赤外線放射温度計の基礎

日本機械学会 熱工学部門講習会， 2009年7月29-30日「熱設計を支援する熱流体計測技術」

東京工業大学 百周年記念館 フェライト会議室

防衛大学校 機械工学科

中村 元

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内 容

１． 放射伝熱の基礎

２． 赤外線放射温度計の基礎

・ 赤外線放射温度計の種類

・ 赤外線放射温度計の性能

３． 温度を正確に測定するノウハウ

・ 放射温度計の出力と温度の関係

・ 温度を正しく測定する方法

・ 分光放射率の評価方法

４． 測定事例 （定常測定）

・ 筐体内加熱ブロックの温度測定

５． 測定事例 （非定常測定）

・ 乱流境界層の測定

・ 周波数応答と空間分解能

・ 時間・空間的減衰の復元方法

・ 自然対流の可視化2

反射率

１．放射伝熱の基礎

黒体とは

透過率

吸収率

+ + = 1

= 1 ( = = 0) の物体を黒体 という

3

1)]/(exp[),(

2

51

TC

CTEb

黒体の単色放射能

プランクの法則

: 波長 [m]T : 温度（絶対温度） [K]

C1 = 3.743×108 [W m4/m2]C2 = 1.439×104 [m K]

黒体の単色放射能の波長分布

μm)]W/(m[ 2

4

ウィーンの変位則

黒体の単色放射能 Ebが

最大となる波長 max

Km2897 T

5

黒体の単色放射能の波長分布

Km2897 Tmax

※ 室温では， = 10 m の波長帯で単色放射能が最大となる．

単色放射率 （分光放射率）

bEE

黒体Eb

E

放射率の定義

単色放射能

E

波長

単色放射能

E

全放射率 （放射率）

bEE

6

波長

黒体

EbE

赤外線放射温度計の特徴

物体表面から放出される放射エネルギーを検知して

温度を測定する原理 ：

２．赤外線放射温度計の基礎

・ 非接触で測定できる （温度場を乱しにくい）

・ 応答が速い

・ 高温の測定が容易

・ 外乱光の影響を受けやすい

・ 放射率等で温度を補正する必要がある

（接触方式の温度計を用いた校正が必要である）

長所

短所

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測定方式による分類

・ １点型

・ 機械走査型

・ ２次元アレイ型 （現在の赤外線カメラはほとんどがこのタイプ）

素子による分類

量子型 （光電型） 高感度 （高速撮影 高温度分解能）

赤外線放射温度計の種類

・ 量子型 （光電型） → 高感度 （高速撮影、高温度分解能）

・ 熱型 → 非冷却が可能 （小型・軽量・低価格）

波長による分類

・ 全放射温度計 （熱型）

・ 単色放射温度計

・ ２色放射温度計

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赤外線検知素子の種類と特徴

熱型 素子が赤外線を吸収したときの温度変化を，

抵抗や起電力の変化として検知するタイプ

・ サーモパイル （熱電対列）

熱電対を多数直列に並べて薄膜化したもの．

素子の温度変化を起電力の変化として検知する．

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温度差を検知するため，絶対温度を測定するには温度補償が必要．

・ ボロメータ （サーミスタ）

温度により抵抗が大きく変わる物体で構成された抵抗素子．

外部電流を与え，素子の抵抗の変化（電流の変化）を検知する．

絶対温度が測定される．

・ 焦電型 （パイロエレクトリック）

電気石などの焦電体が温度変化すると表面電荷が生ずる現象を

利用したもの．

量子型赤外線を光として検知するタイプ

（バンドギャップ以上のエネルギーを持ったフォトンが入射すると，

半導体中の電子が伝導帯に脱出し，これを電気信号として読み出す）

・ インジウム・アンチモン （InSb）中赤外線（3 ～ 5 m 帯）で感度のピークを持つ素子．量子効率が高い（80 % 以上）

・ 水銀・カドミウム・テルル （HgCdTe あるいは MCT）成分比を変えることで最高感度を持つ波長が自由に選べるため，

中赤外線用（3 5 帯）と遠赤外線用（8 14 帯）が可能

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中赤外線用（3 ～ 5 mm 帯）と遠赤外線用（8 ～ 14 m 帯）が可能．量子効率が高い（80 % 以上）

・ 量子井戸型センサ （QWIP）バンドギャップの近い２種の半導体をナノスケールで交互に積層したもの．

波長が自由に選べる．画素の均一性が良い．

量子効率が低い（10 % 以下）

・ 量子ドット型センサ （QDIP）QWIP の発展型 （開発中）量子効率を 10 % 以上に高めることができる．

量子効率 ：

入射した光のうち，フォトンとして

カウントされる割合

InSb (77K)HgCdTe (77K)

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赤外線検出素子の分光感度特性

「技術資料赤外線検出素子の特性と使い方」, 浜松ホトニクス株式会社http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/tech/infrared_kird9001j04.pdf

D* : 感度1 W の光が入射した時の S/N 比（素子面積 1 cm2, 帯域幅 1 Hz あたり）

熱電対、サーモパイル (300K)サーミスタ・ボロメータ (300K)

熱型と量子型の比較

熱型 （非冷却） 量子型

波長特性 波長依存性がない特定の波長域で感度が

高くなる

素子の冷却 不要 （冷凍機が無いため

小型・軽量）

通常は 80 K 程度以下に冷却して使用

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感度 量子型と比べて低い 非常に高い

応答速度 10 ms 程度（TV フレームレート程度）

～ 1 s

消費電力 ～ 10 W 程度 数十W

コスト 安い

（保守もほとんど不要）高い

赤外線放射温度計の波長帯

大気による吸収を抑えるため，一般に「大気の窓」の波長帯が利用される．

中赤外線

（3～5 m）遠赤外線

（8～13 m）

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大気による赤外線の吸収 （距離 2 km, 気温 15℃, 湿度 70 %）

「赤外線工学」，赤外線技術研究会編より

放射温度計の波長帯による違い

中赤外線（3～5 m 帯）

遠赤外線（8～13 m 帯）

素子の感度 D*

（理論的限界）高い

3～5 m 帯と比べて低い

最も感度の高い 300 700℃ 50 90℃

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最も感度の高い温度範囲

300 ～ 700 ℃ 50 ～ 90 ℃

太陽光の影響8～13 m 帯と比べて受けやすい

受けにくい

大気による吸収8～13 m 帯と比べて大きい

小さい

屋外で使用する場合は，一般に 8～13 m 帯の方が有利高温の測定や窓材を使用した測定の場合は 3～5 m 帯の方が有利

赤外線放射温度計の性能の評価

雑音等価温度差 （NETD）

センサの内部雑音（rms値）の大きさを温度差（黒体測定時）に換算した値

→ これより小さな温度差は検出することができない

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※ ただし，センサの出力を時間平均あるいは空間平均すると，

NETD の値を抑えることができる．

非黒体の温度測定時の NETD の値 TIRは，黒体の NETD TIR0 を

用いて，次式で表すことができる．

IR

IRIR

TT

0 IR ： 放射温度計の波長帯

における分光放射率

最近の赤外線放射温度計の性能（進む２極化）

高性能製品 （量子型： InSb, MCT, QWIP）

画素数 ～ 1024×1024雑音等価温度差 0.02 ℃程度フレームレート 120 Hz （～ 640×512 pixel）

420 Hz （～ 320×256 pixel）

小型・軽量製品 （熱型： 非冷却マイクロボロメータ）

画素数 160×120 ～ 320×240雑音等価温度差 0.1 ℃程度フレームレート 8 ～ 30 Hz重量 300 g ～価格 100万円以下

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スタ数または画素数

２次元アレイ型赤外線放射温度計（IR FPA）の多画素化の進展 （開発レベル）(Norton, P., Encyclopedia of Optical Engineering, 2003, pp.320-348)

トランジス

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放射温度計の出力と温度の関係（黒体の場合）

放射温度計の出力

(測定される放射エネルギー)

３．温度を正確に測定するノウハウ

)(TfEb

T被測定面

（黒体）

放射エネルギー Eb と温度 Tの関係式 f (T)は，校正により求める.

f (T)は，赤外線放射温度計の波長帯やレンズでの吸収などに依存する．

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被測定面からの放射

周囲

（黒体）aT 21 EEE

測定される放射エネルギー

)()1()( aTfTf

放射温度計の出力と温度の関係（非黒体の場合）

)(1 TfE

1, T

被測定面からの放射

被測定面

（非黒体）

)( aTf

)()1(2 aTfE 周囲の影響

分光放射率 と周囲温度 Ta が

既知であれば，被測定面の温度

Tが求められる．※周囲が黒体でかつ Taが一様の場合

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１． 被測定面の分光放射率を知る

・ 放射率が１に近いペイントを塗布する

→ 最も簡単な方法

・ 文献値から推定

温度を正しく測定する方法 １

1

)()1()( aTfTfE

文献値から推定

波長-分光放射率特性（右図）と放射温度計の波長帯から評価

→ 一般に困難（表面粗さや汚れの影響も受ける）

・ 実験的に評価

→ 後述0

0.5

分光放射率

波 長

放射温度計の観測波長帯

20

２． 周囲からの放射を知る

温度を正しく測定する方法 ２

)()1()( aTfTfE

1) 周囲からの放射を抑制する・ 被測定面に黒ペイントを塗布する

・ 周囲の温度 Ta を被測定面の温度より

十分低くする

可視画像

2) 周囲からの放射を補正する・ 周囲の放射率を１に近づける

（周囲での乱反射を防ぐ）

・ 周囲の温度 Ta を均一にする

（高温の放射源を近づけない）

・ 放射温度計を 15 ～ 20°傾ける（自身の映り込みを防ぐ）

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赤外線カメラ撮影画像

乱反射の例

手の実像

乱反射の例

可視カメラの反射像

蛍光灯の反射像

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赤外線カメラの反射像

手から放射された赤外線が壁（アルミ）と机で多重反射

指向放射率

電気の不良導体では，

角度 < 60°の広い範囲で放射率がほぼ一定であるが，

> 60°で急に減少する．

23甲藤好郎 「伝熱概論」 より

電気の不良導体の指向放射率 （放射面温度 0～100℃）

金属の指向放射率 （放射面温度約 150℃）

金属の場合，

角度 が大きくなると放射率が急に増加する．

３． 大気や窓材での吸収を知る

温度を正しく測定する方法 ３

1) 吸収を抑制する・ 窓材を使用しない

・ 被測定面から必要以上に遠ざけない

赤外線は，大気中の水蒸気や

二酸化炭素により吸収される

大気による吸収

・ 放射温度計のレンズを汚さない

2) 吸収を補正する・ 窓材を用いる場合は，実機による

温度校正を行う

・ 大気による吸収量を補正する → 後述（数 m 以内であれば無視できる）

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大気による影響の補正

赤外線は，大気中の水蒸気や二酸化炭素といった３原子分子により吸収される．

また，ちりや水滴などによって散乱が起こる．

大気中の赤外線の透過率 は，減衰定数を ，距離を x とすれば次式で表される．

)exp( x

「赤外線工学」 久野治義著，電子情報通信学会編 より

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)exp( x

また，減衰定数を は，吸収係数 と散乱係数 の和で表される．

吸収による透過率を求めるには，水蒸気の透過率と二酸化炭素の透過率を

次ページの表から別々に求め，後で乗算すれば良い．

距離 (km)含水量 (mm)波長(m)

波長(m)

26「赤外線工学」 久野治義著，電子情報通信学会編 より

二酸化炭素の透過率 （0.3～3.8 m）水蒸気の透過率 （0.3～3.8 m）

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各種光学系の透過率

「技術資料赤外線検出素子の特性と使い方」, 浜松ホトニクス株式会社http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/tech/infrared_kird9001j04.pdf

赤外線の透過 （被測定面）

電気の良導体 ： 一般に，厚さが 0.1 m 以上あれば赤外線の透過が問題になることはない．

電磁理論によると，入射強度が 1 % 以下になる厚さ は

:波長 (m)

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)/((30 m : 波長 (m) : 導電率 (1/m)m : 比導磁率（強磁性体及びある金属以外では m≒1）

電気の不良導体 ： 通常は，厚さが数 mm 以上あれば赤外線はほとんど透過しないが，0.1 mm 程度では赤外線の透過が問題になることが多い．

１． 黒体温度の校正

分光放射率の評価方法

被測定面

等温板 （銅またはアルミ）

シート状ヒーター

x

y z

黒ペイント塗布

基準温度計Eb と Tの関係 Eb = f (T) を求める（黒体炉を使用した校正が望ましい）

測定値 T

２． 分光放射率の評価

E と T を測定して

赤外線カメラ

放射強度： 黒体面 Eb被測定面 E

周囲温度 Ta

E と Ta を測定して，

E = f (T) + (1) f (Ta)から を求める

注意点

・ 被測定面と等温板の接触熱抵抗を十分小さくする

・ 周囲の放射率を１に近くし，かつ温度を一様にする

・ 被測定面および黒ペイントが赤外線を透過しない

ことを確認しておく

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１． 黒体温度の確認

分光放射率の評価方法 (放射率補正機能を利用)

被測定面

等温板 （銅またはアルミ）

シート状ヒーター

x

y z

黒ペイント塗布

基準温度計基準温度計温度 T と比較して黒体面の温度 TIRbが妥当であることを確認

(一般に，黒ペイントの放射率は = 0.9～0.95 程度)

測定値 T

赤外線カメラ

測定温度： 黒体面 TIRb被測定面 TIR

周囲温度 Ta

２． 分光放射率の評価

TIR = T となる分光放射率 を求める(赤外線カメラの放射率補正機能を利用)

注意点

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・ 被測定面と等温板の接触熱抵抗を十分小さくする

・ 周囲の放射率を１に近くし，かつ温度を一様にする

・ 被測定面および黒ペイントが赤外線を透過しない

ことを確認しておく

参 考 文 献

・ Lloyd, J.M.: Thermal Imaging Systems, Plenum Press (1975)

・ 赤外線技術研究会編: 赤外線工学－基礎と応用－, オーム社 (1991)

・ 久野治義: 赤外線工学, コロナ社 (1994)

・ 岡本芳三: 遠赤外線リモートセンシング熱計測法, コロナ社 (1993)

赤外線計測関連

・ Astarita, T., et al.: Optics & Laser Technology, 32 (2000), pp.593-610

・ 長嶋満宏: 赤外線撮像デバイス関連技術の研究開発動向, 防衛技術ジャーナル,(2007), 4月号および5月号

・ 中村元: 赤外線カメラを用いた熱伝達計測, 熱設計技術解析ハンドブック, 三松株式会社 (2008), pp.198-237

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伝熱工学（放射伝熱）関連

・ 甲藤好郎: 伝熱工学, 養賢堂 (1964)

・ 日本機械学会: JSMEテキストシリーズ 伝熱工学, 丸善 (2005)