JPH02138836A - 放射測温装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は鉄鋼業等の製造プロセスにおいて放射率が変化
する物体の温度と放射率を、被測定物体を冷却すること
無しに測定する放射測温装置に関する。

〔従来の技術並びに発明が解決しようとする課題〕放射
測温装置の最も大きな技術上の２つの問題は放射率変動
と迷光雑音である。例えば鉄鋼業の代表的な冷延鋼板の
熱処理設備である連続焼鈍炉では放射率変動と迷光雑音
の２つの問題が共存する場合があり温度計測上の問題と
なっている。

従来の放射測温ｔ４としてもっとも代表的な単色法では
、被測定物体の放射率を一定と仮定して測定するために
放射率変動、迷光雑音があるところでは通用できない。

また、二色比法では２つの波長における分光放射率の比
が一定と仮定して測定するがこれも放射率変動、迷光雑
音があるところでは適用できない。

迷光雑音に対処する方法としては例えば特許第９１９７
９８号に記載されている水冷式の遮蔽板を使用するもの
かあるが、遮蔽板によって被測定物体を冷却することが
問題となる場合には適用出来ない上この方法は放射率変
動に対処したもので副ない。

特許第１４２２２６８号に記載されている非水冷式の遮
蔽板を使用する方法は被測定物体を冷却する恐れは無い
がこれも放射率変動にも対処したものではない。

一方、放射率変動に対処する方法としては例えば特許第
１３６８７８８号に記載されているような被測定物体表
面における放射光の鏡面反射を利用する方法があるが、
このような方法は比較的に平滑な表面を持った被測定対
象にしか適用できないという問題がある。

このように、迷光雑音が存在する製造プロセスにおいて
放射率が変動する被測定物体の温度を正確に、しかも冷
却によって被測定物体の材質に悪影響を及ぼずことなく
測定することは従来の放射測温装置ではできなかった。

本発明は放射測温技術上の最も大きい２つの問題である
放射率変動と迷光雑音の両者を解決するためのものであ
り、且つ被測定物体を冷却すること無しに温度と放射率
を同時に測定することを目的としている。即ち被測定物
体表面の放射率が変化し、かつその物体が例えば高温炉
内に存在するような状況下において物体表面の温度を正
確に測定できる放射測温装置を提供するためのものであ
る。

〔問題を解決するための手段］ 本願の発明者の一人はずでに２つの異なる分光放射率間
の関係を解くことによって被測定物体の温度と放射率を
求める放射測温法を出願した。この方法は、従来の被測
定物体表面における放射光の鏡面反射特性を利用するも
のとは異なっており、被測定物体表面上での反射を使わ
ないために鏡面、粗面を問わず適用できる特長がある。

本発明は、上記発明の方法を発展させて迷光雑音対策と
して非水冷の遮蔽板を併用することにより放射測温技術
の２つの大きな問題である放射率変動と迷光雑音を被測
定物体を冷却することなしに同時に解決するための装置
を提供する。即ち、未知の迷光雑音を除去し既知の迷光
雑音を発生ずるための非水冷遮蔽板と、その温度あるい
はそれが発する２種の分光放射輝度信号を検出するため
の熱電対あるいば分光放射計検出器、および被測定物体
表面からの２種の分光放射輝度信号を検出するだめの分
光放射計検出器と、」−記構吊器からの信号を人力しそ
れらをもとに該分光放射輝度信号に対応する２種の分光
放射率間の関係式（放射率特性関数）を解くための計算
装置を手段として物体の温度と放射率を測定するもので
ある。

〔作　用〕

温度Ｔの物体からは次式で表される分光熱放射輝度信号
が発生している ■５−εＩ−ｂ（Ｔ）　　　　　　　　　　　　　（１
）ただしεは分光放射率、Ｉ−ｂ（Ｔ）は温度Ｔにおけ
る黒体分光放射輝度でありブランクの式％式％（２ で表現される。ごこでＣ，、Ｃ２は定数、λは検出波長
である。分光放射輝度信号は放射計あるいは放射温度計
検出器により光電変換されて一般的には電圧出力信号と
して取り扱われる。

被測定物体の分光放射率が既知の場合には（１）より Ｌｂ（Ｔ）＝Ｌ／ε　　　　　　　　　　　　（３）と
して物体温度に対応する黒体分光放射輝度信号値が求ま
り、放射計の黒体炉校正関数よりただちに温度Ｔが求ま
る。これが基本的な放射測温の原理である。

（３）式より明らかなように被測定物体の分光放射率が
未知あるいは変動するような状況においては物体温度が
正確に測定出来ない。

さらに、被測定物体が例えば温度Ｔ〜の加熱炉内にある
ような場合には加熱炉内壁からの熱放射が被測定物体表
面に入射さらに反射されて放射計検出器に入ってくる。

そのときの検出信号は１−＝　ｔ　Ｉ−ｂ（Ｔ）　＋（
１−ε）　Ｌｂ（Ｔ、、）　（４）で表される。右辺第
二項は迷光雑音と呼ばれ周囲温度Ｔ。Ｏあるいは迷光Ｌ
ｂ（’１”〜）が未知の場合は正確な測温か出来なくな
る。上述の放射率変動および迷光雑音の問題が放射測温
技術上の最も大きな障害になっている。

本発明の方法では、まず検出波長、測定角度、偏光のい
ずれか一つ以上界なる条件で測定された２種の分光放射
輝度信号を放射旧で計測し、それらは次式で表現される
。

Ｌｘ−ｅ　ＸＬｂｘ（Ｔ）　＋（１−ε、）　Ｌｂｘ（
Ｔｏ、　）Ｌｙ＝ε、Ｌｂｙ（Ｔ）　＋（１−εｙ）　
Ｌ　ｂｙ　（Ｔ　∞　）ここで、ＬＸ　：εつに対応す
る分光放射輝度検出信号 Ｌｙ　：ε、に対応する分光放射輝度検出信号 Ｌｂｘ：ε８に対応する黒体分光放射輝度信号 Ｌｂｙ：ε、に対応する黒体分光放射輝度信号 Ｔ　：被測定物体表面温度 Ｔｏ：被水冷遮蔽板表面温度 ｘ、ｙ：測定条件の違いを示す添字 さらに周囲温度Ｔ。あるいは周囲からの放射輝度Ｌｂｘ
　（Ｔ∞）、　　Ｌｂｙ　（Ｔ∞）を熱電対等接触式温
度計あるいは放射計で計測する。この際これらの値を既
知のものとするために被測定物体表面近傍の上方に非水
冷の遮蔽板を設置しこの温度あるいは表面からの放射輝
度信号を測定すれば被測定物体を冷却することなしに目
的を達成することができる。

放射率が変動する物体に対しては本発明の発明者の一人
がすでに特願昭６３−＃＃＃＃＃＃に記載したように、
２つの異なる分光放射率間の関係を解くことによって被
測定物体の温度と放射率を求める放射測温祷道を応用す
ることができる。即ち、次の原理式 ％式％（７） を（５Ｌ　（６）式とともに解けば（５Ｌ　（６Ｌ（７
）弐において未知数はε８　、ε２．Ｔの３個であるか
らこれらの方程式は解くことができる。

ｆは両者間の相補的な関係を表す既知の関係式（放射率
特性関数）で被測定物体あるいは物体が処理される製造
プロセスに固有なものである。即ち、非水冷の遮蔽板で
既知の雑音を形成して炉内壁からの未知の雑音を除去し
、検出された２種の分光放射輝度信号を使って放射率特
性関数を解けば高温炉内で放射率が変動する被測定対象
の温度と放射率を同時に求めることができる。

方程式の数値解決は色々な手法が考えられるが、第１図
に最も簡単な解決の流れ図を示す。はじめに２つの分光
放射率に対応する放射計検出器の黒体炉校正関数Ｌｂｘ
　（Ｔ）、　　Ｌｂｙ　（Ｔ）を読みこむ。

これらは関数型式でも良いし、あるいは数表として計算
機のメモリーに収納される。次に放射率特性関数ｒを読
みこむ。これも関数型式あるいは数表として収納される
。つぎに測定値Ｌｘ、Ｌｙ。

Ｔｏを放射計検出器および熱電対から読みこみ以降方程
式（５）、（６Ｌ　（７）を解く。Ｔ∞のかわりに放射
計検出器をスキャンしてＬ　ｂｘ　（Ｔ　∞　）Ｌｂｙ
（Ｔ∞）を読みこみ方程式を解いてもよい。

分光放射率ε、の初期値としてこの例では考えうる最少
の値を設定している。たとえば被測定対象が冷延鋼板で
あり検出波長が数μｎ程度ならば無酸化状態で約０．２
程度の値になる。これに対応するもう一方の放射率ε、
を放射率特性関数で計算する。これら２つの分光放射率
を仮定して（５）。

（６）式を変形した次の式より被測定物体の見掛けの温
度Ｔｘ、Ｔｙを求める。

Ｌｂｘ（Ｔｘ）　＝　（Ｌｘ　−（１−ｅ　ｘ’：ｌ　
Ｌｂｘ（Ｔ∞））／εＸ　　　　　　　　　　（８） Ｌｂｙ（Ｔｙ）−（Ｌｙ　　　（１−εｙ）Ｌｂｙ（Ｔ
へ）〕／εｙ　　　　　　　　　　（９） Ｔｘ　、Ｔｙが許容誤差範囲以内で等しければそれらの
平均値を解としその時の分光放射率ε８　、ε。

と共に出力する、。Ｔｘ、Ｔｙが許容誤差範囲以内でな
ければ見掛けの分光放射率ε８の値を変更し、対応する
εアを放射率特性関数で計算して再度（８）、（９）式
により見掛けの温度Ｔｘ　、　Ｔ’ｙを計算する。この
例では、放射率の設定値をｄｃＸだけ微増させている。

以下、同様なルーチンを解が求まるまで繰り返せば良い
。

第２図は演算システムのブロックダイアダラムを示した
ものである。■は放射計検出器であり検出された分光放
射輝度信号Ｉ、ｘ、Ｌｙは３の計算機に伝送される。２
は熱電対検出器であり非水冷遮蔽板の温度Ｔいが計算機
３に伝送される。２は１の放射計検出器で兼用しても良
く、この場合は非水冷遮蔽板内表面を覗いてＬｂｘ　（
Ｔｏ）、　　Ｌ））ｙ（ＴＣ，ｏ）を測定しその信号が
計算機３に伝送される。計算機３ばＬｘ、Ｌｙ及びＴｏ
またはＬｂｘ（Ｔ∞）、Ｌｂｙ　（Ｔ−）の信号値とメ
モリー４に収納されている黒体炉校正関数Ｌｂｘ　（Ｔ
）、　　Ｌｂｙ（Ｔ）および放射率特性関数ｆを使って
解を求め５で示したレコーダーあるいは制御装置等に出
力する。

〔実施例〕

本発明を合金化炉内を搬送される溶融亜鉛めっき鋼板の
温度測定に適用した具体例を第３図に示す。鋼板７は合
金化炉内にて加熱されるが亜鉛と鉄の合金化反応に伴う
合金結晶の成長により放射率が大きく変動する。さらに
炉内壁８の内面は高温であるためそれからの熱放射が大
きくなり被測定物体表面で反射されて検出器に入る成分
は、しばしば被測定物体からの熱放射に比べて無視出来
なくなるほどの大きさの迷光雑音となる。このような迷
光雑音信号は炉壁内面の様々な面素からの寄与が入って
いるため既知の雑音成分として補正出来ないという問題
がある。

第３図中６は炉内壁からの未知の迷光雑音を遮蔽し既知
の雑音を被測定物体表面に放射するだめの非水冷遮蔽板
である。検出器１は２種の分光放射輝度信号を検出し、
それらに対応する分光放射率間の関係式（７）を用いる
ことによって物体の温度と放射率を測定する。非水冷遮
蔽板の表面温度Ｔ〜は熱電対等接触式のセンサーで測定
してもよいし、あるいは放射温度計をスキャンして遮蔽
板の内面から直接Ｌｂｘ　（Ｔ∞）、Ｌｂｙ　（Ｔ∞）
を測定することも可能である。非水冷遮蔽板の表面は、
炉内壁からの未知の迷光雑音の侵入を効果的に防ぐため
に黒色塗料の塗布あるいは酸化処理等により黒化してお
くのが望ましい。

第４図は連続焼鈍炉内を搬送される冷延鋼板の温度計測
に本発明の方法を適用した具体例の一つである。冷延鋼
板は高温状態で炉内を搬送される間に炉内雰囲気中の酸
素により酸化され放射率が大きく変化する。この例では
同じ検出波長で異なる偏光成分の分光放射輝度を測定し
、対応する分光放射率間の放射率特性関数を解くことに
よって温度と放射率を同時に求める場合の状況を説明し
ている。この場合でも未知の迷光雑音が炉内壁から侵入
するのを防ぐと同時に、鋼板を冷却すること無しに正確
な測温を可能にするために非水冷の遮蔽板を使用するの
が効果的である。

第１表は本発明の方法により加熱炉内冷延鋼板の温度と
放射率を測定した結果の一例である。この例では２種の
分光放射輝度は２．０および１．５　ｔｍの異なる波長
で鋼板表面に対して゛垂直方向から検出され対応する分
光放射率間の関係式は３次の多項式により εツー丁（εｘ）　−−０，７９３＋４．８１０８つ４
．５８５εＸ”＋１．４６０ε８ で表されることが予め実験により求められていた。

但しε、は２．　Ｏｔｍにおける分光放射率、εツば１
、５　ｔｍにおける分光放射率である。また各検出波長
における黒体炉校正関数はそれぞれ次式で与えられるこ
とが黒体炉校正の結果求められていた。

Ｌｂｘ　（Ｔ）　−１，６２６Ｘ１０’ｅ　ｘ　ｐ　（
−７１９４／Ｔ）（Ｖ）　　　（１１） Ｌｂｙ　（Ｔ）　−１，９１１ｘｌＯ５ｅ　ｘ　ｐ　（
−９５９２／Ｔ）〔Ｖ）　　　（１２） 但しＴの単位は〔Ｋ〕である。非水冷遮蔽板の温度Ｔ。

は熱電対により５５０°Ｃと得られた。第１表中の鋼板
の真の温度および放射率値は鋼板に溶着された熱電対に
より別途に測定されたものである。

表の測定結果から明らかなように本方法によれば真の温
度および放射率値に極めて近い測定値が得られることが
わかる。

第１表 〔発明の効果〕 本発明は炉内等で加熱状態にあり、しかもその表面が酸
化、合金化、粗面化等のために変化し放射率が変動する
ような被測定物体にたいしても正確な温度計測ができる
画期的な放射測温装置を提供するものである。これによ
って例えば鉄鋼業における連続焼鈍炉、合金化炉、加熱
炉、塗装焼付炉をはじめ他の金属、非金属の製造プロセ
スにおける測温精度の向上、温度管理精度の向上が期待
でき製品品質の向上、生産効率の向上、操業の安５・・
・レコーダーあるいは制御装置等の測定信号出力機器、 ６・・・非水冷遮蔽板、　　７・・・被測定物体、８・
・・炉壁、　　　　　　　９・・・透過窓。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被測定物体からの熱放射のうち異なる測定条件で２
   つの分光放射輝度（Ｌ＿ｘ，Ｌ＿ｙ）を測定する放射検
   出手段（１）と、被測定物体の周囲に存在する温度が未
   知の物体からの迷光雑音を除去するための非水冷遮蔽板
   （６）と、該非水冷遮蔽板（６）の温度（Ｔ＿∞）又は
   、分光放射輝度（Ｌ＿ｂ＿ｘ（Ｔ＿∞）、Ｌ＿ｂ＿ｙ（
   Ｔ＿∞））を測定する遮蔽板温度検出手段（２）と、該
   ２つの分光放射輝度（Ｌ＿ｘ，Ｌ＿ｙ）と該温度（Ｔ＿
   ∞）又は、該分光放射輝度（Ｌ＿ｂ＿ｘ（Ｔ＿∞）、Ｌ
   ＿ｂ＿ｙ（Ｔ＿∞））とから、所定の誤差範囲内で放射
   率特性関数（ｆ）、及び黒体分光放射輝度関数（Ｌ＿ｂ
   ＿ｘ（Ｔ），Ｌ＿ｂ＿ｙ（Ｔ））を満足する非測定物体
   温度（Ｔ）を計算する計算手段（３）とを具備すること
   を特徴とする放射測温装置。