JP2013525767A - 放射温度計の測温定精度を向上させる量子論的補正方法及びシステム - Google Patents

Abstract

キーボード入力方式又はデータ伝送方式により、測定した標準データを入力すると共に、対応な物理モデルを用いてデータ処理を行うことで、エネルギー準位構造を反映したパラメータを取得し、このパラメータを利用して放射温度計の校正を実現し、かつ最終的に測定対象の温度値を取得して表示する、放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法を提供する。さらに、放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正システムを提供する。

Description

本発明は、測定機器・計器分野の放射温度計に関し、特に放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法及び放射温度計システムに関する。

放射温度計（いわゆる赤外線温度計）は、高精度の非接触型測温機器であり、光学系により測定対象の熱放射エネルギーを受光して電気信号に変換し、さらにマイクロコンピュータにて処理し、ディスプレーに直接に測定した温度が表示されるものである。放射温度計内部のマイクロコンピュータによる信号処理の根拠は、機器により受光された熱放射エネルギーと被測定物の温度との関数関係である。

現在、国内外の放射温度計は、理想黒体モデルの熱放射法則に従って設計されており、つまり、測定対象を理想黒体に想定し、「理想黒体」を具象化したものが世界各国の計量法において強制検定の計量器具リストに列記される「標準黒体」である。しかしながら、被測定物はさまざまな物体であり、さまざまな熱放射条件を持つという問題がある。このため、実際の放射温度計の応用過程では、理想黒体の熱放射法則と実際の各種測定対象の熱放射法則との関係を発見しないと真実な結果が得られない。しかしながら、黒体放射理論は、十九世代末に生まれ、時代背景の限界から、古典理論のうちのキルヒホッフ法則に従って、理想黒体と実際の測定対象との相違点がただ放射率の違いのみであるとあまりに簡単に考えられてきた。そのため、理想黒体と実際の被測定物との熱放射法則の関係を求めるに際に、放射率を補正し難く、測温精度を向上させにくいという長期にわたり解決の困難な問題が存在した。これは、実際に古典理論が抱える多数の問題の一つである。従来技術で利用されている測定公式と測定方法の原理は以下の通りである。

一、理想黒体物理モデルを利用した原理：
理想黒体は、理想化された物理モデルであり、入射放射を完全に吸収できるとともに最大の放射率を有する物体を表す。そのスペクトル放射エネルギーはプランクの公式を用いて表すことができる。

式（１）において、Ｅ_０（λ，Ｔ）は黒体が発射するスペクトル放射流束密度であり、単位はＷｃｍ^−２・μｍ^−１である。Ｃ_１＝３．７４×１０^−１２Ｗ・ｃｍ^−２は第一放射定数、Ｃ_２＝１．４４ｃｍ・Ｋは第二放射定数とよぶ。λはスペクトル放射時の波長であり、単位はμｍである。Ｔは黒体の理想温度であり、単位はＫである。

以上はただ理想黒体の標準の物理モデルであり、自然界に実際存在する物体（測定対象）は、その吸収能力と放射能力がいずれも理想黒体よりも小さい（灰色体と称される）。理想黒体と灰色体との誤差値を補正するために、実際に近い物理モデルが設計された。この灰色体のスペクトル放射エネルギーの式は、以下の通りである。

この式のε（λ，Ｔ）は、測定対象の温度がＴ、放射波長がλである時の放射率であり、０＜ε（λ，Ｔ）＜１である。

式（２）から分かるように、黒体の熱放射法則に従って放射温度計を設計することができる。すなわち、光学系が受光した熱放射がＥ_０（λ，Ｔ）と比例すると仮定し、パラメータε（λ，Ｔ）を調整する方法により測定精度を向上させる。しかしながら、放射温度計により実際に受光された熱放射はＥ_０（λ，Ｔ）と比例する。このため放射温度計を使用する際には、測定対象のε（λ，Ｔ）の数値を求める必要があり、即ち放射率の補正を行わなければならない。残念ながら、放射率ε（λ，Ｔ）は、測定対象の材料、表面状態、波長、温度及び放射条件、環境要因といずれも複雑な関係があるため、具体的に数式化ができない。したがってユーザはε（λ，Ｔ）の数値を正確に確定することが困難であり、これがつまり現状の放射温度計を使用する際の放射率の補正が難しいという問題である。

二、従来の公知の放射温度計におけるマイクロコンピュータによる信号処理の物理モデル（測定方式によって狭帯域と広帯域とに分けられる）。

１．測定波長域が狭帯域である放射温度計について

式（３）において、Ｅ_０（λ_０，Ｔ）は理想黒体が発射するスペクトル放射流束密度であり、単位はＷｃｍ^−２・μｍ^−１である。Ｃ_１＝３．７４×１０^−１２Ｗ・ｃｍ^−２は第一放射定数、Ｃ_２＝１．４４ｃｍ・Ｋは第二放射定数とよぶ。λ_０は赤外線温度計の測定波長であり、単位はμｍである。Ｔは黒体の絶対温度であり、単位はＫである。式（４）において、Ｅ（λ_０，Ｔ’）は実際の測定対象（灰色体）から発射するスペクトル放射流束密度であり、単位はＷｃｍ^−２・μｍ^−１である。Ｔ’は測定対象の温度である。ε（λ_０，Ｔ’）は、測定対象の温度がＴ’、放射波長がλ_０である場合の放射率である（０＜ε（λ_０，Ｔ’）＜１）。ε（λ_０，Ｔ’）の具体値は確定することが難しいため、ユーザ自身が計器におけるε値設定ボタンにより設定する必要がある。

２．測定波長域が広帯域である放射温度計について

式（５）、（６）において、Ｅ_０（λ，Ｔ）は理想黒体の単位あたりの放射射出度であり、各波長を含む総出力であり、単位はＷ／ｃｍ^２である。σ＝５．６７×１０^−１２Ｗ／ｃｍ^２・Ｋ^４というパラメータはステファン定数であり、Ｔは理想黒体の温度である。Ｅ（λ_０，Ｔ’）は実際の測定対象（灰色体）の単位あたりの放射射出度であり、各波長を含む総出力であり、単位はＷ／ｃｍ^２である。Ｔ’は測定対象の温度であり、ε（λ_０，Ｔ’）は、測定対象の温度がＴ’、放射波長がλ_０である場合の放射率であり、０＜ε（λ_０，Ｔ’）＜１である。λ_０は計器の測定波長域の中心波長であるが、ε（λ_０，Ｔ’）の具体的数値は確定することが難しいため、ユーザ自身が計器におけるε値設定ボタンにより設定する必要がある。従来の放射温度計はいずれも、熱電対温度計により温度を制御される「標準黒体」を利用して補正する。それには、放射温度計により測定した黒体の温度の結果が既知の制御温度に一致する必要がある。上記条件により補正する放射温度計は、実物体の「輝度温度」（即ち実物体から発射された放射パワーが、温度Ｔの黒体から発射された放射パワーに等しいとき、Ｔを実物体の輝度温度とよぶ）しか測定できない。被測対象の実温度については、ユーザ自身で物体の放射率εの具体的数値を設定しなければ得られない。

要するに、従来の放射温度計に採用された測温方法は、測定対象の実温度とのずれが大きく、測定対象の「輝度温度」しか測定できず、実際の温度を確定することが難しい。

本発明は、測温の精度を向上させ、応用範囲を広げるために、放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法及び放射温度計システムを提供する。

本発明の方法は以下のステップを含む：
（１）温度標準測定器により測定対象の標準温度値Ｔｉを測定し、校正状態にある放射温度計システムにより測定対象の熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）（ただし、ｉ＝１，２，３，４・・・・・・Ｎ、Ｎは正の整数）を測定し、測定した前記標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）とを、物理モデルを組み入れた放射温度計システムの外部又は内部のパソコン（ＰＣ）又はワンチップコンピュータに入力しデータ処理して、エネルギー準位構造を反映したパラメータを取得する。

前記物理モデルは、以下のことを含む。

測定波長域が狭帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、
Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ−１）^−１
であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ）になるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が広帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、

（ただし、Ａ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λ）であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^４＋ＢＴ^３＋ＣＴ^２＋ＤＴになるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを当該物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が無限バンドでる放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、
Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^Ｂ
であり、データを当該物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められる。

（２）取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、前記放射温度計システムの校正を実現する。

（３）前記放射温度計システムを測温状態に移行させて測定対象の測温を実行し、光学系により測定対象の放射エネルギー値を受光する。

（４）前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより、物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値を取得する。

（５）前記温度値をディスプレーに表示する。

前記放射温度計システムは、測定対象のエネルギー準位構造を反映したパラメータの数値を確定する機能及び測定対象の温度の数値を確定する機能の２つの機能を持つ。

ステップ（２）に記載の取得した前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、放射温度計の校正を実現するとは、具体的には、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システムに入力して、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの校正を実現すること、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂを放射温度計システムに入力して、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの校正を実現すること、および取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システムに入力して、測定波長域が無限バンドである放射温度計システムの校正を実現することを含む。

上記取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システムに入力するとは、具体的には、キーボード入力方式やデータ伝送方式により前記放射温度計システムに入力することである。

ステップ（４）に記載の前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値を取得するとは、具体的には、
前記放射温度計システムの内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより狭帯域物理モデル、広帯域物理モデル又は無限バンド物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値を取得することである。

前記温度標準測定器は、具体的には、白金抵抗温度計、標準熱電対温度計又は標準水銀温度計である。

放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システムであって、 前記放射温度計システムは、
温度標準測定器により測定対象の標準温度値Ｔｉを測定し、校正状態にある放射温度計システムにより測定対象の熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）（ただし、ｉ＝１，２，３，４・・・・・・Ｎ、Ｎは正の整数）を測定し、測定した前記標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）を物理モデルを組み入れた放射温度計システムの外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力しデータ処理する測定モジュールであって、
前記物理モデルは、
測定波長域が狭帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、
Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ−１）^−１
であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ）になるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を示すパラメータＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が広帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、

（ただし、Ａ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λ）であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^４＋ＢＴ^３＋ＣＴ^２＋ＤＴになるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、
Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^Ｂ
であり、データを当該物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められる測定モジュールと、
前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、前記放射温度計システムの校正を実現する校正モジュールと、
前記エネルギー準位構造を反映したパラメータに基づいて前記放射温度計の校正を実行するとともに、物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値を取得する放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータと、
前記放射温度計システムを測温状態に移行させて測定対象に測温を実行するための測温モジュールと、
測定対象の放射エネルギー値を受光するための光学系、赤外線検出器及び増幅回路と、
測定した前記標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）をデータ処理し、物理モデルに基づいてエネルギー準位構造を反映したパラメータを取得する、放射温度計システム外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータと、
取得した前記温度値を表示するディスプレーと、
を備える。

前記放射温度計システムは、測定対象のエネルギー準位構造を反映したパラメータの数値を確定する機能及び測定対象の温度の数値を確定する機能の２つの機能を持つ。

前記校正モジュールは、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの校正を実現する第１校正サブモジュールと、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの校正を実現する第２校正サブモジュールと、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムの校正を実現する第３校正サブモジュールとを備える。

前記校正モジュールは、さらに、
取得した前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力するためのキーボード入力又はデータ伝送モジュールを備える。

前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより、物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値を取得するとは、具体的には、狭帯域物理モデル、広帯域物理モデル又は無限バンド物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得することである。

前記温度標準測定器は、具体的には、白金抵抗温度計、標準熱電対温度計又は標準水銀温度計である。

本発明の技術案による有益な効果は以下のとおりである。

本発明に係る方法によれば、有効な物理モデルを利用してデータ処理を実行し、キーボード入力方式やデータ伝送方式によりエネルギー準位構造を反映したパラメータを取得して、最終的に測定対象の温度値が取得され、ディスプレーに表示される。「放射率補正」方法によって放射温度計の測温精度を向上させる場合に生じる「放射率」ε（λ，Ｔ）の具体的数値を正確に確定することが難しいという問題などを効果的に解決して、放射温度計の測温精度を大幅に向上させる。本発明を適用した放射温度計は、現場の具体的測定条件に合わせて放射温度計を設計するという目標を原則上実現できる（ここでいう測定条件とは、測定対象の放射率、背景放射、媒体吸収、放射温度計の測定波長域などの、機器光学系による測定対象の放射エネルギーの受光に影響する複数の要素を含む）。「放射率補正が難しい」ことに起因するシステム誤差や複数の環境要素による影響を無くし、放射温度計の測温精度を大幅に向上させることができる。

本発明に係る測定原理図である。 本発明に係る測定フロー図である。 本発明に係るデータ処理原理図である。 本発明に係る放射温度計システムの構成模式図である。 本発明に係る校正モジュールの構成模式図である。 本発明に係る校正モジュールのほかの構成模式図である。

以下、本発明の目的、手段及びメリットをより明らかにするために、図面を参照しながら本発明の実施形態をより詳しく説明する。

測温の精度を向上させ、応用範囲を広げるために、本発明の実施例は、放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法及び放射温度計システムを提供する。本発明の実施例は、放射の本質がミクロ粒子の量子遷移であるという現代量子理論に基づいて、プランクの公式における波長を含む数式を「エネルギー準位構造を反映したパラメータ」と見なすとともに、実験方法によって特定の測定対象の当該「エネルギー準位構造を反映したパラメータ」の具体的数値をキャリブレーションする。「放射率補正」方法によって放射温度計の測温精度を向上させる際の百年来の困難を有効的に解決して、放射温度計の測温精度を大幅に向上させる。図１と図２を参照して具体的には以下の通りである。

１０１：温度標準測定器により測定対象の標準温度値Ｔｉを測定し、校正状態にある放射温度計システムにより測定対象の熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）（ただし、ｉ＝１，２，３，４・・・・・・Ｎ）を測定し、測定した標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）を物理モデルを組み入れた放射温度計システム外部又は内部のパソコン（ＰＣ）又はワンチップコンピュータに入力しデータ処理してエネルギー準位構造を反映したパラメータが取得される。

ここで、Ｎは正の整数を取る。

また、温度標準測定器は、具体的には、白金抵抗温度計、標準熱電対温度計又は標準水銀温度計である。

また、放射温度計システムは、測定対象のエネルギー準位構造を反映したパラメータの具体数値を確定するための校正機能と、測定対象の温度の具体的数値を確定する測温機能の２つの機能を持つ。

さらに、放射温度計システム外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータに組み入れた物理モデルは、具体的には以下のことを含む、
測定波長域が狭帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデル（プランクの公式）は以下の式で表される。

この物理モデルの計算は複雑であるため、測定波長域を適当に選択した後、以下の２つの物理モデルに簡略化することができる。
［１］、測定波長域が比較的短波である場合は、上記物理モデルを、Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ） （ウィーン式）に簡略化
［２］、測定波長域が長波である場合は、上記物理モデルを、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂ （レイリー・ジーンズ式）に簡単化
そしてデータを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められる。

測定波長域が広帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデル（測定波長域に渡ってプランクの公式を積分）は、以下の式で表される。

ただし、Ａ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λである。この物理モデルの計算は複雑であるため、測定波長域を適当に選択した後、以下の２つの物理モデルに簡略化することができる。
［３］、測定波長域が比較的短波である場合、上述の物理モデルを、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^４＋ＢＴ^３＋ＣＴ^２＋ＤＴ （測定波長域に渡ってウィーン式を積分）に簡略化
［４］、測定波長域が長波である場合、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂ （測定波長域に渡ってレイリー・ジーンズ式を積分）に簡略化
そして、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムについて、採用される物理モデルは以下の式で表される。

データを当該物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められる。

ここで、測定波長域に渡ってウィーン式を積分して

が得られ、ただしＡ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λである。

１０２：取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システムの内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して放射温度計システムの校正を実現する。

ここで、このステップは、具体的には、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの校正を実現すること、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの校正を実現すること、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が無限バンドである放射温度計システムの校正を実現することを含む。

ここで、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力するとは、具体的には、キーボード（数字キーボード）による入力方式やデータ伝送による入力方式により、放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力することである。

１０３：放射温度計システムを測温状態に移行させるとともに測定対象に測温を実行し、光学系により測定対象の放射エネルギー値Ｕ（Ｔ）を受光する。

１０４：放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより、物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値Ｔを取得する。

このステップは、具体的には、放射温度計システムの内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより狭帯域物理モデル、広帯域物理モデル又は無限バンド物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値Ｔを取得することである。

１０５：温度値Ｔをディスプレーに表示する。

上記のように、本発明の実施例に係る放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法によれば、有効な物理モデルを利用してデータ処理を実行し、キーボード入力方式やデータ伝送方式によりエネルギー準位構造を反映したパラメータを取得して、最終的に測定対象の温度値を取得し、ディスプレーに表示する。「放射率補正」方法によって放射温度計の測温精度を向上させる場合に生じる「放射率」ε（λ，Ｔ）の具体的数値を正確に確定することが難しいという問題などを効果的に解決して、放射温度計の測温精度を大幅に向上させる。本発明の実施例に係る放射温度計システムによれば、現場の具体的定条件に合わせて放射温度計を設計するという目標を原則上実現することができる（ここでいう測定条件とは、測定対象の放射率、背景放射、媒体吸収、放射温度計の測定波長域などの、機器光学系による測定対象の放射エネルギーの受光に影響する複数の要素を含む）。「放射率補正が難しい」ことに起因するシステム誤差や複数の環境要因による影響を無くし、放射温度計の測温精度を大幅に向上させることができる。

以下、図３のデータ処理原理図を用いて本発明の実施例に係る方法について詳しく説明する。

１． 物理モデルの計算処理が主たる用途であるパソコン又はワンチップコンピュータに、プログラム入力装置によりデータ処理プログラムを入力し、生のデータをメモリの「読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）」に入力、格納する。

２． キーボード入力又はデータ伝送方式によりパソコン又はワンチップコンピュータに入力されたデータは、メモリの「ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）」（電源オフ時、データ消失）又は「書き換え可能な読み出し専用メモリ」（電源オフ時、データ消失しない）に格納される。主たる目的は、測定条件を反映した各パラメータの具体的数値を提供することである。各パラメータの具体的数値とは、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの場合には対応する物理モデルにおけるＡ、Ｂの具体的数値、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの場合には対応する物理モデルにおけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂの具体的数値、測定波長域が無限バンドである放射温度計システムの場合には対応する物理モデルにおけるＡ、Ｂの具体的数値である。

３． 放射温度計の光学系により受光された、測定対象が放射した放射信号が増幅器により増幅されて電気信号（図において光学及び増幅器で示す）が得られ、この電気信号はメモリの「ランダムアクセスメモリ」に格納され、増幅器の増幅率でこの信号値を除算することで、放射温度計に受光された放射信号の大きさ、即ちＵ（Ｔ）が求められる。

また、従来の放射温度計システムには、一般的に、表示状態の変更およびε値の設定のために、設定ボタン、アップボタン及びダウンボタンという三つのボタンのみが設けられている。本発明の実施例においては、測定条件を反映した各パラメータの具体的数値を入力するように０〜９という十個の数字ボタンが設けられている。本方法を各種の放射温度計システムに応用可能とするには、従来の放射温度計システムに０〜９という十個の数字ボタンを有するキーボードを追加すればよく、しかも、元の放射温度計システムのｓｅｔ、△、▽という三つの機能ボタンは維持される。このため、このような放射温度計システムについて図示しない。

好適な実施例
上記方法により設計された放射温度計サンプルを、天津市計測技術研究所において「標準黒体」を用いて試験した。測定環境は、測定距離が４００ｍｍ、室温環境が２０℃、検出装置が標準黒体炉、黒体キャビティ放射率が０．９９５である。測定温度と標準計器の温度の対比を、以下の試験結果表に示す。

上表において、標準温度は、黒体炉のターゲット温度を測定する標準熱電対により測られ、実測温度は、放射温度計により測られた。このように、従来の放射温度計システムでは、分解能が読取値の０．１％程度まで達するが精度は読取値の１％程度にしか達しないことに対して、本発明の実施例に係る方法によれば顕著な効果が得られる。実際の測定から分かるように、本発明の実施例に係る方法により設計した放射温度計システムによる測温の精度は、分解能と同等なレベルになり、即ち読取値の０．１％程度まで達することもでき、計測精度が有効に向上する。従来の方法は、「放射率補正」の方法により測定対象の実際温度を測定するものである。ある専門家の理論上の計算によれば、黒体炉の放射率が０．９９であっても、１２００℃の場合、−９．２１℃のシステム誤差がある。しかしながら、従来の放射温度計による放射率調整のきざみは０．０１であり、誤差は０．０１未満になりえない。このため、以上の実測結果は、従来の理論に照らせば実現できないとされたものである。

本方法によれば、従来の各種の放射温度計システム（いずれも「放射率補正」という手段を採用するもの）に改良を行うことができる。「放射率補正」手段を採用せず、かわりに「量子論的補正」手段を採用するものは、すべて本発明の保護範囲に含まれることは明らかである。

放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正放射温度計システムは、図４に示すように、
温度標準測定器により測定対象の標準温度値Ｔｉを測定し、校正状態にある放射温度計システムにより測定対象の熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）（ただし、ｉ＝１，２，３，４・・・・・・Ｎ、Ｎは正の整数）を測定し、測定した標準温度値Ｔｉと熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）とを物理モデルを組み入れた放射温度計システム外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータ１１に入力してデータ処理するための測定モジュール８であって、
物理モデルは具体的に以下のことを含む。

測定波長域が狭帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、
Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ−１）^−１
であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ）になるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が広帯域である放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、

（ただし、Ａ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λ）であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^４＋ＢＴ^３＋ＣＴ^２＋ＤＴになるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂが求められ、
測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムについて、採用される物理モデルは、
Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^Ｂ
であり、データを当該物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を示すパラメータＡ、Ｂが求められる、測定モジュール８と、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システムの内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５に入力して、放射温度計システムの校正を実現する校正モジュール９と、
エネルギー準位構造を反映したパラメータに基づいて放射温度計システムの校正を実行するとともに、物理モデルに基づいて演算処理を行って、測定対象の温度値を取得する放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５と、
放射温度計システムを測温状態に移行させるとともに測定対象に測温を実行するための測温モジュール１０と、
測定対象の放射エネルギー値を受光するための光学系２、赤外線検出器３及び増幅回路４と、
測定した標準温度値Ｔｉと熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）をデータ処理し、物理モデルに基づいてエネルギー準位構造を反映したパラメータを取得するための放射温度計システ外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータ１１と、
取得した温度値を表示するディスプレー７と、を備える。

ここで、具体的に実施する場合には、放射温度計システムは、測定対象のエネルギー準位構造を反映したパラメータの数値を確定する機能及び測定対象の温度の数値を確定する機能の２つの機能を持つ。

図５に示すように、校正モジュール９は、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５に入力して、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの校正を実現する第１校正サブモジュール９１と、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５に入力して、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの校正を実現する第２校正サブモジュール９２と、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５に入力して、測定波長域が無限帯域幅である放射温度計システムの校正を実現する第３校正サブモジュール９３とを備える。

図６に示すように、校正モジュール９は、さらに、
取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５に入力するためのキーボード入力又はデータ伝送のモジュール９４を備える。

放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータ５により、物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得するとは、具体的には、狭帯域物理モデル、広帯域物理モデル又は無限帯域幅物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得することである。

ここで、具体的に実施する場合には、温度標準測定器は、白金抵抗温度計、標準熱電対温度計又は標準水銀温度計である。

上述のように、本発明の実施例に係る放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システムによれば、有効な物理モデルを利用してデータ処理を実行し、キーボード入力方式やデータ伝送方式によりエネルギー準位構造を反映したパラメータを取得して、最終的に測定対象の温度値を取得し、ディスプレーに表示する。この放射温度計システムにより、「放射率補正」方法を採用して放射温度計の測温精度を向上させる場合に生じる「放射率」ε（λ，Ｔ）の具体数値を正確に確定することが難しいという問題などを効果的に解決して、放射温度計の測温精度を大幅に向上させることができる。本発明に係る放射温度計によれば、現場の具体的測定条件に合わせて放射温度計を設計するという目標を原則上実現することができ（ここでいう測定条件とは、測定対象の放射率、背景放射、媒体吸収、放射温度計の測定波長域などの、機器光学系による測定対象の放射エネルギーの集光に影響する複数の要素を含む）、「放射率補正が難しい」ことに起因するシステム誤差や、複数の環境要素による影響を無くし、放射温度計の測温精度を大幅に向上させることができる。

図面は好適な実施例の模式図にすぎず、上述の本発明の実施例の番号は説明の便宜上、付けられたものに過ぎず、実施例の優劣を表すものではないことは、当業者にとって自明である。

以上は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明はそれに限定されるものではない。本発明の要旨の範囲内でのいかなる変更、同一視可能な置換え、改良も本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 測定対象
２ 光学系
３ 赤外線検出器
４ 増幅回路
５ パソコン又はワンチップコンピュータ
６ キーボード入力又はデータ伝送入力
７ ディスプレー
８ 測定モジュール
９ 校正モジュール
１０ 測温モジュール
１１ 外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータ
９１ 第１校正サブモジュール
９２ 第２校正サブモジュール
９３ 第３校正サブモジュール
９４ キーボード入力又はデータ転送モジュール

Claims (12)

1. 放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法であって、
   （１）温度標準測定器により測定対象の標準温度値Ｔｉを測定し、校正状態にある放射温度計システムにより測定対象の熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ） （ただし、ｉ＝１，２，３，４・・・・・・Ｎ、Ｎは正の整数）を測定し、測定した前記標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）とを、物理モデルを組み入れた放射温度計システム外部又は内部のパソコン（ＰＣ）又はワンチップコンピュータに入力しデータ処理して、エネルギー準位構造を反映したパラメータを取得するステップであって、前記物理モデルは具体的に以下を含む：
   測定波長域が狭帯域である放射温度計システムについて採用される物理モデルは、
   Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ−１）^−１
   であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ）になるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められ、
   測定波長域が広帯域である放射温度計システムについて採用される物理モデルは、
   

   

   （ただし、Ａ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λ）であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^４＋ＢＴ^３＋ＣＴ^２＋ＤＴになるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂが求められ、
   測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムについて採用される物理モデルは、
   Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^Ｂ
   であり、データを当該物理モデルに入力し最小二乗法による適合を行うことで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められ、
   （２）取得したエネルギー準位構造を反映した前記パラメータを放射温度計システムに入力して、前記放射温度計システムの校正を実現し、
   （３）前記放射温度計システムを測温状態に移行させるとともに測定対象に測温を実行し、光学系により測定対象の放射エネルギー値集光し、
   （４）前記放射温度計システム内のパソコン又はワンチップコンピュータにより、物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得し、
   （５）前記温度値をディスプレーに表示する、
   ステップを含む、
   ことを特徴とする放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法。
2. 前記放射温度計システムは、測定対象のエネルギー準位構造を反映したパラメータの数値を確定する機能及び測定対象の温度の数値を確定する機能の２つの機能を持つ、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法。
3. ステップ（２）に記載の、取得した前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システムに入力して放射温度計の校正を実現するとは、具体的には、
   取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システムに入力して、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの校正を実現すること、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂを放射温度計システムに入力して、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの校正を実現すること、取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを放射温度計システムに入力して、測定波長域が無限バンドの場合の放射温度計システムの校正を実現すること、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法。
4. 上記取得した前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システムに入力するとは、具体的には、キーボード入力方式またはデータ伝送方式により前記放射温度計システムに入力することである、
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法。
5. ステップ（４）に記載の、前記放射温度計システム内のパソコン又はワンチップコンピュータにより、物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得するとは、具体的には、
   前記放射温度計システム内のパソコン又はワンチップコンピュータにより狭帯域物理モデル、広帯域物理モデル又は無限バンド物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得することである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法。
6. 前記温度標準測定器は、具体的には、白金抵抗温度計、標準熱電対温度計又は標準水銀温度計である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正方法。
7. 放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システムであって、前記放射温度計システムは、
   温度標準測定器により測定対象の標準温度値Ｔｉを測定し、校正状態にある放射温度計システムにより測定対象の熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ） （ただし、ｉ＝１，２，３，４・・・・・・Ｎ、Ｎは正の整数）を測定し、測定した前記標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）とを物理モデルを組み入れた放射温度計システム外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力してデータ処理する測定モジュールであって、
   前記物理モデルは、
   測定波長域が狭帯域である放射温度計システムについて採用される物理モデルは、
   Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ−１）^−１
   であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝Ａ（ｅ^Ｂ／Ｔ）になるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂが求められ、
   測定波長域が広帯域である放射温度計システムについて採用される物理モデルは、
   

   

   （ただし、Ａ（λ）＝Ｃ_１λ^−５、Ｂ（λ）＝−Ｃ_２／λ）であり、測定波長域を適当に選択した後、測定波長域が比較的短波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^４＋ＢＴ^３＋ＣＴ^２＋ＤＴになるように、測定波長域が長波である場合は、Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ＋Ｂになるように簡略化して、データを物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂが求められ、
   測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムについて採用される物理モデルは、
   Ｕ（Ｔ）＝ＡＴ^Ｂ
   であり、データを当該物理モデルに入力し最小二乗法により近似することで、エネルギー準位構造を示すパラメータＡ、Ｂが求められる測定モジュールと、
   取得した前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、前記放射温度計システムの校正を実現する校正モジュールと、
   前記エネルギー準位構造を反映したパラメータに基づいて前記放射温度計システムの校正を実行し、物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得するための放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータと、
   前記放射温度計システムを測温状態に移行させるとともに測定対象に測温を実行するための測温モジュールと、
   測定対象の放射エネルギー値を受光するための光学系、赤外線検出器及び増幅回路と、
   測定した前記標準温度値Ｔｉと前記熱放射信号電圧Ｕｉ（Ｔｉ）とをデータ処理し、物理モデルに基づいて、エネルギー準位構造を反映するパラメータを取得するための放射温度計システム外部又は内部のパソコン又はワンチップコンピュータと、
   取得した前記温度値を表示するディスプレーと、
   を備えることを特徴とする放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システム。
8. 前記放射温度計システムは、測定対象のエネルギー準位構造を反映したパラメータの数値を確定する機能及び測定対象の温度の数値を確定する機能の２つの機能を持つ、
   ことを特徴とする、請求項７に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システム。
9. 前記校正モジュールは、
   取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が狭帯域である放射温度計システムの校正を実現する第１校正サブモジュールと、
   取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ又はＡ、Ｂを前記放射温度計システムの内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が広帯域である放射温度計システムの校正を実現する第２校正サブモジュールと、
   取得したエネルギー準位構造を反映したパラメータＡ、Ｂを前記放射温度計システムの内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力して、測定波長域が無限バンドである場合の放射温度計システムの校正を実現する第３校正サブモジュールと、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システム。
10. 前記校正モジュールは、
    取得した前記エネルギー準位構造を反映したパラメータを前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータに入力するためのキーボード入力又はデータ転送のモジュールを備える、
    ことを特徴とする請求項７又は９に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システム。
11. 前記放射温度計システム内部のパソコン又はワンチップコンピュータにより、物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得するとは、具体的には、狭帯域物理モデル、広帯域物理モデル又は無限バンド物理モデルに基づいて演算処理を行って測定対象の温度値を取得することである、
    ことを特徴とする請求項７に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子的補正による放射温度計システム。
12. 前記温度標準測定器は、具体的には、白金抵抗温度計、標準熱電対温度計又は標準水銀温度計である、
    ことを特徴とする請求項７に記載の放射温度計の測温精度を向上させる量子論的補正による放射温度計システム。

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