JP4173966B2 - ケーブルセンサーの長さ計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はケーブルセンサーの長さ計測装置に関し、特に、耐火物や、上記耐火物に埋め込まれるノズル等のように、高温下で次第に溶損（侵食）される物体の溶損量（減少量）を監視するために用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶損量測定に有効な技術としてパルス式ＴＤＲ法がある（例えば、特公平４−３８２８１号）。これは、図５のケーブルセンサー説明図に示すように、ケーブルセンサー５０の一端から矩形波パルス５２を入射するとともに、上記ケーブルセンサー５０の他端で反射してくる反射パルス、上記ケーブルセンサー５０の一端からオシロスコープ５３に入射して、上記オシロスコープ５３において、図７の波形説明図に示すように、上記入射パルスと上記反射パルスとの合成波の波形を観測するというものである。
【０００３】
この観測により、ケーブルセンサー５０の長さが分かる。すなわち、図５に示すように、ケーブルセンサー５０の長さＬは、パルス伝播速度をＶとし、入射パルスと反射パルスとの時間差をΔＴとしたときに、「Ｌ＝Ｖ×ΔＴ」の計算式により計測することができる。
【０００４】
したがって、上記ケーブルセンサー５０を耐火物に埋め込んでおいて、耐火物と一緒に他端を溶損させるようにすれば、最初のケーブル長と耐火物使用中のケーブル長、または使用後のケーブル長とから溶損したケーブル長が分かるので、上記溶損したケーブル長から上記耐火物の溶損量を知るようにしたものである。
【０００５】
図６を参照しながら従来のケーブルセンサーの長さ計測装置の構成例を説明すると、本体部６０は、パルス発生器６１とオシロスコープ６２とから構成されている。上記本体部６０には、同軸ケーブル７０の一端が接続され、上記同軸ケーブル７０の他端にはケーブルセンサー５０が接続されている。
【０００６】
なお、このケーブルセンサー５０も同軸ケーブルであるが、一般に、耐熱性を考慮して中心導体にはニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、誘電体にマグネシア（ＭｇＯ）、外部導体にインコネルを用いて構成されている。
【０００７】
上述のように構成されたケーブルセンサー５０を耐火物などに埋め込んでおき、ケーブルセンサー５０の長さを測ることにより上記耐火物などの溶損量を得るわけである。但し、この構成では検出精度が悪化することが分かっており、これを補償するために、測定するケーブルセンサー５０の他に基準ケーブルセンサーを配設しておき、かつオシロスコープ６２で観測されるケーブルセンサー他端の波形の立ち上り／立ち下がり波形、すなわち、ケーブルセンサー端部の位置を波形から見つける場合において、その傾斜などから複雑な判定処理を行うことが必要とされていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
具体的には、図８に示すように、立ち上り／立ち下がりに基準ケーブルセンサーと測定ケーブルセンサーとの合成波とからスライスレベルを設け、上記スライスレベルを切る部位の勾配量（ｄｙ／ｄｘ）から、予め設定した補正量を減じて本体部６０がケーブルセンサー５０の端位置を決定する処理を行うことが必要であった。
【０００９】
これは、本体部５０と耐火物などに埋め込まれるケーブルセンサー５０は、適当な間隔だけ離す必要があり、したがって、同軸ケーブル７０の長さは５０ｍ程度に達すること、またケーブルセンサー５０の中心導体にニクロムを使用していることにより、ケーブルセンサー５０の一端から入射する入射パルスと、上記ケーブルセンサー５０の他端で反射してくる反射パルスとが同軸ケーブル７０及びケーブルセンサー５０の導体中の抵抗損失などによって減衰する。
【００１０】
このため、本体部６０のオシロスコープ６２で観測する際に、明瞭な反射波パルス波形が得られず、検出精度を悪化させていたため、上述のような補償方法による精度向上が必要であった。
【００１１】
更には、基準ケーブルセンサーと測定センサーとの合成波によってスライスレベルや補正量を決定し、ケーブルセンサー５０の端位置を検出しているが、基準ケーブルセンサーの波形自身も減衰が大きく、勾配量（ｄｙ／ｄｘ）が小さいために誤差が生じ易く、基準ケーブルセンサーで決定する基準レベル自身にも問題があった。
【００１２】
本発明は上述の問題点にかんがみてなされたもので、複雑な判定処理を用いずとも同等もしくはそれ以上の精度を得ることができるケーブルセンサーを提供できるようにすることを第１の目的とする。
また、耐火物などの物体の溶損量を正確に測定できるようにすることを第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のケーブルセンサーの長さ計測装置は、電気抵抗率が１０×１０^-8（Ω・ｍ）未満で、中心導体直径が０．２〜１ｍｍの金属材料により中心導体を形成するとともに、マグネシアから構成される誘電体部の厚み対中心導体直径の比を０．９以上確保した溶損量測定用ケーブルセンサーと、上記溶損量測定用ケーブルセンサーの長さを計測する計測本体部とを有し、上記計測本体部が、上記溶損量測定用ケーブルセンサーの一端側に矩形波パルスを入射させる矩形波パルス発射手段と、上記溶損量測定用ケーブルセンサーの他端で反射してくる反射パルスを受信する反射パルス受信手段と、上記溶損量測定用ケーブルセンサーの一端側から入射される矩形波パルスと、上記反射パルス受信手段によって受信された反射パルスとを合成して合成波を生成するパルス合成手段と、上記パルス合成手段によって生成された合成波の波形に基づいて上記溶損量測定用ケーブルセンサーの長さを測定するケーブル長さ測定手段とを有し、上記溶損量測定用ケーブルセンサーと上記計測本体部との間を、矩形波パルスの標準減衰量が１０ＭＨｚで３０ｄＢ／ｋｍ未満で長さが５０ｍ〜１００ｍの同軸ケーブルを介して接続したことを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明は上記技術手段を有するので、中心導体に用いられた銅、及び矩形波パルスの標準減衰量が１０ＭＨｚで３０ｄＢ／ｋｍ未満の同軸ケーブルにより、矩形波パルスの経路における抵抗損失が低減される。これにより、合成波の波形を明瞭にすることが可能となり、基準ケーブルセンサーを用いることなく良好な測定精度を得ることが可能となる。
更には、誘電体厚みを増したことにより、特性インピーダンスを２０Ω以上確保することで、最も明瞭な波形を得ることが可能となり、基準ケーブルセンサーを用いずとも測定精度の向上が可能となっている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明のケーブルセンサーの長さ計測装置の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係るケーブルセンサーの実施の形態を示す断面図である。
本実施の形態において、改良点のポイントは、ケーブルセンサーおよび同軸ケーブル中でのパルス減衰を低減することである。これにより、基準ケーブルセンサーを用いたり、複雑な判定処理を行ったりすることなく、簡易な機器構成にて良好な検出精度を確保することを可能にしている。
【００１９】
ケーブルセンサー１０については、その中心導体１１の電気抵抗率の低減を実現するために、電気抵抗率の低い材質を使用している。電気抵抗率の温度依存性についても小さいものが望ましい。具体的には、適用する材質は銅、銀、アルミニウムなど３００℃の温度下においても、１０×１０^-8（Ω・ｍ）未満のものを用いて構成している。
【００２０】
中心導体１１の直径は、０．１〜１ｍｍの範囲が望ましい。例えば、中心導体１１の直径が０．１ｍｍ未満では、抵抗損失が増加する上に、製作も困難になる。また、１ｍｍ以上では太くなり過ぎ、取り扱いが困難になる上に、経済性も悪い問題がある。
【００２１】
更に、減衰特性を向上させるには、特性インピーダンスを増加させることが必要となる。具体的には、中心導体１１の直径に対して、マグネシアで構成される誘電体部１２の厚みＡを十分に確保することが望ましい。これは、分布定数線路における特性インピーダンスと減衰定数の関係とから成立する。
【００２２】
一般に、同軸構造のケーブルにおいては、特性インピーダンスは［１／√Ｃ］（Ｃ：単位長当たりのコンデンサ容量）に比例し、減衰定数は［Ｒ／Ｚｏ］（Ｒ：単位長当たりの抵抗損失、Ｚｏ：特性インピーダンス）により略求まる。減衰定数が「ゼロ」であれば無損失となり、反射波は減衰なくケーブルの一端に返ってくることになるため、減衰定数を低減するには、抵抗損失を低減し、かつ特性インピーダンスを十分に確保することが必要である。
【００２３】
具体的には、中心導体１１の直径が０．２〜１ｍｍにおいては［中心導体の直径／誘電体の厚み］の比を０．９以上確保することで、特性インピーダンスを十分に（２０Ω程度以上）確保することができ、ケーブルセンサー１０中でのパルス低減が可能となる。
【００２４】
ケーブルセンサー１０の外部導体１３には、耐熱性を有する金属材料であればよい。具体的には、ＳＵＳ、インコネルなどである。
【００２５】
同軸ケーブルには、低減衰特性を有するものを適用する。具体的には、標準減衰量が１０ＭＨｚにおいて３０ｄＢ／ｋｍ未満であるものが望ましい。３０ｄＢ／ｋｍを超えるものを使用した場合は、同軸ケーブル中の減衰が大きく、低減衰ケーブルセンサーにて得た効果が十分に発揮できず、精度向上は望めない。また、同軸ケーブル長は５０〜１００ｍが望ましい。
【００２６】
図２は、本発明のケーブルセンサー１０の具体的な使用例を示す図である。
転炉２０に設置された底吹ノズル２１にケーブルセンサー１０を埋め込み、ケーブルセンサー１０の長さから底吹ノズル２１の溶損量を計測するようにした例を示しているものである。
【００２７】
本実施の形態においては、本体部３０に上記ケーブルセンサー１０の一端側に矩形波パルスを入射させる矩形波パルス発射手段３１と、上記ケーブルセンサー１０の他端で反射してくる反射パルスを受信する反射パルス受信手段３２と、上記ケーブルセンサー１０の一端側から入射する矩形波パルスと、上記反射パルス受信手段３２によって受信された反射パルスとを合成して合成波の波形を生成するパルス合成手段３３と、上記パルス合成手段３３によって生成された合成波の波形に基づいて上記ケーブルセンサー１０の長さを測定するケーブル長さ測定手段３４とを有している。
【００２８】
また、本実施の形態においては、この測定においてａ、ｂ、ｃの３種類のケーブルセンサー１０を用い、その波形と精度について比較した。比較結果を図３に示す。
【００２９】
測定結果を説明するための図４に示したように、波形は中心導体１１に銅を用い、更に誘電体に厚みを持たせた、符号ｃで示したケーブルセンサー１０が最も明瞭で精度も良好であった。なお、同軸ケーブル２２には標準減衰量が１０ＭＨｚにおいて３０ｄＢ／ｋｍ未満であるものを７０ｍ使用し、３種類とも同条件で実施した。なお、同軸ケーブル２２に標準減衰量が１０ＭＨｚにおいて４７ｄＢ／ｋｍものを使用した場合は、全てのケーブルセンサー１０において波形は、図３よりも更に１０ｍｍ程度精度を悪化させることとなった。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明のケーブルセンサーの長さ計測装置によれば、電気抵抗率が１０×１０^-8（Ω・ｍ）未満で、中心導体直径が０．２〜１ｍｍの金属材料により中心導体を形成するとともに、マグネシアから構成される誘電体部の厚み対中心導体直径の比を０．９以上確保した溶損量測定用ケーブルセンサーと計測本体部との間を矩形波パルスの標準減衰量が１０ＭＨｚで３０ｄＢ／ｋｍ未満で長さが５０ｍ〜１００ｍの同軸ケーブルを介して接続したので、電気抵抗率の低減を図ることができるとともに、特性インピーダンスを増加させて減衰特性を向上させることができる。これにより、基準ケーブルセンサーを用いたり、複雑な判定処理を行ったりすることなく、同等もしくはそれ以上の精度を得ることができ、安定した耐火物などの溶損量の測定を実現することができる。これにより、本発明によれば、基準ケーブルセンサーと、複雑な判定処理が不要になるため装置の構成を簡素化することができて、投資削減を図ることができるとともに、保守性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るケーブルセンサーの実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明のケーブルセンサーの具体的な使用例を示す図である。
【図３】３種類のケーブルセンサーを用い、その波形と精度について比較した結果を示す特性図である。
【図４】３種類のケーブルセンサーを用いて測定した結果を示す図である。
【図５】ケーブルセンサーの一例を説明する図である。
【図６】従来のケーブルセンサーの長さ計測装置の構成例を示す図である。
【図７】入射パルスと上記反射パルスとの合成波の波形を示す図である。
【図８】立ち上り／立ち下がりに基準ケーブルセンサーと測定ケーブルセンサーとの合成波とからスライスレベルを設けた例を説明する図である。
【符号の説明】
１０ ケーブルセンサー
１１ 中心導体
１２ 誘電体部
１３ 外部導体
２０ 転炉
２１ 底吹ノズル
２２ 同軸ケーブル
３０ 本体部
３１ 矩形波パルス発射手段
３２ 反射パルス受信手段
３３ パルス合成手段
３４ ケーブル長さ測定手段

Claims (1)

1. 電気抵抗率が１０×１０^-8（Ω・ｍ）未満で、中心導体直径が０．２〜１ｍｍの金属材料により中心導体を形成するとともに、マグネシアから構成される誘電体部の厚み対中心導体直径の比を０．９以上確保した溶損量測定用ケーブルセンサーと、上記溶損量測定用ケーブルセンサーの長さを計測する計測本体部とを有し、
   上記計測本体部が、上記溶損量測定用ケーブルセンサーの一端側に矩形波パルスを入射させる矩形波パルス発射手段と、
   上記溶損量測定用ケーブルセンサーの他端で反射してくる反射パルスを受信する反射パルス受信手段と、
   上記溶損量測定用ケーブルセンサーの一端側から入射される矩形波パルスと、上記反射パルス受信手段によって受信された反射パルスとを合成して合成波を生成するパルス合成手段と、
   上記パルス合成手段によって生成された合成波の波形に基づいて上記溶損量測定用ケーブルセンサーの長さを測定するケーブル長さ測定手段とを有し、
   上記溶損量測定用ケーブルセンサーと上記計測本体部との間を、矩形波パルスの標準減衰量が１０ＭＨｚで３０ｄＢ／ｋｍ未満で長さが５０ｍ〜１００ｍの同軸ケーブルを介して接続したことを特徴とするケーブルセンサーの長さ計測装置。

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