JPH0467134B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明は光学式温度分布測定方法に係り、特に
半透明気体や半透明液体あるいは半透明固体を収
容する容器内の温度分布を簡易且つ迅速に遠隔測
定し得る光学式温度分布測定方法に関する。 ［発明の技術的背景とその問題点］ ボイラー火炉や高炉等の高温炉内の温度測定方
法には従来、次の二つの方法がある。 第１の測定方法はサクシヨンパイロメータによ
るものである。この方法では、水冷ジヤケツト構
造の金属パイプ製の支持棒内にその先端開口部付
近に熱電対の温接点を設け、支持棒内に炉内ガス
を吸引して温度測定を行なつている。支持棒はそ
の軸方向に移動できるようになつており、支持棒
を移動してその軸線上の炉内温度分布を測る。 しかしながら、水冷ジヤケツト構造で低温状態
にある支持棒の影響を取り除き安定したデータを
得るためには、１カ所の温度測定にもかなりの時
間にわたつて炉内ガスを吸引し続けなければなら
ない。従つて、この方法は、急速な炉内温度変動
を測定することは不可能であり、また実質的に１
点測定であつて代表点を飛び飛びに測定すること
しかできない。また支持棒を上下に傾斜させた
り、水平方向に旋回させたりすることができない
ので、炉内を立体的に測定するには、熱電対を備
えた支持棒を多数炉内に設置しなければならな
い。更に、炉内ガスが腐蝕性を有する場合、ある
いは振動、衝撃が激しく熱電対の支持が困難な場
合にはこの方法を適用することはできない。 第２の測定方法は、レーザーによる測定方法で
あり、コヒーレントアンテイストークスラマンシ
フト法と呼ばれている。この方法は、２つの波長
のレーザー光を測定点に集中させて入射し、入射
光に対して特定の方向にラマン散乱する光から測
定点の物質の組成と温度とを測るものである。 しかしながら、この方法では次のような問題が
ある。(a)火炉に設置できる窓の位置は限定されて
おり、入射光軸と散乱光軸の向きを任意に選定す
ることができず測定上制約が大きい。(b)この方法
で実用化されている測定規模は直径１ｍ程度まで
であり、火炉のように直径10ｍ以上に適合できる
強力なレーザー光源はない。(c)ガス層はレーザー
光を吸収したり散乱したりする成分を多く含んで
おりレーザー光の減衰が激しく、更にガス層は大
きな発光ガス体でその発光が大きな外乱ノイズと
なるので、強力なレーザー光源を必要とする。(d)
レーザー光源と測光器の両システムを必要とする
と共に入射光路と散乱光路が存在するので、シス
テムが複雑化し、また得られるデータに入り込む
外乱フアクターが多い。 以上従来にあつては炉内温度分布を瞬時に立体
的に測定する方法はなかつたが、次の二つの面か
らこのような温度測定方法が強く望まれていた。 １つには、炉の設計データを得るためである。
現在は炉壁近傍のデータをもとにして内部状況を
推定しているが、炉内中心部がどのようになつて
いるかわからない。このため、運転性能計算や構
造計算において、また公害防止対策において必要
以上の安全を見込まなければならない。これらの
合理化は実機設計の都度、試行錯誤的になされる
改良によるが、炉の安全上、工事の規模上、小さ
な改良にとどまり、また工事頻度の少ないことも
あつて10年単位で考えてもほとんど進展しないの
が実情である。 もう１つは、炉の運転制御のためである。バー
ナーのバルブ操作や燃料の品種を一定にしても、
炉内温度は定量化が困難な現象により時々刻々変
化している。そこで、ボイラー火炉にあつてはガ
ス排出部温度をモニターしながらバーナの流量制
御や付着灰を落す操作を行なつている。ガス排出
部温度のモニターは、ボイラーの水に伝わつた熱
量を計算器により積算した積算値と燃料発熱量と
の差から推定した温度によつている。また、
時々、炉内中心部まで上記サクシヨンパイロメー
タ法により熱電対を差し込んで炉内温度をチエツ
クしている。しかし、これら現状技術では、迅速
性に欠け、定常運転状態には適合し得るが、過渡
期や限界運転状態には対応できない。即ち、常時
モニターして迅速な処理がなされないと、点火時
や限界負荷運転時において失火の危険がある。し
かも、今後は省エネルギー運転を推進する上から
も、きめ細かな操業制御が要求されている。 ところが、炉内現象は、光伝播、伝熱、流れ、
化学反応といつた個々にも解明の困難な現象が複
合して複雑さを増した現象であるばかりでなく、
炉壁への灰の付着、バーナノズル部の変形といつ
た定量化し難い現象を伴なつている。このため、
炉内温度を炉内現象から理論的に予測するのは困
難であり、また、実験的にも相似則がないので小
型モデルでシミユレートしても実際の炉とはかな
り異なつている。 ［発明の目的］ 本発明は、半透明物質を収容する火炉等の容器
において時々刻々に変化する内部温度分布を測定
し得、的確できめの細かな温度制御に好適な光学
式温度分布測定方法を提供することを目的とす
る。 また本発明は、光学式で非接触方式であつて遠
隔測定ができると共に、容器内物質が高温、放射
性あるいは腐蝕性の気体や液体あるいは固体であ
つても測定可能な光学式温度分布測定方法を提供
することを目的とする。 更に本発明は、容器内の半透明物質からの熱放
射による放射束を受光し、該放射束より温度を求
めるパツシブ測定方式であり、受光システムだけ
で足りシステムの簡素化が図れると共に受光光軸
の向きを変えることにより容易に容器内温度分布
を立体的に測定し得る光学式温度分布測定方法を
提供することを目的とする。 ［発明の概要］ 上記目的は本発明によれば次の構成により達成
される。即ち、容器内の半透明物質からの熱放射
による放射束を受光し、受光した放射束を上記半
透明物質の吸収特性が波長によつて変化する波長
域にて少なくとも２種類以上の波長を選んで分光
し、分光された放射束から各波長ごとに上記半透
明物質の輝度と輝度温度とを求め、得られた各波
長での輝度温度と半透明物質の上記容器内のモル
分率と半透明物質の所定状態での吸収特性値とか
ら各波長について半透明物質の吸収率が特定値と
なる層厚を求め、これらの各波長に対する半透明
物質の層厚と輝度温度とから上記容器内の温度分
布を求めるように成したものである。 ［発明の実施例］ まず、本発明の具体的実施例に先立ち、本発明
の原理を簡単に説明する。 物質の透過特性は光の波長に依存し、光の波長
によつて透明になつたり不透明になつたりする。
透明な波長では遠方で発した光が観測者に届く
が、不透明な波長では至近距離からしか光が届か
ない。湖の透明度を測定する場合、白板を湖に沈
めてゆき、見えなくなる点の深さから透明度を測
定するが、白板が見えなくなるときは、白板及び
それより水深の深いところからの光は見えず、白
板より浅いところの層の光だけが見えている。水
の透明度が良いと深いところに沈めても白板を見
ることができるが、透明度が悪いと浅いところで
白板は見えなくなる。このように、透明度の良否
により白板の見えなくなる深さが変わる。換言す
れば、見える層の厚さが変る。 水の温度発光が目に見えるものと考えると、非
常に透明度の悪い水では表面層しか見えず表面の
温度が測れることになり、透明度をやや良くする
と、もう少し深い層までの温度が測れることにな
る。水の透明度は濁りに起因するものであるが、
本発明では光の波長を切り替えることでコントロ
ールしている。即ち、物質が不透明から透明に遷
移する波長領域で物質からの光を分光して測定す
ると、分光された夫々の波長に応じた範囲内の光
が観測できることとなり、波長の切替が物質の層
厚に対することになる。従つて、波長を切り替え
て表面層の温度及びそれよりやや深い層までの温
度を求めると、表面層の影響を計算処理すること
で表面層よりやや下層の温度が算出できるという
ことになる。 以下には、本発明方法を用いて火炉内の温度分
布を測定する実施例につき説明する。 第１図は、本発明方法を実施するための測定器
の構成図を示すもので、この測定器は、火炉１の
下部に配設されたバーナ２を燃焼させたときの火
炉１内の温度分布を炉壁に設けた窓３を通じて光
学的に測定しようとするものである。 火炉１内は燃焼ガスとして、CO₂、H₂O、N₂、
O₂、CO、フライアツシユ、未燃成分等で充満し
ている。これらの成分の質量分布は分られない
が、分圧は炉内で均一であり且つ予め他の手段で
分つているのとする。 分光測定器４は、光スキヤナ５と分光器６と光
電変換器７とからなり、光スキヤナ５により炉内
を光学的に操作し、分光器６により燃焼ガス成分
の吸収スペクトルに適合した波長の光を分光し、
分光された各波長ごとの光の強さを光電変換器７
により変換し、変換したデイテクタ電気信号V〓
を計算器８に入力するようになつている。 光キヤスナ５は視野の狭い放射束f₁の方向を変
えて火炉１内の測定しようする部分を走査すると
共に、放射束f₁を放射束f₂として分光器６を導く
ものである。分光器６は放射束f₂を分光し、波長
別の放射束f₃とする。光電変換器７は波長別の放
射束f₃をデイテクタ電気信号V〓に変換する。分光
器６と光電変換器７とを組み合わせたものは、一
般に分光測定器として知られている。 光電変換器７には、変換器を１ケ内蔵している
ものと、多数の変換素子を内蔵しているものとの
いずれを使用してもよい。後者は多数の波長別の
放射束f₃を同時に電気信号に変換するもので、波
長走査を電気的に行ない得る長所がある。また前
者は、回折格子の傾きを変更したり、エタロン隙
間の光路長を変えたり、あるいはダイクロイツク
ミラーの傾きを変えることにより波長を走査す
る。この場合不定常な路内の状況変化に影響され
ないように走査する。例えば、4.1〜4.5μｍの波
長域を0.1秒で走査したり、何回も繰り返して測
定して波長別に平均値をとるようにする。多数の
変換素子を内蔵する光電変換器は機構が複雑であ
るが、信頼性の高い光電変換ができる。 計算器８は、後述する計算を行ない炉内の温度
分布を算出するもので、デイテクタ電気信号V〓
をデジタル化する機能及び計算結果９を出力する
機能も含む。また計算器８は炉１の操作系統１０
に計算結果９を送ることができる。 光スキヤナ５の向いている位置情報は、方位デ
ータ１１として計算器８に入力される。また分光
器６が設定している分光波長は、波長データ１２
として計算器８に入力される。光スキヤナ５の方
向及び分光器６の波長別の放射束f₃の選定の制御
は、分光測光器４に組み込まれる制御系による
が、計算器８で直接制御するように構成してもよ
い。 また、計算器８には、予め次の三つのデータ、
即ち較正データ１３と分圧データ１４と標準状態
のデータ１５とが入力されている。較正データ１
３は、波長別に入射する放射束f₃の強さとデイテ
クタ電気信号V〓との関係を較正するデータであ
り、事前に黒体炉の発光等を利用して測定してお
く、また分圧データ１４は火炉１内の各ガス成分
の分圧のデータである。更に標準状態のデータ１
５は、炉内燃焼ガスの分子の標準状態（温度
273.16K、圧力１気圧）における吸収係数を決め
るためのデータである。分子の吸収係数は、分子
の振動や回転に起因するもので、標準状態のデー
タは数多くの成分につき広い範囲で既に知られて
いる。 この測定方法の特徴は、燃焼ガス等の物質から
の温度発光を、その物質の吸収特性が異なる少な
くとも２種類以上の波長で分光測光し、各波長に
つき輝度温度T〓と吸収率Ａが一定の値に達する
層厚Zmを求め、輝度温度T〓と層厚Zmとの関数
関係から容器内の温度分布を求めることにある。
また、この測定方法の特徴とするところは、その
測定対象が広く以下に詳述するCO₂だけでなく、
H₂O、COその他、標準ないし基準状態の分光デ
ータが分かつているものであれば、どのようなガ
スや液体あるいは固体にも適用することができる
ことにある。 次に本実施例の測定方法を第２図の計算処理フ
ローに従つて詳述する。 第２図において、まず、ステツプ16ではデイテ
クタ電気信号V〓と較正データ１３をもとに測光
した波長毎に、分光輝度L〓、輝度温度T〓とを算
出する。 デイテクタ電気信号V〓は、波長によつて変化
し、第３図に示すような曲線２１となる。第３図
おいて、横軸は波長λで、縦軸はデイテクタ電気
信号V〓の電圧値である。測定波長は4.1〜4.5μｍ
であるが、この波長域を選定したのは次の理由か
らである。 火炉の燃焼ガスは、CO₂、H₂O、N₂、O₂、
CO、フライアツシユ、未燃成分等を含み、それ
ぞれの成分は光の波長に依存する吸収特性を有し
ている。また吸収特性は温度や圧力によつても変
化する。CO₂には2.7μｍ、4.3μｍ、15μｍに吸収
帯があり、このうち4.3μｍの吸収は非常に強い。
また4.3μｍ（及び15μｍ）のCO₂の吸収帯では
H₂Oは透明であり、H₂Oの影響は無視でき、実
質的にCO₂だけとして計算できる。（なお、H₂O
の影響がある場合でも、CO₂の吸収係数にH₂Oの
吸収係数を算術加算するだけでよく、その他のデ
ータ処理はCO₂だけの場合と同じである）また、
4.3μｍ吸収バンドのCO₂の吸収の強さは、燃焼ガ
ス組成濃度及び火炉のサイズによく適合してい
る。即ち、代表的な燃焼ガスとしてCO₂の分圧が
0.15気圧、温度1000℃とし、炉の半径を15ｍとす
ると、炉壁から炉中心まで約１メートルメツシユ
で炉内を測定することができる。これに対し、
CO₂の他の波長域、あるいはH₂Oの吸収帯では、
最もよく吸収する波長でも炉内は透明であり、窓
３と対向する反対側の炉壁からの光を測つてしま
うことになる。更に、4.3μｍの波長は1000℃の黒
体の分光放射発散度の極大を与える波長に近く、
波長の変化に対する光の強さが少なく且つ強い光
を発するので、安定した効率の良い測定ができる
からである。 第３図の曲線２１に示すように、デイテクタ電
気信号V〓は波長4.25μｍ近傍で深い谷を描いてい
る。波長λが4.2μｍより短い領域でのデイテクタ
電気信号V〓は、CO₂の発光でなく炉内部のフライ
アツシユの発光に依るもので本計算には関係な
い。4.25μｍの波長ではCO₂の吸収は非常に強く、
デイテクタ電圧は炉壁（窓３）から30cmと離れな
い薄いガス層の発光によるもので、それより奥の
炉１内部の光は窓３には届かない。それ故、曲線
２１から炉壁（窓３）近傍の温度が低く炉内部の
温度が高いことが直観的に判断できる。 各波長λについてのデイテクタ電気信号V〓と
較正データ１３の値G〓とから測定された分光輝
度L〓［Ｗ・ｍ^-3ステラジアン^-1］は次式で求まる。 L〓＝G〓・V〓 ……(1) また、Planck熱輻射の式は、 L〓＝C₁λ^-5１／exp（C₂／λT〓）−１ ……(2) 但し、 C₁＝1.191811×10^-16 ［Ｗ・ｍ^-3ステラジアン^-1］ C₂＝0.01438786［ｍ・deg］ となる。 従つて、式(1)と式(2)とから波長λでの輝度温度
T〓が求まる。 次に、ステツプ17では測定した波長ごとに分子
の標準状態のデータ１５をもとにして輝度温度
T〓、分圧P_M（分圧データ１４から）の状態におけ
るCO₂の吸収率を計算し、吸収率が特定値0.5と
なる層厚Zmを算出する。 波長λを変えると、光の透過する層（燃焼ガス
層）の厚さが変り、また層の平均的な温度である
輝度温度T〓も変る。輝度温度T〓の変化は層内の
CO₂の密度とCO₂分子１個の吸収特性を変えるの
で、T〓の変化は層の吸収率を著しく変える。 そこで、まず吸収率の算出方法について述べ
る。 分子の吸収ラインは、圧力が10ミリバール以下
では分子運動によるドツプラー効果が支配し、ド
ツプラー分布をする。これに対し、圧力が10ミリ
バールより高くなつてくると、分子の相互衝突の
効果が支配的となり、分子の吸収ラインはローレ
ンツ分布となる。火炉内はほぼ大気圧であるか
ら、以下ではローレンツ分布のみについて説明す
る。 ローレンツ分布における吸収係数Ka（ν）は、
光の周波数をν、中心周波数をν₀とすると次式で
与えられ、 Ka（ν）＝Ｓ／π α／（ν−ν₀）²＋α² ……(3) 但し、πは円周率、ｓは吸収ラインの強さ、α
はローレンツ分布の半値幅 吸収係数Ka（ν）は第４図のごとき分布とな
る。 半値幅αは、温度や圧力により変化し、ローレ
ンツブロードニングとして知られ、次の関係があ
る。 α＝α₀（Ｐ／P₀）（T₀／Ｔ）^1/2 ……(4) Ｐは全圧、Ｔは温度で、α₀、P₀、T₀はそれぞ
れα、Ｐ、Ｔの標準状態における値である。 分子の吸収は、分子自身の直線振動と回転振動
に起因するものであり、直線振動をベースに多数
の回転振動が連成し、僅かな周波数間隔ｄを隔て
て多数の吸収ラインが飛び飛びに表われて１つの
吸収バンドを形成している。 吸収物質の密度をρ、距離Ｚ、光路長さをｌと
すると、吸収係数が上記Ka（ν）であるから、周
波数Δνにおける１本の吸収ラインによる吸収率
Ａは、 Ａ△ν＝∫△〓｛１−exp〔−１／π
∫_lSαρ／（ν−ν₀）²＋α²dZ〕｝dν……(5) となる。 第５図に吸収率Ａの分布を示す。第５図におい
て、曲線２２示す吸収は弱い吸収と呼ばれる。弱
い吸収は、圧力が大気圧程度に高く隣り合つた吸
収ラインが重なり合う場合や、吸収の強さＳや密
度ρが小さい場合の吸収である。一方、曲線２３
で示す吸収は強い吸収といわれ、吸収率が１に近
づき飽和している。強い吸収は、圧力が低くてそ
れぞれの吸収ラインが独立し、吸収の強さや密度
が大きい場合の吸収である。 実際のガスの吸収は、多数の同じ形をした吸収
ラインが狭い周波数間隔ｄで並んだ状態とみなす
ことができ、強い吸収、弱い吸収に依らず、一般
式として式(5)は式(6)で与えられる。 Ａ＝（sinh ｂ）∫^Y ₀I₀（Ｙ）exp （−Ycosh ｂ）dY ……(6) ここにｂ、Ｙはそれぞれ ｂ＝2πα／ｄ ……(7) Ｙ＝bΨ／sinh ｂ ……(8) なるパラメータであり、また、I₀は第３種ベツセ
ル関数の虚数部の関数である。ｂは隣り合うスペ
クトルラインのオーバーラツプの程度を示すパラ
メータであり、パラメータＹ中のΨは Ψ＝Sw／2πα ……(9) で与えられ、Ψは吸収ピークの強さを示すパラメ
ータである。 なお、(9)式のｗは吸収物質の量である。 式(8)を式(7)及び式(9)を用いて書き換えると、 Ｙ＝Sw／ｄ １／sinh ｂ ……(10) となる。 また、圧力Ｐ、温度Ｔにおけるパラメータｂの
値は、式(4)と式(7)から得られる次式により計算で
きる。 ｂ＝2πα₀′／ｄ（T₀／Ｔ）^1/2Ｐ ……(11) 但し、α₀′＝α₀／P₀ 2πα₀′／ｄ［atm^-1］は、ガスの標準状態に対する 定数である。また式(10)に含まれるＳ／ｄ［atm^-1・ cm^-1］は、波長ごとに不変の定数である。CO₂に
対するこれらの定数は、次の第１表に示す通りで
ある（第１表中Ｅの次の数は10の指数で、たとえ
ばＥ−01は10^-1を表わす）。第１表の値は標準状
態のデータ15として計算器８に入力しておく。

【表】

【表】 なお、炉内のような大気圧状態では弱い吸収と
なり、この場合、式(6)の吸収率Ａは次式で近似で
きる。 Ａ＝１−exp（−bΨ） ……(12) 光軸上の温度分布を求めるために、本発明では
吸収率が特定の値に達する層厚Zmを定義する。
本実施例では吸収率が0.5となる層厚とする。こ
れは光が届く層の中心とみなせる距離である。
（吸収率は0.5でなくとも定数であればよい）層厚
Zmの位置と、層の平均的な値、即ち輝度温度T〓
とを関係づけ、位置の変化に伴なう層の輝度温度
T〓の値の変化の関数関係を調べて、光スキヤナ
５が操作する光軸上の各位置の温度を決定するの
が以後の課題である。 次に層厚Zmを求める。層の輝度温度T〓と分圧
データ１４のうち炉内圧力と標準状態のデータ１
５のうち2πα₀′／ｄの値（第１表）とを式(11)に代入 し、パラメータｂを求める。式(6)は強い吸収にも
弱い吸収にも適用できＡとＹとｂの関係を表わす
式であり、式(6)を用いて、Ａ＝0.5となるときの
Ｙとｂの関係を第６図に示す。第６図から上記得
られたｂの値に対するＹが求まる。次いで、この
Ｙの値と標準状態のデータ１５のうちＳ／ｄの値
（第１表）とを式(10)に代入すると、吸収物質の量
ｗ［atm・cm］が求まる。このｗの値はP₀＝１、
T₀＝273.16Kに対する値である。炉内状態に換算
した層厚Zm［ｍ］は輝度温度T〓と分圧データ１
４のうちCO₂の値P_CO2とを用いて、次式から求ま
る。 Zm＝ｗ×（P₀／P_CO2）（T〓／T₀）×１／100 ……(13) また、層厚Zmを示す吸収係数β〓と吸収率Ａ（＝
0.5）との関係を式(12)の形に合わせて次のように
定義すると、 0.5＝１−exp（−β〓・Z_n） ……(14) 上式(14)より吸収係数β〓が求まる。 次にステツプ18では、ステツプ16で得られた各
波長についての輝度温度T〓とステツプ17で得ら
れた各波長についての層厚Zmとの関係から炉内
の温度分布を求める。 波長λが決まる層厚Zmで代表される層の内部
においては、層の平均温度である輝度温度T〓と
局所温度Ｔとの差異はわずかである。例えば、炉
壁近傍で急激に温度が下がる場合を考えてみる。
非常に吸収の強い波長では温度勾配の大きな炉壁
近傍の薄いガス層を測るが、このとき対応する輝
度温度T〓も炉壁近傍のガス層の平均温度となつ
ているので、輝度温度T〓と局所温度Ｔとの差は
わずかである。一方、吸収が弱く層厚Zmが大き
い波長では炉壁近傍と炉心側とで温度が異るが、
温度勾配が急激に変化する区間（100cm程度）は
全区間に比しわずかであり、その影響は少なく層
内を一定の平均的な輝度温度T〓と考えても問題
ない。 従つて、波長λ_i-1、λ_iの測定で得られた輝度温
度をそれぞれT〓_i-1、T〓_iとし、同じく波長λ_i-1、λ_i
に対する層の中心までの距離とみなせる層厚を
Zmi−１、Zmiとすると、第７図に示すように、
炉内には温度T〓_i-1、層厚Zmi−１の層や温度T〓_i、
層厚Zmiの層がそれぞれ重なつて存在すると考え
られる。しかし、このように考えると、層厚Zmi
−１〜Zmiの温度算出にあたり、層厚０〜Z_ni-1の
部分の輝度温度をT〓_i-1より高いT〓_iとして検出す
ることになつてしまう。 また、層厚Z_ni-1〜Z_niの輝度温度が、輝度温度
T_iより低いT〓_iとして検出される。これは、層厚
Z_ni-1〜Z_niで発光した光が、層厚０〜Z_ni-1の領域
で吸収されるためと考えられ、しかも炉内温度は
炉心よりも高くなつており、層厚Z_ni-1〜Z_niの領
域の分圧を考慮してみると、この余分に検出した
層厚０〜Z_ni-1、温度T〓_i-1〜T〓_iの領域で発生する
輝度の増加分に相当する面積ｓを層厚Zmi−１〜
Zmiの区間に上乗せしこの区間の温度をT〓_iより
高く評価するのがよい。即ち、このことを式で表
せば位置Zmiにおける温度T_iは次式となる。 T_i＝T〓_iZ_ni−T〓_i-1Z_ni-1／Zmi−Z_ni-1 ……(15) はじめに吸収の最も強い波長λ₁から窓３に最も
近い層の温度T₁（＝T〓₁）、層厚Zm₁を決め、以下
吸収の強い波長λ₂、λ₃…の順に位置Zm₂、Zm₃…
の温度T₂、T₃…を上式(15)により決定してゆく。 本計算は差分方式であり、比較的に多くの波長
で測定することを要するが、計算方式が単純であ
り複雑温度分布を有する場合にも容易に対処する
ことができる特徴がある。 ここで、式(15)の精度について説明する。 式(2)に示した複雑な形式のプランクの熱輻射式
は、式(16)の関係を満たすような高温、長波長領域
において単純な形式のレーリ−ジーンズの熱輻射
式(17)に略一致するので同式(17)で近似することがで
きる。 T〓≫0.288×10^-2［ｍ・deg］ ……(16) L〓＝C₁T〓／（C₂λ⁴） ……(17) 但し、L〓、T〓、C₁及びC₂は式(2)と同じ定義と
する。 上記式(16)より分光輝度L〓と輝度温度T〓とが比
例関係にあることがわかる。すなわち分光輝度L〓
が求まれば、輝度温度T〓が求まり、式(15)に代入
すればよい。 今、例えば、波長4.3μｍのときの温度を測定す
ると1600〓が得られた（T〓λ＝0.7×10^-2）が、
このときの分光輝度L〓の精度は10％であつたが、
温度測定には充分な精度である。 尚、本実施例では温度分布をレーリ−ジーンズ
の熱輻射式で近似したが、より厳密に求めるに
は、レーリ−ジーンズの熱輻射式で近似せずにプ
ランクの熱輻射式を用いた式(18)を解けばよい。 Ｌ（T_i）＝［Ｌ（T〓_i）Z_ni−Ｌ（T〓_i-1）Z_ni-1
］／［Z_ni−Z_ni-1］……(18) 但し、Ｌ（T〓_i、Ｌ（T〓_i）、Ｌ（T〓_i-1）は次のプ
ラ
ンクの熱輻射式(19)のＬ（ｘ）のｘにT_i、T〓_i及び
T〓_i-1を代入した値である。 Ｌ（ｘ）＝C₁λ₁ ^-5／［exp（C₂／λ₁x）−１］
……(19) Ｌ（T〓_i）は、波長λiにおける式(1)の測定値であ
り、T〓_i-1は波長λ_i-1における式(2)の測定値であ
る。すなわち、式(15)の右辺は測定値を代入するこ
とにより求まり、左辺のT_iは複数の測定値を代入
することによりグラフとして精度よく求めること
ができるのである。 なお、上例では、各層厚Zmi−１〜Zmiの区間
の温度を一定とし、炉内温度を階段状の分布とし
たが、例えば波長λ_i-1、λi、λ_i+1の輝度温度T〓_i-1
、
T〓_i、T〓_i+1、層厚Zmi−１、Zm_i、Zmi＋１に基づ
き層厚Zmi−１〜Zmiの区間を直線近似（ないし
曲線近似）し、炉内温度を折れ線状の分布で求め
ることもでる。 第８図は、上記差分法により得られる階段状の
炉内温度分布を滑かな曲線に書き直したものであ
る。第８図の横軸は窓３からの距離Ｚ、縦軸は距
離Ｚにおける炉１内のローカル温度Ｔである。 最後にステツプ20では、上記ステツプ19で算出
された炉内温度Ｔの計算結果の不自然さをチエツ
クし、良ければ終了とし、悪ければステツプ17に
戻り、式(14)の吸収率Ａの仮定（本実施例では0.5）
の修正を加えて炉内温度Ｔの再計算を行う。 計算器８は温度分布の計算結果９を操作系統１
０に出力する。操作系統１０は、この得られた温
度分布に基づき、バーナ２の燃焼調整、火炉１の
内壁面に付着した灰の吹き落し、あるいは火炉１
の負荷装置の負荷調整などの制御をする。 なお、上記実施例では、本発明を火炉に適用し
た場合につき述べたが、被測定物たる半透明物質
の分光吸収特性がわかるものであれば、どのよう
なものに対しても容易に適用することができる。
例えば、高温水蒸気に対しては波長1.0μｍ近傍に
数多くの吸収バンドをもち、またこれらの波長の
光は光フアイバーを透過する。従つて、高温水蒸
気の温度発光を光フアイバーで遠方に、導いて分
光測定し、温度分布を求めることができる。ま
た、上記実施例では、半透明気体の温度測定を行
なつたが、溶融ガラス等の半透明液体の温度分布
測定にも本発明を適用することができる。なお、
この場合、半透明液体が多成分の混合物であると
きには、各成分のモル分率（上記実施例では分
圧）を知る必要がある。なお、１成分からなる容
器内の温度分布は上記実施例の特別な場合であ
り、より容易に温度分布を求めることができる。 ［発明の効果］ 以上要する本発明によれば次のような優れた効
果を発揮することができる。 (1) 半透明物質を収容する容器内における温度分
布を迅速に測定することができる。このため、
従来測定不可能であつた火炉内等の変動の激し
い内部温度分布を測定し得、的確で細かな温度
制御を実現し得る。 (2) 光学式温度測定であり、遠隔測定が可能であ
ると共に、被測定対象たる容器内の半透明物質
とは非接触に測定を行なうことができるので、
高温、放射性、腐蝕性等の物質を収容する容器
内の温度測定ができる。 (3) 容器内の半透明物質からの熱放射を受け、こ
れを分光測光して温度分布を求めるバツシブ測
定方式であるため、投光システムを必要とせず
受光システムだけで足り、システムの簡素化が
図れる。また受光光軸の向きを変えるだけで何
らの制御なしに容易に容器内温度を立体的に測
定できる。更に、従来の熱電対を用いたサクシ
ヨンパイロメータ法のような大型の装置設置架
台、広い設置スペースがほとんど不要となる。 (4) 測定装置としては既存のものを使用して容易
に構成することができ、安価に実施することが
でき、有用性に富む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための測定シス
テムの一実施例を示す概略構成図、第２図は同測
定システムにおける計算処理フローを示す図、第
３図は分光測光器から計算器に入力されるデイテ
クタ電気信号の一実施例を示すグラフ、第４図、
第５図は分子の吸収特性の説明図、第６図はパラ
メータｂとパラメータＹとの関係を示すグラフ、
第７図は層厚の増分と温度の増分の関係を説明す
るグラフ、第８図は炉内温度分布の測定結果を示
すグラフである。 図中、１は火炉（容器）、２はバーナ、３は窓、
４は分光測光器、５は光キヤスナ、６は分光器、
７は光電変換器、８は計算器、１０は操作系統、
１１は方位データ、１２は１２は波長データ、１
３は較正データ、１４は分圧データ（容器内のモ
ル分率）、１５は標準状態のデータ（半透明物質
の所定状態での吸収特性値）、f₁，f₂，f₃は放射
束、V〓はデイテクタ電気信号、T〓は輝度温度、
Zmは層厚である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 分光された各波長λごとに半透明物質の
   輝度温度T〓を求め、 (b) 各波長について半透明物質の吸収率が特定値
   となる層厚を、前記輝度温度T〓、半透明物質
   の容器内におけるモル分率、半透明物質の所定
   状態での吸収特性値とから算出し、 (c) 吸収の最も強い波長λ₁の層厚Zm₁における輝
   度温度Tλ₁を位置Zm₁の温度T₁とし、 (d) 以下吸収の強い波長λ₂、λ₃、λ₄…の順に層厚
   Zm₂、Zm₃、Zm₄…の温度T₂、T₃、T₄…を以
   下の式により順次決定し、 T_i＝T〓_iZ_ni−T〓_i-1Z_ni-1／Z_ni−Z_ni-1 (e) 決定された温度T₂、T₃、T₄…を位置Zm₂、
   Zm₃、Zm₄…の温度として、 (f) 容器内の温度分布を求めることを特徴とする
   光学式温度分布測定方法。