(57)【要約】【課題】熱放射センサーの感度のばらつきや変化に直接影響されずに、温度が計測可能な放射温度計測法、及び、温度計測の現場で放射率を簡便に精度良く求める手法を提供する。【解決手段】熱型放射センサーを利用し、センサー温度を能動的に変化させ、熱放射を通してセンサーと被測定物、周囲環境が平衡する状態、すなわちセンサーへ出入りする熱放射がゼロとなる状態を作り出し、この時のセンサー温度（平衡温度）を求めることで、被測定物の表面温度を精度良く計測し、さらに反射式放射率計測法を組合わせて精度良く放射率を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の発する熱放射線を利用し非接触で当該被測定物の表面温度を計測する放射温度計測装置において、
熱流束計測素子、温度変化素子、温度計測素子を有する検出器と、
前記熱流束計測素子からの出力に比例した電力を前記温度変化素子に供給するフィードバック温度変化素子制御手段と、
前記温度計測素子からの出力を計測して処理演算する温度算出手段とを具備することを特徴とする平衡式放射温度計測装置。
【請求項２】
前記温度変化素子は電圧の二乗に比例する熱量を発生するものであり、前記フィードバック温度変化素子制御手段は、アンプと平方根回路とパワーアンプとを有する請求項１に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項３】
前記温度変化素子は電流に比例する熱量を発生するものであり、前記フィードバック温度変化素子制御手段は、アンプとパワーアンプとを有する請求項１に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項４】
被測定物の発する熱放射線を利用し非接触で当該被測定物の表面温度を計測する放射温度測定装置において、
熱流束計測素子、温度変化素子、温度計測素子を有する検出器と、
前記温度変化素子へ変調電流を供給する温度変調回路と、
前記熱流束計測素子及び前記温度計測素子からの出力を計測して処理演算する温度算出手段とを具備することを特徴とする平衡式放射温度計測装置。
【請求項５】
前記温度変化素子は電圧の二乗に比例する熱量を発生するものであり、前記温度変調回路は変調信号発生器と平方根回路とパワーアンプとを有する請求項４に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項６】
前記温度変化素子は電流に比例する熱量を発生するものであり、前記温度変調回路は変調信号発生器とパワーアンプとを有する請求項４に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項７】
前記温度変化素子が抵抗体ヒータである請求項２又は５に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項８】
前記温度変化素子がペルチェ素子である請求項３又は６に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項９】
前記温度計測素子が、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体から選択される１の温度計測素子である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項１０】
前記熱流束計測素子が、サーモパイル、差動測温抵抗体、差動熱電対から選択される１の熱流束計測素子である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の平衡式放射温度計測装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の平衡式温度計測装置に、さらに熱放射源を具備することを特徴とする平衡式放射温度・放射率計測装置。
【請求項１２】
熱流束計測素子、温度変化素子、温度計測素子を有する検出器を備えた平衡式放射温度計測装置によって、非接触で被測定物の表面温度を計測する計測方法であって、
前記熱流束計測素子によって放射熱伝達量を検出する操作と当該放射熱伝達量に比例した発熱を前記温度変化素子によって前記検出器に与える操作とを繰り返すフィードバックステップと、
前記検出器の温度を前記温度計測素子によって計測する検出器温度測定ステップと、
被測定物の放射率と周囲環境温度と当該検出器温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなることを特徴とする計測方法。
【請求項１３】
前記フィードバックステップにおいて、前記熱流束計測素子からの出力を増幅し平方根演算を行う請求項１２に記載の計測方法。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載の計測方法によって被測定物の温度変化を測定する方法。
【請求項１５】
熱流束計測素子、温度変化素子、温度計測素子を有する検出器を備えた平衡式放射温度計測装置によって、非接触で被測定物の表面温度を計測する計測方法であって、
前記検出器温度を変調させる温度変調ステップと、
放射熱伝達量及び前記検出器の温度を前記熱流束計測素子及び前記温度計測素子を用いて計測する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップと、
放射熱伝達量が０になるときの前記検出器の温度を記録し、被測定物の放射率と周囲環境温度と当該検出器の記録された温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなることを特徴とする計測方法。
【請求項１６】
前記温度変調ステップにおいて、前記熱流束計測素子からの出力を増幅し平方根演算を行う請求項１５に記載の計測方法。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の計測方法によって被測定物の温度変化を測定する方法。
【請求項１８】
請求項１２、１３、１５、１６のいずれか１項に記載の計測方法において、さらに熱放射源を設け、前記熱放射源から被測定物へ熱放射を照射しない場合と、前記熱放射源から被測定物へ熱放射を照射した場合とで平衡状態の前記検出器温度を計測し、計測温度の差から放射率を算出することを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、遠隔温度計測、非接触温度計測、放射温度計測、放射率計測を行う装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射温度計測法とは、物質の発する熱放射を検出し非接触で被測定物の表面温度を計測する方法である。熱放射の強度を計測するセンサーには、熱型及び量子型がある。熱型センサーは熱放射に対する感度が低いが非冷却で使用できる簡便さを特徴とし、薄膜上に形成されたサーモパイル（熱電堆）等のセンサーによって被測定物からの熱放射を受けて放射熱伝達量を計測し、別途調べた被測定物の放射率を用い、ステファン・ボルツマンの法則に従い表面温度が算出される。一方、量子型センサーは冷却を必要とするが感度が高い特徴を持ち、被測定物からの熱放射のうち特定の波長の赤外線強度を計測し、別途調べた放射率の値を用い、プランクの法則に従い温度が算出される。
【０００３】
このように従来の放射温度計測法は、被測定物から検出器へ伝達される熱放射強度を計測し、別途求めた放射率の値を用い、熱放射の法則に従い温度を算出するものであり、温度計測精度は放射強度の絶対値計測精度、及び放射率の精度に直接依存している。
【０００４】
又、放射率は材質や表面状態、配置により大きく変化するため、温度計測の現場で放射率も測定することが重要である。従来技術では、温度及び放射率が不明な被測定物の放射率を求めるために、別の既知の熱放射源から発した熱放射が被測定物表面で反射しセンサーへ入射する量を測定する反射放射率計測法が利用可能であるが、既に被測定物からの熱放射を受けているセンサーへ別の熱放射源からの熱放射が重畳されるため、正確な計測が難しい状況である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０１−２４５１２５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−２５６８４８号公報
【０００７】
【非特許文献１】
小林正信，小野昇，「放射温度計測の基礎と応用」，熱物性，日本熱物性学会，１９９１年１月，第５巻，第１号，ｐ．１２  １９
【０００８】
【非特許文献２】
架谷昌信，「最新伝熱計測技術」，初版，（株）テクノシステム，１９９２年２月１０日，ｐ．７１  １１６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放射温度計測法では、正確な温度計則を行う上でセンサーの感度を正確に校正することが重要であるが、製品のばらつきや温度・湿度変化の影響、経年変化、光学系の劣化などの要因から、感度を常に既知の状態にしておくことは難しく、放射センサーを含む放射温度計測装置の校正を頻繁に行う必要が生じている。例えば、熱型センサーである市販のサーモパイルでは、個々の製品の電圧感度に３０％のばらつきがあり、個々の製品の校正を正確に行わなければ、精度を保った温度計測はできない。このため、熱放射センサーの感度のばらつきや変化に直接影響されずに、温度が計測可能な放射温度計測法が求められている。
【００１０】
又、温度及び放射率が不明な被測定物の場合、温度と共に放射率も計測する必要があるが、原理的には放射率を求める手法である上述の反射式放射率計測法は、実際には、被測定物からの熱放射を既にセンサーが受けてある出力を出している状況であり、別の熱放射源から照射され被測定物上で反射した熱放射をセンサーが受ける場合、出力の増加分を正確に測ることが難しく、精密な放射率計測が難しくなっている。このため、温度計測の現場で放射率を簡便に精度良く求める手法も求められている。
【００１１】
本発明は、熱型放射センサーを利用し、センサー温度を能動的に変化させ、熱放射を通してセンサーと被測定物、周囲環境が平衡する状態、すなわちセンサーへ出入りする熱放射がゼロとなる状態を作り出し、この時のセンサー温度（平衡温度）を求めることで、被測定物の表面温度を精度良く計測する平衡式放射温度計測の方法及び装置を提供すること、及び、この平衡式放射温度計測法に反射式放射率計測法を組合わせて精度良く放射率を求める平衡式反射放射率計測の方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
被測定物の温度、放射率をＴ０、ε０、既知の周囲環境の温度、放射率をＴ∞、ε∞（＝１）、センサーの温度、放射率をＴｓ、εｓとすると、熱放射によりセンサーに出入りする熱伝達量Ｑｓは次のようになる。
【００１３】
Ｑｓ＝Ａ｛ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４−Ｔｓ４｝…（式１）
尚、センサー面積をＡｓ、形態係数をＦｓ、ステファン・ボルツマン定数をσとすると、Ａ＝ＡｓＦｓεｓσであり、Ａをセンサーの感度と呼ぶ。
【００１４】
従来の放射温度計測では、センサー温度が周囲温度と一致しており、
Ｑｓ＝Ａε０｛Ｔ０４−Ｔ∞４｝…（式２）
となり、既知のＡとε０、Ｔ∞を使い、計測値ＱｓからＴ０を算出する。ここで、センサーの計測感度ＡにΔＡの変化が生じると計測値はΔＱｓの変化を受け、ΔＱｓ／Ｑｓ＝ΔＡ／Ａなる関係が成立し、センサー感度の変化は計測値に直接影響を及ぼす。
【００１５】
しかし、本願発明のようにセンサー温度を変化させて、Ｑｓ＝０となる平衡状態を実現した場合、Ａに因らず、
Ｔｓ４＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４ …（式３）
なる関係が成り立つため、既知のＴ∞、ε０を使いＴｓを測定することでＴ０が求められる。このように、熱伝達量Ｑｓが０であることを判定することで、放射センサーの計測感度Ａとは無関係に被測定物の温度が決定されるため、センサー感度が変化しても温度計測の結果には影響が無く、又、センサー感度が決定されていなくても温度計測が可能である。
【００１６】
一方、放射率ε０が未知の被測定物の温度を計測する場合においては、放射率も計測する必要がある。不透明物質では放射率εと反射率ρの間にε＋ρ＝１なる関係があるため、放射率が既知である放射源からの熱放射が、被測定物上で反射してセンサーに検出される量を測ることで放射率ε０を求めることができる（反射式放射率計測法）。熱放射源を計測系に配置し、熱放射源の等価温度をＴｅｘ、被測定物から見た半球面にしめる熱放射源の面積の比をｆｅｘとすると、センサーが受ける放射熱伝達量Ｑｓ’は次式に書き換えられる。
【００１７】
Ｑｓ’＝Ａ｛ε０Ｔ０４＋（１−ε０）（１−ｆｅｘ）Ｔ∞４＋（１−ε０）ｆｅｘＴｅｘ４−Ｔｓ４｝
特に、熱放射源が小さくｆｅｘ≪１であると次式となる。
【００１８】
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尚、ＴＥはＴＥ４＝ｆｅｘＴｅｘ４なる放射源の等価温度とする。
【００１９】
従来法では熱放射源を計測系に入れたことでセンサーへ入射する熱伝達量Ｑｓ’は、ΔＱｓ＝Ａ（１−ε０）ＴＥ４ …（式５）
だけ増加（ΔＱｓ＝Ｑｓ’−Ｑｓ）するため、既知のＴＥ４と熱伝達量増加分ΔＱｓを測定することで、ε０が求められる。しかしながら、この方法では、Ａの変動は結果に直接影響するうえ、Ｑｓ≫ΔＱｓである場合には、ΔＱｓの計測自体が困難である。
【００２０】
一方で本願発明のように既にＱｓ＝０となる平衡が成立している状態に熱放射源を加え、新たな平衡状態を作った場合には、新たなセンサー温度Ｔｓ’は、
Ｔｓ’＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４＋（１−ε０）ＴＥ４ …（式６）
であって、その変化（ΔＴｓ＝Ｔｓ’−Ｔｓ）は、
ΔＴｓ＝（１−ε０）ＴＥ４／（４Ｔｓ３）…（式７）
となり、既知のＴＥ４と測定したＴｓ、ΔＴｓから、ε０が求められる。ここで、再び、センサー感度Ａは不要であり、センサー温度を正確に測ることでε０が精度良く測定される。
【００２１】
発明者は、上記の事実に基づいて、検出器を熱流束計測素子、温度計測素子、温度変化素子を有する複合センサーとし、被測定物と向き合った当該検出器の温度を変化させ、当該検出器に出入りする放射熱伝達が無い平衡状態を作り出し、この時の検出器温度を測ることで、被測定物の表面温度を測定すること、さらに、この平衡状態に別の熱放射源を加え、既知の熱放射が被測定物上で反射し、検出器が新たな平衡状態に移行する時の温度変化を測り被測定物の放射率を精度良く測定することを着想し、本願発明をするに至った。本願発明における計測方法には、フィードバック式と温度変調式の２通りの方法が挙げられる。
【００２２】
フィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置の発明は、被測定物の発する熱放射を利用し非接触で当該被測定物の表面温度を計測する非接触式温度測定装置において、熱流束計測素子、温度計測素子、温度変化素子を有する検出器と、当該熱流束計測素子からの出力に比例した電力を当該温度変化素子に供給するフィードバック温度変化素子制御手段と、当該温度計測素子からの出力を測定して処理演算する温度算出手段とを具備する平衡式放射温度計測装置である。
【００２３】
さらに、フィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置の発明は、当該平衡式放射温度計測装置に加えて、熱放射源を具備する平衡式放射温度・放射率計測装置とすることができ、この熱放射源は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子と当該熱放射素子の熱放射量を制御する制御手段とすることができる。
【００２４】
上記フィードバック式の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置の温度変化素子が、抵抗体ヒータのような電圧の二乗に比例する熱量を発生するものである場合には、フィードバック温度変化素子制御手段は、アンプと平方根回路とパワーアンプ（電源）とを有するものとすることができる。尚、アンプと平方根回路は、熱流束計測素子の電圧出力の平方根を増幅する平方根形増幅器とすることができる。
【００２５】
上記フィードバック式の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置の温度変化素子が、ペルチェ素子のように電流に比例する熱量を発生するものである場合には、フィードバック温度変化素子制御手段は、アンプとパワーアンプ（電源）とを有するものとすることができる。尚、アンプは、熱流束計測素子の電圧出力を単純に増幅する線形増幅器とすることができる。
【００２６】
又、変調式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置の発明は、被測定物の発する熱放射を利用し非接触で当該被測定物の表面温度及び放射率を計測する平衡式放射温度計測装置において、熱流束計測素子、温度計測素子、温度変化素子を有する検出器と、当該温度変化素子へ変調電流を供給する温度変調回路と、熱流束計測素子及び温度計測素子からの出力を計測して処理演算する温度算出手段とを具備する平衡式放射温度計測装置である。
【００２７】
さらに、温度変調式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置の発明は、当該平衡式放射温度計測装置に加えて、熱放射源を具備する平衡式放射温度・放射率計測装置とすることができ、この熱放射源は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子と当該熱放射素子の熱放射量を制御する制御手段とすることができる。
【００２８】
上記温度変調式の計測方法を用いた平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置の温度変化素子が、抵抗体ヒータのような電圧の二乗に比例する熱量を発生するものである場合には、温度変調回路は、変調信号発生器（変調回路）と平方根回路（平方根形増幅器）とパワーアンプ（電源）とを有する態様とすることができ、温度変化素子がペルチェ素子のように電流に比例する熱量を発生する場合には、温度変調回路は、パワーアンプ（電源）と変調信号発生器（変調回路）とを有するものとすることができ、さらに線形増幅器を有する態様とすることができる。
【００２９】
本発明における温度計測素子は、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体から選択される１の温度計測素子とすることができ、熱流束計測素子は、サーモパイル、差動測温抵抗体、差動熱電対から選択される１の熱流束計測素子とすることができる。さらに、熱放射素子は小型で高温となる金属フィラメントとすることができる。
【００３０】
尚、本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置は、放射温度測定と放射率とを測定する装置であるが、放射率測定のみを行う放射率計測装置とすることも可能である。
【００３１】
次に本発明のフィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測方法の発明は、熱流束計測素子と、温度変化素子、温度計測素子とを有する検出器を備えた平衡式放射温度計測装置によって、非接触で被測定物の表面温度、及び放射率を計測する計測方法であって、温度計測においては、被測定物から検出器への放射熱伝達量を当該熱流束計測素子によって検出する操作と当該検出された放射熱伝達量に比例した発熱を当該温度変化素子によって当該検出器に与える操作とを繰り返すフィードバックステップと、当該検出器の温度（平衡温度）を当該温度計測素子によって測定する検出器温度計測ステップと、被測定物の放射率と周囲環境温度と当該検出器の平衡温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる平衡式放射温度計測方法である。
【００３２】
このフィードバックステップは、熱流束計測素子からの出力を増幅し、平方根演算を行うものとすることができる。
【００３３】
この温度計測方法は、フィードバックステップと検出器温度計測ステップとを同時に行い、被測定物の温度が経時的に変化している場合等において、被測定物の温度変化を測定する方法とすることができる。
【００３４】
又、本発明の変調式の温度計測方法の発明は、熱流束計測素子と、温度変化素子、温度計測素子とを有する検出器を備えた平衡式放射温度計測装置によって、非接触で被測定物の表面温度を計測する計測方法であって、当該検出器の温度を変調させる温度変調ステップと、被測定物から伝わる放射熱伝達量及び当該検出器の温度を当該熱流束計測素子及び温度計測計測素子を用いて測定する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップと、放射熱伝達量が０になるときの検出器の温度を記録し、被測定物の放射率と周囲環境温度と当該検出器の記録された温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる温度計測方法である。
【００３５】
この温度変調ステップにおいては熱流束計測素子からの出力を増幅して平方根演算を行うようにすることができる。本発明の変調式の温度計測方法によって被測定物の温度変化を測定するようにすることができる。
【００３６】
本発明の放射率計測方法は、被測定物へ熱放射素子から熱放射を照射した状態としていない状態で上述の温度計測方法（フィードバック式、温度変調式）を実施して、平衡状態の検出器温度を算出し、平衡温度の差から放射率を測定する測定方法である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置に用いる検出器について説明する。
【００３８】
検出器は、熱放射による熱伝達を検出する熱流束検出機能、自身の温度を上昇、下降させる温度変化機能、自身の温度を検出する温度検出機能を有していればよいが、好適には本発明の検出器は、熱流束計測素子と、温度変化素子、温度計測素子とからなる複合センサーである。
【００３９】
熱流束計測素子は、放射熱伝達量の計測における熱型の検出機構であって、サーモパイル（熱電堆）や差動測温抵抗体、差動熱電対を用いることができる。又、検出器は、背面や側面からの熱流束計測素子への不要な熱放射の出入りを防ぐため、被測定物を向いた開口を残し、検出器温度と等しい一様な温度の熱放射遮蔽壁で取り囲む構造が望ましい。
【００４０】
温度変化素子は、検出器の温度を変化させるものであって、室温より高温の被測定物を計測する場合には抵抗体ヒータが、室温より低温又は高温の被測定物を計測する場合にはペルチェ素子を用いることができる。又、温度計測素子は、検出器自身の温度を検出するものであって、熱電対、サーミスタ、測温抵抗体を用いることができる。
【００４１】
本発明の平衡式放射温度・放射率計測装置においては、さらに熱放射源を具備するが、熱放射源は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子と当該熱放射素子の熱放射量を制御する制御手段とすることができ、この熱放射素子は小型であり、又、必要に応じて所定の熱放射を被測定物へ照射できる機能を持つ必要があり、好ましくは、熱放射素子は小型で十分高温になる金属フィラメントを用いることができる。
【００４２】
上記の複合センサによって被測定物の表面温度を非接触遠隔計測するには、検出器温度を操作する必要があり、発明者はその方法として、フィードバック式と温度変調式の２つの方法を挙げている。
【００４３】
フィードバック式では、まず、被測定物及び周囲環境と熱流束計測素子の間の放射熱伝達量を計測し、これに比例した発熱を検出器に与えるフィードバック操作を行う。発熱量が十分であれば、この操作により熱流束計測素子は被測定物及び周囲環境と平衡し、上記（式３）にあるようにＴｓ４＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４なる関係が成立し、この時の検出器の温度（平衡温度）を計測し、被測定物の放射率、周囲環境温度を使って被測定物の温度が算出される。特に放射率（ε０）が１に極めて近い場合は、平衡温度を被測定物温度としても良い。詳細はさらに後述する。
【００４４】
温度変調式では、予想される被測定物の温度を挟み込むように検出器の温度を上昇、下降（変調）させる。この時、放射熱伝達量は、検出器温度がＴｓ４＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４なる関係が成立する平衡温度よりも高ければ負の値となり、低いと正の値となる。放射熱伝達量と、検出器温度を同時に計測し、放射熱伝達量が０になる時の検出器温度を求め、上の式により被測定物の温度が測定される。詳細はさらに後述する。
【００４５】
上記２種類の計測方法を用いた平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置では、検出器については同じものを用いることができるが、その他の構成は計測方法によって異なってくるので分けて説明する。
【００４６】
先ず、フィードバック式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置においては、検出器と、検出器上の熱流束計測素子からの出力に比例した発熱を前記温度変化素子で生じさせるフィードバック温度変化素子制御手段と、検出器上の温度計測素子からの出力を測定して処理演算する温度算出手段とを有している。
【００４７】
フィードバック温度変化素子制御手段（「フィードバック回路」とする場合がある）は、熱流束計測素子からの出力に比例した発熱を温度変化素子に生じさせるものであればよいが、熱流束計測素子からの出力を増幅するため、アンプを設けることができる。さらに、温度変化素子の発熱が電圧の二乗に比例する（Ｑ＝Ｖ２／Ｒ）もの（例えば抵抗体ヒータ）である場合には、熱流束計測素子からの出力を平方根演算する平方根回路を設けることができ、温度変化素子の発熱が電流に比例するものである場合（例えばペルチェ素子）には、平方根回路は用いない。
【００４８】
又、フィードバック回路では、温度変化素子へ電力を供給するためのパワーアンプを設けることができる。これらは、熱流束計測素子側からアンプ→平方根回路→パワーアンプの順番で配置されるのが好ましい。尚、平方根回路が設けられない場合には、熱流束計測素子の側からアンプ→パワーアンプの順番で配置されることが望ましい。
【００４９】
フィードバック式における温度算出手段（「フィードバック式温度算出手段」とする場合がある）は、温度計測素子からの出力から得られる検出器温度データと、周囲温度と、被測定物の放射率とから被測定物の温度を演算する手段とすることができ、これは温度計測素子に対応した従来の計測装置と、パーソナルコンピュータとを組合せた装置とすることができるし、両方の機能を有する一つの装置としてもよい。しかし、フィードバック式温度算出手段による当該演算を行わず、検出器温度データのみを得る手段とすることも可能であり、この場合には検出器で用いる温度計測素子に対応した従来の計測装置で十分である。
【００５０】
一方で、温度変調式の計測方法を用いた本発明の平衡式放射温度計測装置、平衡式放射温度・放射率計測装置においては、検出器と、検出器上の温度変化素子へ変調電流を供給する温度変調回路と、検出器上の熱流束計測素子及び温度計測素子からの出力を測定して処理演算する温度算出手段とを有している。
【００５１】
温度変調回路は、検出器上の温度変化素子へ変調電流を供給するものであれば十分であるが、好ましくは、変調信号を発生させる信号発生器と、パワーアンプと、必要であれば、平方根回路とを有する。信号発生器は変調された電圧を発生するものであり、パワーアンプは温度変化素子へ電力を供給するためのものである。平方根回路は、フィードバック式における場合と同様であり、温度変化素子の発熱が電圧の二乗に比例する（Ｑ＝Ｖ２／Ｒ）もの（例えば抵抗体ヒータ）である場合には、信号発生器が生成した変調信号と比例した検出器の温度変調を得るために平方根回路を設けることができ、温度変化素子の発熱が電流に比例するものである場合（例えばペルチェ素子）には、平方根回路は用いない。これらは、信号発生器→平方根回路→パワーアンプ（温度変化素子側）の順であることが好ましい。尚、平方根回路が設けられない場合には、信号発生器→パワーアンプ（温度変化素子側）の順であることが好ましい。又、温度変調回路は、予想される被測定物温度にあわせて、適当な周期、振幅で検出器の温度が変調できるように操作できることが好ましい。
【００５２】
温度変調法における温度算出手段（「温度変調式温度算出手段」とする場合がある）は、検出器上の熱流束計測素子及び温度計測素子からの出力を測定しており、熱流束計測素子の測定値を監視し、放射熱伝達量の測定値が０となるときの温度計測素子の測定値データと、周囲温度と、被測定物の放射率とから被測定物の温度を演算する手段とすることができる。温度変調式温度算出手段は、検出器で用いる熱流束計測素子、温度計測素子に対応した従来の計測装置とパーソナルコンピュータ等を組合せて用いることができるが、両方の機能を有する一つの装置としてもよい。しかし、温度変調式温度算出手段によって測定値データと、周囲温度と、被測定物の放射率とから被測定物の温度を演算する過程を行わず、温度計測素子の測定値データのみを得るようにする手段とすることも可能である。
【００５３】
さらに、平衡式放射温度・放射率計測装置放射率の計測方法は、フィードバック式又は温度変調式のいずれかの方法で検出器の平衡温度が計測されている状態で、所定の強度の熱放射を熱放射源から被測定物に向けて照射し、検出器の平衡温度の変化量を測定し、上記（式７）にあるように、ΔＴｓ＝（１−ε０）ＴＥ４／（４Ｔｓ３）なる関係から放射率（ε０）が測定される。
【００５４】
ここで具体的な温度、放射率計測方法についてさらに詳細に説明する。
【００５５】
先ず、フィードバック式の温度計測方法では、被測定物からの放射熱伝達量を検出する操作と当該検出された放射熱伝達量に比例した発熱を前記検出器に与える操作とを繰り返すステップ（本発明においては、「フィードバックステップ」とする）と、検出器の温度を計測する検出器温度測定ステップと、放射率と周囲温度と検出器温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる。
【００５６】
フィードバックステップにおいて、被測定物からの放射熱伝達量を検出する操作は検出器の熱流束計測素子によって行うことができ、当該検出された放射熱伝達量に比例した発熱を検出器に与える操作はフィードバック回路と温度変化素子によって行うことができる。すなわち、熱流束計測素子によって被測定物の放射熱伝達量を検出してフィードバック回路に出力し、フィードバック回路はその出力に比例した発熱を温度変化素子に生じさせる。この操作を繰り返すことによって、検出器の温度は平衡温度と極近い値となる。尚、フィードバック回路は熱流束計測素子からの出力信号を増幅することや、熱流束計測素子の信号に比例した発熱を温度変化素子で生じるために信号の平方根演算を行う場合がある。
【００５７】
検出器の温度を測定する検出器温度測定ステップにおいて、検出器の温度を検出することは温度計測素子によって行うことができる。
【００５８】
フィードバック式における温度算出ステップ（「フィードバック式温度算出ステップ」とする場合がある）においては、上記の（式３）に記載されているように、検出器温度測定ステップで測定された検出器の平衡温度と被測定物の放射率、周囲環境温度からＴｓ４＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４なる関係に従い、被測定物温度を処理演算する。この処理演算はフィードバック式温度算出手段によって行うことができるが、当該手段では演算を行わずに温度計測素子からの出力を測定して表示するのみとすることができ、その場合には演算は別手段によって行われる。
【００５９】
尚、検出器温度測定ステップ及びフィードバック式温度算出ステップは、前述のフィードバックのステップを繰り返している間も行うことができるので、被測定物の温度が変化する場合であっても、その温度変化を測定することができる。
【００６０】
次に温度変調式の温度計測方法は、検出器の温度を変調させるステップ（本発明においては、「温度変調ステップ」とする）と、熱流束検出素子へ入射する放射熱伝達量及び検出器の温度を測定する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップと、この放射熱伝達量が０になるときの検出器の温度を記録し、放射率と周囲温度と検出器温度から被測定物温度を算出する温度算出ステップとからなる。
【００６１】
温度変調ステップは、温度変調回路によって行うことができる。すなわち、温度変調回路から温度変化素子へ変調電流を供給する。尚、温度変調回路は、信号発生器で変調信号を発生させ、発生した信号を必要であれば平方根回路によって平方根演算し、その信号によってパワーアンプより温度変化素子へ電力を供給することができる。
【００６２】
被測定物から伝達される放射熱伝達量及び検出器の温度を測定する放射熱伝達量・検出器温度測定ステップは、熱流束計測素子と温度計測素子と温度変調式温度算出手段とによって行うことができる。すなわち、放射熱伝達量は熱流束計測素子によって検出され、検出器の温度は温度計測素子によって検出され、それぞれからの信号が温度変調式温度算出手段によって計測される。
【００６３】
温度変調式における温度算出ステップ（「温度変調式温度算出ステップ」とする場合がある）においては、熱流束計測素子に出入りする放射熱伝達量が０になるときの検出器の温度（平衡温度）を記録し、前の放射熱伝達量・検出器温度測定ステップで測定したデータを処理することで放射熱伝達量の測定値が０となるときの被測定物温度の測定値を得る。このステップは温度変調式温度算出手段によって行うことができるが、当該手段ではデータ処理を行わずに熱流束素子と温度計測素子からの出力を測定して表示するのみとすることができ、その場合にはデータ処理は別手段によって行われる。
【００６４】
尚、当該データ処理を行なわずに、温度計測素子の測定値データのみを得るようにすることも可能である。
【００６５】
あらかじめ設定された温度変調範囲での測定で放射熱伝達量の測定値が０とならない場合には、放射熱伝達量が正であれば温度変調範囲を高温側へ移動し、放射熱伝達量が負であれば温度変調範囲を定温側へ移動する操作を繰り返し、記録ステップにおいて放射熱伝達量の測定値が０となるときの温度計測素子の測定値が得られるまで行われる。
【００６６】
温度変調式温度算出ステップにおいては、上記の（式３）に記載されているように測定された検出器の平衡温度（Ｔｓ）と被測定物の放射率（ε０）、周囲環境温度（Ｔ∞）からＴｓ４＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４なる関係に従い、被測定物の温度を算出する。
【００６７】
被測定物の放射率が未知な場合には放射率（ε０）を計測する必要がある。放射率計測は、フィードバック式又は温度変調式により熱流束計測素子へ出入りする熱流束が０となる検出器温度（平衡温度）を求めた後、既知の等価温度を持つ放射源から熱放射を被測定物に照射し、再び、フィードバック式又は温度変調式により新たな検出器の平衡温度を求める。上記の（式７）に記載されているように、放射源からの熱放射が行われたことによる検出器の平衡温度の変化ΔＴｓ、検出器温度Ｔｓ、既知の放射源の等価温度ＴＥから被測定物の放射率ε０がΔＴｓ＝（１−ε０）ＴＥ４／（４Ｔｓ３）なる関係に基づき測定される。ここで、放射源の等価温度（ＴＥ）は、既知の放射率を持つ参照試料によりあらかじめ校正されて決定されるものである。
【００６８】
【実施例】
以下、実際の測定結果を含めてさらに具体的な実施例について図を用いて説明する。
【００６９】
図１は本発明の平衡式放射温度計測・放射率計測装置による非接触式の温度計測・放射率計測方法の概要を示した説明図である。
【００７０】
被測定物及び検出器１、放射源５は既知温度の周囲環境内（Ｔ∞、ε∞＝１）にあり、被測定物の放射率（ε０）が既知の場合には、放射源温度は周囲環境温度と等しくし、以下の１回の計測で被測定物温度が計測される。又、被測定物の温度及び放射率（Ｔ０、ε０）が未知の場合、放射源５の温度を周囲環境温度（Ｔ∞）と等しくする場合と所定の等価温度にする場合の２回の計測で、放射率と温度（Ｔ０、ε０）が測定される。
【００７１】
まず、放射率（ε０）が既知の場合、放射源５は周囲環境と同温度とする。熱流束計測素子２では、被測定物から放射された熱放射と、周囲環境から放出され被測定物上で反射した熱放射と、自分自身が放出した熱放射による放射熱伝達が検出され、温度変化素子３によって検出器１の温度を変化させて、熱流束計測素子２の信号が０となるとき、すなわち検出器１がこの系内で平衡状態にあるときの検出器１の温度（平衡温度）を温度計測素子４によって検出する。
【００７２】
平衡状態にあるときには、検出器温度（Ｔｓ）、被測定物温度（Ｔ０）、周囲環境温度（Ｔ∞）には上記（式３）にあるように、Ｔｓ４＝ε０Ｔ０４＋（１−ε０）Ｔ∞４なる関係があり、既知の放射率（ε０）、周囲環境温度（Ｔ∞）と検出器の平衡温度（Ｔｓ）から被測定物温度（Ｔ０）が算出される。
【００７３】
次に、被測定物の放射率（ε０）が未知の場合、まず、上述の方法で、放射源が周囲環境温度と同温度（Ｔ∞）の場合の計測を行う。次に、放射源５の温度を所定の等価温度（ＴＥ）に上げ、規定量の熱放射が被測定物に照射される状態とする。この状態で再び、検出器１の温度を変え、熱流束計測素子２の信号が０となる時の検出器１の温度（Ｔｓ）を温度計測素子４で検出する。放射源温度を上げる前後の検出器１の温度変化（ΔＴｓ）、検出器温度（Ｔｓ）、等価放射源温度（ＴＥ）から、（式７）にあるように、ΔＴｓ＝（１−ε０）ＴＥ４／（４Ｔｓ３）の関係に従い被測定物の放射率（ε０）が算出され、その後、検出器温度（Ｔｓ）及び周囲環境温度（Ｔ∞）、放射率（ε０）から上述のように被測定物の温度（Ｔ０）が算出される。
【００７４】
図２は、検出器１の第一の実施形態を示した断面図である。サーミスタ４’を同封した市販のサーモパイル２’に熱放射遮蔽筒６と電気ヒータ（抵抗体ヒータ３’）を組合わせる形態である。検出器１の背面や側面からサーモパイル２’への不要な熱放射の出入りを防ぐため、被測定物を向いた開口を残し、検出器温度と等しい一様な温度の熱放射遮蔽壁で取り囲む構造である。
【００７５】
図３は、検出器１の第２の実施形態であって（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。温度計測素子４として熱電対４’’を、熱流束検出素子２として薄膜上にサーモパイル２’を、温度変化素子３として抵抗体ヒータ３’を配置したものである。このように配置することにより、熱流束検出素子２へ背面や側面から出入りする熱放射による熱伝達が無くなり、測定誤差を少なくすることができる。
【００７６】
以下、フィードバック式及び温度変調式の測定方法を用いるための手段や、具体的な実施例、さらにそれによって実際に計測した結果を示す。
【００７７】
（実施例１  フィードバック式）
図４は、フィードバック式温度変化素子制御手段（フィードバック回路１０）の構成を示した概略図である。温度計測素子４、熱流束計測素子２、温度変化素子３として、それぞれサーミスタ４’、サーモパイル２’、抵抗体ヒータ３’を用いた。又、検出器１は横断面を図示した。サーモパイル２’から出力された電圧は、アンプ１１により増幅され、さらに平方根回路１２によって平方根演算された後、パワーアンプ１３によってサーモパイル出力に比例した電力が抵抗体ヒータ３’に供給される。尚、フィードバック式温度算出手段１４は図示されていないが、図中の矢印の先にあり、サーミスタ４’と接続されている。熱放射源５は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子５’と当該熱放射素子５’の熱放射量を制御する放射熱源制御手段とした。尚、当該放射熱源制御手段は図示していない。
【００７８】
サーモパイル２’による放射熱伝達量の測定、フィードバック回路１０による処理、抵抗体ヒータ３’による加熱が、連続的に行われることによってサーミスタ４’により検出される検出器１の温度は平衡温度に近づいていく。サーモパイル２’からの出力が０であるときの検出器１の温度が平衡温度であるが、サーミスタ４’の計測値が収束する値を平衡温度とすることも可能である。平衡温度（Ｔｓ）、被測定物の放射率（ε０）、周囲環境温度（Ｔ∞）から被測定物の温度が求められる。本測定方法では、被測定物の温度が経時的に変化している場合でも、平衡温度を経時的に測定することで、その変化を追跡することが可能である。
【００７９】
図５は本発明の平衡式放射温度計測装置においてフィードバック式で検出した計測結果を示したグラフである。被測定物は、ヒーターと温度計測素子を備えた真鍮板の表面を黒くペイントしたもの（四角のプロット、ε０＝０．９２）と研磨したもの（丸のプロット：ε０＝０．０７４）である。ヒーターによって被測定物の温度を変化させ被測定物の実際の温度は、内蔵した温度計測素子によって計測し、平衡式放射温度計測装置による測定値と比較した。
【００８０】
縦軸が平衡式放射温度計測装置によって計測した値であり、横軸が実際の被測定物の温度である。室温は２５℃であった。尚、グラフの左端角から右端角に伸びる線は、測定温度と被測定物温度とが正確に等しい場合を表しており、測定誤差を視覚的に把握するために補助的に引かれたものである。白抜きのシンボルは検出器の平衡温度を示し、中塗りのシンボルは平衡温度、放射率、周囲環境温度から算出された温度を示している。
【００８１】
黒ペイント面の場合には、ほぼ正確に被測定物の温度が計測されており、研磨面の場合にも平衡温度が周囲環境温度に近く難しい計測にもかかわらず、良く被測定物の温度が計測されていることがわかる。抵抗体ヒータ３’は、温度を下降させることができないため、室温以下の被測定物の計測はできないが、温度変化素子として冷却が可能なもの（例えばペルチェ素子）を用いることで、被測定物温度が室温よりも低い場合についても計測することが可能である。
【００８２】
（実施例２  温度変調式）
図６は、温度変調回路２０の構成を示した概略図である。温度計測素子４、熱流束計測素子２、温度変化素子３として、それぞれサーミスタ４’、サーモパイル２’、抵抗体ヒータ３’を用いた。又、検出器１は横断面を図示した。尚、図面には温度変調式温度算出手段２４は図示されていないが、温度変調式算出手段２４は、サーミスタ４’及びサーモパイル２’と接続されている。熱放射源５は、被測定物に対して熱放射を発する熱放射素子５’と当該熱放射素子５’の熱放射量を制御する放射熱源制御手段とした。尚、当該放射熱源制御手段は図示していない。
【００８３】
温度変調回路２０は、変調信号を発生する信号発生器２１と、平方根回路２２と、パワーアンプ２３で構成される。信号発生器２１で変調信号が発生され、発生した信号が平方根回路２２によって平方根演算された後、変調信号に比例した電力がパワーアンプ２３によって抵抗体ヒータ３’に供給される。サーミスタ４’と、サーモパイル２’からの出力は、温度変調式温度算出手段２４によって計測される。温度変調式温度算出手段は測定値を監視しておりサーモパイル２’からの出力が０になるときのサーミスタ４’による検出器１の温度の測定値が平衡温度であり、放射率、周囲環境温度と併せ被測定物の温度が算出される。
【００８４】
被測定物の放射率が未知な場合は、熱放射源から所定の熱放射を被測定物に照射した状態で、再び、検出器１の平衡温度を測り、平衡温度の変化分、検出器温度、等価放射源温度から放射率を算出する。
【００８５】
以上の実施例においては、温度変化素子３として抵抗体ヒータ３’を用いたが、ペルチェ素子を用いた場合には、平方根回路１２、２２を除いて回路を形成することによって同様の計測を行うことができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明により、熱放射の強度を測る計測器の計測感度が変化しても、又不正確であっても、被測定物の温度を非接触で正確に計測することができる。又、被測定物の放射率の情報がない場合でも、反射放射率計測法を組み合わせ、簡便に精度良く放射率を測定できる。このため、放射率と温度が不明な製造プロセス中の部材に対して表面温度がその場で計測でき、又、化粧や発汗の有無等の表面状態の違いによる放射率を実測し皮膚温度を正確に測る温度計等が実現可能であり、工業や医療に貢献する種々の製品の開発に利用できる。
【００８７】
医療においては、既に鼓膜の温度を放射温度計測法で調べる乳幼児用体温計が市販されているが、特に、額や頬、体表面等の温度をを非接触で素早く正確に測る用途に本発明は適している。すなわち、体表面の放射率は、統計的に調べられてはいても、化粧を施したり、汗をかいている等の条件で変化するため、放射率をその場で計測し正確な温度を安定して測定できる本発明が有効である。
【００８８】
室内の空調では、空調機内で計測した温度をもとに室内の温度管理が行われる。しかし、空調機内の気温を調べるだけでなく、床面や壁面の温度を調べ、室温の管理をするほうが快適性の向上につながる。ここで、さまざまな条件、材質を有する床面や壁面の温度を非接触で計測する場合、放射率をその場で計測し、対象の温度を正確に測れる本発明が有効である。
【００８９】
又、人工衛星から地球を観測する場合の１つの手段として赤外線センサによって地表の状態を観測する手法があるが、長期に渡り地表の温度を正しく測るためには、センサーの感度の変化の影響を受けないことが重要であり、感度の維持が難しい熱放射センサーの感度変化には影響を受けずに対象の温度が計測できる本発明の計測方法が有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による非接触式の温度計測・放射率計測方法の概要を示した説明図である。
【図２】検出器の第１の実施形態を示した説明図である。
【図３】検出器の第２の実施形態を示した説明図であり、（ａ）は正面図であって、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】フィードバック回路の構成を示した概略図である。
【図５】フィードバック式で検出した計測結果を示したグラフである。
【図６】温度変調回路の構成を示した概略図である。
【符号の説明】
１      検出器
２      熱流束計測素子
２’      サーモパイル
３      温度変化素子
３’      抵抗体ヒータ
４      温度計測素子
４’      サーミスタ
４’’      熱電対
５      熱放射源
５’      熱放射素子
６      熱放射源遮蔽筒
１０    フィードバック回路
１１    アンプ
１２    平方根回路
１３    パワーアンプ
１４    フィードバック式温度算出手段
２０    温度変調回路
２１    信号発生器
２２    平方根回路
２３    パワーアンプ
２４    温度変調式温度算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004157009.tif 000007
【図５】
2004157009.tif 000008
【図６】
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