高温用光ファイバーセンサの選定で確認する7項目

高温用光ファイバーセンサの最高定格は、測定系のすべての部分がその温度に対応することを示すものではありません。光ファイバー温度プローブ、感温部、光ファイバー、監視計器のすべてが実際の用途に適合する必要があります。さらに、高温が発生する位置、プローブ構造、ファイバーの敷設方法、プロセスに必要な精度と応答、計器がそのプローブを読み取れるかどうかを把握する必要があります。

重要ポイント

• センサ最高温度は選定要因の1つにすぎず、用途全体を表すものではありません。
• 先端、本体、光ファイバー、保護被覆は異なる温度を受け得ます。
• 点測定は選定した物理位置だけを測ります。感温部1つが指定測定点1つです。
• 精度と応答は測定範囲仕様から推測せず、必要な使用温度域で確認してください。
• 経路は先端性能と同程度に重要です。
• プローブと計測器は対応する測定技術を使う必要があります。
• 複数の独立点には複数プローブと対応する有効チャンネルが必要です。

高温用光ファイバーセンサとは何ですか。

高温用光ファイバーセンサは、高温の測定点に対応するよう設計・構成された光ファイバー温度センサです。「高温」を定める単一の標準しきい値はありません。用途、プローブ、計器によって、その意味は異なります。

温度測定プローブの定格は、通信用ファイバーや光ケーブルの定格とは別です。蛍光式点式測温システムの測定経路は次のとおりです。

sensing tip
   ↓
optical fiber
   ↓
monitoring instrument
   ↓
temperature data

感温先端部が、定められた温度測定点です。光ファイバーは先端と計測器の間で光信号を運び、全長に沿って自動的に測温するわけではありません。原理の説明はこちらです： 蛍光式光ファイバー温度測定：計測器が感温先端の光学応答を読み取り、そこから先端温度を求めます。

1. 必要温度範囲を確認

要点： 測定点が実際に経験する温度を定義し、センサの確認済み範囲と比較してください。

該当する次の4値を書き出します：

• 予想最低温度
• 通常運転温度
• 想定最高温度。
• プロセスにある場合の短時間逸脱。

問うべきなのは「入手できるセンサの最高仕様は何か」ではなく、「実際の測定点はどの温度にさらされるか」です。用途の要件とセンサの最高定格は別のものです。最高値には対応しても通常運転範囲に対応しないセンサや、実際のピーク温度に対する定格の余裕がほとんどないセンサは、適さない場合があります。

短時間のピークでもプローブに負担がかかるため、一時的な温度上昇も重要です。単一の数値だけに頼らず、使用するプローブがプロセスの温度プロファイルにどう対応するか、供給元に確認してください。温度限界は、プローブ、感温材料、構造、計器によって異なります。範囲の定義と選定については、以下をご覧ください： 光ファイバー温度センサ範囲.

選定時の質問： 正確な測定点の最低・通常・最高・一時的な逸脱温度は何度ですか。

2. プローブ先端・構造を確認

要点： 原理上は高温に対応しても、プローブ全体の適合性も必要です。

耐高温性能は感温材料だけでは決まりません。プローブは組立品で、各部が使用条件に耐える必要があります。設計に応じて、次の事項が関係します：

• プローブ先端
• プローブ筐体
• 保護管
• コーティング
• 接着剤・接着方法
• 機械保護

感温素子が高温に応答できるプローブでも、構造内の別の部分によって使用が制限されることがあります。設置条件に応じたさまざまなプローブ構造があり、適切な構造は取付方法、接触するもの、暴露条件によって異なります。利用可能な構造は、次のページで確認できます： 光ファイバー温度プローブ カテゴリー。

材料を決めつけないでください。プローブ構造は一律ではないため、対象製品の構造と測定点の条件を照合してください。

選定時の質問： 感温素子だけでなく、プローブの全構成部が設置位置の温度・環境に対応していますか。

3. ファイバーと保護シースの耐熱性能を確認する

要点： 感温部の温度とファイバー経路の温度は同じとは限らないため、ファイバーとシースは別々に確認してください。

よくある条件は2つです。一つは、感温点が高温領域内にあり、ファイバーはそこから低温の監視位置へ出る場合です。もう一つは、経路に沿った長いファイバー区間が高温にさらされる場合です。それぞれ異なる確認が必要です。

以下を個別に確認してください。

• 感温部の能力
• プローブ本体の性能
• ファイバー被覆の能力
• 保護シースの能力
• コネクタ位置とその周囲温度
• 外部配線環境。

プローブが高温でもファイバー全体が同じ温度とは限りません

蛍光式点測定は感温部の温度を測定します。ファイバーは光信号経路であり、長さ方向の温度プロファイルは測定しません。

光ファイバーが受ける温度を無視できるわけではありません。コーティング、保護被覆、コネクタにも材料上・機械上の限界があります。経路の各区間が実際に受ける温度を評価する必要があります。

選定時の質問： 光ファイバー・被覆のどこが高温域に入り、耐えられる仕様か。

4. 必要温度で精度を確認

要点： 範囲と精度は別の選定基準です。実際の使用温度で精度を確認してください。

測定範囲が広いプローブでも、全域で高精度とは限りません。重要なのは、プロセスで使用する範囲、特に制御点や警報点付近での測定性能です。

測定性能は光ファイバーだけでなく系全体で決まり、次に依存します：

• プローブ
• 光経路
• 監視計器
• 校正

選定したプローブ・計測器構成の確認済み精度仕様を調べ、対象温度で適用されることを確認してください。

選定時の質問： 使用温度で、このプローブと計測器の組み合わせはどの精度を確認しているか。その精度が用途に必要か。

5. 応答時間を熱プロセスへ合わせる

要点： 高温測定範囲が広いセンサでも、急変するプロセスに適するとは限りません。

応答時間は複数の実用要因によります。

• プローブ形状
• 熱容量
• 対象との熱接触。
• 設置方法
• 対象材料
• プロセスの動特性

大きな加熱物体のゆっくりした温度変化を監視する場合、応答への要求は比較的小さくなります。急速加熱では事情が異なり、応答の遅いプローブは実温度に遅れ、速い変化を低く読み取る可能性があります。熱接触はプローブ自体と同じくらい重要で、優れたプローブでも接触が悪ければ応答は遅くなります。

まずプロセスの動特性を定め、設置状態で必要なプローブ応答を検討します。応答の定義の詳細はこちらです： 光ファイバー温度センサの応答時間.

選定時の質問： この点の温度変化はどれほど速く、計画どおりに固定したプローブは追従できるか。

6. ファイバー長・経路を計画

要点： ファイバー長に経路を合わせず、実際の経路に合う長さを選んでください。

測定点から計測器まで経路をたどり、各段階を記録します：

• 感温点から監視計測器までの距離。
• 機器内部の経路
• フィードスルー位置
• 外部配線
• 曲げ保護
• 機械保護
• 高温域を通る光ファイバーの長さ。
• コネクタ位置
• 保守用アクセス。

経路を計画する前に長さを選ぶと、計測器に届かないほど短くなったり、安全に管理できないほど長くなったりしがちです。長さは項目3とも関係します。高温領域を通る経路が長いほど、その曝露条件への適合を確認すべき光ファイバーと被覆の範囲も増えます。保守用アクセスの余長を含め、実際の経路に応じて長さを決めてください。

長さ・構造の指定方法はこちらです： 光ファイバー温度プローブの長さと構造.

選定時の質問： 感温点から計器までの実際の経路はどうなり、そのどこに高温区間、曲がり、コネクタがありますか。

7. 監視計器の互換性を確認

要点： 高温プローブは監視計測器と切り離して選定できません。

蛍光寿命プローブには、対応する蛍光測定計測器が必要です。どの光ファイバー読み取り装置でも、あらゆる光学温度センサを読めるとは限りません。光ファイバー温度測定には、蛍光寿命、GaAs吸収、FBG、分布型温度測定など異なる光学原理があり、同じ計測器でそのまま読み取れるわけではありません。

確認事項：

• 検出技術
• 光学互換性
• チャンネル数
• プローブ互換性
• 必要測定範囲
• データ出力
• 監視統合

計測器は温度データを利用可能な出力にも変えます。計測器側はこちらです： 光ファイバー温度伝送器・ホスト。ここでの目的は、プローブと計器が組み合わせて動作する設計か確認することです。

選定時の質問： このプローブはこの計器向けに設計されていますか。また、計器は必要なチャンネルと出力を備えていますか。

高温用光ファイバーセンサ選定チェックリスト

実用的な選定手順

1. 物理測定点を定めます。
2. 通常温度と予想最高温度を定めます。
3. プローブとファイバーのどの部分が高温にさらされるかを確認します。
4. 必要精度を確認します。
5. プロセスの応答要件を定義します。
6. ファイバー経路を計画します。
7. 独立測定点数を数えます。
8. 対応監視計器とプローブを組み合わせます。
9. 必要出力と統合を確認します。

この手順は高温点向けです。通常温度用途も含む広い選定手順はこちらです： 光ファイバー温度センサの選び方.

高温用光ファイバーセンサの必要本数

用途の独立測定点数によって異なります。点測定では、関係は次のとおりです：

1 independent measurement point
≈ 1 probe
≈ 1 compatible active measurement channel

例えば選定4点には通常4本と少なくとも4対応チャンネルが必要です。構成例であり、共通ルールではありません。

プローブを複数使っても、分布型温度測定システムにはなりません。技術者が選んだ位置で、独立した複数の点測定を行うものです。1本のプローブが示すのは自身の測定点だけであり、広い熱領域ではありません。複数点を1つのシステムへ入力する場合、計測器とソフトウェアは次の構成の一部になります： 光ファイバー温度監視システム.

用途で最も難しい条件が高温とは限らない

多くのプロジェクトでは高温と、選定に影響する次の条件が重なります：

• 高電圧
• 強い電磁干渉
• RF・マイクロ波電磁界
• 強磁場
• 限られた設置空間
• 急速な温度変化
• 機械振動
• 化学物質への曝露

最高温度だけでプローブを選定しないでください。用途によっては、熱そのものより設置スペース、電気的環境、化学物質への曝露が制約になります。光学的な計測系がよく使用されるのは、測定点の電気的絶縁を保ち、光信号経路に高い耐電磁干渉性を持たせられるためです。測定の背景全体については、次で説明しています。 光ファイバー温度測定.

高温用光ファイバーセンサの想定用途

高温点式測温が必要になり得る分野です。ただし、すべての案件が高温とは限りません。

• 産業加熱： 加熱機器・プロセス内部の点測定。
• 高電圧電気設備： 電気的絶縁が必要な温度点。
• パワーエレクトロニクス試験： 試験中の高温部品での測定。
• RF・マイクロ波加熱： 電気式センサを乱す場での測定。
• 実験室の熱試験： 試験構成での管理された点測定。
• 選定した変圧器・モーター測定点： 注目する特定内部位置。

高温用光ファイバーセンサ選定でよくある間違い

1. 最高温度の数値だけを見ること。 その数値はプローブ構造、ファイバー暴露、精度、応答を示しません。
2. 光ファイバーと被覆の温度曝露を無視すること。 熱にさらされるのは感温部だけとは限りません。
3. 範囲と精度を同じ仕様と思い込むこと。 広い範囲でも、使用点で必要精度を満たすとは限りません。
4. 熱接触と応答要件を無視すること。 取付状態がプローブのプロセス追従速度に影響します。
5. 経路計画前にファイバー長を選ぶこと。 経路が必要ファイバー長と曝露条件を決めます。
6. どのプローブも任意の光ファイバー計測器に合うと思い込むこと。 互換性は感温原理と計器設計によります。
7. プローブ1本で広い熱的領域を代表できると思い込むこと。 プローブは自身の感温点を測ります。

結論

高温用光ファイバーセンサの選定では、最高測定温度の確認だけでは不十分です。実際の測定点の温度範囲、プローブ構造、ファイバーとシースが受ける温度、使用温度での精度、熱プロセスへの応答、ファイバーの経路と長さ、計器との互換性を主に確認してください。

適切なセンサとは、計測系全体が実際の熱条件・設置条件に合うものです。

高温、高電圧、厳しい電磁環境で点式測温が必要な場合、INNOは測定点、プローブ構造、光ファイバー経路、監視計測器の要件確認を支援します。

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