JPH02201131A - 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計測方法は、光フアイバ中のラ
マン散乱光やレーリ散乱光等の散乱光強度が温度によっ
て変化することを利用し、この変化を公知の０ＴＤＲ（
Ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｉｍｅＤｏｌａｉｎ　Ｒｅｆｌｃｃ
ｔｏｎｅｔｒｙ）の手法で検知することにより、光ファ
イバの長手方向に沿った温度分布を計測するものである
。

ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温度センサ
（以下、単にラマン式温度センサと呼ぶ）の計測概念を
第３図を用い以下に説明する。

光源からパルス光（パルス幅Ｔｗ、パルス周期Ｔｐ）を
センサ用光ファイバに導くと、該光フアイバ内でアンチ
ストークス光やストークス光等の後方散乱光（反射光）
が励起され、その一部は計測装置に戻る。この反射光を
パルス光入射時刻を１＝０とし、サンプリング時間間隔
Ｔ　ｓで計測すると、アンチストークス光やストークス
光の強度の時間関数１　ａ　（ｔ）、　Ｉ　ｓ　（ｔ）
がサンプリング時間間隔′Ｉ″Ｓの関数として求まる。

このとき５これらの比１　ａ（ｔ）　／　Ｉ　ｓ　ｆｔ
）が純粋に温度の関数であること、及び光パルス入射後
、光フアイバ内の距離Ｘの位置で発生した反射光が光パ
ルス入射端（反射光光計測部）に戻ってくるまでの時間
が２　Ｘ　Ｘ　／　Ｃｏであること（Ｃｏ；光フアイバ
中の光速）を利用すると、光ファイバの沿った線状の温
度分布が測定できる。

なお、反射光が計測される時間幅Ｔｒは２ＸＬ／　Ｃｏ
であり（１７；光ファイバ長さ）、この時間はＴｒ内の
計測値が有効な温度分布情報を与える。

次に、第４図を用いて、ラマン式温度センサの概要を説
明する。

このラマン式温度センサは、計測装置１０とセンサ用光
ファイバ２０から構成される。光源２からパルス光をセ
ンサ用光ファイバ２０に導くと、該光フアイバ内で後方
散乱光（反射光）が励起され、励起された反射光の一部
は計測装置１０側に戻り、光分岐器３１、光ファイバ２
２を介して、光分岐２９３２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に導かれたものは、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６ａで構成
されるアンチストークス光用ＯＴ　Ｄ　Ｒ計測回路３０
ａに入り、この光強度からアンチストークス光強度の時
間関数１ａＢ）が求められる。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、ストークス光用の光学フィルタ４ｓ、受光器
５及び平均化処理回路６ｓｔ−構成されるストークス光
用０ＴＤＲ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Ｔ　５（ｔ）が求められる。パ
ルス光源２と平均化処理回路６ａ。

６ｓの同期合せは、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３図に示す一定の時間間隔Ｔｓで行われる。

得られた時間関数１ａ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）を温度分
布情報回Ｆ６７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。

また、平均化処理回路６は、第５図に示すように、Ａ／
Ｄ変換回路６１、加算器６２、メモリ回路６３、同期回
路６４から構成される。平均化処理は以下のようにして
行う。

受光器５から入力されたアナログ量をＡ／Ｄ変検回路６
１でディジタル量に変換し、そのディジタル量とメモリ
回路６３に記憶されたディジタル量との和を加ｎ器６２
で行い、その結果を再び、メモリ回路６３に記憶する。

この操作をパルス周期Ｔ　Ｐごとに、繰返し行い、最終
的にメモリ回路６３に記憶された値をＭ返し回数で削る
と、入力情報の平均値が求まる。この平均化処理を行う
と、入力情報に含まれたノイズが除去されるなめ、温度
測定精度は向上する。

また、Ａ　／ｌ　Ｄ変換回８６１、加ｊｔＨ６２、メモ
リ回路６３の同期合わせは同期回路６４によって行われ
ている。

このラマン式温度センサは、例えば電力ケーブルに沿わ
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１の徨定を行うことらできる。

［発明が解決しよとする課題１ ラマン式温度センサあるいはレーレ式温度センサは−Ｌ
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、複数個の後方散乱光成分を温度情報として用い
るため、複数個の処Ｊ！［！装置（受光器、平均化処理
装置ンを必要とし、装置全体が大形となり、かつ、高価
なものになるという欠点があった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を改善し、小
形でかつ安価な光ファイバ式分布形温度センサを従供す
ることにある。

［課題を解決するための手段１ 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、そ
の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レ散乱光を分離して受光器に導き、
これら反射光の強度をサンプリングして平均化処理し光
ファイバの温度を求めると共に、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
置を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該光
ファイバの温度分布を計測する光ファイバ式分布形温度
センサにおいて、前記受光器に前置した複数の入力ポー
トを有する光選択スイッチと、前記反射光の中からラマ
ン散乱光成分であるアンチストークス光とストークス光
或いはレーレ散乱光を分離し前記光選択スイッチの入力
ポートに個別に導く波長分離手段と、該光選択スイッチ
を制御して入力ポートに導かれている光を選択的に時間
順次に前記受光器に入射するよう設定する第１の制御手
段とを備えて構成したものである。

好ましい形態としては、前記光選択スイッチの入力ポー
トとして反射光を入力しない入力ポートを設け、計測系
内で発生ずる周期性のノイズを反射光を入力したときの
計測値と反射光を入力しないときの計測値の差から除去
する演算手段を設ける。

また、有利な平均化処理形態としては、前記反射光をサ
ンプリングして温度分布情報として得られる必要な一連
の計測データを記憶し、計測を行うごとに、前回行った
計測データと平均する平均化処理回路とする。

更に好ましい形態としては、温度分布情報として得られ
る必要な一連の計測データを記憶し、計測を行うごとに
、前回行った計測データとの差をとることにより、急激
な温度変化を検知する手段を設ける。

また、前記計測系の入力側に複数の入力ポートを有する
別の光選択スイッチを設け、該光選択スイッチの各入力
ポートに複数本のセンサ用光ファイバを接続し、複数本
のセンサ用光ファイバの温度計測を可能とする。

［作用］ 請求項１の光ファイバ式分布形温度センサの構成の場合
、光選択スイッチは第１の制御手段により制御されて、
各入力ポートに個別に導かれているラマン散乱光成分で
あるアンチストークス光とストークス光のうちの１つ或
いはこれらとレーレ散乱光の１つを、時間順次に選択し
、計測系の受光器に入射させる。この受光器の出力をサ
ンプリングし平均化処理して光ファイバの温度を求める
と共に、光パルスの入射時刻と反射光が計１定系へ到達
する時刻の差から反射光の発生位置を求めて、光ファイ
バの温度分布を計測する。

これにより、アンチストークス光用計測系、ストークス
光用計測系或いはレーレ散乱光用計測系をそれぞれ専用
に用意する必要がなく、共通の１つの計測系によって光
ファイバの温度分布が計測できる。

請求項２の光ファイバ式分布形温度センサのように、光
選択スイッチの入力ポートとして反射光を入力しない入
力ポートを設け、反射光を入力したときの計測値と反射
光を入力しないときの計測値の差を取ると、計測系内で
発生する周期性のノイズを計測値から除去することがで
きる。

計測系内で発生する周期性ノイズは、トリガ回路、パル
ス光源、平均化処理回路内などで発生したノイズの内、
サンプリング周期に同期したものが、平均化処理回路内
のＡ／Ｄ変換回路の入力部へ回り込んだものである。こ
のため、周期性ノイズは信号の有無に無関係に発生し、
サンプリング周期に同期したノイズであるなめ、平均化
処理回数を増しても除去できないものである。

しかし、反射光を入力したときの測定値は、真の反射光
強度とｉ？［ｉ１１系内で発生ずる周期性ノイズとの和
であり、他方の反射光を入力しないときの計測値は、反
射光が熟いために、３１測系内で発生ずる周期性ノイズ
のみとなっている。従って、上記のように両者の差をと
ることにより計測系内で発生ずる周期性ノイズを除去で
きる。

請求ｆｆＪ？　３の光ファイバ式分布形温度センサは、
温度分布情報として得られる必要な一連の計測データを
記憶し、計測を行うごとに、前回行った３１測データと
平均し、この処理を繰返す構成であるため、実質的に平
均化処理回数を向−Ｆさせるこξができる。

請求項４の光ファイバ式分布形温度センサのように、計
測を行うごとに前回行った計測データとの差をとること
により、急激な温度変化を検知し、異常現象を早期に把
握することができる。

請求項５の光ファイバ式分布形温度センサのように、前
記計測系の入力側に別の光選択スイッチを設け、その各
入力ポートに複数本のセンサ用光ファイバを接続すると
、複数本のセンサ用光ファイバの温度計測が可能となる
。

［実施例］ 以−Ｆ、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０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＃ｌ成は、第３
図、第４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、２組の０ＴＤＲ計測回路を一組の０ＴＤＲａｔ謂
回路３０とし、このｍ成を受光器５、平均化処理回路６
とした６次に、光分岐器３１．３２の代りに光合分波器
３３を、トリガ回路１の代わりにコントローラ１１を用
いた。更に、０ＴＤＲ計測回路３０と光合分波器３３と
の間に、光選択スイッチ８を挿入した。この光選択スイ
ッチ８の一方の入力は、光合分波器３３から光ファイバ
２３ａを介して導かれるアンチストークス光であり、他
方の入力は、光合分波器３３から光ファイバ２３ｓを介
して導かれるストークス光である。

光選択スイッチ８は、このアンチストークス光とストー
クス光を切換えて計測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Ｒ能としては、この他、パル
ス光源２へのトリガ信号の作成、及びＯＴ　Ｄ　Ｒ計測
回路３０や温度分布演算回Ｉｊ？１７等のへ同期信号の
作成が主なものとなっている。

次に、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの動
作について説明する。

計測装置１０内のパルス光源２から出射されたパルス幅
ＴＶ、パルス周期Ｔｐの光は、光ファイバ２１、光合分
波器３３を介し、センサ用光ファイバ２０に導かれ、該
光フア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、光合分波器３３よりア
ンチストークス光とストークス光が光ファイバ２３ａ、
２３ｓを介して、光選択スイッチ８のそれぞれの入カポ
ートに導かれる。

光選択スイッチ８は、コントローラ１１からの切換制御
信号により、所定の時刻の到来毎に一定時間幅だけ入力
ポートを順次切換え、アンチストークス光とストークス
光を交互に通過させる。これにより、アンチストークス
光を計測する区間とストークス光を計測する区間の２つ
が交互に作り出される。

先ず、コントローラ１１からの指示により、光スッチ８
を光フアイバ２３ａ側に切換え、アンチストークス光を
０ＴＤＲ計測回路３０の受光器５に入力し、その光強度
情報に応じた電気的なアナログ信号に変換する。この光
強度の電気信号を平均化処理回路６に入力し、平均化処
理する。即ち、第５図に示した平均化処理回路６内のＡ
／Ｄ変換回ｎ６１で、それぞれ一定の時＋ｆｆ１間隔Ｔ
ｓでサンプリングし、このディジタル量を加算器６２に
入力して、前回の１１測で求めた同一時刻に対応した情
報に加算し、その結果をメモリ回路６３に記憶する。こ
の計測をパルス光を出射するごとに繰返し行うことによ
り、平均化処理する。

このようにして、アンチストークス光強度の時間関数Ｉ
　ａ（ｔ）が求まり、得られた時間関数Ｉ　ａ（ｔ）の
情報が温度分布演算口８７に入力される。

次に、光選択スイッチ８を光ファイバ２３ｓｆｔｌｌに
切換える。上記と同様にして、ストークス光が受光器５
に入って電気信号に変換され、平均化処理回路６内で平
均化処理されて、ストークス光強度の時間関数Ｊ　５（
ｔ）が求められる。得られた時間関数！　５（ｔ）は、
同様に温度分布演算回路７に入力される。

温度分布演算回路７は、上記時間関数１　ａ（ｔ）とｒ
　５（ｔ）との比を求める。即ちＩ　ａ（ｔ）／　Ｉ　
５（ｔ）の演算を行って、センサ用光ファイバ２０に沿
った線状温度分布を求める。尚、パルス光源２と、上記
平均化処理回路６、Ｏ’Ｔ”　Ｄ　Ｒ＋ｉｆ測回１ｉＩ
８３０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。

次に、他の実線形態について述べる。

第１図において、光選択スイッチ８の入力ポートとして
、光を入力しない状態を設け、この状態での計測値をＩ
ｎ（ｔ）とし、別途計測したストークス光強度１ｓ（ｔ
）　、アンチストークス光強度Ｊａ（ｔ）との差をそれ
ぞれＩ’　５（ｔ）、　Ｉ　’　ａ（ｔ）とすると、光
ファイバ式分布形温度計測装置内で発生する周期性ノイ
ズを除去できる。ｕＵち、計測装置内では種々のノイズ
が発生しているが、サンプリング時刻に同期しないノイ
ズは平均化処理回路６で平均化処理することにより除去
できるが、同期したノイズは除去できない。

しかし、これら周期性ノイズは光信号入力の有無に無関
係に一定の時間関数として発生ずるため、光信号を入力
した状態の計測１　（ｌ５（ｔ）、　Ｊｎ（ｔ））から
、光１８号を入力しない状態の計１１１ｆｆｉｌｎ（ｔ
）を差引けば、これら周期性ノイズ成分を大幅に除去で
きる。即ち、上記］’　５（ｔ）、　Ｉ’　ａ（ｔ）が
コノ状態に相当し、このようにして、求めた計測値はノ
イズが少ないため、温度を高精度で計測できる。

尚、光選択スイッチ８は、光分岐器と光フィルタとによ
って、反射光の中からラマン散乱光或いはレーリ散乱光
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、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路途中の任意の場
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。

次に第１図において、温度分布演算後、アンチストーク
ス光強度とストークス光強度を温度分布演算回路７に記
憶し、次の計測時に得られたこれらの光強度を、それぞ
れ平均し、求めた平均値から、温度分布を演算すると、
実質的に平均化処理回数を向上したことと等価となるな
め、ノイズを少なくでき、温度を高精度で計測できる。

更に、第１図の温度分布演算回路７において、各計測毎
に温度分布情報を記憶し、次の計測時に得られた温度分
布情報との差を演算すれば、各計測時間内での温度変化
分布を把握でき、この値の大小により、異常な温度上昇
をした場所やその値を早期に検出できる。

また、第２図に示すように、複数本のセンサ用光ファイ
バ２０を用意し、センサ用光ファイバ２０と計測装置１
０間に光切換スイッチ８１を設けると、光切換スイッチ
８１を切換えることにより、任意のセンサ用光ファイバ
２０の温度分布の計測が可能となり、−台の計測装置で
多数本の光フアイバ温度分布計測ができる。

上記実施例はいずれもラマン散乱光を温度情報とした光
ファイバ式分布形温度センサを対象としたしのであるが
、レーリ散乱光とラマン散乱光の組合せを用いた光ファ
イバ式分布形温度センサにおいても、同様に本発明を適
用することができ、同様な機能を発揮できるものである
。

［発明の効果ｊ 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）　　複数個の散乱光成分の計測を一組の計測装置
で対応できるようにしているため、小型で、かつ、安価
な光ファイバ式分布形温度センサを実現できる。

Ｃ）光パルスを入射させない状態での計測値から、測定
装置内で発生する周期性ノイズを検出し、散乱光計測値
から、周期性ノイズを除去しているため、高精度で温度
分布を計測できる。

（３］　　各計測ごとに前回の計測値と平均することに
より、実質的な平均処理回数を上げ、高精度で温度分布
を計測できる。

（１１）　　各計測ごとに前回の計測値との差をとるこ
とにより、異常な温度上昇値を早期に把握できる。

６）　センサ用光ファイバと測定装置間に光スィッチを
設けることにより、多数のセンサｍ光ファイバの温度分
布を一台のα１定装置で言（測できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバ式分布形温度センサの構成
例を示す図、第２図は本発明の他の構成例を示す図、第
３図は先に提案されている計測方法の説明図、第４図は
第３図の計測方法による光ファイバ式分布形温度センサ
の構成図、第５図はその平均化処理回路の構成例を示す
図である。 図中、２はパルス光源、５は受光器、６は平均化処理回
路、７は温度分布演算回路、８は光選択スイッチ、１０
は計測装置、１１はコントローラ、２０はセンサ用光）
γイバ、２１．２３ｓ。 ２３ａは光ファイバ、３０は０ＴＤＲ計測回路を示す。 特許出願人　　東京電力株式会社 日立電線株式会社 代理人弁理士　　絹　　谷　　信　　雄第１図 ６平均化処理回路 ７：温度分布演算回路 ８、光選択ヌイノチ １０：計測装置 １トコ／トローラ ３３、光合分波器 第２図 □時間ｔ （ａ）入射パルス光 □時間ｔ （ｂ）センサからの反射光

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、その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レ散乱光を分離して
   受光器に導き、これら反射光の強度をサンプリングして
   平均化処理し光ファイバの温度を求めると共に、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ことにより、温度と位置を同
   時計測し、該光ファイバの温度分布を計測する光ファイ
   バ式分布形温度センサにおいて、前記受光器に前置した
   複数の入力ポートを有する光選択スイッチと、前記反射
   光の中からラマン散乱光成分であるアンチストークス光
   とストークス光或いはレーレ散乱光を分離し前記光選択
   スイッチの入力ポートに個別に導く波長分離手段と、該
   光選択スイッチを制御して入力ポートに導かれている光
   を選択的に時間順次に前記受光器に入射するよう設定す
   る第１の制御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、前記光選択スイッチの入力ポートとして反射光を入
   力しない入力ポートを設け、計測系内で発生する周期性
   のノイズを反射光を入力したときの計測値と反射光を入
   力しないときの計測値の差から除去する演算手段を設け
   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。 ３、前記反射光をサンプリングして温度分布情報として
   得られる必要な一連の計測データを記憶し、計測を行う
   ごとに、前回行った計測データと平均する平均化処理回
   路を有することを特徴とする請求項２記載の光ファイバ
   式分布形温度センサ。 ４、温度分布情報として得られる必要な一連の計測デー
   タを記憶し、計測を行うごとに、前回行った計測データ
   との差をとることにより、急激な温度変化を検知する手
   段を設けたことを特徴とする請求項３記載の光ファイバ
   式分布形温度センサ。 ５、前記計測系の入力側に複数の入力ポートを有する別
   の光選択スイッチを設け、該光選択スイッチの各入力ポ
   ートに複数本のセンサ用光ファイバを接続し、複数本の
   センサ用光ファイバの温度計測を可能としたことを特徴
   とする請求項１記載の光ファイバ式分布形温度センサ。