(57)【要約】      （修正有）【課題】高温での温度標準を簡便に、且つ確実に取得できる温度較正方法及び温度較正装置を提供する。【解決手段】溶融した液体と固体とが共存する観察領域のデジタル画像を取得する工程と、該デジタル画像上で前記液体から前記固体に掛渡って延びる任意の直線を設定する工程と、該直線上に位置する画素からの信号に基づき温度測定する工程と、温度測定結果に基づき曲線を作成する工程と、該曲線から不連続点を検出し、該不連続点の温度を前記固体の融点、又は共晶温度と設定する工程とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融した液体と固体とが共存する観察領域のデジタル画像を取得する工程と、該デジタル画像上で前記液体から前記固体に掛渡って延びる任意の直線を設定する工程と、該直線上に位置する画素からの信号に基づき温度測定する工程と、温度測定結果に基づき曲線を作成する工程と、該曲線から不連続点を検出し、該不連続点の温度を前記固体の融点、又は共晶温度と設定する工程とを具備することを特徴とする温度較正方法。
【請求項２】
前記曲線は、前記直線に沿った温度−頻度のヒストグラムで形成される曲線である請求項１の温度較正方法。
【請求項３】
前記曲線は、前記直線に沿った温度で示される温度分布曲線である請求項１の温度較正方法。
【請求項４】
試験片を部分的に溶融し、溶融池を形成する加熱手段と、撮像素子を有し、溶融した液体と固体とが共存する観察領域のデジタル画像を取得するカメラと、該デジタル画像上で前記液体から前記固体に掛渡って延びる任意の直線を設定し、該直線上に位置する画素からの信号に基づき温度測定し、温度測定結果に基づき曲線を作成し、該曲線から不連続点を検出し、該不連続点の温度を前記固体の融点、又は共晶温度と設定する演算処理装置とを具備することを特徴とする温度較正装置。
【請求項５】
融点の異なる複数の試験片を備え、各試験片毎に固体の前記融点又は前記共晶温度を測定し、温度較正曲線を作成する請求項４の温度較正装置。
【請求項６】
前記加熱手段は、ＴＩＧトーチである請求項４又は請求項５の温度較正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触での温度測定、特に高温測定に於ける温度較正方法及び温度較正装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温部の測定が必要な場合として、例えば溶接時に形成される金属溶融池及びその周辺部等、或は熱処理中の金属、ボイラ、溶鉱炉内部の温度を測定する等が挙げられる。
【０００３】
一般的な温度検出器としては接触式の温度プローブがあるが、温度プローブを設置できない場合があり、或は設置できても温度プローブは設置点の温度を検出する為、広い面的な分布を把握したいという要求には応えきれないという問題がある。
【０００４】
斯かる問題を解決する手段として非接触式の光学的測温法があり、光学的測温法ではサーモグラフィや近赤外カメラ、可視光カメラ等を用いて画像を取得し、取得した画像により測定対象物の温度分布を得ている。この場合、測定対象物の温度は測定対象物からの熱放射（放射光）により検出される。放射光と温度の関係は、プランクの式として知られる関係式に従い、更に物質固有の放射率を考慮することで、放射光強度から温度を決定することができる。
【０００５】
上記した非接触式の光学的測温法では測定部位、測定範囲の相対温度を測定することはできるが、絶対温度は測定できない。この為、得られた相対温度を絶対温度に較正する為に、温度標準を必要とする。
【０００６】
ところが、２０００℃を超えるような高温では、簡便で、且つ確実に温度標準を得る方法はなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２４０８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は斯かる実情に鑑み、高温での温度標準を簡便に、且つ確実に取得できる温度較正方法及び温度較正装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、溶融した液体と固体とが共存する観察領域のデジタル画像を取得する工程と、該デジタル画像上で前記液体から前記固体に掛渡って延びる任意の直線を設定する工程と、該直線上に位置する画素からの信号に基づき温度測定する工程と、温度測定結果に基づき曲線を作成する工程と、該曲線から不連続点を検出し、該不連続点の温度を前記固体の融点、又は共晶温度と設定する工程とを具備する温度較正方法に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記曲線は、前記直線に沿った温度−頻度のヒストグラムで形成される曲線である温度較正方法に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記曲線は、前記直線に沿った温度で示される温度分布曲線である温度較正方法に係るものである。
【００１２】
又本発明は、試験片を部分的に溶融し、溶融池を形成する加熱手段と、撮像素子を有し、溶融した液体と固体とが共存する観察領域のデジタル画像を取得するカメラと、該デジタル画像上で前記液体から前記固体に掛渡って延びる任意の直線を設定し、該直線上に位置する画素からの信号に基づき温度測定し、温度測定結果に基づき曲線を作成し、該曲線から不連続点を検出し、該不連続点の温度を前記固体の融点、又は共晶温度と設定する演算処理装置とを具備する温度較正装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、融点の異なる複数の試験片を備え、各試験片毎に固体の前記融点又は前記共晶温度を測定し、温度較正曲線を作成する温度較正装置に係るものである。
【００１４】
更に又本発明は、前記加熱手段は、ＴＩＧトーチである温度較正装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶融した液体と固体とが共存する観察領域のデジタル画像を取得する工程と、該デジタル画像上で前記液体から前記固体に掛渡って延びる任意の直線を設定する工程と、該直線上に位置する画素からの信号に基づき温度測定する工程と、温度測定結果に基づき曲線を作成する工程と、該曲線から不連続点を検出し、該不連続点の温度を前記固体の融点、又は共晶温度と設定する工程とを具備するので、高温領域での温度標準を簡単な構成で確実に得ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）は本発明の実施例に係る温度測定装置の概略構成図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、前記温度測定装置により測定した測定結果に基づき形成した温度分布の画像である。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は、前記温度測定装置により測定した測定結果に基づき作成した半径方向の温度分布である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は、前記温度測定装置により測定した測定結果に基づき作成した半径方向の温度計測ヒストグラムである。
【図５】複数の試験片について、融点の測定を可能とした温度測定装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１８】
先ず、本発明の基本原理を説明する。
【００１９】
金属の融点は、純金属では固定値を示す。従って、液体から固体に移行する境界部分、或は固体から液体に移行する境界部分が存在する様な、液体、固体が共存する状態を実現すれば、液体、固体の境界（溶融、凝固の境界）の温度が融点として判断できる。
【００２０】
更に、発明者は液体と固体が共存する場合の液体部分の温度分布、固体部分の温度分布は境界部を境に大きく変化することを見出し、温度分布が変化する点の温度を、融点温度とすることで温度標準を得ることに成功している。又、合金材料の場合には、共晶温度が固定値であり、共晶温度も温度標準として使用可能であることも確認している。
【００２１】
本発明では、純金属材料、合金材料の融点温度や共晶温度に到達する加熱手段として、又材料の一部を溶融させ液体、固体が共存する状態を実現する加熱手段として、一般に溶接で用いられる各方式、例えばＴＩＧ溶接法やレーザ溶接法を使用する。
【００２２】
これらの加熱手段で加熱された材料は、加熱中心部が溶融池を形成し、周囲が凝固したままの状態となる。従って溶融池辺縁部が目的とする融点温度或は共晶温度を示すことになる。非接触温度測定装置、例えば光学的測温法でこの部分の放射を測定することで、対象となる材料の融点温度或は共晶温度を取得することができる。
【００２３】
更に、融点温度或は共晶温度を温度標準として、非接触温度測定装置の較正を行うことができる。
【００２４】
又、複数種類の材料を使用することで、複数の温度標準を取得でき、非接触温度測定装置で測定される温度に対する較正曲線を作成することができ、測定精度の向上が図れる。
【００２５】
図１に於いて、本発明の第１の実施例について説明する。
【００２６】
該第１の実施例では、加熱手段としてＴＩＧ溶接装置を用いている。図１（Ａ）中、１はＴＩＧ溶接装置のテーブル、２はＴＩＧトーチ、３はタングステン電極、４は測定対象物であり、純金属の試験片（例えば、純ニッケル試験片）であり、５は溶融部分及びその周辺を撮影するカメラを示している。
【００２７】
又、６は演算処理装置、例えばＰＣであり、該演算処理装置６は、前記カメラ５で取得した画像データを図示しない記憶部に格納し、更に画像データに基づき温度を測定し、或は画像処理により、温度分布の画像を作成し、或は各画素からの出力データに基づき温度−頻度のヒストグラムを作成し、或は溶融池の中心を中心とした半径方向の温度分布曲線を演算する等の各種演算、データ処理を行う。
【００２８】
前記タングステン電極３と前記試験片４間にアーク７が発生され、該アーク７が熱源となり、前記試験片４の前記タングステン電極３直下に溶融池８が形成される（図１（Ｂ）参照）。
【００２９】
前記カメラ５は、例えば、デジタル画像データを取得するデジタルカメラであり、該カメラ５により前記溶融池８及びその周辺部を含む領域（観察領域と称す）の連続撮影が可能である。前記カメラ５は撮像素子としてＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサを有し、撮像素子を構成する各画素から個々に信号が発せられる様になっており、又各信号に基づき撮像素子内での各画素の位置が特定される様になっている。
【００３０】
前記カメラ５は、特定波長による画像を取得し、光学的測温法により温度を測定する。又、２色測温法による光学的測温法では、前記カメラ５は波長の異なる２波長を選別して透過可能なフィルタを有し、各波長毎の画像を取得し、光強度と測定対象物の放射率から温度を測定するものである。
【００３１】
尚、前記カメラ５は、高速度シャッタを備えたものが用いられ、例えばシャッタ速度が１／２０００秒で連続撮影が可能な高速度カメラが用いられる。高速で連続撮影することで、温度変化の詳細が測定できる。尚、温度変化の傾向等、温度変化の概略が得られればよい、或は所定の時間での温度状態を測定できればよい場合は、１／５００秒程度のシャッタ速度を有するカメラであってもよい。
【００３２】
以下、前記カメラ５による画像取得について説明する。
【００３３】
前記タングステン電極３に溶接電流を通電し、前記タングステン電極３と前記試験片４間にアーク７を発生させ、前記試験片４を部分的に溶かし、溶融池８を形成する。
【００３４】
通電を停止し、前記アーク７を消去する。通電の停止直後から前記溶融池８とその周辺部について連続的に画像を取得する。又、停止直後からの画像取得時間と取得した画像とを関連づけ、画像データを時系列で格納することで、前記溶融池８とその周辺部の時間経過に対応した熱的変化の画像が取得できる。
【００３５】
又、前記タングステン電極３への通電直後は、前記タングステン電極３は３０００℃程度の高温となっており、前記タングステン電極３からの光が外乱光となる。従って、前記タングステン電極３からの光が、前記カメラ５に入射しない様に、前記タングステン電極３の周囲に遮蔽板を設けてもよい。
【００３６】
前記カメラ５の撮像素子の各画素は、それぞれ受光した光強度に対応した信号を発するので、各画素の光強度から温度測定すれば、画像全体の温度分布が得られる。尚、複数画素単位で信号処理し、複数画素毎に温度を測定する様にしてもよい。
【００３７】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は、画素が受光した光強度に対応して色分け表示（図示では白黒の濃淡で表示されている）したものである。又、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は、溶融池８、及びその周辺部の半画像を示し、更に図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は時間の経過と共に取得したものである。
【００３８】
図２（Ａ）〜（Ｄ）に於いて、中央の半円が溶融池８であり、該溶融池８の周辺部に境界部９が形成され、該境界部９の外周側に、赤熱部分１０が同心円状に形成されている。温度は、前記溶融池８の中央が高く、該溶融池８の範囲では、大きな温度低下はなく、前記境界部９を超えた位置から熱伝導により外周側に熱移動するので、前記試験片４の熱伝導率等に対応した勾配で温度低下する。又、前記境界部９が液体から固体への変位位置で、この位置での温度が融点を示す。本実施例の様に、試験片が純ニッケルであれば、前記境界部９の温度が純ニッケルの融点温度となる。
【００３９】
更に、図２（Ａ）〜（Ｄ）と時間が経過すると共に前記溶融池８が縮小し、周辺部の温度が低下していることが分る。
【００４０】
図３（Ａ）は、２色測温法で測定した場合の、温度分布のグラフを示している。
【００４１】
図３では、横軸は、溶融池の中心を通過し、横軸の左端を０（溶融池の中心）とした距離を表し、縦軸は温度を示している。
【００４２】
図３（Ａ）に於いて、縦軸は温度、横軸は前記溶融池８の中心部からの半径方向の距離を示している。又、図３（Ａ）中の温度分布曲線１２ａは、観察領域の半径方向の温度分布曲線を示しており、Ｐで示す範囲が溶融金属が露出している範囲、Ｑの範囲は、スラグに覆われた部分を示し、スラグで覆われた部分に液体と固体の境界が存在する。Ｒの範囲が固体の範囲を示している。
【００４３】
例えば、前記溶融池８の中心部から外方に向う任意の直線を設定し、該直線上に位置する画素から出力される信号に基づき、それぞれ温度測定することで、前記直線に沿った温度分布、即ち任意の半径方向の温度分布曲線が得られる。
【００４４】
溶融金属が露出している範囲Ｐでは、温度の変動はあるが、温度上昇、下降の傾向は見られない。スラグに覆われた部分Ｑでは、溶融金属の部分ではあるが、スラグにより熱放射が変るので、急激な温度降下が見られる。
【００４５】
又、固体部Ｒでは、前記試験片４の熱伝導率、前記試験片４が設置されている環境で決定される放熱条件等により、前記試験片４の放熱状態が定り、固体部Ｒでは略一定の温度勾配で外周側に向って温度が低下する。
【００４６】
この為、周辺部Ｑで急激に温度降下する際の勾配と、前記固体部Ｒの勾配とは非連続となる。従って、前記周辺部Ｑと前記固体部Ｒとの温度降下に於ける非連続点が、液体部と固体部の境界と判断される。従って、前記曲線１２ａの非連続点での温度が、純ニッケルの融点温度、即ち１４５５℃と判断される。
【００４７】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）で示す状態から所定時間経過後の状態を示しているが、図３（Ｂ）中に示される温度分布曲線１２ｂは、スラグに覆われた部分Ｑでの温度降下と、固体部Ｒの温度降下との非連続状態がより顕著に現れている。
【００４８】
前記温度分布曲線１２ｂに於いても、非連続点が液体部と固体部の境界と判断され、前記曲線１２ｂの非連続点での温度が、純ニッケルの融点温度、即ち１４５５℃と判断される。
【００４９】
従って、２色測温法で観察領域の温度測定を行い、得られた結果に基づき温度分布曲線を作成することで、液体と固体の境界位置が判断できる。
【００５０】
半径方向の温度分布曲線を所定角度ピッチで取得することで、溶融池を中心とした２次元（面状）の温度分布を取得できる。又、本実施例の場合、温度分布は溶融池を中心とした同心円状の温度分布を呈する。
【００５１】
次に、第２の実施例を説明する。第２の実施例に於いても、前記溶融池８の中心部から外方に向う任意の直線を想定し、該直線上に位置する画素から出力される信号に基づき、それぞれ温度測定する。
【００５２】
第２の実施例では、各画素からの信号、或は隣接する複数単位とした画素からの信号に基づき各画素毎に、或は複数画素単位毎に温度測定を実行し、温度と、各温度の発生頻度のヒストグラム（温度の度数分布）を作成する。
【００５３】
図４（Ａ）は、アークを停止した直後の、温度−頻度のヒストグラムであり、横軸が温度、縦軸が頻度を示している。
【００５４】
図４（Ａ）の横軸では、右側が高温、左側が低温となっており、横軸の左端が溶融池８の中心となっている。
【００５５】
ヒストグラムは液体−固体の境界部を挾み、それぞれ境界部の近傍にピークを有する曲線１３ａ，１４ａを形成する様に集合する。尚、両曲線１３ａ，１４ａ間に介在する曲線は、スラグに覆われた部分を示すものと考えられる。
【００５６】
ヒストグラムから、固溶境界に明確に不連続点が現れることが観察でき、不連続点が現れる位置の温度を融点温度と規定することができる。不連続点の温度は１４５５℃（純ニッケルの溶融温度）となる。尚、図４（Ａ）（Ｂ）に於いては、不連続点が１４６５℃近傍となっているが、データ取得時の誤差によるものと考えられる。
【００５７】
次に、図４（Ｂ）はアークを停止し、所定時間経過後の画像により温度測定した結果に基づく温度−頻度のヒストグラムである。
【００５８】
所定時間経過後であっても、ヒストグラムは液体−固体の境界部を挾み、それぞれ境界部の近傍にピークを有する曲線１３ａ，１４ａを形成する様に集合し、両曲線１３ａ，１４ａ間に存在する不連続点の温度を求めると、１４５５℃となる。
【００５９】
従って、温度−頻度のヒストグラムを求め、ヒストグラムは液体−固体の境界部を挾み、液体部、固体部に形成される曲線間の不連続点を求めることで液体−固体の境界部を特定することができる。
【００６０】
次に、前記画素は、各信号に基づき撮像素子内で各画素の位置が特定される様になっているので、前記変曲点に位置する画素の位置を求めることで、画像内での液体−固体の境界を特定でき、境界の温度が１４５５℃とされる。この境界の温度が温度標準とされ、画像全体の絶対温度が決定される。
【００６１】
更に、液体−固体の境界部を前記温度分布、前記ヒストグラムから特定できるので、辺縁部のどの部分が固体で、どこからが液体であるかを画像から自動的に判断する。更に画像から得られた相対温度を、前記温度標準から絶対温度に較正することができる。
【００６２】
図５は、第３の実施例を示している。
【００６３】
該第３の実施例では、ターンテーブル２１に複数の試験片４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅが設置可能となっており、該試験片４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅはそれぞれ材質の異なる純金属であり、異なる融点を持っている。各試験片４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅに対してそれぞれ前記ＴＩＧトーチ２により、溶融池を形成し、前記カメラ５で画像を取得し、更に各試験片４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅについて、上記したと同様な方法で、融点を測定すれば、複数の温度標準が得られ、２色測温法で得られる温度についての温度−輝度較正曲線が得られる。
【００６４】
尚、上記説明では、非接触式の光学的測温法として、２色測温法を説明したが、単色の測温法にも適用可能であることは言う迄もない。
【００６５】
標準温度を求める為に、上記実施例では純金属の融点を利用したが、合金の共晶温度を用いてもよい。
【００６６】
更に、部分的に溶融池を形成する加熱手段としてＴＩＧトーチを説明したが、プラズマ、或はレーザであってもよいことは言う迄もない。
【００６７】
更に、レーザを加熱手段とする場合、レーザは特定波長であるので、波長選択フィルタを用いる等することで、レーザの前記カメラ５への入射を防止することができ、レーザを発生した状態で、上記方法による温度標準を取得することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１    テーブル              ２    ＴＩＧトーチ
３    タングステン電極      ４    試験片
５    カメラ                ６    演算処理装置
７    アーク                ８    溶融池
９    境界部                １０  赤熱部分
１１  グラフ                １２  温度分布曲線
２１  ターンテーブル
【図１】
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【図５】
2015224887.tif 000004
【図２】
2015224887.tif 000005
【図３】
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【図４】
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