(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板を曲成し、突き合わせ部を加熱、溶接して溶接管を製造する工程において、突き合わせすべき金属板の端部近傍を測定対象熱源としてその温度を温度パターン測定装置を用いて測定する方法において、該測定装置により、基準熱源から放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布、および基準熱源の前面にスリットを置いて該スリットを通して放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布を予め測定し、これらの輝度分布または温度分布を比較することによって、前記基準熱源から放射される放射光の輝度または温度に対する前記基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の輝度または温度の減衰量を算出し、算出された減衰量に基づいて、測定対象熱源について測定した輝度または該輝度から演算された温度を補正することにより、前記突き合わせすべき金属板の端部近傍の温度を測定することを特徴とする溶接管の溶接部温度測定方法。
【請求項２】
金属板を曲成し、突き合わせ部を加熱、溶接して溶接管を製造する工程において、突き合わせすべき金属板の端部近傍を測定対象熱源としてそのピーク温度を温度パターン測定装置を用いて測定する方法において、該測定装置により、基準熱源から放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布、および基準熱源の前面に幅可変のスリットを置いて該スリットを通して放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布を予め測定し、画像表示されたこれらの輝度分布または温度分布を比較することによって、前記基準熱源から放射される放射光の輝度分布または温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度に対する前記基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の輝度分布または温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度の減衰量を算出するとともに、前記基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の画像表示された輝度分布または温度分布のピーク近傍におけるプロフィルの幅と前記減衰量との関係を求め、この関係に基づいて、測定対象熱源について測定した輝度分布または該輝度から演算された温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度を補正することにより、前記突き合わせすべき金属板の端部近傍の温度を測定することを特徴とする溶接管の溶接部温度測定方法。
【請求項３】
温度パターン測定装置が、ＣＣＤセンサと、該ＣＣＤセンサで検出された温度測定信号を画像演算することにより温度を測定する画像処理装置からなることを特徴とする請求項１または２記載の溶接管の溶接部温度測定方法。
【請求項４】
金属板を曲成し、突き合わせ部を加熱、溶接して溶接管を製造する工程において、突き合わせすべき金属板の端部近傍を溶接管の幅方向に走査するＣＣＤセンサと、該ＣＣＤセンサで検出された温度測定信号を画像演算することにより温度を測定する画像処理装置と、ＣＣＤセンサにより測定され画像表示された輝度分布または該輝度から演算された温度分布のプロフィルのピークを検知して該ピーク近傍におけるプロフィルの幅を測定し、基準熱源から放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算された温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度に対する基準熱源からの放射が基準熱源の前面に置いたスリットを通して行われた場合の輝度分布または該輝度から演算された温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度の減衰量と、基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の画像表示された輝度分布または温度分布のピーク近傍におけるプロフィルの幅との関係に基づいて、前記ＣＣＤセンサにより測定された画像表示された輝度分布または温度分布のプロフィルのピーク輝度またはピーク温度を補正する演算装置を備えることを特徴とする溶接管の溶接部温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶接管の溶接点近傍の局部的に加熱された個所の温度を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属板を曲成し、突き合わせ部を高周波電流などで溶接して溶接管を製造する工程において、溶接点近傍は局部的に加熱されるが、この加熱部分の温度分布は溶接条件に大きな影響を与えるため、溶接部の温度管理は、品質管理の上からきわめて重要であり、溶接点近傍の温度を正確且つ安定して測定することが要求される。
【０００３】
従来、溶接部の温度を測定する方式として、２色温度演算方式や熱放射温度センサを用いる方式が行われていた。（例えば、特公昭６０−２８５９０号公報、特開昭６２−３９７３４号公報）しかしながら、溶接点近傍のように、温度分布が急峻なピークを有するような場合、温度分布のプロフィルや加熱位置が変動するような場合には、これらの方式では測定誤差を生じることが避けられない。
【０００４】
赤外線カメラ、近赤外ＣＣＤカメラなどの温度パターン測定装置を用いるものも提案されており、この装置は加熱された高温材料の温度パターンを測定するためのセンサーとしてきわめて優れているが、この装置を用いる方式においても、温度分布が急峻なピークを有するものである場合には、レンズの収差や回折現象、信号処理回路の周波数特性などにより、測定される画像がぼけて、無視できない温度誤差が生じるという問題点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、溶接管の溶接点近傍の温度測定における上記従来題点を解消するために、近赤外ＣＣＤカメラなどの温度パターン測定装置を用いる温度測定方式をベースとしてなされたものであり、その目的は、この方式における問題点である画像のぼけによる測定誤差を補正して、溶接点近傍の温度を精度良く且つ安定して測定することを可能とする溶接管の溶接部温度測定方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による溶接管の溶接部温度測定方法は、金属板を曲成し、突き合わせ部を加熱、溶接して溶接管を製造する工程において、突き合わせすべき金属板の端部近傍を測定対象熱源としてその温度を温度パターン測定装置を用いて測定する方法において、該測定装置により、基準熱源から放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布、および基準熱源の前面にスリットを置いて該スリットを通して放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布を予め測定し、これらの輝度分布または温度分布を比較することによって、前記基準熱源から放射される放射光の輝度または温度に対する前記基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の輝度または温度の減衰量を算出し、算出された減衰量に基づいて、測定対象熱源について測定した輝度または該輝度から演算された温度を補正することにより、前記突き合わせすべき金属板の端部近傍の温度を測定することを特徴とする。
【０００７】
また、金属板を曲成し、突き合わせ部を加熱、溶接して溶接管を製造する工程において、突き合わせすべき金属板の端部近傍を測定対象熱源としてそのピーク温度を温度パターン測定装置を用いて測定する方法において、該測定装置により、基準熱源から放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布、および基準熱源の前面に幅可変のスリットを置いて該スリットを通して放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算される温度分布を予め測定し、画像表示されたこれらの輝度分布または温度分布を比較することによって、前記基準熱源から放射される放射光の輝度分布または温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度に対する前記基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の輝度分布または温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度の減衰量を算出するとともに、前記基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の画像表示された輝度分布または温度分布のピーク近傍におけるプロフィルの幅と前記減衰量との関係を求め、この関係に基づいて、測定対象熱源について測定した輝度分布または該輝度から演算された温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度を補正することにより、前記突き合わせすべき金属板の端部近傍の温度を測定することを特徴とする。
【０００８】
さらに、温度パターン測定装置が、ＣＣＤセンサと、該ＣＣＤセンサで検出された温度測定信号を画像演算することにより温度を測定する画像処理装置からなることを本発明による方法の第３の特徴とする。
【０００９】
本発明による溶接管の溶接部温度測定装置は、金属板を曲成し、突き合わせ部を加熱、溶接して溶接管を製造する工程において、突き合わせすべき金属板の端部近傍を溶接管の幅方向に走査するＣＣＤセンサと、該ＣＣＤセンサで検出された温度測定信号を画像演算することにより温度を測定する画像処理装置と、ＣＣＤセンサにより測定され画像表示された輝度分布または  輝度から演算された温度分布のプロフィルのピークを検知して該ピーク近傍におけるプロフィルの幅を測定し、基準熱源から放射される放射光の輝度分布または該輝度から演算された温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度に対する基準熱源からの放射が基準熱源の前面に置いたスリットを通して行われた場合の輝度分布または該輝度から演算された温度分布におけるピーク輝度またはピーク温度の減衰量と、基準熱源の前面に置いたスリットを通して放射される放射光の画像表示された輝度分布または温度分布のピーク近傍におけるプロフィルの幅との関係に基づいて、前記ＣＣＤセンサにより測定された画像表示された輝度分布または温度分布のプロフィルのピーク輝度またはピーク温度を補正する演算装置を備えることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明においては、一次元ないし二次元温度分布測定装置が対象となるが、二次元ＣＣＤ素子を応用したテレビカメラを例として本発明の方式を説明する。本発明においては、図１に示すように、溶接管の溶接点近傍の温度測定個所にＣＣＤカメラを設置し、ＣＣＤカメラにより溶接管の幅方向を走査する。ＣＣＤカメラは、周囲の照明光を遮断するために、近赤外にのみ感度を有するものを使用する。
【００１１】
溶接管の溶接点近傍は、曲成金属板が予熱され、金属板の突き合わせすべき端部（母材端部）近傍は電流が集中して高温に加熱されているため、図２に示す溶接点近傍における溶接管幅方向の測定範囲の温度分布をＣＣＤカメラで測定した場合、図３に示すように、バイアス温度とピーク温度のある急峻な温度分布を示す。ピーク温度は溶接作業管理にきわめて重要であり、溶接作業条件が変わると、バイアス温度とピーク温度は無関係に変動する。従来のＣＣＤセンサを用いる方式によりこのようなピーク状プロフィルを有する温度分布を測定した場合には測定誤差が生じていた。
【００１２】
図１の装置によって、図２に示す溶接点近傍の測定個所の走査線Ａ−Ａ上を走査して輝度分布（原像）｛Ｘｉ  ｝を測定する場合、近赤外フィルタを通過した放射光は、ＣＣＤカメラ内のレンズに集光し、ＣＣＤセンサに結像されて電気信号に変換され、画像処理装置内のアンプ、ＡＤ変換器を通してデジタル信号に変換され、画像演算されて画像メモリに画像表示される。
【００１３】
ＣＣＤセンサは、図３に示すように、画像表示された輝度分布の座標、すなわち画素に対応する感光素子を二次元状に配設してなるものであり、画像メモリ上に表示された輝度信号を｛Ｙｉ  ｝（添字ｉは画素に対応する）とすると、前記の｛Ｘｉ  ｝との間に（１）式、（２）式の関係が成り立つ。
【００１４】
0003565549.tif 000002
【００１５】
上記の式において、トタンスファ関数｛Ｃｊ  ｝が求められていれば、（１）式を逆変換して測定値｛Ｙｉ  ｝から原像｛Ｘｉ  ｝を求めることができるが、演算に時間がかかるとともに誤差も大きくなり、実用上問題が多いため、本発明では以下の方法に従う。
【００１６】
溶接管の溶接点近傍において、金属板の突き合わせすべき端部（母材端部または母材エッジ部）近傍（図２）では、集中的に加熱電流が流れて温度が上昇し、図３に示すように、温度分布に２つのピークが生じているが、当該ピーク温度近傍の輝度分布プロフィルから輝度を補正することが可能となる。
【００１７】
まず、トタンスファ関数｛Ｃｊ  ｝の測定方法を示す。画像メモリに記録、表示された母材端部近傍の輝度測定値｛Ｙｉ  ｝が図５に示すようなものであるとし、図４に示すように、ＣＣＤセンサの感光素子の上に、図５のピーク輝度部分（母材エッジ部分）の縦一列の画素に対応する細いスリットを置き、放射光をこのスリットを通して受光したとすれば、画像表示された輝度分布はややぼけたプロフィルを示し、（１）式より、Ｃｉ  ＝Ｙｉ  （ｉは画素の番号に対応）（（３）式）の関係が成り立ち、｛Ｙｉ  ｝の分布がそのままトランスファ関数と一致する。
【００１８】
この方法は原理的には簡単であるが、細いスリットをＣＣＤセンサの感光素子の上に正確に形成することが難しいことから、つぎの方法を適用する。すなわち、黒体炉の開口前に幅可変のスリットを置き、スリットの幅を変化させて、スリットを通して放射された黒体炉からの放射光の輝度分布を検出して、ピーク輝度ｙｐ  （Ｎ）（２Ｎはスリット幅）を測定し、黒体炉からスリットを通すことなしに放射された放射光の輝度分布｛Ｙｉ  ｝のピーク輝度に対する減衰量を求め、この減衰量から｛Ｃｊ  ｝を算出する方法である。
【００１９】
原像｛Ｘｉ  ｝は（４）式で示され、測定されたピーク輝度ｙｐ  は（５）式で示される。（５）式を変形すると（６）式が得られる。従って、スリット幅を変化させ、スリットを通して放射された黒体炉からの放射光のピーク輝度を求めると、トランスファ関数｛Ｃｊ  ｝を算出することができる。このようにして算出した｛Ｃｊ  ｝の例を表１、表２に示す。｛Ｃｊ  ｝が算出されれば、任意の輝度分布プロフィルを有する原像｛Ｘｉ  ｝に対して測定された輝度分布またはピーク輝度の減衰量が（１）式から計算できる。
【００２０】
｛ｘｉ  ｝＝１    −Ｎ  ≦ｉ  ≦Ｎ          （４）
｛ｘｉ  ｝＝０    −Ｎ  ≧ｉ  ｏｒ  ｉ≦Ｎ
【００２１】
0003565549.tif 000003
【００２２】
ｃ０  ＝ｙｐ（０）
ｃｊ  ＝０．５（ｙｐ（ｊ）−ｙｐ（ｊ−１））    ｊ  ≧１  （６）
【００２３】
【表１】
0003565549.tif 000004
【００２４】
【表２】
0003565549.tif 000005
【００２５】
溶接点近傍の母材部分が一定の温度を有し、母材端部が局部加熱されて、輝度分布にピークを有する場合の原像｛Ｘｉ  ｝と、原像｛Ｘｉ  ｝の測定値｛Ｙｉ  ｝の関係を（１）式から計算した。この場合、図６に示すように、原像が正規分布、三角分布、矩形分布を有するものとし、測定された｛Ｙｉ  ｝のピーク近傍のプロフィルを示すパラメータとしてピーク輝度の９０％部分（０．９ｙｐ  ）における幅ｗを用い、測定された輝度分布プロフィルのピーク輝度ｙｐ  （原像の対して減衰したピーク輝度）とｗとの関係を、原像の形状とバイアスが変化した場合について求めた。その結果を図７に示す。
【００２６】
図７にみられるように、原像の形状やバイアスレベルが変化しても、ｙｐ  とｗの関係は略同一の曲線で表される。スリットを置くものは矩形分布に対応する。すなわち、原像がスリット状の狭い輝度分布を有する場合、測定した｛Ｙｉ  ｝のプロフィルからピーク近傍の幅ｗを測定し、予め求めてある基準熱源（黒体炉）からの放射がスリットを通して行われた場合について表示された輝度プロフィルのピーク近傍の幅ｗとピーク輝度の減衰量ｙａｐ（ｗ）との関係から、ピーク輝度ｙｐ  を補正することができる。
【００２７】
補正されたピーク輝度ｙｐ  ＊（ｗ）は、ｙｐ  ＊（ｗ）＝ｙｐ  （ｗ）／ｙａｐ（ｗ）（（７）式）であり、予め基準熱源（黒体炉）を用いて求めてあるＣＣＤカメラによる輝度と黒体炉の温度との関係式から、ピーク輝度ｙｐ  ＊（ｗ）に対応する温度を算出する。黒体炉の温度をＴ（Ｋ）、測定された輝度値をＢとすると、Ｗｉｅｎの式から、Ｂ（Ｔ）＝（ｃ／λ５  ）ｅｘｐ（−Ｃ２  ／λＴ）（（８）式）、但し、ｃは変換係数、Ｃ２  ＝０．１４３８８（ｍＫ）、λは測定波長である。
【００２８】
従って、ピーク温度Ｔｐ  は、Ｔｐ  ＝−Ｃ２  ／λｌｎ（ｙｐ  ＊（ｗ）／ｃ）（（９）式）となる。以上説明した例においては、測定された｛Ｙｉ  ｝のピーク部分を示すパラメータとしてピーク輝度ｙｐ  の０．９ｙｐ  における幅ｗを用いたが、輝度分布プロフィルの曲率などをパラメータとすることもできる。
【００２９】
以上のとおり、予め基準熱源により測定された輝度プロフィルのピーク近傍の幅ｗとピーク輝度の減衰量ｙａｐ（ｗ）の関係を示す補正曲線を求めておき、実測した輝度分布プロフィルからピーク輝度とピーク近傍のプロフィルの幅ｗを測定し、（７）〜（９）式からピーク温度を計算する演算装置を内蔵しておくことにより、ピーク温度が正確に測定できることとなる。輝度から温度を算出するための演算装置を内蔵させて温度分布を表示させ、輝度分布を介することなしに、直接ピーク温度を検出することも可能である。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明による溶接管の溶接部温度測定装置を用いた測定例について説明する。先ず、測定波長が０．８〜１．２μｍであるＣＣＤカメラの黒体炉検定のために、温度測定範囲を１１００〜１５００℃とし、黒体炉の温度をこの範囲にわたって変化させ、ＣＣＤカメラの信号出力を測定した。
【００３１】
ＣＣＤカメラのビデオ信号は０．３〜１．０Ｖの間を変化し、この範囲をＡＤ変換して０〜２５５ビットに対応させた。このような測定を複数回行い、炉温と平均のカメラ出力との関係を表３に示す。
【００３２】
【表３】
0003565549.tif 000006
【００３３】
ついで、測定されたピーク輝度の減衰量についての補正曲線を求めるために、黒体炉の開口前に幅可変のスリットを置き、スリット幅を変え、また黒体炉の温度を１１００℃、１３００℃、１５００℃に変化させて、測定表示された輝度分布プロフィルのピーク輝度ｙｐ  、ピーク輝度ｙｐ  の９０％部分（０．９ｙｐ  ）のプロフィルの幅ｗｐ  を求めた。結果をスリット幅の変化とともに表４に示す。なお、ＣＣＤカメラの視野幅は３０ｍｍであり、３００画素で測定した。
【００３４】
【表４】
0003565549.tif 000007
【００３５】
表３に示すピーク輝度の平均減衰量は、スリット幅が広くなって減衰がなくなる範囲での輝度を１．０として計算されている。この平均減衰量ｙａｐ（ｗ）に基づいて測定されたピーク輝度を補正する。
【００３６】
つぎに、黒体炉の温度を１４５０℃とし、スリット幅を変化させた場合の測定輝度を上記で求めたピーク輝度の補正曲線を用いて補正し、補正後のピーク輝度の値に基づいて求めた黒体炉の温度と比較した。その結果を表５に示す。表５にみられるように、両者は良く対応しており、誤差は１．０％以下に納まっている。
【００３７】
【表５】
0003565549.tif 000008
【００３８】
本発明による溶接管の溶接部温度測定装置を電縫管製造ラインに設置し、溶接点近傍の温度を測定した結果（発明）を、従来の二色温度計方式による温度測定装置で測定した結果（従来）と対比して図８に示す。図８に示すように、二色温度計は、突き会わされる鋼板の端部近傍の高温部分を測定するよう設置されているが、端部が揺動したり、高輝度部分の幅が変化するたびに大きな誤差が生じている。これに対して、本発明の装置を使用した場合には、安定した測定信号を得ることができる。
【００３９】
本発明は、電縫管の製造のみでなく、レーザなどの入熱方式を組合わせて高周波加熱を補助的に用いる溶接方式、局部的に加熱して溶接する方式のものにも適用できることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、近赤外ＣＣＤカメラなどの温度パターン測定装置を用いる温度測定方式における問題点である画像のぼけによる測定誤差を補正して、溶接点近傍の温度を精度良く且つ安定して測定することを可能とし、溶接管の溶接作業管理に顕著な効果を発揮し得る溶接管の溶接部温度測定方法および装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置構成を示す概略図である。
【図２】溶接点近傍の詳細と温度測定範囲を示す拡大平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿って測定された温度分布を示す図である。
【図４】ＣＣＤセンサの感光素子の配列を示す図である。
【図５】画像表示された輝度分布を示す図である。
【図６】原像の輝度の形状と測定された輝度分布のプロフィルを示す図である。
【図７】測定されたピーク輝度の補正曲線を示すグラフである。
【図８】本発明による温度測定結果と従来の二色温度計方式による温度測定結果を比較して示すグラフである。
【図１】
0003565549.tif 000009
【図２】
0003565549.tif 000010
【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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