(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
設定放射率の値を変更しながら、黒体炉において所定の設定温度に保持した黒体の温度を放射温度計により測定する工程と、
測定した前記黒体の温度と、放射率補正後の前記放射温度計から出力される温度と、のデータ集合を、温度と分光放射輝度との関係を表す較正曲線のモデル式にフィッティングすることによって、前記放射温度計の較正パラメータを算出する工程と、
を備える、
ことを特徴とする放射温度計による温度測定方法。
【請求項２】
黒体を所定の温度に保持できる装置である黒体炉と、
測定対象物の温度を測定するための放射温度計と、
該放射温度計による測定データを処理するためのデータ処理装置と、
を備え、
前記データ処理装置は、
設定放射率の値を変更しつつ前記放射温度計により測定した、所定の温度に保持された前記黒体炉における前記黒体の温度と、放射率補正後の前記放射温度計から出力される温度と、のデータ集合を、温度と分光放射輝度との関係を表す較正曲線のモデル式にフィッティングすることによって、前記放射温度計の較正パラメータを算出するとともに、
算出した前記較正パラメータを用いて、
前記放射温度計による測定データを放射率補正して、
補正後の温度測定データを生成する、
ことを特徴とする温度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射温度計による温度測定方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射温度計により温度測定を実施するときには、測定対象物の表面性状に応じて放射率補正を行う必要がある。
放射温度計による温度測定方法としては、例えば、設定放射率ε＝１．０として温度（見かけ温度）を測定しておき、測定後（オフラインの状態）において、実際の放射率を用いて放射率補正を行うことで正しい温度値を求める方法が一般的に行われている。
このため、実際の放射率を精度よく求めるための技術が開発されており、例えば、以下に示す特許文献１にその技術が開示され、公知となっている。
【０００３】
特許文献１に開示されている従来技術では、二つの互いに異なる分光感度特性を有する撮像素子の出力信号と、あらかじめ光学系の光学特性と撮像素子の分光感度特性から求めた、出力信号の温度と放射率依存性を表す係数と、あらかじめ設定した対象物の背景温度と、から対象物の温度と放射率を得ることができる構成としている。
【０００４】
ところで、放射温度計による温度測定における放射率補正は、放射温度計自体が持つ「黒体温度と分光放射輝度」との関係を表した曲線である較正曲線を用いれば、特許文献１に示す従来技術のような複雑な構成を採用しなくとも容易に行うことが可能であるが、一般的に市販の放射温度計では、ユーザーがその較正曲線に関する情報を知得できない。
そこで従来は、放射温度計自体が持つ較正曲線の代わりに、一般的なモデル式を使用するとともに、そのモデル式に必要な較正パラメータとして、放射温度計の仕様書等に記載された波長を使用して、簡易に放射率補正を行うための較正曲線を得るようにしていた。
【０００５】
ここで、放射温度計（単色放射温度計の場合）の測定原理の概要について、図１を用いて説明をする。
絶対温度Ｔ（Ｋ）の黒体（放射率ε＝１）から波長λで放射（輻射）される電磁波の分光放射輝度ＬB（λ，Ｔ）は、プランクの法則より、以下の数式１で与えられる。
但し、Ｃ1は第一放射定数（Ｃ1＝５．９５４８×１０-17（Ｗ・ｍ2））であり、Ｃ2は第二放射定数（Ｃ2＝１．４３８８×１０-2（ｍ・Ｋ））である。
【０００６】
【数１】
0005737210.tif 000002
【０００７】
従って、ある波長帯における分光放射輝度を測定すれば、数式１により測定対象物の絶対温度Ｔ（Ｋ）を求めることができる。
即ち、放射温度計は、測定対象物に対して、設定した波長（以下、実効波長と呼ぶ）における分光放射輝度を測定することによって、当該測定対象物の絶対温度を測定しようとするものである。
【０００８】
図１に示す如く、放射温度計１０は、レンズ・フィルタ等の光学系１１、赤外線検出素子１２、アンプ回路１３、放射率補正回路１４、較正曲線を有する演算部１５等を備えている。
そして、放射温度計１０では、放射率εである測定対象物５０から放射される電磁波の分光放射輝度ＬB（λ，Ｔ）を、光学系１１および赤外線検出素子１２の分光特性を通して測定する。
このため、放射温度計１０により、放射率ε＝１である温度Ｔの黒体を測定した場合の信号出力ＥB（Ｔ）は、以下の数式２の通りとなる。
尚、図１に示す通り、数式２中のτ（λ）は光学系１１の分光透過率、ｓ（λ）は赤外線検出素子１２の分光感度、ｋはアンプ回路１３の回路定数である。
また、図１中のε*は放射率補正回路１４の設定放射率である。
【０００９】
【数２】
0005737210.tif 000003
【００１０】
そして、あらかじめ黒体（放射率ε＝１）における温度Ｔと信号出力ＥB（Ｔ）との関係を較正しておく（即ち、Ｅ＝ＥB（Ｔ）で表される較正曲線を求めておく）ことにより、放射温度計１０による温度の測定値Ｔa（以下、温度測定データＴaと呼ぶ）を求めることが可能になる。
【００１１】
ここで、一般に実際の測定対象物の放射率は、０から１の間の値（即ち、０＜ε＜１）であるため、測定対象物の温度が温度Ｔ0である場合の信号出力Ｅは、以下の数式３および図２に示す如く、黒体を測定した場合に比して低くなる。このため、黒体でない測定対象物の測定結果を用いて、放射率補正を行わずに較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）から求めた温度測定データＴ*は、真値Ｔ0より低くなってしまう（即ち、補正前の温度測定データＴ*＜Ｔ0（真値））。
【００１２】
【数３】
0005737210.tif 000004
【００１３】
そこで通常は、図３に示す如く、測定対象物の放射率εを既知として設定放射率ε*を入力し、得られた出力信号Ｅを１／ε*倍することによって放射率補正を行い、その後に較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）から温度測定データＴa（補正後）を求める構成としている。
【００１４】
そして、設定放射率ε*＝ε1で測定した温度値Ｔε1を、設定放射率ε*＝ε2での測定温度Ｔε2に換算したい場合には、以下の数式４で求められる。
【００１５】
【数４】
0005737210.tif 000005
【００１６】
しかしながら、数式４による測定温度の換算において必要となる較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）は、前述したように市販の放射温度計を使用する場合においては、一般ユーザーが知得できるものではない。
【００１７】
そこで従来、数式４による測定温度の換算において使用する較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）は、モデル式を用いて近似することにより求めている。
また従来、モデル式に含まれる回帰パラメータ（較正パラメータ）は、放射温度計のメーカー仕様値（カタログ値）を用いることが一般的である。
【００１８】
ここで、較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を求めるために一般的に用いられているモデル式を例示する。
例えば、狭帯域のバンドパスフィルタ等により検出波長帯が制限されるタイプの放射温度計の場合には、数式２の積分は、以下の数式５のように近似できる。
ここで、数式５中のａは「実効波長」であり、Δλは「積分区間幅」である。
【００１９】
【数５】
0005737210.tif 000006
【００２０】
そして、数式５を数式３に代入すると、以下に示す数式６が得られ、数式６においては定数ｃが相殺されている。
即ち、数式５に示すモデル式を用いた場合に必要な較正パラメータは、数式６に示す如く、実効波長ａの一つとなる。
【００２１】
【数６】
0005737210.tif 000007
【００２２】
そして従来、数式５に示したモデル式を用いる場合には、較正パラメータたる実効波長ａの値として、放射温度計の製品カタログ等に記載されている検出波長の代表値（以下、カタログ値と呼ぶ）の値を代用している。
【００２３】
また、較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を近似するために一般的に用いられている他のモデル式としては、以下の数式７に示すものがある。
【００２４】
【数７】
0005737210.tif 000008
【００２５】
一般的に、ＥB（Ｔ）＝ｃ・ｇ（Ｔ）なる関数形（例えば、数式７）のモデル式については、数式３の放射率補正の計算過程において、以下に示す数式８のように表され、定数ｃが相殺される。
【００２６】
【数８】
0005737210.tif 000009
【００２７】
このため、数式７のモデル式を用いた場合に必要な較正パラメータは、ａ、ｂの二つとなる。
【００２８】
あるいは、放射温度計１０に備えられる光学系１１の分光透過率特性τ（λ）、赤外線検出素子１２の分光感度特性ｓ（λ）等の実際の測定結果（あるいはカタログ値）を、数式１に基づき数値計算するとともに、数式５および数式７等に示したモデル式で近似することによって、較正パラメータ（ａやｂ等）を求めることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開平８−４３２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
しかしながら、カタログ値を用いる方法は、数式７のように複数の較正パラメータａ、ｂを特定する必要がある場合には用いることができないため、適用可能なモデル式が限られていた。
また、カタログ値は、数式５に対する厳密な回帰パラメータではないため、放射率補正を行う際に計算誤差が生じる可能性が高い。
さらに、実効波長ａは、使用する放射温度計ごとに個体差（機差）が存在しているが、カタログ値を用いる場合には、このような機差に対応することもできない。
【００３１】
また、放射温度計１０が備える光学系１１の分光透過率特性τ（λ）、赤外線検出素子１２の分光感度特性ｓ（λ）等を測定により得た場合には、それらの測定誤差が重畳して較正パラメータに含まれることになるため、較正パラメータの誤差が大きくなって、放射率補正を行う際に計算誤差が大きくなる可能性がある。
あるいは、数式１に基づく演算においてカタログ値を用いる場合にも、放射温度計の機差に対応することができない。
【００３２】
即ち従来、市販の放射温度計を用いて温度測定を行う場合には、較正曲線を特定するための較正パラメータを精度よく求めることが困難であり、較正パラメータの計算誤差が大きくなってしまうため、放射温度計による温度測定を精度よく行うことができないという課題があった。
本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、市販の放射温度計を用いて、精度よく温度測定を行うことができる放射温度計による温度測定方法および温度測定システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００３４】
即ち、請求項１においては、設定放射率の値を変更しながら、黒体炉において所定の設定温度に保持した黒体の温度を放射温度計により測定する工程と、測定した前記黒体の温度と、放射率補正後の前記放射温度計から出力される温度と、のデータ集合を、温度と分光放射輝度との関係を表す較正曲線のモデル式にフィッティングすることによって、前記放射温度計の較正パラメータを算出する工程と、を備えるものである。
【００３５】
請求項２においては、黒体を所定の温度に保持できる装置である黒体炉と、測定対象物の温度を測定するための放射温度計と、該放射温度計による測定データを処理するためのデータ処理装置と、を備え、前記データ処理装置は、設定放射率の値を変更しつつ前記放射温度計により測定した、所定の温度に保持された前記黒体炉における前記黒体の温度と、放射率補正後の前記放射温度計から出力される温度と、のデータ集合を、温度と分光放射輝度との関係を表す較正曲線のモデル式にフィッティングすることによって、前記放射温度計の較正パラメータを算出するとともに、算出した前記較正パラメータを用いて、前記放射温度計による測定データを放射率補正して、補正後の温度測定データを生成するものである。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００３７】
請求項１においては、較正曲線を特定するための較正パラメータを精度よく求めることができる。これにより、市販の放射温度計による温度測定を従来に比して精度よく行うことができる。
【００３８】
請求項２においては、較正曲線を特定するための較正パラメータを精度よく求めることができる。これにより、市販の放射温度計による温度測定を従来に比して精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】放射温度計の構成を示す模式図。
【図２】放射温度計において設定する設定放射量が及ぼす作用について説明する図。
【図３】放射温度計における放射量補正の状況を示す図。
【図４】本発明の一実施形態に係る温度測定システムの全体構成を示す模式図。
【図５】本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法の流れを示すフロー図。
【図６】本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法における較正曲線の導出状況を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法による測定結果を示す図、（ａ）設定放射率ごとの温度測定結果を示す図、（ｂ）モデル式に対する較正曲線のフィッティング状況を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法を実現するための装置群である温度測定システムの構成について、図１および図４を用いて説明をする。
図４に示す如く、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法を実現するための装置群である温度測定システム１は、放射温度計１０、黒体炉２０、データ処理装置３０を備える構成としている。
【００４１】
放射温度計１０は、市販されている汎用的な放射温度計であって、図１に示すような構成である。そして、放射温度計１０は、データ処理装置３０に接続されており、該放射温度計１０により測定したデータ（即ち、温度測定データＴa）を、データ処理装置３０に出力する構成としている。
【００４２】
黒体炉２０は、測定対象となる部位であって黒体（即ち、放射率ε＝１）とみなすことができる部位である黒体部２０ａを備えており、また、黒体部２０ａの温度を所定の設定温度に保持することができる炉設備である。
【００４３】
データ処理装置３０は、放射温度計１０による温度測定データＴaを取り込むとともに、取り込んだ当該温度測定データＴaを放射率補正して、補正後の温度測定データＴb（以下、温度補正データＴbと呼ぶ）を得るための装置であり、所定の補正プログラムが組み込まれた汎用のパーソナルコンピュータ等により構成することができる。
【００４４】
より詳しくは、データ処理装置３０には、前述した数式４に基づく演算を行うプログラムと、放射温度計１０から出力される温度測定データＴaに基づいて、較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を演算するプログラム等が組み込まれている。
そして、放射温度計１０により測定対象物に対する温度測定データＴaを取得した後に、オフラインで、当該測定対象物の設定放射率ε*を変更して、換算した温度補正データＴbを生成することができる装置である。
【００４５】
次に、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法について、図５および図６を用いて説明をする。
図５に示す如く、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法では、まず始めに、温度測定システム１によって、放射温度計による黒体に対する温度測定工程（ＳＴＥＰ−１００）を実行する。
【００４６】
黒体炉を用いた温度測定工程（ＳＴＥＰ−１００）では、放射温度計１０に対して設定する設定放射率ε*を変更しつつ、既知である所定の温度Ｔ0に保持した黒体部２０ａの温度を測定する。
【００４７】
より詳しくは、黒体炉を用いた温度測定工程（ＳＴＥＰ−１００）では、放射温度計１０により、設定放射率ε*＝ε1、ε2、・・・、εj、・・・、εN、のように、Ｎ種類の異なる各設定放射率において、所定の温度Ｔ0に保持された黒体部２０ａを測定して、温度測定データＴa＝Ｔ1、Ｔ2、・・・、Ｔj、・・・、ＴN、を得る。
但し、ここでは、ε1＝１として、１＝ε1＞ε2>・・・＞εj>・・・＞εN＞０となるように、各設定放射率を設定する。
また、黒体炉２０における黒体部２０ａの温度Ｔ0は、実際の測定対象物の放射量を考慮して決めることが望ましい。
【００４８】
そして、図５に示す如く、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法では、続いて、放射温度計による黒体に対する温度測定結果（即ち、温度測定データＴa＝Ｔ1、Ｔ2、・・・、Ｔj、・・・、ＴN）を用いて、データ処理装置３０により、較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を算出する工程（ＳＴＥＰ−２００）を実行する。
【００４９】
設定放射率εjで測定したときの放射率補正後の信号出力をＥjと規定するとき、信号出力Ｅjは、以下の数式９のように表される。
【００５０】
【数９】
0005737210.tif 000010
【００５１】
ここで、数式８の帰結により、較正曲線のモデル式がＥB（Ｔ）＝ｃ・ｇ（Ｔ）の関数形である場合には、放射率補正の計算過程において定数ｃが相殺され、信号出力の絶対値は必要ないため、Ｅ1＝１として扱う。
【００５２】
そして、温度測定データＴaと補正後の信号出力Ｅjのデータ集合（Ｔj，Ｅj）＝（Ｔj，１／εj）をグラフ上にプロットすると、図６のように表される。
そして、グラフ上の各点を数式１０にフィッティング（線形分析）することによって、曲線Ｅ＝ｆ（Ｔ）を求める。
そして、求めた曲線Ｅ＝ｆ（Ｔ）を、較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）として採用する。
また、斯かる較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）においては、較正パラメータ（ここでは、実効波長ａ）が精度よく特定されている。
【００５３】
そして、図５に示す如く、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法では、最終的に、データ処理装置３０により、求めた較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を用いて、数式４に基づく演算を行って、温度補正データＴbを生成する工程（ＳＴＥＰ−３００）を実行する。
このようにして、放射温度計による温度測定を行う構成としている。
【００５４】
尚、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法において、黒体炉を用いた温度測定工程（ＳＴＥＰ−１００）は、当該放射温度計による最初の（１回目の）測定時に少なくとも実行すればよく、２回目以降の当該放射温度計による測定においては、その１回目の測定時に取得した較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を使用することができる。
しかしながら、放射温度計における赤外線検出素子等の特性は経時変化を伴うため、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法においては、黒体炉を用いた温度測定工程（ＳＴＥＰ−１００）を、所定の時間間隔ごとに行う等の基準を設けて適宜実行することが望ましい。
【００５５】
次に、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法により実際に較正パラメータを算出した事例について、図７を用いて説明をする。
ここでは、市販の放射温度計１０を用いて、設定放射率ε*＝１．０／０．８／０．６／０．４／０．２の、５種類の異なる各設定放射率において、所定の温度Ｔ0＝７５０（℃）に保持された黒体部２０ａの温度を測定した場合の測定結果を図７（ａ）に示す。
尚、使用した当該放射温度計１０の仕様書には、検出波長の代表値が０．９（μｍ）である旨の記載がある。
また、本実施形態では、以下の数式１０に示すモデル式を採用している。
【００５６】
【数１０】
0005737210.tif 000011
【００５７】
そして、測定温度Ｔjと補正後の信号出力Ｅjで規定される各点Ｐj（Ｔj，Ｅj）＝（Ｔj，１／εj）をグラフ上にプロットすると、図７（ｂ）のように表される。
そして、各点Ｐjを数式１０にフィッティングし、線形分析することによって較正パラメータ（ここでは、実効波長ａ）を算出する。
本実施形態において示した条件で、実際に算出した実効波長ａの値は、０．９９８（μｍ）であった。
【００５８】
さらに、機差がどの程度生じるのかを確認するべく、同機種の放射温度計の違う機体で同様の測定を行って、較正パラメータを求めた場合には、実効波長ａの値は、１．０６（μｍ）であった。
【００５９】
即ち、本実施形態において使用した放射温度計１０では、実効波長ａの算出値は、カタログ値たる検出波長の代表値と比べて、約０．１（μｍ）の誤差があった。
また、本実施形態において使用した放射温度計１０では、実効波長ａの算出値は、他の同機種の実効波長ａの算出値と比べて、約０．０６（μｍ）の機差があった。
【００６０】
即ち、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法によれば、使用する放射温度計に応じた（即ち、誤差の少ない）較正パラメータを容易に精度よく算出することができ、当該放射温度計に精度よく適合した較正曲線に基づき、温度補正データＴbを求めることができる。
また、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法によれば、放射温度計における較正パラメータに機差が生じる課題についても解消することができる。
【００６１】
即ち、本発明の一実施形態に係る放射温度計による温度測定方法は、設定放射率ε*の値を変更しながら、黒体炉２０において所定の設定温度Ｔ0に保持した黒体（黒体部２０ａ）の温度（即ち、温度測定データＴa）を放射温度計１０により測定する工程と、測定した黒体部２０ａの温度測定データＴa（＝Ｔ1，Ｔ2，・・・，Ｔj，・・・，ＴN）に基づく演算によって、放射温度計１０の較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を算出する工程と、を備えるものである。
【００６２】
また、本発明の一実施形態に係る温度測定システム１は、黒体たる黒体部２０ａを所定の温度に保持できる装置である黒体炉２０と、測定対象物の温度を測定するための放射温度計１０と、該放射温度計１０による測定データを処理するためのデータ処理装置３０と、を備え、データ処理装置３０は、設定放射率ε*の値を変更しつつ放射温度計１０により測定した、所定の温度Ｔ0に保持された黒体部２０ａの温度（即ち、温度測定データＴa）に基づいて、放射温度計１０の較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を算出するとともに、算出した較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を用いて、放射温度計１０による測定データを放射率補正して、補正後の温度測定データ（即ち、温度補正データＴb）を生成するものである。
【００６３】
このような構成により、較正曲線Ｅ＝ＥB（Ｔ）を特定するための較正パラメータ（本実施形態では、実効波長ａ）を精度よく求めることができる。これにより、市販の放射温度計１０による温度測定を従来に比して精度よく行うことができる。
【符号の説明】
【００６４】
１      温度測定システム
１０    放射温度計
２０    黒体炉
２０ａ  黒体部
３０    データ処理装置
【図１】
0005737210.tif 000012
【図２】
0005737210.tif 000013
【図３】
0005737210.tif 000014
【図４】
0005737210.tif 000015
【図５】
0005737210.tif 000016
【図６】
0005737210.tif 000017
【図７】
0005737210.tif 000018