JPH0658816A - 消耗形光ファイバ温度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】溶融金属内に安定して挿入するとともに光ファ
イバの消耗量を低減し、高精度に温度を測定する。 【構成】保護管１２と断熱材１３で被覆した２重被覆光
ファイバ１の先端部を測温部とする。２重被覆光ファイ
バ１の先端部を溶融金属内に挿入するとき及び測定時に
光ファイバ１１を保護管１２と断熱材１３で保護し、光
ファイバ１１の消耗量を少なくする。また、繰返し測定
したときに、光ファイバ１１の終端で得た光エネルギを
光ファイバの初期長と単位長さ当りの損失及び測定毎の
光ファイバの送り量の変化とから補正して伝送損失の変
化を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば溶鋼等の高温
の液体金属の温度を計測する消耗形光ファイバ温度測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば連続鋳造プロセスにおいては、品
質の向上や生産の歩留まり向上のために、鋳造時の溶鋼
の温度や溶鋼のレベルを正確に知る必要がある。従来、
タンディッシュやモ−ルド内の溶鋼の温度計測する方法
として、カ−ボンスリ−ブの内部に溶鋼が流入する凝固
室を設け、この凝固室に熱電対を取り付けた消耗型の浸
漬熱電対や、セラミックの保護管で覆った熱電対を使用
した接触式温度計が利用されている。

【０００３】上記消耗型の浸漬熱電対は熱電対が直接溶
鋼に触れるため１回の測定で劣化してしまう。このため
先端の測温プロ−ブが着脱自在になっており、この測温
プロ−ブを１回の測定毎に交換している。このように高
価な測温プロ−ブを１回の測定毎に使い捨てにしている
ため、測定回数を増やすことは困難であった。

【０００４】また、熱電対をセラミックの保護管で覆っ
た場合には、熱電対が直接溶鋼に触れないため、測定を
連続的に行なうことができる。しかしながら、この場合
にもヒ−トショックやスラグによる溶損等によりセラミ
ックの保護管の耐久性に限度があり、高価な保護管が50
時間から100時間程度しか持たず、長時間繰り返して使
用することはできなかった。

【０００５】このような問題を解消するために、光ファ
イバの先端を連続的に溶融金属中に挿入し、光ファイバ
を通過した赤外線を赤外線センサで検出する溶融金属の
浸漬温度計が、例えば特開昭62−19727号に開示されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記溶融金属の浸漬温
度計では光ファイバを、例えば300mm／時間の速度で徐
々に下降させながら連続的に溶鋼に挿入しているが、溶
鋼面の近くは高温になっており、通常のビニ−ル被覆光
ファイバを溶鋼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する。
一方、溶鋼の表面上にはスラグやパウダの層がある。こ
の層を強度が低下している光ファイバで付き破って挿入
しようすると、光ファイバが簡単に折れてしまい、溶鋼
内に光ファイバを浸漬することは困難である。

【０００７】また、光ファイバの始端から終端に送った
光のエネルギを一般の単色放射温度計で測定する場合、
光ファイバの長さが短くなると、光ファイバの伝送損失
が小さくなり、温度計の指示温度が初期値より上昇し誤
差を生じる。例えばＳｉ光検波器を使用し通信用の石英
で形成されたＧＩファイバ（50／125μm)を用いて1500
℃の温度を測定した場合、光ファイバの長さが100ｍ異
なると誤差は10〜15℃になってしまう。このため光ファ
イバの熱による消耗量だけ徐々に送りながら溶鋼の温度
を測定していると、温度誤差が次第に大きくなり、所定
の温度精度を得ることは困難である。

【０００８】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、溶融金属内に安定して挿入すること
ができるとともに、光ファイバの消耗による温度誤差の
発生を防止して高精度に測定することができる消耗形光
ファイバ温度測定装置を得ることを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る消耗形光
ファイバ温度測定装置は、光ファイバを被覆した保護管
の外表面を断熱材で被覆した２重被覆光ファイバの先端
部を測温部とし、光ファイバは測定する溶融金属の温度
より高い温度の溶損温度を有し、保護管と断熱材は測定
する溶融金属の温度より低い温度の耐熱温度を有するこ
とを特徴とする。

【００１０】上記保護管は断熱材より耐熱温度が高い金
属管であることが好ましい。

【００１１】また、上記２重被覆光ファイバを溶融金属
の表面に断続的に送り出すとともに巻戻す光ファイバ搬
送手段と、光ファイバの終端で得た光エネルギをあらか
じめ定められた光ファイバの初期長と単位長さ当りの損
失及び上記光ファイバ搬送手段で検出した測定毎の光フ
ァイバの送り量の変化とから補正する補正手段とを有す
ることを特徴とする。

【００１２】

【作用】この発明においては、保護管と断熱材で被覆し
た２重被覆光ファイバの先端部を測温部として溶融金属
内に挿入する。この溶融金属内に２重被覆光ファイバの
先端部を挿入するときに、光ファイバを保護管で被覆し
ているから、光ファイバ自体に損傷を与えずに挿入する
ことができる。

【００１３】また、光ファイバは測定する溶融金属の温
度より高い温度の溶損温度を有し、保護管と断熱材は測
定する溶融金属の温度より低い温度の耐熱温度を有する
から、２重被覆光ファイバを溶融金属に挿入したとき、
２重被覆光ファイバの先端部は、まず外側の断熱材が焼
損して保護管を露出させ、次ぎに保護管が焼損して光フ
ァイバを露出する。この露出した光ファイバから入射し
た光のエネルギから溶融金属の温度を検出する。

【００１４】保護管を断熱材より耐熱温度が高い金属管
で形成して、先端部の断熱材が焼損してから保護管が溶
けるまでに遅延時間を与え、光ファイバの先端部を保護
するとともに光ファイバの先端部全体を均一な温度にす
る。

【００１５】このように２重被覆光ファイバを溶融金属
内に挿入すると光ファイバの先端部が溶損し消耗する。
このため２重被覆光ファイバを連続して溶融金属内に挿
入すると、光ファイバの消耗量が多くなる。そこで２重
被覆光ファイバを光ファイバ搬送手段で送出しと巻戻し
を行ないながら断続的に溶融金属内に挿入する。

【００１６】この２重被覆光ファイバの先端部が順次消
耗すると、光ファイバの全長が短くなり、光ファイバの
伝送損失が小さくなり、光ファイバの終端部から出る光
のエネルギが大きくなり測定値が上昇して誤差を生じ
る。そこで光ファイバの終端で得た光エネルギを補正手
段であらかじめ定められた光ファイバの初期長と単位長
さ当りの損失及び光ファイバ搬送手段で検出した測定毎
の光ファイバの送り量の変化とから補正して伝送損失の
変化を除去する。

【００１７】

【実施例】図１はこの発明に一実施例を示す構成図であ
る。図に示すように、例えば溶鋼の温度を計測する温度
測定装置は、供給ドラム２に巻回された２重被覆光ファ
イバ１と光ファイバ搬送手段３と送り制御手段４及び信
号処理部５とを有する。

【００１８】２重被覆光ファイバ１は光の伝送路である
とともに測温部として使用するものであり、芯線の光フ
ァイバ１１は石英系ガラスのＧＩファイバからなり、図
２に示すように、ＵＶ架橋プラスチックをコ−ティング
した光ファイバ１１の外面をステンレス管からなる保護
管１２で被覆し、保護管１２の外面を例えばポリエチレ
ン等の合成樹脂又はガラス繊維等からなる断熱材１３で
被覆して形成されている。

【００１９】光ファイバ搬送手段３は供給ドラム２に巻
回された２重被覆光ファイバ１を一定速度で連続的又は
間欠的に送り出しながら２重被覆光ファイバ１の先端部
をパウダ６の上部から溶鋼７内に挿入し、一定時間経過
したときに２重被覆光ファイバ１を巻戻して先端部を溶
鋼７から引出す。送り制御手段４は光ファイバ搬送手段
３の送り量を制御しながら断続的に駆動する。

【００２０】信号処理部５は光検波器５１と補正手段５
２，記憶手段５３，ピ−クホ−ルド回路５４，記録手段
５５及び表示手段５６を有する。光検波器５１は入射し
た光のパワ−に比例した電気信号を出力するものであ
り、入力部は２重被覆光ファイバ１の終端部に接続され
ている。記憶手段５３には２重被覆光ファイバ１の初期
長Ｌ₀と単位長さ当りの損失αが格納されている。補正
手段５２は光検波器５１から測定毎に送られる電気信号
の光ファイバ１１の伝送損失の変化による影響を記憶手
段５３に格納された２重被覆光ファイバ１の初期長Ｌ₀
と単位長さ当りの損失α及び送り制御手段４から送られ
る測定毎の２重被覆光ファイバ１の送り量の変化ΔＬ
ｎ、すなわち２重被覆光ファイバ１の先端部の消耗量と
を使用して補正する。ピ−クホ−ルド回路５４は補正手
段５２から送られる信号のピ−ク値を検出し一定時間保
持する。

【００２１】上記のように構成された温度測定装置で溶
鋼７の温度を計測するにあたっては、あらかじめ供給ド
ラム２に巻回した２重被覆光ファイバ１の初期長Ｌ₀と
単位長さ当りの損失αを測定して記憶手段５３に記憶さ
せておく。その後、２重被覆光ファイバ１を光ファイバ
搬送手段３で送り出しながら２重被覆光ファイバ１の先
端部をパウダ６の上部から溶鋼７中に挿入する。通常の
光ファイバを溶鋼７中に挿入しようとすると、先端部を
溶鋼７に近づけただけで光ファイバの被覆層が燃え出
し、光ファイバ自体がパウダ６を通るときに折れてしま
うが、２重被覆光ファイバ１は光ファイバ１１をステン
レス管からなる保護管１２と断熱材１３で被覆している
から、２重被覆光ファイバ１の先端部がパウダ６を通る
ときに断熱材１３が熱分解するための気化熱を必要と
し、断熱材１３がなくなるまでに一定の時間がかかり、
保護管１２に損傷を与えずに溶鋼７中に安定して挿入す
ることができる。

【００２２】このようにして２重被覆光ファイバ１の先
端部を例えば1500℃以上の温度を有する溶鋼７に挿入す
ると、２重被覆光ファイバ１の先端部の温度は急激に上
昇し、先端部の断熱材１３の強度が急激に低下して焼損
し始め、保護管１２を先端から徐々に露出させる。保護
管１２は融点が1400〜1430℃程度のステンレス管で形成
されているから、1500℃以上の温度を有する溶鋼７中に
露出すると溶け始めて、図３の断面図に示すように、光
ファイバ１１を先端から徐々に露出する。

【００２３】露出した光ファイバ１１の先端部からは直
ちに溶鋼７の温度に依存した光を入射しする。この光は
２重被覆光ファイバ１を通って信号処理部５に送られ、
電気信号に変換されて温度に換算される。

【００２４】このように２重被覆光ファイバ１の先端部
を溶鋼７に挿入したときに、断熱材１３と保護管１２が
それぞれ溶ける間のタイムラグをおいてから光ファイバ
１１を先端から露出するから、光ファイバ１１の先端を
溶鋼７の一定深さの位置に保持することができる。ま
た、光ファイバ１１は溶鋼７の温度より高い温度1600℃
程度の軟化点を有する石英系ガラスで形成されているか
ら、露出しても一定時間溶融せずにその形状を保持す
る。したがって溶鋼７の内部温度を迅速かつ正確に得る
ことができる。

【００２５】露出した光ファイバ１１の先端部を溶鋼７
中に長時間挿入しておくと、光ファイバ１１の被覆層が
高温によりガス化し、光ファイバ１１を先端から徐々に
溶かして消耗する。そこで溶鋼７の温度を計測した後、
直ちに光ファイバ搬送手段３を逆転して２重被覆光ファ
イバ１の先端部を溶鋼７中から引き上げ、光ファイバ１
１の消耗量を低減する。この引き上げた２重被覆光ファ
イバ１の先端部は、図４に示すように、断熱材１３は先
端から焼損してほぼ均一に外径が増加し、保護管１２は
先端部が溶融して光ファイバ１１の先端を覆っている。
このように２重被覆光ファイバ１の先端部に保護管１２
と断熱材１３が残存し、かつ保護管１２で光ファイバ１
１の先端を覆っているから、次ぎの測定のときにパウダ
６を突き破り易く、溶鋼７に安定して挿入することがで
きる。また、保護管１２の光ファイバ１１の先端を覆っ
た部分は溶鋼７に挿入したときに直ちに溶け始めて光フ
ァイバ１１を露出させ測温状態にする。したがって２重
被覆光ファイバ１の先端部を測定の都度加工することな
しに繰返して使用して溶鋼の温度を計測することができ
る。

【００２６】次ぎに実際に溶鋼７の温度を計測したとき
の２重被覆光ファイバ１の先端部の状態を具体例により
説明する。

【００２７】２重被覆光ファイバ１は、石英系ガラスの
ＧＩファイバからなり、ＵＶ架橋プラスチックをコ−テ
ィングした50／125／250の光ファイバ１１の外面をステ
ンレス管からなる保護管１２で被覆して外径が1.2ｍｍ
の金属管被覆光ファイバとし、この表面にポリエチレン
樹脂からなる断熱材１３を被覆しコ-ティング又はガラ
ス繊維等からなる断熱材１３で被覆して外径が４ｍｍの
ものを使用した。

【００２８】この２重被覆光ファイバ１の先端部を溶鋼
７中に約200ｍｍ挿入して２秒間保持することを断続的
に繰返して温度を測定した。この各測定毎に２重被覆光
ファイバ１の先端部の形状を調べた結果、溶鋼７中に約
200ｍｍ挿入した先端部は溶鋼７から引き上げたとき
に、図４に示すように、円錐状をした先端部１ａが100
ｍｍ程度残存し、２秒間の測定で２重被覆光ファイバ１
の先端部は100mm程度溶損するが、先端が溶鋼７中に保
持され、溶鋼７表面のパウダ７の温度ではなく内部温度
を測定していることが確認された。

【００２９】測定した温度は、図５に示すように１回目
の測定とｎ回目の測定でピ−ク値は１℃程度の差であ
り、複数回の測定値は連続測温計で測定した溶鋼７の実
際の温度に±１℃程度で追従していた。なお、図５にお
いて測定値がピ−ク値から急激に下がるが、これは露出
した光ファイバ１１の先端が溶損して新しい部分が露出
するときの温度変化を示すものと考えられる。

【００３０】また、２重被覆光ファイバ１の先端部を溶
鋼７中に約200ｍｍ挿入して１秒間保持することを断続
的に繰返して温度を測定した結果を図６に示す。２重被
覆光ファイバ１の先端部を溶鋼７中に１秒間浸漬するこ
とを繰返した場合、連続測温計で測定した溶鋼７の実際
の温度変化に対して正確に追従しており、かつ１回の測
定で消耗する２重被覆光ファイバ１の先端部の長さは10
〜20mm程度であった。したがって短時間で正確に温度を
測定することができるとともに、２重被覆光ファイバ１
の溶損量を非常に小さくすることができた。

【００３１】上記のように２重被覆光ファイバ１を繰り
返して溶鋼７に挿入して温度を測定していると、測定し
ているたびに２重被覆光ファイバ１の先端部が溶損して
２重被覆光ファイバ１の全長が短くなる。このように２
重被覆光ファイバ１の全長が短くなると光ファイバ１１
の伝送損失が小さくなり、光ファイバ１１の終端部から
出る光のエネルギが大きくなり測定値に誤差がでる。そ
こで光ファイバ１１の終端からの光エネルギ信号処理部
５の光検波器５１に送り、光検波器５１で入射した光エ
ネルギをそのパワ−に比例した電流信号Ｉｎに変換し補
正手段５２に送る。補正手段５２は送られた電流信号Ｉ
ｎを、記憶手段５３に記憶している光ファイバ１１の初
期長Ｌ₀と単位長さ当りの損失α及び送り制御手段４か
ら送られる測定毎の光ファイバの送り量の変化ΔＬｎと
から補正して伝送損失の変化を除去した補正値Ｉncをピ
−クホ−ルド回路５４に送る。ピ−クホ−ルド回路５４
は送られた補正値Ｉncのピ−ク値をあらかじめ定められ
た一定時間保持し、表示手段５６に送り温度表示すると
ともに記録手段５５に記録する。

【００３２】このように補正手段５２で光ファイバ１１
の伝送損失の変化を補正するようにしたから、２重被覆
光ファイバ１の先端部が消耗しても測定温度に誤差が生
じることを防ぐことができ、長時間にわたり安定して溶
鋼７の温度を測定することができる。また、補正した測
定値Ｉncのピ−ク値を、図７に示すように、一定時間例
えば１秒程度保持することにより、測定温度を表示手段
５６や記録手段５５に確実に表示して記録することがで
きる。さらに、測定値Ｉncのピ−ク値を検出して保持す
ることにより、２重被覆光ファイバ１の先端部を溶鋼７
に浸漬している時間を短縮することができ、２重被覆光
ファイバ１の消耗量を低減することができ、１本の２重
被覆光ファイバ１を使用して長時間の測定を行なうこと
ができる。

【００３３】なお、上記実施例は1500℃以上と高温の溶
鋼７の温度を測定するために、石英系ガラスを使用した
光ファイバ１１と、ステンレス管の保護管１２を使用し
た場合について説明したが、軟化点が1000℃程度の多成
分ガラスの光ファイバ１１をカ−ボン等の保護管１２で
被覆し、その外面に合成樹脂の断熱材１３を被覆するこ
とにより1000℃程度の温度も測定することができる。

【００３４】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、光ファ
イバの先端部を測温部として溶融金属内に挿入するとき
に、光ファイバを保護管で被覆しているから、光ファイ
バ自体に損傷を与えずに安定して挿入することができ
る。

【００３５】また、光ファイバは測定する溶融金属の温
度より高い温度の溶損温度を有し、保護管と断熱材は測
定する溶融金属の温度より低い温度の耐熱温度を有し、
２重被覆光ファイバを溶融金属に挿入したときから、光
ファイバの先端部が露出するまでにタイムラグを有する
から、光ファイバの先端部を溶融金属内に一定時間確実
に保持することができ、溶融金属の内部温度を迅速かつ
正確に得ることができる。

【００３６】また、保護管を断熱材より耐熱温度が高い
金属管で形成することにより、先端部の断熱材が焼損し
てから保護管が焼損するまでに遅延時間を与え、光ファ
イバの先端部を保護するとともに光ファイバの先端部全
体を均一な温度にすることができる。

【００３７】また、２重被覆光ファイバを溶融金属内に
挿入したときに、光ファイバを保護管と断熱材で保護し
ているから、先端部の溶損量が少なく、２重被覆光ファ
イバを溶融金属内に断続的に挿入してても、２重被覆光
ファイバの先端部の消耗量を低減することができ、１本
の２重被覆光ファイバを使用して長時間の測定を行なう
ことができる。

【００３８】さらに、２重被覆光ファイバの先端部の消
耗量による伝送損失の変化を補正することにより、２重
被覆光ファイバの先端部が消耗しても測定温度に誤差が
生じることを防ぐことができ、長時間にわたり安定して
溶融金属の温度を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】２重被覆光ファイバを示す断面図である。

【図３】測定状態の２重被覆光ファイバを示す断面図で
ある。

【図４】２重被覆光ファイバの焼損状態を示す断面図で
ある。

【図５】測定した温度を示す波形図である。

【図６】測定した温度を示す波形図である。

【図７】ピ−クホ−ルドをした測定温度を示す波形図で
ある。

【符号の説明】

１ ２重被覆光ファイバ ２ 供給ドラム ３ 光ファイバ搬送手段 ４ 送り制御手段 ５ 信号処理部 １１ 光ファイバ １２ 保護管 １３ 断熱材 ５１ 光検波器 ５２ 補正手段 ５３ 記憶手段 ５４ ピ−クホ−ルド回路 ５５ 記録手段 ５６ 表示手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 中田 正之 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバを被覆した保護管の外表面を
   断熱材で被覆した２重被覆光ファイバの先端部を測温部
   とした消耗形光ファイバ温度測定装置であって、光ファ
   イバは測定する溶融金属の温度より高い温度の溶損温度
   を有し、保護管と断熱材は測定する溶融金属の温度より
   低い温度の耐熱温度を有することを特徴とする消耗形光
   ファイバ温度測定装置。
2. 【請求項２】 保護管が断熱材より耐熱温度が高い金属
   管である請求項１記載の消耗形光ファイバ温度測定装
   置。
3. 【請求項３】 上記２重被覆光ファイバを溶融金属の表
   面に断続的に送り出すとともに巻戻す光ファイバ搬送手
   段と、光ファイバの終端で得た光エネルギをあらかじめ
   定められた光ファイバの初期長と単位長さ当りの損失及
   び上記光ファイバ搬送手段で検出した測定毎の光ファイ
   バの送り量の変化とから補正する補正手段とを有する請
   求項１又は２記載の消耗形光ファイバ温度測定装置。