JPH0933351A - 多波長式放射温度測定方法及び多波長式放射温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射率累乗比から放射率を求めるための関数
が多価関数的になることを防止し、測温誤差を低減す
る。 【解決手段】 直線εにて、放射率累乗比ＥＰＲと放射
率εとの関係が示される。点Ａ１からＡ４までが単価関
数的であり、点Ａ４からＡ６までが多価関数的である。
放射率累乗比を求めるための、被測温体からの熱放射光
から得られる２つの波長の分光について、光吸収の度合
が相互に異なる波長とすることで、例えば、１つの波長
を測温対象の酸化膜による赤外線吸収が強い波長とする
ことで、前述の単価関数的な区間が広くされて多価関数
的になることが抑えられ、回帰直線ＬＡ１の精度を向上
することができ、測温誤差を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、互いに異なる複数
の波長の、被測温体からの熱放射光の分光それぞれの放
射強度のうちの２つにそれぞれ応じた演算量を、それぞ
れの波長で累乗したものの比から、前記波長の少なくと
も１つでの前記被測温体の放射率を求め、少なくとも、
該放射率及び該放射率に対応する波長の前記放射強度か
ら、前記被測温体の温度を求めるようにした多波長式放
射温度測定方法、及び、多波長式放射温度計に係り、特
に、前記累乗比から前記放射率を求めるためのこれら間
の関数関係が多価関数的になることを抑え、これによっ
て、得られる該放射率の値が複数であることに起因する
測温誤差や演算上の問題を抑え、測温精度の向上等を図
ることが可能な多波長式放射温度測定方法及び多波長式
放射温度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、被測温体の温度を、ウィーン
の法則に基づき、該被測温体からの熱放射光から測定す
ることが行われている。例えば、被測温体の温度に応じ
てその熱放射光の放射エネルギが変化するというウィー
ンの放射法則や、被測温体の温度に応じてその熱放射光
の放射エネルギが最大になる波長が変化するというウィ
ーンの変位則を用いた放射温度測定方法や放射温度計が
従来から用いられている。

【０００３】又、近年では、２波長あるいはそれ以上の
多波長の、互いに異なる複数の波長の、被測温体からの
熱放射光の分光それぞれの放射エネルギに応じた、放射
率補正型の測温技術が知られている。例えば特開平５−
１２６６４２では、まず、互いに異なる２つの波長の、
被測温体からの熱放射光の分光それぞれの放射エネルギ
を、それぞれの波長で累乗したものの比を求める。又、
求められた該累乗比や各波長の測定された放射エネルギ
から被測温体の放射率を求め、該放射率及び測定された
放射エネルギから被測温体の温度を求めている。

【０００４】以下、この特開平５−１２６６４２で開示
されている測温技術を中心とし、従来からの放射率補正
型の測温技術の原理を説明する。

【０００５】まず、互いに異なる複数の波長をλｉ（ｉ
＝１，２，３・・・ｎ）とする。又、被測温体からの熱
放射光の分光した各波長λｉのそれぞれの放射エネルギ
をＥｉとし、前述のウィーンの放射法則に基づいて該放
射エネルギＥｉから求められる各波長λｉの輝度温度を
Ｓｉとする。なお、このような放射エネルギＥｉや輝度
温度Ｓｉを総括して、以降、放射強度とも称する。ここ
で、各波長λｉにおける被測温体の放射率をεｉ、及
び、プランクの第２定数をＣ２（１４３８８μｍ・Ｋ）
とすると、放射エネルギＥｉと、被測温体の温度Ｔは、
ウィーンの法則に基づき、次式のように表わすことがで
きる。

【０００６】 Ｅｉ＝εｉ・exp ｛−Ｃ２／（λｉ・Ｔ）｝ …（１） １／Ｔ＝１／Ｓｉ＋（λｉ／Ｃ２）ｌｎ（εｉ） …（２）

【０００７】ここで、以下の放射温度測定に用いる波長
の数を２つとし、即ち波長λ１及びλ２を用いるとすれ
ば、上記（１）式及び（２）式は、これらの波長λ１及
びλ２の分光に関して次式のとおりとなる。

【０００８】 Ｅ１＝ε１・exp ｛−Ｃ２／（λ１・Ｔ）｝ …（１ａ） Ｅ２＝ε２・exp ｛−Ｃ２／（λ２・Ｔ）｝ …（１ｂ） １／Ｔ＝１／Ｓ１＋（λ１／Ｃ２）ｌｎ（ε１） …（２ａ） １／Ｔ＝１／Ｓ２＋（λ２／Ｃ２）ｌｎ（ε２） …（２ｂ）

【０００９】ここで、上記（２ａ）式及び（２ｂ）式か
らＴを消去すると、次式を得ることができる。

【００１０】

【数１】

【００１１】なお、任意のｎの波長λｉ（ｉは１〜ｎ）
について、これらのうちの２つの波長λｉ及びλｊ（１
〜ｉ〜ｊ〜ｎ、又は、１〜ｊ〜ｉ〜ｎ）では、上記（３
ａ）式は次式のように一般化することができる。

【００１２】

【数２】

【００１３】ここで、放射率を累乗したものの比を、放
射率累乗比ＥＰＲｉあるいはＥＰＲ１として、次の
（４）式あるいは（４ａ）式のように定義する。なお、
該放射率累乗比に対応するものとして前述の特開平５−
１２６６４２では、２つの波長のそれぞれの放射エネル
ギをそれぞれの波長で累乗したものの比を、次の（５）
式あるいは（５ａ）式のごとくべき乗比Ｘとしている。
これらＥＰＲｉ、ＥＰＲ１、又Ｘを含め、２つの波長の
放射強度に応じた演算量を、それぞれの波長で累乗した
ものの比を、以降、単に累乗比と称する。

【００１４】

【数３】

【００１５】ここで、前記放射率累乗比ＥＰＲ１（又は
ＥＰＲｉ）と、放射率ε１（又はεｉ）との間には一定
の関数関係がある。従って、このような関係を、計算、
あるいは放射率測定時点により求めておくことができ
る。このようにして求められた関数をＦ１（又はＦｉ）
とすれば、次式のように表わすことができる。

【００１６】

【数４】

【００１７】従って、上記（６ａ）式や（６）式から放
射率ε１やεｉを求めれば、前述の輝度温度Ｓ１及びＳ
２又はＳｉに基づいて、前記（２ａ）式や（２）式を用
いて、あるいは次式を用いて被測温体の温度Ｔを求める
ことができる。

【００１８】 Ｔ＝（λｊ−λｉ）／｛（λｉ・λｊ／Ｃ２）ｌｎ（εｉ／εｊ） ＋λｊ／Ｓｉ−λｉ／λｊ｝ …（７） Ｔ＝（λ２−λ１）／｛（λ１・λ２／Ｃ２）ｌｎ（ε１／ε２） ＋λ２／Ｓ１−λ１／Ｓ２｝ …（７ａ）

【００１９】ここで、図１４は、以上に述べた測定原理
に従って被測温体の表面温度を測定するための従来例の
多波長式放射温度計の構成を示すブロック図である。

【００２０】この放射温度計は、被測温体１からの熱放
射光の２つの波長λ１及びλ２の分光を用いて温度測定
している。該多波長式放射温度計は、分光部５Ｄ及び５
Ｅと、光電変換部７Ａ及び７Ｂと、ＥＰＲ計算部１１Ａ
と、放射率計算部１３Ｃと、温度計算部１５Ａと、温度
データ記憶出力部１７とにより構成されている。

【００２１】まず、前記分光部５Ｄ及び５Ｅは、図１５
の分光部５に示されるとおりである。即ち、これら分光
部５Ｄ及び５Ｅは、被測温体１からの熱放射光を測温素
子８５へ集光するための集光光学部８１と、熱放射光の
中から波長λ１又はλ２（図中のλｉにあって、ｉ＝
１、又は、ｉ＝２）の分光を得るための光学フィルタ８
２とにより構成される。

【００２２】又、前記光電変換部７Ａ及び７Ｂは、この
図１５の光電変換部７のとおり構成される。即ち、これ
ら光電変換部７Ａ及び７Ｂは、前記分光部５で分光され
た波長の放射エネルギε１又はε２（εｉにあって、ｉ
＝１、又は、ｉ＝２）から前述の輝度温度Ｓ１又はＳ２
（図中のＳｉにあって、ｉ＝１、又は、ｉ＝２）を求め
るための測温素子８５と、外部からのタイミング信号に
従って前記測温素子８５で測定された輝度温度Ｓ１又は
Ｓ２のデータを出力するためのデータサンプリング回路
８６とにより構成されている。

【００２３】前記ＥＰＲ計算部１１Ａは、前記光電変換
部７Ａから出力される輝度温度Ｓ１と、前記光電変換部
７Ｂから出力される輝度温度Ｓ２から、前記（３ａ）式
及び（４ａ）式に基づいて放射率累乗比ＥＰＲ１を求め
る。又、前記放射率計算部１３Ｃは、前記ＥＰＲ計算部
１１Ａから得られた放射率累乗比ＥＰＲ１と、当該放射
率計算部１３Ｃ内部に予め記憶されている関数Ｆ１に基
づき、前記（６ａ）式を用いながら放射率ε１を算出す
る。前記温度計算部１５Ａは、前記光電変換部７Ａから
の輝度温度Ｓ１、前記光電変換部７Ｂからの輝度温度Ｓ
２、及び、前記放射率計算部１３Ｃからの放射率ε１に
基づいて、前記（２ａ）式を用いて被測温体１の温度Ｔ
を求める。該温度計算部１５Ａで求められた温度Ｔは、
前記温度データ記憶出力部１７で一時記憶され、外部に
出力される。

【００２４】図１６は、前述の従来例における放射率累
乗比ＥＰＲと放射率ε２との関係を示すグラフである。

【００２５】この図１６は、前記特開平５−１２６６４
２の図２を元に作成したものである。この図１６におい
て、実際に計算によって求められた放射率累乗比ＥＰＲ
と放射率ε２との関係は曲線Ｘで示される。又、直線Ｌ
１及びＬ２は、前述の曲線Ｘの回帰直線である。この従
来例では、前記放射率計算部１３Ｃにおいて、内部に記
憶される上記の直線Ｌ１及びＬ２に従ったデータテーブ
ルを用いながら、前記ＥＰＲ計算部１１Ａで求められた
放射率累乗比ＥＰＲ１から放射率ε１を求めている。言
い換えれば、これら直線Ｌ１及びＬ２に基づいたデータ
テーブルは、前述の（６ａ）式の関数Ｆ１に相当すると
も言える。

【００２６】

【発明が達成しようとする課題】しかしながら、前述の
図１６の曲線Ｘで示される如く、計算や実験等で求めら
れる放射率累乗比ＥＰＲ１と放射率ε１との関係は、複
雑な計算式による関数となり、多価関数的になる傾向が
ある。例えば図１６において、放射率累乗比ＥＰＲ１が
“１．１０”のとき、放射率ε１として、符号ＬＢで示
される値と、符号ＬＣで示される値との、２つの値を有
し、この点で明らかに多価関数的になっている。

【００２７】このため、このような関数を例えば前述の
直線Ｌ２で回帰した場合、測温誤差が増大してしまうと
いう問題がある。具体的には、直線Ｌ２で、曲線Ｘを回
帰した場合、放射率累乗比ＥＰＲ１が“１．１０”で
は、最大、｜ＬＢ−ＬＡ｜又は｜ＬＡ−ＬＣ｜程度の放
射率ε１の誤差が発生するため、これに伴って計算され
る測温にも誤差が生じてしまう。

【００２８】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、互いに異なる複数の波長の、被測温
体からの熱放射光の分光それぞれの放射強度のうちの２
つにそれぞれ応じた演算量を、それぞれの波長で累乗し
たものの比から、前記波長の少なくとも１つでの前記被
測温体の放射率を求め、少なくとも、該放射率及び該放
射率に対応する波長の前記放射強度から、前記被測温体
の温度を求めるようにした多波長式放射温度測定方法及
び多波長式放射温度計において、前記累乗比から前記放
射率を求めるためのこれら間の関数関係が多価関数的に
なることを抑え、これによって、得られる該放射率の値
が複数であることに起因する測温誤差や演算上の問題を
抑え、測温精度の向上等を図ることができる多波長式放
射温度測定方法及び多波長式放射温度計を提供すること
を目的とする。

【００２９】

【課題を達成するための手段】まず、本願の第１発明の
多波長式放射温度測定方法は、互いに異なる複数の波長
の、被測温体からの熱放射光の分光それぞれの放射強度
のうちの２つにそれぞれ応じた演算量を、それぞれの波
長で累乗したものの比から、前記波長の少なくとも１つ
での前記被測温体の放射率を求め、少なくとも、該放射
率及び該放射率に対応する波長の前記放射強度から、前
記被測温体の温度を求めるようにした多波長式放射温度
測定方法において、前記波長の少なくとも２つについ
て、前記被測温体の光吸収の度合が相互に異なる波長と
されていることにより、前記課題を達成することができ
る多波長式放射温度測定方法を提供したものである。

【００３０】又、前記第１発明において、前記被測温体
の被測温表面が、薄膜体で覆われており、前記波長の少
なくとも２つについて、一方が、前記被測温体の光吸収
の度合が強い、前記薄膜体の厚さに応じた波長であっ
て、他方が、前記光吸収の度合が弱い、前記薄膜体の厚
さに応じた波長であることにより、例えば金属酸化膜等
の薄膜体で覆われた被測温体の熱放射光のスペクトル分
布に着目し、被測温体の光吸収の度合がそれぞれ異なる
よう設定された前述の２つの波長にあって、これら２波
長の光吸収の度合の格差をより効果的に拡大すること
で、前記課題をより効果的に達成することができる多波
長式放射温度測定方法を提供したものである。

【００３１】一方、本願の第２発明の多波長式放射温度
計は、互いに異なる複数の波長の、被測温体からの熱放
射光の分光それぞれの放射強度のうちの２つにそれぞれ
応じた演算量を、それぞれの波長で累乗したものの比か
ら、前記波長の少なくとも１つでの前記被測温体の放射
率を求め、少なくとも、該放射率及び該放射率に対応す
る波長の前記放射強度から、前記被測温体の温度を求め
るようにした多波長式放射温度計において、前記波長の
少なくとも２つについて、前記被測温体の光吸収の度合
が相互に異なる波長とされている分光を含め、前記熱放
射光から、互いに異なる複数の前記波長の分光を得る分
光手段と、これら分光の放射強度を検出する光センサ
と、これら放射強度のうちの２つにそれぞれ応じた演算
量を、それぞれの波長で累乗したものの比を求める累乗
比演算手段と、該累乗比から、前記波長の少なくとも１
つでの前記被測温体の放射率を求める放射率演算手段
と、該放射率、及び、該放射率に対応する波長の前記放
射強度から、前記被測温体の温度を算出する温度計算手
段とを備えたことにより、前記課題を達成することがで
きる多波長式放射温度計を提供したものである。

【００３２】又、前記第２発明の多波長式放射温度計に
おいて、前記分光手段が、３つ以上の前記波長の分光を
得るものであり、又、前記光センサが、これら３つ以上
の該波長の分光の放射強度を検出するものであり、前記
累乗比演算手段が、３つ以上のこれら放射強度のうちか
ら２つを選択した、相互に異なる放射強度の複数種の組
み合わせに対応する、複数種の前記累乗比を求めるもの
であって、前記放射率演算手段が、前記温度計算手段で
算出される前記被測温体の温度の誤差がより小さくなる
ような、複数種のうちの１つの前記累乗比を選択して用
いて前記放射率を求めるものであることにより、前記課
題を達成すると共に、前記放射率の誤差をより小さくす
ることにより、前記課題をより一層達成したものであ
る。

【００３３】以下、本発明の原理を説明する。

【００３４】前述した図１６の曲線Ｘで示される放射率
累乗比ＥＰＲ１と放射率ε１との関係は、対象となる熱
放射光の分光の波長によって大きく異なる。又、前記特
開平５−１２６６４２で言及されるような放射エネルギ
をその波長で累乗したものの比と放射率との関係等を含
め、前述の累乗比と放射率との関係は、対象となる熱放
射光の分光の波長によって大きく異なる。

【００３５】しかしながら、従来、どのような波長を選
択すれば測温精度を向上することができるか等について
の技術は開示されていない。例えば、前述した特開平５
−１２６６４２や、更に特開平５−１６４６１６等で
は、前述のような放射率を求めるための関数が多価関数
的になってしまうことに対処するため、例えば前述のよ
うな直線Ｌ１やＬ２で回帰する方法について開示されて
いるものの、どのような波長を選択することが測温精度
上好ましいかについては全く開示されていない。

【００３６】様々な被測温体からの熱放射光の分光の波
長について、累乗比と放射率との関係を調べるために多
くの実験を行ったところ、前記累乗比を算出するため
の、熱放射光の波長の異なる２つの分光について、被測
温体の光吸収の度合が相互に異なる波長に設定すると、
前述のような多価関数的な要素が弱められることが見出
された。

【００３７】本発明が対象とするものはこれに限定され
るものではないが、例えば、酸化膜などの薄膜体で覆わ
れた被測温体の表面温度を測定することも考えられる。
この様に薄膜体で覆われた被測温体では、薄膜体表面
や、該薄膜体内側の被測温体の母材の光吸収の度合が、
各々分光の波長によって比較的大きく変化する。特に、
薄膜体表面での光吸収の度合は、比較的大きく変化す
る。例えば、金属やシリコン等の半導体の母材表面に形
成される酸化膜では、赤外線吸収の度合が強い波長が存
在する。従って、被測温体の被測温表面が、薄膜体で覆
われている場合、光吸収の度合を異ならせる波長の少な
くも２つについて、一方が、被測温体の光吸収の度合が
強い、薄膜体の厚さに応じた波長とし、他方が、光吸収
の度合が弱い、薄膜体の厚さに応じた波長とすることも
考えられる。この様にすれば、これら２つの波長間での
光吸収の度合の隔差はより大きく設定しやすい。

【００３８】例えば図２に示すように波長λ１を４．０
μｍで、波長λ２を２．０μｍとした場合では、ある被
測温体における放射率累乗比ＥＰＲ１と放射率ε１との
関係は、図１のグラフに示す通りである。

【００３９】ここで、虚数のｉ、即ち（ｉ² ＝−１）を
定義し、複素屈折率Ｎを（Ｎ＝ｎ−ｉｋ）で定義する。
すると、被測温体の母材と、該母材表面に形成されてい
る酸化膜との、ｎとｋの値は、例えば図２のとおりであ
る。複素屈折率において、ｋの値が大きい程、光吸収の
度合が大きくなる。ここで、被測温体表面の酸化膜にお
ける光吸収の度合は、波長λ１に比べ波長λ２の方が格
段に大きい。又、この図２において、被測温体の母材、
及び該母材表面の酸化膜の温度は８００℃前後である。

【００４０】例えば、この図２の条件では、前記図１の
ような放射率εの特性となるが、このように２つの波長
λ１及びλ２間の光吸収の度合の格差が大きくなると、
多価関数的な傾向が弱められる。

【００４１】例えばこの図１の放射率累乗比ＥＰＲ１と
放射率ε１との関係を示す曲線Ａにおいて、点Ａ４から
点Ａ６までは多価関数的になっているものの、点Ａ４か
ら点Ａ１までは単価関数的になっている。例えばこのよ
うな点Ａ４と点Ａ１との間の曲線Ａを直線ＬＡ１で回帰
した場合、これら曲線Ａと直線ＬＡ１との、放射率ε１
の隔差は、例えば前述の図１６の直線Ｌ２で回帰した場
合に比べ小さい。従って、直線ＬＡ１のような関係に基
づいて放射率累乗比ＥＰＲ１から放射率ε１を求めたと
しても、曲線Ａから求めた場合に比べた誤差はより小さ
くなる。

【００４２】このように、前記第１発明及び前記第２発
明によれば、用いる分光の波長をより効果的に設定する
ことで、前記累乗比から前記放射率を求めるためのこれ
らの関数関係が多価関数的になることを抑え、これによ
って、得られる該放射率の値が複数であることに起因す
る測温誤差や演算上の問題を無くし、測温精度の向上等
を図ることができる。

【００４３】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明の実施形
態を詳細に説明する。

【００４４】図３は、前記第１発明及び前記第２発明が
適用された多波長式放射温度計の第１実施形態の構成を
示すブロック図である。

【００４５】本実施形態は、被測温体１からの熱放射光
について、特に２つの波長λ１及びλ２それぞれの輝度
温度Ｓ１及びＳ２を測定することで、被測温体１の表面
温度を測定している。この図３と前述の従来例の図１４
とを比較した明らかなとおり、該従来例に対して本実施
形態は、分光部５Ａ及び５Ｂと、放射率計算部１３Ａと
が異なる。又、被測温体１の条件は、前述の図２の通り
である。

【００４６】まず、本実施形態の分光部５Ａは、前記図
１５の前記分光部５の前記光学フィルタ８２として、
４．０μｍの光を透過する光学フィルタ８２が用いられ
ている。又、本実施形態の分光部５Ｂは、２．０μｍの
光を透過させる前記光学フィルタ８２が用いられてい
る。

【００４７】このように被測温体１、又、波長λ１及び
波長λ２の条件を設定しているため、本実施形態では、
放射率累乗比ＥＰＲ１と放射率ε１との関係は、前述し
た図１のグラフのようになっている。又、前述した従来
例の前記放射率計算部１３Ｃに対して、本実施形態の放
射率計算部１３Ａは、前記図１の曲線Ａを回帰する直線
ＬＡ１に従ったデータテーブルを備えている。又、該放
射率計算部１３Ａは、このようなデータテーブルを用
い、前記ＥＰＲ計算部１１Ａから出力される放射率累乗
比ＥＰＲ１から放射率ε１を求めている。

【００４８】このように、本実施形態では、多価関数的
な要素が少ない図１の曲線Ａで示される放射率累乗比Ｅ
ＰＲ１と放射率ε１との関係に従い、該曲線Ａに対して
回帰した、より誤差が少ない直線ＬＡ１を用いて、放射
率累乗比ＥＰＲ１から放射率ε１を求めている。このた
め、最終的に得られる温度Ｔの測温誤差や演算上の問題
を抑え、測温精度の向上等を図ることが可能となってい
る。

【００４９】図４は、前記第１発明及び前記第２発明が
適用された多波長式放射温度計の第２実施形態の構成を
示すブロック図である。

【００５０】本実施形態についても、被測温体１の条件
は、前記図２のとおりである。又、前述した従来例や前
記第１実施形態に対して、本第２実施形態については、
被測温体からの熱放射光を、特に３つの互いに異なる波
長λ１、λ２及びλ３に分光し、温度測定している。即
ち、本第２実施形態では、４．０μｍの波長λ１及び
２．０μｍの波長λ２に加え、１．４μｍの波長λ３も
対象となっており、この追加される波長λ３のための分
光部５Ｃや光電変換部７Ｃが設けられている。前記分光
部５Ｃの構成は、前記図１５の前記分光部５の通りであ
り、１．４μｍの波長の光を透過する前記光学フィルタ
８２が用いられている。又、前記光電変換部７Ｃの構成
は、前記図１５の前記光電変換部７の通りである。、こ
こで、前述した（１）式〜（７）式それぞれに基づい
て、順に、次に列挙する一連の各式を得ることができ
る。

【００５１】 Ｅ３＝ε３・exp ｛−Ｃ２／（λ３・Ｔ）｝ …（１ｃ） １／Ｔ＝１／Ｓ３＋（λ３／Ｃ２）ｌｎ（ε３） …（２ｃ）

【００５２】

【数５】

【００５３】本実施形態で用いられる前記ＥＰＲ計算部
１１Ｂには、前記光電変換部７Ａ〜７Ｃそれぞれで検出
された輝度温度Ｓ１〜Ｓ３が個別に入力されている。該
ＥＰＲ計算部１１Ｂは、主として前記（３ａ）式〜（３
ｃ）式、前記（４ａ）式〜（４ｂ）に基づき、後述する
ような図１２の回帰直線ＬＡ及びＬＢに対応するデータ
テーブルを備え、これらテーブルを用いて放射率累乗比
ＥＰＲ１及びＥＰＲ２をそれぞれ求めている。

【００５４】ここで、該ＥＰＲ計算部１１Ｂから出力さ
れる２つの放射率累乗比ＥＰＲ１及びＥＰＲ２につい
て、輝度温度Ｓ２の誤差が前記（６ａ）式の関数Ｆ１及
び前記（６ｂ）式の関数Ｆ２を通して、放射率ε１やε
２に及ぼす誤差や、最終的に求められる温度Ｔに及ぼす
誤差を考える。これらの該差について考慮しながら、本
実施形態では、放射率累乗比ＥＰＲ１又はＥＰＲ２の選
択、及び、関数Ｆ１又はＦ２の選択を行っている。

【００５５】ここで、前記関数Ｆ１を通して温度Ｔに対
して及ぼされる誤差をΔＴ１とし、前記関数Ｆ２を通し
て温度Ｔに及ぼす誤差をΔＴ２とする。又、輝度温度Ｓ
２の変化（誤差）による誤差ΔＴ１及びΔＴ２の大きさ
を求めることで、輝度温度Ｓ１の変化による温度Ｔの変
化の度合を評価する。

【００５６】まず、輝度温度Ｓ２が｛Ｓ２・（１＋Δ
Ｓ）｝に変化するとき、放射率累乗比ＥＰＲ１が｛ＥＰ
Ｒ１・（１＋ΔＥＰＲ）｝に変化するものとする。する
と、前記（３ａ）式及び（４ａ）式により、次式を得る
ことができる。

【００５７】 ΔＥＰＲ＝exp ｛−（Ｃ２・ΔＳ／Ｓ２）｝−１ …（８）

【００５８】ここで、｛（Ｃ２／Ｓ２）・ΔＳ｝が
“１”に比べて無視できる程度に小さい場合、上記
（８）式は次式に近似することができる。

【００５９】 ΔＥＰＲ＝−Ｃ２・ΔＳ／Ｓ２ …（９）

【００６０】次に、放射率累乗比ＥＰＲ１が｛ＥＰＲ１
・（１＋ΔＥＰＲ）｝に変化するとき、放射率ε２は
｛ε２・（１＋Δε）｝に変化するものとする。又、放
射率累乗比ＥＰＲ１と放射率ε１との関係は、前述した
（３ａ）式及び（４ａ）式で示される。このとき、放射
率の誤差Δεと放射率累乗比の誤差ΔＥＰＲとの間に
は、次の関係が成り立つ。

【００６１】 Δε＝Ｆ１（ＥＰＲ１）・｛ＥＰＲ１／Ｆ１（ＥＰＲ１）｝・ΔＥＰＲ …（１０）

【００６２】更に、放射率が誤差Δεだけ変化すること
による、放射率を補正しながら算出される温度Ｔの変化
率を｛Ｔ・（１＋ΔＴ１）｝とする。すると、誤差ΔＴ
１、Δε、又ΔＳの間には、次の関係が成り立つ。

【００６３】 ΔＴ１＝−｛（λ２・Ｔ）／Ｃ２｝・Δε＋（Ｔ／Ｓ２）・ΔＳ…（１１）

【００６４】従って、上記の（８）式〜（１１）式によ
り、誤差ΔＴ１と誤差ΔＳとの間には、次の関係が成り
立つことが分かる。

【００６５】 ΔＴ１／ΔＳ＝（Ｔ／Ｓ２）［λ２・Ｆ１（ＥＰＲ１） ・｛ＥＰＲ１／Ｆ１（ＥＰＲ１）｝＋１］ …（１２ａ）

【００６６】同様に、誤差ΔＴ２と誤差ΔＳとの間に
は、次の関係が成り立つ。

【００６７】 ΔＴ２／ΔＳ＝（Ｔ／Ｓ２）［λ２・Ｆ２（ＥＰＲ２） ・｛ＥＰＲ２／Ｆ２（ＥＰＲ２）｝＋１］ …（１２ｂ）

【００６８】これら（１２ａ）式及び（１２ｂ）式が得
られると、次のように考えることができる。即ち、輝度
温度Ｓが一定量ΔＳだけ変化するとき、前記（１２ａ）
式で求められる（ΔＴ１／ΔＳ）と、前記（１２ｂ）式
で求められる（ΔＴ２／ΔＳ）を比較する。このとき、
（ΔＴ１／ΔＳ）の方が小さい場合、放射率累乗比ＥＰ
Ｒ１を用い、関数Ｆ１を用いて得られる放射率ε１を用
いる方が、放射率累乗比ＥＰＲ２、関数Ｆ２及び放射率
ε２を用いるより誤差が小さい。一方、（ΔＴ２／Δ
Ｓ）の方が小さい場合、放射率累乗比ＥＰＲ２、関数Ｆ
２及び放射率ε２を用いる方が誤差が小さい。

【００６９】このような考え方に基づき、本実施形態の
放射率計算部１３Ｂは、図５に示される如く、計算選択
判定部４１と放射率計算器４２とにより構成されてい
る。本実施形態では、前記計算選択判定部４１におい
て、誤差ΔＳが一定量変化するときの誤差ΔＴ１の値を
放射率累乗比ＥＰＲ１の値毎にデータテーブルとして記
憶している。又、誤差ΔＳが一定量変化するときの誤差
ΔＴ２の値を放射率累乗比ＥＰＲ２の値毎にデータテー
ブルとして記憶している。該計算選択判定部４１は、こ
れらのデータテーブルを用い、入力される放射累乗比Ｅ
ＰＲ１及びＥＰＲ２のうち、前記温度計算部１５Ｂで算
出される温度Ｔの誤差｜ΔＴ１｜または｜ΔＴ２｜がよ
り小さくなるような、放射累乗比を１つ選択するための
信号Ｅを生成し、これを放射率計算器４２及び後述する
図６の入力温度記憶選択部５１Ａに出力する。前記放射
率計算器４２は、前記信号Ｅに従って、温度Ｔの誤差｜
ΔＴ１｜または｜ΔＴ２｜がより小さくなる放射累乗比
ＥＰＲ１又はＥＰＲ２を用い、前記（６ａ）式又は前記
（６ｂ）式を選択して用いて放射率εを求める。

【００７０】次に、前記温度計算部１５Ｂは、図６に示
される如く、入力温度記憶選択部５１Ａと、温度計算器
５２とにより構成される。まず、前記入力温度計算選択
部５１Ａは、前記計算選択判定部４１からの信号Ｅによ
って前記放射率計算器４２が放射率累乗比ＥＰＲ１を選
択する場合、該信号Ｅに従って輝度温度Ｓ１を選択す
る。一方、該入力温度記憶選択部５１Ａは信号Ｅによっ
て前記放射率計算器４２が放射率累乗比ＥＰＲ２を選択
する場合、該信号Ｅ従って輝度温度Ｓ２を選択し、これ
を温度計算器５２へ出力する。該温度計算器５２は、前
記入力温度記憶選択部５１Ａで選択された輝度温度Ｓ１
又はＳ２と、前記放射率計算器４２で求められた放射率
ε１又はε２に従って、前記（２）式を用いて温度Ｔを
算出する。

【００７１】次に、図７は、前記第１発明及び前記第２
発明が適用された第３実施形態の多波長式放射温度計の
構成を示すブロック図である。

【００７２】本第３実施形態についても、前記第２実施
形態と同様、被測温体１からの熱放射光の、特に３つの
波長の分光を用いている。又、対象となる被測温体１に
ついては前記第２実施形態と同様、前記図２のとおりで
ある。

【００７３】図８は、本第３実施形態で用いられる分光
部及び光電変換部の構成を示すブロック図である。

【００７４】この図８に示される如く、前記分光部５Ｗ
は、集光光学部７１と、多数の光学フィルタ７２ａを備
えた光学フィルタ集合体７２と、ステップモータ７３と
により構成されている。前記集光光学部７１は、光電変
換部７Ｗの測温素子８５に、被測温体１からの熱放射光
の分光を集光する。前記光学フィルタ集合体は、ステッ
プモータ７３によって、複数の前記光学フィルタ７２ａ
のいずれか１つを、前記集光光学部７１から前記測温素
子８５への光路へ割り出す。前記光学フィルタ集合体７
２の多数の前記光学フィルタ７２ａは、透過する分光の
波長が相互に異なるよう設定されている。特に、これら
光学フィルタ７２ａの中には、４．０μｍの波長λ１を
透過するものと、２．０μｍの波長λ２の分光を透過す
るものと、１．４μｍの波長λ３の分光を透過するもの
とが用意されている。従って、当該分光部５Ｗ１つのみ
で、前述の第２実施形態の３つの分光部５Ａ〜５Ｃと同
様の働きを得ることができる。

【００７５】次に、前記光電変換部７Ｗは、測温素子８
５と、データサンプル回路８６とにより構成されてい
る。これら測温素子８５及びデータサンプル回路８６
は、前記図１５を用いて前述したものと同等のものであ
る。

【００７６】本実施形態のＥＰＲ計算部１１Ｃは、図９
に示す如く、前記第２実施形態のＥＰＲ計算部１１Ｂの
入力側に入力データ記憶部６２が設けられている。本第
３実施形態については、前記分光部５Ｗの前記光学フィ
ルタ集合体７２を３回割り出しながら、波長λ１〜波長
λ３それぞれの輝度温度Ｓ１〜Ｓ３を前記光電変換部７
Ｗで検出している。従って、入力データ記憶部６２は、
このように順次入力される輝度温度Ｓ１〜Ｓ３を記憶
し、前記ＥＰＲ計算部１１Ｂへ出力する。

【００７７】図１０は、前記温度計算部１５Ｃの構成を
示すブロック図である。

【００７８】この図１０の如く、前記温度計算部１５Ｃ
は、入力温度記憶選択部５１Ｂと、温度計算部５２とに
より構成されている。本第３実施形態の該温度計測器５
２については、前記第２実施形態のものと同様である。
又、前記入力温度記憶選択部５１Ｂについては、前記光
学フィルタ集合体７２を割り出しながら順次入力される
輝度温度Ｓ１〜Ｓ３を記憶するための機能が、前記第２
実施形態の前記入力温度記憶選択部５１Ａに備えられた
ものである。その他の該入力温度記憶部５１Ｂの機能、
例えば信号Ｅに従った動作等は、前記第２実施形態の前
記入力温度記憶選択部５１Ａと同様である。

【００７９】なお、ここで、前記第２実施形態及び前記
第３実施形態においては、前記光電変換部７Ａ〜７Ｂ、
又７Ｗ等での輝度温度の誤差ΔＳは０．５％である。該
条件、又、前記図２の条件において、被測温体１の温度
Ｔが、絶対温度で１０７３°Ｋ（８００℃）のときに、
図１１に示す如く、酸化膜厚毎に、放射率累乗比ＥＰＲ
１と、誤差に関する｜ΔＴ１／ΔＳ｜と、放射率累乗比
ＥＰＲ２と、誤差に関する｜ΔＴ２／ΔＳ｜との関係を
評価している。又、この評価に基づき、前記計算選択判
定部４１での前述のような切換えが考慮され、なされて
いる。

【００８０】前記第２実施形態及び前記第３実施形態で
は、この図１において、｜ΔＴ１／ΔＳ｜の方が｜ΔＴ
２／ΔＳ｜よりも小さいときは、放射率累乗比ＥＰＲ
１、関数Ｆ１を用いて放射率ε１を計算している。一
方、｜ΔＴ２／ΔＳ｜の方が｜ΔＴ１／ΔＳ｜よりも小
さいときには、放射率累乗比ＥＰＲ２及び関数Ｆ２を用
いて放射率ε２を計算するようにしている。

【００８１】この図１１の場合、放射率累乗比ＥＰＲ１
が“０．０２４”以上のときには、｜ΔＴ２／ΔＳ｜に
比べて｜ΔＴ１／ΔＳ｜の方が小さくなるため、放射率
累乗比ＥＰＲ１及び関数Ｆ１を用いて放射率ε１を求め
る。一方、放射率累乗比ＥＰＲ１が“０．０２４”より
小さいときには、｜ΔＴ１／ΔＳ｜に比べて｜ΔＴ２／
ΔＳ｜の方が小さく、このため放射率累乗比ＥＰＲ２及
び関数Ｆ２を用いた放射率ε２を用いるようにしてい
る。なお、後述する図１２において、ＥＰＲ１が“０．
０２４”の位置は、点Ａ３である。又、ＥＰＲ１が
“０．０２４”であるときのＥＲＰ２の位置は、ほぼ点
Ｂ２である。

【００８２】図１２は、前記第２実施形態及び前記第３
実施形態における放射率累乗比と放射率との関係を示す
グラフである。

【００８３】この図１２では、前述の図１１のデータを
中心としたグラフが示される。ここで、図１２では、波
長λ１及びλ２に関する放射率累乗比ＥＰＲ１と放射率
ε１との関係は、曲線Ａで示され、前期図１の曲線Ａと
同じである。又、波長λ２及びλ３に関する放射率累乗
比ＥＰＲ２及び放射率ε２の関係が、曲線Ｂで示されて
いる。

【００８４】ここで、曲線Ａは、点Ａ１〜点Ａ４の区間
で単価関数的であり、点Ａ３から点Ａ６までが多価関数
的である。曲線Ｂは、点Ｂ１から点Ｂ３までが単価関数
的であり、点Ｂ３から点Ｂ４を経て点Ｂ５までが多価関
数的である。この様な点、又、前記図１１を用いて前述
した関数Ｆ１又はＦ２などの選択に従って、本実施形態
では、曲線Ａの単価関数的な区間のうち、点Ａ５から点
Ａ４までの区間では回帰直線ＬＡを用い、曲線Ｂの単価
関数的な区間のうち、点Ｂ２から点Ｂ１までの区間では
回帰直線ＬＢを用い、これに応じて前記放射率累乗比Ｅ
ＰＲ１又はＥＰＲ２を用い、放射率ε（ε１又はε２）
を求めている。回帰直線ＬＡとＬＢとの切り替りは、点
Ａ４及びＢ２で、これら回帰直線ＬＡ及びＬＢ間でなさ
れる。このような回帰直線ＬＡ又はＬＢの選択は、前記
計算選択判定部４１によって行っている。このような選
択は、前記（１２ａ）式や（１２ｂ）式等を用いて前述
したようになされている。又、回帰直線ＬＡ及びＬＢに
対応するデータテーブルは、前記放射率計算器４２に記
憶されている。

【００８５】なお、この図１２において、点Ａ２、点Ａ
４、点Ｂ２それぞれにおける酸化膜の厚さは、順に、
０．０４μｍ、０．０８６μｍ、０．０８６μｍであ
る。

【００８６】図１３は、前記第２実施形態及び前記第３
実施形態における、放射率と測温誤差との関係を示すグ
ラフである。

【００８７】この図１３において、点Ｃ１から点Ｃ２ま
での曲線でＣでは、放射率累乗比ＥＰＲ１及び関数Ｆ１
を用いて求められた放射率ε１に基づいた温度Ｔの測温
誤差（Ｔ・ΔＴ１）が示される。一方、点Ｃ２から点Ｄ
１までの曲線Ｄでは、放射率累乗比ＥＰＲ２及び関数Ｆ
２、又これらによって求められた放射率ε２に基づいて
求められた温度Ｔの測温誤差（Ｔ・ΔＴ２）が示され
る。

【００８８】前記第２実施形態及び前記第３実施形態に
よれば、より誤差が少なくなるように、放射率ε１又は
ε２等を選択的に用いているため、この図１３にも示さ
れるように、測温誤差を±５℃に抑えることができてい
る。

【００８９】なお、前述の第１実施形態は２つの、又、
前述の第２実施形態及び第３実施形態は３つの互いに異
なる波長の分光を用いているが、本発明はこのようなも
のに限定されるものではない。例えば、用いる分光の波
長の種類を４つ以上とし、用いる放射率累乗比の数を３
つ以上としてもよい。このような場合にも、いずれかの
１つの波長は、被測温体の光吸収の度合が、他の波長に
比べ顕著に強いか、あるいは顕著に弱いものとすること
が望ましい。なお、このようにより多くの波長の分光を
用いる場合、前記図８に示した分光部５Ｗのような構造
とすれば、集光光学部７１や前記光電変換部７Ｗの数は
より少なくすることができるため、コストの面で有利で
ある。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したとおり、前記第１発明及び
前記第２発明によれば、互いに異なる複数の波長の、被
測温体からの熱放射光の分光それぞれの放射強度のうち
の２つにそれぞれ応じた演算量を、それぞれの波長で累
乗したものの比から、前記波長の少なくとも１つでの前
記被測温体の放射率を求め、少なくとも、該放射率及び
該放射率に対応する波長の前記放射強度から、前記被測
温体の温度を求めるようにした多波長式放射温度測定方
法及び多波長式放射温度計において、前記累乗比から前
記放射率を求めるためのこれら間の関数関係が多価関数
的になることを抑え、これによって、得られる該放射率
の値が複数であることに起因する測温誤差や演算上の問
題を抑え、測温精度の向上等を図ることができるという
優れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願の第１発明の多波長式放射温度測定方法及
び第２発明の多波長式放射温度計の原理を示す放射率累
乗比と放射率との関係を示すグラフ

【図２】前記第１発明及び前記第２発明が対象とする一
例の被測温体の条件及びこの熱放射光の分光の波長例を
示す線図

【図３】前記第１発明及び前記第２発明が適用された多
波長式放射温度計の第１実施形態の構成を示すブロック
図

【図４】前記第１発明及び前記第２発明が適用された多
波長式放射温度計の第２実施形態の構成を示すブロック
図

【図５】前記第２実施形態で用いられるＥＰＲ計算部の
構成を示すブロック図

【図６】前記第２実施形態で用いられる温度計算部の構
成を示すブロック図

【図７】前記第１発明及び前記第２発明が適用された多
波長式放射温度計の第３実施形態の構成を示すブロック
図

【図８】前記第３実施形態に用いられる分光器及び光電
変換部の構成を示すブロック図

【図９】前記第３実施形態に用いられるＥＰＲ計算部の
構成を示すブロック図

【図１０】前記第３実施形態に用いられる温度計算部の
構成を示すブロック図

【図１１】前記第２実施形態及び前記第３実施形態にお
ける放射率累乗比及び測温誤差を示す線図

【図１２】前記第２実施形態及び前記第３実施形態にお
ける放射率累乗比と放射率との関係を示すグラフ

【図１３】前記第２実施形態及び前記第３実施形態にお
ける測温誤差を示すグラフ

【図１４】従来例の多波長式放射温度計の構成を示すブ
ロック図

【図１５】前記従来例に用いられる分光部及び光電変換
部の構成を示すブロック図

【図１６】前記従来例における放射率累乗比と放射率と
の関係を示すグラフ

【符号の説明】

５Ａ〜５Ｅ、５Ｗ…分光部 ７Ａ〜７Ｃ、７Ｗ…光電変換部 １１Ａ〜１１Ｃ…ＥＰＲ計算部 １３Ａ〜１３Ｃ…放射率計算部 １５Ａ〜１５Ｃ…温度計算部 １７…温度データ記憶出力部 ４１…計算選択判定部 ４２…放射率計算器 ５１Ａ、５１Ｂ…入力温度記憶選択部 ５２…温度計算器 ６２…入力データ記憶部 ７１、８１…集光光学部 ７２…光学フィルタ集合体 ７２ａ、８２…光学フィルタ ７３…ステップモータ ８５…測温素子 ８６…データサンプル回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 貴敏 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社千葉製鉄所内 (72)発明者 武智 真一 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社千葉製鉄所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに異なる複数の波長の、被測温体から
   の熱放射光の分光それぞれの放射強度のうちの２つにそ
   れぞれ応じた演算量を、それぞれの波長で累乗したもの
   の比から、前記波長の少なくとも１つでの前記被測温体
   の放射率を求め、少なくとも、該放射率及び該放射率に
   対応する波長の前記放射強度から、前記被測温体の温度
   を求めるようにした多波長式放射温度測定方法におい
   て、 前記波長の少なくとも２つについて、前記被測温体の光
   吸収の度合が相互に異なる波長とされていることを特徴
   とする多波長式放射温度測定方法。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記被測温体の被測温表面が、薄膜体で覆われており、 前記波長の少なくとも２つについて、一方が、前記被測
   温体の光吸収の度合が強い、前記薄膜体の厚さに応じた
   波長であって、他方が、前記光吸収の度合が弱い、前記
   薄膜体の厚さに応じた波長であることを特徴とする多波
   長式放射温度測定方法。
3. 【請求項３】互いに異なる複数の波長の、被測温体から
   の熱放射光の分光それぞれの放射強度のうちの２つにそ
   れぞれ応じた演算量を、それぞれの波長で累乗したもの
   の比から、前記波長の少なくとも１つでの前記被測温体
   の放射率を求め、少なくとも、該放射率及び該放射率に
   対応する波長の前記放射強度から、前記被測温体の温度
   を求めるようにした多波長式放射温度計において、 前記波長の少なくとも２つについて、前記被測温体の光
   吸収の度合が相互に異なる波長とされている分光を含
   め、前記熱放射光から、互いに異なる複数の前記波長の
   分光を得る分光手段と、 これら分光の放射強度を検出する光センサと、 これら放射強度のうちの２つにそれぞれ応じた演算量
   を、それぞれの波長で累乗したものの比を求める累乗比
   演算手段と、 該累乗比から、前記波長の少なくとも１つでの前記被測
   温体の放射率を求める放射率演算手段と、 該放射率、及び、該放射率に対応する波長の前記放射強
   度から、前記被測温体の温度を算出する温度計算手段
   と、 を備えたことを特徴とする多波長式放射温度計。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記分光手段が、３つ以上の前記波長の分光を得るもの
   であり、 又、前記光センサが、これら３つ以上の該波長の分光の
   放射強度を検出するものであり、前記累乗比演算手段
   が、３つ以上のこれら放射強度のうちから２つを選択し
   た、相互に異なる放射強度の複数種の組み合わせに対応
   する、複数種の前記累乗比を求めるものであって、 前記放射率演算手段が、前記温度計算手段で算出される
   前記被測温体の温度の誤差がより小さくなるような、複
   数種のうちの１つの前記累乗比を選択して用いて前記放
   射率を求めるものであることを特徴とする多波長式放射
   温度計。