JPH07140007A

JPH07140007A - 溶融金属温度計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH07140007A
Application number: JP5290946A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Yamada; 善郎山田; Takeo Yamada; 健夫山田; Takamitsu Takayama; 貴光高山; Ichiro Kikuchi; 一郎菊地; Masanori Komatani; 昌紀狛谷; Masashi Sato; 昌志佐藤; Hiroaki Miyahara; 弘明宮原; Yasushi Kaneda; 靖金田
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 1995-06-02
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JP2976781B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光ファイバを用いた消耗型赤外線温度計の光
ファイバ長さの影響を除くことにより１ｋｍ以上の長尺
の光ファイバを使用した計測を可能とし、また、長さの
補正の経過から光ファイバの長さを求めることを可能と
した溶融金属連続測温方法及び装置。【構成】一方の端部が溶融金属１１中に連続又は間欠
的に供給される金属管被覆光ファイバ１５と、該光ファ
イバ１５の他方に端部に設けられ、光ファイバ１５を導
波した放射光を受光して溶融金属の温度を検出する温度
変換手段３５とを有する溶融金属温度計測装置におい
て、浸漬型熱電対２０を溶融金属中に挿入して測定した
少なくとも一つの温度測定値に基いて、光ファイバ１５
の長さの減少に伴って生じる温度変換手段３５の演算係
数を修正してその誤差を補償する伝送損失演算器３４を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は溶融金属容器内の溶融金
属の温度を連続的に測定する方法及び装置、特に消耗型
光ファイバを使用した放射温度計の適用に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の溶融金属の温度計測には、
消耗型の熱電対やセラミック保護管の中に挿入された熱
電対が用いられてきた。着脱式のセンサ・プローブは、
使い捨てであるため測温は間欠的であり、一回の測定毎
にセンサ・プローブを交換しなければならないので高価
になり、コストの点から測定回数を増やすことが困難で
あった。また、保護管式は耐久性に問題があり、計測時
間が４０から５０時間程度しか持続できない。

【０００３】熱電対を代替する溶融金属の温度計測技術
としては特公平４−６４４１９号公報、特開昭６１−９
１５２９号公報、特開昭６２−１９７２７号公報等に提
案されたものがある。これらの公報に開示されている温
度計測は、光ファイバ中を導波してくる赤外光を検出し
て温度を連続的に測定するという方法を採用している。
しかし、これらの測定方法においては、安定したガスパ
ージ効果を維持するのが困難であったり光ファイバの強
度に問題があり、長期の安定した連続測温は困難であ
る。

【０００４】本出願人は、特願平３−３００８６２号及
び特願平４−７８７３６号において、上記の公報に開示
された計測方式の問題点を解決することを目的とした溶
融金属の放射温度計を提案した。この放射温度計は、金
属管被覆光ファイバを連続的に溶融金属に挿入し、光フ
ァイバを導波する赤外光を検出して温度を連続的に測定
するものであり、金属管被覆により光ファイバの機械的
強度を高めることにより溶融金属への挿入を可能にして
いる。しかし、このような光ファイバを消耗しながら使
用する方式の放射温度計は次の問題点がある。

【０００５】ａ）単色放射温度計を用いた場合には、光
ファイバの長さが短くなると伝送損失が低下し、指示温
度が上昇する。その結果、測定誤差を生じるとともも
に、検出光量が増大し放射温度計のレンジを越える場合
がでてくる。光検出器にＳｉ（０．９μｍ）を使用した
ものを用い、光ファイバに通信用の石英光ファイバＧＩ
ファイバ（５０／１２５μｍ）を用いた試験では、誤差
は約１０℃／１００ｍ（１２００℃）である。ｂ）光ファイバ中の伝送損失が波長依存性ｅ
^{−α（λ）・Ｘ}を持つため（但し、測定校正可能であ
り、α（λ）は長さ（位置）によって変化しないという
前提）、光フィバの長さが短くなると放射温度計の実効
波長がシフトし、温度変換関数が変化することにより誤
差を生じる。前記ａ）と同じ光ファイバを用いた試験に
おいて、光ファイバが１０ｋｍ消耗した場合の最大誤差
は２２℃（１２００℃）である。

【０００６】ところで、従来から放射温度計の特性変化
に対しては、黒体炉により測定温度域全体にわたり温度
変換関数を測定し、校正を行っている。しかし、溶融金
属の測温を目的として放射温度計を使用する場合に、光
ファイバが消耗する度に、校正のために装置を取り外し
たのでは長尺ファイバを使用するメリットがない。オン
ラインにて迅速に校正できることが要求される。光ファ
イバの伝搬損失の補正方法として、例えば光ファイバの
繰り出し量をタッチロールのような機構で測定し、既知
のファイバ伝送損失特性から減衰量を計算で求めて補正
をする方法がある。しかし、この補正方法では、光ファ
イバ伝送損失特性の不均一性等から１ｋｍ以上の長尺フ
ァイバでは十分な補正精度を得ることはできない。

【０００７】オンラインで光ファイバ長さの影響を補正
する方法として、上記の特願平３−３００８６２号では
２つの波長の異なる光を測定に用い、それぞれの波長に
おける光ファイバの伝送損失特性の違いを利用して真温
度を求めている。この２つの異なる波長の光を用いたフ
ァイバ長さ補正法（２波長温度計）は１ｋｍ以下のファ
イバ長の補正には有効であるものの、それ以上の長さの
光ファイバの補正には光ファイバの伝送損失特性の不均
一性等から十分な精度を得ることはできない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】製鉄プロセスにおい
て、転炉、ＳＵＳ炉、電気炉等の製錬炉、脱ガス等の製
錬炉等の容器内の溶鋼の温度を連続に測定することは、
終点温度の的中率の向上による耐火物消耗の抑制や品質
管理精度の向上による歩留まり向上など、多大な効果が
期待される。

【０００９】図７は消耗型光ファイバ温度計を用いて転
炉による吹錬工程の炉内溶湯処理中温度を連続的に測定
したときの測定系統図を示したものである（特願平５−
２４９１８９号）。図において、溶融金属容器１０には
溶融金属１１が入っており、溶融金属容器１０の側壁部
にはノズル１２が貫通して設置されている。このノズル
１２にはガイドパイプ１３が挿入されており、ガイドパ
イプ１３には光ファイバ送り装置１４から送り出される
金属被覆光ファイバ１５が挿入されると共に、パージガ
スが吹き込まれる。光ファイバ送り装置１４は、金属被
覆光ファイバ１５が巻回された光ファイバドラム１６
と、金属被覆光ファイバ１５を送り出すロール機構１８
とから構成されている。金属被覆光ファイバ１５の一方
の端部はガイドパイプ１２を介して溶融金属容器１０内
の溶融金属１１に導かれ、他方の端部は赤外放射温度計
１８に接続されている。また、浸漬型熱電対２０が溶融
金属１１に浸漬され、それは熱電対温度変換器２１に接
続され、溶融金属１１の温度が計測される。

【００１０】図７の消耗型光ファイバ温度計の計測ピー
ク値を読み取っていくと、浸漬型熱電対２０の指示値と
良く一致していることが確認されている。また、光ファ
イバ送り装置１４により金属被覆光ファイバ１５を間欠
送りすると、指示値が一旦は低下するものの、繰り出し
を再開する度に指示値が復帰する。また、このように金
属被覆光ファイバ１５を間欠的に送ることにより消耗量
を低減させることが可能になっている。浸漬型熱電対２
０の測定頻度が一吹錬工程につき１〜２回であることと
比較すると、消耗型光ファイバ温度計による連続測定に
よって得られる情報が飛躍的に増大し、操業に多大な貢
献をする。

【００１１】これらの溶融金属容器１０内の溶融金属１
１に消耗型光ファイバ温度計を適用した場合には、容器
の構造・スペースの制約や容器の姿勢が変動する等、上
部から光ファイバを挿入するには問題が多い。このた
め、容器側面又は底面に設けたノズルから光ファイバを
挿入するのが望ましいが、そのためには最低でも一炉代
測定が継続して行える事が保守の上でも望ましく、消耗
量にみあった長尺の光ファイバを予め用意する必要があ
る。例えば、転炉の炉代は約２〜３カ月であり、この間
の光ファイバの消耗量は約２ｋｍに達する。従って、操
業の合理化を考えると最低でも１ｋｍ、可能ならば１０
ｋｍ程度の長尺の光ファイバの使用が望まれる。

【００１２】このような長尺の光ファイバを消耗させな
がら使用した場合には、上述のように光ファイバ長によ
って伝送損失が変化しそれにより感度特性が変化し、温
度指示値に大きな誤差を生じるようになるため、感度特
性の変化を適宜校正する必要がある。しかし、一旦設備
より撤去し従来のような校正炉などを用いて校正したの
では長尺ファイバを用いるメリットがなく、また、従来
のオンラインの光ファイバ長さの補正方法では十分な精
度を得る事ができない。さらに、オンラインで他の手段
により、その都度感度特性曲線を測定し直すことも考え
られるが、測定温度範囲をカバーするだけの測定点を得
るのは困難でありコスト的にも見合わないうえに、測定
中に感度特性そのものが変化してしまうため現実的では
ない。オンラインで他の手段による任意の温度での１点
の測定から校正できることが望ましい。

【００１３】本発明は、光ファイバを用いた消耗型赤外
線温度計の光ファイバ長さの影響を除くことにより１ｋ
ｍ以上の長尺の光ファイバを使用した計測を可能とし、
また、長さの補正の経過から光ファイバの長さを求める
ことを可能とした溶融金属連続測温方法及び装置を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの態様によ
る溶融金属温度計測方法は、金属管被覆光ファイバの一
方の端部を連続又は間欠的に溶融金属中に供給し、金属
管被覆光ファイバを導波する放射光をその光ファイバの
他方の端部に設けた赤外放射温度計に導いて溶融金属の
温度を計測する溶融金属温度計測方法において、浸漬型
熱電対を溶融金属中に挿入して測定した一つの温度測定
値に基いて、金属管被覆光ファイバの長さの減少に伴っ
て生じる誤差を補償する。

【００１５】本発明の他の態様による溶融金属温度計測
装置は、一方の端部が溶融金属中に連続又は間欠的に供
給される金属管被覆光ファイバと、前記光ファイバの他
方の端部に設けられ、その光ファイバを導波する放射光
を受光して溶融金属の温度を検出する温度変換手段とを
有する溶融金属温度計測装置において、浸漬型熱電対を
溶融金属中に挿入して測定した少なくとも一つの温度測
定値に基いて、前記光ファイバの長さの減少に伴って生
じる温度変換手段の演算係数を修正してその誤差を補償
する補償演算手段を有するものである。本発明の他の態
様による溶融金属温度計測装置は、上記の溶融金属温度
計測装置における補償演算手段が、前記光ファイバから
の放射光に対応する信号を増幅し、温度変換手段に出力
する増幅手段と、温度変換手段の出力が浸漬型熱電対の
指示値と一致するように増幅手段の増幅率を調整する増
幅度制御手段とを有するものである。本発明の他の態様
による溶融金属温度計測装置は、上記の溶融金属温度計
測装置において、前記光ファイバからの放射光に対応し
た信号を増幅し、補償演算手段に送り出す前置増幅手段
と、この前置増幅手段の出力に応じてその増幅率を自動
的に調整する増幅度切替手段とを有するものである。

【００１６】本発明の他の態様による溶融金属温度計測
装置は、上記の溶融金属温度計測装置において、前記光
ファイバからの放射光に対応した信号と、浸漬型熱電対
指示値との誤差補正量に基いて光ファイバ長を求めるフ
ァイバ長演算手段を有するものである。本発明の他の態
様による溶融金属温度計測装置は、上記の溶融金属温度
計測装置において、前記光ファイバの他方の端部に設け
られ、放射光を検出する検出素子と、この検出素子の入
射面に設けられた波長選択フィルタとを有するものであ
る。本発明の他の態様による溶融金属温度計測装置にお
いて、上記補償演算手段は更に、前記光ファイバからの
放射光に対応した信号と浸漬型熱電対の指示値とが一致
するように増幅手段の増幅率を調整する手段と、増幅手
段の増幅率に基いて温度変換器のパラメータを求めて調
整するパラメータ演算手段とを有するものである。

【００１７】本発明の他の態様による溶融金属温度計測
装置は、上記の溶融金属温度計測装置において、前記光
ファイバの長さが減少した時に生じる温度変換器の誤差
を、浸漬型熱電対を溶融金属中に挿入して測定した複数
回の温度測定値を用いてそれぞれ求めた誤差補正量の平
均から校正する平均値演算手段を有するものである。本
発明の他の態様による溶融金属温度計測装置は、上記の
溶融金属温度計測装置において、前記光ファイバの長さ
が１ｋｍ以上に適用される。本発明の他の態様による溶
融金属温度計測装置は、上記の溶融金属温度計測装置に
おいて、前記光ファイバはその芯線が通信用石英光ファ
イバから構成されている。本発明の他の態様による溶融
金属温度計測装置は、上記の溶融金属温度計測装置にお
いて、温度変換器は単色温度計から構成されている。本
発明の他の態様による溶融金属温度計測装置は、上記の
溶融金属温度計測装置において、温度変換器は二色温度
計から構成されている。

【００１８】

【作用】本発明において光ファイバ長の影響を取り除く
方法について説明する。消耗型光ファイバ温度計を利用
した溶融金属温度測定装置の構成は例えば後述する実施
例の図１に示される構成になっており、消耗型光ファイ
バ温度計を利用した溶融金属温度計測装置の場合には光
ファイバの先端から進入した光は光ファイバの伝送損失
により減衰する。そして、減衰特性は波長の関数になっ
ている。最近の通信用の石英光ファイバの伝送損失は著
しく小さくなっているが、図８に示す既に公表されてい
る測定例からも明らかなように、波長０．９μｍでは２
〜３ｄＢ／ｋｍである。

【００１９】ここで、光ファイバの減衰を考慮にいれた
放射温度計の感度特性について考察する。溶融金属中に
挿入した光ファイバ先端部では黒体炉条件が成り立つと
いう実験的知見が得られており、黒体の分光放射輝度Ｌ
はプランクの放射則により次式で表される。Ｌ（λ、Ｔ）＝２Ｃ₁／｛λ⁵×（ＥＸＰ（Ｃ₂／λＴ）−１｝ …（１） λＴ≦λｍＴ（λｍＴ＝２．８９７８＊１０^-3ｍ・Ｋ）
の領域ではウィーンの（２）式で近似できる。Ｌ（λ、Ｔ）＝２Ｃ₁×ＥＸＰ（−Ｃ₂／λＴ）／λ^-5 …（２）但し、λ：波長Ｔ：温度（Ｋ）Ｃ₁＝５．９５４８＊１０^-7Ｗ＊ｍ²、Ｃ₂＝０．０１４３８８ｍ・Ｋ光ファイバを導波した後に検出される光量Ｅ（Ｔ、Ｘ）
は次式に示される。

【００２０】

【数１】

【００２１】但し、Ｐ（λ）：フィルタの透過特
性を含めた検出器の分光感度特性Ｇ（λ、Ｘ）：光ファイバの透過率 α（λ）：光ファイバの伝送損失Ｘ：光ファイバ長

【００２２】消耗型光ファイバ温度計を利用した溶融金
属温度計測装置への光ファイバの長さの変動は、次の２
重の誤差要因となる。１）光ファイバの消耗に伴い、伝送損失による減衰が小
さくなり、検出光量が増加し、指示温度が上昇し誤差と
なるとともに、信号レベルが温度変換回路部のダイナミ
ックレンジを越えて、出力が飽和する。例として、Ｓｉ
検出器（ピーク波長０．９μｍ）により１６００℃の被
検体を測定したときには、光ファイバが１０ｋｍ消耗し
た場合には、消耗前（校正時）に比べて検出光量は約２
００倍に増え、指示温度は４７００℃となる（図９参
照）。２）光ファイバの伝送損失αは波長の関数であることか
ら、光ファイバの消耗と被検体の温度変化にともない、
光ファイバを伝搬した後に検出器にて検出される放射光
のスペクトルが変化する。そのため、次式に示される同
じ温度変換関数Ｅを使用することができなくなる。

【００２３】

【数２】

【００２４】例えば検出器としてＳｉフォトダイオード
を、図１０の波長特性を有する硝子フィルタ（ＣＳ７−
６９）と組み合わせて使用した場合には、光ファイバの
消耗に伴う測定されるスペクトルの変化は図１１に示す
ように変化する。光ファイバが２０ｋｍ消耗した場合に
は、ピーク波長が１．０２μｍから０．９２μｍヘシフ
トしている。図１２は光ファイバの消耗量が増加するに
つれて指示温度誤差が増加する様子を示している。光フ
ァイバ長１０ｋｍ、１２００℃における誤差は約２２℃
になる。

【００２５】イ）伝送損失の波長依存性が無視できる場
合：

【００２６】

【数３】

【００２７】光検出器の感度波長域において、光ファイ
バの伝送損失が一様であるとした場合には、上記の誤差
要因の内、１）のみが存在する。その場合の検出光量は
次式により与えられる。

【００２８】

【数４】

【００２９】いま、光ファイバが消耗し、光ファイバの
透過率Ｇが変化し未知であるとする。この時、浸漬熱電
対で測定した温度Ｔ′を用いれば上式の積分式内の関数
（Ｐ及びＬ（λ、Ｔ′））は既知であるので、積分を実
行し、次式により検出光量Ｅから光ファイバの透過率Ｇ
を求めることが可能である。

【００３０】

【数５】

【００３１】その後の測定では、ここで求められた光フ
ァイバの透過率Ｇを用いて次式により誤差なく検出光量
Ｅから温度Ｔを算出することができる。

【００３２】

【数６】

【００３３】（但し、［］^-1は逆関数を意味する。）更
に、この求められた光ファイバの透過率Ｇと既知の光フ
ァイバの減衰特性αとから光ファイバ長Ｘを計算するこ
とが可能である。ここで特徴として言えるのは、任意の
温度での一回の測定だけで光ファイバの減衰補正量が求
められるという点である。即ち、任意状態の溶融金属を
温度校正用に用いることができ、校正器の条件設定が不
要である。検出器の感度波長域での減衰特性の一様性を
成立させるためには、例えば検出器の入射面に単色フィ
ルタ（比較的狭い範囲の波長しか通さないフィルタ）を
挿入する。単色フィルタは上記仮定を成り立たせるとと
もに、ファイバ長変化の影響を軽減させる効果も持つ。
図９に示すように、１μｍ以上の長波長を透過させるフ
ィルタを使用することにより光ファイバの透過率変化が
著しく抑制される。

【００３４】ロ）伝送損失の波長依存性が無視できない
場合：（Ｇ（λ、ｘ）＝ｅ^{−α（λ）・Ｘ}（但しα（λ）は既
知とする）現実にはフィルタの透過帯域が狭いと光量が微弱とな
り、光検出器のＳ／Ｎが劣化するため、広い帯域幅のフ
ィルタを使用するのが望ましい場合もある。その場合に
は、伝送損失の波長依存性を考慮にいれてファイバ長さ
変化の影響を補正する必要がある。浸漬熱電対で測定し
た温度Ｔ′を用いて（３）式の積分を実行して得られる
関数Ｅ（Ｘ）は光ファイバ長Ｘの単調減少関数であり、
従って、既知のＴと検出光量Ｅから次式により光ファイ
バ長Ｘを一意に求めることができる。なお、Ｐ（λ）、
ｅ^{−α（λ）}、Ｌ（λ、Ｔ′）は既知だから種々のＸに
ついて（３）式の積分値が光ファイバ長Ｘの関数として
計算で求められる。

【００３５】

【数７】

【００３６】光ファイバ長Ｘが求まれば（３）式はＴの
みの関数となり、検出光量Ｅに基づいて次式により温度
Ｔを誤差なく求めることが可能になる。

【００３７】

【数８】

【００３８】この場合でもやはり特徴的なのは、任意の
温度での１回の測定だけで光ファイバ長の影響が補正で
きるという点がある。

【００３９】

【実施例】

実施例１．図１は本発明の一実施例に係る溶融温度金属
温度計測装置の構成を示したブロック図である。図にお
いて、金属管被覆光ファイバ１５の出力端からの光信号
は光学フィルタ（単色フィルタ）３０を介して光検出器
３１に導かれ、前置増幅器３２にて増幅される。この前
置増幅器３２は増幅率切替回路３３によりその増幅率が
切り替え変えられる。前置増幅器３２の出力は伝送損失
演算器３４及び温度変換器３５にそれぞれ入力される。
伝送損失演算器３４は、熱電対信号入力部３６を介して
入力される熱電対信号Ｔ´及び前置増幅器３２の出力に
基いて光ファイバ長Ｘを求める。温度変換器３５は前置
増幅器３２の出力に基いて温度Ｔを求める。

【００４０】以上のように構成された溶融温度金属温度
計測装置においては、伝送損失演算器３４は、浸漬型熱
電対２０により測定され熱電対信号入力部３６を介して
入力された溶融金属温度Ｔ´と、前置増幅器３２の出力
である光ファイバ温度計の検出光量Ｅとを使用して次式
により光ファイイバ長Ｘを求める。なお、光ファイバ温
度計の検出光量Ｅ、即ちは金属管被覆光ファイバ１５の
出力端からの光信号は光学フィルタ（単色フィルタ）３
０により波長帯域についての制限を受けた光量信号であ
る。

【００４１】

【数９】

【００４２】伝送損失演算器３４は、更にこの求められ
た光ファイイバ長Ｘに基いて温度変換器３５中の関数で
ある光ファイバの透過率Ｇを変更する機構を備えてい
る。従って、温度変換器３５は前置増幅器３２の出力に
基いて次式により溶融金属の温度Ｔを求めるが、関数Ｇ
がＸに依存して変更されるので、溶融金属の温度Ｔは伝
送損失を考慮したものとなっている。

【００４３】

【数１０】

【００４４】ところで、本実施例においては、光検出器
３１の検出信号が温度変換回路３５のダイナミックレン
ジを越えることを防ぐために増幅率切替器３３を設けて
おり、温度変換器３５へ入力される信号が一定のレベル
内に入るよう自動的に前置増幅器３２の増幅率を切り替
えるようにしている。

【００４５】実施例２．図２は本発明の他の実施例に係
る溶融温度金属温度計測装置の構成を示したブロック図
である。本実施例においては光ファイバ１５を出射した
光は波長フィルタ（単色フィルタ）３０を透過すること
により、その波長帯域では伝送損失が一定になるように
してある。前置増幅器の３２の出力である検出光量Ｅ
は、可変増幅器（１／Ｇ）３７を介して温度変換器３８
へ入力され、温度変換器３８は次式により溶融金属の温
度Ｔを求め、温度出力が得られる。

【００４６】

【数１１】

【００４７】また、伝送損失演算器３４は、光ファイバ
中の伝送損失を補正するため、浸漬熱電対２０により測
定された溶融金属温度Ｔ′及び光検出器３１の検出光量
Ｅを用いて次式により光ファイバの透過率Ｇを求め、そ
の光ファイバの透過率Ｇに基いて可変増幅器（１／Ｇ）
３７の増幅率を変更する。更に、ファイバ長さ演算器３
９はその光ファイバの透過率の変化と予め求めた光ファ
イバの伝送損失特性から光ファイバの消耗量を求め、そ
して、それにより光ファイバ長Ｘを求める。

【００４８】

【数１２】

【００４９】実施例３．図３は本発明の他の実施例に係
る溶融温度金属温度計測装置の構成を示したブロック図
である。本実施例においても、光ファイバ１５を出射し
た光は波長フィルタ３０を透過し、その波長帯域では伝
送損失が一定になるようにしてあり、可変増幅器（１／
Ｇ）３７により増幅された検出光量Ｅは温度変換器３８
へ入力され、温度変換器３８は上記の実施例の場合と同
様に（１１）式により溶融金属の温度Ｔを求め、温度出
力が得られる。

【００５０】また、本実施例においては、光ファイバ中
の伝送損失を補正するため、浸漬熱電対により測定され
た溶融金属温度Ｔ′と本装置の出力Ｔの差が０になるよ
う増幅器（１／Ｇ）３７の増幅率を調節するフィードバ
ック機構を設けている。このフィードバック機構は、浸
漬熱電対により測定した溶融金属温度Ｔ′と光ファイバ
温度計の出力Ｔとの差を求める比較器４０と、この比較
器４０の比較結果に基いて関数Ｇを調整するＧコントロ
ーラ４１とから構成されており、浸漬熱電対２０との指
示誤差がなくなるよう調節された増幅器３７の増幅率の
変化分は光ファイバ中の伝送損失の減少と一致する。従
って、ファイバ長さ演算器３９は、増幅率変化と予め求
めた光ファイバの伝送損失特性から光ファイバの消耗量
を求め、そして、それにより光ファイバ長Ｘを求める。
本実施例の特徴は、補正がフィードバックで行われるた
め、構造が簡単で複雑な演算を必要としないばかりでな
く、補正後は指示値が一致することが保証される点にあ
る。

【００５１】実施例４．図４は本発明の他の実施例に係
る溶融温度金属温度計測装置の構成を示したブロック図
である。ＪＩＳの規格でも用いられているように（計測
自動制御学会編新編温度計測」ｐ２５６）、単色温度計
の特性は次に示すようにＡ，Ｂ，Ｃの三つのパラメータ
で表すことができ、スペクトルが幅を持つ場合でも良い
近似が成り立つことが知られている。Ｅ（Ｔ）＝Ｃ×ＥＸＰ（−Ｃ₂／（Ａ×Ｔ＋Ｂ）） …（１３）光ファイバの減衰を考慮に入れた場合には、この近似は
各ファイバ長ごとに成り立つものであるが、３つのパラ
メータＡ，Ｂ，Ｃはファイバ長が短くなるに伴い変化す
る（図１１〜図１３と同じ条件でのパラメータＡ，Ｂ，
Ｃの波長特性シミュレーション結果を図１４に示
す。）。即ち、パラメータＡ，Ｂ，Ｃはファイバ長Ｘの
関数として表すことが可能であり、（３）式の近似式と
して以下の式が成り立つ。Ｅ（Ｔ、Ｘ）＝Ｃ（Ｘ）×ＥＸＰ（−Ｃ₂／（Ａ（Ｘ）×Ｔ＋Ｂ（Ｘ））） …（１４）これまでに扱った伝送損失の波長依存性が無視できる場
合と言うのは、この式のパラメータＡ，Ｂの長さ依存性
が無視できる場合に相当し、パラメータＣが光ファイバ
の透過率Ｇに対応する。３つの関数Ａ（Ｘ），Ｂ
（Ｘ），Ｃ（Ｘ）は、使用する光ファイバ、光学フィル
タ、及びフォトダイオードの特性のみで決まるため、予
め求めておくことは可能であり、光ファイバ長Ｘ又はパ
ラメータＣ（Ｇと等価）が求まれば、Ａ，Ｂも一意に決
めることができる。

【００５２】このことを利用したのが図４の実施例であ
り、検出光量Ｅが可変増幅器（１／Ｇ）３７を介して温
度変換器３８へ入力され、温度変換器３８は次式により
温度Ｔを求めて、温度出力が得られる。Ｔ＝−Ｃ₂／（Ａ×ＬＯＧ（Ｅ／Ｇ））−Ｂ／Ａ …（１５）また、本実施例においては、光ファイバ中の伝送損失を
補正するために、浸漬熱電対により測定した溶融金属温
度Ｔ′と本装置の出力Ｔとの差が０になるよう増幅器３
７の増幅率を調節するフィードバック機構を設けてい
る。このフィードバッグ機構は、浸漬熱電対により測定
した溶融金属温度Ｔ′と光ファイバ温度計の出力Ｔとの
差が求める比較器４０と、この比較器４０の比較結果に
基いて関数（光ファイバの透過率）Ｇを調整するＧコン
トローラ４１と、パラメータ演算器４２とから構成され
ている。このパラメータ演算器４２は、関数（光ファイ
バの透過率）Ｇ´に基いてパラメータＡ，Ｂを求めるよ
うにしたものであり、その演算結果に基いて温度変換器
３８の該当するパラメータＡ，Ｂを変更するように構成
されている。また、浸漬熱電対２０との指示誤差がなく
なるよう調節された可変増幅器３７の増幅率変化分は光
ファイバ中の伝送損失の減少と一致することになるの
で、上述の実施例と同様に、ファイバ長さ演算器３９
は、増幅率変化と予め求めた光ファイバの伝送損失特性
から光ファイバの消耗量を求め、そして、それにより光
ファイバ長Ｘを求める。

【００５３】図４の実施例の特徴は、補正がフィードバ
ックで行われるため、構造が簡単で複雑な演算を必要と
しないばかりでなく、演算誤差が含まれないため補正後
は指示値が一致することが保証される点、及び、測定波
長帯域での伝送損失の均一性を仮定しないため狭帯域の
光学フィルタを必要とせず、長いファイバを使用して透
過光量が微弱な場合でも十分な光量を得られる点にあ
る。

【００５４】実施例５．図５は本発明の他の実施例に係
る溶融温度金属温度計測装置の構成を示したブロック図
である。温度変換器３８が（１１）式を用いて温度を求
めるのは上述の実施例と同一であるが、本実施例におい
ては、光ファイバ中の伝送損失を補正するため、浸漬熱
電対２０により測定した溶融金属温度Ｔ′と本装置の出
力Ｔの差が０になるよう増幅器（１／Ｇ′）３７の増幅
率を調節するフィードバック機構（比較器４０，Ｇコン
トローラ４１）を設けた他に、関数（光ファイバの透過
率）Ｇ′_mから関数（光ファイバの透過率）Ｇを求める
ための平均値演算部４３を設けている。平均値演算部４
３は関数Ｇを過去のＧ′の値の平均として例えば以下の
ように求める。Ｇ＝（Ｇ′_m＋ＥＸＰ（−αＸ_m-1）×Ｇ′_m-1＋…… ＋ＥＸＰ（−αＸ_m-N+1）×Ｇ′_m-N+1）／Ｎ …（１６）但し、Ｘ_iはｉ番目の構成演算からのファイバ消耗量、
Ｇ′_iｉ番目の透過率校正値である。また、ファイバ長
さ演算器３９は、上述の実施例と同様に、浸漬熱電対と
の指示誤差がなくなるよう調節された可変増幅器３７の
増幅率変化分は光ファイバ中の伝送損失の減少と一致す
ることを利用して、増幅率変化と予め求めた光ファイバ
の伝送損失特性から光ファイバの消耗量を求め、それに
より光ファイバ長Ｘを求めている。

【００５５】図５の実施例の特徴は、平均値演算部４３
がＮ回の測定の平均から光ファイバの透過率Ｇを求めて
いるため、各測定に含まれる誤差がならされ、補正の精
度が向上する点にある。なお、図５の実施例では伝送損
失の波長依存性が無視できる場合について示したが、図
４に示した波長依存性を無視することを必要としない実
施例についても同様に構成することができることは言う
までもない。

【００５６】実施例６．図６は本発明の他の実施例に係
る溶融温度金属温度計測装置の構成を示したブロック図
である。本実施例は単色放射温度計に留まらず、図示の
ように２色温度計（放射率は波長によらず、一定の前提
で２波長における強度比を比較演算し、εによらない測
温をする）の場合でも適用が可能である。光ファイバ１
５を導波した光は分波器４４により２つの光束に分けら
れ、それぞれ狭帯域の波長フィルタ（透過波長λ₁、λ
₂）４５，４６を透過した後に、光検出器４７，３１で
光電変換され、前置増幅器４８，３２により増幅され
る。前置増幅器４８，３２の出力である検出光量信号Ｅ
₁、Ｅ₂には以下の関係式が成り立つ。Ｅ₁（Ｔ、Ｘ）＝ＥＸＰ（−α（λ₁）×Ｘ）×Ｌ（λ₁、Ｔ） …（１７）Ｅ₂（Ｔ、Ｘ）＝ＥＸＰ（−α（λ₂）×Ｘ）×Ｌ（λ₂、Ｔ） …（１８）検出光量信号Ｅ₁は可変増幅器（Ｇ）３７により増幅さ
れた後、除算器４９により検出光量信号Ｅ₂との比が求
められ、次式に表される信号が２色温度計温度変換器５
０に入力される。Ｇ×Ｅ₁／Ｅ₂ ＝Ｇ×ＥＸＰ（（−α（λ₁）＋α（λ₂））×Ｘ） ×Ｌ（λ₁、Ｔ）／Ｌ（λ₂、Ｔ） …（１９）

【００５７】２色温度計の原理より誤差なく測定が行わ
れるためにはＧ×ＥＸＰ（（−α（λ₁）＋α（λ₂））×Ｘ）＝１ …（２０）が成り立つ必要があるが、光ファイバ長Ｘの変化により
この値は変動する。この変化を補正するため、本実施例
においても、浸漬熱電対２０により測定された溶融金属
温度Ｔ′と本装置の出力Ｔとの差が０になるよう可変増
幅器（Ｇ）３７の増幅度Ｇを調節するフィードバック機
構（比較器４１，Ｇコントローラ４２）を設けている。
また、浸漬熱電対２０との指示誤差がなくなるよう調節
された増幅器３７の増幅率変化分は光ファイバ中の伝送
損失の２つの波長での比と一致することとなり、ファイ
バ長さ演算器３９は上述の実施例と同様な演算処理によ
り光ファイバ長Ｘを求めている。

【００５８】なお、上述の実施例においてはアナログ回
路として示したが、構成の全部又は一部をデジタル回路
に置き換えることができることは言うまでもない。

【００５９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば次の効果が
得られている。１）熱電対を用いた消耗型浸漬温度計に代わって、安価
で高精度かつ応答性の速い溶融金属の連続温度計測を可
能にしており、特に１ｋｍ以上の長尺ファイバの使用が
可能になったことにより、溶融金属容器の側面もしくは
底面から光ファイバを挿入使用できることとなり、適用
対象が格段に広がる。製鉄プロセスにおいて転炉、電気
炉、その他製錬炉、連続鋳造のタンディッシュなどの温
度制御精度の向上という多大な効果を生むなど、工業的
な価値は極めて大きい。２）温度計測と同時にファイバ長も同時計測でき、これ
により新しい複合計測の可能性が生じ、今後産業への利
用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例（実施例１．）に係る溶融金
属温度計測装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の他の実施例（実施例２．）に係る溶融
金属温度計測装置の構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の他の実施例（実施例３．）に係る溶融
金属温度計測装置の構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の他の実施例（実施例４．）に係る溶融
金属温度計測装置の構成を示すブロック図である。

【図５】本発明の他の実施例（実施例５．）に係る溶融
金属温度計測装置の構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の他の実施例（実施例６．）に係る溶融
金属温度計測装置の構成を示すブロック図である。

【図７】転炉における溶鋼温度測定系の構成を示したブ
ロック図である。

【図８】通信用石英光ファイバの伝送損失波長特性を示
した図である。

【図９】光ファイバ長変化に伴う指示温度誤差を示した
特性図である。

【図１０】Ｓｉ検出器及び光学フィルタの波長特性図で
ある。

【図１１】光ファイバ長変化に伴う測定スペクトルの変
化を示した特性図である。

【図１２】光ファイバ長変化に伴う測定スペクトルシフ
トによる指示温度誤差の特性図である。

【図１３】波長シフトの温度変換関数への影響を示した
特性図である。

【図１４】温度変換器のパラメータＡ，Ｂ，Ｃの光ファ
イバ長依存性を示した特性図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊地一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)発明者狛谷昌紀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)発明者佐藤昌志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)発明者宮原弘明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)発明者金田靖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

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属管被覆光ファイバの一方の端部を連
続又は間欠的に溶融金属中に供給し、前記光ファイバを
導波した放射光を当該光ファイバの他方の端部に設けた
赤外放射温度計に導いて溶融金属の温度を計測する溶融
金属温度計測方法において、浸漬型熱電対を溶融金属中に挿入して測定した一つの温
度測定値に基いて、前記光ファイバの長さの減少に伴っ
て生じる誤差を補償することを特徴とする溶融金属温度
計測方法。
【請求項２】一方の端部が溶融金属中に連続又は間欠
的に供給される金属管被覆光ファイバと、該光ファイバ
の他方の端部に設けられ、当該光ファイバを導波した放
射光を受光して溶融金属の温度を検出する温度変換手段
とを有する溶融金属温度計測装置において、浸漬型熱電対を溶融金属中に挿入して測定した少なくと
も一つの温度測定値に基いて、前記光ファイバの長さの
減少に伴って生じる温度変換手段の演算係数を修正して
その誤差を補償する補償演算手段を有することを特徴と
する溶融金属温度計測装置。
【請求項３】前記補償演算手段は、前記光ファイバか
らの放射光に対応する信号を増幅し、温度変換手段に出
力する増幅手段と、前記温度変換手段の出力が上記浸漬
型熱電対の指示値と一致するように前記増幅手段の増幅
率を調整する増幅度制御手段とを有することを特徴とす
る請求項２記載の溶融金属温度計測装置。
【請求項４】前記光ファイバからの放射光に対応した
信号を増幅し、前記補償演算手段に送り出す前置増幅手
段と、該前置増幅手段の出力に応じてその増幅率を自動
的に調整する増幅度切替手段とを有する請求項３記載の
溶融金属温度計測装置。
【請求項５】前記光ファイバからの放射光に対応した
信号と、上記浸漬型熱電対指示値との誤差補正量に基い
て光ファイバ長を求めるファイバ長さ演算手段を有する
ことを特徴とする請求項２、３、又は４記載の記載の溶
融金属温度計測装置。
【請求項６】前記光ファイバの他方の端部に設けら
れ、放射光を検出する検出素子と、該検出素子の入射面
に設けられた波長選択フィルタとを有することを特徴と
請求項２、３、４又は５記載の消耗型光ファイバ温度計
測装置。
【請求項７】前記補償演算手段は、前記光ファイバか
らの放射光に対応した信号と前記浸漬型熱電対の指示値
とが一致するように前記増幅手段の増幅率を調整する手
段と、前記増幅手段の増幅率に基いて前記温度変換器の
パラメータを求めて調整するパラメータ演算手段とを有
することを特徴とする請求項２記載の溶融金属温度計測
装置。
【請求項８】前記光ファイバの長さが減少した時に生
じる前記温度変換器の誤差を、浸漬型熱電対を溶融金属
中に挿入して測定した複数回の温度測定値を用いてそれ
ぞれ求めた誤差補正量から校正する平均値演算手段を有
することを特徴とする請求項３、４、５、６又は７記載
の溶融金属温度計測装置。
【請求項９】前記光ファイバの長さが１ｋｍ以上であ
る事を特徴とする請求項２、３、４、５、６、７又は８
記載の溶融金属温度計測装置。
【請求項１０】前記光ファイバはその芯線が通信用石
英光ファイバであることを特徴とする請求項２、３、
４、５、６、７、８又９は記載の溶融金属温度計測装
置。
【請求項１１】前記温度変換器は単色温度計であるこ
とを特徴とする請求項２記載の溶融金属温度計測装置。
【請求項１２】前記温度変換器は二色温度計であるこ
とを特徴とする請求項２記載の溶融金属温度計測装置。