JP2023120491A - 放射温度計の校正方法及び校正装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光源の輝度低下やレンズの汚れ等の要因によって温度の計測誤差が発生することを検知し、補正可能な放射温度計の校正方法及び校正方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る放射温度計の校正方法は、正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計の校正方法であって、正反射光源から基準サンプルに正反射条件で光を照射して正反射輝度を測定するステップと、拡散反射光源から基準サンプルに拡散反射条件で光を照射して拡散反射輝度を測定するステップと、測定された正反射輝度及び拡散反射輝度が正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて定められる管理範囲内に入っているか否かを判定するステップと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、放射温度計の校正方法及び校正装置に関する。
鉄鋼プロセスにおける亜鉛系溶融めっきライン（以下、ＣＧＬと表記）では、材質の作りこみ及びめっきの品質管理において鋼板の温度管理が非常に重要な作業である。特に亜鉛付着後の鋼板加熱による合金化過程においては、鋼板温度が高すぎるとパウダリングが発生し、鋼板温度が低すぎると合金化が不十分になる。さらに、高強度材では、鋼板温度が高すぎると結晶粒径が粗大化して材質特性が低下する。このため、ＣＧＬでは、非常に厳格な鋼板の温度管理が求められている。
このような背景から、鋼板温度を直接測定する方法として、測温ロール法や放射測温法が提案されている。しかしながら、鋼板表面が高温の場合、溶融亜鉛が鋼板表面に付着した状態で鋼板とロールとを接触させることができない。このため、鋼板のパスラインには加熱後十分に後段となるまでロールがなく、鋼板温度の測定に測温ロール法を用いることができない。
一方、鋼板の種類やサイズ、搬送条件によって合金化反応の進み具合にばらつきが生じる。例えば合金化を目的として鋼板を加熱する場合、目標とする鋼板温度は４５０～５５０℃程度であり、放射測温法に適したＩｎＧａＡｓ素子を用いて鋼板温度を測定した場合、合金化前後で鋼板表面の放射率が０．２～０．７程度に変化する。これは、温度に換算すると６０℃以上の差であり、放射測温法では鋼板温度を正確に測定できない。
そこで、特許文献１には、計測対象物の積分球反射率と放射率の和が１となる法則を利用して計測対象物の反射特性を計測し、積分球反射率を推定して放射率を推定する手法が提案されている。しかしながら、合金化過程の鋼板では鋼板表面の拡散性が非常に高くなるため、特許文献１に記載の方法では、積分球反射率及び放射率の推定精度が低くなる。
これに対して、本願発明の発明者らは、正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計（特願２０２０－１７９３０２号）を提案した。この放射温度計によれば、計測対象物の表面の放射率の変動によらず計測対象物の表面温度を精度よく計測できる。ところが、この放射温度計を長期的に運用していると、光源の輝度低下やレンズの汚れ等の要因によって放射温度計の状態が変化することによって表面温度の計測誤差が発生する可能性がある。このため、光源の輝度低下やレンズの汚れ等の要因によって表面温度の計測誤差が発生することを検知し、補正する技術の提供が期待されていた。
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、光源の輝度低下やレンズの汚れ等の要因によって表面温度の計測誤差が発生することを検知し、補正可能な放射温度計の校正方法及び校正装置を提供することにある。
本発明に係る放射温度計の校正方法は、正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計の校正方法であって、正反射光源から基準サンプルに正反射条件で光を照射して正反射輝度を測定するステップと、拡散反射光源から基準サンプルに拡散反射条件で光を照射して拡散反射輝度を測定するステップと、測定された正反射輝度及び拡散反射輝度が正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて定められる管理範囲内に入っているか否かを判定するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る放射温度計の校正方法は、上記発明において、前記管理範囲は、許容される温度及び放射率の誤差に基づいて定められることを特徴とする。
本発明に係る放射温度計の校正方法は、上記発明において、少なくとも前記正反射光源は黒体炉であることを特徴とする。
本発明に係る放射温度計の校正方法は、上記発明において、測定された正反射輝度及び前記拡散反射輝度の少なくとも一方が前記管理範囲内に入っていない場合、放射温度計の光学系の設定値を調整するステップを含むことを特徴とする。
本発明に係る放射温度計の校正方法は、上記発明において、前記正反射光源及び前記拡散反射光源の輝度値を測定し、測定された輝度値が管理範囲内に入っていない場合、輝度値が管理範囲内に入っていない光源の設定値を調整するステップを含むことを特徴とする。
本発明に係る放射温度計の校正装置は、正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計の校正装置であって、正反射光源から基準サンプルに正反射条件で光を照射して正反射輝度を測定する正反射輝度測定手段と、拡散反射光源から基準サンプルに拡散反射条件で光を照射して拡散反射輝度を測定する拡散反射輝度測定手段と、測定された正反射輝度及び拡散反射輝度が正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて定められる管理範囲内に入っているか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る放射温度計の校正方法及び校正装置によれば、光源の輝度低下やレンズの汚れ等の要因によって表面温度の計測誤差が発生することを検知し、補正でき、結果として精度の高い表面温度の計測を維持することができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である放射温度計の校正方法及び校正装置について説明する。なお、本発明の対象となる放射温度計は、正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計である。具体的には、放射温度計は、計測対象物の表面の放射輝度を取得する第１撮像手段と、計測対象物の表面に正反射条件で光を照射し正反射輝度を取得する第２撮像手段と、計測対象物の表面に拡散反射条件で光を照射し拡散反射輝度を取得する第３撮像手段と、計測対象物の表面の放射率と正反射輝度及び拡散反射輝度との関係を示すモデルと、第２撮像手段が取得した正反射輝度と、第３撮像手段が取得した拡散反射輝度とを用いて、計測対象物の表面の放射率を算出する放射率算出手段と、第１撮像手段が取得した放射輝度と、放射率算出手段が算出した放射率と、を用いて、計測対象物の表面温度を算出する測温手段と、を備えている。ここで、計測対象物としては、亜鉛系溶融めっき鋼板を例示することができる。
図１は、本発明の一実施形態である放射温度計の校正装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である放射温度計の校正装置１０は、正反射光源から基準サンプルに正反射条件で光を照射して正反射輝度を測定する正反射輝度測定手段１０ａと、拡散反射光源から基準サンプルに拡散反射条件で光を照射して拡散反射輝度を測定する拡散反射輝度測定手段１０ｂと、測定された正反射輝度及び拡散反射輝度が正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて定められる管理範囲内に入っているか否かを判定する判定手段１０ｃと、を備えている。なお、判定手段１０ｃは、例えばコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。また、正反射輝度測定手段１０ａ及び拡散反射輝度測定手段１０ｂは、正反射光源用輝度計や拡散反射用輝度計から直接測定値を取得してもよいし、操作入力装置や電気通信回線を介して間接的に測定値を取得してもよい。
図２は、本発明の一実施形態である放射温度計の校正方法の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、本発明の一実施形態である放射温度計の校正方法では、まず、実際に表面温度を測定する亜鉛系溶融めっき鋼板の配置位置と同一の位置に同一の光の入射角及び反射角となるように基準サンプルを取り付ける（ステップＳ１）。具体的には、ステップＳ１の処理では、図３（ａ）に示すように校正板Ｐに基準サンプルＳＡを貼り付け、図３（ｂ）に示すような放射温度計との位置関係に校正板Ｐを設置する。ここで、図３（ｂ）において、符号１は放射温度計、符号２は正反射光源、符号３は正反射光源用輝度計、符号４は拡散反射光源、符号５は拡散反射用輝度計を示す。
本実施形態における計測対象物は合金化過程の亜鉛系溶融めっき鋼板であるが、繰り返し同じ状態を再現することは困難であるため、放射温度計の校正を行う際に実ラインに装入される亜鉛系溶融めっき鋼板を用いることは難しい。そこで、放射温度計の校正を行う際には、実際の亜鉛系溶融めっき鋼板ではなく、基準サンプルＳＡを用いて正反射輝度及び拡散反射輝度を管理する。なお、基準サンプルＳＡは正反射輝度測定用と拡散反射輝度測定用とで使い分けることが好ましい。例えば正反射輝度測定用の基準サンプルＳＡは金や銀等の表面が均一な金属サンプルが好ましく、拡散反射輝度測定用の基準サンプルＳＡは紙や硫酸バリウムを均一に付着させたサンプルが好ましい。
図２に戻る。次に、正反射光源２及び拡散反射光源４の出力、ピント、絞り、露光時間、ゲイン等の放射温度計１の受光光量の変動要因となる光学条件を実測時の光学条件と同じに設定した後、正反射輝度測定手段１０ａ及び拡散反射輝度測定手段１０ｂにより正反射輝度及び拡散反射輝度を順に測定する（ステップＳ２）。具体的には、ステップＳ２の処理では、正反射光源２から基準サンプルＳＡに正反射条件で光を照射して放射温度計１により正反射輝度を測定し、拡散反射光源４から基準サンプルＳＡに拡散反射条件で光を照射して放射温度計１により拡散反射輝度を測定する。次に、判定手段１０ｃが、正反射輝度及び拡散反射輝度の測定値が管理範囲内に入っているか否かを判定する（ステップＳ３）。そして、正反射輝度及び拡散反射輝度の測定値が管理範囲内に入っている場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、放射温度計の状態は良好であると判断し、放射温度計の校正は終了する。
一方、正反射輝度及び拡散反射輝度の測定値が管理範囲内に入っていない場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、正反射輝度及び拡散反射輝度の測定値が管理範囲に入るように正反射輝度及び拡散反射輝度に関係する放射温度計の光学条件を調整した後（ステップＳ４）、再度ステップＳ２の処理を実行する。例えば露光時間、ゲイン、絞り、正反射光源２や拡散反射光源４の出力を調整して正反射輝度及び拡散反射輝度の測定値が管理範囲内に入るようにすれば、導入時と同じ表面温度の計測精度を得ることができる。また、正反射輝度及び拡散反射輝度の測定値が管理範囲に入らない原因を調査し、その原因（例えば汚れ等）を取り除いた後に再度基準サンプルＳＡで正反射輝度及び拡散反射輝度を測定し、測定値が管理範囲内に入っているか否かを判定するようにしてもよい。
なお、正反射光源２及び拡散反射光源４が照射する光は、赤外成分を含み、長期にわたって輝度が安定していることが好ましい。さらに、拡散反射光源４は、計測対象物に対して拡散反射条件となるため、光を強力に照射しないと拡散反射光が自発光と区別できない。そこで、正反射光源２及び拡散反射光源４として黒体炉を用いるとよい。黒体炉によれば、炉内の温度を一定に保つことによって長期にわたって安定した放射光を得ることができる。また、以下の通り放射温度計の校正が格段に容易になる。すなわち、黒体炉の放射光量は、標準放射温度計を用いて黒体炉の温度を計測することにより管理範囲内に入っているか否かを容易に判断することができる。また、放射温度計自体の校正は、標準放射温度計を用いて校正された正反射光源の黒体炉を用いることができる。具体的には、図４に示すように、基準サンプルとして正反射率が１に極めて近い金ミラーＭを選定し、金ミラーＭ越しに黒体炉である正反射光源２を覗き込み測温する。そして、測温結果が管理範囲内に入っていれば校正完了となる。従って、少なくとも正反射光源２を黒体炉とすることにより、放射温度計の校正が容易になる。なお、金ミラーＭは赤外域において９５％以上の正反射率を示すが、より厳密には予め正反射率を算出しておき、反射による減衰分を管理範囲に反映させる等してもよい。また、他金属を鏡面加工する等、金ミラーＭと同様に赤外領域で高い反射率を示す基準サンプルであれば、本方式により放射温度計の校正が可能である。
また、正反射光源用輝度計３及び拡散反射用輝度計５を用いて正反射光源２及び拡散反射光源４の輝度を常時測定し、輝度が管理範囲内に入っているかどうかを監視するようにしてもよい。この場合、正反射光源２及び拡散反射光源４の輝度が管理範囲内に入っていない場合は上記と同様の調整を行う。なお、上述した輝度の管理範囲は許容される温度誤差及び放射率誤差から算出するとよい。具体的には、本発明の一実施形態である放射温度計は、図５に示すように予め正反射輝度と拡散反射輝度と放射率との関係をモデル化し、計測対象物の正反射輝度と拡散反射輝度をリアルタイムに取得して放射率を算出し、得られた放射率を用いて計測対象物の表面温度を計測する手法である。従って、図５（ａ），（ｂ）に示すモデルを用いて正反射輝度及び拡散反射輝度の誤差から放射率の誤差を見積もることができる。
具体的には、２種類の輝度から放射率を算出するアルゴリズムには様々な方法があるが、例えば正反射輝度及び拡散反射輝度に対して図５（ａ），（ｂ）に示すステップＳ１１及びステップＳ１２の切り分けを行い、ステップＳ１１の状態にあれば放射率が０．４、ステップＳ１２の状態にあれば拡散反射輝度から放射率を算出することを考える。図５（ａ），（ｂ）に示す例では、ステップＳ１２の状態では、拡散反射輝度がおおよそ１６０から１００まで低下するのに応じて、放射率がおおよそ線形に０．５から０．８に増加する。このため、仮に拡散反射輝度が１２０から１００に約１７％減少すると、放射率は０．７から０．８に増加する。
放射率の変動が温度計測に与える影響は計測対象物の温度や使用する波長によるが、例えば計測対象物の温度を５００℃と仮定し、実効波長を１．５μｍとしたとき、放射発散度（放射輝度と比例の関係にある）と温度の関係は図６に示すようになる。図６に示す例では、放射率が０．８のときの５００℃の放射発散度は放射率０．７の時の５０９℃の放射発散度と一致するため、２０％の輝度誤差が９℃の温度誤差と対応することになる。従って、上記条件で±１０℃の温度誤差としたければ、拡散反射輝度の管理範囲を±２０％とすればよいことがわかる。但し、現実には他にも温度の誤差要因があるので、より厳密な管理を求める場合には、管理範囲は厳しめに設定することが好ましい。また、計測対象物の表面の放射率と正反射輝度及び拡散反射輝度との関係を示すモデルを作成する際に、基準サンプルの正反射輝度及び拡散反射輝度を測定しておき、その値を基準値として管理範囲を設定してもよい。
本発明の実施例を図７（ａ），（ｂ）に示す。本実施例では、鋼板を模したアルミニウム板を正反射用校正板Ｐ１及び拡散反射用校正板Ｐ２として用意した。正反射用校正板Ｐ１の中央部分(測定箇所)には基準サンプルＳＡ１として金メッキを施し、拡散反射用校正板Ｐ２の中央部分には基準サンプルＳＡ２として紙を貼りつけた。載置台６を用いて正反射用校正板Ｐ１及び拡散反射用校正板Ｐ２を設置した。光源出力やピント、絞り、露光時間、及びゲインは実際の計測時と同様に設定した。具体的には、ピントはレンズ先端から３３０ｍｍの位置に焦点が合うように合わせた状態とし、絞りは４．０、露光時間は２００μｓとした。そして、校正装置１０を用いて正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から放射率と表面温度を算出した。
３０分間、正反射輝度と拡散反射輝度の測定を行った結果を図８（ａ），（ｂ）に示す。輝度値の管理範囲は基準値の±１０％とした。図８（ａ）に示す正反射輝度は管理範囲内に入っており、調整は不要であった。これに対して、図８（ｂ）に示す拡散反射輝度は管理範囲を下回ったので、光源出力の調整を行った。光源出力の調整後には、拡散反射輝度は管理範囲内に入り、校正が問題無く行われたことが確認された。正反射光源及び拡散反射光源の輝度値は測定装置内部に輝度計を設けることにより測定した。輝度計としてシリコンフォトダイオード素子によるセンサを用いた。正反射光源及び拡散反射光源の輝度値の測定結果をそれぞれ図９（ａ），（ｂ）に示す。図９（ｂ）に示すように、拡散反射光源の輝度値は使用時間の経過と共に低下した。そこで、拡散反射光源については、露光時間の調整を行ったところ輝度値は回復した。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ 放射温度計
２ 正反射光源
３ 正反射光源用輝度計
４ 拡散反射光源
５ 拡散反射用輝度計
６ 載置台
７ 演算装置
１０ 放射温度計の校正装置
１０ａ 正反射輝度測定手段
１０ｂ 拡散反射輝度測定手段
１０ｃ 判定手段
Ｍ 金ミラー
Ｐ 校正板
Ｐ１ 正反射用校正板
Ｐ２ 拡散反射用校正板
ＳＡ，ＳＡ１，ＳＡ２ 基準サンプル
２ 正反射光源
３ 正反射光源用輝度計
４ 拡散反射光源
５ 拡散反射用輝度計
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１０ 放射温度計の校正装置
１０ａ 正反射輝度測定手段
１０ｂ 拡散反射輝度測定手段
１０ｃ 判定手段
Ｍ 金ミラー
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Ｐ１ 正反射用校正板
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Claims (6)
- 正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計の校正方法であって、
正反射光源から基準サンプルに正反射条件で光を照射して正反射輝度を測定するステップと、
拡散反射光源から基準サンプルに拡散反射条件で光を照射して拡散反射輝度を測定するステップと、
測定された正反射輝度及び拡散反射輝度が正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて定められる管理範囲内に入っているか否かを判定するステップと、
を含むことを特徴とする放射温度計の校正方法。 - 前記管理範囲は、許容される温度及び放射率の誤差に基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載の放射温度計の校正方法。
- 少なくとも前記正反射光源は黒体炉であることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射温度計の校正方法。
- 測定された正反射輝度及び前記拡散反射輝度の少なくとも一方が前記管理範囲内に入っていない場合、放射温度計の光学系の設定値を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１～３のうち、いずれか１項に記載の放射温度計の校正方法。
- 前記正反射光源及び前記拡散反射光源の輝度値を測定し、測定された輝度値が管理範囲内に入っていない場合、輝度値が管理範囲内に入っていない光源の設定値を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１～４のうち、いずれか１項に記載の放射温度計の校正方法。
- 正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて正反射輝度と拡散反射輝度から計測対象物の放射率と表面温度を算出する放射温度計の校正装置であって、
正反射光源から基準サンプルに正反射条件で光を照射して正反射輝度を測定する正反射輝度測定手段と、
拡散反射光源から基準サンプルに拡散反射条件で光を照射して拡散反射輝度を測定する拡散反射輝度測定手段と、
測定された正反射輝度及び拡散反射輝度が正反射輝度及び拡散反射輝度と放射率との関係に基づいて定められる管理範囲内に入っているか否かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする放射温度計の校正装置。
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- 2022-02-18 JP JP2022023400A patent/JP2023120491A/ja active Pending
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