JPH0310128A - 高温炉内における温度と放射率の同時測定方法 - 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、高温炉内など大きな背光雑温の存在する環境
における、放射を利用した温度と放射率の同時測定方法
に関する。

〔従来の技術〕

鉄鋼プロセスにおける加熱炉内や連続焼鈍炉内などにお
いて，放射を利用して温度を測定する場合に、次の２つ
の要因により大きな影響を受ける。

第１は、炉壁などからの反射光が測定対象物体で反射さ
れて温度計に入射する、いわゆる背光雑音であり，第２
は、物体の材質および表面性状に起因する放射率変動で
ある。

背光雑音とは，測定対象以外の物体からの放射光が、測
定対象表面で反射して温度計に入る光をいう。この背光
雑音源の温度が、測定対象の温度に比べて充分低い場合
は問題ないが、そうでない場合には測定誤差の要因とな
る。

背光雑音対策の従来技術は、背光雑音を遮蔽する方法お
よび遮蔽装置を持たず背光雑音を定量的に測定して補償
する方法に分けられる。このうち。

背光雑音を遮蔽する方法として、水冷遮蔽板を用いる方
法と、非水冷遮蔽板を用いる方法がある。

一方、第２の要因として挙げた測定対象物の放射率変動
については、放射率変動が小さいときや、変動量が把握
できるときは、あらかじめ放射率を測定しておくこと、
により正確な測温が可能になる。

しかし、放射率が、温度、材質などによって大きく変動
し、その変動量が予測できないときは、測温誤差を生じ
る。

第６図は、背光雑音を遮蔽し、かつ、放射率変動に対処
できる測温システムの例である。これにおいて４１は放
射計、４２は黒体放射源、４３は測定対象を示し、温度
が既知の黒体放射源４２と放射計４１が、図に示すよう
に測定対象の法線Ｎに対して角度０で鏡面対象的に配置
されている。

いま、ＴＩ、Ｔ２．Ｔ４をそれぞれ測定対象、黒体放射
源および周囲壁の表面温度とし、周囲壁を温度Ｔ４の黒
体とすると、その面の放射輝度はＬｂ（Ｔ４）で、測定
面である程度拡散的に反射される。したがって、Ｌｂ（
Ｔ４）の一部が放射計４１により検出される。同様に、
黒体放射源４２の放射輝度Ｌｂ（Ｔ２）は、θ方向のみ
に向うわけではなく、一部は散乱して放射計で検出され
、その放射輝度Ｌ２は次式で表わすことができる。

Ｌ２＝ε・Ｌｂ（ＴＩ）＋（１−ε）・Ｐ−Ｌｂ（Ｔ２
）＋（１−ε）・（１−Ｐ）・Ｌｂ（Ｔ４）　　・・・
（１）ここで ε　　：測定対象の放射率 Ｌｂ（Ｔ）　：温度Ｔの黒体放射輝度 ｂ　　：鏡面反射係数 とする。

（１）式のＰは鏡面反射係数とよばれる測定面での鏡面
的反射の程度を表わす係数であり、測定面の表面性状、
検出波長、ｉｉＩ！Ｉ定面から黒体放射源を見込む立体
角、傾斜角の関数である。Ｐは０〈Ｐ≦Ｉの値をとり、
装置の幾何学的配置と光学的特性で定まり、温度や放射
率には依存しない。いま、かりに放射計から光を出した
ものとすると、測定点０で反射した光のうち、黒体放射
源に到達する光の割合がＰとなる。

また、（１）式において、右辺第一項は測定面自体から
の放射輝度、第２項は黒体放射源からの放射のうち、測
定面で反射して検出される部分である０次に、黒体放射
源の温度をＴ３に変更したときの検出値をＬｌとすると
、次式で示される。

Ｌｌ＝ε・Ｌｂ（ＴＩ）＋（１−ｔ）ｆ’Ｌｂ（Ｔ３）
＋（１−ｔ）（１−Ｐ）Ｌｂ（ｒ４）　　”・（２）そ
こで（１）、　（２）式の両辺を辺々差し引いて整理す
ると、次式を得る。

ｔ　＝１−（Ｌ２　Ｌｌ）／（Ｐ・＜Ｌｂｃｒ２）−ｔ
ｂ（Ｔ３）））　　　　　　　　　・・・（３）さらに
、（２）式をＬｂ（ＴＩ）について解くと次式が得られ
る。

Ｌｂ（ＴＩ）＝　（Ｌｌ／ε）−（１−ε）・Ｐ−Ｌｂ
（Ｔ３）／ε−（１−ε）・（ｉ−ｐ）・Ｌｂ（Ｔ４）
／ε・・・（４） つまり、（３）式より放射率Ｃが求まり、それを（４）
式に代入することにより測定対象の温度Ｔ１が求まる。

また、（４）式かられかるように、鏡面反射係数Ｐが１
．０となるように黒体放射源を十分に大きくすれば、周
囲壁の温度Ｔ４の影響、すなわち、背光雑音の影響をう
けない。

第７図は、第６図と同様に、背光雑音を遮蔽し、かつ、
放射率変動に対処できる測温システムの例である。これ
において、５１．５２は放射計。

５３は水冷遮蔽板、５４は背光雑音源、５５は測定対象
物５６は凹面ミラーを示す。放射計５１および５２は、
平面的に９０度ずらされており、同一場所を注目するよ
うに配置されている。これらの放射計５１および５２で
検出される放射輝度ＬＬ、Ｌ２は、それぞれ次の（５）
　、　（６）式で表わされる。

ＬＬ＝　ｉ　−Ｌｂ（ＴＩ）　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　・・・（５）Ｌ２＝　ｉ　−Ｌｂ（Ｔ
ｌ）＜１　＋Ｐ（１−ｔ　１）＞　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　・”　（６）ここで、（６）
式のＰは（１）式と同様の鏡面反射係数である。

さて、（６）式を（５）式で辺々割って整理すると次式
が得られる。

ε＝１−（Ｌ２／ＬＬ−１）／Ｐ　　　　　　　　　　
　　　　　・・・（７）また、（５）式を変形すると、 Ｌｂ（ＴＩ）＝ＬＬ／　Ｅ　　　　　　　　　　　　　
　　　　・・・（８）を得る。

つまり、（７）式から放射率εが求まり、それを（８）
式に代入することにより測定対象の温度Ｔ１が求まる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第６図に示した測温法においては、２つの高
価な黒体放射源が必要であり、その保守も困難である。

また、光が測定対象上で散乱するために、その散乱する
全光束をとらえるためには黒体放射源のサイズが大きく
なり、製作も困難になり、さらにその放射率が１．０で
あることが要求される等、実用上の問題は多い。

第７図に示した測温法においては、（５）　、　（６）
式のＬｌ、Ｌ２の測定には背光雑音が含まれていてはな
らないので、背光雑音遮蔽のために水冷遮蔽板を用いる
。しかし、この方法は測定対象が停止していたり、その
移動速度が遅い場合には、対象物が冷却されてしまうと
いう問題がある。さらに、遮蔽板の周囲温度が高くなる
と、遮蔽板の冷却水の漏水事故も起こり得る。また、測
定対象の温度が常温付近の低温の場合には、遮蔽板の温
度を０℃以下の低温にする必要が生じ、現実性を欠く場
合が多い。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、無視できない背光雑音が存在し、かつ、放射
率変動が考えられる環境において、背光雑音対策のため
の水冷遮蔽板を用いることなく、温度と放射率を同時測
定する。

本測温法の構成を第１図に示す。これにおいて。

１１および１２は放射計、１３は既知放射源。

１４は測定対象であり、平面的に９０度ずらした放射計
１１および１２が、それぞれ測定対象物の法線Ｎに対し
て、角度θ方向から同一標的を注目するように配置され
ている。放射計１１には、測定対象からの自発光成分だ
けが入射する。このためには水冷板を用いず、鏡面対象
方向の炉壁に、必要な大きさの窓を開けるなどの工夫を
施す。

方、放射計１２の鏡面対象方向には、既知放射源１３を
配置する。この既知放射源１３は炉壁などのようにｉｌ
’ｌ定対象と同程度の温度であり、第７図により示した
測温法のように測定対象の冷却の問題は生じない。また
、炉壁に貼りつけるだけでよいので大きく製作すること
も簡単であり、容易に鏡面反射係数Ｐを１．０と見なす
ことができる。

第１図において、既知放射源１３内で放射光が達する範
囲をゾーンＢとするとき、測定対象と壁との間隔をでき
るだけ小さくし、既知放射源１３を充分に広くし、ある
いは、熱源の近く等の温度勾配のあるところを避けるな
どして、その中の温度および放射率が均一と見なせるよ
うにする。ここでは、ゾーンＢ内の温度をＴ２とし、放
射率をε２とする。また、標的を含み、その中の温度お
よび放射率が標的におけるそれぞれの値Ｔ１およびε１
と同一であると見なせる範囲をゾーンＡとする。

ゾーンＡの見かけの放射輝度をＬＡ、ゾーンＢの見かけ
の放射輝度をＬＢとすると、ε２≠１．０という前提の
もとで測定対象と既知放射源の間の相互反射を考慮する
ことにより次式が成り立つ。

巳＝ε１・Ｌｂ（Ｔｌ）＋ε２・団　　　　　　　　　
　　　・・・（９）ＬＢｔ２・Ｌｂ　（Ｔ２）＋　ｔ　
１・巳　　　　　　　　　　　　・・・（１０）ここで
、放射計１１の出力をＬｌとすると放射計１１には測定
対象からのみ入射するのでＬ１＝　ｉ　１−Ｌｂ（ＴＩ
）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　・・・（１１）と表わされる。また、放射計１２の出
力をＬ２とすると、Ｌ２＝ＬＡなので（９）　、　（１
０）式よりＬ２＝＜ｔ　１−Ｌｂ（ＴＩ）＋（１−ε１
）・Ｅ２・Ｌｂ（Ｔ２））／＜１−（１−ε１）・（１
−ε２）〉・・・（１２） が得られる。

ここで、ＬＬ、Ｌ２およびＴ２を測定し、Ｅ２を既知と
すると、（１１）、（１２）式より温度と放射率は次式
で正しく求められる。

Ｌｂ（Ｔｌ）＝Ｌ１（（１−ｔ　２）Ｌ２＋　ｉ　２・
ｔｂｆｆ２）＞／（ＬＬ＋ε２＜Ｌｂ（Ｔ２）　−Ｌ２
＞３　　・・（１３）ε１＝（ＬＬ＋ε２＜Ｌｂ（Ｔ２
）−Ｌ２＞）／＜（１−ε２）Ｌ２＋ε２・Ｌｂ（Ｔ２
））　　　・・・（１４）第６図に示した測温法ではｔ
　２＝１．Ｏである必要があった。しかし本測温法にお
いてはε２≠１．０を前提に相互反射を考慮しているの
で、できる限り１．０に近いものを選定すれば良い。第
２図に、測定対象の温度を１０００℃、放射率を０．３
．放射源の温度を９５０℃とし、ε２を０．９４に設定
したときに、実際の放射率が０．９４でなかった場合の
測温誤差の計算例を示す。たとえば、実際の放射率が０
．９０であったときの測温誤差がわずか１℃程度である
。

本測温法では、放射計１１に背光雑音が入射するのを防
ぐために窓を開ける必要があり、その窓の大きさは測定
対象の反射特性により決まる。確実に背光雑音の入射を
防ぐには窓を十分に大きく開ければ良いが、測定対象が
窓近傍で冷却されてしまうため、できる限り窓は小さく
しなければならない。もし、測定対象にゆらぎがあれば
光軸にずれが生じ、背光雑音の影響を受けることが考え
られる。そのような場合には光軸のずれを監視し、正し
く光軸が形成されているときのみ、（１１）、（１２）
式のＬｌとＬ２の放射輝度を用いて温度と放射率の同時
測定演算を行い、光軸がずれているときは同時測定演算
は行わずに（１４）式から求められた最新の放射率計算
値を用いて、（１２）式のＬ２のみの放射輝度を用いて
温度のみ測定すればよい。

第３図は光軸を監視する装置である。これにおいて、２
１は放射計、２２は）Ｉｅ−Ｎｅレーザ、２３および２
４はハーフミラ−２５は集光レンズ。

２６はバンドパスフィルタ、２７は位置信号を出せる受
光素子である。ハーフミラ−２３には放射計の検出光は
透過し、かつ、Ｉｔ　ｅ　−Ｎ　ｅレーザ２２の光は透
過しないものを選定する。また、ハーフミラ−２４には
透過率５０％のものを選定し、バンドパスフィルタ２６
にはＨｅ−Ｎｅレーザ２２の光のみを通すものを選定す
る。図においてｔｉｅ−Ｎｅレーザ２２から出た光はハ
ーフミラ−２４を透過し、ハーフミラ−２３で反射して
測定対象へと向かう。

測定対象がそのレーザ光に垂直であれば、レーザの光は
さらに測定対象上で反射し、ハーフミラ−２３および２
４で反射したのちに受光素子２７に入光する。もし測定
対象がゆらぎなどのためにレーザ光に垂直でなかったら
受光素子には入光しない。したがって、この装置を用い
ることにより測定対象のゆらぎを監視できる。レーザ光
と放射計の光軸を合わせておけば、放射計の光軸がずれ
て背光雑音が入射しく１１）式が成り立たない場合に、
前述のように演算を行わなければその影響を免れること
ができる。

〔実施例〕

第４図に本発明を御飯様で実施する装置を示した。これ
において、３１および３２は放射計。

３３は測定対象、３４Ｃよ窓、３５はカーボン繊維。

３６はカーボン繊維の表面温度測定用の熱電対。

３７は光軸監視装置である。この図に示すように、放射
計３１は測定対象の法線と入射軸とが一致するように設
置されており、炉壁には窓３４が設けられている。その
大きさは、鋼板からの反射光の立体角ｄΩを含む大きさ
とする。このとき放射計１に入射する背光雑音は無視で
きる。すなわち、炉外の温度は鋼板のそれに比較して数
１００℃低いので、背光雑音のエネルギーは無視できる
程小さくなる。たとえば、板の温度を１０００℃とすれ
ば、既知放射源の温度が約６３０℃で、Ｓ／Ｎ比は１０
０となる。問題は（１２）式の考え方である。放射源と
して実用的なのは、炉壁そのものを放射源とすることで
ある。幸い、カーボン繊維は第５図に示すように非常に
放射率が高い。これを炉壁に貼りつけ、その表面温度を
熱雷対で測定し、これを既知放射源とすれば、放射計３
２には（１２）式の放射輝度が検出される。

〔発明の効果〕

以上、本発明の方法によれば、高温炉内など大きな背光
雑音が存在し、かつ、水冷遮蔽板の設置が許されない環
境において、正しく温度と放射率を同時測定することが
できる。また、光軸監視システムは本測定法に限らず、
−船釣に物体の位置変動の監視等にも用いることができ
るのは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による測定法の原理を説明するための説
明図、第２図は既知放射源の放射率見込み誤差の計算結
果を示したグラフ、第３図は光軸監視装置の構成を示す
ブロック図、第４図は本発明を御飯様で実施する装置の
構成を示したブロック図、第５４はカーボン繊維の分光
対重を示したグラフ、第６図および第７図は従来より行
なわれている温度と放射率の同時測定法を説明するため
の説明図である。 １１．１２，２１，２７，３１，３２，４１，５１，５
２　：放射計１３．４２　：放射源　　　　１４，３３
，４３，５５　：測定対象２２：レーザ　　　　　　２
３，２４，５６　：ミラー２Ｓ：集光レンズ　　　　２
６：バンドパスフイルタ２７：受光素子　　　　　３４
：窓 ３５：カーボン繊維　　　３６：熱電対３７：光軸監視
装置　　　５３：水冷遮蔽板５４：背光雑音源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象の表面の法線に対し、２台の放射計、放
   射源および窓を鏡面対象的に配置した測温システムにお
   いて； 前記放射計の一方には前記測定対象からの自発光分の放
   射だけを入射させ、他方には該測定対象物からの放射、
   該測定対象物からの放射であって前記放射源で反射され
   さらに該測定対象物表面で反射されたもの、および、該
   放射源からの放射であって該測定対象物表面で反射され
   たものを入射させ、各放射計の出力に所定の演算を施す
   ことにより、温度と放射率を同時に測定することを特徴
   とする高温炉内における温度と放射率の同時測定方法。
2. （２）さらに、測定を行なう際に前記放射計に入射する
   光軸を監視し、放射計、測定対象および放射源の間で所
   定の光路が形成され、正しい測定値が得られたときのみ
   前記演算を行ない、異常測定を防止することを特徴とす
   る前記特許請求の範囲第（１）項記載の高温炉内におけ
   る温度と放射率の同時測定方法。