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WO2014030661A1 - 表面温度測定装置及び表面温度測定方法 - Google Patents

表面温度測定装置及び表面温度測定方法 Download PDF

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WO2014030661A1
WO2014030661A1 PCT/JP2013/072258 JP2013072258W WO2014030661A1 WO 2014030661 A1 WO2014030661 A1 WO 2014030661A1 JP 2013072258 W JP2013072258 W JP 2013072258W WO 2014030661 A1 WO2014030661 A1 WO 2014030661A1
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WO
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temperature
measured
optical glass
radiation thermometer
water
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/072258
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English (en)
French (fr)
Inventor
植松　千尋
豊 若洲
本田　達朗
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to UAA201500310A priority patent/UA113551C2/uk
Priority to ES13830623.8T priority patent/ES2683710T3/es
Priority to RU2015101431/28A priority patent/RU2593923C1/ru
Priority to US14/419,376 priority patent/US9523611B2/en
Priority to JP2014531646A priority patent/JP5708891B2/ja
Priority to CN201380043455.5A priority patent/CN104583739B/zh
Priority to EP13830623.8A priority patent/EP2889594B1/en
Priority to AU2013306802A priority patent/AU2013306802B2/en
Priority to BR112015001855-6A priority patent/BR112015001855B1/pt
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    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/084—Adjustable or slidable

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for measuring the surface temperature of a temperature-measured material such as a steel material by radiation temperature measurement.
  • the present invention relates to a surface temperature measuring apparatus and method for accurately measuring the surface temperature of a material to be measured such as a steel material (wheel, steel pipe, steel plate, rail, etc.) during water cooling.
  • temperature management of the temperature measuring materials in the cooling process is important.
  • a radiation thermometer in a cooling process such as a hot rolling line or a heat treatment / cooling line of the material to be measured
  • the temperature is measured between the material to be measured and the radiation thermometer.
  • Steam may be present, cooling water may be scattered, or the surface of the temperature measurement material may be covered with a water film or submerged.
  • the thermal radiation emitted from the temperature-measuring material may be absorbed or scattered by water vapor, steam, cooling water, etc., resulting in an error in the measured temperature value or inability to measure. It may occur.
  • Patent Document 1 a water column is formed between a radiation thermometer and a steel material surface by ejecting purge water from the nozzle toward the steel material surface, and heat radiation light emitted from the steel material through the water column.
  • a method for measuring the surface temperature of a steel material by detecting the radiant energy is proposed.
  • a radiation thermometer that measures the surface temperature of the object to be measured based on the radiant energy radiated from the object to be measured, and the object to be measured The surface temperature of the object to be measured is adjusted using the radiation thermometer while correcting the amount of radiant energy absorbed by the water column among the radiant energy radiated from the object to be measured. taking measurement.
  • This method is characterized in that the temperature of the water column is set to 60 ° C. or higher when the water column is formed.
  • the method described in Patent Document 1 since a water column is formed between the radiation thermometer and the object to be measured, it is difficult for water vapor or scattered water to enter the portion where the water column is formed. It is possible to reduce temperature measurement errors due to absorption and scattering of radiant energy by water. Furthermore, the method described in Patent Document 1 has a configuration in which the temperature of the water column is set to 60 ° C. or higher, and a boiling film is easily formed on the surface of the object to be measured which is in contact with the water column.
  • Patent Document 1 requires a heating device for raising the temperature of the water column to 60 ° C. or higher, and there is a problem that the energy cost for raising the temperature of the water is increased.
  • a thickness measuring device for example, an ultrasonic method
  • the overall size of the device becomes large, and it is difficult to install in a narrow space such as between steel conveying rolls. There is. Further, even if the thickness measuring device can be installed, there is a problem in that the maintenance is hindered such as requiring labor for attaching and detaching, and the stability and reliability of the temperature measurement value is lowered due to the failure of the thickness measuring device.
  • the present inventors have proposed the method described in Patent Document 2. Specifically, in the method described in Patent Document 2, thermal radiation light radiated from the lower surface of the measured temperature steel material is applied to the measured temperature steel material via purge water jetted from the nozzle toward the lower surface of the measured temperature steel material.
  • This is a method of measuring the surface temperature of the steel material to be measured by detecting with a radiation thermometer arranged oppositely below.
  • all the heads of the purge water are set within a predetermined range with the pass line of the steel material to be measured as a position reference (Claim 2 of Patent Document 2).
  • the wavelength of the thermal radiation detected by the radiation thermometer is 0.9 ⁇ m or less (Claim 3 of Patent Document 2).
  • Patent Document 2 by setting all the purge water heads within a predetermined range, the collision pressure of the purge water against the lower surface of the steel material to be measured is suppressed, and the purge water is at room temperature. Can also suppress cooling. For this reason, according to the method of patent document 2, the advantage that the energy cost for heating up the water required in patent document 1 does not start is acquired. Moreover, the advantage that the thickness measuring apparatus for measuring the thickness of a water column becomes unnecessary is acquired by making the wavelength of the thermal radiation light detected with a radiation thermometer into 0.9 micrometer or less.
  • thermocouple wire As a technique for measuring the surface temperature of the temperature-measured material, a contact plate is provided at the tip of the temperature-measurement unit, and the temperature-sensitive part of the thermocouple wire fixed to the back surface of the contact plate is lightly attached to the temperature-measured material. A method of measuring the temperature by pressing is widely used.
  • the temperature sensing part of the thermocouple wire is pressed against the material to be measured by the contact plate, in the cooling process by water cooling, water enters between the contact plate and the material to be measured, and the thermocouple wire The temperature sensing unit comes into contact with water. For this reason, there exists a problem that the surface temperature of a to-be-measured material cannot be measured accurately.
  • the present invention has been made to solve such problems of the prior art, and accurately measures the surface temperature of a material to be measured such as a steel material (wheel, steel pipe, steel plate, rail, etc.) during water cooling. It is an object of the present invention to provide a surface temperature measuring apparatus and a method thereof that can be used.
  • the present invention provides a radiation thermometer for detecting thermal radiation emitted from the surface of a temperature-measuring material under water cooling, and the temperature-measuring material side is opened, and the radiation thermometer is disposed inside.
  • an optical system that is closely fitted in the housing between the housing for housing at least the light receiving portion of the radiation thermometer and the temperature measuring material and the light receiving portion of the radiation thermometer, and transmits the heat radiation light.
  • the surface temperature measuring device is provided, wherein an end surface of the optical glass on the temperature-measured material side is disposed close to the surface of the temperature-measured material.
  • the surface temperature measuring device is arranged such that the end surface of the optical glass on the temperature measuring material side is disposed at a position where water is interposed between the surface of the temperature measuring material, and the light receiving unit of the radiation thermometer is Thermal radiation emitted from the surface of the temperature-measuring material may be received through water existing between the surface of the temperature-measuring material and the end surface of the optical glass on the temperature-measuring material side.
  • the radiation thermometer may detect light in any one of wavelength bands of wavelengths 0.7 to 0.9 ⁇ m, 1.0 to 1.2 ⁇ m, and 1.6 to 1.8 ⁇ m. Good.
  • the surface temperature measuring device may include a holding member that holds the distance between the surface of the temperature measuring material and the end surface of the optical glass on the temperature measuring material side substantially constant.
  • the surface of the temperature-measuring material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is a plane that is substantially perpendicular to the horizontal direction, and the surface temperature measuring device is configured to detect the surface of the temperature-measurable material and the surface of the optical glass.
  • a temperature measurement value is calculated by correcting the output value of the radiation thermometer using the transmittance of the thermal radiation light with respect to the thickness of water corresponding to approximately half the distance from the end surface on the temperature measurement material side. May be.
  • the surface of the temperature measurement material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is the upper surface of the temperature measurement material substantially parallel to the horizontal direction, and the surface of the temperature measurement material and the surface of the optical glass.
  • the distance from the end surface on the temperature measuring material side may be 2.5 mm or less.
  • the surface of the temperature-measuring material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is a plane substantially perpendicular to the horizontal direction, and the light receiving portion of the radiation thermometer includes the surface of the temperature-measurable material and the optical
  • the thermal radiation light radiated through the water existing between the glass end surface on the temperature measuring material side is received, and the surface of the temperature measuring material and the end surface on the temperature measuring material side of the optical glass
  • the separation distance may be 1.0 mm or less.
  • the surface temperature measuring device may include a water supply device that supplies water between the surface of the temperature-measured material and the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side.
  • a radiation thermometer that detects thermal radiation emitted from the surface of the temperature-measured material being water-cooled, and the temperature-measured material side are open And is closely fitted in the housing between the housing that houses at least the light receiving portion of the radiation thermometer and the temperature measurement material and the light receiving portion of the radiation thermometer.
  • a surface temperature comprising: an optical glass that transmits the heat radiation light; and a holding member that holds a distance between the surface of the temperature measuring material and an end surface of the optical glass on the temperature measuring material side substantially constant.
  • the temperature measurement target is measured by detecting, with a radiation thermometer, thermal radiation emitted from the surface of the temperature measurement target material during water cooling.
  • a method for measuring a surface temperature of a material, wherein an optical glass that transmits the heat radiation light is interposed between the temperature-measured material and a light receiving portion of the radiation thermometer, and the temperature-measured material of the optical glass A surface temperature measuring method is provided in which the end surface on the side is disposed close to the surface of the temperature-measuring material and the surface temperature of the temperature-measuring material is measured.
  • the temperature-measured material is a disc-shaped, columnar, or cylindrical steel material having an outer peripheral surface
  • the central axis of the temperature-measured material is While rotating the temperature-measured material as the rotation center, the outer surface of the temperature-measured material is water-cooled, and the outer surface of the temperature-measured material and the temperature-measured material side of the optical glass are You may measure the temperature of the said outer peripheral surface of the said to-be-measured material with the said radiation thermometer, hold
  • a surface temperature measuring apparatus and method capable of accurately measuring the surface temperature of a material to be measured such as water-cooled steel (wheel, steel pipe, steel plate, rail, etc.). can do.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a surface temperature measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic front view of the surface temperature measuring apparatus according to the embodiment viewed from the direction A in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic side view of the surface temperature measuring apparatus viewed from the direction B of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic view of the purge mechanism inside the housing.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength of thermal radiation and the transmittance of thermal radiation with respect to the thickness of water.
  • FIG. 6 shows the distance between the upper surface (horizontal plane) of the steel plate substantially parallel to the horizontal direction or the plane (vertical surface) of the steel plate substantially perpendicular to the horizontal direction and the end surface of the optical glass.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining an example of a full state of water existing between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the water filling rate and the temperature measurement error.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the water-filled portion and the measurement visual field of the detection unit of the radiation thermometer.
  • FIG. 10 is a schematic view of an actual apparatus for evaluating the accuracy of the surface temperature measurement of the vertical surface of the steel plate during water cooling.
  • FIG. 11 is a graph showing temperature measurement results obtained by the experimental apparatus shown in FIG.
  • the surface temperature measuring device includes a radiation thermometer that detects thermal radiation emitted from the surface of the temperature-measured material that is being water-cooled, and the temperature-measured material side that is open, and the inside of the radiation thermometer Of these, an optical system that is closely fitted in the housing between the housing for housing at least the light receiving portion of the radiation thermometer and the temperature measuring material and the light receiving portion of the radiation thermometer, and transmits the heat radiation light. Glass, and the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side is disposed close to the surface of the temperature-measured material.
  • the casing is opened on the temperature-measured material side, and at least the light receiving portion of the radiation thermometer is housed in the casing.
  • the optical glass interposed between the temperature-measured material and the light receiving portion of the radiation thermometer transmits the heat radiation light.
  • emitted from the surface of the to-be-measured material is light-received by the light-receiving part of a radiation thermometer through the opening part and optical glass of a housing
  • the entire radiation thermometer may be housed inside the housing, the light receiving portion of the radiation thermometer is housed inside the housing, and the portion other than the light receiving portion of the radiation thermometer is the housing. It may be provided outside.
  • the optical glass is closely fitted in the housing between the temperature-measured material and the light receiving portion of the radiation thermometer.
  • the radiation thermometer is not directly exposed to the heat radiated from the temperature-measuring material, and it is difficult for water to enter from the opening end of the housing into the inside of the housing and thus the light receiving portion of the radiation thermometer. Therefore, the heat resistance and waterproofness of the radiation thermometer can be ensured.
  • the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side is arranged close to the temperature-measured material, water vapor or scattering is generated between the surface of the temperature-measured material and the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side.
  • Water and cooling water are difficult to enter. Even if cooling water or the like enters, surface tension acts on the cooling water that has entered between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side, and the surface of the temperature measurement material and the optical It can be expected that the cooling water is stably present between the glass end surface on the temperature-measured material side. For this reason, the temperature measurement error resulting from absorption and scattering of radiant energy by water vapor or scattered water can be reduced.
  • the stable presence of cooling water between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side means that the surface of the temperature measurement material and the temperature measurement material side of the optical glass
  • a part of the cooling water exists stably.
  • the surface of the temperature-measuring material that detects thermal radiation is a plane perpendicular to the horizontal direction
  • the cooling water is affected by gravity.
  • the cooling water can be stably present in a part of the lower portion between the surface of the temperature-measuring material and the end surface of the optical glass on the temperature-measuring material side.
  • the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side is arranged at a position where water is interposed between the surface of the temperature-measured material, and the light receiving part of the radiation thermometer is connected to the surface of the temperature-measured material and the optical glass.
  • the surface temperature measuring device may be configured to receive heat radiation light radiated from the surface of the temperature measurement material via water existing between the end surface of the temperature measurement material side. Thereby, the temperature measurement error resulting from absorption and scattering of radiant energy by water vapor or scattered water can be reduced.
  • the surface temperature measuring apparatus it can be expected that the cooling water is stably present between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side. For this reason, the surface temperature measuring device according to the present embodiment can reduce temperature measurement errors due to absorption or scattering of radiant energy by water vapor or scattered water without using purge water or purge air. In addition, since the temperature of the temperature-measured material does not decrease due to the spraying of purge water or purge air onto the temperature-measured material, the influence on the surface temperature of the temperature-measured material is small.
  • the outer peripheral surface (side surface in the circumferential direction) of the wheel is water-cooled while the wheel is rotated around its axis.
  • the temperature of the outer peripheral surface of the wheel is measured with a radiation thermometer in order to confirm whether or not the temperature-controlled cooling is appropriately performed.
  • purge water or purge air is used in the temperature measurement of the wheel described above, the rotational speed of the wheel is low, so the temperature drop of the wheel due to purge water or purge air becomes significant, and the desired cooling process Is difficult to realize.
  • the surface temperature measuring apparatus since the temperature of the same side surface is measured every time the wheel makes one revolution, the temperature of the wheel due to the purge water or the purge air is repeatedly reduced, so that a desired cooling process can be realized. It becomes difficult.
  • the surface of the wheel is not cooled by purge water or purge air, so the wheel surface temperature can be measured without impairing the representativeness of the measured temperature.
  • the radiation thermometer detects light in any one of the wavelength bands of wavelengths 0.7 to 0.9 ⁇ m, 1.0 to 1.2 ⁇ m, and 1.6 to 1.8 ⁇ m. It is preferable to do.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength of heat radiation light and the transmittance of heat radiation light for 28 ° C. tap water having various thicknesses.
  • FIG. 5 shows that the transmittance increases as the water thickness decreases.
  • the end surface of the optical glass on the temperature measured material side is disposed close to the surface of the temperature measured material. For example, if the distance between the surface of the temperature-measuring material and the end surface of the optical glass on the side of the temperature-measuring material is 3 mm or less, the transmittance of the thermal radiation that contributes to the temperature-measuring error is the thickness of the water. It can be said that the transmittance is larger than that shown in the case of 3 mm.
  • the cooling water filling state fluctuates, so that the cooling water is not necessarily filled in the measurement field of view of the radiation thermometer. That is, when the detected thermal radiation does not pass through the cooling water, the transmittance varies substantially.
  • the transmittance in the case of a radiation thermometer with a detection wavelength of 1.0 to 1.2 ⁇ m, if the thickness of water is 3 mm, the transmittance is 0.7 or more. For this reason, the transmittance varies between 0.7 and 1.0 due to a change in the filling state of the cooling water existing between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side. . If 0.85, which is an intermediate value of the transmittance, is set as an average transmittance, the transmittance fluctuation range is 0.15. For this reason, when the influence which the transmittance
  • the transmittance is 0.1 or more. For this reason, the transmittance varies between 0.1 and 1.0 due to a change in the filling state of water existing between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side. If 0.55, which is an intermediate value of the transmittance, is set as an average transmittance, the variation range of the transmittance is 0.45. For this reason, when the influence which the transmittance
  • the radiation thermometer has a wavelength band in which the transmittance of the heat radiation light to the water existing between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side is high. Since light is detected, measurement errors can be suppressed.
  • a holding member that holds the distance between the surface of the temperature measuring material and the end surface of the optical glass on the temperature measuring material side substantially constant.
  • the distance between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side is maintained, so that the optical glass does not contact the temperature measurement material. Therefore, it is possible to prevent the optical glass from being damaged by coming into contact with the temperature measuring material.
  • the separation distance is kept substantially constant, the variation in the transmittance due to the variation in the thickness of the water does not occur, so that the surface temperature of the temperature-measured material can be measured with higher accuracy.
  • the surface of the wheel has irregularities due to the growth of the scale on the wheel, the surface of the wheel and the end surface of the optical glass come into contact with each other, and the optical glass may be damaged.
  • the distance between the wheel surface and the end surface of the optical glass on the wheel side is maintained, so that the surface of the wheel and the end surface of the optical glass are in contact with each other to prevent the optical glass from being damaged. be able to.
  • the surface temperature of the wheel can be measured with higher accuracy.
  • a contact roller mechanism including a roller attached to the housing and pressed toward the surface of the temperature measurement material so as to always contact the surface of the temperature measurement material is used. it can.
  • the surface of the temperature-measured material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is a plane substantially perpendicular to the horizontal direction, the surface of the temperature-measured material and the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side It is preferable to calculate the temperature measurement value by correcting the output value of the radiation thermometer using the transmittance of the thermal radiation light with respect to the thickness of water corresponding to approximately half the length of the separation distance from.
  • the transmittance of the heat radiation light with respect to the thickness of water corresponding to the length of approximately half of the distance between the surface of the temperature-measured material and the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side is used.
  • Correct the output value of the radiation thermometer That is, the average value of the change in transmittance due to the change in the filling state of water existing between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side is the surface of the temperature measurement material and the optical glass.
  • the output value of the radiation thermometer is corrected by estimating the transmittance of the heat radiation light with respect to the thickness of water corresponding to approximately half the distance from the end surface of the temperature measurement material side. As a result, the surface temperature of the temperature measuring material can be measured easily and accurately.
  • the surface of the temperature-measured material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is the upper surface of the temperature-measured material that is substantially parallel to the horizontal direction, the surface of the temperature-measured material and the surface of the optical glass
  • the distance from the end face on the temperature measuring material side is preferably 2.5 mm or less.
  • the surface of the temperature measurement material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is the upper surface of the temperature measurement material that is substantially parallel to the horizontal direction. Since the distance from the end surface of the glass to be measured material side is 2.5 mm or less, the cooling water is almost entirely filled between the surface of the temperature measured material and the end surface of the optical glass on the temperature measured material side. The surface tension works as much as possible. For this reason, the variation of the transmittance of the heat radiation light due to the fluctuation of the water filling state does not occur, the transmittance of the heat radiation light due to the thickness of the water becomes substantially constant, and the surface temperature of the temperature measurement material is measured with high accuracy. be able to.
  • the light-receiving unit of the radiation thermometer includes the surface of the temperature-measurable material and the optical The thermal radiation light radiated through the water existing between the glass end surface on the temperature measuring material side is received, and the surface of the temperature measuring material and the end surface on the temperature measuring material side of the optical glass
  • the separation distance is preferably 1.0 mm or less.
  • the surface of the temperature measurement material on which the radiation thermometer detects thermal radiation is a plane substantially perpendicular to the horizontal direction, and the surface of the temperature measurement material and the temperature measurement of the optical glass Cooling water existing between the end face on the material side is affected by gravity.
  • the separation distance between the surface of the temperature measurement material and the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side is 1.0 mm or less, approximately 60% or more below the end surface of the optical glass on the temperature measurement material side.
  • Surface tension works to such an extent that cooling water is filled in a range corresponding to the area of.
  • the light receiving part of the radiation thermometer receives the thermal radiation emitted through the water existing between the surface of the temperature-measuring material and the end surface of the optical glass on the temperature-measuring material side.
  • the light receiving portion of the radiation thermometer receives the heat radiation light that has passed through the portion filled with cooling water.
  • a water supply device that supplies water between the surface of the temperature-measuring material and the end surface of the optical glass on the temperature-measuring material side.
  • the transmittance of the heat radiation light due to the fluctuation of the water filling state is increased.
  • the surface temperature of the material to be measured can be measured with high accuracy without fluctuation.
  • the method of measuring the surface temperature of the temperature-measured material by detecting thermal radiation emitted from the surface of the temperature-measured material during water cooling with a radiation thermometer is the thermal radiation.
  • An optical glass that transmits light is interposed between the temperature-measured material and the light receiving portion of the radiation thermometer so that water does not enter between the optical glass and the light receiving portion of the radiation thermometer.
  • the surface temperature of the temperature-measured material is measured by positioning the end surface of the optical glass on the temperature-measured material side in the vicinity of the surface of the temperature-measured material.
  • the temperature-measured material is a disk-like, columnar or cylindrical steel material having an outer peripheral surface such as a wheel having a substantially circular cross section
  • the temperature of the outer peripheral surface of the daily temperature-measurement material may be measured. is there.
  • the temperature of the outer peripheral surface of the wheel is measured with a radiation thermometer in order to confirm whether or not the cooling is appropriately controlled.
  • the outer peripheral surface of the measured temperature material is water-cooled while rotating the measured temperature material about the central axis of the measured temperature material, the outer peripheral surface of the measured temperature material
  • the temperature of the outer peripheral surface of the measured temperature material is measured by measuring the temperature of the outer peripheral surface of the measured temperature material with a radiation thermometer while keeping the distance from the end surface of the optical glass on the measured temperature side substantially constant. Can be measured with high accuracy.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a surface temperature measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a surface temperature measuring device 100 showing a cross section of the inside of the housing 2.
  • FIG. 2 is a schematic front view of the surface temperature measuring apparatus 100 as viewed from the direction A in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic side view of the surface temperature measuring apparatus 100 as seen from the direction B of FIG.
  • the surface temperature measuring apparatus 100 according to the present embodiment includes a radiation thermometer 1, a housing 2, and an optical glass 3, and is disposed to face the temperature-measuring material W. .
  • the radiation thermometer 1 is a thermometer that measures temperature by detecting thermal radiation received by the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1.
  • the housing 2 is opened on the temperature-measuring material W side.
  • the housing 2 houses at least the light receiving portion 11 of the radiation thermometer 1 in the radiation thermometer 1.
  • the optical glass 3 is closely fitted in the housing 2 between the temperature-measured material W and the light receiving portion 11 of the radiation thermometer 1 and can transmit heat radiation light.
  • the radiation thermometer 1 includes a light receiving unit 11, an optical fiber 12, and a radiation thermometer main body 13.
  • the optical fiber 12 transmits the heat radiation light received by the light receiving unit 11 to the radiation thermometer main body 13. Since the optical fiber 12 alone may be damaged, the optical fiber 12 is covered with a stainless steel flexible hose (not shown).
  • the radiation thermometer main body 13 is configured to photoelectrically convert thermal radiation light received by the light receiving unit 11 and transmitted by the optical fiber 12 and convert it into temperature.
  • the casing 2 is opened on the temperature-measuring material W side, and the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1 is housed inside the casing 2. Further, the optical glass 3 interposed between the temperature-measured material W and the light receiving portion 11 of the radiation thermometer 1 transmits the heat radiation light. That is, the heat radiation light radiated from the temperature measuring material W is received by the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1 through the opening of the housing 2 and the optical glass 3. For this reason, the radiation thermometer 1 can detect the thermal radiation emitted from the surface of the material to be measured W.
  • a part of the light receiving unit 11 and the optical fiber 12 of the radiation thermometer 1 are housed in the housing 2. From the viewpoint of ensuring the heat resistance of the radiation thermometer 1, a configuration in which only a part of the radiation thermometer 1 is housed in the housing 2 as in the present embodiment is preferable, but the present invention is not limited to this.
  • the entire radiation thermometer 1 may be housed inside the housing 2.
  • the light receiving portion 11 has a circular shape with a diameter of 5 mm when viewed from the direction A in FIG.
  • the light receiving unit 11 is positioned so that the temperature measurement visual field on the surface of the temperature-measuring material W has a diameter of about 10 mm.
  • the shape of the housing 2 is circular in cross section, and specifically, it is cylindrical so that the optical glass 3 having a substantially circular cross section can be closely fitted as will be described later.
  • the present invention is not limited to this, and various shapes such as an elliptical cylindrical shape and a rectangular cylindrical shape can be adopted as the shape of the housing 2 according to the shape of the optical glass 3.
  • the shape of the optical glass 3 is substantially circular in cross section in order to make the temperature measurement visual field efficiently and to be as compact as possible. Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, it has a cylindrical shape with a diameter of 10 mm to 20 mm and a length of about 100 mm. By setting the length of the optical glass 3 to about 100 mm, the heat resistance and waterproofness of the radiation thermometer 1 can be secured, and the length of the optical glass 3 is set to 5 times or more the diameter of the optical glass 3. It is desirable.
  • the present invention is not limited to this, and various shapes such as an elliptical column shape and a prismatic shape can be adopted.
  • the end surface of the optical glass 3 on the measured temperature W side is in a position close to the surface of the measured temperature material W, the surface of the measured temperature material W and the measured temperature of the optical glass 3 are measured. It is difficult for water vapor, scattered water, and thus cooling water, to enter between the end face on the material W side. Even if cooling water or the like enters, the surface tension acts on the cooling water that has entered between the temperature-measured material W during water cooling and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measured material W side. It can be expected that the cooling water stably exists between W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side. For this reason, the temperature measurement error resulting from absorption and scattering of radiant energy by water vapor or scattered water can be reduced.
  • the shape of the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side is a flat shape. For this reason, even if the surface shape (curvature) of the temperature-measuring material W changes, it is averaged to the cooling water that enters between the surface of the temperature-measuring material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side.
  • the surface tension is easy to work.
  • the present invention is not limited to this, and the shape of the end surface of the optical glass 3 on the temperature measured material W side may be a shape that matches the surface shape of the temperature measured material W.
  • the shape of the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement material W side is such that the distance between the surface of the temperature measurement material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement material W side is that of the optical glass 3.
  • the shape may be substantially constant over the entire end surface on the temperature-measured material W side, and more specifically, the shape may have a curvature that is concentric with the surface of the temperature-measured material W.
  • the shape of the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement material W side is By adopting a shape having a curvature that is concentric with the surface of the temperature-measuring material W having a constant outer diameter, the surface of the temperature-measuring material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measurement material W side. It is considered that the surface tension becomes easier to work on the cooling water that has entered between.
  • the surface temperature measuring apparatus 100 further includes seal members 61 to 64, an optical glass urging member (not shown), and a stopper 81.
  • the optical glass 3 of the present embodiment is tightly fitted into the housing 2 via the seal members 61 to 64.
  • the seal members 61 to 64 are fitted between the housing 2 and the optical glass 3.
  • the seal member 61 closest to the temperature-measured material W side among the seal members 61 to 64 is preferably a metal ring made of a soft metal such as lead and having excellent heat resistance.
  • the seal members 62 to 64 are preferably O-rings made of heat-resistant rubber made of a resin such as silicon or Teflon (registered trademark) and having excellent waterproof properties. Thereby, the heat resistance of the radiation thermometer 1 and waterproofness can be ensured, and it can suppress that the optical glass 3 is damaged by an impact.
  • the optical glass urging member is a spring (not shown) arranged inside the housing 2 and urges the optical glass 3 toward the surface of the temperature-measuring material W.
  • the stopper 81 is engaged with the end of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side so that the optical glass 3 is not pushed out of the housing 2. For this reason, the optical glass 3 is firmly fixed between the optical glass urging member and the stopper 81, and the optical glass 3 is moved by an impact to be in contact with the housing 2 or the radiation thermometer 1 and damaged. It is possible to prevent the radiation thermometer 1 from being damaged.
  • the radiation thermometer 1 has a wavelength band of any one of the wavelength bands of 0.7 to 0.9 ⁇ m, 1.0 to 1.2 ⁇ m, and 1.6 to 1.8 ⁇ m. Detect light.
  • the radiation thermometer main body 13 includes a Si photodiode or an InGaAs photodiode as a detection element that photoelectrically converts thermal radiation light transmitted through the optical fiber 12 and outputs a current corresponding to the amount of light. .
  • the radiation thermometer main body 13 amplifies the output current from the Si photodiode or InGaAs photodiode, performs current-voltage conversion and AD conversion, corrects the emissivity of the temperature-measuring material W, and converts it into temperature.
  • the radiation thermometer body 13 is more specifically arranged between the surface of the material to be measured W and the detection element of the radiation thermometer 1, more specifically, the end of the optical fiber 12 on the radiation thermometer body 13 side and Si. Transmits only light in any one of the wavelength bands of 0.7 to 0.9 ⁇ m, 1.0 to 1.2 ⁇ m, and 1.6 to 1.8 ⁇ m between the photodiode and the InGaAs photodiode.
  • An optical filter is provided.
  • the wavelength of the thermal radiation light detected by the radiation thermometer 1 is any one of the wavelength bands of 0.7 to 0.9 ⁇ m, 1.0 to 1.2 ⁇ m, and 1.6 to 1.8 ⁇ m. It becomes a band.
  • an optical filter that transmits only light in any one of the wavelength bands of 0.7 to 0.9 ⁇ m and 1.0 to 1.2 ⁇ m is provided. It is done.
  • a transmission juice optical filter is provided only for light in the wavelength band of 1.6 to 1.8 ⁇ m.
  • the radiation thermometer 1 has a transmittance of heat radiation light to water existing between the temperature measurement material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement material W side. Since light in a higher wavelength band is detected, measurement errors can be suppressed.
  • the optical glass 3 of the present embodiment is a quartz rod that transmits light in the near infrared region. Since the quartz rod is excellent in the transmission of light with a wavelength of 2 ⁇ m or less, there is almost no measurement error associated with absorption of heat radiation light by the quartz rod.
  • the present invention is not limited to this, and an optical glass that transmits light in the near infrared region such as sapphire glass or calcium fluoride (CaF2) can be adopted as the optical glass 3.
  • the surface temperature measuring apparatus 100 includes, as a preferred mode, a holding member that holds the distance between the surface of the temperature-measuring material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side substantially constant.
  • the surface temperature measuring apparatus 100 according to the present embodiment includes a contact roller mechanism 4 as a holding member.
  • the contact roller mechanism 4 includes a roller 41, urging members 42 to 44, an urging spring 43, and an air cylinder 45.
  • the urging member 42 Since the urging member 42 is attached to the housing 2, the urging member 42 is urged via the urging spring 43 by urging the urging member 44 toward the temperature measurement material W by the air cylinder 45. Urges the casing 2 toward the temperature-measuring material W side. As a result, the roller 41 attached to the housing 2 is pressed toward the surface of the temperature-measuring material W so as to always contact the surface of the temperature-measuring material W. That is, the separation distance between the surface of the temperature measurement material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement material W side is determined by the position where the roller 41 is attached to the housing 2 and the size of the diameter of the roller 41, The distance is kept substantially constant.
  • the optical glass 3 is possible to prevent the optical glass 3 from being damaged by contacting the temperature-measuring material W. Further, as a result of no change in transmittance due to the change in water thickness, the surface temperature of the temperature-measuring material W can be measured with higher accuracy.
  • two rollers 41 are provided in the housing 2, but the number of rollers 41 is not limited to this, and three or more rollers 41 may be provided.
  • the temperature-measured material W of this embodiment is a wheel having a substantially circular cross section as described above. As shown in FIGS. 1 and 3, the surface temperature measuring device 100 is configured to measure the temperature of the outer peripheral surface of the wheel by rolling the roller 41 following the rotation of the wheel.
  • the surface temperature measurement device 100 when the surface of the temperature-measured material W from which the radiation thermometer 1 detects thermal radiation is a plane that is substantially perpendicular to the horizontal direction, the surface temperature measurement device 100 according to the present embodiment is As a preferred embodiment, the transmittance of heat radiation light with respect to the thickness of water corresponding to the length of approximately half the distance between the surface of the temperature-measuring material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side is used. Then, the temperature measurement value is calculated by correcting the output value of the radiation thermometer 1.
  • the surface temperature measuring device 100 is provided for the thickness of water corresponding to the length of approximately half the distance between the surface of the temperature-measuring material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side.
  • the output value of the radiation thermometer 1 is corrected using the transmittance of the thermal radiation light.
  • the average value of the variation of the transmittance due to the variation of the water filling state existing between the surface of the temperature-measured material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measured material W side is the temperature-measured material W.
  • the output value of the radiation thermometer 1 is corrected by estimating the transmittance of the heat radiation light with respect to the thickness of water corresponding to approximately half the distance between the surface of the optical glass 3 and the end surface of the optical glass 3 on the temperature measuring material W side. To do. As a result, the surface temperature of the temperature-measuring material W can be measured easily and accurately.
  • FIG. 6 shows the difference between the upper surface (horizontal plane) of the steel plate substantially parallel to the horizontal direction or the plane (vertical surface) of the steel plate substantially perpendicular to the horizontal direction and the end surface of the optical glass 3. It is a graph which shows the result of having observed the filling state of the water which exists between 3 end surfaces.
  • the optical glass 3 has a cylindrical shape with a diameter of 10 mm or 20 mm.
  • FIG. 7 the water existing between the steel plate and the end surface of the optical glass 3 is photographed with a camera, and the contour of the photographed water is at the end surface of the optical glass 3.
  • the range occupied in the measurement visual field of the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1 was measured as the filling rate.
  • the water filling rate at the set separation distance is measured three times for each of the vertical plane and the horizontal plane, and the average value of the water filling rate measured each time is shown.
  • a light receiving unit of the radiation thermometer 1 is preferable. 11 receives the heat radiation light radiated through the water existing between the surface of the temperature-measured material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measured material W side, and the surface of the temperature-measured material W And the separation distance between the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side is set to 1.0 mm or less.
  • the light receiving part 11 of the radiation thermometer 1 receives the heat radiation light that has passed through the portion filled with the cooling water, the transmittance of the heat radiation light due to the thickness of the water becomes substantially constant, with high accuracy.
  • the surface temperature of the material to be measured W can be measured.
  • FIG. 8 shows an example of the relationship between the water filling rate and the temperature measurement error.
  • the temperature measurement object at 500 ° C. was measured with the radiation thermometer 1 having a detection wavelength of 1.0 to 1.2 ⁇ m.
  • the measurement visual field of the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1 is assumed to be substantially the same as the outer diameter of the optical glass 3 at the end surface of the optical glass 3.
  • the temperature measurement error of the radiation thermometer is calculated by changing the filling rate with respect to the measurement visual field of the light receiving unit 11 of water existing between the surface of the temperature measurement target and the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement target side. did.
  • FIG. 8 shows that the temperature measurement error decreases as the water filling rate increases. If the water filling rate is 60% or more, the temperature measurement error can be suppressed within 3 ° C.
  • the measurement visual field of the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1 may not be substantially the same as the outer diameter of the optical glass 3 at the end face of the optical glass 3.
  • the end face of the optical glass 3 may be set to be smaller than the outer diameter of the optical glass 3. Therefore, even if the portion filled with water is smaller than the area of the end face of the optical glass 3, the measurement visual field of the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1 is aligned with the portion filled with water, and the temperature measurement error is within a predetermined range. It is also possible to set the water filling rate.
  • the temperature measurement material W on which the radiation thermometer 1 detects thermal radiation is the upper surface of the temperature measurement material W substantially parallel to the horizontal direction
  • the temperature measurement material The distance between the surface of W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measuring material W side is preferably set to 2.5 mm or less.
  • the surface temperature measuring device 100 may include a water supply device 5.
  • the water supply device 5 of the present embodiment includes a housing 2 so that water is supplied between the temperature measurement material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature measurement material W side. Located outside. That is, when water is supplied by the water supply device 5, water is filled between the temperature-measured material W and the end surface of the optical glass 3 on the temperature-measured material W side.
  • variation of the filling state of water does not arise, but the surface temperature of the to-be-measured material W can be measured with high precision.
  • the surface temperature measuring apparatus 100 further includes a purge mechanism 7 as a preferable aspect.
  • FIG. 4 is a schematic view of the purge mechanism 7 inside the housing 2.
  • the purge mechanism 7 of this embodiment includes an air nozzle 71 and a hose 72.
  • the air nozzle 71 is disposed inside the hose 72. Further, the air nozzle 71 and the hose 72 are inserted into the housing 2.
  • the space around 11 can be made a clean atmosphere. Therefore, it can be prevented that condensation occurs in the light receiving unit 11 to change the measurement range of the temperature measurement and cause a measurement error.
  • the hose 72 communicates with the outside of the housing 2. Since the optical glass 3 is closely fitted to the temperature-measuring material W side of the housing 2, the purge air ejected from the air nozzle 71 is discharged to the outside through the hose 72.
  • the type of purge air is not particularly limited as long as it is a colorless gas that does not block heat radiation, such as dry air or nitrogen. Further, the purge method is not particularly limited as long as a clean atmosphere can be maintained.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an experimental apparatus for evaluating the accuracy of surface temperature measurement of the vertical surface of a steel plate during water cooling.
  • a heater 92 is disposed in the sealed container 90.
  • a quartz window 94 is installed on the temperature measuring surface of the sealed container 90.
  • the surface temperature measuring apparatus 100 according to the present embodiment is arranged so that the separation distance between the surface of the quartz window 94 and the end surface of the optical glass 3 is 1 mm. Further, the temperature in the sealed container 90 can be accurately measured by a thermocouple 96 disposed in the sealed container 90.
  • FIG. 11 shows a surface temperature measuring device before and after spraying water onto the quartz window 94 by the water nozzle 98 after heating the heater 92 to raise the inside of the sealed container 90 to a predetermined temperature in the experimental apparatus shown in FIG. 10 is a graph showing a temperature measurement result by 100.
  • the temperature measurement result substantially equal to the temperature measured by the thermocouple 96 is obtained before the water cooling is started. And after starting water cooling, the temperature measurement result is obtained by the temperature measurement error which becomes about 4 degreeC lower than the temperature measured by the thermocouple 96. Since the space between the surface of the quartz window 94 and the end face of the optical glass 3 is stably filled with water, the temperature measurement drop of about 4 ° C.
  • the temperature measurement value is calculated by correcting the output value of the radiation thermometer 1 using the transmittance of the thermal radiation light with respect to the thickness of water, the temperature can be measured with high accuracy.
  • the fluctuation of the temperature measurement result by the surface temperature measuring device 100 is large because of the variation due to the filling state of the water existing between the surface of the quartz window 94 and the end face of the optical glass 3. This is because the fluctuation width of the temperature measurement result itself is about 3 ° C. Even if this fluctuation width is taken into consideration, the measurement is about 3 to 6 ° C. lower than the temperature measured by the thermocouple 96. Since temperature measurement results can be obtained with temperature errors, it can be said that temperature measurement can be performed with high accuracy. Further, if the temperature measurement value is calculated by obtaining the average value of the fluctuation width, the temperature can be measured with high accuracy.
  • the optical glass 3 is tightly fitted in the housing 2, but the present invention is not limited to this example.
  • the optical glass 3 is interposed between the temperature-measured material W and the light receiving portion of the radiation thermometer 1 so that the optical glass 3 and the radiation thermometer 1 receive light. You may make it not permeate water between the parts 11.
  • FIG. Specifically, for example, an optical glass 3 that extends long in the direction perpendicular to the horizontal plane (direction perpendicular to the heat radiation light emitted from the temperature measurement material W to the light receiving unit 11 of the radiation thermometer 1) is adopted. do it.

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Description

表面温度測定装置及び表面温度測定方法
　本発明は、鋼材等の被測温材の表面温度を放射測温によって測定する装置及びその方法に関する。特に、本発明は、水冷中の鋼材（車輪、鋼管、鋼板、レール等）等の被測温材の表面温度を精度良く測温可能な表面温度測定装置及びその方法に関する。
　車輪、鋼管、鋼板、レール等の被測温材の高品質化や生産性向上を図るために、冷却工程における被測温材の温度管理が重要になっている。被測温材の熱間圧延ラインや熱処理・冷却ラインなどの冷却工程において、放射温度計を用いて被測温材の表面温度を測定する際、被測温材と放射温度計との間に湯気が存在したり冷却水が飛散してきたり、或いは、被測温材表面が水膜に覆われたり水没したりすることがある。このような環境下では、被測温材から放射された熱放射光が、水蒸気、湯気、冷却水等に吸収され或いは散乱されることにより、測温値に誤差が生じたり、測定できない場合が生じたりすることもある。
　そこで、上記のような要因によって生じる測温誤差を低減し、精度の良い放射測温を可能とするべく、従来、鋼材表面温度を測定する方法が種々提案されている。例えば特許文献１では、鋼材表面に向けてノズルからパージ用の水を噴出することにより放射温度計と鋼材表面との間に水柱を形成し、当該水柱を介して鋼材から放射される熱放射光の放射エネルギーを検出することにより鋼材表面温度を測定する方法が提案されている。
　より具体的に説明すれば、特許文献１に記載の温度測定方法では、被測定物から放射された放射エネルギーに基づいて該被測定物の表面温度を測定する放射温度計と前記被測定物との間に水柱を形成し、該被測定物から放射された放射エネルギーの内、前記水柱が吸収した放射エネルギーの分を補正しながら、前記放射温度計を用いて前記被測定物の表面温度を測定する。かかる方法では、前記水柱を形成するに当たり、該水柱の温度を６０℃以上にすることを特徴としている。
　特許文献１に記載の方法によれば、放射温度計と被測定物との間に水柱が形成されるため、水柱が形成された部分には水蒸気や飛散水が浸入し難く、これら水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することが可能である。さらに、特許文献１に記載の方法は、水柱の温度を６０℃以上にする構成であり、水柱が接触している被測定物表面に沸騰膜が形成され易くなる。このため、被測定物の表面温度低下を抑制し、測温値の代表性を損なうこともなく、被測定物の冷却むらも低減できるという利点を有する。
　しかしながら、特許文献１に記載の方法では、水柱の温度を６０℃以上に上昇させるための加熱装置が必要であり、水を昇温させるためのエネルギーコストが掛かるという問題がある。また、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置（例えば、超音波方式）が必要であるため、装置全体の寸法が大きくなり、鋼材の搬送ロール間等の狭いスペースには設置し難いという問題がある。さらに、厚み測定装置をたとえ設置できたとしても、着脱に手間を要するなど保全性を阻害したり、厚み測定装置の故障による測温値の安定性・信頼性の低下が問題となる。
　特許文献１に記載の方法における上記の問題点等を解決するため、本発明者らは、特許文献２に記載の方法を提案している。具体的には、特許文献２に記載の方法は、被測温鋼材下面から放射された熱放射光を、被測温鋼材下面に向けてノズルから噴射したパージ水を介して被測温鋼材の下方に対向配置した放射温度計で検出することにより、被測温鋼材の表面温度を測定する方法である。かかる方法では、被測温鋼材のパスラインを位置基準とした前記パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することを特徴とする（特許文献２の請求項２）。また、かかる方法では、前記放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることが提案されている（特許文献２の請求項３）。
　特許文献２に記載の上記方法によれば、パージ水の全ヘッドを所定の範囲に設定することにより、被測温鋼材下面に対するパージ水の衝突圧が抑制され、パージ水がたとえ常温であっても冷却を抑制することができる。このため、特許文献２に記載の方法によれば、特許文献１では必要であった水を昇温させるためのエネルギーコストが掛からないという利点が得られる。また、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下とすることにより、水柱の厚みを測定するための厚み測定装置が不要になるという利点が得られる。
　しかしながら、特許文献２に記載の上記方法では、被測温鋼材の上面、側面等を測温する場合には、パージ水が被測温鋼材に衝突することになるため、被測温鋼材の表面が冷却されることによる測温誤差が生じるという問題がある。また、放射温度計で検出する熱放射光の波長を０．９μｍ以下としているため、放射測温可能な鋼材の表面温度の下限値は、５００℃程度である。近年における鋼材の高品質化に対する要求レベルに鑑みれば、２００℃程度の低温域の表面温度を管理することが重要となってきている。このため、５００℃程度以上の表面温度しか測定できない方法では、適切な温度管理ができないという問題がある。
　上記の他、被測温材の表面温度を測定する技術として、測温部の先端に接触板を備え、接触板の裏面に固定された熱電対線の感温部を被測温材に軽く押し付けて温度測定する方法が広く用いられている。しかしながら、接触板によって熱電対線の感温部を被測温材に押しつける構成であるため、水冷による冷却工程においては、接触板と被測温材との間に水が入り込み、熱電対線の感温部が水と接触する。このため、精度良く被測温材の表面温度を測定することができないという問題がある。
特開平８－２９５９５０号公報 特開２００６－１７５８９号公報
　本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、水冷中の鋼材（車輪、鋼管、鋼板、レール等）等の被測温材の表面温度を精度良く測温可能な表面温度測定装置及びその方法を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するため、本発明は、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスとを備え、前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面に対して近接配置される、表面温度測定装置を提供する。
　また、表面温度測定装置は、光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面との間に水が介在する位置に配置して、前記放射温度計の受光部が、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を受光するようにしてもよい。
　前記放射温度計は、波長０．７～０．９μｍ、１．０～１．２μｍ及び１．６～１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出するようにしてもよい。
　また、表面温度測定装置は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備えてもよい。
　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、表面温度測定装置は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて前記放射温度計の出力値を補正することにより測温値を算出してもよい。
　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略平行な前記被測温材の上面であり、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、２．５ｍｍ以下であってもよい。
　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、１．０ｍｍ以下であってもよい。
　表面温度測定装置は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に水を供給する水供給装置を備えてもよい。
　また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスと、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材と、を備える、表面温度測定装置が提供される。
　さらに、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、水冷中の被測温材の表面から放射される熱放射光を放射温度計で検出することにより、前記被測温材の表面温度を測定する方法であって、前記熱放射光を透過させる光学ガラスを前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間に介在させ、前記光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面に対して近接配置させて前記被測温材の表面温度を測定する、表面温度測定方法が提供される。
　また、前記被測温材が、外周面を有する円板状、円柱状または円筒状の鋼材であるとき、前記被測温材の表面温度を測定するに際し、前記被測温材の中心軸を回転中心として前記被測温材を回転させながら、前記被測温材の前記外周面を水冷している状態で、前記被測温材の前記外周面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持しながら、前記被測温材の前記外周面の温度を前記放射温度計により測定してもよい。
　以上に説明したように本発明によると、水冷中の鋼材（車輪、鋼管、鋼板、レール等）等の被測温材の表面温度を精度良く測温可能な表面温度測定装置及びその方法を提供することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置の概略図平面図である。 図２は、図１のＡ方向から見た同実施形態に係る表面温度測定装置の概略正面図である。 図３は、図１のＢ方向から見た表面温度測定装置の概略側面図である。 図４は、筐体の内部にあるパージ機構の概略図である。 図５は、水の厚みに対する熱放射光の波長と熱放射光の透過率との関係を示すグラフである。 図６は、水平方向に対して略平行な鋼板の上面（水平面）又は水平方向に対して略垂直な鋼板の平面（垂直面）と光学ガラスの端面との離間距離によって、鋼板と光学ガラスの端面との間に存在する水の状態を観察した結果を示すグラフである。 図７は、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面と間に存在する水の充満状態の一例を説明する説明図である。 図８は、水の充満率と測温誤差との関係の一例を示すグラフである。 図９は、水の充満部分と放射温度計の検出部の測定視野との関係を説明する説明図である。 図１０は、水冷中の鋼板の垂直面の表面温度測定の精度を評価するための実装置の概略図である。 図１１は、図１０に示す実験装置によって得られた温度測定結果を示すグラフである。
　＜１．本発明の概要＞
　以下、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置について説明する。まず、本実施形態に係る表面温度測定装置の概要について説明する。
　本実施形態に係る表面温度測定装置は、水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスとを備え、前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面に対して近接配置される。
　本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、筐体は、被測温材側が開口されており、筐体の内部に放射温度計のうち少なくとも放射温度計の受光部が収納されている。また、被測温材と放射温度計の受光部との間に介在する光学ガラスは熱放射光を透過させる。このため、被測温材の表面から放射された熱放射光は、筐体の開口部及び光学ガラスを介して放射温度計の受光部で受光される。なお、放射温度計は、その全体が筐体の内部に収納されていてもよく、放射温度計の受光部が筐体の内部に収納され、放射温度計の受光部以外の部分が筐体の外部に設けられていてもよい。
　一般的に、冷却工程では、被測温材の周囲には水蒸気や飛散水が存在しているため、これら水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱によって放射温度計にて検出される熱放射光の放射エネルギーが減少し、測定誤差が生じる。放射温度計を被測温材に近接設置すれば水蒸気や飛散水による影響を低減することができるが、放射温度計の耐熱性や防水性が問題となる。本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、光学ガラスが被測温材と放射温度計の受光部との間において筐体内に密着嵌合される。このため、放射温度計が被測温材から放射される熱に直接さらされることなく、筐体の開口端から筐体の内部ひいては放射温度計の受光部に水が浸入し難くなる。よって、放射温度計の耐熱性や防水性を確保することができる。
　また、光学ガラスの被測温材側の端面が被測温材に対して近接配置されるため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に水蒸気や飛散水、及び冷却水が入り込み難い。また、冷却水等が入り込んだとしても、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に入り込んだ冷却水に表面張力が働き、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が安定して存在することが期待できる。このため、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。
　ここで、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が安定して存在するとは、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が完全に充満することの他、一部に安定して存在することも含む。具体的には、例えば、熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して垂直な平面である場合、冷却水は重力による影響を受ける。このとき冷却水は、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間の下方の一部に安定して存在し得る。
　したがって、光学ガラスの被測温材側の端面を被測温材の表面との間に水が介在する位置に配置して、放射温度計の受光部が、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して被測温材の表面から放射された熱放射光を受光するように表面温度測定装置を構成してもよい。これにより、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。
　また、本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に冷却水が安定して存在することが期待できる。このため、本実施形態に係る表面温度測定装置は、パージ水やパージエアーを用いることなく、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。また、パージ水やパージエアーを被測温材に吹き付けることに起因する被測温材の温度低下が生じないため、被測温材の表面温度に与える影響は小さい。
　例えば、断面略円形状の車輪の冷却工程において、車輪を軸中心回りに回転させつつ車輪の外周面（周方向の側面）を水冷することが行われている。この際、適切に温度管理された冷却が行われているか否かを確認するため、車輪の外周面を放射温度計により測温している。特に、上記の車輪の温度測定においてパージ水やパージエアーを用いるとすれば、車輪の回転速度は低速であるため、パージ水やパージエアーに起因する車輪の温度低下が顕著となり、所望の冷却工程を実現することが困難である。また、車輪が１回転する毎に同じ側面の温度を測定することになるため、パージ水やパージエアーに起因する車輪の温度低下が何度も生じる結果、更に、所望の冷却工程を実現することが困難となる。本実施形態に係る表面温度測定装置によれば、パージ水やパージエアーによって車輪の表面が冷やされることがないため、測定温度の代表性を損なわずに車輪の表面温度を測定することができる。
　本実施形態において、前記放射温度計は、波長０．７～０．９μｍ、１．０～１．２μｍ及び１．６～１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出することが好ましい。
　図５は、種々の厚みを有する２８℃の水道水に対する熱放射光の波長と熱放射光の透過率との関係を示すグラフである。図５より、水の厚みが小さくなれば透過率が大きくなることがわかる。ここで、本実施形態では、光学ガラスの被測温材側の端面が被測温材の表面に対して近接して配置されている。例えば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を３ｍｍ以下とすれば、測温誤差の一因となる熱放射光の透過率については、水の厚みが３ｍｍの場合に示す透過率より大きいといえる。
　一方、表面温度の測定位置を移動するとき等に、冷却水の充満状態が変動するため、放射温度計の測定視野内に冷却水が充満されているとは限らない。つまり、検出された熱放射光が冷却水を透過していない場合には、実質的に透過率の変動が生じることになる。
　図５に示すように、検出波長０．７～０．９μｍの放射温度計の場合、水の厚みが３ｍｍとすると、透過率は略１．０であり、冷却水の充満状態の変動を考慮したとしても透過率の変動がほとんどないため測定誤差はほとんど生じない。
　また、検出波長１．０～１．２μｍの放射温度計の場合、水の厚みが３ｍｍとすると、透過率は０．７以上となる。このため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する冷却水の充満状態の変動によって、透過率は０．７～１．０の間で変動する。仮に、この透過率の中間値である０．８５を平均的な透過率とした場合には、透過率変動幅は０．１５となる。このため、斯かる透過率変動幅が測温に与える影響を試算すると、６００℃域で±９℃、４００℃域で±５℃程度となる。従って、冷却水の充満状態の変動が生じたとしても、精度良く表面温度を測定することができる。
　また、検出波長１．６～１．８μｍの放射温度計の場合、水の厚みが３ｍｍとすると、透過率は０．１以上となる。このため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水の充満状態の変動によって、透過率は０．１～１．０の間で変動する。仮に、この透過率の中間値である０．５５を平均的な透過率とした場合には、透過率変動幅は０．４５となる。このため、斯かる透過率変動幅が測温に与える影響を試算すると、４００℃域で±２４℃、２００℃域で±１２℃程度となる。従って、冷却水の充満状態の変動が生じたとしても、精度良く被測温材の表面温度を測定することができる。
　上記の好ましい構成によれば、放射温度計は、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水に対する熱放射光の透過率が高くなる波長帯域の光を検出するため、測定誤差を抑制することができる。
　本実施形態において、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備えることが好ましい。
　斯かる好ましい構成によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離が保持されるため、光学ガラスが被測温材に接触しない。従って、光学ガラスが被測温材に接触することによって破損することを防止することができる。また、前記離間距離が略一定に保持されるため、水の厚みの変動による透過率の変動が生じない結果、さらに精度良く被測温材の表面温度を測定することができる。
　また、車輪にスケールが成長すること等によって車輪の表面に凹凸があるため、車輪の表面と光学ガラスの端面とが接触し、光学ガラスが破損するおそれがある。上記好ましい構成によれば、車輪の表面と光学ガラスの車輪側の端面との離間距離が保持されるため、車輪の表面と光学ガラスの端面とが接触し、光学ガラスが破損することを防止することができる。また、前述のように、前記離間距離が略一定に保持されるため、さらに精度良く車輪の表面温度を測定することができる。なお、保持部材としては、例えば、筐体に付設され、被測温材の表面に常に接触するように被測温材の表面に向かって押圧されるローラを具備する接触ローラ機構を用いることができる。
　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて前記放射温度計の出力値を補正することにより測温値を算出することが好ましい。
　斯かる好ましい構成によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計の出力値を補正する。すなわち、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水の充満状態の変動に伴う透過率の変動の平均値が被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率と見積もって放射温度計の出力値を補正する。この結果、簡易的に精度良く被測温材の表面温度を測定することができる。
　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略平行な前記被測温材の上面である場合、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。
　斯かる好ましい構成によれば、放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略平行な被測温材の上面であり、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離が２．５ｍｍ以下であるため、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間の略全体に冷却水が充満する程度に表面張力が働く。このため、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定となり、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。
　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
　斯かる好ましい構成によれば、放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面が水平方向に対して略垂直な平面であり、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する冷却水が重力による影響を受ける。このとき、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離が１．０ｍｍ以下であるため、光学ガラスの被測温材側の端面の下方の略６０％以上の面積に相当する範囲に冷却水が充満する程度に表面張力が働く。このため、放射温度計の受光部が被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光する。換言すれば、冷却水が充満している部分を透過した熱放射光を放射温度計の受光部が受光する。これにより、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定となり、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。
　本実施形態において、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に水を供給する水供給装置を備えることが好ましい。
　斯かる好ましい構成によれば、被測温材の表面と光学ガラスの被測温材側の端面との間に水が充満されるため、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。
　また、本実施形態における、水冷中の被測温材の表面から放射される熱放射光を放射温度計で検出することにより、前記被測温材の表面温度を測定する方法は、前記熱放射光を透過させる光学ガラスを前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間に介在させることで、前記光学ガラスと前記放射温度計の受光部との間に水を浸入させないようにすると共に、前記光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面近傍に位置させて被測温材の表面温度を測定する方法である。
　また、被測温材が断面略円形状の車輪等のような外周面を有する円板状、円柱状または円筒状の鋼材であるとき、その日測温材の外周面の温度を測定することもある。例えば、車輪の冷却工程では、この際、適切に温度管理された冷却が行われているか否かを確認するため、車輪の外周面を放射温度計により測温している。このように、被測温材の中心軸を回転中心として被測温材を回転させながら、被測温材の外周面を水冷している状態であるときも、被測温材の外周面と光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持しながら、被測温材の外周面の温度を放射温度計により測定することで、被測温材の外周面の温度を精度よく測定することができる。
　＜２．表面温度測定装置の一実施形態＞
　次に、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置について、被測温材が断面略円形状の車輪である場合を例に挙げて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る表面温度測定装置１００の概略図である。図１は、筐体２内部を断面で示す表面温度測定装置１００の概略平面図である。図２は、図１のＡ方向から見た表面温度測定装置１００の概略正面図である。図３は、図１のＢ方向から見た表面温度測定装置１００の概略側面図である。図１に示すように、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、放射温度計１と、筐体２と、光学ガラス３とを備え、被測温材Ｗに対向して配置されている。
　放射温度計１は、放射温度計１の受光部１１が受光した熱放射光を検出することにより温度測定を行う温度計である。
　筐体２は、被測温材Ｗ側が開口されている。また、筐体２は、その内部に放射温度計１のうち少なくとも放射温度計１の受光部１１を収納している。
　光学ガラス３は、被測温材Ｗと放射温度計１の受光部１１との間において筐体２内に密着嵌合されており、熱放射光を透過することができる。
　放射温度計１は、受光部１１と、光ファイバ１２と、放射温度計本体１３とを備えている。光ファイバ１２は、受光部１１で受光された熱放射光を放射温度計本体１３に伝送する。なお、光ファイバ１２単体では破損のおそれがあるため、光ファイバ１２は、ステンレス製のフレキシブルホース（図示せず）で被覆されている。放射温度計本体１３は、受光部１１で受光され光ファイバ１２によって伝送された熱放射光を光電変換し、温度に換算するように構成されている。
　本実施形態の表面温度測定装置１００では、筐体２は、被測温材Ｗ側が開口されており、筐体２の内部に放射温度計１の受光部１１を収納している。また、被測温材Ｗと放射温度計１の受光部１１との間に介在する光学ガラス３は熱放射光を透過させる。つまり、被測温材Ｗから放射された熱放射光は、筐体２の開口部及び光学ガラス３を介して放射温度計１の受光部１１で受光される。このため、放射温度計１が被測温材Ｗの表面から放射された熱放射光を検出することができる。
　本実施形態の表面温度測定装置１００では、放射温度計１の受光部１１及び光ファイバ１２の一部が筐体２に収納されている。放射温度計１の耐熱性を確保する観点からは、本実施形態のように放射温度計１の一部のみを筐体２に収納する構成が好ましいものの、本発明はこれに限られるものではなく、筐体２の内部に放射温度計１の全体が収納されていてもよい。
　本実施形態において、受光部１１は、図１のＡ方向から見て、直径５ｍｍの円形状とされている。受光部１１は、被測温材Ｗの表面における温度測定視野が直径１０ｍｍ程度となるように位置決めされている。
　本実施形態において、筐体２の形状は、断面環状であり、具体的には、後述するように断面略円形状の光学ガラス３を密着嵌合させ易いように円筒状とされている。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、筐体２の形状として、光学ガラス３の形状に応じて、楕円筒状、角筒状等の種々の形状を採用することができる。
　本実施形態において、光学ガラス３の形状は、温度測定視野を効率良く確保しつつ、できるだけコンパクトにするため、断面略円形状とされている。具体的には、図１及び図２に示すように、直径１０ｍｍ～２０ｍｍで長さ１００ｍｍ程度の円柱状とされている。光学ガラス３の長さを１００ｍｍ程度とすることにより、放射温度計１の耐熱性及び防水性を確保することができ、光学ガラス３の長さは、光学ガラス３の直径の５倍以上とすることが望ましい。ただし、本発明はこれに限るものではなく、楕円柱状、角柱状等の種々の形状を採用することができる。
　本実施形態において、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面が被測温材Ｗの表面に対して近接した位置にあるため、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に水蒸気や飛散水ひいては冷却水が入り込み難い。また、冷却水等が入り込んだとしても、水冷中の被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に入り込んだ冷却水に表面張力が働き、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に冷却水が安定して存在することが期待できる。このため、水蒸気や飛散水による放射エネルギーの吸収や散乱に起因した測温誤差を低減することができる。
　本実施形態において、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状は、平面状とされている。このため、被測温材Ｗの表面形状（曲率）が変化したとしても、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に入り込んだ冷却水に平均的に表面張力が働きやすい。ただし、本発明はこれに限るものではなく、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状は、被測温材Ｗの表面形状に合わせた形状としてもよい。
　具体的には、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状は、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離が光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面全体に亘って略一定となる形状としてもよく、より具体的には、被測温材Ｗの表面と同心となるような曲率を有する形状としてもよい。特に被測温材Ｗである車輪の外径が一定の場合（被測温材Ｗの表面形状が一定の場合）には、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の形状を、その外径が一定である被測温材Ｗの表面と同心となるような曲率を有する形状とすることで、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に入り込んだ冷却水に表面張力がより一層働き易くなると考えられる。
　本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、更に、シール部材６１～６４と、光学ガラス付勢部材（図示せず）と、ストッパ８１とを備える。本実施形態の光学ガラス３は、シール部材６１～６４を介して筐体２内に密着嵌合されている。本実施形態では、図１に示すように、シール部材６１～６４は、筐体２と光学ガラス３との間に嵌め込まれている。また、本実施形態では、シール部材６１～６４のうち被測温材Ｗ側に最も近いシール部材６１は、鉛等の柔らかい金属から構成され、耐熱性に優れる金属リングであるのが好ましい。一方、シール部材６２～６４は、シリコン、テフロン（登録商標）等の樹脂から構成され、防水性に優れる耐熱ゴムのＯリングであるのが好ましい。これにより、放射温度計１の耐熱性や防水性を確保することができ、光学ガラス３が衝撃により破損することを抑制することができる。
　光学ガラス付勢部材は、筐体２の内部に配置されるバネ（図示せず）であり、被測温材Ｗの表面に向かって光学ガラス３を付勢している。また、ストッパ８１は、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端部に係止して、光学ガラス３が筐体２内から押し出されないように配置されている。このため、光学ガラス３は、光学ガラス付勢部材とストッパ８１との間で強固に固定され、衝撃により光学ガラス３が移動して筐体２や放射温度計１に接触して破損したり、放射温度計１が破損することを防止することができる。
　本実施形態では、好ましい態様として、放射温度計１が波長０．７～０．９μｍ、１．０～１．２μｍ及び１．６～１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出する。具体的には、放射温度計本体１３は、光ファイバ１２で伝送された熱放射光を光電変換して、光量に応じた電流を出力する検出素子として、Ｓｉフォトダイオード又はＩｎＧａＡｓフォトダイオードを具備する。放射温度計本体１３は、Ｓｉフォトダイオード又はＩｎＧａＡｓフォトダイオードからの出力電流を増幅した後に電流電圧変換及びＡＤ変換を施し、被測温材Ｗの放射率の補正を行って温度に換算する。
　また、放射温度計本体１３は、被測温材Ｗの表面と放射温度計１の検出素子との間に、より具体的には、光ファイバ１２の放射温度計本体１３側の端部とＳｉフォトダイオード又はＩｎＧａＡｓフォトダイオードとの間に、０．７～０．９μｍ、１．０～１．２μｍ及び１．６～１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタを具備する。これにより、放射温度計１で検出する熱放射光の波長は、０．７～０．９μｍ、１．０～１．２μｍ及び１．６～１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域となる。なお、検出素子としてＳｉフォトダイオードが使用されるとき、０．７～０．９μｍ及び１．０～１．２μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光のみを透過する光学フィルタが設けられる。また、検出素子としてＩｎＧａＡｓフォトダイオードが使用されるとき、１．６～１．８μｍの波長帯域の光のみを透過汁光学フィルタが設けられる。
　斯かる好ましい構成では、前述したように、放射温度計１は、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に存在する水に対する熱放射光の透過率が高くなる波長帯域の光を検出するため、測定誤差を抑制することができる。
　また、本実施形態の光学ガラス３は、近赤外域の光を透過する石英ロッドである。石英ロッドは、波長２μｍ以下の光の透過性に優れているため、石英ロッドによる熱放射光の吸収等に伴う測定誤差はほとんど生じない。ただし、本発明はこれに限られるものではなく、光学ガラス３として、サファイアガラス、フッ化カルシウム（ＣａＦ２）等の近赤外域の光を透過する光学ガラスを採用することができる。
　本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、好ましい態様として、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備える。具体的には、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、保持部材として、接触ローラ機構４を備える。図１に示すように、接触ローラ機構４は、ローラ４１と、付勢部材４２～４４と、付勢バネ４３と、エアーシリンダ４５とから構成されている。
　付勢部材４２は、筐体２に取付けられているため、エアーシリンダ４５により被測温材Ｗ側に付勢部材４４を付勢することにより、付勢バネ４３を介して、付勢部材４２が筐体２を被測温材Ｗ側に付勢する。これにより、筐体２に付設されているローラ４１が被測温材Ｗの表面に常に接触するように被測温材Ｗの表面に向かって押圧される。つまり、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離はローラ４１が筐体２に取付けられる位置やローラ４１の径の大きさによって決まり、当該離間距離は略一定に保持される。このため、光学ガラス３が被測温材Ｗに接触することによって破損することを防止することができる。また、水の厚みの変動による透過率の変動が生じない結果、さらに精度良く被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。なお、本実施形態では、ローラ４１は、筐体２に２つ設けられているが、これに限られるものではなく、３つ以上設けてもよい。
　本実施形態の被測温材Ｗは、前述のように、断面略円形状の車輪である。表面温度測定装置１００は、図１及び図３に示すように、車輪の回転に追従して、ローラ４１が転動することによって車輪の外周面を温度測定できるように構成されている。
　本実施形態のように、放射温度計１が熱放射光を検出する被測温材Ｗの表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、好ましい態様として、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計１の出力値を補正することにより測温値を算出する。
　斯かる好ましい態様では、表面温度測定装置１００は、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計１の出力値を補正する。このとき、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に存在する水の充満状態の変動に伴う透過率の変動の平均値が被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率と見積もって放射温度計１の出力値を補正する。この結果、簡易的に精度良く被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。
　図６は、水平方向に対して略平行な鋼板の上面（水平面）又は水平方向に対して略垂直な鋼板の平面（垂直面）と光学ガラス３の端面との離間距離によって、鋼板と光学ガラス３の端面との間に存在する水の充満状態を観察した結果を示すグラフである。具体的には、光学ガラス３は、直径１０ｍｍ又は２０ｍｍの円柱形状である。前記離間距離を変化させたときに、図７に示すように、鋼板と光学ガラス３の端面との間に存在する水をカメラにより撮影し、撮影された水の輪郭が光学ガラス３の端面における放射温度計１の受光部１１の測定視野において占める範囲を充満率として測定した。図６では、垂直面と水平面について、設定した離間距離における水の充満率をそれぞれ３回ずつ測定し、各回で測定された水の充満率の平均値を示している。
　本実施形態のように、放射温度計１が熱放射光を検出する被測温材Ｗの表面が水平方向に対して略垂直な平面である場合、好ましい態様として、放射温度計１の受光部１１は、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離が１．０ｍｍ以下に設定される。
　図６に示すように、鋼板の垂直面においては、鋼板と光学ガラス３の端面との間に存在する水が重力による影響を受ける。この結果、前記離間距離が１．０ｍｍ以下の場合には、光学ガラス３の端面の下方の略６０％以上の面積に相当する範囲に水が充満する程度に表面張力が働くことがわかる。つまり、斯かる好ましい態様では、光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面の下方の略６０％以上の面積に相当する範囲に冷却水が充満する程度に表面張力が働くといえる。このため、冷却水が充満している部分を透過した熱放射光を放射温度計１の受光部１１が受光することにより、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定となり、高精度に被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。
　図８に、水の充満率と測温誤差との関係の一例を示す。図８の例では、５００℃の測温対象を検出波長が１．０～１．２μｍの放射温度計１により測温した。放射温度計１の受光部１１の測定視野は、図７に示すように、光学ガラス３の端面において光学ガラス３の外径と略同一であるとする。この際、測温対象の表面と光学ガラス３の測温対象側の端面との間に存在する水の受光部１１の測定視野に対する充満率を変化させて、放射温度計の測温誤差を算出した。図８より、水の充満率が大きくなるほど測温誤差は減少することがわかる。水の充満率が６０％以上であれば、測温誤差は３℃以内に抑えることができる。
　なお、放射温度計１の受光部１１の測定視野は、光学ガラス３の端面において光学ガラス３の外径と略同一でなくてもよい。例えば、図９に示すように光学ガラス３の端面において光学ガラス３の外径より小さくするように設定してもよい。したがって、光学ガラス３の端面の面積に対して水の充満部分が小さくても、当該水の充満部分に放射温度計１の受光部１１の測定視野を合わせ、測温誤差が所定範囲内となる水の充満率に設定することも可能である。
　一方、本実施形態と異なり、放射温度計１が熱放射光を検出する被測温材Ｗの表面が水平方向に対して略平行な被測温材Ｗの上面である場合、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との離間距離は２．５ｍｍ以下に設定するのが好ましい。
　図６に示すように、鋼板の水平面においては、前記離間距離が２．５ｍｍ以下の場合には、鋼板と光学ガラス３の端面との間の略全体に水が充満する程度に表面張力が働くことがわかる。つまり、上記好ましい構成では、被測温材Ｗの表面と光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に冷却水が充満するといえる。このため、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、水の厚みによる熱放射光の透過率が略一定（水の厚みが離間距離の場合の透過率）となり、高精度に被測温材の表面温度を測定することができる。
　本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、水供給装置５を備えていてもよい。図３に示すように、本実施形態の水供給装置５は、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に水が供給されるように筐体２の外部に配置されている。つまり、水供給装置５によって水が供給されることにより、被測温材Ｗと光学ガラス３の被測温材Ｗ側の端面との間に水が充満される。これにより、水の充満状態の変動による熱放射光の透過率の変動が生じず、高精度に被測温材Ｗの表面温度を測定することができる。
　本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、好ましい態様として、更に、パージ機構７を備える。図４は、筐体２の内部にあるパージ機構７の概略図である。図１及び図４に示すように、本実施形態のパージ機構７は、エアーノズル７１と、ホース７２とから構成されている。エアーノズル７１は、ホース７２の内部に配置されている。また、エアーノズル７１及びホース７２は、筐体２の内部に挿通されている。
　エアーノズル７１によって筐体２の内部にパージエアーを噴射することにより、筐体２の内部に水が浸入することを防止し、筐体２の内部に収納されている放射温度計１の受光部１１の周囲の空間を清浄な雰囲気とすることができる。したがって、受光部１１に結露が生じて温度測定の測定範囲が変化し、測定誤差が生じることを防止することができる。ホース７２は、筐体２の外部にも連通している。筐体２の被測温材Ｗ側は、光学ガラス３が密着嵌合されているため、エアーノズル７１から噴射されたパージエアーは、ホース７２を介して外部に放出される。
　なお、パージエアーは、乾燥空気や窒素等のように、熱放射光を遮らない無色のガスである限りにおいて、特にその種類は限定されない。また、パージ方式も、清浄な雰囲気を維持できる限りにおいて、特に限定されるものではない。
　図１０は、水冷中の鋼板の垂直面の表面温度測定の精度を評価するための実験装置の概略図である。具体的には、図１０に示すように、密閉容器９０の中にヒータ９２が配置されている。密閉容器９０の測温面には石英窓９４が設置されている。本実施形態に係る表面温度測定装置１００は、石英窓９４の表面と光学ガラス３の端面との離間距離が１ｍｍとなるように配置されている。また、密閉容器９０内の温度は、密閉容器９０内に配置された熱電対９６により正確に測定することができる。
　図１１は、図１０に示す実験装置において、ヒータ９２を加熱して、密閉容器９０内を所定の温度まで上昇させた後、水ノズル９８により水を石英窓９４に吹き付ける前後の表面温度測定装置１００による温度測定結果を示すグラフである。図１１に示すように、水冷を開始する前は、熱電対９６により測定される温度と略同等の温度測定結果が得られている。そして、水冷を開始した後は、熱電対９６により測定される温度よりも４℃程度低くなる測温誤差で温度測定結果が得られている。石英窓９４の表面と光学ガラス３の端面との間には安定して水が充満しているため、水の厚み１ｍｍに対する熱放射光の透過率による影響によって、４℃程度の測温低下が生じているといえる。つまり、水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて放射温度計１の出力値を補正して測温値を算出すれば、高精度に温度測定を行うことができる。
　なお、水冷中において、表面温度測定装置１００による温度測定結果の振れ幅が大きくなっているのは、石英窓９４の表面と光学ガラス３の端面との間に存在する水の充満状態によるばらつきが生じるためであるが、温度測定結果の振れ幅自体は、約３℃であり、この揺れ幅を考慮に入れたとしても、熱電対９６により測定される温度よりも３～６℃程度低くなる測温誤差で温度測定結果が得られるため、精度良く温度測定できるといえる。また、この振れ幅の平均値を求めて測温値を算出すれば、高精度に温度測定を行うことができる。
　本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、被測温材Ｗが車輪の場合について説明したが、これに限られるものではなく、鋼管、鋼板等であってもよい。
　また、上記実施形態において、光学ガラス３は、筐体２内に密着嵌合されているが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本実施形態の光学ガラス３の変形例として、光学ガラス３を被測温材Ｗと放射温度計１の受光部との間に介在させることで、光学ガラス３と放射温度計１の受光部１１との間に水を浸入させないようにしてもよい。具体的には、例えば、光学ガラス３として水平面に垂直な方向（被測温材Ｗから放射温度計１の受光部１１へ放射される熱放射光に垂直な方向）に長く延びたものを採用すればよい。これにより、筐体２の内部に受光部１１を収納し光学ガラス３を内部に密着嵌合させない構成であっても、光学ガラス３と放射温度計１の受光部１１との間に水が浸入し難くなると考えられる。
　１　　　　　　放射温度計
　２　　　　　　筐体
　３　　　　　　光学ガラス
　４　　　　　　接触ローラ機構
　５　　　　　　水供給装置
　７　　　　　　パージ機構
　１１　　　　　受光部
　１２　　　　　光ファイバ
　１３　　　　　放射温度計本体
　４１　　　　　ローラ
　４２、４４　　付勢部材
　４３　　　　　付勢バネ
　４５　　　　　エアーシリンダ
　６１～６４　　シール部材
　７１　　　　　エアーノズル
　７２　　　　　ホース
　Ｗ　　　　　　被測温材
 

Claims (11)

  1. 　水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、
    　被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、
    　前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスとを備え、
    　前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面に対して近接配置される、表面温度測定装置。
  2. 　前記光学ガラスの被測温材側の端面は、前記被測温材の表面との間に水が介在する位置に配置され、
    　前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して前記被測温材の表面から放射された熱放射光を受光する、請求項１に記載の表面温度測定装置。
  3. 　前記放射温度計は、波長０．７～０．９μｍ、１．０～１．２μｍ及び１．６～１．８μｍの波長帯域のうちいずれか一つの波長帯域の光を検出する、請求項１または２に記載の表面温度測定装置。
  4. 　前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材を備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の表面温度測定装置。
  5. 　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、
    　前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離の略半分の長さに相当する水の厚みに対する熱放射光の透過率を用いて前記放射温度計の出力値を補正することにより測温値を算出する、請求項４に記載の表面温度測定装置。
  6. 　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略平行な前記被測温材の上面であり、
    　前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、２．５ｍｍ以下である、請求項４に記載の表面温度測定装置。
  7. 　前記放射温度計が熱放射光を検出する被測温材の表面は、水平方向に対して略垂直な平面であり、
    　前記放射温度計の受光部は、前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に存在する水を介して放射された熱放射光を受光し、
    　前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離は、１．０ｍｍ以下である、請求項４に記載の表面温度測定装置。
  8. 　前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との間に水を供給する水供給装置を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の表面温度測定装置。
  9. 　水冷中の被測温材の表面から放射された熱放射光を検出する放射温度計と、
    　被測温材側が開口され、内部に前記放射温度計のうち少なくとも該放射温度計の受光部を収納する筐体と、
    　前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間において前記筐体内に密着嵌合され、前記熱放射光を透過させる光学ガラスと、
    　前記被測温材の表面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持する保持部材と、
    を備える、表面温度測定装置。
  10. 　水冷中の被測温材の表面から放射される熱放射光を放射温度計で検出することにより、前記被測温材の表面温度を測定する方法であって、
    　前記熱放射光を透過させる光学ガラスを前記被測温材と前記放射温度計の受光部との間に介在させ、
    　前記光学ガラスの被測温材側の端面を前記被測温材の表面に対して近接配置させて前記被測温材の表面温度を測定する、
    表面温度測定方法。
  11. 　前記被測温材は、外周面を有する円板状、円柱状または円筒状の鋼材であり、
    　前記被測温材の表面温度を測定するに際し、前記被測温材の中心軸を回転中心として前記被測温材を回転させながら、前記被測温材の前記外周面を水冷している状態で、前記被測温材の前記外周面と前記光学ガラスの被測温材側の端面との離間距離を略一定に保持しながら、前記被測温材の前記外周面の温度を前記放射温度計により測定する、請求項１０に記載の表面温度測定方法。
     
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