JPH07333064A - 放射温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置の構成の単純化，小型化及び放射率の測
定値の精度向上を図ることのできる放射温度計。 【構成】 この光学系Ａ１は，測定対象物１に所定方向
から赤外線を放射する参照熱源２と，この放射された赤
外線の測定対象物１での反射方向に配置され，測定対象
物１からの赤外線をその内部に入射させて完全拡散反射
面により多重反射散乱させた後にこの赤外線を検出する
空洞形状の積分球３と赤外線検出素子４と，測定対象物
１と積分球３との間に配置され，積分球３の内部に入射
させる赤外線の立体角を調整する絞り１０と，積分球３
への赤外線の入射量を調整した時に赤外線検出素子４に
より検出される放射線の変化に基づいて測定対象物１の
放射率を演算する演算装置１２等を具備している。上記
構成により，装置の構成の単純化，小型化及び放射率の
測定値の精度向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，放射温度計に係り，詳
しくは測定対象物の放射率変動を補正できる放射温度計
用光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より非接触で測定対象物の温度を測
定する温度計の１つとして放射温度計が利用されてい
る。図３はこのような従来の放射温度計用光学系の一例
Ａ０１における基本構成を示す模式図である。図３に示
すように，この放射温度計用光学系Ａ０１では，測定対
象物２１と，測定対象物２１からの放射線を検出するセ
ンサ２２と，測定対象物２１とセンサ２２の間に移動自
在に設けられた半球状の参照熱源２３とを具備してい
る。この従来の光学系Ａ０１の参照熱源２３の内側は黒
塗りして黒体放射源となし，その頂上部に開口２３_a が
設けられている。この開口２３_a を通して測定対象物２
１からの放射線がセンサ２２に到達する。参照熱源２３
を一定温度に保持しつつ，参照熱源２３のない状態
Ｐ₀ ，参照熱源２３の位置がＰ₁ ，Ｐ ₂ である状態の３
状態において測定対象物２１からの放射線をセンサ２２
にて検出する。この時検出される測定対象物２１の見か
け上の輝度Ｌ₀ ，Ｌ₁ ，Ｌ₂ は次の通りとなる。 Ｌ₀ ＝εＬ_b （λ，Ｔ） … Ｌ₁ ＝εＬ_b （λ，Ｔ）＋（１−ε）Ｆ（ｌ₁ ）Ｌ_b （λ，Ｔ₀ ） … Ｌ₂ ＝εＬ_b （λ，Ｔ）＋（１−ε）Ｆ（ｌ₂ ）Ｌ_b （λ，Ｔ₀ ） … ここで，εは測定対象物２１の放射率，ＴとＴ₀ はそれ
ぞれ測定対象物２１と参照熱源２３の温度，Ｌ_b （λ，
Ｔ）とＬ_b （λ，Ｔ₀ ）はそれぞれ温度がＴとＴ₀ での
黒体の放射輝度，Ｆ（ｌ₁ ）とＦ（ｌ₂ ）はそれぞれ測
定対象物２１の参照熱源２３までの距離がｌ₁ とｌ₂ の
時のいわゆる捕捉率（測定対象物２１に入射された放射
線の測定対象物２１の表面での反射線が参照熱源２３に
よって捕捉される割合）を示す。従って，Ｒ＝Ｆ
（ｌ₁ ）／Ｆ（ｌ₂ ）とＤ＝Ｆ（ｌ₁ ）−Ｆ（ｌ₂ ）と
の関係を実験的に調べることによりＦ（ｌ₁ ）とＦ（ｌ
₂ ）とを求め，上記式から測定対象物２１の放射率
εと温度Ｔとを求めることができる。求められた放射率
εを上記式に代入することにより，測定対象物２１の
温度計測を行う。

【０００３】また，ここでいう捕捉率とは，ある方向の
ある立体角に反射されるエネルギであるから，図４に示
すような従来の放射温度計用光学系Ａ０２によって測定
される異なる複数の立体角に反射されるエネルギを用い
て放射率εを計算することも可能である。ちなみに図４
に示す従来の光学系Ａ０２は前記従来の光学系Ａ０１に
おける参照熱源２３の移動を無くして装置の小型化を図
るべく本発明者らにより開発されたものである（第３１
回ＳＩＣＥ学術講演会予稿集（１９９２），ＰＰ３４
９，３５０）。この光学系Ａ０２によれば，測定対象物
２４に参照熱源２５により放射線が放射され，この放射
線の反射方向に配置された３対の反射鏡（楕円面鏡）２
６ａ〜２６ｃ及びセンサ２７ａ〜２７ｃよりなる反射光
検出装置によって測定対象物２４からの放射線が複数の
異なる立体角にて検出される。この光学系Ａ０２では，
放射率推定を例えば以下のようにおこなう。ここでは測
定対象物２４の表面での反射は周知の鏡面拡散モデルで
表すものとする（第２２回ＳＩＣＥ学術講演会予稿集
（１９８３）ＰＰ１９１，１９２参照）。この時半球反
射エネルギＥ_h は入射方向に対応する方向にだけ反射さ
れる鏡面反射成分Ｅ_s と半空間に拡散的に反射される拡
散反射成分Ｅ_d とを用いて，次のように表される。 Ｅ_h ＝Ｅ_s ＋Ｅ_d

【０００４】拡散反射成分Ｅ_d の角度分布については垂
直入射の場合，反射の天頂角θ_r と反射の方位角φ_r と
を用いて，次の２方向反射率分布関数にて近似すること
ができる。 ｆ_r （０，０；θ_r ，φ_r ）＝ｋ・ｃｏｓⁿ θ_r ここで，ｋは反射強度の絶対値を代表する定数，ｎは分
布の形状を表す定数である。以上のモデルでは２方向反
射率分布関数ｆ_r は方位角方向には依存しない。すなわ
ち上記式では反射の方位角φ_r は任意である。鏡面反射
成分Ｅ_h はセンサ２７ａにより全てが測定されるとする
と，センサ２７ｂ及び２７ｃにより検出されるのは拡散
反射成分Ｅ_s の一部分である。従って，センサ２７ｂ及
び２７ｃによる測定結果の比から定数ｎが決まる。この
ように求められた定数ｎと上記反射光検出装置により検
出される反射光の立体角とから拡散反射成分Ｅ_s は計算
できる。よって，鏡面反射成分Ｅ_s 及び拡散反射成分Ｅ
_d が得られ，半球反射エネルギＥ_h が求まる。反射率Ｒ
_h は半球反射エネルギＥ_h と入射エネルギＥ_i とを用い
て次のように表される。 Ｒ_h ＝Ｅ_h ／Ｅ_i 従って，反射率Ｒ_h が計算され，これより放射率εが求
まる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
放射温度計用光学系Ａ０１，Ａ０２を用いる場合，異な
る立体角の反射光の測定値を得るため，大型構成部品で
ある参照熱源を可動部分とするか（Ａ０１），あるいは
可動部分を不必要とするため反射光検出光学系の構成を
複雑なものに変更している（Ａ０２）。これは，装置自
体を大型化，或いは複雑化させる。また，従来の光学系
Ａ０１，Ａ０２では，測定時には測定対象物は測定対象
位置にあるという仮定がなされている。しかし，実際に
は測定対象物の位置が測定装置に対して相対的に変化す
ることが多い。このような状態で測定を行った場合，測
定値を放射率計算に用いることは測定誤差の原因とな
る。例えば従来例Ａ０２では具体的には，センサにより
検出された反射光成分が予想された立体角成分に対応し
なくなる。また，反射光学系の焦点位置が設定位置から
ずれて反射光検出が十分になされなくなる。さらに反射
光学系の焦点で像がセンサの受光面より大きくなり，十
分な検出光が得られない。このような不具合点が生じ
る。その対策としては，装置自体を測定対象に追従して
移動させるか，あるいは内部の反射光検出光学系に可動
部分を設けて焦点のずれや立体角の大きさの変化を補正
するという方法も考えられるが，これらの方法もまた装
置自体を複雑化，大型化させる。本発明は，このような
従来の技術における課題を解決するために放射温度計を
改良し，装置全体を移動することや光学系に特殊な可動
部分を設けることなく測定対象物の移動の影響を除去す
ることができ，装置の構成の単純化，小型化及び放射率
の測定値の精度向上を図ることができる放射温度計を提
供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，少なくとも測定対象物に所定方向から放射
線を放射する放射手段と，上記放射手段により放射され
た放射線の上記測定対象物での反射方向に配置され，該
測定対象物からの放射線をその内部に入射させて完全拡
散反射面により多重反射散乱させた後に上記放射線を検
出する空洞形状の放射線積分検出手段と，上記測定対象
物と上記放射線積分検出手段との間に配置され，該放射
線積分検出手段の内部に入射させる放射線の量を調整す
る放射線量絞り手段と，上記放射線量絞り手段により上
記放射線積分検出手段への放射線の入射量を調整したと
きに該放射線積分検出手段により検出される放射線の変
化に基づいて上記測定対象物の放射率を演算する放射率
演算手段とを具備した放射温度計として構成されてい
る。さらには，上記測定対象物から上記放射線積分検出
手段までの距離を測定する距離測定手段を設けると共
に，上記距離測定手段により測定された上記距離に基づ
いて上記放射線量絞り手段による上記放射線積分検出手
段への放射線の入射量を調整する放射温度計である。

【０００７】

【作用】本発明によれば，まず測定対象物に所定方向か
ら放射線が放射手段により放射される。上記放射手段に
より放射された放射線の上記測定対象物での反射方向に
配置された空洞形状の放射線積分検出手段により，該測
定対象物からの放射線がその内部に入射させられて完全
拡散反射面により多重反射散乱させられた後に，上記放
射線が検出される。上記測定対象物と上記放射線積分検
出手段との間に配置された放射線量絞り手段により，該
放射線積分検出手段の内部に入射させる放射線の量が調
整される。上記放射線量絞り手段により上記放射線積分
検出手段への放射線の入射量が調整されたときに該放射
線積分検出手段により検出される放射線の変化に基づい
て放射率演算手段により上記測定対象物の放射率が計算
される。従って，装置全体を移動することや光学系に特
殊な作動部分を設けることなく，測定対象物の移動の影
響を除去することができる。さらに，上記測定対象物か
ら上記放射線積分検出手段までの距離を測定する距離測
定手段を設けて，上記距離測定手段により測定された上
記距離に基づいて上記放射線量絞り手段による上記放射
線積分検出手段への放射線の入射量が調整される場合，
正確に該入射量を調整できるため放射率の測定値の精度
向上が可能となる。

【０００８】

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係る放射温度計用光学系
Ａ１の基本構成を示す模式図，図２は本発明の他の実施
例に係る放射温度計用光学系Ａ２の基本構成を示す模式
図である。図１に示すごとく，本実施例に係る放射温度
計用光学系Ａ１は，少なくとも測定対象物１に所定方向
から赤外線（放射線に相当）を放射する参照熱源２（放
射手段に相当）と，参照熱源２より放射された赤外線の
測定対象物１での反射方向に配置されて，測定対象物１
からの赤外線を，その内部に入射させて完全拡散反射面
により多重反射させた後にこの赤外線を検出する空洞形
状の積分球３と赤外線検出素子４（両者が放射線積分検
出手段に相当）と，測定対象物１と積分球３との間に配
置され，積分球３の内部に入射させる赤外線の量に相当
する立体角を調整する絞り１０（放射線量絞り手段に相
当）と，絞り１０により積分球３への赤外線の入射立体
角を調整したときに赤外線検出素子４により検出される
赤外線の変化に基づいて測定対象物１の放射率を演算す
る演算装置１２（放射率演算手段に相当）とを具備して
いる。

【０００９】以下この光学系Ａ１の構成をさらに具体化
すると共に，この光学系Ａ１による動作について説明す
る。 （１）放射率測定 先ず，シャッタ５を開放し，参照熱源２から放射される
赤外線にチョッパ６により強度変調をかける。しかる後
積分球３の開口８，９を介して測定対象物１表面にこの
赤外線を入射させ，ここで反射された赤外線を再び開口
９を通して積分球３に入射させる。このとき，測定対象
物１からの表面反射光を積分球３で捉えるため，参照熱
源２から測定対象物１表面へ赤外線を入射する光軸を測
定対象物１表面に対し鉛直方向から僅かに傾ける。開口
９に入射する測定対象物１表面からの反射光は絞り１０
の開口１０ａの大きさを変化させることにより，異なる
大きさの立体角で積分球３に入射する。そして，赤外線
検出素子４により検出される。すなわち，絞り１０の開
口１０ａの大きさを変化させることにより，異なった複
数の大きさの立体角の反射光測定値を得ることができ
る。これを用いて従来例Ａ０２に示した放射率推定方法
により放射率を求めることができる。また，測定対象物
１表面が鏡面反射性の強い表面である場合には，鏡面反
射方向を軸としたある大きさの立体角に反射される反射
光を検出することが半球方向に反射される反射光を検出
することと同様の効果をもつ。このため，絞り１０の開
口１０ａをある大きさ以上とすれば，１つの立体角の反
射光測定値を用いて放射率を求めることができる。尚，
参照熱源２から放射され強度変調をかけられた赤外線の
一部はハーフミラー７により取り出され，参照熱源モニ
タ１１により所望の強度となっているか否かがモニタさ
れる。 （２）温度測定 次いで，シャッタ５を遮断し，参照熱源２から放射され
る赤外線が測定対象物１表面に照射されないようにす
る。この状態では，開口９を通して積分球３に入射する
赤外線は測定対象物１表面から放射された赤外線のみで
ある。このため，これを赤外線検出素子４により検出す
れば，測定対象物１表面の温度を検出することができ
る。

【００１０】以上まとめると次のようになる。測定対象
物１からの反射光成分を開口９に絞り１０を配した積分
球３を介して検出する構造により，異なる立体角にて反
射される反射光強度を検出することができる。この目的
は，絞り１０の開口１０ａの大きさを制御して対応する
立体角の反射光強度を検出することにより達成される。
このため，本実施例では大型の可動部分が不必要とな
る。また，反射光検出光学系は積分球３と赤外線検出素
子４と絞り１０とで構成されるため，装置自体の構成が
簡略なものとなる。引き続いて他の実施例に係る放射温
度計用光学計Ａ２について述べる。ここでは，図２に示
すように測定対象物１から積分球３までの距離を測定す
る距離センサ１３（距離測定手段に相当）を設けると共
に，この距離センサ１３により測定された上記距離に基
づいて絞り１０による積分球３への赤外線の入射量を調
整する。この調整のため制御装置１４が設けられてい
る。本実施例においては，測定対象物１表面の位置が初
期位置から移動した場合には，この位置変動を距離セン
サ１３により計測する。距離センサ１３の出力に応じて
制御装置１４は絞り１０の開口１０ａの大きさに補正を
加える。これにより，測定対象物１表面の位置変動によ
る測定値への影響を除くことができる。このように，測
定対象物１の位置変動によって赤外線検出素子４の受光
面上の焦点位置は影響を受けることがなくなる。そして
測定対象物１の位置変動に同調して絞り１０の開口１０
ａの大きさを補正することにより正確に反射光の入射す
る立体角を調整できる。これにより常に一定の大きさの
立体角で反射光成分を検出することが可能となる。その
結果，装置全体を移動するか，あるいは光学系に特殊な
可動部を設けることなく，測定対象物の移動の影響を除
去することができ，よって装置の構成の単純化，小型
化，及び放射率の測定の精度向上を図ることができる。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係る放射温度計用光学系は上記
したように構成されているため，装置全体を移動するこ
とや光学系に特殊な可動部分を設けることなく測定対象
物の移動の影響を除去することができ，よって装置の構
成の単純化，小型化及び放射率の測定値の精度向上を図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る放射温度計用光学系
Ａ１の基本構成を示す模式図。

【図２】 本発明の他の実施例に係る放射温度計用光学
系Ａ２の基本構成を示す模式図。

【図３】 従来の放射温度計用光学系の一例Ａ０１にお
ける基本構成を示す模式図。

【図４】 従来の放射温度計用光学系の他の例Ａ０２に
おける基本構成を示す模式図。

【符号の説明】

Ａ１，Ａ２…放射温度計 １…測定対象物 ２…参照熱源（放射手段に相当） ３…積分球（放射線積分検出手段の一部に相当） ４…赤外線検出素子（放射線積分検出手段の一部に相
当） １０…絞り（放射線量絞り手段に相当） １２…演算装置（放射率演算手段に相当） １３…距離センサ（距離測定手段に相当）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 紀生 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも測定対象物に所定方向から放
   射線を放射する放射手段と，上記放射手段により放射さ
   れた放射線の上記測定対象物での反射方向に配置され，
   該測定対象物からの放射線をその内部に入射させて完全
   拡散反射面により多重反射散乱させた後に上記放射線を
   検出する空洞形状の放射線積分検出手段と，上記測定対
   象物と上記放射線積分検出手段との間に配置され，該放
   射線積分検出手段の内部に入射させる放射線の量を調整
   する放射線量絞り手段と，上記放射線量絞り手段により
   上記放射線積分検出手段への放射線の入射量を調整した
   ときに該放射線積分検出手段により検出される放射線の
   変化に基づいて上記測定対象物の放射率を演算する放射
   率演算手段とを具備した放射温度計。
2. 【請求項２】 上記測定対象物から上記放射線積分検出
   手段までの距離を測定する距離測定手段を設けると共
   に，上記距離測定手段により測定された上記距離に基づ
   いて上記放射線量絞り手段による上記放射線積分検出手
   段への放射線の入射量を調整する請求項１記載の放射温
   度計。