JPH04208825A - 光ファイバを用いた温度測定装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、先ファイバと０ＴＤＲ等を用いて温度を測
定する技術に係り、特に、放射能照射域等の光ファイバ
の伝送特性変化を起こさせる環境の温度測定域内の温度
を測定するのに適した光ファイバを用いた温度測定装置
及び温度測定方式に関する。

（従来技術） 光ファイバを温度測定域に敷設し、この先ファイバに光
パルスを入射し、光ファイバからの後方散乱光（特に、
ラマン散乱光）の強度（エネルギー）を検出し、温度測
定域の温度を測定する技術か開発されている（例えば、
英国特許公開公報ＣＢ２１４０５５４Ａ参照）。

この種の技術によれば、広い範囲の温度を、遠隔的、か
つ、集中管理的に測定することか可能である。そこで、
光ファイバを放射能照射域等の人間の立ち入りが困難な
場所に敷設し、遠隔的に温度を測定できれば便利である
。

（発明か解決しようとする課題） 光ファイバは放射能を受けると、光ファイバに含まれた
不純物等の影響により変色するという欠点かある。この
ため、光ファイバを放射能照射域に敷設して、温度測定
を行うと、時間の経過とともに、光ファイバが変色（黒
化）し、測定値の誤差か大きくなるという欠点かある。

この発明は上記実情に鑑みてなされたもので、放射能照
射域等の光ファイバの伝送特性変化を起こされる環境の
温度測定域内の温度を測定することのできる光ファイバ
を用いた温度測定装置及び温度測定方式を提供すること
を目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、この発明にががる光ファイバ
を用いた温度測定装置は、光ファイバの伝送特性変化を
起こさせる環境の温度測定域に敷設された光ファイバと
、光ファイバの伝送特性変化か生じていない部分を温度
測定域に送り出すと共に光ファイバの伝送特性変化が発
生した部分を温度測定域内で移動又は温度測定域から抜
き出す移動手段と、光ファイバに光を入射し、温度測定
域に位置する部分からの後方散乱光に基づいて温度を測
定する測定手段を備える。

また、上記目的を達成するため、この発明にがかる光フ
ァイバを用いた温度測定方式は、光ファイバの伝送特性
変化を起こさせる環境の温度測定域に光ファイバを敷設
すると共に光ファイバを移動させることにより、光ファ
イバの伝送特性変化の生じていない部分を用いて温度測
定域内の温度を測定する。

（作　用） この発明の温度測定装置によれば、温度測定域の特性に
より光ファイバの伝送特性が変化する。

しかし、移動手段により、光ファイバの伝送特性変化か
発生した部分は温度測定域内を移動又は温度測定域から
引き出され、伝送特性変化の生じていない部分か温度測
定域に敷設される。従って、測定手段は光ファイバの伝
送特性の変化が生じていない部分（伝送特性変化の程度
の小さい部分を含む）を用いて温度測定域内の温度等を
正確に測定できる。

この発明の温度測定方式によれば、光ファイバか移動す
るので、光ファイバの伝送特性変化の生じていない部分
を用いて温度の測定を正確に行うことかできる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の一実施例にかかる温度
測定装置の構造を説明する。

第１図において、符号１１は温度測定域を示し、放射能
か照射されるでいる。温度測定域１１には、適宜動輪１
２か配置され、光ファイバ１３が動輪１２により移動可
能に保持されている。光ファイバ］３に無理が加わらな
い箇所については、ブー’Ｊ−１２’　が配置されてい
る。光ファイバ１３は、−船釣な用途では、温度測定域
１１に敷設される部分の長さの、例えば、２倍以上の全
長を備える。

また、光ファイバ１３の放射能照射領域］１の端部上に
位置する部分ＸＩ、Ｘ２の光ファイバ１３の両端からの
距離はそれぞれ実測されている。

光ファイバ１３の残りの部分は温度測定域１１の外に配
置されたリール１４、］６に巻き付けられている。先フ
ァイバ１３の一端１３Ａは、回転光結合継手等によりリ
ール］４の中央部から引き出され、０ＴＤＲ］５に光学
的に接続されている。

また、光ファイバ１３の他端１．３　Ｂは、回転光結合
継手等により、リール１６の中央部から引き出され、０
ＴＤＲ２２に接続されている。

リール１４．１６はこれらを回転させるためのモーター
（駆動部）１７．１８に連結されている。

光ファイバ１３の張力はテンションメータ１つ、２０に
より検出され、コントローラ２１に供給される。コント
ローラ２１は、０ＴＤＲユ５．２２から温度測定域１１
に敷設された光ファイバ１３の伝送特性変化が生したこ
とを示す信号を受ける。

コントローラ２１は、この信号に応答し、リール］４．
１６を連動して回転させ、温度測定域１１に敷設された
光ファイバ１３を移動させる。この際、コントローラ２
１は、テンンヨンメータ１９．２０の出力に従って光フ
ァイバ１３に過大な張力を与えないように、トルク及び
回転速度を調整する。また、光ファイバ１３の移動終了
後、コントローラ２１は０ＴＤＲ１５，２２に移動量等
の測温部の正確な位置を決定するための情−報を供給す
る。

次に、０ＴＤＲ１５，２２の構成を説明する。

０ＴＤＲ１５，２２は実質的に同一の構造を有する。そ
こで、ＯＴ　Ｄ　Ｒ１，５を例に第２図を参照してその
構造を説明する。

０ＴＤＲ１５は光ファイバ１３に周波数ωの光からなる
所定エネルギーの光パルスを照射する光源１５１、光フ
アイバ１Ｂ内の後方散乱光を分離する方向性結合器（分
配器等でもよい）１５２を備える。方向性結合器１５２
により後方散乱光はフィルタ（グレーテング等）１５３
に入力される。

フィルタ１５３は入射光のうちラマン散乱光（周波数ω
十ｎ・ωｒ、口は正又は負の整数）を光・電変換器１５
４に供給する。光・電変換器（０／Ｅ）１５４は入力光
を電気信号に変換し、信号処理回路１５５に供給する６
フイルタ１５３は照射パルスを構成する光と同一周波数
である周波数ωの光を光・電変換器１５７に供給する。

光・電変換器（０／Ｅ）１５７は入力光を電気信号に変
換し、信号処理回路１５５の評価部１５８に供給する。

さらに、信号処理回路１５５には、コントローラー２１
からの制御信号か供給される。

信号処理回路１５５は、例えば、マイクロコンピュータ
とメモリ等の周辺装置から構成される。

信号処理回路１５５はコントローラ２１からの制御信号
に従って動作し、例えば、光源］５１とタイマ回路］５
６へのトリ力信号の供給、光・電変換器１５４の出力信
号のサンプリング等を行う。

また、信号処理回路１５５は予め実験等により求めた温
度と後方ラマン散乱光の強度の相関関係を記憶しており
、この相関関係と実際に受信したラマン散乱光の強度か
ら光ファイバ１Ｂ各部の温度を求める。

評価部１５８は光・電変換器１５７の出力から温度測定
域コ１に敷設された光ファイバ１３に伝送特性変化か生
したか否かをチエツクし、伝送特性変化か生じている場
合には、コントローラ２１に信号を出力する。

次に、第１図、第２図に示される温度測定２置の動作を
説明する。

まず、０ＴＤＲ１５か動作状態に、０ＴＤＲ２２か休止
状態にあると仮定する。

温度測定域１１の温度を測定する場合、０ＴＤＲ１５５
の信号処理回路１５５は光源１５］とタイマ１５６にト
リガ信号を供給する。このトリガ信号に応答して、光源
１５１は周波数ωの光からなるパルスを出力し、タイマ
１５６は時間の計測を開始する。光ファイバ１３に照射
された周波数ωの光は光フアイバ１３内てラマン散乱を
起こす。

発生したラマン散乱光の一部は後方散乱光として０ＴＤ
Ｒ１５に入射する。入射した光は方向性結合器１５２に
よりフィルタ１５３に入射される。

フィルタ１５３は入射光から周波数がω＋ωｒ・・・ω
＋ｎ・ωｒのラマン散乱光を抽出し、光・電変換器１５
４に供給する。光・電変換器１５４は受信した光を電気
信号に変換し、信号処理回路］５５に供給する。信号処
理回路１５５はタイマ１５６からのクロックパルスに応
答して、光パルスの発射から受信までの時間と共に後方
ラマン散乱光の強度を記憶する。記憶された時間と強度
の関係は、例えば、第３図に示されるようになる。

信号処理回路１５５は光ファイバ１３の位置Ｘ１、Ｘ２
と光源１５１の距離、光フアイバ１３内の光速、信号等
から温度測定域１１て発生した後方散乱光の受信の開始
時間Ｔ１、終了時間Ｔ２を求める。信号処理回路１５５
は時間Ｔ１とＴ２の間に受信された後方ラマン散乱光の
強度から温度測定域］］に敷設された光ファイバ１３の
温度を求める。

測定誤差を除去するため、温度の測定は複数回（例えば
、数千回から数万回）行われ、測定値を平均化すること
により、最終データが求められる。

この手法により、温度測定域１１の温度を正確に、かつ
遠隔的に測定することか可能である。

温度の計１定を長時間続けると、放射能の影響により、
温度測定域１１に敷設された光ファイバ１３が変色（黒
化）し、伝送特性か変化する。光ファイバ１３が変色す
ると、光の伝達率か減少し、０ＴＤＲ１５か受信する後
方ラマン散乱光の強度が低下する。これを放置すると、
正確な温度測定か不可能となる。

そこで、評価部１５８はフィルタ１５３、光・電変換器
１５７を介して供給される周波数ωの光を受信し位置Ｘ
２からの反射光の強度を常時又は定期的にチエツクする
。Ｘ２の位置は後方散乱光のうち温度の影響を受けにく
いレイリー光ωを用いて、光ファイバ１．３内の光速か
ら算出する。伝送特性変化は受信したレイリー散乱光の
強度変化（黒化すれば受信強度か弱くなる）を検出して
行う。

受信光の強度が例えば初期強度の９／〕０程度になると
、評価部１５８はコントローラ２１に信号を出力する。

この信号に応答して、コントローラ２１はモーター１７
．１８、動輪１２を駆動して、伝送特性か変化した光フ
ァイン１１３をリール１６に所定の長さ巻取ると共に、
伝送特性か変化していない光ファイバ１３をリール１４
から所定の長さ温度測定域１１に送り出す。この際、コ
ントローラ２１はテンションメータ１９．２０からのデ
ータにより光ファイン１１３に不用なテンションか加わ
らないようにする。

光ファイバ１３の移動か終了すると、コシ・トローラ２
１は０ＴＤＲ１５の信号処理回路］５５１こ転送終了を
示す信号と転送量を示すデータを供給する。信号処理回
路１５５は光ファインく１３の温度測定域１１の端部上
の位置Ｘｉ、Ｘ２の光源１５コからの距離を更新し、新
たな時間ＴＩ。

Ｔ２を求める。

以後、同様にして伝送特性変化か生じていな（１部分を
用いて温度測定域１１の温度か０ＴＤＲＪ５により測定
される。評価部１５８は最初の光パルスによる位置Ｘ２
からの後方散乱光の強度を更新された初期強度とし、光
ファイン＜１３の伝送特性か変化したか否かをチエツク
するための基準とする。そして、光ファイバ］３の伝送
特性か変化する度に、伝送特性か変化していない部分が
温度測定域］ｌに送り出される。

温度測定域］１から引き出され、リール１６に巻取られ
た光ファイバ１３は、時間の経過と共に復起する。この
ため、例えば、復起時間を数時間から数十時間に設定し
、この復起部分（伝送特性か変化していない部分）を再
び温度測定に使用することができる。そこで、光ファイ
バ１Ｂの最終部分の伝送特性か変化した場合には、コン
トローラ２１は、モーター１７．１８、動輪１２を逆転
させ、リール１４に光ファイバ１３の伝送特性か変化し
た部分を巻取ると共にリール１６から温度測定域］］に
復起部分を送り出す。光ファイバ１３の移動か終了する
と、コントーラ２］は０ＴＤＲ］５．２２に信号を送り
、０ＴＤＲ２２を動作状態に、０ＴＤＲ１５を休止状態
とする。

以後、０ＴＤＲ２２は０ＴＤＲ１５と同様の動作を行い
、温度測定域１１の温度を測定すると共に温度測定域］
１に敷設された光ファイバ１３の伝送特性の変化の度合
を測定する。温度測定域］］の光ファイバ１３の伝送特
性か変化した場合には、コントローラ２１に信号を送り
、光ファイバ１３の新たな復起部分を温度測定域１１に
敷設する。

以後、同様の動作か繰り返される。

上記実施例によれば、常に光ファイバ］３の新しい部分
又は復起部分、即ち、伝送特性の変化か牛ｌ〕でいない
部分（伝送特性の変化の小さい部分を含む）を用いて温
度の測定を行うことかでき、正確に温度を測定できる。

上記実施例では、光ファイバ１３の両端に○ＴＤＲ１５
，２２を配置したか、１つの０ＴＤＲを必要に応して光
ファイバ］３の端部に交互に接続してもよい。

上記実施例では、光ｒｉ、１５１は周波数ωの光からな
るパルス信号のみを出力したか、これに限定されない。

光源１５１は第４ａ図に示されるように周波数ω１の光
を常時出力し、これと第４ｂ図に示される温度測定用の
周波数ωの光からなるパルス信号を組み合わせて光ファ
イバ１３に照射しても良い。この場合、周波数ω１はフ
ィルタ１５３によりカットされるような値に設定される
。

この構成とすると、常時出力されている周波数ω１の光
により伝送特性変化部分の復起速度か向上する。しかも
、常時出力される光はフィルタ１５３でカットされるの
で、測定値に悪影響を与えない。この周波数ω１の光を
用いて温度測定域１１の光ファイバ１３の伝送特性の変
化の度合をチエツクするようにしてもよい。０ＴＤＲ１
５，２２の一方が光パルスを出力し、他方か周波数ω１
の光を連続的に出力するようにしてもよい。

第５図に示されるように、リール１４．１６を例えば恒
温室３０やヒーターに入れる等の手法により、伝送特性
が変化した光ファイバを比較的高温に設定すると、光フ
ァイバを高速に復起てきる。

上記実施例において、温度変化に伴う光ファイバ１３の
伸縮、張力による光ファイバ］３の伸ヒ、光ファイバ１
３の移動量の誤差の累積等により、端部Ｘ１．、Ｘ２上
の光ファイバ１３の位置を特定することが困難になる場
合かある。この問題を避けるためには、第６図に示され
るように、光ファイバ１３に結晶粒や溶接部３１を所定
間隔で埋め込めばよい。このような光ファイバ］３に光
を入射すると、その後方散乱光の強度は、第７図に示さ
れるように、結晶粒の部分て周辺より大きく又は小さく
なり、後方散乱光にピークか発生する。

このため、受信ラマン散乱光の強度を経過時間と共に記
憶し、ピークをチエツクすることにより、容易に散乱光
の発生位置を特定できる。例えば、第６図に示されるよ
うに、温度測定域１１に第ｍ番目とｍ＋１番目の結晶粒
か位置している場合、受信光の強度分布からｍ番目とｍ
＋１番目のピークを検ｔａすれば、光ファイバ１３の温
度測定域］１に敷設された部分をほぼ正確にかつ容易に
特定できる。また、結晶粒の代わりに光ファイバの接続
部分を使用することも司能である。

例えば、第８図に示されるように、温度測定域１１近傍
に温度設定部３２を設け、光ファイバ１３を温度測定域
１１ては発生しないと考えられる温度に設定する事も有
効である。このようにすると、例えば、第９図に示され
るように、温度測定域１１からの光の前後でピークを有
する強度分布か得られ、温度測定域１１がらのラマン散
乱光を容易に特定できる。

第７図、第８図に示される構成に限定されず、例えば、
第１０図に示されるように、光ファイバ１３か］又は複
数の基準設定部１６０を通過するようにしてもよい。こ
の基準設定部１６０は光ファイバ１３の温度測定域１１
内の位置を特性するためのもので、例えば、基準温度発
生装置、加熱装置、冷却装置、マイクロベント装置等か
ら構成される。例えば、基準温度設定部１６０を基準温
度発生装置、加熱装置、冷却装置等で構成する場合には
、受信光のカーブにピーク或は突出信号が生しるように
温度を設定する。また、光ファイバ１３をマイクロベン
ト装置で折り曲げると、第１１図に示されるように、そ
の部分で方向散乱光の減衰か発生し、これにより基準設
定部１６０の位置を特定できる。このようにして、リー
ルがら送り出された光ファイバの長さ等に注目せず、基
準設定部１６０の位置を０ＴＤＲて読み取れるようにし
て、この基準設定部ＣｒＪｊ数又は複数）を基準として
、温度測定域１１の同定してもよい。同様に、基準設定
部１６０の位置からの後方散乱光の強度等に基づいて光
ファイバ１３の伝送特性の変化の度合等を求めるように
してもよい。

上記実施例においては、１本の光ファイバ］３の一部を
順番に温度測定域１１に敷設したが、複数本の光ファイ
バを交仔に温度測定域１１内に敷設し、温度を測定して
もよい。

上記実施例では、光ファイバ１３の一端側の０ＴＤＲを
用いて測定した後、光ファイバ１Ｂの他端側の０ＴＤＲ
を用いて測定を行った。この発明はこれに限定されず、
光ファイバ］３をすへて送り出し終わった後、光ファイ
バ１３を巻戻し、同し０ＴＤＲを用いて測定を繰り返す
ようにしてもよい。

伝送特性の変化を許容範囲に抑えるようにコントローラ
２１て制御して、常時連続的に移動し又は微少間欠移動
しながら温度測定を行ってもよい。

この場合、移動量等は温度測定域１１て照射される放射
能の強度により変化し、予め実験等により求めておくこ
とか望ましい。この場合は、光ファイバ１３が温度測定
域１１の端部Ｘ１からＸ２に移動するまでの時間に光フ
ァイバ１３に大きな変化か発生しない程度の移動速度、
移動量等を選択することが望ましい。

わずかに伝送特性か変化した先ファイバを間欠送りし、
移動の結果、ある位置（例えば基準点）での温度の測定
値がｔｌからｔｌ’　に変化したことを検出し、この変
化を用いて他の位置での測定値を補正するようしてもよ
い。

光ファイバの移動時（巻直し時を含む）の測定中断か許
されない場合は、複数台の測定装置を使用し、ある装置
か移動動作を行っている時に、他の装置が温度測定を行
うようにすればよい。また、伝送特性か大きく変化しな
い程度で逆転使用する場合は、両端の０ＴＤＲの測定コ
ンデジョンのよい方を正逆点付近では用い、定常範囲に
入ってからは復起側の０ＴＤＲで測定を行うようにして
もよい。

光ファイバ１３の長さは温度測定域１１の放射線の強度
、広さ、光ファイバ１３の回復時間、連続か不連続か等
に異なる。

上記実施例においては、光ファイバ１３を双方向に移動
し、１本の光ファイバを用いて測定を繰り返し行うよう
にしたか、光ファイバを一方向のみに移動させるように
してもよい。

温度測定域内の具体的な位置（ＯＴＤＲからの距離、基
準点からの距離等）を０ＴＤＲの位置メモリに記憶して
おき、これにより後方散乱光の発生位置を特定すること
も可能である。この場合、例えば、０ＴＤＲと基準温度
設定部、基準設定部等を無線、有線（光ファイバ、電線
、ニューマツチツク（空気、油等））で接続し、０ＴＤ
Ｒからの指示で光ファイバを基準温度に設定したり、マ
イクロベンデングを起こさせ、その時の後方散乱光から
基準点等の位置をメモリに記憶したり、或は、基準設定
部からの指示で基準点等の位置をメモリに記憶するよう
に構成することも可能である。

この場合、例えば、基準設定部等に送受信器（高感度受
光器、発光器）を配置し、基準設定部内で光ファイバか
ら光か漏れるように構成する事により、温度測定用の光
ファイバを用いて基準設定部と０ＴＤＲ間で通信を行う
ことかできる。

上記実施例では、温度測定域１１として光ファイバ１３
の伝送特性を変化させる放射能照射域を選定した。この
発明はこれに限定されず、温度測定域１１が光ファイバ
１３の伝送特性を変化させるような液体や気体の中、高
温の雰囲気である場合等にも当然応用できる。但し、こ
れらの場合には、伝送特性変化部は温度測定域から引き
出しても復起しないのか通常である。

また、本発明は０ＴＤＲの代わりに０ＦＤＲを使用して
も当然達成できる。

その他、この発明は上記実施例に限定されず、種々の変
形か可能である。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、温度測定域が先
ファイバの伝送特性を変化させる環境を有する場合にも
温度を正確に測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる温度測定システム
の構成を示す図、第２図は第１図に示される０ＴＤＲの
構造の一例を示すブロック図、第３図は０ＴＤＲにより
受信されるラマン散乱光の強度分布の一例を示すタイム
チャート、第４ａ図及び第４ｂ図は光源により出力され
る光の一例を示す図、第５図はリールを恒温室に入れた
状態を示す図、第６図は光ファイバに結晶粒等を埋め込
んた構成を示す図、第７図は第６図の構成により得られ
るラマン散乱光の強度分布の一例を示すタイムチャート
、第８図は温度測定域１１の両端に温度設定部を配置し
た構成を示す図、第９図は第８図の構成により得られる
ラマン散乱光の強度分布の一例を示すタイムチャート、
第１０図は基準設定部を配置した構成を示す図、第１１
図はマイクロベンドによる後方散乱光の減衰を説明する
だめの強度分布図である。 １１・・温度測定域、１２・・動輪、１２′・・・プー
リー、１３・・・光ファイ昌、１４．１６・・リール、
１５．２２・・・０ＴＤＲ，１７，１８・・・モーター
、１９．２０・・・テンンヨンデテクター、２１・・・
コントローラ、３０・・恒温室、３１・・・結晶粒子、
３２・・・温度設定部、１５１・・・光源、１５２・・
方向性結合器、１５３・・・フィルタ、１５４．１５７
・・・光・電変換器、１５５・・・信号処理回路、１５
６・・・タイマ、１５８・評価部、１６０・・・基準設
定部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 第４ｂ図 究２ 第５図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、光ファイバの伝送特性変化が発生する温度測定
   域に敷設された光ファイバと、 前記光ファイバの伝送特性変化が生じていない部分を温
   度測定域に送り出すと共に前記光ファイバの伝送特性変
   化部分を前記温度測定域内で移動或は前記温度測定域か
   ら抜き出す移動手段と、前記光ファイバに光を入射し、
   前記温度測定域に位置する部分からの後方散乱光に基づ
   いて温度を測定する測定手段、を備える光ファイバを用
   いた温度測定装置。
2. （２）、光ファイバの伝送特性変化が発生する温度測定
   域に光ファイバを敷設すると共に敷設された光ファイバ
   を移動させることにより、前記光ファイバの伝送特性変
   化が実質的に生じていない部分を用いて前記温度測定域
   内の温度を測定することを特徴とする温度測定方式。