JP2011214980A

JP2011214980A - 金属板の温度測定装置

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Publication number: JP2011214980A
Application number: JP2010082996A
Authority: JP
Inventors: Rie Okada; 理恵岡田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP5476189B2

Abstract

【課題】本発明は、被測定金属板の振動や捩れに起因する背景放射の影響を受け難く、温度測定誤差を低減可能な金属板の温度測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】参照板２と被測定鋼板１との間で放射エネルギーが交互に反射する回数がそれぞれ１または２回となる角度に被測定鋼板１に向けて放射温度計７を設置して、被測定鋼板１から放出される射度を放射温度計７で測定し、所定の式で被測定鋼板１の温度Ｔ_１の近似値Ｔ_１´を算出し、この近似値Ｔ_１´を被測定鋼板１の温度Ｔ_１とする鋼板温度演算路９を備え、参照板２の被測定鋼板１に対向する面の内側から所定角度θで被測定鋼板１に向けて放射温度計７が配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば連続焼鈍設備や合金化溶融亜鉛メッキ設備に使用され、非接触にて金属板の温度を測定するための金属板の温度測定装置に関する。

鋼板を連続熱処理する連続焼鈍設備や溶融メッキの後に合金化処理する合金化溶融亜鉛メッキ設備においては、多品種の鋼板は連続処理される。このため、品種ごとに異なる鋼板の機械的特性（強度や伸びなど）やメッキ特性（合金化度など）を安定化させるためには、加熱・冷却を伴う熱処理プロセス後の鋼板温度を目標温度に精度良く制御することが重要である。

これらの設備において連続的に搬送される鋼板の温度測定は、非接触による放射温度計を用いた測定が一般的である。放射温度計を用いる場合、被測定対象物である鋼板の放射率の設定が必要である。ところが、鋼板の放射率は鋼種、表面性状など鋼板自体の物理性状の他、鋼板温度など種々の要因によって変動するため、このような変動に対応して鋼板の放射率を設定することは非常に困難である。この結果、鋼板温度の測定に誤差が生じやすく、鋼板温度を目標温度に精度良く制御できない問題があった。

そこで、上記のような鋼板の放射率変動の影響を極力排除した測定方法として、参照板と鋼板との間で交互に反射する回数がそれぞれで１または２回となる角度に鋼板に向けて放射温度計を設置することで、見かけ放射率が高くなるという知見に基づく測定方法が提案されている。

例えば、図５に示すように、炉壁で囲まれた炉内に、温度制御装置１０５を備えた２０００ｍｍ×６００ｍｍの参照板１０２を被測定鋼板１０１に対向させて設置してある。この温度制御装置１０５には、被測定鋼板１０１の目標温度Ｔ_０が入力され、温度制御装置１０５の指示に従ってヒータ電源１０４から参照板１０２に内蔵されたヒータ１０３に電力が供給される。また、参照板１０２の温度Ｔ_２は接触式温度計１０６で直接測定される。さらに、参照板１０２と被測定鋼板１０１との間（間隔ｈ＝１２５ｍｍ）で放射エネルギーが交互に反射する回数がそれぞれで1回または２回となるように参照板１０２の被測定鋼板１０１に対向する面外側から角度θ＝３０°で被測定鋼板１０１に向けて放射温度計１０７を設置する。このようにして、被測定鋼板１０１から放出される射度を放射温度計１０７で測定し、この射度と等価なエネルギーを放射する黒体の温度に換算して求めた温度を射度温度Ｔ_ｇとする。この射度温度Ｔ_ｇと参照板１０２の温度Ｔ_２が一致するように、温度制御装置１０５にてヒータ１０３を制御するとともに、射度温度Ｔ_ｇと参照板１０２の温度Ｔ_２に基づき鋼板温度演算器１０９にて被測定鋼板１０１の温度Ｔ_１を算出する鋼板の温度測定方法である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−３２４８５号公報

しかしながら、参照板１０２と被測定鋼板１０１との間で放射エネルギーが交互に反射する回数がそれぞれで1回または２回となるように、放射温度計１０７を参照板１０２の被測定鋼板１０１に対向する面外側から角度θ＝３０°で被測定鋼板１０１に向けて設置しているため、被測定鋼板１０１から放出される射度を測定する被測定鋼板１０１上の点（以下、「射度測定点」という）が対向する参照板１０２の中心から離れてしまう。したがって、どうしても背景放射の影響を受けやすい。すなわち、後述する形態係数Ｆが１より小さくなりやすく、鋼板の温度測定誤差が生じやすいという問題点がある。また、前記射度測定点を対向する参照板１０２の中心に近づけようとするためには、前記角度θを非常に小さくしなければならない。このように、前記角度θを小さくすると、例えば、急冷焼入れ時に被測定鋼板１０１にガスジェットを吹き付けて冷却する際に発生する被測定鋼板１０１の振動や捩れによる前記射度測定点の移動量が大きくなり、背景放射の影響が大きくなる。したがって、形態係数Ｆの変化量が大きくなり、被測定鋼板１０１の温度測定誤差（ΔＴ＝１６℃）が生じやすいという問題点があった（図６参照：被測定鋼板１０１が受ける振動振幅＝±２０ｍｍ）。

本発明の目的は、被測定金属板の振動や捩れに起因する背景放射の影響を受け難く、温度測定誤差を低減可能な金属板の温度測定装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、
温度制御装置を備えた参照板を被測定金属板に対向して設置し、前記参照板の温度（以下、「参照板温度」という。）Ｔ_２を後記放射温度計とは別の温度計で直接測定するとともに、前記参照板と前記被測定金属板との間で放射エネルギーが交互に反射する回数がそれぞれ１または２回となる角度に前記被測定金属板に向けて放射温度計を設置して、前記被測定金属板から放出される射度を前記放射温度計で測定し、この射度と等価なエネルギーを放射する黒体の温度に換算して求めた温度を射度温度Ｔ_ｇとし、下記式（１）で前記被測定金属板の温度(以下、「金属板温度」という。) Ｔ_１の近似値Ｔ_１´を算出し、この近似値Ｔ_１´を前記金属板温度Ｔ_１とする金属板温度演算回路を備えた金属板の温度測定装置において、前記参照板の前記被測定金属板に対向する面の内側から所定角度θで前記被測定金属板に向けて前記放射温度計が配置されていることを特徴とする金属板の温度測定装置。
Ｔ_１´＝Ｆ［Ｔ_ｇ＋Ｋ（Ｔ_ｇ−Ｔ_２）］・・・式（１）ここに、Ｋは、別途の測定または文献値から求めた前記参照板および前記被測定金属板の各放射率の推定値に基づく補正係数であり、Ｆは、前記参照板と前記被測定金属板の各幾何学的形状および両者の位置関係に基づく形態係数である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記所定角度θは、下記式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の金属板の温度測定装置。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記所定角度θは、下記式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の金属板の温度測定装置。

本発明によれば、参照板の被測定金属板に対向する面の内側から所定角度θで被測定金属板に向けて放射温度計が配置されているため、射度測定点を対向する参照板の中心に近づけることが可能であり、かつ、被測定金属板の振動や捩れに起因する背景放射の影響を受け難くすることが可能であり、形態係数Ｆを１に近づけ易く、温度測定誤差を低減可能な金属板の温度測定装置を実現できる。

一実施形態に係る鋼板の温度測定装置の概略構成を説明するための、通板方向断面および制御フロー図である。同鋼板の温度測定装置において、鋼板に振動が発生した時の鋼板の温度測定誤差を説明するための説明図である。図２に示すような振動が鋼板に発生した時の鋼板の温度測定誤差（角度θ＝２０°、３０°の場合）を従来例と比較して説明するための説明図である。同鋼板の温度測定装置において、測定口径ｄ、間隙ｈと角度θの関係が鋼板の温度測定誤差に与える影響を説明するための説明図である。従来の鋼板の温度測定装置の概略構成を説明するための、通板方向断面および制御フロー図である。同鋼板の温度測定装置において、鋼板に振動が発生した時の鋼板の温度測定誤差を説明するための説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態に係る鋼板の温度測定装置の概略構成を説明するための、通板方向断面および制御フロー図である。

図１において、炉壁で囲まれた炉内に、温度制御装置５を備えた２０００ｍｍ×６００ｍｍの参照板２を被測定鋼板１に対向させて設置してある。この温度制御装置５には、被測定鋼板１の目標温度Ｔ_０が入力され、温度制御装置５の指示に従ってヒータ電源４から参照板２に内蔵されたヒータ３に電力が供給される。また、参照板２の温度Ｔ_２は接触式温度計６で直接測定される。さらに、参照板２と被測定鋼板１との間（間隔ｈ＝１２５ｍｍ）で放射エネルギーが交互に反射する回数がそれぞれで1回または２回となるように参照板２の被測定鋼板１に対向する面の内側から所定角度θ＝３０°で被測定鋼板１に向けて放射温度計７を設置する。

このように放射温度計７を設置することにより、射度測定点を対向する参照板２の中心に近づけることが可能であり、かつ、被測定鋼板１の振動や捩れに起因する背景放射の影響を受け難くすることが可能であり、形態係数Ｆが１に近づく。

より、詳細に本発明の測定原理を以下に説明する。

２枚の有限の平行平板である鋼板１および参照板２と、参照板２面の内側に配置された測定孔の射度は、周囲からの背景放射を無視すると下記式のように表される。

ここに、Ｆ_１２、Ｆ_１３はそれぞれ、鋼板１から参照板２および測定孔、Ｆ_２１、Ｆ_３１はそれぞれ、参照板２および測定孔から鋼板１の形態係数で、それぞれの幾何学的形状および位置関係より求まる値である。上式より参照板２および測定孔の射度Ｇを消去して、鋼板１の射度Ｇ_１を求めると、下記式が得られる。

ここで、Ｆ_２１は１にほぼ等しい場合は、Ｆ_２１＝１とおくことにより簡略化される。また、測定孔は鋼板１の面積に比べ非常に小さい場合、Ｆ_１３＜＜１、ε_３は１に等しいとはいえないものの、１に近いので、１−ε_３＜＜１、したがって上式は下記式に簡略化できる。

鋼板１の射度Ｇ_１とこれと等価なエネルギーを放射する黒体の温度（以下、「射度温度」という）Ｔ_ｇとの間には、Ｇ_１＝σＴ_ｇ ^４の関係があるので、上式より下記式が導かれ、射度温度Ｔ_ｇが算出できることとなる。

上式に基づいて、下記温度測定誤差ΔＴについて詳述する。

Ｆ_１３はθとｄ／ｈの関数で表すことができ、また、参照板２の幅および長さがｈ、ｄと比べ十分大きく、鋼板１と参照板２の温度がほぼ等しいとき、ε_１≧０．２、ε_２≧０．２の範囲において温度測定誤差ΔＴは下記式で近似できる。

ただし、

ここで、Ｆは鋼板１と参照板２との幾何学的関係により変動する形態係数であり、１に近づくように設定されている。また、Ｋは、鋼板１および参照板２の放射率ε_１、ε_２のみの関数からなる補正係数である。このため、補正係数Ｋ自体は、鋼板１および参照板２の放射率変動の影響を受けることになるが、参照板２の温度を射度温度Ｔ_ｇに近づくように制御するので、補正係数Ｋによる誤差が除外され高精度の鋼板温度の測定が可能となる。

上記近似式（１）で算出した近似値Ｔ_１´を被測定鋼板１の温度Ｔ_１とみなした場合には、上記温度測定誤差ΔＴを伴う（詳細は、後述する）。しかし本発明の場合には、被測定鋼板１から放出される射度を放射温度計７で測定し、この射度と等価なエネルギーを放射する黒体の温度に換算して求めた温度を射度温度Ｔ_ｇとし、この射度温度Ｔ_ｇと参照板２の温度Ｔ_２が一致するように（すなわち、参照板の温度Ｔ_２が被測定鋼板１の目標温度Ｔ_０または上記近似値Ｔ_１´に近づくように）、温度制御装置５にてヒータ３を制御するとともに、射度温度Ｔ_ｇと参照板２の温度Ｔ_２に基づき鋼板温度演算器９内で上記近似式（１）により、被測定鋼板１の温度Ｔ_１の近似値Ｔ_１´を算出し、この近似値Ｔ_１´を被測定鋼板１の温度Ｔ_１とみなす鋼板１の温度測定装置において、参照板２の被測定鋼板１に対向する面の内側から所定角度θで被測定鋼板１に向けて放射温度計７が配置されるように構成されているため、上記温度測定誤差ΔＴを小さくできる（詳細は、後述する）。したがって、被測定鋼板１が振動や捩れを受けた場合にも、被測定鋼板１の振動や捩れに起因する背景放射の影響を受け難く、温度測定誤差を低減可能な鋼板の温度測定装置を実現できる（図２参照：被測定鋼板１が受ける振動振幅＝±２０ｍｍ）。図２に示すように、温度測定誤差ΔＴが３℃となり、従来例（図６参照）の温度測定誤差ΔＴ＝１６℃の約１／５になる。なお、参照板２の温度を測定する接触式温度計６は、参照板２に複数個設置し、各接触式温度計６の測定値を平均して参照板温度Ｔ_２とすることが望ましい。

図３は、図２に示すような振動が鋼板１に発生した時の鋼板１の温度測定誤差（角度θ＝２０°、３０°の場合）を従来例と比較して説明するための説明図である。本発明の実施形態（発明例）の場合、角度θが３０°から２０°に変化すると、鋼板１の温度測定誤差がさらに低減するのが分かる。しかし、従来例の場合は、あまり低減効果が認められない。また、従来例の場合は、角度θが３０°より大きくなっても２０°より小さくなっても、それぞれ被測定鋼板１の振動や捩れに起因する背景放射の影響から鋼板１の温度測定誤差の低減は望めない。

図４は、本実施形態において、鋼板１が静止している場合の、金属板温度Ｔ_１、測定口径ｄに対応した参照板２内の測定孔の温度Ｔ_３、測定口径ｄ、間隙ｈと角度θの関係が鋼板１の温度測定誤差ΔＴに与える影響を説明するための説明図である。図４に示すように、直線Ａ→直線Ｂ→直線Ｃ→直線Ｄ→直線Ｅに移行する程、鋼板１の温度測定誤差ΔＴが小さくなる。この時の金属板温度Ｔ_１、測定口径ｄに対応した参照板２内の測定孔の温度Ｔ_３、測定口径ｄ、間隙ｈと角度θの関係が鋼板１の許容できる温度測定誤差ΔＴに与える影響を示したのが、上記式（４）を変形して、θをＴ_１、Ｔ_３、ΔＴ、ｄ／ｈの関数で表した下記式である。

さらに、上式を変形すると、下記式（２）となる。

例えば、被測定鋼板１の温度範囲が２００℃〜６００℃、測定孔温度が５０℃〜１００℃、許容できる温度測定誤差ΔＴが１℃以下(例えば、放射温度計７の測定温度の再現性と同等と設定する)とすると、上記式（２）は下式（３）で表わすことができる。

ただし、Ｔ_１−Ｔ_３が大きいほどθの範囲は小さくなるため、Ｔ_１−Ｔ_３が最大となる条件を選択した。上例の場合、Ｔ_１＝６００℃、Ｔ_３＝５０℃である。

したがって、前述した式（３）を満足するように、測定口径ｄ、間隙ｈを設定すれば、鋼板１が静止している場合の鋼板１の温度測定誤差ΔＴは、１℃以下となる。因みに、本実施形態で説明した測定口径ｄ＝３０ｍｍ、間隙ｈ＝１２５ｍｍ、角度θ＝２０°、３０°の例の場合、いずれも鋼板１が静止している場合の鋼板１の温度測定誤差ΔＴは、１℃以下となる。

このように本発明の技術思想を採用したならば、図４に示した鋼板１が静止している場合の鋼板１の温度測定誤差と図２に示した鋼板１が振動している場合の鋼板１の温度測定誤差を合計した温度測定誤差となり、被測定鋼板１の振動に起因する背景放射の影響を受け難く、温度測定誤差を低減可能な鋼板の温度測定装置を実現できることが分かる。被測定鋼板１が振動する例について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば被測定鋼板１が捩れる場合にも本発明の技術思想を適応することが可能である。

なお、本実施形態においては、被測定金属板として、鋼板を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、広く金属板にて適応可能である。

１：鋼板
２：参照板
３：ヒータ
４：ヒータ電源
５：温度制御装置
６：接触式温度計
７：放射温度計
９：鋼板温度演算器

Claims

温度制御装置を備えた参照板を被測定金属板に対向して設置し、前記参照板の温度（以下、「参照板温度」という。）Ｔ_２を後記放射温度計とは別の温度計で直接測定するとともに、前記参照板と前記被測定金属板との間で放射エネルギーが交互に反射する回数がそれぞれ１または２回となる角度に前記被測定金属板に向けて放射温度計を設置して、前記被測定金属板から放出される射度を前記放射温度計で測定し、この射度と等価なエネルギーを放射する黒体の温度に換算して求めた温度を射度温度Ｔ_ｇとし、下記式（１）で前記被測定金属板の温度(以下、「金属板温度」という。) Ｔ_１の近似値Ｔ_１´を算出し、この近似値Ｔ_１´を前記金属板温度Ｔ_１とする金属板温度演算回路を備えた金属板の温度測定装置において、前記参照板の前記被測定金属板に対向する面の内側から所定角度θで前記被測定金属板に向けて前記放射温度計が配置されていることを特徴とする金属板の温度測定装置。
Ｔ_１´＝Ｆ［Ｔ_ｇ＋Ｋ（Ｔ_ｇ−Ｔ_２）］・・・式（１）
ここに、Ｋは、別途の測定または文献値から求めた前記参照板および前記被測定金属板の各放射率の推定値に基づく補正係数であり、Ｆは、前記参照板と前記被測定金属板の各幾何学的形状および両者の位置関係に基づく形態係数である。
前記所定角度θは、下記式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の金属板の温度測定装置。
前記所定角度θは、下記式（３）を満足することを特徴とする請求項１に記載の金属板の温度測定装置。