JP2013221788A - Temperature measuring method and temperature measuring device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To highly accurately measure the temperature of a measurement object without calculating a combination solution of emittance and without being affected by fluctuation in emittance.SOLUTION: A regressive creation part 3 analyzes the basis of spectral information used for creating a calibration curve defined by a temperature measured value obtained by measuring a measuring object 5 by using a contact type thermometer 30, calculates a score a(k, j) of the basis, and calculates a multiple regression coefficient (c(k), k=1, 2) from the score a(k, j) and the temperature of the temperature instruction value of the contact type thermometer 30 corresponding to the spectral information for calibration curve creation. A temperature estimation part 4 calculates a score of the basis, based on the spectral information of the measuring object and the basis calculated by the regressive creation part 3, and estimates the temperature of the measuring object, based on the calculated store a(k, j) and the multiple regression coefficient (c(k), k=1, 2). Thus, without calculating a combination solution of emittance, the temperature of the measuring object can be highly accurately measured without being affected by fluctuation in emittance.

Description

本発明は、測定対象物から発せられる放射エネルギーを分光測定し、得られた分光スペクトル情報を信号処理して測定対象物の表面温度を測定する温度測定方法および温度測定装置に関する。   The present invention relates to a temperature measurement method and a temperature measurement apparatus that spectroscopically measure radiant energy emitted from a measurement object and measure the surface temperature of the measurement object by performing signal processing on the obtained spectrum information.

測定対象物の温度を測定するための技術には様々なものがある。そのうち放射温度測定技術は、測定対象物からの放射光を利用して測定対象物の表面温度を非接触で測定する技術であり、放射温度計として実用化されている。放射温度計は、光電変換素子と光学フィルタとを備え、所定の波長帯域における測定対象物の放射エネルギーを測定し、測定された放射エネルギー値を温度に変換することによって、測定対象物の表面温度を測定する。このような放射温度計には、単一の波長で放射エネルギーを測定する単色放射温度計、2波長で放射エネルギーを測定する2波長式放射温度計(2色放射温度計)、さらに多くの波長で放射エネルギーを測定する多波長式放射温度計(多色放射温度計)がある。   There are various techniques for measuring the temperature of an object to be measured. Among them, the radiation temperature measurement technique is a technique for measuring the surface temperature of the measurement object in a non-contact manner using the radiated light from the measurement object, and is practically used as a radiation thermometer. The radiation thermometer includes a photoelectric conversion element and an optical filter, measures the radiant energy of the measurement object in a predetermined wavelength band, and converts the measured radiant energy value into a temperature, thereby measuring the surface temperature of the measurement object. Measure. Such radiation thermometers include monochromatic radiation thermometers that measure radiant energy at a single wavelength, two-wavelength radiation thermometers that measure radiant energy at two wavelengths (two-color radiation thermometers), and many more wavelengths. There is a multi-wavelength radiation thermometer (multi-color radiation thermometer) that measures radiant energy.

測定対象物の放射エネルギーは、理想的な黒体からの放射エネルギーに測定対象物の放射率を乗じた値になるため、放射温度計を利用して測定対象物の表面温度を測定する際には、測定対象物の放射率の値が必要になる。このため、単色放射温度計では、測定対象物の放射率を予め測定しておき、予め測定された放射率を用いて測定対象物の表面温度を測定している。また、特許文献1には、放射源が測定対象物に放射する放射エネルギーの寄与率を変更しながら測定対象物の放射エネルギーを測定することにより、放射率と測定対象物の表面温度とを共に測定する技術が開示されている。   Since the radiant energy of the measurement object is the value obtained by multiplying the radiant energy from the ideal black body by the emissivity of the measurement object, when measuring the surface temperature of the measurement object using a radiation thermometer, Requires the value of the emissivity of the object to be measured. For this reason, in the monochromatic radiation thermometer, the emissivity of the measurement object is measured in advance, and the surface temperature of the measurement object is measured using the emissivity measured in advance. Patent Document 1 discloses that both the emissivity and the surface temperature of the measurement object are obtained by measuring the radiant energy of the measurement object while changing the contribution ratio of the radiant energy emitted from the radiation source to the measurement object. Techniques for measuring are disclosed.

一方、上述のような放射源を有さない放射温度計として、以下のような2波長式放射温度計がある。すなわち、この2波長式放射温度計は、2波長での放射率の比を予め測定して設定しておく、又は、近接した2波長では放射率が等しいと仮定して、測定対象物の表面温度を測定する。しかしながら、放射率は測定対象物の状態に応じて変化し、測定対象物の放射率が時間的に変化する場合、温度測定誤差は大きくなる。このため、2波長式放射温度計および多波長式放射温度計では、温度測定誤差を小さくするために様々な提案がなされている。   On the other hand, as a radiation thermometer having no radiation source as described above, there are the following two-wavelength radiation thermometers. That is, this two-wavelength type radiation thermometer measures and sets the ratio of emissivity at two wavelengths in advance, or assumes that the emissivity is equal at two adjacent wavelengths, and the surface of the object to be measured Measure the temperature. However, the emissivity changes according to the state of the measurement object, and when the emissivity of the measurement object changes with time, the temperature measurement error increases. For this reason, in the two-wavelength radiation thermometer and the multi-wavelength radiation thermometer, various proposals have been made to reduce the temperature measurement error.

具体的には、特許文献2〜4や非特許文献1には、測定対象物の放射率を動的に補正し、動的に補正された放射率を用いて測定対象物の表面温度を測定する技術が記載されている。詳しくは、これらの文献には、実験による測定データから得られた実験式又は分光放射率の理論式を用いて、一種の検量線を作る、又は、関係式(実験式、理論式)を満たすような放射率の組み合わせ解を決定するという方法で放射率を動的に補正する技術が記載されている。   Specifically, in Patent Documents 2 to 4 and Non-Patent Document 1, the emissivity of the measurement object is dynamically corrected, and the surface temperature of the measurement object is measured using the dynamically corrected emissivity. The technology to do is described. Specifically, in these documents, an empirical formula obtained from experimental measurement data or a theoretical formula of spectral emissivity is used to create a kind of calibration curve or satisfy a relational formula (empirical formula, theoretical formula). A technique for dynamically correcting the emissivity by a method of determining such a combined emissivity solution is described.

特開平2−245624号公報JP-A-2-245624 特公平3−4855号公報Japanese Patent Publication No. 3-4855 特開平2−85730号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-85730 特開平2−238333号公報JP-A-2-238333

J.L.gardner, T.P.Jones and R.Davis, "A six-wavelength radiation pyrometer", High Temp-High pressure, vol.13, No.5, p.459-466(1981)J.L.gardner, T.P.Jones and R.Davis, "A six-wavelength radiation pyrometer", High Temp-High pressure, vol.13, No.5, p.459-466 (1981)

従来技術では、放射率の実際値に対して小さな誤差を有する放射率の初期値を関係式(実験式、理論式)に与えて繰り返し計算を行うことによって、放射率の組み合わせ解を決定することから、演算精度が放射温度計の測定精度を決定する。このため、測定精度が高い放射温度計を構成するためには、高精度の関係式を用いる必要がある。しかしながら、特に関係式として実験式を用いる場合には、高精度の実験式を求めるために、多くの実験を行う必要があり、多くの時間と手間とを要する。また、放射率の組み合わせ解を求めるためには、ソフトウェアおよびハードウェアが必要であり、特に繰り返し計算は時間が掛かる演算であるために、高速処理が可能なソフトウェアおよびハードウェアが要求される。また、放射率が時間的に変化する場合には、繰り返し計算が必ず放射率の実際値に収束するという保証がない。   In the prior art, the combined emissivity solution is determined by giving the initial value of the emissivity having a small error to the actual value of the emissivity to the relational expression (empirical formula, theoretical formula) and performing the calculation repeatedly. Therefore, the calculation accuracy determines the measurement accuracy of the radiation thermometer. For this reason, in order to construct a radiation thermometer with high measurement accuracy, it is necessary to use a highly accurate relational expression. However, in particular, when an empirical formula is used as a relational expression, many experiments need to be performed in order to obtain a highly accurate empirical formula, which requires a lot of time and effort. In addition, in order to obtain a combined solution of emissivity, software and hardware are required. Especially, since iterative calculations are time-consuming operations, software and hardware capable of high-speed processing are required. In addition, when the emissivity changes with time, there is no guarantee that repeated calculations will always converge to the actual value of emissivity.

このように、従来技術には、放射率の組み合わせ解を計算によって決定することに起因する問題がある。このため、放射率の組み合わせ解を計算せずに、放射率の変動の影響を受けることなく測定対象物の表面温度を高精度に測定可能な技術の提供が期待されていた。   As described above, the prior art has a problem caused by determining the combined emissivity solution by calculation. Therefore, it has been expected to provide a technique capable of measuring the surface temperature of the measurement object with high accuracy without calculating the emissivity combination solution and without being affected by the change in emissivity.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、放射率の組み合わせ解を計算せずに、放射率の変動の影響を受けることなく測定対象物の温度を高精度に測定可能な温度測定方法および温度測定装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to calculate the temperature of an object to be measured without being affected by fluctuations in emissivity without calculating a combined emissivity solution. An object of the present invention is to provide a temperature measuring method and a temperature measuring apparatus capable of measuring with high accuracy.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる温度測定方法は、測定対象物から発せられる放射エネルギーを分光測定し、得られた分光スペクトル情報を信号処理して測定対象物の表面温度を測定する温度測定方法であって、前記表面温度の測定は、前記測定対象物から得られた分光スペクトル情報に基づき予め取得される基底スペクトルのスコアを算出し、予め取得される検量式に従って前記スコアを用いて行い、前記基底スペクトルおよび前記検量式を、接触式温度計を用いて測定対象物を測定した温度測定値に応じて決定することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a temperature measurement method according to the present invention performs spectroscopic measurement of radiant energy emitted from a measurement object, and performs signal processing on the obtained spectral spectrum information to measure the measurement object. A temperature measurement method for measuring a surface temperature, wherein the measurement of the surface temperature calculates a score of a base spectrum acquired in advance based on spectral spectrum information obtained from the measurement object, and a calibration formula acquired in advance And the base spectrum and the calibration formula are determined according to a temperature measurement value obtained by measuring a measurement object using a contact thermometer.

また、本発明にかかる温度測定方法は、上記発明において、測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値と同温度の黒体炉を測定して得た放射エネルギーの分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルを前記基底スペクトルとして決定することを特徴とする。   The temperature measurement method according to the present invention is the above-described invention, wherein the spectral spectrum information of the object to be measured and the radiant energy spectrum obtained by measuring a black body furnace having the same temperature as the temperature measured by the contact thermometer. An emissivity is calculated from a ratio with the spectrum information, and a spectrum orthogonal to a principal component obtained by performing principal component analysis on an emissivity variation based on the emissivity is determined as the base spectrum.

また、本発明にかかる温度測定方法は、上記発明において、予め、複数の温度について測定した黒体炉の放射エネルギーの分光スペクトル情報を主成分分析して得た1つ以上の主成分のスコアと、前記黒体炉の温度との関係式を算出しておき、測定対象物の分光スペクトル情報と、前記関係式により定まる前記接触式温度計の温度測定値に対応するスコアを用いて再構成された分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルを前記基底スペクトルとして決定することを特徴とする。   Further, the temperature measurement method according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the score of one or more principal components obtained by principal component analysis of the spectral spectrum information of the radiant energy of the black body furnace measured in advance for a plurality of temperatures. Then, a relational expression with the temperature of the black body furnace is calculated and reconstructed using the spectral spectrum information of the measurement object and a score corresponding to the temperature measurement value of the contact thermometer determined by the relational expression. The emissivity is calculated from the ratio to the spectral spectrum information obtained, and a spectrum orthogonal to the principal component obtained by principal component analysis of the emissivity variation based on the emissivity is determined as the base spectrum.

また、本発明にかかる温度測定方法は、上記発明において、測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値とに対して部分的最小二乗法を適用することにより前記基底スペクトルを決定することを特徴とする。   In the temperature measurement method according to the present invention, the base spectrum is obtained by applying a partial least square method to the spectral spectrum information of the measurement object and the temperature measurement value obtained by the contact thermometer. It is characterized by determining.

また、本発明にかかる温度測定装置は、測定対象物から発せられる放射エネルギーを分光測定し、得られた分光スペクトル情報を信号処理して測定対象物の表面温度を測定する温度測定装置であって、前記表面温度の測定は、前記測定対象物から得られた分光スペクトル情報に基づき予め取得される基底スペクトルのスコアを算出し、予め取得される検量式に従って前記スコアを用いて行い、前記基底スペクトルおよび前記検量式が、接触式温度計を用いて測定対象物を測定した温度測定値に応じて決定されていることを特徴とする。   The temperature measuring device according to the present invention is a temperature measuring device that spectroscopically measures radiant energy emitted from a measuring object and measures the surface temperature of the measuring object by performing signal processing on the obtained spectral spectrum information. The surface temperature is measured by calculating a score of a base spectrum acquired in advance based on spectral spectrum information obtained from the measurement object, and using the score according to a calibration formula acquired in advance. The calibration equation is determined in accordance with a temperature measurement value obtained by measuring an object to be measured using a contact-type thermometer.

また、本発明にかかる温度測定装置は、上記発明において、測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値と同温度の黒体炉を測定して得た放射エネルギーの分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルが前記基底スペクトルとして決定されていることを特徴とする。   Further, the temperature measuring device according to the present invention is the above-described invention, wherein the spectral spectrum information of the object to be measured and the radiant energy spectrum obtained by measuring a black body furnace having the same temperature as the temperature measured by the contact thermometer. An emissivity is calculated from a ratio with spectrum information, and a spectrum orthogonal to a principal component obtained by performing principal component analysis on an emissivity variation based on the emissivity is determined as the base spectrum.

また、本発明にかかる温度測定装置は、上記発明において、予め、複数の温度について測定した黒体炉の放射エネルギーの分光スペクトル情報を主成分分析して得た1つ以上の主成分のスコアと、前記黒体炉の温度との関係式を算出しておき、測定対象物の分光スペクトル情報と、前記関係式により定まる前記接触式温度計の温度測定値に対応するスコアを用いて再構成された分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルが前記基底スペクトルとして決定されていることを特徴とする。   The temperature measuring device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the score of one or more principal components obtained by principal component analysis of the spectral spectrum information of the radiant energy of the black body furnace measured in advance for a plurality of temperatures. Then, a relational expression with the temperature of the black body furnace is calculated and reconstructed using the spectral spectrum information of the measurement object and a score corresponding to the temperature measurement value of the contact thermometer determined by the relational expression. A spectrum orthogonal to the principal component obtained by calculating an emissivity from a ratio with the spectral information obtained and analyzing the emissivity variation based on the emissivity as a principal component is determined as the base spectrum. .

また、本発明にかかる温度測定装置は、上記発明において、測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値とに対して部分的最小二乗法を適用することにより前記基底スペクトルが決定されていることを特徴とする。   In the temperature measurement device according to the present invention, the base spectrum is obtained by applying a partial least square method to the spectral spectrum information of the measurement object and the temperature measurement value obtained by the contact thermometer. Is determined.

本発明に係る温度測定方法および温度測定装置によれば、放射率の組み合わせ解を計算せずに、放射率の変動の影響を受けることなく測定対象物の温度を高精度に測定することができる。   According to the temperature measurement method and the temperature measurement device of the present invention, it is possible to measure the temperature of the measurement object with high accuracy without calculating an emissivity combination solution and without being affected by variations in emissivity. .

図1は、ある集団の構成員の身長と体重との関係を示す散布図である。FIG. 1 is a scatter diagram showing the relationship between the height and weight of members of a certain group. 図2は、多点の波長情報と第1主成分との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between multi-point wavelength information and the first principal component. 図3Aは、7段階の温度に対する黒体放射エネルギースペクトルを示す図である。FIG. 3A is a diagram showing a black body radiant energy spectrum with respect to seven stages of temperature. 図3Bは、図3Aに示す黒体放射エネルギースペクトルに対して対数演算を施した結果を示す図である。FIG. 3B is a diagram illustrating a result of logarithmic calculation performed on the blackbody radiant energy spectrum illustrated in FIG. 3A. 図4は、図3Bに示す放射エネルギーの対数演算値に対して主成分分析を実行することによって得られた第1主成分および第2主成分を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating the first principal component and the second principal component obtained by performing the principal component analysis on the logarithm calculation value of the radiant energy illustrated in FIG. 3B. 図5Aは、第1主成分を用いた黒体放射エネルギースペクトルの再構成例を示す図である。FIG. 5A is a diagram illustrating a reconstruction example of a black body radiant energy spectrum using the first principal component. 図5Bは、第1主成分と第2主成分とを用いた黒体放射エネルギースペクトルの再構成例を示す図である。FIG. 5B is a diagram illustrating a reconstruction example of a black body radiant energy spectrum using the first principal component and the second principal component. 図6は、放射率変動の主成分ベクトルと放射エネルギーの主成分ベクトルとの関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the principal component vector of emissivity fluctuation and the principal component vector of radiant energy. 図7は、放射率変動の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of emissivity fluctuation. 図8は、測定対象物から取得された分光エネルギースペクトルを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a spectral energy spectrum acquired from the measurement object. 図9は、理想的な黒体放射エネルギースペクトルに対して主成分分析を実行することによって得られた第1主成分に対するスコアと測定対象物の温度との関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the score of the first principal component obtained by executing the principal component analysis on the ideal black body radiant energy spectrum and the temperature of the measurement object. 図10Aは、図9に示す関係に基づいて測定対象物の表面温度を測定した結果を示す図である。FIG. 10A is a diagram showing the results of measuring the surface temperature of the measurement object based on the relationship shown in FIG. 図10Bは、従来技術を用いて測定対象物の表面温度を測定した結果を示す図である。FIG. 10B is a diagram illustrating a result of measuring the surface temperature of the measurement object using the conventional technique. 図11は、本発明の一実施形態である温度測定装置の構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a temperature measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 図12は、図11に示すFTIRの内部構成を示す模式図である。FIG. 12 is a schematic diagram showing an internal configuration of the FTIR shown in FIG. 図13は、図11に示す接触式温度計の構成を示す模式図である。FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a configuration of the contact thermometer illustrated in FIG. 11. 図14は、本発明の一実施形態である回帰式作成処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 14 is a flowchart showing the flow of regression equation creation processing according to an embodiment of the present invention. 図15は、本発明の一実施形態である温度推定処理の流れを示すフローチャートである。FIG. 15 is a flowchart showing a flow of temperature estimation processing according to an embodiment of the present invention. 図16は、本発明の他の実施形態である温度測定装置の構成を説明する模式図である。FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a configuration of a temperature measuring apparatus according to another embodiment of the present invention. 図17は、図16に示す分光器の内部構成を示す模式図である。FIG. 17 is a schematic diagram showing the internal configuration of the spectrometer shown in FIG. 図18は、異なる温度条件で複数の鋼板の放射率を測定した結果を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing the results of measuring the emissivity of a plurality of steel plates under different temperature conditions. 図19は、実施例1における放射率の平均値に対する放射率の実測値の比の対数値と第1主成分を用いて対数値を表現したものとの関係を示す図である。FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between the logarithmic value of the ratio of the measured value of the emissivity to the average value of the emissivity in Example 1 and the logarithm value expressed using the first principal component. 図20Aは、実施例1と従来技術とによって測定された測定対象物の表面温度の測定誤差を示す図である。FIG. 20A is a diagram showing a measurement error of the surface temperature of the measurement object measured by Example 1 and the prior art. 図20Bは、実施例1と従来技術とによって測定された測定対象物の表面温度の測定誤差を示す図である。FIG. 20B is a diagram showing a measurement error of the surface temperature of the measurement object measured by Example 1 and the prior art. 図21は、異なる速度で移動する複数の鋼板の放射率を測定した結果を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing the results of measuring the emissivity of a plurality of steel plates moving at different speeds. 図22Aは、実施例2における放射率の平均値に対する放射率の実測値の比の対数値と第1主成分を用いて対数値を表現したものとの関係を示す図である。FIG. 22A is a diagram illustrating a relationship between a logarithmic value of a ratio of an actually measured emissivity value to an average emissivity value in Example 2 and a logarithmic value expressed using the first principal component. 図22Bは、実施例2における放射率の平均値に対する放射率の実測値の比の対数値と第1主成分および第2主成分を用いて対数値を表現したものとの関係を示す図である。FIG. 22B is a diagram illustrating a relationship between a logarithmic value of a ratio of an actually measured emissivity value to an average emissivity value in Example 2 and a logarithmic value expressed using the first principal component and the second principal component. is there. 図23は、実施例2の主成分分析で得られた放射率変動の第1主成分、放射率変動の第2主成分、および第1主成分および第2主成分に直交する放射エネルギーの主成分を示す図である。FIG. 23 shows the first principal component of the emissivity variation, the second principal component of the emissivity variation, and the main radiant energy orthogonal to the first and second principal components obtained in the principal component analysis of Example 2. It is a figure which shows a component. 図24は、実施例2と従来技術とによって測定された測定対象物の表面温度の測定誤差を示す図である。FIG. 24 is a diagram showing a measurement error of the surface temperature of the measurement object measured by Example 2 and the prior art.

〔本発明の概念〕
測定対象物の放射エネルギーを利用した測定対象物の表面温度測定においては、以下の数式(1)に示すように、黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)に予め仮定した放射率のスペクトルε(λ)を乗じた測定値L(λ,T)が測定される。なお、数式(1)中のパラメータλは放射エネルギーの測定波長を示し、パラメータTは測定対象物の表面温度を示している。
[Concept of the present invention]
In the measurement of the surface temperature of the measurement object using the radiant energy of the measurement object, the spectrum of the emissivity preliminarily assumed in the black body radiant energy spectrum L B (λ, T) as shown in the following formula (1). A measurement value L (λ, T) multiplied by ε (λ) is measured. Note that the parameter λ in the formula (1) indicates the measurement wavelength of the radiant energy, and the parameter T indicates the surface temperature of the measurement object.

ここで、数式(1)の両辺のlog(自然対数)を取り変形すると、以下に示す数式(2)が得られる。従って、数式(2)の右辺に測定値L(λ,T)と放射率のスペクトルε(λ)とを代入することによって、黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)の推定値を算出することができる。なお、ここで“推定値”と表現する理由は、予め仮定した放射率のスペクトルε(λ)が正確かどうかわからないためである。すなわち、放射率のスペクトルε(λ)が仮定した値からずれている場合には、算出された黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)の値は正しい値ではない。 Here, when the log (natural logarithm) of both sides of the formula (1) is taken and deformed, the following formula (2) is obtained. Therefore, the natural logarithm logL B (λ, T) of the blackbody radiant energy spectrum is estimated by substituting the measured value L (λ, T) and the spectrum of emissivity ε (λ) into the right side of Equation (2). A value can be calculated. Here, the reason for expressing it as “estimated value” is because it is not known whether the spectrum ε (λ) of emissivity assumed in advance is accurate. That is, when the emissivity spectrum ε (λ) deviates from the assumed value, the calculated natural logarithm logL B (λ, T) of the black body radiant energy spectrum is not a correct value.

但し、黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)は、本来、以下の数式(3)に示すプランクの放射則で表現される。なお、数式(3)中のパラメータc,cは物理定数を示している。従って、黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)に放射率のスペクトルε(λ)に起因する誤差が含まれていたとしても、本来取りうる黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)の形は決まっているので、放射率のスペクトルε(λ)に関係なく黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)の真の形を推定できる可能性がある。そこで、黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)の形に着目するための一手法として、主成分分析(基底分解)を行うことを考える。 However, the black body radiant energy spectrum L B (λ, T) is originally expressed by Planck's radiation law shown in the following formula (3). Note that the parameters c 1 and c 2 in Equation (3) indicate physical constants. Accordingly, even if the natural logarithm logL B (λ, T) of the black body radiant energy spectrum includes an error due to the emissivity spectrum ε (λ), the natural logarithm logL of the black body radiant energy spectrum that can be originally taken. Since the shape of B (λ, T) is determined, the true shape of the natural logarithm logL B (λ, T) of the blackbody radiant energy spectrum may be estimated regardless of the emissivity spectrum ε (λ). is there. Therefore, as one method for paying attention to the shape of the natural logarithm logL B (λ, T) of the blackbody radiant energy spectrum, consider performing principal component analysis (basic decomposition).

始めに、図1を参照して、一般的な主成分分析手法について説明をする。図1は、ある集団の構成員の身長Xと体重Xとの関係を示す散布図である。一般に、身長Xが大きい人は体重Xが重いと言えるので、図1に示す散布図は右上がりの分布を有している。図1中に挿入した右上がりの線分Lはこの分布の中心を通る線であり、いわば「体の大きさ」という尺度を表している。主成分分析手法とは、この身長Xと体重Xとの組合せデータ(2次元情報)の本質的解釈が、「体の大きさt」という1次元の尺度で代表されるということを統計的に導く手法である。数学的には、この「体の大きさ」は第1主成分であり、この第1主成分と直交する、第1主成分の次に本質的な情報が第2主成分となる。図1に示す例では、第2主成分は物理的には「肥満度t」なる尺度(線分L)と言える。 First, a general principal component analysis method will be described with reference to FIG. Figure 1 is a scatter diagram showing the relationship between the height X 1 and weight X 2 members of a population. In general, since the person is large stature X 1 is said to weight X 2 is heavy, scatter diagram shown in FIG. 1 has a distribution of right-up. Line L 1 of the inserted upper right in FIG. 1 is a line passing through the center of the distribution, so to speak represent a measure of "body size". The principal component analysis method means that the essential interpretation of the combination data (two-dimensional information) of the height X 1 and the weight X 2 is represented by a one-dimensional scale “body size t 1 ”. This is a statistically derived method. Mathematically, this “body size” is the first principal component, and the essential information next to the first principal component orthogonal to the first principal component is the second principal component. In the example shown in FIG. 1, the second principal component can be physically referred to as a scale (line segment L 2 ) of “obesity level t 2 ”.

図1に示す例では、元々の2次元情報(身長、体重)が主成分分析によって「体の大きさ」という1次元情報に縮約される。従って、この本質を抜き出すという情報処理を表面温度推定における放射エネルギースペクトル波形に適用すれば、多点の波長情報から本質を抽出することができる。この場合、多点の波長情報は、図2に示すように測定波長の数と同じ次元数の空間上の1点として表現される。例えば7つの温度に対するn波長の分光スペクトルデータが与えられたとすると、n次元空間上の7つの点が与えられることになる。従って、この7つの点のn次元空間における分布の広がりを考えて、最も広がりの大きな方向が第1主成分の方向となり、これが前述の7つの点を区別する、つまり7つの温度を区別する最も有力な手がかりとなる。   In the example shown in FIG. 1, the original two-dimensional information (height and weight) is reduced to one-dimensional information “body size” by principal component analysis. Therefore, if the information processing of extracting this essence is applied to the radiant energy spectrum waveform in the surface temperature estimation, the essence can be extracted from the multi-point wavelength information. In this case, the multi-point wavelength information is expressed as one point on the space having the same number of dimensions as the number of measurement wavelengths as shown in FIG. For example, assuming that spectral data of n wavelengths for seven temperatures is given, seven points on an n-dimensional space are given. Therefore, considering the spread of the distribution of these seven points in the n-dimensional space, the direction with the largest spread becomes the direction of the first principal component, which distinguishes the aforementioned seven points, that is, most distinguishes the seven temperatures. It will be a powerful clue.

ここで、図3Aに示す7つの温度に対する黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)(これは黒体炉を測定することにより得られる)に対数演算を施した結果であるlogL(λ,T)(図3B)に対して主成分分析を行ったときに得られた第1主成分および第2主成分を図4に示す。図4に示す第1主成分は、7つの温度に対する黒体放射エネルギースペクトルの自然対数logL(λ,T)を最も代表するスペクトル波形である。なお、黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)に対数演算を施した理由は、測定対象物の表面温度を実際に測定した場合に黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)に乗じた形で影響する放射率ε(λ)をlogε(λ)の加算という形で分離するためである。 Here, logL B (λ, which is the result of logarithmic operation on the black body radiant energy spectrum L B (λ, T) (obtained by measuring the black body furnace) for the seven temperatures shown in FIG. 3A. , T) (FIG. 3B) shows the first principal component and the second principal component obtained when the principal component analysis is performed. The first principal component shown in FIG. 4 is a spectrum waveform most representative of the natural logarithm logL B (λ, T) of the black body radiant energy spectrum for seven temperatures. The reason why the black body radiant energy spectrum L B (λ, T) is logarithmically calculated is that the black body radiant energy spectrum L B (λ, T) is multiplied when the surface temperature of the measurement object is actually measured. This is to separate the emissivity ε (λ) that affects in the form of addition of log ε (λ).

次に、この第1主成分に直交するベクトル空間で7点のばらつきが2番目に大きな方向を取り出したものが第2主成分であり、これを同図に示す。直観的には、第1主成分が、温度とともに増大する平均的なエネルギーを表現する基底で、第2主成分が、細かな形を表現するための基底のように見える。以降、同様にして第3主成分以降の主成分も求めることができる。これら低次の主成分情報は、元の7つの黒体放射エネルギースペクトルlogL(λ,T)の本質的なスペクトル情報(基底スペクトル)である。 Next, the second principal component is a vector space orthogonal to the first principal component, in which the second largest variation of seven points is extracted, which is shown in FIG. Intuitively, the first principal component looks like a basis expressing average energy that increases with temperature, and the second principal component looks like a basis for expressing a fine shape. Thereafter, the main components after the third main component can be obtained in the same manner. These low-order principal component information is essential spectral information (base spectrum) of the original seven blackbody radiant energy spectra logL B (λ, T).

これら低次の主成分情報が、確かに元の7つの黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)の本質的なスペクトル情報(基底スペクトル)であるということを検証するため、基底スペクトルから元の7つの黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)を再構成した際の当てはまり具合を図5A,図5Bに示す。再構成とは基底ベクトルを係数倍して足し合わせるという積和演算、つまり線形操作を行うことによって元のスペクトルを構成するものである。元の7つの黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)に、低次の基底ベクトル情報がどの位含まれているかにより再構成した際の当てはまり具合が変化する。図5Aは第1主成分のみで再構成した結果、図5Bは第2主成分までで再構成した結果を示している。 In order to verify that these low-order principal component information is indeed essential spectral information (basic spectrum) of the original seven blackbody radiant energy spectra L B (λ, T), FIG. 5A and FIG. 5B show the fits when the seven blackbody radiant energy spectra L B (λ, T) are reconstructed. Reconstruction constitutes the original spectrum by performing a product-sum operation in which the basis vectors are multiplied and added together, that is, a linear operation is performed. Depending on how much low-order basis vector information is included in the original seven blackbody radiant energy spectra L B (λ, T), the degree of fit at the time of reconstruction changes. FIG. 5A shows the result of reconstruction with only the first principal component, and FIG. 5B shows the result of reconstruction with the second principal component.

図5Bから明らかなように、第2主成分までを使用することによって、7つの黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)のどれもが非常に良く再構成されていることがわかる。これは、1つ1つの黒体放射エネルギースペクトルL(λ,T)はN点の波長情報、つまりN次元の各座標で表現する必要はなく、2つの基底ベクトルの線形和という2つの係数分の2点の情報だけで表現できるということを意味している。換言すれば、N次元データが2次元データに圧縮されたとも言える。この際、次元数は大幅に圧縮されてはいるが、「基底ベクトル」という本質的なスペクトル形で再構成されているということが重要で、先に述べた放射率変動といった外乱には影響されにくいことが想定される。 As is clear from FIG. 5B, it can be seen that by using up to the second principal component, all of the seven blackbody radiant energy spectra L B (λ, T) are reconstructed very well. This is because each black body radiant energy spectrum L B (λ, T) does not need to be expressed by wavelength information at N points, that is, by N-dimensional coordinates, and there are two coefficients that are linear sums of two basis vectors. It means that it can be expressed with only two points of information. In other words, it can be said that N-dimensional data is compressed into two-dimensional data. At this time, although the number of dimensions is greatly compressed, it is important that it is reconstructed in an essential spectral form called a “basis vector”, and it is affected by disturbances such as the emissivity fluctuation described above. It is assumed that it is difficult.

図3Bに示す対数演算結果を改めて数式の形で補足する。図3Bに示す対数演算結果は、例えば波長2〜10μmの波長範囲内で0.32μm毎に測定された波長方向(横軸)N=250点における放射エネルギーに対数演算を施したものである。ここで、放射エネルギーのlog値をx(i,j)として表すことにする。なお、パラメータi(=1〜250)は、測定波長番号を表し、パラメータj(=1〜7)は温度番号を示す。パラメータjに対する温度はy(j)であるとする。さらに、放射エネルギーのlog値x(i,j)に対して主成分分析を実施した結果得られた主成分ベクトルをw(i,k)とする。主成分ベクトルw(i,k)の決め方の説明は主成分解析の一般的文献に譲るが、簡単に説明すると、以下に示す数式(4)中のパラメータjについてのばらつきが最大になるように第1主成分w(i,1)が決定され、第1主成分w(i,1)と直交するベクトルの中で以下に示す数式(5)中のパラメータjについてのばらつきが最大になるように第2主成分w(i,2)が決定されるといった具合である。   The logarithmic calculation result shown in FIG. 3B will be supplemented in the form of a mathematical formula. The logarithmic calculation result shown in FIG. 3B is obtained by logarithmically calculating the radiant energy at N = 250 points in the wavelength direction (horizontal axis) measured every 0.32 μm within the wavelength range of 2 to 10 μm, for example. Here, the log value of the radiant energy is expressed as x (i, j). The parameter i (= 1 to 250) represents the measurement wavelength number, and the parameter j (= 1 to 7) represents the temperature number. It is assumed that the temperature for the parameter j is y (j). Further, a principal component vector obtained as a result of performing the principal component analysis on the log value x (i, j) of the radiant energy is defined as w (i, k). The description of how to determine the principal component vector w (i, k) is left to the general literature of principal component analysis. However, in brief, the variation for the parameter j in the following formula (4) is maximized. The first principal component w (i, 1) is determined so that the variation with respect to the parameter j in the following formula (5) among vectors orthogonal to the first principal component w (i, 1) is maximized. The second principal component w (i, 2) is determined.

各主成分の大きさ(i=1〜Nの各成分の二乗和の平方根)は1とする。主成分ベクトルw(i,k)において、パラメータiは1〜250の範囲、パラメータkは数学的には1〜Nの範囲で考えることができるが、本例ではk=1,2の範囲で考える。一般に、パラメータkがより小さい(低次の主成分)場合がより放射エネルギーのlog値x(i,j)の本質を表すことになるが、パラメータkの範囲の選び方に関しては本発明では特に限定しない。なお、第1主成分w(i,1)のみで元の放射エネルギーデータを再構築した値は以下に示す数式(6)によって表される。   The size of each main component (i = 1 to N square root of the sum of squares of each component) is 1. In the principal component vector w (i, k), the parameter i can be considered in the range of 1 to 250, and the parameter k can be mathematically considered in the range of 1 to N. Think. Generally, the case where the parameter k is smaller (low-order principal component) represents the essence of the log value x (i, j) of the radiant energy, but the method of selecting the range of the parameter k is particularly limited in the present invention. do not do. A value obtained by reconstructing the original radiant energy data using only the first principal component w (i, 1) is expressed by the following formula (6).

数式(6)中のパラメータa(k,j)は数学的には主成分得点若しくはスコアと呼ばれる定数(スカラー)である。そして、数式(6)を対数演算を施す前の状態、すなわち、以下に示す数式(7)で表される値として表示したものが図5Aに示した再構築例である。なお、数式(7)中のeは自然対数の底を表している。   The parameter a (k, j) in the equation (6) is a constant (scalar) mathematically called a principal component score or score. Then, the reconstructed example shown in FIG. 5A is obtained by displaying the formula (6) as a state before the logarithmic operation, that is, a value represented by the following formula (7). Note that e in Equation (7) represents the base of the natural logarithm.

同様に、第1主成分w(i,1)に第2主成分w(i,2)を加えて元の放射エネルギーデータを再構築した値は以下に示す数式(8)によって表される。そして、同様に、数式(8)を対数演算を施す前の状態で表示したものが図5Bに示した再構築例である。この第2主成分w(i,2)までを使って再構築した放射エネルギーデータでほぼ元の放射エネルギーのlog値x(i,j)を再現することができる。このことは、実温度を推定する場合、250点のデータから構成される放射エネルギーのlog値x(i,j)を使用する代わりに、たかだか2点のデータであるスコアa(k,j)を使用しても情報の質が落ちないということを意味している。   Similarly, a value obtained by adding the second principal component w (i, 2) to the first principal component w (i, 1) and reconstructing the original radiant energy data is expressed by the following formula (8). Similarly, the reconstructed example shown in FIG. 5B is obtained by displaying Equation (8) in a state before logarithmic calculation. The log value x (i, j) of the original radiant energy can be reproduced with the radiant energy data reconstructed using the second principal component w (i, 2). This is because, when the actual temperature is estimated, instead of using the log value x (i, j) of the radiant energy composed of the data of 250 points, the score a (k, j) which is data of at most 2 points. Means that the quality of the information will not be reduced.

なお、スコアa(k,j)は、主成分ベクトルw(i,k)と元の放射エネルギーのlog値x(i,j)との内積を算出することによって導出され、個々の成分は、以下に示す数式(9)によって導出される。   The score a (k, j) is derived by calculating the inner product of the principal component vector w (i, k) and the log value x (i, j) of the original radiant energy. It is derived by the following formula (9).

以上が、分光スペクトルデータに対して主成分分析を行う際の基本的な考え方である。ここでは、さらに、測定対象物の放射率変動の影響を受けないようにするための、主成分分析の適用方法について考える。放射率の変動があった場合、放射率を予め既知の放射率値ε(λ)と操業条件などによって変化し得る放射率変動分δε(λ)とに分けて、数式(1)に対応する形で測定値L(λ,T)は以下に示す数式(10)のように記述することができる。ここで、数式(10)中のパラメータε0(λ)は設定値などの基準となる放射率、パラメータδε(λ)は種々の条件下での放射率の変動を表している。 The above is the basic concept when performing principal component analysis on spectral spectrum data. Here, an application method of principal component analysis is further considered so as not to be affected by the emissivity fluctuation of the measurement object. When there is a change in emissivity, the emissivity is divided into a known emissivity value ε (λ) and an emissivity variation δε (λ) that can change depending on operating conditions and the like, and corresponds to Equation (1). The measured value L (λ, T) can be described as the following formula (10). Here, the parameter ε 0 (λ) in the equation (10) represents a reference emissivity such as a set value, and the parameter δε (λ) represents a change in emissivity under various conditions.

上記数式(10)両辺のlog(自然対数)を取り変形すると、以下に示す数式(11)が得られる。従来の放射温度測定では、測定波長における放射率ε0(λ)は既知として、単色温度計では以下に示す数式(12)により表される仮定、2色温度計では以下に示す数式(13)により表される仮定をおき、方程式を解くことによって表面温度を求めている。しかしながら、これらの仮定が厳密には成立せずに温度誤差が生じることが多い。 When the log (natural logarithm) of both sides of the above equation (10) is taken and deformed, the following equation (11) is obtained. In the conventional radiation temperature measurement, it is assumed that the emissivity ε 0 (λ) at the measurement wavelength is known, and the monochromatic thermometer is represented by the following equation (12), and the two-color thermometer is represented by the following equation (13). The surface temperature is obtained by making the assumption expressed by and solving the equation. However, these assumptions do not hold strictly and temperature errors often occur.

そこで、ここでは測定対象物の放射率変動の挙動が予めわかっているとして、その放射率変動データに対して主成分分析を行い、放射率変動の第1主成分v(i,1)を算出する。放射率変動の第1主成分v(i,1)は、測定対象物の放射率変動の統計的挙動を表現するものになる。換言すれば、この放射率変動の主成分ベクトルと直交するベクトルは全て、放射率変動を受けないベクトルと言える。図6に以上の説明の概念図を示す。すなわち、図6に示すように、放射率変動の主成分ベクトルVと直行する放射エネルギーの主成分ベクトルVは、放射率変動の影響を受けず、測定対象物の温度に対する感度が最大になる。 Therefore, here, assuming that the behavior of the emissivity variation of the measurement object is known in advance, a principal component analysis is performed on the emissivity variation data, and the first principal component v (i, 1) of the emissivity variation is calculated. To do. The first principal component v (i, 1) of the emissivity variation represents the statistical behavior of the emissivity variation of the measurement object. In other words, all the vectors orthogonal to the principal component vector of the emissivity variation can be said to be vectors that are not subjected to the emissivity variation. FIG. 6 shows a conceptual diagram of the above description. That is, as shown in FIG. 6, the principal component vector V 2 of emissivity variation and the principal component vector V 1 of radiant energy orthogonal to the emissivity variation are not affected by the emissivity variation, and the sensitivity to the temperature of the measurement object is maximized. Become.

従って、放射率変動の第1主成分v(i,1)に必ず直交するという制約の下、放射エネルギーの主成分分析を行うことにより、放射率変動の影響を受けずに放射エネルギーの本質的な情報を取り出すことができる。具体的な手順としては、以下の数式(14)に示すように、放射エネルギーx(i,j)から予め放射率変動の第1主成分v(i,1)を除いておいた値に対して主成分分析を行う。これにより、求められる主成分は、いずれも放射率変動の第1主成分v(i,1)と直交するものとなる。また多くの場合、放射率変動の第1主成分v(i,1)はあくまで統計的なもので、実際の放射率変動は放射率変動の第1主成分v(i,1)とは完全には一致せずにずれがあることも考えられる。しかしながら、このような場合であっても、数式(14)を利用して求めた主成分は放射率変動の第1主成分v(i,1)とはほぼ直交していると考えられるので、最も誤差が乗りにくい条件が実現できていると考えられる。   Therefore, by performing the principal component analysis of the radiant energy under the constraint that the first principal component v (i, 1) of the emissivity variation is always orthogonal, the essence of the radiant energy is not affected by the emissivity variation. Information can be extracted. As a specific procedure, as shown in the following formula (14), for a value obtained by removing the first principal component v (i, 1) of the emissivity fluctuation from the radiant energy x (i, j) in advance. To perform principal component analysis. As a result, the required principal components are all orthogonal to the first principal component v (i, 1) of the emissivity fluctuation. In many cases, the first principal component v (i, 1) of the emissivity variation is statistical, and the actual emissivity variation is completely different from the first principal component v (i, 1) of the emissivity variation. It is also possible that there is a shift without matching. However, even in such a case, the principal component obtained using Equation (14) is considered to be substantially orthogonal to the first principal component v (i, 1) of the emissivity fluctuation. It is considered that the conditions that are most resistant to errors are achieved.

上述の概念に基づいて、放射率の大きさが図7に示すように変化する測定対象物の温度測定シミュレーションを行った例について説明する。なお、本例は、放射率変動が定数倍、すなわち、パラメータKを定数としたとき、以下に示す数式(15)が成立する例である。従って、対数演算を施した後の放射率変動の主成分は、全ての波長成分が同一の値を持つ、いわゆる直流成分となる。このように放射率が変化する場合、測定される放射エネルギーは、図5Aに示すような黒体放射エネルギーに放射率が乗じられた値として測定される。800℃の場合の各放射率に対応して測定される分光エネルギースペクトルを図8に示す。図から明らかなように、800℃で放射率が低い場合には、750℃で放射率が想定値通りであった場合と波形が類似しており、従来方式のうち、単色温度計ではこのように放射率が変化している測定対象物を精度よく測定することは難しい。   Based on the above concept, an example in which a temperature measurement simulation of a measurement object whose emissivity changes as shown in FIG. 7 will be described. This example is an example in which the following formula (15) is established when the variation in emissivity is a constant multiple, that is, when the parameter K is a constant. Therefore, the main component of the emissivity fluctuation after logarithmic calculation is a so-called DC component in which all wavelength components have the same value. When the emissivity changes as described above, the measured radiant energy is measured as a value obtained by multiplying the black body radiant energy as shown in FIG. 5A by the emissivity. A spectral energy spectrum measured corresponding to each emissivity at 800 ° C. is shown in FIG. As is clear from the figure, when the emissivity is low at 800 ° C., the waveform is similar to that when the emissivity is as expected at 750 ° C., and this is the case with the monochromatic thermometer among the conventional methods. It is difficult to accurately measure a measurement object whose emissivity changes.

そこで、これらの波形を対数演算後、想定している放射率データであるlogε(λ)を減算した波形に対し、放射率変動を表現する基底(この場合は直流成分)と、放射率変動を表現する基底と直交し、且つ、黒体放射エネルギースペクトルを表現するのに本質的な基底(第1主成分)とを用いて表現する。そして、その第1主成分に乗ぜられる係数に着目する。その理由は、黒体放射エネルギースペクトルの第1主成分に対応する係数は放射率変動の影響を受けずに、黒体放射エネルギースペクトル波形を表現するために本質的な情報を有していると考えられるからである。   Therefore, after logarithmically calculating these waveforms, a base (in this case, a direct current component) expressing emissivity fluctuations and emissivity fluctuations are obtained with respect to the waveform obtained by subtracting log ε (λ) which is assumed emissivity data. This is expressed using a base (first principal component) that is orthogonal to the base to be expressed and is essential for expressing the blackbody radiant energy spectrum. Then, pay attention to the coefficient multiplied by the first principal component. The reason is that the coefficient corresponding to the first principal component of the black body radiant energy spectrum has essential information for expressing the black body radiant energy spectrum waveform without being affected by the emissivity fluctuation. It is possible.

ここで、放射率変動の主成分を除いた後の第1主成分の係数に注目して見ると、理想的な黒体放射エネルギースペクトルに主成分分析を適用した際の、第1主成分に対する係数(スコア)と測定対象の温度との関係が図9に示すような関係であることがわかる。このため、図9に示す関係から、第2主成分に対する係数と測定対象の温度との関係を表す検量線を計算しておき、放射率が増減した場合の測定放射エネルギースペクトルから計算した第1主成分に対する係数を用いて温度を推定した。その結果、図7に示したような放射率の増減があった場合でも、図10Aに示すような誤差に収まることが確認された。なお、2色温度計(この場合は波長2μmと波長4μm)で測定を行った場合の誤差は、図10Bに示すように、完全に放射率の比が等しい条件が成立している場合は誤差が小さいが、放射率の比が必ずしも等しくなく、変動しているような場合には大きい。   Here, focusing on the coefficient of the first principal component after removing the principal component of the emissivity fluctuation, the principal component analysis when the principal component analysis is applied to the ideal black body radiant energy spectrum It can be seen that the relationship between the coefficient (score) and the temperature to be measured is as shown in FIG. Therefore, from the relationship shown in FIG. 9, a calibration curve representing the relationship between the coefficient for the second principal component and the temperature of the measurement object is calculated, and the first calculated from the measured radiant energy spectrum when the emissivity increases or decreases. The temperature was estimated using the coefficient for the principal component. As a result, it was confirmed that even when the emissivity increased or decreased as shown in FIG. 7, it was within the error as shown in FIG. 10A. Note that the error when measuring with a two-color thermometer (in this case, the wavelength 2 μm and the wavelength 4 μm) is the error when the condition where the ratio of emissivity is completely equal as shown in FIG. 10B. Is small, but large when the ratio of emissivity is not necessarily equal and fluctuates.

従って、本発明の目的である温度推定のための元情報としては、多数の波長からなる分光情報に対して主成分分析を行い、低次の主成分で元分光情報を再構成した場合の、基底ベクトルの係数倍という情報(主成分得点)が有効であることが確認された。先の例に照らし合わせて換言すると、元のN点波長データから温度を推定する代わりに、N点波長データを第2主成分までのスコアである2点データに次元圧縮し、その2点情報から温度データを通常の重回帰手法で推定する。図5A,5Bで示したように、この2点情報から十分にN点波長データを再現できることを考えると、この2点情報には温度を推定するための十分な情報が入っているからである。   Therefore, as the original information for temperature estimation that is the object of the present invention, the principal component analysis is performed on the spectral information consisting of a large number of wavelengths, and the original spectral information is reconstructed with the lower-order principal components. It was confirmed that the information (principal component score) of the coefficient multiplication of the basis vector is effective. In other words, instead of estimating the temperature from the original N-point wavelength data, the N-point wavelength data is dimensionally compressed into two-point data that is a score up to the second principal component, and the two-point information The temperature data is estimated by the usual multiple regression method. This is because, as shown in FIGS. 5A and 5B, considering that the N-point wavelength data can be sufficiently reproduced from the two-point information, the two-point information contains sufficient information for estimating the temperature. .

数式の形で補足すると、オリジナルのN点波長データから温度を推定する以下に示す数式(16)の代わりに、第2主成分までのスコアである2点データから温度を推定する以下に示す数式(17)を用いて温度を推定する。   In addition to the formula (16) shown below for estimating the temperature from the original N-point wavelength data, the formula shown below for estimating the temperature from the two-point data that is the score up to the second principal component. (17) is used to estimate the temperature.

以下、図面を参照して、上記の本発明の概念に基づき想到された本発明の一実施形態である温度測定装置およびその温度測定方法について詳しく説明する。   Hereinafter, a temperature measuring device and a temperature measuring method thereof according to an embodiment of the present invention conceived based on the concept of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

〔温度測定装置の構成〕
始めに、図11、図12を参照して、本発明の一実施形態である温度測定装置の構成について説明する。
[Configuration of temperature measurement device]
First, with reference to FIG. 11 and FIG. 12, the structure of the temperature measuring apparatus which is one Embodiment of this invention is demonstrated.

図11は、本発明の一実施形態である温度測定装置の構成を示すブロック図である。図12は、図11に示すFTIRの内部構成を示す模式図である。図13は、図11に示す接触式温度計の構成を示す模式図である。図11に示すように、本発明の一実施形態である温度測定装置1は、FTIR(フーリエ変換赤外分光光度計)2、接触式温度計30、エアシリンダ40、回帰式作成部3、および温度推定部4を備えている。   FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a temperature measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 12 is a schematic diagram showing an internal configuration of the FTIR shown in FIG. FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a configuration of the contact thermometer illustrated in FIG. 11. As shown in FIG. 11, the temperature measurement apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes an FTIR (Fourier transform infrared spectrophotometer) 2, a contact thermometer 30, an air cylinder 40, a regression equation creation unit 3, and A temperature estimation unit 4 is provided.

FTIR2は、測定対象物である鋼板5からの放射エネルギーの分光スペクトルを測定するものである。図12に示すように、FTIR2は、ミラー11、ハーフミラー12、可動ミラー13、ミラー14、ミラー15,16、および検出器17を備え、ミラー11、ハーフミラー12、可動ミラー13、およびミラー14〜16は干渉計18を構成している。鋼板5から発せられた放射光は干渉計18に導かれ、検出器17が干渉計18から出た光の光量を測定する。   FTIR2 measures the spectral spectrum of the radiant energy from the steel plate 5 which is a measurement object. As shown in FIG. 12, the FTIR 2 includes a mirror 11, a half mirror 12, a movable mirror 13, a mirror 14, mirrors 15 and 16, and a detector 17, and the mirror 11, the half mirror 12, the movable mirror 13, and the mirror 14. ˜16 constitute an interferometer 18. The emitted light emitted from the steel plate 5 is guided to the interferometer 18, and the detector 17 measures the amount of light emitted from the interferometer 18.

このとき、干渉計18の可動ミラー13を移動しながら時系列的に測定した検出器17の信号をフーリエ変換することにより、鋼板5からの放射エネルギーの分光スペクトル情報が得られる。この場合、1つの分光スペクトル情報を得るために、可動ミラー13を移動させるだけの時間を要するが、その間の温度変動が十分小さければ問題ない。分光スペクトルを測定する方法は、これ以外にも、回折格子を利用する方法、波長選択フィルタを利用する方法など種々考えられるが、いずれの方法を利用しても構わない。   At this time, the spectral spectrum information of the radiant energy from the steel plate 5 is obtained by Fourier-transforming the signal of the detector 17 measured in time series while moving the movable mirror 13 of the interferometer 18. In this case, it takes time to move the movable mirror 13 to obtain one piece of spectral spectrum information, but there is no problem if the temperature fluctuation during that time is sufficiently small. In addition to this, various methods such as a method using a diffraction grating and a method using a wavelength selection filter are conceivable as methods for measuring a spectral spectrum, but any method may be used.

接触式温度計30は、測定対象物である鋼板5に熱電対を接触させて鋼板5の温度を測定するものである。実際の製造プロセスにおける温度測定場面では、焼鈍炉等の炉内を所定速度で搬送されている状態の鋼板を対象に温度を測定する。このため、本実施形態では、接触式温度計30は、移動体の温度を測定するものとして一般的に用いられるものを採用する。   The contact-type thermometer 30 measures the temperature of the steel plate 5 by bringing a thermocouple into contact with the steel plate 5 as a measurement object. In a temperature measurement scene in an actual manufacturing process, the temperature is measured for a steel sheet that is being conveyed at a predetermined speed in a furnace such as an annealing furnace. For this reason, in this embodiment, the contact-type thermometer 30 employ | adopts what is generally used as what measures the temperature of a moving body.

すなわち、例えば、図13に示すように、接触式温度計30は、所定速度で搬送される鋼板5上を安定追従するためのタッチロール31を介してボディ33が載上されてなり、このボディ33に取り付けられたそり状の金属箔35が鋼板5上を摺動するように構成されている。この金属箔35の裏面側には、熱電対37の感熱部371が配され、温度測定はこの感熱部371で行われる。ここで、ボディ33は、熱電対37を支持して感熱部371を金属箔35の裏面側の所定位置に保持し、金属箔35を介して温度を測定するように配置される。この接触式温度計30は、ボディ33に取り付けられたエアシリンダ40を駆動することで、図13中に矢印で示す上下方向に移動可能に構成され、温度測定時は金属箔35を鋼板5と接触・摺動させる一方、測温しない場合には、鋼板5から離間して上方に退避するようになっている。この接触式温度計30の温度指示値(温度測定値)は回帰式作成部3に随時出力される。   That is, for example, as shown in FIG. 13, the contact-type thermometer 30 has a body 33 placed thereon via a touch roll 31 for stably following the steel plate 5 conveyed at a predetermined speed. A sled-like metal foil 35 attached to 33 is configured to slide on the steel plate 5. A thermosensitive portion 371 of a thermocouple 37 is disposed on the back side of the metal foil 35, and temperature measurement is performed by the thermosensitive portion 371. Here, the body 33 supports the thermocouple 37, holds the heat sensitive part 371 at a predetermined position on the back side of the metal foil 35, and is arranged so as to measure the temperature via the metal foil 35. The contact-type thermometer 30 is configured to be movable in the vertical direction indicated by an arrow in FIG. 13 by driving an air cylinder 40 attached to the body 33. The metal foil 35 is attached to the steel plate 5 at the time of temperature measurement. On the other hand, when the temperature is not measured while being contacted and slid, the plate is separated from the steel plate 5 and retreated upward. The temperature indication value (temperature measurement value) of the contact thermometer 30 is output to the regression equation creation unit 3 as needed.

回帰式作成部3および温度推定部4は、マイクロコンピュータなどの情報処理装置によって構成されている。回帰式作成部3は、後述する回帰式作成処理を実行することによって、温度推定部4が鋼板5の表面温度を推定する際に使用する基礎データ(基底スペクトルおよび重回帰係数)を算出する。温度推定部4は、後述する温度推定処理を実行することによって、回帰式作成部3によって算出された基礎データを用いて鋼板5の表面温度を測定する。   The regression equation creation unit 3 and the temperature estimation unit 4 are configured by an information processing device such as a microcomputer. The regression formula creation unit 3 calculates basic data (base spectrum and multiple regression coefficient) used when the temperature estimation unit 4 estimates the surface temperature of the steel sheet 5 by executing a regression formula creation process described later. The temperature estimation unit 4 measures the surface temperature of the steel plate 5 using the basic data calculated by the regression equation creation unit 3 by executing a temperature estimation process described later.

このような構成を有する温度測定装置1は、以下に示す回帰式作成処理および温度推定処理を実行することによって、鋼板5の表面温度を推定する。以下、図14および図15に示すフローチャートを参照して、回帰式作成処理および温度推定処理を実行する際の温度測定装置1の動作について説明する。   The temperature measuring device 1 having such a configuration estimates the surface temperature of the steel plate 5 by executing the regression equation creation process and the temperature estimation process described below. Hereinafter, with reference to the flowcharts shown in FIGS. 14 and 15, the operation of the temperature measurement apparatus 1 when executing the regression equation creation process and the temperature estimation process will be described.

〔回帰式作成処理〕
始めに、図14に示すフローチャートを参照して、回帰式作成処理を実行する際の温度測定装置1の動作について説明する。
[Regression formula creation process]
First, with reference to the flowchart shown in FIG. 14, the operation of the temperature measurement device 1 when executing the regression equation creation process will be described.

図14は、本発明の一実施形態である回帰式作成処理の流れを示すフローチャートである。図14に示すフローチャートは、鋼板5の表面温度を測定する前の所定のタイミングで開始となり、回帰式作成処理はステップS1の処理に進む。なお、この回帰式作成処理を実行する前に、予め種々の温度の黒体炉から発せられる放射エネルギーの分光スペクトル情報がFTIR2により測定され、得られた分光スペクトル情報とそのときの黒体炉の温度とが対応付けられてデータベース化されているものとする。また、この回帰式作成処理と並行して、炉内において接触式温度計30が間欠的に鋼板5に接触して鋼板5の温度を測定するとともに、この温度測定と同時にFTIR2が鋼板5の放射エネルギーの分光スペクトル情報を取得するようになっており、その温度指示値および分光スペクトル情報が回帰式作成部3に随時入力される。   FIG. 14 is a flowchart showing the flow of regression equation creation processing according to an embodiment of the present invention. The flowchart shown in FIG. 14 starts at a predetermined timing before the surface temperature of the steel plate 5 is measured, and the regression equation creation process proceeds to step S1. Before executing this regression formula creation process, spectral spectrum information of radiant energy emitted from a black body furnace at various temperatures is measured in advance by FTIR2, and the obtained spectral spectrum information and the black body furnace at that time are measured. Assume that the temperature is associated with the database. In parallel with this regression formula creation process, the contact-type thermometer 30 intermittently contacts the steel plate 5 in the furnace to measure the temperature of the steel plate 5, and simultaneously with this temperature measurement, the FTIR 2 emits the radiation of the steel plate 5. Spectral spectrum information of energy is acquired, and the temperature indication value and spectral spectrum information are input to the regression equation creation unit 3 as needed.

ステップS1の処理では、回帰式作成部3が、前述のように接触式温度計30から随時入力される温度指示値に基づき、その温度と対応付けられた黒体炉の放射エネルギーの分光スペクトル情報を前述のデータベースから検索して、検量線作成用の分光スペクトル情報として取得する。これにより、ステップS1の処理は完了し、回帰式作成処理はステップS2の処理に進む。   In the process of step S1, the regression equation creation unit 3 is based on the temperature indication value input from the contact thermometer 30 as described above, and the spectral spectrum information of the radiant energy of the black body furnace associated with the temperature. Is obtained from the aforementioned database and acquired as spectral spectrum information for preparing a calibration curve. Thereby, the process of step S1 is completed and the regression equation creation process proceeds to the process of step S2.

ここで、接触式温度計30から入力される温度指示値は、その温度を測定した際の金属箔35と鋼板5との接触具合によってばらつく場合が想定される。このため、接触式温度計30から入力される温度指示値をそのまま用いる場合に限らず、例えば所定時間内に測定した複数の温度指示値の最大値や平均値等、二次的に算出される値を用いることとしてもよい。   Here, it is assumed that the temperature indication value input from the contact thermometer 30 varies depending on the contact state between the metal foil 35 and the steel plate 5 when the temperature is measured. For this reason, it is not limited to the case where the temperature indication value input from the contact-type thermometer 30 is used as it is, but for example, a maximum value or an average value of a plurality of temperature indication values measured within a predetermined time is secondarily calculated. A value may be used.

また、測定対象物の温度として想定される温度範囲が広範囲に亘る場合等、その温度範囲を網羅するように全ての温度について黒体炉の分光スペクトル情報を測定しておくことが困難な場合もある。このような場合には、予め温度範囲内の何点かの温度について測定した黒体炉の分光スペクトル情報を主成分分析してスコアを算出し、スコアと黒体炉温度との関係式を算出しておくようにしてもよい。そして、ステップS1では、算出しておいた関係式から温度指示値の温度に対応するスコアを求め、求めたスコアを用いて温度指示値の温度における分光スペクトル情報を図5Bに示したのと同様の手法で再構成して、これを検量線作成用の分光スペクトル情報として取得するようにしてもよい。   In addition, when the temperature range assumed as the temperature of the object to be measured is wide, it may be difficult to measure the spectrum information of the black body furnace at all temperatures so as to cover the temperature range. is there. In such a case, the principal component analysis is performed on the spectral spectrum information of the black body furnace measured at several points in the temperature range in advance to calculate a score, and a relational expression between the score and the black body furnace temperature is calculated. You may make it keep. In step S1, a score corresponding to the temperature indicated by the temperature indication value is obtained from the calculated relational expression, and the spectrum information at the temperature indicated by the temperature indication value is obtained using the obtained score, as in FIG. 5B. It may be reconstructed by this method and acquired as spectral spectrum information for creating a calibration curve.

ステップS2の処理では、回帰式作成部3が、ステップS1の処理によって随時取得される検量線作成用の分光スペクトル情報と、該当する分光スペクトル情報の取得に用いた温度指示値の温度測定時にFTIR2を介して取得された鋼板5の放射エネルギーの分光スペクトル情報との比演算を行うことにより、放射率データを蓄積していく。そして、蓄積した放射率データから得られる放射率変動データの対数演算を行う。これにより、ステップS2の処理は完了し、回帰式作成処理はステップS3の処理に進む。   In the process of step S2, the regression equation creation unit 3 performs FTIR2 when measuring the temperature of the spectral spectrum information for preparing the calibration curve acquired at any time by the process of step S1 and the temperature indication value used to acquire the corresponding spectral spectrum information. The emissivity data is accumulated by performing a ratio calculation with the spectral spectrum information of the radiant energy of the steel plate 5 obtained through the above. Then, logarithmic calculation of emissivity fluctuation data obtained from the accumulated emissivity data is performed. Thereby, the process of step S2 is completed and the regression equation creation process proceeds to the process of step S3.

ステップS3の処理では、回帰式作成部3が、ステップS2の処理によって算出された放射率変動データに対して主成分分析を実行する。そして、さらに、回帰式作成部3は、同じくステップS2の処理によって算出された黒体炉の放射エネルギースペクトルに対して、放射率変動データの主成分と直交する条件のもとで主成分分析を実行する。これにより、ステップS3の処理は完了し、回帰式作成処理はステップS4の処理に進む。   In the process of step S3, the regression equation creation unit 3 performs principal component analysis on the emissivity fluctuation data calculated by the process of step S2. Further, the regression equation creation unit 3 performs principal component analysis on the radiant energy spectrum of the black body furnace similarly calculated by the process of step S2 under the condition orthogonal to the principal component of the emissivity fluctuation data. Run. Thereby, the process of step S3 is completed and the regression equation creation process proceeds to the process of step S4.

ステップS4の処理では、回帰式作成部3が、ステップS3の処理によって得られた主成分分析の結果から、使用する主成分を基底として抽出する。また、回帰式作成部3は、既述の数式(9)を利用して、各基底スペクトルのスコアa(k,j)を算出する。これにより、ステップS4の処理は完了し、回帰式作成処理はステップS5の処理に進む。   In the process of step S4, the regression equation creation unit 3 extracts the principal component to be used as a basis from the result of the principal component analysis obtained by the process of step S3. In addition, the regression equation creation unit 3 calculates the score a (k, j) of each base spectrum using the above-described equation (9). Thereby, the process of step S4 is completed, and the regression equation creation process proceeds to the process of step S5.

ステップS5の処理では、回帰式作成部3が、ステップS4の処理によって算出されたスコアa(k,j)と検量線作成用の分光スペクトル情報に対応した接触式温度計30の温度指示値の温度とを既述の数式(17)に適用することによって既述の数式(17)の重回帰式における重回帰係数c(k)を算出する。そして、回帰式作成部3は、基底スペクトル(主成分w(i,k)、k=1,2)および重回帰係数(c(k)、k=1,2)のデータを基礎データとして温度推定部4に出力する。これにより、ステップS5の処理は完了し、一連の回帰式作成処理は終了する。   In the process of step S5, the regression equation creation unit 3 calculates the temperature indication value of the contact thermometer 30 corresponding to the score a (k, j) calculated by the process of step S4 and the spectral spectrum information for creating the calibration curve. The multiple regression coefficient c (k) in the multiple regression equation of the mathematical formula (17) is calculated by applying the temperature to the mathematical formula (17). Then, the regression equation creation unit 3 uses the data of the basis spectrum (principal components w (i, k), k = 1, 2) and multiple regression coefficients (c (k), k = 1, 2) as the basic data. Output to the estimation unit 4. Thereby, the process of step S5 is completed and a series of regression equation creation processes are completed.

なお、ここでは、放射率変動の主成分を求め、この放射率変動の主成分と直交する放射エネルギーの主成分を求めることで放射率変動の影響を受けない基底を抽出することとしたが、これに限定されるものではない。例えば、PLS(部分的最小二乗法)等を用い、放射率変動の影響を受けている鋼板から取得した分光スペクトル情報に基づき接触式温度計30の温度指示値と最も相関の強い基底を直接求めるようにしてもよく、基底の抽出には種々の数理統計解析手法を用いることが可能である。   Here, the principal component of the emissivity fluctuation is obtained, and the basis that is not affected by the emissivity fluctuation is extracted by obtaining the main component of the radiant energy orthogonal to the main ingredient of the emissivity fluctuation. It is not limited to this. For example, using PLS (partial least squares) or the like, a base having the strongest correlation with the temperature indication value of the contact thermometer 30 is directly obtained based on spectral spectrum information acquired from a steel plate affected by emissivity fluctuation. Alternatively, various mathematical statistical analysis methods can be used for base extraction.

〔温度推定処理〕
次に、図15に示すフローチャートを参照して、温度推定作成処理を実行する際の温度測定装置1の動作について説明する。
[Temperature estimation processing]
Next, with reference to the flowchart shown in FIG. 15, the operation of the temperature measuring device 1 when executing the temperature estimation creation process will be described.

図15は、本発明の一実施形態である温度推定処理の流れを示すフローチャートである。図15に示すフローチャートは、回帰式作成処理が終了した後の所定のタイミングで開始となり、温度推定処理はステップS11の処理に進む。   FIG. 15 is a flowchart showing a flow of temperature estimation processing according to an embodiment of the present invention. The flowchart shown in FIG. 15 starts at a predetermined timing after the regression equation creation process is completed, and the temperature estimation process proceeds to the process of step S11.

ステップS11の処理では、温度推定部4が、FTIR2を介して鋼板5からの放射エネルギーの分光スペクトル情報を取得する。これにより、ステップS11の処理は完了し、温度推定処理はステップS12の処理に進む。   In the process of step S11, the temperature estimation part 4 acquires the spectral spectrum information of the radiant energy from the steel plate 5 via FTIR2. Thereby, the process of step S11 is completed and the temperature estimation process proceeds to the process of step S12.

ステップS12の処理では、温度推定部4が、ステップS11の処理によって取得した分光スペクトル情報に対して対数演算処理を実行し、既述の数式(2)を利用して対数演算値から想定している放射率のスペクトルε(λ)の対数値を減算する。これにより、ステップS12の処理は完了し、温度推定処理はステップS13の処理に進む。   In the process of step S12, the temperature estimation part 4 performs a logarithmic calculation process with respect to the spectral information acquired by the process of step S11, and assumes from a logarithm calculation value using Formula (2) mentioned above. The logarithmic value of the emissivity spectrum ε (λ) is subtracted. Thereby, the process of step S12 is completed and the temperature estimation process proceeds to the process of step S13.

ステップS13の処理では、温度推定部4が、ステップS12の減算処理結果x(i,j)と回帰式作成部3から入力された基底スペクトル(主成分w(i,k)、k=1,2)とを既述の数式(9)に代入することによって、本発明に係る第2の係数に対応する測定対象物のスコアa(k,j)を算出する。これにより、ステップS13の処理は完了し、温度推定処理はステップS14の処理に進む。   In the process of step S13, the temperature estimation unit 4 uses the subtraction process result x (i, j) of step S12 and the basis spectrum (principal component w (i, k), k = 1, By substituting 2) into the above-described equation (9), the score a (k, j) of the measurement object corresponding to the second coefficient according to the present invention is calculated. Thereby, the process of step S13 is completed and the temperature estimation process proceeds to the process of step S14.

ステップS14の処理では、温度推定部4が、ステップS13の処理によって算出されたスコアa(k,j)と回帰式作成部3から入力された重回帰係数(c(k)、k=1,2)とを既述の数式(17)に適用することによって回帰演算を行い、鋼板5の表面温度を推定する。これにより、ステップS14の処理は完了し、一連の温度推定処理は終了する。   In the process of step S14, the temperature estimation unit 4 calculates the score a (k, j) calculated by the process of step S13 and the multiple regression coefficient (c (k), k = 1, The regression calculation is performed by applying 2) to the above-described equation (17), and the surface temperature of the steel plate 5 is estimated. Thereby, the process of step S14 is completed and a series of temperature estimation processes are complete | finished.

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である温度測定装置1では、回帰式作成部3が、検量線作成用の分光スペクトル情報を基底分解し、その基底のスコアa(k,j)を算出し、スコアa(k,j)と検量線作成用の分光スペクトル情報に対応した温度データとから重回帰係数(c(k)、k=1,2)を算出する。具体的にはこのとき、実際の製造プロセスで用いる焼鈍炉において鋼板5の温度を接触式温度計30で測定するとともに、この温度測定と同時に鋼板5の放射エネルギーの分光スペクトル情報を取得し、接触式温度計30の温度指示値に従って、鋼板5から取得した分光スペクトル情報を用いることで基底スペクトルを得て重回帰係数を算出する。そして、温度推定部4が、測定対象物の分光スペクトル情報と回帰式作成部3によって算出された基底とに基づいて基底に掛かるスコアa(k,j)を算出し、算出されたスコアa(k,j)と重回帰係数(c(k)、k=1,2)とに基づいて測定対象物の温度を推定する。これにより、予め接触式温度計等を用いて測定した測定対象物の温度に応じて基底スペクトルや重回帰係数を取得することができるので、測定対象物の温度測定に際し、炉内の雰囲気等、焼鈍炉固有の誤差を抑制することができる。したがって、放射率の組み合わせ解を計算せずに、放射率の変動の影響を受けることなく測定対象物の温度を高精度に測定することができる。   As is clear from the above description, in the temperature measurement device 1 according to an embodiment of the present invention, the regression equation creation unit 3 performs base decomposition on the spectral spectrum information for creating a calibration curve, and the base score a (k , J), and multiple regression coefficients (c (k), k = 1, 2) are calculated from the score a (k, j) and the temperature data corresponding to the spectral information for creating the calibration curve. Specifically, at this time, the temperature of the steel plate 5 is measured by the contact thermometer 30 in the annealing furnace used in the actual manufacturing process, and the spectral spectrum information of the radiant energy of the steel plate 5 is acquired simultaneously with this temperature measurement, Based on the temperature indication value of the equation thermometer 30, the spectrum information obtained from the steel plate 5 is used to obtain the base spectrum and calculate the multiple regression coefficient. And the temperature estimation part 4 calculates the score a (k, j) applied to a base based on the spectral-spectrum information of a measurement object, and the base calculated by the regression type preparation part 3, and calculated score a ( k, j) and the multiple regression coefficients (c (k), k = 1, 2) are used to estimate the temperature of the measurement object. Thereby, since the base spectrum and multiple regression coefficient can be obtained according to the temperature of the measurement object measured in advance using a contact-type thermometer or the like, when measuring the temperature of the measurement object, the atmosphere in the furnace, etc. An error inherent to the annealing furnace can be suppressed. Therefore, the temperature of the measurement object can be measured with high accuracy without calculating the emissivity combination solution and without being affected by the change in emissivity.

なお、本発明を実現するための温度測定装置の構成は、図11に示した構成に限定されるものではない。図16は、本発明の他の実施形態である温度測定装置1aの構成およびこの温度測定装置1aを適用した焼鈍炉の一部を切り欠いて内部を示した模式図である。図17は、図16に示す分光器8の内部構成を示す模式図である。なお、図16において、上記した実施形態と同様の構成には、同一の符号を付する。   In addition, the structure of the temperature measuring apparatus for implement | achieving this invention is not limited to the structure shown in FIG. FIG. 16 is a schematic diagram showing the inside of a configuration of a temperature measuring device 1a according to another embodiment of the present invention and a part of an annealing furnace to which the temperature measuring device 1a is applied. FIG. 17 is a schematic diagram showing the internal configuration of the spectrometer 8 shown in FIG. In FIG. 16, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals.

この温度測定装置1aは、製造プロセスにおいて焼鈍炉等の炉内で加熱される鋼板5aの温度を測定するためのものであり、焼鈍炉の炉体9およびこの炉体9内面の断熱材91を貫通する貫通穴93に挿入された光ファイバ6、光ファイバ6の炉内側に位置する一端側に設置されたコリメートレンズ7、光ファイバ6の炉外側の他端に接続された分光器8、回帰式作成部3、および温度推定部4を備えている。測定対象物である鋼板5aからほぼ平行に放射される光(測定光)は、コリメートレンズ7および光ファイバ6を経て分光器8に入射する。   This temperature measuring device 1a is for measuring the temperature of a steel plate 5a heated in a furnace such as an annealing furnace in a manufacturing process, and includes a furnace body 9 of the annealing furnace and a heat insulating material 91 on the inner surface of the furnace body 9. Optical fiber 6 inserted into through-hole 93 penetrating, collimating lens 7 installed on one end side located inside the furnace of optical fiber 6, spectrometer 8 connected to the other end outside the furnace of optical fiber 6, return An expression creation unit 3 and a temperature estimation unit 4 are provided. Light (measurement light) radiated substantially in parallel from the steel plate 5 a that is the measurement object enters the spectroscope 8 through the collimating lens 7 and the optical fiber 6.

ここで、貫通穴93に挿入された光ファイバ6の一端部および一端側のコリメートレンズ7は、断熱材91等から放射される光が測定光に混入しないよう、水冷遮光管95によって周囲と区画されている。また、この水冷遮光管95の内部空間は、レンズ部分等の汚染防止のため、配管97を介して充填される窒素によってパージされる。   Here, the collimator lens 7 at one end and one end of the optical fiber 6 inserted into the through hole 93 is separated from the surroundings by a water-cooled light-shielding tube 95 so that light emitted from the heat insulating material 91 or the like is not mixed into the measurement light. Has been. Further, the interior space of the water-cooled light shielding tube 95 is purged with nitrogen filled through the piping 97 to prevent contamination of the lens portion and the like.

分光器8は、例えばクロスチェルニーターナー型の分光器で実現され、コリメートミラー81、回折格子82、フォーカスミラー83、および検出器84を備えている。この分光器8において、光ファイバ6の他端から入射する測定光は、コリメートミラー81で平行光とされた後、回折格子82に入射して分光される。そして、分光された測定光は、フォーカスミラー83を経由し、検出器84にて全波長が同時に受光されて検出される。本例では、炉内の鋼板5aを測定対象物とし、800℃〜1100℃前後の比較的高温の温度を測定する。このため、検出器84の検出素子としては、一次元アレイ状のSiのCCDやフォトダイオードアレイ等を用い、比較的短い波長域、具体的には、0.4μm〜0.8μmや0.4μm〜1.0μm等の波長域を検出するようにしている。   The spectroscope 8 is realized by, for example, a cross Chelney Turner type spectroscope, and includes a collimating mirror 81, a diffraction grating 82, a focus mirror 83, and a detector 84. In the spectrometer 8, the measurement light incident from the other end of the optical fiber 6 is converted into parallel light by the collimator mirror 81 and then incident on the diffraction grating 82 and split. Then, the split measurement light passes through the focus mirror 83 and is detected by detecting all wavelengths simultaneously by the detector 84. In this example, the steel plate 5a in the furnace is the object to be measured, and a relatively high temperature of about 800 ° C. to 1100 ° C. is measured. For this reason, a one-dimensional array of Si CCD, photodiode array, or the like is used as a detection element of the detector 84, and a relatively short wavelength range, specifically, 0.4 μm to 0.8 μm or 0.4 μm. The wavelength range of ˜1.0 μm is detected.

〔実施例1〕
図18は、炉内にて800〜1100℃の異なる温度条件で複数の鋼板の放射率を測定した結果を示す図である。図18に示す放射率は、予め温度を変化させて黒体炉を測定しておき、鋼板を図16に示す温度測定装置1aで測定したときの出力(分光スペクトル情報)と、図示しない熱電対を鋼板に接触させることで測定した真温度と同温度における黒体炉の放射エネルギーの分光スペクトル情報との比演算を行うことにより求める。
[Example 1]
FIG. 18 is a diagram showing the results of measuring the emissivity of a plurality of steel plates under different temperature conditions of 800 to 1100 ° C. in a furnace. The emissivity shown in FIG. 18 shows the output (spectral spectrum information) when a black body furnace is measured in advance by changing the temperature and the steel sheet is measured by the temperature measuring device 1a shown in FIG. 16, and a thermocouple (not shown). Is obtained by performing a ratio calculation between the true temperature measured by bringing the steel plate into contact with the steel plate and the spectral spectrum information of the radiant energy of the black body furnace at the same temperature.

この図18に示すデータから放射率の平均値を算出し、放射率の平均値に対する放射率の実測値の比(放射率変動分)の対数を計算したもの(細線;数式(11)のlogδε(λ))と、それを第1主成分にて表現したもの(太線)を図19に示す。図19からわかるように、細かい部分で一致していない箇所はあるが、ほぼ統計的には放射率変動分を第1主成分にて表現することができている。そして、この放射率変動の第1主成分に直交する制約の下、放射エネルギーの主成分分析を行い、その主成分(第1主成分)に対するスコアを計算することにより温度を測定した結果を図20A、図20Bに示す。図20A、図20Bから明らかなように、本発明の一実施形態である温度測定装置によれば、2色温度計と比較して、放射率の変動の影響を受けることなく測定対象物の温度を高精度に測定できることが確認された。   The average value of the emissivity is calculated from the data shown in FIG. 18, and the logarithm of the ratio of the measured value of the emissivity to the average value of the emissivity (the change in emissivity) is calculated (thin line; log δε in Equation (11)) FIG. 19 shows (λ)) and the first principal component (thick line). As can be seen from FIG. 19, there are portions that do not coincide with each other in detail, but the variation in emissivity can be expressed by the first principal component almost statistically. Then, the principal component analysis of the radiant energy is performed under the constraint orthogonal to the first principal component of the emissivity variation, and the temperature is measured by calculating the score for the principal component (first principal component). 20A and 20B. As is clear from FIGS. 20A and 20B, according to the temperature measurement device of one embodiment of the present invention, the temperature of the measurement object is not affected by the variation in emissivity compared to the two-color thermometer. It was confirmed that can be measured with high accuracy.

〔実施例2〕
図21は、炉温を860℃と一定にした状態で、異なる速度で炉内を搬送される複数の鋼板の放射率を測定した結果を示す図である。これは、炉内における鋼板の移動速度(搬送速度)が変化した場合を想定している。鋼板の移動速度が変わると、炉内での加熱時間が変化する。この結果、酸化膜厚が変化するため、図21に示すように放射率も変動する。
[Example 2]
FIG. 21 is a diagram showing the results of measuring the emissivity of a plurality of steel plates conveyed in the furnace at different speeds with the furnace temperature kept constant at 860 ° C. This assumes a case where the moving speed (conveying speed) of the steel sheet in the furnace changes. When the moving speed of the steel plate changes, the heating time in the furnace changes. As a result, since the oxide film thickness changes, the emissivity also varies as shown in FIG.

この図21に示すデータから放射率の平均値を算出し、放射率の平均値に対する放射率の実測値の比(放射率変動分)の対数を計算して、主成分分析を行った。求めた対数(細線)と、それを第1主成分のみを使用して表現したもの(太線)との対比について、代表的なものを図22Aに示す。また、求めた対数(細線)と、それを第1主成分および第2主成分を使用して表現したもの(太線)との対比について、代表的なものを図22Bに示す。実施例2では、放射率変動分を第1主成分だけで表現した場合、図22Aに示すように、両者に一致しない部分が生じる結果となった。一方、第1主成分に加えて第2主成分を使用した場合では、図22Bに示すように、両者がほぼ一致する結果が得られ、放射率変動分を良く表現できた。   The average value of the emissivity was calculated from the data shown in FIG. 21, the logarithm of the ratio of the measured value of the emissivity to the average value of the emissivity (emissivity variation) was calculated, and the principal component analysis was performed. FIG. 22A shows a representative example of the comparison between the obtained logarithm (thin line) and the expression obtained by using only the first principal component (thick line). FIG. 22B shows a representative example of the comparison between the obtained logarithm (thin line) and the expression (thick line) expressed using the first principal component and the second principal component (thick line). In Example 2, when the change in emissivity was expressed by only the first main component, as shown in FIG. On the other hand, when the second principal component was used in addition to the first principal component, as shown in FIG.

そこで、実施例2では、放射率変動の第1主成分に直交し、かつ第2主成分に直交する制約の下、放射エネルギーの主成分分析を行った。この主成分分析で得られた放射率変動の第1主成分、放射率変動の第2主成分、および放射率変動(第1主成分および第2主成分)に直交する放射エネルギーの主成分を図23に示す。そして、その放射エネルギーの主成分(第1主成分)に対するスコアを計算することにより温度測定を行った。   Therefore, in Example 2, the principal component analysis of the radiant energy was performed under the constraint of being orthogonal to the first principal component of the emissivity variation and orthogonal to the second principal component. The first principal component of the emissivity variation, the second principal component of the emissivity variation, and the main component of the radiant energy orthogonal to the emissivity variation (first and second principal components) obtained by this principal component analysis. It shows in FIG. And the temperature measurement was performed by calculating the score with respect to the main component (1st main component) of the radiant energy.

図24は、以上のようにして第2主成分まで使用した主成分分析を行って860℃の鋼板を測定したときの温度誤差と、中心波長0.9μmの単色放射温度計を用いて同じ860℃の鋼板を測定したときの温度誤差との対比を示している。図24に示すように、実施例2の提案手法を用いて温度測定を行った場合の温度誤差が最大1.1℃であったのに対し、単色温度計を用いて温度測定を行った場合の温度誤差は5.1℃であった。また、その標準偏差は、実施例2の提案手法で0.4℃、単色温度計を用いた場合で1.7℃となった。この図24に示す結果から明らかなように、本発明の一実施形態である温度測定装置によれば、単色温度計と比較して、放射率の変動の影響を受けることなく測定対象物の温度を高精度に測定できることが確認された。   FIG. 24 shows a temperature error when measuring a steel plate of 860 ° C. by performing principal component analysis using the second principal component as described above, and the same 860 using a monochromatic radiation thermometer with a center wavelength of 0.9 μm. The comparison with the temperature error when measuring a steel plate of ℃ is shown. As shown in FIG. 24, when the temperature error was measured using the proposed method of Example 2 at a maximum of 1.1 ° C., the temperature was measured using a monochromatic thermometer. The temperature error was 5.1 ° C. The standard deviation was 0.4 ° C. in the proposed method of Example 2 and 1.7 ° C. when a monochromatic thermometer was used. As is apparent from the results shown in FIG. 24, according to the temperature measurement device of one embodiment of the present invention, the temperature of the measurement object is not affected by the variation in emissivity compared to a monochromatic thermometer. It was confirmed that can be measured with high accuracy.

なお、比較のため、放射率変動の第2主成分を用いずに、実施例1と同様に放射率変動の第1主成分のみを用い、これと直交する放射エネルギーの主成分を計算することにより温度測定を行った。この結果、温度誤差は最大2.8℃であり、標準偏差は0.6℃であった。このように、実施例2の適用場面では、第1主成分のみを使用した場合も単色温度計を用いた温度測定よりは精度は高いが、第2主成分まで使用した方がより放射率変動の影響を受けずに測定対象物の温度を高精度に測定できることが確認された。   For comparison, without using the second principal component of emissivity variation, only the first principal component of emissivity variation is used as in Example 1, and the main component of radiant energy orthogonal to this is calculated. Was used to measure the temperature. As a result, the temperature error was 2.8 ° C. at maximum and the standard deviation was 0.6 ° C. As described above, in the application situation of Example 2, the accuracy is higher than the temperature measurement using the monochromatic thermometer even when only the first principal component is used, but the emissivity fluctuation is better when the second principal component is used. It was confirmed that the temperature of the measurement object can be measured with high accuracy without being affected by the above.

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。   Although the embodiment to which the invention made by the present inventors has been described has been described above, the present invention is not limited by the description and the drawings, which form part of the disclosure of the present invention according to this embodiment. That is, other embodiments, examples, operational techniques, and the like made by those skilled in the art based on the present embodiment are all included in the scope of the present invention.

1,1a 温度測定装置
2 FTIR(フーリエ変換赤外分光光度計)
3 回帰式作成部
4 温度推定部
5,5a 鋼板
11,14,15,16 ミラー
12 ハーフミラー
13 可動ミラー
17 検出器
18 干渉計
30 接触式温度計
35 金属箔
37 熱電対
40 エアシリンダ
6 光ファイバ
7 コリメートレンズ
8 分光器
81 コリメートミラー
82 回折格子
83 フォーカスミラー
84 検出器
1,1a Temperature measuring device 2 FTIR (Fourier transform infrared spectrophotometer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Regression formula preparation part 4 Temperature estimation part 5,5a Steel plate 11, 14, 15, 16 Mirror 12 Half mirror 13 Movable mirror 17 Detector 18 Interferometer 30 Contact type thermometer 35 Metal foil 37 Thermocouple 40 Air cylinder 6 Optical fiber 7 Collimating Lens 8 Spectrometer 81 Collimating Mirror 82 Diffraction Grating 83 Focus Mirror 84 Detector

Claims (8)

測定対象物から発せられる放射エネルギーを分光測定し、得られた分光スペクトル情報を信号処理して測定対象物の表面温度を測定する温度測定方法であって、
前記表面温度の測定は、前記測定対象物から得られた分光スペクトル情報に基づき予め取得される基底スペクトルのスコアを算出し、予め取得される検量式に従って前記スコアを用いて行い、
前記基底スペクトルおよび前記検量式を、接触式温度計を用いて測定対象物を測定した温度測定値に応じて決定することを特徴とする温度測定方法。
A temperature measurement method for measuring the surface temperature of a measurement object by spectrally measuring the radiant energy emitted from the measurement object and processing the obtained spectral spectrum information.
The measurement of the surface temperature is performed by calculating a score of a base spectrum acquired in advance based on spectral spectrum information obtained from the measurement object, and using the score according to a calibration formula acquired in advance.
The temperature measurement method characterized by determining the said base spectrum and the said calibration formula according to the temperature measurement value which measured the measuring object using the contact-type thermometer.
測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値と同温度の黒体炉を測定して得た放射エネルギーの分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルを前記基底スペクトルとして決定することを特徴とする請求項1に記載の温度測定方法。   The emissivity is calculated from the ratio between the spectral information of the measurement object and the temperature measured by the contact thermometer and the spectral information of the radiant energy obtained by measuring the black body furnace at the same temperature. The temperature measurement method according to claim 1, wherein a spectrum orthogonal to a principal component obtained by performing principal component analysis on an emissivity variation based on the spectrum is determined as the base spectrum. 予め、複数の温度について測定した黒体炉の放射エネルギーの分光スペクトル情報を主成分分析して得た1つ以上の主成分のスコアと、前記黒体炉の温度との関係式を算出しておき、
測定対象物の分光スペクトル情報と、前記関係式により定まる前記接触式温度計の温度測定値に対応するスコアを用いて再構成された分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルを前記基底スペクトルとして決定することを特徴とする請求項2に記載の温度測定方法。
Calculate a relational expression between one or more principal component scores obtained by performing principal component analysis on the spectral energy information of the radiant energy of the black body furnace measured in advance for a plurality of temperatures and the temperature of the black body furnace. Every
The emissivity is calculated from the ratio between the spectral information of the measurement object and the spectral information reconstructed using the score corresponding to the temperature measurement value of the contact thermometer determined by the relational expression. The temperature measurement method according to claim 2, wherein a spectrum orthogonal to a principal component obtained by performing principal component analysis on emissivity fluctuations based on is determined as the base spectrum.
測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値とに対して部分的最小二乗法を適用することにより前記基底スペクトルを決定することを特徴とする請求項1に記載の温度測定方法。   2. The temperature according to claim 1, wherein the base spectrum is determined by applying a partial least square method to spectral information of an object to be measured and a temperature measurement value obtained by the contact thermometer. Measuring method. 測定対象物から発せられる放射エネルギーを分光測定し、得られた分光スペクトル情報を信号処理して測定対象物の表面温度を測定する温度測定装置であって、
前記表面温度の測定は、前記測定対象物から得られた分光スペクトル情報に基づき予め取得される基底スペクトルのスコアを算出し、予め取得される検量式に従って前記スコアを用いて行い、
前記基底スペクトルおよび前記検量式が、接触式温度計を用いて測定対象物を測定した温度測定値に応じて決定されていることを特徴とする温度測定装置。
A temperature measurement device that performs spectroscopic measurement of radiant energy emitted from a measurement object, and measures the surface temperature of the measurement object by processing the obtained spectral spectrum information as a signal,
The measurement of the surface temperature is performed by calculating a score of a base spectrum acquired in advance based on spectral spectrum information obtained from the measurement object, and using the score according to a calibration formula acquired in advance.
The temperature measurement apparatus, wherein the base spectrum and the calibration equation are determined according to a temperature measurement value obtained by measuring an object to be measured using a contact thermometer.
測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値と同温度の黒体炉を測定して得た放射エネルギーの分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルが前記基底スペクトルとして決定されていることを特徴とする請求項5に記載の温度測定装置。   The emissivity is calculated from the ratio between the spectral information of the measurement object and the temperature measured by the contact thermometer and the spectral information of the radiant energy obtained by measuring the black body furnace at the same temperature. The temperature measurement apparatus according to claim 5, wherein a spectrum orthogonal to a principal component obtained by performing principal component analysis on emissivity fluctuations based on is determined as the base spectrum. 予め、複数の温度について測定した黒体炉の放射エネルギーの分光スペクトル情報を主成分分析して得た1つ以上の主成分のスコアと、前記黒体炉の温度との関係式を算出しておき、
測定対象物の分光スペクトル情報と、前記関係式により定まる前記接触式温度計の温度測定値に対応するスコアを用いて再構成された分光スペクトル情報との比から放射率を算出し、該放射率に基づく放射率変動を主成分分析して得た主成分と直交するスペクトルが前記基底スペクトルとして決定されていることを特徴とする請求項6に記載の温度測定装置。
Calculate a relational expression between one or more principal component scores obtained by performing principal component analysis on the spectral energy information of the radiant energy of the black body furnace measured in advance for a plurality of temperatures and the temperature of the black body furnace. Every
The emissivity is calculated from the ratio between the spectral information of the measurement object and the spectral information reconstructed using the score corresponding to the temperature measurement value of the contact thermometer determined by the relational expression. The temperature measurement apparatus according to claim 6, wherein a spectrum orthogonal to a main component obtained by performing a principal component analysis on an emissivity variation based on the base is determined as the base spectrum.
測定対象物の分光スペクトル情報と、前記接触式温度計による温度測定値とに対して部分的最小二乗法を適用することにより前記基底スペクトルが決定されていることを特徴とする請求項5に記載の温度測定装置。   6. The base spectrum is determined by applying a partial least square method to spectral spectrum information of an object to be measured and a temperature measurement value obtained by the contact thermometer. Temperature measuring device.
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