(57)【要約】【課題】検査対象への取り付け施工時間を短縮するとともに、検査対象の温度を正確に検出することができる温度計測装置および温度計測装置の取り付け方法を提供する。【解決手段】コア３１に複数の回折格子部３３が間隔をあけて形成された光ファイバ３と、光ファイバ３における少なくとも回折格子部３３の形成された部分が埋設されるとともに、温度の測定対象２に固定されるパッド６と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに複数の回折格子部が間隔をあけて形成された光ファイバと、
前記光ファイバにおける少なくとも前記回折格子部の形成された部分が埋設されるとともに、温度の測定対象に固定されるパッドと、
が設けられていることを特徴とする温度計測装置。
【請求項２】
コアに複数の回折格子部が間隔をあけて形成された光ファイバと、
該光ファイバが挿通される略円筒状の保護管と、
温度の測定対象に形成された溝部に配置された前記保護管を、前記測定対象に固定する固定部と、
が設けられていることを特徴とする温度計測装置。
【請求項３】
前記測定対象は略円筒状の部材であり、
前記溝部は前記測定対象の長手方向に沿って延びて形成されていること
を特徴とする請求項２記載の温度計測装置。
【請求項４】
前記測定対象は略円筒状の部材であり、
前記溝部は前記測定対象の円筒面に螺旋状に延びて形成されていること
を特徴とする請求項２記載の温度計測装置。
【請求項５】
コアに形成された回折格子部を少なくとも含む前記光ファイバの部分を、板状に形成されたパッドの中に埋設する埋設工程と、
前記パッドを測定対象に固定する固定工程と、
が設けられていることを特徴とする温度計測装置の取り付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いた温度分布計測に用いて好適な温度計測装置および温度計測装置の取り付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、火力発電プラントなどに用いられるボイラのボイラチューブでは、熱伸びによる応力集中部からの蒸気漏れを未然に防止するために温度監視が行われている。
このようなボイラチューブのメタル温度の計測では、熱電対を用いた計測が主流となっている。熱電対は温度計測において最も頻繁に利用されているセンサであり、使用の用途に応じて、多種にわたる素材を用いた種々の熱電対の中から最も適した熱電対を選択できるという利点がある。
【０００３】
熱電対による温度の計測は、熱電対を構成する異なる２種類の金属線の一方の端部同士を溶接した溶接端を温度の測定対象に接触させて、他方の端部の間に生じる熱起電力を計測することにより行われる。上述の熱起電力、つまり、熱電対の出力電圧は、上述の一方の端部と、他方の端部との間の温度差の影響を受ける。そのため、熱電対の他方の端部が接続される測定器の端子部の温度が測定され、測定された温度に基づいて測定温度の演算補正を行うことにより、上述の溶接端、つまり、感温部測定対象温度接点部の温度が特定されている。
【０００４】
しかしながら、熱電対は１つのセンサに対して１箇所の温度計測しか出来ないため、熱電対と計測器との間を接続し、出力電圧を計測器に入力する信号線が、熱電対ごとに必要になり、多数の熱電対を敷設するのに時間がかかるという問題があった。
さらに、ボイラチューブのメタル温度測定に用いられる熱電対には、耐食性などが必要になるため、単価が高い熱電対が用いられる。そのため、多数の熱電対が必要になる多点計測には不向きであるという問題があった。
【０００５】
上述の問題を解決するために、熱電対以外の温度センサを用いて温度検出を行う方法が提案されており、例えば、光ファイバケーブル内で生じる散乱光の波長分布が温度によって変化することを利用した温度検出方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
さらに、コアの一部に回折格子を構成した光ファイバを用いたファイバ・ブラッグ・グレーティング（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ、以下「ＦＢＧ」と表記する。）光ファイバ温度センサも知られている。ＦＢＧ光ファイバ温度センサに用いられる光ファイバは、コアの一部に屈折率の高い部分と、低い部分とを長手方向に一定の間隔で、つまり周期的に交互に繰り返して形成されたものである。
【０００７】
上述の周期的な構造は、光ファイバのコアに波長２５０ｎｍ前後の紫外（ＵＶ）光を照射することにより形成されている。
一般的に、上記コアに紫外光を照射すると、光誘起屈折率の変化により屈折率が変化し、紫外光の照射を止めた後も変化後の屈折率が維持される。そのため、上述の周期的な構造は、光ファイバのコアが配置された領域に紫外光の干渉縞を形成することにより、屈折率を周期的に変化させた構造がコアに書き込まれる。
【０００８】
この屈折率が周期的に変化する構造は、波長λＢ＝２ｎΛの光を反射し、その他の波長の光を透過する回折格子として働く。ここで、ｎは光ファイバの屈折率であり、Λは回折格子の周期である。
このような屈折率が周期的に変化する構造、つまり回折格子を、光ファイバケーブルの複数の点で形成し、光ファイバケーブルを測定対象に敷設することで、１本の光ファイバケーブルで複数点の温度を計測できることが知られている。
【０００９】
一方で、光ファイバにおける回折格子が高温域（例えば、約３００℃から約３５０℃）で消えることから、センサ部となる回折格子を保護するために、耐熱性に優れた金属管で光ファイバを覆う技術も知られている。
【特許文献１】特開平９−２５７５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の光ファイバを用いた温度測定では、円柱状の光ファイバと検査対象（例えばボイラチューブ）との接触面積が狭いため、光ファイバと検査対象との間に温度差が生じやすく検査対象の温度が正確に検出できない、言い換えると、温度計測精度が低下するという問題があった。
さらに、光ファイバと検査対象との接触面積が狭いことから、光ファイバを検査対象に固定させにくく、光ファイバが検査対象から剥離して、検査対象の温度が正確に検出できない恐れがあった。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、検査対象への取り付け施工時間を短縮するとともに、検査対象の温度を正確に検出することができる温度計測装置および温度計測装置の取り付け方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の温度計測装置は、コアに複数の回折格子部が間隔をあけて形成された光ファイバと、前記光ファイバにおける少なくとも前記回折格子部の形成された部分が埋設されるとともに、温度の測定対象に固定されるパッドと、が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、光ファイバはパッドとともに測定対象に固定されることから、光ファイバを直接測定対象に固定する方法と比較して、測定対象への固定が容易になる。
さらに、パッドを介して光ファイバと測定対象とを密着させて、光ファイバと測定対象との間における温度差の拡大を抑制することができる。
【００１４】
パッドには光ファイバにおける少なくとも回折格子部が形成された部分が埋設されているため、言い換えると、それ以外の部分はパッドに埋設されていないため、光ファイバの全てがパッド等に埋設されている場合と比較して、パッドに埋設されていない部分の光ファイバを自由に曲げることができる。そのため、測定対象におけるパッドが取り付けられる面が曲面であっても、容易に光ファイバおよびパッドを測定対象に固定することができる。
【００１５】
本発明の温度計測装置は、コアに複数の回折格子部が間隔をあけて形成された光ファイバと、該光ファイバが挿通される略円筒状の保護管と、温度の測定対象に形成された溝部に配置された前記保護管を、前記測定対象に固定する固定部と、が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、測定対象に形成された溝部に、保護管に挿通された光ファイバを配置するため、単に測定対象に保護管に挿通された光ファイバを配置する構成と比較して、測定対象との接触面積、言い換えると伝熱面積が増える。そのため、光ファイバと測定対象との間における温度差の拡大を抑制することができる。
【００１７】
さらに、溝部に配置された状態で保護管および光ファイバを固定するため、溝部を利用しない固定方法と比較して、容易かつ確実に光ファイバを測定対象に固定することができる。
【００１８】
上記発明においては、前記測定対象は略円筒状の部材であり、前記溝部は前記測定対象の長手方向に沿って延びて形成されていることが望ましい。
【００１９】
本発明によれば、光ファイバを略円筒状の測定対象における長手方向に沿って配置することができるため、測定対象の長手方向における温度分布を測定することができる。
【００２０】
上記発明においては、前記測定対象は略円筒状の部材であり、前記溝部は前記測定対象の円筒面に螺旋状に延びて形成されていることが望ましい。
【００２１】
本発明によれば、光ファイバを測定対象の円筒面に螺旋状に配置することができるため、測定対象の円筒面における温度分布を測定することができる。
【００２２】
本発明の温度計測装置の取り付け方法は、コアに形成された回折格子部を少なくとも含む前記光ファイバの部分を、板状に形成されたパッドの中に埋設する埋設工程と、前記パッドを測定対象に固定する固定工程と、が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、光ファイバはパッドとともに測定対象に固定されることから、光ファイバを直接測定対象に固定する方法と比較して、測定対象への固定が容易になる。
さらに、パッドを介して光ファイバと測定対象とを密着させて、光ファイバと測定対象との間における温度差の拡大を抑制することができる。
【００２４】
パッドには光ファイバにおける少なくとも回折格子部が形成された部分が埋設されているため、言い換えると、それ以外の部分はパッドに埋設されていないため、光ファイバの全てがパッド等に埋設されている場合と比較して、パッドに埋設されていない部分の光ファイバを自由に曲げることができる。そのため、測定対象におけるパッドが取り付けられる面が曲面であっても、容易に光ファイバおよびパッドを測定対象に固定することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の温度計測装置および温度計測装置の取り付け方法によれば、光ファイバはパッドとともに測定対象に固定されることから、検査対象への取り付け施工時間を短縮するとともに、検査対象の温度を正確に検出することができるという効果を奏することができる。さらに、パッドには光ファイバにおける少なくとも回折格子部が形成された部分が埋設されているため、検査対象への光ファイバおよびパッドの取り付けが容易となり、取り付け施工時間を短縮することができるという効果を奏する。
【００２６】
本発明の温度計測装置および温度計測装置の取り付け方法によれば、測定対象に形成された溝部に、保護管に挿通された光ファイバを配置するため、検査対象への取り付け施工時間を短縮するとともに、検査対象の温度を正確に検出することができるという効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態について図１から図７を参照して説明する。
本実施形態では、本願の発明を火力発電プラントのボイラにおける蒸発管や、火炉壁や、管台や、過熱器や、再熱器などの温度計測に用いられる温度計測装置に適用して説明する。
図１は、本実施形態に係る温度計測装置の構成の概略を説明する断面視図である。
温度計測装置１には、図１に示すように、蒸発管などのボイラチューブ（測定対象）２の温度を検出する光ファイバセンサ（光ファイバ）３および計測器４と、光ファイバセンサ３が挿通される保護管５と、光ファイバセンサ３が埋め込まれるとともにボイラチューブ２に固定されるパッド６と、が設けられている。
【００２８】
光ファイバセンサ３は、図１示すように、光を搬送するコア３１と、コア３１の周囲を覆うクラッド３２とから構成され、さらに、コア３１に長手方向に間隔をあけて複数の回折格子部３３が形成されたものである。
このように、一本の光ファイバセンサ３に複数の回折格子部３３を設けることにより、高精度な多点温度計測を行うことができる。
【００２９】
図２は、図１の光ファイバセンサのコアに形成された回折格子部の構成を説明する模式図である。
回折格子部３３は、図２に示すように、コア３１における屈折率が周期的に変化する部分であって、光ファイバセンサ３において温度センサとして作用する部分である。回折格子部３３は、上述のように、コア３１に波長２５０ｎｍ前後の紫外光を照射することにより形成されている。
【００３０】
計測器４は、図１に示すように、光ファイバセンサ３とともに温度計測を行うものである。光ファイバセンサ３および計測器４における温度計測の原理については後述する。
計測器４には光ファイバセンサ３の端部が接続され、計測器４は、温度計測に用いる入射光を光ファイバセンサ３のコア３１に入射させるとともに、回折格子部３３において反射された反射光が計測器４に入射されている。
【００３１】
図３は、図１の保護管の構成を説明する断面視図である。
保護管５は、内部に光ファイバセンサ３が挿通される円筒状の部材であって、耐熱性を有する金属材料から形成された部材である。さらに、保護管５はパッド６に埋設されている部分も含めて光ファイバセンサ３を覆って配置されている。
このように光ファイバセンサ３を保護管５に挿通させることにより、光ファイバセンサ３を高温から保護することができる。言い換えると、高温により光ファイバセンサ３の回折格子部３３が消えることを防止し、当該高温領域であっても光ファイバセンサ３を用いた温度測定を行うことができる。
【００３２】
図４は、図１のパッドおよびパッドに埋め込まれた光ファイバセンサの配置を説明する図である。
パッド６は、光ファイバセンサ３における回折格子部３３が形成された部分が埋設されるとともに、ボイラチューブ２に固定される四角柱状の部材である。パッド６を形成する材料としては、ボイラチューブ２と同等の熱膨張率を有する材料、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３４７）などを例示することができる。
【００３３】
図５は、図４のパッドにおける分割体の構成を説明する図である。
図４および図５に示すように、パッド６には一対の四角板状の分割体６１，６１が設けられ、一対の分割体６１，６１を溶接接合することによりパッド６が形成されている。
分割体６１同士が接触する合わせ面には、図５に示すように、保護管５に挿通された光ファイバセンサ３が配置される溝部６２が形成されている。溝部６２は、分割体６１における一辺に沿って略平行に延びて形成されている。
さらに、溝部６２の表面は、保護管５と密着するように滑らかに、言い換えると凹凸がないように形成されている。
【００３４】
図６は、図１のパッドの配置を説明する上面視図であり、図７は、図６のパッドの配置を説明する断面視図である。
パッド６は、図６に示すように、ボイラチューブ２における温度計測点のみに、離散的に配置されている。言い換えると、光ファイバセンサ３における回折格子部３３も同様にボイラチューブ２における温度計測点のみに離散的に形成されている。
さらに、パッド６は、図７に示すように、ボイラチューブ２の外周面に沿って密着して配置され、パッド６の光ファイバセンサ３に沿って延びる辺においてボイラチューブ２と溶接されている。溶接としては、パッド型の熱電対とボイラチューブ２との接着にも用いられるＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ｉｎｅｒｔ  Ｇａｓ）溶接を例示することができる。
【００３５】
次に、上述の温度計測装置１のボイラチューブ２への取付け方法について説明する。
最初に、図３に示すように、保護管５に光ファイバセンサ３が挿通される。その後、図４に示すように、光ファイバセンサ３および保護管５が一対の分割体６１,６１の間に配置され、分割体６１,６１を溶接することにより、光ファイバセンサ３がパッド６に埋設される（埋設工程）。
このとき、光ファイバセンサ３および保護管５は、分割体６１に形成された溝部６２に配置され、光ファイバセンサ３および保護管５と分割体６１とが密着されている。
【００３６】
その後、図６および図７に示すように、パッド６がボイラチューブ２に溶接により固定される（固定工程）。パッド６はボイラチューブ２と密着されるため、光ファイバセンサ３および保護管５とボイラチューブ２とは、パッド６を介して密着されている。
【００３７】
次に、上述の温度計測装置１におけるボイラチューブ２の温度計測について説明する。
ボイラチューブ２の温度計測を行う場合には、まず、図１に示すように、光ファイバセンサ３が埋設されたパッド６を、ボイラチューブ２における温度計測点に溶接固定する。
【００３８】
その後、計測器４から光ファイバセンサ３のコア３１に入射光が入射され、回折格子部３３において反射された反射光が、計測器４により測定される。計測器４は、入射された反射光の波長に基づいて回折格子部３３の歪みを算出し、算出された回折格子部３３の歪みから回折格子部３３の温度を算出する。
【００３９】
上述の反射光の波長λＢは、コア３１の屈折率ｎと、回折格子部３３の回折格子周期Λとを用いてλＢ＝２ｎΛと表される。そのため、回折格子部３３が歪み、回折格子周期がΛ１に変化すると、反射光の波長も上述の式にしたがって、λ１Ｂ＝２ｎΛ１に変化する。
さらに、回折格子部３３における歪みが、光ファイバセンサ３の熱伸びによる歪みの場合には、光ファイバセンサ３の熱膨張係数および回折格子部３３の歪みに基づいて、回折格子部３３における温度を算出することができる。
【００４０】
上記の構成によれば、光ファイバセンサ３はパッド６とともにボイラチューブ２に溶接固定されることから、光ファイバセンサ３を直接ボイラチューブ２に固定する方法と比較して、ボイラチューブ２への固定が容易になる。そのため、温度計測装置１をボイラチューブ２に取り付ける施工時間を短縮することができる。
さらに、パッド６を介して光ファイバセンサ３とボイラチューブ２とを密着させることができるため、光ファイバセンサ３とボイラチューブ２との間における温度差の拡大を抑制することができる。そのため、ボイラチューブ２の温度を正確に検出することができる。
【００４１】
パッド６には光ファイバセンサ３における回折格子部３３が形成された部分が埋設されているため、言い換えると、それ以外の部分はパッド６に埋設されていないため、光ファイバセンサ３の全てがパッド６に埋設されている場合と比較して、パッド６に埋設されていない部分の光ファイバセンサ３を自由に曲げることができる。そのため、ボイラチューブ２におけるパッド６が取り付けられる面が曲面であっても、容易に光ファイバセンサ３およびパッド６を測定対象に固定することができる。
【００４２】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図８および図９を参照して説明する。
本実施形態の温度計測装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ボイラチューブへの光ファイバセンサの固定方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図８および図９を用いて光ファイバセンサの固定に関する構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
図８は、本実施形態に係る温度計測装置におけるボイラチューブへの光ファイバセンサの固定に関する構成を説明する上面視図であり、図９は、図８のボイラチューブへの光ファイバセンサの固定に関する構成を説明する断面視図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４３】
本実施形態の温度計測装置１０１における光ファイバセンサ３および保護管５は、図８および図９に示すように、ボイラチューブ２に形成された溝部１０２に配置された後に、固定部１０３により溝部１０２に固定されている。
【００４４】
溝部１０２は、ボイラチューブ２の長手方向に向かって略直線状に延びる溝部１０２であって、溝部１０２の表面は、保護管５と密着するように滑らかに、言い換えると凹凸がないように形成されている。
【００４５】
固定部１０３は、例えばステンレス鋼から形成された針金や、グラスウールから形成された紐状部材などであって、溝部１０２に光ファイバセンサ３および保護管５を配置した状態で、ボイラチューブ２の周囲に巻きつけられるものである。
ここで、固定部１０３は、光ファイバセンサ３における回折格子部３３が設けられていない部分に巻つけられている。
【００４６】
上記の構成によれば、ボイラチューブ２に形成された溝部１０２に、保護管５に挿通された光ファイバセンサ３を配置するため、単にボイラチューブ２に保護管５に挿通された光ファイバセンサ３を配置する構成と比較して、ボイラチューブ２との接触面積、言い換えると伝熱面積が増える。そのため、光ファイバセンサ３とボイラチューブ２との間における温度差の拡大を抑制することができる。そのため、ボイラチューブ２の温度を正確に検出することができる。
【００４７】
一方で、溝部１０２に配置された状態で保護管５および光ファイバセンサ３を固定するため、溝部１０２を利用しない固定方法と比較して、容易かつ確実に光ファイバセンサ３をボイラチューブ２に固定することができる。そのため、光ファイバセンサ３のボイラチューブ２への取り付け施工時間を短縮することができる。さらに、光ファイバセンサ３を略円筒状のボイラチューブ２における長手方向に沿って配置することができるため、ボイラチューブ２の長手方向における温度分布を測定することができる。
【００４８】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図１０を参照して説明する。
本実施形態の温度計測装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ボイラチューブへの光ファイバセンサの固定方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図１０を用いて光ファイバセンサの固定に関する構成のみを説明し、その他の構成等の説明を省略する。
図１０は、本実施形態に係る温度計測装置におけるボイラチューブへの光ファイバセンサの固定に関する構成を説明する上面視図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４９】
本実施形態の温度計測装置２０１における光ファイバセンサ３および保護管５は、図１０に示すように、ボイラチューブ２に形成された溝部２０２に配置された後に、固定部１０３により溝部２０２に固定されている。
【００５０】
溝部２０２は、ボイラチューブ２の円筒面に沿って螺旋状に延びる溝部２０２であって、溝部２０２の表面は、保護管５と密着するように滑らかに、言い換えると凹凸がないように形成されている。
【００５１】
上記の構成によれば、ボイラチューブ２に形成された溝部２０２に、保護管５に挿通された光ファイバセンサ３を配置するため、単にボイラチューブ２に保護管５に挿通された光ファイバセンサ３を配置する構成と比較して、ボイラチューブ２との接触面積、言い換えると伝熱面積が増える。そのため、光ファイバセンサ３とボイラチューブ２との間における温度差の拡大を抑制することができる。そのため、ボイラチューブ２の温度を正確に検出することができる。
【００５２】
一方で、溝部２０２に配置された状態で保護管５および光ファイバセンサ３を固定するため、溝部２０２を利用しない固定方法と比較して、容易かつ確実に光ファイバセンサ３をボイラチューブ２に固定することができる。そのため、光ファイバセンサ３のボイラチューブ２への取り付け施工時間を短縮することができる。さらに、光ファイバセンサ３をボイラチューブ２の円筒面に螺旋状に配置することができるため、ボイラチューブ２の円筒面における温度分布を測定することができる。
【００５３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る温度計測装置の構成の概略を説明する断面視図である。
【図２】図１の光ファイバセンサのコアに形成された回折格子部の構成を説明する模式図である。
【図３】図１の保護管の構成を説明する断面視図である。
【図４】図１のパッドおよびパッドに埋め込まれた光ファイバセンサの配置を説明する図である。
【図５】図４のパッドにおける分割体の構成を説明する図である。
【図６】図１のパッドの配置を説明する上面視図である。
【図７】図６のパッドの配置を説明する断面視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る温度計測装置におけるボイラチューブへの光ファイバセンサの固定に関する構成を説明する上面視図である。
【図９】図７のボイラチューブへの光ファイバセンサの固定に関する構成を説明する断面視図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る温度計測装置におけるボイラチューブへの光ファイバセンサの固定に関する構成を説明する上面視図である。
【符号の説明】
【００５５】
１，１０１，２０１  温度計測装置
２  ボイラチューブ（測定対象）
３  光ファイバセンサ（光ファイバ）
６  パッド
３１  コア
３３  回折格子部
１０２，２０２  溝部
１０３  固定部
【図１】
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【図２】
2009281789.tif 000004
【図３】
2009281789.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009281789.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009281789.tif 000009
【図８】
2009281789.tif 000010
【図９】
2009281789.tif 000011
【図１０】
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