JPH05126642A

JPH05126642A - 放射測温方法およびその装置

Info

Publication number: JPH05126642A
Application number: JP31740091A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ide; 敏彦井手
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 1991-11-06
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1993-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】金属酸化膜の成長途上での放射率の変動の影
響による誤差を自動補正して金属の温度計測を非接触で
高精度に行う。【構成】互いに異なる二つの波長帯λ１，λ２におけ
る各々の分光放射エネルギーＥ１，Ｅ２のべき乗の比Ｘ
と放射率ε２との関係を定めておき、被測温体Ｗの異な
る波長λ１，λ２の分光放射エネルギーＥ１，Ｅ２を実
測して検出し、この検出した分光放射エネルギーＥ１，
Ｅ２に基づいて各々の分光放射エネルギーＥ１，Ｅ２の
波長λ１，λ２のべき乗の比Ｘを求め、この求めた各々
の分光放射エネルギーＥ１，Ｅ２の波長λ１，λ２のべ
き乗の比Ｘと対応する放射率ε２を予め定めた関係から
求め、この放射率ε２を用いて被測温体Ｗの温度Ｔを演
算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測温体として例えば
放射率の低い金属より放出される分光放射エネルギーに
基づいて放射率の変動による誤差を自動補正して被測温
体の温度を計測する放射測温方法およびその装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば被測温体として放射率の低い金属
の温度を測温する際には、互いに異なる二つの波長にお
ける分光放射エネルギーの比をとることで連続して温度
計測が行える二色形放射温度計が従来より用いられてい
る。ところで、放射率の低い金属を熱処理して酸化膜を
成生した際、金属は酸化膜の成長とともに、放射率が大
きく変動するため、放射測温が困難になる場合がある。

【０００３】この対策として、特開昭６１−２１０９２
１号公報に示されるように、被測温体に放射エネルギー
を放射する放射源と、放射源と被測温体との間に放射源
より被測温体に放射される放射エネルギーを段階的に可
変するシャッタ手段を設け、このシャッタ手段により三
つの異なった状態についての放射検出器の出力信号のう
ち、任意の二つの信号の差の比である寄与率の比と寄与
率の差とが所定の関係にあることに基づいて被測温体の
放射率を求め、この放射率から被測温体の温度を求める
能動形の放射温度計が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た能動形の放射温度計は、放射温度計の筐体本体をなす
放射検出器以外に、別構成による熱源およびシャッタ手
段が必要不可欠なので、構成部品が増加して装置全体が
複雑で大型化するという問題があった。

【０００５】そこで、本発明は上述した問題点に鑑みて
なされたものであって、その目的は、簡素な構成により
装置の小型化が図れ、特に金属酸化膜の成長途上での放
射率の変動の影響による誤差を自動補正して金属の温度
計測を非接触で高精度に行うことができる放射測温方法
およびその装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による放射測温方法は、予め定められた互い
に異なる二つの波長帯における各々の分光放射エネルギ
ーの波長のべき乗の比と放射率との関係に基づいて実測
した分光放射エネルギーから放射率を求め、この求めた
放射率を用いて温度を演算することを特徴としている。
また、各々の分光放射エネルギーのべき乗の比に対する
放射率の検量線を予め複数本定め、使用条件に応じて検
量線を選択する。この際、検量線は低放射率領域の検量
線と中・高放射率領域の二本の検量線に集約してもよ
い。また、低放射率領域の検量線については、各々の分
光放射エネルギーのべき乗の比の下限値を設定すること
ができる。さらに、各々の分光放射エネルギーのべき乗
の比の値が下限値以上のときは、各々の検量線に対する
温度値、放射率値またはその両方の値を出力する。ま
た、時間の経過とともに、各々の分光放射エネルギーの
べき乗の比の値が上昇するときには低放射率領域の検量
線を選択し、各々の分光放射エネルギーのべき乗の比の
値が減少に転じた以降は中・高放射率領域の検量線を選
択する。さらに、本発明による放射測温装置は、互いに
異なる二つの波長帯における被測温体の各々の分光放射
エネルギーを検出する検出手段と、該検出手段からの各
々の分光放射エネルギーに基づいて各々の分光放射エネ
ルギーの波長のべき乗の比を演算する比率演算手段と、
前記各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比と放
射率との関係を示すデータが記憶された記憶手段と、前
記比率演算手段により演算した各々の分光放射エネルギ
ーの波長のべき乗の比を前記記憶手段のデータと照合し
て対応する放射率を求める照合手段と、該照合手段より
求めた放射率に基づいて前記被測温体の温度を演算する
温度演算手段と備えたことを特徴としている。

【０００７】

【作用】互いに異なる二つの波長帯における各々の分光
放射エネルギーの波長のべき乗の比と放射率との関係を
定めておき、被測温体の分光放射エネルギーを検出し、
この検出した分光放射エネルギーに基づいて各々の分光
放射エネルギーの波長のべき乗の比を求め、この各々の
分光放射エネルギーの波長のべき乗の比と対応する放射
率を予め定めた関係から求め、この放射率を用いて被測
温体の温度を演算する。

【０００８】

【実施例】この実施例による放射測温方法およびその装
置は、以下に説明する各々の分光放射エネルギーの波長
のべき乗の比と分光放射率（以下、単に放射率という）
との関係から近似される検量線に基づいて実測した分光
放射エネルギーから放射率を求め、放射率の変動の影響
による誤差を自動補正して被測温体の温度を計測するも
のである。一般に、黒体の放射強度、光学系の分光透過
率、素子の分光感度等を補正した後の波長λ１，λ２に
対する出力Ｅ１，Ｅ２はウィーンの式から下記の（１）
式で表される。なお、ε１は波長λ１のときの放射率、
ε２は波長λ２のときの放射率、Ｃ２は放射の第２定数
（０．０１４３８８ｍ・Ｋ）である。

【数１】上述した（１）式から、下記の（２）式が成立する。

【数２】これより、各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の
比Ｘは放射率ε１，ε２のみの関数で表され、温度値Ｔ
に依存しない量であることが判る。

【０００９】一方、金属の酸化膜の成長時の放射率の挙
動は、光の干渉現象として説明することができる。すな
わち、金属に対して光が入射されると、この光は金属上
に成長した酸化膜の表面で反射するとともに、光の一部
が酸化膜を透過して金属の表面で反射することになり、
酸化膜中において光の干渉現象が生じる。この光の干渉
現象は酸化膜の成長とともに複雑に揺れ動くが、金属と
酸化膜の各々の屈折率および消衰係数によって一義的に
決まるものである。

【００１０】このことから、各々の分光放射エネルギー
の波長のべき乗の比Ｘと放射率ε１，ε２の関係につい
て、鉄の酸化をシミュレーションして求めると、図２に
示す特性グラフで表現される。なお、波長は各々λ１＝
１．７６μｍ、λ２＝２．０６μｍとしている。

【００１１】従って、この結果から、一般に放射率ε
１，ε２は各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の
比Ｘに対して一価函数とはならずに多値を取ることがあ
るので、各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比
Ｘの値に対する放射率ε１，ε２の近似式を示す検量線
を複数描くことができる。

【００１２】そこで、この実施例の放射測温方法におい
て、特性線に沿って複数の検量線を描いた場合、この複
数の検量線の中から一つの検量線を選定するには、鉄鋼
プロセス等では操業条件が決まれば、酸化膜の厚さは大
幅に変化することがないことから、プロセスの操業条件
に応じて一つの検量線を選定し、被測温体の温度計測を
行っている。

【００１３】一方、放射計測においては、低放射率領域
になるに連れて測温誤差が大きくなるが、放射率が大き
な領域では、逆に放射率の評価誤差は測温誤差にあまり
大きな影響を与えないことが知られている。従って、こ
の実施例の放射測温方法では、図２に示すように複数の
検量線を低放射率領域と中・高放射率領域とにおける二
本の検量線Ｌ１，Ｌ２に集約して５００°Ｃ付近で、±
１０°Ｃ以内の測温を可能としており、検量線が少ない
ため、検量線の作成選定が容易となり、ソフト、ハード
の負担が軽減され、計測作業の容易化を図ることができ
る。

【００１４】ところで、図２の特性グラフにおいて、酸
化膜の成長とともに、各々の分光放射エネルギーの波長
のべき乗の比Ｘの値はある値Ｘ１を始点として増大して
いき、放射率の値がある値Ｘ２以上になった時点で減少
に転じる。このことから、低放射率領域の検量線Ｌ１は
酸化膜が無いときの各々の分光放射エネルギーの波長の
べき乗の比Ｘの値Ｘ１以下になることはないので、この
実施例の放射測温方法では、低放射率領域の検量線Ｌ１
に各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比Ｘの下
限値ＵＬ（＝Ｘ１）を設定している。

【００１５】そして、各々の分光放射エネルギーの波長
のべき乗の比Ｘの値が下限値ＵＬ以下の場合は、中・高
放射率領域の検量線Ｌ２が一義的に選定される。また、
各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比Ｘの値が
下限値ＵＬ以上の場合は、両方の検量線Ｌ１，Ｌ２によ
る演算結果が出力され、各々の温度値または放射率から
操業条件等を考慮して何れかの検量線Ｌ１（あるいはＬ
２）による出力が用いられる。

【００１６】また、金属の焼き入れ等のバッチプロセス
では、通常、酸化膜は増大する方向に動くので、熱処理
開始後の各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比
Ｘの値が増大している領域では、低放射率領域の検量線
Ｌ１が選定される。また、各々の分光放射エネルギーの
波長のべき乗の比Ｘの値が減少に転じた以降は中・高放
射率領域の検量線Ｌ２が選定される。

【００１７】ここで、図１に基づき放射測温装置の概略
構成について説明する。放射測温装置は筐体本体をなす
放射検出器１内に検出手段２、記憶手段３、比率演算手
段４、照合手段５、温度演算手段６、出力手段７が設け
られている。なお、記憶手段３、比率演算手段４、照合
手段５、温度演算手段６等はマイクロコンピュータ等で
構成される。

【００１８】検出手段２は予め定められた透過波長をも
つフィルタを有する回転セクタ２０と検出素子２１等か
ら構成され、被測温体Ｗである例えば鉄、アルミニウ
ム、黄銅等の金属からの互いに異なる二つの波長帯λ
１，λ２における分光放射エネルギーを検出している。
記憶手段３には予め計算または実測により求められた互
いに異なる二つの波長λ１，λ２における各々の分光放
射エネルギーをＥ１，Ｅ２、放射率をε１，ε２とした
ときの各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比Ｘ
と放射率ε１，ε２との関係を示すデータ、あるいはこ
の関係を示すデータが図２に示すように複数の検量線Ｌ
１，Ｌ２により近似されて記憶されている。

【００１９】比率演算手段４は検出手段２により検出さ
れた異なる二つの波長帯λ１，λ２における分光放射エ
ネルギーＥ１，Ｅ２に基づいて各々の分光放射エネルギ
ーの波長のべき乗の比Ｘを演算して照合手段５に入力し
ている。照合手段５は記憶手段３に記憶されたデータに
基づいて比率演算手段４が演算した各々の分光放射エネ
ルギーの波長のべき乗の比Ｘに対応する放射率ε２（あ
るいはε１）を選定された検量線Ｌ１（あるいはＬ２）
の中から求めて温度演算手段６および出力手段７に入力
している。温度演算手段６は照合手段５が求めた放射率
ε２に基づいて被測温体Ｗの温度を演算して出力手段７
に入力している。出力手段７は照合手段５で求めた放射
率ε２の値と、温度演算手段６で求めた被測温体Ｗの温
度Ｔの値を例えば指示出力している。

【００２０】従って、この実施例による放射測温装置に
よれば、被測温体Ｗより検出される分光放射エネルギー
を、予め記憶された互いに異なる二つの波長の各々の分
光放射エネルギーの波長のべき乗の比Ｘと放射率ε１，
ε２との関係と照合して放射率を決定して温度を演算し
ているので、従来のように別構成による熱源やシャッタ
手段が不要で、簡素な構成により装置の小型化を図るこ
とができる。

【００２１】そして、以上説明した測定原理に基づいて
被測温体の温度を計測するにあたっては、まず、図２に
示すように互いに異なる二つの波長λ１，λ２における
各々の分光放射エネルギーをＥ１，Ｅ２、放射率をε２
としたときの各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗
の比Ｘと放射率ε２との関係を予め計算または実測によ
り求め、この関係を示すデータを低放射率領域および中
・高放射率領域の二本の検量線Ｌ１，Ｌ２で近似してお
く。次に、二つの波長λ１，λ２における各々の分光放
射エネルギーをＥ１，Ｅ２を放射検出器１の検出部２に
よって検出する。次に、検出された各々の分光放射エネ
ルギーＥ１，Ｅ２に基づいて各々の分光放射エネルギー
の波長のべき乗の比Ｘを求める。さらに、この求めた各
々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比Ｘを検量線
Ｌ１（あるいはＬ２）と照合して放射率ε２を求める。
そして、求めた放射率を（１）式に代入演算して被測温
体Ｗの温度を求める。

【００２２】なお、異なる二つの波長の各々の分光放射
エネルギーの波長のべき乗の比Ｘと放射率ε１，ε２と
の関係として、実施例では放射率ε２についてのみ図示
したが、放射率ε１についても同様に異なる二つの波長
の各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比Ｘとの
関係を予め定めて放射率を決定してもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
記載の放射測温方法によれば、予め定められた互いに異
なる二つの波長帯における各々の分光放射エネルギーの
波長のべき乗の比と放射率との関係に基づいて被測温体
より実測した分光放射エネルギーから放射率を求め、こ
の求めた放射率を用いて被測温体の温度を演算している
ので、特に金属酸化膜の成長途上での放射率の変動の影
響による誤差を自動補正して金属の温度計測を非接触で
高精度に行うことができる。また、本発明の請求項２記
載の放射測温方法によれば、鉄鋼プロセス等において、
操業条件が決まれば酸化膜の厚さは大幅に変化すること
がないことから、互いに異なる二つの波長帯における各
々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比と放射率と
の関係を示すデータを、各々の分光放射エネルギーのべ
き乗の比に対する放射率を示す複数本検量線に置き換え
てプロセスの操業条件に応じた検量線の選定により被測
温体の温度計測を行うことができる。さらに、本発明の
請求項３記載の放射測温方法によれば、検量線を低放射
率領域の検量線と中・高放射率領域の二本の検量線に集
約しているので、検量線の選定を容易に行うことがで
き、計測作業の容易化が図れる。また、本発明の請求項
４記載の放射測温方法によれば、低放射率領域の検量線
に対し、各々の分光放射エネルギーのべき乗の比の下限
値を設定しているので、この下限値より小さい場合は、
検量線を一義的に定めることができる。さらに、本発明
の請求項５記載の放射測温方法によれば、各々の分光放
射エネルギーのべき乗の比の値が下限値以上のとき、各
々の検量線に対する温度値、放射率値またはその両方の
値を出力しているので、各々の温度値または放射率から
操業条件等を考慮して最適な出力を得ることができる。
また、本発明の請求項６記載の放射測温方法によれば、
時間の経過とともに、各々の分光放射エネルギーのべき
乗の比の値が上昇するときには低放射率領域の検量線を
選択し、各々の分光放射エネルギーのべき乗の比の値が
減少に転じた以降は中・高放射率領域の検量線を選択し
ているので、被測温体である金属に形成される酸化膜の
成長に伴って各々の分光放射エネルギーのべき乗の比の
値の増減により最適な検量線が一義的に選定され、被測
温体の温度計測を行うことができる。さらに、本発明の
請求項７記載の放射測温装置によれば、互いに異なる二
つの波長帯における各々の分光放射エネルギーの波長の
べき乗の比と放射率との関係を示すデータから実測した
被測温体の分光放射エネルギーに基づいて放射率を決定
し、この決定された放射率に基づいて被測温体の温度を
演算しているので、従来のように別構成による熱源やシ
ャッタ手段が不要で、簡素な構成により装置の小型化を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による放射測温方法が適用される放射測
温装置の一実施例を示すブロック構成図

【図２】各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比
と分光放射率との関係を示す特性グラフ

【符号の説明】

２…検出部、３…記憶部、４…比率演算部、５…データ
照合部、６…温度演算部、Ｗ…被測温体（金属）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なる二つの波長帯における各々
の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比と放射率との
関係に基づいて被測温体より実測した分光放射エネルギ
ーから放射率を求め、この求めた放射率を用いて前記被
測温体の温度を演算することを特徴とする放射測温方
法。
【請求項２】各々の分光放射エネルギーのべき乗の比
に対する放射率の検量線を予め複数本定め、使用条件に
応じて検量線を選択することを特徴とする請求項１記載
の放射測温方法。
【請求項３】検量線を低放射率領域の検量線と中・高
放射率領域の二本の検量線に集約したことを特徴とする
請求項２記載の放射測温方法。
【請求項４】低放射率領域の検量線に対し、各々の分
光放射エネルギーのべき乗の比の下限値を設定したこと
を特徴とする請求項２または３記載の放射測温方法。
【請求項５】各々の分光放射エネルギーのべき乗の比
の値が下限値以上のとき、各々の検量線に対する温度
値、放射率値またはその両方の値を出力することを特徴
とする請求項４記載の放射測温方法。
【請求項６】時間の経過とともに、各々の分光放射エ
ネルギーのべき乗の比の値が上昇するときには低放射率
領域の検量線を選択し、各々の分光放射エネルギーのべ
き乗の比の値が減少に転じた以降は中・高放射率領域の
検量線を選択することを特徴とする請求項３記載の放射
測温方法。
【請求項７】互いに異なる二つの波長帯における被測
温体の各々の分光放射エネルギーを検出する検出手段
と、該検出手段からの各々の分光放射エネルギーに基づ
いて各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比を演
算する比率演算手段と、前記各々の分光放射エネルギー
の波長のべき乗の比と放射率との関係を示すデータが記
憶された記憶手段と、前記比率演算手段により演算した
各々の分光放射エネルギーの波長のべき乗の比を前記記
憶手段のデータと照合して対応する放射率を求める照合
手段と、該照合手段より求めた放射率に基づいて前記被
測温体の温度を演算する温度演算手段と備えたことを特
徴とする放射測温装置。