JP2018141778A - Method of deriving apparent emissivity, temperature measurement method, method of manufacturing pipe materials, and temperature measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、見かけの放射率算出方法、温度計測方法、管材の製造方法及び温度計測装置に関する。 The present invention relates to an apparent emissivity calculation method, a temperature measurement method, a pipe material manufacturing method, and a temperature measurement device.
管材である鋼管の製造工程においては、鋼管の温度情報は操業上非常に重要な要素であり、同一の成分や圧延荷重にて鋼管を製造しても、温度条件が異なることによって、最終製品の材質に大きな違いが発生することがある。なお、ここで述べる温度条件というのは、鋼管の外面の温度だけではなく内面の温度も含み、特に加工発熱により加熱される内面の温度条件は重要である。そのため、従来、鋼管の管内面部の放射率を予め仮定し、撮像手段であるカメラにより得られた管内面部の輝度(光量)から温度に変換して、管内面部の温度を計測する温度計測方法が知られている。 In the manufacturing process of steel pipe, which is a pipe material, the temperature information of the steel pipe is a very important factor in operation. Even if the steel pipe is manufactured with the same composition and rolling load, the temperature conditions are different, so Large differences in material may occur. The temperature condition described here includes not only the temperature of the outer surface of the steel pipe but also the temperature of the inner surface, and the temperature condition of the inner surface heated by the processing heat generation is particularly important. Therefore, conventionally, there has been a temperature measuring method for measuring the temperature of the inner surface of the tube by assuming the emissivity of the inner surface of the steel tube in advance and converting the luminance (light quantity) of the inner surface of the tube obtained by a camera as an imaging means into temperature. Are known.
特許文献1には、鋼管の管内面部を含む管端部における熱放射輝度を表す画像を撮影するためのカメラ、前記画像を処理して管内面部を認識するための画像処理装置、及び、画像処理装置から送られてくる管内面部の熱放射輝度信号と管内面部の認識情報とを用いて、管内面部の温度を算出するための演算装置を備えた温度計測装置が開示されている。この温度計測装置では、管内面部の熱放射輝度信号は実効的に放射率が1であるとみなして、演算装置により管内面部の温度を計算している。 Patent Document 1 discloses a camera for capturing an image representing thermal radiance at a tube end including a tube inner surface of a steel tube, an image processing device for processing the image and recognizing the tube inner surface, and image processing. There is disclosed a temperature measuring device including an arithmetic unit for calculating the temperature of a tube inner surface using the thermal radiance signal of the tube inner surface sent from the device and the recognition information of the tube inner surface. In this temperature measurement device, the thermal radiance signal of the inner surface portion of the tube is regarded as having an effective emissivity of 1, and the temperature of the inner surface portion of the tube is calculated by the arithmetic unit.
しかしながら、実際には単純に管内面部の放射率が1となることはなく、さらに鋼管の内面構造により複雑な多重反射現象が発生するため見かけの放射率の算出は困難であり、特許文献1に開示された温度計測装置では、管内面部の温度を精度良く計測することができないといった課題がある。 However, in practice, the emissivity of the inner surface of the tube is not simply 1, and a complex multiple reflection phenomenon occurs due to the inner surface structure of the steel tube, so that it is difficult to calculate the apparent emissivity. The disclosed temperature measuring device has a problem that the temperature of the inner surface of the tube cannot be measured with high accuracy.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、多重反射の影響を考慮して、管端部における管内面部の温度を精度良く計測することが可能となる見かけの放射率算出方法、温度計測方法、管材の製造方法及び温度計測装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to provide an apparent radiation that enables accurate measurement of the temperature of the inner surface of the tube at the tube end in consideration of the influence of multiple reflection. A rate calculation method, a temperature measurement method, a pipe material manufacturing method, and a temperature measurement device are provided.
上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る見かけの放射率算出方法は、管形状物体の管端部における管内面部である管端内面から得られる光量を、前記管端内面から直接放射される自発光成分と、前記管形状物体の軸線方向にわたって放射光が前記管内面部で多重反射して前記管端内面から放射される多重反射成分と、の和として、前記管端内面の見かけの放射率を算出することを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems and achieve the above object, an apparent emissivity calculation method according to the present invention is configured to obtain a light amount obtained from a tube end inner surface which is a tube inner surface portion of a tube end portion of a tube-shaped object. The tube as a sum of a self-luminous component directly emitted from the inner surface of the end and a multiple reflection component of the reflected light emitted from the inner surface of the tube by multiple reflection over the axial direction of the tube-shaped object. The apparent emissivity of the end inner surface is calculated.
また、本発明に係る温度計測方法は、管形状物体の管端部における管内面部である管端内面の温度を計測する温度計測方法であって、前記管端内面を含む前記管端部の画像から、前記管端内面を認識するための画像処理工程と、前記画像処理工程で認識された前記管端内面の輝度値と、上記の発明の見かけの放射率算出方法によって算出された前記管端内面の見かけの放射率と、を用いて、前記管端内面の温度を算出するための温度算出工程と、を有することを特徴とするものである。 Further, the temperature measurement method according to the present invention is a temperature measurement method for measuring the temperature of the tube end inner surface which is the tube inner surface portion at the tube end portion of the tube-shaped object, and the image of the tube end portion including the tube end inner surface. From the image processing step for recognizing the tube end inner surface, the luminance value of the tube end inner surface recognized in the image processing step, and the tube end calculated by the apparent emissivity calculation method of the invention And a temperature calculating step for calculating the temperature of the inner surface of the tube end using the apparent emissivity of the inner surface.
また、本発明に係る温度計測方法は、管形状物体の管端部における管内面部である管端内面の温度を計測する温度計測方法であって、前記管端部を撮像する撮像手段の受光角θが60[°]以下であり、前記管形状物体の内径をdとし、前記管形状物体の軸線方向の長さをLとし、前記管内面部の表面性状を表すパラメータの一つをσとしたとき、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とするものである。なお、ここで述べるσの単位は[°]とする。 The temperature measurement method according to the present invention is a temperature measurement method for measuring the temperature of the inner surface of the tube end, which is the inner surface of the tube at the tube end of the tube-shaped object, and the light receiving angle of the imaging means for imaging the tube end. θ is 60 ° or less, the inner diameter of the tube-shaped object is d, the length of the tube-shaped object in the axial direction is L, and one of the parameters representing the surface properties of the inner surface of the tube is σ. In this case, the following relationship (1) is satisfied. The unit of σ described here is [°].
また、本発明に係る温度計測方法は、上記の発明において、前記受光角θは、前記撮像手段が撮像した前記管端部の画像から、前記管端部における管端面または前記管端内面を認識して、前記管端面または前記管端内面の前記軸線方向と直交する方向における断面形状を用いて算出することを特徴とするものである。 In the temperature measurement method according to the present invention as set forth in the invention described above, the light receiving angle θ recognizes the tube end surface or the tube end inner surface at the tube end from the image of the tube end captured by the imaging means. And it calculates using the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the said axial direction of the said tube end surface or the said tube end inner surface.
また、本発明に係る管材の製造方法は、上記の発明の温度計測方法を用いて計測した前記管端内面の温度の情報を用いて、前記管形状物体である管材を製造することを特徴とするものである。 Moreover, the manufacturing method of the pipe material which concerns on this invention manufactures the pipe material which is the said pipe-shaped object using the information of the temperature of the said pipe end inner surface measured using the temperature measuring method of said invention, It is characterized by the above-mentioned. To do.
また、本発明に係る温度計測装置は、管形状物体の管端部における管内面部である管端内面の温度を計測する温度計測装置であって、前記管端内面を含むように前記管端部を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された画像から、前記管端内面を認識するための画像処理を実施する画像処理手段と、前記画像処理によって認識された前記管端内面の輝度値と、上記の発明の見かけの放射率算出方法によって算出された前記管端内面の見かけの放射率と、を用いて、前記管端内面の温度を算出する温度算出手段と、を備えることを特徴とするものである。 The temperature measuring device according to the present invention is a temperature measuring device that measures the temperature of the inner surface of the tube end that is the inner surface of the tube at the tube end of the tube-shaped object, and the tube end portion includes the inner surface of the tube end. An image processing unit that performs image processing for recognizing the inner surface of the tube end from an image captured by the imaging unit, and a luminance value of the inner surface of the tube end recognized by the image processing And an apparent emissivity of the inner surface of the tube end calculated by the apparent emissivity calculation method of the invention described above, and a temperature calculation means for calculating the temperature of the inner surface of the tube end. It is what.
本発明に係る見かけの放射率算出方法、温度計測方法、管材の製造方法及び温度計測装置は、多重反射の影響を考慮して、管端内面の温度を精度良く計測することが可能となるという効果を奏する。 The apparent emissivity calculation method, temperature measurement method, tube material manufacturing method, and temperature measurement apparatus according to the present invention can accurately measure the temperature of the inner surface of the tube end in consideration of the influence of multiple reflection. There is an effect.
以下に、本発明に係る見かけの放射率算出方法、温度計測方法、管材の製造方法及び温度計測装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of an apparent emissivity calculation method, a temperature measurement method, a pipe material manufacturing method, and a temperature measurement device according to the present invention will be described. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
図1は、実施形態に係る鋼管10の管端部11における管内面部12(管端内面)の温度を計測するための温度計測装置1の模式図である。この温度計測装置1は、撮像手段であるエリアセンサ2や画像処理装置3や演算装置4などで構成されている。エリアセンサ2には、波長を限定するために、干渉フィルターなどの波長選択フィルターを設けてもよい。エリアセンサ2の視野は、管端部11における管内面部12が画面内に入るように設定しており、管端部11における管内面部12から直接放射される自発光成分だけではなく、鋼管10の軸線方向にわたって管内面部12の他の箇所からの放射が多重反射して合わさった多重反射成分が加算された、放射輝度を取得することになる。また、本実施形態においては、図1に示すように、エリアセンサ2の光軸Xと、鋼管軸線方向に直交する仮想直線Yとでなす角を、エリアセンサ2が管端部11から受光する際の受光角θとする。なお、ここで述べる管端部11とは、管端部11から後述するシミュレーションのメッシュ幅分内側の表面を指す。そして、得られた放射輝度を、管内面部12の表面性状に対して多重反射しない条件(以下、表面放射率と定義する。)で計測した放射率を用いて、多重反射影響を評価するためのシミュレーションにより算出した放射率(以下、見かけの放射率と定義する。)を用いて、演算装置4で温度に換算する。 Drawing 1 is a mimetic diagram of temperature measuring device 1 for measuring the temperature of pipe inner surface part 12 (tube end inner face) in pipe end part 11 of steel pipe 10 concerning an embodiment. The temperature measuring device 1 is composed of an area sensor 2, an image processing device 3, an arithmetic device 4, and the like that are imaging means. The area sensor 2 may be provided with a wavelength selection filter such as an interference filter in order to limit the wavelength. The visual field of the area sensor 2 is set so that the tube inner surface 12 at the tube end 11 enters the screen, and not only the self-luminous component directly emitted from the tube inner surface 12 at the tube end 11 but also the steel tube 10. The radiance is obtained by adding the multiple reflection components obtained by multiple reflections of the radiation from other portions of the tube inner surface portion 12 along the axial direction. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the area sensor 2 receives an angle formed by the optical axis X of the area sensor 2 and a virtual straight line Y orthogonal to the steel pipe axis direction from the pipe end portion 11. In this case, the light receiving angle θ is set. In addition, the pipe end part 11 described here refers to the inner surface of the pipe end part 11 by the mesh width of the simulation described later. The obtained radiance is used for evaluating the influence of multiple reflections using the emissivity measured under the condition that the surface property of the tube inner surface portion 12 is not subjected to multiple reflection (hereinafter referred to as surface emissivity). Using the emissivity calculated by simulation (hereinafter, defined as apparent emissivity), the calculation device 4 converts the emissivity into temperature.
本実施形態に係る温度計測装置1で用いられる温度計測方法は、次の第1処理工程〜第3処理工程の3つの処理工程によって構成される。第1処理工程では、管内面部12の表面性状について、表面放射率及び反射率を測定する。第2処理工程では、シミュレーションにより、鋼管10の管端部11における管内面部12の放射輝度を推定し、安定して測温可能な条件を導出する。第3処理工程では、第2処理工程で導出した条件を用いて、実際に温度計を設置し温度計測を実施する。 The temperature measuring method used in the temperature measuring apparatus 1 according to the present embodiment is configured by the following three processing steps, the first processing step to the third processing step. In the first treatment step, the surface emissivity and the reflectance are measured for the surface properties of the tube inner surface portion 12. In the second processing step, the radiance of the tube inner surface portion 12 at the tube end portion 11 of the steel tube 10 is estimated by simulation, and a condition capable of stably measuring the temperature is derived. In the third processing step, using the conditions derived in the second processing step, a thermometer is actually installed and temperature measurement is performed.
まず、本実施形態に係る温度計測方法における第1処理工程について説明する。内面の反射をシミュレーションし、多重反射影響を評価するためには、鋼材表面における放射及び反射の物理特性が予め必要である。そこで、まず表面放射率を算出する。 First, the first treatment process in the temperature measurement method according to the present embodiment will be described. In order to simulate the reflection of the inner surface and evaluate the influence of multiple reflections, the physical characteristics of radiation and reflection on the steel surface are required in advance. First, the surface emissivity is calculated.
図2は、鋼材サンプル22の表面放射率を算出するために用いる実験装置20の模式図である。実験装置20は、エリアセンサ2、加熱炉21、鋼材サンプル22、レンガ23、熱電対24及びロガー25などによって構成されている。加熱炉21の上面には、通気孔などの開口部21aが開けられており、その開口部21aから加熱炉21内を覗き込むようにエリアセンサ2が配置されている。加熱炉21内では、加熱炉21の内側面近傍に設けられたヒーター(不図示)からの輻射熱によって加熱されるように、レンガ23上に鋼材サンプル22が設置されており、炉内背光の影響を受けないよう可能な限り加熱炉21内の上部に鋼材サンプル22を位置させている。鋼材サンプル22には、鋼材サンプル上面(エリアセンサ2によって覗き込む面)付近の複数の深さ位置に熱電対24が埋め込まれており、熱電対24からの出力値をロガー25で記録し、1次元の伝熱モデル(線形モデル)を用いて外挿することにより、鋼材サンプル22の表面温度を算出する。エリアセンサ2は、温度域に応じて波長を限定し、予め黒体炉により校正しておき、熱電対24を用いて計測及び算出した表面温度と、その時の放射輝度とにより、表面放射率を算出する。なお、疑似的に表面を黒体に近い条件にできる黒体スプレーを鋼材サンプル22の上面における一部分に塗布し、黒体スプレーを塗布した部分と塗布していない部分とで輝度を比較することにより、表面放射率を算出してもよい。 FIG. 2 is a schematic diagram of the experimental apparatus 20 used for calculating the surface emissivity of the steel material sample 22. The experimental apparatus 20 includes an area sensor 2, a heating furnace 21, a steel material sample 22, a brick 23, a thermocouple 24, a logger 25, and the like. An opening 21a such as a vent is opened on the upper surface of the heating furnace 21, and the area sensor 2 is arranged so as to look into the heating furnace 21 from the opening 21a. In the heating furnace 21, the steel material sample 22 is installed on the brick 23 so as to be heated by radiant heat from a heater (not shown) provided in the vicinity of the inner surface of the heating furnace 21. The steel material sample 22 is located in the upper part in the heating furnace 21 as much as possible so that it may not receive. In the steel sample 22, thermocouples 24 are embedded at a plurality of depth positions near the top surface of the steel sample (the surface viewed by the area sensor 2), and the output value from the thermocouple 24 is recorded by the logger 25. The surface temperature of the steel material sample 22 is calculated by extrapolating using a two-dimensional heat transfer model (linear model). The area sensor 2 limits the wavelength according to the temperature range, calibrates beforehand with a black body furnace, and measures the surface emissivity based on the surface temperature measured and calculated using the thermocouple 24 and the radiance at that time. calculate. In addition, by applying a black body spray that can artificially make the surface close to a black body on a part of the upper surface of the steel sample 22, the luminance is compared between the part where the black body spray is applied and the part where the black body spray is not applied. The surface emissivity may be calculated.
次に、鋼管10の表面放射率の角度特性を導出する。従来、鋼管10の製造に用いられる鋼材の放射角度特性に対して、図3に示すような角度依存性があることが知られている。すなわち、図4に示すように、鋼管10の軸線方向と直交する垂直方向に対して、エリアセンサ2の受光角θを大きくしていくと、放射率が変化する。また、一様かつ熱平衡状態にある表面性状が鋼管10の管内面部12と同等のサンプル放射面に対し、エリアセンサ2の受光角θを変化させて輝度を取得することによって、実験により測定してもよい。 Next, the angle characteristic of the surface emissivity of the steel pipe 10 is derived. Conventionally, it is known that there is an angle dependency as shown in FIG. 3 with respect to a radiation angle characteristic of a steel material used for manufacturing the steel pipe 10. That is, as shown in FIG. 4, when the light receiving angle θ of the area sensor 2 is increased with respect to the vertical direction orthogonal to the axial direction of the steel pipe 10, the emissivity changes. Further, the surface property in a uniform and thermal equilibrium state is measured by experiment by changing the light receiving angle θ of the area sensor 2 and obtaining the luminance with respect to the sample radiation surface equivalent to the tube inner surface portion 12 of the steel tube 10. Also good.
なお、放射率は、鋼材表面に対して垂直方向への放射である垂直放射のときの放射率を、前述の表面放射率と一致させる必要がある。本実施形態では、図5(a)に示すような、鋼管10の表面放射率の分布(ヒストグラム)を、図5(b)に示すように、赤熱した鋼管10をエリアセンサ2によって横(鋼管10の軸線方向と直交する方向)から撮像した画像により表面放射率の角度特性を導出して、後述するシミュレーションで用いた。また、図6は、放射角度依存性を表したグラフであり、縦軸に鉛直方向への放射を1とした場合の相対的な放射率を示しており、横軸に鉛直方向からの角度である受光角θを示している。これは、非特許文献1に記載された図3と定性的に一致している。 In addition, the emissivity needs to make the emissivity at the time of the perpendicular | vertical radiation which is a radiation | emission to a perpendicular direction with respect to the steel material surface correspond with the above-mentioned surface emissivity. In this embodiment, the distribution (histogram) of the surface emissivity of the steel pipe 10 as shown in FIG. 5 (a), and the red hot steel pipe 10 is horizontally (steel pipe) by the area sensor 2 as shown in FIG. 5 (b). The angle characteristic of the surface emissivity was derived from an image captured from a direction orthogonal to the ten axial directions and used in a simulation described later. FIG. 6 is a graph showing the radiation angle dependence, where the vertical axis shows the relative emissivity when the vertical radiation is 1, and the horizontal axis is the angle from the vertical direction. A certain light receiving angle θ is shown. This is qualitatively consistent with FIG. 3 described in Non-Patent Document 1.
次に、反射率の角度特性を導出する。鋼管10の管内面部12で発生する多重反射をシミュレーションするためには、入射角及び反射角に対して、反射特性を物理的に評価する必要がある。そこで、入射角をθi及び反射角をθrとし、下記(2)式に示す簡易化されたTorrance−Sparrowモデルを簡易化したモデル(非特許文献2参照)を用いて評価する。Torrance−Sparrowモデルは、微小面素を仮定して反射を鏡面反射と拡散反射との和で表現するモデルである。下記(2)式中のkは、それぞれの反射の寄与と鏡面反射の広がりとを表す(表面性状を表す)反射パラメータであり、下記(2)式中のK1、K2及びσというパラメータを有する3次元のベクトルである。このため、本明細書中では、k=(K1,K2,σ)とも表記する。このkは、実験により入射角に対する反射分布を測定し、下記(2)式にフィッティングすることで得られる。本実施形態では、k=(K1,K2,σ)=(800,200,13.2)とした。なお、ここで述べる反射率は、表面放射の角度特性とキルヒホッフの法則から算出された反射率の総和により正規化される。 Next, the angle characteristic of reflectance is derived. In order to simulate the multiple reflection occurring at the pipe inner surface portion 12 of the steel pipe 10, it is necessary to physically evaluate the reflection characteristics with respect to the incident angle and the reflection angle. Therefore, evaluation is performed using a simplified model (see Non-Patent Document 2) of the simplified Torrance-Sparrow model shown in the following equation (2), where the incident angle is θ i and the reflection angle is θ r . The Torrance-Sparrow model is a model that expresses reflection as the sum of specular reflection and diffuse reflection assuming a small surface element. K in the following equation (2) is a reflection parameter representing the contribution of each reflection and the spread of specular reflection (representing the surface properties), and the parameters K 1 , K 2 and σ in the following equation (2) Is a three-dimensional vector. Therefore, in this specification, k = (K 1 , K 2 , σ) is also expressed. This k is obtained by measuring the reflection distribution with respect to the incident angle by experiment and fitting the following equation (2). In this embodiment, k = (K 1 , K 2 , σ) = (800, 200, 13.2). The reflectance described here is normalized by the sum of the reflectances calculated from the angular characteristics of surface radiation and Kirchhoff's law.
次に、本実施形態に係る温度計測方法における第2処理工程について説明する。図7は、鋼管10の管内面部12で発生する多重反射のシミュレーションの概要を示す図である。なお、図7中、Lは管長(鋼管10の軸線方向長さ)であり、dは管径(鋼管10の内径)である。まず、鋼管10を軸線方向にM個の領域に分割する。次に、p+1回反射時(p=0,1,2,3,・・・)におけるms番目の領域からme番目の領域に向かう光線量Lp+1(ms,me)は、p回反射時にm番目(m=1〜M)の各領域からms番目(ms=1〜M)の領域に入射した光が、それぞれme番目(me=1〜M)の領域に向かって反射する際の反射率α(m,ms,me)を用いて、下記(3)式で表すことができる。 Next, the second processing step in the temperature measurement method according to the present embodiment will be described. FIG. 7 is a diagram showing an outline of a simulation of multiple reflection occurring at the pipe inner surface portion 12 of the steel pipe 10. In FIG. 7, L is the pipe length (length in the axial direction of the steel pipe 10), and d is the pipe diameter (inner diameter of the steel pipe 10). First, the steel pipe 10 is divided into M regions in the axial direction. Next, the amount of light beam L p + 1 (m s , me ) from the m s th region to the me th region at the time of p + 1 reflection (p = 0, 1, 2, 3,...) Is p times m th in reflection (m = 1 to m) light incident on the area of the m s th (m s = 1 to m) from each region of the area of each m e th (m e = 1 to m) Using the reflectance α (m, m s , m e ) at the time of reflection toward the surface, it can be expressed by the following equation (3).
例えば、鋼管10を軸線方向に6個(M=6)の領域に分割した場合において、5回(左辺のp+1=5)反射時における2番目(ms=2)の領域から5番目(me=5)の領域に向かう光線量L5(2,5)は、4回(右辺のp=4)反射時に1〜6番目の各領域から2番目の領域に入射した光が、5番目の領域に向かって反射する際の反射率α(m,2,5)を用いて、下記(4)式で表すことができる。 For example, when the steel pipe 10 is divided into six (M = 6) regions in the axial direction, the fifth from the second (m s = 2) region at the time of reflection 5 times (p + 1 = 5 on the left side) The amount of light beam L 5 (2, 5) going to the area of (m e = 5) is the light incident on the second area from each of the first to sixth areas when reflected four times (p = 4 on the right side) Using the reflectance α (m, 2, 5) when reflecting toward the fifth region, it can be expressed by the following equation (4).
なお、上記(4)式において、L4(1,2)は、4回反射時に1番目の領域から2番目の領域に入射する光線量を示すものである。L4(2,2)は、4回反射時に2番目の領域から2番目の領域に入射する光線量を示すものである。L4(3,2)は、4回反射時に3番目の領域から2番目の領域に入射する光線量を示すものである。L4(4,2)は、4回反射時に4番目の領域から2番目の領域に入射する光線量を示すものである。L4(5,2)は、4回反射時に5番目の領域から2番目の領域に入射する光線量を示すものである。L4(6,2)は、4回反射時に6番目の領域から2番目の領域に入射する光線量を示すものである。 In the above equation (4), L 4 (1,2) represents the amount of light incident on the second region from the first region during four reflections. L 4 (2, 2) indicates the amount of light incident on the second region from the second region upon four reflections. L 4 (3, 2) indicates the amount of light incident on the second region from the third region upon four reflections. L 4 (4, 2) indicates the amount of light incident on the second region from the fourth region upon four reflections. L 4 (5, 2) indicates the amount of light incident on the second region from the fifth region upon four reflections. L 4 (6, 2) indicates the amount of light incident on the second region from the sixth region upon four reflections.
また、上記(4)式において、α(1,2,5)は、1番目の領域から2番目の領域に入射した光が、次の反射時に5番目の領域に向かって反射する際の反射率である。また、α(2,2,5)は、2番目の領域から2番目の領域に入射した光が、次の反射時に5番目の領域に向かって反射する際の反射率である。また、α(3,2,5)は、3番目の領域から2番目の領域に入射した光が、次の反射時に5番目の領域に向かって反射する際の反射率である。また、α(4,2,5)は、4番目の領域から2番目の領域に入射した光が、次の反射時に5番目の領域に向かって反射する際の反射率である。また、α(5,2,5)は、5番目の領域から2番目の領域に入射した光が、次の反射時に5番目の領域に向かって反射する際の反射率である。また、α(6,2,5)は、6番目の領域から2番目の領域に入射した光が、次の反射時に5番目の領域に向かって反射する際の反射率である。 In the above equation (4), α (1, 2, 5) is a reflection when light incident on the second region from the first region is reflected toward the fifth region at the next reflection. Rate. Α (2, 2, 5) is a reflectance when light incident on the second region from the second region is reflected toward the fifth region at the next reflection. Α (3, 2, 5) is a reflectance when light incident on the second region from the third region is reflected toward the fifth region at the next reflection. Further, α (4, 2, 5) is a reflectance when light incident on the second region from the fourth region is reflected toward the fifth region at the time of the next reflection. Α (5, 2, 5) is a reflectance when light incident on the second region from the fifth region is reflected toward the fifth region at the time of the next reflection. Α (6, 2, 5) is a reflectance when light incident on the second region from the sixth region is reflected toward the fifth region at the next reflection.
次に、入射角θiは、管長L及び管径dとメッシュMとを用いて、下記(5)式で表すことができる。また、反射角θrは、管長L及び管径dとメッシュMとを用いて、下記(6)式で表すことができる。そのため、反射率α(m,ms,me)は、上記(2)式に示すTorrance−Sparrowモデルに、下記(5)式及び下記(6)式の入射角θi及び反射角θrを代入することによって得ることができる。なお、反射パラメータk=(K1,K2,σ)は、実験により導出した。また、反射率α(m,ms,me)は、キルヒホッフの法則に基づき、下記(7)式を用いて反射率の総和と放射率とが足して1となるように正規化した。また、この正規化に用いる放射率は、前述の角度特性を持ち、入射角θi方向への放射率をε(θi)と定義し、各入射角ごとに正規化を実施した。 Next, the incident angle θ i can be expressed by the following equation (5) using the tube length L, the tube diameter d, and the mesh M. Further, the reflection angle θ r can be expressed by the following equation (6) using the tube length L, the tube diameter d, and the mesh M. Therefore, the reflectance α (m, m s , m e ) is calculated by adding the incidence angle θ i and the reflection angle θ r of the following formula (5) and the following formula (6) to the Torrance-Sparrow model shown in the above formula (2). Can be obtained by substituting. The reflection parameter k = (K 1 , K 2 , σ) was derived by experiment. The reflectance α (m, m s, m e) , based on the Kirchhoff's law, were normalized to a 1 by adding the sum of reflectance and emissivity using the following equation (7). Further, the emissivity used for this normalization has the above-mentioned angle characteristics, and the emissivity in the direction of the incident angle θ i is defined as ε (θ i ), and normalization was performed for each incident angle.
そして、最終的な管端部11における管内面部12から外部への反射光の強度I(ms,out)を、初期放射と漸化的に算出した反射光とにより、下記(8)式を用いて算出する。なお、下記(8)式中の「out」は、光が管端内面部から外部に放射される向きを表す。また、初期値であるL0(m,ms)は、実験により算出した表面放射率及びその角度特性より算出した。 And the intensity | strength I ( ms , out) of the reflected light from the pipe inner surface part 12 in the final pipe | tube end part 11 to the exterior is represented by the following (8) Formula with the reflected light which calculated gradually and initial radiation. Use to calculate. In addition, “out” in the following equation (8) represents the direction in which light is emitted from the inner surface of the tube end to the outside. The initial value L 0 (m, m s ) was calculated from the surface emissivity calculated by experiment and its angular characteristics.
まず、一般的な鋼材表面から算出した反射パラメータk=(K1,K2,σ)=(800,200,13.2)について、管長Lと管径dとの比L/d=10として反射率を変化させた場合における、見かけの放射率の受光角特性を図8に示す。なお、図8に示すグラフの縦軸は見かけの放射率とし、横軸は受光角θとし、鋼管軸線方向と直交する方向への受光を受光角θが0[°]とした。また、以下、波長は全て900[nm]とした。 First, for a reflection parameter k = (K 1 , K 2 , σ) = (800, 200, 13.2) calculated from a general steel surface, the ratio L / d = 10 of the tube length L to the tube diameter d is set to FIG. 8 shows the acceptance angle characteristic of the apparent emissivity when the reflectance is changed. The vertical axis of the graph shown in FIG. 8 is the apparent emissivity, the horizontal axis is the light reception angle θ, and the light reception angle θ is 0 [°] for light reception in the direction orthogonal to the steel pipe axis direction. In the following, all wavelengths were set to 900 [nm].
表面放射率が高い場合、入射角60[°]以下で安定して計測可能なことが確認できる。60[°]を超えると放射率が低下する。図9は、放射率0.9の場合における見かけの放射率の受光角特性を、放射のみと多重反射影響とに分けて評価した結果を示すグラフである。図9から、多重反射影響ではなく、表面からの放射角度特性に起因して放射率が低下していることがわかる。したがって、対象表面の放射光強度の角度分布が一定とみなせる受光角θとなるように、計測することが望ましい。 When the surface emissivity is high, it can be confirmed that measurement can be stably performed at an incident angle of 60 [°] or less. If it exceeds 60 [°], the emissivity decreases. FIG. 9 is a graph showing the results of evaluating the acceptance angle characteristics of the apparent emissivity when the emissivity is 0.9, separately for radiation and multiple reflection effects. From FIG. 9, it can be seen that the emissivity is reduced due to the radiation angle characteristic from the surface, not the multiple reflection effect. Therefore, it is desirable to measure so that the angle distribution of the radiated light intensity on the target surface becomes a light reception angle θ that can be regarded as constant.
次に、鏡面性の有無と比L/dについて説明する。鏡面性が高い面とは、拡散反射成分の係数K1と比較して鏡面反射成分の係数K2が高く、また鏡面反射の広がりを示すσが小さい面を指す。なお、σは大きければ大きいほど、鏡面反射成分が広がりを持つことを示す。図10に、反射パラメータk=(K1,K2,σ)=(100,1900,0.57)である鏡面性の高い面について、比L/dを変化させたときのグラフを示す。また、図11に、反射パラメータk=(K1,K2,σ)=(1900,100,17.2)である鏡面性の低い面について、比L/dを変化させたときのグラフを示す。なお、図10と図11ともに放射率は0.5とした。 Next, the presence / absence of specularity and the ratio L / d will be described. The surface having high specularity refers to a surface having a high specular reflection component coefficient K 2 and a small σ indicating the spread of specular reflection compared to the diffuse reflection component coefficient K 1 . Note that the larger σ is, the larger the specular reflection component is. FIG. 10 shows a graph when the ratio L / d is changed for a highly specular surface where the reflection parameter k = (K 1 , K 2 , σ) = (100, 1900, 0.57). FIG. 11 is a graph when the ratio L / d is changed for a surface with low specularity where the reflection parameter k = (K 1 , K 2 , σ) = (1900, 100, 17.2). Show. Note that the emissivity is 0.5 in both FIG. 10 and FIG.
比L/dが一定以上であれば、管内面部12の放射角度特性の影響を除けば放射率は安定しているが、比L/dが小さい場合には、受光角θの変化によって、見かけの放射率が急激に変化する場所が存在する。本特性は、鏡面性が高いほど顕著である。そのメカニズムを、図12を用いて説明する。図12(a)は、正反射方向に管内面部が存在する場合における見かけの放射率の説明図である。図12(b)は、正反射方向に管内面部が存在しない場合における見かけの放射率の説明図である。図12(a)に示すように、正反射方向、すなわち、管端面の法線に対してエリアセンサ2の光軸と対称となる方向に、管内面部12が存在する場合は、その管内面部12からの放射光成分が、エリアセンサ2で撮像する管端部11における管内面部12で正反射となり、管端部11における管内面部12からの放射光に加わって受光される。このとき、管内面部12の反射特性が高い正反射率を持つ場合は、加算される反射光量の寄与は大きい。一方、図12(b)に示すように、正反射方向、すなわち、管端面の法線に対してエリアセンサ2の光軸と対称となる方向に、管内面部12が存在しない場合は、管端部11における管内面部12からの放射光に加わって前記放射光成分が受光されることはない。したがって、正反射方向における管内面部12の存在の有無によって、見かけの放射率が大きく変動するため、安定して計測するためには、正反射方向に管内面部12が存在するような、比L/d、及び、受光角θとなる条件にすることが望ましい。そのような条件を、下記(1)式に示す。 If the ratio L / d is equal to or greater than a certain value, the emissivity is stable except for the influence of the radiation angle characteristic of the tube inner surface portion 12. However, if the ratio L / d is small, the apparent angle is changed by the change in the light receiving angle θ. There are places where the emissivity of the abruptly changes. This characteristic is more remarkable as the specularity is higher. The mechanism will be described with reference to FIG. FIG. 12A is an explanatory diagram of the apparent emissivity when the tube inner surface portion exists in the regular reflection direction. FIG. 12B is an explanatory diagram of the apparent emissivity when the tube inner surface portion does not exist in the regular reflection direction. As shown in FIG. 12A, when the pipe inner surface portion 12 exists in the specular reflection direction, that is, in a direction symmetrical to the optical axis of the area sensor 2 with respect to the normal line of the tube end surface, the tube inner surface portion 12 is present. Is emitted from the tube inner surface portion 12 at the tube end portion 11 imaged by the area sensor 2 and received in addition to the light emitted from the tube inner surface portion 12 at the tube end portion 11. At this time, when the reflection property of the tube inner surface portion 12 has a high regular reflectance, the contribution of the added reflected light amount is large. On the other hand, as shown in FIG. 12B, when the tube inner surface portion 12 does not exist in the regular reflection direction, that is, in the direction symmetric to the optical axis of the area sensor 2 with respect to the normal line of the tube end surface, In addition to the radiated light from the tube inner surface portion 12 in the portion 11, the radiated light component is not received. Therefore, since the apparent emissivity varies greatly depending on the presence / absence of the tube inner surface portion 12 in the regular reflection direction, the ratio L / It is desirable to satisfy the conditions of d and the light receiving angle θ. Such conditions are shown in the following formula (1).
また、図11において覗き込み角を変化させていった場合、正反射方向の管内面部12の有無では離散的に変化せず、その前後のある領域にまたがって連続的に変化している。これは、管端部11において管内面部12で反射し、エリアセンサ2で受光する鏡面反射成分は、ちょうど入射角と反射角とが一致する管内面部12だけでなく、その周囲に広がりを持つためである。鏡面反射成分の広がりは、反射パラメータk=(K1,K2,σ)の鏡面反射の広がりを示すσに依存し、σが大きければ大きいほど、鏡面反射成分は正反射方向の管内面部12近傍の広い範囲の成分を含む、すなわち、覗き込み角の変動に対して緩やかに変化する。 In addition, when the peeping angle is changed in FIG. 11, it does not change discretely depending on the presence or absence of the tube inner surface portion 12 in the regular reflection direction, but continuously changes over a certain region before and after that. This is because the specular reflection component reflected by the tube inner surface portion 12 at the tube end portion 11 and received by the area sensor 2 has not only the tube inner surface portion 12 where the incident angle and the reflection angle coincide with each other, but also the periphery thereof. It is. The spread of the specular reflection component depends on σ indicating the spread of the specular reflection of the reflection parameter k = (K 1 , K 2 , σ). The larger the σ is, the more the specular reflection component is in the tube inner surface portion 12 in the regular reflection direction. It includes a wide range of components in the vicinity, that is, changes gently with respect to the variation in the viewing angle.
したがって、上記(1)式に示すように、管内面部12の反射特性のうち鏡面反射の広がりを表すσのパラメータを考慮して、エリアセンサ2が受光する光線の中で、管端面における鏡面反射光として寄与する管内面部12のうち、正反射条件から2σ以内の条件となる反射光成分を含む、比L/d、及び、受光角θとなる条件とすれば、ほぼ97.5[%]以上の鏡面反射成分を含むことが可能となる。なお、正反射条件から3σ以内の条件となる反射光成分を含む条件とすれば、99.8[%]以上の鏡面反射成分を含むことが可能となり、より安定して計測できる。 Therefore, as shown in the above equation (1), in consideration of the parameter of σ representing the spread of specular reflection among the reflection characteristics of the tube inner surface portion 12, among the light rays received by the area sensor 2, the specular reflection at the tube end surface. The tube inner surface portion 12 that contributes as light has a ratio L / d and a light receiving angle θ that includes a reflected light component that is within 2σ from the regular reflection condition, and is approximately 97.5 [%]. The above specular reflection component can be included. If the condition includes a reflected light component that is within 3σ from the regular reflection condition, it is possible to include a specular reflection component of 99.8 [%] or more, and measurement can be performed more stably.
また、図12において、1回目の正反射方向だけでなく、2回正反射して受光する位置となる管内面部12の有無の影響も、わずかではあるが見かけの放射率の変動要因となっている。そのため、管内面部12の鏡面性が極めて高い場合には、エリアセンサ2が受光する光線の中で、2回反射した鏡面反射成分が十分に含まれていることが望ましい。その場合の鏡面反射成分を含む条件は、1回目の鏡面反射成分と同様の考え方で、下記(9)式を満たせば、97.5[%]以上の鏡面反射成分を除去することが可能となる。なお、下記(9)式は、鏡面反射の広がりについてガウス分布を仮定しており、2回反射する場合の鏡面反射の広がりは、ガウス分布同士の畳み込みとなることから導出可能である。 In addition, in FIG. 12, not only the first regular reflection direction but also the influence of the presence or absence of the tube inner surface portion 12 that is the position where the light is reflected and reflected twice is a slight variation factor of the apparent emissivity. Yes. Therefore, when the specularity of the tube inner surface portion 12 is extremely high, it is desirable that the specular reflection component reflected twice is sufficiently included in the light rays received by the area sensor 2. The conditions including the specular reflection component in that case are based on the same concept as the first specular reflection component, and if the following expression (9) is satisfied, it is possible to remove the specular reflection component of 97.5 [%] or more. Become. In addition, the following formula (9) assumes a Gaussian distribution with respect to the spread of the specular reflection, and the spread of the specular reflection in the case of reflecting twice can be derived from the convolution of the Gaussian distributions.
なお、図11において、比L/dが、「2」、「3」、「5」と変化した場合、正反射方向に管内面部12が十分存在する条件で比L/dの大きいほうが、見かけの放射率が高い原因は、比L/dが小さすぎると多重反射効果が小さくなるからであると考えられる。したがって、このような受光角θの変化に対し、見かけの放射率の変動が大きいような不安定な条件における放射測温は避けたほうがよい。 In FIG. 11, when the ratio L / d changes to “2”, “3”, and “5”, the larger the ratio L / d is under the condition that the tube inner surface portion 12 is sufficiently present in the regular reflection direction. The reason why the emissivity is high is that the multiple reflection effect is reduced when the ratio L / d is too small. Therefore, it is better to avoid radiation temperature measurement under unstable conditions in which the apparent emissivity fluctuates greatly with respect to such a change in the light receiving angle θ.
次に、鋼管10の軸線方向両端における管内面部12で温度差が生じる場合について説明する。図13に示すように、鋼管軸線方向両端のうち、エリアセンサ2によって計測する側の管端部11aの温度を1200[℃]で一定とし、その反対側の管端部11bの温度を1000[℃]と1100[℃]と1200[℃]との3水準で設定して、鋼管軸線方向の位置に対して線形となるような温度分布を仮定した。図14に、管端部11bの温度が1000[℃]と1100[℃]と1200[℃]の場合において、受光角θを変化させたときの計測温度の結果を示す。なお、比L/dは10、管内面部12の反射条件はk=(K1,K2,σ)=(800,200,13.2)、放射率は0.7とし、輝度から温度に変換する際に用いた見かけの放射率は0.78である。 Next, the case where a temperature difference arises in the pipe inner surface part 12 in the axial direction both ends of the steel pipe 10 is demonstrated. As shown in FIG. 13, the temperature of the tube end 11a on the side measured by the area sensor 2 is fixed at 1200 [° C.], and the temperature of the tube end 11b on the opposite side is 1000 [°]. It was set at three levels of [° C.], 1100 [° C.], and 1200 [° C.], and assumed a temperature distribution that was linear with respect to the position in the axial direction of the steel pipe. FIG. 14 shows the result of the measured temperature when the light receiving angle θ is changed when the temperature of the tube end 11b is 1000 [° C.], 1100 [° C.], and 1200 [° C.]. The ratio L / d is 10, the reflection condition of the tube inner surface portion 12 is k = (K 1 , K 2 , σ) = (800, 200, 13.2), the emissivity is 0.7, and the luminance changes from temperature to temperature. The apparent emissivity used in the conversion is 0.78.
管端部11bの温度が1000[℃]と1200[℃]との場合において、受光角θが60[°]を超えたあたりから計測温度の差は若干広がるが、その差は2[℃]程度であり、測温の影響は少ないことが判明した。 When the temperature of the tube end portion 11b is 1000 [° C.] and 1200 [° C.], the difference in measured temperature slightly increases from the time when the light receiving angle θ exceeds 60 [°], but the difference is 2 [° C.]. It was found that the influence of temperature measurement was small.
以上の考察により、管端部11における管内面部12の放射率を予め測定しておけば、シミュレーションにより多重反射の影響を考慮して、見かけの放射率を設定し、測温することが可能となる。また、さらなる測温の精度向上を図るためには、以下に説明する2点の工夫を行うことが望ましい。 From the above consideration, if the emissivity of the tube inner surface portion 12 at the tube end portion 11 is measured in advance, the apparent emissivity can be set and temperature can be measured in consideration of the influence of multiple reflection by simulation. Become. In order to further improve the accuracy of temperature measurement, it is desirable to devise the following two points.
まず、エリアセンサ2を用いて測温する場合には、カメラのシェーディングの問題が存在する。すなわち、エリアセンサ2で撮像する場合には、カメラのシェーディングにより視野端の輝度が低下する。したがって、同じ対象でも視野位置によって受光輝度が異なるため、異なる温度として算出される。シェーディングの影響は、一般に広角になればなるほど大きい。そこで、1点目の工夫は、予め測定する波長に対して、同一光量における視野内の受光輝度を計測しておき、実際に測温する場合において、予め計測したシェーディングデータを用いて受光輝度を補正してから温度を算出する。これによって、視野端でも視野中央部と同一の温度を得ることが可能となる。なお、シェーディングデータは、黒体炉を用いて温度校正を実施する際に、各視野位置における同一温度の放射輝度データを取得しておき、補間あるいは曲面近似することによって得ることができる。 First, when the temperature is measured using the area sensor 2, there is a problem of camera shading. That is, when the area sensor 2 captures an image, the luminance at the edge of the field of view decreases due to the shading of the camera. Accordingly, the received light brightness varies depending on the visual field position even for the same object, and therefore, different temperatures are calculated. In general, the influence of shading increases as the angle becomes wider. Therefore, the first idea is to measure the received light luminance within the field of view at the same light amount with respect to the wavelength to be measured in advance, and when actually measuring the temperature, the received light luminance is calculated using the previously measured shading data. The temperature is calculated after correction. This makes it possible to obtain the same temperature as that at the center of the visual field even at the visual field end. The shading data can be obtained by acquiring radiance data of the same temperature at each visual field position and performing interpolation or curved surface approximation when performing temperature calibration using a black body furnace.
次に、2点目の工夫は、輝度の算出方法である。管内面部12の輝度は、管内面部12が一様であれば平均値などを取得すればよい。しかしながら、疵や酸化物などの異常により、管内面部12において輝度が低下している部分が存在する場合が多い。そこで、管内面部12の輝度の最大値を取得し、温度に変換することによって、疵や酸化物の影響を受けずに、温度を算出することが可能となる。また、エリアセンサ2のノイズがあり、管内面部12の輝度の最大値が安定しない場合は、最大値付近の輝度を複数平均化することによって安定させることが可能となる。例えば、輝度が10番目に大きい画素から、輝度が6番目に大きい画素までの5画素の輝度の平均値をとるなどすればよい。 Next, the second idea is a luminance calculation method. As for the luminance of the tube inner surface portion 12, an average value or the like may be obtained if the tube inner surface portion 12 is uniform. However, there are many cases where there is a portion where the luminance is reduced in the tube inner surface portion 12 due to abnormalities such as soot and oxide. Therefore, by acquiring the maximum value of the luminance of the tube inner surface portion 12 and converting it to temperature, the temperature can be calculated without being affected by soot and oxide. If there is noise in the area sensor 2 and the maximum value of the luminance of the tube inner surface portion 12 is not stable, it is possible to stabilize by averaging a plurality of luminances near the maximum value. For example, an average value of the luminances of five pixels from the tenth highest pixel to the sixth highest pixel may be taken.
また、管内面部12の温度を算出するに当たり、得られた画像から管内面部12を認識する必要がある。管内面部12を認識する手法としては、テンプレートマッチングやハフ変換などの一般的な形状認識や、管内面部12と管外面部13との輝度差を利用するなど、様々な方法が考えられる。 Further, in calculating the temperature of the tube inner surface portion 12, it is necessary to recognize the tube inner surface portion 12 from the obtained image. As a method for recognizing the tube inner surface portion 12, various methods such as general shape recognition such as template matching and Hough transform, and utilizing a luminance difference between the tube inner surface portion 12 and the tube outer surface portion 13 are conceivable.
例えば、鋼管10の温度が一様である場合、管内面部12は多重反射の影響によって管外面部13よりも放射率が高い、あるいは、圧延中の鋼管10を空気雰囲気下で測温する場合、管外面部13のほうが管内面部12よりも冷却しやすいなど、管内面部12と管外面部13とに、温度差や見かけの放射率差に起因する輝度差が発生する場合が多い。この場合、図15(a)に示すような鋼管10の管内面部12を含む管端部11の画像から、図15(b)に示すようなヒストグラムを生成し、管内面部12の画素から構成されるピークと、管外面部13の画素から構成されるピークとを用いて、管内面部12を安定的に抽出することが可能となる。なお、ヒストグラムが輝度値に対して高周波成分を持ち、管内面部12の輝度及び管外面部13の輝度以外に複数ピークを持つような場合においては、ローパスフィルターにより高周波成分を除去することが有効である。 For example, when the temperature of the steel tube 10 is uniform, the tube inner surface portion 12 has a higher emissivity than the tube outer surface portion 13 due to the influence of multiple reflection, or when the temperature of the steel tube 10 being rolled is measured in an air atmosphere, In many cases, a difference in luminance due to a temperature difference or an apparent emissivity difference occurs between the tube inner surface portion 12 and the tube outer surface portion 13 such that the tube outer surface portion 13 is easier to cool than the tube inner surface portion 12. In this case, a histogram as shown in FIG. 15B is generated from an image of the pipe end portion 11 including the pipe inner surface portion 12 of the steel pipe 10 as shown in FIG. It is possible to stably extract the tube inner surface portion 12 by using the peak formed by the pixels of the tube outer surface portion 13 and the peak constituted by the pixels of the tube outer surface portion 13. In the case where the histogram has a high frequency component with respect to the luminance value and has a plurality of peaks other than the luminance of the tube inner surface portion 12 and the luminance of the tube outer surface portion 13, it is effective to remove the high frequency component by a low-pass filter. is there.
さらに、管内面部12を認識した後、楕円近似を実施し、長軸と短軸との比を評価することによって、受光角θを推定することが可能となる。長軸の長さをa、短軸の長さをbとすると、下記(10)式を用いて、受光角θを算出することが可能となる。ただし、管端面の軸線方向と直交する方向における断面形状が、円に近い形状であると仮定する。 Furthermore, after recognizing the tube inner surface portion 12, it is possible to estimate the light receiving angle θ by performing elliptic approximation and evaluating the ratio between the major axis and the minor axis. If the length of the major axis is a and the length of the minor axis is b, the light receiving angle θ can be calculated using the following equation (10). However, it is assumed that the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the axial direction of the tube end face is a shape close to a circle.
そして、シミュレーション結果及び実験結果と対応させて受光角θの情報を用い、見かけの放射率を補正することにより、さらに測温の精度を向上させることが可能となる。具体的には、下記手順によって見かけの放射率を補正する。 Then, the accuracy of temperature measurement can be further improved by correcting the apparent emissivity by using the information on the light receiving angle θ in correspondence with the simulation result and the experimental result. Specifically, the apparent emissivity is corrected by the following procedure.
まず、シミュレーション結果及び実験結果から、受光角θと見かけの放射率との関係を予めテーブルマップ化する。次に、エリアセンサ2によって、管内面部12を含むように管端部11の画像を取得する。次に、得られた画像から、画像処理装置3による画像処理によって管内面部12を認識する。次に、管内面部12を認識した後、演算装置4によって管端部11から楕円近似により長軸の長さaと短軸の長さbとを算出する。次に、演算装置4は、その算出した長軸の長さa及び短軸の長さbと、上記(10)式とを用いて、受光角θを算出する。そして、最後に、演算装置4は、予めテーブルマップ化しておいた受光角θと見かけの放射率との関係から、見かけの放射率を決定する。 First, from the simulation results and the experimental results, the relationship between the light reception angle θ and the apparent emissivity is preliminarily formed into a table map. Next, the area sensor 2 acquires an image of the tube end portion 11 so as to include the tube inner surface portion 12. Next, the tube inner surface portion 12 is recognized from the obtained image by image processing by the image processing device 3. Next, after recognizing the tube inner surface portion 12, the arithmetic device 4 calculates the major axis length a and the minor axis length b from the tube end portion 11 by elliptic approximation. Next, the arithmetic unit 4 calculates the light reception angle θ using the calculated major axis length a and minor axis length b and the above equation (10). Finally, the arithmetic unit 4 determines the apparent emissivity from the relationship between the light reception angle θ and the apparent emissivity, which are previously table-mapped.
なお、鋼管10の管長L及び管径dや、表面性状による反射パラメータなどに応じて、シミュレーションを実施することにより、受光角θと見かけの放射率との関係を示すテーブルマップを更新し、画像から算出した受光角θを用いて見かけの放射率を算出することによって、さらなる見かけの放射率の算出精度の向上、ひいては、測温の精度向上を図ることが可能となる。 The table map indicating the relationship between the light receiving angle θ and the apparent emissivity is updated by performing a simulation according to the pipe length L and the pipe diameter d of the steel pipe 10, the reflection parameter depending on the surface properties, and the like. By calculating the apparent emissivity using the light receiving angle θ calculated from the above, it is possible to further improve the calculation accuracy of the apparent emissivity, and thus improve the accuracy of temperature measurement.
なお、実際に鋼管10の放射測温を加熱炉外で実施するにあたっては、自然冷却によって、管内面部12の鋼管軸線方向で最管端部分が、この最管端部分よりも鋼管軸線方向で奥側の管奥部分に比べて冷却されるケースが存在する。図16は、管端部画像と、その画像から生成した管径中心部長手方向の輝度プロファイルと、シミュレーションにより算出した放射率とを、受光角θが45[°]、60[°]について示したものである。 When the radiation temperature measurement of the steel pipe 10 is actually performed outside the heating furnace, the outermost pipe end portion in the steel pipe axial direction of the pipe inner surface portion 12 is deeper in the steel pipe axial direction than the outermost pipe end portion by natural cooling. There is a case that is cooled in comparison with the back portion of the tube. FIG. 16 shows a tube end image, a brightness profile in the longitudinal direction of the tube diameter center portion generated from the image, and an emissivity calculated by simulation for light reception angles θ of 45 [°] and 60 [°]. It is a thing.
図16に示した管端部画像内において、管内面部12の最管端部分の位置と、その最管端部分の位置よりも奥側となる管奥部分の位置とに対し、シミュレーションにより算出した放射率の変化は、受光角θが45[°]と受光角θが60[°]ともに非常に小さく0.02以下であった。これは、管内面部12の温度を1200[℃]、波長を900[nm]と仮定して温度に換算すると3[℃]以下程度である。一方、図16に示した輝度プロファイルからわかるように、最管端部分の位置と管奥部分の位置とでは、受光角θが45[°]と受光角θが60[°]ともに輝度が4倍程度変化しており、実際には管内面部12の鋼管軸線方向において温度分布が発生していると考えられる。最管端部分の位置は、切断して製品として使用しない場合が多いため、材質の作りこみなどにおける実運用上において、管内面部12の温度として必要な測温位置は管奥部分の位置である。さらに、管内面部12の測温に際して、管端部11の温度低下度合による影響を受けないことが求められる。 In the tube end portion image shown in FIG. 16, the position of the innermost tube end portion of the tube inner surface portion 12 and the position of the tube inner portion that is on the back side of the position of the outermost tube end portion are calculated by simulation. The change of the emissivity was very small and 0.02 or less for both the light receiving angle θ of 45 [°] and the light receiving angle θ of 60 [°]. This is about 3 [° C.] or less when converted into temperature assuming that the temperature of the tube inner surface portion 12 is 1200 [° C.] and the wavelength is 900 [nm]. On the other hand, as can be seen from the luminance profile shown in FIG. 16, the light receiving angle θ is 45 [°] and the light receiving angle θ is 60 [°] at the position of the tube end portion and the tube deep portion. It is considered that the temperature distribution is actually generated in the direction of the steel pipe axis of the pipe inner surface portion 12. Since the position of the outermost pipe end portion is often cut and not used as a product, the temperature measurement position required as the temperature of the pipe inner surface portion 12 is the position of the pipe inner portion in actual operation in making the material. . Further, when measuring the temperature of the tube inner surface portion 12, it is required that the tube inner surface portion 12 is not affected by the temperature drop degree of the tube end portion 11.
図17は、管端部画像と、その画像から生成した管径中心部長手方向の輝度プロファイルと、その輝度プロファイルにおいて輝度がほぼ一定で横ばいの平坦部fの有無とを、受光角θが45[°]、50[°]、55[°]、60[°]について示したものである。図17に示した管端部画像からわかるように、受光角θが大きければ大きいほど、エリアセンサ2によって管内面部12の鋼管軸線方向で奥側の位置まで撮像される。また、受光角θが45[°]と受光角θが60[°]とを比較すると、まず、受光角θが45[°]の輝度プロファイルでは、管内面部12の最管端部分から、管端部画像内における管内面部12の最も奥側である最管奥部分に向かって輝度が上昇し続けており、輝度がほぼ一定で横ばいの状態となる平坦部fが殆ど無い。これに対して、受光角θが60[°]の輝度プロファイルでは、管内面部12の最管端部分から最管奥部分に至る過程で一定輝度に達し平坦部fが有る。 FIG. 17 shows a tube end image, a luminance profile in the longitudinal direction of the tube diameter center generated from the image, and the presence or absence of a flat portion f having a substantially constant luminance and a flatness in the luminance profile. [°], 50 [°], 55 [°], and 60 [°] are shown. As can be seen from the tube end image shown in FIG. 17, the larger the light receiving angle θ, the more the image is taken by the area sensor 2 to the far side position in the steel tube axial direction of the tube inner surface portion 12. Further, comparing the light receiving angle θ of 45 [°] with the light receiving angle θ of 60 [°], first, in the luminance profile with the light receiving angle θ of 45 [°], the tube inner surface portion 12 starts from the tube end portion. The luminance continues to increase toward the innermost tube innermost portion which is the innermost side of the tube inner surface portion 12 in the end image, and there is almost no flat portion f where the luminance is substantially constant and leveled off. On the other hand, in the luminance profile with the light receiving angle θ of 60 °, the luminance reaches a constant luminance in the process from the most tube end portion of the tube inner surface portion 12 to the most tube deep portion, and there is a flat portion f.
ここで、管内面部12の画像を取得し、輝度の最大値または輝度の最大値付近の平均輝度を用いて温度を算出した場合には、受光角θの変化によって、撮像された管端部画像内における管内面部12の最管奥部分の位置が変化する。そのため、管内面部12の最管奥部分が温度勾配を持つ場合は、受光角θのわずかな変化により測温結果が変化する。 Here, when an image of the tube inner surface portion 12 is acquired and the temperature is calculated using the maximum luminance value or the average luminance in the vicinity of the maximum luminance value, the image of the tube end portion imaged by the change in the light receiving angle θ. The position of the innermost tube innermost portion 12 of the tube inner surface portion 12 changes. Therefore, when the innermost tube innermost portion 12 has a temperature gradient, the temperature measurement result changes due to a slight change in the light receiving angle θ.
受光角θは、光学系のアライメント及び鋼管10の位置により変化するため、測温結果が受光角θに依存して変化してしまうと誤差要因となる。そのため、なるべく管内面部12の最管奥部分が温度勾配を持たない、すなわち管内面部12の最管端部分から最管奥部分に至る過程で一定輝度に達し横ばいの状態となる条件で測温する。これにより、受光角θが多少変化しても測定温度への影響は小さくなり、管端部11の温度低下の影響を受けずに安定して実用的な管内面部12の測温が可能となる。 Since the light receiving angle θ changes depending on the alignment of the optical system and the position of the steel pipe 10, if the temperature measurement result changes depending on the light receiving angle θ, it becomes an error factor. Therefore, temperature measurement is performed under the condition that the innermost tube innermost portion 12 has as little temperature gradient as possible, that is, a constant luminance is reached in a process from the outermost tube end portion of the inner tube surface portion 12 to the innermost tube innermost portion and becomes a level state. . As a result, even if the light receiving angle θ is slightly changed, the influence on the measurement temperature is reduced, and it is possible to stably and practically measure the temperature of the tube inner surface portion 12 without being affected by the temperature drop of the tube end portion 11. .
図18は、実際の圧延ライン上で、肉厚tが30[mm]未満以下と30[mm]以上40[mm]未満と40[mm]以上のそれぞれの鋼管10を、受光角θを45[°]、50[°]、55[°]、60[°]と変化させて、エリアセンサ2により撮像した管端部画像から生成した管径中心部長手方向の輝度プロファイルを示したものである。 FIG. 18 shows that on the actual rolling line, the steel tube 10 having a wall thickness t of less than 30 [mm] or less, 30 [mm] or more and less than 40 [mm], or 40 [mm] or more has a light receiving angle θ of 45. It shows the brightness profile in the longitudinal direction of the tube diameter center portion generated from the tube end image captured by the area sensor 2 by changing [°], 50 [°], 55 [°], and 60 [°]. is there.
受光角θが50[°]、55[°]、60[°]の輝度プロファイル形状は、いずれの肉厚tにおいても、管内面部12の最管端部分から最管奥部分に向かう途中で一定輝度に達し、グラフの勾配が横ばいの状態となっている。一方、受光角θが45[°]の輝度プロファイル形状は、いずれの肉厚tにおいても、管内面部12の最管奥部分まで達してもグラフの勾配が急なままとなっている。したがって、輝度プロファイル形状の管内面部12に対応する部分のグラフの勾配が横ばいの状態となっているかによって、安定して測温できるかどうかを判断することが可能である。 The luminance profile shape with the light receiving angle θ of 50 [°], 55 [°], and 60 [°] is constant on the way from the most tube end portion of the tube inner surface portion 12 to the most tube inner portion at any wall thickness t. The brightness has been reached, and the slope of the graph is flat. On the other hand, the gradient profile of the luminance profile shape with the light receiving angle θ of 45 ° remains steep even when reaching the innermost tube innermost portion 12 at any wall thickness t. Therefore, it is possible to determine whether or not the temperature can be stably measured depending on whether the gradient of the graph corresponding to the tube inner surface portion 12 of the luminance profile shape is flat.
輝度プロファイル形状の管内面部12に対応する部分に平坦部fが有るか無いかの判断は、管端部画像から目視で実施してもよいが、信号処理を用いて指標を算出し、定量的に実施することも可能である。定量化の方法としては、様々な方法が考えられるが、例えば、管内面部12の最管奥部分付近での平坦部fの有無及び平坦部fの長さを評価することによって行うことが考えられる。 The determination as to whether or not the flat portion f is present in the portion corresponding to the tube inner surface portion 12 of the luminance profile shape may be made visually from the tube end portion image. However, the index is calculated quantitatively by using signal processing. It is also possible to carry out. Various methods can be considered as the method of quantification. For example, it can be considered to evaluate the presence / absence of the flat portion f and the length of the flat portion f in the vicinity of the innermost tube innermost portion 12 of the tube inner surface portion 12. .
なお、鋼管10の管径dの変化に関しては、鋼管10の肉厚tに対して管径dが十分に大きければ、輝度プロファイル形状の管内面部12に対応する部分に平坦部fが十分存在するための受光角θに与える影響は少ない。その理由について簡単に説明する。まず、穿孔時は鋼管10が非常に高温であるため、抜熱は輻射が支配的である。鋼管10の管外面部13からの抜熱は、鋼管10の全長にわたって均一であるため、管端部11の温度低下に影響を与えない。したがって、管内面部12からの管端方向への輻射抜熱が、管端部11の温度低下の主要因となる。 Regarding the change in the tube diameter d of the steel pipe 10, if the tube diameter d is sufficiently large with respect to the wall thickness t of the steel pipe 10, the flat portion f is sufficiently present in the portion corresponding to the tube inner surface portion 12 of the luminance profile shape. Therefore, the influence on the light receiving angle θ is small. The reason will be briefly described. First, since the steel pipe 10 is very hot during drilling, the heat removal is dominated by radiation. Since the heat removal from the pipe outer surface portion 13 of the steel pipe 10 is uniform over the entire length of the steel pipe 10, it does not affect the temperature drop of the pipe end portion 11. Therefore, the radiation heat from the tube inner surface portion 12 toward the tube end is a main factor for the temperature drop of the tube end portion 11.
ここで、受光角θを一定とし、エリアセンサ2の視野における管内面部12の最管奥部分の位置での抜熱を考える。まず、管内面部12からの管端方向への輻射抜熱は、管径dによらず管端開口部への輻射の立体角が等しいため一定である。また、管径dがa倍変化したとき、管内面部12の最管奥部分の位置での熱容量(体積)と表面積とがともにa倍となるため、抜熱速度に影響を与えない。したがって、管径dの変化は、輝度プロファイル形状の管内面部12に対応する部分に平坦部fが十分存在するための受光角θに与える影響が少ない。 Here, heat reception at the position of the innermost tube innermost portion 12 of the tube inner surface portion 12 in the visual field of the area sensor 2 is considered with a constant light receiving angle θ. First, the radiation heat from the tube inner surface portion 12 toward the tube end is constant because the solid angle of radiation to the tube end opening is equal regardless of the tube diameter d. Further, when the tube diameter d changes a times, the heat capacity (volume) and the surface area at the innermost tube innermost portion 12 are both a times, so the heat removal rate is not affected. Therefore, the change in the tube diameter d has little influence on the light receiving angle θ because the flat portion f is sufficiently present in the portion corresponding to the tube inner surface portion 12 of the luminance profile shape.
まず、図19に示した管端部画像の管径中心部長手方向に沿って右端から左端に観察する。輝度プロファイルからわかるように、鋼管10が存在しない部分では輝度が殆ど0に近い。そして、その輝度が0に近い状態から管端部11に差し掛かると輝度が上昇し始め、管内面部12の最管端部分から最管奥部分に向けて輝度が大きく上昇する。管内面部12の最管奥部から管外面部13に差し掛かると輝度が急激に低下する。 First, observation is performed from the right end to the left end along the longitudinal direction of the tube diameter center portion of the tube end portion image shown in FIG. As can be seen from the luminance profile, the luminance is almost zero in the portion where the steel pipe 10 does not exist. Then, when the brightness reaches the tube end 11 from a state close to 0, the brightness starts to increase, and the brightness greatly increases from the most tube end portion of the tube inner surface portion 12 toward the deepest tube end portion. When the tube inner surface portion 12 reaches the tube outer surface portion 13 from the innermost tube deepest portion, the luminance rapidly decreases.
ここで、輝度プロファイル形状の管内面部12に対応する部分に平坦部fが存在するかの指標Zとして、輝度プロファイル上で平坦部fの長さが管内面部12の長さに占める割合を考える。管内面部12及び平坦部fの長さを算出する方法としては、直線フィッティングするなど様々な方法が考えられるが、ここでは単純に輝度プロファイルの最大輝度値と比較して、一定割合以上の輝度値を有する部分を平坦部fとする。そして、平坦部fが管内面部12のおおよそ一定割合以上存在すれば、平坦部fが十分に存在し、十分安定的に測温可能とする。 Here, the ratio of the length of the flat portion f to the length of the tube inner surface portion 12 on the luminance profile is considered as an index Z as to whether or not the flat portion f exists in the portion corresponding to the tube inner surface portion 12 of the luminance profile shape. As a method for calculating the lengths of the tube inner surface portion 12 and the flat portion f, various methods such as straight line fitting are conceivable. Here, however, the luminance value is more than a certain ratio compared with the maximum luminance value of the luminance profile. Let the portion having a flat portion f. And if the flat part f exists in about a certain ratio or more of the pipe inner surface part 12, the flat part f exists sufficiently and temperature measurement can be performed sufficiently stably.
以下、輝度プロファイルにおける管内面部12の長さと平坦部fの長さとを算出するアルゴリズムの一例を、図20を用いて説明する。 Hereinafter, an example of an algorithm for calculating the length of the tube inner surface portion 12 and the length of the flat portion f in the luminance profile will be described with reference to FIG.
まず、輝度プロファイルの最大輝度値Tmaxを算出する。次に、輝度プロファイルを右端から左端へと探索する。具体的には、輝度プロファイルの右端から左方向に探索し、閾値p1×Tmaxを超えた部分を管内面部12の開始位置P1とする。管内面部12の開始位置P1からさらに左方向に探索し、閾値p2×Tmaxを超えた部分を平坦部fの開始位置P2とする。平坦部fの開始位置P2からさらに左方向に探索し、閾値p3×Tmaxを下回った部分を管内面部12及び平坦部fの終了位置P3とする。そして、輝度プロファイルにおける開始位置P1と終了位置P3との間の領域を管内面部12とし、開始位置P1と終了位置P3との距離を管内面部12の距離として算出する。また、輝度プロファイルにおける開始位置P2と終了位置P3との間の領域を平坦部fとし、開始位置P2と終了位置P3との距離を平坦部fの距離として算出する。そして、算出した管内面部12の距離と平坦部fの距離とから、管内面部12で平坦部fが占める割合を算出し、その割合を指標Zとする。 First, the maximum luminance value T max of the luminance profile is calculated. Next, the luminance profile is searched from the right end to the left end. Specifically, a search is performed from the right end of the luminance profile in the left direction, and a portion exceeding the threshold value p1 × Tmax is set as the start position P1 of the tube inner surface portion 12. A search is further made to the left from the start position P1 of the tube inner surface portion 12, and a portion exceeding the threshold value p2 × Tmax is set as the start position P2 of the flat portion f. A search is further made to the left from the start position P2 of the flat portion f, and the portion below the threshold value p3 × Tmax is set as the tube inner surface portion 12 and the end position P3 of the flat portion f. Then, the area between the start position P1 and the end position P3 in the luminance profile is defined as the tube inner surface portion 12, and the distance between the start position P1 and the end position P3 is calculated as the distance of the tube inner surface portion 12. Further, a region between the start position P2 and the end position P3 in the luminance profile is set as the flat part f, and the distance between the start position P2 and the end position P3 is calculated as the distance of the flat part f. Then, from the calculated distance between the tube inner surface portion 12 and the distance between the flat portions f, the ratio of the flat portion f in the tube inner surface portion 12 is calculated, and the ratio is used as an index Z.
例えば、図18に示した各輝度プロファイルに対して、閾値p2×Tmaxは、最大輝度値Tmaxの90[%](p2=0.9)として、平坦部fの開始位置P2を設定する。また、閾値p1×Tmaxは、最大輝度値Tmaxの30[%]を超える部分(p1=0.3)として、管内面部12の開始位置P1を設定する。さらに、閾値p3×Tmaxは、平坦部fの開始位置P2よりも後に最大輝度値Tmaxの85[%]を下回った部分(p3=0.85)として、管内面部12及び平坦部fの終了位置P3を設定する。そして、これにより算出した管内面部12の距離と平坦部fの距離とから、管内面部12で平坦部fが占める割合を算出し指標Zとする。 For example, for each luminance profile shown in FIG. 18, the threshold p2 × T max is set to 90 [%] (p2 = 0.9) of the maximum luminance value T max and the start position P2 of the flat portion f is set. . The threshold value p1 × Tmax sets the start position P1 of the tube inner surface portion 12 as a portion (p1 = 0.3) exceeding 30 [%] of the maximum luminance value Tmax . Further, the threshold value p3 × Tmax is a portion (p3 = 0.85) that is lower than 85% of the maximum luminance value Tmax after the start position P2 of the flat portion f, and the tube inner surface portion 12 and the flat portion f. An end position P3 is set. Then, from the calculated distance between the tube inner surface portion 12 and the distance between the flat portion f, the proportion of the tube inner surface portion 12 occupied by the flat portion f is calculated as an index Z.
なお、指標Zを算出するにあたって、輝度プロファイル形状がなだらかでない場合は、平均化フィルターや中央値フィルターなどを用いてなだらかにする前処理を実施してもよい。 In calculating the index Z, if the luminance profile shape is not gentle, a pre-processing for smoothing may be performed using an averaging filter, a median filter, or the like.
図21は、図18の各輝度プロファイルに対応する指標Zのヒストグラムである。図22は、図18の各輝度プロファイルに対応する各受光角θ及び各肉厚tでの指標Zの平均及び標準偏差を示したグラフである。 FIG. 21 is a histogram of the index Z corresponding to each luminance profile in FIG. FIG. 22 is a graph showing the average and standard deviation of the index Z at each light receiving angle θ and each wall thickness t corresponding to each luminance profile in FIG.
図21及び図22に示されるような受光角θと指標Zとの関係から、受光角θが50[°]以上、より好ましくは55[°]以上であれば、平坦部fを安定的に測温することが可能となる。また、肉厚tが大きければ大きいほど、管端部11の冷却影響が少なく、より管端側の位置でも安定的に測温できるため、肉厚tが大きければ50[°]未満の受光角θでも、安定して測温が行える場合もある。 From the relationship between the light receiving angle θ and the index Z as shown in FIG. 21 and FIG. 22, if the light receiving angle θ is 50 [°] or more, more preferably 55 [°] or more, the flat portion f is stably formed. It becomes possible to measure the temperature. In addition, the larger the wall thickness t, the less the influence of cooling of the tube end 11 and the more stable temperature measurement at a position closer to the tube end. Therefore, when the wall thickness t is large, the light receiving angle of less than 50 [°]. In some cases, temperature measurement can be performed stably even with θ.
ここで述べた指標Zの算出方法はあくまで一例であり、平坦部fが十分存在するかどうかの判断が可能な指標であれば別の指標でもよい。なお、本手法において算出した指標Zに閾値を設け、安定して測温できているかどうかを判定し、指標Zが閾値未満である場合には不適合とする運用を実施してもよい。指標Zの閾値としては、例えば、0.4とすることによって、図22からわかるように、受光角θが50[°]、55[°]、60[°]において肉厚tによらず安定して測温を行うことができる。 The calculation method of the index Z described here is merely an example, and another index may be used as long as it can determine whether or not the flat portion f is sufficiently present. In addition, a threshold value may be provided for the index Z calculated in this method, and it may be determined whether or not the temperature can be stably measured. If the index Z is less than the threshold value, an operation that is incompatible may be performed. As the threshold value of the index Z, for example, when 0.4, as shown in FIG. 22, the light receiving angle θ is stable regardless of the wall thickness t at 50 [°], 55 [°], and 60 [°]. Temperature measurement.
[実施例]
本発明の鋼管10における実施例を述べる。まず、鋼材の表面放射率を測定した。鋼管10と同一の鋼材の内部且つ表面近傍の複数の深さ位置に熱電対を埋め込み、1次元の伝熱モデル(線形モデル)を用いて外挿することにより算出した表面温度に対して、予め校正されたエリアセンサ2を用いて管内面部12を含むように管端部11を撮像し比較した。波長は900[nm]を用いた。実験室で試験を実施した結果、放射率は0.7と判明した。
[Example]
An embodiment of the steel pipe 10 of the present invention will be described. First, the surface emissivity of the steel material was measured. With respect to the surface temperature calculated in advance by embedding thermocouples at a plurality of depth positions near the surface in the same steel material as the steel pipe 10 and extrapolating using a one-dimensional heat transfer model (linear model), Using the calibrated area sensor 2, the tube end portion 11 was imaged and compared so as to include the tube inner surface portion 12. A wavelength of 900 [nm] was used. As a result of testing in the laboratory, the emissivity was found to be 0.7.
次に、シミュレーションに用いたパラメータについて説明する。対象となる鋼管10の管長Lは8000[mm]、管径dは400[mm]、表面性状のパラメータは実験で、K1=800、K2=200、σ=13.2と算出した。また、放射角度条件は図6に示す条件を用いた。 Next, parameters used for the simulation will be described. The pipe length L of the target steel pipe 10 was 8000 [mm], the pipe diameter d was 400 [mm], and the parameters of the surface properties were calculated as K 1 = 800, K 2 = 200, and σ = 13.2. Moreover, the radiation angle condition used the condition shown in FIG.
図23は、放射率0.8の場合における受光角θごとのシミュレーション結果を示す図である。図24は、鋼管10に対するエリアセンサ2の配置位置を示した図である。受光角θが60[°]以下であれば、放射率を0.87と設定して、安定して計測することが可能である。また、受光角θを55[°]以上60[°]以下とすることにより、管端部11の温度低下の影響を避けて、エリアセンサ2により管内面部12の奥側を十分に覗き込むことが可能となる。したがって、本実施例では、受光角θが60[°]となるようにエリアセンサ2を配置し、図25に示すような鋼管10の管内面部12を含む管端部11の画像を取得した。なお、本実施例では、受光角θが60[°]となるようにエリアセンサ2を配置したが、55[°]以上60[°]以下の範囲内から選択された受光角θとなるように、エリアセンサ2を配置して前記画像を取得すればよい。エリアセンサ2は、予め温度校正とシェーディングデータとを取得しており、得られた画像から管内面部12を認識してシェーディング補正をかけた後、最大輝度を算出する。管内面部12の認識方法は、画像処理的に実施してもよいが、今回は多重反射と抜熱の影響とによって、管外面部13と比較して管内面部12の温度が高いため、画像全体で最大輝度を算出した。なお、安定した計測のために、最大輝度ではなく、最大付近の輝度を複数取得して平均化してもよい。 FIG. 23 is a diagram illustrating a simulation result for each light receiving angle θ when the emissivity is 0.8. FIG. 24 is a diagram showing an arrangement position of the area sensor 2 with respect to the steel pipe 10. If the light receiving angle θ is 60 [°] or less, the emissivity can be set to 0.87 and stable measurement can be performed. Further, by setting the light receiving angle θ to 55 [°] or more and 60 [°] or less, the area sensor 2 can sufficiently look into the back side of the tube inner surface portion 12 while avoiding the influence of the temperature drop of the tube end portion 11. Is possible. Therefore, in this embodiment, the area sensor 2 is arranged so that the light receiving angle θ is 60 [°], and an image of the tube end portion 11 including the tube inner surface portion 12 of the steel tube 10 as shown in FIG. 25 is acquired. In this embodiment, the area sensor 2 is arranged so that the light reception angle θ is 60 [°], but the light reception angle θ is selected from the range of 55 [°] to 60 [°]. In addition, the area sensor 2 may be arranged to acquire the image. The area sensor 2 acquires temperature calibration and shading data in advance, recognizes the tube inner surface portion 12 from the obtained image, applies shading correction, and then calculates the maximum luminance. The method for recognizing the tube inner surface portion 12 may be implemented in terms of image processing. However, this time, because the temperature of the tube inner surface portion 12 is higher than that of the tube outer surface portion 13 due to multiple reflection and the influence of heat removal, the entire image is displayed. The maximum brightness was calculated. For stable measurement, a plurality of luminances near the maximum may be acquired and averaged instead of the maximum luminance.
次に、本実施形態に係る温度計測方法における第3処理工程について説明する。ここでは、得られた輝度から温度に変換する方法について述べる。エリアセンサ2などの放射温度計の校正方法は、上記非特許文献3に記された方法により規格化されている。まず、黒体炉と標準放射温度計とを用いてエリアセンサ2を校正する。すなわち、黒体炉の温度設定を、計測したい温度領域内で複数点設定し、その時における標準放射温度計の指示値とエリアセンサ2の輝度値(受光光量)とを取得する。得られた複数の温度値Tと輝度値Vに対して、下記(11)式を用いて近似曲線を算出し、パラメータA,B,Cを得る。ここで、下記(11)式中、c2は放射の第二定数を示す。そして、得られたパラメータA,B,Cと輝度値Vとを用いて、下記(12)式により温度を算出する。なお、下記(12)式は、対象が黒体すなわち放射率が1となる条件における算出式であるため、実際に輝度値Vを代入する際には、見かけの放射率で割った値とする必要がある。 Next, the third processing step in the temperature measurement method according to the present embodiment will be described. Here, a method for converting the obtained luminance into temperature will be described. A calibration method for a radiation thermometer such as the area sensor 2 is standardized by the method described in Non-Patent Document 3 above. First, the area sensor 2 is calibrated using a black body furnace and a standard radiation thermometer. That is, the temperature setting of the black body furnace is set at a plurality of points within the temperature region to be measured, and the indication value of the standard radiation thermometer and the luminance value (the amount of received light) of the area sensor 2 at that time are acquired. With respect to the plurality of temperature values T and luminance values V obtained, approximate curves are calculated using the following equation (11) to obtain parameters A, B, and C. Here, in the following equation (11), c 2 denotes a second constant radiation. Then, using the obtained parameters A, B, C and the luminance value V, the temperature is calculated by the following equation (12). In addition, since the following formula (12) is a calculation formula under the condition that the target is a black body, that is, the emissivity is 1, when the luminance value V is actually substituted, the value is divided by the apparent emissivity. There is a need.
露光時間を2000[μsec]に設定し、カメラゲインを校正時と同じ値とした上で、エリアセンサ2として12[bit]カメラを用いた結果、パラメータA,B,Cはそれぞれ、A=8.76×10−7、B=2.61×10−5、C=6.61×107となり、前述のシミュレーションによって算出した見かけの放射率0.87を用いて温度を算出した結果、管端部11の内面温度は1320[℃]であった。 The exposure time is set to 2000 [μsec], the camera gain is set to the same value as that at the time of calibration, and as a result of using a 12 [bit] camera as the area sensor 2, the parameters A, B, and C are respectively A = 8. .76 × 10 −7 , B = 2.61 × 10 −5 , C = 6.61 × 10 7 , and as a result of calculating the temperature using the apparent emissivity 0.87 calculated by the above-mentioned simulation, The inner surface temperature of the end portion 11 was 1320 [° C.].
また、本実施形態に係る温度計測方法を用いて計測した管内面部12の温度の情報を用いる鋼管10の製造工程において、製造ライン上を搬送中の複数の鋼管10に対して、エリアセンサ2を用いて必要な輝度画像を取得する際には、エリアセンサ2による撮像位置に鋼管10の有無によらず、常に画像を撮像しておき、画像処理によって、エリアセンサ2による撮像位置に管内面部12を含む管端部11が位置するような必要な画像を選定し、取り込みを実施すればよい。本実施形態では、背光の影響がない空気雰囲気下における測温を仮定し、視野内に測温対象となる鋼管10以外の発光体が存在しない状態で測温を実施する。したがって、画像内の全て、あるいは、指定した範囲内の平均輝度が、予め設定された閾値を超えた場合のみ、そのときの画像をエリアセンサ2から画像処理装置3が取り込み、上述したような演算装置4による輝度を温度に換算する処理を実施することにより、製造ライン上の各鋼管10に紐付いた温度計測が可能となる。 Moreover, in the manufacturing process of the steel pipe 10 using the temperature information of the pipe inner surface part 12 measured using the temperature measuring method according to the present embodiment, the area sensor 2 is provided for the plurality of steel pipes 10 being conveyed on the manufacturing line. When the necessary luminance image is acquired, an image is always taken regardless of the presence or absence of the steel pipe 10 at the imaging position by the area sensor 2, and the pipe inner surface portion 12 is taken at the imaging position by the area sensor 2 by image processing. The necessary image may be selected so that the tube end portion 11 including the position is located and the capturing may be performed. In the present embodiment, temperature measurement is performed under an air atmosphere that is not affected by back light, and temperature measurement is performed in a state where there is no light emitter other than the steel pipe 10 to be measured in the visual field. Therefore, only when the average brightness within the image or within the specified range exceeds a preset threshold value, the image processing device 3 fetches the image at that time from the area sensor 2 and performs the above-described calculation. By performing the process of converting the luminance by the device 4 into a temperature, it is possible to measure the temperature associated with each steel pipe 10 on the production line.
以上、上記の実施形態で説明したように、本発明の温度計測方法によって、鋼管10の管端部11における管内面部12について、複雑な多重反射影響をモデル化し、精度よく温度を計測することが可能となった。なお、本発明の温度計測方法は、鋼管10のみならず、多角形形状の管材の管端部における管内面部の温度計測に関しても適用可能である。 As described above, according to the temperature measurement method of the present invention, it is possible to model a complicated multiple reflection effect on the tube inner surface portion 12 at the tube end portion 11 of the steel tube 10 and accurately measure the temperature. It has become possible. The temperature measurement method of the present invention can be applied not only to the steel pipe 10 but also to the temperature measurement of the pipe inner surface portion at the pipe end portion of the polygonal pipe material.
1 温度計測装置
2 エリアセンサ
3 画像処理装置
4 演算装置
10 鋼管
11 管端部
12 管内面部
13 管外面部
20 実験装置
21 加熱炉
22 鋼材サンプル
23 レンガ
24 熱電対
25 ロガー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Temperature measuring device 2 Area sensor 3 Image processing device 4 Arithmetic apparatus 10 Steel pipe 11 Pipe end part 12 Pipe inner surface part 13 Pipe outer surface part 20 Experimental apparatus 21 Heating furnace 22 Steel material sample 23 Brick 24 Thermocouple 25 Logger
Claims (6)
前記管端内面を含む前記管端部の画像から、前記管端内面を認識するための画像処理工程と、
前記画像処理工程で認識された前記管端内面の輝度値と、請求項1に記載の見かけの放射率算出方法によって算出された前記管端内面の見かけの放射率と、を用いて、前記管端内面の温度を算出するための温度算出工程と、
を有することを特徴とする温度計測方法。 A temperature measuring method for measuring the temperature of the inner surface of the tube end that is the inner surface of the tube at the end of the tube-shaped object,
An image processing step for recognizing the tube end inner surface from an image of the tube end portion including the tube end inner surface;
The brightness value of the inner surface of the tube end recognized in the image processing step and the apparent emissivity of the inner surface of the tube end calculated by the apparent emissivity calculation method according to claim 1 are used. A temperature calculating step for calculating the temperature of the end inner surface;
A temperature measuring method characterized by comprising:
前記管端部を撮像する撮像手段の受光角θが60[°]以下であり、
前記管形状物体の内径をdとし、前記管形状物体の軸線方向の長さをLとし、前記管内面部の表面性状を表すパラメータの一つをσとしたとき、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする温度計測方法。
The light receiving angle θ of the imaging means for imaging the tube end is 60 [°] or less,
When the inner diameter of the tube-shaped object is d, the length of the tube-shaped object in the axial direction is L, and σ is one of the parameters representing the surface properties of the inner surface of the tube, the following equation (1) is satisfied. A temperature measurement method characterized by satisfying.
前記受光角θは、前記撮像手段が撮像した前記管端部の画像から、前記管端部における管端面または前記管端内面を認識して、前記管端面または前記管端内面の前記軸線方向と直交する方向における断面形状を用いて算出することを特徴とする温度計測方法。 In the temperature measurement method according to claim 3,
The light receiving angle θ is obtained by recognizing the tube end surface or the tube end inner surface at the tube end from the image of the tube end captured by the imaging unit, and the axial direction of the tube end surface or the tube end inner surface. A temperature measurement method comprising calculating using a cross-sectional shape in an orthogonal direction.
前記管端内面を含むように前記管端部を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された画像から、前記管端内面を認識するための画像処理を実施する画像処理手段と、
前記画像処理によって認識された前記管端内面の輝度値と、請求項1に記載の見かけの放射率算出方法によって算出された前記管端内面の見かけの放射率と、を用いて、前記管端内面の温度を算出する温度算出手段と、
を備えることを特徴とする温度計測装置。 A temperature measuring device that measures the temperature of the inner surface of the tube end that is the inner surface of the tube at the tube end of the tube-shaped object,
Imaging means for imaging the tube end so as to include the tube end inner surface;
Image processing means for performing image processing for recognizing the inner surface of the tube end from the image captured by the imaging means;
Using the brightness value of the inner surface of the tube end recognized by the image processing and the apparent emissivity of the inner surface of the tube end calculated by the apparent emissivity calculation method according to claim 1, the tube end. Temperature calculating means for calculating the temperature of the inner surface;
A temperature measuring device comprising:
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