JPH09113369A

JPH09113369A - 温度分布計測装置

Info

Publication number: JPH09113369A
Application number: JP29203095A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Murakawa; 慎一村川; Toru Osaki; 徹大崎; Masao Takahashi; 正雄高橋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1997-05-02
Anticipated expiration: 2015-10-13
Also published as: JP3132994B2

Abstract

(57)【要約】【課題】センサーが作用するまでの温度，作用した後
の温度をも知ることができる経済的な温度分布計測装置
を得る。【解決手段】測定対象物に接して布設された同軸ケー
ブルの一端からパルスを送信し、同軸ケーブルのインピ
ーダンスの変化による該パルスの反射波を検出して測定
対象の温度分布を測定する温度測定装置において、その
同軸ケーブルの芯線と外被導体との間にＳｉＯ₂が充填
された高周波同軸ケーブルを用いることにより、同軸ケ
ーブルの特定測定位置の温度のみならず、不特定位置で
の同軸ケーブルのみによる温度計測を可能とし、施工工
事を低コストで行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度分布の変化を
監視する温度分布計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種のプラントにおいては、それぞれそ
の熱管理のための温度測定個所及び温度監視点の数は膨
大な数に及んでいる。ここで、温度測定手段としては、
従来、熱電対，サーミスタ，温度スイッチ等のセンサー
を測定対象物の測温したい特定の複数個所に設置して測
定及び監視を行っているのが通例である。この場合、セ
ンサー数を多数設置することが必要であり、それに伴っ
て信号線の長さ及び本数も膨大な数になり、ペネトレー
ション数，コスト面から考えても測定点数にはおのずか
ら限界にあるのが現状である。ところで、同軸ケーブル
にパルス信号を入力し、そのインピーダンスの変化点か
ら反射する信号を検出して、同変化点までの距離を知る
手段はＴＤＲ方式（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌ
ｅｃｔｍｅｔｅｒ）と呼ばれ、従来、同軸ケーブル，平
行ケーブルの断線や短絡の検出に古くから用いられてい
るところである。この測定原理は、同軸ケーブル中のパ
ルスの伝播速度をＶ，パルス入射から反射波受信までの
時間をｔとすると、反射点の位置ｌ_dは次式の関係で求
まることに因る。ｌ_d＝（１／２）Ｖ・ｔ

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この種の従来の温度分
布計測装置として、まず、特願平２−５３１０６号によ
り出願及び公知化された発明を第１従来例として説明す
る。０１は図８全体回路図及び図９要部拡大図に示すよ
うに、温度分布計測を行うべき被検体に接してその長手
方向に沿って布設された高周波同軸ケーブル（以下同軸
ケーブルという），０２はその芯線，０３は外被導体
で、例えば導体の編組物からなり芯線０２を絶縁物０４
で囲繞するように構成されている。０５は本従来例の構
成上のポイントとなるフェライトリングで、形状記憶合
金製のＯリング状のものであり、その内径は定常温度
（変態点を越えない温度）で同軸ケーブル０１の外径に
ほぼ等しいか少し大きめの形状で同軸ケーブル０１に外
嵌めされている。０６は詳細を後述する温度変化を測定
するためのＴＤＲ方式測定器（以下測定器という）であ
る。次に、図９〜図１０において、その要部を説明する
と、同図（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ図９，図１０のＡ−
Ａ，Ｂ−Ｂ矢視断面図であり、図１０（Ｂ）は図９に示
す形状記憶合金製のリング０５が温度の変化により変態
点を越えてハッチングを施した歪んだ形状のリング０５
ａとなり、その温度で記憶していた元の形状に復帰した
状態を示している。リング０５が変態点を越える温度変
化により元形状に復帰すると、リング０５ａのように長
円形に変形することになり、ケーブル０１の外径を締め
付けるから、同軸ケーブル０１の断面形状が変化する。
図１１は第２従来例の断面図であり、第１従来例のリン
グ０５の代わりに、２本の棒状体０６６ａ，０６６ｂで
同軸ケーブル０１を挟み、その左右端同士を形状記憶合
金製のバネ０５５ａ，０５５ｂで押して固定したもので
ある。このような構成でも変態点以上の温度でバネ０５
５ａ，０５５ｂが縮みケーブル０１を上下の棒状体０６
６ａ，０６６ｂの両端同士で締め付け、変形させること
ができる。ここで、ＴＤＲ方式について若干補足する
と、ＴＤＲ法とは公知の測定方法であり、信号源として
はパルス波を使い、オシロスコープで波形を観測して、
直視的に障害点を明確にする方法である。ケーブルの種
類や距離方向に対する分解能力などにより、使用するパ
ルス波形が決定される。例えば、比較的長距離で減衰量
の多いケーブルの場合はインパルス波（具体的には正弦
波の半波又はその自乗波）を使用し、比較的短距離で高
い分解能が必要な場合は、ステップパルス波を使用す
る。ＴＤＲ方式は、障害点の位置を求めることができる
だけでなく、同時に、その障害の種別がオシロスコープ
に表示された波形により判別でき、反射パルスの波形を
解析することにより、障害点にどのようなものが装荷さ
れているかを推定することもできる。この第１従来例で
は、同軸ケーブルにパルスを送出し、線路のインピーダ
ンスの不連続点から反射する信号のタイミングから不連
続点までの距離を知ることができる。これは、同軸ケー
ブル中のパルスの速さをＶとすると、パルス送出から受
信までの時間τと反射点の位置ｌ_d（送出端からの距
離）の関係は次式で表されることによる。ｌ_d＝（１／２）Ｖ・τ ・・・・・（１）特定点ｌ_dからの反射を観測するためには、式（１）か
ら計算されるτだけ経過した信号のみを受信するよう受
信側にゲートを設置すればよい。すなわち、図１２
（Ａ）において、送信パルス０１０を送出すると、時間
τの後に、そこに設置されているリングに温度変化があ
るならば、リングの外径が変形し、同図（Ｂ）に示すよ
うに、その部分にインピーダンスの不連続点が生じて反
射パルス０１１が発生する。時間τの近くにゲートをＯ
Ｎとし、反射波の幅よりやや広いゲートパルス０１２を
出すと、反射パルス０１１を検出することができる。こ
れらの測定は図９のＴＤＲ方式測定器０６にて行う。こ
のような構成での作用をまとめて述べると、例えば、温
度変化がないときは、ケーブルのインピーダンス（通常
５０Ω又は７５Ω）は、形状記憶合金製のリング０５が
嵌まっていても、外部導体０３があるのでその有無には
関係なくインピーダンスの変化はない。したがって、こ
の電線のインピーダンス変化点を測定してもなんら変化
は出てこない。しかし、図１０に示すように、形状記憶
合金製のリング０５が嵌まっている場所の温度が、変態
点を越えて上昇すると、リング０５は元形に戻り、例え
ば、０５ａのように変形して縮み、同軸ケーブル０１の
外径を締め付ける。そのため、同軸ケーブル０１は局部
的に変形し、その部分のインピーダンスが変化する。リ
ング０５の設置場所、すなわち距離はあらかじめ既知で
あるので、パルスの到達時間はすべて設定できる。これ
を常時外部の測定器０６で監視しておれば、リング０５
のある場所の温度があらかじめリングの素材によって定
められた温度を越えたことが判る。すなわち、図１２
（Ｃ）に示すように、あらかじめ既知の時間τにゲート
パルス０１２を出してその場所に設置しているリングの
形状変化により発生するインピーダンス不連続点での反
射パルス０１１を測定すれば温度変化と判断され、反射
パルスが測定されなければ、その点での温度変化はない
ことになる。図１１の第２従来例においても、同様の作
用が行われる。すなわち、その近辺の温度が変態点以上
になると、バネ０５５ａ，０５５ｂが縮み、これらバネ
で連結されている棒状体０６６ａ，０６６ｂでケーブル
０１の外径を縮めつけて変形させる。この作用によりそ
のケーブルの近辺のインピーダンスに不連続点が生じ、
上記第１従来例と同様に、反射パルスを測定し、その場
所での温度変化が検出できるものである。このような温
度検出装置によれば、ケーブルに機械的な力を温度変化
による形状記憶合金の形状変形に加えて局部的インピー
ダンス変化を生ぜしめ、それをケーブル端部からインピ
ーダンス変化として監視をすることにより、温度上昇を
検知できるので次のような効果がある。（１）１本（１対）の同軸ケーブルで、きわめて多くの
点の温度上昇監視ができる。（２）形状記憶合金の変態温度を監視されるべき温度に
合わせておけば、その変化による同軸ケーブルのインピ
ーダンスの不連続点での反射波を測定するだけで広範囲
の異なる温度限界の多点監視が可能になる。（３）形状記憶合金の設置距離に合わせたパルス伝播時
間でゲートを開いて反射パルスを検出すればよく、構造
的に簡単である。

【０００４】次に、別の従来例として、実願平２−８６
３４３号で出願及び公知化された考案を第３従来例とし
て述べると次のような構造である。すなわち、図１３全
体配線図において、前記第１従来例と同一の符号はそれ
ぞれ同従来例と同一の部材を示し、０３４は測定器０６
からの距離ｌ₁の位置に挿入され温度Ｔ₁になると接点
がオンする温度スイッチ，０３５は測定器０６からの距
離ｌ₂の位置に挿入され温度Ｔ₂になると接点がオンす
る温度スイッチ，０３６は測定器０６からの距離ｌ₃の
位置に挿入され温度Ｔ₃になると接点がオンする温度ス
イッチである。このような装置において、同軸ケーブル
０１は、被検体の適当な位置つまり温度監視したい位置
に配設されている。いま、いずれの温度スイッチも作動
していないときには、測定器０６から発射されたパルス
信号は同軸ケーブルを伝わってその終端までゆき、終端
抵抗０７が、例えば線路の特性抵抗に等しく選ばれてい
れば、反射信号はゼロになる。しかし、これと異なる適
当な値に選定されていれば、図１４（Ａ）に示すよう
に、終端抵抗からの反射信号が得られる。このときの送
信パルスから反射パルスまでの時間は距離ｌ₄の２倍を
信号速度ｖで除した値ｔ₀になる。このｔ₀がｌ₄に対
して妥当な値であれば、この線路は終端抵抗の所まで健
全であるといえる。なお、説明の便宜上、終端抵抗０７
を図面に記入してあるが、この値は無限大あるいは短絡
でもかまわない。次に、もし温度スイッチＴ₂の設置場
所の温度が上昇し、同温度スイッチが作動し、その位置
で線路を短絡すれば、図１４（Ｂ）に示すように、時間
ｔ₂に相当する位置に反射が発生する。この点が完全に
短絡されれば、それ以降Ｔ₃、あるいは終端の条件は無
視されて、ＴＤＲの出力には表れない。ここで、温度ス
イッチは、バイメタル型，温度フユーズ型，感音フェラ
イト型等公知の市販品が多く、そのいずれも利用でき
る。なお、各温度スイッチはその設定温度に達したとき
に、線路を開く形の配置、すなわち、すべての温度スイ
ッチがケーブルに直列に挿入され、設定温度に達すると
見掛上その点で線路が断線する構造でも、第３従来例と
同一の作用効果が達せられる。このような温度検出装置
によれば、下記の効果が奏せられる。（１）多数のセンサーを１本の同軸ケーブルで監視でき
る。（２）したがって、電線材料や布設の費用が大幅に低減
する。（３）終端抵抗を適当な値に選定することにより、電線
の健全性を確認できる。（４）到達温度と位置を比較的簡単な構成で求めること
ができる。

【０００５】しかしながら、前述の第１，第２，第３従
来例のように、従来の温度測定又は監視は特定された測
定の必要個所へ複数のセンサーを設置する関係上、布設
工事も大規模なものとなり、少なからざるコストを要す
ることになる。ＴＤＲ方式を用いた測定についても、特
定の温度に達したときに作用するもので、そのセンサー
が作用するまでの温度，作用した後の温度が何度になっ
ているかは判明できない。また、形状記憶合金を用いる
手段では、ケーブルに外力が加わるために、形状記憶合
金からの力が解放された後も、ケーブル応力が残るの
で、あたかも温度が上昇したように判定される等の問題
点がある。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みて提案され
たもので、同軸ケーブルの特定測定位置の温度のみなら
ず、不特定位置での同軸ケーブルのみによる温度計測を
可能とし、施工工事を低コストで行うことができるとと
もに、センサーが作用するまでの温度，作用した後の温
度をも知ることができる経済的な温度分布計測装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、請求項１の発明は、測定対象物に接して布設
された同軸ケーブルの一端から高周波パルスを送信し、
温度変化部での同軸ケーブルのインピーダンスの変化に
よる該パルスの反射波を検出して測定対象物の温度分布
を測定する温度測定装置において、その同軸ケーブルの
芯線と外被導体との間にＳｉＯ₂が充填された高周波同
軸ケーブルを用いることを特徴とする。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１において、そ
の高周被同軸ケーブルを測定対象物の表面に沿って左右
へ蛇行しながら、その長手方向に布設したことを特徴と
する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明を被計測管路の枝配管の温
度分布の検出に適用した一実施例を図面について説明す
ると、図１はその全体構成図、図２は図１における入力
パルス，その反射波波形及び被計測管路に沿った温度分
布図、図３は図１とは異なる変形例を示す同軸ケーブル
の配線要領図、図４は図１，図３の同軸ケーブルにおけ
る温度差と温度境界部，ノイズのそれぞれ反射波レベル
との関係を示す線図、図５は図１の同軸ケーブルと慣用
の同軸ケーブルの比較縦断面図、図６は図１の同軸ケー
ブルと慣用の同軸ケーブルによる被計測管の高温部，低
温部におけるノイズ波形の比較図、図７は図６におい
て、被計測管の温度境界部におけるケーブルに発生する
ノイズを示す線図である。

【００１０】まず、図１において、図８と同一の符号は
それぞれ同図と同一の部材を示し、１は母管，２は枝配
管であり、内部には高温水が滞留している。３は低温側
の配管であり、４は冷水を遮断するためのバルブであ
る。

【００１１】このような被計測管路及び同軸ケーブル回
路において、図２に示すように、枝配管２は軸方向のあ
る個所で温度勾配を生じ、運転状況によっては、点線で
示すように、この温度境界部が管軸方向に変動して、枝
配管２が熱疲労損を生ずる。その際、この熱サイクルを
測定するために、枝配管２の表面に同軸ケーブル２を金
属テープ等で同枝配管２に沿って固着し、温度境界部で
の同軸ケーブルのインピーダンス変化（絶縁体の誘電率
変化に基づく）による反射波までの時間と反射波レベル
を測定することで、温度境界部の位置と温度差を求める
ことができる。ケーブル中のパルス速さＶ，パルス入射
から反射波信号までの時間をｔとすると、温度境界部の
位置ｌ_dは、前記したように次式で求まる。ｌ_d＝（１／２）Ｖ・ｔ

【００１２】その際、実験結果より、反射波のレベルは
温度差と相関関係があることが判っており、レベルを測
定することで温度境界部の温度差が求まる。さらに、図
３に示すように、蛇行状に同軸ケーブルを布設すること
で下記の関係から境界部の位置及び温度差の測定精度の
向上が図れる。

【００１３】上記実施例において、同軸ケーブルにおけ
る温度変化によるインピーダンスの変化は式（２）で表
される。 ε_T＝ε_R×｛［（π/4)(Ｄ²−ｄ²）］｝／｛［( π/4)[D(１＋ε_C)²｝− ｄ（１＋ε_C)²] Ｚ＝（60／√ε_T）１ｎ（Ｄ／ｄ）・・・・・（２）ここで、 ε：絶縁体の誘電率Ｄ：高周波ケーブル外径ｄ：高周波ケーブル外被導体の外径温度差と反射波レベルとの関係を、実験により求めた結
果は、図４に示すようになるので、反射波のレベルを検
出することで温度差ΔＴを求めることができるのであ
る。

【００１４】ここで、同軸ケーブルのみでのインピーダ
ンス感度について付言すると、通常市販されている同軸
ケーブルは、温度により絶縁体の誘電率が大きく変化す
る。また、熱膨張率が大きい等の欠点があるので熱特性
が悪く、インピーダンスの局部的変化に基づいて発生す
る信号波形の忠実な再現性がない。そのため、ノイズと
して信号レベルが増大する（図４破線参照）。また、高
周波パワーの挿入損失が大きいため、信号とノイズとの
識別が不可能となる可能性は大きい。しかしながら、本
発明の実施例で述べた同軸ケーブルは高周波特性の良い
特殊ケーブルのことであり、挿入損失が非常に小さい。
また、高周波同軸ケーブルに印加する周波数によっても
通常の同軸ケーブルではノイズが大きくなり識別不能と
なる。図６（Ａ）は上記特殊ケーブルの信号波形例を示
し、同図（Ｂ）は慣用の同軸ケーブルの信号波形を示
す。このように上記特殊ケーブルにより、インピーダン
ス変化が小さくとも、顕著に境界部の温度変化を求める
ことができる。ちなみに、前記式（２）から、下記のと
おり、同軸ケーブルのインピーダンスＺの内径Ｄによる
１次微分は式（３）となり、２次微分は式（４）とな
る。ｄＺ／ｄＤ＝（Ｋ／ｄ）・（１／Ｄ）・・・・（３）ｄ²Ｚ／ｄＤ²＝−（Ｋ／ｄ）・（１／Ｄ²）・・・・（４）これは、ΔＤが局部的温度変動ΔＴに基づく同軸ケーブ
ルの直径の変動量であることを考えると、外径Ｄの熱変
形量ΔＤによるインピーダンスの１次微分ｄＺ／ｄＤは
１／Ｄに比例して大きく変化し、その２次微分ｄ²Ｚ／
ｄＤ²は１／Ｄ²に比例してさらに大きく変化する。そ
れ故、同軸ケーブルのみにて温度変化によるインピーダ
ンス変化を検出できるのは、このような式（３）及び式
（４）による幾何学的電磁気関係及び前記したＳｉＯ₂
のノイズ低減効果の相乗効果によるものと考えられる。
ちなみに、本発明の実施に使用される同軸ケーブルの外
径は約３．６ｍｍφである。

【００１５】本実施例で使用した計測ケーブルは、図５
（Ａ）に示すように、芯線と外被導体との間にはＳｉＯ
₂が絶縁体として充填されているＳｉＯ₂充填同軸ケー
ブルであって、この同軸ケーブルは、温度変化による位
相，インサーションロスの変化は非常に少なく、ＰＴＦ
Ｅケーブルに比べて遮蔽効果が大きく信頼性が高く、配
線が容易である。これに対して、慣用の同軸ケーブル
は、図５（Ｂ）に示すように、芯線の周りに４弗化エチ
レン絶縁体があり、その外側にアルミのシールド線が編
組され、その上に４弗化エチレンが外被として被着され
ている。このような構造の差異により、図７に示すよう
に、下記のような作用効果の差異がある。（１）慣用の同軸ケーブルは絶縁体及び外被が４弗化エ
チレン系樹脂であるので温度に対して入射パワーの損失
が大きくなり、位相も変化するから、ノイズ成分が増え
る等大きな影響を受ける。（２）本実施例で使用されたケーブルはＳｉＯ₂を絶縁
体としているので、慣用ケーブルに比べて温度に対する
熱特性が良い。（３）ケーブルを布設した個所が、高温になるにしたが
って慣用ケーブルではノイズが増大し、温度境界部が生
じた場合でも、判定が困難になるが、本実施例で使用し
ている同軸ケーブルは高温になってもノイズが非常に小
さいから、境界部の判定が容易になる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の温度分布計測装置によれば、計
測ケーブルのみで温度差が生じた点のインピーダンス変
化を測定することで、軸方向についての温度境界部，温
度差を測定することができる。したがって、次のような
効果が期待できる。（１）１本の同軸ケーブルで温度境界部を任意に測定で
きる。（２）同軸ケーブルに外力を加えることがないので、イ
ンピーダンス変化による反射波を測定するだけで、温度
差が生じている点を広範囲に監視が可能となる。（３）配管の熱疲労損の評価が容易にできる。（４）コストが大幅に低減できる。（５）本発明はケーブルの応力計測に適用することもで
きる。

【００１７】要するに請求項１の発明によれば、測定対
象物に接して布設された同軸ケーブルの一端から高周波
パルスを送信し、温度変化部での同軸ケーブルのインピ
ーダンスの変化による該パルスの反射波を検出して測定
対象物の温度分布を測定する温度測定装置において、そ
の同軸ケーブルの芯線と外被導体との間にＳｉＯ₂が充
填された高周波同軸ケーブルを用いることにより、同軸
ケーブルの特定測定位置の温度のみならず、不特定位置
での同軸ケーブルのみによる温度計測を可能とし、施工
工事を低コストで行うことができるとともに、センサー
が作用するまでの温度，作用した後の温度をも知ること
ができる経済的な温度分布計測装置を得るから、本発明
は産業上極めて有益なものである。

【００１８】請求項２の発明によれば、請求項１におい
て、その高周被同軸ケーブルを測定対象物の表面に沿っ
て左右へ蛇行しながら、その長手方向に布設したことに
より、同軸ケーブルの特定測定位置の温度のみならず、
不特定位置での同軸ケーブルのみによる温度計測を可能
とし、施工工事を低コストで行うことができるととも
に、センサーが作用するまでの温度，作用した後の温度
をも知ることができる経済的な温度分布計測装置を得る
から、本発明は産業上極めて有益なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を被検管路の温度分布測定に適用した一
実施例を示す配管配線図である。

【図２】図１の被検管路におけるＴＤＲ測定装置の出力
する入射パルス，反射波及びＴＤＲ測定装置により求め
られた枝管の温度分布図である。

【図３】図１の温度測定用ケーブルの図１とは異なる配
線要領の実施例を示す配線図である。

【図４】図１の測温用同軸ケーブルによる温度差と温度
境界部，ノイズのそれぞれ反射波レベルとの関係を示す
線図である。

【図５】図１の測温用同軸ケーブルの縦断面図及び慣用
の同軸ケーブルの縦断面図との比較図である。

【図６】図１の測温用同軸ケーブルと従来の慣用同軸ケ
ーブルによる被検管の高温部，低温部におけるノイズ波
形の比較図である。

【図７】図６において、被計測管の温度境界部における
測温ケーブルに発生するノイズを示す線図である。

【図８】従来の感温フェライトリング式の温度測定装置
を示す管路図である。

【図９】特願平２−５３１０６号で出願された温度測定
装置の第１従来例を示す側面図及びそのＢ−Ｂ横断面図
である。

【図１０】図９において、リングが収縮した場合を示す
側面図及びそのＢ−Ｂ横断面図である。

【図１１】図９の第２従来例を示す縦断面図及びそのＡ
−Ａ矢視横断面図である。

【図１２】図９の測温装置の作用を示すパルス波形図で
あり、同図（Ａ）は送信パルス波形，同図（Ｂ）は反射
パルス波形，同図（Ｃ）はゲートパルス波形図である。

【図１３】特願平２−８６３４３号で特許出願されたＴ
ＤＲ温度測定装置の全体回路図である。

【図１４】図１３における反射パルスと時間との関係を
示す説明図である。

【符号の説明】

１母管２枝配管３低温側配管４バルブ５温度境界部０１同軸ケーブル０１ａ同軸ケーブル０２芯線０３外被導体０４絶縁物０５フェライトリング０５ａフェライトリング０６ＴＤＲ測定器（測定器）０７終端抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象物に接して布設された同軸ケー
ブルの一端から高周波パルスを送信し、温度変化部での
同軸ケーブルのインピーダンスの変化による該パルスの
反射波を検出して測定対象物の温度分布を測定する温度
測定装置において、その同軸ケーブルの芯線と外被導体
との間にＳｉＯ₂が充填された高周波同軸ケーブルを用
いることを特徴とする温度分布計測装置。
【請求項２】請求項１において、その高周被同軸ケー
ブルを測定対象物の表面に沿って左右へ蛇行しながら、
その長手方向に布設したことを特徴とする温度分布計測
装置。