(57)【要約】      （修正有）【課題】被測定対象物表面の放射率に依存しない非接触温度測定方法を提供する。【解決手段】被測定対象物表面に一定距離を置いて２水準(水準１と水準２)切り替え補助熱源を配置し、２波長放射温度計にて被測定対象物表面を測定し、得られた２波長における被測定対象物表面の２波長反射光輝度を求めると同時に、前記２波長放射温度計と同一の２波長にて前記２水準切り替え補助熱源の輝度を測定し、２波長反射率比を表す式と、被測定対象物表面の黒体放射輝度を表す式を用いて、真温度の初期値を仮定し、繰り返し演算により温度の算出を行い、温度を収束させて数値解析計算により真温度を求めるようにした。【選択図】図１
2017026433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物表面に一定距離を置いて２水準切り替え補助熱源を配置し、２波長放射温度計にて被測定対象物表面を測定し、得られた２波長における被測定対象物表面の２波長反射光輝度を求めると同時に、前記２波長放射温度計と同一の２波長にて前記２水準切り替え補助熱源の輝度を測定し、
２波長反射率比Ｒρを次式から求め、
Ｒρ＝{(Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｌλ1,2(Ｔ))／(Ｌλ2,1(Ｔ)−Ｌλ2,2(Ｔ))}／
{(ＬHeat-source,λ1,1−ＬHeat-source,λ1,2)／
(ＬHeat-source,λ2,1−ＬHeat-source,λ2,2)}
ただし、水準１と水準２における波長λ１とλ２における前記２波長放射計測定輝度をＬλ1,1(Ｔ)、Ｌλ1,2(Ｔ)、Ｌλ2,1(Ｔ)、Ｌλ2,2(Ｔ)として真温度Ｔの関数で表し、水準１と水準２における波長λ１とλ２における前記補助熱源輝度をそれぞれＬHeat-source,λ1,1、ＬHeat-source,λ1,2、ＬHeat-source,λ2,1、ＬHeat-source,λ2,2とし、
次に、前記２水準切り替え補助熱源の水準１における輝度を水準２に対して十分小さくすることにより、波長λ１とλ２における被測定対象物表面の黒体放射輝度ＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)を表す次の２式の何れかに、ただしα(Ｔ)は被測定対象物表面の２波長黒体放射輝度比α(Ｔ)＝ＬBB,λ2(Ｔ)／ＬBB,λ1(Ｔ)であり、
ＬBB,λ1(Ｔ)＝{Ｌλ1,1(Ｔ)−(１／α(Ｔ))・Ｒρ・Ｌλ2,1(Ｔ)}／(１−Ｒρ)
ＬBB,λ2(Ｔ)＝{α(Ｔ)・Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｒρ・Ｌλ2,1(Ｔ)}／(１−Ｒρ)
真温度Ｔの初期値を仮定しα(Ｔ)を求め、当該求めたα(Ｔ)を右辺に代入してＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)の何れかを計算し、当該計算したＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)の何れかよりＴを求め、当該求めたＴを用いて再度α(Ｔ)を求めるところから繰り返してＴの値を収束させ、数値解析計算により真温度Ｔを求めることを特徴とする非接触温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触温度測定方法に関し、特に、鋼板製造プロセス連続熱処理ラインにおける鋼板温度管理や、落下する金属溶滴の温度測定において、非接触の金属表面温度を放射温度計測し、最適な熱処理を可能にし、金属表面の放射率が未知であるため、正確な放射温度測定ができないという課題を解決するのに好適な非接触温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触温度測定においては、金属表面の放射率が不明で、鋼種や表面状態などで変化するために正確な温度を測定できないという問題があり、従来から様々な工夫がなされてきた。
例えば、特許文献１では、一般的な放射率補正測温技術として、２波長反射率比を利用する方法が提案されている。
また、本発明者等は、先に特許文献３を出願し、「被測定対象物表面に平行に棒状の２水準切り替え補助熱源を配置し、走査型２波長放射温度計にて前記棒状の２水準切り替え補助熱源に直行する方向に被測定対象物表面を一次元走査して測定し、得られた２波長における熱源反射像から被測定対象物表面の２波長反射パターンをそれぞれ推定すると同時に、前記走査型２波長放射温度計と同一の２波長にて前記棒状の２水準切り替え補助熱源の輝度を測定し、前記被測定対象物表面の２波長反射パターンと前記棒状の２水準切り替え補助熱源の輝度から２波長反射率比を求め、前記被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度を求めるようにした非接触温度測定方法」、を提案し、数値解析計算による解析法も提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−１４００３６号公報
【特許文献２】特願２０１４−１０４１１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の２波長反射率比を利用した特許文献１の方法では、解くべき数式は示されているものの、示された数式は解析的に解いて求めることが出来ない形であり、具体的解法が示されていなかった。
そこで本発明は、上記問題点を解決し、鋼板等の被測定対象物表面の放射率が不明で、鋼種や表面状態などで変化する場合であっても、２波長反射率比を利用した方法で正確な温度を測定できるようにした非接触温度測定方法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】
【０００５】
上記従来技術の問題点を解決するために、本発明者等が先に出願した特許文献２で提案した数値解析計算による解析法を、従来の特許文献１等に記載した２波長反射率比測定を利用した方法に適用することにより、２波長黒体放射輝度比α(Ｔ)＝ＬBB,λ2(Ｔ)／ＬBB,λ1(Ｔ)を用い、真温度Ｔの初期値を仮定しα(Ｔ)を求め、当該求めたα(Ｔ)を右辺に代入してＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)の何れかを計算し、当該計算したＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)の何れかよりＴを求め、当該求めたＴを用いて再度α(Ｔ)を求めるところから繰り返してＴの値を収束させ、数値解析計算により真温度Ｔを求めるものであり、放射率が不明であっても温度測定を可能にした非接触温度測定方法である。
【０００６】
すなわち、本発明は、被測定対象物表面に一定距離を置いて２水準切り替え補助熱源を配置し、２波長放射温度計にて被測定対象物表面を測定し、得られた２波長における被測定対象物表面の２波長反射光輝度を求めると同時に、前記２波長放射温度計と同一の２波長にて前記２水準切り替え補助熱源の輝度を測定し、
２波長反射率比Ｒρを次式から求め、
Ｒρ＝{(Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｌλ1,2(Ｔ))／(Ｌλ2,1(Ｔ)−Ｌλ2,2(Ｔ))}／
{(ＬHeat-source,λ1,1−ＬHeat-source,λ1,2)／
(ＬHeat-source,λ2,1−ＬHeat-source,λ2,2)}
ただし、水準１と水準２における波長λ１とλ２における前記２波長放射計測定輝度をＬλ1,1(Ｔ)、Ｌλ1,2(Ｔ)、Ｌλ2,1(Ｔ)、Ｌλ2,2(Ｔ)として真温度Ｔの関数で表し、水準１と水準２における波長λ１とλ２における前記補助熱源輝度をそれぞれＬHeat-source,λ1,1、ＬHeat-source,λ1,2、ＬHeat-source,λ2,1、ＬHeat-source,λ2,2とし、
次に、前記２水準切り替え補助熱源の水準１における輝度を水準２に対して十分小さくすることにより、波長λ１とλ２における被測定対象物表面の黒体放射輝度ＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)を表す次の２式の何れかに、ただしα(Ｔ)は被測定対象物表面の２波長黒体放射輝度比α(Ｔ)＝ＬBB,λ2(Ｔ)／ＬBB,λ1(Ｔ)であり、
ＬBB,λ1(Ｔ)＝{Ｌλ1,1(Ｔ)−(１／α(Ｔ))・Ｒρ・Ｌλ2,1(Ｔ)}／(１−Ｒρ)
ＬBB,λ2(Ｔ)＝{α(Ｔ)・Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｒρ・Ｌλ2,1(Ｔ)}／(１−Ｒρ)
真温度Ｔの初期値を仮定しα(Ｔ)を求め、当該求めたα(Ｔ)を右辺に代入してＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)の何れかを計算し、当該計算したＬBB,λ1(Ｔ)とＬBB,λ2(Ｔ)の何れかよりＴを求め、当該求めたＴを用いて再度α(Ｔ)を求めるところから繰り返してＴの値を収束させ、数値解析計算により真温度Ｔを求めることを特徴とする非接触温度測定方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の非接触温度測定方法によれば、被測定対象物表面の放射率に依存しないで真温度を求めることができるので、例えば、製鉄プロセスにおける鋼板熱処理工程の温度制御等に適用すれば、温度制御の精度が向上し、製品品質向上、歩留まり向上、エネルギー原単位の削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は本発明の測定原理を、半球状の補助熱源(２水準切り替え型)と２波長放射温度計を用いて説明した図である。
【図２】図２は、図１に示した半球状の補助熱源を代替する点状の補助熱源と２波長放射温度計を用いた原理説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の測定原理を説明するが、本発明者等が先に出願した特許文献２と同じであり、特許文献２では、棒状の２水準切り替え補助熱源と一次元走査型２波長放射温度計の組み合わせで説明しているが、最終的に導かれた式は、その導出過程から、本発明の、水準１と水準２の２水準切り替え点状補助熱源と、２波長放射温度計の組み合わせに読み替えても成り立つものである。
【００１０】
以下の説明は本発明者等による先願である特許文献２と同じである。
（測定原理）
２波長反射率比による放射率補正測温方式の原理について説明する。
まず、拡散性の反射を考慮して、対象表面を覆う半球状の一様黒体熱源を補助熱源とした理想的な場合で検討する。
補助熱源(対象表面を覆う半球状の一様黒体熱源)の温度を水準１と水準２の２水準切り替え、その時の波長λ１およびλ２の輝度を、ＬHeat-source,λ1,1、ＬHeat-source,λ2,1とＬHeat-source,λ1,2、ＬHeat-source,λ2,2とする。２水準の切り替えは、補助熱源のシャッターを開閉し、ＬHeat-source,λ1,2＝ＬHeat-source,λ2,2＝０または室温放射としてもよい。Ｌλ1,0(Ｔ)＝Ｌλ2,0(Ｔ)＝ＬBB(Ｔ)となる熱源輝度ＬHeat-source,0は図１のように求められる。
補助熱源の波長λ１およびλ２の輝度がＬHeat-source,λ1,1、ＬHeat-source,λ2,1のときの波長λ１およびλ２検出輝度をそれぞれＬλ1,1(Ｔ)およびＬλ2,1(Ｔ)とし、補助熱源輝度がＬHeat-source,λ1,2、ＬHeat-source,λ2,2のときのそれぞれをＬλ1,2(Ｔ)およびＬλ2,2(Ｔ)とすると、下記の６つの式(１)〜(６)が得られる。ここで、ελ1，ελ2は、それぞれ波長λ１，λ２における対象表面の放射率を表し、ρλ1，ρλ2は、それぞれ波長λ１，λ２における対象表面の反射率を表す。
Ｌλ1,0(Ｔ)＝ελ1・ＬBB,λ1(Ｔ)＋ρλ1・ＬHeat-source,λ1,0  …………（１）
Ｌλ2,0(Ｔ)＝ελ2・ＬBB,λ2(Ｔ)＋ρλ2・ＬHeat-source,λ2,0  …………（２）
Ｌλ1,1(Ｔ)＝ελ1・ＬBB,λ1(Ｔ)＋ρλ1・ＬHeat-source,λ1,1  …………（３）
Ｌλ2,1(Ｔ)＝ελ2・ＬBB,λ2(Ｔ)＋ρλ2・ＬHeat-source,λ2,1  …………（４）
Ｌλ1,2(Ｔ)＝ελ1・ＬBB,λ1(Ｔ)＋ρλ1・ＬHeat-source,λ1,2  …………（５）
Ｌλ2,2(Ｔ)＝ελ2・ＬBB,λ2(Ｔ)＋ρλ2・ＬHeat-source,λ2,2  …………（６）
このうち、式(３)〜(６)が観測値を表し、式(１)および(２)が推定したい黒体の条件を表す。
【００１１】
式(１)と(３)、式(３)と(５)の差を求めることにより波長λ１について下記の式(７)が得られる。
ρλ1＝(Ｌλ1,0(Ｔ)−Ｌλ1,1(Ｔ))／
(ＬHeat-source,λ1,0−ＬHeat-source,λ1,1)
＝(Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｌλ1,2(Ｔ))／
(ＬHeat-source,λ1,1−ＬHeat-source,λ1,2)  ……………………（７）
同様に、式(２)と(４)、式(４)と(６)の差を求めることにより波長λ２についても下記の式(８)が得られる。
ρλ2＝(Ｌλ2,0(Ｔ)−Ｌλ2,1(Ｔ))／
(ＬHeat-source,λ2,0−ＬHeat-source,λ2,1)
＝(Ｌλ2,1(Ｔ)−Ｌλ2,2(Ｔ))／
(ＬHeat-source,λ2,1−ＬHeat-source,λ2,2)  ……………………（８）
式(７)と(８)の比を取ることにより、下記式(９)が得られる。
Ｒρ≡ρλ1／ρλ2
＝{(Ｌλ1,0(Ｔ)−Ｌλ1,1(Ｔ))／(Ｌλ2,0(Ｔ)−Ｌλ2,1(Ｔ))}／
{(ＬHeat-source,λ1,0−ＬHeat-source,λ1,1)／
(ＬHeat-source,λ2,0−ＬHeat-source,λ2,1)}
＝{(Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｌλ1,2(Ｔ))／(Ｌλ2,1(Ｔ)−Ｌλ2,2(Ｔ))}／
{(ＬHeat-source,λ1,1−ＬHeat-source,λ1,2)／
(ＬHeat-source,λ2,1−ＬHeat-source,λ2,2)}   …………（９）
ここで、Ｒρは波長λ１とλ２における反射率の比を表し、式(９)の下段は観測された４つの信号、および補助熱源をモニターして得られる４つの信号からなり、これらよりＲρを決める。式(９)の上段から波長λ１における黒体放射輝度は下記式(１０)で表される。
ＬBB,λ1(Ｔ)＝Ｌλ1,0(Ｔ)
＝(１／α(Ｔ))・Ｌλ2,0(Ｔ)
＝(Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｒρ・ＲHS,1-0・Ｌλ2,1(Ｔ))／
(１−α(Ｔ)・Ｒρ・ＲHS,1-0)  …………………………（１０）
ここで、
ＲHS,1-0＝(ＬHeat-source,λ1,0−ＬHeat-source,λ1,1)／
(ＬHeat-source,λ2,0−ＬHeat-source,λ2,1)  ………………（１１）
α(Ｔ)＝ＬBB,λ2(Ｔ)／ＬBB,λ1(Ｔ)  …………………………………………（１２）
であり、α(Ｔ)は２波長の黒体放射輝度比であり、対象温度Ｔの関数である。
補助熱源輝度ＬHeat-source,λ1,1、ＬHeat-source,λ2,1が十分小さく、ゼロとみなせる場合、式(１１)は
ＲHS,1-0＝ＬHeat-source,λ1,0／ＬHeat-source,λ2,0＝１／α(Ｔ)
となるため、式(１０)は以下の式(１３)および(１４)で表される。
ＬBB,λ1(Ｔ)
＝Ｌλ1,0(Ｔ)
＝(１／α(Ｔ))・Ｌλ2,0(Ｔ)
＝{Ｌλ1,1(Ｔ)−(１／α(Ｔ))・Ｒρ・Ｌλ2,1(Ｔ)}／(１−Ｒρ)  …（１３）
ＬBB,λ2(Ｔ)
＝Ｌλ2,0(Ｔ)
＝α(Ｔ)・Ｌλ1,0(Ｔ)
＝{α(Ｔ)・Ｌλ1,1(Ｔ)−Ｒρ・Ｌλ2,1(Ｔ)}／(１−Ｒρ)        …（１４）
【００１２】
したがって、Ｔの初期値を仮定しα(Ｔ)を決め、測定したＲρ、およびＬλ1,1(Ｔ)、Ｌλ2,1(Ｔ)を用い式(１３)または式(１４)からＬBB,λ1(Ｔ)またはＬBB,λ2(Ｔ)を計算し、Ｔを求め、このＴの値を用いてα(Ｔ)を再度計算し、式(１３)または式(１４)からＬBB,λ1(Ｔ)またはＬBB,λ2(Ｔ)を計算することを繰り返し、数値解析計算によりＴを求めることが出来る。
なお、ここで補助熱源は黒体としたが、式(９)の下段で反射率比Ｒρを求める際に熱源もモニターしているため、反射率比の測定は必ずしも黒体である必要はない。
【００１３】
（補助熱源）
上記測定原理の説明では被測定対象物表面を覆う半球状の一様熱源という理想的な場合で説明したが、例えば鋼板製造プロセス連続熱処理ライン等の測定現場において、半球状の一様熱源は実際には実現困難である。そこで、実用的な方法として、半球状の一様熱源の代替として点状あるいは有限サイズの熱源を用いて測定する。
何故これが一様半球熱源の代替となるかを下記に説明する。
半球の代わりに、図２に示すような点状熱源を考える。この場合、測定対象が完全に鏡面性であれば、２波長温度計の捉える反射光は補助熱源が半球状の一様熱源であっても点状熱源であっても同じであるため図１に示した半球状の一様熱源と同じ効果が得られる。測定対象が完全に鏡面性でない場合には半球状の一様熱源であった場合と比べ点状熱源である場合には２波長温度計が捉える反射光量は拡散反射した反射光分だけ減るものの、反射の拡散性が２波長で同じか十分近いと仮定できれば、反射率比Ｒρは変わらないため、点状熱源で代替して同じ測定が可能である。
【図１】
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【図２】
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