JP3459491B2 - 内部温度測定装置 - Google Patents
内部温度測定装置Info
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- JP3459491B2 JP3459491B2 JP11517395A JP11517395A JP3459491B2 JP 3459491 B2 JP3459491 B2 JP 3459491B2 JP 11517395 A JP11517395 A JP 11517395A JP 11517395 A JP11517395 A JP 11517395A JP 3459491 B2 JP3459491 B2 JP 3459491B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、表面と内部の温度が異
なる試料、特に、鉄鋼製造工程において生成される鋼板
のように表面と内部との温度差が大きい試料について、
その内部温度を測定する内部温度測定装置に関するもの
である。
なる試料、特に、鉄鋼製造工程において生成される鋼板
のように表面と内部との温度差が大きい試料について、
その内部温度を測定する内部温度測定装置に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】鉄鋼製造工程では、その途中の過程にお
いて、適正な圧延を行う等の目的のために、鋼板の内部
温度を測定したいという要請がある。鋼板の内部温度を
測定する一つの方法として、電磁超音波法を用いる方法
が知られている。これについては、例えば「鉄と鋼」
（７９，１５２，１９９３）を参照することができる。
いて、適正な圧延を行う等の目的のために、鋼板の内部
温度を測定したいという要請がある。鋼板の内部温度を
測定する一つの方法として、電磁超音波法を用いる方法
が知られている。これについては、例えば「鉄と鋼」
（７９，１５２，１９９３）を参照することができる。
【０００３】電磁超音波法は、鋼板の近傍に超音波発生
用の電磁石及び超音波検出用の電磁石からなる送受信用
トランスデューサを配置し、トランスデューサによって
試料の内部に超音波を発生させ、この試料の裏側で反射
されて戻って来た超音波エコーを再びトランスデューサ
で検出する。これによって超音波が発生してから戻って
来るまでの時間が測定される。ところで、超音波の伝播
速度は試料の温度によって変化するが、試料内の温度分
布は、未知のパラメータを含む特定の関数形で近似でき
ることが知られている。したがって、上記の超音波エコ
ーの到達時間と、放射温度計や熱電対温度計等によって
別途測定された試料の表面温度から、上記関数形の必要
なパラメータを決定することができ、これによって、解
析的に試料内部の温度を求める。
用の電磁石及び超音波検出用の電磁石からなる送受信用
トランスデューサを配置し、トランスデューサによって
試料の内部に超音波を発生させ、この試料の裏側で反射
されて戻って来た超音波エコーを再びトランスデューサ
で検出する。これによって超音波が発生してから戻って
来るまでの時間が測定される。ところで、超音波の伝播
速度は試料の温度によって変化するが、試料内の温度分
布は、未知のパラメータを含む特定の関数形で近似でき
ることが知られている。したがって、上記の超音波エコ
ーの到達時間と、放射温度計や熱電対温度計等によって
別途測定された試料の表面温度から、上記関数形の必要
なパラメータを決定することができ、これによって、解
析的に試料内部の温度を求める。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、電磁超音波
法は、十分な強度を有する超音波を発生させるため、お
よび試料内部の超音波を有効に検出するために、トラン
スデューサを０．５〜２ｍｍ程度まで試料の表面に近づ
けなければならない。このため、試料が高温の鋼板の場
合には、送受信用のトランスデューサを水冷するなどの
必要があり、取り扱い上、種々の不都合がある。また、
電磁超音波法では、試料は、トランスデューサの方向に
対する振動が小さくなければならないが、鉄鋼製造工程
では種々の振動が考えられるため、実際の製鉄所におい
て電磁超音波法を適用することには、困難を伴う。
法は、十分な強度を有する超音波を発生させるため、お
よび試料内部の超音波を有効に検出するために、トラン
スデューサを０．５〜２ｍｍ程度まで試料の表面に近づ
けなければならない。このため、試料が高温の鋼板の場
合には、送受信用のトランスデューサを水冷するなどの
必要があり、取り扱い上、種々の不都合がある。また、
電磁超音波法では、試料は、トランスデューサの方向に
対する振動が小さくなければならないが、鉄鋼製造工程
では種々の振動が考えられるため、実際の製鉄所におい
て電磁超音波法を適用することには、困難を伴う。
【０００５】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、試料が高温であっても、その内部温度を確実
に測定することができる内部温度測定装置を提供するこ
とを目的とするものである。
のであり、試料が高温であっても、その内部温度を確実
に測定することができる内部温度測定装置を提供するこ
とを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの請求項１記載の発明は、測定対象である試料の表面
温度を測定する表面温度測定手段と、前記試料の表面に
レーザー光を照射して超音波を発生させるレーザー光照
射手段と、超音波検出用のプローブ光を、前記試料の表
面に照射するプローブ光照射手段と、前記プローブ光が
前記試料の表面で反射される際に受けるドップラーシフ
トを検出して光強度に変換するドップラーシフト検出手
段と、前記ドップラーシフト検出手段の検出結果から、
前記超音波が前記試料内を伝播する時間を算出する伝播
時間算出手段と、前記表面温度測定手段によって得られ
た前記試料の表面温度、前記伝播時間算出手段によって
得られた超音波の伝播時間、及び予め求められた前記試
料の寸法から、演算によって前記試料の内部温度を算出
する演算手段と、を具備することを特徴とするものであ
る。
めの請求項１記載の発明は、測定対象である試料の表面
温度を測定する表面温度測定手段と、前記試料の表面に
レーザー光を照射して超音波を発生させるレーザー光照
射手段と、超音波検出用のプローブ光を、前記試料の表
面に照射するプローブ光照射手段と、前記プローブ光が
前記試料の表面で反射される際に受けるドップラーシフ
トを検出して光強度に変換するドップラーシフト検出手
段と、前記ドップラーシフト検出手段の検出結果から、
前記超音波が前記試料内を伝播する時間を算出する伝播
時間算出手段と、前記表面温度測定手段によって得られ
た前記試料の表面温度、前記伝播時間算出手段によって
得られた超音波の伝播時間、及び予め求められた前記試
料の寸法から、演算によって前記試料の内部温度を算出
する演算手段と、を具備することを特徴とするものであ
る。
【０００７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記表面温度測定手段は、金属試料の表面
に形成されたスケールにレーザー光を照射してラマン散
乱を生じさせるプローブ用レーザー光源と、前記ラマン
散乱されたストークス光の強度を検出するストークス光
検出手段と、前記ラマン散乱されたアンチストークス光
の強度を検出するアンチストークス光検出手段と、前記
ストークス光検出手段によって検出されたストークス光
の強度と前記アンチストークス光検出手段によって検出
されたアンチストークス光の強度との比率に基づき、前
記金属試料の表面温度を算出する演算手段と、を具備す
ることを特徴とするものである。
明において、前記表面温度測定手段は、金属試料の表面
に形成されたスケールにレーザー光を照射してラマン散
乱を生じさせるプローブ用レーザー光源と、前記ラマン
散乱されたストークス光の強度を検出するストークス光
検出手段と、前記ラマン散乱されたアンチストークス光
の強度を検出するアンチストークス光検出手段と、前記
ストークス光検出手段によって検出されたストークス光
の強度と前記アンチストークス光検出手段によって検出
されたアンチストークス光の強度との比率に基づき、前
記金属試料の表面温度を算出する演算手段と、を具備す
ることを特徴とするものである。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【作用】本発明は、前記の構成によって、超音波発生用
のレーザー光を試料に照射すると、試料表面は瞬間的に
蒸発し、そのときの蒸発反力によって超音波が発生す
る。この超音波が試料の裏面で反射され、エコーとして
再び表側に戻って試料表面が超音波振動すると、試料表
面で反射されるプローブ光はドップラーシフトを受け
る。このドップラーシフトをドップラーシフト検出手段
が検出すると、その時間間隔から、伝播時間算出手段に
よって超音波の伝播時間が算出される。音速は媒質の温
度に依存して変化し、したがって、超音波の伝播時間
は、試料の温度によって変化する。試料に温度分布があ
る場合、この分布関数を特定の関数形で近似することが
可能である。試料の厚さが分かっていれば、超音波の伝
播時間及び表面温度に基づき、演算手段によって、上記
関数形の未知のパラメータを決定することができる。こ
の温度分布関数から、試料内部の温度が求められる。
のレーザー光を試料に照射すると、試料表面は瞬間的に
蒸発し、そのときの蒸発反力によって超音波が発生す
る。この超音波が試料の裏面で反射され、エコーとして
再び表側に戻って試料表面が超音波振動すると、試料表
面で反射されるプローブ光はドップラーシフトを受け
る。このドップラーシフトをドップラーシフト検出手段
が検出すると、その時間間隔から、伝播時間算出手段に
よって超音波の伝播時間が算出される。音速は媒質の温
度に依存して変化し、したがって、超音波の伝播時間
は、試料の温度によって変化する。試料に温度分布があ
る場合、この分布関数を特定の関数形で近似することが
可能である。試料の厚さが分かっていれば、超音波の伝
播時間及び表面温度に基づき、演算手段によって、上記
関数形の未知のパラメータを決定することができる。こ
の温度分布関数から、試料内部の温度が求められる。
【００１２】
【００１３】ところで、試料の表面温度は、例えば高温
の金属試料の表面に形成されるスケールからのラマン散
乱を利用して求めることができる。すなわち、プローブ
用レーザー光源からレーザー光を照射したときに生じる
ラマン散乱によるストークス光の強度とアンチストーク
ス光の強度の比率は、温度に依存して変化することが知
られており、この変化の仕方も公知である。したがっ
て、逆に、ストークス光の強度とアンチストークス光の
強度の比率を求めることによって、スケールの温度、す
なわち、金属試料の表面温度を求めることが可能とな
る。この表面温度の測定結果に基づいて、上記の手段に
よって、試料の内部温度を算出することができる。
の金属試料の表面に形成されるスケールからのラマン散
乱を利用して求めることができる。すなわち、プローブ
用レーザー光源からレーザー光を照射したときに生じる
ラマン散乱によるストークス光の強度とアンチストーク
ス光の強度の比率は、温度に依存して変化することが知
られており、この変化の仕方も公知である。したがっ
て、逆に、ストークス光の強度とアンチストークス光の
強度の比率を求めることによって、スケールの温度、す
なわち、金属試料の表面温度を求めることが可能とな
る。この表面温度の測定結果に基づいて、上記の手段に
よって、試料の内部温度を算出することができる。
【００１４】
【実施例】以下に図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。図１は、本発明の第一実施例である内部
温度測定装置の概略ブロック図である。この内部温度測
定装置は、試料１０内に超音波を発生させるための超音
波発生用レーザー光源１１と、超音波発生用レーザー光
源１１とは別に設けられたプローブ用レーザー光源１２
と、プローブ用レーザー光源１２から照射され、試料１
０の表面で散乱反射されたプローブ用レーザー光に基づ
いて試料内に発生した超音波のエコーを検出する超音波
検出部２０と、同じく試料１０で散乱反射されたプロー
ブ用レーザー光に基づいて試料１０の表面温度を測定す
る表面温度測定部３０と、試料１０の表面温度及び超音
波エコーの周期に基づいて所定の演算を行い、試料内部
の温度を求める演算部４０からなる。尚、本実施例で
は、内部温度の測定対象となる試料１０を、鉄鋼製造工
程の途中において生成される鋼板とする。また、図１の
試料１０の内部の曲線Ｔ（ｘ）は、後述する温度分布を
模式的に示したものである。
いて説明する。図１は、本発明の第一実施例である内部
温度測定装置の概略ブロック図である。この内部温度測
定装置は、試料１０内に超音波を発生させるための超音
波発生用レーザー光源１１と、超音波発生用レーザー光
源１１とは別に設けられたプローブ用レーザー光源１２
と、プローブ用レーザー光源１２から照射され、試料１
０の表面で散乱反射されたプローブ用レーザー光に基づ
いて試料内に発生した超音波のエコーを検出する超音波
検出部２０と、同じく試料１０で散乱反射されたプロー
ブ用レーザー光に基づいて試料１０の表面温度を測定す
る表面温度測定部３０と、試料１０の表面温度及び超音
波エコーの周期に基づいて所定の演算を行い、試料内部
の温度を求める演算部４０からなる。尚、本実施例で
は、内部温度の測定対象となる試料１０を、鉄鋼製造工
程の途中において生成される鋼板とする。また、図１の
試料１０の内部の曲線Ｔ（ｘ）は、後述する温度分布を
模式的に示したものである。
【００１５】図１において、超音波発生用レーザー光源
１１は、試料１０内に超音波を発生させるためのレーザ
ーであり、比較的大きな出力のパルスレーザー光を放射
できるもの、例えばＱスイッチＹＡＧレーザーなどを用
いることができる。レーザー光源１１から放射されたレ
ーザー光が、所定の光学経路を経て試料１０の表面に照
射されると、試料表面が瞬間的に蒸発し、そのときの熱
的応力又は蒸発反力によって広帯域の超音波が発生す
る。この超音波は、試料内部を伝播して試料の裏面に到
達し、ここで反射されたあと再びエコーとして試料表面
に戻る。このエコーは、しばらくの間、試料の表側と裏
側を往復して減衰しながら伝播する。
１１は、試料１０内に超音波を発生させるためのレーザ
ーであり、比較的大きな出力のパルスレーザー光を放射
できるもの、例えばＱスイッチＹＡＧレーザーなどを用
いることができる。レーザー光源１１から放射されたレ
ーザー光が、所定の光学経路を経て試料１０の表面に照
射されると、試料表面が瞬間的に蒸発し、そのときの熱
的応力又は蒸発反力によって広帯域の超音波が発生す
る。この超音波は、試料内部を伝播して試料の裏面に到
達し、ここで反射されたあと再びエコーとして試料表面
に戻る。このエコーは、しばらくの間、試料の表側と裏
側を往復して減衰しながら伝播する。
【００１６】一方、プローブ用レーザー光源１２は、試
料１０の表面に戻ってきた超音波エコーを検出するとと
もに、試料表面のラマン散乱を観測するためのプローブ
用レーザー光を照射するためのレーザー光源であり、例
えばＡｒ+ レーザーなどを用いることができる。プロー
ブ用レーザー光源１２から放射されたレーザー光は、所
定の光学経路を経て試料１０の表面に照射されると、試
料表面で散乱反射される。また、プローブ用レーザー光
源１２と試料１０の間には、チョッパー１３が設けら
れ、プローブ用レーザー光は、このチョッパー１３によ
ってチョップされる。このチョッパーの出力信号は、参
照信号として後述の表面温度測定部３０のロックイン・
アンプ３５に供給される。
料１０の表面に戻ってきた超音波エコーを検出するとと
もに、試料表面のラマン散乱を観測するためのプローブ
用レーザー光を照射するためのレーザー光源であり、例
えばＡｒ+ レーザーなどを用いることができる。プロー
ブ用レーザー光源１２から放射されたレーザー光は、所
定の光学経路を経て試料１０の表面に照射されると、試
料表面で散乱反射される。また、プローブ用レーザー光
源１２と試料１０の間には、チョッパー１３が設けら
れ、プローブ用レーザー光は、このチョッパー１３によ
ってチョップされる。このチョッパーの出力信号は、参
照信号として後述の表面温度測定部３０のロックイン・
アンプ３５に供給される。
【００１７】試料１０に照射されて散乱反射を受けたプ
ローブ用レーザー光のうち、超音波検査部２０のレンズ
２１に入射した光は、光ファイバ２２、レンズ２３を経
てファブリ・ペロー干渉計２４に導かれる。ファブリ・
ペロー干渉計２４を透過した光は、ホトダイオードなど
からなる光検出器２５によって電気信号に変換される。
この信号は、ハイパス・フィルタ２６、プリ・アンプ２
７を経てディジタル・オシロスコープ２８に供給され
る。
ローブ用レーザー光のうち、超音波検査部２０のレンズ
２１に入射した光は、光ファイバ２２、レンズ２３を経
てファブリ・ペロー干渉計２４に導かれる。ファブリ・
ペロー干渉計２４を透過した光は、ホトダイオードなど
からなる光検出器２５によって電気信号に変換される。
この信号は、ハイパス・フィルタ２６、プリ・アンプ２
７を経てディジタル・オシロスコープ２８に供給され
る。
【００１８】発生した超音波がエコーとして表側の表面
へ戻ると、プローブ用レーザー光は、試料表面の超音波
振動によってドップラーシフトを受け、その波長が遷移
する。ファブリ・ペロー干渉計２４は、その共振器長で
決まる特定波長の光を透過し、それ以外の波長の光は通
さないという性質を有する。しかも、この透過率の波長
依存性は非常に急峻である。共振器長を変えたときの透
過率の変化の割合が最も大きくなるように共振器長を予
め調整しておけば、入射光の波長が遷移したときに、そ
の透過光強度が大きく変化する。
へ戻ると、プローブ用レーザー光は、試料表面の超音波
振動によってドップラーシフトを受け、その波長が遷移
する。ファブリ・ペロー干渉計２４は、その共振器長で
決まる特定波長の光を透過し、それ以外の波長の光は通
さないという性質を有する。しかも、この透過率の波長
依存性は非常に急峻である。共振器長を変えたときの透
過率の変化の割合が最も大きくなるように共振器長を予
め調整しておけば、入射光の波長が遷移したときに、そ
の透過光強度が大きく変化する。
【００１９】従って、プローブ用レーザー光がドップラ
ーシフトを受けると、これは光検出器２５において光強
度の変化として捉えられる。この光強度の変化は、横軸
に時間をとったディジタル・オシロスコープ２８に映し
出された信号波形のピークとして現れ、これによって超
音波エコーを検出することができる。このピークとピー
クの間隔は、超音波エコーが試料の表側と裏側の間を往
復するのに要する時間に対応し、また、超音波が表側か
ら裏側まで伝播するのに要する時間は、この間隔の半分
となる。この時間は、ディジタル・オシロスコープ２８
から演算部４０へ供給される信号によって、自動的に求
められる。
ーシフトを受けると、これは光検出器２５において光強
度の変化として捉えられる。この光強度の変化は、横軸
に時間をとったディジタル・オシロスコープ２８に映し
出された信号波形のピークとして現れ、これによって超
音波エコーを検出することができる。このピークとピー
クの間隔は、超音波エコーが試料の表側と裏側の間を往
復するのに要する時間に対応し、また、超音波が表側か
ら裏側まで伝播するのに要する時間は、この間隔の半分
となる。この時間は、ディジタル・オシロスコープ２８
から演算部４０へ供給される信号によって、自動的に求
められる。
【００２０】一方、試料１０に照射されて散乱反射を受
けたプローブ用レーザー光のうち、表面温度測定部３０
のレンズ３１に入射した光は、光ファイバ３２、レンズ
３３によって分光器３４へ導かれる。一般に、鉄などの
金属はラマン不活性であるが、熱せられた金属の表面に
はスケールと呼ばれる酸化物が形成されており、これは
ラマン活性であることが知られている。分光器３４は、
スケールによってラマン散乱された光のストークス光及
びアンチストークス光の波長帯域の光を分光し、それぞ
れを光検出器３５へ導く。検出された光は、各々ロック
イン・アンプ３６に供給され、ここでチョッパー１３か
らの参照信号に基づいてストークス光及びアンチストー
クス光の強度が検出される。これらはメモリ３７に一時
的に記憶された後、割算器３８において、ストークス光
とアンチストークス光の強度比が計算される。
けたプローブ用レーザー光のうち、表面温度測定部３０
のレンズ３１に入射した光は、光ファイバ３２、レンズ
３３によって分光器３４へ導かれる。一般に、鉄などの
金属はラマン不活性であるが、熱せられた金属の表面に
はスケールと呼ばれる酸化物が形成されており、これは
ラマン活性であることが知られている。分光器３４は、
スケールによってラマン散乱された光のストークス光及
びアンチストークス光の波長帯域の光を分光し、それぞ
れを光検出器３５へ導く。検出された光は、各々ロック
イン・アンプ３６に供給され、ここでチョッパー１３か
らの参照信号に基づいてストークス光及びアンチストー
クス光の強度が検出される。これらはメモリ３７に一時
的に記憶された後、割算器３８において、ストークス光
とアンチストークス光の強度比が計算される。
【００２１】ここで、ラマン散乱によって試料の表面温
度を求める手法について説明する。ラマン散乱によって
生じるストークス光とアンチストークス光の強度比と温
度との間には、
度を求める手法について説明する。ラマン散乱によって
生じるストークス光とアンチストークス光の強度比と温
度との間には、
【数１】
という関係があることが知られている。ここで、Ｉs は
ストークス光の強度、Ｉa はアンチストークス光の強
度、ｈはプランク定数、ｃは光速、ｋはボルツマン定
数、Ｔは絶対温度を表す。縦軸に強度の比率（Ｉs ／Ｉ
a ）を、横軸に温度（Ｋ）を採り、ラマンシフトの波数
（ｃｍ-1）を変えてこの関係を図示すると、図２のよう
になる。一方、本発明者は、試料１０の表面に形成され
たスケールが図３に示すラマンスペクトルを有すること
を確認した。この場合、ラマン散乱におけるラマンシフ
トの波数は約４００ｃｍ-1とすればよいことが分かる。
尚、図３において、縦軸は光の強度を、横軸はスケール
に入射するレーザー光の波数ν0に対するスケール表面
から放射される光の波数のシフト量を示す。図１の演算
部４０にはラマンシフトの波数が４００ｃｍ-1であると
きの図２に示す内容が記憶されたテーブルが設けられて
おり、演算部４０はこのテーブルに基づき、ストークス
光及びアンチストークス光の強度の比率から試料１０の
表面温度を演算する。尚、スケールのラマン散乱光から
求められる温度は、厳密にはスケールの温度である。し
かし、スケールは試料１０の表面に形成されているの
で、スケールの温度と試料１０の表面温度とは同等と考
えることができる。尚、ラマン散乱による金属表面の温
度測定に関しては、本出願人による、平成７年４月１３
日付けの特許出願（発明の名称「表面温度計」）を参照
することができる。
ストークス光の強度、Ｉa はアンチストークス光の強
度、ｈはプランク定数、ｃは光速、ｋはボルツマン定
数、Ｔは絶対温度を表す。縦軸に強度の比率（Ｉs ／Ｉ
a ）を、横軸に温度（Ｋ）を採り、ラマンシフトの波数
（ｃｍ-1）を変えてこの関係を図示すると、図２のよう
になる。一方、本発明者は、試料１０の表面に形成され
たスケールが図３に示すラマンスペクトルを有すること
を確認した。この場合、ラマン散乱におけるラマンシフ
トの波数は約４００ｃｍ-1とすればよいことが分かる。
尚、図３において、縦軸は光の強度を、横軸はスケール
に入射するレーザー光の波数ν0に対するスケール表面
から放射される光の波数のシフト量を示す。図１の演算
部４０にはラマンシフトの波数が４００ｃｍ-1であると
きの図２に示す内容が記憶されたテーブルが設けられて
おり、演算部４０はこのテーブルに基づき、ストークス
光及びアンチストークス光の強度の比率から試料１０の
表面温度を演算する。尚、スケールのラマン散乱光から
求められる温度は、厳密にはスケールの温度である。し
かし、スケールは試料１０の表面に形成されているの
で、スケールの温度と試料１０の表面温度とは同等と考
えることができる。尚、ラマン散乱による金属表面の温
度測定に関しては、本出願人による、平成７年４月１３
日付けの特許出願（発明の名称「表面温度計」）を参照
することができる。
【００２２】次に、上で得られた超音波の伝播時間及び
表面温度から、試料１０の内部温度を求める手法につい
て説明する。一般に、超音波の速度（音速）Ｖは、それ
が伝わる媒質の温度Ｔに依存する。この音速の温度依存
性は、 Ｖ（Ｔ） ＝ ａＴ ＋ ｂ （２） と表すことができる。ここで、ａおよびｂは、実験的に
求められる、その物質固有の定数である。
表面温度から、試料１０の内部温度を求める手法につい
て説明する。一般に、超音波の速度（音速）Ｖは、それ
が伝わる媒質の温度Ｔに依存する。この音速の温度依存
性は、 Ｖ（Ｔ） ＝ ａＴ ＋ ｂ （２） と表すことができる。ここで、ａおよびｂは、実験的に
求められる、その物質固有の定数である。
【００２３】また、媒質となる試料１０が鉄鋼製造工程
における鋼板のようなものである場合には、内部の温度
は表面に比べて高く、したがって、試料に垂直な方向に
沿って考えると、中心部に対して対称な温度分布を示
す。この温度分布の関数形は、自然放冷の問題を、適当
な境界条件を仮定して計算によって求めることができる
が、一般には、たとえば次の二次曲線として近似できる
ことが知られている。 Ｔ（ｘ） ＝ Ｔc − Ａ（ｘ−Ｄ／２）2 （３） ここで、ｘは、試料の表側の表面を原点とする試料表面
に垂直な方向の位置である。Ｔc およびＡは未知の定数
であり、前者は中心の温度に対応する。また、Ｄは試料
の厚さであり、この値は予め測定によって得られる。
（３）式より、試料の表面温度Ｔs は、 Ｔs ＝Ｔc −ＡＤ2 ／４ （４） と表される。
における鋼板のようなものである場合には、内部の温度
は表面に比べて高く、したがって、試料に垂直な方向に
沿って考えると、中心部に対して対称な温度分布を示
す。この温度分布の関数形は、自然放冷の問題を、適当
な境界条件を仮定して計算によって求めることができる
が、一般には、たとえば次の二次曲線として近似できる
ことが知られている。 Ｔ（ｘ） ＝ Ｔc − Ａ（ｘ−Ｄ／２）2 （３） ここで、ｘは、試料の表側の表面を原点とする試料表面
に垂直な方向の位置である。Ｔc およびＡは未知の定数
であり、前者は中心の温度に対応する。また、Ｄは試料
の厚さであり、この値は予め測定によって得られる。
（３）式より、試料の表面温度Ｔs は、 Ｔs ＝Ｔc −ＡＤ2 ／４ （４） と表される。
【００２４】試料内の各位置における音速は、（３）式
を（２）式に代入することによって、次式のように求め
ることができる。 Ｖ（Ｔ） ＝ ａＴ ＋ ｂ ＝ ａ｛Ｔc −Ａ（ｘ−Ｄ／２）2 ｝ ＋ ｂ ＝ −ａＡ（ｘ−Ｄ／２）2 ＋ （ａＴc ＋ｂ） （５） また、音速Ｖと時間ｔの間には、Ｖ＝ｄｘ／ｄｔの関係
があるので、超音波が試料の表側から裏側まで到達する
のに要する時間τは、
を（２）式に代入することによって、次式のように求め
ることができる。 Ｖ（Ｔ） ＝ ａＴ ＋ ｂ ＝ ａ｛Ｔc −Ａ（ｘ−Ｄ／２）2 ｝ ＋ ｂ ＝ −ａＡ（ｘ−Ｄ／２）2 ＋ （ａＴc ＋ｂ） （５） また、音速Ｖと時間ｔの間には、Ｖ＝ｄｘ／ｄｔの関係
があるので、超音波が試料の表側から裏側まで到達する
のに要する時間τは、
【数２】
と表すことができる。ここで、α＝｛（ａＴc ＋ｂ）／
ａＡ｝1/2 である。
ａＡ｝1/2 である。
【００２５】一方、超音波発生用レーザー光源１１から
のレーザー光によって表側の表面で発生した超音波が裏
側へ到達するのに要する時間は、上記のように超音波検
出部２０によって実験的に求められる。この時間を
（６）式のτに代入すれば、代数計算によって未知数Ａ
およびＴc を含む式が得られる。この式と、同じく未知
数ＡおよびＴc を含む（４）式とを用いて、ＡおよびＴ
c の値が求められ、これらを（３）式に代入することに
よって、試料の温度分布を決定することができる。この
温度分布から、試料内の任意の位置における温度を求め
ることができる。以上の計算は、図１の演算部４０にお
いて行われる。
のレーザー光によって表側の表面で発生した超音波が裏
側へ到達するのに要する時間は、上記のように超音波検
出部２０によって実験的に求められる。この時間を
（６）式のτに代入すれば、代数計算によって未知数Ａ
およびＴc を含む式が得られる。この式と、同じく未知
数ＡおよびＴc を含む（４）式とを用いて、ＡおよびＴ
c の値が求められ、これらを（３）式に代入することに
よって、試料の温度分布を決定することができる。この
温度分布から、試料内の任意の位置における温度を求め
ることができる。以上の計算は、図１の演算部４０にお
いて行われる。
【００２６】上で説明した内部温度測定装置は、完全に
非接触で、かつ装置を試料から十分に離して試料内部の
温度測定が可能となるため、鉄鋼製造工程において製造
される鋼板のような高温の試料に対しても、簡便に内部
温度を測定できる。また、ガルバノミラー等を用いて、
レーザー光を試料表面全体にわたってスキャンさせるこ
とによって、試料全体の内部温度を容易に知ることも可
能となる。
非接触で、かつ装置を試料から十分に離して試料内部の
温度測定が可能となるため、鉄鋼製造工程において製造
される鋼板のような高温の試料に対しても、簡便に内部
温度を測定できる。また、ガルバノミラー等を用いて、
レーザー光を試料表面全体にわたってスキャンさせるこ
とによって、試料全体の内部温度を容易に知ることも可
能となる。
【００２７】ところで、本実施例では、内部温度を求め
る前提となる表面温度を測定するために、試料表面に形
成されたスケールによるラマン散乱を利用したが、これ
以外の周知の表面温度計、例えば放射温度計などを、上
記表面温度測定部３０に置き換えて使用することもでき
る。放射温度計を用いた場合でも、試料表面の温度を、
非接触で測定することができる。また、試料に接触する
ことが可能な場合には、熱電対温度計を使用することも
できる。熱電対温度計は、接触形ではあるが、かなりの
高温まで精度のよい測定が可能である。
る前提となる表面温度を測定するために、試料表面に形
成されたスケールによるラマン散乱を利用したが、これ
以外の周知の表面温度計、例えば放射温度計などを、上
記表面温度測定部３０に置き換えて使用することもでき
る。放射温度計を用いた場合でも、試料表面の温度を、
非接触で測定することができる。また、試料に接触する
ことが可能な場合には、熱電対温度計を使用することも
できる。熱電対温度計は、接触形ではあるが、かなりの
高温まで精度のよい測定が可能である。
【００２８】尚、上記の第一実施例では、計算のし易さ
や測定温度の正確さなどを考慮して、温度分布の関数形
を二次関数として近似したが、これ以外の関数、たとえ
ば双曲線関数などで近似することも可能である。また、
上記実施例ではプローブ用レーザー光源１２を一台だけ
設けて、プローブ用レーザー光の反射光を超音波検査部
２０及び表面温度測定部３０の両方で用いたが、超音波
検査部２０と表面温度測定部３０について別々にプロー
ブ用レーザーを設けてもよい。更に、プローブ用レーザ
ーを照射するのは、超音波発生用レーザー光源１１を照
射する表側と同じである必要はなく、裏側であってもよ
い。
や測定温度の正確さなどを考慮して、温度分布の関数形
を二次関数として近似したが、これ以外の関数、たとえ
ば双曲線関数などで近似することも可能である。また、
上記実施例ではプローブ用レーザー光源１２を一台だけ
設けて、プローブ用レーザー光の反射光を超音波検査部
２０及び表面温度測定部３０の両方で用いたが、超音波
検査部２０と表面温度測定部３０について別々にプロー
ブ用レーザーを設けてもよい。更に、プローブ用レーザ
ーを照射するのは、超音波発生用レーザー光源１１を照
射する表側と同じである必要はなく、裏側であってもよ
い。
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直接測定できない試料の内部温度を、レーザー光を照射
して発生する超音波の伝播時間を別のレーザー光でドッ
プラーシフトとして検出するとともに、レーザー光によ
るラマン散乱等を用いて表面温度を測定し、これらの結
果から演算によって算出することができるので、非常に
高速に試料の内部温度を測定することができ、特に、鉄
鋼製造工程における鋼板のように、表面と内部で大きく
温度が異なる試料であっても、現場で確実に内部温度が
求められる内部温度測定装置を提供することができる。
直接測定できない試料の内部温度を、レーザー光を照射
して発生する超音波の伝播時間を別のレーザー光でドッ
プラーシフトとして検出するとともに、レーザー光によ
るラマン散乱等を用いて表面温度を測定し、これらの結
果から演算によって算出することができるので、非常に
高速に試料の内部温度を測定することができ、特に、鉄
鋼製造工程における鋼板のように、表面と内部で大きく
温度が異なる試料であっても、現場で確実に内部温度が
求められる内部温度測定装置を提供することができる。
【図１】本発明の第一実施例である内部温度測定装置の
概略ブロック図である。
概略ブロック図である。
【図２】ストークス光及びアンチストークス光の強度比
と温度との関係を示した図である。
と温度との関係を示した図である。
【図３】スケールのラマンスペクトルを示した図であ
る。
る。
１０ 試料
１１ 超音波発生用レーザー光源
１２ プローブ用レーザー光源
１３ チョッパー
２０ 超音波検出部
２１、２３、３１、３３ レンズ
２２、３２ 光ファイバ
２４ ファブリ・ペロー干渉計
２５、３５ 光検出器
２６ ハイパス・フィルタ
２７ プリ・アンプ
２８ ディジタル・オシロスコープ
３０ 表面温度測定部
３４ 分光器
３６ ロックイン・アンプ
３７ メモリ
３８ 割算器
４０ 演算部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 林 一雄
相模原市淵野辺５丁目10番１号 新日本
製鐵株式会社 エレクトロニクス研究所
内
(56)参考文献 特開 昭60−35231（ＪＰ，Ａ)
特開 昭59−140524（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−245026（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−34324（ＪＰ，Ａ)
特公 平３−47703（ＪＰ，Ｂ２)
特公 平２−32578（ＪＰ，Ｂ２)
特公 平２−16874（ＪＰ，Ｂ２)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01K 11/24
G01J 5/58
Claims (2)
- 【請求項１】 測定対象である試料の表面温度を測定す
る表面温度測定手段と、 前記試料の表面にレーザー光を照射して超音波を発生さ
せるレーザー光照射手段と、 超音波検出用のプローブ光を、前記試料の表面に照射す
るプローブ光照射手段と、 前記プローブ光が前記試料の表面で反射される際に受け
るドップラーシフトを検出して光強度に変換するドップ
ラーシフト検出手段と、 前記ドップラーシフト検出手段の検出結果から、前記超
音波が前記試料内を伝播する時間を算出する伝播時間算
出手段と、 前記表面温度測定手段によって得られた前記試料の表面
温度、前記伝播時間算出手段によって得られた超音波の
伝播時間、及び予め求められた前記試料の寸法から、演
算によって前記試料の内部温度を算出する演算手段と、 を具備することを特徴とする内部温度測定装置。 - 【請求項２】 前記表面温度測定手段は、 金属試料の表面に形成されたスケールにレーザー光を照
射してラマン散乱を生じさせるプローブ用レーザー光源
と、 前記ラマン散乱されたストークス光の強度を検出するス
トークス光検出手段と、 前記ラマン散乱されたアンチストークス光の強度を検出
するアンチストークス光検出手段と、 前記ストークス光検出手段によって検出されたストーク
ス光の強度と前記アンチストークス光検出手段によって
検出されたアンチストークス光の強度との比率に基づ
き、前記金属試料の表面温度を算出する演算手段と、 を具備することを特徴とする請求項１記載の内部温度測
定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11517395A JP3459491B2 (ja) | 1995-04-17 | 1995-04-17 | 内部温度測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11517395A JP3459491B2 (ja) | 1995-04-17 | 1995-04-17 | 内部温度測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08285704A JPH08285704A (ja) | 1996-11-01 |
| JP3459491B2 true JP3459491B2 (ja) | 2003-10-20 |
Family
ID=14656161
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11517395A Expired - Fee Related JP3459491B2 (ja) | 1995-04-17 | 1995-04-17 | 内部温度測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3459491B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1679513A3 (en) * | 1996-11-22 | 2007-01-10 | Perceptron, Inc. | Physical parameter measuring apparatus and method thereof |
| JP2002062197A (ja) * | 2000-08-23 | 2002-02-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 温度計測装置及び温度計測方法 |
| JP4843790B2 (ja) * | 2006-09-15 | 2011-12-21 | 国立大学法人長岡技術科学大学 | 超音波を用いた温度測定方法 |
| JP2008102160A (ja) * | 2008-01-18 | 2008-05-01 | Toshiba Corp | 超音波計測装置 |
| JP5446008B2 (ja) * | 2010-01-22 | 2014-03-19 | 国立大学法人長岡技術科学大学 | 超音波を用いた温度測定方法 |
-
1995
- 1995-04-17 JP JP11517395A patent/JP3459491B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08285704A (ja) | 1996-11-01 |
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