CN113167653B - 温度测定装置的校准方法、温度测定装置的校准装置、物理量测定装置的校准方法和物理量测定装置的校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明的温度测定装置的校准方法包括下述步骤：在变更前的温度测定装置和变更后的温度测定装置中，在不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据，使用所测定的信息，由在变更前的温度测定装置中测定的利用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的温度测定装置的使用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息，使用所生成的信息，确定变更后的温度测定装置中的基底谱和校准曲线。

Description

温度测定装置的校准方法、温度测定装置的校准装置、物理量 测定装置的校准方法和物理量测定装置的校准装置

技术领域

本发明涉及对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理而进行测定对象物的表面温度的测定的温度测定装置的校准方法、温度测定装置的校准装置、物理量测定装置的校准方法和物理量测定装置的校准装置。

背景技术

有各种用于对测定对象物的温度进行测定的技术。其中，辐射温度测定技术是利用来自测定对象物的辐射光以非接触的方式对测定对象物的表面温度进行测定的技术，该技术以辐射温度计的形式得到了实用化。辐射温度计具备光电转换元件和光学滤波器，通过测定规定的波长频带中的测定对象物的辐射能量并将所测定的辐射能量值转换为温度而对测定对象物的表面温度进行测定。测定对象物的辐射能量为来自理想黑体的辐射能量乘以测定对象物的辐射率而得到的值，因此，在利用辐射温度计对测定对象物的表面温度进行测定时，测定对象物的辐射率的值是必需的。但是，测定对象物的辐射率根据测定对象物的状态而发生变化，在测定对象物的辐射率随时间而变化的情况下，温度测定误差变大。

基于这样的背景，专利文献1～3中提出了在不受辐射率变动的影响的情况下高精度地对测定对象物的温度进行测定的技术。具体而言，专利文献1中记载了如下技术：将分光谱信息基底分解为基底谱，算出基底谱的分数作为系数，使用系数根据预先算出的校准曲线算出测定对象物的表面温度。另外，专利文献2中记载了如下技术：根据使用接触式温度计对测定对象物进行测定而得到的温度测定值预先确定基底谱和校准曲线，利用基底谱的分数和校准曲线算出测定对象物的表面温度。另外，专利文献3中记载了如下技术：将分光谱信息基底分解为基底谱，使用与基底谱相乘的系数算出测定对象物的表面温度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-234984号公报

专利文献2：日本特开2013-221788号公报

专利文献3：日本特开2014-169935号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，专利文献1～3记载的技术中，在对测定对象物的表面温度进行测定时，需要用某种方法确定基底谱、系数、校准曲线。因此，在将现有的温度测定装置变更为新的温度测定装置时，需要再次进行下述调整作业：确定假设的作为误差主要原因的谱、使用接触式温度计进行温度测定、利用各种条件的加热样品进行分光谱测定等。另外，为了进行高精度的温度测定，需要进行大量的实验，因此需要花费大量的劳动和时间。此外，根据测定对象物的不同，有时无法进行这样的实验。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供能够减少装置变更所伴随的调整作业所需要的劳动和时间的温度测定装置的校准方法、温度测定装置的校准装置、物理量测定装置的校准方法和物理量测定装置的校准装置。

用于解决问题的方法

本发明的温度测定装置的校准方法为下述的温度测定装置的校准方法：对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来对测定对象物的表面温度进行测定，上述表面温度的测定基于由上述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用上述分数根据预先获取的校准曲线来进行，上述基底谱和上述校准曲线是根据使用接触式温度计对测定对象物进行测定而得到的温度测定值来确定，该温度测定装置的校准方法的特征在于，包括下述步骤：在变更前的温度测定装置和变更后的温度测定装置中，在不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据，使用所测定的信息，由在变更前的温度测定装置中测定的利用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的温度测定装置的使用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息，使用所生成的信息，确定变更后的温度测定装置中的上述基底谱和上述校准曲线。

本发明的温度测定装置的校准方法的特征在于，在上述发明中，在确定上述基底谱时，由测定对象物的分光谱信息与对温度与利用上述接触式温度计的温度测定值相同的黑体炉进行测定而得到的辐射能量的分光谱信息之比算出辐射率，将与对基于该辐射率的辐射率变动进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为上述基底谱，或者，通过对测定对象物的分光谱信息和利用上述接触式温度计的温度测定值应用偏最小二乘法来确定上述基底谱。

本发明的温度测定装置的校准装置为下述的温度测定装置的校准装置：对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来对测定对象物的表面温度进行测定，上述表面温度的测定基于由上述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用上述分数根据预先获取的校准曲线来进行，上述基底谱和上述校准曲线是根据使用接触式温度计对测定对象物进行测定而得到的温度测定值来确定，该温度测定装置的校准装置的特征在于，具备下述单元：使用在变更前的温度测定装置和变更后的温度测定装置中测定的、不同的多个温度的每个温度的黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据，由在变更前的温度测定装置中测定的利用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的温度测定装置的使用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息，使用所生成的信息，确定变更后的温度测定装置中的上述基底谱和上述校准曲线。

本发明的温度测定装置的校准装置的特征在于，在上述发明中，在确定上述基底谱时，由测定对象物的分光谱信息与对温度与利用上述接触式温度计的温度测定值相同的黑体炉进行测定而得到的辐射能量的分光谱信息之比算出辐射率，将与对基于该辐射率的辐射率变动进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为上述基底谱，或者，通过对测定对象物的分光谱信息和利用上述接触式温度计的温度测定值应用偏最小二乘法来确定上述基底谱。

本发明的物理量测定装置的校准方法为下述的物理量测定装置的校准方法：对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来进行测定对象物的物理量的测定，上述物理量的测定基于由上述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用上述分数根据预先获取的校准曲线来进行，上述基底谱和上述校准曲线是根据利用其他方法测定的测定对象物的物理量测定值来确定，该物理量测定装置的校准方法的特征在于，包括下述步骤：在变更前的物理量测定装置和变更后的物理量测定装置中，针对不同的多个物理量的每个物理量测定校准基准的对象物的分光谱信息和暗电流数据，使用所测定的信息，由在变更前的物理量测定装置中测定的上述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的物理量测定装置的上述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息，使用所生成的信息，确定变更后的物理量测定装置中的上述基底谱和上述校准曲线。

本发明的物理量测定装置的校准方法的特征在于，在上述发明中，在确定上述基底谱时，将与对测定对象物的分光谱信息、上述物理量测定值和作为校准基准的对象物的分光谱信息进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为上述基底谱，或者，通过对测定对象物的分光谱信息和上述物理量测定值应用偏最小二乘法来确定上述基底谱。

本发明的物理量测定装置的校准装置为下述的物理量测定装置的校准装置：对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来进行测定对象物的物理量的测定，上述物理量的测定基于由上述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用上述分数根据预先获取的校准曲线来进行，上述基底谱和上述校准曲线是根据利用其他方法测定的测定对象物的物理量测定值来确定，该物理量测定装置的校准装置的特征在于，具备下述单元：在变更前的物理量测定装置和变更后的物理量测定装置中，针对不同的多个物理量的每个物理量测定作为校准基准的对象物的分光谱信息和暗电流数据，使用所测定的信息，由在变更前的物理量测定装置中测定的上述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的物理量测定装置的上述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息，使用所生成的信息，确定变更后的物理量测定装置中的上述基底谱和上述校准曲线。

本发明的物理量测定装置的校准装置的特征在于，在上述发明中，在确定上述基底谱时，将与对测定对象物的分光谱信息、上述物理量测定值和作为校准基准的对象物的分光谱信息进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为上述基底谱，或者，通过对测定对象物的分光谱信息和上述物理量测定值应用偏最小二乘法来确定上述基底谱。

发明效果

根据本发明的温度测定装置的校准方法、温度测定装置的校准装置、物理量测定装置的校准方法和物理量测定装置的校准装置，能够减少装置变更所伴随的调整作业所需要的劳动和时间。

附图说明

图1是示出某一群体的成员的身高与体重的关系的散点图。

图2是示出多个点的波长信息与第一主成分的关系的图。

图3A是示出与七个等级的温度对应的黑体辐射能量谱的图。

图3B是示出对图3A所示的黑体辐射能量谱实施对数运算的结果的图。

图4是示出通过对图3B所示的辐射能量的对数运算值执行主成分分析而得到的第一主成分和第二主成分的图。

图5A是示出使用第一主成分的黑体辐射能量谱的重构例的图。

图5B是示出使用第一主成分和第二主成分的黑体辐射能量谱的重构例的图。

图6是示出辐射率变动的主成分向量与辐射能量的主成分向量的关系的图。

图7是示出辐射率变动的一例的图。

图8是示出由测定对象物获取的分光能量谱的图。

图9是示出通过对理想黑体辐射能量谱执行主成分分析而得到的与第一主成分对应的分数与测定对象物的温度的关系的图。

图10A是示出基于图9所示的关系对测定对象物的表面温度进行测定的结果的图。

图10B是示出使用现有技术对测定对象物的表面温度进行测定的结果的图。

图11是示出作为本发明的一个实施方式的温度测定装置的构成的框图。

图12是示出图11所示的FTIR的内部构成的示意图。

图13是示出图11所示的接触式温度计的构成的示意图。

图14是示出作为本发明的一个实施方式的回归方程制作处理的流程的流程图。

图15是示出作为本发明的一个实施方式的温度推测处理的流程的流程图。

图16是对作为本发明的另一实施方式的温度测定装置的构成进行说明的示意图。

图17是示出图16所示的分光仪的内部构成的示意图。

图18是示出温度测定装置的校准装置的构成的框图。

图19是示出在变更前的温度测定装置中在700～1100℃范围内的不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息进行测定的结果的图。

图20是示出在变更后的温度测定装置中在700～1100℃范围内的不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息的结果的图。

图21是示出变更前的温度测定装置的校准曲线与变更后的温度测定装置的校准曲线的关系的一例的图。

图22是示出变更前的温度测定装置中的基底谱与变更后的温度测定装置中的基底谱的关系的一例的图。

具体实施方式

以下，参考附图对作为本发明的一个实施方式的温度测定装置的校准方法进行说明。

首先，对应用作为本发明的一个实施方式的温度测定装置的校准方法的温度测定装置中的表面温度测定的概念进行说明。

[概念]

在利用测定对象物的辐射能量的测定对象物的表面温度测定中，如下述数学式(1)所示，算出将黑体辐射能量谱L_B(λ,T)乘以预先假设的辐射率的谱ε(λ)而得到的测定值L(λ,T)。需要说明的是，数学式(1)中的参数λ表示辐射能量的测定波长，参数T表示测定对象物的表面温度。

L(λ，T)＝ε(λ)·L_B(λ，T)…(1)

在此，若将数学式(1)两边取log(自然对数)来进行变形，则得到以下所示的数学式(2)。因此，通过将测定值L(λ,T)和辐射率的谱ε(λ)代入数学式(2)的右边，能够算出黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)的推测值。需要说明的是，在此表述为“推测值”的原因是因为不知道预先假设的辐射率的谱ε(λ)是否准确。即，在辐射率的谱ε(λ)偏离假设值的情况下，算出的黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)的值不是准确的值。

logL_R(λ，T)＝logL(λ，T)-1ogε(λ)…(2)

其中，黑体辐射能量谱L_B(λ,T)本来是用下述数学式(3)所示的普朗克辐射定律来表示的。需要说明的是，数学式(3)中的参数c₁、c₂表示物理常数。因此，即使黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)包含由辐射率的谱ε(λ)引起的误差，由于本来可取的黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)的形状是确定的，因此也有可能与辐射率的谱ε(λ)无关地推测出黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)的真实形状。因此，作为用于着眼于黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)的形状的一种方法，考虑进行主成分分析(基底分解)。

首先，参考图1，对一般的主成分分析方法进行说明。图1是示出某一群体的成员的身高X₁与体重X₂的关系的散点图。通常，可以说身高X₁越大的人的体重X₂越重，因此，图1所示的散点图具有向右上爬升的分布。图1中***的向右上爬升的线段L₁是通过该分布的中心的线，可以说表示“身体的大小”这种尺度。主成分分析方法是统计地导出将该身高X₁与体重X₂的组合数据(二维信息)的本质性的解释用“身体的大小t₁”这样的一维尺度来表示的方法。从数学上而言，该“身体的大小”为第一主成分，与该第一主成分正交的、仅次于第一主成分的本质性的信息为第二主成分。在图1所示的例中，第二主成分从物理上来说可以称为“肥胖度t₂”的尺度(线段L₂)。

在图1所示的例中，原始的二维信息(身高、体重)通过主成分分析被简化为“身体的大小”这样的一维信息。因此，若将提取其本质的信息处理应用于表面温度推测中的辐射能量谱波形，则能够由多个点的波长信息提取出本质。这种情况下，如图2所示，多个点的波长信息表现为与测定波长数为相同维数的空间上的一个点。例如，若给出针对七个温度的n个波长的分光谱数据，则给出了n维空间上的七个点。因此，考虑该七个点在n维空间中的分布的广度，广度最大的方向为第一主成分的方向，这成为区分上述七个点、即区分七个温度的最有力的线索。

在此，对与图3A所示的七个温度对应的黑体辐射能量谱L_B(λ,T)(其通过对黑体炉进行测定而得到)实施对数运算，对所得到的结果logL_B(λ,T)(图3B)进行主成分分析，将此时得到的第一主成分和第二主成分示于图4。图4所示的第一主成分是最代表与七个温度对应的黑体辐射能量谱的自然对数logL_B(λ,T)的谱波形。对黑体辐射能量谱L_B(λ,T)实施对数运算的原因在于，为了在对测定对象物的表面温度进行实际测定时将以与黑体辐射能量谱L_B(λ,T)相乘的形式产生影响的辐射率ε(λ)以logε(λ)的加法运算的形式分离出来。

接着，在与该第一主成分正交的向量空间中提取出七个点的偏差第二大的方向作为第二主成分，将其示出于同一图中。直观地说，第一主成分是表现随着温度而增大的平均能量的基底，第二主成分可以视为用于表现细微的形状的基底。之后，也可以同样地求出第三主成分以后的主成分。这些低阶的主成分信息是原始的七个黑体辐射能量谱logL_B(λ,T)的本质性的谱信息(基底谱)。

为了验证这些低阶的主成分信息确实是原始的七个黑体辐射能量谱L_B(λ,T)的本质性的谱信息(基底谱)，将从基底谱重构原始的七个黑体辐射能量谱L_B(λ,T)时的匹配情况示于图5A、图5B。重构是指通过进行将基底向量乘以系数并相加的乘积累加运算、即线性操作来构成原始的谱。重构时的匹配情况根据低阶的基底向量信息被包含在原始的七个黑体辐射能量谱L_B(λ,T)中的程度而发生变化。图5A示出仅用第一主成分进行重构的结果，图5B示出用第一主成分和第二主成分进行重构的结果。

由图5B可明确得知，通过使用第一主成分和第二主成分，七个黑体辐射能量谱L_B(λ,T)均被非常良好地重构。这意味着，不需要每一个黑体辐射能量谱L_B(λ,T)都用N个点的波长信息、即N维的各座标来表现，仅用两个基底向量的线性和这样的两个系数的两个点的信息就能够表现。换言之，可以说N维数据被压缩为二维数据。此时，虽然维数被大幅压缩，但重要的是以“基底向量”这种本质性的谱形式进行了重构，可以设想到不易受到之前所述的辐射率变动这种干扰的影响。

重新以数学式的形式对图3B所示的对数运算结果进行补充。图3B所示的对数运算结果是例如对在波长2～10μm波长范围内每隔0.032μm测定的波长方向(横轴)上的N＝250个点的辐射能量实施对数运算而得到的。在此，将辐射能量的log值表示为x(i,j)。需要说明的是，参数i(＝1～250)表示测定波长编号，参数j(＝1～7)表示温度编号。与参数j对应的温度设为y(j)。进而，将对辐射能量的log值x(i,j)实施主成分分析的结果所得到的主成分向量设为w(i,k)。主成分向量w(i,k)的确定方法的说明依照主成分分析的一般文献，简单说明的话，按照以下所示的数学式(4)中的参数j的波动达到最大的方式来确定第一主成分w(i,1)，在与第一主成分w(i,1)正交的向量中按照以下所示的数学式(5)中的参数j的波动达到最大的方式来确定第二主成分w(i,2)。

将各主成分向量的大小(i＝1～N各成分的平方和的平方根)设定为1。在主成分向量w(i,k)中，参数i可以考虑1～250的范围，参数k在数学上可以考虑1～N的范围，但在本例中考虑k＝1,2的范围。通常，参数k更小(低阶的主成分)时更能表示辐射能量的log值x(i,j)的本质，但对于参数k的范围的选择方法在本发明中没有特别限定。需要说明的是，仅用第一主成分w(i,1)对原始的辐射能量数据进行重构而得到的值由以下所示的数学式(6)表示。

数学式(6)中的参数a(k,j)是在数学上被称为主成分得分或分数的常数(标量)。并且，将数学式(6)以实施对数运算前的状态、即以下面所示的数学式(7)表示的值来表示时，为图5A所示的重构例。需要说明的是，数学式(7)中的e表示自然对数的底。

同样地，在第一主成分w(i,1)的基础上加上第二主成分w(i,2)来重构原始的辐射能量数据而得到的值由以下所示的数学式(8)表示。并且，同样地，将数学式(8)以实施对数运算后的状态表示时，为图5B所示的重构例。利用使用到该第二主成分w(i,2)为止的主成分进行重构而得到的辐射能量数据，基本上能够重现原始的辐射能量的log值x(i,j)。这意味着，在推测实际温度时，即使使用最多两个点的数据的分数a(k,j)来代替由250个点的数据构成的辐射能量的log值x(i,j)，也不会降低信息的质量。

需要说明的是，分数a(k，j)通过算出主成分向量w(i，k)与原始的辐射能量的log值x(i，j)的内积而导出，各个成分由以下所示的数学式(9)导出。

以上是对分光谱数据进行主成分分析时的基本思考方法。在此，进一步考虑不会受到测定对象物的辐射率变动的影响的主成分分析的应用方法。在辐射率存在变动的情况下，将辐射率分成预先已知的辐射率值ε(λ)和可能因操作条件等而发生变化的辐射率变动量δε(λ)，可以将测定值L(λ，T)以与数学式(1)对应的形式按照以下所示的数学式(10)来记述。在此，数学式(10)中的参数ε₀(λ)表示设定值等作为基准的辐射率、参数δε(λ)表示各种条件下的辐射率的变动。

L(λ，T)＝δε(λ)ε₀(λ)·L_B(λ，T)…(10)

若将上述数学式(10)两边取log(自然对数)来进行变形，则得到以下所示的数学式(11)。在现有的辐射温度测定中，测定波长下的辐射率ε₀(λ)设为已知，假设利用单色温度计时由以下所示的数学式(12)表示、假设利用双色温度计时由以下所示的数学式(13)表示，通过解出方程式而求出表面温度。但是，这些假设不能严格地成立，大多会产生温度误差。

logL_B(λ，T)＝lo_gL(λ，T)-logε₀(λ)-logδε(λ)…(11)

δε＝0…(12)

δε(λ1)＝δε(λ2)…(13)

因此，在此假设预先已知测定对象物的辐射率变动的行为，对该辐射率变动数据进行主成分分析，算出辐射率变动的第一主成分v(i,1)。辐射率变动的第一主成分v(i,1)成为表现测定对象物的辐射率变动的统计学行为的成分。换言之，与该辐射率变动的主成分向量正交的向量可以说全部为不受辐射率变动影响的向量。图6示出上述说明的概念图。即，如图6所示，与辐射率变动的主成分向量V₂正交的辐射能量的主成分向量V₁不受辐射率变动的影响，对测定对象物的温度的灵敏度达到最大。

因此，通过在必然与辐射率变动的第一主成分v(i,1)正交的限制下进行辐射能量的主成分分析，能够在不受辐射率变动的影响的情况下提取出辐射能量的本质性的信息。作为具体的过程，如以下的数学式(14)所示，从辐射能量x(i,j)中预先除去辐射率变动的第一主成分v(i,1)，对所得到的值进行主成分分析。由此求出的主成分均为与辐射率变动的第一主成分v(i,1)正交的成分。另外认为，多数情况下，辐射率变动的第一主成分v(i,1)只不过是统计上的结果，实际的辐射率变动与辐射率变动的第一主成分v(i,1)并不完全一致，会存在偏差。但是，即使在这种情况下，也认为利用数学式(14)求出的主成分与辐射率变动的第一主成分v(i,1)基本正交，因此认为能够实现最不易出现误差的条件。

基于上述的概念，对进行辐射率的大小如图7所示那样发生变化的测定对象物的温度测定模拟的示例进行说明。需要说明的是，本例是辐射率变动为常数倍、也就是说将参数K设定为常数时下面所示的数学式(15)成立的示例。因此，实施对数运算后的辐射率变动的主成分成为全部波长成分具有相同的值的所谓直流成分。在像这样辐射率发生变化的情况下，测定的辐射能量以如图5A所示的黑体辐射能量乘以辐射率所得到的值的形式测定。图8中示出与800℃时的各辐射率对应地测定的分光能量谱。由图8表明，在800℃下辐射率低的情况下，波形与在750℃下辐射率为假设值的情况类似，在现有方式中，利用单色温度计难以精度良好地测定像这样辐射率发生变化的测定对象物。

δε(λ)＝K…(15)

因此，在对这些波形进行对数运算后，对于减去假设的辐射率数据logε(λ)后的波形，使用表现辐射率变动的基底(这种情况下为直流成分)、和与表现辐射率变动的基底正交且表现黑体辐射能量谱的本质性的基底(第一主成分)来表现。并且，着眼于与该第一主成分相乘的系数。其原因在于，认为与黑体辐射能量谱的第一主成分对应的系数具有在不受辐射率变动的影响的情况下用于表现黑体辐射能量谱波形的本质性的信息。

在此，关注除去辐射率变动的主成分后的第一主成分的系数来看时可知，对理想黑体辐射能量谱应用主成分分析时与第一主成分对应的系数(分数)与测定对象的温度的关系为图9所示的关系。因此，由图9所示的关系预先计算出表示与第二主成分对应的系数与测定对象的温度的关系的校准曲线，使用增减辐射率时由测定辐射能量谱计算出的与第一主成分对应的系数来推测温度。其结果确认到，即使在如图7所示那样存在辐射率增减的情况下，也限制在图10A所示的误差内。需要说明的是，关于利用双色温度计(这种情况下为波长2μm和波长4μm)进行测定时的误差，如图10B所示，在辐射率之比完全相等的条件成立的情况下误差小，但在辐射率之比不一定相等而发生变动的情况下误差大。

因此确认到，作为本发明的目的、即用于温度推测的原始信息，对包含多个波长的分光信息进行主成分分析并利用低阶的主成分重构原始分光信息时的基底向量的系数倍这一信息(主成分得分)是有效的。对照之前的示例换句话来说，代替由原始的N个点的波长数据来推测温度，将N个点的波长数据降维压缩成到第二主成分为止的分数、即两个点的数据，由该两个点的信息利用通常的多元回归法推测出温度数据。这是因为，如图5A、5B所示，考虑到由该两个点的信息能够充分地重现N个点的波长数据，该两个点的信息包含了用于推测温度的足够的信息。

若以数学式的形式进行补充，代替由初始的N个点的波长数据来推测温度的以下所示的数学式(16)，使用由到第二主成分为止的分数、即两个点的数据来推测温度的以下所示的数学式(17)来推测温度。

接着，对基于上述概念想到的作为本发明的一个实施方式的温度测定装置和该温度测定方法进行详细说明。

[温度测定装置的构成]

首先，参考图11～图13对作为本发明的一个实施方式的温度测定装置的构成进行说明。

图11是示出作为本发明的一个实施方式的温度测定装置的构成的框图。图12是示出图11所示的FTIR的内部构成的示意图。图13是示出图11所示的接触式温度计的构成的示意图。如图11所示，作为本发明的一个实施方式的温度测定装置1具备FTIR(傅里叶变换红外分光光度计)2、接触式温度计30、气缸40、回归方程制作部3和温度推测部4。

FTIR2测定来自作为测定对象物的钢板5的辐射能量的分光谱。如图12所示，FTIR2具备反射镜11、半反射镜12、可移动反射镜13、反射镜14、反射镜15、16和检测器17，反射镜11、半反射镜12、可移动反射镜13和反射镜14～16构成干涉仪18。从钢板5发出的辐射光被导入干涉仪18，检测器17测定从干涉仪18出来的光的光量。

此时，对在移动干涉仪18的可移动反射镜13的同时按时间系列测定的检测器17的信号进行傅里叶变换，得到来自钢板5的辐射能量的分光谱信息。这种情况下，为了得到一个分光谱信息，需要与可移动反射镜13的移动相应的时间，但只要此期间的温度变动足够小则没有问题。除此以外，还可以考虑利用衍射光栅的方法、利用波长选择滤波器的方法等各种方法，利用哪一种方法都可以。

接触式温度计30通过使作为测定对象物的钢板5与热电偶接触来测定钢板5的温度。在实际的制造工艺中的温度测定场景下，将以规定速度在退火炉等炉内搬运的状态的钢板作为对象来测定温度。因此，在本实施方式中，接触式温度计30采用通常用作测定移动体的温度的接触式温度计。

即，例如，如图13所示，接触式温度计30以下述方式构成：通过用于稳定跟随以规定速度搬运的钢板5的接触辊31搭载主体33，安装在该主体33上的翘曲状的金属箔35在钢板5上滑动。在该金属箔35的背面侧配设有热电偶37的热敏部371，利用该热敏部371进行温度测定。在此，主体33按照支撑热电偶37并将热敏部371保持于金属箔35的背面侧的规定位置、从而隔着金属箔35对温度进行测定的方式配置。该接触式温度计30以通过驱动安装在主体33上的气缸40而可在图13中箭头所示的上下方向上移动的方式构成，温度测定时，使金属箔35与钢板5接触并滑动，另一方面，在不测温的情况下，从钢板5离开而退避至上方。该接触式温度计30的温度指示值(温度测定值)随时输出至回归方程制作部3。

回归方程制作部3和温度推测部4由微型计算机等信息处理装置构成。回归方程制作部3通过执行后述的回归方程制作处理而算出温度推测部4对钢板5的表面温度进行推测时所使用的基础数据(基底谱和多元回归系数)。温度推测部4通过执行后述的温度推测处理，使用由回归方程制作部3算出的基础数据对钢板5的表面温度进行测定。

具有这种构成的温度测定装置1通过执行以下所示的回归方程制作处理和温度推测处理来推测钢板5的表面温度。以下，参考图14和图15所示的流程图对执行回归方程制作处理和温度推测处理时的温度测定装置1的工作进行说明。

[回归方程制作处理]

首先，参考图14所示的流程图对执行回归方程制作处理时的温度测定装置1的工作进行说明。

图14是示出作为本发明的一个实施方式的回归方程制作处理的流程的流程图。图14所示的流程图在测定钢板5的表面温度前的调整过程中的规定时机开始，回归方程制作处理进入到步骤S1的处理。需要说明的是，执行该回归方程制作处理时，图11所示的钢板5被置换成黑体炉。

在步骤S1的处理中，回归方程制作部3基于如上所述从接触式温度计30随时输入的温度指示值，从上述数据库中检索与该温度对应的黑体炉的辐射能量的分光谱信息，作为校准曲线制作用的分光谱信息而获取。由此，步骤S1的处理完成，回归方程制作处理进入到步骤S2的处理。

在此，可以设想到从接触式温度计30输入的温度指示值可能会根据测定该温度时的金属箔35与钢板5的接触程度而发生变动。因此，不限于直接使用从接触式温度计30输入的温度指示值，例如也可以使用在规定时间内测定的多个温度指示值的最大值、平均值等二次算出的值。

另外，在所假设的测定对象物的温度的温度范围覆盖宽范围的情况下等，也有可能难以预先以覆盖该温度范围的方式对所有温度进行黑体炉的分光谱信息的测定。这种情况下，可以对预先测定温度范围内的几个点的温度而得到的黑体炉的分光谱信息进行主成分分析而算出分数，并预先算出分数与黑体炉温度的关系式。并且，在步骤S1的处理中，可以由预先算出的关系式求出与温度指示值的温度对应的分数，使用求出的分数利用与图5B所示同样的方法对温度指示值的温度下的分光谱信息进行重构，获取其作为校准曲线制作用的分光谱信息。

在步骤S2的处理中，回归方程制作部3进行通过步骤S1的处理随时获取的校准曲线制作用的分光谱信息与在该分光谱信息的获取中所用的温度指示值的温度测定时通过FTIR2获取的钢板5的辐射能量的分光谱信息的比运算，由此积累辐射率数据。然后，进行由积累的辐射率数据得到的辐射率变动数据的对数运算。由此，步骤S2的处理完成，回归方程制作处理进入到步骤S3的处理。

在步骤S3的处理中，回归方程制作部3对通过步骤S2的处理算出的辐射率变动数据执行主成分分析。在可以预先将辐射率变动的主成分假设为全部成分的值大致相等的所谓直流成分的情况下，可以不使用辐射率变动数据地确定为直流成分。并且，回归方程制作部3进一步对同样地通过步骤S2的处理算出的黑体炉的辐射能量谱在与辐射率变动数据的主成分正交的条件下执行主成分分析。由此，步骤S3的处理完成，回归方程制作处理进入到步骤S4的处理。

在步骤S4的处理中，回归方程制作部3从通过步骤S3的处理得到的主成分分析的结果中提取出使用的主成分作为基底。另外，回归方程制作部3利用上述数学式(9)算出与本发明的系数对应的各基底谱的分数a(k,j)。由此，步骤S4的处理完成，回归方程制作处理进入到步骤S5的处理。

在步骤S5的处理中，回归方程制作部3将通过步骤S4的处理算出的分数a(k,j)和与校准曲线制作用的分光谱信息对应的黑体炉的温度应用于上述数学式(17)中，由此算出上述数学式(17)的多元回归方程中的多元回归系数c(k)。然后，回归方程制作部3将基底谱(主成分w(i,k)、k＝1,2)和多元回归系数(c(k)、k＝1,2)的数据作为基础数据输出至温度推测部4。由此，步骤S5的处理完成，一系列的回归方程制作处理结束。

需要说明的是，在此，通过求出辐射率变动的主成分并求出与该辐射率变动的主成分正交的辐射能量的主成分来提取不受辐射率变动的影响的基底，但不限于此。例如，也可以使用PLS(偏最小二乘法)等，基于从受到辐射率变动的影响的钢板获取的分光谱信息直接求出与接触式温度计30的温度指示值的相关性最强的基底，基底的提取可以使用各种数理统计分析方法。

[温度推测处理]

接着，参考图15所示的流程图对执行温度推测处理时的温度测定装置1的工作进行说明。

图15是示出作为本发明的一个实施方式的温度推测处理的流程的流程图。图15所示的流程图在回归方程制作处理结束后的规定时机开始，温度推测处理进入到步骤S11的处理。

在步骤S11的处理中，温度推测部4通过FTIR2获取来自钢板5的辐射能量的分光谱信息。由此，步骤S11的处理完成，温度推测处理进入到步骤S12的处理。

在步骤S12的处理中，温度推测部4对通过步骤S11的处理获取的分光谱信息执行对数运算处理，利用上述数学式(2)从对数运算值中减去假设的辐射率的谱ε(λ)的对数值。由此，步骤S12的处理完成，温度推测处理进入到步骤S13的处理。

在步骤S13的处理中，温度推测部4将步骤S12的减法运算处理结果x(i,j)和从回归方程制作部3输入的基底谱(主成分w(i,k)、k＝1,2)代入上述数学式(9)中，由此算出测定对象物的基底谱的分数a(k,j)。由此，步骤S13的处理完成，温度推测处理进入到步骤S14的处理。

在步骤S14的处理中，温度推测部4将通过步骤S13的处理算出的分数a(k,j)和从回归方程制作部3输入的多元回归系数(c(k)、k＝1,2)应用于上述数学式(17)，由此进行回归运算，推测出钢板5的表面温度。由此，步骤S14的处理完成，一系列的温度推测处理结束。

由以上说明表明，在作为本发明的一个实施方式的温度测定装置1中，回归方程制作部3对校准曲线制作用的分光谱信息进行基底分解，算出该基底的分数a(k,j)，由分数a(k,j)和与校准曲线制作用的分光谱信息对应的温度数据算出多元回归系数(c(k)、k＝1,2)。然后，温度推测部4基于测定对象物的分光谱信息和由回归方程制作部3算出的基底算出与基底相关的分数a(k,j)，基于算出的分数a(k,j)和多元回归系数(c(k)、k＝1,2)推测出测定对象物的温度。由此，能够在不受辐射率的变动的影响的情况下高精度地对测定对象物的温度进行测定。

需要说明的是，用于实现本发明的温度测定装置的构成不限于图11所示的构成。图16是示出作为本发明的另一实施方式的温度测定装置1a的构成和将应用该温度测定装置1a的退火炉的一部分切去后的内部的示意图。图17是示出图16所示的分光仪8的内部构成的示意图。需要说明的是，图16中，对于与上述实施方式相同的构成标注相同的符号。

该温度测定装置1a用于测定在制造工艺中在退火炉等炉内被加热的钢板5a的温度，其具备：***贯通退火炉的炉体9和该炉体9内表面的绝热材料91的贯通孔93中的光纤6、设置在位于光纤6的炉内侧的一端侧的准直透镜7、与光纤6的炉外侧的另一端连接的分光仪8、回归方程制作部3和温度推测部4。从作为测定对象物的钢板5a大致平行地辐射出的光(测定光)经过准直透镜7和光纤6入射到分光仪8中。

在此，***贯通孔93中的光纤6的一端部和一端侧的准直透镜7通过水冷遮光管95与周围划分开，以使从绝热材料91等辐射出的光不会混入测定光中。另外，为了防止透镜部分等的污染，利用通过配管97填充的氮气对该水冷遮光管95的内部空间进行吹扫。

分光仪8例如利用交叉式Czerny-Turner分光仪来实现，其具备准直镜81、衍射光栅82、聚焦镜83和检测器84。该分光仪8中，从光纤6的另一端入射的测定光被准直镜81变成平行光后，入射至衍射光栅82并被分光。然后，分光后的测定光经由聚焦镜83，由检测器84同时接收全部波长的光并进行检测。本例中，以炉内的钢板5a作为测定对象物，对800℃～1100℃前后的比较高的温度进行测定。因此，作为检测器84的检测元件，使用一维阵列状的Si的CCD或光电二极管列阵等，对比较短的波长范围、具体而言对0.4μm～0.8μm或0.4μm～1.0μm等波长范围进行检测。

[校准方法]

目前，在现有的温度测定装置(以下记为装置A)中，存储有使用接触式温度计30而得到的多个温度测定值和与其对应的分光谱信息，并且基于存储的信息来制作多元回归方程。为了获得多个温度测定值和与其对应的分光谱信息，需要在制造生产线中选择适当的材料和时机，并且需要对接触时的瑕疵等进行检查，因此需要非常多的劳动和时间。实际上，为了获得约30例的信息，需要约几个月的时间。在由于故障、校准等原因对该装置A进行更换的情况下，对于新的温度测定装置(以下记为装置B)需要进行同样的作业，装置变更所伴随的调整作业需要大量的劳动和时间。因此，在本实施方式中，如图18所示，将装置A、B(温度测定装置1)与校准装置50连接，进行以下所示的校准作业，由此减少装置变更所伴随的调整作业所需要的劳动和时间。

具体而言，首先，校准装置50在装置A和装置B中在不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据。图19是示出在装置A中在700～1100℃范围内的不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息的结果的图。图20是示出在装置B中在700～1100℃范围内的不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息的结果的图。接着，校准装置50使用所测定的黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据，对装置A中的使用接触式温度计30的多个温度测定值和与其对应的分光谱信息执行以下的处理，由此制作装置B中的使用接触式温度计的温度测定值和与其对应的分光谱信息。并且，最后，校准装置50使用装置B中的使用接触式温度计的温度测定值和与其对应的分光谱信息执行上述的回归方程制作处理，由此算出装置B的校准曲线和基底谱。图21是示出装置A的校准曲线L1与装置B的校准曲线L2的关系的一例的图。图22是示出装置A中的基底谱L3与装置B中的基底谱L3的关系的一例的图。

制作装置B中的使用接触式温度计的温度测定值和与其对应的分光谱信息时，首先，校准装置50算出使用接触式温度计30的温度测定值下的装置B的黑体炉的辐射能量的谱。接着，校准装置50将从使用接触式温度计30的温度测定值下的装置B的黑体炉的辐射能量的谱中减去装置B的暗电流后的值除以从使用接触式温度计30的温度测定值下的装置A的黑体炉的辐射能量的谱中减去装置A的暗电流后的值而算出的值作为灵敏度校准系数。接着，校准装置50从在装置A中与使用接触式温度计30的温度测定值一同测定的分光谱中减去暗电流数据，并将所得到的分光谱乘以灵敏度校准系数。并且，最后，校准装置50将装置B的暗电流数据添加到所得到的分光谱中。由此，能够制作关于装置B的使用接触式温度计的温度测定值和与其对应的分光谱信息。

以上，对应用由本发明人完成的发明的实施方式进行了说明，但本发明不限于由本实施方式构成本发明的公开的一部分的记载和附图。例如，本实施方式将本发明应用于温度测定装置的校准，但本发明的应用范围不限于本实施方式，例如也可以应用于对氧化膜、化学转化处理覆膜等形成在金属材料表面的薄膜的膜厚进行测量的装置等、对温度以外的物理量进行测量的装置的校准。通过将本发明应用于对温度以外的物理量进行测量的装置的校准，能够减少装置变更所伴随的调整作业所需要的劳动和时间。像这样由本领域技术人员等基于本实施方式做成的其他实施方式、实施例和运用技术等全部包含在本发明的范畴内。

产业上的可利用性

根据本发明，可以提供能够减少装置变更所伴随的调整作业所需要的劳动和时间的温度测定装置的校准方法、温度测定装置的校准装置、物理量测定装置的校准方法和物理量测定装置的校准装置。

标号说明

1、1a 温度测定装置

2 FTIR(傅里叶变换红外分光光度计)

3 回归方程制作部

4 温度推测部

5、5a 钢板

6 光纤

7 准直透镜

8 分光仪

11、14、15、16 反射镜

12 半反射镜

13 可移动反射镜

17 检测器

18 干涉仪

30 接触式温度计

35 金属箔

37 热电偶

40 气缸

50 校准装置

81 准直镜

82 衍射光栅

83 聚焦镜

84 检测器

Claims (8)

1.一种温度测定装置的校准方法，其中，对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来对测定对象物的表面温度进行测定，所述表面温度的测定基于由所述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用所述分数根据预先获取的校准曲线来进行，所述基底谱和所述校准曲线是根据使用接触式温度计对测定对象物进行测定而得到的温度测定值来确定，所述温度测定装置的校准方法的特征在于，包括下述步骤：

在变更前的温度测定装置和变更后的温度测定装置中，在不同的多个温度的每个温度下测定黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据，

使用所测定的信息，由在变更前的温度测定装置中测定的利用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的温度测定装置的使用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息，

使用所生成的信息，确定变更后的温度测定装置中的所述基底谱和所述校准曲线。

2.如权利要求1所述的温度测定装置的校准方法，其特征在于，在确定所述基底谱时，

由测定对象物的分光谱信息与对温度与利用所述接触式温度计的温度测定值相同的黑体炉进行测定而得到的辐射能量的分光谱信息之比算出辐射率，将与对基于该辐射率的辐射率变动进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为所述基底谱，或者，

通过对测定对象物的分光谱信息和利用所述接触式温度计的温度测定值应用偏最小二乘法来确定所述基底谱。

3.一种温度测定装置的校准装置，其中，对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来对测定对象物的表面温度进行测定，所述表面温度的测定基于由所述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用所述分数根据预先获取的校准曲线来进行，所述基底谱和所述校准曲线是根据使用接触式温度计对测定对象物进行测定而得到的温度测定值来确定，所述温度测定装置的校准装置的特征在于，具备下述单元：

使用在变更前的温度测定装置和变更后的温度测定装置中测定的、不同的多个温度的每个温度的黑体炉的辐射能量的分光谱信息和暗电流数据，由在变更前的温度测定装置中测定的利用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的温度测定装置的使用接触式温度计的温度测定值和与该温度测定值对应的分光谱信息，

使用所生成的信息，确定变更后的温度测定装置中的所述基底谱和所述校准曲线。

4.如权利要求3所述的温度测定装置的校准装置，其特征在于，在确定所述基底谱时，

由测定对象物的分光谱信息与对温度与利用所述接触式温度计的温度测定值相同的黑体炉进行测定而得到的辐射能量的分光谱信息之比算出辐射率，将与对基于该辐射率的辐射率变动进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为所述基底谱，或者，

通过对测定对象物的分光谱信息和利用所述接触式温度计的温度测定值应用偏最小二乘法来确定所述基底谱。

5.一种物理量测定装置的校准方法，其中，对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来进行测定对象物的物理量的测定，所述物理量的测定基于由所述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用所述分数根据预先获取的校准曲线来进行，所述基底谱和所述校准曲线是根据利用其他方法测定的测定对象物的物理量测定值来确定，所述物理量测定装置的校准方法的特征在于，包括下述步骤：

在变更前的物理量测定装置和变更后的物理量测定装置中，针对不同的多个物理量的每个物理量测定作为校准基准的对象物的分光谱信息和暗电流数据，

使用所测定的信息，由在变更前的物理量测定装置中测定的所述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的物理量测定装置的所述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息，

使用所生成的信息，确定变更后的物理量测定装置中的所述基底谱和所述校准曲线。

6.如权利要求5所述的物理量测定装置的校准方法，其特征在于，在确定所述基底谱时，

将与对测定对象物的分光谱信息、所述物理量测定值和作为校准基准的对象物的分光谱信息进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为所述基底谱，或者，

通过对测定对象物的分光谱信息和所述物理量测定值应用偏最小二乘法来确定所述基底谱。

7.一种物理量测定装置的校准装置，其中，对从测定对象物发出的辐射能量进行分光测定、对所得到的分光谱信息进行信号处理来进行测定对象物的物理量的测定，所述物理量的测定基于由所述测定对象物得到的分光谱信息算出预先获取的基底谱的分数并使用所述分数根据预先获取的校准曲线来进行，所述基底谱和所述校准曲线是根据利用其他方法测定的测定对象物的物理量测定值来确定，所述物理量测定装置的校准装置的特征在于，具备下述单元：

在变更前的物理量测定装置和变更后的物理量测定装置中，针对不同的多个物理量的每个物理量测定作为校准基准的对象物的分光谱信息和暗电流数据，

使用所测定的信息，由在变更前的物理量测定装置中测定的所述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息生成关于变更后的物理量测定装置的所述物理量测定值和与该物理量测定值对应的分光谱信息，

使用所生成的信息，确定变更后的物理量测定装置中的所述基底谱和所述校准曲线。

8.如权利要求7所述的物理量测定装置的校准装置，其特征在于，在确定所述基底谱时，

将与对测定对象物的分光谱信息、所述物理量测定值和作为校准基准的对象物的分光谱信息进行主成分分析而得到的主成分正交的谱确定为所述基底谱，或者，

通过对测定对象物的分光谱信息和所述物理量测定值应用偏最小二乘法来确定所述基底谱。