JP2006029878A

JP2006029878A - 輻射センサ用光ファイバ及び光ファイバ型輻射計

Info

Publication number: JP2006029878A
Application number: JP2004206675A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Morita; 和章森田
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】高い電磁ノイズ耐性を有していて、電気信号の影響が大きい場所での使用に適し、遠隔モニタリングを行うことができ、さらに給電設備が不要な応答速度が速くかつ感度も高い高精度の輻射測定が可能な輻射センサ用光ファイバ及び光ファイバ型輻射計の提供。
【解決手段】輻射センサ用光ファイバ１１はコア１２にＦＢＧ１３が書き込まれており、クラッド１４の周囲には金属層１５が被覆されている。また、本発明の光ファイバ型輻射計は筐体２１内にピグテイルファイバ２２、２３と接続された輻射センサ用光ファイバ１１を流体供給管２５から供給された流体中に保持している。また筐体２１には輻射透過窓２７を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、輻射熱を検出するのに適した光ファイバ及びその光ファイバを用いた輻射計に関する。

発電所、焼却炉、溶鉱炉等のプラント用計器、火災検知器、気象観測機器、理化学用計測機器等において、熱源からの輻射熱を測定することは、日常的に行われている。

熱源からの輻射熱の測定には、電気式あるいは電子式のセンサがよく用いられている。例えば、熱線を複数の焦電センサで検知して熱源の位置と強さを検出する焦電アレイセンサ及びそれを用いた温度分布測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、赤外線の入射による温度変化を、電気抵抗の変化として捕らえる、赤外線検知素子を用いた赤外線検知器なども知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。さらに、サーモパイル素子を用いて赤外線を検出する赤外線センサも知られている（例えば、特許文献４参照）。

一方、最近では、光ファイバを用いて温度を測定する方式も用いられるようになってきている。例えば、光ファイバを金属製の収納管に挿入し、この収納管表面を輻射熱が吸収されやすいように黒色にする温度センサが開発されている（例えば、特許文献５参照）。

その他にも熱発生源からの輻射熱に対する感度の異なる第１の光ファイバセンサと第２の光ファイバセンサを用いて火災の判断を行うシステムや（例えば、特許文献６参照）、光ファイバセンサの一部を通気性容器に収納し、これを輻射率の高い物体と輻射率の低い物体に固定して道路の日射量を測定するシステムなども提案されている（例えば、特許文献７参照）。

このような光ファイバを用いた温度センサには、コアにファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧ）を書き込んだ光ファイバ型温度センサも知られている（例えば、特許文献８参照）。
特開平６−２７３２２８号公報特開平８−１０１０６２号公報特開２０００−２９２２５３号公報特開２００３−３４４１５６号公報実開平５−１１０３５号公報特開平７−２７２１５６号公報特開平１０−１０４３６３号公報特開平２００３−２５５１５１号公報

ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。

従来技術で記述した特許文献１〜特許文献４に開示されているような電気式センサあるいは電子式センサは、電磁ノイズに弱いという問題があった。その他に、センサ部まで給電しなければならないという装置構成上の問題もあった。また、センサの設置場所から遠く離れた場所で監視を行う場合に、アナログ電気信号は減衰・劣化しやすいから、遠隔モニタリングが困難であるという問題もあった。

一方、光ファイバを用いたセンサの場合には、確かに電気・電子式のセンサの問題点は解消される。しかし、特許文献５〜特許文献７にあるような光ファイバセンサを用いて、高精度に輻射熱を測定する場合には、種々の難点が存在していた。即ち、特許文献５に開示されているような、光ファイバを金属管に挿入する方式や、特許文献６に開示されているような、輻射熱に対する感度の異なる光ファイバを備える方式、さらに特許文献７に開示されているような、光ファイバセンサの一部を通気性容器に収納し、これを輻射率の高い物体と輻射率の低い物体に固定する方式では、装置上の構成がどうしても複雑になるという問題点があった。

一方、特許文献８に開示されているような、コアにＦＢＧを書き込んだ光ファイバセンサは、測定精度は上記した方式に比べて向上するが、輻射熱の変化に対する応答速度が遅いという問題があった。

本発明は以上の点に着目してなされたもので、簡易な構成で極めて高精度に輻射熱を測定することが可能で、しかも、輻射熱の変化に対する応答速度が速い、輻射センサ用光ファイバ及びこのセンサを用いた測定精度の安定した光ファイバ型輻射計を提供するものである。

本発明は以上の点を解決するために次の構成を採用する。

〈構成１〉
屈折率の高いコアと、このコアの周囲に配置され、当該コアよりも屈折率の低いクラッドとからなる光ファイバの、前記コアにファイバ・ブラッグ・グレーティングが書き込まれた光ファイバセンサであって、前記クラッドの周囲に金属層が被覆されていることを特徴とする輻射センサ用光ファイバ。

クラッドの周囲に金属層が被覆されていると、金属層が輻射熱を吸収して温度が上昇し、この結果ＦＢＧの温度も上昇する。同時に、金属層の熱膨張に伴って光ファイバの長手方向に伸び歪みが加わる。ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、温度の上昇と伸び歪みに応答した特性を示す。故に、輻射熱量を応答速度が速くかつ高精度に測定することができる。

〈構成２〉
前記金属層は単層または多層に被覆されていることを特徴とする構成１記載の輻射センサ用光ファイバ。

吸収した熱を速やかにＦＢＧまで伝えることができるように目的に応じた様々な金属層の形態を選択することができる。

〈構成３〉
前記金属層は内層から外層に向かって、Ｔｉ（チタン）／Ｎｉ（ニッケル）／Ａｕ（金）３層、Ｎｉ／Ａｕ２層、Ｔｉ／Ｎｉ２層の多層若しくはＴｉ単層またはＮｉ単層のいずれかの層により被覆されたものであることを特徴とする構成２記載の輻射センサ用光ファイバ。

本構成のような金属層を選択すれば公知の方法で金属層を設けることができ、かつ確実な輻射熱量の測定を行うことができる。

〈構成４〉
前記金属層の厚さは１００〜５０００ｎｍであることを特徴とする構成１から構成３までのいずれかの構成に記載の輻射センサ用光ファイバ。

本構成のような金属層の厚さの範囲においては、応答速度と感度が最適になるように金属層の厚さを選択することが可能となる。

〈構成５〉
構成１記載の輻射センサ用光ファイバを、筐体内であって、輻射吸収の少ない流体中に保持したことを特徴とする光ファイバ型輻射計。

本構成では、輻射センサ用光ファイバを流体中に保持するので金属層における輻射吸収によって発生する熱の蓄積を防止することができる。

〈構成６〉
前記流体は一定温度に調整されていることを特徴とする構成５記載の光ファイバ型輻射計。

本構成のようにするとＦＢＧのＢｒａｇｇ波長は温度依存性を有するので計測時において輻射熱量とは関係ない蓄熱による温度上昇が測定誤差の要因となることを防止することができる。

〈構成７〉
前記流体は不活性ガスからなることを特徴とする構成５または構成６記載の光ファイバ型輻射計。

不活性ガスは金属層を腐食させずかつ輻射吸収が少ないので本発明に用いる流体として望ましい。

〈構成８〉
前記流体は窒素ガスからなることを特徴とする構成７記載の光ファイバ型輻射計。

窒素ガスは取り扱い性やコストの点からも好適である。

〈構成９〉
前記筐体には輻射吸収の少ない材質により形成された輻射透過窓が設けられていることを特徴とする構成５から構成８までのいずれかの構成に記載の光ファイバ型輻射計。

このような構成にすると、輻射熱が効率よく輻射センサ用光ファイバに到達できるので正確な測定を行うことができる。

〈構成１０〉
前記輻射透過窓の材質は石英ガラスからなることを特徴とする構成９記載の光ファイバ型輻射計。

石英ガラスは輻射吸収が少なくかつ耐熱性、難燃性があるので輻射透過窓の材質として特に好ましい。

以下、本発明の実施の形態について具体例を用いて説明する。

図１は、本発明の輻射センサ用光ファイバの一実施の形態を説明する斜視図である。図１において、本発明の輻射センサ用光ファイバ１１は、コア１２の長手方向の一部に、ＦＢＧ１３が書き込まれている。コア１２の周囲には、コア１２よりも屈折率の低いクラッド１４が被覆されている。さらに、クラッド１４の周囲には、金属層１５が被覆されている。金属層１５の周囲には、適宜プラスチック材料等からなる外被１６が被覆されている。本図においては、本発明の輻射センサ用光ファイバ１１の構成を説明しやすいようにコア１２、クラッド１４、金属層１５、外被１６を段剥ぎした状態を示している。

ＦＢＧは、シングルモードファイバのコアの、長手方向の一部に、周期的な屈折率変化部分を形成したファイバ型屈折率回折格子であり、基本モードの光信号を逆方向の基底モードに変換する機能を有している。Ｂｒａｇｇ波長（反射波長）λはλ＝２ｎΛで与えられる。ここで、ｎはＦＢＧ部分における基本モードの実効屈折率、Λは格子間隔である。格子間隔というのは、屈折率変化の周期に相当する。ＦＢＧの光学特性の一例としては、所定の基準温度において、中心波長１５５０ｎｍの光信号に対して、反射半値全幅０．２ｍｍ、反射率９７％となる。

ここで、図の実施例のように、クラッド１４の外周に金属層１５を設けると、金属層１５が輻射熱を吸収して温度が上昇する。この結果、ＦＢＧ１３の温度も上昇するとともに、金属層１５の熱膨張に伴って、光ファイバ１１を長手方向に伸び歪みが加わることになる。ＦＢＧ１３のＢｒａｇｇ波長は、温度及び伸び歪みの双方に対して線形に応答するから、ＦＢＧ１３は、吸収した輻射熱量に比例した応答を示すことになる。即ち、輻射熱量がＢｒａｇｇ波長の変化として観測されることになるので、Ｂｒａｇｇ波長の変化を公知の方法で測定すれば輻射熱量を求めることができる。なお、金属層１５は光ファイバ１１の長手方向の全長に亘って被覆してもよいが、例えば、ＦＢＧが書き込まれた部分だけを被覆しても、本発明の目的が達成される。

通信用波長λとしては、一般的ないわゆるＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ帯域）が適している。ＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源等の通信用機器・部品が豊富に市販されているから、システム構築が容易にかつ安価にできるという効果がある。また光信号を波長多重化し、１本の光ファイバに多数のセンサを接続して温度観測をしたい場合には、Ｌバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ帯域）、Ｓバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ帯域）、Ｏバンド（１２８０ｎｍ〜１３２０ｎｍ帯域）などを使用することも差し支えない。

Ｂｒａｇｇ波長の設定条件は、用いるシングルモードファイバにおいてシングルモード伝送が保証され、かつ伝送損失が十分に小さければ、特に限定されるものではない。また反射半値全幅や反射率は、用いる計測器の特性やシステム設計に適するように設定すればよいが、一般的に反射半値全幅０．１〜０．３ｍｍ、反射率９０％以上が望ましい。

金属層の被覆方法としては、スパッタ法や無電解金属メッキ法などが挙げられるが、本発明の目的に適う方法ならば特に限定されるものではない。ここで、金属層は単層でも多層でも差し支えない。例示すれば、クラッドの直上にＴｉ、その外周にＮｉ、さらにその外周にＡｕを被覆したＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ３層構造や、クラッドの直上にＮｉ、その外周にＡｕを被覆したＮｉ／Ａｕ２層構造が適している。その他最外層のＡｕを除いたＴｉ／Ｎｉ２層構造やＮｉの単層構造でも差し支えない。

また、金属層の厚さについては、応答速度を上げる場合には厚さを薄くして熱容量を小さくし、感度を上げる場合には厚さを厚くして金属層の熱膨張の寄与を大きくするとよい。本発明では１００ｎｍ〜５０００ｎｍが望ましい。上記したように１００ｎｍ未満では応答速度は速くなるが感度が低下し過ぎてしまい、一方５０００ｎｍを超えると感度は上昇するが応答速度が遅くなり過ぎてしまうからである。

次に本発明の輻射センサ用光ファイバを用いた光ファイバ型輻射計について説明する。図２は本発明の光ファイバ型輻射計の一実施の形態を表した概略図である。図２において、筐体２１内に輻射センサ用光ファイバ１１がピグテイルファイバ２２、２３と接続されて配置されている。輻射センサ用光ファイバ１１はＦＢＧ１３の部分の外被１６が剥ぎ取られ、金属層１５が露出された状態になっている。そしてピグテイルファイバ２２の一端は光端子２４を介して外部の図示しない光源や測定機器等と接続されている。従って、光源からの光信号は光端子２４を介してピグテイルファイバ２２を通過して輻射センサ用光ファイバ１１に入射する。その入射光は、輻射センサ用光ファイバ１１のコアに書き込まれたＦＢＧにより反射されて再びピグテイルファイバ２２を通過し、光端子２４を介して測定機器に伝送されるようになっている。なお、光端子２４と反対側のピグテイルファイバ２３は輻射センサ用光ファイバ１１の位置が安定するように公知の手段で固定すればよい。この場合、固定点間の熱膨張等による変位の影響を少なくするために輻射センサ用光ファイバ１１には弛みを与えておくとよい。また、ピグテイルファイバ２３の輻射センサ用光ファイバ１１と接続されていない方の端部は開放端として差し支えない。

筐体２１には流体供給管２５及び流体排出管２６が備えられており、図示しない流体供給部からの流体が流体供給管２５から筐体２１内部に供給され、筐体内部が流体により充満すると流体排出管２６から排出されるようになっている。このように輻射センサ用光ファイバを流体中に保持するのは金属層における輻射吸収によって発生する熱の蓄積を防止するためである。即ち、ＦＢＧのＢｒａｇｇ波長は温度依存性を有するので計測時において輻射熱量とは関係ない蓄熱による温度上昇が測定誤差の要因となり得るためである。従って、流体は一定温度に調整されていることが望ましい。

また、流体の種類としては金属層を腐食させずかつ輻射吸収の少ないものが望ましい。このような流体としては不活性ガスが挙げられるが特に窒素ガスは取り扱い性やコストの点からも好適である。

さらに、筐体には十分な開口の輻射透過窓２７を設けることが望ましい。即ち、このように輻射透過窓を設けると輻射熱が効率よく輻射センサ用光ファイバに到達できるので正確な測定を行うことができる。この透過窓２７は輻射吸収が少なくかつ耐熱性、難燃性がある材質を用いるとよい。このような材質としては石英ガラスが好適である。

上記したような本発明の輻射センサ用光ファイバおよびこの光ファイバを用いた光ファイバ型輻射計は高い電磁ノイズ耐性を有しているので発電所やプラント等の電磁波の影響が大きい場所での使用に適している。また、長距離の信号伝送が可能なので遠隔モニタリングを行うことができる。さらに、センサ部（ＦＢＧが書き込まれた部分）が光学的機能部なので給電設備が不要である。そして、金属層を被覆しているために応答速度が速くかつ感度も高いので高精度の輻射測定が可能である。このような輻射センサ用光ファイバはその用途に応じて多段に直列接続して用いることも一向に差し支えない。

本発明の輻射センサ用光ファイバの一実施の形態を説明する斜視図である。本発明の光ファイバ型輻射計の一実施の形態を説明する図である。

符号の説明

１１輻射センサ用光ファイバ
１２コア
１３ＦＢＧ
１４クラッド
１５金属層
１６外被
２１筐体
２２ピグテイルファイバ
２３ピグテイルファイバ
２４光端子
２５流体供給管
２６流体排出管
２７輻射透過窓

Claims

屈折率の高いコアと、このコアの周囲に配置され、当該コアよりも屈折率の低いクラッドとからなる光ファイバの、前記コアにファイバ・ブラッグ・グレーティングが書き込まれた光ファイバセンサであって、前記クラッドの周囲に金属層が被覆されていることを特徴とする輻射センサ用光ファイバ。
前記金属層は、単層または多層に被覆されていることを特徴とする請求項１記載の輻射センサ用光ファイバ。
前記金属層は、内層から外層に向かって、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ３層、Ｎｉ／Ａｕ２層、Ｔｉ／Ｎｉ２層の多層若しくはＴｉ単層またはＮｉ単層のいずれかの層により被覆されたものであることを特徴とする請求項２記載の輻射センサ用光ファイバ。
前記金属層の厚さは１００〜５０００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の輻射センサ用光ファイバ。
請求項１記載の輻射センサ用光ファイバを、筐体内であって、輻射吸収の少ない流体中に保持したことを特徴とする光ファイバ型輻射計。
前記流体は一定温度に調整されていることを特徴とする請求項５記載の光ファイバ型輻射計。
前記流体は不活性ガスからなることを特徴とする請求項５または請求項６記載の光ファイバ型輻射計。
前記流体は窒素ガスからなることを特徴とする請求項７記載の光ファイバ型輻射計。
前記筐体には輻射吸収の少ない材質により形成された輻射透過窓が設けられていることを特徴とする請求項５から請求項８までのいずれかの請求項に記載の光ファイバ型輻射計。
前記輻射透過窓の材質は石英ガラスからなることを特徴とする請求項９記載の光ファイバ型輻射計。