2色式サーモビューワの原理と応用例

Ver 2.00

株式会社サーメラフォトニクス
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2色式のサーモビューワとは？
●非接触で2次元の温度分布を画像として取得するシステム。

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普通の（単色式）のサーモビューワと何が違う？

一般的なサーモビューワの長所・短所●簡便に温度分布が把握できる●様々な種類がある●低い温度から計測が可能（0℃以下）
×放射率補正が不可欠
物質、距離、形状、温度によって異なるため正確な温度計測は困難
×ガラス越しの温度計測ができない（専用の窓材が必要）

ガラスの吸収波長が赤外（2.5-3um）にあるため×専用のレンズが必要
赤外用の光学系を使用する必要あり

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2色式サーモビューワの長所・短所●放射率補正が不要で、高精度の温度計測が可能●ガラス越しの計測が可能●通常のレンズ、光学系が使用可能●高速度カメラの使用で高速現象の温度計測が可能●温度較正は納入時のみで、被写体が変わっても必要なし
×高温（300℃以上）の計測のみが可能
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サーモビューワの問題点
熱放射

同じ温度同じ温度

違う物質・状態温度分布

違う距離・角度

違う温度

違う温度

全ては放射率が原因です。
放射率は、物質、温度、波長、形状、表面状態などによっ5て異なるため、正確な値を知るのは困難である。

サーモビューワとの比較（半田ごて）

半田ごての温度を計測

サーモビューワの結果
放射率によって先端の温度が高く計測されている。

サーメラの結果（右が温度分布）
放射率が異なってもほぼ同じ温度として計測できる。
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2色法による放射率の異なる物体の計測
黒体スプレー

金属鏡面

586.6℃ 158.6℃

通常のサーモグラ
フィでは放射率によって全く異なる温度が表示される。

593℃

ステンレス製の金属トレイの半分だけに黒体スプレーを塗布し、背面よりバーナーで加熱した際の金属地肌との温度を比較

596℃

放射率の異なる場合でも、2色法ではほぼ同じ温度として算出される。 7

2色法の計測原理

ε=物体の放射率

τ=物体と測定システム間の透過率

黒体の放射エネルギーの2波長における比と灰色体の放射エネルギーの同じ2波長における比は等しくなる。

82色法の数式的理解
波長λの単波長における物体の放射エネルギーと真温度の関係は、Planckの放射則で得られるが、3000Kelvin以下の温度計測域ではWienの近似方程式が使用でき下式で表される。
cετM   5 c1 / T
 (e 1)2Mλ：放射の強さ
λ：波長 μｍ
c１：第1放射定数＝2πc2ｈ＝3.741844×10-16 [w/m2]
c2：第2放射定数＝c h/k＝1.438769×10-2[m K]
Ｔ：真温度（Kelvin）
ε：放射率
τ：透過率
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2色法の数式的理解
2色法による温度計算
前式をTについて解くと𝐶2𝑇=𝐶 𝜀𝜏𝜆 𝑙𝑛( 1 5 + 1)
𝑀𝜆 𝜆

となり

𝑀𝜆2
2波長の放射強度の比を 𝑅 = 𝑀 とし、
𝜆12つの波長における放射率と透過率がほぼ等しいとするとTは以下のように表される
11𝐶2𝑇=𝜆2−𝜆1
𝜆𝑙𝑛𝑅 − 5 𝑙𝑛 2𝜆1

温度Tは2波長の放射強度の比Rと相関関係にある。
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サーモビューワとの比較（ガラス越し）
サーモビューワの結果ガラスを透過せずにガラスに映る反射の影響を受ける。

電球のフィラメントをガラス越しに計測。

サーメラの結果（右が温度分布）ガラス越しの温度計測が可能。

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熱電対での検証
タングステン板に熱電対を溶着し、バーナーで加熱して2色法と比較。

放射率補正なしで熱電対とほぼ等しい温度を計測

熱電対の温度

828℃
2色法の温度

熱電対を抵抗溶接で溶着12使用するカメラの種類
高速度

リアルタイムカラー高速度カメラ

モノクロ高速度カメラ＋2分岐光学系

DensitoCam U174S

DensitoCam Duo2

DensitoCam Ingas

シリコンセンサー
550/600nm
900℃以上シリコンセンサー
650/800nm
600℃以上シリコン
カラーセンサー550/600nm900℃以上

シリコンモノクロ2センサー
800/975nm
500℃以上ｲﾝｼﾞｳﾑｶﾞﾘｳﾑヒ素2センサー
1350/1550nm
300℃以上カラーセンサーモノクロ2センサー

Objectlens

Band pass filter

Beam splitter

Imagesensor

Bayerfilter

Object lensBand pass filter
Image sensor

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設置例

熱疲労試験の結晶成長時の加熱炉の材料の温度計測

Siの温度計測

材料の温度計測14

計測例

ホットスタンピング

温度計測範囲 700~1100℃
画像提供：横浜国立大学 前野智美先生
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計測例

レーザー溶接の溶融プールの温度分布
温度計測範囲 900~1900℃

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計測例

レーザー加工の溶融池の温度分布
温度計測範囲 1000~3300℃
撮影速度 15,000コマ/秒

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計測例

金属3Dプリンタの成型過程の温度分布
温度計測範囲 800~2000℃
撮影速度 5,000コマ/秒

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計測例

圧延
温度計測範囲 1000~1300℃

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計測例

鍛造
温度計測範囲 800~1100℃

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計測例

鋳造
温度計測範囲 800~2000℃

21

計測例

溶融炉
温度計測範囲 800~1900℃

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計測例

電気炉内の温度分布
温度計測範囲 900~1100℃

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計測例

炉内火炎の温度分布
温度計測範囲 1000~1800℃

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計測例

セラミックヒーターの温度分布
温度計測範囲 700~1500℃

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計測例

金属の高周波加熱
温度計測範囲 500~800℃

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計測例

チャンバー内の2種類の金属片の通電加熱
温度計測範囲 300~1000℃
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納入事例

東北大学 用途：加熱炉
東北大学 用途：加熱炉
東北大学 用途：高周波加熱
東北大学 用途：プラズマ加熱
早稲田大学 用途：高周波加熱法政大学 用途：燃焼
東京工科大学 用途：加熱炉
横浜国立大学 用途：高周波加熱
中部大学 用途：高周波加熱
大阪大学 用途：溶接
同志社大学 用途：燃焼広島大学 用途：レーザー溶接
広島工業大学 用途：燃焼
徳島大学 用途：燃焼九州大学 用途：燃焼
福岡大学 用途：溶融金属
大分大学 用途：触媒
産業技術総合研究所 用途：火薬の燃焼
産業技術総合研究所 用途：金属3Dプリンター
宇宙航空研究開発機構 用途：固体燃料の燃焼
石油基盤活性化センター 用途：燃焼
日本原子力研究所 用途：燃焼
高エネルギー加速器研究機構 用途：電子ビーム加熱
防衛省技術研究本部 用途：燃焼
電力中央研究所 用途：燃焼技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構
用途：金属3Dプリンター
沖縄工業試験場 用途：溶接––––––––––––––––––––––––––

自動車メーカー 用途：金属の溶融
自動車メーカー 用途：通電過熱
自動車メーカー 用途：高周波過熱
自動車メーカー 用途：焼き入れ炉
金属メーカー 用途：圧延金属メーカー 用途：溶銑金属メーカー 用途：鋳造
金属メーカー 用途：鍛造
金属メーカー 用途：溶解炉
金属メーカー 用途：溶接炉メーカー 用途：炉内の金属の温度
ガラスメーカー 用途：溶融ガラス
ガラスメーカー 用途：加熱炉の炉壁
ガラスメーカー 用途：照明の電極
光学機器メーカー 用途：ガラスの成型装置メーカー 用途：溶接装置メーカー 用途：溶断装置メーカー 用途：レーザー加熱装置メーカー 用途：金属3Dプリンター
プラントメーカー 用途：微粉炭燃焼炉
部品・機械メーカー 用途：炉内の材料
飲料メーカー 用途：ヒーター
電気機器メーカー 用途：金属加工
電気機器メーカー 用途：電池の爆発
電力会社 用途：金属の溶融その他多数

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