JP3655415B2

JP3655415B2 - 放射温度測定方法

Info

Publication number: JP3655415B2
Application number: JP32882396A
Authority: JP
Inventors: 憲一五明; 大輔東山; 正雄田辺
Original assignee: KAWASO ELECTRIC INDUSTRIAL KABUSHIKI KAISHA
Current assignee: KAWASO ELECTRIC INDUSTRIAL KABUSHIKI KAISHA
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-12-09
Also published as: TW350910B; KR19980063616A; JPH10170344A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長及び温度により放射率が変動する測定対象物の温度を、二つの波長の放射光を非接触で検出することにより計測する放射温度測定方法に係り、特に、低放射率金属の温度を精度良く計測する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の放射温度を計測するには、表面粗度や酸化膜厚、屈折率、吸収率等の物性値の関数で表される物質そのものが持つ放射率を把握することによって測定対象物の温度を測定している。
しかし、前記物性値の関数値は、物体の製造プロセス（例えば金属の焼鈍炉内）の中でどのように変動しているか皆目検討もつかない。例えば、連続焼鈍炉内のステンレス鋼板等では前記放射率は０．１〜０．２程度の低い水準から、０．７〜０．９の高い水準までダイナミックに変動する。
【０００３】
そこで、現場では特定の材料における特定のプロセス下での温度計測を行うので、その時々の測定対象物の表面放射率を実験的に把握し、実験的に得た測定対象物の表面放射率のデータを数式化し、これを用いて真温度Ｔを求める方法がある。例えば、放射率は波長に依存するので、ε_i＝ｆ（λ_i）で示される。よって、二波長による放射温度測定では、一方の放射率が他方の放射率の関数によって表されることになり、ε１＝ｆ（ε２）という関係式が成立する。このような数式、関係式は、従来より当業界の各社、各人の研究により数種類の回帰式或いは実験式が提唱されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の二波長による放射温度測定法を用いて、焼鈍炉で低放射率金属のストリップ温度を測定する場合、低放射率金属ストリップは前記のように放射率の温度依存性が高いため、ストリップの表面放射率の設定値からの変動が大きくなる。そのため、ε１／ε２＝一定値とする従来の二波長放射温度計では、灰色補正の灰色率の設定如何で温度指示値が大きくシフトしたり、温度指示のバラツキ幅が大きくなるといった問題が発生し、広い温度範囲において精度良く温度測定を行うことができない。なお、灰色補正は、放射温度測定を行う２色温度計（レシオ温度計）において、未知数である真温度を求めるための条件設定として用いられるものである。
【０００５】
この点は、図２に示した各種ステンレス鋼の放射率と温度との関係を表した実測データ、更には、図３に示した各種ステンレス鋼の分光放射率と波長との関係を表した実測データを見れば明らかである。すなわち、図２より鋼種（番号で示す）及び性状によって挙動は異なるが、温度の上昇につれて放射率も上昇する傾向にあることが分かる。また、図３より長波長になるにつれて放射率が減少する傾向にあることが分かる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、波長及び温度により大きく変動する放射率を有する、特に低放射率金属の温度を、二波長放射温度計を用いて広い温度範囲に亘って精度良く測定を行うことが可能な放射温度測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【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は、被測定対象物体からの放射光の二つの異なる波長成分を透過するフィルターを用いて、その対象物体の温度を測定する二波長放射温度計を用いた放射温度測定方法において、前記二つの異なる波長から得られる二つの放射率の対数値を、該異なる二つの波長において検出された放射光から得られる輝度温度の一次式若しくは多次式として表し、これを熱放射のウィーンの式及びプランクの第２定数を用いて表した放射率の対数式と連立させることによって、被測定対象物体の温度を求めるものである。
【０００８】
また、前記二つの異なる波長から得られる二つの放射率の対数値を、該異なる二つの波長において検出された放射光から得られる輝度温度の一次若しくは多次式は、
【０００９】

ここに、ｉ＝１，２、Ｔiは測定値（輝度温度）、λiは測定波長、A _i , B _i , C: 決定定数（実験等によって定まる値）、ｊは被測定対象によって定める式の次数、で表したものを用いることができる。
【００１０】
上記方法においては、二つの放射率の対数値を輝度温度の和として表した関係式と、熱放射のウィーンの式及びプランクの第２定数を用いて表した放射率の対数式とを連立させて解を求め、それに二つの異なる波長λ_i について計測した放射温度計測値Ｔ_i と、回帰的に求まる各種定数や値を代入し演算することで、真温度（未知数）に極めて近似した温度（測定値となる）が求まる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面を参照して説明する。本発明において使用する放射温度測定装置は、図１に示すように、従来から用いられている二波長放射温度計１であって、測定対象物３の表面から放射線（放射光）を受けるように配置される。ここには、焼鈍炉で低放射率金属のストリップ温度を測定する場合を想定しており、必要に応じて炉壁から測定視路に到達する背光雑音（迷光）の影響を除去するため、水冷放射シールド等でなる遮蔽管２を設ければよい。
【００１２】
前記放射温度測定装置を用いて本発明による測定方法を以下に説明する。測定対象物３から放射される二つの特定波長（λ₁，λ₂）の光から得られる輝度温度をＴ₁，Ｔ₂とし、前記特定波長（λ₁，λ₂）の波長における放射率をε₁，ε₂とし、求めたい真温度をＴとすると、放射率の対数は、熱放射のウィーンの式を用いて次式のように表すことができる。
【００１３】
【数２】
ｌｎε₁＝Ｃ₂／λ₁・（１／Ｔ−１／Ｔ₁）・・・（１）
ｌｎε₂＝Ｃ₂／λ₂・（１／Ｔ−１／Ｔ₂）・・・（２）
ここで、Ｃ₂ はプランクの第２定数である。
更に（１）式と（２）式を組み合わせると
１／Ｔ＝１／（λ₂−λ₁）・λ₁λ₂／Ｃ₂・1ｎ（ε₁／ε₂）＋１／（λ₂−λ₁）・（λ₂／Ｔ₁−λ₁／Ｔ₂）・・・（３）
の式が得られる。
【００１４】
前記（３）式においてλ₁，λ₂は既知、Ｔ₁、Ｔ₂は測定値（観測可能な輝度温度）であるので、ｌｎ（ε₁／ε₂），真温度Ｔが未知数である。
よってｌｎ（ε₁／ε₂）に関して情報がなければ、真温度Ｔを決定することができない。
従って、前述のごとく従来より用いられている、▲１▼ｌｎ（ε₁／ε₂）が一定であるという二波長放射温度計の仮定関数や、▲２▼ｌｎε_i＝ｆ（λ_i，Ｔ_i）［ｉ＝１，２］といった対数放射率が波長と輝度温度の関数であることを表した式のいずれかを追加式として、前記（１）（２）式、若しくは（３）式に連立させる必要がある。
【００１５】
そこで、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、回帰的に、前記▲２▼式に基づく関数として、対数放射率が次式のような輝度温度及び波長の多次式で表されることを知見した。
【００１６】
【数３】
ｌｎε_i＝Ａ_j・Ｔ_i ^j＋Ａ_j-1・Ｔ_i ^j-1＋Ａ_j-2・Ｔ_i ^j-2＋…＋Ｂ_j・λ_i ^j＋Ｂ_j-1・λ_i ^j-1＋Ｂ_j-2・λ_i ^j-2＋…＋Ｃ・・・（４）
ここに、ｉ＝１，２、Ａ_j 等，Ｂ_j 等，及びＣは定数、ｊは式の次数。
【００１７】
更に、前記（４）式は、測定波長が固定されると（λ_i には具体的数値が入るので、いま、これを１μｍとすると）、次式の如く温度のみの多次式となって表される。
【００１８】
【数４】
ｌｎε_i ＝Ａ_j・Ｔ_i ^j＋Ａ_j-1・Ｔ_i ^j-1＋Ａ_j-2・Ｔ_i ^j-2＋…＋Ｂ_j＋Ｂ^j-1＋Ｂ_j-2 ＋・・・＋Ｃ
従って、Ｂ_j＋Ｂ_j-1＋Ｂ_j-2 ＋・・・＋Ｃ＝Ｃ´とおくと、
ｌｎε_i＝Ａ_j・Ｔ_i ^j＋Ａ_j-1・Ｔ_i ^j-1＋Ａ_j-2・Ｔ_i ^j-2＋…＋Ｃ´・・・（５）
【００１９】
以上より、前記（１）（２）式、若しくは（３）式に（５）式を連立させれば、ｊの値を変えていくことで、次式の如く一次式若しくは多次式の形で表していくことができる。
【００２０】
【数５】
例えば、ｊ＝１のとき（一次式）、
１／Ｔ＝Ｃ₁／Ｔ₁＋Ｃ₂／Ｔ₂＋Ａ₁（Ｔ₁−Ｔ₂）＋Ｃ₀
（Ｃ₀〜Ｃ₂，Ａ₁ ；定数）
例えば、ｊ＝２のとき（二次式）、
１／Ｔ＝Ｃ₁／Ｔ₁＋Ｃ₂／Ｔ₂＋Ａ₂（Ｔ₁ ²−Ｔ₂ ²）＋Ａ₁（Ｔ₁−Ｔ₂）＋Ｃ₀
（Ｃ₀〜Ｃ₂，Ａ₁ 〜Ａ₂；定数）
【００２１】
すなわち、ｊの値を増減させることによって精度を調節することができるわけである。しかしながら、当然の如く、ｊの値を増やせば精度もそれに伴い上がるわけであるが、その分、上記の如く式の数も増え、アルゴリズムでの演算処理のスピードが逆に遅くなる。従って、必要に応じ、また、測定対象物の材質（含有成分、例えば、ステンレスの場合、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ等の成分）に応じて、ｊの値を調節すればよい。
【００２２】
本発明方法を適用して計測・演算により得られた測定温度と真温度とを比較して図４に示す。図４は同−のストリップ中のステンレス鋼板（ＳＵＳ３０１）の温度（温度範囲約１１００〜１４００Ｋ）を測定した実測比較データであり、二波長放射温度計を用いた本発明方法による測定温度（□印）と、同じく二波長放射温度計を用いた従来の方法による測定温度（〇印及び△印、灰色補正の補正係数が異なる）とを示す。本発明方法と従来方法とを比較すると、本発明方法による測定値（□印）は、バラツキが極めて小さく、また、測定値と真値に極めて良好な相関があることが明らかである。なお、上記実験計測の雰囲気は窒素、短波長λ₁＝０．９５μｍ，長波長λ₂＝１．０８μｍ、ｊ値は２とした。真温度は、放射率の影響を受けない接触温度計測等で求めたものである。
【００２３】
上記二次式において回帰的に最も良い結果が得られた値を具体的に示すと、次の通りであった。
【００２４】
【数６】
１／Ｔ＝−３２．１３４７／Ｔ₁＋３３．２１３１６／Ｔ₂＋２．１０６９５×１０^-8×（Ｔ₁ ²−Ｔ₂ ²）−７．２９４９６×１０^-8×（Ｔ₁−Ｔ₂）＋５．３４３５９８×１０^-8
【００２５】
なお、灰色補正（Ｇ．Ｃ）は、ε１：短波長側の放射率、ε２：長波長側の放射率とすると、通常、２色温度計（レシオ温度計）は、未知数が３（放射率ε１、放射率ε２、真温度Ｔ）、情報（式）が２（各波長の輝度温度信号）であるので、未知数の数が式の数より多い。よって、他の条件を設定しなければ、真温度Ｔを求めることができない。その条件設定が灰色度補正である。灰色度補正は、ε１／ε２＝Ｃ（一定）とし、Ｃの値を測定条件によって変化させる。通常、Ｃの値の変更は、０．８〜１．２の範囲で行う。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限られず種々の変形が可能である。例えば、本発明は、上記で言う他の条件設定として、対数放射率を上記（４）式で表したものを想定し、定数に適宜の値を設定して未知数である解、つまり計測値を求め、これを真値と比較した結果、最も相関があると認識したものであり、上記の二次式における定数の具体的な値は、上記計測条件下において有効なものであり、計測対象物や計測雰囲気に応じて変わり得る。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明の放射温度測定方法によれば、二波長放射温度計によっては従来測定できなかった、特に低放射率金属等のような、放射率がダイナミックに変動するような測定対象物の温度を、広範囲にわたって真温度に近い正確な温度測定を行うことができる。また、温度のバラツキの幅も小さくなり高精度な測定が可能になる。更に、本件発明に係る定数の値を変えることによって現場のニーズに対応した精度の調節も行うことができ、実用に適した二波長放射温度計を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による放射温度計の測定状況を示した構成図である。
【図２】各種ステンレス鋼の放射率と温度との関係を示した実測データ図である。
【図３】各種ステンレス鋼の分光放射率と波長の関係を示した実測データ図である。
【図４】本発明に係る二波長放射温度計による測定方法と、従来の二波長放射温度計による測定方法により、同−のストリップ中のステンレス鋼板の温度を測定した実測比較データ図である。
【符号の説明】
１二波長放射温度計
３測定対象物

Claims

被測定対象物体からの波長の異なる二つの放射光を用いて該物体の温度を測定する二波長放射温度計を用いた放射温度測定方法において、
前記波長によって異なる放射率の対数値を、該異なる二つの波長において検出された放射光から得られる輝度温度の一次若しくは多次の関係式として表し、
この関係式と、熱放射のウィーンの式及びプランクの第２定数を用いて表した放射率の対数式とを連立させることによって、該対象物体の温度を求めることを特徴とする放射温度測定方法。
前記二つの異なる波長（λｉ）から得られる二つの放射率（εｉ）の対数値を、該異なる二つの波長において検出された放射光から得られる輝度温度（Ｔ i ）の一次若しくは多次の関係式で表したものが、

ここに、ｉ＝１，２、Ｔiは測定値（輝度温度）、λiは測定波長、A _i , B _i , C: 決定定数（実験等によって定まる値）、ｊは被測定対象によって定める式の次数、
であることを特徴とする請求項１に記載の放射温度測定方法。