JPS6139604B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、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方法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
る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衆知のことである。炉内にお
ける放射測温は上記２つの問題を合わせもつてい
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炉以外
ではしだいに酸化されてゆき、したがつて該鋼板
の放射率はそれに伴なつ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。

本発明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
しめたものである。すなわち、外乱となる炉壁や
熱源からの放射エネルギを遮蔽し、かつ測定物体
の放射率をも測定して常に正確な表面温度を測定
する方法を提供するものである。次に添付図面を
参照しながら本発明を詳細に説明する。

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θｏ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つて、角θ
ｏ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（θｏ）をθｏ＝θｉ＝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は検出対象となつた放射線（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
る放射測温で第１の問題点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
遮蔽されて（それ以外の経路のものは測定鋼板の
鏡面性および放射温度計の視野制限手段などによ
り阻止されて放射温度計４には入らない）入射せ
ず、こうして上記放射エネルギの外乱は完全に遮
蔽される。

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ε〓とすれば、同じ角
度θ方向の反射率γ〓は γ〓＝１−ε〓 ……(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。

次に本発明の測定方法の具体的な説明をする。
第３図は第１図の構成において、黒体放射源２と
して円筒型のものを配置したものである。該円筒
型黒体放射源２は例えば黒鉛あるいはアルミナ製
等であることが炉内設置の観点から好ましく、そ
して円筒直径をＤ、開口面２１から底面２２まで
の長さをＬとしたときＬ／Ｄ２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εａ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
つているので、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は実用上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Eb（Ｔ）を放射する。２３は該黒体放射源
２の加熱ヒータで、２４はその外側周囲を包む断
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によつて制御される。すなわち該
放射温度計５を直接該黒体放射源２の開口２１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、その検出値に従つて加熱ヒータ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。

第３図の装置において該放射温度計４の検出放
射線の波長域は、測定対象の鋼板表面の反射特性
が鏡面的な反射特性を示すような波長域を選択す
ることが本発明の重要な要点である。鏡面性は波
長λに従つて第２図に示すように変り、そしてこ
の第２図それ自身も測定鋼板の種類に従つて変
る。この鏡面性、第２図で言えば特性曲線のピー
クの鋭さは測定誤差の程度を示しているから、こ
れが許容できる程度であればよい。具体的には第
２図の反射強度分布を測定し、ピーク値に対して
1/50以下の放射エネルギ強度になる拡がり角Δθ
を求め、このΔθが５゜以下になる波長範囲の放
射線を検出対象とすれば、測定誤差は許容範囲内
（１％以下）となる。またこの場合、黒体放射源
の開口面径Ｄの寸法は、測定物体が完全鏡面であ
る場合に必要な開口面径D₀の10倍程度でよい。
その理由はたとえば、放射温度計には距離係数Ｆ
なるものが定義されており、これは直径D₀mmφ
の測定面全域を距離Ｌmm離れた地点より測定する
場合、これらの間には Ｆ・D₀＝Ｌ なる関係が存在する。すなわちＦ＝100の放射温
度計をＬ＝1000mmに設置するとD₀＝10mmφとな
る。従つてこの寸法の10倍はＤ＝100mmφである
から、黒体放射源の開口面はこの程度の寸法で充
分であるからである。検出放射源の波長域の選定
は、あらかじめ測定対象のサンプルの第２図に示
す如き反射特性を検出波長を変えて実験室におい
て調べておき、そのデータから選択するようにす
ればよい。具体例として測定鋼板が冷延鋼板や珪
素鋼板のとき波長λ＝２μｍ以上の長波長で実用
上充分鏡面的反射特性が得られ、またステンレス
鋼板、亜鉛メツキ鋼板ではλ＝１μｍ以上、熱延
鋼板ではλ＝３μｍ以上、厚板鋼板ではλ＝８μ
ｍ以上の長波長域のとき充分な鏡面性が得られ
る。検出放射線の波長を前記のように制限するに
は、放射線検出素子の感度特性が所望波長でピー
クを持つものを用いるか、及び又は放射温度計に
フイルタを設ける等の方法をとればよい。なお、
黒体放射源２の温度制御用の放射温度計５の検出
素子の波長特性は、任意でよい。

次に本発明の測温および放射率測定の原理を説
明する。本発明では、放射温度計４で検出される
放射エネルギE₁は次式のように示すことができ
る。

E₁＝ε〓Eb（T₁）＋（１−ε〓）Eb（T₂）
……(2) (2)式でε〓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、Eb（Ｔ）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によつて直接測定
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Eb（T₂）は直ちに求められる（放射率は
ほゞ１であるから）。しかしながら(2)式はε〓，
T₁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＝ε〓×Eb（T₁）＋（１−ε〓）・Eb（T₃）
……(3) となる。(2)式と(3)式より該測定鋼板の放射率ε〓
は ε〓＝１−Ｅ_２−Ｅ_１／Ｅｂ（Ｔ_３）−Ｅｂ（Ｔ_２）
……(4) で求められる。またこのε〓を用いて(2)式より測
定鋼板１の放射エネルギEb（T₁）を Eb（T₁）＝Ｅ_１／ε〓−１−ε〓／ε〓Eb（T₂）……
(5) 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。したがつて該測定鋼板１の表
面温度T₁が逆算して求められる。たとえば、プ
ランクの式 から求められる。

本発明の要点は、炉壁や熱源からの外乱放射エ
ネルギを遮蔽するために黒体放射源と放射温度計
を測定鋼板面の法線に対して互いに鏡面対称的に
なるように角度をつけて配置し、該黒体放射源か
らの放射エネルギだけが該測定鋼板自体からの放
射エネルギ以外の検出エネルギとして該放射温度
計に入射するように、該放射温度計の検出放射線
の波長帯を選択したことにある。すなわち該測定
鋼板面が鏡面的反射特性を示すような波長帯の利
用である。このような検出放射線の選択と装置構
成によつて外乱放射エネルギを遮蔽するのみなら
ず、該測定鋼板の放射率が変化しても常に適確に
その放射率をも測定することによつて補正し、正
確な温度を測定することができる。

前記の(2)式において温度T₂をT₁に比べて充分
に低くしてEb（T₂）≒０にすると右辺第２項は省
略でき、(4)，(5)式はεθ＝１−（E₂−E₁）／Eb
（T₃），Eb（T₁）＝E₁／εθとなつて簡単にな
る。かゝる測定を行なう装置を第７図に示す。こ
の装置で４１は水冷遮蔽板でモータ４２により回
転され、黒体放射源２の開口２１を反復隠蔽、露
出する。開口２１が露出すると放射温度計４側か
ら見た黒体放射源２の温度はヒータ２３により定
まるある温度であるが、隠蔽されると水冷遮蔽板
４１の温度となりEb（T₂）≒０と見做すことがで
きる。なおこの第７図では放射温度計５は黒体放
射源２の後に設けられており、背面２５の温度を
測温する。勿論これは第３図の放射温度計５と同
じ働きをする。

第４図および第５図は本発明の効果を適確に実
証する実験データである。まず第４図は本発明の
装置を炉外において構成し、測定鋼板の温度を
200〜600℃まで加熱昇温させていつたときの、該
鋼板の放射率を本発明の方法によつて求めたもの
（横軸）と、該鋼板面に熱電対を溶着して鋼板温
度を測定し、その温度に対応する黒体放射エネル
ギと放射温度計による検出エネルギの比較から放
射率を求めたもの（縦軸）をプロツトしたもので
ある。図から明らかなように両者は非常によく一
致している。このことは本発明の方法による放射
率の求め方が合理的であることを示している。な
お第４図において●（黒印）は冷延鋼板、〇（白
印）はステンレス鋼板のサンプルである。放射温
度計と黒体放射源が測定鋼板面の法線と互いに鏡
面対称をなす角度はθ＝70゜、放射温度計の検出
素子の波長域は５μｍ付近のものを使用した。

第５図は、第４図の実験に使用した測温装置を
第６図に示すように炉壁を700℃に加熱した炉内
に挿入して、冷延鋼板およびステンレス鋼板１を
200〜600℃まで昇温させたときの、本発明による
鋼板の温度指示と、鋼板に溶着した熱電対３１に
よる温度指示をプロツトしたものである。第５図
から明らかなように、本発明による方法で炉内に
おける鋼板温度の正確な測定が可能となつた。な
お第５図で３２はヒータ、３３は温度計５に代る
熱電対である。

本発明の装置構成で黒体放射源を底面付円筒を
実例として説明したが、むろんこの形状にのみに
制限されるものではない。たとえば半球状、円錐
状あるいは矩形状等であつてもよい。また該黒体
放射源の内壁温度制御およびモニターとして放射
温度計を用いたが、これももちろん他の手段を使
用してよい。たとえば該黒体放射源の内壁に熱電
対の埋め込み、その温度指示を利用しても何ら差
しつかえない。本発明の方法では２つの異なる黒
体放射源の温度が、放射率決定のために必要であ
るが、これは１つの黒体放射源の温度を変えて実
現する代りに、異なる温度に設定した２つの黒体
放射源を用いてもよい。黒体放射源と測定用放射
温度計を測定鋼板面の法線に対して鏡面対称の角
度に配置する際、その角度θは一般には技術上可
能な範囲で任意に選択してよいが炉内を走行する
鋼板が測定対象の場合、鋼板の鏡面的反射特性は
角度θが大きいほどより良好になるという一般的
な性質を考慮すれば、角度θは大きい方がよい。
また黒体放射源の開口面の大きさは、原理上大き
い程好ましいが、これは測定対象の鏡面的反射特
性の程度に依存する。すなわち鏡面的な反射特性
を示すほど、開口面の大きさは小さくてよい。黒
体放射源の製作に際しては、あらかじめ測定対象
の反射特性を調べて、その開口面の寸法を決定す
ればよい。

本発明装置を連続焼鈍炉等の生産現場で使用す
るとき、それが正しく動作しているかどうかを較
正する必要がある。この種の較正技術として従来
測定対象の物体に熱電対を溶着して、比較する方
法が多くとられているが、言うまでもなくこれは
移動する測定物体に対しては一点限りの測定とな
り、多くの労力と時間を費やす割にはメリツトの
少ない較正法である。また焼鈍炉等の炉長が長い
場合には熱電対の素線が多く必要であり現実的で
ないこともある。この較正は次のようにして行な
うと簡単、便利である。すなわち第８図に示すよ
うに、黒体放射源２と放射温度計４を測定鋼板１
の法線に対して互いに鏡面対称的に配置したその
法線方向よりごく薄い金属板５１を測定鋼板１に
当接するように上下駆動機構５２を設ける。薄金
属板５１の寸法は該測定鋼板に接触したとき迅速
に同一温度になるように0.2mm以下の板厚とし、
またその表面積は放射温度計４の該測定鋼板を見
る面積より大きくし、そして該表面は黒色塗料塗
布の適当な手段で充分放射率を大きくし（例えば
放射率を0.95にする）放射温度計４で薄金属板１
２を測温したとき充分な精度で正確な温度が得ら
れるようにしておく。むろん薄金属板５１の側
面、すなわち放射温度計４および黒体放射源２の
ある方向は視野が充分とれるように開かれてい
る。このような較正装置を用いれば、きわめて簡
便で信頼性のある較正方法を実現できる。

この場合、接触時に測定鋼板にある程度傷が入
る可能性があり、この点の欠点は測温システムの
間欠的な較正技術としてはやむを得ないところで
ある。この傷の発生がごく一部でも不都合である
プロセスにおいては、次に説明する較正装置が好
適である。すなわち第９図に示すように薄金属板
５１として測定鋼板１と同じものを使用し、その
表面温度を別途測定するために熱電対５３を溶着
しておく。較正に際しては薄金属板５１をその支
持筐体５４と共にモータ５５により測定鋼板１の
ごく表面近くまで下降させて黒体放射源２と放射
温度計４と測定鋼板１で構成される本発明の測定
部が黒体放射源２と放射温度計４と薄金属板５１
で同様に構成されるように配置する。後者の構成
で測温して放射温度計４の温度指示が薄金属板５
１に溶着した熱電対５３の温度指示に等しけれ
ば、本発明の測温システムが精度よく較正された
ことになる。しかもこのとき薄金属板５１の温度
は測定すべき鋼板１の真の温度ではないけれど、
該測定鋼板が確実に測温できる根拠を与えるもの
であり該測定鋼板に傷をつけない大きな利点を有
している。なお５６はワイヤ、５７はプーリーで
あり、第８図の上下駆動機構５２の図示しなかつ
た上部々分もこれらのワイヤ５６、プーリー５
７、モーター５５で構成するとよい。

本発明の詳細な説明では測定対象として鋼板を
例として示したが、本発明の原理は鋼板に限定さ
れるものではなく、一般にいかなる物体に対して
も適用できるのはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は測定鋼板面の反射特性を
試験する装置の説明図およびその試験結果の１例
を示すグラフ、第３図は本発明の測温方法を実施
する装置の構成の説明図、第４図および第５図は
本発明によつて得られる測定物体の放射率と温度
の測定精度を示すグラフ、第６図は第５図の実験
を実施した際に用いた実験装置の構成を示す説明
図、第７図は第３図の変形例を示す説明図、第８
図および第９図は較正法を説明する図である 図面において１は測定鋼板、１１はその測定
面、２は黒体放射源、２１はその開口面、２２は
その底面、２３は加熱ヒーター、２４は断熱材、
３は集光レンズ、４は測定用放射温度計、５は黒
体放射源の温度制御用放射温度計、６，７はそれ
ぞれ４，５の先端部の開口管、８は炉壁、９は炉
の熱源である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉内加熱物体の面法線に対して互いに鏡面対
   称的な方向に、温度可変なる黒体放射源と、該加
   熱物体面が鏡面的な反射特性を示すように検出放
   射線の波長帯を選択した放射温度計をそれぞれ該
   加熱物体に向けて配置し、該黒体放射源の温度を
   変化させて、それに対応した該放射温度計の出力
   を用いて演算することにより該加熱物体の放射率
   を求め、次いでその表面温度を求めることを特徴
   とする、炉内物体の表面温度測定方法。 ２ 測温される加熱物体における反射角度対反射
   エネルギ強度特性を求めて、該特性のピークに対
   して1/50以下の反射エネルギ強度になる拡がり角
   度を求め、該角度が５゜以下になるように、放射
   温度計の検出放射線の波長帯を選定することを特
   徴とした特許請求の範囲第１項記載の炉内物体の
   表面温度測定方法。