赤外線温度測定の原理
W. R. Barron, Williamson Corporation

正確な温度計測システムを構築するためには、最初に赤外線 (IR) 温度測定の原理を理解することが重要です。基本原理を理解せずに、非接触温度計測は精度に欠けると誤解されている場合が多く見受けられます。

1200ºF

0.8

El = 1- tl - rl

この放射率の係数は、波長に関連した物
体表面の特性を表す変数として、プランクの方程式に使用されます。測定物の大部分が不透明なので、放射率係数は以下のように簡素化できます :0.70.6放射光強度 (W/cm2/µm-1)

0.5
1000ºF

0.4

El = 1- tl - rl

例外は、ガラス、プラスチック、およびシリコンのような材料ですが、適切なフィルターの選択により、これらの材料を透0.2過しない IR の波長領域を使用して温度測定することが可能です。
600ºF0.1
放射率誤差に関して多くの注意点があり0ますが、以下の 4 点について注意して下
0 1 2
3 4 5 678 9 10
波長 (µm)さい :黒体放射の特性・IR センサは可視光を識別できません。
ステファン・ボルツマンの法則 Q = T4
・測定対象が目視でも、鏡のように反射ウィーンの変位則 M = K/T
している場合は注意してください。そのプランクの法則 Q = C-5 (ec2/T-1)
物体自身の放射光だけではなく、外部からの反射による熱線も測定しています。
図 Fig.
1: 600〜 1200℃の度の時に、 黒 体 が ・測定物が透明な場合は、IR フィルター
1 As
shown
in温curves
representing
thre distribution of energy emitted
放 射するエネルギーは放射光の波長が0.5by〜
ranging in temperature from を選択する必要があります ( 例えば、ガ14blackbodies
μ m の領域に集中しています。これは可視600 to 1200ºF, the predominate
ラスは、波長 5 μ mで不透明になります)。
・
光領域を大きく超えたIR region領域です。
radition isin the IRof 0.5-14 µm,アプリケーションのうち 90% は絶対温度
well beyond the visible region.
測定を必要としません。高い再現性とドリフトのない安定性により正確な温度コント数があります。放射率は同じ温度において、黒体の熱放射に対する灰色体 ( 非黒 ロールが可能です。
表面が光っている場合は、誤差を修正す体 ) の熱放射の比率です。
るために、手動か自動で放射率の調整を( 灰色体は、あらゆる波長で同じスペクトル放射率を持っている物を示します。非 行います。この調整は、ほとんどのアプ灰色体は、アルミのように放射率が波長 リケーションで簡単に行えます。同じ材料上で放射率が変動する場合では、2 波により変化します )長かマルチ波長式の放射光の測定法により補正できます。
LGB
E =LBB
設計要素
エネルギー保存の法則により、熱放射の IR 温度計は、光学系、エレクトロニクス、透過、反射、および放射 ( 吸収 ) の係数 技術、サイズ、および保護筐体など、さまざまな要素を組み合せた構成になっての合計は 1 になります :います。
tl + rl + al = 1
しかし、IR エネルギーを取り込んで電気そして、放射率は吸収率と等しくなります : 信号に変換する基本部分は共通です。この基本部分とは、レンズ、分光フィルター、El = al
赤外線検出器です。( 光ファイバを使用する場合があります )
0.3

目に見える

基本原理
温 度 測 定 は、 接 触 式と非 接 触 式 の 2
つ に 分 類で きます。 接 触 式 の 熱 電 対、RTD( 測温抵抗体 )、 体温計などは、 温度測定アプリケーションにおいて最も一般的な方式です。この方式は、接触してセンサ自体を測定物の温度と同じ温度に変化させて測定します。測定速度は比較的遅く、安価なのが特徴です。非接触式のセンサは、測定物から放射された IR エネルギーを測定します。応答速度が速く以下のような場合に適しています : 動いてる物体、温度変動中の物体 ( 過渡現象の測定 )、真空中、腐食性環境、物理的制限や安全上の問題などで近づけない物を測定する場合です。比較的高価ですが、アプリケーションによっては接触式と同程度になります。
赤外線はアイザック・ニュートンにより1666 年に発見されました。太陽からの白色光をガラスプリズムに通して虹と同じ七色に分離させたことが発見につながりました。
1800 年にウィリアム・ハーシェルは、それぞれの色の相対的なエネルギーを測定しました。彼は目に見える色が持つエネルギーよりも大きいエネルギーを発見しました。1900 年 代 前 半 にプランク、ステファン、ボルツマン、ウィーン、およびキルヒホフはさらに電磁スペクトルの本質を解明しました。定量的データと方程式を展開して IR エネルギーの本質を解明しました。
この研究で、基本的な黒体放射カーブを使用することで IR エネルギーを定義することが可能になりました ( 図 1 参照 )。この図から、物体 (273℃より大きい温度の )が温度の 4 乗に比例するエネルギーを放つことが分かります。黒体放射の概念はIR 温度測定の基礎です。しかしながら、物理学の基本法則に「放射率」という変したがって :

温度-79

赤外線温度測定の原理（続き）
さまざまな検出器が、 各波長領域でセンサ感度を最大にするために使用されます。 図 2 が 示 すように、PbS は 感 度 が最大で、サーモパイル ( 熱電対 ) は最小になっています。ほとんどの検出器が光起電力を使用した光エネルギーを電圧に変換するタイプか、光伝導性で励起されると抵抗値が変化するタイプです。全て応答速度が速く高感度な検出器になっていますが、ドリフトの問題があります。しかし、以下のさまざまな方法で補正できます : 温度補償回路 ( サーミスタ使用 )、温度制御、自動ヌル回路、チョッパ制御(AC 対 DC 出力 )、アイソサーマル保護などがあります。このようにドリフトの補正は、さまざまなレベルで行えますが、機器の価格に反映されます。

他の信号処理のオプションには、 警報
ON/OFF 制 御、 ピ ーク値 保 持 ( 過 渡 的目標値 )、応答速度調整、サンプル値保持などがあります。
平 均して、IR 温 度 計 の 応 答 速 度 は 約300ms ですが、シリコン IR 検出器を使用すれば約 10ms が可能です。 実際には、多くの器具が現場でノイズの制御や感度の調性をするために応答速度を調整する機能を持っています。
最速の応答速度がいつも必要であると言う訳で はありません が、 約 10 〜 50msの応答速度が必要な誘導加熱などのアプリケーションでは IR 温度測定を活用できます。

相対的感度

単波長温度計
一波長式の基本的な測定器は、設定された波長の範囲で、赤外線エネルギーの合106計を測定します。構成は簡単なリモート
Pbs
メーター付の手持ち式プローブから高性
105
能の携帯式まであります。その機能の中
ge
104
siには、温度と目標エリアの同時表示、記Inas録や印刷出力などがあります。オンライ
Insb
103
ン用の固定式センサには、簡単な小型検サーミスタボロメーター
出器にリモートエレクトロニクス (OEM デ102ザイン ) を付けたものから、リモート PID
薄いフィ
焦電検出器
ルム熱電対列制御が可能な頑丈なタイプまであります。
101
プロセス監視と制御用のオプションには、金属熱電対列1
ファイバ光学系、レーザー照準、水冷機
0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2 3 5 17 0 20
能、ディスプレイ、スキャニングシステム
波長(µm)などがあります。寸法、性能、耐久性、チョッピング
非チョッピング
適応性、信号処理などに関し、数多くの
図 2:IR 検 出 システム を 最 適 化 する た め に、 選択肢があリます。
検出器のスペクトル反応や変調特性を考慮に センサの形態、IR 分光フィルターリング、入れます。
温度範囲、光学系、応答速度、目標物
IR 温度計の電子回路パッケージは、赤 の放射率は、性能に影響する重要な工学
外 線 検 出デ バイスより 100 〜 1000V レ 的要素なので、慎重に計測システムを選ベルの非線形の出力信号を処理します。 択してください。
1000 倍に増幅された信号は、直線近似 センサの形態としては、携帯用、簡単なされて最終的には、直線的な mV か mA 2 線式のトランスミッタ、高性能で頑丈なの信号になります。周辺電気ノイズの干 センサユニット、スキャニング装置などが渉 を 最 小 に するた め に は、4 〜 20mA あります。目視での目標位置合わせ、レーザーアライメント、ファイバ光学系、水出力が推奨されています。
また、この信号を RS232 に転換したり、 冷式、出力信号、リモート表示などがオ
PID コントローラー、リモート表示、レコー プションとなっています。
ダーなどに出力できます。

温度

その他の要素としては、増幅、耐熱処理、線形化、および信号処理などがあります。
一般の窓ガラスは短波長、石英は中波長、ゲルマニウムや硫化亜鉛は 8 〜 14 μ mの長波長範囲で使用可能です。光ファイバは、0.5 〜 5.0 μ m 領域を透過できます。
アプリケーション対して、レンズの第 1の役割は視野 (FOV) を決めることです。
すなわち、目標地点での測定エリア ( 目標サイズ ) です。例えば、一般的なレンズ系では、 測定距離 38cm の時、目標
サ イズ は 直 径 2.5cm となりま す。 逆 2乗の法則で距離 (76cm) を倍にすると、目標の直径 ( 直径 5cm) も倍になり、面積は 4 倍になります。計測器メーカーにより、FOV の定義は異な理ます。また、価格も大きく異なります。光学系は近距離での極小スポット ( 直径 0.762mm) や長距離測定での拡大スポット ( 測定距離914cm で 直 径 76.2mm) な ど、 さ ま ざ
まな 構 成 があります。FOV が 測 定 面で100% 満 た されている限り、 測 定 距 離は精度に影響しません。 FOV を測定す
るには、信号損失 vs 直径を変数として利用する方法があります。厳格な規則は1% の エネ ル ギ ー 減 少で す が、50% か63.2% の 減 少を使 用 する場 合もあります。
また、FOV を測定面に正確に合わせる機能は重要ですが、多くのセンサがその能力を欠いています。正確なアライメントが不要なのは目標がかなり大きい場合です。例えば、ピンポイントの精度が必要無い幅広の連続した紙などです。目標が小さい場合や、遠距離にある場合は、照準ライトやレーザーアライメントを使用するオプションがあります。
赤外光を選別するフィルターを利用して、高温アプリケーション (>537℃ ) には短波 長 を、 低 温 (-21 ℃ ) に は 長 波 長フィルターを使用します。これは黒体のスペクトル分布カーブの一部を利用する方法で、いくつかの技術的優位性があります。
例えば、高温 / 短波長の組合わせでは、熱安定の高いシリコン検出器を使用します。また短波長デザインは放射率の変動が小さいため、温度誤差も小さくなります。他にもさまざまなフィルターが使用されており、プラスチックフィルムに対しては波長 3.43 μ m と 7.9 μ m、ガラスには5.1 μ m、炎の透視には 3.8 μ m があります。

温度-80ここからは、より工学的観点から説明します。繊維温度の測定などの簡単なアプリ
ケーションであれば、安価なセンサが使用できます。しかし、アプリケーションが複雑な場合 ( 例 : 真空チャンバ内の測定や対象物が小さい場合 ) は、より高度なセンサが必要です。
IR スペクトルと温度範囲の選択は、特定のアプリケーションに対して行います。短波長は高温用で、長波長は低温用です。この傾向は黒体のスペクトル分布カーブと同じです。透明なタイプの目標物の場合、 例えばプラスチックやガラスは、狭い範囲のバンドフィルターが必要です。
ポリエチレン (PE) フィルムには、 波 長
3.43 μ m に CH 吸収バンドがあるので、その波長では PE は不透明になります。
この領域のフィルターで選択することにより、放射率の計算は簡単になります。同様に、ほとんどのガラスタイプの材料は4.6 μ m 近辺で不透明になります。そこで、5.1 μ m でバンドパスフィルターを使用して、ガラスの表面温度を正確に測定します。これとは逆に、ガラス張りの窓を通して、真空や圧力チャンバの中の温度を測る場合は、1 〜 4 μ m の領域でフィルターしたセンサを使用します。別のオプションは、光ファイバケーブルをチャンバの中に引き入れて使用することです。
光学系の応答速度は、あらゆるのアプリケーションで問題にならない優れた特性を持っています。一般的には、測定距離
約 40cm、FOV 約 2.5cm、 応 答 速 度
1 秒以下の性能で使用されています。しかし、小型の目標物や断続的に高速で動く目標物を測定するアプリケーションでは、 小 さい 測 定ス ポット ( 直 径 0.0762か 3.175mm) を 特 別 に 製 作 することができます。
同 様 に、 遠 方 の目標 物 ( 目標 から 3 〜300m 離 れ たところ ) は、 標 準 の FOVが非常に大きくなるので、光学システムの調整が必要になります。場合によっては、2 波長放射測定法が使用されます。
例 : 細い電線や遠方の目標物光ファイバ
は、過酷な環境や電気的ノイズから電子回路を分離し、接近困難な場所での測定ができ、色々なシステム構成が可能になっています。光ファイバはアプリケーションの問題を解決する有力なツールとなります。

ほとんどのセンサが、0.2 〜 5.0 秒の応答速度を持っていますが、標準値はその中間です。速い応答はアプリケーションにノイズをもたらす可能性がありますが、遅い応答は感度に影響します。急速な誘導加熱は、速い応答を必要としますが、連続しているコンベアー上の製品や繊維・紙のモニタは、測定値を平均化するために遅い応答が必要です。
高速応答のセンサは、高速のコントローラーや SCR パワーパック、 および 他 の制御部品が必要となります。システムの総答速度は以下の方程式で定義できます:T = 1.1 =+++++++
t12 + t22 ....tn2

もしアプリケーションが正確な絶対温度測定と書面での記録を必要とする場合は、NIST 規格準拠で器具を校正して認定証を発行できます。
次に、表面放射率によるアプリケーション誤差を完全に定義する必要があります。
金属光沢のあるロールを測定する場合は、まず最初に、ロール上の製品の温度を測定することです。次に、試験モードで放射率を適切に調整します。さらに必要なら、2 波長放射測定法を使用することを検討します。
単波長の IR 温度測定は、応用範囲が広く簡単な方式です。温度制御をして、高品質な製品を製造するアプリケーションに多数使用されています。

ここで :T = 総応答t1、t2= 個々のループ要素

2 波長式温度測定
絶対値精度が重要で、測定対象が物理的・化学的な変化の途中にあるアプリケー
ションには、2 波長かマルチ波長タイプ
時間の要素を考えた場合、プロセス力学の放射測定法が適しています。の 2 つのタイプがあります :1 番目が、定波 長 の 比 率を使 用 する方 式 は 1950 年
常状態での変化、例えば厳密な定温度制代前半頃からありますが、近年になって御を必要とする速く動いている製品、例 :設計とハードウェアの変更により、性能ワイヤの 誘 導 加 熱。2 番目は、 動 的 にが向上し、低温域の測定が可能になり価
目標温度が変化するランプ応答の場合で格も下がってきました。
す。バッチプロセスにおける製品の急激2 波長 ( 比率 ) 温度測定は、2 種類の波な加熱などがあります。例 : シリコンウェ
長 ( スペクトルバンド ) でスペクトルエネ
ハの急速な熱アニール。これらの動的アルギーを測定します。放射率が両方の波プリケーションでは、システム応答速度長に対して同じなら、ターゲットの温度をとセンサの FOV は重要パラメータです。
測定器から直接読むことができます。ま多くの場合、対象物の放射率は重要なた、FOV( 視野 ) の中に、埃、メッシュ面、要素ではありません。狭周波数帯のフィグレーの半透明窓などの比較的冷たい材
ルター選択によって、ほとんどの材料が料が入っている場合でも、このタイプの0.90 ± 0.05 範囲で一定の放射率を持っ測定器は、目標の温度を正しく示すことているからです。放射率を 0.9 に設定すができます。このデザインの理論は簡単
ると、センサは、絶対温度の± 5 〜 10で以下の式で表せます。1 つの波長にプ度の精度で測定出来るのが一般的です。
ランクの方程式を使用て、2 番目の波長
このアプリケーション誤差は、約 1% かのエネルギーとの比率を計算します。
2% の精度に相当します。
しかし、実際の IR 温度測定によるプロセ-5 • e-C2 / l1T
ス制御では、絶対値精度より再現性が重 R = Ll1 = el1 • C1 • l1
Ll2		 el2 • C1 • l2 -5 • e-C2 / l2T要です。例えば製品が 210℃まで加熱されて、センサが 204℃を表示している場
el1
l1 -5
合 : 製 品 を 198 〜 210 ℃ の 範 囲で 作る[-—C2 –(1–-1)]•e
R = —– • —–時は、制御用のセットポイントを 204℃
l2T
l1 l2el2に設定します。ほとんどのアプリケーショ
ンは生産管理に NIST 校正を必要としま
l1 -51)][- C2 (1– -–R = —– • e —せん。
Tr l1 l2l2

[ ]

[ ]

温度-81赤外線温度測定の原理（続き）
透過を妨害する媒体が、赤外線波長を選択的に吸収しない限り ( あるいは少なくとも温度計によって使用される波長領域を吸収しない限り )、2 波長の比率は変化しません。この比率が変化しな
いので、2 波長式温度計によって測定された温度は、影響を受けません。
しかしながら、この方式にも限界がいくつかあります。2 波長方式はアルミニウムのような非灰色体では機能しません。また非灰色体の窓や加熱されたパイレック
ス窓を透過して使用できません。さらに、背景の温度が目標より熱い場合は、背景温度を測定する傾向があります。

1 = 1 + 1n (el1/el2)———————–
T		 Tr		 1 1C2 –l1 - l–2—		

()

もし el1= el2, then T = Tr
ここで :R = スペクトル放射比
Tr = 表面の比率温度
el= スペクトル放射率8
 = 1.06
 = 0.75

環境 (Tsur)40.9

 = 0.53

赤外線温度計200.8

 = 0.1

10.50.60.70.80.9

1.01.1

波長 (μm)Fig.
図3: 23.波長システムは、目標から放射 される2 種類の隣接する周波数帯 ( 例 :0.7 μ m と 0.8μ m) の放射エネルギーの 比率を計算することによって自動的に 測定誤差を除去します。

酸化銅

S.T 

0.7

目標TS, Fig.
When selecting noncontact
図5: 5.
非接触温度計の選択においては、測定
temperature measurement
instruments,慮
対象と放射率だけではなく、測定環境を考
it is necessary to take into account notに入れることが必要です。
only the target and its emissivity, butalso the surroundings and theintervening atmosphere.

0.6

黒鉛

0.5

INCONEL X(光沢あり)

0.4

鉄, ARMCO(光沢あり)

0.30.20.10DOW
METAL(光沢あり)
鉛0コバルト合金
N-155(光沢あり)

銅(光沢あり)(光沢あり)500

GOLD(光沢あり)

1000
1500
温度 ℉

2000

2500

Fig
Many materials have emissivity 率
図4: 4.
多くの材料は温度の変化に伴って放射
levels that vary with temperature.
レベルが変化します。この図は最も一般的にSeveral of the most commonly used
使用される材料の比較です。
are compared here.

まとめ
測定の精度に影響する基本的要素を図 5に示しました。測定目標の表面状態は、最重要項目です。しかし、温度計の選択においては、サンプルサイズ、制限温度、放射率、プロセスの動的条件などを考慮に入れてください。これらは FOV、スペクトル反応、応答速度に関係してきます。
さらに、使用環境を考慮することが不可欠で す。 例えば、 炎、IR ヒーター、 誘導コイル、および雰囲気 ( ほこり、汚れたガラスの窓、過度の熱気 ) などです。
温度計の一般的な性能は、校正精度が0.5 〜 0.1% の範囲にあリ再現性は 0.25〜 0.75% の範囲です。基本的なセンサの価格設定は、500 ドルぐらいから始まって、 高 いもの に なると 5000 〜 6000 ドルです。( 米国販売価格 ) 赤外線温度計が適切に使用されれば、短期間で投資費用を回収することできます。
HELMERS PUBLISHING, INC.
(174 C o n c o r d S t . P e t e r b o r o u g h ,NH 03458) の 許 可 の も と Sensors
Magazine (December 1992) よ り 転載しました。

度2 波長温度計は、工業用や研究用に多くのアプリケーションがあります。測定対象が灰色体であれば、アプリケーションに関連した誤差を減少できるユニークなセンサです。
図 4 は温度の変化と共に、放射率が変化するさまざまな製品の全放射率を示しています。例えば、黒鉛には安定した高い放射率があると思われがちです。しかし実際には、黒鉛の放射率は 0.4 〜 0.65 の間で、温度が 1093℃まで上昇するにつれ、変化します。灰色体の材料が高温で処理

温度-82

雰囲気による放射と吸収

温

この方程式が示すように、灰色体の放射率が両方の波長で等しいなら、放射率の変化による影響はありません。
そして、この比率は温度に正比例しています。
また、方程式ではなくて図 3 の黒体のスペクトル分布カーブを使用して、2 波長の比率は放射率が異なっても同じであることが分かります。0.7 μ m と 0.8 μ m の狭帯域フィルターを使用して、2 波長のエネルギー比率を測定すると、1.428 となり、これは放射率 1.0 〜 0.1 の範囲で一定です。
同様に、サンプルが灰色体である限りその特性の変化は、波長温度計の温度測定値に影響を与えません。連続して流れている溶融ガラスやワイヤなどのように、測定中に測定物の大きさが変化をしても正確な測定を行えます。 温度計の FOVより測定目標が小さい場合 ( 視野欠け )でも測定できます。例えば、黒体目標が温度計の FOV の半分しか満たさない場合で す。 放 射 量 が 50% 減 少しても、2波長の比率は変化しません。別の例では、目標が煙や粉じんで見えにくいか、中間にある窓 ( 例 : 真空チャンバ ) が曇っているようなケースです。

酸化鉄

総放射率

相対的放射エネルギー7される工程で、温度変動が大きい場合は特に、2 波長温度計を使用すると、正確な製品温度の測定と制御が行えます。
また、波長により放射率が異なる「非灰色体」の材料に利用可能なマルチ波長温度計があります。このアプリケーションには、放射率に対する波長、温度、界面化学に対する製品の表面特性の詳細分析があります。この分析データを基にして、さまざまな温度と波長におけるスペクトル放射に関連したアルゴリズムを作成できます。