JPH02201132A - 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、光フアイバ中のラマ
ン散乱光やレーり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（Ｏ
ｐｔｉｃａｌ　ｔｉｎｅ　ＤｏＩｌａ＋ｎＲｅｆｉｅｃ
ｔｏｉｅｔｒｙ）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７図を用い以下に説明する。

光源からパルス光（パルス’ｋＡ　Ｔ　＊　、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Ｔｓの関数として求
まる。このとき、これらの比１　ａ　（ｔ）　／　Ｉ　
ｓ　（ｊ）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（反射光計測部）に戻ってくるまで
の時間が２ＸＸ／’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１１される時間幅′「ｒは２ｘＬ／Ｃ
ｏであり（Ｌ；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８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に導かれたものは、アンチストークス光用の光学フ
ィルタ４　ａ、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／ｎＯＴ　Ｄ　Ｒ計測回路
３Ｑａ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Ｊ　ａ（ｔ）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
に樺がれたしのは、ストークス充用の光学フィルタ４ｓ
、受光器５ｓ及び平均化処理回路６ｓで構成されるスト
ークス光ｍ０ＴＤＲ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！　５（ｔ）が求めら
れる。パルス光源２と平均化処Ｊ’！！！回１ｉ１３６
　ａ６ｓの同ｍ１合せは、トリガ回路Ｉ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７図に示す一定の時間間隔Ｔ　ｓで行わ
れる。

得られた時間関数Ｉ　ａ（ｔ）及びｌ５（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ｍ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、平均化処理口１ｉ’３６は、第９図に示すように
、Ａ／Ｄ変＃Ａ回路６１、加算器６２、メモリ回Ｉｉ￥
ｆ６３、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変換回路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算器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に記憶された値を繰返し回数で割る
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ため、温度
測定精度は向上する。

また、Ａ／Ｄ変換回路６１、加算器６２、メモリ回路６
３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、例えば電力ゲーブルに沿わ
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、ゲ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。

［発明が解決しよとする課ｕｌ ラマン式温度センサあるいはレーリ式温度センサは上述
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
り、その高機能化を図るなめ温度精度や距離分解能を向
上させる検討が進められている。

温度精度を向上させる為には、微弱な信号からノイズの
影響を除去するため、平均化処理回路の処理回数を大巾
に大きくしてやる必要があり、これに対応して、平均化
処理回路の処理ビット数も大きくしてやらねばならない
。

また、距離分解能を向上するためには、サンプリング時
間を短くする必要がある。

しかし、第６図に示すように、処理ビット数Ｎｂを大き
くするほど、処理時間ｔが長くなるため、高速形の回路
素子を用いても、所要のサンプリング時間間隔Ｔｓ内に
平均化処理ができない場合が生じる。特に、サンプリン
グ時間間隔Ｔｓが短くなるほど、この傾向が顕著となる
。

このような観点から、上記分布形温度センサでは、温度
精度や距離分解能の向上を図ることは困難とされていた
。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、温
度精度や距離分解能が高く、かつ、安価な光ファイバ式
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Ｐｉ］ 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
ファイバで発生する後方散乱光で形成される反射光を計
測系に導き、これら反射光の光強度を平均化処理装置に
よりサンプリングして平均化し、そのデータから光ファ
イバの温度を求め、光パルスの入射光時刻と反射光が計
測系へ到達する時刻の差から後方散乱光の発生位置を求
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、前記平均化処理装置をＡ／Ｄ変換器、前段加
算回路及び後段加算回路を直列に接続して構成し、前段
加算回路の処理ビット数をＡ／Ｄ変換器の出力ビット数
より大きく、かつ、後段加算回路の処理ビット数より少
なくした構成のものである。

前記平均化処理装置に代えて、Ａ／Ｄ変換器とその出力
を並列処理する複数組の加算回路とで構成され、各組の
加算回路の処理時間をサンプリング時間間隔の前記組数
倍の時間内とした平均化処理装置を備えてもよい。

また、前記平均化処理装置に代えて、Ａ／Ｄ変換器と、
複数回路で並列処理する前段加算回路と及び後段加算回
路とで構成した平均化処理装置を備えてもよい。

し作用１ 本発明の要点は、平均化処理装置内の加算回路を、前段
と後段の回路に分け、前段回路の処理ビット数をＡ／Ｄ
変換器の出力と−ｙ　ト数より大きく、かつ、後段回路
の処理ビット数より少なくしたことにある。

前段加算回路の処理ビット数を選定するに当って考慮す
べき点は、後段加算回路は前段加算回路の出力を受けて
動作するため、その処理許容時間が比較的長くなること
から、前段加算回路の処理ビット数Ｎｂを少なくするこ
とが有利であること、更には、その使用する回路素子に
高速の素子を使用しないで済むような工夫をなすことで
ある。この要求は、前段加算回路の処理ビット数をＡ、
　／　Ｄ変換器の出力ビット数より大きく、がっ、後段
加算回路の処理ビット数より少なくすることで満たされ
、従来と同様な機能の回路素子を用いても、処理ビット
数が高く、かつ、サンプリング時間が短い平均化処理装
置を実現できる。

このように処理ビット数を高くできると平均化処理回数
を多くでき、ノイズの影響を除去して温度精度を高める
ことができる。また、サンプリング時間を短くできるな
め、距離分解能の高い光ファイバ式分布形温度センサを
実現できる。

また、加算回路全体又は前段加算回路を複数回路で並列
処理することにより、平均化処理回路の処理ビット数を
大きくしても、短いサンプリング時間間隔で、処理可能
となり、温度精度や距超分解能を顕著に向上できる。

［実施例］ 以下、本発明によるラマン散乱光利用先ファイバ式分布
形温度センサの実施例を、第１図により説明する。

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７図〜第９図に示す従来例とほぼ同じ
であり、異なる点は平均化処理回路６の加算器ｌ？８６
００を前段加算器＃１６０１と後段加算回路６０２に分
けたことである。

このとき、前段加算回路６０１は加算器６２ａとメモリ
６３ａ″′Ｃ″楕成され、後段加算回路６０２は加ｊｌ
！、器６２ｂとメモリ６３ｂ″Ｃ′梢成される。

次に、加算回路６００の動作について述べる。

加算器１？１６００のＲ能は第９図で説明した従来のも
と同じであるが、異なる点は以下の通りである。

即ち、Ａ／Ｄ変換器６１でディジタル量に変換された値
を前段加算回路６０１に入力し、ここで各計測入力情報
を加算し、加算回数がある回数ＮＯに達すると、その加
算結果を後段加算回路６０２に入力し、メモリ６３ａ内
の記憶をクリアする。後段加算回路６０２は、加算回数
ＮＯごとに、前段加算回路６０１の加算結果が入力され
、前に記憶した値と加算して、メモリ６３ｂに入力する
。この操作を繰返すと、その最終結果が加算回路６００
の全体の出力となる。

尚、加算回数ＮＯは一定の値と設定してもよく、あるい
は、前段加算回路６０１の加算結果が処理ピント以上に
達した段階としても良い。

次に、前段加算回路６０１の処理ビット数Ｎｂの選定方
法について説明する。ここでは、サンプリング時間間隔
ＴｓをＴ′５＝２Ｏｎ、Ｓ、Ａ／Ｄ変換器６１の処理ビ
ット数を８ピツト、そして後段加算０路６０２の処理ビ
ット数を３２ビットとした場合について述べる。

前段加算回路６０１と後段加算回路６０２（以下必要に
応じ「前段」　「後段」という）の処理時間をｔａ　、
ｔｂとし、それぞれの処理許容時間を］ａ。

Ｔｂとする。

前段の処理時間ｔａは、その処理ビット数Ｎｂの数に応
じて直線的に増加するので、その比例定数（傾き）をｂ
と置き、Ｎｂ＝Ｏのときの遅れを定数ａとすると、前段
の処理時間ｔａは次式で表わされる。

ｔａ＝ａ＋ｂ−Ｎｂ また、後段の処理時間しｂは、求めるＮｂとは無関係で
あるから、これを定数ｔｂｏと置く。

ｔｂ＝ｔｂ。

次に、前段の処理はサンプリング時間間隔Ｔｓ（２０ｎ
Ｓ）内でのみ可能であるがら、その前段の処理許容時間
Ｔａはサンプリング時間間隔Ｔｓで定まる。

Ｔａ＝Ｔｓ また、後段の処理許容時間Ｔｂは、前段のメモリ６３ａ
が最大になるまで後段を動作させる必要がないことを考
慮すれば、サンプリング時間間隔Ｔｓに対して次の関係
に立つ。

Ｔ　ｂ　＝Ｔ　ｓ　　−２”’ このようにｔ＆段の処理許容時間Ｔｂが前段の処理許容
時間Ｔａより長くなるのは、前段のメモリ６３ｂが最大
になるまで後段を動作させる必要がないので、その最小
時間は、Ａ／Ｄ変換器６１への入力が毎回最大値（８ビ
ット）となったときに定まり、その比は２　Ｎ１′／　
２　ａ　＝　２　Ｎ−８となるからである。

考慮すべき点は、後段加算回路６０２の処理許容時間Ｔ
ｂは比較的長いので、前段加算回路６０１の処理ビット
数をＮｂを少なくすることが有利であること、更には、
そ・の使用する素子に高速の素子を使用しないで済むよ
うな工夫である。

ここで、前段と後段のそれぞれの処理時間Ｌａ。

ｔｂと処理許容時間Ｔａ、Ｔｂとの比をとり、それぞれ
を前段処理適性指数ｋａ、後段処理適性指数ｋｂと置く
と、 となる。

第２図に、後段の処理時間ｔｂをパラメータとしたとき
の、前段の処理ビット数Ｎｂと上記（１）式の関係の−
の１を示す、前段の処理ビット数Ｎｂを増加させると、
（１１式からも推測できるように、前段処理適性指数ｋ
ａは直線的に上り、後段処理適性指数ｋｂは逆に指数関
数的に低下している。この第２図において、前段処理適
性指数ｋａ、ｋｂは共に１以下で且つ１に近いことが好
ましい。

ｌ憂段処理適性指数ｋｂついては、前段の処理と・ｙ　
ｈ数Ｎｂを少なく、例えばＡ／Ｄ変換器６１の処理ビッ
ト数に等しい８ビットにとった場合、処理時間がｔｂ＝
３０ｎｓ程度の高速の回路素子を用いたときでも、後段
の処理適性指数ｋｂが１以内に納まらなくなり、後段の
処理に余裕がなくなって来るので、より高速の回路素子
を用いる必要が出てくる。逆に、前段の処理ビット数Ｎ
ｂを３２ビットと多くすると、使用する素子の速度に対
する要求は緩くなるが、前段の処理適性指数ｋａが１を
越えてしまい、前段の処理に余裕がなくなる。

要するに、この第２図から次のことが結論される。

（１）前段加算回路６０１の処理ビット数Ｎｂを、Ａ／
Ｄ変換器６１の処理ビット数（８ビット）と後段の処理
ビット数（３２ビット）の間にとれば、処理適性指数ｋ
ａ、ｋｂは共に、３０ｎ　ｓ処理素子を３２ビット使用
した場合の処理時間に相当する値（図中本印ンより小さ
くなる。

（２）前段加算回路６０１の処理適性指数ｋａは、その
処理ビット数Ｎｂを小さくする程小さくなり、逆に、後
段加算回路６０２の処理適性指数ｋｂは、前段処理ビッ
ト数Ｎｂを大きくする程小さくなる。

しかし、後段処理適性指数ｋｂは前段処理ビット数Ｎｂ
に対して指数関数的に減少するので、ＮｂをＡ／Ｄ変換
器６１の処理ビット数より若干大きくするだけで、その
効果は大きい。

例えば、前段加算回路６０１の処理ビット数Ｎｂを１６
ビットとすると、その処理適性指数ｋａ＝０．８となっ
て１以内に収まり、かつ、処理時間ｔａは？６ｎｓと目
標としたサンプリング時間間隔Ｔｓ＝２０ｎｓより短く
できる。

また、後段処理適性指数ｋｂを前段処理適性指数ｋａと
同一値に設定すると、後段処理時間はしｂ　＝４ｇｓ　
（１６ｎｓＸ２’　）となり、後段加算回路の３２ビッ
ト処理素子としては十分低速なもので対応できる。

第３図は別の実施例であり、上記の加算回路６００を、
ラッチ回Ｆ１４６５と、４組の加算器６２とメモリ６３
で楕成し、各組の処理時間をサンプリング時間Ｔｓの４
倍で対応できるようにしたものである。

Ａ／Ｄ変換器６１は入力情報をサンプリング時間間隔Ｔ
ｓごとに出力し、その結果をラッチ回路６５に入力し、
このラッチ回路６５の出力を各加算器６２が４　Ｘ　’
ｆ’　ｓの時間内で加算するものである。逆にいえば、
同一機能の回路素子を用いると、サンプリング時間間隔
Ｔｓを１／４に短くできる。

本実施例は加算器６２を４組使用しているが、この組数
は任意に選定できるものである。

第４図は第１図の技術と第３図の技術を組合わせたらめ
であり、前段加算回路６０１を並列前Ｘ器形とすること
により、加算回路６００の処理時間を大幅に短くできる
ものである。

第５図は、同一機能の回路素子を用い、本発明の回路構
成で実測した実行可能な最小サンプリング時間間隔を示
したものであり、いずれも、従来例より、短いサンプリ
ング時間に対応できることが分る。

上記実施例はいづれも加！回路に対する配慮であったが
、Ａ／Ｄ変換器についてもこれを°並列加算器形として
同様に構成することにより、同様な効果が得られること
は言うまでもない。

［発明の効果］ 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）従来と同機な機能の回路構成素子を用いても、処
理ビット数が高く、かつ、サンプリング時間が短い平均
化処理装置を実現できる。

（２）処理ビット数を高くできるため、平均化処理回数
を多くでき、ノイズの影響を除去できる。その結果、温
度精度の高い光ファイバ式分布形温度センサを実現でき
る。

（３）サンプリング時間を短くできるため、距離分解能
の高い光ファイバ式分布形温度センサを実現できる。

（４）回路構成素子として、新規なものを開発する必要
がないため、高性能な装置を安価に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ファイバ式分布形温度センサの
平均化処理回路の実施例を示す構成図、第２図はその前
段加算回路の処理ビット数と処理適性指数との関係を示
す図、第３図、第４図はそれぞれ平均化処理回路の他の
実施例を示す構成図、第５図は本発明の性能を従来型と
比較した説明図、第６図は処理ビット数と処理時間との
関係を示す図、第７図は従来の光ファイバ式分布形温度
センサの計測概念を示す図、第８図は従来考えられてい
た光ファイバ式分布形温度センサの構成図、第９図はそ
の平均化処理回路の構成図である。 図中、１はトリガ同局、２はパルス光源、４ｓ、４ａは
光学フィルタ、５ｓ、５ａは受光器、６ｓ、６ａは平均
化処理回路、７は温度分布演算回路、１０はｆｌ測装置
、２０はセンサ用光ファイバ、２ｔ、２２．２３ａ、２
３ｓは光ファイバ、３０ｓはストーク光用０ＴＤＲ計測
回路、３０ａはアンチストークス光用０ＴＤＲ計測回路
、３１．３２は光分岐器、６１はＡ／Ｄ変換回路、６２
．６２ａ、６２ｂは加算器、６３．６３ａ、６３ｂはメ
モリ、６４は同期回路、６５はラッチ回路、６００は加
ｘ回路、６０１は前段加算回路、６０２は後段加算回路
を示す。 ６４：同期回路 ６００：加算回路 ６０１：前段加算回路 第３図 第２図 ６０１（１６ビット） 第４図 第５図 処理ビット数Ｎｂ □時間音 （ａ）入射パルス光 □時間音 （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、該ファイバで発生する後方散乱光で形成さ
   れる反射光を計測系に導き、これら反射光の光強度を平
   均化処理装置によりサンプリングして平均化し、そのデ
   ータから光ファイバの温度を求め、光パルスの入射光時
   刻と反射光が計測系へ到達する時刻の差から後方散乱光
   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、前記平均化処理装置をＡ／Ｄ
   変換器、前段加算回路及び後段加算回路を直列に接続し
   て構成し、前段加算回路の処理ビット数をＡ／Ｄ変換器
   の出力ビット数より大きく、かつ、後段加算回路の処理
   ビット数より少なくしたことを特徴とする光ファイバ式
   分布形温度センサ。 ２、前記平均化処理装置に代えて、Ａ／Ｄ変換器とその
   出力を並列処理する複数組の加算回路とで構成され、各
   組の加算回路の処理時間をサンプリング時間間隔の前記
   組数倍の時間内とした平均化処理装置を備えたことを特
   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
   。 ３、前記平均化処理装置に代えて、Ａ／Ｄ変換器と、複
   数回路で並列処理する前段加算回路と及び後段加算回路
   とで構成した平均化処理装置を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。