DE4019980A1 - Temperatursensoranordnung, die ueber eine faseroptik verteilt ist - Google Patents
Temperatursensoranordnung, die ueber eine faseroptik verteilt istInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein eine
Temperatursensoranordnung, die über eine Faseroptik
verteilt ist und Raman-Streulicht ausnutzt.
Eine faseroptische Temperaturverteilungs-Sensoranordnung,
die Raman-Streulicht verwendet, mißt eine Temperaturverteilung
entlang einer optischen Faser auf folgende
Art und Weise: unter Bezugnahme auf Fig. 46 der
beigefügten Zeichnung ist ein Lichtstrahl von einem
Ende der optischen Sensorfaser, der eine Wellenlänge
λo, eine Impulsbreite Tw und eine Impulsperiode Tp
hat, ein einfallender Lichtstrahl. Zurückgestreute
Lichtstrahlen (reflektiertes Licht) mit Komponenten
von Raman-Streulicht, das in der optischen Faser
erzeugt wird, von denen ein Stokes-Licht mit einer
Wellenlänge λs und das andere Anti-Stokes-Licht mit
einer Wellenlänge λas ist, werden mit einem Abtastzeitintervall
Ts gemessen, wobei eine Impulslichteinfallzeit
t=0 ist, wie in Fig. 47 gezeigt. Dann werden
die Zeitfunktionen Ia(t) und Is(t) der Intensität von
Anti-Stokes-Licht und Stokes-Licht jeweils als Funktionen
des Abtastzeitintervalls Ts erhalten. Mit der
Tatsache, daß das Verhältnis von Ia(t)/Is(t) eine reine
Funktion der Zeit ist, und mit der anderen Tatsache,
daß die Zeit, bis das Streulicht, das in einer Position
x in der optischen Faser erzeugt wird (nachdem der
Lichtimpuls eingegeben ist), zu dem Lichtimpuls-Einfallende
(Reflexionslicht-Meßteil) zurückkehrt, 2X/Co
(Co: Lichtgeschwindigkeit in der Lichtleitfaser) ist,
wird eine Temperaturverteilungsmessung entlang der optischen
Faser ausgeführt. Hier ist die zeitliche Breite
Tr (Fig. 47) für die Reflexionslichtmessung 2L/Co (L:
Länge der optischen Faser), und die in dieser Zeit Tr
gemessenen Daten geben Information über die Temperaturverteilung.
Die Messungen für das zurückgestreute Licht
aus Stokes-Licht und Anti-Stokes-Licht werden durch ein
Verfahren ausgeführt, welches ähnlich einem Verfahren
ist, welches für eine OTDR-(optische Reflektometrie in
der Zeitebene)-Einrichtung verwendet wird, die im allgemeinen
zum Erfassen von Brüchen oder Bruchpunkten der
Lichtleitfaser verwendet wird.
Ein Temperaturverteilungs-Meßsystem, daß diese
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Lichtleitfasertyp,
die einen Vorteil aus dem Raman-Streulicht
zieht, verwendet, wird z. B. wie folgt eingesetzt: Die
optische Faser (Sensor) wird entlang eines Netzkabels
verlegt, um die Temperaturverteilung entlang der Längsrichtung
des Kabels zu erfassen. Die Erfassung macht es
möglich, einen Grad der Leistungsübertragung zu steuern
und eine Verschlechterung des Kabels aufzufinden durch
Erfassen eines Abschnitts mit abnormal hoher Temperatur.
Es ist weiterhin möglich, ein Feuer zu erfassen,
wenn der Sensor in einer Fabrik, einem Gebäude oder
einem Tunnel verwendet wird.
Fig. 45 zeigt eine herkömmliche Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
vom Lichtleitfasertyp, die Raman-Streulicht
verwendet. Der Sensor enthält eine optische
Faser 6 als Sensor und ein Temperaturverteilungs-Meßsystem
2.
Impulslicht von einer Impulslichtquelle 4 für den Sensor
des Temperaturverteilungs-Meßsystems 2 wird in eine
Lichtleitfaser 6 (den Sensor selbst) über eine Lichtleitfaser
5a und eine optische Ausschalt- oder Verzweigungseinrichtung
bzw. einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
5 eingeführt. Ein Teil des zurückgestreuten
Lichts (reflektiertes Licht), das in der optischen
Sensorfaser 6 erzeugt wird, kehrt zu dem Meßsystem
2 zurück und wird in einen optischen Richtungskoppler
(Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer) 7
über den optischen Richtungskoppler (Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer)
5 und eine Lichtleitfaser 5b
geleitet.
Ein Teil des reflektierten Lichts, das von dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
7 geteilt ist,
wird in die optische Faser 7a eingeführt und dieser
Teil geht in ein Anti-Stokes-Lichtmeßsystem 30a derart,
daß die Zeitfunktion Ia(t) der Anti-Stokes-Lichtintensität
aus der Lichtintensität des zuvorerwähnten
Teils erhalten wird. Das optische Anti-Stokes-Meßsystem
30a enthält ein optisches Filter 8a für das
Anti-Stokes-Licht mit einer mittleren Wellenlänge λas,
eine Lichtempfangseinrichtung (Detektor) 9a und eine
Mittelungsschaltung 10a. Andererseits wird ein anderer
Teil des reflektierten Lichts, welches von dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
7 abgetrennt wird,
in eine andere optische Faser 7b eingeführt und wird in
ein Stokes-Licht-Meßsystem 30b derart geleitet, daß die
Zeitfunktion Is(t) der Stokes-Lichtintensität aus der
Lichtintensität des zuvorerwähnten anderen Teils erhalten
wird. Das optische Stokes-Meßsystem 30b enthält ein
optisches Filter 8b für das Stokes-Licht mit einer
mittleren Wellenlänge λs, eine Lichtempfangseinrichtung
(Detektor) 9b und eine Mittelungsschaltung 10b.
Ein Wert Ia(t)/Is(t) wird erhalten durch eine
Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11, um letztendlich
die Temperaturverteilung entlang der optischen
Sensorfaser zu gewinnen. Eine Einrichtung 16 dient zum
Anzeigen der Temperaturverteilung.
Bei einer herkömmlichen Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
vom Lichtleitfasertyp, die Raman-Streulicht
verwendet, wird das von der Lichtquelle
emittierte Licht in die optische Sensorfaser über den
Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5 geführt,
und das in der optischen Faser erzeugte Streulicht wird
über Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 5 und 7
als auch die optischen Filter zu dem Anti-Stokes-Licht-
oder dem Stokes-Licht-Meßsystem geführt. Daher trifft
ein Verlust von zumindest 9 dB an den Lichtwellenlängen-Aufteilern/Demultiplexern
gemäß einer theoretischen
Berechnung auf (3 dB, wenn Licht durch einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
geht). Dieser Verlust
verschlechtert die Meßgenauigkeit.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
über eine Faseroptik verteilte Temperatursensoranordnung
zu schaffen, die eine geringe Dämpfung von Signallicht
hat, um dadurch die Meßgenauigkeit zu erhöhen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine über eine Faseroptik verteilte Temperatursensoranordnung
geschaffen, die die Temperaturverteilung
entlang der Längsrichtung der optischen Faser ermittelt
durch Messen der Temperaturabhängigkeit der Intensität
von Raman-Streulicht, welches in der optischen Faser
erzeugt wird, und zwar unter Verwendung der OTDR-Technik,
dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von der
Lichtquelle in die optische Sensorfaser über einen
Lichtwellen-Aufteiler/Demultiplexer geführt wird, daß
Licht mit einer Wellenlänge in einem besonderen Bereich
von dem reflektierten Licht des zurückgestreuten
Lichts, welches von der optischen Sensorfaser zurückkehrt,
von zumindest einem optischen Filter reflektiert
wird oder durch dieses geht (der Lichtwellen-Aufteiler/Demultiplexer
enthält das optische Filter), um das
Licht aufzuteilen, und daß das optische Signal in die
Lichtempfangseinrichtung (Detektor) des optischen Meßsystems
geführt wird.
Die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexer-Einrichtung
enthält ein erstes Filter, welches die Wellenlänge der
Lichtquelle durchläßt und Raman-Streulicht reflektiert,
ein zweites Filter, das Licht empfängt, das von dem ersten
Filter reflektiert wird, und Raman-Streulicht reflektiert,
ein drittes Filter, das Licht empfängt, das
von dem zweiten Filter reflektiert wird, und Wellenlängen
von Anti-Stokes-Licht durchläßt und Wellenlängen
von Stokes-Licht reflektiert, und ein viertes Filter,
das Licht empfängt, das von dem dritten Filter reflektiert
wird, und Wellenlängen von Stokes-Licht reflektiert.
Vorzugsweise wird das Anti-Stokes-Licht, das
durch das dritte Filter geht, in das Meßsystem für das
Anti-Stokes-Licht geführt, und das von dem vierten Filter
reflektierte Stokes-Licht wird in das Meßsystem für
das Stokes-Licht geführt.
Bei einer Modifikation enthält die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexer-Einrichtung
ein erstes Filter,
das Wellenlängen der Lichtquelle durchläßt und
Raman-Streulicht reflektiert, und ein zweites Filter,
das Licht von der Lichtquelle, das durch das erste
Filter gegangen ist, durchläßt aber Anti-Stokes-Licht
reflektiert. In diesem Fall ist es möglich, daß das von
dem ersten Filter reflektierte Stokes-Licht in das Meßsystem
für das Stokes-Licht eingeführt wird, wohingegen
das von dem zweiten Filter reflektierte Anti-Stokes-Licht
in ein weiteres Meßsystem für das Anti-Stokes-Licht
eingeführt wird. Auch in diesem Fall ist vorzuziehen,
daß zumindest ein drittes Filter, das die Wellenlänge
der Lichtquelle durchläßt aber die Wellenlänge
von Stokes-Licht reflektiert, in dem optischen Weg vorgesehen
ist, der das von dem ersten Filter reflektierte
Stokes-Licht in das Stokes-Licht-Meßsystem führt, oder
daß ein viertes Filter, das Wellenlängen der Lichtquelle
durchläßt, aber Wellenlängen von Anti-Stokes-Licht
reflektiert, in einem optischen Weg vorgesehen ist, der
das von dem zweiten Filter reflektierte Anti-Stokes-Licht
in das Anti-Stokes-Licht-Meßsystem führt.
Vorzugsweise enthält der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
ein Bandpaßfilter, das Stokes-Licht
mit einer mittleren Wellenlänge λs in dem Raman-Streulicht
von Anti-Stokes-Licht mit einer mittleren
Wellenlänge λa in dem Raman-Streulicht trennt, und daß
das Bandpaßfilter den folgenden Gleichungen genügt
(1-3):
λs1 = λs - k1 · Δλs (1)
λs2 = λs + k2 · Δλs
λa1 = λa - k2 · Δλa (2)
λa2 = λa + k1 · Δλa
λs2 = λs + k2 · Δλs
λa1 = λa - k2 · Δλa (2)
λa2 = λa + k1 · Δλa
k1 = -0,2 to +0,5 (3)
k2 0,2
k2 0,2
wobei
λs1, λs2: Grenzwellenlänge des Bandpaßfilter für Stokes-Licht;
λa1, λa2: Grenzwellenlänge des Bandpaßfilter für Anti-Stokes-Licht;
Δλs: Differenz zwischen der mittleren Wellenlänge des Eingangslichts und der mittleren Wellenlänge von Stokes-Licht;
Δλa: Differenz zwischen der mittleren Wellenlänge des Eingangslichts und der mittleren Wellenlänge von Anti-Stokes-Licht;
λs1, λs2: Grenzwellenlänge des Bandpaßfilter für Stokes-Licht;
λa1, λa2: Grenzwellenlänge des Bandpaßfilter für Anti-Stokes-Licht;
Δλs: Differenz zwischen der mittleren Wellenlänge des Eingangslichts und der mittleren Wellenlänge von Stokes-Licht;
Δλa: Differenz zwischen der mittleren Wellenlänge des Eingangslichts und der mittleren Wellenlänge von Anti-Stokes-Licht;
Der optische Verlust der Lichtquelle und der des Lichtsignals
werden reduziert und die Meßgenauigkeit der
Temperaturverteilungs-Sensoreinrichtung wird verbessert
durch Ersetzen der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer,
die in einem Abschnitt, der das
Licht von der Lichtquelle in die optische Sensorfaser
führt, und in einem Abschnitt verwendet werden, der das
von der optischen Sensorfaser zurückkehrende
Lichtsignal in das optische Meßsystem führt, durch den
Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer, der die optischen
Filter enthält. Wenn das erste Filter, das die
Wellenlänge der Lichtquelle durchläßt aber Raman-Streulicht
reflektiert, und das zweite Filter das
Licht, das das erste Filter passiert hat, durchläßt
aber Anti-Stokes-Licht reflektiert, getrennt vorgesehen
sind, ist es möglich, die Länge des optischen Weges für
Anti-Stokes-Licht an die Länge des optischen Weges für
Stokes-Licht in dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
anzugleichen und weiterhin den räumlichen
Übertragungsverlust von Stokes-Licht an den von
Anti-Stokes-Licht anzugleichen. Das dritte oder das
vierte Filter machen es möglich, das Licht in die Richtung
zu emittieren, in der das Stokes-Licht-Meßsystem
oder das Anti-Stokes-Licht-Meßsystem angeordnet sind.
Wenn die Bandpaßfilter, die die Gleichungen (1), (2)
und (3) erfüllen, verwendet werden, wird der Unterschied
zwischen der optischen Intensität von Anti-Stokes-Licht
(oder Stokes-Licht) zu und der Intensität
von Rayleigh-Streulicht groß, so daß das Raman-Streulicht
effektiv erfaßt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom
Lichtleitfasertyp geschaffen, die ein Paar von Filtern
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine winkelmäßige
Einstellung beim Koppeln von zwei Lichtstrahlen möglich
ist durch gleichzeitige Drehung der zwei Filter, die
auf einer einzelnen, wechselseitig einstellenden Platte
derart gegenüberliegend angeordnet sind, daß die Abstandseinstellung
(der Abstand zwischen den zwei
Filtern auf der Platte) möglich ist, wodurch die Kopplungseinstellungen
zwischen den Lichtleitfaser-Verbindungsanschlüssen
leicht werden und die Koppeleffizienz
verbessert wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Detektieren einer verteilungskurvenartigen
Information von physikalischen Daten von
z. B. einem optischen Verlust entlang einer optischen
Faser geschaffen unter Verwendung eines Temperaturverteilungssensors
vom Lichtleitfasertyp, wobei Impulslicht
mit kurzen Zeitintervallen in die optische Faser
eingeführt wird, eine Vielzahl von zurückgestreuten
Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, die
in der optischen Faser bei dem Einführen des Impulslichts
erzeugt werden, mit den gleichen Abtastintervallen
empfangen werden, und eine verteilungskurvenartige
Information von physikalischen Daten, wie der optische
Verlust, entlang einer optischen Faser aus der relativen
Beziehung zwischen den abgetasteten Daten für die
Signale von jeweiligen Wellenlängen erfaßt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß bezüglich der Entfernungen in
der optischen Faser, die aus denselben Abtastnummern
und den Übertragungsraten der jeweiligen Wellenlängen
berechnet werden, wenn der Abstand erhalten wird unter
Verwendung des Lichts mit einer Referenzwellenlänge
sich von der Entfernung, die erhalten wird unter Verwendung
des Lichts mit einer unterschiedlichen Wellenlänge
unterscheidet, die Signalerzeugungsposition
des Lichts mit der unterschiedlichen Wellenlänge eingestellt
oder kompensiert wird unter Verwendung der Entfernungskomponenten,
Zeitkomponenten und Abtastnummern,
und zwar auf der Basis der jeweiligen Übertragungsraten
für die jeweiligen Wellenlängen derart, daß sie eine
etwa gleiche Entfernung erhält wie die Signalerzeugungsposition
der Referenzwellenlänge.
Wenn die Signalwellen der Vielzahl von zurückgestreuten
Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu
denselben Abtastzeitpunkten abgetastet werden, tritt
ein Unterschied zwischen dem Licht mit der Referenzwellenlänge
(Welle a) und dem anderen Licht mit einer unterschiedlichen
Wellenlänge (Welle b) bezüglich der berechneten
Entfernungen in der optischen Faser auf, da
die Übertragungsrate von der Wellenlänge abhängt. Diese
Differenz wird akkumuliert, wenn sich die Abtastnummer
erhöht. In der vorliegenden Erfindung werden, um diesen
Fehler zu eliminieren, die Informationen über die Entfernung
in der optischen Faser berechnet unter Berücksichtigung
des Übertragungsratenunterschieds zwischen
den Wellen a und b und die Informationen werden in eine
Vielzahl von Informationen bei den angenähert gleichen
Positionen gewandelt, um notwendige Informationen an
den kompensierten Positionen zu erhalten. Im Detail
werden die Entfernungskomponenten, die Zeitkomponenten
und/oder die Abtastanzahlen kompensiert, und zwar auf
der Basis der Übertragungsraten der Wellen a und b derart,
daß die Signalerzeugungsposition der Welle b
gleich der Signalerzeugungsposition der Welle a (die
Welle a ist die Referenzwelle) wird. Daher ist dieses
Verfahren in dem Fall von Vorteil, wo die Übertragungsraten
der Wellen a und b bekannt und konstant sind.
Eine Modifikation dieses Verfahrens ist wie folgt: Anstelle
des Verwendens der Übertragungsraten für die jeweiligen
bekannten Wellenlängen wird eine relative Geschwindigkeit
von jeweiligen Wellenlängen verwendet,
die aus Verhältnissen von Abtastnummern gewonnen wird,
oder es wird eine Zeit verwendet, die benötigt wird,
bis das gestreute Licht oder das reflektierte Licht von
einer bekannten Position in der optischen Faser, die
die Information erfaßt, zurückkehrt.
Gemäß dieser Modifikation werden die Übertragungsraten
ersetzt durch die relative Rate von jeweiligen Wellenlängen,
die aus einem Verhältnis von Zeiten gewonnen
wird, die benötigt werden, bis das gestreute oder das
reflektierte Licht von einer Position in der optischen
Faser zurückkehrt, was eine bereits bekannte Position
ist wie das entfernte Ende (freie Ende) der optischen
Faser, oder aus einem Verhältnis von Abtastnummern.
Daher ist dieser Ansatz von Vorteil, wenn die Übertragungsraten
der Wellen a und b unbekannt sind oder wenn
sie sich verändern.
Gemäß dem Verfahren des dritten Aspekts der vorliegenden
Erfindung mit der obigen Modifikation werden aus
der relativen Beziehung zwischen dem Wert des Signals
bei dem ersten Abtastzeitpunkt für das Licht mit der
Referenzwellenlänge und dem Wert bei dem Abtastzeitpunkt
entsprechend dem ersten Abtastzeitpunkt, der erhalten
wird aus Interpolation von zwei Werten von Licht
mit unterschiedlichen Wellenlängen zu Abtastzeitpunkten
vor und nach dem ersten Abtastzeitpunkt, Informationen
an einer Position erhalten, die aus dem ersten Abtastzeitpunkt
für das Licht mit der Referenzwellenlänge erhalten
wird, wodurch die Informationsverteilung entlang
der optischen Faser erhalten wird.
Weiterhin wird die Information bei der Position des
Lichts mit der Referenzwellenlänge aus der relativen
Beziehung des Werts des Signals von dem Licht mit der
Referenzwellenlänge bei einem gewissen Abtastzeitpunkt
oder einer gewissen Abtastposition und dem Wert zu
einer Zeit oder einer Position entsprechend der zuvorerwähnten
gewissen Zeit oder Position erhalten, die aus
einer Interpolation von zwei Werten von Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen zu Zeiten oder Positionen
vor oder nach dem zuvor erwähnten gewissen Abtastzeitpunkt
oder der gewissen Position erhalten wird.
Eine weitere Modifikation ist wie folgt: Bezüglich der
Entfernung in der optischen Faser, die aus denselben
Abtastanzahlen und den Übertragungsraten der jeweiligen
Wellenlängen berechnet wird, wobei die Entfernung, die
aus dem Licht mit der Referenzwellenlänge erhalten
wird, unterschiedlich ist von der Entfernung, die aus
einem anderen Licht mit einer anderen Wellenlänge erhalten
wird, und diese Entfernungsdifferenz eine vorbestimmte
Entfernung überschreitet, die innerhalb einer
Entfernung liegt, die aus dem Abtastintervall und der
Übertragungsrate (oder der relativen Rate) des Lichts
mit der Referenzwellenlänge berechnet wird, werden die
Abtastnummern um eins verschoben, und dieses Verschieben
der Abtastnummern wird wiederholt, wenn die vorbestimmte
Entfernung überschritten wird. Eine Informationsverteilung
wird aus der relativen Beziehung zwischen
Signalwerten des Lichts mit der anderen Wellenlänge,
die auf diese Weise erhalten wird, und Signalwerten
des Lichts mit der Referenzwellenlänge erhalten.
Gemäß dieser Modifikation werden jedesmal, wenn die
Entfernungsdifferenz ein vorbestimmtes Entfernungsintervall
wie die Hälfte einer Entfernung La, die aus dem
Abtastintervall und der Übertragungsrate von Licht mit
der Referenzwellenlänge oder der relativen Rate berechnet
wird, erreicht, die Abtastanzahlen hiernach um eins
verschoben und das Verschieben wird wiederholt. In
diesem Fall - wie in dem vor dieser Modifikation beschriebenen
Fall - werden die Signalerzeugungspositionen
der Wellen a und b angepaßt, um miteinander übereinzustimmen.
Ein Ausdruck "um ein vorbestimmtes Entfernungsintervall
zu erreichen" kann bedeuten "um eine
Zeit entsprechend der vorbestimmten Entfernung zu erreichen"
und/oder "um eine Abtastnummer entsprechend
der vorbestimmten Entfernung zu erreichen".
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine über eine Faseroptik verteilte Temperatursensor-Anordnung
geschaffen, die eine Temperaturverteilung
in der Nähe des freien Endes der optischen Faser erfassen
kann. Hierzu wird eine Antireflexbehandlung an den
freien Endabschnitt der optischen Faser aufgebracht, um
das an den freien Endabschnitt reflektierte Licht beträchtlich
zu verringern. Dies eliminiert den Einfluß
von reflektiertem Licht am freien Endabschnitt auf das
gestreute Licht und macht es möglich, die Temperaturverteilung
entlang der gesamten optischen Faser zu messen.
Die Antireflexbehandlung kann durch andere Maßnahmen
ersetzt werden. Zum Beispiel kann ein GaAs-Sensor mit
GaAs und einem reflektierenden Film an dem freien Ende
der Lichtleitfaser vorgesehen sein. Das durch die optische
Faser übertragene Licht wird durch den GaAs-Sensor
am freien Ende der optischen Faser reflektiert und wieder
über die optische Faser übertragen. In dieser Situation
wird das Licht von einer ersten Laserstrahlquelle,
d.h das Licht mit einer kurzen Wellenlänge,
welches leicht von dem GaAs absorbiert wird, von dem
GaAs absorbiert, so daß das reflektierte Licht reduziert
wird. Andererseits, da das Licht einer zweiten
Laserstrahlquelle, d. h. das Licht mit einer langen Wellenlänge,
das als Referenzlicht dient, von dem GaAs
nicht absorbiert wird, bleibt dieses reflektierte Licht
konstant. Das Licht mit der Wellenlänge in der Nähe der
Endwellenlänge des absorbierenden Bereichs des GaAs-Sensors,
d. h. das Rayleigh-Streulicht, wird von einer
ersten Lichtempfangseinrichtung (einem ersten Detektor)
detektiert, wohingegen das Referenzlicht des GaAs-Sensors
von einer zweiten Lichtempfangseinrichtung
(einem zweiten Detektor) detektiert wird, und dann wird
ein Stärkenverhältnis dieser zwei Lichtstrahlen berechnet,
um eine Temperatur am freien Ende der optischen
Faser zu erhalten.
Als eine Modifikation des vorangegangenen können Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
an einem oder mehreren
Teilen der optischen Sensorfaser vorgesehen sein
und die GaAs-Sensoren mit GaAs und dem reflektierenden
Film werden an den freien Enden der verzweigten optischen
Fasern angebracht.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Messen einer Temperaturverteilung
unter Verwendung eines Steuersignal-Meßsystems und
einer APD (Avalanche-Fotodiode) geschaffen, dadurch
gekennzeichnet, daß ein gemittelter Wert
(Meßergebnisse) der Intensitäten des Anti-Stokes-Lichts
und des Stokes-Lichts des Steuersignal-Meßsystems, das
zum Steuern einer Erfassungsempfindlichkeit der APD
verwendet wird, nicht direkt verwendet wird. Stattdessen
wird eine Temperatur des Steuersignal-Meßsystems
verarbeitet und auch als eine Information für die APD-Erfassungsempfindlichkeits-Steuerung
verwendet.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine Temperaturverteilung-Meßsensoranordnung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Berechnungseinrichtung
zum Erhalten der Übertragungsverlustdifferenz
von zwei Komponenten (dem Anti-Stokes-Licht und
dem Stokes-Licht) des Raman-Streulichts vorgesehen ist,
die notwendig ist zur Berechnung der Temperaturverteilung
unter Verwendung der gemessenen Raman-Streulichtintensität, wodurch die Temperaturverteilungsmessung
einer beliebigen optischen Faser mit hoher
Genauigkeit realisiert wird, selbst wenn sich der Übertragungsverlust
mit der Zeit ändert. Mit dieser Sensoranordnung
wird eine Beziehung zwischen dem Übertragungsverlust
der optischen Faser und den gemessenen
Werten von zwei Komponenten von Raman-Streulicht abgeleitet,
der Einfluß des Übertragungsverlustes der optischen
Faser auf die Temperaturmessung wird eliminiert
und der Übertragungsverlust für die zwei Komponenten
von Raman-Streulicht wird aus der zuvor genannten Beziehung
erhalten.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine Temperaturverteilungs-Meßsensoranordnung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Reflexionsplatte am freien Ende der optischen Sensorfaser
derart vorgesehen ist, daß das von einem Meßsystem
eingegebene Licht vollständig durch die Reflexionsplatte
reflektiert wird, und daß das Meßsystem eine optische
Meßeinheit zum Messen einer (z. B. dem Anti-Stokes-Licht)
von zwei Komponenten des zurückgestreuten Lichts
der optischen Sensorfaser und eine
Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung enthält zum
Erhalten der Temperaturverteilung entlang der optischen
Sensorfaser durch Verarbeiten der Streulichtintensität
a′ von durch die Reflexionsplatte reflektiertem Licht
und einer Streulichtintensität a von übertragenem Licht
eines optischen Impulses, der von einer Lichtquelle
ausgegeben wird, wobei das Licht von einer Lichtquelle
emittiert und von der optischen Meßeinheit gemessen
wird.
Da es möglich ist, die Temperaturinformation unter Verwendung
von nur einer Komponente des Raman-Streulichts
zu gewinnen und der Einfluß des optischen Verlustes
durch die Verarbeitung einer Summe der Streulichtintensitäten
a und a′ eliminiert wird, wird die Meßgenauigkeit
bemerkenswert verbessert. Weiterhin ist die Anordnung
einfach und kostengünstig.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine Temperaturverteilungs-Meßsensoranordnung geschaffen,
dadurch gekennzeichnet, daß, um eine Temperatur
eines Objektes das kleiner ist als die minimale,
von dem System erfaßbare Entfernung, zu erfassen, die
optische Faser auf eine Länge von mehr als dem zweifachen
der minimal erfaßbaren Entfernung ausgezogen wird
und dieser ausgezogene Abschnitt in der Form einer "8"
gewunden und in einem ovalen Gehäuse plaziert wird, um
einen Spotsensor vom Lichtleitfasertyp ohne Schleifen
und Diffusions- bzw. Schmelzkoppeln der optischen Sensorfaser
zu bilden, die bereits installiert ist.
Der Grund, warum der 8förmige optische Faserteil gebildet
wird, ist wie folgt: Wenn die optische Faser geschnitten
bzw. geschliffen und gewunden wird, ist es
möglich, die optische Faser während des Windens nicht
zu verdrehen. Ohne Schleifen, wenn die optische Faser
gewunden wird, wird die optische Faser jedoch um eine
Drehung (360°) pro Windung verdreht, so daß die Anzahl
der Verdrehungen sich proportional mit der Anzahl der
Windungen erhöht. Andererseits, wenn die optische Faser
in der Form einer "8" gewunden ist, wird die optische
Faser mit der ersten halben Windung in einer Richtung
um 180° verdreht und bei der zweiten halben Windung in
entgegengesetzter Richtung um 180° gedreht, wodurch die
Verdrehungen ausgeglichen sind und sich die Anzahl der
Verdrehungen nicht erhöht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Es zeigt
Fig. 1 Eine Ansicht, die eine Ausführungsform
eines faseroptischen Temperaturverteilungssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Ansicht, die einen
Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
erläutert,
der für den Sensor nach Fig. 1 verwendet
wird;
Fig. 3 einen Satz von charakteristischen
Diagrammen von optischen Filtern, die
für die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung
nach Fig. 2 verwendet werden;
Fig. 4 ein Satz von Spektraldiagrammen von
Raman-Streulicht;
Fig. 5 eine Ansicht eines Bands eines Bandpaßfilters;
Fig. 6 ein Satz von Ansichten, die hilfreich
sind, um Charakteristiken des optischen
Filters und der optischen Intensität
des Streulichts zu erläutern,
was einer der Hauptteile der
vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 7 Charakteristiken eines optischen Filters,
welches in einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
verwendet wird;
Fig. 8 einen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer,
der in einer dritten
und einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung verwendet
wird;
Fig. 9 Charakteristiken eines optischen Filters,
welches in der dritten Ausführungsform
verwendet wird;
Fig. 10 ein Satz von charakteristischen Diagrammen
von optischen Filtern, die in
der fünften bis achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet
werden;
Fig. 11 Kombinationen der optischen Filter,
die in der fünften bis achten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
verwendet werden;
Fig. 12 ein Beispiel der Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung,
die in einer neunten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet
wird;
Fig. 13 einen Satz von Ansichten, die charakteristische
Diagramme von optischen
Filtern zeigen, die für die Lichtwellen-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung
nach Fig. 12 verwendet werden;
Fig. 14 ein Satz von Ansichten, die Charakteristiken
von optischen Filtern zeigen,
die in einer zehnten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
verwendet werden;
Fig. 15 einen optischen Wellenaufteiler einer
elften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 16 einen Satz von Ansichten, die Charakteristiken
von optischen Filtern zeigen,
die in der zehnten und elften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
verwendet werden;
Fig. 17 Kombination von optischen Filtern,
die in der dreizehnten bis sechzehnten
Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet werden;
Fig. 18 eine Ausführungsform der Licht-Aufteilungs/Demultiplexereinrichtung
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 19 eine Schnittansicht eines Entfernungseinstellmechanismus
des optischen
Wellenaufteilers nach Fig. 18;
Fig. 20 ein Satz von Ansichten, die Charakteristiken
der optischen Filter zeigen,
die für den Wellenaufteiler nach Fig. 18
verwendet werden;
Fig. 21 eine Ansicht, die hilfreich ist, um
einen Fall zu erläutern, bei dem Signale
bei unterschiedlichen Positionen
empfangen werden, wenn Wellenlängen
von zurückgestreutem Licht unterschiedlich
sind, und zwar selbst wenn
sie zum gleichen Zeitpunkt abgetastet
werden;
Fig. 22 ein Beispiel, wie Signale bei angenähert
denselben Positionen unter den
empfangenen Signalen aufgenommen werden;
Fig. 23 einen Satz von Ansichten, die eine
konkrete Technik zeigen, wie Signale
von einem freien Ende einer optischen
Faser zu gewinnen sind;
Fig. 24 einen Satz von Ansichten, die eine
Technik zeigen, wie das freie Ende
herauszufinden ist, wenn das zurückgestreute
Licht in der Nähe des freien
Endes und das reflektierte
Fresnel-Licht innerhalb eines kurzen
Zeitintervalls zurückkehren;
Fig. 25 ein Satz von Ansichten, die hilfreich
sind, um einen Betrieb einer herkömmlichen
faseroptischen Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
zu erläutern;
Fig. 26 eine Schnittansicht, die das freie
Ende der optischen Faser der faseroptischen
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
zeigt;
Fig. 27 einen Satz von Ansichten, die hilfreich
sind, einen Betrieb der faseroptischen
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
der vorliegenden Erfindung
zu erläutern;
Fig. 28 eine perspektivische Ansicht eines zu
messenden Gegenstandes;
Fig. 29(A) ein Blockdiagramm der Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
vom Lichtleitfasertyp
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 29(B) ein Konstruktionsdiagramm des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers;
Fig. 29(C) die Charakteristiken der in dem
Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
verwendeten optischen Filters;
Fig. 30 ein freies Ende der Lichtleitfaser
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 31 ein weiteres Blockdiagramm der Temperatursensor-Anordnung
vom Lichtleitfasertyp
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 32 ein Signal, das den freien Enden der
Lichtleitfaser entspricht, an denen
die GaAs-Sensoren angebracht sind;
Fig. 33 ein Relaxations-Phänomen, welches in
einem Meßergebnis der Temperaturverteilung
auftritt;
Fig. 34 ein weiteres Blockdiagramm einer
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 35 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 36 ein Satz von Ansichten, die hilfreich
sind, um einen Übertragungsverlust
der optischen Fasern zu erläutern,
wobei Fig. 36(a) insbesondere einen
Fall zeigt, bei dem ein Absorptionsverlust
in einem bestimmten Wellenlängenbereich
auftritt, und Fig. 36(b)
ein Meßergebnis der Übertragungsverlustdifferenz
der Lichtleitfaser
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
Fig. 37 ein schematisches Blockdiagramm der
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
vom Lichtleitfasertyp gemäß der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 38 ein Meßergebnis der Veränderung der
Intensität des zurückgestreuten
Lichts mit der Zeit, und zwar gemessen
durch die Sensoranordnung nach
Fig. 37;
Fig. 39 ein Meßergebnis der Intensität des
zurückgestreuten Lichts entlang der
optischen Faser, und zwar gemessen
durch die Sensoranordnung nach Fig. 37;
Fig. 40 ein Meßergebnis einer Beziehung zwischen
der Intensität des zurückgestreuten
Lichts, die nur von der Temperatur
und der Entfernung in der
optischen Faser abhängt;
Fig. 41 ein Meßergebnis der Intensität des
zurückgestreuten Lichts entlang der
optischen Faser, wenn der Rayleigh-Streuverlust
entfernt wird;
Fig. 42 eine schematische Gesamtschnittansicht
des Spot-Sensors vom Lichtleitfasertyp
gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
Fig. 43 eine Schnittansicht, die entlang der
Linie B-B der Fig. 42 genommen wird;
Fig. 44 ein Diagramm, das einen Verdrehungseffekt
hinsichtlich einer Beziehung
zwischen einem Biegedurchmesser und
optischen Verlustcharakteristiken
zeigt;
Fig. 45 eine herkömmliche Temperaturverteilungs-Sensoranordnung
vom Lichtleitfasertyp;
Fig. 46 ein Zeitdiagramm eines Beispiels der
in die Lichtleitfaser geleiteten
Impulslichtfolge; und
Fig. 47 ein Zeitdiagramm des reflektierten
Lichts.
Im folgenden wird die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung erläutert.
Der Aufbau eines Temperaturverteilungssensors vom
Lichtleitfasertyp, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist ähnlich
dem herkömmlichen Sensor, der in Fig. 45 gezeigt
ist. Es wird jedoch ein Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
15 zwischen einer pulsierenden Lichtquelle
4, einer optischen Faser 6 für den Sensor und
Lichtempfangseinrichtungen (Detektoren) 30a, 30b verwendet.
Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
15 aus Verbindungsanschlüssen
P1, P2, P3 und P4 und optischen Filtern F1, F2, F3
und F4 aufgebaut. Die optischen Filter haben jeweils
die in Fig. 3 gezeigten Charakteristiken.
In Fig. 3 sind eine mittlere Wellenlänge λo des von der
Lichtquelle emittierten Lichts, eine Wellenlänge λa von
Anti-Stokes-Licht, eine Wellenlänge λs von Stokes-Licht
und ein Segment gezeigt, welches durch die schrägen Linien
angedeutet ist und für einen Bereich steht, in dem
keine Vorkehrungen oder Bestimmungen dahingehend getroffen
wurden, ob Licht durchgeht oder reflektiert
wird. Ein erster Filter F1 dieser optischen Filter hat
die Charakteristik, daß es Licht mit der Wellenlänge λo
durchläßt und Licht mit den Wellenlängen λa, λs
reflektiert. Ein zweites Filter F2 ist geeignet zum
Empfangen des von dem ersten Filter reflektierten
Lichts und hat eine Charakteristik, die die Wellenlängen
λa, λs reflektiert. Das Filter F2 hat jedoch einen
Bereich, in dem keine Festlegung getroffen wurde, ob
Licht mit der Wellenlänge λo durchgelassen oder reflektiert
wird, und zwar da kein Anlaß besteht. Ein drittes
Filter F3 empfängt von dem zweiten Filter F2 reflektiertes
Licht und läßt Licht mit der Wellenlänge λa gedämpft
durch, reflektiert Licht mit der Wellenlänge λs
und ist für die Wellenlänge λo nicht spezifiziert. Ein
viertes Filter F4 hat eine Charakteristik, durch die es
Wellenlängen λs reflektiert und bezüglich der Wellenlängen
λa und λo nicht spezifiziert ist.
In dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15
sind die Lichtquelle 4 mit dem Verbindungsanschluß P1,
die Lichtleitfaser 6 mit dem Verbindungsanschluß P2,
ein Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht mit dem Verbindungsanschluß
P3 und ein Meßsystem 30b für Stokes-Licht
mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden. Demzufolge
wird Licht mit der Wellenlänge λo, das von der Lichtquelle
an dem Verbindungsanschluß P1 angelegt wird,
über das erste Filter F1 in die Lichtleitfaser 6 des
Verbindungsanschlusses 2 eingeführt. Licht mit der Wellenlänge
λa aus dem zurückgestreuten Licht, das von der
Lichtleitphase 6 zurückkehrt, wird von dem ersten Filter
F1 und dem zweiten Filter F2 reflektiert und erreicht
das dritte Filter F3, durch das es durchgeht,
und wird dann in das Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht
eingeführt. Licht mit der Wellenlänge λs wird von
den Filtern F1, F2, F3 und F4 reflektiert und dann über
den Verbindungsanschluß P4 in das Meßsystem 30b für
Stokes-Licht eingeführt.
Wenn der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15
mit dem oben beschriebenen Aufbau verwendet wird, wird
der zwischen der Lichtquelle 4, der Lichtleitfaser 6
und den Lichtempfängern 9a oder 9b hervorgerufene
Lichtverlust wie folgt bestimmt. Man nimmt an, daß der
Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht in der Form
von parallelen Strahlen zwischen zwei Verbindungsanschlüssen
übertragen wird, 2 dB beträgt, der Lichtverlust,
der erzeugt wird, wenn Licht durch die optischen
Filter geht, 0,5 dB pro Filter (eine Lage) beträgt und
der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht von den
optischen Filtern reflektiert wird, 0,25 dB pro Lage
beträgt. Mit anderen Worten beträgt der Lichtverlust,
der zwischen der Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser 6
erzeugt wird, 2,5 dB (= 2 + 0,5), der zwischen der
Lichtleitfaser 6 und dem Lichtempfänger 9a für Anti-Stokes-Licht
erzeugte Lichtverlust wird 3 dB
(= 2 + 0,5 + 0,25 × 2), und der zwischen der Lichtleitfaser
6 und dem Lichtempfänger 9b für Stokes-Licht entwickelte
Lichtverlust wird 3,5 dB (= 2 + 0,5 + 0,25 × 4).
Somit ist der Gesamtlichtverlust zwischen der Lichtquelle
4, der Lichtleitfaser 6 und dem Empfänger 9a
bzw. 9b 5,5 dB für Anti-Stokes-Licht (λa) und beträgt
6,0 dB für Stokes-Licht (λs).
Andererseits, unter der Annahme, daß der durch einen
herkömmlichen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
5, 7 erzeugte Lichtverlust 4 dB (Verzweigungsverlust
3 dB + Überschußverlust 1 dB) beträgt und der bei dem
optischen Filter erzeugte Raumübertragungsverlust 1 dB
beträgt, wird der Gesamtlichtverlust bei einem Verfahren,
bei dem der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
5, 7 und optische Filter 8a, 8b verwendet
werden, zu 13,5 dB (= 4 × 3 + 1 + 0,5).
Demgemäß kann bei Anwendung der vorliegenden Erfindung
der Lichtverlust um 8 dB (13,5 - 5,5) oder 7,5 dB reduziert
werden. Wenn man den Übertragungsverlust der
Lichtleitfaser für eine Strecke zu 3 dB/km annimmt,
kann die Wirkung der Lichtverlustreduzierung um 8 dB
eine Reichweite erzeugen, die 1,3 km für die Hin- und
die Rückstrecke beträgt. Demzufolge kann eine zu messende
Entfernung 1,3 km länger sein, ohne die Meßgenauigkeit
zu verändern. Somit führt die vorliegende Erfindung
zu einer weiteren Verbesserung bezüglich der Entfernung.
Bislang ist eine prinzipielle Beschreibung des Aufbaus
und der Merkmale der genannten Ausführungsform gemacht
worden. Eine Ausführungsform, bei der Raman-gestreutes
Licht effizient erfaßt wird, wird nachstehend genauer
beschrieben.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung zur Beschreibung
des Spektrums von Raman-gestreutem Licht, wobei Fig. 4(a)
ein Diagramm ist, das den Aufbau des Lichts zeigt,
und Fig. 4(b) ein Diagramm ist, das das tatsächlich
durch die Lichtleitfaser gemessene Spektrum zeigt.
Die Wellenlänge (λr) von Rayleigh-gestreutem Licht ist
die gleiche wie die Wellenlänge (λo). Die Wellenlänge
(λs) von Stokes-Licht und die Wellenlänge (λa) von
Anti-Stokes-Licht, die das Raman-gestreute Licht bilden,
werden jedoch so erzeugt, daß sie nur um +Δλs
bzw. -Δλa von der Wellenlänge des einfallenden Lichts
abweichen. Das Raman-gestreute Licht ist schwach gestreutes
Licht, das um etwa eine Anzahl von 2-3 Figuren
verglichen mit dem Rayleigh-gestreutem Licht reduziert
ist, und die Abweichungen (Δλs und Δλa) der Wellenlängen
sind klein (um 30 mm). Daher wird die folgende
Einrichtung bzw. das folgende Gerät notwendig, um
das Raman-gestreute Licht getrennt von dem Rayleigh-gestreuten
Licht zu erfassen.
Zunächst zeigt Fig. 5 den Aufbau eines Bandes eines
Bandpaßfilters. Die Wellenlängen λ₁ und λ₂ von diesem
Band zeigen die Punkte, bei denen das übertragene
Licht um 3 dB gegenüber einer mittleren Wellenlänge λfo
reduziert ist.
Die Intensität Is von Stokes-Licht ist unter Verwendung
eines solchen Bandpaßfilters untersucht worden.
Die Ausführungsform 1 zum tatsächlichen Messen dieser
Intensität Is wird in Fig. 6 gezeigt.
Fig. 6(a) zeigt die Beziehung zwischen der Intensität
Is von Stokes-Licht und der Intensität Ir von Rayleigh-gestreutem
Licht, die erhalten wird in Abhängigkeit von
Veränderungen in der Wellenlänge λs1 auf der Seite
der Kurzwellen, wobei angenommen wird, daß die Wellenlänge
λs2 auf der Seite der Langwellen außerhalb der
Wellenlängen λs1-λs2 bei dem Bandpaß für Stokes-Licht
konstant ist (λs2 = λs + Δλs). Somit wird aus
der Zeichnung das folgende ersichtlich.
- (1) Das Rayleigh-gestreute Licht Ir wird bezüglich seiner Intensität in der Form einer Exponentialfunktion reduziert, wenn sich die Wellenlänge λs1 auf der Seite der Kurzwellen des Bandpasses für Stokes-Licht erhöht.
- (2) Die Intensität Is vom Stokes-Licht wird auch reduziert, wenn sich die Wellenlänge λs1 auf der Seite der Kurzwellen bei dem Bandpaß erhöht. Der Grad der Abnahme ist jedoch gering.
- (3) Der Bereich der Wellenlänge λs1 bei dem Punkt, wo die Intensität Is von Stokes-Licht hinreichend größer ist als die von Rayleigh-gestreutem Licht wird wie folgt bestimmt: gs1 λ₀ + 0,5 Δλs = λs - 0,5 Δλs
- (4) Wenn λs1 λo + 1,2 Δλs = λs + 0,2 Δλs, dann wird die Intensität Is von Stokes-Licht reduziert.
Fig. 6(b) zeigt die Intensität Is von Stokes-Licht, die
erhalten wird in Abhängigkeit von Veränderungen der
Wellenlänge λs2 auf der Seite der Langwellen, und
zwar unter der Annahme, daß die Wellenlänge λs1 auf
der Seite der Kurzwellen, außerhalb der Wellenlängen
λs1-λs2 von dem Bandpaß von Stokes-Licht, konstant
ist (λs1=λs-0,5 Δλs).
Die Intensität Is von Stokes-Licht wird größer, wenn
sich die Wellenlänge λs2 erhöht. Die Reduktionswirkung
erscheint jedoch positiv, wenn der folgende Ausdruck
angewandt wird:
λs2 λs + 0,2 λs.
Hiernach erhöht sich die Intensität Is von Stokes-Licht
graduell.
Obwohl die Intensität von Rayleigh-gestreutem Licht in
der vorliegenden Zeichnung nicht gezeigt ist, wird dessen
Intensität in diesem Bereich vernachlässigbar
klein.
Demzufolge wird das Durchgangsband (λs1, λs2: diese
werden durch die Wellenlänge bei einem Punkt bestimmt,
der um 3 dB gegenüber der mittleren Wellenlänge λs,
d. h. einem Übertragungswert, reduziert ist) des
Bandpaßfilters, welches für die Trennung von Stokes-Licht
geeignet ist, durch die in Fig. 6 gezeigten Charakteristik
wie folgt ausgedrückt:
λs1 = λs - k1 · Δλs,
λs2 = λs + k2 · Δλs,
k1 = -0,2 ∼ +0,5,
k2 0,2.
Somit ist das Stokes-Licht in der genannten Ausführungsform
1 beschrieben worden. Auf ähnliche Weise
wurde über ein dem zuvorgenannten ähnliches Experiment
herausgefunden, daß das Durchgangsband (λa1, λa2)
des Bandpaßfilters, das durch die folgenden Ausdrücke
wiedergegeben wird, geeignet ist als eine Einrichtung
zur effektiven Trennung von Anti-Stokes-Licht.
λa1 = λa - k2 · Δλa,
λa2 = λa + k1 · Δλa,
k1 = -0,2 ∼ +0,5,
k2 0,2.
Im folgenden werden weitere Ausführungsformen 2 bis 8
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der vorbeschriebenen Ausführungsform ist der Verbindungsanschluß
P3 mit dem Anti-Stokes-Licht-Meßsystem
verbunden, wohingegen der Verbindungsanschluß P4 mit
dem Stokes-Licht-Meßsystem verbunden ist. Wenn jedoch
der Verbindungsanschluß P4 als eine Alternative für den
Verbindungsanschluß P3 verwendet wird und mit dem Meßsystem
für Anti-Stokes-Licht verbunden wird, und umgekehrt,
verbleiben die Eigenschaften des ersten Filters
F1 und des zweiten Filters F2 unverändert und die Eigenschaften
des dritten Filters F3 und des vierten Filters
F4 verändern sich zu den in Fig. 7 gezeigten,
womit die gleichen gewünschten Effekte wie bei der vorangegangenen
Ausführungsform vorweggenommen werden können.
Wie in Fig. 8 gezeigt, wenn ein fünftes Filter F5 mit
der in Fig. 9 gezeigten Charakteristik zusätzlich zwischen
dem vierten Filter F4 und dem Verbindungsanschluß
P4 gemäß der Struktur der Fig. 1 als der ersten Ausführungsform
vorgesehen ist, wird der Grad der Eliminierungskapazität
für Licht mit der gegebenen Wellenlänge
erhöht, das aus der Lichtquelle emittiert und in das
Stokes-Licht-Meßsystem 30s eintritt, das mit dem Verbindungsschluß
P4 verbunden ist, was es möglich macht,
eine hervorragende Charakteristik des Temperaturverteilungssensors
vom Lichtleitfasertyp zu erhalten.
Auf ähnliche Weise wie in der zuvor beschriebenen zweiten
Ausführungsform, wenn ein optisches Filter mit der
gleichen Funktion wie das in der Ausführungsform 3 verwendete
zusätzlich in derselben Position wie das fünfte
Filter F5 nach Fig. 8 vorgesehen ist, kann der Grad der
Lösch- bzw. Dämpfungskapazität für Licht mit der gegebenen
Wellenlänge erhöht werden, das aus der Lichtquelle
emittiert und in das Anti-Stokes-Licht-Meßsystem 30a
eintritt, das mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden
ist.
In den erläuterten Ausführungsformen 1 bis 4 unterscheiden
sich die Charakteristiken der in einem einzelnen
Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer verwendeten
optischen Filter alle voneinander. Wenn jedoch optische
Filter in Kombination verwendet werden, die die
Charakteristiken gemäß "a" bis "e" haben, die in Fig. 10
gezeigt sind, können optische Filter mit den gleichen
Charakteristiken in zwei oder mehr Positionen verwendet
werden, was die Herstellungskosten verringert.
Zwei oder drei Arten von Filtercharakteristiken können
aus den in Fig. 10 gezeigten Filtercharakteristiken
ausgesucht werden. Es ist jedoch wünschenswert, die optischen
Filter zu verwenden, die in einer in Fig. 11
gezeigten Tabelle mit einem "*" markiert sind, um den
Grad des Eintritts von Licht mit der gegebenen Wellenlänge
bis zum Äußersten zu reduzieren, das von der
Lichtquelle emittiert und in das Lichtmeßsystem eingeführt
wird, und den Grad des Eintritts von Licht mit
der gegebenen Wellenlänge bis zum Äußersten zu reduzieren,
das sich von einer gewissen in dem Lichtmeßsystem
zu messenden Wellenlänge unterscheidet.
Wenn - wie zuvor beschrieben - die Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
5, 7 (Fig. 45), die in einem
Abschnitt zum Einführen von Licht, das von der Lichtquelle
emittiert wird, in die optische Faser für den
Sensor und in einem Abschnitt zum Einführen von Licht
als ein Signal, das von der optischen Faser zurückkehrt,
in ein optisches Meßsystem verwendet werden,
durch den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15
(Fig. 2) aus optischen Filtern ersetzt werden, wird sowohl
der Verlust des Lichts als das Signal und des von
der Lichtquelle emittierten Lichts gering, so daß die
Meßgenauigkeit des Temperaturverteilungssensors vom
Lichtleitfasertyp im großem Maße verbessert wird.
Der in Fig. 2 gezeigte Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
hat jedoch den Nachteil, daß die
Lichtweglänge von Stokes-Licht, das zu dem Verbindungsanschluß
P4 des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers
15 übertragen wird, länger ist als
die von Anti-Stokes-Licht, das zu dem Verbindungsanschluß
P3 übertragen wird, so daß der Raumübertragungsverlust
zwischen den Verbindungsanschlüssen P2 und P4
größer ist als der zwischen den Verbindungsanschlüssen
P2 und P3. Der Raumübertragungsverlust zwischen den
Verbindungsanschlüssen P2 und P3 kann auf 2 dB gesetzt
werden, wohingegen der Raumübertragungsverlust zwischen
den Verbindungsanschlüssen P2 und P4 4 dB beträgt, was
einen Überschußverlust von 2 dB ergibt verglichen mit
dem Raumübertragungsverlust zwischen den Verbindungsanschlüssen
P2 und P3.
Die in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform 9 ist derart
aufgebaut, daß der Raumübertragungsverlust von sowohl
Anti-Stokes-Licht als auch Stokes-Licht, als die zwei
Komponenten von Raman-gestreutem Licht, dessen Verlust
innerhalb des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers
erzeugt wird, reduziert ist, so daß
die verteilte Temperatur bzw. die Temperaturverteilung
letztendlich mit hoher Genauigkeit gemessen werden
kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 12 ist ein Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
15 aus Verbindungsanschlüssen
P1 bis P4 und vier optischen Filtern F11, F12, F21
und F22 auf die gleiche Weise wie die in Fig. 2 gezeigten
aufgebaut. Dieser Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
15 ist jedoch von dem in Fig. 2 gezeigten
dahingehend unterschiedlich, daß die optischen
Filter in zwei Gruppen unterteilt sind, d. h. ein Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
(F11, F12) wird
für Stokes-Licht verwendet, und ein weiteres Verzweigungssystem
(F21, F22) wird für Anti-Stokes-Licht verwendet,
und für diese jeweiligen optischen Filter sind
werden optische Filter mit den in Fig. 13 gezeigten
Charakteristiken verwendet.
In Fig. 13 sind eine mittlere Längenwelle λo von Licht,
welches von der Lichtquelle emittiert, eine Wellenlänge
λa von Anti-Stokes-Licht und eine Wellenlänge λs von
Stokes-Licht gezeigt. Ein erstes Filter F11 des Verzweigungssystems
für Stokes-Licht läßt Licht mit der
Wellenlänge λo durch und reflektiert nicht mit der Wellenlänge
λs. Ein zweites Filter F21 des Verzweigungssystems
für Anti-Stokes-Licht hat eine Charakteristik,
die Licht mit der Wellenlänge λo, welches durch das
erste Filter F11 gegangen ist, durchläßt und Licht mit
der Wellenlänge λa reflektiert. Ein drittes Filter F12
des Verzweigungssystems für Stokes-Licht empfängt das
von dem ersten Filter F11 reflektierte Licht und hat
eine Charakteristik, so daß es Licht mit der Wellenlänge
λa gedämpft durchläßt und Licht mit der Wellenlänge
λo gedämpft durchläßt. Ein viertes Filter F22 des Verzweigungssystems
für Anti-Stokes-Licht empfängt das von
dem zweiten Filter F21 reflektierte Licht und hat eine
Charakteristik, so daß dicht mit der Wellenlänge λa reflektiert
und Licht mit der Wellenlänge λo durchläßt,
wobei dieses gedämpft wird.
In dem obigen Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
15 ist sind die Lichtquelle 4 mit dem Verbindungsanschluß
P1 verbunden, die Lichtleitfaser 6 für den Sensor
ist mit dem Verbindungsanschluß P2 verbunden, das
Meßsystem 30b für das Stokes-Licht ist mit dem Verbindungsanschluß
P4 verbunden und das Meßsystem 30a für
Anti-Stokes-Licht ist mit dem Verbindungsanschluß P3
verbunden. Demzufolge wird Licht mit der Wellenlänge
λo, welches über den Verbindungsanschluß P1 von der
Lichtquelle emittiert wird, in die Lichtleitfaser 6 des
Verbindungsanschlusses P2 über das erste Filter F11 und
das zweite Filter F21 eingeführt. Licht mit der Wellenlänge
λa aus dem zurückgestreuten Licht, welches von
der Lichtleitfaser 6 zurückkehrt, wird von dem zweiten
Filter F21 auf das vierte Filter F22 reflektiert, gefolgt
von einer weiteren Reflexion durch das vierte
Filter F22, und in das Meßsystem 30a für Anti-Stokes-Licht
über den Verbindungsanschluß P3 eingeführt. Licht
mit der Wellenlänge λs aus diesem zurückgestreuten
Licht läuft durch das optische Filter F21 und wird
hiernach von dem ersten Filter F11 reflektiert, gefolgt
von einer weiteren Reflexion durch das dritte Filter
F12, und dann in das Meßsystem 30b für Stokes-Licht
über den Verbindungsanschluß P4 eingeführt.
Wenn der Lichtwellenlängen-Aufteilungs/Demultiplexer 15
mit dem in Fig. 12 gezeigten Aufbau verwendet wird,
wird der zwischen der pulsierenden Lichtquelle 4, der
Lichtleitfaser 6 und den Lichtempfängern 9a oder 9b erzeugte
Lichtverlust wie folgt bestimmt, wobei angenommen
wird, daß der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn
Licht in der Form von parallelen Strahlen zwischen zwei
Verbindungsanschlüssen übertragen wird, 2 dB beträgt,
der Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht durch
die optischen Filter geht, 0,5 dB/Lage beträgt, und der
Lichtverlust, der erzeugt wird, wenn Licht von den optischen
Filtern reflektiert wird, 0,25 dB/Lage beträgt.
Mit anderen Worten wird der zwischen der Lichtquelle 4
und der Lichtleitfaser 6 erzeugte Lichtverlust 3,0 dB
(= 2 + 0,5 × 2), der zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem
Lichtempfänger 9a für Anti-Stokes-Licht erzeugte Lichtverlust
wird 2,5 dB (= 2 + 0,25 × 2), und der zwischen der
Lichtleitfaser 6 und dem Lichtempfänger 9b für Stokes-Licht
erzeugte Lichtverlust wird 3,0 dB
(= 2 + 0,5 + 0,25 × 2). Somit beträgt der Gesamtlichtverlust
zwischen der Lichtquelle 4, der Lichtleitfaser 6
und dem Empfänger 9a bzw. 9b 5,5 dB für Anti-Stokes-Licht
(λa), wohingegen er für Stokes-Licht (λs) 6,0 dB
beträgt.
Andererseits, wo der Lichtwellenlängen-Aufteilungs/Demultiplexer,
der in Fig. 2 gezeigt ist,
verwendet wird auf eine ähnliche Weise wie zuvor beschrieben,
ergibt sich der Lichtverlust, der auf der
Basis eines derartigen Verfahrens - wie zuvor genannt -
berechnet ist, wie folgt. Mit anderen Worten wird der
Lichtverlust zwischen der Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser
6 zu 2,5 dB (= 2 + 0,5) und der Lichtverlust
zwischen der Lichtleitfaser 6 und dem Empfänger 9a für
Anti-Stokes-Licht wird 3,0 dB (= 2 + 0,5 + 0,25 × 2). Somit
ergibt sich der Gesamtlichtverlust zwischen der Lichtquelle,
der Lichtleitfaser und dem Empfänger zu 5,5 dB
für Anti-Stokes-Licht (λa), wohingegen er sich für
Stokes-Licht (λs) zu 6,0 dB ergibt. Bisher ist der Gesamtlichtverlust
der gleiche wie der in Fig. 12.
Wie zuvor herausgestellt, ist das durch das
tatsächliche Messen des Lichtverlusts in dem Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
nach Fig. 4 erhaltene
Ergebnis derart, daß der Geamtlichtverlust für Stokes-Licht
(λs) um 2 dB größer ist verglichen mit dem berechneten
Wert, und somit ist der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
nach Fig. 12 dem nach Fig. 2 um
einen solchen Grad, d. h. um 2 dB überlegen. Das durch
die tatsächliche Messung erhaltene Ergebnis für den Gesamtlichtverlust
bei dem Aufbau nach Fig. 12 ergibt
sich so, daß der Lichtverlust für Anti-Stokes-Licht
(λa) insgesamt 5,6 dB beträgt und für Stokes-Licht (λs)
insgesamt 6,1 dB beträgt. Somit sind die tatsächlichen
Werte wie berechnet und es ist bestätigt, daß der Aufbau
nach Fig. 12 dem nach Fig. 2 überlegen ist.
Auf die oben beschriebene Art und Weise kann der Lichtverlust
beträchtlich reduziert werden, indem man die
optischen Filter, die als optische Kuppler für den Temperaturverteilungssensor
vom Lichtleitfasertyp dienen,
als einen Typ auslegt bei dem Licht mit der Wellenlänge
λo, das von der Lichtquelle emittiert wird, nur zwischen
der pulsierenden Lichtquelle 4 und der Lichtleitfaser
6, dem Verbindungsanschluß (P4), d. h. dem Lichtempfangsanschluß
für das Stokes-Licht, und dem Verbindungsanschluß (P3), d. h. dem Lichtempfangsanschluß für
das Anti-Stokes-Licht, übertragen wird, wobei nur das
Licht mit seinen jeweiligen Wellenlängenbändern übertragen
wird, und indem man den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer
mit dem Aufbau verwendet, bei dem
der Lichtverlust für Stokes-Licht im wesentlichen ähnlich
ist zu dem für Anti-Stokes-Licht.
Auf ähnliche Weise wird in der zuvor beschriebenen Ausführungsform
9 das Durchlaßband (λs1, λs2: Diese
sind bestimmt durch die Wellenlänge bei dem Punkt, der
um 3 dB gegenüber der mittleren Wellenlänge λs reduziert
ist, d. h. dem Übertragungswert) des Bandpaßfilters,
welches geeignet ist zur Trennung von Stokes-Licht,
durch die in Fig. 6 gezeigte Charakteristik ausgedrückt:
λs1 = λs - k1 · Δλs,
λs2 = λs + k2 · Δλs,
k1 = -0,2 ∼ +0,5,
k2 0,2.
Zusätzlich sind die folgenden Ausdrücke geeignet als
das Durchlaßband (λa1, λa2) des Bandpaßfilters zur
effektiven Trennung für das Anti-Stokes-Licht.
λa1 = λa - k2 · Δλa,
λa2 = λa + k1 · Δλa,
k1 = -0,2 ∼ +0,5,
k2 0,2.
Im folgenden werden die Ausführungsformen 10 bis 16 der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist der Verbindungsanschluß
P3 mit dem Stokes-Licht-Meßsystem und
der Verbindungsanschluß P4 mit dem Anti-Stokes-Licht-Meßsystem
verbunden. Selbst wenn der Verbindungsanschluß
P4 als eine Alternative für den Verbindungsanschluß
P3 verwendet wird, der mit der Meßschaltung für
das Stokes-Licht verbunden ist, und umgekehrt, und die
Charakteristiken der zu verwendenden optischen Filter
verändert werden zu denen, die in Fig. 14 gezeigt sind,
können dennoch die gleichen gewünschten Effekte wie bei
der zuvorstehenden Ausführungsform erhaltenen vorweggenommen
werden.
Wie in Fig. 15 gezeigt, wenn ein fünftes Filter F13 mit
der in Fig. 9 gezeigten Charakteristik zusätzlich zwischen
dem vierten Filter F12 und dem Verbindungsanschluß
P4 oder ein sechstes Filter F23 mit der in Fig. 16
gezeigten Charakteristik zusätzlich zwischen dem
vierten Filter F22 und dem Verbindungsanschluß P3, oder
gar sowohl das fünfte Filter F13 als auch das sechste
Filter F23 in der Struktur nach Fig. 12 als der neunten
Ausführungsform vorgesehen sind, erhöht sich der Grad
der Auslöschkapazität für Licht mit der gegebenen Wellenlänge
λo, welches von der Lichtquelle emittiert und
in die Meßschaltung 30s für das Stokes-Licht eintritt,
die mit dem Verbindungsanschluß P4 verbunden ist, oder
der Grad der Auslöschkapazität für Licht mit der gegebenen
Wellenlänge, das von der Lichtquelle emittiert
wird und in die Meßschaltung 30a für das Anti-Stokes-Licht
eintritt, die mit dem Verbindungsanschluß P3 verbunden
ist, wird erhöht, wodurch es möglich wird, eine
hervorragende Charakteristik des Temperaturverteilungssensors
vom Lichtleitfasertyp zu erhalten.
Auf ähnliche Weise kann in der zuvor stehenden zehnten
Ausführungsform, wenn optische Filter mit der gleichen
Funktion wie die in der Ausführungsform 11 verwendeten
zusätzlich in den gleichen Positionen als das fünfte
Filter F13 und das sechste Filter F23 nach Fig. 15 vorgesehen
sind, kann der Grad der Auslöschkapazität für
Licht mit der gegebenen Wellenlänge erhöht werden, welches
von der Lichtquelle emittiert und in die Meßschaltung
30a für Anti-Stokes-Licht und in die Meßschaltung
30s für das Stokes-Licht eintritt, die jeweils mit den
Verbindungsanschlüssen P3, P4 verbunden sind.
Zusätzlich zu der Kombination der verwendeten optischen
Filter können die optischen Filter vom Typ "a" bis "e",
die in Fig. 10 gezeigt sind, in Kombination verwendet
werden, wie es in Fig. 17 erläutert ist. Zwei oder drei
Arten von Filtercharakteristiken können aus den in Fig. 10
gezeigten Filtercharakteristiken ausgewählt werden.
Es ist jedoch wünschenswert, die optischen Filter zu
verwenden, die mit einem "*" in der Tabelle in Fig. 11
markiert sind, um den Grad des Eintritts von Licht mit
der gegebenen Wellenlänge, welches von der Lichtquelle
emittiert wird, in das Lichtmeßsystem und den Grad des
Eintritts von Licht mit der gegebenen Wellenlänge, die
anders ist als die gewisse, zu messende Wellenlänge, in
das Lichtmeßsystem bis zum Äußersten zu reduzieren. Es
gibt jedoch einen Fall, wo andere Filter als die zuvor
in Verbindung mit der Herstellungstechnik der Filter
genannten vorzuziehen sind.
Fig. 18 zeigt eine Gesamtansicht eines Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers
50 mit einem Einstellungsmechanismus.
Der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 50 ist im
wesentlichen derselbe wie der in Fig. 15 und enthält
Verbindungsanschlüsse P1, P2, P3 und P4 und optische
Filter F11, F12, F13, F21, F22 und F23. Die Charakteristiken
der verwendeten optischen Filter entsprechen den
in Fig. 20 gezeigten. Auch die Funktion der jeweiligen
Verbindungsanschlüsse P1 bis P4 ist die gleiche wie in
Fig. 1.
Bei der Lichtaufteilungseinheit 15 nach Fig. 1 ist es
jedoch wichtig, die Filter und die Positionen und Winkel
der Verbindungsanschlüsse derart einzustellen, daß
jedes Filter seine beste Eigenschaft hat und daß die
Verbindungsanschlüsse effektiv verbunden sind. Daher
ist der Lichtverzweigungseinheit 50 nach Fig. 18 ein
Winkeleinstellmechanismus und ein Abstandseinstellmechanismus
beigeordnet.
Zunächst wird der Winkeleinstellmechanismus erläutert.
Die optischen Filter F13 und F23 sind - unabhängig von
anderen Filtern - auf jeweiligen Einstellplatten 51a
und 51b montiert, die an einer Basis des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers
50 derart gelagert
sind, daß die Einstellplatten rotierbar sind, was es
möglich macht, die optischen Achsen der Filter nachzustellen.
Andererseits sind ein Paar von optischen Filtern F11
und F12 bzw. ein weiteres Paar von optischen Filtern
F21 und F22 ebenfalls mit einem Winkeleinstellmechanismus
versehen. In diesem Fall sind die folgenden Punkte
zu berücksichtigen.
Die optischen Filter F11 und F12 und die optischen Filter
F21 und F22 haben eine reflektierende Funktion.
Daher ändern sich die Richtungen der optischen Achsen
bei einer Drehung der optischen Filter. Demzufolge können
die optischen Achsen hinsichtlich ihrer Positionen
beträchtlich verändert werden, wenn sie sich weit
entfernen, z. B. bei den Verbindungsanschlüssen P1 bis
P4. Wenn man ein Paar von optischen Filtern F11 und F12
und ein weiteres Paar von optischen Filtern F21 und F22
annimmt, sind, wenn F11 und F12 getrennt gedreht werden,
um den Winkel bezüglich der optischen Achse einzustellen,
und um zur gleichen Zeit die Diskrepanz oder
die Fehlanpassung der optischen Achsen des ankommenden
und herausgehenden Lichts nachzustellen, das durch die
optischen Filter läuft, eine Anzahl von Kombinationen
von Drehbetrag und Drehrichtung möglich. Dies bedeutet
in einem tatsächlichen Fall, daß es nahezu unmöglich
ist, die beste Kombination durch einen "trial and
error"-Ansatz
herauszufinden.
Daher verändert der Winkeleinstellmechanismus die Achse
bezüglich des optischen Weges, während er die Winkel
zwischen zwei optischen Filtern jedes Paars nicht verändert.
Insbesondere werden die optischen Filter F11
und F12 als ein Satz behandelt und die optischen Filter
F21 und F22 als ein weiterer Satz. Die etwa gleichen
Filter F11 und F12 sind parallel zueinander auf der
Einstellplatte 53a montiert und die etwa gleichen Filter
F21 und F22 sind parallel zueinander auf der weiteren
Einstellplatte 53b auf ähnliche Weise montiert. Die
Einstellplatte 53a und 53b sind um Kreise bzw. Achsen
52 als Rotationsmitten drehbar (Fig. 18). Die zwei Filter
(F11 und F12 bzw. F21 und F22) werden gleichzeitig
eingestellt.
Mit diesem Winkeleinstellmechanismus werden die Achse
des ankommenden Lichts und die Achse des abgehenden
Lichts, das durch diese zwei Filter läuft, nur hinsichtlich
ihrer Position verändert, wobei die
Richtungen unverändert bleiben, so daß die Einstellung
einfacher wird.
Die Positionsfehlanpassung der Achsen des ankommenden
und des abgehenden Lichts aufgrund der Rotation enthält
jedoch die Reflexion zwischen zwei beabstandeten Filtern.
Daher ist die Positionsfehlanpassung wesentlich
größer als in dem Fall, wo nur ein dünnes Filter passiert
wird. Demzufolge ist es erforderlich, die Positionen
der Verbindungsanschlüsse P3 und P4 oder anderer
Elemente einzustellen.
Hierzu wird ein einstellbarer Mechanismus am Aufnahmeabschnitt
des Hauptkörpers der Lichtaufteilungseinrichtung
als auch an den Verbindungsanschlüssen P1 bis P4
verwendet. Insbesondere wird zunächst der Verbindungsanschluß
P1 festgelegt. Dann werden die Verbindungsanschlüsse
P2 bis P4 vorgesehen und die Filter F13 und
F23 als auch ein Paar von Filtern F11 und F12 und ein
Paar von Filtern F21 und F22 werden temporär festgelegt.
Dann werden die Winkel und Orte der Filter F11-F12,
F21-F22 und von P2 derart eingestellt, daß das von
dem Verbindungsanschluß P1 ankommende Licht λo am effizientesten
von dem Verbindungsanschluß P2 emittiert
wird wohingegen die Filter F11 und F12 derart eingestellt
werden, daß die λo-Komponente nicht über die
Verbindungsanschlüsse P3 und P4 herausgeht. Hiernach
werden die Filter F11-F12, F21-F22, F13 und F23 derart
eingestellt, daß das ankommende Licht λs von dem Verbindungsanschluß
P2 am effizientesten in den Verbindungsanschluß
P4 emittiert wird. Eine ähnliche Einstellung
wird für das Licht λa durchgeführt, das von dem
Verbindungsanschluß P2 kommt und in den Verbindungsanschluß
P3 zu emittieren ist.
Während der aufeinanderfolgenden Einstellung verdirbt
eine jeweils folgende Einstellung die vorangegangene
Einstellung und der Einstellungsprozeß muß mehrfach
wiederholt werden. Ein äußerst sorgfältiger Einstellungsprozeß
unter Verwendung eines Prototyps ergab die
folgenden Ergebnisse bezüglich einer Kopplungseffizienz:
P1→P2, 55%; P2→P3, 45%; und P2→P4, 40%. Diese
Werte sind jeweils um 10% niedriger als die Werte für
einen Fall, bei dem die Einstellungen separat bei jedem
Verbindungsanschluß ausgeführt werden.
Als nächstes wird eine Entfernungseinstellung erläutert.
Der Winkeleinstellmechanismus ist nicht ausreichend, da
zu viele Faktoren einzustellen sind und eine Einstellung,
die alle Anforderungen erfüllt, nahezu unmöglich
ist. Wenn die Koppeleffizienz der Lichtwellen-Aufteilungseinrichtung,
des Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers
schlecht ist, werden die S/N-Verhältnisse
von Anti-Stokes-Licht und von Stokes-Licht
schlecht, obwohl sie ursprünglich klein sind. Demzufolge
wird eine Verbesserung von S/N durch die Mittelungs-Schaltung
schwierig, was die Genauigkeit der Temperaturverteilungserfassung
verschlechtert.
Ein Grund, warum die Einstellung als Ganzes schwierig
ist, liegt daran, daß, obwohl jedes Paar von zwei Filtern
gemeinsam gedreht wird und keine Diskrepanz bezüglich
der Richtungen der optischen Achsen besteht, die
Diskrepanz der optischen Achsenposition groß ist und
eine feinfühlige Einstellung der Position zum Absorbieren
und Einstellen der großen Diskrepanz auf der Ebene,
auf der die Verbindungsanschlüsse montiert werden,
schwierig und kompliziert ist. Ein weiterer Grund liegt
darin, daß sich der Einfallwinkel der optischen Achse
bei der Ebene, auf der die Verbindungsanschlüsse montiert
sind, leicht ändert und die Kopplung verschlechtert
wird.
Deshalb wird der Abstandseinstellmechanismus 53 vorgesehen,
der den Abstand zwischen zwei sich gegenüberliegenden
optischen Filtern verändert, ohne den relativen
Winkel zwischen diesen zu verändern. Im Detail sind
daher - wie in Fig. 19 gezeigt - die Einstellplatten
53a und 53b, die jeweils diese zwei optischen Filter
halten, aus zwei Elementen aufgebaut, d. h. einer Basis
54 und einem beweglichen Teil 55, der derart vorgesehen
ist, daß der relativ zu der Basis 54 nur in der durch
den Pfeil angegebenen Richtung verschiebbar ist.
Mit dem Abstandseinstellmechanismus ist die folgende
Einstellung möglich: Die Einstellung der Einstellplatte
53b, die die optischen Filter F21 und F22 festlegt,
stellt den Winkel der optischen Filter unter Verwendung
des Dreheinstellmechanismus nach. Dann wird der Abstand
zwischen dem Lichtweg (P2→F21), der an dem optischen
Filter F21 ankommt, und dem Lichtweg (F22→F23), der
aus dem optischen Filter F22 herausgeht, (diese Lichtwege
haben einen Parallelversatz bzw. eine parallele
Diskrepanz aufgrund dieser Rotationseinstellung) eingestellt
durch Bewegen des beweglichen Abschnitts 55 in
der durch den Pfeil angezeigten Richtung, um diesen an
Ort und Stelle zu bringen. Dies gilt auch für die Einstellung
der Einstellplatte 53a, die die optischen Filter
F11 und F12 hält.
Es ist daher möglich, den Abstand zwischen den optischen
Achsen des ankommenden/abgehenden Lichts zu/von
den zwei optischen Filtern, die auf den Einstellplatten
53a bzw. 53b montiert sind, unabhängig von ihrer Dreheinstellung
aufrechtzuerhalten.
Eine Koppeleinstellung wurde an der Lichtwellen-Aufteileinrichtung
mit dem Winkeleinstellmechanismus und dem
Abstandseinstellmechanismus ausgeführt und die folgenden
Koppeleffizienzen wurden erhalten: 65% von dem Verbindungsanschluß
P1 nach P2; 55% von P2 nach P3; und
50% von P2 nach P4. Diese Daten sind nahezu gleich den
Koppeleffizienzen, die durch getrennte Einstellungen
für jeden optischen Weg erhalten werden. Dies bedeutet,
daß die Koppeleffizienz hinreichend gering ist.
In Fig. 19, um den beweglichen Abschnitt 55 festzulegen,
nachdem er in der Richtung des Pfeils bewegt ist,
kann ein Vorsprung an der unteren Fläche des beweglichen
Abschnitts 55 vorgesehen sein und eine Ausnehmung,
in die der Vorsprung eingreifen kann, kann auf der oberen
Fläche der Basis 54 sein, oder Führungselemente
können an dem beweglichen Abschnitt 55 und/oder der
Basis 54 entlang deren Seiten derart vorgesehen sein,
daß der bewegliche Abschnitt 55 gleitbar auf der Basis
54 geführt wird.
Weiterhin können auch Bolzen und Muttern als auch Bohrungen
für die Bolzen vorgesehen und ausgebildet sein,
um den beweglichen Abschnitt 55 festzulegen.
86301 00070 552 001000280000000200012000285918619000040 0002004019980 00004 86182
Da die Winkeleinstellung durch die gleichzeitige Drehung
von 2 Filtern, die auf einer einzelnen Einstellplatte
gegenüberliegend befestigt sind, möglich ist und
die Abstandseinstellung (der Abstand zwischen den 2
Filtern auf der Gegenplatte) möglich ist, werden die
Koppeleinstellungen zwischen den Verbindungsanschlüssen
P1 und P2, P2 und P3, und P2 und P4 einfach und die
Koppeleffizienz wird verbessert.
Das von dem zuvor erwähnten Temperaturverteilungssensor
(Fig. 1) erfaßte reflektierte Licht ist im allgemeinen
das zurückgestreute Licht und kehrt an das Einfallende
mit einer Zeitverzögerung in Längsrichtung der Lichtleitfaser
zurück. Um die Auflösungsleistung in Längsrichtung
bezüglich der Information zu erhöhen, erfährt
das zurückgekehrte Rückstreulicht eine
Abtastdatenverarbeitung mit kurzen Zeitintervallen nach
einer Licht/Elektrizitätswandlung.
Wenn der Wellenlängenunterschied der zu erfassenden
Wellenkomponenten klein genug ist, ist die Geschwindigkeit
der Wellenlängen zueinander nahezu gleich. Wenn
darüberhinaus die Länge der zu erfassenden optischen
Faser kurz ist, kehrt das zurückgestreute Licht von
einer bestimmten Stelle unabhängig von der Wellenlänge
in nahezu der gleichen Zeit zurück, so daß bei der Messung
kein Problem auftritt.
Wenn jedoch zwischen den zu erfassenden Wellenlängen
ein großer Unterschied besteht, sind die Übertragungsraten
oder -geschwindigkeiten voneinander unterschiedlich.
Um daher die Temperaturinformation von einer bestimmten
Stelle zu erhalten, ist es notwendig, die Abtastdatenverarbeitung
mit Zeitintervallen auszuführen,
die den Übertragungsraten der jeweiligen Wellenlängen
entsprechen.
Wenn man z. B. annimmt, daß die Übertragungsrate von dem
Einfallicht von der Lichtquelle Vo ist, ist die Übertragungsrate
eine Komponente a des zurückgestreuten
Lichts Va, die optische Signalintensität der gleichen
Komponente a ist Ia, die Übertragungsrate einer anderen
Komponente b des zurückgestreuten Lichts ist Vb, die
optische Signalintensität dieser anderen Komponente b
ist Ib, der Abstand zu dem zu messenden Punkt der
Lichtleitfaser ist x und die Zeit, die verstreicht,
nachdem das Impulslicht die Lichtleitfaser betritt, ist
t, und die zwei Komponenten a und b des von dem Punkt x
zurückgestreuten Lichts kehren zu dem Einfallende nach
dem Ablauf Zeiten ta bzw. tb zurück. In diesem Fall
sind die Zeiten ta und tb gegeben durch die folgenden
Ausdrücke:
ta = x/Vo + x/Va = x (1/Vo + 1/Va),
tb = x/Vo + x/Vb = x (1/Vo + 1/Vb).
Nimmt man an, daß die Welle a mit der Zeit ta abgetastet
wird, ist die optische Signalintensität der Welle
gegeben durch Ia(ta) und dies ist die Abtastinformation
für die Entfernung x, wobei der Wert Ib(ta), der mit
der gleichen Zeit abgetastet wird, als die Abtastinformation
nicht in der Entfernung x sondern in der Entfernung
x (1/Vo+1/Va)/(1/Vo+1/Vb) gemäß der genannten
Beziehung angenommen wird.
Um daher eine genaue Abtastinformation über die optische
Signalintensität Ib der Welle b in der Entfernung
x zu erhalten, ist es notwendig, nicht nur mit ta sondern
auch mit tb′ abzutasten, was wie folgt gegeben
ist:
tb′ = ta (1/Vo + 1/Vb)/(1/Vo + 1/Va).
Wenn eine ideale Abtastverarbeitung möglich ist, wird
die Welle a mit Zeitintervallen Δta abgetastet und die
Welle b wird mit Zeitintervallen Δtb abgetastet. Dies
macht es möglich, die Informationen für die Entfernung
x für beide Wellen unter Verwendung von ta und tb′ zu
erhalten.
Bei einem realen Erfassungssystem besteht jedoch ein
Problem.
Zum Beispiel wird ein Fall angenommen, wo Vo = 200 m/µs,
Va = 201 m/µs, Vb = 198 m/µs und das Abtastintervall = 20 ns
ist. In diesem Fall werden die Abtastinformationen
von jedem 2,004987---m-Intervall entsprechen der Abtastordnung
1,2,3,---,i,---,N erhalten. Wenn die Welle b
mit dem gleichen Abtastintervall verarbeitet wird, werden
Abtastinformationen von jedem 1,989949---m-Intervall
erhalten. Dies ist ein Unterschied von nahezu
2 Metern. Daher, wenn eine gewisse physikalische Werteinformation
F berechnet wird unter Verwendung der Daten
Ia und Ib erscheint es, daß die Werteinformation F die
Information innerhalb der erlaubten 2 Meter Intervalle
ist.
Wenn die 50. Abtastinformation der Wellen a und b verwendet
wird, ist das für die Welle a erhaltene Datum
ein Datum in der Entfernung 100,24935 Metern, wohingegen
das erhaltene Datum für die Welle b ein Datum in
der Entfernung 99,49745 Meter ist. In einem bestimmten
Fall besteht kein Problem, den physikalischen Informationswert
F unter Verwendung dieser Daten zu berechnen.
Die Entfernung für die Welle a ist jedoch 1002,49 m ≒
1002 m und die Entfernung für die Welle b ist 994,97 m ≒
995 m, wenn die 500. Abtastinformation verwendet wird.
Die physikalischen Informationsdaten, die unter Verwendung
dieser zwei Entfernungen erhalten werden, die sich
voneinander um etwa 7 Meter unterscheiden, sind nutzlose
Daten. Idealerweise ist Δtb gegeben durch den folgenden
Ausdruck:
Δtb = Δta (200 + 201)/(200 + 198) = (20,15075 ---).
Wenn eine derartige Zeitsteuerung von einer Digitalschaltung
ausgeführt wird, muß ein Impulssignal von
0,00001 ns gezählt werden und die Wellen a und b werden
dann bei den jeweiligen Zählständen von 2 000 000
und 2 015 114 abgetastet. Um dies zu tun, ist es jedoch
notwendig, eine Hochfrequenzschaltung vorzusehen, die
0,00001 ns steuern kann. Dies ist praktisch nicht möglich.
Zusätzlich muß die Lichtleitfaser eine Länge von
etwa 17,7 Kilometern haben, um mit dem Impuls von
0,01 ns zu zählen und den Unterschied zwischen den Wellen
a und b innerhalb 1 m aufrechtzuerhalten oder zu unterdrücken.
Zusammenfassend, um die physikalische Information zu
erfassen unter Verwendung einer Vielzahl von Wellenlängen,
wobei die Genauigkeit der Erfassungsposition und
die Information adäquat aufrechterhalten werden, ist
eine hochgenaue und strenge Steuerung für die Abtastzeitgabe
notwendig. Die Übertragungsraten der jeweiligen
Wellenlängen müssen in einem solchen Fall allein in
Betracht gezogen werden. Diese Steuerung ist nahezu unmöglich
hinsichtlich der Kosten und der Technik.
Weiterhin, selbst wenn eine gewisse Steuerung für das
System ausgeführt wird, tritt ein Entfernungsfehler
auf, wenn die Lichtleitfaser sich über eine bestimmte
Länge erstreckt, so daß es unmöglich ist, die gesamte
Lichtleitfaser abzudecken.
Darüberhinaus wird ein noch ernsteres Problem angenommen
aufgrund von Fehlern in der Abtast-Zeitsteuerung
und anderen negativen Faktoren wie die Wellenveränderung
der OTDR-Lichtquelle aufgrund von Umgebungsbedingungen,
z. B. aufgrund einer Temperaturveränderung der
Umgebung.
Die folgenden Passagen handeln von einer
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung, die eine Vielzahl
von Wellen unter Verwendung der Entfernung mit
einem Fehler innerhalb eines erlaubten Bereiches durch
eine tatsächlich mögliche Art und Weise erfaßt.
Fig. 21 zeigt einen Fall, bei dem eine Vielzahl von
Wellen (zwei Wellen) empfangen werden und die Zeitveränderung
in eine Positionsveränderung konvertiert wird.
Beide Wellen werden mit den gleichen Zeitpunkten abgetastet,
für die Welle a werden jedoch Daten eines längeren
Intervalls erhalten, da die Übertragungsrate der
Welle a schneller ist als die der Welle b.
Üblicherweise werden das i-te Datum der Welle a und das
i-te Datum der Welle b aufgenommen, um Ia(i) und Ib(i)
zu berechnen und dann S(i) zu erhalten.
Wenn jedoch - wie auf der rechten Seite der Fig. 21 gezeigt
- die Daten vom Punkt k, der weit vom Punkt i
entfernt ist, verwendet werden, um Ia(k) und Ib(k) zu
berechnen, ist das erhaltene S(k) ein Datum, das die
Daten von einem Punkt k-1 und nicht k bezüglich der
Welle a verwendet, was von Daten des Punktes k durch
das Abtastzeitintervall für die Welle a unterschiedlich
ist, d. h. ΔLa. Theoretisch muß S(k-1) erhalten werden
unter Verwendung von Ia(k-1) und Ib(k).
Um dies zu realisieren, ist es notwendig, zwei Fälle zu
erläutern: Einen Fall, bei dem die Übertragungsraten Va
und Vb den Wellen a und b jeweils bereits bekannt sind,
und den anderen Fall, bei dem diese Raten bzw. Geschwindigkeiten
nicht bekannt sind.
Wenn die Übertragungsraten Va und Vb unterschiedlich
sind, jedoch konstante Werte haben, sind die folgenden
zwei Ansätze (i) und (ii) verfügbar.
(i) Um abgetastete Signale auf der Basis der Größe von
s auszuwählen:
Im Detail werden - wie in Fig. 22 gezeigt - bis der Abstandsunterschied Δx(j) zwischen Ia(j) (Ia bei der j-ten Position) und Ib(j) (Ib bei der j-ten Position) die Gleichung
Im Detail werden - wie in Fig. 22 gezeigt - bis der Abstandsunterschied Δx(j) zwischen Ia(j) (Ia bei der j-ten Position) und Ib(j) (Ib bei der j-ten Position) die Gleichung
Δx(j) < ΔLa/2
erfüllt, Ia(j) und Ib(j) verwendet, wonach, d. h. wenn
Δx(j+1) ΔLa/2,
Ia(j) und Ib(j+1) verwendet werden.
In diesen zwei Fällen werden zwei S(j) für die gleiche
Entfernung j erhalten. Einer von diesen wird ausgewählt
oder der Mittelwert der zwei S(j) wird verwendet in
Übereinstimmung mit zusätzlichen Faktoren bzw. Randbedingungen.
Hiernach wird eine Kombination von Ia(j+1) und Ib(j+2)
wiederholt verwendet, um S(j+1) zu erhalten. Wenn Δx
dieser Kombination erneut größer oder gleich ΔLa/2
wird, werden die verwendeten Daten um eins verschoben.
Im allgemeinen wird der zuvor erwähnte Prozeß für jede
Entfernung von etwa 2jΔLa/2 wiederholt, so daß der Entfernungsunterschied
zwischen Ia und Ib, der verwendet
wird, um S zu erhalten, nicht durch die Länge der
Lichtleitfaser beeinflußt wird und der Unterschied innerhalb
±ΔLa/2 bleibt.
Bei der obigen Erläuterung wird die Entfernungsdifferenz
ΔLa/2 mit der Welle a als Referenz angenommen.
Die Entfernungsdifferenz ΔLb/2 kann jedoch mit der
Welle b als Referenz in Betracht gezogen werden. In
diesem Fall werden Ib(j+1) und Ia(j) verwendet, wenn
die Situation Δx(j+1) ΔLa/b erreicht, so daß S erhalten
werden kann mit der Entfernungsdifferenz von etwa ±
ΔLb/2 für jedes ΔLb.
In dem Fall, wo die Entfernungsdifferenz entsprechend
einem Abtasten dabei in der optischen Faser aufgrund
der Geschwindigkeitsdifferenz erzeugt wird, d. h. wenn
die Lichtleitfaser zu lang ist, wird beim Erhalten von
Signalen aus der Vielzahl von - wie oben beschrieben
empfangenen - Wellen, wenn die Entfernungsdifferenz
größer oder gleich der halben Entfernung entsprechend
einem Abtastintervall für die Referenzwelle wird, eine
gewünschte Erfassung, die keine große Entfernungsdifferenz
zwischen den Signalpositionen zweier Wellen hat,
realisiert durch zweifaches Verwenden der Daten der
schnelleren Welle. Die mit Δx zu vergleichende Entfernung
wird gewählt in Abhängigkeit von dem Gegenstand
der Erfassung aus einem Wert innerhalb ΔLa oder ΔLb.
(ii) Um Signale der Welle b zu wandeln, die mit Entfernungsintervallen
unterschiedlich von der Welle a abgetastet
sind, und zwar in Signale des gleichen Entfernungsintervalls,
wobei das Abtasten der Welle a hauptsächlich
ist:
Insbesondere wird eine ganzzahlige Zahl j′, die (j · ΔLa)/Lb überschreitet, erhalten und der folgende Ausdruck wird berechnet.
Insbesondere wird eine ganzzahlige Zahl j′, die (j · ΔLa)/Lb überschreitet, erhalten und der folgende Ausdruck wird berechnet.
Ib(j′) + {Ib(j′+1) - Ib(j′)} (j · ΔLa-j′ · ΔLb)/Lb.
Diese Berechnung bedeutet, daß Ib entsprechend einer
Position von j · ΔLa erhalten wird durch Interpolation
unter Verwendung von Ib(j′+1) und Ib(j′), welches das
Datum ist, das der Position von Ib(j) am nächsten ist.
Die gleiche Technik kann für den Fall angewendet werden,
wo das Signal der Welle b als Hauptsignal betrachtet
wird.
Wenn die Übertragungsraten Va und Vb nicht klar erfaßt
werden können oder sich die Wellenlängen λa und λb während
des Betriebs verändern, was wiederum die Übertragungsraten
verändert, sind Δx, ΔLa/2 und die Abtastnummer
j, deren Größe sich verändert, unbekannt. Daher ist
eine besondere Behandlung notwendig.
In den zuvor genannten Fällen werden die folgenden Maßnahmen
getroffen.
Wenn das entfernte Ende (freie Ende) der Lichtleitfaser
offen ist, wird das gestreute Licht von einer Stelle,
die noch hinter dem entfernten Ende liegt, nicht länger
zurückübertragen. Daher fallen die Signale des zurückgestreuten
Lichts mit den Wellenlängen λa und λb, als
ein Beispiel, das in Fig. 23(a) gezeigt wird, dramatisch
hinter der Position des entfernten Endes. Demgemäß
ist es leicht möglich, die entfernte Endposition
herauszufinden durch Erfassen des Umkehrpunktes der Abtastdaten
17 (schwarze Punkte in der Darstellung).
Das entfernte Ende wird z. B. auf die folgende Art und
Weise erlangt.
(i) Hauptabtastpunkte p1, p2, p3, die als die Signale
Bedeutung haben, und Abtastpunkte q₁, q₂, q₃, die
sich dramatisch in Richtung auf die Meßgrenze absenken,
werden durch die linearen Linien 12 und 13 jeweils approximiert
und der Schnittpunkt Ra1 der Linien 12 und
13 wird als das entfernte Ende Ra angenommen.
(ii) Die Meßgrenze wird durch eine Linie 14 approximiert
und der Mittelpunkt zwischen dem Schnittpunkt
Ra2 der Linien 14 und 13 und dem Punkt Ra1 wird als
das entfernte Ende Ra angenommen.
(iii) Wie in Fig. 23(b) erläutert, wird der Mittelpunkt
der Linie, die den Punkt P₁, der der Endpunkt ist,
der als Signal Bedeutung hat, mit dem Startpunkt r₁
der Meßgrenze als das entfernte Ende Ra angenommen.
Das entfernte Ende Ra der Welle a wird erhalten durch
die zuvor beschriebenen mathematischen Approximationstechniken
und die Zeit entsprechend dem entfernten Ende
Ra wird als ta(Ra) angenommen. Die zuvor erwähnten Approximationen
werden wahlweise in Übereinstimmung mit
dem Signalverlauf des eintreffenden Impulslichtes, dem
Abtastzeitintervall, dem zulässigen Bereich und anderen
Faktoren verwendet. Weiterhin wird die Zeit tb(Rb) entsprechend
dem entfernten Endpunkt für die Welle b auf
ähnliche Weise erhalten.
Wenn die Welle a schneller ist als die Welle b, kehrt
das Signal der Welle a früher zurück als das Signal der
Welle b, und zwar selbst von dem selben entfernten Endpunkt,
was zu ta(Ra)<tb(Rb) führt. Auch wenn das Abtasten
mit dem Zeitintervall τ ausgeführt wird, ist bei
der Welle a die Anzahl der Abtastungen zwischen dem
Eingang und dem entfernten Ende kleiner als die der
Welle b.
Wenn ta(Ra) und tb(Rb) gleich sind oder wenn die gerade
hierfür abgetastete Anzahl Na und Nb ist, gilt
ta(Ra) = Na · τ + Δta,
tb(Rb) = Nb · τ + Δtb.
Approximierte Werte für die Übertragungsraten Va und Vb
werden erhalten aus
2L/ta (Ra) und
2L/tb (Rb).
Nachdem die Übertragungsraten Va und Vb erhalten sind,
wird die Technik (i) verwendet.
Für einen besonderen Erfassungsgegenstand werden Δta
und Δtb vernachlässigt und die Übertragungsraten Va und
Vb werden aus einem Verhältnis von Na und Nb erhalten.
Wenn die genaue Entfernung L der Lichtleitfaser unbe
kannt ist, wird ein approximierter Wert abgeschätzt, um
relative Übertragungsraten zu erhalten. Hierzu können
die zuvor beschriebenen Techniken angewendet werden.
In jedem Fall wird eine gewisse Information S aus den
Signalen beider Wellenlängen von denselben Punkten er
halten. Dies stimmt mit der Aufgabe der vorliegenden
Erfindung überein.
Die Genauigkeit der Signalpositionen hat jedoch einen
Fehler entsprechend dem Verhältnis der genauen Entfer
nung der Lichtleitfaser und der geschätzten Entfernung
der Lichtleitfaser. Dieses Problem wird eliminiert
durch zuvoriges Messen der Entfernung der Lichtleitfa
ser oder indem bekannte Information an die Lichtleitfa
ser in einer bekannten Entfernung von dem Einfallende
gegeben wird und dann von dem Temperaturverteilungssen
sor erfaßte Daten erhalten werden, um die Entfernung zu
kompensieren.
Die oben beschriebenen Fälle sind Fälle, bei denen das
entfernte Ende oder ein Abschnitt entsprechend dem ent
fernten Ende aus dem zurückgestreuten Licht jeweiliger
Wellenlängen erhalten wird. In diesen Fällen wird je
doch ein Teil von reflektiertem Fresnel-Licht, das am
entfernt abgeschnittenen Teil erzeugt wird, als das zu
rückgestreute Licht empfangen, nachdem das Licht einge
geben wird, da (1) die Wellenlängenkomponenten diversi
fizieren, (2) die Entfernung zwischen der Eingabe von
Licht und dem zurückgestreuten Licht unzureichend ist
und (3) die Charakteristik des Lichtaufteilers (des
Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers) zum Tren
nen des empfangenen zurückgestreuten Lichts nicht pas
send ist.
In diesem Fall, von dem ein Beispiel in Fig. 24 ge
zeigt ist, werden Ra und Rb erhalten aus dem scharf
nach oben gebogenen Abschnitt R1 aufgrund des reflek
tierten Fresnel-Lichts 18 (Fig. 24(a)), dem Ankunft
punkt R1′ des reflektierten Fresnel-Lichts 18 und dem
scharf abfallenden Abschnitt R2 gerade vor dem
Ankunftpunkt R1′ (Fig. 24(b)), oder dem zweiten scharf
ansteigenden Abschnitt R3 des gering gestreuten Lichts,
welches nach dem reflektierten Fresnel-Licht 18 an
kommt, oder dem scharf abfallenden Abschnitt R4
(Fig. 24(c)).
Wenn das Stokes-Licht und das Anti-Stokes-Licht des
Eingangslichtes als das zurückgestreute Licht von vie
len Wellenlängen verwendet wird, werden das zurückge
streute Rayleigh-Licht mit der Zwischenwellenlänge und
das reflektierte Fresnel-Licht 18 des Eingangslichts
bei der gleichen Wellenlänge überlappt empfangen. Das
Stokes-Licht ist jedoch länger und schneller als das
Rayleigh-Streulicht bezüglich der Wellenlänge bzw. der
Übertragungsrate. Es ist daher möglich, das entfernte
Ende unter Verwendung dieser Tatsache zu erhalten. Zum
Beispiel wird die folgende Verarbeitung ausgeführt:
Unter Bezugnahme auf Fig. 24(b) wird der Unterschied zwischen dem plötzlich fallenden Abschnitt R2 und dem plötzlich steigenden Abschnitt R1′ aufgrund des reflek tierten Fresnel-Licht 18, welches hiernach ankommt, erhalten und dann wird der Unterschied zwischen dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht als das zweifa che des zuvor erwähnten Unterschieds behandelt. Auf diese Weise wird zuerst das entfernte Ende für einen Teil der vielen Wellen erhalten und dann die entfernten Enden für die Lichtstrahlen mit anderen Wellenlängen erhalten aus der relativen Beziehung zwischen den Über tragungsraten und den bereits bekannten Wellenlängen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 24(b) wird der Unterschied zwischen dem plötzlich fallenden Abschnitt R2 und dem plötzlich steigenden Abschnitt R1′ aufgrund des reflek tierten Fresnel-Licht 18, welches hiernach ankommt, erhalten und dann wird der Unterschied zwischen dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht als das zweifa che des zuvor erwähnten Unterschieds behandelt. Auf diese Weise wird zuerst das entfernte Ende für einen Teil der vielen Wellen erhalten und dann die entfernten Enden für die Lichtstrahlen mit anderen Wellenlängen erhalten aus der relativen Beziehung zwischen den Über tragungsraten und den bereits bekannten Wellenlängen.
Bei der obigen Erläuterung wurde aus Verständnisgründen
alles unter Verwendung der Entfernung oder der Position
erläutert. Durch Verwendung der Beziehung zwischen der
Übertragungsrate von Licht, dem Abtastzeitpunkt und den
Abtastanzahlen, kann der obige Prozeß jedoch ausgeführt
werden unter Verwendung der Zeit oder von Abtastanzah
len, um die genaue - und zwar einschließlich einer Ge
nauigkeit der Entfernung und der Position - Verteilung
von Daten zu erhalten.
Bei der Lichtfaser-Temperaturverteilungssensor-
Anordnung nach Fig. 1, wenn die Wellenfront des opti
schen Impulses, der von der Lichtquelle 4 in die opti
sche Faser kommt, relativ lang ist, da die Wellenfront
20 des übertragenen Lichtimpulses 29 das entfernte Ende
der Lichtleitfaser zuerst erreicht, wie in Fig. 25 ge
zeigt, wird eine reflektierte Komponente 22, sie sehr
viel größer ist als die zurückgestreute Lichtimpulskom
ponente 21, und zwar bezüglich der optischen Leistung
der Wellenfront 20, erzeugt, bevor die Spitze (peak)
das entfernte Ende erreicht, und diese wird der zurück
gestreuten Lichtkomponente vor der Rückkehr zu dem Ein
fallende überlagert.
Daher erhält die zurückgestreute Lichtverteilung, die
durch das Abtasten erhalten wird, eine Wellenform, die
durch ein Bezugszeichen 23 gezeigt ist. Aufgrund der
unstabilen reflektierten Komponente am entfernten Ende
wird die Temperaturverteilung 24, die aus dieser Ver
teilung 23 erhalten wird, kürzer als die Länge der
Lichtleitfaser und die Temperatur in der Nähe des ent
fernten Endes kann sehr häufig nicht erlangt werden.
Um dieses Problem zu eliminieren, muß der Lichtimpuls
mit einer kurzen Wellenfront eingeführt werden. Es ist
jedoch eine sehr schwierige Technik, dies unter Verwen
dung eines hohen Ausgangsimpulses zu realisieren, der
notwendig ist zum Erfassen des gestreuten Lichtes mit
einem guten S/N. Somit wird die Temperaturverteilung in
der Nähe des entfernten Endes nicht generell als der
gemessene Wert verwendet.
Wenn jedoch eine Temperatur an einer anderen Stelle in
einem Rohr oder eine lichte Weite zwischen kompliziert
geformten Gebäuden zu messen ist, wird die Lichtleitfaser
gewöhnlich in eine solche Stelle eingeführt. In den
meisten Fällen, bei dieser Situation, wird das freie
Ende (entfernte Ende) der Lichtleitfaser an den Punkt
gebracht, der dem zu messenden Objekt am nächsten ist.
Wie zuvor erwähnt, da die Daten der Temperaturvertei
lung in der Nähe des freien Endes der Lichtleitfaser
nicht verläßlich sind, verliert der Temperaturvertei
lungssensor jedoch seinen Nutzen.
Die folgenden Passagen handeln von einer Lichtfaser-
Temperaturverteilungssensor-Anordnung, die die Tempera
turverteilung selbst in der Nähe des freien Endes der
Lichtleitfaser (Sensor) messen kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 26 wird eine optische Sensor
faser 6 abgedichtet in eine Schutzröhre 25 eingeführt,
die in ein Objekt einzuführen ist. Die Schutzröhre 25
kann eine metallische oder eine Kunststoffröhre sein.
Das freie Ende 27 der Lichtleitfaser 6 ist einer Anti
reflexionsbehandlung ausgesetzt worden. In dieser Aus
führungsform ist das freie Ende 27 sphärisch als Ergeb
nis der antireflektierenden Behandlung ausgebildet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 27 pflanzt sich der Lichtim
puls, der von der Lichtquelle (Fig. 1) in die optische
Faser 6 kommt, durch die optische Faser 6 fort, während
er zurückgestreutes Raman-Licht erzeugt. Der übertragene
Lichtimpuls 19 breitet sich zum freien Ende 27 der
Lichtleitfaser aus. Da das freie Ende 27 sphärisch und
nicht reflektierend ist, läuft die Wellenfront 20a des
übertragenen Lichtimpulses hierdurch nach außen und an
diesem Punkt enthält der zurückgestreute Lichtimpuls
28, der zu dem Einfallende zurückkehrt, keine Reflexi
onskomponente am freien Ende (Fig. 27). Bezüglich des
übertragenen Lichtimpulses 19 kehrt daher die von dem
Abschnitt erzeugte zurückgestreute Lichtkomponente mit
Ausnahme der Wellenfront 20a zu dem Meßsystem zurück.
Somit hat die Verteilung 31 des zurückgestreuten Lich
tes, die durch die OTDR-Technik am Einfallende der
Lichtleitfaser 6 erhalten wird, eine in Fig. 27 gezeig
te Konfiguration. Im Detail ist das gesamte übertragene
Licht 19 in der Lichtleitfaser und während des Übertra
gungsbereiches wird es angezeigt durch eine Linie 31a
mit einer Neigung von logarithmischer Skala auf der
Basis des Lichtleitfaserverlusts, wohingegen während
eines Bereiches 29 (Lichtleitfaser-Endbereich) es,
nachdem die Wellenfront 20a nach außen übertragen ist,
durch eine Kurve 31b angezeigt wird, deren Neigung gra
duell fällt oder deren Pegel absinkt.
Die Verteilung 31a des zurückgestreuten Lichts am freien
Endbereich 29 der Lichtleitfaser hat - wie oben be
schrieben - eine Verteilung, deren Neigung sich langsam
und nach unten verändert. Diese Verteilung enthält
keine unstabilen Faktoren, die sich mit der Lage der
Reflexionsfläche gleich der reflektierten Lichtkompo
nente ändern können, und dies wird bestimmt durch das
gestreute Licht, welches erzeugt wird durch den über
tragenen Lichtimpuls 19 auf der Basis, daß keine
Energiekomponente in der Lichtleitfaser 6 existiert.
Wenn demgemäß der Temperaturverteilungssensor, der die
Temperatur aus den Verteilungen der zwei Komponenten
von zurückgestreutem Raman-Licht, nämlich dem Anti-
Stokes-Licht und dem Stokes-Licht, erhält, haben die
zwei gestreuten Lichtarten am freien Endbereich 29 die
gleiche Verteilung, wie es durch Bezugszeichen 31b in
Fig. 27 angezeigt ist. Die durch Berechnung dieser Kom
ponenten erhaltene Temperaturverteilung hat eine hohe
Genauigkeit entlang der gesamten Lichtleitfaser selbst
am freien Ende derselben, wie es durch die Linie 32 in
Fig. 27 angezeigt ist.
In der vorangegangenen Beschreibung wird das freie Ende
15 der Lichtleitfaser 6 sphärisch gemacht. Das freie
Ende 15 kann jedoch mit einem Material abdichtend be
deckt sein, welches einen hohen Lichtbrechungsindex
hat, um einen nicht reflektierenden Abschnitt zu schaf
fen.
Diese Temperaturverteilungssensor-Anordnung ist vor
teilhaft hinsichtlich der Kosten, da die Antireflexions
behandlung sehr einfach ist.
Wie zuvor erwähnt, kann die Lichtfaser-
Temperaturverteilungssensor-Anordnung mit dem Tempera
turverteilungsmessen in Längsrichtung der optischen
Sensorfaser klarkommen, hat jedoch eine Schwierigkeit
beim Messen der Temperatur in der Nähe des freien Endes
(Spitze oder entferntes Ende) der optischen Sensorfa
ser.
Z. B., wie in Fig. 28 gezeigt, wenn die optische Faser 6
in einer Führungsröhre 34 des Gegenstandes 33 angeordnet
ist, und die Temperatur am freien Ende der Lichtleitfaser
6 die Temperaturverteilung im Zwischenbereich der
selben zur gleichen Zeit zu messen ist, kann die letz
tere (Temperaturverteilung) gemessen werden, die erstere
(Temperatur am freien Ende) kann jedoch aufgrund
eines Einflusses von Fresnel-Reflexionen nicht erfaßt
werden.
Die folgenden Passagen handeln auch von einem Tempera
turverteilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der die
Temperatur am freien Ende der optischen Faser erfassen
kann.
Ein Temperaturverteilungssensor vom Lichtfasertyp nach
Fig. 29 ist im wesentlichen der gleiche wie der nach
Fig. 1. Ein Konstruktionsdiagramm des Lichtwellenlän
gen-Aufteilers/Demultiplexers ist in Fig. 29(B) ge
zeigt. Die Eigenschaften der in dem Lichtwellenlängen-
Aufteiler/Demultiplexer verwendeten optischen Filter
sind in Fig. 29(C) gezeigt. Die Eigenschaft der Halb
übertragung ist derart, daß z. B. die Transparenz 50%
und das Reflexionsvermögen ebenfalls 50% beträgt. Es
kann auch ein anderes Verhältnis von Transparenz und
Reflexionsvermögen gemäß der Verwendung vorgesehen
sein.
In Fig. 29(A) und 30 ist ein GaAs-Sensor 35 am freien
Ende der Lichtleitfaser 6 vorgesehen. GaAs hat einen
scharfen optischen Absorptionsbereich und läßt Licht
mit einer Wellenlänge, die größer ist als die Wellen
länge am Ende des Absorptionsbereiches, durch, während
es Licht mit einer kürzeren Wellenlänge absorbiert. Am
Ende des Absorptionsbereiches verändert sich die Wel
lenlänge durch eine Veränderung der Temperatur des GaAs
(er bewegt sich nach vorne in Richtung längerer Wellen
längen, wenn die Temperatur steigt). Daher kann die
Temperatur gemessen werden, indem ein Verhältnis von
Licht mit einer kurzen Welle in der Nähe der Wellenlän
ge am Ende des Absorptionsbereichs von GaAs und dem
Licht mit einer langen Wellenlänge entfernt von der
Wellenlänge am Ende des Absorptionsbereichs genommen
wird.
Im Detail, wie in Fig. 30 gezeigt, ist der GaAs-Sensor
35 aufgebaut durch Anbringen von GaAs 36 am freien Ende
der Lichtleitfaser 6, Anbringen eines Reflexionsfilms
37 auf dem GaAs 36, Unterbringen derselben in einem
Halter 38 und Fixieren mit einem Abstandshalter 39. Das
Licht mit Wellenlängen, das durch das GaAs 36 passiert,
wird von dem Reflexionsfilm 37 reflektiert und in die
Lichtleitfaser 6 als Referenzlicht eingeführt.
Als Impulslichtquelle 4 sind zwei Laserstrahlquellen
40, 41 vorgesehen, die von Impuls-Ansteuerschaltungen
42 bzw. 43 angesteuert werden. Die Laserstrahlquelle 40
enthält eine Laserdiode LD, die einen Laserstrahl kur
zer Wellenlänge, d. h. einen Laserstrahl mit einer Wel
lenlänge in der Nähe der Endwellenlänge des Absorptionsbereichs
von GaAs hat und wird verwendet beim Messen
der Temperaturverteilung. Die Laserstrahlquelle 41 ent
hält eine Laserdiode LD, die einen Laserstrahl längerer
Wellenlänge, d. h. einen Laserstrahl mit einer Wellen
länge entfernt von der Endwellenlänge des Absorptions
bereiches von GaAs hat und verwendet wird als Referenz
licht beim Messen der Temperaturverteilung.
Die von den Laserquellen 40 und 41, die von den Impuls-
Ansteuerschaltungen 42 und 43 angesteuert werden, emit
tierten Lichtimpulse werden in die Lichtleitfaser 6
über den Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 15
geleitet. Ein Teil des durch den Lichtimpuls der Laser
strahlquelle 40 erzeugten zurückgestrahlen Lichts
kehrt, in Abhängigkeit von der Nähe zu der Einfallseite
(links in der Darstellung) von jeweiligen Positionen
der Lichtleitfaser 6, zu der Einfallseite zurück. In
dem GaAs-Sensor 35 am freien Ende der Lichtleitfaser
wird insbesondere das Licht mit einer kurzen Wellenlänge
absorbiert durch das GaAs 36 und Licht mit einer
Wellenlänge, die länger ist als die Endwellenlänge des
Absorptionsbereichs von GaAs (Referenzlicht) wird über
tragen und von dem Reflexionsfilm 37 reflektiert, bevor
es in die optische Faser 6 zurückkehrt. Mit anderen
Worten, das Licht der ersten Laserstrahlquelle 40 wird
von dem GaAs 36 derart absorbiert, daß das reflektierte
Licht reduziert wird. Andererseits wird das Licht der
zweiten Laserstrahlquelle 41 von dem GaAs 36 nicht re
flektiert, so daß dieses reflektierte Licht konstant
ist.
Zwei Komponenten von gestreutem Raman-Licht (das
Stokes-Licht und das Anti-Stokes-Licht) unter dem von
den Anschlüssen P3 und P4 des Lichtwellenlängen-Auftei
ler/Demultiplexer 15 erhaltenen Licht werden in Licht
empfangseinrichtungen (Detektoren) 9a und 9b geleitet
und deren Erfassungssignale durchlaufen eine Mitte
lungsverarbeitung, die von einem
Hochgeschwindigkeitsmittelwertbildner 10 ausgeführt
wird, und dann eine Berechnungsverarbeitung, die von
einer Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung
(Datenverarbeitungseinheit) 11 durchgeführt wird.
Das von der Laserstrahlquelle 40 mit kurzer Wellenlänge
erzeugte gestreute Rayleigh-Licht unter den Lichtstrah
len, die von dem Anschluß P6 erhalten werden, wird in
die Lichtempfangseinrichtung (Detektor) 46 geleitet.
Das Referenzlicht der Laserstrahlquelle 41 mit langer
Wellenlänge unter den Lichtstrahlen, die an dem An
schluß P4 erhalten werden, wird in die Lichtempfangs
einrichtung (Detektor) 47 geleitet.
Wie zuvor beschrieben, erfaßt die Lichtempfangseinrich
tung 46 gestreutes Rayleigh-Licht, welches von der La
serstrahlquelle 40 mit kurzer Wellenlänge erzeugt ist,
und die Lichtempfangseinrichtung 47 erfaßt das Refe
renzlicht des GaAs-Sensors 35 durch die Laserstrahl
quelle 41 mit langer Wellenlänge, und deren Erfassungs
signale werden in die Temperaturverteilungs-
Berechnungsschaltung (Datenverarbeitungseinheit) 11 ge
leitet. Da das gestreute Raman-Licht ein sehr schwaches
Licht ist, werden die Erfassungssignale der Lichtempfangs
einrichtungen 9a und 9b einer Mittelungsverarbei
tung durch die Hochgeschwindigkeits-Mittelungseinheit
10 ausgesetzt, um Zufallsrauschen zu eliminieren und
ein S/N-Verhältnis zu verbessern, wohingegen das Licht
der Laserstrahlquelle 41 und das gestreute Rayleigh-
Licht eine solche Verarbeitung nicht erfordern, so daß
die Erfassungssignale der Lichtempfangseinrichtungen 46
und 47 sofort der Temperaturverteilungs-
Berechnungsschaltung 11 eingegeben werden. Die
Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 berechnet
die Temperaturverteilung aus den zwei Erfassungssigna
len der Lichtempfangseinrichtungen 9a und 9b. Die
Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 berechnet
auch ein Verhältnis der zwei Erfassungssignale der
Lichtempfangseinrichtungen 46 und 47 und berechnet dann
die Temperatur am freien Ende der Lichtleitfaser 6. Das
Verhältnis wird aufgrund des folgenden Grunds berech
net. Das durch die Lichtleitfaser 6 übertragene Licht
wird von dem GaAs-Sensor 35 am freien Ende reflektiert
und dann in die Lichtleitfaser 6 übertragen. Bei dieser
Sachlage wird das Licht der Laserstrahlquelle 40 von
dem GaAs 36 absorbiert und das reflektierte Licht wird
demgemäß reduziert. Andererseits, da das Licht der La
serstrahlquelle 41 von dem GaAs 36 nicht absorbiert
wird, ist dieses reflektierte Licht konstant. Das Licht
mit einer Wellenlänge in der Nähe der Absorptionsend
wellenlänge des GaAs-Sensors 35, d. h. das gestreute
Rayleigh-Licht, wird von der Lichtempfangseinrichtung
46 erfaßt und das Referenzlicht des GaAs-Sensors 35
wird von der Lichtempfangseinrichtung 47 erfaßt, und
die Temperatur wird berechnet aus einem Verhältnis der
Intensitäten dieser zwei Lichtstrahlen. Die berechnete
Temperaturverteilung wird auf einer Anzeige 16 ange
zeigt.
Wie zuvor beschrieben, wird die Erfassung der Tempera
tur am freien Ende der Lichtleitfaser (Sensor) möglich
(wobei die Erfassung üblicherweise unmöglich war). Das
Temperaturverteilungs-Meßsystem, welches bei einer ge
wissen Einrichtung verwendet wird, kann mit lediglich
geringen Modifikationen verwendet werden, so daß ein
kostengünstiges System geschaffen wird. Da der optische
Sensor am freien Ende GaAs enthält und ein Reflexions
film verwendet wird, erfordert der Sensor am freien
Ende keine Elektrizität für seine Bewegung (Betrieb)
und daher tritt kein Einfluß von Rückkehrrauschen oder
externem Rauschen auf. Eine kontinuierliche Überwachung
des Gegenstands wird durch den Sensor am freien Ende
möglich.
Bei dem Beispiel nach Fig. 29 wird nur eine Lichtleit
faser verwendet. Wie in Fig. 31 gezeigt, kann jedoch
ein optischer Wellenaufteiler 48 an einer geeigneten
Position der Lichtleitfaser 6 vorgesehen sein und GaAs-
Sensoren 35 und 35′ können an den freien Enden der
Lichtleitfaserzweige 6a und 6b vorgesehen sein, die
sich jeweils von dem optischen Wellenaufteiler 48 er
strecken.
Fig. 32 zeigt die Ausgangswellenformen der Lichtleitfa
serenden, die in einem Fall erhalten werden, wo das
Aufteilungsverhältnis der Verzweigungsseite 6a des op
tischen Wellenaufteilers 48 größer ist als Auftei
lungsverhältnis der Verzweigungsseite 6b des Teilers
48, wobei die Länge L1 des Zweigs 6a kleiner ist als
die Länge L2 des Zweigs 6b. Das Signal von dem GaAs-
Sensor 35 des Zweigs 6a kommt an dem Meßsystem 2 an,
bevor das Signal von dem GaAs-Sensor 35′ des Zweigs 6b
ankommt, so daß zwei Signale getrennt werden können.
Der Lichtwellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer 48 kann
mehr als einmal vorgesehen sein.
In dem Beispiel nach Fig. 29 wird GaAs verwendet, es
kann jedoch stattdessen auch ein phosphoreszierendes
Material verwendet werden und als Lichtquelle kann ul
traviolettes Licht verwendet werden, so daß Fluoreszenz
erfaßt wird.
Weiterhin ist in dem Beispiel nach Fig. 29 - die Licht
quelle für eine Punkttemperaturerfassung am freien Ende
der Lichtleitfaserzweige 6a und 6b das Impulslicht.
Eine andere Art von Licht kann jedoch verwendet werden,
mit Ausnahme von Licht, das einen Wellenlängenbereich
von gestreutem Raman-Licht hat, das zur
Temperaturverteilungs-Messungsinformation verwendet
wird. Weiterhin können ähnliche Ergebnisse erhalten
werden unter Verwendung einer Lichtquelle mit
konstanter Intensität.
Eine Ansicht eines Temperaturverteilungssensors vom
Raman-Typ wird erneut unter Bezugnahme auf Fig. 34 be
schrieben.
Wenn das Impulslicht von der Lichtquelle 4 zu der opti
schen Sensorfaser 6 geleitet wird, kehrt ein Teil des
gestreuten Lichts, das in der optischen Faser 6 erzeugt
wird, zu dem Meßsystem 2 als das zurückgestreute Licht
zurück und tritt in den Lichtwellen-Auftei
ler/Demultiplexer 15 ein. In dem Lichtwellenlängen-Auf
teiler/Demultiplexer 15 werden das Anti-Stokes-Licht
mit einer Wellenlänge λa und das Stokes-Licht mit einer
Wellenlänge λs voneinander aus dem geführten, zurückge
streuten Licht getrennt. Dann tritt das Anti-Stokes-
Licht in das Anti-Stokes-Lichtmeßsystem 30a ein, das
eine Lichtleitfaser 7a, einen Detektor 9a, einen Ver
stärker 56a und eine Mittelungsschaltung 10a hat. In
dem Detektor 9a wird das geführte Anti-Stokes-Licht in
ein Spannungssignal gewandelt und der Verstärker 56a
verstärkt dieses Signal, um es an den Eingangspegel der
Mittelungsschaltung 10a auf einen geeigneten Wert anzu
passen.
Die Synchronisation zwischen der Impulslichtquelle 4
und den Mittelungsschaltungen 10a, 10b wird von einem
Synchronisierungssignal einer Trigger-Schaltung 3 aus
geführt und das Abtasten des reflektierten Lichts wird
in den Mittelungsschaltungen 10a und 10b mit konstanten
Zeitintervallen Ts gemäß Fig. 47 ausgeführt. In der
Mittelungsschaltung 10a wird darüberhinaus, um das S/N-
Verhältnis des mit den Zeitintervallen Ts abgetasteten
Signals zu verbessern, die Anzahl der Mit
telungsverarbeitungen wiederholt synchron zu dem Syn
chronisierungssignal der Trigger-Schaltung 3.
Die oben erwähnte Serie von Wandlung, Verstärkung und
Mittelungs-Verarbeitung kann durch eine folgende Glei
chung (61) ausgedrückt werden. Der gemittelte Wert
Ia(t) der Zeitfunktion der Anti-Stokes-Lichtintensität,
die in den Detektor eingegeben ist, wird von einer
Gleichung (62) erhalten, die aus der Gleichung (61)
entwickelt wird. Der gemittelte Wert Is(t) der Zeit
funktion von Stokes-Licht kann auf ähnliche Weise er
halten werden (eine Gleichung (63)).
wobei
ein Ausgangssignal der Mittelungsschaltung ist;
ein gemittelter Wert der Intensität des in den Detektor eingegebenen Lichts ist;
η ein Licht/Spannungs-Wandlungskoeffizient des Detektors ist; und
G die Verstärkung des Verstärkers ist,
ein Ausgangssignal der Mittelungsschaltung ist;
ein gemittelter Wert der Intensität des in den Detektor eingegebenen Lichts ist;
η ein Licht/Spannungs-Wandlungskoeffizient des Detektors ist; und
G die Verstärkung des Verstärkers ist,
und wobei die Indizes a und s sich jeweils auf das
Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht beziehen.
Der Temperaturverteilungssensor vom Lichtleitfasertyp,
der Vorteile aus dem Raman-gestreuten Licht oder dem
Rayleigh-gestreuten Licht zieht, verwendet äußerst
schwach gestreutes Licht. Somit sind die verwendeten
Detektoren 9a und 9b äußerst empfindliche op
tisch/elektrische-(O/E)-Wandlergeräte. In den meisten
Fällen wird zum Beispiel eine APD (Avalanche-Fotodiode)
verwendet. Es ist jedoch anzumerken, daß die Erfas
sungsempfindlichkeit um so mehr beeinflußt wird, je
empfindlicher der Detektor wird. Daher ist es notwen
dig, die Vorspannung der APD nachzustellen, wenn sich
die Umgebungstemperatur verändert, und zwar um die ge
eignete optische Empfindlichkeit aufrechtzuerhalten.
Gewöhnlich ist - wie in Fig. 34 gezeigt - eine Steuer
signal-Meßeinheit 60 an der optischen Sensorfaser 6
vorgesehen und die Erfassung oder Lichtempfangsempfind
lichkeit der APD wird derart eingestellt, daß der ge
mittelte Wert der Lichtintensität von Anti-
Stokes-Licht, das in der Einheit 60 erzeugt wird, und
der gemittelte Wert der Lichtintensität von
Stokes-Licht, das in der Einheit 60 erzeugt wird, zu
jeweils vorbestimmten Werten werden, wodurch die Mes
sung mit einer stabilen Empfindlichkeit ausgeführt
wird.
Wenn jedoch die Zielwerte für die Anti-Stokes-
Lichtintensität und die Stokes-Lichtintensität auf je
weils hohe Werte gesetzt werden, um das Messen mit
einem hohen S/N-Verhältnis durchzuführen, kann eine
hochempfindliche Messung nur innerhalb eines gewissen
Umgebungstemperaturbereiches erwartet werden (z. B. zwi
schen 20°C und 40°C), d. h. ein Relaxations-Phänomen
tritt in der Wellenform der Temperaturverteilung außer
halb dieses Bereiches (z. B. unterhalb 20°C) auf, wie es
in Fig. 33 gezeigt ist. Insbesondere wenn ein Teil
(Steuersignal-Meßabschnitt 60) des Sensors in ein Bad
mit konstanter Temperatur gesetzt wird, selbst wenn
eine schrittweise Temperaturveränderung, wie in Fig. 33(a)
gezeigt, an die Lichtleitfaser 6 angelegt wird,
ist das Ergebnis der Temperaturverteilungsmessung eine
Verteilung, bei der die schrittweise Temperaturänderung
in Entfernungsrichtung gemäßigt wird (horizontale Ach
senrichtung in der Darstellung), wie es durch die
durchgezogene Linie in Fig. 33(b) gezeigt ist. Dies be
deutet, daß ein Relaxations-Phänomen selbst in einem
Ergebnis einer generellen Temperaturverteilungsmessung
auftreten kann.
Die folgenden Passagen handeln von einem Temperaturver
teilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der eine Tempera
turverteilung stabil gegen die
Umgebungstemperaturveränderungen ausgeben kann, selbst
wenn die Zielwerte der Anti-Stokes-Lichtintensität und
der Stokes-Lichtintensität auf hohe Werte gesetzt wer
den.
Wie zuvor erwähnt, wenn die Zielwerte der Intensitäten
von Anti-Stokes- und Stokes-Licht, das zur APD-
Erfassungsempfindlichkeitssteuerung verwendet wird, auf
hohe Werte gesetzt werden, hat das Ergebnis der Tempe
raturverteilungsmessung, bei einem Zustand niedriger
Temperatur (unterhalb 20°C Umgebungstemperatur), ein
Relaxationsphänomen, wie es in Fig. 33 gezeigt ist.
Dies wird nachstehend in großer Genauigkeit diskutiert
werden.
(1) Zunächst wurde die Zeitfunktion des Anti-
Stokes-Lichts aus dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht
geprüft. Die Ergebnisse zeigen, daß in der Zeit
funktion vom Anti-Stokes-Licht kein Relaxations-
Phänomen auftritt, wenn die Umgebungstemperatur hoch
ist. Wenn jedoch die Umgebungstemperatur niedrig wird,
tritt die Relaxation leicht in der Zeitfunktion
auf. Die Erfinder fanden dann heraus, was diese Relaxa
tion verursachte. Es liegt daran, daß die tatsächliche
APD-Erfassungsempfindlichkeit etwas höher ist als die
angestrebte.
Die zuvor erwähnte Grenze der Erfassungsempfindlichkeit
wird bestimmt durch die Frequenzcharakteristiken der
APD. Insbesondere verändert sich die Frequenzcharakte
ristik der APD mit der Erfassungsempfindlichkeit der
APD und die Charakteristik wird bis zu einer hohen Fre
quenz aufrechterhalten, verschlechtert sich jedoch dar
über. Andererseits wird die Erfassungsempfindlichkeit
der APD von den Zielwerten des Anti-Stokes-Lichts und
des Stokes-Lichts gesteuert. Daher, wenn die Zielwerte
der Anti-Stokes-Lichtintensität und der Stokes-
Lichtintensität ungeeignet hoch angesetzt werden, um
das S/N-Verhältnis der Temperaturverteilungsmessung an
zuheben, hat die erhaltene Temperaturverteilung die Re
laxation. Um dieses Relaxations-Phänomen zu vermeiden,
ist es wichtig, daß die Zielwerte der Anti-Stokes-
Lichtintensität und der Stokes-Lichtintensität unter
halb dieser Grenze eingestellt werden. Unter dieser
Grenze werden die Frequenzcharakteristiken der APD
nicht verschlechtert.
Der Fall, wo das Relaxations-Phänomen in der Zeitfunk
tion des Anti-Stokes-Lichts auftritt, ist ein
Fall, bei dem die Zielwerte der Lichtintensität von so
wohl Anti-Stokes-Licht als auch Stokes-Licht jeweils
auf die äußerste Grenze gesetzt werden. Der Grund,
warum das Relaxations-Phänomen in der Zeitfunktion
des Anti-Stokes-Lichts auftritt, liegt darin, daß
sich die Zielwerte der Anti-Stokes-Lichtintensität und
der Stokes-Lichtintensität verändern, d. h. die
Lichtintensität an das Steuersignal-Meßsystem 40 ändert
sich aus einigen Gründen, und die angestrebte Grenze
der Erfassungsempfindlichkeit der APD wird überschrit
ten.
(2) Der zuvor genannte Punkt wird nun näher betrachtet.
Die Erfinder fanden heraus, daß, selbst wenn die APD-
Empfindlichkeit gleich ist, die Anti-Stokes-Lichtintensität
des Steuersignal-Meßsystems 60 klein
ist, wenn die Umgebungstemperatur tief ist, verglichen
mit einem Fall, wenn die Umgebungstemperatur hoch ist.
Zum Beispiel, wenn die Umgebungstemperatur 0°C war, war
die Lichtintensität um 20% niedriger im Vergleich zu
einem Fall mit 40°C. Bei diesem Phänomen, wenn die APD-
Empfindlichkeitssteuerung derart ausgeführt wird, daß
der Ausgang der Mittelungsschaltung 11 entsprechend der
Anti-Stokes-Lichtintensität der Zielwert unter der Be
dingung einer niedrigen Umgebungstemperatur ist, wird
die tatsächliche APD-Empfindlichkeit größer als die
Grenze. Als Ergebnis werden die Frequenzcharakteristi
ken der APD verschlechtert und das Relaxations-Phänomen
tritt im Ergebnis der Temperaturverteilungsmessung und
der Zeitfunktion des Anti-Stokes-Lichts auf.
(3) Ein ähnliches Phänomen, obwohl etwas geringer, kann
bei dem Stokes-Licht betrachtet werden.
(4) Aus (3) kann geschlossen werden, daß der Grund,
warum sich die Anti-Stokes-Lichtintensität und die
Stokes-Lichtintensität des Steuersignal-Meßsystems 40
mit der Umgebungstemperatur verändern, selbst wenn die
APD-Erfassungsempfindlichkeit konstant ist, daran
liegt, daß die Anti-Stokes-Lichtintensität und die
Stokes-Lichtintensität sich in diesem Abschnitt mit der
Temperatur verändern, wie es durch die folgenden Glei
chungen (64) und (65) ausgedrückt wird, die Steuerung
jedoch ohne Berücksichtigung dieser Veränderungen aus
geführt wurde.
Ia α β(t)/(1 - β(t)), (64)
Is α 1/(1 - β(t)), (65)
wobei
β(t)=exp{-(h·v·k)/(k×T)} und
β(t)=exp{-(h·v·k)/(k×T)} und
wobei
Ia die Anti-Stokes-Lichtintensität ist;
Is die Stokes-Lichtintensität ist;
h das Plancksche Wirkungsquantum ist;
v die Lichtgeschwindigkeit in der optischen Faser ist;
k die Raman-Verschiebungswellennummer bzw. -anzahl ist;
k die Bolzmann-Konstante ist; und
T die Temperatur ist.
Ia die Anti-Stokes-Lichtintensität ist;
Is die Stokes-Lichtintensität ist;
h das Plancksche Wirkungsquantum ist;
v die Lichtgeschwindigkeit in der optischen Faser ist;
k die Raman-Verschiebungswellennummer bzw. -anzahl ist;
k die Bolzmann-Konstante ist; und
T die Temperatur ist.
Um derartige Dinge zu vermeiden, ist es notwendig, die
tatsächliche Temperatur Tc des Steuersignal-Meßsystems
60 zu erfassen, um die Anti-Stokes-Lichtintensität und
die Stokes-Lichtintensität, die jeweils in dem Steuer
signal-Meßsystem 60 gemessen werden, zu modifizieren
und die APD-Erfassungsempfindlichkeitssteuerung unter
Verwendung des modifizierten Ergebnisses auszuführen.
Ein Beispiel hierfür wird unter Bezugnahme auf Fig. 34
beschrieben.
In Fig. 34 ist ein Temperatursensor 61 vom Punkt-Typ
gezeigt zum Messen der Temperatur Tc des Steuersignal-
Meßsystems 60. Der Punkt-Typ-Temperatursensor 61 kann
ein Temperaturerfassungselement wie einen Thermokopp
ler, einen Platinwiderstand oder einen Thermistor ent
halten.
Die APD-Erfassungsempfindlichkeitssteuerung der Detek
toren 9a unf 9b wird auf die folgende Art und Weise
ausgeführt.
Die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 ver
wendet die gemessenen Werte und der Anti-
Stokes-Lichtintensität bzw. der Stokes-Lichtintensität
in dem Steuersignal-Meßsystem 60 nicht direkt, sondern
die gemessenen Werte und der Anti-Stokes-
Lichtintensität bzw. der Stokes-Lichtintensität werden
durch die folgenden Gleichungen (67) und (68) unter
Verwendung der Temperatur Tc des Steuersignal-Meßsy
stems 60 zuerst gewandelt, die von dem Temperatursensor
61 vom Punkt-Typ eingegeben wird.
wobei
Tc eine gemessene Temperatur des Temperatursen sors vom Punkt-Typ ist (Temperatur des Steuersignal- Meßsystems) und
Ts eine Referenztemperatur ist.
Tc eine gemessene Temperatur des Temperatursen sors vom Punkt-Typ ist (Temperatur des Steuersignal- Meßsystems) und
Ts eine Referenztemperatur ist.
Als nächstes werden Steuersignale an eine Vorspann-
Einstellschaltung der APD derart gegeben, daß die ge
wandelten Werte () die vorbestimmten Zielwerte
Iat und Ist werden.
Die Zielwerte Iat und Ist der Anti-Stokes-
Lichtintensität und der Stokes-Lichtintensität des
Steuersignal-Meßsystems 60 werden derart bestimmt, daß,
wenn die Temperatur Tc des Steuersignal-Meßsystems 60
gleich der Referenztemperatur Ts ist, die Frequenzcha
rakteristiken der APD selbst in einem hohen Frequenzbe
reich nicht verschlechtert werden, und das Relaxations-
Phänomen in der gemessenen Temperaturverteilung nicht
auftritt.
Eine konkrete Steuertechnik für die APD-
Erfassungsempfindlichkeit unter Verwendung der gewan
delten Werte Iac und Isc, die aus den Gleichungen (67)
und (68) abgeleitet werden, kann eine bekannte Steuer
technik sein. Hier wird die folgende einfache Technik
verwendet: Die gewandelten Werte Iac und Isc werden mit
jeweiligen Zielwerten Iat und Ist verglichen. Wenn die
gewandelten Werte Iac und Isc kleiner sind als die ent
sprechenden Zielwerte, werden die entsprechenden
Erfassungsempfindlichkeiten der APD angehoben, während,
wenn die ersteren größer sind als die letzteren, die
entsprechenden Erfassungsempfindlichkeiten der APD ab
gesenkt werden. Es kann jedoch auch eine andere
Technik, z. B. eine PID-Steuerung verwendet werden.
Das Durchführen einer derartigen Steuerung bedeutet,
daß der Licht/Spannungs-Wandlerkoeffizient η der Detek
toren 9a und 9b in den Gleichungen (61) bis (63) kon
stant aufrechterhalten wird. Es bedeutet auch, daß eine
beliebige APD-Temperatur mit einem konstanten
Licht/Spannungs-Koeffizienten gemessen wird. Daher ist
es möglich, die APD-Erfassungsempfindlichkeit konstant
zu halten, und als Ergebnis überschreitet die Erfas
sungsempfindlichkeit die Grenze nicht, selbst wenn sich
die APD-Temperatur verändert. Mit anderen Worten, das
Relaxations-Phänomen, das herkömmlich zusammen mit der
Verschlechterung der APD-Frequenz auftritt, wird nicht
auftreten.
In dem Beispiel nach Fig. 34 werden der gemittelte Wert
der Intensität von Anti-Stokes-Licht, das dem De
tektor 9a eingegeben wird, und der gemittelte Wert
der Intensität von Stokes-Licht, das dem Detektor
9b eingegeben wird, als die Signale von Anti-Stokes-
Licht und Stokes-Licht des Steuersignal-Meßsystems 60
verwendet, das jeweils für die APD-
Erfassungsempfindlichkeitssteuerung verwendet wird. An
stelle dieser gemittelten Signale können jedoch auch
die Ausgänge und der
Mittelungsverarbeitungsschaltungen 10a und 10b verwen
det werden. In der Fig. 34 werden ebenfalls die gemit
telten Werte von Anti-Stokes-Licht bzw. Stokes-Licht,
die den jeweiligen Detektoren eingegeben werden, d. h.
und verwendet, stattdessen können jedoch
auch die Intensitäten der Anti-Stokes-Lichtstärke und
des Stokes-Lichts verwendet werden, die tatsächlich in
dem Steuersignal-Meßsystem 60 erzeugt und aus und
gewonnen werden. Kurz gesagt sind jegliche Para
meter, die den Lichtintensitäten des Anti-Stokes-Lichts
und des Stokes-Lichts proportional sind, die in dem
Steuersignal-Meßsystem 60 erzeugt werden, zufrieden
stellend.
Weiterhin kann jede Anzahl von Abtastpunkten mit dem
Abtastzeitintervall Ts in dem Steuersignal-Meßsystem 60
enthalten sein. In einem Fall, in dem eine Vielzahl von
Abtastpunkten enthalten ist, ist es möglich, eine hoch
genaue APD-Erfassungssteuerung unter Verwendung eines
Durchschnittswertes dieser durchzuführen, verglichen
mit einem Fall, der einen Abtastpunkt verwendet.
Eine konkrete Technik zum Erhalten der Temperatur aus
der optischen Sensorfaser aus den Lichtintensitäten der
zwei Komponenten von gemessenem Raman-Streulicht (das
Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht) wird im folgen
den erläutert.
Die gemessenen Streulichtintensitäten werden für jedes
Abtastintervall erfaßt und die n-te gemessene Anti-
Stokes-Lichtintensität Ia(n) (n=1, 2, 3, . . .), deren Dämpfungskoeffizient
γa(n), die n-te gemessene Stokes-Lichtintensität
Is(n) und deren Dämpfungskoeffizient
γs(n) sind durch die folgenden Ausdrücke gegeben.
wobei
wobei
Ks, Ka: Konstanten,
γs, γa: Dämpfungskoeffizienten,
Bs(T), Ba(T): Raman-Streulicht-Erzeugungswahr scheinlichkeit
β(T): Temperaturfunktion, die die Raman-Streu licht-Erzeugungswahrscheinlichkeit bestimmt,
h: Plancksches Wirkungsquantum,
γk: Verschiebewellennummer, die durch die Mate rialstruktur der optischen Faser bestimmt ist,
c: Lichtgeschwindigkeit,
nc: Brechungsindex der optischen Faser,
k: Bolzmann-Konstante,
T: Absolute Temperatur,
αr: Übertragungsverlust von Rayleigh-gestreutem Licht,
αs: Übertragungsverlust von Stokes-Licht,
αa: Übertragungsverlust von Anti-Stokes-Licht,
Δx: Entfernung entsprechend dem Abtastintervall.
Ks, Ka: Konstanten,
γs, γa: Dämpfungskoeffizienten,
Bs(T), Ba(T): Raman-Streulicht-Erzeugungswahr scheinlichkeit
β(T): Temperaturfunktion, die die Raman-Streu licht-Erzeugungswahrscheinlichkeit bestimmt,
h: Plancksches Wirkungsquantum,
γk: Verschiebewellennummer, die durch die Mate rialstruktur der optischen Faser bestimmt ist,
c: Lichtgeschwindigkeit,
nc: Brechungsindex der optischen Faser,
k: Bolzmann-Konstante,
T: Absolute Temperatur,
αr: Übertragungsverlust von Rayleigh-gestreutem Licht,
αs: Übertragungsverlust von Stokes-Licht,
αa: Übertragungsverlust von Anti-Stokes-Licht,
Δx: Entfernung entsprechend dem Abtastintervall.
Mit Gleichung (71) wird ein Verhältnis der Lichtinten
sitäten von Anti-Stokes-Licht und Stokes-Licht durch
folgende Gleichung ausgedrückt.
Wenn die Dämpfungskoeffizienten γs und γa bereits be
kannt sind, wird die Temperaturfunktion β(T), die die
Raman-Streulicht-Erzeugungswahrscheinlichkeit bestimmt,
aus den gemessenen Ia(n), Is(n) und der Gleichung (73)
erhalten. Dann wird die Temperatur T(n) entsprechend
dem n-ten Abtastpunkt unter Verwendung der Gleichung
(72) erhalten.
Die Entfernung x(n) entsprechend dem n-ten Abtastpunkt
ist proportional zu der Zeit t(n), die für eine hin-
und herverlaufende Ausbreitung über die Entfernung x(n)
gebraucht wird. Daher wird die Beziehung zwischen diesen
zwei durch die folgende Gleichung (74) ausgedrückt.
x(n) = {c · t(n)}/(2 · nc) (74)
Auf diese Weise werden die Entfernung und die Tempera
tur entsprechend jedem Abtastpunkt erhalten, wodurch
die Temperaturverteilung entlang der optischen Faser
gemessen werden kann. Da die Temperatur erhalten wird
aus dem Verhältnis von Anti-Stokes-Licht und Stokes-
Licht (zwei Komponenten von Raman-Streulicht), wie es
durch die Gleichung (73) gezeigt ist, wird die Tempera
tur nicht durch Mikroverbiegungsverluste und die Kopp
lungs- oder Verbindungsverluste der optischen Faser be
einflußt, da in denen beide Komponenten in gleichen
bzw. entsprechenden Beträgen enthalten sind.
Durch Verwendung der Gleichung (73) wird das Verhältnis
der Dämpfungskoeffizienten {γa(n)/γs(n)}, die bei der
Berechnung der Temperaturfunktion β{T(n)} erforderlich
sind, ausgedrückt durch Δα (den Unterschied zwischen
den Übertragungsverlusten αa und αs), wie es durch
Gleichung (75) gezeigt ist. Daher wird die Temperatur
funktion β{T(n)} erhalten, wenn Δα bekannt ist,
{γa(n)/γs(n)} = exp (-Δα·n·Δx) (75)
wobei Δα = αa - αs.
Da der Übertragungsverlustunterschied Δα sehr klein
ist, kann dieser Verlustunterschied vernachlässigt werden,
wenn die Lichtleitfaser kurz ist, kann jedoch
nicht vernachlässigt werden, wenn die Lichtleitfaser
lang ist.
Üblicherweise wird der Übertragungsverlust gemessen
bevor die Lichtleitfaser angeordnet wird und es wird
bestimmt, ob eine gewisse Messung vorzunehmen ist oder
Temperaturen bei gewissen Punkten der Lichtleitfaser
durch ein getrenntes Thermometer gemessen werden. Mit
anderen Worten, die Lichtleitfaser wird eingestellt, um
eine gleichförmige Temperatur entlang ihrer gesamten
Länge zu haben, und das Anti-Stokes-Licht und das
Stokes-Licht werden bei jeder Abtastzeit gemessen, um
den Übertragungsverlustunterschied Δα mit einem belie
bigen Intervall zu erhalten. Z. B. wird der Übertra
gungsverlust Δα zwischen den Abtastpunkten n1 und n2
erhalten aus den Gleichungen (71) und (72) unter Be
rücksichtigung der Temperatur β(T) als konstant über
die gesamte Länge und das Ergebnis wird durch die Glei
chung (76) gegeben.
Δα = [1/{(n2-n1)·Δx}] · In[{Ia(n1)/Ia(n2)} ÷ {Is(n1)/Is(n2)}]. (76)
Gemäß dem oben beschriebenen Ansatz, wenn eine bereits
installierte Lichtleitfaser, deren genauer Übertra
gungsverlust nicht bekannt ist, als der Sensor verwen
det wird, oder wenn eine billige Lichtleitfaser verwen
det wird, deren Übertragungsverlust sich über eine
lange Zeitspanne verändern könnte, kann jedoch hin
sichtlich der Meßgenauigkeit eine Schwierigkeit auftre
ten. Andererseits verursacht das Verwenden des separa
ten Thermometers ein Kostenproblem.
Der Übertragungsverlust der Lichtleitfaser, wie in Fig. 36(a)
gezeigt, kann eine Kurve haben, die einen Absorptionsverlust
in einem bestimmten Wellenlängenbereich
hat. Wenn die Lichtleitfaser in diesem Wellenlängenbe
reich für lange Zeit verwendet wird, könnte sich der
Übertragungsverlust verändern. Daher wird ein herkömm
licher Temperatursensor vom Raman-Typ verwendet, der außerhalb
dieses Bereiches liegt. Mit anderen Worten, der
herkömmliche Temperatursensor hat eine Einschränkung
hinsichtlich des zu verwendenden Wellenlängenbereichs.
Dies bedeutet, daß eine beliebige Lichtquelle nicht
verwendet werden kann, was das gesamte System teuer
macht.
Die folgenden Passagen behandeln eine Technik, um den
Übertragungsverlustunterschied Δα von zwei Komponenten
(dem Anti-Stokes-Licht und dem Stokes-Licht) von Raman-
Streulicht zu messen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 35 emittiert die Impulslicht
quelle 4 das Licht mit einer Wellenlänge λo in Syn
chronismus mit einem Synchronisierungssignal von einer
Trigger-Schaltung (Controller) 3. Das Impulslicht der
Lichtquelle 4 wird in die optische Sensorfaser 6 über
eine optische Faser 5a und den Lichtwellenlängen-
Aufteiler-Demultiplexer 15 eingeführt. Ein Teil des von
der optischen Faser 6 erzeugten gestreuten Lichts kehrt
zu dem Meßsystem 2 als zurückgestreutes Licht zurück
und tritt in den Lichtwellenlängen-Auftei
ler/Demultiplexer 15 ein. In dem Lichtwellenlängen-Auf
teiler/Demultiplexer 15 werden das Anti-Stokes-Licht
mit einer Wellenlänge λα und das Stokes-Licht mit
einer Wellenlänge λs voneinander aus dem eingeführten
zurückgestreuten Licht getrennt.
Das getrennte Anti-Stokes-Licht der Wellenlänge λa
läuft durch eine Lichtleitfaser 7a und tritt in ein
Anti-Stokes-Licht-Meßsystem 30a ein, das einen Detektor
9a, einen Verstärker 56a, einen A/D-Wandler 57a und
eine (Mittelungs- bzw.) Equalizer-
Verarbeitungsschaltung 10a hat. Ein Signal des Anti-
Stokes-Lichts, das in ein elektrisches Signal von einem
Detektor 9a gewandelt ist, wird von dem Verstärker 56a
verstärkt, dann von dem A/D-Wandler 57a mit einer Ab
tastzeit von 10 ns entsprechend einer Abtastentfernung
von einem Meter abgetastet und in ein Digitalsignal
ia(n) gewandelt. Die Daten ia(n) entsprechend den
Anti-Stokes-Lichtintensitäten von jeweiligen Abtast
punkten (Positionen) auf der optischen Faser werden
z. B 2¹⁶ mal einer arithmetischen Mittelungsverarbei
tung von der Mittelungs-Verarbeitungsschaltung 10a un
terzogen, wodurch Abtastdaten Ia(n) mit einem hohen S/N
erhalten werden.
Andererseits tritt das Stokes-Licht der Wellenlänge
λs, was von dem Wellenaufteiler 15 separiert ist, in
das Stokes-Licht-Meßsystem 30b ein, erfährt eine ähn
liche Verarbeitung wie das Anti-Stokes-Licht und dann
werden Abtastdaten Is(n) aus der Equalizer-
Verarbeitungsschaltung 10b ausgegeben.
In der Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11
werden die gemittelten Abtastdaten Ia(n) und Is(n) für
jeden Abtastpunkt in die folgende Gleichung (78) einge
geben, um Beziehungen für jeweilige Abtastpunkte zu er
halten.
Is(n)/{Ks·γs(n)} - Ia(n)/{Ka·γa(n)} = 1. (78)
Es ist aus Gleichung (72) offensichtlich, daß die Dämpfungskoeffizienten
γa(n) und γs(n) der Gleichung (78)
nur durch die Übertragungsverluste αr, αa und αs ausge
drückt werden können. Hier wird die Gleichung (78) wie
folgt erhalten: die Gleichung (77), die erhalten wird
durch Entwickeln der Gleichung (72), wird in die Glei
chung (71) eingesetzt und die temperaturabhängigen Aus
drücke werden eleminiert.
Bs(T) - Ba(T) = 1. (77)
Als nächstes wählt die Temperaturverteilungs-
Berechnungsschaltung 11 beliebig drei Gleichungen unter
den oben erhaltenen Gleichungen für jeden Abtastpunkt
aus, um durch Lösen der gleichzeitigen Gleichungen die
Übertragungsverluste αr, αa und αs als die drei
Unbekannten zu erhalten.
Die Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11 be
rechnet auch die Dämpfungskoeffizienten γa(n) und γs(n)
entsprechend den jeweiligen Abtastpunkten, und zwar
unter Verwendung der erhaltenen Übertragungsverluste
αr, αa und αs. Hier werden Konstanten Ka und Ks zuvor
durch Messen von Ia(n) und Is(n) unter Verwendung der
Gleichung (78) erhalten, wobei eine Lichtleitfaser ver
wendet wird, deren Dämpfungskoeffizient bereits bekannt
ist.
Die Dämpfungskoeffizienten γa(n) und γs(n) werden in
die Gleichung (73) eingesetzt, um die Temperatur T(n)
der jeweiligen Abtastpunkte zu erhalten. Auf diese
Weise, selbst wenn der Übertragungsverlust der Licht
leitfaser unbekannt ist, ist es möglich, die Tempera
turverteilung T(n) entlang der Lichtleitfaser durch die
optische Faser (Sensor) selbst zu gewinnen.
Vorstehend wird eine Kombination aus drei willkürlichen
Gleichungen verwendet, um die drei Unbekannten (die
Übertragungsverluste αr, αs und αa) zu erhalten. Da je
doch eine Anzahl von Gleichungen verfügbar ist, nämlich
so viele wie die Anzahl von Abtastungen, kann eine wei
tere Kombination der drei Gleichungen zusammen ver
wendet werden. Z. B. können die Durchschnittswerte der
Übertragungsverluste αr, αs und αa, jeweils erhalten
aus zwei Gruppen von drei Gleichungen, verwendet wer
den. In einem solchen Fall kann eine höhere Genauigkeit
in der Temperaturverteilung erwartet werden verglichen
mit einem Fall, bei dem die Übertragungsverluste αr,
αs, αa verwendet werden, die aus nur einer Gruppe der
drei Gleichungen erhalten werden.
Die Dämpfungskoeffizienten können berechnet werden
durch eine Wiederholungsverarbeitung wie unten be
schrieben.
Aus Gründen der einfacheren Erläuterung wird zunächst
eine Entwicklungstechnik der Gleichung (712) erläutert,
die anstelle der Gleichung (78) verwendet wird.
Die Übertragungsverluste αr, αs und αa können durch
einen Satz von Gleichungen (79) ausgedrückt werden.
αr = αr0 + Δαr
αs = αs0 + Δαs (79)
αa = αa0 + Δαa
Hier sind die ersten Ausdrücke auf der rechten Seite
der Gleichung (79) angenommene Werte und die zweiten
Ausdrücke auf der rechten Seite sind der Unterschied
zwischen den angenommenen Werten und den jeweiligen
wahren Werten.
Die Dämpfungskoeffizienten können durch die Gleichungen
(710) durch Einsetzen der Gleichung (79) in die Glei
chung (72) approximiert werden.
wobei
Das Einsetzen der Gleichung (710) in die Gleichung (78)
ergibt die Gleichung (712):
Ys(n) · (1+n·εs) - Ya(n) · (1+n·εa) = 1, (712)
wobei
Die Gleichung (712) ist für jeden Abtastpunkt wirksam
und unbekannt sind nur εs und εa. Andere Werte als die
Unbekannten werden aus den Meßergebnissen erhalten.
Zunächst wird eine Berechnung des geringsten (Fehler-)
Quadrats für die an den Meßpunkten für Is(n) und Is(n)
wirksamen Gleichungen ausgeführt, um εs und εa zu er
halten. Ks und Ka sind zuvor erhalten und ks und ka
werden aus den angenommenen Werten αr, αs und αa be
stimmt.
Als nächstes werden die Dämpfungskoeffizienten γa und
γs als auch die Übertragungsverluste αr, αs und αa aus
den Gleichungen (79) bis (711) gewonnen, und zwar unter
Verwendung von εs und εa.
Die oben beschriebenen Berechnungen werden wiederholt
unter der Annahme, daß die so erhaltenen Übertragungs
verluste αr, αa und αs die ersten Audrücke auf der
rechten Seite der Gleichung (79) sind, d. h. daß αro=αr,
αso=αs und αao=αa. Diese zweite Berechnung reduziert
die Größe der Unterschiede Δαr, Δαs und Δαa
zwischen den angenommenen Werten und den wahren Werten,
wie verglichen mit den Unterschieden nach der ersten
Berechnung, und verbessert die Genauigkeit von αr, αs
und αa, verglichen mit derselben.
Wenn die Berechnungen für eine bestimmte Anzahl von
Malen, z. B. 100 mal, wiederholt werden, haben die
letztendlich erhaltenen Übertragungsverluste αr, αs und
αa jeweils eine sehr hohe Genauigkeit. Die Dämpfungsko
effizienten γa(n) und γs(n) entsprechend den jeweiligen
Abtastpunkten werden erhalten unter Verwendung dieser
hochgenauen Werte und das Ergebnis wird in die Glei
chung (73) eingesetzt, um die Temperaturverteilung T(n)
zu erhalten.
Fig. 36(b) zeigt das Ergebnis (weiße Kreise) der tat
sächlichen Messung des Übertragungsverlustunterschieds
Δα der optischen Sensorfaser nach den wiederholten Be
rechnungen. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Ergebnis
(durchgezogene Linie) überein, das erhalten wird unter
Verwendung einer Spektralcharakteristik-Meßeinrichtung.
Dies bedeutet, daß die sich wiederholenden Berechnungen
Sinn machen.
Das vorstehende behandelte den Temperatur-Verteilungs
sensor vom Lichtleitfasertyp unter Verwendung von
Raman-Streulicht als Temperaturinformation obwohl es
auch angewendet werden kann auf einen Temperatur-Ver
teilungssensor vom Lichtleitfasertyp, der eine Kombina
tion aus Rayleigh-Streulicht und Raman-Streulicht ver
wendet, und in diesem Fall können die gleichen Wirkun
gen erwartet werden.
Selbst in dem Wellenlängenbereich, in dem der Absorpti
onsverlust auftritt, wird die Temperatur-Verteilungs
messung möglich gemacht. Daher kann eine Lichtquelle
mit einer beliebigen Wellenlänge verwendet werden. Dies
reduziert die Herstellungskosten der gesamten Sensoran
ordnung. Selbst wenn der Übertragungsverlust der opti
schen Sensorfaser sich aus irgendeinem Grund ändert,
wird der Verlust hochgenau erfaßt, so daß eine kosten
günstige Lichtleitfaser verwendet werden kann und die
Verläßlichkeit der Temperatur-Verteilungssensor-
Anordnung verbessert wird. Zusätzlich, selbst wenn die
Temperatur-Verteilung der optischen Sensorfaser unbe
kannt ist, ist es nicht notwendig, den Übertragungsver
lust zuvor herauszufinden, da der Übertragungsverlust
zu einem bekannten Wert werden wird.
Wie zuvor beschrieben, da die Wellenlängen vom Stokes-
Licht und Anti-Stokes-Licht sich voneinander unter
scheiden, sind auch die Übertragungsverluste in der op
tischen Sensorfaser unterschiedlich. Daher, wenn das
Intensitätsverhältnis von Stokes-Licht und von Anti-
Stokes-Licht als die Temperaturinformation genommen
wird, ist eine Kompensation hinsichtlich des
Übertragungsverlustunterschieds zwischen dem Stokes-
Licht und dem Anti-Stokes-Licht notwendig. Demgemäß
müssen deren Konstanten korrekt erfaßt werden.
Die zuvor erwähnten Ansätze (Fig. 35 u. 36) erfassen
jedoch Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen (das
Stokes-Licht und das Anti-Stokes-Licht), so daß der Er
fassungsteil kompliziert wird und das gesamte System
teuer macht.
Fig. 37 erläutert eine perspektivische Ansicht einer
weiteren Temperaturverteilungssensor-Anordnung vom Fa
sertyp, die nur eine Komponente vom Raman-Streulicht
verwendet. Wie erläutert, wird eine Reflexionsplatte 64
an einem freien Ende der optischen Sensorfaser 6 vorge
sehen zur Totalreflexion von eingegebenem Licht. Das
Meßsystem 2 erfaßt die Temperatur eines Teils der opti
schen Faser unter Verwendung OTDR-Verfahrens. Das Meß
system 2 hat die bereits erwähnte Lichtquelle 4, den
optischen Wellenaufteiler 15, die Detektoren 9a und 9b,
die Equalizer-Verarbeitungsschaltungen 10a und 10b und
die Temperatur-Verteilungs-Berechnungsschaltung 11.
Hier sollte angemerkt werden, daß, da eine Komponente
von Raman-Streulicht ausreicht, entweder die Anti-
Stokes-Lichtmeßeinheit 30a oder die Stokes-
Lichtmeßeinheit 30b als OTDR-Meßschaltung ausreicht.
Ein folgendes Beispiel behandelt einen Fall, bei dem
Anti-Stokes-Licht verwendet wird.
Wenn der Lichtimpuls, der von der Lichtquelle
ausgegeben wird durch die optische Sensorfaser 6 läuft,
die Reflexionsplatte 64 erreicht und zu dem Meßsystem
2 zurückkehrt, wird bei jedem Punkt der optischen Sen
sorfaser 6 zurückgestreutes Licht erzeugt und in das
Meßsystem 2 geleitet, so daß das Anti-Stokes-Licht
durch den optischen Wellenaufteiler 15 getrennt und
dann von dem Detektor 9a der Anti-Stokes-
Lichtmeßeinheit 30a innerhalb des Meßsystems 2 detek
tiert wird.
Fig. 38 zeigt ein Beispiel der Veränderung der
Streulichtintensität mit der Zeit. Die Streulichtinten
sität hat aufgrund des Übertragungsverlustes der opti
schen Faser 6 die dargestellte Neigung.
Wenn "L" der Gesamtlänge der optischen Sensorfaser 6
zugewiesen wird und "C" der Lichtgeschwindigkeit in der
Lichtleitfaser zugewiesen wird, ist die Zeit von der
Lichtausgabe von der Lichtquelle 4 bis zum Zurückkehren
als bei der Position direkt vor der Reflexionsplatte 64
zurückgestreutes Licht, d. h. die Zeit zwischen der Aus
gabe des optischen Impulses und dem Eingang des zurück
gestreuten Lichts in den Detektor innerhalb des Meßsy
stems 2, gleich 2L/C. Andererseits wird der ausgegebene
Lichtimpuls von der Reflexionsplatte 64 reflektiert
und aus dem bei der Position direkt vor dem Eintritt in
das Meßsystem 2 erzeugten Streulicht wird ein Teil, der
in die Richtung der Reflexionsplatte 64 fortschreitet,
von der Reflexionsplatte 64 reflektiert. Die Zeit zum
Erreichen des Systems 2 ist 4 L/C.
Daher ändert sich die Intensität des zurückgestreuten
Lichts mit der Zeit, wie es in Fig. 38 gezeigt ist.
Insbesondere ändert sich die Intensität des zurückge
streuten Lichts, wie es durch A in Fig. 38 gezeigt ist,
bis der optische Ausgangsimpuls von der Lichtquelle 4
die Reflexionsplatte 64 erreicht, und verfügt über
Fresnel-Reflexion am Ende der optischen Faser, wie
durch B angedeutet. Die Intensitätsveränderung des von
dem optischen Impuls zurückgestreuten Lichts, das zu
dem System 2 zurückkehrt, wenn durch die Reflexions
platte 64 reflektiert, enthält einen Verlust aufgrund
einer Reflexion durch die Reflexionsplatte 64, wie an
gedeutet durch e, und verläuft hiernach auf einer
Kurve, wie angedeutet durch A′. Die Intensität des
Streulichts während einer Zeit Δt, wobei die Zeit 2 L/C
der Mittelpunkt ist, entspricht der Streulichtintensi
tät in der entsprechenden Position (Entfernung) der op
tischen Sensorfaser. D und D′ zeigen die Intensitäten
von zurückgestreutem Licht bei einem jeweiligen Hoch
temperaturabschnitt.
Das zurückgestreute Licht, was durch A′ angedeutet ist,
erhält durch Vorsehen der Reflexionsplatte 64 einen
meßbaren Pegel am Eingabeende. Wenn die Reflexionsplatte
64 nicht vorgesehen ist, wie bei der herkömmlichen
Anordnung, ist die Menge des am entfernten Ende der op
tischen Faser reflektierten Lichts gering und der Ver
lust bei e ist so groß, daß das durch A′ angezeigte zu
rückgestreute Licht nicht erfaßt werden kann.
Fig. 39 zeigt ein Diagramm, bei dem die zeitliche Ver
änderung der logarithmischen Skala für die Streulicht
intensität korrespondierend zu der Entfernung der
Lichtleitfaser 6 gemacht ist. Die Streulichtintensität,
die erzeugt wird, bis die Lichtimpulsausgabe von der
Lichtquelle 4 die Reflexionsplatte 64 erreicht, ist
durch a in Fig. 39 gezeigt, und die Streulichtintensi
tät, nachdem der Lichtimpuls von der Reflexionsplatte
64 reflektiert ist, ist durch a′ gezeigt.
Es ist möglich, die Streulichtveränderung aufgrund des
Übertragungsverlustes der Lichtleitfaser 6 zu eleminie
ren durch Berechnen von (a+a′) an den jeweiligen Po
sitionen der Lichtleitfaser 6 durch die
Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung 11, die in
dem System 2 installiert ist. Das Ergebnis ist in Fig. 40
gezeigt, bei der sich die Streulichtintensität nur
mit der Temperatur ändert. Daher wird die
Temperaturinformation erhalten.
Dieser Ansatz wird in großer Genauigkeit unter Bezug
nahme auf Fig. 41 beschrieben.
Wenn "L" der Gesamtlänge der optischen Sensorfaser zu
gewiesen ist, "I₁" der Intensitätsveränderung von zu
rückgestreutem Licht aufgrund des übertragenen Lichtim
pulses, bis dieser die Reflexionsplatte von dem Ein
gabeende der optischen Sensorfaser erreicht, "I₂" der
Intensitätsveränderung des zurückgestreuten Lichts auf
grund des übertragenen Lichtimpulses, und zwar nach der
Reflexion durch die Reflexionsplatte 64, "I₁₀" dem
Wert von "I₁" bei dem Eingabeende der Lichtleitfaser
und "I₂₀" dem Wert von"I₂" bei der Position der
Reflexionsplatte 64 zugewiesen ist, sind I₁(x) und
I₂(x) (I₁ und I₂ im Abstand x von dem Eingabeende
der Lichtleitfaser) gegeben durch die folgenden jewei
ligen Ausdrücke:
I₁(x) = I₁₀ exp (-α·x) f(Tx),
Is(x) = I₂₀ exp {-α (L-x)} f(Tx),
wobei
α eine Konstante ist und
f(Tx) eine Temperaturfunktion.
α eine Konstante ist und
f(Tx) eine Temperaturfunktion.
Der geometrische Durchschnitt I*(x) von I₁(x) und
I₂(x) wird wie folgt ausgedrückt:
I*(x) = {I₁(x) I₂(x)}0,5 = (I₁₀ I₂₀)0,5 f(Tx).
Das so erhaltene I*(x) hat keinen Anteil mit Übertra
gungsverlust und wird eine ausschließliche Funktion der
Temperaturinformation f(Tx).
Daher ist es mit dieser Information nicht notwendig,
den Übertragungsverlust der Lichtleitfaser zu berück
sichtigen, und es ist möglich, eine beliebige Licht
leitfaser als Sensor zu verwenden. Da es möglich ist,
die Temperatur unter Verwendung nur einer Komponente
von Raman-Streulicht zu detektieren, kann das gesamte
System kostengünstig hergestellt werden.
Ein Spiegel kann ein typisches Element sein, das als
Reflexionsplatte 64 verwendet wird, es kann jedoch auch
jedes andere Element zufriedenstellend verwendet wer
den, solange es Licht total reflektieren kann.
Ein herkömmlicher Temperatursensor vom Lichtleitfaser
typ hat folgende Nachteile:
- (1) Es ist unmöglich, eine Temperatur eines Gegenstandes zu erfassen, der kleiner ist als der minimal erfaßbare Abstand (Auflösung) des Systems. Der er faßbare Abstand würde durch Reduzieren einer Im pulsbreite einer Lichtquelle (und durch Anheben einer Abtastfrequenz) verkürzt werden. Dies erfor dert jedoch einen Impulsgenerator hoher Geschwin digkeit und eine Datenverarbeitungseinheit hoher Geschwindigkeit. Die Kosten steigen;
- (2) Wenn ein Teil der installierten Lichtleitfaser ge wunden ist, um einen Spot-Sensor vom Lichtleitfa sertyp zu bilden, steigt der optische Verlust auf grund einer Verdrehung der Lichtleitfaser an und demgemäß ist der dynamische Bereich des Tempera turverteilungssensors begrenzt, wodurch es erforderlich ist, die Anzahl von Spot-Sensoren und den Abstand bzw. die Entfernung der Lichtleitfaser zu reduzieren. Weiterhin verringert eine Deforma tion aufgrund der Verdrehung die Festigkeit der Faser und die Langzeitzuverlässigkeit wird ver schlechtert; und
- (3) die Lichtleitfaser kann geschnitten bzw. geschlif fen sein und der Spot-Sensor vom Lichtleitfaser typ, der zuvor derart gewunden ist, daß der Sensor keine Verdrehung hat, kann in den geschliffenen Teil der Lichtleitfaser durch Schmelzspleißen ein geführt und gekoppelt werden. Das Schmelzspleißen ist jedoch eine aufwendige Arbeit. Zusätzlich, so bald der Sensor mit der Lichtleitfaser gekoppelt ist, ist es schwierig, den Sensor aufgrund der Schmelzspleißung zu entfernen.
Die folgenden Passagen behandeln den Spot-Sensor vom
Lichtleitfasertyp, der keine Verdrehungen hat.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 42 und 43 ist ein ovales
Gehäuse 65 aus einem Material hergestellt, das gute
Wärmeübertragungseigenschaften hat. Das Gehäuse 65 bildet
- zusammen mit einer Lichtleitfaser 66, die in dem
Gehäuse 65 angeordnet ist - einen Spot-Sensor vom
Lichtleitfasertyp.
Die bereits installierte optische Sensorfaser 6 wird
ausgezogen, wobei irgendein Teil der optischen Sensor
faser 6 nicht geschliffen ist, und in das Gehäuse 65
als Lichtfaser-Schlüssel bzw. -Knoten 67 eingeführt.
Der Lichtfaser-Code 67 ist an dem Eingang des Gehäuses
mittels eines Befestigungselements 68 festgelegt und
wird dann in vor- und zurücklaufende,
entmantelte Lichtleitfasern 66 aufgeteilt und durch
Kevlar-Elemente 69 in dem Gehäuse 65 befestigt.
Um es möglich zu machen, ein Objekt kleiner als der mi
nimal erfaßbare Abstand des Temperaturverteilungs-
Meßsystems 2 zu erfassen, ist die Lichtleitfaser 66 in
dem Gehäuse 65 in der Art einer "8" gewickelt, deren
Länge mehr als zweimal so groß ist wie der minimale er
faßbare Abstand, und die Lichtleitfaser 66 wird in dem
Gehäuse 65 untergebracht.
Die Lichtleitfaser 66 ist wie eine Acht gewunden und in
dem Gehäuse 65 untergebracht, um zu verhindern, daß De
formationen wie Biegen oder ein seitlicher Druck gegen
eine externe Kraft nicht auf die Lichtleitfaser 66
wirkt. Das Winden der Lichtleitfaser 66 wie eine Acht
ist wichtig, um ein Verdrehen zu verhindern.
Mit anderen Worten, wenn die Lichtleitfaser geschliffen
und gewickelt ist, ist es möglich, die Lichtleitfaser
während des Wickelns nicht zu verdrehen. Ohne ein
Schleifen wird beim Wickeln der Lichtleitfaser diese
jedoch um eine Drehung (360°) für eine Windung ver
dreht, so daß die Anzahl der Verdrehungen proportional
mit der Anzahl der Windungen ansteigt. Andererseits,
wenn die Lichtleitfaser wie eine Acht gewunden ist,
wird die Lichtleitfaser bei einer halben Drehung in
eine Richtung um 180° verdreht, jedoch bei der anderen
Hälfte in der entgegengesetzten Richtung um 180° ge
dreht, wodurch die Verdrehung ausgeglichen ist und die
Anzahl von Verdrehungen nicht ansteigt.
Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben, wo eine
Lichtleitfaser vom QSI-Typ (Quasi-Schnitt-Index) oder
eine vom GI-Typ (gradierter Index) mit 200/250 µm als
optische Sensorfaser verwendet wird, wobei die Höhe der
Acht (die Länge) 140 mm beträgt, die Breite der Acht 70 mm
beträgt und der Biegedurchmesser 40 mm beträgt.
Fig. 44 zeigt einen Vergleich des Biegeverlustes, wenn
die Faser zu einem Oval gewunden und eine Verdrehung
vorhanden ist, und dem Biegeverlust, wenn die Faser wie
eine Acht gewunden ist, wobei die Länge der Lichtleit
faser konstant ist (3 m). Die Anzahl der Windungen er
höht sich, wenn der Biegedurchmesser kleiner wird, und
dann steigen die Verdrehungen und der Verlust an. In
diesem besonderen Fall (wo der Biegedurchmesser 40 mm
ist), ist der optische Verlust um 0,1 Dezibel reduziert
durch Winden der Lichtleitfaser in die Form einer Acht.
Daher ist es möglich, die Lichtleitfaserlänge zu ver
größern und die Anzahl der Sensoren zu erhöhen.
In der vorangegangenen Beschreibung ist die optische
Sensorfaser alleine im Gehäuse untergebracht. Unter Be
rücksichtigung von Wärmeübertragungseigenschaften kann
das Gehäuse jedoch auch mit einer Verbindung oder mit
Öl gefüllt sein.
Claims (32)
1. Temperatursensor-Anordnung, die über eine Faserop
tik verteilt ist und eine Temperatur entlang einer
Längsrichtung einer optischen Sensorfaser mißt
durch Messen einer Temperatur in Abhängigkeit von
einer Raman-Streulicht-Intensität, die in einer
Lichtleitfaser erzeugt wird, unter Verwendung
einer OTDR-Technik, dadurch gekennzeichnet, daß
Licht, welches von einer Lichtquelle abgegeben
wird, der optischen Sensorfaser über einen Licht
wellenlängen-Aufteiler/Demultiplexer eingegeben
wird, daß aus dem reflektierten Licht des von der
optischen Sensorfaser zurückkehrenden zurückge
streuten Lichts Licht eines bestimmten Wellenbe
reiches durch zumindest ein optisches Filter des
Lichtwellenlängen-Aufteilers/Demultiplexers re
flektiert oder übertragen wird, um das Licht des
bestimmten Wellenlängenbereiches zu trennen, und
daß das Signal des Lichts des bestimmten Wellen
längenbereiches zu einem Detektor eines optischen
Meßsystems geführt wird.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Lichtwellenlängen-Auftei
ler/Demultiplexer ein erstes Filter, das Licht mit
einer Wellenlänge der Lichtquelle durchläßt, je
doch Raman-Streulicht reflektiert, ein zweites
Filter, das das reflektierte Licht von dem ersten
Filter empfängt und zumindest Raman-Streulicht re
flektiert, ein drittes Filter, das reflektiertes
Licht von dem zweiten Filter empfängt und Wellen
längen von Anti-Stokes-Licht durchläßt, jedoch
Wellenlängen von Stokes-Licht reflektiert, und ein
viertes Filter hat, das reflektiertes Licht von
dem dritten Filter empfängt und Stokes-Licht
reflektiert, und daß das durch das dritte Filter
übertragene Anti-Stokes-Licht in ein Meßsystem für
Anti-Stokes-Licht geleitet wird, wohingegen das
durch das vierte Filter geleitete Stokes-Licht in
ein Meßsystem für Stokes-Licht geleitet wird.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtwellenlängen-
Aufteiler/Demultiplexer ein erstes Filter, das
Licht mit einer Wellenlänge der Lichtquelle durch
läßt, jedoch Raman-Streulicht reflektiert, ein
zweites Filter hat, das von dem ersten Filter
reflektiertes Licht empfängt und Anti-Stokes-Licht
reflektiert hat, und daß das Stokes-Licht, das von
dem ersten Filter reflektiert wird, in ein Meß
system für Stokes-Licht geführt wird, wohingegen
das von dem zweiten Filter reflektierte Anti-
Stokes-Licht in ein Meßsystem für das Anti-Stokes-
Licht geführt wird.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest auf einem optischen
Weg, über den das von dem ersten Filter reflek
tierte Stokes-Licht zu dem Stokes-Licht-Meßsystem
geführt wird, ein drittes Filter zum Übertragen
des Lichts mit einer Wellenlänge der Lichtquelle,
jedoch zum Reflektieren des Stokes-Lichts vorge
sehen ist, oder auf einem optischen Weg, über den
das Anti-Stokes-Licht, das von dem zweiten Filter
reflektiert ist, zu dem Anti-Stokes-Licht-
Meßsystem geleitet wird, ein viertes Filter
vorgesehen ist zum Übertragen des Lichts mit der
Wellenlänge der Lichtquelle und zum Reflektieren
von Anti-Stokes-Licht.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenlängen-
Aufteiler/Demultiplexer ein Bandpaßfilter hat zum
Trennen von Anti-Stokes-Licht mit einer mittleren
Wellenlänge λa und von Stokes-Licht mit einer
mittleren Wellenlänge λs aus dem zurückgestreuten
Licht, und daß die Charakteristiken des Bandpaß
filters die folgenden Gleichungen (1)-(3) erfül
len:
wobei
λs1, λs2: die Grenzwellenlängen des Bandpaßbereichs für Stokes-Licht,
λa1, λa2: Grenzwellenlängen des Bandpaßbereichs für Anti-Stokes- Licht,
Δλs: Differenz der mittleren Wellenlänge von Stokes-Licht und der mittleren Wellenlänge von Eingangs licht, und
Δλa: Differenz der mittleren Wellen länge von Anti-Stokes-Licht und der mittleren Wellenlänge von Eingangs licht.
λs1, λs2: die Grenzwellenlängen des Bandpaßbereichs für Stokes-Licht,
λa1, λa2: Grenzwellenlängen des Bandpaßbereichs für Anti-Stokes- Licht,
Δλs: Differenz der mittleren Wellenlänge von Stokes-Licht und der mittleren Wellenlänge von Eingangs licht, und
Δλa: Differenz der mittleren Wellen länge von Anti-Stokes-Licht und der mittleren Wellenlänge von Eingangs licht.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Lichtwellenlängen-Auftei
ler/Demultiplexer einen ersten, einen zweiten,
einen dritten und einen vierten Verbindungsan
schluß hat, daß 20% oder mehr der Lichtmenge von
Licht mit einer Wellenlänge λo, das an dem ersten
Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem zwei
ten Verbindungsanschluß geleitet und ausgegeben
wird, daß 20% oder mehr der Lichtmenge des Lichts
mit einer Wellenlänge λa, das über den zweiten
Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem drit
ten Verbindungsanschluß geleitet und ausgegeben
wird, daß 20% oder mehr der Lichtmenge von Licht
mit einer Wellenlänge λs, das über den zweiten
Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem vier
ten Verbindungsanschluß geleitet und ausgegeben
wird, daß auf einem optischen Weg, über den das
Licht mit der Wellenlänge λa, das über den zweiten
Verbindungsanschluß eingegeben wird, zu dem dritten
Verbindungsanschluß ausgegeben wird, ein er
stes Paar von optischen Filtern (A) vorgesehen
ist, die einander gegenüberliegen, daß auf einem
optischen Weg, über den das Licht mit der Wellen
länge λs, das über den zweiten Verbindungsanschluß
eingegeben wird, zu dem vierten Verbindungan
schluß ausgegeben wird, ein zweites Paar von opti
schen Filtern (B) vorgesehen ist, die einander ge
genüberstehen, daß für jedes Paar der optischen
Filter jeweils ein Winkeleinstellmechanismus der
art vorgesehen ist, daß jedes Paar von optischen
Filtern seinen Winkel zu dem optischen Weg verän
dern kann, ohne einen relativen Winkel zwischen
den Filtern eines Paars von optischen Filtern zu
verändern, und daß zumindest ein Paar der opti
schen Filter mit einem Abstandseinstellmechanismus
zum Verändern eines Abstandes zwischen den zwei op
tischen Filtern ohne Verändern des relativen
Winkels zwischen den optischen Filtern vorgesehen
ist.
7. Verfahren zum Einstellen des Lichtwellenlängen-
Aufteilers/Demultiplexers nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß unter Verwendung des Abstands
einstellmechanismus, der zumindest einem Paar der
optischen Filter zugeordnet ist, ein Abstand zwi
schen den zwei optischen Filtern derart einge
stellt wird, daß von dem Licht mit der Wellenlänge
λa, das über den zweiten Verbindungsanschluß ein
gegeben wird, der Anteil, der an den dritten Ver
bindungsanschluß ausgegeben wird, erhöht wird, oder,
daß von dem Licht mit der Wellenlänge λs, das über
den zweiten Verbindungsanschluß eingegeben wird,
der Anteil, der an den vierten Verbindungsanschluß
ausgegeben wird, erhöht wird.
8. Verfahren zum Erfassen einer verteilt vorliegenden
Information von physikalischen Daten, wie einem
optischen Verlust, entlang einer Längsrichtung
einer optischen Faser, und zwar unter Verwendung
der Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom
Lichtleitfasertyp nach Anspruch 1, wobei Impuls
licht mit einem kurzen Zeitintervall in die Licht
leitfaser eingegeben wird, eine Vielzahl von zu
rückgestreuten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen
Wellenlängen und den gleichen Abtastzeitinterval
len empfangen wird, wobei das zurückgestreute
Licht bei der Impulslichteingabe erzeugt wird, und
wobei eine relative Beziehung zwischen Abtastdaten
von Signalen mit jeweiligen Wellenlängen berechnet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn bezüglich
einer Entfernung auf der optischen Faser, die aus
Übertragungsraten jeweiliger Wellenlängen und der
gleichen Abtastnummern berechnet wird, ein Unter
schied besteht zwischen einer Entfernung, die aus
Licht mit einer Referenzwellenlänge erhalten wird,
und einer Entfernung, die aus Licht mit einer un
terschiedlichen Wellenlänge erhalten wird, eine
Entfernungskomponente, eine Zeitkomponente
und/oder eine Abtastnummer derart kompensiert
wird/werden, daß eine Signalerzeugungsposition des
Lichts mit der unterschiedlichen Wellenlänge etwa
gleich einer Signalerzeugungsposition des Lichts
mit der Referenzwellenlänge wird, und zwar auf der
Basis der Übertragungsraten der jeweiligen Wellen
längen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß anstelle des Verwendens der Übertragungsraten
von bekannten jeweiligen Wellenlängen eine relative
Geschwindigkeit der jeweiligen Wellenlängen aus
einem Verhältnis von Abtastnummern oder -zeiten
erhalten wird, bis ein gestreutes Licht oder re
flektiertes Licht von einer bekannten Position der
Lichtleitfaser zurückkehrt, die die Information
erfaßt.
10. Verfahren zum Erfassen einer verteilt vorliegenden
Information von physikalischen Daten, wie einem
optischen Verlust, entlang einer Längsrichtung
einer optischen Faser unter Verwendung einer
Temperaturverteilungs-Sensoranordnung vom Licht
leitfasertyp nach Anspruch 1, mit Eingeben eines
Impulslichts eines kurzen Zeitintervalls in die
Lichtleitfaser, Empfangen einer Vielzahl von zu
rückgestreuten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen
Wellenlängen mit den gleichen Abtastzeitinterval
len, wobei das zurückgestreute Licht bei der
Impulslichteingabe erzeugt wird, und Berechnen
einer relativen Beziehung zwischen Abtastdaten von
Signalen mit jeweiligen Wellenlängen, dadurch ge
kennzeichnet, daß, wenn bezüglich einer Entfernung
in der Lichtleitfaser, die aus den Übertragungsraten
von jeweiligen Wellenlängen und den gleichen
Abtastnummern berechnet wird, ein Unterschied be
steht zwischen einer Entfernung, die aus Licht mit
einer Referenzwellenlänge erhalten wird, und einer
Entfernung, die aus Licht mit einer unterschiedli
chen Wellenlänge erhalten wird, sobald der Entfer
nungsunterschied einen vorbestimmten Wert über
schreitet, der innerhalb eines Entfernungsinter
valls liegt, welches aus der relativen Geschwin
digkeit oder Übertragungsrate des Lichts mit der
Referenzwellenlänge und den Abtastzeitintervallen
berechnet wird, die Abtastnummer um 1 verschoben
wird, wobei das Verschieben der Abtastnummer je
desmal durchgeführt wird, wenn der Entfernungsun
terschied den vorbestimmten Wert überschreitet,
und daß die Informationsverteilung erhalten wird
aus einer relativen Beziehung zwischen Signalen
von Licht mit der Referenzwellenlänge und Signalen
von Licht mit der unterschiedlichen Wellenlänge.
11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Informationsverteilung der
Lichtleitfaser erhalten wird durch Gewinnen einer
Information bei einer Position, die erhalten wird
durch eine gewisse Abtastzeit von Licht mit der
Referenzwellenlänge, und zwar unter Verwendung
einer relativen Beziehung zwischen einem Wert
eines Lichtsignals mit der Referenzwellenlänge bei
dem gewissen Abtastzeitpunkt, und einem Wert, der
dem gewissen Abtastzeitpunkt entspricht, wobei die
Beziehung erhalten wird aus einer Interpolation
von zwei Werten von Licht mit unterschiedlichen
Wellenlängen zu zwei Abtastzeitpunkten vor und
nach dem gewissen Abtastzeitpunkt.
12. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Informationsverteilung der
Lichtleitfaser erhalten wird durch Gewinnen einer
Information bei einer Position, die erhalten wird
bei einer gewissen Position von Licht mit der Re
ferenzwellenlänge, und zwar unter Verwendung einer
relativen Beziehung zwischen einem Wert eines Si
gnals bei der gewissen Zeit oder Position des
Lichts mit der Referenzwellenlänge und einem Wert,
der der gewissen Zeit oder Position entspricht,
die erhalten wird aus einer Interpolation von zwei
Werten von Licht mit den unterschiedlichen Wellen
längen zu zwei Zeiten oder Positionen vor und nach
der gewissen Zeit oder Position.
13. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die optische Sensorfaser ein Ende
hat, welches antireflexionsbehandelt ist.
14. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die optische Sensorfaser ein Ende
hat, welches in der Form einer Sphäre geformt ist,
daß die Anordnung weiterhin ein Gehäuse aus einem
Kunststoffrohr oder einem Metallrohr hat und daß
die optische Sensorfaser abgedichtet in dem Gehäu
se untergebracht ist.
15. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die optische Sensorfaser ein
Ende hat, welches ein Material mit einem hohen
Brechungsindex hat.
16. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß am Ende der optischen Sensorfaser
ein GaAs-Sensor vorgesehen ist, der GaAs und einen
reflektierenden Film enthält.
17. Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß zumindest ein Lichtwellenlängen-Auf
teiler/Demultiplexer an der optischen Sensorfaser
derart vorgesehen ist, daß zumindest ein optischer
Faserzweig gebildet wird und daß an einem Ende des
optischen Faserzweiges ein GaAs-Sensor vorgesehen
ist, der GaAs und einen reflektierenden Film ent
hält.
18. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Steuersignal-Meßeinrichtung in
einer bestimmten Position oder einem bestimmten
Bereich der optischen Sensorfaser vorgesehen ist,
daß eine Empfindlichkeitserfassungs-
Steuereinrichtung zum Steuern des Detektors in
einen Zustand hoher Empfindlichkeit vorgesehen ist
unter Verwendung eines Werts eines Signals, das
proportional ist zu der Intensität eines in der
Steuersignal-Meßeinrichtung erzeugten reflektierten
Lichts, daß in der Steuersignal-Meßeinrichtung
ein Temperatursensor vom Punkt-Typ vorgesehen ist,
daß die Empfindlichkeitserfassungs-
Steuereinrichtung eine Berechnung auf einen Wert
eines Signals ausführt, das proportional zu der
reflektierten Lichtintensität ist, und zwar unter
Verwendung einer erfaßten Temperatur des Tempera
tursensors vom Punkt-Typ, und daß eine Erfassungs
empfindlichkeit des Detektors derart eingestellt
wird, daß ein Wert, der aus der Berechnung resul
tiert, ein vorbestimmter Zielwert wird.
19. Sensoranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erfassungsempfindlichkeits-
Steuereinrichtung eine Verstärkungssteuerung des
Detektors durchfürt, und zwar unter Verwendung
eines gemittelten Werts der Intensität des in der
Steuersignal-Meßeinrichtung erzeugten reflektier
ten Lichts, daß die Erfassungsempfindlichkeits-
Steuereinrichtung den gemittelten Wert der Inten
sität des reflektierten Lichts unter Verwendung
einer Temperatur verarbeitet, die von dem Tempera
tursensor vom Punkt-Typ erfaßt wird, und daß die
Erfassungsempfindlichkeit des Detektors durch die
Erfassungsempfindlichkeits-Steuereinrichtung der
art eingestellt wird, daß der aus der Verarbeitung
resultierende Wert der vorbestimmte Zielwert wird.
20. Sensoranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erfassungsempfindlichkeits-
Steuereinrichtung eine Verstärkungssteuerung des
Detektors unter Verwendung eines gemittelten Werts
der Intensität von Stokes-Licht und von Anti-
Stokes-Licht durchführt, das in der Steuersignal-
Meßeinrichtung erzeugt wird.
21. Sensoranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erfassungsempfindlichkeits-
Steuereinrichtung eine Verstärkungssteuerung des
Detektors unter Verwendung einer Intensität des
reflektierten Lichts durchführt, welches tatsäch
lich in der Steuersignal-Meßeinrichtung erzeugt
wird, daß die Erfassungsempfindlichkeits-
Steuereinrichtung den Wert der Intensität des re
flektierten Lichts unter Verwendung einer Tempera
tur verarbeitet, die von dem Temperatursensor vom
Punkt-Typ erfaßt wird, und daß die Erfassungsempfindlichkeit
des Detektors durch die
Erfassungsempfindlichkeits-Steuereinrichtung der
art eingestellt wird, daß der aus der Verarbeitung
resultierende Wert der vorbestimmte Zielwert wird.
22. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 18 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine
Avalanche-Fotodiode enthält und durch eine vor
spannende Einstellung desselben gesteuert wird.
23. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das in den Detektor geführte zurück
gestreute Licht zwei Komponenten von Raman-
Streulicht enthält, nämlich Anti-Stokes-Licht und
Stokes-Licht, daß eine Temperatur der optischen
Sensorfaser erhalten wird aus der Lichtintensität
dieser Lichtarten, daß eine Temperatur und eine
Position zur gleichen Zeit gemessen werden durch
Gewinnen einer Erzeugungsposition von zurückge
streutem Licht aus einer Zeitdifferenz einer Ein
gabezeit des Lichtimpulses und einer Ankunftzeit
von reflektiertem Licht an der Meßeinrichtung, daß
eine Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung
zum Messen der Temperaturverteilung der optischen
Faser vorgesehen ist, daß die Berechnungsschaltung
eine Differenz des Übertragungsverlustes von Anti-
Stokes-Licht und Stokes-Licht oder von Dämpfungs
koeffizienten des Anti-Stokes-Lichts und des
Stokes-Lichts unter Verwendung einer Intensität des
gemessenen Raman-Streulichts und eine Beziehungs
gleichung der Erzeugungswahrscheinlichkeit von
Raman-Streulicht gewinnt, und daß die Temperatur
verteilung erhalten wird durch die Berechnungs
schaltung durch Berechnung unter Verwendung der
Differenz des Übertragungsverlustes oder der Dämpfungs
koeffizienten.
24. Sensoranordnung nach Anspruch 23, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Berechnung aufweist: das Entwickeln
einer Beziehungsgleichung, die wirksam ist
zwischen dem Übertragungsverlust der optischen
Sensorfaser und den gemessenen Werten der zwei
Komponenten von zurückgestreutem Raman-Licht, das
Eliminieren eines Einflusses des Lichtleitfaser-
Übertragungsverlustes auf die Temperaturmessung
und das Gewinnen des Unterschieds zwischen den
Übertragungsverlusten der zwei Komponenten von
Raman-Streulicht oder der Dämpfungskoeffizienten
für das Anti-Stokes-Licht und das Stokes-Licht
unter Verwendung der Beziehungsgleichung, aus der
die Ausdrücke, die die Temperatur betreffen, eli
miniert sind.
25. Sensoranordnung, nach Anspruch 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Unterschied des Übertragungsver
lustes oder der Dämpfungskoeffizienten erhalten
wird durch Auswählen von drei beliebigen
Beziehungsgleichungen aus den Gleichungen, aus
denen die Ausdrücke, die die Temperatur betreffen,
eliminiert sind, und durch Lösen der drei Glei
chungen erhalten wird, um einen Übertragungsver
lust von Rayleigh-Streulicht (αr), den Übertra
gungsverlust von Anti-Stokes-Licht (αa) und den
Übertragungsverlust von Stokes-Licht (αs) zu ge
winnen.
26. Sensoranordnung nach Anspruch 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß, wenn die drei Unbekannten (die
Übertragungsverluste αr, αa und αs) herausgezogen
sind, zwei Sätze der drei Gleichungen unter den
Beziehungsgleichungen herausgenommen werden, aus
denen die Ausdrücke, die die Temperatur betreffen,
entfernt worden sind, und dann ein Durchschnitt
der jeweiligen Übertragungsverluste verwendet wird
als die endgültigen Übertragungsverluste (αr, αa
und αs).
27. Sensoranordnung nach Anspruch 26, dadurch gekenn
zeichnet, daß jeder der Übertragungsverluste (αr,
αa und αs) durch eine Summe eines ersten Ausdrucks
eines angenommenen Werts und eines zweiten Aus
drucks einer Differenz zwischen dem angenommenen
Wert und dem wahren Wert ausgedrückt wird, daß der
Übertragungsverlust, der erhalten wird aus einer
Beziehungsgleichung für jeden Abtastpunkt, der
wirksam ist zwischen dem Übertragungsverlust der
optischen Sensorfaser und den gemessenen Werten
der zwei Komponenten von zurückgestreutem Raman-
Licht, dem angenommenen Wert (erster Ausdruck) zu
gewiesen wird und der zweite Ausdruck erhalten
wird durch einen ähnlichen Ansatz, und daß diese
Berechnungen wiederholt werden, um den Übertra
gungsverlust mit hoher Genauigkeit zu erhalten.
28. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Reflexionsplatte am freien Ende
der optischen Sensorfaser vorgesehen ist zur To
talreflexion von Licht, das von der Meßeinrichtung
eingegeben ist, daß in der Meßeinrichtung eine op
tische Meßeinheit vorgesehen ist zum Messen einer
der zwei Komponenten des zurückgestreuten Lichts
der optischen Sensorfaser und eine
Temperaturverteilungs-Berechnungsschaltung vorge
sehen ist zum Gewinnen einer Temperaturverteilung
entlang der optischen Sensorfaser durch Verarbei
ten einer Streulichtintensität von Licht, das von
der Reflexionsplatte zurückreflektiert ist, und
einer Streulichtintensität von Licht, das aus der
Lichtquelle ausgegeben wird und durch die Reflexionsplatte
übertragen wird, wobei das zurückgestreute
Licht von der optischen Meßeinheit gemessen
wird.
29. Sensoranordnung nach Anspruch 28, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Temperaturverteilungs-
Berechnungsschaltung an vorbestimmten Positionen
der optischen Sensorfaser eine Summe der Streu
lichtintensität (a) des übertragenen Lichts des
von der Lichtquelle ausgegebenen Lichtimpulses und
der Streulichtintensität (b) des von der Reflexionsplatte
reflektierten Lichts berechnet und die
Streulichtveränderungen aufgrund der Übertragungs
verluste der optischen Faser eliminiert.
30. Sensoranordnung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch
gekennzeichnet, daß das von der optischen
Meßeinheit gemessene zurückgestreute Licht Anti-
Stokes-Licht ist.
31. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß ohne Schleifen und/oder Schmelz
spleißen der bereits installierten optischen Sen
sorfaser ein optisches Fasersegment mit einer
Länge, die mehr als zweimal so lang ist wie ein
minimal erfaßbarer Abstand, um eine Temperatur
eines Objekts einer Größe zu erfassen, die kleiner
ist als der minimal erfaßbare Abstand der Sensor
anordnung, aus der optischen Sensorfaser herausge
zogen wird, und daß das herausgezogene Faserseg
ment in der Form einer "8" ohne Verdrehung gewun
den ist und in einem ovalen Gehäuse untergebracht
ist, um einen Punkt-Sensor vom Lichtleitfasertyp
zu bilden.
32. Sensoranordnung nach Anspruch 31, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gehäuse ein metallisches Gehäuse
ist und daß das Gehäuse mit einer Verbindung oder
einem Öl gefüllt ist.
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---|---|---|---|
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