JP3199591B2 - 温度分布測定具 - Google Patents

温度分布測定具

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ラマン散乱光を検出し
て炉体及び鋳型周囲等の温度分布を測定するために使用
される温度分布測定具に関する。この温度分布測定具
は、直線的又は平面的な温度分布を1本の光ファイバー
で測定しようとするもので、具体的例として、溶鋼取
鍋、熱風炉、転炉やトピードカーの鉄皮温度の分布測温
より内部のレンガの損耗状況を診断する場合、タンク
や反応容器の外壁温度の分布測温に用いられる。
【0002】
【従来の技術】光ファイバーコアは光学的に全く均一で
はなくガラス成分以外の不純物が存在し、それに光パル
スを入射すると非線形光学効果の一つであるラマン散乱
が生じる。その散乱光にはストーク光と反ストーク光と
の2種類がある。光の入射によって生じたこれら2つの
強度をOTDR(OPTCAL TIME−DOMAI
N REFRACTMETRY)法で測定し、温度によ
って変化するその強度比より散乱が生じた場所の温度を
測ることができる。このような方法で温度分布を測定す
るための温度分布測定装置として図5に示すようなもの
がある。
【0003】図5において、パルス発生器51により生
じた光パルスλ0 を方向性結合器52を通して温度分布
測定具53に入射する。光パルスλ0 が光ファイバー5
3を伝搬するに従い光ファイバー53内の各部でラマン
散乱光λ1 ,λ2 が発生し、そのラマン散乱光λ1 ,λ
2 が方向性結合器52に戻り、分光器54によってスト
ーク光λ1 と反ストーク光λ2 とに分光し、これらを別
々の受光素子55,56で検出し、この検出信号を増幅
器57,58を介して比率演算装置59に入力して、温
度、位置を特定して温度分布を測定する。
【0004】ここで、温度分布測定装置の温度分布測定
の原理を説明すると、温度分布測定具53に光パルスλ
0 を入射し、光ファイバー53中で発生するラマン散乱
光λ 1 ,λ2 の強度を検出することにより温度の情報
を、又、光パルスλ0 を入射してからラマン散乱光
λ1 ,λ2 が検出されるまでの遅れ時間を測定すること
により、光ファイバー53に沿った方向の距離情報を得
る。この距離の値は、次の式から求まる。
【0005】距離=(C/2n)×Δt C ; 真空中の光速度 n ; 光ファイバー屈折率 Δt; 光パルス入射からラマン散乱光検出までの遅れ
時間 一方、温度の値はラマン散乱光λ1 ,λ2 中のストーク
ス成分λ1 と反ストークス成分λ2 の強度比を求めるこ
とにより得られる。
【0006】ところで、上記のような温度分布測定装置
に用いられる従来の温度分布測定具は、コア及びクラッ
ドを有する直線状の光ファイバー53の外周に、保護被
覆を設けたものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来のラマン散乱OT
DRによる温度分布測温は光ファイバー1本で計測でき
ると言う点では良い方法といえるが、空間分解能がmオ
ーダーであり、cm、mm級の空間分解能が要求されて
いる炉体及び鋳型周囲の温度分布計測等の鉄鋼業では実
用的ではなかった。
【0008】なお、これを改善する方法として、図6に
示すように光ファイバー53を、一巻き毎に巻き進んだ
後に元の位置に巻き戻るように一方向に偏平かつ螺旋状
に巻き進めるようにしたものが提案されている。しか
し、この方法は実質的に空間分解能を向上することはで
きるが、図7及び図8に示すように鉄皮62、キャスタ
ブル63、永久張レンガ64、ワークレンガ65を有す
る取鍋61におけるその永久張レンガ64と鉄皮62の
間に挟んで光ファイバー53を布設する場合は別とし
て、鉄皮62の表面に貼付してその表面の温度分布を測
定する場合、現場まで光ファイバー53の形状を維持し
たままで運搬することも、鉄皮62に密着させることも
形状が不安定になるため難しいという問題がある。
【0009】本発明は上記問題点に鑑み、cm、mm級
の空間分解能で温度分布測温をなすことができると同時
に、持ち運びが簡単で測温対象物への取付けも容易にな
し得る温度分布測定具を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この技術的課題を解決す
る本発明の第一の技術手段は、光ファイバー2に入射し
た光によって該光ファイバー2内で発生するラマン散乱
光を検出して温度分布を測定するために使用される温度
分布測定具において、金属板3に収納凹部6が複数個設
けられ、前記光ファイバー2に、光ファイバー2の中途
部をリング状に重ね巻してなるコイル部11が複数個形
成され、光ファイバー2が各隣合う収納凹部6間で順次
連続的に繋がるように、光ファイバー2の各コイル部1
1が各収納凹部6に収納され、各収納凹部6に、金属板
4と光ファイバー2のコイル部11との間を充填する充
填剤5が設けられ、各収納凹部6の開口を塞ぐ金属蓋4
が設けられている点にある。
【0011】第二の技術手段は、前記金属蓋4が、各収
納凹部6の開口を塞ぐように金属板3に重合固着されて
いる点にある。
【0012】
【作用】ラマン散乱を用いたOTDR法を使った温度分
布を測定をした場合、1本の光ファイバー2で高い空間
分解能を有する分布測温が可能になり、従来より位置分
解能の優れた測定がなし得るようになる。また、金属板
3の各収納凹部6に割りつけられた光ファイバー2のリ
ング部11の巻き数(ファイバー長)は一定であるか
ら、空間分解能に変化はない。また、温度分布測定具1
は、運搬時もまた取付け時も1枚の板の如く取り扱うこ
とができ、取扱が簡単であるし、光ファイバー2が金属
板3及び金属蓋4によって保護されるため、光ファイバ
ー2が傷つくこともない。鉄皮等への取付けに際しても
図3に示すように、一定のピッチで設けられた取付孔9
等を利用して、測温対象物12へボルト13等で簡単か
つ確実に取り付けることができるし、また溶接によって
測温対象物12に密着して取り付けることもできる。金
属板3及び金属蓋4は薄い厚みであるため、可撓性に富
み、円筒形の測温対象物への密着性も良好である。
【0013】また、広い測定面積には、金属板3及び金
属蓋4を複数枚にし、光ファイバー2を接続することで
対応することができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1及び図2において、1は温度分布測定具で、
光ファイバー2と金属板3と金属蓋4と充填剤5とを備
える。金属板3は熱伝導性の良い銅又は鋼板製の厚みの
薄い金属板材で構成され、可撓性を有している。この金
属板3に複数個の収納凹部6が直線状又は平面的に連続
して設けられている。また、金属板3に、各収納凹部6
を一列状に連結すると共に始端側及び終端側の収納凹部
6から金属板3端縁に延びるように、連結溝7が設けら
れ、連結溝7の両端にファイバー取出口8が形成されて
いる。また金属板3に取付孔9が一定のピッチで設けら
れている。
【0015】光ファイバー2は、例えばコアが直径50
μm、クラッドが直径125μmの石英系ファイバーケ
ーブルで構成されている。この光ファイバー2は、一方
のファイバー取出口8から連結溝7を介して各収納凹部
6に順次挿入され、各収納凹部6で光ファイバー2の中
途部をリング状に重ね巻してなるコイル部11が形成さ
れて、他方のファイバー取出口8から取り出されてい
る。従って、光ファイバー2の中途部に間隔をおいて複
数個のコイル部11が形成され、このコイル部11が各
収納凹部6に夫々収納され、光ファイバー2が各隣合う
収納凹部6間で順次連続的に繋がった状態になってい
る。
【0016】充填剤5は、アルミナ粉又はマグネシア粉
等からなり、各収納凹部6内に金属板3と光ファイバー
2のコイル部11との間を充填するように封入され、こ
れにより収納凹部6内の光ファイバー2を傷つけないよ
うにすると共に、各収納凹部6内の温度分布が均一にな
るようにしている。更に、金属板3と金属蓋4との熱膨
張により光ファイバー2が不要な圧縮、引っ張り応力
(これは測温上の大きな誤差要因となる)を受けないよ
うにしている。
【0017】金属蓋4は、熱伝導性の良い金属製の薄板
材で構成され、各収納凹部6内に充填剤5を封入した後
に各収納凹部6の開口を塞ぐように金属板3に重合し
て、該金属板3に溶接されている。また金属蓋4には図
示省略の取付孔が前記金属板3の取付孔9に対応して一
定のピッチで設けられている。上記実施例の構成の温度
分布測定具1を用いて次のような条件で温度測定する
と、良好な結果が得られた。即ち、 1)測温対象物 …RH式真空脱ガス槽の鉄皮表面の
分布温度 2)測定面積 …2000mm×1000mmの範
囲 3)金属板 …0.3mm厚 SS400鋼板 4)収納凹部の数 …10W ×5H 合計50点 5)収納凹部の直径…150mm 6)収納凹部の深さ…2.2mm 7)充填材 …アルミナ微粉末 8)光ファイバー2のコイル部の巻き数…10回(直線
上の光ファイバー2に対して2mの空分解能を持つ測定
システムに対してはnπD=2(Dは光ファイバー2の
ループの直径)となるため必要巻き数nは4.24とな
るが余裕をみて10回とした。) 9)光ファイバー …マルチモード,GI型 10)測定最高温度 …380° 11)鉄皮への取付け…溶接による 以上の実施例では空間分解能は140mm〜180mm
の範囲内にあった。
【0018】また、図4に示すようにレンガ又はキャス
タブル15,16,17,18及び鉄皮19を有する測
定対象物20の厚み方向に対して2個の温度分布測定具
1をある一定の距離dをおいて設置することにより分布
熱流形として使うことが可能になった。即ち、従来おい
ては熱流形は熱流方向に沿って一定の材質を挟んで距離
dだけ離れた2点間の温度T1 ,T2 を測定し、Q=k
×(T1 −T2 )/dとして、熱流束Qを求めている
(kは単位面積当たりの熱伝導度である)。又は温度T
1,T2 の測温点を1つにまとめ距離dを小さくして1
つのブロックにしたものもある。いづれにしてもある範
囲の熱流束分布を見るには多くの熱電対を用いるか、多
くのブロックを埋め込まなければならず、その配線処理
を考えると現実的ではない。しかし、本発明の温度分布
測定具1を図4に示すように2個埋め込むことにより、
たった2本の光ファイバー2を取り出し、それぞれ対応
する部分の温度差(T1 −T2 n よりQn =k×(T
1 −T2 n /dとして簡単に熱流束の分布を求めるこ
とができ耐火物の残存厚の推定等に役立てることができ
る。
【0019】なお、前記実施例では、一枚の金属蓋4を
金属板3に重合固着することにより、金属板3の各収納
凹部6の開口を一枚の金属蓋4で塞ぐようにしている
が、これに代え、小形の金属蓋4を各収納凹部6に対応
して複数個設け、この金属蓋4で各収納凹部6の開口を
夫々塞ぐようにしてもよい。
【0020】
【発明の効果】本発明の温度分布測定具によれば、1本
の光ファイバー2でcm、mm級の優れた空間分解能で
比較的広い範囲の温度分布を測温することができる。し
かも、組み込んだ光ファイバー2の形が崩れずに運搬や
測温対象物への取付けも簡単になし得る。また、光ファ
イバー2が金属板3及び金属蓋4によって保護されるた
め、光ファイバー2が傷つくこともない。金属板3及び
金属蓋4は薄く形成することにより、温度分布測定具は
可撓性に富んだものになり、円筒形の測温対象物への密
着性も良好になる。また、広い測定面積には、金属板3
及び金属蓋4を複数枚にし、光ファイバー2を接続する
ことで対応することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す断面図(図2のA−A
線断面図)である。
【図2】同金属板の斜視図である。
【図3】同温度分布測定具の取り付け状態を示す断面図
である。
【図4】同温度分布測定具の使用例を示す概略図であ
る。
【図5】従来例を示す温度分布測定装置のブロック図で
ある。
【図6】他の従来例を示す温度分布測定具の斜視図であ
る。
【図7】測温対象物である取鍋の斜視図である。
【図8】同取鍋の断面図である。
【符号の説明】
1 温度分布測定具 2 光ファイバー 3 金属板 4 金属蓋 5 充填剤 6 収納凹部 11 コイル部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−18697(JP,A) 特開 平6−123659(JP,A) 特開 平6−43041(JP,A) 実開 平3−130530(JP,U) 実開 昭56−142435(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01K 11/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光ファイバー(2)に入射した光によっ
    て該光ファイバー(2)内で発生するラマン散乱光を検
    出して温度分布を測定するために使用される温度分布測
    定具において、 金属板(3)に収納凹部(6)が複数個設けられ、前記
    光ファイバー(2)に、光ファイバー(2)の中途部を
    リング状に重ね巻してなるコイル部(11)が複数個形
    成され、光ファイバー(2)が各隣合う収納凹部(6)
    間で順次連続的に繋がるように、光ファイバー(2)の
    各コイル部(11)が各収納凹部(6)に収納され、各
    収納凹部(6)に、金属板(4)と光ファイバー(2)
    のコイル部(11)との間を充填する充填剤(5)が設
    けられ、各収納凹部(6)の開口を塞ぐ金属蓋(4)が
    設けられていることを特徴とする温度分布測定具。
  2. 【請求項2】 前記金属蓋(4)が、各収納凹部(6)
    の開口を塞ぐように金属板(3)に重合固着されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の温度分布測定具。
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