JPS61217728A - 高温計 - 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】 例えば圧延器内の金属シートやビレットの表面温度測定
におけるような入射放射光を発散反射する高温不透明体
の表面温度を高精度に遠隔測定するために、本発明の原
理に基く高温放射測定技術が実用化されている。

この測定技術における正確な温度測定は、均一な製品を
得るための改良において極めて重要なものと理解されて
いる。鉄製のビレットは圧延ラインに入る前に加熱され
る。均一な製品を製造するために、ビレットは所定の温
度まで十分に加熱されねばならない。ビレットの温度が
所望の温度から変化した場合、変化に応じて加熱装置を
調整することかできる。被測定物の放射率が不確定なた
め、既知の遠隔測定装置は不精確なものとして知られて
いる。

本発明によれば、操作者がビレット温度を高精度に決定
でき、従ってビレット加熱を高精度に調整できると共に
製品の均一性を一層改善することができる。

絶対温度で零以上の温度の全ての物理的な物体は、次式
で示すプランクの式に従って広い波長範囲に亘る電磁放
射を放出する。

ここで、Ｌは選択した波長λにおけるスペクトル放射、
王は物体の温度、εは波長λにおける放射率、Ｃは真空
中での光速度、ｈはプランク定数、Ｋはボルツマン定数
である。

換言すれば、いかなる被測定物体に対しても複雑ではあ
るが、スペクトル放射、特定波長における放射率及び温
度の３個のパラメータから成る固定の関係が存在する。

放射率のパラメータは完全にまで理解されておらず又は
不正確な状態で理解されており、プランクの式を用いて
温度計算を正確に行なうことができない。

被測定物体に向けて特定波長の放射光を入射させこの放
射光の一部分を反射させた場合、この波長における物体
の放射率εと反射した相対放射γとの関係はキルフィホ
ッフの式でε−１−γのように規定される。

本発明の原理に従い、既知のキルフィホッフの関係を利
用して被測定物の放射率を直接測定する。

被測定物からの放射は別個に測定して決定する。

これらの測定を行なう場合にプランクの式を用いて被測
定物の温度を計算し、アナログ又はデジタル形態で表示
する。

更に、本測定装置はポータプル型の手持ち式であり、被
測定物体から離れた位置で測定を行なう。

本測定装置内で特定波長のレーザビームを発生させ、こ
のレーザビームを測定物に向けて放射する。

前述したようにレーザビームは被測定物で発散反射をお
こし、入射ビームによる反射放射光は半球状に散乱する
。

入射放射光によって生じた反射放射光の一部を本測定装
置で受光する。この反射放射光は、広く知られている放
射光の伝播特性に従って被測定物までの離間距離の２乗
に反比例する。更に、この反射光は、被測定物に入射す
るレーザ放射光量に直接比例する。このレーザ光量は発
生したビームのパワーレベルによって決定される。

被測定物自身が、レーザビームと同一波長成分のスペク
トル放射光を発生する。

測定装置で受光した被測定物自身の放射光成分は、入射
ビームにより生じた反射放射光成分とは別個に測定し、
被測定物放射の受光成分と単調に関連する第１の電気信
号を生成する。反射放射光成分と単調に関連し被測定物
と測定装置との間の距離について２乗反比例の法則に基
いて補正した第２の電気信号も生成する。レーザビーム
のパワーレベルは後述するように変化するので、ビーム
のパワーレベルに単調に関連する第３の電気信号も生成
する。

キイルフィホッフの式における反射による相対放射γ工
は、第２信号の第３信号に対する比として電気的に規定
され、キイルフィホッフの式に従って第２及び第３信号
と適切に応答するマイクロプロセッサにより放射率値が
計算される。次に、このマイクロプロセッサは計算した
放射率及びプランクの式に従う第１信号を用いて被測定
物の温度を計算する。

一旦測定装置を適切に較正すれば、このようにして計算
した温度は実際の温度と高精度に対応する。

前述したように第２信号は、２乗反比例の法則に基いて
補正され測定装置で受光した反射放射光成分に依存する
。このためこの部分を電気的に測定すると共に、被測定
物と測定装置との間の距離を光学的に測定する。この光
学測定を行ない電気的測定を変形して第２信号を生成す
る。

このように、本測定装置は電気的装置と光学的装置とを
組合せたものを利用している。

以下図面に基き本発明を説明する。第１の直径を有する
比較的短い第１前側中空円筒シリンダ５７を、断面が矩
形の一農長い第２の後側中空シリンダ１０２に端から端
に亘って軸線を一致させて連結する。これらシリンダは
高温計の主要ハウジングを構成している。

第２のシリンダ１０２は壁部のわずかに前側に位置する
円形開口１０４及び同一壁部のわずかに後側に位置する
別の円形開口１０６を有している。これら開口１０４及
び１０６の中心は、シリンダ１０２の長手軸線に平行な
共通ラインに沿っている。

シリンダ１０２は、前記壁部と対向する壁部に形成した
大きな矩形の開口１０８も有している。

開口１０４に連結したレンズ筒体８０は、この内に配置
した砒化ガリュームレーザダイオード２及びシリンダ１
０２の軸と直交する軸を有している。レンズ筒体８０内
にはコーリメータレンズ３７、ビーム発散レンズ８及び
フィルタ２１も配置する。検出器４０をレンズ筒体８０
の側部に配置する。フィルタ２１はレーザ放射光を透過
するが、レーザ波長付近の狭いスペクトル成分光以外の
入射する赤外放射光を遮断する。これより入射赤外光に
よってレーザが過度に加熱されるのを防止する。光検出
器（ダイオード）４０はレーザ光のうちの迷光を検出し
反射率測定を標準化するものとして射出レーザ光強度を
測定する。

開口１０６に連結したレンズ筒体８１も、この内に配置
した光検出器７及びシリンダ１０２の軸と直交する軸線
を有している。プリズム２８を用いて光路を曲げ、装置
の全長を短くする。ピンホール開口２９は、前側シリン
ダ５７の入射端に配置したレンズ４の焦点面に位置する
。このピンホールは、後述するように物体面の幾何学的
に対応する領域からの放射光を通過させる。フィルタ２
０により分離されているレンズ１１及び１２は、選択し
たスペクトル光（レーザ波長付近の波長光）だけを通過
させて光検出器７に入射させる。従って、大部分のスペ
クトル成分光はフィルタによって反射され又は吸収され
る。このように構成することによって迷光が抑制され、
ピンホール２９を通過した迷光の大部分が光検出器７に
入射しなくなる。ＬＥＤデジタル表示装ｊｉ１４３を正
立プリズムを介して観察視野内に突出させる。

ダイクロイックビームスプリッタ５及び６はシリンダ１
０２内で本質的に互いに直角をなし、シリンダ・１０２
の長手軸線に対して４５°及び１３５°の角度をそれぞ
れなしている。

取付部材１１２が開口１０８の上期でシリンダ１０２に
固定され、この取付部材１１２は開口１０８の中心に位
置する小さなプリズム２５及び２６を具える開口１０８
と平行な観察スクリーン１０を有している。

この取付部材１１２は接眼レンズ９を収納する直角部分
及びプリズム４４を載置させる部分を有している。

レンズ４を外周面にヘリカル溝５６を有するレンズ筒体
５５内に固定する。レンズ筒体５５は、その軸線をシリ
ンダ５７の軸線と一致して配置される。シリンダ５７は
、レンズ筒体５５内のスロット６７と係合するビン６０
を有している。回転可能な素子である焦点リング５８が
保持リング６３によりシリンダ５１の外周上に適切に保
持されており、この焦点リング５８はシリンダ５１内の
スロット６２を経てヘリカル溝５６内に嵌入するビン５
９を有している。リング５８を手動回転させると、レン
ズ筒体５５は固定されているシリンダ５７に対して共通
の軸線（シリンダ５７についても）に沿って前進又は優
遇する。

この焦点リング５８を回転させるとプリズム２５及び２
６が物体の隣接像部分を反対方向に偏向し、物体が焦点
からずれると引き裂かれたようなスプリット像が発生す
る。このスプリット像は、物体が合焦位置にあると消滅
する。これらプリズム２５及び２６は通常の観察方法の
範囲内で使用される。

ギイヤ６４を焦点リング５８に取り付け、リング５８の
回転をチンターン（ｔｅｎ　　ｔｕｒｎ）ポテンショメ
ータ６６を駆動する小径ギイヤ６５に伝達する。既知の
電圧をポテンショメータ６６の両端に印加し、この電圧
のうちポテンショメータの摺動子とポテンシャルの低い
側の端子との間に現われる電圧を焦点リング５８の角度
位置と線形に対応させる。

この結果、通常のカメラのファイダ内での調整によって
、物体が合焦状態にあるときの焦点リング５８の角度位
置から物体と本測定装置との間の距離が光学的に測定さ
れ、焦点リング５８とポテンショメータ６６との間をギ
イヤ連結することにより物体から本測定装置までの距離
と電気的に等価な電気信号を発生させることができる。

ダイクロイックビームスプリッタ５及び６を用いてレー
ザ伝送系の光軸、光検出器の受光系の光軸及び全ての系
に対して対物レンズとして作用するレンズ４を具える観
察系の光軸を重ね合せる。

本測定装置の操作は次の通りである。レーザダイオード
２からの放射光はレンズ３７、フィルタ２１及びレンズ
８を透過し、ダイクロイックビームスプリッタ５で偏向
し、レンズ４を透過して被測定物４７に入射する。出射
光の光路を符号１で示す。

符号３で示す反射した放射光の一部分は物体からの熱放
射光と共に対物レンズ４で集光され、共にビームスプリ
ッタ５及び６、プリズム２８、ピンホール２９、レンズ
１１、フィルタ２０及びレンズ１２を透過して光検出器
７に入射する。

同時に、被測定物４７の可視像はレンズ４及びビームス
プリッタ５を透過し、ビームスプリッタ６により観察ス
クリーン１０上に偏向され、接眼レンズ９を介して観察
することができる。

ビームスプリッタ５はレーザ放射光を反射し、被測定物
４７からの反射放射光及び可視光を透過する。このビー
ムスプリッタ５は、レーザ光を反射する材料でコートさ
れた中央細片を有する透明な矩形ガラスプレートとする
。この細片及びビームの幾何学的形態は、放射ビームが
ガラスプレートの非コート領域に入射しないように選択
する。被測定物に入射した放射ビームによって生じた被
測定物での反射放射光の一部分及び高温の被測定物から
放射した熱放射光はビームスプリッタ５の非コート領域
を通過する。被測定物からの可視光はビームスプリッタ
５の全領域を通過する。

ビームスプリッタ６は可視光を反射する既知の形式のも
のとし、共に赤外線領域の物体で反射したレーザ放射光
及び高温物体から放射した熱放射光を共に透過する。

物体４７の放射率を測定するために操作者は、まずはじ
めにスプリット像が潤滅するまで焦点リング５８を回転
して対物レンズ４を合焦させる。この操作によってポテ
ンショメータ６６の可動接片が適当に位置決めされる。

次に、トリガスイッチ１６を押す。この操作によりマイ
クロプロセッサ１５が作動し、レーザ電′ａ１８．５Ｖ
の電源４６及び増幅器電源１７（増幅器１３．１４及び
４１に電力を供給する）をオンさせ、これら全ては持ち
運び型高温計の主要電源であるバッテリ３６から電力を
取り出す。電源１７、１８及び４６をオン及びオフさせ
るタイミングはマイクロプロセッサ１５により制御され
る。

はじめに、レーザ２が作動する前に物体４７からの放射
光を、対物レンズ４及びビームスプリッタ５及び６を経
て光検出器７上に入射させる。これにより、この放射光
の強度に単調に依存する信号が生成され、次に増幅器１
３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器３１で測定されてマイクロ
プロセッサ１５に読み込まれる。増幅器１４は、レーザ
から放射され物体で反射した放射光が光検出器７に入射
したときだけ作動する同期式増幅器である。レーザ２は
、マイクロプロセッサ１５により発生したトリがパルス
列を介して作動する。

物体からの放射は本質的に一定であり、光検出器７の出
力に直流電流成分（ｄＱ）を発生させる。

パルス状のレーザビームの反射放射光により、光検出器
７にパルス状の電流成分が発生する。光検出器７と増幅
器１４との間にコンデンサを介挿して直流成分を阻止す
る。パルス電流成分は通過し、マイクロプロセッサの制
御によりこのパルス状電流成分が現われたときだけ導通
する増幅器１４に入力する。

被測定物で反射した放射光に単調に依存する信号が生成
され、Ａ／Ｄ変換器３１により読み出されてマイクロプ
ロセッサ１５に入力する。

電源４６からの固定電圧をポテンショメータ６６の両端
に印加する。この電圧の可動接片とグランドとの間に現
われる電圧成分はガウスのレンズ式により物体までの距
離に単調に対応し前述した反比例２乗則によって必要な
補正値を表わす。この部分電圧はマイクロプロセッサに
も供給される。

の距離りは、焦点面からの像距離×と関係する。

ｆはレンズ４の焦点距離である６×の値は第３信号Ｖ３
と線形に対応し、Ｘ　＝ａ　Ｖｓ　＋ｂで表わされる。

ここで、ａ及びｂはレンズのスタート位置、ヘリカル溝
５６のピッチ及びギイヤ６４及び６５のギイヤ比に依存
する定数である。

光検出器４０はレーザ２から放射した迷光のわずかな量
を検出する。レーザ出力は周囲温度やバッテリー電圧等
の変化によって変化するので、光検出器４０の出力はレ
ーザの出力パワーの変化に伴ない単調に変化するであろ
う。光検出器４０の出力は増幅器４１を経てマイクロプ
ロセッサ１５に入力し、ここで光伝播の反比例２乗則に
基いて補正した反射放射成分を表わす信号のレーザ出力
パワーを表わす信号に対する比を計算すると共に、キル
フイホッフの式に基いて被測定物の放射率を計算する。

被測定物のスペクトル放射値は、マイクロプロセッサ１
５によりすでに記憶されており、マイクロプロセッサは
プランクの式に基いて温度を計算する。

次にマイクロプロセッサはデジタル表示装置１９を作動
させて温度示度を表示する。

この操作を実行する前に本測定装置からの既知の距離及
び既知の温度において既知の放射率を有する物体を用い
て本測定装置を較正しなければならない。

第６図に電気系の詳細な構成を示す。

光検出器は直流出力及びパルス状出力を共に出力する。

直流成分は増幅器１３によって増幅されてからＡ／Ｄ変
換器３１に入力として供給される。パルス状成分はコン
デンサ１００及びパルス増幅器４５を通過した後サンプ
ルホールド増幅器１４に供給される。このサンプルホー
ルド増幅器１４はマイクロプロセッサ１５からの制御ラ
イン２０２を経て送出される適切な信号によってトリガ
される。増幅器１４の出力は増幅器４５から送出される
パルスのピーク電圧に等しく、この出力は第２人力とし
てＡ／Ｄ変換器３１に供給される。

光検出器４０の出力は増幅器４１で増幅され、第３入力
としてＡ／Ｄ変換器３１に供給される。更に、ポテンシ
ョメータ６６のアーム６７とグランドとの間に発生した
電圧を第３人力としてＡ／Ｄ変換器３１に供給する。Ａ
／Ｄ変換器３１のデジタル出力をライン２０４を経てマ
イクロプロセッサ１５に供給する。

アルゴリズム及び複数の表を有するファームウェアプロ
グラムを、マイクロプロセッサ系の制御の一部分を占め
る電子的にプログラム可能なＲＯＭ６８に記憶する。

レーザダイオード２を、バッテリ３６により順次出力す
るパルス型レーザ電源１８に接続する。、ＬＩ１１源１
８は、ライン２０Ｂを経てマイクロプロセッサ１５から
供給された信号によって作動するときだけバッテリー３
６からエネルギーが与えられる。

マイクロプロセッサ１５は、バッテリ３６に回路ユニッ
ト２０８を介して接続されている５ｖＮ源４６からエネ
ルギーを受ける。電源４６の出力は、ポテンショメータ
６６と同様にＤＣ／ＤＣ変換器１７（増幅器１３．１４
．１５及び４１を付勢するための±１５Ｖの電圧を生成
する）にも供給する。

ユニット２０８は論理制御電子スイッチである。

接触型手動スイッチ１６がオーブンしている場合ユニッ
ト２０ＢのトランジスタＴ１及びＴ２は非導通状態にあ
り、マイクロプロセッサ１５は作動せずバッテリ３６か
ら電流は流出しない。この時点ではスイッチ１６の接触
子はクローズしグランド及び抵抗２２０を介して電源４
６の出力端子に接続される。

オペレータの操作によって接触子Ｂがオーブンし接触子
Ａがクローズすると、抵抗１１０を介してトランジスタ
Ｔ１のベースが接地され、この結果このトランジスタＴ
１が導通状態に切り変わる。

この操作により電源４６を介してマイクロプロセッサ１
５に電力が供給される。オペレータがスイッチ１６をリ
リースすると接触子Ａがオーブンするが、マイクロプロ
はツサ１５がライン　１１６を介してトランジスタＴ２
を導通さ、せ、このトランジスタＴ２が次にトランジス
タＴ１を導通状態に維持する。

約０．２５秒の最初の期間中に、この装置は物体からの
熱放射を受ける。次に、マイクロプロセッサ１５からの
一連のパルスによって約０．５秒間隔のパルス状態にト
リガーされる。適切な計算を行なって示度温度をＬＥＤ
表示装置１９に表示した後、マイクロプロセッサ１５は
ライン１１６を介してトランジスタ丁２を非導通状態と
し、トランジスタＴ１も非導通状態とされ全ての電子回
路がオフする。

全ての電子装置は共通のグランド又は基準電位を有して
いる。

第６図に示す代表的な素子は次の通りである。

素子　　　型番（製造会社） ２　　　　ＬＤ６０　（ＭＡ／ＣＯＭ）７　　　５０８
２−４２０７（ヒユーレットパラカード）１３　　　０
ＰＡ１１１（バー・ブランラン）１４　　　８ＭＰ１０
（ＰＭＩ） １５　　　７８Ｃ○５　（ＮＥＣ） １６　　　　Ｅ９１３（スイッチクラフト）１７　　　
７８ＭＯ５，５Ｖ １８　　　　Ｌ０３Ｖ１０Ａ１５ＯＮＳ　（７ｔＯ／モ
ジール）１９　　　５０８２−７４１４（ヒユーレット
バラカード）３１　　　０８３８　（ナショナル） ３５　　　表示装置駆動回路ＩＣＭ７２１８（インター
シル〉４０　　　５０８２−４２０７（ヒユーレットパ
ラカード）４１　　　０ＰＡ１１１（バー・ブラウン）
４５　　　０Ｐ１７（ＰＭＩ） ４６　　５Ｖ−±１５Ｖコンバータ ６８　　　　ＮＭＣ９３０６（ナショナル）ＴＩ　　　
　ＴＩＰ１１５ Ｔ２　　　２Ｎ３７０４

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高温計の光学系及び電気系の一例
の構成を示す縮図、 第２図及び第２Ａ図は本発明による高温計の光学系の一
部分の構成を示す縮図、 第３図はハウジング及び一部の構成要素を断面で示す側
面図 第４図は第３図に示す構成の背面図、 第５図は第３図に示す構成の斜視図、 第６図は電気系の詳細な構成を示す回路図である。 １・・・入射光路　　　　　２・・・レーザダイオード
３・・・反射光路　　　　　４・・・対物レンズ５．６
・・・ダイクロイックビームスプリッタ７．４０・・・
光検出器　　　９・・・接眼レンズ１０・・・１１ｍス
クリーン　　１１．１２．３７・・・レンズ１３、１４
．４１・・・増幅器　　１５・・・マイクロプロセッサ
１６・・・トリがスイッチ　　１７．１８．４６・・・
電源１９・・・表示装置　　　　　２０．２１・・・フ
ィルタ２５、２６・・・プリズム　　　２８・・・プリ
ズム３１・・・Ａ／Ｄ変換器　　　４４・・・正立プリ
ズム３６・・・バッテリー　　　　５５．８０．８１・
・・レンズ筒体５７、　１０２・・・シリンダ　　５８
・・・焦点リング６４、６５・・・ギイヤ　　　　６６
・・・ポテンショメータ６７・・・可動接片　　　　１
１２・・・取付部材特許出願人　　　ファンタム・ロジ
ック・コーポレーション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放射を生ずるまでに加熱され発散反射する被測定物
   から離間して配置される高温計であって レーザビームを被測定物に向け、レーザビ ームにより被測定物に放出したエネルギー成分が反射し
   て高温計に戻るように位置決めしたレーザビーム発生装
   置（２）と、 高温計に到達する被測定物の放射成分に応 答し、この放射成分に単調に関連する第１の電気信号を
   生成すると共に、前記レーザビームの反射エネルギー成
   分に応答し、この反射エネルギー成分と単調に関連する
   第２の電気信号を生成する第１の光検出装置（７）と、
   被測定物と測定装置との間の距離を測定し、電圧調整装
   置（６４〜６７）を作動させて前記距離と単調に関連す
   る第３の電気信号を生成する視界ファインダ装置（４、
   ６、２５、２６、４４、９）と、 レーザビームに応答し、発生したレーザビ ームのパワーレベルと単調に関連する第４の電気信号を
   生成する第２の光検出装置（４０）と、 （ａ）前記第２及び第３の信号に応答し、第３の信号に
   基き前記距離について補正さ れた第２信号に単調に関連する第５番目 の値を第２及び第３信号から計算し、 （ｂ）前記第５番目の値及び第４の信号に応答し、第５
   番目の値の第４の信号に対す る比を計算し、 （ｃ）前記比から被測定物の放射率を計算し、（ｄ）前
   記第１の信号及び放射率に応答し、被測定物の表面温度
   を計算するマイクロ プロセッサ装置とを具えることを特徴と する高温計。 ２、前記マイクロプロセッサ装置がＡ／Ｄ変換器を有し
   、前記第１、第２、第３及び第４の信号がＡ／Ｄ変換器
   に供給され、Ａ／Ｄ変換器が前記マイクロプロセッサ装
   置に利用できる示度温度を有するように構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温計。 ３、更に、前記マイクロプロセッサ装置に結合され、計
   算した温度を表示する表示装置（４３）を具えることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の高温計。 ４、更に、プランクの式及びキルフィホッフの式に基い
   てデータを処理する順次の作業を記憶した読出し専用メ
   モリ（ＲＯＭ）を具え、このメモリが前記マイクロプロ
   セッサ装置の作業を支配するように構成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の高温計。 ５、前記第１の光検出装置が、直流電流成分及びパルス
   状成分を共に生ずるフォトダイオードと、フォトダイオ
   ードのパルス状成分に応答する増幅器と、パルス増幅器
   とサンプルホールド増幅器とを具えることを特徴とする
   特許請求の範囲４項記載の高温計。 ６、前記視界ファインダ装置には回転型合焦装置に連結
   された対物レンズ、スプリット像効果を生ずるプリズム
   、観察スクリーン及びポテンショメータが具えられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温計
   。 ７、前記第２光検出装置を別のフォトダイオードとした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高温計。