JP5708891B2 - 表面温度測定装置及び表面温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材等の被測温材の表面温度を放射測温によって測定する装置及びその方法に関する。特に、本発明は、水冷中の鋼材（車輪、鋼管、鋼板、レール等）等の被測温材の表面温度を精度良く測温可能な表面温度測定装置及びその方法に関する。

車輪、鋼管、鋼板、レール等の被測温材の高品質化や生産性向上を図るために、冷却工程における被測温材の温度管理が重要になっている。被測温材の熱間圧延ラインや熱処理・冷却ラインなどの冷却工程において、放射温度計を用いて被測温材の表面温度を測定する際、被測温材と放射温度計との間に湯気が存在したり冷却水が飛散してきたり、或いは、被測温材表面が水膜に覆われたり水没したりすることがある。このような環境下では、被測温材から放射された熱放射光が、水蒸気、湯気、冷却水等に吸収され或いは散乱されることにより、測温値に誤差が生じたり、測定できない場合が生じたりすることもある。

そこで、上記のような要因によって生じる測温誤差を低減し、精度の良い放射測温を可能とするべく、従来、鋼材表面温度を測定する方法が種々提案されている。例えば特許文献１では、鋼材表面に向けてノズルからパージ用の水を噴出することにより放射温度計と鋼材表面との間に水柱を形成し、当該水柱を介して鋼材から放射される熱放射光の放射エネルギーを検出することにより鋼材表面温度を測定する方法が提案されている。

より具体的に説明すれば、特許文献１に記載の温度測定方法では、被測定物から放射された放射エネルギーに基づいて該被測定物の表面温度を測定する放射温度計と前記被測定物との間に水柱を形成し、該被測定物から放射された放射エネルギーの内、前記水柱が吸収した放射エネルギーの分を補正しながら、前記放射温度計を用いて前記被測定物の表面温度を測定する。かかる方法では、前記水柱を形成するに当たり、該水柱の温度を６０℃以上にすることを特徴としている。

特許文献１に記載の方法によれば、放射温度計と被測定物との間に水柱が形成されるため、水柱が形成された部分には水蒸気や飛散水が浸入し難く、これら水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することが可能である。さらに、特許文献１に記載の方法は、水柱の温度を６０℃以上にする構成であり、水柱が接触している被測定物表面に沸騰膜が形成され易くなる。このため、被測定物の表面温度低下を抑制し、測温値の代表性を損なうこともなく、被測定物の冷却むらも低減できるという利点を有する。

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、水柱の温度を６０℃以上に上昇させるための加熱装置が必要であり、水を昇温させるためのエネルギーコストが掛かるという問題がある。また、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置（例えば、超音波方式）が必要であるため、装置全体の寸法が大きくなり、鋼材の搬送ロール間等の狭いスペースには設置し難いという問題がある。さらに、厚み測定装置をたとえ設置できたとしても、着脱に手間を要するなど保全性を阻害したり、厚み測定装置の故障による測温値の安定性・信頼性の低下が問題となる。

特許文献１に記載の方法における上記の問題点等を解決するため、本発明者らは、特許文献２に記載の方法を提案している。具体的には、特許文献２に記載の方法は、被測温鋼材下面から放射された熱放射光を、被測温鋼材下面に向けてノズルから噴射したパージ水を介して被測温鋼材の下方に対向配置した放射温度計で検出することにより、被測温鋼材の表面温度を測定する方法である。かかる方法では、被測温鋼材のパスラインを位置基準とした前記パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することを特徴とする（特許文献２の請求項２）。また、かかる方法では、前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることが提案されている（特許文献２の請求項３）。

特許文献２に記載の上記方法によれば、パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することにより、被測温鋼材下面に対するパージ水の衝突圧が抑制され、パージ水がたとえ常温であっても冷却を抑制することができる。このため、特許文献２に記載の方法によれば、特許文献１では必要であった水を昇温させるためのエネルギーコストが掛からないという利点が得られる。また、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることにより、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置が不要になるという利点が得られる。

しかしながら、特許文献２に記載の上記方法では、被測温鋼材の上面、側面等を測温する場合には、パージ水が被測温鋼材に衝突することになるため、被測温鋼材の表面が冷却されることによる測温誤差が生じるという問題がある。また、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下としているため、放射測温可能な鋼材の表面温度の下限値は、５００℃程度である。近年における鋼材の高品質化に対する要求レベルに鑑みれば、２００℃程度の低温域の表面温度を管理することが重要となってきている。このため、５００℃程度以上の表面温度しか測定できない方法では、適切な温度管理ができないという問題がある。

上記の他、被測温材の表面温度を測定する技術として、測温部の先端に接触板を備え、接触板の裏面に固定された熱電対線の感温部を被測温材に軽く押し付けて温度測定する方法が広く用いられている。しかしながら、接触板によって熱電対線の感温部を被測温材に押しつける構成であるため、水冷による冷却工程においては、接触板と被測温材との間に水が入り込み、熱電対線の感温部が水と接触する。このため、精度良く被測温材の表面温度を測定することができないという問題がある。

特開平８−２９５９５０号公報 特開２００６−１７５８９号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、水冷中の鋼材（車輪、鋼管、鋼板、レール等）等の被測温材の表面温度を精度良く測温可能な表面温度測定装置及びその方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスとを備え、前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面との間に水が介在可能なように、前記被測温材の表面に対して近接配置される、表面温度測定装置を提供する。

また、表面温度測定装置は、前記放射温度計の受光部が、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を受光するようにしてもよい。

前記放射温度計は、波長０．７〜０．９μｍ、１．０〜１．２μｍ及び１．６〜１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出するようにしてもよい。

また、表面温度測定装置は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備えてもよい。

前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、表面温度測定装置は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて前記放射温度計の出力値を補正することにより測温値を算出してもよい。

前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略平行な前記被測温材の上面であり、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、２．５ｍｍ以下であってもよい。

前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、１．０ｍｍ以下であってもよい。

表面温度測定装置は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に水を供給する水供給装置を備えてもよい。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、水冷中の被測温材の表面から放射される熱放射光を放射温度計で検出することにより、前記被測温材の表面温度を測定する方法であって、前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、前記熱放射光を透過させる光学ガラスを前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間に介在させ、前記光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面に対して近接配置させて、前記光学ガラスの被測温材側の端面と前記被測温材の表面との間に水を介在可能な状態とし、前記被測温材の表面温度を測定する、表面温度測定方法が提供される。

また、前記被測温材が、外周面を有する円板状、円柱状または円筒状の鋼材であるとき、前記被測温材の表面温度を測定するに際し、前記被測温材の中心軸を回転中心として前記被測温材を回転させながら、前記被測温材の前記外周面を水冷している状態で、前記被測温材の前記外周面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持しながら、前記被測温材の前記外周面の温度を前記放射温度計により測定してもよい。

以上に説明したように本発明によると、水冷中の鋼材（車輪、鋼管、鋼板、レール等）等の被測温材の表面温度を精度良く測温可能な表面温度測定装置及びその方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置の概略図平面図である。 図２は、図１のＡ方向から見た同実施形態に係る表面温度測定装置の概略正面図である。 図３は、図１のＢ方向から見た表面温度測定装置の概略側面図である。 図４は、筐体の内部にあるパージ機構の概略図である。 図５は、水の厚みに対する熱放射光の波長と熱放射光の透過率との関係を示すグラフである。 図６は、水平方向に対して略平行な鋼板の上面（水平面）又は水平方向に対して略垂直な鋼板の平面（垂直面）と光学ガラスの端面との離間距離によって、鋼板と光学ガラスの端面との間に存在する水の状態を観察した結果を示すグラフである。 図７は、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面と間に存在する水の充満状態の一例を説明する説明図である。 図８は、水の充満率と測温誤差との関係の一例を示すグラフである。 図９は、水の充満部分と放射温度計の検出部の測定視野との関係を説明する説明図である。 図１０は、水冷中の鋼板の垂直面の表面温度測定の精度を評価するための実装置の概略図である。 図１１は、図１０に示す実験装置によって得られた温度測定結果を示すグラフである。

＜１．本発明の概要＞
以下、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置について説明する。まず、本実施形態に係る表面温度測定装置の概要について説明する。

本実施形態に係る表面温度測定装置は、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスとを備え、前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面に対して近接配置される。

本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、筐体は、被測温材側が開口されており、筐体の内部に放射温度計のうち少なくとも放射温度計の受光部が収納されている。また、被測温材と放射温度計の受光部との間に介在する光学ガラスは熱放射光を透過させる。このため、被測温材の表面から放射された熱放射光は、筐体の開口部及び光学ガラスを介して放射温度計の受光部で受光される。なお、放射温度計は、その全体が筐体の内部に収納されていてもよく、放射温度計の受光部が筐体の内部に収納され、放射温度計の受光部以外の部分が筐体の外部に設けられていてもよい。

一般的に、冷却工程では、被測温材の周囲には水蒸気や飛散水が存在しているため、これら水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱によって放射温度計にて検出される熱放射光の放射エネルギーが減少し、測定誤差が生じる。放射温度計を被測温材に近接設置すれば水蒸気や飛散水による影響を低減することができるが、放射温度計の耐熱性や防水性が問題となる。本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、光学ガラスが被測温材と放射温度計の受光部との間において筐体内に密着嵌合される。このため、放射温度計が被測温材から放射される熱に直接さらされることなく、筐体の開口端から筐体の内部ひいては放射温度計の受光部に水が浸入し難くなる。よって、放射温度計の耐熱性や防水性を確保することができる。

また、光学ガラスの被測温材側の端面が被測温材に対して近接配置されるため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に水蒸気や飛散水、及び冷却水が入り込み難い。また、冷却水等が入り込んだとしても、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に入り込んだ冷却水に表面張力が働き、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が安定して存在することが期待できる。このため、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。

ここで、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が安定して存在するとは、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が完全に充満することの他、一部に安定して存在することも含む。具体的には、例えば、熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して垂直な平面である場合、冷却水は重力による影響を受ける。このとき冷却水は、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間の下方の一部に安定して存在し得る。

したがって、光学ガラスの被測温材側の端面を被測温材の表面との間に水が介在する位置に配置して、放射温度計の受光部が、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して被測温材の表面から放射された熱放射光を受光するように表面温度測定装置を構成してもよい。これにより、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。

また、本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が安定して存在することが期待できる。このため、本実施形態に係る表面温度測定装置は、パージ水やパージエアーを用いることなく、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。また、パージ水やパージエアーを被測温材に吹き付けることに起因する被測温材の温度低下が生じないため、被測温材の表面温度に与える影響は小さい。

例えば、断面略円形状の車輪の冷却工程において、車輪を軸中心回りに回転させつつ車輪の外周面（周方向の側面）を水冷することが行われている。この際、適切に温度管理された冷却が行われているか否かを確認するため、車輪の外周面を放射温度計により測温している。特に、上記の車輪の温度測定においてパージ水やパージエアーを用いるとすれば、車輪の回転速度は低速であるため、パージ水やパージエアーに起因する車輪の温度低下が顕著となり、所望の冷却工程を実現することが困難である。また、車輪が１回転する毎に同じ側面の温度を測定することになるため、パージ水やパージエアーに起因する車輪の温度低下が何度も生じる結果、更に、所望の冷却工程を実現することが困難となる。本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、パージ水やパージエアーによって車輪の表面が冷やされることがないため、測定温度の代表性を損なわずに車輪の表面温度を測定することができる。

本実施形態において、前記放射温度計は、波長０．７〜０．９μｍ、１．０〜１．２μｍ及び１．６〜１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出することが好ましい。

図５は、種々の厚みを有する２８℃の水道水に対する熱放射光の波長と熱放射光の透過率との関係を示すグラフである。図５より、水の厚みが小さくなれば透過率が大きくなることがわかる。ここで、本実施形態では、光学ガラスの被測温材側の端面が被測温材の表面に対して近接して配置されている。例えば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を３ｍｍ以下とすれば、測温誤差の一因となる熱放射光の透過率については、水の厚みが３ｍｍの場合に示す透過率より大きいといえる。

一方、表面温度の測定位置を移動するとき等に、冷却水の充満状態が変動するため、放射温度計の測定視野内に冷却水が充満されているとは限らない。つまり、検出された熱放射光が冷却水を透過していない場合には、実質的に透過率の変動が生じることになる。

図５に示すように、検出波長０．７〜０．９μｍの放射温度計の場合、水の厚みが３ｍｍとすると、透過率は略１．０であり、冷却水の充満状態の変動を考慮したとしても透過率の変動がほとんどないため測定誤差はほとんど生じない。

また、検出波長１．０〜１．２μｍの放射温度計の場合、水の厚みが３ｍｍとすると、透過率は０．７以上となる。このため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する冷却水の充満状態の変動によって、透過率は０．７〜１．０の間で変動する。仮に、この透過率の中間値である０．８５を平均的な透過率とした場合には、透過率変動幅は０．１５となる。このため、斯かる透過率変動幅が測温に与える影響を試算すると、６００℃域で±９℃、４００℃域で±５℃程度となる。従って、冷却水の充満状態の変動が生じたとしても、精度良く表面温度を測定することができる。

また、検出波長１．６〜１．８μｍの放射温度計の場合、水の厚みが３ｍｍとすると、透過率は０．１以上となる。このため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水の充満状態の変動によって、透過率は０．１〜１．０の間で変動する。仮に、この透過率の中間値である０．５５を平均的な透過率とした場合には、透過率変動幅は０．４５となる。このため、斯かる透過率変動幅が測温に与える影響を試算すると、４００℃域で±２４℃、２００℃域で±１２℃程度となる。従って、冷却水の充満状態の変動が生じたとしても、精度良く被測温材の表面温度を測定することができる。

上記の好ましい構成によれば、放射温度計は、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水に対する熱放射光の透過率が高くなる波長帯域の光を検出するため、測定誤差を抑制することができる。

本実施形態において、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備えることが好ましい。

斯かる好ましい構成によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離が保持されるため、光学ガラスが被測温材に接触しない。従って、光学ガラスが被測温材に接触することによって破損することを防止することができる。また、前記離間距離が略一定に保持されるため、水の厚みの変動による透過率の変動が生じない結果、さらに精度良く被測温材の表面温度を測定することができる。

また、車輪にスケールが成長すること等によって車輪の表面に凹凸があるため、車輪の表面と光学ガラスの端面とが接触し、光学ガラスが破損するおそれがある。上記好ましい構成によれば、車輪の表面と光学ガラスの車輪側の端面との離間距離が保持されるため、車輪の表面と光学ガラスの端面とが接触し、光学ガラスが破損することを防止することができる。また、前述のように、前記離間距離が略一定に保持されるため、さらに精度良く車輪の表面温度を測定することができる。なお、保持部材としては、例えば、筐体に付設され、被測温材の表面に常に接触するように被測温材の表面に向かって押圧されるローラを具備する接触ローラ機構を用いることができる。

前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて前記放射温度計の出力値を補正することにより測温値を算出することが好ましい。

斯かる好ましい構成によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計の出力値を補正する。すなわち、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水の充満状態の変動に伴う透過率の変動の平均値が被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率と見積もって放射温度計の出力値を補正する。この結果、簡易的に精度良く被測温材の表面温度を測定することができる。

前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略平行な前記被測温材の上面である場合、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。

斯かる好ましい構成によれば、放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略平行な被測温材の上面であり、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離が２．５ｍｍ以下であるため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間の略全体に冷却水が充満する程度に表面張力が働く。このため、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定となり、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。

前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

斯かる好ましい構成によれば、放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略垂直な平面であり、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する冷却水が重力による影響を受ける。このとき、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離が１．０ｍｍ以下であるため、光学ガラスの被測温材側の端面の下方の略６０％以上の面積に相当する範囲に冷却水が充満する程度に表面張力が働く。このため、放射温度計の受光部が被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光する。換言すれば、冷却水が充満している部分を透過した熱放射光を放射温度計の受光部が受光する。これにより、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定となり、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。

本実施形態において、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に水を供給する水供給装置を備えることが好ましい。

斯かる好ましい構成によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に水が充満されるため、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。

また、本実施形態における、水冷中の被測温材の表面から放射される熱放射光を放射温度計で検出することにより、前記被測温材の表面温度を測定する方法は、前記熱放射光を透過させる光学ガラスを前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間に介在させることで、前記光学ガラスと前記放射温度計の受光部との間に水を浸入させないようにすると共に、前記光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面近傍に位置させて被測温材の表面温度を測定する方法である。

また、被測温材が断面略円形状の車輪等のような外周面を有する円板状、円柱状または円筒状の鋼材であるとき、その日測温材の外周面の温度を測定することもある。例えば、車輪の冷却工程では、この際、適切に温度管理された冷却が行われているか否かを確認するため、車輪の外周面を放射温度計により測温している。このように、被測温材の中心軸を回転中心として被測温材を回転させながら、被測温材の外周面を水冷している状態であるときも、被測温材の外周面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持しながら、被測温材の外周面の温度を放射温度計により測定することで、被測温材の外周面の温度を精度よく測定することができる。

＜２．表面温度測定装置の一実施形態＞
次に、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置について、被測温材が断面略円形状の車輪である場合を例に挙げて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置１００の概略図である。図１は、筐体２内部を断面で示す表面温度測定装置１００の概略平面図である。図２は、図１のＡ方向から見た表面温度測定装置１００の概略正面図である。図３は、図１のＢ方向から見た表面温度測定装置１００の概略側面図である。図１に示すように、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、放射温度計１と、筐体２と、光学ガラス３とを備え、被測温材Ｗに対向して配置されている。

放射温度計１は、放射温度計１の受光部１１が受光した熱放射光を検出することにより温度測定を行う温度計である。

筐体２は、被測温材Ｗ側が開口されている。また、筐体２は、その内部に放射温度計１のうち少なくとも放射温度計１の受光部１１を収納している。

光学ガラス３は、被測温材Ｗと放射温度計１の受光部１１との間において筐体２内に密着嵌合されており、熱放射光を透過することができる。

放射温度計１は、受光部１１と、光ファイバ１２と、放射温度計本体１３とを備えている。光ファイバ１２は、受光部１１で受光された熱放射光を放射温度計本体１３に伝送する。なお、光ファイバ１２単体では破損のおそれがあるため、光ファイバ１２は、ステンレス製のフレキシブルホース（図示せず）で被覆されている。放射温度計本体１３は、受光部１１で受光され光ファイバ１２によって伝送された熱放射光を光電変換し、温度に換算するように構成されている。

本実施形態の表面温度測定装置１００では、筐体２は、被測温材Ｗ側が開口されており、筐体２の内部に放射温度計１の受光部１１を収納している。また、被測温材Ｗと放射温度計１の受光部１１との間に介在する光学ガラス３は熱放射光を透過させる。つまり、被測温材Ｗから放射された熱放射光は、筐体２の開口部及び光学ガラス３を介して放射温度計１の受光部１１で受光される。このため、放射温度計１が被測温材Ｗの表面から放射された熱放射光を検出することができる。

本実施形態の表面温度測定装置１００では、放射温度計１の受光部１１及び光ファイバ１２の一部が筐体２に収納されている。放射温度計１の耐熱性を確保する観点からは、本実施形態のように放射温度計１の一部のみを筐体２に収納する構成が好ましいものの、本発明はこれに限られるものではなく、筐体２の内部に放射温度計１の全体が収納されていてもよい。

本実施形態において、受光部１１は、図１のＡ方向から見て、直径５ｍｍの円形状とされている。受光部１１は、被測温材Ｗの表面における温度測定視野が直径１０ｍｍ程度となるように位置決めされている。

本実施形態において、筐体２の形状は、断面環状であり、具体的には、後述するように断面略円形状の光学ガラス３を密着嵌合させ易いように円筒状とされている。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、筐体２の形状として、光学ガラス３の形状に応じて、楕円筒状、角筒状等の種々の形状を採用することができる。

本実施形態において、光学ガラス３の形状は、温度測定視野を効率良く確保しつつ、できるだけコンパクトにするため、断面略円形状とされている。具体的には、図１及び図２に示すように、直径１０ｍｍ〜２０ｍｍで長さ１００ｍｍ程度の円柱状とされている。光学ガラス３の長さを１００ｍｍ程度とすることにより、放射温度計１の耐熱性及び防水性を確保することができ、光学ガラス３の長さは、光学ガラス３の直径の５倍以上とすることが望ましい。ただし、本発明はこれに限るものではなく、楕円柱状、角柱状等の種々の形状を採用することができる。

本実施形態において、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面が被測温材Ｗの表面に対して近接した位置にあるため、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に水蒸気や飛散水ひいては冷却水が入り込み難い。また、冷却水等が入り込んだとしても、水冷中の被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に入り込んだ冷却水に表面張力が働き、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に冷却水が安定して存在することが期待できる。このため、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。

本実施形態において、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状は、平面状とされている。このため、被測温材Ｗの表面形状（曲率）が変化したとしても、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に入り込んだ冷却水に平均的に表面張力が働きやすい。ただし、本発明はこれに限るものではなく、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状は、被測温材Ｗの表面形状に合わせた形状としてもよい。

具体的には、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状は、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離が光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面全体に亘って略一定となる形状としてもよく、より具体的には、被測温材Ｗの表面と同心となるような曲率を有する形状としてもよい。特に被測温材Ｗである車輪の外径が一定の場合（被測温材Ｗの表面形状が一定の場合）には、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状を、その外径が一定である被測温材Ｗの表面と同心となるような曲率を有する形状とすることで、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に入り込んだ冷却水に表面張力がより一層働き易くなると考えられる。

本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、更に、シール部材６１〜６４と、光学ガラス付勢部材（図示せず）と、ストッパ８１とを備える。本実施形態の光学ガラス３は、シール部材６１〜６４を介して筐体２内に密着嵌合されている。本実施形態では、図１に示すように、シール部材６１〜６４は、筐体２と光学ガラス３との間に嵌め込まれている。また、本実施形態では、シール部材６１〜６４のうち被測温材Ｗ側に最も近いシール部材６１は、鉛等の柔らかい金属から構成され、耐熱性に優れる金属リングであるのが好ましい。一方、シール部材６２〜６４は、シリコン、テフロン（登録商標）等の樹脂から構成され、防水性に優れる耐熱ゴムのＯリングであるのが好ましい。これにより、放射温度計１の耐熱性や防水性を確保することができ、光学ガラス３が衝撃により破損することを抑制することができる。

光学ガラス付勢部材は、筐体２の内部に配置されるバネ（図示せず）であり、被測温材Ｗの表面に向かって光学ガラス３を付勢している。また、ストッパ８１は、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端部に係止して、光学ガラス３が筐体２内から押し出されないように配置されている。このため、光学ガラス３は、光学ガラス付勢部材とストッパ８１との間で強固に固定され、衝撃により光学ガラス３が移動して筐体２や放射温度計１に接触して破損したり、放射温度計１が破損することを防止することができる。

本実施形態では、好ましい態様として、放射温度計１が波長０．７〜０．９μｍ、１．０〜１．２μｍ及び１．６〜１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出する。具体的には、放射温度計本体１３は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を光電変換して、光量に応じた電流を出力する検出素子として、Ｓｉフォトダイオード又はＩｎＧａＡｓフォトダイオードを具備する。放射温度計本体１３は、Ｓｉフォトダイオード又はＩｎＧａＡｓフォトダイオードからの出力電流を増幅した後に電流電圧変換及びＡＤ変換を施し、被測温材Ｗの放射率の補正を行って温度に換算する。

また、放射温度計本体１３は、被測温材Ｗの表面と放射温度計１の検出素子との間に、より具体的には、光ファイバ１２の放射温度計本体１３側の端部とＳｉフォトダイオード又はＩｎＧａＡｓフォトダイオードとの間に、０．７〜０．９μｍ、１．０〜１．２μｍ及び１．６〜１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを具備する。これにより、放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、０．７〜０．９μｍ、１．０〜１．２μｍ及び１．６〜１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域となる。なお、検出素子としてＳｉフォトダイオードが使用されるとき、０．７〜０．９μｍ及び１．０〜１．２μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタが設けられる。また、検出素子としてＩｎＧａＡｓフォトダイオードが使用されるとき、１．６〜１．８μｍの波長帯域の光のみを透過汁光学フィルタが設けられる。

斯かる好ましい構成では、前述したように、放射温度計１は、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に存在する水に対する熱放射光の透過率が高くなる波長帯域の光を検出するため、測定誤差を抑制することができる。

また、本実施形態の光学ガラス３は、近赤外域の光を透過する石英ロッドである。石英ロッドは、波長２μｍ以下の光の透過性に優れているため、石英ロッドによる熱放射光の吸収等に伴う測定誤差はほとんど生じない。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、光学ガラス３として、サファイアガラス、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等の近赤外域の光を透過する光学ガラスを採用することができる。

本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、好ましい態様として、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備える。具体的には、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、保持部材として、接触ローラ機構４を備える。図１に示すように、接触ローラ機構４は、ローラ４１と、付勢部材４２〜４４と、付勢バネ４３と、エアーシリンダ４５とから構成されている。

付勢部材４２は、筐体２に取付けられているため、エアーシリンダ４５により被測温材Ｗ側に付勢部材４４を付勢することにより、付勢バネ４３を介して、付勢部材４２が筐体２を被測温材Ｗ側に付勢する。これにより、筐体２に付設されているローラ４１が被測温材Ｗの表面に常に接触するように被測温材Ｗの表面に向かって押圧される。つまり、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離はローラ４１が筐体２に取付けられる位置やローラ４１の径の大きさによって決まり、当該離間距離は略一定に保持される。このため、光学ガラス３が被測温材Ｗに接触することによって破損することを防止することができる。また、水の厚みの変動による透過率の変動が生じない結果、さらに精度良く被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。なお、本実施形態では、ローラ４１は、筐体２に２つ設けられているが、これに限られるものではなく、３つ以上設けてもよい。

本実施形態の被測温材Ｗは、前述のように、断面略円形状の車輪である。表面温度測定装置１００は、図１及び図３に示すように、車輪の回転に追従して、ローラ４１が転動することによって車輪の外周面を温度測定できるように構成されている。

本実施形態のように、放射温度計１が熱放射光を検出する被測温材Ｗの表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、好ましい態様として、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計１の出力値を補正することにより測温値を算出する。

斯かる好ましい態様では、表面温度測定装置１００は、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計１の出力値を補正する。このとき、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に存在する水の充満状態の変動に伴う透過率の変動の平均値が被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率と見積もって放射温度計１の出力値を補正する。この結果、簡易的に精度良く被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。

図６は、水平方向に対して略平行な鋼板の上面（水平面）又は水平方向に対して略垂直な鋼板の平面（垂直面）と光学ガラス３の端面との離間距離によって、鋼板と光学ガラス３の端面との間に存在する水の充満状態を観察した結果を示すグラフである。具体的には、光学ガラス３は、直径１０ｍｍ又は２０ｍｍの円柱形状である。前記離間距離を変化させたときに、図７に示すように、鋼板と光学ガラス３の端面との間に存在する水をカメラにより撮影し、撮影された水の輪郭が光学ガラス３の端面における放射温度計１の受光部１１の測定視野において占める範囲を充満率として測定した。図６では、垂直面と水平面について、設定した離間距離における水の充満率をそれぞれ３回ずつ測定し、各回で測定された水の充満率の平均値を示している。

本実施形態のように、放射温度計１が熱放射光を検出する被測温材Ｗの表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、好ましい態様として、放射温度計１の受光部１１は、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離が１．０ｍｍ以下に設定される。

図６に示すように、鋼板の垂直面においては、鋼板と光学ガラス３の端面との間に存在する水が重力による影響を受ける。この結果、前記離間距離が１．０ｍｍ以下の場合には、光学ガラス３の端面の下方の略６０％以上の面積に相当する範囲に水が充満する程度に表面張力が働くことがわかる。つまり、斯かる好ましい態様では、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の下方の略６０％以上の面積に相当する範囲に冷却水が充満する程度に表面張力が働くといえる。このため、冷却水が充満している部分を透過した熱放射光を放射温度計１の受光部１１が受光することにより、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定となり、高精度に被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。

図８に、水の充満率と測温誤差との関係の一例を示す。図８の例では、５００℃の測温対象を検出波長が１．０〜１．２μｍの放射温度計１により測温した。放射温度計１の受光部１１の測定視野は、図７に示すように、光学ガラス３の端面において光学ガラス３の外径と略同一であるとする。この際、測温対象の表面と光学ガラス３の測温対象側の端面との間に存在する水の受光部１１の測定視野に対する充満率を変化させて、放射温度計の測温誤差を算出した。図８より、水の充満率が大きくなるほど測温誤差は減少することがわかる。水の充満率が６０％以上であれば、測温誤差は３℃以内に抑えることができる。

なお、放射温度計１の受光部１１の測定視野は、光学ガラス３の端面において光学ガラス３の外径と略同一でなくてもよい。例えば、図９に示すように光学ガラス３の端面において光学ガラス３の外径より小さくするように設定してもよい。したがって、光学ガラス３の端面の面積に対して水の充満部分が小さくても、当該水の充満部分に放射温度計１の受光部１１の測定視野を合わせ、測温誤差が所定範囲内となる水の充満率に設定することも可能である。

一方、本実施形態と異なり、放射温度計１が熱放射光を検出する被測温材Ｗの表面が水平方向に対して略平行な被測温材Ｗの上面である場合、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離は２．５ｍｍ以下に設定するのが好ましい。

図６に示すように、鋼板の水平面においては、前記離間距離が２．５ｍｍ以下の場合には、鋼板と光学ガラス３の端面との間の略全体に水が充満する程度に表面張力が働くことがわかる。つまり、上記好ましい構成では、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に冷却水が充満するといえる。このため、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定（水の厚みが離間距離の場合の透過率）となり、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。

本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、水供給装置５を備えていてもよい。図３に示すように、本実施形態の水供給装置５は、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に水が供給されるように筐体２の外部に配置されている。つまり、水供給装置５によって水が供給されることにより、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に水が充満される。これにより、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、高精度に被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。

本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、好ましい態様として、更に、パージ機構７を備える。図４は、筐体２の内部にあるパージ機構７の概略図である。図１及び図４に示すように、本実施形態のパージ機構７は、エアーノズル７１と、ホース７２とから構成されている。エアーノズル７１は、ホース７２の内部に配置されている。また、エアーノズル７１及びホース７２は、筐体２の内部に挿通されている。

エアーノズル７１によって筐体２の内部にパージエアーを噴射することにより、筐体２の内部に水が浸入することを防止し、筐体２の内部に収納されている放射温度計１の受光部１１の周囲の空間を清浄な雰囲気とすることができる。したがって、受光部１１に結露が生じて温度測定の測定範囲が変化し、測定誤差が生じることを防止することができる。ホース７２は、筐体２の外部にも連通している。筐体２の被測温材Ｗ側は、光学ガラス３が密着嵌合されているため、エアーノズル７１から噴射されたパージエアーは、ホース７２を介して外部に放出される。

なお、パージエアーは、乾燥空気や窒素等のように、熱放射光を遮らない無色のガスである限りにおいて、特にその種類は限定されない。また、パージ方式も、清浄な雰囲気を維持できる限りにおいて、特に限定されるものではない。

図１０は、水冷中の鋼板の垂直面の表面温度測定の精度を評価するための実験装置の概略図である。具体的には、図１０に示すように、密閉容器９０の中にヒータ９２が配置されている。密閉容器９０の測温面には石英窓９４が設置されている。本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、石英窓９４の表面と光学ガラス３の端面との離間距離が１ｍｍとなるように配置されている。また、密閉容器９０内の温度は、密閉容器９０内に配置された熱電対９６により正確に測定することができる。

図１１は、図１０に示す実験装置において、ヒータ９２を加熱して、密閉容器９０内を所定の温度まで上昇させた後、水ノズル９８により水を石英窓９４に吹き付ける前後の表面温度測定装置１００による温度測定結果を示すグラフである。図１１に示すように、水冷を開始する前は、熱電対９６により測定される温度と略同等の温度測定結果が得られている。そして、水冷を開始した後は、熱電対９６により測定される温度よりも４℃程度低くなる測温誤差で温度測定結果が得られている。石英窓９４の表面と光学ガラス３の端面との間には安定して水が充満しているため、水の厚み１ｍｍに対する熱放射光の透過率による影響によって、４℃程度の測温低下が生じているといえる。つまり、水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計１の出力値を補正して測温値を算出すれば、高精度に温度測定を行うことができる。

なお、水冷中において、表面温度測定装置１００による温度測定結果の振れ幅が大きくなっているのは、石英窓９４の表面と光学ガラス３の端面との間に存在する水の充満状態によるばらつきが生じるためであるが、温度測定結果の振れ幅自体は、約３℃であり、この揺れ幅を考慮に入れたとしても、熱電対９６により測定される温度よりも３〜６℃程度低くなる測温誤差で温度測定結果が得られるため、精度良く温度測定できるといえる。また、この振れ幅の平均値を求めて測温値を算出すれば、高精度に温度測定を行うことができる。

本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、被測温材Ｗが車輪の場合について説明したが、これに限られるものではなく、鋼管、鋼板等であってもよい。

また、上記実施形態において、光学ガラス３は、筐体２内に密着嵌合されているが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本実施形態の光学ガラス３の変形例として、光学ガラス３を被測温材Ｗと放射温度計１の受光部との間に介在させることで、光学ガラス３と放射温度計１の受光部１１との間に水を浸入させないようにしてもよい。具体的には、例えば、光学ガラス３として水平面に垂直な方向（被測温材Ｗから放射温度計１の受光部１１へ放射される熱放射光に垂直な方向）に長く延びたものを採用すればよい。これにより、筐体２の内部に受光部１１を収納し光学ガラス３を内部に密着嵌合させない構成であっても、光学ガラス３と放射温度計１の受光部１１との間に水が浸入し難くなると考えられる。

１ 放射温度計
２ 筐体
３ 光学ガラス
４ 接触ローラ機構
５ 水供給装置
７ パージ機構
１１ 受光部
１２ 光ファイバ
１３ 放射温度計本体
４１ ローラ
４２、４４ 付勢部材
４３ 付勢バネ
４５ エアーシリンダ
６１〜６４ シール部材
７１ エアーノズル
７２ ホース
Ｗ 被測温材

Claims (10)

1. 水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、
   被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、
   前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスとを備え、
   前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、
   前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面との間に水が介在可能なように、前記被測温材の表面に対して近接配置される、表面温度測定装置。
2. 前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を受光する、請求項１に記載の表面温度測定装置。
3. 前記放射温度計は、波長０．７〜０．９μｍ、１．０〜１．２μｍ及び１．６〜１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出する、請求項１または２に記載の表面温度測定装置。
4. 前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面温度測定装置。
5. 前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて前記放射温度計の出力値を補正することにより測温値を算出する、請求項４に記載の表面温度測定装置。
6. 前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略平行な前記被測温材の上面であり、
   前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、２．５ｍｍ以下である、請求項４に記載の表面温度測定装置。
7. 前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、
   前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、
   前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、１．０ｍｍ以下である、請求項４に記載の表面温度測定装置。
8. 前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に水を供給する水供給装置を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面温度測定装置。
9. 水冷中の被測温材の表面から放射される熱放射光を放射温度計で検出することにより、前記被測温材の表面温度を測定する方法であって、
   前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、
   前記熱放射光を透過させる光学ガラスを前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間に介在させ、
   前記光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面に対して近接配置させて、前記光学ガラスの被測温材側の端面と前記被測温材の表面との間に水を介在可能な状態とし、前記被測温材の表面温度を測定する、
   表面温度測定方法。
10. 前記被測温材は、外周面を有する円板状、円柱状または円筒状の鋼材であり、
    前記被測温材の表面温度を測定するに際し、前記被測温材の中心軸を回転中心として前記被測温材を回転させながら、前記被測温材の前記外周面を水冷している状態で、前記被測温材の前記外周面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持しながら、前記被測温材の前記外周面の温度を前記放射温度計により測定する、請求項９に記載の表面温度測定方法。
    

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