JPH01212326A - 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
定装置を用いた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λ０、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
長入ａＳ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２１　／　Ｃａ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Ｏ　ＴＤ　Ｒ（Ｏｐｔｉ
ｃａｌ　Ｔｉｅｓ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅ
ｔｒｙ）装置とほぼ同じ測定方法で行う。

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、電カケープルの投手力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
化等により生じる高温部の位置検知等が行なえる。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１例えば火
災発生の位ＮＷ定を行うことができる。

第５図及び第６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５と、温
度分布測定装置２１とからなり、温度分布測定装置２１
は温度分布測定回路１７と、温度分布演算処理・表示回
路１６とで構成されている。

温度分布測定装置ｉ２１の０ＴＤＲ用光パルス光源１１
から出た光は、光ファイバ１８ａ、光分岐器４ａを通し
て、センサ用光ファイバ５に導かれる。センサ用光ファ
イバ５中で発生した後方散乱光は、光分岐器４ａ、光フ
ァイバ１８ｄを通じ、光分岐器４ｂ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１８ｂに導かれ
たものは中心波長入ａｓの光学フィルタ１０ａ、受光器
９ａ、平均化処理回路８ａより成るアンチストークス光
測定系で、アンチストークス光の０ＴＤＲ測定により、
関数ｆ　ａｓ（ｔ）を求めるのに用いられる。また、光
ファイバ１８ｃに導かれたものは。

中心波長入Ｓの光学フィルタ１０ｂ、受光用Ｏ／Ｅ変挽
変格回路、平均化処理回路８ｂより成るストークス光測
定系で、ストークス光の０ＴＤＲ測定により、関数ｆ　
５（ｔ）を求めるのに用いられる。

そして、温度分布演算処理回路７でｆ　ａｓ（ｔ）　／
　ｆｓ（ｔ）の演算を行うことにより、センサ用光ファ
イバ５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］ しかし、従来のラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分
布測定システムでは、温度測定精度が測定位置までの光
ファイバ損失により異なり、測定距離が長くなり光ファ
イバ損失が増えると、温度測定精度が低下するため、±
１℃の温度測定精度が得られる光ファイバ長は現状技術
では２ｋｍが限界であり、長距離に亘る精度の良い温度
分布測定を行うことは困難であった。

長距離に亘る温度分布測定を行う方法としては、例えば
温度分布測定装置を多数設置し、測定結果をセンサ用光
ファイバ以外の他の通信手段（例えば、光ファイバ通信
や無線通信等）を用いてデータ通信を行うことが考えら
れるが、設備が複雑化し経済性、操作性の面で問題があ
った。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、長
距離に亘る温度分布を精度の劣化を伴うことなく、簡単
に測定す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］ 上記目的達成のため、本発明の第１発明においては、セ
ンサ用光ファイバに２台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縦続接続し、該線状温度分布測
定装置のうちセンサ用光ファイバの一端に接続した主装
置に対し該主装置より遠くに位置する副装置は、自己が
測定した温度分布測定データをセンサ用光ファイバを用
いて主装置に伝送する送信機能部を有し、主装置は副装
置からの温度分布測定データを受け取るデータ受信機能
部と、受け取った温度分布測定データと自装置が測定し
た温度分布測定データとに基づき、長距離の光ファイバ
の温度分布を求める温度分布演算処理部とを有すること
を特徴とする光ファイバ線状温度分布測定システムとす
る。

また第２発明においては、センサ用光ファイバに３台以
上のラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測定装置
を縦続接続し、該線状温度分布測定装置のうちセンサ用
光ファイバの一端に接続した主装置に対し該主装置より
最も遠くに位置する第１副装置は、自己が測定した温度
分布測定データをセンサ用光ファイバを用いて主装置側
に伝送する送信機能部を有し、第１副装置と主装置との
間に位置する第２副装置は、自己が測定した温度分布測
定データをセンサ用光ファイバを用いて主装置側に伝送
する送信機能部と、第１副装置からの温度分布測定デー
タをセンサ用光ファイバを用いて主装置側に中継する中
継機能部とを有し、主装置は第１副装置及び第２副装置
からの温度分布測定データを受け取るデータ受信機能部
と、受け取った温度分布測定データと自装置が測定した
温度分布測定データとに基づき、長距離の光ファイバの
温度分布を求める温度分布演算処理部とを有することを
特徴とする光ファイバ線状温度分布測定システムとする
。

［作用］ 第１発明において、副装置は、自己が測定した温度分布
測定データを、センサ用光ファイバを用いて主装置に伝
送する。そして主装置は、副装置からの温度分布測定デ
ータを受け取ると共に、受け取った温度分布測定データ
と自装置が測定した温度分布測定データとに基づき、長
距離のセンサ用光ファイバの温度分布を求める。従って
、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、主装置及
び副装置が各々の掌握する区間の線状温度分布測定を精
密に行なうことで、結果的に長距離の線状温度分布が高
精度をもって測定できる。

第１発明においては、副装置は１台であり、温度分布測
定データを主装置に伝送する送信機能を有するのみでよ
くデータ中継機能を必要としないから、中距離の簡易な
装置を構成する場合に適する。

第２発明は、２台以上の副装置を設置する場合であり、
主装置より最も遠くに位置する第１副装置は、自己が測
定した温度分布測定データをセンサ用光ファイバを用い
て主装置側に伝送する。この第１副装置と主装置との間
に位置する第２副装置は、自己が測定した温度分布測定
データをセンサ用光ファイバを用いて主装置側に伝送す
ると共に、第１副装置からの温度分布測定データをセン
サ用光ファイバを用いて主装置側に中継する。主装置は
第１副装置及び第２副装置からの温度分布測定データを
受け取り、それらの温度分布測定データと自装置が測定
した温度分布測定データとに基づき、長距離の光ファイ
バの温度分布を求める。従って、第２発明においては、
センサ用光ファイバの長さに限界がなく、その全域に亘
って極めて長距離の高精度の線状温度分布測定ができる
。

［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５と、このセンサ用光ファイバ５に
従属接続した複数台の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。これらの線状温度分布測定
装置のうち、センサ用光ファイバ５の一端に接続した温
度分布測定装置は１装Ｍ１９として、他の温度分布測定
装置は副装置１２０として働く、主装置１９及び各副装
置２０は、それぞれ光分岐器４を介してセンサ用光ファ
イバ５に接続された温度分布測定回路２を有し、それぞ
れ、光ファイバ後方ラマン散乱光の測定によりセンサ用
光ファイバ５に沿った線状温度分布測定を行う。

副装置２０の数には限界がないが、以下説明の便宜上、
２つの副装置が在る場合を例にして述べ、必要に応じて
以下第１副装置２０１、第２副装置２０２として区別す
る。

各副装！２０は、温度分布測定回路２の他に温度情報通
信回路６を有する。このうち、１装Ｍ１９から最も遠く
に位置する第１副装置２０１は、自己の温度分布測定回
路２で測定した温度分布測定データをセンサ用光ファイ
バ５を用いて主装置１９側に伝送する送信機能部を含む
温度情報通信回路６２を有する。また、第１副装置２０
１と主装置１９との間に位置する第２副装ｆｉ２０２は
。

自己の温度分布測定回路２で測定した温度分布測定デー
タをセンサ用光ファイバ５を用いて主装置１９側に伝送
する送信機能部と、第１副装置からの温度分布測定デー
タをセンサ用光ファイバ５を用いて主装置１９側に中継
する中継機能部とを含む温度情報通信回路６２を有する
。一方、主装置１９は、第１副装置２０１及び第２副装
置２０２からの温度分布測定データを受け取るデータ受
信機能部としての温度分布情報受信回路３と、受け取っ
た温度分布測定データと自装置が測定した温度分布測定
データとに基づき、長距離の光ファイバの温度分布を求
める演算処理ｅ演算結果出力ＣＰＵ回路１とを有する。

これらの温度情報通信回路６１，６２、温度分布情報受
信回路３も、光分岐器４を介してセンサ用光ファイバ５
に接続されている。

尚、測定有効距離を長くしたい場合には、上記第２副装
置２０２の数を増加し、それらの第２副装置を、第１副
装置２０１と主装置１９との間に増設する。

各副装置１２０１．２０２の温度分布測定回路２で測定
された温度分布測定データは、初めに主装置１９から最
も遠い第１副装置２０１からデジタル光信号として送出
され、途中の第２副装置２０２で中継されて、主装置１
９に届く、第２副装置２０２については、この中継が完
了した後、自装置で測定した温度分布測定データをデジ
タル光信号として送信する。もし副装置２０が３台以上
設置されている場合には、以下順にこの操作を繰り返す
、最後に、主装置１９の演算処理・演算結果出力ＣＰＵ
回路１が、これらのデジタルの温度分布測定データと自
装置で測定した温度分布測定データとを演算処理し、そ
の結果を出力し、ＣＲＴ等の表示装置に表示する。従っ
て、主装置１９と第２副装置２０２間の間隔並びに第２
副装置２０２と第１副装置２０１間の間隔が、各温度分
布測定回路２における±１℃の温度測定精度をもって測
定可能な光ファイバ長（現状技術では２ｋｍ）以内であ
る限り、長距離に亘る温度分布を、精度の劣化を伴うこ
となく測定することができる。

副装置２０が主装置１９から最も離れている第１副装置
２０１．１台のみからなる場合には、自装置で測定した
温度分布測定データのみを送信すればよいので、当該副
装置には格別中継機能部を設ける必要はないが、本実施
例では、各副装置２０１．２０２の構成は、第２図に示
すとおり、共に同一の副装置！２０としている。

即ち、第２図において、副装置２ｏの温度分布測定回路
２は、ＯＴＤＲｍ光パルス光１１１１と、後方ラマン散
乱光を取り出すための光分岐器４ａ、４ｂと、光学ｙ４
ルタ１０ａ、１０ｂと、ラマン散乱光の２ＴＩｔ分をそ
れぞれ分離検出する受光用０／Ｅ変換回路９ａ、９ｂと
、各゛々を平均化処理する平均化処理回路８ａ、８ｂと
、この結果から温度分布を求める温度分布演算処理回路
７より成る。また、温度情報通信回路６は、光分岐器４
より受光用０／Ｅ変換回路９ｃで受信した主装置１９よ
り遠い他の副装置２ｏからの光信号を受け、この光信号
からデジタルデータのみを抽出する温度分布情報受信回
路１４と、他の副装置のデータの中継と自装置のデータ
送信を切換えるデータ切換回路１２と、データ送信用Ｅ
１０変換回路１５と、主装置１９側の他装置からのＯＴ
ＤＲ周光パルスを受ける受光用０／Ｅ変換回路９ｄと、
この受光用０／Ｅ変換回路９ｄ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とよ
り構成されている。

さて、から構成される装１２０において、温度分布測定
回路２の０ＴＤＲ用光パルス光源１１から出た光は、光
ファイバ１８ａ、１８ｅ、光分岐器４を通してセンサ用
光ファイバ５に導かれる。センサ用光ファイバ５に入射
される光は、波長波長丸ｏ、パルス幅Ｔｗ、パルス周期
Ｔｐの光である。

センサ用光ファイバ５中で発生した後方散乱光は、光分
岐器４．光ファイバ１８ｅ、光分岐器４ａ、光ファイバ
１８ｄを通じ、光分岐器４ｂに導かれ、ここで光ファイ
バ１８ｂと１８ｃとに２分される。２分された後方散乱
光のうち、光ファイバ１８ｂに導かれたものは、中心波
長入ａｓの光学フィルタｌＯａ、受光用０７Ｅ変換回路
９ａ、平均化処理回路８ａより成るアンチストークス光
測定系で、アンチストークス光の０ＴＤＲ測定がなされ
、関数ｆ　ａｓ（ｔ）が求められる。即ち、センサ用光
ファイバ５内で発生するラマン散乱光の２成分のうち、
波長入ａＳのアンチストークス光の後方　　−散乱光が
、パルス光入射時刻を１＝０として、時間の関数ｆ　ａ
ｘ（ｔ）として測定される。一方、光ファイバ１８ｃに
導かれたものは、中心波長入Ｓの光学フィルタ１０ｂ、
受光用０７Ｅ変換回路９ｂ、平均化処理回路８ｂより成
るストークス光測定系で、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、セン
サ用光ファイバ５内で発生するラマン散乱光の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１時間の関数ｆｓ（ｔ）として測定される
。

温度分布演算処理回路７は、平均化処理回路８ａ、８ｂ
で得られた関数より、ｆ　ａｘ（ｔ）　／　ｆ　５（ｔ
）の演算を行い、両者の比ｆ　ａｘ（ｔ）　／　ｆ　ｓ
　（ｔ）が純粋に温度の関数であること、及び光ファイ
バ内の距離見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
算を行ない、光ファイバに沿った線状の温度分布を得る
。そして、その演算処理の結果として得られた自装置で
の温度分布データを、温度情報通信回路に出力する。

次に、温度情報通信回路６は次のような動作をする。タ
イミング生成回路１３は、この主装置１９あるいは他の
副装置２Ｇからの０ＴＤＲ用光パルスを受光用０／Ｅ変
換回路９ｄが受信した時点で、該光パルスより送信タイ
ミングを生成し、データ切換回路１２をトリガする。こ
れによりデータ切換回路１２は、温度分布情報受信回路
１４側から温度分布演算処理回路７側に切換わる。

しかして、当該調装ａｌＩ２０は、自装置で得た温度分
布データを、主装置１９あるいは他の副装置２０からの
０ＴＤＲ用光パルスに付帯して、デジタル信号の形で主
装置１９側に送信する。

、　さて、第２副？ｔＩＩ２０２における温度情報通信
回路６２と第１副装置２０１における温度情報通信回路
６１とは同様の構成としであるが、第２副装置２０２に
おいては必ず第１副装置２ｏｔからの温度分布測定デー
タを主装置１９側へ中継する機能を有しており、その中
継機能の方が、自装置で得た温度分布測定データの送信
よりも優先されるようになっている。

即ち、第１副装置２０１からの光信号が第２副装置２０
２に到達し、光分岐器４．光ファイバ１８ｆを介して、
受光用０７Ｅ変換回路９ｃに入る。受光用０／Ｅ変換回
路９ｃは、受信した第１副装置２０２からの光信号から
デジタルデータのみを抽出する。データ切換回路１２は
１通常は温度分布情報受信回路１４偏に切換わっている
ので、第１副装ｆ１２０１からの温度分布測定データは
、直ちにデータ切換回路１２を通り、データ送信用Ｅ１
０変換回路１５及び光分岐器４ｃを経て、主装置１９側
に中継伝送される。

主装置１１９の構成を第３図に示す、温度分布測定回路
２を有する点で副装置２０と共通するが、温度分布情報
受信回路１４と、ＣＰＵを含むプロセッサとＣＲＴ等の
表示装置とを含む演算処理・演算結果出力ＣＰＵ回路１
を有している点で相違している。この演算処理・演算結
果出力ＣＰＵ回路ｌは、温度分布情報受信回路１４で受
け取った調装５？２０１，２０２の温度分布測定データ
と、自装置の温度分布測定回路２で測定した温度分布測
定データとに基づき、長距離に亘って布設されたセンサ
用光ファイバ５の全域に亘る線状温度分布を求め、その
演算処理結果の表示等を行う。

このように１装ａ１９及び１台以上の副装置１２０をセ
ンサ用光ファイバ５に縦続接続し、実際の温度分布測定
は高精度の測定ができる短い距離で行い、これらの情報
を総合した測定を行うことにより、長距離に亘る高精度
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、電カケープルの長手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うことができる
。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もできる。

上記実施例は副装置が２台の場合について説明したが、
副装置は１台のみ又は３台以上設けてもよく、副装置を
１台のみとして簡易システムを構成する場合には、当該
副装置に中継機能を持たせる必要はない。

また、上記実施例では線状温度分布情報のみを伝送した
が、副装置２０に他のセンサ等を併設し、副装置２０の
通信手段を用いてセンサ情報を伝送することにより、設
備の保守・監視等のシステムに適用することも可能であ
る。また、センサ用光ファイバ５の最遠端にも副装置２
０を設置し、各副装置２０に温度センサを設置し、その
温度センサ情報を主装置に送ることにより、これら温度
センサ情報に基づいて、各調装２ｔ２０の温度分布測定
回路２による温度分布測定データを１装ａｔ１９で校正
することができ、長距離区間での温度精度を向上させた
温度分布測定システムが構成できる。

更に、第４図に示すように、２方向からの温度分布測定
データを主装置１９側に中継する副装置２２を組合わせ
て、分岐機能付温度分布測定システムを構成することも
できる。

［発明の効果］ 本発明は、主装置及び副装置をセンサ用光ファイバを縦
続接続することにより、温度分布測定とそのデータ伝送
とを、センサ用光ファイバを用いて同時に実行可能とし
たシステムであるから、センサ用光ファイバ以外の他の
通信手段（例えば、光ファイバ通信や無線通信等）を必
要としない。

主？ｉ、ａ！及び副装置により各々の掌握する区間の線
状温度分布測定を精密に行ない、その測定温度分布測定
データを伝送して行くだけで、長距離の高精度の線状温
度分布測定ができる。従って、センサ州党ファイ、バ以
外の他の通信手段を利用する場合に比べ、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図は本発明の温度分布測定システムの一実施例を示
す図、第２図は副装置の機能構成例を示す図、第３図は
主装置の一機能構成例を示す図。 第４図は分岐機能を有する副装置を用いた一実施例を示
す図、第５図は従来の温度分布測定システムの一実施例
を示す図、第６図はその測定装置の機能構成例を示す図
である。 図中、ｌは演算処理・演算結果出力ＣＰＵ回路、２は温
度分布測定回路、３は温度分布情報受信回路、４は光分
岐器、・５はセンサ用光ファイバ、６は温度情報通信回
路、７は温度分布演算処理回路、８ａ、８ｂは平均化処
理回路、９ａ、９ｂ　、９ｃ　、９ｄは受光用０７Ｅ変
換回路、１０ａ、ｌＯｂは学７４ルタ、１１は０ＴＤＲ
用光パルス光源、１４は温度分布情報受信回路、１９は
主装置、２０は副装置を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサ用光ファイバに２台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縦続接続し、該線状温
   度分布測定装置のうちセンサ用光ファイバの一端に接続
   した主装置に対し該主装置より遠くに位置する副装置は
   、自己が測定した温度分布測定データをセンサ用光ファ
   イバを用いて主装置に伝送する送信機能部を有し、主装
   置は副装置からの温度分布測定データを受け取るデータ
   受信機能部と、受け取った温度分布測定データと自装置
   が測定した温度分布測定データとに基づき、長距離のセ
   ンサ用光ファイバの温度分布を求める温度分布演算処理
   部とを有する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。
2. （２）センサ用光ファイバに３台以上のラマン散乱光利
   用光ファイバ線状温度分布測定装置を縦続接続し、該線
   状温度分布測定装置のうちセンサ用光ファイバの一端に
   接続した主装置に対し該主装設より最も遠くに位置する
   第１副装置は、自己が測定した温度分布測定データをセ
   ンサ用光ファイバを用いて主装置側に伝送する送信機能
   部を有し、第１副装置と主装置との間に位置する第２副
   装置は、自己が測定した温度分布測定データをセンサ用
   光ファイバを用いて主装置側に伝送する送信機能部と、
   第１副装置からの温度分布測定データをセンサ用光ファ
   イバを用いて主装置側に中継する中継機能部とを有し、
   主装置は第１副装置及び第２副装置からの温度分布測定
   データを受け取るデータ受信機能部と、受け取った温度
   分布測定データと自装置が測定した温度分布測定データ
   とに基づき、長距離のセンサ用光ファイバの温度分布を
   求める温度分布演算処理部とを有することを特徴とする
   光ファイバ線状温度分布測定システム。