JPH07103830A - 光ファイバ分布型温度センサ並びにそれを用いた高温溶融帯温度分布の計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境の悪い高温雰囲気下において光ファイバ
が損傷、性能低下を生じることなく、高い分解能で計測
が可能な光ファイバ分布型温度センサ並びにそれを用い
た高温溶融帯温度分布の計測方法及び装置を提供する。 【構成】 光ファイバ分布型温度センサは、光ファイバ
をポリイミドからなる被覆材料で被覆し、それをＮｉ合
金からなる金属管に挿入してなる。そして、温度分布の
計測に際しては、分布型温度センサを溶融帯内に挿入
し、光ファイバの後方散乱光強度に基いて光ＴＤＲ方式
により温度分布を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は１０００℃付近までの単
純高温雰囲気はもちろんのこと高炉のような溶融金属を
取り扱う高温、高圧、腐食性ガスなどの悪環境下におけ
る温度分布を計測する光ファイバ分布型温度センサ並び
にそれを用いた高温溶融帯温度分布の計測方法及び装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高炉は、酸素と結合して硬い結晶体をし
ている鉄鉱石から鉄を取り出す還元反応を行う高さ１０
０ｍを超す製鉄所のシンボルとも言える設備である。高
炉の下部の羽口からは約１２００℃の熱風が吹き込まれ
炉内でコークスが燃焼するため、炉壁は全面耐火煉瓦で
覆われており、炉内の状況を監視することは極めて困難
である。従って、高炉内の詳細な反応過程については未
知の部分も多く、未だにオペレータの経験に依存してい
るのが現状である。

【０００３】このような巨大かつ複雑な炉内の反応過程
を把握し反応に関するモデリングを行うことは、省エネ
ルギー、高炉の長寿命化、操業の最適化等のために必要
不可欠である。反応過程を把握する手段としては、炉内
圧力、ガス成分、温度分布等が重要なパラメータとして
挙げられる。このうち温度分布は最も測定が困難であ
り、測定に要するコストも大きい。

【０００４】高炉内の鉛直方向の温度分布は、これまで
高炉内の反応過程及び温度分布が定常状態にあるものと
仮定して計測が行われていた。即ち熱電対等の温度計
を、高炉上部から交互に投入される鉄鉱石やコークスと
共に下降させ、数時間かけて溶融帯に到達するまでの温
度履歴を計測していた。この時、温度分布は熱電対の挿
入量、被温度測定部の圧力及びガスの成分から総合的に
判断して決定している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような温度分布
の計測方法は炉内が定常状態にあることを前提にしてい
るので、最もデータの必要な非定常時の計測は不可能で
ある。また、定常状態にあったとしても炉頂付近と羽口
付近との温度計測値には数時間の時間差があるだけでな
く、熱電対の経時変化などによる誤差も大きく信頼性に
欠ける。このように熱電対のような一般的な温度計測用
センサでは、膨大な数のセンサを用いない限り温度分布
の計測は不可能である。

【０００６】一方、温度分布の計測が同時にできる光フ
ァイバを用いた分布型温度センサが近年市販され有望視
されている。しかし、このような光ファイバ分布型温度
センサは、一般にラマン散乱光のような極めて微弱な後
方散乱光を検出する手段を採っているのでＳ／Ｎが悪
く、距離分解能の優れたものでも１ｍ程度のものが実現
されているにすぎない。一般に、交互に投入される鉄鉱
石とコークスの層の厚みは薄いところでは１０ｃｍ前後
なので、分解能が１ｍ程度では温度分布の計測には不十
分である。更に、通常の光ファイバは被覆材の耐熱温度
により使用温度範囲が１５０℃以下に限定されるため、
高炉炉内の温度計測には適さない。近年、被覆材にポリ
イミドを用いた耐熱用の光ファイバが５００℃以上の温
度計測を可能にしている。しかし、このような耐熱用光
ファイバもポリイミドが昇華してしまうため、光ファイ
バ周囲の環境が悪いと簡単に破断してしまい使用に耐え
ない。

【０００７】一方、耐環境性に優れた光ファイバ芯線と
してはステンレス管被覆の光ファイバも市販されてい
る。従って、ポリイミド被覆光ファイバとステンレス金
属管の組み合わせによって耐熱・耐環境性に優れた光フ
ァイバ芯線が期待できるが、ポリイミド被覆の場合には
温度上昇に伴いポリイミドとステンレスが癒着、固着し
てしまい、石英ガラスとステンレスの熱膨張率差によっ
て光ファイバが簡単に破断してしまう。このような現象
は一般のＵＶ被覆光ファイバでも同様である。また、仮
に光ファイバの破断が防げたとしても、高温雰囲気にお
いて石英ガラスにＦｅやＣｕなどの遷移金属が混入した
り、水素が浸透してＯＨ基が生成するなど、光ファイバ
の伝送損失の著しい増大を招き、センサとしての性能低
下を生じる。

【０００８】更に、光ファイバの先端が１０００℃近い
高温域にさらされると、光ファイバの先端からは輻射光
が入射して受光センサが飽和あるいは破壊してしまうと
いう問題が生じる。これは、輻射光のスペクトラムが非
常に広帯域であり、光ファイバ分布型温度センサに通常
用いられているラマン散乱光分離抽出用の誘電体多層膜
フィルタでは除去しきれない波長域の強力な光を受光し
てしまうことによる。

【０００９】本発明は、これらの問題点を解決するため
になされたものであり、環境の悪い高温雰囲気下におい
て光ファイバが損傷、性能低下を生じることなく、高い
分解能で計測が可能な光ファイバ分布型温度センサ並び
にそれを用いた高温溶融帯温度分布の計測方法及び装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る一つの態様
による光ファイバ分布型温度センサ（請求項１）は、光
ファイバをポリイミドからなる被覆材料で被覆し、それ
をＮｉ合金からなる金属管に挿入してなる。本発明に係
る他の態様による光ファイバ分布型温度センサ（請求項
２）は、上記光ファイバ分布型温度センサにおいて、金
属管内に光ファイバと反応性に乏しい物質を充填又は置
換する。本発明に係る他の態様による光ファイバ分布型
温度センサ（請求項３）は、上記光ファイバ分布型温度
センサにおいて、光ファイバの受光部に輻射光除去フィ
ルタを設ける。

【００１１】本発明に係る他の態様による高温溶融帯温
度分布の計測方法（請求項４）は、上記の光ファイバ分
布型温度センサを溶融帯内に挿入し、光ファイバの後方
散乱光強度に基いて光ＴＤＲ方式により温度分布を求め
る。

【００１２】本発明に係る他の態様による高温溶融帯温
度分布計測装置（請求項５）は、測定領域に敷設される
上記の光ファイバ分布型温度センサと、第１のクロック
信号発生器と、第１のクロック信号により駆動され、第
１の疑似ランダム信号を発生する第１の疑似ランダム信
号発生器と、第１のクロック信号と周波数が僅かに異な
る第２のクロック信号を発生する第２のクロック信号発
生器と、第１の疑似ランダム信号発生器と同一の構成か
らなり、第２のクロック信号により駆動され、第２の疑
似ランダム信号を発生するる第２の疑似ランダム発生器
と、第１の疑似ランダム信号により振幅変調されたレー
ザ光を発生するレーザ発信器と、振幅変調されたレーザ
光の光ファイバ分布型温度センサへの入力と、光ファイ
バ分布型温度センサからの後方散乱光の出力を行う光方
向性結合器と、光方向性結合器により得られた光ファイ
バ分布型温度センサからの後方散乱光を入力する受光器
と、第１の疑似ランダム信号と第２の疑似ランダム信号
とを乗算する第１の乗算器と、受光器の出力信号と第２
の疑似ランダム信号とを乗算する第２の乗算器と、第１
の乗算器により乗算された信号の帯域制限を行う第１の
帯域制限器と、第２の乗算器により乗算された信号の帯
域制限を行う第２の帯域制限器と、第１の帯域制限器の
出力と第２の帯域制限器の出力に基いて光ＴＤＲ方式に
より温度分布を求める演算装置とを有する。

【００１３】本発明に係る他の態様による高温溶融帯温
度分布の計測装置（請求項６）においては、上記温度分
布の計測装置の第１及び第２の疑似ランダム信号発生器
が、２値の疑似ランダム信号を発生する疑似ランダム信
号発生部と、２値の間の第３の値を取る３値の疑似ラン
ダム信号を発生する信号波形形成部とからそれぞれ構成
される。本発明に係る他の態様による高温溶融帯温度分
布の計測装置（請求項７）は、上記温度分布の計測装置
において、光ファイバ分布型温度センサの光方向性結合
器側の端部に設けられ、温度分布の非測定時に、ファイ
バセンサの先端部の温度を検出する赤外放射温度計を有
する。

【００１４】

【作用】本発明に係る一つの態様による光ファイバ分布
型温度センサ（請求項１）においては、光ファイバをポ
リイミドからなる被覆材料で被覆し、それをＮｉ合金
（ハステロイ Ｃ−２２）からなる金属管に挿入してい
る。このＮｉ合金は、ＳＵＳ３０４に比較して耐酸化性
が強く、また高温耐久性も高い。従って、１０００℃
７時間保持の結果で比較しても、Ｎｉ合金の表面は多少
色がつく程度であるのに対して、ＳＵＳ３０４は表面が
酸化し肌荒れしてしまう。従って、ＳＵＳ３０４の場合
には光ファイバと金属管との癒着が起こらなくても測温
中の管の捩れ振動により光ファイバ表面を傷つける危険
性が高いが、Ｎｉ合金の場合にはそのような恐れはな
い。また、ポリイミドは、空気中で火をつけても燃えな
いという特徴がある。５００℃以上の高温になると炭化
し、更に高温に保持していると昇華して、ファイバ上に
は何も残らない。元々、膜厚が１５μｍ程度であるの
で、炭化・昇華の過程でも光ファイバに応力を生じずマ
イクロベンディングを生じない。従って、光の透過に対
する減衰が起きないし、高温保持したときにきれいに昇
華する。

【００１５】ここで、Ｎｉ合金（ハステロイ Ｃ−２
２）からなる金属管とポリイミド被覆ファイバとの組み
合わせについて着目すると、次の特徴がある。上述のよ
うにポリイミドを使用した被覆材は高温を保持したとき
には昇華してなくなってしまう。被覆材のない光ファイ
バが極めて脆いことは周知の事実である。従って、ここ
で重要な役割を果たすのが金属管である。金属管中の光
ファイバは被覆材がなくなっても、外力は金属管が緩衝
材となり、光ファイバに直接局部的な応力集中が起こら
ない。金属管の表面が荒れたり、金属管と光ファイバと
の癒着や固着が起きると、光ファイバに応力が発生し、
光の透過率が低下し、Ｓ／Ｎが低下したり測定誤差が大
きくなる。また、癒着や固着が起きれば、光ファイバと
金属管の熱膨張率が大きく異なるので光ファイバの断線
につながるのは、前に述べたとおりである。ところが、
Ｎｉ合金からなる金属管（ハステロイ管）は耐酸化性が
よく表面の荒れが起きにくいとう特質がある。ポリイミ
ド被覆光ファイバは、その被覆材が高温で昇華して石英
が露出するので、Ｎｉ合金からなる金属管（ハステロイ
管）との癒着、固着などの現象は全く起きない。従っ
て、Ｎｉ合金の金属管とポリイミド被覆光ファイバとの
組み合わせにより１０００℃以上の高温の連続測定が可
能になっている。

【００１６】また、本発明の他の態様による光ファイバ
分布型温度センサ（請求項２）は、金属管内に光ファイ
バと反応性に乏しい物質、例えば不活性ガス等を充填又
は置換している。光ファイバの伝送損失を招く主要原因
として、ＦｅやＣｕなどの遷移金属や水分などの不純物
による吸収がある。特に、高炉のような高温の還元性雰
囲気ではＯＨ基が生成し易く、吸収により伝送損失が低
下する。これらを防止するためには遷移金属や水分のＯ
Ｈ基を１０^-9ｐｐｂ程度あるいはそれ以下にすることが
必要である。金属管内に挿入されたポリイミド被覆光フ
ァイバの場合には、金属管内部に遷移金属やＯＨ基が侵
入することを防止するようなシールを施したり、金属管
内部を不活性ガスなどでパージすることによって光ファ
イバの劣化を防止することができ、それにより高温計測
が可能になる。

【００１７】また、本発明の他の態様による光ファイバ
分布型温度センサ（請求項３）は、光ファイバの受光部
に輻射光除去フィルタを配置している。一般に用いられ
ている分布型温度センサの光源用レーザは０．８μｍか
ら１．１μｍの範囲の波長を有している。これらの光源
によって発生するラマン散乱光を受光するセンサとして
は、シリコン・アバランシェ・フォトダイオード（Ｓｉ
−ＡＰＤ）などが用いられている。しかし、Ｓｉ−ＡＰ
Ｄの場合には受光波長領域が広く本来センサとしては必
要ない０．３μｍ付近の光ですら受光してしまう。通常
可視領域の光はパワーが弱いため受光部に影響を与える
ことは殆どないが、高温物体からの放射光のような強力
な光が光ファイバの先端部から入射すると受光部が飽和
し、正しい計測ができないばかりか、素子の破壊を招い
てしまう危険性がある。分布型温度センサに用いられて
いる誘電体多層膜フィルタは除去される光の波長領域に
限界があり、それだけでは光ファイバが高温物体にさら
された状況での計測が不可能になる。従って、ラマン散
乱光を除く受光センサの波長感度領域を除去できるフィ
ルタを配置することによって高温環境における温度分布
計測が可能になっている。ところで、高炉溶融金属のよ
うな高温物体からの放射光が直接はいる場合には、この
フィルターは半値幅１５ｎｍ（０．０１５μｍ）以下に
する。光源用レーザーの波長を中心として２〜１０ｎｍ
とするのが最もよい。なお、後述する（請求項７）先端
部の測温を省略して、分布測温のみに限る場合には、直
接放射光を防ぐ他の対策として光ファイバーの先端部に
放射率の小さな物質を被覆ないし蒸着して、先端から入
射する光を低下させる手法もある。また、光ファイバー
の先端を高温部から折り返して、低温側にもっていき先
端部に高温物体からの直接放射光が入らぬようにする手
法もある。

【００１８】また、本発明の他の態様による高温溶融帯
温度分布計測方法（請求項４）は、上記の高温環境にお
いて計測可能な光ファイバ分布型温度センサを用いてい
るので、高炉等における溶融帯内における温度分布の測
定が可能になっている。

【００１９】また、本発明の他の態様による高温溶融帯
温度分布部計測装置（請求項５）は、２つの疑似ランダ
ム信号を相関処理するこにより温度分布を求めている。
上記のようなＮｉ系金属管とポリイミド被覆光ファイバ
との組み合わせからなる光ファイバ分布型温度センサに
より高炉内でも温度計測が可能になっているが、通常の
分布型温度センサの距離分布能は最小でも１ｍである。
これは距離分解能が発光するパルス幅に依存するためで
あり、ピークパワーが１Ｗ以上でパルス幅１ｎｓｅｃの
パルス光をパルスレーザにより得ることは困難であると
同時に、このようなパルス光によって得られる後方散乱
光（ラマン散乱光）は極めて微弱であるため検出が困難
である。高炉内では鉄鋼石とコークスが厚さ約１０ｃｍ
で交互に投入されており、温度分布を正しく把握するた
めには１０ｃｍ以下の距離分解能が要求される。このよ
うな高分解能を実現するためには、パルス幅が小さく、
かつＳ／Ｎの優れた信号処理が必要である。近年、１Ｇ
Ｈｚ以上の変調が可能な高出力半導体レーザの出現によ
り、パルス幅１ｎｓｅｃが可能となりパルスレーザに比
べて短パルスを容易に得られているが、高いクロック周
波数を必要とする。

【００２０】一方、比較的低いクロック周波数により処
理する方法が特開平２−９８６８５号公報、特開平２−
１４５９８５号公報等において提案されている。この公
報による方法は２つの疑似ランダム信号例えばＭ系列信
号の相関関係を求めることにより距離を計測するもので
あり、この方法は既に溶鋼、スラグレベル等の計測にお
いても実績があり、高感度計測の実現が可能であり、本
発明においてはこの計測方法を採用している。特に、ラ
マン散乱光による温度計測の場合には、ストークス光と
アンチストークス光の強度比により温度が決定されるの
で、光ファイバに伝送損失が生じても互いに相殺され損
失による影響を受けにくい特徴がある。従って、伝送損
失が大きい場合でも疑似ランダム信号による高感度計測
によって長距離、高距離分解能、高精度が実現されてい
る。

【００２１】また、本発明の他の態様による高温溶融帯
温度分布の計測装置（請求項６）においては、外部から
入力されるクロック信号により駆動されて発生される２
値の擬似ランダム符号信号に同期して、各符号信号に対
応した一定幅の＋Ｖ又は−Ｖのパルスと±Ｖ間の第３の
値を取る信号区間とから構成される信号を順次発生させ
る。この結果、擬似ランダム信号発生器の出力信号とし
て、第３値の信号区間により区切られた＋Ｖ又は−Ｖの
パルス列からなる、３値の擬似ランダム信号が得られ
る。ここで、擬似ランダム信号発生器へ入力されるクロ
ック信号の周波数をｆ、パルス信号の幅をτ１、第３値
の信号区間をτ０とすると、τ１＋τ０＝１／ｆの関係
にある。３値の疑似ランダム信号を使用したことにより
次のような動作が得られる。

【００２２】図９はこの擬似ランダム信号としてＭ系列
信号を用いたときの３値Ｍ系列信号による信号処理を示
すタイミングチャートである。ここでは距離測定の場合
について説明する。２つの周波数の異なるクロック信号
により、第１及び第２の擬似ランダム信号発生器を駆動
し、信号パターンは同一で同期がわずかに異なる第１及
び第２の３値のＭ系列信号Ｍａ，Ｍｂを発生させる。第
１の３値のＭ系列信号Ｍａを送信信号として利用して外
部へ送出し、対象物にから反射され受信手段により得ら
れた受信信号即ち第１の３値のＭ系列信号と第２の３値
のＭ系列信号とを乗算する。この乗算結果は２つの信号
の周期が異なるため徐々に変化していき、２つの信号パ
ターンが一致したときには、図９の（ａ）に示すよう
に、乗算結果（Ｍａ×Ｍｂ）は連続した＋のパルス信号
列が得られる。２つの信号波形パターンのずれが３値の
Ｍ系列信号を構成するパルスの１パルス分ずれると、図
９の（ｂ）に示すように、乗算結果（Ｍａ×Ｍｂ）は０
信号となる。２つの信号波形パターンが更にずれて３値
のＭ系列信号を構成するパルスの１パルス分以上ずれる
と、図９の（ｃ）に示すように、乗算結果（Ｍａ×Ｍ
ｂ）は＋，−のランダムなパルス列となる。

【００２３】この乗算結果の変化は周期的に起こり、乗
算結果をローパスフィルタにより帯域制限（積分）する
と、検知信号として周期的なパルス信号が得られる。一
方、前記第１及び第２のＭ系列を直接乗算し、その乗算
結果を帯域制限することにより、時間基準信号として同
様なパルス信号が得られ、検知信号パルスと時間基準信
号パルス間の時間差から送受信間の信号伝播による信号
遅れを求めて距離を算出する。この時、検知信号、時間
基準信号のパルス周期Ｔ、パルス幅ｔ０は、Ｍ系列信号
（擬似ランダム信号）の符号周期ｔｃ、Ｍ系列信号（擬
似ランダム信号）発生器を駆動するクロック周波数ｆ、
２つのクロック信号の周波数差Δｆ、及びＭ系列信号
（擬似ランダム信号）を構成するパルスのパルス幅τ１
により決定され、それぞれＴ＝ｔｃ×（τ１＋τ０）×
ｆ／Δｆ＝１／Δｆ、ｔ０＝２×τ１×ｆ／Δｆで表さ
れる。また、送受信間の信号伝播による信号遅れτと時
間基準信号と検知信号間の時間差τ′との間にはτ＝
τ′×Δｆ／ｆの関係がある。ここで信号の伝播速度を
ｖとする信号の伝播距離Ｌは、Ｌ＝τ×ｖ＝τ′×Δｆ
／ｆ×ｖで表される。従って、疑似ランダム信号発生器
の動作クロック周波数を高くすることなく、検知信号の
パルス幅を狭くすることができ、従って、高精度な温度
分布の測定ができる。なお、本発明の疑似ランダム信号
は、Ｍ系列信号だけでなく、バーカ符号、ゴールド符号
等も対象となる。

【００２４】また、本発明の他の態様による高温溶融帯
温度分布の計測装置（請求項７）は、光ファイバ分布型
温度センサの端部に赤外放射温度計を設けて光ファイバ
分布型温度センサの先端部の温度を検出している。分布
型温度センサの先端部付近はフレネル反射光の影響で温
度計測が難しいが、光ファイバが健全な状態であれば赤
外放射温度計によって先端からの入射光による計測が可
能になる。従って、上述の温度分布の測定と組み合わせ
ることにより、例えば温度分布の計測と先端部の温度の
計測とを宜切り替えることにより光ファイバ分布型温度
センサの全長に亘って温度計測ができる。

【００２５】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係る光ファイバ分
布型温度センサの構成を示す断面図及び側面図であり、
図２はそのポリイミド被覆光ファイバの拡大断面図であ
る。光ファイバ分布型温度センサ５０は、図示のよう
に、Ｎｉ系金属管５１とそれに装入されたポリイミド被
覆光ファイバ５２とから構成されている。このポリイミ
ド被覆光ファイバ５２はコア５３、クラッド５４及びポ
リイミド被覆層５５から構成されている。このような構
造の光ファイバ分布型温度センサ５０の高炉挿入時の状
態を調べるため、光ファイバ分布型温度センサ５０の先
端部には熱電対５６が取り付けられて放射温度計の測定
値による評価がなされる。温度分布の測定は光ファイバ
分布型温度センサ５０の後方散乱光強度に基いて光ＴＤ
Ｒ方式によりなされ、センサ全長の温度分布が求められ
る。なお、光ファイバ分布温度センサ５０のポリイミド
被覆光ファイバ５２の受光部の前段には、図示は省略し
たが、通常の誘電体多層膜を用いた干渉フィルタの他に
可視光をカットするためのガラスフィルタが挿入されて
いる。

【００２６】図３は図１の光ファイバ分布型温度センサ
５０と熱電対５６とを同一のステンレス金属管６０の中
に入れて高炉炉頂から挿入し状態を示した説明図であ
る。光ファイバ分布型温度センサ５０Ｎｉ系金属管５１
の内部には窒素ガスを流すことにより、遷移金属やＯＨ
基の侵入を防ぐ工夫がなされている。炉内温度分布、光
ファイバの亀裂や破断状況は光ファイバ分布型温度セン
サ５０によって逐次計測され（図４の実施例参照）、同
時に赤外放射温度計に繋ぎ変えて、光ファイバ分布型温
度センサ５０の先端部の温度計測も行う。光ファイバ分
布型温度センサ５０の先端部分に取り付けた熱電対５６
は挿入された金属管６０先端部の温度をモニタリング
し、その計測温度と放射温度計による測定値とを後述す
るように比較する。

【００２７】図３に示すように炉頂から光ファイバ分布
型温度センサ５０を挿入した後、その先端が溶融帯に到
達するまでの約５時間、ポリイミド被覆光ファイバ５２
の破断や亀裂、伝送損失の著しい低下は確認されなかっ
た。また、放射温度計の温度も熱電対５６とほぼ等しい
値を示した。同様の実験をステンレス金属管とポリイミ
ド被覆光ファイバ、Ｎｉ系金属管と通常のＵＶ被覆光フ
ァイバ及びステンレス金属被覆管とＵＶ被覆光ファイバ
の組み合わせで行ったところ、熱電対５６の測定値で６
００℃に達するまでに全ての光ファイバが破断し、放射
温度計の温度も光ファイバの破断に伴い大きく変動する
ことが確認された。また、ポリイミド被覆光ファイバ５
２の先端温度が１０００℃付近に到達したときに受光部
の前段に挿入したガラスフィルタを取り除くと、直ちに
受光部のシリコンアバランシェフォトダイオードが飽和
して測定不能になることが確認された。

【００２８】以上の結果により金属管と光ファイバの組
み合わせによって光ファイバの耐環境性が大きく変化
し、特にＮｉ系金属管５１とポリイミド被覆光ファイバ
５２との組み合わせが耐熱性に優れていることが確認さ
れた。

【００２９】図４は図１の光ファイバ分布型温度センサ
５０を用いた高温溶融帯温度分布の計測装置の構成を示
したブロック図である。図において、１，２は３値のＭ
系列信号発生器であり、両者は同一構成となっている。
５，６はクロック信号発生器、７，８はダブルバランス
ドミキサによる乗算器であり、９，１０はローパスフィ
ルタである。３１は信号処理装置、３２は光方向性結合
器、３３は光ファイバ、３４，３５は光学フィルタ、３
６はフォトダイオードであり、３７は光分岐路である。
本実施例においては、Ｍ系列信号発生器１，２のＭ系列
信号発生部のシフトレジスタは７段とし、符号周期１２
７のＭ系列符号に対応したＭ系列信号を発生させるもの
とする。クロック信号発生器５，６のクロック周波数は
それぞ２２０．０００ＭＨｚ及び２２０．００５ＭＨｚ
とし、パルス幅約２．３ｎｓｅｃの３値のＭ系列信号を
発生させる。Ｍ系列信号発生器１，２はクロック信号発
生器５，６によりそれぞれ駆動され、それぞえＭ系列信
号を発生し、それらは乗算器７により乗算された後にロ
ーパスフィルタ９により帯域制限を受け時間基準信号が
得られる。

【００３０】また、本実施例においてはＭ系列信号発生
器１の出力信号を半導体レーザ２７に入力することによ
り、強度変調されたレーザ光が発生する。強度変調され
たレーザ光は光方向性結合器３２を介して光ファイバ分
布型温度センサ（以下本実施例においては光ファイバと
いう）５０へ入力される。光ファイバ５０へ入力された
光信号は光ファイバ５０内の各点で反射散乱される。光
方向性結合器３２では、光ファイバ５０内で反射散乱さ
れ入力端へ戻って来た光信号を取り出して光分岐路３７
により分配され光学フィルタ３４，３５へそれぞれ入力
する。光学フィルタ３４，３５の出力はそれぞれフォト
ダイオード３０，３６により光信号の強弱に応じた電気
信号へ変換される。フォトダイオード３０，３６の出力
信号を乗算器８，１４へ入力し、Ｍ系列信号発生器２の
出力信号と乗算し、ローパスフィルタ１０，１７により
帯域制限することにより検知信号が得られ、これらの検
知信号と上述の時間基準信号とが信号処理装置３１に入
力する。

【００３１】本実施例においては、光学フィルタ３４，
３５として光ファイバ内の反射散乱光のうちラマン散乱
によるストークス光及びアンチストークス光のみを透過
する光学特性をもつものを使用し、検知信号として光フ
ァイバ各点からの反射散乱光のうちラマン散乱によるス
トークス光強度及びアンチストークス光強度が得られ
る。このラマン散乱は、光ファイバの温度への依存性が
高く、ストークス光及びアンチストークス光強度から光
ファイバ内のラマン散乱光を生じた個所の温度を算出す
ることができる。

【００３２】従って、信号処理装置３１は光ＴＤＲ方式
により演算処理を行っており、検知信号と時間基準信号
との時間差から光信号の伝播遅れを算出し、光ファイバ
５０の特定位置におけるラマン散乱光強度を求め、この
ラマン散乱光強度から光ファイバの温度を計測すること
により、光ファイバ５０に沿った温度分布が計測され
る。

【００３３】図５は３値の擬似ランダム信号発生器の具
体的な一構成例を示すブロック図であり、図６はその動
作を示したタイミングチャートである。本実施例では擬
似ランダム信号発生部３としてはＭ系列信号発生器を使
用し、Ｍ系列信号発生器３はシフトレジスタ１０３ａ，
…１０３ｎから構成される。信号波形形成部４は、アン
ド回路１０５ａ，１０５ｂ及びパルストランスＴｒから
構成されており、クロック信号の周期の１／２幅の±Ｖ
のパルスと１／２幅の０信号区間から構成される３値の
Ｍ系列信号を発生させている。

【００３４】図７は３値の擬似ランダム信号発生器の具
体的な他の構成例を示すブロック図であり、図８はその
動作を示したタイミングチャートである。本実施例の信
号波形形成部４においては、上述の構成に加えて、整形
回路１０６ａ〜１０６ｄ及びディレイライン１０７が設
けれられている。図５の実施例においては３値のＭ系列
信号のパルス幅を駆動クロック信号周期の１／２とした
が、本実施例においては、上述の構成からなる信号波形
形成部４により更に狭いパルスを形成し、より高い分解
能を得るようにしている。

【００３５】図４の実施例から明らかなように、パター
ンが同じで周波数の僅かに異なる２つのＭ系列信号を相
関処理することによって高感度な測定が可能になってい
る。従って、従来の単一パルス方式に比べて計測時間が
短縮されるばかりでなく、光ファイバの劣化に対しても
強い計測が可能になる。更に、ＲＦ重畳信号でレーザを
駆動することによってパルス幅を１ｎｓｅｃ程度にする
ことが可能になり距離分解能の向上も可能になってい
る。パルス幅を短くする手段としては、ＲＦ重畳信号の
クロックの周波数を上げだけでなく、クロック周波数が
低くても図５又は図７に示すような方法で容易に安価な
パルス波形を得ることができる。このような構成の計測
装置により、これまで不可能であった高炉内の温度分布
が同時に計測できるようになったばかりでなく、高距離
分解能計測が可能になっている。

【００３６】なお、本実施例では、高炉内における適用
についてのみ述べたが、この限りではなく連続鋳造機に
おけるモールド内温度分布や耐熱煉瓦内の温度分布な
ど、常温から１０００℃付近までの高温雰囲気における
温度分布計測はもちろんのこと、高圧、腐食性ガスなど
による悪環境下においても適用可能である。特に、従来
は５００〜６００℃の放射温度測定は可能であるが、１
０００℃では光ファイバの劣化により不可能という状況
にあったが、Ｎ₂ パーシにより耐久性が増して１０００
℃付近までの放射温度測定が可能になっている。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば次のような効果が得られている。 （１）高炉等の高温溶融帯における温度分布の同時計測
が可能になっている（請求項１〜４）。 光ファイバ分布型温度センサをＮｉ合金の金属管とポリ
イミド被覆光ファイバとの組み合わせにより構成したの
で、これまで高温、高圧雰囲気であるために測定が困難
とされていた光ファイバによる温度分布計測が可能とな
った。従って、従来から行われていたような熱電対など
による局部温度の履歴計測に比べてより高精度な計測が
可能になっている。特に、非定常状態における計測が可
能になるため、温度分布の経時変化が測定可能になっ
た。また、光ファイバ分布型温度センサの金属管内に光
ファイバと反応性の乏しい物質を充填等するようにした
ことにより、光ファイバの劣化を防止することができ、
この点からも高温測定が可能になっている。また、光フ
ァイバ分布型温度センサの受光部に輻射光除去フィルタ
を設けてラマン散乱光を除く他の波長領域を除去するよ
うにしたので、この点からも高温測定が可能になってい
る。

【００３８】（２）高距離分解計測、高感度計測が可能
になっている（請求項５）。 ２値又は３値の擬似ランダム信号の採用により高距離分
解能測定が可能になっており、また、伝送損失の増加に
対してもＳ／Ｎの優れた計測が可能になっている。 （３）先端部分の温度計測も可能になっている（請求項
６）。 赤外線放射温度計を光ファイバセンサに接続することに
より先端部の温度計測も可能になっており、温度分布の
測定との組み合わせにより光ファイバセンサの全域に亘
って温度測定が可能になっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光ファイバ分布型温度
センサの構成を示した断面図及び側面図である。

【図２】図１のポリイミド被覆光ファイバの拡大断面図
である。

【図３】図１の光ファイバ分布型温度センサと熱電対と
を同一のステンレス金属管の中に入れて高炉炉頂から挿
入し状態を示した説明図である。

【図４】図１の光ファイバ分布型温度センサを用いた高
温溶融帯温度分布の計測装置の構成を示したブロック図
である。

【図５】図４の３値の擬似ランダム信号発生器の具体的
な一構成例を示すブロック図である。

【図６】図５の動作を示したタイミングチャートであ
る。

【図７】図４の３値の擬似ランダム信号発生器の具体的
な他の構成例を示すブロック図である。

【図８】図７の動作を示したタイミングチャートであ
る。

【図９】本発明における疑似ランダム信号としての３値
のＭ系列信号の処理の説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長棟 章生 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 石井 邦彦 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山本 修一 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 山田 善郎 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 高山 貴光 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバをポリイミドからなる被覆材
   料で被覆し、それをＮｉ合金からなる金属管に挿入して
   なる光ファイバ分布型温度センサ。
2. 【請求項２】 前記金属管内に光ファイバと反応性に乏
   しい物質を充填又は置換してなることを特徴とする請求
   項１記載の光ファイバ分布型温度センサ。
3. 【請求項３】 前記光ファイバの受光部に輻射光除去フ
   ィルタを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の
   光ファイバ分布型温度センサ。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の光ファイバ分
   布型温度センサを溶融帯内に挿入し、前記光ファイバ分
   布型温度センサの後方散乱光強度に基いて光ＴＤＲ方式
   により温度分布を求めることを特徴とする高温溶融帯温
   度分布の計測方法。
5. 【請求項５】 測定領域に敷設される請求項１、２又は
   ３記載の光ファイバ分布型温度センサと、 第１のクロック信号発生器と、 該第１のクロック信号により駆動され、第１の疑似ラン
   ダム信号を発生する第１の疑似ランダム信号発生器と、 前記第１のクロック信号と周波数が僅かに異なる第２の
   クロック信号を発生する第２のクロック信号発生器と、 前記第１の疑似ランダム信号発生器と同一構成からな
   り、前記第２のクロック信号により駆動され、第２の疑
   似ランダム信号を発生する第２の疑似ランダム発生器
   と、 前記第１の疑似ランダム信号により振幅変調されたレー
   ザ光を発生するレーザ発信器と、 前記振幅変調されたレーザ光の前記光ファイバ分布型温
   度センサへの入力と、前記光ファイバ分布型温度センサ
   からの後方散乱光の出力を行う光方向性結合器と、 該光方向性結合器により得られた前記光ファイバ分布型
   温度センサからの後方散乱光を入力する受光器と、 前記第１の疑似ランダム信号と前記第２の疑似ランダム
   信号とを乗算する第１の乗算器と、 前記受光器の出力信号と前記第２の疑似ランダム信号と
   を乗算する第２の乗算器と、 前記第１の乗算器により乗算された信号の帯域制限を行
   う第１の帯域制限器と、 前記第２の乗算器により乗算された信号の帯域制限を行
   う第２の帯域制限器と、 前記第１の帯域制限器の出力と第２の帯域制限器の出力
   に基いて光ＴＤＲ方式により温度分布を求める演算装置
   とを有することを特徴とする高温溶融帯温度分布の計測
   装置。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２の疑似ランダム信号発
   生器は、２値の疑似ランダム信号を発生する疑似ランダ
   ム信号発生部と、前記２値の間の第３の値を取る３値の
   疑似ランダム信号を発生する信号波形形成部とをそれぞ
   れ有することを特徴とする請求項５記載の高温溶融帯温
   度分布の計測装置。
7. 【請求項７】 上記光ファイバ分布型温度センサの前記
   光方向性結合器側の端部に設けられ、温度分布の非測定
   時に、上記光ファイバセンサの先端部の温度を検出する
   赤外放射温度計を有する請求項５又は６記載の高温溶融
   帯温度分布の計測装置。