JPH056360U - セラミツクス等の熱間における変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】本考案は、試料加熱炉の一側に１又は２組の照
明装置を配設し、その対向側に１又は２組の望遠レンズ
と赤外線除去用フィルター及び／又はプリズムを具備す
る固体走査受光素子を用いた変位測定カメラ及びカメラ
コントロールユニットを配設し、上記変位測定カメラの
視野内の明部と暗部との比率により変位を測定する測定
手段とを備えたセラミックス等の熱間における変位測定
装置であり、高温におけるセラミックス等の変位を高精
度でかつ自動的に測定ができる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は主にセラミックス等の高温下での変位〔たとえば熱間線膨張率（以下 熱膨張率という）あるいはクリープ変形量等〕を非接触で精度良く自動測定する セラミックス等の熱間における変位測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

ファィンセラミックス、耐火物、陶磁器、ガラスまたはこれらと金属との複合 材料等のセラミックス、あるいは各種金属の熱膨張率特に耐火物の熱膨張率は熱 間で使用される窯炉の内張り耐火物の膨張代決定等の指針となる極めて重要な特 性である。

【０００３】 従来、熱膨張率測定は、ＪＩＳ Ｒ ２６１７及びＲ ２２０７で規定されて いる如く接触式又は非接触の方式で測定されており、接触式は図１３に示す如く 、加熱炉１内に設置した試料受台４に載せた試料２に変位検出棒あるいは管３を 接触させ、これにより試料の膨張収縮を検知し、この変位をダイヤルゲージによ り、読み取るか差動変圧器式変位測定器６等により読み取るか、又は記録計７に 記録し、測定後曲線より変位を読み取り膨張率を計算するのが一般的であった。 尚、図１３において、５は差動変圧器、１１は発熱体、１２は熱電対である。

【０００４】 しかし、この方法は、試料に検出棒を接触させて測定圧を加えるため、高温で 軟化状態を示す試料の場合測定圧による圧縮力により、試料自体が変形し、真の 膨張率を測定することが困難である。また、この場合、試料受台と変位検出棒の 膨張量の相違による補正を要する場合が多く、これが誤差の原因になっていた。

【０００５】 従って測定試料に非接触で測定する方法が採用されているのが現状である。非 接触で測定する方法としては、図１４のように加熱炉１中に設置した試料２の両 端の変位を目盛付望遠鏡１０により、人為的に読み取るものがある。この方法は 、炉内が高温の時には試料と雰囲気との明暗差がつきにくいため、読み取りが困 難で経験に頼る部分が多く、測定誤差の原因になっている。また得られたデータ ーは試料の元の長さに対する変化率を計算し、温度と膨張率の関係を図に書く必 要があった。尚、図１４において、８は温度計、９は照明装置、１１は発熱体、 １２は熱電対である。

【０００６】 さらに別の方法としては、目盛入り望遠レンズ付カメラで各温度での試料の変 位を写真撮影し、写真より試料の変位を読み取る方法があるが、データー処理に 時間を要し能率の点で問題がある。

【０００７】 また、セラミックス等の圧縮クリープ変形量は構造体を設計する上で必要であ り、熱間における荷重下での長時間における変形は窯炉設計の指針とする極めて 重要な特性であることは当業者によく知られているところである。

【０００８】 また、特開昭５３−３６２６２号公報には熱膨張測定方法及びその装置が開示 されており、この方式はプリズム、及び読み取り望遠鏡により目視によって変位 を読み取り、後で膨張率を計算し、温度と熱膨張率の関係を書く作業をする必要 があり、非能率的な方法である。この方法は耐火物の熱膨張率試験方法のＪＩＳ に直接式（非接触式）として、規定されており、古くから行われている手段であ る。

【０００９】 更に、特開昭５８−１５４６４９号には金属の変形下における各種変態測定方 法及び装置が開示されており、光源よりの光軸の移動を光学的変位計を用いて検 出するに当り、該光学的変位計にイメージディセクタチューブを用いることを特 徴的構成とするものであるが、公知の如くイメージディセクタチューブを使用し た変位計は本来高速運動解析用であり、短時間での測定用である。セラミックス の熱膨張測定のように５〜１０時間の長い時間をかけて、温度を変化させ、微小 変化を高精度で測定する場合、イメージディセクタチューブのように光量の変化 により変位を測定するものは、電圧変動の影響、光の波長による感度特性の変化 、経時変化による感度変化があり、また炉からの光の影響を受けやすく、固体走 査受光素子より精度が劣るものである。

【００１０】

【考案が解決しようとする課題】

従来、クリープ変形量の測定は一例としてＰＲＥ（欧州連合規格）Ｒ６−７８ に規定されている。これは、接触式と称する方式で測定されるもので加熱炉内に 設置した受台及び耐火円板に載せた試料の変形を変位検出管により伝達し、この 変位を記録計に接続可能な移動式寸法測定装置で測定記録し、測定後の曲線より 、変位を人手で読み取り、クリープ変形量を計算するのが一般的であった。

【００１１】 この場合、荷重は荷重管により、加圧装置で加圧され、試料の内部と外部の温 度をそれぞれの熱電対で測定する。

【００１２】 しかし、この方法は示差式であるため試料２と変位検出管３に温度差を生じた り高温で変位検出管自体が軟化変形する場合もあり、誤差の原因となっていた。 従って示差棒を使用しないで直接変位を測定する方法が望まれる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

前述の如き従来方式の諸欠点を改善するため本考案者等は種々研究の結果、高 精度でかつ自動測定が可能なセラミックス等の熱間における変位測定装置の開発 に成功したものである。

【００１４】 本考案の要旨とするところは、試料加熱炉の一側に１又は２組の照明装置を配 設し、その対向側に１又は２組の望遠レンズと赤外線除去用フィルター及び／又 はプリズムを具備する固体走査受光素子を用いた変位測定カメラ及びカメラコン トロールユニットを配設し、上記変位測定カメラの視野内の明部と暗部との比率 により変位を測定する測定手段とを備えたセラミックス等の熱間における変位測 定装置にある。

【００１５】 本考案のセラミックス等の熱間における変位測定装置を熱膨張率測定装置に適 用した具体例を、変位測定カメラの検出部に固体走査受光素子を用いた例により 図１に基いて詳述する。

【００１６】 試料２の変位は図１に示すように試料２の両端を試料２の軸に対して直角方向 より照明装置９で照明し、試料２により、光がさえぎられた暗部と光が直接届く 明部を固体走査受光素子面にレンズにより拡大投影し明部Ｌと暗部Ｄの比率より 変位を計測するものである。この場合、カメラは１台のカメラの中に２個の固体 走査受光素子を内蔵し、独立した２組の望遠レンズとフィルターを有する変位測 定カメラの使用も可能である。

【００１７】 ２台の変位測定カメラ１５を使用する場合は、各々のカメラコントロールユニ ット１６の出力を加算して変位に応じたディジタル出力信号で出力する。この出 力とディジタル温度計１９のディジタル信号出力を一般的手法により作成したプ ログラムにより、パーソナルコンピューターインターフェース１７を介してパー ソナルコンピューター１８に入力し、記憶演算を行なわせディジタルプロッター ２０により、温度と熱膨張率の関係を曲線に書かせるものである。

【００１８】 本考案の熱膨張率測定装置では、試料２の微小変位を読み取る望遠レンズ１４ は、熱の影響を防ぐため加熱炉から離して設置する必要があり、そのため作動距 離（レンズ先端から被測定物までの距離）２００〜７００ｍｍ（実用上好ましく は３００〜５００ｍｍ）、Ｆ番号５〜８のものが良い。作動距離がこれより短い と高温の加熱炉１に望遠レンズ１４を接近して測定することにより、温度の影響 による測定誤差が生じる。またＦ番号がこれより大きいと測定に必要な光量が得 られにくく反対に小さいとレンズ径が大きくなり望遠レンズ１４を２個並べた場 合、中心間距離が大きく試料２の長さの長いものでなければ測定できない。

【００１９】 この目的に使用する望遠レンズ１４としては、作動距離、明るさのほかに測定 分解能１μｍを満たすためにレンズ倍率を×１０倍程度にする必要がある。

【００２０】 本考案の熱膨張率測定装置ではこれに対する対策として複合レンズ×１０倍作 動距離２００〜７００ｍｍの望遠レンズ１４を製作し、この問題を解決した。

【００２１】 一方、加熱炉１内の試料２は、８００℃以上の温度になると試料２自体から赤 外線を放出する。すなわち変位測定に使用する固体走査受光素子は赤外線に感度 を示すため、固体走査受光素子面に図４に示すオシロスコープ２３の波形のごと く明部Ｌと暗部Ｄとの差がつきにくく高温時の測定が困難である。この問題を解 決するため赤外域の光を除去するフィルターを種々検討し、照明の光量を減少さ せないで試料より出る赤外線を完全に除去するフィルターを見いだした。フィル ター１３は赤外域の０．８μ〜１ｍｍの波長の光を除去するもので計測に充分な コントラストと光量を得るため光透過率が９０％以上でなければならない。この 場合、１枚のフィルターで０．８μ〜１ｍｍの全域の波長を除去するものでなく てもよく、２枚又は２枚以上のフィルターの組合せでもよい。

【００２２】 照明装置９は固体走査受光素子面に低温から高温まで充分なコントラストをつ けるための光量が必要である。光源としては白熱電球、キセノンランプ、ハロゲ ンランプ、レーザー光などが用いられるが設備が簡単でかつ取扱いが容易という 点で、白熱電球を電圧調整器と組合せるかハロゲンランプと反射鏡を組合せて使 用するのがよい。いずれの場合も光は、集光レンズを使って集光し直進性を持た せた平行光が良く、光束の径は試料面で１０ｍｍφ以上で輝度は１０万ｎｔ以上 がよい。

【００２３】 本考案熱膨張率測定装置による測定例を以下に説明する。

【００２４】実施例１ ケイ石れんが試料で幅２０ｍｍ×高さ１５ｍｍ×長さ８０〜８５ｍｍのものを 図１に示す本考案装置の加熱炉１内にセットし、作動距離４８０ｍｍ、Ｆ番号８ の望遠レンズ１４と赤外域の０．８μ〜１０００μの波長の光を除去するガラス フィルター１３を使い昇温速度を毎分４℃として、常温から１５００℃までの間 を５℃毎にデーターを取り込み、温度と熱膨張率の関係を書かせた結果を図２に 示す。

【００２５】 また同様のセラミックスであってもファィンセラミックスは一般に小型形状の 試料の場合が多く、小型試料で熱膨張率を測定しなければならないことがしばし ばある。

【００２６】 小寸法試料の変位測定には、１台の変位測定カメラで試料の両端の変位を測定 する方法があるが試料寸法が２〜５ｍｍ以下と小さいものでなければ測定できず 反対に低倍率のレンズにより測定範囲を拡大すると読み取り精度が極端に低下す るという問題がある。

【００２７】 本考案の熱膨張率測定装置をプリズムを用いてファィンセラミックス小型試料 用として具体例を図３に基いて詳述する。

【００２８】 試料２の変位は試料２の両端を軸に対して直角方向より照明装置９で照明し、 試料２により光がさえぎられた暗部と光が直接届く明部の像を照明装置９の対向 側に設置したプリズム２１で９０度変更し、試料２の軸に対して平行に設置した 変位測定カメラ１５の検出部に望遠レンズ１４により拡大投影し、明部Ｌと暗部 Ｄの比率より計測するものである。

【００２９】 この装置に使用するプリズム２１は光を９０度変更するもので光透過率が９５ ％以上で像に歪のないものでなければならない。プリズム２１の材質としては、 石英ガラスが理想的であるが価格等を考慮すると硬質ガラス製でも、光透過率が ９５％以上のものであればよい。変位測定カメラ１５の検出部としては固体走査 受光素子、光電子増倍管等が使用できる。

【００３０】 熱膨張率測定にあたり試料２が８００℃以上になると試料２自体から赤外線を 放出する。この赤外線を変位測定カメラ１５の検出部である固体走査受光素子が 感じ図４オシロスコープ波形に示すように受光素子面に明部Ｌと暗部Ｄの差がつ かなくなる。この赤外線の影響をなくするため赤外線除去フィルター１３を併用 する必要がある。フィルター１３を使用し赤外線を除去すると試料２の測定端面 が鮮明となり、図５に示す如く明部Ｌと暗部Ｄの差が明確なオシロスコープの波 形が得られる。フィルター１３は照明の光量を減少させないで試料２より出る赤 外域の０．８μ〜１０００μ波長の光を除去するもので光透過率が９０％以上の ものが好ましい。この場合１枚または２枚以上のフィルターの組合せでもよい。

【００３１】 一方、変位測定カメラ１５の検出部に光電子増倍管を使用した場合は赤外線に はほとんど感度を示さないが試料２の計測端面の輪郭が不明瞭となり、測定精度 が低下するためのフィルターを使用することが好ましい。照明装置９の機構につ いては、前述の照明装置９と同様の諸条件を具備するものである。

【００３２】 小型試料の熱膨張率測定例を実施例として説明する。

【００３３】実施例２ アルミナ含有量９９．５％の再結晶アルミナ試料で幅５ｍｍ×高さ５ｍｍ×長 さ４５ｍｍのものを、図３に示す本考案の装置の加熱炉１の中にセットし、作動 距離４６０ｍｍ、Ｆ番号８の望遠レンズ１４と赤外線域の０．８μｍ〜１０００ μｍの波長の光を除去するフィルター１３と固体走査受光素子を使用した変位測 定カメラ１５を使い昇温速度を毎分４℃として常温から１５００℃までの間を５ ℃毎にデーターを取り込み温度と熱膨張率の関係を書かせた結果を図６に示す。

【００３４】 以上のように検出部を有する変位測定カメラとプリズム望遠レンズ、赤外線除 去、フィルターと公知のコンピュターを組合せて小型試料で最小読み取り精度１ μｍで低温から高温まで高精度に測定できる熱膨張率測定装置の開発に成功した 。

【００３５】 本考案のセラミックス等の熱間における変位測定装置をクリープ測定装置に適 用した具体例を図７及び図８に基づいて詳述する。

【００３６】 試料２の変位は、図７及び図８に示すように試料２の上下耐火円板２２の試料 面側を試料２の軸に対して直角方向より、照明装置９で照明し、耐火円板２２に より光がさえぎられた暗部と光が直接届く明部を変位測定カメラの検出部にレン ズより拡大投影し、明部Ｌと暗部Ｄの比率より変位を計測するものである。

【００３７】 この場合、各々のカメラコントロールユニット１６の出力を加算して変位に応 じたディジタル出力信号で出力する。この出力とディジタル温度計１９のデイジ タル信号出力を一般的手法により作成したプログラムにより、パーソナルコンピ ューターインターフェース１７を介してパーソナルコンピューター１８に入力し 、記憶演算を行なわせプリンター２５、ディジタルプロッター２０により時間と クリープ変形量の関係を曲線に書かせるものである。

【００３８】 実際の測定は、測定精度を上げるため下部の耐火円板２２の上面と上部の耐火 円板２２の下面を各々２組の照明装置９と望遠レンズ１４及び変位測定カメラ１ ５を使って測定する。この場合試料２の高さ寸法が小さいと望遠レンズ１４及び 変位測定カメラ１５を２組垂直に並べて配設できないときは２組の照明装置９及 び望遠レンズ１４、変位測定カメラ１５は図７の如く水平方向に角度を変えて配 設することもできる。

【００３９】 一方、加熱炉１内の試料２の上下に置かれた耐火円板２２は８００℃以上の温 度になると耐火円板２２自体から赤外線を放出する。

【００４０】 この問題を解決するためフィルター１３は赤外線域の０．８μ〜１ｍｍの波長 の光を除去する前記熱膨張率測定装置の例において述べたと同様のものを使用し うる。

【００４１】 照明装置９の機構についても前述の通りである。

【００４２】 以上のように本考案装置の構成とすることにより最小読取１μｍで低温から高 温まで高精度に試料の変形を測定できるクリープ測定装置の開発に成功したもの である。

【００４３】 本考案のクリープ測定装置による測定例を以下に示す。

【００４４】実施例３ 粘土質れんが試料で直径３０ｍｍ×高さ３０ｍｍのものを図７に示す本考案装 置の加熱炉１内にセットし加熱炉１の温度を毎分４℃の速度で１３００℃に昇温 したのち荷重装置２４により、２ｋｇ／ｃｍ^２の荷重を負荷した直後より、白熱 電球を使用した照明装置９と動作距離４８０ｍｍ、Ｆ番号８の望遠レンズ１４と 赤外線域の０．８μｍ〜１ｍｍ波長の光を除去するガラスフィルター１３を各々 ２組使い試料の変位をパーソナルコンピューター１８により、１０分間毎に計測 演算し、プロッター２０で時間と変形量の関係を書かせた。結果を図９に示す。

【００４５】 本考案のセラミックス等の熱間における変位測定装置はたわみ法熱間弾性率測 定装置としても使用しうるものであり、その具体例を図１０及び図１１に基いて 詳述する。

【００４６】 この具体例による熱間弾性率測定装置では変位測定カメラ１５に固体走査受光 素子を使用したものを例にとって説明すると、試料２のたわみ変位は図１０及び 図１１に示すように試料２の中心部の下部と支持ロール２８と試料２の接触点に 最も近いところを試料２の軸に対して直角方向より２組の照明装置９で各々照明 し２台の変位測定カメラ１５で各々の点を計測し、試料２により光がさえぎられ た暗部と光が直接届く明部を固体走査受光素子面に望遠レンズ１４により拡大投 影し、明部Ｌと暗部Ｄの比率より計測するものである（照明装置９及び変位測定 カメラ１５は１台しか図示せず）。この場合各々のカメラコントロールユニット １６の出力の差を出して変位に応じたディジタル出力信号で出力する。この出力 とディジタル温度計１９のディジタル信号出力を一般的手法により作成したプロ グラムにより、パーソナルコンピューターインターフェース１７を介してパーソ ナルコンピューター１８に入力し、記憶演算を行なわせプリンター２５に結果を 打ち出すと共にプリンター２５に温度と弾性率の関係の曲線を書かせるものであ る。

【００４７】 尚、この熱間弾性率測定装置においても、望遠レンズ１４、赤外線除去フイル ター１３、照明装置９等の機構及び諸条件は前記した熱間膨張率測定装置等とほ ぼ同様である。また、同一符号は同一部材を示す。

【００４８】 本考案の熱間弾性率測定例を以下に説明する。

【００４９】実施例４ アルミナ試験片で幅１０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍ×長さ６０ｍｍのものを図１０ に示す本考案の装置の加熱炉１の中のアルミナ製支持台２７及び支持ロール２８ の上にセットし、炉外に設置した油圧式荷重装置２４により１００℃毎に１５０ ０℃まで３点曲げ方式で、試験片の破壊強度の５０〜７０％に相当する荷重を負 荷した。その時の試料２の荷重負荷点直下の変位と支持ロール２８と試料２の接 触点に最も近いところの変位を固体走査受光素子内蔵カメラに作動距離４６０ｍ ｍＦ番号８の望遠レンズ１４と赤外域の０．８μ〜１０００μの波長の光を除去 するガラスフィルター１３を使い測定し、下記の計算式を基に温度と弾性率の関 係を書かせた結果を図１２に示す。

【００５０】 計算式

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の変位測定装置を熱膨張率測定装置に適
用した具体例の配置関係を示す略図、

【図２】図１図示の熱膨張率測定装置による温度と熱膨
張率の関係を示すグラフ、

【図３】図１と同様の熱膨張率測定装置をプリズムを用
いて小型試料用とした別の具体例を示す略図、

【図４】固体走査受光素子により感応した赤外線のオシ
ロスコープ波形、

【図５】フィルター使用により明部と暗部との差が明確
となったオシロスコープ波形、

【図６】図３図示の熱膨張率測定装置による温度と熱膨
張率の関係を示すグラフ、

【図７】本考案の変位測定装置をクリープ測定装置に適
用した具体例の配置関係を示す略図及び要部側面略図、

【図８】本考案の変位測定装置をクリープ測定装置に適
用した具体例の配置関係を示す略図及び要部側面略図、

【図９】図７図示のクリープ測定装置による時間と変形
量の関係を示すグラフ、

【図１０】本考案変位測定装置を熱間弾性率測定装置に
適用した具体例の配置関係を示す略図及び要部断面図、

【図１１】本考案変位測定装置を熱間弾性率測定装置に
適用した具体例の配置関係を示す略図及び要部断面図、

【図１２】弾性率測定装置による温度と弾性率の関係を
示すグラフ、

【図１３】公知の熱膨張率測定装置の概略図、

【図１４】公知の熱膨張率測定装置の概略図。

【符号の説明】

１ 加熱炉、 ２ 試料、 ３ 変位検出棒或は管、 ４ 試料受台、 ５ 差動変圧器、 ６ 変位測定器、 ７ 記録計、 ８ 温度計、 ９ 照明装置、 １０ 目盛付望遠鏡、 １１ 発熱体、 １２ 熱電対、 １３ フィルター、 １４ 望遠レンズ、 １５ 変位測定カメラ、 １６ カメラコントロールユニット、 １７ パーソナルコンピューターインターフェース、 １８ パーソナルコンピューター、 １９ ディジタル温度計、 ２０ ディジタルプロッター、 ２１ プリズム、 ２２ 耐火円板、 ２３ オシロスコープ、 ２４ 荷重装置、 ２５ プリンター、 ２６ 荷重棒、 ２７ 支持台、 ２８ 支持ロール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 藤原 禎一 岡山県赤磐郡瀬戸町大内1472 (72)考案者 三村 歳貞 岡山県岡山市高屋514−３ (72)考案者 西川 喜八郎 神奈川県横浜市緑区長津田３丁目18番16号 (72)考案者 西沢 章一 神奈川県横浜市磯子区杉田町７丁目１番

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料加熱炉の一側に１又は２組の照明装
   置を配設し、その対向側に１又は２組の望遠レンズと赤
   外線除去用フィルター及び／又はプリズムを具備する固
   体走査受光素子を用いた変位測定カメラ及びカメラコン
   トロールユニットを配設し、上記変位測定カメラの視野
   内の明部と暗部との比率により変位を測定する測定手段
   とを備えたセラミックス等の熱間における変位測定装
   置。
2. 〔請求項２〕 測定手段にコンピュータ及びディジタル
   プロッターを用いた請求項１記載のセラミックス等の熱
   間における変位測定装置。
3. 〔請求項３〕 前記フィルターが０．８μ〜１ｍｍ波長
   の赤外域を除去するものである請求項１記載のセラミッ
   クス等の熱間における変位測定装置。
4. 〔請求項４〕 前記変位測定カメラのレンズＦ番号が５
   〜８である請求項１記載のセラミックス等の熱間におけ
   る変位測定装置。
5. 〔請求項５〕 前記望遠レンズの作動距離が２００〜７
   ００ｍｍである請求項１記載のセラミックス等の熱間に
   おける変位測定装置。