JPH0344527A - 温度測定方法および装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、大きな背光雑音の存在する環境における、放
射を利用した温度測定方法および装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

鉄鋼プロセスにおける加熱炉内や連続焼鈍炉内などにお
いて、放射を利用して温度を測定する場合には、大きな
背光雑音が存在し、そのための対策を施さないと正しい
温度測定はできない。

背光雑音とは、測定対象以外の物体からの放射光が、測
定対象表面で反射して温度計に入る光である。背光雑音
源の温度が、測定対象の温度に比べて十分低い場合は問
題ないが、そうでない場合には測定誤差の要因となる。

背光雑音対策の従来技術としては、大きく分けて二つあ
る。ひとつは、背光雑音を遮蔽する方法であり、他の一
つは、遮蔽装置を持たす背光雑音を定量的に測定して補
償する方法である。

第５図は、遮蔽装置を持つ測温システムの例である。１
は放射計、２は測定対象、３は遮蔽装置、４は背光雑音
源である。測定対象の温度と放射率を、Ｔ１．ε１、遮
蔽装置の場合をＴ２９．ε２、および、背光雑音源の温
度をＴ、とする。また、最も条件の厳しい場合を考えて
、背光雑音源の放射率ε、を１．０とする。このとき、
放射計で検出される放射輝度りは、次式で表される。

Ｌ＝ε、・Ｌｂ（Ｔｌ）＋　ｐ　（１−εｌ）ε２・Ｌ
ｂ（Ｔｚ）＋ρ・ε、（１−ε１）（１−εｚ）Ｌｂ（
Ｔｌ）＋（１−ｐ）（１−ε）Ｌｂ（Ｔ３）　　　　　
　　（１）但し、Ｌｂ（Ｔ）：温度Ｔの黒体放射輝度ｐ
　　　：鏡面反射係数（Ｏ≦ｐ≦ｌ〉上式で、右辺第１
項は測定対象自身の自発光成分、第２項は遮蔽装置表面
の自発光が測定対象で反射した成分である。第３項は測
定対象の自発光が、遮蔽装置表面で反射し、さらに、そ
れが測定対象表面で再反射した成分である。また、右辺
第４項が、遮蔽されずに温度計に飛び込む背光雑音であ
る。

（１〉式のｐは鏡面反射係数とよばれ、測定対象物と遮
蔽装置間の幾何学的な形態係数や、測定対象の光学的反
射特性などに依存する。いま、かりに放射温度計から光
を出したとしたとき、測定点Ｏで反射した光のほとんど
が遮蔽装置に到達するように、遮蔽装置３は十分な大き
さを持っているものとする。このとき、鏡面反射係数ρ
は１．０となる。したがって、十分な大きさの遮蔽装置
を設ければ、（１）式第４項の背光雑音は遮蔽されるこ
とがわかる。

背光雑音を遮蔽する方法には、水冷遮蔽板を用いる方法
と、非水冷遮蔽板を用いる方法とがある。

水冷遮蔽板は、その表面温度Ｔ２を測定対象物の温度Ｔ
、より十分に低く保ち、かつ、表面の放射率ε２を１近
くまで高める工夫が施されている。

したがって、この場合（１〉式は、次のように近似する
ことができる。

Ｌ−ε１・Ｌｂ（Ｔｌ）（２） すなわち、測定対象の放射率ε、がわかつておれば、放
射計の出力信号りから、正確に温度Ｔ、を求めることが
できる。

一方、非水冷遮蔽板も、水冷遮蔽板と同様に、遮蔽板表
面の放射率ε２は、１近くまで高める工夫がなされてい
る。このとき、（１）式は次のように近似できる。

Ｌ＝ε＋Ｌｂ（Ｔｌ）＋（１−ｅ＋）Ｌｂ（Ｔｚ）　　
　　　（３）したがって、（３）式の右辺第２項の温度
Ｔ２すなわち、非水冷遮蔽板の表面温度Ｔ２を測定し、
かつ、測定対象の放射率ε１がわかっていれば、対象物
の温度ＴＩを求めることが出来る。第６図は、非水冷遮
蔽板を用いる測温システムの例である。

１は測定対象をにらむ放射計、５は遮蔽板の表面温度を
測定する放射計、３は非水冷遮蔽板、４は炉壁などの背
光雑音源、２は測定対象である。第６図の構成では、放
射計１の出力り、は、上記（３）式の左辺に等しい、ま
た、遮蔽板の内面は近似的に黒体と見なせるようにつく
られているから、放射計５の出力は次式のように表すこ
とが出来る。

Ｌ２＝Ｌｂ（Ｔｚ）　　　　　　　　　　　　　　（４
）したがって、２つの放射計の測定値から、求める温度
Ｔ、を知ることが出来る。

さて、第７図は遮蔽装置を持たない測温システｌ、の例
である。１は測定対象物をにらむ放射計、６は背光雑音
の代表点をにらむ放射計、４は背光雑音源、２は測定対
象である。いま、測定対象物の温度をＴ１、放射率をε
１とし、背光雑音源の温度をＴ、とする。また、背光雑
音源の放射率ε、を１．０とすると、放射計１，２で検
出される放射輝度り、、Ｌ２は、それぞれ、（５）（６
）式で表される。

Ｌ、＝ε、・Ｌｂ（Ｔ−）＋（１−ε１）Ｌｂ（Ｔ、〉
（５）Ｌ２＝Ｌｂ（Ｔａ）　　　　　　　　　　　　　
　　　（６）したがって、この方法は測定対象の放射率
ε１を与えて、測定値Ｌｌ、Ｌ２から、求める温度Ｔ、
を得ようとするものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

まず、水冷遮蔽板を用いる方法は、放射計で検出される
放射輝度が（２）式で示されるから、装置構成が簡単な
うえ、背光雑音対策としては信頼性が高く、使用実績も
豊富である。しかし、この方法は測定対象が停止してい
たり、移動速度が遅い場合には、対象物が冷やされると
いう問題がある。

さらに、遮蔽板の周囲温度が高くなると、遮蔽板の冷却
水の漏水事故も起こり得る。また、測定対象の温度Ｔ１
が常温付近の低温になると、遮蔽板の温度Ｔ２は０℃以
下の低温にする必要が生じ、現実性を欠く場合が多い。

一方、非水冷遮蔽板を用いる方法の原理式は、（３）（
４）式で示される。しかし、それらは、遮蔽板の放射率
ε２が１．０の場合であって、現実にはε２は１．０よ
りかならず小さい、いま、（３）（４）式に基づいて温
度測定を行うとき、ε２が１．０より小さいときは、必
ず測定誤差が発生する。第８図は、測定対象物の温度を
１０００℃、放射率を０．３、背光雑音源の温度を９５
０℃、放射計の検出波長を１．０μ階としたとき、ε２
が１．０より小さいときの測定誤差を計算したものであ
る。第８図から明らかなように、高い精度を得ようとす
れば、ε２を０．９５以上に維持することが必要である
。

さて、背光雑音の遮蔽装置を持たない方法は、背光雑音
源の代表温度Ｔ、が正しく測定出来れば問題ない、しか
し、この方法は、次のような問題点を有する。

１〉　背光雑音は広い範囲から受ける。然るに、加熱炉
内などの例では、バーナーフレームと炉壁では輝度に大
きな差があり、しかも変動する。したがって、背光雑音
源温度の代表性に問題がある。

２）高温炉内では、（５）式の右辺第２項は、第１項に
比べてみて非常に大きくなることがあり、結果的にＳ／
Ｎが低下して測温精度の低下につながる。したがって、
二の方式は背光雑音源温度Ｔ。

が、その代表性を有し、測定対象の放射率ε、が高い場
合は有効な方法であるが、これらの条件を満たせない場
合は、大きな測温誤差を生ずる。

したがって本発明の目的は上記の欠点を克服した新規な
方式による温度測定方法および装置を提該放射源からの
放射光が温度Ｔ１、放射率ε、の測定対象物の表面で反
射して該放射計へ達する様に配置し、 該放射計で測定される放射輝度りと該°放射源の温度Ｔ
２を測定し、温度Ｔにおける黒体放射輝度をＬ　ｂ　（
Ｔ　＞としたとき、 Ｌ＝Ｌｂ（丁２）＋（１−ε１）Ｌｂ（Ｔｚ）なる条件
が成立する様に該放射源の温度Ｔ２を制御し、 式 ％式％） より測定対象物の温度Ｔ、を算出することを特徴とする
ものである。

また、本発明の温度測定装置は、前述の方法を実施する
ための温度測定装置であって、前記放射計、前記放射源
、前記測定を行う測定手段、前記制御を行う制御手段、
および前記算出を行う算出手段を具備することを特徴と
するものである。

〔作　用〕

本発明は、無視できない背光雑音の存在する環境で、非
水冷遮蔽板を用いて背光雑音を除去するが、その遮蔽板
の放射率ε２には依存しない測定方法を提供することに
より、前記の種々の問題点を解決するものである。

いま、遮蔽板の大きさを十分大きくし、（１〉式のρを
１．０とする。この場き、（１）式は次のように表され
る。

Ｌ＝ε、・Ｌｉ、（Ｔ１）＋（１−ε、〉ε２・Ｌｂ（
Ｔ２）＋ε１（１−ε１）（１−εｚ）Ｌｂ（Ｔ＋）　
　　　　（７）ここで、放射計で測定される放射輝度り
が、非水冷遮蔽板の放射率ε２に依存しなければ、ε２
が１．０でなくても、あるいは、その値が暖味であって
も正しい測温が出来る。いま、（７〉式をε２で微分す
ると（８）式となる。

ｄＬ／ｄε２＝（１−ε＋）Ｌｂ（Ｔｚ）−ε１（１−
ε１）Ｌｂ（Ｔ１）（８）ｄＬ／ｄε２＝Ｏとおいて整
理すると、（９〉式を得る。

Ｌｂ（Ｔｚ）／Ｌｂ（Ｔ１）＝ε、　　　　　　　　　
　（９〉言い換えれば、〈９）式の条件が成立するとき
はｄＬ／ｄε２＝Ｏすなわち（７〉式の左辺りはε２に
依存しない、この（９）式の条件を（７）式に代入して
整理すれば次の（１０〉または（１１）式が得られる。

Ｌ＝ε、・Ｌｂ（Ｔ１）＋（１−ε、）Ｌｂ（Ｔ２）　
　　　（１０）Ｌ　＝Ｌｂ（Ｔｚ）＋　（１−ε＋）Ｌ
ｂ（Ｔ２）　　　　　　　（１１）なお、（１０）式は
（７）式でε２が１．０の場合に相当する。

ここで、（１１）式の関係が常に成り立つ様にＴ２をヒ
ータもしくはクーラにより操作すれば、（９）式を変形
した次の（１２）式 Ｌｂ（Ｔ＋）＝Ｌｂ（Ｔ２）／ε＋　　　　　　　　　
　（１２）から温度Ｔ１を正しく求めることができる。

この方式の前提として、前述した様に反射率ｐが１．０
である必要がある。そのために遮蔽板の大きさが大きす
ぎては遮蔽板全体の温度を均一に制御することは困難で
ある。したがって本発明では遮蔽板として温度制御が容
易な程度の大きさの放射源を用い、放射計との位置関係
を前述の様な位置関係とすることで、測定対象物表面で
反射して放射計へ達する光の大部分が放射源からの放射
光となる様にする。

〔実施例〕

第１図は、本発明の実施例である。２は測定対象、１は
放射計、７は放射源、８は放射源の加熱または冷却装置
、１１は放射源の表面温度測定装置、１０は加熱または
冷却装置の制御器、および９は演算装置である。

第１図に示すように、放射計ｌと放射源７は、測定対象
２の法線に対して鏡面対称的に配置する。

第２図は第１図の演算装置９内における演算の一例を表
わすブロック線図である。

照テーブルを参照し場きによっては補間することによっ
て対応する黒体放射輝度Ｌｂ（Ｔｚ）に変換される。こ
のＬｂ（Ｔ２）は一方では設定値として与えられる測定
対象の放射率ε、に基づいてブロック９１において２−
ε１が乗じられる。この結果（２−ε、）Ｌｂ（Ｔ２）
は前述の（１１〉式の右辺に相当する。ブロック９５に
おいては（１１〉式の左辺に相当する放射計１〈第１図
〉からの放射輝度りから（２−ε１）Ｌｂ（Ｔｚ）が差
し引かれ誤差信号として出力される。ブロック９４は誤
差信号から制御信号を算出するもので例えばＰＩＤ（比
例・積分・微分〉演算あるいはＰＩ演算を行なってその
結果を加熱／冷却制御器１０へ出力する。

この様にして放射源７の温度Ｔ２は与えられたε１につ
いて〈１１〉式が成立する様に制御される。

一方、ブロック９２は前述のＬｂ（Ｔ２）の値に１／ε
１を乗じて出力する。この値は（１１〉式が成立すると
き（１２〉式によりＬｂ　（Ｔ　１）の値となる。この
Ｌｂ　（Ｔ　＋　＞の値はブロック９３において参照テ
ーブルを参照することによって測定対象２の温度Ｔ、の
値に変換され出力される。ブロック９３において使用さ
れる参照テーブルはブロック９０において使用されるも
のの逆関数の形をしている。

第３図は第１図および第２図に示した本発明に係る温度
測定装置の動作を表わす図である。測定条件としてはε
、＝０．２．ε２＝０．８、測定波長λ＝１．０μ、測
定対象の温度Ｔ　、　＝　１０００℃、放射源の温度の
初期値（非制御状態における温度）Ｔ２゜＝　１０００
℃の条件である。実線は測定された温度と真の温度との
誤差ΔＴ１を表わし、破線は放射源の温度Ｔ２を表わす
。

２０秒後に制御を開始して約８０秒後にΔＴ、がほぼＯ
となり安定した。

第４図は演算装置９における演算の他の例を表わすブロ
ック線図である。

この例では（１０）式の関係に基づいて制御を行ないＴ
１を算出している。すなわち、（１０）式の関係が成立
すると仮定すれば、Ｌｂ（Ｔ、）の値はε　１ となる。また、（１２〉式より ε＋　＝Ｌｂ（Ｔ２）／　Ｌｂ（ＴＩ）　　　　　　　
　　　　　（１４）が得られる。したがって〈１３〉式
に基づいてＬｂ（Ｔ、）の仮の値Ｌｂ（Ｔａ）を算出し
、さらにり１４）式により算出したε１の仮の値ε８が
ε、に等しくなる様に制御が行なわれる。

このとき、　Ｌｂ（Ｔａ）はＬｂ　（Ｔ　＋　）に等し
くなるから、前述と同様にして測定対象２の温度Ｔ、が
算出される。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、無視できない背光雑音が存在す
る環境で、非水冷遮蔽板を用いて背光雑音を消去するが
、その遮蔽板の放射率ε２には依存しないで、正しく測
定対象の温度を測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表わす図、第２図は第１図
の演算装置９における演算の一例を表わすブロック線図
、 第３図は第１図および第２図に表わした装置の動作を表
わす図、 第４図は第１図の演算装置９における演算の他の例を表
わすブロック線図、 第５図は遮蔽装置を持つ測温システムの概略図、第６図
は非水冷遮蔽板を用いる温度システ１１の概略図、 第７図は遮蔽装置を持たない測温システムの概略図、 第８図は非水冷遮蔽板を用いる測温システムにおいて、
遮蔽板の放射率ε２が１より小さい場合の測定誤差の計
算例を表わす図。 図において、 １・・・放射計、　　　　２・・・測定対象、３・・・
非水冷遮蔽板、　４・・・背光雑音源、５．６・・・放
射計、　　７・・・放射源、８・・・加熱／冷却装置、
１１・・・表面温度測定装置。 本発明の一実施例 第 図 第 図 第 図 測温誤差［”Ｃコ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、放射計と放射源とを、該放射源からの放射光が温度
   Ｔ＿１、放射率ε＿１の測定対象物の表面で反射して該
   放射計へ達する様に配置し、 該放射計で測定される放射輝度Ｌと該放射源の温度Ｔ＿
   ２を測定し、温度Ｔにおける黒体放射輝度をＬ＿ｂ（Ｔ
   ）としたとき、 Ｌ＝Ｌ＿ｂ（Ｔ＿２）＋（１−ε＿１）Ｌ＿ｂ（Ｔ＿２
   ）なる条件が成立する様に該放射源の温度Ｔ＿２を制御
   し、 式 Ｌ＿ｂ（Ｔ＿１）＝Ｌ＿ｂ（Ｔ＿２）／ε＿１より測定
   対象物の温度Ｔ＿１を算出することを特徴とする温度測
   定方法。 ２、請求項１記載の方法を実施するための温度測定装置
   であつて、 前記放射計、前記放射源、前記測定を行う測定手段、前
   記制御を行う制御手段、および前記算出を行う算出手段
   を具備することを特徴とする温度測定装置。