JP7335512B2 - 温度測定装置及び温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度測定装置及び温度測定方法に関する。

還元鉄を製造するプロセスの一つとして、粉状の鉄鉱石と、粉状の石炭やコークス等の炭材とを混合して、例えばペレットやブリケットのような塊成化物とし、炉床が移動しながら塊成化物を加熱炉に装入して高温に加熱することで、鉄鉱石中の酸化鉄を還元して固体状金属鉄を得る方法がある。

上述のような方法において、加熱炉の加熱には一般的にバーナーが用いられ、還元鉄の原料である塊成化物は、バーナー及び加熱炉の炉壁からの輻射熱によって、外部から伝熱的に加熱される。

これまでに、塊成化物の温度と金属化率との間に相関があることが確認されており、加熱炉内の塊成化物を測温することにより、操業や品質を管理できる可能性がある。加熱炉の温度測温を行う技術として、例えば、下記の特許文献１には、加熱炉内の塊成化物の輝度分布を表す撮像画像を取得し、当該撮像画像に基づいて塊成化物の温度を測定する温度測定方法が開示されている。

この温度測定方法では、撮像画像から、輝度値が所定の第１の閾値以下である低輝度部を抽出し、抽出された低輝度部について迷光寄与割合を算出し、この迷光寄与割合が所定の第２の閾値以下である部分を、温度測定部分として抽出して温度測定部分の輝度測定値から当該温度測定部分の温度を算出している。

特開２０１６－２３３１４号公報

しかしながら、加熱炉内で処理している塊成化物を測温して操業や品質を管理するためには、上記の特許文献１のように、迷光寄与割合を利用して、迷光の影響が少ない温度測定部分の温度を算出するだけでなく、加熱炉内で時々刻々と変化する迷光の影響をより正確に把握し、塊成化物の温度を一段と高精度に測定することが望まれている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、塊成化物の温度を一段と高精度に測定することができる温度測定装置及び温度測定方法を提供することを目的とする。

本発明の温度測定装置は、加熱炉の内部における塊成化物の温度を測定する温度測定装置であって、前記加熱炉の内部の前記塊成化物を撮像し、前記塊成化物の輝度分布を表わす撮像画像を生成する撮像装置と、前記撮像画像に演算処理を実施して、前記塊成化物の温度を算出する演算処理装置と、を備え、前記演算処理装置は、前記撮像画像から、輝度値が第１の閾値以下である低輝度部を抽出する低輝度部抽出部と、前記低輝度部の形状を表わした形状情報から、半球の立体角２πに対する、前記低輝度部に迷光が入射する立体角の割合を、迷光寄与割合ｆ_１として算出する迷光寄与割合算出部と、前記低輝度部のうち、前記迷光寄与割合ｆ_１が所定の第２の閾値以下である部分を温度測定部分として抽出する温度測定部分抽出部と、前記温度測定部分の輝度値と、前記塊成化物の上面の輝度値と、前記迷光寄与割合ｆ_１とに基づいて、迷光により生じる測定温度の誤差を示す迷光誤差温度を算出する迷光誤差温度算出部と、前記温度測定部分の輝度値から算出した温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる、前記温度測定部分の温度を、前記低輝度部の温度として算出する温度算出部と、を備える。

また、本発明の温度測定方法は、加熱炉の内部における塊成化物の温度を測定する温度測定方法であって、撮像装置を用いて、前記加熱炉の内部の前記塊成化物を撮像し、前記塊成化物の輝度分布を表わす撮像画像を生成する撮像ステップと、前記撮像画像に演算処理を実施して、前記塊成化物の温度を算出する演算処理ステップと、を有し、前記演算処理ステップは、前記撮像画像から、輝度値が第１の閾値以下である低輝度部を抽出する低輝度部抽出ステップと、前記低輝度部の形状を表わした形状情報から、半球の立体角２πに対する、前記低輝度部に迷光が入射する立体角の割合を、迷光寄与割合ｆ_１として算出する迷光寄与割合算出ステップと、前記低輝度部のうち、前記迷光寄与割合ｆ_１が所定の第２の閾値以下である部分を温度測定部分として抽出する温度測定部分抽出ステップと、前記温度測定部分の輝度値と、前記塊成化物の上面の輝度値と、前記迷光寄与割合ｆ_１とに基づいて、迷光により生じる測定温度の誤差を示す迷光誤差温度を算出する迷光誤差温度算出ステップと、前記温度測定部分の輝度値から算出した温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる、前記温度測定部分の温度を、前記低輝度部の温度として算出する温度算出ステップと、を有する。

本発明によれば、迷光寄与割合ｆ_１に基づいて最適な温度測定部分を抽出するとともに、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて、温度測定部分の温度を、前記低輝度部の温度として算出するようにしたことから、塊成化物の温度を一段と高精度に測定することができる。

本実施形態に係る温度測定装置の構成を示した説明図である。 本実施形態に係る温度測定装置が備える撮像装置を説明するための説明図である。 本実施形態に係る炉内塊成化物の輝度分布を示した撮像画像の例である。 本実施形態で採用した塊成化物隣接モデルの説明図である。 θ＝４５°としたときの角度φと迷光寄与割合ｆ_１との関係を示した説明図である。 迷光寄与割合ｆ_１と迷光誤差温度との関係を示したグラフである。 本実施形態に係る温度測定装置が備える演算処理装置のうち画像処理部の構成の一例を示したブロック図である。 特徴点の検出方法及び低輝度部の角度φの計算方法を説明するための説明図である。 本実施形態に係る温度測定処理手順の一例を示したフローチャートである。 温度測定部分の検出例を示した説明図である。 算出した温度と迷光誤差温度との時系列的な推移を示したグラフである。 図１１に示した温度及び迷光誤差温度の中から、迷光誤差温度が許容値以下のときの温度と迷光誤差温度とを抽出し、抽出した温度と迷光誤差温度との時系列的な推移を示したグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（１）＜温度測定装置の全体構成について＞
まず、本発明の実施形態に係る温度測定装置１０について、図１を参照しながら説明する。
本実施形態に係る温度測定装置１０は、例えば、炉床が移動しながら塊成化物を加熱し還元していく回転炉床炉のような還元炉や、その他の種々の加熱炉において、当該加熱炉の内部における塊成化物の温度を測定する装置である。

図１に示す加熱炉は、移動式の炉床の形状が略円形状となっている回転炉床炉であり、炉内は、第１ゾーンから第Ｎゾーン（Ｎ：任意の整数）まで、複数のゾーンに区分けされている。また、加熱炉の炉壁（側壁）には、図１に示したような、炉内を観察するための観察窓が複数設けられている。

本実施形態に係る温度測定装置１０は、図１に示すように、撮像装置１００及び演算処理装置２００を備える。

（２）＜撮像装置について＞
撮像装置１００は、加熱炉の炉内塊成化物を撮像して、塊成化物の輝度分布を表わす撮像画像を生成する装置である。撮像装置１００は、レンズ等の各種光学素子と、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、又は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子と、を有している。ここで、本実施形態に係る撮像装置１００は、静止画像を生成可能なものであってもよく、動画像を生成可能なものであってもよい。また、本実施形態に係る撮像装置１００は、モノクロ画像を撮像可能なものであってもよいし、カラー画像を撮像可能なものであってもよい。なお、カラー画像を撮像可能な撮像装置を利用する場合には、１チャンネルの画像を生成すればよい。すなわち、画像の生成手段としては、ＲＧＢ成分のうちＲ，Ｇ，Ｂのいずれかの成分だけを利用しても良いし、ＲＧＢ色空間からＹＣｂＣｒ色空間への変換を行い、Ｙ成分のみを利用しても良い。

撮像装置１００は、後述する演算処理装置２００により制御されており、所定のフレームレート毎に、演算処理装置２００から撮像のためのトリガ信号が出力される。撮像装置１００は、演算処理装置２００から出力されたトリガ信号に応じて、加熱炉内の炉内塊成化物の熱放射を撮像し、生成した画像を演算処理装置２００に出力する。

図２は、本実施形態に係る撮像装置１００の設置状態を説明するための説明図であり、図３は、本実施形態に係る画像の例を示した説明図である。
本実施形態に係る撮像装置１００は、炉内の状態を観察するための観察窓に設置されており、約２ｍ先にある炉内塊成化物の熱放射を撮像した輝度画像（撮像画像）を得る。撮像装置１００は、例えば、角度θで斜め上から見下ろすように炉内を撮像している。ここで、図２に示したように、角度θは、撮像装置１００の中心光軸と、加熱炉の炉床法線方向とのなす角の大きさとして規定される。

（３）＜炉内の塊成化物の迷光寄与を抑えた温度測定方法について＞
炉内での塊成化物は、バーナーや炉壁等による高温の輻射を受けているため、実際よりも輝度値が高くなっている。塊成化物の見掛けの温度をＴ_ａ［Ｋ］とし、黒体放射輝度をＬ（Ｔ_ａ）［Ｗ／（ｍ^２・ｓｒ）］とし、塊成化物の放射率をεとすると、観測輝度ε・Ｌ（Ｔ_ａ）［Ｗ／（ｍ^２・ｓｒ）］は、下記の式（１）により表すことができる。なお、以下の式（１）では、塊成化物の表面を完全拡散面と仮定している。

式（１）の右辺第１項において、Ｔ_ｒは、塊成化物の真の温度（実際の温度）［Ｋ］を示し、Ｌ（Ｔ_ｒ）［Ｗ／（ｍ^２・ｓｒ）］は、真の温度Ｔ_ｒ［Ｋ］での黒体放射輝度を示し、ε・Ｌ（Ｔ_ｒ）［Ｗ／（ｍ^２・ｓｒ）］は、真の温度Ｔ_ｒ［Ｋ］で観測されるはずの塊成化物の真の放射輝度を示す。

式（１）の右辺第２項において、ｆ_１は迷光寄与割合を示し、Ｔ_ｅは、迷光源の温度［Ｋ］を示し、Ｌ(Ｔ_ｅ)［Ｗ／（ｍ^２・ｓｒ）］は、温度がＴ_ｅ［Ｋ］のときの黒体放射輝度を示し、ε・Ｌ（Ｔ_ｅ）［Ｗ／（ｍ^２・ｓｒ）］は、迷光源の温度がＴ_ｅ［Ｋ］のときの塊成化物の放射輝度を示す。

ここで、塊成化物の上面は周囲に迷光を遮るものがないため、迷光の入射角を立体角で規定しようとすると、炉壁を見込む立体角Ωが、Ω＝２πとなることから、上記の式（１）においてｆ_１＝１となり、単純に放射温度計で測温をする場合、実際の温度より高温の出力を検出してしまう。一方、図３に例示したような、撮像装置１００により撮像された画像において、複数の塊成化物が隣接し、塊成化物の隙間となる部分では、互いの塊成化物の外形（例えば、塊成化物の上面）により迷光が制限されるため、迷光寄与割合が小さくなる。その結果、例えば、図３において丸で囲った部分のように、撮像画像において輝度が暗い部分が観測されることとなる。

本明細書では、かかる迷光寄与割合を、以下の図４のような塊成化物を直方体で近似したモデル（塊成化物隣接モデル）で見積もることとしている。図４のように複数の塊成化物で隙間を形成するモデルとしては、塊成化物間に三角形状の隙間を形成できれば、必ずしも直方体モデルである必要はないが、以下では直方体モデルについて詳細に説明する。実際の操業に用いられる塊成化物は、例えば３０ｍｍ×２５ｍｍ×２０ｍｍ程度のような大きさを有する回転楕円体であるため、以下で説明するような直方体モデルを用いた場合であっても、実際に観測される現象を十分に説明することができる。

図４の左図は、３つの塊成化物が平面的に近接した状態を上方から見た場合を模式的に示しており、図４の右図は、３つの塊成化物のうち、塊成化物（２）と塊成化物（３）との関係を側方から見た場合を模式的に示している。
撮像装置１００によって、図４中で、撮像装置光軸方向として示した矢印の方向から、塊成化物（１）～塊成化物（３）により生じた隙間（開口部）を観測した場合を考える。このとき、図２にも示したように、撮像装置１００の観測方向（すなわち、光軸方向）と鉛直方向（炉床法線方向）のなす角をθとすると、塊成化物（２）の側面のうち塊成化物（３）の輪郭線に隣接する部分（図４の右図に、点Ｑとして示す。）に対しては、図４の右図のような鉛直方向から角度θの領域の迷光が入る。

一方、平面方向では、点Ｑには図４の左図に示す角度φ’の領域の迷光が入る。点Ｑが、平面図上で塊成化物（１）、塊成化物（２）が交わり、かつ、撮像装置１００から一番遠くなる点（最遠点）である点Ｐとは異なる場合には、角度φ’は塊成化物（１）と塊成化物（２）のなす角度φとは異なるものとなる。しかしながら、一般に角度φと角度φ’との差異は小さく、両者が等しいと見なしても迷光の入射量に与える影響は少ないので、ここでは角度φ’＝角度φとして以降の議論を進める。このとき点Ｑに入る迷光の立体角Ωは、図４に示した直方体モデルから、以下の式（２）のように表わされる。

よって、迷光寄与割合ｆ_１は、上記の式（２）のΩを半球の立体角２πで割ることで、以下の式（３）のように表わされることとなる。

ここで、塊成化物上面では、θ＝π／２、φ＝２πとなるため、ｆ_１＝１となるが、例えばθ＝π／４、φ＝π／３のとき、ｆ_１＝０．０５となり、迷光の寄与は塊成化物上面の５％となる。例えばθ＝π／４としたとき、角度φと迷光寄与割合ｆ_１との関係は、図５のようになっている。

次に、迷光寄与割合ｆ_１の値によって迷光による測温誤差がどの程度に抑制されるかを説明する。
炉内の塊成化物を撮像した撮像画像から、迷光寄与割合ｆ_１が１となる塊成化物の上面の高温部の輝度と、迷光寄与割合ｆ_１の低温部（すなわち、ｆ_１≠１である部分）の輝度とを調べたとき、両者の輝度は、上記式（１）より、それぞれ式（４－１）、式（４－２）となる。ここで、高温部の輝度は、例えば、（ａ）画像上の最高輝度や、（ｂ）以下に述べる低温部を中心に塊成化物の辺の２～３倍程度の長さを一辺とする領域の中の最高輝度、とする。なお、以下の式（４－１）及び式（４－２）において、Ｔ_１［Ｋ］、Ｔ_２［Ｋ］は、それぞれ高温部及び低温部の見掛けの温度であり、Ｔ_ｒ１［Ｋ］、Ｔ_ｒ２［Ｋ］は、それぞれ高温部及び低温部の真の温度である。

ここで、高温部と低温部とは塊成化物を介して接触しているため、Ｔ_ｒ１＝Ｔ_ｒ２と仮定すると、上記式（４－１）及び式（４－２）を連立して、以下の式（４－３）を得ることができる。以下の式（４－３）において、左辺は、塊成化物の黒体輝度に対応し、右辺第１項は、塊成化物の測定輝度に対応し、右辺第２項は、塊成化物で迷光により生じる測定温度の誤差（以下、迷光誤差温度と称する）［℃］に対応する。以下の式（４－３）から明らかなように、迷光誤差温度の上限は、高温部及び低温部の測定温度と、低温部の迷光寄与割合ｆ_１と、で記述することができる。

また、式（４－３）を変形して、以下の式（４－３’）を得ることができる。

式（４－３’）において、左辺は、真の温度と見掛けの温度との差であることから、迷光に起因する輝度上の誤差を示している。そのため、この左辺の輝度に対応する温度差（Ｔ_２－Ｔ_ｒ２）を、迷光による誤差に対応した、迷光誤差温度ということができる。
式（４－３’）に基づく、迷光寄与割合ｆ_１と迷光誤差温度（Ｔ_２－Ｔ_ｒ２）との関係のグラフを、図６に示す。

図６に示すように、（Ｔ_１－Ｔ_２＝１５０［℃］の場合に比べ、迷光誤差温度が大きくなる傾向にある）Ｔ_１－Ｔ_２＝２００［℃］の場合であっても、ｆ_１≦０．０５となる部分の測温を行うことで、迷光誤差温度が２５［℃］以下と、実用上問題の無い精度で測温することが可能になる。逆に言えば、実際の操業において規定されている迷光誤差温度の最大値に基づき、上記の式（４－３’）で与えられる迷光誤差温度が、かかる操業規定値以下となるように、迷光寄与割合ｆ_１の閾値を設定すればよい。なお、迷光寄与割合ｆ_１が予め定めた閾値以下の領域を、以後の説明では低迷光部と称することがある。

このように、必要な測温精度に応じて迷光寄与割合ｆ_１に閾値を定め、迷光寄与割合ｆ_１が閾値以下となる温度抽出部分を検出して、温度抽出部分の輝度値に対応する温度を算出することで、迷光による測温誤差を抑えて測温することが可能となる。

なお、式（４－３）はＴ_ｒ１＝Ｔ_ｒ２という仮定のもとで算出したが、一般にはＴ_ｒ１≧Ｔ_ｒ２である。Ｔ_ｒ１≧Ｔ_ｒ２であるとき、迷光誤差温度の影響は式（４－３）より小さい。また、式（４－１）及び式（４－２）では、高温部の放射率と低温部の放射率とが等しいとして式(４－３)を算出している（すなわち、式（４－３）中の全ての放射率をεとしている）。

なお、以上説明した直方体モデルでは、３つの塊成化物が平面的に近接した状態で考えたが、実際は、塊成化物が２層以上に重なった部分の隙間の輝度を観察する場合も考えられる。その際は、θ、φの値が図４の場合よりも減少するため、迷光の寄与がさらに小さくなる。また、実際の塊成化物の形状は丸みを帯びた形状であるため、θが図４に示す直方体モデルより減少し、その結果、迷光の寄与が小さくなる場合が多いと期待される。このように、本実施形態に係る直方体モデルは、低迷光部の形状を三角形で近似するモデルであり、また、迷光寄与割合ｆ_１を一番大きめに見積もるモデルであるといえる。

ここで、本実施形態では、直方体でモデル近似したような、低輝度部の形状を表わした形状情報から迷光寄与割合ｆ_１を求めることができ、Ｌ（Ｔ_１）及びＬ（Ｔ_２）は、それぞれ高温部と低温部の見掛け上の観測値であることから、測定することで知ることができるため、上記の式（４－３’）に基づいて、迷光誤差温度を算出できる。そのため、温度抽出部分の輝度値から算出した見掛けの温度の中から、迷光誤差温度が所定の許容値以下にある（即ち、誤差の影響が小さい）、温度のみを抽出することも可能である。

従って、迷光誤差温度に所定の許容値を設け、測定した温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる、温度のみを抽出すれば、温度精度の信頼性が高い温度のみを得ることができ、さらに迷光による測温誤差を抑えて測温することが可能となる。また、迷光誤差温度を基準にして抽出した、塊成化物の真の温度から、式（４－３’）に基づいて、見掛けの温度を算出することも可能となる。
なお、迷光誤差温度の所定の許容値は、過去の操業における試行錯誤の結果、２０℃とするのが好ましく、１５℃とするのが更に好ましい。

（４）＜演算処理装置の全体構成について＞
次に、図１を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００の全体構成について説明する。本実施形態に係る演算処理装置２００は、撮像装置１００により撮像された画像に対して演算処理を実施し、低迷光部を検出して温度算出を行う。

この演算処理装置２００は、図１に示したように、撮像制御部２０１と、画像処理部２０３と、表示制御部２０５と、記憶部２０７と、を主に備える。

撮像制御部２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。撮像制御部２０１は、本実施形態に係る撮像装置１００による加熱炉内の撮像制御を実施する。より詳細には、撮像制御部２０１は、加熱炉内の撮像を開始する場合に、撮像装置１００に対して撮像を開始させるための制御信号を送出する。

画像処理部２０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。画像処理部２０３は、撮像装置１００から取得した画像の撮像データに対して、以下で説明するような画像処理を行い、温度算出を行う。画像処理部２０３は、得られた加熱炉の塊成化物の温度情報を、表示制御部２０５に伝送する。なお、この画像処理部２０３については、以下で改めて詳細に説明する。

表示制御部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部２０５は、画像処理部２０３から伝送された加熱炉の塊成化物の温度情報を、演算処理装置２００が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理装置２００の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、温度測定装置１０の利用者は、加熱炉の塊成化物の温度情報を、その場で把握することが可能となる。

記憶部２０７は、演算処理装置２００が備える記憶装置の一例である。記憶部２０７には、本実施形態に係る演算処理装置２００が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部２０７は、撮像制御部２０１、画像処理部２０３、表示制御部２０５等が、自由に読み書きを行うことが可能である。

（５）＜画像処理部について＞
続いて、図７及び図８を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００が備える画像処理部２０３について、詳細に説明する。
図７は、本実施形態に係る演算処理装置２００が有する画像処理部２０３の構成の一例を示したブロック図であり、図８は、特徴点の検出方法及びラベリング部２１３の角度φの計算方法を説明するための説明図である。

本実施形態に係る画像処理部２０３は、図７に示すように、低輝度部抽出部２１１と、ラベリング部２１３と、輪郭抽出部２１５と、特徴点抽出部２１７と、迷光寄与割合算出部２１９と、温度測定部分抽出部２２１と、迷光誤差温度算出部２２３と、温度算出部２２５と、を主に備える。以下で、各処理部の説明を行う。

低輝度部抽出部２１１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。低輝度部抽出部２１１は、撮像装置１００により生成された撮像画像から、予め指定した覗き孔の付着物等が写りこむ部分を除いた領域を輝度観察領域としたうえで、当該輝度観察領域中の最高輝度の半分の値を第１の閾値として、二値化処理を実施する。これにより、二値化処理前の輝度値が第１の閾値以下であるために二値化後の画素値が０となる低輝度部と、二値化後の画素値が１となる部分と、を含む二値化画像が、生成されることとなる。なお、かかる二値化閾値（第１の閾値）は、二値化後の画素値が０となる画素が全体の５～１０％程度になるように、自動調整してもよい。また、低輝度部抽出部２１１は、輝度観察領域を予め複数の部分領域に分割しておき、画像上の部分領域毎に適当な二値化閾値を定めるようにしてもよい。低輝度部抽出部２１１は、以上のようにして低輝度部が抽出されている二値化画像（低輝度部画像とも称する）を生成すると、生成した二値化画像を、後段のラベリング部２１３へと出力する。

ラベリング部２１３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。ラベリング部２１３は、低輝度部抽出部２１１により生成された二値化画像に対してラベリング処理を実施し、二値化画像における輝度値が０である画素が集まった領域（すなわち、低輝度部）を、領域ごとにラベル付けする。また、ラベリング部２１３は、各低輝度部の画素数を調べ、画素数が所定値以下（例えば２０画素以下）の領域に対しては、ラベリングをせず、以下の処理を実施しないようにしてもよい。ラベリング部２１３は、以上のようにして各低輝度部に対してラベル付けを行うと、ラベル付けの結果を、後段の輪郭抽出部２１５へと出力する。

輪郭抽出部２１５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。輪郭抽出部２１５は、ラベリング部２１３によってラベル付けされた領域（すなわち、低輝度部）について、低輝度部の外形に対応する輪郭点を抽出し、画素毎にその座標値を記憶する。ここで、輪郭点の抽出を行うための処理については、特に限定されるものではなく、一般的なエッジ検出処理を利用することができる。例えば、輪郭抽出部２１５は、各低輝度部に対して、ラプラシアンフィルタ等の微分フィルタを用いたフィルタ処理を実施して、輪郭点を抽出することができる。このようにして抽出された輪郭点の座標値に関する情報が、低輝度部の形状を表わした形状情報として用いられる。輪郭抽出部２１５は、以上のようにして各低輝度部について形状情報を生成すると、得られた形状情報を、後段の特徴点抽出部２１７へと出力する。

特徴点抽出部２１７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。特徴点抽出部２１７は、各低輝度部について、輪郭抽出部２１５によって抽出された輪郭点の座標値に関する情報を利用して、撮像装置１００から最も遠い位置に存在する輪郭点（最遠点）を特定する。その上で、特徴点抽出部２１７は、最遠点を通る撮像装置１００の光軸により２つの部分領域に区分される各ラベリング領域について、それぞれの部分領域に含まれる輪郭点の集合を特徴点とする。以下、図８を参照しながら、具体的に説明する。なお、図８では、加熱炉の炉周方向をＸ軸方向とし、撮像装置１００の中心光軸方向をＹ軸方向としている。また、炉中心側から観察窓側（撮像装置１００側）に向かう方向を、Ｙ軸の正方向としている。

特徴点抽出部２１７は、まず、各低輝度部の輪郭の座標について、Ｙ座標が最小の点、すなわち、撮像装置１００から最も遠い位置に存在する最遠点を、点Ｐ（Ｘｐ、Ｙｐ）として抽出する。その後、特徴点抽出部２１７は、塊成化物の輪郭のうち、後に述べる直線近似を行うための上記最遠点側の所定の範囲を設定するために、点Ｐの座標に応じて設定される矩形領域を考える。ここで、点Ｐの座標に応じて設定される矩形領域の大きさは、炉内に存在する塊成化物の大きさに基づいて設定することができる。

矩形領域の大きさがあまりに小さいと、後に述べる直線近似の際、塊成化物の表面の凹凸等による輪郭の微小な変化の影響を大きく受けてしまう。また、矩形領域の大きさがあまりに大きいと、塊成化物の輪郭全体で直線近似の計算をしてしまうこととなり、点Ｐ近傍の輪郭のなす角度を精度よく計算できない。そこで、矩形領域の大きさは、最大でも塊成化物の１辺の大きさよりも小さくなるように設定し、好ましくは、塊成化物の１辺の大きさの１／３程度とすることが好ましい。矩形領域の大きさを塊成化物の１辺の大きさの１／３程度とすることで、以下で詳述するような近似直線の算出処理において、精度よく近似直線を算出することが可能となる。なお、以下では、Ｘ方向に２０画素×Ｙ方向に１５画素の矩形領域を考慮する場合を例に挙げて、具体的に説明する。

特徴点抽出部２１７は、点Ｐの座標（Ｘｐ、Ｙｐ）に基づいて、上記矩形領域のうち、輪郭点の座標がＸｐ－ｘ１≦ｘ≦ＸｐかつＹｐ≦ｙ≦Ｙｐ＋ｙ１（ｘ１及びｙ１は、過去の操業実績から特定される数値であり、例えば、ｘ１＝１０、ｙ１＝１５とし、Ｘｐ－１０≦ｘ≦ＸｐかつＹｐ≦ｙ≦Ｙｐ＋１５）となる画像上の領域（図８中に領域１として示す。）に含まれる画素集合（塊成化物の輪郭に対応する画素集合）を、直線近似を行うための所定の範囲の輪郭である集合Ａとして、特徴点とする。

また、特徴点抽出部２１７は、上記矩形領域のうち、輪郭点の座標がＸｐ≦ｘ≦Ｘｐ＋ｘ１かつＹｐ≦ｙ≦Ｙｐ＋ｙ１（Ｘｐ≦ｘ≦Ｘｐ＋１０かつＹｐ≦ｙ≦Ｙｐ＋１５）となる画像上の領域（図８中に領域２として示す。）に含まれる画素集合（塊成化物の輪郭に対応する画素集合）を、直線近似を行うための所定の範囲の輪郭である集合Ｂとして、特徴点とする。

特徴点抽出部２１７は、以上のようにして矩形領域の集合Ａ及び集合Ｂの２つの部分領域に関する情報を生成すると、得られた情報を、後段の迷光寄与割合算出部２１９へと出力する。

迷光寄与割合算出部２１９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。迷光寄与割合算出部２１９は、特徴点抽出部２１７によって規定された、上記矩形領域のうちの２つの部分領域（例えば、図８における領域１及び領域２）のそれぞれについて、当該部分領域に含まれる輪郭の範囲（すなわち、上記集合Ａ及び集合Ｂ）を直線近似した、最遠点を通る近似直線を算出する。より詳細には、迷光寄与割合算出部２１９は、各部分領域に含まれる輪郭点（換言すれば、集合Ａ及び集合Ｂとして規定される特徴点）の座標を参照し、各部分領域における輪郭点の分布を直線近似することで、最遠点を通る２つの近似直線を算出する。その後、迷光寄与割合算出部２１９は、算出した２つの近似直線のなす角φと、撮像装置１００の光軸方向と炉床の法線方向とのなす角θと、を利用して、上記式（３）に基づき、迷光寄与割合ｆ_１を算出する。以下では、再び図８を参照しながら、実施される処理について具体的に説明する。

迷光寄与割合算出部２１９は、まず、特徴点抽出部２１７により抽出された各低輝度部の画素集合Ａ、Ｂより、点Ｐを通る２本の近似直線式（すなわち、図８の領域１における近似直線式と、領域２における近似直線式）を求め、Ｙ軸となす角φ１、φ２を求める。ここで、近似直線式を求める方法については、特に限定されるものではなく、例えば、最小二乗法やハフ変換等といった公知の方法により求めることが可能である。その後、迷光寄与割合算出部２１９は、φ＝φ１＋φ２として２つの直線のなす角φを求める。算出したφが、図４左に示した角度φに相当する。そして、迷光寄与割合算出部２１９は、撮像装置１００の入射角θ（入射角θは、撮像装置１００の設置条件によって決まる定数となる。）と求めたφとから、式（３）より迷光寄与割合ｆ_１を計算する。

迷光寄与割合算出部２１９は、上記の式（３）に基づき、各低輝度部の迷光寄与割合ｆ_１を算出すると、算出した各低輝度部の迷光寄与割合ｆ_１を、後段の温度測定部分抽出部２２１と迷光誤差温度算出部２２３に出力する。

温度測定部分抽出部２２１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。温度測定部分抽出部２２１は、迷光寄与割合算出部２１９によって求められた各低輝度部の迷光寄与割合ｆ_１と、所定の第２の閾値とを利用して、求められた迷光寄与割合ｆ_１の閾値判断を行う。すなわち、温度測定部分抽出部２２１は、元々迷光が一定量遮られる塊成化物の間の隙間の領域で温度測定を行っており、迷光に基づく誤差の低減を図っているが、更に、そうした塊成化物間の隙間の領域の内でも、特に迷光寄与割合ｆ_１が予め定めた第２の閾値以下であれば、着目している低輝度部を低迷光部として扱うことができるため、こうした第２の閾値以下である部分を検出し、これを温度測定部分として取り扱うようにしている。

温度測定部分抽出部２２１は、以上のようにして温度測定部分を抽出すると、温度測定部分の抽出結果を、後段の迷光誤差温度算出部２２３と温度算出部２２５とに出力する。

迷光誤差温度算出部２２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。迷光誤差温度算出部２２３は、撮像装置１００により生成された撮像画像から、迷光寄与割合ｆ_１の値が１となる塊成化物の上面の輝度値と、温度測定部分抽出部２２１で検出した温度測定部分の輝度値とをそれぞれ算出する。これにより、迷光誤差温度算出部２２３は、算出した塊成化物の上面の輝度値と、算出した温度測定部分の輝度値と、迷光寄与割合算出部２１９で算出した迷光寄与割合ｆ_１とから、上記の式（４－３’）で与えられる迷光誤差温度を算出することができる。

より具体的には、算出した塊成化物の上面の輝度値を温度に換算した当該上面の見掛けの上面温度と、算出した温度測定部分の輝度値を温度に換算した温度測定部分の見掛けの温度と、算出した迷光寄与割合ｆ_１とを、上記の式（４－３’）に代入することで迷光誤差温度を算出する。迷光誤差温度算出部２２３は、以上のようにして、各撮像画像が得られるごとに迷光誤差温度を算出すると、時系列的に得られる迷光誤差温度の算出結果を、後段の温度算出部２２５へと順次出力する。

なお、迷光誤差温度算出部２２３による、輝度値から温度への換算の一例としては、例えば、輝度値と温度との関係を表した検量線を挙げることができる。このような輝度値と温度との関係を表す関係式は、例えば記憶部２０７に検量線データとして格納されることが好ましい。

温度算出部２２５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。温度算出部２２５は、温度測定部分抽出部２２１により温度測定部分として検出された低輝度部について、かかる低輝度部を構成する画素の輝度値のうち最小輝度値を与える画素を特定する。この場合、検出した温度測定部分の最小輝度値を与える画素は、図４において鉛直方向から角度θ、平面方向角度φとなる点Ｑに対応する画素となる。

温度算出部２２５は、最小輝度値を基に算出した塊成化物の温度測定部分の温度のデータから、迷光誤差温度が所定の許容値より大きくなっている温度のデータを間引いて、迷光誤差温度が許容値以下となっている温度データのみを抽出し、この塊成化物の温度の抽出結果に関する情報を、例えば表示制御部２０５に出力する。表示制御部２０５における温度の表示方法については、特に限定されるものではなく、抽出した塊成化物の温度のみや、これに加えて抽出する前の塊成化物の全ての温度、時系列に変動する迷光誤差温度等を、数値として表示しても良いし、温度を色相に変換して、塊成化物の温度を色で表示してもよい。

また、温度算出部２２５は、抽出した温度情報等を示したデータに、当該データを算出した日時等に関する時刻情報を関連づけて、履歴情報として記憶部２０７に記録してもよい。

なお、温度算出部２２５は、画像中の複数の低輝度部について最小輝度値を与える画素の座標を入手し、温度と座標を対応させることで画像上の温度分布を求め、温度分布の中から、迷光誤差温度が許容値以下の温度分布のみを抽出してもよい。すなわち、温度算出部２２５は、迷光誤差温度が許容値以下になっている、加熱炉の炉径方向の温度分布を求めることが可能である。

また、温度算出部２２５は、式（４－３’）に基づいて、見掛けの温度を求めて、出力してもよい。

（６）＜温度測定方法について＞
続いて、図９を参照しながら、本実施形態に係る温度測定方法の流れについて簡単に説明する。図９は、本実施形態に係る温度測定方法の一例を示したフローチャートである。

本実施形態に係る温度測定装置１０の撮像装置１００は、演算処理装置２００における撮像制御部２０１の制御のもとで加熱炉内の塊成化物を撮像して、塊成化物の輝度分布に関する撮像画像を生成し（ステップＳ１０１）、生成した撮像画像を演算処理装置２００に出力する。

温度測定装置１０の演算処理装置２００が備える画像処理部２０３は、撮像装置１００から出力された撮像画像を取得すると、取得した撮像画像のデータを低輝度部抽出部２１１に伝送する。低輝度部抽出部２１１は、予め定められた第１の閾値を利用し、取得した撮像画像に対する二値化画像を生成することで、迷光の影響が少ない低輝度部を抽出し（ステップＳ１０３）、得られた抽出結果をラベリング部２１３に出力する。

ラベリング部２１３は、二値化した後の輝度値が０である領域についてラベリング処理を行い（ステップＳ１０５）、得られた結果を輪郭抽出部２１５に出力する。

輪郭抽出部２１５は、低輝度部の輪郭を抽出し（ステップＳ１０７）、得られた輪郭の座標値を特徴点抽出部２１７へと出力する。

特徴点抽出部２１７は、各低輝度部の輪郭の座標について、ｙ座標が最小の点を点Ｐ（座標（Ｘｐ、Ｙｐ））として抽出し、輪郭点の座標がＸｐ－ｘ１≦ｘ≦ＸｐかつＹｐ≦ｙ≦Ｙｐ＋ｙ１となる画像上の領域に含まれる画素集合をＡとして特徴点とするとともに、Ｘｐ≦ｘ≦Ｘｐ＋ｘ１かつＹｐ≦ｙ≦Ｙｐ＋ｙ１となる画像上の領域に含まれる画素集合をＢとして特徴点とし（ステップＳ１０９）、迷光寄与割合算出部２１９に出力する。

迷光寄与割合算出部２１９は、各低輝度部の画素集合Ａ、Ｂより、点Ｐを通る２本の近似直線式を求め、Ｙ軸となす角φ１、φ２を求める。その後、迷光寄与割合算出部２１９は、φ＝φ１＋φ２として２つの直線のなす角φを求める。続いて、迷光寄与割合算出部２１９は、撮像装置の入射角θとφから、上記の式（３）より迷光寄与割合ｆ_１を計算し（ステップＳ１１１）、温度測定部分抽出部２２１及び迷光誤差温度算出部２２３に出力する。

温度測定部分抽出部２２１は、算出された迷光寄与割合ｆ_１が予め定められた第２の閾値以下であれば、黒体と同様に扱えるような、低輝度部の中でも特に迷光の影響が少ない低迷光部分であるとして、着目している低輝度部を温度測定部分として検出し（ステップＳ１１３）、迷光誤差温度算出部２２３及び温度算出部２２５に出力する。

迷光誤差温度算出部２２３は、撮像装置１００により生成された撮像画像から、迷光寄与割合ｆ_１の値が１となる塊成化物の上面の輝度値と、温度測定部分抽出部２２１で検出した温度測定部分の輝度値とをそれぞれ算出し、算出した塊成化物の上面の輝度値と、算出した温度測定部分の輝度値と、迷光寄与割合算出部２１９で算出した迷光寄与割合ｆ_１とから、上記の式（４－３’）で与えられる迷光誤差温度を算出し（ステップＳ１１５）、温度算出部２２５に出力する。

温度算出部２２５は、温度測定部分の最小輝度値を事前の検証により特定した温度校正式に代入し、その部分の塊成化物の温度として出力する（ステップＳ１１７）。そして、温度算出部２２５は、迷光誤差温度と許容値との関係から、算出した塊成化物の温度のデータの中から、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いた温度データを算出し（ステップＳ１１９）、算出した温度を塊成化物の最終的な温度として出力する。

（７）＜作用及び効果＞
以上の構成において、温度測定装置１０では、加熱炉の内部における塊成化物を撮像した撮像画像から、輝度値が所定の第１の閾値以下である低輝度部を抽出し（低輝度部抽出ステップ）、抽出された低輝度部のうち、低輝度部の形状を表わした形状情報から、低輝度部に迷光が入射する立体角の半球の立体角２πに対する割合である迷光寄与割合ｆ_１を算出する（迷光寄与割合算出ステップ）。

温度測定装置１０では、迷光寄与割合算出ステップとして、まず、複数の塊成化物で囲まれた隙間を形成するモデルを用いて、抽出された低輝度部について、形状情報に対応する低輝度部の輪郭のうち、撮像装置１００から最も遠い位置に存在する最遠点となる点Ｐ（図８）を隙間の頂点として特定する。次いで、最遠点の点Ｐを通る、撮像装置１００の光軸により、２つに区分される輪郭のそれぞれについて、輪郭のうち、最遠点（点Ｐ）側の所定の範囲を直線近似した最遠点の点Ｐを通る近似直線を算出する。そして、算出した２つの近似直線のなす角φと、撮像装置１００の光軸方向と炉床の法線方向とのなす角θと、を利用して、迷光寄与割合ｆ_１を算出する。

温度測定装置１０では、抽出された低輝度部のうち、迷光寄与割合算出ステップにより算出した迷光寄与割合ｆ_１が所定の第２の閾値以下である部分を温度測定部分として抽出する（温度測定部分抽出ステップ）。また、温度測定装置１０では、抽出された温度測定部分の輝度値と、迷光寄与割合ｆ_１が１である塊成化物の上面の輝度値と、迷光寄与割合ｆ_１とに基づいて、迷光誤差温度を算出する（迷光誤差温度算出ステップ）。

また、温度測定装置１０では、温度測定部分の輝度値を基に算出した温度測定部分の温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる温度を算出する（温度算出ステップ）。

このように、温度測定装置１０では、迷光寄与割合ｆ_１に基づいて最適な温度測定部分を抽出するとともに、所定の許容値よりも大きい迷光誤差温度に対応する温度のデータを間引いて迷光誤差温度が許容値以下にある温度を、塊成化物の低輝度部の温度として算出するようにしたことから、迷光誤差温度が許容値超で誤差が大きいと推測される、不自然な挙動を示す温度を省くことができ、かくして、塊成化物の温度を一段と高精度に測定することができる。

なお、上述した実施形態においては、温度測定部分の温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる、温度測定部分の温度から、真の温度を求めているが、逆に、そのようにして求めた、真の温度に基づいて、式（４－３’）から、見掛けの温度を求めるようにすることもできる。そうすることで、工業的にモニターすべき温度を、真の温度でも、見掛けの温度でも、適宜使い分けることができるようになる。

以下では、実験例を示しながら、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実験例は、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法のあくまでも一例にすぎず、本発明に係る温度測定装置及び温度測定方法が下記に示す例に限定されるものではない。

本実験例では、実際の操業に用いられる３０ｍｍ×２５ｍｍ×２０ｍｍ程度の大きさの塊成化物が装入された操業中の加熱炉を、観察窓に設けたＣＣＤカメラにより観察し、得られた画像データに対して本発明に係る画像処理を実施した。なお、図２に示した撮像装置の設置角度θは、４５度である。

以下の実験例では、図６から迷光寄与割合ｆ_１の閾値（第２の閾値）を０．０５として、ｆ_１≦０．０５となる低迷光部を温度測定部分として検出した。温度測定部分の最小輝度値から、予め求めておいた温度校正式により温度を算出した。

図１０に、温度測定部分の検出例を示した。図１０の上段は、ＣＣＤカメラより得られた撮像画像であり、図１０の中段は、上述した本実施形態に係るラベリング処理により当該撮像画像から得られたラベリング画像（すなわち、ラベリング処理された低輝度部画像）であり、図１０の下段は、上述した本実施形態に係る輪郭抽出処理によりラベリング画像から得られた輪郭抽出画像である。輪郭抽出画像内において、点線の丸で囲った部分が、検出された温度測定部分（低迷光部１，２）である。

そして、加熱炉の内部を撮像した撮像画像に基づいて、上記の画像処理を行い塊成化物の上面の輝度値から求めた上面温度と、検出した温度測定部分の最低輝度から求めた温度と、算出した迷光誤差温度とを時系列にプロットしてゆき、これら温度の時系列的な推移を確認したところ、図１１に示すような結果が得られた。

そして、迷光輝度温度の許容値を１５［℃］とし、図１１の結果から、迷光誤差温度が１５［℃］より大きくなっている温度のデータを間引いて、迷光誤差温度が１５［℃］以下のときの、塊成化物の上面温度と、温度測定部分の温度と、迷光誤差温度とをそれぞれ抽出し、抽出した温度の時系列的な推移を確認したところ、図１２に示すような結果が得られた。

図１１及び図１２から明らかなように、迷光誤差温度が１５［℃］より大きくなっている温度のデータを間引いて得られたデータからなる温度を算出することで、迷光誤差温度が１５［℃］超で誤差が大きいと推測される不自然な温度変化を省くことができ、塊成化物の温度について定常的な時間的推移を知ることができた。以上の結果から明らかなように、本実施形態によって、塊成化物の温度を一段と高精度に測温することが可能となる。

１０ 温度測定装置
１００ 撮像装置
２００ 演算処理装置
２０３ 画像処理部
２１１ 低輝度部抽出部
２１３ ラベリング部
２１５ 輪郭抽出部
２１７ 特徴点抽出部
２１９ 迷光寄与割合算出部
２２１ 温度測定部分抽出部
２２３ 迷光誤差温度算出部
２２５ 温度算出部

Claims (4)

1. 加熱炉の内部における塊成化物の温度を測定する温度測定装置であって、
   前記加熱炉の内部の前記塊成化物を撮像し、前記塊成化物の輝度分布を表わす撮像画像を生成する撮像装置と、
   前記撮像画像に演算処理を実施して、前記塊成化物の温度を算出する演算処理装置と、
   を備え、
   前記演算処理装置は、
   前記撮像画像から、輝度値が第１の閾値以下である低輝度部を抽出する低輝度部抽出部と、
   前記低輝度部の形状を表わした形状情報から、半球の立体角２πに対する、前記低輝度部に迷光が入射する立体角の割合を、迷光寄与割合ｆ_１として算出する迷光寄与割合算出部と、
   前記低輝度部のうち、前記迷光寄与割合ｆ_１が所定の第２の閾値以下である部分を温度測定部分として抽出する温度測定部分抽出部と、
   前記温度測定部分の輝度値と、前記塊成化物の上面の輝度値と、前記迷光寄与割合ｆ_１とに基づいて、迷光により生じる測定温度の誤差を示す迷光誤差温度を算出する迷光誤差温度算出部と、
   前記温度測定部分の輝度値から算出した温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる、前記温度測定部分の温度を、前記低輝度部の温度として算出する温度算出部と、
   を備える、温度測定装置。
2. 前記温度算出部は、
   前記低輝度部の温度として算出した温度から、前記温度測定部分の見掛けの温度を算出する、請求項１に記載の温度測定装置。
3. 前記所定の許容値が２０℃である、請求項１又は２に記載の温度測定装置。
4. 加熱炉の内部における塊成化物の温度を測定する温度測定方法であって、
   撮像装置を用いて、前記加熱炉の内部の前記塊成化物を撮像し、前記塊成化物の輝度分布を表わす撮像画像を生成する撮像ステップと、
   前記撮像画像に演算処理を実施して、前記塊成化物の温度を算出する演算処理ステップと、
   を有し、
   前記演算処理ステップは、
   前記撮像画像から、輝度値が第１の閾値以下である低輝度部を抽出する低輝度部抽出ステップと、
   前記低輝度部の形状を表わした形状情報から、半球の立体角２πに対する、前記低輝度部に迷光が入射する立体角の割合を、迷光寄与割合ｆ_１として算出する迷光寄与割合算出ステップと、
   前記低輝度部のうち、前記迷光寄与割合ｆ_１が所定の第２の閾値以下である部分を温度測定部分として抽出する温度測定部分抽出ステップと、
   前記温度測定部分の輝度値と、前記塊成化物の上面の輝度値と、前記迷光寄与割合ｆ_１とに基づいて、迷光により生じる測定温度の誤差を示す迷光誤差温度を算出する迷光誤差温度算出ステップと、
   前記温度測定部分の輝度値から算出した温度のデータから、所定の許容値より大きい迷光誤差温度に対応するデータを間引いて得られたデータからなる、前記温度測定部分の温度を、前記低輝度部の温度として算出する温度算出ステップと、
   を有する、温度測定方法。

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