JPH05346355A - 光ファイバ温度分布センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、被測定物の表面温度分布を計測する
際の位置の同定を容易に行なえることを最も主要な目的
としている。 【構成】被測定物上に敷設された測定用光ファイバに光
短パルスを入射し、測定用光ファイバ内のラマン効果に
より生じる後方散乱光の到達時間と散乱光強度から測定
用光ファイバ上の温度分布を計測する光ファイバ温度分
布センサにおいて、被測定物の２次元的な放射温度分布
である熱画像を測定可能な熱画像手段と、熱画像手段に
よる被測定物の温度分布データを取込み、この温度分布
データを基に、測定用光ファイバ上の温度分布データか
ら被測定物上の複数の任意の点における温度データへ変
換／近似変換するための変換係数を算出する機能、この
変換係数を用いて、測定用光ファイバ上の温度分布デー
タを被測定物上の任意の点上の温度分布に変換し出力す
る機能を有する画像処理手段を備えたことを特徴として
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物上に敷設され
た測定用光ファイバに光短パルスを入射し、測定用光フ
ァイバ内のラマン効果によって生じる後方散乱光を利用
して、測定用光ファイバ上の温度分布を計測する光ファ
イバ温度分布センサに係り、特に被測定物の表面温度分
布を計測する際の位置の同定を容易に行ない得るように
した光ファイバ温度分布センサ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光ファイバの後方散乱光を利用
した温度分布センサは、光ファイバに光短パルスを入射
し、その入射パルス光によって励起されるさまざまな散
乱光が散乱場所の物理量の情報を含んでいることを利用
したものである。

【０００３】すなわち、散乱光のうち、励起パルスの進
行方向と逆の後方に伝搬する後方散乱光を検出すると、
検出部への到達時間と散乱光信号から、光ファイバ上の
物理量分布を計測することができるものである。中で
も、ラマン散乱光を利用する温度分布センサは、散乱過
程自体が温度に依存した現象であり、本発明ではこの温
度分布センサを対象として説明する。

【０００４】この種の温度分布センサでは、位置の検出
と物理量の計測の２種類の処理を必要とするが、従来の
光ファイバ温度分布センサでは、位置の検出のために
は、散乱光の到達時間から距離として計測するのみであ
る。この場合、到達時間は、いわゆる光路長に相当する
わけで、実際の距離とは光ファイバの屈折率による補正
が必要となる。現在の光ファイバの製造技術では、十分
な一様性が確保されており、正確に屈折率さえ計測すれ
ば、十分な精度で光ファイバ長を算出することはでき
る。ところで、現実の光ファイバ温度分布センサを考え
た場合、測定に重要な量は距離ではなく位置であること
は明らかである。

【０００５】しかしながら、位置の検出のためには、単
に光ファイバの距離を知るだけでは不足であり、仮に光
ファイバの敷設位置を正確に決めて行なったとしても、
現実のケーブル化された光ファイバでは、余長の問題や
熱膨張の問題によって、位置を正確に決めることは非常
な作業となり、実際のフィールドでは実現性が薄い方法
と言わざるを得ない。

【０００６】また、実際に温度が必要とする場所が、光
ファイバの敷設位置と多少ずれている可能性があり、そ
のような場合への解決策は何等提案されていないのが現
状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
光ファイバ温度分布センサにおいては、被測定物の表面
温度分布を計測する際の位置の同定を行なうことが困難
であるという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、被測定物の表面温度分布
を計測する際の位置の同定を容易に行なうことが可能な
極めて信頼性の高い光ファイバ温度分布センサ装置を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では、温度分布センサ処理装置により、被測
定物上に敷設された測定用光ファイバに光短パルスを入
射し、測定用光ファイバ内のラマン効果によって生じる
後方散乱光の到達時間と散乱光強度から、測定用光ファ
イバ上の温度分布を計測するようにした光ファイバ温度
分布センサにおいて、被測定物の２次元的な放射温度分
布である熱画像を測定可能な熱画像手段と、熱画像手段
が接続可能に設けられ、当該熱画像手段による被測定物
の温度分布データを取り込み、当該温度分布データを基
に、測定用光ファイバ上の温度分布データから被測定物
上の複数の任意の点における温度データへ変換するまた
は近似変換するための変換係数を算出する機能、および
算出された変換係数を用いて、温度分布センサ処理装置
による測定用光ファイバ上の温度分布データを被測定物
上の任意の点上の温度分布に変換し出力する機能を有す
る画像処理手段とを備えて構成している。

【００１０】

【作用】従って、本発明の光ファイバ温度分布センサ装
置においては、光ファイバ温度分布センサの敷設時や定
期的な検査時には、熱画像手段で測定された被測定物の
温度分布データが画像処理手段に取り込まれ、この温度
分布データに基づいて、測定用光ファイバ上の温度分布
データから被測定物上の複数の任意の点における温度デ
ータへ変換または近似変換するための変換係数が算出さ
れ、その変換係数が画像処理手段内に記憶される（校正
作業）。

【００１１】一方、被測定物の表面温度分布の計測時に
は、画像処理手段により、上記校正時に算出された変換
係数を用いて、温度分布センサ処理装置で測定された測
定用光ファイバ上の温度分布データが、被測定物上の任
意の点上の温度分布に変換して出力される。

【００１２】これにより、実際に光ファイバ温度分布セ
ンサが被測定物に敷設された状態で温度と位置の情報が
取り込まれるため、従来の光ファイバ温度分布センサで
は困難だった位置の同定を容易に行なうことができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明による光ファイバ温度分布
センサ装置の全体構成例を示すブロック図である。図１
において、被測定物１には、測定用光ファイバ２を敷設
しており、ＯＴＤＲ法によるラマン散乱温度分布センサ
処理装置３により、測定用光ファイバ２上の温度分布デ
ータ（Ｔ１〜Ｔｎ）を測定する。すなわち、このラマン
散乱温度分布センサ処理装置３は、測定用光ファイバ２
に光短パルスを入射し、測定用光ファイバ２内のラマン
効果によって生じる後方散乱光の到達時間と散乱光強度
から、測定用光ファイバ２上の温度分布を計測するもの
である。

【００１５】また、画像処理部４は、ラマン散乱温度分
布センサ処理装置３からの温度分布データを基に線形演
算を施し、本装置で欲する測定点の温度分布データに変
換して、グラフィック出力等のマンマシンインタフェー
ス５に結果を出力するものである。

【００１６】さらに、画像処理部４には、熱画像装置６
を接続可能として熱画像を取り込み、ラマン散乱温度分
布センサ処理装置３の温度分布データからの測定を希望
する点の温度分布データへの変換を行なう線形演算の変
換係数を算出するようになっている。

【００１７】ここでいう熱画像とは、被測定物の２次元
的な温度分布ｔ（ｘ，ｙ）であり、また熱画像装置６
は、例えばサーモグラフィ等の２次元的な放射温度分布
が測定可能なものであり、熱画像撮影装置６１と熱画像
信号処理部５２とから構成されている。なお、７は画像
処理部４で算出された変換係数を記憶するためのメモリ
である。次に、以上のように構成した本実施例の光ファ
イバ温度分布センサ装置の作用について、図２を用いて
説明する。

【００１８】図２は、本発明に係るデータ変換の原理を
示す概要図である。なお、ここでは、温度分布センサの
データからの被測定部表面の温度分布センサへの変換の
メカニズムを示している。図１において、ラマン散乱温
度分布センサ処理装置３からは、測定用光ファイバ上の
ｎ個の温度データ

【００１９】

【数１】 が出力される。また、熱画像装置６により、被測定物１
表面上の温度データが、図２に示すような分布データと
して与えられる。これにより、画像処理部４では、熱画
像装置６の出力から、測定を欲する位置におけるｎ個の
温度データを選択し、

【００２０】

【数２】 が作成される。この温度分布

【００２１】

【数３】 は、実際の光ファイバ温度分布センサの温度データ列に
なるべく沿った順番で作成するのが望ましい。

【００２２】このようして作成された２つの温度データ
列は、ｎ次元のベクトル変換が可能であると考えられ
る。この場合、変換行列［Ｗ］はｎ×ｎの要素がある
が、上述のように

【００２３】

【数４】 の温度データ列をなるべく光ファイバに沿って決めれ
ば、［Ｗ］は対角近傍のみの成分となり、演算等が軽減
される。この［Ｗ］の要素を決めるためには、異なった
ｎ回の温度分布データ列が必要になる。

【００２４】このようにして求められた変換行列
［Ｗ^* ］はメモリ７に保存され、計測時にこの変換行列
［Ｗ^* ］を用いることにより、画像処理部４では、それ
以後のラマン散乱温度分布センサ処理装置３からの測定
データ列より、測定を欲する点における温度（ｔ₁ ^* 〜
ｔ_n ^* ）が求められる。なお、このデータから補間法等
により、温度分布データとして２次元の表示を得ること
もできる。

【００２５】次に、具体的な実施例として、２点の温度
分布を求める場合を例として以下に説明する。なお、実
際の測定では、測定点はもっと多いものであるが、２点
にしたからといって本発明の本質を何等損なうものでは
ない。図３は、２点の測定モデルの一例を示す概要図で
ある。

【００２６】測定用光ファイバ２上のラマン散乱温度分
布センサ処理装置３による測定データをＴ₁ ，Ｔ₂ 、ま
た熱画像装置６からの測定希望点における温度をｔ₁ ，
ｔ₂とし、それぞれ図３上で×と●で示している。両者
のデータ変換は、２×２の行列で次のように書ける。

【００２７】

【数５】 次に、この変換行列の要素を解く方法の一例として、逆
行列による方法と、最小２乗法による方法を述べる。 （ａ）逆行列による方法

【００２８】行列を完全に解くためには、要素数と等し
い数の方程式が必要となるため、温度分布の状態を変化
させて、ここでは２回データを計測する必要がある。こ
のようにして得られた結果を示すと次のようになる。

【００２９】

【数６】 なお、温度の一の位の添字は、測定の回数を示すもので
ある。上記２回の測定結果が示す式を一つに表現する
と、

【００３０】

【数７】 となる。変換行列の各要素は、上記式の右辺のラマン散
乱温度分布センサ処理装置３のデータからなる逆行列を
両辺に掛け合わせることによって、

【００３１】

【数８】 と求められる。

【００３２】こうして求められた変換行列を用いること
により、ラマン散乱温度分布センサ処理装置３のデータ
から、下記のように希望する点における温度に変換する
ことができる。

【００３３】

【数９】 （ｂ）最小２乗法による方法 いま、ラマン散乱温度分布センサ処理装置３のデータか
ら変換された近似温度ｔ₁ を

【００３４】

【数１０】 とすると、熱画像装置６からのデータとの残差２乗和Ｓ
は、ｔ₁ ，ｔ₂ についてそれぞれ

【００３５】

【数１１】 と表わされる。このＳを最小にする値として、各変換行
列の要素毎に偏微分して、

【００３６】

【数１２】 これらから、各要素に対して、正規方程式が導入され
る。そして、この方程式より、各変換行列の要素を解く
ことができる。この方法では、複数のデータの結果から
最もそれらしい値を求め、安定した結果が得られる可能
性が高い。以上の方法で得られた変換行列は、画像処理
部４のメモリ７に記憶され、それ以後の測定で使用され
る。

【００３７】このように、熱画像装置６からのデータを
用いて温度分布センサの１次元的なデータ列の位置ぎめ
を行ない、被測定物２表面の温度分布に変換して表示す
ることができる。なお、この校正作業は、温度分布セン
サの敷設時や定期的な検査時に行なえばよいものであ
り、変換係数の測定後、通常は熱画像装置６は必要がな
い。

【００３８】上述したように、本実施例では、ラマン散
乱温度分布センサ処理装置３により、被測定物１上に敷
設された測定用光ファイバ２に光短パルスを入射し、測
定用光ファイバ２内のラマン効果によって生じる後方散
乱光の到達時間と散乱光強度から、測定用光ファイバ２
上の温度分布を計測するようにした光ファイバ温度分布
センサにおいて、被測定物１の２次元的な放射温度分布
である熱画像を測定可能な熱画像装置６と、熱画像装置
６が接続可能に設けられ、この熱画像装置６による被測
定物１の温度分布データを取り込み、この温度分布デー
タを基に、測定用光ファイバ２上の温度分布データから
被測定物１上の複数の任意の点における温度データへ変
換するまたは近似変換するための変換係数（行列）［Ｗ
^* ］を算出してメモリ７に保存する機能、およびこの保
存された変換係数を用いて、ラマン散乱温度分布センサ
処理装置３による測定用光ファイバ２上の温度分布デー
タを被測定物１上の任意の点上の温度分布に変換し、マ
ンマシンインタフェース５に結果を出力する機能を有す
る画像処理部４とを備えて構成したものである。

【００３９】従って、熱画像装置６は、光ファイバ温度
分布センサが実際に被測定物１に敷設された状態で温度
と位置の情報を取り込むため、従来の光ファイバ温度分
布センサでは困難であった位置の同定を極めて容易に行
なうことが可能となる。また、１次元分布でしかない光
ファイバ温度分布センサのデータを、多次元分布情報に
変換することが可能となる。さらに、この際、測定用光
ファイバ２の曲がり、たわみ等があっても、温度分布変
換にはそれらの効果も補正されて自動的に組み込むこと
が可能となる。さらにまた、測定用光ファイバ２の位置
と測定を希望する位置とが多少異なっていても、本実施
例ではそれも補間する形で修正することが可能となる。
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、次
のようにしても実施できるものである。 （ａ）最小２乗法等の近似法を使用する場合、ラマン散
乱温度分布センサ処理装置３のデータ数と熱画像装置６
のデータ数は等しい必要がない。

【００４０】（ｂ）最小２乗法は近似法の一例であり、
他の近似法、例えばミニマックス法を使用したり、ある
いは高次項を導入して近似の程度を上げるようにするこ
とも可能である。 （ｃ）全体のデータに対して行なわなくても、影響を及
ぼしていると思われる近傍のデータだけを使用して、区
分的に近似するようにすることも可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
測定物の２次元的な放射温度分布である熱画像を測定可
能な熱画像手段による被測定物の温度分布データを取り
込み、当該温度分布データを基に、測定用光ファイバ上
の温度分布データから被測定物上の複数の任意の点にお
ける温度データへ変換するまたは近似変換するための変
換係数を算出し、この算出された変換係数を用いて、温
度分布センサ処理装置による測定用光ファイバ上の温度
分布データを被測定物上の任意の点上の温度分布に変換
し出力するようにしたので、被測定物の表面温度分布を
計測する際の位置の同定を容易に行なうことが可能な極
めて信頼性の高い光ファイバ温度分布センサ装置が提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ファイバ温度分布センサ装置の
一実施例を示すブロック図。

【図２】同実施例におけるデータ変換の原理を示す概要
図。

【図３】同実施例における２点の測定モデルの一例を示
す概要図。

【符号の説明】

１…被測定物、２…測定用光ファイバ、３…ラマン散乱
温度分布センサ処理装置、４…画像処理部、５…マンマ
シンインタフェース、６…熱画像装置、７…メモリ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度分布センサ処理装置により、被測定
   物上に敷設された測定用光ファイバに光短パルスを入射
   し、前記測定用光ファイバ内のラマン効果によって生じ
   る後方散乱光の到達時間と散乱光強度から、前記測定用
   光ファイバ上の温度分布を計測するようにした光ファイ
   バ温度分布センサにおいて、 前記被測定物の２次元的な放射温度分布である熱画像を
   測定可能な熱画像手段と、 前記熱画像手段が接続可能に設けられ、当該熱画像手段
   による被測定物の温度分布データを取り込み、当該温度
   分布データを基に、前記測定用光ファイバ上の温度分布
   データから前記被測定物上の複数の任意の点における温
   度データへ変換するまたは近似変換するための変換係数
   を算出する機能、および前記算出された変換係数を用い
   て、前記温度分布センサ処理装置による測定用光ファイ
   バ上の温度分布データを前記被測定物上の任意の点上の
   温度分布に変換し出力する機能を有する画像処理手段
   と、 を備えて成ることを特徴とする光ファイバ温度分布セン
   サ装置。