赤外線温度計｜非接触で瞬時に温度を測る計測器

赤外線温度計

赤外線温度計とは、測定対象から放射される赤外線を検出し、非接触で表面温度を求める計測機器である。あらゆる物体はその温度に応じた強度と波長分布で熱放射を行っており、この物理現象を利用することで、対象に触れることなく短時間で温度を把握できる点が最大の特徴である。従来から用いられてきた熱電対やサーミスタ温度センサのような接触式センサとは異なり、高温体や高速で移動する対象、あるいは接触が困難な精密部品の温度監視にも適用しやすい。より広い枠組みでは非接触温度計の一種に位置づけられ、面全体の温度分布を画像化するサーモグラフィとも原理を共有している。工業炉の温度管理から電気設備の点検、食品衛生、医療分野の体表温チェックまで、産業界の幅広い場面で利用されている。

測定原理

赤外線温度計の測定原理は、物体が絶対零度を上回る限り赤外線を放射し続けるという熱放射の性質に基づいている。放射エネルギーの大きさが温度の4乗に比例するというステファン・ボルツマンの法則や、波長ごとの放射強度分布を示すプランクの法則が理論的な裏付けとなっており、これらの関係はふく射伝熱の分野で体系的に扱われている。実際の物体は理想的な黒体とは異なり、表面状態や材質に応じた放射率を持つため、装置内部では放射率を補正した上で温度に換算する処理が行われる。放射率をはじめとする物質固有の熱に関する性質は熱特性としてまとめられており、測定精度を左右する重要な要素となっている。

構成部品

装置は主に、対象からの赤外線を集光する光学系、特定の波長帯のみを通過させる光学フィルタ、そして赤外線を電気信号へ変換する検出器によって構成される。検出器にはサーモパイルや焦電素子、InGaAsなどの受光素子が用いられ、対象波長帯や求められる応答速度に応じて選定される。光学系のレンズやミラーは視野角を規定し、対象までの距離と測定スポット径の比が測定精度に直結するため、装置選定の際にはこの光学比を確認することが望ましい。

測定方式の分類

赤外線温度計は、放射エネルギーの取得方法によっていくつかの方式に分類される。代表的なものが単色式と二色式であり、対象の性質や測定環境に応じて使い分けられる。

単色式

単色式は特定の一波長のみを利用して温度を求める方式であり、構造が簡単で低コストに実現できる点が長所となっている。ただし放射率の設定値が実際の対象と異なると誤差が大きくなりやすく、あらかじめ対象の放射率を把握しておく必要がある。

二色式

二色式は二つの波長帯における放射強度の比から温度を算出する方式であり、放射率が波長間でほぼ一定であれば、放射率の絶対値の影響を受けにくいという利点を持つ。この比を用いる考え方は、光源の色味を数値化する色温度の算出方法とも共通する部分があり、視野の一部が遮られた場合や煙・水蒸気による減衰がある環境でも比較的安定した測定を実現しやすい。

非接触温度計との比較

赤外線温度計は非接触温度計の代表的な実装形態であるが、厳密には両者を区別して用いる場合もある。前者が放射赤外線の検出という原理に焦点を当てた呼称であるのに対し、後者は接触を伴わない温度計測全般を指す広義の用語として使われる。接触式の熱電対やサーミスタ温度センサと比較すると、応答速度や安全性で優れる一方、対象の放射率や周囲環境の影響を受けやすい点が異なる。

応用分野

産業分野では、工業炉や溶融設備の稼働温度監視、電気設備の異常発熱の早期発見、食品衛生分野での加熱・冷却工程の管理など、幅広い用途で活用されている。面的な温度分布を把握したい場合には、赤外線温度計の原理を応用したサーモグラフィが用いられ、点計測と面計測を組み合わせることで設備全体の健全性を効率よく評価できる。屋外環境での測定では、日射や放射冷却の影響を受ける気温と同様に、周囲条件を踏まえた解釈が求められる。

精度に影響する要因

測定精度は、対象の放射率設定のほか、周囲からの反射赤外線の映り込み、大気中の水蒸気や二酸化炭素による吸収、測定距離とスポット径の比、視野内への背景の混入など、複数の要因によって左右される。低放射率の金属表面では周囲の熱源が映り込みやすく、実温度より低く、あるいは高く表示される場合があるため、黒色塗装や測定角度の工夫によって誤差を抑える対策が取られる。こうした誤差要因の整理は、測定全般における不確かさ評価の考え方と共通する部分が多い。

校正とトレーサビリティ

赤外線温度計は、黒体炉と標準温度計を用いた校正によって表示値の妥当性を確認し、国家標準へのトレーサビリティを確保することが求められる。使用環境や用途に応じて年一回程度の定期校正を計画し、現場での簡易確認には接触式センサを併用することで、長期的な信頼性を維持しやすくなる。プロセス加熱を伴う電熱設備の温度制御など、フィードバック制御に組み込む場合には、応答遅れや通信仕様も含めた総合的な検証が欠かせない。

光計測技術としての位置づけ

赤外線を用いた温度計測は、光の物理量を扱う光計測システムの一分野として位置づけられる。干渉や分光を用いる他の光学計測手法と同様に、波長選択性や検出素子の特性を理解した上で装置を運用することが、安定した測定結果を得るための基本となる。検出素子や信号処理技術の進歩に伴い、産業現場における測定対象や適用範囲は着実に広がっている。