JP3144254B2

JP3144254B2 - 鉄皮温度分布測定方法

Info

Publication number: JP3144254B2
Application number: JP00917195A
Authority: JP
Inventors: 浩一手塚; 俊哉前川; 泰大松藤; 章生長棟
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1995-01-24
Filing date: 1995-01-24
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH08201186A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ温度分布計
による温度分布計測技術のうち、特に鉄鋼製造プロセス
における高炉、転炉、ＳＵＳ炉等の各種炉体や溶銑樋、
溶銑鍋、溶鋼鍋等に使用される耐火物の損耗や、溶銑、
溶鋼の差し込みによる鉄皮温度異常の検出等を目的とし
た鉄皮温度分布測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】各種炉体等における耐火物の損耗や、溶
銑、溶鋼の差し込み等による炉体損傷を早期に検出して
手当てするためには、鉄皮表面各所の温度を監視し、温
度の異常上昇の発生を検知する方法が有効である。温度
計測には従来一般的に熱電対を用いる方法が用いられる
が、鉄皮表面のどの部分で発生するか予想不可能な温度
異常を検出するためには、鉄皮表面各所に多数の熱電対
を設置する必要があり、熱電対の取付、配線のための施
工や設備が複雑となるという問題がある。また、多数の
熱電対による計測データの取り込み処理も煩雑となると
いう問題点もある。

【０００３】これに対して、近年特開平６−３１９７号
公報に開示されているように、温度計測手段として光フ
ァイバ温度分布計を使用し、光ファイバを炉体に設置
し、温度分布を計測する方法が提案されている。

【０００４】また、炉体、鉄皮への光ファイバの設置方
法としては特開平５−３３２８５０号公報で金属管を炉
体、鉄皮に設置し、金属管内に光ファイバを通す方法が
提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６−３１９７号公報に開示されているような、高炉炉体
鉄皮表面に光ファイバを螺旋状に設置し温度分布を計測
する方法においては、鉄皮温度を正確に計測するため
に、光ファイバを鉄皮表面に確実に接触させる必要があ
るが、ここでは、光ファイバを鉄皮表面に設置、保持す
る具体的な方法が示されていない。

【０００６】また、特開平５−３３２８５０号公報にお
いては、熱風炉鉄皮表面にガイドパイプを溶接し、ガイ
ドパイプ内にＳＵＳチューブ入り光ファイバを挿入し敷
設する方法が示されているが、ここでは、ガイドパイプ
と鉄皮表面との溶接方法についての詳細が述べられてい
ない。

【０００７】鉄皮表面とガイドパイプとの溶接方法とし
て、ガイドパイプを、温度分布計測経路の全長に亘って
連続的に溶接した場合には、鉄皮表面とガイドパイプの
温度はほぼ等しくなり、ガイドパイプ内に光ファイバを
挿入する事により鉄皮表面の正確な温度分布の計測が可
能である。しかし、ガイドパイプの施工性が悪い場所
で、この方法は必ずしも効率的な方法と言えない。さら
に全長溶接による鉄皮の歪等が発生する可能性もある。

【０００８】また、鉄皮表面とガイドパイプをガイドパ
イプの長手方向に沿って適当な間隔でスポット的に溶接
する事とした場合には、施工能率が向上するが、非溶接
箇所では鉄皮との間に隙間を生じ、鉄皮温度とガイドパ
イプの温度に温度差が発生するため正確な温度分布が計
測できず、温度異常の検出ができないことがある。

【０００９】本発明は、施工が簡易で確実に温度異常の
発生が検出可能である光ファイバ温度分布計による鉄皮
温度分布計測方法を提案するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鉄皮温度分
布測定方法は、光ファイバ温度計により転炉、高炉、溶
銑樋等の鉄皮の温度分布を測定する鉄皮温度分布測定方
法であって、鉄皮表面の温度分布計測経路に沿って金属
管を配置し、鉄皮表面と金属管とを金属管の長手方向に
光ファイバ温度分布計の距離分解能以下の一定間隔で固
着し、この配管中に光ファイバを挿入して鉄皮の温度分
布を測定するものである。

【００１１】また、鉄皮表面と金属管とを金属管の長手
方向に光ファイバ温度分布計の距離分解能の１／（Ｎ＋
１）（Ｎは余裕率で１以上）の間隔で固着したものであ
る。

【００１２】また、温度分布計として擬似ランダム信号
変調方式光ファイバ温度分布計を使用するとともに、鉄
皮表面と金属管との固着間隔ｄを、変調信号のクロック
周波数ｆと光ファイバ中の光速ｖとの関係で数２のよう
に規定したものである。

【００１３】

【数２】

【００１４】また、光ファイバとして金属管被覆ファイ
バを使用したものである。また、鉄皮表面に設置した配
管上面を断熱材で覆うものである。

【００１５】

【作用】光ファイバを利用した温度分布計測では、光フ
ァイバをセンサとして計測対象物に密着させ、光ファイ
バの温度分布を測定対象物の温度分布に一致させた上
で、光ファイバ中にパルスレーザ光を入力し、ファイバ
中の各所で発生するラマン散乱光（ストークス光、アン
チストークス光）を検出し、パルスレーザ光の入力から
ラマン散乱光検出までの時間遅れから、ファイバ中での
発生位置を、ラマン散乱光強度の温度依存性から、光フ
ァイバの温度を求める事により光ファイバの温度分布即
ち、測定対象物の温度分布の測定を行う。

【００１６】光ファイバを利用した温度分布測定におい
ては、通常、温度計の機種によって異なるある一定のパ
ルス幅を持つパルスレーザ光を、入射光信号として利用
している。測定される温度分布は、入力光のパルス幅に
応じた距離分解能で平均化（ないし積分）されたものと
なり、計測される温度分布は実際の計測対象物の温度分
布が均されたものとなる。このような方式の光ファイバ
温度分布計の距離分解能δは、入射光信号として使用さ
れるパルスレーザ光のパルス幅をｗとすると、数３で示
される。

【００１７】

【数３】

【００１８】実際の計測対象物の温度分布が、図５
（ａ）に示す様にステップ状に変化して、光ファイバの
温度分布がそのステップ分布に一致している場合でも、
計測される温度分布は、図５（ｂ）に示す様に、測定値
が均されスロープ状の温度変化を示す。また、同様に、
計測対象の温度分布が、図６（ａ）の実線で示す様に、
一定区間部（距離分解能に相当する距離）だけが温度変
化しているような場合には、計測される温度分布は、図
６（ｂ）の実線で示す様な三角状となる。さらに、測定
対象の温度分布が、図６（ａ）の破線で示すように、距
離分解能以上の区間が温度変化している場合には図６
（ｂ）の破線で示すように温度分布は台形状の測定値を
示す事となる。そして、一般に鉄皮の温度分布測定では
温度上昇部分の最大値が重要なことが多い。この場合、
図６（ａ）の実線で示す距離区間以上の加熱部がなけれ
ば、正確な最大値を知る事ができないので、検出すべき
加熱部の幅に応じて温度計の距離分解能ないしガイドパ
イプの配置が設定される。

【００１９】本発明は、光ファイバ温度計の機種毎にこ
の距離分解能が異なるので、それに応じてガイドパイプ
に最小必要な温度分布が得られるような条件を作ればよ
いことに着目したものである。

【００２０】すなわち、本発明に係る光ファイバ温度分
布計による転炉、高炉、溶銑樋等の鉄皮温度分布測定方
法では、鉄皮表面の温度分布測定経路に沿って、金属管
を敷設し、光ファイバ温度分布計の距離分解能（距離応
答性）以下の一定長さ（例えば距離分解能の１／２の間
隔）ごとに金属管と鉄皮とを固着する。そして、その金
属管中に光ファイバを挿入する。

【００２１】この場合、実際の計測対象である鉄皮表面
の温度分布が、図７（ａ）の破線｛図７（ｂ）〜図７
（ｅ）も同じ｝に示す分布とすると、固着・設置された
金属管の温度分布は図７（ａ）の黒点（固着点）および
実線で示すように固着部では鉄皮の温度に一致し、その
他の部分では鉄皮と金属管の熱伝導などで決まる温度分
布となる。図７は、鉄皮と金属管の間の熱伝達が極めて
小さい場合を示している。また図示したｄは、使用する
温度計の距離分解能である。このとき光ファイバ分布温
度計で測定される最大値｛図７（ａ）の一点鎖線の山の
最高値｝は、鉄皮の温度分布の極大値に一致する。ま
た、万一何らかの原因で１つの固着部が外れ、金属管と
鉄皮との熱伝導がなくなった場合には、図７（ｂ）ない
し（ｃ）の実線で示す様に、金属管の温度分布が鉄皮の
温度分布に対して低くなる箇所（×点部分）が発生する
ことがある。この場合でも、固着点の間隔が温度分布計
の距離分解能より短いため、外れた固着点の両側の正常
な固着点間の金属管の熱伝導によって金属管の温度低下
箇所は均される。挿入された光ファイバにより温度分布
を計測すると、光ファイバ温度分布計による計測データ
は、図７（ｂ）ないし（ｃ）の一点鎖線で示す様に、最
高値は実際の鉄皮温度分布の最高値に近い温度が計測さ
れるので異常の検出が可能となる。

【００２２】ここで、温度分布計の距離分解能に対して
金属管の溶接間隔ｄ´が長いとすると、計測される温度
分布は図７（ｄ）ないし（ｅ）の一点鎖線で示す様に最
高温度を検出することができなくなる場合が発生する。

【００２３】上記の説明は、温度計の分解能にほぼ等し
い温度上昇部の幅があり、かつ、固着部の１か所のみが
外れる場合を示した。それ以外の場合で、安全率Ｎ（Ｎ
≧１）を導入して、分解能の１／（Ｎ＋１）の間隔で固
着しておけば、連続したＮ個の固着部が外れても同じ作
用で正確な検出が可能となる。また、確実な固着法を用
いて固着が外れることを想定しなくてもよい場合には、
図７（ｄ）に示したように金属管の最低１か所が温度上
昇部に含まれる距離分解能と等しい固着間隔としておけ
ば、温度上昇部の幅が分解能に等しい場合でも温度上昇
が検出可能となる。通常、温度上昇部の幅は温度計の距
離分解能よりも広いので、距離分解能以下の一定間隔で
固着しておけば固着点の外れがあっても正確な最高値の
計測が可能となる。また、光ファイバ温度分布計とし
て、単一のパルスでなく、擬似ランダム信号処理を適用
した複数の光パルスによる温度分布計を利用した場合に
は、温度分布計の距離分解能δは、擬似ランダム信号の
クロック周波数をｆとし、光速をｖとすると、数４で示
される。

【００２４】

【数４】

【００２５】したがって、鉄皮と金属管との溶接間隔ｄ
を、数５に示すような範囲とする事で、同様に実際の鉄
皮温度に対応した温度分布が計測される。

【００２６】

【数５】

【００２７】金属管に挿入する光ファイバーを金属被覆
光ファイバーとすれば、金属管の温度分布の変化があっ
たときに金属管の内面温度が速やかに光ファイバーに伝
わるので、温度上昇の検出速度が早くなる。また、光フ
ァイバーを金属管に挿入する場合の作業効率が良くな
る。

【００２８】鉄皮に敷設した金属管の回りを断熱材で覆
っておけば、金属管と鉄皮の熱伝達が悪い場合ないし固
着部が外れた場合でも金属管の温度が鉄皮温度に近くな
り、より正確な最高温度の検出が可能となる。

【００２９】

【実施例】図１に本発明の鉄皮温度分布測定方法の実施
例を示す。

【００３０】図１（ａ）中で１は金属管、２は光ファイ
バ、３は光ファイバ温度分布計、４は鉄皮、５は溶接箇
所、６は断熱材を示す。

【００３１】この鉄皮温度分布測定方法は、高炉におけ
る耐火物の異常損耗、溶銑差し込み等の検出を目的とし
たものであり、金属管１としては、熱による膨張差を防
ぐため、鉄皮に合わせ、直径１０ｍｍ、内径６ｍｍのＳ
Ｓ４００パイプを使用した。

【００３２】本実施例では光ファイバ温度分布計として
は、Ｍ系列信号処理を適用した温度分布計を使用し、Ｍ
系列信号のクロック周波数は５００ＭＨｚとしたので、
温度分布計の距離分解能は４０ｃｍとなり、金属管の鉄
皮への溶接間隔ｄは２０ｃｍとし、距離分解能の１／２
とした。

【００３３】本実施例では光ファイバ２としては、施工
時の損傷を防ぎ、計測時に光ファイバ２の損傷劣化が発
生した場合の交換を容易とするため、金属管被覆光ファ
イバ２（内径１．８ｍｍ、外径２．２ｍｍのＳＵＳパイ
プに挿入された光ファイバ）を使用し、金属管１内に挿
入したが、施工上、強度上、ファイバ損傷劣化等の可能
性が少なく、光ファイバ２交換の必要性がなければ、金
属管１内に光ファイバ２を直接挿入しても良い。

【００３４】光ファイバ２の設置は、先ず金属管１を鉄
皮４の表面の温度分布計測経路に合わせ敷設し、一定間
隔で鉄皮４に溶接した後、金属管１内にファイバ２（金
属管被覆ファイバ）を挿入した。

【００３５】溶接は、図１（ｂ）に示すように金属管１
と鉄皮４との接触箇所の両側で行ったが、強度上の問題
がなければ図１（ｃ）に示す様に片側のみの溶接でも計
測上の問題はなく更に施工性を向上させる事ができる。

【００３６】また、金属管１は溶接により鉄皮４と接続
したが、温度上、強度上問題が無ければ図２（ａ）およ
び（ｂ）に示す様に耐熱性接着剤２０や耐熱性テープ２
１で止める事も可能であり、この場合光ファイバ２（金
属管被覆光ファイバ）を直接鉄皮４に取り付ける事も可
能である。

【００３７】また、溶接により金属管１の変形、損傷が
生じる可能性があるので金属管１と鉄皮４とを直接溶接
するのではなく、図２（ｃ）に示す様に金属管１と鉄皮
４とを直接接触させた上で、金属管１上部から金属板
（金属バンド）２２を載せ金属板２２と鉄皮４表面を取
付（溶接）しても良い。

【００３８】また、本発明では、外気等による金属管１
の冷却の影響を防ぐため、金属管１に沿って帯状の断熱
材６を金属管１上部を覆うように設置した。

【００３９】図３（ａ）、（ｂ）は本実施例により計測
した光ファイバ温度分布計による鉄皮表面温度分布及び
比較のために設置した熱電対による温度測定結果の変化
を示すものであり、１０の曲線は光ファイバ２敷設経路
に沿った温度分布測定データを示し、点１１、１２はそ
れぞれ鉄皮４及び金属管１の溶接部の熱電対による温度
計測データを、点１３、１４はそれぞれ鉄皮４及び金属
管１の非溶接部の熱電対による温度計測データを示す。

【００４０】また、図３（ｂ）は、（ａ）に対して操業
時間が経過した時点での測定データを示しており、図３
（ｂ）には比較のため破線で図３（ａ）の計測データを
示している。

【００４１】図３（ａ）、（ｂ）で熱電対による温度測
定結果では、溶接部の鉄皮及び金属管温度はほぼ等しい
温度を示しているが、非溶接部の鉄皮及び金属管温度は
最大５０℃の温度差が生じた。

【００４２】光ファイバ温度分布計による測定データで
は、溶接部と非溶接部とで温度に差異は生じず、なだら
かな温度分布が計測されている。

【００４３】また、図３（ｂ）に示す様に、時間の経過
とともに、鉄皮４温度が全体として上昇している事が観
測され、さらに、他の部分に対して温度が上昇している
部分が確認され、本実施例により耐火物の損傷等による
鉄皮温度の異常発生が検出可能である事が確認された。

【００４４】図４に安全率を２として距離分解能の１／
３間隔で金属管を溶接した場合の例を示す。図中のｄ
は、距離分解能で、鉄皮に破線で示す距離分解能の約４
倍の加熱部が発生した場合、金属管に実線で示す温度状
況となり、光ファイバー温度分布計で測定した温度を破
線で示している。図４（ａ）は鉄皮の加熱部の中央約３
点について光ファイバー温度計で測定した最高温度が鉄
皮の最高温度と一致するので、鉄皮の最高温度を正確に
測定することができる。（図は見やすいように実線と破
線の間隔を少しずらせて表示している。）

【００４５】図４（ｂ），（ｃ）はそれぞれ加熱部の一
部の溶接点が外れた場合の例を示している。この場合で
も光ファイバー温度計で測定できる最高温度は、加熱部
の最高温度にほぼ等しくなる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、測定対象である鉄皮と
金属管との溶接を光ファイバ温度分布計の距離分解能以
下の間隔で行うので、溶接部と、非溶接部の熱伝導の差
による鉄皮に対する金属管非溶接部の温度低下を均し、
実際の鉄皮の温度に対応した温度分布を計測する事が可
能であり、さらに、鉄皮温度異常の発生の誤認を防止す
る事が可能である。

【００４７】また、本発明によれば、鉄皮表面の温度分
布計測経路に沿って金属管を鉄皮表面に一定の間隔で溶
接すれば良いので、金属管の施工が容易であり、溶接に
よる鉄皮の歪発生等を防ぐ事が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の鉄皮温度分布測定方法を示す
説明図であり、（ａ）は諸機器の配置を示す説明図、
（ｂ）は鉄皮に金属管を両側から溶接する場合の説明
図、（ｃ）は鉄皮に金属管を方側から溶接する場合の説
明図である。

【図２】本発明による金属管の鉄皮への接続方法の他の
実施例を説明する図であり、（ａ）は耐熱性接着剤によ
る接続方法を、（ｂ）は耐熱性テープによる接続方法
を、（ｃ）は金属バンドによる接続方法を示す。

【図３】本発明の実施例の鉄皮温度分布測定方法による
鉄皮表面温度分布測定結果を示すグラフであり、（ａ）
は温度上昇がない場合、（ｂ）は局部的に温度上昇があ
る場合である。

【図４】本発明の実施例の温度分布を示すグラフであ
り、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）とも安全率を２にとっ
た場合を示す。

【図５】測定対象物の温度分布がステップ状に変化する
場合の光ファイバ温度分布計の距離分解能を説明するた
めのグラフであり、（ａ）は測定対象物の実際の温度分
布、（ｂ）は測定対象物の測定された温度分布を示す。

【図６】測定対象物の温度分布が一定区間だけ変化する
場合の光ファイバ温度分布計の距離分解能を説明するた
めのグラフであり、（ａ）は測定対象物の実際の温度分
布、（ｂ）は測定対象物の測定された温度分布を示す。

【図７】本発明の温度分布測定原理を示すグラフであ
り、（ａ）は実際の鉄皮表面温度、金属管温度および測
定温度の関係を示す温度分布のグラフを、（ｂ）および
（ｃ）は金属管の固着間隔が距離分解能より短い場合で
固着部が部分的に外れた場合の実際の鉄皮表面温度、金
属管温度および測定温度の関係を示す温度分布のグラフ
を、（ｄ）および（ｅ）は金属管の固着間隔が距離分解
能より長い場合の実際の鉄皮表面温度、金属管温度およ
び測定温度の関係を示す温度分布のグラフを金属管の溶
接間隔が距離分解能よりも長い場合の金属管の温度分布
を示す。

【符号の説明】

１金属管２光ファイバ３光ファイバ温度分布計４鉄皮５溶接箇所６断熱材２０耐熱性接着剤２１耐熱性テープ２２金属バンド

フロントページの続き (72)発明者長棟章生東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (56)参考文献特開平６−3197（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 11/12 G01K 1/14 C21B 7/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバ温度計により転炉、高炉、溶
銑樋等の鉄皮の温度分布を測定する鉄皮温度分布測定方
法であって、鉄皮表面の温度分布計測経路に沿って金属
管を配置し、鉄皮表面と金属管とを金属管の長手方向に
光ファイバ温度分布計の距離分解能以下の一定間隔で固
着し、この配管中に光ファイバを挿入して鉄皮の温度分
布を測定することを特徴とする鉄皮温度分布測定方法。
【請求項２】鉄皮表面と金属管とを金属管の長手方向
に光ファイバ温度分布計の距離分解能の１／（Ｎ＋１）
（Ｎは余裕率で１以上の数）の間隔で固着したことを特
徴とする請求項１に記載の鉄皮温度分布測定方法。
【請求項３】温度分布計として擬似ランダム信号変調
方式光ファイバ温度分布計を使用するとともに、鉄皮表
面と金属管との固着間隔ｄを、変調信号のクロック周波
数ｆと光ファイバ中の光速ｖとの関係で、数１のように
規定したことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄
皮温度分布測定方法。【数１】
【請求項４】光ファイバとして金属管被覆ファイバを
使用したことを特徴とする請求項１、２または３に記載
の鉄皮温度分布測定方法。
【請求項５】鉄皮表面に設置した配管上面を断熱材で
覆うことを特徴とする請求項１、２、３または４に記載
の鉄皮温度分布測定方法。