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
1
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.
9
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
10
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)
21
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
22
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
25
)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)
28
)/((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)