JPS6014192Y2

JPS6014192Y2 - 炉内物体の表面温度測定装置

Info

Publication number: JPS6014192Y2
Application number: JP1978080108U
Authority: JP
Inventors: 徹井内; 哲郎河村
Original assignee: 新日本製鐵株式会社
Priority date: 1978-06-12
Filing date: 1978-06-12
Publication date: 1985-05-07
Also published as: JPS54180784U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、連続焼鈍炉等の工業用炉において、鋼板その
他炉内において加熱される物体の表面温度を正確に測定
する装置に関するものである。

工業炉内において静止又は走行状態で加熱され物体の表
面温度を測定するには、非接触で測温可能な放射温度計
が好都合であり、実際多くの分野で使用されている。

しかしながら、炉内においては炉壁や熱源からの放射エ
ネルギーが放射温度計に対する大きな外乱となるので、
この外乱を遮蔽しなければ正確な測温は不可能である。

また測定物体の放射率が変動するとき、放射温度計によ
る測温（以下放射測温と称す）は同様に大きな誤差を生
じることは周知のことである。

炉内における放射測温は上記２つの問題を合わせもって
いるために、事実上意味のない測温をしている場合も多
くみられるところである。

特に測定物体が薄板や厚板のような鋼板の場合、炉内で
加熱されるにつれて該鋼板の表面は還元雰囲気ガスの４
以外ではしだいに酸化されてゆき、したがって該鋼板の
放射率はそれに伴なって大きく変化するために、放射測
温は大きな誤差を生じ、実質的に不可能となる。

本考案者は炉内において生ずるこのような放射測温の問
題点を克服し、正確な放射測温を可能ならしめる測温方
法を開発し、出願した（特願昭５２−１５３４４７号）
。

この測温方法では黒体放射源を用い、該放射源により外
乱となる炉壁や熱源からの放射エネルギを遮蔽または吸
収し、また２種の温度での測温により測定物体の放射率
をも測定して正確な表面温度測定を可能にする。

しかし２種の温度での測温を迅速に行なうためには異な
る温度の２つの黒体放射源を用いる、または１つの黒体
放射源を用いて該放射源を水冷した遮蔽板で開閉するな
どの手段が必要になるが、前者の場合には炉内物体の被
測温点の位置がずれる、また後者の場合には炉内に冷却
水を導入したりするのは厄介である等の問題がある。

それ数本考案は、２種の温度での測温における被測温点
の位置ずれがなく又は可及的に小さく、また測温装置の
炉内部分に冷却水を導入する必要はなく、しかも該部分
は可動部を持たなくて保守等が容易である実用的なかつ
高精度の測温装置を提供しようとするものである。

次に、前記特許出願でも説明したが、先ず本考案装置の
測温原理を説明し、次いで本考案装置の構造および動作
を説明する。

第１図および第２図は、鋼板面の反射特性すなわち反射
に対する鏡面性に関する実験例を示している。

第１図はその測定装置の概略を示したものであり、１は
測定鋼板、２は黒体放射源、３はレンズで黒体放射源２
の開口２１からの放射エネルギを測定鋼板１の面１１に
、その法線Ｎに対してθｉの角度で集光投射する。

該測定鋼板１の面法線Ｎに対して該黒体放射源と同一平
面上にかつ角度θ。

の位置に、放射温度計４を配する。黒体放射源２からの
放射エネルギを一定に保って、角θ。

を順次変化させて該放射温度計で検出した反射エネルギ
γ（θ０）をθ。

＝０１＝７０°のときの反射エネルギγ（７０°）で除
算して正規化し、その角度分布を求めたのが第２図であ
る。

第２図において、λは検出対象となった放射線（以下検
出放射線という）の波長を表わしており、同一の測定鋼
板に対しては放射エネルギの波長が長いほど、鏡面的な
反射特性を示すことが明らかである。

勿論、測定鋼板の種類が変ると、これらの曲線の形状（
拡がり）が変化する。

この鏡面的な反射特性を利用すれば炉内における放射温
度で第１の問題である炉壁や熱源からの放射エネルギの
外乱を効果的に遮蔽することが可能である。

すなわち該放射温度計４を該測定鋼板面法線Ｎに対して
角度θの方向に設置し、該法線Ｎに関して温度計４と鏡
面対称的な方向に即ち角度θの位置に黒体放射源２を設
け、該測定鋼板１が充分に鏡面的反射特性をもつように
該放射温度計４の検出放射線の波長を選択すれば、放射
温度計４に入射する放射エネルギは黒体放射源２からの
ものと測定鋼板からのもののみとなり、炉壁や炉熱源か
らの放射エネルギは黒体放射源により遮蔽または吸収さ
れて入射せず、こうして上記放射エネルギの外乱は完全
に除去される。

放射温度計４には黒体放射源２から放射されるエネルギ
のうち該測定鋼板１の面１１で鏡面反射した成分が入射
し、そして測定鋼板１が鏡面的反射特性を有するとき、
該鋼板１の面の法線Ｎに対して角度θ方向の放射率をＥ
θとすれば、同じ角度θ方向の放射率γθは γθ＝１−ξθ ・・・・・・（１）
となる性質を有している。

この性質を利用すると、炉内における放射測温での第２
の問題点である測定鋼板の放射率の変化は、放射率も同
時に測定して、修正を行なうことにより測定鋼板の表面
温度を正しく測定することができる。

こうして上記の構成により炉内における放射測温の２つ
の大きな問題点は克服することができる。

第３図はか）る測定の具体例を示し２は黒体放射源であ
って炉内設置の観点から黒鉛あるいはアルミナで作り、
そして円筒直径をＤ１開口面２１から底面２２までの長
さをＬとしたときＬ／ＤＩＩ２となるように製作すれ
ば、黒体放射源として実用的に充分な性能を有すること
ができる。

すなわち黒体放射源の実効放射率Ｅ、は０．９８以上と
することができる。

当然のことながら該黒体放射源２はその内壁が一様な温
度になるように周囲から加熱することが必要である。

炉内においてはもともと高温雰囲気となっているので、
内壁温度を炉内雰囲気温度より若干高目に設定すること
は技術的に容易に実現することができる。

このようにして製作配置した黒体放射源２は実用充分な
精度で炉壁や熱源から入射する放射エネルギを全て遮蔽
または吸収してしまい、かつ黒体放射源の内壁温度Ｔに
対応した黒体放射エネルギＥｂＴを放射する。

２３は該黒体放射源２の加熱ヒータで、２４はその外側
周面を包む断熱材である。

該黒体放射源２の内壁温度は測定鋼板１の測定用放射温
度計４と並列的に設置した別の放射温度計５によって制
御される。

すなわち該放射温度計５を直接該黒体放射源２の開口２
１に向けて設置して黒体放射源２の放射エネルギを検出
し、その検出値に従って加熱ヒータ２３に加える電流を
制御して、該黒体放射源２の内壁温度Ｔを制御する。

これら２つの放射温度計４および５は必ずしも炉内に挿
入する必要はなく、保守管理上炉外に設置してその視野
が両端開口管６，７を通してそれぞれ適確に保たれるよ
うにしてもよい。

なおこの図で８および９はそれぞれ炉周囲壁および熱源
である。

この装置では放射温度計４で検出される放射エネルギＥ
□は次式のように示すことができる。

Ｅｌ：ｆθＥｂ（Ｔｔ）＋（１ｔ＃）Ｅｂ（Ｔ
２）・・・・・・（２）（２）式でＥθは測定鋼板の放射率で、第３図のように
、角度θ方向からみたときの値である。

Ｔ１．Ｔ２はそれぞれ該測定鋼板１、該黒体放射源２の
温度を表わし、Ｅ、（’ｒ）は温度Ｔの黒体放射エネ
ルギで該放射温度計４による検出値を表わす。

（２）式の右辺第１項は該測定鋼板１自体からの放射エ
ネルギ値、第２項は該黒体放射源２からの放射エネルギ
のうち該測定鋼板１で反射して該放射温度計４で検出さ
れる値である。

ところで黒体放射源２の温度Ｔ２は放射温度計５によっ
て直接測定されているので、その温度Ｔ２に対応する、
放射温度計４による検出値即ち検出されるべき放射エネ
ルギＥｌ、（Ｔ２）は直ちに求められる（放射率はは＞
１であるから）。

しかしながら（２）式はＥθ、Ｔ□の２つの未知数を含
んでいるので、（２）式を解くにはこれら２つの未知数
を含むもう１つの情報が必要である。

これを実現するために該黒体放射源２の温度をＴ３にす
る。

このとき該放射温度計４で検出される値Ｅ２は（２）式
と同様にＥ２：ｆθ・Ｅｂ（Ｔ□）＋（１−ｔｏ）・
Ｅｂ（Ｔ３）・・・・・・（３）となる。

（２）式と（３）式より該測定鋼板の放射率Ｅθはで求められる。

またこのＥθを用いて（２）式より測定鋼板１の放射エ
ネルギＥｂ（Ｔ□）をとして得ることができる。

（５）式の右辺はいずれも測定値か又はそれから得られ
る計算値であるから左辺が計算できる。

したがって該測定鋼板１の表面温度Ｔ□が逆算して求め
られる。

たとえば、ウィーンの式から求められる。

ところでこの黒体放射源２の温度をＴ２とＴ３にするに
は加熱ヒータ２３により加熱度を変えることが考えられ
るが、これには所定の時間がか）す、測定鋼板１が移動
している場合には異なった２点を測温することになり、
誤差が大になる。

これを避けるには第４図に示すように温度Ｔ２．Ｔ３の
２つの黒体放射源２ａｔ２ｂとそれらに対向する２つの
放射温度計４ａ、４ｂを用いることが考えられるが、こ
れでは部品数が２倍になり、また第４図ａの方式では２
組の測定装置の間隔だけ測温点にずれが生じる。

放射温度計を１つにするには第５図に示すように、２つ
の黒体放射源２ａ。

２ｂをレール３１に沿って矢印Ｆ方向に移動させ、これ
らが順次放射温度計４と対向するようにすることが考え
られるが、炉内に放射温度計移動機構を設置するのは厄
介である。

また第６図に示すように黒体放射源２の前に、吸収率の
大きい従って放射率の大きい黒色塗料を塗布した水冷遮
蔽板２６を置き、これをモータ２８で回転させて該放射
源を隠蔽、露出させることも考えられる。

該遮蔽板２６で放射源２を覆った場合の該放射源からの
放射エネルギＥｂ（Ｔ２）は零と見做すことができ、従
って前記（３）式はＥ１＝ＥθＥｂ（Ｔ□）となり、こ
れと前記（２）式からやはりＥθおよびＴ１を求めるこ
とができる。

しかしこの方法では遮蔽板２６に回転軸２７等を介して
給水せねばならず、漏水などを考えると問題がある。

本考案はか）る点を改善し、構造が比較的簡単であり、
炉内可動部を持たず、漏水の恐れがなく、同一点もしく
ははＳ゛同一点の測温が可能である炉内物体の放射測温
装置を得ようとするものである。

次に実施例を参照しながらこれを詳細に説明する。

第７図および第８図は本考案の第１の実施例の概略側面
図および平面図を示す。

２ａ、２ｂは温度Ｔ２．Ｔ３の黒体放射源であり、炉８
内に置かれ、測定鋼板１の被測温点Ｐに立てた法線に対
して角θをなしかつ相互は角αをなすように配置される
。

８ａ、８ｂは黒体放射源２ａ、２ｂからの放射エネルギ
の反射経路の炉壁通過部に設けられた透過窓であり、放
射線の波長に対応してその材質を選定するが、例えば石
英、フッ化カルシウム、ゲルマニウムで作る。

この反射経路の延長に固定反射鏡８１．８２が設けられ
、更にこの反射鏡で反射した放射エネルギの経路に回転
反射鏡８３が設けられ、該反射鏡８３を介してＰｂＳな
どを赤外線検出素子を備える放射温度計４が放射エネル
ギを受ける。

即ち黒体放射源２ａからの放射エネルギは２ａ、Ｐ、８
ａ、８１，８３の経路で、また黒体放射源２ｂからの放
射エネルギは２ｂ。

Ｐ、８ｂ、８２、および点線状態に９０６回転した反射
鏡８３の経路で放射温度計４に入射する。

被測温点Ｐからの放射エネルギもＰｇ８ａｔ８１
ｅ８３およびＰ、８ｂ、８２．８３の経路で放射温度計
４に入射する。

図から明らかなように温度Ｔ２．Ｔ３での測温は測定鋼
板１の同一点Ｐについて行なわれ、放射温度計は１つで
済み、炉内に可動部を設ける必要がない。

反射鏡８３は回転するが、これは小型軽量でよく、従っ
て動作速度を充分高めることができる。

第９図は本考案の他の実施例を示す。

本例では黒体放射源を２ａｖ２ｂの２個設け、放射温度
計４は１個とする点は前記実施例と同様であるが、本例
では測定鋼板１の２点Ｐ□？Ｐ２で反射した黒体放射
源２ａ、２ｂからの放射線が炉壁に設けた共通の透過窓
８ａを通って回転反射鏡８１に入射し、そこで反射して
放射温度計４に入射するような角度βに設置する。

被測温点Ｐ１．Ｐ２に立てた法線に対する黒体放射源２
ａ、２ｂのなす角は前記と同様にθである。

本例では温度Ｔ２．Ｔ３での被測温点はＰ２．Ｐ３と２
点になるが第４図ａと比較すれば両点間の間隔は小さく
、モして炉壁に設ける放射線透過窓８ａが１個で済むと
いう大きな利点がある。

反射鏡８１等は例えばガラス基板の表面を金または銀メ
ッキして用いるが、塵埃による反射率変化を回避する等
の目的で放射温度計４と共に全体をケース８４で密閉す
るが、透過窓Ｈａｓ反射鏡８１が１つでよいと、このケ
ース８４を小型に構成することができる。

第１０図に測温回路の構成を示す。

回転反射鏡８３の回転位置は黒体放射源２ａ、２ｂを選
択するから、同期信号発生回路１０１は該反射鏡の回転
位置に応じて該選択信号φ１．φ２を出力する。

放射温度計４の出力は増幅器１０２で増幅されたのちサ
ンプルホールド回路１０３，１０４に導かれ、選択信号
φ１．φ２によりサンプルされて前記（２）式および（
３）式で表わされる放射エネルギＥ１．Ｅ２が該回路に
ホールドされる。

黒体放射源２ａ、２ｂの温度Ｔ２．Ｔ３は既知の一定
値になるように自動調整してもよいが、変動しても測温
には支障はないから炉温と同程度またはそれより若干高
め、例えば炉温が４００’Ｃなら一方は５００℃、他方
は６００℃程度になるように自然放置しておいてもよく
、この方が装置が簡単になる。

勿論正確な温度値は知る必要があるので熱電対その他の
適当な温度測定手段１０５，１０６により測温し、更に
変換回路１０７，１０８により黒体放射エネルギＥｂ
（Ｔ２）、Ｅｂ（Ｔ３）に変換する。

これらの出力Ｅ□とＥ２．Ｅｂ（Ｔ２）とＥｂ（Ｔ’
ｓ）は減算回路１０９．１１０で引算し、除算回路１１
１で割算し、更に減算回路１１２で基準信号発生回路１
１３からの１と引算し、こうして前記（４）式の演算を
行なって放射率ξ（θ）を得る。

この放射率Ｅ（θ）は表示器１２０で表示すると共に基
準信号発生回路１１３からの１を入力される減算回路１
１４で引算されて１−Ｅ（θ）を作り、これは乗算回路
１１５で掛算されて（ｌｔ＆）Ｅｂ（Ｔ２）
を作り、減算回路１１６でサンプルホールド回路１０３
からのＥ工と引算されて（５）式から明らかなようにｔ
Ｅｂ（’ｒｔ）を作り、更に除算回路１１７で減算
回路１１２からの放射率Ｅ（θ）で割算され、放射エネ
ルギＥｂ（Ｔｔ）を生じる。

これは変換回路１１８で変換されて温度Ｔ１１となり、
表示器９に表示される。

以上詳細に説明したように本考案によれば構造簡単、保
守容易、精度大などの点で優れた実用性の高い炉内物体
の放射測温装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は放射線の反射特性を説明する装置
説明図およびグラフ、第３図は本考案の原理図、第４図
〜第６図は各部の配置例の説明図、第７図、第８図およ
び第９図は本考案の第１および第２の実施例を示す説明
図、第１０図は測温回路の構成を示すブロック図である
。図面で１は炉内物体、ｐ、ｐ□、Ｐ２は測温点、２ａ
ｔ２ｂは黒体放射源、８ａｖ８ｂは透過窓、８は炉壁、
４は放射温度計、８１〜８３は反射鏡である。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

（１）炉内物体表面の同−測温点又はその近傍を狙うよ
うに固定され異なる温度を持つ２個の黒体放射源と、炉
壁に取付けられモして該黒体放射源から放出され前記測
温点で反射した放射線および該測温点から放出された放
射線を通す透過窓と、炉外に設けられた共通の放射温度
計および該透過窓からの放射線を該共通の放射温度計へ
導く反射鏡とを備えることを特徴とする炉内物体の表面
温度測定装置。
（２）炉壁に取付けた透過窓が黒体放射源に対応して２
個設けられ、また炉外に設けられた反射鏡が２個の固定
反射鏡および１個の回転数射鏡からなることを特徴とす
る実用新案登録請求の範囲第１項記載の炉内物体の表面
温度測定装置。
（３）炉壁に取付けた透過窓が各黒体放射源に共通の１
個であり、また炉外に取付けられた反射鏡が各黒体放射
源に共通の回転反射鏡１個であることを特徴とする実用
新案登録請求の範囲第１項記載の炉内物体の表面温度測
定装置。