(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジが狭い撮像手段を用いても温度域の広い高温体の表面温度を高温度分解能で測定すること。【解決手段】本発明の温度測定装置は、鋳片６から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段１０ａと、撮像手段１０ａの露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得手段１２ａと、データ取得手段１２ａが取得した複数の異なる露光時間による撮像データのアレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割手段１２ｂと、データ分割手段１２ｂにより分割された撮像データの輝度を露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換手段１２ｃと、温度変換手段１２ｃにより取得された温度分布を統合して、高温体の表面温度分布を得る温度分布統合手段１２ｄとを備える。【選択図】図４
2014202528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温体から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段と、
前記撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得手段と、
前記データ取得手段が取得した複数の異なる露光時間による撮像データの前記アレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割手段と、
前記データ分割手段により分割された撮像データの輝度を前記露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換手段と、
前記温度変換手段により取得された温度分布を統合して、前記高温体の表面温度分布を得る温度分布統合手段と、
を備えることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記複数の異なる露光時間は、一定倍数の間隔であることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記一定倍数は１／４倍より大きい倍数であることを特徴とする請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記一定倍数は４倍より小さい倍数であることを特徴とする請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記高温体は、連続鋳造ライン上を搬送される鋳片であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記変換範囲は、温度分解能が１より小さくなる輝度の範囲であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の温度測定装置。
【請求項７】
高温体から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段を用いて前記高温体の表面温度を測定する温度測定方法であって、
前記撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得ステップと、
前記データ取得ステップにて取得した複数の異なる露光時間による撮像データの前記アレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割ステップと、
前記データ分割ステップにて分割された撮像データの輝度を前記露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換ステップと、
前記温度変換手段により取得された温度分布を統合して、前記高温体の表面温度分布を得る温度分布統合ステップと、
を含むことを特徴とする温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度測定装置および温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品の製造工程中では、熱間における鉄鋼製品の温度分布を高精度に測定することが品質管理上で大変重要である。例えば、連続鋳造プロセスにおける鋳造中の鋳片の表面温度分布、熱間圧延中もしくは圧延後の熱延鋼板の表面温度分布、厚板製造プロセスにおける厚板の表面温度分布、および、シームレスパイプ製造プロセスもしくは鍛接鋼管製造プロセスにおけるパイプの表面温度分布は、製品の品質管理上で重要な監視項目であり、鋳片、熱延鋼板、厚板の幅方向、パイプの管方向の温度分布を連続的に測定し、その表面状態を常に監視することが望まれている。
【０００３】
高温の対象物の表面温度を測定する方法としては、対象物の表面に熱電対等を接触させて行う接触式の方法と、放射温度計等を用いて対象物から放射される放射エネルギー（赤外線）を検出することで行う非接触式の方法との２種類が主に知られている。このうち接触式の方法は、連続鋳造中の鋳片のように測定対象物が移動する場合に適用するのが難しいので、鋳片の表面温度の測定には、放射温度計が用いられるのが一般的である。代表的な放射温度計としては、サーモグラフィが挙げられる。
【０００４】
例えば、高炉から出てくる溶銑の温度を測定する場合では、汎用ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラ等を用いて、銑鉄から放射される放射エネルギー（赤外線）を検出する測定方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１９１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、鋳片、熱延鋼板、厚鋼板、シームレスパイプ、鍛接鋼管などは、製造ラインの同一箇所で測定する場合でも温度が大幅に異なるという特性がある。同一箇所で温度が異なる理由は、製造される製品の種類によって、成分、加熱温度、冷却パターンなどが異なるためである。しかも、温度の幅は約６００〜１０００℃となり非常に幅が広い。
【０００７】
その結果、汎用ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを用いて鋳片、熱延鋼板、厚鋼板、シームレスパイプ、鍛接鋼管などを温度測定しようとする場合、撮像した画像の輝度が汎用ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラのダイナミックレンジを超えてしまい温度測定が不可能となる。例えば、カメラに光を受ける時間である露光時間を著しく短くすると、高温の材であっても画像素子が飽和することなく撮像可能であるが、低温の材は温度分解能が低く有効な温度測定ができない。逆に低温の材を対象として露光時間を長くすると高温の材は画像素子が受けるエネルギーが大きくなりすぎて素子がサチュレーションしてしまい温度分布を測定できなくなる。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、ダイナミックレンジが狭い撮像手段を用いても温度域の広い高温体の表面温度を高温度分解能で測定することができる温度測定装置および温度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる温度測定装置は、高温体から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段と、前記撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得手段と、前記データ取得手段が取得した複数の異なる露光時間による撮像データの前記アレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割手段と、前記データ分割手段により分割された撮像データの輝度を前記露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換手段と、前記温度変換手段により取得された温度分布を統合して、前記高温体の表面温度分布を得る温度分布統合手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる温度測定方法は、高温体から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段を用いて前記高温体の表面温度を測定する温度測定方法であって、前記撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得ステップと、前記データ取得ステップにて取得した複数の異なる露光時間による撮像データの前記アレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割ステップと、前記データ分割ステップにて分割された撮像データの輝度を前記露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換ステップと、前記温度変換手段により取得された温度分布を統合して、前記高温体の表面温度分布を得る温度分布統合ステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる温度測定装置および温度測定方法は、ダイナミックレンジが狭い撮像手段を用いても温度域の広い高温体の表面温度を高温度分解能で測定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる温度測定装置を適用する連続鋳造機を示す概略図である。
【図２】図２は、連続鋳造機における隣り合う２つのロールセグメントを拡大した概略構成図である。
【図３】図３は、鋳片の搬送方向から観察したロールセグメントの概略構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、画像処理部が行う各処理を概念的に説明した概念図である。
【図６】図６は、温度分布を再構成する仕組みを示す概念図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態にかかる温度測定方法の手順を示すフローチャートである。
【図８】図８は、本発明の実施形態にかかる温度測定方法の異なる手順を示すフローチャートである。
【図９】図９は、各露光時間における温度と輝度の関係を実験的に調べたもののグラフである。
【図１０】図１０は、鋳片の表面の放射率により補正した温度と輝度の関係のグラフである。
【図１１】図１１は、輝度と温度との関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、露光時間を変化させる際の倍率と温度分解能との関係を示したグラフである。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法により鋳片の温度分布を測定した例を示す図である。
【図１４】図１４は、鋼管の製造ラインに対する本発明の適用例を示す概略構成図である。
【図１５】図１５は、被検体である鋼管の先頭を撮影した様子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法を図面に基づいて詳細に説明する。しかしながら、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１４】
〔温度測定装置〕
図１は、本発明の実施形態にかかる温度測定装置を適用する連続鋳造機１を示す概略図である。図１に示されるように、本発明の実施形態に係る連続鋳造機１は、溶鋼２が注入されるタンディッシュ３と、タンディッシュ３から浸漬ノズル４を介して注がれた溶鋼２を徐冷する銅製の鋳型５と、鋳型５から引き抜かれた半凝固状態の鋳片６を搬送する複数のロール７とを備える。連続鋳造機１に設けられた複数のロール７は、複数のロールセグメント８にユニット化されている。
【００１５】
連続鋳造機１により鋳造される鋳片６は、これら複数のロール７により連続的に搬送されながら、冷却ノズルにより冷却水が噴射され、適切な温度管理の下で冷却される。
【００１６】
図２は、連続鋳造機１における隣り合う２つのロールセグメント８を拡大した概略構成図であり、図３は、鋳片６の搬送方向から観察したロールセグメント８の概略構成図である。図２および図３に示されるように、ロールセグメント８は、鋳片６を反基準面側（上面側）から支持する上側ロール７ａと、基準面側（下面側）から支持する下側ロール７ｂと、これら複数の上側ロール７ａおよび下側ロール７ｂを保持する上側フレーム９ａおよび下側フレーム９ｂを主要構成として構成されている。
【００１７】
本発明の実施形態にかかる温度測定装置は、例えば２つのロールセグメント８の間隙を利用して鋳片６の表面温度を測定する。図２および図３に示されるように、本発明の実施形態にかかる温度測定装置では、２つのロールセグメント８の間隙付近に撮像手段１０ａ，１０ｂが配置され、撮像手段１０ａ，１０ｂが当該間隙を介して鋳片６の表面温度を測定する。
【００１８】
また、鋳片６の反基準面の表面温度を測定する際には、図３に示されるように、撮像手段１０ａ，１０ｂは、鋳片６の両側の斜め上方に配置される。鋳片６から立ち上る水煙が撮像手段１０ａ，１０ｂに直接的影響を及ぼすことを避けるためである。
【００１９】
例えば、図３に示されるように、撮像手段１０ａ，１０ｂは、撮像手段１０ａ，１０ｂを基準とした際の鋳片６の手前側端部面となす角が４０度かつ奥側端部面となす角が６５度となる位置に配置される。そのために、撮像手段１０ａ，１０ｂは、鋳片６の反基準面から上方１．８ｍの高さに配置されている。また、上側フレーム９ａを基準とした場合、撮像手段１０ａ，１０ｂは、上側フレーム９ａの上端から上方０．３ｍの高さに配置されている。
【００２０】
本発明の実施形態にかかる温度測定装置を適用する連続鋳造機１では、上記のように、設けられた複数のロールセグメント８のうち、適切なロールセグメント８を選択し、そのロールセグメント８の間隙に撮像手段１０ａ，１０ｂが配置される。
【００２１】
図４は、本発明の実施形態にかかる温度測定装置の概略構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では簡単のために、鋳片６の両側に配置された撮像手段１０ａ，１０ｂのうち、撮像手段１０ａに関する構成について説明を行うが、撮像手段１０ｂに関する構成についても同様構成となっている。
【００２２】
図４に示されるように、本発明の実施形態にかかる温度測定装置１１は、大きく分けて撮像手段１０ａと画像処理部１２とからなる。さらに、本発明の実施形態にかかる温度測定装置１１は、画像処理部１２の出力を出力するための出力手段１３を備えることが好ましい。
【００２３】
撮像手段１０ａは、鋳片６から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子からなるアレイ素子である。ここで、アレイ素子は、光電変換素子を１次元配列したいわゆるラインセンサを採用してもよく、また、光電変換素子を２次元配列したいわゆるイメージングセンサを採用してもよい。ただし、アレイ素子としてラインセンサを採用した場合、光電変換素子の１次元配列方向が、鋳片６の幅方向に対応するように光学系の位置等を調整することが好ましい。また、アレイ素子としてラインセンサを採用した場合であっても、２次元配列方向のうち一方を鋳片６の幅方向に対応するように光学系の位置等を調整することが好ましく、イメージングセンサの一部のラインをラインセンサのように使用する態様も本発明の範疇に属する。
【００２４】
撮像手段１０ａが使用する測定波長は、０．８５μｍ〜１．０μｍの範囲内とする。鋳片６の想定温度が約７００℃〜９００℃の範囲であり、この温度域の物質から輻射される光（電磁波）は、プランクの放射則によれば波長０．８５μｍ以上の赤外線が多く含まれる。そのため、この温度域の温度測定においては波長０．８５μｍ以上の測定光を使用することで外光ノイズの影響を受けず精度よく測定することが可能になる。よって、撮像手段１０ａは、波長が０．８５μｍより長い光線を透過するロングパスフィルターを備え、波長０．８５μｍ〜１．０μｍの範囲の光を測定するように構成されている。
【００２５】
撮像手段１０ａが撮像した画像のデータは、それぞれ独立に画像処理部１２のデータ取得手段１２ａへ伝送される。画像処理部１２は、データ取得手段１２ａとデータ分割手段１２ｂと温度変換手段１２ｃと温度分布統合手段１２ｄとを備える演算装置である。画像処理部１２は、例えば汎用計算機によって実現され、画像処理部１２内の各ブロックは、汎用計算装置によって実行されるプログラムによって実現され得る。
【００２６】
ここで、画像処理部１２の各機能について、図５を併せて参照することにより説明する。図５は、画像処理部１２が行う各処理を概念的に説明した概念図である。
【００２７】
データ取得手段１２ａは、撮像手段１０ａの露光時間を切換えて複数の異なる露光時間により鋳片６の撮像データを取得する。したがって、データ取得手段１２ａは、異なる露光時間で撮像された複数の撮像データを一時記憶する手段を併設している。また、データ取得手段１２ａが能動的に撮像手段１０ａを制御して、撮像手段１０ａの露光時間を切換える構成としてもよく、撮像手段１０ａに露光時間を切換える機能を内包させ、データ取得手段１２ａは、受動的に異なる露光時間で撮像された複数の撮像データを取得する構成としてもよい。
【００２８】
図５（ａ）は、データ取得手段１２ａにより取得された複数の異なる露光時間による鋳片６の一組の撮像データを示す概念図である。ここでは、撮像手段１０ａとして、ラインセンサを使用した場合を図示している。図５（ａ）に示されるように、データ取得手段１２ａは、例えば露光時間がｔ１からｔＮまでを一組とする撮像データを取得する。すなわち、撮像手段１０ａは、露光時間がｔ１からｔＮまでのライン画像を取得することを１ループとして、このループを鋳片６の搬送方向に走査することにより、鋳片６における複数の異なる露光時間による撮像データを取得する。
【００２９】
データ分割手段１２ｂは、データ取得手段１２ａが取得した複数の異なる露光時間による撮像データのアレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けする。
【００３０】
例えば、データ分割手段１２ｂは、図５（ｂ）に示されるような、鋳片６の表面温度と画像の輝度との対応データを備え、入力された画像の輝度から鋳片６の表面温度に変換する構成とすることができる。なお、図５（ｂ）に示されるような対応データは、事前にたとえば黒体炉を用いて温度と輝度の関係を測定しておくことにより取得することができる。なお、対応データの近似式を事前に計算しておき、この近似式の係数のみを記憶しておく構成とすることもできる。
【００３１】
図５（ｂ）に示されるように、露光時間により、鋳片６の表面温度と画像の輝度との関係は異なる。そして、撮像手段１０ａが飽和してしまう輝度に対応する鋳片６の表面温度も、露光時間により異なる。したがって、図５（ｂ）に示される例では、鋳片６の表面温度がＴ２からＴＮ−１まで分布しているとすると、露光時間がｔＮでは輝度が飽和してしまい測定に用いることができず、露光時間がｔＮ−１では輝度が飽和してしまい一部の温度範囲にしか測定に用いることができず、露光時間がｔ１では、温度分解能の高い輝度の範囲を低温部の測定に用いることができない。
【００３２】
そこで、データ分割手段１２ｂは、データ取得手段１２ａが取得した複数の異なる露光時間による撮像データのアレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けする。
【００３３】
すなわち、データ分割手段１２ｂは、図５（ｂ）に示されるように、各露光時間毎に最適な輝度の範囲が定まるので、各露光時間で撮像された撮像データのうち、この最適な輝度の範囲に属する画素のみを選択する。そして、温度変換手段１２ｃは、この選択された画素についての輝度温度変換を行う。
【００３４】
なお、変換範囲に区分けする処理と輝度温度変換する処理とは、逆順にすることができる。すなわち、複数の異なる露光時間による撮像データの全画素を輝度温度変換し、その後、各露光時間毎に最適な温度の範囲に区分けするという順序でも構わない。
【００３５】
図５（ｃ）は、上記のように、温度変換手段１２ｃが複数の異なる露光時間による撮像データの変換範囲について輝度温度変換をすることを示す概念図である。
【００３６】
温度分布統合部１２ｄは、上記のように温度変換手段１２ｃにより輝度温度変換された撮像データの変換範囲を統合して、一つの温度分布を得る。図５（ｄ）は、輝度温度変換範囲を統合して一つの温度分布を得る様子を示す概念図である。
【００３７】
その後、温度分布統合部１２ｄにより統合された温度分布は、出力手段１３に送られ、出力手段１３により鋳片６の表面の温度分布に再構成される。図５（ｅ）は、出力手段１３により鋳片６の表面の温度分布に再構成される様子を示す概念図である。
【００３８】
図６は、出力手段１３による温度分布を再構成する仕組みを示す概念図である。図６に示されるように、連続鋳造機１により鋳造される鋳片６は、ロールセグメント８の上側フレーム９ａにより妨げられ、鋳片６の一部のみが間隙から測定可能である。したがって、撮像手段１０ａは、この間隙を介して、鋳片６の表面の幅方向の１次元領域またはそれに近い２次元領域を測定する。そして、撮像手段１０ａに測定された測定データは、上述のように画像処理部により処理されて測定領域に対応する温度分布に変換される。
【００３９】
ここで、連続鋳造機１により鋳造される鋳片６は、ロールセグメント８間を刻一刻と搬送されて移動するので、ロールセグメント８の間隙から測定可能な領域も刻一刻と移動する。そこで、出力手段１３は、１次元領域またはそれに近い２次元領域の測定範囲を時間軸方向に並べて鋳片６の表面上の温度分布に再構築する。そして、出力手段１３は、再構築された温度分布を画面表示する。
【００４０】
〔温度測定方法〕
次に、本発明の実施形態にかかる温度測定方法について説明する。以下では、本発明の実施形態にかかる温度測定装置の構成を参照しながら、本発明の実施形態にかかる温度測定方法を説明するが、本発明の実施形態にかかる温度測定方法の実施は、これらの構成により限定されるものではない。
【００４１】
図７は、本発明の実施形態にかかる温度測定方法の手順を示すフローチャートである。図７に示されるように、本発明の実施形態にかかる温度測定方法は、撮像手段１０ａが複数の異なる露光時間による撮像データを取得することから始まる（ステップＳ１）。すなわち、撮像手段１０ａは、露光時間ｔ１で鋳片６を撮像し（ステップＳ１１）、露光時間ｔ２で鋳片６を撮像し（ステップＳ１２）、これを繰り返し、露光時間ｔＮで鋳片６を撮像し（ステップＳ１Ｎ）、複数の異なる露光時間による撮像データを取得する。撮像手段１０ａにより撮像された撮像データは、画像処理部１２のデータ取得手段１２ａにより取得され、一時記憶される。
【００４２】
その後、画像処理部１２のデータ分割手段１２ｂが、複数の異なる露光時間による撮像データのアレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けする（ステップＳ２）。そして、画像処理部１２の温度変換手段１２ｃが、分割された撮像データを輝度温度変換して温度分布を取得する（ステップＳ３）。その後、温度分布統合手段１２ｄが、温度変換手段１２ｃにより取得された温度分布を統合する（ステップＳ４）。
【００４３】
本発明の実施形態にかかる温度測定方法は、以上の処理を規定回数繰り返す（ステップＳ５）。すなわち、ステップＳ５では、上記処理が規定回数繰り返されたか否かの判定が行われ、規定回数に満たない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）ステップＳ１へ戻り、一方、規定回数を満たす場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）処理を終了する。なお、上記規定回数は、測定時間と撮像周期からあらかじめ計算で求めて決めてもよいし、測定対象の移動速度と測定対象の長さから計算で求めて決めてもよいし、測定中に任意に決定する方式としてもかまわない。
【００４４】
図８は、本発明の実施形態にかかる温度測定方法の異なる手順を示すフローチャートである。図８に示されるように、本発明の実施形態にかかる温度測定方法の異なる手順では、図７に示された本発明の実施形態にかかる温度測定方法の手順と比較して、処理が規定回数繰り返されたか否かの判定を行う順序が異なる。すなわち、図７に示された本発明の実施形態にかかる温度測定方法の手順では、一組の撮像データを取得する度に温度分布への変換を行うのに対し、図８に示された本発明の実施形態にかかる温度測定方法の異なる手順では、一組の撮像データを規定回数分まとめてから温度分布への変換を行う。図７および図８の各ステップにて行われる処理の詳細は同一なので、同一のステップ参照符号を付することにより、図８の各ステップの説明を省略する。
【００４５】
〔実施例〕
以下、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法における、実験データによる実施例を提示する。
【００４６】
図９は、撮像手段１０ａとしてＣＣＤカメラを用いて黒体炉を撮像し、各露光時間における温度と輝度の関係を実験的に調べたもののグラフである。図９には、露光時間が1/25sec、1/50sec、1/100sec、1/200sec、1/400sec、および1/800secの場合の温度と輝度の関係が示されている。
【００４７】
ところで、黒体炉の放射率は１であるとみなしてよいが、鋳片６の表面は放射率が０．９程度である。したがって、撮像手段１０ａが鋳片６を撮像したデータは、黒体炉で測定した温度と輝度の関係を補正して得られたものを用いて輝度温度変換されなければいけない。
【００４８】
図１０は、鋳片６の表面の放射率により補正した温度と輝度の関係のグラフである。図１０に示される温度と輝度の関係から回帰分析により下式（１）が得られる。ただし、Ｔは温度、Ｄは輝度、Ａ,Ｂは定数であり下記表１の値をとる。
【００４９】
【数１】
2014202528.tif 000003
【００５０】
【表１】
2014202528.tif 000004
【００５１】
図１１は、上記式（１）および表１により表される輝度と温度との関係を示すグラフである。図１１におけるグラフの傾きは、輝度が１変わる際の温度変化を表しているので、すなわち温度分解を意味していることになる。図１１にて各曲線上の四角で表す点は傾きが１になる点であり、図１１の各曲線上の四角より右側の曲線部分は温度分解能が１℃より小さい領域を意味する。
【００５２】
また、表２は、図１１における輝度が最大のときの温度と温度分解能(傾き)が１より小さくなる最低温度とを示したものである。
【００５３】
【表２】
2014202528.tif 000005
【００５４】
表２を考察すると解るように、最大輝度のときの温度が、１段階露光時間が短い場合の温度分解能＜１の最低温度よりも大きくなるように露光時間を定めれば、温度分解能を下げることが無く測定可能な温度範囲を広げることができる。
【００５５】
例えば、露光時間が1/25secにおける最大輝度のときの温度は756.9℃であるが、露光時間を１段階変化させた1/50secのときの温度分解能が１より小さくなる点の温度713.5℃より大きい。表２では、隣り合う露光時間の全てにおいて、このような関係が成立していることが解る。
【００５６】
したがって、表２に示されるように露光時間の間隔を設定した場合、露光時間が長いほうから順に、輝度最大となるまで温度が上がったら（すなわち、輝度が飽和したら）１段階短い露光時間のデータを用いる、という処理を繰り返すことで温度分解能を下げることが無く測定可能な温度範囲を広げることができる。
【００５７】
以上の考察により、例えば、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法の輝度温度変換における変換範囲は、以下のように決定される。
【００５８】
測定箇所における鋳片表面の予想温度は700度〜850度の範囲であるため、露光時間を合わせた温度測定の範囲が700度〜850度をカバーするように設定する必要がある。露光時間を３段階に変更する場合、ｔ１=1/25sec、ｔ２=1/50sec、ｔ３=1/100secと1/2倍ずつ露光時間が短くなるように設定する。
【００５９】
この場合、温度700℃〜756.9℃が露光時間1/25secの変換範囲に設定される。また、この露光時間1/25secの変換範囲を輝度の範囲に変換すると、輝度100〜255に対応する（図１０参照）。同様に、温度756.9℃〜803.8℃が露光時間1/50secの変換範囲に設定され、対応する輝度の範囲は133〜255である。また、温度803.8℃〜850℃が露光時間1/100secの変換範囲に設定され、対応する輝度の範囲は119〜212である。
【００６０】
以上のように、露光時間毎に使用する温度範囲(すなわち輝度範囲)を設定することにより、温度700℃〜850℃の温度測定範囲の温度を温度分解能が１より小さい条件で測定可能となる。
【００６１】
なお、上記例では、２つの露光時間において温度分解能が１より小さい条件を満たす場合(温度713.5℃〜756.9℃および温度773.6〜803.8℃)、長い露光時間の輝度値を用いるように設定している。しかしながら、２つの露光時間のうち、短い露光時間の輝度値を用いるように設定しても温度分解能を１以下とする測定が実現可能であるし、重複領域の中のある温度(たとえば中間の温度)で区切り、その温度より低い温度を長い露光時間の輝度値、高い温度を短い露光時間の輝度値を用いるようにしても良い。ただし、上記例のように、重複領域では、長い露光時間の輝度値を用いる温度分解能がより小さくなるので好ましい。
【００６２】
上記例では、露光時間を変化させる際に順に一定の倍数で変化させている。しかしながら、露光時間を適切に変化させれば一定の倍数でなくても同様の効果が実現可能である。一方で、上記例一定の倍数に変化させることで煩雑な計算を省き効率よく測定することが可能となる。
【００６３】
上記例では、露光時間を３段階に変化させるものとしたが、必ずしも３段階でなくても本発明を適切に実施することができる。例えば、２段階、４段階、それ以上のように対象の温度域をカバーするように変えてよい。また、上記例では、撮像する露光時間の順序はｔ１=1/50sec、ｔ２=1/200sec、ｔ３=1/800secのように順に小さくなるように露光時間を変更しているが、逆にｔ１=1/800sec、ｔ２=1/200sec、ｔ３=1/50secのように大きくなるように変更しても良い。この場合は、露光時間は1/2倍ずつ短くなるのではなく２倍ずつ長くなるが同じ効果が得られるのは言うまでも無い。また、露光時間を４段階以上に変化させる場合、1/2倍ずつ(もしくは２倍ずつ)４段階以上変化させた露光時間を用意し、これらの露光時間を自由に順序させても良い。
【００６４】
上述のように、露光時間を変化させる段数は２段階、３段階、および４段階などのいずれでも良いが、この段数を多くすると１Ｌｏｏｐ内で撮像する画像数が多くなるため、鋳片の流れ方向に対する空間分解能が低下する問題がある。例えば、鋳造速度が2m/minかつフレームレートが30fpsであることを仮定すると、空間分解能は２段階で2.2mmとなり、３段階で3.3mmとなり、４段階で4.4mmとなり、５段階で5.5mmとなる。したがって、フレームレートが30fpsのカメラを用いて鋳片上に残った冷却水の水滴などを識別する場合、空間分解能が4mm以下程度が望ましいので、露光時間を変化させる段数は３段階以下とするのが好適である。
【００６５】
また、測定対象の予想温度範囲がもっと広い場合は、露光時間を変更する段階の数を増やすことにより、本発明を適切に適用可能となる。例えば700℃〜1000℃の予想温度範囲の測定対象に対して、表２のように1/25sec、1/50sec、1/100sec、1/200sec、1/400sec、1/800secの６段階の露光時間を用いれば、700℃〜1000℃の温度測定範囲をカバーすることが可能となる。
【００６６】
図１２は、露光時間を変化させる際の倍率と温度分解能との関係を示したグラフである。図１２から読み取れるように、露光時間の変化率を1/4倍より大きくすると温度分解能は1.5℃以下となり精度よく温度分布を測定できることがわかる。さらに、露光時間の変化率を1/3倍より大きくすると温度分解能は1.0℃以下となりより精度よく温度分布を測定できることがわかる。
【００６７】
図１３は、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法により鋳片６の温度分布を測定した例を示す図である。図１３（ａ）は、鋳片６の温度分布を搬送方向１ｍおよび幅方向２ｍにわたり２次元表示した結果である。また、図１３（ｂ）は図１３（ａ）中の破線位置における断面温度分布を表すものである。図１３（ａ）および（ｂ）に示されるように、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法により鋳片６の温度分布を安定して測定できることが解る。
【００６８】
〔もう一つの適用例〕
以下、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法のもう一つの適用例について説明する。上述の実施形態の説明では連続鋳造機１により鋳造された鋳片６の表面温度の測定への適用を例としたが、以下の適用例は、鋼管の製造ラインに適用した場合の例である。
【００６９】
図１４は、鋼管の製造ラインに対する本発明の適用例を示す概略構成図である。例えばシームレス鋼管の製造ラインでは加熱された丸ビレットを穿孔機で中央に穴を開け、その後圧延して鋼管を製造する。鍛接鋼管では加熱された熱延板を板の幅方向に丸めて端部同士を鍛接してパイプ形状に形成して鋼管１４を製造する。図１４は、これらの製造ラインにおける搬送中の鋼管１４の温度を測定する際の適用例を示している。
【００７０】
図１４に示される概略構成図では、鋼管１４は、搬送ロール１５上を紙面垂直方向に搬送されている。そして、撮像手段として２次元ＣＭＯＳカメラ１６を用い、鋼管１４が側方から温度測定される。例えば、２次元ＣＭＯＳカメラ１６は、鋼管１４の製造ラインに併置された通路上に三脚等により固定されように設置されている。
【００７１】
２次元ＣＭＯＳカメラ１６は、搬送ロール１５上を搬送される鋼管１４を連続的に撮像し、撮像された撮像データは電気信号として画像処理部１２へ送信される。画像処理部１２の概略構成は、図４に示した構成と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００７２】
図１５は、被検体である鋼管１４の先頭を撮影した様子の模式図である。図１５に示される画像の中央に検査対象の鋼管１４が写っている。２次元ＣＭＯＳカメラ１６による撮像を繰り返すと、画面の中で被検体である鋼管１４が画面の左から右にシフトして動いていく。
【００７３】
例えば、搬送速度v=3m/secの被検体をフレームレートa=30fpsのカメラで撮影する場合、被検体は、連続するフレーム間でv/a=100mm移動する。つまり、被検体の搬送方向の視野サイズLを400mmととると、搬送方向１Loopの中で露光時間を変化させる段数Ｎを4段階に設定することで、L=N×v/aの関係を満たし１Loop毎に繰り返される同一の露光時間の撮影間で被検体の搬送方向に抜けが無く撮影が可能となる。
【００７４】
上記のように、搬送中の被検体を露光時間を変えて撮像する場合、各露光時間(ｔ1，ｔ2，ｔ３，ｔ４とする)に対応する画像間で、被検体の位置が変わってしまう。つまり、各露光時間による撮像データの分割および変換された温度分布の統合の際には、この被検体の移動に伴うズレを補正する必要がある。そこで、上記画像間のズレを補正しながら時間順に搬送方向に画像データを並べ、被検体の全長にわたる各露光時間ごとの輝度画像データを形成する。
【００７５】
上記のように形成された被検体の全長にわたる２次元輝度画像のデータは、図４を参照しながら説明したように、各露光時間毎にあらかじめ決めておいた温度と輝度の関係式に基づき、予め決められた輝度範囲のデータを変換して全長の温度画像データに変換する。この処理は、１次元と２次元画像の違いこそあるが先述同様の処理となるため説明を省略する。また、露光時間の設定方法などについても同様に設定しえる。
【００７６】
以上、本発明の実施形態にかかる温度測定装置および温度測定方法を鋳片および鋼管の表面温度の測定への適用例を用いて説明したが、本発明の実施はこの例に限定されず、熱延鋼板、厚鋼板などでもカメラを測定対象に対して適切に配置して、露光時間を対象の予想温度範囲を元に適切に設定さえすれば上記の実施例と同様の方法により簡易な方法で温度測定が可能になる。
【符号の説明】
【００７７】
１  連続鋳造機
２  溶鋼
３  タンディッシュ
４  浸漬ノズル
５  鋳型
６  鋳片
７  ロール
８  ロールセグメント
９ａ  上側フレーム
９ｂ  下側フレーム
１０ａ，１０ｂ  撮像手段
１１  温度測定装置
１２  画像処理部
１２ａ  データ取得手段
１２ｂ  データ分割手段
１２ｃ  温度変換手段
１２ｄ  温度分布統合手段
１３  出力手段
１４  鋼管
１５  搬送ロール
１６  ２次元ＣＭＯＳカメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月6日(2014.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温体から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段と、
前記撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得手段と、
前記データ取得手段が取得した複数の異なる露光時間による撮像データの前記アレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割手段と、
前記データ分割手段により分割された撮像データの輝度を前記露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換手段と、
前記温度変換手段により取得された温度分布を統合して、前記高温体の表面温度分布を得る温度分布統合手段と、
を備えることを特徴とする温度測定装置。
【請求項２】
前記複数の異なる露光時間は、最大輝度のときの温度が、１段階露光時間が短い場合の予め定めた温度分解能の最低温度よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記複数の異なる露光時間は、一定倍数の間隔であることを特徴とする請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記一定倍数は１／４倍より大きい倍数であることを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
【請求項５】
前記一定倍数は４倍より小さい倍数であることを特徴とする請求項３に記載の温度測定装置。
【請求項６】
前記高温体は、連続鋳造ライン上を搬送される鋳片であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の温度測定装置。
【請求項７】
前記変換範囲は、温度分解能が１より小さくなる輝度の範囲であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の温度測定装置。
【請求項８】
高温体から放射される光線の強度若しくはエネルギーを検出する光電変換素子をアレイ配列してなる撮像手段を用いて前記高温体の表面温度を測定する温度測定方法であって、
前記撮像手段の露光時間を切換えて複数の異なる露光時間による撮像データを取得するデータ取得ステップと、
前記データ取得ステップにて取得した複数の異なる露光時間による撮像データの前記アレイ配列に対応する画素を、各露光時間毎に決められた変換範囲に区分けするデータ分割ステップと、
前記データ分割ステップにて分割された撮像データの輝度を前記露光時間に応じて変換して温度分布を取得する温度変換ステップと、
前記温度変換手段により取得された温度分布を統合して、前記高温体の表面温度分布を得る温度分布統合ステップと、
を含むことを特徴とする温度測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
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