JPH0146809B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、温度検出装置に関する。特に、本発
明は、光フアイバを使用した温度検出プローブに
よつて電気機械的装置の温度を測定するための温
度検出装置に関する。 発電業界が直面している現在の問題は、各装置
がますますその最大電流及び電圧定格近くで運転
されるようになつてきていることである。このよ
うな運転状態では、各構成部分が望ましくない程
度に加熱される度合が増す。電気装置の信頼性、
保守及び動作寿命は、その作動温度によつて直接
影響される。この温度がかなりの時間ある特定値
を越えると、装置の寿命は急速に短縮される。 装置に“高温点”及び“過熱温度”状態の存在
することに関する情報は、不適当な動作の行なわ
れていること、欠陥部分のあること、絶縁低下し
ていること、又は故障の可能性のあることを示し
うるものである。しかし、このような情報を収集
するのが難しい場合がある。導体及び装置はアー
スに対して高電位にあることがしばしばである。
このような高電圧又はそれに関連した電磁干渉の
ため、導体に対して直接温度測定することができ
ず、また、金属プローブを利用してもうまくいか
ない。その１つの理由としては、金属導体を含む
絶縁部が危険なフラツシオーバを起しやすいとい
うことである。また、高電位によつて金属製温度
センサに誘起される電流のため、正確な温度測定
が妨げられてしまう。 従つて、電気機械的装置に挿入することのでき
る絶縁性プローブを組み込んだ装置が望ましい。
この装置は、電気機械的装置の作動中に連続的に
温度を測定することができ且つ“高温点”として
知られた電気機械的装置内の過熱温度の位置を効
果的に検出することのできるものであるべきであ
る。この種の絶縁性プローブは、最も広く使用し
うるためには振動の影響を受けないものであるべ
きである。更に、この種の装置は、コスト及びサ
ービス要件を最小とするため、ヒユーズは別にし
て、修理せずに再使用しうるものでなければなら
ない。 温度の測定は、問題の第一段階でしかない。そ
の測定情報は、次に、その特定の機械のための操
作者センター又はコントロールセンターへ伝達さ
れなければならない。温度を測定すべき被測定領
域は、ほとんどの場合、電気的及び機械的構成部
品の複雑な内部に位置している。被測定領域は、
機械の最も接近しにくい深い位置にあることもあ
る。 従来、温度を測定するために多くの技術が使用
されていた。しかし、これらの従来の技術は、工
業上の高電位等の厳しい条件のもとでは適切でな
くなつてきている。 従来の１つの温度計として、発電機内の温度変
化を測定するために普通の熱電対を使用するもの
があつた。この温度計では、熱電対のリード線を
発電機のハウジングを通して延ばしていかねばな
らなかつた。従つて、単に温度を監視するためだ
けでも、高電位導体及びそれに関連したブツシン
グ及び絶縁が必要であつた。この問題を解決する
１つの方法は、無線送信機を使用することであつ
た。しかし、無線送信機を温度感知器へ接続する
には、電磁界を処理する必要がある。電磁界は、
信号の伝送に干渉する。 非金属で非磁気的な温度センサが従来研究され
ていた。その研究された方法の１つとしては、光
フアイバを使用するものがあつた。例えば、米国
特許第3960017号明細書には、温度計を光学的に
読みとり変成器巻線から情報を伝送するために光
フアイバを使用することが開示されている。その
温度感知性は、温度に対して線形的に拡張又は縮
小されていて並置した光パイプの対向開口を横切
るようにされている。このため、光強度を温度に
比例させるような光伝送が部分的に阻止される。 もう１つの解決方法としては、液晶に関連させ
て光フアイバを使用するものがある。この方法
は、生きた組織の生物学的研究において温度を測
定するのに提案されたものである。液晶は、温度
変化につれて不透明となり伝送光を部分的に阻止
する。その不透明度は、最初にある標準の温度計
に対して校正され、使用時に、その液晶を含むプ
ローブは、別々の光フアイバの光ガイドによつて
照射され読み取られる。 光ガイド自体の特定の特性は、温度の変化によ
つて影響される。後述するように、それら特性の
１つである、光ガイドを形成する材料同士の屈折
率の比は、伝送にとつて重要であり且つ温度に依
存しているものである。 温度変化を示すために光ガイドを利用した本発
明による温度検出装置は、少なくとも１つの光ガ
イドと、光源と、光検出器とを備える。その光ガ
イドは、コアのまわりに同心的に延びるクラツド
を有している。コア及びクラツドの材料は、それ
らの各屈折率が所定の温度範囲にわたつて温度に
つれて変化するように選定されている。クラツド
の屈折率がコアの屈折率より小さい間だけ光ガイ
ドを通して光が伝送される。従つて、伝送光の変
化を検出することによつて、ある温度範囲内での
加熱又は冷却を知ることができる。光ガイドの一
部分が、温度を測定すべき所定の被測定領域と熱
伝導関係に配置される。この被測定領域は、モー
タ、発電機又は変圧器の如き電気機器内でありう
る。光ガイドは、設計中、試験中又は嫁動中に温
度を測定するためにその機械内に挿入されたまゝ
とされうる。 光源は、光ガイドの一端へ所定の調整光を供給
しその他端へ伝送されるようにする。光が光ガイ
ドの他端に達するときに、光検出器によつてその
伝送が検出される。光源は、例えば、白色光、可
視光、単色光、紫外光、又は赤外光を供給するも
のでよい。光検出器は、伝送光を視覚的に検出し
うるものでもよく、また、光の強度の如き所定の
特性を測定しうるものでもよい。例えば、光検出
器に達する伝送光が供給光の強度と検出しうる程
異なつた強度を有している場合には、被測定領域
の温度は、その特定の光ガイドの臨界温度に等し
いか又はそれを越えたかである。 次に、添付図面に基づいて本発明の実施例につ
いて本発明を詳細に説明する。 第１図は光ガイド１０の基本的構造を示す。本
発明に使用される型の光ガイド１０の軸方向断面
が示されている。図示のように、光ガイド１０
は、コア１２と、それを同心的に取り巻くクラツ
ド１４とを備えている。コア１２及びクラツド１
４の両方とも、例えば、選定したガラス、プラス
チツク及び液体で構成される。個々の光ガイド又
は光ガイドの束が、コア１２及びクラツド１４の
切断及び摩耗を防止して光伝達の完全性を保持す
るよう光ジヤケツト１６内に納められている。 フアイバ・パイプ又はオプテイク・ガイドとし
ても知られている光ガイド１０は、本質的には、
光伝送のできるチユーブである。ここで、伝送と
は光の伝播又はガイドを意味している。伝送され
る光は連続的なものでもパルス信号の形のもので
もある。光ビームは、コア１２の屈折率がクラツ
ド１４の屈折率より大きいときにのみ伝送され
る。コア１２及びクラツド１４の材料は、それら
の温度依存屈折率が温度の変化につれて異なつた
割合で変化するようなものを選択する。換言する
ならば、各材料の屈折率は、比較的大きく且つ異
なつた温度係数を有するように選択される。 第２図は、コア及びクラツドの材料として使用
されうる市販の一組のシヨツト（Schott）ガラス
のほゞ643nｍの光波長帯での温度に対する屈折

【表】 既知の市販の光ガイドは、典型的には、もし臨
界温度があるとしてもそれが工業上ありうる温度
の十分外側であるようなコア及びクラツドの材料
で構成されている。 第３図は、本発明によつて構成された温度検出
装置を略示しており、これは第２図を同時に参照
してみることによつて最もよく理解されうる。光
源２０は、複数の光ガイド１０の第１の端へ光を
供給する。光源２０は、予め選択された光を供給
しうる通常の型のものであつてよく、例えば、発
光ダイオード（コヒーレント又は非コヒーレン
ト）、タングステンランプ又は単色光源であつて
よい。後述するように、屈折率は、伝送される光
の波長の関数である。従つて、光源２０は、所定
波長帯の光を与えなければならない。更に、各光
ガイド１０は、そのコア１２の屈折率がそのクラ
ツド１４の屈折率より大きいときにのみその第２
の端へ光を伝送することができる。 必ずしもそうする必要はないのであるが、第２
図に示した屈折率を有した各材料はコア１２にも
クラツド１４にも使用することができる。２つの
可能な選択のうちの第１のものにおいては、曲線
Ａの材料をコア１２に使用し、曲線Ｂの材料をク
ラツド１４に使用する。コア１２の屈折率がクラ
ツド１４の屈折率を越えるときにのみ光が伝送さ
れるので、このように材料を選択した場合にこの
光の波長では臨界温度以下の温度、すなわちギリ
シヤ数字で示した領域においてのみ伝送がなさ
れる。光ガイド１０に沿うどこかの点が臨界温度
より高くなると、光検出器２２にはほとんど光は
達しなくなる。第２の材料の選択においては、曲
線Ｂの材料をコア１２に使用し、曲線Ａの材料を
クラツド１４に使用する。この場合には、ギリシ
ヤ数字で示す領域においてのみ光が伝送され
る。 繰り返し説明するに、第３図の温度検出装置
は、(1)フアイバガイドに沿つての最も熱い点が臨
界温度を越えたかどうかを検知することができ、
また、(2)別の材料の組み合せを選ぶことにより、
最も冷い点が臨界温度以下となつたかどうかを検
知することができる。 図面についての説明中のこの時点で、可能な工
業上の適用例の１つに関して第３図の実施例の説
明を続けるのが最もよいであろう。この使用例で
は、１本の光ガイド１０の少なくとも一部を、少
なくとも１つの被測定領域２６と熱伝導関係に置
く。この被測定領域は、モータ、発電機又は変圧
器の如き電気機械的装置２４内に位置しうる。こ
の温度検出装置は、例えば、その被測定領域２６
の最も熱い部分の温度がその特定の光ガイド１０
の臨界温度を何時越えたかを示す。光ガイド１０
は、その電気機械的装置２４の最大温度定格に等
しいか又は安全率をとつてその最大温度定格より
低い所定の臨界温度を有するように選定されるべ
きである。 光は所定の光源２０から光ガイド１０の第１の
端へ導入される。 光ガイド１０の第２の端と光伝導関係で受光的
に配置された光検出器２２は、予め選定された波
長帯での強度の如き光のある特性を監視又は検出
する。第３図に参照番号２２Ａ及び２２Ｂで示し
たようないくつかの種々の光検出器を使用するこ
とができる。光検出器２２Ａは、伝送されてくる
光を視覚的に検査しうるようにする開口２５を有
している。このような検査能力の代りに又はそれ
に加えて、計測能力が望まれる場合がある。光検
出器２２Ｂは、そこに伝送された光に比例した電
気信号に変換するフオトダイオード、フオトトラ
ンジスタ又は光増倍器の如き光感知器２８を備え
ている。この光感知器２８は、計測手段３０に電
気的に接続されており、更に必要に応じて、温度
の永久記録を行なうために記録手段３４に接続さ
れる。計測手段３０は、伝送された光の強度の変
化を示したり、又は、予め校正された電気信号の
振巾を示してその強度の定量値を読出すことがで
きる。 前述した温度検出装置は、温度依存光ガイドが
機械中の被測定領域に達するためにその被測定領
域より高い温度の点を通らねばならない場合に
は、不適当である。これらの高い温度の領域にお
いて光損失が生じ、従つて、光検出器に達する光
の量が被測定領域の温度を示すことにはならな
い。このため、被測定領域以外のところでの高い
温度によつて影響されないような温度検出プロー
ブが望まれる。この種のプローブは、ライン温度
センサと区別して、ポイント温度センサと称され
る。 ポイント温度プローブは、第７図に示すよう
に、前述したような温度依存光ガイド１０のセグ
メントと、市販の通常の光ガイドの如き少なくと
も１つのデータリンク３６と、光源２０と、光検
出器２２と、光ガイド１０及びデータリンク３６
を接続して光路を形成するようにするカツプリン
グ３８とを備えている。例えば、カツプリング３
８は、機械的締付け具又は接着剤であつてよい。
データリンク３６は、遭遇温度に亘つて比較的損
失のない（又は所定の伝送を行なうことのでき
る）任意の光伝送器であつてよい。 動作時、光ガイド１０は、被測定領域２６と熱
伝導関係に配置される。光は、光源２０から第１
のデータリンク３６へ、それから光ガイド１０を
通して、更に第２のデータリンク３６を通して光
検出器２２へ伝送される。 もしいくつかの被測定領域を測定しようとする
場合には、各被測定領域を１つの光ガイドと熱伝
導関係におくようにして、データリンク−光ガイ
ド−データリンク接続を繰り返して設置すること
ができる。 屈折率は、前述したように、波長の関係であ
る。臨界温度はコア材料とクラツド材料との相対
屈折率によつて定められるので、各材料の屈折率
の変化によつてその臨界温度が移動する。 第４図は、種々な波長の光に対応した臨界温度
の範囲を示すグラフである。このグラフ並びに第
５図及び第６図のグラフのデータを求めるのに使
用した特定の光ガイドは、ベンゼン液体のコア及
びポリシクロヘキシル・メタクリレートのクラツ
ドからなるものであつた。この光ガイドでこれら
の波長の場合、光の波長が50ナノメートル変化す
ることにより臨界温度が約13゜だけ変化したこと
がわかる。 第５図は、更に、強度、波長及び温度の相互関
係を例示している。縦軸は、伝送光強度の百分率
損失を表わしている。供給光の波長は、200nｍ
であつた。このグラフからわかるように、第４図
におけるのと同じ温度範囲にわたつてこの波長で
は強度は27％だけ変化した。この強度の変化は、
光検出器２２Ａによつて目視されうる。 被測定領域の温度の定量的測定は、臨界温度の
このような変化を利用することによつて行なわれ
うる。白色光源（例えば、400nｍから700nｍま
での一様強度の光源）又は単色光源を使用するこ
とができる。 第３図を再び参照するに、光源２０が白色光を
光ガイド１０へ供給しているが、光ガイド１０と
光検出器２２との間にはそれらと光伝達関係で
光手段３２が配置されるべきである。この光手
段３２は、例えば、10nｍの巾より小さな波長帯
を通すべきである。この光手段３２は、例え
ば、フイルタ又はビームスプリツタであつてよ
い。ビームスプリツタを使用する場合には、検出
すべきビームの各々に対して光検出器２２が必要
である。 １つの予め選定された波長の光又は10nｍの巾
より狭いような狭い波長帯の光が光源２０によつ
て供給される場合には、その強度は、光手段を
用いずに光検出器２２によつて測定されうる。 第６図において、光の強度が２つの温度におけ
る波長に対してプロツトされている。光源から供
給された光は、説明上I_pとした所定の強度を有し
ている。 更に、理解し易くするため、可能な使用例を第
３図及び第６図について説明する。 この例では、光源２０は白色光を供給し、光
手段３２は436nｍ又は486nｍの波長を通すこと
ができる。9.3℃では、436nｍの光はその光ガイ
ドによつてもはや伝送されない。（光手段３２
を用いない場合の光検出器２２は、全強度Ioの減
少を示す。）被測定領域２６のどれかを更に加熱
する場合、他の周波数の光が失われる。22℃で
は、486nｍの光が伝送されなくなる。従つて、
その光を調べるために適当なフイルタを使用して
486nｍの光が伝送されているが436nｍの光が伝
送されていないことを見出せば、被測定領域２６
の最高温度は9.3℃と22℃の間であることがわか
る。 光検出器２２Ａを使用して400nｍと600nｍと
の間の白色光を供給する場合には、開口を通して
放射される光は、9.3℃では青に見え、被測定領
域の加熱につれて目に見える色が変化し、他の周
波数が除去されるようになる。 白色光の代りに、調整しうる単色光源を用いる
場合には、所望の周波数のみを供給する必要があ
る。温度の上昇につれて、ある特定の周波数が伝
送されなくなることが予想される。 単一のガイドを使用したのでは、電気機械的装
置２４内の高温点の大きさ及び位置を示すことが
できないし、電気機械的装置２４の他の部分の熱
状態を示すこともできない。これらに関する情報
は、２つ以上の光ガイドを使用することによつて
与えることができる。各々異なつた臨界温度を有
した２つ以上の光ガイド１０を、同じ被測定領域
２６と熱伝導関係に配置することができる。これ
らの光ガイドは、例えば、同じ光ジヤケツト１６
内に収容して共通の光源２０によつて駆動されう
るが、これらの光ガイドは、別々の光検出器２２
へ接続されねばならない。この時、光検出器２２
は、どの臨界温度が越えられたかを示す。並置し
ているが異なつた被測定領域２６と熱伝導関係に
少なくとも２つの光ガイド１０を配置することに
より、電気機械的装置２４内の温度を相互に独立
して監視することができると共に、高温点の位置
及びその大きさについての温度情報が与えられ
る。 本発明には下記の効果がある。 (1) 単一の光ガイドを使用して、電気機器中のど
の点が何時所定の温度よりも高くなつたかを警
告できる。 (2) 光ガイドは高電位、磁界および振動に影響さ
れない。 (3) 温度が正常値に戻るとガラスを通して光が再
伝送される点で、ヒユーズと対照的に、本装置
は再使用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用される型の光ガイドの一
部破断拡大斜視図、第２図はある特定のコア材料
及びクラツド材料の屈折率の温度依存性を示すグ
ラフ、第３図は本発明の一実施例としての温度検
出装置の概略図、第４図は種々異なる光波長に対
応する臨界温度範囲を示すグラフ、第５図は１つ
の特定の波長に対する温度対伝送光強度の百分率
損失を示すグラフ、第６図は２つの温度に対する
波長対伝送光強度を示すグラフ、第７図は本発明
の一実施例としてのポイント温度プローブの概略
図である。 １０……光ガイド、１２……コア、１４……ク
ラツド、２０……光源、２２……光検出器、２６
……被測定領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コア及びこのコアのまわりに円筒状に延長す
   るクラツドを含む少なくとも１つの光ガイドと、
   この光ガイドの第１の端へ所定の光を供給するた
   めの光源と、前記光ガイドの第２の端へ伝送され
   る光の存在又は不存を検出して前記光ガイドがさ
   らされる温度が或る温度範囲のそれぞれ第１部分
   又は第２部分にあることを示すための手段とを備
   え、前記コア及び前記クラツドが前記温度範囲に
   亘つて温度依存性屈折率を有するそれぞれ第１材
   料及び第２材料で作られ、前記第１コア材料は、
   前記光ガイドが光を伝送する前記温度範囲の第１
   部分に亘つて前記第２クラツド材料よりも大きい
   屈折率を有し、かつ前記光ガイドが光を伝送しな
   い前記温度範囲の第２部分に亘つて前記第２クラ
   ツド材料と等しいか又は小さい屈折率を有し、そ
   して検出手段は、伝送された光に応答しこの光を
   計測手段と相関した電気信号に変換する光感知器
   を含む温度検出装置。 ２ 少なくとも２つの光ガイドはそれぞれ異なる
   コア材料及びクラツド材料を有し、光源は各光ガ
   イドの第１の端へ光を供給し、そして検出手段は
   各光ガイドの第２の端へ伝送された光を別々に検
   出することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の温度検出装置。 ３ 光源は同一強度の所定の白色光を供給し、 検出手段は、伝送されてきた光をその強度に比
   例する電気信号に変換するための光感知器、光ガ
   イドの第２の端と前記光感知器の間でこれらと光
   通信関係に置かれた光手段、および前記光感知
   器からの電気信号を計測するための手段を備え
   る、 特許請求の範囲第１項記載の温度検出装置。 ４ 光手段は10nｍ巾より小さな波長帯の光を
   通し、そして計測手段は電気信号の変化を測定す
   る特許請求の範囲第３項記載の温度検出装置。 ５ 光手段は10nｍ巾より小さな波長帯の光を
   通し、そして計測手段は予め較正した電気信号の
   振幅を測定し、これにより光感知器へ伝送された
   光の強度を与える特許請求の範囲第３項記載の温
   度検出装置。 ６ 光源と光ガイドの第１の端との間に光学的に
   配置され、温度範囲の第１部分及び第２部分の両
   方に亘つて供給された光を所定通り伝送できる第
   １のデータリンクと、この第１のデータリンクを
   前記光ガイドの第１の端へ機械的に結合するため
   の手段と、前記光ガイドの第２の端と光感知器と
   の間に光学的に配置され、前記温度範囲の第１部
   分及び第２部分の両方に亘つて供給された光を所
   定通り伝送できる第２のデータリンクと、この第
   ２のデータリンクへ前記光ガイドの第２の端を機
   械的に結合するための手段とを含む特許請求の範
   囲第１項ないし第５項のいずれか記載の温度検出
   装置。 ７ 第１位置にある目標区域の温度情報を得て前
   記第１位置から離れた所にあり得る第２位置にお
   いてそのような温度情報を取り出す方法であつ
   て、光源と前記第２位置にある光検出器との間の
   光路中に、前記光源の近くにあつて前記光源から
   光を受ける第１の端および前記光検出器の近くに
   あつて前記光検出器へ光を供給する第２の端並び
   に所定の温度依存特性を有する光ガイドを配設し
   て前記目標区域に通すステツプと、前記光源から
   前記光ガイドの第１の端へ光を供給するステツプ
   と、予め選択した波長を通すように光を光する
   ことにより、光が前記光ガイドを通して前記第２
   の端へ伝送されたかどうかを前記光検出器で検出
   して、前記温度区域が温度範囲の第１部分にある
   か第２部分にあるかを示すステツプと、光した
   光を、伝送された光の強度に比例しかつ前記温度
   区域の温度を示す電気信号に変換するステツプと
   から成り、前記光ガイドの所定の温度依存特性は
   前記光ガイドのコア材料とクラツド材料の屈折率
   の相対的な値に依存して、一定の温度範囲におい
   てその第１部分では再使用可能に光伝送性である
   が、前記温度範囲の第２部分では光不伝送性であ
   る温度情報を得る方法。