高温計

高温計、または放射温度計は、離れた物体の温度を測定するために使用されるリモートセンシング 温度計の一種です。歴史的には、さまざまな形式の高温計が存在していました。現代の用法では、高温計は、表面から放射される熱放射の量から離れた場所からその表面の温度を測定する装置であり、このプロセスは高温測定法、つまり放射測定法の一種として知られています。

パイロメーターという言葉は、火を意味するギリシャ語「πῦρ」（ pyr）と、測定を意味するメートルに由来しています。パイロメーターという言葉は、もともと、少なくとも赤熱した物体から放射される可視光線である白熱光によって物体の温度を測定できる装置を表すために造られました。^[1] 赤外線温度計は、赤外線放射束を検出することで、より低温の物体の温度を室温まで測定することもできます。現代のパイロメーターは、幅広い波長で利用でき、一般的に放射温度計と呼ばれています。^[2]

これは、観測者が受け取る光の強度は、観測者から光源までの距離と遠くの光源の温度に依存するという原理に基づいています。現代の高温計には、光学系と検出器があります。光学系は、熱放射を検出器に焦点を合わせます。検出器の出力信号 (温度T ) は、ステファン・ボルツマンの法則、比例定数σ (ステファン・ボルツマン定数と呼ばれる)、および物体の放射率 ε を通じて、対象物体の熱放射または放射照度 と関連しています。 ${\displaystyle j^{\star}}$

${\displaystyle j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}.}$

この出力は、高温計を物体と熱的に接触させる必要なく、離れた場所から物体の温度を推測するために使用されます。他のほとんどの温度計 (熱電対や抵抗温度検出器(RTD) など) は、物体と熱的に接触させて配置し、熱平衡に達するまで待機します。

気体の高温測定には困難が伴います。これらの困難は、通常、細いフィラメント高温測定法またはすす高温測定法を使用することで克服されます。どちらの技術も、高温の気体と接触する小さな固体を伴います。^{[引用が必要]}

「パイロメーター」という用語は、ライデン瓶の発明者としてよく知られているピーテル・ファン・ムッシェンブロークによって1730年代に造られました。彼の装置は現存する標本が知られていませんが、金属棒の膨張を測定するため、現在では膨張計と呼ばれています。^[3]

現存すると考えられる最も古い高温計の例は、ロンドン科学博物館が所蔵するヒンドレー高温計で、1752年に王室コレクション用に製作されたものである。この高温計はよく知られた計測器であり、 1760年に数学者オイラーによって詳細に記述されている。^[4]

1782年頃、陶工ジョサイア・ウェッジウッドは窯内の温度を測るために別のタイプの高温計（正確には高温測定装置）を発明した。 ^[5]これは最初は既知の温度で焼いた粘土の色を比較するものだったが、最終的には窯の温度に依存する粘土片の収縮率を測るものに改良された（詳細はウェッジウッドの尺度を参照）。 ^[6]その後の例では金属棒の膨張が使用された。^[7]

1860年代から1870年代にかけて、ウィリアムとヴェルナーのシーメンス兄弟が白金抵抗温度計を開発しました。当初は海底ケーブルの温度を測定するために開発されましたが、その後、冶金学において1000℃までの温度を測定するために応用され、高温計という名前が付けられました。

1890年頃、ヘンリー・ルイ・ルシャトリエは熱電対高温計を開発した。^[8]

最初の消えるフィラメント型高温計は、1901年にL.ホルボーン氏とF.カールバウム氏によって製作されました。^[9]この装置は、観察者の目と白熱物体の間に細い電気フィラメントを備えていました。フィラメントを流れる電流は、物体と同じ色（つまり温度）になり、見えなくなるまで調整されました。電流から温度を推測できるように調整されていました。^[10]

フィラメント消失型高温計や輝度高温計と呼ばれる同種の装置が返す温度は、物体の放射率に依存します。輝度高温計の使用が増えるにつれ、放射率の値に頼ることに問題があることが明らかになりました。放射率は、表面粗さ、体積と表面組成、さらには温度自体によって、しばしば劇的に変化することがわかりました。^[11]

これらの困難を回避するために、比色放射計または二色放射計が開発された。この放射計は、温度と各波長で放射される放射の強度を関連付けるプランクの法則が、2つの異なる波長での強度に関するプランクの記述を除算すれば温度について解けるという事実に依存している。この解法は、放射率が両方の波長で同じであることを前提としており^[10]、除算で打ち消される。これは灰色体仮定として知られている。比色放射計は、基本的に1つの機器に2つの輝度放射計が組み込まれている。比色放射計の動作原理は1920年代と1930年代に開発され、1939年に市販された。^[9]

比放射温度計が普及するにつれ、金属などの多くの材料は2つの波長で同じ放射率を持たないことが判明しました。^[12]これらの材料では放射率が相殺されず、温度測定に誤差が生じます。誤差の量は放射率と測定が行われる波長によって異なります。^[10] 2色比放射温度計では、材料の放射率が波長に依存しているかどうかを測定できません。

放射率が未知または変化する実際の物体の温度をより正確に測定するために、多波長高温計が米国国立標準技術研究所で構想され、1992年に説明されました。^[9]多波長高温計は、3つ以上の波長を使用し、その結果を数学的に操作して、放射率が未知であったり、変化したり、測定波長によって異なる場合でも、正確な温度測定を実現しようとします。^{[10] [11] [12]}

高温計は、特に動く物体や、手の届かない表面、触れられない表面の測定に適しています。現代のマルチスペクトル高温計は、ガスタービンエンジンの燃焼室内の高温を高精度で測定するのに適しています。^[13]

温度は冶金炉の操業における基本的なパラメータです。金属温度を信頼性高く継続的に測定することは、操業を効果的に制御するために不可欠です。これにより、製錬速度を最大化し、最適な温度でスラグを生成し、燃料消費を最小限に抑え、耐火物の寿命を延ばすことができます。この目的で使用される従来の装置は熱電対でしたが、熱電対は溶けて劣化するため、継続的な測定には適していません。

塩浴炉は最高1300℃の温度で稼働し、熱処理に使用されます。溶融塩と処理対象の鋼鉄の間で激しい熱伝達が起こる非常に高い稼働温度では、溶融塩の温度を測定することで精度が維持されます。ほとんどの誤差は、塩浴よりも冷たい表面のスラグによって発生します。 ^[14]

羽口高温計は、通常、炉の槽に空気または反応物を供給するために使用される 羽口を通して温度を測定するための光学機器です。

蒸気ボイラーには、過熱器内の蒸気温度を測定するための高温計が取り付けられている場合があります。

熱気球には、布地の過熱を防ぐために気球上部の温度を測定する高温計が装備されています。

実験用ガスタービンエンジンに高温計を取り付けて、タービンブレードの表面温度を測定することができます。このような高温計をタコメータと組み合わせると、高温計の出力を個々のタービンブレードの位置と結び付けることができます。ラジアル位置エンコーダと組み合わせたタイミングにより、エンジニアはプローブを通過するブレードの正確な位置の温度を測定できます。

• エトリスコープ
• タシメーター
• サーモグラフィー

ウィキメディア・コモンズには、高温計に関連するメディアがあります。

• 羽口温度計の特許
• 赤外線および放射温度計
• 多波長高温計の特許
• 光学高温計