JP4717338B2 - 非接触温度測定システム - Google Patents

Description

本発明は，煩雑なキャリブレーションなしで非接触に温度を計測する手法に関するものであり，温度計測・制御技術分野に属する．

線材の製造を例に挙げると，銅線などの電線の製造過程では，高速で移動する線材に絶縁樹脂皮膜をコーティングするプロセスが必須である．電線の仕上がりを均一に保つには線材の温度を高精度に制御することが必要である．この際に，線材に温度センサを直接接触させて線材の温度を測定すると，高速で走行している線材の絶縁皮膜あるいは線材そのものを損傷することになり，線材の品質を低下させてしまう．したがって，非接触温度測定が必須となる．

非接触温度測定器の代表例である放射温度計は，測定対象の材質，色，表面状態などにより赤外線の放射率が異なるため，製造プロセスを流れる製品が替わるたびに煩雑なキャリブレーション作業が必要となり，生産プロセスにおいては実用的ではない．また，熱流速センサ型非接触温度測定装置（米国特許番号５２１６６２５，国内特許番号３２９２５２３）は，測定対象の材質，色，表面状態などの影響をほとんど受けず，煩雑なキャリブレーション作業が不要であるが，熱流速センサを２個用いるなどシステム構成が複雑であり，価格が高いため，電線製造装置などに組み込んで生産ラインに用いることが困難であるなどの問題があった．

本発明は，煩雑なキャリブレーションの不要な低コスト非接触温度計測システムを提案するものである．

本発明は、温度測定対象物体近傍に、第２物体を温度測定対象物体に接触させることなく設置し、その第２物体を加熱することにより第２物体に温度変化を与え、加熱前の第２物体の温度と加熱後の第２物体の温度との差すなわち、加熱による第２物体の温度上昇値を測定し、この温度上昇値そのものあるいは、加熱による第２物体の温度上昇値から計算した、第２物体の温度上昇に消費されたエネルギー値を用いて、温度測定対象物体の温度を非接触に測定する温度測定の手法であって、前記第２物体として導体を配置し、この導体に電流を流してこの導体を加熱することを特徴とする。

赤外線放射温度計に代表される従来の非接触温度測定システムと異なり，本発明による非接触温度測定システムは温度測定対象物体の材質，表面状態，色などに影響されづらく，温度測定対象物体が替わるたびに煩雑なキャリブレーションをしなおす必要がない．

煩雑なキャリブレーションなしで非接触に温度を測定できるシステムとして既存の製品もあるが，熱流速センサを２個用いるなど，システム構成が複雑であり，また米国特許および国内特許で保護されているために，価格が高い．このため，線材製造装置などに組み込むことがコスト的に困難である．本発明の技術により，煩雑なキャリブレーションなしで非接触に温度を測定できる低コストなシステムを，上記特許に抵触することなく提供することができ，非接触温度測定システムを必要とする技術分野の発展に大きく寄与するものである．

第２物体を，コイル状あるいは円筒フォイル状あるいは円筒膜状にして熱容量を低減し，応答時間の短縮と高精度化を図ることが，本発明による非接触温度測定システムの精度と応答性を高めるために望ましい．また第２物体の有する物理量の温度特性を利用して第２物体の温度を測定することにより，第２物体の温度を測定するための温度センサを省略することができ，システムの簡略化と信頼性向上と応答性の改善とコスト低減が実現される．

本発明の一実施例として，図１に走行線材用温度測定システムの概要を示す．定電流源を接続した被測定線材（中心線材）の周りを導体センサコイルで囲んである．センサコイルにパルス電流を流して，その温度変化をセンサコイルに取り付けた熱電対で読み取る．各中心線材温度に対するパルス電流印加前のコイル温度（ベース温度）とパルス電流印加後のコイル最高温度（ピーク温度），およびベース温度とピーク温度の差を図２に示す．中心線材温度が高くなるにつれて，センサコイルの温度上昇量ΔＴは直線的に小さくなる．この関係を利用して，あらかじめ既知の中心線材温度に対して，センサコイルの温度上昇量ΔＴを測定しておけば，次回からはセンサコイルの温度上昇量ΔＴを測定することにより，被測定線材の温度を非接触に推定することが可能となる．

中心線材の直径が変わらない限り，材質や被覆材料が替わってもあらためてキャリブレーションをしなおす必要がない．さらに，いろいろな中心線材直径に対するキャリブレーションデータを用意しておけば，中心線材の直径が替わっても，毎回あらためてキャリブレーションをしなおす必要はない．

センサコイルの温度上昇量ΔＴの代りに，式（１）に示すようなセンサコイルの温度上昇に消費されたエネルギーＱ_ｕとセンサコイルへ入力された加熱エネルギーＱの比（エネルギー利用率）ηを用いることもできる．

たとえばセンサコイルにパルス電流を流して加熱する場合，Ｑはセンサコイルにパルス電流を流すことにより得られる総発熱量（入力電力量），Ｑ_ｕはセンサコイルの温度上昇に消費された熱量である．Ｑ_ｕはセンサコイルの比熱Ｃ_ｃと質量ｍ，およびベース温度Ｔ_Ｂとピーク温度Ｔ_Ｐの差の積より，式（２）のように求められる．

この場合のエネルギー利用率（電力利用率）ηと中心線材温度Ｔとの関係は，図３のようになる．図３より，電力利用率ηは中心線材温度Ｔが上昇するにつれて，直線的に減少していることがわかる．このことから，温度測定対象線材をセンサコイルで囲み，センサコイルにパルス電流を加えて電力利用率ηを求めることで，測定対象線材の温度を非接触に推定することができる．

産業上の利用の可能性

本発明による非接触温度測定システムは，対象物体の温度を非接触に測定したいという要求を有する広い産業分野に応用が可能である．とくに電線製造のような，ひとつのラインで高品質な多品種の製品を頻繁に交換しながら生産することを要求され，製品交替時のデッドタイムを可能な限り縮めることにより生産コストの低減を強く要求されている分野において，その利用の可能性が非常に大きい．

・・・本発明を利用した走行線材用非接触温度測定システム実験装置の概要 ・・・パルス電流を加える前後のセンサコイル温度と中心線材温度の関係 ・・・電力利用率ηと中心線材温度Ｔの関係

Claims (2)

1. 温度測定対象物体近傍に、第２物体を温度測定対象物体に接触させることなく設置し、その第２物体を加熱することにより第２物体に温度変化を与え、加熱前の第２物体の温度と加熱後の第２物体の温度との差すなわち、加熱による第２物体の温度上昇値を測定し、この温度上昇値そのものあるいは、加熱による第２物体の温度上昇値から計算した、第２物体の温度上昇に消費されたエネルギー値を用いて、温度測定対象物体の温度を非接触に測定する温度測定の手法であって、
   前記第２物体として導体を配置し、この導体に電流を流してこの導体を加熱することを特徴とする温度測定の手法。
2. 前記第２物体に印加する電流は、パルス電流であることを特徴とする、請求項１記載の温度測定の手法。

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