(57)【要約】【課題】測定対象物からの熱放射光が光路上に存在する吸収体や散乱体により減衰する状況下において、熱放射光の減衰量を事前に知ることなくより高精度に温度測定を行うこと。【解決手段】測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、近赤外帯域で分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体及び熱放射光を散乱させる散乱体が光路上の少なくとも一部に存在している状態で互いに異なる３種類の波長で測定し、３種類の波長での熱放射光の放射輝度の測定データと、予め取得した３種類の波長での分光吸収係数と、３種類の波長での測定対象物の分光放射率が等しいという仮定又は予め取得した３種類の波長での測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、３種類の波長に対応する関係式を互いに連立し、測定対象物の温度を算出する。３種類の波長のうち少なくとも２種類は、分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される。【選択図】図４Ａ
2019020370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、前記熱放射光を散乱させる散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて前記測定対象物の温度を測定する装置であって、
前記測定対象物の前記熱放射光を、互いに異なる３種類の波長でそれぞれ測定し、当該３種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成する測定部と、
前記測定部により生成された前記３種類の波長に対応する前記測定データと、予め取得した前記３種類の波長における前記分光吸収係数と、前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記３種類の波長それぞれに対応する前記関係式を互いに連立して演算を行うことにより、前記測定対象物の温度を算出する演算処理部と、
を備え、
前記３種類の波長のうち少なくとも２種類は、前記吸収体の前記分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される、温度測定装置。
【請求項２】
前記演算処理部は、
前記３種類の波長に対応する第１〜第３の前記測定データを利用し、第１の前記測定データと第２の前記測定データとに基づき、測定データの一方を他方で除した第１の二色比を算出するとともに、前記第１の測定データと第３の前記測定データとに基づき、第２の前記二色比を算出し、
予め特定した前記３種類の波長におけるそれぞれの分光放射率を利用するか、又は、前記３種類の波長の間で分光放射率が互いに等しいと近似した上で、算出した前記第１の二色比及び第２の二色比を利用して、当該二色比と温度との間の関係式を連立することで前記測定対象物の温度を算出する、請求項１に記載の温度測定装置。
【請求項３】
前記演算処理部は、前記関係式として、二色比と温度とを対応付ける指数関数からなる理論式、又は、当該理論式を多項式近似した近似式を利用する、請求項２に記載の温度測定装置。
【請求項４】
前記吸収体は、水、油脂、溶液、ガラス又は樹脂の少なくとも何れかである、請求項１〜３の何れか１項に記載の温度測定装置。
【請求項５】
測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、前記熱放射光を散乱させる散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて前記測定対象物の温度を測定する方法であって、
前記測定対象物の前記熱放射光を、互いに異なる３種類の波長でそれぞれ測定し、当該３種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成するステップと、
生成された前記３種類の波長に対応する前記測定データと、予め取得した前記３種類の波長における前記分光吸収係数と、前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記３種類の波長それぞれに対応する前記関係式を互いに連立して演算を行うことにより、前記測定対象物の温度を算出するステップと、
を含み、
前記３種類の波長のうち少なくとも２種類は、前記吸収体の前記分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される、温度測定方法。
【請求項６】
測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、前記熱放射光を散乱させる散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で、互いに異なる３種類の波長でそれぞれ測定し、当該３種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成し、前記３種類の波長のうち少なくとも２種類は、前記吸収体の前記分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される測定部からのデータの取得が可能なコンピュータに、
前記測定部により生成された前記３種類の波長に対応する前記測定データと、予め取得した前記３種類の波長における前記分光吸収係数と、前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記３種類の波長それぞれに対応する前記関係式を互いに連立して演算を行うことにより、前記測定対象物の温度を算出する演算処理機能を実現させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度測定装置、温度測定方法及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
放射測温法は、物体が温度に応じて発する熱放射光を放射温度計等の測定機器等により検出することで対象の物体の温度を知る方法であり、非接触かつ高速で温度を測定可能な遠隔測温方法である。今日では、鉄鋼業をはじめとする多くの産業で、かかる放射測温法が使われている。
【０００３】
例えば、鉄鋼製造プロセスの連続鋳造工程や熱延工程では、プロセス制御と材料品質の作り込みの両観点から、鋼材の温度を把握することが頻繁に行われ、搬送ラインを移動する赤熱した鋼材の温度を非接触で測定するために、上記の放射測温法が使用されている。しかしながら、連続鋳造機からスラブが引き抜かれる場所や熱延工程の圧延スタンド間では、鋼材上に冷却水が滞留していたり、蒸発した水によって湯気が発生したりしていることがある。このような状況で放射温度計を使用すると、測定対象物からの熱放射光が水の吸収や湯気の散乱を受けるため、正確な測温を実施できないことが知られている。すなわち、一般的な単色放射測温では、水又は湯気の外乱により放射光が減衰しているのか、それとも、真に温度が低下したのかを、観測値から知ることはできない。
【０００４】
上記問題に対して、今日の製造現場で行われている対策の一つとして、放射温度計の視野の光路上にパージガスを噴き出し、水・湯気を除去する方法がある。例えば連続鋳造機のスラブの測温では、下記特許文献１の方法が提案されている。しかしながら、下記特許文献１の方法を利用した場合であっても、鋼材上の水の量や流れによっては外乱の影響を有効に低減することができない可能性がある。また、下記特許文献１の方法を利用しようとする際に、設備の構造上、パージガスを噴出させる配管を測定対象の近くまで取り回すことができないこともある。
【０００５】
一方、従来からある放射測温法の一つとして、放射率の変動や検出器の視野欠けなど放射光が減衰する場合に使用される２色放射温度計を利用した測温法がある。２色放射温度計は、２つの波長で熱放射光を観測し、外乱（放射率の変動、視野欠けによる減光）が２つの波長で同様に生じると仮定して外乱の影響を除去する。しかしながら、前述のような鋼材測温に関しては、外乱要素が湯気による散乱減衰のみであれば２色放射温度計が有用であるが、鋼材上に水が存在する場合、水の分光吸収率が強い波長依存性を有するため、２つの波長で放射光の減衰が同様に生じるという仮定が成り立たず、正確な測温を行うことができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−７１３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題について鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、測定対象物からの熱放射光が光路上に存在する吸収体や散乱体により減衰してしまう状況下において、当該吸収体や散乱体による熱放射光の減衰量を事前に知ることなく、より高精度に放射測温法による温度測定を行うことが可能な温度測定装置、温度測定方法及びプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、前記熱放射光を散乱させる散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて前記測定対象物の温度を測定する装置であって、前記測定対象物の前記熱放射光を、互いに異なる３種類の波長でそれぞれ測定し、当該３種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成する測定部と、前記測定部により生成された前記３種類の波長に対応する前記測定データと、予め取得した前記３種類の波長における前記分光吸収係数と、前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記３種類の波長それぞれに対応する前記関係式を互いに連立して演算を行うことにより、前記測定対象物の温度を算出する演算処理部と、を備え、前記３種類の波長のうち少なくとも２種類は、前記吸収体の前記分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される温度測定装置が提供される。
【０００９】
前記演算処理部は、前記３種類の波長に対応する第１〜第３の前記測定データを利用し、第１の前記測定データと第２の前記測定データとに基づき、測定データの一方を他方で除した第１の二色比を算出するとともに、前記第１の測定データと第３の前記測定データとに基づき、第２の前記二色比を算出し、予め特定した前記３種類の波長におけるそれぞれの分光放射率を利用するか、又は、前記３種類の波長の間で分光放射率が互いに等しいと近似した上で、算出した前記第１の二色比及び第２の二色比を利用して、当該二色比と温度との間の関係式を連立することで前記測定対象物の温度を算出することが好ましい。
【００１０】
前記演算処理部は、前記関係式として、二色比と温度とを対応付ける指数関数からなる理論式、又は、当該理論式を多項式近似した近似式を利用してもよい。
【００１１】
前記吸収体は、水、油脂、溶液、ガラス又は樹脂の少なくとも何れかであってもよい。
【００１２】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、前記熱放射光を散乱させる散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、前記熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて前記測定対象物の温度を測定する方法であって、前記測定対象物の前記熱放射光を、互いに異なる３種類の波長でそれぞれ測定し、当該３種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成するステップと、生成された前記３種類の波長に対応する前記測定データと、予め取得した前記３種類の波長における前記分光吸収係数と、前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記３種類の波長それぞれに対応する前記関係式を互いに連立して演算を行うことにより、前記測定対象物の温度を算出するステップと、を含み、前記３種類の波長のうち少なくとも２種類は、前記吸収体の前記分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される温度測定方法が提供される。
【００１３】
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、測定対象物が発する近赤外帯域の熱放射光を、当該近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、前記熱放射光を散乱させる散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で、互いに異なる３種類の波長でそれぞれ測定し、当該３種類の波長における前記熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成し、前記３種類の波長のうち少なくとも２種類は、前記吸収体の前記分光吸収係数が波長依存性を有する帯域から選択される測定部からのデータの取得が可能なコンピュータに、前記測定部により生成された前記３種類の波長に対応する前記測定データと、予め取得した前記３種類の波長における前記分光吸収係数と、前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した前記３種類の波長における前記測定対象物の分光放射率と、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、前記３種類の波長それぞれに対応する前記関係式を互いに連立して演算を行うことにより、前記測定対象物の温度を算出する演算処理機能を実現させるためのプログラムが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、測定対象物からの熱放射光が光路上に存在する吸収体や散乱体により減衰してしまう状況下において、当該吸収体や散乱体による熱放射光の減衰量を事前に知ることなく、より高精度に放射測温法による温度測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】放射測温法について説明するための説明図である。
【図２】観測される光量の減衰と演算温度との関係を示した説明図である。
【図３】吸収体の一例である水の分光吸収係数の波長依存性を示した説明図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態に係る温度測定装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図４Ｂ】同実施形態に係る温度測定装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図５】同実施形態に係る温度測定装置が備える測定部の構成の一例を模式的に示した説明図である。
【図６】同実施形態に係る温度測定装置が備える演算処理部の構成の一例を示したブロック図である。
【図７】同実施形態に係る温度測定方法の流れの一例を示した流れ図である。
【図８】同実施形態に係る温度測定装置のハードウェア構成の一例を示したブロック図である。
【図９】吸収体の一例である水の分光透過率を示した説明図である。
【図１０】黒体放射理論式から算出される分光放射輝度と温度との関係を示した説明図である。
【図１１】二色比と温度との関係を示した説明図である。
【図１２】水膜厚みと演算温度との関係を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
（一般的な放射測温法の問題点について）
本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法について説明するに先立ち、一般的な放射測温法の問題点について、図１〜図３を参照しながら具体的に説明する。図１は、放射測温法について説明するための説明図であり、図２は、観測される光量の減衰と演算温度との関係を示した説明図であり、図３は、吸収体の一例である水の分光吸収係数の波長依存性を示した説明図である。
【００１８】
図１に、水などの吸収体や、水蒸気・湯気などの散乱体に起因する光路上の減光を伴う放射測温の状況を模式的に示した。また、真の温度が８００℃であり、分光放射率が０．８３である測定対象物を、観測波長７５０ｎｍの単色放射温度計で測温した場合において、上記のような吸収体や散乱体により熱放射光が減衰して観測されることに起因する見かけの温度を、プランクの黒体放射式に則して演算した。得られた演算結果を図２に図示した。
【００１９】
ここで、波長７５０ｎｍは、吸収体の一例である水に対しては透明であるものの、例えば鋼材等の測定対象物上に水膜が存在すれば、水の界面反射に起因して７％程度の減衰があり、界面反射による減衰に起因する測温誤差は約５℃になる。更に、水蒸気や湯気（すなわち、ミスト）中での光散乱で光量が半減する状況になれば、図２から明らかなように、４０℃に達する測定誤差が生じることとなる。このように、単色放射温度計による単色放射測温は、特に熱放射光の光路上で生じる減衰に対して誤差要因が内在する。
【００２０】
また、放射測温法には、単色放射温度計ではなく２色放射温度計を用いて測温を行う方法も存在する。この２色放射温度計を用いる測温方法は、２つの波長の分光放射率が互いに同一であるとして、分光放射輝度の比（二色比）から温度を求める方法である。かかる２色放射温度計を利用した方法は、水の吸収による減光が２つの波長間で同じであれば有効な測温方法であるが、以下に述べる理由でその前提が成り立たない。すなわち、水の分光透過率には、図３に示したように強い波長依存性があり、例えば、真の温度が８００℃、水膜の厚みが１０ｍｍとして後述する２色比の温度関数と水の分光透過特性データとを用いると、波長７５０ｎｍと８５０ｎｍの２波長では２４℃の測温誤差が生じ、波長７５０ｎｍと９５０ｎｍの２波長では９８℃の測温誤差が生じてしまう。また、水が透明であり、かつ、測定対象物が観測できる放射を発している赤色付近の狭い波長帯域で２色測温法を実施しようとすると、近接した２波長を使うことになり、二色比の温度変化が小さく測温精度が得られないという問題がある。
【００２１】
なお、上記説明では、測定対象物である鋼材上に存在する吸収体として水を例に挙げたが、水以外にも、ガラスや、鋼材上に存在する溶液や、鋼材上に存在する油脂・樹脂なども、近赤外帯域において分光吸収率が一様ではなく（すなわち、強い波長依存性を示し）、吸収体として機能してしまう。
【００２２】
また、放射測温法の測定対象物と放射温度計との光路上に吸収体及び散乱体が存在するという状況は、上記のような連続鋳造工程等といった鉄鋼製造プロセスのみならず、他の様々な測定環境においても生じうる状況である。
【００２３】
このように、測定対象物と放射温度計とを結ぶ光路上に、吸収体や散乱体が存在する箇所では、一般的な放射測温技術では十分な精度が得られないという問題がある。
【００２４】
（本発明者らが得た知見について）
以上説明したような問題について、本発明者らが鋭意検討した結果、測定対象物の熱放射光を互いに異なる３種類の波長で観測することで、測定対象物の温度、熱放射光を吸収する吸収体の厚み、及び、散乱体による散乱減衰量という３つの未知数を、演算で求めることができることに想到し、以下で詳細に説明する知見を得ることができた。
【００２５】
以下では、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法で用いられる、３種類の波長の分光放射輝度観測値から、測定対象物の温度を演算する手法について、詳細に説明する。
【００２６】
いま、測定対象物の温度をＴ［℃］とし、放射温度計により観測する３種類の波長をλｎ（ｎ＝１，２，３）とする。かかる場合において、各波長における分光放射輝度Ｌｂ（λｎ）は、以下の式（１）のように表わされる。
【００２７】
【数１】
2019020370.tif 000003
【００２８】
ここで、上記式（１）において、
ｃ１：黒体放射の第１定数、１．１９×１０２０［Ｗ・ｍ−２・ｎｍ４］
ｃ２：黒体放射の第２定数、１．４４×１０７［ｎｍ・Ｋ］
β：散乱体による散乱に起因する見かけの透過率
τｎ：波長λｎにおける吸収体の分光透過率
εｎ：波長λｎにおける分光放射率
である。
【００２９】
ここで、測定対象物と放射温度計との間の光路上に存在する湯気や水蒸気（ミスト）は、近赤外帯域の波長より直径が大きな散乱体である。かかる場合に、熱放射光は、Ｍｉｅ散乱と呼ばれる散乱現象により散乱されるため、上記式（１）における変数βは、波長によらず一定であると考えることができる。すなわち、近赤外帯域では、散乱体の散乱特性は、波長依存性が無く一様であると考えることができる。
【００３０】
一方、吸収体である水の分光透過率は、界面反射損失による透過率τ０と、水内部のランベルト・ベールの法則に従う透過率との積として、下記の式（２）で記述される。なお、下記式（２）において、αｎは波長λｎにおける分光吸収係数であり、ｔは水の厚みである。
【００３１】
【数２】
2019020370.tif 000004
【００３２】
次に、散乱体による散乱に起因して熱放射光が減衰する効果を表した項を消去するため、上記式（１）を、２種類の二色比の式に変形すると、以下の式（３）及び（４）を得ることができる。ここで、二色比とは、観測されたある一つの波長における分光放射輝度を他の波長における分光放射輝度で除することで得られる、分光放射輝度の比である。
【００３３】
【数３】
2019020370.tif 000005
【００３４】
ここで、上記式（３）及び式（４）におけるＲ１（Ｔ）及びＲ２（Ｔ）は、二色比と温度とを対応付ける指数関数であり、上記式（１）を利用して上記式（３）及び式（４）の左辺を展開することで、以下の式（５）及び式（６）のように表すことができる。
【００３５】
【数４】
2019020370.tif 000006
【００３６】
しかしながら、理論式（１）から導出されるＲ１（Ｔ）及びＲ２（Ｔ）は、上記式（５）及び式（６）から明らかなように、複雑な形を有している。そのため、上記式（５）及び式（６）に代えて、以下の式（７）及び式（８）に示した多項式近似による近似式（実験式）を用いることも可能である。
【００３７】
【数５】
2019020370.tif 000007
【００３８】
ここで、上記式（７）及び式（８）において、ａ２〜ａ０及びｂ２〜ｂ０は、多項式の係数である。また、係数ａ２〜ａ０及びｂ２〜ｂ０は、観測波長と測定対象物の温度域とで定まる定数であるため、事前に実測したりシミュレーションを行ったりすることで、特定することができる。
【００３９】
ここで、測定対象物の熱放射光を観測することで得られる、波長λ１、λ２、λ３の分光放射輝度をそれぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３とすると、Ｌ１をＬ２で割った二色比が上記式（３）式に等しくなり、Ｌ１をＬ３で割った二色比が上記式（４）式に等しくなる。すなわち、下記の式（９）及び式（１０）で表される関係が成立する。
【００４０】
【数６】
2019020370.tif 000008
【００４１】
従って、関係式Ｒ１（Ｔ）及びＲ２（Ｔ）の具体的な関数形として、上記式（７）及び式（８）で表される多項式近似の近似式を利用したとすると、上記式（９）及び式（１０）は、下記の式（１１）及び式（１２）のようになる。ここで、下記の式（１１）及び式（１２）において、Ｅ１及びＥ２は、下記の式（１３）及び式（１４）である。
【００４２】
【数７】
2019020370.tif 000009
【００４３】
ここで、上記式（１１）〜式（１４）において、吸収体の分光吸収係数α１、α２、α３は、光路上に存在しうる吸収体を単独で事前に測定することで、予め把握することができる。また、関係式Ｒ１（Ｔ）及びＲ２（Ｔ）は、式（５）及び式（６）に示したものを使用するのであれば、具体的な関数形を事前に算出しておくことが可能であるし、式（７）及び式（８）に示したものを使用するのであれば、事前のシミュレーションや実測により具体的な関数形を特定することが可能である。
【００４４】
上記式（１３）及び式（１４）における分光放射率ε１、ε２、ε３に関しては、分光放射率ε１、ε２、ε３を事前に実測したりシミュレートしたりして特定しておくか、又は、観測波長帯域においてε１＝ε２＝ε３が成立すると仮定することにより、上記Ｅ１及びＥ２が定数となる。すると、上記式（１１）及び式（１２）における未知数は、測定対象物の温度Ｔと、水などの吸収体の厚みｔの２つとなる。そのため、上記式（１１）及び式（１２）を連立方程式として取り扱うことで、測定対象物の温度Ｔを算出することが可能となる。
【００４５】
ここで、測定対象物の温度Ｔ及び吸収体の厚みｔを未知数とする連立方程式の解法は、特に限定されるものではなく、例えば、解析的に解ける場合には解析的に解いてもよいし、数値演算により求解してもよいし、最適値問題として求解してもよい。
【００４６】
本発明者らは、以上説明したような知見を得た上で更なる検討を行った結果、以下で説明するような、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法に想到したのである。
【００４７】
（実施形態）
＜温度測定装置の構成について＞
続いて、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら、本発明の実施形態に係る温度測定装置１０の全体構成について詳細に説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態に係る温度測定装置１０の全体的な構成の一例を示した説明図である。
【００４８】
本実施形態に係る温度測定装置１０は、測定対象物が温度に応じて発する近赤外帯域の熱放射光を、近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体、及び、近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有しない散乱体の双方が光路上の少なくとも一部に存在している状態で検出し、熱放射光の放射輝度の検出結果に基づいて測定対象物の温度を測定する装置である。ここで、近赤外帯域において分光吸収係数に波長依存性を有する吸収体としては、例えば、水、油脂、溶液、ガラス又は樹脂の少なくとも何れかを挙げることができる。この温度測定装置１０は、例えば図４Ａに示したように、測定部１０１と、演算処理部１０３と、記憶部１０５と、を主に備える。
【００４９】
測定部１０１は、例えば高温の状態にある鋼材など、主に、可視光帯域〜近赤外帯域（例えば、８００ｎｍ〜１４００ｎｍの帯域）に属する熱放射光を発している測定対象物に関して、発せられている熱放射光（観測光）の大きさを測定する。この際、測定部１０１は、測定対象物の熱放射光を、３種類の波長でそれぞれ測定し、これら３種類の波長における熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成する。
【００５０】
ここで、３種類の波長のうち少なくとも２種類は、吸収体の分光吸収係数に波長依存性を有する帯域から選択される。
【００５１】
この測定部１０１は、例えば放射温度計における各種レンズ／レンズ群や光検出器などのセンサ等から構成される光学系に対応するものである。測定部１０１のより詳細な構成については、以下で改めて説明する。
【００５２】
測定部１０１は、測定対象物の熱放射光の大きさを測定して、熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データを生成すると、生成した測定データを後述する演算処理部１０３に出力する。
【００５３】
演算処理部１０３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、入力装置、出力装置、通信装置等により実現される。演算処理部１０３は、測定部１０１により実施される測定処理の統括的な制御を行う。また、演算処理部１０３は、測定部１０１により測定された測定データに基づいて、測定対象物の温度を算出するための演算処理を実施する。より詳細には、演算処理部１０３は、測定部１０１により生成された３種類の波長に対応する測定データと、先だって説明したようなプランクの黒体放射式から導出される、分光放射輝度と温度との間の関係式とに基づいて、測定対象物の温度を算出する。演算処理部１０３により算出された測定対象物の温度に関する情報は、表示画面等を介して画像として出力されたり、プリンタ等を介して印刷物として出力されたり、データそのものとして出力されたりする。
【００５４】
なお、かかる演算処理部１０３の詳細な構成については、以下で改めて詳述する。
【００５５】
記憶部１０５は、例えば本実施形態に係る温度測定装置１０が備えるＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部１０５には、着目する吸収体の分光吸収係数や、過去の操業データ等を解析することにより得られる測定対象物の分光放射輝度や、上記の連立方程式における様々な定数などといった各種のパラメータやデータ等が格納される。また、これらのデータ以外にも、記憶部１０５には、本実施形態に係る温度測定装置１０が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部１０５は、測定部１０１及び演算処理部１０３等が、自由にデータのリード／ライト処理を行うことが可能である。
【００５６】
これら測定部１０１、演算処理部１０３及び記憶部１０５は、図４Ａに模式的に示したように、例えば放射温度計の一機能として一つの測定機器の内部に実現されていてもよい。また、上記測定部１０１、演算処理部１０３及び記憶部１０５は、例えば図４Ｂに示したように、複数の機器に分散して実装されていてもよい。図４Ｂに示した例では、例えば放射温度計として機能する測定ユニットの内部に、測定部１０１及び記憶部１０５の機能が実現されており、パーソナルコンピュータ、各種サーバ、各種プロセスコンピュータなどといった演算処理装置の内部に、演算処理部１０３及び記憶部１０５の機能が実現されている場合を図示している。なお、図４Ｂにおいて、記憶部１０５は測定ユニット及び演算処理装置のそれぞれに記憶部１０５ａ，１０５ｂとして実現されているが、記憶部１０５は、測定ユニットの内部のみに実現されていてもよいし、演算処理装置の内部にのみ実現されていてもよい。
【００５７】
＜測定部１０１の構成例について＞
続いて、図５を参照しながら、本実施形態に係る測定部１０１の構成例を簡単に説明する。図５は、本実施形態に係る測定部１０１の構成例を模式的に示した説明図である。
【００５８】
先だって説明したように、本実施形態に係る測定部１０１は、放射温度計における光学系に対応するものである。かかる測定部１０１は、図５に例示したように、測定対象物からの熱放射光を後述する光検出器等のセンサ１１３に導光するレンズ１１１と、レンズ１１１により導光された熱放射光を検出するセンサ１１３と、を主に備える。また、測定部１０１は、センサ１１３に導光される熱放射光の波長を選択するための波長選択フィルタ１１５を更に備えている。
【００５９】
ここで、図５において、レンズ１１１は、１つのレンズを用いて模式的に図示されているが、レンズ１１１は、複数のレンズから構成されるレンズ群であってもよい。また、レンズ１１１に用いられるレンズは特に限定されるものではなく、球面レンズや非球面レンズなどといった公知の光学素子を適宜利用することが可能である。
【００６０】
センサ１１３は、レンズ１１１により導光された測定対象物からの熱放射光の分光放射輝度を、予め設定された３つの波長（観測波長）のそれぞれで検出し、得られた輝度信号のデータを生成する。その後、センサ１１３は、得られた輝度信号を、演算処理部１０３に出力する。かかる輝度信号が、熱放射光の放射輝度の検出結果を示した測定データに対応するものである。
【００６１】
センサ１１３については特に限定されるものではなく、熱放射光の検出を行う上記のような３種類の波長に適したものであれば、公知のものを使用可能である。このようなセンサ（光検出器）の例としては、例えば、Ｓｉを用いた検出素子や、ＩｎＧａＡｓを用いた検出素子などを挙げることができる。
【００６２】
波長選択フィルタ１１５は、センサ１１３に導光される熱放射光の波長を選択し、特定の波長を有する熱放射光をセンサ１１３へと透過させるフィルタである。かかる波長選択フィルタ１１５については、予め設定された３つの波長（観測波長）の光を透過させることが可能なものであれば、公知のものを使用可能である。
【００６３】
以上、図５を参照しながら、本実施形態に係る測定部１０１の構成例を簡単に説明した。
【００６４】
＜演算処理部１０３の構成例について＞
次に、図６を参照しながら、本実施形態に係る演算処理部１０３の構成例について説明する。図６は、本実施形態に係る演算処理部１０３の構成例を示したブロック図である。
【００６５】
本実施形態に係る演算処理部１０３は、図６に例示したように、測定制御部１２１と、データ取得部１２３と、温度算出部１２５と、結果出力部１２７と、表示制御部１２９と、を主に備える。
【００６６】
測定制御部１２１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力装置、出力装置、通信装置等により実現される。測定制御部１２１は、本実施形態に係る温度測定装置１０の機能を統括的に制御する処理部である。また、測定制御部１２１は、先だって説明したような３種類の波長における測定対象物からの熱放射光を測定するように、測定部１０１の動作を制御する。更に、測定制御部１２１は、必要に応じて、温度算出部１２５に対して、熱放射光の測定条件などといった各種設定値を出力することも可能である。
【００６７】
データ取得部１２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。データ取得部１２３は、測定部１０１によって生成された３種類の波長における輝度信号を取得し、後述する温度算出部１２５へと出力する。また、データ取得部１２３は、取得した３種類の波長における輝度信号に、当該輝度信号を取得した日時等に関する時刻情報を関連づけて、履歴情報として記憶部１０５に格納してもよい。
【００６８】
温度算出部１２５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。温度算出部１２５は、データ取得部１２３から出力された３種類の波長における輝度信号を利用して、第１の波長〜第３の波長のうち何れか一つの波長での輝度信号を、残りの２つの波長のうちの何れかの輝度信号で除した二色比（換言すれば、分光放射輝度の比）を２種類算出する。また、温度算出部１２５は、算出した２種類の二色比と、予め取得した３種類の波長における分光吸収係数と、３種類の波長における測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した３種類の波長における測定対象物の分光放射率と、二色比と温度との間の関係式とに基づいて、測定対象物の温度を算出する。
【００６９】
ここで、予め取得した３種類の波長における測定対象物の分光放射率は、３種類の波長における測定対象物の分光放射率が互いに等しいという仮定が成立しない場合に用いられても良いし、当該仮定が成立している場合においても用いられても良い。ただ、３種類の波長における測定対象物の分光放射率が互いに等しい（又は等しいとみなすことができる)場合には、実施される演算の演算コストを削減することができるため、予め取得した３種類の波長における測定対象物の分光放射率を利用しない方が良い。
【００７０】
より詳細には、温度算出部１２５は、算出した２種類の二色比を用い、上記知見において示した式（９）及び式（１０）の関係式を利用して、連立方程式を解くことによって、測定対象物の温度を算出する。この際に、温度算出部１２５は、式（９）及び式（１０）における関係式Ｒ１（Ｔ）及びＲ２（Ｔ）として、式（５）及び式（６）に示したような理論式を利用しても良いし、式（７）及び式（８）に示したような近似式を利用しても良い。
【００７１】
なお、温度算出部１２５が２種類の二色比を算出する際に、３種類の波長の測定データのうち、いずれの測定データを式（９）及び式（１０）の左辺における分子とし、いずれの測定データを分母として演算を行うかについては、特に限定するものではなく、演算処理中において基準とする測定データを変更しないようにしておけばよい。
【００７２】
また、温度算出部１２５は、以上説明したような３種類の輝度信号から２種類の二色比Ｒを導出する過程を経て温度を算出するのではなく、３種類の観察波長それぞれについて成立する３種類の式（１）を利用して、温度を直接算出することもできる。すなわち、３種類の波長λ１、λ２、λ３における放射率εが既知であれば、温度Ｔ、水膜の厚みｔ及び散乱体透過率βの３つの未知数に対して、観察波長ごとに独立した上記式（１）が３つ存在することとなる。そのため、かかる３種類の式（１）を連立させて連立方程式の解を求めることで、温度Ｔを算出することができる。更に、３種類の波長λ１、λ２、λ３における放射率εが未知であったとしても、波長λ１での放射率εと波長λ２での放射率εと波長λ３での放射率εとが互いに等しければ、同様に、３種類の式（１）を連立させて、温度Ｔを直接算出することが可能である。
【００７３】
温度算出部１２５は、上記のようにして算出した測定対象物の温度Ｔに関する情報を、後述する結果出力部１２７に出力する。
【００７４】
結果出力部１２７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。結果出力部１２７は、温度算出部１２５から出力された測定対象物の温度Ｔに関する情報を、温度測定装置１０のユーザに出力する。具体的には、結果出力部１２７は、温度の測定結果に対応するデータを、当該データが生成された日時等に関する時刻データと関連づけて、各種サーバや制御装置に出力したり、プリンタ等の出力装置を利用して、紙媒体として出力したりする。また、結果出力部１２７は、判定結果に対応するデータを、外部に設けられたコンピュータ等の各種の情報処理装置に出力してもよいし、各種の記録媒体に出力してもよい。
【００７５】
また、結果出力部１２７は、温度の測定結果に対応するデータを、温度測定装置１０に設けられたディスプレイ等の出力装置や、外部に設けられた各種機器の有するディスプレイ等に出力する際には、後述する表示制御部１２９と連携して判定結果を出力する。
【００７６】
表示制御部１２９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置、通信装置等により実現される。表示制御部１２９は、温度の測定結果に対応するデータをディスプレイ等の各種表示装置に表示させる際の表示制御を行う。これにより、温度測定装置１０のユーザは、測定対象物の温度に関する測定結果を、その場で把握することが可能となる。
【００７７】
以上、本実施形態に係る演算処理部１０３の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
【００７８】
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理部の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
【００７９】
以上、図４Ａ〜図６を参照しながら、本実施形態に係る温度測定装置１０の構成について、詳細に説明した。
【００８０】
＜温度測定方法の流れについて＞
続いて、図７を参照しながら、本実施形態に係る温度測定装置１０で実施される温度測定方法の流れの一例について、簡単に説明する。図７は、本実施形態に係る温度測定方法の流れの一例を示した流れ図である。
【００８１】
図７に例示したように、本実施形態に係る温度測定方法では、まず、温度測定装置１０の測定部１０１が、演算処理部１０３の測定制御部１２１による制御のもとで、上記のような３つの波長（より詳細には、吸収体の分光吸収係数が波長依存性を示す２つの波長を少なくとも含む３つの波長）で測定対象物からの熱放射光を測定する（ステップＳ１０１）。これにより、測定部１０１は、検出した熱放射光の強さ（すなわち、分光放射輝度）に関する輝度信号を３種類生成して、演算処理部１０３に出力する。
【００８２】
次に、演算処理部１０３のデータ取得部１２３は、測定部１０１から出力された３種類の波長での分光放射輝度の輝度信号を取得し、温度算出部１２５に出力する。
【００８３】
温度算出部１２５は、取得した３波長での輝度信号を利用し、２種類の二色比Ｒを算出する（ステップＳ１０３）。また、温度算出部１２５は、上記式（５）〜式（１４）に示したような二色比と温度との関係を示した関係式と、予め取得した３種類の波長における分光吸収係数と、３種類の波長における測定対象物の分光放射率が等しいという仮定、又は、予め取得した３種類の波長における測定対象物の分光放射率と、算出した２種類の二色比とに基づいて、得られる２種類の関係式を連立することで測定対象物の温度Ｔを算出する（ステップＳ１０５）。その後、温度算出部１２５は、算出した測定対象物の温度Ｔに関する情報を、結果出力部１２７に出力する。
【００８４】
結果出力部１２７は、温度算出部１２５により算出された測定対象物の温度を出力する（ステップＳ１０７）。これにより、温度測定装置１０のユーザは、測定対象物の温度Ｔに関する情報を把握することが可能となる。
【００８５】
以上、図７を参照しながら、本実施形態に係る温度測定方法の流れについて、簡単に説明した。
【００８６】
（ハードウェア構成について）
次に、図８を参照しながら、本発明の実施形態に係る温度測定装置１０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図８は、本発明の実施形態に係る温度測定装置１０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
【００８７】
温度測定装置１０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、温度測定装置１０は、更に、ホストバス９０７、ブリッジ９０９、外部バス９１１、インターフェース９１３、測定部１０１、入力装置９１５、出力装置９１７、ストレージ装置９１９、ドライブ９２１、接続ポート９２３および通信装置９２５を備える。
【００８８】
ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、又は、リムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、温度測定装置１０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。
【００８９】
ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。
【００９０】
測定部１０１は、上記のように、測定対象物からの熱放射光を検出して、分光放射輝度の大きさを測定する。
【００９１】
入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、温度測定装置１０の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。温度測定装置１０のユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、温度測定装置１０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
【００９２】
出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１７は、例えば、温度測定装置１０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、温度測定装置１０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
【００９３】
ストレージ装置９１９は、温度測定装置１０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は、光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び、外部から取得した各種データなどを格納する。
【００９４】
ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、温度測定装置１０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｅｍｏｒｙ  ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。
【００９５】
接続ポート９２３は、機器を温度測定装置１０に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｓｅｒｉａｌ  Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ−２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、温度測定装置１０は、外部接続機器９２９から直接各種データを取得したり、外部接続機器９２９に各種データを提供したりする。
【００９６】
通信装置９２５は、例えば、通信網９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線または無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又は、ＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ  Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線または無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
【００９７】
以上、本発明の実施形態に係る温度測定装置１０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
【実施例】
【００９８】
以下では、実施例を示しながら、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法の一例であって、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法が下記の例に限定されるものではない。
【００９９】
本実施例では、測定対象物として、鉄鋼製造プロセスの連続鋳造工程における赤熱した鋼材を例にとるものとし、吸収体の一例である水、及び、散乱体の一例である水蒸気や湯気のそれぞれが、光路上に存在する場合について着目する。
【０１００】
本実施例では、水の分光透過率の波長分布を測定するとともに、鉄鋼製造プロセスの連続鋳造工程での放射測温を想定した温度（二色比）や分光放射率を調査した。連続鋳造機から引き抜かれる鋼材の温度は、過去の操業データ等を参照すると、例えば、７００〜１１００℃である。かかる温度域であれば、おおよそ波長８００ｎｍ以上を観測波長とすることで、放射測温法による温度測定を行うことが可能である。
【０１０１】
図９に、測定の結果得られた水の分光透過率データを示した。図９から明らかなように、波長８２０ｎｍ付近までは、水の厚みに応じた吸収率の変化が見られないことから、かかる波長範囲における透過率が、空気と水との界面反射による減衰率τ０（上記式（２）における減衰率τ０）とみなすことができる。具体的に得られた測定データからτ０を読み取ったところ、τ０＝０．９３であった。
【０１０２】
本実施例では、図９に示した分光透過率データを検討することで、３種類の観測波長λ１、λ２、λ３として、それぞれ８００ｎｍ、９００ｎｍ及び１０００ｎｍを選択した。図９から明らかなように、波長λ２及びλ３は、吸収体である水の分光吸収係数が波長依存性を示す帯域に属する波長であり、波長λ１は、吸収体である水の分光吸収係数が波長依存性を示さない帯域に属する波長である。
【０１０３】
ここで、上記３つの波長における水の分光吸収係数α１，α２，α３について着目する。分光吸収係数α１は、図９からも明らかなように、水による吸収が無いことから、ゼロである。一方、分光吸収係数α２及びα３は、図９から分光透過率を読み取り、読み取った分光透過率を、上記式（２）に代入することで算出した。この結果、波長λ２の分光吸収係数α２＝０．００４５６８であり、波長λ３の分光吸収係数α３＝０．０３１１２であった。
【０１０４】
次に、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域における分光放射率ε１，ε２，ε３に着目した。本実施例では、経験的知見から、ε１＝ε２＝ε３＝０．８３（一定）とした。この理由は、以下の通りである。すなわち、６００℃以上の温度を有する鋼材の表面には、酸化膜としてウスタイト（ＦｅＯ）が生成していることが従来から知られている。ウスタイトの分光放射率を決める光学定数（物質固有の複素屈折率）についても従来から知られており、この光学定数は、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域でほとんど変化しない。そのため、理論的にも分光放射率が一定であることが確認できるため、ε１＝ε２＝ε３＝０．８３（一定）とした。
【０１０５】
続いて、７００℃〜１１００℃における波長８００ｎｍ、９００ｎｍ及び１０００ｎｍの黒体分光放射輝度を、プランクの黒体放射式を利用して算出し、得られた結果を図１０に示した。図１０から明らかなように、黒体分光放射輝度は、温度Ｔが増加するにつれて増加することがわかる。また、本実施例で着目する波長帯域では、長波長になるほど分光放射輝度は大きくなっていることがわかる。本実施例では、図１０に示した３種類の黒体分光放射輝度を利用し、上記式（９）及び式（１０）の左辺に対応する２種類の二色比を算出した。
【０１０６】
図１１は、図１０における波長８００ｎｍの分光放射輝度を、波長９００ｎｍの分光放射輝度で除したＲ１（Ｔ）と、波長８００ｎｍの分光放射輝度を、波長１０００ｎｍの分光放射輝度で除したＲ２（Ｔ）と、の算出結果である。本実施例では、関係式Ｒ１（Ｔ）及びＲ２（Ｔ）の関数形として、上記式（７）及び式（８）に示した多項式近似式を用いるものとし、かかる関数を図１１に最小二乗法を利用してフィッティングすることにより、各係数を特定した。その結果、ａ２＝−５．６５５９×１０−８、ａ１＝５．７５９４×１０−４、ａ０＝−０．１４５、ｂ２＝１．６９７６×１０−７、ｂ１＝６．２０６８×１０−５、ｂ０＝−５．１６×１０−２となった。
【０１０７】
以上のような検討から、上記式（１１）及び式（１２）における定数や係数を得ることができた。得られたこれらの定数・係数を利用して、本発明の実施形態に係る温度測定方法を、連続鋳造工程の鋼材に適用する場合の有用性について、シミュレーションで検証した。
【０１０８】
まず、測定対象物の温度を８００℃とし、３つの波長８００ｎｍ、９００ｎｍ及び１０００ｎｍの熱放射が水膜を透過して、図３に示したような分光吸収係数に従い減衰して観測された場合の分光放射輝度Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を算出した。その後、得られた模擬的な観測量である分光放射輝度Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を、上記式（１１）及び式（１２）に代入して、連立方程式を得た。続いて、かかる連立方程式の解を最適値問題として求解した。この際に、吸収体である水膜の厚みを変化させて、求められた解（すなわち、算出された測定対象物の温度）がどのような値を示すかについて確認した。
【０１０９】
得られた結果を、図１２に示した。図１２から明らかなように、水膜の厚みを１ｍｍ〜３０ｍｍまで変化させた場合であっても、得られた解は、８００℃近傍の値を示している。この結果は、本発明の実施形態に係る温度測定方法を用いることによって、測定対象物の温度を正確に算出できていることを示している。
【０１１０】
（まとめ）
以上説明したように、本発明の実施形態に係る温度測定装置及び温度測定方法によれば、吸収体の分光吸収係数と分光放射率が既知の３つの観測波長で熱放射光を検出し、演算によって測定対象の温度を求めることが可能となる。すなわち、温度、吸収体の厚み、散乱体による減衰量という３つの変数がある問題に対して、３種類の分光放射輝度観測量を得ることで、連立方程式の求解という演算処理により未知数である温度を求めることが可能となる。従って、吸収体及び散乱体による光路上の光の減衰を厳密に補正することができ、精度の高い温度計測を実現することが可能となる。
【０１１１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１１２】
１０    温度測定装置
１０１    測定部
１０３    演算処理部
１０５    記憶部
１１１    レンズ
１１３    センサ
１１５    波長選択フィルタ
１２１    測定制御部
１２３    データ取得部
１２５    温度算出部
１２７    結果出力部
１２９    表示制御部
【図１】
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【図２】
2019020370.tif 000011
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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