JPH03200027A - 放射温度計 - 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、被測定物から放射される赤外線等の光を受光
し、その受光光量から被測定物の温度を求める放射温度
計に関するものである。

Ｃ従来の技術〕 被測定物からの放射光を測光し、その測光値に基づいて
被測定物の温度を求める放射温度計は一般に知られてい
るが、この種の放射温度計において、被測定物の温度以
外の要素が放射光の測光値に影響を及ぼす場合があり、
例えば被測定物の放射率や、被測定物以外の放射源から
の背景放射光等が放射光の測光値に影響する。そして、
被″測定物の温度を求めるためには、被測定物の温度以
外の要素の影響を調べる必要がある。

従来、このような点を考慮して被測定物の温度を求める
ようにした放射温度計として、例えば特開昭６３−３０
５２２７号公報または特開昭６３−３０５２２８号公報
に示されるように、波長の異なる２以上または３以上の
参照光を被測定物に向けて照射する照射手段と、上記各
波長の参照光を側光する参照光測光手段と、上記被測定
物により反射された上記各波長の参照光の反射光を測光
する反射光測光手段と、被測定物からの放射輝度を各波
長別に測光する放射輝度測光手段と、放射率と測定反射
情報値および未知の係数との関係についての所定の仮定
に基づいて、上記各測光手段の測光値から、放射率の影
響を除いた被測定物の温度を算出する演算手段とを備え
たものが知られている。この放射温度計によると、被測
定物の放射率が未知である場合に、その影響を除去する
ことができる。さらにこれら公報には、背景放射光の値
が既知であるか、測定手段により測定された値である場
合に、背景放射の影響も除去して被測定物の温度を算出
することが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、放射光の測光値に影響を及ぼす要素として、
上記の放射率および背景放射光のほかに、光路での光損
失が問題となる場合がある。つまり、赤外線吸収のある
雰囲気で測定する場合や測定系における視野欠けあるい
はレンズの汚れがある場合等には光損失が生じる。この
ような場合に、上記光損失が放射光の測光値に影響を及
ぼし、かつ、この光損失の程度が不明であるため、従来
の放射温度計では光損失に起因した誤差を除去すること
ができないという問題が残されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、放射率および
背景放射の影響の除去に加え、上記光損失の影響をも除
去し、被測定物の温度を精度良く求めることができる放
射温度計を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記の目的を達成するため、光路での光損失が
生じる状況下で被測定物からの放射光の測定に基づいて
被測定物の温度を測定する放射温度計であって、異なる
３以上の波長を含む参照光を上記被測定物に向けて照射
する照光手段と、上記参照光を上記各波長別に測光する
参照光測光手段と、上記被測定物により反射された上記
参照光の反射光を上記各波長別に測光する反射光測光手
段と、上記被測定物からの放射光を上記各波長別に測光
する放射光測光手段と、上記被測定物に周囲から入射す
る背景放射光の値を供給する背景放射光値供給手段と、
上記各測光手段によって得られる各測光値および上記背
景放射光値供給手段によって得られる背景放射光値を入
力し、これらの値と未知数である上記被測定物の温度、
放射率および上記光損失との間の関係に基づいて未知数
を解き、被測定物の温度を算出する演算手段とを備えた
ものである。

この構成において、上記背景放射光値供給手段は、例え
ば被測定物の周囲の物体からの放射光を上記各波長別に
測光する背景放射光測光手段で構成され、あるいは、被
測定物の周囲の物体からの放射光の上記各波長別の値が
既知である場合にその値を入力する背景放射光値入力手
段で構成される。

〔作用〕

上記構成によると、背景放射値は上記背景放射光値供給
手段によって与えられ、また上記放射率および光損失は
被測定物の温度とともに未知数として、これらと上記各
測光値と背景放射光値との間の関係から上記演算手段で
解かれ、こうして背景放射光値、放射率および光損失の
影響を除いた被測定物の正しい温度が算出されることと
なる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例についての放射温度計の全
体構成を示している。この放射温度計における後記の各
測光手段は異なる３以上のｎ種の波長の光を測光し、図
ではｎ＝＝３の場合を示している。

この図において、照光手段は、異なるｎ種の波長λｉ　
　（ｉ＝１．２．・・・、ｎ）の光を含む参照光を発生
する光源部ＬＳと、射出ファイバーＦＢａおよび射出ヘ
ッドＯＨａで構成され、上記光源部ＬＳにおいて後述の
ように周波数ｆで断続させた参照光を、射出ファイバー
ＦＢａ、射出ヘッドＯＨａを通して被測定物ＴＧの測定
箇所に照射するようになっている。また、反射率を計算
するために、光源部ＬＳから各波長λ１の参照光に応じ
た信号がモニターラインに出力され、それぞれ増幅器Ａ
１で増幅されてＡ／Ｄ変換器ＡＤＣでＡ／Ｄ変換される
ことにより、各波長の参照光測光値Ｍ（Ａ１）が得られ
るようにし、図に示す例では３波長についての参照光測
光値Ｍ（Ａ１　）　、　Ｍ　（Ａ２）、Ｍ（Ａ３）が得
られるように３つの増幅器Ａｌ　、Ａ２．Ａ３が設けら
れている。これらの増幅器Ａｉを含むモニターラインに
より参照光測光手段が構成されている。

一方、上記射出ヘッドＯＨａより被測定物ＴＧに照射さ
れた参照光の反射光と、背景放射光と、被測定物ＴＧ自
身からの放射光とを含む光は、被測定物ＴＧの測定箇所
に向けて配置された測定ヘッドＯＨｂで集光され、測定
ファイバーＦＢｂを通って、光分岐部ＢＲに送られる。

そしてこの光が光分岐部ＢＲ□で各波長λ□、λ２．λ
３に分光され、各々後述の光検出器Ｓ、、Ｓ２．Ｓ３に
より電気信号に変換される。この信号は、参照光の反射
光に対応する周波数ｆの交流成分と、背景放射光と被測
定物ＴＧ自身からの放射光との和に対応する直流成分と
からなっている。このうちの交流成分は、各波長別にそ
れぞれ、直流カットコンデンサＣ工、Ｃ２，Ｃ３と、増
幅器ＡＣＡ１゜ＡＣＡ２．ＡＣＡ３と、整流回路ＲＣ１
，ＲＣ２゜ＲＣ３とで構成された交流成分抽出用回路を
経て、Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣによりΔ／Ｄ変換され、反射
光測光値Ｒ（λｔ）、Ｒ（Ａ２）、Ｒ（Ａ３）とされる
。また直流成分は、各波長別にそれぞれ、増幅器ＤＣＡ
１．ＤＣＡ２　、ＤＣＡ３　と、交流成分除去のための
サンプルアンドホールド回路ＳＨ１、Ｓ　Ｈ２、Ｓ　Ｈ
３とで構成される直流成分抽出用回路を経て、Ａ／Ｄ変
換器ＡＤＣによりＡ／Ｄ変換され、放射光測光値Ｅ（Ａ
１）、Ｅ（Ａ２）。

Ｅ（Ａ３）とされる。

こうして、測定ヘッドＯＨｂで集光された光を各波長別
に測定する系のうちで交流成分抽出用回路により反射光
測光手段が構成されるとともに、直流成分抽出用回路に
より放射光測光手段が構成されている。

また、被測定物ＴＧの温度に比べて周囲の物体の温度が
充分に低ければ背景放射光を無視してもよいが、背景放
射光を無視することができない場合のために、背景放射
光の値を求めて供給する背景放射元値供給手段として、
背景放射光を上記各波長別に測光する背景放射光測光手
段ＢＧＲＭと、背景放射光値入力手段ＢＧＲＩとが設け
られている。背景放射光の上記各波長別の値が既知であ
る場合はその値を背景放射光値入力手段ＢＧＲＩより人
力し、既知でなければ上記背景放射光測光手段ＢＧＲＭ
で測光すればよく、この背景放射光測光手段ＢＧＲＭも
しくは背景放射光値入力手段ＢＧＲＩによって各波長別
の背景放射光値Ｅｂ（λ□）、Ｅｂ（Ａ２）、Ｅｂ（Ａ
３）が与えられる。

上記の参照光測光値Ｍ（λ、）〜Ｍ（Ａ３）、反射光測
光値Ｒ（λ□）〜Ｒ（Ａ３）、放射光測光値Ｅ（Ａ１）
〜Ｅ（Ａ３）および背景放射光値Ｅｂ（Ａ１）〜Ｅｂ（
Ａ３）は演算手段ＴＣに入力される。そしてこの演算手
段ＴＣにおいて、被測定物ＴＧの温度のほかに放射率お
よび光路での光損失を未知数に含め、上記各測光値およ
び背景放射光値と各未知数との間の関係に基づき、後述
のような演算原理および解法により未知数が求められて
、被測定物ＴＧの温度が算出される。算出された値は表
示部ＤＳＰおよび出力部ｏＰに入力され、アナログ的ま
たはデジタル的に表示および出力が行なわれる。

上記光源部ＬＳは、例えば第２図に示すように、ハロゲ
ンランプ１から照射して反射鏡２により集光した参照光
を、モータ３で駆動されるチョッパ４により周波数ｆで
断続させて射出ファイバーＦＢａに送込む一方、ガラス
またはハーフミラ−５で反射させた参照光を分岐ファイ
バー６および光学フィルター７．８．９を通して各波長
に分光し、光検出器ｓ１１　　ｓ２１　　ｓ３で光電変
換してモニターラインに出力するような構造とされる。

あるいは第３図もしくは第４図のように、各波長別の半
導体レーザーダイオード１１．１２．１３を交流電源１
４に接続し、これらのダイオード１１，１２．１３から
射出される周波数ｆの参照光を集合して射出ファイバー
ＦＢａに送る一方、各ダイオード１１，１２．１３に接
続した出力部から、参照光に応じた信号をモニターライ
ンに出力するような構造であってもよい。

また、上記光分岐部ＢＲは、例えば第５図のように、測
定ファイバーＦＢｂの端部を分岐させ、その各分岐され
た光をそれぞれ所定波長の光のみを透過させる光学フィ
ルター２１．２２．２３を通して光検出器Ｓ工、Ｓ２．
Ｓ、に受光させるような構造とされる。あるいは第６図
に示すように、測定ファイバーＦＢｂを通った光を、レ
ンズ２４および回折格子２５により各波長に分けて光検
出器ｓ１．ｓ２．Ｓ３に受光させるような構造としても
よく、また第７図のように、測定ファイバーＦＢｂを通
った光を、レンズ２６およびグイクロイックミラー２７
．２８により各波長に分け、光学フィルター２９．３０
．３１を通して光検出器Ｓ□ｒ　　８２　＊　　３３に
受光させるような構造でもよい。

次に、本発明が適用される温度等の演算原理および解法
を説明する。

温度等の演算原理 被測定物が温度Ｔの黒体であると仮定した場合は、被測
定物から単位面積当り、単位立体角当りに放射される波
長λの光の光束、すなわち分光放射輝度Ｌ（λ、Ｔ）は
、ブランクの公式によって与えられる。装置の光学系が
測定面積ΔＡ１測定立体角ΔΩをもっているとし、放射
光測光値がＥ。（λ、Ｔ）とすると、これと分光放射輝
度しくλ、Ｔ）との関係は極座標（ｒ、　　θ、φ）を
使って次の（１１式のように表わされる。

Ｅｏ　（λ、　　Ｔ）　＝Ｃｅ−躯ｆ　ｆ、ｇ　Ｊ、）
、　Ｓ　（λ）−Ｌ（λ、Ｔ）　　　　ｃｏｓθ　−ｓ
ｉｎθ・　ｄ　λ　ｄ　θ　ｄＡ　　　　　　　　・・
・（１）ここで、Ｓ（λ）は光検出器、光学フィルター
の総合的な分光感度、Ｃｅは測定装置の直流信号に関す
る光電変換係数で、具体的には黒体の校正測定により決
められる定数である。従って、温度Ｔの黒体からの放射
光の測光値に相当する上記Ｅ。（λ、Ｔ）の値は予め準
備しておくことができる。

ところで、実際の被測定物ＴＧは黒体ではないので、放
射光測光値には放射率が関係し、また背景放射の影響も
ある。さらに、被測定物ＴＧと測定ヘッドＯＨｂとの間
の雰囲気中に水蒸気等のガスが存在して赤外線吸収があ
ったり、測定系における視野欠けやレンズの汚れがあっ
た場合等には、測定波長域で光損失が生じる。

この場合において、各波長での被測定物ＴＧの放射率を
と（λｉ）、反射率をρ（λｉ）とし、また上記光損失
をα（λｉ）とすると、放射光測光値Ｅ（λｉ）につい
て次の（２）式が成立つ。

Ｅ　（λ　ｉ）＝　　α　（λ　ｉ）［ε　（λ　ｉ）
　　　−ＥＯ（λ　ｉ　。

Ｔ）＋ρ（λｉ）・Ｅｂ（λｉ）］ ・・・（２） 被測定物ＴＧが測定波長域で非透過性の物体である場合
、放射率と反射率との関係は、ε（λｉ）＋ρ（λ１）
＝１　　　　・・・（３）となる。

また、第８図のように単位光強度をもつ波長λの光が被
測定物ＴＧに入射し、その光が様々な角度（θ、ψ）に
光強度Ｉｒ（θ、ψ、λ）をもって反射したとすると、
半球反射率ρ（λ）は次の（４）式で表わされる。

ρ（λ）　＝　（１／２π）　ｆ”　　ｆ″Ｉ　ｒ　（
θ、ψ。

λ）　　　ｓｉｎθ−ｄθｄψ　　−（４）これに対し
、参照光測光手段および反射光測光手段による測光値Ｍ
（λｉ）、Ｒ（λｉ）から求められるみかけ上の反射率
ｒ（λｉ）は、「　（λ　１）＝Ｃｒ　　−Ｒ（λ　ｉ
）／Ｍ（λ　ｉ）＝α２　（λ’　）　　［（１／２π
）　　ｆ　ｆＡＲＩ　ｒ（θ、　ψ、　λ）　　　　＋
ｉｎθ−ｄθｄψ１・・・（５） である。ここで、Ｃｒは反射光測光手段における交流信
号と参照光測光手段におけるモニター信号の充電変換効
率に関する係数で、反射の校正測定によって決められる
定数である。半球空間への全反射光と実際に測定される
反射光との比をβ（λｉ）とすると、 β（λ＋）　＝　（ｆ　ｆＡＲＩ　ｒ　　（θ、ψ、λ
）・ｔｉｎθ−ｄθｄψ）　／　（ｆ：′ｃｆ：Ｉ　ｒ
　（θψ、λ）　　目ユθ・ｄθｄψ） ｒ　（λｉ）＝α２　（λｉ）・β（λｉ）・ρ（λ）
・・・（６） が成立つ。従って、放射率は次の（７）式で表わされる
。

ε　（λ１）＝１−　（１／α２　（λｉ））　　（１
／β（λｉ））　　・ｒ　（λｉ）　　・・・（７）上
記（６）式、（７）式を（２）式に代入すると、次の条
件式（８）が得られる。

Ｅ（λｌ）＝［α（λｉ）−（１／α（λ１））（１／
β（λｉ））　　・ｒ（λｉ）］”Ｅ（７（λｉ、Ｔ）
＋　（１／α（λＩ））（１／β（λｉ））　　・ｒ（
λｉ） ・Ｅｂ（λｉ）　　　　　・・・（８）この条件式（８
）はｎ波長についてそれぞれ得られるので、条件式（８
）の数はｎ個であり、この中に含まれる未知数はα（λ
ｉ）、β（λｉ）、Ｔの２ｎ＋１個であるので、このま
までは未知数を解くことができない。そこで、次のよう
に、妥当な仮定をし、近似式を用いて未知数を減少させ
ることにより、温度、放射率、光損失等を求めることが
できる。

α（λ１）を波長λの１次式（Ｉ≧０）　、１／β（λ
ｌ）を波長λのｍ次式（ｍ≧０）で近似すると、１次式
では未知数が０次から１次までの各係数の個数に相当す
る（／＋１）個、ｍ次式では未知数が０次からｍ次まで
の各係数の個数に相当する（ｍ＋１）個となるので、こ
れらと温度Ｔとを合せた未知数は（ＡＩ＋ｍ＋３）個と
なる。

従って、ｎ≧（ｌ＋ｍ＋３）となるようにｎ。

／、ｍを選定すれば、（８）式をもとにして未知数を解
くことができる。具体的な例として、ｍ＝１−〇、つま
りα（λｉ）および１／β（λｉ）が波長に対して一定
であると仮定し、 α（λ１）＝３゜　　（＝一定）　　　・・・（９）１
／β（λ１）＝ｂｏ　　　（＝一定）　・・・（ｌＯ）
とおく。（９）式のようにおくことは、光路での光損失
が灰色的であることを意味する。また、（ｌＯ）式のよ
うにおくことは、半球反射率に対する測定反射率の比が
波長に関して一定であることを意味し、温度演算におい
てこのような仮定が妥当であることは既に知られている
。このような仮定を導入すると、未知数は温度Ｔとａ。

、ｂｏの３個となり、３波長以上について測定すること
により未知数を演算することができる。具体的な解法は
種々考えられるが、２つの解法例を次に示す。

３波長の光を測定する場合の解法例 （８）式に（９）　、　　（１０）式を代入して書直す
と、次の（１１）式のようになる。

Ｅ（λｉ）　＝　（ａ６−ｃ、３−ｒ　（λ１））Ｅ、
（λｉ。

Ｔ）＋ｃ（、−ｒ　（λｉ）・Ｅｂ（λｉ）・・・（ｌ
　ｌま ただし、ｃｏ＝ｂＯ／ａ。

ｎ＝３の場合に（１１）式から得られる３つの連立方程
式を解くことにより、温度Ｔ等が求められることとなる
。つまり、この連立方程式よりａ。。

ｃ（、を消去すれば、 と（λＩ）（Ｅｂ（入υ／Ｅ、（λｔ−Ｔノーｌ］−と
（λスノ（Ｅｂ（λ、）／Ｅｏ（λ２１丁ノーｌ）・・
・（１２） となる。ＥＯ（λ１．Ｔ）は予め求めておくことができ
るので、（Ｉ２）式を満たす温度Ｔは、１次元探索等で
比較的簡単に求められる。さらに必要であれば、放射率
や光損失を算出すればよい。

４波長以上の光を測定する場合の解法例（９）式および
（１０）式の仮定にはある程度の誤差を含むことが考え
られる。また、測光値にも測定誤差が含まれている。そ
こで、これらの誤差が温度等の未知数に及ぼす影響を緩
和するため、ｎ≧４とした上で、最小二乗法を導入する
。すなわち、測光値と推定値の偏差を評価する目的関数
を考え、その関数を最小とする未知数の組を解とする。

−例として、（１１１式に基づき、放射光の測光値と推
定値の偏差を評価する次のような目的関数Ｆ（Ｔ）を考
える。

Ｆ　（Ｔ）　＝Σ［ｆａｏ　　Ｃｏ”ｒ　（Ａ１）ｌＥ
ｏ（λｉ。

ｉコＩ Ｔ）　／Ｅ　（λｉ）＋Ｃｏ＠　ｒ　（λｉ）・　Ｅｂ
（λ　ｉ）／Ｅ（λ　ｉ　）　−１コ　２・・・（１３
） あるＴの値に対し、Ｆ　（Ｔ）を最小とするａ。

とｃｏは、Ｆ　（Ｔ）がａ。とＣ８について下に凸の２
次関数であるので、 ａＦ　（Ｔ）／ａａｏ　＝０ ａＦ　（Ｔ）　／δＣ０＝０ の連立法定式を解くことにより求められる。このように
して求められるａＯｒ　　ＣＯは縦行列の形式で書くと
次の（１４）式のようになる。

・・・（１４） ただし、Ｘ１＝Ｅ（λｉ、Ｔ）／Ｅ（Ａ１）Ｙｉ＝ｒ　
　（λ　ｉ）　　（Ｅｏ（λ　ｔ、　　’ｒ）−Ｅｂ（
λ　ｉ）　　）　　／Ｅ　　（λ　１）（１４）式のａ
ｏとＣｏを（１３）式に代入し、Ｆ　（Ｔ）を計算する
。この計算を、物理的制約条件（０くε≦１等）や機械
の制約条件（測温可能範囲等）のもとで、Ｔを種々変え
て繰返すことにより、Ｆ（Ｔ）を最小とするＴの値を一
次元探索する。この値がＴの解となる。

以上のような演算原理および解法例に示すような演算が
、第１図中に示した演算手段ＴＣにより行なわれる。

従って、少なくとも３つの波長についての参照光、反射
光および放射光の各測光値と背景放射光が演算手段ＴＣ
に入力されれば、背景放射光および放射率の影響だけで
なく上記光損失の影響も除去されて、被測定物ＴＧの温
度が精度良く求められることとなる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の放射温度計によると、３以上の
波長について参照光と、参照光の反射光と、被測定物か
らの放射光とをそれぞれ測光手段で各波長別に測光し、
これらの測光値と背景放射光値供給手段によって得られ
る背景放射光値とを演算手段に入力するとともに、被測
定物の温度のほかに放射率および光路での光損失を未知
数として、未知数と上記測光値および背景放射光値との
間の関係に基づいて未知数を解き、被測定物の温度を算
出するようにしているため、放射率および背景放射光に
加えて光路での光損失の影響を除去し、被測定物の温度
を精度良く求めることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る放射温度計全体の概
略構成を示すブロック図、第２図乃至第４図は光源部の
各種具体例を示すブロック図、第５図乃至第７図は光分
岐部の各種具体例を示すブロック図、第８図は反射率に
ついての説明図である。 ＬＳ・・・光源部、Ａ１．Ａ２．Ａ３・・・増幅器、Ｏ
Ｈａ・・・射出ヘッド、ＯＨｂ・・・測定ヘッド、ＢＲ
・・・光分岐部、ｃｌｌ　　Ｃ２）　　Ｃ３・・・直流
カットコンデンサ、ＡＣＡ工、ＡＣＡ２　、ＡＣＡ３・
・・増幅器、ＲＣ□、ＲＣ２、ＲＣ３・・・整流回路、
ＤＣＡ、。 ＤＣＡ２　、ＤＣＡ３・・・増幅器、ＳＨｌ、ＳＨ２。 ＳＨ３・・・サンプルアンドホールド回路、Ｓｌ、Ｓ２
、Ｓ３・・・光検出器、ＴＣ・・・演算手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光路での光損失が生じる状況下で被測定物からの放
   射光の測定に基づいて被測定物の温度を測定する放射温
   度計であって、異なる３以上の波長を含む参照光を上記
   被測定物に向けて照射する照光手段と、上記参照光を上
   記各波長別に測光する参照光測光手段と、上記被測定物
   により反射された上記参照光の反射光を上記各波長別に
   測光する反射光測光手段と、上記被測定物からの放射光
   を上記各波長別に測光する放射光測光手段と、上記被測
   定物に周囲から入射する背景放射光の値を供給する背景
   放射光値供給手段と、上記各測光手段によって得られる
   各測光値および上記背景放射光値供給手段によって得ら
   れる背景放射光値を入力し、これらの値と未知数である
   上記被測定物の温度、放射率および上記光損失との間の
   関係に基づいて未知数を解き、被測定物の温度を算出す
   る演算手段とを備えたことを特徴とする放射温度計。 ２、上記背景放射光値供給手段は、被測定物の周囲の物
   体からの放射光を上記各波長別に測光する背景放射光測
   光手段であることを特徴とする請求項１記載の放射温度
   計。 ３、上記背景放射光値供給手段は、被測定物の周囲の物
   体からの放射光の上記各波長別の値が既知である場合に
   その値を入力する背景放射光値入力手段であることを特
   徴とする請求項１記載の放射温度計。