JP5727807B2 - 光ファイバ温度センサ - Google Patents
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Description
本発明は、鉄鋼用熱間圧延ラインで運用される誘導加熱装置内部の温度を常時監視する光ファイバ温度センサに関する。
鉄鋼用熱間圧延ラインでは、加熱炉が被加熱材(圧延材) を予め圧延可能な温度に加熱し、粗圧延機が被加熱材を粗バーと呼ばれる状態に成形する。さらに、仕上圧延機は、粗バーを所望の板厚や板幅を有する薄板に成型する。このような鉄鋼用熱間圧延ラインでは、ライン搬送中の粗バー温度の低下に対して粗バーの昇温や均熱及び、圧延機の負荷軽減を目的とする誘導加熱装置が用いられている。
この誘導加熱装置は、粗バーの両エッジ部の温度昇温を目的とするエッジヒータや、粗バーの全体昇温を目的とするバーヒータが一般に知られている。このバーヒータは、主に鉄心と加熱コイルと耐熱プレートとで形成され、鉄心と加熱コイルと耐熱プレートとがシールドカバーで覆われている。
この熱間圧延ラインで搬送される粗バーからの輻射熱、スケール、デスケ水が、誘導加熱装置の内部に浸入して、加熱コイル及び鉄心の過熱・焼損、絶縁破壊及び寿命低下が発生してしまう。
特に誘導加熱装置内部において最も影響が受けやすい加熱コイル部分にスケール、デスケ水などが浸入する状態を確認する方法は、ライン休止時間帯におけるシールドカバーの開放点検に依存していた。
さらに、トラブルが発生した後、誘導加熱装置が迅速に復旧されても、限られたライン休止時間では誘導加熱装置の復旧が間に合わず、運転停止が長期間に亘る場合もあった。
このため、鉄鋼用熱間圧延ラインにおいて、劣悪環境条件で運用される誘導加熱装置の突発的なトラブルを未然に防ぐための監視方法が必要である。この監視方法としては、光ファイバを用いた温度監視装置があり、この温度監視装置は、例えば、特許文献１に記載され、トンネル防災設備などの多様な分野で運用されている。
特許文献１に記載されたトンネル防災設備は、トンネルの長さ方向に設置された１本の光ファイバケーブルの全長を温度センサとして機能させ、光ファイバケーブルの一端から他端まで、全長に亘る温度分布を一括して測定することにより、火災の発生を検知している。
しかしながら、特許文献１に記載されたトンネル防災設備は、光ファイバケーブルの長手方向に沿った温度分布を計測することができるが、温度測定点が距離分解能によって決定される。このため、トンネル防災設備は、大規模な構成部品、あるいは、トンネルに代表される大規模な線状の構造物に対し運用されており、機器内部の、極めて狭い空間に光ファイバ温度監視装置をそのまま利用することはできなかった。
この狭い空間に光ファイバ温度監視装置を適用したものとして特許文献２が知られている。特許文献２に記載された光ファイバ温度センサは、光ファイバケーブルを距離分解能に相当する長さ以上に巻回し、局所温度を測定している。この特許文献２では、センサ部が、熱伝導性の良い充填材と共に接着剤で固着されて被測定体と接触して配置されている。
しかしながら、光ファイバケーブル自身を熱伝導性の良い充填材と共に接着剤で固着することで、測温精度は低下する。また、光ファイバケーブル自身を固着することにより、例えば熱膨張、収縮の繰り返しや、光ファイバケーブル自身が過大な力を受けた場合には光ファイバケーブル自身が断線し、測温できなくなる恐れもある。
本発明の課題は、劣悪環境で且つ熱膨張、収縮の繰り返しや過大な力を受ける場合でも、誘導加熱装置の加熱コイルの所望する位置の温度を常時測定できる光ファイバ温度センサを提供する。
上記課題を解決するために本発明の光ファイバ温度センサは、以下のような手段を有している。請求項１の発明は、鉄鋼用熱間圧延ラインに設置される誘導加熱装置内に設置される光ファイバ温度センサであって、前記誘導加熱装置に用いられる絶縁材と同等の耐熱性と絶縁性に優れた材質を用いた極薄型シートからなる筐体内に光ファイバケーブルを収納して形成されている。
請求項２の発明は、請求項１記載の光ファイバ温度センサにおいて、筐体材料と同材料からなる複数の極薄円柱状材が前記筐体内の複数の箇所に収納され、前記複数の極薄円柱状材の各々に前記光ファイバケーブルを固定せずに距離分解能に相当する長さ以上に巻回することにより複数のセンシングリングを形成し、前記複数のセンシングリングにより前記複数の箇所の温度を測定することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の光ファイバ温度センサにおいて、筐体側面部をシリコンシーリングし、前記筐体の表面全体をシリコン系の液体絶縁材料からなる密封部材により密封することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２又は請求項３記載の光ファイバ温度センサにおいて、前記センシングリングの空隙を埋めるように前記極薄円柱状材と同一構成のスペーサを配置することを特徴とする。
請求項１の発明によれば、誘導加熱装置に用いられる絶縁材と同等の材質を筐体に用いることにより耐熱性、絶縁性に優れ、筐体が極薄型シートであるので、加熱コイルに極めて接近させることができる。このため、劣悪環境で且つ熱膨張、収縮の繰り返しや過大な力を受ける場合でも、誘導加熱装置の加熱コイルの所望する位置の温度を常時測定できる。また、筐体が極薄型シートであるので、光ファイバ温度センサを狭い空間に設置でき、軽量性に優れ、メンテナンス時の交換、脱着が容易となる。
請求項２の発明によれば、光ファイバケーブルを複数の極薄円柱状材の各々に固定せずに巻回したセンシングリングにより、熱膨張、収縮の繰り返しや、過大な力などを受けても、光ファイバケーブルが断線することなく温度を測定できる。また、複数のセンシングリングにより、加熱コイル面の所望する位置の温度を測定できる。
請求項３の発明によれば、筐体側面部をシリコンシーリングし、筐体の表面全体をシリコン系の液体絶縁材料からなる密封部材により密封するので、スケール、デスケ水の浸入を防止できる。
請求項４の発明によれば、センシングリングの空隙を埋めるように、極薄円柱状材と同一構成のスペーサを配置するので、過大な力を受けても光ファイバ温度センサ自身が破損せず、光ファイバケーブルが断線することなく温度を測定できる。
以下、本発明の光ファイバ温度センサの実施の形態を図面を参照しながら、詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１に係わる光ファイバ温度センサを設置したエッジヒータを示す斜視図である。図１において、板材からなる粗バー１の下面には、加熱コイル２と耐熱プレート３とが対向して配置され、加熱コイル２と耐熱プレート３との間には、楕円形状のエッジヒータ用の光ファイバ温度センサ４が配置されている。
光ファイバ温度センサ４には、図２に示すように、筐体穴部８ａが形成され、この筐体穴部８ａに図１に示す楕円形状のラジアル鉄心６が挿入されている。加熱コイル２と耐熱プレート３と光ファイバ温度センサ４とは、Ｃ型鉄心５の凹部の下部に配置されている。また、Ｃ型鉄心５の凹部の上部にも加熱コイル２と耐熱プレート３（図示せず）と光ファイバ温度センサ４（図示せず）とが配置されている。即ち、２つの光ファイバ温度センサ部が配置されている。シールドカバー７は、加熱コイル２と耐熱プレート３と光ファイバ温度センサ４とＣ型鉄心５とラジアル鉄心６とを覆っている。
図１に示すエッジヒータでは、加熱コイル２に電流を流すことにより磁界が発生し、この磁界によりＣ型鉄心５とラジアル鉄心６とで磁気閉ループが形成され、粗バー１を貫通した磁界によるエネルギーにより粗バー１が加熱されるようになっている。
エッジヒータ用光ファイバ温度センサ４の形状としては、楕円であることが最良の形態である。なぜならば、エッジヒータは主に加熱コイル２と耐熱プレート３のほか、Ｃ型鉄心５、ラジアル鉄心６、シールドカバー７から形成されるが、楕円形状のラジアル鉄心６を囲うような形状で加熱コイル２が配置され、加熱コイル２と耐熱プレート３との間にエッジヒータ用光ファイバ温度センサ４が配置されるからである。
図２はエッジヒータ用光ファイバ温度センサ４の内部構造を示す図である。図３は本発明における光ファイバ温度センサの断面図である。
エッジヒータ用光ファイバ温度センサ４は、筐体を有し、この筐体は、誘導加熱装置に用いられる絶縁材と同等の材質を用いた楕円形状の極薄型シートからなる。筐体は、筐体上面８、筐体底面９、筐体側面１０、筐体穴部８０から形成され、内部に光ファイバケーブル１３を収納する。筐体としては、ガラスエポキシ樹脂積層板が用いられる。
筐体側面１０にはシリコンシーリング材によりシリコンシーリング１１が施されている。また、筐体の表面全体は、シリコン系の液体絶縁材料からなる密封部材１２により密封されている。
筐体内の複数の箇所には、筐体材料と同材料からなる複数の極薄円柱状材１４が収納されている。複数の極薄円柱状材１４の各々には、光ファイバケーブル１３を固定せずに距離分解能に相当する長さ以上に巻回することにより複数のセンシングリング１５を形成し、複数のセンシングリング１５により加熱コイル2の複数の箇所の温度を測定する。
また、センシングリング１５の空隙を埋めるように極薄円柱状材１４と同一構成及び同一材料の円形スペーサ１６が配置されている。
加熱コイル２と耐熱プレート３とは非常に近接しており、光ファイバ温度センサ４の厚さはできるだけ薄くすることが好ましい。このため、筐体上面８、筐体底面９の厚さＬ２，Ｌ３は、それぞれ０．５ｍｍの極薄型シートである。センシングリング１５と円形スペーサ１６の厚さＬ１は、光ファイバケーブル１３を巻回するために必要な最小寸法として１ ｍｍに設定する。従って、光ファイバ温度センサ全体の厚さは２ｍｍとする。光ファイバケーブル１３は、極薄円柱状材１４に対して若干のクリアランスを持って巻回される。
図４は本発明の実施例１に係わる光ファイバ温度センサによる実測データを示す図で、加熱コイル２の所望する位置での時系列の温度変化を示す。使用したエッジヒータ用光ファイバ温度センサ４は、筐体内部に２２個のセンシングリング１５を有する。図４に示すように、耐熱プレート３と加熱コイル２との間において、時間毎で、２２箇所のどの位置でも温度変化を収集することができる。運用として、温度推移を常時監視し、急激な温度変化や徐々に温度上昇し続けるといった温度変化の傾向を把握することにより、経年劣化や突発的なトラブルの発生を予測することができる。
このように実施例１の光ファイバ温度センサによれば、誘導加熱装置に用いられる絶縁材と同等の材質を筐体に用いることにより耐熱性、絶縁性に優れ、筐体が極薄型シートであるので、加熱コイルに極めて接近させることができる。また、筐体が極薄型シートであるので、光ファイバ温度センサを狭い空間に設置でき、軽量性に優れ、メンテナンス時の交換、脱着が容易となる。
また、光ファイバケーブル１３を極薄円柱状材１４に固定せずに巻回したセンシングリング１５により、熱膨張、収縮の繰り返しや、過大な力などを受けても、光ファイバケーブル１３が断線することなく温度を測定できる。また、複数のセンシングリング１５により、加熱コイル面の所望する位置の温度を測定できる。
また、筐体側面部をシリコンシーリングし、筐体の表面全体をシリコン系の液体絶縁材料からなる密封部材１２により密封するので、スケール、デスケ水の浸入を防止できる。
さらに、センシングリング１５の空隙を埋めるように、極薄円柱状材と同一構成の円形スペーサ１６を配置するので、過大な力を受けても光ファイバ温度センサ自身が破損せず、光ファイバケーブル１３が断線することなく温度を測定できる。
図５（ａ）は本発明の実施例２に係わる光ファイバ温度センサを設置したバーヒータを示す斜視図である。図５（ｂ）は本発明の実施例２に係わる光ファイバ温度センサの断面図である。
図５に示す実施例２では、箱型の加熱コイル２ａの内部下面側には平板状の４つの光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄが加熱コイル２ａの長手方向に順番に配置されている。光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄの上面には、耐熱プレート３ａが配置され、この耐熱プレート３ａは粗バー１を覆っている。
バーヒータ用光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄの形状としては平面であることが最良の形態である。なぜならば、バーヒータは巻回された加熱コイル２ａから形成されるが、その粗バー１と対向した面は平面形状であり、加熱コイル２ａと耐熱プレート３ａと面間にバーヒータ用光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄが配置されるからである。
バーヒータの場合、巻回された加熱コイルの幅は、粗バー１幅より大きなものではなくてはならず、２ｍ程度の幅を持つ。２ｍ幅の加熱コイル２下面の幅に配置させるために複数枚のバーヒータ用光ファイバ温度センサ４を配置するものとして、例えばその幅寸法が５００ｍｍ幅を持つ４枚の光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄが配置される。これにより、交換などのメンテナンス性や扱いが容易となる。
図６は本発明の実施例２に係わる光ファイバ温度センサの内部構造を示す図である。図６に示す光ファイバ温度センサの断面は、図３に示すエッジヒータ用光ファイバ温度センサ４と同じである。
筐体側面にはシリコンシーリング材によりシリコンシーリング１１ａが施されている。また、筐体の表面全体は、シリコン系の液体絶縁材料からなる密封部材１２により密封されている。
筐体内の複数の箇所には筐体材料と同材料からなる複数の極薄円柱状材１４ａが収納されている。複数の極薄円柱状材１４ａの各々には、光ファイバケーブル１３ａを固定せずに距離分解能に相当する長さ以上に巻回することにより複数のセンシングリング１５ａを形成し、複数のセンシングリング１５ａにより複数の箇所の温度を測定する。
また、センシングリング１５ａの空隙を埋めるように極薄円柱状材と同一構成及び同一材料の円形スペーサ１６ａが配置されている。
加熱コイル２ａと耐熱プレート３ａとは非常に近接しており、光ファイバ温度センサの厚さはできるだけ薄くすることが好ましい。このため、筐体上面８ａ、筐体底面９ａの厚さは、それぞれ０．５ｍｍの極薄型シートである。センシングリング１５ａと円形スペーサ１６ａの厚さは、光ファイバケーブル１３ａを巻回するために必要な最小寸法として１ ｍｍに設定する。従って、光ファイバ温度センサ全体の厚さは２ｍｍとする。光ファイバケーブル１３ａは、極薄円柱状材１４ａに対して若干のクリアランスを持って巻回される。
図７は本発明の光ファイバ温度センサを用いた温度分布測定装置を示す構成ブロック図である。図７を参照しながら光ファイバ温度センサを用いた温度分布測定処理を説明する。温度分布測定装置は、パルス発生器２１、光源２２、光分光器２３、受光器２４、データ処理部２５、データ表示部２６を有している。
パルス発生器２１は、パルス信号を発生し、パルス信号を光源２２に出力する。光源２２は、パルス発生器２１からのパルス信号に応じた光信号を光分光器２３に出力する。光分光器２３は、光源２２からの光信号を４つの光ファイバケーブル１３ａ〜１３ｄに出力する。４つの光ファイバケーブル１３ａ〜１３ｄの各々は、図６に示す構成の光ファイバケーブルであり、光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄを有している。
このため、光分光器２３は、光信号を４つの光ファイバケーブル１３ａ〜１３ｄに送り、４つの光ファイバケーブル１３ａ〜１３ｄから送られてくる光信号を受光器２４に出力する。データ処理部２５は、受光器２４からの光信号に基づき光ファイバケーブル１３ａ〜１３ｄに有する光ファイバ温度センサ４ａ〜４ｄの温度情報により加熱コイル面の所望する位置の温度分布を計測し、データ表示部２６は、加熱コイル面の所望する位置の温度分布を表示する。
図８は本発明の実施例１に係わるエッジヒータ用光ファイバ温度センサの使用例を示す構成図である。図８では、鉄鋼用熱間圧延ラインでのエッジヒータ基本配置として、前後左右対向した４台を示している。４つのＣ型鉄心５ａ〜５ｄが配置され、Ｃ型鉄心５ａ，５ｂ、５ｃ，５ｄには粗バー１ａが挿通されている。Ｃ型鉄心５ａとＣ型鉄心５ｃとは凹部が向き合うように配置され、Ｃ型鉄心５ｂとＣ型鉄心５ｄとは凹部が向き合うように配置されている。
各々のＣ型鉄心５ａ〜５ｄには、粗バー１ａを挟んで、下部側加熱コイル２ａ１〜２ｄ１と下部側耐熱プレート３ａ１〜３ｄ１との間と、上部側加熱コイル２ａ２〜２ｄ２と上部側耐熱プレート３ａ２〜３ｄ２の間に各々エッジヒータ用光ファイバ温度センサを配置することが可能である。即ち、８つの光ファイバ温度センサを配置することが可能である。
例えば、Ｃ型鉄心５ａ〜５ｄの下部側に配置された４つの光ファイバ温度センサを、図７に示す光分光器２３の出力側に接続することにより、加熱コイル面の所望する位置の温度分布を計測することができる。
本発明は、鉄鋼用熱間圧延ラインで運用される誘導加熱装置に適用可能である。
１ 粗バー
２ 加熱コイル
３ 耐熱プレート
４ エッジヒータ用光ファイバ温度センサ
５ Ｃ型鉄心
６ ラジアル鉄心
７ シールドカバー
８ 筐体上面
９ 筐体底面
１０ 筐体側面
１１ シリコンシーリング
１２ 密封部材
１３ 光ファイバケーブル
１４ 極薄円柱状材
１５ センシングリング
１６ 円形スペーサ
１７ 実測データ
８０ 筐体穴部
２ 加熱コイル
３ 耐熱プレート
４ エッジヒータ用光ファイバ温度センサ
５ Ｃ型鉄心
６ ラジアル鉄心
７ シールドカバー
８ 筐体上面
９ 筐体底面
１０ 筐体側面
１１ シリコンシーリング
１２ 密封部材
１３ 光ファイバケーブル
１４ 極薄円柱状材
１５ センシングリング
１６ 円形スペーサ
１７ 実測データ
８０ 筐体穴部
Claims (4)
- 鉄鋼用熱間圧延ラインに設置される誘導加熱装置内に設置される光ファイバ温度センサであって、
前記誘導加熱装置に用いられる絶縁材と同等の耐熱性と絶縁性に優れた材質を用いた極薄型シートからなる筐体内に光ファイバケーブルを収納して形成されていることを特徴とする光ファイバ温度センサ。 - 筐体材料と同材料からなる複数の極薄円柱状材が前記筐体内の複数の箇所に収納され、前記複数の極薄円柱状材の各々に前記光ファイバケーブルを固定せずに距離分解能に相当する長さ以上に巻回することにより複数のセンシングリングを形成し、前記複数のセンシングリングにより前記複数の箇所の温度を測定することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度センサ。
- 筐体側面部をシリコンシーリングし、前記筐体の表面全体をシリコン系の液体絶縁材料からなる密封部材により密封することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光ファイバ温度センサ。
- 前記センシングリングの空隙を埋めるように前記極薄円柱状材と同一構成のスペーサを配置することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の光ファイバ温度センサ。
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