(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉内の被測定部材から放射される放射エネルギの強度から該被測定部材の温度を測定する温度測定方法であって、
被測定部材側表面に黒色の高輻射コーティングが固着され且つ熱源側表面に白金または銀から成る反射率の高い反射コーティングが固着されて前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を、開いた状態で該被測定部材を加熱する加熱工程と、
前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの放射エネルギ強度を検出する放射エネルギ強度検出工程と、
該放射エネルギ強度検出工程により検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいて前記被測定部材の温度を算出する温度算出工程と
を、含むことを特徴とする温度測定方法。
【請求項２】
加熱炉内の被測定部材から放射される放射エネルギの強度から該被測定部材の温度を測定する温度測定装置であって、
被測定部材側表面に黒色の高輻射コーティングが固着され且つ熱源側表面に白金または銀から成る反射率の高い反射コーティングが固着されて前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に設けられて該被測定部材と該加熱炉の炉壁との間を開閉する遮光装置と、
該遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの放射エネルギ強度を検出する放射エネルギ強度検出手段と、
該放射エネルギ強度検出手段により検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいて前記被測定部材の温度を算出する温度算出手段と
を、含むことを特徴とする温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定部材の温度よりもその周囲の壁体の温度が異なる場合でも、正確な温度を測定することができる温度測定方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非接触型の温度計測は工業的に有用であるために多用されている。このような非接触型の温度計測においては、１色法を用いた放射（輻射）温度計、２波長の放射エネルギ強度の比から求める２色法による放射温度計がある。前者の１色法を用いた放射温度計では、基準となる黒体の放射に対し、被測定部材からの放射エネルギの値を比較して温度を測定するものであることから、簡易ではあるが、放射率を設定入力する必要があるため、放射率が変化する被測定部材の温度測定には不向きであった。これに対し、２色法による放射温度計では、２波長の放射エネルギの比から温度が求られるので、放射率の項が相殺されて放射率が未知の被測定部材の温度も計測できる利点がある。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】
ところで、上記１色法や２色法に拘わらず非接触型放射温度計測において問題となるのは、迷光雑音が測定対象物からの放射光に含まれることに起因して、十分な温度測定精度が得られない場合があることである。迷光雑音とは、被測定対象物を加熱するための炉の内壁面や加熱ヒータ或いは加熱バーナなど、被測定対象物の周囲からの放射エネルギがその測定対象物の表面に反射されることにより測定対象物からのものとして検知された放射エネルギに含まれてしまう周囲からの放射エネルギである。被測定対象物の周囲からの放射エネルギに上記迷光雑音が含まれることにより、その迷光雑音だけ温度がずれて測定され、高温となるほど炉壁からの放射エネルギが大きくその影響が大きい。
【０００４】
これに対し、水冷遮光板の覗き開口部を通して炉内の被測定対象物からの放射エネルギを検出することで、測定対象物以外からの放射線を遮断するようにした非接触型放射温度測定装置が提案されている（特開平６−１４７９８９号）。しかし、このような装置では、室温近傍の比較的低温の計測であれば問題ないが、炉内温度が比較的高温となると、水冷遮光板が被測定対象物を冷却してしまうことになって測定精度が却って低下してしまう。また、２つの放射温度計を用いて測定対象物と炉壁温度とをそれぞれ測定し、得られた炉壁の放射エネルギに既知の反射率を掛けた値を迷光雑音成分とし、被測定対象物の放射エネルギからその迷光雑音成分を除去して被測定対象物の温度を算出するようにした非接触型放射温度測定装置が提案されている（特開平６−２５８１４２号）。しかし、炉壁温度は放射温度計により検知された１点で代表されるために炉壁に温度分布があるときには不適当である。たとえば電気炉では、発熱体の温度が高くそれ以外の部分との温度差が大きいため、炉壁温度の１点の測定で炉壁全体からの放射エネルギを算出することは温度測定精度を低下させるという問題があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、加熱炉内の被測定部材の表面温度を高い精度で測定するための温度測定方法および装置を提供することにある。
【０００６】
本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、電気炉の炉壁と被測定部材との間に開閉可能な遮光装置を介在させ、温度測定時にはその遮光装置を閉状態として電気炉内の被測定部材から放射される放射エネルギ強度を検出すると、炉壁やバーナ或いは電気ヒータなどからの場所的に不均一な迷光雑音が遮光装置により一様とされることから、その遮光装置の温度からそれによる迷光雑音を決定できるので、その放射エネルギ強度には迷光雑音を容易に除去できるようになるという事実を見出すことができた。本発明はその知見に基づいて為されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための第１の手段】
斯かる目的を達成するための方法発明の要旨とするところは、加熱炉内の被測定部材から放射される放射エネルギの強度から該被測定部材の温度を測定する温度測定方法であって、(a) 被測定部材側表面に黒色の高輻射コーティングが固着され且つ熱源側表面に白金または銀から成る反射率の高い反射コーティングが固着されて前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を、開いた状態で該被測定部材を加熱する加熱工程と、(b) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの放射エネルギ強度を検出する放射エネルギ強度検出工程と、(c) その放射エネルギ強度検出工程により検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいて前記被測定部材の温度を算出する温度算出工程とを、含むことにある。
【０００８】
【第１発明の効果】
このようにすれば、加熱工程において被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を開いた状態でその被測定部材を加熱された後、放射エネルギ強度検出工程では、被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの放射エネルギ強度が検出され、温度算出工程では、その放射エネルギ強度検出工程により検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいて前記被測定部材の温度が算出されることから、放射エネルギ強度検出中には、炉壁などから被測定部材へ向かって放射される放射エネルギが遮光装置により均一化されてその被測定部材の表面から反射されて検出される迷光雑音が予め遮光装置の温度に基づいて把握されるので、被測定部材から検出される放射エネルギ強度に混入する迷光雑音（迷光放射エネルギ）が容易に除去されるので、加熱炉内の被測定部材の表面温度が高い精度で測定される。また、遮光装置の反射コーティングおよび黒色の高輻射コーティングにより、発熱源であるバーナや炉壁からの放射が反射或いは吸収されて被測定部材に到達する迷光雑音が一様化される利点がある。
【０００９】
【第１発明の他の態様】
ここで、好適には、上記第１発明が、２色法の非接触型放射温度計測に適用された場合の温度分布測定方法の要旨とするところは、被測定部材の表面から放射される光のうちから選択された第１波長および第２波長を用いてそれぞれ得られたその被測定部材の２画像のうちの同じ部位で検出される放射強度の比に基づいて被測定部材の温度を画素単位でそれぞれ算出し、被測定部材表面の温度分布を測定するための温度分布測定方法であって、(a) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を開いた状態で該被測定部材を加熱する加熱工程と、(b) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で、前記被測定部材の表面から放射される光のうちから前記第１波長の光を選択するために、測定温度範囲の最低温度における黒体の波長に対する放射強度曲線のうち、常温における放射強度より高い高放射領域から選択された波長であって、その波長の１／２０以下の半値幅の光を通過させる第１フィルタを通して、前記被測定部材の表面から放射される光を前記画素単位で検出する第１波長放射エネルギ検出工程と、(c) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で、前記被測定部材の表面から放射される光のうちから第２波長の光を選択するために、前記高放射領域内において、前記第１波長の１／１２以下であり且つ前記第１波長の半値幅および前記第２波長の半値幅の和以上の波長差以上の波長差となるようにその第１波長からずらされた波長の光を通過させる第２フィルタを通して、前記被測定部材の表面から放射される光を前記画素単位で検出する第２波長放射エネルギ検出工程と、(d) その第１波長放射エネルギ検出工程および第２波長放射エネルギ検出工程によりそれぞれ検出された第１波長の放射エネルギ強度および第２波長の放射エネルギ強度に基づいてすなわちそれらの強度比に基づいて前記被測定部材の温度を前記画素単位で算出する温度算出工程とを、含むことにある。
【００１０】
このようにすれば、加熱工程において被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を開いた状態でその被測定部材を加熱された後、第１波長放射エネルギ強度検出工程および第２波長放射エネルギ強度検出工程では、被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの第１波長および第２波長の放射エネルギ強度が検出され、温度算出工程では、そのようにして検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいてすなわちそれら第１波長および第２波長の放射エネルギ強度の強度比に基づいて前記被測定部材の温度が画素単位で算出される。このとき、放射エネルギ強度検出中には、炉壁から被測定部材へ向かって放射され且つその被測定部材の表面から反射されてその被測定部材の表面から放射され且つ検出される放射エネルギ強度に混入する迷光雑音（迷光放射エネルギ）が遮光装置により均一化されるとともにその遮光装置の温度に基づいてその迷光雑音が予め決定され且つ除去され得るので、加熱炉内の被測定部材の表面温度が高い精度で測定される。また、被測定部材の表面から放射される光のうちから選択された第１波長および第２波長を用いてそれぞれ得られた被測定部材の２画像のうちの同じ部位で検出される放射強度の比に基づいて被測定部材の温度を画素単位でそれぞれ算出し、被測定部材表面の温度分布を測定するに際して、被測定部材の表面から放射される光のうちから前記第１波長の光を選択するために、測定温度範囲の最低温度における黒体の波長に対する放射強度曲線のうち、常温における放射強度より高い高放射領域から選択された波長であって、その波長の１／２０以下の半値幅の光を通過させる第１フィルタを用いて、前記被測定部材の表面から放射される光が透過させられ、また、被測定部材の表面から放射される光のうちから第２波長の光を選択するために、前記高放射領域内において、前記第１波長の１／１２以下であり且つ前記第１波長の半値幅および第２波長の半値幅の和以上の波長差となるようにその第１波長からずらされた波長の光を通過させる第２フィルタを用いて、前記被測定部材の表面から放射される光を透過させられることから、十分な放射強度の信号が得られてそのＳ／Ｎ比が高くなり、しかも互いに近接した第１波長の光および第２波長の光が得られるので、２色温度計の測定原理の前提である「近接する２波長では放射率の波長依存性は無視でき、ε1 ＝ε2 と近似できる」という条件に正確に該当することになり、十分に高精度の温度分布が得られる。
【００１１】
【課題を解決するための第２の手段】
また、上記方法発明を好適に実施するための装置発明の要旨とするところは、加熱炉内の被測定部材から放射される放射エネルギの強度から該被測定部材の温度を測定する温度測定装置であって、(a) 被測定部材側表面に黒色の高輻射コーティングが固着され且つ熱源側表面に白金または銀から成る反射率の高い反射コーティングが固着されて前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に設けられてその被測定部材と該加熱炉の炉壁との間を開閉する遮光装置と、(b) その遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの放射エネルギ強度を検出する放射エネルギ強度検出手段と、(c) その放射エネルギ強度検出手段により検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいて前記被測定部材の温度を算出する温度算出手段とを、含むことにある。
【００１２】
【第２発明の効果】
このようにすれば、放射エネルギ強度検出手段では、被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの放射エネルギ強度が検出され、温度算出手段では、その放射エネルギ強度検出手段により検出された被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいて前記被測定部材の温度が算出されることから、放射エネルギ強度検出中には、炉壁から被測定部材へ向かって放射され且つその被測定部材の表面から反射されてその被測定部材の表面から放射され且つ検出される放射エネルギ強度に混入する迷光雑音（迷光放射エネルギ）が遮光装置により均一化されるとともにその遮光装置の温度に基づいて予め決定され且つ除去され得るので、加熱炉内の被測定部材の表面温度が高い精度で測定される。また、遮光装置の反射コーティングおよび黒色の高輻射コーティングにより、発熱源であるバーナや炉壁からの放射が反射或いは吸収されて被測定部材に到達する迷光雑音が一様化される利点がある。
【００１３】
【第２発明の他の態様】
ここで、好適には、上記第２発明が、２色法の非接触型放射温度計測に適用された場合の温度分布測定装置の要旨とするところは、被測定部材の表面から放射される光のうちから選択された第１波長および第２波長を用いてそれぞれ得られたその被測定部材の２画像のうちの同じ部位で検出される放射強度の比に基づいて被測定部材の温度を画素単位でそれぞれ算出し、被測定部材表面の温度分布を測定するための温度分布測定装置であって、(a) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に設けられてその被測定部材と該加熱炉の炉壁との間を開閉する遮光装置と、(b) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で、前記被測定部材の表面から放射される光のうちから前記第１波長の光を選択するために、測定温度範囲の最低温度における黒体の波長に対する放射強度曲線のうち、常温における放射強度より高い高放射領域から選択された波長であって、その波長の１／２０以下の半値幅の光を通過させる第１フィルタを通して、前記被測定部材の表面から放射される光を前記画素単位で検出する第１波長放射エネルギ検出手段と、(c) 前記被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で、前記被測定部材の表面から放射される光のうちから第２波長の光を選択するために、前記高放射領域内において、前記第１波長の１／１２以下であり且つ前記第１波長の半値幅および前記第２波長の半値幅の和以上の波長差以上の波長差となるようにその第１波長からずらされた波長の光を通過させる第２フィルタを通して、前記被測定部材の表面から放射される光を前記画素単位で検出する第２波長放射エネルギ検出手段と、(d) その第１波長放射エネルギ検出手段および第２波長放射エネルギ検出手段によりそれぞれ検出された第１波長の放射エネルギ強度および第２波長の放射エネルギ強度に基づいてすなわちそれらの強度比に基づいて前記被測定部材の温度を前記画素単位で算出する温度算出手段とを、含むことにある。
【００１４】
このようにすれば、被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を開いた状態でその被測定部材を加熱された後、第１波長放射エネルギ強度検出手段および第２波長放射エネルギ強度検出手段では、被測定部材と前記加熱炉の炉壁との間に配置された遮光装置を閉じた状態で前記被測定部材からの第１波長および第２波長の放射エネルギ強度が検出され、温度算出手段では、そのようにして検出された前記被測定部材からの放射エネルギ強度に基づいてすなわちそれら第１波長および第２波長の放射エネルギ強度の強度比に基づいて前記被測定部材の温度が画素単位で算出される。このとき、放射エネルギ強度検出中には、炉壁から被測定部材へ向かって放射され且つその被測定部材の表面から反射されてその被測定部材の表面から放射され且つ検出される放射エネルギ強度に混入する迷光雑音が遮光装置により均一化されるとともにその遮光装置の温度に基づいて予め決定され且つ除去され得るので、加熱炉内の被測定部材の表面温度が高い精度で測定される。また、被測定部材の表面から放射される光のうちから選択された第１波長および第２波長を用いてそれぞれ得られた被測定部材の２画像のうちの同じ部位で検出される放射強度の比に基づいて被測定部材の温度を画素単位でそれぞれ算出し、被測定部材表面の温度分布を測定するに際して、被測定部材の表面から放射される光のうちから前記第１波長の光を選択するために、測定温度範囲の最低温度における黒体の波長に対する放射強度曲線のうち、常温における放射強度より高い高放射領域から選択された波長であって、その波長の１／２０以下の半値幅の光を通過させる第１フィルタを用いて、前記被測定部材の表面から放射される光が透過させられ、また、被測定部材の表面から放射される光のうちから第２波長の光を選択するために、前記高放射領域内において、前記第１波長の１／１２以下であり且つ前記第１波長の半値幅および第２波長の半値幅の和以上の波長差となるようにその第１波長からずらされた波長の光を通過させる第２フィルタを用いて、前記被測定部材の表面から放射される光を透過させられることから、十分な放射強度の信号が得られてそのＳ／Ｎ比が高くなり、しかも互いに近接した第１波長の光および第２波長の光が得られるので、２色温度計の測定原理の前提である「近接する２波長では放射率の波長依存性は無視でき、ε1 ＝ε2 と近似できる」という条件に正確に該当することになり、十分に高精度の温度分布が得られる。
【００１５】
また、好適には、前記第１フィルタは、前記第１波長の１／２０以下の半値幅の光を透過させるものであり、前記第２フィルタは前記第２波長の１／２０以下の半値幅の光を透過させるものである。このようにすれば、第１波長および第２波長の光が十分に単色性のあるものとされるので、２色温度計の測定原理の前提が満足され、温度分布の測定精度が十分に高められる。
【００１６】
また、好適には、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、それらの透過率の差が３０％以内なるように構成されたものである。このようにすれば、第１波長および第２波長の光のうち輝度の低い側の波長の光において、感度およびＳ／Ｎ比が維持されて温度分布の測定精度が得られる。
【００１７】
【発明の好適な実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施例の温度分布測定装置１０の構成を説明する図である。図１において、焼成炉、加熱炉などの炉内において加熱されている被測定部材１２の表面から放射された光は、ハーフミラー（ビームスプリッタ）１４により第１光路１６および第２光路１８に２分されるようになっている。第１光路１６および第２光路１８はミラー２０、２２によって略直角に曲げられた後ハーフミラー２４によって合成され、多数の光検出素子が配列された光検出面２６を備えたＣＣＤ素子２８と、その光検出面２６に被測定部材１２の画像を結像させるレンズ装置３０とを有する画像検出器３２に入射させられるようになっている。
【００１９】
上記第１光路１６および第２光路１８には、たとえば中心波長６００ｎｍ且つ半値幅１０ｎｍ程度の第１波長（帯）λ1 の光を通過させる第１フィルタ３４、およびたとえば中心波長６５０ｎｍ且つ半値幅１０ｎｍ程度の第２波長（帯）λ2 の光を通過させる第２フィルタ３６がそれぞれ介挿されている。上記第１フィルタ３４および第２フィルタ３６は、光波干渉を利用して所定の波長帯を通過させる所謂干渉フィルタから構成されている。
【００２０】
上記第１波長λ1 および第２波長λ2 は、たとえば以下のようにして決定されている。先ず、プランクの式により温度分布の測定温度範囲の最低温度たとえば５００℃における黒体の波長と放射（輻射）強度との間の関係すなわち図２に示す曲線Ｌ１が求められ、次いで室温たとえば２５℃における被測定部材１２からのバックグラウンド放射強度ＥBGが測定される。次いで、そのバックグラウンド放射強度ＥBGの３倍値すなわち３×ＥBGを上まわる曲線Ｌ１上の任意の１点が第１波長λ1 として決定される。検出誤差以上の強度を用いて測定精度を高めるためである。次に、第１波長λ1 の１／１２の波長以下の波長Δλだけたとえば第１波長λ1 を３．７５μｍとすれば１．２５μｍ（＝Δλ）だけ第１波長λ1 から上または下へずらした波長たとえば５．００μｍが第２波長λ2 として決定される。後述の２色温度計の原理を示す近似式（式１）を成立させるためである。なお、第１波長λ1 および第２波長λ2 は、放射強度の測定精度を維持するために相互の波長が重ならないように、以下において決定する半値幅の２倍以上の差が設けられるようにする。そして、上記第１波長λ1 および第２波長λ2 は、単色光の性質を維持するために、その中心波長の１／２０以下、たとえば１８０ｎｍ程度以下の半値幅が用いられる。また、第１フィルタ３４および第２フィルタ３６は、それらの透過率の差が３０％以内となるように構成されている。透過率の差が３０％よりも大きくなると、上記第１波長λ1 および第２波長λ2 のうちの輝度の低い側の波長の光において感度が低下してＳ／Ｎ比が下がり、表示温度の精度が低下する。
【００２１】
したがって、本実施例の温度分布測定装置１０には、被測定部材１２の表面から放射される光のうちから第１波長λ1 の光を選択するために、温度分布の測定温度範囲の最低温度付近における黒体の波長に対する放射強度曲線Ｌ１のうち、常温における放射強度ＥBGより十分に高い高放射領域から選択された波長であって、その波長の１／２０以下の半値幅の光を通過させる第１フィルタ３４と、被測定部材１２の表面から放射される光のうちから第２波長λ2 の光を選択するために、上記高放射領域内において、第１波長λ1 の１／１２以下であり且つ上記第１半値幅および第２半値幅の和以上の波長差だけその第１波長λ1 からずらされた波長であって、その波長の１／２０以下の半値幅の光を通過させる第２フィルタ３６とが設けられていることになる。
【００２２】
図１の光学系において、たとえばミラー２０、２２によってハーフミラー２４から画像検出器３２までの間において第１光路１６と第２光路１８とが上記第１画像Ｇ1 と第２画像Ｇ2 とが相互に重複しない程度に僅かにずらされることにより、ＣＣＤ素子２８の光検出面２６において波長の異なる２画像が結像されるようになっている。すなわち、前記画像検出器３２においては、たとえば図３に示すように、被測定部材１２の表面から放射される光のうちから第１フィルタ３４により選択された第１波長λ1 の被測定部材１２の第１画像Ｇ1 が光検出面２６上の第１位置Ｂ1 に結像され、且つ被測定部材１２の表面から放射される光のうちから第２フィルタ３６により選択された第２波長λ2 の被測定部材１２の第２画像Ｇ2 が、光検出面２６上の上記第１位置Ｂ1 とは異なる第２位置Ｂ2 に結像させられるようになっている。これにより、光検出面２６に配列された多数の光検出素子により、上記第１画像Ｇ1 の各部位の放射強度および第２画像Ｇ2 の各部位の放射強度が素子単位すなわち画素単位で検出されるようになっている。たとえば、前記ミラー２０、２２、ハーフミラー１４、２４、レンズ装置３０などが、被測定部材１２の画像を波長毎に同時に２位置に結像させるための第１波長選択工程、第２波長選択工程、或いは光学式結像装置に対応している。
【００２３】
演算制御装置４０は、たとえばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェースなどを含む所謂マイクロコンピュータであって、ＣＰＵは予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って入力信号、すなわち上記光検出面２６に配列された多数の光検出素子からの信号を処理し、画像表示器４１に被測定部材１２の表面温度分布を表示させる。
【００２４】
図４は、上記被測定部材１２を加熱する加熱炉４２を示している。加熱炉４２は、被測定部材１２を収容するために耐火レンガなどの無機断熱材から成る炉壁４４と、炉壁４４およびその一部に設けられたバーナ４６と被測定部材１２との間に配置されて開閉作動させられる遮光装置４８とを備えている。図５にその一部を詳しく示すように、この遮光装置４８は、フレーム５０と、そのフレーム５０に開位置と閉位置との間で回動可能に支持された複数枚の遮光板５２と、それらを駆動する駆動装置５４とを備えている。図４および図５の(a) は遮光装置４８が開らかれた状態を示し、図４および図５の(b) は閉じられた状態を示している。なお、上記遮光板５２には、たとえば白金、銀などの反射率の高い物質のコーティング或いは薄膜がその外側表面すなわち熱源側表面に固着され、内側表面すなわち被測定部材側表面には黒色の高輻射コーティングが固着され、発熱源であるバーナ４６や炉壁４４からの放射を反射或いは吸収して被測定部材１２に到達する迷光雑音が一様化されるようになっている。なお、遮光板５２の両表面に上記反射率の高いコーティング又は高輻射コーティングが固着されてもよい。
【００２５】
図６は、上記演算制御装置４０の演算制御作動の要部を説明するフローチャートである。遮光工程或いは遮光手段に対応するステップ（以下、ステップを省略する）Ｓ１では、それまでの加熱工程において加熱炉４２内で被測定部材１２の加熱のためにそれまで図４(a) 、図５(a) に示すように開かれていた遮光装置４８が、図４(b) 、図５(b) に示すように閉じられる。これにより、炉壁４４およびバーナ４６から被測定部材１２へ向かう放射光が一様化される。次いで、放射エネルギ強度検出工程或いは放射エネルギ強度検出手段に対応するＳ２では、遮光装置４８が閉じられた状態で、光検出面２６に配列された多数の光検出素子からの信号により、第１画像Ｇ1 の各部位の放射強度Ｅ1ij および第２画像Ｇ2 の各部位の放射強度Ｅ2ij が素子単位すなわち画素単位で検出され且つ読み込まれる。
【００２６】
続いて、迷光雑音除去工程或いは迷光雑音除去手段に対応するＳ３では、次式(1) 、(2) に従って、Ｓ２において検出された各部位の放射強度Ｅ1ij およびＥ2ij から、遮光装置４８の温度に基づいて予め求められた迷光雑音強度ΔＥ1ij およびΔＥ2ij が差し引かれることにより、迷光雑音が除去され、被測定部材１２から放射される本来の第１画像Ｇ1 の各部位の放射強度Ｅ1ij および第２画像Ｇ2 の各部位の放射強度Ｅ2ij が素子単位すなわち画素単位で得られる。上記迷光雑音強度ΔＥ1ij およびΔＥ2ij は、閉状態の遮光装置４８から被測定部材１２へ放射され且つその被測定部材１２の表面から反射されることにより測定光強度に混入するものであり、予め既知の各温度における閉状態の遮光装置４８の温度或いはそれからの放射エネルギ強度を予め測定し且つ上記被測定部材１２の反射率（透過率≒０ならば反射率＝１−放射率（吸収率））をそれに乗算することによって予め求められ、記憶される。
【００２７】
Ｅ1ij ＝Ｅ1ij −ΔＥ1ij   ・・・(1)
Ｅ2ij ＝Ｅ2ij −ΔＥ2ij   ・・・(2)
【００２８】
次いで、放射強度比算出工程或いは放射強度比算出手段に対応するＳ４では、光検出面２６内の第１位置Ｂ1 に結像された第１画像Ｇ1 および第２位置Ｂ2 に結像された第２画像Ｇ2 のうちの同じ部分に位置する光検出素子対がそれぞれ検出し且つ迷光雑音強度が除去された第１波長λ1 の放射強度Ｅ1ij と第２波長λ2 の放射強度Ｅ2ij との放射強度比Ｒij（＝Ｅ1ij ／Ｅ2ij 若しくは＝Ｅ2ij ／Ｅ1ij ）が逐次算出される。次いで、画素温度算出工程或いは画素温度算出手段に対応するＳ５において、たとえば図７に示す予め記憶された関係から上記画素毎に算出された実際の放射強度比Ｒijに基づいて、被測定部材１２の画像を構成する画素毎の温度Ｔijが逐次算出される。上記図７に示す関係は、たとえば式(1) に示す２色温度計の測定原理を示す近似式から得られるものである。式(1) は、放射率を用いなくても異なる２波長λ1 およびλ2 における放射（輻射）強度の比Ｒから被測定部材１２の表面温度Ｔを求めることができるように導かれたものである。以下の式において、λ2 ＞λ1 であって、Ｔは絶対温度を、Ｃ1 は放射（Planck）第１定数、Ｃ2 は放射（Planck）第２定数をそれぞれ示している。
【００２９】
Ｒ＝（λ2 ／λ1 ）5 
ｅｘｐ〔（Ｃ2 ／Ｔ）・（１／λ2 −１／λ1 ）〕  ・・・(3)
【００３０】
上式(3) は、以下のようにして求められる。すなわち、波長λにおいて単位時間、単位面積当たりに黒体から放射される放射強度（エネルギ）Ｅb およびλはプランク（Planck）の式である式(4) に従うことが知られている。また、 exp（Ｃ2 ／λＴ）＞＞１である場合には、ウイーン（Wien）の近似式である式(5) が成り立つことが知られている。通常の物体は灰色であるため、放射率εを入れて書き換えると、式(6) となる。この式(6) を用いて２波長λ1 およびλ2 の放射強度Ｅ1 およびＥ2 の比Ｒを求めると式(7) が導かれる。上記２波長λ1 およびλ2 が近接している場合には、放射率εの依存性を無視することができ、ε1 ＝ε2 となるので、前記式(3) が得られる。これによれば、放射率εの異なる物体であっても、それに影響なく温度Ｔを求めることができるのである。。
【００３１】
Ｅb ＝Ｃ1 ／λ5 〔exp （Ｃ2 ／λＴ）−１〕  ・・・(4)
Ｅb ＝Ｃ1   exp （−Ｃ2 ／λＴ）／λ5       ・・・(5)
Ｅ＝ε・Ｃ1   exp （−Ｃ2 ／λＴ）／・λ5   ・・・(6)
Ｒ＝（ε1 ／ε2 ）（λ2 ／λ1 ）5 
ｅｘｐ〔（Ｃ2 ／Ｔ）・（１／λ2 −１／λ1 ）〕  ・・・(7)
【００３２】
以上のようにして被測定部材１２の画像を構成する画素毎の温度Ｔijが算出されると、温度分布表示工程或いは温度分布表示手段に対応するＳ６において、予め記憶された関係から上記画素毎に算出された実際の温度Ｔijに基づいて被測定部材１２の表面の温度分布が表示される。その関係としては、たとえば図８に示す温度Ｔと表示色との関係が用いられる。この場合には、被測定部材１２の表面の温度分布が予め定められた温度色により表示される。
【００３３】
以下において、図１に示す光学系を用いて本発明者等が行った実験例を説明する。図１に示す光学系において、日本光学製の望遠レンズ（AF Zoom Nikkor ED 70-300mm F4-5.6D）付ＣＣＤカメラ（Santa Barbara Instruments Group 社製ST-7）が画像検出器３２として用いられる。また、ハーフミラー１４、２４はＢＫ７から構成されたシグマ光機社製のものであり、クロムプレートによる可視光用であって３０％反射、３０％透過のものである。ミラー２０、２２は、シグマ光機社製のものであり、アルミ平面ミラーであってＢＫ７から構成されている。第１フィルタ３４は６００ｎｍ且つ半値幅１０ｎｍ、第２フィルタ３６は６５０ｎｍ且つ半値幅１０ｎｍである。そして、被測定部材としてアルミナ基板（５０×５０×０．８ｍｍ）を外から内部が見えるように窓が設けられ且つバーナ４６の替えて電気ヒータが備えられた加熱炉４２の中央に配置し、室温から１０℃/ 分で１０００℃まで常温し、１時間保持後に上記アルミナ基板の表面温度分布を測定した。温度検出器（熱電対）４８の検知温度が１０００℃となる定常状態でそのアルミナ基板の温度を図６に示すステップで繰り返し測定したところ、測定値は１０００℃±５℃であった。
【００３４】
上記実験例の比較例１として、上記実験例と同様の光学系および演算ではあるが、迷光雑音強度を除去するための前記Ｓ３において、迷光雑音の除去計算が行わないようにして繰り返し測定したところ、測定値は１０１０℃±５℃であった。また、上記実験例の比較例２として、上記実験例と同様の光学系および演算ではあるが、遮光装置４８を設けず且つ迷光雑音強度を除去するための前記Ｓ３において、迷光雑音の除去計算が行わないようにして繰り返し測定したところ、測定値は１０１５℃±１０℃であった。
【００３５】
上述のように、本実施例によれば、加熱工程において被測定部材１２と加熱炉４２の炉壁４４との間に配置された遮光装置４８を開いた状態でその被測定部材１２を加熱された後、放射エネルギ強度検出工程或いは放射エネルギ強度検出手段に対応するＳ２では、被測定部材１２と加熱炉４２の炉壁４４との間に配置された遮光装置４８を閉じた状態で被測定部材１２からの放射エネルギ強度が検出され、温度算出工程或いは温度算出手段に対応するＳ５では、上記放射エネルギ強度検出工程或いは放射エネルギ強度検出手段に対応するＳ２により検出された被測定部材１２からの放射エネルギ強度に基づいて被測定部材１２の各部位の温度が算出されることから、放射エネルギ強度検出中には、炉壁４４から被測定部材１２へ向かって放射され且つその被測定部材１２の表面から反射されてその被測定部材１２の表面から放射され且つ検出されて放射エネルギ強度に混入する迷光雑音（迷光放射エネルギ）が遮光装置４８により均一化され且つ予め求められたその遮光装置４８からの迷光雑音が除去されるので、加熱炉４２内の被測定部材の表面温度が高い精度で測定される。
【００３６】
また、本実施例によれば、加熱炉４２の内壁面から被測定部材１２の表面へ放射される不均一な放射エネルギが遮光装置４８により遮断されるとともに、その遮光装置４８からは均一な放射エネルギが被測定部材１２へ放射されるので、その遮光装置４８の温度に基づいて被測定部材１２へ放射され且つその被測定部材１２の表面から反射される迷光雑音強度ΔＥ1ij およびΔＥ2ij が第１波長および第２波長毎に前記画素単位でそれぞれ予め求められ、次いで、被測定部材１２の表面から放射される放射エネルギであるとして実際に検出された放射エネルギ強度Ｅ1ij およびＥ2ij から、上記迷光雑音強度ΔＥ1ij およびΔＥ2ij が除去された後の放射エネルギ強度に基づいて被測定部材１２の温度が算出されるので、電気炉４２内の被測定部材１２の表面温度が高い精度で測定される。
【００３７】
また、本実施例によれば、上記迷光雑音強度ΔＥ1ij およびΔＥ2ij は、所定の演算周期で逐次算出され、その迷光雑音強度ΔＥ1ij およびΔＥ2ij が実際に検出された放射エネルギ強度Ｅ1ij およびＥ2ij から逐次除去されて、除去後の放射エネルギ強度Ｅ1ij およびＥ2ij から逐次電気炉４２内の被測定部材１２の表面温度が算出されるので、一層高い測定精度が得られる。
【００３８】
また、本実施例によれば、被測定部材１２の表面から放射される光のうちから選択された第１波長λ1 および第２波長λ2 を用いてそれぞれ得られた被測定部材１２の２画像Ｇ1 およびＧ2 のうちの同じ部位で検出される放射強度の比Ｒijに基づいて被測定部材１２の温度Ｔijを画素単位でそれぞれ算出し、被測定部材１２の表面の温度分布を測定するに際して、被測定部材１２の表面から放射される光のうちから前記第１波長λ1 の光を選択するために、温度分布の測定温度範囲の略最低温度における黒体の波長に対する放射強度曲線Ｌ１のうち、常温における放射強度ＥBGより高い高放射領域から選択された波長の光を通過させる第１フィルタ３４を用いて、被測定部材１２の表面から放射される光が透過させられ、また、被測定部材１２の表面から放射される光のうちから第２波長λ2 の光を選択するために、前記高放射領域内において、前記第１波長λ1 の１／１２以下であり且つその第１波長λ1 の半値幅Δλ1 および第２波長の半値幅Δλ2 の和以上の波長差となるように第１波長λ1 からずらされた波長の光を通過させる第２フィルタ３６を用いて、被測定部材の表面から放射される光を透過させられることから、十分な放射強度の信号が得られてそのＳ／Ｎ比が高くなり、しかも互いに近接した第１波長の光および第２波長の光が得られるので、「近接する２波長では放射率の波長依存性は無視でき、ε1 ＝ε2 と近似できる」という２色温度計の測定原理の前提条件が確実に成立することになり、十分に高精度の温度分布が得られる。
【００３９】
また、本実施例によれば、第１フィルタ３４は、第１波長λ1 の１／２０以下の半値幅Δλ1 の光を透過させるものであり、第２フィルタ３６は第２波長λ2 の１／２０以下の半値幅Δλ2 の光を透過させるものであることから、第１波長λ1 および第２波長λ2 の光が十分に単色性のあるものとされるので、２色温度計の測定原理の前提が満足され、温度分布の測定精度が十分に高められる。
【００４０】
また、本実施例によれば、第１フィルタ３４および前記第２フィルタ３６は、それらの透過率の差が３０％以内なるように構成されていることから、第１波長λ1 および第２波長λ2 の光のうち輝度の低い側の波長の光において、感度およびＳ／Ｎ比が維持されて温度分布の測定精度が得られる。
【００４１】
以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は他の態様においても適用される。
【００４２】
たとえば、前述の実施例において、第１波長λ1 および第２波長λ2 の２色の光を用いて被測定部材１２の温度分布を測定する２色法を用いて温度分布測定装置１０に付いて説明されていたが、１色法を用いて被測定部材１２の温度を測定する温度測定装置であってもよいし、３以上の波長を利用した多色法を用いて被測定部材１２の温度を測定する。
【００４３】
また、前述の実施例において、加熱炉４２内の被測定部材１２の放射光を検出するためにその電気炉４２に設けられる覗き窓は、電気炉４２の側壁、上壁、底壁のいずれに設けられていてもよい。
【００４４】
また、前述の実施例の温度分布測定装置１０に用いられた光学系に代えて、図９、図１０、図１１に示す光学系が用いられてもよい。図９に示す光学系では、１対の可動ミラー５０および５２が破線に示す位置に回動させられた状態において被測定部材１２の表面から放射される光を画像検出器３２の光検出面２６へ導く第１光路１６が形成され、上記１対の可動ミラー５０および５２が実線に示す位置に回動させられた状態において被測定部材１２の表面から放射される光を画像検出器３２の光検出面２６へ導く第２光路１８が形成されるようになっている。前述の実施例と同様に、上記第１光路１６には第１フィルタ３４が介挿され、第２光路１８には第２フィルタ３６が介挿されており、第１波長λ1 による第１画像Ｇ1 と第２波長λ2 による第２画像Ｇ2 が所定の時間差を経て得られる。図１０に示す光学系では、被測定部材１２から画像検出器３２の光検出面２６に至る光路に、モータ５４により回転駆動され且つ第１フィルタ３４および第２フィルタ３６が設けられた回転板５６が介挿されている。この回転板５６がモータ５４により回転させられるとき、被測定部材１２の表面から放射される光が第１フィルタ３４を通過することにより第１波長λ1 による第１画像Ｇ1 が得られるとともに、被測定部材１２の表面から放射される光が第２フィルタ３６を通過することにより第２波長λ2 による第２画像Ｇ2 が順次得られる。図１１に示す光学系では、被測定部材１２の表面から放射される光がハーフミラー１４によって第１光路１６および第２光路１８に２分され、それらの第１光路１６および第２光路１８毎に第１フィルタ３４および画像検出器３２と、第２フィルタ３６および画像検出器３２' とが設けられている。それ等第１フィルタ３４および第２フィルタ３６は画像検出器３２および３２' 内に設けられてもよい。本実施例においても、被測定部材１２の表面から放射される光が第１フィルタ３４を通過することにより第１波長λ1 による第１画像Ｇ1 が得られると同時に、被測定部材１２の表面から放射される光が第２フィルタ３６を通過することにより第２波長λ2 による第２画像Ｇ2 が得られる。
【００４５】
また、前述の実施例において、第１波長λ1 および第２波長λ2 は、図２の測定温度範囲の最低温度における黒体の波長に対する放射強度曲線Ｌ１のうち、常温における放射強度ＥBGの３倍以上高い高放射領域から選択されていたが、必ずしも３倍でなくてもよい。要するに、常温における放射強度ＥBGよりも高い領域であれば一応の効果が得られるのである。
【００４６】
また、前述の実施例において、第１波長λ1 の半値幅Δλ1 はその第１波長λ1 の１／２０以下の値とされ、第２波長λ2 の半値幅Δλ2 はその第２波長λ2 の１／２０以下の値とされていたが、必ずしも１／２０の値とされていなくてもよく、１／２０を少々越える場合であっても一応の効果が得られる。
【００４７】
また、前述の実施例において、第１フィルタ３４および第２フィルタ３６は、それらの透過率の差が３０％以内になるように構成されたものであったが、必ずしも３０％以内でなくてもよく、３０％を少々越える場合であっても一応の効果が得られる。
【００４８】
また、前述の図６のＳ６では、被測定部材１２の表面温度が色によって表示されていたが、等高線や濃淡などによって表示されても差し支えない。
【００４９】
また、前述の実施例の画像検出器３２では、光検出面２６を備えたＣＣＤ素子２８が用いられていたが、カラー撮像管など他の光検出素子が用いられてもよい。
【００５０】
また、前述の実施例では、光検出素子単位と画素単位とが一致させられていたが必ずしも一致しなくてもよく、互いに隣接する複数個の光検出素子が１画素単位とされていてもよい。
【００５１】
また、前述の図７に示す関係は、放射強度比ＲijがＥ1ij ／Ｅ2ij ( Ｅ600 ／Ｅ650 ）の場合に用いられるが、ＲijがＥ2ij ／Ｅ1ij である場合には傾きが逆となる関係が用いられる。
【００５２】
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の温度分布測定装置の構成を概略説明する図である。
【図２】図１の第１フィルタの波長λ1 と第２フィルタの波長λ2 を決定する方法を説明する図である。
【図３】図１の画像検出器３２の光検出面２６上に結像された第１画像Ｇ1 および第２画像Ｇ2 を説明する図である。
【図４】図１の被測定部材を加熱するための加熱炉内に配置された遮光装置の要部を示す図であって、(a) は開いた状態を示し、(b) は閉じた状態を示している。
【図５】図４の遮光装置の構成の要部を示す図であって、(a) は開いた状態を示し、(b) は閉じた状態を示している。
【図６】図１の演算制御装置の制御作動の要部を説明するフローチャートである。
【図７】図６のステップＳ５において、輻射強度比Ｒijから温度Ｔijを算出するために用いられる予め記憶された関係を示す図である。
【図８】図６の温度分布表示工程において表面温度Ｔから表示色を決定するために用いられる関係を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例において温度分布測定装置の光学系を説明する図であって、図１に相当する図である。
【図１０】本発明の他の実施例において温度分布測定装置の光学系を説明する図であって、図１に相当する図である。
【図１１】本発明の他の実施例において温度分布測定装置の光学系を説明する図であって、図１に相当する図である。
【符号の説明】
１０：温度分布測定装置（温度測定装置）
１２：被測定部材
４８：遮光装置
Ｓ１：遮光工程、遮光手段
Ｓ２：放射エネルギ強度検出工程、放射エネルギ強度検出手段
Ｓ５：温度算出工程、温度算出手段
【図１】
0003659412.tif 000002
【図２】
0003659412.tif 000003
【図３】
0003659412.tif 000004
【図４】
0003659412.tif 000005
【図５】
0003659412.tif 000006
【図６】
0003659412.tif 000007
【図７】
0003659412.tif 000008
【図８】
0003659412.tif 000009
【図９】
0003659412.tif 000010
【図１０】
0003659412.tif 000011
【図１１】
0003659412.tif 000012