JP2016170153A - レーザによる温度測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温、高放射線環境下の過酷な環境においても精度良く環境温度の測定ができる技術を提供する。【解決手段】レーザの伝搬媒体となる中空のプローブ１１に温度測定箇所に測定用反射部Ｘ1〜ＸNを設け、中空のプローブを測定環境に挿入し、レーザ発振部６から発振させたレーザを中空のプローブに投光し、中空のプローブ内に設けた測定用反射部からの反射波を解析することによって測定環境の温度を測定する温度測定方法であって、レーザ発振部から発振するレーザを制御するレーザ発振制御手段５と、レーザ発振部６から発振されたレーザ光を、プローブ１１の測定点である測定反射部に配設された起点反射体起点反射体Ｘ１０〜ＸＮ０と終点反射体Ｘ１１〜ＸＮ１によって各々反射光として反射させ該反射光を受振するレーザ受信制御手段と、レーザ発振制御手段の情報とレーザ受振手段の情報から、測定環境の温度を解析する温度解析手段４Ｃとからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを利用した遠隔地点あるいは狭隘部の温度を測定する方法及び装置に関する。詳細には、所定位置に内部に複数の反射部を持った中空のプローブに、レーザを投光させ、中空のプローブの内部に設けられた反射部からの反射波の到達時間を計測することによって所定位置での温度を測定する技術に関する。
ここで、複数の反射部とは、中空のプローブの内部に設けられた鏡の他、レーザが到達することによって複雑に反射するミゾ、スリット、ノッチ、突起などの任意の形状を採用することができる。本発明では、これらを総称して「反射部」として説明する。

一般に、液体、固体を問わず、遠隔位置あるいは狭隘部の温度を測定する場合には、超音波センサによって液体あるいは固体中に超音波を伝播させ、その反射波の戻り時間を測定し、基準音速との対比を行い、速度の変化から液体の温度を測定する方法が用いられている。（特許文献１）、（特許文献２）
また、遠隔位置あるいは狭隘部の温度を測定する場合には、光ファイバなどを利用して、遠隔位置あるいは狭隘部での超音波センサによる超音波伝播を実現し、その反射波の戻り時間を測定し、基準音速との対比を行い、超音波の速度の変化から液体の温度を測定する方法が用いられている。（特許文献３）
さらに、超音波を利用した一般的な温度測定の原理は数多く紹介されているが、基本原理的な技術紹介であり、実用に即した測定方法とするためには種々の工夫が必要とされる。（非特許文献１）
しかしながら、これらは、超音波センサが正常に稼働できる比較的低温の環境に限られたものである。

また、レーザを利用した温度測定は、特許文献４を始め一般的な温度測定の技術として開示されているが、いずれもが、所定の距離をもった反射部に対してレーザを投光し、該レーザが反射して戻るまでの時間を測定することによって、温度変化に伴う距離の変化を検知することで、レーザの基準戻り時間と実際の計測戻り時間との差を演算し、所定位置の温度を特定するものである。しかしながら、レーザを利用した一般的な温度測定の基本原理的な技術紹介であり、実用に即した測定方法とするためには、環境温度に対するプローブの考慮等の種々の工夫が必要とされる。（特許文献４）

一方、福島第一原子力発電所の事故に見られるように、過酷事故における原子炉内の温度測定の重要度が再認識され、一方で原子炉内に挿架されるセンサは、過酷環境によって破損し、その機能を果たさなかった。主たる課題は、温度、放射線にあった。また、このような高温、高放射線環境下での測定要求は、原子炉施設の事故に限らず、再処理施設のガラス固化体処理プロセスなどに例示されるように、測定を不可あるいは困難にしていた。

また、事故などに限らず、原子炉施設では安全上重要な機器や設備に対する健全性維持が要求される。ただ、これを実現するためには、原子炉施設の容器の蓋を開放するなどの必要が生じ、施設の稼働中に検査を行うことができず、やむを得ず施設を停止した時に検査を行うことで対処している。このやり方では、施設を停止するによって本来の稼働中の状況測定が困難となっていた。
すなわち、高温、高放射線環境下においても環境温度の測定を可能とする測定方法の実現が要求されるようになってきた。

特開２０１３−１７８１２７号公報 特願２０１３−２４４６２８号出願明細書 特開２００９−２１０３９５号公報 特開２０１４−２０２６１０号公報

「超音波を用いた新規な非破壊・ 非接触モニタリング手法」長岡技術科学大学工学部機械系 井原郁夫准教授（http://mcweb.nagaokaut.ac.jp/j/laboratory/laboratory_13参照）

本発明は、従来技術で記載した問題点に鑑み、高温、高放射線環境下の過酷な環境においても精度良く環境温度の測定ができる技術を提供することを課題とする。

本発明の第１の発明は、測定環境に、レーザの伝搬媒体となる中空のプローブに、温度測定箇所に測定用反射部を設け、該中空のプローブを測定環境に挿入し、レーザ発振部から発振させたレーザを前記中空のプローブに投光し、前記中空のプローブ内に設けた測定用反射部からの反射波を解析することによって測定環境の温度を測定するレーザによる温度測定方法であって、前記レーザ発振部から発振するレーザを制御するレーザ発振制御手段と、該レーザ発振部から発振されたレーザ光を、前記プローブの測定点である測定反射部に配設された起点反射体と終点反射体によって各々反射光として反射させ該反射光を受振するレーザ受信制御手段と、前記レーザ発振制御手段の情報と前記レーザ受振手段の情報から、前記測定環境の温度を解析する温度解析手段と、からなるレーザによる温度測定方法である。

本発明の第２の発明は、第１の発明に付加して、前記測定反射部は、測定させたい位置に合わせて前記中空のプローブの少なくとも１乃至複数位置に設けたレーザによる温度測定方法である。

本発明の第３の発明は、第１乃至第２の発明に付加して、前記中空のプローブは、タングステン等の高融点材料からなるレーザによる温度測定方法である。

本発明の第４の発明は、測定環境に、レーザの伝搬媒体となる中空のプローブに、温度測定箇所に測定用反射部を設け、該中空のプローブを測定環境に挿入し、レーザ発振部から発振させたレーザを前記中空のプローブに投光し、前記中空のプローブ内に設けた測定用反射部からの反射波を解析することによって測定環境の温度を測定するレーザによる温度測定方法であって、前記レーザ発振部から発振するレーザを制御するレーザ発振制御手段と、レーザ発振部が受信したレーザを制御するレーザ受信制御手段と、前記レーザ発振制御手段の情報と前記レーザ受信手段の情報から、前記測定環境の温度を解析する温度解析手段と、からなるレーザによる温度測定装置である。

本発明の第５の発明は、第４の発明に付加して、前記測定用反射部は、測定点の位置に合わせて前記中空のプローブの複数位置に設けたレーザによる温度測定装置である。

本発明の第６の発明は、第４乃至第５の発明に付加して、前記中空のプローブは、タングステン等の高融点材料からなるレーザによる温度測定装置である。

本発明によれば、
本発明のレーザによる温度測定装置は、温度測定用の制御装置すなわちプローブ以外の全てを測定環境外あるいは遠隔に設けることができるため、測定環境の高温ならびに放射線環境下に耐える温度測定を実現できる。また、特別の環境温度対応の構造が不要であり、安価に製造することができる。

また、測定環境内に配設されるプローブが、高温ならびに放射線環境下に耐える材料であるため、測定環境内の遠隔部ならびに狭隘部に配設することができ、許容される測定範囲を大きく確保することができる。このため、予め測定環境内、例えば、測定環境構造物の建造時に予めプローブを組み込んでおくことも可能である。

また、温度測定が、予め設けられた対となる測定反射部の起点反射体と終点反射体との温度による間隔の変化を光速に置き換えて測定するものであり、温度測定精度を高度に達成、維持することができる。
さらに、プローブの任意の測定部に、測定反射部として起点反射体と終点反射体を設けることで、測定環境の温度を、該起点反射体と終点反射体との間隔の変動のみを解析することによって、その他の測定環境の温度による影響を排除した温度測定とすることができる。
特に、プローブ内が閉鎖空間に構成できるため、外部の光、ならびに環境の影響を受けないようにすることができる。

また、プローブならびに測定反射部などによるレーザの減衰が少なく、かつ、測定位置での起点反射体と終点反射体との距離を直接測定するため、プローブ途中の温度変化の影響を受けることなく精度良い測定が可能である。
特に、超音波による測定では、超音波発信から測定点までの距離が数十メートルといわれているが、本発明のレーザでは数百メートルと遠距離の測定が可能である。

また、複数の測定箇所に、測定反射部としての起点反射体と終点反射体とを対にして複数設けることによって、複数の測定環境の温度測定を同時に行うことが可能となり、スピーデイな測定による測定効率を向上させることができる。

さらに、高温ならびに放射線環境下の測定環境に晒されるものが、高融点材料であることから、測定対象となる施設などが稼働中、停止中に係らず温度を測定することができ、モニタリング装置として常時利用することも可能となる。

本発明のレーザによる温度測定装置の機器構成の一実施例を示す図である。 本発明のレーザによる温度測定する信号処理の手順の概要を示す図である。 本発明のレーザによる温度測定装置の測定温度の最小分解能および空間分解能の一実施例を示す図である。 本発明のレーザによる温度測定装置におけるプローブで、１箇所の温度測定を行う場合の一実施例を示す図である。 本発明のレーザによる温度測定装置におけるプローブで、多点の温度測定を行う場合の一実施例を示す図である。 本発明のレーザによる温度測定の応用例の一実施例を示す図である。

本発明のレーザによる温度測定装置は、測定環境に、レーザの伝搬媒体となる中空のプローブに、温度測定箇所に測定用反射部を設け、該中空のプローブを測定環境に挿入し、レーザ発振部から発振させたレーザを前記中空のプローブに投光し、前記中空のプローブ内に設けた測定用反射部からの反射波を解析することによって測定環境の温度を測定する
レーザによる温度測定方法であり、前記レーザ発振部から発振するレーザを制御するレーザ発振制御手段と、該レーザ発振部から発振されたレーザ光を、前記プローブの測定点である測定反射部に配設された起点反射体と終点反射体によって各々反射光として反射させ該反射光を受振するレーザ受信制御手段と、前記レーザ発振制御手段の情報と前記レーザ受振手段の情報から、前記測定環境の温度を解析する温度解析手段とを有する。
測定反射部は、測定させたい位置に合わせて前記中空のプローブの少なくとも１乃至複数位置に設ける。
また、前記中空のプローブは、タングステン等の高融点材料によって構成する。

レーザによる温度測定装置の構成を、図1を基に説明する。
レーザによる温度測定装置１（以下、温度測定装置と称す。）は、レーザの発振制御から反射したレーザの受振、受信したレーザの解析、ならびに解析結果に基づく測定温度の特定等の一連の制御を司る制御装置２と、測定環境に配設され、内部に複数の測定反射部を持つプローブ１１で構成される。

制御装置２は、レーザ発振制御手段４ａ、レーザ受振制御手段４ｂ、温度解析手段４ｃにより構成される制御プログラム／記憶装置４を接続し、各種の制御を行う制御部３と、レーザの発振制御を行うレーザ発振制御部５、レーザ発振制御部５からの情報を基にレーザの走査制御を行うレーザ走査制御器７、具体的なレーザ発振ならびにプローブからの反射レーザを受振するレーザ発振／受振器６と、受振した反射レーザを所望の光信号として取得する干渉フィルタ８、反射レーザを増幅する光電子倍増管９、増幅された反射レーザ信号のパルスを解析するパルス計測部１０によって構成する。

前記レーザ発振／受振器６からのレーザを測定反射部Ｘ₁〜Ｘ_Nの起点反射体Ｘ₁₀〜Ｘ_N0、終点反射体Ｘ₁₁〜Ｘ_N1によって反射させ、反射レーザをレーザ発振／受振器６に受振させる構成である。

また、パルス計測部１０の情報を基にして、温度解析手段４ｃによって、予め定められた起点反射体Ｘ₁₀〜Ｘ_N0と終点反射体Ｘ₁₁〜Ｘ_N1との距離Ｄ₁〜Ｄ_Nに対する実際に測定した起点反射体Ｘ₁₀〜Ｘ_N0と終点反射体Ｘ₁₁〜Ｘ_N1との距離ｄ₁〜ｄ_Nとを算出し、各測定反射部Ｘ₁〜Ｘ_Nにおける温度を演算する。

一方、プローブ１１は、所望の測定環境の位置に測定反射部Ｘ₁〜Ｘ_Nを設けている。
また、プローブ１１は、測定環境の高温ならびに、放射線環境下に耐える高融点材料で構造する。高融点材料としては、ステンレス鋼などの鉄材、タングステン、モリブデン、ジルコニウムが好ましい。これらのうち、タングステン、モリブデン、ジルコニウムがより好ましい。

ここで、レーザ発振制御部５、レーザ走査制御部７、レーザ発振／受振器６、干渉フィルタ８、光電子倍増管９ならびにパルス計測部１０については、一般に開示されている技術、機器等を使用するものであり、本発明では説明を割愛する。

ただ、レーザ発振制御について、本発明の基本は、レーザによる測距であり、その方式には（１）レーザ発光素子とレーザ受光素子とを組み合わせ三角測量を応用した三角測距方式、（２）レーザの発振から反射したレーザの受振までの伝播時間を計測し距離を算出するパルス伝播方式、（３）連続発振レーザに周波数変調をかけ２種類の変調周波数を用いて距離を求める位相差距離方式の三種類があるが、いずれの方式を採用しても実施可能であるが、本発明では（２）のパルス伝播方式によって説明する。

レーザ光速をｃ、レーザの発振、受振の時刻をＲ、Ｒ′、所要時間の差（Ｒ′−Ｒ）を
ΔＲ、測定環境の基準温度に対する温度の変化量をΔｔ、測定環境に配置されている起点反射体と終点反射体との距離間隔Ｄの変化量をｄ、測定環境の温度に対する線膨張係数をαとすると、次式で表される。
ΔＲ＝Ｒ′−Ｒ （１）
２ｄ＝ΔＲ・ｃ （２）
ｄ＝Ｄ・Δｔ・α／２ （３）
（１）（２）（３）式から
Δｔ＝２・ΔＲ・ｃ／（α・Ｄ） （４）
が得られる。これによって、基準温度に対する測定環境の温度の変化量を演算することができ、基準温度＋Δｔを測定温度Ｔとして設定することができる。この内容をプログラム化することで、測定環境の温度を解析する温度解析手段４ｃを構成する。

このＴを演算する過程を図２によって、その概念を説明する。
本例は、測定反射部がＸ₁、Ｘ₂と２つの例により図示した。
１）基準信号は、プローブ１１の測定反射部Ｘ１、Ｘ２の位置を実測することで決まる起点反射体Ｘ₁₀と終点反射体Ｘ₁₁からのレーザ反射光の受振時刻Ｒ₁₀、Ｒ₁₁ならびにＲ₁を
理論的に設定したものである。
２）反射信号は、実際にレーザ発振／受振器６によって受振したレーザの反射信号を表わしたものであるが、レーザがプローブ内で乱反射することによるノイズも合わせて受振している。
このノイズ部分を予め繰り返し試験によって定量化しておくことによって、前述のレーザの反射信号から取り除くことが可能である。
３）レーザ信号の抽出は、２）の反射信号から前述の定量化されたノイズを除去することで得られるレーザ信号の抽出を表わしている。
４）時間／距離の計測では、１）基準信号に対して周囲の温度等によって受振信号は遅れ気味にあらわされるが、所定の環境温度測定部分に注視すると、起点反射体Ｘ₁₀と終点反射体Ｘ₁₁からのレーザ反射光の受振時刻Ｒ₁₀′、Ｒ₁₁′ならびにＲ′を正確に測定することが目的であるため、受振信号の遅れは無視し、Ｒ′＝Ｒ₁₁′−Ｒ₁₀′を演算設定する。

この演算結果を基に前記式（４）によって、基準温度に対する測定環境の温度の変化量Δｔを演算し、基準温度＋Δｔを測定温度Ｔとして設定する。

つぎに、本発明における測定温度の最小分解能および空間分解能は、中空円筒材質の線膨張係数、反射体間の距離、レーザによる測距精度から決定する。
例として、プローブ１１にタングステン材を使用した場合、その線膨張係数から計算される反射体間隔との関係を図３に示す。
現在市販されているレーザ距離計の仕様を参考とすれば、レーザと反射体間の距離に応じて分解能が低下するため、最も厳しい条件となる仕様上の測定レンジの最長３．５ｍにおいて１００μｍの分解能を有する。
図３から反射体間の距離が約２００ｍｍにおいて約１μｍ／Ｋの変化が生じる。１００Ｋの温度変化で約１００μｍの膨張が生じるため測距分解能を上回ることになる。従って、温度分解能は１００Ｋ、空間分解能は２００ｍｍとなることが期待される。
上記例のように、適用条件（要求）に応じて、適宜装置設計を行う。
〔実施例１〕

本発明の実施例１として、レーザによる温度測定装置の温度測定部が１箇所のプローブ１１について図４を基に説明する。
本実施例は、図４ａ）に示すように、タングステン製の中空構造のプローブ１１に、測定反射部Ｘ１としての起点反射体Ｘ１０と終点反射体Ｘ１１を対角線の位置に配置し（図４ｂ））、レーザ発振制御部５からのレーザ走査制御器７への走査信号と、レーザ発振／
受振部６ａへの発振信号とに基づきレーザをプローブ１１内へ発振させる。また、起点反射体Ｘ１０と終点反射体Ｘ１１からの反射レーザをレーザ発振／受振部６ｂによって受振する構成である。プローブ１１は細長い中空構造であるため、起点反射体Ｘ１０と終点反射体Ｘ１１は、図４ｃ）に記載のように円筒部と反射体部とを分割構成として、ネジ嵌合あるいは溶接等によって接続することもできる。
〔実施例２〕

本発明の実施例２として、レーザによる温度測定装置の温度測定部が多点の場合のプローブ１１について図５を基に説明する。
本実施例は、図５ａ）に示すように、タングステン製の中空構造のプローブ１１に、温度測定点として測定反射部Ｘ１からＸ６までをプローブの円周に沿って均等にかつ放射状に配置（螺旋状に配置）して、起点反射体Ｘ１０と終点反射体Ｘ１１〜起点反射体Ｘ６０と終点反射体Ｘ６１を配置し（図５ｂ））、レーザ発振制御部５からのレーザ走査制御器７への走査信号と、レーザ発振／受振部６ａへの発振信号とに基づきレーザをプローブ１１内へ発振させる。また、起点反射体Ｘ１０と終点反射体Ｘ１１、・・起点反射体Ｘ６０と終点反射体Ｘ６１からの反射レーザをレーザ発振／受振部６ｂによって受振する構成である。プローブ１１は細長い中空構造であるため、起点反射体Ｘ１０と終点反射体Ｘ１１、・・起点反射体Ｘ６０と終点反射体Ｘ６１は、図４ｃ）と同様に円筒部と反射体部とを分割構成として、ネジ嵌合あるいは溶接等によって接続することもできる。
〔実施例３〕

本発明の実施例３として、レーザによる温度測定装置の実際への応用例として図６を基に説明する。
万一、原子炉に事故等が発生した場合に備え、原子炉圧力容器の炉心下の底部に、溶融物質が溜まると想定される位置に本発明のプローブ１１を、予め挿入しておき、事故等が発生した場合の原子炉内の温度を外部から監視できるようにするものである。
プローブ１１には、レーザ発振／受振器６ならびにレーザ走査制御器７を介して制御装置２を接続し、レーザによる温度測定装置を構成している。この図からも判るように、プローブ１１の長さを適宜設定することで、レーザ発振／受振器６、レーザ走査制御器７さらには制御装置２を温度に影響されない、かつ放射線の影響の少ない位置に設定することが可能となる。
また、万一の事故に限らず、日常の原子炉圧力容器内の温度モニタリング機器として活用が可能である。

以上、実施例１〜３について、レーザ走査を前提とした説明であるが、レーザのビーム径を適宜設定する、例えば、プローブ１１の内径に合わせたビーム径とすることによってレーザ走査を省略することができ、かつ、複数の温度測定部の温度を同時に測定することができる。

１…レーザによる温度測定装置
２…制御装置
３…制御部
４…制御プログラム／記憶装置
４ａ…レーザ発振制御手段
４ｂ…レーザ受振信制御手段
４ｃ…温度解析手段
５…レーザ発振制御部
６…レーザ発振／受振器
７…レーザ走査制御器
８…干渉フィルタ
９…光電子倍増管
１０…パルス計測部
１１…プローブ
Ｘ１…１番目測定反射部
Ｘ₁₀…１番目起点反射体
Ｘ₁₁…１番目終点反射体
Ｘ２…２番目測定反射部
Ｘ₂₀…２番目起点反射体
Ｘ₂₁…２番目終点反射体
ＸＮ…Ｎ番目測定反射部
Ｘ_N0…Ｎ番目起点反射体
Ｘ_N1…Ｎ番目終点反射体

Claims (6)

1. 測定環境に、レーザの伝搬媒体となる中空のプローブに、温度測定箇所に測定用反射部を設け、該中空のプローブを測定環境に挿入し、レーザ発振部から発振させたレーザを前記中空のプローブに投光し、前記中空のプローブ内に設けた測定用反射部からの反射波を解析することによって測定環境の温度を測定するレーザによる温度測定方法であって、
   前記レーザ発振部から発振するレーザを制御するレーザ発振制御手段と、
   該レーザ発振部から発振されたレーザ光を、前記プローブの測定点である測定反射部に配設された起点反射体と終点反射体によって各々反射光として反射させ該反射光を受振するレーザ受信制御手段と、
   前記レーザ発振制御手段の情報と前記レーザ受振手段の情報から、前記測定環境の温度を解析する温度解析手段と
   からなることを特徴とするレーザによる温度測定方法。
2. 前記測定用反射部は、測定点の位置に合わせて前記中空のプローブの複数位置に設けたことを特徴とする請求項２に記載のレーザによる温度測定方法。
3. 前記中空のプローブは、タングステン等の高融点材料からなることを特徴とする請求項２乃至３に記載のレーザによる温度測定方法。
4. 測定環境に、レーザの伝搬媒体となる中空のプローブに、温度測定箇所に測定用反射部を設け、該中空のプローブを測定環境に挿入し、レーザ発振部から発振させたレーザを前記中空のプローブに投光し、前記中空のプローブ内に設けた測定用反射部からの反射波を解析することによって測定環境の温度を測定するレーザによる温度測定方法であって、
   前記レーザ発振部から発振するレーザを制御するレーザ発振制御手段と、
   該レーザ発振部から発振されたレーザ光を、前記プローブの測定点である測定反射部に配設された起点反射体と終点反射体によって各々反射光として反射させ該反射光を受振するレーザ受信制御手段と、
   前記レーザ発振制御手段の情報と前記レーザ受振手段の情報から、前記測定環境の温度を解析する温度解析手段と
   からなることを特徴とするレーザによる温度測定装置。
5. 前記測定用反射部は、測定点の位置に合わせて前記中空のプローブの複数位置に設けたことを特徴とする請求項４に記載のレーザによる温度測定装置。
6. 前記中空のプローブは、タングステン等の高融点材料からなることを特徴とする請求項４乃至５に記載のレーザによる温度測定装置。

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