JPH04318432A - 光ファイバセンサによる分布温度測定方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測温部に光ファイバ
センサを用いて分布温度を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば海洋において、海表面から海底に
至る温度変化のように距離と共に徐々に変化する温度（
以下分布温度という）を測定する場合、従来の熱電対を
用いる方法では膨大な数の熱電対を必要とし、距離が長
くなると不利である。そこで、分布温度を光ファイバセ
ンサを用いて測定する方法が最近盛んに行なわれつつあ
る。この測定方法の概略は、次のような方法である。 例えばレーザダイオードを駆動して基準波長の光パルス
信号を送り出して光ファイバセンサの入射端に入射し、
光ファイバの長さ方向の各部分で光散乱して入射端に戻
ってくる後方散乱光を光方向性結合器により取り出し、
その中から異なる２つの波長フィルタを介してラマン散
乱光のストークス光と反ストークス光を取り出して受光
素子でそれぞれ電気信号に変換し、受光信号の時間が表
わす光ファイバの長さ方向位置ごとの分布温度を上記信
号の受光パワーから所定の演算式に基づいて算出して測
定するというものである。この場合、使用されている光
ファイバセンサは単一の光ファイバである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した光
ファイバセンサを用いた分布温度の測定方法は、低コス
トで広範囲の分布計測ができる点で従来の熱電対方式の
ものに比べて優れている。しかしながら、現在のところ
一般的には光ファイバセンサによる測定方法は、従来の
熱電対方式のものに比べて測定精度が劣っている。おお
よそのところ測定距離は数Ｋｍ、距離分解能は数ｍ、測
定精度は±１℃である。

【０００４】上記従来の光ファイバセンサによる測定方
法では、光ファイバは単一光ファイバであるため任意の
長さ位置における測定データはただ一種類であり、信頼
性に欠ける。このため、測定精度を得るべく受光信号を
電気信号に変換したものを同一点に対して所定のサンプ
リング時間内に何度も繰り返して加算平均してＳ／Ｎ比
を上げる。この信号をさらに長い時間内で平均化処理を
して所定の演算式により温度分布を求めている。

【０００５】しかし、このデータ処理方法では単に加算
平均しているだけであるため、ある程度以上加算処理し
てもそれ以上は測定精度が得られず限界がある。上記の
問題に加えてさらに、光ファイバセンサの測温データは
、光ファイバの持つ伝送損失の波長依存性、即ちストー
クス光と反ストークス光の波長の差（８０ｍｍ程度）に
よる伝送損失の違いがある。このため、仮りに均一な温
度分布域を測定しても大きく傾いた温度分布を示すこと
がある。この伝搬損失差は、さらに周囲温度にも依存し
て変化する。また、レーザ光源の温度変化によっても同
様な分布を示す場合がある。

【０００６】このため、従来は光ファイバセンサの両端
に近い温度を別々の基準測定手段で測定しておき、この
基準データを用いて上記測定データを後の解析時に修正
する必要があった。従って、補正のための基準測温手段
として少なくとも２つ以上の複数組の温度計を必要とし
、異なる２点以上の点で測定するため手間がかかる等の
不利があった。また、例えば測温データの一部が極端な
値を示していた場合などにそれがセンサの異常によるも
のが真の温度かの区別が困難であり、後の測温データの
解析時に判断し難くいという問題もあった。

【０００７】この発明は、以上のような従来の光ファイ
バセンサを用いた分布温度の測定方法に伴なう種々の問
題点に鑑みてなされたものであり、同一点に対して２以
上の光信号が得られる光ファイバセンサを用いて測定し
た光信号から測温データを得る際に種々の要因により測
定時に生ずる測温データの誤差を、その要因による影響
を補正する処理を同時に加えて最小限に抑え、より測定
精度の高い測温データを与えることができる分布温度の
測定方法を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
この発明は、その長さ端で折返した少なくとも２芯の光
ファイバから成る光ファイバ分布温度センサを用いてセ
ンサの任意の位置の温度を表わす少なくとも２箇所の光
信号を得、これらを電気信号に変換して分布温度を測定
し、その際測定データの対称性を利用してセンサの同一
点に対して他の基準測温手段で測定した基準温度データ
に基づいて測定データに補正を加えるようにした光ファ
イバセンサによる分布温度測定方法としたのである。

【０００９】上記測定方法においては、光源から基準波
長の光パルス信号を送り出して前記光ファイバセンサの
入射端に入射し、前記少なくとも２箇所の光信号のそれ
ぞれを得るために光ファイバの長さ方向の各部分で光散
乱して入射端に戻ってくるそれぞれの後方散乱光を光方
向性結合器により取り出し、そのストークス光と反スト
ークス光を受光素子でそれぞれ受光して電気信号に変換
し、受光信号の時間が表わす光ファイバの長さ方向位置
ごとの分布温度を上記信号の受光パワーから所定の演算
式に基づいて算出して分布温度を測定するようにすれば
よい。

【００１０】

【作用】この発明による上記分布温度測定方法の測定原
理は、次のように行なわれる。図７に示すように、光フ
ァイバセンサの入射端に光源から基準波長λｏの光パル
ス信号を入射すると、光の通過する各部分ではガラス媒
質により弾性散乱であるレイリー散乱と非弾性散乱であ
るラマン散乱光が発生する。ラマン散乱は光ファイバの
ガラスの分子振動と通過光パルスとの非弾性衝突による
もので、基準波長の入射光に対してその分子振動数に対
応する波長分だけシフトして長波長側にストークス光（
＋Δλ）が、短波長側に反ストークス光（−Δλ）が発
生する。

【００１１】上記散乱光のうち光ファイバの入射端に戻
ってくる光を後方散乱光と呼ぶが、特にラマン散乱光の
強度は温度の影響を受けて変化するため、これを利用し
て温度測定を行なう。

【００１２】光ファイバ中の光の速度は分っているので
パスル入射から光検出までの時間は検出された散乱光が
発生した場所と入射端との距離Ｒを表わす。光ファイバ
の構成材料と入射光の波長が決まれば、ラマン散乱のス
トークス光（λＳ　＝λＯ　＋Δλ）と反ストークス光
（λａ　＝λＯ　−Δλ）との受光パワーの比を取り、
次式によって温度を求めることができる。 Ｒ＝（ｃ／２ｎ）・Δｔ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　（１）Ｉａ／Ｉｓ　
＝（λＳ　／λａ　）４　ｅｘｐ（−（ｈｃν）／ｋＴ
）（２）ただし、ｃ：真空中の光速度、 ｎ：光ファイバの屈折率、 Δｔ：パルス入射から光検出までの時間、Ｉａ：反スト
ークス光強度、 Ｉｓ：ストークス光強度、 λａ：反ストークス光波長、 λｓ：ストークス光波長、 ｈ：プランク定数、 ｋ：ボルツマン定数、 ν：ラマンシフト量、 上述した後方散乱光は検出器内の光方向性結合器により
分離されて取り出され、ラマン散乱のストークス光と反
ストークス光とは異なる波長のフィルタを介して別個に
取り出されるが、その光信号さ極微弱であるため、雑音
除去のための充分な加算平均を行ないＳ／Ｎ比を上げて
測定する。

【００１３】上記（１）、（２）式から演算によって距
離Ｒに対する温度を求めると、図８のように光ファイバ
の長手方向の温度分布が得られる。このようにして得ら
れる分布温度のデータは、この発明による測定方法では
、光ファイバセンサ内で光ファイバを折返しているため
、同一地点の温度を光ファイバの２ヶ所で測定して得ら
れるから、折返端を中心にして左右対称なデータとなる
。従って、まずその対称性を利用して折返端の位置が正
確に求められる。

【００１４】光ファイバセンサの長さ位置を正確に求め
た後、それぞれの位置に対応する分布温度データを算出
する際に、別途測定された基準温度データに基づいて予
め補正が加えられる。その場合、データの対称性を利用
して左右のデータが折返端で対称となるように補正を加
える。上記補正は、光ファイバの持つ伝送損失の波長依
存性に基づいて伝送損失の差や、測定時における周囲温
度による影響、あるいは光源の温度変化による影響に対
して、適当な補正係数を（２）式に掛ける、あるいは補
正定数を加えることによって行なわれる。

【００１５】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１にこの実施例で用いられる光ファイバ
センサ１の概略構成を示す。このセンサ１は、光ファイ
バ１ａをステンレス管２内に封入したもの２本と亜鉛メ
ッキ鉄線３の５本を寄り合せた光ファイバケーブルから
成る。光ファイバ１ａは２乗の屈折率分布を持つ５０μ
ｍのコアと１２５μｍのクラッドから成るマルチモード
ＧＩ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ）ファイバで、その外
側はナイロン被覆され外径は０．６ｍｍである。ステン
レス管は外径１．７ｍｍ（内径１．４ｍｍ）で、光ファ
イバ１ａとステンレス管２との隙間は防水混和物が満た
されている。亜鉛メッキ鉄線３は外径１．６ｍｍで撚り
合せた光ファイバケーブルの全体外径は５ｍｍのものを
使用している。そして光ファイバ１ａは図示のようにセ
ンサの折返端４で折返され、２芯の光ファイバ１ａでセ
ンサ１を構成している。

【００１６】上記光ファイバセンサ１は図２に示すよう
に分布温度測定部１０に対してコネクタ１１を介して接
続されている。この分布温度測定部１０は、制御回路１
２からの制御によりＬＤ駆動部１３を駆動して半導体レ
ーザ光源１３ａからのレーザパルス信号のうち波長λｏ
の光信号をフィルタ１３ｂを介して光ファイバセンサ１
の光ファイバ１ａに送り込む。光ファイバ中の各部分で
生じた後方散乱光は光方向性結合器１４で分離して取り
出され、もう１つの光方向性結合器１４’と２つのフィ
ルタ１５（λａ）、１５’（λｓ）を介して２つのフォ
トダイオード１６、１６’で受光され、受光回路１７で
電気信号に変換される。

【００１７】この測定信号は加算メモリ１８へ送られ記
憶される。この場合、後方散乱光は極微弱であるため、
上記受光回路１７で所定のサンプリング時間内でＡ／Ｄ
変換した後これを繰り返して高速度で加算平均し、その
結果を上記加算メモリ１８に記憶すると共にインタフェ
ース１９を介して送り出す。上記測定信号は次の演算処
理部２０（制御用パーソナルコンピュータ）で温度デー
タに変換される。この演算処理部２０は、上記測定信号
をインタフェース２１を介してマイクロコンピュータ２
２へ送り込んで演算処理するように構成されている。

【００１８】マイクロコンピュータ２２では、中央演算
処理部（以下ＣＰＵという）２３の指令により平均化処
理部２４でデータの平均化処理を行なう。この場合の平
均化処理は、分布温度測定部１０でのサンプリング時間
より長い、例えば１分間隔でセンサの同一点に対して得
られる測定データを平均化して行なわれる。次に、上記
測定データに対して補正処理部２５で補正を加える。こ
の補正処理部２５では、例えば光ファイバセンサの入射
端及び折返端付近の位置の温度を他の基準温度計（熱電
対など）で測定した値をキーボード３０から直接又は補
正指数の形で間接的にＣＰＵ２３へ送り、その基準温度
値又は補正指数により次の温度データ演算部２６におい
て前述した所定の演算式から温度データを算出する際に
予め補正係数を与えるようにする。補正係数が与えられ
ると温度データ演算部２６において所要の温度データが
得られる。温度データは表示器２７に表示され、プリン
タ２８で印字されると共にファイル２９に記憶される。

【００１９】上記補正方法について図３、４を用いてさ
らに詳しく説明する。まず、一般的に光ファイバの折返
しのないセンサを用いて温度測定をし、その際上記のよ
うな補正を加えないままで信号を温度データに変換する
と、この温度データには種々の要因に基づく誤差が含ま
れる。この誤差を含む温度データを補正する場合、補正
手順には図３の（ａ）ドリフト、（ｂ）傾き、（ｃ）倍
率の３つの要素が含まれる。但し、図３のグラフは実験
室における恒温槽で測定した場合のデータであり、図中
実線は光ファイバセンサによる測定温度、点線は真の温
度である。中央部付近を特に冷却して矩形状のグラフと
なるようにしている。このグラフから分るように、測定
温度データを正しい真の温度に一致させるには、少なく
とも３点の真の温度情報が必要であり、しかも実際の測
定データは図示のような矩形状のグラフではなく、ラン
ダムで複雑な温度分布のグラフとなるため、精度を上げ
るためには多数点の実側値を必要とする。

【００２０】しかし、この実施例では前述の光ファイバ
を折返した２芯の光ファイバから成るセンサを用いてい
るから、得られるデータの対称性を利用すると共に真の
温度測定情報としてセンサ入射端及び折返点付近で測定
した最小限の真の温度データを用いて次のようにして補
正する。例として図４にこの実施例の光ファイバセンサ
１を用いて海水の温度分布の測定データ（実線）及び真
の温度分布（点線）を仮定したグラフの概略を示す。距
離は海水の深さを表わす。センサ入射端位置での真の温
度点をＰ１　、Ｐ２　、センサによる測定点をＰ１　’
、Ｐ２　’とする。真の温度点Ｐ１　、Ｐ２　の温度が
Ｔ℃であれば、（ａ）に示すようにＰ１　’、Ｐ２　’
の温度が先にＴになるように調整する。この調整は、図
３で説明した温度ドリフト調整、傾きの調整について行
なう。従って、ドリフト調整は一定の値を加減算し、傾
き調整は距離に応じて変化する値を加減算することによ
って行なわれる。

【００２１】次に（ｂ）に示すように、（ａ）の調整を
してもなお折返端付近を中心にデータに差がある場合、
折返端を中心として一定の倍率を係数として与えてデー
タ調整する。このとき、倍率を決めるため折返端付近の
真の温度点Ｐ３　のデータを他の手段で測定して与える
。 こうして図形処理的な上記補正処理を加えることによっ
て図５のような温度データが得られる。なお、かかる補
正を加えてデータの補正を行なった場合、図６に示すよ
うなデータ異常、例えば（ａ）光ファイバの接続点の融
着ロス等によるもの、あるいは（ｂ）温度異常によるも
のかの判別も直ちに判断できる（（ｂ）では左右対称に
温度異常点が現われている）。

【００２２】

【効果】以上詳細に説明したように、この発明の分布温
度測定方法は光ファイバセンサにより同一点に対して２
以上の測定信号を測定しかつデータの対称性を利用して
その測定時の測定誤差に影響を与える要因それぞれを考
慮した補正を測定信号に加えて出来るだけ誤差が生じる
のを取り除いて測定するようにしたから、測定された温
度データは信頼性が高く、測定精度の極めて高い測定が
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の光ファイバセンサの概略構成図

【図２
】実施例の分布温度測定装置の全体概略ブロック図

【図３】補正手順に含まれる補正の３要素の説明図

【図
４】実際の補正手順の説明図

【図５】測定された温度データの一例

【図６】温度異常等の説明図

【図７】測定原理を説明する図

【図８】測定原理を説明する図

【符号の説明】

１　　光ファイバセンサ １０　　分布温度測定部 ２０　　演算処理部 ２５　　補正処理部 ２６　　温度データ演算部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　その長さ端で折返した少なくとも２芯
   の光ファイバから成る光ファイバ分布温度センサを用い
   てセンサの任意の位置の温度を表わす少なくとも２箇所
   の光信号を得、これらを電気信号に変換して分布温度を
   測定し、その際測定データの対称性を利用してセンサの
   同一点に対して他の基準測温手段で測定した基準温度デ
   ータに基づいて測定データに補正を加えるようにしたこ
   とを特徴とする光ファイバセンサによる分布温度測定方
   法。
2. 【請求項２】　　光源から基準波長の光パルス信号を送
   り出して前記光ファイバセンサの入射端に入射し、前記
   少なくとも２箇所の光信号のそれぞれを得るために光フ
   ァイバの長さ方向の各部分で光散乱して入射端に戻って
   くるそれぞれの後方散乱光を光方向性結合器により取り
   出し、そのストークス光と反ストークス光を受光素子で
   それぞれ受光して電気信号に変換し、受光信号の時間が
   表わす光ファイバの長さ方向位置ごとの分布温度を上記
   信号の受光パワーから所定の演算式に基づいて算出して
   分布温度を測定することを特徴とする請求項１に記載の
   光ファイバセンサによる分布温度測定方法。