本实施方式，通过本领域技术人员等作出的其他的实施方式、实施例及运用技术等全部包含于本发明的范畴。
标号说明
1、1a 温度测定装置
2 FTIR(傅立叶变换红外分光光度计)
3 回归式制成部
4 温度推定部
5、5a 钢板
11、14、15、16 反射镜
12 半透明反射镜
13 可动反射镜
17 检测器
18 干涉计
30 接触式温度计
35 金属箔
37 热电偶
40 气缸
6 光纤
7 准直透镜
8 分光器
81 准直光镜
82 衍射光栅
83 聚焦镜
84 检测器
Claims (6)
1.一种温度测定方法，对从测定对象物发出的放射能量进行分光测定，对所得到的分光光谱信息进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定，所述温度测定方法的特征在于，
基于从所述测定对象物得到的分光光谱信息而算出预先取得的基础光谱的得分，按照预先取得的检量式而使用所述得分来进行所述表面温度的测定，
根据使用接触式温度计对测定对象物进行了测定的温度测定值，来决定所述基础光谱及所述检量式，
根据测定对象物的分光光谱信息和测定与所述接触式温度计的温度测定值相同温度的黑体炉而得到的放射能量的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到一个或多个主成分，将与该一个或多个主成分正交的光谱决定作为所述基础光谱。
2.根据权利要求1所述的温度测定方法，其特征在于，
预先算出对关于多个温度进行了测定的黑体炉的放射能量的分光光谱信息进行了主成分分析而得到的一个以上的主成分的得分与所述黑体炉的温度之间的关系式，
根据测定对象物的分光光谱信息与使用利用所述关系式确定的所述接触式温度计的温度测定值所对应的得分而再构成的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到一个或多个主成分，将与该一个或多个主成分正交的光谱决定作为所述基础光谱。
3.一种温度测定方法，对从测定对象物发出的放射能量进行分光测定，对所得到的分光光谱信息进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定，所述温度测定方法的特征在于，
基于从所述测定对象物得到的分光光谱信息而算出预先取得的基础光谱的得分，按照预先取得的检量式而使用所述得分来进行所述表面温度的测定，
根据使用接触式温度计对测定对象物进行了测定的温度测定值，来决定所述基础光谱及所述检量式，
对于测定对象物的分光光谱信息和所述接触式温度计的温度测定值适用局部的最小二乘法，由此来决定所述基础光谱。
4.一种温度测定装置，对从测定对象物发出的放射能量进行分光测定，对所得到的分光光谱信息进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定，所述温度测定装置的特征在于，
基于从所述测定对象物得到的分光光谱信息而算出预先取得的基础光谱的得分，按照预先取得的检量式，使用所述得分来进行所述表面温度的测定，
所述基础光谱及所述检量式根据使用接触式温度计对测定对象物进行了测定的温度测定值来决定，
根据测定对象物的分光光谱信息和测定与所述接触式温度计的温度测定值相同温度的黑体炉而得到的放射能量的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到一个或多个主成分，与该一个或多个主成分正交的光谱被决定作为所述基础光谱。
5.根据权利要求4所述的温度测定装置，其特征在于，
预先算出对关于多个温度进行了测定的黑体炉的放射能量的分光光谱信息进行了主成分分析而得到的一个以上的主成分的得分与所述黑体炉的温度之间的关系式，
根据测定对象物的分光光谱信息与使用利用所述关系式确定的所述接触式温度计的温度测定值所对应的得分再构成的分光光谱信息之比，来算出放射率，对基于该放射率的放射率变动进行主成分分析而得到一个或多个主成分，与该一个或多个主成分正交的光谱被决定作为所述基础光谱。
6.一种温度测定装置，对从测定对象物发出的放射能量进行分光测定，对所得到的分光光谱信息进行信号处理，从而对测定对象物的表面温度进行测定，所述温度测定装置的特征在于，
基于从所述测定对象物得到的分光光谱信息而算出预先取得的基础光谱的得分，按照预先取得的检量式，使用所述得分来进行所述表面温度的测定，
所述基础光谱及所述检量式根据使用接触式温度计对测定对象物进行了测定的温度测定值来决定，
对于测定对象物的分光光谱信息和所述接触式温度计的温度测定值适用局部的最小二乘法，由此决定所述基础光谱。
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