JPH02201130A - 光ファイバ式分布形温度センサ - 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、温度センサ、特に光ファイバ式分布形温度セ
ンサに関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度センサは、光ファイバ中の散乱
光強度が温度によって変化することを利用し、コノ変化
を公知の０ＴＤＲ（Ｏｐｔ　ｉｃａ　１ｔｉｌｌｅ　Ｄ
ｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｌｅｔｒｙ）の手法で検
知することにより、光ファイバの長子方向に沿った温度
分布を計測するものである。方式としてはラマン散乱光
を利用しｆ、ものとレーリー散乱光を利用したものが知
られており、前者の信号は後者に比べ、微弱（約１／１
００〜１／１０００）であるが、温度変化に対する信号
変化量が大きく、有望な方式と考えられている。

ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温Ｊ、Ｅセ
ンサ（以下、単にラマン式温度センサと呼ぶ）としては
、光ファイバの一端から波長λ０、パルス幅゛Ｉ″Ｗ、
パルス周期Ｔｐの光〈第５図の（ａ）＃照）を入射させ
、光ファイバ内で発生ずるラマン散乱光の二成分である
波長λａのアンチストークス光、及び波長λＳのストー
クス光等の反射光（第５図の（１））参照）を、サンプ
リング時間間隔Ｔｓで計測し、パルス光入射時刻を１＝
０として、それぞれの反射光の光強度を時間の関数１　
ａ（ｔ）。

Ｉ　５（ｔ）として溜１定し、これらの比Ｉ　ａ（ｔ）
／　ｌ　５（ｔ）が純粋に温度の関数であること、及び
光パルス入射後、光パルス入射＠（ｆ＆方散乱光Ｊ１測
部）に戻ってくるまでの時間が２ｘＬ／Ｃｏであること
（ＣＯ；光ファイバ中の光２！りを利用して、光ファイ
バに沿った線状の温度分布測定を行う装置が提案されて
いる。

このラマン式温度センサは、例えば電カケープルに沿わ
せてセンサ用光ファイバ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、
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もできる。

第４図は、上記提案されているラマン式温度センサの具
体的構成例であり、計測装置１０とセンサＩｎ光ファイ
バ２０から構成されている。

計測装置１０内のパルス光源２から出射された光は、光
ファイバ２１、光分岐器３１を介してセンサ用光ファイ
バ２０に導かれ、該光ファイバ内で後方散乱光（反射光
）を励起する。励起された反射光の一部は計測装置１０
側に戻り、分岐器３１、光ファイバ２２を介して、光分
岐器３２に導かれる。

光分岐器３２で１分された反射光のうち、光ファイバ２
３ａに導かれたらのは、アンチストークス光用の光学フ
ィルタ４ａ、受光器５ａ及び平均化処理回路６ａｔ″構
成されるアンチストークス光用旧ＯＲ計測回路３０ａに
入り、この光強度がらアンチストークス光強度の時間関
数Ｉ　ａ（ｔ）が求められる０他方、光分岐器３２で１
分された後方散乱光のうち、光ファイバ２３ｓに導かれ
たものは、スト−クス光用の光学フィルタ４ｓ、受光器
５ｓ及び平均化処理回路６５″Ｃ″構成されるストーク
ス光用ＯＴ　Ｄ　Ｒ計測回路３０ｓに入り、この光強度
からストークス光強度の時間関数１３（ｔ）が求められ
る。

パルス光源２と平均化処理回路６ａ、６ｓの同期会ぜは
、トリガ回路１の同期信号によって行い、反射光のサン
プリングは平均化処理回路６ａ。

６ｓ内で、第５図に示す一定の時間間隔Ｔｓで行われる
。

得られたＭ　ｔｍ　Ｚ数Ｉ　ａ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）
を温度分布演算回路７に入力し、Ｉ　ａ（ｔ）／　Ｉ　
５（ｔ）の演算を行うことにより、センサ用光ファイバ
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課ＩＩ！ＪＩ］ラマン式温度
センサあるいはシー９−式温度すンサは上述した方法で
線状の温度分布が測定できる有望な方式であるが、セン
サとして用いる光ファイバが光伝送損失を有するため、
長距離Ｊ１測にある限界を与えていた。即ち、第５図（
ｂ）に示すように、反射光強度はセンサの遠端部になる
ほど減衰し、センサがある長さより長くなると、遠端部
の反射光強度は受光器の感度より微弱となり、計測不能
となる。これを改善するため、受光器の感度を上げると
、近端部の強い反射光に対しては受光器が飽和し、近端
部の計測が不能となる。

また反射光はサンプリング時間で計測され、この時間間
隔′１゛ｓが短いほど温度計測距離間隔が短くなり、計
測距離精度が向上することとなるが、サンプリング時間
間隔Ｔｓを短くするほど、平均化処理回路を高速にする
必要があり、高価なものとなる。従って、サンプリング
時間を短くして、計測距１１を精度を向上させる方式は
、経済性から限界があった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を改善し、長
距離計測を可能とし、かつ、計訓距Ｍ精度を向上させた
光ファイバ式分布形温度センサを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光ファイバ式分布形温度センサは、計測系内の
光源からセンサ用光ファイバに光パルスを入射させ、該
ファイバで発生ずる後方散乱光で形成される反射光を該
計測系に導き、これら反射光の中から、ラマン散乱光或
いはレーリー散乱光の中心波長に相当する波長領域の光
を分離して受光器に導き、これらの光強度をサンプリン
グして光ファイバ温度分布を求めると共に、光パルスの
入射時刻と反射光が測定系へ到達する時刻の差がら反射
光の発生値！を求める光ファイバ式分布形温度センサに
おいて、前記計測系内で反射光を受光器に導く経路の途
中に設けた光スイッチと、該光スイッチを制御して、セ
ンサ用光ファイバの温度計測距拷【範囲を複数の区間に
分割し、各計ａ町区間に対応した反射光のみを受光器に
入射するように設定する分斧ＩｒｔＩＩ御手段と、前記
各計測区間の反射光強度に対応して受光器の感度を１１
する手段とを備えて構成したものである。

更に好ましい形態としては、一の遅延時１ｍ　ＩＪ’前
記反射光を計測するサンブリング時間ＩＦｆｌ隔より短
く且つそれらの相がサンブリング時ｔ’：：Ｊ　［１１
ｍとなる遅延時間集合を設定し、各遅延時１？ｆｌに対
応した時間だけ順次サンプリング開始時刻を延長させて
、総合的に温度計測点の間隔を短くする計測点制御手段
とを備えて構成する。

光分岐器と光フィルタとによって、反射光の巾からラマ
ン散乱光或いはレーリー散乱光の中心波長に相当する波
長領域の光を分離して受光器に導く構成とした場合には
、光スイッチは、この波長分離手段により計測系内の反
射光を受光器に導くまでの経Ｆ６途中の任意の場所、即
ち、光分岐器の前、光分岐器と各光フィルタとの間、各
光フィルタと受光器との間のいずれかに設けることがで
きる。

受光器の感度調整手段は、受光器それ自体を、受けた反
射光の強度が小さくなるにつれ自動的に各計測区間ごと
に感度が大きく制御されるように構成したり、予め各計
測区間ごとの感度調整を行って設定しておきその調整指
令を受光器に与えたり、或いは、反射光の強度をモニタ
して自動的に受光器の感度を調整しても良い。

上記分割制御手段と計測点制御手段とは、コントローラ
によるタイミング調整機能とすることができる。

［作用］ 分割制御手段は、光スイッチを制御して、・センサの温
度計測距離範囲を複数の区間に分割し、各計測区間に対
応した反射光のみを、受光器に入射するように設定する
。この設定された各計測区間ごとの反射光の強度に対応
して、受光器の感度が調整、される、この制御下で各計
測区間ごとの温度分布を順次計測して行く。反射光強度
はセンサの遠端部になるほど減衰するが、各計測区間ご
とに受光器の感度が調整されるため、遠端部の反射光強
度が受光器の感度より微弱となることはなく、また、近
端部の強い反射光に対しても受光器が飽和しないため、
計測が不能となることはない、従って長距離計測が可能
となる。

一方、第２の形態にあっては、計測点制御手段が、反射
光を計♂１するサンプリング開始時刻をサンプリング時
間間隔よりも短い遅延時間だけ遅延させて、温度１１測
を繰り返し行わせる。このため、総合的に温度計測点の
間隔が短くなって温度計測距離分解能が上り、光ファイ
バ式分布型温度センサの精度が大幅に向上する。

［実施例］ 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの実
施例を第１図により説明する９本実施例による光ファイ
バ式分布形温度センサの基本概念及び構成は、第４図、
第５図に示したものとほぼ同じであり、異なる点は以下
の通りである。

即ち、光分岐器３１．３２間に光スイッチ８を挿入した
ことと、［・リカ回路１の代わりにコントロ−ラ１１を
挿入したことである。光スイッチ８は、センサの温度Ｊ
１測距＾を範囲を複数の区間に分割し、各計測区間に対
応した反射光のみを、アンチストークス光用０ＴＤＩＩ
計測回路３０ａとストークス光用０１　Ｄ　Ｉ？計測回
路３０　ｓに入射するために用いられ、このタイミング
調整はコントローラ１１によりライン１２を介して行う
、コントローラ１１の機能としては、この他、パルス光
８．２１＼のトリ力信号の作成、後述する遅延時間信号
の作成、及び０ＴＤＲ計測回路３０ａ、３０ｓ＋温度分
布演算回ｖ８７等への同期１８号の作成が主なものとな
っている。

次に、本発明による光フィアバ式分布形温度セシサの動
作について第２図を併用して説明する。

計測装置１０内のパルス光源２から出射された光は、光
ファイバ２１、光分岐器３１を介し、センサ用光ファイ
バ２０に導かれ、該光ファイバ内で後方散乱光を励起し
、この一部は反射光となって計測装置１０側に戻り、光
岐器３１、光ファイバ２２、光スイッチ８を介して光分
岐′８３２に導かれ、ここで正分される。正分された光
の一方は、光ファイバ２３ａを介して、アンチストーク
ス光用の波長分離手段たる光学フィルタ４ａ、受光器５
ａ及び平均化処理回路６ａで構成されるアンチストーク
ス光用０■旧（計測回路３０ａへ入る。　１ｔ！１方の
光は、光ファイバ２３ｓを介して２ストークス光用の波
長分離手段たる光学フィルタ４ｓ、受光Ｈ５ｓ及び平均
化処理回路６５″Ｃ″構成されるスト−クス光用０ＴＤ
Ｒ計測回路３０ｓに入る。

両０■旧（計測回路３０ａ、３０ｓ内において、光分岐
器３２からの光は、光フィルタ４ａ、４ｓでそれぞれの
波長領域の光に変換された後、受光器５ａ、５ｓに入り
、それぞれの光強度情報に応じた電気的なアナログ信号
に変換される。受光器５ａ、５ｓから出力される光強度
の電気信号は平均化処理回路６ａ、６ｓに入力され、該
平均化処理回路６ａ、６ｓ内でそれぞれ一定の時間間隔
Ｔ’　ｓでサンプリングされ、アンデストークス光強度
の時間関数１　ａ（ｔ）と、ストークス光強度の時間関
数ｒ　５（ｔ）とか求められ、同時にＳＮ比が改善され
る。得られた時間関数１　ａ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）の
情報は、温度分布演算回路７に入力されて、Ｉ　ａ（ｔ
）／Ｉ　５（ｔ）の演算が行われ、センサ用光ファイバ
２０に沿った線状温度分布が求められる。尚、パルス光
源２と、上記平均化処理回路６ａ、６ｓ、０ＴＤＲａ１
潤回路３０ａ、３０ｓ及び温度分布演算回路７間の同期
合せは、コントローラ１１から発生される同期信号によ
って行われる。

上記光スイッチ８は、コントローラ１１からの開閉制御
信号により、パルス光が出射されてから所定の時刻の到
来毎に一定時間幅Ｔ　ＳＷＤだけＯＮ状態（光シャッタ
開）となる、これにより、センサの温度計測距離範囲は
複数の区間に分割され、各計測区間に対応した反射光の
みが受光８５ａ。

５ｓに入射することとなる。長距離計測を可能とするた
め、これら受光３５ａ、５ｓのゲイン即ち感度は、受け
た反射光の強度が小さくなるにつれ自動的に大きく制御
される。

ところで、上記計測距離範囲分割の目的でコントローラ
１１がｊｌＮ閉制御信号により司どる時間幅は、第２図
（Ｃ）に示すように、パルス光が出射されてから光スイ
ッチ８をＯＮ状態とするまでの制御時間幅Ｔｓｗｌ　と
、このＯＮ状態を維持する一定の時間幅Ｔ　ＳＷｐとの
２つになる。平均化処理回＃Ｐ１６ａ、６ｓのサンプリ
ングを、この光スイッチ８が開いている一定時間幅Ｔ’
＋ｖｐ内で行わせる目的で、第２図（ｄ）に示す如く、
サンプリングの停止時間幅（Ｔｍｉ）及び実行時間幅（
Ｔ［ｐ）を設定する。即ち、サンプリング停止時間（Ｔ
ｌｌｉ）は最初のサンプリング点が常に上記一定時間幅
Ｔ　５ｉｖｐ内で生起するように長さ調整され、サンプ
リング実行時間（’ｒ　ｌρ）は１１＆のサンプリング
点が時間幅Ｔ　ｓｗｐ内で生起するような長さに定めら
れる（第２図（ｄ））。

このようにコントローラ１１により、光スイッチ８の開
閉制御とサンプリング時刻との相互の同期を取りつつ、
停止時間’Ｔ’　ｒｇ　ｉを順次長くし温度分布の計測
を繰返して行く、即ち、先ず、サングリング停止時１ｊ
ｎ′ｒｔｇｉ＝０として温度分布を計測し、次に、停止
時間Ｔｎｉ＝　Ｎ　ｘ　Ｔｉｐ　（Ｎ　＝　１．２．−
　）　、！：して順次温度分布を計測して行き、最終的
に第２図（ｅ）に示すように全体の温度分布を計測する
。

このとき、反射光強度はセンサの遠端部になるほど減衰
するが、各計測区間ごとに且つ反射光の強度が弱まるに
つれ、受光器５ａ、５ｓの感度が適正な値に上げられる
なめ、遠端部の反射光強度が受光器の感度より微弱とな
ることはなく、また、近端部の強い反射光に対しても受
光器が飽和しないため、計測が不能となることはない、
この各計測区間ごとの受光器５ａ、５ｓの感度調整は、
予め行っても良く、また反射光の強度をモニタして自動
調整しても良い。

尚、受光器５ａ、５ｓの感度調整手段としては、（１）
受光器中の光・電気変換素子の後段に使用する電気信号
の増幅器の増幅率を調整する方法、（２）光・電気変換
素子として、例えばアバランシェ・フォト・ダイオード
（ＡＰＤ）を使用する場合には、そのバイアス電圧や温
度を変えることにより、ＡＰＤのゲインを変える方法、
及び（３）光・電気変換素子に電気信号光が入射する前
に、光減衰器を挿入し、この減衰率を変えることにより
」１ノ整する方法等が考えられる。

上記（３）の方法の場合、光減衰器は、受光器に用いら
れる光・電気変換素子の直前に挿入しても良いし、或い
は光分岐器３１と受光器５ａ、５ｂの間であればどこに
挿入してら良い。

」１記サンプリング実行時間Ｔｎｏは、受光感度やセン
サ用光ファイバの光の損失等で定まり、これが長い程セ
ンサのｇｒｉｌｌ距Ｍを長くでき、長距離化の開発研究
が進められているが、上記実施例ではこれを一挙にＮ倍
に拡大できたものである６次に、温度計測距離分解能の
向上法について、第３図を併用して説明する。

これは、１遅延時間が反射光を計測するサンプリング時
間間隔ゴＳより短く、且つ、それらの和がサンプリング
時間間隔′Ｉ’　ｓとなるような遅延時間集合として設
定し、各遅延時間に対応した時間だけ順次サンプリング
開始時刻を延長させて、温度計測を繰り返し行い、総合
的に温度計測点の間隔を短くするものである。このよう
に温度計測距離分解能を向上させることにより、光ファ
イバ式分布型温度センサの精度が大幅に向上することに
なる。

今、最小遅延時間間隔Δｔと、サンプリング停止時間Ｔ
ｌｉとの関係を ’ｌ’ｎｉ＝ｍｘΔｔ　　（ｍ＝ｏ、１，２．−、Ｈ）
Ｍ＝Ｔｓ／Δｔ とし、これをコントローラ１１により作成して平均化処
理回ＩＩ！１６ａ、６ｓに与える。これによって第３図
（ａ）（ｂ）（ｃ）のように、Ｔｎｉ＝　Ｏ、Ｔ’ｎｉ
＝Δｔ、Ｔｉ１＝２Δｔ・・・と、順次、Ｌ式に従って
温度計測を行うと、第３図（ｄ）にＭ＝５の場合につい
て示すように、最終的に遅延時間間隔Δｔの細かなサン
プリング結果が得られる。

このときのサンプリング時間間隔すなわち遅延時ｒｒＩ
Ｊ間隔Δｔは、等価的に、サンプリング時間間隔をＴｓ
としていた時のＭ分の１となり、温度計測点の間隔をＭ
分の１に短くできたことになる。

このため、温度計ａ１距離分解能は大幅に向上する。

尚、ここでは遅延時間間隔Δｔを、サンプリング時間間
隔ＴｓのＭ分の１としているが、その大きさがＴｓより
短く、かつ、それらの和がＴｓとなれば、いかなる集合
でも差し支えない。

上記第２図、第３図で説明した機能を組み合わせれば、
長距離計測が可能で、その計測距離精度も非常に高い光
ファイバ式分布形温度センサを実現できる。また、遅延
時間を適宜変えることにより、センサの温度分布を細か
く見たり、粗く見ることもできる。

上記実施例では、後方散乱として、ラマン敗乱光を主体
に説明したが、レーり散乱光を用いても、或いはこれら
の組み合わせを用いても、本発明の原理はそのまま適用
できる。

［発明の効果１ 本発明によれば以下の顕著な効果を奏することができる
。

（１）センサの温度計測範囲を複数の区間に分割し、各
計測区１７２１に対応した計測技術を採用することによ
り、光源、光学素子、受光器、平均化処理装置等の機器
性能が従来と同一レベルでも、光ファイバ式分布形温度
センサの長距離計測が可能となる。

（２）サンプリング時間を適宜、遅延させることにより
、計測距離精度を従来より大幅に向上させた光ファイバ
式分布形温度センサが得られる。

（３）　］二配性能を経済性を損なうことなく達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による光ファイバ式分布形温
度センサの構成図、第２図（ａ）（ｂ）ｆｃ）（ｄ）（
ｅ）はその温度計測距離範囲を複数の区間に分割する計
測概念の説明図、第３図（ａ）（ｂ）ｉｃｅｄ）は本発
明による光ファイバ式分布形温度センサの計測概念の説
明図、第４図は先に提案されている光ファイバ式分布形
温度センサの構成図、第５図（ａＨｂ）はその計測概念
の説明図である。 図中、■はトリガ回路、２はパルス光源、４ｓ。 ４ａは光学フィルタ、５ｓ、５ａは受光器、６Ｓ６ａは
平均化処理回路、７は温度分布演算回路、８は光スイッ
チ、１０は計測装置、１１はコントローラ、２０はセン
サ用光ファイバ、２１．２２゜２３ａ、２３ｓは光ファ
イバ、３１．３２は光分岐器、３０ｓはストークス光用
ＯＴ引で計測回路、３０ａはアンチストークス光用ＯＴ
Ｈ計測回路を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
   を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光で形成さ
   れる反射光を該計測系に導き、これら反射光の中から、
   ラマン散乱光或いはレーリー散乱光の中心波長に相当す
   る波長領域の光を分離して受光器に導き、これらの光強
   度をサンプリングして光ファイバ温度分布を求めると共
   に、光パルスの入射時刻と反射光が測定系へ到達する時
   刻の差から反射光の発生位置を求める光ファイバ式分布
   形温度センサにおいて、前記計測系内で反射光を受光器
   に導く経路の途中に設けた光スイッチと、該光スイッチ
   を制御して、センサ用光ファイバの温度計測距離範囲を
   複数の区間に分割し、各計測区間に対応した反射光のみ
   を受光器に入射するように設定する分割制御手段と、前
   記各計測区間の反射光強度に対応して受光器の感度を調
   整する手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ式分
   布形温度センサ。 ２、一の遅延時間が前記反射光を計測するサンプリング
   時間間隔より短く且つそれらの和がサンプリング時間間
   隔となる遅延時間集合を設定し、各遅延時間に対応した
   時間だけ順次サンプリング開始時刻を延長させて、総合
   的に温度計測点の間隔を短くする計測点制御手段を更に
   備えたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式分
   布形温度センサ。