JP2005134153A - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非接触で容易に、しかも高精度の温度測定が可能な温度測定装置及び温度測定方法を提供する。
【解決手段】 迷光の影響がある加熱炉１１内の温度を測定可能な温度既知物体１２と、温度既知物体１２及び加熱炉１１内に配置された温度測定対象物１３の各放射輝度を測定する光表面温度測定手段１４とを有する。温度測定方法は、温度既知物体１２の輝度Ｂ１と、迷光の影響が実質的にない黒体炉内の輝度Ｂ２との同一温度での差から、迷光の影響ΔＢを得る迷光影響測定工程と、温度測定対象物１３の輝度を迷光の影響ΔＢに基づいて補正し、このときの輝度Ｂ３に対応する黒体炉内の温度Ｔ１を、温度測定対象物１３の温度Ｔ２とする温度決定工程とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、迷光のある加熱炉内において、測定対象物の温度を非接触で測定する温度測定装置及び温度測定方法に関する。

従来、例えば、鉄鋼の熱延鋼板の製造工程には、連続鋳造によって製造されたスラブ等の鋼材（測定対象物）を所定温度に調整するための加熱炉が設けられており、この加熱炉へ搬送された鋼材を所定温度（例えば、１０００〜１２００℃）に加熱し、その温度を所定時間（例えば、０．５〜１．５時間程度）保持している。これにより、例えば結晶粒を目的とする大きさに調整することができ、この後、更に圧延等の各処理を加えて製品としている。なお、この加熱炉内での鋼材の温度測定には、比較的高温度の測定も可能である非接触型の放射温度計（光表面温度測定手段）が使用されている。

しかし、放射温度計で鋼材の表面温度を測定する場合、加熱炉内部の炉壁からの放射光が鋼材表面で反射（迷光）するため、測定される鋼材の表面温度に誤差が生じていた。
そこで、例えば、特許文献１には、鋼材に対して放射光の影響を及ぼす二箇所以上の炉壁部分の温度を測定し、この温度に基づいて鋼材の表面温度を補正して測定する方法が開示されている。
また、特許文献２には、加熱炉内の鋼材（被加熱鋼材）の表面に対向して遮蔽板を配置し、遮蔽板の中央開口部を通じて入射する鋼材からの放射エネルギーを放射温度計で測定することで、炉壁からの放射温度計への迷光（放射雑音）の回り込みを遮蔽板で遮断し、鋼材の表面温度を測定する方法が開示されている。

特開昭６１−２９２５２８号公報 特公昭６２−２２０８９号公報

しかしながら、前記した従来の鋼材の表面温度の測定方法には、未だ解決すべき以下のような問題があった。
特許文献１の測定方法では、加熱炉の内壁を構成する耐火物の脱落等により、炉壁表面温度の測定が困難、又は測定精度が悪くなり、加熱炉内の厳密な温度管理を実施できない。また、加熱炉内に設けられた加熱手段（バーナー等）の近傍と、この加熱手段から離れた部分とでは、加熱手段の影響によって炉壁温度が異なる（温度分布が生じる）ため、やはり厳密な温度管理を実施できないという問題もある。
また、特許文献２の方法では、迷光の影響を避けるため、鋼材の表面と遮蔽板との隙間を僅少にしている。このため、例えば、加熱炉内への鋼材の搬入及び加熱炉内からの鋼材の搬出をウォーキングビームを使用して行う場合、鋼材の搬送時に鋼材が上下動するので、その都度駆動機構等により遮蔽板の位置を動かさねばならない。従って、装置構成が煩雑となり設備コストがかかり、作業性も悪い。ここで、遮蔽板の位置を動かさないようにするため、鋼材の搬入及び搬出をローラを使用して行うことも可能であるが、鋼材が全て同じ大きさ（厚み）ではないため、場合によっては鋼材と遮蔽板との間の隙間が大きくなり、遮蔽板によって迷光の遮断を行うことができず、やはり厳密な温度管理を実施できないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、非接触で容易に、しかも高精度の温度測定が可能な温度測定装置及び温度測定方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う請求項１記載の温度測定装置は、迷光の影響がある加熱炉内の温度を測定可能な温度既知物体と、該温度既知物体及び前記加熱炉内に配置された温度測定対象物の各放射輝度を測定する光表面温度測定手段とを有する。
請求項１記載の温度測定装置において、迷光とは、加熱炉の内壁からの放射光（背光ノイズ）などが温度測定対象物の表面で反射した反射光である。
また、温度既知物体として、例えば熱電対等を使用できる。
そして、放射輝度の測定は、温度測定対象物の任意の一点でもよく、また、測定対象物の表面全体にわたって行ってもよい。ここで、放射輝度の測定を、測定対象物の表面全体にわたって行う場合、測定対象物の放射輝度の表面分布を得ることができ、例えば測定対象物が大型のものであっても、測定精度を十分に高めることができる。

請求項２記載の温度測定装置は、請求項１記載の温度測定装置において、前記光表面温度測定手段はテレビカメラである。
請求項２記載の温度測定装置において、テレビカメラとしては、例えば、半導体の受光素子で光を電気信号に変換するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ等を使用できる。

請求項３記載の温度測定装置は、請求項２記載の温度測定装置において、前記テレビカメラは、前記温度既知物体と前記温度測定対象物とを同一視野内におさめる。

請求項４記載の温度測定装置は、請求項１〜３の温度測定装置において、前記温度測定対象物は鋼材である。
請求項４記載の温度測定装置において、鋼材としては、例えば、連続鋳造によって製造されたスラブ等がある。

前記目的に沿う請求項５記載の温度測定方法は、迷光の影響がある加熱炉内の温度を測定可能な温度既知物体の輝度Ｂ１と、迷光の影響が実質的にない黒体炉内の輝度Ｂ２との同一温度での差から、迷光の影響ΔＢを得る迷光影響測定工程と、
前記加熱炉内に配置された温度測定対象物の輝度を前記迷光の影響ΔＢに基づいて補正し、このときの輝度Ｂ３に対応する前記黒体炉内の温度Ｔ１を、前記温度測定対象物の温度Ｔ２とする温度決定工程とを有する。
請求項５記載の温度測定方法において、黒体炉とは、入射した放射光を、波長、入射方向及び偏光状態に関係なく、黒体炉内の炉壁で反射することなくすべて吸収する理想的な状態となった従来公知のものである。従って、黒体炉内では、迷光の影響がない（ほとんど無視できる）状態で温度測定が可能となる。
また、黒体炉内の温度と輝度は、通常、黒体炉内に何も配置することなく、黒体炉内の温度を上昇させ、そのときの黒体炉内の輝度を測定しているが、加熱炉内の温度を測定可能な温度既知物体と実質的に同一の温度既知物体を用いて測定することも可能である。

請求項６記載の温度測定方法は、請求項５記載の温度測定方法において、前記迷光影響測定工程の前に、予め前記黒体炉内の温度と輝度との連続的な関係を求め、前記温度決定工程で、前記関係から前記輝度Ｂ３に対応する前記温度既知物体の温度Ｔ１を求める。

請求項７記載の温度測定方法は、請求項５及び６記載の温度測定方法において、前記温度測定対象物は鋼材である。

請求項１〜４記載の温度測定装置は、温度既知物体によって加熱炉内の温度を測定するので、迷光に影響されることなく加熱炉内の温度を正確に測定できる。また、光表面温度測定手段によって温度既知物体と温度測定対象物の各放射輝度を測定するので、迷光の影響を受けたそれぞれの放射輝度を測定できる。ここで、迷光の影響がない状態での輝度との比較を行うことで、迷光の影響を得ることができる。
これにより、迷光の影響を差し引いた温度測定対象物の輝度に対応する迷光の影響がない状態での温度から、温度測定対象物の温度を求めることができるので、温度測定対象物の温度を非接触でかつ簡易に測定でき、従来のように炉壁温度を測定する必要がなく、作業性が良好でしかも高精度の温度測定が可能になる。

特に、請求項２記載の温度測定装置は、光表面温度測定手段にテレビカメラを使用するので、温度既知物体と温度測定対象物の各放射輝度を簡単な構成で測定できる。
請求項３記載の温度測定装置は、テレビカメラが、温度既知物体と温度測定対象物とを同一視野内におさめるので、温度既知物体と温度測定対象物の各放射輝度を個別に測定することなく、しかも各放射輝度の比較測定が容易になる。
請求項４記載の温度測定装置は、温度測定対象物が鋼材であるので、鋼材を厳密な温度管理のもとで加熱処理でき、優れた品質を有する製品を提供できる。

請求項５〜７記載の温度測定方法は、迷光影響測定工程によって、黒体炉内の輝度Ｂ２に加わった迷光の影響ΔＢを求めることができる。また、温度決定工程によって、迷光の影響ΔＢに基づいて補正された温度測定対象物の輝度Ｂ３から、温度測定対象物の温度Ｔ２を求めることができる。
これにより、温度測定対象物の温度を非接触でかつ簡易に測定でき、従来のように炉壁温度を測定する必要がなく、作業性が良好でしかも高精度の温度測定が可能になる。

請求項６記載の温度測定方法は、黒体炉内の温度と輝度との連続的な関係を求め、これを利用して温度測定対象物の温度を測定するので、温度測定対象物の温度測定を容易に行うことができ、作業性が良好である。
請求項７記載の温度測定方法は、温度測定対象物が鋼材であるので、鋼材を厳密な温度管理のもとで加熱処理でき、優れた品質を有する製品を提供できる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る温度測定方法を適用する温度測定装置の説明図、図２（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同温度測定方法の説明図、図３は本発明の一実施例の温度測定方法により測定した鋼材温度の説明図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る温度測定方法を適用する温度測定装置１０は、迷光の影響がある加熱炉１１内の温度を測定可能な温度既知物体１２と、この温度既知物体１２及び加熱炉１１内に配置された鋼材（温度測定対象物の一例）１３の各放射輝度を測定するＣＣＤカメラ（光表面温度測定手段の一例）１４とを有している。なお、この鋼材１３は、連続鋳造によって製造されたスラブであり、例えば、幅が１ｍ、長さが１０ｍ、厚みが２５０ｍｍ程度のものである。以下、詳しく説明する。

加熱炉１１は、その内壁が耐火物１５で構成され、この耐火物１５に、加熱炉１１内に装入された鋼材１３を所定温度（例えば、１０００〜１２００℃）に加熱するための図示しない複数の加熱手段（例えば、バーナー等）が配置されている。また、加熱炉１１の下部には、外部から加熱炉１１内へ鋼材１３を搬入、及び加熱炉１１内から外部へ鋼材１３を搬出するための搬送手段（図示しない）が設けられている。この搬送手段は、従来公知のウォーキングビームが使用されているが、多数のローラを有するものを使用することも可能である。

加熱炉１１の天井部には、温度既知物体１２とＣＣＤカメラ１４が設けられている。この温度既知物体１２は、例えば、白金−白金ロジウムの熱電対１６と、この熱電対１６の外部を覆うセラミックスで構成された磁性管（保護管）１７とを有しており、加熱炉１１内であって、加熱手段による直接的な温度影響を受けにくく、しかも鋼材１３をウォーキングビームで搬送した場合でも、温度既知物体１２に鋼材１３の表面が接触しない位置にぶら下げて配置されている。

また、ＣＣＤカメラ１４は、温度既知物体１２と鋼材１３とを同一視野内におさめる位置に取付け固定されている。このＣＣＤカメラ１４は、加熱炉１１内へ配置することも、また加熱炉１１の外に配置することも可能である。ここで、ＣＣＤカメラ１４を加熱炉１１内に配置する場合は、ＣＣＤカメラ１４自体に耐熱処理を施して配置し、また加熱炉１１外に配置する場合は、加熱炉１１に耐熱ガラスを取付け、この耐熱ガラスを介して加熱炉１１内部を撮像できる位置にＣＣＤカメラ１４を配置する。
なお、温度既知物体１２と鋼材１３の輝度を撮像できれば、ＣＣＤカメラ以外の他のテレビカメラを使用することも可能である。

上記したＣＣＤカメラ１４及び熱電対１６は、加熱炉１１外部に配置された演算手段（例えば、コンピュータ等）１８にそれぞれ接続されている。これにより、熱電対１６の起電力は演算手段１８に入力された後、加熱炉１１内の温度として温度表示部１９で表示され、またＣＣＤカメラ１４で撮像された鋼材１３と磁性管１７の各放射輝度（単に輝度ともいう）は、電気信号に変換されて演算手段１８に入力され、例えば、エネルギー、波長、階調等として数値化される。なお、この数値に基づき、鋼材１３と磁性管１７の迷光が含まれた温度を、温度表示部１９で表示することもできる。

続いて、本発明の一実施の形態に係る温度測定方法について、前記した温度測定装置１０を参照しながら説明する。なお、ここでは、各輝度を演算手段１８によりエネルギーとして数値化している。また、以下の処理は演算手段１８によって行われる。
連続鋳造によって製造された鋼材１３を、予めバーナー等によって加熱された加熱炉１１内に、ウォーキングビームを使用して装入し、所定温度（例えば、１０００〜１２００℃）に加熱する。なお、鋼材１３の温度測定に先立って、迷光の影響が実質的にない黒体炉（図示しない）に、黒体炉内部の温度を測定可能な熱電対、及びＣＣＤカメラ１４と実質的に同一機能を備えたＣＣＤカメラを配置し、演算手段と温度表示部により、黒体炉内の輝度から得られるエネルギーと、そのときに測定された熱電対の温度から、図２（Ａ）に示すような、温度とエネルギーの連続的な関係、即ち温度エネルギー曲線２０を求めておく。なお、黒体炉内に、温度既知物体１２と実質的に同一性能を備えた温度既知物体を配置し、温度既知物体の磁性管の輝度から得られるエネルギーと、そのときに測定された熱電対の温度から、温度エネルギー曲線を求めることも可能である。
以下、この温度エネルギー曲線２０を用いて、鋼材１３の温度を測定する方法について説明する。

まず、ＣＣＤカメラ１４により、加熱炉１１内に配置された温度既知物体１２の磁性管１７の輝度Ｂ１を測定してエネルギーＥ１を求め、このときの温度Ｔを、熱電対１６によって温度表示部１９で確認する。ここで、磁性管１７の輝度Ｂ１の測定は、任意の一点でもよく、また磁性管１７の表面全体にわたって行うことも可能である。
この温度ＴとエネルギーＥ１との交点Ａ１（○）を、図２（Ｂ）に示すように設定する。ここで、この温度Ｔにおける交点Ａ１のエネルギーＥ１と、黒体炉内の温度Ｔにおける輝度Ｂ２を測定して得られたエネルギーＥ２（温度エネルギー曲線２０上の点Ａ２（●）のエネルギーＥ２）との差が、迷光の影響ΔＢによるエネルギーの差ΔＥとなる。なお、黒体炉内に温度既知物体１２を配置し、その輝度を測定する場合は、磁性管１７の輝度が前記した輝度Ｂ２に対応する。
これにより、迷光の影響ΔＢをエネルギーの差ΔＥとして現すことができる（以上、迷光影響測定工程）。

次に、温度エネルギー曲線２０が、迷光影響工程で設定した点Ａ１を通るように、図２（Ｂ）に示すように、温度エネルギー曲線２０を温度Ｔで平行移動させ、温度エネルギー曲線２１を作成する。即ち、温度エネルギー曲線２１は、エネルギーの差ΔＥ（迷光の影響ΔＢ）分を差し引いて補正された温度とエネルギーの関係を示す曲線である。
そして、図２（Ｃ）に示すように、加熱炉１１内に配置された鋼材１３の輝度Ｂ３を測定してエネルギーＥ３を求め、温度エネルギー曲線２１との交点Ａ３（▲）を求める。ここで、鋼材１３の輝度Ｂ３の測定は、任意の一点でもよく、また鋼材１３の表面全体にわたって行うことも可能である。
これにより、エネルギーＥ３は、鋼材１３の表面から発する実際のエネルギーに対して、エネルギーの差ΔＥ分だけ補正されることとなる。

このとき、エネルギーＥ３と温度エネルギー曲線２１との交点Ａ３の温度Ｔ１が、求める鋼材１３の温度Ｔ２となる。このように、エネルギーＥ３に対応する黒体炉内の温度Ｔ１から、鋼材１３の温度Ｔ２を求めることができる。
なお、温度エネルギー曲線２０を平行移動させることなく、加熱炉１１内に配置された鋼材１３の輝度Ｂ３を測定して得られるエネルギーＥ３から、エネルギーの差ΔＥ分だけ差し引き（Ｅ３´＝Ｅ３−ΔＥ）、エネルギーＥ３´の温度エネルギー曲線２０との交点の温度Ｔ１を求めてもよい（以上、温度決定工程）。

ここで、上記した鋼材１３の温度測定においては、鋼材１３と磁性管１７の同一温度での各放射輝度（エネルギー）は略等しい（違いをほとんど無視できる）と仮定している。
また、この補正の頻度は、例えば、同一温度Ｔでの輝度を複数回（例えば、５回以上、好ましくは１０回以上程度）測定して得られたエネルギーＥ１に基づいて行うことが好ましい。これにより、更に測定精度を高めることができる。
そして、鋼材１３の輝度Ｂ３の測定を、鋼材１３の表面全体にわたって行う場合、各部分ごとに前記した方法を用いて鋼材１３の表面温度を測定することが好ましい。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例について説明する。ここで、図１中の熱電対２２は、鋼材１３の表面温度を直接的に測定するため鋼材１３の表面に取付けられたものであり、鋼材１３の実際の表面温度を温度表示部２３で表示できる構成となっている。また図３は、横軸が鋼材１３の実際の温度（熱電対２２による測定）を示し、縦軸が本発明の温度測定方法によりＣＣＤカメラ１４を使用して求めた鋼材温度（○）及びそのときの熱電対１６で測定した加熱炉１１内の温度（△）を示すグラフである。このため、鋼材温度（○）と加熱炉１１内の温度（△）は、それぞれ対応している。

図３に示すように、ＣＣＤカメラ１４を使用して測定し補正した鋼材１３の表面温度（○）は、熱電対２２によって直接測定された鋼材１３の表面温度が９００℃から１３００℃まで変化しても、各測定点において、±１０℃の誤差範囲内に入っていることが分かる。従って、熱電対２２を用いて測定した鋼材温度とＣＣＤカメラ１４を用いて測定した温度との関係は、略一次直線で示されるため、非常に精度良く鋼材１３の表面温度を測定できたことを確認できた。

また、鋼材１３の表面温度（○）に対応した加熱炉１１内の温度（△）が、鋼材１３の温度と略一致する場合であれば、鋼材１３の表面温度を精度良く測定できる可能性があるが、鋼材１３の表面温度（○）に対応した加熱炉１１内の温度（△）が、鋼材１３の温度と略一致する場合のみならず、一致しない場合、即ち開きがある場合においても（例えば、２００℃以内程度）、本発明の温度測定方法を使用することで、非常に精度良く鋼材１３の表面温度を測定できることを確認できた。

以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の温度測定装置及び温度測定方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、温度測定対象物として連続鋳造によって製造された鋼材の温度を測定した場合について説明したが、迷光の影響が生じる他の温度測定対象物について適用することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る温度測定方法を適用する温度測定装置の説明図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ同温度測定方法の説明図である。 本発明の一実施例の温度測定方法により測定した鋼材温度の説明図である。

符号の説明

１０：温度測定装置、１１：加熱炉、１２：温度既知物体、１３：鋼材（温度測定対象物）、１４：ＣＣＤカメラ（光表面温度測定手段）、１５：耐火物、１６：熱電対、１７：磁性管、１８：演算手段、１９：温度表示部、２０、２１：温度エネルギー曲線、２２：熱電対、２３：温度表示部

Claims (7)

1. 迷光の影響がある加熱炉内の温度を測定可能な温度既知物体と、該温度既知物体及び前記加熱炉内に配置された温度測定対象物の各放射輝度を測定する光表面温度測定手段とを有することを特徴とする温度測定装置。
2. 請求項１記載の温度測定装置において、前記光表面温度測定手段はテレビカメラであることを特徴とする温度測定装置。
3. 請求項２記載の温度測定装置において、前記テレビカメラは、前記温度既知物体と前記温度測定対象物とを同一視野内におさめることを特徴とする温度測定装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度測定装置において、前記温度測定対象物は鋼材であることを特徴とする温度測定装置。
5. 迷光の影響がある加熱炉内の温度を測定可能な温度既知物体の輝度Ｂ１と、迷光の影響が実質的にない黒体炉内の輝度Ｂ２との同一温度での差から、迷光の影響ΔＢを得る迷光影響測定工程と、
   前記加熱炉内に配置された温度測定対象物の輝度を前記迷光の影響ΔＢに基づいて補正し、このときの輝度Ｂ３に対応する前記黒体炉内の温度Ｔ１を、前記温度測定対象物の温度Ｔ２とする温度決定工程とを有することを特徴とする温度測定方法。
6. 請求項５記載の温度測定方法において、前記迷光影響測定工程の前に、予め前記黒体炉内の温度と輝度との連続的な関係を求め、前記温度決定工程で、前記関係から前記輝度Ｂ３に対応する前記温度既知物体の温度Ｔ１を求めることを特徴とする温度測定方法。
7. 請求項５及び６のいずれか１項に記載の温度測定方法において、前記温度測定対象物は鋼材であることを特徴とする温度測定方法。

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