JP6679915B2 - 表面温度分布測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、管状や円柱状等の被測定物の外周の表面温度分布を測定する表面温度分布測定装置および測定方法に関するものである。

例えば鋼管製造において、加熱焼入れ後の製品に円周方向の硬度むらが発生した場合、その改善および原因解明のために、焼入れ不良個所の特定を行う必要がある。そして、そのためには、鋼管の全周方向の温度分布測定が必要となる。

外周が曲面状の被測定物に対して、単一方向から温度分布を測定しようとすると、多くの物質では、指向性放射率の影響により、測定装置に対して垂直ではない位置では低く測定されるため、温度分布の測定精度に支障をきたす。

これに対し、例えば赤外線放射温度計を複数台設置して、被測定物の外周の表面温度を多方向から測定（撮影）し、その画像を重ね合わせることにより、指向性放射率の影響を抑制して外周全体の温度分布を測定することは可能である。しかしながら、赤外線放射温度計を複数台設置することはコストが増大するうえ、複数の赤外線放射温度計による測定値を時間的に同期させることは極めて困難である。

特許文献１には、曲面状の被測定面に対して法線方向に対向させる複数の光ファイバーで繋がれた赤外線測定端子を用いた表面温度分布測定装置が開示されている。

また、特許文献２には、被測定物の移動を許容するようにその周囲をフードで囲い、被測定物が移動しても赤外線温度測定が可能となる赤外線放射温度計が開示されている。

特許第２７３７４１９号公報 特許第３４３７１４０号公報

ところが、前記特許文献１の測定装置の場合、被測定物の全周を測定するためには多量の光ファイバーと赤外線測定端子が必要になる。また、特許文献２の場合には、被測定物の全周の平均温度しか測定できない。

本発明は、かかる課題を解決し、簡易な装置で、被測定物の外周方向の表面温度分布を同時に計測することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、長尺部材の被測定物からの赤外放射光を受光して、前記被測定物の外周の表面温度分布を測定する装置であって、１台の赤外線熱画像装置と、少なくとも２つ以上の赤外線用鏡とを有し、前記赤外線熱画像装置は、前記被測定物の表面の予め定められた直接測定範囲からの赤外放射光を直接受光し、前記赤外線用鏡は、前記被測定物の表面において前記直接測定範囲以外の範囲からの赤外放射光を受光し前記赤外線熱画像装置へ向けて反射し、前記赤外線熱画像装置は、前記赤外線用鏡からの反射光をさらに受光し、前記赤外線熱画像装置および前記各赤外線用鏡はそれぞれ、前記被測定物の測定面の指向性放射率が前記測定面の法線方向への放射率の９５％以上となる角度範囲内からの赤外放射光を受光するように配置され、前記赤外線用鏡からの反射光を、前記被測定物からの直接光と同じ向きになるように反転させ、前記直接光および前記反射光のうち、測定位置が重なる部分を削除して、前記被測定物の外周の表面温度を表示させるように画像処理を行う制御部を有することを特徴とする、表面温度分布測定装置を提供する。

２つ以上の前記赤外線用鏡は、前記赤外線熱画像装置への反射光が、前記被測定物から直接受光する直接光および他の赤外線用鏡からの反射光に重ならずに前記赤外線熱画像装置に到達するように配置されていることが好ましい。また、２つ以上の前記赤外線用鏡は、前記赤外線熱画像装置で直接受光する範囲以外の全ての角度範囲からの赤外放射光を受光するように配置されてもよい。

また、本発明は、長尺部材の被測定物からの赤外放射光を受光して、前記被測定物の外周の表面温度分布を測定する方法であって、１台の赤外線熱画像装置と、少なくとも２つ以上の赤外線用鏡とを設け、前記赤外線熱画像装置に、前記被測定物の表面の予め定められた直接測定範囲からの赤外放射光を直接受光させ、前記赤外線用鏡に、前記被測定物の表面において前記直接測定範囲以外の範囲からの赤外放射光を受光させて前記赤外線熱画像装置へ向けて反射させ、前記赤外線熱画像装置に、前記赤外線用鏡からの反射光をさらに受光させ、前記赤外線熱画像装置および前記各赤外線用鏡をそれぞれ、前記被測定物の測定面の指向性放射率が前記測定面の法線方向への放射率の９５％以上となる角度範囲内からの赤外放射光を受光するように配置し、前記赤外線用鏡からの反射光を、前記被測定物からの直接光と同じ向きになるように反転させ、前記直接光および前記反射光のうち、測定位置が重なる部分を削除して、前記被測定物の外周の表面温度を表示させることを特徴とする、表面温度分布測定方法を提供する。

２つ以上の前記赤外線用鏡を、前記赤外線熱画像装置への反射光が、前記被測定物から直接受光する直接光および他の赤外線用鏡からの反射光に重ならずに前記赤外線熱画像装置に到達するように配置することが好ましい。また、２つ以上の前記赤外線用鏡を、前記赤外線熱画像装置で直接受光する範囲以外の全ての角度範囲からの赤外放射光を受光するように配置してもよい。

本発明によれば、簡易な装置で、被測定物の全周の温度分布を同時に測定できる。これにより、各種製造業における温度に起因する性能の管理が可能となる。

本発明の実施形態にかかる表面温度分布測定装置の概略を示す図である。 材質毎の指向性放射率の例を示す図である。 本発明の異なる実施形態にかかる表面温度分布測定装置の概略を示す図である。 実施例で測定した温度分布を表す可視画像の例である。 実施例で測定した温度分布を表す可視画像の異なる例である。 実施例で測定した温度分布を表す可視画像のさらに異なる例である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態にかかる表面温度分布測定装置の概略を示す。表面温度分布測定装置１は、例えば断面が円形の被測定物２の一方向側に設けられた１台の赤外線熱画像装置１１と、被測定物２に対して赤外線熱画像装置１１の略反対側に配置された複数、本実施形態では２つの赤外線用鏡１２により構成される。図中の破線は、赤外線の放射または反射を示す。以下、被測定物２の表面のうち、赤外線熱画像装置１１に正対する側を正面と称する。被測定物２の背面側に設けられた２つの赤外線用鏡１２は、互いに１２０°の角度をなしている。

赤外線熱画像装置１１には、被測定物２から放射された赤外線エネルギーを検出し、温度に換算してカラー映像として表示することができる既存の装置を用いることができる。赤外線用鏡１２には、例えば金や銀等の金属をコーティングした、赤外線を十分に反射しうる既存の光学用ミラーが用いられる。可視光は反射しなくても構わない。赤外線用鏡１２は、図１に示すように被測定物２の背面側や、赤外線熱画像装置１１からでは、以下に説明する指向性放射率が著しく低下する測定面からの赤外線放射光を受光する位置に配置される。

赤外線用鏡１２の枚数および配置は、被測定物２の指向性放射率の特性により決定する。図２は、指向性放射率の例を示すものである。材質により放射率の値は異なるが、図２に示す材質Ａや材質Ｂの場合、角度が０°（法線方向）から６０°までは放射率がほぼ一定であり、６０°を少し超えたところから急激に放射率が低下する。したがって、被測定物２が材質ＡまたはＢの場合、被測定物２の測定面である外周のうち、正面の赤外線熱画像装置１１および各赤外線用鏡１２は、それぞれに正対する法線方向を挟んで両側に各６０°以内、すなわち１２０°以内を測定する角度範囲として分担することにより、安定して測定することができる。つまり、材質ＡまたはＢの場合には、赤外線熱画像装置１１による直接測定範囲を、正面側の法線方向を挟んで両側に各６０°の範囲とし、図１に示す実施形態のように背面側に２つの赤外線用鏡１２を互いに１２０°の角度で配置して、これらの赤外線用鏡１２からの反射光を赤外線熱画像装置１１で撮影することとする。これにより、赤外線熱画像装置１１が直接受光する直接測定範囲以外の赤外放射光を、２つの赤外線用鏡１２を介して受光し、被測定物２の外周全体の表面温度を同時に測定できる。一方、例えば図２の材質Ｃのように、５０°付近から放射率が急激に低下する場合には、赤外線熱画像装置１１および各赤外線用鏡１２のそれぞれの測定範囲を狭くする必要があり、例えば図３に示すように４つの赤外線用鏡１２を配置する。安定して赤外光が受光できるための、放射率が法線方向と同等であると判断する基準としては、例えば被測定物２の測定面の指向性放射率が測定面の法線方向（０°方向）への放射率の９５％以上とすればよい。

赤外線熱画像装置１１で直接受光する直接光と、各赤外線用鏡１２からの反射光は、少なくとも重ならずに赤外線熱画像装置１１に到達するように、複数の赤外線用鏡１２を配置する。さらに、直接光と反射光との境界、あるいは図３の場合には各赤外線用鏡１２毎の反射光の境界を識別しやすいように、各反射光は、それぞれ隙間を設けて赤外線熱画像装置１１に反射されるようにすることが好ましい。

このようにして、図１または図３に示すように、赤外線熱画像装置１１には、直接受光する正面側の直接光と、複数の赤外線用鏡１２からの反射光による画像が得られる。

赤外線熱画像装置１１で撮影した直接光および反射光は、赤外線熱画像装置１１に内蔵された制御部により、画像処理が行われる。先ず、赤外線用鏡１２からの反射光は鏡像となるため、正面から直接撮影した直接光と向きが一致するように反転させる。次に、得られた画像のうち、同じ位置を撮影した重複部分は削除し、さらに縦座標を角度として表示する。こうして得られた画像を時系列に並べて、被測定物２の外周全体の表面温度分布を表す可視画像データを得る。

以上のように、本実施形態によれば、被測定物２の指向性放射率の特性に応じて、放射率が一定となる角度範囲で赤外放射光を受光できるように赤外線用鏡１２を配置し、赤外線用鏡１２からの反射光を、正面側の直接光とともに赤外線熱画像装置１１で同時に撮影することにより、簡易な装置構成で、被測定物２の全周の温度分布を同時に測定することができる。

本発明において、被測定物２としては、円筒状や管状などのように断面が円形のものや、断面形状において凹部を有しないものが好ましい。角柱状のものでも適用可能である。また、例えばレールやクランクシャフトのような複雑な形状のものであっても、断面形状において凹部を有しない部分のみの表面温度分布であれば、本発明によって測定することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

小径管のインダクション焼き入れ工程において、焼き入れ不足の発生位置を特定するために、小径管の外周全体の温度分布測定を行った。加熱むらと冷却むらの両方を調べるため、加熱途中のコイル間と冷却ヘッダ後との２か所で、全周温度分布測定を行った。鋼管の指向性放射率は、０°から６０°まではほぼ一定の値をとるため、図１に示すような３方向からの測定を行うこととし、２つの赤外線用鏡を配置した。赤外線用鏡は、Edmund社製「４−６λ平面ミラー」を用いた。

赤外線熱画像装置で撮影された画像について、鏡像を直接光と同じ向きに反転させ、重複撮影部分を削除し、座標を角度に直して時系列に並べた。図４〜図６は、こうして得られた温度分布を表す冷却後の可視画像の例であり、縦軸が正面からの角度、横軸が長さ方向を示す。画像の濃淡が温度の高低を表している。

図４は、角度、すなわち周方向位置による温度差が極めて小さく、温度分布がほぼ一定になっていた例である。図５は、角度が１５０°〜２００°付近に、若干温度むらが生じている例である。図６は、１００°〜２５０°付近に顕著な温度むらが生じている例である。図５および図６から発見された温度むらは、いずれも、赤外線熱画像装置１１が設けられている正面側のみの撮影では見つからない位置に生じており、本発明により、赤外線熱画像装置とは反対側の温度を正面側と同時に測定し、温度むらを発見することができた。これにより、例えば冷却時に水流が十分に当たっていない場所を特定し、工程の改善を行うことができた。

本発明は、鋼管や棒鋼の他、各種材質において、断面形状において凹部を有していない管状または円柱、角柱状の部材、または長尺部材のうち断面に凹部を有していない箇所の外周の温度測定に適用できる。

１ 表面温度分布測定装置
２ 被測定物
１１ 赤外線熱画像装置
１２ 赤外線用鏡

Claims (6)

1. 長尺部材の被測定物からの赤外放射光を受光して、前記被測定物の外周の表面温度分布を測定する装置であって、
   １台の赤外線熱画像装置と、少なくとも２つ以上の赤外線用鏡とを有し、
   前記赤外線熱画像装置は、前記被測定物の表面の予め定められた直接測定範囲からの赤外放射光を直接受光し、
   前記赤外線用鏡は、前記被測定物の表面において前記直接測定範囲以外の範囲からの赤外放射光を受光し前記赤外線熱画像装置へ向けて反射し、
   前記赤外線熱画像装置は、前記赤外線用鏡からの反射光をさらに受光し、
   前記赤外線熱画像装置および前記各赤外線用鏡はそれぞれ、前記被測定物の測定面の指向性放射率が前記測定面の法線方向への放射率の９５％以上となる角度範囲内からの赤外放射光を受光するように配置され、
   前記赤外線用鏡からの反射光を、前記被測定物からの直接光と同じ向きになるように反転させ、前記直接光および前記反射光のうち、測定位置が重なる部分を削除して、前記被測定物の外周の表面温度を表示させるように画像処理を行う制御部を有することを特徴とする、表面温度分布測定装置。
2. ２つ以上の前記赤外線用鏡は、前記赤外線熱画像装置への反射光が、前記被測定物から直接受光する直接光および他の赤外線用鏡からの反射光に重ならずに前記赤外線熱画像装置に到達するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面温度分布測定装置。
3. ２つ以上の前記赤外線用鏡は、前記赤外線熱画像装置で直接受光する範囲以外の全ての角度範囲からの赤外放射光を受光するように配置されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の表面温度分布測定装置。
4. 長尺部材の被測定物からの赤外放射光を受光して、前記被測定物の外周の表面温度分布を測定する方法であって、
   １台の赤外線熱画像装置と、少なくとも２つ以上の赤外線用鏡とを設け、
   前記赤外線熱画像装置に、前記被測定物の表面の予め定められた直接測定範囲からの赤外放射光を直接受光させ、
   前記赤外線用鏡に、前記被測定物の表面において前記直接測定範囲以外の範囲からの赤外放射光を受光させて前記赤外線熱画像装置へ向けて反射させ、
   前記赤外線熱画像装置に、前記赤外線用鏡からの反射光をさらに受光させ、
   前記赤外線熱画像装置および前記各赤外線用鏡をそれぞれ、前記被測定物の測定面の指向性放射率が前記測定面の法線方向への放射率の９５％以上となる角度範囲内からの赤外放射光を受光するように配置し、
   前記赤外線用鏡からの反射光を、前記被測定物からの直接光と同じ向きになるように反転させ、前記直接光および前記反射光のうち、測定位置が重なる部分を削除して、前記被測定物の外周の表面温度を表示させることを特徴とする、表面温度分布測定方法。
5. ２つ以上の前記赤外線用鏡を、前記赤外線熱画像装置への反射光が、前記被測定物から直接受光する直接光および他の赤外線用鏡からの反射光に重ならずに前記赤外線熱画像装置に到達するように配置することを特徴とする、請求項４に記載の表面温度分布測定方法。
6. ２つ以上の前記赤外線用鏡を、前記赤外線熱画像装置で直接受光する範囲以外の全ての角度範囲からの赤外放射光を受光するように配置することを特徴とする、請求項４または５のいずれか一項に記載の表面温度分布測定方法。