JP2020128980A - 温度測定装置、温度測定方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法について説明するに先立ち、本発明で着目する放射測温法の原理について簡単に説明し、本発明が目的とするところについて説明する。
T:温度[K]
λ:波長[nm]
c1:黒体放射の第1定数、1.19×1020[W・m−2・nm4]
c2:黒体放射の第2定数、1.44×107[nm・K]
である。
次に、2色放射温度計の原理について簡単に説明した上で、本発明者らが得ることのできた知見について、図1〜図13を参照しながら詳細に説明する。図1〜図13は、本発明者らが得た知見について説明するための説明図である。
2色放射温度計は、2つの波長λ1、λ2の分光放射輝度L(λ1,T)及びL(λ2,T)の比を利用して、測定対象物の温度Tを特定する測定装置である。上記式(3)を使用して観測される2つの分光放射輝度を表わすと、以下の式(4)及び式(5)のようになる。
いま、2色温度計を用いて、ある測定対象物の温度を計測することを考える。この際、測温に利用する2つの波長λ1,λ2を設定するに際して、互いに近接した2波長(例えば、波長1200nm,1250nm)を選択した場合と、ある程度離隔した2波長(例えば、1200nm,1300nm)を選択した場合に、二色比Rがどのように変化するかに着目する。このような変化の様子は、上記2種類の波長λ1,λ2を上記式(6)〜式6(b)に代入することで得ることができる。
図1から明らかなように、二色比Rは温度Tに対して単調に増加する。また、選択した2つの波長が互いに近接しているほど、二色比Rの変化の様子が穏やかであることがわかる。二色比Rの変化の様子(換言すれば、二色比の温度勾配)が穏やかであるということは、温度Tが大きく変化したとしても、二色比Rの変化量は小さいことを意味している。換言すれば、選択した2つの波長が互いに近接している場合には、温度が変化した場合であっても二色比の変化量が小さいために、測温の感度が低下することとなる。
以上、本発明の実施形態で着目する2色温度計の原理について、簡単に説明した。
次に、図2に例示したように、測定対象物の一例として、高温な状態にある鋼板(温度T、放射率ε)を取り上げ、かかる鋼板上に、吸収体の一例である水が水膜として存在している場合を例に挙げて、本発明者らが得た更なる知見について詳細に説明する。
分光吸収係数が互いに等しい2つの波長を特定するためには、図7に示したような分光吸収係数のスペクトルに着目し、(分光吸収係数=任意の定数)で表される直線(換言すれば、図7に示したようなスペクトルにおいて、横軸に平行な直線)と、分光吸収係数のスペクトルに対応する曲線との交点の個数に着目すればよい。この際に、かかる曲線と直線との交点の個数が2以上となる波長帯域から、分光吸収係数が互いに等しくなる2つの波長を適宜選択すればよい。
(1)波長1070〜1080nm近傍のスペクトルの鞍部に接する直線(分光吸収係数≒0.02で表される直線)のもう一方の交点(波長940nm近傍)から、波長970〜980nm近傍のピークに接する直線(分光吸収係数≒0.05で表される直線)のもう一方の交点(波長1130近傍)までの波長帯域:第1波長選択領域
(2)波長1260nm近傍のスペクトルの鞍部に接する直線(分光吸収係数≒0.11で表される直線)のもう一方の交点(波長1155nm近傍)から、波長1190nm近傍のピークに接する直線(分光吸収係数≒0.13で表される直線)のもう一方の交点(波長1300nm近傍)までの波長帯域:第2波長選択領域
放射温度計は、一般的に、前述のような特定の単波長とみなせる狭帯域の分光放射輝度を観測することは少ない。何故ならば、観測波長帯域が狭帯域である場合、放射温度計が検出する絶対的な光量が小さくなり、検出感度が低下したり、測定下限温度が高くなったりするためである。一般的な波長選択フィルタ等を利用して、狭帯域ではなく有限の波長帯域幅の熱放射光を測定する場合には、上記のような2つの観測波長は、以下のように選択することができる。
まず、第1波長選択領域の短波長側の観測波長は、帯域幅が40nmとなる波長980nm〜波長1020nmに固定する。波長980nm〜1020nmの範囲において、実効的な分光吸収係数αeffは、厳密には、波長λにおける分光吸収係数α(λ)と、分光放射輝度の波長依存性を考慮した、プランクの黒体放射式から定まる重み係数w(λ)と、を用いて、以下の式(9)のように表される。
<温度測定装置の構成について>
続いて、図14A及び図14Bを参照しながら、本発明の実施形態に係る温度測定装置10の全体構成について詳細に説明する。図14A及び図14Bは、本実施形態に係る温度測定装置10の全体的な構成の一例を示した説明図である。
続いて、図15〜図18を参照しながら、本実施形態に係る測定部101の構成例について、詳細に説明する。図15は、本実施形態に係る温度測定装置が備える測定部の構成の一例を模式的に示した説明図である。図16は、光学フィルタの中心波長と測温誤差との関係の一例を示したグラフ図である。図17A及び図17Bは、本実施形態に係る測定部における検出部の構成の一例を模式的に示した説明図である。図18は、本実施形態に係る測定部における検出部の構成の一例を模式的に示した説明図である。
すなわち、透過帯域の半値幅が約10nmであり、かつ、透過帯域の中心波長が1300.0nm、1301.8nm、1303.2nm、1304.2nm、1304.7である5種類の波長選択フィルタを用意して、900℃の状態にある測定対象物上において、吸収体である水が存在する場合と存在しない場合の温度指示値の差を調査した。得られた結果を、図16に示した。
本実施形態に係る位置制御機構115は、先だって言及したように、測定対象物と受光部111との相対的な位置関係を変化させて、測定対象物の幅方向における熱放射光の分布を受光部111により測定させる機構である。これにより、本実施形態に係る温度測定装置10では、着目している測定対象物について、幅方向の温度分布を測定することが可能となる。以下では、図17A〜図18を参照しながら、本実施形態に係る位置制御機構115について、より具体的に説明する。
次に、図19及び図20を参照しながら、本実施形態に係る演算処理部103の構成例について説明する。図19は、本実施形態に係る演算処理部103の構成例を示したブロック図であり、図20は、本実施形態に係る演算処理部における厚みの算出処理について説明するための説明図である。
続いて、図21を参照しながら、本実施形態に係る温度測定装置10で実施される温度測定方法の流れの一例について、簡単に説明する。図21は、本実施形態に係る温度測定方法の流れの一例を示した流れ図である。
次に、図22を参照しながら、本発明の実施形態に係る温度測定装置10のハードウェア構成について、詳細に説明する。図22は、本発明の実施形態に係る温度測定装置10のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法によれば、測定対象物との間の光路上に測定対象物からの熱放射光を吸収し、分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体が存在する場合であっても、測定を行う波長として、吸収体の分光吸収係数が互いに等しい2つの波長を選択している。また、本発明の実施形態に係る温度測定装置の測定部では、測定対象物の幅方向の各位置における温度分布を測定可能な機構が設けられている。そのため、吸収体による光吸収が存在する近赤外帯域において、光路上の吸収体の影響を除去しつつ測温を行うことが可能となり、測定対象物の幅方向の各位置において、測定対象物の温度をより正確に測定することが可能となる。
以下に示す実施例1では、製鉄所の連続鋳造プロセスにおいて、搬送ラインを移動する赤熱鋼材を測定対象物として、図18に示したような回転ミラー機構を有する受光部111を備えた温度測定装置10を用いて、ライン上を搬送される赤熱鋼材の幅方向の平均表面温度と、赤熱鋼材上に存在しうる水膜の平均厚みと、を測定した。なお、本実施例では、着目する2つの波長として、1100nm、1130nmを選択した。また、搬送ライン上には、別途、一般的に用いられる単色放射温度計を設置して、温度測定装置10から出力される温度との比較を行った。
得られた結果を、以下の表1にまとめて示した。
続いて、本発明に係る温度測定装置10を利用して、水膜の厚み測定を検証する実験を行った。高温に加熱した鋼材の表面に直接水を載せて一定の水膜厚みを維持することは困難であるため、図23に示すような実験装置を準備した。図23は、実施例2で用いた実験装置の概略を模式的に示した説明図である。
実際の連続鋳造機において、ライン中央に位置する場所に、本発明に係る温度測定装置を設置し、スラブ幅方向に温度測定装置を回転させて、スラブの温度を測定した。なお、連続鋳造機のライン上を流れるスラブの板幅Wは、2200mmであった。また、温度測定装置のスラブ幅方向に沿った測定視野の大きさDLは、スラブ端部位置で56mmであり、温度測定装置が着目する2つの波長として、1100nm、1130nmを選択した。
101 測定部
103 演算処理部
105 記憶部
111 受光部
113 検出部
121 受光レンズ
123,151 接続カプラ
153 ビームスプリッタ
155a,155b 光学フィルタ
157a,157b 集光レンズ
159a,159b センサ
171 測定制御部
173 データ取得部
175 温度算出部
177 厚み算出部
179 結果出力部
181 表示制御部
Claims (13)
- 測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて前記測定対象物の温度を測定する装置であって、
前記測定対象物の前記熱放射光を、前記吸収体の前記分光吸収係数が互いに同一となる2種類の波長でそれぞれ測定し、当該2種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成する測定部と、
前記測定部により生成された前記2種類の波長に対応する前記測定データと、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記測定対象物の温度を算出する演算処理部と、
を備え、
前記測定部は、
前記測定対象物の前記熱放射光を受光する受光部と、
前記受光部により受光した前記熱放射光を検出する検出部と、
前記測定対象物と前記受光部との相対的な位置関係を変化させて、前記測定対象物の幅方向における前記熱放射光の分布を前記受光部により測定させる位置制御機構と、
を有する、温度測定装置。 - 前記位置制御機構は、前記測定対象物の表面法線方向と、前記受光部の光軸と、のなす角を変化させる角度制御機構である、請求項1に記載の温度測定装置。
- 前記角度制御機構は、前記測定対象物と、前記熱放射光を前記検出部へと導光する導光光学系との間に、前記表面法線方向に対して斜めに設けられたミラーを、前記測定対象物の長手方向を回転軸として所定角度回転させることで、前記表面法線方向と前記受光部の光軸とのなす角を変化させる、請求項2に記載の温度測定装置。
- 前記位置制御機構は、前記受光部を、前記測定対象物の幅方向に沿って移動させる駆動機構である、請求項1〜3の何れか1項に記載の温度測定装置。
- 前記検出部は、
前記測定対象物の前記熱放射光を2つの光路に分岐する分岐光学素子と、
分岐された前記熱放射光を、前記2種類の波長のうち一方の波長で検出する第1検出素子と、
分岐された前記熱放射光を、前記2種類の波長のうちもう一方の波長で検出する第2検出素子と、
前記分岐光学素子と前記第1検出素子との間に設けられ、前記2種類の波長のうち一方の波長の前記熱放射光を透過させる第1光学フィルタと、
前記分岐光学素子と前記第2検出素子との間に設けられ、前記2種類波長のうちもう一方の波長の前記熱放射光を透過させる第2光学フィルタと、
を有する、請求項1〜4の何れか1項に記載の温度測定装置。 - 前記演算処理部は、
前記2種類の波長に対応する測定データの一方を他方で除した二色比を算出し、
前記2種類の波長の間で分光放射率が互いに等しいと近似し、算出した前記二色比を利用して、当該二色比と温度との間の関係式に基づき前記測定対象物の温度を算出する、請求項1〜5の何れか1項に記載の温度測定装置。 - 前記2種類の波長として、前記吸収体の前記分光吸収係数が互いに同一となる波長を含む所定幅の波長帯域が2種類選択され、
2種類の前記波長帯域は、前記吸収体の分光吸収係数を測定対象温度の分光放射輝度で加重平均することで算出される見かけの分光吸収係数が互いに等しくなるように選択される、請求項1〜6の何れか1項に記載の温度測定装置。 - 前記演算処理部は、前記測定対象物の温度を用いて算出した、前記2種類の波長の何れかにおける黒体放射輝度と、測定された前記熱放射光の放射輝度と、前記吸収体の前記2種類の波長における分光吸収係数と、前記吸収体の前記測定対象物側の界面における前記熱放射光の反射率と、前記吸収体の界面における前記熱放射光の反射率と、前記測定部における設定条件と、を用いて、前記吸収体の厚みを更に算出する、請求項1〜7の何れか1項に記載の温度測定装置。
- 前記測定対象物の幅方向の中央を基準とし、前記測定対象物の幅をWと表し、前記熱放射光の放射輝度の測定視野の前記幅方向に沿った大きさをDLと表したときに、
前記演算処理部は、−(W/2−DL/2)〜+(W/2−DL/2)の範囲について、前記吸収体の厚みを算出する、請求項8に記載の温度測定装置。 - 前記吸収体は、水、油脂、溶液、ガラス又は樹脂の少なくとも何れかである、請求項1〜9の何れか1項に記載の温度測定装置。
- 前記近赤外帯域は、940nm〜1350nmである、請求項1〜10の何れか1項に記載の温度測定装置。
- 測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて前記測定対象物の温度を測定する方法であって、
前記測定対象物の前記熱放射光を受光する受光部と、前記受光部により受光した前記熱放射光を検出する検出部と、前記測定対象物と前記受光部との相対的な位置関係を変化させて、前記測定対象物の幅方向における前記熱放射光の分布を前記受光部により測定させる位置制御機構と、を有する測定部により、前記測定対象物の前記熱放射光を、前記吸収体の前記分光吸収係数が互いに同一となる2種類の波長でそれぞれ測定し、当該2種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成するステップと、
生成された前記2種類の波長に対応する前記測定データと、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記測定対象物の温度を算出するステップと、
を含む、温度測定方法。 - 測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体が光路上の少なくとも一部に存在している状態で、当該吸収体の前記分光吸収係数が互いに同一となる2種類の波長でそれぞれ測定し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを出力するものであり、前記測定対象物からの前記熱放射光を受光する受光部と、前記受光部により受光した前記熱放射光を検出する検出部と、前記測定対象物と前記受光部との相対的な位置関係を変化させて、前記測定対象物の幅方向における前記熱放射光の分布を前記受光部により測定させる位置制御機構と、を有する測定部からのデータの取得が可能なコンピュータに、
前記2種類の波長に対応する前記測定データと、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記測定対象物の温度を算出する演算処理機能を実現させるためのプログラム。
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