JP2012008058A

JP2012008058A - 温度測定装置

Info

Publication number: JP2012008058A
Application number: JP2010145756A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kawahara; 文雄河原; Sakayuki Ishikawa; 坂幸石川; Hidenori Oshima; 秀典大嶋; Takeshi Matsui; 勇志松井
Original assignee: Meiwa eTec Co Ltd
Current assignee: Meiwa eTec Co Ltd
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】放射率の影響を受けることのない正確な温度を知ることができる温度測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物Ｂの熱画像を得るサーモカメラ１と、被測定物Ｂの可視画像を得る可視光カメラ２とを備え、コンピュータ３にて、可視画像の必要部の輝度と当該必要部の放射率の関係を得て、上記必要部に対応する熱画像の必要部から得られた温度を上記放射率で補正して補正温度を取得し、当該補正温度によって正確な熱画像を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は温度測定装置に関し、特に、被測定物の放射率に左右されない正確な温度絶対値を得ることができる温度測定装置に関する。

被測定物の温度分布画像（熱画像）を得るために例えばサーモカメラが使用される。サーモカメラは、被測定物の各部から放射される赤外線のエネルギー量を遠隔的に測定して当該各部における温度を算出し、その温度分布を色分け表示した熱画像を得るものである。

なお、特許文献１には、被測定物の表面を、黒色塗料を塗布した放射率の大きい第１表面と、黒色塗料を塗布しない放射率の小さい第２表面に区画し、第１表面で高温範囲を測定するとともに第２表面で低温範囲を測定することによって測定温度範囲を拡大した温度測定装置が開示されている。

特開２００３−２２０２４８

ところで、サーモカメラは上述のように被測定物の各部から放射される赤外線のエネルギー量を温度に換算するものであるため、上記各部の放射率の相違によって測定温度が変動して正確な温度測定が困難であるという問題があった。例えば、全体をほぼ同温度に加熱した矩形金属板の温度分布を測定した場合、この金属板Ｍ（図８）の、黒色塗料を塗布した半面Ｍ１の熱画像（図９のＸ）と、金属板Ｍの、黒色塗料を塗布しない残る半面Ｍ２の熱画像（図９のＹ）とは、輝度によって変動する放射率の影響を受けてその色温度が大きく異なってしまう。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、放射率の影響を受けることなく正確な温度を知ることができる温度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明では、被測定物（Ｂ）の熱画像を得る第１撮像手段（１）と、前記被測定物（Ｂ）の可視画像を得る第２撮像手段（２）と、前記可視画像の必要部の輝度と当該必要部の放射率の関係を得る第１処理手段（３、ステップ２０１〜２０９）と、前記必要部に対応する前記熱画像の必要部から得られた温度を前記放射率で補正して補正温度を得る第２処理手段（３、ステップ１０１〜１０７）とを具備している。

本第１発明においては、熱画像を得る第１撮像手段に加えて可視画像を得る第２撮像手段を設けて、第１処理手段にて可視画像の必要部の輝度から当該必要部の放射率を得て、この放射率によって熱画像の必要部から得られた温度を補正して補正温度を得ている。補正温度は放射率の影響を受けることのない正確な値となるから、補正温度を使用して正確な熱画像を描くことができる。

本第２発明では、前記第１処理手段は、前記被測定物の複数点についてその実温度を取り込むとともに、これら複数点に対応する前記熱画像の温度を取り込んで、前記実温度と熱画像温度より前記複数点についての放射率を算出し、かつ前記複数点に対応する前記可視画像の複数点の輝度を取得して、近似式により前記必要部の輝度と当該必要部の放射率の関係を得るものである。この場合、実温度としては、例えば接触式温度計で被測定物を測定して得られる接触温度を使用することができる。

本第３発明では、前記第１処理手段における輝度の取得は、前記可視画像をＲＧＢ空間からＹＣｂＣｒ空間へ変換してその輝度情報のみを得るものである。

本第４発明では、前記第２撮像手段は可視光カメラであり、当該可視光カメラに偏光フィルタを装着する。偏光フィルタを使用すると散乱光の影響を受け難くなり、さらに良好な補正温度を得ることができる。

以上のように、本発明の温度測定装置によれば、放射率の影響を受けることなく正確な温度を知ることができる。

本発明の第１実施形態における温度測定装置のブロック構成図である。温度測定装置を構成するコンピュータにおける処理手順を示すフローチャートである。輝度から放射率の逆数を算出するための近似式を得る手順を示すフローチャートである。輝度と放射率の逆数の関係を近似する近似線を示すグラフである。被測定物の補正前と補正後の温度測定結果を示すグラフである。本発明の第２実施形態における、輝度と放射率の逆数の関係を近似する近似線を示すグラフである。被測定物の補正前と補正後の温度測定結果を示すグラフである。従来例を示す、被測定物たる金属板の正面図である。従来例を示す、被測定物たる金属板の熱画像である。

（第１実施形態）
図１には本発明の温度測定装置の全体構成を示す。温度測定装置は被測定物Ｂに向けて設置された、第１撮像手段としてのサーモカメラ１とこれと撮影画角が同一の第２撮像手段としての可視光カメラ２を備えている。サーモカメラ１で得られた熱画像と可視光カメラ２で得られた可視画像は処理手段としてのコンピュータ３に入力し、ここで両画像に対して以下に説明する処理がなされて、温度補正された熱画像がモニタ４上に表示される。

図２にはコンピュータ３内での処理手順を示す。ステップ１０１ではサーモカメラ１で撮影された被測定物Ｂの熱画像を取り込む。ステップ１０２では可視光カメラで撮影された被測定物の可視画像を取り込み、ステップ１０３で、取り込んだ上記可視画像の画素数を熱画像の画素数に一致させるとともに両画像の位置合わせを行なう。普通は可視画像の画素数の方が多いため、例えば熱画像の画素に対応する領域の、可視画像の互いに隣接する各画素のＲＧＢについてその平均値をとって、熱画像の画素に対応した新たな画素を生成することによって画素数を一致させる。両画像の位置合わせは例えば、画像を回転させたり、画像の形状特徴部を合致させたりして行なう。

ステップ１０４では、ステップ１０３にて画素数を熱画像の画素数に一致させる等の処理を行なった可視画像についてこれを輝度でグレースケール化する。グレールスケール化は、下式（１）〜（３）によって可視画像をＲＧＢ空間からＹＣｂＣｒ空間へ変換し、このうち輝度（Ｙ）情報のみを各画素に割り当てることによって行なう。
Ｙ＝0.29891Ｒ＋0.58661Ｇ＋0.11448Ｂ…（１）
Ｃｂ＝-0.16874Ｒ−0.33126Ｇ＋0.50000Ｂ…（２）
Ｃｒ＝0.5000Ｒ−0.41869Ｇ−0.08131Ｂ…（３）

ステップ１０５では、可視画像の各画素の輝度Ｙから、本実施形態では二次の近似式（４）を使用して各画素の放射率の逆数ε-1を計算する。この場合、放射率の逆数ε-1は理論的に１を下回らないから、計算結果が１を下回る場合には１に制限する。

ここで、ａ，ｂ，ｃは定数である。

なお、上記近似式（４）は以下の手順によって予め決定されている。すなわち、図３において、ステップ２０１では被測定物の複数点を熱電対等の接触式温度計で測定しその接触温度を実温度として取り込む。ステップ２０２ではサーモカメラで撮影された被測定物の熱画像を取り込み、ステップ２０３で、上記複数点に対応する各点の熱画像温度を取得する。ステップ２０４では下式（５）より各点の放射率εを算出する。なお、実温度の測定は接触式温度センサ以外のものを使用することができる。

ここで、Ｔ1は接触温度（Ｋ），Ｔ2は熱画像温度（Ｋ），Ｔａは周囲温度（Ｋ）である。

一方、ステップ２０５では可視光カメラで撮影された被測定物の可視画像を取り込み、ステップ２０６で、取り込んだ可視画像の画素数を、既に説明したステップ１０３と同様の方法で熱画像の画素数に一致させるとともに両画像の位置合わせを行なう。続いてステップ２０７では既に説明したステップ１０３と同様の方法で可視画像を輝度でグレースケール化する。ステップ２０８では、放射率εを算出した上記各点での輝度Ｙをグレースケール画像より取得して、図４に示すように各点（白三角で示す）について輝度Ｙと放射率の逆数ε-1をプロットする。輝度Ｙと放射率の逆数ε-1の関係は、ステップ２０９にて、最小二乗法により上記近似式（４）の定数ａ，ｂ，ｃを決定した二次曲線ｇ（図４）によって近似される。このようにして近似式（４）が決定される。

図２のステップ１０６では、ステップ１０５で演算された放射率の逆数ε-1を使用して下式（６）によって熱画像の各画素の温度Ｔ2を補正して、補正温度Ｔ0を得る。そして、ステップ１０７で、補正温度Ｔ0（絶対温度ないしセルシウス温度）による熱画像をモニタへ出力する。

図５にはモニタへ出力された熱画像中の直線上に並ぶ画素について温度補正する前と温度補正した後の温度分布を示す。図５中の線ｘは接触温度分布であり、線ｙが補正前の熱画像温度分布、線ｚが補正後の熱画像温度分布である。図５によれば、補正前の熱画像温度は接触温度と大きく異なっている（平均４０％程度の誤差）のに対して、補正後の熱画像温度は接触温度との差が十分小さくなっている（平均１７％程度の誤差）。

（第２実施形態）
本実施形態では可視光カメラ２（図１）に偏光フィルタを装着する。偏光フィルタを装着した可視光カメラ２で得た可視画像を使用すると、上記ステップ２０８における輝度Ｙと放射率の逆数ε-1をプロットした各点（図６の白三角で示す）の関係は輝度Ｙの高い領域においても、最小二乗法により上記近似式（４）の定数ａ，ｂ，ｃを決定した二次曲線ｈ（図６）の近傍に集まり、高い相関を示す。そこで、近似式（４）を使用して上記ステップ１０５で各画素の放射率の逆数ε-1を計算し、上記ステップ１０６で各画素の温度Ｔ2を補正して補正温度Ｔ0を得て、上記ステップ１０７で補正温度Ｔ0による熱画像を得る。

図７には得られた熱画像中の直線上に並ぶ画素について温度補正する前と温度補正した後の温度分布を示す。図７中の線ｘは接触温度分布であり、線ｙが補正前の熱画像温度分布、線ｚが補正後の熱画像温度分布である。図７によれば、補正前の熱画像温度は接触温度と大きく異なっている（平均４０％程度の誤差）のに対して、補正後の熱画像温度は接触温度との差が第１実施形態におけるよりも、さらに十分小さくなっている（平均１１％程度の誤差）。

なお、上記各実施形態において、温度測定装置の出力は必ずしも熱画像にする必要はなく、被測定物の所望点の補正温度を得るだけにしても良い。

１…サーモカメラ（第１撮像手段）、２…可視光カメラ（第２撮像手段）、３…コンピュータ（第１処理手段、第２処理手段）、４…モニタ。

Claims

被測定物の熱画像を得る第１撮像手段と、前記被測定物の可視画像を得る第２撮像手段と、前記可視画像の必要部の輝度と当該必要部の放射率の関係を得る第１処理手段と、前記必要部に対応する前記熱画像の必要部から得られた温度を前記放射率で補正して補正温度を得る第２処理手段とを具備する温度測定装置。
前記第１処理手段は、前記被測定物の複数点についてその実温度を取り込むとともに、これら複数点に対応する前記熱画像の温度を取り込んで、前記実温度と熱画像温度より前記複数点についての放射率を算出し、かつ前記複数点に対応する前記可視画像の複数点の輝度を取得して、近似式により前記必要部の輝度と当該必要部の放射率の関係を得るものである請求項１に記載の温度測定装置。
前記第１処理手段における輝度の取得は、前記可視画像をＲＧＢ空間からＹＣｂＣｒ空間へ変換してその輝度情報のみを得るものである請求項１又は２に記載の温度測定装置。
前記第２撮像手段は可視光カメラであり、当該可視光カメラに偏光フィルタを装着した請求項1又は２に記載の温度測定装置。