JPH04174331A - 光ファイバセンサ - 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、光ファイバを用いる温度分布計測システムに
好適な光ファイバセンサに関するものである。

（従来の技術） 化学プラント、変電所、発電所等においては、変圧器や
分電盤の表面温度分布、或いは反応炉等の温度分布を監
視する集中監視システムの開発か強く要請されている。

この集中監視システムにおいては、温度計測すべき各部
位の温度を正確に検出できること並びに各測定部位を特
定できることが必要である。これらの要求を満たす温度
分布計測システムとしては、光ファイバの温度感受性を
利用した温度分布計測システムか既知であり、例えば特
開昭６１−２７０６３２号公報に開示されている。

この既知の温度分布計測システムでは、温度検出センサ
として１本の光ファイバを用い、温度計測すべき領域に
１本の光ファイバを線状に配設し、光ファイバの入射端
からパルス状レーザ光を投射し、光ファイバの各部位で
発生した後方散乱光を受光し、後方散乱光の強度及び到
達時間から各部位の温度及び測定位置か検出されている
。

（発明か解決しようとする課題） 光ファイバの温度感受性を利用した温度分布計測システ
ムは１本の光ファイバを用いて監視すべき領域の複数の
部位の温度変化を集中的に検出てき、温度分布モニタ装
置として極めて高い利用価値を有している。

しかしながら、光フアイバ温度分布計測システムは処理
回路を含む計測システム側の距離分解能により制約を受
けるため、検出温度は計測システムの単位分解能距離当
りの平均温度になってしまう。このため、従来の温度分
布計測システムは、センサとして１本の光ファイバを測
定区域内に線状に配設したにすぎないため、検出される
各部位の温度は単位分解能距離当りの平均温度として測
定され、実際の温度よりも低く或は高く検出される欠点
かあった。すなわち、例えば距離分解能が７．５ｍの温
度計測システムを用いる場合において、光ファイバの微
小長部分例えば１ｍの部分が高温にさらされても平均化
された温度が計測されるため、実際の温度よりも低い温
度が検出されていた。

一方、光ファイバを巻回し、この巻回部を金属ケース内
に収納して１個のセンサとする二とも考えられる。この
場合、光ファイバは金属ケースを介して被測定部の温度
まで昇温し又は被ｉＪＵ定部の温度まて降温し、しかも
金属ケースは熱容量か大きいため、光フアイバ自体が被
測定部の温度になるのに長時間かかり、従って温度変化
に対する応答性か著しく悪２なってしまう。

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、被測定
部の実際の温度を高精度に検出できると共に温度変化に
対する応答性を向上させた光ファイバセンサを提供する
ものである。

（課題を解決するための手段） 本発明による温度計測用光ファイバセンサは、温度に応
じた強度の後方散乱光を発生する温度計測用光ファイバ
センサてあって、入射端、出射端及び巻回部を有する光
ファイバと、この光ファイバを支持する薄膜状ベース部
材とを具え、前記光ファイバの巻回部を同心状に且つ平
面状に形成したことを特徴とするものである。

（イ乍　用） 本発明では、計測システムの距離分解能以上の長さの光
ファイバを同心状に巻回径が除々に大きくなるように平
面状に巻回して巻回部を形成し、この巻回部を例えば樹
脂、セラミック、金属等から成る薄膜状ベース部材に固
定して光ファイバセンサとする。なかでも、熱良導性の
アルミニウム、銅、ステンレススチール等の金属薄膜状
ベース部材が好ましい。そして、この光ファイバセンサ
の入射端及び出射端を接続用光ファイバに光結合して複
数個の光ファイバセンサを直列に接続して温度計測セン
サとし、この温度計測センサを計測システムに接続する
。従って、本発明による光ファイバセンサは面積の小さ
い平面状のセンサとなるから、反応炉や変圧器等の壁面
上に容易に取り付けることができる。そして、被測定物
表面の熱はベース部材を経て光ファイバ巻回部全体に伝
達するから、距離分解能以上の長さの光ファイバ巻回部
全体が速やかに被測定部の温度になる。従って、光ファ
イバを密に巻回することにより光ファイバセンサの面積
を極めて小さくすることができるから、微小区域の温度
を高精度に計測することかできる。しかも、本発明では
薄膜状ベース部材上に光ファイバの巻回部を固定してい
るから、巻回部内体か速やかに被測定部の温度となり、
温度変化に対する応答性を一層向上させることかできる
。

また、計測システムは単位分解能距離当りの平均温度を
演算出力するか、本発明による光ファイバセンサては単
位分解能距離以上の長さに亘る光ファイバ巻回部全体か
同一温度になるため、平均化されても実際の温度を計測
することかてきる。尚、巻回する光ファイバ長は、計測
システムの単位分解能距離の２倍以上とすることが望ま
しい。

（実施例） 第１図は本発明による温度分布計測システムの一例を示
す線図である。例えば半導体レーザで構成する光源１か
らパルス状の光を放射する。このパルス光を集光光学系
（図示せず）、光カプラ２を経て光フアイバコード３内
の光ファイバに投射する。光カプラ２はハーフミラ−や
光フアイバカプラを用いる二とかできる。光フアイバコ
ード３は、グレーテッド・インデクスマルチモード光フ
了イハをケブラ繊維及びヒニール樹脂で被覆した光フア
イバコートを用いる。光フアイバコート３に光ファイバ
センサ４−ａ〜４−ｄを接続用光フアイバコード３−ａ
〜３−ｃを介してそれぞれ直列に接続する。この光ファ
イバセンサは温度検出センサとして作用し、後述するよ
うに１本の光ファイバを所定長に亘って同心状に巻回し
て形成する。従って、各光ファイバセンサ間−ａ〜４−
ｄは、それぞれ入射端及び出射端を有し、それらの端部
を光フアイバコード３内の光ファイバと融着することに
より或は光コネクタを介して所望の間隔て必要な個数だ
け直列に接続する二とかできる。

そして、各光ファイバセンサ４−ａ〜４−ｄを温度計測
すべき各部位に装着する。例えば、変電所において温度
分布を集中監視する場合、変圧器や分電盤等の壁部表面
に接着剤や両面テープ等を用いて固定する。光フアイバ
コード３の入射端３ａから投射された光パルスは、光フ
アイバコード３及びこれらの間に接続した光ファイバセ
ンサを伝播して各光ファイバセンサ４−ａ〜４−ｄに到
達する。

そして、各光ファイバセンサでレイリー散乱及びラマン
散乱か発生し、レイリー散乱光及びラマン散乱光を含む
光か後方散乱光として入射側に向けて伝播する。この後
方散乱光のうち、ラマン散乱光の強度は光ファイバの温
度に強く依存して変化するから、ラマン散乱光強度及び
その到達時間を検出する二とにより各光ファイバセンサ
における温度を順次検出することかできる。尚、投射パ
ルス光としてラマン閾値以上のパルス光及びラマン閾値
以下のパルス光のいずれをも用いることかできる。各光
ファイバセンサ４−ａ〜４−ｄて発生した後方散乱光は
、各ファイバセンサ間を接続する光フアイバコード３−
ａ〜３−ｃおよび光ファイバセンサを構成する各光ファ
イバを経て入射側に向けて伝播し、光カプラ２を経て干
渉フィルタ５に入射し、ラマン散乱光のうち特定の波長
域の光だけか光検出器６に入射する。この光検出器６は
高周波数て応答できるアバランシェフォトダイオードて
構成する。光検出器６からの出力信号をＡ／Ｄ変換器７
によりデジタル信号に変換して演算処理装置８に供給す
る。演算処理装置８ては、光パルスを投射してから後方
散乱光か光検出器６に入射するまでの所要時間及びラマ
ン散乱光強度に基いて各光ファイバセンサ４−ａ〜４−
ｄの温度を順次演算し出力する。そして、各光ファイバ
センサの温度はモニタ９に表示され、監視者はモニタに
表示された温度情報に基いて各被測定領域の温度分布を
監視することができる。

第２図ａ及びｂは本発明による光ファイバセンサの一例
の構成を示す線図的平面図及び断面図である。本例では
、１本の被覆のない光ファイバを同心状且つ平面状に巻
回して巻回部１１を形成し、この巻回部を熱良導性の薄
膜状ベース部材１２上に固定する。そして、この上を被
覆部材１３により被覆する。このリング状巻回部１１の
内径は用いる光ファイバの曲げ限界角度により規定され
、その外径は巻回すべき光ファイバ長により定まる。巻
回する光ファイバ長は、計測システムの単位分解能距離
以上の長さとする。すなわち、計測システムの距離分解
能か７．５ｍの場合７．５ｍ以上巻回する。

巻回される光ファイバの端部はビニルシース１４で被覆
し、融着により又はカプラを用いて接続用の光フアイバ
コードに光結合する。薄膜状ベース部材１２は被測定部
表面、例えば反応炉の外表面や分電盤の表面に装着され
、これら表面の熱を光ファイバまで伝達する機能も果た
すから、熱容量の小さい熱良導性材料で構成するのが望
ましく、アルミニウム箔のような金属箔で構成できる。

特に、金属箔は機械的強度及び可撓性を有しているから
、装着すべき壁面に凹凸かあってもその表面形状に沿っ
て変形装着することかできる。ベース部材１２を温度計
測される面に接着剤或はテープにより固定すると、壁面
の熱かベース部材１２を経て光ファイバに伝達し、巻回
部１１の光フアイバ全体か壁面の温度まで昇温する。

次に、光ファイバセンサのファイバ巻回長について説明
する。温度計測に際し、演算処理装置を含む計測システ
ム側は単位分解能距離毎にその区域における平均温度を
演算して出力する。すなわち、単位分解能距離が７．５
ｍの計測システムの場合、７．５ｍ毎にその長さの光フ
ァイバの平均温度を順次出力する。従って、被測定部の
実際の温度を正確に測定するためには、単位分解能距離
の少なくとも２倍の長さに亘って巻回することが好まし
い。すなわち、２倍以上に亘って巻回することにより、
光ファイバセンサ内に含まれる単位分解能距離の区域の
平均温度が必ず計測されることになるからである。

第３図は光ファイバセンサの変形例の構成を示す断面図
である。本例では、光ファイバを２層に密に巻回し、ベ
ース部材１２と被覆部材１３との間に耐熱性接着剤１５
を介在させてベース部材１２、光ファイバ及び被覆部材
を一体的に固定する。この場合、熱膨脹により光ファイ
バが伸縮するおそれがあるため、接着剤を部分的に塗布
して熱膨脹が生じても伸縮できるように固定するのか望
ましい。

或は、シリコンゴムやフッ素ゴムのような弾性を有する
耐熱性接着剤で固定するのも好適である。

このように、光ファイバの巻回部は平面状に巻回できれ
ばよく、従って単層に巻回する場合だけてなζ複数層に
亘って巻回する二ともてきる。

第４図ａ及びｂは光ファイバセンサの別の変形例の構成
を示す断面図である。第４図ａては、被覆部材１３上に
プレート状の永久磁石１６を接着剤を介して固定し、第
４図すでは永久磁石１６のまわりに光ファイバを巻回し
薄膜状ベース部材１２、被覆部材１３て覆い固定する。

永久磁石１６を一体的に固定すれば、温度計測される壁
部Ｉ７が磁性体の場合磁力によって光ファイバセンサを
壁面上に着脱自在に取り付けることかできる。光ファイ
バセンサは磁界による影響を全く受けないから、磁石を
用いてセンサを取り付けることかできる大きな利点か達
成できる。

さらに、第５図は本発明による光ファイバセンサの変形
例の構成を示す平面図である。本例では、１本の光ファ
イバ２０をその入射端と出射端との間の所定の部位で折
返し、その折返し点を基準として光ファイバの入射側部
分及び出射側部分を平行関係を維持しつつ巻回し、その
巻回部を薄膜状ベース部材に上に固定する。このように
構成すれは、入射端２０ａと出射端２０ｂとを互いに隣
接して配置することができ、センサ間の接続作業か一層
容易になる。しかも、光ファイバが重なり合わないため
、センサの厚さも薄くする二とかできる。

本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変形
や変更が可能である。例えば上述した実施例では、光フ
ァイバを１層又は２層に巻回したか、平面状に巻回する
限り多層に巻回することもできる。

さらに、上述した実施例では光ファイバセンサを温度計
測システムに適用する例を以て説明したが、光ファイバ
を用いる火災検知システムの検知センサとして用いるこ
ともできる。

（発明の効果） 以上説明した本発明の効果を要約すると次の通りである
。

（１１温度に応じた強度の後方散乱光を発生する光ファ
イバを同心状且つ平面状に多数回巻回して温度センサを
構成しているから、平面状で小形の光ファイバセンサを
構成することができ、壁面等における表面温度を正確に
検出できる。

（２１計測システムの単位分解能距離以上の長さの光フ
ァイバ巻回部全体か被測定部の温度となるから、被測定
部の実際の温度を正確に計測する二とかできる。

（３）接続用光フアイバコードを介して多数の光ファイ
バセンサを直列に接続することができるので、所望の多
数の測定位置における温度をほぼ同時に計測することか
できる。

（４）巻回部を、熱容量の小さい薄膜状ベース部材によ
り支持しているから、熱容量の大きい金属ケース内に収
納する場合に比べて、−層速やかに被測定部の温度変化
を検出する二とができる。

（５）巻回部を可撓性を有する金属箔に支持すれば、被
測定部に凸凹があっても被測定部の形状に応じてセンサ
を変形させて装着することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による光ファイバセンサを用いる温度計
測システムの一例の構成を示す線図、第２図ａ及びｂは
本発明による光ファイバセンサの一例の構成を示す平面
図及び断面図、第３図並びに第４図ａ及びｂは光ファイ
ノくセンサの変形例を示す断面図、 第５図は光ファイバセンサの変形例の構成を示す平面図
である。 ３・・・光フアイバコード ４−ａ〜４−ｄ・・・光ファイノベセンサ１１・・・巻
回部　　　　　　１２・・・薄膜状ペース部材１３・・
・被覆部材　　　　　１５・・・永久磁石第２図 第３図 第４図 第４図 ＺＯａ　　ｉ（、ｌｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、温度に応じた強度の後方散乱光を発生する温度計測
   用光ファイバセンサであって、入射端、出射端及び巻回
   部を有する光ファイバと、この光ファイバの巻回部を支
   持する薄膜状ベース部材とを具え、前記光ファイバの巻
   回部を同心状に且つ平面状に形成したことを特徴とする
   光ファイバセンサ。 ２、前記ベース部材を金属箔とし、この金属箔上に、前
   記巻回部を、弾性接着剤により固定したことを特徴とす
   る請求項１に記載の光ファイバセンサ。