JPH0617826B2

JPH0617826B2 - 高温計

Info

Publication number: JPH0617826B2
Application number: JP61029170A
Authority: JP
Inventors: リチヤード・ブリスク; バリー・カシンドルフ; アレグザンダー・ステイン
Original assignee: KUANTAMU ROJITSUKU CORP
Current assignee: KUANTAMU ROJITSUKU CORP
Priority date: 1985-03-04
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: JPS61217728A; US4647774A

Description

【発明の詳細な説明】例えば圧延器内の金属シートやビレットの表面温度測定
におけるような入射放射光を発散反射する高温不透明体
の表面温度を高精度に遠隔測定するために、本発明の原
理に基く高温放射測定技術が実用化されている。

この測定技術における正確な温度測定は、均一な製品を
得るための改良において極めて重要なものと理解されて
いる。鉄製のビレットは圧延ラインに入る前に加熱され
る。均一な製品を製造するために、ビレットは所定の温
度まで十分に加熱されねばならない。ビレットの温度が
所望の温度から変化した場合、変化に応じて加熱装置を
調整することができる。被測定物の放射率が不確定なた
め、既知の遠隔測定装置は不正確なものとして知られて
いる。

本発明によれば、操作者がビレット温度を高精度に決定
でき、従ってビレット加熱を高精度に調整できると共に
製品の均一性を一層改善することができる。

絶対温度で零以上の温度の全ての物理的な物体は、次式
で示すプランクの式に従って広い波長範囲に亘る電磁放
射を放出する。

ここで、Ｌは選択した波長λにおけるスペクトル放射、
Ｔは物体の温度、εは波長λにおける放射率、cは真空
中での光速度、hはプランク定数、Ｋはボルツマン定数
である。

換言すれば、いかなる被測定物体に対しても複雑ではあ
るが、スペクトル放射、特定波長における放射率及び温
度の３個のパラメータから成る固定の関係が存在する。
放射率のパラメータは完全にまで理解されておらず又は
不正確な状態で理解されており、プランクの式を用いて
温度計算を正確に行なうことができない。

被測定物体に向けて特定波長の放射光を入射させこの放
射光の一部分を反射させた場合、この波長における物体
の放射率εと反射した相対放射γとの関係はキルフィホ
ッフの式でε＝１−γのように規定される。

本発明の原理に従い、既知のキルフィホッフの関係を利
用して被測定物の放射率を直接測定する。被測定物から
の放射は別個に測定して決定する。これらの測定を行な
う場合にプランクの式を用いて被測定物の温度を計算
し、アナログ又はデジタル形態で表示する。

更に、本測定装置はポータブル型の手持ち式であり、被
測定物体から離れた位置で測定を行なう。本測定装置内
で特定波長のレーザビームを発生させ、このレーザビー
ムを測定物に向けて放射する。前述したようにレーザビ
ームは被測定物で発散反射をおこし、入射ビームによる
反射放射光は半球状に散乱する。

入射放射光によって生じた反射放射光の一部を本測定装
置で受光する。この反射放射光は、広く知られている放
射光の伝播特性に従って被測定物までの離間距離の２乗
に反比例する。更に、この反射光は、被測定物に入射す
るレーザ放射光量に直接比例する。このレーザ光量は発
生したビームのパワーレベルによって決定される。

被測定物自身が、レーザビームと同一波長成分のスペク
トル放射光を発生する。

測定装置で受光した被測定物自身の放射光成分は、入射
ビームにより生じた反射放射光成分とは個別に検出さ
れ、被測定物放射の受光成分と単調に関連する第１電気
信号を生成する。反射放射光成分と単調に関連する第２
の電気信号も取り出す。さらに、被測定物との間の距離
と関連する第３の電気信号も発生させる。レーザビーム
のパワーレベルは後述するように変化するので、ビーム
のパワーレベルに単調に関連する第４の電気信号も生成
する。そして、被測定物との間の距離についての２乗反
比例の法則に基づいて第２の電気信号を第３の電気信号
を用いて補正して第５の電気信号を取り出す。

キイルフィホッフの式における反射による相対放射γ_ｘ
は、第５信号の第４信号に対する比として電気的に規定
され、キイルフィホッフの式に従って第５及び第４信号
と適切に応答するマイクロプロセッサにより放射率値が
計算される。次に、このマイクロプロセッサは計算した
放射率及びプランクの式に従う第１信号を用いて被測定
物の温度を計算する。

一旦測定装置を適切に較正すれば、このようにして計算
した温度は実際の温度と高精度に対応する。

前述したように第２信号は、測定装置で受光した反射放
射成分に依存し、２乗反比例の法則に基いて補正され
る。このため、この成分を電気的に測定すると共に、被
測定物と測定装置との間の距離も光学的に測定する。こ
の距離測定の結果を用いて第２の電気信号を補正して第
５の電気信号を生成する。

このように、本測定装置は電気的装置と光学的装置とを
組合せたものを利用している。

以下図面に基き本発明を説明する。第１の直径を有する
比較的短い第１前側中空円筒シリンダ57を、断面が矩形
の一層長い第２の後側中空シリンダ 102に端から端に亘
って軸線を一致させて連結する。これらシリンダは高温
計の主要ハウジングを構成している。

第２のシリンダ 102は壁部のわずかに前側に位置する円
形開口 104及び同一壁部のわずかに後側に位置する別の
円形開口 106を有している。これら開口 104及び 106の
中心は、シリンダ 102の長手軸線に平行な共通ラインに
沿っている。

シリンダ 102は、前記壁部と対向する壁部に形成した大
きな矩形の開口 108も有している。

開口 104に連結したレンズ筒体80は、この内に配置した
砒化ガリュームレーザダイオード２及びシリンダ 102の
軸と直交する軸を有している。レンズ筒体80内にはコー
リメータレンズ37、ビーム発散レンズ８及びフィルタ21
も配置する。検出器40をレンズ筒体80の側部に配置す
る。フィルタ21はレーザ放射光を透過するが、レーザ波
長付近の狭いスペクトル成分光以外の入射する赤外放射
光を遮断する。これより入射赤外光によってレーザが過
度に加熱されるのを防止する。光検出器（ダイオード）
40はレーザ光のうちの迷光を検出し反射率測定を標準化
するものとして射出レーザ光強度を測定する。

開口 106に連結したレンズ筒体81も、この内に配置した
光検出器７及びシリンダ 102の軸と直交する軸線を有し
ている。プリズム28を用いて光路を曲げ、装置の全長を
短くする。ピンホール開口29は、前側シリンダ57の入射
端に配置したレンズ４の焦点面に位置する。このピンホ
ールは、後述するように物体面の幾何学的に対応する領
域からの放射光を通過させる。フィルタ20により分離さ
れているレンズ11及び12は、選択したスペクトル光（レ
ーザ波長付近の波長光）だけを通過させて光検出器７に
入射させる。従って、大部分のスペクトル成分光はフィ
ルタによって反射され又は吸収される。このように構成
することによって迷光が抑制され、ピンホール29を通過
した迷光の大部分が光検出器 7に入射しなくなる。ＬＥ
Ｄデジタル表示装置43を正立プリズムを介して観察視野
内に突出させる。

ダイクロイックビームスプリッタ５及び６はシリンダ 1
02内で本質的に互いに直角をなし、シリンダ 102の長手
軸線に対して45゜及び 135゜の角度をそれぞれなしてい
る。

取付部材 112が開口 108の上則でシリンダ 102に固定さ
れ、この取付部材 112は開口 108の中心に位置する小さ
なプリズム25及び26を具える開口 108と平行な観察スク
リーン10を有している。この取付部材 112は接眼レンズ
９を収納する直角部分及びプリズム44を載置させる部分
を有している。

レンズ４を外周面にヘリカル溝56を有するレンズ筒体55
内に固定する。レンズ筒体55は、その軸線をシリンダ57
の軸線と一致して配置される。シリンダ57は、レンズ筒
体55内のスロット61と係合するピン60を有している。回
転可能な素子である焦点リング58が保持リング63により
シリンダ57の外周上に適切に保持されており、この焦点
リング58はシリンダ57内のスロット62を経てヘリカル溝
56内に嵌入するピン59を有している。リング58を手動回
転させると、レンズ筒体55は固定されているシリンダ57
に対して共通の軸線（シリンダ57についても）に沿って
前進又は後退する。

この焦点リング58を回転させるとプリズム25及び26が物
体の隣接像部分を反対方向に偏向し、物体が焦点からず
れると引き裂かれたようなスプリット像が発生する。こ
のスプリット像は、物体が合焦位置にあると消滅する。
これらプリズム25及び26は通常の観察方法の範囲内で使
用される。

ギィヤ64を焦点リング58に取り付け、リング58の回転を
テンーターン（ten turn）ポテンショメータ66を駆動
する小径ギィヤ65に伝達する。既知の電圧をポテンショ
メータ66の両端に印加し、この電圧のうちポテンショメ
ータの摺動子とポテンシャルの低い側の端子との間に現
われる電圧を焦点リング58の角度位置と線形に対応させ
る。

この結果、通常のカメラのファイダ内での調整によっ
て、物体が合焦状態にあるときの焦点リング58の角度位
置から物体と本測定装置との間の距離が光学的に測定さ
れ、焦点リング58とポテンショメータ66との間をギィヤ
連結することにより物体から本測定装置までの距離と電
気的に等価な第３の電気信号を発生させることができ
る。

ダイクロイックビームスプリッタ５及び６を用いてレー
ザ伝送系の光軸、光検出器の受光系の光軸及び全ての系
に対して対物レンズとして作用するレンズ４を具える観
察系の光軸を重ね合せる。

本測定装置の操作は次の通りである。レーザダイオード
２からの放射光はレンズ37、フィルタ21及びレンズ８を
透過し、ダイクロイックビームスプリッタ５で偏向し、
レンズ４を透過して被測定物47に入射する。出射光の光
路を符号１で示す。符号３で示す反射した放射光の一部
分は物体からの熱放射光と共に対物レンズ４で集光さ
れ、共にビームスプリッタ５及び６、プリズム28、ピン
ホール29、レンズ11、フィルタ20及びレンズ12を透過し
て光検出器７に入射する。

同時に、被測定物47の可視像はレンズ４及びビームスプ
リッタ５を透過し、ビームスプリッタ６により観察スク
リーン10に偏向され、接眼レンズ９を介して観察するこ
とができる。

ビームスプリッタ５はレーザ放射光を反射し、被測定物
47からの反射放射光及び可視光を透過する。このビーム
スプリッタ５は、レーザ光を反射する材料でコートされ
た中央細片を有する透明な矩形ガラスプレートとする。
この細片及びビームの幾何学的形態は、放射ビームがガ
ラスプレートの非コート領域に入射しないように選択す
る。被測定物に入射した放射ビームによって生じた被測
定物での反射放射光の一部分及び高温の被測定物から放
射した熱放射光はビームスプリッタ５の非コート領域を
通過する。被測定物からの可視光はビームスプリッタ５
の全領域を通過する。

ビームスプリッタ６は可視光を反射する既知の形式のも
のとし、共に赤外線領域の物体え反射したレーザ放射光
及び高温物体から放射した熱放射光を共に透過する。

物体47の放射率を測定するために操作者は、まずはじめ
にスプリット像が消滅するまで焦点リング58を回転して
対物レンズ４を合焦させる。この操作によってポテンシ
ョメータ66の可動接片が適当に位置決めされる。次に、
トリガスイッチ16を押す。この操作によりマイクロプロ
セッサ15が作動し、レーザ電源18、５Ｖの電源46及び増
幅器電源17（増幅器13，14及び41に電力を供給する）を
オンさせ、これら全ては持ち運び型高温計の主要電源で
あるバッテリ36から電力を取り出す。電源17，18及び46
をオン及びオフさせるタイミングはマイクロプロセッサ
15により制御される。

はじめに、レーザ２が作動する前に物体47からの放射光
を、対物レンズ４及びビームプリッタ５及び６を経て光
検出器７上に入射させる。これにより、この放射光の強
度に単調に依存する信号が生成され、次に増幅器13で増
幅され、Ａ／Ｄ変換器31で測定されてマイクロプロセッ
サ15に読み込まれる。増幅器14は、レーザから放射され
物体で反射した放射光が光検出器７に入射したときだけ
作動する同期式増幅器である。レーザ２は、マイクロプ
ロセッサ15により発生したトリガパルス列を介して作動
する。

物体からの放射は本質的に一定であり、光検出器７の出
力に直流電流成分（dc）を発生させる。パルス状のレー
ザビームの反射放射光により、光検出器７にパルス状の
電流成分も発生する。光検出器７と増幅器14との間にコ
ンデンサを介挿して直流成分を阻止する。パルス電流成
分は通過し、マイクロプロセッサの制御によりこのパル
ス状電流成分が現われたときだけ導通する増幅器14に入
力する。

被測定物で反射した放射光に単調に依存する第２の信号
が生成され、Ａ／Ｄ変換器31により読み出されてマイク
ロプロセッサ15に入力する。

電源46からの固定電圧をポテンショメータ66の両端に印
加する。この電圧の可動接片とグランドとの間に現われ
る電圧成分はガウスのレンズ式により物体までの距離に
単調に対応し前述した反比例２乗則によって必要な補正
値を表わす。この部分電圧は第３の電気信号としてマイ
クロプロセッサにも供給される。

ガウスのレンズ式で示される物体までの距離Ｄは、焦点面からの像距離x
と関係する。f はレンズ４の焦点距離である。x の値は
第３信号Ｖ_３と線形に対応し、x ＝a Ｖ_３＋b で表わさ
れる。ここで、a はレンズのスタート位置、ヘリカル溝
56のピッチ及びギィヤ64及び65のギィヤ比に依存する定
数である。

光検出器40はレーザ２から放射した迷光のわずかな量を
検出する。レーザ出力は周囲温度やバッテリー電圧等の
変化によって変化するので、光検出器40の出力はレーザ
の出力パワーの変化に伴ない単調に変化する。光検出器
40の出力は増幅器４１を経て第４信号としてマイクロプ
ロセッサ１５に入力する。このマイクロプロセッサにお
いて、レーザビームの反射エネルギーに関連する第２の
信号を、第３信号を用いて光伝播の反比例２乗則に基づ
いて補正し、この補正された信号のレーザ出力パワーを
表す第４信号に対する比を計算すると共に、キルフィホ
ッフの式に基いて被測定物の放射率を計算する。被測定
物のスペクトル放射値は、マイクロプロセッサ15により
すでに記憶されており、マイクロプロセッサはプランク
の式に基いて温度を計算する。次にマイクロプロセッサ
はデジタル表示装置19を作動させて温度示度を表示す
る。

この操作を実行する前に本測定装置からの既知の距離及
び既知の温度において既知の放射率を有する物体を用い
て本測定装置を較正しなければならない。

第６図に電気系の詳細な構成を示す。

光検出器は直流出力及びパルス状出力を共に出力する。
直流成分は増幅器13によって増幅されてからＡ／Ｄ変換
器31に第１の電気信号として供給される。パルス状成分
はコンデンサ 100及びパルス増幅器45を通過した後サン
プルホールド増幅器14に供給される。このサンプルホー
ルド増幅器14はマイクロプロセッサ15からの制御ライン
202を経て送出される適切な信号によってトリガされ
る。増幅器14の出力は増幅器45から送出されるパルスの
ピーク電圧に等しく、この出力は第２の電気信号として
Ａ／Ｄ変換器31に供給される。

光検出器40の出力は増幅器41で増幅され、第４入力とし
てＡ／Ｄ変換器31に供給される。更に、ポテンショメー
タ66のアーム67とグランドとの間に発生した電圧を第３
入力としてＡ／Ｄ変換器31に供給する。Ａ／Ｄ変換器31
のデジタル出力をライン 204を経てマイクロプロセッサ
15に供給する。

アルゴリズム及び複数の表を有するファームウェアプロ
グラムを、マイクロプロセッサ系の制御の一部分を占め
る電子的にプログラム可能なＲＯＭ68に記憶する。

レーザダイオード２を、バッテリ36により順次出力する
パルス型レーザ電源18に接続する。電源18は、ライン 2
06を経てマイクロプロセッサ15から供給された信号によ
って作動するときだけバッテリー36からエネルギーが与
えられる。

マイクロプロセッサ15は、バッテリ36に回路ユニット 2
08を介して接続されている５Ｖ電源46からエネルギーを
受ける。電源46の出力は、ポテンショメータ66と同様に
ＤＣ／ＤＣ変換器17（増幅器13，14，15及び41を付勢す
るための±15Ｖの電圧を生成する）にも供給する。

ユニット 208は論理制御電子スイッチである。接触型手
動スイッチ16がオープンしている場合ユニット 208のト
ランジスタＴ１及びＴ２は非導通状態にあり、マイクロ
プロセッサ15は作動せずバッテリ36から電流は流出しな
い。この時点ではスイッチ16の接触子はクローズしグラ
ンド及び抵抗220を介して電源46の出力端子に接続され
る。

オペレータの操作によって接触子Ｂがオープンし接触子
Ａがクローズすると、抵抗 110を介してトランジスタＴ
１のベースが接地され、この結果このトランジスタＴ１
が導通状態に切り変わる。この操作により電源46を介し
てマイクロプロセッサ15に電力が供給される。オペレー
タがスイッチ16をリリースすると接触子Ａがオープンす
るが、マイクロプロセッサ15がライン 116を介してトラ
ンジスタＴ２を導通させ、このトランジスタＴ２が次に
トランジスタＴ１を導通状態に維持する。

約 0.25秒の最初の期間中に、この装置は物体からの
熱放射を受ける。次に、マイクロプロセッサ15からの一
連のパルスによって約 0.5秒間隔のパルス状態にトリガ
ーされる。適切な計算を行なって示度温度をＬＥＤ表示
装置19に表示した後、マイクロプロセッサ15はライン 1
16を介してトランジスタＴ２を非導通状態とし、トラン
ジスタＴ１も非導通状態とされ全ての電子回路がオフす
る。

全ての電子装置は共通のグランド又は基準電位を有して
いる。

第６図に示す代表的な素子は次の通りである。

素子型番（製造会社）２ＬＤ６０（ＭＡ／ＣＯＭ）７５０８２−４２０７（ヒューレットパッカー
ド）１３ＯＰＡ１１１（バー・ブランウン）１４ＳＭＰ１０（ＰＭＩ）１５７８ＣＯ５（ＮＥＣ）１６Ｅ９１３（スイッチクラフト）１７７８ＭＯ５，５Ｖ１８ＬＤ３Ｖ１０Ａ１５０ＮＳ（アナログモジー
ル）１９５０８２−７４１４（ヒューレットパッカー
ド）３１０８３８（ナショナル）３５表示装置駆動回路ＩＣＭ７２１８（インターシ
ル）４０５０８２−４２０７（ヒューレットパッカー
ド）４１ＯＰＡ１１１（バー・ブラウン）４５ＯＰ１７（ＰＭＩ）４６５Ｖ−±１５Ｖコンバータ６８ＭＭＣ９３０６（ナショナル）Ｔ１ＴＩＰ１１５Ｔ２２Ｎ３７０４

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高温計の光学系及び電気系の一例
の構成を示す線図、第２図及び第２Ａ図は本発明による高温計の光学系の一
部分の構成を示す線図、第３図はハウジング及び一部の構成要素を断面で示す側
面図第４図は第３図に示す構成の背面図、第５図は第３図に示す構成の斜視図、第６図は電気系の詳細な構成を示す回路図である。 1……入射光路、 2……レーザダイオード 3……反射光路、 4……対物レンズ 5， 6……ダイクロイックビームスプリッタ 7，40……光検出器、 9……接眼レンズ 10……観察スクリーン、11，12，37……レンズ 13，14，41……増幅器、15……マイクロプロセッサ 16……トリガスイッチ、17，18，46……電源 19……表示装置、20，21……フィルタ 25，26……プリズム、28……プリズム 31……Ａ／Ｄ変換器、44……正立プリズム 36……バッテリー、55，80，81……レンズ筒体 57， 102……シリンダ、58……焦点リング 64，65……ギィヤ、66……ポテンショメータ 67……可動接片、 112……取付部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射を生ずるまでに加熱され発散反射する
被測定物から離間して配置される高温計であってパルス状のレーザビームを被測定物に向けて投射し、こ
のレーザビームから被測定物に放出されたエネルギー成
分が反射して高温計に戻るように位置決めしたレーザビ
ーム発生装置（２）と、被測定物から放出された放射成分及び被測定物で反射し
たパルス状レーザビームの反射エネルギー成分を受光す
る単一の第１の光検出装置（７）と、前記第１の光検出装置（７）の出力信号から、前記被測
定物から放出された放射成分と単調に関連する第１の電
気信号及び前記レーザビームの反射エネルギー成分と単
調に関連する第２の電気信号を格別に取り出す回路手段
（１３，１４，１００）と、被測定物と測定装置との間の距離を測定し、電圧調整装
置（６４〜６７）を作動させて前記距離と単調に関連す
る第３の電気信号を生成する視界ファインダ装置（４，
６，２５，２６，４４，９）と、レーザビームに応答し、発生したレーザビームのパワー
レベルと単調に関連する第４の電気信号を生成する第２
の光検出装置（４０）と、（ａ）前記第２及び第３の信号から、前記距離について
補正されたレーザビームの反射エネルギー成分に単調に
関連する第５番目の値を計算し、（ｂ）前記第５番目の値及び第４の信号に応答し、第５
番目の値の第４の信号に対する比を計算し、（ｃ）前記比から被測定物の放射率を計算し、（ｄ）前記第１の信号及び前記放射率に応答し、被測定
物の表面温度を計算するマイクロプロセッサ装置とを具
えることを特徴とする高温計。
【請求項２】前記マイクロプロセッサ装置がＡ／Ｄ変換
器を有し、前記第１，第２，第３及び第４の信号をこの
Ａ／Ｄ変換器に供給してディジタル処理を行なうことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温計。
【請求項３】更に、前記マイクロプロセッサ装置に結合
され、計算した温度を表示する表示装置（４３）を具え
ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の高温
計。
【請求項４】更に、プランクの式及びキルフィホッフの
式に基いてデータを処理する順次の処理を記憶した読出
し専用メモリ（ＲＯＭ）を具え、このメモリが前記マイ
クロプロセッサ装置の処理を支配するように構成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の高温計。
【請求項５】前記回路手段が、前記第１の光検出装置
（７）の出力信号の直流成分に応答する増幅器と、この
増幅器と並列に接続され、前記出力信号のパルス状成分
に応答するパルス増幅器及びサンプルホールド増幅器の
直列増幅回路とを有することを特徴とする特許請求の範
囲第４項記載の高温計。
【請求項６】前記視界ファインダ装置には回転型合焦装
置に連結された対物レンズ、スプリット像効果を生ずる
プリズム、観察スクリーン及びポテンショメータが具え
られていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の高温計。
【請求項７】前記第２光検出装置を別のフォトダイオー
ドとしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
高温計。