JPS59226836A - 放射温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、被測定物体から放射される光に１透過率が最
大値になる波長（以下、透過波長とする）の異なる複数
種類のフィルタを透過させ、各フィル、りを透過した光
をもとにして被測定物体の温度を求める放射温度計に関
するものである。

放射温度針は、非接触で被測定物体の温度を測定するこ
とができる利点を有することから、加熱された鉄鋼の温
度測定等に用いられている。

まず、このような放射温度計の原理について説明する。

物体が放射する分光放射輝度Ｌλ、Ｔは、物体の温度Ｔ
１物体の放射光が透過させられるフィルタの透過波長λ
および物体の放射率εに依存していて、ウィーンの公式
とブランクの公式を用いて次のような式で与えられる。

Ｃつ ここで、Ｃ１：　Ｌ１９０９６Ｘ１０−１６［Ｗ、ｍ２
］Ｃ２”　０．０１４３８８　　　ｒｍ−Ｋ〕物体の放
射光が透過させられたフィルタの透過波長をλ１．λ２
、透過波長λ１．λ２における物体の放射率をε１．ε
２とすると、各透過波長λ１．λ２と放射率εｌ、ε２
における分光放射輝度Ｌｌ、Ｌ２は、２ となる。（２）式を（！Ｉ）式で割ると、となり、この
式から温度Ｔを求めると、となる。この式が、分光放射
輝度ＩＪＩ　＋　”２を測定して温度を求める式である
。

一般には、放射率ε１．ε２は、波長、温度によって変
化するほかに、物体の表面酸化物、付着物等によっても
変わるため、求めることはむずかしい。

このことから、放射率ε１．ε２　は透過波長λｌ、λ
２によって変わらず、ε１＝ε２であるとみなす。この
ようにすると、（５）式は次式のようになる。

放射温度計のなかで、２種類の波長の光を用いて温度を
測定する２色温度計についての原理式が（６）式になる
。

次に、このような原理を応用した放射温度計の従来の構
成例を第１図に示す。ここでは、放射温度計のなかで２
色温度８１の場合について示している。

第１図において、１０は光取束部、２０け透過波長変換
手段例えばフィルタホイール、３ｏは検出部、４０は演
算部である。

光取束部１０では、被測定物体から放射された光を対物
レンズ１１で収束する。

フィルタホイール２０には、異なった透過波長λ１およ
びλ２のフィルタ２１１および２１２が取り付けられて
いて、モータ２２により回転させられる。フィルタホイ
ール２０の回転位置により、対物レンズ１１で収束され
た光は、フィルタ２１１と２１２を交互に透過させられ
る。

検出部３０において、３１け検出器であり、フィルタ２
１を透過した光を検出し、電気信号に変換して出力する
。３２は自動利得増幅器（以下、ＡＧＣ増幅器とする）
であシ、検出器３１がらの電気信号を増幅する。３３は
信号分離器であり、フィルタＨ，を透過した光に応じた
信号と、フィルタ２１２を透過した光に応じた信号を電
気信号ｖ１と■２に分離する。

これらの電気信号Ｖｌ　＋　ｖ２は、演算部４ｏに送ら
れる。

３４は同期信号発生器であυ、フィルタホイール２ｏに
近接して配置されていて、光を透過させているフィルタ
２１＋、２１□に対応した信号を信号分離器３３に送る
。

演算部４０において、電気信号ｖ１はゼロクランプ４１
に送られる。また、電気信号ｖ２はゼロクランプ４１と
比較増幅器４２に送られる。ゼロクランプ４１は、一定
温度以上に対応した信号が送られてきたところで、信号
を出力する。ゼロクランプ４１の出力信号は、増幅器４
３で増幅され、温度計の出力信号となる。比較増幅器４
２には、電気信号■２と基準電圧源４４の出力ｖｏが与
えられている。そして、比較増幅器４２の出力はＡＧＣ
増幅器３２に与えられていて、これによって電気信号ｖ
１が一定値■ｏになるようにＡＧＣ増幅器４２がゲイン
調整されている。

このような放射温度計の電気信号Ｖｌ　ａ　ｖ２は、次
のような式で与えられる。

ｖ１＝　Ｌ　（λ１　、　　Ｔ　）　Ｒｖｌ　ＱＩＪ４
　　　　　　　（７）ｖ２＝　Ｌ　（λ２．　　Ｔ　）
　Ｒｖｔ　Ｇｌ’２　　　　　　　（８）（７）式を（
８）式で割ると、 温度計の出力信号をＶｚとすると、ｖｘは電気信号ｖＩ
Ｋ比例していることから、 Ｖｘ＝＝　Ｋ　ｖ、　　　　　　　　　　　　　ａｌこ
こで、Ｋ：定数 となる。また、電気信号ｖ２は常に一定値になるように
基準電圧源４４の出力Ｖｏに制御されていることから、 Ｖｏ＝　ＫＶ２ となり、この式から となる。０１１式を６０式に代入すると、となり、この
式に（９）式を代入すると、となる。０３式で、Ｒｖｔ
　／Ｒｖ２１１４１／ｌＪ２およびＶｏは温度計固有の
値で定数とみなすことができる。ｔた、Ｌ（λｌ、Ｔ）
／Ｌ（λ２．Ｔ）は（４）弐に対応している。

このような放射温度計で、出力信号ＶＸが得られると、
（４）式のＬｌ／Ｌ２が求められる。ところが、放射率
６１．ε２は、求めることが困難である。このため、放
射率ａ１とε２が等しいとして、ａｌと８２が消去され
た（６）式を用いて被測定物体の測定温度を求める。以
下、測定温度を求める演算について説明する。

フィルタ２１１　、　２１２として、透過波長がλ１＝
０．７５　Ｘ　１０−６［：ｍ］、λ２＝Ｑ、８５　ｘ
　１ｏ−’　〔ｍ）のものを用い、被測定物体の放射率
をεｌ＝０．７　、ａ、、　＝＝　０．８に設定し、被
測定物体の温度を１ｏｏｏ　［’Ｋ）から１６００［Ｋ
］まで変えていくと、被測定物体の真の温度と放射温度
計が測定する温度との誤差は第２図のグラフに示すよう
Ｋなる。

第２図のグラフでは、横軸に真の温度Ｔ１縦軸に誤差温
度と誤差率をとっている。第２図のグラフにおいて、実
線は真の温度と放射温度計の測定温度の差すなわち誤差
温度であり、破線は誤差温度の真の温度に占める割合（
以下、誤差率とする）である。

第２図のグラフから明らかなように、放射率ε１と６２
に０．１というわずかな差があるだけで、被測定物体の
温度が１６００〔Ｋ〕で、測定温度の誤差は、約１４０
　［：ｔ；］　（誤差率約９％）にもなる。

このようなことから、被測定物体の放射率の変動により
、測定温度に大きな誤差が生じるという　、問題点があ
った。

本発明は上述したような問題点を除去するため罠なされ
たものであり、被測定物体の放射率が変動しても、測定
温度に生じる誤差が小さい放射温度計を提供することを
目的とする。

第３図は本発明にかかる放射温度計の一実施例の構成を
示した図であり、ここでは２色温度計の場合について示
している。第３図において、第１図と同一のものは同一
符号を付ける。

第３図において、５ｏは検出部、６ｏは演算手段である
。

検出器５１の出力信号は、増幅器５１で増幅されて信号
分離手段５２に送られる。信号分離手段５２は、フィル
タ２１１　を透過した光とフィルタ２１２を透過した光
について、それぞれ分光放射輝度り、とＬ２を求め、こ
れらの分光放射輝度Ｌ」とＬ２に応じた信号を分離して
出力する。同期信号発生器３４は、フィルタホイール２
０に近接して配置されていて、光の透過に使用している
フィルタ２＋１．　２１２に対応した信号を信号分離手
段５２１Ｃ送る。

演算手段６０は、信号分離手段５２から分光放射輝度Ｌ
１　＋　Ｌ２に応じた信号を受け、所定の演算方式に従
って被測定物体の測定温度を求める演算をする。

一般に、放射率６は、物体の物性、表面状態、温度、波
長等の関数になる。しかし、２色温度計に代表される多
色の放射温度計では、はぼ同時に同一の測定系で、複数
種類のフィルタを透過した光を用いて測定温度を求めて
いることから、物体の物性、表面状態および温度につい
ては同一条件と考えられ、放射率の透過波長への依存性
が、測定温度の大きな誤差要因になっている。

このようなことから、２種類の異なった透過波長のフィ
ルタを用いて温度測定を行なった場合における被測定物
体の放射率を、１個の未知数を有する波長の関数で近似
する。計算のしやすさを考慮して、放射率６を次のよう
な関数で近似する。

−αｆ（λ） ε−６０ ここで、α：未知数 以下、放射率の近似式の具体的な決定について説明する
。

放射温度計の測定温度をＴｍ七すると、分光放射輝度り
、、Ｌ２は、０３式とウィーンの公式を用いて、αとＴ
ｍを未知数として、１式と（１９式の連立方程式を解く
と、 ここで、（１［ｉ）式を用いて真の温度Ｔと測定（ｆＡ
　ｌｆｆ１　Ｔｒｎとの誤差を求める。

被測定物体の真の放射率を６１．ε２とすると、（２）
式と（３）式をｆＩＱ式に代入して、 ここで、誤差率は、 山、−Ｔｍ二　　　　　　　　　　　　　　　　任ｑＴ ただし、ΔＴ、：Ｔｍ−Ｔ となる。ａ１式にＱｌＯ式を代入すると、となる。ここ
で、 とすると、■式は、 となる。Ｑ方式とに）式において、Ａはε１．ε２の関
数であり、測定電圧の誤差の要因となる。したがって、
Ｂ＞Ａとなれば、誤差が小さくなることになる。このよ
うなことから、Ａ／Ｈについて検討をする。

となる。（ハ）式で、ｆ（λ）を次のような関数におい
てみる。

ｆ（λ）＝λｎ　　　　　　　　　　　　　　　（ハ）
ここで　ｎ：整数 （ホ）式をや４式に代入すると、 となる。ここで、λ２＝λ１＋Δλとして、この式をに
）式に代入し、１次近似をして整理すると、となる。

ここで、λｌ：ｏ、７５　Ｘ　１０″″’　［ｍ〕、λ
２　＝　０．８５　Ｘ　１０−’〔ｍ〕、Ｔ　＝　１６
ｏｏＣＫ：］　、Ｃ２＝　ｏ、ｏ１４ｓａａ［ｍ−Ｋ］
として、放射率について、ａｌ二０．４．ε２−０．９
５．６Ｉ：＝１］、９５゜ε２＝０．４およびεｌ＝ε
２＝０．４の３つの場合について検討する。

上記したような値を（ロ）式に代行し、グラフにすると
、第４図に示すようになる。

第４図のグラフでは、縦軸ＩＣＡ／Ｂをとシ、横軸Ｋ（
ハ）式における整数ｎをとっている。第４図のグラフに
おいて、曲ＩＪａ、ｂおよびＣは、放射率が、εｌ　＝
　０．４と６２＝０．９５、εｌ：０．９５とε２：０
．４および６１＝ε２＝［１，４の場合のグラフである
。

第４図のグラフから、ｎが犬きくなるにつれて、グラフ
ａとグラフＣが近づくため、Ａ／’Ｂは放射率の比ε１
／ε２の変動から受ける影響が小さくなる。

一方、グラフｂでは、ｎが大きくなると、Ａ／Ｂが大き
くなって測定温度の誤差が大きくなる。グラフｂすなわ
ち放射率がεに６２の場合の測定温度の誤差が大きくな
ると、放射温度計の長所が失なわれることＫなる。この
ようなことから、放射率が８に６２の場合の測定信号の
誤差が小さく、シかもＡ／Ｂが放射率の比ε１／ε２の
変動により受ける影響が小さくなるように、ｎ−２に設
定する。

以下、放射率８の近似式を用いで求めた測定温度の誤差
について説明する。

透過波長がλｌ、λ２のフィルタを透過した光について
の黒体放射輝度をＬλ、ｒＬλ２　とすると、ウィーン
の公式から、 Ｌｌ　＝　　ａＩＬ２．　　　　　　　　　　　　　　
　　ｅｌＪＬ２＝ｌ１２Ｌλ、　　　　　　　　　　　
　　　（コ）となる。

ここで、αｊ式と（イ）式およびｎ　＝　２から、放射
率εは次のような関数で近似される。

分光放射輝度Ｌ１＋Ｌ２と測定温度Ｔｒｒｌとの関係は
、次のようになる。

（３３）式と（３４）式の連立方和式を測定温度Ｔｍに
ついて解くと、 となる。（３５）式に（３ｏ）式と（３１）式を代入す
ると、となる。（３６）式に（２８）式と（２９）式を
代入して、となる。ここで、誤差率ΔＴ／’ｒは、ａ！
１式を用いて、となる。ここで、ε！＝γε２とおきか
えると、（４１８）式は、 となる。

ここで、フィルタの透過波長λＩ＝［］、７５　ｘ＋ｏ
　　（：＋ｎ＋）、λ２＝ｏ、ａｓ　ｘ　１ｏ−６［：
ｍ］　、一方の放射率ε２：：０．４　として、被測定
物体の温度Ｔを１０００　、１５００および１６００〔
ＩＯの５通りに設定する。このような条件のもとで、（
３９〕式の誤差率ΔＴ／Ｔと放射率の比γの関係をグラ
フにすると、第５図に示すようになる。

第５図のグラフでは、縦軸に誤差率ΔＴ／Ｔ　ｆ、とり
、横軸に放射率の比γをとっている。また、曲用ｄ。

ｅおよびｆは、温度Ｔを１６００　、１１０および１０
００〔ＩＯに設定したときのグラフである 従来の測定温度を求める演算づなわち放射率がε１＝６
２であるとして（６）式を用いて測定温度を求める演算
では、誤差率ΔγＴと放射率の比γの関係をグラフに示
すと第６図のようになる。

第６図のクラ７では、縦軸と横軸、透過波長λ１゜λ２
については、第５図のグラフと同一である。また、曲線
ｇ、ｈ、におよびｌは、温度Ｔを＋６ＱＯ。

１４００、１２００および１０００［ＩＣ］に設定した
ときのグラフである。

前述したように検出部５ｏで求めた分光放射輝度Ｌｌ　
、　ｔ、２をもとにして、（３５）式を用いて測定温度
Ｔｍを求める演算は、演算手段６ｏが行なう。

このような構成の放射温度計によれば、放射率εを透過
波長２の適切な関数洗近似して被測定物体の測定温度を
求めている。このため、第５図のグラフと第６図のグラ
フの比較に示すように、被測定物体の放射率が変動して
も、測定温度に生じる誤差を小さくすることができる。

なお、実施例では透過波長の異なる２種類のフィルタを
用い、放射率εｆｃ１個の未知数含有する関数で近似し
た場合について説明したが、これに限らず透過波長の異
なるＮ種類（Ｎは３以上の整数）のフィルタを用い、放
射率ａをＮ−ｊ個の未知数を有する関数で近似してもよ
い。

また、実施例では透過波長変換手段２０としてフィルタ
ホイールを用いた場合について説明したが、透過波長変
換手段２０としてはこれ以外のもの例えば透過波長が異
なるフィルタを固定配値しておき、変位可能なプリズム
によって光の進行方向を変え、各フィルタに交互に光を
入射させるようにしたもの等であってもよい。

また、実施例では検出器３１が１個設けられている場合
について説明したが、検出器３１はこれ以外の複数個だ
け設けられていてもよい。

また、実施例では放射温度計が２色温度計である場合に
ついて説明したが、放射温度計としてはこれ以外の複数
が類の波長の光を用いた多色温度計であってもよい。

以上説明したように本発明によれば、被測定物体の放射
率が変動しても、測定温度に生じる誤差が小さい放射温
度計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は放射温度計の従来の構成例を示した図、第２図
は第１図の放射温度計の誤差の温度特性を示したグラフ
、第３図は本発明にががる放射温度計の一実施例の構成
を示した図、第４図は放射率の近似式を求めるために用
いるグラフ、第５図は第３図の放射温度側により求めた
測定温度の誤差率と放射率の比の関係を示したグラフ、
第６図は従来の放射温度計により求めた測定温度の誤差
率と放射率の比の関係を示したグラフである。 ２１、２１．　、２１２　・・・フィルタ、６ｏ・・・
演算手段。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　被測定物体から放射された光に透過波長の異
   なるＮ個（Ｎは２以上の整数）のフィルタを透過させ、
   各フィルタを透過した光をもとＫして前記被測定物体の
   温度を求める放射温度計において、 前記各フィルタの透過波長に対応した前記被測定物体の
   放射率を、Ｎ−１個の未知数を有する透過波長の関数で
   それぞれ近似し、これらの近似した放射率を用いて、所
   定の演算式から被測定物体の温度を求める演算手段を具
   備したことを特徴とする放射温度計。
2. （２）　　前記演算式にウィーンの公式およびブランク
   の公式を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の放射温度計。