JPH0623672B2 - 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
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Info
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- JPH0623672B2 JPH0623672B2 JP63271047A JP27104788A JPH0623672B2 JP H0623672 B2 JPH0623672 B2 JP H0623672B2 JP 63271047 A JP63271047 A JP 63271047A JP 27104788 A JP27104788 A JP 27104788A JP H0623672 B2 JPH0623672 B2 JP H0623672B2
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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
測定方法及び装置に関する。本発明による方法及び装置
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。
測定方法及び装置に関する。本発明による方法及び装置
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。
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でも幅広く利用されている。
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でも幅広く利用されている。
従来の放射測温法では、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。
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。
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も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。
率の問題を解決しようとする放射測温法。(ハイブリッ
ドド法) (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も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。
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比放
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、合金化状態
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、二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比放射測温法の適用は非常に困難で
ある。
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比放
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、合金化状態
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、二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比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。
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ができる新しい放射測温法
及び装置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、該放射輝度の対応する二つの分
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
射測温法及び装置に関する。
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ができる新しい放射測温法
及び装置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、該放射輝度の対応する二つの分
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
射測温法及び装置に関する。
本発明による放射測定法で用いられる二つの分光放射輝
度は、波長、測定角度、および偏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Tλ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ελ(0<
ελ<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Tλ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Tλを結びつけるための温度
方程式が必要となる。
度は、波長、測定角度、および偏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Tλ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ελ(0<
ελ<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Tλ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Tλを結びつけるための温度
方程式が必要となる。
比較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Lと輝度温度Tλを結び
つける次式が温度方程式となる。
被測定物体からの分光放射輝度Lと輝度温度Tλを結び
つける次式が温度方程式となる。
L=Lb(λ,Tλ)=ελ・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L
b(λ,T)はプ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。
b(λ,T)はプ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、C1,C2はプランクの放射式の第一、第二定数で
ある。
ある。
真温度T、輝度温度Tλ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、次の温度方程式が
えられる。
現し、それらを(1)へ代入すれば、次の温度方程式が
えられる。
この方程式は、分光放射率ελ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
用に当た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。
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
用に当た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つ以上の条件で異なる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。
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つ以上の条件で異なる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
比法のような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。
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
比法のような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。
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、表面状態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。
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。
また、本発明の放射測温装置では、異なる測定条件で2
つの分光放射輝度を測定するための放射計検出器と、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
によって該物体の温度と放射率を計算するための演算処
理装置と、該放射率特性関数を表現するパラメタを該演
算処理装置に入力するためのパラメタ入力装置と、該演
算処理装置の温度と放射率の計算結果を出力するための
出力装置とを用いる。
つの分光放射輝度を測定するための放射計検出器と、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
によって該物体の温度と放射率を計算するための演算処
理装置と、該放射率特性関数を表現するパラメタを該演
算処理装置に入力するためのパラメタ入力装置と、該演
算処理装置の温度と放射率の計算結果を出力するための
出力装置とを用いる。
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。
義される。
L:分光放射輝度 Lb:黒体分光放射輝度 ελ: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。
説明する。
第1の検出器の検出波長をλ1とし、その波長における
被測定物体の分光放射率をε1とした時、検出器によっ
て測定される分光放射輝度L1は次式で表せられる。
被測定物体の分光放射率をε1とした時、検出器によっ
て測定される分光放射輝度L1は次式で表せられる。
L1=ε1・Lb(λ1,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、C1,C2はそれぞれ放射の第一及び第二の定数
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L
2は次式で表される。
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L
2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。
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L1,L2が得られたとして、あ
る温度Tを仮定した時に求める分光放射率ε1,ε2の関
係を示している。そこで、真の物体表面温度をT0、真
の分光放射率をε10として区別すると(6),(7)式
と同様に、 (12),(13)式よりT0を消去して整理すれば(11)式と同様
に次式を得る。
る温度Tを仮定した時に求める分光放射率ε1,ε2の関
係を示している。そこで、真の物体表面温度をT0、真
の分光放射率をε10として区別すると(6),(7)式
と同様に、 (12),(13)式よりT0を消去して整理すれば(11)式と同様
に次式を得る。
(11)式と(14)式の左辺は等しいから、両式の右辺を等置
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
ε10,ε20であり、温度T0である物体からの分光放射
輝度信号L1,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L1,L2から計算される見かけの
分光放射率ε1,ε2の間の関係を示している。当然のこ
とながら、T=T0の時にはε1=ε10,ε2=ε20を得
るが、T≠T0の時にはε1≠ε10,ε2≠ε20となり、
Tを変化させた時にはε1はε2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。
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
ε10,ε20であり、温度T0である物体からの分光放射
輝度信号L1,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L1,L2から計算される見かけの
分光放射率ε1,ε2の間の関係を示している。当然のこ
とながら、T=T0の時にはε1=ε10,ε2=ε20を得
るが、T≠T0の時にはε1≠ε10,ε2≠ε20となり、
Tを変化させた時にはε1はε2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ε10,ε20である時に、見か
けの放射率ε1,ε2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ε
1,ε2をとった2次元平面内で一本の曲線として表され
る。この曲線を今後G曲線と呼ぶことにする。C曲線
は、真の分光放射率の組(ε10,ε20)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G曲線の上を動くだけである。
定物体の真の分光放射率がε10,ε20である時に、見か
けの放射率ε1,ε2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ε
1,ε2をとった2次元平面内で一本の曲線として表され
る。この曲線を今後G曲線と呼ぶことにする。C曲線
は、真の分光放射率の組(ε10,ε20)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G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 ε1=f(ε2) (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(ε10,ε20)を示すことになり、それより直ち
に真の温度T0が求められることになる。(16)式の関係
fを以後放射率特性関数と呼ぶ。
の分光放射率間の関係が、次式 ε1=f(ε2) (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(ε10,ε20)を示すことになり、それより直ち
に真の温度T0が求められることになる。(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ε1=f
(ε2)の形で例えばコンピュータの記憶装置に収納さ
せる。
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ε1=f
(ε2)の形で例えばコンピュータの記憶装置に収納さ
せる。
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タである。
あり、Pは熱放射光の偏光成分を示すパラメタである。
分光放射輝度L1,L2はそれぞれ波長λ1,λ2、測定角
度θ1,θ2、偏光方向P1,P2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必要があ
る。
度θ1,θ2、偏光方向P1,P2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必要があ
る。
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、被測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。
す式(16)を、被測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。
本発明の放射測温装置では、波長、被測定物体表面法線
からの測定角度、偏光成分のうちいづれか1つ以上異な
る条件で2つの分光放射輝度を放射計検出器で測定し、
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)を演算処
理装置より解き、該演算処理装置の温度と放射率の計算
結果を出力装置より出力する。該放射率特性関数を表現
するパラメタはパラメタ入力装置により該演算処理装置
に入力する。
からの測定角度、偏光成分のうちいづれか1つ以上異な
る条件で2つの分光放射輝度を放射計検出器で測定し、
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)を演算処
理装置より解き、該演算処理装置の温度と放射率の計算
結果を出力装置より出力する。該放射率特性関数を表現
するパラメタはパラメタ入力装置により該演算処理装置
に入力する。
図面を参照しながら説明する。第1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グラムであ
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
(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
の計で記憶されており、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(16)
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。
採用した放射測温システムのブロックダイアグラムであ
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
(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
の計で記憶されており、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(16)
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。鋼板ストリップ6は、連続焼鈍炉内ロ
ール10に支えられながら搬送される。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ずる必要がある
場合には、黒色塗料或いは酸化、粗面化によって表面を
黒化した水冷遮蔽板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、両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
よるハージを行うことができる。
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。鋼板ストリップ6は、連続焼鈍炉内ロ
ール10に支えられながら搬送される。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ずる必要がある
場合には、黒色塗料或いは酸化、粗面化によって表面を
黒化した水冷遮蔽板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、両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
よるハ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ものである。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16によって平行光にされた後第一の検出器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1
5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与して
いる。
学系の具体例を示したものである。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16によって平行光にされた後第一の検出器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1
5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与して
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
らの2つの信号L1,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。
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
らの2つの信号L1,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29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。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L1,L12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。
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29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。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L1,L12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700,800,900K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てある。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。
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700,800,900K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てある。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質
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態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。
複数本測定あるいは計算によって求めておくことは本質
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態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1.6μm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3.0μmを用いて二色比法の原理で測定
した温度である。
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1.6μm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3.0μm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。
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、溶融亜鉛メッ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旭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。
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、溶融亜鉛メッ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旭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ッ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1.6μm、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枚の亜鉛メッ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。
鉛の合金化が進行するときの波長1.6μm、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枚の亜鉛メッ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ッキ鋼板の温度測
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。
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率間の関係を
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。
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。
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、偏光ビームスプリッタ2
3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20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。
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、偏光ビームスプリッタ2
3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20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、円偏光
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(S−偏光)成分の分光放射率と測定面内に電気ベク
トルをもつ偏光(P−偏光)成分の分光放射率の関係を
示した。
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、円偏光
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(S−偏光)成分の分光放射率と測定面内に電気ベク
トルをもつ偏光(P−偏光)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。単色法では酸化
による放射率変動のた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偏光成分に対する
分光放射率間の関係を利用しても精度の高い放射測温が
可能になる。
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。単色法では酸化
による放射率変動のた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偏光成分に対する
分光放射率間の関係を利用しても精度の高い放射測温が
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。
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。
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含めて)のもとで分光放射
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。
等に固有な条件による場合も含めて)のもとで分光放射
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。
エレクト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。
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たいする放射率特性
関数を波長、測定角度、偏光成分を変えて求めた具体例
である。
上に吸収性薄膜が生成される状況にたいする放射率特性
関数を波長、測定角度、偏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で
ある。
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で
ある。
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。
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法について、第18
図、第19図、第20図を参考にしながら説明する。
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ので実験的に求
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、異なる二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900Kまで加熱した後、除々に
炉内に酸素を注入して酸化せしめたときの波長1.6μ
m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を図示したものであり、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って計算機のメモ
リーに収納される。
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ので実験的に求
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、異なる二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900Kまで加熱した後、除々に
炉内に酸素を注入して酸化せしめたときの波長1.6μ
m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を図示したものであり、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って計算機のメモ
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L1,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。
(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L1,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うるがここでは、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
てある温度Tを仮定し、それらから導かれる見かけの分
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,ε2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
L1,L2が得られたとしてその時の被測定物体の真の温
度がT0、真の分光放射率がε10,ε20であり、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L
1,L2と温度方程式とから見かけの放射率ε1,ε2を計
算すると、T>T0の場合にはε1<ε10ε2<ε20とな
り、T<T0の場合にはε1>ε10,ε2>>ε20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)式のウィーン
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ε10,ε
20を与え、それから真の温度T0も求まることになる。
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
てある温度Tを仮定し、それらから導かれる見かけの分
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,ε2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
L1,L2が得られたとしてその時の被測定物体の真の温
度がT0、真の分光放射率がε10,ε20であり、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L
1,L2と温度方程式とから見かけの放射率ε1,ε2を計
算すると、T>T0の場合にはε1<ε10ε2<ε20とな
り、T<T0の場合にはε1>ε10,ε2>>ε20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)式のウィーン
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ε10,ε
20を与え、それから真の温度T0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
率を求めるた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グラム
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ε1,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 Lb(λ,T)=Kλexp(−C2/λT) を使い、放射率特性関数は次式のような3次の多項式 ε1=f(ε2)=C0+C1ε2+C2ε2 2+C3ε2 3 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C0〜C3を求めて定義されている。
率を求めるた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グラム
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ε1,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 Lb(λ,T)=Kλexp(−C2/λT) を使い、放射率特性関数は次式のような3次の多項式 ε1=f(ε2)=C0+C1ε2+C2ε2 2+C3ε2 3 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C0〜C3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,Tmin,Tmedがそれぞれ設定され
る。Tmax,Tminは例えば製造プロセス等において考え
られる被測定物体温度の上限、下限値として定義される
が、ここではTmaxを製造プロセスでの最高温度として
設定し、Tminは測定された分光放射輝度信号L2に対し
てε2=1と仮定して求まる温度として定義した。Tmed
はこれらの単純平均である。
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,Tmin,Tmedがそれぞれ設定され
る。Tmax,Tminは例えば製造プロセス等において考え
られる被測定物体温度の上限、下限値として定義される
が、ここではTmaxを製造プロセスでの最高温度として
設定し、Tminは測定された分光放射輝度信号L2に対し
てε2=1と仮定して求まる温度として定義した。Tmed
はこれらの単純平均である。
Tmax,Tmin,Tmedに対応して波長λ2における見かけ
の分光放射率ε2max,ε2min,ε2medが定義され、それ
らの間には、 0<ε2max<ε2med<ε2min=1 の関係が初期条件として成立する。
の分光放射率ε2max,ε2min,ε2medが定義され、それ
らの間には、 0<ε2max<ε2med<ε2min=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L1,L2に対して、温度Tmin
を仮定することにより見かけの分光放射率ε1min,ε
2minが次式で計算される。
を仮定することにより見かけの分光放射率ε1min,ε
2minが次式で計算される。
ε1min=L1/Lb(λ1,Tmin) ε2min=L2/Lb(λ2,Tmin) 同様の計算がTmax,Tmedに対しても行われε1max,ε
2max,ε1med,ε2medが求まる。
2max,ε1med,ε2medが求まる。
次にε2min,ε2med,ε2max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ε1min,
ε1med,ε1maxとの差を次式で計算する。
特性関数値を計算し、それらと見かけの放射率ε1min,
ε1med,ε1maxとの差を次式で計算する。
Δε1min=ε1min−f(ε2min) Δε1med=ε1med−f(ε2med) Δε1max=ε1max−f(ε2max) 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Tmin、またはTmaxの値を再設定で
きる。即ち、もし積Δε1min Δε1medが負の場合は真
の温度T0がTminとTmed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TmedをTmax
とTmin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、Δε1minΔε1medが正の場合はTminを
Tmedの値で置換し、改めてTmedをTmaxとTminの中間
値として定義すれば良い。
分の符号を判断してTmin、またはTmaxの値を再設定で
きる。即ち、もし積Δε1min Δε1medが負の場合は真
の温度T0がTminとTmed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TmedをTmax
とTmin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、Δε1minΔε1medが正の場合はTminを
Tmedの値で置換し、改めてTmedをTmaxとTminの中間
値として定義すれば良い。
以降、再定義されたTmin,Tmed,Tmaxに対して上述
の計算を繰り返し、TmaxとTmin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Tmedの値を以
て被測定物体温度とし、ε1med,ε2medを以て分光放射
率とする。
の計算を繰り返し、TmaxとTmin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Tmedの値を以
て被測定物体温度とし、ε1med,ε2med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。
法は数多く考えられる。
第23図は、本発明の装置の具体例を示したものであ
り、40は放射計検出器、41は演算処理装置、42は
パラメタ入力装置、43は出力装置である。前述したよ
うに、放射計検出器は波長、被測定物体表面放線からの
測定角度、偏光成分のうちいづれか1つ以上異なる条件
で2つの分光放射輝度を測定し、演算処理装置は該分光
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)を解き、出力装
置は該演算処理の温度と放射率の計算結果を出力する。
パラメタ入力装置は該放射率特性関数を表現するパラメ
タを該演算処理装置に入力する。
り、40は放射計検出器、41は演算処理装置、42は
パラメタ入力装置、43は出力装置である。前述したよ
うに、放射計検出器は波長、被測定物体表面放線からの
測定角度、偏光成分のうちいづれか1つ以上異なる条件
で2つの分光放射輝度を測定し、演算処理装置は該分光
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)を解き、出力装
置は該演算処理の温度と放射率の計算結果を出力する。
パラメタ入力装置は該放射率特性関数を表現するパラメ
タを該演算処理装置に入力する。
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。
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。
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、一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4a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、亜鉛メッ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、合金化亜鉛メッ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9a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成分の
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トの具体例。 第23図は、本発明の装置の具体例。 図において、 6……鋼板スリップ、 7,18,20,22……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、 40……放射計検出器、 41……演算処理装置、 42……パラメタ入力装置、 43……出力装置。
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、一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4a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、亜鉛メッ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、合金化亜鉛メッ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9a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成分の
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トの具体例。 第23図は、本発明の装置の具体例。 図において、 6……鋼板スリップ、 7,18,20,22……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、 40……放射計検出器、 41……演算処理装置、 42……パラメタ入力装置、 43……出力装置。
Claims (8)
- 【請求項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、該分光放射輝度から、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、すな
わち放射率特性関数を満足する2つの分光放射率が決定
されるような、温度の値を見い出す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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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。 - 【請求項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、すなわち放射率特性関
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)で予め求められ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 - 【請求項7】異なる測定条件で2つの分光放射輝度を測
定するための放射計検出器と、該分光放射輝度から、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、
すなわち放射率特性関数を満足する2つの分光放射率が
決定されるような、温度の値を見い出すことによって該
物体の温度と放射率を計算するための演算処理装置と、
該放射率特性関数を表現するパラメタを該演算処理装置
に入力するためのパラメタ入力装置と、該演算処理装置
の温度と放射率の計算結果を出力するための出力装置と
を具備することを特徴とする放射測温装置。 - 【請求項8】波長、被測定物体表面法線からの測定角
度、偏光成分のうちいづれか1つ以上異なる条件で2つ
の分光放射輝度を測定するための放射計検出器を具備す
ることを特徴とする請求項7記載の放射測温装置。
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US175,051 | 1988-03-29 | ||
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JPH0623672B2 true JPH0623672B2 (ja) | 1994-03-30 |
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KR20180054700A (ko) * | 2015-09-16 | 2018-05-24 | 미츠비시 마테리알 가부시키가이샤 | 피측정물의 온도, 분진의 온도 및 분진의 농도를 계측하는 방법 |
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DE68923722D1 (de) | 1995-09-14 |
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