JPH01126522A - 光ファイバ線状温度分布測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測
定システムに関するものである。

［従来の技術］ ラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測定装置は、
光ファイバの一端から波長入０、パルス幅Ｔｗ、パルス
周期Ｔｐの光を入射させ、光ファイバ内で発生するラマ
ン散乱光の２成分である波長入Ｓのストークス光と、波
長λａＳのアンチストークス光の後方散乱光とを、パル
ス光入射時刻を１＝０として、それぞれ時間の関数ｆｓ
（ｔ）。

ｆ　ａｓ（ｔ）　として測定し、これらの比ｆ　ａｘ（
ｔ）　／　ｆｓ　（ｔ）が純粋に温度の関数であること
、及び光ファイバ内の距離文から戻って来る後方散乱光
が光ファイバ端（光パルス入射端）に到達する時間が、
光ファイバ中の光速をＣｏとすると、パルス光入射時刻
から２見／Ｃｏであることを利用して、光ファイバに沿
った線状の温度分布測定を行う装置である。ストークス
光及びアンチストークス光の後方散乱光測定は、光ファ
イバの破断点検知等に用いるＯＴＤ　Ｒ（Ｏｐｔｉｃａ
ｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｅｔ■ｅｔｒ
ｙ）装置とほぼ同じ測定方法で行う。

このラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測定装置
を用いた線状温度分布測定システムは、例えば電カケー
プルに沿わせてセンサ用光ファイバケーブルを敷設する
ことにより、電カケープルの長手方向の温度分布を知る
ことができ、送電容量の制御等に利用したり、ケーブル
の劣化等により生じる部分的に温度の高い箇所の検知等
が行なえる。また、各種プラントの生産ラインや、設備
の温度コントロールや、ビルやトンネル等の火災検知用
として使用すれば、火災発生位置の標定を行うことがで
きる。

第５図に、従来のラマン散乱光利用光ファイバ線状温度
分布測定システムの構成例を示す、この線状温度分布測
定システムは、センサ用光ファイバ６と、温度分布測定
装置２２とからなり、温度分布測定装置２２のセンサ用
パルス光源４から出た光は、光ファイバ１９ａ、光分岐
器５ａを通して、センサ用光ファイバ６に導かれ、セン
サ用光ファイバ６中で発生した後方散乱光は、光分岐器
５ａ、光ファイバ１９ｄを通じ、光分岐器５ｂに導かれ
、ここで２分された後方散乱光のうち、光ファイバ１９
ｂに導かれたものは中心波長入ａＳの光学フィルタ８ａ
、受光器３ａ、平均化処理回路２ａより成るアンチスト
ークス光測定系３０ａで、アンチストークス光の０ＴＤ
Ｒ測定により、関数ｆ　ａｘ（ｔ）を求めるのに用いら
れ、光ファイバ１９ｃに導かれたものは、中心波長λＳ
の光学フィルタ８ｂ、受光器３ｂ、平均化処理回路２ｂ
より成るストークス光測定系３０ｂでストークス光の０
ＴＤＲ測定により、関数ｆ　ｇ（ｔ）を求めるのに用い
られ、温度分布演算回路１ｂでｆａｓ（ｔ）／ｆ　５（
ｔ）の演算を行うことにより、センサ用光ファイバ６に
沿った線状温度分布測定を行っている。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の線状温度分布測定システムでは、温度分布測定を
片端（センサ用光源の入射端側）のみで計測を行ってお
り、理論的にはセンサ用光ファイバ長全長に亘り正確な
温度測定が可能であるが、実際には遠端に近づくにつれ
、受信信号強度が低下するため、第６図（ａ）（ｂ）に
例示したように、遠端での測定誤差が場合により正方向
にずれたり負方向にずれたりし、その誤差を±２℃以下
に抑えることができなかった。

本発明の目的は、前記し゛た従来技術の欠点を解消し、
遠端に関する温度測定精度を大幅に向上させることがで
きるラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測定シス
テムを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の光ファイバ線状温度分布測定システムは、セン
サ用パルス光源を有するラマン散乱光利用光ファイバ線
状温度分布測定の主装置をセンサ用光ファイバに接続す
ると共に、該センサ用光ファイバの遠端に温度センサを
有する副装置を接続し、該副装置には、上記主装置のセ
ンサ用パルス光源からのパルスをトリガとし、センサ用
パルス光源の次のパルスの発振までの間にセンサ用光フ
ァイバを利用して温度センサの温度情報をディジタル光
信号として送信する光信号伝送部を設け、主装置には、
自装置が測定したセンサ用光ファイバの線状温度分布情
報を、副装置から送られて来た遠端の温度情報により校
正する温度校正機能部を設けたことを特徴とするもので
ある。

［作用］ 本発明の要旨は、光ファイバの遠端より０ＴＤＲ用光パ
ルスをトリガとしてパルス周期内に遠端の温度情報を送
り、それによって温度測定精度を向上させたことにある
。

副装置は、自装置が設置されている遠端の温度を温度セ
ンサにより測定し、その温度情報をデジタル光信号とし
て主装置に伝送する。従って、光ファイバでの情報の劣
化がほとんどなく、Ａ／Ｄ変換における分解能で制限さ
れる温度精度をもって、主装置に到達する。主装置は、
自己が行っている光ファイバ線状温度分布測定の測定デ
ータを、副装置から受は取った温度分情報を基に校正す
る。このため、主装置においては、遠端の精度の高い温
度情報を基に補正を行うことになり、全長に亘る温度分
布測定の精度の向上が図れる。また、温度分布測定と遠
端の温度データ伝送とは、同じセンナ用光ファイバを用
いて同時に行われるから、センサ用光ファイバ以外の他
の通信回線（例えば、光ファイバ通信や無線通信等）を
必要とせず、設備が簡略化され、それに伴い経済性、操
作性の向上を図れる。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図に示す光ファイバ線状温度分布測定システムは、
センサ用光ファイバ６と、このセンサ用光ファイバ６の
一端に接続したラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分
布測定装置から成る主装置２０と、遠端に接続した副装
置２１とで構成されている。

主装置２０は、センサ用パルス光源４と、後方ラマン散
乱光を取り出すための光分岐器５ａ、５ｂと、光学フィ
ルタ８ａ、８ｂと、ラマン散乱光の２成分をそれぞれ分
離検出する受光器（受光用０／Ｅ変換回路）３ａ、３ｂ
と、各々を平均化処理する平均化処理回路２ａ、２ｂと
、この結果から温度分布を求めると共に、温度分布の校
正を、遠端の副装置２１から送られて来るデジタルの温
度情報に基づいて行なう温度校正機能付温度分布演算回
路１ａより成る。

また、副装置２１は、遠端の温度、ここでは光ファイバ
巻取り部１４の温度を測定する温度センサ７及び温度測
定回路９と、この温度測定回路９のアナログ出力をデジ
タル信号に変換するＡ／Ｄ変挽回路１１と、この並列デ
ジタルデータを直列のデジタルデータに変換する並列／
直列変換（Ｐ／Ｓ変換）回路１２と、このＰ／Ｓ変換回
路１２からのデジタルデータを主装置２０へ光信号とし
て伝送するためのＥ１０変換回路１０と、主装置２０か
らの０ＴＤＲ用光パルスを受ける受光器（受光用０７Ｅ
変換回路）３ｃと、この受光器３Ｃで受信した光パルス
より送信タイミングを生成するタイミング生成回路１３
と、そして受光器３Ｃ及びＥ１０変換回路ｌＯをセンサ
用光ファイバ６に接続する光分岐器５Ｃとにより構成さ
れている。受光器３Ｃと、タイミング生成回路１３と、
Ｅ１０変換回路ｌＯとは、主装置２０のセンサ用パルス
光源４からのパルスをトリガとし、センサ用パルス光源
４の次のパルスの発振までの間にセンサ用光ファイバ６
を利用して温度センサ７の温度情報をディジタル光信号
として送信する光信号伝送部として機能する。

さて、主装置２０の温度分布測定回路２のセンサ用パル
ス光源４から出た光は、光ファイバ１９ａ、光分岐器５
ａを通してセンサ用光ファイバ６に導かれ、センサ用光
ファイバ６中で後方散乱を発生しながら遠端の副装置２
１に到達する。センサ用光ファイバ６に入射される光は
、波長波長λ０、パルス幅Ｔｗ、パルス周期Ｔｐの光で
ある。

遠端の副装置２１に到達した光パルス１５ａ、１５ｂ　
（第４図）は、受光用０／Ｅ変換回路３Ｃで受信される
。副装置２１のタイミング生成回路１３は、この光パル
ス１５ａ、１５ｂを受信した時点で、該光パルスより送
信タイミングを生成し、Ｅ１０変換回路１０をトリガす
る。これによりＥ１０変換回路１０は、Ｐ／Ｓ変換回路
１２からの直列デジタルデータを送出する。従って、副
装置２１は、第４図（ａ）に示すように、光パルス１５
ａ、１５ｂの後に、温度情報を持つデジタル光信号１６
ａ、１６ｂ付帯させて、主装置２０へ送出する。このデ
ジタル光信号は、この実施例では温度校正用光ファイバ
巻取り部１４の温度を温度センサ７で検出し、Ａ／Ｄ変
換によりデジタル化し、Ｐ／Ｓ変換により直列データ化
し生成したものである。

ここで、Ａ／Ｄ変換のビット数を高々１０ビツトにとれ
ば、温度情報は、測定温度範囲に対して約０．１％の誤
差となり、温度範囲を一５０℃〜＋１５０℃とすれば、
温度誤差は０．２℃となり、十分な精度向上が図れる。

副装置ｚｌ側の送信タイミングは、主装置２０からの光
パルスをトリガーとして、光パルスを受光した後で送信
を開始し、主装置２０側で受信する温度分布信号１７ａ
、１７ｂの継続時間をＴＬ、センサ用光パルスの送出周
期をＴｐとしたとき、第４図（ａ）に示すように（Ｔｐ
　−ＴＬ　）の時間以内に送信を終了すれば、主装置２
０側での受信信号に関し、第４図（ｂ）に示すように温
度分布信号１７ａ、１７ｂと遠端の温度情報信号１８ａ
、１８ｂとが重なることがなく、従ってこれらの信号の
識別が容易に行える。

次に、主装置２０における具体的な線状温度分布測定及
びその温度校正方法は、下記のようにして行なわれる。

まず、センサ用光ファイバ６中で発生した後方散乱光が
、第４図（ｂ）に示すよう、な光信号として受信され、
光分岐器５ａ、光ファイバ１９ｄを経て、光分岐器５ｂ
にて光ファイバ１９ｂと１９Ｃとに２分される。２分さ
れて光ファイバ１９ｂに導かれたものは、中心波長λａ
Ｓの光学フィルタ８ａ、受光器３ａ及び平均化処理回路
２ａより成るアンチストークス光測定系３０ａで、アン
チストークス光の０ＴＤＲ測定がなされ、関数ｆ　ａｘ
（ｔ）が求められる。即ち、ラマン散乱光の２成分のう
ち、波長λａｓのアンチストークス光の後方散乱光が、
センサ用パルス光源４のパルス光入射時刻を１＝０とし
て、時間の関数ｆ　ａｘ（ｔ）として測定される。一方
、光ファイバ１９ｃに導かれたものは、中心波長入Ｓの
光学フィルタ９ｂ、受光器３ｂ及び平均化処理回路２ｂ
より成るストークス光測定系３０ｂで、ストークス光の
０ＴＤＲ測定がなされ、関数ｆ　５（ｔ）が求められる
。即ち、ラマン散乱光の２成分のうち、波長入Ｓのスト
ークス光が、パルス光入射時刻を１＝０として、時間の
関数ｆｓ（ｔ）　　として測定される。

温度校正機能付温度分布演算回路１ａは、平均化処理回
路２ａ、２ｂで得られた関数より、ｆａｘ（ｔ）　／　
ｆ　５（ｔ）の演算を行い、両者の比ｆ　ａｘ（ｔ）　
／ｆ、５（ｔ）が純粋に温度の関数であること、及び光
ファイバ内の距離文から戻って来る後方散乱光が光ファ
イバ端（光パルス入射端）に到達する時間が、光ファイ
バ中の光速をＣＯとすると、パルス光入射時刻から２１
　／　Ｃｏであることを利用して、距離に対する温度分
布の計算を行い、光ファイバに沿った線状の温度分布を
得る。

他方、温度校正機能付温度分布演算回路１ａは、平均処
理回路２ａ、２ｂでアンチストークス光とストーク光の
平均化処理を行った信号の一方のデジタル信号部分１８
ａ、１８ｂから遠端のセンサ温度情報を読み取り、２成
分の比を取る演算を行った後に、遠端に関する測定温度
を校正する（第２図参照）、これにより、センナ用光フ
ァイバの全長に亘って、従来と比べて、測定誤差の少な
い温度分布測定を行うことができる。第３図に校正前の
値を一点鎖線で、校正後の値を実線で示すが１校正後の
値は真価に非常に近づき、真値と殆ど同じになる。

このように遠方でのセンサ温度情報を主装置にセンサ用
光ファイバを用いて伝送し主装置での線状温度分；１ｕ
１１定の校正に利用することにより、長距離区間に亘る
高精度の線状温度測定が可能となる。従って、例えば電
カケープルに沿わせてセンサ用光ファイバケーブルを敷
設することにより、電カケープルの長子方向の温度分布
を知り、送電容量の制御等に利用したり、ケーブルの劣
化等により生じる高温部の位置検知等を行なったり、設
備の保守・監視等のシステムに適用することができる。

また、各種プラントの生産ラインや、設備の温度コント
ロールや、ビルやトンネル等の火災検知用として、例え
ば火災発生の位置標定を行うことができる。

尚、副装置２１における温度センサ７を、他のセンサ等
に置き変えることにより、従来の温度分布情報の他に、
遠端での他の情報も得ることが可能となる。

［発明の効果］ 本発明のシステムでは、遠端での温度情報をデジタル信
号として送信するため、ファイバでの情報の劣化がほと
んどなく、Ａ／Ｄ変換における分解能で制限される温度
精度で、遠端の温度を検出でき、これを基に補正を行う
ため、全長に亘る温度分布測定の精度の向上が図れる。

また、温度分布測定と遠端の温度データ伝送とを、同じ
センサ用光ファイバを用いて同時に行うシステムである
から、センサ用光ファイバ以外の他の通信回線（例えば
、光ファイバ通信や無線通信等）を必要としない、設備
が簡略化され、それに伴い経済性、操作性の向上を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の線状温度分布測定システムの構成例を
示す図、第２図は温度分布の校正手順を示す図、第３図
は温度分布の校正前と後を示す図、第４図はセンサ用光
ファイバの両端での信号の時間変化を示すもので、第４
図（ａ）は副装置側の例、第４図（ｂ）は主装置側の例
を示す図、第５図は従来の温度分布測定システム例を示
す図、第６図（ａ）（ｂ）はその測定結果例を示す図で
ある。 図中、１ａは温度校正機能付温度分布演算回路、２ａ　
、２ｂは平均化処理回路、３ａ、３ｂ。 ３Ｃは受光器、４はセンサ用パルス光源、５ａ。 ５ｂは光分岐器、６はセンナ用光ファイバ、７は温度セ
ンサ、８ａ、Ｊ３ｂは光学フィルタ、９は温度測定回路
、ｉｏは光信号伝送用Ｅ１０変換回路、ｌｌはＡ／Ｄ変
換回路、１２はＰ／Ｓ変換回路、１３はタイミング生成
回路、１４は温度校正用光ファイバ巻取り部、１５ａ、
１５ｂは遠端での受信光パルス、１６ａ、１６ｂは温度
情報信号、１７ａ、１７ｂは温度分布信号、１８ａ、１
８ｂは温度情報信号、２０は主装置、２１は副装置を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. センサ用パルス光源を有するラマン散乱光利用光ファイ
   バ線状温度分布測定の主装置をセンサ用光ファイバに接
   続すると共に、該センサ用光ファイバの遠端に温度セン
   サを有する副装置を接続し、該副装置には、上記主装置
   のセンサ用パルス光源からのパルスをトリガとし、セン
   サ用パルス光源の次のパルスの発振までの間にセンサ用
   光ファイバを利用して温度センサの温度情報をディジタ
   ル光信号として送信する光信号伝送部を設け、主装置に
   は、自装置が測定したセンサ用光ファイバの線状温度分
   布情報を、副装置から送られて来た遠端の温度情報によ
   り校正する温度校正機能部を設けたことを特徴とする光
   ファイバ線状温度分布測定システム。