JP2006177780A - 光ファイバ温度センサ、温度センサシート及び温度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スポット範囲を小さくでき測定点を多くできる光ファイバ温度センサ、温度センサシート及び温度測定方法を提供する。
【解決手段】 温度分布測定空間にホーリーファイバ１ａの所定長さ分を比較的狭いスポット範囲Ａ内に集中させて布設したので、曲げ半径を小さくしてスポット範囲Ａを狭めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバを用いた温度測定に係り、スポット範囲を小さくでき測定点を多くできる光ファイバ温度センサ、温度センサシート及び温度測定方法に関する。

光ファイバに光を入射するとその伝送光の変化から光ファイバの長手方向に沿った温度分布を測定することのできる光ファイバを用いた光ファイバ温度センサが知られている。この光ファイバを温度測定対象物の表面や内部などの空間に布設することで、その空間の温度分布を知ることができる。伝送光の変化を長手方向に沿った温度分布に変換する光ファイバ温度計は公知であり、この光ファイバ温度計に光ファイバを接続すれば温度分布測定ができるので、その原理の詳しい説明は省く。

ただし、この光ファイバ温度計による測定結果には距離分解能という制約があり、光ファイバ上のある点の温度として出てくる測定結果は、その点の前後にわたる所定の長さ範囲における温度の平均的な値となる。つまり、この長さ範囲が距離分解能である。距離分解能より狭い範囲にある複数点の温度の違いを精密に分離して測定することはできない。従って、上記の光ファイバ温度計は距離分解能にデータサンプリング間隔（距離の間隔である。以下同）の精度が依存する。

図１２に示した光ファイバ１２１は、５ｍの長さの空間に直線状に布設してある。このとき光ファイバ温度計のデータサンプリング間隔が１ｍであるとすると、１ｍおきに５点の温度が測定できることになる。

なお、光ファイバ温度センサに関する先行技術文献として特許文献１がある。また、ホーリーファイバに関する先行技術文献として特許文献２がある。

特開平９−２１０８０９号公報 特開２００２−２４９３３５号公報

上記のように距離分解能という限界がある光ファイバと光ファイバ温度計を用いて、光ファイバが布設される空間において距離分解能よりも狭いスポット範囲内の温度（スポット温度という）を測定するには、スポット範囲内に光ファイバの途中の所定長さ分、つまりデータサンプリング間隔と同程度の長さ分を集中させるとよい。このようにすれば、光ファイバの所定長さ分がスポット範囲内に収まっているので、スポット温度を精密に測定することができる。

このとき、狭いスポット範囲内に光ファイバの所定長さ分を集中させた光ファイバ集中部を形成しようとすると、光ファイバに曲げが生じることは避けられない。そして、スポット範囲を狭くするほど曲げは顕著になる（これを曲げ半径で表現すると、曲げ半径が小さくなる）。例えば、図１２のような空間の温度分布をなるべく多くの測定点で測定したい場合、それに応じてスポット範囲を狭くすることになるので、曲げ半径が小さくなる。

しかしながら、一般に光ファイバは曲げによって光伝送損失を生じる性質があり、曲げ半径が小さくなると、その曲げ部分で生じる光伝送損失が大きくなる。また、光ファイバの全長の間に複数の曲げ部分があると、それぞれの曲げ部分で生じる光伝送損失が重なって光ファイバ全長間の光伝送損失が増えるので、曲げ部分の数を多くするとトータルの光伝送損失が大きくなる。

このように曲げ半径が小さくなったり曲げ部分の数が増えて光伝送損失が大きくなると光ファイバ温度計における温度測定に支障をきたすことになる。

例えば、曲げ半径１００ｍｍ以下で束取り部を作製するとその束取り部で大きな光伝送損失が発生するため、束取り部の数を増やすことができない。また、束取り部で大きな光伝送損失が発生するため、トータルの光伝送損失を抑えるには光ファイバ全長を短くする必要がある。また、束取り部で大きな光伝送損失が発生するため、光ファイバ温度計における温度測定に支障をきたし、測定の精度が悪くなる。こうしたことから、空間の温度分布を全体的にかつ緻密に測定したくてもそれができず、少数の測定点を空間内の局所に適用するしかなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、スポット範囲を小さくでき測定点を多くできる光ファイバ温度センサ、温度センサシート及び温度測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の光ファイバ温度センサは、温度分布測定空間にホーリーファイバの所定長さ分を比較的狭いスポット範囲内に集中させて布設したものである。

上記スポット範囲内に上記ホーリーファイバの所定長さ分を束取りするか又は巻き回した光ファイバ集中部を形成してもよい。

上記光ファイバ集中部は、上記ホーリーファイバ全長をｘとし、このホーリーファイバを曲げ半径ｄで１ターン巻いたとき生じる光伝送損失をΔＬとし、上記ホーリーファイバに曲げがないときの光伝送損失をＬ０とし、最大許容光伝送損失をＬとしたとき、
ｄ≧ΔＬ×ｘ／（２π×（Ｌ−Ｌ０）） （１）
となる曲げ半径ｄで束取りするか又は巻き回してもよい。

本発明の温度センサシートは、上記光ファイバ集中部を所定の長さのシート上に設けたものである。

本発明の温度測定方法は、光ファイバに光を入射するとその伝送光の変化から該光ファイバの長手方向に沿った温度分布を測定することのできる光ファイバを用い、上記光ファイバが布設される空間の比較的狭いスポット範囲内に上記光ファイバの途中の所定長さ分を集中させることにより、スポット温度を測定するようにした温度測定方法において、上記光ファイバにホーリーファイバを用いたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）スポット範囲を小さくでき、また測定点を多くできる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る光ファイバ温度センサは、光ファイバ１に光を入射するとその伝送光の変化から光ファイバ１の長手方向に沿った温度分布を測定することのできる光ファイバ１を用い、上記光ファイバ１が布設される空間（図１全体）の比較的狭いスポット範囲Ａ内に光ファイバ１の途中の所定長さ分を光ファイバ集中部２に集中させることにより、スポット範囲Ａ内のスポット温度を測定するようにした光ファイバ温度センサにおいて、上記光ファイバ１にホーリーファイバ１ａを用いたものである。

ホーリーファイバ１ａの内部構造や機械的特性、光学的特性については、公知であるので説明を省く。

ホーリーファイバ１ａの一端は光ファイバ温度計３に接続されている。 ホーリーファイバ１ａの反対端は開放又は終端されている。このホーリーファイバ１ａの一端から反対端までの空間長Ｆの間に、全長ｘのホーリーファイバ１ａが布設されている。

光ファイバ集中部２は、ホーリーファイバ１ａの所定長さ分を束取りするか又は巻き回して形成されている。この図の例では、光ファイバ集中部２は離散的にピッチＳの間隔で４箇所設けてある。連続的に設ける例（図４）は後述する。光ファイバ集中部２は、ホーリーファイバ１ａをターンさせてループ状に形成してある。ターン回数は何回でもよいが、ここでは各１ターンとする。ループ形状は真円である必要はないが、最低の曲げ半径がｄであって、かつできるだけ狭い範囲にホーリーファイバ１ａを集中して収めることができるよう、光ファイバ集中部２のループ形状を半径ｄの円としてある。また、この例では、ピッチＳ＝２ｄとしてあり、つまり、隣接する光ファイバ集中部２同士が接しているが、隣接する光ファイバ集中部２同士が離れていても問題ない。以上の構造により、光ファイバ１の全長ｘは空間の直線距離Ｆに各ループの長さを加えたものであるから、ｘ＝Ｆ＋４×２πｄである。図１の形態ように独立したループ間を直線でつなぐのでなく、図４の形態のようにループをずらしながら巻いたときは、ｘ＝２πｄ×Ｔで近似できる（Ｔはターン数）。

光ファイバ集中部２の曲げ半径ｄは、
ｄ≧ΔＬ×（ｘ−Ｆ）／（２π（Ｌ−Ｌ０）） （２）
を満足する値とする。
ここで、 ｘ；光ファイバ１の全長
Ｆ；空間の直線距離
ΔＬ；１ターン分の光伝送損失
Ｌ０；曲げがないときの光伝送損失
Ｌ；温度測定精度を満たせる最大許容光伝送損失
π；円周率
である。

上記の条件式の根拠を図４の形態を例に説明すると、空間の全長Ｆにわたり光ファイバ１が連続して束取りされており、束取りの数Ｔをターン数と考えると、
ｘ＝２πｄ×Ｔ （３）
である。

要求される最大許容光伝送損失Ｌに対し、１ターン分の光伝送損失がΔＬであって、ターン数がＴであるから、
Ｌ≧Ｌ０＋ΔＬ×Ｔ （４）
でなければならない。

（３）式を変形して（４）式に代入するとＴを消去でき、
Ｌ−Ｌ０≧ΔＬ×ｘ／（２πｄ） （５）
となる。定義からＬ−Ｌ０＞０であるので、
ｄ≧ΔＬ×ｘ／（２π（Ｌ−Ｌ０）） （１）
が得られる。

このように、光ファイバ全長の光伝送損失を要求される最大許容光伝送損失Ｌ以内に収めるには、全長ｘ、最大許容光伝送損失Ｌ、１ターン分の光伝送損失ΔＬ、曲げがないときの光伝送損失Ｌ０を基に曲げ半径ｄを求めればよい。

図１０に、一般的なホーリーファイバにおける曲げ半径ｄと１ターン分の光伝送損失ΔＬとの関係を実線で示す。図示のように曲げ半径ｄが大きければ光伝送損失ΔＬは小さく、曲げ半径ｄが小さくなると光伝送損失ΔＬは大きくなる。一般的なシングルモードファイバにおける同様の関係を破線で示すと、比較的大きな曲げ半径ｄでも光伝送損失ΔＬが大きく、曲げ半径ｄを小さくすると光伝送損失ΔＬが大変大きくなることが分かる。

光ファイバの全長ｘがどの程度の長さ確保できるかについて具体的な数値を用いて従来技術と本発明とを比較すると、光ファイバ温度計３で必要としている最大許容光伝送損失Ｌを１０ｄＢとしたとき、従来技術に使用されているシングルモードファイバを曲げ半径１０ｃｍで巻くとき、１ターン分の光伝送損失ΔＬは０．９ｄＢ／ｔｕｒｎであるから、ターン数Ｔは１１ターンを越えられない。この結果、全長ｘは１ｍにしかならず、実用性に欠ける。本発明では、ホーリーファイバの１ターン分の光伝送損失ΔＬが０．０００１ｄＢ／ｔｕｒｎであるから、ターン数Ｔは１０００００ターンも取れることになる。この結果、全長ｘは９４２０ｍとなる。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバ１にホーリーファイバ１ａを用いたので、曲げ半径ｄを小さくしても光ファイバ温度計３において温度測定に十分な強さの光信号が得られる。曲げ半径ｄを小さくできるので、スポット範囲を小さくできる。また、曲げに伴う光伝送損失の増加が少ないので、測定点を多くでき、光ファイバ１の全長も長くすることができる。また、温度測定対象物のサイズが従来のスポット範囲よりも小さいものであっても、本発明であれば温度測定対象物のサイズと同程度のスポット範囲を得ることができる。

図１の光ファイバ１は、ホーリーファイバ１ａの心線単体である必要はない。図２に示されるように、テンションメンバ２１を中心に配置したスペーサ２２の外周に螺旋状の溝２３を形成し、その溝２３にホーリーファイバ１ａを収容して、その外周をテープ２４で巻いてシース２５を施した光ファイバケーブル２６を図１の光ファイバ１として布設してもよい。このように光ファイバケーブル２６を光ファイバ１に使用することで、空間内の物が光ファイバケーブル２６に当たったりした場合にホーリーファイバ１ａが傷付いたり歪んだりすることを防ぐことができる。

図３の形態では、ケーブルあるいはパイプのような円柱・円筒状の心材３１にホーリーファイバ１ａを巻き付けることで、光ファイバ集中部２を形成している。このように円柱・円筒状の心材３１にホーリーファイバ１ａを巻き付けると、心材なしで巻き回しする場合に比べて作業が容易である。また、心材３１の長手方向に離散的あるいは連続的な光ファイバ集中部２を形成することが容易である。これをケーブル状センサ３２と呼ぶ。

図４及び図５の形態では、光ファイバ集中部２を所定の長さのシート４１上に設けて温度センサシート４２を構成したものである。シート４１に対してホーリーファイバ１ａを固定する手段としては、ゼリー、シリコン、ラミネート、ワイヤなどがある。また、シートケースと呼ばれるシート状のケースにホーリーファイバ１ａを収納してもよい。このように温度センサシート４２を構成すると、厚みが薄くできるので、温度測定対象物の表面や内部などの空間に布設することが容易になり、特に温度測定対象物の表面に布設すると温度測定対象物との熱伝導が良好になる。シート４１に可撓性の高い材料を用いれば、温度測定対象物の表面が湾曲している場合でも隙間なく貼り付けることができる。また、シート４１の長手方向に離散的あるいは連続的な光ファイバ集中部２を形成することが容易である。さらに、温度センサシート４２はシート４１の幅方向にもスポット範囲Ａと同程度の範囲があるので、測定対象が平面であるときこの平面を温度センサシート４２で漏れなく覆って平面全体の温度分布を測定することができる。

図４の形態と図５の形態の違いは、図４の光ファイバ集中部２が連続的に形成されているのに対し図５の光ファイバ集中部２が離散的に形成されていることである。図５では複数の光ファイバ集中部２において、ホーリーファイバ１ａが平面上にほぼ同心円状に複数ターン（１ターンでも可）巻かれている。このように複数の光ファイバ集中部２が飛び飛びに形成されているので、飛び飛びにスポット範囲Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４が得られることになる。

図４では、ホーリーファイバ１ａが平面上に最初の１ターンのループを巻きながら、次のループが微小ピッチずれるように、ターン中心を移しながら１ターン巻かれ、その次も引き続きターン中心を移しながら１ターン巻かれるというふうに、次々とループを一方向にずらして巻いてある。なお、図３の形態でも、ホーリーファイバ１ａが螺旋状になるという違いはあるが、光ファイバ集中部２が連続的に形成できる。

このような連続的な光ファイバ集中部２を形成することにより、無限に多数のスポット範囲Ａ１−１，Ａ１−２，Ａ１−３，…，Ａ２−１，Ａ２−２，…が得られる。もちろんスポット範囲Ａ１−１とスポット範囲Ａ１−２は範囲が重なっているので分離がよくないが、範囲が重ならないスポット範囲Ａ１−１とスポット範囲Ａ２−２は完全に分離されている。従って、この連続的な光ファイバ集中部２の長さ（温度センサシート４２の長さ）Ｆ’の中に極力多くの独立したスポット範囲を確保することができる。また、温度センサシート４２を空間に布設しておいた後に、光ファイバ温度計３のほうで適宜に測定点の距離（光ファイバ端からスポット範囲内に収まっている光ファイバの中心位置まで）を選択することができる。

図６の形態では、光ファイバ集中部２をケース６１に収容したものである。ケース６１にはケース６１の表裏を貫通している固定用穴６２が設けられており、この固定用穴６２を利用してケース６１を温度測定対象物の表面に取り付けたり、空間内の壁や支持物に取り付けたりすることができる。この形態のものをスポットセンサ６３と呼ぶ。空間に布設した光ファイバ１の途中、適宜箇所にスポットセンサ６３を形成することで、その点の温度を精度よく測定することができる。

図７には、実際の測定現場に本発明の光ファイバ温度センサを設置する態様を示す。ここでは、２つの異なる温度測定対象物（いずれも構造物）８１，８２を光ファイバ温度計３から延出した１本の光ファイバ１（もちろんホーリーファイバ１ａ）で温度分布測定するようになっている。温度測定対象物８１は、基端部が円柱状、頭部がドーム状のものである。この温度測定対象物８１の表面温度分布を緻密な距離間隔で測定するために、図４又は図５で説明した温度センサシート４２を温度測定対象物８１に巻き付けて全表面をくまなく覆ってある。温度測定対象物８２に対しては温度センサシート４２又は図３で説明したケーブル状センサ３２と、図６で説明したスポットセンサ６３とを温度測定対象物８２の内部に挿入あるいは埋設してある。

図７の態様から分かるように、温度測定対象物８１のような曲面を有する構造物の表面温度を測定するには、厚みが薄く可撓性のある温度センサシート４２を用いるのが好適である。また、本発明では光ファイバ温度計３のデータサンプリング間隔より細かいサンプリング間隔で温度分布を測定できるので、温度測定対象物８１の表面の場所によって異なる温度を精密に測定することができる。

また、局所的に限られた箇所の温度を精密に測定するにはスポットセンサ６３が好適である。

次に、本発明と従来技術の比較を行う。

図８に示した光ファイバ１は、連続的な光ファイバ集中部２の形態で５ｍの長さの空間に布設してある。例えば、空間１ｍあたりに５ｍの光ファイバ１が巻いてあるものとする。このとき光ファイバ温度計３のデータサンプリング間隔が１ｍであるとすると、空間１ｍあたりに５点、全空間５ｍでは２５点の温度が測定できることになる。つまり、空間長で２０ｃｍの距離分解能が得られる。

これを図１２の従来技術と比較するために、図９のように、それぞれから得られた温度分布測定結果を同一グラフにプロットする。ただし、重なると見にくいので、本発明の測定結果は少し下げた位置にプロットしてある。

図９によれば、従来技術では光ファイバ温度計３のデータサンプリング間隔が１ｍであるために、１ｍおきに５点しか温度が測定できない。これに対し、本発明では光ファイバ温度計３のデータサンプリング間隔が１ｍであっても２５ｍの光ファイバ１を図８のように巻いているので、空間長で２０ｃｍの距離分解能が得られ、２５点もの温度が測定できる。このため、従来技術の測定点間を直線補完した破線のグラフには現れない微妙な温度ムラが本発明のグラフには顕著に現れている。

本発明は、これまで述べた形態に限らず実施することができる。

光ファイバ１に用いるホーリーファイバ１ａはガラス製でもプラスチック製でもよい。ホーリーファイバ１ａの代わりに、ホーリーファイバ１ａと特性の近い低損失光ファイバを用いてもよい。低損失光ファイバとは、曲げ半径ｄ＝１０ｍｍで０．０１ｄＢ／ｔｕｒｎ以下であり、曲げ半径ｄに対し１ターン分の光伝送損失ΔＬが
ΔＬ＜４７７４×ｄ^-5.68 （６）
ただし、ｄ≦５０ｍｍ
であるもののことを言う。

図１１の形態では、光ファイバ温度計３にシングルモードファイバ１１１を接続し、このシングルモードファイバ１１１に光ファイバ接続箱１１２を介してホーリーファイバ１ａを接続したものである。曲げ半径を小さくする必要のある光ファイバ集中部２ではホーリーファイバ１ａが使用されているので、これまで述べたのと同じ効果が得られる。一方、光ファイバ温度計３に接続しているシングルモードファイバ１１１は単なる光信号伝送用であり曲げる必要がないので、光伝送損失の増加にはつながらない。

光ファイバ温度計３には、温度測定対象物である空間に布設する光ファイバ１のほかに、相対温度を測定する目的で光ファイバ温度計３の内部あるいは外部に基準用光ファイバを設けることがあるが、その基準用光ファイバにも本発明の光ファイバ温度センサを使用することができる。

本発明は、構造物や立体的空間の温度分布測定に限らず、面状の物体や平面的空間の温度分布測定にも使用でき、時間的に連続して、あるいは適宜な時間ごとに温度分布を測定することで、温度分布の時間的変化を監視することに応用できる。

細軸の電力ケーブルや通常径の電線のように径サイズが小さく長尺に形成された対象物に対しても本発明の光ファイバ温度センサを適用して温度監視を行うことができる。

パイプラインのパイプ表面やパイプ内部に管軸方向あるいは周方向に本発明の光ファイバ温度センサを布設することができる。

球面状の温度測定対象物の表面に本発明の光ファイバ温度センサを布設することができる。

歪み測定や振動測定の分野においても、光ファイバの伝送光の変化を長手方向に沿った歪み分布や振動分布に変換する際に、本発明を応用して距離分解能を高めた歪み測定や振動測定を行うことができる。

本発明の一実施形態を示す光ファイバ温度センサの構成図である。 本発明の光ファイバとして使用可能な光ファイバケーブルの断面図である。 本発明の光ファイバ集中部の一実施形態を示す側面図である。 本発明の光ファイバ集中部の一実施形態である温度センサシートを示す平面図である。 本発明の光ファイバ集中部の一実施形態である温度センサシートを示す平面図である。 本発明の光ファイバ集中部の一実施形態であるスポットセンサを示す平面図である。 本発明の光ファイバ温度センサを実際の測定現場に設置した様子を示す図である。 本発明の連続的な光ファイバ集中部が空間に布設されている平面図である。 本発明と従来技術を比較するための温度分布図である。 ホーリーファイバ及びシングルモードファイバの曲げ半径対１ターン分の光伝送損失の特性図である。 本発明の一実施形態を示す光ファイバ温度センサの構成図である。 従来の光ファイバが空間に布設されている平面図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１ａ ホーリーファイバ
２ 光ファイバ集中部
３ 光ファイバ温度計

Claims (5)

1. 温度分布測定空間にホーリーファイバの所定長さ分を比較的狭いスポット範囲内に集中させて布設したことを特徴とする光ファイバ温度センサ。
2. 上記スポット範囲内に上記ホーリーファイバの所定長さ分を束取りするか又は巻き回した光ファイバ集中部を形成したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度センサ。
3. 上記光ファイバ集中部は、上記ホーリーファイバ全長をｘとし、このホーリーファイバを曲げ半径ｄで１ターン巻いたとき生じる光伝送損失をΔＬとし、上記ホーリーファイバに曲げがないときの光伝送損失をＬ０とし、最大許容光伝送損失をＬとしたとき、
   ｄ≧ΔＬ×ｘ／（２π×（Ｌ−Ｌ０））
   となる曲げ半径ｄで束取りするか又は巻き回したことを特徴とする請求項２記載の光ファイバ温度センサ。
4. 上記光ファイバ集中部を所定の長さのシート上に設けたことを特徴とする温度センサシート。
5. 光ファイバに光を入射するとその伝送光の変化から該光ファイバの長手方向に沿った温度分布を測定することのできる光ファイバを用い、上記光ファイバが布設される空間の比較的狭いスポット範囲内に上記光ファイバの途中の所定長さ分を集中させることにより、スポット温度を測定するようにした温度測定方法において、上記光ファイバにホーリーファイバを用いたことを特徴とする温度測定方法。
   

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