JPS617452A - セラミツク等の熱間における変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主にセラミック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
等の熱間における変位測定装置に関するものである＠ ファインセラミックス、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、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Ｏ 従来、熱膨張率測定はＪＩ８　ＦＬ　２６１７　　及び
残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、これによシ試料の膨張収縮を検知し１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等によシ読み取るか、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
般的でめった。

（第１３図）尚、第１３図において、５は差動変圧器、
１１は発熱体、１２は熱電対である。

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Ｍｋ示す試料の場合測定圧
による圧縮力にょシ、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〇 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、第
１４図のように加熱炉１中に設置した試料２０両端の変
位を目盛付望遠鏡１０によシ、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、読み取シが困難で経験に頼
る部分が多く・測定誤差の原因になっている。また４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０尚、第
１４図に訃いて、８ｔ；を温度針、９は照明装置、１１
は発熱体、１２は熱電対である。

さらに別の方法としては、目盛入シ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１写真より試料の
変位を読み取る方法があるが、デーメー処理に時間を要
し能率の点で問題がある＠また、セラミック等の圧縮ク
リープ変形ｉけ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邑業者によく知
られているところである〇 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
内に設置り、た受台及び制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、フリーゾ変形量を計算するの
が一般的であった。

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
。

Ｌ７かし、この方法は示差式であるため試料２と変位検
出−ろに温度差を牛じたり高温で変位検出管自体が軟化
変形する場合もめ力、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。

前述の如き従来方式の諸欠点を改養するため本発明者等
は種々研究の結果、高精度でかつ自動測定が可能なセラ
ミック蝉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◇ 本発明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
遠レンズとフィルター及び／又はプリズムを具備する変
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
たことｔ−％黴とするセラミック等の熱間における変位
測定装置にある◎本発明のセラミック等の熱間における
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同体走査受光素子を用いた例
によシ第１図に基＾で詳述する。

試料２の変位は第１図に示すように試料２０両端全試料
２の軸に対して直材方向よシ照明装置９で照明し・試料
２によシ、光がさえぎられた暗部と光が直接届くＢＡｓ
Ｉｌｆ、固体走査受光素子面にレンズによシ拡大投影し
明Ｊ１１Ｌと暗部りの比率より変位を計測するものであ
る。この場合蔦カメラは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０
２台の変位測定カメラ１ｓｔ−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
イジメル温度計１９のディジタル信号出力を一般的手法
によシ作成したプログラムによシ、ハーソナルコンピュ
ーターインター”−ス１７　ｋ介シＹ−ノ々−ンナルコ
ンピューター１８に入カレ、記憶演算を行なわせディジ
タルプロッター２０によシ、温度と熱膨張率の関係を曲
線に書かせるものである。

本発明による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広そのため作動距離（
レンズ先端から被測定物までの距離）２００〜７０（１
ｍ（実用土好ましくは３００〜５００　ｖｍ　）、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ＯまたＦ番号がこれよシ大きいと測
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
が犬きくなυ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Ｏこの目的に使用する望遠レンズ１４としては１
作動距離、明るさのほかに測定分解能１μｍ′Ｉｋ満た
すためにレンズ倍率なＸＩＱ倍程度にする必要がおる。

本発明による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ＸｔＯ倍作動距離２００〜７００■の望
遠レンズ１４を製作し、この問題を解決した・ 一力１加熱炉１内の試料２は、８００ＤＣ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第４　図に示すオシロスコ
ープ２６０波形のごとく明部りと暗部りとの差がつきに
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シ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１ｌ−１３は赤
外域の０．８μ〜ＩＭ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
チ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〜ｌｓｍ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。

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ｉ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
が一ロダ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１光束の径は試料面で１０Ｗ
φ以上で輝度はｌＯ万ｎｔ　以上がよい＠本発明熱膨張
率測定装置による測定ｆｆ１Ｊ　ｋ以下に説明する〇 実施Ｍｌ ケイ石れんが試料で幅２０　ｗ　ｘ高さ１５１１１Ｘ長
さ８０〜８５ｍのものを第１図に示す本発明装置の加熱
炉１内にセットし・作動距離４８０ｆｌ、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１６を使い昇温速度を毎
分４°Ｃとして・常温から１５００’Ｃまでの間を５°
Ｃ毎にデーターを取シ込み、温度と熱膨張率の関係を書
かせた結果を第２図に示す。

また同様のセラミツ、りであってもファインセラミック
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◎ 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〜
５ｓ＋ｓ＋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シ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。

本発明による熱膨張率測定装置をプリズムを用いてファ
インセラミックス小型試料用とした具体例を第３図に基
いて詳述する。

試料２の変位は試料２の両端を軸に対して直角方向よシ
照明装置９で照明し、試料２によシ光がさえぎられた暗
部と光が直接届＜ＢＡｆ！ＸＩｏ偉を照明装置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４によシ拡大投影し、明＠Ｌと暗部りの比率
より１測するものである。

この装置に使用するプリズム２１は先金９０度変更する
もので光透過率が９５チ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の拐質としては、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。

熱膨張率測定にあたり試料２がｇ　Ｏ０００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
第４図オシロスコープ波形に示すように受光素子面に明
部りと暗部りの差がつかなくなる＠この赤外線の影響を
なくする之め赤外線除去フィルター１６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、第５図に示す如く明部り
と暗部り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しで試料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係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
り０ 一方・変位測定カメラ１５の検出部に光電子増倍管全使
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
るためフィルターを使用することが好ましい口照明装置
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。

小型試料の熱膨張率測定例を実施例として説明する。

実施例２ アルミナ含有量９９．５’ｌＡの再結晶アルミナ試料で
幅５ＩＸ高さ５　ｗ　Ｘ長さ４５ｖａｘのものを、第３
図に示す本発明の装置の加熱炉１の中にセットし・作動
距離４６０鵡、Ｆ番号８の望遠レンズ１４と赤外線域の
０．８μｍ〜１０００μｍの波長の光を除去するフィル
７−１３％］体走査受光素子を使用した変位測定カメラ
１５ｔ−使い昇温速度を毎分４″Ｃとして常温から１５
００　’　Ｃまでの間を５°Ｃ毎にデーターを取力込み
温度と熱膨張率の関係を書かせた結果を第６図に示す。

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
ーターを組合せて小型試料で最小読み取シ精度１μｍ　
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。

本発明のセラミック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第７図及び第８図に
基づいて詳述する・ 試料２の変位は、第７及び８図に示すように試料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１耐火円板２２によシ光が
さえぎられた１１９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、明部りと暗部り
の比率より変位を計測するものである◎ 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０この出力とディジクル温度計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シ、−
臂一ンナルコンピューターインターフェース＋７ｔ−介
してパーン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、ディジノルプロッター２０
によシ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。

実際の測定は、測定精度を上げるため下部の耐火円板２
２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１５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１
４、変位測定カメラ１５は第７図の如く水平方向に角度
を変えて配設することもできる〇 一方、加熱炉１内の試料２の上下に置かれた耐火円板２
２は８００°Ｃ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◇ この問題を解決するためフィルター１６は赤外線域の０
．８μ〜１ｗＩＩ＋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
０　　　□ 照明装置９の機構についても前述の通シである。

以上のように本発明装置の構成とすることによυ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。

本発明によるクリープ測定装置による測定例を以下に示
す。

実施例３ 粘土質れんが試料で直径３０ｍｘ高さ３０ｍｍのものを
第７図に示す本発明装置の加熱炉１内にセットし加熱炉
１の温度を毎分４°Ｃの速度で１３００’Ｃに昇温した
のち荷重装置２４によシ、２　ｋｇ　／ｃｒｒＩ２の荷
重を負荷した直後よシ、白熱電球を使用した照明装置９
と作動距離４＆Ｏｍ、Ｆ番号ｇの望遠レンズ１４と赤外
線域の０．８μｍ〜＋ｗ波長の光を除去するガラスフィ
ルター１６を各々２組使い試料の変位をノ々−ンナルコ
ンピュータ−１８により・　１０分間毎に計測演算し、
ブロック−２０で時間と変形量の関係を書かせた０結果
を第９図に示す。

本発明のセラミック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
シ、その具体例を第１０図及び第１１図に基いて詳述す
る・ この具体ｖＡＪ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１試料２のたわみ変位は第１０図及び第
１１図に示すように試料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９２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
シ光がさえ切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２、明部
りと暗部り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）ｏこの場
合各々のカメラコン）ｏ−Ａ／ユニット１６の出力の差
を出して変位に応じたデジタル出力信号で出力する０こ
の出力とデジタル温度計１９のデ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シ、パーンナルコ
ンピューターインターフェース１７１？して／臂−ンナ
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ｔ−書かせるものである。

尚翫この熱間弾性率測定装置においても、望遠レンズ１
４、赤外線除去フィルター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はソ同様で
ある。また、同一符号は同一部材を示す・ 本発明による熱間弾性率測定Ｐｉ′ｌＪを以下に説明す
るＯ 実施例４ アルミナ試験片で幅１０ｍ×厚さ２．５ｗｘ長さ６０Ｉ
Ｉｊｌ＋のものを第１Ｏ図に示す本発明の装置の加熱炉
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９
１００°Ｃ毎に１５００’Ｃまで３点曲げ方式で、試験
片の破壊強度の５０〜７０！ｆｉ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４６。（１１１Ｆ
番号ｇの望遠しンズ１４と赤外域の０．８μ〜１０００
μの波長の光を除去するガラスフィルター１６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
た結果を第１２図に示す〇 計算式 ｔ：支持ロール間距離 （ｗ） Ｗ：試験片の幅（Ｗ） ｔ：試験片の厚さくｓａｗ　） ｙ：荷重点の変位量（ｍ）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明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、第２図は第１図図
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、第３図は第１図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
図鳥第４図は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を示し、第５図はフィルター使用に
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
形を示し、第６図は第３図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、第７図及び第８
図は本発明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、第９
図は第７図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、第１０図及び第１１図は本発明変
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、第１２図はこの弾性
率測定装置による温度と弾性率の関係を示すグラフ、第
１３図及び第１４図は公知の熱膨張率測定装置の概略図
であり、図中の符号は次のとおりである： １：加熱炉・　２：試料、　３二定位検出棒或は管、　
４：試料受台・　５：差動変圧器・　６：変位測定器、
　７：記録計Ｓ　８：温度計翫゛９：照明装置、　　１
０：目盛付望遠鏡、　　１１：発熱体、　　１２：熱電
対、　　１！：フィルター１１４：望遠レンズ、　　１
５：変位測定カメラ、１６：カメラコントロールユニッ
ト、　　１７：／４−ソナルコンピューターインターフ
ェース、１８二ノ臂−ンナルコンピューター、　　１９
：デイジタル温度計、　　２０：ディジタルプロッター
、２１ニブリズム、　２２：耐火円板、　２３：オシ。 スコープ、　　２４：荷重装置、　　２５：プリンタ＼
　２６：荷重棒＼　　２７：支持台Ｎ　　２８：支持ロ
ール。 第８図 第９図 第１０図 第１１園 （Ｘ７０３） 湿度　（’Ｃ：）　（Ｘ１００） 第１３図 第１４図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （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組の望遠レンズとフィルター
   及び／又はプリズムを具備する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たことを特徴とするセ
   ラミック等の熱間における変位測定装置。
2. （２）前記変位測定カメラの検出部に固定走査受光素子
   を用いた特許請求の範囲第１項記載のセラミック等の熱
   間における変位測定装置。
3. （３）前記変位測定カメラの検出部に光電子増倍管を用
   いた特許請求の範囲第１項記載のセラミック等の熱間に
   おける変位測定装置。
4. （４）前記カメラコントロールユニットをコンピュータ
   ー及びデジタルプロッターに接続した特許請求の範囲第
   １項記載のセラミック等の熱間における変位測定装置。
5. （５）前記フィルターが赤外線除去用フィルターである
   特許請求の範囲第１項記載のセラミック等の熱間におけ
   る変位測定装置。
6. （６）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特許請求の範囲第１項記載のセラ
   ミック等の熱間における変位測定装置。
7. （７）前記変位測定カメラのレンズＦ番号が５〜８であ
   る特許請求の範囲第１項記載のセラミック等の熱間にお
   ける変位測定装置。
8. （８）前記望遠レンズの作動距離が２００〜７００ｍｍ
   である特許請求の範囲第１項記載のセラミック等の熱間
   における変位測定装置。