JPH04353727A - 二色式放射温度計 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二色式放射温度計に関
する。

【０００２】

【従来の技術】熱物体の温度を非接触で連続的に測定す
ることのできるものの一つとして、二色式放射温度計が
種々の分野において利用されている。この二色式放射温
度計は、熱物体から放射される熱放射エネルギーのうち
、異なる２つの波長帯における熱放射エネルギーの比を
求めれば、その温度を知ることができるという原理に基
づいたもので、十分近接した２つの波長帯を選択するよ
うにすれば両波長帯の分光放射率はほぼ等しく、両者の
比をとることにより両波長帯の分光放射率の違いによる
誤差を小さくして測定することができる。

【０００３】すなわち、二色式放射温度計の温度測定の
精度は、測定する２波長帯での分光放射率が“ほぼ等し
い”か“一定の比例関係が成立する”とみなせる場合に
は問題はない。しかし一般には上記の条件は成立せず、
特に熱物体の表面状態が酸化反応などで急変するような
場合には測定精度が著しく悪化する。このような場合は
、通常の１波長式（単色）放射温度計ではさらに大きな
誤差となる。

【０００４】そのため、このような分光放射率の変化に
対応し得る二色式放射温度計の改良技術として、たとえ
ば特公平３−４８５５号公報に開示されている二色形放
射温度計や、論文「Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　
Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ　Ｍｅｔ
ｈｏｄ　ａｎｄ　ａｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎ−ｔａｌ　
Ｓｔｕｄｙ　Ｕｓｉｎｇ　Ｇａｌｖａｎｎｅａｌｅｄ　
Ｓｔｅｅｌ　Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ（　計測自動制御学会
論文集，　第２５巻，第１０号，　Ｐ．１０３１／１０
３７　，　１９８９年１０月発行）　」に記載されてい
る”ＴＲＡＣＥ（Ｔｈ−ｅｒｍｏｍｅｔｒｙ　Ｒｅｅｓ
ｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｃｏ
ｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙ）
法”　などがある。 この２つの方法はパラメータの選定の仕方が異なるだけ
で、基本的に同じ手法である。

【０００５】ここで、特公平３−４８５５号の内容につ
いて以下に詳しく説明する。いま、異なる２つの波長帯
をλ１　，λ２　（μｍ）とし、それぞれの輝度温度を
Ｓ１　，Ｓ２　（Ｋ）、そのときの熱物体の真温度をＴ
（Ｋ）、プランク（Ｐｌａｎｋ）の第２定数をＣ２　（
＝１．４３８８×１０４　μｍ　Ｋ）とすると、ウィー
ン（Ｗｉｅｎ）　の近似則を用いて得られた分光放射率
ε１　，ε２　（μｍ）は、下記の公知の式（数２），
（数３）によって求められる。

【０００６】

【数２】

【０００７】

【数３】

【０００８】これらの式（数２），（数３）から真温度
Ｔを消去すると、式（数４）が得られる。

【０００９】

【数４】

【００１０】この式（数４）の左辺は分光放射率の波長
のべき乗の比であり、以下の説明を簡単にするために式
（数５）でパラメータαに置き換えることとする。

【００１１】

【数５】

【００１２】このパラメータαは、輝度温度Ｓ１　，Ｓ
２　が２波長検出器の出力から得られることから、式（
数４）の右辺を演算することにより定量的に求めること
ができる。一方、式（数２），（数３）を用いて真温度
Ｔを表すと、式（数６）が得られる。

【００１３】

【数６】

【００１４】ここで、分光放射率比ε１　／ε２　を１
ないし一定値Ｒとして計算すると、下記式（数７）で表
すことができるが、これは従来の二色式放射温度計の測
定値である。

【００１５】

【数７】

【００１６】そして、この特公平３−４８５５号では、
下記式（数８）に示すように、分光放射率比（ε１　／
ε２　）とパラメータαの相関関数ｆを予め測定によっ
て図６に示す

【００１７】

【数８】

【００１８】ように決定しておき、温度測定に際しては
式（数４）で計算して得られたパラメータαから相関関
数ｆによって分光放射率比を得、その値を式（数６）な
どに代入して真温度Ｔを計算するとしている。ところで
、上記した特公平３−４８５５号の測定方法の基本概念
は、技術的には問題はないが、ただ相関関数ｆの決定に
ついての具体的な記述がなされておらず、そのためこの
技術を実用化する上で開示が不十分であるという問題が
ある。すなわち、前出図６に示したように、確かに任意
の関数でｆを回帰することが可能であるが、複雑な関数
で回帰した場合には計算時間が掛かり、そのため温度変
化が速い場合などは測定することができないという問題
を内包している。また、たとえば１次関数などの簡単な
関数で回帰した場合には、温度測定の精度が悪いという
問題がある。

【００１９】一方、後者のＴＲＡＣＥ　法では、上記の
相関関数ｆと同様に分光放射率間の相関関数“ｇ”を用
いており、比較的簡単な相関関数がたとえば図７のよう
に例示されている。しかしながら、相関関数ｇが図８に
示すように２価以上の複雑な関数となる場合があり、こ
の関数を近似して計算ソフトウェアに組み込むのが難し
いことがある。さらに、このＴＲＡＣＥ　法は連立方程
式の求解工程があるため、繰り返し計算が必要となり簡
便な計算方法とはいえない。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来例が有する課題を解消すべくしてなされたもので
あって、従来例の一つである特公平３−４８５５号の温
度計算方法をさらに発展させて、簡単でかつ最適な相関
関数を与えることによって高速で高精度な二色式放射温
度計を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、異なる２つの
波長帯λ１　，λ２　における熱放射エネルギーを検出
し熱物体の表面温度Ｔを測定する二色式放射温度計にお
いて、前記熱放射エネルギーから求められる波長帯λ１
　，λ２　における輝度温度Ｓ１　，Ｓ２　と定数Ａ（
ただし、０≦Ａ≦１）とによって前記波長帯λ１　，λ
２　における分光放射率ε１　，ε２　の比を下記式（
数９）によって計算する演算手段を備えたことを特徴と
する二

【００２２】

【数９】

【００２３】色式放射温度計である。

【００２４】

【作　　用】本発明者らは、上記のような課題を解決す
るために鋭意研究・実験を行った結果、パラメータαを
分解することによりその一部を定数化し得ることを見出
し、本発明を完成させるに至った。すなわち、まず、前
出式（数５）で示されたパラメータαについて、式（数
１０）　のように変形する。

【００２５】

【数１０】

【００２６】この式（数１０）　の右辺の積の第１項を
定数とおいても、十分に近似可能である。すなわち、こ
の定数をＣＧＵＥＳＳ　として（数１１）で表すと、式
（数１０）　は式（数１２）　として表すことになる。

【００２７】

【数１１】

【００２８】

【数１２】

【００２９】したがって、この式（数１２）　と前出式
（数４）とから、放射率比ε１　／ε２　は下記式（数
１３）として表される。

【００３０】

【数１３】

【００３１】なお、定数ＣＧＵＥＳＳ　の逆数をＡとす
ると、式（数１３）は下記式（数１４）として

【００３
２】

【数１４】

【００３３】表現することができる。このとき、定数Ｃ
ＧＵＥＳＳ　の取り得る範囲は最大限１≦ＣＧＵＥＳＳ
　≦∞とすると、逆数Ａの範囲は０≦Ａ≦１である。こ
こで、上記の近似について説明する。図１に示すように
、熱物体１として材質ＳＵＳ　３０４　のステンレス冷
延鋼板を用い、その表面温度を最大９００　℃まで昇温
した際の表面酸化の進行中において、二色式放射温度計
２を用いて異なる２つの測定波長０．９６μｍ　（λ１
　）と１．６　μｍ　（λ２　）における熱放射エネル
ギーを測定し、演算回路３においてそれらの分光放射率
ε１　，ε２　の変化状況を演算し、その結果を表示装
置４に表示させた。なお、演算回路３における演算処理
は図２に示す手順に従って行った。また、測定波長０．
９６μｍ　はシリコン（Ｓｉ）検出素子を、測定波長１
．６　μｍ　はゲルマニウム（Ｇｅ）検出素子を用いて
データを採取した。その結果を図３に示した。この図か
ら、ＣＧＵＥＳＳ　≒１．８　と近似してもよいことが
わかる。

【００３４】なお、ステンレス冷延鋼板として材質をＳ
ＵＳ　３０４　，ＳＵＳ　４０９　，ＳＵＳ　４１０　
，ＳＵＳ４３０　の４種類について、測定波長０．９６
μｍ　，１．６　μｍ　，２．０　μｍ　を例として同
種のデータを採取して、定数ＣＧＵＥＳＳ　の近似値を
求めた結果を表１に示した。

【００３５】

【表１】

【００３６】なお、用いた検出素子としては、測定波長
０．９６μｍ　，１．６　μｍ　については上記と同じ
Ｓｉ，　Ｇｅを、また測定波長２．０　μｍ　には硫化
鉛（ＰｂＳ）を検出素子とし、２つの測定波長として０
．９６μｍ　と１．６　μｍ　および１．６　μｍ　と
２．０　μｍ　の２通りの組み合わせとして、検出素子
はそれぞれＳｉとＧｅ、ＧｅとＰｂＳ　を組み合わせて
用いた。なお、測定波長として０．９６μｍ　と２．０
　μｍ　の組み合わせは共通の測定温度幅が狭いので割
愛した。このような実験の結果から、ステンレス冷延鋼
板での定数ＣＧＵＥＳＳ　の取り得る範囲としては、１
≦ＣＧＵＥＳＳ　≦２であることがわかる。この範囲は
、鉄鋼材料であれば同様な傾向が得られると推定してい
る。

【００３７】このように、本発明によれば、熱物体の鋼
種により定数ＣＧＵＥＳＳ　を選択的に引用することに
より、式（数１３）を用いて放射率比が求められ、その
放射率比を式（数６）に代入することによって真温度Ｔ
を計算することができる。したがって、本発明では前出
図６に示したような複雑な相関関数を必要としないで真
温度Ｔを求めることができるので、従来例の特公平３−
４８５５号の場合には材料によって相関関数ｆを、また
ＴＲＡＣＥ　法の場合は相関関数ｇをそれぞれ記憶させ
る必要があるのに対し、本発明は簡便であり極めて実用
的である。また、ＴＲＡＣＥ　法の場合は、図８の曲線
とデータ点群の相関関数ｇの交点を求める計算が必要で
あるのに対し、本発明はこのような方程式の求解部分が
ないからさらに簡便である。

【００３８】

【実施例】本発明の二色（Ｓｉ−Ｇｅ）式放射温度計を
用いて、加熱したＳＵＳ　３０４　のステンレス冷延鋼
板の表面温度を測定した。そのときの本発明による温度
計算値の時間的変化を図４に◇マークで本発明例として
示した。なお、熱電対（基準値）を用いて測定した真温
度を実線−で、また従来の二色（Ｓｉ−Ｇｅ）式放射温
度計での測定結果を＋マーク（従来例１）で、単色（Ｇ
ｅ）　放射温度計での測定結果を×マーク（従来例２）
でそれぞれ同じ図中に示した。

【００３９】そして、各測定方式による計算値の相対誤
差の標準偏差σを求めた結果を図５（ａ）　〜（ｃ）　
にそれぞれ示した。ここで、相対誤差σの計算式には式
（数１５）　に示

【００４０】

【数１５】

【００４１】したものを用いた。なお、この式（数１５
）　におけるＴＭＥＡＳＵＲＥ　は、本発明例の二色式
放射温度計については定数ＣＧＵＥＳＳ　の値を、従来
例１の二色式放射温度計については固定放射率比の値を
、従来例２の単色放射温度計では固定放射率の値をそれ
ぞれ温度換算して用い、またＴＴＲＵＥは熱電対による
表面温度測定値を用いた。また、式中のＮはデータ数で
あり、　１００程度である。

【００４２】これら図５から明らかなように、本発明の
二色式放射温度計の相対誤差が最も小さく、すぐれた測
定精度を有していることがわかる。なお、従来の二色式
放射温度計の相対誤差が単色放射温度計のそれよりも大
きくなっているが、その理由は放射率比の変動が放射率
個別の変動よりも大きくなっているからと考えられる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、相
関関数を具体的な単純形で与えるようにしたので、簡便
にかつ迅速にかつ高精度で温度計算を行うことができ、
オンラインでの測定に利用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る二色式放射温度計の構成を示す側
面図である。

【図２】本発明の二色式放射温度計の演算回路の機能を
示す流れ図である。

【図３】パラメータαと定数ＣＧＵＥＳＳ　との関係の
一例を示す特性図である。

【図４】本発明の二色式放射温度計での計算結果を従来
例と比較して示す特性図である。

【図５】本発明例と従来例でのそれぞれの計算値におけ
る相対誤差の標準偏差を示す特性図である。

【図６】従来例の特公平３−４８５５号での相関関数ｆ
を示す特性図である。

【図７】従来例のＴＲＡＣＥ　法での相関関数ｇを示す
特性図である。

【図８】ＴＲＡＣＥ　法でｇが２価以上の複雑な関数と
なる場合の特性図である。

【符号の説明】

１　　熱物体 ２　　二色式放射温度計 ３　　演算回路（演算手段） ４　　表示装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　　　異なる２つの波長帯λ１　，λ２
   　における熱放射エネルギーを検出し熱物体の表面温度
   Ｔを測定する二色式放射温度計において、前記熱放射エ
   ネルギーから求められる波長帯λ１　，λ２　における
   輝度温度Ｓ１　，Ｓ２　と定数Ａ（ただし、０≦Ａ≦１
   ）とによって前記波長帯λ１　，λ２　における分光放
   射率ε１　，ε２　の比を下記式（数１）によって計算
   する演算手段を備えたことを特徴 【数１】 とする二色式放射温度計。