JPH09329498A

JPH09329498A - 放射温度計

Info

Publication number: JPH09329498A
Application number: JP8144458A
Authority: JP
Inventors: Yukihisa Tamagawa; 恭久玉川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 1997-12-22
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JP3293470B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光の放射量を検出し、この放射量から温度を
演算する放射温度計において、計測対象の温度変化に伴
う波長特性の変化のために発生していた近似誤差を抑え
る。【解決手段】計測対象の温度変化に伴う波長特性の変
化による近似誤差を除去するように、光の放射量に対応
する検出信号Ｖが、計測対象の温度Ｔを基底とするＴの
ａ乗（０＜ａ＜１）の関数として示される関係式に基づ
き、上記検出信号より温度を演算するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、計測対象の温度
を非接触で計測する放射温度計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体から放射される光には温度情報が含
まれている。物体の温度を非接触で計測する放射温度計
はこの現象を利用している。そして、放射温度計の基礎
となるのが、良く知られているプランクの放射則であ
り、式（１）にこれを示す。

【０００３】

【数５】

【０００４】式の中で、Ｗ［Ｗ／ｃｍ²／μｍ］は分光
放射発散度であり光の放射量に相当する。λ［μｍ］は
波長、Ｔ［Ｋ］は温度である。ｃ₁は放射の第１定数と
呼ばれ、ｃ₁＝（3.7415±0.0003）×10⁴［Ｗｃｍ^-2μｍ
⁴］であり、ｃ₂は放射の第２定数と呼ばれ、ｃ₂＝（1.4
3879±0.00019）×10⁴［μｍＫ］である。プランクの放
射則において、λＴが小さく、ｅｘｐ（ｃ₂／λＴ） >>
１なる場合には式（２）に示すようなウィーンの公式
が適用できる。

【０００５】

【数６】

【０００６】以上の２つの式からわかるように、計測対
象の温度が高くなると光の放射量が大きくなる。また、
計測対象の温度変化に対して、波長特性、すなわち波長
に対する放射発散度分布も変化することがわかる。計測
対象の温度が高くなると放射発散度分布が短波長側へと
シフトする。

【０００７】図５は放射温度計の一般的構成を示した構
成図である。図において、１は温度を計測するべき対象
から放射された光を受けて、光電変換により例えば電圧
のような電気信号に変換する光検出器であり、レンズ、
フィルタ、光電変換素子などから構成される。２はこの
光検出器１から計測対象の温度情報を含んだ電気信号を
受け、所定の変換式に基づいて計測対象の温度を演算す
る演算器、３はこの演算器２での演算に必要な諸定数が
記憶されているメモリである。

【０００８】次に動作について説明する。光検出器１の
波長帯域が非常に小さい場合には、上記式（１）や式
（２）においてλをほぼ一定とみなすことにより光の放
射量Ｗと計測対象の温度Ｔの関係は一意に決められる。
ところが、通常、光検出器１の波長帯域はある程度の幅
があり、光検出器の構成のしかたによる波長選択特性を
もつため、実際に光検出器１が出力するＶは、式（１）
や式（２）に光検出器１の波長選択特性をかけたものを
積分して得られるものとなる。

【０００９】したがって、実際の測定の結果出力される
上記Ｖの値としては、上述の波長に対する放射発散度分
布の変化や、光検出器１の波長選択特性というような、
波長λによる複雑な影響を受けた結果が出力されている
ことになる。実際の温度測定においてこのような波長λ
の影響を厳密に考慮するのは非常に繁雑なので、λを変
数としない近似式を導く必要がある。

【００１０】すなわち、所定の波長帯域をその放射温度
計の測定波長領域として限定（設定）し、式（１）や式
（２）のλをその領域内のある代表値として固定すると
いう考え方により、波長λを変数とせずに光検出器出力
Ｖと実際の温度Ｔとの関係を示す近似式（変換式）を、
上記式（１）、（２）に基づいて導く。これにより光検
出器出力Ｖから温度Ｔを求めることができる。式（３）
は、例えば「ＪＩＳＣ１６１２放射温度計の性能
表示方法通則」（日本規格協会発行）に示された入出力
特性近似式である。

【００１１】

【数７】

【００１２】式（３）の中で、ａ_i（i=1,2,3）は定数で
あり、メモリ３に記憶されている。これらａ_iを決める
ことにより、使用する光検出器１に対応した変換式を得
ることができ、光検出器出力Ｖから温度Ｔが求められ
る。このための校正方法について以下に説明する。

【００１３】まず、亜鉛点（419.527℃）、アルミニウ
ム点（660.323℃）、銀点（961.78℃）、銅点（1084.62
℃）などの定点黒体炉のうちの３種類以上を用いて、定
点黒体炉の温度Ｔと光検出器１の出力Ｖとを測定する。
その次に、この各定点測定値を用いて、最小二乗法によ
って式（３）の定数ａiを決定し、メモリ３に記憶す
る。任意の計測対象の温度Ｔを計測するときには、式
（３）を変換した式（４）を用いる。

【００１４】

【数８】

【００１５】図６は、このような変換式（近似式）によ
る近似誤差の計算例を示すものである。光検出器１の波
長範囲を0.80−1.00μｍとし、亜鉛点（419.53℃）、ア
ルミニウム点（660.32℃）、銀点（961.78℃）、銅点
（1084.62℃）の黒体放射発散度計算値を校正データと
し、各定数ａ_iを決定している。図６に示すように、近
似誤差は校正点付近で小さくなっている。このように、
光検出器１がある程度の幅の波長帯域をもつ場合におい
ても、計測対象の温度を計測することができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の放
射温度計においては、上記のような変換式に基づいて計
測対象の温度を算出していたので、光検出器の波長帯域
が比較的に大きくなると、計測対象の温度変化にともな
う放射発散度分布の変化の影響を受け、近似誤差が大き
くなるという課題があった。すなわち、上述のように計
測対象の温度に応じて放射発散度分布が短波長側あるい
は長波長側へシフトするため、波長帯域が大きいと放射
発散度分布の変化幅も大きくなる。上記従来の変換式
は、波長がある値に固定されているとみなした場合にお
いて、その光検出器に対して校正を行うことで諸定数を
決めて導かれているので、校正点からずれた波長ほど近
似誤差が大きく、波長帯域の幅が大きいほど近似誤差の
影響が大きくなる。

【００１７】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、計測対象の温度変化にともなう
波長特性の変化の影響を受けにくくし、近似誤差を小さ
くすることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる放射温
度計は、計測対象からの光の放射量を検出して検出信号
Ｖを出力する光検出手段と、上記検出信号Ｖが計測対象
の温度Ｔを基底とするＴのａ乗（０＜ａ＜１）の関数と
して示される近似式に基づき、上記光検出手段からの検
出信号Ｖより上記計測対象の温度Ｔを演算する演算手段
とを備えたものである。また、演算手段における上記近
似式を

【００１９】

【数９】

【００２０】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数としたものである。

【００２１】また、演算手段における上記近似式を

【００２２】

【数１０】

【００２３】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数としたものである。

【００２４】また、演算手段における上記近似式を

【００２５】

【数１１】

【００２６】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数としたものである。

【００２７】また、演算手段における上記近似式を

【００２８】

【数１２】

【００２９】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数としたものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】

実施形態１．この発明の実施形態における放射温度計の
構成を図１に示す。図１において、１は温度を計測する
べき対象から放射された光を受けて、光電変換により例
えば電圧のような電気信号に変換する光検出手段として
の光検出器であり、レンズ、フィルタ、光電変換素子な
どから構成される。２はこの光検出器１から計測対象の
温度情報を含んだ電気信号を受け、所定の変換式に基づ
いて計測対象の温度を演算する演算器、３はこの演算器
２での演算に必要な諸定数が記憶されているメモリであ
る。演算器２、メモリ３により演算手段が形成される。

【００３１】この発明においても上述のプランクの放射
則［式（１）］、ウィーンの公式［式（２）］に基づく
近似式を用いて、出力Ｖから温度Ｔを求める。式（ｌ）
または式（２）からわかるように、光検出器１の出力Ｖ
は波長と温度の関数である。出力Ｖから温度Ｔを求め
る、すなわち出力と温度を一対一に対応させるために
は、波長を定数として固定し、温度のみを変数とする必
要がある。校正を行うということは、光検出器１のもつ
ある幅の波長帯域を任意の波長で代表させると解釈する
ことができる。

【００３２】しかし、式（１）または式（２）からわか
るように放射量の波長特性は温度とともに変化するの
で、各温度における代表波長は一定ではない。温度が上
昇すると、放射量の波長特性は短波長側へとシフトする
ために、代表波長も短波長側へとシフトする。したがっ
て、温度Ｔ、代表波長をλ₀とすると、λ₀が変化するこ
とからＴとλ₀Ｔの関係は図２のように上に凸なる関数
として表される。波長を定数として固定することを前提
とした従来の変換式は、図２においては直線で表わされ
る（図示せず）ので、このようにＴとλ₀Ｔの関係が上
に凸なる関数として表される実際の状況に対しては、従
来の変換式では温度Ｔの違いによる近似誤差が大きくな
る。

【００３３】この発明では、λを固定することに対応し
て、温度Ｔによるこのλの変化の影響を、変数である温
度Ｔによって吸収させることにより打ち消すことで、近
似誤差を抑えるものである。つまり、式（１）または式
（２）におけるλＴの部分を、上に凸なる関数として表
現する項、すなわち温度Ｔを基底とする指数項（指数ａ
₃は０＜ａ₃＜１）と対応させて出力Ｖと温度Ｔとの関係
式を設定するものである。指数ａ₃は代表波長のシフト
が大きい程小さくなる傾向となる。この実施形態におけ
る出力Ｖと温度Ｔとの関係式を式（５）に示す。

【００３４】

【数１３】

【００３５】校正は、従来例と同様に、いくつかの温度
において校正用黒体温度Ｔと光検出器１の出力Ｖとの関
係を測定し、この各定点測定値を用いて、最小二乗法に
よって式（５）の定数ａ_iを決定し、メモリ３に記憶す
る。任意の計測対象の温度Ｔを計測するときには、式
（５）の関係式に基づく式（６）を出力Ｖから温度Ｔへ
の変換式として用いる。

【００３６】

【数１４】

【００３７】図３は、この実施形態における近似誤差の
計算例を示すものである。光検出器１の波長範囲を0.80
−1.00μｍとし、亜鉛点（419.53℃）、アルミニウム点
（660.32℃）、銀点（961.78℃）、銅点（1084.62℃）
の黒体放射発散度計算値を校正データとし、各定数ａ_i
を決定している。ここでは、ａ₁＝1.825×10⁴,ａ₂＝−
1.171×10⁴,ａ₃＝9.531×10^-4,ａ₄＝0.0である。（ここ
ではａ₄を０としてａ₁,ａ₂,ａ₃を最適化した。）上記代
表波長のシフトはわずかなので、ａ₃は１に近い値とな
っている。

【００３８】図３に示すように、この実施形態による近
似誤差は従来例に比べて小さいことがわかる。以上のよ
うにこの発明による放射温度計においては、計測対象の
温度変化にともなう波長特性の非線形的な変化を打ち消
すようにしているので、光検出器の波長帯域が大きい場
合でも、近似誤差の少ない計測ができる。

【００３９】実施形態２.上記実施形態１では、ウィー
ンの公式に基づいて関係式を設定したが、より厳密なプ
ランクの放射則に基づいて設定してもよい。すなわち、
関係式として式（７）を用い、変換式として式（８）を
用いる。

【００４０】

【数１５】

【００４１】

【数１６】

【００４２】実施形態３.上記実施形態は、計測対象の
温度変化による波長特性変化に基づく非線形成分を除去
しようというものであるが、これに加え、オフセット成
分を除去することでさらに近似誤差が低減される。すな
わち、近似式として式（９）を用い、温度換算式として
式（１０）を用いる。ただし、式の中でａ_i（i=1,2,3,
4,5）は定数であり、メモリ３に記憶される。

【００４３】

【数１７】

【００４４】

【数１８】

【００４５】図４は、この場合の近似誤差の計算例を示
すものである。光検出器１の波長範囲を0.85−0.95μｍ
とし、実施形態１と同様に４点の構成データより各定数
ａ_iを定めた。ここでは、ａ₁＝6.567×10³,ａ₂＝−1.57
0×10⁴,ａ₃＝9.966×10^-1,ａ₄＝5.704×10⁰,ａ₅＝0.0で
ある。実施形態１と同様に、上記代表波長のシフトはわ
ずかなので、ａ₃は１に近い値となっている。図４に示
すように、この実施形態による近似誤差は従来例に比べ
て小さいことがわかる。これにより、オフセット分を除
去した近似誤差の少ない計測ができる。

【００４６】実施形態４.実施形態３では、ウィーンの
公式に基づいて関係式を設定したが、より厳密なプラン
クの放射則に基づいて設定してもよい。すなわち、関係
式として式（１１）を用い、変換式として式（１２）を
用いる。

【００４７】

【数１９】

【００４８】

【数２０】

【００４９】実施形態５.以上の実施形態では、計測対
象を放射率ε＝１の黒体として説明したが、放射率ε＜
１の計測対象に対しても有効であることは言うまでもな
い。温度Ｔ、放射率εの計測対象の放射量Ｎε（Ｔ）
は、温度Ｔの黒体計測対象の放射量Ｎb（Ｔ）に放射率
εを乗じたものとして得られる（式（１３））。

【００５０】

【数２１】

【００５１】計測対象が放射率εである場合には、黒体
の計測対象の場合に比べ光検出器１の出力Ｖε倍になっ
ていることになる。したがって、たとえば実施形態１の
関係式（式（１４））および変換式（式（１５））は以
下のようになる。

【００５２】

【数２２】

【００５３】

【数２３】

【００５４】これにより、計測対象が放射率εである場
合にも近似誤差の少ない計測ができる。なお、実施形態
２、３、４の場合に対しても同様であることは言うまで
もない。

【００５５】また、上記実施形態では演算器２、メモリ
３を個別のブロックで示しているが、この発明の演算手
段はこの構成に限らず、プロセッサでソフトウェアを動
作させるもので構成してもよい。

【００５６】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、温度計測精度が向上するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態における放射温度計の構
成図である。

【図２】温度Ｔに対する波長と温度との積の関係を示
す摸式図である。

【図３】この発明の実施形態による近似誤差を示す特
性図である。

【図４】この発明の実施形態による近似誤差を示す特
性図である。

【図５】従来の放射温度計の構成図である。

【図６】従来の放射温度計の近似誤差を示す特性図で
ある。

【符号の説明】

１光検出器２演算器３メモリ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象からの光の放射量を検出して検
出信号Ｖを出力する光検出手段と、上記検出信号Ｖが計
測対象の温度Ｔを基底とするＴのａ乗（０＜ａ＜１）の
関数として示される関係式に基づき、上記光検出手段か
らの検出信号Ｖより上記計測対象の温度Ｔを演算する演
算手段とを備えたことを特徴とする放射温度計。
【請求項２】計測対象からの光の放射量を検出して検
出信号Ｖを出力する光検出手段と、この光検出手段から
出力される上記検出信号Ｖと温度Ｔとの関係を示す変換
式【数１】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数に基づき、上記計測対象の温度を演算する演算手段とを
備えたことを特徴とする放射温度計。
【請求項３】計測対象からの光の放射量を検出して検
出信号Ｖを出力する光検出手段と、この光検出手段から
出力される上記検出信号Ｖと温度Ｔとの関係を示す関係
式【数２】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数に基づき、上記計測対象の温度を演算する演算手段とを
備えたことを特徴とする放射温度計。
【請求項４】計測対象からの光の放射量を検出して検
出信号Ｖを出力する光検出手段と、この光検出手段から
出力される上記検出信号Ｖと温度Ｔとの関係を示す関係
式【数３】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数に基づき、上記計測対象の温度を演算する演算手段とを
備えたことを特徴とする放射温度計。
【請求項５】計測対象からの光の放射量を検出して検
出信号Ｖを出力する光検出手段と、この光検出手段から
出力される上記検出信号Ｖと温度Ｔとの関係を示す関係
式【数４】ａ₁,ａ₂,ａ₃,ａ₄：定数に基づき、上記計測対象の温度を演算する演算手段とを
備えたことを特徴とする放射温度計。