JP6570059B2

JP6570059B2 - 非接触温度測定方法および測定システム

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Publication number: JP6570059B2
Application number: JP2015142560A
Authority: JP
Inventors: 祐山口; 山田　善郎; 善郎山田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: JP2017026362A

Description

本発明は、放射率分布・温度分布が未知の測定対象における非接触温度測定方法および測定システムに関し、非接触で表面温度分布を放射温度計測し最適な熱処理やモニタリング、診断を可能にするのに好適な非接触温度測定方法および測定システムに関する。

物体の表面温度を測定する放射温度測定は、物体の黒体輻射光を利用して実現される。しかし、黒体輻射光の強さは表面の材質・形状（粗さ）等に依存する放射率（ε＝０〜１、完全黒体は１）によって異なり、また同じ表面の放射率でも観測波長、表面温度によって変化する。そのため、一般に未知の放射率を持つ物体表面の真温度、特に放射率および温度分布が一様でない対象を正確に測定するのは困難であった。
従来、例えば非特許文献１では、２波長温度計または２偏光放射温度計を使用し、２波長放射率間もしくは２偏光放射率間の関係を事前に評価し、放射率を補正する方法が実用化されている。
また、一般的な放射率補正測温技術として、２波長反射率比を利用する方法（特許文献１参照）や、２偏光放射率比を利用する方法（特許文献２参照）が提案されている。
また、一般的な放射率補正による温度分布測定技術として、面黒体および試料表面の放射率分布を利用し、放射率の異なる２箇所の輝度を２つの異なる補助熱源温度で測定し、各温度での反射率比から放射率を補正する方法が提案されている（本出願人による特許文献３参照）。
また、鋼板の放射率補正方法として、棒状補助熱源とライン走査型放射温度計を用い、２波長反射パターンから２波長反射率比を求め、放射率を得る方法（本出願人による特許文献４参照）が提案されている。

特開昭６２−１４００３６号公報特開平０２−２５４３２８号公報特開２０１２−１２７６７８号公報特願２０１４−１０４１１号

Tanaka,et al.,Proc.TEMPERATURE Symposium 1992, pp.895-900

本発明では、放射率が不明で、試料材質や表面状態などで変化するために正確な温度（分布）を測定できないという課題を解決しようとするものである。
すなわち、従来の上記非特許文献１に関しては、事前評価されたのと全く同一条件でないと測定できないという問題点を解消し、さらに上記特許文献１に関しては、対象平面の傾きが変化する場合に反射光ピークを正確にとらえることができず、また面内温度分布を捉えることができない問題点を解消し、上記特許文献２に関しては、表面の粗さがあり拡散的な反射が生じる場合に正確に適用できないという問題点を解消し、上記特許文献３に関しては、隣接する放射率の異なる表面および一様な温度分布を仮定しないと適応できないという問題点を解消し、上記特許文献４に関しては、一様な放射率分布を仮定し、ライン方向の走査測定を行わないと適用できないという問題点を解消することを課題とする。

上記従来技術の問題点を解決するために、２波長反射率比測定を拡散反射光で行い、補助光源および２波長放射温度計（もしくは２波長熱画像装置）を組み合わせることで解決する。
すなわち、本発明は、被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源を配置し、２波長放射温度計にて被測定対象物表面の２波長熱輻射光および拡散反射光を測定すると同時に、前記２波長放射温度計と同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定し、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光と前記補助光源の輝度から２波長反射率比を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度を求めるようにした非接触温度測定方法である。
また、本発明は、被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源を配置し、２波長熱画像装置にて被測定対象物表面の２波長熱輻射光の分布および拡散反射光の分布を測定すると同時に、前記２波長熱画像装置と同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定し、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光の分布と前記補助光源の輝度から２波長反射率比の分布を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度分布を求めるようにした非接触温度測定方法である。
また、上記非接触温度測定方法において、前記２波長反射率比を求め、数値解析的手法にて真温度又は真温度分布を求めることを特徴とする場合もある。
また、本発明は、被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源と、被測定対象物表面の２波長熱輻射光および拡散反射光を測定すると同時に同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定する２波長放射温度計と、計算装置を備えた非接触温度測定システムであって、前記計算装置は、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光と前記補助光源の輝度から２波長反射率比を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度を求めることを特徴とする非接触温度測定システムである。
また、本発明は、被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源と、被測定対象物表面の２波長熱輻射光の分布および拡散反射光の分布を測定すると同時に同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定する２波長熱画像装置と、計算装置を備えた非接触温度測定システムであって、前記計算装置は、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光の分布と前記補助光源の輝度から２波長反射率比の分布を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度分布を求めることを特徴とする非接触温度測定システムである。
また、上記非接触温度測定システムにおいて、前記計算装置は前記２波長反射率比を求め、数値解析的手法にて真温度又は真温度分布を求めることを特徴とする場合もある。

本発明の測定方法または測定システムによれば、被測定対象物表面の放射率分布・温度分布が未知の場合にも真温度を求めることができるので、精密な温度分布測定を必要とする材料試験や、高精度な温度分布モニタや熱制御が必要とされる工業プロセス、設備・構造物診断へ応用できる。

図１は、２波長拡散反射率比による放射率補正を行う本発明の測定原理を説明した図である。図２は、本発明の測定原理で成り立つと仮定した双方向反射率分布関数が２波長間で相似関係であることを説明した図である。図３は、本発明の２波長拡散反射率比補正による温度分布測定を説明した図である。図４は、（ａ）は放射率補正無しの熱画像測定結果、（ｂ）は従来の２波長の熱画像を用いた２色温度演算による測定結果、（ｃ）は本発明の２波長の熱画像と補助光源の拡散反射率比を用いた図３の測定システムによる測定結果である。図５は、本発明の２波長拡散反射率比補正による温度分布測定を説明した図である。

本発明では、２波長放射温度計（または２波長熱画像測定装置（以下、熱画像装置と表記する場合が有る））および補助光源を用いて、試料表面の熱輻射および散乱光を観測し、２波長間の拡散反射率比および補助光源無しの状態の２波長の輝度温度から真温度（分布）を求めることによってこの課題を解決する。
（測定原理）
図１は、２波長放射温度計および補助光源を用いて、真温度を求める測定原理を説明するための図である。
図１の測定系における拡散反射光・熱輻射光の関係を示すと、検出器である２波長放射温度計（測定波長λ１およびλ２）の観測する光は、補助光源を用いない場合、測定試料（表面温度Ｔ）の熱輻射に基づき次の式ように表される。
Ｌ_{λ１，ｏｆｆ}＝ε_λ１・Ｌ_Ｔ，λ１ …（１）
Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}＝ε_λ２・Ｌ_Ｔ，λ２ …（２）
ここでＬ_{λ１，ｏｆｆ}，Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}は補助光源消灯時の放射温度計で観測される測定試料の放射輝度、ε_λ１，ε_λ２は試料表面の放射率、Ｌ_Ｔ，λ１，Ｌ_Ｔ，λ２は温度Ｔの黒体における放射輝度である。添字のλ１，λ２はそれぞれ波長λ１，λ２におけるときのものであることを意味する（以下同様）。
また、補助光源を点灯した際に放射温度計で観測される放射輝度，はそれぞれ次式の様に表される。
Ｌ_{λ１，ｏｎ}＝ε_λ１・Ｌ_Ｔ，λ１＋Ｇ・ρ_λ１，θ・Ｌ_ａ，λ１ …（３）
Ｌ_{λ２，ｏｎ}＝ε_λ２・Ｌ_Ｔ，λ２＋Ｇ・ρ_λ２，θ・Ｌ_ａ，λ２ …（４）
ここでＧは補助光源と放射温度計の位置関係（角度・距離等）によって決定される幾何係数、ρ_λ１，θ，ρ_λ２，θは反射角θにおける試料の反射率、Ｌ_ａ，λ１，Ｌ_ａ，λ２は補助光源の放射輝度である。
上記式（１）（３）および式（２）（４）から反射率，はそれぞれ次式
ρ_λ１，θ＝（Ｌ_{λ１，ｏｎ}−Ｌ_{λ１，ｏｆｆ}）／Ｇ・Ｌ_ａ，λ１ …（５）
ρ_λ２，θ＝（Ｌ_{λ２，ｏｎ}−Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}）／Ｇ・Ｌ_ａ，λ２ …（６）
と表され、補助光源の２波長の放射輝度比Ｒ_ａ≡Ｌ_ａ，λ１／Ｌ_ａ，λ２を用いて２波長散乱反射率比が次式のように得られる。
ρ_λ１，θ／ρ_λ２，θ＝｛（Ｌ_{λ１，ｏｎ}−Ｌ_{λ１，ｏｆｆ}）／（Ｌ_{λ２，ｏｎ}−Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}）｝／Ｒ_ａ …（７）
双方向反射率分布関数が２波長間で相似関係であると仮定したとき（図２参照）、
ρ_λ１，θ／ρ_λ２，θ≒ρ_λ１／ρ_λ２ …（８）
とみなせる。ここでρ_λ１，ρ_λ２は試料の半球反射率である。

キルヒホッフの法則に従い、試料の透過率を無視できる場合にはρ_λ＝１−ε_λの関係が成り立つことを利用すると、上式（１）（２）（７）より
（１−Ｌ_{λ１，ｏｆｆ}／Ｌ_Ｔ，λ１）／（１−Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}／Ｌ_Ｔ，λ２）
＝｛（Ｌ_{λ１，ｏｎ}−Ｌ_{λ１，ｏｆｆ}）／（Ｌ_{λ２，ｏｎ}−Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}）｝／Ｒ_ａ …（９）
という関係が導かれる。したがって観測波長λ１，λ２、補助光源の放射輝度比Ｒ_ａおよび補助光源消灯／点灯時に観察される放射輝度値（Ｌ_{λ１，ｏｆｆ}，Ｌ_{λ２、ｏｆｆ}，Ｌ_{λ１，ｏｎ}，Ｌ_{λ２，ｏｎ}）を用いて試料温度Ｔが得られる。

このとき上式（９）は非線形であり、一般には数値解析によって解を求める。具体的には、反射率比および黒体輝度比をそれぞれＲ_ρ≡ρ_λ１，θ／ρ_λ２，θ、α（Ｔ）≡Ｌ_Ｔ，λ２／Ｌ_Ｔ，λ１とおくと、各波長における黒体輝度は次式のように記述できる。
Ｌ_Ｔ，λ１＝｛Ｌ_{λ１，ｏｎ}−（１／α（Ｔ））・Ｒ_ρ・Ｌ_{λ２，ｏｎ}｝／（１−Ｒ_ρ） …（１０）
Ｌ_Ｔ，λ２＝（α（Ｔ）・Ｌ_{λ１，ｏｎ}−Ｒ_ρ・Ｌ_{λ２，ｏｎ}）／（１−Ｒ_ρ） …（１１）
ここで真温度Ｔの初期値を仮定しα（Ｔ）を求め、当該求めたα（Ｔ）を右辺に代入してＬ_Ｔ，λ１、Ｌ_Ｔ，λ２の何れかよりＴを求め、当該求めたＴを用いてα（Ｔ）を求めるところから繰り返してＴの値を収束させ、数値解析計算により真温度Ｔを求める。

また、この手法では測定角・測定点の周囲情報によらず放射率が補正できるため、熱画像装置において各測定点（ピクセル）で同様に上式（９）を解くことで対象の真温度分布を求めることができる。

（測定例１）
以下に実際の測定例を図３、図４を用いて説明する。
図３に示すように、波長１０００ｎｍ、１２００ｎｍ、１４００ｎｍ、１６００ｎｍの複数の波長の干渉フィルターを備えた近赤外カメラ（ＩｎＧａＡｓセンサ、９００〜１７００ｎｍ）を使用する。２波長の組み合わせは任意に選択することができる。近赤外カメラはそれぞれの波長において予め温度値校正（３００，３２５，３５０，３７５，４００℃）がなされており、熱画像装置として用いることができる。測定試料は厚さ約２ｍｍ、縦×横が２０×２０ｃｍ大のステンレス板を用いた。加熱は平面ヒーターによって制御され、測定時は設定温度３５０℃で実験を行った。ステンレス板は測定中に酸化によって放射率が大きく変化しないよう事前に空気中・約４００℃に加熱し、表面を酸化させてある。また補助光源としてハロゲンランプを用い、鏡面反射光がカメラに入射しないように斜め約４５°方向に設置した。
試料の表面温度は接触式（熱電対）で測定したところ、ヒーター表面で約３８５℃、試料中心付近で３８４℃（最高）、右上角付近で３４６℃（最低）であった。
図４に、測定によって得られた熱画像を示す。上から
（ａ）１６００ｎｍの熱画像（放射率補正なし）、
（ｂ）２波長（１０００ｎｍ、１６００ｎｍ）の熱画像を用いた二色温度演算を行った結果（従来法）、
（ｃ）２波長（１０００ｎｍ、１６００ｎｍ）の熱画像と補助光源の拡散反射率比を用いた解析結果（本発明）
である。
放射率補正を用いない場合、放射率の低いステンレス板の温度が約３２０−３６０℃と接触式の測定よりも低くなる。（一方でヒーター材質は比較的放射率が高いため、見かけの温度がステンレス板より高くなっている。）
また、産業的に広く用いられている二色温度演算（２波長間の放射率が等しいと仮定する手法）で得られた結果（ｂ）は接触式による温度測定結果よりも著しく低い値を示した。これは実際には１０００ｎｍの放射率が１６００ｎｍに比べて低いためであると考えられる。
一方で、補助光源を用いた拡散反射率比による放射率補正（本発明）を用いた場合、得られた温度分布は接触式の温度測定結果とよく一致することを確認できた。

（測定例２）
測定例１では一つの光学系および検出器に対して波長フィルターを切り替えて２波長測定を行ったが、ビームスプリッタおよび２組の可視または赤外波長域の検出器（もしくはカメラ）および波長フィルターを用いて同時に観測することができる。また、補助光源としてハロゲンランプ以外にファイバー光源やグローバー光源を用いても良い。それと同時に、点灯/消灯についても光源前にチョッパーもしくはシャッターを配置し、連続的に点灯/消灯状態を観測することができる。これにより、例えば図５に示すように、低放射率金属の圧延やめっき処理等の製造ライン上で移動する測定対象に対して連続的に温度もしくは温度分布を評価することが可能である。

本発明の非接触温度測定方法および測定システムによれば、被測定対象物表面の放射率分布・温度分布が未知の場合にも真温度を求めることができるので、例えば、製鉄プロセスにおける鋼板熱処理工程の温度制御精度が向上し、製品品質向上、歩留まり向上、エネルギー原単位の削減を図ることができる。また、溶接プロセスにおける溶接部の温度分布を測定することにより、最適な材料成分・溶接条件が得られ、構造物溶接部の耐久性向上を図ることができ、また、半導体デバイス内やパワーデバイスを利用した回路部品内における発熱部位特定・発熱量測定を目的とした高速に変化する面温度分布測定により、最適な熱設計や製品品質・歩留まり向上が可能となり、また、設備診断や建築構造物の欠陥検知を目的とした面温度分布測定において、対象放射率分布に影響されずに正しく面温度分布を測定し、より正確に欠陥箇所を推定することが可能になる。

Claims

被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源を配置し、２波長放射温度計にて被測定対象物表面の２波長熱輻射光および拡散反射光を測定すると同時に、前記２波長放射温度計と同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定し、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光と前記補助光源の輝度から２波長反射率比を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度を求めるようにした非接触温度測定方法。
被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源を配置し、２波長熱画像装置にて被測定対象物表面の２波長熱輻射光の分布および拡散反射光の分布を測定すると同時に、前記２波長熱画像装置と同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定し、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光の分布と前記補助光源の輝度から２波長反射率比の分布を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度分布を求めるようにした非接触温度測定方法。
請求項１または２に記載の非接触温度測定方法において、前記２波長反射率比を求め、数値解析的手法にて真温度又は真温度分布を求めることを特徴とする非接触温度測定方法。
被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源と、被測定対象物表面の２波長熱輻射光および拡散反射光を測定すると同時に同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定する２波長放射温度計と、計算装置を備えた非接触温度測定システムであって、
前記計算装置は、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光と前記補助光源の輝度から２波長反射率比を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度を求めることを特徴とする非接触温度測定システム。
被測定対象物表面に照射／非照射を切り替え可能な補助光源と、被測定対象物表面の２波長熱輻射光の分布および拡散反射光の分布を測定すると同時に同一の２波長にて前記補助光源の輝度を測定する２波長熱画像装置と、計算装置を備えた非接触温度測定システムであって、
前記計算装置は、前記被測定対象物表面の照射／非照射時の熱輻射光および拡散反射光の分布と前記補助光源の輝度から２波長反射率比の分布を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度分布を求めることを特徴とする非接触温度測定システム。
請求項４または５に記載の非接触温度測定システムにおいて、前記計算装置は前記２波長反射率比を求め、数値解析的手法にて真温度又は真温度分布を求めることを特徴とする非接触温度測定システム。