JPS6014193Y2 - 金属の表面温度と放射率の同時測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、金属の表面温度と放射率の同時測定装置、特
に移動ないし静止した冷延鋼板等の、酸化膜のほとんど
ない、光沢のある、したがって低放射率かつ鏡面的反射
特性を有する金属の常温付近における表面温度と放射率
を同時に測定する装置に関するものである。

酸化膜の殆んどない金属光沢のある鋼材、例えば冷延鋼
板や亜鉛メッキ鋼板は鉄鋼の最終成品であり、従ってこ
れら成品製造プロセスの最終段階での品質等に関する各
種制御は極めて重要な意味を持っている。

例えば冷延鋼板の場合、焼鈍プロセスを経た鋼板の温度
制御は時効促進による材質劣化を防止するためや、該鋼
板温度が常温より過信、通商の場合に鋼板面に生ずる結
露や発錆を防止するために必要である。

またこのような温度制御は品質管理のみならず省エネル
ギの見地からも重要であって、例えば鋼板冷却のために
冷却ブロワ−を使用する際、適確な温度測定によって制
御すれば、ブロワ−稼動のために不必要なエネルギ消費
を無くすことができる。

このようなプロセスにおいて温度測定を実施することは
、上記のように多大の利点を有するものである。

しかるにこのような場合、温度測定に熱電対等による接
触式測温法は、通常適用し難い。

なぜならば、特に移動している測定対象に対して、検出
端を接触させることは一般に該測定対象の表面に傷を生
成させる原因となるからである。

したがって赤外線などの電磁波エネルギを検出して遠隔
的に測温する、放射測温による方法が適切な温度測定法
である。

ところで放射測温では、周囲環境からの放射エネルギ、
すなわち背光雑音を遮蔽し、かつ測定対象の放射率を正
しく補正しなければ正確な測温は不可能である。

酸化膜のほとんどない光沢のある金属面は、一般に低放
射率である。

たとえば冷延鋼板や亜鉛メッキ鋼板の赤外波長域におけ
る垂直放射率はＯ３１以下で極めて小さい。

このような金属の放射測温は反射率が非常に高いだけに
背光雑音を受けやすく、しかも低放射率であるから真の
情報である測定面自体からの放射エネルギは相対的に小
さい、したがって測温誤差は非常に大きいものになる。

常温付近における測温はこの問題が極度に顕在化する場
合であって、このとき僅かな放射率の変化も大きな測温
誤差をもたらすことになる。

本考案の目的は上記のように常温付近における光沢ある
金属の放射測温につきまとう極めて困難な問題点を克服
して放射率をも測定することによって、該金属の表面温
度を正確に測定する装置を提供することにある。

次に添付図面を参照しながら本考案を詳細に説明する。

第１図および第２図は酸化膜の殆んどない、光沢のある
金属面の反射特性すなわち鏡面性に関する実験例を示し
ている。

第１図はその測定装置を示したものであり、１は被測定
金属、２は黒体光源、３はレンズで黒体光源の開口２１
からの放射エネルギを測定金属１の面１１に、その法線
Ｎに対して８０°の角度で集光投射する。

該金属１の面１１の法線Ｎに対して、該黒体光源と同一
平面上に、かつ角度θ０の位置に放射温度計４を配する
。

黒体光源２からのエネルギを一定に保って、角θを可変
にして放射温度計４で検出した反射エネルギγ（θ）を
θ＝８０°のときの反射エネルギγ（８０’ ）で除し
て正規化し、その分布を求めたのが第２図である。

この図において入は検出波長を表わしており、図より明
らかなように検出波長大が１０／Ａｍ、のところでは該
測定金属面はきわめて鏡面的な反射特性を有することが
わかる。

この結果はノイズ除去に利用することができる。

即ち周囲環境からの背光雑音を除去するためには、放射
温度計４を該金属面法線Ｎに対して角度０をつけて設置
し、該法線に関して放射温度計４に対称的な位置に放射
吸収板を設けてやればよい。

このような構成によれば背光雑音が完全に遮蔽されるこ
とは、前記結果から容易に理解できる所である。

しかしながら放射吸収板それ自体からの放射エネルギは
、黒体光源２の場合と全く同様に、面１１で鏡面的反射
をして放射温度計４に入射してしまう。

しかも被測定金属１の放射率が未知の場合や温度、場所
などによって変化する場合には、両者のエネルギが重な
って測定されるため、真の温度測定は依然不可能である
。

しかるに、該測定金属面がきわめて鏡面的な反射特性を
有するということは、いま角度θ方向の放射率をＥθと
すれば、同じ角度θ方向の反射率γθは γθ：１−Ｅθ ・・・・・・（１
）となる性質を該金属面が有していることを意味する。

この事実を利用すれば、上述の背光雑音を遮蔽する基本
的な構成をもとにして、被測定金属の放射率が変化して
も、放射率も同時に測定して、該金属の表面温度を正し
く測定することができる。

次に本考案の測定原理を更に具体的に説明する。

第３図は第１図の構成において、黒体光源２の代りに放
射吸収板５を同じ位置に設置したものである。

放射吸収板５は近似的に黒体を実現するように製作して
おけば、その放射率は１．０であり、周囲からの入射エ
ネルギはすべて吸収してしまう。

黒体光源２本例では放射吸収板５を法線Ｎに対してθ＝
８０°の角位置に置くのは、この角範囲の金属１の放射
率が非常に高いためである。

即ち例えば冷延鋼板の法線方向の放射率をｔｏとし、角
θに対するＥθ／ Ｅ □を求めると第４図に示す如く
なり、θ＝７０°〜８５°にするとその方向の放射率ξ
θはθ＝０６つまり法線方向の放射率ｔ。

の数倍にすることができる。

この第３図の如き装置において、本考案では２度または
２種の測温を行なう。

いま放射吸収板５の温度を連続的に変化させるか、離散
的に設定するかして２つの異なる温度Ｔ２ｖ Ｔａを実
現したとする。

放射率ｔθの被測定金属１の温度をＴ□とすれば、放射
温度計４には温度Ｔ２．Ｔ３のそれぞれに対して下式で
表わされるＥ、、Ｅ２なるエネルギが入射される。

Ｅ１＝、θＥｂ（’ｒ□）十（１−ｔｏ） Ｅｂ （Ｔ
２）・・・・・・（２） Ｅ２＝ξθＥｂ （Ｔｔ）＋（１ｔｏ） Ｅｂ （Ｔａ
）・・・・・・（３） ここで、Ｅｂ （Ｔｉ） （１＝ １ ｔ ２または３
）は放射温度計４が受取る温度Ｔｉの黒体の放射エネル
ギを示す。

（２＋、 （３１式を辺々引けばΔＥ＝Ｅ２−Ｅ工＝（
１−ｔｆｌ） （Ｅｂ （Ｔａ） Ｅｂ （”２）） ・
・・・・・（４）となり、この（４）式より被測定金属
の放射率Ｅθは次式 で表わされる。

この（５）式でＥｂ （Ｔ２）、 Ｅｂ （Ｔａ）は既
知であり、ΔＥも放射温度計４の指示の差として測定で
きるので、結局放射率ξθは（５）式から算出できる。

このようにして求めた放射率Ｅ、θで（２）式を辺々割
れば、放射温度計４の演算出力Ｅ。

□を得る。

（６）式において右辺第１項が被測定金属１の温度Ｔ、
の信号であり第２項が変動分つまりノイズである。

この変動分を構成するξθは（５）式によって求められ
、Ｅｌ、（Ｔ２）も既知であるから、結局第２項は演算
によって求めることができる。

したがって（６）式のＥ。

１から右辺第２項分を差し引き、ノイズのない Ｅｏ＝ Ｅｂ （Ｔｔ） ・・
・・・・（７）を得ることができ、これによって被測定
金属の温度Ｔ１を正確に指示することができる。

上記測温法を実施する装置の概要を、第５図にブロック
ダイヤグラムで示す。

この第５図で２１．２２，２４，２５，２８は加算器ま
たは比較器、２３，２６．２７は割算器、２９は掛算器
である。

加算器２１は放射温度計が測定した前述のエネルギＥ１
．Ｅ２が入力されて、その差ΔＥ＝Ｅ２−Ｅ□を出力す
る。

加算器２２は前述のＥ。（Ｔ３）、 Ｅｂ （Ｔ２）を
基準値として入力され、その差Ｅｂ （Ｔ３）−Ｅｂ
（Ｔ２）を出力する。

割算器２３は、加算器２１．２２の各出力を入力され、
前者算器２４は基準値１と割算器２３の出力を入力され
、それらの差をとって（５）式にｌθを出力する。

加算器２５はこのＥθおよび基準値１を入力され、１−
ｔθを出力する。

割算器２７は加算器２る。

掛算器２９はこの出力と基準値Ｅｂ （Ｔ２）を割算器
２６は検出エネルギＥ□と加算器２４の出更に加算器２
８は割算器２６と掛算器２９の出力（Ｔ１）を出力する
。

次に前述のエネルギＥ１． Ｅ２を求める本考案装置を
説明する。

第６図は本考案の実施例を示し、１は前述の被測定金属
、１１はその被測温点、２ａ、２ｂは黒体光源であって
互いに異なる温度Ｔ、、 Ｔ３を持ち、該温度に対応す
る放射エネルギを放出する放射エネルギ源となると共に
、周囲の放射エネルギを放射温度計４に対して遮蔽する
放射吸収体ともなる。

３１．３２は固定反射鏡、３３は回転反射鏡である。

黒体光源２ａは反射鏡３２に、そして黒体光源２ｂは反
射鏡３１に対応しており、そしてこれらは被測温点１１
に立てた法線Ｎを含む２つの直交する平面３４．３５上
に配設される。

角度関係つまり、被測温点１１と黒体光源２ａ、２ｂ、
反射鏡３１．３２を結ぶ直線が法線Ｎとなす角θはいず
れも前述のようにθ＝７００〜８５°に選ばれる。

次にこの装置の動作を説明するに、回転反射鏡３３が実
線位置にある場合は黒体光源２ｂからの放射エネルギが
２ｂ−Ｎ−３１−３３の経路で、また被測温点１１から
の放射エネルギが１１−３１−３３の経路で同時に放射
温度計４に入力する。

従って該温度計は前記（３）式のＥ２：、θＥ。（Ｔｌ
）＋（１−ξθ） Ｅｌ、 （Ｔ３）なる放射エネルギ
Ｅ２を受け、それに対応した出力を生じる。

次に回転反射鏡３３が９０°回転して点線状態になると
、黒体光源２ａからの放射エネルギが２ａ−１１−３２
−３３の経路でまた被測温点１１からの放射エネルギが
１１−３２−３３の経路で放射温度計４に入力する。

従って該温度計は前記（２）式のＥ□＝ＥθＥｂ （Ｔ
ｉ）＋（１−ξθ） Ｅｂ （Ｔ２）なる放射エネルギ
Ｅ２を受け、それに対応した出力を生じる。

これらの出力は第５図に示した回路により処理されてＥ
。

＝Ｅｂ （Ｔｔ）を生じ、これより例えばウィーン（Ｗ
ｉｅｎ）の式 から被測温部１１の温度Ｔ１が求まる。

この測温装置では放射率の影響を受けない正確な測温が
可能になると共に構造も簡単である。

即ち２種の測温をするにもか）わらず放射温度計は１個
で済み、該２種の測温における被測温点は正確に同一箇
所であって位置ずれはなく、また可動部は回転反射鏡３
３のみであるから装置の構成が簡単で保守も容易である
。

以上詳細に説明したように本考案によれば簡単な装置で
、低放射率の金属表面の放射測温を極めて正確に行なう
ことができる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は光沢のある金属面の反射特性の試
験装置の説明図および試験結果を示すグラフ、第３図は
本考案の測温の原理説明図、第４図は放射率の角度依存
性を示すグラフ、第５図は測温装置の演算部のブロック
図、第６図は本考案の実施例を示す説明図である。 図面で１は金属、１１は被測温部、Ｎは法線、３４．３
５は平面、２ａ、２ｂは放射吸収体、３１．３２は反射
鏡、３３は回転反射鏡、４は放射温度計である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 金属表面の被測温部の法線を含み互いに交叉する第１お
   よび第２の平面上に、該被測温部と放射吸収体とを結ぶ
   線が該法線となす角を７５°〜８５゜になるようにして
   配置され、かつ互いに異なる温度を持つ第１および第２
   の該放射吸収体と、該第１、第２の平面上にモして該法
   線に関して放射吸収体とは逆側にかつ前記角度と同じ角
   度をなす位置に配設された第１、第２の反射鏡と、放射
   温度計、わよび該第１、第２の反射鏡からの放射エネル
   ギを時間的に切換えて該放射温度計に入力する回転反射
   鏡とを備えることを特徴とする金属の表面温度と放射率
   の同時測定装置。