JPH08166291A - 温度測定方法および温度測定装置 - Google Patents

温度測定方法および温度測定装置

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JPH08166291A
JPH08166291A JP7160035A JP16003595A JPH08166291A JP H08166291 A JPH08166291 A JP H08166291A JP 7160035 A JP7160035 A JP 7160035A JP 16003595 A JP16003595 A JP 16003595A JP H08166291 A JPH08166291 A JP H08166291A
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temperature
value
measuring method
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temperature value
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JP7160035A
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Barber Roy
ロイ・バーバー
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Land Instruments International Ltd
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Land Instruments International Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/60Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
    • G01J5/602Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature using selective, monochromatic or bandpass filtering

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】対象の温度を低コストで簡単に測定できる方法
および装置を提供する。 【構成】対象の温度を測定する方法であって、対象が放
出する放射線を少なくとも2つの異なる波長において検
出する第1段階と、検出した放射線から、設定された第
1アルゴリズムに従って温度値を求める第2段階30
と、第1および第2段階を多数回繰り返すことによって
1組の温度値を発生する第3段階32と、温度値の組か
ら、設定された第2アルゴリズムに従って対象温度を選
択する第4段階と、第4段階において得られた対象温度
を表す出力信号を出力する第5段階33とを含む温度測
定方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、流動金属のような対
象の温度を測定する方法および装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】1つまたは複数の波長帯域において物体
が放出する電磁放射線によって物体または対象の温度を
測定する方法は周知である。これらの方法の大半は、物
体の放出特性(放射率)が既知であり一定であることを
前提としている。しかし、2つまたはそれ以上の波長帯
域を用いる方法によれば、種々の波長における放射率の
間に不変の関係がある場合には、放射率が一定でないと
いう問題を解決することができる。理論的には、2つの
波長によれば1つの変数を、3つの波長によれば2つの
変数を、・・・許容することができるが、現実には、波
長帯域の数に比例してコストと複雑さが急速に増大し、
測定精度が急速に低下する。これに対処すべく、信号処
理を容易にするアルゴリズムがGB−Aー216097
1に開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、たとえば液体
金属の流れについての測定等にあたっては、変数(たと
えば、スラグ粒子、流れの渦巻き、煙やガスによるえん
蔽)によって、上記の、あるいは他のあらゆる既知の放
射(非接触)法が適用不可能となったり、あまりにも高
価なものになったりする。たとえば、金属の流れには、
有効放射率を急速に、かつ予測不能に変化させるキャビ
テーション、煙、多量の溶融耐火物などの複数の「障
害」が存在するからである。一方、在来の消耗型の浸漬
式計器は、多大の労力とコストを必要とする。
【0004】そこで本発明は、このような液体金属の温
度をも、低コストで簡単に測定できる方法および装置を
提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1の温度測定方法は、対象が放出する放射線
を少なくとも2つの異なる波長において検出する第1段
階と、検出した放射線から、設定された第1アルゴリズ
ムに従って温度値を求める第2段階と、第1および第2
段階を多数回繰り返すことによって1組の温度値を発生
する第3段階と、温度値の組から、設定された第2アル
ゴリズムに従って対象温度を選択する第4段階と、第4
段階において得られた対象温度を表す出力信号を出力す
る第5段階とを含んでいる。
【0006】上記目的を達成するために、請求項2の温
度測定方法は、請求項1の、第3段階において、各温度
値を1組の温度値範囲の中の1つの温度値範囲に割り当
て、第4段階において、最も多くの温度値を割り当てら
れた温度値範囲を確定し、この確定した温度値範囲に関
係づけられた対象温度を選択する。
【0007】上記目的を達成するために、請求項3の温
度測定方法は、請求項2において、隣接する温度値範囲
に含まれる温度値の値と発生数とに従って、確定した温
度値範囲に対応する温度を修正したものを、対象温度と
して選択する。
【0008】上記目的を達成するために、請求項5の温
度測定方法は、請求項1ないし4のいずれかにおいて、
多数の種々の設定された第1アルゴリズムごとに、それ
に従って、それぞれ第1段階について、第2および第3
段階を1回実行し、それら設定された第1アルゴリズム
と同数の温度値の組を発生させ、最も安定している1組
の温度値を第4段階で使用すべく選択する。
【0009】上記目的を達成するために、請求項8の温
度測定方法は、請求項1ないし7のいずれかにおいて、
対象温度を別途定期的に測定し、第4段階において導出
した対象温度がその別途測定した対象温度に等しくなる
ように設定された第1アルゴリズムを修正する。
【0010】上記目的を達成するために、請求項9の温
度測定方法は、請求項1ないし8のいずれかにおいて、
設定された第1アルゴリズムが、次の形を有する。 1/T=(A+1)/T1−A/T2+B ここで、Tは求めるべき温度値であり、T1,T2は、
2つの異なる波長において第1段階においてそれぞれ検
出された放射線から得られる温度値であり、A,Bは定
数である。
【0011】上記目的を達成するために、請求項12の
温度測定装置は、少なくとも2つの異なる波長において
対象が放出する放射線を検出する検出手段と、請求項1
ないし11のいずれかに記載の方法を実行する処理手段
とを備えている。
【0012】
【作用および効果】請求項1の温度測定方法によれば、
対象が放出する放射線を少なくとも2つの異なる波長に
おいて検出し、その検出した放射線に基づき、設定され
た第1アルゴリズム(2波長アルゴリズム)に従って多
数発生させた温度値の組の中から、設定された第2アル
ゴリズムに従って統計学的に解析し対象温度を選択する
ので、液体金属の温度をも、低コストで簡単に測定でき
る。
【0013】請求項2の温度測定方法によれば、最も多
くの温度値を割り当てられた温度値範囲を確定し、この
確定した温度値範囲に関係づけられた対象温度を選択す
るので、対象の温度を、よりいっそう簡単に、かつ正確
に測定できる。
【0014】請求項3の温度測定方法によれば、隣接す
る温度値範囲に含まれる温度値の値と発生数とに従っ
て、確定した温度値範囲に対応する温度を修正して、対
象温度として選択するので、いっそう正確に、すなわ
ち、温度値自体の分解能(たとえば、既知の値に対して
±1℃から±5℃)よりも正確に測定できる。
【0015】請求項5の温度測定方法によれば、特に、
種々の障害を生じるおそれのある液体金属の流れのよう
な対象に対し、それらの障害に対応する多数の種々の設
定された第1アルゴリズムごとに、温度値の組を発生さ
せ、最も安定している1組の温度値を第4段階で使用す
べく選択するので、種々の障害を生じるおそれのある対
象の温度を、よりいっそう正確に測定できる。
【0016】請求項8の温度測定方法によれば、対象温
度を別途定期的に測定し、それに基づいて設定された第
1アルゴリズムを修正するので、対象の温度を、よりい
っそう正確に測定できる。
【0017】請求項9の温度測定方法によれば、対象に
おいて生じるおそれのある種々の障害に対応して、容易
に設定された第1アルゴリズムを設定できるので、対象
の温度を、よりいっそう簡単に、かつ正確に測定でき
る。
【0018】請求項12の温度測定装置によれば、対象
が放出する放射線を少なくとも2つの異なる波長におい
て検出する検出手段と、請求項1ないし11のいずれか
に記載の方法を実行する処理手段とを備えているので、
液体金属の温度をも、低コストで簡単に測定できる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図1に示すように、本発明の実施例で
用いる放射温度計は(一般的に)携帯式であり、視野絞
り3上に放射先を収束させるレンズ2を設けられた従来
の放射高温計1を備えている。高温計1は、流動金属流
れなどの表面4から放射線を受けるように配置されてい
る。放射線は、視野絞り3を通過し、温度調節自在ハウ
ジング13に取り付けられている銀めっきハーフミラー
5と、1対のシリコンセル検出器6、7として便宜上示
してある検出システムを通過する。それぞれ赤外線波長
λ1,λ2を中心とする特定の波長帯域の放射線を通過
させるフィルタ6A、7Aが各検出器に設けられてい
る。典型的波長帯域はそれぞれ0.7 〜1.0 μm 、0.9 〜
1.1 μmである。ただし、好適実施態様においては、2
層「サンドイッチ」検出システムを用いる。この検出シ
ステムは上下に重ねた2つの層で構成されている。上層
は、好ましくは、波長0.9 〜1.1 μm の放射線を吸収
(検出)し、下層が検出すべき波長0.7 〜1.0 μm の放
射線を透過させる。
【0020】検出器6の詳細を図2に示す。検出器6に
おいては、シリコンセル6Bが演算増幅器6Cに接続さ
れており、シリコンセル6Bが入射放射線の強度に応じ
た電流を発生する。
【0021】図1に戻り、検出器6、7の演算増幅器の
出力信号は増幅器8、9へ送られ、増幅器8、9の出力
信号S1,S2は従来のアナログ/デジタル変換器1
0、11へ送られ、そこで規則正しくサンプリングさ
れ、数字化される。検出器6、7に入射する放射線の強
度に応じたアナログ/デジタル変換器10、11の出力
デジタル信号が、たとえば1秒当たり5〜50000
回、典型的には約1000回の読み取り速度で、コンピ
ュータ12へ送られる。コンピュータは、適切にプログ
ラムされたマイクロコンピュータ、または単一チップた
とえばINTEL8031、プログラムを格納するEP
ROM、もしくは小型RAMをベースとすることができ
る。
【0022】コンピュータ12が実行するプロセスを説
明するために、まず発明の背景について説明しておく。
2波長温度計の場合は次のように書くことができる。 S1=E1 ・ f1(T) (1) S2=E2 ・ f2(T) (2) ここで、S1,S2は2つの波長チャンネル内の信号で
あり、E1,E2は2つの波長における(有効)放射率
であり、f1,f2は、2つの波長におけるキャリブレ
ーション関数である。
【0023】3つの未知数(E1,E2,T)に対し、
2つしか式がないので、何らかの追加情報がなければ、
Tについて解くことができない。しかし、次式 E1=f(E2) (3) が成り立つならば、3つの未知数に3つの式を持つこと
になり、f()が特定の基準(たとえば一価関数である
こと)を満たすならばTについて解くことができる。こ
れが2波長温度計の基本であり、(一般的には経験によ
って)E1=f(E2)を設定する必要がある。
【0024】原則としては、上記の式E1=f(E2)
は任意の形(E1=f(E1,T)を含む)を採ること
ができる。ただし、いくつかの測定状況を効果的に近似
する扱いやすい形は、 E1=a ・ E2b (4) または等価的に、 lnE1=b ・ lnE2+lna (5) である。a、bは実験データをあてはめることによって
一般的に経験によって見つけ出す。
【0025】プランクの法則から次式が導かれる。 1/T−1/T1=L1/c2 ・ lnE1 (7) 1/T−1/T2=L2/c2 ・ lnE2 (8) ここで、Tは真の温度であり、T1,T2は2つの波長
における「輝度」温度であり、c2は「放射第2定数」
であり、L1,L2はそれぞれλ1,λ2に対応する
「有効波長」である。温度計の有効波長は、等価な(理
想的な)単色温度計の波長、すなわち測定すべき温度範
囲にわたって現実の温度計のキャリブレーション関数に
合致する波長である。輝度温度は、放射率効果をいっさ
い補正することなく温度計信号S1,S2から直接導出
する温度である(プランクの法則を用いる)。
【0026】(7),(8)式は、別の形で表した
(1),(2)式、すなわち、S1,S2でなくT1,
T2を測定量とした場合である。(3)式と併せれば、
(7),(8)式は、真の温度Tについて解くことがで
きる3式、3未知数システムを形成する。この表し方
は、温度計が「放射輝度」信号S1,S2ではなく輝度
温度を直接出力する実施において有益である。
【0027】(7),(8)式と(5)式とから適切な
操作を行うことによって次式が得られる。 1/T=(A+1) ・ 1・T1−A ・ 1/T2+B (6) ここで、A=b・L1/(L2−b・L1) また、 B=A・L2・lna/c2・b そして、A、Bが分かれば測定したT1,T2からTに
ついて解くことができる。
【0028】(6)式において必要なAならびにBは、
いくつかの方法で得ることができ、たとえばE1とE2
との間の関係の理論解析を行い、a,bを導出し、した
がってA,Bを導出することができ、また、同様に、ど
のようにE1がE2に関係しているかを経験によって調
べ、a,bを導出し、したがってA,Bを導出すること
ができる。
【0029】しかし、きわめて直接的で有効な方法は、
測定応用に際して、たとえば接触温度計を用いて真の温
度Tの「基準」値を測定しながら単にT1,T2を記録
することである。「1/T」プロットと呼ばれる、1/
T−1/T1対1/T1−1/T2をプロットしたもの
を作成して、データに最も適合する直線を求めることに
より、その直線の勾配と切片からそれぞれAとBが直接
求められる。
【0030】認識すべき重要な点は、1/Tプロットに
おける直線関係は、この方法においては不可欠なもので
はないということである。直線は(6)式から求めら
れ、その(6)式は、(5)式、すなわち対数−直線仮
定から求められる。しかし経験的に得られたデータによ
り1/Tプロットにおける一価関数の関係が求められる
ならば、このプロットを用いて直接に、E1=f(E
2)の関係式の形について何ら前もって仮定を立てるこ
となくTと測定したT1,T2とのに関係を求めること
ができる。
【0031】このように、我々は純粋に経験的な方法を
得ている。T1,T2,Tデータを(たとえばシステム
の作動中に)収集し、1/Tプロットにプロットする。
続いて、データをなめらかにつなぐように、任意の有望
な関数が用いられ、やがて測定されるT1,T2からの
Tの計算が可能となる。GB−A−2160971にも
開示されているこのアプローチはうまく機能し、経験的
1/T関係を一度設定すればそれは安定しており、修正
を行うことなく何ヵ月も使用し得ることが判明した。
【0032】金属流れの場合は、状況はもっと複雑であ
る可能性がある。我々は、「1つの」障害(たとえばキ
ャビテーション)の(E1=f(E2))の挙動を正し
く表した1/T関係を設定することができるが、この1
/T関係では正確に表せない他の障害が変動しつつ生じ
ることを発見した。1つの障害が支配的あれば、結果と
して、1/Tプロットの線(必ずしも直線ではない)の
上にのる読み取り値が支配的となるが、この線のいずれ
かの側における読み取り値の分散を伴う。
【0033】温度計の高速応答を活用することによって
大集合(たとえば1秒ごとに1000回のT1,T2
値)の読み取りをすることができる。これによって内部
一貫性をもって単一の(モデルとした)障害のみに関す
る読み取り値を選択し、複数の障害に関する読み取り値
を除外することができる。これは次のように機能する。
理論的および/または経験的研究から、障害「X」が支
配的であると決定する。我々は、更に障害「X」をモデ
リングする1/T関係を設定する。
【0034】簡単のため、この1/T関係が直線になる
(必ずしもそうでなくてよい)、すなわち我々のモデリ
ングが(6)式についてのA,Bを与えるものと仮定す
る。最初に、コンピュータが検出された強度の組S1,
S2から、従来の「直線化」ルーチンを用いて等価な放
射輝度の組T1,T2を計算する。図4のフローチャー
トに示すこの例においては、コンピュータ12は続いて
1000組のT1,T2のそれぞれから(6)式を用い
て温度Tを計算する(ステップ30)。続いて、ステッ
プ30で得られたTの各値が、たとえば5℃間隔のどの
温度範囲に属するかをカウントしていき、Tを各温度範
囲にグループ分けする。(ステップ31)。
【0035】これによって1組のカウントができるが、
その一例をグラフにして図5に示す。この図において
は、各温度(水平軸に沿って設定されている)を中心に
して7つの温度範囲が設定されており、一方、各温度範
囲内に入る値の数は垂直軸に沿ってプロットされてい
る。ステップ32において、コンピュータ12は、最も
T値を多く含む温度範囲、この場合では温度範囲3を選
択し、この温度範囲の平均温度値をディスプレイあるい
はプリンタ(図示しない)へ送る(ステップ33)。別
法として、この値をアナログ値に逆変換し、制御目的な
どのために用いることができる。他の方法においては、
先述のように、ピーク範囲のどちらか片側または両側の
範囲に含まれる温度値の数を考慮し、それに従ってピー
ク範囲の平均温度を修正できる。
【0036】より高度なアプローチにおいては、コンピ
ュータ12は図5に示すように結果として得られた分布
の質も考慮し、それが許容できなければ温度値をまった
く出力しない。このように、コンピュータ12は、分布
が単一のピークと最小限の「鋭さ」を持ち、一定の対称
性を示すことを要求する。
【0037】上述の例においては、支配的障害が既知で
あり、使用するアルゴリズムがこの障害に対して満足の
いくものであると仮定している。しかしそうである必要
はなく、以下に紹介する他の実施例においては、装置は
未知の障害を扱うことができる。これは、多数の異なる
アルゴリズムを設定してコンピュータにあらかじめロー
ディングすることで達成される。ここで、これらアルゴ
リズムは、すべて、キャビテーション、煙等の障害に対
して満足のいくように経験的にそれぞれ求められた異な
るAおよび/またはBの値をもつ上記(6)式に対応し
ている。図6、7を参照しつつこの例について説明す
る。
【0038】図6に示すように、最初にコンピュータは
先の場合と同様に値T1,T2を計算し、記憶する(ス
テップ40)。続いて予め格納してあるアルゴリズムの
中の1つを選択し(ステップ41)、選択したアルゴリ
ズムを用いて各R1,T2の組について値Tを計算し
(ステップ42)、その結果の値を先述の例の場合と同
様に、対応する温度範囲にカウントしていく(ステップ
43)。続いて、各アルゴリズムに対して1組のカウン
トが設定されるまで、各アルゴリズムについてこのプロ
セスを繰り返す。これをグラフで図7に示す。見易くす
るために、2つだけの分布50,51(2つのアルゴリ
ズムに対応する)を図7に示す。
【0039】続いてコンピュータは結果として得られた
分布50,51を再検討し(ステップ44)、設定した
基準を満たしていないものはすべて除外する。たとえ
ば、ピークが2つ以上あるという理由で分布51は除外
する。ピークが1つであり、ピークを中心にして全体的
に対称であるという理由で分布50は許容する。続い
て、最も多くT値(または他の関連値)を有している温
度範囲の平均温度値を、先の場合と同様に出力する(ス
テップ45)。
【0040】分布におけるこの選択は、実際には種々の
障害モデルに対して周波数分布形状がどれほど鋭敏に対
応するかによって決まる。我々は実際に、対数−直線近
似式((6)式)を用いて、分布の形状はAの値に対し
ては非常に鋭敏であるが、一般にBに対しては鋭敏では
ないことを発見した。このことは、実際の装置作製にあ
たって、値Aについては、分布の形状を最適化すること
によって自動的に導出するが、値Bについては、異なる
方法、たとえば、浸漬型温度計で得られる基準温度読み
取り値と比較することによって、導出するようなものと
できることを示している。これに関連して、使用者は浸
漬型温度計を用いて流れの温度を定期的に測定し、続い
てこの値をキーボード14などの入力器を介して入力す
ることができ、続いてコンピュータがこの入力に応じ
て、求めた温度が入力した温度に一致するように値Bを
修正するような場合も考えられる。この修正はたとえば
1日に1回または2回行えばよい。
【0041】なお、以上の実施例では、検出する波長が
2つの場合について説明したが、本発明では、次の形の
アルゴリズムを用いて、3つないしそれ以上の波長を検
出する仕様に適用することができる: 1/T=x/T1+y/T2+z/T3+・・・ ここで、x,y,zは定数であり、T1,T2,T3は
波長λ1,λ2,λ3において第1段階において検出さ
れる放射線から得られる温度値である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の装置のブロック図である。
【図2】図1に示す装置の検出器の回路図である。
【図3】図1に示す装置の増幅器の回路図である。
【図4】本発明の一実施例に用いるコンピュータの動作
を示すフローチャートである。
【図5】図4の作用の結果を示すグラフである。
【図6】本発明の他の実施例に用いるコンピュータの動
作の一例を示すフローチャートである。
【図7】図6の作用の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
4…対象、13…検出手段、12…処理手段、30…第
2段階、32…第3段階、33…第5段階。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対象の温度を測定する方法であって、 対象が放出する放射線を少なくとも2つの異なる波長に
    おいて検出する第1段階と、 検出した放射線から、設定された第1アルゴリズムに従
    って温度値を求める第2段階と、 第1および第2段階を多数回繰り返すことによって1組
    の温度値を発生する第3段階と、 温度値の組から、設定された第2アルゴリズムに従って
    対象温度を選択する第4段階と、 第4段階において得られた対象温度を表す出力信号を出
    力する第5段階とを含む温度測定方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 第3段階において、各温度値を1組の温度値範囲の中の
    1つの温度値範囲に割り当て、 第4段階において、最も多くの温度値を割り当てられた
    温度値範囲を確定し、この確定した温度値範囲に関係づ
    けられた対象温度を選択する温度測定方法。
  3. 【請求項3】 請求項2において、 隣接する温度値範囲に含まれる温度値の値と発生数とに
    従って、確定した温度値範囲に対応する温度を修正した
    ものを、対象温度として選択する温度測定方法。
  4. 【請求項4】 請求項2において、 確定した温度値範囲の平均値を対象温度として選択する
    温度測定方法。
  5. 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかにおいて、 多数の種々の設定された第1アルゴリズムごとに、それ
    に従って、それぞれ第1段階について、第2および第3
    段階を1回実行し、それら設定された第1アルゴリズム
    と同数の温度値の組を発生させ、最も安定している1組
    の温度値を第4段階で使用すべく選択する温度測定方
    法。
  6. 【請求項6】 請求項5において、 1組の温度値を選択する段階において、予め設定した有
    効基準を満たしていない温度値の組を除外する温度測定
    方法。
  7. 【請求項7】 請求項6において、 予め設定した有効基準が、1組の温度値が単一のピー
    ク、最小限の鋭さまたは対称性のうち1つあるいはそれ
    以上を呈することである温度測定方法。
  8. 【請求項8】 請求項1ないし7のいずれかにおいて、 対象温度を別途定期的に測定し、第4段階において導出
    した対象温度がその別途測定した対象温度に等しくなる
    ように設定された第1アルゴリズムを修正する温度測定
    方法。
  9. 【請求項9】 請求項1ないし8のいずれかにおいて、 設定された第1アルゴリズムが、次の形を有する温度測
    定方法。 1/T=(A+1)/T1−A/T2+B ここで、 Tは求めるべき温度値であり、 T1,T2は、2つの異なる波長において第1段階にお
    いてそれぞれ検出された放射線から得られる温度値であ
    り、 A,Bは定数である。
  10. 【請求項10】 請求項1ないし9のいずれかにおい
    て、 第1および第2段階を毎秒約1000回繰り返す温度測
    定方法。
  11. 【請求項11】 請求項1ないし10のいずれかにおい
    て、 対象が流動する液体の流れである温度測定方法。
  12. 【請求項12】 対象の温度を測定する装置において、 対象が放出する放射線を少なくとも2つの異なる波長に
    おいて検出する検出手段と、 請求項1ないし11のいずれかに記載の方法を実行する
    処理手段とを備えたことを特徴とする温度測定装置。
JP7160035A 1994-06-03 1995-06-02 温度測定方法および温度測定装置 Pending JPH08166291A (ja)

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