JPH06281508A

JPH06281508A - 温度分布測定方法

Info

Publication number: JPH06281508A
Application number: JP5068651A
Authority: JP
Inventors: Jun Azuma; 洵東
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JP2661856B2

Abstract

(57)【要約】【目的】距離分解能が大でかつ応答速度の速い温度分
布測定方法を提供する。【構成】測定しようとする区間に、屈折率の温度係数
の異なるコアとクラッドとを有する光ファイバ11,12 を
２本並べて布設し、その２本の光ファイバ11, 12を光学
的に接触させた状態で、一方の光ファイバ11の一端より
極めて短かいパルス巾の光を入射させ、温度上昇部にお
いてレーリー散乱によって他方の光ファイバ12へ漏れ出
た光パルスの散乱の大きさと時間遅れを検出することに
より、温度上昇部の温度と位置とを特定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】一次元的な温度分布の夫々の位置
における温度を測定する必要のある所で短かい距離分解
能を要求されるところ、例えば製鉄業では各種炉体の各
部の温度管理や連続鋳造の鋳型の温度分布測定に用いら
れる温度分布測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定しようとする区間の夫々の位置の温
度を知る方法として最も新しい技術は光ファイバを用い
た光・時間領域反射計測法ＯＴＤＲ (Opical time-doma
in refractometry) がある (例えば、電総研ニュース第
497 号1991年６月電気通信総合研究所) 。

【０００３】これは１本の光ファイバに光パルスを入射
させると、ファイバ中にあるラマン活性物質により入射
光パルスよりわずかに波長の異なる光（ストークス光及
び反ストークス光）が発生し、ファイバー中を伝わる。
このストークス光と反ストークス光の比Ｒは温度のみの
関数となることが知られており、この比Ｒを測定するこ
とにより温度を検出することができる。また発生したス
トークス光が光ファイバの一端に戻るまでの遅延時間を
測定すればどの位置の温度かを知ることができる。これ
らのことにより、１本のファイバでその区間にある各点
の温度と位置の双方を知ることができる便利な方法であ
る。

【０００４】この方法は１本の光ファイバで温度分布の
測定ができること及び精度が比較的良好かつ測定距離が
500m〜数kmと広いために送電線に沿わせて設置し、その
間の異常温度を検出したり、コンクリートダム内のコン
クリートの各部の温度測定や製鉄業でも高炉の炉体や熱
風炉の各部の温度分布の測定に応用されている。また、
光を用いているため電磁界の影響を受けず電気的絶縁に
ついて考慮しなくとも良い等の特長を持っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の温度分
布測定方法は、その距離分解能がたかだか 1〜3mと粗
く、かつ応答速度 (測定時間) も60〜150 秒と遅い。光
ファイバはクラッドにおいてもたかだか500 μm 程度の
径であり、熱容量は極めて小さく、本来熱応答性は良い
筈にも拘わらず結果としてこのように長い測定時間を必
要とするのはラマン散乱光は極めて微弱である為であ
る。このため、一般にこのラマン散乱を応用したＯＴＤ
Ｒ法では数百回の光パルスの応答波形を積算してその平
均をとらざるを得ず、このため、測定時間を１分間近く
も必要とする。

【０００６】また距離分解能が悪いのはある距離区間の
ラマン散乱光を確保しなければ光パワーが足りず（距離
分解能を上げようとすれば極めて微弱な光しか得られず
検出器の検出限界に到達しない）、このため少なくとも
１m 位の区間のラマン散乱光を寄せ集めなければならな
いこと、及び前述の積算により分解能も悪化することに
よる。

【０００７】しかし、このような応答速度や距離分解能
では炉体の鉄皮温度や耐火物の監視には不向きである。
例えば局部的に30cm程の部分が高温になった (ホットス
ポット) としてもその周辺部の温度が低ければ距離分解
能 (1m〜5m) の区間の平均値としてしか検出されぬため
真値よりかなり低い値として判定する恐れがある。従っ
て、真の温度分布が図１０に示すような場合、観測され
る温度は図１１に示すようになり、距離分解能と応答速
度が悪いのがこの従来方法の問題点である。

【０００８】これまで述べた弱点の最大の原因はラマン
散乱光強度が弱いことである。この散乱光を大きくする
には入射光を大きくする方法があるが、光ファイバ中に
入り得る光量は開口数ＮＡによって制約を受けるためそ
れほど大きくするわけにはいかない。またラマン活性度
を大きくすると散乱光強度は向上するが光ファイバの減
衰が大きくなるため、ラマン散乱を利用するＯＴＤＲ法
には限界がある。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑み、距離分解能
が大でかつ応答速度の速い温度分布測定方法を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この技術的課題を解決す
るための本発明の技術的手段は、測定しようとする区間
に、屈折率の温度係数の異なるコア9 とクラッド10とを
有する光ファイバ11,12 を２本並べて布設し、その２本
の光ファイバ11,12 を光学的に接触させた状態で、一方
の光ファイバ11の一端より極めて短かいパルス巾の光を
入射させ、温度上昇部においてレーリー散乱によって他
方の光ファイバ12へ漏れ出た光パルスの散乱の大きさと
時間遅れを検出することにより、温度上昇部の温度と位
置とを特定する点にある。

【００１１】

【作用】まず、通常の光ファイバ中の光の伝播を説明す
る。図４に示すように、光ファイバ31に導かれた光はコ
ア32中を前進するが (イ) のように小さい角度の光はク
ラッド33に出ていく。しかし、この光は別の地点で再び
コア32内に戻るためあるファイバ長を経ると (ロ) に示
すように臨界角θc より大きい角度が支配的になる。そ
のような状況下ではクラッド33中へは僅かしか光が漏れ
ない。この臨界角θc はコア32とクラッド33の屈折率を
それぞれｎ₁, ｎ₂とすると θc ＝sin ^-1 (ｎ₂／ｎ₁) ・・・・・・・・・ (1)式
で示される。

【００１２】一方、光ファイバ31中の密度、組成のゆら
ぎにより、レーリー散乱が生じる。この散乱は図４
(ハ) に示すように前方にも後方にも生じ、やはり同じ
ように一部はクラッド33に漏れるが再びコア32に戻りク
ラッド33中を長距離進むことはない。何故なら、クラッ
ド33中に漏れた光はクラッド33の外周部で全反射され図
４（ニ）の如く、屈折率差の関係で再びもとのコアに戻
ってしまうからである。

【００１３】ここで、もし図２及び図３に示すような構
造のツイン型ファイバ5 とすると、図６に示すように光
ファイバ11内に入力されたパルス光15はレーリ散乱16を
生じたあとクラッド10内に一部が漏光し、接続層13 (接
続層13の屈折率はクラッド10の屈折率より大きいことが
条件) を通して検出側の光ファイバ12のクラッド10内に
入る。一旦、クラッド10内に入った光はより屈折率の大
きいコア9 内に必ず入り、前方散乱光17及び後方散乱光
18となって結局、光ファイバ11から光ファイバ12に転移
されることになる。

【００１４】この後方散乱光18の光を送出側から観測す
ると（図１の検出用光ファイバ4 の如く) 、その時間的
分布は図５のようになる。すなわち、ファイバ中のあら
ゆる点で弱いながらもレーリー散乱により少しずつ後方
へ光を送りながら、減衰しつつ、ファイバの終端で空間
中に放射される。終端では開放状態であっても必ずフレ
ネル反射が生じる。光パルス送出点からフレネル反射ま
での時間ｔは送出側の光ファイバ11 (往路) と検出側の
光ファイバ12 (復路) の両方を伝播した時間であるからｔ＝ｌ／Ｃ’・・・・(2) 式但し、ｌはファイバ長
さ、Ｃ’はファイバ中の光速（＝Ｃ₀／ｎ; ｎは屈折
率、Ｃ₀は真空中の光速) であるからｔ＝ｎ₁・ｌ／Ｃ₀・・・・(3) 式となる。

【００１５】ところで、既に述べたように通常の光ファ
イバはコアとクラッドを同質材料で作っているため、屈
折率の温度係数も同じであるため光ファイバの温度が変
わっても屈折率比ｎ₂／ｎ₁は変わらず、従って臨界角
θ_cも変わらない。しかし、本発明のツイン型ファイバ
5 のようにコア9 とクラッド10の屈折率の温度係数
(α, β) が異なっていると、以下のようになる。 θc ＝sin ^-1 (ｎ₂／ｎ₁）＝sin ^-1｛ｎ₂₀（１＋β
ｔ）／ｎ₁₀（１＋αｔ）｝・・・・・・・(4) 式但
し、ｎ₁₀, ｎ₂₀はコア9 、クラッド10の基準温度での屈
折率である。

【００１６】従って、温度変化と共にθc が変化する。
今、ツイン型ファイバ5 の温度上昇によりθc が大きく
なったとすると、送出側の光ファイバ11から検出側の光
ファイバ12への転移量が増加する。逆に温度が低下する
と転移量が減る。この結果、検出側の光ファイバ12を通
じて後方散乱光を観察すると、図７のようになる。ここ
で21はツイン型ファイバ5 内で周囲より高温になった所
からの後方レーリ散乱光、22は低温部のそれである。ま
た、光パルスの送出点からの距離はそれぞれｌ₁＝（Ｃo ／ｎ）ｔ₁, ｌ₂＝（Ｃo ／ｎ）ｔ₂・
・・ (5)式として求められる。

【００１７】但し、ｎはコアの屈折率である。もし、送
出光パルスとして50ピコ秒のパルス幅の光を用いて、か
つ50ピコ秒の精度で後方レーリ散乱光を観測できたとす
ると、ファイバ中の光速Ｃ'(ｎ＝1.5としてＣ' は約 2
×10¹⁰cm／秒から）、Ｃ’×50×10^-12秒＝2cm の精度
で温度変化の生じている部分までの距離がわかる。

【００１８】(現在、フェムト秒(1fs＝10^-15秒) クラ
スの光パルスは実現できるため、理論的にはもっと空間
分解能を上げることができる。・・参考文献電総研ニ
ュース第497 号1991年６月電気通信総合研究所) 実
際には用いるファイバの種類等により図７の 21,22に示
すように、パルスは少し拡がりを持ってしまうため、信
号処理により、ピーク位置を見つけなければ前述の分解
能を得ることはできない。精度上は若干劣るもののＯＴ
ＤＲを用いた広域の分布測温法としては従来型のものに
比べ、高速、高空間分解能の性能が得られる。表１にそ
の比較を示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に従って説明す
る。図１は本発明の実際のシステム構成を示す。同図に
おいて、1 はパルス幅50psec以下、ピーク出力150mW 、
波長 820μm の安定型レーザダイオード、2 はレーザダ
イオード駆動用のコントローラであり、極短パルス光
を、送出用光ファイバ3 を通じて感温部であるツイン型
ファイバ5 に入れ、ツイン型ファイバ5 で生じた後方レ
ーリ散乱光を、検出用光ファイバ4 を通じてストリーク
カメラ又はサンプリングオシロスコープ等の光パルス検
出器6 に送出し、ここで後方レーリ散乱光の時間分布を
観測するようになっている。また、後方レーリ散乱光の
波形からパソコン7 によって、図７のようなパターンよ
り、各部の温度を計算で求めるように構成されている。
なお、パソコン7 での計算時間を含めても、亘長100mツ
イン型ファイバ5 に対し、 1〜2 秒で全長の温度分布を
知ることが可能である。

【００２１】前記ツイン型ファイバ5 は、散乱光強度の
極めて大きいレーリ散乱を利用して温度分布を測定する
ために、図２および図３に示すような構成になってい
る。即ち、光ファイバは屈折率の大きいコアとその周囲
にある屈折率のやや小さいクラッドからなる。通常、光
ファイバはプラスチックか石英系の材質からなり、コア
とクラッドは同系統の材質を用いて、不純物濃度を若干
変えること（ドーピング）により屈折率に変化を与えて
いる。したがって、コアとクラッドの屈折率の温度係数
は殆んど同じである。しかし、本発明に用いるツイン型
ファイバ5 は、図２および図３に示すように、屈折率の
温度係数の異なる材質で構成したコア9 とクラッド10と
をもつ２本の光ファイバ11,12 を有し、かつその２本の
光ファイバ11,12 を接続層13によって光学的に接触させ
たものである。

【００２２】そして、２本の光ファイバ11,12 のうちの
１本の光ファイバ11に数10ピコ秒以下の短かいパルス光
を入射させ、もう１本の光ファイバ12にこのパルス光が
転移することを利用して温度分布を測定するものであ
る。接続層13の外周は被覆層14によって被覆されてい
る。ツイン型ファイバ5 のコア9 の径は200 μm 、コア
9 の材質は石英ガラス (屈折率1.453 、温度係数 1×10
^-5/ ℃) である。クラッド10はシリコン系プラスチック
で構成され、その外径は280 μm 、屈折率は1.415 、温
度係数は-4×10^-4/℃である。接続層13はヘキサクロロ
ブタジエン (液体) で構成され、ツイン型ファイバ5 の
全体の径は製作上の都合で5mm とされている。

【００２３】なお、前記実施例ではツイン型ファイバ5
は、２本の光ファイバ11,12 を有し、これら各光ファイ
バ11,12 はコア9 とクラッド10とを夫々別個に備えてい
るが、これに代え、図８に示すようにツイン型ファイバ
5 は、光ファイバ11,12 を有し、これら各光ファイバ1
1,12 はコア9 を別個に備えると共にクラッド10を互い
に一体のものとし、そのクラッド10の外周を被覆層14で
被覆するように構成してもよい。また、図９に示すよう
にツイン型ファイバ5 は、内外二重に形成した光ファイ
バ11,12 を有し、その各光ファイバ11,12 のコア9 とク
ラッド10とを順次同心状に配置するように構成してもよ
い。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、散乱光の強いレーリー
散乱を有効に利用して温度分布の測定ができ、距離分解
能が大でかつ応答速度の速い温度分布測定が可能にな
り、その実用的効果は著大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す全体構成図である。

【図２】ツイン型ファイバの斜視図である。

【図３】ツイン型ファイバの断面図である。

【図４】作用説明用の通常の光ファイバの断面図であ
る。

【図５】後方散乱光強度と時間との関係を示すグラフで
ある。

【図６】作用説明用のツイン型ファイバの断面図であ
る。

【図７】ファイバ中に高・低温部があるときの後方散乱
光分布を示すグラフである。

【図８】他の実施例を示すツイン型ファイバの断面図で
ある。

【図９】他の実施例を示すツイン型ファイバの断面図で
ある。

【図１０】従来の問題点説明用のグラフである。

【図１１】従来の問題点説明用のグラフである。

【符号の説明】

５ツイン型ファイバ９コア 10 クラッド 11 光ファイバ 12 光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定しようとする区間に、屈折率の温度
係数の異なるコア(9) とクラッド(10)とを有する光ファ
イバ(11),(12) を２本並べて布設し、その２本の光ファ
イバ(11),(12) を光学的に接触させた状態で、一方の光
ファイバ(11)の一端より極めて短かいパルス巾の光を入
射させ、温度上昇部においてレーリー散乱によって他方
の光ファイバ(12)へ漏れ出た光パルスの散乱の大きさと
時間遅れを検出することにより、温度上昇部の温度と位
置とを特定することを特徴とする温度分布測定方法。