JP2013145153A - 赤外線温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対と赤外線検出を併用して正確な温度測定が可能な赤外線温度測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象から発する赤外線を検出する赤外線カメラ１２と、反射熱源の温度を測定する熱電対１８と、赤外線カメラの検出結果と熱電対の測定結果のそれぞれの取得時間のずれを同期させる同期判定部４４と、同期した赤外線カメラの検出結果と熱電対の測定結果とに基づいて、反射熱源による影響を補正して赤外線カメラ１２の検出結果の温度換算を行う温度補正部５０と、を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、赤外線温度測定装置にかかり、特に、熱電対で測定した反射熱源の表面温度を取り込んで、赤外線画像の温度換算を行う赤外線温度測定装置に関する。

温度測定装置としては、接触型の温度測定装置や非接触型の温度測定装置などがさまざまなものが提案されている。

例えば、特許文献１に記載の技術では、測温対象物の温度を測定する非接触式温度計及び接触式温度計と、非接触式温度計の測定データと接触式温度計の測定値に基づいて、非接触式温度計の測定データの誤差を補正するための補正乗数Ａεを算出し、且つ、この補正乗数Ａεにより非接触式温度計の測定データを補正して補正値を算出する演算手段と、測定値及び補正値を表示するための表示手段と、を備えた温度測定装置が提案されている。

また、特許文献２に記載の技術では、放射率部分補正の対象部分を設定するキーボード、ＣＰＵの制御の下にモニタＴＶに表示するためのグラフィックコントローラ、Ｄ／Ａコンバータを備え、対象部分に対する放射率εをキーボードから設定し、ＣＰＵが最高表示温度及び最低表示温度並びに環境温度センサで取得しかつ逆温度変換テーブルで変換した対応赤外線エネルギーに基づいて赤外線カメラで取得し温度変換テーブルで変換した入力温度データの表示に必要な減算データ及び乗算データを求め、これらを画素単位で減算データ用メモリ、乗算データ用メモリに格納することが提案されている。これにより入力温度データは減算器、乗算器でリアルタイムかつ画素ごとの迅速な補正処理を受けて表示される。

特開平８−３２７４５８号公報 特開平９−４９７６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、非接触式温度計の測定値と接触式温度計の測定値とに基づいて、測定誤差を補正するようにしているが、接触式温度計と非接触式温度計の測定結果の取得時間のずれについては考慮していないため改善の余地がある。

また、特許文献２に記載の技術では、放射率補正を行うことが記載されているが、赤外線画像の取得時間と、放射率補正を行う際の環境温度などの測定結果の取得時間のずれについては言及していないため改善の余地がある。

本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、熱電対と赤外線検出を併用して正確な温度測定が可能な赤外線温度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、測定対象から発する赤外線を検出する赤外線検出手段の検出結果を取得する赤外線検出結果取得手段と、反射熱源の温度を測定する熱電対の測定結果を取得する熱電対測定結果取得手段と、前記赤外線検出結果取得手段と前記熱電対測定結果取得手段のそれぞれの取得時間のずれを同期させる同期手段と、前記同期手段によって同期された前記赤外線検出手段の検出結果と前記熱電対の測定結果とに基づいて、反射熱源による影響を補正して前記赤外線検出手段の検出結果の温度換算を行う温度換算手段と、を備えることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、赤外線検出結果取得手段では、測定対象から発する赤外線を検出する赤外線検出手段の検出結果が取得され、熱電対測定結果取得手段では、反射熱源の温度を測定する熱電対の測定結果が取得される。

また、同期手段では、赤外線検出結果取得手段と前記熱電対測定結果取得手段のそれぞれの取得時間のずれが同期される。これによって同時期の赤外線検出手段の検出結果と熱電対の測定結果を得ることができる。

そして、温度換算手段では、同期手段によって同期された赤外線検出手段の検出結果と熱電対の測定結果とに基づいて、反射熱源による影響が補正されて赤外線検出手段の検出結果の温度換算が行われる。すなわち、同時期の赤外線検出手段の検出結果と熱電対の測定結果を用いて反射熱源による影響を補正して赤外線の温度換算を行うことができるので、熱電対と赤外線検出を併用した正確な温度測定が可能な赤外線温度測定装置を提供することができる。

以上説明したように本発明によれば、熱電対の測定結果と赤外線の検出結果の取得時間のずれを同期することで、熱電対と赤外線検出を併用して正確な温度測定が可能な赤外線温度測定装置を提供することができる、という効果がある。

本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置における赤外線カメラによる測定システムと熱電対による測定システムの構成例を示す図である。 検知、データ転送及びデータ処理を行ってそれぞれ温度表示を行うまでの赤外線カメラと熱電対の遅延時間を説明するための図である。 赤外線カメラと熱電対のそれぞれの測定データのパーソナルコンピュータへの取込時刻のイメージを示す図である。 赤外線カメラと熱電対のデータ取得時間のずれＤｔの算出方法を説明するための図である。 熱電対及び赤外線カメラのそれぞれの取込時刻及び温度値から作成した温度推移図の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置のパーソナルコンピュータで実行する温度補正プログラムの機能を示す機能ブロック図である。 既存表示プログラムを実行することによって行われる具体的な処理の流れの一例を示すフローチャートである。 同期処理プログラムを実行することによって行われる具体的な処理の流れの一例を示すフローチャートである。 新規表示プログラム３６を実行することによって行われる具体的な処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置１０は、赤外線カメラ１２、パーソナルコンピュータ１４、熱電対温度計１６、及び熱電対１８を備えている。

赤外線カメラ（所謂サーモビュワー）１２は、測定対象部品の赤外線を検出して、得られる赤外線データをＵＳＢケーブル等の通信ケーブルを介してパーソナルコンピュータ１４に出力する。

パーソナルコンピュータ１４では、赤外線カメラ１２から得られる赤外線データの温度換算処理などのデータ処理を行って温度換算結果を表示するようになっている。

赤外線データの温度換算処理は、赤外線量を元に温度値に換算すると共に、以下の（１）式の換算式により温度換算を行う。なお、Ｔ_０は対象部品の温度、Ｔ_ｔは赤外線温度換算値、ε_０は対象部品の放射率、Ｔ_ａは反射熱源の温度を表す。

ここで、赤外線カメラ１２によって検出される赤外線は、測定対象物自身が発する赤外線と、測定対象物の周囲の物体が発する赤外線を測定対象物が反射した反射赤外線との２種類があるが、赤外線カメラ１２は、測定対象物が発する赤外線と反射赤外線とを区別することができないため、反射赤外線は測定対象物の温度換算の際の誤差の要因となる。

赤外線の温度換算に用いる（１）式では、反射熱源の温度は初期状態では、常温に設定されるが、反射熱源の温度が高温である場合には、初期設定値（常温）との乖離が大きくなり、温度換算値と実際の部品温度との誤差が大きくなってしまう。

そこで、本実施の形態では、熱電対１８によって反射熱源の表面温度を測定して、補正するようになっている。

すなわち、熱電対１８は、部品の温度によって変化する電圧値等を検出して、検出結果を熱電対温度計１６に出力する。

熱電対温度計１６は、電圧値の変化を温度換算して、ＲＳ２３２等のシリアルケーブルやＵＳＢケーブル等の通信ケーブルを介してパーソナルコンピュータ１４の熱電対１８の測定結果を出力する。

パーソナルコンピュータ１４は、熱電対温度計１６から得られる熱電対１８の測定結果を用いて、赤外線データから温度換算した値を補正する処理もデータ処理として行うようになっている。

このように構成された赤外線温度測定装置１０では、物体の温度が変化してから、変化後の温度が表示されるまでに遅延が発生する。この遅延時間は、使用する測定システムによって異なるため、複数の機器によって測定された温度値を比較する場合、それぞれの遅延時間の差を考慮する必要がある。

本実施の形態では、赤外線カメラ１２による温度測定と、熱電対１８による温度測定との２つの測定システムが含まれるため、上記遅延時間を考慮する必要がある。

赤外線カメラ１２による温度測定では、図２に示すように、赤外線カメラ１２による測定対象物の検知、通信ケーブルによるパーソナルコンピュータ１４へのデータ転送、及びパーソナルコンピュータ１４によるデータ処理（温度換算して温度表示する処理）を含む。

一方、熱電対１８による温度測定では、熱電対１８による測定対象物温度の検知、熱電対温度計１６による温度換算を含むパーソナルコンピュータ１４へのデータ転送、及びパーソナルコンピュータ１４によるデータ処理（温度表示）を含む。

そして、検知、データ転送及びデータ処理を行ってそれぞれ温度表示を行うまでに、図３に示すように、時間差が発生する。

それぞれのシステムによる遅延時間の要因としては、以下に示す（１）〜（３）に示す要因が考えられる。
（１）検知器の応答性：検知器が測定物の温度変化を検知するまでに遅延が生じる。この遅延時間の長さは、検知器固有の時定数によって異なる。
（２）データ転送：パーソナルコンピュータ１４と機器間のデータの送受信を行う際に遅延が生じる。この遅延時間の長さは、機器の通信仕様や使用する通信ケーブルなどによって変わる。
（３）パーソナルコンピュータ１４内のデータ処理：パーソナルコンピュータ１４内では、機器から測定値を受信してから温度表示するまでに、データ処理を行うため遅延時間が生じる。この遅延時間の長さは、データ量・データ処理プロセス・パーソナルコンピュータ１４のデータ処理速度などによって変わる。

これら（１）〜（３）の要因のうち、赤外線カメラ１２と熱電対１８を用いた赤外線温度測定装置では、（１）の検知器の応答性が最も支配的な要因となる。

なお、全ての検知器は、測定物に温度変化が生じた時、その変化を測定値として検知するまで、わずかに時間がかかる。この所要時間の長さを定量化したパラメータが「時定数」であり、検知器の応答速度の指標となる（時定数の小さい検知器ほど応答速度が速い）。また、時定数の定義としては、本実施の形態では、検知器の測定温度値が、測定物に生じた温度変化量の６３．２％に達するまでの時間とする。これを数式化すると（２）式に示すようになる。なお、（２）式中に示す、ΔＴ（ｔ）は時間ｔに検知器が検知する温度変化量（℃）、ΔＴ０は測定物に瞬時に生じた温度変化量（℃）、ｅは自然対数（２．７１・・・）、τは時定数（ｍｓｅｃ）を表す。

ΔＴ（ｔ）＝ΔＴ_０（１−ｅ^−ｔ／τ）・・・（２）
また、本実施の形態では、赤外線カメラ１２と熱電対１８の時定数は、以下の表１のものを一例として使用する。

このように測定システムが異なれば、検知からデータ転送に要する時間が異なるので、同時刻にパーソナルコンピュータ１４に取り込まれた測定データは、実際に測定された時刻とは異なる。そこで、本実施の形態では、上記要因によって発生するそれぞれの検知器の温度測定によって発生する遅延時間を考慮するために、測定値の同期を取るようになっている。なお、本実施の形態における「同期」とは、異なる測定システムを用いた温度測定の際に生じた、検知からデータ転送までの時間差を特定して、この時間差を考慮して同時刻或いは最も近い時刻の測定データを使用できるようにすることを言う。

測定データの取込時刻の記録には、パーソナルコンピュータ１４のＯＳ（Operating System）に装備されているタイマを用いる。このタイマは１ｍｓｅｃ単位での計測が可能であるため、サンプリングタイムが数十ｍｓｅｃになる赤外線カメラ１２や熱電対１８の測定に十分利用可能である。

図４は、赤外線カメラ１２と熱電対１８のそれぞれの測定データのパーソナルコンピュータ１４への取込時刻のイメージを示す図である。

赤外線カメラ１２の測定データは、サンプリングタイムΔｔｖ間隔でパーソナルコンピュータ１４に取り込まれ、熱電対１８の測定データは、サンプリングタイムΔｔｃ間隔でパーソナルコンピュータ１４に取り込まれる。赤外線カメラ１２と熱電対１８のデータ取得時間のずれＤｔは予め求めておく。

例えば、赤外線カメラ１２のデータ取込時刻Ｔｖ４に相当する熱電対１８のデータは、ずれ時間Ｄｔを加えたＴｖ４＋Ｄｔとなる。Ｔｖ４＋Ｄｔと同時刻の熱電対１８の測定データは取り込まれていないため、最も近い時刻Ｔｃ３の熱電対１８の測定データを温度換算に用いることにより、測定データの同期を取る。

ここで、赤外線カメラ１２と熱電対１８のデータ取得時間のずれＤｔの算出方法について説明する。図５は、赤外線カメラ１２と熱電対１８のデータ取得時間のずれＤｔの算出方法を説明するための図である。

時間差Ｄｔは、赤外線カメラ１２と熱電対１８で同じ測定対象物の温度を測定し、温度推移図を比較して、同温度に達するまでの時間を読み取ることにより、時間差Ｄｔを特定する。

具体的には、図５に示すように、黒体炉２０に熱電対１８を貼り付けて、その近傍を赤外線カメラ１２で撮影する。

次に、黒体炉２０の温度を５０℃から１５０℃まで昇温させ、パーソナルコンピュータ１４に熱電対１８及び赤外線カメラ１２の測定結果を取り込み、取込時刻及び温度値から図６に示すように、温度推移図を作成する。

そして、温度推移図から両者の時間差Ｄｔを特定する。時間差は、ある程度時間が経過すると安定するので、その値を採用する。

続いて、本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置１０のパーソナルコンピュータ１４で行われるデータ処理について説明する。

データ処理は、パーソナルコンピュータ１４に予めインストールされた温度補正プログラムを実行することによって行われる。図７は、本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置１０のパーソナルコンピュータ１４で実行する温度補正プログラムの機能を示す機能ブロック図である。

温度補正プログラム２２は、赤外線カメラ１２及び熱電対１８から得られる信号を取得してデータ処理を行うものである。

まず、赤外線カメラ１２は、赤外線検知部２４によって赤外線を検知して赤外線量に応じた電圧値を得ると共に、カメラ内蔵温度計２６によって温度を測定して温度に応じた電圧値を得て、電圧値／信号値換算部２６によってそれぞれの電圧値がデジタルデータの信号値（赤外線データ）に換算されて温度補正プログラム２２で利用される。

また、熱電対１８は、反射熱源温度変化検知部２８によって反射熱源の温度変化が検知されて、熱電対温度計１６の電圧値／信号値換算部３０によって検知された温度に対応する電圧値がデジタルデータの信号値（熱電対データ）に換算されて温度補正プログラム２２で利用される。

温度補正プログラム２２は、既存表示プログラム３２、同期処理プログラム３４、及び新規表示プログラム３６の３つのプログラムからなる。

既存表示プログラム３２は、赤外線カメラ通信制御部３８、信号値／温度値換算部４０、及びデータ入出力制御部４２の機能を備えている。なお、既存表示プログラム３２は、従来の赤外線カメラの表示を行うプログラムである。

既存表示プログラム３２の赤外線カメラ通信制御部３８は、データ入出力制御部４２からの要求に従って赤外線カメラ１２の電圧値／信号値換算部２６から赤外線データを取得する。そして、取得した赤外線データを信号値／温度値換算部４０へ出力すると共に、取得時刻をデータ入出力制御部４２へ通知する。

信号値／温度値換算部４０は、取得した赤外線データを温度に換算してデータ入出力制御部４２へ出力する。

データ入出力制御部４２は、新規表示プログラム３６からの指示に従って赤外線カメラ通信制御部３８に対して赤外線データの取得要求を行うと共に、要求することによって信号値／温度値換算部４０から得られる赤外線が表す温度値と、赤外線カメラ通信制御部３８から得られる温度値の取得時刻とを後述する同期判定部４４へ出力する。

また、同期処理プログラム３４は、熱電対通信制御部４６及び同期判定部４４の機能を備えている。

同期処理プログラム３４の熱電対通信制御部４６は、熱電対温度計１６に対して測定結果の取得要求を行って、熱電対温度計１６から熱電対データを取得する。また、取得時間と共に熱電対データを同期判定部４４へ出力する。

同期判定部４４では、既存表示プログラム３２のデータ入出力制御部４２から得られる赤外線の取得時刻を含む温度値を受信すると共に、熱電対通信制御部４６によって取得した熱電対１８の測定温度とを同期する処理を行って後述するデータ収集部４８へ出力する。

一方、新規表示プログラム３６は、データ収集部４８、温度補正部５０、及び熱画像表示部５２の機能を備えている。

データ収集部４８は、既存表示プログラム３２のデータ入出力制御部４２に対して赤外線カメラ１２による測定結果取得要求を行い、同期判定部４４から取得時刻が同期した赤外線カメラ１２の測定結果と熱電対１８の測定結果を得て、温度補正部５０へ出力する。

温度補正部５０では、それぞれの測定結果、及び上述の（１）を用いて温度補正を行って補正結果を熱画像表示部５２へ出力する。

熱画像表示部５２では、温度補正部５０によって補正された温度を用いて熱画像の表示を行う。

次に、上述のように構成された本発明の実施の形態に係わる赤外線温度測定装置１０において上述の温度補正プログラムを実行することによって行われる具体的な処理について説明する。

図８は、既存表示プログラム３２を実行することによって行われる具体的な処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップ１００では、測定温度出力命令がデータ収集部４８から行われたか否かが判定される。該判定は、新規表示プログラム３６のデータ収集部４８から赤外線カメラの測定温度の出力命令を受信したか否かを判定し、該判定が肯定されるまで待機してステップ１０２へ移行する。

ステップ１０２では、赤外線カメラ通信制御部３８により赤外線カメラ１２に対して測定信号出力命令が出力されてステップ１０４へ移行する。

ステップ１０４では、温度測定信号を受信したか否かが赤外線カメラ通信制御部３８で判定され、該判定が肯定されるまで待機してステップ１０６へ移行する。

ステップ１０６では、信号値／温度値換算部４０で赤外線カメラ１２から取得された信号値が温度値に換算されてステップ１０８へ移行する。

ステップ１０８では、データ入出力部で受信した、信号値／温度値換算部４０で換算された温度値と、赤外線カメラ通信制御部３８で温度測定信号を取得した時刻とが同期判定部４４へ出力されてステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０では、一連の処理を終了するか否かが判定される。該判定は、処理終了等がパーソナルコンピュータ１４等によってなされたか否かを判定し、該判定が否定された場合にはステップ１００に戻って上述の処理を繰り返し、判定が肯定されたところで一連の処理を終了する。

図９は、同期処理プログラム３４を実行することによって行われる具体的な処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップ２００では、熱電対通信制御部４６で熱電対温度計１６に対して熱電対測定温度出力要求が行われてステップ２０２へ移行する。

ステップ２０２では、熱電対通信制御部４６で温度測定結果を取得したか否か判定され、該判定が肯定されるまで待機してステップ２０４へ移行する。

ステップ２０４では、測定温度及び取得時刻が記録されてステップ２０６へ移行する。すなわち、熱電対通信制御部４６で取得した測定温度と取得時間が熱電対通信制御部４６から同期判定部４４へ出力される。

ステップ２０６では、データ入出力制御部４２から赤外線カメラ１２の測定結果（取得時刻含む）を取得したか否か判定され、該判定が肯定されるまで待機してステップ２０８へ移行する。

ステップ２０８では、同期判定処理が行われてステップ２１０へ移行する。同期判定処理は、赤外線カメラ１２と熱電対１８の測定温度値と取得時刻を取得して、取得時刻の同じ或いは近いデータを採用することにより、取得時刻の同期を行う。

ステップ２１０では、同期結果が同期判定部４４からデータ収集部４８へ出力されてステップ２１２へ移行する。

ステップ２１２では、一連の処理を終了するか否かが判定される。該判定は、処理終了等がパーソナルコンピュータ１４等によってなされたか否かを判定し、該判定が否定された場合にはステップ２００に戻って上述の処理を繰り返し、判定が肯定されたところで一連の処理を終了する。

図１０は、新規表示プログラム３６を実行することによって行われる具体的な処理の流れの一例を示すフローチャートである。

ステップ３００では、データ収集部４８で赤外線カメラ１２の測定温度出力命令が出力されてステップ３０２へ移行する。すなわち、当該処理により、上述のステップ１００の判定が肯定される。

ステップ３０２では、赤外線カメラ１２と熱電対１８双方の測定結果を取得したか否かデータ収集部で判定され、該判定が肯定されるまで待機してステップ３０４へ移行する。

ステップ３０４では、温度補正部５０で温度補正処理が行われてステップ３０６へ移行する。温度補正処理は、取得した赤外線カメラ１２の１画素の測定温度と熱電対１８により測定した反射熱源温度を温度補正理論式（（１）式）に代入して温度補正値（赤外線の温度換算値）を算出して算出結果を熱画像表示部５２へ出力する。

ステップ３０６では、熱画像表示部５２で温度表示が行われてステップ３０８へ移行する。すなわち、温度補正処理によって補正結果を反映した熱画像がパーソナルコンピュータ１４のディスプレイに表示される。

ステップ３０８では、一連の処理を終了するか否かが判定される。該判定は、処理終了等がパーソナルコンピュータ１４等によってなされたか否かを判定し、該判定が否定された場合にはステップ３００に戻って上述の処理を繰り返し、判定が肯定されたところで一連の処理を終了する。

以上のように温度補正プログラム２２を実行することにより、熱電対１８によって測定した反射熱源の表面温度を用いて赤外線カメラ１２の検出結果を補正する赤外線温度測定装置１０において、赤外線カメラ１２の測定時刻と、熱電対１８の測定時刻と、を同期させて赤外線画像の温度換算を行うことができるので、赤外線の温度換算精度を向上することができる。

なお、上記の実施の形態では、熱電対１８を用いて反射熱源による影響を補正する例を示したが、熱電対１８以外の温度測定手段を用いて反射熱源の温度を測定して反射熱源による影響を補正するようにしてもよい。

１０ 赤外線温度測定装置
１２ 赤外線カメラ
１４ パーソナルコンピュータ
１６ 熱電対温度計
１８ 熱電対
２２ 温度補正プログラム
３２ 既存表示プログラム
３４ 同期処理プログラム
３６ 新規表示プログラム
３８ 赤外線カメラ通信制御部
４０ 信号値／温度値換算部
４２ データ入出力制御部
４４ 同期判定部
４６ 熱電対通信制御部
４８ データ収集部
５０ 温度補正部

Claims (1)

1. 測定対象から発する赤外線を検出する赤外線検出手段の検出結果を取得する赤外線検出結果取得手段と、
   反射熱源の温度を測定する熱電対の測定結果を取得する熱電対測定結果取得手段と、
   前記赤外線検出結果取得手段と前記熱電対測定結果取得手段のそれぞれの取得時間のずれを同期させる同期手段と、
   前記同期手段によって同期された前記赤外線検出手段の検出結果と前記熱電対の測定結果とに基づいて、反射熱源による影響を補正して前記赤外線検出手段の検出結果の温度換算を行う温度換算手段と、
   を備えた赤外線温度測定装置。