JP2022144766A - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測温対象の温度を効率的に測定し、高精度に求める。
【解決手段】温度測定装置は、測温対象の放射光の輝度を第１の波長で検出する第１の光検出素子と、測温対象の放射光の輝度を第２の波長で検出する第２の光検出素子と、第１の光検出素子及び第２の光検出素子で検出した輝度を対応させて記憶する記憶部と、第１の光検出素子で検出した輝度とこれに対応する第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める演算処理部と、を有する。演算処理部は、記憶部に記憶された輝度のうち、第１の波長及び第２の波長の少なくともいずれか一方で検出された輝度が、最大輝度の所定の割合以上であるか否かを判定し、最大輝度の所定の割合以上である輝度について、第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、温度測定装置及び温度測定方法に関する。

コークス炉では、燃焼室の温度に基づいて燃料ガスの供給量を調整しながら操業が行われている。燃焼室の温度は、一般に、コークス炉の燃焼室の上方に設けられたフリューポートと呼ばれる観察孔から放射温度計を用いて測定される。放射温度計を用いた燃焼室の温度の測定作業は、測定者が、観察孔を封鎖するフリューポートの蓋（以下、「フリュー蓋」とも称する。）を取り外し、ハンディタイプの放射温度計により燃焼室内部を覗いて測温し、測定値が得られるとフリュー蓋を元に戻す、という手順で実施される。また、燃焼室の温度を測定するための手法として、例えば特許文献１、２には、燃焼室内部に熱電対を挿入し、燃焼室の温度を測定する技術が開示されている。

特開昭５５－１２９４８４号公報 特開２００６－７００７９号公報 特開２００６－２２６７８３号公報 特開平１１－１７９４２６号公報

しかし、放射温度計を用いて燃焼室の温度を測定する場合には、放射温度計で大気開放された燃焼室を直視することになるため、測定者が燃焼室からの炎や高温の熱風に晒される危険があるという問題があった。また、１つのコークス炉には約１００室の燃焼室があり、さらに各燃焼室には３０程度のフリューポートがあるため、燃焼室ごとに特定された数か所のフリューポートにおいて測温するだけでも多大な作業量となるという問題があった。また、測定される温度が正確であることも求められていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、コークス炉の燃焼室等のような測温対象の温度を効率的に測定することができ、高精度な測定温度を得ることができる、温度測定装置及び温度測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、測温対象の温度を測定する温度測定装置であって、測温対象の放射光の輝度を、第１の波長で検出する第１の光検出素子と、測温対象の放射光の輝度を、第１の波長とは異なる第２の波長で検出する第２の光検出素子と、第１の光検出素子及び第２の光検出素子で検出した輝度を対応させて記憶する記憶部と、記憶部に記憶された輝度のうち、第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める演算処理部と、を有し、演算処理部は、第１の光検出素子及び第２の光検出素子で検出された輝度のうち最大となる輝度を最大輝度Ｌｍａｘとした場合に、記憶部に記憶された輝度のうち、第１の波長及び第２の波長の少なくともいずれか一方で検出された輝度が、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であるか否かを判定し、第１の波長及び第２の波長で検出して得られた輝度のうち、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であると判定された輝度について、第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める、温度測定装置が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、測温対象の温度を測定する温度測定方法であって、測温対象の放射光の輝度を、第１の波長で検出する第１の光検出素子と、測温対象の放射光の輝度を、第１の波長とは異なる第２の波長で検出する第２の光検出素子と、第１の光検出素子及び第２の光検出素子で検出した輝度を対応させて記憶する記憶部と、記憶部に記憶された輝度のうち、第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める演算処理部と、を有する温度測定装置を用いて測温対象の温度を測定し、演算処理部は、第１の光検出素子及び第２の光検出素子で検出された輝度のうち最大となる輝度を最大輝度Ｌｍａｘとした場合に、記憶部に記憶された輝度のうち、第１の波長及び第２の波長の少なくともいずれか一方で測定された輝度が、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であるか否かを判定し、第１の波長及び第２の波長で測定して得られた輝度のうち、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であると判定した輝度について、第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める、温度測定方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、測温対象の温度を効率的で、高精度に求めることができる。

本発明の一実施形態に係るコークス炉の概略構成を示す概略図である。 波長と黒体放射理論の分光放射輝度との関係を示すグラフである。 黒体温度と２色比との一関係例を示すグラフである。 同実施形態に係る２色放射温度計を用いた、コークス炉の燃焼室の温度測定を示す説明図である。 フリュー蓋が設置された燃焼室上部の部分拡大図である。 同実施形態に係る２色放射温度計の一構成例を示す模式図である。 ２色放射温度計における測定視野のずれを説明する説明図である。 測温対象に対する単色放射温度計の測定視野の位置の推移と、各位置における単色放射温度計の測定温度とを示す説明図である。 視野中心は同一だが視野径が異なるケースにおける、測温対象に対する２色放射温度計の測定視野の位置の推移と、各位置における２色放射温度計の測定温度とを示す説明図である。 視野中心がずれているケースにおける、測温対象に対する２色放射温度計の測定視野の位置の推移と、各位置における２色放射温度計の測定温度とを示す説明図である。 具体例として、２色放射温度計により１０回の測定を行ったときの各測定における輝度に基づく温度と、第１の波長λ_１の放射輝度とを示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

［１．コークス炉の構成］
本発明の一実施形態に係る温度測定方法について、測温対象として、コークス炉の燃焼室を例として説明を行う。このため、まず、図１を参照して、コークス炉１の概略構成について説明する。なお、本発明における測温対象はコークス炉の燃焼室に限定されるものではなく、放射温度計に拠る測温の対象になるものであればよい。図１は、本実施形態に係るコークス炉１の概略構成を示す概略図である。

コークス炉１は、コークスを生成するための窯炉である。コークス炉１の炉体の上部には炭化室１０と燃焼室２０とが炉幅方向（Ｙ方向）に交互に配列され、下部には蓄熱室６０が設けられる。コークス炉１は、蓄熱室６０でそれぞれ予熱された燃焼ガスと燃焼用空気とを燃焼室２０で燃焼させ、発生した熱によって炭化室１０に装入された石炭を乾留することによってコークスを生成する。石炭を乾留して生成されたコークス（図４のコークス５）は、押出機（図示せず。）により押出機側から反対側のコークス排出側へ押し出され、炭化室１０から排出される。

各燃焼室２０上方の炉頂部３０には、燃焼室２０内の燃焼状態を確認するための燃焼室観察孔（フリューポートともいう。以下、「観察孔」と称する。）３５が、炉長方向（Ｘ方向）に沿って複数配列されている。本実施形態に係るコークス炉１の観察孔３５には、光学窓を有するフリュー蓋（図４等のフリュー蓋４０）が設置されている。光学窓は、測温対象の放射光を透過させる透明な部材で構成されており、フリュー蓋に光学窓が設けられていることにより、フリュー蓋を取り外すことなく燃焼室の温度を測定することができる。

［２．温度測定方法］
本実施形態に係る温度測定方法では、コークス炉の燃焼室を、測定対象の例として説明を行うが、本実施形態に係る温度測定方法は、コークス炉の燃焼室を測定対象とする場合に限定されるものではない。本実施形態に係る温度測定方法では、測温時の作業量の低減を目的として、フリュー蓋に光学窓を設け、光学窓を介して、温度測定装置として２色放射温度計を用いて、燃焼室２０の内部の温度を測定する。２色放射温度計は、２つの波長で熱放射の分光放射輝度を検出し、それらの分光放射輝度の比（２色比）が温度に応じて変化することを測定原理とする。このため、光学窓に粉塵が付着して観測する放射輝度が低下した場合や、２色放射温度計の視野の一部が光学窓から外れている場合であっても、正確に測温することができる。以下、本実施形態に係る温度測定方法について、詳細に説明する。

［２－１．２色放射測温法］
はじめに、図２及び図３に基づいて、本実施形態に係る温度測定方法において利用する２色放射測温法について説明する。図２は、波長と黒体放射理論の分光放射輝度との関係を示すグラフである。図３は、黒体温度と２色比との一関係例を示すグラフである。

放射測温法は、物体の温度が高くなると熱放射輝度が増大する現象を利用して、測温対象に接触することなく温度を測定する手法であり、科学分野及び工業分野において広く利用されている。光のある単一の波長において熱放射輝度（放射光の強度）を検出する一般的な放射温度計は、厳密には「単色放射温度計」と呼ばれる。

これに対して、２色放射測温法は、測温対象の温度が高くなると熱放射の波長分布が変化することを利用して、測温対象に接触することなく温度を測定する手法である。２色放射測温法に基づき測温する２色放射温度計では、２つの波長、すなわち、第１の波長λ_１と、第１の波長とは異なる第２の波長λ_２で検出された分光放射輝度Ｌ（λ_１，Ｔ）、Ｌ（λ_２，Ｔ）の比から、測温対象の温度Ｔを特定する。測定対象の事実上同じ位置について観測される２つの波長λ_１、λ_２の分光放射輝度Ｌ（λ_１，Ｔ）、Ｌ（λ_２，Ｔ）（すなわち、第１の波長λ_１で得られた輝度と、当該第１の波長λ１で得られた輝度に対応する、第２の波長λ_２で得られた輝度）は、黒体放射のＷｉｅｎの近似式により、下記式（１）、式（２）で表される。

ここで、ε（λ，Ｔ）は波長λ、温度Ｔにおける分光放射率であり、ｃ_１、ｃ_２は定数である。２つの波長λ_１、λ_２で分光放射率が等しい（すなわち、ε（λ_１，Ｔ）＝ε（λ_２，Ｔ）＝ε）とすると、式（１）と式（２）との比をとった２色比Ｒは、下記式（３）のように整理される。

式（３）において、Ｒλ及びΛは検出波長で決まる定数であることから、２色比Ｒは温度Ｔのみの関数になる。したがって、２色比Ｒを取得できれば、測温対象の温度Ｔを求めることができる。

ここで、図２に、複数の温度における波長と黒体放射理論の分光放射輝度との関係を示す。図２に示すように、各温度において２つの波長λ_１、λ_２（＞λ_１）の分光放射輝度の値は変化することから、その比率（２色比）も変化する。測温対象から２色放射温度計までの光路で２つの波長λ_１、λ_２の観測光が同じように減衰すれば、各温度における２色比は不変である。このため、２色比を取得できれば、測温対象の温度Ｔを特定することができる。

図３は、λ_１＝１３５０ｎｍ、λ_２＝１５５０ｎｍとして上記式（３）により計算された温度Ｔと２色比Ｒとの関係を示している。図３に示すように、２色比Ｒは、温度Ｔに対して単調に増加する。

このように、２色放射温度計では、熱放射輝度の強度（絶対量）を測定する必要はなく、２色比Ｒさえ取得できれば測温対象の温度Ｔを知ることができる。すなわち、単色放射温度計の場合には、検出した熱放射輝度に基づき測温対象の温度を特定するため、粉塵等の影響により観測光（の絶対量）が小さくなると、見掛け上測温値も低下してしまう。これに対して、２色放射温度計の場合には、検出される光（の絶対量）が小さくなっても２波長それぞれにおける減衰が相殺されることで相対量である２色比Ｒはあまり変化しない。このため、２色放射温度計では、減光の影響を受けることなく温度を求めることができる。

［２－２．コークス炉の燃焼室の温度測定］
次に、図４及び図５に基づいて、本実施形態に係る温度測定装置である２色放射温度計５０を用いたコークス炉１の燃焼室２０の温度測定について、詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る２色放射温度計５０を用いた、コークス炉１の燃焼室２０の温度測定を示す説明図である。図５は、フリュー蓋４０が設置された燃焼室２０上部の部分拡大図である。

コークス炉１の燃焼室２０の温度は、２色放射温度計５０を用いて測定される。具体的には、図４に示すように、作業者９が小型で軽量なハンディタイプの２色放射温度計５０を手に持ち、炉頂部３０の観察孔３５に設置されたフリュー蓋４０の光学窓を介して、燃焼室２０の放射光（より具体的には、光学窓直下の燃焼室２０の床部の自発光と、燃焼室２０の床部で反射した迷光とが合わさった光）を検出し、燃焼室２０の温度を測定する。２色放射温度計５０とフリュー蓋４０との距離は、特に限定されるものではないが、例えば１ｍ程度の距離を設けてもよい。

フリュー蓋４０は、観察孔３５上部の開口部を覆うように設置されている。フリュー蓋４０は、観察孔３５の開口部に対して着脱可能に設けられる。フリュー蓋４０は、例えば図５に示すように、蓋部４１と、光学窓４３とにより構成される。

蓋部４１は、例えば金属製の部材であって、フリュー蓋４０の外縁部分を構成する。図５に示す蓋部４１は、フランジ部４１ａと、光学窓収容部４１ｂと、突出部４１ｃとを有する。

フランジ部４１ａは、平面視して観察孔３５の開口部よりも外部側へ突出した部分であり、フリュー蓋４０を観察孔３５に取り付けた際に炉頂部３０に載置される。光学窓収容部４１ｂは、光学窓４３を収容する部分であり、フリュー蓋４０の中央部分に形成される。光学窓収容部４１ｂは、フリュー蓋４０を観察孔３５に取り付けた際に上下方向（Ｚ方向）に貫通するように形成されている。光学窓収容部４１ｂは、収容した光学窓４３との間に大きな隙間が生じないように、光学窓４３の形状に対応した形状を有する。突出部４１ｃは、光学窓収容部４１ｂの下方において中央に向かって突出する部分である。光学窓収容部４１ｂの上部から挿入された光学窓４３は、突出部４１ｃによって光学窓４３の下端が支持される。

光学窓４３は、測温対象の自発光を透過させ、フリュー蓋４０を取り外すことなく燃焼室２０から放出される光を２色放射温度計５０により検出可能とするための光学部材である。燃焼室２０の内部は高温であることから、光学窓４３は耐熱性を有する材質から形成される。光学窓４３は、例えば、石英ガラス、人工サファイア等から形成される。

光学窓４３が破損したり脱落したりすると、燃焼室２０の高温ガスが外部に噴き出す恐れがある。このため、安全性の観点から、光学窓４３は、板状よりも、両端が光学研磨され、形状の長手方向が鉛直方向を向いた、ロッド形状（棒状）とする方が望ましい。光学窓４３の厚さ（フリュー蓋４０取り付け時のＺ方向における長さ）は、例えば、５０～１００ｍｍ程度あればよい。また、平面視したときの光学窓４３の大きさは、２色放射温度計５０の視野よりも大きい。例えば、２色放射温度計５０の視野が直径１０ｍｍであり、光学窓４３が円柱のロッド形状である場合、光学窓４３の直径は２０～３０ｍｍ程度とすればよい。なお、光学窓４３の平面形状は円形に限定されず、多角形状であってもよい。

光学窓４３は、蓋部４１の中央部分に形成された光学窓収容部４１ｂにて保持され、着脱可能に設けられる。これにより、光学窓４３が破損したり端面の汚れ付着が著しくなったりした場合に、容易に交換することができる。

このように光学窓４３を有するフリュー蓋４０を観察孔３５に取り付けることにより、フリュー蓋４０を取り外すことなく、２色放射温度計５０を用いて燃焼室２０の温度を測定することが可能となる。これにより、作業者９の測温時の作業量が低減され、燃焼室２０の温度を効率的に測定することができる。

［２－３．２色放射温度計の視野ずれに対する対応］
上述したように、作業者９は、手に持った２色放射温度計５０のファインダーを覗きながら視野を光学窓４３に向けて測温するが、手振れ等により測定視野を安定して光学窓４３（すなわち、光学窓４３を介して見える測温対象）に合わせることは難しい。そこで、本願発明者は、２色放射温度計５０の測定視野を光学窓４３に向けながら複数回の測温を行い、各測定値を２色放射温度計５０内部の記憶部に記録することにした。そして、記憶部に記録された測定値を検証したところ、複数回の温度測定値には、実際の燃焼室２０の温度より明らかに高い異常な温度測定値が含まれる現象が生じることが判明した。

こうした現象は、従来使用されている単色放射温度計では、放射輝度の大きさを正確に検出していれば、測定温度が実際の温度から測定誤差の範囲を超えて上振れすることはないため、起こりえないはずである。そこで、こうした現象の原因を調査したところ、２色放射温度計５０の視野の一部が光学窓４３から外れる「視野欠け」が生じた場合に、温度測定値が実際の温度より大きく上振れまたは下振れすることが判明した。すなわち、２色放射温度計５０において測定する２つの波長の視野にずれがあり、測温対象との関係が異なっていることが影響していることが明らかになった。

（１）２色放射温度計において生じる視野ずれ
まず、２色放射温度計５０において生じる視野ずれについて、２色放射温度計５０の構成とともに説明する。図６は、本実施形態に係る２色放射温度計５０の一構成例を示す模式図である。

２色放射温度計５０は、図６に示すように、光学窓４３を透過した測温対象の自発光の輝度（放射輝度）を、第１の波長λ_１で検出する第１の光検出素子５１と、光学窓４３を透過した測温対象の自発光の輝度を、第１の波長λ_１とは異なる第２の波長λ_２で検出する第２の光検出素子５２と、を有する。レンズ５８を介して２色放射温度計５０に入射した光は、ビームスプリッタ５７により、第１の光検出素子５１の設置方向に向かう光と、第２の光検出素子５２の設置方向に向かう光とに分割される。

ビームスプリッタ５７から第１の光検出素子５１の設置方向に向かう光は、集光レンズ５５にて集光され、第１の光検出素子５１に受光される。ここで、集光レンズ５５と第１の光検出素子５１との間には、第１の波長λ_１の光のみを透過させる第１の透過フィルタ５３が設けられている。したがって、第１の光検出素子５１は第１の波長λ_１の光のみを受光する。

同様に、ビームスプリッタ５７から第２の光検出素子５２の設置方向に向かう光は、集光レンズ５６にて集光され、第２の光検出素子５２に受光される。ここで、集光レンズ５６と第２の光検出素子５２との間には、第２の波長λ_２の光のみを透過させる第２の透過フィルタ５４が設けられている。したがって、第２の光検出素子５２は第２の波長λ_２の光のみを受光する。

このような構成の２色放射温度計５０では、測定対象の輝度が、２つの波長λ_１、λ_２の光ごとに、それぞれ異なる光検出素子５１、５２によって検出される。このため、２つの波長λ_１、λ_２の測定視野Ｓ１、Ｓ２を完全に一致させることは困難であり、図６に示すように、２つの測定視野Ｓ１、Ｓ２には、多かれ少なかれずれが生じる。２つの波長λ_１、λ_２の測定視野Ｓ１、Ｓ２の不一致には、図７の（ａ）に示すように視野中心は同一だが視野径が異なるケース、図７の（ｂ）に示すように視野中心がずれているケースがあり、（ａ）及び（ｂ）が混在しているケースもあり得る。

（２）温度測定値への視野欠けの影響
次に、視野欠けが温度測定値にどのように影響するかについて、単色放射温度計による測温時と、２色放射温度計５０による測温時とについて調べた。ここでは、高温の測温対象を測定視野が一方向に横切る場合について説明する。

まず、図８に基づいて、単色放射温度計の視野欠けが温度測定値に及ぼす影響を説明する。図８は、測温対象Ｑ（具体的には、光学窓４３を介して見える測温対象）に対する単色放射温度計の測定視野Ｓ０の位置の推移と、各位置における単色放射温度計の測定温度とを示す説明図である。測温対象Ｑは、図５に示したコークス炉１の燃焼室２０の温度測定の例では、光学窓４３の平面形状に対応する。

図８において、単色放射温度計の測定視野Ｓ０は、左側から右側へ、測温対象Ｑを横切るように一方向に移動する。測定視野Ｓ０が測定対象から外れているときには、検出される放射輝度が極めて小さいため測定エラーとなり温度は測定されない。測定対象Ｑが測定視野Ｓ０に含まれるようになると、検出される放射輝度が十分ではないため、測温対象Ｑの真の温度よりは小さい値ではあるものの、徐々に温度が検出されるようになる。そして、測温対象Ｑが測定視野Ｓ０に完全に含まれるようになると、測定される温度が、測温対象Ｑの真の温度に対応した最高値をとるようになる。測定視野Ｓ０に測温対象Ｑが完全に含まれているときには視野欠けは生じていないが、例えば左側の位置での測定視野Ｓ０のように測定視野Ｓ０の一部が測温対象Ｑ外にある場合には視野欠けが生じている。

単色放射温度計の場合、測定視野Ｓ０が高温の測温対象Ｑを通過する過程において、視野欠けが生じる領域では、観測する放射輝度が低下する。このため、図８に示すように、観測する放射輝度が低下した分だけ、測定温度（見かけの温度）が低下する。なお、このような現象を回避するため、例えば、単色放射温度計にピークホールド機能を持たせて、測定温度のうち最高温度を確からしい温度として採用することが一般的に行われている（例えば、特許文献３、４）。

次に、図９及び図１０に基づいて、２色放射温度計の視野欠けが温度測定値に及ぼす影響を説明する。図９及び図１０は、測温対象Ｑに対する２色放射温度計の測定視野Ｓ１、Ｓ２の位置の推移と、各位置における２色放射温度計の測定温度とを示す説明図である。図９では、図７の（ａ）に示した視野中心は同一だが視野径が異なるケースを示す。図１０では、図７の（ｂ）に示した視野中心がずれているケースを示す。

図９に示す視野中心は同一だが視野径が異なるケースでは、２色放射温度計５０の測定視野Ｓ１、Ｓ２は、左側から右側へ、測温対象Ｑを横切るように一方向に移動する。測定視野Ｓ１、Ｓ２が高温の測温対象Ｑを通過する過程において、２色放射温度計５０により測定される温度は以下の（ａ－ｉ）～（ａ－ｉｖ）のように変化する。

（ａ－ｉ）測定視野Ｓ１、Ｓ２の少なくともいずれか一方が測温対象Ｑから外れているときには、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の少なくともいずれか一方で検出される放射輝度が極めて小さいため、測定エラーとなり温度は検出されない。

（ａ－ｉｉ）その後、測温対象Ｑが測定視野Ｓ１に入り、測温対象Ｑが測定視野Ｓ２に入った瞬間の視野欠け時には、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の両方で放射輝度が検出されることから測定エラーにはならない。しかし、２色比Ｒを算出する際の一方の波長で検出される輝度が大きく（但し、測温対象の放射光の輝度に応じた大きさ）、他方の波長で検出される輝度が極めて小さくなる。このため、これらの輝度から算出される２色比Ｒの値が極めて大きく変動してしまう。その結果、温度が上振れする等、異常な値で測定されることになる。すなわち、検出される輝度は通常か小さいにも関わらず、真の温度を求めるための比が異常に大きい値となり、求まる温度がそれに影響される。

（ａ－ｉｉｉ）さらに、その後、測定対象Ｑが、測定視野Ｓ１、Ｓ２に十分に入った場合には、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の両方で、測温対象Ｑの放射輝度が検出できる。このため、本来あるべき２色比の演算が可能となり、異常な値をとることなく、測定対象Ｑの真の温度を測定することができるようになる。

（ａ－ｉｖ）さらに、その後、測温対象Ｑが測定視野Ｓ１に入り、測温対象Ｑが測定視野Ｓ２から外れる瞬間の視野欠け時には、（ａ－ｉｉ）の視野欠け時と同様に、２色比Ｒの値が極めて大きく変動してしまう。このため、温度が上振れする等、異常な値で測定されることになる。

また、図１０に示す視野中心がずれているケースでは、２色放射温度計５０の測定視野Ｓ１、Ｓ２は、左側から右側へ、測温対象Ｑを横切るように一方向に移動する。測定視野Ｓ１、Ｓ２が高温の測温対象Ｑを通過する過程において、２色放射温度計５０により測定される温度は以下の（ｂ－ｉ）～（ｂ－ｉｖ）のように変化する。

（ｂ－ｉ）測定視野Ｓ１、Ｓ２の少なくともいずれか一方が測温対象Ｑから外れているときには、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の少なくともいずれか一方で検出される放射輝度が極めて小さいため、測定エラーとなり温度は検出されない。

（ｂ－ｉｉ）その後、測温対象Ｑが測定視野Ｓ１に入り、測温対象Ｑが測定視野Ｓ２に入った瞬間の視野欠け時には、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の両方で放射輝度が検出されることから測定エラーにはならない。しかし、２色比Ｒを算出する際の一方の波長で検出される輝度が大きく（但し、測温対象の放射光の輝度に応じた大きさ）、他方の波長で検出される輝度が極めて小さくなるため、これらの輝度から算出される２色比Ｒの値が極めて大きく変動してしまう。このため、温度が上振れする等、異常な値で測定されることになる。すなわち、検出される輝度は通常か小さいにも関わらず、真の温度を求めるための比が異常に大きい値となり、求まる温度がそれに影響される。

（ｂ－ｉｉｉ）さらに、その後、測定対象Ｑが、測定視野Ｓ１、Ｓ２に十分に入った場合には、第１の波長λ_１と第２の波長λ_２の両方で、測温対象Ｑの放射輝度が検出できる。このため、本来あるべき２色比の演算が可能となり、異常な値をとることなく、測定対象Ｑの真の温度を測定することができるようになる。

（ｂ－ｉｖ）さらに、その後、測温対象Ｑが測定視野Ｓ１から外れる瞬間で、測温対象Ｑが測定視野Ｓ２に入った状態の視野欠け時には、（ｂ－ｉｉ）の視野欠け時とは逆方向に、２色比Ｒの値が極めて大きく変動してしまう。このため、温度が下振れする等、異常な値で測定されることになる。

このように、２色放射温度計５０による測温では、測定視野Ｓ１、Ｓ２にずれがあることにより波長λ_１の受光面積と波長λ_２の受光面積との比が変化するため、測定温度が上振れしたり下振れしたりする。２色放射温度計５０では、最大温度が異常値となることもあるため、単色放射温度計の場合のようにピークホールド機能を設けたとしても、最大温度を確からしい温度として採用することができない。

そこで、本願発明者は、上述のような原因で視野欠けにより生じる不確かな測定温度を除外するため、２色放射温度計５０により検出される輝度信号に着目した。すなわち、図９及び図１０の下段に示した２色放射温度計５０による放射輝度のグラフより、測定視野Ｓ１、Ｓ２のずれの状態によらず、視野欠けの領域では、測温対象Ｑ上に測定視野Ｓ１、Ｓ２が収まっているときの放射輝度（すなわち、第１の光検出素子５１及び第２の光検出素子５２で検出された輝度のうち最大となる輝度。最大輝度Ｌｍａｘ）より放射輝度が低くなる。これより、最大輝度Ｌｍａｘに近い放射輝度が検出されているときには視野欠けの影響が軽微であり、確からしい温度が測定されていると判定することができる。言い換えると、２つの波長のうち少なくとも一方の波長において、検出された放射輝度が最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合未満（例えば１０％未満）であるときには、視野欠けにより確からしい温度は測定されていない、と判定することができる。

したがって、２色放射温度計５０において、検出された放射輝度のうち、最大輝度Ｌｍａｘに近い放射輝度が検出されたときの測定を特定し、特定された測定における温度に基づいて測温対象の測定温度を求めることにより、より確からしい温度を測定温度として提示することができる。

なお、図９及び図１０の最大輝度Ｌｍａｘは、測温対象Ｑの温度、あるいは、光学窓４３の端面の汚れ等により変化するが、例えば測定位置をずらしながら多点測定して得られた十分な数の輝度測定データから特定される最大輝度を用いてもよい。

（３）２色放射温度計における表示温度の算出方法
本実施形態に係る２色放射温度計５０は、上述した光学部材に加え、例えば図６に示すように、測温対象の測定温度を求める演算処理部５９ａと、記憶部５９ｂと、を有する。

記憶部５９ｂには、第１の光検出素子５１で検出された放射輝度と、当該第１の光検出素子５１で検出した輝度に対応する第２の光検出素子５２で検出された放射輝度が記録されている。これらの放射輝度は、２色放射温度計５０による測定毎に関連付けて記録される。

演算処理部５９ａは、記憶部５９ｂに記憶された輝度のうち、第１の光検出素子５１で検出した輝度と、当該第１の光検出素子５１で検出した輝度に対応する第２の光検出素子５２で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める。より具体的には、演算処理部５９ａは、第１の光検出素子５１及び第２の光検出素子５２で検出された輝度のうち最大となる輝度を最大輝度Ｌｍａｘとした場合に、記憶部５９ｂに記憶された輝度のうち、第１の波長λ_１及び第２の波長λ_２の少なくともいずれか一方で測定された輝度が、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であるか否かを判定し、第１の波長λ_１及び第２の波長λ_２で測定して得られた輝度のうち、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であると判定された輝度について、第１の光検出素子５１で検出した輝度と、第１の光検出素子５１で検出した輝度に対応する第２の光検出素子５２で検出した輝度との比に基づいて、測温対象の温度を求める。

すなわち、演算処理部５９ａは、少なくともいずれか一方の波長について、記憶部５９ｂに記録されている複数回の検出により取得された放射輝度に基づき、確からしい温度が得られている測定を１または複数抽出する。これにより、視野欠けの影響が軽微であって確からしい温度が得られている測定を特定し、異常な測定温度が得られている測定を除外する。そして、演算処理部５９ａは、抽出された測定における温度に基づいて、測温対象の測定温度を求める。

なお補足すると、原理的に言えば、第１の波長λ_１及び第２の波長λ_２で検出された輝度が、両方とも最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であることが、視野欠けではないことに相当するが、視野欠けとなるタイミングは一瞬でしかないため、片方の波長だけが、最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であることを、視野欠けの条件であるとしても、実質的に大きな問題を生じさせることはない。そのため、片方の波長だけで判断するようにすることで、温度測定作業を簡便にすることができる。

このように、本実施形態に係る２色放射温度計５０では、当該２色放射温度計５０で測定される温度の確からしさを、温度の値を基準とするのではなく、輝度を基準として判断する。このため、本実施形態に係る２色放射温度計５０では、視野外れが生じ、２色比から算出される温度が上振れしたとしても、それに影響されることなく、正しい温度を測定することができる。

図１１に基づき、本発明の一実施形態に係る温度測定装置である２色放射温度計５０における表示温度の算出例を説明する。図１１は、本実施形態に係る２色放射温度計５０により１０回の測定を行ったときの各測定における放射輝度に基づく温度と、第１の波長λ_１の放射輝度とを示すグラフである。放射輝度については、最大輝度を基準とした相対値を示している。

図１１に示す測定結果は、図４に示したようにコークス炉１の燃焼室２０内を測温する状況において、作業者９が、手動で２色放射温度計５０の観測視野をフリュー蓋４０に設置した光学窓４３に合わせるようにしながら、１０回測定することにより得たものである。図１１より、各測定において得られた温度は、１１９０℃付近から１２２５℃付近までの範囲でばらついている。４回目の測定及び９回目の測定では、完全な視野外れにより測定エラーとなり測温不能であったため、表示温度は示していない。

放射輝度については、７回目の測定での値が最大であった。したがって、７回目の測定では、２色放射温度計５０の測定視野が光学窓４３の範囲に対して最も視野が欠けることなく入っていたと考えられるため、７回目の測定における測定温度から最大輝度Ｌｍａｘを求める。

最大輝度Ｌｍａｘから所定の割合以上の輝度である輝度が検出されているのは、２回目、７回目及び１０回目の測定である。したがって、２回目、７回目及び１０回目の測定温度が確からしい温度と判定される。そして、これらの温度の平均値を求め、２色放射温度計５０による測温対象の測定温度としてもよい。このように多点平均を取ることにより、２色放射温度計５０の測定においてランダムに誤差が生じている場合（例えば、光学窓４３の端面が著しく汚れて観測する放射光の絶対値が小さい場合、等）には、より確からしい測定温度を得ることができる。

なお、図１１に示した例では、１０回の測定結果から本実施形態に係る２色放射温度計５０による測温対象の測定温度を求めたが、本発明は係る例に限定されない。２色放射温度計５０による測定回数は、少なくとも１つの測定は視野欠けのない状態で測定値が得られているとみなせる十分な回数を適宜設定すればよい。

また、図１１に示した例では、本実施形態に係る２色放射温度計５０により検出される２つの波長の放射輝度のうち、第１の波長λ_１の放射輝度に基づき、確からしい温度が得られている測定を特定したが、本発明は係る例に限定されない。例えば、第２の波長λ_２の放射輝度に基づき、確からしい温度が得られている測定を特定してもよい。あるいは、第１の波長λ_１の輝度、第２の波長λ_２の放射輝度それぞれについて、確からしい温度が得られている測定を特定し、いずれの波長においても特定されている測定温度に基づき、２色放射温度計５０による測温対象の測定温度を求めてもよい。

［３．まとめ］
以上、本発明の一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した。本実施形態によれば、２色放射温度計を用いて、炉上の燃焼室観察孔に設けられた光学窓を介して、異なる２つの波長の放射輝度を複数回測定し、少なくともいずれか一方の波長について、測定された複数の放射輝度に基づき、確からしい温度が得られている測定を１または複数抽出し、抽出された測定における温度に基づいて、燃焼室の測定温度を求める。

これにより、フリュー蓋を観察孔から取り外すことなく燃焼室の測温が可能となり、人手による測温作業を効率的に行うことができる。この結果、より多くの測温箇所あるいは頻度の高い測温が可能になり、コークス炉の操業の安定化を図ることができる。

また、２色放射温度計を用いることで、視野欠けが生じたり、光学窓に汚れにより燃焼室から出射される放射光が低下したりしても、正確な温度測定を実現することができる。さらに、２色放射温度計において、複数回の測定において得られた放射輝度から確からしい温度が得られている測定を１または複数抽出し、当該測定における温度から燃焼室の測定温度を求めることで、より正確な測定温度を得ることができる。

なお、上記実施形態では、２色放射温度計を用いて、コークス炉の燃焼室の温度を測定する方法について説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明は、高温の測温対象からの熱放射を観測して温度を測定する放射測温法に関するものである。特に、上記実施形態にて説明したコークス炉の燃焼室の温度測定へ適用することにより、測温を迅速かつ簡便に行うことができる。２色放射温度計は、例えば、測温対象が高温であり、粉塵あるいは蒸気等によって安定した測温が難しい環境下での使用に適している。したがって、例えば、熱処理工程等において高温の物体あるいは雰囲気の温度測定において、本発明を適用することも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ コークス炉
５ コークス
９ 作業者
１０ 炭化室
２０ 燃焼室
３０ 炉頂部
３５ 観察孔
４０ フリュー蓋
４１ 蓋部
４１ａ フランジ部
４１ｂ 光学窓収容部
４１ｃ 突出部
４３ 光学窓
５０ 色放射温度計
５１ 第１の光検出素子
５２ 第２の光検出素子
５３ 第１の透過フィルタ
５４ 第２の透過フィルタ
５５、５６ 集光レンズ
５７ ビームスプリッタ
５８ レンズ
５９ａ 演算処理部
５９ｂ 記憶部
６０ 蓄熱室

Claims (5)

1. 測温対象の温度を測定する温度測定装置であって、
   前記測温対象の放射光の輝度を、第１の波長で検出する第１の光検出素子と、
   前記測温対象の放射光の輝度を、前記第１の波長とは異なる第２の波長で検出する第２の光検出素子と、
   前記第１の光検出素子及び前記第２の光検出素子で検出した輝度を対応させて記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された輝度のうち、前記第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する前記第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、前記測温対象の温度を求める演算処理部と、
   を有し、
   前記演算処理部は、前記第１の光検出素子及び前記第２の光検出素子で検出された輝度のうち最大となる輝度を最大輝度Ｌｍａｘとした場合に、
   前記記憶部に記憶された輝度のうち、前記第１の波長及び前記第２の波長の少なくともいずれか一方で検出された輝度が、前記最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であるか否かを判定し、
   前記第１の波長及び前記第２の波長で検出して得られた輝度のうち、前記最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であると判定された輝度について、前記第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する前記第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、前記測温対象の温度を求める、温度測定装置。
2. 前記演算処理部は、
   前記第１の波長及び前記第２の波長で測定して得られた輝度のうち、前記最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であると判定された複数の輝度について、前記第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する前記第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて温度を算出し、
   算出した複数の温度の平均値から、前記測温対象の温度を求める、請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記測温対象は、コークス炉の燃焼室であり、
   前記第１の光検出素子及び前記第２の光検出素子は、前記コークス炉の燃焼室の上方の観察孔に設けられた光学窓を介して、前記コークス炉の燃焼室の輝度を検出する、請求項１または２に記載の温度測定装置。
4. 測温対象の温度を測定する温度測定方法であって、
   前記測温対象の放射光の輝度を、第１の波長で検出する第１の光検出素子と、
   前記測温対象の放射光の輝度を、前記第１の波長とは異なる第２の波長で検出する第２の光検出素子と、
   前記第１の光検出素子及び前記第２の光検出素子で検出した輝度を対応させて記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された輝度のうち、前記第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する前記第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、前記測温対象の温度を求める演算処理部と、
   を有する温度測定装置を用いて前記測温対象の温度を測定し、
   前記演算処理部は、前記第１の光検出素子及び前記第２の光検出素子で検出された輝度のうち最大となる輝度を最大輝度Ｌｍａｘとした場合に、
   前記記憶部に記憶された輝度のうち、前記第１の波長及び前記第２の波長の少なくともいずれか一方で測定された輝度が、前記最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であるか否かを判定し、
   前記第１の波長及び前記第２の波長で測定して得られた輝度のうち、前記最大輝度Ｌｍａｘの所定の割合以上であると判定した輝度について、前記第１の光検出素子で検出した輝度と、当該第１の光検出素子で検出した輝度に対応する前記第２の光検出素子で検出した輝度との比に基づいて、前記測温対象の温度を求める、温度測定方法。
5. 前記測温対象は、コークス炉の燃焼室であり、
   前記第１の光検出素子及び前記第２の光検出素子は、前記コークス炉の燃焼室の上方の観察孔に設けられた光学窓を介して、前記コークス炉の燃焼室の輝度を検出する、請求項４に記載の温度測定方法。

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