レシオ・パイロメーター

商輝度計（Quotient pyrometer） は、今日の赤外線温度計の用途に欠かせないものです。以下の記事では、商高温計の物理的原理、利点、機能、分析の可能性、そして限界について説明します。代表的な応用分野は、実際の応用に基づいて紹介されています。

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検出します。2つの分光放射輝度の商φは温度にほぼ比例して変化します。分光放射輝度と関連付けられるのは、2つの波長に対する測定面のそれぞれの放射率εである（図1）。

測定面の放射率の波長依存的な影響を最小限に抑えるために、波長域は互いに近いものが選択される。一方、これは2つの放射密度がほとんど異ならないことを意味する。ほとんど同じ2つの値の商は、対象物の温度によってごくわずかにしか変化しません。したがって、商輝度計の測定可能な最小温度は約300℃に制限される。このような小さな信号の変化を分析するためには、大きな増幅が必要です。従って、センサー、電子アンプ、A/Dコンバーターの品質は、高S/N比、または小さなNETD（ノイズ等価温度差）、ひいては正確な測定に必要な高い温度分解能を達成するために、最高水準を満たさなければなりません。NETDをチェックするには、測定レンジの開始位置で装置を最も短い応答時間で動作させ、測定信号の安定性をチェックします。

商測定法の大きな利点は、波長に依存しない信号減衰で正しい温度が決定されることである。例えば、サイトグラスが汚れていたり、パイロメータの視野内に蒸気、煙、埃があると信号が減衰するが、商は一定であり、従って表示される温度も一定である。

放射率ε1 = ε2（灰色の放射体）が両方の波長で同じであれば、式中の放射率の項は減少し、測定物の放射率に関係なく、商パイロメータは真の温度を表示する。測定物の放射率が両波長域で同程度に変化しても、測定結果には影響しません。2つの放射率の一定の違いによる真の温度からのずれは、パイロメータの放射率比を調整することで補正することができます。

しかし、表面や温度によって放射率が2つの波長で異なるように変化する場合、比高温計はどのような挙動を示すのでしょうか。

サイトグラスの透過率が薄層堆積物（油膜や蒸気堆積物など）によって波長によって変化する場合にも、同じような選択効果が生じます。

表1の3つの例は、スペクトル測定法と商測定法の放射率依存減衰の影響の違いを明確に示しています。放射率ε = 1の「黒体放射体」の温度800 °Cに関連して、プランクの放射則は、λ1 = 0.95 μmとλ2 = 1.05 μmの商輝度計について、波長に関連する放射率の異なる変化で、以下の温度値をもたらします（表1参照）。

保護ガラス(1)のスペクトル温度の低下がはっきりとわかる。一方、商の値はほぼ一定である。品質の劣る合わせガラス(2)の場合、スペクトル値はさらに急激に、そして様々な程度に低下する。

したがって、照度計で測定する場合、照度計の波長範囲において、ガラスの透過率が中立であることを確認することが重要です。これは、測定中に高温計の前に円板を置くことで簡単に確認できます。商温度は著しく変化してはならない。

レシオ・パイロメトリーのもう一つの大きな利点は、測定対象が測定フィールドより小さくてもよいことである。分光高温計では、測定対象は常に測定フィールドよりも大きくなければなりません。分光高温計は測定フィールド全体の放射の平均値を記録するからです。そうでなければ、冷たい背景の前にある小さな測定対象は、常に低すぎる温度を測定することになる。

レシオパイロメータの測定フィールドが測定対象物によって完全に照らされていない場合（部分照明効果）、これは赤外線の中立的な減衰として働きます。このため、比高温計は測定対象物が高温計の測定領域より80%まで小さくても正しい測定値を提供します。最小部分照明の程度は、放射率と測定対象物の温度に依存します。理想的には、測定フィールド内の対象物の位置は任意であり、表示される温度値に影響を与えないことである。しかし、この点において、市販されている装置には品質に大きな違いがあります。単純な光学設計、対物レンズの光学収差の低補正、不均質な感度分布を持つセンサーを持つ高温計は、例えば熱線が測定野の端に位置する場合、一定の対象物温度で測定値を最大20～30℃増加させることができる（図5）。

小さな対象物を測定する場合のもう一つの利点は、比高温計が光学的アライメントと正しい焦点合わせにはるかに敏感に反応しないことである。これとは対照的に、分光高温計は、測定対象物が測定フィールドよりかろうじて大きい場合、測定誤差を避けるために、測定対象物に非常に正確にアライメントし、焦点を合わせなければならない。

次の測定曲線（図6）は、測定視野Ø8 mmのレシオ・パイロメーターで直径Ø8 mmの対象物を測定したものである。同時に分光温度も記録した。固定焦点距離は500 mmであった（測定点1）。その後、測定距離を250 mm（測定ポイント2）に縮めた。デフォーカスによる商温度への影響はわずかであるのに対し、分光温度は約20℃ずれる。その後、測定距離を1000mmに設定した（測定ポイント3）。高温計の測定視野は測定対象物の2倍の大きさになる。ここでも、商温度はほぼ同じレベルを保っている。一方、スペクトル値は、デフォーカシングと部分照明により急激に低下する。

ロールスタンドでシートやスラブの温度を測定する場合、極端な条件のため、スペクトル測定法と商測定法のどちらを推奨するかという問題が何度も生じる（図7）。

設計上および熱上の理由から、装置は数メートルの大きな測定距離に設置される。例えば、100:1の光学分解能を持つ標準的な光学系を使用すると、20mの距離で200mmの測定フィールド直径となる。スラブ上の温度分布は、スケールの関係で極めて不均一である。分光パイロメーターでは、温度は測定野で受けた全放射線の平均値から決定される。したがって、測定値は温度分布とスケールに依存します。スラブがローラーテーブル上を移動するため、信号をフィルタリングしなければ測定値が変動することになる。したがって、パイロメーターメーカーは、このような条件下では、可能な限り小さな測定野を実現するために、200：1以上の非常に高い光学的分解能を持つパイロメーターの使用を推奨しています。最大値メモリは、スケールフリー点での最高温度を記録するために使用される。

しかし、比高温計は測定場の不均一な温度分布にどのように反応するのでしょうか？不均質な温度分布の場合、比高温計の動作はより複雑になります。それは "ホットスポット "の総面積と測定場のホットスポットとコールドスポット間の温度差に依存します。上述した部分照明効果により、高温部と低温部の間に200℃以上の有意な温度差がある場合、比高温計は測定フィールド内の最も高温のスポットの温度を決定する。

スラブ上で測定する場合、スケールに起因して測定フィールド内に複数のホットスポットが発生する可能性がある。温度差が小さい場合、比高温計は受信放射の平均値からも温度を決定する。したがって、最大値検出によって不均質の影響を最小化するために、比高温計には高い光学分解能と良好な画像品質を持つ装置を使用することも推奨されます。

熱間圧延プロセス中に水蒸気や汚染が予想される場合は、比高温計を使用することが望ましい。比高温計のコンタミネーションモニタを使用することで、測定値取得の動作信頼性を高めることもできる。

高温炉内の低温物体の温度を測定する問題はしばしば議論される。冷たい鍛造部品は加熱のために高温炉に入れられ、あるいは冷たいスラブはプッシャー炉の様々な加熱ゾーンを通過します。高温炉壁面のいわゆる背景放射が高く、それが被測定物によって反射され、その結果パイロメーターによっても検出されるため、パイロメーターは常に高すぎる温度を示します。ワークの温度が炉の温度に近ければ近いほど、干渉効果は低くなります。バックグラウンド放射を除去する最も効果的な解決策は、水冷式照準管の使用です。しかし、これには高額な投資と恒久的な運転コストが伴う。加えて、ワークまで届くような管を炉内に設置することは、構造上の理由から困難か不可能です。

このため、測定値が多かれ少なかれ不正確になることを十分に承知した上で、照準管なしで使用されることが多くなっています。バックグラウンドの放射線の影響は、熱電対や第二のパイロメーターを使ってバックグラウンドの放射線の温度を個別に測定し、パイロメーターで反射された干渉放射線を計算で補正することで減らすことができます。この補正は、特に対象物の放射率が小さかったり、変動していたり、正確にわかっていなかったりする場合、不確かさの影響を受ける可能性がある。

物理的な理由から、放射率の影響を最小限に抑えるために「できるだけ短波長で測定する」という経験則が金属製の対象物に適用されるのであれば、高温の大気中で低温の対象物を測定する場合、この考慮は正反対である。

バックグラウンドの放射線は、長波長を測定する装置への影響が少ない。一方、波長の長い分光感度では、金属の放射率εは小さく、したがって反射率σは大きくなります（ε + σ = 1）。その結果、放射率の変化による高温炉放射の干渉影響の依存性が大きくなります。従って、メーカー各社は最適な妥協点を見出すために、1～2μmのスペクトル感度を持つ装置の使用を推奨しています。

また、高温の大気中で低温の物体を測定する場合、比高温計はどのように振る舞うのかという疑問も生じる。基本的に、比高温計は分光高温計と同様の動作をする。これは物体と炉壁からの反射放射の両方を検出する。照準ガラスが汚れていたり、高温計の視野内に埃や煙があると、高温計の反応は鈍くなります。放射レベルの変化に対する反応は現地の状況に大きく左右されるため、推定は困難です。分析を実施するためには、試運転中または常時、商温度とスペクトル温度の両方を並行して記録し評価することが望ましい。最近の商高温計は、この目的のために2つのアナログ出力を提供し、商とスペクトル温度の測定値を制御装置で直接記録することができます。商輝度計のもう一つの利点は、測定対象物の放射特性の指標として信号強度を分析できることです（図8）。

粉塵、蒸気、煙による極端な測定条件のため、比高温計は発電所や燃焼プラントでの測定技術と安全性の面で有利です。高温計は、測定対象物の放射を検出します。燃焼プラントでは、受け取ったエネルギーは気流中の高温粒子と反対側の壁の両方から放射されます。測定値は、粒子の密度、温度分布の不均一性、対向壁の温度に依存する。壁が熱交換器パイプにより気流中の粒子よりかなり低温の場合、分光高温計は平均化により負荷条件によって変動する低すぎる温度を記録する。そこで、部分照明効果と最大値検出という比熱式高温計の利点が再び発揮される。一般的に使用されている熱電対と比較すると、レシオ・パイロメーターは摩耗や経年変化によるドリフトの影響を受けないため、実質的な代替品となります。しかし、比高温計は視野内の炎に非常に敏感です。

測定の信頼性は信号強度の表示で確認できます。炉の開口部の直径は 20 - 30 mm、炉壁の厚さは 200 - 400 mm と小さいことが多いため、測定視野の狭窄を避けるため、良好な結像特性を持つ高解像度の光学機器を使用する必要があります。また、幾何学軸と光軸は同一でなければならないため、装置が「目を細める」ことを防ぐために、視差のない装置でなければならない。必要な機器や設置場所のアクセス性によっては、試運転中や運転中にアライメントや自由開口部を簡単かつ迅速にチェックできるよう、シースルー・レンズやビデオカメラのような視認補助装置を備えたコンパクトな装置や高温計が使用されます。

安全の観点からは、過度の汚染や炉口の過成長が発生した場合に自動的にアラームを発生させるため、レシオ・パイロメーターの汚染監視の使用も推奨されます。

ボルトは加熱炉を通過した後、プレス成形される。安定した品質を達成するためには、温度を制御する必要があります。誘導加熱システムでは通常、パイロメーターが使用され、安全な距離からミリ秒単位で誘導加熱炉の真後ろを通過するワークの温度を測定します。温度はプロセス制御のための制御変数として、また許容範囲外の温度を持つビレットを選別するために使用されます（図9）。

温度測定には、分光パイロメーターと比パイロメーターの両方が使用される。装置は600～1200 mmの大きな距離に設置される。レンズ貫通型光学部品またはパイロットライトによる照準補助は必須要件です。これは、光学的影響による測定誤差を最小化するために、正しい焦点距離と正確なアライメントを設定する唯一の方法です。

特に、焦点距離が固定されている装置の場合、機械の設計により、常に正確に維持できるとは限りません。

フォーカシング可能な光学系を持つ装置の場合、測定距離が正しく設定されないことがよくあります。ボルト径の変更に伴う再調整はほとんど行われないため、これらの装置も焦点距離外で繰り返し使用される。

比高温計は、測定距離の変化、ボルトの直径の変化、あるいは冒頭で述べたような焦点範囲外でのデバイスの動作に対して、ある限界まで、より敏感に反応しないので、分光高温計と比較して、そのような用途に有利である。

したがって、a) 距離に依存しない信頼性の高い測定、b) 簡単なアライメントチェック、という測定タスクの2つの必須要件を最適に満たすために、パイロットライト付き小型比高温計（図10）の使用が推奨されます。

300 °Cを超える製造工程では、環境と設計により信頼性が高く安定した測定値を達成するために、説明した利点を持つ比高温計は代替品以上のものです。同等の機能を持つ分光式高温計と比較した場合、約30％の追加価格は十分に使われたお金であり、手作業による検査作業の軽減や不良部品の生産削減によってすぐに回収できます。重い蒸気、汚れ、ほこりによる極端な測定条件では、比高温計の測定上の利点は明らかに本領を発揮します。被測定物の放射率が変化する可能性のあるアプリケーションでは、商測定法を使用する際に測定の信頼性を確認することをお勧めします。

デバイスメーカーは、プロセスの信頼性を高め、追加の温度情報から洞察を得るために、商高温計の追加保護および分析オプションを利用することをお勧めします。