JP2008045923A

JP2008045923A - 温度測定方法及び当該方法を用いた温度測定装置

Info

Publication number: JP2008045923A
Application number: JP2006219895A
Authority: JP
Inventors: Akira Onishi; 晃大西
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US7591586B2; EP1901046A3; EP1901046A2; US20080037610A1

Abstract

【課題】被測定物質の放射率を必要とせず温度を正確に測定することを可能とし、かつ、１台の装置で低温域から高温域までの広い温度領域での測定を可能とする。
【解決手段】本発明の温度測定装置は、所定の波長範囲にわたって放射率が実質的に１とみなすことができる基準物体と、前記波長範囲の輻射エネルギーを透過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーを取り込んで温度を観測する放射温度計とを備え、前記基準物体を測定対象に接触させて実質的に熱平衡状態となったときに前記基準物体から放射され、前記バンドパスフィルタを透過し、前記放射温度計によって観測された温度から前記測定対象の温度を求めるよう構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度測定の対象物の放射率を設定しなくても、放射温度計を用いて低温から高温までの広い範囲の温度を非接触で正確に測定することが可能となる温度測定方法及び当該方法を用いた温度測定装置に関する。

物質の表面の真の温度を非接触で測定するには、その物質の熱物性の一つである放射率が、その温度依存性とともに正しく測られていることが重要であり、非接触タイプの放射温度計の測定精度は、放射率が正確に設定されているか否かに大きく影響を受ける。

従来から知られている放射温度計には、被測定物質の放射率を設定するダイヤル式の放射率設定手段が設けられており、これを調節して放射率を決め、この放射率に基づいて温度が求められている。しかしながら、被測定物質の放射率の温度依存性等が必ずしも厳密に考慮されて測定されるわけではない。このため、被測定物質の放射率を別途測定してから温度を測定することも行われているが、このようにすると、簡易かつ非接触で測定することができるという、放射温度計の特長が減殺される。

２色式放射温度計では、被測定物質の表面が灰色体のときには放射率を設定する必要はない。しかし、放射率設定の必要がないのが灰色体に限られるという制約がある。また、従来の放射温度計では、温度センサの特性や感度の制約から、低温域（約−５０〜０℃）、中温域（室温付近〜６００℃）、高温域（６００〜３０００℃）といった広い範囲の温度を１台で測定することはできない。このため、広い温度範囲にわたって測定する場合には、複数の放射温度計を準備する必要があった。

本発明は、被測定物質の放射率を必要とせず温度を正確に測定することを可能とし、かつ、１台の装置で低温域から高温域までの広い温度領域での測定が可能となる温度測定方法及び当該方法を用いた温度測定装置を提供することを目的とする。

本発明の温度測定装置は、所定の波長範囲にわたって放射率が温度に依存しないで実質的に１とみなすことができる基準物体（屈折率１、消衰係数０）と、前記波長範囲の輻射エネルギーを透過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーを取り込んで温度を観測する放射温度計とを備え、前記基準物体を測定対象に接触させて実質的に熱平衡状態となったときに前記基準物体から放射され、前記バンドパスフィルタを透過し、前記放射温度計によって観測された温度から前記測定対象の温度を求めるよう構成される。

前記バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーに透過させる減光フィルタを設けることもできる。これにより、高温域の温度測定も、低温域と同じ放射温度計を用いて温度を測定することができる。

前記基準物体としては、例えば、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄などを用いることができる。ただし、所定の波長範囲にわたって放射率が温度に依存しないで実質的に１になるものであれば、これらの物質に限定されるものではない。

上記の温度測定装置による測定は、まず、基準物体を測定対象に接触させて実質的に熱平衡状態とし、続いて、実質的に熱平衡状態となった前記基準物体から放射される放射エネルギーを前記バンドパスフィルタに透過させ、ここを透過した輻射エネルギーを放射温度計によって観測し、その温度を求める。また、高温域の温度を測定する場合には、減光フィルタを用いればよく、複数台の装置を準備する必要がない。

上記の装置を用いて、上記の方法に基づいて測定することにより、放射温度計によって温度が観測される基準物体の放射率は１とみなすことができるので、これまでの放射温度計のように放射率を調整する必要がなく、したがって放射率の調整に伴って生じる測定誤差を解消することができ、正確な温度測定が可能となる。さらに、減光フィルタと組み合わせることによって、広い温度範囲での温度測定を一台の装置で行うことが可能となる。

以下に図面を参照ながら、本発明の実施の一形態について説明する。

本発明の温度測定の方法及び装置は、基本的に、低温から高温域のある特定波長（クリスチャンセン波長）において、放射率が常に１になる物質と、そのクリスチャンセン波長の放射のみを透過させるバンドパスフィルタと、必要に応じて用いる減光フィルタとを備えた放射温度計と組み合わせて構成される。

図１は、上記方法を実行するために、使用する放射温度計を校正する方法を示している。図１において、１０は黒体を示しており、Ｔ_blackbodyはその絶対温度を示している。バンドパスフィルタ１２は、後述するクリスチャンセン効果を呈する基準物体の放射率が１となる輻射波長λ_chを透過させる役割を果たす。放射温度計１４は、バンドパスフィルタ１２を通過した輻射エネルギを観測して黒体の温度を求める温度計である。図２は、この放射温度計１４の出力Ｖと、絶対温度Ｔとの関係を示した特性図である。図２から分かるように、放射温度計１４の出力Ｖと、絶対温度Ｔとは比例している。ここで、黒体の温度Ｔ_blackbodyが分かっているので、それに基づいて、放射温度計１４を校正することができる。ただしここで言う校正は、放射率の調整とは無関係である。

このようにして校正した放射温度計１４を用いて、図３に示すようにして温度を測定する。すなわち、まず、ある波長領域においてクリスチャンセン効果を呈する（すなわちその波長領域において放射率が１となる）基準物体２０を、温度を測定しようとする測定対象２２に接触させ、両者が熱平衡状態となるのを待つ。そして、熱平衡状態となったら、バンドパスフィルタ１２を通した輻射エネルギを放射温度計１４で観測して温度を求める。こうやって得られた温度は、放射率に関係なく正確な温度となる。

また、もしも測定対象２２が非常に高温の場合には、図４に示すように、バンドパスフィルタ１２の後に減光フィルタ１６を挿入し、ここを通過した輻射を放射温度計１４で測定する。こうすることによって高温での温度測定が可能となり、結果として低温域から高温域までの広い温度範囲にわたって１台の放射温度計１４を用いて温度を測定することができる。

本実施形態の方法及び装置によれば、従来の放射温度計で行っていた測定対象物質の放射率を設定する必要がなく、これに伴って放射率補正用の電気回路が不要となり、信頼性と低コストの両方を実現することができる。さらに、従来の放射温度測定法では低温（約−１００℃）から高温（約３０００℃）までの広い温度範囲を測定するには複数台の装置が必要とされたが、本測定方法では、バンドパスフィルタと減光フィルタとを組み合わせることによって、このような広い温度範囲を１台の放射温度計だけで測定することが可能となる。また、測定対象は固体に限られず、液体についても測定対象とすることができる。さらに、測定環境は、大気中のみならず真空中でも可能である。

本発明に係る方法及び装置は、航空宇宙に留まらず、高温になる溶鉱炉や半導体の温度乖離が必要な現場等において有効である。また、製造現場や研究の場において、非接触で正確な温度測定が必要とされる各種分野において適用することができる。

本発明の一実施形態の方法を実行するために、使用する放射温度計を校正する方法を示している。放射温度計１４の出力Ｖと、絶対温度Ｔとの関係を示した特性図である。本発明の一実施形態の方法により温度を測定する様子を示した図である。本発明の一実施形態の方法により温度を測定する様子を示した図である。

符号の説明

１０黒体
１２バンドパスフィルタ
１４放射温度計
１６減光フィルタ
２０基準物体
２２測定対象

Claims

所定の波長範囲にわたって放射率が温度に依存しないで実質的に１とみなすことができる基準物体を測定対象に接触させて実質的に熱平衡状態とする工程と、
実質的に熱平衡状態となった前記基準物体から放射される前記波長範囲の輻射エネルギーにバンドパスフィルタを透過させる工程と、
放射温度計によって前記バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーを観測して、前記基準物体の温度を求める工程と、
を含んで構成される温度測定方法。
バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーにさらに減光フィルタを透過させる工程を設けた、請求項１に記載の温度測定方法。
前記基準物体は、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄のうちのいずれかからなるものである請求項１又は２に記載の温度測定方法。
所定の波長範囲にわたって放射率が温度に依存しないで実質的に１とみなすことができる基準物体と、
前記波長範囲の輻射エネルギーを透過させるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーを取り込んで温度を測定する放射温度計とを備え、
前記基準物体を測定対象に接触させて実質的に熱平衡状態となったときに前記基準物体から放射され、前記バンドパスフィルタを透過し、前記放射温度計によって観測された温度から前記測定対象の温度を求めるよう構成された温度測定装置。
前記バンドパスフィルタを透過した輻射エネルギーに透過させる減光フィルタを設けた、請求項４に記載の温度測定装置。
前記基準物体は、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄のうちのいずれかからなるものである請求項４又は５に記載の温度測定装置。