(57)【要約】【課題】工場環境下であっても、低輝度の被測定物の温度を確実に計測する。【解決手段】本発明の放射測温装置１は、開口が被測定板Ｗの表面に向けて配備された凹面部４を有し、凹面部４において被測定板Ｗから放射された放射赤外線を前記開口より外側へ反射する主反射鏡２と、主反射鏡２の開口より外側に配備されると共に、主反射鏡２の開口を向くように形成された凸面部５を有し、且つ凸面部５が主反射鏡２から反射されてきた放射赤外線を再び主反射鏡２へ反射する副反射鏡３と、主反射鏡２の中央部に配備されて、副反射鏡３で反射された放射赤外線の強度を基に、被測定板Ｗの表面温度を計測する放射温度計６と、主反射鏡２の開口から測温対象物に向かって拡径とされた円筒形状で、内壁面に放射赤外線に対して非反射処理Ａが施された外套筒部７と、を有する。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口が被測定板の表面に向けて配備された凹面部を有し、前記凹面部において前記被測定板から放射された放射赤外線を前記開口より外側へ反射する主反射鏡と、
前記主反射鏡の開口より外側に配備されると共に、前記主反射鏡の開口を向くように形成された凸面部を有し、且つ前記凸面部が主反射鏡から反射されてきた放射赤外線を再び主反射鏡へ反射する副反射鏡と、
前記主反射鏡の中央部に配備されて、前記副反射鏡で反射された放射赤外線の強度を基に、前記被測定板の表面温度を計測する放射温度計と、
前記主反射鏡の開口から測温対象物に向かって拡径とされた円筒形状で、内壁面に放射赤外線に対して非反射処理が施された外套筒部と、
を有することを特徴とする放射測温装置。
【請求項２】
前記外套筒部の開口であって前記主反射鏡とは反対側に位置する開口からは、被測定板に沿うように円盤状に張り出すフランジ部が設けられていて、前記被測定板に対面する前記フランジ部の壁面には、放射赤外線に対する非反射処理が施されている
ことを特徴とする請求項１に記載の放射測温装置。
【請求項３】
前記主反射鏡の凹面部は回転放物面形状であり、前記副反射鏡の凸面部は回転双曲面形状であり、前記副反射鏡の凸面部の一の焦点が主反射鏡の焦点と同一位置とされ、前記副反射鏡の凸面部の他の焦点が、前記放射温度計の受光面の中心と同一位置とされている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射測温装置。
【請求項４】
前記副反射鏡は、凸面部に放射赤外線に対する反射処理が施されると共に、非凸面部に赤外線に対する非反射処理が施されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項５】
前記主反射鏡、副反射鏡、外套筒部及びフランジ部の少なくとも１つ以上が、水冷構造とされている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項６】
前記放射温度計は、前記副反射鏡で反射された波長１〜２μｍの放射赤外線の強度を基に、前記被測定板の表面温度を計測するものとされている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放射測温装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延材のような被測定板の表面温度を非接触で測定する放射測温装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、帯板状の圧延材を通板したまま加熱・冷却する連続式の熱処理設備には、圧延材の温度を測定する放射測温装置が設けられている。
放射測温装置は、圧延材などの被測定板の測定点から放射される放射エネルギを計測し、計測された放射エネルギから、ステファン−ボルツマンの法則などに基づいて測定点の表面温度を求める構成となっている。このような放射測温装置において、低輝度の材料（冷延中の鋼材やアルミ材など）の温度を測定する場合、被測定板の放射輝度が非常に小さくなるため、被測定板に比べて温度の低い周辺環境からの迷光がノイズとして無視できなくなり、正確な温度測定が困難になる問題がある。
【０００３】
放射測温装置における迷光対策の技術としては、特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１は、比較的低温領域にある測定対象物体と放射温度計との間に水冷遮蔽板を設置し、測定対象物体から放射される赤外線を、水冷遮蔽板の覗開口部を通して検出することにより、測定対象物体の表面温度を測定する方法において、放射温度計の検出値に影響を及ぼす前記水冷遮蔽板及び周囲物体からの迷光雑音量が水冷遮蔽板における開口部の開口率及び該水冷遮蔽板の測定対象物体に対する距離の関数で表されるものと仮定し、前記開口率及び距離を変化させたときの放射温度計の出力変化を測定するとともに、水冷遮蔽板の温度及び周囲物体の温度を測定することによって迷光雑音成分を定量化し、該定量化された迷光雑音で放射温度計が捕捉した赤外線の総合検出値を補正する表面温度測定方法を開示する。
【０００４】
この特許文献１の技術では、赤外光の検出器と測定対象物間を水冷した遮蔽板で覆い外部らからの迷光が検出器に入ることを抑制すると共に、放射温度計自体を上下駆動させ検出器から測定物を望む開口率を変化させることで、迷光の量を定量的に把握するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１４７９８９号公報（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１の技術において精確な温度測定を実現するためには、温度測定装置自体を上下駆動させる機構を設けておかねばならない。また、装置自体を上下させることで開口率を変え、事前のデータ取得を行うなどの校正作業が必要となる。
このような校正作業を、実際の現場で行うことは難しい側面があり、更に、工場のように周辺設備の稼働状況、移動などによって周辺物質から発する迷光量の変化が起こる場合においては、校正自体を頻繁に行う必要が生じ、安定した温度測定は難しいことになる。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、工場環境下であっても、低輝度の被測定物の温度を確実に計測することのできる放射測温装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の放射測温装置は、開口が被測定板の表面に向けて配備された凹面部を有し、前記凹面部において前記被測定板から放射された放射赤外線を前記開口より外側へ反射する主反射鏡と、前記主反射鏡の開口より外側に配備されると共に、前記主反射鏡の開口を向くように形成された凸面部を有し、且つ前記凸面部が主反射鏡から反射されてきた放射赤外線を再び主反射鏡へ反射する副反射鏡と、前記主反射鏡の中央部に配備されて、前記副反射鏡で反射された放射赤外線の強度を基に、前記被測定板の表面温度を計測する
放射温度計と、前記主反射鏡の開口から測温対象物に向かって拡径とされた円筒形状で、内壁面に放射赤外線に対して非反射処理が施された外套筒部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記外套筒部の開口であって前記主反射鏡とは反対側に位置する開口からは、被測定板に沿うように円盤状に張り出すフランジ部が設けられていて、前記被測定板に対面する前記フランジ部の壁面には、放射赤外線に対する非反射処理が施されているとよい。
好ましくは、前記主反射鏡の凹面部は回転放物面形状であり、前記副反射鏡の凸面部は回転双曲面形状であり、前記副反射鏡の凸面部の一の焦点が主反射鏡の焦点と同一位置とされ、前記副反射鏡の凸面部の他の焦点が、前記放射温度計の受光面の中心と同一位置とされているとよい。
【００１０】
好ましくは、前記副反射鏡は、凸面部に放射赤外線に対する反射処理が施されると共に、非凸面部に赤外線に対する非反射処理が施されているとよい。
好ましくは、前記主反射鏡、副反射鏡、外套筒部及びフランジ部の少なくとも１つ以上が、水冷構造とされているとよい。
好ましくは、前記放射温度計は、前記副反射鏡で反射された波長１〜２μｍの放射赤外線の強度を基に、前記被測定板の表面温度を計測するものとされているとよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の放射測温装置を用いることで、工場環境下であっても、低輝度の被測定物の温度を確実に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の放射測温装置の断面構造を示した図である。
【図１Ｂ】本発明の放射測温装置の底面を示した図である。
【図２】本発明の放射測温装置に備えられた副反射鏡を示した図である。
【図３】放射される電磁波の波長と放射強度との関係を示したグラフである。
【図４】金属に対する黒体の放射輝度の比率を示したグラフである。
【図５】本発明の放射測温装置の使用態様を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本実施形態に係る放射測温装置を図に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る放射測温装置１の断面を示している。以降説明において、図１の上下方向を装置説明における上下方向とする。この定義に従えば、放射測温装置１は被測定板Ｗの上方に配備されることになる（図５参照）。
図１から明らかなように、放射測温装置１は、主反射鏡２と副反射鏡３を有している。主反射鏡２は、その開口が下側を向き被測定板Ｗの表面に対面するように配備された凹面部４を有していて、この凹面部４において、被測定板Ｗから放射された放射赤外線を開口より外部へ反射可能としている。副反射鏡３は、主反射鏡２の開口より下側（反凹面部４側）に配備されると共に、主反射鏡２の開口側すなわち上方を向くように形成された凸面部５を有している。
【００１４】
さらに、本発明の放射測温装置１は、主反射鏡２の中央部に配備されて、副反射鏡３で反射された放射赤外線の強度を基に、被測定板Ｗの表面温度を計測する放射温度計６（赤外検出器）を有している。この放射温度計６の出力は、外部に設けられた測定部（図示せず）に送られ、受光した放射赤外線の強度が温度に変換されて、被測定板Ｗの表面温度として出力される。
【００１５】
また、放射測温装置１は、主反射鏡２の開口から下方に向かって広がり形状とされた円筒形状の外套筒部７を有している。外套筒部７は、その内壁面に放射赤外線に対して非反射処理Ｍ（低反射処理）が施されている。具体的には、外套筒部７の内壁面には、赤外線を吸収するような黒体塗料などが塗布されている。
外套筒部７の下方開口であって主反射鏡２とは反対側に位置する開口からは、被測定板Ｗに沿うように鍔状に張り出すフランジ部８が設けられている。このフランジ部８の下面、すなわち被測定板Ｗに対面する壁面には、非反射処理Ａ（放射赤外線の低反射処理）が
施されている。具体的には、図１Ｂに示す如く、フランジ部８の下壁面には、赤外線を吸収するような黒体塗料などが塗布されている。
【００１６】
その一方で、主反射鏡２の凹面部４は回転放物面形状であり、副反射鏡３の凸面部５は回転双曲面形状とされている。副反射鏡３の凸面部５の一の焦点が主反射鏡２の焦点と同一位置とされ、副反射鏡３の凸面部５の他の焦点が、放射温度計６の受光面の中心と同一位置とされている。
詳しくは、主反射鏡２の直径は２０ｃｍであって、主反射鏡２の凹面部４の焦点は、放射温度計６から１０ｃｍの位置とされている。したがって、副反射鏡３の凸面部５の焦点間距離も１０ｃｍとなるように設計してある。副反射鏡３の凸面部５は、(x/4)2-(y/3)2=1の双曲線を用いて形成されていて、その直径は３ｃｍである。
【００１７】
主反射鏡２の凹面部４は金メッキなどで形成された鏡面とされている。また、副反射鏡３の凸面部５も金メッキなどで形成された鏡面とされており、放射赤外線を高い強度で反射可能となっている。その一方で、主反射鏡２の非凸面部５、すなわち側面や底面には、赤外線に対する非反射処理Ａ（黒体塗料などの塗布）が施されている。
外部から入射する迷光Ｕを確実に遮断するためには、フランジ部８の張り出し長さＬとフランジ部８の浮き上がり量（被測定板Ｗからフランジ部８の底壁面までの距離）ｈとの関係が、「ｈ＜ｈθ／２Ｄθ＜Ｌ」であるとよい。すなわち、関係式「ｈ＜ｈθ／２Ｄθ＜Ｌ」は、迷光Ｕが被測定板Ｗの表面に対して浅い角度で入射し、そして反射した迷光Ｕ（反射光）がフランジ部８（ツバ部）のＡ面に当たらずに、外套筒部７のＡ面に当たる条件を示すものである。
【００１８】
また、外套筒部７の広がり角度θ（図１参照）が「θ＞φ／２」であるとよい。すなわち、関係式「θ＞φ／２」は、入射した迷光Ｕが被測定板Ｗの表面で反射し、外套筒部７の下端の直下を通過して、外套筒部７のＡ面の上端に向かい、そのＡ面の上端で反射したときの迷光Ｕ（正反射光）の反射角度が、水平方向より下向きとなる条件を示すものである。
【００１９】
また、放射温度計６を構成する赤外線検出の素子として、１〜２μｍ帯で感度の高いInGaAsもしくはPbSを用いることが望ましい。素子が２μｍ以上の波長を検出するようであれば、筐体などから放射される赤外線の輝度が測定対象に対して１０％を超えることがあり（図４を参照）、筐体自体から発生する外乱ノイズを十分に抑制できなくなるためである。また、素子は放射赤外線を検出することが目的である故、１μｍ以下の波長を検出するような仕様をもつ必要はない。放射温度計６の視野は、副反射鏡３上であってその直径よりも小さく２ｃｍ程度とする。これにより、外套筒部７の内壁部で反射した迷光Ｕの影響を受けにくくなる。放射温度計６の視野を狭めるために、放射温度計６の先端にフードを付けるようにしてもよい。
【００２０】
さらには、本実施形態の放射測温装置１は、構成部材である主反射鏡２、副反射鏡３、外套筒部７及びフランジ部８の少なくとも１つ以上が、水冷構造とされている。
具体的には、主反射鏡２、外套筒部７及びフランジ部８は一体構造とされ、内部に配水管９が埋設されているものとする。この配水管９内に４０℃以下の冷却水が常に流れている。同様に、副反射鏡３の内部にも配水管９が埋設されていて、４０℃以下の冷却水が常に流れている。冷却水は、４０℃以下で低いほど不要な放射の発生を低減できる。たとえば２５℃とした場合、４０℃に比べてさらに１／３〜１／１０に表面からの赤外輻射は減少する。
【００２１】
外套筒部７及びフランジ部８は、できるだけ冷却効果を高くするために、熱伝導率の高いアルミニウムもしくは銅とすることが望ましい。
なお図示していないものの、副反射鏡３は、外套筒部７乃至は主反射鏡２から複数本の支持棒（図示しない）で固定される。この支持棒も表面は黒体色とし、また内部は冷却水を透過させ、支持棒及び副反射鏡３を水冷する。
【００２２】
なお、図１Ｂに示すように、本測温装置（主反射鏡２、外套筒部７及びフランジ部８）の底面から見た形状は円形であるが、楕円、もしくは多角形とすることを制限するものではない。
以上述べた構成の放射測温装置１によれば、被測定板Ｗの表面から放射された放射赤外線は、上方に照射され、まずは、主反射鏡２の凹面部４により反射される。凹面部４で反射された放射赤外線は、副反射鏡３の凸面部５に集束した上で反射し、放射温度計６へ入光する。放射温度計６では、入光した放射赤外線の強度を基に、被測定板Ｗの表面の温度を測定する。
【００２３】
この際に、外部から迷光Ｕ（外乱赤外線）が放射測温装置１に入ろうとしたとしても、まずは、フランジ部８が迷光Ｕを遮ると共に、フランジ部８の底壁部が迷光Ｕを吸収する。仮に、迷光Ｕが、装置内部に進入したとしても、外套筒部７の内壁部が迷光Ｕを吸収するため、放射温度計６に対してのノイズとは成り得ない（図１Ａ参照）。
以上述べた作動態様により、迷光Ｕの多い工場環境下であっても、低輝度の被測定物の温度を確実に計測することが可能となる。
【００２４】
さて、本発明の放射測温装置１を以上のような構成としている理由は、以下の通りである。
たとえば、アルミなど放射率が０．１程度の金属板材の温度を測る場合を考える。図３には、放射率０．１の物質から放射される赤外線放射輝度の波長スペクトルと、４０℃で放射率が１．０の黒体物質からの赤外線放射輝度が示されている。
【００２５】
図３から明らかなように、波長が３μｍ程度以上になると、放射率の高い物質は放射率の低い物質よりも輝度が高くなることがわかる。すなわち、１００℃程度の低温低放射率の物質の放射測温を行うためには、遮蔽体を水冷して低温に保つとしても、放射温度計６の感度波長を短くする（１〜２μｍ）ことが必要である。
しかしながら、図４から判るように、感度波長を短くすると放射輝度は著しく減少する。そこで、広い面からの放射を集光して放射温度計６に導入する光学系を採用する。これは、測定対象から発した赤外線を反射させ一箇所に集めるための放物面鏡からなる主反射鏡２と副反射鏡３をもちいることで、本来測定対象面での視野が数ｃｍ程度の検出器でも実効面積として数十ｃｍと大きく取れることになる。
【００２６】
このとき、主反射鏡２は回転放物面形状とし、また、副反射鏡３は回転双曲面形状として、副反射鏡３の１つの焦点位置が主反射鏡２の焦点位置が同一な配置とし、副反射鏡３のもうひとつの焦点位置に赤外検出器の受光面中心が来るように配置する。これにより測定対象から上方に発した赤外線は、２つの反射鏡で集光されて、放射温度計６に確実に導かれることになる。
【００２７】
また、外部からの迷光Ｕを防止するためには、測定対象と対向する部分に放射率０．９４〜０．９６程度の黒体塗料Ａを塗布したフランジ部８（低反射板）を測定対象と平行に配置する。これにより、外部から進入する迷光Ｕの大部分は、いったん高反射率（＝低放射率）の金属面で反射しても黒体面で吸収されるため、ほとんど内部に侵入できない。さらに、非常に浅い角度で入射した迷光Ｕは内部に進入するものの、外套筒部７の内壁面が黒体面である故、吸収されほとんど放射温度計６にノイズとして影響しない。
【００２８】
また、副反射鏡３において凸面部５以外の面を鏡面とすると、迷光Ｕの一部が想定外の反射を起こし、放射温度計６にたいしてノイズとなる可能性がある。そのため、副反射鏡３の反射面以外の面は黒体面とする。
ここで、これら主反射鏡２、副反射鏡３、外套筒部７及びフランジ部８の表面温度が上昇すると、不要な放射赤外線の発生源となってしまう。そのため、これらの不要な赤外線の輻射を抑えるためには、各部分の表面温度を冷却する事が必要である。表面温度を４０℃程度に抑えれば、赤外検出器の検出波長が２μｍの場合に２３％程度、１．５μｍで７％程度、１μｍで１％以下に抑えられる。
【００２９】
また、主反射鏡２、副反射鏡３、外套筒部７の形状によれば、基本的に測定対象から上方に放射された赤外線のみを検出し、外套筒部７の内部に入光した放射赤外線は、外套筒部７の内壁面に吸収されることになる。すなわち、放射測温装置１は、焦点距離無限大の光学系となっていることから、測定対象と本装置間の距離変動に強いという特徴がある。
以上述べたような構成を有する放射測温装置１によれば、工場環境下であっても、低輝度の被測定物の温度を確実に計測することが可能となる。
【００３０】
ところで、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。
【符号の説明】
【００３１】
１    放射測温装置
２    主反射鏡
３    副反射鏡
４    凹面部
５    凸面部
６    放射温度計
７    外套筒部
８    フランジ部
９    配水管
Ｕ    迷光
Ｗ    被測定板
Ｍ    反射処理
Ａ    非反射処理（低反射処理）
【図２】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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