JPS6215424A - 放射を利用した物体の温度測定方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、走行物体等の物体の放射を観測してその物体
の温度を測定する放射を利用した物体の温度測定方法に
関する。

［従来の技術］ 放射温度計は非接触測定が可能でかつ簡便なところから
産業界では不可欠の測定装置となっている。この方法の
原理は温度と放射量を関係づけたブランクまたはウィー
ンの放射エネルギ一式に基礎をおく。一般には、旧算」
二簡便なウィーンの式が用いられ、この場合波長入にお
ける、温度Ｔの物体からの放射エネルギーＥ（入、Ｔ）
は次式で表わされる。

Ｅ（入、Ｔ）＝ａ＊ｅ（入、Ｔ）Ｃ１λｅｘｐ（−０２
／入Ｔ）・（１）αは測定系により定まる固有の定数 ＣＩ　、Ｃ２はブランクの公式における定数（１）式に
おいてε（入、Ｔ）は物体の放射率で、黒体の場合にの
み１であるが、一般の物体ではｌより小さく、物体に固
有の値をもち、かつ波長および温度の関数となっている
。一般の放射温度計はε＝１として作られたものであり
、従って一般物体の温度測定においては、放射率が１よ
り小さいため誤差を生ずる。これを防ぐため、測温対象
物体の種類が限定されている場合には、予め放射率を測
定しておき、測定の際に放射率補正を行うのが普通であ
る。しかし、放射率の測定は容易ではなくまた正確な測
定は困難である。さらに温度によりその値も変わるため
、結果として放射率による誤差は防ぎようがない。この
ため測定時における環境条件を整え、擬似的に黒体条件
を作り出したり、あるいは温度既知物体との相互比較に
より、より正確な測温方法が工夫されている。

ところで、上記のような試みとは別に、「放射率に影響
されない放射温度計」を目的として開発されたものに、
２色温度計がある。この方法は互いに接近した２波長に
おける放射を利用する。この２波長を入ｌ、入２とすれ
ば、前記のウィーンの式から次の２式が成立する（但し
係数αは無視する）。また放射率は測定すべき温度にお
いてのみ考慮すればよく、従って波長のみの関数とする
。

Ｅ（入１．Ｔ）＝　ε（λ１）−Ｃ：１入１　　ｅｙｐ
（−０２／入ＩＴ）　　・（２）Ｅ（入２．Ｔ）＝　６
　（λ２）−Ｃ１λ２ｅｘｐ（−Ｃ２／　　入２Ｔ）　
　・（３）入１．入２が近接しているため、この範囲で
放射率が変わらない、すなわち灰色体であるとすれば次
式が成立する。

ε（λ１）＝　ε（入２）　　　　　・・・（４）以」
―の（２）〜（４）の３式からＴを計算することが可能
であり、すなわち物体の温度Ｔを測定することができる
。

しかし、この方式で仮定した（４）式は厳密には成立し
ない。ε（入１）笑ε（λ２）であれば、（２）　、　
（３）式から温度Ｔを求めることは不可能であって、ε
（入１）＝ε（λ２）と仮定した温度Ｔと真温度Ｓとの
関係を、他の条件が既知として、計算すると次のように
なる。

（１／Ｓ）　　　（１／Ｔ）＝　（Ｉｎ　　［ε（入１
）／ε（入２）］　ｌ／Ｃ２［（１／λ１）−（１／入
２）］　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
（５）式でε（入１）＝ε（λ２）とすればもちろんＳ
＝Ｔとなり、測定温度は真温度に等しくなるが、一般に
は波長により、放射率が変わるためＳ＝Ｔとはならない
。試みにこの誤差を計算する入１　＝１．５　ｊＬｍ　
　、入２　＝１．７　ｐ、ｍのとき、鉄の場合 ε（入１　）　＝０．２８．ε（λ２　）　＝０．２８
であり、これよりＴ　＝　１０００’　Ｋと測定したと
きの真温度ＳはＳ　＝　９４０°になり６０°にの誤差
をもつことがわかる。すなわち、通常の単色放射温度計
が黒体に対してのみ正確な指示を与えるとすれば、２色
温度計は灰色体に対してのみ誤差を生じない測定を可能
にするものであり、−穀物体に対してはなお大きな誤差
を生ずるものである。

そこで、入１　、入２の他に、更に第３の波長入３をλ
１　、λ２の近傍に選び、（２）　、　（３）式に次ぐ
第３の式 ％式％（８） で定まる分光放射を測定する。ここでａｏ、ａｔを定数
として ε（λｉ　）　＝ｅｘｐ　　（ａＯ＋ａｌ　λｉ　　）
　　・（７）（ｉ　＝　１．２．３　） と仮定することにより、（２）　、　（３）　、　（Ｅ
ｌ）および（７）式からＴを求める方法が提案された（
特開昭５６−１３０６２２号公報、特開昭５６−１３０
６２３号公報）。しかし、この方法でも仮定（７）式に
無理があるため、通常の２色温度計に比して必ずしもよ
い結果を得られるものではない。

これに対し、特開昭５７−７５２９号公報に係る方法は
、同様に３波長について放射エネルギーを測定し、２種
の波長を組み合わせた３個の２色温度計を構成させ、そ
れぞれの温度が等しくなるよう演算するものであるが、
原理的に正確さを欠き（２波長間の温度の平均値によっ
て真値を得るという点で真価に収束する保証が得られな
い）、かつ演算が複雑なため、特殊用途を除いては実用
的でない。

［発明が解決しようとする問題点］ ここで、」三筒従来の技術についての問題点を整理すれ
ば以下のとおりである。

（１）物体からの放射は（１）式に示すように温度Ｔ、
波長入、放射εの関数であり、このうち波長のみは選定
可能であるため、実質的変数はＴと（の２個である。し
かし２個の変数に対し１つのウィーンの式が成立するだ
けなので、解不能、すなわち２個の変数、Ｔとεを決定
する（　Ｊ［ｌＩ定する）ことは原理的に不可能である
。そこで通常の中−波長の放射温度旧ではε−１と仮定
し、この仮定の上でのみ正しい結果を得ることとなって
いる。

（２）２色温度計は２波長において放射を−Ｊ＋１定す
る（従って（２）　、　（３）の２つの方程式が成立す
る）ので、２つの変数、Ｔとεを求められそうであるが
、２つの波長において、εは互いに異なる２つのイ直［
ε（入１）、ε（入２　）］をとるので変数は実質的に
は３個となる。２個の方程式から３個の変数を求めるこ
とはできない。すなわち原理的に本状も温度測定を常に
可能にするものではなく、ε（入１　、　Ｔ）　／ε（
入２　、　Ｔ）　−一定という仮定においてのみ測定可
能である。

（３）特開昭５６−１３０６２２号公報および特開昭５
７−７５２９号公報の方法は３波長を選定し、その分光
放射を測定するが、変数がε（λｉ）　（＋　−１＋２
＋３　）およびＴの４個となるため、この場合にも仮定
を設けることが必要である。前者では、これが（７）式
に示す仮定であり、後者では２種類の波長の組み合わせ
から成る３個の２色温度計の測定値から放射率を決定す
る方法を仮定している。前者は実態とずれることが多く
事実−１−誤差を小さくすることができず、後者は原理
的に真値を示すという保証がない。

すなわち、放射率は物体により異なりまた波長および温
度により異なる。またその値を測定するのも容易ではな
く、一般に行われている放射率補正も有効な対策とはな
り得ない。放射を利用する温度測定法においては、この
ように放射率により誤差を生ずることが大きな問題であ
る。

本発明は、この誤差を原理的に除去または軽減すること
により、この問題を解決することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、物体の放射を観測してその物体の温度を測定
する放射を利用した物体の温度測定方法において、近接
する３波長［λｉ］の各分光放射エネルギー［Ｅ（λｉ
、Ｔ）　］　を測定し、測定された３つの分光放射エネ
ルギー［Ｅ（λｉ、Ｔ）　］　（］７それぞれについて
、物体の温度［Ｔ］と、各波長［λｉ］に対する物体表
面の分光放射率［ε（λｉ）］とを変数とする放射エル
ネルギー式を定めるとともに、上記３波長［λｉ］の間
における分光放射率［ε（λｉ）］の変化を波長の１次
関数で近似し、上記４つの関係式から物体の温度［Ｔ］
を求めるようにしたものである。

［作　用］ 放射率の差は微小であり、また波長による放射率変化は
一様である。事実、鉄および他の多くの金属の放射率変
化は波長０．５７１ｍ付近から１０ｇｍ近くまでなだら
かに変化する。そこで、互いに近接する３波長入０．入
１．λ２を選べば、それぞれに対応する放射率ε（λＯ
）、ε（入１）。

ε（入２）の間に次の１時間数が成立つと仮定できる。

［ε　（入０）−ε　（入１）］／（入〇−人１）＝［
ε　（入０）−ｅ（入２）］／（入〇−人２）・・・（
８） この関係を利用すれば、ε（λ０）、ε（入１）。

ε（入２）の３個のうち独立変数は２個［たとえばε　
（入１）とε（入２）］となり、他の１個（たとえばε
（入０）］は独立変数ではなくなる。

したがって、互いに近接する３波長入０゜入１．入２に
おいて放射エネルギーを測定しＥ（λｉ、Ｔ）＝　ｅ　
（入１）ＣＩλｉ　　Ｅ！ＩＰ（−Ｃ２／λｉＴ）、・
（９）ｉ　＝　０．１．２ の３式を作れば、ここで独立変数はＴ１およびε（λｉ
）の中の２［たとえばε　（入ｌ）とε　（入２）］の
３個であり、この３元連立方程式は原理的に「解く」こ
とができ、これより放射率に関係なく物体の温度を求め
ることが可能となる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例に係る測定系統図である。

被測温体ｌの表面上に同一の視野をもつように、３台の
放射置針または放射温度計検出部（以下これら総称して
放射計という）２を配置する。

これらの放射計２は互いに異なる近接した波長域におい
て有効な放射計とし、それぞれの中心波長はＱ、５ｇｍ
以上１０ＩＬｍ以下とする。また各放射計２は、黒体炉
により、被測温体１の変動する温度範囲内において校正
されているものとする。すなわち、３台の放射計２は、
その温度対出力信号（たとえば電圧または電流の値）の
関係が求められていることが必要である。なお、ここで
出力とは、放射計２そのものの出力が小さく増巾器３を
組み合わせて使用する場合には、その増巾型出力をいう
。

３台の放射計出力は、それぞれ等しい特性をもつ３個の
アナログ−ディジタル変換器（以下ＡＤＣという）４を
介して計算機５に入力される。計算機５は３個の放射計
出力値を記憶した後、前記（８）式に対応する３個の連
立方程式および関係式（８）式を用いて温度Ｔを求める
。

測定された温度Ｔは必要に応じディジタル表示器６、お
よび／またはディジタル−アナログ変換器７を経て通常
のアナログ表示・記録計８に用いられる。

ここで、前記３波長につき λ１＝入Ｏ＋△入、入２＝λ０−Δ入 なる３波長を選択すれば、前記（８）　、　（９）式か
らε（λｉ　）　　（ｉ　＝０．１．２　）を消去し、
次の式を導くことができる。

［（ａ＋）／ＰＩ　］　　・ｅｘｐ　　［（ｂ＋）／Ｔ
］＋　［（ａ−）　／Ｐ２　］　　・ｅｘｐ　［（ｂ　
−）　／Ｔｌ−２＝Ｏ・・・（１０） ！ ただし、ａ±＝（入０±Δ入）／λＯ ｂ±＝”−Ｃ２［１／λ（１−１／（入０±△入）］ Ｐｌ＝Ｅ’（入０．Ｔ）／’Ｅ（λ１　、Ｔ）Ｐ２＝Ｅ
（入０．Ｔ）／Ｅ（入２　、Ｔ）ここに、ａ±、ｂ士は
既知であり、Ｐｉ、Ｐ２は放射計測定値から求められる
ので、方程式（８）から温度Ｔが求められる。この式か
らＴを求めるには種々の解決があるが、本実施例では次
の逐次代人法を用いた。すなわち、 ［（ａ＋）／Ｆｉｌ　　・ｅｘｐ　［（ｂ＋）／ＴＩ＋
　［（ａ−）　／Ｐ２　］　−ｅｘｐ　［（ｂ　−）　
／Ｔ］−２＝Ａ　　　　　　　　　　　　　　・・・（
１１）とおき、まず任意の値Ｔ１をＴに代入しＡ＝ＡＩ
を求め、次に適当な係数Ｋを定めて、Ｔ２　＝Ｔ１＋Ｋ
Ａ１をＴに代入して、以下同様のことをくり返し、ｉ回
目の値Ｔｉ　とその前回の値Ｔ　ｉ−１についてＩ　Ｔ
　＋　　Ｔ　；−ｔ　　ｌが所定の値になればＴｉを求
める値とし、計算を終了する。

本実施例では入０　＝１．５７１．ｍとし、Δ入＝０．
２１１、ｍすなわち入１　＝１．７　＃Ｌｍ、入２　＝
１．３　ｌｊ、ｍを選定した。Ｔ　＝　１０００°にの
温度測定において、Ｔ１−６００°にと仮定し、５回の
くり返し計算によりＩ　Ｔ５−Ｔ４　　ｌ　＜０．５°
Ｋを得た。

一般に、最初に仮定する温度値（以下初期値という）が
被測定温度の値に近ければ近い程計算のくり返しの数は
少なくなる。以上の例では被測定温度が未知であるとし
て、初期値との差を極端に大きくとったが、それでも１
０回以下のくり返し計算で十分に収束する。

通常の温度測定においては、測定視野が固定されており
、その視野における温度の時間的変化の割合は、一般に
は緩慢である。したがって０．５秒ないし０．１秒間隔
で測定する場合には、その間の温度変化は最大でも数０
に以内であり、従って初期値として前回測定値を用いれ
ば、今回値との差が微小であるため計算のくり返し数は
少なくて済む。１０００’　Ｋ程度の通常の測定でＩＴ
ｉ−Ｔ、−１１≦１°に程度を目標とする場合、くり返
し数は数回で事足り、測定時間は極めて短い。測定結果
はディジタル表示あるいは制御用信号として用いられる
他、ディジタル−アナログ変換の上記記録計へ入力され
、通常の温度記録がとられる。

従来の放射を利用する温度測定法は、被測温体の放射率
に影響され、正確な温度を求めることが不可能であった
が、本発明は放射率の影響を除去または著しく軽減する
ことにより、正確な温度測定が可能となる。工業の広い
分野において放射を利用する温度計は多数利用されてお
り、特に熱ブロセスの温度制御あるいは監視では、正確
な温度測定が要求され、個々のケースごとにそのための
工夫が施されている。本方法に従えば極めて汎用的かつ
容易に高精度の計測が可能となり、個別の計測」−の工
夫もいらなくなるとともに、正確な測温ができることか
ら、製品水土りの向」−１省エネルキー等の見地からも
多大の効果が期待できる。

［発明の効果］ 以」二のように、本発明は、物体の放射を観測してその
物体の温度を測定する放射を利用した物体の温度測定方
法において、近接する３波長［λｉ］の各分光放射エネ
ルギー［Ｅ（λｉ、Ｔ）　］を測定し、測定された３つ
の分光放射エネルギー［Ｅ（λｉ、Ｔ）　］のそれぞれ
について、物体の温度［Ｔ］　と、各波長［λｉ］に対
する物体表面の分光放射率［ｅ（λｉ）］　とを変数と
する放射エルネルギー式を定めるとともに、−１−記３
波長［λｉ］の間における分光放射率［ε（λｉ）］の
変化を波長の１次関数で近似し、］−記４つの関係式か
ら物体の温度［Ｔ］を求めるようにしだものである。し
たがって、放射率の影響を除去または著しく軽減し、正
確な温度測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す測定系統図である。 ｌ・・・被測温体、　　　　２・・・放射計、５・・・
計算機。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）物体の放射を観測してその物体の温度を測定する
   放射を利用した物体の温度測定方法において、近接する
   ３波長［λｉ］の各分光放射エネルギー［Ｅ（λｉ、Ｔ
   ）］を測定し、測定された３つの分光放射エネルギー［
   Ｅ（λｉ、Ｔ）］のそれぞれについて、物体の温度［Ｔ
   ］と、各波長［λｉ］に対する物体表面の分光放射率［
   ε（λｉ）］とを変数とする放射エルネルギー式を定め
   るとともに、上記３波長［λｉ］の間における分光放射
   率［ε（λｉ）］の変化を波長の１次関数で近似し、上
   記４つの関係式から物体の温度［Ｔ］を求めることを特
   徴とする放射を利用した物体の温度測定方法。