JPH07318436A - 高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサー - Google Patents
高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサーInfo
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- JPH07318436A JPH07318436A JP11094794A JP11094794A JPH07318436A JP H07318436 A JPH07318436 A JP H07318436A JP 11094794 A JP11094794 A JP 11094794A JP 11094794 A JP11094794 A JP 11094794A JP H07318436 A JPH07318436 A JP H07318436A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 超音波を利用した高温物体の温度検出におい
て、高温物体の温度分布を測定でき、しかも材料の熱膨
張も考慮して精度の高い測定を可能とする。 【構成】 温度に対する音速および温度に対する熱膨張
係数を予め測定しておいた材料からなるセンサー本体２
に、距離ｌをおいて一対の超音波反射点４1 ・４2 をセ
ンサー本体長手方向に間隔をおいて複数配設し、温度検
出小区間８を複数形成する。被検出物体に接触させたセ
ンサー本体２に端部から超音波を入射し、距離ｌの小区
間８間を通過する通過時間Δｔを測定する。温度−線膨
張のデータと温度−音速のデータを用いて温度Ｔの距離
ｌと前記Δｔから音速Ｖを求め、この音速Ｖから小区間
８の温度Ｔを求めることを繰り返すことにより、熱膨張
後の小区間８の正確な温度Ｔt が得られる。
て、高温物体の温度分布を測定でき、しかも材料の熱膨
張も考慮して精度の高い測定を可能とする。 【構成】 温度に対する音速および温度に対する熱膨張
係数を予め測定しておいた材料からなるセンサー本体２
に、距離ｌをおいて一対の超音波反射点４1 ・４2 をセ
ンサー本体長手方向に間隔をおいて複数配設し、温度検
出小区間８を複数形成する。被検出物体に接触させたセ
ンサー本体２に端部から超音波を入射し、距離ｌの小区
間８間を通過する通過時間Δｔを測定する。温度−線膨
張のデータと温度−音速のデータを用いて温度Ｔの距離
ｌと前記Δｔから音速Ｖを求め、この音速Ｖから小区間
８の温度Ｔを求めることを繰り返すことにより、熱膨張
後の小区間８の正確な温度Ｔt が得られる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、溶融金属等の高温物
体を取り扱う溶鉱炉などにおいて、高温の被検出物体の
温度分布を測定する方法およびこの温度分布測定方法に
使用する超音波センサーに関するものである。
体を取り扱う溶鉱炉などにおいて、高温の被検出物体の
温度分布を測定する方法およびこの温度分布測定方法に
使用する超音波センサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、高炉などの溶鉱炉を的確に制御
・運転するため、炉底における溶銑や溶滓等の温度を連
続的に精度良く測定することが要望されている。また、
転炉においては、鋼浴温度・成分・廃ガス成分などの情
報を得て終点制御するダイナミックコントロールを行う
ために、鋼浴温度を精度良く連続的に測定することが必
要である。さらに、連続鋳造における中間鍋としてのタ
ンディッシュにおいても、タンディッシュ内溶鋼温度を
的確に管理することが重要である。
・運転するため、炉底における溶銑や溶滓等の温度を連
続的に精度良く測定することが要望されている。また、
転炉においては、鋼浴温度・成分・廃ガス成分などの情
報を得て終点制御するダイナミックコントロールを行う
ために、鋼浴温度を精度良く連続的に測定することが必
要である。さらに、連続鋳造における中間鍋としてのタ
ンディッシュにおいても、タンディッシュ内溶鋼温度を
的確に管理することが重要である。
【０００３】このような溶融金属を含めた高温物体の温
度測定方法としては、消耗型や保護管型の熱電対あるい
は放射温度計等が広く用いられているが、熱電対を利用
する場合、特に温度測定点数が多い時などは、熱電対を
多数設置しなければならず、設備費が高騰し、保守・点
検も煩雑化しやすいという問題がある。また、放射温度
計を使用する場合には、２次元的に計測しやすく温度分
布を得る場合には、比較的簡便な方法であるが、被測定
物の表面での測定に限られ、かつ熱電対に比べ間接的な
測定になるため、測定条件等によっては精度が著しく低
下する問題点がある。
度測定方法としては、消耗型や保護管型の熱電対あるい
は放射温度計等が広く用いられているが、熱電対を利用
する場合、特に温度測定点数が多い時などは、熱電対を
多数設置しなければならず、設備費が高騰し、保守・点
検も煩雑化しやすいという問題がある。また、放射温度
計を使用する場合には、２次元的に計測しやすく温度分
布を得る場合には、比較的簡便な方法であるが、被測定
物の表面での測定に限られ、かつ熱電対に比べ間接的な
測定になるため、測定条件等によっては精度が著しく低
下する問題点がある。
【０００４】このような問題点に対処できるものとし
て、超音波を利用した技術があり、例えば特開平１−２
９１１３４号公報においては、超音波を用いた高温物体
の温度測定方法が提案されている。この温度測定方法
は、図６に示すように、容器５０に一対の超音波結合棒
５１，５１を溶鋼５２を挟むように取付け、この超音波
結合棒５１の後端部に設けた超音波送受信素子５３から
超音波を発信し、溶鋼５２中の伝播時間Δｔ（＝ｔ1 −
ｔ2/２−ｔ3/２）と、超音波結合棒５１間の長さＬとか
ら溶鋼中の平均音速Ｖ（＝Ｌ／Δｔ）を算出し、予め求
められた溶鋼の温度−音速特性から、溶鋼中の平均温度
Ｔを連続測定するものである。
て、超音波を利用した技術があり、例えば特開平１−２
９１１３４号公報においては、超音波を用いた高温物体
の温度測定方法が提案されている。この温度測定方法
は、図６に示すように、容器５０に一対の超音波結合棒
５１，５１を溶鋼５２を挟むように取付け、この超音波
結合棒５１の後端部に設けた超音波送受信素子５３から
超音波を発信し、溶鋼５２中の伝播時間Δｔ（＝ｔ1 −
ｔ2/２−ｔ3/２）と、超音波結合棒５１間の長さＬとか
ら溶鋼中の平均音速Ｖ（＝Ｌ／Δｔ）を算出し、予め求
められた溶鋼の温度−音速特性から、溶鋼中の平均温度
Ｔを連続測定するものである。
【０００５】そして、超音波結合棒５１が熱膨張や浸食
により長さが変化し、溶鋼を挟む超音波結合棒間長さＬ
が変わり、測定精度が低下するのを防止するために、超
音波結合棒５１の溶鋼側先端部に一対のスリット５４，
５５を形成して先端長さ変化Δｌを求め、長さＬを補正
している（図６（ｂ）参照）。
により長さが変化し、溶鋼を挟む超音波結合棒間長さＬ
が変わり、測定精度が低下するのを防止するために、超
音波結合棒５１の溶鋼側先端部に一対のスリット５４，
５５を形成して先端長さ変化Δｌを求め、長さＬを補正
している（図６（ｂ）参照）。
【０００６】このスリット５４，５５の間隔は熱膨張の
影響が等しく出るように小さく設定して膨張後も一定距
離を保持するようにし、かつ高温部に充分に近く配設し
てスリットから端面５６までの間で超音波伝播速度の温
度勾配に差が出ないようにしている。従って、膨張後の
スリット５４，５５間の伝播時間Δｔs （＝ｔs2／２−
ｔs1／２）と膨張後のスリット間長さｌs ’（＝膨張前
ｌs ）とから求めた音速Ｖ’（＝ｌs ’／Δｔs ）をス
リット５５〜端面５６間の音速とすることができ、この
音速Ｖ’とΔｔa （＝ｔa ／２−ｔs2／２）から膨張後
のスリット５５〜端面５６間の距離ｌa ’が求まる。Δ
ｌ＝ｌa ’−ｌa となる。
影響が等しく出るように小さく設定して膨張後も一定距
離を保持するようにし、かつ高温部に充分に近く配設し
てスリットから端面５６までの間で超音波伝播速度の温
度勾配に差が出ないようにしている。従って、膨張後の
スリット５４，５５間の伝播時間Δｔs （＝ｔs2／２−
ｔs1／２）と膨張後のスリット間長さｌs ’（＝膨張前
ｌs ）とから求めた音速Ｖ’（＝ｌs ’／Δｔs ）をス
リット５５〜端面５６間の音速とすることができ、この
音速Ｖ’とΔｔa （＝ｔa ／２−ｔs2／２）から膨張後
のスリット５５〜端面５６間の距離ｌa ’が求まる。Δ
ｌ＝ｌa ’−ｌa となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ような従来の超音波を利用した高温測定方法では、高温
物体を超音波結合棒５１で挟んで高温物体内の音速を利
用するため、溶鋼等の被検出物体の平均温度を求めるこ
ととなり、高温物体の温度分布を知ることはできない。
ような従来の超音波を利用した高温測定方法では、高温
物体を超音波結合棒５１で挟んで高温物体内の音速を利
用するため、溶鋼等の被検出物体の平均温度を求めるこ
ととなり、高温物体の温度分布を知ることはできない。
【０００８】さらに、超音波連結棒５１に設けた２つの
スリット５４，５５の間隔を充分に小さくとれば、熱膨
張発生後もその間隔が一定と見なせるとしているが、こ
の間隔を小さく取れば、この区間の音波の伝播時間は短
くなり、計算されるスリット５５〜端面５６間の距離は
誤差が大きくなる。加えて、スリットは高温部に近く熱
膨張後も一定と見なすことは困難であり、精度の高い測
定は不可能である。
スリット５４，５５の間隔を充分に小さくとれば、熱膨
張発生後もその間隔が一定と見なせるとしているが、こ
の間隔を小さく取れば、この区間の音波の伝播時間は短
くなり、計算されるスリット５５〜端面５６間の距離は
誤差が大きくなる。加えて、スリットは高温部に近く熱
膨張後も一定と見なすことは困難であり、精度の高い測
定は不可能である。
【０００９】この発明は、前述のような問題点を解消す
べくなされたもので、その目的は、超音波を利用した高
温物体の温度検出において、高温物体の温度分布を比較
的簡単な構成のセンサーで容易に測定することができ、
しかも材料の熱膨張も考慮して精度の高い測定が可能な
高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサー
を提供することにある。
べくなされたもので、その目的は、超音波を利用した高
温物体の温度検出において、高温物体の温度分布を比較
的簡単な構成のセンサーで容易に測定することができ、
しかも材料の熱膨張も考慮して精度の高い測定が可能な
高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサー
を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明は、従来の測定
方法が被測定物体中の超音波の音速を利用するのに対し
て、被測定物体に接触させたセンサー本体自体の音速値
を利用する。具体的には、図１に示すように、温度に対
する音速の関係および温度に対する熱膨張係数の関係を
予め測定しておいた材料からなるセンサー本体２に、セ
ンサー本体長手方向に複数の超音波反射点４を配設する
ことにより超音波反射点４で区画された距離ｌの温度検
出小区間８（または９）を複数形成し、このセンサー本
体２に端部から超音波を入射し、超音波反射点４からの
反射波により温度検出小区間８を通過する通過時間Δｔ
を測定し、温度−熱膨張のデータと温度−音速のデータ
とを用いて温度Ｔにおける距離ｌと前記Δｔから音速Ｖ
を求めるとともに、この音速Ｖから前記温度検出小区間
の温度Ｔを求め、これを繰り返して熱膨張後の温度検出
小区間の温度Ｔt を得る。
方法が被測定物体中の超音波の音速を利用するのに対し
て、被測定物体に接触させたセンサー本体自体の音速値
を利用する。具体的には、図１に示すように、温度に対
する音速の関係および温度に対する熱膨張係数の関係を
予め測定しておいた材料からなるセンサー本体２に、セ
ンサー本体長手方向に複数の超音波反射点４を配設する
ことにより超音波反射点４で区画された距離ｌの温度検
出小区間８（または９）を複数形成し、このセンサー本
体２に端部から超音波を入射し、超音波反射点４からの
反射波により温度検出小区間８を通過する通過時間Δｔ
を測定し、温度−熱膨張のデータと温度−音速のデータ
とを用いて温度Ｔにおける距離ｌと前記Δｔから音速Ｖ
を求めるとともに、この音速Ｖから前記温度検出小区間
の温度Ｔを求め、これを繰り返して熱膨張後の温度検出
小区間の温度Ｔt を得る。
【００１１】温度検出小区間は、図１に示すように、距
離ｌをおいて一対の超音波反射点４1 ・４2 をセンサー
本体長手方向に間隔をおいて複数配設することにより、
断続配置の小区間８としてもよいし、図３に示すよう
に、単独の超音波反射点４をセンサー本体長手方向に距
離ｌをおいて複数配設することにより、連続した小区間
９としてもよい。
離ｌをおいて一対の超音波反射点４1 ・４2 をセンサー
本体長手方向に間隔をおいて複数配設することにより、
断続配置の小区間８としてもよいし、図３に示すよう
に、単独の超音波反射点４をセンサー本体長手方向に距
離ｌをおいて複数配設することにより、連続した小区間
９としてもよい。
【００１２】熱膨張後の温度Ｔにおける距離ｌは未知で
あるので、図５に示すような簡単な収束計算による温度
推定法を使用して温度Ｔt を決定するのが好ましい。具
体的には、膨張前の距離ｌ0 の音速Ｖ0 ，Ｔ0 からｌ1
を求め、ｌ1 とｌ0 の中間点ｌ2 の音速Ｖ2 ，温度Ｔ2
からｌ3 を求め、以下同様にｌk とｌk-1 の中間点ｌ
k+1 を使用することにより、収束させて収束温度Ｔt を
得る。
あるので、図５に示すような簡単な収束計算による温度
推定法を使用して温度Ｔt を決定するのが好ましい。具
体的には、膨張前の距離ｌ0 の音速Ｖ0 ，Ｔ0 からｌ1
を求め、ｌ1 とｌ0 の中間点ｌ2 の音速Ｖ2 ，温度Ｔ2
からｌ3 を求め、以下同様にｌk とｌk-1 の中間点ｌ
k+1 を使用することにより、収束させて収束温度Ｔt を
得る。
【００１３】このような温度分布測定方法に使用する超
音波センサー１には、図１に示すように、温度に対する
音速の関係および温度に対する線膨張係数の関係を予め
測定しておいた材料、例えば耐熱金属や耐火物からなる
長尺のセンサー本体２と、このセンサー本体２の一端部
または両端部に設けた超音波振動子３と、前記センサー
本体の中間部に形成されセンサー本体長手方向に複数の
超音波反射点４から構成する。
音波センサー１には、図１に示すように、温度に対する
音速の関係および温度に対する線膨張係数の関係を予め
測定しておいた材料、例えば耐熱金属や耐火物からなる
長尺のセンサー本体２と、このセンサー本体２の一端部
または両端部に設けた超音波振動子３と、前記センサー
本体の中間部に形成されセンサー本体長手方向に複数の
超音波反射点４から構成する。
【００１４】超音波反射点４はスリットやノッチなどの
不連続面でよく、図１に示すように、一対の超音波反射
点４11・４12〜４m1・４m2により距離ｌの温度検出小区
間８1 〜８m を形成し、また図３に示すように、単独の
超音波反射点４により距離ｌの温度検出小区間９1 〜９
m を形成する。
不連続面でよく、図１に示すように、一対の超音波反射
点４11・４12〜４m1・４m2により距離ｌの温度検出小区
間８1 〜８m を形成し、また図３に示すように、単独の
超音波反射点４により距離ｌの温度検出小区間９1 〜９
m を形成する。
【００１５】
【作用】前述の構成において、センサー本体２を被測定
物に直接あるいは間接的に接触させると、距離ｌの断続
的な温度検出小区間８、または連続的な温度検出小区間
９が形成されたセンサー本体２と被測定物体とが熱平衡
状態となり、センサー本体２が測温体となる。このセン
サー本体２に一端部または両端部から超音波を入射する
と、小区間８（または９）を形成する超音波反射点４か
らの反射パルスにより、超音波の小区間８を通過する時
間Δｔが求まる。この通過時間Δｔと距離ｌから音速Ｖ
（＝ｌ／Δｔ）が得られ、音速Ｖから温度Ｔが得られ
る。
物に直接あるいは間接的に接触させると、距離ｌの断続
的な温度検出小区間８、または連続的な温度検出小区間
９が形成されたセンサー本体２と被測定物体とが熱平衡
状態となり、センサー本体２が測温体となる。このセン
サー本体２に一端部または両端部から超音波を入射する
と、小区間８（または９）を形成する超音波反射点４か
らの反射パルスにより、超音波の小区間８を通過する時
間Δｔが求まる。この通過時間Δｔと距離ｌから音速Ｖ
（＝ｌ／Δｔ）が得られ、音速Ｖから温度Ｔが得られ
る。
【００１６】ここで、温度−熱膨張のデータと温度−音
速のデータとにより、温度Ｔにおける距離ｌと前記Δｔ
から音速Ｖを求め、この音速Ｖから小区間の温度Ｔを求
めることを繰り返すことにより、熱膨張後の温度検出小
区間の正確な温度Ｔt が得られる。各温度検出小区間で
温度Ｔt が求まることにより、被測定物体の温度分布が
得られる。
速のデータとにより、温度Ｔにおける距離ｌと前記Δｔ
から音速Ｖを求め、この音速Ｖから小区間の温度Ｔを求
めることを繰り返すことにより、熱膨張後の温度検出小
区間の正確な温度Ｔt が得られる。各温度検出小区間で
温度Ｔt が求まることにより、被測定物体の温度分布が
得られる。
【００１７】距離ｌには、温度−熱膨張のデータにより
膨張後の距離ｌを使用して算出するため、精度の高い温
度検出が可能となり、また単純な収束計算を行うことに
より正確な温度を簡単に得ることができる。また、セン
サー自体も長尺なセンサー本体と超音波振動子からなる
簡単な構成とすることができる。
膨張後の距離ｌを使用して算出するため、精度の高い温
度検出が可能となり、また単純な収束計算を行うことに
より正確な温度を簡単に得ることができる。また、セン
サー自体も長尺なセンサー本体と超音波振動子からなる
簡単な構成とすることができる。
【００１８】
【実施例】以下、この発明を図示する一実施例に基づい
て詳細に説明する。これは溶鉱炉などにおける炉底の温
度分布を検出する場合に適用した例であり、図１は、こ
の発明に係る超音波センサーの概要を示し、図２はその
超音波振動子部分とセンサー設置例を示し、図３は配置
構成や形状の異なるセンサー本体を示している。
て詳細に説明する。これは溶鉱炉などにおける炉底の温
度分布を検出する場合に適用した例であり、図１は、こ
の発明に係る超音波センサーの概要を示し、図２はその
超音波振動子部分とセンサー設置例を示し、図３は配置
構成や形状の異なるセンサー本体を示している。
【００１９】図１において、高温検出用の超音波センサ
ー１は、長尺の棒材または線材からなるセンサー本体２
と、このセンサー本体２の端面に取付けられる超音波振
動子３と、センサー本体２の中間部にセンサー本体長手
方向に間隔をおいて複数（ｍ個）配設された距離ｌをお
いて一対の超音波反射点４からなる。
ー１は、長尺の棒材または線材からなるセンサー本体２
と、このセンサー本体２の端面に取付けられる超音波振
動子３と、センサー本体２の中間部にセンサー本体長手
方向に間隔をおいて複数（ｍ個）配設された距離ｌをお
いて一対の超音波反射点４からなる。
【００２０】センサー本体２は高温の被検出物体に接触
させて熱平衡による温度を超音波を介して間接的に検出
する測温体であるとともに、超音波が伝播する超音波伝
播体であり、溶鋼に接触させる場合には耐溶損性，スラ
グが存在する場合には耐スラグ性と耐スポーリング性を
有し、また超音波伝播性能を有する耐熱金属または耐火
物など、例えばＳＵＳ３１０，チタン合金，タングステ
ン，インコロイ（Ｎｉ−Ｃｒ系合金），サファイヤ（Ａ
l2Ｏ3 ・ＴｉＯ2)，スピンネル（ＭｇＡl2Ｏ4），アル
ミナ（Ａl2Ｏ3 ）などから制作する。
させて熱平衡による温度を超音波を介して間接的に検出
する測温体であるとともに、超音波が伝播する超音波伝
播体であり、溶鋼に接触させる場合には耐溶損性，スラ
グが存在する場合には耐スラグ性と耐スポーリング性を
有し、また超音波伝播性能を有する耐熱金属または耐火
物など、例えばＳＵＳ３１０，チタン合金，タングステ
ン，インコロイ（Ｎｉ−Ｃｒ系合金），サファイヤ（Ａ
l2Ｏ3 ・ＴｉＯ2)，スピンネル（ＭｇＡl2Ｏ4），アル
ミナ（Ａl2Ｏ3 ）などから制作する。
【００２１】超音波振動子３は通常使用される超音波の
送信と受信が可能な超音波送受信素子であり、センサー
本体２の片面に設けてもよいし、両面に設けてもよい。
図１（ａ）に示す片面送受信型センサーの場合には、超
音波振動子３に超音波送受信器５を電気的に接続し、こ
の超音波送受信器５からの検出信号を演算器６で演算処
理する。図１（ｂ）に示す両面送受信型センサーの場合
には、両方の超音波振動子３を切替器７を介して超音波
送受信器５に接続する。
送信と受信が可能な超音波送受信素子であり、センサー
本体２の片面に設けてもよいし、両面に設けてもよい。
図１（ａ）に示す片面送受信型センサーの場合には、超
音波振動子３に超音波送受信器５を電気的に接続し、こ
の超音波送受信器５からの検出信号を演算器６で演算処
理する。図１（ｂ）に示す両面送受信型センサーの場合
には、両方の超音波振動子３を切替器７を介して超音波
送受信器５に接続する。
【００２２】図２に示すように、超音波振動子３は、裏
面にリード線１０と緩衝材１１を有し、センサー本体２
の端面に接着剤１２を介して固定され、これら超音波振
動子３および緩衝材１１が絶縁材１３により被覆されて
いる。センサー本体２は例えば炉底に差し渡され、中央
部が溶鋼等の溶融金属に接触し、両端部が炉壁から外部
が突出するように配設される。
面にリード線１０と緩衝材１１を有し、センサー本体２
の端面に接着剤１２を介して固定され、これら超音波振
動子３および緩衝材１１が絶縁材１３により被覆されて
いる。センサー本体２は例えば炉底に差し渡され、中央
部が溶鋼等の溶融金属に接触し、両端部が炉壁から外部
が突出するように配設される。
【００２３】このような配設状態において、超音波振動
子３および超音波の伝播を良くするために用いるある種
の接着材１２は熱に対して弱いため、これらを高温から
保護する必要があり、超音波振動子３等を含むセンサー
本体２の端部をキャップ状の水冷ボックス１４で覆い、
水冷ボックス１４の取付口とセンサー本体２の接続部分
をＯリング１５とねじ部材１６の水密構造とする。水冷
ボックス１４内に冷却水Ｗを流すことにより、超音波振
動子３およびこの近傍部材が冷却され、高温の影響を受
けることがなく、またセンサー性能の安定も確保でき、
より精度の高い測定が可能となる。
子３および超音波の伝播を良くするために用いるある種
の接着材１２は熱に対して弱いため、これらを高温から
保護する必要があり、超音波振動子３等を含むセンサー
本体２の端部をキャップ状の水冷ボックス１４で覆い、
水冷ボックス１４の取付口とセンサー本体２の接続部分
をＯリング１５とねじ部材１６の水密構造とする。水冷
ボックス１４内に冷却水Ｗを流すことにより、超音波振
動子３およびこの近傍部材が冷却され、高温の影響を受
けることがなく、またセンサー性能の安定も確保でき、
より精度の高い測定が可能となる。
【００２４】超音波反射点４は図１のように距離ｌをお
いて一対で配設することにより、一対の超音波反射点４
m1，４m2で区画された小区間８が温度検出領域となり、
飛び飛びの温度分布が得られる。図３のように、単独の
超音波反射点４を距離ｌをおいて複数配設すれば、各超
音波反射点４間の各小区間９が温度検出領域となり、連
続的な温度分布が得られる。
いて一対で配設することにより、一対の超音波反射点４
m1，４m2で区画された小区間８が温度検出領域となり、
飛び飛びの温度分布が得られる。図３のように、単独の
超音波反射点４を距離ｌをおいて複数配設すれば、各超
音波反射点４間の各小区間９が温度検出領域となり、連
続的な温度分布が得られる。
【００２５】また、超音波反射点４は超音波を反射する
不連続面でよく、図１ではドリル孔などによるスリット
４ａとしている。図１（ａ）の場合、一対のスリット４
ａはセンサー本体２の周方向に若干ずらすなどしてそれ
ぞれの反射パルスが互いに干渉しないようにするのが好
ましい。また、図１（ａ），（ｂ）共に、間隔をおいて
ｍ個のスリット４ａ対も、順次センサー本体２の周方向
に若干ずらすなどして配設するのが好ましい。
不連続面でよく、図１ではドリル孔などによるスリット
４ａとしている。図１（ａ）の場合、一対のスリット４
ａはセンサー本体２の周方向に若干ずらすなどしてそれ
ぞれの反射パルスが互いに干渉しないようにするのが好
ましい。また、図１（ａ），（ｂ）共に、間隔をおいて
ｍ個のスリット４ａ対も、順次センサー本体２の周方向
に若干ずらすなどして配設するのが好ましい。
【００２６】この超音波反射点４はスリット４ａに限る
ことなく、図３に示すように、ノッチ４ｂや段部４ｃな
どでもよい。スリット４ａやノッチ４ｂはセンサー本体
２の両面に設けてもよいし、片面のみに設けてもよい。
また、位置をセンサー本体２の周方向に順次ずらしたス
パイラル配置でもよい。
ことなく、図３に示すように、ノッチ４ｂや段部４ｃな
どでもよい。スリット４ａやノッチ４ｂはセンサー本体
２の両面に設けてもよいし、片面のみに設けてもよい。
また、位置をセンサー本体２の周方向に順次ずらしたス
パイラル配置でもよい。
【００２７】以上のような構成において、本発明ではセ
ンサー本体２内の音速により温度を求めるため、材質に
よって変わる温度−音速特性を予め測定しておく。図４
に示すのは、各種の材料を伝播する音速の温度依存性を
示すグラフである。一般に温度が上昇すると、音速は低
下する。なお、図４（ａ）の縦軸は一定距離の通過時間
の比Δｔ／Δｔ0 、即ちＶ0/Ｖ（Δｔ0 ，Ｖ0/：室温）
であり、図の上に向かって音速が低下する。このような
グラフなどからセンサー本体２に使用する材料を選択
し、その温度−音速特性のデータを予め演算器６に登録
しておく。
ンサー本体２内の音速により温度を求めるため、材質に
よって変わる温度−音速特性を予め測定しておく。図４
に示すのは、各種の材料を伝播する音速の温度依存性を
示すグラフである。一般に温度が上昇すると、音速は低
下する。なお、図４（ａ）の縦軸は一定距離の通過時間
の比Δｔ／Δｔ0 、即ちＶ0/Ｖ（Δｔ0 ，Ｖ0/：室温）
であり、図の上に向かって音速が低下する。このような
グラフなどからセンサー本体２に使用する材料を選択
し、その温度−音速特性のデータを予め演算器６に登録
しておく。
【００２８】また、音速を求めるための超音波反射点４
の距離ｌを正確に知ることができるように、センサー本
体２に使用する材料の各温度における線膨張係数を予め
測定しておき、この線膨張のデータも演算器６に登録し
ておく。
の距離ｌを正確に知ることができるように、センサー本
体２に使用する材料の各温度における線膨張係数を予め
測定しておき、この線膨張のデータも演算器６に登録し
ておく。
【００２９】演算器６では、検出された超音波反射点４
間を通過する時間Δｔから計算プログラムに基づいて超
音波反射点４で区画された各小区間８，９の温度が算出
され、被検出体の温度分布が得られる。ここで、検出温
度での実際の距離ｌt は未知なので、次のような単純な
収束計算を行い、温度を推定する方法を採用する。な
お、以下は、図１の一対の超音波反射点４を用い、セン
サー本体２の材料に温度が上昇すると音速が低下する一
般的な材料を用いた場合について説明する。
間を通過する時間Δｔから計算プログラムに基づいて超
音波反射点４で区画された各小区間８，９の温度が算出
され、被検出体の温度分布が得られる。ここで、検出温
度での実際の距離ｌt は未知なので、次のような単純な
収束計算を行い、温度を推定する方法を採用する。な
お、以下は、図１の一対の超音波反射点４を用い、セン
サー本体２の材料に温度が上昇すると音速が低下する一
般的な材料を用いた場合について説明する。
【００３０】(1) センサー本体２の一端あるいは両端か
ら超音波パルスを発信し、同一の振動子あるいは他端の
振動子によりこれを受信する。それぞれの反射パルスの
到達時間により、一対の超音波反射点４間を通過する時
間Δｔが（１），（２）式を用いて得られる。
ら超音波パルスを発信し、同一の振動子あるいは他端の
振動子によりこれを受信する。それぞれの反射パルスの
到達時間により、一対の超音波反射点４間を通過する時
間Δｔが（１），（２）式を用いて得られる。
【００３１】
【数１】
【００３２】
【数２】
【００３３】
【数３】
【００３４】(2) 図５に温度推定の方法を示す。最初、
小区間の距離に熱膨張前の距離 l0 を用いて（３）式に
より音速Ｖ0 を算出する。
小区間の距離に熱膨張前の距離 l0 を用いて（３）式に
より音速Ｖ0 を算出する。
【００３５】(3) 温度−音速データから音速Ｖ0 での温
度Ｔ0 を求める。さらに、温度−熱膨張データから温度
Ｔ0 での熱膨張後の距離 l1 を求める。
度Ｔ0 を求める。さらに、温度−熱膨張データから温度
Ｔ0 での熱膨張後の距離 l1 を求める。
【００３６】(4) 小区間で熱膨張が生じているとすれ
ば、l1は実際の膨張による値ｌt とは異なる。従って、
l1 と l0 の中間点をｌ2 とし、（３）式を用いて音速
Ｖ2 を計算する。さらに、Ｔ2 からｌ3 を求める。以
下、ｌ2 とｌ3 の中間点ｌ4 ，Ｖ4，Ｔ4 , … を繰り
返すことにより、収束していき、収束したＴn を実際の
温度Ｔt とする。
ば、l1は実際の膨張による値ｌt とは異なる。従って、
l1 と l0 の中間点をｌ2 とし、（３）式を用いて音速
Ｖ2 を計算する。さらに、Ｔ2 からｌ3 を求める。以
下、ｌ2 とｌ3 の中間点ｌ4 ，Ｖ4，Ｔ4 , … を繰り
返すことにより、収束していき、収束したＴn を実際の
温度Ｔt とする。
【００３７】(5) 各小区間８での温度Ｔt により溶鋼等
の温度分布を得ることができる。なお、以上は温度が上
昇すると、音速が低下する例について説明したが、温度
が上昇すると、音速が上昇する場合にも、前述のような
ｌk とｌk-1 の中間点ｌk+1 による収束計算を行うこと
により、温度Ｔt が得られることはいうまでもない。
の温度分布を得ることができる。なお、以上は温度が上
昇すると、音速が低下する例について説明したが、温度
が上昇すると、音速が上昇する場合にも、前述のような
ｌk とｌk-1 の中間点ｌk+1 による収束計算を行うこと
により、温度Ｔt が得られることはいうまでもない。
【００３８】なお、以上は溶鋼等の溶融金属にセンサー
本体を接触させる例について説明したが、これに限らず
耐火物内などセンサー本体を埋設して外挿法で温度を求
めることもできる。また、溶融金属に限らず、その他の
高温物体の温度検出にも適用できることはいうまでもな
い。
本体を接触させる例について説明したが、これに限らず
耐火物内などセンサー本体を埋設して外挿法で温度を求
めることもできる。また、溶融金属に限らず、その他の
高温物体の温度検出にも適用できることはいうまでもな
い。
【００３９】
【発明の効果】前述の通り、この発明は、温度−音速の
関係および温度−熱膨張係数の関係が既知のセンサー本
体に超音波反射点による温度検出小区間を複数形成し、
超音波の前記小区間を通過する時間から温度−音速デー
タおよび温度−熱膨張データを用いて各小区間の温度を
求めるようにしたため、次のような効果を奏する。
関係および温度−熱膨張係数の関係が既知のセンサー本
体に超音波反射点による温度検出小区間を複数形成し、
超音波の前記小区間を通過する時間から温度−音速デー
タおよび温度−熱膨張データを用いて各小区間の温度を
求めるようにしたため、次のような効果を奏する。
【００４０】(1) 超音波を利用した温度検出において、
高温物体の温度分布を容易にかつ精度良く測定すること
ができる。
高温物体の温度分布を容易にかつ精度良く測定すること
ができる。
【００４１】(2) 膨張後の小区間の距離を使用して計算
するため、精度の高い温度検出を行うことができると共
に、単純な収束計算により正確な温度を簡単に求めるこ
とができる。
するため、精度の高い温度検出を行うことができると共
に、単純な収束計算により正確な温度を簡単に求めるこ
とができる。
【００４２】(3) センサー自体も長尺のセンサー本体と
超音波振動子からなる簡単な構成とすることができる。
超音波振動子からなる簡単な構成とすることができる。
【図１】この発明の温度分布測定方法に使用する超音波
センサーの一例を示す概略図であり、（ａ）は片面送受
信型，（ｂ）は両面送受信型を示す。
センサーの一例を示す概略図であり、（ａ）は片面送受
信型，（ｂ）は両面送受信型を示す。
【図２】（ａ）は、この発明の超音波センサーの超音波
振動子部分の構造を示す断面図、（ｂ）はセンサーの配
設例を示す概略断面図である。
振動子部分の構造を示す断面図、（ｂ）はセンサーの配
設例を示す概略断面図である。
【図３】この発明の超音波センサーの超音波反射点など
の種々異なる例を示す概略側面図である。
の種々異なる例を示す概略側面図である。
【図４】各種材料中における音速の温度依存性を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図５】この発明に用いる温度推定方法を説明するため
のグラフである。
のグラフである。
【図６】従来の超音波を利用した温度測定方法を示す概
略断面図である。
略断面図である。
１…高温検出用の超音波センサー ２…センサー本体 ３…超音波振動子 ４…超音波反射点 ５…超音波送受信器 ６…演算器 ７…切替器 ８，９…温度検出小区間 １０…リード線 １１…緩衝材 １２…接着材 １３…絶縁材 １４…水冷ボックス １５…Ｏリング １６…ねじ部材
Claims (2)
- 【請求項１】 温度に対する音速の関係および温度に対
する熱膨張係数の関係を予め測定しておいた材料からな
るセンサー本体に、センサー本体長手方向に複数の超音
波反射点を配設することにより超音波反射点で区画され
た距離ｌの温度検出小区間を複数形成し、このセンサー
本体に端部から超音波を入射し、超音波反射点からの反
射波により前記温度検出小区間を通過する通過時間Δｔ
を測定し、温度−熱膨張のデータと温度−音速のデータ
とを用いて温度Ｔにおける距離ｌと前記Δｔから音速Ｖ
を求めるとともに、この音速Ｖから前記温度検出小区間
の温度Ｔを求め、これを繰り返して熱膨張後の温度検出
小区間の温度Ｔt を得ることを特徴とする高温物体の温
度分布測定方法。 - 【請求項２】 温度に対する音速の関係および温度に対
する熱膨張係数の関係を予め測定しておいた材料からな
る長尺のセンサー本体と、このセンサー本体の少なくと
も一端部に設けた超音波振動子と、前記センサー本体の
中間部に形成されセンサー本体長手方向に複数の超音波
反射点を備えていることを特徴とする高温測定用の超音
波センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11094794A JPH07318436A (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11094794A JPH07318436A (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07318436A true JPH07318436A (ja) | 1995-12-08 |
Family
ID=14548587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11094794A Pending JPH07318436A (ja) | 1994-05-25 | 1994-05-25 | 高温物体の温度分布測定方法およびその超音波センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07318436A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1090082A (ja) * | 1996-09-20 | 1998-04-10 | Toshiba Corp | 温度計測装置 |
| JP2011141280A (ja) * | 2010-01-11 | 2011-07-21 | General Electric Co <Ge> | ねじれセンサ、その方法及び流体のパラメータを測定するシステム |
| JP2012181164A (ja) * | 2011-03-03 | 2012-09-20 | Kobe Steel Ltd | 耐火物残厚評価方法 |
| JP2019015571A (ja) * | 2017-07-05 | 2019-01-31 | 株式会社ディスコ | 計測器及び加工装置 |
-
1994
- 1994-05-25 JP JP11094794A patent/JPH07318436A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1090082A (ja) * | 1996-09-20 | 1998-04-10 | Toshiba Corp | 温度計測装置 |
| JP2011141280A (ja) * | 2010-01-11 | 2011-07-21 | General Electric Co <Ge> | ねじれセンサ、その方法及び流体のパラメータを測定するシステム |
| JP2012181164A (ja) * | 2011-03-03 | 2012-09-20 | Kobe Steel Ltd | 耐火物残厚評価方法 |
| JP2019015571A (ja) * | 2017-07-05 | 2019-01-31 | 株式会社ディスコ | 計測器及び加工装置 |
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