JP2601398B2

JP2601398B2 - 低温物体の非接触高速温度測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2601398B2
Application number: JP5133385A
Authority: JP
Inventors: 宣明山下
Original assignee: 愛知計装株式会社
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: JPH06341906A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンベア上を高速で移
動する低温域の物体の表面温度を、応答の早いチョッパ
レスタイプの放射温度計、及びこれを覆う恒温ケースを
用いた測定装置で測定し、また、該測定結果から被測定
物体の内部温度を推定する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物の表面温度を非接触で測定す
る放射温度計として、チョッパを使用した物と使用しな
い物の２種類がある。

【０００３】放射温度計は外部からの混入熱の影響を受
けやすく、周囲環境や放射温度計内部から発生する被測
定物以外の熱放射をキャンセルするため、通常はチョッ
パ型の放射温度計が使用されている。

【０００４】図１はチョッパ式放射温度計５の模式図で
ある。測定対象物１から発生する放射熱は光学系２で集
められ、焦電素子３上に照射される。４は焦電素子の前
方におかれたチョッパであり、所定のタイミングで照射
熱を遮断する。図中、Ｔａ：環境温度Ｔｒ：放射温度計内部温度Ｔｘ：測定対象物の温度Ｅ（Ｔｘ）：測定対象からの熱放射Ｅ（Ｔａ）：周囲の熱源による被検体からの熱反射Ｅ（Ｔａ，Ｔｒ）：放射温度計自身及び外部からの熱放
射とすると、チョッパ４が開いているときの焦電素子への
入力Ｅｏｐは次式で与えられる。Ｅｏｐ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔa)＋
Ｂ・Ｅ(Ｔr，Ｔa) 一方、チョッパが閉じているときの焦電素子への入力熱
量Ｅｃｌは、Ｅｃｌ＝Ｃ・Ｅ（Ｔｒ，Ｔａ）ここで、εxは被測定物の反射率、Ａ，Ｂ，Ｃは定数で
ある。従って、チョッパの開閉によって生ずる受光熱量
の差ΔＥは、 ΔＥ＝Ｅｏｐ−Ｅｃｌ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−
εx)・Ｅ(Ｔa)＋(Ｂ−Ｃ)・Ｅ(Ｔr，Ｔa) 放射温度計では、後述の如く、一般にＴａ≒Ｔｒとみな
せるので、 ΔＥ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔr)＋(Ｂ−Ｃ)・Ｅ(Ｔr) ・・・式１ここで、各放射温度計に固有の定数Ａ，Ｂ，Ｃと温度Ｔ
の黒体から得られる放射エネルギＥ（Ｔ）との関係はあ
らかじめキャリブレーションで設定できるから、被測定
物の放射率εx を測定対象毎に設定すれば、式１から被
測定物の温度Ｔｘを決定することができる。

【０００５】チョッパ式温度計においてＴａ≒Ｔｒとみ
なせる理由を説明する。外部温度Ｔａが急激に変化する
環境下では、温度計内部温度Ｔｒが環境温度Ｔａに追随
する時間的な遅れが大きな誤差要因となる。この影響は
式１の第２項、第３項において生じるが、チョッパ式温
度計の場合はＢ−Ｃ≒０とみなせるので、第３項の影響
は極めて小さいと考えられる。これが、チョッパ式温度
計の高い測定精度に大きく寄与している。

【０００６】図３はこのようなチョッパ式温度計の環境
温度Ｔａを、１５℃→５０℃→１５℃→−５℃→１５℃
と、約２０時間かけて変化させたときの疑似黒体（温度
２０℃）の表面温度をチョッパ式放射温度計によって測
定した実験結果である。環境温度が同じ場合であっても
疑似黒体の測定温度値には約１℃のばらつきが生じてい
が、これは、環境温度Ｔａの変化に内部温度Ｔｒが追随
しないことによって生じる式４の第２、３項に関係する
誤差であると考えられる。

【０００７】図２はチョッパレス放射温度計の模式図で
ある。チョッパレスの場合も、焦電素子３への入力Ｅは
次式で与えられる。Ｅ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔa)＋Ｂ・
Ｅ(Ｔr，Ｔa) Ｔａ≒Ｔｒとみなせば、Ｅ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔr)＋Ｂ・Ｅ(Ｔr) ・・・式２チョッパタイプと同様に、放射温度計固有の定数である
Ａ，Ｂ及び温度Ｔの黒体から得られる放射エネルギＥ
（Ｔ）の関係はキャリブレーション時に設定できるの
で、被測定物の放射率εx を測定対象毎に設定すれば式
２から被測定物温度Ｔｘを算出することができる。しか
しながらチョッパレスタイプの場合は、外界からの影響
を遮断する機能を持たないため、５式の第３項の影響を
無視することができない。これがチョッパレスタイプの
測定精度が悪いことの原因である。

【０００８】環境温度Ｔａを約２０時間かけて２０℃→
４０℃→２０℃と変化させたときの疑似黒体（温度２０
℃）の表面温度をチョッパレス放射温度計によって測定
した結果を図４に示す。環境温度が同じであっても疑似
黒体の温度測定値は約２℃と大きなばらつきが生じ、精
度的にチョッパ式放射温度計に比べて劣っていることが
わかる。これは、環境温度Ｔａの変化に放射温度計内部
温度Ｔｒが追随しないことによって生じる式２の第２、
３項の誤差要因のうち、チョッパがないことに起因する
第３項の影響が極めて大きいことを示唆している。

【０００９】以上述べたように、周囲環境や温度計内部
から発生する測定対象以外の熱源からの熱放射をキャン
セルして正確な温度測定を行うためにはチョッパ式放射
温度計を使用する事が望ましい。しかしながら、焦電素
子の応答は遅く、高速でチョッピングする事ができない
ため、通常、測定には０．５−１秒程度の時間が必要で
ある。従って、検体を少なくとも数秒間静止させるか、
あるいは動的に測定する場合には、鋼板のようにある所
定時間以上放射温度計の測定視野内に被検体が存在して
いなければならず、小型の対象物を高速で連続測定しよ
うとする様な場合には適用することが難しい。一方、チ
ョッパレスタイプの反射温度計は応答時間はチョッパ付
きよりも早いが、前述の如く、外界の影響を受けやすい
ので高精度の測定は困難である。

【００１０】このような事情から、放射温度計による非
接触温度測定の精度の向上に関して種々の提案がなされ
ている。

【００１１】一般に、放射温度計による非接触測定は、
接触して直接測定することが困難な高熱の鋼板や溶鉱炉
等で行われており、測定環境は良好ではない。そのた
め、防塵・防熱等を目的とした測定器の保護ケースが提
案されている（例えば、特開昭４９−１２２３８６；特
願昭４９−１２２３８７等）。

【００１２】また、測定対象物以外からの不要な放射熱
を低減し、低温域における測定精度を向上させるため、
放射温度計と対象物との間に遮光管を設置し、更に、場
合によっては遮光管を水冷あるいは空冷する事も提案さ
れている（例えば特開昭６２−１９９２０９）。

【００１３】被測定物が低温の場合、発生する放射熱は
極めて微弱である。このため、集光ミラー等をとりつけ
て放射熱をより効率的に集光することも提案されている
（例えば特開昭６０−２２６３５；特開平２−８５７３
１）。

【００１４】更に、測定した対象物の表面温度から、内
部の温度を推定する方法として、例えば特開昭2-45719
では放射温度計を用いて得られる皮膚表面温度と２種以
上の周波数を用いた電磁波測定で生体内部の温度を計測
する事が提案されている。

【００１５】しかしながら、上記従来技術においても、
コンベア上を移動する被測定物が低温で、小型の球体状
のものであるような場合には正確な測定は期待できな
い。測定精度を高くするにはチョッパタイプの放射温度
計を使用する必要があるが、応答速度が遅いため、連続
して高速測定することは困難だからである。また、外部
の熱源の影響を避けるために遮光管を設置するに際して
も、測定対象物の形状が不定である場合には十分な遮光
効果を期待することは難しい。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、レス
ポンスの高いチョッパレスタイプの放射温度計を用いて
低温対象物を高速で測定することを可能とする放射温度
計を実現することを目的とする。また、高速で移動する
異なる大きさの被検体に対しても精度よく連続測定が可
能な装置を提供する。さらに、本装置で測定された被検
体の表面温度と周囲温度の情報に基づいて、被検体の内
部の温度を正確に予測できる装置を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本願発明にかかる装置はチョッパレスタイプの放射
温度計を恒温ケース中に収容し、被検体の周囲温度の測
定結果から反射熱補正を行い、外部環境の影響を排除す
る。さらに、被検体温度と環境温度の差が大きい場合の
被検体表面に対する環境温度の影響を排除して真の物体
温度を推定するために表面温度補正を加える。また、大
きさの異なる被検体を高速で連続測定するために、移動
速度の影響を排除する動的補正を加える。

【００１８】

【実施例】図５は本願発明にかかる恒温ケース入りチョ
ッパレス放射温度計の概略図である。図１、２と同一の
部材には同一番号を付して説明を省略する。チョッパレ
スタイプの放射温度計５が恒温ケース６に納められてい
る。調温用のサーモクーラー７が恒温ケース内を常時温
度Ｔｉに維持している。９はケース内の温度を測定する
サーミスタ温度計であり、８は外部の環境温度測定用の
サーミスタ温度計である。

【００１９】本発明にかかるチョッパレス温度計の場
合、焦電素子への入力Ｅは次式で与えられる。Ｅ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔa)＋Ｂ・
Ｅ(Ｔr，Ｔi) ここで、Ｔａ≒Ｔｒとすれば、次式となる。Ｅ＝Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)＋Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔr)＋Ｂ・Ｅ(Ｔr)・・・式３しかしながら、本装置では恒温ケース６によってＴｒは
一定値（Ｔｉ）に制御されているので、式３の第２、３
項は環境温度Ｔａが変化しても次式に示すように一定に
なる。Ｅ＝Ａ・εx・Ｅ（Ｔｘ）＋Ｃ１＋Ｃ２ここで、Ｃ１は周囲温度（Ｔａ）による被測定物からの
反射熱の補正項、Ｃ２は放射温度計自身及び放射温度計
の周囲から飛び込む熱放射である。恒温ケース内を一定
温度に保持することで上式中のＣ２をコンスタントにで
きるということは、環境温度Ｔａの変化に関わらず焦電
素子の出力値から定数Ｃ２を減じることによって、外界
の温度変化の影響をキャンセルできることとなり、チョ
ッパ機能を有した放射温度計の機能を実現したことと等
価である。

【００２０】また、焦電素子への入力ＥからＣ２を減じ
たＥ’は、被測定物(放射率：εx、温度：Ｔｘ）からの
放射熱（Ａ・εx・Ｅ(Ｔx)）と、周囲熱源（環境温度：
Ｔａ）による被測定物の反射熱（Ａ・(１−εx)・Ｅ(Ｔ
a)）の和である。従って、被測定物が完全黒体（εx＝
１）であるならば、Ｅ’からＴｘはただちに算出され
る。

【００２１】しかしながら、通常被測定物の放射率は１
以下であるので、このままの測定結果では本来環境温度
Ｔａに応じて補正すべき反射熱補正項がコンスタント
（Ｃ１）となるために誤差が生じてくる。従って、反射
熱の補正処理を行うことが必要となる。

【００２２】周囲熱源（環境温度Ｔａ）による反射熱に
よる誤差ΔＥ（Ｔａ）は次式で表される。 ΔＥ（Ｔａ）＝Ａ・（１−εｘ）・Ｅ（Ｔａ）−Ｃ１上式において環境温度Ｔａを測定すればΔＥ（Ｔａ）が
求められるので、次式に従って補正温度を算出すること
ができる。ＴＣｘ＝Ｔｘ＋Ｋ１・（Ｔａ−Ｔｂ）＋Ｋ２・・・式４ここで、ＴＣｘ：補正済み測定温度Ｔｘ：本装置による温度測定結果Ｔａ：環境温度Ｔｂ：基準温度（例えば、恒温ケース内温度Ｔｉ）Ｋ１，Ｋ２：定数

【００２３】図６は、環境温度Ｔａを２０℃→４０℃→
２０℃→０℃→２０℃と約２０時間かけて変化させたと
きの、疑似黒体（温度：２０℃）の表面温度を本願発明
による恒温ケース付きチョッパレス放射温度計によって
測定した結果である。

【００２４】同じ環境温度における疑似黒体測定値のば
らつきは０．１℃以内となっており、式３の第３項によ
る誤差要因が大きく改善されていることがわかる。図３
で示したチョッパ式温度計の測定結果に比べて環境温度
に対する疑似黒体表面温度の変化率（ΔＴｘ／ΔＴａ）
が大きいのは、周囲熱源による反射熱補正（式４）を加
えたことによって生じたものと考えられる。

【００２５】チョッパ式温度計で求めた測定値が正しい
と仮定すれば、式１０の係数はＫ１＝０．６７３，Ｋ２
＝−０．４となる。この値を用いて補正を加えた結果を
図７に示す。図３と比較してわかるように、チョッパ式
の測定結果よりも環境温度に左右されない高精度な測定
結果が得られた。図６と比べて環境温度の変化にともな
う測定値のずれが軽減されていることがわかる。

【００２６】次に、本装置で求めた表面温度（Ｔｘ）に
基づいて被測定物の内部温度（Ｔｉｎ）を推定する方法
を説明する。放射温度計は対象物から生ずる放射熱から
表面温度を測定するものであるが、対象物の温度と環境
温度の差が大きい場合には表面温度が環境温度の影響を
受けて真の物体の温度を測定できない場合がある。従っ
て、測定された表面温度に周囲の環境温度を考慮した補
正を加えて対象物の所定の深さにおける実際の温度を正
確に推定するような補正処理が必要となる。

【００２７】図８において測定対象物の表面温度をＴＣ
ｘ、周囲温度をＴａとして内部温度Ｔｉｎを推定する場
合、以下の関係がある。Ｔａ≧Ｔｉｎの場合ＴＣｘ≧ＴｉｎＴａ＜Ｔｉｎの場合ＴＣｘ＜Ｔｉｎここで、近似的に（Ｔｉｎ−Ｔｅｑ）＝Ｋ３・（Ｔａ−
Ｔｅｑ）が成立するので、平衡状態のＴＣｘ（≒Ｔｅ
ｑ）からＴｉｎを次式によって推定することができる。Ｔｉｎ＝ＴＣｘ＋Ｋ３・（Ｔａ−ＴＣｘ）・・・式５また、図９に示す如く、物体の表面温度ＴＣｘは時間と
共に変化し、所定時間経過すると平衡状態（温度：Ｔｅ
ｑ）となる。式５を用いて算出した２０℃の疑似黒体の
内部温度を図１０に示す。外部の環境温度の影響を排除
して正しい物体温度が得られていることがわかる。

【００２８】次に、本装置を用いて高速で移動する低温
物体の表面温度を測定する場合の補正方法について説明
する。前述の如く、本願発明にかかる放射温度計はチョ
ッパタイプに比べて高い応答性を有するが、被測定物が
低温体の場合、９０％応答に至る時間は３０msec程度は
必要である。したがって、対象物が小型で移動速度が早
い場合、十分な応答時間を経る前に温度計の測定視野か
らはずれてしまい、正確な測定ができない。従って、こ
のような特殊な対象物を測定する場合には適切な応答率
補正（移動補正）を加える必要がある。

【００２９】図１１は大きさの異なる被検体を連続して
測定する様子を示す図であり、図１２はその際の測定温
度値の変化を示す図である。大型の被検体Ａに続いて小
型の被検体Ｂが連続して測定される。図１２からわかる
ように、大型の被検体Ａの場合は温度計の前を十分な時
間をかけて通過するので８０％程度の応答値を示してい
るが、小型の被検体Ｂの場合は測定時間が不足している
ため、６０％程度の応答値しか得られていない。したが
って、小型の被検体の場合には移動速度を考慮した補正
を加えなければ正しい測定結果は得られないことにな
る。

【００３０】上記移動補正を行うためのパラメータとし
ては以下の３要素がある。 i. 対象物の大きさ ii. 対象物の移動速度 iii. 背景温度と対象物の温度差このうち、(i)に関しては、大きな被検体の場合応答率
は大きく、小さな被検体の場合は応答率は小さくなる。
放射温度計の応答特性は温度計自体の時間応答率に依存
するところが大なので、(ii)の移動速度Ｖｃをパラメー
タとし、最も小さな測定対象の直径をＬｍｉｎとする
と、どのようなサイズの検体であっても検体が光電セン
サ等を通過した時点をトリガにして、Ｔｄ＝(Ｄ＋Ｌｍ
ｉｎ)／Ｖｃ秒後の放射温度計出力を取り出せば検体の
移動速度Ｖｃが一定であれば検体の大きさによらず応答
率はほぼ一定と考えてよいことになる（図１３参照）。
図１４にＴｄと応答率の関係を示す。Ｌｍｉｎ及びＶｃ
が決まればＴｄ即ち応答率が定まるため、移動速度Ｖｃ
に応じた応答率を算出することができる。

【００３１】

【表１】

【表２】表１、表２は、測定対象物の温度が背景温度より低い場
合と高い場合に移動速度を変化させた際の変化を示す実
験結果である。金属性の缶とリンゴ、ミカンを用いて対
象物の相違による応答率の変化の様子も調べた。高温対
象物の方が若干応答が早いともいえるが、全体としては
移動速度３８１mm/secで８４％、４５７mm/secで７７％
程度と考えられる。従って、次式に従って移動補正を行
えば、測定対象物の大きさによらず１００％応答相当の
温度測定が可能となる。Ｔｍｖ＝Ｔｘ＋（Ｔｘ−Ｔｂｋ）・Ｄｒｓｐここで、Ｔｍｖ：移動補正後温度Ｔｘ：放射温度計指示値Ｔｂｋ：背景温度Ｄｒｓｐ：移動補正係数

【００３２】

【発明の効果】このように、高速で移動する大きさの異
なる被測定物の表面温度を静的補正（環境温度補正、内
部温度推定）及び動的補正（移動補正）の双方を加える
ことにより、連続的に非接触で測定することが可能とな
った。なお、動的補正によって移動速度の影響を排除し
た後、静的な補正を加えることが望ましいことは当然で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】チョッパ式放射温度計の模式図である。

【図２】チョッパレスタイプの放射温度計の模式図であ
る。

【図３】チョッパ式温度計による温度測定結果を示す図
である。

【図４】チョッパレス温度計による温度測定結果を示す
図である。

【図５】本願発明にかかる放射温度計の模式図である。

【図６】本願の放射温度計による温度の測定例を示す図
である。

【図７】反射補正を加えた場合の測定例を示す図であ
る。

【図８】内部温度補正の概念を示す図である。

【図９】表面温度の外部環境温度による影響を示す図で
ある。

【図１０】内部温度の推定を加えた場合の測定結果を示
す図である。

【図１１】移動補正の模式図である。

【図１２】物体の大きさが応答速度に与える影響を示す
図である。

【図１３】移動補正のタイミングの説明図である。

【図１４】移動速度の相違が応答率に与える影響を示す
図である。

【符号の説明】

１測定物２光学系３焦電素子４チョッパ５温度計６恒温ケース７サーモクーラ８環境温度測定用温度計９内部温度測定用温度計

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】チョッパレスタイプの放射温度計を恒温
ケース内に保持して所定温度に保ち、対象物からの熱放
射から対象物の温度を測定する際に、ＴＣｘ＝Ｔｘ＋Ｋ１・（Ｔａ−Ｔｂ）＋Ｋ２によって規定される温度補正を加えることによって周囲
熱源による反射熱の影響を除去するとともに、Ｔｉｎ＝ＴＣｘ＋Ｋ３・（Ｔａ−ＴＣｘ）によって規定される温度補正を加えることによって対象
物の内部温度を推定し、さらに、測定対象が所定箇所
を通過してから、Ｔｄ＝（Ｄ＋Ｌｍｉｎ）／Ｖｃ秒後、に計測を行い、測定値に対し、Ｔｍｖ＝Ｔｘ＋（Ｔｘ−Ｔｂｋ）・Ｄｒｓｐによって規定される補正を加えることによって測定対象
物の大小によらず温度測定を可能とする事を特徴とする
温度測定方法。
【請求項２】チョッパレスタイプの放射温度計と、該温
度計を覆う恒温ケースと、恒温ケース内の温度を所定温
度に維持する手段とを備え、対象物からの熱放射から対
象物の温度を測定する装置において、測定された温度値
に対し、ＴＣｘ＝Ｔｘ＋Ｋ１・（Ｔａ−Ｔｂ）＋Ｋ２によって規定される温度補正を加えることによって周囲
熱源による反射熱の影響を除去するとともに、Ｔｉｎ＝ＴＣｘ＋Ｋ３・（Ｔａ−ＴＣｘ）によって規定される温度補正を加えることによって対象
物の内部温度を推定し、さらに、測定対象が所定箇所を
通過してから、Ｔｄ＝（Ｄ＋Ｌｍｉｎ）／Ｖｃ秒後、に計測を行い、測定値に対し、Ｔｍｖ＝Ｔｘ＋（Ｔｘ−Ｔｂｋ）・Ｄｒｓｐによって規定される補正を加えることによって測定対象
物の大小によらず温度測定を可能とする事を特徴とする
温度測定装置。