JPH0285730A - 表面状態が変化する物体に対する放射測温法及び放射測温装置 - 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、表面状態が未知の被測定加熱物体の表面温度
測定方法に関する。本発明による方法によれば、被測定
物体からの熱放射信号を２つの異なる波長、或いは測定
角度、スペクトルの異なる条件で測定し、それらの信号
値と予め求めた本発明による新しい原理式を用いること
によって、未知の温度と放射率を同時に求めることがで
きる。

［従来の技術〕 放射測温法は、加熱物体の温度を非接触で、迅速に測定
することができるため、産業分野ではもちろんのこと、
科学技術研究の分野ても幅広く利用されている。

従来の放射側温法では、被測定物体の放射率が既知であ
る必要があったが、多くの工業プロセス、特に、製鋼、
アルミニウム、銅等金属産業のプロセスや、電気電子材
料の製造プロセス等では、被測定物体の分光放射率が未
知であったり、或いはプロセス内における相変態、合金
化、酸化、表面粗さ変化、等の影響で分光放射率が激し
く変化する場合がある。工業プロセスにおいては、高生
産性及び高品質を達成し維持して行くために、プロセス
内における物体の温度を正確に測定し制御する必要があ
るが、多くのプロセスにおいては被測定物体の放射率が
変化してしまうために従来の放射測温法は信頼される温
度測定法になっていないのが現状である。

放射率変動問題に対処するために、従来からも多くの改
善策が放射測温技術の分野で提案されてきたが、それら
は以下の２つのグループに分類できる。

（１）反射鏡、基準熱放射源等の付属機器を用いて放射
率の問題を解決しようとする放射測温法。（ハイブリッ
ド法） （２）被測定物体の分光放射率に関する情報が既知であ
る、或いは何らかの仮定のらとに決定できるとして測定
する放射測温法。（補正法）〔発明が解決しようとする
課題〕 第一の分類（ハイブリッド法）に入る方法は、被測定物
体の近傍に、反射鏡、基準熱放射源等の付属機器を設置
する必要があるため測定装置が複雑になり、環境の悪い
工業プロセス等においては、実用化に当たって厳しい制
約条件を受けることが多い。また装置コストが高くなり
がちなうえに、実プロセスでの検証が困難である等の問
題があり、応用は極めて特殊な分野に限られているのが
現状であ゛る。

第二の分類（補正法）に入る方法の一つとしては、被測
定物体の放射率が一定或いは既知であると仮定して測定
を行う単色放射測温法がある。しかし、この方法は、表
面状態が変化する物体の表面温度を測定するのには精度
的に問題がある場合が多い。

補正法の分類に入るもう一つの例としては、二つの異な
る波長における分光放射率の比が一定或いは既知である
とする灰色体条件を満足した場合に適用される二色化放
射測温法がある。しかしながら、分光放射率は波長、物
体の温度、表面粗さ、化学組成、酸化状態、合金化状層
等の非常に複雑な関数であるため、表面状態が変化する
材料のほとんどのものは、三波長における分光放射率の
比も又複雑に変化するのが普通であり、従ってこのよう
な材料に対する二色化放射測温法の適用は非常に困難で
ある。

近年、三つ以上の異なる波長を用いるす多色放射測温法
の研究が盛んに行われている。これらの方法は、分光放
射率を波長の関数として表現式を仮定し、それと各波長
で測定した熱放射信号から被測定物体の温度と放射率を
推定しようというものである。しかしながらこれらの方
法は、測定原理に明快さを欠くうえに計算が複雑で厄介
であり、貴金属やセラミックス等放射率変動がほとんど
ない或いは小さい物質に対しての応用例が報告されてい
るにすぎない、これらの多波長測温法は、三つあるいは
それ以上の波長で信号を検出する必要があるため装置化
が極めて複雑化するので工業プロセス等での実用化には
多大な困難を伴う。

したがって本発明の目的は、被測定物体の温度を付属機
器を用いたり、複雑な演算を行うことなしに簡単に、し
かも信頼性高く測定することかできる新しい放射測温法
を提供することにある。特に、本発明は連続焼鈍、合金
化処理、塗装、焼付、圧延、鍛造、鋳造、切断等のプロ
セスにおいて表面状態が変化しつつある被測定物体に対
して、異なる二つの測定条件で測定された二種類の分光
放射輝度から、該放射輝度に対応する二つの分光放射率
間の関係に関する予備知識をもとに温度と放射率を同時
にしかも正確に測定することができる新しい放射測温法
に関する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による放射測温法で用いられる二つの分光放射輝
度は、波長、測定角度、および１腐光成分のうち少なく
とも一つ以上の条件が異なる状態において測定される。

放射測温においては、放射率が１とみなせる物体すなわ
ち黒体炉の温度を正しく示すように校正された分光放射
計を使用する。

しかしながら、実際には被測定物体表面の分光放射率は
１よりも小さい値をとるため、真の物体表面温度Ｔは測
定された見かけの輝度温度Ｔ８から計算によって求めて
やる必要がある。即ち分光放射率ε、（０くελく１）
を持つ物体表面を測定したとすれば、見かけの輝度温度
Ｔ工は真の表面温度Ｔより低い値になる。従って、真温
度Ｔと輝度温度Ｔ工を結びつけるための温度方程式が必
要となる。

比敦的狭い波長帯域で作動する分光放射計については、
被測定物体からの分光放射輝度りと輝度温度Ｔ工を結び
つける次式か温度方程式となる。

Ｌ＝ＬｂＣλ、Ｔｌ）−ε工・Ｌｂ（λ、Ｔ）　　　（
１）但し、Ｔは被測定物体温度であり、黒体分光放射輝
度Ｌｂ（λ、Ｔ）はブランクの黒体分光放射或いは、次
式のウィーンの式で通常表現される。

但し、Ｃ，、Ｃ２はブランクの放射式の第一　第二定数
である。

真温度Ｔ、輝度温度Ｔ工それぞれについて（２）式を表
現し、それらを（１）へ代入すれば、次の温度方程式か
えられる。

この方程式は、分光放射率ε、が既知であれば、測定に
よって求められた輝度温度Ｔλからただちに、被測定物
体表面の真温度Ｔが求められることを示している。しか
しながら、前述したように分光放射率は、測定波長、温
度のみならず被測定物体表面の粗さ、酸化状態、等々の
条件によって変化する複雑な関数であるため、実際の適
用に当なってそれらの表面状態が未知である場合は、分
光放射率もまた未知とならざるを得ないのが現状である
。

本発明は、表面状態が変化する被測定物体に対しても、
表面状態の如何に関らず温度と放射率を測定する手段を
提供するものであり、測定波長、測定角度、偏光成分の
少なくとも１つ以上の条件て異なる２種類の分光放射率
間の関係を材料及びプロセスの固有な関数として予め求
めておくことにより、被測定物体の表面状態が変化して
も正確な温度と放射率を測定するものである。

以下に詳述するように、本発明によれば、反射鏡や基準
放射源のような付属機器を用いることなく、しかも複雑
で難解な数学的演算等を必要とせずに、被測定物体の温
度と放射率を正確、簡便、しかも信頼性高く測定するこ
とが可能である。

本発明は、従来法である単色法や二色比法のように放射
率一定の条件或いは放射率比一定の条件（灰色体条件）
を要求する代わりに２つの異なる分光放射率間の関係を
材料に固有な関数として予め求めておくことによって正
確な温度と放射率を測定しようとするものである。

前述したように、物体の分光放射率は波長、温度および
表面粗さ、酸化膜状態、合金化状態等の表面状態の複雑
な関数であり、表面状態の変化する物体の放射率を正し
く推定し、物体の表面温度を正確に測定することは単色
法、二色法といった従来の放射測温手法では困難であっ
た。

本発明の方法では、表面状邪が変化する材料に対して波
長、測定角度、偏光成分の内少なくとも一つ以上異なる
条件で定義される二つの分光放射率間の関係式を予め求
めておくことにより、それらに対応する物体からの分光
放射輝度信号を測定するだけで温度と放射率を同時に測
定することができる。本発明の説明で用いられる主な用
語は、以下のように定義される。

Ｌ　二分光放射輝度 Ｌｂ　；黒体分光放射輝度 ελ　二分光放射率 λ　：波長 Ｋ　：定数 Ｔ　；表面温度 本発明による放射測温法の基礎となる原理について以下
説明する。

第１の検出器の検出波長をλ、とし、その波長における
被測定物体の分光放射率をＣ１とした時、検出器によっ
て測定される分光放射輝度り、は次式で表せられる。

Ｌ、−Ｃ１・Ｌｂ（λ、、Ｔ）　　　　　　　　　（４
）ウィーンの式（２）を使って、（４）式を書き直すと
、または、 ただし、Ｃ，、Ｃ２はそれぞれ放射の第−及び第二の定
数であり、Ｋ１は定数である。同様にして、検出波長が
λ２である第２の検出器によって測定される分光放射輝
度Ｌ２は次式で表される。

（６）、（７）の両式は、それぞれ分光放射輝度、分光
放射率、温度の関係を表す温度方程式である。

両式をそれぞれ対数を取って変形すると（８）、（９）
式から物体温度Ｔを消去すれば、（１０）式より、次式
を得る。

（１１）式は、分光放射輝度Ｌｌ、Ｌ２が得られたとし
て、ある温度Ｔを仮定した時に求まる分光放射率ε１．
Ｃ２の関係を示している。そこで、真の物体表面温度を
Ｔ。、真の分光放射率をε１ｏとして区別すると（６）
、（７）式と同様に、 （１２）　、　（１３）式よりＴｏを消去して整理すれ
ばり１１）式と同様に次式を得る。

（１１）式と（１４）式の左辺は等しいがら、両式の右
辺含装置して整理すれば、 となる。（１５）式は、波長λ１・λ２において分光放
射率がＣ１゜、Ｃ２゜であり、温度Ｔ。である物体から
の分光放射輝度信号り、、Ｌ２が得られたとして、ある
温度Ｔを仮定した時に分光放射輝度Ｌｌ、Ｌ２から計算
される見かけの分光放射率ε１．Ｃ２の間の関係を示し
ている。当然のことながら、Ｔ　＝　Ｔ。

の時にはＣ１−εｌｏ＋ε２＝ε２ｏを得るが、Ｔ−＃
Ｔ０の時にはε１≠ε、。、ε２≠ε２゜となり、Ｔを
変化させた時にはε、はＣ２のλ２／λ１乗に比例する
関数として求まることを示している。

温度方程式（６）、（７）から導かれた（１５）式は、
被測定物体の真の分光放射率がＣ１゜、ε２ｏである時
に、見かけの放射率ε１．Ｃ２が取り得る見かけの分光
放射率値の間の関係を示しており、これは縦軸、横軸に
それぞれＣ１，Ｃ２をとった２次元平面内で一本の曲線
として表される。この曲線を今ｆ＆Ｇ曲線と呼ぶことに
する。０曲線は、真の分光放射率の組（εｌｏ＋ε２゜
）に対して一本づつ存在し、仮定温度Ｔを変えても見か
けの分光放射率はこの６曲線の上を動くだけである。

そこでもし、被測定物体の表面状態が変化する時の２つ
の分光放射率間の関係が、次式６式％（１６） で表されることが既知であったとすると、（１６）式で
表される曲線Ｆと（１５）式で表される曲線Ｇの交点が
真の分光放射率（ε、。、ε２０）を示すことになり、
それより直ちに真の温度Ｔ。が求ぬられることになる。

（１６）式の関係ｆを以後放射率特性関数と呼ぶ。

上述したように、２つの分光放射率間の関係は、測定に
先立って実験的に、或いは理論的な解析によって求めら
れ、数表或いは多項式等の数学的関数としてε、＝ｆ　
（ε２）の形で例えばコンピュータの記憶装置に収納さ
れる。

但し、 であり、θは被測定物体表面法線からの測定方向角度で
あり、Ｐは熱放射光の偏光成分を示すパラメータである
。

分光放射輝度り、、Ｌ２はそれぞれ波長λＩ、λ２、測
定角度θ１．θ２、偏光方向Ｐ　１．　Ｐ　２という条
件において測定される。検出器の黒体炉校正関数Ｌｂ　
（λ、Ｔ）は、黒体炉を用いた従来からの方法により決
定される。２つの分光放射輝度が、異なった条件のもと
で測定されたものとして意味を持つためには、波長、測
定角度、偏光成分のうち少なくとも１つの条件が異なっ
ている！Ｖ要がある。

〔作　用〕

本発明による方法では、２つの分光放射率間の関係を表
す式（１６）を、被Ｈｉｌｌ定物体を用いて実験的に求
めた分光放射率、或いは理論的に求めた分光放射率デー
タから導き出すため、従来の単色法や二色法のような放
射率、或いは放射率比が一定と仮定して計測する放射測
温法に比べて高精度の温度測定が可能である。

〔実施例〕

図面を参照しながら説明する。第一図は本発明の方法を
採用した放射測温システムのブロックダイアダラムであ
る。光検出器１．２は異なる測定条件、例えば異なる波
長、測定角度或いは偏光成分に対して被測定加熱物体く
図には示されていない）からの二種類の分光放射輝度信
号を測定し、その信号を計算機４へ伝送する。計算機の
記憶装置３中には、放射測温技術の基本的なデータであ
る検出器の黒体炉校正データと、被測定物体に固有な二
つの分光放射率間の関係に関するデータが多項式或いは
数表等の数学的表現として記憶されている。被測定物体
に対する二つの分光放射率間の関係に関するデータ即ち
放射率特性関数ｆは、前述したように測定に先立って予
め実験的に或いは、理論的解析によって求められる。放
射率特性関数ｆは記憶装置３の中に、多項式、数表等の
形で記憶されており、同様に検出器１，２からの分光放
射輝度信号を読み込むとともに、記憶装置３から読み込
んだ両検出器の黒体炉校正関数と、放射率特性関数ｆを
用いて被測定物６体の温度と放射率を計算する。即ち、
温度方程式（６）、（７）と分光放射率間の関係式（１
６）を同時に満足する温度と放射率を、例えば繰返計算
によって求める。これらの計算結果は適宜、５で示され
る記録装置、或いはプロセスの制御装置へと伝送される
。

第２図は、鉄鋼業において使用されている冷延鋼板の連
続焼鈍炉に適用された、本発明による放射測温システム
の具体例である。鋼板ス１〜リップ６は、連続焼鈍炉内
をロール１０に支えられながら撤退される。２つの異な
る波長における分光放射輝度が、鋼板表面法線方向に配
置された検出器７によって透過窓８を介して測定される
。連続焼鈍炉の炉壁１１内面からの迷光を減する必要が
ある場合には、黒色塗料或いは酸化、粗面（ヒによつて
表面を黒（ヒした水冷遮蔽板９を適宜用いることができ
る。もちろん炉壁１１からの迷光が、鋼板からの熱放射
信号に比べて無視できるほど小さい場合には、水冷遮蔽
板を使用する必要はない。透過窓の、雨検出波長におけ
る透過率を一定に保持するためには、必要に応じて窒素
ガス等によるパージを行うことができる。

第３ａ図は、本発明による方法で使用される検出器の光
学系の具体例を示したちのである。図には示されていな
い被測定物体からの熱放射光は、レンズ１２によりアパ
チャ１３上にフォーカスされ、アパチャを透過した光は
レンズ１Ｇによって平行光にされた後第−の検出器１８
へと向けられる。バンドパスフィルター１７は、第一の
波長λ１近傍の光のみを透過し第一の検出器１８へと導
く一方、波長λ１以外の波長の光をほとんど反射し第二
の検出器２０へと向ける。検出器２０は、第二の波長λ
２近傍の光のみを透過する第二のバンドフィルター１９
の働きで、波長λ２近傍の分光放射輝度信号を検出する
。この例では、チョッピングブレード１４とモータ１５
より構成される光学チョッパーが使用され、温度ドリフ
ト等の悪影響を除去した交流信号を作るのに寄手してい
る。

第３ｂ図は、第３ａ図で示した光学系において検出器１
８及び２０によって測定された分光放射輝度信号の例で
ある。被測定物体からの分光放射率輝度に比例するこれ
ら２つの信号り、、Ｌ２は、前述した様にコンピュータ
へ転送され温度と放射率の計算に使われる。

第４ａ図、第４ｂ図は、本発明による放射測温法の為の
光学システムを示したもう一つの具体例である。この例
では、チョッピングブレード２つに、波長の異なる２枚
のバンドパスフィルター３０゜３１が装備されており、
その結果第４ｃ図に示したような検出信号を得ることが
出来る９この例では、両波長において検出能力を持つ検
出器１８が一個あるだけで、二つの異なる波長における
分光放射輝度信号を検出することが出来る。第４ｃ図で
示されたり、、Ｌ２の分光放射輝度信号は、光学チョッ
パーからの同期信号を参照して容易に分離、計測される
。

第５図は、冷延鋼板の分光放射率が、酸化によって大き
く変化する時の、異なる波長における分光放射率間の関
係を異なる温度において実験的に求めた例である。３枚
の鋼板試験片をそれぞれ７００　、８００　、９００に
程度に加熱し、波長１．６μｍ及び３．０μｍにおける
垂直分光放射率を測定した。試験片の加熱は真空にひい
た炉内で行い、炉内に酸素を徐々に導入しつつ酸化に伴
う放射率変化を測定した。第５図にはそれぞれの温度に
おける分光放射率間の関係の変化を示しである。鋼板が
酸化するときの分光放射率は、後に第１９図にも示すよ
うに、非常に複雑な変化挙動を示し、また、温度によっ
ても変化する。しかしながら、第５図中で実線で示した
ように、分光放射率間の関係を示す放射率特性関数の平
均値は、各温度における放射率特性関数の近似として非
常に良い関数をあたえる。この関数は、酸化時における
鋼板の温度を測定する際に放射率特性関数として使用さ
れる。

本発明による方法にとって、放射率特性関数を温度毎に
複数本測定あるいは計算によって求めておくことは本貫
的な条件ではない。温度は物体の放射率を変化させる要
因の一つではあるがその影響は、酸化、合金化、化学組
成変化、表面粗度変化等の表面状耶の変化が及ぼす効果
に比べると通常かなり小さいのが普通である。実際の応
用にあたっては、工業プロセス等において設定されるべ
き温度領域において被測定物体の放射率特性関数を求め
ておくのが現実的であろう。

第６図は、冷延炭素鋼板が酸化されることによって放射
率が変化する状況に対して本発明による方法で測温を行
った例である。波長１．６μｍ及び３．０μｍにおける
２つの分光放射率間の関係を表す放射率特性関数は予め
第５図中の実線で示した平均値の関数を３次の多項式と
してコンピュータのメモリー中に記憶され使用された。

本発明による方法と、従来法である単色法、二色比法と
の結果を比較するために、放射率の平均値および放射率
比の平均値もそれぞれコンピュータのメモリー中に記憶
し各方法のアルゴリズムにより温度を計算した。図中に
実線で示したのは、被測定鋼板に熱電対を溶着して測定
した真の温度である。図中黒丸で示したのは本発明の方
法で測定した温度、三角で示したのは波長１．６μＩＯ
で単色法の原理で測定した温度、四角で示したのは波長
１．６μｍと３．０μＩｌｌを用いて二色比法の原理で
測定した温度である。

本発明の方法では、二つの分光放射率間の関係を放射率
特性関数として予め既知の状態で測定を行うため極めて
正確な測定が可能になる。一方、従来の方法では、分光
放射率あるいは放射率比を一定と仮定して測定を行うた
めに大きな測定誤差を生じてしまう。

冷延鋼板の放射率変化を引き起こすおもな原因は酸化現
象であるが、第６図に示したように本発明による方法は
非常に有効な測温手段を提供する。

また酸化現象とは別に、溶融亜鉛メツキ鋼板の放射率は
合金化プロセスにおいて激しく変化することが知られて
いるが、この場合は表面層における鉄と亜鉛の合金化反
応に伴う組成変化、および合金結晶成長による表面粗度
の変化が主な放射率変動の要因である。しかしながら、
このような測定対象に対しても本発明の方法によれば高
い精度で温度と放射率の測定が可能である。

第７図は加熱された亜鉛メツキ鋼板表面において鉄と亜
鉛の合金化が進行するときの波長１．６μ転および３．
０μｍにおける放射率間の関係を示したものである。４
枚の亜鉛メツキ鋼板試料を異なる加熱速度で加熱して測
定したが極めて再現性の高い結果が得られたため、同図
中には点線で示した一例のみを、実線で示した４枚の試
料の平均値とともに示した。

第８図は本発明の方法を合金化亜鉛メツキ鋼板の温度測
定に適用した場合の一例である。図中、三角および四角
で示したのは放射率あるいは放射率比の平均値を用いて
単色、二色比法の原理で測定した値である。第８図中黒
丸で示したように本発明の方法で測定した値は、従来法
に比べて極めて高精度で被測定鋼板の温度を示している
ことが判る。

本発明の方法では、二つの異なる分光放射串間の関係を
用いて被測定物体の温度と放射率を求めている。一方、
分光放射率は前述したように波長の関数であると同時に
測定角度（測定方向と被測定面法線のなす角）と偏光成
分の関数でもある。

従って、本発明で使われる二つの分光放射率は波長、測
定角度、偏光成分の何れか一つ、または二つ以上の条件
で異なるものであれば原理的に使用可能である。

第９ａ図は、連続焼鈍炉内を搬送される冷延鋼帯６の測
温をするための装置の具体例を示したものである。この
例では、鋼帯表面法線に対して斜めの方向から同一の波
長で、しかし異なる偏光成分の信号を検出器２２によっ
て測定している。炉壁１１内面からの迷光雑音を除去す
る必要があれば、必要に応じて水冷遮蔽盤２１を使用す
ることができる。８は透過窓である。測定角度θは、実
験データを基に最も良い精度で測定できる角度に設定す
るのが基本となるが、スペースの問題等実際の応用に係
わる技術上の問題も考慮して決定される。

第９ｂ図は、第９ａ図の具体例で使用された検出器２２
内部の光学系の一例を示したものである。

被測定物体からの放射束はレンズ１２によってアパチャ
１３上に結像され、アパチャを透過した光はさらにもう
一枚のレンズ１６によって平行にされた後、イ扁光ビー
ムスプリッタ２３へと向けられる。その際、途中に設置
された干渉フィルター１７はある波長近傍の光のみを選
択的に透過させる。偏光ビームスプリッタ２３は、直交
する２つの偏光成分を分離して光検出器１８および２ｏ
へと導く、このような光学系により異なる偏光成分の放
射束を別々に検出することが可能である。検出信号を交
流化して測定する場合には、モータ１５およびチョッパ
ブレード１４よりなる光学チョッパを使用することがで
きる。

第１０図は、第９ａ図および第９ｂ図に示した構成の装
置により冷延鋼板が酸化する時の分光放射率を異なる偏
光成分について測定し、その結果から求められた放射率
特性関数の具体例である。

すなわち被測定物体面法線に対して角度θだけ斜めの方
向から、ある波長における分光放射率を異なる偏光成分
に対して測定して関数的に図示したものである。偏光の
表現には、直線偏光、円１扁光等あるが、ここでは測定
面（被測定物体面法線と測定光軸とが作る平面）に垂直
な方向に電気ベクトルをもつ偏光（Ｓｉ！光）成分の分
光放射率と測定面内に電気ベクトルをもつＩＮ光（Ｐ４
光）成分の分光放射率の関係を示した。

第１１図は、冷延鋼板が酸化して放射率が変動する状況
で、第１０図で求めた放射率特性関数を用いて測定した
温度値と、従来法の単色法で測定した温度値を熱電対で
求めた真の温度値と比較した例である。単色法ては酸化
による放射率変動のなめ大きな測定誤差を生じているが
、本発明の方法では小さな誤差に抑えられている。この
ように本発明の方法によれば異なる１扁光成分に対する
分光放射率間の関係を利用しても精度の高い放射測温か
可能になる。

第１２図は、連続焼鈍炉内冷延鋼板の温度測定のための
本発明の方法によるもう一つの具体例を示したものであ
る。被測定鋼板６からの熱放射信号として、同一波長に
おける分光放射輝度が異なる二つの測定角度で検出器２
７　、２８によって測定される。２４　、２５はそれぞ
れ透過窓である。炉壁１１内面からの迷光雑音を除去す
る必要がある場合は、図の様に水冷遮蔽盤２６を使用す
ることができる。

１０は、鋼板の振動を抑えるためにしばしば用いられる
サポートロールである。本具体例では、鋼板表面の法線
方向と、法線方向からθだけ傾いた方向からそれぞれの
分光放射輝度信号を測定している。測定角度θは、実験
データを基に最も良い精度で測定てきる角度に設定する
のが基本となるが、スペースの問題等実際の応用に係わ
る技術上の問題も考慮して決定される。

第１３図は、冷延鋼板酸化時の分光放射率を角度のみ異
なる条件で測定しそれから放射率特性関数を求めた具体
例である。

放射率特性関数は、被測定物体に固有な条件（プロセス
等に固有な条件による場合もきめて）のもとて分光放射
率の測定を行って実験的に求めることもできるが、以下
に示すように理論的な計算によって求めることも可能で
ある。

エレク１−ロニクス材料をはじめとして平滑な金属基板
上に種々の薄膜を生成させることが行われているが、そ
のような物体表面の分光放射率は膜厚の増加に伴って大
きく変動しうる。しかしながらその時の分光放射率は金
属基板、薄膜の光学定数（例えば屈折率と減衰係数）と
膜厚から光学的計算により精度良く求めることが可能で
ある。その計算を波長、測定角度、偏光成分が異なる分
光放射率に対して膜厚を変化させながら行えば、放射率
特性関数を求めることができる。

以下の第１４図から第１７図はそのようにして金属基板
上に吸収性薄膜が生成される状況にないする放射率特性
関数を波長、測定角度、（扁光成分を変えて求めた具体
例である。

第１４図は波長と測定角度が異なる分光放射率間の関係
を表す放射率特性関数の計算具体例、第１５図は波長と
偏光成分について異なる分光放射率間の関係を表す放射
率特性関数の計算具体例、 第１６図は測定角度と偏光成分について異なる分光放射
率間の関係を表す放射率特性関数の計算具体例 第１７図は波長、測定角度と偏光成分に′）いて異なる
分光放射率間の関係を表す放射率特性関数の計算具体例
で釣る。

上述のように、本発明の方法で使用する放射率特性関数
は実験的にあるいは理論的な計算により予め求められる
。いずれの場合でも、放射率が変動しうる被測定物体に
対しても温度と放射率を同時に正確に測定する放射測温
法が本発明によって実現可能である 本発明による温度と放射率の同時解決について、第１８
図、第１９図、第２０図を参考にしながら説明する。

一般に放射率が変動する要因は被測定物体に固有な、あ
るいは製造プロセス等に固有なものである場合が多い。

それらの要因によって、二つの分光放射率が変動すると
きのお互いの関係を表す放射率特性関数は、被測定物体
あるいは製造プロセスに特有な条件のもとて実験的に求
めるのが最も一般的である。例として、冷延鋼板が酸化
する際に、異なる三波長における分光放射率の変化挙動
を実験的に測定したものを第１９図に示す。第１９図は
真空炉内で冷延鋼板を９００１（まで加熱した後、徐々
に炉内に酸素を注入して酸化せしめたときの波長１．６
μｍ及び３．０μｍにおける分光放射率の変化を測定し
たものである。第２０図は、実験によって得られた放射
率特性関数Ｆを図示したもめであり、これは数表、ある
いは多項式近似のような数学的表現によ−）で計算機の
メモリーに収納される。

同様に、各検出器の出力特性を温度方程式は、例えば（
６）、（７）式のような形で計算機のメモリーに収納さ
れる。かくして分光放射輝度信号し、。

Ｌ２が測定されれば放射率特性関数と温度方程式を用い
て温度と放射率を計算することができる。

数値計算法は様々なものが考えつるがここでは、繰返計
算法によって解く場合について説明する。

この方法では、測定された二つの分光放射輝度信号Ｌ１
．Ｌ２に対しである温度Ｔを仮定し、それらから導かれ
る見がけの分光放射率ε１．ε２を計算し、それらが放
射率特性関数Ｆ上に無い場合は、誤差が許容範囲内に入
るまで試行計算を繰り返す。

第１８図を用いて詳細説明を行う。図においてε１．ε
２は異なる波長における分光放射率、曲線Ｆは放射率特
性関数である。今二つの分光放射輝度り、、Ｌ２が得ら
れたとしてその時の被測定物体の真の温度がＴ。、真の
分光放射率がε１０．ε２゜てあり、それは放射率特性
関数Ｆ上に黒丸で示した点に対応しているものとする。

ここである温度Ｔを仮定して分光放射輝度り、、Ｌ２と
温度方程式とから見かけの放射率ε１０．ε２ｏを３１
算すると、ＴＮＴｏの場合にはε１くε１゜、ε２くε
２ｏとなり、Ｔ　＜　Ｔ。の場合にはε１〉ε１０１ε
２〉ε２ｏとなり、それぞれ第１８図中に白丸で示され
た座標を占めることになる。温度方程式が（６）、（７
）弐のウィーンの式で表される場合には、見かけの放射
率ε１．ε２の関係は（１５）式で表され、それを図中
に曲線Ｇで示した。即ち、仮定温度Ｔを変化させて計算
を繰り返すことによって、見かけの放射率ε１．ε２は
曲線Ｇ上を動き遂には放射率特性関数Ｆと交じりその交
点が真の放射率εｌＯ＋ε２ｏを与え、それから真の温
度Ｔ、も求まることになる。

上述した方法を用いて、実際に計算機により温度と放射
率を求めるなめに作製したプログラム例について説明す
る。第２１図は、主プログラムのブロックダイアダラム
であり、第２２図は、繰返計算によって被測定物体温度
Ｔと、分光放射率ε５．ε２を求めるためのフローチャ
ートである。

第２１図に示した様に、測定に先立って検出器の黒体炉
校正関数と放射率特性関数が計算機のメモリーに読みこ
まれる。この例では、黒体炉校正関数としてウィーンの
式 ％式％） 念使い、放射率特性関数は次式のような３次の多項式 ％式％ を用いている。この放射率特性関数は実験データを基に
係数Ｃ６〜Ｃ２を求めて定義されている。

この計算プログラム例では、繰返計算を開始するための
初期値として最大、最小、そしてそれらの中間値の３水
準の温度値Ｔｍａｘ　、　Ｔ＋ｎｉｎ　、　Ｔｍｅｄが
それぞれ設定される。Ｔｔａａｘ　、　Ｔｍ１ｎは例え
ば製造プロセス等において考えられる一被測定才勿体温
度の上限、下限値として定義されるが、ここではＴｍａ
ｘを製造プロセスでの最高温度として設定し、Ｔ　ｒａ
　ｉ　ｎは測定された分光放射輝度信号Ｌ２に対してε
２；１と仮定して求まる温度として定義した６Ｔｒａｅ
ｄはこれらの単純平均である。

Ｔｍａｘ　、　Ｔｍ１ｎ　、　Ｔｍｅｄに対応して波長
λ２における見かけの分光放射率ε２ｍａｘ、ε２ｍｉ
＋１゜ε２　ｍｅｄが定義され、それらの間には、０＜
ｅ２ｍａｘ＜ｅ２ｔａｅｄ＜ｅ２ｍｉｎ＝　１の関係が
初期条件として成立する。

測定された分光放射輝度り、、Ｌ２に対して、温度Ｔ　
ｍ　ｉ　ｎを仮定することにより見かけの分光放射率ε
＋ｍｉｎ、ε２　ｍ！ｎが次式で計算される。

ｅ　ｌｍ１ｎ＝　Ｌ　＋／　Ｌｂ（λ、　、　Ｔｍ１ｎ
）ｅ　２　ｍ１ｎ＝　Ｌ２／Ｌｂ（λ２　、　Ｔｍ１ｎ
）同様の計算がＴｍａｘ　、　Ｔｌｌ１ｅｄに対しても
行われε、　ｍａｘ、　ε２ｍａｘ、　ｅ、　ｍｅｄ、
　ε２＋ｎｅｄか求まる。

次に、ｅ２ｍｉｎ、　ε２ｍｅｄ、　ε２ｗａｘに対し
てそれぞれの放射率特性関数値を計算し、それらと見か
けの放射率ε、ｍｉｎ、ε＋ｍｅｄ、ε、　ｍａｘとの
差を次式で計算する。

Δｅ　、　ｍ１ｎ＝　ε＋　ｍ１ｎ−４（ｅ　２ＩＩＩ
ｉｎ）Δｅ　＋　ｍｅｄ＝　ｅ　、　ｍｅｄ−ｒ（ｅ　
２ｍｅｄ）Δε、　ｍａｘ＝ε、　ｍａｘ−ｒ（ε２　
ｍａｘ）第２２図のフローチャートで示したように、こ
れらの差分の符号を判断してＴ　＋ｎ　ｉ　ｎ、または
Ｔａ＋ａｘの値を再設定できる。即ち、もし積Δε、　
ｍｉｎΔε、　ｍｅｄが負の場合は真の温度Ｔ。がＴ　
ＩＩＩ　ｉ　ｎとＴａｎｅｄ間に存在することを示して
いるからＴｍａｘをＴｍｅｄの値で置換し、改めてＴｍ
ｅｄをＴｍａｘとＴ　ｍ　ｉ　ｎの中間値として定義し
た後再度繰返計算を行えば良い。逆に、Δε、　ｍｉｎ
Δε１　ｍｅｄが正の場合はＴ　ｍ　ｉ　ｎをＴｍｅｄ
の値で置換し、改めてＴｍｅｄをＴｍａｘとＴ　ｍ　ｉ
　ｎの中間値として定義すれば良い。

以降、再定義されたＴｍ１ｎ　、　Ｔｍｅｄ　、　Ｔｍ
ａｘに対して上述の計算を繰り返し、ＴｍａｘとＴ　ｍ
　ｉ　ｎの差が許容誤差ｄＴ内に入った時点で計算を打
ち切りその時のＴｎｅｄの値を以て被測定物体温度とし
、ε、ｍｅｄ、ε２　ｍｅｄを以て分光放射率とする。

上述の計算手法以外にも、本発明の方法を実現させる方
法は数多く考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によると波長、測定角度、偏
光成分が異なる二つの分光放射率間の放射率特性関数を
予め求めておけば、被測定物体からの分光放射輝度信号
をもとに放射率特性関数を解くことによって物体の温度
と放射率を同時に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による放射温度計測システムの概念図。 第２図は、被測定物体表面に対して垂直な方向から異な
る２つの波長において分光放射輝度信号を検出して温度
と放射率を測定するための本発明による計測システムの
具体例。 第３ａ図は、第２図に示したシステムを実現するための
光学検出計の具体例。 第３ｂ図は、第３ａ図に示した光学系によって検出され
た２つの分光放射輝度信号の具体例。 第４ａ図は、−個の検出素子で異なる二つの分光放射輝
度信号を交互に測定するために、２枚の干渉フィルター
を装着した光学チョッパを使用した光学検出計の具体例
。 第４ｂ図は、第４ａ図の光学系を実現するための光学チ
ョッパブレードの具体例。 第４Ｃ図は、第４ｄ図の光学系によって検出された分光
放射輝度信号の具体例。 第５図は、冷延炭素鋼板が酸化したときに異なる波長に
おいて測定した分光放射率間の関係を示した具体例。 第６図は、冷延炭素鋼板が酸化する状況下で本発明の方
法を適用して測定した温度値と、単色法および二色法の
従来法による温度値を比較した例。 第７図は、亜鉛メツキ鋼板が合金化するときの、異なる
波長における分光放射率間の関係を表す放射率特性関数
の具体例。　　　　　′ 第８図は、合金化亜鉛メツキ鋼板に対して本発明の方法
を適用して測定した温度値と単色法、二色比法の従来法
を適用して測定した温度値を比較した例。 第９ａ図は被測定物体表面法線に対して斜めの方向から
同一波長において、しかし異なる偏光成分の分光放射輝
度を測定することによって温度と放射率を測定するため
の、本発明の方法による計測システムのもう一つの具体
例。 第９ｂ図は、第９ｄ図に示した計測システムを実現する
ために、干渉フィルターと偏光プリズムを使用した光学
検出計の具体例。 第１０図は、冷延鋼板が酸化するときの、異なる偏光成
分に対する分光放射率間の関係を示す放射率特性関数の
具体例。 第１１図は、酸化時の冷延鋼板に対して本発明の方法を
適用して測定した温度値と従来法の単色法を適用して測
定した温度値を比較した例。 第１２図は、被測定物体面法線に対して異なる角度にお
いて同一波長の熱放射光を測定することによって、温度
と放射率を求めるための本発明の方法による計測システ
ムのもう一つの具体例。 第１３図は、冷延鋼板酸化時の分光放射率を角度のみ異
なる条件で測定しそれから放射率特性関数を求めた具体
例。 第１４図は波長と測定角度が異なる分光放射率間の関係
を表す放射率特性関数の計算具体例。 第１５図は波長と偏光成分について異なる分光放射率間
の関係を表す放射率特性関数の計算具体例。 第１６図は測定角度と偏光成分について異なる分光放射
率間の関係を表す放射率特性関数の計算具体例。 第１７図は波長、測定角度と偏光成分について異なる分
光放射率間の関係を表す放射率特性関数の計算具体例。 第１８図は本発明の方法によって温度と放射率が求まる
様子を説明した図。 第１９図は、冷延炭素鋼板が酸化するさいに、異なる波
長における分光放射率の変化挙動を測定した結果の具体
例。 第２０図は、第１２図に示した実験データから得られた
、酸化冷延鋼板に対する放射率特性関数の具体例。 第２１図は、本発明の方法により加熱物体の温度と放射
率を測定するために使用される主計算プログラムフロー
チャートの具体例。 第２２図は、数値計算法として繰返計算法を使用したと
きの計算プログラムフローチャー１〜の具体例。 図において、 ６・・・鋼板ストリップ、 ７．１８，２０．２２・１．検出器、 ８・・・透過窓、　　　　９・・・水冷遮蔽板、１０・
・・ロール、　　　１１・・・炉壁、１４　、２９・・
・チョッピングブレード、１５・・・モータ、 １７　、１９・・・バンドパスフィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異なる測定条件で測定された２つの分光放射輝度信
   号をもとにして、該分光放射輝度に対応する２つの分光
   放射率間の被測定物体に固有な既知の関係式（放射率特
   性関数）を解くことによって加熱物体の温度を求めるこ
   とを特徴とする放射測温法。 ２、２つの分光放射輝度信号が、異なる波長で測定され
   る請求項１記載の放射測温法。 ３、２つの分光放射輝度信号が、被測定物体面法線から
   の異なる角度において測定される請求項１記載の放射測
   温法。 ４、２つの分光放射輝度信号が、異なる偏光成分につい
   て測定される請求項１記載の放射測温法。 ５、２つの分光放射輝度信号が、波長、角度、及び偏光
   成分のうち２つ以上異なる条件で測定される請求項１記
   載の放射測温法。 ６、加熱物体からの分光放射輝度信号から以下のａ）〜
   ｅ）の手続きによって該加熱物体の温度を求めることを
   特徴とする放射測温法。 ａ）異なる測定条件に対する二つの分光放射率間の、被
   測定物体に固有な既知の関係式（放射率特性関数）を実
   験的にあるいは光学理論的計算により予め求めること ｂ）該測定条件において二つの分光放射輝度信号を測定
   すること ｃ）該物体の温度として仮定温度を設定し、該仮定温度
   と該分光放射輝度信号とから見かけの分光放射率を計算
   すること ｄ）手続きｃ）で得られた見かけの分光放射率が、手続
   きａ）で予め求めた放射率特性関数を満足するかどうか
   判断すること ｅ）仮定温度を変化させて、見かけの分光放射率が放射
   率特性関数を満足するようになるまで手続きｃ）、ｄ）
   を繰り返し、最終的にえられた仮定温度および見かけの
   分光放射率をもって該物体の温度および分光放射率とす
   ること