JP2005003575A - 測温センサ、耐火物及び耐火ライニングの診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続測温が可能で、かつ２次元又は３次元の測温も可能な高温型光ファイバーセンサ、それを有する耐火物及び耐火ライニングの診断方法を提供すること。
【解決手段】樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の表面を長繊維セラミックファイバー製耐熱クロスで密着するか、もしくは金属管の片側又は両側にセラミックファイバー製耐熱ペーパーを密着して被覆したことを特徴とする測温センサ。及び該測温センサを表面又は内部に設置したことを特徴とする耐火物。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐火ライニングが施された窯炉設備のライニングの連続的かつ２次元的又は３次元的な温度変化を推定することが可能な測温センサ、それを有する耐火物及び耐火ライニングの診断方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、耐火ライニングされた窯炉設備のライニングの損傷状況については目視による直接監視や耐火ライニングに熱電対を埋設し、温度異常を検知し損傷監視する方法がとられていた。
目視では耐火ライニング内面全体の大きな損傷は検知することが可能であるが、局所的な損傷や経時的な監視は不可能であった。また、熱電対埋設法においても埋設熱電対の数に制限されることや埋設した当該箇所以外については、検知不可能であるという問題があった。
【０００３】
この欠点を克服する手段として、光ファイバーを用いた温度分布測定法が提案されている。光ファイバーへパルス光を入射すると、その光はファイバー中をごくわずかに散乱を起こしながら減衰していく。光ファイバーを使用した温度測定技術は、パルス光を入射してから後方散乱光が入射端に戻ってくるまでの時間から後方散乱光発生位置が分かり、温度検出にはその後方散乱光の強度を利用することで、位置と温度がファイバー上の点で測定出来る技術である。
本測定法についても光ファイバーセンサーが折損しやすいことや熱に弱く計測可能温度の上限があるため、特許文献１に記載されているように、光ファイバーの外周に金属製の保護管を設け、さらにその保護管の外周に測定対象の温度より融点の高い粒子を添加物として含有する断熱材を設けたことを特徴とする測温用２重被覆光ファイバーの発明が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、ポリイミド樹脂で被覆された石英ガラスファイバーが高ニッケル耐熱合金の内管に挿入され、さらにその内管の外側が高ニッケル耐熱合金又はステンレス鋼の外管で保護され、且つ内管内に不活性ガスが流通されているセンサーを、樋の鉄皮内側に設けられた耐火物内張りの断熱層より内側に敷設し、光ファイバーの温度分布により耐火物の温度を計測する方法が発明として開示されている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された発明では、金属製の保護管と耐火粒子との接着性が弱く、３００℃以上の高温の暴露温度で金属管と耐火粒子の熱膨張差のために被覆層が剥離し、測定温度精度が急速に低下する問題点があった。
一方、特許文献２に開示された方法においても、ガス温度が暴露雰囲気で連続的に変化していくために測定精度が低下する事や、長距離に渡って高温に暴露される箇所については、流通ガスそのものが測定上限以上の温度となり、光ファイバー自身が劣化損傷する問題点があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１５１９１８号公報
【特許文献２】
特開平８−２７５０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、かかる問題点に鑑み、連続測温が可能で、かつ２次元又は３次元の測温も可能な高温型光ファイバーセンサ、それを有する耐火物及び耐火ライニングの診断方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる問題点を解決するための本発明の要旨とするところは、下記のとおりである。
（１）樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の表面を長繊維セラミックファイバー製耐熱クロスにて密着して被覆したことを特徴とする測温センサ。
（２）樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の片側又は両側にセラミックファイバー製ペーパーを密着して配し、マット状としたことを特徴とする測温センサ。
（３）前記（１）又は（２）記載の測温センサを表面又は内部に設置したことを特徴とする耐火物。
（４）前記（１）若しくは（２）記載の測温センサを窯炉鉄皮とライニングの間に埋設し、又は前記（３）記載の耐火物を用いて、光ファイバーにパルス光を入射し、反射波が入射端へ戻ってくる時間、並びにストークス光及び反ストークス光の２成分の強度比から測温センサを埋設した任意の箇所の温度を推定することを特徴とする耐火ライニングの診断方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
（１）に係る本発明は、樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の表面を長繊維セラミックファイバー製耐熱クロスにて密着して被覆したことを特徴とする。
（２）に係る本発明は、樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の片側又は両側にセラミックファイバー製耐熱ペーパーを密着して配し、マット状としたことを特徴とする。
【００１０】
図２に（１）に係る本発明例の測温センサの断面図を示す。図２において、樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線５と金属管６の間は空間である。また、光ファイバー芯線５は予め樹脂にてコーティングされているものである。図２に示すような管状の側温センサとすることにより、凹凸形状のある面の温度分布を測定する際に好適である。
【００１１】
また、図３に（２）に係る本発明例の測温センサの断面図を示す。セラミックスファイバー製耐熱ペーパー８は、管状の測温センサに対して変形、可縮性があるため、金属管６の片側のみに設けても、両側に設けても良い。平面状の側温センサとすることにより、広い範囲の平面の温度分布を測定する際に好適である。
【００１２】
光ファイバー芯線５をコーティングする樹脂は靭性、強度が必要なため、ポリイミド、ナイロン等の高靭性樹脂を用いることが好ましい。
また、金属管６は耐熱性、耐食性および変形性が求められるため、ステンレス、チタニウム、燐青銅等を用いることが好ましい。金属管６を密着して被覆する長繊維セラミックファイバー製耐熱クロス７又はセラミックスファイバー製耐熱ペーパー８の素材の選定については、測定精度と光ファイバーケーブルの設置上の観点から極力肉厚が薄く熱伝導率が０．２３［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下のものが好ましい。本発明では、（１）に係る発明のように長繊維セラミックファイバーの熱伝導率を０．１７［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下に調整加工したセラミックファイバー製耐熱クロスをパイプ状にして光ファイバー芯線を被覆したり、（２）に係る発明のように上記の熱伝導率からなるブランケット状のセラミックファイバーを圧縮しペーパー状にしたセラミックペーパーで光ファイバーの片側又は両側を押さえたり挟み込むことによりマット状にしたものが、埋設時の施工性の点から好適である。
長繊維セラミックファイバー製耐熱クロス又はセラミックファイバー製耐熱ペーパーの素材は、上記の点から、アルミナ質、アルミナシリカ質、シリカ質等を使用することが好ましい。
【００１３】
耐熱性の調整については、クロスまたはペーパーの厚みを適用温度に応じて変更することにより調整が可能である。
又、金属管６とセラミックファイバー製耐熱クロス７又はセラミックファイバー製耐熱ペーパー８の間は密着しているものの固着されていない為、耐火ライニングの熱膨張挙動等により金属管６に偏荷重が働いても、耐熱クロス７又は耐熱ペーパー８の可縮量範囲内であれば、追従可能となり物理的な断線も回避され得る。本発明において、「密着して」とは、金属管６と耐熱クロス７又は耐熱ペーパー８の間隙が０．１ｍｍ以内であることをいい、好ましくは前面にわたり０ｍｍであることが望ましい。
【００１４】
（３）に係る本発明は、前記（１）又は（２）記載の測温センサを耐火物の表面又は内部に設置したことを特徴とする。耐火物は不定形耐火物を焼成した又は焼成しない耐火物ブロックでも耐火煉瓦の何れでも適用できる。
【００１５】
（４）に係る本発明は、前記（１）若しくは（２）記載の測温センサを窯炉鉄皮とライニングの間に埋設し、又は前記（３）記載の耐火物を用いて、光ファイバーにパルス光を入射し、反射波が入射端へ戻ってくる時間、並びにストークス光及び反ストークス光の２成分の強度比から測温センサを埋設した任意の箇所の温度を推定することを特徴とする。
【００１６】
一般に、円筒状又は平面状にｎ層積層ライニングされた構造物の通過熱量Ｑはそれぞれ（１）、（２）式のように算出される（ｎは自然数）。
（ａ）円筒状の場合
Ｑ＝２πλ_ｎ（Ｔ_ｎ−Ｔ_ｎ＋１）Ｌ／ｌ_ｎ（Ｒ_ｎ／Ｒ_ｎ＋１） （１）
（ｂ）平面状の場合
Ｑ＝（Ｔ_ｎ−Ｔ_ｎ＋１）／Σ（ｌ_ｎ／λ_ｎ） （２）
ここで、
Ｑ：通過熱量［ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈｒ］
λ_ｎ：ｎ層目の熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］
Ｔ_ｎ：ｎ層目の表面温度［℃］
Ｒ_ｎ：ｎ層の半径（外側）［ｍ］
ｌ_ｎ：ｎ層の厚み［ｍ］
Ｌ：円筒長さ［ｍ］
【００１７】
本発明の場合、金属管と断熱材の２層円筒状、または２層積層平面状の金属管外表面温度Ｔ_２［Ｋ］と光ファイバー表面温度Ｔ_１［Ｋ］を近似して等しいとすることにより、定常状態の伝熱計算上測定され得るであろう断熱材外表面最高温度Ｔ_３［Ｋ］を予め考慮し、断熱材外半径Ｒ_２と熱伝導率λ_２をＴ_１温度が３００℃以下になるための厚みと熱伝導率を設定すれば、光ファイバー芯線を３００℃以上にすることなく断熱材外面温度Ｔ_３［Ｋ］を推定することが可能となる。
・円筒の場合：
Ｔ_３＝Ｔ_２−（Ｑ・ｌ_２Ｒ_２）／（２πλ_２ＬＲ_３） （３）
・平面の場合：
Ｔ_３＝Ｔ_２−Ｑ・（ｌ_１／λ_１＋ｌ_２＋λ_２） （４）
熱流Ｑは設備の放散熱流であり装置毎の固有な量であるから、Ｔ_２すなわちファイバー温度でＴ_３が推定できる。このように従来問題であった光ファイバー心線の熱負荷に伴う劣化を回避する温度で測定することが充分可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例について説明する。炉内雰囲気が１４５０℃まで電気ヒーターで加熱可能な電気炉の鉄皮２（厚さ１０ｍｍ）と厚さ６０ｍｍのシャモット質耐火ライニング３との間に、本発明例に係る樹脂（ポリイミド製）にて厚さ５０μｍにコーティングした直径０．５ｍｍの光ファイバー芯線を内径０．８ｍｍ、厚み０．４ｍｍの金属管（ＳＵＳ製）で保護し、前記金属管の表面を熱伝導率０．１２［Ｗ／ｍ・Ｋ］で厚み１ｍｍに紡糸された長繊維セラミックファイバー製耐熱クロスパイプ（材質：アルミナ・シリカ製）で密着してなる測温センサ１を図１に示すように埋設し、測定ユニット（レーザー発信・受信機と解析用ＰＣ）４にケーブルを結線後、測温センサ１を設置した炉体側壁（鉄皮と耐火ライニングの境界部）の温度分布を連続測定した。比較例のセンサとして、熱電対による温度測定方法を用いた。
【００１９】
温度の推定は、光ファイバーにパルス光を入射し、反射波が入射端へ戻ってくる時間を、例えば３００ｆｓ、ストークス光（ラマン散乱光の長波長側シフト＋４０ｎｍ）及び反ストークス光（ラマン散乱光の短波長側シフト−４０ｎｍ）の２成分の強度比とした場合に、熱電対温度計の値Ｔ_３により、
Ｔ_３＝Ｔ_２−（Ｑ・ｌ_２Ｒ_２）／（２πλ_２ＬＲ_３） （５）
ストークス／反ストークス光強度比により測定装置内であらかじめ校正により求めた値Ｔ_２から実際の温度へ放散熱による温度差の分を校正し、測温センサを埋設した任意の箇所を反射波の帰着時間から場所情報を得、温度を推定した。
例えば、Ｔ_１＝Ｔ_２＝１２０℃、Ｔ_３＝４００℃、Ｒ_１＝１．２ｍｍ、Ｒ_２＝２．０ｍｍ、λ_１＝０．１７［Ｗ／ｍ・Ｋ］、Ｌ＝１ｍとして計算した。
【００２０】
ここで、図４に示すようにＴ_１：光ファイバー芯線の温度９、Ｔ_２：金属管の温度１０、Ｔ_３：セラミックファイバークロス外側温度１１とした。測定温度の検証を行う為、熱電対を本発明に係る測温センサを設置した場所と同一の３箇所Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ埋め込み、本発明の光ファイバーセンサーの測定値と比較対比した。その結果、本発明による光ファイバーセンサーの測定による熱電対の場所に相当する部位の温度はほぼ同じ温度であることを確認した。表１にこれらの結果を示す。
【００２１】
従来、測定開始後約１時間で光ファイバー芯線の熱疲労劣化により測定不可となったのに対し、本発明においては、耐火ライニング背面境界温度が４００℃以上の高温になっているにもかかわらず、２００時間以上の長時間連続測定においても劣化、断線なく継続的な測定が出来た。
断熱被覆が無かった比較例では、Ａ，Ｂ，Ｃとも１時間前後で断線の為、計測不可能となった。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【発明の効果】
本発明により、これまで光ファイバーセンサーにより測定不可能とされて来た３００℃以上の高温帯においても、光ファイバー自身の劣化・破断等の問題がなく、耐火ライニングされた高温窯炉設備のスポット及び２次元的な面を連続的に診断監視が可能となる。
本発明の採用により、突発的な耐火ライニングの損傷にもとづく事故の抑制や測定箇所の経時変化を連続的にモニターリングすることにより、計画的な寿命予測と保全修繕を立案することが可能となる。
更に、耐火ライニングの損耗が最も著しい箇所の耐火物ブロックまたは耐火煉瓦の製造時又は築炉の前に測温センサを表面又は内部に設置することにより、自己診断が可能となり事故回避が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明例の測温センサを埋設した耐火物の温度測定ユニットを示す。
【図２】本発明に係る円筒状の測温センサの断面図である。
【図３】本発明に係る平面状の測温センサの断面図である。
【図４】本発明に係る測温センサを用いた温度推定のための方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 測温センサ
２ 鉄皮
３ 耐火物（シャモット質）
４ 測定ユニット（レーザー発信・受信機と解析用ＰＣ）
５ ファイバー芯線
６ 金属管
７ セラミックファイバー製耐熱クロス
８ セラミックファイバー製耐熱ペーパー
９ 光ファイバー芯線の温度
１０ 金属管の温度
１１ 被測定点（セラミックファイバークロス外側温度）

Claims (4)

1. 樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の表面を長繊維セラミックファイバー製耐熱クロスで密着して被覆したことを特徴とする測温センサ。
2. 樹脂にてコーティングした光ファイバー芯線を金属管で保護し、前記金属管の片側又は両側にセラミックファイバー製耐熱ペーパーを密着して配し、マット状としたことを特徴とする測温センサ。
3. 請求項１又は２記載の測温センサを表面又は内部に設置したことを特徴とする耐火物。
4. 請求項１若しくは２記載の測温センサを窯炉鉄皮とライニングの間に埋設し、又は請求項３記載の耐火物を用いて、光ファイバーにパルス光を入射し、反射波が入射端へ戻ってくる時間、並びにストークス光及び反ストークス光の２成分の強度比から測温センサを埋設した任意の箇所の温度を推定することを特徴とする耐火ライニングの診断方法。

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