非接触温度測定における放射率の定義と影響

非接触温度測定では、測定対象物から放射される赤外線または熱放射を高温計で検出する。パイロメーターは、プランクの放射方程式に従って、受信した放射から温度を計算します。放射線のレベルは、測定対象物の放射率に大きく依存します。しかし、放射率とは実際に何を意味し、実際の測定にどのように影響するのでしょうか？放射率はどのように決定され、何に依存するのでしょうか？放射率が正しく設定されていない場合、どのような誤差が生じ 、どのようにすれば測定誤差を最小化できるのでしょうか？これらの疑問やその他の疑問は、以下の記事で説明されています。

赤外線/熱放射のレベルは温度だけでなく、測定対象物自体にも依存する。測定対象物が吸収（吸収）した熱放射を放出する能力は、放射率によって表される。理想的な、いわゆる「黒体放射体」は、吸収した放射をすべて放出する。実際の放射体は、同じ温度で「黒体放射体」よりも少ない放射しか放出しません。

ε = Φr / Φs

したがって、放射率は0～1または0～100%の間の無次元物理量である。

環境から測定物に当たった放射線は、測定物の反射の度合いに応じて、多かれ少なかれ反射される。熱放射は可視光と同じ放射法則に従う。透明な物体（ガラス、ホイル）の場合、熱放射は測定物体の内部や背景からも来ます。透過率は、物体を通過する放射の割合を示します。パイロメーターによって検出される全放射線ΦΣは以下のように構成されます。

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = 放射率
ρ = 反射率
τ = 透過率
ΦO = 物体の放射
ΦU = 周囲の放射
ΦH = 背景の放射

放射係数は式で結ばれる：

1 = ε + ρ + τ

非透過物体では透過成分は省略される。

1= ε + ρ

測定物の放射率は、その材質や表面に大きく依存する。非金属で透明でない測定対象物は、通常、放射率が80%以上の優れた熱放射体です。金属の場合、放射率は5～90％の間で変化します。

さらに、放射率は波長によって変化する。この性質は金属で特に顕著です。金属の放射力は波長が短くなるほど大きくなります。そのため、選択する際には短波長パイロメータを推奨する。

ガラス、プラスチック、気体などの透明な物体は、放射特性が良い特定の波長域を持っている。

金属やガラスの放射挙動も温度によって変化する。金属表面の酸化や固体から液体への変化によって、放射率が大きく変化する。

金属の放射率は、温度が上昇するにつれて高くなる。ガラスの場合、高温計の視野の深さは温度とともに深くなり、内部からの放射の割合が増加します。

実際には、環境からの外部放射が起こりうる。典型的な例として、高温の加熱炉内の冷たい金属板の測定があります。対象物の放射に加えて、パイロメーターはシートに反射した炉壁からの放射も検出します。対象物の温度が炉の温度に近づくほど、測定誤差は小さくなる。

真の対象物の温度を測定するために、水冷式照準管が使用される。これは炉壁からの干渉放射を遮光するために使用します。十分に大きな影を作るため、管の直径は対象物からの測定距離の少なくとも6倍が必要です。

様々な物質の放射率に関する情報は、文献や取扱説明書に記載されています。しかし、これらの情報は慎重に扱わなければならない。指定された値がどの波長と温度に対して有効であるかを知ることが重要である。また、これらの値は理想的な測定条件下で適用される値である。

実際の条件下では、高温計によって検出される放射は、対象物によって反射または透過された周囲の放射に起因することもある。

正しい温度を表示するためには、高温計の放射率をより高い値に設定する必要があります。これは人為的に放射率を上げることとして知られています。実際に設定すべき放射率は、接触式温度計で比較測定することで求めることができます。


あるいは、放射率を設定したステッカーを、最高温度約250 °Cの測定対象物に貼ることもできます。

まず、ステッカー上の真の温度を測定する（図2）。その後、比較測定がステッカーの真横で行われ、放射率がパイロメーターに設定され、前回の測定値が再度表示されます。放射率の影響は温度とともに大きくなるため、この比較測定はより高い温度で実施する必要があります。

物体の温度が高い場合や、真空炉内など測定対象物に近づけない場合は、物理的な理由から測定波長が短いほど測定誤差が小さくなるため、非常に短波長のパイロメーターによる比較測定をお勧めします。

この目的には、強度比較パイロメーターが理想的です（図3）。これらの装置の測定原理は、波長0.67μmでの光学的色比較に基づいている。

放射率の変化やパイロメーターの誤った設定の影響は、図4の図に示されている。

数年前、2つの波長の放射を同時に測定する高温計が市場に出回るようになった。この2つの放射の商は温度に比例する。放射率の変化によって2つの測定チャンネルが受け取る放射が変化しても、商は一定であり、したがって温度も一定である。しかし、これは放射率の変化が両方のチャンネルで同じ場合にのみ適用されます。実際には、金属の変化は一定ではありません。商輝度計は単一チャンネル輝度計よりもかなり大きな測定誤差を生じる可能性がある。したがって、比高温計でよく引用される "放射率に依存しない "測定に対して警告を発します。

比温計は、例えば、両方のチャンネルの放射エネルギーが、汚れたサイトグラスや視野内のほこりによって同じ程度まで弱められる場合、計量上の利点があります。

重要な測定条件下では、2つのスペクトル温度値と商温度を並行して分析することを推奨します。その結果に応じて、高温計をより良い測定方法に設定することができます。

高温計を選択する際には、パンフレットに記載されている測定の不確かさに大きな注意が払われます。しかし、非接触温度測定では、発生する測定誤差は基本的に測定対象物の計量特性と周囲条件に依存します。装置固有の測定誤差はわずかな影響しか及ぼしません。したがって、高温計を選択するときと測定点を決定するときの両方で、上記の相関関係を考慮に入れる必要があります。