非接触温度測定の実際における測定誤差

パイロメトリーとしても知られる非接触温度測定は、多くの温度測定専門家から懐疑的な目で見られている。しかし、メーカーの技術資料には、高温計が非常に正確で精密な測定装置であることが記載されています。アプリケーションに適した高温計を正しく選択することに加え、材料の特性や現場での環境の影響を考慮することが特に重要です。

測定エラーは、正しく使用することで避けることができます。エラーの最も一般的な原因とその低減方法を以下に説明します。

パイロメーターは物体から放射される熱放射を測定する。物体から放射される赤外線は、その物体の材質と表面の特性に依存します。この放射特性は放射率εで表されます。正確な温度測定のためには、放射率を機器に設定する必要があります。放射率が正しく設定されていないと、かなりの誤差が生じます。図1は、90%の放射率ではなく80%の放射率を装置に設定した場合の、波長による3つの測定値の温度偏差（ΔT）を示しています。この誤差は、測定波長が長いほど、あるいは温度が高くなるほど大きくなる。

特に、放射率が未知であったり、大きく変動する金属表面を測定する場合、測定波長を短く選択することで、測定誤差は大幅に減少します。金属の放射率は波長が短いほど高くなります。同時に、放射率が正しく設定されていない場合の誤差の影響も小さくなります。

最適な条件は高温計が対象物を明瞭に見ることができるときである。高温計のビーム経路にほこり、ガス、煙、保護ガラス、不透明な物質などの媒体がある場合、これらは対象物の温度放射の減少を引き起こす。

もし透過損失が既知であれば、例えば、保護ガラス(τ=0.95)を通して測定する場合、透過損失は補償される。

_εdevice=_εobject-_τbeampath

_εdevice= 装置に設定する放射率
_εobject= 対象物の放射率
_τbeampath = ビーム経路内の対象物の透過率

レンズや保護窓に埃や油、気化した物質が時間の経過とともに蓄積すると、より問題となる。高温計は汚れが増えるにつれて低い温度を測定するようになります。そのため、レンズの定期的なクリーニングが必要です。エアパージ装置により、クリーニングサイクルを延長することができます。最近では、汚染度インジケータを内蔵した高温計も販売されています。レンズが汚れるとアラーム信号が発生します。

表示される測定対象物の温度の決定的な要因は、高温計の検出器に当たる放射電力ΦΣである_。

以下の式によると、測定対象物の放射成分に加えて、周囲放射の反射および透過成分からなる背景放射成分が含まれる。

_ΦΣ=_Φε+_Φτ+_Φρ

ε = 測定面の放射率
τ = 測定物の透過率
ρ = 測定面の反射率

背景放射による誤差の影響は、測定物の放射率が大きいほど、また測定物の温度が周囲温度に比べて高いほど小さくなります。この影響は、例えば連続炉の出口で高温計を使用する場合に問題となります。光学系のアライメントにより、炉からの熱放射が測定対象物の表面で反射するのを防ぐことができれば、測定誤差を低減することができます。白熱灯、ラジエントヒーター、レーザーなど、赤外域の放射源は強い赤外放射を引き起こすことがあり、これは実際には過小評価されます。

特にレーザー用途では、高エネルギーのレーザー放射が微弱な赤外放射に及ぼす影響を防ぐために、ブロッキングフィルターを備えた装置が利用できます。

光学系の結像誤差、光学部品や筐体部品からの散乱光や反射、光の波動性による回折は、検出された放射線の一部が指定された測定フィールドの外でセンサーに到達することを意味する。光学部品は、測定範囲外の放射線の一部を受け取る。この光学系の影響は「光源サイズ効果」として知られています。この影響は、メーカーが光学的な結像誤差を注意深く補正し、反射防止光学部品を使用し、装置内での反射を避けることで最小限に抑えることができます。高品質の光学部品は、これらのエラーの影響を軽減します。光源効果の大きさ "は光学系の焦点位置で最も小さくなります。従って、焦点合わせ可能な光学系を持つパイロメーターでは、測定距離が正しく設定されていれば、この影響は著しく低減されます。

物理的な理由により、光学誤差は波長とともに増加します。このため、長波長測定器や低測定範囲の測定器では、光学誤差の補正にさらに大きな労力が必要となります。このことは、室温から測定する安価な高温計では、表示される測定値が選択した測定距離に大きく依存するという悪い影響を与える。

もし対象物が高温計の測定スポットよりかなり大きく、その領域がほぼ同じ温度レベルであれば、この影響はほとんど無視できる。そうでない場合は、焦点を合わせられる光学系と対象物との正確なアライメントを持つ装置を使用することで誤差を減らすことができます。高温計の正確なアライメントには、パイロットライト、レンズを通しての照準器、または一体型ビデオカメラが推奨されます。

比高温計では、2つの異なるスペクトル範囲の放射密度の��を分析���る。

1_{÷ T}M = (1_÷TW_{) +}(_(λ1-λ2) ÷ (C2 - (λ1 - λ2))) (ln {ε1 ÷ ε2})TM = 測定面の放射率。-(ln_{ε1÷_ε2})

_TM= 測定面の放射率
_TW= 測定物の透過率
_C2= 測定面の反射率

放射率_ε1と_ε2が両方の波長で同じであれば、測定された温度は物体温度に対応します。従って、放射率_ε1とε_2が同じであれば、商輝度計は表面の放射率に関係なく測定できます。理論的には、測定対象物の放射率が変動する場合、商高温計が推奨されます。しかし実際には、これはそれぞれの用途に依存し、ほとんど適用されません。比が形成されるため、2つの測定波長の放射率が変動して異なる場合、比高温計の測定誤差は分光高温計の測定誤差よりも著しく大きくなります。特に金属、特に非鉄金属は波長に依存した放射率の変化を示す。

一方、ほこり、蒸気、煙などの透過損失は、多くの場合、放射強度の均一な減衰を引き起こします。分光式高温計に比べ、比高温計の測定値はこのような条件下でも一定です。

革新的なレシオパイロメータは、スペクトル波長とレシオ温度の同時測定と計算を可能にします。これにより、試運転時に、分光高温計による測定と比高温計による測定のどちらが、測定範囲全体においてより再現性のある正確な測定値を提供するかを決定することができます。