JPS601529A - 表面温度測定方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、放射温度計を用いる表面温度測定方法に係シ
、特に被測定物体個有の放射率をめる必要なく測温し得
るように改良した表面温度測定方法に関するものである
。

〔発明の背景〕

例えば工業用の連続加熱炉によって加熱されている物体
の温度を、該連続加熱炉を操業しつつ測定するには放射
温度計が好都合であシ、現に工業用炉その他において放
射温度計を用いた温度測定カ広く行ワしている。この放
射温度計の作動原理は次の如くである。

放射温度計の検出子に入射する放射エネルギーＥは、（
１）式で近似される。

Ｅ＝εＫＴ”　・・・川、・旧・・（１）ここで、εは
被測温物体の放射率、には定数。

Ｔは被測温物体の絶対温度、ｎは放射定数Ｃ１測定波長
λを用いて、ｎ−＝ｃ／λＴと表わされる通常ｎ値と呼
ばれるものである。放射温度計は、（１）式において、
放射エネルギーＥを測定するものである。したがって放
射温度計にょシ被測温物体の温度Ｔを決定するためには
、（１）式がら明らがなように被測温物体の放射率εを
知らなければならない。

かかる問題に対して、これまで、第１図に示すごとく放
射率と表面温度を同時に測定する方法が公知である。こ
の従来法によれば、まず第１図（ａ）に示すように被測
温物体１の上に間隔を置いて、内面を高反射率の鏡面と
した両端開放の円筒状キャビティ２を置き、放射温度計
３で、物体表面からの放射エネルギーＥ１を測定する。

次にキャピテイ２の上を同様に高反射率の鏡面を有する
ツク４で覆ってキャビティ５を形成し、物体表面からの
放射エネルギーＥ２を測定する。第１図（ａ）の場合は
、放射温度計３に入射する放射エネルギーＥｌは物体１
から直接到達した放射エネルギーのみであって、キャビ
ティ２の影響を受けない。一方、第１図（ｂ）の場合、
物体１からの熱輻射線は、キャビティ５で多重反射し、
この多重反射した熱輻射線の一部が小孔６を通って放射
温度計３に入射する。したがって、放射温度計３に入射
する放射エネルギーＥ２は、第１図（ａ）の場合の放射
エネルギーＥｌよシも犬きくなシ、見掛は上、物体１の
放射率が増大する。この見掛けの放射率を請求める物体
１の放射率をε、物体１と等しい温度の黒体の放射エネ
ルギーをＥｂとすると、次の間係式が成立する。

Ｅｔ　＝εＥｂ　・・・・１川・・（２）Ｅ＊＝ｇＥｂ
　・・・・旧・・川（３）したがって、第１図（ａ）、
　（ｂ）に示した測定法によって測定した放射エネルギ
ーＥｌ、Ｅ２の比をＧととすると、次式を得る。

Ｇ＝Ｅ２／Ｅ１＝ｇ／ε　・・印・川（４）見掛けの放
射率ｇは、キャビティ５がら物体１への実効的な反射率
γと物体１の表面粗さθの両者に依存するパラメータα
を用いて、次式で示される。

（α＋１）ε ６＋ケ　°°“°゛°°°°旧− （４）、　（５１式よシ次式を得る。

α＋１−αＧ 。　−°−°−°−°−−−−（６） ここで、パラメータαと表面粗さθとの相関を実験によ
シ予めめている。したがって、第１図において、表面粗
さ測定器（粗度計）を、放射温度計３に付設し、まず表
面粗さθを測定し、予めめであるθ−α相関図によシα
をめ、次に放射温度計３によシ上述のととくＧをめれば
、（６）式よシ物体１の放射率εがまる。Ｅｌとεがま
ると（１）式よシ物体１の表面温度Ｔがまる。ここで、
見掛けの放射率ｇが表面粗さθに依存する理由を次に述
べる。

物体１から放射された熱輻射線がキャビティ５と物体１
の間を反射し往復している間に系外に漏れ出てしまう割
合が、表面粗さθに依存するためである。すなわち、第
２図に示すごとく、キャビティ５から物体１に反射され
た熱輻射線は、物体１０表面で一部吸収され残りは再び
反射される。

この時、反射された熱輻射線の一部は、キャビティ５と
物体１の間のギャップ７がら系外に漏れる。

この漏れる割合が、物体１の表面での熱輻射線の散乱状
況、すなわち、表面状態に依存する。こうした理由にょ
シ、既述のごとく見掛けの放射率ｇが表面粗さθに依存
する。

従って従来の放射温度計を用いた温度測定方法において
は、放射温度計と粗度計とを併用して放耐重をめ、この
放射率に基づいて被測定物体の表面温度を算定するとい
う煩雑な手順を用いなければならなかった。また上述し
た方法以外にも、放射温度計を用いた表面温度測定法に
関する提案は、いくつかあるがいずれも被測温物体の放
射率を測定することが必要という問題点があった。さら
に、これらの方法では、被測温物体の表面状態が酸化や
不純物の付着等により、時々刻々変化し、−それに伴っ
て放射率が変化する場合、連続的に、表面温度を測定で
きないという問題点があった。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事情に鑑みて為され、放射温度計を用い
る表面温度測定方法において、被測定物個有の放射率と
無関係に表面温度を測定し得る方法を提供することを目
的とする。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明の測定方法は、被測
定物体の茨面上に人工黒体カバーを配置し１この人工黒
体カバーの下縁を被測定物にほぼ接触せしめて、該被測
定物体に個有の放射率に拘らずその見掛けの放射率を実
用上の精度範囲内で一定値ならしめ、この見掛けの放射
率に基づいて被測定物体の表面温度を算出することを特
徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一芙施例を第３図により説明する。人工
黒体カバー８は、高反射率（低放射率）の内面を有する
片側端開放の円筒形のキャビティ９と同じく高反射率を
有する両端開放の円筒形をした対物補助カバー１０を備
えている。キャピテイ９の放射温度計３に対向する頂面
には小孔１２が穿孔されてお）、この小孔１４を通して
被測温物体１からの熱輻射線が放射温度計３に入射する
。

対物補助カバー１０の側面に取シ付けられた突起１１が
、キャビティ９の内面に図中上下方向につけられた溝１
２にほめこ捷れ、同時に弱いスプリングエ３が、対物補
助カバー１０を軽く下方に押しやる構造になっている。

この構造により、対物補助カバー１０は、スムーズな上
下運動が可能であシ、人工黒体カバー８と被測定物体１
とは、小孔１４を除いては密閉された（あるいは、隙間
を無視しうる）空洞１５を形成している。また対物補助
カバー１０は、断熱材で作られており、被測定物体１か
らの熱を遮蔽している。

以上のように構成し／ζ人工黒体カバーを用いて表面温
度を測定する方法は、厳密な意味では非接触法とは言い
難い。

しかし、上記の補助カバー１０は被測定物体１の表面に
軽く接触しているのみであるから、該被測定物体１の水
平方向移動を拘束しない。その上、被測定物体１の水平
方向移動に対して追従してフィツトし、後述のごとくそ
の機能を果たすので、実用上の機能に関しては非接触法
に等しい。

本発明の表面温度測定法の原理について以下に述べる。

最初、第３図で示された人工黒体カバー８の内面の反射
率γが１．０（完全反射）で小孔が無視でき、密閉した
空洞１５が形成されている理想的な場合を考えると、第
４図を用いて後述する原理から被測定物体１０見掛けの
放射率εｆは、被測温物体１自体の放射率εに無関係に
１．０となる。したがって、放射温度計３によシ放射エ
ネルＥ＋を測定することにより、次式から被測温物体１
の温度Ｔがまる。

Ｅ＋＝εｔ　ＫＴ”＝ＫＴ　ｒ′　・・・・・・・・・
・・・（力実際の場合、人工黒体カバー８の内面による
熱輻射線の吸収および小孔１４からの熱輻射線の漏れが
あシ、見掛けの放射率εは１．０にならない。

しかし、後に第５図、第６図を用いて説明するように、
許容測温誤差範囲内では、被測温物体１の見掛けの放射
率εｆが、被測温物体１１体の放射率εに依存せず人工
黒体カバー８と被測温物体１の間の空間形状にのみに依
存する一定値と見做し得る。したがって、予め一度、見
掛けの放射率ε！を測定しておけば、被測温物体１の放
射率εによらず（被測温物体ごとの放射率を知る必要が
ない。）、また測定中、被測温物体１０表面状態が変化
し放射率εが変化しても、次式によシ被測温物体１の温
度をめることができる。

Ｅｌ−εａＫＴ１１　・・・・・・・・・・・・（８）
ここで、Ｅｔは、放射温度計３で測定した放射エネルギ
ーである。

第４図に人工黒体カバーが理想的な場合、すなわち第３
図の空洞１５が完全に密閉されておシかつ人工黒体カバ
ー内面の反射率γが１，０の場合、被測温物体１の見掛
けの放射率εｆが１．０となる原理説明図を示す。第４
図（ａ）に示すごとく小穴を有した空洞１５は、入射し
た光（熱輻射線）を、その内壁面で繰シ返し反射させ、
再び小穴から光が外界に出る機会を与えずすべて内壁面
で吸収してしまう。したがって内壁面は見掛は上、黒体
となっている。言いかえると、内壁面の放射率は内壁面
自体の放射率に無関係に見掛は上１．０になっている。

もちろん内壁面で放射された熱輻射線も同様に内壁面で
吸収される。このような空洞１５を通常人工黒体と呼ん
でいる。第４図（ｂ）は第４図（ａ）に示した人工黒体
の原理を応用した本発明の人工黒体カバーの原理を示す
。第４図（ａ）と第４図（ｂ）の根本的な構造上の差異
は、第４図（ｂ）の空洞１５を形成する人工黒体カバー
１６の反射率が１．０（完全反射）であシ、この面では
、熱輻射線の吸収が起らないことである。したがって、
例えば１第４図（ｂ）の示すように被測温物体１のＡ点
で放射された熱輻射線は人工黒体カバー１６と被測温物
体１の間を何回か反射をくり返えし、最終的には必ず被
測温物体１で吸収される（今の場合、Ｂ点）。

したがって、第４図（ｂ）においても被測温物体１の面
は見掛は上、黒体（放射率１．０）となる。すなわち、
平面状の被測温物体１上に人工黒体カバーを設けること
により、被測温物体１のみで閉じた空洞を作シ人工黒体
を作り出したのと等価な効果をもたせることができるこ
とがわかる。本発明において人工黒体カバーとは上記第
４図（ｂ）に例示した部材１６のごとく頂面に小孔１４
を設けた不透明体のカバーを言う。

次に熱輻射線の人工黒体カバーにおける吸収および空洞
外への漏れを考慮した実際の場合を考える。第３図に基
づいて説明する。

人工黒体カバー８側から被測温物体１への実効的な反射
率をγｌ＜１）とし、被測温物体１の放射率をε、温度
をＴとすると、最初、被測温物体１から放射された熱輻
射線の放射エネルギーεＫＴ″のうちγ、（εＫＴ″）
だけ人工黒体カバー８側から被測温物体１に反射されて
戻ってくる。そして被測温物体１でεγ、（εＫＴ　”
　）だけ吸収が−起こり、残シのγ、（１−ε）（εＫ
Ｔ”）が再び人工黒体カバー８側へ放射される。したが
って、最終的に放射温度計３に入射する放射エネルギー
Ｅ、ｆは次のような級数で表わされる。

Ｂａｔ−εＫＴ”（１＋ｒ−（１’）　＋ｒ、”（１’
）２＋γ：（１−ε）３＋・山・・）　・旧・・・・・
（９）（９）式は、公比γ、（１−ε）の等比級数であ
りｒ、（１−ε）く１であるので次式を得る。

・・・・・・・・・（１０） 見掛けの放射率をε！とすると、（１０）式よシ・・−
□−７，（□−６）　・・・・・・・・・（１１）変形
して ここで実効的な反射率γ６は、人工黒体カバーの材質の
反射率に依存する項（γ）と小孔１４から漏れずに生き
残る確率Ｐの項から成り、次式で近似できる。

γ、＝γＰ　・・・・・・・・・・・・（１３）小孔１
４に到達する熱輻射線は人工黒体カバー８の内面で多重
散乱されたものであり、第２図を用いて説明したような
被測温物体１の表面粗さの影響は、無視しうる。このこ
とから、γ、は、人工黒体カバーの材質、形状にのみに
依存する。したがって、（１２）式において １−γ。

γ、　＞　（−）　・・・・・・・・・・・・（１４）
が成立すれば、見掛けの放射率εｆは、被測温物体１は
放射率εに無関係となることがわかる。また放射率εに
εｆが依存し、放射率εの変動（被測温物体の種類の変
化や表面状態変化に起因）によりεｆの変化しても、そ
のεｆの変化による測定温度の誤差が許容範囲であれば
、放射率εの変動は無視でき、この間、見掛けの放射率
εｆは一定値とすることができる。このように測温許容
誤差の観点から、見掛けの放射率εｆが一定と見なせる
とき、見掛けの放射率εｆは実質上、一定値であると呼
ぶ。ε１を一定と見なしたことによる誤差Δεｆとこの
Δεｆに起因する測定温度Ｔの誤差ΔＴとの関係は、（
８）式より、次式で近似される。

１ΔＴ／ＴＩ＝−１Δεｆ／ε１１　・・・・・・・・
・（１５）（１５）式より、例えばΔＴ／Ｔ＜１％の誤
差が許されるとすると、概算としてΔεｔ　／　ｔ　ｔ
　（ｎ％の誤差が許されることがわかる。

次に被測温物体１の放射率εがε＝ε閲がらε＝１．０
まで変動した時のΔεｆ／εｆの値ηをめる。

（１２）式よシ したがって、例えばΔＴ／Ｔ＜１％の誤差が許されると
すれば、Δεｆ／ε、（ｎ％が許されるので（１７）式
にη−ｎを代入してｇｕｍをめることによシ、被測温物
体の放射率がε−ε騙〜１．０に変動しても見掛けの放
射率εｆは、実質上、一定値で亭 あるとすることができるがわかる。ε關はΔＴ／Ｔの許
容誤差が決壕りしたがってηが決まっているときγ、の
函数となるのでこの様子を、第５図に示す。図中、実線
で示された曲線は（１７）式よ請求まる次式を満足して
いる。

被測温物体の放射率εがこの曲線よシ上の領域（斜線部
）にあるとき見掛けの放射率εｆは、実質上一定と見な
せる。したがって、被測温物体の放射率がわからなくて
も、少なくともεｍｉｎ上り大きいことが保証されてい
る場合、本発明が適用できる。

第６図に、ΔＴ／Ｔ値をパラメータに、（１８）式で示
される曲線群を示す。ここで（１５）式よシΔＴ／Ｔ＝
ｉ・ηとし、ｎ値は、測定波長λ＝２μｍ１放射定数Ｃ
＝　１．４４Ｘ１０’　μｍ　ＩＣ、測定温度キロｏ。

°に、η−１２とした。いま、第３図の人工黒体カバー
８の具体的な構造として、内面全体が金メンキされてお
シ、キャビティ９の外径が３０＋ｏ＋ｎφ、小孔１４の
位置の高さ３０ｍ１小孔を１ｍ＋ｎφとしたときの実効
反射率γ、を概算する。測定波長２μｍの光について金
の反射率は０．９８３である。

（１３）式の右辺に於てγを、γ−０，９８３で近似す
る。

また小孔１４から漏れる確率（１−Ｐ）は被測温物体１
から小孔１４を見たときの立体角に正比例すると仮定す
ると、Ｐキ０．９９９８を得る。したがツー（（１３）
式よりｒ、　中０．９８３Ｘ０．９９９８＝０．９８３
を得る。よりて第６図から、この例の人工黒体カバー８
を用いた場合、ΔＴ／Ｔ＝５％の許容誤差範囲のとき、
被測温物体の放射率εが０．０２８以上あることが保証
されていれば、本発明が適用できることがわかる。第６
図より、できるだけ人工黒体カバーの反射率γ、を大き
く設計することが望しいことがわかる。人工黒体カバー
の内面を高反射率にするためには、内面に銀、銅、アル
ミニウムのメッキや酸化マグネシウム粉末の塗布も有効
である。さらに金属の反射率は波長が長くなるほど、高
くなるので、最適な測定波長を選択して用いることが望
ましい。

人工黒体カバー８の温度は被測温物体の温度に比して低
く人工黒体カバー８から放射される熱輻射線は無視でき
るが、測定温度が高い場合は人工黒体カバー８を冷却す
ることが望しい。

第７図、第８図は前記と異なる実施例を示す。

第７図では、人工黒体カバー１７の実効的な反射率ｒ、
を高めるため、小孔１４からの熱輻射線の漏れを防止す
る目的で、ミラー１８．１８’を設けた例を示している
。ミラー１８はサポート１９を介して人工黒体カバー１
７の内壁面に取付け、ミラー１８′は直接取付けである
。第７図以降においては第３図に示した対物補助カバー
１０の図示を省略しである。

また、測温許容誤差が比較的大きい場合は、上記の対物
補助カバー１０の設置を省略して人工黒体カバーを被測
定物にほぼ接触させて本発明方法を実施することもでき
る。

第８図の実施例も、第７図の実施例と同様に小（Ｌｉ２
からの熱輻射線の漏洩を防止するように構成したもので
、本例における人工黒体カバー２０は次のように構成し
である。

即ち、人工黒体カバー２０は次に述べる扇形カバー２０
２とドーナツ状カバー２０ｂとを中心線Ｚ−Ｚに関して
同心状に相貫せしめた形状の中空体に構成する。

上記の扇状カバー２０８は、頂角θ１の扇形を、頂角の
２等分線の回りに回転せしめて形成される。

また、ドーナツ状カバー２０ｂは半径Ｒ２の１／４円周
を中心線Ｚ−Ｚの回りに回転せしめて形成される。この
ような人工黒体カバー２０の形状を扇形冠状と名付ける
。

第８図の矢印ｄｌｄＤ点から放射された熱輻射線の反射
径路の１例である。このように扇形冠状の人工黒体カバ
ーを設けると、小孔１４から外界に漏洩する熱輻射線を
抑制できる。

第９図は、温度分布を測定するために局部温度を検出で
きるように構成した実施例を示している。

本例における人工黒体カバー２１は、その断面が扇形を
なし、かつ、該扇形の頂角の２等分線が被測定面に対し
て垂直をなしＣいる。？ｃ′ｉ″Ｌによシ、被測温物体
１から放射された熱輻射線が、人工黒体カバー２１で反
射された後、再び被測温物体１に集中し、見掛けの放射
率を高める構造になっている。

第１０図は、温度分布測定用人工黒体カバーの他の一例
を示している。第９図に示されたものでは、温度分布を
測定するためには、人工黒体カバー２１を移動させなけ
ればならないが、第１０図では人工黒体カバー２２は固
定して走査ミラー２３により測温位置がスキャンニング
できるようになっている。・ 〔発明の効果〕 以上詳述したように、本発明の表面温度測定法は、被測
定物体の表面上に人工黒体カバーを配置し、この人工黒
体カバーの下縁を被測定物にほぼ接触せしめて、該被測
定物体に個有の放射率に拘らずその見掛けの放射率を実
用上必要とする精度範囲内で一定値ならしめ、この見掛
けの放射率に基づいて被測定物体の表面温度を算出する
ことにより、被測定物体個有の放射率と関係なく被測定
物の表面温度を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は従来の表面温度測定方法の説
明図、第２図は放射率に及ぼす表面粗さの影響の説明図
、第３図は本発明方法の一実施例を説明するための概要
的な断面図、第４図（ａ）、　（ｂ）は本発明方法の原
理的説明図である。第５図及び第６図は被測温物体の放
射率と人工黒体カバーの反射率との関係を示す図表でち
る。第７図乃至第１０図はそれぞれ上記と異なる実施例
を説明するための概要的な断面図である。 １・・・被測温物体、２・・・キャビティ、３・・・放
射温度計、４・・・フタ、５・・・キャビティ、６・・
・小孔、７・・・ギャップ、８・・・人工黒体カバー、
９・・・キャビティ、１０・・・対物補助カバー、１１
・・・突起、１２・・・溝、１３・・・スプリング、１
４・・・小孔、１５・・・空洞、１６・・・人工黒体カ
バー、１７・・・人工点本カバー、１８．１８’　・・
・ミラー、１９・・・サポート、２０・・・人工黒体カ
バー、２１・・・人工黒体カバー、２２・・・人工黒体
カバー、２３・・・走査ミラー。 代理人　弁理士　秋本正実 第　１　呂 倣）　（ｂ） 千２０ 第３０ 弔４−霞 （’２Ｌ’）　（ｂン 第　５霞 Ａ工黒体カへ′−反射率と。 第　６図 □に工思イ木カバー反埼十をＪ８ 第ｑ霞 吊１０　［￥］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １゜放射温度計を用いる表面温度測定方法において、被
   測定物体の表面上に人工黒体カバーを配置し、この人工
   黒体カバーの下縁を被測定物にほぼ接触せしめて、該被
   測定物体に個有の放射率に拘らずその見掛けの放射率を
   実用上必要とする精定範囲内で一定値ならしめ、この見
   掛けの放射率に基づいて被測定物体の表面温度を算出す
   ることを特徴とする表面温度測定方法。 ２、前記の人工黒体カバーは、高反射率の内面を有する
   キャビティと、被測定物に接する補助カバーとから成る
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の表面温度測定方法。 ３、前記の人工黒体カバーのキャビティは有頂無底の円
   筒形とし、かつ前記の補助カバーは上記のキャビティに
   摺動自圧に嵌合する円筒形としたことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項に記載の表面温度測定方法。 ４、前記の人工黒体カバーは、その内部に反射鏡を設け
   たものであることを特徴とする特許請求の範囲第２項に
   記載の表面温度測定方法。 ５、前記の人工黒体カバーは、その垂直断面が扇形冠状
   をなすものでちることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項に記載の表面温度測定方法。 ６、前記の人工黒体カバーは、その垂直断面が扇形をな
   すものであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の表面温度測定方法。 ７、前記の人工黒体カバーは、断面が扇形のキャビティ
   と、走査ミラーとを備えたものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項若しくは同第２項に記載の表面温
   度測定方法。