JP2815808B2 - 放射温度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，測定対象物表面の温度
を非接触で計測する放射温度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば，鉄鋼などの製造プロセスにおい
ては，表面温度を計測するに際して傷などを付けないこ
とが重要な課題となっており，熱電対などによる接触式
温度測定よりも非接触測定法である放射測温技術を利用
することが適している。しかし，従来の放射温度計によ
る温度測定では，測定対象物表面の放射率をオフライン
で測定することにより求め，予め設定する必要がある。
この場合，測定対象物表面の放射率が安定しており，オ
フラインでの測定物をそのまま用いることが可能である
ならば，安定的に精度良い温度測定が可能である。とこ
ろが，放射率は，表面粗さなどの表面の状態あるいは酸
化物などの表面の膜厚の関数となって表され，これらの
要因，すなわち表面の状態や表面の膜厚が変化するプロ
セスでは測定対象となる表面の放射率は時間と共に変化
し，これが放射温度計による温度測定の誤差の原因とな
っている。そこで，近年に至っては，かかる不具合を解
消するべく，例えば特開昭６１−８６６２１号公報にお
いて非接触により測定対象物表面の放射率と温度とを同
時に測定する技術が提案されている。ここで，上記公報
に開示の放射率測定技術では，キルヒホッフの法則，す
なわち，任意の測定対象物の表面において放射率（吸収
率）と反射率と透過率の和が１となる法則を利用してい
る。この測定対象となるほとんどの表面は透過率を０と
近似できることから，残る放射率と反射率の和が１とな
ることを利用して反射率を測定することにより，放射率
を求めることが可能となる。すなわち，予め反射率が１
である基準反射板を測定対象物表面と置き換えて参照光
光源からの参照光の反射による光量を測定する。次に，
上記参照光光源からの参照光が測定対象物表面に照射さ
れている時のこの表面からの反射光量を測定する。さら
に，上記参照光光源からの参照光が測定対象物表面に照
射されていないとき，この測定対象物表面からの光量を
測定する。そして，これらの測定値から測定対象物表面
の反射率を算出すると共に，１からこの反射率の値を減
算することにより，上記測定対象物表面における放射率
が求められる。そして，上記のようにして求められた放
射率と，測定対象物表面からの放射光のみの光量から求
められた輝度温度とに基づいて，該測定対象物表面にお
ける表面温度が非接触で算出される。尚，これらの演算
は，マイクロコンピュータを中枢とした処理装置（演算
手段）により実行される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが，上記のよう
な放射温度計では，測定対象物表面の反射特性が鏡面反
射性を有することが前提とされている。すなわち，表面
が完全な鏡面反射性を有する場合には鏡面反射方向へ反
射される反射光成分を検出することで全反射率が得ら
れ，これより精度の高い放射率を求めることができる。
しかし，一般的に最も多く現存するとみられる鏡面に近
いとみなすことのできる表面，例えば研磨されていない
アルミニウム表面などでは，その表面の粗さによっては
拡散反射成分を有することから，かかる表面での全反射
率を得ようとする場合には，任意の方向へ反射される成
分をも検出すべく広い範囲からの反射光を得るために，
十分大きい立体角を有する検出光学系を用いる必要があ
る。このように大きな立体角を有する検出光学系を実現
するには，集光手段であるレンズの外径寸法を大きくす
る必要があるなど装置の大型化が避けられない。あるい
は検出光学系における 焦点深度が浅くなって焦点の調
整が難しくなる等の問題点がある。特に，鉄鋼等の製造
プロセスのように測定対象物が振動する場合には，放射
温度計全体の位置を調節するための位置制御機構が必要
となるなど装置全体の大型化，複雑化は避けられない。
そこで，本発明は，上記事情に鑑みて創案されたもので
あり，装置全体の大型化，高い位置決め精度を要求する
ことなく，拡散反射特性を有する測定対象物表面の放射
率を好適に求めて精度の高い表面温度を非接触で計測し
得る放射温度計の提供を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に，本発明が採用する主たる手段は，その要旨とすると
ころが，測定対象物表面に参照光を照射する参照光光源
と，上記参照光光源から照射されて上記測定対象物表面
で反射した反射光を集光する集光手段と，上記集光手段
により集光された反射光を検出する反射光検出手段と，
上記測定対象物表面からの放射光を検出する放射光検出
手段と，上記反射光検出手段により検出された反射光の
光量及び上記参照光光源の光量に基づいて上記測定対象
物表面の放射率を算出すると共に，この放射光検出手段
により検出された放射光に基づいて上記測定対象物表面
の温度を算出する演算手段とを具備してなる放射温度計
において，上記参照光光源，上記集光手段及び上記反射
光検出手段を，上記測定対象物表面に対して垂直な方向
に，上記反射光検出手段によって検出される反射光の光
量が最大となる距離を含む範囲で相対的に振動させる振
動手段を設けると共に，上記演算手段が，上記振動手段
を動作させた状態で上記反射光検出手段により検出され
た反射光の最大値を用いて上記処理を行う点に係る放射
温度計である。

【０００５】

【作用】本発明に係る放射温度計では，集光手段等を測
定対象物表面に対して例えば光軸方向へ振動させつつ時
系列的なデータを得，全データ中での最大値を選択して
反射率を求めると，その値は真の反射率に最も近いかあ
るいは真の反射率に等しいといえる。従って，このよう
にして得られた反射率に基づいて放射率及び測定対象物
表面の温度を演算することにより，精度の高い表面温度
を得ることができる。すなわち，拡散反射性を有する測
定対象物表面からの反射光成分を全て検出しようとする
場合，真の全反射光成分よりも大きい値が検出されるこ
とは原理的に有り得ない。そこで，放射温度計特有の理
想的測定値があるとした場合，測定対象がその位置から
ずれた時には検出強度は必ず減少し，逆に，検出強度が
最大値となる時には，そこが焦点位置に合った理想的な
測定位置であることを意味する。そこで，測定対象物表
面に対して該放射温度計が理想的測定位置にある場合に
は，反射光の測定値が最大になることは予想されること
から，放射温度計を振動させた時の検出強度の最大値を
記録することで全反射強度が求められ，これより全反射
率の測定，放射率の測定が容易となり，精度の高い表面
温度を計測し得ることとなる。

【０００６】

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係る放射温度計の基本的
構成を示す模式図，図２は本発明の他の実施例に係る放
射温度計の基本的構成を示す模式図，図３は本発明のさ
らに他の実施例に係る放射温度計の基本的構成を示す模
式図，図４は当該放射温度計における測定対象物表面と
の距離と反射光強度の検出値との関係を示すグラフであ
る。この実施例に係る放射温度計Ａは，図１に示すごと
く，測定対象物表面１に対し所定の方向から所定光束の
平行光（参照光）を強度変調させながら照射するための
発光ダイオード及びコリメートレンズとからなる参照光
投光器２（参照光光源）と，上記参照光投光器２から照
射される参照光をモニタする参照光検出器４と，上記参
照光投光器２の光軸上に配置され，該参照光投光器２か
ら照射される参照光の一部を上記参照光検出器４へ導く
ハーフミラー３と，上記測定対象物表面１に照射された
参照光に対して鏡面反射方向（正反射方向）に位置し，
該測定対象物表面１からの反射光を鏡面反射方向を軸と
して例えば見込み角２５°で集光すると共に，放射光を
測定する際には絞りを付加して測定対象物表面１からの
放射光をさらに狭い立体角で集光する集光レンズ５（集
光手段）と，上記集光レンズ５により集光された上記参
照光投光器２からの反射光及び上記測定対象物表面１か
らの放射光を検出する検出素子６（反射光検出手段・放
射光検出手段）と，上記集光レンズ５と検出素子６との
間に配置され，反射光を測定する時には開放されて放射
光を測定する時には一定の周期でこの放射光を強度変調
させるチョッパ７と，上記参照光投光器２，ハーフミラ
ー３，参照光検出器４，集光レンズ５，検出素子６，チ
ョッパ７などを一体的に支持し，上記測定対象物表面１
に対して相対的な振動を与える振動装置８（振動手段）
と，放射光測定と反射光測定のモード切替えを行うと共
に，放射率の演算並びに上記測定対象物表面１の表面温
度を算出する信号処理装置９（演算手段）とを具備して
構成されている。

【０００７】上記測定対象物表面１は，本実施例におい
ては拡散反射性を有する例えば研磨されていないアルミ
ニウム表面などが対応する。上記参照光投光器２として
は，ランプあるいはヒータを光源とし，コリメートレン
ズにより平行光となして機械的チョッパにより強度変調
を行うようにしてもよい。上記振動装置８は，上記参照
光投光器２，ハーフミラー３などを固定的に支持する枠
体及びこの枠体を振動させる例えばモータ及びクランク
（不図示）よりなる振動機構にて構成されている。上記
振動装置８は，同図における矢印１１方向，すなわち測
定対象物表面１に対して垂直方向に振動し，その振幅は
振動装置への負荷及び測定対象の位置変動などを考慮す
れば，上記集光レンズ５における焦点深度の５倍程度以
上の値とするのが望ましい。上記信号処理装置９におい
ては，前記した場合と同様，キルヒホッフの法則を利用
して反射率及び放射率を算出するとともに，この放射率
と上記測定対象物表面１からの放射光のみの光量から得
られた輝度温度とに基づいて該測定対象物表面１の表面
温度を演算する。引き続き，上記構成に係る放射温度計
Ａを用いて，測定対象物表面１の表面温度を計測する場
合の手順について説明する。先ず，反射光測定モードで
は，チョッパ７が開放されて，参照光投光器２から強度
変調された参照光が測定対象物表面１に照射されると共
に，振動装置８が駆動される。この場合，測定対象物表
面１が理想的な測定位置（焦点位置）にある時の反射光
を上記検出素子６にて検出し得るように，参照光投光器
２からの参照光の強度変調速度は，測定点数及び信号処
理回路の時定数を考慮すれば，振動装置８の振動速度よ
りも十分大きな値，例えば数百倍程度以上が望ましい。
上記のようにして参照光投光器２から測定対象物表面１
に向けて参照光が照射され，該測定対象物表面１からの
反射光が集光レンズ５により集光されて検出素子６で検
出される。ここで，上記検出素子６により検出された反
射光のうち最大値が測定対象物表面１が理想的測定位置
にある時の測定値であると考えられる。

【０００８】すなわち，図４に放射温度計の測定対象物
表面１に対する距離，検出素子６により検出される反射
光強度の検出値との関係をシミュレートした結果を示す
が，ここで，横軸が放射温度計Ａと測定対象物表面１と
の距離であり，０が理想的な測定位置を示す。すなわ
ち，光学系に対して検出素子６の受光面と測定対象が共
役点（結像関係にある位置）に位置している場合であ
り，測定対象物表面１からの距離が離れる方向をプラス
で表している。縦軸は検出素子６によって検出される反
射光強度であり，理想的な測定位置における値で規格化
して表している。そこで，同図からも明らかなように，
測定対象物表面１が共役点の位置にある場合に反射光強
度の検出値が最大となる。そして，光学系が振動させら
れることにより測定対象物表面１で反射された光の全て
を検出し得ることから，測定対象物表面１に対する共役
点の位置からずれるに従って反射光成分が検出されなく
なっていく。従って，振動する検出素子６から得られた
時系列データを記録し，運動周期のうちで測定データの
対象を比較してその最大値を選択して反射率を求める
と，その値が真の反射率に最も近いか或いは真の反射率
に等しいと考えられる。その結果，放射率の算出に対し
ては，この反射率測定における時系列データの最大値を
用いることにより，誤差を最小限に抑制することができ
る。上記のようにして反射光測定モードでの処理が終了
し，放射光測定モードに移行する。この放射光測定モー
ドでは，参照光投光器２は停止され，チョッパ７を回転
させつつ測定対象物表面１からの放射光の検出が行われ
る。ここで集光レンズ５には絞りが内蔵されていること
から，焦点深度が大きくなって必らずしも装置の振動は
必要とされない。そして，この放射光と上記放射率に基
づいて，上記測定対象物表面１における温度が算出され
る。従って，当該放射温度計においては，振動させるこ
とによい測定対象物表面１において拡散反射する反射光
成分をも検出することができ，精度のよい放射率並びに
表面温度の計測を可能とするものである。

【０００９】引き続き，図２に基づいて，本発明の他の
実施例に係る放射温度計Ｂについて説明する。この実施
例に係る放射温度計Ｂは，前記放射温度計Ａと基本的構
造をほぼ同様とし，その相違点は，測定対象物表面１へ
の参照光を該測定対象物表面１に対して垂直方向から照
射するように構成した点である。すなわち，参照光投光
器２′からの参照光はハーフミラー３′，集光レンズ５
を通して測定対象物表面１に照射されることとなる。こ
の場合，参照光が集光レンズ５の出側で平行光となるよ
うに，この参照光投光器２′では前記参照光投光器２に
対してそのコリメータが変更されている。そして，上記
ハーフミラー３′では，反射光と透過光の割合が同程度
となるように構成されている。上記構成とすることによ
り，測定対象物表面１と放射温度計Ｂとの間の相対距離
を比較的大きくとることができる。また，これにより理
想的測定位置の範囲が広くなり，振動装置８の振動速度
を高めたり，あるいは参照光投光器２′からの参照光の
強度変調を遅くすることが可能となる。図３は，本発明
のさらに他の実施例に係る放射温度計Ｃを示す。この放
射温度計Ｃは，前記放射温度計Ｂとその基本的構造をほ
ぼ同様とし，その相違点は，集光手段として集光レンズ
５′と５″との組み合わせにより構成し，この集光レン
ズ５′のみを矢印１１方向へ振動させる振動装置８′を
採用した点である。これにより，振動部分をコンパクト
化することが可能となり，装置の単純化並びに小型化を
達成することができる。

【００１０】

【発明の効果】本発明は，上記したように，測定対象物
表面に参照光を照射する参照光光源と，上記参照光光源
から照射されて上記測定対象物表面で反射した反射光を
集光する集光手段と，上記集光手段により集光された反
射光を検出する反射光検出手段と，上記測定対象物表面
からの放射光を検出する放射光検出手段と，上記反射光
検出手段により検出された反射光の光量及び上記参照光
光源の光量に基づいて上記測定対象物表面の放射率を算
出すると共に，この放射光検出手段により検出された放
射光に基づいて上記測定対象物表面の温度を算出する演
算手段とを具備してなる放射温度計において，上記参照
光光源，上記集光手段及び上記反射光検出手段を，上記
測定対象物表面に対して垂直な方向に，上記反射光検出
手段によって検出される反射光の光量が最大となる距離
を含む範囲で相対的に振動させる振動手段を設けると共
に，上記演算手段が，上記振動手段を動作させた状態で
上記反射光検出手段により検出された反射光の最大値を
用いて上記処理を行うことを特徴とする放射温度計であ
るから，装置の大型化，高い位置決め精度を要求するこ
となく，拡散反射特性を有する測定対象物表面の反射率
を好適に求めて精度の高い表面温度を非接触で検出する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る放射温度計の基本的
構成を示す模式図。

【図２】 本発明の他の実施例に係る放射温度計の基本
的構成を示す模式図。

【図３】 本発明のさらに他の実施例に係る放射温度計
の基本的構成を示す模式図。

【図４】 当該放射温度計における測定対象物表面との
距離と反射光強度の検出値との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１…測定対象物表面 ２，２′…参照光投光器（参照光光源） ３，３′…ハーフミラー ４…参照光検出器 ５，５′，５″…集光レンズ（集光手段） ６…検出素子（反射光検出手段，放射光検出手段） ７…チョッパ ８，８′…振動装置（振動手段） ９…信号処理装置（演算手段） Ａ，Ｂ，Ｃ…放射温度計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳井 敏志 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (72)発明者 鈴木 紀生 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 神戸総合技術研 究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 5/00 G01J 5/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物表面に参照光を照射する参照
   光光源と， 上記参照光光源から照射されて上記測定対象物表面で反
   射した反射光を集光する集光手段と， 上記集光手段により集光された反射光を検出する反射光
   検出手段と， 上記測定対象物表面からの放射光を検出する放射光検出
   手段と， 上記反射光検出手段により検出された反射光の光量及び
   上記参照光光源の光量に基づいて上記測定対象物表面の
   放射率を算出すると共に，この放射光検出手段により検
   出された放射光に基づいて上記測定対象物表面の温度を
   算出する演算手段とを具備してなる放射温度計におい
   て， 上記参照光光源，上記集光手段及び上記反射光検出手段
   を，上記測定対象物表面に対して垂直な方向に，上記反
   射光検出手段によって検出される反射光の光量が最大と
   なる距離を含む範囲で相対的に振動させる振動手段を設
   けると共に， 上記演算手段が，上記振動手段を動作させた状態で上記
   反射光検出手段により検出された反射光の最大値を用い
   て上記処理を行う ことを特徴とする放射温度計。
2. 【請求項２】 上記集光手段を複数の集光レンズにより
   構成すると共に，一の集光レンズを上記振動手段により
   振動させることとした請求項１記載の放射温度計。