JP5151675B2 - 温度測定方法及び温度測定装置 - Google Patents
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(A)炉内迷光分布上、上記被測定物体の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
(B)上記被測定物体の測定表面に対する角度が、被測定物体の放射率が変化しない角度以上となる位置
(C)上記被測定物体との間に火炎を挟まない位置
(A)炉内迷光分布上、上記被測定物体の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
(B)上記被測定物体の測定表面に対する角度が、被測定物体の放射率が変化しない角度以上となる位置
(C)上記被測定物体との間に火炎を挟まない位置
まず、本発明の一実施形態に係る加熱炉内の被測定物体(温度測定対象物体)の温度を測定する温度測定方法について説明する前に、図10及び図11を参照しつつ、関連技術について説明する。図10及び図11は、関連技術に係る温度測定方法について説明するための説明図である。
問題(1):被測定物体が移動する場合には、その近傍に温度既知物体を置くことが難しい。
問題(2):温度既知物体を被測定物体の近傍、即ちカメラから離れた位置に置くと、画像の中の温度既知物体の画素数が少なくなる。
被測定物体が移動する場合、例えばウォーキングビーム式加熱炉等では、被測定物体の動きによって温度既知物体が破損する恐れがある。この対策として、被測定物体の移動に応じて遮蔽板が移動する機構を設ければ測定システム自体が複雑となり、実用的でない。
例えば、被測定物体が離れた位置に配置されたり、比較的小さい被測定物体の温度を計測するためには、被測定物体を撮像可能なように、ある程度の解像度を有する撮像装置を使用する必要がある。撮像装置として例えば40万画素のカメラを用いた場合、1画素の視野角は幅0.08度、高さ0.08度程度の小さい領域となる。温度既知物体をカメラから離れた位置に置くと、画像中を占める温度既知物体の領域が非常に小さくなるため、1画素の出力は空間的、時間的変動、信号処理系の外乱等の影響を受け、いくらかのバラツキを生ずる。
以下、本発明の一実施形態に係る温度測定方法について説明する。
この温度測定方法は、上述の関連技術に係る温度測定方法を前提に、大きく分けて以下の1〜3のような特徴を有する。
特徴2.温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも25画素、望ましくは100画素以上となるような位置に配置される。
特徴3.温度既知物体は、その放射率が被測定物体の放射率に対して前後0.1の範囲となる材質を用いる。
特徴1.迷光を補正するための温度既知物体を、撮像装置の近傍に設置し、かつ、被計測物体の放射エネルギーの計測する際、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を選択してその単色輝度を計測し、得られた単色輝度を迷光補正して温度を求める。
手段2)炉内の温度分布等による誤差の理論的評価を可能にするために、放射伝熱の理論を厳密に適用して迷光補正計算式を作成する。
以下、各手段について具体的に述べる。
燃焼炉内には燃料の燃焼によって生じた二酸化炭素や水蒸気などが存在し、これらのガス体は、炉内の放射エネルギーを吸収し、また、自己の温度に応じたエネルギーを放射する。ガスの温度は、炉内の位置によって異なるので、炉内迷光量は、位置によって異なる。しかし、二酸化炭素や水蒸気等のガスが吸収・放射するのは、スペクトルのうちいくつかの特定の波長域に限られている。従って、二酸化炭素の吸収・放射波長域と水蒸気の吸収・放射波長域とを共に避けた波長を計測すれば、炉11内ガスの影響を含まない迷光補正が可能である。
単波長を用いることに従って、迷光を補正するための計算は、一般的な放射伝熱計算で用いられるStefan−Bolzmannの式でなく、単波長の放射エネルギーを計算するPlankの式を用いる。具体的には下記の手順1〜7により計算する。
E :波長λの黒体輝度[W/m3]
λ :波長[m]
T :温度[K]
C1:定数 3.74×10−16[W/m2]
C2:定数 0.014387[μm・K]
ここで、この式5の導出過程について述べる。温度Tの物体表面から放射される単色放射量Aは、Planckの法則から計算される黒体輝度Eに、物体表面の放射率εを乗じたものである。即ち、単色放射量Aは、下記式6で表される。
ここで、この式の導出過程について述べる。
上記手順4)項で導出した下記の式12(上記式8)を用い、この式を変形して黒体輝度Eを求めると、上記の式11が得られる。
ここに述べた迷光補正方法(手順1〜手順7)を用いることによって、温度既知物体と被測定物体との距離が離れている場合においても、被測定物体の温度を求めることが可能である。以下、その理由を述べる。
特徴2.温度既知物体は、その大きさが撮像装置の画素数において少なくとも25画素、望ましくは100画素以上となるような位置に配置される。
上記問題(2)に示した如く、関連技術では、撮像装置の1画素が占める領域が小さいため、1画素の出力は、例えば空間的・時間的変動・信号処理系の外乱等の影響を受け、いくらかのバラツキを生ずる。温度既知物体の1画素単位の出力の実測値を図1に示す。
上述の通り、1画素単位の標準偏差は11℃であった。統計学の法則によればn個の平均値をとった場合の標準偏差は、その個数の平方根に逆比例するので、25画素の平均をとれば、標準偏差は5分の1の約2℃となる。100画素の平均値をとれば、100の平方根10に逆比例するので、10分の1の約1℃となる。
特徴3.温度既知物体は、その放射率が被測定物体の放射率に対して前後0.1の範囲となる材質を用いる。
本発明の発明者らは、本実施形態の温度測定方法について、計測条件が種々に変わった場合の計測結果、即ち迷光補正後温度の誤差について理論的検討を行なった。
特徴5.炉内の迷光量分布等から規定される温度既知物体の位置
特徴4.放射率の経時変化への対処
温度既知物体として金属保護管付き熱電対を用いた場合は、長期間の使用などによる酸化の影響によって、温度既知物体の放射率が、若干変化する可能性がある。また、セラミック製保護管付き熱電対を用いた場合では酸化の恐れはないが、煤や炉内ダスト等の付着による放射率変化の可能性は排除できない。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、このような温度既知物体の放射率の経時変化に対して、以下に示す手段により対処することができる。
手段1)放射率の経時変化の把握方法
一般に物体表面の放射率を測定するためには迷光の無い条件下でその物体の温度と輝度を測定する必要がある。よって、炉内に設置したままでは放射率の把握は困難である。しかし、炉の操業条件が一定ならば炉内の迷光量分布に変動は無く、温度既知物体からの放射輝度と炉の内壁からの放射輝度の関係は一定と考えられる。この現象を利用し、撮像装置の視野内の炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を長期的に記録し、同一温度条件での傾向管理を行なうことによって放射率の経時変化の有無を把握、管理することができる。例えば、炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差の変化が、所定の閾値を超えた場合などに、温度既知物体の放射率が変化したと判断することができる。そして、放射率が変化した場合、温度測定精度を保つために、以下の手段2による対処を採ることができる。
手段2)放射率の経時変化が生じた場合の対処方法
温度既知物体を新品に交換することが最良の手段である。交換することが不可能であり、かつ、上記手段1の傾向管理データから放射率の変化値が推定できる場合には、以下の方法によって補正してもよい。即ち、上述の特徴1の手段2)で導出した迷光量Jを計算する以下の式17(上記式5)において、標準の放射率εの代わりに経時変化後の放射率εxを用いた式18により、迷光量Jを計算する。
なお、ここで使用した経時変化後の放射率εxは、以下のように導き出すことができる。
上述の通り、手段1では、撮像装置の視野内の炉内壁輝度と温度既知物体輝度との差を長期的に記録する。この際、炉内において放射率の経時変化が比較的安定して変化がほとんど無いとみなされる部位、例えば長期間補修改修を行っていない炉壁の輝度と、温度既知物体輝度との差もあわせて記録する。以下、この部位を「比較部位」ともいう。なお、炉内壁が比較部位である場合、手段1で記録する炉内壁輝度を比較部位の輝度とすることができる。
特徴5.炉内の迷光量分布等から規定される温度既知物体の位置
この特徴5について説明すれば、以下の通りである。
上記の如く、本実施形態では、炉内ガス等による反射・吸収が起こらない波長を使用するなどにより、温度既知物体は被測定物体の近傍に配置される必要はないが、この波長においても、炉内の迷光は位置による分布がある。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、測定精度を更に高めるために、温度既知物体は、被測定物体位置の迷光量と同等の迷光量となる位置に置く。迷光分布等による温度既知物体の位置の制約は、次の3つの条件によって規定される。
(条件2)被測定物体の測定表面に対する角度が、被測定物体の放射率が変化しない角度以上となる位置
(条件3)被測定物体との間に火炎を挟まない位置
(条件1)炉内迷光分布上、被測定物体の位置と迷光量がほぼ同一となる位置
炉の内壁に温度分布がある場合、炉内壁近傍では、近くの炉内壁の温度の影響を強く受けるため、迷光量が炉内の一般部分とは異なる場合がある。一部の炉内壁温度が異なる場合について、発明者らのデータに基づいて、迷光量を算出した結果を図5に示す。炉内壁温度1200℃に保持した炉において、一部の炉内壁を1100℃としたときの迷光分布である。図5の横軸は1100℃の炉壁からの距離である。炉内壁より0.25m未満の領域における迷光量は、他の位置の迷光量と著しく異なる。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、温度既知物体を炉内壁から0.25m以上離れた位置に配置することにより、炉内壁の温度分布による炉内迷光分布による影響を低減して、温度測定精度を更に向上させることができる。
(条件2)被測定物体の測定表面に対する角度が、被測定物体の放射率が変化しない角度以上となる位置
一般的には、物質によっては、表面の放射率が、放射方向によって異なる場合がある。これは例えば化学工学便覧改訂3版の図2.81に例示されている。一方、本実施形態に係る温度測定方法では、温度既知物体と被測定物体とを撮像装置の同一視野内に置いて、輝度の比較によって補正計算を行なう。従って、被測定物体の放射率が温度既知物体の放射率に対して変化しないよう、被測定物体の測定表面に対する角度が、放射率が変化しない範囲の角度となる位置に、温度既知物体を配置して両者を撮像装置の視野内に収めなければならない。
(条件3)被測定物体との間に火炎を挟まない位置
本実施形態では、燃焼ガス中の熱放射ガスである二酸化炭素と水蒸気の放射スペクトルを避けた単色光例えば波長1μmの放射を計測するので、全波長放射測定型の温度計に較べて、火炎の影響は受けにくい。しかし、火炎には熱放射性のフリーラジカル等が含まれるので、被測定物体との間に火炎が介在すると迷光補正誤差が生ずる可能性がある。そこで、本実施形態に係る温度測定方法では、被測定物体と温度既知物体及び撮像装置との間に火炎を挟まない位置関係を保持することにより、火炎による影響を低減させる。この位置関係は、本技術を適用する炉の被測定物体と火炎との位置関係により規定される。具体的には、図7に示すように、被測定点(被測定物体)から火炎の端までの水平距離をX1、被測定点から火炎下端までの高さをY1、被測定点から温度既知物体までの水平距離をX0、高さをY0とするとき、温度既知物体の位置は、下記式19を満たすように設定される。
(条件1)炉の内壁からの距離が0.25m以上であり、
(条件2)被測定点と温度既知物体とのなす角度が、被測定点の表面に対して13度以上であり、
(条件3)被測定点から火炎の端までの水平距離をX1、被測定点から火炎までの高さをY1、被測定点から温度既知物体までの水平距離をX0、高さをY0とするとき上記式19を満たすように設定される。
次に、このような方法を実際に実行する本実施形態に係る温度測定装置について説明する。
図7に示すように、温度測定装置10は、加熱炉11内に配置された被測定物体13の温度を測定する。図7では、加熱炉11として、バーナ15によって加熱を行う炉を例示しているが、本実施形態に係る温度測定装置10を適用可能な加熱炉11は、この例に限定されるものではない。
次に、本発明の一実施形態に係る温度測定方法及び温度測定装置により、被測定物体13として、燃焼炉(加熱炉11の一例)内の鋼材表面温度を測定した例を示す。燃焼炉は、内法長さ8m、幅2m、高さ2mであり、LNG(Liquefied Natural Gas)により加熱される。鋼材は、およそ5m、厚み50mmである。撮像装置14は、画素38万個のCCDカメラを用いた。CCDカメラは波長フィルター機能を有しており、この波長フィルター機能により、波長1.0±0.2μmの単波長の放射光を測定した。なお、この際、波長フィルター機能は、±0.2μm程度の幅を有しているため、撮像装置14は、実際には波長0.8〜1.2μの放射光のみを計測することになるが、この程度の幅の波長は、実用上及び工業上、単波長とみなすことができる。従って、撮像装置14は、厳密な単波長光を撮像する必要はなく、工業的に単波長とみなせる程度の波長の光を撮像すればよい。
最後に、本発明の一実施形態に係る温度測定方法等による効果が判りやすいように、上記特許文献1〜3に対する有利な効果の例を説明する。ただし、ここで説明する効果は、あくまで一例であって、本実施形態に係る温度測定方法等による効果を限定するものではないことは言うまでもない。
特許文献1に記載の温度測定方法では、温度測定物体の表面に遮蔽板を設けて炉内迷光を遮断する。そして、遮蔽板は、水冷して遮蔽板自体からの熱放射を防いでいる。遮蔽板の発する放射による誤差は、遮蔽板の温度T2を実測し、見掛け放射エネルギーG1から下記の式22により補正後真温度T1を得る。なお、Eb(T)は温度Tにおける放射エネルギを表す。
特許文献1に記載の温度測定方法では、炉壁の実測温度Twと炉壁実効温度Tw’を用い、輝度Lを表す下記の式によって放射温度計の見掛け温度Sから補正した表面温度Tを得る。
特許文献3については、上記関連技術で説明した通りであり、上記の説明において詳しく効果等を説明したが、本発明の一実施形態に係る温度測定装置は、更に、温度既知物体を被測定物体から離れた、カメラの近傍に設置することによって、上記特許文献1で説明した被測定物体の移動による種々の障害を回避するとともに、通常小さな物体である温度既知物体の画角を大きくして十分な画素数を得て補正精度を高めることが可能である。
11 加熱炉
12 温度既知物体
13 被測定物体
14 撮像装置
15 バーナ
20 演算部
21 画像解析部
22 迷光算出部
23 迷光補正部
24 温度算出部
25 放射率変更部
26 記憶部
31 表示部
32 記憶部
Claims (14)
- 加熱炉内に配置された被測定物体の温度を測定する温度測定方法であって、
前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体を、輝度計測部の近傍に設置し、
前記輝度計測部を用いて、炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を有する単色輝度により、前記被測定物体及び前記温度既知物体の放射エネルギーを計測するとともに、前記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーを計測し、
前記炉内壁と前記温度既知物体との放射エネルギーの差を記録し、
記録した前記放射エネルギーの差に基づいて、前記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握し、
計測した前記単色輝度を迷光補正して、前記被測定物体の温度を求めることを特徴とする、温度測定方法。 - 前記被測定物体の温度を求める際に、
前記温度既知物体の放射エネルギーと、当該温度既知物体の温度とに基づいて、迷光量を算出し、
算出した前記迷光量と、前記被測定物体の放射エネルギーとに基づいて、当該被測定物体の温度を算出することを特徴とする、請求項1に記載の温度測定方法。 - 前記輝度計測部は、前記被測定物体及び前記温度既知物体の放射エネルギーの単色輝度分布を所定の画素数の画像として撮像する撮像装置であり、
前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が25画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の温度測定方法。 - 前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が100画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項3に記載の温度測定方法。
- 前記温度既知物体の放射率は、前記被測定物体の放射率に対して前後0.1の範囲内であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の温度測定方法。
- 前記温度既知物体の放射率の経時変化が生じた場合、経時変化後の放射率を算出し、
当該経時変化後の放射率を使用して、前記迷光補正を行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の温度測定方法。 - 前記温度既知物体は、以下の(A)、(B)及び(C)の条件のうち、少なくともいずれかを満たす位置に配置されることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の温度測定方法。
(A)炉内迷光分布上、前記被測定物体の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
(B)前記被測定物体の測定表面に対する角度が、被測定物体の放射率が変化しない角度以上となる位置
(C)前記被測定物体との間に火炎を挟まない位置 - 加熱炉内に配置された被測定物体の温度を測定する温度測定装置であって、
炉内ガスによる吸収及び放射が起こらない波長を有する単色輝度により、少なくとも、前記被測定物体の放射エネルギーと、前記加熱炉の炉内壁の放射エネルギーとを計測する輝度計測部と、
前記輝度計測部の測定範囲内で当該輝度計測部の近傍に配置され、前記加熱炉内の迷光を補正するための温度既知物体と、
前記炉内壁と前記温度既知物体との放射エネルギーの差が記録される記憶部と、
前記記憶部に記録された前記放射エネルギーの差に基づいて、前記温度既知物体の放射率の経時変化の有無を把握する放射率変更部と、
前記輝度計測部が計測した前記被測定物体及び前記温度既知物体の単色輝度を迷光補正して、前記被測定物体の温度を求める演算部と、
を有することを特徴とする、温度測定装置。 - 前記演算部は、
前記被測定物体の温度を求める際に、前記温度既知物体の放射エネルギーと、当該温度既知物体の温度とに基づいて、迷光量を算出する迷光算出部と、
前記迷光算出部が算出した前記迷光量と、前記被測定物体の放射エネルギーとに基づいて、当該被測定物体の温度を算出する温度算出部と、
を有することを特徴とする、請求項8に記載の温度測定装置。 - 前記輝度計測部は、前記被測定物体及び前記温度既知物体の放射エネルギーの単色輝度分布を所定の画素数の画像として撮像する撮像装置であり、
前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が25画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項8又は9に記載の温度測定装置。 - 前記温度既知物体は、前記撮像装置が撮像する画像中を占める領域が100画素以上となる位置に配置されることを特徴とする、請求項10に記載の温度測定装置。
- 前記温度既知物体の放射率は、前記被測定物体の放射率に対して前後0.1の範囲内であることを特徴とする、請求項8〜11のいずれかに記載の温度測定装置。
- 前記放射率変更部は、前記温度既知物体の放射率の経時変化が生じた場合、経時変化後の放射率を算出し、
前記演算部は、当該経時変化後の放射率を使用して、前記迷光補正を行うことを特徴とする、請求項8〜12のいずれかに記載の温度測定装置。 - 前記温度既知物体は、以下の(A)、(B)及び(C)の条件のうち、少なくともいずれかを満たす位置に配置されることを特徴とする、請求項8〜13のいずれかに記載の温度測定装置。
(A)炉内迷光分布上、前記被測定物体の位置と迷光量がほぼ同一となる距離だけ炉壁から離隔した位置
(B)前記被測定物体の測定表面に対する角度が、被測定物体の放射率が変化しない角度以上となる位置
(C)前記被測定物体との間に火炎を挟まない位置
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