革新的なパノラマパイロメーターの原理、利点、可能な用途

パイロメーターは、定義された測定フィールド内の測定対象物の表面上の熱放射を検出し、これを使用して温度を決定します。測定フィールドのサイズと形状は、レンズ、光学構造、センサー技術によって決定されます。レンズの形状、開口システム、センサー技術により、現在市販されている装置は通常、測定面が円形である。最近、新しいタイプの光学設計と高品質のレンズに基づいて、長方形の測定面を持つ装置が利用できるようになりました。この記事では、長方形の測定面を持つ高温計の設計、機能、利点、可能なアプリケーションについて説明します。

長方形の測定フィールドを持つ高温計を開発するというアイデアは、30年以上前に生まれました。非接触温度測定技術には、より簡単に、そして何よりも確実に解決できるアプリケーションがあるからです。接触式温度測定とは対照的に、高温計による温度測定の大きな利点は、高温計が動く物体の測定に理想的に適していることです。もちろん、高温計の測定フィールド内に測定対象物があることが前提条件である。ワイヤー製造の例が示すように、被測定物が製造方向に対して直角に振動し、常に測定視野を満たさない場合は問題となる（図1）。

これまでは、このようなアプリケーションに関連した測定問題を解決するために、非常に小さな測定フィールドを持つ単一チャンネルパイロメータが、パイロメータの前に取り付けられた旋回ミラーと共に使用されてきました。回転または旋回ミラーは測定スポットを周期的に偏向させます。最大値を高温計に記憶させることで、測定スポットが対象物で完全に満たされた時点の温度が記録される。故障の影響を受けやすい移動機構の欠点に加え、検出時間が制限される。スキャン動作のため、対象物の温度は連続的に記録されず、周期的にしか記録されない。

このため、何年も前に、純粋に光学的に矩形の測定フィールドを生成する装置の試みがなされた。特殊なシリンドリカルレンズによって、ミラーキャビネットで知られているように、測定フィールドを軸の方向に広げた。原理的にはこれで解決した。しかし、センサーの測定面における不均一な感度分布が問題となった。もうひとつの欠点は、この特殊レンズのコストが高いことだった。さらに、この装置は一定の測定距離にしか使用できなかった。もうひとつの難点は、レンズ越しの光学像が歪むため、装置の位置合わせが難しいことだった。

長方形の測定野の使用は、比高温計との組み合わせで特に興味深い。比高温計は、測定対象物の熱放射を2つの異なる波長域で記録する。2つのスペクトル放射の商は温度に比例して変化する。この測定原理により、測定対象物を測定フィールドよりも小さくすることができます。シングルチャンネルパイロメーターとは対照的に、冷たい背景の前にある高温の測定対象物に対しても正しい温度が決定されます。

上述したシリンドリカルレンズによる解決策とは対照的に、新しいパノラマパイロメーターの長方形の測定フィールドは、アパーチャー(3)とセンサー付き偏向ミラー(4)の間の検出器の測定ブランチに配置された高精度アパーチャーによって実現されています（図2）。これにより、2つの基本的な問題が解決される。特別な形状のレンズを必要とせず、レンズを通しての照準や、ビデオカメラを内蔵した装置ではモニター画像上に、被測定物が通常通りピントを合わせて表示されます。

この革新的な光学設計のもう一つの利点は、ファインダーやモニターに表示される測定野のマークが、長方形の測定野の正確な位置と実際のサイズの両方で正しく表示されることです。

パノラマパイロメーターの開発では、もう一つの光学的課題を解決しなければなりませんでした。光学的な結像誤差と測定面上の不均一な感度分布により、比高温計は通常、測定視野内の測定対象物の位置が測定温度に顕著な影響を与えるという特性を持っています。

従来のレシオ・パイロメーターでも、製造上の理由で測定物の直径が変化し、測定領域が異なるように満たされた場合、温度表示に変動が生じることがあります。

この物理的な影響を最小限に抑えるため、光学系には、入口開口部の全面に渡って一貫して良好な結像特性を持つ精密レンズが開発された（球面収差の最小化）。さらに、両測定波長および可視域で等しくシャープな画像を得るため、レンズの縦方向の色誤差（色収差）も最小限に抑えられている。さらに、パノラマパイロメーターの実現には、精密な開口部と高品質のセンサーからなる光学セットアップの開発が必要だった。その結果、新しいパノラマパイロメーターは、例えば測定フィールド内のワイヤーの位置や直径に関係なく、一定の測定値を提供する。

光学部品と電気部品のモジュール設計により、パノラマパイロメーターは複数の焦点交換可能なレンズを装備することもできます。さらに、様々なアタッチメントレンズをそれぞれのレンズのフロントスレッドにねじ込むことで、測定視野を狭めることができます。その結果、希望する測定距離と必要な測定視野の大きさの両方に関して、数多くの光学的画像処理のバリエーションが生まれます（図4）。例えば、直径0.1mmのワイヤーも検出できます。

小さな測定対象物や大きな測定距離での高温計の光学的アライメントは、調整のための高品質なメカニックを必要とします。このような条件下では、長方形の測定スポットを持つ装置の方がアライメントがはるかに容易であることは自明である（図5）。この利点は、特にポータブル高温計の場合、オペレータが手に持って照準する場合に顕著であり、長方形の測定野の幅は、円形の測定野を持つ同等の装置よりも2～3倍大きいからである。これにより、より安全な取り扱いと温度検出が可能になります。

ホットスポットの位置やサイズが変化する生産工程や、ワーク上の加熱領域が変動する熱処理システムでは、パノラミックパイロメーターは操作の信頼性が高く、位置合わせが非常に簡単です。長方形の測定領域は、同じ面積の円形の測定領域よりも広いため、ホットスポットが測定領域の外に移動するリスクが大幅に低くなります。

典型的な例は、材料を曲げて溶接するエンドレスチューブの製造です。材料は誘導コイルで加熱されます。小さな溶接点の位置が変動することがあるため、従来の装置では、溶接継ぎ目が測定視野の外に出てしまい、測定が不可能になることがありました（図6）。

ガラス瓶の製造では、せん断時のガラス滴の位置と形状が変化します。ここでもパノラミックパイロメーターは測定の信頼性を高めます。材料の温度の影響や部分的に透明なガラスの色も一役買っている。この影響は、パノラミックパイロメーターの商測定法によって大幅に軽減されます。

伸線システムでは、次にワイヤーに熱処理が施されます。ワイヤーは高速で誘導コイルを通過する。ガイドローラー間のワイヤーの振動は避けられません。細いワイヤーの場合、その変動は直径の数倍にもなります。このような条件下では、点測定はほとんど不可能です。

液体金属を鋳型に流し込む際の手動の非接触温度測定は、安全な距離から行われます。円形の測定野を持つ従来の装置では、特に取鍋の傾斜角度によって流路の位置が変化するため、高温計を流路に合わせることが困難です。長方形の測定野を持つ装置の方がはるかに扱いやすい（図7）。

フィラメントやX線管の発熱体のような極小物体の温度測定は、装置に対する光学的要求が最も高い。ほとんどの場合、このようなアプリケーションは、以前はいわゆる強度比較パイロメーターでしか解決できませんでした。これらの装置では、オペレータが内部の基準放射体と測定対象物の放射輝度を視覚的に比較することにより、手動で温度を測定する。

電子計測装置を使用することの難しさは、測定対象物が極めて小さい場合、装置の機械的なアライメントにあった。このような測定作業も、パノラマ式高温計を使えばはるかに簡単に解決できる。

商測定原理により、適用領域は600 °C以上のアプリケーションに限定されます。

この値は特に測定物の放射率と絶対温度に依存します。測定範囲の開始時、放射エネルギーが同じ温度の黒体放射体の放射輝度の10%であれば、比高温計はすでに信頼できる測定値を提供することができます。測定温度が上昇すると、さらに大きな信号減衰が許容されます。減衰は、放射率、部分照明の度合い、測定対象物の形状、測定フィールド内の蒸気、ほこり、煙などの視覚的障害物の影響を受けます。放射率0.6のスチールワイヤーを例にとります。丸い測定対象物の場合、パイロメーターによって検出される放射線の一部が非常に平坦な角度で放射されることも考慮しなければなりません。1.5の安全係数も近似値として含まれる。部分照明の度合い，測定野の幅及び最大測定距離は，次の式から計算できる。

部分照明の度合い＝（分析可能な最小信号強度÷放射率）×安全係数

上の例を参照すると，高温計が測定値を決定できるためには，測定野が少なくとも10 %÷0.6×1.5 = 25 %埋まっていなければならない。測定値の信頼性の指標としての信号強度は、パイロメータのディスプレイに表示することができる。

ワイヤー直径が 5 mm の場合、測定範囲の開始点における測定野の最大幅は 5 mm ÷ 0.25 = 20 mm となる。

パノラマパイロメータでは、光学的分解能は幅 DW（幅）と高さ DH（高さ）の距離比（測定距離÷測定野サイズ）によって指定される。例えば距離比DW = 40 : 1の場合、最大測定距離は40 × 20 mm = 800 mmとなります。あるいは別の見方をすると、例えば500 mmの測定距離の場合、DW≧500 mm÷20 mm、すなわち≧25 : 1の距離比を持つレンズを使用し、測定野が測定対象物によって十分に照らされるようにする必要がある。

パノラマパイロメータは、測定野が測定対象物に対して縦に並ぶように操作することもできる。これにより、丸い測定野を持つ装置と比較して、測定対象物の広い範囲を捉えることができ、直径0.1mmからのワイヤーに使用することができます。

パノラマ光学系を備えた装置は、据え置き型のセラテンプPAシリーズと携帯型のセラテンプPTシリーズがあります。どちらのバージョンにも、装置の位置合わせと焦点合わせのためのシースルーバイザーが付いています。据え置き型のCellaTemp PAには、カラービデオカメラを取り付けることもできます。これにより、対象物のアライメントと視野をコントロールセンターのモニターで常時監視することができます。測定フィールドマーキングに加えて、測定値と測定ポイント番号もビデオ信号で送信され、モニター画面に表示されます。カメラの特別なTBC機能（ターゲット輝度制御）により、輝度は露光制御のために測定フィールドにのみ記録され、通常のようにカメラの視野全体には記録されません。つまり、冷たい背景の前にある小さなホットターゲットが、最適な明るさで、しかもターゲットを過剰に駆動することなくモニター画像に表示されます。

パノラミック光学系を搭載した小型高温計セラテンプPKLシリーズの2つのバージョンも利用可能になりました（図8）。これらの装置には、アライメントを確認するためのLEDパイロットライトが搭載されています。このライトは、位置だけでなく実際の測定視野の幅も照らすため、測定対象物に対して非常に簡単かつ正確にアライメントを合わせることができます。

熱プロセスや600℃を超える温度において、小さな対象物や測定距離が長い場合、あるいはホットスポット（検出される高温部分）が固定されていない場合、新しいパノラマパイロメーターは、丸い測定フィールドを持つ従来の装置よりも明らかに優れています。約25％の追加コストは、より高い動作信頼性により、確実に有効に使われます。