JP2007192579A - 温度計測装置及び温度計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射率を固定値とした場合に発生する計測誤差を解消し、且つ、発光する溶融池の温度計測が可能である、非接触方式の溶融池の温度計測手法を提案する。
【解決手段】溶融池の温度計測装置１０において、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出する赤外線放射検出器１２と、前記計測点の放射率を計測する放射率計測手段としての二色放射温度計１１と、前記赤外線エネルギーの放射強度と、前記放射率に基づいて、前記計測点の温度を算出する演算処理装置１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接加工中の溶融池等の測定対象物の温度を非接触方式にて測定する技術に関する。

溶接加工において、加工中の溶融金属（以下、溶融池と記載する）の温度は、溶接の良・不良や、溶接範囲等の溶接状態を知るうえで、重要な手がかりとなる。このため、溶接加工中に、溶融池の温度計測が行われる。

従来、溶接加工中の溶融池の温度計測手法として、例えば、特許文献１に記載のように、溶融池に光ファイバーや熱電対等の検出器を接触させて温度を測定する、いわゆる接触方式の温度計測手法が採用されている。このような接触方式の温度計測手法では、測定対象に検出器を接触させるための加工が必要であり、試験的に温度計測を行うことしかできなかった。つまり、接触方式の温度計測手法では、オンラインでの溶融池の温度計測は不可能であるという課題があった。
また、溶融池が複雑な形状を辿る場合には、測定領域毎に検出器を移動させる機構が必要となって装置が複雑化するという課題があった。さらに、このような接触方式の温度計測手法では、アーク溶接において溶融池の温度計測は可能であるが、レーザ溶接においては温度計測が不可能であるという課題があった。

そこで、上記課題を解決する非接触方式の温度計測手法が望まれている。非接触方式の温度計測手法として、赤外線放射温度計や二色温度計を用いたものがある。

赤外線放射温度計は、例えば、特許文献２に記載のように、測定対象となる物体から放射される赤外線の放射量を測定し、物体温度を求めるものである。赤外線の放射量の測定は、測定領域を赤外放射検出器としての赤外線カメラにて撮像して、これを画像処理することによって行われる。

上記赤外線放射温度計では、測定領域からの赤外線の放射率は所定の固定値（例えば１）として温度が計算される。しかし、放射率は物質により異なるため、測定領域の放射率が所定の固定値から大きく外れる場合は、赤外線放射温度計を用いて測定された測定領域の温度の値は、放射率の影響を大きく受けて測定誤差が生じるために、測定値の信頼性が低下するという課題があった。

また、例えば、特許文献３に記載のように、二色温度計の測定原理を利用した温度計では、物体から放射される光エネルギーのうち、予め選択された相互に異なる２波長を用いてイメージセンサにて物体の画像を検出し、検出された一対の画像の同じ部分ごとに放射強度の比を求めその放射強度の比に基づいて物体の表面温度を測定することができる。また、特許文献４に記載のように、上記二色温度計に基づいて算出した測定領域の温度分布から、放射率を算出し、該測定領域の放射率分布を知ることができる。

上記のような二色温度計では、測定領域の放射率が不明であっても相互に異なる二つの波長毎の放射強度比と測定領域の表面温度との間で相互関係が成立することを利用し、予め求められた関係式から実際の放射強度に基づいて、測定領域の表面温度分布及び放射率分布を算出することができる。
しかし、上記のような二色温度計を用いて溶接加工中の溶融池の温度計測する場合、溶融池が発光し、この発光の画像を検出してしまうために、まさに溶接が行われている溶融池の温度を検出することができないという課題があった。
特開２００５−７４５１号公報 特開平５−３４２０４号公報 特開２００４−４５２６８号公報 特開２００４−４５３０６号公報

本発明では、放射率を固定値とした場合に発生する計測誤差を解消し、且つ、溶融池等の発光箇所の温度計測が可能である、非接触方式の温度計測装置および方法を提案する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの放射強度を検出する赤外線検出手段と、前記計測点の放射率を計測する放射率計測手段と、検出した前記放射強度と、計測した前記放射率とに基づいて、前記計測点の温度を算出する演算処理手段とを、備える温度計測装置である。

請求項２においては、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出し、検出した赤外線エネルギーの強度と、予め所定の値に設定された放射率とに基づいて当該計測点の温度を計測する赤外線放射温度計と、前記計測点の放射率を計測する放射率計測手段と、計測された前記計測点の温度を、計測された前記放射率を用いて補正する演算処理手段とを、備える温度計測装置である。

請求項３においては、前記放射率計測手段は、同一計測点において少なくとも二つの波長の放射光を検出し、当該少なくとも二つの波長の放射光の放射強度に基づいて放射率を計測するものである。

請求項４においては、赤外線検出手段にて、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの放射強度を検出し、放射率計測手段にて、前記計測点の放射率を計測し、演算手段により、検出した前記放射強度と、計測した前記放射率とに基づいて、前記計測点の温度を算出する、温度計測方法である。

請求項５においては、赤外線放射温度計にて、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出し、検出した赤外線エネルギーの強度と、予め所定の値に設定された放射率とに基づいて当該計測点の温度を計測し、放射率計測手段にて、前記計測点の放射率を計測し、演算処理手段にて、計測された前記放射率を用いて、計測された前記計測点の温度を補正する、温度計測方法である。

請求項６においては、前記放射率計測手段は、同一計測点において少なくとも二つの波長の放射光を検出し、当該少なくとも二つの波長の放射光の放射強度に基づいて放射率を計測するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

計測された放射率と、検出された赤外線エネルギーの放射強度に基づいて、測定領域の温度分布を算出するので、発光する溶融池の温度計測が可能であり、また、発光する溶融池の温度計測を高精度に行うことができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。

先ず、本発明の実施例１に係る温度計測装置１０について説明する。
図１は実施例１に係る温度計測装置の全体的な構成を示す図、図２は実施例１に係る温度計測装置のブロック図、図３は実施例１に係る温度計測の流れ図である。

図１及び図２に示すように、温度計測装置１０は、二色放射温度計１１と、赤外線放射検出器１２と、演算処理装置１３とで構成される。二色放射温度計１１及び赤外線放射検出器１２は、演算処理装置１３に電気的に接続され、二色放射温度計１１及び赤外線放射検出器１２で検出された情報は演算処理装置１３に伝達される。
実施例１に係る温度計測装置１０は、二色放射温度計１１で計測した放射率と、赤外線放射検出器１２で検出した赤外線エネルギーの放射強度とに基づいて、測定領域Ｄの温度分布を算出することを特徴とするものである。

本実施例においては、温度計測装置１０にて溶接加工中の鋼板の溶融池の温度を測定する。但し、温度計測装置１０の測定対象物は、これに限定されるものではなく、広く、測定領域の温度測定に適用することができ、特に、発光する測定領域の温度計測を行うことに適している。

［二色放射温度計１１］
二色放射温度計１１は、測定領域Ｄの各計測点の放射率を計測する放射率計測手段である。
本実施例に係る二色放射温度計１１では、計測点の温度と放射率とを一度に計測することができる。よって、測定領域Ｄの温度分布及び放射率分布とを得ることができるので、後述する赤外線放射検出器１２にて検出された測定領域Ｄの温度分布と、二色放射温度計１１で検出された測定領域Ｄの放射率分布とを、画像を照合させることによって、測定領域の各測定点と放射率とを整合させることができる。

但し、放射率計測手段は、温度と放射率とを一度に計測できる二色放射温度計１１に限定されない。例えば、同一温度の黒体と計測点との赤外線強度をそれぞれ分光放射光度計で計測して計測点の放射率を算出したり、予め既知の放射率の赤外線を計測点に照射したときの反射強度を分光放射光度計で計測して当該計測点の放射率を算出したりすることによって、計測点の放射率を得ることができる。なお、これらの場合は、溶接加工前に測定領域Ｄの放射率分布を予め計測しておく必要がある。

二色放射温度計１１には、計測点から放射される所定の波長の光エネルギーを検出する放射検出器３１と、各波長について検出された光エネルギーの放射強度の比に基づいて表面温度を算出する温度算出部３３と、算出された計測点の温度から放射率を算出する放射率算出部３４とが備えられる。

なお、前記放射検出器３１として、可視光測定用ＣＣＤカメラが採用される。
本実施例では、二色放射温度計１１にて、溶接加工中の鋼板の溶融池の温度を計測する。鉄が溶融する温度は１０００〜２０００℃程度であるので、この温度から判断すれば、測定領域Ｄから放射される光エネルギーのピークは可視光〜近赤外線の範囲であると推定されるため、前記放射検出器３１として、可視光測定用ＣＣＤカメラを採用することが適当である。

放射検出器３１は、フィルタ３５と、レンズ３６と、画像センサ３７等で構成される。
上記構成の放射検出器３１では、計測点から放射された光エネルギーを、フィルタ３５を透過させてレンズ３６などの光学系で集光し、画像センサ３７へ結像する。前記赤フィルタ３５にて、所定の波長帯にある光エネルギーだけが集光される。
そして、画像センサ３７では、入射した光エネルギーが、該光エネルギーの放射強度に比例した電気的信号に変換され、この電気的信号が検出信号として、温度算出部３３に伝達される。

放射検出器３１にて検出する波長帯は、測定領域Ｄの融点の温度から最適な波長帯を推定することによって、決定される。
最適な波長帯の推定手法として、下記［数１］に示す、プランクの放射則におけるピーク波長と温度の関係式に基づいて、波長帯が算出される。そして、算出された波長帯に基づいて、放射検出器３１にて検出する波長帯が決定される。

［数１］
λ×Ｔ＝２８９７．７
λ；波長（μｍ）、Ｔ；絶対温度（Ｋ）

なお、二色放射温度計１１にて、溶接加工中の鋼板の溶融池の温度を計測する本実施例においては、上記［数１］に基づいて算出される波長帯は、ほぼ可視光領域から近赤外線領域であり、放射検出器３１にて検出する波長帯は、０．８μｍ帯又は０．６μｍ帯と決定することが適当である。本実施例では、０．８μｍ帯とし、放射検出器３１にて検出する波長を０．８５μｍと０．７５μｍと決定する。

上記構成の二色放射温度計１１では、先ず、放射検出器３１にて、測定領域Ｄから放射される光エネルギーのうち、前述のように予め決定された相互に異なる複数の波長に相当するものが検出される。
続いて、温度算出部３３にて、測定領域Ｄの同じ計測点ごとに各波長での放射強度の比を求め、その放射強度の比に基づいて表面温度が算出される。測定領域Ｄの各計測点について温度を算出することにより、測定領域Ｄの温度分布を得ることができる。
そして、放射率算出部３４にて、算出された測定領域Ｄの各計測点の温度から各計測点の放射率が算出される。測定領域Ｄの各計測点について放射率を算出することにより、測定領域Ｄの放射率分布を得ることができる。
上述のように、二色放射温度計１１にて計測された測定領域Ｄの温度分布及び放射率分布は、演算処理装置１３に伝達される。

［赤外線放射検出器１２］
赤外線放射検出器１２は、測定領域Ｄの各計測点から放射される赤外線エネルギーを検出する、赤外線検出手段である。

前記赤外線放射検出器１２として、赤外線カメラが採用される。
なお、赤外線放射検出器１２として、以下の（１）〜（３）の条件に合致するものを採用することが望ましい。
（条件１）予め測定領域Ｄの周囲の照明や太陽光等の外乱要因の分光分析を行い、これらの外乱波長を避けた波長帯に感度を有するもの。
（条件２）溶接加工中には溶融池から発光があるため、この発光を避けた波長帯に感度を有するもの。
（条件３）金属材料の放射率の波長依存性を考慮して、なるべく短波長の波長帯に感度を有するもの。

また、赤外線放射検出器１２としての赤外線カメラは、長波長帯（８〜１３μｍ）では、高温領域での感度が低いため、短波長帯（例えば、３〜５μｍ）に感度が設定されたものを採用することが望ましい。

赤外線放射検出器１２は、赤外線フィルタ４２と、レンズ４３と、赤外線センサ４４等で構成される。
上記構成の赤外線放射検出器１２では、測定領域Ｄから放射された赤外線エネルギーを、赤外線フィルタ４２を透過させてレンズ４３などの光学系で集光し、赤外線センサ４４へ結像する。前記赤外線フィルタ４２にて、所定の波長帯にある赤外線だけが集光される。
そして、赤外線センサ４４では、入射した赤外線エネルギーが、該赤外線エネルギーの大きさに比例した電気的信号に変換され、この電気的信号が検出信号として、温度算出部４７に伝達される。

［演算処理装置１３］
前記演算処理装置１３は、前記二色放射温度計１１からの検出信号と、前記赤外線放射検出器１２からの検出信号とに基づいて、測定領域Ｄの温度分布を算出する、演算処理手段である。
演算処理装置１３には、測定領域Ｄの温度を算出する温度算出部５１と、算出された測定領域Ｄの温度分布を画像として出力する出力部５２とが備えられる。

前記演算処理装置１３は、ＣＰＵ２５と、キーボード等の入力手段２６と、モニタ等の出力手段２７などを備えた、汎用コンピュータとして構成することができる。但し、演算処理装置１３は同様の機能を備えた専用装置として構成することもできる。

前記温度算出部５１では、赤外線放射検出器１２から伝達された赤外線エネルギーの大きさに比例した電気的信号を受けて、基準温度の補正と、反射率の補正とが施されたうえで、温度に換算される。このとき、反射率の値は、二色放射温度計１１にて計測された放射率の値が用いられる。

前記赤外線放射検出器１２にて算出された測定領域Ｄの温度分布と、前記二色放射温度計１１にて算出された測定領域Ｄの温度分布とを照合することによって、赤外線放射検出器１２にて算出された測定領域Ｄの温度分布と、放射率分布とが整合される。つまり、赤外線放射検出器１２にて算出された測定領域Ｄの各部位に対応する放射率が特定される。

このように、演算処理装置１３では、実測された放射率を用いて、温度換算が行われるので、放射率を固定値とした際に生じる誤差が解消された、測定領域Ｄの温度を計測することができる。そして、測定領域Ｄの各計測点において温度を算出すれば、測定領域Ｄの温度を得ることができる。

そして、前記演算処理装置１３の出力部５２では、前記温度算出部５１にて算出された測定領域Ｄの温度分布が、アナログ信号に変換されて、出力手段にて画像として表示出力される。

続いて、上記構成の温度計測装置１０を用いた、溶接加工中の溶融池の温度計測の流れについて、図３に示す流れ図を用いて説明する。

なお、温度計測に際し、二色放射温度計１１の放射検出器３１と、赤外線放射検出器１２とが、測定対象に含まれる同一の測定領域Ｄの像を同時に捉えることのできる位置に配置される。

先ず、赤外線検出手段としての赤外線放射検出器１２にて、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出する。一方、放射率計測手段としての二色放射温度計１１にて、前記計測点から放出された可視光エネルギーを検出して、温度と放射率を計測する（Ｓ１）。
なお、前記計測点は、測定領域Ｄのうち溶接中の部位の直前に溶接された部位であり、二色放射温度計１１による温度及び放射率の計測と、赤外線放射検出器１２による赤外線放射強度の計測は、平行して行われる。

続いて、二色放射温度計１１と、赤外線放射検出器１２との検出信号を受けて、演算処理装置１３にて、測定領域Ｄの温度分布が算出され（Ｓ２）、これが演算処理装置１３の出力手段に画像として表示出力される（Ｓ３）。

上記の温度測定方法によれば、実測された放射率と、赤外線放射検出器１２にて計測された赤外線エネルギーの放射強度に基づいて、計測点の温度が算出されるので、放射率の差異に基づく実際の測定領域Ｄの温度分布との誤差を解消した、信頼性の高い測定値を得ることができる。
また、上記の温度測定方法によれば、発光する溶融池の温度計測が可能である非接触方式の溶融池の温度計測を実現することができる。そして、非接触方式であるので、溶接加工中の実際の製品の溶融池の温度計測をオンラインで行うことができる。

次に、本発明の実施例２に係る温度計測装置１０（１０Ｂ）について説明する。
図４は実施例２に係る温度計測装置の全体的な構成を示す図、図５は実施例２に係る温度計測装置のブロック図、図６は実施例２に係る温度計測装置のブロック図である。

実施例２に係る温度計測装置１０（１０Ｂ）は、図４及び図５に示すように、二色放射温度計１１と、赤外線放射温度計６１と、演算処理装置６２とで構成される。
実施例２に係る温度計測装置１０は、二色放射温度計１１にて計測された放射率を用いて、赤外線放射温度計６１にて計測した測定領域Ｄの温度分布を補正することによって、測定領域Ｄの真の温度分布を得ることを特徴とするものである。

なお、実施例２に係る温度計測装置１０（１０Ｂ）に具備される二色放射温度計１１の構成は、前述の実施例１に係る温度計測装置１０に具備される二色放射温度計１１と同一構成であるので説明を省略する。

［赤外線放射温度計６１］
赤外線放射温度計６１は、測定領域Ｄから放射される赤外線エネルギーに基づいて、該測定領域Ｄの温度分布を計測する、温度計測手段である。
前記赤外線放射検出器１２には、測定領域Ｄから放射される赤外線エネルギーを検出する赤外線放射検出器１２と、赤外線エネルギーの放射強度に基づいて表面温度を算出する温度算出部６３とが、備えられる。

前記赤外線放射検出器１２の構成は、前述の実施例１に係る温度計測装置１０に具備される赤外線放射検出器１２と同一構成であるので説明を省略する。

前記温度算出部６３では、赤外線放射検出器１２から受けた検出信号に基づいて、赤外線エネルギーの大きさに比例した電気的信号に対して、基準温度の補正が施されたうえで、温度に換算され、測定領域Ｄの各計測点の温度が算出される。このとき、温度算出部６３では、測定領域Ｄの各計測点の放射率は、測定領域Ｄの物質の種類やその表面状態に応じて予め設定された固定値（例えば、１）として計算される。
つまり、温度算出部６３では、赤外線放射検出器１２から受けた検出信号と、予め設定された前記放射率とに基づいて、測定領域Ｄの各計測点の温度を算出している。
温度算出部６３にて算出された測定領域Ｄの温度分布は、赤外線放射温度計６１から演算処理装置６２に伝達される。

［演算処理装置６２］
演算処理装置６２は、前記二色放射温度計１１からの検出信号と、前記赤外線放射温度計６１からの検出信号とに基づいて、測定領域Ｄの真の温度分布を算出する、演算処理手段である。
演算処理装置６２には、上述の赤外線放射温度計６１で計測された測定領域Ｄの各計測点の温度に対して『真の温度』を算出して、測定領域Ｄの真の温度分布を算出する温度算出部６５と、算出された測定領域Ｄの真の温度分布を画像として出力する出力部６６とが備えられる。

前記演算処理装置６２は、ＣＰＵ２５と、キーボード等の入力手段２６と、モニタ等の出力手段２７などを備えた、汎用コンピュータとして構成することができる。但し、演算処理装置１３は同様の機能を備えた専用装置として構成することもできる。

前記温度算出部６５では、赤外線放射温度計６１で計測された測定領域Ｄの各計測点の温度を、二色放射温度計１１で計測された測定領域Ｄの各計測点の放射率で補正することによって、各計測点の真の温度を算出し、測定領域Ｄの真の温度分布を算出する。
そして、演算処理装置６２の出力部６６では、前記温度算出部６５にて算出された測定領域Ｄの真の温度分布が、アナログ信号に変換されて、出力手段２７にて画像として表示出力される。

続いて、上記温度計測装置１０（１０Ｂ）を用いた温度計測の流れについて、図６に示す流れ図を用いて説明する。

先ず、赤外線放射温度計６１にて、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出し、検出した赤外線エネルギーの強度と、予め所定の値に設定された放射率とに基づいて当該計測点の温度を計測する。そして、放射率計測手段である二色放射温度計１１にて、前記計測点の放射率及び温度を計測する（Ｓ２１）。
なお、前記計測点は、測定領域Ｄのうち溶接中の部位の直前に溶接された部位であり、赤外線放射温度計６１による温度の計測と、二色放射温度計１１による温度及び放射率の計測とは、平行して行われる。

続いて、演算処理手段である演算処理装置６２にて、前記二色放射温度計１１により計測された放射率を用いて、前記赤外線放射温度計６１にて計測された計測点の温度を補正する（Ｓ２２）。
最後に、演算処理装置６２にて、算出された測定領域Ｄの温度分布を、表示出力する（Ｓ２３）。

上述のように、温度計測装置１０（１０Ｂ）を用いた温度計測方法によれば、実測された放射率を用いて、赤外線放射温度計６１にて計測された温度分布を補正するので、放射率を固定値とした際に生じる実際の測定領域Ｄの温度分布との誤差を解消した、信頼性の高い測定値を得ることができる。

実施例１に係る温度計測装置の全体的な構成を示す図。 実施例１に係る温度計測装置のブロック図。 実施例１に係る温度計測の流れ図。 実施例２に係る温度計測装置の全体的な構成を示す図。 実施例２に係る温度計測装置のブロック図。 実施例２に係る温度計測の流れ図。

符号の説明

１０ 温度計測装置
１１ 二色放射温度計
１２ 赤外線放射検出器
１３ 演算処理装置
３１ 放射検出器
３３ 温度算出部
３４ 放射率算出部
３５ フィルタ
３６ レンズ
３７ 画像センサ
４２ 赤外線フィルタ
４３ レンズ
４４ 赤外線センサ
４７ 温度算出部
５１ 温度算出部
５２ 出力部
６１ 赤外線放射温度計
６２ 演算処理装置
６３ 温度算出部

Claims (6)

1. 温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの放射強度を検出する赤外線検出手段と、
   前記計測点の放射率を計測する放射率計測手段と、
   検出した前記放射強度と、計測した前記放射率とに基づいて、前記計測点の温度を算出する演算処理手段とを、
   備えることを特徴とする、温度計測装置。
2. 温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出し、検出した赤外線エネルギーの強度と、予め所定の値に設定された放射率とに基づいて当該計測点の温度を計測する赤外線放射温度計と、
   前記計測点の放射率を計測する放射率計測手段と、
   計測された前記計測点の温度を、計測された前記放射率を用いて補正する演算処理手段とを、
   備えることを特徴とする、温度計測装置。
3. 前記放射率計測手段は、同一計測点において少なくとも二つの波長の放射光を検出し、当該少なくとも二つの波長の放射光の放射強度に基づいて放射率を計測することを特徴とする、
   請求項１又は請求項２に記載の温度計測装置。
4. 赤外線検出手段にて、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの放射強度を検出し、
   放射率計測手段にて、前記計測点の放射率を計測し、
   演算手段により、検出した前記放射強度と、計測した前記放射率とに基づいて、前記計測点の温度を算出することを特徴とする、温度計測方法。
5. 赤外線放射温度計にて、温度計測の対象となる計測点から放射される赤外線エネルギーの強度を検出し、検出した赤外線エネルギーの強度と、予め所定の値に設定された放射率とに基づいて当該計測点の温度を計測し、
   放射率計測手段にて、前記計測点の放射率を計測し、
   演算処理手段にて、計測された前記放射率を用いて、計測された前記計測点の温度を補正することを特徴とする、温度計測方法。
6. 前記放射率計測手段は、同一計測点において少なくとも二つの波長の放射光を検出し、当該少なくとも二つの波長の放射光の放射強度に基づいて放射率を計測することを特徴とする、
   請求項４又は請求項５に記載の温度計測方法。
   

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