JP2017215274A

JP2017215274A - 温度測定装置

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Publication number: JP2017215274A
Application number: JP2016110632A
Authority: JP
Inventors: 敏也新井; Toshiya Arai
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: CN107462345B; TWI634318B; TW201743033A; KR20170136988A; CN107462345A; JP6777428B2

Abstract

【課題】熱画像センサを用いてより正確に温度が測定できるようにする。【解決手段】測定領域１５１の表面温度分布を２次元的に測定する熱画像センサ１０１の温度測定可能範囲１５２に配置された接触式温度センサ１０２の測定結果と、この箇所における熱画像センサ１０１の測定結果とから補正値算出部１０３で補正値を求め、求めた補正値を用いて補正部１０４が熱画像センサ１０１の出力を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定領域の２次元的温度分布を測定する熱画像センサを用いた温度測定装置に関する。

接触できない部分の温度の計測では、非接触に温度測定が可能な放射温度計が用いられている。例えば、食品加工の現場などでは、衛生上の観点より、放射温度計を用いて食材に触れない状態で温度を計測して加工ラインを稼働させている。しかしながら、放射温度計は、周囲の温度により測定誤差が発生してしまう。これは、放射温度計の鏡筒部の温度変化が、内部の赤外線検出素子の温度変化速度と一致しないことから発生するものである。放射温度計では、周囲温度の急激な変化が生じた場合には大きな誤差を伴った測定結果となってしまう。これらを解決するために、放射温度計内に複数の赤外線検出素子を配置し、これらからの複数の検出信号を演算することにより測定温度に補正を加える技術が提案されている（特許文献１参照）。

接触して温度が測定できない対象として、半導体ウェハや液晶ウェハなどがある。これらを加熱する場合、被処理部材に接触させて温度検出ができないため、接触型の温度センサを使用することができない。また、放射温度計では、スポット計測であるため、例えばウェハ全体の温度計測が困難である。

これに対し、測定領域の２次元的温度分布を測定する熱画像センサを用いた温度測定が開発されている。例えば、計測対象物から放射されている赤外線を検出し、検出したエネルギーデータを見かけの温度データに変換し、温度分布を示す画像データとして表示することができる赤外線サーモグラフィを用いることが提案されている（特許文献２参照）。この技術では、温度データを構成する画像データより無作為に複数の画素を選出し、選出された画素に記録された温度データから平均温度を求め、これを各間接加熱領域の代表温度として採用し、設定温度に対する誤差を算出して制御に用いている。

特開２００７−２４８２０１号公報特開２００９−２３８７７３号公報

しかしながら、上述した熱画像センサを用いた温度測定では、センサ出力に対する補正が可能であるが、周辺環境の影響により、赤外線を取り込む光学系が正常に機能せず、また、光学系自体に異常が発生した場合には、測定結果に誤差が発生する。例えば、水蒸気が一時的に発生する食物加工の生産ラインや熱処理工程が多いフィルム製造工程などでは、赤外線サーモグラフィによる温度計測は、光学系にとって過酷な条件であり、光学系への影響により温度計測値に誤差が生じ、正確な温度測定ができないことが課題となっていた。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、熱画像センサを用いてより正確に温度が測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る温度測定装置は、測定領域の表面温度分布を２次元的に測定する熱画像センサと、熱画像センサの温度測定可能範囲内で測定領域の外側に配置された接触式温度センサと、熱画像センサによる接触式温度センサが配置された箇所の温度測定結果を接触式温度センサの測定結果に一致させる補正値を求める補正値算出部と、補正値算出部が求めた補正値で熱画像センサによる測定領域の測定結果を補正する補正部とを備える。

上記温度測定装置において、接触式温度センサが配置された箇所の温度を変化させる温度可変制御部を備え、補正値算出部は温度可変制御部が変化させた温度毎に補正値を求め、補正部は、補正値算出部が求めた複数の補正値で補正を実施するようにしてもよい。

上記温度測定装置において、測定領域に設定されている管理温度に接触式温度センサが配置された箇所の温度を制御する温度制御部を備えるようにしてもよい。

上記温度測定装置において、補正値が設定されている上限値以上となったことを検出して警報を出力する警報出力部を備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、熱画像センサにより温度分布を計測するにあたり、測定領域の外で接触式温度センサが配置された箇所の温度測定結果を、周囲環境の影響を受けない接触式温度センサの測定結果により補正するので、熱画像センサを用いてより正確に温度が測定できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における温度測定装置の構成を示す構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における温度測定装置の動作例を説明するためのフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態２における温度測定装置の構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態２における温度測定装置の動作例を説明するためのフローチャートである。図５は、本発明の実施の形態３における温度測定装置の構成を示す構成図である。図６は、本発明の実施の形態３における温度測定装置の動作例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における温度測定装置の構成を示す構成図である。この温度測定装置は、熱画像センサ１０１、接触式温度センサ１０２、補正値算出部１０３、補正部１０４を備える。

熱画像センサ１０１は、表面温度分布を２次元的に測定する。熱画像センサ１０１は、例えば、２次元に配列された複数のサーモパイルから構成されたサーモパイルアレイセンサである。サーモパイルは、熱電対より構成された熱電変換素子（赤外線センサ）であり、熱画像センサ１０１において１つの画素を構成する。２次元温度分布が測定可能な熱画像センサ１０１は、所定の広さの温度測定可能範囲１５２を有する。温度測定可能範囲１５２は、熱画像センサ１０１の画素数や光学系の構成により変化する。熱画像センサ１０１は、温度測定可能範囲１５２内の所定の範囲の測定領域１５１に搬送される製品等の温度測定に用いられる。

接触式温度センサ１０２は、熱画像センサ１０１の温度測定可能範囲１５２内で測定領域１５１の外側に配置されている。接触式温度センサ１０２は、温度測定可能範囲１５２内で測定領域１５１の外側の基準温度測定箇所の温度（基準温度）を測定する。接触式温度センサ１０２は、例えば、測温抵抗体、熱電対、蛍光温度センサなどから構成すればよい。接触式温度センサ１０２は、一般的に熱画像センサ１０１と比較して測温精度に優れている。なお、基準温度測定箇所は温度測定可能範囲１５２内であり、熱画像センサ１０１も温度計測をおこなっている。

補正値算出部１０３は、熱画像センサ１０１による接触式温度センサ１０２が配置された箇所（基準温度測定箇所）の温度測定結果を接触式温度センサ１０２の測定結果（基準温度）に一致させる補正値を求める。補正値算出部１０３は、接触式温度センサ１０２が測定した基準温度測定箇所の基準温度と、熱画像センサ１０１が同時点で測定した基準温度測定箇所の測定温度とを用い、補正値を求める。

補正部１０４は、補正値算出部１０３が求めた補正値で熱画像センサ１０１による測定領域１５１の測定結果を補正する。接触式温度センサ１０２による温度測定結果（基準温度）は、水蒸気の発生や空間的温度分布などの環境の影響を受けない。このような環境の影響を受けない状態で測定された基準温度を用いて熱画像センサ１０１の測定結果を補正することで、熱画像センサ１０１が受けた環境の影響を取り除いたより正確な測定結果が得られる。

例えば、ベルトコンベアなどの搬送装置１１１で搬送している製品１１２の温度測定が、搬送装置１１１の温度所定箇所として設定されている測定領域１５１において、熱画像センサ１０１により実施される。製品１１２は、例えば加工食品などである。また、製品１１２はフィルムである。このような製品製造の熱処理工程などは搬送装置１１１のように連続して製品１１２が測定領域５１を通過するものであり、このような生産設備においても、温度測定装置は用いられる。

測定領域１５１において、製品１１２は所定温度に加熱処理されるため、熱画像センサ１０１により実施される温度測定の結果を用いて処理温度を設定値に制御している。このような制御に、補正部１０４で補正された熱画像センサ１０１の測定結果を用いれば、より的確な制御が実現できる。なお、接触式温度センサ１０２が配置されている測定領域１５１の外側は搬送装置１１１から離れているため、接触式温度センサ１０２を固定して配置することができる。また搬送装置１１１上の製品１１２に接触式温度センサ１０２が接触することはない。

また、実施の形態１における温度測定装置は、補正値算出部１０３が求めた補正値が、設定されている上限値以上となったことを検出して警報を出力する警報出力部１０５を備える。熱画像センサ１０１による基準温度測定箇所の測温結果と、接触式温度センサ１０２による基準温度測定箇所の測温結果とが大きく異なる場合、例えば、熱画像センサ１０１が故障していることが考えられる。このような状況を検知するために、警報出力部１０５を用いて補正値が所定値以上となった場合警報を発令させる。所定値は、熱画像センサ１０１にて温度測定をしている製品１１２の許容温度範囲などである。

次に、本発明の実施の形態１における温度測定装置の動作例について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１で、補正値算出部１０３が、基準温度測定箇所に配置されている接触式温度センサ１０２が測定した測定結果（基準温度）を取得する。次に、ステップＳ２０２で、補正値算出部１０３が、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果を取得する。

次に、ステップＳ２０３で、補正値算出部１０３は、取得した２つの測定結果を比較し、一致しているかどうかを判断する。不一致の場合（ステップＳ２０３のｎ）、ステップＳ２０４で、補正値算出部１０３は、熱画像センサ１０１による接触式温度センサ１０２が配置された箇所（基準温度測定箇所）の温度測定結果を、接触式温度センサ１０２の測定結果（基準温度）に一致させる補正値を求める。一致の場合（ステップＳ２０３のｙ）、補正値を求めずに動作を終了する。

次に、ステップＳ２０５で、警報出力部１０５が、求められた補正値が設定されている上限値以上となっているかどうかを判断する。求められた補正値が上限値以上となっている場合（ステップＳ２０５のｙ）、警報出力部１０５は、警報を出力する。求められた補正値が上限値未満である場合（ステップＳ２０５のｎ）、警報出力部１０５は、警報を出力せず、ステップＳ２０６に進み、補正部１０４が、補正値算出部１０３が求めた補正値で熱画像センサ１０１による測定領域１５１の測定結果を補正する。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における温度測定装置の構成を示す構成図である。この温度測定装置は、熱画像センサ１０１、接触式温度センサ１０２、補正値算出部１０３、補正部１０４を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

実施の形態２では、接触式温度センサ１０２が配置された箇所の温度を変化させる温度可変制御部１０６を備える。温度可変制御部１０６は、ヒータ１０７を制御することで、接触式温度センサ１０２が配置された箇所の温度を変化させる。温度可変制御部１０６は、設定されている複数の温度条件に、接触式温度センサ１０２が配置された箇所の温度を変化させる。

実施の形態２では、補正値算出部１０３は、温度可変制御部１０６が変化させた温度毎に補正値を求め、補正部１０４は、補正値算出部１０３が求めた複数の補正値で補正を実施する。

接触式温度センサ１０２による温度測定結果（基準温度）は、水蒸気の発生や空間的温度分布などの環境の影響を受けない。このような環境の影響を受けない状態で測定された基準温度を用いて熱画像センサ１０１の測定結果を補正することで、熱画像センサ１０１が受けた環境の影響を取り除いたより正確な測定結果が得られる。また、各々異なる温度条件とした状態で得られた複数の補正値を用いて補正することで、より広い温度範囲でより正確な補正が可能となり、より広い温度範囲でより正確な測定結果が得られるようになる。

次に、本発明の実施の形態２における温度測定装置の動作例について、図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ３０１で、温度可変制御部１０６が、設定されている複数の温度条件のいずれか１つの条件にヒータ１０７を制御する。例えば、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃が条件として設定されている場合、温度可変制御部１０６は、ヒータ１０７を温度条件３０℃に設定する。

次に、ステップＳ３０２で、温度条件３０℃に設定されたヒータ１０７で３０℃に加熱されている基準測定箇所に配置されている接触式温度センサ１０２が測定した測定結果（基準温度）を、補正値算出部１０３が取得する。次に、ステップＳ３０３で、補正値算出部１０３が、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果を取得する。

次に、ステップＳ３０４で、補正値算出部１０３は、取得した２つの測定結果を比較し、一致しているかどうかを判断する。不一致の場合（ステップＳ３０４のｎ）、ステップＳ３０５で、補正値算出部１０３は、熱画像センサ１０１による接触式温度センサ１０２が配置された箇所（基準温度測定箇所）の温度測定結果を、接触式温度センサ１０２の測定結果（基準温度）に一致させる第１補正値を求める。一致の場合（ステップＳ３０４のｙ）、補正値を求めずにステップＳ３０６に移行する。

次に、ステップＳ３０６で、温度可変制御部１０６が、設定されている全ての温度条件を実施したかどうかを判断し、実施していない温度条件がある場合（ステップＳ３０６のｎ）、ステップＳ３０７で、温度可変制御部１０６が、まだ設定されていない温度条件にヒータ１０７を制御する。例えば、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃が条件として設定され、３０℃の条件が既に実施されている場合、温度可変制御部１０６は、ヒータ１０７を温度条件４０℃に設定する。

ステップＳ３０７で温度可変制御部１０６が新たな温度条件をヒータ１０７に設定したら、上述したステップＳ３０２〜ステップＳ３０５を実施する。ステップＳ３０７で、設定されている全ての温度条件が実施されていると判断されると（ステップ３０６のｙ）、ステップＳ３０８で、補正値算出部１０３で求められた補正値があるかどうかを判断する。

例えば、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃の条件全てにおいて、接触式温度センサ１０２が測定した基準温度と、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果とが異なっていた場合、第１補正値、第２補正値、第３補正値、第４補正値が求められていることになり、補正値があることになる。また、４０℃、５０℃、６０℃の条件において、接触式温度センサ１０２が測定した基準温度と、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果とが異なっていた場合、第１補正値、第２補正値、第３補正値が求められていることになり、補正値があることになる。

また、例えば、３０℃、５０℃、６０℃の条件において、接触式温度センサ１０２が測定した基準温度と、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果とが異なっていた場合、第１補正値、第２補正値、第３補正値が求められていることになり、補正値があることになる。また、例えば、５０℃、６０℃の条件において、接触式温度センサ１０２が測定した基準温度と、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果とが異なっていた場合、第１補正値、第２補正値が求められていることになり、補正値があることになる。

一方、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃の条件全てにおいて、接触式温度センサ１０２が測定した基準温度と、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果とが一致していた場合、補正値は求められておらず、補正値は無いことになる。

少なくとも１つの補正値が求められている場合（ステップＳ３０８のｙ）、ステップＳ３０９で、補正部１０４が、補正値算出部１０３が求めた補正値で熱画像センサ１０１による測定領域１５１の測定結果を補正する。ここでは、補正部１０４は、例えば、複数の補正値が求められている場合、これらの平均値で補正を実施する。また、補正値を求めた基準温度と、対応する補正値との関係より、熱画像センサ１０１が測定した温度範囲毎に補正を実施する。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３における温度測定装置の構成を示す構成図である。この温度測定装置は、熱画像センサ１０１、接触式温度センサ１０２、補正値算出部１０３、補正部１０４を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１，２と同様であり、説明は省略する。

実施の形態３では、接触式温度センサ１０２が配置された箇所の温度を測定領域１５１に設定されている管理温度に制御する温度制御部２０６を備える。温度制御部２０６は、ヒータ１０７を制御することで、接触式温度センサ１０２が配置された箇所の温度を測定領域１５１に設定されている管理温度に制御する。例えば、図示しない工程管理システムが、搬送装置１１１で搬送している製品１１２の温度制御を実施している。温度制御部２０６は、この制御情報を図示しない工程管理システムより取得し、取得した制御情報をもとにヒータ１０７の温度を管理温度となるように制御する。

実施の形態３では、補正値算出部１０３は、温度制御部２０６が制御している管理温度の状態における補正値を求め、補正部１０４は、補正値算出部１０３が求めた補正値で補正を実施する。

接触式温度センサ１０２による温度測定結果（基準温度）は、水蒸気の発生や空間的温度分布などの環境の影響を受けない。このような環境の影響を受けない状態で測定された基準温度を用いて熱画像センサ１０１の測定結果を補正することで、熱画像センサ１０１が受けた環境の影響を取り除いたより正確な測定結果が得られる。また、測定領域１５１に設定されている管理温度に制御した状態で得られた補正値を用いて補正することで、より正確な補正が可能となり、より正確な測定結果が得られるようになる。

次に、本発明の実施の形態３における温度測定装置の動作例について、図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ４０１で、温度制御部２０６が、図示しない工程管理システムより、製品１１２の測定領域１５１における温度制御情報（管理温度）を取得する。次に、ステップＳ４０２で、温度制御部２０６は、取得した温度制御情報でヒータ１０７を制御する。例えば、測定領域１５１においては、製品１１２が８０℃に加熱制御されている場合、温度制御部２０６は、ヒータ１０７を管理温度条件８０℃に設定する。

次に、ステップＳ４０３で、管理温度条件８０℃に設定されたヒータ１０７で８０℃に加熱されている基準測定箇所に配置されている接触式温度センサ１０２が測定した測定結果（基準温度）を、補正値算出部１０３が取得する。次に、ステップＳ４０４で、補正値算出部１０３が、熱画像センサ１０１が測定した基準温度測定箇所の温度測定結果を取得する。

次に、ステップＳ４０５で、補正値算出部１０３は、取得した２つの測定結果を比較し、一致しているかどうかを判断する。不一致の場合（ステップＳ４０５のｎ）、ステップＳ４０６で、補正値算出部１０３は、熱画像センサ１０１による接触式温度センサ１０２が配置された箇所（基準温度測定箇所）の温度測定結果を、接触式温度センサ１０２の測定結果（基準温度）に一致させる補正値を求める。一致の場合（ステップＳ４０５のｙ）、補正値を求めずに終了する。補正値が求められると、ステップＳ４０７で、補正部１０４が、補正値算出部１０３が求めた補正値で熱画像センサ１０１による測定領域１５１の測定結果を補正する。

以上説明したように、本発明によれば、熱画像センサにより温度分布を計測するにあたり、測定領域の外で接触式温度センサが配置された箇所の温度測定結果を、周囲環境の影響を受けない接触式温度センサの測定結果により補正するので、熱画像センサを用いてより正確に温度が測定できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…熱画像センサ、１０２…接触式温度センサ、１０３…補正値算出部、１０４…補正部、１０５…警報出力部、１１１…搬送装置、１１２…製品、１５１…測定領域、１５２…温度測定可能範囲。

Claims

測定領域の表面温度分布を２次元的に測定する熱画像センサと、
前記熱画像センサの温度測定可能範囲内で前記測定領域の外側に配置された接触式温度センサと、
熱画像センサによる前記接触式温度センサが配置された箇所の温度測定結果を前記接触式温度センサの測定結果に一致させる補正値を求める補正値算出部と、
前記補正値算出部が求めた補正値で熱画像センサによる前記測定領域の測定結果を補正する補正部と
を備えることを特徴とする温度測定装置。
請求項１記載の温度測定装置において、
前記接触式温度センサが配置された箇所の温度を変化させる温度可変制御部を備え、
前記補正値算出部は前記温度可変制御部が変化させた温度毎に前記補正値を求め、
前記補正部は、前記補正値算出部が求めた複数の前記補正値で補正を実施する
ことを特徴とする温度測定装置。
請求項１記載の温度測定装置において、
前記測定領域に設定されている管理温度に前記接触式温度センサが配置された箇所の温度を制御する温度制御部を備えることを特徴とする温度測定装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度測定装置において、
前記補正値が設定されている上限値以上となったことを検出して警報を出力する警報出力部
を備えることを特徴とする温度測定装置。