放射測温装置及び放射測温方法
【課題】例えば高炉からの出銑流に含まれる溶融スラグのように、正確な放射率が予め特定されていない溶融物である測温対象の温度をも、非接触で測温することができる放射測温装置及び放射測温方法を提供すること。
【解決手段】放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置１００を提供する。この放射測温装置１００は、測温対象の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部１１０と、撮像部１１０が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部１２３と、最高輝度検出部１２３が検出した最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出する温度算出部１２４と、を有する。この放射測温装置１００によれば、正確な放射率が特定されていない測温対象の温度をも測定することができる。
【解決手段】放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置１００を提供する。この放射測温装置１００は、測温対象の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部１１０と、撮像部１１０が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部１２３と、最高輝度検出部１２３が検出した最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出する温度算出部１２４と、を有する。この放射測温装置１００によれば、正確な放射率が特定されていない測温対象の温度をも測定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置及び放射測温方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測温対象の温度を測定する測温装置としては、大きく分けて接触式と非接触式に分かれる。接触式の測温装置としては、例えば熱電対型・抵抗型・液柱型など様々な種類の測温装置が挙げられる。これらの接触式の測温装置は、熱伝導を利用する場合が多く、測温対象に直接接触する必要がある。従って、例えば高温の測温対象を測温使用とする場合、接触式の測温装置の耐熱性が要求される。
【０００３】
しかしながら、例えば製鉄所における高炉の出銑口から流出する溶銑（高炉から取り出される溶融した銑鉄）や溶融スラグ（溶銑と共に取り出される溶融した酸化物）など複数の物質が混合された溶融物のように測温対象が非常に高温である場合、かかる高温に対する耐熱性を確保することは難しい。よって、温度が測定できたとしても、接触式の測温装置の感温部が熱的に破損してしまい続けて使用することができない場合が多く、連続的な温度測定を行うことは難しい。しかし、溶銑や溶融スラグの温度には炉内の温度が反映されており、溶銑や溶融スラグの温度を測定することは、高炉の操業状態を判断する上で重要な指標となる。この製鉄プロセス以外の様々な工業分野において、高温の測温対象を測定でき、かつ、連続的にあるいは繰り返して使用することができる測温装置が希求されている。
【０００４】
そこで、特許文献１には、測温対象の温度を非接触で測定することができる測温装置が開示されている。この非接触式の測温装置は、測温対象である複数の物質が混合された溶融物から発せられる熱放射光の熱放射輝度を観測して測温対象の温度を測定する。熱放射を利用した温度測定では、その測温対象の放射率が重要である。そこで、この特許文献１は、測温対象を高速シャッタを有する撮像装置で撮像して得た、溶銑部分が分離した撮像画像中から、放射率が判っている溶銑の輝度を抽出し、その輝度から溶銑の温度を測定することに成功している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１９１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、溶融スラグには、放射率の異なる例えばシリカ・アルミナ・石灰などが未知の比率で含まれており、溶融スラグ自体も混合物の一つと扱え、この溶融スラグの放射率を特定することは難しい。よって、特許文献１に記載の放射測温装置では、放射率が判っている溶銑の温度を測定することはできるものの、溶融スラグなどのように正確な放射率が判っていないため正確な放射率が予め特定されていないような測温対象の温度を、正確に測定することは難しい。また、溶銑と溶融スラグ、又は、溶融スラグに混合されている物質が不均一に混濁しており、かつ、高炉からの出銑時のようにその表面が平坦ではなく著しく波立っているような状態では、瞬間的な波の形状が見かけの放射率に影響するので、溶銑の温度を測定することが困難になる場合もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、例えば高炉からの出銑流に含まれる溶融スラグのように、正確な放射率が予め特定されていない溶融物である測温対象の温度を、非接触で測温することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置であって、上記測温対象から発せられる上記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部と、上記撮像部が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部と、上記最高輝度検出部が検出した最高輝度に基づいて、上記測温対象の温度を算出する温度算出部と、を有し、上記温度算出部は、上記熱放射光に対する上記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、上記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温装置が提供される。
【０００９】
この構成によれば、撮像部により、放射率が予め特定されていない溶融物の測温対象から発せられる熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像することができる。つまり、撮像部が撮像する撮像画像には、輝度分布が含まれる。なお、この輝度分布は、例えば、撮像部が有する撮像素子に応じ、各画素毎の輝度に対応した濃度（強度ともいう。）の撮像画像における分布として表されてもよい。そして、最高輝度検出部により、この撮像画像中に含まれる最高輝度を検出することができる。そして、温度算出部により、最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出することができる。この際、温度算出部は、自らが発した熱放射光の少なくとも一部を透過する測温対象の温度を、その放射率を（１−ｌｎ）〜１とすることにより、算出することができる。つまり、温度算出部は、例えばＰｌａｎｃｋの放射式やＷｉｅｎの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値とし、かつ、測温対象の熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、測温対象の温度を算出することができる。
【００１０】
また、上記温度算出部は、上記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、上記溶融スラグの温度を算出してもよい。
この構成によれば、放射率が測定できない溶融スラグの温度を、その放射率を０．９６〜１とすることにより、算出することができる。つまり、この際、温度算出部は、例えばＰｌａｎｃｋの放射式やＷｉｅｎの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を０．９６〜１のいずれかの値とし、かつ、溶融スラグの熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、溶融スラグの温度を算出することができる。
【００１１】
また、上記温度算出部は、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を上記放射率として使用してもよい。
ここでは、表面が波立っている測温対象、つまり、表面に凹凸がある測温対象の温度を測定する。波の谷間（凹部）に位置する部位において、測温対象の熱放射により発せられる光は、当該測温対象の表面から発せられる直接光以外にも、その直接光が測温対象で反射した反射光をも含む。従って、最高輝度検出部は、直接光及び反射光を含む光の輝度を、最高輝度として検出することができ、温度算出部は、この最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出することができる。この際、波の大きさにより、反射光を含むか否か又は何次の反射光まで含むかが異なるが、上記構成によれば、この波の大きさに応じた値を放射率として使用する。よって、より正確な温度測定が可能となる。なお、放射率を決定する際に使用される波の大きさは、直接光の反射が起こりうる大きさに適宜設定されることが望ましい。
【００１２】
また、上記温度算出部は、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として１を使用して、上記測温対象の温度を算出してもよい。
ここでは、表面が波立っている測温対象、つまり、表面に凹凸がある測温対象の温度を測定する。この構成によれば、温度算出部は、最高輝度における測温対象の放射率を１として、測温対象の温度を算出することができる。つまり、温度算出部は、例えばＰｌａｎｃｋの放射式やＷｉｅｎの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を１とし、かつ、測温対象の熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、測温対象の温度を算出することができる。なお、上述の通り、表面に波が生じている場合、撮像部により撮像される熱放射輝度の分布には、直接光だけでなく反射光も含まれる。従って、このように波立っている溶融物の最高輝度に対する放射率は１に近づく。また、仮に、その溶融物が熱放射輝度の少なくとも一部を透過させる場合、その溶融物の厚みが厚くなるほど、見かけの放射率（実効放射率）は１に近づく。従って、この構成によれば、放射率を１と近似することにより、放射率が未知の測温対象の温度を測定することを可能にしている。
【００１３】
また、上記最高輝度検出部は、上記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる上記最高輝度を検出してもよい。
この構成によれば、最高輝度検出部は、複数枚の撮像画像の中から最高輝度を検出する。上述の通り、最高輝度検出部は、撮像画像中の最高輝度を検出するが、測温対象が溶融物であるので、測温対象の厚みや表面状態は変化し、その変化に応じて最高輝度も変化する。そこで、上記構成では、測温対象を複数枚撮像して、その複数の撮像画像にわたる最高輝度を検出することにより、厚みや表面状態に依存しない最も高い最高輝度を検出できる確率を高めることを可能にしている。例えば、測温対象の厚みに最高輝度の放射率が依存する場合、測温対象の厚みが最大となった最高輝度が検出される確率を高めることができる。また、更に例えば、測温対象の表面状態（波の形状）に依存する反射光が撮像画像に含まれる確率をも高めることができる。よって、放射測温装置の温度測定精度を向上させることができる。
【００１４】
また、上記撮像部は、上記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光する高速シャッターを有してもよい。
この構成によれば、高速シャッターにより、撮像素子を露光する時間を測温対象の流動状態（波立ちや測温対象の厚みの変化状態）に応じた所定時間にすることができる。従って、撮像部は、流動する測温対象が像流れしぼやけて撮像され、最高輝度が他の輝度と平均化されてしまうことを防止し、直接光及び反射光を含む光の輝度を撮像画像に含めることができる。
【００１５】
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、放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温方法であって、上記測温対象の上記熱放射輝度の分布を撮像する撮像ステップと、上記撮像ステップで撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出ステップと、上記最高輝度検出ステップで検出した最高輝度に基づいて、上記測温対象の温度を算出する温度算出ステップと、を有し、上記温度算出ステップでは、上記該熱放射光に対する上記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、上記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温方法が提供される。
この構成によれば、測温対象の温度を算出することができる。
【００１６】
また、上記温度算出ステップでは、上記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、上記溶融スラグの温度を算出してもよい。
【００１７】
また、上記温度算出ステップでは、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を上記放射率として使用してもよい。
【００１８】
また、上記温度算出ステップでは、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として１を使用して、上記測温対象の温度を算出してもよい。
【００１９】
また、上記最高輝度検出ステップでは、上記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる上記最高輝度を検出してもよい。
【００２０】
また、上記撮像ステップでは、高速シャッターにより、上記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、例えば高炉からの出銑流に含まれる溶融スラグのように、正確な放射率が予め特定されていない溶融物である測温対象の温度をも、非接触で測温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る放射測温装置の構成について説明するための説明図である。
【図２】溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。
【図３】溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。
【図４】溶融スラグの厚みと実効放射率との関係について説明するための説明図である。
【図５】溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。
【図６】溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【図７】溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る放射測温装置による温度校正について説明するための説明図である。
【図９】同実施形態に係る放射測温装置の動作について説明するための説明図である。
【図１０】同実施形態に係る放射測温装置による測定例について説明するための説明図である。
【図１１】高炉から出銑される出銑流について説明するための説明図である。
【図１２】高炉から出銑される出銑流による熱放射輝度ヒストグラムについて説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、様々な溶融物である測温対象を測定することができるが、特に、正確な放射率が未知であったり、正確な放射率の測定が難しい場合など、放射率が予め特定されておらず、かつ、自らが発する熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物の測温対象を、測定することが可能である。放射率が予め特定されていない場合の例としては、例えば、測温対象が溶融していて、表面に波が発生するなど、その表面状態が流動する場合、放射率が測温対象の厚みに依存するがその厚みが予め特定されていない場合、測温対象が混合物でその混合比が予め特定されていない場合、測温対象の成分等が予め特定されていない場合などが挙げられる。本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、これらのような放射率が未知な測温対象の温度を、正確に測定することが可能である。なお、もちろん、この放射測温装置は、放射率が既知の測温対象や、あるいは溶融物ではない測温対象をも測定可能であることは言うまでもない。
【００２５】
以下では、説明の便宜上、このような測温対象として、製鉄所における高炉の出銑口から出銑される出銑流に含まれる「溶融スラグ」を例に挙げて説明する。この例の場合、出銑口からは、もちろん溶融スラグだけでなく溶銑も出銑される。本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、一つの測温対象だけでなく、例えば溶銑及び溶融スラグなどの複数の溶融物が混在した状態の測温対象をも測温することができる。本発明の一実施形態に係る放射測温装置が奏することができるこれらの効果などをより明確に説明するなどのために、この放射測温装置について説明する前に、以下で例示する高炉における温度測定の概要について、図１，図１１，図１２を参照しつつ説明する。ただし、本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、以下で例示する溶融スラグだけでなく様々な測温対象の温度を測定することができることは、上述の通りである。
【００２６】
＜１．高炉における温度測定＞
図１は、本発明の一実施形態に係る放射測温装置の構成について説明するための説明図である。図１１は、高炉から出銑される出銑流について説明するための説明図である。図１２は、高炉から出銑される出銑流による熱放射輝度ヒストグラムについて説明するための説明図である。
【００２７】
（１−１．高炉操業の概要）
製鉄所の高炉は、鉄鉱石・コークス・石灰石などから高温の還元反応を利用して溶銑及び溶融スラグを生成する。この高炉の炉底には、溶銑及び溶融スラグが滴下して湯溜まりを形成している。図１に示すように、高炉の側面における湯溜まりの位置には、出銑口１０が設けられており、この出銑口１０に貫通孔１１を開けることにより、溶銑及び溶融スラグの混合物（以下「出銑流１」ともいう。）が流出する。出銑口１０にはマッド材が充填されており、ドリル等で機械的に貫通孔１１を開孔する。貫通孔１１の開孔直後の出銑口径（貫通孔１１の口径）は、ドリル径にほぼ等しいが、出銑の経過と共に侵食され、次第に拡大する。出銑開始時は出銑流量が炉内での溶銑及び溶融スラグの生成量よりも少なく、炉内の溶銑及び溶融スラグ量は、増加する。出銑を続けると出銑口径が拡大する。この出銑口径の拡大に伴い出銑流量が増加して、炉内の湯溜まり量が低下に転じる。通常は出銑開始から２〜４時間程度で、湯面レベルが出銑口付近まで低下するので、マッド材を出銑口１０の貫通孔１１に充填して、出銑口１０を閉塞させる。このような出銑作業を繰り返しながら銑鉄が製造される。出銑された溶銑及び溶融スラグは、出銑樋１２を搬送されて、出銑樋１２後尾において比重分離される。
【００２８】
出銑口１０から取り出される出銑流の温度（以下「出銑温度」ともいう。）は、内部を直接観察できない炉下部の熱状態を知る重要な情報である。出銑温度が低下すれば炉内の還元反応の活性が悪化している可能性がある。出銑温度は時間経過にも着目する必要があり、急激な温度変化は炉内で何らかの非定常状態が発生している疑いがある。そこで、高炉を適正に操業するためには、出銑温度を測定して高炉の状況を迅速かつ的確に判断して操業アクションをとる必要がある。このように出銑温度は、常に注意深く監視すべき操業情報である。なお、溶銑及び溶融スラグは、炉内の湯溜まりの同一箇所から流出するので、両者に温度差はないことが予想される。
【００２９】
（１−２．関連技術に係る出銑温度測定方法）
次に、このような高炉で行われている関連技術に係る出銑温度の測定方法について説明する。関連技術による出銑温度の管理は、出銑樋１２の下流において、溶銑の温度を熱電対で測定するのが一般的である。この温度測定方法は、「浸漬消耗型熱電対」と呼ばれる使い捨て熱電対プローブを人手で溶銑に浸漬するバッチ的測定方法である。熱電対を使用した接触式の測温装置は、精度・信頼性の高い測温が可能である。しかし、熱電対プローブは人手で浸漬されるので、出銑流１に作業者が接近する必要があり、更に出銑流１の高温により熱電対プローブは溶解するので、再利用できない場合が殆どである。そこで、関連技術による測温は、作業者が受ける負荷や貴金属熱電対プローブのコスト等の制約から、出銑中数回の間欠的な測定に限られる。また、出銑開始からしばらくの間は、出銑樋１２を構成する耐火物により抜熱されるので、出銑樋１２下流において測定される溶銑温度は、出銑口１０から出銑された時点における温度（炉内状況を把握する上で真に知りたい温度）よりも低い恐れがある。
【００３０】
本発明の発明者らは、高温の溶融物の測温装置について鋭意研究を行った結果、出銑流から発せられる熱放射光の熱放射輝度の２次元分布を高速シャッタで撮像すると、溶銑と溶融スラグとが分離して観察できることを発見した（図１１（ｃ）等参照。）。そこで、本発明の発明者らは、この溶銑と溶融スラグとが分離して出銑されるという現象等について鋭意研究を行った結果、上記特許文献１に開示された放射測温装置を発明した。この放射測温装置は、出銑流の熱放射輝度の撮像画像中の、放射輝度に応じて撮像素子が出力した濃度（画像輝度）を解析して、濃度ヒストグラムを算出する。ここで、放射測温装置は、濃度ヒストグラム上における溶銑の像の分布ピークＰ１の画像輝度Ｌｍ（画素数が最大となる濃度）を検出することができる（図１２参照。）。その結果、放射測温装置は、溶銑像分布ピークＰ１の画像輝度Ｌｍから温度を算出することができる。本発明の発明者らが発明した関連技術に係る上記放射測温装置は、上記の接触式の測温装置などでは捉えることができない短時間の溶銑温度の変化を測定することができ、かつ、接触式の測温装置などでは作業者が近づくことができない出銑口近傍において測温できるので、非常に有用である。
【００３１】
（１−３．関連技術に係る放射測温装置の改善点）
しかしながら、高炉の操業状態を管理する上では、溶銑温度を測定するだけでなく、溶銑と同様に高炉から流出する溶融スラグの温度をも測定することが望まれていた。一方、上記関連技術に係る特許文献１に記載の放射測温装置では、この溶融スラグの温度を測定できない。そこで、更に溶融スラグの温度を測定することができるような放射測温装置の開発が希求されていた。
【００３２】
この溶融スラグの測温が望まれる場合や、上記関連技術に係る放射測温装置により溶融スラグを測温できない場合などについて、詳しく説明すると以下の通りである。
【００３３】
高炉からの出銑中は、溶銑と溶融スラグが同時に出銑口１０から流出する時間が長いが、出銑初期（出銑を開始してからの所定期間）や出銑末期（貫通孔１１をマッド材などで閉塞する前の所定期間）には、溶融スラグのみが出銑口１０から流出することがある。図１１には、出銑中の溶融スラグと溶銑の混合状態の変化の一例を示す。なお、図１１は、紙面左方に出銑口１０があり、出銑流が右方に流出している様子を示している。また、図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、出銑直後・溶銑流出開始期・安定出銑期における出銑流の放射輝度の撮像画像を表し、撮像画像の出銑流中の濃度（画像輝度）が高い部位（明部）が、溶融スラグであり、また、濃度が低い部位（暗部）が溶銑である。
【００３４】
例えば、図１１に示した例の場合には、出銑開始後約３０分程度は、図１１（ａ）に示すように溶融スラグ（明部）のみが流出する。その後数分間は、図１１（ｂ）に示すように溶銑（暗部）の流出量が徐々に増加する遷移期となる。更に時間が経過すると、図１１（ｃ）に示すように溶融スラグに対する溶銑比率が高い状態で安定する。この安定出銑期は、通常約２時間以上続き、その間溶銑が出銑される。上記関連技術に係る放射測温装置は、この熱画像上の溶銑領域（暗部の領域）に着目して溶銑温度を求める。よって、この放射測温装置は、溶銑が出銑流に含まれる溶銑流出開始期（図１１（ｂ））や安定出銑期（図１１（ｃ））において、溶銑の温度を測定して、炉内の操業状態を知ることができる。しかしながら、出銑開始後約３０分程度の溶融スラグのみが流出する期間は、溶銑の温度を介して炉内の操業状態を知ることができない。
【００３５】
一方、より効果的かつ適正に高炉の操業状態を管理するためには、高炉内の熱状況についてはより多くの情報を得る必要がある。そして、出銑開始直後の高炉内部の温度も注目すべき情報である。出銑流が１００％溶銑で構成されて溶融スラグを含まない場合はないことが経験的に知られているので、溶融スラグの温度を測定することができれば、出銑中の高炉の温度を出銑初期をも含め連続的に測定することが可能になる。従って、溶融スラグの温度を測定することができる放射測温装置の開発が希求されていた。
【００３６】
一方、上述の通り、関連技術に係る放射測温装置は、溶銑の熱放射光の放射輝度を表した撮像画像中の濃度（画像輝度）を抽出することができ、この濃度から、溶銑の温度を算出する。また、放射輝度から温度を算出するには、測温対象の放射率を定める必要があるが、溶銑の放射率は測定可能であり、一般的に知られている（約０．４程度）。しかしながら、この関連技術に係る放射測温装置により、溶融スラグを測温する場合には、この放射率などが問題となる。
【００３７】
高炉から出銑されるスラグの成分は、例えばＣａＯ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏなどであり、使用する原料や炉内の反応状態等により変動する。そして、これらの混合比も炉内の反応状態等により変動する。その結果、この溶融スラグの放射率は、スラグ成分の変動やそれらの混合比の変動などにより、変化すると考えられる。一方、熱画像上の濃度（観測された放射輝度に相当。画像輝度とも言う。）は、測温対象の温度と放射率の関数で表されるので、このように放射率が一定ではない溶融スラグの画像濃度はばらつきが大きい。また、溶融スラグが流動しており表面状態も常に変化することも、溶融スラグの画像濃度のばらつきを大きくしていると考えられる。例えば、図１１（ｃ）の出銑流部位のヒストグラムを求めると、図１２に示すように、溶融スラグのピークＰ２は不明瞭である。溶融スラグの濃度ピークＰ２に、濃度で約１０レベル程度の幅があれば、この幅は約２０℃以上の温度の不確かさに相当する。よって、溶融スラグの輝度に着目する方法の測温は難しい。
【００３８】
また、放射測温における放射率の不安定性による測温誤差は、黒体放射の理論式から見積もることができる。例えば、１５００℃の対象を波長０．６５μｍで観測して放射測温を行う場合、放射率を仮に０．７と仮定し、そこから放射率が±０．１変化すると、温度には±２０℃の測定誤差を生じてしまう。この誤差は、許容しうる測定誤差ではない。
【００３９】
つまり、溶融スラグの放射測温を行う場合、
（１）溶融スラグの輝度に相当する濃度の代表値を特定することが難しいこと、
（２）許容しうる程度に正確な溶融スラグの放射率を定めて温度を算出することが難しいこと、
などの問題点があり、上記関連技術に係る放射測温装置は、十分な精度で温度を測定することが困難であった。
【００４０】
以上、高炉における温度測定について説明した。
本発明の発明者らは、高炉において行われている測温や、上記関連技術に係る測温装置の問題点などについて、鋭意研究を行った結果、上記のような問題点を解明し、溶銑だけでなく溶融スラグや他の溶融物である測温対象をも測温することが可能な本発明の一実施形態に係る放射測温装置を発明した。以下、本発明の一実施形態に係る放射測温装置について説明する。
【００４１】
＜２．一実施形態＞
（２−１．概要：溶融スラグの放射率）
本発明の発明者らは、この本発明の一実施形態に係る放射測温装置を発明するにあたり、放射率が予め特定されていない溶融スラグ（測温対象の一例）において、最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）を使用すれば溶融スラグの温度を測定できることを見出した。この際、本発明の発明者らは、更に、最高画像輝度Ｌｍａｘにおける溶融スラグの見かけの放射率を、特定の値に仮定できることを見出し、その値として、溶融スラグの場合には０．９６〜１（特に望ましくは１）のいずれかの値を使用可能であることを見出した。ここで言う「見かけの放射率（実効放射率とも言う。）」とは、物質固有に定まる放射率ではなく、観察対象の状態や形状などによって変化する実効的な放射率を指す。
【００４２】
そして、この溶融スラグの放射率に対する考察に基づいて、本発明の発明者らは、他の測温対象の場合には、その測温対象から発せられる熱放射光に対する測温対象の大気との界面の反射損失（以下「界面放射損失」とも言う。）をｌｎとすると、最高輝度における測温対象の見かけの放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用することが可能であることをも見出した。この溶融スラグでない測温対象については詳しく後述する。以下では、本発明の理解が容易になるように、本発明の一実施形態の具体的な構成について説明する前に、主に、本発明の発明者らが鋭意研究を行った結果明らかにした溶融スラグの見かけの放射率について説明する。
【００４３】
溶融スラグに限らず測温対象から発せられる熱放射光として、波長λ（［ｍ］）が可視光から近赤外光の波長領域である場合、その測温対象から発せられる熱放射光の熱放射輝度Ｉｈと、測温対象の温度Ｔ（［Ｋ］）との関係は、Ｐｌａｎｃｋの黒体放射式の近似式として知られているＷｉｅｎの式で表される。すなわち、熱放射輝度Ｉｈと、測温対象の温度Ｔ（［Ｋ］）との関係は、以下の式１で表される。
【００４４】
【数１】
【００４５】
ここで、εは測温対象の放射率、ｃ1は黒体放射の第１定数（１．１９１０×１０−１６［Ｗｍ−２］）、ｃ２は黒体放射の第２定数（０．０１４３８８［ｍＫ］）、λは観測波長（［ｍ］）をそれぞれ表す。波長λは光検出器によって固定されるので、式１の右辺では、温度Ｔと放射率εが変数である。同じ温度Ｔであっても放射率εが低ければ熱放射輝度Ｉｈは小さい。放射測温ではこの熱放射輝度Ｉｈを観測する。撮像装置を使った放射測温では、観測量（出力信号）として画像輝度（濃度）Ｌが得られるが、これは熱放射輝度に対応している（通常は熱放射輝度Ｉと画像輝度Ｌが比例関係である）。従って、測定対象温度Ｔが同一であっても放射率εが低ければ画像輝度Ｌも低い。なお通常は画像輝度Ｌと黒体温度（物体を黒体と仮定した場合の見かけの温度）Ｔｂとの関係を予め実験的に求めておく。この関係は、例えば、図８のようになる。もし測定対象が黒体でない（すなわち放射率ε＜１）場合は、真の温度Ｔは黒体温度Ｔｂより高くなり、両者の関係は以下の式２で記述される。式２中の真の温度Ｔと黒体温度Ｔｂはいずれも絶対温度で与える。
【００４６】
【数２】
【００４７】
次に出銑流の熱画像について考察する。図１に示す出銑流１を撮像して、図１１（ｃ）に例示した撮像画像に含まれる濃度（画像輝度）を解析したところ、図１２に示した濃度ヒストグラムに示すように、溶銑の放射輝度に対応する濃度ピークＰ１と、溶融スラグの放射輝度に対応する濃度ピークＰ２とは、ある程度の大きさの分散を有することが判る。また、溶融スラグの濃度ピークＰ２の分散は、溶銑の濃度ピークの分散よりも大きいことも判る。この分散の大きな溶融スラグの濃度ピークＰ２に着目すると、図１２に示した例の場合、最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）は、約１７５となっており、溶融スラグの濃度ピークＰ２の中心からのズレが大きい。
【００４８】
また、溶融スラグと溶銑は炉内湯溜まりの同一個所から流出するので、両者に温度差はないものと近似でき、かつ、溶融スラグ全体での温度差もないもとの近似できる。それに対して、図１２に示すように溶融スラグでは、最高画像輝度Ｌｍａｘにおける濃度ピークＰ２の中心からのズレが大きい（このズレを「濃度差ΔＬ」とする。）。式１で、温度Ｔが一定であること、及び、濃度差ΔＬが大きいことなどから、出銑流１中の溶融スラグでは、局所的に見かけの放射率が高くなっている個所が存在することになる。
【００４９】
このように局所的に見かけの放射率が高くなっていることの理由について鋭意研究を行った結果、本発明の発明者らは、その成果として、溶融スラグについて以下の２点の特性を解明することに成功した。
特性１：溶融スラグが光学的に半透明であること
特性２：溶融スラグの熱画像には反射光が含まれること
この特性１，２について具体的に説明すると以下の通りである。なお、以下では、熱放射光の強さを物理量である熱放射輝度Ｉで表し、これに対応した観測量である画像輝度（濃度）Ｌは必要に応じて記述する。
【００５０】
（２−１−１．特性１：溶融スラグが光学的に半透明であること）
溶融スラグの見かけの放射率が局所的に高くなることについて本発明の発明者らが解明した特性１について、図２〜図４を参照しつつ説明する。ここでの説明は特性１を単独で扱い、特性２は含まないものとする。図２及び図３は、溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。図４は、溶融スラグの厚みと見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【００５１】
本発明の発明者らは、高炉出銑流中の溶融スラグの濃度ピークＰ２の分散が溶銑よりも大きく、その結果、局所的に見かけの放射率が高くなっていると思われる理由について調査した。本発明の発明者らは、出銑流１に含まれる溶融スラグを採取し分析した結果、溶融スラグの厚みが数ミリ程度であれば撮像装置が観察する波長において溶融スラグは光学的に半透明であることを発見した。
【００５２】
本発明の発明者らは、溶融スラグが光学的に半透明であること、つまり、熱放射光の少なくとも一部を透過させることに基づき、その溶融スラグの見かけの放射率等を以下のように考察する。
【００５３】
図２に示すように、出銑口１０から出銑される出銑流１には、溶銑Ｍｅと溶融スラグＳｌが含まれる。溶融スラグＳｌは、図１１（ｃ）等に示すように安定出銑期等では、溶銑Ｍｅ中に分離して混在している。図２では、この溶融スラグＳｌが混在した状態と、そこから発せられる放射輝度を模式的に示している。
【００５４】
放射輝度Ｉ１は、溶銑Ｍｅの表面から放射された放射光の輝度を表す。この放射輝度Ｉ１の放射率は、溶銑Ｍｅの放射率（約０．４）で一定である。すなわち、放射輝度Ｉ１は、温度のみの関数となる。一方、放射輝度Ｉ２，Ｉ３は、溶融スラグＳｌの表面から放射された放射光の輝度を表す。この放射輝度Ｉ２，Ｉ３の放射率は、本発明の発明者らが見出した溶融スラグＳｌの半透明性によれば、温度だけでなく、溶融スラグＳｌの厚みに依存する。従って、放射輝度Ｉ２よりも放射輝度Ｉ３の方が輝度が高い。放射輝度Ｉ３は、溶融スラグＳｌの厚みが十分に厚く、その放射率は、溶融スラグＳｌ固有の値で安定すると考えられる。これに対して、放射輝度Ｉ２は、溶融スラグＳｌの厚みが十分ではなく、かつ、溶融スラグＳｌが半透明性を有するため、溶銑Ｍｅから放射される放射輝度が加算された状態になると考えられる。
【００５５】
図３に、この溶銑Ｍｅからの放射光の一部が溶融スラグＳｌを透過し、更に、溶融スラグＳｌ自身の放射光も加わった放射輝度Ｉ２を、溶銑Ｍｅ及び溶融スラグＳｌの表面が平面であると仮定して、詳しく模式的に示す。図３中、放射輝度Ｉｓは、溶融スラグＳｌ自身から放射される放射光の輝度を表し、放射輝度Ｉｍは、溶銑Ｍｅから放射されて溶融スラグＳｌを透過した放射光の輝度を表す。一方、図３中の放射輝度Ｉは、撮像部１１０で撮像される輝度を表す。つまり、この放射輝度Ｉは、溶融スラグＳｌの表面から発せられる図２中の放射輝度Ｉ２（場合によっては、放射輝度Ｉ３）を表す。なお、本発明の一実施形態で使用される撮像部１１０については、詳しく後述する。
【００５６】
溶融スラグＳｌの厚みをｄとすると、上記放射輝度Ｉｓ，Ｉｍは、共にｄの関数として表される。従って、撮像される放射輝度Ｉ（つまり、見かけ上の放射輝度）も、溶融スラグＳｌの厚みｄの関数となる。なお、放射輝度Ｉ，Ｉｓ，Ｉｍが温度Ｔの関数でもあることは、言うまでもない。
【００５７】
ここで、放射輝度Ｉｓ，Ｉｍの光線が、溶融スラグＳｌと大気（媒質）との間の界面を垂直に通過すると仮定すれば、その界面で生じる放射輝度の損失、つまり、界面反射損失ｌｎは、幾何光学理論から下記式３で表される。
【００５８】
【数３】
【００５９】
なお、この式３中、ｎ０は大気の屈折率（１．０）を表し、ｎは溶融スラグＳｌの屈折率を表す。出銑流１に含まれ溶銑Ｍｅから分離した溶融スラグＳｌを採取して、その屈折率ｎを測定したところ、本発明の発明者らは、屈折率ｎが約１．５であることを確認した。
【００６０】
この屈折率ｎも、溶融スラグＳｌの放射率と同様に、溶融スラグＳｌに含まれる成分や混合比により若干変化すると予想されるが、説明の便宜上、ここでは、屈折率ｎを１．５と仮定する。すると、上記式１からは、溶融スラグＳｌの界面反射損失ｌｎは、約４％（ｌｎ≒０．０４）であることが判る。
【００６１】
一方、上記撮像される見かけ上の放射輝度Ｉについて考えると、以下の式４，式５で表される。なお、式４及び式５中、ｄは上述の通り溶融スラグＳｌの厚み（［ｍｍ］）を表し、εｓ（ｄ）は厚みｄに応じた溶融スラグＳｌの放射率を表し、τｓ（ｄ）は厚みｄに応じた溶融スラグＳｌの透過率を表し、εｍは溶銑Ｍｅの放射率を表す。そして、ＩｂはＷｉｅｎの式の黒体放射輝度（［Ｗ・ｍ−２・μｍ−１・ｓｒ−１］）であり、下記式６で表される。前述したのと同様、式６中、ｃ1は黒体放射の第１定数（１．１９１０×１０−１６［Ｗｍ−２］）、ｃ２は黒体放射の第２定数（０．０１４３８８［ｍＫ］）、λは観測波長（［ｍ］）をそれぞれ表す。
【００６２】
【数４】
【００６３】
なお、厳密に言えば、式４に示す放射輝度Ｉには、溶融スラグＳｌの内部における多重反射が含まれることになる。しかしながら、上記式３から計算された界面反射損失ｌｎが４％であり、かつ、溶融スラグＳｌ内の伝搬時の減衰もあるので、このような内部多重反射の成分は、無視できる程に小さい。
【００６４】
更に、上記式５中の溶融スラグＳｌの透過率τｓは、ランバート・ベールの法則と、スラグ・大気間の界面反射損失ｌｎに基づき、下記式７となる。同様に、溶融スラグＳｌの放射率εｓは下記式８で表される。なお、式７中のｋは、溶融スラグＳｌの減衰係数（［１／ｍｍ］）である。
【００６５】
【数５】
【００６６】
従って、上記式５に、この式７及び式８を代入して整理すると、溶融スラグＳｌの見かけの放射輝度Ｉは、下記式９で表される。本発明の一実施形態に係る撮像部１１０はこの放射輝度Ｉを観測する。式９で、溶融スラグＳｌの表面から発せられた放射輝度Ｉの見かけの放射率ε、つまり、見かけの放射率ε（ｄ）は、下記式１０となる。
【００６７】
【数６】
【００６８】
本発明の発明者らは、上記界面反射損失ｌｎを求めた溶融スラグＳｌの試料を使用して、減衰係数ｋを実験的に求めた。つまり、溶融スラグＳｌの試料に対して、厚みｄを測定し、本発明の一実施形態で使用する撮像部１１０が撮像する波長λと同じ波長λの光線（半導体レーザ）を試料に照射して、その透過光強度を観測した。その結果、溶融スラグＳｌの減衰係数ｋとして、０．３７［１／ｍｍ］を得た。
【００６９】
上記のｋ＝０．３７［１／ｍｍ］を式１０に代入すると、溶融スラグＳｌの厚みｄをパラメータとした見かけの放射率εの変化を表すグラフが得られる（図４参照。）。見かけの放射率εは、溶銑Ｍｅの放射率εｍ（≒０．４）から厚みｄに応じて増加して、最終的には約０．９６に集束する。この実効放射率εの集束値は、上記式１０の厚みｄを無限大とした場合の下記式１１に、界面反射損失ｌｎを代入した値からも判る。
【００７０】
【数７】
【００７１】
上記式１０や図４からも判るように、溶融スラグＳｌの厚みｄが１０ｍｍに達する付近から、見かけの放射率εは高位安定と見なせる。一方、出銑流１の直径は、約１００ｍｍ程度であり、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）等のような実際の熱画像では、表面上の溶融スラグＳｌのサイズが１０ｍｍ程度ある個所が散在するので、このような部位では溶融スラグＳｌの厚み（深さ）ｄも１０ｍｍ程度あると考えられる。
【００７２】
つまり、このような発見（特性１等）及び考察に基づいて、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの熱放射光中の最高の熱放射輝度が撮像された結果である最高画像輝度Ｌｍａｘに対応する見かけの放射率εは、約０．９６と見なすことが可能であることを見出した。なお、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの見かけの放射率εに対する上記見地から、溶融スラグ以外の測温対象についても、その測温対象が光学的に透明又は半透明である場合には、その測温対象の見かけの放射率εも上記式１１を満たすことを解明した。
【００７３】
（２−１−２．特性２：溶融スラグの熱画像には反射光が含まれること）
次に、溶融スラグの見かけの放射率が局所的に高くなることについて本発明の発明者らが解明した特性２について、図５〜図７を参照しつつ説明する。ここでは説明を判り易くするため、上記特性１の説明において「溶融スラグの表面が平坦である場合に放射率が溶融スラグの厚みの関数となる」と説明した見かけの放射率のことを「平坦表面放射率」と呼び単にεと記す。そして、平坦表面放射率が溶融スラグの表面形状に依存して変化することを「見かけの放射率」（記号Ｅ）として扱う。図５は、溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。図６及び図７は、溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【００７４】
本発明の発明者らは、高炉出銑流中の溶融スラグの濃度ピークＰ２の分散が溶銑よりも大きく、その結果、局所的に見かけの放射率が高くなっていることについて、前述の特性１以外にも原因がないかを調査した。その結果、本発明の発明者らは、溶融スラグの熱画像には反射光が含まれることを発見した。つまり、本発明の発明者らは、溶融スラグの放射率等を以下のように考察する。
【００７５】
高炉から出銑される出銑流１は、溶融物であり流動しており、その表面には波が発生している。特に溶融スラグは粘性が高く、出銑流１の溶融スラグの表面状態は、波・凹凸・隆起などが発生した平坦ではない形状を有する。図５には、この溶融スラグＳｌの表面Ｓの状態を示す。この溶融スラグＳｌの表面Ｓからは、その温度Ｔと放射率ε（平坦表面放射率）に応じた熱放射輝度（直接光Ｉ０）の熱放射光が発せられる。本発明の一実施形態に係る撮像部１１０が撮像する熱放射光を考えると、溶融スラグＳｌの表面Ｓからの直接光Ｉ０だけでなく、別の個所から発せられた直接光Ｉ０が溶融スラグの表面Ｓで反射した反射光Ｉｒｉ（ｉは反射回数を表した自然数）も、撮像部１１０により同時に撮像される。よって、撮像部１１０に撮像される見かけの放射光Ｉは、近似式１２で表される。
【００７６】
【数８】
【００７７】
光学におけるキルヒホッフの法則によれば放射率εは、光の吸収率ａと等しく、光の反射率ｒは、ｒ＝１−ａ＝１−εと表される。従って、溶融スラグ上の各反射光Ｌｒｉの濃度Ｉｒｉは、反射回数ｉ及び反射率ｒにより式１３，１４で表される。
【００７８】
【数９】
【００７９】
この式１３中、Ｉｂは黒体放射輝度を表す。式１３により、式１２は、下記式１５及び式１６のように表される。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
従って、撮像部１１０の撮像素子に撮像される放射輝度Ｉの見かけの放射率Ｅは、溶融スラグの平坦表面放射率εにより下記式１７で表される。
【００８２】
【数１１】
【００８３】
これらの式から計算される、平坦表面放射率εと反射光を含む見かけの放射率Ｅとの関係を図６及び図７に示す。図６及び図７には、反射光が含まれない場合（平坦表面放射率ε）、１次反射光（ｉ＝１）が含まれる場合、２次反射光（ｉ＝１，２）まで含まれる場合、３次反射光（ｉ＝１，２，３）まで含まれる場合のそれぞれの見かけの放射率Ｅを示した。なお、図７は、平坦表面放射率ε及び見かけの放射率Ｅが０．９〜１の範囲における図６の拡大図である。
【００８４】
図６及び図７に示すように、反射光が重なり合えば、見かけの放射率Ｅは、平坦表面放射率εよりも１に近づくことが判る。溶融スラグが厚く、平坦表面放射率εが１に近いほど、見かけの放射率Ｅも１に近づくが、平坦表面放射率εが１に近くなくても、上述のように反射光を含み、その反射数が高くなると、見かけの放射率Ｅは１に近づくこととなる。溶融スラグのような溶融物は流動しているため、その表面状態には波が存在し、見かけの放射光には、高次の多重反射光が含まれうる。
【００８５】
例えば溶融スラグが厚くて溶融スラグの平坦表面反射率εが０．９６であり、更に、１次反射光が含まれる場合には、撮像部１１０に撮像される光の見かけの放射率Ｅは、０．９９８となる。見かけの放射率Ｅが０．９９８であれば、放射率を１と仮定したとしても測温誤差は僅か０．３℃であり、実用上全く問題にならない。さらに、例えば２次以上の反射光を含む場合には、見かけの放射率は、ほぼ１．０００となり、測定誤差を更に低減することが可能となる。
【００８６】
つまり、このような発見（特性２等）及び考察に基づいて、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの表面が波立っている場合、最高輝度に対応する見かけの放射率Ｅは、半透明性による平坦表面放射率εの最大値よりも１に近づくことを見出した。なお、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの見かけの放射率Ｅに対する上記見地から、溶融スラグ以外の測温対象についても、その測温対象が溶融物で表面が波立っている場合には、その測温対象の見かけの放射率Ｅも、平坦表面放射率又は真の放射率より１に近づくことを解明した。
【００８７】
（２−１−２．見かけの放射率のまとめ）
以上、本発明の発明者らが、出銑流１中の溶融スラグで局所的に見かけの放射率が高くなっていること等について鋭意研究を行った結果明らかにした溶融スラグの特性１，２と、その特性１，２に基づき今回初めて明らかにした溶融スラグの見かけの放射率Ｅについて説明した。この見かけの放射率Ｅについてまとめると、以下の条件１，２が言える。
【００８８】
条件１：溶融スラグは光学的に半透明であり、この場合、最高輝度（最高画像輝度Ｌｍａｘ）における溶融スラグの見かけの放射率εは０．９６と見なすことができる。
条件２：溶融スラグの表面が波立っている場合、撮像画像には１重又は多重反射光が含まれるため、最高輝度（最高画像輝度Ｌｍａｘ）における溶融スラグの見かけの放射率Ｅは、上記条件１の放射率（平坦表面放射率ε）から更に１に近づく。
【００８９】
従って、本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、溶融スラグを測定する場合、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する放射率Ｅとして０．９６〜１のいずれかの値を使用して、溶融スラグの温度Ｔを、より正確に求めることを可能にしている。以下、この本発明の一実施形態に係る放射測温装置について具体的に説明する。
【００９０】
（２−２．放射測温装置１００の構成）
図１に、本発明の一実施形態に係る放射測温装置１００の構成を示す。
図１に示すように、本実施形態に係る放射測温装置１００は、撮像部１１０と、画像処理部１２１と、画像データ記憶部１２２と、最高輝度検出部１２３と、温度算出部１２４と、校正データ記憶部１２５と、表示部１３１と、温度データ記憶部１３２とを有する。
【００９１】
撮像部１１０は、出銑口１０から出銑され樋カバー１３に隠れるまでの間の出銑流１から発せられる熱放射光の熱放射輝度の２次元分布（「熱放射輝度分布」ともいう。熱放射輝度の分布の一例）を撮像する。撮像部１１０は、特に流動する溶融物の一例であり出銑流に含まれる溶融スラグの熱放射輝度を撮像する。この撮像部１１０は、出銑流１に近接される必要はなく、遠隔撮像が可能である。また、撮像部１１０は、出銑流１の飛散や周囲の温度などを考慮して、撮像面前方に冷却ガスが吹き出す空冷ジャケットに収納されることが好ましい。撮像部１１０は、熱放射輝度分布を撮像するために、波長選択フィルタと、高速シャッターと、撮像素子とを有する（図示せず）。
【００９２】
波長選択フィルタは、波長選択部の一例であり、撮像素子へと透過する光の波長を選択する。波長選択フィルタとしては、例えば中心透過波長が０．６５μｍのフィルタを使用することができる。この波長選択フィルタは、測温対象が放射した光の光路上において、撮像素子の上流側に配置される。つまり、波長選択フィルタが配置されることにより、撮像素子は、ほぼ一定の波長λの輝度のみを捉えることができる。よって、後述する温度算出時の波長λは、この波長選択フィルタによって決定される。しかし、ほぼ一定の波長λのみを撮像することが可能な撮像素子を使用すれば、波長選択フィルタを省略することも可能である。
【００９３】
高速シャッターは、撮像素子が所定の時間で露光されるように、露光時間を調整する。高速シャッターは、例えば、撮像素子の露光時間を電子的に制御する電子シャッターである。溶融スラグを含む出銑流は、例えば５〜１０ｍ／ｓｅｃの噴出速度で出銑される。よって、高速シャッターによる露光時間は、溶融スラグの流動状態に応じた時間、つまり、この出銑流が、「像流れ」しない程度の時間に設定される。換言すれば、露光時間は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示したように、出銑流が像流れしてぼやけて撮像されることを防ぎ、かつ、溶銑と溶融スラグによるマーブル模様を撮像することが可能な時間に設定される。溶融スラグは、乱流状態で流出しているので、噴出方向へと移動するだけでなく出銑流の内部で対流しており、溶融スラグの表面の状態（波立ち、凹凸状態）は、時事刻々と変化している。ここでは、例えば移動している状態や対流している状態などのように、表面が波立ち、かつ、表面状態が変化しうる溶融スラグ（溶融物である測温対象）の状態を「流動状態」ともいう。一方、撮像部１１０の撮像画像には、像流れせず、かつ、ぼやけていない溶融スラグの表面状態が明瞭に撮像されることが好ましい。従って、露光時間は、この溶融スラグの流動状態に応じた所定の時間に設定されることが好ましい。
【００９４】
例えば、溶融スラグの噴出速度が５〜１０ｍ／ｓｅｃの場合には、露光時間は１／５０００ｓｅｃ以下であることが好ましく、更に１／１００００ｓｅｃ以下であることが好ましい。なお、露光時間が１／１００００ｓｅｃの場合、出銑流は露光中に約１ｍｍ程度進むことになる。露光時間は、これらの例に限定されず上述の通り、溶融スラグの表面状態を像流れせずに撮像しうる時間に設定される。また、露光時間が短すぎる場合には、光量不足などにより画像輝度にノイズが発生し温度の算出精度が低下する可能性があるので、露光時間の下限は集光レンズや撮像素子の感度等にも依存する。
【００９５】
撮像素子は、撮像面を形成し、出銑流１から放射された熱放射光を捉え、その輝度に応じた電気信号に変換する。つまり、この電気信号の大きさには、出銑流１の熱放射光の熱放射輝度が反映される。この電気信号の大きさのことを、ここでは「濃度」や「強度」というが、輝度を反映しているという意味で「輝度（画像輝度）」ともいう。デジタル化されて扱われる撮像素子の濃度の階調数は、例えば、溶融物の流動状態・粘性・放射測温装置１００の測温精度などに応じて設定される。例えば階調数が８ｂｉｔの２５６階調に設定される場合、１階調の変化は、温度で約２℃程度の変化に相当する。撮像部１１０が撮像する撮像画像の空間的な解像度、つまり画素数は、撮像面を形成する撮像素子の個数などに依存する。この画素数は、測温対象である溶融物の表面状態を捉えうる値に設定される。なお、撮像素子としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの様々なモノクロイメージセンサ（特にモノクロに限定はされない。）を使用することができる。この撮像素子で撮像される画像のことを、「撮像画像」や「画像」ともいい、熱放射輝度を捉えた画像であるという意味で「熱画像」ともいう。この撮像画像中の各画素は、それぞれ対応する撮像素子が捉えた放射光の輝度に応じた濃度（画像輝度）を値として格納する。つまり、濃度は、放射光の輝度に応じた値を有して、各画素の位置に応じて撮像画像中に分布している（図１１参照。）。この撮像画像について、濃度の大きさに対して、各濃度階調の画素の個数の分布状態を表したヒストグラムを、ここでは「熱放射輝度ヒストグラム」や「濃度ヒストグラム」等ともいう（図１２参照。）。なお、カラーイメージセンサを用いる場合は、例えばＲＧＢの３色で画素を構成しているときには特定の１色の濃度あるいは３色の平均濃度と放射光の輝度とを対応付けるようにすればよい。その他のタイプのカラーイメージセンサを用いても良いことは明らかである。
【００９６】
なお、このように構成される撮像部１１０は、黒体炉を利用して温度校正され、例えば露光時間などの設定値が校正を行ったときの設定に固定される。この撮像部１１０の校正について、図８を参照しつつ説明する。図８は、本実施形態に係る放射測温装置による温度校正について説明するための説明図である。
【００９７】
まず、例えば露光時間、レンズの絞りや焦点距離などの設定を、撮像部１１０の配置場所及び撮像対象（ここでは出銑流１）などに合わせて調整する。そして、撮像部１１０により、黒体炉（温度を高精度に制御できる放射率１の基準放射源）を測定する。この測定を黒体炉の温度を変更しながら行う。その結果、黒体炉の温度と、その黒体の放射輝度を撮像した際の画像輝度（濃度）との関係を対応付ける「校正データ」が測定される。この校正データの例を図８に示す。更に、校正データから、図８に示す黒体温度と画像輝度（濃度）との検量線を、引数を画像濃度とし出力値を黒体温度とする関数にフィッティングする。そして、関数にフィッティングされた校正データを、校正データ記憶部１２５に記録する。なお、図８に示した校正データは、撮像部１１０の構成や設定値により異なる。かかる校正を行うことにより、撮像部１１０を２次元放射計として使用することができる。
【００９８】
画像処理部１２１は、撮像部１１０が撮像した熱画像を取り込み、空間フィルタなどを用いて熱画像にスムージング処理を施す。画像処理部１２１は、スムージング処理として、例えば、熱画像の各画素の濃度を、隣接する複数の画素（例えば３画素）で平均化する。このようにスムージング処理を施すことにより、熱画像中のノイズを低減させることができる。スムージング処理が施された熱画像は、最高輝度検出部１２３に出力される。また、この熱画像は、画像データ記憶部１２２に記録されてもよい。
【００９９】
なお、この際、画像処理部１２１は、溶融スラグの表面状態を検出してもよい。より具体的には、画像処理部１２１は、例えば、図１１に示すような熱画像から出銑流１の領域を抽出し、その領域と他の領域との境界（つまり、溶融スラグを含む出銑流１の表面）を抽出する。そして、画像処理部１２１は、この境界から出銑流１にどの程度の大きさの波又は凹凸が生じているかを検出してもよい。なお、ここでは、上記境界から波等の大きさを検出する場合について説明しているが、画像処理部１２１は、出銑流１の表面を表す熱画像から直接、波等の大きさを検出することも可能である。この検出された波等の大きさは、温度算出部１２４に出力されたり、画像データ記憶部１２２に記録され、後述の温度算出過程において使用されうる。
【０１００】
最高輝度検出部１２３は、画像処理部１２１が画像処理した熱画像中から、放射輝度が最も高い輝度を検出する。つまり、最高輝度検出部１２３は、輝度に対応した各画素の濃度中、最高濃度を検出する。最高輝度検出部１２３が検出する最高濃度は、図１２に示した濃度ヒストグラムの例で言えば、横軸の画像濃度が最も大きい値を示す。なお、ここでは、最高濃度は、最も高い輝度に対応するという意味で「最高画像輝度Ｌｍａｘ」ともいう。
【０１０１】
この最高輝度検出部１２３は、１枚の熱画像中から最高画像輝度Ｌｍａｘを検出してもよいが、画像データ記憶部１２２に記録された連続する（短時間で撮像された）複数枚の熱画像中から、その複数枚の熱画像にわたって最も高い濃度を、最高画像輝度Ｌｍａｘとして検出してもよい。以下で説明するように、放射測温装置１００は最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）に基づいて測温対象の温度を算出するが、最高輝度検出部１２３が複数枚の熱画像から最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、更に溶融スラグの測温精度を向上させることができる。
【０１０２】
温度算出部１２４は、最高輝度検出部１２３が検出した最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高輝度の一例。最高濃度ともいう。）に基づいて、測温対象の一例の溶融スラグの温度を算出する。この際、温度算出部１２４は、上述の校正データ記憶部１２５に予め記憶された撮像部１１０の校正データを使用し、かつ、最高画像輝度Ｌｍａｘにおける溶融スラグの見かけの放射率Ｅとして０．９６〜１のいずれかの値を使用して、溶融スラグの温度を算出する。つまり、温度算出部１２４は、上記条件１，２で説明したように、「溶融スラグの最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを０．９６〜１のいずれかの値と仮定可能であること」を利用することにより、溶融スラグの温度Ｔを算出する。
【０１０３】
より具体的に説明すると、温度算出部１２４は、まず、最高画像輝度Ｌｍａｘから溶融スラグの黒体温度（溶融スラグを黒体と仮定した場合の見かけの温度）Ｔｂを、図８に例示した校正データに基づいて求める。そして、溶融スラグに対して設定した放射率Ｅに基づいて、下記式１８により、真の溶融スラグ温度Ｔを算出する。なお、式１８中では黒体温度Ｔｂと、真の溶融スラグ温度Ｔを絶対温度で扱う。最高画像輝度Ｌｍａｘにおける溶融スラグの放射率を１とする場合、温度算出部１２４は、校正データの関数に最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）を代入して黒体温度Ｔｂを算出し、これを溶融スラグの温度Ｔとする。
【０１０４】
【数１２】
【０１０５】
この溶融スラグの温度Ｔを算出する際、温度算出部１２４は、上述の通り、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅとして０．９６〜１のいずれかの値を使用する。この際、放射率Ｅは、予め適切な値に設定されてもよいが、この放射率Ｅの選択は、例えば、以下のように行われることが望ましい。
【０１０６】
例えば、温度算出部１２４は、単純に、見かけの放射率Ｅを１に設定することが可能である。上記条件１，２で説明した通り、見かけの放射率Ｅは、溶融スラグが半透明であるため０．９６と見なすことができ、かつ、波が存在すれば更に１に近づく。仮に、放射率Ｅを１に設定したが、反射光が含まれず実際の見かけの放射率Ｅが０．９６程度であったとしても、この場合の測定誤差は、約５℃程度であり、実用上許容しうる測温が可能である。一方、図７からも判るように、１次反射光Ｉｒ１が含まれるだけで見かけの放射率Ｅは、０．９９８と非常に１に近づくため、このように放射率Ｅを１に設定した場合には、より精度の高い測温が可能となる。
【０１０７】
なお、出銑流１の波立ちが小さく、放射率Ｅが１と見なせるほど多重反射が生じる箇所がない撮像画像が、撮像部１１０により撮像されることも考えられる。そこで、最高輝度検出部１２３が、短時間に撮像され画像データ記憶部１２２に記録された複数枚の撮像画像にわたる最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、温度算出部１２４は、見かけの放射率Ｅが１に近づくのに十分な多重反射が生じる確率を高め、測温精度を向上させることができる。また、このことは、条件１にも当てはまる。つまり、溶融スラグの厚みが薄く、平坦表面放射率εが０．９６よりも小さい撮像画像が、撮像部１１０により撮像されることも考えられる。この場合にも、最高輝度検出部１２３が、短時間に撮像され画像データ記憶部１２２に記録された複数枚の撮像画像にわたる最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、温度算出部１２４は、平坦表面放射率εが０．９６に近づく確率を高めて、測温精度を向上させることができる。
【０１０８】
また、例えば、温度算出部１２４は、画像処理部１２１が溶融スラグの表面状態を検出している場合、溶融スラグの表面に生じている波の大きさに応じた値に、放射率Ｅを設定することも可能である。この場合、例えば、反射光が含まれうる波の大きさを予め測定して閾値とし、温度算出部１２４は、この閾値と、画像処理部１２１が検出した波の大きさとに基づいて、反射光の有無を判断する。そして、温度算出部１２４は、反射光が含まれない場合には、放射率Ｅを０．９６に設定し、反射光が含まれる場合には、放射率Ｅを１に設定することも可能である。溶融スラグのように平坦表面放射率εが０．９６と１に近くはない測温対象を測定する場合には、図６に示すように、見かけの放射率Ｅは、含まれる反射光の反射回数に応じて、段階的に変化する。従って、上記の溶融スラグに対する反射光の選択のための閾値を、含まれる反射光の反射回数毎に設定し、温度算出部１２４に、放射率Ｅを段階的に調整させることも可能である。なお、この反射率Ｅを、段階的に調整する場合と同様に、連続的に変化させることももちろん可能である。
【０１０９】
引き続き図１を参照し、放射測温装置１００が有する他の構成について説明すると以下の通りである。
表示部１３１は、温度算出部１２４が算出した溶融スラグの温度Ｔを表示する。この溶融スラグの温度Ｔは、上述の通り、同じ湯溜まりから出銑された溶銑の温度ともほぼ等しく、また、高炉の湯溜まりから出銑された直後であるため湯溜まりの温度をも反映している。従って、放射測温装置１００によれば、湯溜まりの温度をより正確に測定することができる。また、温度算出部１２４が算出した溶融スラグの温度Ｔは、温度データ記憶部１３２に記録されてもよい。放射測温装置１００は、関連技術に係る接触式の測温装置の間欠測温に比べて、秒オーダーのごく短い時間間隔で測定を繰り返すことができる。よって、温度データ記憶部１３２に測定温度Ｔを記録することで、高炉の内部の温度の変化を連続的に測定することができる。
【０１１０】
（２−３．放射測温装置１００の動作）
次に、本実施形態に係る放射測温装置１００の動作について、図９を参照しつつ説明する。図９は、本実施形態に係る放射測温装置の動作について説明するための説明図である。
【０１１１】
まず、ステップＳ０１が処理され、撮像部１１０が、測温対象である溶融スラグを含む出銑流１から熱放射された放射光を撮像する。この撮像画像は、画像処理部１２１に出力される。そしてステップＳ０３に進む。
【０１１２】
ステップＳ０３では、画像処理部１２１が撮像画像に上記スムージング処理などを施す。そして、画像処理部１２１は、撮像画像を、最高輝度検出部１２３に出力すると共に画像データ記憶部１２２に記録する。なお、このステップＳ０３では、画像処理部１２１が、溶融スラグの表面状態、つまり、波（凹部）の大きさも検出することが望ましい。そしてステップＳ０５に進む。
【０１１３】
ステップＳ０５では、最高輝度検出部１２３が、画像処理部１２１から出力された１枚の撮像画像、又はこの１枚の撮像画像を含む画像データ記憶部１２２に記録された複数枚の撮像画像（短時間に撮像された複数枚の撮像画像）から、最高輝度に相当する最高画像輝度Ｌｍａｘを検出する。なお、上述の通り最高画像輝度Ｌｍａｘは、溶融スラグの厚みに依存した平坦表面放射率εの直接光Ｉ０と、その表面状態に依存した反射光Ｉｒｉ（ｉは放射光の反射回数を表した自然数）と、を含む見かけの輝度に対応しており、比較的厚い溶融スラグかからの直接光Ｉ０や多重反射した反射光Ｉｒｉを含むことが望ましい。従って、最高輝度検出部１２３が複数枚の撮像画像から最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、比較的厚い溶融スラグかからの直接光Ｉ０や、多数回反射した反射光Ｉｒｉをより多く含む見かけの輝度が撮像画像に撮像されている確率を高めることができ、放射測温装置１００の測温精度を向上させることができる。次にステップＳ０７に進む。
【０１１４】
ステップＳ０７では、温度算出部１２４により、見かけの放射率Ｅが設定される。なお、この際、温度算出部１２４は、単純に、予め設定された値（例えば１）を放射率Ｅに設定することも可能であるが、更に、ステップＳ０３で検出された波の大きさに応じた値を放射率Ｅに設定することも可能である。次にステップＳ０９に進む。
【０１１５】
ステップＳ０９では、温度算出部１２４が、最高輝度検出部１２３が検出した最高画像輝度Ｌｍａｘと、図８に例示した校正データの関数とに基づいて黒体温度Ｔｂを算出する。そして、黒体温度Ｔｂと放射率Ｅとを式１８に代入して溶融スラグの温度Ｔを算出する。そしてステップＳ１１に進む。
【０１１６】
ステップＳ１１では、温度算出部１２４が算出した溶融スラグの温度Ｔが、表示部１３１に表示され、かつ、温度データ記憶部１３２に記録される。この際、表示部１３１は、温度の時間変化を履歴としてグラス表示させてもよいことは言うまでもない。そしてステップＳ１３に進む。
【０１１７】
ステップＳ１３では、放射測温装置１００が、測温が停止されたか否かを確認する。例えば、放射測温装置１００の上位の制御装置による指令値・ユーザの入力値・高炉の出銑状態などに応じて、測温が自動的に停止されてもよい。そして、測温が停止された場合には、放射測温装置１００は、動作を終了し、測温が停止されていない場合には、放射測温装置１００は、上記ステップＳ０１以降の処理を繰り返し行う。従って、放射測温装置１００は、溶融スラグの温度Ｔを連続的に撮像することができる。なお、放射測温装置１００は、ステップＳ０１〜ステップＳ１０の処理を、例えば１秒間に１回以上繰り返し行うことも可能である。
【０１１８】
（２−４．放射測温装置１００による測定例）
次に、本実施形態に係る放射測温装置１００の測定例について、図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施形態に係る放射測温装置による測定例について説明するための説明図である。ここでは、操業中の高炉に対して、本実施形態に係る放射測温装置１００により、出銑口１０から出銑される溶融スラグの温度Ｔを測定した。また、放射測温装置１００の性能を比較するために、出銑樋１２の下流において、関連技術に係る接触式の測温装置である熱電対を出銑流１に浸漬することにより、出銑流１の測温を行った。出銑流１の温度と溶融スラグの温度Ｔとはほぼ等しくなることが予想される。
【０１１９】
なお、熱電対としては、通常使用されるＲ熱電対（操業で使用されている浸漬消耗型熱電対）を使用した。また、撮像部１１０としては、モノクロＣＣＤカメラを使用して、高速シャッターの露光時間を１／１００００秒として高速露光で撮像した。また、撮像素子の階調数は、８ｂｉｔの２５６階調とした。そして、波長選択フィルタにより、λ＝０．６５の光を透過させて撮像素子に撮像させた。この撮像部１１０を、予め黒体炉で温度校正し、校正データを校正データ記憶部１２５に記録させた（図８参照。）。また、溶融スラグの温度Ｔを求める際に使用する最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅとしては、１を使用した。
【０１２０】
そして、高炉の出銑開始から約３時間の間、放射測温装置１００は、所定の時間間隔で連続的な測温を行い、一方、熱電対により、おおむね３０分間隔で間欠的に測温を行った。また、図１に示すように、撮像部１１０により、高炉の出銑口１０から出銑する溶銑・溶融スラグの噴流を横方向から撮像した。その結果、図１１に示したような熱画像が撮像された。
【０１２１】
放射測温装置１００の測温結果の履歴を図１０に示した。表示部１３１が履歴をグラフ表示させる場合、図１０に示すグラフが表示されてもよい。図１０には、放射測温装置１００による測温結果と共に、熱電対による測定結果を比較のために表示した。図１０に示すように、放射測温装置１００の測温結果と、熱電対の測温結果とが精度よく一致することが確認された。つまり、本実施形態に係る放射測温装置１００が溶融スラグの温度Ｔを精度よく測定可能であることが判る。また、熱電対による測定に比べて、放射測温装置１００は、連続的な測温が可能である。
【０１２２】
（２−５．放射測温装置１００による効果の例）
以上、本発明の一実施形態に係る放射測温装置１００について説明した。この放射測温装置１００によれば、最高画像輝度Ｌｍａｘから温度Ｔを算出することにより、表面が波立つ溶融物の一例である溶融スラグの温度Ｔを正確に測定することができる。この際、放射測温装置１００は、溶融スラグの正確な放射率εが判っている必要はない。関連技術に係る上記特許文献１の放射測温装置は、溶銑の流出が無ければ出銑流１の測温を行うことは難しかったが、本実施形態に係る放射測温装置１００、溶融スラグの温度Ｔを測定することにより、溶銑があまり含まれない出銑流１（例えば出銑開始後の約数十分間）の温度をも測定することができる。また、放射測温装置１００は、連続的な測温が可能であるので、高炉内部の温度の時間変化を測定することが可能である。従って、高炉内部の熱状況について、これまでより多くの情報を得ることができ、高炉操業をより安定させることができる。この際、放射測温装置１００は、溶融物の一例である溶融スラグの平坦表面放射率εは０．９６に近似する。そして、放射測温装置１００は、溶融スラグの表面が大きく波立っている場合、見かけの放射率Ｅを１と近似する。その結果、測定誤差を減少させることができる。従って、放射測温装置１００は、著しく波立つような溶融物の温度を測定できるだけでなく、関連技術では測温を困難にしていた著しい波立ちを逆に利用して、測温精度を向上させることができる。更にこの際、放射測温装置１００は、出銑開始初期のように溶融スラグが大半を占める場合だけでなく、溶銑と不均一に混合されて混濁した状態であっても、溶融スラグの最高輝度を検出して測温することが可能である。
【０１２３】
更に、本実施形態に係る放射測温装置１００は、出銑口１０の近傍に配置される必要はなく、ある程度離れた場所から溶融スラグの温度Ｔを遠隔測定することができるので、例えば出銑流１の熱放射・スプラッシュ飛散などに対する環境対策が簡便である。また、放射測温装置１００は、出銑口１０から出銑された直後の溶融スラグの温度を測定できるので、出銑樋１２の下流で測定を行う関連技術に係る熱電対よりも、炉内温度に近い溶融スラグの温度を測定することができる。
【０１２４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１２５】
例えば、上記実施形態では、測温対象である流動する溶融物の一例として、溶融スラグを例に説明したが、本発明はかかる例に限定されるものではない。溶融スラグ以外の測温対象を測温する場合について、説明すれば、以下の通りである。
【０１２６】
上記実施形態では、溶融スラグから発せられる熱放射光の最高輝度に相当する最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを、条件１，２に基づき０．９６〜１に近似した。これに対して、本発明の発明者らは、溶融スラグの特性１，２に対する考察に基づいて、溶融スラグ以外の測温対象についても、最高画像輝度Ｌｍａｘを用いれば、同様に測温が可能であることを見出した。この場合、上記条件１，２は、それぞれ下記条件３，４と言い換えることが可能である。
【０１２７】
条件３：測温対象が熱放射輝度の少なくとも一部を透過する場合、つまり、測温対象が光学的に半透明か透明である場合、その測温対象の大気との界面の反射損失ｌｎとすると、式１１より、その最高画像輝度Ｌｍａｘにおける見かけの放射率（平坦表面放射率）εは（１−ｌｎ）と見なすことができる。
条件４：測温対象の表面が波立った状態である場合、つまり、測温対象の表面に凹部が存在する場合、撮像画像には１重又は多重反射光が含まれるため、その最高画像輝度Ｌｍａｘにおける見かけの放射率Ｅは、上記条件３の平坦表面放射率ε（条件１を満たさない場合には真の放射率）よりも更に１に近づく。
【０１２８】
なお、上記実施形態の溶融スラグの場合も同様であるが、測温対象は、上記条件３，４（条件１，２）の両方を満たす必要は必ずしもなく、どちらか一方を満たせば、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを所定の値に近似することが可能となる。例えば、測温対象が光学的に半透明であるが、その表面が平坦な場合、つまり、条件３を満たすが、条件４を満たさない場合には、放射測温装置１００は、条件３から、その測温対象の最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを（１−ｌｎ）に近似することが可能である。逆に、例えば、測温対象が光学的に透明でもなければ半透明でもないが、その表面が波立った状態である場合、つまり、条件３を満たさないが、条件４を満たす場合には、放射測温装置１００は、その測温対象の真の放射率が予め特定されていないとしても、条件４から、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを１に近似することが可能である。
【０１２９】
この条件３を満たさず条件４を満たす場合について、例を挙げて説明する。仮に、真の放射率εが０．７付近で変動する測温対象について、放射測温装置１００が、その最高輝度に相当する最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを１に近似して温度を測定したと仮定する。この場合、放射率εが±０．１変化すれば、その測定誤差は±２０℃程度となり、実用上許容しうる誤差とは言い難い。一方、上記のように波立ちが起こっていて、最高画像輝度Ｌｍａｘを使用し、かつ、見かけの放射率Ｅとして１を使用する場合、その最高画像輝度Ｌｍａｘには、１重又は多重反射光が含まれる。図６からも判るように、その見かけの放射率Ｅは、２次反射光までが含まれる場合、０．９７となる。この場合、見かけの放射率Ｅを１としておけば、測定誤差は５℃程度となり、実用上許容しうる精度が確保できる。従って、測温対象の真の放射率εが１に近ければ近いほど、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅも１に近づくが、たとえ、真の放射率εが１と近似できるほど１に近くないとしても、１次反射光、２次反射光、そして更に多重の反射光が重なり合えば、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを１に近似して、精度良く測温することが可能である。
【０１３０】
なお、上記条件３を満たす場合には、上記実施形態で説明した溶融スラグと同様に、放射測温装置１００は、条件３，４から、測温対象の最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値に近似することにより、条件４を満たすか否かには関係なく、測温精度を高めることが可能である。
【０１３１】
また、放射測温装置１００は、液体表面に凹凸が生じる乱流として流動する様々な溶融を測定することもできる。つまり、放射測温装置１００は、光学的に半透明であったり透明であるか、表面が波打っている溶融物であれば、様々な溶融物を測定することができる。この際、溶融物は、溶融スラグのようにある程度の粘性を有し、表面状態に凹凸や隆起が生じているほど、多くの多重反射が発生しうるため、測温精度を高めることができる。また、溶融物自体の正確な放射率εは、上述の通り未知であってもよいが、ある程度１に近い値である場合には、更に正確な測温が可能となる。更に、溶融物は、上記出銑流１のように複数の溶融物が混合したものであっても、測温可能である。この場合、混合された溶融物同士は、マーブル状に分離して撮像されることが望ましく、放射測温装置１００は、混合された溶融物中の放射率が高い方の溶融物の温度を測定することにより、混合された溶融物の温度を測定することが可能である。
【０１３２】
また、例えば、上記各実施形態で説明した一連の処理は、専用のハードウエアにより実行させてもよいが、ソフトウエアにより実行させてもよい。一連の処理をソフトウエアにより行う場合、汎用又は専用のコンピュータにプログラムを実行させることにより、上記の一連の処理を実現することができる。コンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録装置と、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）・インターネット等のネットワークに接続された通信装置と、マウス・キーボード等の入力装置と、フレキシブルディスク、各種のＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）・ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）ディスク・ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスク、磁気ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体等を読み書きするドライブと、モニタなどの表示装置・スピーカやヘッドホンなどの音声出力装置などの出力装置等と、を有してもよい。そして、このコンピュータは、記録装置・リムーバブル記録媒体に記録されたプログラム、又はネットワークを介して取得したプログラムを実行することにより、上記一連の処理を実行してもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１ 出銑流
１０ 出銑口
１１ 貫通孔
１２ 出銑樋
１３ 樋カバー
１００ 放射測温装置
１１０ 撮像部
１２１ 画像処理部
１２２ 画像データ記憶部
１２３ 最高輝度検出部
１２４ 温度算出部
１２５ 校正データ記憶部
１３１ 表示部
１３２ 温度データ記憶部
Ｓｌ 溶融スラグ
Ｍｅ 溶銑
Ｓ 表面
Ｌｍａｘ 最高画像輝度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置及び放射測温方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測温対象の温度を測定する測温装置としては、大きく分けて接触式と非接触式に分かれる。接触式の測温装置としては、例えば熱電対型・抵抗型・液柱型など様々な種類の測温装置が挙げられる。これらの接触式の測温装置は、熱伝導を利用する場合が多く、測温対象に直接接触する必要がある。従って、例えば高温の測温対象を測温使用とする場合、接触式の測温装置の耐熱性が要求される。
【０００３】
しかしながら、例えば製鉄所における高炉の出銑口から流出する溶銑（高炉から取り出される溶融した銑鉄）や溶融スラグ（溶銑と共に取り出される溶融した酸化物）など複数の物質が混合された溶融物のように測温対象が非常に高温である場合、かかる高温に対する耐熱性を確保することは難しい。よって、温度が測定できたとしても、接触式の測温装置の感温部が熱的に破損してしまい続けて使用することができない場合が多く、連続的な温度測定を行うことは難しい。しかし、溶銑や溶融スラグの温度には炉内の温度が反映されており、溶銑や溶融スラグの温度を測定することは、高炉の操業状態を判断する上で重要な指標となる。この製鉄プロセス以外の様々な工業分野において、高温の測温対象を測定でき、かつ、連続的にあるいは繰り返して使用することができる測温装置が希求されている。
【０００４】
そこで、特許文献１には、測温対象の温度を非接触で測定することができる測温装置が開示されている。この非接触式の測温装置は、測温対象である複数の物質が混合された溶融物から発せられる熱放射光の熱放射輝度を観測して測温対象の温度を測定する。熱放射を利用した温度測定では、その測温対象の放射率が重要である。そこで、この特許文献１は、測温対象を高速シャッタを有する撮像装置で撮像して得た、溶銑部分が分離した撮像画像中から、放射率が判っている溶銑の輝度を抽出し、その輝度から溶銑の温度を測定することに成功している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１１９１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、溶融スラグには、放射率の異なる例えばシリカ・アルミナ・石灰などが未知の比率で含まれており、溶融スラグ自体も混合物の一つと扱え、この溶融スラグの放射率を特定することは難しい。よって、特許文献１に記載の放射測温装置では、放射率が判っている溶銑の温度を測定することはできるものの、溶融スラグなどのように正確な放射率が判っていないため正確な放射率が予め特定されていないような測温対象の温度を、正確に測定することは難しい。また、溶銑と溶融スラグ、又は、溶融スラグに混合されている物質が不均一に混濁しており、かつ、高炉からの出銑時のようにその表面が平坦ではなく著しく波立っているような状態では、瞬間的な波の形状が見かけの放射率に影響するので、溶銑の温度を測定することが困難になる場合もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、例えば高炉からの出銑流に含まれる溶融スラグのように、正確な放射率が予め特定されていない溶融物である測温対象の温度を、非接触で測温することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置であって、上記測温対象から発せられる上記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部と、上記撮像部が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部と、上記最高輝度検出部が検出した最高輝度に基づいて、上記測温対象の温度を算出する温度算出部と、を有し、上記温度算出部は、上記熱放射光に対する上記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、上記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温装置が提供される。
【０００９】
この構成によれば、撮像部により、放射率が予め特定されていない溶融物の測温対象から発せられる熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像することができる。つまり、撮像部が撮像する撮像画像には、輝度分布が含まれる。なお、この輝度分布は、例えば、撮像部が有する撮像素子に応じ、各画素毎の輝度に対応した濃度（強度ともいう。）の撮像画像における分布として表されてもよい。そして、最高輝度検出部により、この撮像画像中に含まれる最高輝度を検出することができる。そして、温度算出部により、最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出することができる。この際、温度算出部は、自らが発した熱放射光の少なくとも一部を透過する測温対象の温度を、その放射率を（１−ｌｎ）〜１とすることにより、算出することができる。つまり、温度算出部は、例えばＰｌａｎｃｋの放射式やＷｉｅｎの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値とし、かつ、測温対象の熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、測温対象の温度を算出することができる。
【００１０】
また、上記温度算出部は、上記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、上記溶融スラグの温度を算出してもよい。
この構成によれば、放射率が測定できない溶融スラグの温度を、その放射率を０．９６〜１とすることにより、算出することができる。つまり、この際、温度算出部は、例えばＰｌａｎｃｋの放射式やＷｉｅｎの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を０．９６〜１のいずれかの値とし、かつ、溶融スラグの熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、溶融スラグの温度を算出することができる。
【００１１】
また、上記温度算出部は、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を上記放射率として使用してもよい。
ここでは、表面が波立っている測温対象、つまり、表面に凹凸がある測温対象の温度を測定する。波の谷間（凹部）に位置する部位において、測温対象の熱放射により発せられる光は、当該測温対象の表面から発せられる直接光以外にも、その直接光が測温対象で反射した反射光をも含む。従って、最高輝度検出部は、直接光及び反射光を含む光の輝度を、最高輝度として検出することができ、温度算出部は、この最高輝度に基づいて、測温対象の温度を算出することができる。この際、波の大きさにより、反射光を含むか否か又は何次の反射光まで含むかが異なるが、上記構成によれば、この波の大きさに応じた値を放射率として使用する。よって、より正確な温度測定が可能となる。なお、放射率を決定する際に使用される波の大きさは、直接光の反射が起こりうる大きさに適宜設定されることが望ましい。
【００１２】
また、上記温度算出部は、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として１を使用して、上記測温対象の温度を算出してもよい。
ここでは、表面が波立っている測温対象、つまり、表面に凹凸がある測温対象の温度を測定する。この構成によれば、温度算出部は、最高輝度における測温対象の放射率を１として、測温対象の温度を算出することができる。つまり、温度算出部は、例えばＰｌａｎｃｋの放射式やＷｉｅｎの式などのような高温物体の熱放射輝度と黒体との関係を用い、測温対象の放射率を１とし、かつ、測温対象の熱放射輝度を撮像画像中の最高輝度として、測温対象の温度を算出することができる。なお、上述の通り、表面に波が生じている場合、撮像部により撮像される熱放射輝度の分布には、直接光だけでなく反射光も含まれる。従って、このように波立っている溶融物の最高輝度に対する放射率は１に近づく。また、仮に、その溶融物が熱放射輝度の少なくとも一部を透過させる場合、その溶融物の厚みが厚くなるほど、見かけの放射率（実効放射率）は１に近づく。従って、この構成によれば、放射率を１と近似することにより、放射率が未知の測温対象の温度を測定することを可能にしている。
【００１３】
また、上記最高輝度検出部は、上記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる上記最高輝度を検出してもよい。
この構成によれば、最高輝度検出部は、複数枚の撮像画像の中から最高輝度を検出する。上述の通り、最高輝度検出部は、撮像画像中の最高輝度を検出するが、測温対象が溶融物であるので、測温対象の厚みや表面状態は変化し、その変化に応じて最高輝度も変化する。そこで、上記構成では、測温対象を複数枚撮像して、その複数の撮像画像にわたる最高輝度を検出することにより、厚みや表面状態に依存しない最も高い最高輝度を検出できる確率を高めることを可能にしている。例えば、測温対象の厚みに最高輝度の放射率が依存する場合、測温対象の厚みが最大となった最高輝度が検出される確率を高めることができる。また、更に例えば、測温対象の表面状態（波の形状）に依存する反射光が撮像画像に含まれる確率をも高めることができる。よって、放射測温装置の温度測定精度を向上させることができる。
【００１４】
また、上記撮像部は、上記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光する高速シャッターを有してもよい。
この構成によれば、高速シャッターにより、撮像素子を露光する時間を測温対象の流動状態（波立ちや測温対象の厚みの変化状態）に応じた所定時間にすることができる。従って、撮像部は、流動する測温対象が像流れしぼやけて撮像され、最高輝度が他の輝度と平均化されてしまうことを防止し、直接光及び反射光を含む光の輝度を撮像画像に含めることができる。
【００１５】
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、放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温方法であって、上記測温対象の上記熱放射輝度の分布を撮像する撮像ステップと、上記撮像ステップで撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出ステップと、上記最高輝度検出ステップで検出した最高輝度に基づいて、上記測温対象の温度を算出する温度算出ステップと、を有し、上記温度算出ステップでは、上記該熱放射光に対する上記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、上記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温方法が提供される。
この構成によれば、測温対象の温度を算出することができる。
【００１６】
また、上記温度算出ステップでは、上記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、上記溶融スラグの温度を算出してもよい。
【００１７】
また、上記温度算出ステップでは、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を上記放射率として使用してもよい。
【００１８】
また、上記温度算出ステップでは、上記測温対象の表面が波立った状態である場合、上記最高輝度における上記測温対象の放射率として１を使用して、上記測温対象の温度を算出してもよい。
【００１９】
また、上記最高輝度検出ステップでは、上記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる上記最高輝度を検出してもよい。
【００２０】
また、上記撮像ステップでは、高速シャッターにより、上記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、例えば高炉からの出銑流に含まれる溶融スラグのように、正確な放射率が予め特定されていない溶融物である測温対象の温度をも、非接触で測温することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る放射測温装置の構成について説明するための説明図である。
【図２】溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。
【図３】溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。
【図４】溶融スラグの厚みと実効放射率との関係について説明するための説明図である。
【図５】溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。
【図６】溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【図７】溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る放射測温装置による温度校正について説明するための説明図である。
【図９】同実施形態に係る放射測温装置の動作について説明するための説明図である。
【図１０】同実施形態に係る放射測温装置による測定例について説明するための説明図である。
【図１１】高炉から出銑される出銑流について説明するための説明図である。
【図１２】高炉から出銑される出銑流による熱放射輝度ヒストグラムについて説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、様々な溶融物である測温対象を測定することができるが、特に、正確な放射率が未知であったり、正確な放射率の測定が難しい場合など、放射率が予め特定されておらず、かつ、自らが発する熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物の測温対象を、測定することが可能である。放射率が予め特定されていない場合の例としては、例えば、測温対象が溶融していて、表面に波が発生するなど、その表面状態が流動する場合、放射率が測温対象の厚みに依存するがその厚みが予め特定されていない場合、測温対象が混合物でその混合比が予め特定されていない場合、測温対象の成分等が予め特定されていない場合などが挙げられる。本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、これらのような放射率が未知な測温対象の温度を、正確に測定することが可能である。なお、もちろん、この放射測温装置は、放射率が既知の測温対象や、あるいは溶融物ではない測温対象をも測定可能であることは言うまでもない。
【００２５】
以下では、説明の便宜上、このような測温対象として、製鉄所における高炉の出銑口から出銑される出銑流に含まれる「溶融スラグ」を例に挙げて説明する。この例の場合、出銑口からは、もちろん溶融スラグだけでなく溶銑も出銑される。本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、一つの測温対象だけでなく、例えば溶銑及び溶融スラグなどの複数の溶融物が混在した状態の測温対象をも測温することができる。本発明の一実施形態に係る放射測温装置が奏することができるこれらの効果などをより明確に説明するなどのために、この放射測温装置について説明する前に、以下で例示する高炉における温度測定の概要について、図１，図１１，図１２を参照しつつ説明する。ただし、本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、以下で例示する溶融スラグだけでなく様々な測温対象の温度を測定することができることは、上述の通りである。
【００２６】
＜１．高炉における温度測定＞
図１は、本発明の一実施形態に係る放射測温装置の構成について説明するための説明図である。図１１は、高炉から出銑される出銑流について説明するための説明図である。図１２は、高炉から出銑される出銑流による熱放射輝度ヒストグラムについて説明するための説明図である。
【００２７】
（１−１．高炉操業の概要）
製鉄所の高炉は、鉄鉱石・コークス・石灰石などから高温の還元反応を利用して溶銑及び溶融スラグを生成する。この高炉の炉底には、溶銑及び溶融スラグが滴下して湯溜まりを形成している。図１に示すように、高炉の側面における湯溜まりの位置には、出銑口１０が設けられており、この出銑口１０に貫通孔１１を開けることにより、溶銑及び溶融スラグの混合物（以下「出銑流１」ともいう。）が流出する。出銑口１０にはマッド材が充填されており、ドリル等で機械的に貫通孔１１を開孔する。貫通孔１１の開孔直後の出銑口径（貫通孔１１の口径）は、ドリル径にほぼ等しいが、出銑の経過と共に侵食され、次第に拡大する。出銑開始時は出銑流量が炉内での溶銑及び溶融スラグの生成量よりも少なく、炉内の溶銑及び溶融スラグ量は、増加する。出銑を続けると出銑口径が拡大する。この出銑口径の拡大に伴い出銑流量が増加して、炉内の湯溜まり量が低下に転じる。通常は出銑開始から２〜４時間程度で、湯面レベルが出銑口付近まで低下するので、マッド材を出銑口１０の貫通孔１１に充填して、出銑口１０を閉塞させる。このような出銑作業を繰り返しながら銑鉄が製造される。出銑された溶銑及び溶融スラグは、出銑樋１２を搬送されて、出銑樋１２後尾において比重分離される。
【００２８】
出銑口１０から取り出される出銑流の温度（以下「出銑温度」ともいう。）は、内部を直接観察できない炉下部の熱状態を知る重要な情報である。出銑温度が低下すれば炉内の還元反応の活性が悪化している可能性がある。出銑温度は時間経過にも着目する必要があり、急激な温度変化は炉内で何らかの非定常状態が発生している疑いがある。そこで、高炉を適正に操業するためには、出銑温度を測定して高炉の状況を迅速かつ的確に判断して操業アクションをとる必要がある。このように出銑温度は、常に注意深く監視すべき操業情報である。なお、溶銑及び溶融スラグは、炉内の湯溜まりの同一箇所から流出するので、両者に温度差はないことが予想される。
【００２９】
（１−２．関連技術に係る出銑温度測定方法）
次に、このような高炉で行われている関連技術に係る出銑温度の測定方法について説明する。関連技術による出銑温度の管理は、出銑樋１２の下流において、溶銑の温度を熱電対で測定するのが一般的である。この温度測定方法は、「浸漬消耗型熱電対」と呼ばれる使い捨て熱電対プローブを人手で溶銑に浸漬するバッチ的測定方法である。熱電対を使用した接触式の測温装置は、精度・信頼性の高い測温が可能である。しかし、熱電対プローブは人手で浸漬されるので、出銑流１に作業者が接近する必要があり、更に出銑流１の高温により熱電対プローブは溶解するので、再利用できない場合が殆どである。そこで、関連技術による測温は、作業者が受ける負荷や貴金属熱電対プローブのコスト等の制約から、出銑中数回の間欠的な測定に限られる。また、出銑開始からしばらくの間は、出銑樋１２を構成する耐火物により抜熱されるので、出銑樋１２下流において測定される溶銑温度は、出銑口１０から出銑された時点における温度（炉内状況を把握する上で真に知りたい温度）よりも低い恐れがある。
【００３０】
本発明の発明者らは、高温の溶融物の測温装置について鋭意研究を行った結果、出銑流から発せられる熱放射光の熱放射輝度の２次元分布を高速シャッタで撮像すると、溶銑と溶融スラグとが分離して観察できることを発見した（図１１（ｃ）等参照。）。そこで、本発明の発明者らは、この溶銑と溶融スラグとが分離して出銑されるという現象等について鋭意研究を行った結果、上記特許文献１に開示された放射測温装置を発明した。この放射測温装置は、出銑流の熱放射輝度の撮像画像中の、放射輝度に応じて撮像素子が出力した濃度（画像輝度）を解析して、濃度ヒストグラムを算出する。ここで、放射測温装置は、濃度ヒストグラム上における溶銑の像の分布ピークＰ１の画像輝度Ｌｍ（画素数が最大となる濃度）を検出することができる（図１２参照。）。その結果、放射測温装置は、溶銑像分布ピークＰ１の画像輝度Ｌｍから温度を算出することができる。本発明の発明者らが発明した関連技術に係る上記放射測温装置は、上記の接触式の測温装置などでは捉えることができない短時間の溶銑温度の変化を測定することができ、かつ、接触式の測温装置などでは作業者が近づくことができない出銑口近傍において測温できるので、非常に有用である。
【００３１】
（１−３．関連技術に係る放射測温装置の改善点）
しかしながら、高炉の操業状態を管理する上では、溶銑温度を測定するだけでなく、溶銑と同様に高炉から流出する溶融スラグの温度をも測定することが望まれていた。一方、上記関連技術に係る特許文献１に記載の放射測温装置では、この溶融スラグの温度を測定できない。そこで、更に溶融スラグの温度を測定することができるような放射測温装置の開発が希求されていた。
【００３２】
この溶融スラグの測温が望まれる場合や、上記関連技術に係る放射測温装置により溶融スラグを測温できない場合などについて、詳しく説明すると以下の通りである。
【００３３】
高炉からの出銑中は、溶銑と溶融スラグが同時に出銑口１０から流出する時間が長いが、出銑初期（出銑を開始してからの所定期間）や出銑末期（貫通孔１１をマッド材などで閉塞する前の所定期間）には、溶融スラグのみが出銑口１０から流出することがある。図１１には、出銑中の溶融スラグと溶銑の混合状態の変化の一例を示す。なお、図１１は、紙面左方に出銑口１０があり、出銑流が右方に流出している様子を示している。また、図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、出銑直後・溶銑流出開始期・安定出銑期における出銑流の放射輝度の撮像画像を表し、撮像画像の出銑流中の濃度（画像輝度）が高い部位（明部）が、溶融スラグであり、また、濃度が低い部位（暗部）が溶銑である。
【００３４】
例えば、図１１に示した例の場合には、出銑開始後約３０分程度は、図１１（ａ）に示すように溶融スラグ（明部）のみが流出する。その後数分間は、図１１（ｂ）に示すように溶銑（暗部）の流出量が徐々に増加する遷移期となる。更に時間が経過すると、図１１（ｃ）に示すように溶融スラグに対する溶銑比率が高い状態で安定する。この安定出銑期は、通常約２時間以上続き、その間溶銑が出銑される。上記関連技術に係る放射測温装置は、この熱画像上の溶銑領域（暗部の領域）に着目して溶銑温度を求める。よって、この放射測温装置は、溶銑が出銑流に含まれる溶銑流出開始期（図１１（ｂ））や安定出銑期（図１１（ｃ））において、溶銑の温度を測定して、炉内の操業状態を知ることができる。しかしながら、出銑開始後約３０分程度の溶融スラグのみが流出する期間は、溶銑の温度を介して炉内の操業状態を知ることができない。
【００３５】
一方、より効果的かつ適正に高炉の操業状態を管理するためには、高炉内の熱状況についてはより多くの情報を得る必要がある。そして、出銑開始直後の高炉内部の温度も注目すべき情報である。出銑流が１００％溶銑で構成されて溶融スラグを含まない場合はないことが経験的に知られているので、溶融スラグの温度を測定することができれば、出銑中の高炉の温度を出銑初期をも含め連続的に測定することが可能になる。従って、溶融スラグの温度を測定することができる放射測温装置の開発が希求されていた。
【００３６】
一方、上述の通り、関連技術に係る放射測温装置は、溶銑の熱放射光の放射輝度を表した撮像画像中の濃度（画像輝度）を抽出することができ、この濃度から、溶銑の温度を算出する。また、放射輝度から温度を算出するには、測温対象の放射率を定める必要があるが、溶銑の放射率は測定可能であり、一般的に知られている（約０．４程度）。しかしながら、この関連技術に係る放射測温装置により、溶融スラグを測温する場合には、この放射率などが問題となる。
【００３７】
高炉から出銑されるスラグの成分は、例えばＣａＯ，ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏなどであり、使用する原料や炉内の反応状態等により変動する。そして、これらの混合比も炉内の反応状態等により変動する。その結果、この溶融スラグの放射率は、スラグ成分の変動やそれらの混合比の変動などにより、変化すると考えられる。一方、熱画像上の濃度（観測された放射輝度に相当。画像輝度とも言う。）は、測温対象の温度と放射率の関数で表されるので、このように放射率が一定ではない溶融スラグの画像濃度はばらつきが大きい。また、溶融スラグが流動しており表面状態も常に変化することも、溶融スラグの画像濃度のばらつきを大きくしていると考えられる。例えば、図１１（ｃ）の出銑流部位のヒストグラムを求めると、図１２に示すように、溶融スラグのピークＰ２は不明瞭である。溶融スラグの濃度ピークＰ２に、濃度で約１０レベル程度の幅があれば、この幅は約２０℃以上の温度の不確かさに相当する。よって、溶融スラグの輝度に着目する方法の測温は難しい。
【００３８】
また、放射測温における放射率の不安定性による測温誤差は、黒体放射の理論式から見積もることができる。例えば、１５００℃の対象を波長０．６５μｍで観測して放射測温を行う場合、放射率を仮に０．７と仮定し、そこから放射率が±０．１変化すると、温度には±２０℃の測定誤差を生じてしまう。この誤差は、許容しうる測定誤差ではない。
【００３９】
つまり、溶融スラグの放射測温を行う場合、
（１）溶融スラグの輝度に相当する濃度の代表値を特定することが難しいこと、
（２）許容しうる程度に正確な溶融スラグの放射率を定めて温度を算出することが難しいこと、
などの問題点があり、上記関連技術に係る放射測温装置は、十分な精度で温度を測定することが困難であった。
【００４０】
以上、高炉における温度測定について説明した。
本発明の発明者らは、高炉において行われている測温や、上記関連技術に係る測温装置の問題点などについて、鋭意研究を行った結果、上記のような問題点を解明し、溶銑だけでなく溶融スラグや他の溶融物である測温対象をも測温することが可能な本発明の一実施形態に係る放射測温装置を発明した。以下、本発明の一実施形態に係る放射測温装置について説明する。
【００４１】
＜２．一実施形態＞
（２−１．概要：溶融スラグの放射率）
本発明の発明者らは、この本発明の一実施形態に係る放射測温装置を発明するにあたり、放射率が予め特定されていない溶融スラグ（測温対象の一例）において、最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）を使用すれば溶融スラグの温度を測定できることを見出した。この際、本発明の発明者らは、更に、最高画像輝度Ｌｍａｘにおける溶融スラグの見かけの放射率を、特定の値に仮定できることを見出し、その値として、溶融スラグの場合には０．９６〜１（特に望ましくは１）のいずれかの値を使用可能であることを見出した。ここで言う「見かけの放射率（実効放射率とも言う。）」とは、物質固有に定まる放射率ではなく、観察対象の状態や形状などによって変化する実効的な放射率を指す。
【００４２】
そして、この溶融スラグの放射率に対する考察に基づいて、本発明の発明者らは、他の測温対象の場合には、その測温対象から発せられる熱放射光に対する測温対象の大気との界面の反射損失（以下「界面放射損失」とも言う。）をｌｎとすると、最高輝度における測温対象の見かけの放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用することが可能であることをも見出した。この溶融スラグでない測温対象については詳しく後述する。以下では、本発明の理解が容易になるように、本発明の一実施形態の具体的な構成について説明する前に、主に、本発明の発明者らが鋭意研究を行った結果明らかにした溶融スラグの見かけの放射率について説明する。
【００４３】
溶融スラグに限らず測温対象から発せられる熱放射光として、波長λ（［ｍ］）が可視光から近赤外光の波長領域である場合、その測温対象から発せられる熱放射光の熱放射輝度Ｉｈと、測温対象の温度Ｔ（［Ｋ］）との関係は、Ｐｌａｎｃｋの黒体放射式の近似式として知られているＷｉｅｎの式で表される。すなわち、熱放射輝度Ｉｈと、測温対象の温度Ｔ（［Ｋ］）との関係は、以下の式１で表される。
【００４４】
【数１】
【００４５】
ここで、εは測温対象の放射率、ｃ1は黒体放射の第１定数（１．１９１０×１０−１６［Ｗｍ−２］）、ｃ２は黒体放射の第２定数（０．０１４３８８［ｍＫ］）、λは観測波長（［ｍ］）をそれぞれ表す。波長λは光検出器によって固定されるので、式１の右辺では、温度Ｔと放射率εが変数である。同じ温度Ｔであっても放射率εが低ければ熱放射輝度Ｉｈは小さい。放射測温ではこの熱放射輝度Ｉｈを観測する。撮像装置を使った放射測温では、観測量（出力信号）として画像輝度（濃度）Ｌが得られるが、これは熱放射輝度に対応している（通常は熱放射輝度Ｉと画像輝度Ｌが比例関係である）。従って、測定対象温度Ｔが同一であっても放射率εが低ければ画像輝度Ｌも低い。なお通常は画像輝度Ｌと黒体温度（物体を黒体と仮定した場合の見かけの温度）Ｔｂとの関係を予め実験的に求めておく。この関係は、例えば、図８のようになる。もし測定対象が黒体でない（すなわち放射率ε＜１）場合は、真の温度Ｔは黒体温度Ｔｂより高くなり、両者の関係は以下の式２で記述される。式２中の真の温度Ｔと黒体温度Ｔｂはいずれも絶対温度で与える。
【００４６】
【数２】
【００４７】
次に出銑流の熱画像について考察する。図１に示す出銑流１を撮像して、図１１（ｃ）に例示した撮像画像に含まれる濃度（画像輝度）を解析したところ、図１２に示した濃度ヒストグラムに示すように、溶銑の放射輝度に対応する濃度ピークＰ１と、溶融スラグの放射輝度に対応する濃度ピークＰ２とは、ある程度の大きさの分散を有することが判る。また、溶融スラグの濃度ピークＰ２の分散は、溶銑の濃度ピークの分散よりも大きいことも判る。この分散の大きな溶融スラグの濃度ピークＰ２に着目すると、図１２に示した例の場合、最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）は、約１７５となっており、溶融スラグの濃度ピークＰ２の中心からのズレが大きい。
【００４８】
また、溶融スラグと溶銑は炉内湯溜まりの同一個所から流出するので、両者に温度差はないものと近似でき、かつ、溶融スラグ全体での温度差もないもとの近似できる。それに対して、図１２に示すように溶融スラグでは、最高画像輝度Ｌｍａｘにおける濃度ピークＰ２の中心からのズレが大きい（このズレを「濃度差ΔＬ」とする。）。式１で、温度Ｔが一定であること、及び、濃度差ΔＬが大きいことなどから、出銑流１中の溶融スラグでは、局所的に見かけの放射率が高くなっている個所が存在することになる。
【００４９】
このように局所的に見かけの放射率が高くなっていることの理由について鋭意研究を行った結果、本発明の発明者らは、その成果として、溶融スラグについて以下の２点の特性を解明することに成功した。
特性１：溶融スラグが光学的に半透明であること
特性２：溶融スラグの熱画像には反射光が含まれること
この特性１，２について具体的に説明すると以下の通りである。なお、以下では、熱放射光の強さを物理量である熱放射輝度Ｉで表し、これに対応した観測量である画像輝度（濃度）Ｌは必要に応じて記述する。
【００５０】
（２−１−１．特性１：溶融スラグが光学的に半透明であること）
溶融スラグの見かけの放射率が局所的に高くなることについて本発明の発明者らが解明した特性１について、図２〜図４を参照しつつ説明する。ここでの説明は特性１を単独で扱い、特性２は含まないものとする。図２及び図３は、溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。図４は、溶融スラグの厚みと見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【００５１】
本発明の発明者らは、高炉出銑流中の溶融スラグの濃度ピークＰ２の分散が溶銑よりも大きく、その結果、局所的に見かけの放射率が高くなっていると思われる理由について調査した。本発明の発明者らは、出銑流１に含まれる溶融スラグを採取し分析した結果、溶融スラグの厚みが数ミリ程度であれば撮像装置が観察する波長において溶融スラグは光学的に半透明であることを発見した。
【００５２】
本発明の発明者らは、溶融スラグが光学的に半透明であること、つまり、熱放射光の少なくとも一部を透過させることに基づき、その溶融スラグの見かけの放射率等を以下のように考察する。
【００５３】
図２に示すように、出銑口１０から出銑される出銑流１には、溶銑Ｍｅと溶融スラグＳｌが含まれる。溶融スラグＳｌは、図１１（ｃ）等に示すように安定出銑期等では、溶銑Ｍｅ中に分離して混在している。図２では、この溶融スラグＳｌが混在した状態と、そこから発せられる放射輝度を模式的に示している。
【００５４】
放射輝度Ｉ１は、溶銑Ｍｅの表面から放射された放射光の輝度を表す。この放射輝度Ｉ１の放射率は、溶銑Ｍｅの放射率（約０．４）で一定である。すなわち、放射輝度Ｉ１は、温度のみの関数となる。一方、放射輝度Ｉ２，Ｉ３は、溶融スラグＳｌの表面から放射された放射光の輝度を表す。この放射輝度Ｉ２，Ｉ３の放射率は、本発明の発明者らが見出した溶融スラグＳｌの半透明性によれば、温度だけでなく、溶融スラグＳｌの厚みに依存する。従って、放射輝度Ｉ２よりも放射輝度Ｉ３の方が輝度が高い。放射輝度Ｉ３は、溶融スラグＳｌの厚みが十分に厚く、その放射率は、溶融スラグＳｌ固有の値で安定すると考えられる。これに対して、放射輝度Ｉ２は、溶融スラグＳｌの厚みが十分ではなく、かつ、溶融スラグＳｌが半透明性を有するため、溶銑Ｍｅから放射される放射輝度が加算された状態になると考えられる。
【００５５】
図３に、この溶銑Ｍｅからの放射光の一部が溶融スラグＳｌを透過し、更に、溶融スラグＳｌ自身の放射光も加わった放射輝度Ｉ２を、溶銑Ｍｅ及び溶融スラグＳｌの表面が平面であると仮定して、詳しく模式的に示す。図３中、放射輝度Ｉｓは、溶融スラグＳｌ自身から放射される放射光の輝度を表し、放射輝度Ｉｍは、溶銑Ｍｅから放射されて溶融スラグＳｌを透過した放射光の輝度を表す。一方、図３中の放射輝度Ｉは、撮像部１１０で撮像される輝度を表す。つまり、この放射輝度Ｉは、溶融スラグＳｌの表面から発せられる図２中の放射輝度Ｉ２（場合によっては、放射輝度Ｉ３）を表す。なお、本発明の一実施形態で使用される撮像部１１０については、詳しく後述する。
【００５６】
溶融スラグＳｌの厚みをｄとすると、上記放射輝度Ｉｓ，Ｉｍは、共にｄの関数として表される。従って、撮像される放射輝度Ｉ（つまり、見かけ上の放射輝度）も、溶融スラグＳｌの厚みｄの関数となる。なお、放射輝度Ｉ，Ｉｓ，Ｉｍが温度Ｔの関数でもあることは、言うまでもない。
【００５７】
ここで、放射輝度Ｉｓ，Ｉｍの光線が、溶融スラグＳｌと大気（媒質）との間の界面を垂直に通過すると仮定すれば、その界面で生じる放射輝度の損失、つまり、界面反射損失ｌｎは、幾何光学理論から下記式３で表される。
【００５８】
【数３】
【００５９】
なお、この式３中、ｎ０は大気の屈折率（１．０）を表し、ｎは溶融スラグＳｌの屈折率を表す。出銑流１に含まれ溶銑Ｍｅから分離した溶融スラグＳｌを採取して、その屈折率ｎを測定したところ、本発明の発明者らは、屈折率ｎが約１．５であることを確認した。
【００６０】
この屈折率ｎも、溶融スラグＳｌの放射率と同様に、溶融スラグＳｌに含まれる成分や混合比により若干変化すると予想されるが、説明の便宜上、ここでは、屈折率ｎを１．５と仮定する。すると、上記式１からは、溶融スラグＳｌの界面反射損失ｌｎは、約４％（ｌｎ≒０．０４）であることが判る。
【００６１】
一方、上記撮像される見かけ上の放射輝度Ｉについて考えると、以下の式４，式５で表される。なお、式４及び式５中、ｄは上述の通り溶融スラグＳｌの厚み（［ｍｍ］）を表し、εｓ（ｄ）は厚みｄに応じた溶融スラグＳｌの放射率を表し、τｓ（ｄ）は厚みｄに応じた溶融スラグＳｌの透過率を表し、εｍは溶銑Ｍｅの放射率を表す。そして、ＩｂはＷｉｅｎの式の黒体放射輝度（［Ｗ・ｍ−２・μｍ−１・ｓｒ−１］）であり、下記式６で表される。前述したのと同様、式６中、ｃ1は黒体放射の第１定数（１．１９１０×１０−１６［Ｗｍ−２］）、ｃ２は黒体放射の第２定数（０．０１４３８８［ｍＫ］）、λは観測波長（［ｍ］）をそれぞれ表す。
【００６２】
【数４】
【００６３】
なお、厳密に言えば、式４に示す放射輝度Ｉには、溶融スラグＳｌの内部における多重反射が含まれることになる。しかしながら、上記式３から計算された界面反射損失ｌｎが４％であり、かつ、溶融スラグＳｌ内の伝搬時の減衰もあるので、このような内部多重反射の成分は、無視できる程に小さい。
【００６４】
更に、上記式５中の溶融スラグＳｌの透過率τｓは、ランバート・ベールの法則と、スラグ・大気間の界面反射損失ｌｎに基づき、下記式７となる。同様に、溶融スラグＳｌの放射率εｓは下記式８で表される。なお、式７中のｋは、溶融スラグＳｌの減衰係数（［１／ｍｍ］）である。
【００６５】
【数５】
【００６６】
従って、上記式５に、この式７及び式８を代入して整理すると、溶融スラグＳｌの見かけの放射輝度Ｉは、下記式９で表される。本発明の一実施形態に係る撮像部１１０はこの放射輝度Ｉを観測する。式９で、溶融スラグＳｌの表面から発せられた放射輝度Ｉの見かけの放射率ε、つまり、見かけの放射率ε（ｄ）は、下記式１０となる。
【００６７】
【数６】
【００６８】
本発明の発明者らは、上記界面反射損失ｌｎを求めた溶融スラグＳｌの試料を使用して、減衰係数ｋを実験的に求めた。つまり、溶融スラグＳｌの試料に対して、厚みｄを測定し、本発明の一実施形態で使用する撮像部１１０が撮像する波長λと同じ波長λの光線（半導体レーザ）を試料に照射して、その透過光強度を観測した。その結果、溶融スラグＳｌの減衰係数ｋとして、０．３７［１／ｍｍ］を得た。
【００６９】
上記のｋ＝０．３７［１／ｍｍ］を式１０に代入すると、溶融スラグＳｌの厚みｄをパラメータとした見かけの放射率εの変化を表すグラフが得られる（図４参照。）。見かけの放射率εは、溶銑Ｍｅの放射率εｍ（≒０．４）から厚みｄに応じて増加して、最終的には約０．９６に集束する。この実効放射率εの集束値は、上記式１０の厚みｄを無限大とした場合の下記式１１に、界面反射損失ｌｎを代入した値からも判る。
【００７０】
【数７】
【００７１】
上記式１０や図４からも判るように、溶融スラグＳｌの厚みｄが１０ｍｍに達する付近から、見かけの放射率εは高位安定と見なせる。一方、出銑流１の直径は、約１００ｍｍ程度であり、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）等のような実際の熱画像では、表面上の溶融スラグＳｌのサイズが１０ｍｍ程度ある個所が散在するので、このような部位では溶融スラグＳｌの厚み（深さ）ｄも１０ｍｍ程度あると考えられる。
【００７２】
つまり、このような発見（特性１等）及び考察に基づいて、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの熱放射光中の最高の熱放射輝度が撮像された結果である最高画像輝度Ｌｍａｘに対応する見かけの放射率εは、約０．９６と見なすことが可能であることを見出した。なお、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの見かけの放射率εに対する上記見地から、溶融スラグ以外の測温対象についても、その測温対象が光学的に透明又は半透明である場合には、その測温対象の見かけの放射率εも上記式１１を満たすことを解明した。
【００７３】
（２−１−２．特性２：溶融スラグの熱画像には反射光が含まれること）
次に、溶融スラグの見かけの放射率が局所的に高くなることについて本発明の発明者らが解明した特性２について、図５〜図７を参照しつつ説明する。ここでは説明を判り易くするため、上記特性１の説明において「溶融スラグの表面が平坦である場合に放射率が溶融スラグの厚みの関数となる」と説明した見かけの放射率のことを「平坦表面放射率」と呼び単にεと記す。そして、平坦表面放射率が溶融スラグの表面形状に依存して変化することを「見かけの放射率」（記号Ｅ）として扱う。図５は、溶融スラグの見かけの放射率について説明するための説明図である。図６及び図７は、溶融スラグの平坦表面放射率と見かけの放射率との関係について説明するための説明図である。
【００７４】
本発明の発明者らは、高炉出銑流中の溶融スラグの濃度ピークＰ２の分散が溶銑よりも大きく、その結果、局所的に見かけの放射率が高くなっていることについて、前述の特性１以外にも原因がないかを調査した。その結果、本発明の発明者らは、溶融スラグの熱画像には反射光が含まれることを発見した。つまり、本発明の発明者らは、溶融スラグの放射率等を以下のように考察する。
【００７５】
高炉から出銑される出銑流１は、溶融物であり流動しており、その表面には波が発生している。特に溶融スラグは粘性が高く、出銑流１の溶融スラグの表面状態は、波・凹凸・隆起などが発生した平坦ではない形状を有する。図５には、この溶融スラグＳｌの表面Ｓの状態を示す。この溶融スラグＳｌの表面Ｓからは、その温度Ｔと放射率ε（平坦表面放射率）に応じた熱放射輝度（直接光Ｉ０）の熱放射光が発せられる。本発明の一実施形態に係る撮像部１１０が撮像する熱放射光を考えると、溶融スラグＳｌの表面Ｓからの直接光Ｉ０だけでなく、別の個所から発せられた直接光Ｉ０が溶融スラグの表面Ｓで反射した反射光Ｉｒｉ（ｉは反射回数を表した自然数）も、撮像部１１０により同時に撮像される。よって、撮像部１１０に撮像される見かけの放射光Ｉは、近似式１２で表される。
【００７６】
【数８】
【００７７】
光学におけるキルヒホッフの法則によれば放射率εは、光の吸収率ａと等しく、光の反射率ｒは、ｒ＝１−ａ＝１−εと表される。従って、溶融スラグ上の各反射光Ｌｒｉの濃度Ｉｒｉは、反射回数ｉ及び反射率ｒにより式１３，１４で表される。
【００７８】
【数９】
【００７９】
この式１３中、Ｉｂは黒体放射輝度を表す。式１３により、式１２は、下記式１５及び式１６のように表される。
【００８０】
【数１０】
【００８１】
従って、撮像部１１０の撮像素子に撮像される放射輝度Ｉの見かけの放射率Ｅは、溶融スラグの平坦表面放射率εにより下記式１７で表される。
【００８２】
【数１１】
【００８３】
これらの式から計算される、平坦表面放射率εと反射光を含む見かけの放射率Ｅとの関係を図６及び図７に示す。図６及び図７には、反射光が含まれない場合（平坦表面放射率ε）、１次反射光（ｉ＝１）が含まれる場合、２次反射光（ｉ＝１，２）まで含まれる場合、３次反射光（ｉ＝１，２，３）まで含まれる場合のそれぞれの見かけの放射率Ｅを示した。なお、図７は、平坦表面放射率ε及び見かけの放射率Ｅが０．９〜１の範囲における図６の拡大図である。
【００８４】
図６及び図７に示すように、反射光が重なり合えば、見かけの放射率Ｅは、平坦表面放射率εよりも１に近づくことが判る。溶融スラグが厚く、平坦表面放射率εが１に近いほど、見かけの放射率Ｅも１に近づくが、平坦表面放射率εが１に近くなくても、上述のように反射光を含み、その反射数が高くなると、見かけの放射率Ｅは１に近づくこととなる。溶融スラグのような溶融物は流動しているため、その表面状態には波が存在し、見かけの放射光には、高次の多重反射光が含まれうる。
【００８５】
例えば溶融スラグが厚くて溶融スラグの平坦表面反射率εが０．９６であり、更に、１次反射光が含まれる場合には、撮像部１１０に撮像される光の見かけの放射率Ｅは、０．９９８となる。見かけの放射率Ｅが０．９９８であれば、放射率を１と仮定したとしても測温誤差は僅か０．３℃であり、実用上全く問題にならない。さらに、例えば２次以上の反射光を含む場合には、見かけの放射率は、ほぼ１．０００となり、測定誤差を更に低減することが可能となる。
【００８６】
つまり、このような発見（特性２等）及び考察に基づいて、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの表面が波立っている場合、最高輝度に対応する見かけの放射率Ｅは、半透明性による平坦表面放射率εの最大値よりも１に近づくことを見出した。なお、本発明の発明者らは、溶融スラグＳｌの見かけの放射率Ｅに対する上記見地から、溶融スラグ以外の測温対象についても、その測温対象が溶融物で表面が波立っている場合には、その測温対象の見かけの放射率Ｅも、平坦表面放射率又は真の放射率より１に近づくことを解明した。
【００８７】
（２−１−２．見かけの放射率のまとめ）
以上、本発明の発明者らが、出銑流１中の溶融スラグで局所的に見かけの放射率が高くなっていること等について鋭意研究を行った結果明らかにした溶融スラグの特性１，２と、その特性１，２に基づき今回初めて明らかにした溶融スラグの見かけの放射率Ｅについて説明した。この見かけの放射率Ｅについてまとめると、以下の条件１，２が言える。
【００８８】
条件１：溶融スラグは光学的に半透明であり、この場合、最高輝度（最高画像輝度Ｌｍａｘ）における溶融スラグの見かけの放射率εは０．９６と見なすことができる。
条件２：溶融スラグの表面が波立っている場合、撮像画像には１重又は多重反射光が含まれるため、最高輝度（最高画像輝度Ｌｍａｘ）における溶融スラグの見かけの放射率Ｅは、上記条件１の放射率（平坦表面放射率ε）から更に１に近づく。
【００８９】
従って、本発明の一実施形態に係る放射測温装置は、溶融スラグを測定する場合、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する放射率Ｅとして０．９６〜１のいずれかの値を使用して、溶融スラグの温度Ｔを、より正確に求めることを可能にしている。以下、この本発明の一実施形態に係る放射測温装置について具体的に説明する。
【００９０】
（２−２．放射測温装置１００の構成）
図１に、本発明の一実施形態に係る放射測温装置１００の構成を示す。
図１に示すように、本実施形態に係る放射測温装置１００は、撮像部１１０と、画像処理部１２１と、画像データ記憶部１２２と、最高輝度検出部１２３と、温度算出部１２４と、校正データ記憶部１２５と、表示部１３１と、温度データ記憶部１３２とを有する。
【００９１】
撮像部１１０は、出銑口１０から出銑され樋カバー１３に隠れるまでの間の出銑流１から発せられる熱放射光の熱放射輝度の２次元分布（「熱放射輝度分布」ともいう。熱放射輝度の分布の一例）を撮像する。撮像部１１０は、特に流動する溶融物の一例であり出銑流に含まれる溶融スラグの熱放射輝度を撮像する。この撮像部１１０は、出銑流１に近接される必要はなく、遠隔撮像が可能である。また、撮像部１１０は、出銑流１の飛散や周囲の温度などを考慮して、撮像面前方に冷却ガスが吹き出す空冷ジャケットに収納されることが好ましい。撮像部１１０は、熱放射輝度分布を撮像するために、波長選択フィルタと、高速シャッターと、撮像素子とを有する（図示せず）。
【００９２】
波長選択フィルタは、波長選択部の一例であり、撮像素子へと透過する光の波長を選択する。波長選択フィルタとしては、例えば中心透過波長が０．６５μｍのフィルタを使用することができる。この波長選択フィルタは、測温対象が放射した光の光路上において、撮像素子の上流側に配置される。つまり、波長選択フィルタが配置されることにより、撮像素子は、ほぼ一定の波長λの輝度のみを捉えることができる。よって、後述する温度算出時の波長λは、この波長選択フィルタによって決定される。しかし、ほぼ一定の波長λのみを撮像することが可能な撮像素子を使用すれば、波長選択フィルタを省略することも可能である。
【００９３】
高速シャッターは、撮像素子が所定の時間で露光されるように、露光時間を調整する。高速シャッターは、例えば、撮像素子の露光時間を電子的に制御する電子シャッターである。溶融スラグを含む出銑流は、例えば５〜１０ｍ／ｓｅｃの噴出速度で出銑される。よって、高速シャッターによる露光時間は、溶融スラグの流動状態に応じた時間、つまり、この出銑流が、「像流れ」しない程度の時間に設定される。換言すれば、露光時間は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示したように、出銑流が像流れしてぼやけて撮像されることを防ぎ、かつ、溶銑と溶融スラグによるマーブル模様を撮像することが可能な時間に設定される。溶融スラグは、乱流状態で流出しているので、噴出方向へと移動するだけでなく出銑流の内部で対流しており、溶融スラグの表面の状態（波立ち、凹凸状態）は、時事刻々と変化している。ここでは、例えば移動している状態や対流している状態などのように、表面が波立ち、かつ、表面状態が変化しうる溶融スラグ（溶融物である測温対象）の状態を「流動状態」ともいう。一方、撮像部１１０の撮像画像には、像流れせず、かつ、ぼやけていない溶融スラグの表面状態が明瞭に撮像されることが好ましい。従って、露光時間は、この溶融スラグの流動状態に応じた所定の時間に設定されることが好ましい。
【００９４】
例えば、溶融スラグの噴出速度が５〜１０ｍ／ｓｅｃの場合には、露光時間は１／５０００ｓｅｃ以下であることが好ましく、更に１／１００００ｓｅｃ以下であることが好ましい。なお、露光時間が１／１００００ｓｅｃの場合、出銑流は露光中に約１ｍｍ程度進むことになる。露光時間は、これらの例に限定されず上述の通り、溶融スラグの表面状態を像流れせずに撮像しうる時間に設定される。また、露光時間が短すぎる場合には、光量不足などにより画像輝度にノイズが発生し温度の算出精度が低下する可能性があるので、露光時間の下限は集光レンズや撮像素子の感度等にも依存する。
【００９５】
撮像素子は、撮像面を形成し、出銑流１から放射された熱放射光を捉え、その輝度に応じた電気信号に変換する。つまり、この電気信号の大きさには、出銑流１の熱放射光の熱放射輝度が反映される。この電気信号の大きさのことを、ここでは「濃度」や「強度」というが、輝度を反映しているという意味で「輝度（画像輝度）」ともいう。デジタル化されて扱われる撮像素子の濃度の階調数は、例えば、溶融物の流動状態・粘性・放射測温装置１００の測温精度などに応じて設定される。例えば階調数が８ｂｉｔの２５６階調に設定される場合、１階調の変化は、温度で約２℃程度の変化に相当する。撮像部１１０が撮像する撮像画像の空間的な解像度、つまり画素数は、撮像面を形成する撮像素子の個数などに依存する。この画素数は、測温対象である溶融物の表面状態を捉えうる値に設定される。なお、撮像素子としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの様々なモノクロイメージセンサ（特にモノクロに限定はされない。）を使用することができる。この撮像素子で撮像される画像のことを、「撮像画像」や「画像」ともいい、熱放射輝度を捉えた画像であるという意味で「熱画像」ともいう。この撮像画像中の各画素は、それぞれ対応する撮像素子が捉えた放射光の輝度に応じた濃度（画像輝度）を値として格納する。つまり、濃度は、放射光の輝度に応じた値を有して、各画素の位置に応じて撮像画像中に分布している（図１１参照。）。この撮像画像について、濃度の大きさに対して、各濃度階調の画素の個数の分布状態を表したヒストグラムを、ここでは「熱放射輝度ヒストグラム」や「濃度ヒストグラム」等ともいう（図１２参照。）。なお、カラーイメージセンサを用いる場合は、例えばＲＧＢの３色で画素を構成しているときには特定の１色の濃度あるいは３色の平均濃度と放射光の輝度とを対応付けるようにすればよい。その他のタイプのカラーイメージセンサを用いても良いことは明らかである。
【００９６】
なお、このように構成される撮像部１１０は、黒体炉を利用して温度校正され、例えば露光時間などの設定値が校正を行ったときの設定に固定される。この撮像部１１０の校正について、図８を参照しつつ説明する。図８は、本実施形態に係る放射測温装置による温度校正について説明するための説明図である。
【００９７】
まず、例えば露光時間、レンズの絞りや焦点距離などの設定を、撮像部１１０の配置場所及び撮像対象（ここでは出銑流１）などに合わせて調整する。そして、撮像部１１０により、黒体炉（温度を高精度に制御できる放射率１の基準放射源）を測定する。この測定を黒体炉の温度を変更しながら行う。その結果、黒体炉の温度と、その黒体の放射輝度を撮像した際の画像輝度（濃度）との関係を対応付ける「校正データ」が測定される。この校正データの例を図８に示す。更に、校正データから、図８に示す黒体温度と画像輝度（濃度）との検量線を、引数を画像濃度とし出力値を黒体温度とする関数にフィッティングする。そして、関数にフィッティングされた校正データを、校正データ記憶部１２５に記録する。なお、図８に示した校正データは、撮像部１１０の構成や設定値により異なる。かかる校正を行うことにより、撮像部１１０を２次元放射計として使用することができる。
【００９８】
画像処理部１２１は、撮像部１１０が撮像した熱画像を取り込み、空間フィルタなどを用いて熱画像にスムージング処理を施す。画像処理部１２１は、スムージング処理として、例えば、熱画像の各画素の濃度を、隣接する複数の画素（例えば３画素）で平均化する。このようにスムージング処理を施すことにより、熱画像中のノイズを低減させることができる。スムージング処理が施された熱画像は、最高輝度検出部１２３に出力される。また、この熱画像は、画像データ記憶部１２２に記録されてもよい。
【００９９】
なお、この際、画像処理部１２１は、溶融スラグの表面状態を検出してもよい。より具体的には、画像処理部１２１は、例えば、図１１に示すような熱画像から出銑流１の領域を抽出し、その領域と他の領域との境界（つまり、溶融スラグを含む出銑流１の表面）を抽出する。そして、画像処理部１２１は、この境界から出銑流１にどの程度の大きさの波又は凹凸が生じているかを検出してもよい。なお、ここでは、上記境界から波等の大きさを検出する場合について説明しているが、画像処理部１２１は、出銑流１の表面を表す熱画像から直接、波等の大きさを検出することも可能である。この検出された波等の大きさは、温度算出部１２４に出力されたり、画像データ記憶部１２２に記録され、後述の温度算出過程において使用されうる。
【０１００】
最高輝度検出部１２３は、画像処理部１２１が画像処理した熱画像中から、放射輝度が最も高い輝度を検出する。つまり、最高輝度検出部１２３は、輝度に対応した各画素の濃度中、最高濃度を検出する。最高輝度検出部１２３が検出する最高濃度は、図１２に示した濃度ヒストグラムの例で言えば、横軸の画像濃度が最も大きい値を示す。なお、ここでは、最高濃度は、最も高い輝度に対応するという意味で「最高画像輝度Ｌｍａｘ」ともいう。
【０１０１】
この最高輝度検出部１２３は、１枚の熱画像中から最高画像輝度Ｌｍａｘを検出してもよいが、画像データ記憶部１２２に記録された連続する（短時間で撮像された）複数枚の熱画像中から、その複数枚の熱画像にわたって最も高い濃度を、最高画像輝度Ｌｍａｘとして検出してもよい。以下で説明するように、放射測温装置１００は最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）に基づいて測温対象の温度を算出するが、最高輝度検出部１２３が複数枚の熱画像から最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、更に溶融スラグの測温精度を向上させることができる。
【０１０２】
温度算出部１２４は、最高輝度検出部１２３が検出した最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高輝度の一例。最高濃度ともいう。）に基づいて、測温対象の一例の溶融スラグの温度を算出する。この際、温度算出部１２４は、上述の校正データ記憶部１２５に予め記憶された撮像部１１０の校正データを使用し、かつ、最高画像輝度Ｌｍａｘにおける溶融スラグの見かけの放射率Ｅとして０．９６〜１のいずれかの値を使用して、溶融スラグの温度を算出する。つまり、温度算出部１２４は、上記条件１，２で説明したように、「溶融スラグの最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを０．９６〜１のいずれかの値と仮定可能であること」を利用することにより、溶融スラグの温度Ｔを算出する。
【０１０３】
より具体的に説明すると、温度算出部１２４は、まず、最高画像輝度Ｌｍａｘから溶融スラグの黒体温度（溶融スラグを黒体と仮定した場合の見かけの温度）Ｔｂを、図８に例示した校正データに基づいて求める。そして、溶融スラグに対して設定した放射率Ｅに基づいて、下記式１８により、真の溶融スラグ温度Ｔを算出する。なお、式１８中では黒体温度Ｔｂと、真の溶融スラグ温度Ｔを絶対温度で扱う。最高画像輝度Ｌｍａｘにおける溶融スラグの放射率を１とする場合、温度算出部１２４は、校正データの関数に最高画像輝度Ｌｍａｘ（最高濃度）を代入して黒体温度Ｔｂを算出し、これを溶融スラグの温度Ｔとする。
【０１０４】
【数１２】
【０１０５】
この溶融スラグの温度Ｔを算出する際、温度算出部１２４は、上述の通り、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅとして０．９６〜１のいずれかの値を使用する。この際、放射率Ｅは、予め適切な値に設定されてもよいが、この放射率Ｅの選択は、例えば、以下のように行われることが望ましい。
【０１０６】
例えば、温度算出部１２４は、単純に、見かけの放射率Ｅを１に設定することが可能である。上記条件１，２で説明した通り、見かけの放射率Ｅは、溶融スラグが半透明であるため０．９６と見なすことができ、かつ、波が存在すれば更に１に近づく。仮に、放射率Ｅを１に設定したが、反射光が含まれず実際の見かけの放射率Ｅが０．９６程度であったとしても、この場合の測定誤差は、約５℃程度であり、実用上許容しうる測温が可能である。一方、図７からも判るように、１次反射光Ｉｒ１が含まれるだけで見かけの放射率Ｅは、０．９９８と非常に１に近づくため、このように放射率Ｅを１に設定した場合には、より精度の高い測温が可能となる。
【０１０７】
なお、出銑流１の波立ちが小さく、放射率Ｅが１と見なせるほど多重反射が生じる箇所がない撮像画像が、撮像部１１０により撮像されることも考えられる。そこで、最高輝度検出部１２３が、短時間に撮像され画像データ記憶部１２２に記録された複数枚の撮像画像にわたる最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、温度算出部１２４は、見かけの放射率Ｅが１に近づくのに十分な多重反射が生じる確率を高め、測温精度を向上させることができる。また、このことは、条件１にも当てはまる。つまり、溶融スラグの厚みが薄く、平坦表面放射率εが０．９６よりも小さい撮像画像が、撮像部１１０により撮像されることも考えられる。この場合にも、最高輝度検出部１２３が、短時間に撮像され画像データ記憶部１２２に記録された複数枚の撮像画像にわたる最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、温度算出部１２４は、平坦表面放射率εが０．９６に近づく確率を高めて、測温精度を向上させることができる。
【０１０８】
また、例えば、温度算出部１２４は、画像処理部１２１が溶融スラグの表面状態を検出している場合、溶融スラグの表面に生じている波の大きさに応じた値に、放射率Ｅを設定することも可能である。この場合、例えば、反射光が含まれうる波の大きさを予め測定して閾値とし、温度算出部１２４は、この閾値と、画像処理部１２１が検出した波の大きさとに基づいて、反射光の有無を判断する。そして、温度算出部１２４は、反射光が含まれない場合には、放射率Ｅを０．９６に設定し、反射光が含まれる場合には、放射率Ｅを１に設定することも可能である。溶融スラグのように平坦表面放射率εが０．９６と１に近くはない測温対象を測定する場合には、図６に示すように、見かけの放射率Ｅは、含まれる反射光の反射回数に応じて、段階的に変化する。従って、上記の溶融スラグに対する反射光の選択のための閾値を、含まれる反射光の反射回数毎に設定し、温度算出部１２４に、放射率Ｅを段階的に調整させることも可能である。なお、この反射率Ｅを、段階的に調整する場合と同様に、連続的に変化させることももちろん可能である。
【０１０９】
引き続き図１を参照し、放射測温装置１００が有する他の構成について説明すると以下の通りである。
表示部１３１は、温度算出部１２４が算出した溶融スラグの温度Ｔを表示する。この溶融スラグの温度Ｔは、上述の通り、同じ湯溜まりから出銑された溶銑の温度ともほぼ等しく、また、高炉の湯溜まりから出銑された直後であるため湯溜まりの温度をも反映している。従って、放射測温装置１００によれば、湯溜まりの温度をより正確に測定することができる。また、温度算出部１２４が算出した溶融スラグの温度Ｔは、温度データ記憶部１３２に記録されてもよい。放射測温装置１００は、関連技術に係る接触式の測温装置の間欠測温に比べて、秒オーダーのごく短い時間間隔で測定を繰り返すことができる。よって、温度データ記憶部１３２に測定温度Ｔを記録することで、高炉の内部の温度の変化を連続的に測定することができる。
【０１１０】
（２−３．放射測温装置１００の動作）
次に、本実施形態に係る放射測温装置１００の動作について、図９を参照しつつ説明する。図９は、本実施形態に係る放射測温装置の動作について説明するための説明図である。
【０１１１】
まず、ステップＳ０１が処理され、撮像部１１０が、測温対象である溶融スラグを含む出銑流１から熱放射された放射光を撮像する。この撮像画像は、画像処理部１２１に出力される。そしてステップＳ０３に進む。
【０１１２】
ステップＳ０３では、画像処理部１２１が撮像画像に上記スムージング処理などを施す。そして、画像処理部１２１は、撮像画像を、最高輝度検出部１２３に出力すると共に画像データ記憶部１２２に記録する。なお、このステップＳ０３では、画像処理部１２１が、溶融スラグの表面状態、つまり、波（凹部）の大きさも検出することが望ましい。そしてステップＳ０５に進む。
【０１１３】
ステップＳ０５では、最高輝度検出部１２３が、画像処理部１２１から出力された１枚の撮像画像、又はこの１枚の撮像画像を含む画像データ記憶部１２２に記録された複数枚の撮像画像（短時間に撮像された複数枚の撮像画像）から、最高輝度に相当する最高画像輝度Ｌｍａｘを検出する。なお、上述の通り最高画像輝度Ｌｍａｘは、溶融スラグの厚みに依存した平坦表面放射率εの直接光Ｉ０と、その表面状態に依存した反射光Ｉｒｉ（ｉは放射光の反射回数を表した自然数）と、を含む見かけの輝度に対応しており、比較的厚い溶融スラグかからの直接光Ｉ０や多重反射した反射光Ｉｒｉを含むことが望ましい。従って、最高輝度検出部１２３が複数枚の撮像画像から最高画像輝度Ｌｍａｘを検出することにより、比較的厚い溶融スラグかからの直接光Ｉ０や、多数回反射した反射光Ｉｒｉをより多く含む見かけの輝度が撮像画像に撮像されている確率を高めることができ、放射測温装置１００の測温精度を向上させることができる。次にステップＳ０７に進む。
【０１１４】
ステップＳ０７では、温度算出部１２４により、見かけの放射率Ｅが設定される。なお、この際、温度算出部１２４は、単純に、予め設定された値（例えば１）を放射率Ｅに設定することも可能であるが、更に、ステップＳ０３で検出された波の大きさに応じた値を放射率Ｅに設定することも可能である。次にステップＳ０９に進む。
【０１１５】
ステップＳ０９では、温度算出部１２４が、最高輝度検出部１２３が検出した最高画像輝度Ｌｍａｘと、図８に例示した校正データの関数とに基づいて黒体温度Ｔｂを算出する。そして、黒体温度Ｔｂと放射率Ｅとを式１８に代入して溶融スラグの温度Ｔを算出する。そしてステップＳ１１に進む。
【０１１６】
ステップＳ１１では、温度算出部１２４が算出した溶融スラグの温度Ｔが、表示部１３１に表示され、かつ、温度データ記憶部１３２に記録される。この際、表示部１３１は、温度の時間変化を履歴としてグラス表示させてもよいことは言うまでもない。そしてステップＳ１３に進む。
【０１１７】
ステップＳ１３では、放射測温装置１００が、測温が停止されたか否かを確認する。例えば、放射測温装置１００の上位の制御装置による指令値・ユーザの入力値・高炉の出銑状態などに応じて、測温が自動的に停止されてもよい。そして、測温が停止された場合には、放射測温装置１００は、動作を終了し、測温が停止されていない場合には、放射測温装置１００は、上記ステップＳ０１以降の処理を繰り返し行う。従って、放射測温装置１００は、溶融スラグの温度Ｔを連続的に撮像することができる。なお、放射測温装置１００は、ステップＳ０１〜ステップＳ１０の処理を、例えば１秒間に１回以上繰り返し行うことも可能である。
【０１１８】
（２−４．放射測温装置１００による測定例）
次に、本実施形態に係る放射測温装置１００の測定例について、図１０を参照しつつ説明する。図１０は、本実施形態に係る放射測温装置による測定例について説明するための説明図である。ここでは、操業中の高炉に対して、本実施形態に係る放射測温装置１００により、出銑口１０から出銑される溶融スラグの温度Ｔを測定した。また、放射測温装置１００の性能を比較するために、出銑樋１２の下流において、関連技術に係る接触式の測温装置である熱電対を出銑流１に浸漬することにより、出銑流１の測温を行った。出銑流１の温度と溶融スラグの温度Ｔとはほぼ等しくなることが予想される。
【０１１９】
なお、熱電対としては、通常使用されるＲ熱電対（操業で使用されている浸漬消耗型熱電対）を使用した。また、撮像部１１０としては、モノクロＣＣＤカメラを使用して、高速シャッターの露光時間を１／１００００秒として高速露光で撮像した。また、撮像素子の階調数は、８ｂｉｔの２５６階調とした。そして、波長選択フィルタにより、λ＝０．６５の光を透過させて撮像素子に撮像させた。この撮像部１１０を、予め黒体炉で温度校正し、校正データを校正データ記憶部１２５に記録させた（図８参照。）。また、溶融スラグの温度Ｔを求める際に使用する最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅとしては、１を使用した。
【０１２０】
そして、高炉の出銑開始から約３時間の間、放射測温装置１００は、所定の時間間隔で連続的な測温を行い、一方、熱電対により、おおむね３０分間隔で間欠的に測温を行った。また、図１に示すように、撮像部１１０により、高炉の出銑口１０から出銑する溶銑・溶融スラグの噴流を横方向から撮像した。その結果、図１１に示したような熱画像が撮像された。
【０１２１】
放射測温装置１００の測温結果の履歴を図１０に示した。表示部１３１が履歴をグラフ表示させる場合、図１０に示すグラフが表示されてもよい。図１０には、放射測温装置１００による測温結果と共に、熱電対による測定結果を比較のために表示した。図１０に示すように、放射測温装置１００の測温結果と、熱電対の測温結果とが精度よく一致することが確認された。つまり、本実施形態に係る放射測温装置１００が溶融スラグの温度Ｔを精度よく測定可能であることが判る。また、熱電対による測定に比べて、放射測温装置１００は、連続的な測温が可能である。
【０１２２】
（２−５．放射測温装置１００による効果の例）
以上、本発明の一実施形態に係る放射測温装置１００について説明した。この放射測温装置１００によれば、最高画像輝度Ｌｍａｘから温度Ｔを算出することにより、表面が波立つ溶融物の一例である溶融スラグの温度Ｔを正確に測定することができる。この際、放射測温装置１００は、溶融スラグの正確な放射率εが判っている必要はない。関連技術に係る上記特許文献１の放射測温装置は、溶銑の流出が無ければ出銑流１の測温を行うことは難しかったが、本実施形態に係る放射測温装置１００、溶融スラグの温度Ｔを測定することにより、溶銑があまり含まれない出銑流１（例えば出銑開始後の約数十分間）の温度をも測定することができる。また、放射測温装置１００は、連続的な測温が可能であるので、高炉内部の温度の時間変化を測定することが可能である。従って、高炉内部の熱状況について、これまでより多くの情報を得ることができ、高炉操業をより安定させることができる。この際、放射測温装置１００は、溶融物の一例である溶融スラグの平坦表面放射率εは０．９６に近似する。そして、放射測温装置１００は、溶融スラグの表面が大きく波立っている場合、見かけの放射率Ｅを１と近似する。その結果、測定誤差を減少させることができる。従って、放射測温装置１００は、著しく波立つような溶融物の温度を測定できるだけでなく、関連技術では測温を困難にしていた著しい波立ちを逆に利用して、測温精度を向上させることができる。更にこの際、放射測温装置１００は、出銑開始初期のように溶融スラグが大半を占める場合だけでなく、溶銑と不均一に混合されて混濁した状態であっても、溶融スラグの最高輝度を検出して測温することが可能である。
【０１２３】
更に、本実施形態に係る放射測温装置１００は、出銑口１０の近傍に配置される必要はなく、ある程度離れた場所から溶融スラグの温度Ｔを遠隔測定することができるので、例えば出銑流１の熱放射・スプラッシュ飛散などに対する環境対策が簡便である。また、放射測温装置１００は、出銑口１０から出銑された直後の溶融スラグの温度を測定できるので、出銑樋１２の下流で測定を行う関連技術に係る熱電対よりも、炉内温度に近い溶融スラグの温度を測定することができる。
【０１２４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１２５】
例えば、上記実施形態では、測温対象である流動する溶融物の一例として、溶融スラグを例に説明したが、本発明はかかる例に限定されるものではない。溶融スラグ以外の測温対象を測温する場合について、説明すれば、以下の通りである。
【０１２６】
上記実施形態では、溶融スラグから発せられる熱放射光の最高輝度に相当する最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを、条件１，２に基づき０．９６〜１に近似した。これに対して、本発明の発明者らは、溶融スラグの特性１，２に対する考察に基づいて、溶融スラグ以外の測温対象についても、最高画像輝度Ｌｍａｘを用いれば、同様に測温が可能であることを見出した。この場合、上記条件１，２は、それぞれ下記条件３，４と言い換えることが可能である。
【０１２７】
条件３：測温対象が熱放射輝度の少なくとも一部を透過する場合、つまり、測温対象が光学的に半透明か透明である場合、その測温対象の大気との界面の反射損失ｌｎとすると、式１１より、その最高画像輝度Ｌｍａｘにおける見かけの放射率（平坦表面放射率）εは（１−ｌｎ）と見なすことができる。
条件４：測温対象の表面が波立った状態である場合、つまり、測温対象の表面に凹部が存在する場合、撮像画像には１重又は多重反射光が含まれるため、その最高画像輝度Ｌｍａｘにおける見かけの放射率Ｅは、上記条件３の平坦表面放射率ε（条件１を満たさない場合には真の放射率）よりも更に１に近づく。
【０１２８】
なお、上記実施形態の溶融スラグの場合も同様であるが、測温対象は、上記条件３，４（条件１，２）の両方を満たす必要は必ずしもなく、どちらか一方を満たせば、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを所定の値に近似することが可能となる。例えば、測温対象が光学的に半透明であるが、その表面が平坦な場合、つまり、条件３を満たすが、条件４を満たさない場合には、放射測温装置１００は、条件３から、その測温対象の最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを（１−ｌｎ）に近似することが可能である。逆に、例えば、測温対象が光学的に透明でもなければ半透明でもないが、その表面が波立った状態である場合、つまり、条件３を満たさないが、条件４を満たす場合には、放射測温装置１００は、その測温対象の真の放射率が予め特定されていないとしても、条件４から、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを１に近似することが可能である。
【０１２９】
この条件３を満たさず条件４を満たす場合について、例を挙げて説明する。仮に、真の放射率εが０．７付近で変動する測温対象について、放射測温装置１００が、その最高輝度に相当する最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを１に近似して温度を測定したと仮定する。この場合、放射率εが±０．１変化すれば、その測定誤差は±２０℃程度となり、実用上許容しうる誤差とは言い難い。一方、上記のように波立ちが起こっていて、最高画像輝度Ｌｍａｘを使用し、かつ、見かけの放射率Ｅとして１を使用する場合、その最高画像輝度Ｌｍａｘには、１重又は多重反射光が含まれる。図６からも判るように、その見かけの放射率Ｅは、２次反射光までが含まれる場合、０．９７となる。この場合、見かけの放射率Ｅを１としておけば、測定誤差は５℃程度となり、実用上許容しうる精度が確保できる。従って、測温対象の真の放射率εが１に近ければ近いほど、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅも１に近づくが、たとえ、真の放射率εが１と近似できるほど１に近くないとしても、１次反射光、２次反射光、そして更に多重の反射光が重なり合えば、最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを１に近似して、精度良く測温することが可能である。
【０１３０】
なお、上記条件３を満たす場合には、上記実施形態で説明した溶融スラグと同様に、放射測温装置１００は、条件３，４から、測温対象の最高画像輝度Ｌｍａｘに対する見かけの放射率Ｅを（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値に近似することにより、条件４を満たすか否かには関係なく、測温精度を高めることが可能である。
【０１３１】
また、放射測温装置１００は、液体表面に凹凸が生じる乱流として流動する様々な溶融を測定することもできる。つまり、放射測温装置１００は、光学的に半透明であったり透明であるか、表面が波打っている溶融物であれば、様々な溶融物を測定することができる。この際、溶融物は、溶融スラグのようにある程度の粘性を有し、表面状態に凹凸や隆起が生じているほど、多くの多重反射が発生しうるため、測温精度を高めることができる。また、溶融物自体の正確な放射率εは、上述の通り未知であってもよいが、ある程度１に近い値である場合には、更に正確な測温が可能となる。更に、溶融物は、上記出銑流１のように複数の溶融物が混合したものであっても、測温可能である。この場合、混合された溶融物同士は、マーブル状に分離して撮像されることが望ましく、放射測温装置１００は、混合された溶融物中の放射率が高い方の溶融物の温度を測定することにより、混合された溶融物の温度を測定することが可能である。
【０１３２】
また、例えば、上記各実施形態で説明した一連の処理は、専用のハードウエアにより実行させてもよいが、ソフトウエアにより実行させてもよい。一連の処理をソフトウエアにより行う場合、汎用又は専用のコンピュータにプログラムを実行させることにより、上記の一連の処理を実現することができる。コンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録装置と、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）・インターネット等のネットワークに接続された通信装置と、マウス・キーボード等の入力装置と、フレキシブルディスク、各種のＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）・ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）ディスク・ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスク、磁気ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体等を読み書きするドライブと、モニタなどの表示装置・スピーカやヘッドホンなどの音声出力装置などの出力装置等と、を有してもよい。そして、このコンピュータは、記録装置・リムーバブル記録媒体に記録されたプログラム、又はネットワークを介して取得したプログラムを実行することにより、上記一連の処理を実行してもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１ 出銑流
１０ 出銑口
１１ 貫通孔
１２ 出銑樋
１３ 樋カバー
１００ 放射測温装置
１１０ 撮像部
１２１ 画像処理部
１２２ 画像データ記憶部
１２３ 最高輝度検出部
１２４ 温度算出部
１２５ 校正データ記憶部
１３１ 表示部
１３２ 温度データ記憶部
Ｓｌ 溶融スラグ
Ｍｅ 溶銑
Ｓ 表面
Ｌｍａｘ 最高画像輝度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置であって、
前記測温対象から発せられる前記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部と、
前記最高輝度検出部が検出した最高輝度に基づいて、前記測温対象の温度を算出する温度算出部と、
を有し、
前記温度算出部は、前記熱放射光に対する前記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温装置。
【請求項２】
前記温度算出部は、前記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、前記溶融スラグの温度を算出することを特徴とする、請求項１に記載の放射測温装置。
【請求項３】
前記温度算出部は、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を前記放射率として使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載の放射測温装置。
【請求項４】
前記温度算出部は、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として１を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項５】
前記最高輝度検出部は、前記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる前記最高輝度を検出することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項６】
前記撮像部は、前記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光する高速シャッターを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項７】
放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温方法であって、
前記測温対象から発せられる前記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップで撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出ステップと、
前記最高輝度検出ステップで検出した最高輝度に基づいて、前記測温対象の温度を算出する温度算出ステップと、
を有し、
前記温度算出ステップでは、前記熱放射光に対する前記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温方法。
【請求項８】
前記温度算出ステップでは、前記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、前記溶融スラグの温度を算出することを特徴とする、請求項７に記載の放射測温方法。
【請求項９】
前記温度算出ステップでは、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を前記放射率として使用することを特徴とする、請求項７又は８に記載の放射測温方法。
【請求項１０】
前記温度算出ステップでは、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として１を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の放射測温方法。
【請求項１１】
前記最高輝度検出ステップでは、前記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる前記最高輝度を検出することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載の放射測温方法。
【請求項１２】
前記撮像ステップでは、高速シャッターにより、前記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光することを特徴とする、請求項７〜１１のいずれかに記載の放射測温方法。
【請求項１】
放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温装置であって、
前記測温対象から発せられる前記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出部と、
前記最高輝度検出部が検出した最高輝度に基づいて、前記測温対象の温度を算出する温度算出部と、
を有し、
前記温度算出部は、前記熱放射光に対する前記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温装置。
【請求項２】
前記温度算出部は、前記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、前記溶融スラグの温度を算出することを特徴とする、請求項１に記載の放射測温装置。
【請求項３】
前記温度算出部は、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を前記放射率として使用することを特徴とする、請求項１又は２に記載の放射測温装置。
【請求項４】
前記温度算出部は、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として１を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項５】
前記最高輝度検出部は、前記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる前記最高輝度を検出することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項６】
前記撮像部は、前記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光する高速シャッターを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の放射測温装置。
【請求項７】
放射率が予め特定されておらず、熱放射光の少なくとも一部を透過させる溶融物である測温対象の温度を測定する放射測温方法であって、
前記測温対象から発せられる前記熱放射光の熱放射輝度の分布を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップで撮像した撮像画像中の最高輝度を検出する最高輝度検出ステップと、
前記最高輝度検出ステップで検出した最高輝度に基づいて、前記測温対象の温度を算出する温度算出ステップと、
を有し、
前記温度算出ステップでは、前記熱放射光に対する前記測温対象の大気との界面の反射損失をｌｎとすると、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として（１−ｌｎ）〜１のいずれかの値を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、放射測温方法。
【請求項８】
前記温度算出ステップでは、前記測温対象が高炉から出銑される出銑流に含まれる溶融スラグである場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として０．９６〜１のいずれかの値を使用して、前記溶融スラグの温度を算出することを特徴とする、請求項７に記載の放射測温方法。
【請求項９】
前記温度算出ステップでは、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、該波の大きさに応じた値を前記放射率として使用することを特徴とする、請求項７又は８に記載の放射測温方法。
【請求項１０】
前記温度算出ステップでは、前記測温対象の表面が波立った状態である場合、前記最高輝度における前記測温対象の放射率として１を使用して、前記測温対象の温度を算出することを特徴とする、請求項７〜９のいずれかに記載の放射測温方法。
【請求項１１】
前記最高輝度検出ステップでは、前記撮像部が撮像した複数の撮像画像にわたる前記最高輝度を検出することを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載の放射測温方法。
【請求項１２】
前記撮像ステップでは、高速シャッターにより、前記測温対象の流動状態に応じた所定時間、撮像素子を露光することを特徴とする、請求項７〜１１のいずれかに記載の放射測温方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２３６８９８（Ｐ２００９−２３６８９８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６９８６（Ｐ２００９−６９８６）
【出願日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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