図面 (/)

技術 光ファイバ分布型温度測定装置

出願人 横河電機株式会社
発明者 阿川久夫
出願日 2009年9月7日 (10年6ヶ月経過) 出願番号 2009-205493
公開日 2011年3月24日 (8年11ヶ月経過) 公開番号 2011-058815
状態 特許登録済
技術分野 温度及び熱量の測定
主要キーワード ラマン後方散乱光 損失計算 光ファイバ温度 後方ラマン散乱光 劣化評価 ラマンシフト量 代入式 ストークス光強度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年3月24日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

センサ用光ファイバ温度変化の影響を受けることなく、SIFを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を提供すること。

解決手段

光ファイバラマン後方散乱光に基づき温度を測定するように構成された光ファイバ分布型温度測定装置において、前記光ファイバの温度変化の影響を補正して前記光ファイバの損失劣化度演算する損失劣化度演算手段を設けたことを特徴とするもの。

概要

背景

光ファイバセンサとして用いた分布型測定装置一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された温度測定装置がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。

後方散乱光には、レイリー散乱光ブリルアン散乱光ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、入射光の波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光がある。

光ファイバ分布型温度測定装置は、ストースク光とアンチストークス光の強度を測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備温度管理防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。

図4は、このような光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。図4において、光源1は光分波器2の入射端に接続され、光分波器2の入出射端には光ファイバ3が接続され、光分波器2の一方の出射端には光電変換器(以下O/E変換器という)4sが接続され、光分波器2の他方の出射端にはO/E変換器4aが接続されている。

O/E変換器4sの出力端子にはアンプ5sおよびA/D変換器6sを介して演算制御部7に接続され、O/E変換器4aの出力端子にはアンプ5aおよびA/D変換器6aを介して演算制御部7に接続されている。なお、演算制御部7は、光源1にも接続されている。

光源1としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、演算制御部7からのタイミング信号に対応してパルス光出射する。光分波器2は、その入射端に光源1から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ3に出射し、光ファイバ3内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光とアンチストークス光に波長分離する。光ファイバ3は、その入射端から光分波器2から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ3内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器2に向けて出射する。

O/E変換器4sおよび4aとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、O/E変換器4sには光分波器2の一方の出射端から出射されたストークス光が入射され、O/E変換器4aには光分波器2の他方の出射端から出射されたアンチストークス光が入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。

アンプ5sおよび5aは、O/E変換器4sおよび4aから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。A/D変換器6sおよび6aは、アンプ5sおよび5aから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。

演算制御部7は、A/D変換器6sおよび6aから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の2成分、すなわち、ストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ3に沿った温度分布を表示手段(図示せず)に表示する。なお、演算制御部7にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部7は、光源1にタイミング信号を送り、光源1から出射される光パルスのタイミングを制御する。

次に温度分布測定原理を説明する。ストークス光およびアンチストークス光の信号強度を光源1における発光タイミングを基準にした時間の関数として表すと、光ファイバ3中の光速が既知であるので、光源1を基準にして光ファイバ3に沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、横軸を距離とし、光ファイバの各距離地点で発生したストークス光およびアンチストークス光の強度、つまり距離分布みなすことができる。

一方、ストークス光強度Isとアンチストークス光強度Iaはいずれも光ファイバ3の温度に依存し、さらに、両光の強度比Is/Iaも光ファイバ3の温度に依存する。したがって、強度比Is/Iaが分かればラマン散乱光が発生した箇所の温度を知ることができる。ここで、強度比Is/Iaは距離xの関数Is(x)/Ia(x)であるから、この強度比Is(x)/Ia(x)から光ファイバ3に沿った温度分布T(x)を求めることができる。

光ファイバ分布型温度測定装置に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。

特開2009−115568号公報

概要

センサ用光ファイバ温度変化の影響を受けることなく、SIFを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を提供すること。光ファイバのラマン後方散乱光に基づき温度を測定するように構成された光ファイバ分布型温度測定装置において、前記光ファイバの温度変化の影響を補正して前記光ファイバの損失劣化度を演算する損失劣化度演算手段を設けたことを特徴とするもの。

目的

本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、SIFを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

光ファイバラマン後方散乱光に基づき温度を測定するように構成された光ファイバ分布型温度測定装置において、前記光ファイバの温度変化の影響を補正して前記光ファイバの損失劣化度演算する損失劣化度演算手段を設けたことを特徴とする光ファイバ分布型温度測定装置。

請求項2

前記損失劣化度演算手段は、前記光ファイバの損失劣化評価関数として用いるSIF演算式を格納するSIF演算式格納部と、前記ラマン後方散乱光におけるストークス光強度測定結果を格納するストークス光強度測定部と、前記ストークス光強度測定部に格納されているストークス光強度の測定結果を前記SIF演算式格納部に格納されている演算式に代入して、SIFを求めるための演算を行う代入式演算部、を含むことを特徴とする請求項1記載の光ファイバ分布型温度測定装置。

請求項3

前記損失劣化度演算手段は、さらに、前記SIFの値が距離と無関係になるように設定する基準SIF設定部を含むことを特徴とする請求項1または2記載の光ファイバ分布型温度測定装置。

技術分野

0001

本発明は、ラマン後方散乱光を利用した光ファイバ分布型温度測定装置に関し、詳しくは、センサ用光ファイバ損失劣化度(SIF: Signal Impairment Factor)の測定改善に関する。

背景技術

0002

光ファイバセンサとして用いた分布型測定装置一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された温度測定装置がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。

0003

後方散乱光には、レイリー散乱光ブリルアン散乱光ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、入射光の波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光がある。

0004

光ファイバ分布型温度測定装置は、ストースク光とアンチストークス光の強度を測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備温度管理防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。

0005

図4は、このような光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。図4において、光源1は光分波器2の入射端に接続され、光分波器2の入出射端には光ファイバ3が接続され、光分波器2の一方の出射端には光電変換器(以下O/E変換器という)4sが接続され、光分波器2の他方の出射端にはO/E変換器4aが接続されている。

0006

O/E変換器4sの出力端子にはアンプ5sおよびA/D変換器6sを介して演算制御部7に接続され、O/E変換器4aの出力端子にはアンプ5aおよびA/D変換器6aを介して演算制御部7に接続されている。なお、演算制御部7は、光源1にも接続されている。

0007

光源1としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、演算制御部7からのタイミング信号に対応してパルス光出射する。光分波器2は、その入射端に光源1から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ3に出射し、光ファイバ3内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光とアンチストークス光に波長分離する。光ファイバ3は、その入射端から光分波器2から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ3内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器2に向けて出射する。

0008

O/E変換器4sおよび4aとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、O/E変換器4sには光分波器2の一方の出射端から出射されたストークス光が入射され、O/E変換器4aには光分波器2の他方の出射端から出射されたアンチストークス光が入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。

0009

アンプ5sおよび5aは、O/E変換器4sおよび4aから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。A/D変換器6sおよび6aは、アンプ5sおよび5aから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。

0010

演算制御部7は、A/D変換器6sおよび6aから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の2成分、すなわち、ストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ3に沿った温度分布を表示手段(図示せず)に表示する。なお、演算制御部7にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部7は、光源1にタイミング信号を送り、光源1から出射される光パルスのタイミングを制御する。

0011

次に温度分布測定原理を説明する。ストークス光およびアンチストークス光の信号強度を光源1における発光タイミングを基準にした時間の関数として表すと、光ファイバ3中の光速が既知であるので、光源1を基準にして光ファイバ3に沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、横軸を距離とし、光ファイバの各距離地点で発生したストークス光およびアンチストークス光の強度、つまり距離分布みなすことができる。

0012

一方、ストークス光強度Isとアンチストークス光強度Iaはいずれも光ファイバ3の温度に依存し、さらに、両光の強度比Is/Iaも光ファイバ3の温度に依存する。したがって、強度比Is/Iaが分かればラマン散乱光が発生した箇所の温度を知ることができる。ここで、強度比Is/Iaは距離xの関数Is(x)/Ia(x)であるから、この強度比Is(x)/Ia(x)から光ファイバ3に沿った温度分布T(x)を求めることができる。

0013

光ファイバ分布型温度測定装置に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。

0014

特開2009−115568号公報

発明が解決しようとする課題

0015

ところで、図4の構成で得られるストークス光強度とアンチストークス光強度のデータを用いて、センサ用光ファイバのSIFを求めることが行われている。

0016

図5図4の構成における特性例図であり、Aは温度測定結果を示し、BはSIF計算結果を示している。図5の特性例図において、距離310m付近往復で0.2dB程度の光ファイバの損失劣化部分が現れている。

0017

また、温度が変化している箇所のSIFの値に注目すると、パルス状に変化していることが分かる。これは、光ファイバ温度の影響を無くすために、ストークス光強度をアンチストークス光強度で補正しているが、温度の影響を完全に打ち消すことができないため、損失計算の結果が光ファイバの温度変化の影響を受けているものと考えられる。

0018

本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、SIFを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0019

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
光ファイバのラマン後方散乱光に基づき温度を測定するように構成された光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記光ファイバの温度変化の影響を補正して前記光ファイバの損失劣化度を演算する損失劣化度演算手段を設けたことを特徴とする。

0020

請求項2記載の発明は、
請求項1記載の光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記損失劣化度演算手段は、
前記光ファイバの損失劣化評価関数として用いるSIF演算式を格納するSIF演算式格納部と、
前記ラマン後方散乱光におけるストークス光強度の測定結果を格納するストークス光強度測定部と、
前記ストークス光強度測定部に格納されているストークス光強度の測定結果を前記SIF演算式格納部に格納されている演算式に代入して、SIFを求めるための演算を行う代入式演算部、
を含むことを特徴とする。

0021

請求項3記載の発明は、
請求項1または2記載の光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記損失劣化度演算手段は、
さらに、前記SIFの値が距離と無関係になるように設定する基準SIF設定部を含むことを特徴とする。

発明の効果

0022

本発明によれば、光ファイバ分布型温度測定装置において、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、SIFを測定評価できる。

図面の簡単な説明

0023

本発明の一実施例を示すブロック図である。
図1データ補間部71の具体例を示すブロック図である。
図1の特性例図である。
従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。
従来の特性例図である。

発明を実施するための最良の形態

0024

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図1は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図4と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明は省略する。図1図4相違点は、図1では演算制御部7に図2に示すような光ファイバの温度変化の影響を補正して光ファイバの温度変化の影響を受けることなく光ファイバの損失劣化度を演算する損失劣化度演算部71を設けていることである。

0025

図2は、損失劣化度演算部71の具体例を示すブロック図である。損失劣化度演算部71には、SIF演算式格納部71aと、ストークス光強度測定部71bと、代入式演算部71cと、基準SIF設定部71dが設けられている。

0026

SIF演算式格納部71aには、測定位置(z)における損失劣化評価関数として用いる(1)式が格納されている。

0027

0028

(1)式において、
Is(z):測定位置(z)でのストークス光強度(W)
h:プランク定数6.626×10-34 Js
C:光速3×108 (m/s)
ν:ラマンシフト量
k:ボルツマン定数1.3806×10-23 JK-1
T(z) :測定位置(z)における測定温度(K)
αN:ストークス光におけるファイバ損失基準値(dB/km)
SIF|ref:基準位置でのSIF計算値(dB)
である。

0029

ストークス光強度測定部71bには、次式で求められるラマン後方散乱光におけるストークス光強度Isが格納されている。

0030

0031

(2)式において、
α(z):光源から距離(z)までの光ファイバの往復の損失量
β:光源のレベル等に依存する定数
である。

0032

代入式演算部71cは、ストークス光強度測定部71bに格納されているストークス光強度の測定結果をSIF演算式格納部71aに格納されている(1)式に代入して、SIFを求めるための演算を行う。これにより、SIFは(3)式のようになる。

0033

0034

(3)式に示すように、(1)式における温度(T)の項が打ち消される。また、光ファイバの損失α(z)が基準値どおりの場合には、(4)式のようになる。

0035

0036

そして、基準SIF設定部71dは、SIF|ref=log(β)になるようにSIF|refを設定する。この結果、SIFの値は距離に関係無くゼロとなる。もし光ファイバ損失が基準値と異なった場合、SIFの値はファイバ損失の基準値との差分が求められることになる。

0037

図3は本発明の構成に基づく特性例図であり、Aは温度測定結果を示し、BはSIF計算結果を示している。図1の特性例図においても、図5と同様に、距離310m付近に往復で0.2dB程度のファイバの損失劣化部分が現れている。

0038

ところが、温度が変化している箇所のSIFの値に注目すると、図5のようなパルス状の変化は現れていない。これにより、SIFの値は温度変化の影響を受けておらず、純粋に光ファイバの基準値からの偏差分のみが測定できていることが分かる。

0039

すなわち、光ファイバ敷設時の光ファイバ損失値を基準値に設定した場合、SIFの値は光ファイバ敷設時からの劣化分を示すことになる。

0040

以上説明したように、本発明によれば、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、SIFを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を実現でき、光ファイバをセンサとした温度分布測定や故障検出などに好適である。

0041

1光源
2光分波器
3光ファイバ
4s,4a O/E変換器
6s,6a A/D変換器
7演算制御部
71損失劣化度演算部
71a SIF演算式格納部
71bストークス光強度測定部
71c代入式演算部
71d 基準SIF設定部

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • パナソニックIPマネジメント株式会社の「 熱交換器」が 公開されました。( 2019/09/12)

    【課題】熱交換効率と温度検出精度の向上を両立させた熱交換器の提供。【解決手段】冷媒等の第1流体と空気等の第2流体とを熱交換させる板状の伝熱フィン2aを複数積層した構造で、伝熱フィン2aを横切るように第... 詳細

  • NTN株式会社の「 軸受装置」が 公開されました。( 2019/09/12)

    【課題】簡単な構成で温度と回転速度を同時に検出できる軸受装置を提供する。【解決手段】軸受装置50は、軸受1と間座20に加えて、磁気センサ17と、リング部材18とをさらに備える。磁気センサ17は、外輪間... 詳細

  • 学校法人関西大学の「 状態計測装置」が 公開されました。( 2019/09/12)

    【課題】計測対象物の相対的な移動により変化する複数の状態値を同時に計測可能な状態計測装置を提供する。【解決手段】検知部2と、当該検知部2の出力値をもとに、計測対象物の相対的な移動により変化する状態値を... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ