JPS6186621A

JPS6186621A - 放射率と温度の同時測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPS6186621A
Application number: JP59207191A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hiramoto; 平本　一男; Yoichi Tamura; 洋一田村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1984-10-04
Filing date: 1984-10-04
Publication date: 1986-05-02

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】産業上の利用分野本発明は、被測定物からの放射光及び被測定物の放射率
からその被測定物の温度を測定するための放射率と温度
の同時測定方法並びにそのための装置に関する。

従来の技術被測定物からの放射光及び被測定物の放射率から被測定
物の温度を測定する放射式温度測定法は、非接触でかつ
応答性が速い温度測定法であり、オンライン化かつ高速
処理されている物の温度測定方法として適している。

そのため、現在、鉄鋼業において、各種鋼板、鋼管製造
プロセスでの品質管理、操業改善のためにオンラインか
つ非接触で温度を測定できる方法として、放射測温法は
、最も重要な方法の一つとなっている。

しかし、放射測温では周囲熱源からの外乱、すなわちノ
イズ光の除去と被測定物の正確な放射率の把握という２
つの大きな問題点がある。

例えば、冷延鋼板などの低放射率鋼板の常温付近での測
温や、炉内を走行する鋼板の測温の場合、被測定鋼板周
囲からのノイズ光エネルギが、真の情報である被測定鋼
板自体からの放射エネルギと同等ないしはそれ以上に検
出されることがある。

従って、ノイズ光が除去されて、初めて放射率の測定が
可能である。

一方、放射率自体も、温度、材質などにより大きく変動
するだけでなく、被測定物が比較的低温にあるときには
、反射率に比べて極めて小さい。

そのため、被測定物からの光を検出しても、それの大部
分が反射光による場合もある。そのため、被測定物の放
射率を放射光から直接測定することもｊＬＩ、い問題で
ある。

放射測温法における以上のようｔヨ問題に対して、従来
、次の２つの方法が採用されている。

ゴー３３図は、従来の第１の放射測温法を例示するン１
である。この方法は、計測自動制御学会論文集第１６巻
２号（昭５５）に開示されており、鏡面反射を利用する
方法である。

すなわち、容器１０内に置かれた被測定物１２の鏡面性
の表面上４の法線に対して角度θをもって鏡面対象に放
射計１６と黒体放射源１８とを配置し、黒体放射源１８
の前には水冷の回転セクタ２０がモータ２２］こよって
回東云されている。

回転セクタ２０が黒体放射源１８の前に位置していない
ときには、放射計１６は、被測定物表面１４で反射した
黒体放射７ＪＰ！１８からの光すなわち反射光と、被測
定物表面１４自体からの放射光とを併せて受けて、第１
の光強度を求める。

一方、回転セクタ２０が黒体放射源１８の前に位置して
いるときには、放射計１６は、被測定物表面１１纂自体
からの放射光のみを受けて、第２の光強度を求める。

かくして、これら２つの光強度の差から、一旦反射光の
光量を求めて、それから、反射率を導き、更に、反射率
と放射率との和一定の法則から、ｈ！ｉ射；ｒを導く一
方、第２の光強度から求められる輝度温度とその放射率
とから、被測定物１２の表面温度を求める。

上記した従来の第１の方法では、被測定物１２の表面１
４が鏡面反射性の場合には、容器１０の壁からのノイズ
光が放射計１６に入射せず、精度の良い測定が可能であ
る。また、放射光竜から放射率を直接求めずに、放射率
に比較して相当高い反射率を求めて、それから放射率を
求めているので、放射率を比較的正確に求めることがで
きる。

第４図は、従来の第２の放射測温法を例示する図である
。この方法は、「鉄と鋼」第６５巻、１号（１９７９年
）あるいは特公昭５２−７９５４公報に開示されており
、高反射率円筒を用いる方法である。

すなわち、第４図（ａ）に示すように、被測定物１２と
放射計１６との間で、被測定物１２に接近させて、両端
開口で内面が高反射性の円筒２４が設置され、この円筒
２４の上部に、第４図（ｂ）に示すように２つの開口部
２６を有する回転セクタ２０が配置されている。この回
転セクタ２０は、モータ２２により回転され、開口部２
６の位置は、円筒２４の中心軸２８と一致している。ま
た、放射計１６の入射口も軸２８上にある。

以上のような装置において、回転セクタ２０が円筒２４
の上にないときは、被測定物１２からの放射光は、軸２
８上の光路を辿るものしか放射計１６に入射しない。す
なわち、円筒２４がないことと同じ状態が実現できる。

そのときの被測定物の温度及び放射率をそれぞれＴおよ
びεとすると、放射計１６により検出される放射エネル
ギＥ１は、次のように表される。

Ｅｌ−ε・Ｅ、（Ｔ）・・（１）回転セクタ２０が円筒２４の上にあるときは、被測定物
１２からの放射光は、円筒２４の内面と、回転セクタ２
０の下面と、被測定物１２の表面とて降々反射して、軸
２８上の光路を辿る放射光以外の放射光も、回転セクタ
２０の開口部２６を通って放射計１６に入射する。かく
して、放射計１６により検出される放射エネルギＥ２は
、実効的に放射率が増大した形で表わされ、次の式で表
される。

Ｅ　２　＝　ｇ　（ε）・Ｅｂ（Ｔ＞・・（２）そして
、上記したｇ（ε）とεとの関係は、予め知ることがで
きるので、上記した２つの式を連立方程式として解くこ
とにより、放射率ε及び被測定物表面温度Ｔをもとめる
ことができる。

この第２の従来の方法も、円筒２４により周囲の光が放
射計１６に混入するのを防止しているので、ノイズ光が
放射計１６に入射せず、精度の良い測定が可能である。

また、放射率を単独に測定せず、連立方程式を解くこと
により、温度と一緒に求めているので、放射率を比較的
正確に知ることができる。

発明が解決しようとする問題点上述したように、従来の第１の方法では、被測定物表面
１４が鏡面反射性の場合には、容器ｌＯの壁からのノイ
ズ光が放射計１６に入射せず、精度の良い放射率及び温
度の測定が可能である。しかし、被測定物１２の表面が
拡散反射性であれば、容器１０の壁からの熱放射が、被
測定物４で拡散反射して放射計１６に入射してしまい、
放射率と温度の測定誤差が大きくなる。そのため、被測
定物１２の表面１４に酸化膜が生成した場合や、表面が
粗い場合等では測定が困難であるという問題点がある。

また、従来の第２の方法では、円筒２４を設けたことに
より、精度の良い放射率及び温度の測定が可能である。

しかしながら、第４図に示すように、内面高反射性の円
筒２４を被測定物１２に接近させる必要があること、ま
た、その円筒２４の内面の汚れによる反射率の低下が避
けられないことから、この方法はオンラインで製造プロ
セスに定常的に設置することが困難であるという問題点
がある。

更に、鉄鋼プロセスにおいては、鋼板、鋼管等の製品に
種々の金属を含有した合金鋼が近年増加しているが、こ
れら合金鋼は、含有する成分、例えばＣｒ、　Ｍｎ、　
Ｎｉ等によって放射率が大きく異なり放射測温での誤差
が大きい。

そのため、例えば、上述した従来の第２の方法では、そ
の放射率の相違に対応するために、上記したｇ（ε）と
εとの関係をその都度補正するなどし、また、そのほか
の従来の放射温度計は手動で放射率を設定することによ
り放射率の補正を行なっている。このように合金鋼のよ
うに種類によって放射率が大きく相違する場合に、補正
をその度に実施することは、オンライン測定に用いるこ
とが困難であるという問題点がある。

そこで、本発明は、被測定物表面が拡散性であっても正
確に測定でき、円筒部材のような補助部材を使用するこ
となくオンライン測定でき、更に、被測定物が変わって
放射率が変動してもその都度補正の必要のない、放射率
と温度の同時測定方法及びそのために使用できる装置を
提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段すなわち、本発明によるならば、所定の光を被測定物の
表面に対しその法線に沿って照射し、前記法線とほぼ同
方向における前記被測定物表面からの放射光量及び反射
光量を測定し、その反射光量から反射率を求め、反射率
と放射率との間の一定の関係に基づいて法線方向成分の
放射率を算出し、そのように求めた放射率と前記測定し
た放射光量とから前記被測定物の温度を求めることを特
徴とする放射率と温度の同時測定方法が提供される。

更に、本発明によるならば、中心光軸が被測定物の表面
に対して法線方向にある集光レンズと、該集光レンズに
よって集められた前記被測定物表面からの光を受ける放
射計と、所定の光を発生する発光源と、該発光源からの
光を前記集光レンズの中心光軸上から前記被測定物表面
に向けて案内する光学案内手段とを具備することを特徴
とする、放射率と温度の同時測定方法を実施するために
使用する装置が提供される。

一作月上記した本発明による放射率と温度の同時測定方法にお
いては、所定の光を被測定物の表面に対しその法線に沿
って照射し、且つ、前記被測定物表面からの光の強度を
、前記法線とほぼ同方向において測定しているので、円
筒部材のようなノイズ光遮断手段を使用しなくとも、周
囲の熱源からの放射によるノイズ光が混入しにくい。従
って、そのようにして測定された反射光量及び放射光量
並びにそれらから得られる反射率及び放射率は精度が高
く、また、それらから求められる温度の精度も高い。

また、本発明による上記した装置は、極めて簡単な構成
により、被測定物表面に対して法線方向に光を照射でき
、法線方向を中心とする限られた立体角の範囲内の反射
光及び放射光を検出することができる。

実施例以下添付図面を参照して、本発明による放射率と温度の
同時測定方法及びそのための装置の実施例を説明する前
に、まず、本発明の原理について説明する。

被測定物の正確な放射率を知る方法の一つに、被測定物
の反射率ｐの測定を利用する方法がある。

一般に、不透明物体におけるキルヒホフの法則は、ε＋
ρ−１・・（３）但し、εは放射率、ρは反射率で表わされる。この（３）式において、放射率ε、反射
率ｐは共に全方向の放射及び反射、すなわち、平面上で
あれば２πステラジアンの立体角の放射及び反射で定義
されている。従って、被測定物に光を投射し、その光の
反射から反射率ρを測定することにより、放射率εを知
ることができる。本発明はかかる関係を利用している。

しかしながら、被測定物表面の全方向の放射及び反射を
測定することは、鉄鋼プロセスにおいて実際上不可能で
ある。そこで、本発明は、全方向について放射率と反射
率の測定の代わりに、被測定物表面の法線方向の限られ
た方向における放射率及び反射率、より具体的には法線
方向を中心とした限られた立体角の範囲内での放射率と
反射率とを測定する。

法線方向の反射率、放射率をそれぞれρ７、ε。

とすると、ρ、とε。との和は一定の値であり、従って
ｐｎを測定することによりε。を知ることができる。

第１図は、本発明の放射率と温度の同時測定方法を実施
するための装置の１つの実施例の構成を示す概略図であ
る。

第１図において、参照番号３０は、被測定物を示してお
り、発光＃ｉ３２からの光を、被測定物３０の表面３４
に対して、その法線方向から照射するように、ミラー３
Ｇが設けられている。そして、その照射光の被測定物表
面３４からの反射光及び被測定物表面３４自体からの放
射光を検出するために、ミラー３６から被測定物表面３
４への光路（法線方向にある）を中心光軸とするように
すなわちその光路と同軸関係に集光レンズ３８がミラー
３６の上方に設けられ、その集光レンズ３８の被測定物
３０と反対側に放射計４０が配置されている。

上記した発光源３２は、例えば、放射計４０の測定波長
（Ｓｉ放射計では０．９μｍ）を発光スペクトルに含む
ランプと、そのランプの光を濾波して測定波長光のみを
抽出する光学フィルタとから構成してもよい。また、発
光源３２に、放射計４０の測定波長のみに発光スペクト
ルをもつ発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子を
用いても良い。そして、その発光；！３２が出力する光
は、単一波長の光が好ましい。

更に、発光源３２は、間欠駆動されるかないしは発光強
度が変調度１で変調されるか、または、光出射口の前に
チョッパないしはシャックを設けて、照射光が被測定物
表面３４に間欠的に照射されるようになされている。

また、以上の構成において、放射計４０が、照射光が被
測定物表面３４上に当たるスポット部分４２がらの反射
光及び被測定物のそのスポット部分４２からの放射光を
検出するように、被測定物表面３４と放射計４０の入射
部とは、集光レンズ３８に対してほぼ共役関係にあるこ
とが望ましい。

このように配置することにより、被測定物表面３４の法
線方向にある照射光ビームを中心とし、上記したスポッ
ト部分４２と集光レンズ３８とにより画定される限られ
た立体角の範囲内の放射率と反射率とを測定することが
できる。そして、法線方向のρ、とε。を測定するため
に、その立体角は小さいことが好ましい。反面、検出光
量を多くするように成る程度立体角を大きくしてもよい
。

更に、ミラー３６は、集光レンズ３８が法線方向の反射
光を効率良く集めることができるように、できるだけ小
さく、且つ、集光レンズ３８にできるだけ近くする。

以上のように構成される装置を使用して、本発明による
放射率と温度の同時測定方法は、次のように実施される
。

まず、予めρｈ＝１の基準反射板を被測定物３０と置き
換えて、発光源３２の光ＩＬ。を測定する。

また、ρ。とε。とが既に知られている物体から、ρ５
とε。との和Ｋを求めておく。

以上のような用意をしておいて、被測定物３０を図示の
所定位置におき、発光源３２からの光が被測定物表面３
４に照射されているときの、被測定物表面３４からの光
量り、を放射計４０で測定する。この光量Ｌ１の光は被
測定物表面３４での反射光と被測定物表面３４からの放
射光とを含むものである。

次に、例えば、発光源３２の前部がシャッタで遮閉され
るかあるいは発光源３２の光出力が零となされて、照射
光が被測定物表面３４に当たっていないときに、被ｒＪ
ＩＵ定物表面３４からの光量Ｌ２を放射計を団で測定す
る。この光量Ｌ２は、被測定物表面３４からの放射光の
みのものである。

従って、法線方向の被測定物３０の表面３４の反射率〇
。は、で表わされる。

そして、予め知っているρ。及びε。が既知の物体のρ
、とε、の和Ｋから、上記（４）式で求めたｐｎを引く
ことにより、当該被測定物表面３４の放射率ε、を求め
ることができる。

更に、放射光のみの光量を示す光量Ｌ２により求めた輝
度温度Ｔａと、上記放射率ε。とから、Ｔａ＝Ａ・ε、
・Ｔ・・（５）但し、Ａは比例定数に基づいて被測定物３０の正確な温度Ｔを知ることがで
きる。

以上のような測定において、被測定物３０は一般に拡散
反射性であるため、周囲熱源からのノイズ光が集光レン
ズ３８を通して放射計４０に入射する。

しかし、その放射計４０に入射するノイズ光は、被測定
物表面３４上のスポット部分４２で反射したものだけで
あり、発光［３２からの照射光に比較して圧倒的に少な
い極微量に過ぎない。従って、上記した本発明による方
法によれば、被測定物表面の法線方向のみの放射率及び
反射率の測定が実施できる。

更に、周囲の温度が被測定物３０に比較して十分低い場
合あるいは必要に応じて冷却構造を持つ遮蔽板を設置す
ることにより、ノイズ光は無視できる程度まで低減でき
る。

測定波長０．９μｍで以上の装置を使用して実際に測定
したところ、次のような結果が得られた。

すなわち、従来の方法では、測定温度１０００℃の場合
には、放射率の変化に対して０．６±０．１程度しか対
応できず、約±１７℃の測定温度誤差があったが、本発
明による方法では、放射率の変化に対して０．６０±０
．０１の精度で測定することができ、約±２℃の精度で
測温できた。

第１図の実施例は、発光源３２からの光をミラー３６に
より被測定物表面３４０法線方向に照射しているが、例
えば、第２図に示すように、発光源３２の光出射口に光
ファイバ４４の一端を結合し、その光ファイバ４４の他
端を集光レンズ３８の下で集光レンズ３８の中心光軸方
向に被測定物表面３４に向けて配置することにより、照
射光を被測定物表面３４の法線方向に照射することもで
きる。

更に、上記実施例では、集光レンズ３８と被測定物３０
との間から照射光を被測定物３０に照射しているが、ミ
ラー３８や光ファイバ４４の他端を集光レンズ３８の上
に置いて、集光レンズ３８を介して照射光を照射しても
よい。

また、上記実施例では、被測定物表面３４と放射計４０
の入射部とは、集光レンズ３８に対してほぼ共役関係に
あるが、照射光スポットができる被測定物表面３４上部
分からの先の量を効果的に測定できるならば、被測定物
表面３４と放射計４０の入射部とと集光レンズ３８との
相対的位置関係はどのようなものでもよい。

以上の第１図及び第２図の実施例においては、上記した
し、及びＬ２を求めてその差から反射光の光量を求めて
いる。しかし、反射光と放射光とが分離可能ならば、上
記したＬ２を得るためだけの測定をする必要はない。

すなわち、例えば、発光源３２に、強度変調光を出力さ
せる。そのような強度変調光は、発光源に使用されてい
るランプ、半導体レーザまたは発光ダイオードの駆動電
圧を振幅変調することにより簡単に得ることができるの
で、ここで詳細な説明は省略する。

そして、そのような強度変調光を被測定物に照射して、
その反射光と被測定物からの放射光とを一緒に放射計４
０に受光させる。そして、放射計４０からの電気出力か
ら強度変調周波数成分を電気的なフィルタを介して抽出
することにより、強度変調光の反射光の光量すなわち上
記した（Ｌ、−Ｌ２）を得ることができる。一方、放射
計４０からの電気出力から強度変調周波数成分を除去す
ることにより被測定物からの放射光の光量すなわち上記
したＬ２を得ることができる。

かくして、発光源３２を間欠駆動したりまたは発光源３
２の光出射口にチョッパやシャッタを設ける必要がなく
、反射光量と放射光量を一緒に測定することができる。

また、強度変調光を照射する一方、放射計４０からの電
気出力から強度変調周波数成分をフィルタを介して抽出
することにより、反射光量の測定から周囲光の影響を完
全に排除することができる。

このように反射光量の測定精度が向上すれば、それに基
づいて計算される反射率の精度が高くなり、それに伴い
放射率の精度も高くなり、その結果、温度の測定精度が
向上する。

発明の詳細な説明したことから明らかなように、本発明による放射
率と温度の同時測定方法によるならば、以下のような効
果が（尋れる。

（１）被測定物の法線において照射光を照射し且つ法線
方向の放射光と反射光を測定することにより、周囲熱、
原からの放射によるノイズ光の影響を相対的に低くでき
、酸化膜等の光学的には拡散性の表面を持つ被測定物に
対しても、精度良く反射率、放射率及び温度を測定でき
る。

（１１）被測定物の法線において照射光を照射し且つ法
線方向の放射光と反射光を測定することにより、周囲熱
源からの放射によるノイズ光の影響を相対的に低くでき
るので、周囲熱源からのノイズ光を遮蔽するために、内
面高反射の円筒などのノイズ光遮蔽手段を格別設ける必
要がない。

（ｉｉｉ　）全方向ではなく特定の限られた立体角範囲
内すなわち実質的に法線方向における放射光と反射光と
の検出で足り、また、被測定物に近くノイズ光遮蔽手段
を設ける必要がないので、オンライン測定が可能である
。

（ｉｖ）測定ごとに放射率が求められるので、処理を自
動化することにより、オンラインで自動的に放射率補正
を行ない測温することができる。

（ｖ）更に、本発明による方法を、反射率あるいは放射
率の測定に活用することにより、有機物あるいは無機物
の皮膜で表面処理された被測定物の表面むら等の監視あ
るいは管理が可能である。

また、本発明による装置は、極めて簡単な構成により、
被測定物表面に対して法線方向に光を照射でき、法線方
向を中心とする限られた立体角の範囲内の反射光及び放
射光を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の放射率と温度の同時測定方法を実施
するために使用される装置の１つの実施例の概略構成を
示す図であり、第２図は、本発明の放射率と温度の同時測定方法を実施
するために使用される装置のもう１つの実施例の概略構
成を示す図であり、第３図は、従来の放射測定法を例示する図であり、第４図は、従来の別の放射測定法を例示する図である。（主な参照番号）１０・・容器、１２・・被測定物、１４・・被測定物表面、１６・・放射計、１８・・黒体
放射源、２０・・回転セクタ、２２・・モータ、　２４
・・内面高反射性の円筒、２６・・開口部、３０・・被
測定物、

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定の光を被測定物の表面に対しその法線に沿っ
て照射し、前記法線とほぼ同方向における前記被測定物
表面からの放射光量及び反射光量を測定し、その反射光
量から反射率を求め、反射率と放射率との間の一定の関
係に基づいて法線方向成分の放射率を算出し、そのよう
に求めた放射率と前記測定した放射光量とから前記被測
定物の温度を求めることを特徴とする放射率と温度の同
時測定方法。
（２）放射光量及び反射光量の前記測定は、前記所定の
光を被測定物の表面に対しその法線に沿って照射して、
前記法線とほぼ同方向における前記被測定物表面からの
光の強度を測定して第１の光強度を得て、そして、前記
所定の光を被測定物の表面に対して照射することなく前
記法線とほぼ同方向における前記被測定物表面からの放
射光の強度を測定して前記放射光量を示す第２の光強度
を得て、それら第１及び第２の光強度の差から前記反射
光量を求めることによって行うを特徴とする特許請求の
範囲第（１）項記載の放射率と温度の同時測定方法。
（３）放射光量及び反射光量の前記測定は、所定の強度
変調光を被測定物の表面に対しその法線に沿って照射し
、前記法線とほぼ同方向における前記被測定物表面から
の光を受けてその受光量から前記強度変調光成分を抽出
することにより得られる光強度から反射光量を求め、前
記受光量から前記強度変調光成分を除去することより得
られる光強度から放射光量を求めることによって行うこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の放射率
と温度の同時測定方法。
（４）前記所定の光は、単一波長の光であることを特徴
とする特許請求の範囲第（１）項から第（３）項までの
いずれかに記載の放射率と温度の同時測定方法。
（５）前記被測定物からの光の測定は、特定の立体角の
範囲内の光を測定することであることを特徴とする特許
請求の範囲第（１）項から第（４）項までのいずれかに
記載の放射率と温度の同時測定方法。
（６）中心光軸が被測定物の表面に対して法線方向にあ
る集光レンズと、該集光レンズによって集められた前記
被測定物表面からの光を受ける放射計と、所定の光を発
生する発光源と、該発光源からの光を前記集光レンズの
中心光軸上から前記被測定物表面に向けて案内する光学
案内手段とを具備することを特徴とする、放射率と温度
の同時測定方法を実施するために使用する装置。
（７）前記発光源は、間欠的に前記所定の光を前記光学
案内手段に出力することを特徴する特許請求の範囲第（
６）項記載の装置。
（８）前記発光源が発生する前記所定の光は、強度変調
した光であることを特徴する特許請求の範囲第（６）項
記載の装置。
（９）前記被測定物表面と前記放射計の入射部とは、前
記集光レンズに対してほぼ共役関係にあるように前記被
測定物表面に対して前記放射計と前記集光レンズとが配
置されていることを特徴する特許請求の範囲第（６）項
から第（８）項までのいずれかに記載の装置。
（１０）前記光学案内手段は、前記集光レンズと前記被
測定物との間で前記集光レンズの中心光軸上に配置され
て、前記発光源からの光を前記集光レンズの中心光軸上
に沿って前記被測定物表面に向けて反射するミラーであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第（６）項から第（
９）項までのいずれかに記載の装置。
（１１）前記光学案内手段は、前記発光源に一端が接続
された光ファイバであり、該光ファイバの他端は、前記
集光レンズと前記被測定物との間で前記集光レンズの中
心光軸上まで延在して、前記発光源からの光を前記集光
レンズの中心光軸上に沿って前記被測定物表面に向けて
照射することを特徴とする特許請求の範囲第（６）項か
ら第（９）項までのいずれかに記載の装置。