(57)【要約】【課題】  高温燃焼ガスや屋外における太陽光線の影響を受けることなく広範囲の温度で動作する炉の温度を正確に測定可能にする単一の赤外線撮像装置を提供する。【解決手段】  赤外線撮像装置は、開口１４を有するハウジング１２を含み、光学構造物４０を通る光路に沿って入射する赤外線を導く。光学構造物４０は、３から１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有するよう最適化され、広い温度範囲の全ての赤外線を通過されるに十分な３から１４μｍまでの帯域幅を有するスペクトルＵＦＰＡディテクタ４８へ入射させる。赤外フィルタ構造物４４は、３から８μｍまでの範囲および８から１４μｍまでの帯域幅を有する少なくとも２個の赤外線フィルタ７８Ｆ、８０Ｆを含み、光路に選択的に挿入される。
2006518464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−４０から２０００℃までの温度範囲で異なる温度を有し、既知の吸収波長を有する測定対象物を、既知の透過波長を有する介在媒体を介して赤外撮像する赤外線撮像装置において、
（ａ）前記測定対象物から出る赤外線を含む赤外線が入射する開口を含み、前記赤外線が光軸を有する光路に沿って進むように導かれるハウジングと、
（ｂ）前記ハウジングの前記光路内に配置され、前記赤外線が入射する入口および出射する出口を有する光学構造物と、
（ｃ）該光学構造物のスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段と、
（ｄ）前記ハウジングの前記光路内に配置され前記光学構造物を通過する赤外線が当たる検出面を含む非冷却フォーカルプレーンアレイ赤外線ディテクタ（ＵＦＰＡディテクタ）と、
（ｅ）該ＵＦＰＡディテクタのスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化し、前記ＵＦＰＡディテクタが前記検出面に当たる赤外線のエネルギーに比例する電気信号を出力するようにする手段と、
（ｆ）スペクトル帯域幅が８から１４μｍまでの第１赤外線帯域フィルタおよびスペクトル帯域幅が３から８μｍまでの第２赤外線帯域フィルタを含み、前記各帯域フィルタが操作者の指示により前記光路内に移動可能に挿入され、前記ハウジング内に入る赤外線を帯域制限して、それぞれ前記介在媒体の透過波長および前記測定対象物の吸収波長の範囲に関連する所定の赤外線を帯域制限して残りの赤外線を通過させる帯域制限手段と、
（ｇ）前記電気信号を少なくとも１つの利用可能な出力に変換する電気的手段と、を備え、使用者に前記測定対象物の温度を決定するために十分な情報を許容可能な精度で提供することを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項２】
前記光学構造物は、対物レンズ、ネガティブレンズおよびフォーカシングレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
【請求項３】
前記各レンズはゲルマニウム製であることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像装置。
【請求項４】
前記光学構造物のスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段は、前記各レンズに施された３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅で反射防止コーティングを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像装置。
【請求項５】
前記光学構造物のスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段は、前記各レンズに施された３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅の反射防止コーティングを含むことを特徴とする請求項３に記載の赤外線撮像装置。
【請求項６】
前記ＵＦＰＡディテクタのスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段は、前記光路内の前記出口および前記検出面間に配置され、３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有するスペクトル透過窓を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像装置。
【請求項７】
前記ＵＦＰＡディテクタのスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段（８４）は、前記光路内の前記出口および前記伝出面間に配置され、３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有するスペクトル透過窓を含むことを特徴とする請求項３に記載の赤外線撮像装置。
【請求項８】
前記ＵＦＰＡディテクタのスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段は、前記光路内の前記出口および前記検出面間に配置され、３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有するスペクトル透過窓を含むことを特徴とする請求項４に記載の赤外線撮像装置。
【請求項９】
前記ＵＦＰＡディテクタのスペクトル帯域幅を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段（８４）は、前記光路内の前記出口および前記検出面間に配置され、３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有するスペクトル透過窓を含むことを特徴とする請求項５に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１０】
前記測定対象物の赤外線撮像は、前記第１赤外線帯域フィルタが前記光路内に挿入されているとき、太陽光の元で行なえることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１１】
前記第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は３．８から４．０μｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１２】
前記第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は４．８から５．２μｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１３】
前記第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は６．７から６．９μｍまでであることを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１４】
−４０℃から２０００℃までの温度範囲内の異なる温度を有し、既知の吸収波長を有する測定対象物を、既知の透過波長を有する介在媒体を通して赤外線撮像する赤外線撮像装置において、
（ａ）前記測定対象物から出る赤外線を含む赤外線が入射され、該赤外線が光軸を有する光路に沿って導かれるハウジングと、
（ｂ）該ハウジングの前記光路内に配置され、前記赤外線が入射する入口および出射する出口を有し、それぞれゲルマニウム製であり３μｍから１４μｍまでの反射防止コーティングが施された対物レンズ、ネガティブレンズおよびフォーカシングレンズを含む光学構造物と、
（ｃ）前記ハウジングの前記光路内に配置され、前記光学構造物を通過した前記赤外線が当たる検出面を含み、前記出口および前記検出面間に配置された３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有するスペクトル透過窓を更に含み、前記検出面に当たる前記赤外線のエネルギーに比例する電気信号を出力する非冷却フォーカルプレーンアレイ赤外線ディテクタ（ＵＦＰＡディテクタ）と、
（ｄ）それぞれ操作者の指示により前記光路内に移動可能に挿入され、前記ハウジング内に入る赤外線を帯域制限して、それぞれ前記介在媒体の透過波長および前記測定対象物の吸収波長に対応する関心ある温度範囲内の所定波長の赤外線を減衰し且つ残りの赤外線を通過させる８から１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有する第１赤外線帯域フィルタおよび３から８μｍまでのスペクトル帯域幅を有する第２赤外線帯域フィルタ
を含むフィルタ手段と、
（ｅ）前記電気信号を少なくとも１つの利用可能な出力に変換する電気的手段と、を備え、操作者に前記測定対象物の温度を許容可能な制度で決定するに十分な情報を提供することを特徴とする赤外線撮像装置。
【請求項１５】
前記第１赤外線帯域フィルタが前記光路に挿入されるとき、測定対象物の赤外線撮像は、太陽光の元で行うことが可能であることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１６】
前記第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は３．８から４．０μｍまでであることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１７】
前記第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は４．８から５．２μｍまでであることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線撮像装置。
【請求項１８】
前記第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は６．７から６．９μｍまでであることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば直接加熱プロセスヒータ等に使用されるチューブ（管状部材）の壁面の赤外線撮像の如き特別な状況下でサーマルイメージを提供する赤外線撮像装置に関し、特に工業プロセスその他ユーザが特定し選択する設備を含む従来の予測および予防メンテナンス（ＰＰＭ）アプリケーションに関連する温度測定を可能にする赤外線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油化学および電力等の公益産業には、稼動状態における直接加熱プロセスヒータにおける管壁面温度の赤外線撮像および絶対温度測定を含むアプリケーション等の多くのクラスがある。これらのプロセスにおける温度範囲は、４００℃から１２００℃まで変化する。例えばエチレンプラントにおけるクリープ破裂設計温度以上の炉チューブの動作は、寿命を短縮し且つ早期破壊の可能性が増加することになることが広く認識されている。チューブが故障すると、極めて高額の修理費と炉のシャットダウン（稼動停止）を生じることになる。
【０００３】
加えて、温度は意図する製品の生産性又は歩留まりにしばしば悪影響を生じる。例えば、大型エチレンプラントのコイル出力における所望温度からの１０℃温度差は、年間何１０万ドルの収入の損失となり得る。斯かる損失は、供給原料油が予定どおり変換されないことにより生じる。同じことは精製のクッカー（コークス）炉にも適用される。最適温度よりも僅かに高い温度で稼動させると、チューブ内にオーバーケーキングおよびコークスの生成が増加することとなる。これは外部温度の上昇を生じさせ、その結果スループットを減少させる。チューブ内のコークスの生成およびこの生成の正確な位置の特定は最も重要である。チューブの表面温度の大きな不確定要素は、プロセスを最適条件付近で精度よく動作させる場合には許容できない。
【０００４】
パワーユーティリティは、規制緩和の結果、原価意識が一層厳しくなっている。上述したのと殆ど同様の原理がユーティリティ用の炉にも適用される。例えば、石炭火力のユーティリティ炉において、ボイラーチューブ内におけるクリンカー生成の特定は、石油化学用クラッキング（分解蒸留）炉におけるコークスの生成の特定と同様に重要である。
【０００５】
炉チューブ温度測定に関する業界の技術は、年を追って改善され、現在では、この測定に関して３つの方法が存在する。
【０００６】
第１の方法は、チューブの選択された場所に溶接等により物理的に直接接触された熱電対を使用する。しかしながら、熱電対の取り付けは、校正中に急速なドリフトを生じ且つ炉内環境で保護材料の劣化を生じるので、長期間にわたる動作に対しては信頼性に欠ける。これに加えて、取り付けられる熱電対が増加すると、関連する配線や測定器が複雑になるので、数が制限される。通常、制御室へは１００ｍ以上の距離が必要である。熱電対による方法で、チューブのコークス化の正確な生成箇所を特定することは殆ど不可能である。
【０００７】
第２の方法は、多くのプラントで広く採用されている方法であり、適当な光学、空間分解および赤外線フィルタリング付きのポータブル、シングルポイント（単一点）放射温度計を使用する。これらの機器は、表示された放射温度計の読みにおける放射性、反射光輝および炉のガス放射／吸収の如き炉内状態の影響を補正する性能を備えている（詳細については、ニュージャージー州オークランドのマイクロンインフラレッドインコ−ポレイッテッド製のモデルＭ９０Ｄおよびマイクロン／クオンタムロジックモデルＩの刊行物参照）。マイクロン／クオンタムロジックＩでは、変調されたレーザ光線を使用する新規な方法であり、チューブの放射度の測定を可能にすると共にチューブの一層正確な温度測定を可能にする。
【０００８】
これら従来のシングルポイントポータブル放射温度計は、次の如き１つの深刻な欠点を有する。即ち、炉の長さ又は高さの全体に渡って全てのチューブを人間が測定することは殆ど不可能である。測定箇所は、１つの炉当たり１日に数１００箇所を容易に超し得る。操作者（測定者）の疲労および退屈は、報告されるデータの品質の悪化を生じることとなり得る。その結果、プロセスエンジニアは、幾つかの選択されたポイントのみを測定し且つ残りは無視することを選択する。そこで、コークスが精製される場所の特定は、一層偶然を期待し確実性を欠くこととなる。
【０００９】
現在採用されている第３の方法は、炉内の大変広い部分を観察する十分な視野を有する赤外線撮像機器を使用する。図１は、典型的な精製におけるクッカー炉の断面図を示す。異なる赤外線撮像装置７、８、１１の視野１、３、５が図示されている。十分な数の観測点１３、１５が設けられ、炉内の全てではなくとも十分なイメージングを可能にする。これら中間波長の赤外線（ＭＷＩＲ）機器は、適当な赤外線フィルタを含み、高温の燃焼ガス１７のかなり内部を赤外線撮像装置で「観る」ことができるようにする。典型的な赤外線フィルタは、３．９０μｍを中心とする狭帯域フィルタである。燃焼派生物は、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、ＣＯ２、ＮＯｘガスおよび少量の灰およびその他の粒子の残留物である。これら高温燃焼ガスは、管壁１９に向けて相当量の放射を生じ、チューブを加熱することとなる。３．９０μｍでは、高温ガス放射のスペクトラムにボイド（間隙）を生じ、高温ガスを極めて透明にすることが知られている（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。ターゲットが吸収性であり放射性である、この特定波長において動作する機器は、高温燃焼ガスの存在下でも炉内の極めて高品質のサーマルイメージが提供可能である。
【００１０】
更に、チューブの反射された放射輝度の校正のためにチューブの放射度および炉の背景温度を推定又は知ることにより、十分な反復性を得ることができる。赤外線撮像装置の感度は、十分良好であるので、１〜２℃の差を容易に判別することが可能である。しかし、チューブの絶対温度レベルを確立することは別問題である。
【００１１】
最近の赤外線撮像装置は、現場で撮ったイメージをストア（保存）して、更にオフラインでイメージ処理する機能を備えている。多くの有用なパラメータおよび特に温度プロファイル／時間的トレンド（傾向）解析が容易に決定できる。多くの場合、チューブ壁温度のトレンドは、チューブの寿命又はチューブ内のコークスの生成の目安となり、これらは何れもプロセスの生産性およびプラント稼動の総合コストに相当な影響を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
赤外線撮像の現状
高温燃焼ガス内を通り抜け可能な適当な３．９０μｍの赤外線帯域フィルタ付きで設計され既存の赤外線撮像は、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、水銀カドミウムテルライド（ＭＣＴ）、プラチナシリサイド（ＰｔＳ）等のフォトンディテクタ（光子検出器）又は量子井戸赤外線フォトディテクタ（ＱＷＩＰ）に依存している。典型的なディテクタは、３２０Ｈ（水平）×２４０Ｖ（垂直）素子（ピクセル）のアレイを有し、サーマルイメージを形成し且つ３〜５μｍのスペクトル帯域で極めて感度が高い。このクラスのディテクタの主な欠点は、それらが液体窒素の温度に相当する７７Ｋの如き極めて低温で動作させる必要があることである。
【００１３】
ポータブル機器に超低温を実現することは、家庭用冷蔵庫と同様の原理で動作するがヘリウムガス又はその他の超低温液体ガスを圧縮媒体として使用する極めてハイテクな超低温クーラ（又はクライオクーラ）を必要とする。初期製造コストに加えて、超低温コンプレッサをポータブル機器に組み込むことは別の欠点を有する。第１に、超低温クーラが十分な低温に到達するためには数分の時間を要する。第２に、超低温冷凍機は、ピストン、シリンダ、ガスケット（パッキン）、Ｏ−リングおよびモータ等の多くの可動およびシール部品を必要とする。これらピストン、シリンダ、ガスケットおよびＯ−リングは気体を液体に変換するために極めて高圧下で動作しなければならない。超低温クーラの一般的な寿命は、約２０００時間である。通常の故障モードは、シールを通すヘリウムガスの漏洩である。この超低温クーラの交換又は修理は、機器の購入代金の２５％を越える。コスト問題の外に、スペアパーツの不足又は熟練したサービスマンの不足等により修理は大幅に遅れるのが通常である。更に、バッテリ（電池）の寿命の大部分は、ディテクタを低温状態に維持するために消費される。通常、操作者は、大容量の外部バッテリを、肩掛け又はベルトで腰回りに止めて持ち運ぶ必要がある。これは、操作者に不便を課すと共に操作者は数階建てに相当する高さの高温の観測ポートを通る狭いキャットウォークを通って炉内の撮影をしなければならないので、操作者の安全性を損なう虞がある。この作業中の災害の回避がプラントマネージメントにとり最重要事項であることはもちろんである。
【００１４】
更に、これらのフォトンディテクタは、また実効的に３〜５μｍのスペクトル帯域に制限されている。そこで、例えば−４０〜２００℃の範囲の低い温度の検出には使用できない。そして、特に屋外では、日中、太陽の影響による日光による３〜５μｍの強力な輻射エネルギー源のために、それらの使用ができない。これらの低い温度は、石油化学関連のプロセスにおいて、他のポイント（点）で生じ得ると共に極めてクリティカルでもある。これらの状態のモニタリング（監視）には、８〜１４μｍのスペクトル帯域で動作する長波長赤外線（ＬＷＩＲ）イメージングラジオメータ（輻射温度計）を使用して行なうのが通常である。
【００１５】
また、同様の低温検出機能を必要とする補助炉およびその他の施設機能が包括的予測および予防メンテナンス（ＰＰＭ）プログラムに供される場合がある。
【００１６】
そこで、現状の技術レベルでは、クッカー炉内計測およびＰＰＭ活動の如き２つの全く異なるアプリケーションには、−４０〜２０００℃の広い温度範囲をカバーする２つの機器を使用する必要がある。
【００１７】
ここ数年に、非冷凍型フォーカルプレーンアレイ（ＵＦＰＡ）赤外線ディテクタのクラスが、各種の工業、科学、セキュリティ（警備）、公衆安全、自動車および消防アプリケーション用として市場に紹介されている。これら最近のディテクタの設計および開発の契機は、軍事用の軽量、且つ超携帯性の暗視装置のニーズであった。このＵＦＰＡディテクタの主たる利点は、室温で動作することである。即ち、ディテクタを冷却するために超低温環境を必要としない点である。
【００１８】
しかし、これら全てのディテクタは、通常６μｍを超える長波長赤外線波長で動作するように最適化されている。このディテクタは、最適動作のために、敏感な感知素子（ピクセル）を覆う赤外線透過窓により真空シールされている。この窓の赤外線透過特性は、６〜１４μｍ又は８〜１４μｍである。８〜１４μｍのスペクトル透過は、大気の吸収帯域効果が最小になり、従って長距離でイメージの鮮明度を大きくすることが可能であるので、好ましい選択である。
【００１９】
本発明は、従来技術の上述の如き欠点乃至課題に鑑みなされたものであり、ＭＷＩＲデバイスとしても使用可能なように適合させることにより、燃焼する炎から干渉されることなく、例えば炉内部のチューブ壁のターゲット（目標物）表面における高温を測定可能にすると共に広い日光の下での温度検出を含む低温度範囲でも動作可能にする、これらＵＦＰＡデバイスの新たな用途を提供することを主たる目的とする。
【００２０】
本発明の他の目的は、超低温に冷却する必要がなく、従って機器の寿命を長くし、斯かる環境に極めて好ましい付加的な便宜および安全性を提供可能にする軽量ポータブル機器を提供することである。
【００２１】
本発明の更なる目的は、既存のＵＦＰＡ赤外線撮像装置（デバイス）を本発明の目的の達成のために適合させることであり、このデバイスは組み込まれたファームウエアおよび、例えばＭｉｋｒｏｎＳｐｅｃ（商標）オフラインソフトウエアの如き関連するオフラインのソフトウエアを含み、測定精度を更に強化し、例えばチューブの寿命を長くしこれによりプラント稼動の生産性を向上させ又は異なるプロセスに使用される際に、その他の利点を与えることを可能にすることである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の赤外線撮像装置によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、単一の赤外線撮像装置を使用して、−４０℃から２０００℃まで間の温度範囲の温度を十分な高精度で測定可能である。また、光学構造物内には、光路内に選択的に挿入可能な第１赤外線帯域フィルタおよび第２赤外線フィルタを配置するので、全体構成が極めて簡単であり、小型化可能である。更に、これらの赤外線フィルタは、内蔵されたモータにより、操作者のキー操作に応じて自動的に設定可能である。従って、種々の炉の内部温度等を測定してプロセス制御又はＰＰＭ等に好適である。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した目的を達成するために、本発明の赤外線撮像装置は、−４０〜２０００℃の高温および低温度間の対象温度範囲内の異なる温度を有するターゲット表面の赤外線撮像を得る装置である。この赤外線撮像は、既知の透過波長を有する妨害媒体を介して行なわれる。ターゲット表面は、既知の吸収波長を有する。
【００２４】
このデバイスは、ターゲット表面から出る赤外線を含む赤外線を入射可能にする開口を含むハウジングを備えている。この赤外線は、ハウジング内の光路（通路）に沿って導かれる。この光路は、光軸を有する。
【００２５】
光学構造物（組立体）がハウジングおよび光軸内に配置されている。この光学構造物は、入口および出口を有する。赤外線は、光学構造物の入口へ向けて入口内へ導かれ、その出口を介して出射される。
【００２６】
光学構造物のスペクトル帯域を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段が設けられている。好適実施例によると、この光学構造物は、対物レンズ、ネガティブレンズおよびフォーカス（合焦）レンズ手段を含んでいる。好適実施例では、これら各レンズは、ゲルマニウム製である。また、好適実施例によると、各レンズは、スペクトル帯域３μｍから１４μｍまでの反射防止コーティングが施されている。
【００２７】
また、非冷却フォーカルプレーンアレイおよび検出面を含む赤外線ディテクタ（ＵＦＰＡディテクタ）を備えている。このＵＦＰＡディテクタは、ハウジング１２内の光路に配置され、光学構造物を通過する赤外線が検出面に当たるようにする。
【００２８】
ＵＦＰＡディテクタのスペクトル帯域を３μｍから１４μｍまでに最適化する手段が設けられている。好適実施例によると、これは光学構造物の出口およびＵＦＰＡディテクタ面間の光軸に配置されたスペクトル透過窓を含み、このスペクトル透過窓は、３μｍから１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有する。代表的には、透過窓はＵＦＰＡディテクタの一部で形成される。
【００２９】
このＵＦＰＡディテクタは、検出面に入射する赤外線のエネルギーに比例する電気信号を出力する。
【００３０】
第１および第２赤外線帯域フィルタを含むフィルタ手段が設けられている。第１赤外線帯域フィルタは、８から１４μｍまでのスペクトル帯域幅を有する。第２赤外線帯域フィルタは、３から８μｍまでの幅のスペクトル帯域幅を有する。各帯域フィルタは、操作者の指示により光軸内に取り外し可能に介挿され、ハウジング内に入射する赤外線を帯域制限して、それぞれ所定の温度範囲に関連する所定の波長、介在媒体の透過波長および測定対象物の吸収波長により特定の赤外線を減衰し、且つその他の赤外線を通過させるようにする。
【００３１】
ＵＦＰＡディテクタの電気的出力を少なくとも１つの解釈可能な出力に変換する電気手段が設けられ、これにより操作者は許容可能な精度でターゲット表面の温度を決定する十分な情報を得ることが可能である。
【００３２】
このデバイスは、上述した第１赤外線帯域フィルタが光路に挿入されると、太陽光の下でもＰＰＭタイプの赤外線撮像を可能にする。
【００３３】
このデバイスのアプリケーションの１つでは、第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は、３．８から４．０μｍまでである。
【００３４】
この装置の他のアプリケーションでは、第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は、４．８から５．２μｍまでである。
【００３５】
この装置の更に他のアプリケーションでは、第２帯域フィルタのスペクトル帯域幅は、６．７から６．９μｍまでである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、対応する構成要素には同じ参照符号を使用する多くの添付図面を参照して、本発明の好適実施形態について詳細に説明する。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の１形態例を示すマイクロン社製７２００Ｖ型赤外線撮像装置の斜視図である。この改良された測定対象物の赤外線撮像装置１０は、測定対象物（以下ターゲットと記す）３６(図４参照)から出る赤外線が入射する開口１４を有するハウジング１２を含んでいる。この改良された赤外線撮像装置は、超軽量且つ高性能のＩＲ（赤外線）カメラ１０であり、片手でターゲット３６に向けて容易に撮影動作が可能なように設計されている。それは、直感的に理解できるカーソル操作部１６、フォーカス操作部１８、メニュ選択キー２０およびモード選択キー２２を含むキーパッドがイメージャの上面に設けられている。このメニュ選択キー２０により、操作者が観測したい温度範囲を特定可能にする。
【００３７】
電源スイッチ２４（図３Ｃ参照）を操作することによりバッテリ電源が供給される。メモリカードスロット２６が設けられ、イメージおよびデータをＰＣＭＣＩＡカード等のＩＣカードにストア（保存）して後で観察又は観測可能にする。また、イメージは、ビデオ出力端子２８および／又は３０（ＲＳ−２３２ＣＳ−ビデオ出力端子）および／又はオプションで内蔵するＩＥＥＥＩ３９４Fire  Wire（商標）インタフェース３２（図４参照）を介してリアルタイムで観測可能である。このカメラ１０はバッテリ（電池）駆動であるが、プラグ３４が設けられ、ＡＣ電源で駆動することも勿論可能である。
【００３８】
このカメラ１０は、広範囲のオンボード処理ソフトウエアが標準装備されている。また、上記したソフトウエアを使用することにより、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）からリモートコントロールすることも可能であり、これにより付加的な解析およびリポート機能を提供可能にする。斯かるソフトウエアは、市販されている。このソフトウエアはリアルタイムサーマルデータ取込および解析シフトウエを行なうものであり、ウインドウズベースのソフトウエアプログラムで高速にリアルタイムデータの取込およびイメージ解析機能を提供可能である。このソフトウエアに接続された１台以上の赤外線カメラを使用することにより、プロセスを正確に測定して製造品質の保証を可能にする。このソフトウエアは、ユーザがサーマルイメージをリアルタイムでおよびコンピュータのハードデスクドライブに取込保存したものを観察可能にする。また、このソフトウエアは、各種形状の関心ある多数の領域を作り、その詳細を関心ある温度領域に検索が可能である。
【００３９】
次に、図４を参照すると、本発明による赤外線撮像装置（カメラ）１０の機能ブロックを示す。開口１４から入射した赤外線放射光は、ターゲット３６からでる放射光、ターゲットの近傍のソース（源）からの放射光およびその近傍の他のソースによりターゲットからの反射された放射光よりなる。これらの赤外線放射光は、カメラ１０の開口１４に到達し、そこで、その赤外線放射は、光軸３８を有するカメラ１０内の光路に沿って導かれる。この光路内に配置され且つ光軸３８を中心とする周囲には赤外線光学構造物４０が配設される。赤外線光学構造物４０に入射されたＩＲ放射光は、フォーカスコントロール手段４２を含む光学構造物内に導かれ且つそれを通って出射される。このフォーカス制御手段４２は、後述の如く、手動又は電動（モータ）駆動される。機能的に示す如く、赤外線光学構造物４０から出る光線（赤外線）は、少なくとも２つの位置を有するフィルタ構成に導かれ、本発明の目的およびそれぞれのアプリケーションに応じて異なる帯域のフィルタを介挿可能にする。ステッピングモータ４６により、操作者はフィルタ４４を必要に応じて、メニュ選択キー２０の操作で選択した温度範囲および対応する選択に応じて異なる位置に配置する。
【００４０】
赤外線光学構造物４０は、上述した如くターゲットからカメラ１０の視野内のエネルギーである赤外線エネルギーを集め、且つ、このエネルギーをＵＦＰＡディテクタ４８にフォーカス（合焦）する。このＵＦＰＡディテクタ４８は、典型的なアプリケーショに於いては赤外線エネルギーに鋭敏な３２０Ｈ×２４０Ｖ素子からなり、その検出面に当たる赤外線のエネルギーに比例する電気信号を出力する。この出力は、プリアンプ（前置増幅器）５０に供給されて、ＵＦＰＡディテクタ４８の素子により入射光に応じて感知された微小な変化を増幅する。
【００４１】
赤外線光学系と並列に、可視光学構造物５２が設けられている。これはターゲット３６から発生する電磁スペクトラムの可視光部分を集め、ユーザにより認識可能なターゲット３６の可視イメージ（可視像）を生成する。可視光学構造物５２の出力は、デジタル変換モジュール５４に供給され、更にＣＰＵ（中央処理装置）ユニット５６に供給される。
【００４２】
このＣＰＵユニット５６は、例えばメニュ選択キー２０により作動される異なる温度範囲の変更に必要な各種の作業を実行するために必要な全ての指示をアレンジし、マネージし、受け又は送る。ＣＰＵ５６との相互作用（やり取り）の中には、後で再生するための操作者の音声メモを録音するマイクロフォン／スピーカ５８の取り付け、例えばメニュ選択キー２０であるキーパッドとのインタフェース６０、操作者へ早期警報を発令するためのバッテリの残量の監視を行なうバッテリチェック機能６２を含んでいる。これに加えて、ＣＰＵモジュール５６は、プリアンプ５０から信号を受ける信号処理ユニット６４と相互作用する。
【００４３】
信号処理ユニット６４は、入力エネルギーを変換して等価的な実際の温度を得るために必要なアルゴリズムおよび／又はルックアップテーブル（図１１Ａ、図１１Ｂ「表１、表１続」および図１２「表２」の数式１、２、３および４を参照）を含んでいる。
【００４４】
信号処理ユニット６４の出力６６は、ＩＦ（インタフェース）モジュール６８に供給され、信号処理ユニット６４の出力を、例えばビューファインダ７０を通過するサーマルイメージ（図９Ａはコークス炉の赤外線画像１２０を、図９Ｂはコークス炉内のバーナーバンク「チューナ１０２」１２１の赤外線画像を、図９Ｃは、図９Ｂに示す同じバーナーバンクの高温燃焼ガス１００の炎１２２を示す赤外線画像を、図１０は低温度アプリケーションを示す代表的な家庭用湯沸器１２３の炎１２４を示す赤外線画像である）、ＧＰ−ＩＢ／Ｆｉｒｅ  Ｗｉｒｅ（商標）等のＩＥＥＥＩ３９４インタフェースを介するパーソナルコンピュータと通信する認識可能なデジタル出力、ビデオモニタに直接供給可能なアナログビデオ信号および／又は内部の信号処理ユニット６４およびＣＰＵ５６と通信してファームウエアのアップデート、変更および校正を行なうために設けられたＲＳ２３２Ｃ（インタフェース）３０を含む認識可能な出力の異なるタイプに変換する。更に、ＩＦモジュール６８は、メモリカードスロット２６を介してＰＣＭＣＩＡカードを挿入する機能を提供し、これにより検出されたイメージを記録し、後で観察および解析を可能にする。
【００４５】
本発明の目的を達成するために、この光学系のデザインは重要な役割を演じる。好適実施例では、現状の赤外線撮像装置のカメラ１０で使用される８から１４μｍまで又は３から５μｍまでのスペクトル帯域にわたり最適化される従来の光学系のデザインと異なり、３から１４μｍまでのきわめて広いスペクトル帯域にわたりイメージ品質を維持する必要がある。この広い帯域は、炉における高温燃焼ガスの相当に深い位置を通って見ることが可能な高温測定には３．９μｍに中心を置くスペクトル帯域の光学系が好ましく、プロセスおよびＰＰＭアプリケーション、更には最も顕著である太陽が昇っている日中における低温物体の赤外線撮像を可能にする８から１４μｍまでの範囲の光学系を含むのが好ましい。
【００４６】
次に、図５を参照すると、本発明の好適実施例は、極めて広い帯域、特に３から１４μｍまで間で平坦且つ反射防止コーティングされた光学構造物４０を含んでいる。この光学構造物４０は４個のレンズより構成される。
【００４７】
レンズ７４は、ゲルマニウム材料製の対物レンズであり、３から１４μｍまでのスペクトル帯域で高い透過率を有するように光学的にコーティングされている。１２インチ（３０ｃｍ）乃至２００フィート（６０ｍ）の距離にあるターゲットからの光束は、レンズ７４に当たり、いくらかの回折を経てレンズ７６に入射する。
【００４８】
レンズ７６は、ゲルマニウム製のネガティブレンズであり、３から１４μｍまでのスペクトル帯域にコーティングされている。このレンズ７６に入射する光束は、レンズ７６から光軸３８に略平行に進む。この特性により、後述する如く、光路に挿入される赤外線フィルタの中心波長に関連するクリティカルな狭帯域の最小シフト動作する、赤外線フィルタ構造物４４をレンズ７６の後部に配置する。
【００４９】
この特定の実施例における赤外フィルタ構造物４４は、２つの位置を有し、そのどちらもメニュ選択キー２０および選択された温度範囲に応じてカメラ１０内の関連するＣＰＵユニット５６により自動的に選択される。図６を参照すると、位置７８では、低温度赤外線撮像用の８乃至１４μｍスペクトル帯域幅の第１のＩＲフィルタ７８Ｆが光路に挿入される。位置８０では、好適実施例では約３．９μｍを中心とし且つ０．２μｍの帯域幅を有する狭帯域を有する高温度赤外線撮像用の第２のＩＲフィルタ８０Ｆが光路に挿入される。
【００５０】
フォーカスレンズ８２および８４は組み合わされて、選択されたＩＲフィルタ構造部４４から出射される光束がＵＦＰＡディテクタ４８の感光素子上にフォーカシングされる。組み合わされたレンズ８２および８４を対物レンズ７６に向けて又はそれから離れるように移動することにより正確なフォーカシングを実現する。このフォーカシングは、例えばマイクロン製のサーマルイメージャ７２００Ｖ又は７５１５では、フォーカスキー１８の駆動により手動又は自動的に操作可能である。
【００５１】
保護リング８６は、開口１４を有し、対物レンズ７４を保護する。これは、大型のユーティリティ炉の観測ポートで経験し得る、例えば熱および粒子の吹き付け等の大変厳しい環境から赤外線撮像装置のカメラ１０を保護する。このリング８６は、ねじを緩めて取り外すことにより、望遠又は広角レンズ構造物等の他のアクセサリをカメラ１０の前に取り付け可能にする。
【００５２】
図６に示すフィルタ構造物４４の位置７８において、スペクトル帯域８から１４μｍまでの赤外線フィルタは、代表的には−４０から５００℃までの間の低温度赤外線撮像を可能にする。この測定は、大気の吸収による影響を最小限にし、且つ、遠距離赤外線撮像を可能にし、更に屋外でのアプリケーションでは太陽の存在に影響を受けない。
【００５３】
位置８０では、本発明は、如何なる妨害媒体の存在および／又は測定対象物の吸収波長範囲に依存する波長を中心とする極めて狭帯域幅の赤外線フィルタが設けられる。図２Ａおよび図２Ｂのグラフから明らかな如く、約３．９μｍを中心とする赤外線フィルタ８０Ｆを高温燃焼（燃料）ガス１７にスーパーインポーズすると、化石燃料の燃焼の副生物である高温燃焼ガス１７の吸収帯域を透過する。即ち、燃焼ガス１７は、この波長に透明である。３．９μｍの波長を中心とする帯域幅は、０．２μｍである。その結果、石油化学およびユーティリティ炉の管壁内部のサーマルイメージが得られる。これらの管壁の正確な温度プロファイルは、適当なアルゴリズム（後述する数式１および２を参照）を応用することにより得られる。このフィルタを使用する場合のカメラ１０の代表的な温度範囲は、４００から２０００℃までである。
【００５４】
エレクトロニクス部９２内に設けられたマイクロプロセッサ用のＣＰＵユニット５６の制御下のステッピングモータ４６は、赤外線フィルタ７８Ｆ又は８０Ｆを、図３Ａに示すメニュー選択キー２０を介して操作者の指示により操作され、且つ、ＵＦＰＡディテクタ４８の前に配置される。
【００５５】
上述した如く、ＵＦＰＡディテクタ４８は、３２０×２４０のピクセルのアレイを有する非冷却フォーカルプレーンアレイは、米国ニュージャージー州モリスタウンのＤＲＳ社から、型番Ｕ３０００ＡＲで購入可能である。それはＶｏｘ（酸化バナジウム）マイクロボロメータ技術又はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）技術に基づいている。これらのディテクタは、堅牢且つ小型化された構造物にパッケージングされ、図７Ｂの側面図に示す如くスペクトル赤外線透過ウインドウ（窓）８４と一体組立されている。
【００５６】
しかし、これらデバイスの主として意図する用途は、暗視装置であって、代表的な背景周囲温度は３００Ｋ又はそれより低い温度のアプリケーションであり、このディテクタは８ないし１４μｍのスペクトル帯域で動作するよう最適化されている。斯かるアプリケーションにおいて、ピーク赤外線放射は約１０μｍで生じる。これは、まさにディテクタの感度およびディテクタウインドウスペクトル透過の中心である。８から１４μｍまでのスペクトル透過帯域は、大気の吸収に対して実質的に透明であるという付加的な利点を有するので、このスペクトル帯域は赤外線温度測定および赤外線撮像に最もよく使用されることとなる。
【００５７】
しかし、本発明は、８から１４μｍまでのスペクトル帯域を有するこれらのディテクタにおける従来のウインドウと異なり、スペクトル的に３から１４μｍまでの極めて広帯域幅にコーティングされている。その結果、このディテクタは、単一ユニット内で、本発明で予想する低温度赤外線撮像用の８から１４μｍまでおよび特殊高温度赤外線撮像用の３から８μｍまでという２つの目的に使用可能である。ディテクタの内部は、ディテクタ感光エリア８６（図７Ａの正面図参照）内の検出素子が最大感度になるように真空シールされる。
【００５８】
図５に戻り、シャッタ８８は、機械的なフラグであり、操作者からの命令又は自動的に動作し、ターゲット３６から入力される赤外線放射光を定期的に遮断する。この期間は、１秒未満から数秒まで継続する。シャッタ８８の温度は設計により一定であり、また適当な温度センサ（図示せず）配置により既知であるので、これはディテクタの正常性の迅速なテストを行なうことができる。また、ディテクタの各ピクセルの不均一性をテストし、ドリフトに関連する全てのオフセットを排除可能である。シャッタが閉じている時間中に、機器は勿論「非動作状態」であり、如何なるイメージをも捉えることができない。
【００５９】
モータ９０は、シャッタ８８を駆動し、ターゲット３６から入力される放射エネルギーを一時的にブロックする。
【００６０】
ハウジング１２は、マイクロンの標準の赤外線撮像装置１０のモデル７１０２、７２００Ｖおよび７５１５に使用されるものと同じである。それは精密ダイキャストであり、インジェクションモールドプロセスによるアルミニウム製である。
【００６１】
ビユーファインダ７０は、マイクロンの赤外線撮像装置１０のモデル７１０２、７２００Ｖおよび７５１５に使用されているものと同じであり、図９Ａおよび図９Ｂ（両方ともフィルタ８０を使用）および図１０（光路にフィルタ７８が配置される）の如く、屋内又は屋外環境でサーマルイメージを観るために使用される。図９Ｃは、サーマルイメージャの内部に内蔵されたＣＣＤカメラの可視スペクトラムで撮られたイメージである。
【００６２】
エレクトロニクス部９２は、マイクロンの赤外線撮像装置のモデル７１０２、７２００Ｖおよび７５１５で使用されるものと実質的に同じである。しかし、ファームウエアの変更により、本発明により必要とされる異なる温度範囲の選択、赤外線フィルタのポジショニング（位置決め）を可能にし、且つ異なるメニュ選択を含んでいる。また、このエレクトロニクス部９２は、後述する如く背景放射の影響をキャンセルする能力を有する高温度範囲用の新たなアルゴリズムを含んでいる。
【００６３】
バッテリ９４は、再充電可能な大容量のリチウムイオンバッテリであり、またモデル７１０２、７２００Ｖおよび７５１５に使用されるものと同じタイプである。
【００６４】
この実施例の目的のためのカメラ１０は、マイクロンの赤外線撮像装置のモデル７２００Ｖの変形版である。それは黒体熱源の温度を正確に指示するように校正された輻射計である。サーマルイメージャの１つのピクセルに到達するスペクトル放射Ｗλ、Ｔ（ワット／μｍ2）からの黒体の温度を得るには、単にプランク法則を使用すればよい。それは、次式のとおりである。
2006518464.tif 000003
ここで、λeffはサーマルイメージャの実行波長、即ち３．９０μｍであり、Ｃ１およびＣ２はそれぞれ３．７４×１０-4ワットμｍ2および１４３８８μｍ度であり、ＴはＫ（絶対温度）で表した黒体の温度である。このまれな状態、即ち黒体に対して測定を行なう場合においては、スペクトル放射から温度が直接を求められ補正は全く不要である。
【００６５】
しかし、本発明の目的のための代表的なアプリケーションでは、カメラ１０は、その視野（図１参照）内の炉内部の広い範囲を観察するので、１個のピクセルに当たる入射スペクトル放射Ｗ（λ,T）のイメージは、ＵＦＰＡディテクタ４８により作られ、それは幾つかの放射成分よりなる。チューブ壁の実際温度を指示された見かけ上の温度から決定することは困難である。
【００６６】
図８に示す状態を検討する。図８は、高温燃焼ガスからの放射を含む周囲の背景からの希望しない放射を含んでいる複数の異なる熱源から赤外線放射装置のカメラ１０内に入射される放射光を図示している。
【００６７】
チューブの周囲は、温度がＴwである耐火性壁９６、温度がＴbtである反対側の背景チューブ群９８および温度がＴgである高温燃焼ガス（図８中では多数の点で示す）１００よりなる。サーマルイメージャの光路に高温度赤外撮像フィルタ８０Ｆを挿入すると、周囲から発生して炉のチューブ１０２に入射する放射は、赤外線放射装置のカメラ１０の瞬間視野（ＩＦＶＯ）又は３．９０μｍの狭い通過帯域でＵＦＰＡディテクタ４８の１個の素子（ピクセル）に反射される。ＵＦＰＡディテクタ４８の１個のピクセルにより感知される、Ｗa (λ, Ｔa）で表す合計スペクトル放射（図８参照）１０１は、各種の熱源からの放射およびチューブ１０２からの反射の合計（以下の数式２参照）であり、以下数１で表示される。
〔数１〕
Wa(Ta)=tg{etwt(Tt)+Wr(Tbg)}+egWg(Tg)      ・・・（１）
ここで、Ｗa(Ｔa）は、カメラ１０のＵＦＰＡのディテクタ４８の１個のピクセルのＩＦＶＯ内に受けた合計エネルギーであり、チューブ１０２の見かけ上の温度Ｔaを生じ、Ｗt(Ｔt)はチューブ温度Ｔtのチューブ１０２からの等価放射エネルギーであり、１．０の放射度を有する、Ｗr（Ｔbg）は、周囲の背景チューブ群９８、耐熱性壁９６および高温燃焼ガス１００の影響による背景から受け取る合計反射エネルギー、Ｗg(Ｔg）は温度Ｔgの高温燃焼ガスからの合計放射エネルギー、ｔgは高温燃焼ガスの透過係数、ｅtはチューブ壁の放射度、ｅgは高温燃焼ガスの放射度、即ち（１−ｔg）、ｅwは耐火性壁の放射度である。
【００６８】
チューブからの合計反射エネルギーは、以下の数２で表される。
〔数２〕
Wr(Tbg) = (1-et) [Ft,btetWbt(Tbt)+Gw,tewWw(Tw)+Kg,tegWg(Tg)]      ・・・（２）
ここで、Ｗbt(Ｔbt）およびＷw（Ｔw）は背景チューブ群９８および耐火性壁９６により放射されたエネルギーレベルであり、Ｗg (Ｔg)は有効長における高温燃焼ガスのエネルギーレベルであり、これらは全て対応する温度におけるものであり、ｅwは耐火性壁の放射度である。
【００６９】
Ｆt,bt、Ｇw,tおよびＫg,tは、ビューファクタ係数と称されるものであり、これらは、それぞれ周囲背景の寄与度の重み付けを提供しようとするものである。これらは、主として炉の形状およびＵＦＰＡディテクタ４８のＩＦＯＶの測定エリアの正確な位置に対する観測ポートの位置に依存して０．０ないし１．０の値で変化する。
【００７０】
数１および数２は、これらの式のパラメータがピクセル毎に異なるので、一般化された測定式とみなすことができる。最終的なチューブ１０２の真の温度を得るには、炉の形状、背景温度およびスポット毎のビューファクタ、異なる燃料タイプの燃料透過率および放射度、および角度に対するチューブの放射度などの詳細な知識が得られなければならない。
【００７１】
理解を高めるために、次の如き初期仮定で具体例を検討する。
（イ）チューブ１０２の真の温度Ｔは１１７３Ｋ、即ち９００℃である（図１１Ａの符号１０４）。
（ロ）背景耐熱性壁の温度Ｔwは１３７３Ｋ、即ち１１００℃（図１１Ａの符号１０６）。
（ハ）燃焼ガス温度Ｔgは１９７３Ｋ、即ち１７００℃（図１１Ｂの符号１０８）。
（ニ）チューブの放射度ｅは０．８８、耐火性壁の放射度ｅwは０．９０、燃焼ガスの放射度係数ｅgは０．００４／（３．９０μｍにおけるガスの深さｍ）（図２Ａ参照）。燃焼ガスの光学透過係数ｔg、即ち（１−ｅg）は０．９９６／（ガスの深さ１．０ｍ）そしてガスの深さが５．０ｍ場合には、３．９０μｍで（１．０−５．０×０．００４９＝０．９８およびビューファクタ係数Ｆb,t、Ｇw,tおよびＫg,tは、それぞれ０．９０、０．１０および１．０の値を割り当てることで、Ｗbt (Ｔbt)、Ｗw (Ｔw)およびＷg (Ｔg）の値は、関連する推定温度（１０４、１０６、１０８）で、表１（図１１Ａ、図１１Ｂ）から決定される。表１は、変換表であり、放射エネルギーおよび温度間の関係を反映している。これはプランク法則を赤外線フィルタ８０のスペクトル帯域幅である３．８μｍから４．０μｍまでにわたり積分することにより求められる。更に、カメラ１０の中心ピクセルは、チューブ１０２から５．０ｍの距離、即ちガス深さを有すると仮定している。
【００７２】
これらの推定数値を数２に代入してＷr (Ｔbg）、即ち図８のチューブ１０２からのスペクトル反射エネルギーの合計を求めると、次のとおりである。
Wr(Tbg) = (1-0.88) [0.90 x 0.88 x 0.37353 + 0.10 x 0.90 x 0.60653 + 1.0 x (0.004) x (5.0m) x 1.5134]
Wr(Tbg) = 0.04568
【００７３】
この反射エネルギーを加えると、見かけ上実際の温度よりも高い読みとなる。
【００７４】
次に、数１を解くと、機器（計器）が受け取った合計スペクトル放射は、次のとおりになる。
Wａ(Ｔａ) = 0.98{0.88x0.37353+0.04568} + 0.004x5.0x1.5134 = 0.39717
【００７５】
図１２に示す表２を参照すると、見かけ上の温度Ｔaは約９２３℃、（符号１１０）、即ち機器の放射度設定が１．０における実際の温度より約２３℃高く、背景の影響がキャンセルされない。チューブ１０２の放射度設定が０．８８では、温度は９７１℃（符号１１２）に見え、実際の温度より約７１℃高い。
【００７６】
しかし、チューブ１０２の反射エネルギー量を差し引くと、Ｗr (Ｔbg）＝０．０４５６８の高温燃焼ガスを通る放射エネルギーおよび高温燃焼ガスを通る透過を０．９８から１．０に調整すると、計算に使用されるであろう合計エネルギーは次のとおりである。
Wａ(Ｔａ) = 1.0 {0.88 x 0.37353 + 0.04568 - 0.04568} + 0.004 x 5.0 x 1.5134 - (0.004) x (5.0m) x 1.5134 = 0.3287
【００７７】
チューブ１０２の放射度設定が０．８８では、実際のチューブ温度の計算に使用される合計エネルギーは次のとおりである。
Ｗt (Ｔt）＝Ｗa (Ｔa）÷ｅt
図１１Ａ、図１１Ｂの表１を使用すると、
Ｗr (Ｔbg）＝０．３２８７１÷０．８８＝０．３７３５３
これは、表１を使用すると、９００℃に対応し、温度誤差がないことを示す（表１の１０４参照）。
【００７８】
結論
上述の実例に示す如く、炉の内部からサーマルイメージャへ１つ１つ到達する全ての放射成分を含む高度なアルゴリズムを使用すると、入力されるエネルギーのうち希望しない成分が計算され、適当なアルゴリズムを使用して差し引き、絶対温度読みを実現することができる。実務上、ユーザは、希望しない入力エネルギーのうち重要度の低い成分を無視しても、正確な読みを得ることができる。
【００７９】
余りクリティカルでないプロセスアプリケーションでは、ユーザは、見かけ上の温度対時間を監視し、ホットスポットが発生していないことを確かめ、これによりチューブ壁の絶対温度の読みに過度に神経を使うことないようにすることで満足するであろう。他の場合では、ユーザは、個々の成分ではなく希望しない入力エネルギーの重み付けられた平均値を使用することを好むかもしれない。
【００８０】
上述した数１および数２は、全ての条件を処理する一般化された測定方程式である。
【００８１】
係数ビューファクタが一定であり炉デザインの形状や赤外線撮像装置１０に使用されるビューポートの位置に依存しないと仮定すると、上記関係の簡易版を表すことができる。例えば、測定エリアに対するサーマルイメージャの位置に無関係に全ての炉エリアについてＦt,bt＝０．９０、Ｇw,t＝０．１０およびＫg,t＝０．０である。これは、赤外線放射装置のカメラ１０により見られる背景耐火性壁のパーセンテージが極めて小さい場合である。その結果、反射エネルギーの大部分は、機器のＦＯＶ内ではチューブ１０２のバンクと殆ど同じ温度である背景チューブバンクからである。加えて、極めて有効な赤外線フィルタでは、高温燃焼ガスのビューファクタＫg,tの反射エネルギーも無視できるので、０．０であると推定できる。
【００８２】
この解析に黙示されるのは、周囲背景は、２つの異なる温度である２つの異なる黒体に近似され且つ表面は拡散しそしてランバート法則に従うという仮定である。１つの黒体は反対側の壁チューブを代表し、他の黒体は反対の耐火性壁を代表する。これらは、解析上および実務上も合理的な推定であり、各種炉状態の見かけ上示される温度Ｔaに対する効果の大きさを示す。これらの推定に基づき、数１および数２は次のように数３、数４の様に書き換え可能である。
〔数３〕
Ｗa (Ｔa）＝ｔg｛ｅtＷt (Ｔt）＋Ｗr (Ｔbg）｝＋ｅgＷg (Ｔg）・・・（３）
〔数４〕
Ｗr (Ｔbg）＝（１−ｅt）［ＦＷbt (Ｔbt）＋ＧＷw (Ｔw）］・・・（４）
【００８３】
数３および数４は、簡易測定方程式と考えることができ、測定器のファームウエア内にプログラム可能である。操作者は、放射度、背景チューブバンクおよび耐火性壁用のビューファクタおよび燃料タイプに依存する高温燃焼ガスの放射度および平均測定距離等のパラメータを容易に入力可能である。
【００８４】
これら２つの数３および数４を解けば、上述した具体例からの推定数字を使用して見かけ上の温度Ｔaを求めることができる。即ち、
Ｗr (Ｔbg）＝（１-０．８８）［０．９９×０．３７３５３＋０．１０×０．７３８７６］
＝０．０４４３７
Ｗa (Ｔa）＝０．９８｛０．８８×０．３７３５３＋０．０４４３７＋０．０１４１３｝
＝０．３８８２１
【００８５】
表１２を参照すると、これら簡易方程式を使用する見かけ上の温度はＴa≒９１４℃であり、放射度設定を１．０とし背景相殺を行った場合の実際の温度より約１４℃高い。
【００８６】
本発明は、ディテクタの感光素子（ピクセル）へ到達する特定のターゲットからの放射を入力させる３から１４μｍまでの放射スペクトラムを含む新しいスペクトル透過窓を含んでいるＵＦＰＡディテクタを有する新しい赤外線放射装置のカメラ１０のデザインを提供する。本発明は、一般的に３から８μｍまでの範囲の特定波長を中心とする狭い通過帯域幅の赤外線フィルタを、赤外線放射装置のカメラ１０が高温度赤外線撮像および燃焼ガスの如き吸収性媒体を通る温度プロファイリングのために必要なときのみディテクタ窓の前に配置可能にする。この媒体の透明性は、３．９μｍを中心とする狭い帯域波長においてのみ起きる。マイクロン製赤外線放射装置のカメラ１０のモデル７２００Ｖに使用するための特別にデザインされたメカニズムにより、この赤外線フィルタを操作者により光路内又は外へ自動的に配置可能である。光学レンズ構造物のデザインおよびその赤外線コーティングは、標準の赤外線放射装置のカメラ１０、例えマイクロン製７２００Ｖで最適化され、４素子のゲルマニウムレンズ構造物が更に広い放射すペクトラムの受け入れ用に最適化される。伝統的な８から１４μｍまでの代わりに、３から１４μｍまでの範囲で最適化されている。
【００８７】
これらの新規なデザイン変更を組み込むことにより、例えばマイクロン製モデル７２００Ｖシリーズの標準サーマルイメージャは、強化され、単一装置では今まで業界のユーザには得られなかった下記の特徴を有する新たなクラスの赤外線放射装置のカメラ１０が提供されることとなった。
【００８８】
本発明に特徴とするところは、非冷却フォーカルプレーンアレイ（ＵＦＰＡ）ディテクタを使用する赤外線放射装置のカメラ（サーマルイメージャ）であり、適切な中心赤外線狭帯域幅フィルタを使用することにより高温燃焼ガスの如き吸収性媒体を通して観測可能である。
−４０から５００℃までの温度範囲をカバーする他のレンジの機器では、８から１４μｍまでのフィルタを光路に挿入し、従来のＰＰＭに関連する低い温度測定を可能にする。
太陽が昇っている日中の屋外におけるＰＰＭアプリケーションには、８から１４μｍまでの長波長帯域は太陽光の反射される希望しない放射を阻止し、正確なサーマルイメージを保証する。
【００８９】
機器内のファームウエアにより、フラッシュカードにより又は直接ＰＣによりイメージの収集を可能にする。マイクロン製のカスタムオフラインＭｉｋｒｏＳｐｅｃ（商標）は、その赤外線放射装置のカメラ１０と共に包括的イメージ処理、トレンド解析、メンテナンススケジューリングおよびレポート作成、マネージメントレビューに使用でき、困難な測定を容易にする。この新規な方法により、機器の視野内の一層高い絶対チューブ温度測定をピクセル毎に提供する。現在行なっている高温の均一背景温度およびその影響の相殺を推定する簡潔な方法によると、希望する精度が得られないかも知れない。この機器内のファームウエアをＭｉｋｒｏＳｐｅｃ（商標）オフラインソフトウエアと組み合わせることにより、ピクセル毎に赤外線放射装置のカメラに向かう希望しない入力放射を予測してその影響を相殺する機能を有し、見かけ上の温度測定に基づきあらゆる点のチューブの真の温度を推測できる。本発明によるこの新規な方法は、背景放射の影響の一層高度な理解に依存し、それを相殺する。
【００９０】
マイクロン製モデル７２００Ｖの如き標準赤外線放射装置に革新的且つ新規なデザイン変更を施すことにより、２つの機能を備える新しいクラスの赤外線放射装置のカメラのデザインができる。この新しいモデルは、−４０から２０００℃までの温度範囲を有する。それは、太陽が昇っている日中を含み、−４０から５００℃までの温度範囲を有するＰＰＭアプリケーション用の圧倒的なマーケット要求を満足させる。これに加えて、それは石油化学会社やユーティリティパワープラント等の大型炉を使用する業界のユーザに対して、２０００℃までの高温における炉のサーマルプロファイルを簡便且つ安全に行なうことを可能にする。
【００９１】
更に、革新的なデザインにより、マイクロン製モデル７２００Ｖの如き標準赤外線放射装置のカメラを他の目的に、例えばガラスエンベロープ（管球）および金属製エンドキャップ間のシール温度を蛍光灯管の製造中にモニタするために使用可能にする。このアプリケーションでは、プロセスは、炎の中で完成されるので、３．８から４．０μｍまでの帯域幅を有するフィルタを使用することにより、機器が炎を通して見て、シール部の温度を検出してそれが十分であることを保証することが可能である。
【００９２】
そこで、ある種のプラスチックのプラスチックバッグを製造中にもまた、バッグが製造されている間のプロセス温度を検出してバッグの強度を保証することが重要である。ここで、ある種のプラスチックは、６．７から６．９μｍまでのレンジのみで吸収性を有するので、この帯域幅を有する第２フィルタが、赤外線放射装置のカメラをしてターゲットプラスチックの表面温度を正確に読ませることが判明した。ここでも、高品質製品の製造のための温度管理の必要性を保証する。
【００９３】
更に他のアプリケーションとして、４．８から５．２μｍまでの帯域幅を有する第２フィルタの使用を必要とする。ここで、この赤外線撮像装置の使用は、車両のウインドシールド等に使用される強化ガラスの製造に向けられる。このフィルタは、吸収性波長でのガラス製品を横切る温度をモニタさせ、満足できる製品を実現するために必要な均一性を保証する。
【００９４】
これら全てのケースにおいて、第２のフィルタの使用により、赤外線放射装置のカメラの性能の拡張を可能にし、それを魅力的且つコスト競争力を付与し、現状のアプローチの代替となし得る。
【００９５】
ここで述べた実施例の他の変形変更が可能であること明瞭であろう。勿論、本発明の要旨は、ここに説明した実施例に限定すると解するべきではなく、添付する特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の説明に供する精製における代表的なコークス炉の平面且つ機能図である。
【図２】Ａ  本発明の説明に供する燃焼ガスのスペクトル放射度対波長（μｍ）および波数（ｃｍ-1）を示すグラフである。  Ｂ  本発明の説明に供する燃焼炎の代表的なスペクトル透過率（％）対波長（μ）のグラフである。
【図３】Ａ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の正面方向からの斜視図である。  Ｂ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の右背面方向からの斜視図である。  Ｃ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置左背面方向からの斜視図である。
【図４】本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の機能ブロック図である。
【図５】本発明の１形態例を示す赤外線放射装置を構成する各種要素の１部を断面とする側面図である。
【図６】本発明１形態例を示す赤外線放射装置に用いる２赤外線フィルタ構造物を示す正面図である。
【図７】Ａ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置に使用されるＵＦＰＡディテクタの正面図である。  Ｂ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置に使用されるＵＦＰＡディテクタの側面図である。
【図８】本発明の１形態例を示す赤外線放射装置のビューポートに配置された全入力放射線を構成する各種成分を示す平面部分の機能説明図である。
【図９】Ａ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置のビューファインダを介して見た精製用コークス炉内部の赤外線画像である。  Ｂ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置のビューファインダを介して見たコークス炉の床上のバーナーバンクの赤外線画像である。  Ｃ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の有効性を強調する高温燃焼ガス（炎）を示す、図９Ｂに示す同じバーナーバンクの可視イメージを示す赤外線画像である。
【図１０】本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の低温度アプリケーションを示す代表的な家庭用湯沸器のイメージを示し、本発明の優れたデザインおよびその二重用途への適応性を示す赤外線画像である。
【図１１】Ａ  本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の波長３．８から４．０μｍまでにおける異なる入射放射エネルギーにプランク法則を使用して黒体の温度を決定する１０℃刻みの表１、表である。  Ｂ  図１１Ａに続く表１続である。
【図１２】本発明の１形態例を示す赤外線放射装置の波長３．８から４．０μｍまでにおける異なる入射放射エネルギーに対しプランク法則を使用して黒体の温度を決定する９００および１０００℃間の１℃刻みの表２を示す。
【符号の説明】
【００９７】
１０  赤外線撮像装置（カメラ）
１２  ハウジング
１４  開口
４０  赤外線光学構造物
４４  赤外フィルタ構造物、
４８  ＵＦＰＡ（非冷却フィオーカルプレーンアレイ）ディテクタ
７８Ｆ  第１の赤外線（ＩＲ）フィルタ
８０Ｆ  第２の赤外線フィルタ
８２、８４  フォーカスレンズ
８６  保護リング
９０  シャッタ
９６  耐火性壁
１００  高温燃焼ガス
【図１】
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【図２】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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