JPH06221927A - 光ファイバ温度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】温度センサとして使用する光ファイバの高温に
対する耐久性を向上させる。 【構成】温度検出端と導波路として利用する光ファイバ
５として難燃性を有するポリイミド樹脂を被覆した石英
光ファイバを使用する。石英光ファイバを被覆したポリ
イミド樹脂は高温に保持していると昇華するから、光フ
ァイバに応力が加えられず、マイクロベンディングによ
る光の透過率が低下することを防ぐ。この光ファイバを
耐酸化性の耐熱合金で被覆し、高温に対する耐久性を高
め、長時間高温に保持したときに金属管６の表面が荒れ
ることを防ぐ。また、高温に保持したときに金属管表面
が荒れないから、光ファイバと金属管の癒着や固着が生
ぜず、光ファイバ５と金属管６の熱膨張率の差による光
ファイバの断線を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光ファイバ温度計、特
に高温における耐久性の向上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバは小型で熱容量が小さいとと
もに温度絶縁性が良いため、光ファイバを使用した温度
計が各種の用途に利用されている。従来、光ファイバを
利用した温度計としては、光ファイバを導波路として使
用し、測温部にはレンズ系を使用した放射温度計や、光
ファイバを導波路とともに測温部として使用した放射温
度計や、光ファイバの後方レ−リ散乱,ラ−マン散乱の
散乱計数が温度に依存することを利用して温度分布を測
定するＯＴＤＲ（Optical Time Domain Refrectometry)
手法を用いた分布型の温度計等が使用されている。

【０００３】光ファイバを導波路とともに測温部として
使用した放射温度計には、例えば特開昭62−19727号公
報に開示された温度計のように、光ファイバを連続的に
供給しながら、その先端部を測定部、例えば金属の溶湯
に直接挿入し、光ファイバを通過した赤外線のエネルギ
を検出して温度を測定する方法と、光ファイバの先端部
を金属管で塞ぎ、測定部に挿入した金属管内面から発す
る光を光ファイバに入射し、その光の強度から温度を測
定する方法とが使用されている。

【０００４】このような温度計には通常のビニ−ル被覆
光ファイバや、通信用の石英で形成されたＧＩファイバ
（コア径50μｍ，クラッド径125μｍ）にシリコン樹脂
を被覆した光ファイバをそのまま、あるいはＳＵＳ３０
４，ＳＵＳ３０６などの鉄系のステンレス管で被覆した
金属管被覆光ファイバ等が使用している。また、分布型
の温度計としては一般の通信用の光ファイバや、高温用
としてカ−ボン被覆光ファイバをステンレス管で被覆し
た金属管被覆光ファイバ等が使用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように導波路と
して光ファイバを使用し、測温部にレンズ系を使用した
放射温度計においては、レンズ系を200℃程度以下の温
度に保ちながら温度測定をする必要があり、溶鋼などの
溶融金属の温度を測定する場合にはレンズ系を冷却装置
で冷却しながら測定する必要があり、装置が複雑になる
とともに設置場所にも大きな制約があるという短所があ
った。

【０００６】これに対して石英で形成された光ファイバ
を測温部とした場合は耐熱限界がレンズ系より高く、か
つ光ファイバの先端が溶損して消耗してもそのまま使用
できるから、例えば特開昭62−19727号公報に開示され
ているように、光ファイバを300mm／時間の速度で徐々
に下降させながら連続的に溶融金属等の測定物内に挿入
して温度を測定することができる。

【０００７】しかしながら通常のビニ−ル被覆光ファイ
バを高温になっている測定物の表面に近付けると被覆が
燃えだし、光ファイバの芯線だけになってしまい強度が
著しく低下し、外力により光ファイバに損傷を与える危
険性がある。

【０００８】通信用のＵＶ被覆光ファイバをステンレス
管で被覆した金属管被覆光ファイバは光ファイバを金属
管で保護しているため、光ファイバ自体に損傷を与えず
に高温の測定物に近づけたり挿入することができ、測定
時間が数秒であれば1600〜1800℃の高温測定を行なうこ
とができる。このＵＶ被覆光ファイバをステンレス管で
被覆した金属管被覆光ファイバの先端部を1200℃の温度
に設定した光ファイバ温度校正炉に挿入してＳｉ素子を
有する放射温度計により炉内温度を測定した結果を図７
に示す。図７のＡに示すように炉内温度が1200℃の一定
であっても指示温度Ｂは測定開始から徐々に低下し、約
120分後からは急激に低下している。この金属管被覆光
ファイバを光ファイバ温度校正炉から取り出してみると
鉄系のステンレスからなる金属管は酸化してから剥離
し、表面がぼろぼろになっていた。

【０００９】これらの原因は次のような理由と考えられ
る。ＵＶ被覆の被覆材は可燃物であり400〜500℃で軟化
し、高温に保つと炭化したり、空気中では簡単に燃えた
りする。また粘着性も持つ。測定開始から約120分の間
に、高温に保ったときの炭化が不均一に発生して光ファ
イバの先端部にマイクロクラックが発生し、光ファイバ
の透過率が徐々に低下して指示温度が徐々に低下する。
また、鉄系のステンレスは1000℃以上出は酸化が激し
く、表面から剥離が生じ機械的強度も著しく低下する。
このため1200℃の温度に長時間保ったために表面が酸化
して剥離しぼろぼろになってしまった。この引き抜いた
金属管被覆光ファイバを先端から15ｃｍの所で切断して
光ファイバを抜こうとしたが、金属管から光ファイバを
抜くことはできなかった。このことは炭化したＵＶ被覆
により光ファイバと金属管とが固着していることを示し
ており、この固着するときのマイクロベンドと、光ファ
イバと金属管の熱膨張率の差が大きいことによる光ファ
イバの断線による測温点である温接点の位置ずれによ
り、測定開始から約120分経過したときに指示温度が急
激に低下したものと考えられる。このようにＵＶ被覆光
ファイバをステンレス管で被覆した金属管被覆光ファイ
バの先端部を1200℃の温度内に挿入して温度を測定する
と測定開始から約60分後には指示温度が10℃程度低下
し、約160分後には50℃程度低下してしまい、高温の測
定物の温度を長時間安定して測定することは実用上困難
であった。

【００１０】また、分布型の温度計の高温用として開発
されたカ−ボン被覆光ファイバ（200/250μｍ）をＳＵ
Ｓ３０４のステンレス管（外径0.9ｍｍ,内径0.7ｍｍ）
で被覆した金属管被覆光ファイバを使用し、その先端部
を1200℃の温度に設定した光ファイバ温度校正炉に挿入
して炉内温度を測定したときの指示温度の変化を図８に
示す。図８のＢに示すように、金属管被覆光ファイバを
光ファイバ温度校正炉に挿入して測定開始した直後の20
分間で指示温度が約100℃低下してしまう。この理由
は、被覆材であるカ−ボンが加熱されると光ファイバの
材料である石英との熱膨張率の差により被覆材にクラッ
クが入り石英と分離する。この状態は顕微鏡で確認でき
る。そして無数に分離した被覆材が石英光ファイバを取
り囲むことになり、光ファイバにマイクロベンディング
が発生し、透過率の低下を生じて指示温度の低下を招い
た考えられる。なお、この場合には、金属管と光ファイ
バの癒着，固着は生じていなかった。このようにカ−ボ
ン被覆光ファイバをステンレス管で被覆した金属管被覆
光ファイバは、例えば1200℃の高温内に挿入すると指示
温度が実際の温度より急激に低下するため、高温の測定
物の温度を長時間安定して測定することはできなかっ
た。

【００１１】この発明はかかる短所を解決するためにな
されたものであり、温度センサとして使用する光ファイ
バの高温に対する耐久性を向上させた光ファイバ温度計
を得ることを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光ファイ
バ温度計は、光ファイバの先端部を温度検出端、中間部
を導波路として用い、多端部を赤外放射温度計に接続し
た光ファイバ温度計において、光ファイバとして耐熱性
を有する樹脂被覆の石英光ファイバを使用し、該光ファ
イバの温度検出端と導波路の一部又は全部を耐熱合金の
金属管で被覆したことを特徴とする。

【００１３】また、光ファイバに光パルスを入射し、光
ファイバの内部及び先端部からの後方散乱光を検出して
光ファイバの長手方向の温度分布を計測する分布型の光
ファイバ温度計において、光ファイバとして耐熱性を有
する樹脂被覆の石英光ファイバを使用し、該光ファイバ
を耐熱合金の金属管で被覆したことを特徴とする。

【００１４】上記光ファイバがポリイミド樹脂を被覆し
た石英光ファイバであることが好ましい。

【００１５】

【作用】この発明においては、温度検出端と導波路とし
て利用する光ファイバとして難燃性を有するポリイミド
樹脂を被覆した石英光ファイバを使用する。この石英光
ファイバを被覆したポリイミド樹脂は500℃以上の高温
になると炭化し、さらに高温に保持していると炭化した
ポリイミド樹脂が昇華して光ファイバの表面には何も残
らなくなる。このため高温の中で長時間保持しても光フ
ァイバには応力が加えられず、マイクロベンディングが
生ぜず、光の透過率が低下することを防ぐ。

【００１６】この光ファイバを耐酸化性の耐熱合金で被
覆し、高温に対する耐久性を高め、高温に保持したとき
に金属管表面が荒れることを防ぐ。

【００１７】また、耐熱合金の金属管は高温において大
きな機械的強度と耐熱疲れ特性を持つから、光ファイバ
のポリイミド被覆が昇華して被覆材が無くなっても、光
ファイバを外力に対して保護することができ、光ファイ
バに局部的な応力集中が起きることを防ぐ。

【００１８】さらに、高温中でも金属管の表面が荒れ
ず、かつ光ファイバを被覆したポリイミド樹脂が昇華し
て石英を露出するから、光ファイバと金属管の癒着や固
着が生じることを防ぎ、光ファイバと金属管の熱膨張率
の差による光ファイバの断線を防止する。

【００１９】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す構成図であ
る。図に示すように、例えば溶融金属等の高温測定物の
温度を計測する温度計は金属被覆光ファイバ１と、金属
被覆光ファイバ１に光ファイバコネクタ２で接続された
放射温度計３と、放射温度計３に接続された記録計４と
を有する。金属被覆光ファイバ１は温度検出部として使
用するとともに光の導波路として使用するものであり、
図２の断面図に示すように、芯線である光ファイバ５の
先端の温度検出部と中間の導波路の一部又は全部が金属
管６で被覆されている。光ファイバ５は図３の断面図に
示すように石英系ガラスのＧＩファイバと、耐熱性を有
する樹脂、例えばポリイミド樹脂からなりＧＩファイバ
の外面を被覆した被覆層８とで形成されている。金属管
６は、例えばＮｉまたはＣｏを主成分とした耐酸化性の
耐熱合金、あるいはＣｒやＮｉを多量に含み、いくらか
のＡｌを添加かしてＦｅ量を約50％以下にした耐酸化性
の耐熱合金からなる。

【００２０】上記のように構成された温度計で、例えば
図４の断面図に示すように1000℃以上の温度になってい
る加熱炉９内の温度を測定するときは、加熱炉９の壁面
に取り付けられた保護管１０内に金属被覆光ファイバ１
の先端部を挿入して固定し、他端部を光ファイバコネク
タ２を介して放射温度計３に接続する。そして光ファイ
バ５の先端部の温度検出部で検出した光を光ファイバ５
自体を介して放射温度計３に伝送する。放射温度計３は
送られた光の放射エネルギを電気信号に変換し温度とし
て表示するとともに、変換した電気信号を記録計４に送
り記録する。

【００２１】このように高温の加熱炉９内の温度を長時
間測定していると光ファイバ５の先端部とその近傍のポ
リイミド樹脂による被覆層８が炭化し、炭化したポリイ
ミド樹脂が昇華して光ファイバ５の表面には何も残らな
くなる。このため高温の中で長時間保持しても光ファイ
バ５には応力が加えられず、マイクロベンディングが生
じないから、光の透過率が低下することを防ぐことがで
きる。

【００２２】一方、光ファイバ５を被覆している金属管
６はＮｉ等を主成分とした耐酸化性の耐熱合金で形成さ
れているから、1000℃以上の高温においても大きな機械
的強度と耐熱疲れ特性を持ち、光ファイバ５を保護して
いるから、温度計測部とその近傍における光ファイバ５
のポリイミド被覆層８が昇華して無くなっても、光ファ
イバ５に外力が加えられることを防ぎ、光ファイバ５に
局部的な応力集中が起きることを防ぐ。

【００２３】また、金属管６を形成するＮｉ等を主成分
とした耐酸化性の耐熱合金は、1000〜1800℃の高温酸化
性雰囲気内で表面に緻密な酸化皮膜を形成し、かつこの
酸化皮膜の耐熱合金に対する密着性が良好であるから、
高温中でも金属管６の表面は荒れずに良好な面を維持す
ることができる。この表面が荒らされない金属管６の内
面に光ファイバ５の石英が露出しているから、光ファイ
バ５と金属管６の癒着や固着が生じることを防ぐことが
でき、光ファイバ５と金属管６の熱膨張率の差による光
ファイバ５の断線を防止することができる。したがって
常に一定の位置で温度を測定することができ、高温の加
熱炉９内の温度を安定して測定することができる。

【００２４】次ぎに実際に高温の温度を長時間測定した
結果と金属管被覆光ファイバ１の先端部の状況を具体例
により説明する。

【００２５】光ファイバ５としてコア径が50μｍ、クラ
ッド径が125μｍの石英ＧＩファイバを使用し、被覆外
径が150μｍになるようにポリイミド樹脂を被覆して被
覆層８を形成した。この光ファイバ５をＮｉ58％，Ｃｒ
13％，Ｍｏ13％，Ｗ3％，Ｆｅ4％のＮｉ合金からなり、
内径1.4ｍｍ、外径1.8ｍｍの金属管６で被覆して金属管
被覆光ファイバ１とした。

【００２６】この金属管被覆光ファイバ１の先端部を光
ファイバ温度校正炉の壁面に取り付けた保護管内に挿入
し、光ファイバ温度校正炉内の温度を熱電対で測定して
1200℃に保ちながら放射温度計３の指示温度の変化を調
べた結果を図５に示す。図５に示すように、金属管被覆
光ファイバ１の先端部を５時間連続して1200℃の高温に
保っても、熱電対１３で測定した温度Ａに対して放射温
度計３の指示温度の変化は４℃程度であり、図７に示す
従来のＵＶ被覆光ファイバをステンレス管で被覆した金
属管被覆光ファイバで測定したときの指示温度の変化
や、図８に示すカ−ボン被覆光ファイバをステンレス管
で被覆した金属管被覆光ファイバで測定したときの指示
温度の変化と比べて指示温度を非常に小さくすることが
できた。また、放射温度計３の指示温度の変化は熱電対
１３で測定した温度に対して0.3％程度であり、高温の
温度を長時間安定して測定できることが確認できた。

【００２７】次ぎに上記具体例の金属管被覆光ファイバ
１と、従来のＵＶ被覆光ファイバをステンレス管で被覆
した金属管被覆光ファイバをそれぞれ７本づつ1000℃に
保った加熱炉に挿入し、１時間毎に１本づつ抜き出し
て、先端部を切取り測温部の状況を調べた結果を図６に
示す。この場合、加熱部の長さを10ｃｍとし、光ファイ
バと金属管の固着状態の有無と光ファイバの被覆層の剥
離と炭化状態を調べて評価を行なった。なお、図６にお
いて評価の丸印は良好の場合、三角印はやや良の場合、
ばつ印は不良の場合を示す。

【００２８】図６に示すように、この実施例の金属管被
覆光ファイバ１は加熱後、光ファイバ５と金属管６との
固着が無く、加熱時間１時間から加熱時間７時間の全て
の場合に光ファイバ５を金属管６から引き抜くことがで
きた。また、光ファイバ５の被覆層８には炭化物が残っ
ておらず、昇華して無くなっており、光ファイバ５の石
英ガラス表面には損傷は見られず正常であり、７時間加
熱しても正常に温度を測定することができた。

【００２９】これに対して従来のＵＶ被覆光ファイバを
ステンレス管で被覆した金属管被覆光ファイバの場合に
は加熱時間が２時間までのサンプルは光ファイバを金属
管から抜き出すことができ、光ファイバと金属管との間
に固着は生じていなかったが、３時間経過した後のサン
プルは光ファイバを金属管から抜き出すことはできず、
光ファイバと金属管との間に局部的な固着が生じ、特に
５時間以降のサンプルは加熱部のほとんど全体が固着し
ていた。また、加熱時間１時間から４時間のサンプルの
光ファイバの被覆層は全て炭化が不均一に発生してお
り、1000℃の温度では２時間程度使用することが限度で
あった。

【００３０】なお、上記実施例は金属管被覆光ファイバ
１を保護管内に挿入して温度を測定した場合について説
明したが、金属管被覆光ファイバ１の先端部を溶融金属
内に浸漬して温度を測定する浸漬形光ファイバ温度計に
使用する場合であっても、溶融金属の温度に相当する高
い温度で正確に校正して使用することができるから、測
定精度を向上させることができる。

【００３１】また、上記実施例は金属管被覆光ファイバ
１を放射温度計に使用した場合について説明したが、Ｏ
ＴＤＲ手法による分布型の温度計に上記実施例の金属管
被覆光ファイバ１を使用することにより高温環境におけ
る温度分布を精度良く測定することができる。

【００３２】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、温度検
出端と導波路として利用する光ファイバとして難燃性を
有し、高温の雰囲気中に保持したときに昇華するポリイ
ミド樹脂を被覆した石英光ファイバを使用するから、光
ファイバを高温の中で長時間保持しても被覆材が光ファ
イバに応力を加えることを防ぐことができ、マイクロベ
ンディングによる光の透過率の低下を防止することがで
き、正確に温度を検出することができる。

【００３３】この光ファイバを耐酸化性の耐熱合金で被
覆し、高温に対する耐久性を高め、長時間高温に保持し
たときに金属管表面が荒れることを防ぐことができる。

【００３４】また、耐熱合金の金属管は高温において大
きな機械的強度と耐熱疲れ特性を持つから、光ファイバ
のポリイミド被覆が昇華して被覆材が無くなっても、光
ファイバを外力に対して保護することができ、光ファイ
バに局部的な応力集中が起きることを防ぐことができる
から、安定して温度を計測することができる。

【００３５】さらに、高温中でも金属管の表面が荒れ
ず、かつ光ファイバを被覆したポリイミド樹脂が昇華し
て石英を露出するから、光ファイバと金属管の癒着や固
着が生じなく、光ファイバと金属管の熱膨張率の差によ
る光ファイバの断線を防止するから、長時間高温の温度
を測定していても、常に一定の位置で温度を測定するこ
とができ、高温の温度を正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す構成図である。

【図２】金属被覆光ファイバの断面図である。

【図３】光ファイバの断面図である。

【図４】上記実施例で加熱炉の温度を測定するときの配
置図である。

【図５】上記実施例における指示温度の変化特性図であ
る。

【図６】上記具体例と従来例の加熱後の測温部の状況の
比較図である。

【図７】従来例における指示温度の変化特性図である。

【図８】他の従来例における指示温度の変化特性図であ
る。

【符号の説明】

１ 金属被覆光ファイバ ３ 放射温度計 ５ 光ファイバ ６ 金属管 ８ 被覆層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバの先端部を温度検出端、中間
   部を導波路として用い、多端部を赤外放射温度計に接続
   した光ファイバ温度計において、光ファイバとして耐熱
   性を有する樹脂被覆の石英光ファイバを使用し、該光フ
   ァイバの温度検出端と導波路の一部又は全部を耐熱合金
   の金属管で被覆したことを特徴とする光ファイバ温度
   計。
2. 【請求項２】 光ファイバに光パルスを入射し、光ファ
   イバの内部及び先端部からの後方散乱光を検出して光フ
   ァイバの長手方向の温度分布を計測する分布型の光ファ
   イバ温度計において、光ファイバとして耐熱性を有する
   樹脂被覆の石英光ファイバを使用し、該光ファイバを耐
   熱合金の金属管で被覆したことを特徴とする光ファイバ
   温度計。
3. 【請求項３】 光ファイバがポリイミド樹脂を被覆した
   石英光ファイバである請求項１又は２記載の光ファイバ
   温度計。