放射温度計 ガイド

取材協力:株式会社 フルーク

温度測定の離れ業
~ 対象に触れずに温度が分かる ~

—— 放射温度計と普通の温度計との違いはなんですか?

温度の測定と管理は、ビルなどの設備や工場の生産ライン、食品の製造や保存などにおいて極めて重要な要素です。温度は温度計で計るわけですが、一般の温度計は何れも対象物や対象となる雰囲気(気体や液体)と接触させて計る必要があります。これに対して、放射温度計は温度計を測定対象に向けるだけで温度が分かるという大きな特長があります。

例えば、稼働中の電気設備で過熱部の有無をチェックする場合には、高電圧が印加された部分に温度計(センサを)接触させることができません。その場合も放射温度計なら非接触で対象部分の温度が分かります。また、非接触なので食品など直接触れることがはばかられる対象の温度測定にも向いています。応答速度も 0.5秒程度と他の方法に比べて速く、測定できる温度範囲も比較的広いこともメリットです。

放射温度計の発展形として「サーモグラフィ(熱画像装置)」も使われる機会が増えています。放射温度計が対象物(範囲の)温度を1個の数値として出力するのに対して、サーモグラフィでは温度の分布を2次元の画像として捉えることができるほか可視画像と比較も可能です。

図1:放射温度計とサーモグラフィの製品例

赤外線の波長と物体の温度
~ プランクの法則 ~

—— 放射温度計は、なぜ非接触で温度が分かるのでしょうか?

放射温度計は物体が放射する赤外線量を検知し、温度に換算して表示します。物質の出す赤外線から温度が分かるのは、物体が放射する赤外線の波長と量が物体の温度に依存しているからです。

<図2>は黒体(反射等が無く放射だけと見なせる理想体)から放射される赤外線のスペクトルを物体の温度をパラメータとしてプロットしたもので、プランクの法則から導かれるものです。ちなみにこの関係は、物体の如何に関わらず成立します。図から温度が上昇するにつれて赤外線の量が増えるのと同時に波長のピークが短い方へシフトして行くのが分かります。

さらに、ある波長に注目した場合は、赤外線の量が温度と対応関係を持つことも分かります。放射温度計(赤外線単放射温度計)はこのことを利用しています。具体的には光学フィルタで特定波長の赤外線を切り出し、その量をサーモパイルと呼ばれるセンサで電圧に変換して温度を算出しています。サーモパイルは多数の微少な熱電対を面状に並べた高感度なセンサです。

一方、サーモグラフィでは情報を画像として捉える必要があるため非冷却マイクロボロメーターなどの二次元赤外線センサを使い、カメラと同様にセンサ面で像を結ぶように造られています。

図2:黒体の温度と放射エネルギー(ブランクの法則)

表示温度の持つ意味
~ 測定エリアとD:S比 ~

—— 放射温度計で、どこの温度を計っているのか良く分かりません。

放射温度計は汎用のものでも±1℃以内と高精度な温度計です。しかしながら、実際の測定では他の誤差要因が入り込むので、放射温度計の性質と測定誤差について理解しておくことが大切です。 基本的に心得ておきたいのは、放射温度計は外部からの赤外線を受けて反応する受動的な測定器であるという事実です。

<図3>は温度計に入射する赤外線の範囲を示したものです。見て分かるとおり、温度計から離れるほど範囲は広がりを持ちます。測定対象がこの範囲より小さくても大きくても測定精度は低下します。例えば距離が離れた場合は、放射温度計は入射した赤外線量を反映するものなので、特定のスポットではなく図の赤いエリアの平均温度を測定することになります。距離と測定範囲の関係は機種によって異なりますが、カタログにはD:S比が示されているので、基本的には距離が分かれば測定範囲が、範囲が分かれば必要な距離を計算できます。

なお、レーザーやLEDのマーカ光を発射できるタイプのものもありますが、マーカは温度計を向けた方向が分かりやすいようにするためのもので、マーカが当たったポイントの温度を測定するというわけではありません。

図3:放射温度計から物体までの距離と測定範囲

測るのか測ってしまうのか
~放射率 ~

—— ガラスなど透明な物体の温度はどうなるのですか?

放射温度計は、物体の温度と放射赤外線との関係を基にセンサに入射する特定波長の赤外線量を測定します。したがってセンサに入る赤外線の全てが物体から放射されたものであるならば正確な温度が表示されます。反対に、もし物体からの放射以外の赤外線がセンサに入射すると、それらは測定の誤差要因となります。

<図4>はその因子を表しています。放射による赤外線エネルギーの他に周囲からの赤外線が反射したものや物体の背後から透過してきた赤外線もセンサに入射するわけです。実際にこれらの割合がどの程度であるかは物体の材質や表面処理などによって大きく異なります。

センサに入射する全エネルギーを1としたときの放射エネルギーの割合を「放射率」と呼び、黒体は1、木材や塗料などで0.9~0.95程度、鏡面研磨された金属などではほとんどゼロです。放射温度計は放射率を考慮して温度を算出しますが、測定対象と温度計の放射率が一致することが理想です。実際の温度計ではモデルによって放射率が0.95程度で固定式のものとユーザが任意に設定できるものがあります。いずれにせよ、鏡面など放射率の低いものはそのままでは誤差が大きくなります。そうした場合は測定対象に塗料を塗るかテープを貼るなどの対処をします。

図4:センサに入射する赤外線の源

物体の放射率によって測定値が変わる様子をサーモグラフィで検証したのが<図5>です。Aは缶の塗装を一部削ってあります。削った部分も同じ温度であるはずですが、その部分だけ高温であるかのように見えています。Bは缶を光沢のある机の上に置いたものですが、この場合は机で反射した赤外線によってその部分が缶の温度に近いように感知されています。透明な物質も要注意です。空気などは透過率が高く放射はほとんどありません。これに対して水の放射率は0.95程度あり、表面温度を測定できます。一般的なガラスは波長の長い赤外線はほとんど透過せず、板の向こう側の物体の温度を測ろうとしてもガラス板の温度が測定されます(短い波長を使う高温用の温度計ではガラスは透過して測定される)。アクリル板などの透明プラスチック類は種類や厚さにより透過率が異なります。

図5:放射率の違いによる測定誤差の検証例

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放射温度計の原理

放射温度計とは?

物質は、その温度に相当した赤外線を放射しています。放射温度計は、その放射エネルギーの量を測定して物質の温度を求める温度計です。図に代表的な測定領域を示します。この場合、1,000mm離れた地点で100φの測定領域をカバーします。つまり、250mm~1,000mmの範囲では被測定物がこの円よりも大きい領域を占めていれば正しく測定できます。放射温度計によっては、この円の中心または輪郭に沿ってレーザーを投光するタイプがあり測定エリアが正確に確認でき、回りの安全も確かめながら、測定したいポイントの温度だけを確実に測ることができます。さらに、手の届かない場所や動いている測定物など従来では測定するのが難しかったものの温度が簡単に測定できます。

放射率とは?

物質から放射される赤外線の放射量は材質や表面状態により違いがあります。たとえば同一温度でありながら、鉄とアルミでは放射する赤外線エネルギー量(放射率)に違いがあります。このような場合、個々の放射率に合わせて補正を行わなければなりません。正しい温度設定のためには、放射率の設定可能な放射温度計を使用するか黒体テープなどを被測定物に張付け放射率を固定する必要があります。表に物質の放射率を示します。

放射率表

  測定物    放射率    測定物    放射率  
Fe酸化物 0.60~0.90 れんが 0.75~0.95
Al酸化物 0.30~0.76 石こう 0.80~0.90
Cu酸化物 0.38~0.93 陶器 0.90~0.94
Ni酸化物 0.85~0.96 ガラス 0.75~0.95
Zn酸化物 0.11~0.60 ゴム 0.86~0.95
Ti酸化物 0.35~0.60 0.50~0.80
真ちゅう酸化物 0.56~0.64 0.70~0.94
アスファルト 0.90~0.98 プラスチック 0.60~0.85
コンクリート 0.94 0.92~0.96
セメント 0.96 0.96~0.98
0.9 0.83
ねんど 0.85~0.90 皮膚 0.98

注)放射率は、材質、表面状態により変化します。上記はあくまで参考値です。