JPS60129625A - 光学式温度分布測定方法 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は光学式ｍ度分布測定方法、、に、係り、特に半
透明気体や半透明液体あるいは半透明固体を収容する容
器内の温度分布を簡易且つ迅速に遠隔測定し得る光学式
温度分布測定方法に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ ボイラー火炉や高炉等の高温炉内の温度測定方法には従
来、次の二つの方法がある。

第１の測定方法はサクションパイロメータによるもので
ある。こ、の方５法では、水冷ジャケット構造の金属、
パイプ製の支持棒内にその先端開口部付。

近に熱雷対の温接、点を設け、支持棒内に炉内ガスを吸
引して温度測定を行な、っている。支持棒は・その軸方
向に移動できるようになっており、支持棒・を移動して
その軸線、上の炉内温度分布を測る。

しかしながら、水冷ジャケラ小構造で低温状態にある支
持棒の鄭響を取り除き安定したデータを・得るためには
、１カ所の温度測定にもかなりの・時間にわたって炉内
ガスを吸引し続けなければならない。従って、この方法
は、急速な炉内温度、変動を測定することは不、可能で
あり、また実質的に１、点測定であって代表点を飛び飛
びに測定することしかできない。また支持棒を上下に傾
斜させたり、水平方向に旋回させたりすることができな
いので、炉内を豆体的、測定、６゜よ、熱、対や備えよ
支持棒を多数炉内に設置しなければならない、更に、炉
内ガスが腐蝕性を有する場合、あるいは振動、衝撃が激
しく熱雷対の支持が困難な場合にはこの方法を適用する
ことはできない。

第２の測定方法は、レーザーによる測定方法であり、コ
ヒーレントアンティストークスラマンシフト法と呼ばれ
ている。この方法は、２つの波長のレーザー光を測定点
に集中させて入射し、入射光に対して特定の方向にラマ
ン散乱する光から測定点の物質の組成と温度とを測るも
の゛で□ある。

しかしながら、この方法では次のような問題がある。ａ
〉火炉に設置できる窓の位置は限定されており、入射光
軸と散乱光軸の向きを任意に選定することができず測定
上制約が大きい。ｂ）この方法で実用化されている測定
規模は直径１１Ｉｌ程度までであり、火炉のように直径
１０ｍ以上に適合できる強力なレーザー光源はない。Ｃ
）ガス層はレーザー光を吸収したり散乱したりする成分
を多く含んでおりレーザー光の減衰が激しく、更にガス
層は大きな発光ガス体でその発光が大きな外乱ノイズと
なるので、強力なレーザー光源を必要とする。ｄ）レー
ザー光源と測光器の両システムを必要とすると共に入射
光路と散乱光路が存在するので、システムが複雑化し、
また得られるデータに入り込む外乱ファクターが多い。

以上従来にあっては炉内温度分布を瞬時に立体的に測定
する方法はなかったが、次の二つの面からこのような温
度測定方法が強く望まれていた。

１つには、炉の設計データを得るためである。

現在は炉壁近傍のデータをもとにして内部状況を推定し
ているが、炉内中心部がどのようになっているかわから
ない。このため、運転性能計算や構造計算において、ま
た公害防止対策において必要以上の安全を見込まなけれ
ばならない。これらの合理化は実ｍ設計の都度、試行錯
誤的になされる改良によるが、炉の安全上、工事の規模
上、小さな改良にとどまり、また工事頻度の少ないこと
もあって１０年単位で考えてもほとんど進展しないのが
実情である。

もう１つは、炉の運転制御のためである。バーナーのバ
ルブ操作や燃料の品種を一定にしても、炉内温度は定量
化が困難な現象により時々刻々変化している。そこで、
ボイラー火炉にあってはガス排出部温度をモニターしな
がらバーナの一間制御や付着灰を落す操作を行なってい
る。ガス排出部温度のモニターは、ボイラーの水に伝わ
った熱量を計算器により積算した積算値と燃料発熱ｌと
の差か′ら推定した温度によっている。□また、時゛□
々、炉・内中心部まで上記サクションパイロメータ法に
より熱雷対を差し込んで炉内温度をチェックしている゛
。しかし、これら現状技術では、迅速性に欠け、定常運
転状態には適合し得・る”が、過讃期や限界・運転状態
には対応罰きない。”即ち、□常時□モーターして迅速
な□処即がなされないと、点火時や限界負荷゛運転時に
おいて失火の危□険がある。しかちり今後は省エネルギ
ー運転を゛推進する上からも、きめ細かな操業制御が要
求されている。

５− ところが、炉内現象は、光伝播、伝熱、流れ、化学反応
といった個々にも解明の困難な現象が複合して複雑さを
増した現象で１−あるばかりでなく、炉壁への灰の付着
、バーナノズル部の変形といった定量化し難い゛現象を
伴なっている。このＩｃめ、炉内温度□を炉内現膚から
理論的に予測するのは困難であり、また、実験的にも相
似則がないので小型モデルでシミコレートしても実際の
炉とはかなり異な□っている。

［発明の目的１ 本発明は、半□透明物質を収容する火炉”等の容器にお
（辷て時々刻□々に変化する内部温度分布を測定し得、
的確できめの細かな温度制御に好適な光学式温度分布測
定方法′を提供する□ことを目□的とする。

また□本発明は′、光学式で非接触方式であって遠隔測
定ができると共に、容器内物質が高部、放射性あるいは
腐蝕性の気体や液体ある□い□は固体であっても測定可
能な光学式温度分布測定方法を提供することを目的とす
る。

更に本発明ば”、容器内・の乎透′明物質から”の熱放
６− 射による放射束を受光し、該放射束より温度をめるパッ
シブ測定方式であり、受光システムだけで足りシステム
の簡素化が図れると共に受光光軸の向きを変えることに
より容易に容器内温度分布を立体的に測定し得る光学式
温度分布測定方法を提供することを目的とする。

［発明の概要］ 上記目的は本発明によれば次の構成により達成される。

即ち、容器内の半透明物質からの熱放射による放射束を
受光し、受光した放射束を上記半透明物質の吸収特性が
波長によって変化する波長域にて少なくと、も２種類以
上の波長を選んで分光し、分光された放射束から各波長
ごとに上記半透明物質の輝度と輝度温度とをめ、得られ
た各波長での輝度温度と半透明物質の上記容器内、のモ
ル分率と半透明物質の所定状態での吸収特性値とから各
波長について半透明物質の吸収率が特定値となる層厚、
に対する吸収係数をめ、これらの、各波長についての吸
収係数と輝度とから上記容器内の温度分布をめるように
成したものである。

［発明の実施例］ まず、本発明の具体的実施例に先立ち、本発明の原理を
簡単に説明する。

物質の透過特性は光の波長に依存し、光の波長によって
透明になったり不透明になったりする。

透明な波長では遠方で発した光が観測者に届くが、不透
明な波長では至近距離からしか光が届かない。

湖の透明度を測定する場合、白板を湖に沈めてゆき、見
えなくなる点の深さから透明度を測定するが、白板が見
えなくなるときは、自板及ｑそれより水深の深いところ
からの光は見えず１．白板より浅いところの層の光だけ
が見えている。水の透明度が鼻いと深いところに沈めて
も白板を見ることができるが、透明度が悪いと浅いとこ
ろで白板は見えなくなる。こ、のように、透明度の良否
により白板の見えなくなる深さが変わる。換言すれば、
見える層の厚さが変る。

水の温度発光が目に見えるものと考えると、非常に透明
度の悪い水では表面層しか見えず表面の温度が測れるこ
とになり、透、明度をやや良くすると、もう少し深い層
までの温度が測れることになる。水の透明度は濁りに起
因するもの、、であるが、本発明では光の波長を切り替
えることでコントロー、ルしている。即ち、物質が不透
明から透明に遷移する波長領域で物質からの光を分光し
て測定すると、分光された夫々の６波長に応じた範朋内
３．の光が観測できることとなり、波長の切替が物質の
層厚に対応す、ることになる。従って、波長を切り替え
て表面層の温度及びそ、、、れより、やや深い層までの
温度をめると、表面層の影響を計算処、、理するこ。

とで表面層よりやや下層の温度が、算出、できるという
、ことになる。

以下には、本発明方法に用いて火炉１．内の、温、度分
布を測定する実施例につき説、明［３する。　、、　、
第１図は、本発明方法を実施す：るための測定、器の構
、成因を示す５もので１．この測牢器は、火炉１）１下
部に起設されたバーナ２を、燃、焼させた、とき、の火
炉１内の温度材布牽炉壁に設けた窓３を通して光学、的
に測、定しようとす、るもρである。

火炉１内は燃焼ガスとして、Ｃ０＋　、、　、１−１１
．．０ｌ−９＝ Ｎ＋　、Ｏ＋　、Ｇｏ、フライアッシュ、未燃成分等で
充満している。これ、らの成分の質量分布は分らないが
、分圧は炉内で均一であり且つ予め他の手段で分ってい
るものとする。

分光測光器４は、光スキャナ５と分光器６と光電変換器
７と力）らなり、光スキャナ５により１．Ｐ内、。

を光学的に操作し、分光器６により燃焼ガス成分の吸収
スペクトルに適合した波長の光を分光、、シ、。

分光された各波長ごとの光の強さを光電変轡器７．５、
により変換し、変換したディテクタ電気信、号Ｖλを計
算器８に入力するようになっている。　、光キ１７スナ
５は視野の狭い放射束１里の方、向を５変えて火炉１内
の測定しようとする一分を―、作すると共に、放射束ｆ
、！を放射束ｒ、ｌとして、分光器６に導くものである
。分光器、６は放射束ｆＩを分光し、波長別の放射、束
ｆ（とする。光電変換器７は波長別の放射束ｆ１をデ５
イテクタ電気信号Ｖλ。

に変換する。分光器６と光電変換器７とを、組み合わせ
たものは、一般に分光測光器と腎で知、ら、れている。

１０− 光電変換器７には、変換器を１ケ内蔵しているものと、
多数の変換素子を内蔵しているものとのいずれを使用し
てもよい。後者は多数の波長別の放射束「（を同時に電
気信号に変換するもので、波長操作を電気的に行ない得
る長所がある。また前者は、回折格子の傾きを変更した
り、エタロン隙間の光路長を変えたり、あるいはダイク
ロイックミラーの傾きを変えることにより波長を走査す
る。この場合不定常な炉内の状況変化に影響されないよ
うに走査する。例えば、４．１〜４．５μｍの波長域を
０．１秒で走査したり、何回も繰り返して測定して波長
別に平均値をとるようにする。多数の変換素子を内蔵す
る光電変換器は機構が複雑であるが、信頼性の高い光電
変換ができる。

計算器８は、後述する計算を行ない炉内の温度分布を算
出するもので、ディテクタ電気信号■λをデジタル化す
る機能及び計算結果９を出力する機能も含む。また計算
器８は炉１の操゛作系統１０に耐算結果９を送ることが
できるす 光スキャナ５の向いている位置情報は、□方位データ１
１として計算器８に入力される。また分光器６が設定し
ている分光波長は、波長データ１２として計算器８に入
力される。光スキャナ５の方向及び分光器６の波長別の
放射束ｆ１の選定の制御は、分光測光器４に組み込まれ
る制御系によるが、計算器８で直接制御するように構成
してもよい。

また、計算器８には、予め次の三つのデータ、即ち較正
データ１３と分圧データ１４と標準状態のデータ１５と
が入力されている゛。較正データ１３は、波長別に入射
する放射束ｔ３の強さとディテクタ電気信号Ｖλ　との
関係を較正するデータであり、事前に黒体炉の発光等を
利用して測定しておく、また分圧データ１４は火炉１内
の各ガス成分の分圧のデータである。更に標準状態のデ
ータ１５は、炉内燃焼ガスの分子の標準状態（温度２７
３．１６に、圧力１気圧）における吸収係数を決めるた
めのデータである。分子の吸収係数は、分子の振動や回
転に起因するもので、標準状態のデータは数多くの成分
につき広い範囲で既に知られている。

この測定力゛法の特徴は、燃焼ガス等の物質からの１度
発光を、その物質の吸収特性が異なる少なくとも２種類
以上の波長で測定し、各波長につき一方では□当価輝度
Ｌλ。□をめ、他方で吸収率へが特定値となる層厚Ｚｌ
１１を示す吸収係□数βλをめて、当価輝度′Ｌλ。と
βλ　との関数関門から容器内の温度分布をめ′ること
にある。また、この測定□方法の□特′黴とするところ
゛は、その測定′対象が広く以下に詳述するＣｏ２だけ
でなく、ｆ−１ｒ　”Ｏ、Ｃ０その他、標準状態のデー
タが分かつているものであれ□ば、どのよ′うなガス（
あする”いは液体や固体）にも適用□することができる
ことにある。

′次に本実施例の測゛定方法を第２図め計算処理フロー
に従って詳“述する。　□ 第２図において、まず、ステップ１６ではディテクタ電
気信号Ｖλ　と較正データ１′３をもとに測定した波長
毎に、分光輝度Ｌλ□、輝度温度Ｔλ及び当価輝度Ｌλ
　を算出する。　□ ディテクタ電気信号Ｖλ　は、波長によって変化１３− し、第３図に示すような曲線２１となる。第３図おいて
、横軸は波長λで、縦軸はディテクタ電気信号Ｖλ　の
電圧値である。測定波長は４．１〜４．５μｍであるが
、この波長域を選定したのは次の理由からである。

火炉の燃焼ガスは、Ｃ０＋　、ｆ−ｈ　０．Ｎ＋　。

０２、ＣＯ，フライアッシュ、未燃成分等を□含み、そ
れぞれの成分は光の波長に依存する吸収特性を有してい
る。また吸収特性は温度や圧力によっても変□化する。

Ｃｏｙには２．７μｍ　、４．３μｍ　、　１５μ拍に
吸収帯があり、このうち４．３μｍの吸収は非常に強い
。また４、３μｍ（及び１５μｍ）の００２の吸収帯で
は１−ｈｏは透明であり、Ｈ２Ｏの影響は無視でき、実
質□的にＣＯＩだけとして計算でき゛る。（なお、Ｈ＋
’Ｏの影響がある場合でも、Ｃ０１の吸収係数にＨ＋Ｏ
の吸収係数を算術加算゛するだけでよ□く、その他のデ
ータ処理はＣＯＩだけの場合ど同じである）また゛、４
．３μｍ吸収バンド□のＣＯｔの吸収の強さは、燃焼゛
ガス組成濃度及び火炉のサイズによく適合しているり即
ち、代表的１４− な燃焼ガスとしてＣＯｌの分圧が０．１５気圧、温度１
０００℃とし、炉の半径を１５ｍとすると、炉壁がら炉
中心まで約１メートルメツシュで炉内を測定することが
できる。これに対し、ｃｏ＋の他の波長域、あるいは卜
１ｙＯの吸収帯では、最もよく吸収する波長でも炉内は
透明であり、窓３と対向する反対側の炉壁からの光を測
ってしまうことになる。更に、４．３μｍの波長は１０
００℃の黒体の分光放射発散度の極大を与える波長に近
く、波長の変化に対する光の強さが少なく且つ強い光を
発するので、安定した効率の良い測定ができるからであ
る。

第３図の曲線２１に示ずように、ディテクタ電気信号Ｖ
Ｆ　は波長４．２５μｍ近傍で深い谷を描いている。波
長λが４．２μｍより短い領域でのディテクタ電気信号
Ｖλは、Ｃｏｔの発光でなく炉内部のフライアッシュの
発光に依るもので本計算には関係ない。４．２５μｍの
波長ではＣＯｓの吸収は非常に強く、ディテクタ電圧は
炉壁から３０ｃｎ＋と離れない薄いガス層の発光による
もので、それより奥の炉１内部の光は窓３には届かない
。それ故、曲線２１から炉壁近傍の温度が低く炉内部の
温度が高いことが直観的に判断できる。　各波長λにつ
いてのディテクタ電気信号Ｖλ　と較正データ１３の値
Ｇλ　とから測定された分光輝度り、［Ｗ・ｍ　ステラ
ジアン　］は次式でまる。

Ｌλ：Ｇλ・Ｖλ　・°旧・・・直１）また、ｐ　１ａ
ｎｃｋの熱輻射の式は、但し、Ｃｉ　＝　１．１９１８
１１　Ｘ　１０−１６［Ｗ−ｎ＋２　・ステラジアン　
］ Ｃ＋　＝　０．０１４３８７８６　［ｍ　−ｄｅｏ　］
となる。

従って、式（１）と式（２）とから波長λでの輝度温度
Ｔλがまる。

また、輝度温度Ｔλ　にある物質の波長λ０　で発光す
る輝度を当価輝度Ｌλ０と名付ける。当価輝度り、。は
式（２）で温度Ｔλ　、波長λ。における分光輝度り、
の値である。

次に、ステップ１７では、測定した波長ごとに分子の標
準状態のデータ１５をもとにして輝度温度Ｔ７９分圧Ｐ
Ｍ（分圧データ１４から）の状態におけるＣＯｌの吸収
率を計算し、吸収率が特定値０．５となる層厚７ｍ′＆
示す吸収係数β２　を算出する。

波長λを変えると、光の透過する層（燃焼ガス層）の厚
さが変り、また層の平均□的な温度である輝度温度Ｔλ
　も変る。輝度温度Ｔλの変化は層内のＣＯｌの密度と
Ｃｏｔ分子１個の吸収特性を変えるので、Ｔλの変化は
層の吸収率を著しく変える。

そこで、まず吸収率の算出方法について述べる。

分子の吸収ラインは、圧力が１０ミリバール以下では分
子運動、によるドツプラー分布が支配し、ドツプラー分
布をする。これに対し、圧力が１０ミリバールより高く
なってくると、分子の相互衝突の効果が支配的となり、
分子の吸収ラインはローレ１７− ンツ分布となる。火炉内はほぼ大気圧であるから、以下
ではローレンツ分布のみについて説明する。

ローレンツ分布における吸収係数Ｋａ　（ν）は、光の
周波数をν、中心周波数をν。とすると次式％式％ 但し、πは円周率、Ｓは吸収ラインの強さ、αはローレ
ンツ分布の半値幅 吸収係数Ｋａ　（ν）は第４図のごとき分布となる。

半値幅αは、温度や圧力により変化し、ローレンツブロ
ードニングとして知られ、次の関係がある。

□ Ｐは全圧、下は温度で、α。、　Ｐｏ　、　Ｔｏ　はそ
１８− れぞれα、Ｐ、、Ｔの標準状態における値である。

分子の吸収は、分子自身の直線振動と回転振動に起因す
るものであり、直線振動をベースに多数の回転振動が連
成し、僅かな周波数間隔（１を隔てて多数の吸収ライン
が飛び飛びに表われて１つの吸収バンドを形成している
。

吸収物質の密度をρ、距離を７、光路長さをρとすると
、吸収係数が上記Ｋａ　（ν）であるから、周波数幅Δ
νにおける１本の吸収ラインによる吸収率Ａは、 となる。

第５図に吸収率Ａの分布を示す。第５図において、曲線
２２で示す吸収は弱い吸収と呼ばれる。

弱い吸収は、圧力が大気圧程度に高く隣り合った吸収ラ
インが重なり合う場合や、吸収の強さＳや密度ρが小さ
い場合の吸収である。一方、曲線２３で示ず吸収は強い
吸収といわれ、吸収率が１に近づき飽和している。強い
吸収は、圧力が低くてそれぞれの吸収ラインが独立し、
吸収の強さや密度が大きい場合の吸収である。

実際のガスの吸収は、多数の同じ形をした吸収ラインが
狭い周波数間隔ｄで並んだ状態とみなすことができ、強
い吸収、弱い吸収に依らず、一般式として式（５）は弐
Ｇ）で与えられる。

ここにす、Ｙはそれぞれ なるパラメータであり、また、■ｏ　は第３種ベッセル
関数の虚数部の関数である。ｂは隣り合うスペクトルラ
インのオーバーラツプの程度を示すパラメータであり、
パラメータＹ中の甲はで与えられ、里は吸収ピークの強
さを示すパラ、メータである。

なお、（９）式のＷは吸収物質の量である。

式［８）を式（７）及び式（９）を用いて書き換えると
、となる。

また、圧力Ｐ１温度Ｔにおけるパラメータｂの値は、式
（４）と式（７）から得られる次式により計算できる。

定数である。また式０Ｏに含まれる　７　［ａｔｌｌｌ
　・Ｃ１１］は、波長ごとに不変の定数である。Ｃｏｔ
に対するこれらの定数は、次の第１表に示す通り２１− である（第１表中Ｅの次の数は１０の指数で、たとえば
Ｅ−０１は１０　を表わす）。第１表の値は標準状態の
データ１５として計算器８に入力しておく。

二２２− なお、炉内のような大気圧状態では弱い吸収となり、こ
の場合、式［Ｆ］）の吸収率△は次式で近似できる。

Ａ　＝　１−　ｅ−”　＝−１，−０（１２）光軸上の
温度分布をめるために、本発明では吸収率が特定の値に
達する層厚Ｚｒｎを定義する。

本実施例では吸収率が０．５となる層厚とする。これは
光が届く層の中心とみなせる距離である。

（吸収率は０．５でなくとも定数であればよい）層厚Ｚ
ｍの位置と、層の平均的な値、即ち当価輝度Ｌλ。ど輝
度温度Ｔλ　を関係づけ、位置の変化に伴なう層の平均
的な値の変化の関数関係を調べて、牟スキャナ５が操作
する光軸上の各位置の温度を決定するのが以後の課題で
ある。

次に層厚Ｚｍとこれ【、こ対応する吸収係数βλ　をめ
る。層の輝度温度Ｔλ　と分圧データ１４のうち！内圧
力と標準状態のデータ１５のうち安値（第１表）とを式
（１１）に代入し、パラメータｂ今求める。式［Ｆ］）
は強い吸収にも弱い吸収にも適用でき△とＹどｂの関係
を表わす式であり、式［Ｆ］）を用いて、Ａ−０，５と
なるときのＹとｌ）の関係を第６図に示す。第６図から
、上記得られたｂの値に対（るＹがまる。次いで、この
Ｙの値と標準状態のデータ１５のうちＳ／ｄの値（第１
表）とを式（ＩＱに代入すると、吸収物質の量ｗ［ａｔ
ＩＩｌ−ｃｍｌがまる。このＷの値はＰ。＝　１　、　
Ｔ（、＝　２７３．１６Ｋに対する値である。炉内状態
に換算した層厚Ｚｍ［ｍ］は輝度温度Ｔ２　と分圧デー
タ１４のうちＣＯ＋の値Ｐｃｏ　とを用いて、次式から
まる。

また、層厚Ｚｍを示ず吸収係数βλと吸収率Ａ（＝　０
．５）との関係を式（］２）の形に合わせて次のように
定義する。

Ｑ、　５−１−　ｅ−β２ｍ７．．．　、、曲（”′）
式（１４）より吸収係数βλ　を算出する。

ステップ１８では、各波長ごとに得られた吸収係数βλ
　と当価輝度Ｌλ。との関数関係をめる。

第７図には吸収係数βλ　と当価輝度Ｆｏとの関係を近
似する曲線２４を示す。曲線２４は各波長についてステ
ップ１６で得られた当価輝度Ｌλ。とステップ１７で得
られた吸収係数βλとを第４図のグラフ上にプロットし
、これらプロットされた各点に基づき描いたものである
。ステップ１８では、吸収係数βλと当価輝度Ｌλ０と
の関係を近似する近似関数を 、とお、き、各波長λについてのβノ　とＬλ０の鰺出
値から未定定数ｐ、　、　ｑ　、　ｒを決定し、βλ　
とＬλ。

との間の近似関数をめている。近似関数を雰（Ｉｓ）の
ような関数形と、したのは、後述する位、＠ｚ１温度Ｔ
の黒色物体の波長λ。での分光輝度Ｍλ０（し、、ｏ、
、／βλ、をラプラス逆変換したもの）が、。

Ｍ、１゜＝Ｐ　（’１−ｅ＝ｚ）　十ｒ　”　’　”　
（Ｉａ）の関数形で近似できると考えたからである。

次にステップ１９では、上記ステップ１８で得２５− られた近似関係から光スキャナ５が走査する炉１内の光
軸上の各位置の温度を算出する。

光軸上Ｚにおける層厚ｄＺのガスの温度をＴ１波長λで
の吸収係数をβλ、温度下の黒色物体の波長λ。の分光
輝度をＭλ。とする。波長λの輝度を波珠λ０の当価輝
度に換算すると、層厚ｄＺのガスの当価輝度は Ｍλ０βλ　ｄｚ である。位置Ｚｈ）ら観測点（Ｚ＝Ｏ）までの波長λの
光の透過率は、 ８〜ｌβλｄＺ である。従って、光軸上の全ての発光のうち波長λで観
測さ咋る輝度を当価輝度に換算すると次式吸収係数βλ
　は波長λの変化により１０倍以上にも変化するが、位
置Ｚに対してはあまり変化しない。またβλはガス濃度
に比例する。市い換えれ２６一 ば吸収係数βλ　は温度に反比例する。従って吸収係数
βλは、波長と温度によって変化するといえる。

ところが、波長λで決まる層厚Ｚｌ１１で代表される層
の内部においては、層の平均温度である輝度温度Ｔλ　
と局所温度Ｔとの差異はわずかである。

例えば、炉壁近傍で急激に温度が下がる場合を考えてみ
る。非常に吸収の強い波長では温度勾配の大きな炉壁近
傍の薄いガス層を測るが、このとき対応する輝度温度Ｔ
λ　も炉壁近傍のガス層の平均温度となっているので、
輝度温度Ｔλ　と局所温度Ｔとの差はわずかである。一
方、吸収が弱く層厚１ｍが大きい波長では炉壁近傍と炉
心側とで温度が異なり、従って吸収係数βλ　にもかな
り差があるが、式（１６）の積分において温度勾配が大
きくβ。

が急激に変化する区間は全積分区間に比し、わずかであ
り、その影響は少なく層内を一定の平均的な輝度温度Ｔ
、と考えても問題がない、従って、ある一定の波長λで
決まる層厚Ｚｍで代表される層内そは、βＡ　は定数と
見なし得る。

２７一 式（１６）は波長λを一定に保ち、Ｚに関して積分づる
のであるから、βλ　を定数として扱うことができ、式
（１６）は次のように書き直せる。

上式（１７）は、Ｚ空間に分布するＭ２Ｏをラプラス変
換するとり、。／β、になることを示している。従って
、Ｌ　／β　をβ、の関数で表わしてラプラス逆変換を
行なえば、Ｍλ。がＺの関数としてまる。　ステップ１
８において当価輝度Ｌλ。がβλのみの近似関数式（１
５）としてまっているので、ステップ１９ではこれｉ基
づきＬ２ｏ＃ｌ、をラプラス逆変換してＭ２Ｏを２の関
数として表わし、各位置Ｚに対して分光輝度Ｍ　２ｏの
値を出す、波長λで測定された輝度［λを特定の波長λ
。に換算して当価輝鹸り、。で表現したのは次の理由に
よる。即ち、輝度Ｌλ　のままにしておくと、Ｌ、　／
βλ　に変数λが入ることとなりβ、とλとの関係を配
慮する必要がでてくるが、Ｌλ。／βλ　ではそのよう
）必２８− 要がなく、ラプラス逆変換が容易に実行できるからであ
る。

更に、ステップ１９では、各位置Ｚでの分光輝度Ｍ、。

をＰ　１ａｎｃｋの輻射式を用いて温度に換算し、炉内
の温度分布を得る。第８図は、第７図に対する温度分布
を示すもので教る。第′８図の横軸は窓３からの距離Ｚ
、縦軸は距離Ｚにおけ委炉１内めローカル温度Ｔである
。

もしも、第７図で当価一度Ｌλ。と吸収係数β。

との関係を曲線２４に変えて直線で近似すると、分光輝
度Ｍλ。、ローカル温度Ｔはステップ関数になる。Ｌλ
０とβλ　との近似関係を式（１５）の関数で得るため
には、未定定数り、Ｑ、ｒを決定すべく第７図の座標上
に少なくとも異なる３′点を必要とする。また！−λ。

とβλ　との間を直線近似づ“るときには第７図の座標
上に少なくとも、２つの点があればよい。　従って、こ
の計算力の特徴として、温度分布をめるためには最小限
、吸収係数βλ　が貝掘る値を与える２種類め波長で測
定する必要があ番。とのようにラプラス変換法を用いる
と、測定　２９− 波長の数が少なくて済むという長所がある。なお、実際
にボイラー用火炉に本計算法を適用したところ、近似関
数式（１５）（第７図の曲線２４）で充分によく近似で
きることが確認されている。

最侵に、ステップ２０では、上記ステップ１９で算出さ
れた炉内温度Ｔの計算結果の収束状況をチェックし、良
ければ終了とし、悪ければ始めに炉内温度として仮定し
た輝度調度Ｔλ　に修正を加えて再計算を行なう。

計算器８は温度分布の計算結果９を操作系統１０に出力
する。操作系統１０は、この得られた温度分布に基づき
、バーナ２の燃焼調整、火炉１の内壁面に付着□した灰
の吹き落しＪあ゛るいは火炉１の貴簡装置の負荷調整な
どの制御をする。

なお、上記実施例では、本発明を火”炉に適用した場合
につき述べたが、被測定物たる半透明物質の分光吸収特
性がわかるものであれば、どのようなものに対しても容
易に適用することができる。

例えば、高渇水蒸気に対しては波長１．０μｍ近傍に数
多くの吸収バンドをもち、またこれらの波長３０− の光は光ファイバーを透過する。従って、高温水蒸気の
湿度発光を光ファイバーで遠方に、導いて分光測定し、
温度分布をめることができる。また、上記実施例では、
半透明気体の温度測定を行なったが、溶融ガラス等の半
透明液体の温度分布測定にも本発明を適用することがで
きる。なお、この場合、半透明液体が多成分の混合物で
あるときには、各成分のモル分率（上記実施例では分圧
）を知る必要がある。なお、１成分からなる容器内の温
度分布は上記実施例の特別な場合であり、より容易に温
度分布をめることができる。

［発明の効果１ 以上要するに本発明によれば次のような優れた効果を発
揮することができる。

（１）　半透明物質を収容する容器内における温度分布
を迅速に測定することができる。このため、従来測定不
可能であった火炉内等の変動の激しい内部温度分布を測
定し得、的確で細かな湿度制御を実現し得る。

（２）　光学式温度測定であり、遠隔測定が可能である
と共に、被測定対象たる容器内の半透明物質とは非接触
に測定を行なうことができるので、高温、放射性、腐蝕
性等の物質を収容する容器内の温度測定ができる。

（３）　容器内の半透明物質からの熱放射を受【ノ、こ
れを分光測光して温度分布をめるパッシブ測定方式であ
るため、投光システムを必要とせず受光システムだけで
足り、システムの簡素化が図れる。また受光光軸の向き
を変えるだけで何らの制約なしに容易に容器内温ｉを立
体的に測定できる。更に、従来の熱電対を用いたサクシ
ョンパイロメータ法あような、大型の装置設置架台、広
い設置スペースがほとんど不要となる。

（４）　測定装置としては既存のものを使用して容易に
構成することができ、安価に実施することができ、有用
性に富む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための測定システムの一
実施例を示す概略構成図、第２図は同測定システムにお
ける計算処理フローを示す図、第３図は分光測光器から
計算器に入力されるディテクタ電気信号の一実施例を示
すグラフ、第４図、第５図は分子の吸収特性の説明図、
第６図はパラメータｂとパラメータＹとの関係を示すグ
ラフ、第７図は当価輝度と吸収係数との関係を示すグラ
フ、第８図は炉内温度分布の測定、結果を示すグラフで
ある。 図中、１は火炉（容器）、２はバーナ、３は窓、４は分
光測光器、５は光キャスナ、６は分光器゛、７は光電変
換器、８は計算器、’　ｉ　’ｏは操作系統、１１は方
位データ１．１２は波長データ、１３は較正データ、１
４は分店データ（：容器内のモル分率）、１５は標準状
態のデータ（半透明物質の所定状態での吸収特性値）　
、ｆ　１．　、ｆ　ｌ、　ｆ　ｓは放射束、Ｖ」　はデ
ィテクタ電気信号、Ｔλ　は輝度温度、Ｌ、ｔ。 は当価輝度、βλは吸収係数である。 特許出願人　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理士　
絹　谷　信　雄 ３３− 〔△ｕＬＪＹＡを岩届心ｈｕで Ｉｔ−”ｓ）　”’ｌ　ｉｍｐ）ｑ ｏｌ）工＄９’ｉ　１Ｌｇ−Ｑ ′ｃＣＮ ｑ　６−メ４゜＼ｔ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 容器内の半透明物質からの熱放則による。放射束を学究
   し、受光した放射束、を上記半透、明物質の吸収、特性
   が波長により変化する波長域に、て少なくとも２呻類以
   上の波長を選んで分光し、分光された放射束から各波長
   ごとに上記半透明物質の輝度と輝度温度とをめ、得られ
   た各波長ごとの輝５度、１温度８と上記１半透明、、４
   物質の上記、容器内の、モル分率、、と半、透、明物質
   、、の所定状・態で、の吸収時、性値、とから各波、長
   、について、半、透、、明物声：、の吸収率。 が、特寓値と、なる層厚に対す、る吸収係、数をめ１、
   こ、れらの各、波長、、についての吸、収係、数と、輝
   度とか、ら、Ｆ記容器、内の温度４分布をめることを特
   徴と。 、ツる光学式温度分布測定、方法。、。