JPH04332835A - 分布温度データの補正処理方法 - 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
センサを用いて測定された分布温度データの補正処理方
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、従来のサーミス
タを用いる方法では膨大な数のサーミスタを必要とし、
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。

【０００３】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
。

【０００４】

【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サーミスタ方
式や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、従来のサーミスタ方式や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。ラマン散乱光は微弱な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。

【０００７】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
か真の温度かの区別が困難であり、後の測温データの解
析時に判断し難いという問題もあった。即ち、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。

【０００８】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測定方法における種々の問題
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分布温度
の測定データを得た後に、測定時にこれらの測定データ
に含まれた種々の要因に基づく影響を取り除いてより高
い測定精度の測温データを与えることのできる分布温度
データの補正処理方法を提供することを課題とする。

【０００９】

【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
した後、得られた測定温度データに対して、センサの入
射端から光ファイバの折返端までの往路光ファイバから
得られる往路データと折返端から最遠端までの復路デー
タとの差をセンサの長さ位置ごとに求め、得られた差の
データと距離の関係を折返端をゼロとする線形な関係と
仮定して最小二乗法によりその直線の傾きを求め、上記
傾きの半分と、入射端を原点としてこの原点から光ファ
イバ全長各位置までの距離との積を上記往路、復路の全
データから差し引き、上記修正された往路データと復路
データの平均をセンサの全長さ位置ごとに求め、上記補
正を加えて測定データを補正処理する分布温度データの
補正処理方法としたのである。

【００１０】上記補正方法に代えて、前記測定温度デー
タに対して、センサの入射端から最遠端までの各ファイ
バ部分の温度の偏差と距離の関係が高次の曲線で表わさ
れると仮定して、センサの入射端から光ファイバの折返
端までの往路光ファイバから得られる往路データと折返
端から最遠端までの復路データとの差をセンサの長さ位
置ごとに求め、得られた差のデータと距離の関係を折返
し点をゼロとする高次の曲線で表わされる関係と仮定し
て最小二乗法によりその高次曲線の係数を求め、光ファ
イバ全長に対して上記曲線を適用し、入射端を原点とし
て原点から光ファイバ全長各位置ごとの曲線データを光
ファイバ全長の分布データから差し引き、上記修正され
た往路データと復路データの平均をセンサの全長さ位置
ごとに求め、上記補正を加えて測定データを補正処理す
るようにしてもよい。

【００１１】また、上記補正方法においては、前記分布
温度を測定する際に、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、この後方散乱光からラマン散乱光を異なる２
つの波長フィルタを介して取り出し、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。

【００１２】

【作用】この発明において用いられる分布温度測定方法
の原理は、次のように行なわれる。図４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（λｓ　＝λｏ　＋Δλ）が、短波長側に反ストー
クス光（λａ　＝λｏ　−Δλ）が発生する。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。

【００１３】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から検出された散乱光
が発生した場所と入射端との距離Ｒが算出できる。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、その光信号は極微弱であるため、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。

【００１４】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５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
れた測定温度データには、測定の際に種々の要因による
誤差が含まれている。例えば、光ファイバの伝送特性の
波長依存性に基づく伝送損失の差や測定時における周囲
温度の影響、あるいは光源の温度変化などである。そこ
で、第一の発明ではこれらの影響による誤差を取り除く
ために、上記測定温度データに対して以下の手順による
補正を加える。

【００１５】■　　往路データと復路データとの差をセ
ンサの長さ位置ごとに求め、■　　上記差データと距離
の関係を表わす直線の傾きを求め、■　　その傾きの半
分の値と各距離との積を全データのそれぞれから差し引
き、■　　往路復路データの平均を求めるという補正を
行なう。 かかる補正は、センサが同一点に対して往路復路の２つ
の対称なデータを与えるように構成されているため、そ
の対称性を用いることによって行なわれる。

【００１６】第二の発明では、第一の発明における■、
■に代えて、■’得られた差データと距離の関係を表わ
す高次の曲線を求め、■’上記曲線から各位置ごとの曲
線データを全データのそれぞれから差し引き、という補
正を行なうようにする。

【００１７】

【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。

【００１８】上記光ファイバセンサ１は分布温度測定部
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１２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、１
６’で受光され、受光回路１７で電気信号に変換される
。

【００１９】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
号をインターフェース２１を介してマイクロコンピュー
タ２２へ送り込んで演算処理するように構成されている
。

【００２０】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。得られた測定
データから温度データ演算部２５において前述した所定
の演算式に基づいて温度データを算出する。得られた温
度データは表示器２６に表示され、プリンタ２７で印字
されると共にファイル２８に記憶される。

【００２１】上記のようにして得られた分布温度の測定
データは、そのままでは測定時における種々の要因に基
づく誤差を含んでいる。そこで上述の測定データを測定
終了後ファイル２８から読み出し、図３の補正処理装置
３０へ送り込んで補正処理を加える。補正処理装置３０
では、インタフェース３１を介してマイクロコンピュー
タ３２へ上記測定温度データが送り込まれ、ＣＰＵ３３
の指令によりまずデータ差処理部３４において光ファイ
バセンサの往路データと復路データの差がセンサの長さ
位置ごとに求められる。この時長さ位置は、例えばセン
サの全長が１０００ｍ（光ファイバの長さ２０００ｍ）
とすると、１ｍ間隔に取る。得られる差データの数は従
って１０００ケとなる。

【００２２】得られた１０００ケの温度差データは誤差
を含んでいるためばらつきがある。しかし、そのばらつ
きがあっても温度差データと距離との関係はセンサの折
返端をゼロとする線形な関係にあるものと仮定してこれ
らの関係を表わす近似直線を最小二乗法により求め、そ
の直線の傾きを傾き演算部３５で求める。この直線の傾
きは光ファイバセンサの全長さに対して与えられ、光フ
ァイバ全長さはその２倍であるから全データに対して適
用する場合はその傾きは半分となる。従って、データ修
正部３６において上記傾きの半分の値と光ファイバ全長
距離のそれぞれの位置までの距離との積を往路、復路の
全データから差し引いて誤差を取り除く。

【００２３】さらに、上記補正後の往路、復路データを
平均化処理部３７において平均して往路と復路との距離
による誤差をさらに打消す。こうして得られたデータは
より高い測定精度の温度データとして利用できることに
なる。上記実施例においては、温度差データと距離との
関係を線形な関係と仮定したが、これを高次の曲線と仮
定することもできる。この場合は、上記傾き演算部３５
を曲線演算部３５’とし、センサの折返端をゼロとする
高次の曲線と仮定してその曲線を求める。データ修正部
３６においては、この曲線データを各長さ位置ごとに往
路、復路の全データから差し引いて誤差を取り除くよう
にする。

【００２４】

【効果】以上詳細に説明したように、この発明の補正処
理方法では光ファイバセンサにより同一点に対し２以上
の測定信号を測定して得られる測定温度データに対して
、測定終了後のデータ解析時に測定中に測定データに影
響を与える種々の要因に基づく誤差を、データの対称性
を利用して補正を加えることにより取り除くようにした
から、精度の高い信頼し得る温度データが得られるとい
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】実施例の補正処理装置の全体概略ブロック図

【
図４】測定原理を説明する図

【図５】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　　温度データ演算部 ３０　　補正処理装置 ３４　　データ差処理部 ３５　　傾き演算部 ３６　　データ修正部 ３７　　平均化処理部

Claims (3)

【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
   測定した後、得られた測定温度データに対して、センサ
   の入射端から光ファイバの折返端までの往路光ファイバ
   から得られる往路データと折返端から最遠端までの復路
   データとの差をセンサの長さ位置ごとに求め、得られた
   差のデータと距離の関係を折返端をゼロとする線形な関
   係と仮定して最小二乗法によりその直線の傾きを求め、
   上記傾きの半分と、入射端を原点としてこの原点から光
   ファイバ全長各位置までの距離との積を上記往路、復路
   の全データから差し引き、上記修正された往路データと
   復路データの平均をセンサの全長さ位置ごとに求め、上
   記補正を加えて測定データを補正処理することを特徴と
   する分布温度データの補正処理方法。
2. 【請求項２】　　前記測定温度データに対して、センサ
   の入射端から最遠端までの各ファイバ部分の温度の偏差
   と距離の関係が高次の曲線で表わされると仮定して、セ
   ンサの入射端から光ファイバの折返端までの往路光ファ
   イバから得られる往路データと折返端から最遠端までの
   復路データとの差をセンサの長さ位置ごとに求め、得ら
   れた差のデータと距離の関係から上記の高次の曲線の係
   数を最小二乗法により求め、光ファイバ全長に対して上
   記曲線を適用し、入射端を原点として原点から光ファイ
   バ全長各位置ごとの曲線データを光ファイバ全長の分布
   データから差し引き、上記修正された往路データと復路
   データの平均をセンサの全長さ位置ごとに求め、上記補
   正を加えて測定データを補正処理することを特徴とする
   請求項１に記載の分布温度データの補正処理方法。
3. 【請求項３】　　前記分布温度を測定する際に、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、この後方散乱光か
   らラマン散乱光を異なる２つの波長フィルタを介して取
   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したことを特徴とする請求
   項１に記載の分布温度データの補正処理方法。