JP2016017745A

JP2016017745A - 温度計測装置

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Publication number: JP2016017745A
Application number: JP2014138349A
Authority: JP
Inventors: 文夫松坂; Fumio Matsuzaka
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-02-01
Anticipated expiration: 2034-07-04
Also published as: JP6484939B2

Abstract

【課題】炉内からの輻射熱による破損を防止しつつ、炉の小さい観察窓等から炉内の温度状態を計測可能な温度計測装置を提供する。【解決手段】内筒７と、該内筒の外周側に隙間が形成される様前記内筒と同心に設けられた外筒８と、全長に亘って通気性を有する様前記内筒の内部に設けられ、測定対象物から放射される光を伝搬させる光学系１１と、該光学系を透過した光の内特定の波長を透過させる透過特性の異なるフィルタを複数有するフィルタ板と、該フィルタ板のフィルタを切替えるフィルタ切替え部５と、該フィルタ切替え部により切替えられた前記フィルタを介して前記測定対象物の画像を撮像する撮像部３と、該撮像部により取得した画像に基づき２色測温法により前記測定対象物の温度状態を演算する制御装置６とを具備し、前記隙間に冷却水を流通させ、前記内筒の内部に冷却空気を流通させる。【選択図】図１

Description

本発明は、炉内等の高温環境に於ける温度計測を行う温度計測装置に関するものである。

炉内温度等の高温環境での温度計測は、熱電対等の接触式の温度計測が主流であり、サーモグラフィや放射温度計の様な光学式のものを用いた非接触式の温度計測も一部では行われている。又、近年、２色測温法等を使用して温度分布画像を作成し、温度分布画像を基に温度計測を行う技術も開発されてきている。

光学式で炉内の温度分布を計測する場合、正確な温度分布を得る為には炉内のできる限り広範囲を視野に収める必要があるが、炉の保全と温度維持の為、一般的に計測用の孔は小さく、且つ深くなっており、計測用の孔を介して観察可能な視野角は例えば６°程度であり、極めて狭い。

狭く深い穴を介して観察可能な光学系として、例えば内視鏡の様な光学系が知られているが、内視鏡の場合、２色測温法を行う為の分割光学系や、フィルタの設置等が困難であり、又水冷機構やダストからの防護機構等の追加も困難である。

尚、特許文献１には、撮像系の光学系部材が長尺の本体と、該本体の先端部に設けられ先端面が凹状に形成された対物レンズと、前記本体の後端部に設けられた支持部とを有し、炉壁の貫通孔に前記本体が挿入配置されたケーシングを挿入し、被検体の観察像からの光が前記対物レンズから本体を介して前記支持部の孔を通過し、ＣＣＤカメラに受光され撮像されたカラー画像を基に、二色温度計測法により所定領域の被検体の温度分布を得る温度計測用炉内監視システムが開示されている。

特開２００３−３４４１６６号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、炉内からの輻射熱による破損を防止しつつ、炉の小さい観察窓等から炉内の温度状態を計測可能な温度計測装置を提供するものである。

本発明は、内筒と、該内筒の外周側に隙間が形成される様前記内筒と同心に設けられた外筒と、全長に亘って通気性を有する様前記内筒の内部に設けられ、測定対象物から放射される光を伝搬させる光学系と、該光学系を透過した光の内特定の波長を透過させる透過特性の異なるフィルタを複数有するフィルタ板と、該フィルタ板のフィルタを切替えるフィルタ切替え部と、該フィルタ切替え部により切替えられた前記フィルタを介して前記測定対象物の画像を撮像する撮像部と、該撮像部により取得した画像に基づき２色測温法により前記測定対象物の温度状態を演算する制御装置とを具備し、前記隙間に冷却水を流通させ、前記内筒の内部に冷却空気を流通させる温度計測装置に係るものである。

又本発明は、前記隙間を周方向に分割する流路分割部材を更に具備し、該流路分割部材により前記冷却水を先端側に向って流通させる供給流路と、該供給流路を流通する前記冷却水を反転させて基端側に向って流通させる排出流路とが形成される温度計測装置に係るものである。

又本発明は、前記供給流路と前記排出流路とがそれぞれ複数設けられ、各供給流路毎に前記冷却水を供給する温度計測装置に係るものである。

又本発明は、前記光学系は複数のレンズユニットを有し、該レンズユニット間に外周面に軸心方向全長に亘って凹溝が形成された円筒状の間隔保持部材が設けられ、前記凹溝と前記内筒の内周面とで前記冷却空気が流通する空冷流路が形成される温度計測装置に係るものである。

更に又本発明は、前記凹溝に前記空冷流路と前記間隔保持部材の内部とを連通させる連通孔が形成された温度計測装置に係るものである。

本発明によれば、内筒と、該内筒の外周側に隙間が形成される様前記内筒と同心に設けられた外筒と、全長に亘って通気性を有する様前記内筒の内部に設けられ、測定対象物から放射される光を伝搬させる光学系と、該光学系を透過した光の内特定の波長を透過させる透過特性の異なるフィルタを複数有するフィルタ板と、該フィルタ板のフィルタを切替えるフィルタ切替え部と、該フィルタ切替え部により切替えられた前記フィルタを介して前記測定対象物の画像を撮像する撮像部と、該撮像部により取得した画像に基づき２色測温法により前記測定対象物の温度状態を演算する制御装置とを具備し、前記隙間に冷却水を流通させ、前記内筒の内部に冷却空気を流通させるので、前記内筒及び前記外筒が水冷されると共に、前記光学系が空冷され、炉の小さい観察窓等から炉内に前記内筒及び前記外筒を挿入した場合でも、炉内からの輻射熱により前記内筒及び前記外筒や前記光学系を破損させることなく炉内の温度状態を計測することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る温度計測装置を示す概略側面図である。図１のＡ拡大図である。図２のＢ−Ｂ矢視図である。図２のＣ−Ｃ矢視図である。図２のＤ−Ｄ矢視図である。本発明の実施例に係る温度計測装置の冷却流路を説明する展開図である。本発明の実施例に係る温度計測装置の間隔保持部材であり、（Ａ）は該間隔保持部材の側断面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ矢視図を示している。本発明の実施例に係る温度計測装置のフィルタ部を説明する説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１、図２に於いて、本発明の実施例に係る温度計測装置の概略について説明する。

温度計測装置１は、２色測温法が可能な構成を具備している。２色測温法は、波長の異なる２つの光を用いて同一点の画像を取得し、光強度と測定対象物の熱放射率から温度を測定するものである。

前記温度計測装置１は、光学ユニット２と、該光学ユニット２の端部に取付けられた撮像装置としてのカメラ３と、該カメラ３の光軸４上の前記光学ユニット２と前記カメラ３との間に設けられたフィルタ切替え部５と、前記カメラ３で撮像された画像を基に２色測温法により温度計測を行う制御装置６とを有している。尚、８００℃以下の低温の炉の温度を計測する場合には、前記カメラ３として、例えば２５０℃から観察可能な市販の近赤外カメラが用いられる。

前記光学ユニット２は、内筒７と該内筒７の外周側に隙間が形成される様該内筒７と同心に設けられた外筒８とからなる鏡筒部９を有している。該鏡筒部９は、例えばステンレス製であり、計測される温度環境が６００℃以下であれば一部の部品をアルミニウム製としてもよい。

前記内筒７の内部には、前記光軸４上に複数のレンズからなるレンズユニット１１が複数配置されている。該レンズユニット１１，１１間には、円筒状の間隔保持部材１２が配置され、該間隔保持部材１２により前記レンズユニット１１の位置決めが行われると共に、各レンズユニット１１，１１間の間隔が維持される様になっている。

前記レンズユニット１１は、リレーレンズとして機能し、前記カメラ３へと導くものであり、前記フィルタ切替え部５にて波長が選択され、前記カメラ３は前記フィルタ切替え部５で選択された波長の光を前記カメラ３の受光素子に結像する様になっている。

前記内筒７の基端部には外周方向に突出するフランジ部１３が形成され、前記外筒８の基端が前記フランジ部１３に溶接等により液密に固着されている。前記内筒７の基端には、リング状のレンズ押え板１４が気密に取付けられている。該レンズ押え板１４は、内周部が突出し、レンズユニット１１に当接し、該レンズユニット１１を固定すると共に内周部の外側には段差部が形成されている。該段差部は前記フランジ部１３との間にリング状の空間１５を形成する。

又、前記鏡筒部９の先端部にはリング状の端板１６が図示しないネジ等により固着されている。該端板１６は、広い視野を確保する為の孔１７が前記光軸４上に形成され、前記端板１６により前記内筒７と前記外筒８の先端が液密に閉塞されることで、前記内筒７と前記外筒８との間に液密な空間である水冷流路１８が形成される。

前記フランジ部１３には、前記空間１５と連通するエア供給孔１９が穿設されている。前記レンズユニット１１の外周面には、軸心と平行な溝が、周方向に所定の間隔で複数刻設されている。又、前記間隔保持部材１２の外周面にも、軸心と平行な溝が周方向に所定の間隔で複数刻設されている。前記内筒７と前記レンズユニット１１及び前記間隔保持部材１２との間には、前記溝によって前記内筒７全長に亘って延在する空冷流路２１が形成される。該空冷流路２１は前記空間１５と連通しており、前記エア供給孔１９と前記空冷流路２１は前記空間１５を介して連通している。

前記内筒７の先端部には保護ガラス２２が設けられている。該保護ガラス２２は前記端板１６によって固定され、該端板１６の前記保護ガラス２２の接触面には半径方向に延びる溝が放射状に複数形成され、該溝を介して前記鏡筒部９の外部と前記空冷流路２１とが連通されている。

又、前記間隔保持部材１２には、基端側と先端側の少なくとも各１箇所に、前記空冷流路２１と前記間隔保持部材１２の内部とを連通させる連通孔２３が形成されている。

次に、図３〜図６に於いて、前記水冷流路１８の詳細について説明する。尚、図６は該水冷流路１８の展開図を示している。

該水冷流路１８は、例えば軸心方向に８本のワイヤ等線状部材からなる流路分割部材２４ａ〜２４ｈが周方向に等間隔で配設される。該流路分割部材２４ａ〜２４ｈを前記内筒７に溶接し、前記流路分割部材２４ａ〜２４ｈを溶接した前記内筒７を前記外筒８に挿入する。前記水冷流路１８は、前記流路分割部材２４ａ〜２４ｈにより周方向に液密に８分割される。

前記流路分割部材２４ａ〜２４ｈの隔列の、前記流路分割部材２４ａ，２４ｃ，２４ｅ，２４ｇの先端部は前記端板１６と溶接等により液密に密着され、他の隔列の前記流路分割部材２４ｂ，２４ｄ，２４ｆ，２４ｈの先端部と前記端板１６との間には間隙２５ａ〜２５ｄが形成される。

前記流路分割部材２４ａ〜２４ｈと前記フランジ部１３との間には間隙が形成され、該間隙は合流流路２６を形成している。又、前記流路分割部材２４ａ，２４ｂの基端部に掛渡ってワイヤ等の線状部材からなる閉塞部材２７ａが溶接等により液密に固着され、同様に前記流路分割部材２４ｃ，２４ｄの基端部に掛渡って閉塞部材２７ｂが溶接等により液密に固着され、前記流路分割部材２４ｅ，２４ｆの基端部に掛渡って閉塞部材２７ｃが液密に固着され、前記流路分割部材２４ｇ，２４ｈの基端部に掛渡って閉塞部材２７ｄが液密に固着されている。

前記流路分割部材２４ａ，２４ｂ間に供給流路２８ａが形成され、前記流路分割部材２４ｃ，２４ｄ間に供給流路２８ｂが形成され、前記流路分割部材２４ｃ，２４ｄ間に供給流路２８ｃが形成され、前記流路分割部材２４ｅ，２４ｆ間に供給流路２８ｄが形成される。又、前記流路分割部材２４ｂ，２４ｃ間に排出流路２９ａが形成され、前記流路分割部材２４ｄ，２４ｅ間に排出流路２９ｂが形成され、前記流路分割部材２４ｆ，２４ｇ間に排出流路２９ｃが形成され、前記流路分割部材２４ｈ，２４ａ間に排出流路２９ｄが形成される。尚、前記供給流路２８と前記排出流路２９とで分割流路が構成される。

前記外筒８には、前記供給流路２８の上流端に連通する冷却水供給管３１、即ち前記供給流路２８ａに連通する冷却水供給管３１ａ、前記供給流路２８ｂに連通する冷却水供給管３１ｂ、前記供給流路２８ｃに連通する冷却水供給管３１ｃ、前記供給流路２８ｄに連通する冷却水供給管３１ｄが、前記閉塞部材２７ａ〜２７ｄの近傍に設けられている。

又、前記外筒８の前記閉塞部材２７ａ〜２７ｄよりも基端側には、前記合流流路２６に連通する冷却水排出管３２が設けられている。前記冷却水供給管３１ａ〜３１ｄから供給された冷却水３３は、前記供給流路２８ａ〜２８ｄを流通し、前記流路分割部材２４ｂ，２４ｄ，２４ｆ，２４ｈの先端で折返し、前記排出流路２９ａ〜２９ｄを流通し、前記合流流路２６で合流された後、前記冷却水排出管３２より排出される様になっている。

尚、前記流路分割部材２４ａ〜２４ｈと前記閉塞部材２７ａ〜２７ｄは、前記内筒７と前記外筒８との間の間隔を維持する為のスペーサとしての機能も有している。

次に、図７（Ａ）（Ｂ）に於いて、前記間隔保持部材１２の詳細について説明する。

該間隔保持部材１２の外周面には軸心と平行に、且つ軸方向全長に亘って周方向等間隔、例えば４５°間隔で凹溝３４が形成されている。前記間隔保持部材１２は前記内筒７に対して挿脱可能であり、該内筒７に前記間隔保持部材１２の挿入時には、前記凹溝３４を介して前記内筒７内部の空気が流出する様になっている。

前記間隔保持部材１２を挿入した際には、前記凹溝３４と前記内筒７の内周面とで前記空冷流路２１が形成される。

又、前記間隔保持部材１２には、前記凹溝３４に開口し、前記空冷流路２１と前記間隔保持部材１２の内部とを連通させる前記連通孔２３が穿設されている。本実施例では、該連通孔２３は、基端側と先端側の各１箇所に穿設されているが、各２箇所以上に穿設されていてもよいのは言う迄もない。

前記エア供給孔１９（図２参照）から供給された冷却空気３５（図２参照）は、前記空間１５、前記空冷流路２１を流通すると共に、前記連通孔２３を介して前記間隔保持部材１２の内部に流入し、前記端板１６に形成された溝を介して前記保護ガラス２２の表面を流通する様になっている。尚、前記溝ではなく、前記保護ガラス２２の周囲に孔を形成し、該孔を介して前記冷却空気３５を外部に放出する様にしてもよい。

次に、図８に於いて、前記フィルタ切替え部５について説明する。

該フィルタ切替え部５はフィルタ保持板３６を有している。該フィルタ保持板３６にはλ１の波長を透過させる第１波長選択フィルタ３７と、λ２の波長を透過させる第２波長選択フィルタ３８の２つの波長選択フィルタが設けられ、前記第１波長選択フィルタ３７、前記第２波長選択フィルタ３８はそれぞれ前記光軸４に対して垂直に保持されている。前記フィルタ保持板３６はスライダ３９に支持され、該スライダ３９はガイドシャフト４１に摺動自在に設けられ、前記光軸４に対して直交する方向に移動可能となっている。前記スライダ３９は、ジョイント４２を介してタイミングベルト４３に連結されている。

該タイミングベルト４３は、プーリ４４，４４に掛回されて設けられ、図示しない減速機を介してモータ４５に連結されている。該モータ４５は、前記制御装置６（図１参照）に電気的に接続され、該制御装置６により、所定のタイミング、例えば７秒毎に間欠駆動され、所定時間停止した後逆方向に駆動される様になっている。

前記モータ４５の駆動により、減速機を介して前記プーリ４４が回転される。該プーリ４４，４４の回転により、前記タイミングベルト４３が前記プーリ４４を周回する。前記タイミングベルト４３は前記プーリ４４，４４間で直線運動し、前記タイミングベルト４３は前記ジョイント４２を介して前記スライダ３９を前記ガイドシャフト４１に沿って往復移動させる。前記スライダ３９と一体に前記フィルタ保持板３６が移動停止し、停止した位置では前記第１波長選択フィルタ３７と前記第２波長選択フィルタ３８の何れか一方の中心が前記光軸４と合致する様になっている。

尚、前記スライダ３９、前記タイミングベルト４３、前記プーリ４４、前記モータ４５によりフィルタ切替え部５が構成される。

前記温度計測装置１により炉内の測定対象物の温度計測を行なう場合について説明する。前記温度計測装置１は、前記光学ユニット２を炉壁に挿通し、先端が炉内に露出する様に取付けられる。前記測定対象物からの光線（熱放射線）は、前記内筒７内に配置された複数の前記レンズユニット１１を介し前記第１波長選択フィルタ３７を透過して前記カメラ３に入射される。前記第１波長選択フィルタ３７を透過することにより、λ１の波長に限定されて前記カメラ３の受光素子に受光さる。該受光素子からの受光信号に基づきλ１の波長による測定対象物像の画像が撮像される。

又、所定時間経過後、前記モータ４５が駆動されて前記フィルタ保持板３６が移動され、前記光軸４上に前記第２波長選択フィルタ３８が位置決めされる。測定対象物からの光線は、前記第２波長選択フィルタ３８を透過することにより、λ２の波長に限定されて前記カメラ３の受光素子に受光され、該受光素子からの受光信号に基づきλ２の波長による測定対象物像の画像が撮像される。

前記カメラ３で得られた、λ１の波長による測定対象物像の画像と、λ２の波長による測定対象物像の画像が前記制御装置６へと送出され、該制御装置６は２つの画像を基に２色測温法により測定対象物の温度、温度分布等の温度状態を演算する。温度状態は、測定対象物上の測定点と対応させ数値で表示され、或はグラフ化され、或は温度の高低に対応させた色分け表示で画像として表示される。

上記処理中、前記冷却水供給管３１ａ〜３１ｄから前記水冷流路１８へ、前記冷却水３３が供給されている。該冷却水３３は、前記供給流路２８ａ〜２８ｄ内を先端側に向って流通し、前記間隙２５ａ〜２５ｄ内を流通して反転し、前記排出流路２９ａ〜２９ｄ内を基端側に向って流通し、前記合流流路２６で合流した後、前記冷却水排出管３２より外部へ排出される。前記冷却水３３が前記水冷流路１８を流通する過程で、前記鏡筒部９が水冷される。

又、前記エア供給孔１９から前記空間１５を介して前記空冷流路２１へ、前記冷却空気３５が供給されている。該冷却空気３５は、前記空冷流路２１内を先端側に向って流通し、前記保護ガラス２２に形成された溝を介して外部に放出される。

尚、該空冷流路２１内を流通する前記冷却空気３５の一部は、基端側の前記連通孔２３を介して前記間隔保持部材１２の内部に流入し、又先端側の前記連通孔２３を介して前記空冷流路２１に流出する。前記冷却空気３５が前記空冷流路２１、前記間隔保持部材１２の内部を流通する過程で、前記レンズユニット１１等の光学系が空冷される。

前記鏡筒部９が水冷されると共に、前記レンズユニット１１等の光学系が空冷されるので、炉の観察窓等から炉内に前記鏡筒部９を挿入した場合でも、炉内からの輻射熱により前記鏡筒部９や前記レンズユニット１１が過熱することなく炉内の温度状態を計測することができる。

又、前記端板１６に対し、放射状に複数の溝を形成し、該溝を介して前記冷却空気３５が前記保護ガラス２２の表面を流通する様にしたので、炉内からの粉塵が前記保護ガラス２２の表面に付着するのを防止することができる。

又、前記内筒７内に複数の前記レンズユニット１１を設け、該複数のレンズユニット１１により測定対象物からの放射光を伝搬させる構成となっているので、前記内筒７が軸心方向に長い場合であっても前記カメラ３迄放射光を伝搬させることができる。又、前記内筒７の長さに応じて前記レンズユニット１１を適宜設けることで、測定対象物から離れ、熱の影響を受けない位置で撮像することができる。

更に、前記フィルタ切替え部５に於いて、前記フィルタ保持板３６を所定時間毎に移動させ、前記光軸４上に位置する波長選択フィルタを切替えることで、２色測温法を行う為の２波長の画像を撮像する様になっているので、測定対象物からの放射光を分割する為の光学系を必要とせず、光学系の小型化が図れると共に、光学系での光の減衰が防止でき、前記カメラ３に受光される放射光の光量を十分に確保することができる。

尚、本実施例では、前記カメラ３として赤外カメラを用いているが、８００℃以上の高温の炉の温度を計測する場合にはシリコン素子を有する可視光カメラが用いられる。

１温度計測装置２光学ユニット
３カメラ４光軸
５フィルタ切替え部６制御装置
７内筒８外筒
１１レンズユニット１２間隔保持部材
１８水冷流路１９エア供給孔
２１空冷流路２２保護ガラス
２３連通孔２４流路分割部材
２８供給流路２９排出流路
３１冷却水供給管３２冷却水排出管
３３冷却水３４凹溝
３５冷却空気３６フィルタ保持板

Claims

内筒と、該内筒の外周側に隙間が形成される様前記内筒と同心に設けられた外筒と、全長に亘って通気性を有する様前記内筒の内部に設けられ、測定対象物から放射される光を伝搬させる光学系と、該光学系を透過した光の内特定の波長を透過させる透過特性の異なるフィルタを複数有するフィルタ板と、該フィルタ板のフィルタを切替えるフィルタ切替え部と、該フィルタ切替え部により切替えられた前記フィルタを介して前記測定対象物の画像を撮像する撮像部と、該撮像部により取得した画像に基づき２色測温法により前記測定対象物の温度状態を演算する制御装置とを具備し、前記隙間に冷却水を流通させ、前記内筒の内部に冷却空気を流通させることを特徴とする温度計測装置。
前記隙間を周方向に分割する流路分割部材を更に具備し、該流路分割部材により前記冷却水を先端側に向って流通させる供給流路と、該供給流路を流通する前記冷却水を反転させて基端側に向って流通させる排出流路とが形成される請求項１の温度計測装置。
前記供給流路と前記排出流路とがそれぞれ複数設けられ、各供給流路毎に前記冷却水を供給する請求項２の温度計測装置。
前記光学系は複数のレンズユニットを有し、該レンズユニット間に外周面に軸心方向全長に亘って凹溝が形成された円筒状の間隔保持部材が設けられ、前記凹溝と前記内筒の内周面とで前記冷却空気が流通する空冷流路が形成される請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載の温度計測装置。
前記凹溝に前記空冷流路と前記間隔保持部材の内部とを連通させる連通孔が形成された請求項４の温度計測装置。