JPS5953497B2 - 熱流測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱流により、電歪特性と大きな温度−周波数特
性を持つ熱抵抗物質に温度変化が生じ、固有振動の周波
数が変化するのをとらえ、熱流を測定する装置に関する
。

工業炉をはじめとして密閉された機械や装置の内部の異
常は、壁面への熱流の異常としてとらえられることが多
い。

この熱流の異常は壁面の温度変化として現われる場合も
あるが、壁面の冷却方式によっては温度変化を把握でき
ないため熱流計を壁面に設置し熱流により異常を検知せ
ざるを得ない場合がある。

熱流の検知に使用する従来の熱流計は、第１図に示すご
とく、鉱物、プラスチックス、セラミックス等一定の熱
抵抗を持つ物質ａの両面に熱電対すを貼付け、熱流Ｈに
よる温度変化を、第２図に示すごとく、物質の両面に発
生する温度差ΔＴとして測定するもので、熱流の平衡状
態においては、ｈ ＝： ： Ａ 、なる関係式がなり
たつ。

ここにｈ：熱流密度 γ：熱抵抗率 ｄ：熱抵抗物質の厚み ΔＴ：二面間の温度差 実際には、熱流計をとりつけたために生ずる熱流の状態
変化や、熱抵抗の温度に対する非直線性等があり、これ
らは熱流を計算するときに補正すべきである。

従来の熱流計の実際の構造は第３図に示すごとく多くの
熱電対接点Ｃを熱抵抗を持つ物質ａの両面に作り、これ
らを熱電対素線で直列につないだ構造となっている。

しかし上述の従来装置にあっては、構造複雑なために単
価が高く、熱電対素線または補償導線で計器と熱電対と
をつながなければならないため、少数の熱流計を使用す
る場合には特に支障はないが、大きな壁面を監視する場
合には、熱流計の台数も多くなって配線も複雑となり、
運転維持も大がかりとなって不便である。

本発明は従来手段の有する上述の欠点を除去することを
目的としてなしたもので、電歪特性と温度−周波数特性
と熱抵抗性とを有する薄い板状の物質から成る超音波振
動子と、該超音波振動子を励振するパルス発振器と、前
記超音波振動子がら出た超音波を捕集するマイクロホン
と、マイクロホンから送られてきた信号をもとに固有振
動の周波数を分析する装置と、該装置から送られてきた
信号および外気または冷却媒質の温度を測る温度計から
送られてきた信号をもとに熱流を演算する装置とから成
ることを特徴とするものである。

以下本発明の熱流測定装置について図面を参照しつつ説
明する。

第４図〜第８図Ａ、 Ｂは本発明の詳細な説明図であり
、第４図中１は電歪特性と大きな温度−周波数特性を持
ち超音波振動子として使用される熱抵抗物質、２ａ、２
ｂは該熱抵抗物質の両面に装着された電極である。

該電極２ａ、２ｂ間に電圧をかけると電歪特性により熱
抵抗物質１の面間の厚みが変化するので、これに単発パ
ルス状電圧をかけることによって当該物質を固有振動数
で減衰振動させることができる。

いま熱抵抗物質１の面に対して垂直に熱流Ｈが存在する
と、両面間には第５図に示すごとく熱流の大きさに応じ
た温度差ΔＴ１、またはΔＴ２を生じ、熱抵抗物質１内
部の温度勾配はたとえばＡ。

Ｂのごとくになる（Ｂの方がＡより熱流が大きい。

）。この状態で電極２ａ、２ｂ間に第７図に示すごとく
単発のパルス電圧Ｖをかけると熱抵抗物質１は固有振動
を生じて第８図Ａ、 Ｈに示すごとく温度差に応じて異
なる周波数の減衰振動ｍ。

ｍ′を行うので、熱抵抗物質１の振動周波数ｆと外気ま
たは冷却液りの温度を測定すれば熱流を求めることがで
きる。

一般に平衡状態においては熱抵抗物質の両面の温度の平
均は、当該物質の平均温度Ｔｍｅａ、と考えて良く、振
動周波数は平均温度の関数であるから、振動周波数ｆと
外気または冷却液りの温度が分かれば熱抵抗物質内の温
度勾配を想定し得ることになる。

振動周波数ｆと熱抵抗性物質の平均温度 Ｔｍｅａ、の関係が第６図に示すごとく直線的であれば
熱流を求めるための演算はごく簡単に行うことができる
が、直線的でなくとも一定の再現性のある函数的な関係
にあれば熱流を求めかつ補正することができる。

振動周波数ｆの測定方法としては、電極２ａ。

２ｂ間に生ずる電圧を測定して周波数分析をする電気的
方法と、熱抵抗物質１の両面の振動により生ずる超音波
をマイクロホンでとらえる音響的方法とがあるが、電気
的方法においては上記したごとき単発のパルス励振によ
らず、超音波振動子を発振回路の一素子として用い、当
該超音波振動子を連続的に発振させ、その周波数を測定
する方法をとることもできる。

第９図は本発明の一実施例であり、固有振動数を超音波
として音響的に検出するものである。

図中Ｗは熱流を検出すべき物体の壁面、１は両面に電極
２ａ、２ｂを貼付けた熱抵抗物質から成る超音波振動子
であり、壁面Ｗと超音波振動子１との間には、ゴム質や
液体または気体を封入した薄い容器でできた介在物３が
挿入されている。

また電極２ａ、２ｂにはそれぞれリード線４が連結して
あり、該リード線４にはパルス発振器５が連結されてい
る。

超音波振動子１から所要間隔離れた位置には、マイクロ
ホン６が設置してあり、該マイクロホン６は周波数分析
器７に連結されている。

一方周波数分析器７には、前記パルス発振器５が連結さ
れており、発射したパルスに応じて周波数分析器７を働
かすようになっている。

壁面の前方には外気温度を測定する温度計９が配設され
ており、該温度計９は前記周波数分析器７に連結された
熱流演算器８と連結されている。

なお図中Ｈは熱流、Ｓは超音波を示す。

熱流の測定に際しては、パルス発振器５よりリード線４
を通して単発パルスを超音波振動子１に送り、該超音波
振動子１を振動させる。

そうすると固有振動は超音波Ｓとしてマイクロホン６で
捕集され、周波数分析器７に送られて分析され、分析さ
れた周波数は信号として熱流演算器８に送られる。

また一方温度計９では大気温度が検出され、信号が熱流
演算器８に送られ、前記した周波数に関する信号および
測定に先立って予め熱流演算器８に記憶させである、超
音波振動子１の既知の温度−周波数特性より超音波振動
子１を設置した部分の壁面の熱流が求められる。

すなわち、マイクロホン６により超音波として捕集され
た固有振動をもとに周波数分析器７で周波数分析が行わ
れ、分析された周波数ｆと超音波振動子１の関数的関係
から該超音波振動子１の平均温度Ｔｍｅａ、が求められ
、一方策１２図に示すごとく温度計９により求められた
外気または冷却媒質の温度Ｔ′１より超音波振動子１の
外気または冷却媒質に接する一端面の温度Ｔ１が推定さ
れ、超音波振動子１の二面間の温度差ΔＴはΔＴ＝２（
Ｔｍｅａ、 ＝ＴＩ）として求められ、従って熱流密度
りは前述の式をもとに演算される。

この超音波振動子１の一端面の温度Ｔ１は、超音波振動
子１の一端面の状態（粗さ等）と外気や冷却媒質の特質
や状態により異なるが、同種構造の物体の実測データを
もとに容易に推定できる。

またＴ、−Ｔ’１は一般にわずかであり、Ｔ１＝Ｔ′１
として演算をしても良いが、この場合には誤差が多少増
加するものの、大勢に影響はない。

なお超音波振動子１は実際の設備においては、超音波振
動子１自体の保護及び感電防止を兼ね、大気に対する電
気的絶縁物で覆うのが望ましい。

すなわち大気または冷却液にさらされる面は硬質の絶縁
物コーティングを行い、振動により伸縮する側面は軟質
ゴム状物の絶縁物で被覆する。

また超音波振動子１に適する温度−周波数特性の大きい
材料はたとえば水晶のカット軸を適当に選べば得られる
し、化学合成物質や焼成物質にも存在する。

第１０図及び第１１図は本発明の他の実施例であり、広
い壁面の熱流分布測定を多数の超音波振動子を用いて行
う例である。

図中１０は周波数位相判別器、１１は熱流分布演算表示
器、１２は画像表示器、１３は各超音波振動子１の相互
干渉を避けるために該超音波振動子１とパルス発振器５
との間に設置されたダイオード、また図中第９図に示す
符号と同一の符号のものは同一のものを示す。

パルス発振器５によって共通のパルス信号が供給され同
時に励振された各超音波振動子１からは、夫々の位置の
熱流に応じた周波数の超音波が発生し、該超音波は超音
波振動子１前面に所要の間隔をおいて設置された複数個
のマイクロホン６で捕集され、周波数位相判別器１０に
送られてどの位置からいかなる周波数の超音波が発射さ
れたかが判別される。

ここで周波数は当該超音波振動子１の平均温度（熱流量
）を代表し、複数個のマイクロホン６により捕えた位相
差は当該超音波振動子から各マイクロホン６への到達時
間の差を示す。

周波数位相判別器１０で判別された信号は時々刻々熱流
分布演算表示器１１に送られ、温度計９によって検出さ
れた外気温度との比較演算が行われ画像表示器１２上に
熱流分布のグラフとして表示することができる。

そして該グラフを正常時の熱流分布のグラフと比較する
ことにより、当該機器または装置の内部異常の診断に役
立つテ゛−夕を得ることができる。

本実施例における超音波振動子１は、壁面Ｗまたは壁面
Ｗに沿って金属等の導電性物質が使用されている場合に
は、超音波振動子１の電極２ａ。

２ｂのうち一方を導電性物質に接続しアース電位の共通
導体として使用することができる。

また第１０図および第１１図ではすべての超音波振動子
１を一度に励振する場合について記しているが、パルス
発振器５の容量や周波数位相判別器１０の能力に応じて
、たとえば一列ずつ順次に一定時間間隔をおいて励振し
てもよい。

なお本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得る
ことは勿論である。

本発明の熱流測定装置は上述のごとき構成であるから、
下記のごとき種々の優れた効果を奏し得る。

ｉ 熱流を超音波振動に変えて測定することにより、特
に多点の計測において熱電対保償導線を不要とし、かつ
配線本数も極端に少なくし得るため、コストダウンを図
れる。

ｉｉ 熱流の分布を容易に面としてとらえることがで
きるため、炉やその他の機器または装置の内部状態を容
易に監視することができると共に保守も容易となり、安
全性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の熱流計の原理の説明図、第２図は第１図
の熱流計の温度勾配を表わす線図、第３図は従来の熱流
計の実施例の説明図、第４図は本発明に使用する熱流計
の原理の説明図、第５図は第４図の熱流計の温度勾配を
表わす線図、第６図は熱流計の平均温度と振動周波数と
の関係を示す線図、第７図は熱流計を振動させるための
単発のパルス電圧の説明図、第８図Ａ、 Ｂは第７図の
パルス電圧を与えた場合の固有振動の減衰状態と、異な
る熱流における固有減衰振動の差とを示す線図、第９図
は本発明の一実施例の説明図、第１０図は本発明の他の
実施例の説明図、第１１図は第１０図の側断面図、第１
２図は熱流を計測する場合の説明図である。 １は超音波振動子（熱抵抗物質）、２ａ、２ｂは電極、
３は介在物、４はリード線、５はパルス発振器、６はマ
イクロホン、７は周波数分析器、８は熱流演算器、９は
温度計、１０は周波数位相判別器、１１は熱流分布演算
表示器、１２は画像表示器、１３はダイオード、Ｈは熱
流、Ｗは壁面を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電歪特性と温度−周波数特性と熱抵抗性とを有する
   薄い板状の物質から成る超音波振動子と、該超音波振動
   子を励振するパルス発振器と、前記超音波振動子から出
   た超音波を捕集するマイクロホンと、マイクロホンから
   送られてきた信号をもとに固有振動の周波数を分析する
   装置と、該装置から送られてきた信号および外気または
   冷却媒質の温度を測る温度計から送られてきた信号をも
   とに熱流を演算する装置とから成ることを特徴とする熱
   流測定装置。 ２ 電歪特性と温度−周波数特性と熱抵抗性とを有する
   薄い板状の物質から成る複数超音波振動子と、該超音波
   振動子を励振するパルス発振器と、前記超音波振動子か
   ら出た超音波を捕集するマイクロホンと、マイクロホン
   から送られてきた信号をもとに固有振動の周波数を分析
   しかつ特定の周波数を発振する超音波振動子の位置を計
   算する装置と、該装置から送られてきた信号および外気
   または冷却媒質の温度を測る温度計から送られてきた信
   号をもとに熱流を演算しかつ熱流分布を表示する装置と
   から成ることを特徴とする熱流測定装置。