JPH0321831A - 二次元二色放射温度計 - 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、２台の固体カメラ・モジュールを使ってパタ
ーン計測可能な二次元二色放射温度計に関する。

（従来の技術〉 従来の温度計測は、熱電対等により、成る点の温度を測
定するというポイント計測が主流であったが、近年パタ
ーン計測への要求が次第に高まりつつある。パターン計
測のメリットは、対象物の温度分布パターンや画像中に
含まれる材質や形状の異なった複数の対象物の温度を一
度に知ることができることにあり、より全体的な状況を
把握することが可能である。このパターン計測の為には
、熱電対等の適用は困難であり、放射温度計を用いるこ
とになる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、従来の放射温度計は、その大部分がポイント
計測用のものであった。中には一部パターン計測可能な
ものもあるが、これは光学系に機械式の走査機構を設け
、一次元或いは二次元の温度分布パターンを測定可能と
したものである（計測自動制御学会１９８２年“温度計
測”　：下間他が先行技術文献としてある。）。

従って、対象物の温度分布パターンが急速に変化するよ
うな場合には適用が困難であったし、可動部を伴うので
信頼性の面でも万全ではなかった。

そこで本発明は、そういった用途への応用も考え、二次
元の固体イメージ・センサを採用した２台のカメラ・モ
ジュールを使って、二次元的な情報を一度に捉えること
が可能でしかもマルチ・スペクトル計測により得られた
２枚の画像に対し、スムージング、放射率の推定や温度
計算、更にはクラスタリングといった各種の処理を施し
、対象物のより正確な温度分布パターンを画像（カラー
・スライス図等）として表示することのできる二次元二
色放射温度計を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するための本発明の二次元二色放射温度
計の原理を最初に説明する。

温度Ｔ〔Ｋ〕の完全放射体（黒体）の波長λ〔μｍ〕に
おける放射エネルギーは、Ｐｌａｎｃｋの放射則により
、次式で与えられることが知られている。

（以下余白） ここで、Ｃ＋＝３．７４１８Ｘ１０’　　（：Ｌｍ−２
・，ｉａ’〕Ｃ２＝１．４３８８ｘｌＯ’　　Ｃ即・Ｋ
〕λ＜１．０μｍ　かつＴ　＜　３０００Ｋなる領域に
おいては、Ｗｉｅｎの式が約１％の精度で或り立つ。ま
た、黒体以外の実際の物体の放射エネルギーは、この式
で与えられる値よりも小さくなり、その割合を放射率（
ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）εで表す。すなわち、その場合
の放射エネルギーは次のようになる。

なお、実際の観測系では、対象物をバンド・パス・フィ
ルタを介して観測する。従って、温度Ｔ〔Ｋ〕の物体を
観測した場合の測定値は、厳密には次式で表される。

ここで、Ｋは観測系の変換効率に関係した比例定数、λ
ｍｉｎ〜λｍａｘは受光素子の感度保有範囲、Ｗ（λ）
はその間のフィルタ、レンズおよび受光素子を含めた観
測系の総合分光特性。

このため、ＢとＰとは簡単な比例関係とはならない。そ
こで実際には、予めフィルタの中心波長λＣ〔μｍ〕に
おいて、温度Ｔに対する放射エネルギーと観測値との関
係を求めておき、測定において得られた観測値Ｐを放射
エネルギーＢに換算して温度計算に用いる。

（２）式より温度を求めると、次のようになる。

この放射率は、波長や対象物の材質や温度、更にはその
表面状態等により大きく変化する。従って、通常のポイ
ント計測用の単色放射温度計では、対象物の材質などに
応じた適当な推定値を用いることになる。ところが、パ
ターン計測においては、各ピクセルに対応する場所の放
射率はそれぞれ異なる可能性があり、それらの推定値を
逐一与えることは実用的ではない。結局、単色放射温度
計の原理は、パターン計測用には不向きである。

さて、温度Ｔ　［：Ｋ］の物体の相異なる２つの波長λ
１、λ，［μｍ］（λ，くλ２）における放射エネルギ
ーは、それぞれ次式で表される。

・・・・・・・・・　（４） これが単色放射温度計の温度計算式である。こ　　　こ
の時・２°の観測波長を比較的近くに採るこの式より温
度を求める際には、放射エネルギーＢ　　とにより１そ
れぞれの放射率はεＩζε２とするの他に、放射率，の
値が必要となる。ところが、　　　ことができる。この
関係を使って、上式より放射率を消去し、温度を求める
と次のようになる。

ただし、Ｒ＝Ｂ，／Ｂ， このようにして温度を求めるものを、標準型二色放射温
度計とする。この標準型二色放射温度計の温度計算式は
、放射率の項を含まないので、パターン計測に適してい
るが、実際には放射率の影響も無視することはできない
。

そこで物体の温度Ｔ　（Ｋ〕と放射エネルギーＢとの関
係は観測波長λ２　〔μｍ〕においては（６）式で与え
られる。ここでこの式を少し変形して無次元化しておく
。

？るが、標準型二色放射温度計では異なる波長における
放射エネルギーを観測し、ε１＝ε２という条件を設け
て温度を定めている。そのようにして求まる温度をいま
仮にＴ。〔Ｋ〕とする。温度が定まれば、（６）式ある
いは（８）式から波長２■における推定放射率６２′を
求めることができる。ところが、実際にはε１〉ε２で
あることが多く、従ってε，＝ε２として求めた温度Ｔ
ｏ　［Ｋ］は、真温度よりも高めに計算され、ε２′は
小さめに見積もられる。

そこで、この温度を第ｌ次近似とし、それを補正する。

そのためにまず（８）式の右辺における放射率による変
化分をｘ１温度の補正による変化分をｙとする。これに
より（８）式は次のように表される。

放射エネルギーＢが与えられたとき、上式を満足する放
射率ε２と温度Ｔの組み合わせは無数にこの式を満足す
るとＸとｙの組み合わせも無数に存在するが、この２つ
は共に無次元の量であるので、ここではこれらを同等に
扱う。すなわちｘ＝ｙ ・・・・・・・・・　αＧ とする。これは変化に対する放射率の寄与分と温　台ｙ 度の寄与分を等しく採ることを意味する。従って、先に
求めたε２′から うものを改良型二色放射温度計と言うことにする。

表１　放射率の選定に対する指示温度の変化（観測波＆
　：　　０，８３９〜０．９８８　ａｍ，想定温度８０
０’ｔ’）ε．＝　　（ε２ ・・・・・・・・・　ＯＤ として放射率の補正値を求め、この放射率と観測値Ｂ２
を使って次式より指示温度を計算する。

・・・・・・・・・　（自） 表１に各種材料に対するε。／Ｆε２′と指示温度との
関係を示す。観測波長における放射率は第１図に従った
。この表１により第１次近似温度よりも補正温度の方が
想定温度により近くなっていることが判る。このように
して温度の補正を行温度の単位二℃ （作用） 本発明の二次元二色放射温度計によれば、高温に加熱さ
れた測定対象物が、２台の固体カメラ・モジュールの光
学系により測定部分の表百からの熱放射エネルギー分布
が計測され、これが同期信号として２台のカメラ・モジ
ュールに入る。この２台のカメラ・モジュールの出力は
画像入力回路においてクランプされた後ドットクロツク
に同期してＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換さ
れ、次いでコンピュータに転送され、各ビクセルのデー
タに対して温度計算を行ない、最終的に画像として表示
される。

（実施例） 本発明の二次元二色放射温度計の一実施例を第２図の測
定システム・ブロック図によって説明すると、１、ｌ′
は２台の固体カメラ・モジュールで、これの光学系２、
２′は夫々光学干渉フィルタ３、３′と７５＋ｎｍ望遠
レンズ４、４′から成る。

望遠レンズ４、４′を用いたのは遠方から観測し、２つ
の光軸をなるべく平行にして位置合わせを容易にすると
共に、測定部分を拡大して観測するためである。２台の
固体カメラ・モジュールｌ１１′は、フレーム蓄積、イ
ンターレース方式で、これにはＡＧＣ回路が付加されて
いたが測定に際しては有害であるので、取り外してある
。またγ特性はなるべく１に近くなるように調整してあ
る。５は２台の固体カメラ・モジュール１、１′からの
外部同期モードの出力であるＮＴＳＣ信号をクランプす
る画像人力回路である。６はＮＴＳＣ信号の出力を７Ｍ
Ｈｚのドットクロックに同期しーてＡ／Ｄ変換器により
８ビットのディジタル信号に変換した後、順次格納する
外部メモリである。カメラ・モジュール１、１′の有効
画素数は、３８４（Ｈ）　ｘ　４９１　（Ｖ）であるが
、外部メモリ６にはこのうちの２５６　Ｘ　１２８ビク
セル分のデータを取り込むようになっている。７はホス
ト・コンピュータで、外部メモリ６に格納された１フィ
ールド分のデータを内部メモリに受けて、各ビクセルの
データに対して温度計算を行うと同時に、各ライン間の
データを補間して求め、最終的に２５６Ｘ２５６ビクセ
ルの画像として表示するものである。温度計算に際して
は、レンズの絞りに応じてＡ／Ｄ変換器の出力（０〜２
５５）に表２に示した補正係数を掛け、それを観測値Ｐ
とする。本実施例の二次元二色放射温度計における観測
値Ｐと放射エネルギーＢとの関係を第３図に示す。８は
温度分布パターンの画像表示用ディスプレイである。

表２　レンズの絞りと補正値 上記実施例の二次元二色放射温度計を用い、ガス・バー
ナにより加熱したステンレス板の表面を観測して得られ
た温度分布パターンを第４図に示す。この図を見て判る
通り、ステンレス板の表面には熱電対（アルメルークロ
メル）を溶着してあり、これにより真温度を得ることが
できる。この真温度において得られる放射エネルギーＥ
と実際に得られた放射エネルギーＢとから、Ｂ／Ｅとし
て２つの観測波長における放射率を計算した結果を第５
図に示す。また熱電対の部分の９ピクセルのデータを平
均して得られた温度と真温度の関係を第６図に示す。第
５図及び第６図における矢印は測定の順序を示す。９０
０℃付近で精度が悪くなっているのは、第５図を見て判
る通り２つの観測波長における放射率がたまたま近い値
となっている為である。しかし全体的に見ると改良型で
ある実施例の二色放射温度計の方は補正の効果により標
準型に比べてより真温度に近い値を指示しており、その
優位性が示されている。また点線は誤差５％（絶対温度
）を示すものであり、これにより誤差は５％の範囲内に
入っていることがわかる。

（発明の効果） 以上の説明で判るように本発明の二次元二色放射温度計
によれば、推定放射率を与えることなく、より正確な温
度分布パターンを得ることができる。

またその指示温度の精度は実験結果より５％以内（絶対
温度）と見積ることができて十分満足できるものであっ
た。

さらに本発明の二次元二色放射温度計は、二次元センサ
を使い各ピクセルのデータを同時に取り込む為ため、時
間的に温度の変動しているような対象物の測定ができ、
しかもマルチ・スペクトル計測により対象物に対する予
備知識（材質や放射率）なしに温度を計測することが可
能である。そして放射率の概略値を知ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は物質の分光放射率特性を示すグラフ、第２図は
本発明の二次元二色放射温度計の測定システムのブロッ
ク図、第３図は観測値とＰと放射エネルギーＢとの関係
を示すグラフ、第４図は加熱したステンレス板表面を観
測して得られた温度分布パターンを示す図、第５図は放
射率の変動を示すグラフ、第６図は真温度に対する指示
温度を示すグラフである。 １，ｌ′・・・固体カメラ・モジュール、２．２′・・
・光学系、３．３′・・・光学干渉フィルタ、４，４′
・・・７５＋ｎｍ望遠レンズ、５・・・画像入力回路、
６・・・外部メモリ、 ７・・・ホスト ・コンピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光学干渉フィルタとレンズとから成る光学系を有す
   る２台の固体カメラ・モジュールと、この２台の固体カ
   メラ・モジュールからの外部同期モードの出力をクラン
   プする画像入力回路及び前記出力を高周波のドットクロ
   ックに同期してＡ／Ｄ変換器により変換したディジタル
   信号をコンピュータに転送し、各ピクセルのデータに対
   して温度計算を行い、最終的にはピクセルの画像として
   表示するホストコンピュータとより成る二次元二色放射
   温度計。