(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似し、鋼材のＢＣＣ領域での音速と、ＦＣＣ領域での音速と、鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間の測定値とから、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材内部の温度分布を求めることを特徴とする鋼材の内部温度の測定方法。
【数１】
0003770522.tif 000009
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【請求項２】
鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似し、鋼材のＢＣＣ領域での音速と、ＦＣＣ領域での音速と、鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間の測定値とから、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材内部の温度分布を求める鋼材の内部温度の測定方法であって、下記の式により、いくつかの鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材の温度分布の組み合わせ毎に、鋼材の厚み方向への超音波伝播時間を計算して記憶しておき、鋼材中の厚み方向の超音波伝播時間を実測し、与えられた鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みにおいて実測値に一番近い値を有する鋼材の温度分布を、鋼材の温度分布として採用することを特徴とする鋼材の内部温度の測定方法。
【数２】
0003770522.tif 000010
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【請求項３】
鋼材の内部温度分布を、以下の式で近似したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鋼材の内部温度の測定方法。
T(x) = a2・x2+a1・x+a0    …  (2)
ここに、a2、a１、a0は定数である。
【請求項４】
鋼材のＢＣＣ領域での音速温度依存性を記憶しておく第１の音速記憶手段と、ＦＣＣ領域での音速温度依存性を記憶しておく第２の音速記憶手段と、鋼材の変態率を推定する変態率推定手段と、鋼材の表面温度を推定する表面温度推定手段と、鋼材の厚みを測定する厚み測定手段と、鋼材の厚み方向への超音波伝播時間を測定する超音波測定手段と、前記各手段により得られた値とから、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材の内部温度を求める演算手段とを備えたことを特徴とする鋼材の内部温度の測定装置。
【数３】
0003770522.tif 000011
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼材の冷却プロセスにおいて、鋼材の内部温度を測定する方法及び装置に関し、特に鋼材内部温度の分布を測定可能な鋼材の内部温度の測定方法及び測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材の冷却プロセスにおいて、鋼材の内部温度を推定することは、組織ひいては材質を制御する上で非常に重要である。現在、一般的に行われている方法は、放射温度計を用いて、冷却前のほぼ均熱とみなせる状態での表面温度を測定しておき、冷却装置の能力と冷却時間とから熱伝導計算によって内部温度の推移を推定するものである。この方法の場合、表面温度の測定精度がスケールなどによって影響されることや、冷却装置の冷却能力の推定精度などの要因により、ある程度の誤差が入ることは免れ得ない。
【０００３】
このため、以前から、直接的に鋼材の内部温度を測定する方法の開発がなされ、超音波の音速の温度依存性を利用した内部温度の測定法が提案されている。その代表的なものは、超音波の伝播速度が、鋼材の温度およびその結晶構造であるＦＣＣ（Face Center Cubic：面心立方構造）及びＢＣＣ（Body Center Cubic：体心立方構造）により異なることを利用するものである。その例として、特公平２−１６８７４号公報に記載されているものを、図７、図８を用いて説明する。
【０００４】
この方法は、鋼材内部の温度分布と鋼材の変態率（ＦＣＣとＢＣＣの割合で０〜１の値をとり、０のとき全領域がＦＣＣ、１のとき全領域がＢＣＣ）とを同時に求めるものであり、図８に示すような、温度と超音波縦波音速ｖl及び横波音速ｖsの関係を鋼種別に記憶装置５１に記憶させておく。電磁超音波の縦波、横波の伝搬時間測定装置５２により、鋼板内部の縦波の往復の伝搬時間Ｔlと横波の往復の伝搬時間Ｔsをそれぞれ測定し、比較部５５に入力する。また、Ｘ線厚み計５３で板厚を測定し、計算部５４に入力する。鋼板内部の温度分布は２次関数と仮定する。
【０００５】
表面温度θsと中心温度θcの初期値を仮定し、この初期値から計算部５４で内部温度分布を求め、その内部温度分布から導かれる音速分布と厚みＤから、計算上の鋼板内部の超音波往復伝播時間（Ｔl、Ｔs）を求め、実際の伝播時間の測定値と比較を行なう。実際値と計算値が異なっていれば、表面温度θsと中心温度θcを変更し、計算上の伝播時間（Ｔl、Ｔs）が実際の測定値と合うようになるまで繰り返して内部温度分布を決定する。
【０００６】
決定された表面温度θsと中心温度θcは、変態率計算部５６に入る。ここでは、表面温度θsと中心温度θcより、鋼板の厚さ方向の温度分布を計算し、表示装置５７に表示する。また、鋼種別の変態温度θpを予め記憶させておき、変態温度θp以下となる領域の厚みを求め、全体の厚さとの比率から変態率を求める。この方法によれば、変態率と共に、内部温度分布を同時に求めることができる。
【０００７】
また、鋼材中の超音波の縦波と横波の音速比が、鋼材の温度によって異なることを利用して鋼材の平均温度を求める方法が、特開平５−２１５６１７号公報に記載されている。これは、図９に示すような、材料温度に対する縦波と横波の音速比をあらかじめ求めておき、実際に鋼材に超音波を入射して、縦波、横波の音速を測定し、その比から、図９を用いて鋼材の平均温度を測定するものである。
【０００８】
さらに、鋼材表層部の厚さ方向温度分布を測定する方法として、超音波の表面波の伝播速度を利用する方法が、特開昭７−７７４６５号公報に記載されている。この方法の概要を図１０に示す。コンピュータ６１より、超音波パルサ６２を駆動して超音波探触子６３より鋼材６４に超音波を入射し、表面波を発生させる。そして、鋼材６４の表面を伝播する表面波を別の探触子６５で受信し、増幅器６６を介してコンピュータ６１に入力する。コンピュータ６１はこれらの入出力信号より、超音波表面波の伝播時間を算出する。この測定を、超音波の周波数を変化させて複数回行い、これらの値から鋼材表層部の厚さ方向温度分布を測定する。なお、６７は接触型温度計、６８は放射温度計で、鋼材６４の温度を測定し、計算に使用する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法においても次のような問題点があった。
すなわち、特公平２−１６８７４号公報に記載されている方法と特開平５−２１５６１７号公報に記載されている方法では、縦波と横波と二つの音速の測定が必要である。しかしながら、特に横波に関しては、音響異方性の影響を受けやすいため超音波の偏波面によって音速が大きく異なる問題があり、この結果として精度良い測定が困難である。また、縦波と横波の二つの測定が必要なため、測定装置が複雑になる。
【００１０】
さらに問題となることは、これらの従来技術では予め音速の温度依存性を測定しておくようにしているが、音速の温度依存性が冷却速度によって異なることである。音速の温度依存性には温度の他に結晶構造が大きく影響するが、フェライト系の鋼材では変態点を境にして図８に示されるように大きく音速が変化する。この変態温度は、冷却速度が極めて遅い場合は平衡状態図で定められる温度であり一定であるが、冷却速度が速くなるに従って過冷現象が起き、平衡状態の変態温度よりも低くなっていく。
【００１１】
発明者らは、この現象に着目し、冷却速度と音速との関係を詳細に調査した結果、音速の温度依存性は図３のように、冷却速度が速いほど音速が不連続に変化する温度が低くなっていくことを明らかにした。この音速が不連続に変化する温度域で変態が進行していると考えられる。図３から、超音波の音速の温度依存性は一定の関係では表すことができないことがわかる。この結果として、前記従来技術は、ある一定の冷却速度のもとでしか成り立たず、実際のプロセスにおけるように、冷却速度を必要に応じてダイナミックに変化させる条件のもとでは全く使用することができない。
また、特開昭７−７７４６５号公報に記載されている技術は、鋼材の表面近傍の深さの温度しか測定できないという問題点を有する。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みて行われたものであり、鋼材内部の温度分布を精度良く測定できる方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似し、鋼材のＢＣＣ領域での音速と、ＦＣＣ領域での音速と、鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間の測定値とから、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材内部の温度分布を求めることを特徴とする鋼材の内部温度の測定方法（請求項１）である。
【数４】
0003770522.tif 000002
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【００１４】
鋼材のＢＣＣ領域での音速、ＦＣＣ領域での音速は、それぞれ温度の関数として予め測定により求めることができる。よって、鋼材の変態率、鋼材の内部温度（表面温度を含む）分布、鋼材の厚さがわかれば、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間を計算することができる。
【００１５】
本手段においては、鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似する。測定に際しては、鋼材の表面温度と鋼材の厚みを測定や推定により求め、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間を測定する。次に、鋼材の内部温度分布を変化させて繰り返し計算を行い、計算した超音波伝播時間と実測した超音波伝播時間が一致するようにする。そして、一致した時点で計算に使用されていた鋼材の内部温度分布を、求める鋼材の内部温度分布とする。
【００１６】
鋼材内部の温度分布は、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似されているので、当該パラメータを決定すれば、鋼材内部の温度分布は一義的に決定される。よって、前記計算は、当該パラメータを求めるような計算とすることが最も好ましい。
【００１７】
なお、本手段においては、鋼材の変態率を予め知る必要があるが、鋼材の変態率の測定には、特開平５−１２６７９８号公報に開示されるような公知の手段が使用できる。
【００１８】
以上のように、本手段では、鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似した上で、ＢＣＣ領域での音速の温度依存性とＦＣＣ領域での温度依存性の二つの音速カーブ、変態率を考慮することにより、変態温度がどのように変わっても温度分布を求められるようにしているので、冷却速度がダイナミックに変化するようなプロセスにおいても内部温度を測定することができるようになる。また、一つの未知数を求めるようにしているため、超音波は縦波と横波の二つを用いる必要がなく、どちらか一方（特に縦波）のみで良いので、超音波装置を簡素化できるという特長も有する。
【００１９】
又、本手段において、鋼材の内部温度を求める方法は、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材内部の温度分布を求めるものである。
【００２０】
【数５】
0003770522.tif 000003
【００２１】
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【００２２】
本手段においては、ＢＣＣ領域での音速の温度依存性ＣB（Ｔ）と、ＦＣＣ領域での音速の温度依存性ＣF（Ｔ）とを予め実験により求めておく。
変態が外側から進行するとすると、変態が完了した範囲の音速はＢＣＣ領域での音速の温度依存性ＣB（Ｔ）と内部温度分布Ｔ（ｘ）から定まり、変態が完了していない範囲の音速はＦＣＣ領域での音速の温度依存性ＣF（Ｔ）と内部温度分布Ｔ（ｘ）から定まることとなる。ここに、ｘは厚み方向の位置である。この時、鋼材の厚みｄを考慮すると、超音波の伝播時間ｔは下式から求められる。ただし、変態率Ｈは、０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)をとるものとする。
【００２３】
【数６】
0003770522.tif 000004
【００２４】
式(1)の未知数は、鋼材の厚み方向の内部温度分布Ｔ(ｘ)（実際は、この関数を決める未知の一つのパラメータ）のみであるため、鋼材のＢＣＣ領域での音速温度依存性ＣB（Ｔ）と、ＦＣＣ領域での音速温度依存性ＣF（Ｔ）と、鋼材の厚み方向の内部温度分布Ｔ（ｘ）と、鋼材の厚みｄと、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間の測定値ｔとから、繰り返し計算によりこの式を満足する鋼材の厚み方向の内部温度分布Ｔ(ｘ)を求めることができる。
【００２５】
前記課題を解決するための第２の手段は、鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似し、鋼材のＢＣＣ領域での音速と、ＦＣＣ領域での音速と、鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間の測定値とから、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材内部の温度分布を求める鋼材の内部温度の測定方法であって、下記の式により、いくつかの鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材の温度分布の組み合わせ毎に、鋼材の厚み方向への超音波伝播時間を計算して記憶しておき、鋼材中の厚み方向の超音波伝播時間を実測し、与えられた鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みにおいて実測値に一番近い値を有する鋼材の温度分布を、鋼材の温度分布として採用することを特徴とする鋼材の内部温度の測定方法（請求項２）である。
【００２６】
【数７】
0003770522.tif 000005
【００２７】
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【００２８】
前記(1)の方程式は、積分を含むため、解析的に解を求めることは難しい。そこで、本手段においては、鋼材の変態率Ｈと、鋼材の表面温度Ｔsと、鋼材の厚みｄと温度分布Ｔ（ｘ）（実際には、この関数を決定する未知の一つのパラメータ）を、それぞれあるピッチで変化させて、それらの組み合わせにおける(1)式の右辺の値を求めることにより、温度分布Ｔ（ｘ）と超音波伝搬時間計算値との近似式を作成しておき、与えられた鋼材の変態率Ｈと、鋼材の表面温度Ｔsと、鋼材の厚みｄの条件において、その式の超音波伝搬時間計算値に超音波伝搬時間実測値を代入することによって、すなわち近似方程式を解くことによって、鋼材内部の温度分布Ｔ（ｘ）を求める。これにより、鋼材内部の温度分布Ｔ（ｘ）を簡単に求めることができる。
【００２９】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、鋼材の内部温度分布を、以下の式で近似したことを特徴とするもの（請求項３）である。
T(x) = a2・x2+a1・x+a0    …  (2)
ここに、a2、a１、a0は定数である。
【００３０】
一次元の熱伝導方程式を解いた場合には、鋼材内部の温度分布は、鋼材中心を軸とする２次関数になることが分かっているので、鋼材内部温度を前記(2)式で表すと精度の良い近似ができる。鋼材中心温度をＴc、表面温度をＴsとすると、(2)式の係数は、a2=-4/d2・(Tc-Ts)、a1=4/d・(Tc-Ts)、a0=Tsと表される。よって、表面温度Ｔsが分かっていれば、(2)式を(1)式に代入することにより、未知数は中心温度Ｔcのみとなるため、比較的簡単に(1)式を解くことができる。特に、前記第３の手段に本手段を応用することにより、積分方程式を解くことなく中心温度Ｔcを求めることができ、これを(2)式に代入することにより鋼材内部の温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。
【００３１】
また、本手段において、鋼材内部の温度分布Ｔ（ｘ）を近似的に求めるために、非線形最小二乗法を使うこともできる。すなわち、式(1)における計算値と測定値の差を評価関数とおき、それが最も小さくなるようにパラメータである中心温度を決定する。このとき、評価関数は、(1)式におけるｔの測定値をｔm、計算値をｔ(Ｔc)とすると、
S = (t(Tc)-tm)2    …(3)
となり、ｔ(Ｔc)をテーラー展開して一次の項までを考慮すると、
【００３２】
【数８】
0003770522.tif 000006
【００３３】
となる。ここで、Ｔc0は初期値、ΔＴc＝Ｔc−Ｔc0である。評価関数の最小条件は、
【００３４】
【数９】
0003770522.tif 000007
【００３５】
であるから、最小二乗法によりΔＴcを容易に求めることができ、数回の繰り返しによって中心温度Ｔcを求めることができる。
【００３６】
前記課題を解決するための第４の手段は、鋼材のＢＣＣ領域での音速温度依存性を記憶しておく第１の音速記憶手段と、ＦＣＣ領域での音速温度依存性を記憶しておく第２の音速記憶手段と、鋼材の変態率を推定する変態率推定手段と、鋼材の表面温度を推定する表面温度推定手段と、鋼材の厚みを測定する厚み測定手段と、鋼材の厚み方向への超音波伝播時間を測定する超音波測定手段と、前記各手段により得られた値とから、下記方程式またはその近似方程式を解くことにより、鋼材の内部温度を求める演算手段とを備えたことを特徴とする鋼材の内部温度の測定装置（請求項４）である。
【数１０】
0003770522.tif 000008
ただし、ｔは超音波伝播時間（往復）、ｄは鋼材の厚み、Ｈは変態率で０〜１の値(０の時は全領域ＦＣＣ、１の時は全領域ＢＣＣ)、ＣB（Ｔ）はＢＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ＣF（Ｔ）はＦＣＣ領域での温度Ｔのときの音速、ｘは鋼材の厚み方向の位置を表す。また、Ｔ（ｘ）はｘの位置での鋼材の温度である。
【００３７】
鋼材のＢＣＣ領域での音速の温度依存性ＣB（Ｔ）と、ＦＣＣ領域での音速の温度依存性ＣF（Ｔ）とを、それぞれ第１の音速記憶手段と第２の音速記憶手段に記憶しておく。鋼材の変態率は、変態率推定手段（特開平５−１２６７９８号公報に開示されるようなもの）により測定する。表面温度推定手段は、実測した表面温度と実測した時点からの経過時間より、熱伝導方程式等を使用して表面温度を推定する。表面温度推定手段としては、公知のものを使用することができる。そして、厚み測定手段により鋼材の厚みｄを測定すると共に、超音波測定手段により、鋼材の厚み方向への超音波伝播時間ｔを測定する。
【００３８】
演算手段は、これらの実測値や推定値を利用して、鋼材の内部温度を求める。鋼材の内部温度を求める具体的なアルゴリズムとしては、前記第２の手段から第４の手段で説明した方法を採用することができる。表示手段は、求められた温度分布そのもの、又はその一部である鋼材の中心温度を表示する。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である鋼材の内部温度測定装置を示すブロック図である。
【００４０】
被検体１は、圧延を終了した後の冷却プロセスにある厚板であり、図には示されていない水冷装置により表裏面から冷却されている。２、３はそれぞれＢＣＣ領域での音速の温度依存性と、ＦＣＣ領域での音速の温度依存性を記憶する手段であり、具体的には図３に示される線を多項式で最小二乗近似し、その係数を記憶することにより、ある温度の時の音速が容易に求められるようにしている。すなわち、ＣB(Ｔ)、ＣF(Ｔ)を多項式で表し、その係数を記憶している。
【００４１】
４は変態率推定手段であり、ここでは変態率測定装置を用いている。これは特開平５−１２６７９８号公報に開示されるように磁気を利用したものであり、鋼材の一方面に磁束を発生する磁化器を、鋼材を挟んだ反対側に一対の磁気センサを備え、この磁気センサ同士の減算値から、鋼材を透過した磁束量を求め、その値から変態率を求めるものである。この他、変態率推定手段としては、連続冷却変態線図いわゆるＣＣＴ線図を用いて計算により変態率を求めるようにしたものを使用できる。また、加熱炉抽出後のスラブのように全く変態していない場合や、冷却が進み明らかに変態が完了している場合には、変態率Ｈを０ないしは１とみなして扱っても本発明の実施は可能である。
【００４２】
５は表面温度推定手段であり、ここでは放射温度計を用いている。冷却水の影響を受けないように、光路をシールドし、被検体１表面と温度計の間をエアパージしながら測定するようにしている。６は厚み測定手段であり、ここではγ線厚み計を用いている。
【００４３】
７は超音波測定手段であり、ここでは冷却中であることを利用し、圧電探触子から水柱により材料に音響カップリングしている。冷却水によって沸騰膜を除去するようにしているので、この方法でも測定が可能である。伝播時間は、材料の表面からのＳエコーと底面からのＢエコーとの時間差から求めるようにしている。なお、復熱時に測定する際には、表面温度が高くなるため、電磁超音波やレーザー超音波など、非接触で超音波測定できる手段を使用する。
【００４４】
超音波測定手段での測定位置と、放射温度計設置位置とが異なる場合には、表面温度推定手段５に温度推定機能を持たせ、超音波での測定中の被検体１の表面温度を推定可能とする。また、厚み測定手段６の位置での被検体１の表面温度と超音波での測定中の被検体１の表面温度が異なる場合には、熱膨張補正を行って、超音波で測定中の被検体の厚みを計算に用いる。
【００４５】
８は中心温度演算手段であり、本実施の形態では図２に示す構成としている。すなわち、中心温度ー伝播時間演算手段１０は、被検体１の中心温度、表面温度、厚み、変態率を変数として、各変数について離散的な代表値を定め、これらの代表値の組み合わせについて、(2)式より被検体１内部の温度分布を求め、これを(1)式に代入して超音波の伝播時間を各々求めている。そして、これらをテーブル化し、中心温度ー伝播時間演算手段１０内に格納している。たとえば、中心温度については200℃から800℃の間を50℃毎に分割して、計算を行っている。
【００４６】
また、テーブル化を行う代わりに、被検体１の中心温度と、表面温度、厚み、変態率と超音波の伝播時間との関係を多項式近似し、その係数を記憶しておくようにしてもよい。
【００４７】
次に、中心温度演算手段１１は、超音波測定手段７で得た伝播時間測定値を、前記被検体１の厚み、表面温度、変態率と共に、前記テーブルに当てはめ、伝播時間測定値に一番近い伝播時間計算値を有する中心温度を、求める中心温度とする。または、超音波測定手段７で得た伝播時間測定値を、前記被検体１の厚み、表面温度、変態率と共に、前記多項式に当てはめ、伝播時間と中心温度との関係式に入力して、被検体１の中心温度を求めるようにしてもよい。中心温度が求まれば、(2)式により、被検体１内部の温度分布を求めることができる。９は温度分布表示手段であり、式(2)に基づいた温度分布を表示するためのＣＲＴや、中心温度の推移を表示するアナログ記録計である。
【００４８】
中心温度演算手段８の動作としては、前述した最小二乗法を用いて、中心温度を求めるようにしてもよい。なお、本実施の形態においては、被検体１の内部温度の分布として(2)式を仮定したが、本発明における被検体１の内部温度の分布の仮定としては、表面温度と他の一つのパラメータで決定されるものであれば、これに限らず、適当なものを選択して使用することができる。
【００４９】
また、本実施の形態においては、以上の構成要素の内、第１の音速温度依存性記憶手段２、第１の音速温度依存性記憶手段３、中心温度演算手段８については、コンピュータを用いて構成している。
【００５０】
【実施例】
以下、前記の本発明の実施の形態である鋼材内部の温度測定方法を用いた、具体的な測定例について説明する。
測定に用いた材料は厚さ23.39mmの炭素鋼鋼板で、900℃の均熱状態から連続的に10℃/s程度の冷却速度で冷却し、冷却開始40秒後に測定した。この時の変態率推定結果は83％、表面温度は196℃であった。これを用い、式(1)、(2)に基づいて、ある中心温度と式(1)、(2)とから求められる超音波伝播時間との関係をいくつかの中心温度で計算する。例えば、中心温度400℃、500℃、600℃、700℃の時の音速分布は図４のようになるから、式(1)に基づいて伝播時間を計算することができる。
【００５１】
図５はその結果であり、中心温度が高くなるに従って伝播時間が増えていくことが分かる。この測定を行なった時の実際の伝播時間は8.383μsであったので、このときの中心温度は図５から容易に求められ、513℃となった。このとき、鋼材の厚みの中心に埋め込んだ熱電対温度計の値は520℃であり、両者は良く一致した。図６はこの時の温度分布の表示例であり、式(2)を基に計算される。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似し、鋼材内部の温度分布を、鋼材表面温度と他の１つのパラメータで決定される関数形で近似し、鋼材のＢＣＣ領域での音速と、ＦＣＣ領域での音速と、鋼材の変態率と、鋼材の表面温度と、鋼材の厚みと、鋼材中の厚み方向への超音波伝播時間の測定値とから、鋼材内部の温度分布を求めているので、変態温度がどのように変わっても温度分布を求められるようにしているので、冷却速度がダイナミックに変化するようなプロセスにおいても内部温度を測定することができるようになる。また、一つの未知数を求めるようにしているため、超音波は縦波と横波の二つを用いる必要がなく、どちらか一方（特に縦波）のみの測定で良いので、超音波装置を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である鋼材の内部温度測定装置を示すブロック図である。
【図２】中心温度演算手段の構成の例を示すブロック図である。
【図３】縦波音速の温度依存性を示す図である。
【図４】鋼材の中心温度と厚み方向音速との関係の例を示す図である。
【図５】鋼材の中心温度と超音波伝播時間との関係の例を示す図である。
【図６】測定により求められた鋼材中の温度分布を示す図である。
【図７】従来の鋼材内部の温度測定装置の一例を示すブロック図である。
【図８】鋼材温度と超音波の縦波、横波の音速の関係を示す図である。
【図９】材料温度と、超音波の縦波と横波の速度比との関係を示す図である。
【図１０】従来の鋼材内部の温度測定装置の他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…  被検体
２…  第１の音速温度依存性記憶手段
３…  第２の音速温度依存性記憶手段
４…  変態率推定手段
５…  表面温度推定手段
６…  厚み測定手段
７…  超音波測定手段
８…  中心温度演算手段
９…  温度分布表示手段
１０…  中心温度ー伝播時間演算手段
１１…  中心温度演算手段
【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９】
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【図１０】
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