JPH0225720A - 放射温度測定方法及び全放射率同定方法 - 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、単色放射温度計を用いて材料の表面温度を測
定する方法及びそのための全放射率同定方法に関するも
のである。

【従来の技術】

一般に、静止物体を非破壊的に、あるいは走行物体を非
接触的に測温する場合、被測温物体からの熱放射をとら
えて、そのエネルギ定量（特定波長帯域の放射輝度）を
基に温度を求める放射温度計が、その簡便性から需要が
急増している。しかしながら、原理的に被測温物体の放
射率（物体の放射輝度と、その物体と同じ温度の黒体の
放射１度との比）を与えない限り温度決定ができず、そ
の校正においては、温度と放射率の２つの絶対的パラメ
ータが既知な熱源が不可欠である。 このうち温度については、他の測定方法、例えば接触温
度計あるいは熱電対を用いて測温することでほぼ満足さ
れるが、放射率については、０〜１．０間の任意の値を
正確に同定できる有力な方法が得難いため、通常は放射
率がほぼ１．０と特定できる、いわゆる黒体炉を用いて
いた。 例えば電気検定所技報２３巻１号（１９８８）の１０〜
１３頁に掲載された、石和田次部「放射温度計とその校
正体系」には、代表的な校正体系が開示されている。 この校正体系は、放射温度計の種類が多いこと、出力が
温度に対して指数関数的に変化すること等から、５０〜
３０００℃までの範囲を１つの体系で校正することは困
難であることを考慮して、５０〜５００℃の低中温域、
４００〜１１００°Ｃの中高温域、１０００〜２０００
℃の高温域に分けて校正するようにしている。 即ち、５０〜５００℃の低中温域では、白金測温抵抗体
によって校正された標準黒体ｆを標準として、抵抗温度
計と比較校正する。 又、４００〜１１００℃の中高温域では、ＩＰＴＳ−６
８の定義定点又は２次定点の亜鉛点（４１９，５８℃）
、アルミニウム点（６６０，４６℃）、鎖点（９６１，
９３°Ｃ）及び罰点（１０８４，８８℃）を実現した４
つの定点黒体炉を用いて、先ず０．９μｌ　（シリコン
）標準放射温度計を校正し、これをＦ！Ａ準として、中
富温用比較黒体炉を介して汎用放射温度計を比較校正す
る。 又、１００ＯＮ２０００℃の高温域では、罰点黒体炉及
び分光放射輝度逓倍装置により、１０６４℃から１５０
０℃までの７点で輝度比を値付けした真空標準電球を用
いて、先ず０．６５μＩ′Ｂ標準放射温度計を校正し、
これを標準として、高温用比較黒体デを介して汎用放射
温度計を比較校正する。 なお、２０００〜３０００℃の超高温域の放射温度計の
校正は、光高温計で用いられている高温測定の方法を準
用し、０．６５μｍ標準放射温度計にフィルタ等の減光
装置を挿入して行う。 いずれも、定点温度を実現するための定点黒体炉あるい
は白金抵抗温度計等と併用される標準黒体炉を主体とし
て標準放射温度計を先ず校正し、次にこれを標準として
比較黒体ｆを介して汎用放射温度計を比較校正するもの
である。 その際基礎となる単色放射温度計（光学フィルタを用い
て波長帯域を狭い範囲に制限し、測定範囲での実効波長
の変動を無視できるほど小さくした放射温度計）の特性
式は、はとんど、前記先行大獄に開示されている次式で
与えられる。 Ｖ＝Ｃ−ｅＸｐ（Ｃ２／　（ＡＴ＋Ｂ））＝　（１）こ
こで、■＝単色放射温度計の出力信号［ｆｎＶ］Ｔ：輝
度温度（いわゆる黒体の材料表 面温度等価）［Ｋ］ Ｃ２：定数 Ａ、Ｂ、Ｃ：回帰係数 この（１）式で用いられている回帰係数Ａ、Ｂ、Ｃは、
単色放射温度計固有の値で、定点黒体デを用いて校正す
ることにより決定される。 従来は、この（１）式で示されるような、温度計の出力
信号Ｖと検出温度Ｔとの関係を用いて、任意の放射率ε
（０〜１．０）の材料について測定した指示温度が、他
の方法で測定した真値とみなされる測定温度、当該熱電
対検出温度Ｔｏと等価になるように、単色放射温度計の
放射率ε設定ダイヤルを操作して、放射率εｅを決定し
ていた。 このようにして同定される放射率εｅは、温度計検出素
子の吸収波長λｅによって変化するといわれており、デ
ータ的にも理論的にも具体的に示されている。 しかしながら、他方で、物体が表面から熱放射している
場合、そこには単色放射温度計による測温の有無に拘ら
ず、絶対的な放射率ε０と表面温度Ｔｏが厳然として存
在している。それにも拘らず、吸収波長λｅの異なった
数種類の単色放射温度計を持ってきて測温し、既に述べ
た如く検出温度Ｔ　＝　Ｔ　ｏと操作して同定した放射
率εｅが、吸収波長λｅによって異なるとなると、絶対
的な放射率ε０が存在するという現実と矛盾することに
なる、従って、放射率εｅは波長λｅにおける分光放射
率、ε０は全放射における放射率（以後、全放射率と称
する）と定義せざるを得ない、このことは、前記先行文
献にも示されている。即ち、従来の単色放射温度計で同
定された放射率εｅ４よ分光放射率と結論される。 ところで、実際に測温することの意義を考えてみると、
次の２つに大別できる。 ■正確な材料表面温度のみ知りたい。 ■材料表面温度と全放射率が知りたい。 このうち■の場合には、同定された放射率が分光放射率
εｅ、全放射率εＯのいずれであっても、単色放射温度
計毎に正しい測温が行われるように適合した放射率値に
さえ設定し２てやれば目的が達成されるので、放射率は
便宜上のパラメータに過ぎず、従来の同定法で放射率を
同定してもあまり問題はない。 一方、■の場合は、大気放冷における熱放射による降温
量あるいは雰囲気加熱炉における昇温量を予測する場合
等、初期材料表面温度の他に、それぞれ全放射率ε０あ
るいは総括熱吸収率φＣｇ（以後ε０で代表する）を知
ることが不可欠となることに対応している。即ち、温度
を測定して材料温度を制御するという実際的な場におい
ては、測温時、材料温度予測時及び材料温度制御時に一
貫した全放射率ε０を用いることが欠かせない。 このような場合に、従来技術の如く素子吸収波長λｅに
依存した分光放射率εｅを用いたのでは、材料温度予測
と材料温度制御には全く無力である。 ところが実際には、分光放射率εｅによる材料温度予測
や材料温度制御を行っているため、制御ミスを招いてい
るのが現状の１つの姿である。又、測温時にも、測温に
用いようとしている単色放射温度計そのものを用いて同
定した放射率εｅを適用しない限り、正しい測温を行う
ことはできないはずであるが、実際には、池の放射温度
計で同定された値をそのまま設定している場合も少なく
ない。

【発明が達成しようとする課題】

本発明は、前記従来の不都合に鑑みてなされたもので、
任意の単色放射温度計に対して、−貫して一定の全放射
率を適用することができ、従って、測温での放射率と材
料温度計算や材料温度制御での放射率が不一致となるよ
うな矛盾や、単色放射温度計毎に別個の放射率を適用し
て測温する不争理性をなくし、高精度な表面温度の測定
や温度予測、制御が可能な放射温度測定方法を提供する
ことを第１の課題とする。 本発明は、又、放射温度計の検出素子の吸収係数に依存
せず、一定の全放射率が同定できる全放射率同定方法を
提供することを第２の課題とする。

【課題を達成するための手段） 本発明は、単色放射温度計を用いて材料の表面温度を測
定する際に、予め、温度計検出素子の吸収波長に依存し
ない、各温度計に共通で、被測温材について一定の全放
射率と、当該温度計の出力信号と、材料表面温度の関係
を表わす関数形を温度計毎に決定しておき、該関数形に
基づいて、当該温度計の出力信号から材料表面温度を算
出することによって、前記第１の課題を達成したもので
ある。 又、前記関数形を、被測温材の全放射率と材料表面温度
の同時測定値を３点以上取込み、温度計出力信号との回
帰を求めることによって決定するようにしたものである
。 本発明は、ス、単色放射温度計で温度を測定する際に用
いられる全放射率を同定するにあたり、池の測温方法で
測定された材料平均温度の変化から熱放射雰囲気の相当
熱伝達率を算出し、該相当熱伝達率と材料平均温度から
材料表面温度を換算し、該材料表面温度と相当熱伝達率
から全放射率を算出することによって、前記第２の課題
を達成したものである。 【作用及び効果】 本発明は、熱放射による材料の温度変化（冷却又は加熱
）実績から、冷媒又は熱媒（以後、冷媒で代表する）の
相当熱伝達率を算出すれば、ステファン・ボルツマンの
熱放射式を用いて全放射率ε０が同定できることに着目
してなされたものである。そして、その際の単色放射温
度計の出力信号（例えば電圧信号）■と材料の表面温度
Ｔとを測定して、３者の関係Ｖ＝Ｑ　　（εｏ、Ｔ）を
単色放射温度計毎に回帰しておけば、実際の測温に際し
ては、例えば変形したＴ＝ｆ　　（εｏ、Ｖ）という関
係より、全放射率ε０と出力信号Ｖを与えることで、正
確な材料の表面温度Ｔが検出できる。 このように、Ｔ＝ｆ　　（εｏ、Ｖ）を適用するという
知見に基づいて構成された単色放射温度計は、これまで
考えられていなかった。 本発明は、例えば次のようにして実施することができる
。 ■熱物性値（熱伝導率と温度伝播率）の温度依存性が正
確に与えられる物質からなり、且つ、平板・丸棒等、１
次元熱伝導と見なせる形状を有する材料の平均温度変化
を、実質的に熱放射のみの雰囲気中で測定する。 ■材料外径（サイズ）、異なる２測定時点の材料平均温
度、２測定点間の所要時間、雰囲気（即ち冷媒）温度及
び熱物性値から、冷媒の相当熱伝達率を逆算する。 ■この相当熱伝達率、材料外径、熱物性値、冷媒温度及
び平均温度から、材料表面温度を換算する。 ■ステファン・ボルツマンの熱放射式に、相当熱伝達率
、表面温度、冷媒温度を取込んで、全放射率ε０を算出
する。 ■測定した出力信号■と算出した表面温度Ｔ、全放射率
ε０との回帰式Ｖ−ＩＪ　　（εｏ、Ｔ）あるいはＴ＝
ｆ　　（εｏ、Ｖ）を求める。 ■単色放射温度計の演算回路に、Ｔ＝ｆ　　（ε０、■
）のプログラムを組込む。 次に、第１図を参照して、全放射率ε０、材料表面の検
出温度Ｔ及び単色放射温度計の出力信号Ｖの関係を表わ
す回帰式Ｔ＝ｆ　　（εｏ、Ｖ）の作成と、温度計の組
込みまでの手順を詳細に説明する。 先ずステップ１１０で、予め材料外径ｄ、雰囲気温度θ
α、熱物性値の温度依存性係数ｅｉ　（熱伝導率や温度
伝播率など）を既知化しておく。 次いでステップ１２０で、例えば第２図に示す如く、熱
放射冷却状態に置かれた被測温材１０（熱物性値の温度
依存係数ｅｉが既知で、且つ、１次元熱伝導現象として
取扱うことのできる形状、例えば平板又は丸棒）の平均
温度変化を、例えば平均温度位置に溶着した熱電対１２
で測定する。 平均温度位置は、例えば平板の場合には１／４全板厚深
さ、丸棒の場合には３７１０半径深さとすることができ
る。同時に、相当表面１０Ａからの熱放射エネルギを、
単色放射温度計２０で測定する。第２図において、１４
は、熱電対１２の起電力検出部、２２は、単色放射温度
計２０の受光部、２４は同じく出力検出部、２６は同じ
く表面温度演算／表示部である。 次にステップ１３０で、平均温度冷却曲線上の任意の２
点の温度Ｔ１、Ｔ２とそれに対応する単色放射温度計２
０の出力信号ｖ、、ｖ２、及び、その間の冷却所要時間
Δｔを読取る。 次いでステップ１４０に進み、放射の相当熱伝達率αα
を、例えばｉα（Ｔ１、Ｔ２、ｄ、Δｔ、θ。、８ｉ）
の熱伝達率式により算出する。 次いでステップ１５０に進み、材料の表面温度Ｔを、例
えばＴ（Ｔ、α。、ｄ、ｅｉ、θｃＬ）の平均−表面温
度変換式により換算する。 次いでステップ１６０に進み、全放射率ε０を、≠ 例えばεｏ　（Ｔ、αα、θＣＬ）の関数により算出す
る。 次いでステップ１７０に進み、以上の手順で決定した（
εｏ、Ｔ）と出力信号Ｖの組合せの３点以上の集合（Ｖ
、εｏ、Ｔ）ｋから、３者の関係式Ｖ＝ｇ　　（ｔ　ｏ
　、　Ｔ）又はＴ＝ｆ　　（ｔ　ｏ　、Ｖ）を回帰する
。 次いでステップ１８０に進み、求められた回帰式Ｔ＝ｆ
　　（εｏ、Ｖ）を、例えば第２図に示した単色放射温
度計２０の表面温度演算／表示部２６のプログラムに組
込んで、以上の手順を終了する。 以上の作業を、単色放射温度計毎に実施する。 その理由は、出力信号が、単色放射温度計側々の幾何学
的条件と検出器の感度等によって決まる性質のものであ
ることによる。 このような手続によって、全放射率ε０、表面温度Ｔ及
び出力信号■の３者間の関係が、単色数射温度計毎に一
般化され、どの単色放射温度計を使用しても、実際の測
温の場で、全放射温度計に対して共通の全放射率ε０を
設定した上で、出力を検出することによって、材料の表
面温度Ｔを高精度に測定することが可能となる。ここで
、全放射率ε０及び表面温度Ｔの算出のために用いられ
ている間数式は、全て厳密な解析解であるため、正確な
測温を行うことができる。 なお、前記説明においては、全放射率εＱと出力信号■
と材料表面温度Ｔの関係を表わす関数形ｆ又はＱを、回
帰を行うことで求めていたが、前゛記関数形を求める方
法はこれに限定されない、本発明により、単色放射温度
計を用いて真温度との対比から同定される放射率は、全
放射率であるので、任意の単色放射温度計による測温時
にも、−貫して一定の全放射率ε０を適用することで、
従来のように、単色放射温度計毎に別個の放射率を適用
して測温する不条理性が解消され、正確な表面温度の測
定が可能となる。又、任意の単色放射温度計で同定され
ていた放射率が、そのまま、温度予測や温度制御に必要
とされる全放射率となるので、従来のように、測温での
放射率と材料温度計算での放射率が不一致となるような
矛盾が解消され、−膜性のある高精度な温度管理（予測
や制御）が可能となる。又、単色放射温度計製造におけ
る初期校正作業が非常に簡便化されるので、コスト低減
効果も大きい。

【実施例】

以下、図面を参照して、被測温材が平板である場合に適
用した本発明の実施例を詳細に説明する。 本実施例のように、被測温材１０が、平板である場合に
は、熱物性（熱伝導率λと温度伝播率ａ）の材質・材料
温度依存性が既知の被測温材１０の平均温度位置に相当
する！／４全厚深さに、第２図に示した如く熱電対１２
を溶着して、起電力検出部１４である電位計で出力電圧
Ｖｃを検出する一方、平均温度測定位値相当表面部分１
０Ａにおける温度情報を、検出素子吸収波長λｅを特定
した単色放射温度計２０の受光部２２により放射エネル
ギとしてとらえ、出力検出部２４で電位信号■として検
出する。 測定の方法は、例えば被測温材１０を直接通電加熱した
後、電源を切り、大気放冷を行うて、極力放射冷却のみ
における出力信号Ｖｃ　、Ｖの変化を測定することがで
きる。 データ測定以後は、第３図の平頭に従って、表面温度Ｔ
と全放射率ε０を同定する。 即ち、先ずステップ２１０で、測定条件として、材料外
径寸法ｄ（ｎｍ）、２測定時間の間隔Δｔ（Ｓ）、大気
温度θＣＬ（”Ｃ）、熱物性の材料温度依存性係数ｅＨ
（ｉ＝１〜４の４つの定数）を入力する。 次にステップ２２０で、冷却データ（Ｖｃ　、Ｖ）の組
をΔを毎に読取り、熱電対出力電圧Ｖｃより検量線から
平均温度Ｔを換算する。 次いでステップ２３０に進み、Δｔだけ異なる２つの温
度Ｔ１とＴ２を遷択し、例えば次式により、Δを内の平
均相当熱伝達率丁ユを算出する。 ７ユ＝　＜２Ａ／ｄ　）（Ｙ−’　−Ｚ−’　）−’　
ｘｌＯ３（ｋｃａＡ　／ｖ２ｈ　”Ｃ）　−＜　２　）
ここで、Ｙ＝　［８ｄ　’　・Ｊｎ　　（（Ｔ＋−θｃ
Ｌ）／（Ｔ２−θ。））］ ／（μＯ−ａ　　・Δｔ　） Ｚ＝　　ｆｚ　　（Ｙ） λ：　ｅ＋　　＋　Ｔ１２＋　　８２ ａ＝　８３　・Ｔ１２＋　ｅ＊　：温度伝播率＜ｆ／ｈ
　　） ｅ、〜ｅ４：定数 ７１２＝　　（Ｔ　＋　　＋７２　）／　２μｏ＝８．
８８９Ｘ１０’ 次いでステップ２４０に進み、例えば次式により表面温
度Ｔｊを換算する。 Ｔｊ＝　［（１＋（Ｎ／２）Ｂ・（θｃ／Ｔ、；）１／
　（１＋　（Ｎ／２）Ｂ）］　・Ｔｊ　　＜”Ｃ）・・
・・・・・・・（３） （」＝１．２） ここで、Ｎ＝（αα・ｄ）／λＸ　１０−’λ＝　ｅ、
　―Ｔｊ＋　８２ Ｂ：定数 次にステップ２５０に進み、ステファン・ボルラマンの
熱放射式とニュートンの伝熱式との結合から、全放射率
εＯｊを次式により算出する。 ｔ　ｏ　Ｊ　＝　（Ｘ　ＣＬ　／　［δ（（Ｔｊ　＋２
７３　）　”＋（θユ＋２７３　）　２１ ＸＣＴＪ＋θユ＋５４６　）　］　　・・・（４）ここ
で、δはステファン・ボルツマン定数（＝４．８８ｘｌ
Ｏ’　　ｋｃａｊ２／ｖ２−ｈ　−に’　）である。 次にステップ２６０に進み、ステップ２５０で同定した
全放射率εＯｊ、ステップ２４０で同定した表面温度Ｔ
ｊ及び、先に測定済みの単色放射温度計の出力信号■ｊ
の３者の回帰式Ｔ＝ｆ　　（ｔｏ、Ｖ）を求める。ここ
で、回帰に必要なデータ集合（ｊ、εｏ、Ｔ）ｋは、で
きる限り幅広く且つ点数を多くすることが、広範囲の温
度を高精度に測定するための要点となる。 次いでステップ２７０に進み、第２図に示したような単
色放射温度計２０の表面温度演算／表示部２６に、ステ
ップ２６０で求められた回帰式Ｔ＝ｆ　　（ε０、■）
を組込む。 以上の如く、温度計毎にＴ＝ｆ　　（ｔｏ、Ｖ）回帰式
を組込んでおけば、−膜性のある全放射率ε０を設定す
ることができる。従って、任意の単色放射温度計で正確
な温度測定が可能となり、且つ、同じ全放射率ε０によ
る大気放冷降温量の見積りが行われるので、温度変化予
測を論理的に行うことができる。 次に、本実施例により、Ｔ＝ｆ　　（εｏ、Ｖ）回帰を
行った具体例について説明する。 対象材は、５ＵＳ３０４の１．４１１１厚平板であり、
吸収波長λｅ＝０．８５μｌのシリコン素子を用い、雰
囲気温度θα＝１５℃の環境で、１１００℃からの冷却
中輝度温度を測定した。真温度を測定するための熱電対
には、０．５ｎｍφ−Ｒ（ロジウム）熱電対を用いた。 第４図に、測定した真平均温度Ｔ、同定した全放射率ε
０と表面温度Ｔ及び測定した単色放射温度計出力信号■
の時間変化を示す。 第４図のε、、ｄ、Ｖのデータより、Ｔ＝ｆ（εｏ、Ｖ
）関係式を次式の如く回帰した。 Ｔ＝（ａｔＶ＋８２）　　　Ｉａｓ・ｔ。 Ｘ（εＯａｓ）＋ａｓ）　　　　　（”Ｃ）・・　（５
）ここで、ａｓ　＝７６　、３７　（’Ｃ／　ＩＩＶ）
ａ２＝８０６．３３　　（”Ｃ） ａ３＝０．０６５＜　　　＞ ａ＊＝　　　３．５２３（） ａｓ＝ｌ、　　１６４　　（） Ｖ（＋ｔＶ） 第５図は、（５）式のＴ−ｆ（ｔｏ、Ｖ）回帰式に、同
定した全放射率ε０と測定した出力信号■を代入して、
計算で求めた表面温度Ｔ′と、真の平均温度Ｔより同定
した表面温度Ｔとの偏差を示す。図から明らかな如く、
回帰式による誤差は、±２℃内と非常に小さく、本発明
技術の妥当性が証明された。 本実施例では、−例のみを示したが、素子吸収波長λｅ
が大きく異なった単色放射温度計について、全放射率ε
０、材料平均温度Ｔが広範囲に渡ったデータに関して、
Ｔ＝ｆ　　（ｔｏ、Ｖ）回帰を行うことで、実用上必要
な温度域に適用可能な単色放射温度計を用意することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る放射温度測定方法を実施する手
順の例を示す流れ図、 第２図は、本発明により全放射率及び関数形を求めるた
めの、データ採取方法と装置の概要を示す、一部斜視図
を含むブロック線図、 第３図は、本発明に係る放射温度測定方法の実施例の手
順を示す流れ図、 第４図は、本発明により関係式を求めるために測定した
真平均温度、同定した全放射率と表面温度及び測定した
単色放射温度計出力信号の時間変化の例を示す線図、 第５図は、本発明によって求められた回帰式を用いて算
出した表面温度と真の平均温度より同定した表面温度と
の偏差の一例を示す線図である。 ε０・・・全放射率、 Ｔ・・・材料平均温度、 Ｔ・・・材料表面温度、 ■・・・温度計出力信号、 。・・・相当熱伝達率、 ０・・・被測温材、 ２・・・熱電対、 ０・・・単色放射温度計、 ２・・・受光部、 ３・・・出力検出部、 ６・・・表面温変波３１．／表示部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）単色放射温度計を用いて材料の表面温度を測定す
   る際に、 予め、温度計検出素子の吸収波長に依存しない、各温度
   計に共通で、被測温材について一定の全放射率と、当該
   温度計の出力信号と、材料表面温度の関係を表わす関数
   形を温度計毎に決定しておき、該関数形に基づいて、当
   該温度計の出力信号から材料表面温度を算出することを
   特徴とする放射温度測定方法。
2. （２）請求項１に記載の放射温度測定方法において、前
   記関数形が被測温材の全放射率と材料表面温度の同時測
   定値を３点以上取込み、温度計出力信号との回帰を求め
   ることによつて決定されたものであることを特徴とする
   放射温度測定方法。
3. （３）単色放射温度計で材料の表面温度を測定する際に
   用いられる全放射率を同定するにあたり、他の測温方法
   で測定された材料平均温度の変化から熱放射雰囲気の相
   当熱伝達率を算出し、該相当熱伝達率と材料平均温度か
   ら材料表面温度を換算し、 該材料表面温度と相当熱伝達率から全放射率を算出する
   ことを特徴とする全放射率同定方法。