JP5238578B2 - Surface temperature distribution detection device and pipe thinning detection method using the same - Google Patents

Surface temperature distribution detection device and pipe thinning detection method using the same Download PDF

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Description

本発明は、熱影響を受ける構造物、特に内部を高温流体が流動する配管の表面温度分布を検知する表面温度分布検知装置と、これを利用した配管の減肉検知方法に関する。   The present invention relates to a surface temperature distribution detection device for detecting a surface temperature distribution of a structure affected by heat, particularly a pipe in which a high-temperature fluid flows inside, and a pipe thickness reduction detection method using the same.

火力発電所や原子力発電所などでは、内部を高温流体が流動する金属製の配管が設けられている。当該配管は、内部流体による腐食や磨耗等によって周壁の一部が内面から浸食されることで局所的に薄肉となった減肉部が生じることがある。配管の減肉が進行すると、最終的には配管の一部に開口が生じ、そこから内部の高温流体が漏洩して極めて危険である。したがって、配管の減肉状況を診断できる技術が従来から求められている。   Thermal power plants, nuclear power plants, and the like are provided with metal pipes through which high-temperature fluid flows. The pipe may have a thinned portion that is locally thinned by part of the peripheral wall being eroded from the inner surface due to corrosion or wear by the internal fluid. When the pipe is thinned, an opening is finally formed in a part of the pipe, and the internal high-temperature fluid leaks therefrom, which is extremely dangerous. Therefore, a technique capable of diagnosing the pipe thinning situation has been conventionally demanded.

従来では、配管の減肉状況を診断できる技術として、例えば下記特許文献1や特許文献2のように、光ファイバによる光学的時間領域反射法(Optical Time Domain Reflectometry:OTDR)を利用した温度分布測定装置によって、配管表面の温度分布を検知する方法が提案されている。当該光ファイバを利用した温度分布測定装置は、光ファイバにパルスレーザ光を入射し、当該入射パルスレーザ光によって光ファイバ中の各点で生じるラマン散乱光強度を検出するものである。ここで、配管の一部が減肉すると、当該減肉部の表面温度は他の部位に比べて優先的に上昇する。そこで、この温度分布測定装置は、ラマン散乱光が散乱光発生箇所の温度に敏感に依存することを利用して、ラマン散乱光強度の検出結果から散乱光発生箇所の温度を演算して温度を検知するものである。散乱光発生箇所は、光ファイバ中の光の伝播時間からファイバ中のどの位置において発生した散乱光か判断できる。これにより、配管のどの部位において減肉部が発生しているかを特定できる。   Conventionally, temperature distribution measurement using optical time domain reflectometry (OTDR) using an optical fiber as a technique capable of diagnosing the thinning situation of pipes, for example, as in Patent Document 1 and Patent Document 2 below. A method of detecting the temperature distribution on the pipe surface by an apparatus has been proposed. A temperature distribution measuring apparatus using the optical fiber is one in which pulsed laser light is incident on the optical fiber, and Raman scattered light intensity generated at each point in the optical fiber is detected by the incident pulsed laser light. Here, when a part of the pipe is thinned, the surface temperature of the thinned part is preferentially increased as compared with other parts. Therefore, this temperature distribution measuring device calculates the temperature of the scattered light generation location from the detection result of the Raman scattered light intensity by utilizing the fact that the Raman scattered light is sensitively dependent on the temperature of the scattered light generation location. It is something to detect. The scattered light generation location can be determined as the scattered light generated at which position in the fiber from the propagation time of the light in the optical fiber. Thereby, it can be specified in which part of the piping the thinned portion is generated.

特開2003−156315号公報JP 2003-156315 A 特開平10−207534号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-207534

しかし、光ファイバによるOTDRを利用した温度分布測定方法は、細かくても数十cm間隔でしか温度変化を検知できず距離分解能が低い。これでは、正確に減肉部を特定できず、検知精度に課題が残る。また、光ファイバによるOTDR法を利用した温度分布測定方法では、測定結果を得るのに1時間程度もかかり測定に長時間を要するという問題もある。測定に長時間を必要とする場合、流体の温度変化が減肉部の温度変化として現れても、その時間変化としては平均化されてしまい温度分布を的確に検出できない可能性がある。したがって、温度変化から減肉部を検出する場合には、流体の温度変化が減肉部の温度変化として現れるような短時間の温度変化を捉えることが必須となる。   However, the temperature distribution measurement method using OTDR using an optical fiber can detect a temperature change only at intervals of several tens of cm even if it is fine, and the distance resolution is low. In this case, the thinned portion cannot be accurately identified, and a problem remains in detection accuracy. In addition, the temperature distribution measurement method using the OTDR method using an optical fiber has a problem that it takes about one hour to obtain a measurement result and a long time is required for the measurement. When a long time is required for the measurement, even if the temperature change of the fluid appears as the temperature change of the thinned portion, the time change may be averaged and the temperature distribution may not be accurately detected. Therefore, when detecting the thinned portion from the temperature change, it is essential to capture a short-time temperature change such that the temperature change of the fluid appears as the temperature change of the thinned portion.

そこで本発明者らは、光ファイバによるOTDRを利用した温度分布測定方法よりも、より的確に配管の温度分布を検知して減肉の発生を検知できないかと鋭意検討の結果、配管の表面温度分布を電気的時間領域反射法を利用したインピーダンス分布として間接的に検知することで、温度変化に対する高い距離分解能と優れた応答速度を両立できることを知見し、本発明を完成するに至った。温度変化に対する高い距離分解能と優れた応答速度は、内部を高温流体が流動する配管のみならず、熱影響を受ける構造物全般において求められる。そこで、本発明は、配管も含めて熱影響を受ける構造物の表面温度分布を的確に検知できる表面温度分布検知装置と、これを利用した配管の減肉検知方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present inventors have intensively studied whether or not the occurrence of thinning can be detected by more accurately detecting the temperature distribution of the pipe than the temperature distribution measuring method using OTDR using an optical fiber. Is indirectly detected as an impedance distribution using the electrical time domain reflection method, and it has been found that a high distance resolution with respect to a temperature change and an excellent response speed can be achieved, and the present invention has been completed. High distance resolution and excellent response speed with respect to temperature changes are required not only for piping through which high-temperature fluid flows, but also for general structures affected by heat. Therefore, an object of the present invention is to provide a surface temperature distribution detection device capable of accurately detecting the surface temperature distribution of a structure that is affected by heat, including piping, and a method for detecting pipe thinning using the same. .

上記課題は、大きく分けて2つの形態(方法)により解決できる。先ず、内部を高温流体が流動する金属製の配管など、熱影響を受ける構造物の表面温度分布を検知する、表面温度分布検知装置の第1の形態では、構造物の表面に設けられ、該構造物を一方の電極として使用するセンサ部と、該センサ部の一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置(Electrical Time Domain Reflectometer、以下、ETDRと略称することがある)と、該電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記センサ部のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有する。ここで、前記センサ部は、前記構造物の表面に接合される誘電層と、該誘電層上に積層され、温度に応じて抵抗率が変化するサーミスタ層と、該サーミスタ層上に積層された金属電極とからなり、前記金属電極は、前記サーミスタ層よりも幅が狭いライン状に形成されて、他方の電極を構成する。そして、前記熱影響に起因した構造物の表面温度分布を、前記サーミスタ層の抵抗率変化に基づく前記センサ部のインピーダンス分布として検知できることを特徴とする。サーミスタ層としては、温度上昇に伴い抵抗率が減少するNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスタでもよいし、温度上昇に伴い抵抗率が増大するPTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスタでもよい。   The above problems can be roughly solved by two forms (methods). First, in the first form of the surface temperature distribution detection device for detecting the surface temperature distribution of a structure affected by heat, such as a metal pipe through which a high-temperature fluid flows, the surface temperature distribution detection device is provided on the surface of the structure, A sensor unit that uses a structure as one electrode, and an electrical time domain reflector (hereinafter abbreviated as ETDR) that receives an electric pulse wave from one end of the sensor unit and detects the reflected wave. And an impedance measuring device that measures the impedance of the sensor unit from the detection signal detected by the electrical time domain reflection device. The sensor unit includes a dielectric layer bonded to the surface of the structure, a thermistor layer that is stacked on the dielectric layer, and has a resistivity that varies with temperature, and is stacked on the thermistor layer. The metal electrode is formed in a line shape narrower than the thermistor layer and constitutes the other electrode. And the surface temperature distribution of the structure resulting from the said thermal influence can be detected as an impedance distribution of the said sensor part based on the resistivity change of the thermistor layer, It is characterized by the above-mentioned. The thermistor layer may be an NTC (Negative Temperature Coefficient) thermistor whose resistivity decreases as the temperature rises, or a PTC (Positive Temperature Coefficient) thermistor whose resistivity increases as the temperature rises.

ETDRは、電子回路で間欠的に発信したマイクロパルス波を、伝送ライン、例えばマイクロストリップ線路を媒体として伝播させ、その反射マイクロパルス波を受信する装置であり、インピーダンス計測装置によって測定対象のインピーダンス分布(インピーダンスと位置の関係)を測定するものである。1回のパルス波の送信に対し僅かな時間領域のみ受信を行うことからタイムドメインと呼ばれる。マイクロストリップ線路とは、上下又は左右に対向配置された2つの電極間に、誘電層が挟まれた構造をいう。マイクロストリップ線路は、同軸ケーブル等と同様の分布定数回路を構成し、あるインピーダンス分布を持つ。後述の第2の形態も含めて本発明では、測定対象である構造物をマイクロストリップ線路における一方の電極として使用しながら、センサ部のインピーダンスをインピーダンス計測装置によって計測する構成となっている。すなわち、構造物を一方の電極として使用するセンサ部はマイクロストリップ線路の一部を構成し、センサ部の金属電極がマイクロストリップ線路における他方の電極を構成する。分布定数回路(マイクロストリップ線路)上にインピーダンスの異なる特異点(不連続点)が存在していると、入射したパルス波がその位置に到達した時点でその一部が反射して入射端に戻る、という現象を利用している。   The ETDR is a device that propagates micropulse waves intermittently transmitted by an electronic circuit through a transmission line, for example, a microstrip line, and receives the reflected micropulse waves. (Relation between impedance and position) is measured. This is called a time domain because only a small time domain is received for one transmission of a pulse wave. The microstrip line refers to a structure in which a dielectric layer is sandwiched between two electrodes that are arranged facing each other vertically or horizontally. The microstrip line constitutes a distributed constant circuit similar to a coaxial cable or the like and has a certain impedance distribution. In the present invention including the second embodiment described later, the impedance of the sensor unit is measured by the impedance measuring device while using the structure to be measured as one electrode in the microstrip line. That is, the sensor unit using the structure as one electrode constitutes a part of the microstrip line, and the metal electrode of the sensor part constitutes the other electrode in the microstrip line. If there are singular points (discontinuous points) with different impedances on the distributed constant circuit (microstrip line), when the incident pulse wave reaches that position, a part of it reflects and returns to the incident end. Is used.

上述のように、本発明においては、マイクロストリップ線路における一方の電極としての構造物と、他方の電極としての金属電極との間に誘電層が存在することになる。そのうえで、第1の形態では、センサ部を構成する誘電層と金属電極との間に、サーミスタ層が設けられている点に特徴がある。構造物の表面温度が上昇すると、これに伴い当該サーミスタ層の抵抗率も変化する。構造物の表面温度が一律に上昇すれば、これに応じてサーミスタ層の抵抗率も全体的に均一に変化する。一方、構造物の表面温度に場所による差異(分布)が生じていれば、その温度分布に応じてサーミスタ層の抵抗率にも場所による差異(分布)が生じる。例えば、構造物としての配管の一部が減肉して、当該減肉部の表面温度が他の部位に比べて優先的に昇温すると、当該減肉部上にあるサーミスタ層の一部も他の部位に優先して抵抗率が変化することになる。この意味において、サーミスタ層は温度感受層ということもでき、金属電極と共にマイクロストリップ線路における他方の電極を構成し得る。   As described above, in the present invention, a dielectric layer exists between the structure as one electrode in the microstrip line and the metal electrode as the other electrode. In addition, the first embodiment is characterized in that a thermistor layer is provided between the dielectric layer constituting the sensor unit and the metal electrode. When the surface temperature of the structure increases, the resistivity of the thermistor layer also changes accordingly. If the surface temperature of the structure rises uniformly, the resistivity of the thermistor layer also changes uniformly as a whole. On the other hand, if the surface temperature of the structure has a difference (distribution) depending on the location, a difference (distribution) depending on the location also occurs in the resistivity of the thermistor layer according to the temperature distribution. For example, if a part of piping as a structure is thinned and the surface temperature of the thinned part is preferentially raised compared to other parts, a part of the thermistor layer on the thinned part is also The resistivity changes in preference to other parts. In this sense, the thermistor layer can also be called a temperature sensitive layer, and can constitute the other electrode in the microstrip line together with the metal electrode.

例えばサーミスタ層がNTCサーミスタ層であれば、構造物の表面温度上昇に応じてサーミスタ層の抵抗率が低下すると、当該サーミスタ層もマイクロストリップ線路における他方の電極として機能し得るようになり、センサ部の見掛けの電極面積が金属電極のみならずサーミスタ層にも拡がることになる。これにより、センサ部の静電容量が増加するため、センサ部のインピーダンスが低下する。逆に、サーミスタ層がPTCサーミスタ層であれば、構造物の表面温度上昇に応じてサーミスタ層の抵抗率が上昇するので、センサ部の見掛けの電極面積は、当初サーミスタ層から金属電極のみに減少することになる。これにより、センサ部の静電容量が減少するため、センサ部のインピーダンスが上昇する。なお、前記サーミスタ層は、当該サーミスタ特性を有する材料のバルク材(焼結体)とすることもできるが、温度に応じて抵抗率が変化する(サーミスタ特性を有する)多数のセラミック粒子を樹脂中に分散した複合層(コンポジット)とすることが好ましい。   For example, if the thermistor layer is an NTC thermistor layer, when the resistivity of the thermistor layer decreases as the surface temperature of the structure decreases, the thermistor layer can also function as the other electrode in the microstrip line. The apparent electrode area extends not only to the metal electrode but also to the thermistor layer. Thereby, since the electrostatic capacitance of a sensor part increases, the impedance of a sensor part falls. On the other hand, if the thermistor layer is a PTC thermistor layer, the resistivity of the thermistor layer increases as the surface temperature of the structure increases, so the apparent electrode area of the sensor section decreases from the initial thermistor layer to only the metal electrode. Will do. Thereby, since the electrostatic capacitance of a sensor part reduces, the impedance of a sensor part rises. The thermistor layer may be a bulk material (sintered body) of a material having the thermistor characteristics, but the resistivity changes according to the temperature (having thermistor characteristics) in the resin. A composite layer (composite) dispersed in is preferably used.

このような作用を有する第1の形態の表面温度分布検知装置は、配管の減肉検知方法へ利用できる。具体的には、内部を高温流体が流動する配管の減肉を検知する配管の減肉検知方法であって、前記配管の表面に、該配管を一方の電極とし、前記配管側から誘電層と、温度に応じて抵抗率が変化するサーミスタ層と、他方の電極を構成する金属電極とがこれの順で積層されたセンサ部を設け、前記配管の一部に生じた減肉部の表面が前記高温流体によって他の部位より優先的に高温となると、当該高温部位における前記サーミスタ層の一部の抵抗率も他の部位より優先的に変化して前記センサ部における見掛けの電極面積が変化することを利用して、前記センサ部の一端から電気的時間領域反射装置によって電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によって前記センサ部のインピーダンスを計測して、他の部位より優先的にインピーダンスが変化する部位の存在により配管の減肉を検知することができる。   The surface temperature distribution detection device according to the first embodiment having such an action can be used for a pipe thinning detection method. Specifically, a pipe thinning detection method for detecting pipe thinning in which a high-temperature fluid flows inside, wherein the pipe is used as one electrode on the surface of the pipe, and a dielectric layer is formed from the pipe side. A sensor portion in which a thermistor layer whose resistivity changes according to temperature and a metal electrode constituting the other electrode are laminated in this order is provided, and the surface of the thinned portion generated in a part of the pipe is When the temperature of the thermistor layer is preferentially higher than that of the other part due to the high-temperature fluid, the resistivity of a part of the thermistor layer at the high-temperature part also changes preferentially over the other part, and the apparent electrode area of the sensor unit changes. By utilizing this, an electric pulse wave is incident from one end of the sensor unit by an electrical time domain reflection device, and the impedance of the sensor unit is measured from the reflected wave by an impedance measurement device, so that it is superior to other parts. To impedance can detect wall thinning of the pipe due to the presence of the portion changes.

また、表面温度分布検知装置の第2の形態は、構造物の表面に設けられ、該構造物を一方の電極として使用するセンサ部と、該センサ部の一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置(ETDR)と、該電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記センサ部のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有する。ここでの前記センサ部は、前記構造物の表面に接合される誘電層と、該誘電層上に積層され、他方の電極となる金属電極とからなる。前記誘電層には、温度に応じて比誘電率が変化する誘電体材料が使用されている。そして、前記熱影響に起因した構造物の表面温度分布を、前記誘電層の比誘電率変化に基づく前記センサ部のインピーダンス分布として検知できることを特徴とする。   Further, the second form of the surface temperature distribution detection device is provided on the surface of the structure, the sensor unit using the structure as one electrode, and an electric pulse wave is incident from one end of the sensor unit, An electrical time domain reflection device (ETDR) that detects a reflected wave, and an impedance measurement device that measures the impedance of the sensor unit from a detection signal detected by the electrical time domain reflection device. Here, the sensor unit includes a dielectric layer bonded to the surface of the structure, and a metal electrode that is laminated on the dielectric layer and serves as the other electrode. For the dielectric layer, a dielectric material whose relative dielectric constant varies with temperature is used. And the surface temperature distribution of the structure resulting from the said heat influence can be detected as an impedance distribution of the said sensor part based on the dielectric constant change of the said dielectric layer, It is characterized by the above-mentioned.

当該第2の形態の表面温度分布検知装置では、配管などの構造物の表面温度上昇に応じて誘電層の比誘電率が変化すれば、センサ部の静電容量も比例して変化するので、インピーダンス変化として検知することができる。この意味において、第2の形態における誘電層は、温度感受層ということもできる。ここでの誘電層も、誘電材料からなるバルク板材とすることもできるが、多数の誘電体材料粒子を樹脂中に分散した複合層(コンポジット)とすることが好ましい。   In the surface temperature distribution detection device of the second embodiment, if the relative dielectric constant of the dielectric layer changes in accordance with the surface temperature rise of a structure such as a pipe, the capacitance of the sensor unit also changes proportionally. It can be detected as an impedance change. In this sense, the dielectric layer in the second embodiment can also be called a temperature sensitive layer. The dielectric layer here may also be a bulk plate made of a dielectric material, but is preferably a composite layer (composite) in which a large number of dielectric material particles are dispersed in a resin.

このような作用を有する第2の形態の表面温度分布検知装置も、配管の減肉検知方法へ利用できる。具体的には、内部を高温流体が流動する配管の減肉を検知する配管の減肉検知方法であって、前記配管の表面に、該配管を一方の電極とし、温度に応じて比誘電率が変化する誘電体材料を含む誘電層と、該誘電層上に積層され他方の電極となる金属電極とからなるセンサ部を設け、前記配管の一部に生じた減肉部の表面が前記高温流体によって他の部位より優先的に高温となると、当該高温部位における前記誘電層の一部の比誘電率も他の部位より優先的に変化することを利用して、前記センサ部の一端から電気的時間領域反射装置によって電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によって前記センサ部のインピーダンスを計測して、他の部位より優先的にインピーダンスが変化する部位の存在により配管の減肉を検知することができる。   The surface temperature distribution detection device of the second embodiment having such an action can also be used for the pipe thinning detection method. Specifically, a pipe thinning detection method for detecting thinning of a pipe through which a high-temperature fluid flows inside, wherein the pipe is used as one electrode on the surface of the pipe, and a relative permittivity is determined according to temperature. A sensor part comprising a dielectric layer containing a dielectric material that changes and a metal electrode laminated on the dielectric layer and serving as the other electrode, and the surface of the thinned part generated in a part of the pipe is the high temperature When the temperature is preferentially higher than that of the other part due to the fluid, the relative permittivity of a part of the dielectric layer at the high temperature part also changes preferentially over the other part, so that the electric power is supplied from one end of the sensor unit. An electrical pulse wave is incident by a dynamic time domain reflector, and the impedance of the sensor unit is measured from the reflected wave by an impedance measuring device, and the pipe thickness is reduced due to the presence of a part where the impedance changes preferentially over other parts. Inspect It can be.

本発明の表面温度分布検知装置によれば、配管などの熱影響を受ける構造物の表面温度分布をインピーダンス分布として検知するので、温度変化に対する高い距離分解能と優れた応答速度を有し、OTDRを利用した温度分布測定よりも迅速且つ的確に検知できる。詳しくは、構造物の表面温度分布をセンサ部の温度感受層として機能するサーミスタ層や誘電層によって感受し、これに基づくインピーダンスを計測する構成となっている。センサ部のインピーダンスはほぼリアルタイムで計測することができるので、計測(検知)時間を大幅に短縮できる。しかも、インピーダンス分布はミリオーダーで計測可能なので、距離分解能も高い。   According to the surface temperature distribution detection device of the present invention, the surface temperature distribution of a structure that is affected by heat, such as piping, is detected as an impedance distribution. It can be detected more quickly and accurately than the temperature distribution measurement used. Specifically, the surface temperature distribution of the structure is sensed by a thermistor layer or a dielectric layer functioning as a temperature sensing layer of the sensor unit, and impedance based on this is measured. Since the impedance of the sensor unit can be measured almost in real time, the measurement (detection) time can be greatly shortened. Moreover, since the impedance distribution can be measured on the order of millimeters, the distance resolution is also high.

したがって、このような表面温度分布検知装置を利用した配管の減肉検知方法によれば、OTDRを利用した減肉検知方法よりも迅速且つ的確に減肉状況を検知診断できる。温度感受層としてのサーミスタ層や誘電層を、樹脂中にセラミック粒子を分散した複合層としていれば、例えばバルク板材とするよりも可撓性が良好なので、構造物表面への設置が容易であると共に、構造物の形状に追従させ易い。   Therefore, according to the thinning detection method for pipes using such a surface temperature distribution detection device, the thinning state can be detected and diagnosed more quickly and accurately than the thinning detection method using OTDR. If the thermistor layer or dielectric layer as a temperature sensitive layer is a composite layer in which ceramic particles are dispersed in a resin, it is more flexible than, for example, a bulk plate, and can be easily installed on the structure surface. At the same time, it is easy to follow the shape of the structure.

表面温度分布検知装置を設置した配管の一部破断斜視図である。It is a partial fracture perspective view of piping which installed a surface temperature distribution detector. 第1の形態の表面温度分布検知装置を設置した配管の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of piping which installed the surface temperature distribution detection apparatus of the 1st form. 第1の形態の表面温度分布検知装置を設置した配管と減肉部温度分布の模式図である。It is a schematic diagram of piping and the thickness reduction part temperature distribution which installed the surface temperature distribution detection apparatus of the 1st form. 第1の形態の表面温度分布検知装置において、温度上昇に伴うインピーダンス分布の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the impedance distribution accompanying a temperature rise in the surface temperature distribution detection apparatus of a 1st form. 第1の形態の表面温度分布検知装置において、センサ部上の特定部位における温度変化とインピーダンス変化率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature change in the specific site | part on a sensor part, and an impedance change rate in the surface temperature distribution detection apparatus of a 1st form. 第2の形態の表面温度分布検知装置を設置した配管の要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of piping which installed the surface temperature distribution detection apparatus of the 2nd form. 第2の形態の表面温度分布検知装置において、温度上昇に伴うインピーダンス分布の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the impedance distribution accompanying a temperature rise in the surface temperature distribution detection apparatus of a 2nd form. 第2の形態の表面温度分布検知装置において、センサ部上の特定部位における温度変化とインピーダンス変化率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the temperature change in the specific site | part on a sensor part, and an impedance change rate in the surface temperature distribution detection apparatus of a 2nd form. 減肉部を有する配管における温度上昇に伴うインピーダンス分布の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the impedance distribution accompanying the temperature rise in piping which has a thinning part.

以下に、図面を参照しながら本発明に係る表面温度分布検知装置とこれを利用した配管の減肉検知方法の実施の形態について説明するが、これに限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。特に、表面温度分布検知装置を配管に設けた形態を代表例として説明するが、本発明の表面温度分布検知装置は、熱影響を受けて温度が上昇するものである限り、種々の構造物へ適用可能である。   Hereinafter, embodiments of a surface temperature distribution detection device and a pipe thinning detection method using the surface temperature distribution detection device according to the present invention will be described with reference to the drawings. Various modifications can be made without departing from the scope. In particular, the embodiment in which the surface temperature distribution detection device is provided in the pipe will be described as a representative example. However, the surface temperature distribution detection device of the present invention can be applied to various structures as long as the temperature rises due to the influence of heat. Applicable.

[第1の形態]
先ず、表面温度分布検知装置(以下、温度分布検知装置と略す)の構成について説明する。温度分布検知装置は、火力発電所や原子力発電所等において、内部を100〜250℃程度の高温流体が流動する配管に設置される。配管は、炭素鋼などの金属製であり、長尺な円筒形に形成されている。そのうえで、温度分布検知装置は、図1に示されるように、配管1の表面に設けられるセンサ部10と、当該センサ部10の一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置(ETDR)11と、当該ETDR11によって検知された検知信号から、センサ部10のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置12と、当該インピーダンス計測装置12による計測結果を表示する表示装置13とを有する。センサ部10は、配管1の長手方向に沿ってライン状に設けられ、当該センサ部10の長手方向一端に固定されたコネクタ14を介してETDR11から電気パルス波が入射される。インピーダンス計測装置12としては、例えばデジタイジングオシロスコープを使用できる。表示装置13の代表例としてはモニタであり、一般的にはインピーダンス計測装置12へ一体的に設けられている。なお、図1には配管1の表面に1本のセンサ部10を設けた状態で図示しているが、配管1の長手方向に沿って配されるセンサ部10を複数本並設してもよい。この場合、各センサ部10は、周方向へ等間隔で配すことが好ましい。各センサ部10は、1つのETDR11に接続することができる。
[First embodiment]
First, the configuration of a surface temperature distribution detection device (hereinafter abbreviated as a temperature distribution detection device) will be described. The temperature distribution detector is installed in a pipe through which a high-temperature fluid of about 100 to 250 ° C. flows in a thermal power plant or a nuclear power plant. The pipe is made of a metal such as carbon steel and is formed in a long cylindrical shape. In addition, as shown in FIG. 1, the temperature distribution detection device is configured to detect an electric pulse wave incident from one end of the sensor unit 10 provided on the surface of the pipe 1 and the sensor unit 10 and detecting the reflected wave. A time domain reflection device (ETDR) 11, an impedance measurement device 12 that measures the impedance of the sensor unit 10 from a detection signal detected by the ETDR 11, and a display device 13 that displays a measurement result by the impedance measurement device 12. Have. The sensor unit 10 is provided in a line shape along the longitudinal direction of the pipe 1, and an electric pulse wave is incident from the ETDR 11 through a connector 14 fixed to one end of the sensor unit 10 in the longitudinal direction. As the impedance measuring device 12, for example, a digitizing oscilloscope can be used. A typical example of the display device 13 is a monitor, and is generally provided integrally with the impedance measuring device 12. Although FIG. 1 shows a state in which one sensor unit 10 is provided on the surface of the pipe 1, a plurality of sensor units 10 arranged along the longitudinal direction of the pipe 1 may be arranged side by side. Good. In this case, it is preferable to arrange the sensor units 10 at equal intervals in the circumferential direction. Each sensor unit 10 can be connected to one ETDR 11.

図2に示されるように、センサ部10は、配管1の表面に接合される誘電層15と、当該誘電層15上に積層されるサーミスタ層16と、当該サーミスタ層16上に積層される金属電極17とから成る。また、センサ部10は配管1を一方の電極として使用する。すなわち、センサ部10は、対向配置された2つの電極間に誘電層が挟まれた構造からなるマイクロストリップ線路の一部として構成される。当該マイクロストリップ線路は、マイクロストリップ線路における一方の電極(以下、図2を基準として下部電極と称す)としての配管1と、マイクロストリップ線路における他方の電極(以下、図2を基準として上部電極と称す)としての金属電極17と、両電極1・17の間に配された誘電層15とによって構成される。サーミスタ層16は、配管1の表面温度分布に応じてセンサ部10の見掛けの面積を増減させる温度感受性の電極として機能する。   As shown in FIG. 2, the sensor unit 10 includes a dielectric layer 15 bonded to the surface of the pipe 1, a thermistor layer 16 laminated on the dielectric layer 15, and a metal laminated on the thermistor layer 16. And electrode 17. The sensor unit 10 uses the pipe 1 as one electrode. That is, the sensor unit 10 is configured as a part of a microstrip line having a structure in which a dielectric layer is sandwiched between two electrodes arranged opposite to each other. The microstrip line includes a pipe 1 as one electrode in the microstrip line (hereinafter referred to as a lower electrode with reference to FIG. 2) and the other electrode in the microstrip line (hereinafter referred to as an upper electrode with reference to FIG. 2). And the dielectric layer 15 disposed between the electrodes 1 and 17. The thermistor layer 16 functions as a temperature-sensitive electrode that increases or decreases the apparent area of the sensor unit 10 according to the surface temperature distribution of the pipe 1.

誘電層15としては、コンデンサの電極間挿入材料として使用される公知の樹脂やセラミック等を使用できるが、中でも熱的安定性に優れ、誘電損失が低く、且つ誘電損失の温度依存性も小さい材料が好ましい。このような材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素樹脂や、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等を例示できる。本温度分布検知装置は、内部を100〜250℃程度の高温流体が流動する配管1の表面温度の分布を検知する装置なので、誘電層15にも一定の熱的安定性(耐熱性)が要求されるが、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂やポリイミド樹脂、シリコーン樹脂等であれば、当該温度範囲でも物性が安定している。誘電損失が低く且つ誘電損失の温度依存性も小さければ、マイクロストリップ線路を長くすることができ、長尺な配管1の長手方向に沿った広い範囲の温度分布を検知できる。なお、誘電層15とサーミスタ層16とを積層させていると、配管1の表面温度によってサーミスタ層16が低抵抗となっても誘電層15で直流成分が遮断されるので、誘電損失は増加しない。誘電層15は長尺な薄板状を呈し、配管1の表面に、これの長手方向に沿って接着される。サーミスタ層16には、誘電層15を介して配管1の表面温度が伝達される。したがって、誘電層15の厚みはできるだけ小さいことが好ましい。誘電層15の厚みの目安としては、0.01〜0.5mm程度である。少なくとも、サーミスタ層16の厚み以下としておくことが好ましい。また、誘電層15の厚みを小さくすると、センサ部10におけるマイクロストリップ線路の伝送損失の一種である放射損の抑制にも有効である。   As the dielectric layer 15, a known resin or ceramic used as an interelectrode insertion material of a capacitor can be used. Among them, a material having excellent thermal stability, low dielectric loss, and low temperature dependence of dielectric loss. Is preferred. Examples of such materials include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide resins, silicone resins, and the like. Since this temperature distribution detection device is a device that detects the distribution of the surface temperature of the pipe 1 through which a high-temperature fluid of about 100 to 250 ° C. flows, the dielectric layer 15 also requires a certain thermal stability (heat resistance). However, if a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, a polyimide resin, a silicone resin, or the like, the physical properties are stable even in the temperature range. If the dielectric loss is low and the temperature dependence of the dielectric loss is small, the microstrip line can be lengthened, and a wide range of temperature distribution along the longitudinal direction of the long pipe 1 can be detected. When the dielectric layer 15 and the thermistor layer 16 are laminated, even if the thermistor layer 16 has a low resistance due to the surface temperature of the pipe 1, the DC component is blocked by the dielectric layer 15, so the dielectric loss does not increase. . The dielectric layer 15 has a long thin plate shape and is bonded to the surface of the pipe 1 along the longitudinal direction thereof. The surface temperature of the pipe 1 is transmitted to the thermistor layer 16 through the dielectric layer 15. Therefore, the thickness of the dielectric layer 15 is preferably as small as possible. A standard for the thickness of the dielectric layer 15 is about 0.01 to 0.5 mm. At least the thickness of the thermistor layer 16 is preferably not more than the thickness. Further, reducing the thickness of the dielectric layer 15 is also effective in suppressing radiation loss, which is a kind of transmission loss of the microstrip line in the sensor unit 10.

サーミスタ層16は、温度によって抵抗率が変化する(抵抗率の温度依存性を有する)多数のセラミック粒子が樹脂基材中に分散された複合層となっている。サーミスタ層16が複合層となっていれば、一定の可撓性を有するので配管1の形状に的確に追従させることができる。したがって、センサ部10の設置が容易であると共に、配管1との接合状態が良好なので温度分布感受性も向上する。当該サーミスタ特性を有するセラミックとしては、温度上昇に伴い抵抗率が減少するNTC特性を有するセラミック(NTCセラミック)でもよいし、温度上昇に伴い抵抗率が増大するPTC特性を有するセラミック(PTCセラミック)でもよい。NTCセラミックには、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)などの酸化物を混合して焼結したものを使用できる。中でも、抵抗率の温度依存性が大きく、且つ抵抗率が低いMnNiCo系酸化物が好ましい。MnNiCo系酸化物としては、例えばMn:Ni:Co=2:1:1のMn1.5Ni0.75Co0.754や、Mn:Ni:Co=2:3:1のMn1.0Ni1.5Co0.54などを例示できる。PTCセラミックには、チタン酸バリウム(BaTiO3)に添加物を加えたものを使用できる。これは、チタン酸バリウムがキュリー温度付近で急激に電気抵抗が増大する性質を利用している。なお、PTC材料には低融点のポリマー中にカーボンブラックやニッケル等の導電性粒子を分散させたポリマーPTCもあるが、耐熱性が要求される本発明には不向きである。NTCサーミスタとPTCサーミスタとの比較においては、温度に対する抵抗率の変化が比例的(線形的)であるNTCサーミスタが好ましい。 The thermistor layer 16 is a composite layer in which a large number of ceramic particles whose resistivity changes with temperature (having temperature dependency of resistivity) are dispersed in a resin base material. If the thermistor layer 16 is a composite layer, since it has a certain flexibility, the shape of the pipe 1 can be accurately followed. Therefore, the sensor unit 10 can be easily installed and the temperature distribution sensitivity is improved because the joining state with the pipe 1 is good. The ceramic having the thermistor characteristic may be a ceramic having an NTC characteristic (NTC ceramic) in which the resistivity decreases as the temperature rises, or a ceramic (PTC ceramic) having a PTC characteristic in which the resistivity increases as the temperature rises. Good. As the NTC ceramic, a material obtained by mixing and sintering oxides such as manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe) can be used. Among these, a MnNiCo-based oxide having a high resistivity temperature dependency and a low resistivity is preferable. Examples of the MnNiCo-based oxide include Mn 1.5 Ni 0.75 Co 0.75 O 4 with Mn: Ni: Co = 2: 1: 1 and Mn 1.0 Ni 1.5 Co 0.5 O 4 with Mn: Ni: Co = 2: 3: 1. Etc. can be illustrated. As the PTC ceramic, one obtained by adding an additive to barium titanate (BaTiO 3 ) can be used. This utilizes the property that barium titanate rapidly increases in electrical resistance near the Curie temperature. Note that PTC materials include polymer PTCs in which conductive particles such as carbon black and nickel are dispersed in a low melting point polymer, but they are not suitable for the present invention where heat resistance is required. In comparison between the NTC thermistor and the PTC thermistor, an NTC thermistor in which the change in resistivity with respect to temperature is proportional (linear) is preferable.

サーミスタ層16の母材(セラミック粒子の分散媒体)となる樹脂(高分子)には、成形したときにある程度の可撓性を有し、且つ耐熱性の良好な材料を使用する。好ましくは、250℃以上の耐熱性を有する樹脂とする。このような耐熱性樹脂としては、アラミド(芳香族ポリアミド)、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾールおよびポリアリレート等を例示できる。セラミック粒子の粒径は特に限定されないが、製造容易性及び樹脂基材中への分散性を考慮して0.01〜500μm程度とすればよい。好ましくは0.1〜250μm程度である。セラミック粒子はサーミスタ層16の機能を発揮するメイン材料なので、樹脂基材中にはできるだけ多く分散させることが好ましい。具体的には、サーミスタ層16中のセラミック粒子の割合を50〜95vol%、好ましくは60〜90vol%とする。サーミスタ層16中のセラミック粒子の割合が低いと配管1の表面温度の感受性が低下し、延いては温度分布検知装置の検知精度が低下する。一方、サーミスタ層16中のセラミック粒子の割合が多すぎると、機械的強度や可撓性が低下してしまう。   As the resin (polymer) that becomes the base material (ceramic particle dispersion medium) of the thermistor layer 16, a material having a certain degree of flexibility when molded and having good heat resistance is used. Preferably, the resin has a heat resistance of 250 ° C. or higher. Examples of such heat-resistant resins include aramid (aromatic polyamide), polyimide, polyamideimide, polyphenylene sulfide, polyetherimide, polyethylene terephthalate, polyether nitrile, polyether ether ketone, polybenzimidazole, and polyarylate. . The particle size of the ceramic particles is not particularly limited, but may be about 0.01 to 500 μm in consideration of ease of production and dispersibility in the resin base material. Preferably it is about 0.1-250 micrometers. Since the ceramic particles are the main material exhibiting the function of the thermistor layer 16, it is preferable to disperse them as much as possible in the resin base material. Specifically, the ratio of the ceramic particles in the thermistor layer 16 is 50 to 95 vol%, preferably 60 to 90 vol%. When the ratio of the ceramic particles in the thermistor layer 16 is low, the sensitivity of the surface temperature of the pipe 1 is lowered, and consequently the detection accuracy of the temperature distribution detector is lowered. On the other hand, when the ratio of the ceramic particles in the thermistor layer 16 is too large, the mechanical strength and flexibility are lowered.

サーミスタ層16の長さは誘電層15と同じ長さとする。サーミスタ層16はセンサ部10における温度感受層として機能する層であり、サーミスタ層16が誘電層15や金属電極17より短いと、実質的にセンサ部10による温度分布検知範囲が短くなるからである。サーミスタ層16の幅は、後述のように金属電極17より大きければ特に限定されないが、誘電層15と同じ幅とすればよい。サーミスタ層16の幅が誘電層15の幅を超えると、高温でサーミスタ層16が低抵抗となった場合に、配管1表面と金属電極17が短絡されてしまうためである。一方、サーミスタ層16の幅が誘電層15よりも狭い場合には、サーミスタ層16の幅の領域が伝送ラインとして機能する。すなわち、サーミスタ層16の面積と誘電層15との面積は同じにすることが好ましい。サーミスタ層16の厚みは、0.1〜1.0mm程度とすればよい。   The thermistor layer 16 has the same length as the dielectric layer 15. This is because the thermistor layer 16 functions as a temperature sensing layer in the sensor unit 10, and if the thermistor layer 16 is shorter than the dielectric layer 15 or the metal electrode 17, the temperature distribution detection range by the sensor unit 10 is substantially shortened. . The width of the thermistor layer 16 is not particularly limited as long as it is larger than the metal electrode 17 as will be described later, but may be the same width as the dielectric layer 15. This is because if the thermistor layer 16 exceeds the width of the dielectric layer 15, the surface of the pipe 1 and the metal electrode 17 are short-circuited when the thermistor layer 16 has a low resistance at a high temperature. On the other hand, when the thermistor layer 16 is narrower than the dielectric layer 15, the region of the thermistor layer 16 functions as a transmission line. That is, it is preferable that the thermistor layer 16 and the dielectric layer 15 have the same area. The thickness of the thermistor layer 16 may be about 0.1 to 1.0 mm.

金属電極17は、導電性が良好なCu(抵抗率1.72×10-8Ωm)やAg(抵抗率1.62×10-8Ωm)などの金属からなり、センサ部10の長手方向両端に亘ってライン状に形成されている。金属電極17の導電率が高いほど、センサ部10におけるマイクロストリップ線路の伝送損失(特に導体損)を低減できる。金属電極17は、サーミスタ層16上に接着、印刷、塗布、溶射等によって積層できる。金属電極17はサーミスタ層16の幅方向中央に設ける。金属電極17がサーミスタ層16上において幅方向のいずれかの方向にズレていると、サーミスタ層16による見掛けの上部電極面積増減にバラツキが生じ、正確な温度分布を検知できなくなる。また、金属電極17の幅はサーミスタ層16の幅より小さくする。サーミスタ層16による上部電極面積増減効果を確実に担保するためである。したがって、金属電極17の幅とサーミスタ層16の幅との差は、可能な限りより大きくすることが好ましい。具体的には、金属電極17の幅をサーミスタ層16の幅の少なくとも1/2以下とする。好ましくは金属電極17の幅をサーミスタ層16の幅の1/10以下とし、より好ましくは1/20以下とする。金属電極17の幅とサーミスタ層16の幅との差が大きいほど(金属電極17の幅が狭いほど)、温度変化に対するインピーダンス変化量も顕著になる。なお、金属電極17と誘電層15との関係は特に限定されないが、金属電極17の厚さを誘電層15の厚さの1.5〜2.5倍程度とすれば、導体損の低減に有利である。 The metal electrode 17 is made of a metal such as Cu (resistivity 1.72 × 10 −8 Ωm) or Ag (resistivity 1.62 × 10 −8 Ωm) having good conductivity, and both ends of the sensor unit 10 in the longitudinal direction. It is formed in a line shape. As the conductivity of the metal electrode 17 is higher, the transmission loss (especially conductor loss) of the microstrip line in the sensor unit 10 can be reduced. The metal electrode 17 can be laminated on the thermistor layer 16 by adhesion, printing, coating, spraying, or the like. The metal electrode 17 is provided in the center of the thermistor layer 16 in the width direction. If the metal electrode 17 is shifted in any direction in the width direction on the thermistor layer 16, the apparent increase or decrease in the area of the upper electrode by the thermistor layer 16 will vary, making it impossible to detect an accurate temperature distribution. Further, the width of the metal electrode 17 is made smaller than the width of the thermistor layer 16. This is to ensure the effect of increasing or decreasing the area of the upper electrode by the thermistor layer 16. Therefore, the difference between the width of the metal electrode 17 and the width of the thermistor layer 16 is preferably made as large as possible. Specifically, the width of the metal electrode 17 is set to at least ½ or less of the width of the thermistor layer 16. Preferably, the width of the metal electrode 17 is 1/10 or less of the width of the thermistor layer 16, more preferably 1/20 or less. The greater the difference between the width of the metal electrode 17 and the width of the thermistor layer 16 (the narrower the width of the metal electrode 17), the more significant the amount of impedance change with respect to temperature change. The relationship between the metal electrode 17 and the dielectric layer 15 is not particularly limited. However, if the thickness of the metal electrode 17 is about 1.5 to 2.5 times the thickness of the dielectric layer 15, the conductor loss can be reduced. It is advantageous.

次に、本温度分布検知装置を使用して、配管1の表面温度分布を検知する機構(作用)について説明する。配管1内を高温流体が流動しておらず、配管1の表面温度が上昇していない未昇温状態では、センサ部10の温度感受層たるサーミスタ層16も温度が上昇していない。この未昇温状態においては、サーミスタ層16がNTCサーミスタ層であれば初期抵抗率が高く、センサ部10の実質的な電極面積は金属電極17の面積に等しい。一方、サーミスタ層16がPTCサーミスタ層であれば初期抵抗率は低く、センサ部10の実質的な電極面積はサーミスタ層16の面積に等しい。このとき、ETDR11からコネクタ14を介してセンサ部10に電気パルス波が入射され、その反射パルス波がETDR11によって検知される。すると、ETDR11からの検知信号に基づいて、インピーダンス計測装置12が所定のプログラムによってセンサ部10のインピーダンスを計測し、その結果が表示装置13に表示される。このときのインピーダンス分布は、配管1の表面温度が均一(室温)なのでサーミスタ層16の抵抗率分布は均一であり、入射パルス波の伝搬において特異な反射を示す領域がないため均一なインピーダンス分布が観測される。   Next, a mechanism (action) for detecting the surface temperature distribution of the pipe 1 using the temperature distribution detection device will be described. In the unheated state in which the high-temperature fluid is not flowing in the pipe 1 and the surface temperature of the pipe 1 is not increased, the temperature of the thermistor layer 16 that is the temperature sensing layer of the sensor unit 10 is not increased. In this unheated state, if the thermistor layer 16 is an NTC thermistor layer, the initial resistivity is high, and the substantial electrode area of the sensor unit 10 is equal to the area of the metal electrode 17. On the other hand, if the thermistor layer 16 is a PTC thermistor layer, the initial resistivity is low, and the substantial electrode area of the sensor unit 10 is equal to the area of the thermistor layer 16. At this time, an electric pulse wave is incident on the sensor unit 10 from the ETDR 11 via the connector 14, and the reflected pulse wave is detected by the ETDR 11. Then, based on the detection signal from the ETDR 11, the impedance measuring device 12 measures the impedance of the sensor unit 10 according to a predetermined program, and the result is displayed on the display device 13. The impedance distribution at this time is uniform (room temperature) because the surface temperature of the pipe 1 is uniform, the resistivity distribution of the thermistor layer 16 is uniform, and there is no region showing unique reflection in the propagation of the incident pulse wave. Observed.

一方、配管1の内部を高温流体が流動して配管1の表面温度が上昇し、その温度がサーミスタ層16に伝達されて当該サーミスタ層16も昇温すると、NTCサーミスタ層であれば抵抗率が低下して導電性が発現し、センサ部10の実質的な電極面積がサーミスタ層16の面積に等しくなる。すなわち、センサ部10の見掛け上の電極面積が拡大することで静電容量が増加し、センサ部10のインピーダンスが低下する。一方、PCTサーミスタ層であれば昇温に伴い抵抗率が増加することで、センサ部10の見掛け上の電極面積は金属電極17の面積に減少する。これにより、センサ部10の静電容量が低下するので、当該センサ部10のインピーダンスが増加する。なお、配管1に減肉部が生じておらず、配管1の表面温度がほぼ均一に昇温すれば、これに伴うセンサ部10のインピーダンス分布も、長手方向全体に亘ってほぼ均一に増減する。   On the other hand, when a high-temperature fluid flows in the pipe 1 and the surface temperature of the pipe 1 rises and the temperature is transmitted to the thermistor layer 16 and the thermistor layer 16 also rises in temperature, the resistivity is the NTC thermistor layer. The conductivity is reduced and the substantial electrode area of the sensor unit 10 becomes equal to the area of the thermistor layer 16. That is, as the apparent electrode area of the sensor unit 10 increases, the capacitance increases, and the impedance of the sensor unit 10 decreases. On the other hand, in the case of the PCT thermistor layer, the apparent electrode area of the sensor unit 10 is reduced to the area of the metal electrode 17 by increasing the resistivity as the temperature rises. Thereby, since the electrostatic capacitance of the sensor part 10 falls, the impedance of the said sensor part 10 increases. In addition, if the pipe 1 has no thinned portion and the surface temperature of the pipe 1 is increased substantially uniformly, the impedance distribution of the sensor unit 10 associated therewith also increases or decreases substantially uniformly over the entire longitudinal direction. .

これに対し、配管1の一部に減肉部1Eが生じていれば(図1参照)、配管1の正常部と減肉部とでは表面温度変化に差異(分布)が生じる。詳しい機構は後述するが、これによりセンサ部10のインピーダンス分布に特異点(不連続点)が存在すると、入射パルス波の一部は当該特異点で反射して入射端に戻る。この特異点におけるインピーダンスの変化量が大きいほど、反射パルス波の振幅も大きい。また、電気パルス波は一定の伝搬速度を有するため、電気パルス波を入射してから反射パルス波が戻るまでには時間的な遅れが生じる。この遅延時間を計測することにより、速度×時間という単純な関係から電気パルス波が反射した位置を同定することもできる。すなわち、1つの測定結果によって得られる反射パルス波の振幅と遅延時間から表面温度変化量の分布を位置の関数として診断でき、その表面温度変化の分布から減肉部1Eを検出することができる。   On the other hand, if the thinned portion 1E occurs in a part of the pipe 1 (see FIG. 1), a difference (distribution) occurs in the surface temperature change between the normal portion and the thinned portion of the pipe 1. Although a detailed mechanism will be described later, when a singular point (discontinuous point) exists in the impedance distribution of the sensor unit 10, a part of the incident pulse wave is reflected at the singular point and returns to the incident end. The greater the amount of change in impedance at this singular point, the greater the amplitude of the reflected pulse wave. In addition, since the electric pulse wave has a constant propagation speed, there is a time delay between the incident of the electric pulse wave and the return of the reflected pulse wave. By measuring this delay time, the position where the electric pulse wave is reflected can be identified from a simple relationship of speed × time. That is, the distribution of the surface temperature change amount can be diagnosed as a function of position from the amplitude and delay time of the reflected pulse wave obtained from one measurement result, and the thinned portion 1E can be detected from the distribution of the surface temperature change.

これを前提として、配管1の減肉検知方法について説明する。配管1の内部を高温流体が流動すると、配管1は熱されながら内部流体による腐食や磨耗を受ける。この状態が繰り返しないし継続されると、配管1の周壁が内面から浸食されて、図1に示すように、配管1の一部には、減肉した減肉部1Eが生じることがある。減肉部1Eが存在している状態において再度配管1内に高温流体を流動させると、図3の斜線で示すように、減肉部1Eの表面温度が他の部位より先んじて(優先して)昇温し易い。これに伴い、当該高温部位におけるサーミスタ層16の一部の抵抗率も他の部位より優先的に変化して、センサ部10の見掛けの電極面積が変化する。具体的には、サーミスタ層16がNTCサーミスタであれば、図3の斜線部分の範囲において抵抗率が低下し、センサ部10の見掛けの電極面積が当該斜線部分で示すような面積となり、減肉部1Eに相当する当該部分のインピーダンスのみが他の部位に比べて大きく低下することになる。一方、サーミスタ層16がPTCサーミスタ層であれば、図3の斜線部分の範囲の抵抗率が他の部位に優先して上昇し、当該部分においてはセンサ部10の見掛けの電極面積が金属電極17の面積となる。これにより、減肉部1Eに相当する当該部分のインピーダンスのみが、他の部位に比べて大きく上昇することになる。そして、このように特異なセンサ部10のインピーダンス分布を表示装置13によって監視することで、又は、定常状態の基準インピーダンス分布と対比してインピーダンス分布が変化したことを演算処理装置が検知ときに警告が表示装置13に表示されたり警報が鳴ることで、減肉部の位置及び進行状況を検知診断することができる。   Based on this premise, a method for detecting the thinning of the pipe 1 will be described. When the high-temperature fluid flows in the pipe 1, the pipe 1 is corroded or worn by the internal fluid while being heated. When this state is repeated or continued, the peripheral wall of the pipe 1 is eroded from the inner surface, and as shown in FIG. When the high-temperature fluid is caused to flow again in the pipe 1 in the state where the thinned portion 1E exists, the surface temperature of the thinned portion 1E precedes other parts as shown by the oblique lines in FIG. ) Easy to heat up. Along with this, the resistivity of a part of the thermistor layer 16 at the high temperature part also changes preferentially over other parts, and the apparent electrode area of the sensor unit 10 changes. Specifically, if the thermistor layer 16 is an NTC thermistor, the resistivity decreases in the range of the hatched portion in FIG. 3, and the apparent electrode area of the sensor unit 10 becomes an area as indicated by the shaded portion, and the thickness is reduced. Only the impedance of the part corresponding to the part 1E is greatly reduced as compared with other parts. On the other hand, if the thermistor layer 16 is a PTC thermistor layer, the resistivity in the shaded area in FIG. 3 rises preferentially over other parts, and the apparent electrode area of the sensor unit 10 in this part is the metal electrode 17. It becomes the area. As a result, only the impedance of the portion corresponding to the thinned portion 1E is greatly increased compared to other portions. Then, by monitoring the impedance distribution of the peculiar sensor unit 10 with the display device 13 in this way, or when the arithmetic processing unit detects that the impedance distribution has changed in comparison with the reference impedance distribution in the steady state, a warning is given. Is displayed on the display device 13 or an alarm sounds, so that the position and progress of the thinned portion can be detected and diagnosed.

次に、第1形態の温度分布検知装置を使用した検知試験について説明する。本検知試験では、サーミスタ層として好適なNTCサーミスタを例として使用した。模擬配管として、長さ80mm、幅10mm、厚み1mmのSUS430製金属板からなる試験片を使用した。誘電層としては、市販のPTFEフィルム(日東電工社製、ニトフロン、902UL、厚み0.1mm)を使用し、試験片と同じ面積に切断した。サーミスタ層には、高純度化学社製のMn34(99.9%)、NiO(99.9%)、Co34(99.9%)の粉体をMn:Ni:Co=2:1:1となるように混合焼成して得られたMnNiCo系酸化物を粉砕し、その粉末をガラス転移温度Tgが295℃と耐熱性に優れるポリイミド樹脂(新日本理化社製、リカコートSN−20)へ80vol%の割合で分散させた複合体を作成した。サーミスタ層としての複合体は、PTFEフィルムと同じ面積で厚み0.3mmに成形した。最後に、金属電極として幅1mmのCuラインを複合体上の幅方向中央部に積層して、誘電層、NTCサーミスタ複合層、及びCu電極からなるセンサ部とし、これを試験片の上面にエポキシ樹脂(コニシボンド社製、E−209)で接着した。この試験片及びセンサ部の一端にSMAコネクタを設置し、パルス波を入射させる入射端とした。この入射端の反対側に位置する終端は開放とした。 Next, a detection test using the temperature distribution detection device of the first embodiment will be described. In this detection test, an NTC thermistor suitable as the thermistor layer was used as an example. A test piece made of a SUS430 metal plate having a length of 80 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1 mm was used as a simulated pipe. As the dielectric layer, a commercially available PTFE film (manufactured by Nitto Denko Corporation, Nitoflon, 902UL, thickness 0.1 mm) was used and cut into the same area as the test piece. For the thermistor layer, Mn 3 O 4 (99.9%), NiO (99.9%), and Co 3 O 4 (99.9%) powders manufactured by Kojundo Kagaku Co., Ltd. were used. The MnNiCo-based oxide obtained by mixing and firing so as to be 2: 1: 1 is pulverized, and the powder is a polyimide resin having a glass transition temperature Tg of 295 ° C. and excellent heat resistance (Rika Coat SN, manufactured by Shin Nippon Rika Co., Ltd.). A composite was prepared by dispersing it at a ratio of 80 vol% to -20). The composite as the thermistor layer was formed to a thickness of 0.3 mm with the same area as the PTFE film. Finally, a 1 mm wide Cu line as a metal electrode is laminated at the center in the width direction on the composite to form a sensor part comprising a dielectric layer, an NTC thermistor composite layer, and a Cu electrode. Bonded with a resin (E-209, manufactured by Konishi Bond Co., Ltd.). An SMA connector was installed at one end of the test piece and the sensor unit to provide an incident end for incident pulse waves. The end located on the opposite side of the incident end is open.

センサ部を接合した試験片の終端から約3cmの区間をホットプレート上に載せて加熱可能にした。残りの区間には、冷却ユニットにて氷点付近に保持されている金属板に接触させた。センサ部の一端にはSMAコネクタを介して同軸ケーブルを固定し、ETDRユニット(Agilent Technology社製、54754A)を組み込んだデジタイジングオシロスコープ(Agilent Technology社製、54750A)に接続し、計測されたインピーダンス分布を計測プログラム(HP社製、VEE Pro)によって取り込んだ。このインピーダンス分布の温度依存性を評価するために、ホットプレートの温度を40℃から240℃まで20℃間隔で段階的に昇温させた。このときのインピーダンス変化率分布を図4に示す。インピーダンス変化率は、温度変化時のインピーダンス変化量ΔZを初期状態でのインピーダンスZ0で除した値である。図4のグラフにおける横軸は、センサ部における電気パルス波入射端からの距離位置である。このグラフにおいて、5〜8cmの区間が加熱区間である。また、センサ部の入射端から7.5mmの位置における温度変化とインピーダンス変化率との関係を図5に示す。 A section of about 3 cm from the end of the test piece to which the sensor unit was joined was placed on a hot plate to enable heating. The remaining section was brought into contact with the metal plate held near the freezing point by the cooling unit. A coaxial cable is fixed to one end of the sensor via an SMA connector, and connected to a digitizing oscilloscope (Agilent Technology, 54750A) incorporating an ETDR unit (Agilent Technology, 54754A), and the measured impedance distribution Was taken in by a measurement program (VEE Pro, manufactured by HP). In order to evaluate the temperature dependence of this impedance distribution, the temperature of the hot plate was raised stepwise from 40 ° C. to 240 ° C. at 20 ° C. intervals. FIG. 4 shows the impedance change rate distribution at this time. The impedance change rate is a value obtained by dividing the impedance change amount ΔZ at the time of temperature change by the impedance Z 0 in the initial state. The horizontal axis in the graph of FIG. 4 is the distance position from the electric pulse wave incident end in the sensor unit. In this graph, a section of 5 to 8 cm is a heating section. FIG. 5 shows the relationship between the temperature change and the impedance change rate at a position 7.5 mm from the incident end of the sensor unit.

図4の結果から、試験片の一部のみ(グラフ中横軸の5〜8cmの区間)が他の部位に比して優先的に昇温すると、これに伴い当該部位に相当するインピーダンスも他の部位に比して優先的に変化する分布となることがわかる。これは、昇温に伴いNTCサーミスタ層の抵抗率が低下して、センサ部の見掛け電極面積(マイクロストリップ線路における見掛けの上部電極面積)が増大したことに起因する。これにより、配管の一部に減肉部が生じ、当該減肉部の表面温度が他の部位に優先して昇温すると、当該部位のインピーダンスも他の部位に優先して大きく変動したインピーダンス分布となり、当該特異点の有無や程度によって配管の減肉状況を検知診断できることが確認できた。なお、この各インピーダンス分布の計測はいずれも10秒以内で完了しており、高速な計測が可能である。また、図5の結果を見ると、上記のような構成のセンサ部とすれば、100℃の温度変化に対して約8%ものインピーダンス変化率があり、且つ温度に対してインピーダンスが線形的に変化しているので、温度分布センサとして、延いては温度分布検知装置として好適であることも確認できた。   From the result of FIG. 4, when only a part of the test piece (section of 5 to 8 cm on the horizontal axis in the graph) is preferentially heated compared to other parts, the impedance corresponding to the part is also changed accordingly. It can be seen that the distribution changes preferentially as compared with the region. This is due to the fact that the resistivity of the NTC thermistor layer decreases as the temperature rises, and the apparent electrode area of the sensor section (apparent upper electrode area in the microstrip line) increases. As a result, a thinned part occurs in a part of the pipe, and when the surface temperature of the thinned part is preferentially raised over other parts, the impedance distribution of the part is also greatly varied in preference to other parts. Thus, it was confirmed that the thinning condition of the pipe can be detected and diagnosed depending on the presence or absence and degree of the singularity. Note that the measurement of each impedance distribution is completed within 10 seconds, and high-speed measurement is possible. Further, when the result of FIG. 5 is seen, if the sensor unit configured as described above has an impedance change rate of about 8% with respect to a temperature change of 100 ° C., and the impedance is linear with respect to the temperature. Since it has changed, it has also confirmed that it was suitable as a temperature distribution sensor and by extension as a temperature distribution detection apparatus.

[第2の形態]
上記第1の形態では、温度変化に応じてセンサ部10の抵抗率を変化させたが、比誘電率を変化させる構成とすることもできる。以下に、センサ部の比誘電率を変化させる構成(第2の形態)の温度分布検知装置とこれを利用した配管の減肉検知方法について説明する。
[Second form]
In the first embodiment, the resistivity of the sensor unit 10 is changed in accordance with the temperature change. However, the relative permittivity may be changed. Below, the temperature distribution detection apparatus of the structure (2nd form) which changes the relative dielectric constant of a sensor part and the thinning detection method of piping using this are demonstrated.

本第2形態の温度分布検知装置も、配管1の表面にこれの長手方向に沿ってライン状に設けられたセンサ部20と、当該センサ部20の一端からコネクタ14を介して電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置(ETDR)11と、当該ETDR11によって検知された検知信号から、センサ部20のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置12と、当該インピーダンス計測装置12による計測結果を表示する表示装置13とを有する点は、先の第1の形態と同様である(図1参照)。また、センサ部20も、配管1をマイクロストリップ線路における下部電極として使用する。しかし、本第2の形態では、図6に示すように、センサ部20は、配管1の表面に接合される誘電層25と、当該誘電層25上に積層される金属電極27とによって構成されている。つまり、第2の形態では、第1の形態のようなサーミスタ層は無い。したがって、センサ部20の金属電極27が、そのままマイクロストリップ線路における上部電極となる。   The temperature distribution detection device of the second embodiment also has a sensor unit 20 provided in a line shape along the longitudinal direction of the pipe 1 and an electric pulse wave from one end of the sensor unit 20 via the connector 14. An electrical time domain reflection device (ETDR) 11 that enters and detects the reflected wave, an impedance measurement device 12 that measures the impedance of the sensor unit 20 from the detection signal detected by the ETDR 11, and the impedance measurement device 12 The point having the display device 13 for displaying the measurement result is similar to the first embodiment (see FIG. 1). The sensor unit 20 also uses the pipe 1 as a lower electrode in the microstrip line. However, in the second embodiment, as shown in FIG. 6, the sensor unit 20 includes a dielectric layer 25 joined to the surface of the pipe 1 and a metal electrode 27 laminated on the dielectric layer 25. ing. That is, in the second form, there is no thermistor layer as in the first form. Therefore, the metal electrode 27 of the sensor unit 20 becomes the upper electrode in the microstrip line as it is.

誘電層25は、温度に応じて比誘電率が変化する誘電体材料粒子を樹脂基材中に分散した複合層(コンポジット)とされている。これにより、誘電層25が一定の可撓性を有し、配管1の形状に的確に対応させられる。誘電層25を複合層とした詳しい効果は、第1形態のサーミスタ層16と同様である。   The dielectric layer 25 is a composite layer (composite) in which dielectric material particles whose relative dielectric constant changes according to temperature are dispersed in a resin base material. Thereby, the dielectric layer 25 has a certain flexibility and can be made to correspond exactly to the shape of the pipe 1. The detailed effect of using the dielectric layer 25 as a composite layer is the same as that of the thermistor layer 16 of the first embodiment.

誘電体材料の分散媒体となる樹脂には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や四フッ化エチレン−エチレン共重合樹脂(ETFE)などのフッ素樹脂や、シリコーン樹脂を使用できる。PTFEやETFE等のフッ素樹脂は、高温領域においても誘電特性が安定している。PTFEより高い成形加工性を持つ点において、ETFEの方が好ましい。シリコーン樹脂は誘電損失が小さく、且つ比誘電率等の高温領域での安定性も良い。樹脂成形品とした際の可撓性が高い点において、フッ素樹脂よりもシリコーン樹脂が好ましい。また、シリコーン樹脂は、厳密に言えば温度上昇に伴い比誘電率が下がる傾向があるが、当該傾向は発明の本質に合致しているので、この点においても好ましい。シリコーン樹脂としては、メチル系シリコーンレジン(信越シリコーン社製 KR-242A)やメチルフェニル系シリコーンレジン(信越シリコーン社製 KR-271)を使用できる。メチル系シリコーンレジンの方が比較的粘度が低く、分散媒体として好適である。なお、先の第1の形態で使用したポリイミドは、高温で高い誘電損失を有するので、比誘電率の温度依存性を利用する第2の形態では使用できない。   As the resin serving as a dispersion medium for the dielectric material, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene-ethylene copolymer resin (ETFE), or a silicone resin can be used. Fluorine resins such as PTFE and ETFE have stable dielectric characteristics even in a high temperature region. ETFE is preferred in that it has higher moldability than PTFE. Silicone resin has low dielectric loss and good stability in a high temperature region such as relative permittivity. A silicone resin is preferable to a fluororesin in terms of high flexibility when formed into a resin molded product. Strictly speaking, the silicone resin has a tendency that the relative dielectric constant decreases as the temperature rises. However, since this tendency is consistent with the essence of the invention, this point is also preferable. As the silicone resin, methyl silicone resin (KR-242A manufactured by Shin-Etsu Silicone) or methylphenyl silicone resin (KR-271 manufactured by Shin-Etsu Silicone) can be used. Methyl silicone resin has a relatively low viscosity and is suitable as a dispersion medium. Since the polyimide used in the first embodiment has a high dielectric loss at a high temperature, it cannot be used in the second embodiment utilizing the temperature dependence of the relative permittivity.

誘電体材料は、常誘電性であっても強誘電性であってもよい。誘電体材料としては、BaTiO3、SrTiO3、CaTiO3、Ba(Ti,Zr)O3、Ba(Ti,Sn)O3、(Ba,Ca)TiO3、(Sr,Ca)TiO3、(Na,Cd)NbO3、(Na,Sr)NbO3、(Sr,Ba)Nb26、Ba(In,Nb)O3、(Ba,Na)3(Nb,Ti)515、PdTiO3、PdZrO3、PdHfO3、Pd(Sc,Nb)O3、Pd(Zn,Nb)O3、(Sr,Pd)TiO3、(Ba,Pd)TiO3、KNbO3、K(Ta,Nb)O3、などが挙げられる。中でも、キュリー温度125℃付近にて大きな比誘電率変化を示すBaTiO3や、比誘電率が後述の樹脂基材の比誘電率に近いSrTiO3が好ましい。さらには、比誘電率が低く温度依存性の線形性が高いSrTiO3がより好ましい。誘電体材料の比誘電率が低ければ、樹脂と複合化させた場合でも温度に対する誘電率変化の低下が小さく、また、センサ部20の誘電損を低下させられる。セラミック粒子の粒径は特に限定されない。粒径の目安としては先の第1の形態と同様である。複合体(誘電層25)中の誘電体材料の体積割合は、80vol%以下、好ましくは60vol%以下とする。この分散割合については、誘電層25の温度感受性が最も高くなる体積割合を選ぶことができるが、ある体積割合を超えると複合体の可撓性が失われるためである。一方、誘電層25中の誘電体材料の割合が低すぎると、温度変化に対するインピーダンス変化率が悪化するので、20vol%以上とすることが好ましい。 The dielectric material may be paraelectric or ferroelectric. Examples of the dielectric material include BaTiO 3 , SrTiO 3 , CaTiO 3 , Ba (Ti, Zr) O 3 , Ba (Ti, Sn) O 3 , (Ba, Ca) TiO 3 , (Sr, Ca) TiO 3 , ( Na, Cd) NbO 3 , (Na, Sr) NbO 3 , (Sr, Ba) Nb 2 O 6 , Ba (In, Nb) O 3 , (Ba, Na) 3 (Nb, Ti) 5 O 15 , PdTiO 3 , PdZrO 3 , PdHfO 3 , Pd (Sc, Nb) O 3 , Pd (Zn, Nb) O 3 , (Sr, Pd) TiO 3 , (Ba, Pd) TiO 3 , KNbO 3 , K (Ta, Nb ) O 3 . Among these, BaTiO 3 that exhibits a large change in relative dielectric constant around the Curie temperature of 125 ° C., and SrTiO 3 whose relative dielectric constant is close to the relative dielectric constant of a resin substrate described later are preferable. Furthermore, SrTiO 3 having a low relative dielectric constant and a high temperature-dependent linearity is more preferable. If the relative dielectric constant of the dielectric material is low, the decrease in the dielectric constant change with respect to temperature is small even when the dielectric material is combined with the resin, and the dielectric loss of the sensor unit 20 can be reduced. The particle size of the ceramic particles is not particularly limited. The standard of the particle size is the same as in the first embodiment. The volume ratio of the dielectric material in the composite (dielectric layer 25) is 80 vol% or less, preferably 60 vol% or less. Regarding the dispersion ratio, a volume ratio at which the temperature sensitivity of the dielectric layer 25 is the highest can be selected, but if the volume ratio exceeds a certain volume ratio, the flexibility of the composite is lost. On the other hand, when the ratio of the dielectric material in the dielectric layer 25 is too low, the impedance change rate with respect to the temperature change is deteriorated.

金属電極27は、第1の形態の金属電極17と同様である。また、誘電層25及び金属電極27の形状・寸法も第1の形態と同様である。   The metal electrode 27 is the same as the metal electrode 17 of the first embodiment. The shapes and dimensions of the dielectric layer 25 and the metal electrode 27 are the same as in the first embodiment.

次に、第2の形態の温度分布検知装置を使用して、配管1の表面温度分布を検知する機構(作用)について説明する。ETDR11やインピーダンス計測装置12の機能、及びセンサ部10における電気パルス波の反射機構等は、第1の形態と同様である。配管1の表面温度上昇に伴い誘電層25も昇温すると、誘電体材料の特性によって誘電層25の比誘電率が変化し、静電容量も変化する。これにより、センサ部10のインピーダンスが変化する。配管1の表面温度に場所による分布(特異点)があると、これに伴いインピーダンス分布も不均一になる点も、第1の形態と同様である。これを前提として、配管1の減肉検知方法について説明する。配管1の一部に減肉部1Eが存在している状態において高温流体を流動させ、減肉部1Eの表面温度が他の部位より優先して昇温すると、当該高温部位における誘電層25の一部の比誘電率も他の部位より優先的に変化して、減肉部1Eに相当する当該部分のインピーダンスのみが他の部位に比べて大きく変化する。その他の条件や作用効果、及び検知診断操作なども第1の形態と同様なので、その説明は省略する。   Next, a mechanism (action) for detecting the surface temperature distribution of the pipe 1 using the temperature distribution detection device of the second embodiment will be described. The functions of the ETDR 11 and the impedance measuring device 12, the electric pulse wave reflection mechanism in the sensor unit 10, and the like are the same as in the first embodiment. When the temperature of the dielectric layer 25 rises as the surface temperature of the pipe 1 rises, the dielectric constant of the dielectric layer 25 changes depending on the characteristics of the dielectric material, and the capacitance also changes. Thereby, the impedance of the sensor unit 10 changes. Similar to the first embodiment, if the surface temperature of the pipe 1 has a distribution (singular point) depending on the location, the impedance distribution becomes non-uniform accordingly. Based on this premise, a method for detecting the thinning of the pipe 1 will be described. When the high-temperature fluid is caused to flow in a state where the thinned portion 1E is present in a part of the pipe 1 and the surface temperature of the thinned portion 1E is preferentially raised over other parts, the dielectric layer 25 in the high temperature part Some relative dielectric constants also change preferentially over other parts, and only the impedance of the part corresponding to the thinned portion 1E greatly changes compared with other parts. Other conditions, effects, and detection / diagnosis operations are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.

次に、第2形態の温度分布検知装置を使用した検知試験について説明する。模擬配管として、長さ80mm、幅10mm、厚み1mmのSUS430製金属板からなる試験片を使用した。誘電層は、SrTiO3粉末を、30vol%の割合でメチル系シリコーンレジン(信越シリコーン社製、KR-242A)へ分散させた複合体とした。このSrTiO3は温度上昇に対して比誘電率の低下をもたらすため、この誘電層も同様の温度依存性を示し温度上昇に対して静電容量の低下およびインピーダンスの増加をもたらすことが予想される。この誘電層は試験片と同じ外形寸法で、厚みを0.2mmとした。金属電極として、幅1mmのAgラインを誘電層上の幅方向中央部に積層した。このようなセンサ部を、試験片の上面にエポキシ樹脂(コニシボンド社製、E−209)で接着した。この試験片及びセンサ部の一端にSMAコネクタを設置し、パルス波を入射させる入射端とした。この入射端の反対側に位置する終端は開放とした。この試験片を第1の形態の検知試験で使用した同じ装置に設置し、インピーダンス分布の温度依存性を評価するために、ホットプレートの温度を20℃から240℃まで20℃間隔で段階的に昇温させた。このときのインピーダンス変化率分布を図7に示す。図7のグラフにおける横軸も、センサ部における電気パルス波入射端(SMAコネクタ側)からの距離位置である。このグラフにおいて、5〜8cmの区間が加熱区間である。また、センサ部の入射側端から7.5mmの位置における温度変化とインピーダンス変化率との関係を図8に示す。 Next, a detection test using the temperature distribution detection device of the second embodiment will be described. A test piece made of a SUS430 metal plate having a length of 80 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 1 mm was used as a simulated pipe. The dielectric layer was a composite in which SrTiO 3 powder was dispersed in a methyl silicone resin (manufactured by Shin-Etsu Silicone, KR-242A) at a rate of 30 vol%. Since this SrTiO 3 brings about a decrease in relative permittivity with increasing temperature, this dielectric layer also shows the same temperature dependence and is expected to bring about a decrease in capacitance and an increase in impedance with increasing temperature. . This dielectric layer had the same outer dimensions as the test piece and a thickness of 0.2 mm. As a metal electrode, an Ag line having a width of 1 mm was laminated at the center in the width direction on the dielectric layer. Such a sensor part was adhere | attached on the upper surface of the test piece with the epoxy resin (the Konishi bond company make, E-209). An SMA connector was installed at one end of the test piece and the sensor unit to provide an incident end for incident pulse waves. The end located on the opposite side of the incident end is open. In order to evaluate the temperature dependence of the impedance distribution, the temperature of the hot plate is gradually increased from 20 ° C. to 240 ° C. at intervals of 20 ° C. The temperature was raised. The impedance change rate distribution at this time is shown in FIG. The horizontal axis in the graph of FIG. 7 is also the distance position from the electric pulse wave incident end (SMA connector side) in the sensor unit. In this graph, a section of 5 to 8 cm is a heating section. Further, FIG. 8 shows the relationship between the temperature change and the impedance change rate at a position of 7.5 mm from the incident side end of the sensor unit.

図7の結果から、試験片の一部のみ(グラフ中横軸の5〜8cmの区間)が他の部位に比して優先的に昇温すると、これに伴い当該部位に相当するインピーダンスも他の部位に比して優先的に増加する分布となることがわかる。これは、昇温に伴い誘電層の比誘電率が低下したことに起因する。これにより、配管の一部に減肉部が生じ、当該減肉部の表面温度が他の部位に優先して昇温すると、当該部位のインピーダンスも他の部位に優先して大きく変動したインピーダンス分布となり、当該特異点の有無や程度によって配管の減肉状況を検知診断できることが確認できた。なお、この各インピーダンス分布の計測はいずれも10秒以内で完了しており、高速な計測が可能である。また、図8の結果を見ると、上記のような構成のセンサ部とすれば、100℃の温度変化に対して約6%インピーダンスが変化しており、且つ温度に対してインピーダンスが線形的に変化しているので、温度分布センサとして、延いては温度分布検知装置として好適であることも確認できた。   From the result of FIG. 7, when only a part of the test piece (5-8 cm section on the horizontal axis in the graph) is preferentially heated compared to the other parts, the impedance corresponding to the part is also changed accordingly. It can be seen that the distribution is preferentially increased as compared with the region. This is due to the fact that the dielectric constant of the dielectric layer has decreased with increasing temperature. As a result, a thinned part occurs in a part of the pipe, and when the surface temperature of the thinned part is preferentially raised over other parts, the impedance distribution of the part is also greatly varied in preference to other parts. Thus, it was confirmed that the thinning condition of the pipe can be detected and diagnosed depending on the presence or absence and degree of the singularity. Note that the measurement of each impedance distribution is completed within 10 seconds, and high-speed measurement is possible. Further, when looking at the result of FIG. 8, in the case of the sensor unit configured as described above, the impedance changes by about 6% with respect to a temperature change of 100 ° C., and the impedance is linear with respect to the temperature. Since it has changed, it has also confirmed that it was suitable as a temperature distribution sensor and by extension as a temperature distribution detection apparatus.

次に、実際に配管の一部に減肉部がある場合を想定した検知試験を行った。長さ300mm、外径20mm、内径10mm(肉厚5mm)のSUS製四角管を試験用配管として、その長手方向中央部に長さ25mmの区間に肉厚0.5mmの減肉部を形成させた。その配管表面に、上記第1の形態の試験で使用したセンサ部と同じ構成で長さ280mmのセンサ部を、配管長手方向のほぼ中央に設置した。まず、試験用配管内に20℃のシリコンオイルを流通させた状態を初期状態として、そのシリコンオイルを150℃に加熱したものに切り替え、その後の温度の経時変化とともに20秒毎にインピーダンス分布を計測した。配管内の流体を高温オイルに切り替えた後、配管表面の温度は110℃程度まで上昇した。   Next, the detection test which assumed the case where a thinning part actually exists in a part of piping was done. A SUS square tube having a length of 300 mm, an outer diameter of 20 mm, and an inner diameter of 10 mm (thickness of 5 mm) is used as a test pipe. It was. On the surface of the pipe, a sensor part having a length of 280 mm and the same configuration as that of the sensor part used in the test of the first embodiment was installed at substantially the center in the pipe longitudinal direction. First, the initial condition is the condition in which 20 ° C silicon oil is circulated in the test pipe, and the silicon oil is switched to 150 ° C and the impedance distribution is measured every 20 seconds as the temperature changes over time. did. After switching the fluid in the piping to high temperature oil, the temperature of the piping surface rose to about 110 ° C.

センサ部の長さの半分(約140mm)の位置に減肉部が存在する。その減肉部とその他の正常肉厚部の温度差は、高温オイルに切り替えてから徐々に拡がり、約120秒経過した時点で最大約20℃の温度差となった後、その後は時間の経過とともに温度差が縮小した。この温度分布の差が僅か20℃であったため、図4などの単純なインピーダンス変化率では、センサの温度感受性の位置によるバラツキの範囲との区別が困難であった。そこで、このセンサの均熱状態におけるインピーダンス分布(センサのバラツキ)を計測し、その分布でそのインピーダンス変化率を割ることで規格化したインピーダンス変化率を得た。なお、その均熱状態のインピーダンス分布とは、高温流体に切り替えた後、1800秒保持してほぼ均熱とした状態のインピーダンス分布である。その結果を図9に示す。   The thinned portion exists at a position half the length of the sensor portion (about 140 mm). The temperature difference between the thinned part and the other normal thickened part gradually spreads after switching to high temperature oil, reaches a maximum temperature difference of about 20 ° C. after about 120 seconds, and then the passage of time As the temperature difference decreased. Since the difference in temperature distribution was only 20 ° C., it was difficult to distinguish from the variation range depending on the temperature sensitivity position of the sensor with the simple impedance change rate as shown in FIG. Therefore, the impedance distribution (sensor variation) in the soaking state of the sensor was measured, and the impedance change rate was normalized by dividing the impedance change rate by the distribution. In addition, the impedance distribution in the soaking state is an impedance distribution in a state in which the soaking is maintained for about 1800 seconds after switching to a high-temperature fluid. The result is shown in FIG.

図9では、時間の経過と共に減肉部が他の部位に優先して昇温すると、これに伴い減肉部に相当する部位(140mmの位置)のインピーダンスも、他の部位に比べて優先的に大きく上昇していることがわかる。また、そのインピーダンス分布の減肉部での増加は、温度差が最大となる120秒経過時点で最も大きくなり、その後、温度上昇が飽和気味となって正常部の温度が減肉部の温度に近付いて配管全体の表面温度が均一になるにしたがい、インピーダンス分布も均一になる傾向も読み取れる。このように、減肉部における温度変化に対応したインピーダンス分布の応答性が得られたことにより、このETDRを使用して、減肉部における温度分布変化をインピーダンス分布変化として間接的に検知し、減肉の発生を確実に検知診断できることが確認できた。   In FIG. 9, when the thinned portion is preferentially heated with respect to other portions as time passes, the impedance of the portion corresponding to the thinned portion (position of 140 mm) is also more preferential than the other portions. It can be seen that it has risen significantly. In addition, the increase in the impedance distribution at the thinned portion is the largest at the point of 120 seconds when the temperature difference becomes maximum, and then the temperature rise becomes saturated and the temperature of the normal portion becomes the temperature of the thinned portion. It can be seen that the impedance distribution becomes uniform as the surface temperature of the entire pipe becomes uniform. Thus, by obtaining the responsiveness of the impedance distribution corresponding to the temperature change in the thinned portion, this ETDR is used to indirectly detect the temperature distribution change in the thinned portion as the impedance distribution change, It was confirmed that the occurrence of thinning can be reliably detected and diagnosed.

1 配管
1E 減肉部
10・20 センサ部
11 電気的時間領域反射装置(ETDR)
12 インピーダンス計測装置
13 表示装置
15・25 誘電層
16 サーミスタ層
17・27 金属電極
1 Pipe 1E Thinning part 10/20 Sensor part 11 Electrical time domain reflector (ETDR)
12 Impedance measuring device 13 Display device 15/25 Dielectric layer 16 Thermistor layer 17/27 Metal electrode

Claims (7)

熱影響を受ける構造物の表面温度分布を検知する、表面温度分布検知装置であって、
前記構造物の表面に設けられ、該構造物を一方の電極として使用するセンサ部と、該センサ部の一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置と、該電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記センサ部のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有し、
前記センサ部は、前記構造物の表面に接合される誘電層と、該誘電層上に積層され、温度に応じて抵抗率が変化するサーミスタ層と、該サーミスタ層上に積層された金属電極とからなり、
前記金属電極は、前記サーミスタ層よりも幅が狭いライン状に形成されて、他方の電極を構成し、
前記熱影響に起因した構造物の表面温度分布を、前記サーミスタ層の抵抗率変化に基づく前記センサ部のインピーダンス分布として検知できることを特徴とする、表面温度分布検知装置。
A surface temperature distribution detection device for detecting the surface temperature distribution of a structure affected by heat,
A sensor unit that is provided on the surface of the structure and uses the structure as one electrode; an electric time domain reflection device that receives an electric pulse wave from one end of the sensor unit and detects the reflected wave; From the detection signal detected by the electrical time domain reflection device, having an impedance measurement device that measures the impedance of the sensor unit,
The sensor unit includes a dielectric layer bonded to the surface of the structure, a thermistor layer that is stacked on the dielectric layer and changes in resistivity according to temperature, and a metal electrode that is stacked on the thermistor layer. Consists of
The metal electrode is formed in a line shape narrower than the thermistor layer and constitutes the other electrode,
A surface temperature distribution detecting device, wherein the surface temperature distribution of a structure caused by the thermal effect can be detected as an impedance distribution of the sensor unit based on a change in resistivity of the thermistor layer.
前記サーミスタ層は、温度に応じて抵抗率が変化するセラミック粒子が樹脂中に分散された複合層となっている、請求項1に記載の表面温度分布検知装置。   The surface temperature distribution detection device according to claim 1, wherein the thermistor layer is a composite layer in which ceramic particles whose resistivity changes according to temperature are dispersed in a resin. 内部を高温流体が流動する金属配管の減肉を検知する配管の減肉検知方法であって、
前記配管の表面に、該配管を一方の電極とし、前記配管側から誘電層と、温度に応じて抵抗率が変化するサーミスタ層と、他方の電極を構成する金属電極とがこれの順で積層されたセンサ部を設け、
前記配管の一部に生じた減肉部の表面が前記高温流体によって他の部位より優先的に高温となると、当該高温部位における前記サーミスタ層の一部の抵抗率も他の部位より優先的に変化して前記センサ部における見掛けの電極面積が変化することを利用して、前記センサ部の一端から電気的時間領域反射装置によって電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によって前記センサ部のインピーダンスを計測して、他の部位より優先的にインピーダンスが変化する部位の存在により配管の減肉を検知する、配管の減肉検知方法。
A pipe thinning detection method for detecting thinning of a metal pipe through which a high-temperature fluid flows.
On the surface of the pipe, the pipe is used as one electrode, and a dielectric layer from the pipe side, a thermistor layer whose resistivity is changed according to temperature, and a metal electrode constituting the other electrode are laminated in this order. Provided sensor part,
When the surface of the thinned portion generated in a part of the pipe is preferentially heated to a higher temperature than the other part by the high-temperature fluid, the resistivity of a part of the thermistor layer in the high-temperature part is also higher than the other part. Utilizing the change in the apparent electrode area in the sensor unit, an electric pulse wave is incident from one end of the sensor unit by an electric time domain reflection device, and the sensor measures the impedance from the reflected wave by the impedance measurement device. A pipe thinning detection method that measures the impedance of a pipe and detects pipe thinning due to the presence of a part where the impedance changes preferentially over other parts.
熱影響を受ける構造物の表面温度分布を検知する、表面温度分布検知装置であって、
前記構造物の表面に設けられ、該構造物を一方の電極として使用するセンサ部と、該センサ部の一端から電気パルス波を入射し、その反射波を検知する電気的時間領域反射装置と、該電気的時間領域反射装置によって検知された検知信号から、前記センサ部のインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置とを有し、
前記センサ部は、前記構造物の表面に接合される誘電層と、該誘電層上に積層され、他方の電極となる金属電極とからなり、
前記誘電層には、温度に応じて比誘電率が変化する誘電体材料が使用されており、
前記熱影響に起因した構造物の表面温度分布を、前記誘電層の比誘電率変化に基づく前記センサ部のインピーダンス分布として検知できることを特徴とする、表面温度分布検知装置。
A surface temperature distribution detection device for detecting the surface temperature distribution of a structure affected by heat,
A sensor unit that is provided on the surface of the structure and uses the structure as one electrode; an electric time domain reflection device that receives an electric pulse wave from one end of the sensor unit and detects the reflected wave; From the detection signal detected by the electrical time domain reflection device, having an impedance measurement device that measures the impedance of the sensor unit,
The sensor unit includes a dielectric layer bonded to the surface of the structure, and a metal electrode stacked on the dielectric layer and serving as the other electrode,
The dielectric layer uses a dielectric material whose relative dielectric constant changes according to temperature,
A surface temperature distribution detection device capable of detecting a surface temperature distribution of a structure caused by the thermal effect as an impedance distribution of the sensor unit based on a change in relative dielectric constant of the dielectric layer.
前記誘電層は、誘電体材料粒子が樹脂中に分散された複合層となっている、請求項4に記載の表面温度分布検知装置。   The surface temperature distribution detection device according to claim 4, wherein the dielectric layer is a composite layer in which dielectric material particles are dispersed in a resin. 内部を高温流体が流動する金属配管の減肉を検知する配管の減肉検知方法であって、
前記配管の表面に、該配管を一方の電極とし、温度に応じて比誘電率が変化する誘電体材料を含む誘電層と、該誘電層上に積層され他方の電極となる金属電極とからなるセンサ部を設け、
前記配管の一部に生じた減肉部の表面が前記高温流体によって他の部位より優先的に高温となると、当該高温部位における前記誘電層の一部の比誘電率も他の部位より優先的に変化することを利用して、前記センサ部の一端から電気的時間領域反射装置によって電気パルス波を入射し、その反射波からインピーダンス計測装置によって前記センサ部のインピーダンスを計測して、他の部位より優先的にインピーダンスが変化する部位の存在により配管の減肉を検知する、配管の減肉検知方法。
A pipe thinning detection method for detecting thinning of a metal pipe through which a high-temperature fluid flows.
On the surface of the pipe, the pipe is used as one electrode, and includes a dielectric layer containing a dielectric material whose relative dielectric constant changes according to temperature, and a metal electrode stacked on the dielectric layer and serving as the other electrode. Provide a sensor unit,
When the surface of the thinned portion generated in a part of the piping is preferentially heated to a higher temperature than the other part by the high-temperature fluid, the relative dielectric constant of a part of the dielectric layer in the high-temperature part is also higher than the other part. The electric pulse wave is incident from one end of the sensor unit by an electrical time domain reflection device, and the impedance of the sensor unit is measured from the reflected wave by the impedance measurement device. A pipe thinning detection method for detecting pipe thinning due to the presence of a portion where impedance changes more preferentially.
前記構造物が、内部を高温流体が流動する金属製の配管である、請求項1,2,4,5のいずれかに記載の表面温度分布検知装置。

The surface temperature distribution detection apparatus according to any one of claims 1, 2, 4, and 5, wherein the structure is a metal pipe through which a high-temperature fluid flows.

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