JPH10500204A - 温度の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この方法は、未知の輻射容量を有する対象物の温度（Ｔ）をそれ自身の輻射に基づいて測定する方法を提案するものである。この方法は、輻射を集め収束せしめる段階、Ｎ個のスペクトルバントに分離する段階、各々Ｉ番目のスペクトルバンドにおける輻射を電気信号に変換する段階、及び、増幅の段階を含み、これにより、Ｎ個のスペクトルバンドから得られる信号の二組の一次結合と比の計算を行うものである。線型の結合のパラメータは、比、即ち、第１の一次結合／第２の一次結合の値が測定された温度の絶対値に等しくなるように選択される。

Description

【発明の詳細な説明】 温度の測定方法 発明の分野 本発明は、高温測定に関し、温度を測定するために使用されることができる。 発明の背景 動作の原理が、スペクトル分割器及び検出器によって活動スペクトル範囲を編 成すること並びに高温計の出力信号（もしその電気信号がその線形部分外である ならば）への検出器の寄与を減少することである浮動スペクトル範囲を有する部 分輻射の高温計(発明者の証明書、第1672235号、分類G01j5/16、1991年8月23日) で実現された温度測定方法は、周知である。それは、高温計出力信号の区分的に 非線形な温度近似を提供することを可能にする。 温度測定方法の欠点は、その実現の困難さ及び温度に関して出力信号の非線形 な独立性である。 ２つの所与の短波範囲λ₁≦λ≦λ₂及びλ₃≦λ≦λ₄で熱放射物体（Ｖ容積を 有する）の温度及び放射率を測定する方法は公知である(EP,第0 384 682号、分 類G01j5/60,1990年８月29日)。この方法は、第１の差Ｒ₁₂=△Ｅ₁₂/(λ₂-λ₁)Ｖ を示す第１の範囲λ₁≦λ≦λ₂での輻射物体エネルギー△Ｅ₁₂を測定するために 、第２の差Ｒ₃₄=△Ｅ₃₄/(λ₄-λ₃)Ｖを示す第２の波長範囲λ₃≦λ≦λ₄での物 体で輻射されたエネルギー△Ｅ₃₄を測定するために、対数log_b(R₁₂)及びlog_b(R_{3 4} )を変数log137及び1/Tの一次結合として求めるために(ここで、これらの変数の 係数は既知である)、及びlog137及び1/Tを前記一次結合から求めるためにある。 考察されている温度測定方法の欠点は対数計算が困難であることてある。 最も精密な方法は、カラー高温計“分光高温計”(1974年、モスクワのエネル ギー出版社発行、V.G.Kharasov著の「高温処理の自動化」第25ベージ)で実現さ れた色温度測定方法である。この方法は、輻射線の収集及び集束、２つのスペク トル範囲の分離、輻射線の各スペクト ル範囲での各電気信号への変換、その増幅及び比率形成を含む。温度測定及び調 整の限度は1300〜1700℃である。主要誤差は上限の１％である。 前記温度測定方法の欠点は、低精度で、測定されるべき温度の範囲が小さいこ とである。 発明の概要 本発明は、未知の輻射率を有する物体のための温度測定精度を改善し、測定さ れるべき温度の範囲を拡大することに向けられている。 輻射線収集及び集束、Ｎ個のスペクトル範囲の分離、輻射線の各i番目のスペ クトル範囲での電気信号Ｅ_iへの変換、その増幅及び比率形成を含み、それ自身 の輻射によって未知の輻射率を有する物体の温度測定のための方法を使用するこ とによって達成される前述の目 よって一次結合のパラメータk_1i及びk_2iは、測定されるべき温度の絶対 の比の条件より照合されることを特徴づけられる。すなわち、 図面の簡単な説明 図１、図２は、それぞれＮ＝２及びＮ＝３の場合の提案された温度測定方法を 実現するための回路である。 第１の温度測定方法を実現するための回路（図１）は、光スペクトルチャネル を形成する受信光学系１と、２つのチャネルを形成する復調器を有する２つの光 検出器2.1、2.2と、３つの定数乗算器3.1、3.2、3.3と、２つの加算器4.1、4.2 と、その出力が指示器６に接続されている割算器５とを備え、それによって第１ の光検出器2.1の第１の出力及び第２の光検出器2.2の第１の出力は、第１の定数 乗算器3.1によって第１の加算器4.1の入力に接続されていて、第１の光検出器2. 1の第 ２の出力及び第２の光検出器2.2の第２の出力は、（第２の定数乗算器3.2及び第 ３の定数乗算器3.3をそれぞれ通して）、第２の加算器4.2の入力に接続されてい る。第２の加算器4.2の出力は、その第１の入力が第１の加算器4.1の出力に接続 されている割算器５の第２の入力に接続されている。 温度測定方法の第２の実施例を実現するための回路（図２）は、光スペクトル チャネルを形成する受信光学系１と、３つのチャネルを形成する復調器を有する ３つの光検出器2.1、2.2、2.3と、５つの定数乗算器3.1、3.2、3.3、3.4、3.5と 、４つの加算器4.1、4.2、4.3、4.4と、その出力が指示器６に接続されている割 算器５とを備え、それによって第１の光検出器2.1の第１の出力及び第２の光検 出器2.2の第１の出力は、第１の定数乗算器3.1によって第１の加算器4.1の入力 に接続されていて、第１の光検出器2.1の第２の出力及び第２の光検出器2.2の第 ２の出力は、(それぞれ第３の定数乗算器3.3及び第４の定数乗算器3.4を通して) 、第２の加算器4.2の入力に接続されている。第２の加算器4.2の出力及び復調器 を有する第３の光検出器2.3の第２の出力は、（第５の定数乗算器3.5を介して） その出力が割算器５の第２の入力に接続されている第４の加算器4.4の入力に接 続されている。第１の加算器4.1の出力及び復調器を有する第３の光検出器2.3の 第１の出力は、（第２の定数乗算器3.2を通して）その出力が割算器５の第１の 入力に接続されている第３の加算器4.3の入力に接続されている。 発明の好ましい実施例 提案された温度測定方法は、輻射線収集及び集束と、Ｎ個のスペクトル範囲の 分離と、輻射線の各i番目のスペクトル範囲での電気信号への変換とを含む。一 般的な場合には、検出器の電気信号Ｅは、下記の式によって決定される（1988年 、モスクワのEnergoizdat出版社発行、A.A.Poskachey,E.P.Chubarov著の「光学 電子温度測定システム」第22ページ〜第29ページ）。 ここで、Ａ＝光学系を特徴付ける係数、 Ｓ_λmax=最大スペクトル応答、 α_λ＝検出器の相対応答、 ｂ_λT=輻射エネルギー密度のスペクトル分布、 ｂ_λT=ε_λTｃ₁λ^-5(exp(c₂/（λＴ）-1)^-1、 ε_λT=物体輻射率、 c₁=3.7413・10¹²、W・ｃｍ²、c₂=1.4388ｃｍ・Ｋ、 λ＝輻射線波長（μｍ）、Ｔ＝温度（Ｋ）である。 実際には、一定の制限内の波長、それによるｉ番目の検出器の電気信号は下記 の式によって決定される。 第１の実施例によると、第１の検出器2.1からの信号は、第１の加算器4.1及び 第２の定数乗算器3.2に達し、第２の検出器2.2からの信号は、（第１の定数乗算 器3.1を介して）第１の加算器4.1に達し、（第３の定数乗算器3.3を介して）第 ２の加算器4.2に達する。ここにおいて、第２の定数乗算器3.2からの信号もまた 導かれる。さらに、第１の加算器4.1及び第２の加算器4.2からの信号は割算器５ に達する。 ブロック3.1〜3.5では、アルゴリズムは下記の式により実現される。 ここで、Ｕ＝割算器５の出力での信号、k₁₂、k₂₁、k₂₂=それぞれの乗算器3.1 、3.2、3.3の係数である。 係数k₁₂、k₂₁、k₂₂は積分最小値の条件から計算される。 ここで、Ｔ₁、Ｔ₂は測定の温度の下限及び上限である。パラメータλ₁₁ =1.0μｍ、λ₁₂=1.5μｍ、λ₂₁=1.5μｍ、λ₂₂=2.0μｍ、Ｔ₁=1500、Ｔ₂=2000、 △Ｔ＝Ｔ₂-Ｔ₁=500（△Ｔは測定されるべき温度の範囲である）、α_λ1=−2.476 191λ²+6.390476λ−3.114286、α_λ2=13.81593λ³-73.89913λ²+130.7708λ−7 5.63159の場合、計算により、下記の係数k₁₂、k₂₁、k₂₂及び出力関数Ｕが得られ る。（方法実現の便宜上、信号Ｕの値はさらに測定温度Ｔの1000分の１として利 用される）。k₁₂=0.717、k₂₁=−0.053、k₂₂=0.930である。 受信輻射線△λ₁=λ₁₂-λ₁₁=1.5−１＝0.5μｍ及び△λ₂=λ₂₂-λ₁₁=２−1.5 ＝0.5μｍである２つのスペクトルゾーンの選択の場合のアルゴリズム（２）に よって実現される方法は、色温度及び輝度温度（後者は、△λ₁及び△λ₂を減少 する）を測定することを可能にする。電子追跡でのパラメータk₁₂、k₂₁、k₂₂の 選択及びスペクトル範囲△λ₁、△λ₂の選択を変えることによって、指示器の読 みは、基準輻射源（色輻射源及び輝度輻射源の両方とも実際の使用に依存する） によって段階に分けられることができる。このように、提案された方法は高温測 定の機能を著しく拡大する。１μｍ〜２μｍの範囲での波長の使用は、例えば、 鉄溶融、熱間圧延、電気冶金等において高度の精度で高温を測定することを可能 にする。 λ₁₁=9.8μｍ、λ₁₂=11.0μｍ、λ₂₁=11.2μｍ、λ₂₂=12.4μｍ、Ｔ₁=200、Ｔ₂ =400、α_λ1=−1.041666λ²+21.63333λ−111.285、α_λ2=−1.270833λ²+29.8 75λ−174.5466で、計算により、下記の係数k₁₂、k₂₁、k₂₂及び出力関数Ｕが得 られる。k₁₂=2.052、k₂₁=−14.911、k₂₂=27.292である。 受信輻射線領域△λ₁=λ₁₂-λ₁₁=11−9.8=1.2μｍ、△λ₂=λ₂₂-λ₂₁=12.4−1 1.2＝1.2μｍである２つのスペクトルゾーンの選択の場合のアルゴリズム（２） によって実現される方法は、弱く加熱された物体の輻射温度を測定することを可 能にする。 第２の実施例によると、第１の検出器2.1からの信号は、第１の加算器4.1及び 第３の定数乗算器3.3に達し、第２の検出器2.2からの信号は、（第１の定数乗算 器3.1を通して）第１の加算器4.1に、及び（第４の定数乗算器3.4を通して）第 ２の加算器4.2に達する。ここにおいて、第３の定数乗算器3.4からの信号も又導 かれる。第３の検出器2.3からの信号は、第２の定数乗算器3.2及び第５の定数乗 算器3.5に達し、第１の加算器4.1の出力からの及び第２の定数乗算器3.2後の信 号は第３の加算器4.3の入力に達し、第２の加算器4.2の出力からの信号及び第５ の定数乗算器3.5後の信号は第４の加算器4.4の入力に達する。次に、第３の加算 器4.3及び第４の加算器4.4からの信号は割算器５に達する。ブロック3.1〜3.5で は、アルゴリズムは下記の式により実現される。 ここで、k₁₂、k₁₃、k₂₁、k₂₂、k₂₃はそれぞれ乗算器3.1、3.2、3.3、3.4、3.5 の係数である。 パラメータλ₁₁＝1.0μｍ、λ₁₂=1.5μｍ、λ₂₁=1.5μｍ、λ₂₂=2.0μｍ、λ₃₁= 2.0μｍ、λ₃₂=2.5μｍ、Ｔ₁=1200、Ｔ₂=2000、 α_λ1=−2.476191λ²+6.390476λ−3.114286、α_λ2=13.81593λ³-73.89913λ²+ 130.7708λ−75.63159、α_λ3=−1.715177λ²＋7.968295λ−8.25089の場合、計 算により、下記の係数k₁₂、k₁₃、k₂₁、k₂₂、k₂₃及び出力関数Ｕが得られる。k₁₂ =7.118、k₁₃=2.943、k₂₁=−0.670、k₂₂=0.991、k₂₃=6.419である。 ３つのスペクトル領域△λ₁=λ₁₂-λ₁₁=1.5−１＝0.5μｍ、△λ₂=λ₂₃-λ₂₁= 2.0−1.5＝0.5μｍ、△λ₃=λ₁₂-λ₁₁=1.5-1.0＝0.5μｍの場合の、アルゴリズ ム（１）の特別の場合であるアルゴリズム（３）によって実現される方法は、色 温度及び輝度温度（後者は、フィルタの透過帯域を減少する）を測定することを 可能にする。この場合、２つのスペクトルを用いた実施例と比べて測定温度の範 囲は２倍拡大し、かつ測定精度は５倍（最低で）増加する。 λ₁₁=7.4μｍ、λ₁₂=8.6μｍ、λ₂₁=9.8μｍ、λ₂₂=11.0μｍ、λ₃₁=11.2μｍ 、λ₃₂=12.4μｍ、Ｔ₁=200、Ｔ₂=1200、α_λ1=0.4722213λ³-11.94447λ²+100.0 744λ−276.9492、α_λ2=−1.041666λ²+21.63333λ−111285、α_λ3=−1.27083 3λ²+29.875λ−174.5466で、計算により、下記の係数k₁₂、k₁₃、k₂₁、k₂₂、k₂₃ 及び出力関数Ｕが得られる。k₁₂=−3.778、k₁₃=−5.980、k₂₁=−0.013、k₂₂=51. 011、k₂₃=−87.806である。 λ₁₁=7.4μｍ、λ₁₂=8.6μｍ、λ₂₁=9.8μｍ、λ₂₂=11.0μｍ、λ₃₁=11.2μｍ 、λ₃₂=12.4μｍ、Ｔ₁=1200、Ｔ₂=2200、α_λ1=0.4722213λ³-11.94447λ²+100. 0744λ−276.9492、α_λ2=−1.041666λ²+21.63333λ−111.285、α_λ3=−1.270 833λ²+29.875λ−174.5466で、計算により、下記の係数k₁₂、k₁₃、k₂₁、k₂₂、k₂₃ 及び出力関数Ｕが得られる。k₁₂=−3.369、k₁₃=−5.014、k₂₁=−0.895、k₂₂=4 9.945、k₂₃=−81.498である。 ２つの波長範囲を使用する温度測定方法に比べて、３つの波長範囲を使用する 方法は、測定されるべき温度の範囲を２〜５倍拡大し、かつ測定精度を４〜15倍 改善することを可能にすることを計算は示している。 同様に、４つの波長範囲を使用する温度測定方法は、Ｎ＝４の場合のアルゴリ ズム（１）により考察されることができる。 スペクトル範囲数の増加は、提案された温度測定の方法の一次結合のパラメー タ（k_1i及びk_2i）数及び関数機会の拡大を対応して増加させる。このように、前 記の方法の実現は、測定精度を改善し、測定温度範囲を拡大する。 産業上の使用分野 この温度測定方法は、冶金（金属溶融及び鋳込）において、又、病気の経過を 管理するための医学において、又、温度を無接触制御し、病気の動物を排除する 農業、並びに、温度変化の連続点検が要求されるいかなる技術的処理においても 使用することが提案されている。 この温度測定方法は、（宇宙及び航空輸送機において）リモートセン シングのために並びに高い精度の輻射分解能及び地上状態における温度基準を有 する熱マップを得るために設計された熱画像器輻射計を作成するために使用する ことが提案されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハリソフ ラウイル イブラギモビッチ ロシア連邦 420071 カザン，ウルパルコ バヤ，ディー22，ケービー916

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 輻射線収集及び集束、Ｎ個のスペクトル範囲の分離、放射線の各i番目のスペ クトル範囲での電気信号Ｅ_iへの変換、その増幅及び比率形成を含み、一次結合 のパラメータk_1i及びk_2iが、測定されるべき温度 が、（電子追跡における比率形成以前に）導入されることを特徴とする温度の測 定方法。