JP2006003081A - 放射温度計及び帯状金属体の温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱炉内をロールによって搬送される帯状金属体の温度を正確に測定することが可能な放射温度計を提供する。
【解決手段】 放射温度計は、カメラ１と信号処理装置２とから構成されている。カメラ１は、センサとして２次元撮像素子３を用いたものである。２次元撮像素子３の出力であるビデオ信号は、Ａ／Ｄ変換器４で８ビットのディジタル信号に変換され、温度演算装置５に入力される。温度演算装置５は、後に述べるような処理により温度を演算して出力すると共に、Ａ／Ｄ変換器４から入力される信号の最大値に応じて、２次元撮像素子３に信号を送って２次元撮像素子３の出力レンジを切り換え、もっとも適当な値が２次元撮像素子３の出力となるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に加熱炉内を走行する帯状金属の表面温度を測定するのに適した放射温度計、及びこの放射温度計を使用した帯状金属体の温度測定方法に関するものである。

古くから、加熱炉内の被加熱体の表面温度を放射温度計で測定することが行われている。
その際の問題は、放射率の同定が困難であること、加熱源及び加熱炉の炉壁からの放射光が、被加熱体の表面で反射するので、被加熱体の温度計測を正確に行うことが難しことなどである。

このような問題を解決した一つの方法として、帯状鋼板が走行する縦型の連続焼鈍炉では、ディフレクタロールと金属体が接触して、両者の間に楔部が形成されることを利用して、帯状鋼板の温度を正確に測定することが知られている。ディフレクタロールと金属体が接触する部分では両者の間に楔部が形成され、その楔部からの放射には、擬似黒体条件が成り立つので、楔部を放射温度計で測定することにより帯状鋼板の温度を正確に測定できる。この方法は、TEMPERATURE Its Measurement and Control in Science and Industry 1994. Published by American Institute of Physics New Yorkに、[New radiation thermometry using multiple reflections for temperature measurement of steel sheets]として記載されている（非特許文献１）。

TEMPERATURE Its Measurement and Control in Science and Industry 1994. Published by American Institute of Physics New Yorkに、[New radiation thermometry using multiple reflections for temperature measurement of steel sheets] 「映像情報インダストリアル」２００３年１月号、４１〜４６頁

この方法が実用化されてからは、連続焼鈍炉内での温度計測精度が著しく向上したと言われている。しかし、この方法には以下のような問題点があった。
(1) 市販されている放射温度計は、点測定用のものであり、距離係数（距離係数＝測定距離／測定視野）は３００が限界と言われている。このため、ロール径が小さい場合や、測定距離が大きい場合には、実際の楔部の大きさに対し測定視野が大きくなり、放射率のピークに相当する部分を計測することができない。例えば、測定距離が１５００ｍｍで距離係数が３００の場合で測定視野は５ｍｍとなる。ロール径が１５０ｍｍの場合に楔部を５ｍｍの視野で計測する場合には、放射率がピークでない部分をかなり含むことになり精度の点で問題となる。
(2) また、少し角度取り付け角度が異なると楔部が視野の中心からずれるので、放射温度計の設置作業の精度が問題となる。

一般に、縦型の連続焼鈍炉においては、ロール径が大きいので、非特許文献１に記載のような方法で帯状鋼板の温度が測定できているが、水平型の炉ではロール径が１５０〜２００ｍｍと小さいので、非特許文献１に記載の方法でも、高精度な温度測定が実現できていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、加熱炉内をロールによって搬送される帯状金属体の温度を正確に測定することが可能な放射温度計、及びこの放射温度計を使用した帯状金属体の温度測定方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、検出部として対数増幅機能を有する２次元撮像素子をセンサとして用いたカメラを使用し、前記２次元撮像素子の各画素の出力のうち最高のものを選択して出力する最高値選択手段と、前記２次元撮像素子の各画素の出力と温度の関係を示す変換テーブルと、前記最高値選択手段の出力に対応する前記変換テーブルの温度を、測定温度として決定する温度決定手段とを有することを特徴とする放射温度計（請求項１）である。

前述のように、温度計の視野が狭いことに起因する問題点を解決するには、例えば２次元の撮像素子を使用して温度測定部分の輝度を測定し、輝度が最高となる点を採用して、その輝度に対応する温度を測定温度とすればよい。しかしながら、輝度Ａと絶対温度Ｔの間には、一般的に
Ａ＝ｋ＊Ｔ^ｎ …（１）
の関係がある。ここにｋとｎは定数であるが、検出素子がSiである場合には、ｎが１０以上となり、少しの温度変化でも出力が大きく変動してしまう。例えば測定をテレビカメラを用いて行い、そのビデオ信号を８ビットでディジタル化しても、600〜1000℃の測定範囲をカバーし、所定の測定精度を得ることは困難である。

そこで本手段においては、検出部として対数増幅機能を有する２次元撮像素子をセンサとして用いたカメラを使用している。このようなカメラは、その出力が、撮像素子が受ける光量の対数に比例するようにされているので、広い範囲の輝度を測定することができると共に、（１）式から分かるように、その出力は温度に比例するものなり、測定が容易になると共に、広い温度範囲を測定することが可能になる。

よって、このような対数増幅機能を有する２次元撮像素子をセンサとして用いたカメラを使用して、各画素の出力のうち最高のものを選択し、変換テーブルから、その出力に対応する温度を見つければ、測定視野のうちで最高の輝度を示す部分の温度を検出することができる。

本手段においては、広い視野の中で最高の輝度を有する測定点を選択するという方法を採用しているので、非特許文献１の技術で問題となる、放射率が１から離れた点が測定点の中に含まれてしまうと言う問題や、測定位置に正確に照準を合わせるのが困難であるという問題が克服される。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段における、前記最高値選択手段に変えて、前記対数増幅型２次元撮像素子の各画素の出力のうち最高のものから順に決められた個数の出力を選択し、これらの平均値を出力する演算手段を用いたことを特徴とする放射温度計（請求項２）である。

２次元撮像素子の各画素の出力のうち最高のものを採用するだけでは、ノイズの影響を受けることがある。本手段においては、対数増幅型２次元撮像素子の各画素の出力のうち最高のものから順に決められた個数の出力を選択し、これらの平均値を出力するようにしているので、ノイズの影響を低減することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記カメラが、測定する最高輝度を段階的に切り換える機能を有することを特徴とするもの（請求項３）である。

前述のように、対数増幅型２次元撮像素子の各画素の出力は、測定される温度にたいしてほぼリニアなものになるが、分解能はＡ／Ｄ変換器のビット数によって決まってしまうので、測定精度を上げるためには、測定温度のレンジを多段にして、切り換えて使用するようにすることが好ましい。対数増幅型２次元撮像素子を使用する場合、被測定対象の輝度が大きく変化しても、対数増幅型２次元撮像素子の出力そのものは飽和しないので、このレンジの切換は、絞り等の機械的な機構を使用することなく、電気的な処理だけで行うことができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記カメラの視野内において、複数の領域を設定可能であり、各領域毎に前記測定温度を決定し、出力する機能を有することを特徴とするもの（請求項４）である。

本手段によれば、複数の視野領域における温度を測定することが得きる。

前記課題を解決するための第５の手段は、加熱炉内をロールによって搬送される帯状金属体の温度を測定する方法であって、前記第１の手段から第４の手段のいずれかである放射温度計を使用して、前記ロールと前記帯状金属体の接触する部分の温度を測定し、測定された温度を前記帯状金属体の温度とすることを特徴とする帯状金属体の温度測定方法（請求項５）である。

前述のように、絶対温度と輝度との関係は（１）式で表されるが、比例定数の中には放射率が含まれる。非特許文献１に記載される方法の原理は、ロールと帯状鋼帯の接触部においては、ロールと帯状鋼帯の実際の温度は平衡状態にあって同じ温度となっていること、及び、ロールと帯状鋼帯の間には楔形空間が形成され、その楔形空間の先端部では放射率が１又はそれに近い値になっていて、この部分の輝度が一番大きくなることを利用したものである。すなわち、ロールと帯状鋼帯の接触部分での輝度を測定し、輝度が一番高い部分について、放射率が１であるとして決定した定数ｋを用いれば、従来放射率が低く、かつ変動するために測定不能とされていた帯状鋼帯の温度を測定できるというものである。

本手段の測定原理もこれと同じであるが、本手段においては、広い空間の輝度を測定しているので、非特許文献１に記載される技術が有する問題点を解消することができる。

本発明によれば、加熱炉内をロールによって搬送される帯状金属体の温度を正確に測定することが可能な放射温度計、及びこの放射温度計を使用した帯状金属体の温度測定方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である放射温度計の構成を示す概要図である。この放射温度計は、カメラ１と信号処理装置２とから構成されている。カメラ１は、センサとして２次元撮像素子３を用いたものであり、ここでは、ホンダエンジニアリング（株）社製のワイドダイナミックレンジカメラ「ＨＮＤＣシリーズ」を使用している。このカメラの詳細は、「映像情報インダストリアル」２００３年１月号、４１〜４６頁（非特許文献２）に記載されている。全体として１３０ｄＢのダイナミックレンジを有し、外部からの信号により、そのうち出力する範囲を切り換えられるようになっている。

信号処理装置２はＡ／Ｄ変換器４と温度演算装置５、及び温度変換テーブル６を内蔵している。温度演算装置５、及び温度変換テーブル６は、実際にはマイクロコンピュータとメモリで構成されている。

２次元撮像素子３の出力であるビデオ信号は、Ａ／Ｄ変換器４で８ビットのディジタル信号に変換され、温度演算装置５に入力される。温度演算装置５は、後に述べるような処理により温度を演算して出力すると共に、Ａ／Ｄ変換器４から入力される信号の最大値に応じて、２次元撮像素子３に信号を送って２次元撮像素子３の出力レンジを切り換え、もっとも適当な値が２次元撮像素子３の出力となるようにする。

５の処理について以下に述べる。
（１）まず、入力された２次元撮像素子３の信号が適当なものであるかどうかを判断する。Ａ／Ｄ変換器４の出力を０〜２５５で表すと、最大の信号が２２０を越す場合には、２次元撮像素子３から出力される信号が飽和している可能性がある。又、最大の信号が５０以下未満である場合には、分解能が粗くなり、温度が十分な精度で測定できない可能性がある。よって、２次元撮像素子３にレンジの切り換え信号を送り、Ａ／Ｄ変換器４から出力される信号のうち最大のものが６０〜２１０の範囲に入るようにする。
（２）その後、入力されるＡ／Ｄ変換器４からの信号の最大値を求める。そして、温度変換テーブル６に記憶されている、この最大値に対応する数値を取り出し、それを温度検出して出力する。温度変換テーブル６には、Ａ／Ｄ変換器４の出力と温度のと対応が、２次元撮像素子３のレンジ毎に記憶されている。温度変換テーブル６に記憶される数値の値は、予め黒体炉を用いて、温度とＡ／Ｄ変換器４の出力との関係を２次元撮像素子３のレンジ毎に求めて決定しておく。
（２’）以上のような処理において、（２）の処理中でＡ／Ｄ変換器４の信号の最大値に対応する温度を求めるのではなく、Ａ／Ｄ変換器４の信号のヒストグラムを作り、Ａ／Ｄ変換器４の信号の最大値側から所定個数のものを選んでその平均値を求め、この平均値に対応する温度を、温度変換テーブル６に基づいて決定して出力するようにしてもよい。

又、２次元撮像素子３の出力に対応して、入力される信号から視野内での各部分における輝度を記憶し、視野を分割して、分割された視野毎に（２）の処理や（２’）の処理を行い、視野毎の温度を求めるようにしてもよい。

以下、このような放射温度計を使用して、加熱炉（熱処理炉も加熱炉の１種である）内においてローラにより搬送される金属鋼帯の温度を測定する方法を説明する。図２はこのような方法を説明するための図である。

図２（ａ）に示すように、金属鋼帯１１は、上ロール１２と下ロール１３に挟まれた状態で加熱炉内を搬送される。図２の場合上ロール１２と金属鋼帯１１の接触する部分を視野１４としてカメラ１によりその部分とその周囲の輝度を測定する。上ロール１２と金属鋼帯１１の接触する部分では、それらに挟まれた部分が楔形の形状となるので、先行文献１に記載されるとおり、その部分での放射率は、上ロール１２や金属鋼帯１１の放射率にかかわらず１又はそれに近い値となる。

そして、上ロール１２と金属鋼帯１１は定常的に接触しているので、それらの温度は同一となる。よって、図２（ａ）の上下方向を横軸にとると、カメラ１で検出される輝度の分布は、放射率を反映して図２（ｂ）に示すようになる。図において、輝度が最高の点が、上ロール１２と金属鋼帯１１の接触位置を示し、この位置での放射率は１とみなすことができる。よって、放射率が１であると仮定した場合に、その輝度を与える温度が、金属鋼帯１１の温度であると判断することができる。放射率が１の場合のカメラ１の出力と温度との関係は、黒体炉により予め求めておくことができる。

又、前述のように、視野をいくつかに分割して、各視野内での最高輝度に対応する点の温度を測定するようにしておくと、金属鋼帯１１の幅方向での温度分布を求めることができることは説明を要しないであろう。

本発明の実施の形態の１例である放射温度計の構成を示す概要図である。 加熱炉内においてローラにより搬送される金属鋼帯の温度を測定する方法を説明する図である。

符号の説明

１…カメラ、２…信号処理装置、３…２次元撮像素子、４…Ａ／Ｄ変換器、５…温度演算装置、６…温度変換テーブル、１１…金属鋼帯、１２…上ロール、１３…下ロール、１４…視野

Claims (5)

1. 検出部として対数増幅機能を有する２次元撮像素子をセンサとして用いたカメラを使用し、前記２次元撮像素子の各画素の出力のうち最高のものを選択して出力する最高値選択手段と、前記２次元撮像素子の各画素の出力と温度の関係を示す変換テーブルと、前記最高値選択手段の出力に対応する前記変換テーブルの温度を、測定温度として決定する温度決定手段とを有することを特徴とする放射温度計。
2. 請求項１に記載の放射温度計における、前記最高値選択手段に変えて、前記対数増幅型２次元撮像素子の各画素の出力のうち最高のものから順に決められた個数の出力を選択し、これらの平均値を出力する演算手段を用いたことを特徴とする放射温度計。
3. 前記カメラが、測定する最高輝度を段階的に切り換える機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放射温度計。
4. 前記カメラの視野内において、複数の領域を設定可能であり、各領域毎に前記測定温度を決定し、出力する機能を有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の放射温度計。
5. 加熱炉内をロールによって搬送される帯状金属体の温度を測定する方法であって、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の放射温度計を使用して、前記ロールと前記帯状金属体の接触する部分の温度を測定し、測定された温度を前記帯状金属体の温度とすることを特徴とする帯状金属体の温度測定方法。
   

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