JP2008180866A - 光ファイバコード - Google Patents

Abstract

【課題】布設環境温度を正確に計測でき、且つ圧力センサ等と共設した際に、圧力センサ等の測定結果の温度補償を正確に実施し得る光ファイバコードの提供。
【解決手段】抗張力繊維を撚り合わせて中心体とし、該中心体の外周上に少なくとも１本の温度計測用光ファイバを螺旋状に巻回し、これらを中空状のコード外被内に配置してなることを特徴とする光ファイバコード。中空状のコード外被内に、少なくとも１本の温度計測用光ファイバをコード内壁に沿わせるように螺旋状に配置し、該コード外被の中心部に少なくとも１本の抗張力繊維を配置してなることを特徴とする光ファイバコード。
【選択図】図２

Description

本発明は、高分解能ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）を用い、コード内に配設した光ファイバの温度変化に伴うブリルアン散乱光の周波数シフト量から、布設環境温度を計測するための光ファイバコードに関する。また本発明の光ファイバコードは、発電所・プラント等に設置された配管の減肉によって発生する局部膨張や変形に起因する歪変化を、同じく高分解能ＢＯＴＤＡを用いてブリルアン散乱光の周波数シフト量から計測し、配管破裂による漏洩事故を未然に防ぐために適用する光ファイバセンサケーブルの温度補償を行うために共設するものである。

従来、光ファイバコードとしては、例えば、特許文献１に開示されたものが提案されている。
特許文献１に開示された従来の光ファイバコードは、耐熱性樹脂で被覆した耐熱性光ファイバ心線に耐熱性繊維を縦添えし、耐熱性シース材で長手方向に渡ってパイプ上に被覆したものである。また、光ファイバ自身のコート材には、シリコーン樹脂が使用されている。

この光ファイバコードは、パイプ構造とすることで、光ファイバにルース性が確保され、布設対象の変形及び温度変化に起因する膨張が生じても、光ファイバ自体には歪が加わらず、温度変化に伴うブリルアンシフトに起因する歪量のみを検知することが可能である。温度補償用ファイバの歪量を測定し、その測定値を歪検知用ファイバで測定した歪量から差し引くことで、純粋に布設対象物に加わった歪のみを検知することが可能となる。
特開２００２−１５６５６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術には、次のような問題がある。
１．特許文献１に開示された光ファイバコードは、剛性のない抗張力繊維を縦添えしているだけであり、長手方向で抗張力繊維の外径が変動する。
２．光ファイバの撚り込み率は層心径、すなわち抗張力繊維外径とファイバ外径に依存する。縦添えした抗張力繊維に対して光ファイバを撚った場合、抗張力繊維の外径変動により、長手方向で光ファイバ撚り込み率が変動する。
３．ファイバ撚り込み率が変動することにより、コード長手方向でファイバ余長が不均一になる。
４．温度補償を行う場合、長手方向でファイバ余長が不均一であることが重要である。不均一な場合、例えば余長過小である部分では、熱膨張による被測定対象物の伸び歪をキャンセルできず、温度変化に起因する歪量の他に配管膨張に起因する伸び歪も計測されることになり、布設対象の変形に起因する歪のみを切り分けるのが困難となる。その場合、温度補償としての役割を果たせないことになる。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、布設環境温度を正確に計測でき、且つ圧力センサ等と共設した際に、圧力センサ等の測定結果の温度補償を正確に実施し得る光ファイバコードの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、抗張力繊維を撚り合わせて中心体とし、該中心体の外周上に少なくとも１本の温度計測用光ファイバを螺旋状に巻回し、これらを中空状のコード外被内に配置してなることを特徴とする光ファイバコードを提供する。

また本発明は、中空状のコード外被内に、少なくとも１本の温度計測用光ファイバをコード内壁に沿わせるように螺旋状に配置し、該コード外被の中心部に少なくとも１本の抗張力繊維を配置してなることを特徴とする光ファイバコードを提供する。

前記光ファイバコードにおいて、前記抗張力繊維が複数本の該繊維を撚り合わせたものであることが好ましい。

本発明の光ファイバコードは、被測定対象物の変形及び温度変化に起因する膨張が生じても、その膨張分に相当する分の伸び歪をキャンセルできるだけのファイバ余長が長手方向に渡ってほぼ一定に確保されているため、コード内の光ファイバ自身には全長に渡って伸び歪が加わらず、温度変化に伴うブリルアンシフトに起因する歪量のみを検知することが可能になる。
また、この光ファイバコードを圧力センサと共設して温度補償用に用いた場合、温度補償用としてこの光ファイバの歪量を測定し、その測定値を共設した歪検知用ファイバで測定した歪量から差し引くことで、純粋に布設対象物に加わった歪のみを検知することが可能となる。
また、特定の場所ではなく、連続的、分布的に温度補償を行うことができる。
また、コード内径、撚りピッチ、繊維のデニール数を変えることで、ファイバの撚り込み量を調整可能であり、目的に応じて必要とするファイバ余長率を確保することが容易になった。

以下、図面を参照して本発明の光ファイバコードの実施形態を説明する。
図１及び図２は、本発明の光ファイバコードの第１実施形態を示す図であり、図１は光ファイバコード１の横断面図、図２は光ファイバコード１の縦断面図である。これらの図中、符号１は光ファイバコード、２は中心体、３は温度計測用光ファイバ、４はコード外被、５は隙間である。

本実施形態の光ファイバコード１は、アラミド繊維等の抗張力繊維を撚り合わせて中心体２とし、該中心体２の外周上に少なくとも１本の温度計測用光ファイバ３を螺旋状に巻回し、これらを円筒状のコード外被４内に配置した構成になっている。コード外被４と、中心体４及びその外周に巻回された温度計測用光ファイバ３との間には、隙間５が存在している。

本実施形態の光ファイバコード１は、複数本の抗張力繊維を撚り合わせて中心体２とし、その周囲に温度測定用光ファイバ３を巻回した構造とし、抗張力繊維を撚り合わせることにより、中心体２に剛性を持たせ、長手方向で形状を安定化させ、外径変動を抑えている。

また、光ファイバコード１が軸方向に張力を受けても、温度計測データに影響を受けないように、中心体２の周りに螺旋状に光ファイバ３を巻回していることによって、目的とする余長を確保し、かつ振動、自重などにより温度計測用光ファイバ３が移動しない構造となっている。

また、抗張力繊維を撚り合わせることによって外径を安定させた中心体２の周りに光ファイバ３を螺旋状に巻回することにより、長手方向で層心径がほぼ均一となり、その結果として、ファイバ撚り込み率もほぼ均一となる。つまり、ファイバ余長率をコード全長にわたってほぼ一定とした構造としている。

前記ファイバ撚り込み率は、図３（ａ）、（ｂ）に示す各部寸法を基に、次式（１）によって算出される。

式（１）中、ｌは撚り中心軸の長さ（図３（ｂ）参照）であり、ｘは温度計測用光ファイバ３の長さである。Ｄ’は層心径（図３（ａ）参照）であり、Ｄ’＝中心体２外径＋温度計測用光ファイバ３外径である。またＰは、温度計測用光ファイバ３の撚りピッチ（図３（ｂ）参照）である。

本実施形態の光ファイバコード１において、コード外被４にはプラスチック樹脂を用いており、目的とする計測温度範囲に応じて、その材質を選定することが好ましい。
また、温度計測用光ファイバ３の被覆材に関しても、コード外被４と同様に、目的とする計測温度範囲に応じて、その材質を選定することが好ましい。

本実施形態の光ファイバコード１は、被測定対象物の変形及び温度変化に起因する膨張が生じても、その膨張分に相当する分の伸び歪をキャンセルできるだけのファイバ余長が長手方向に渡ってほぼ一定に確保されているため、コード内の光ファイバ自身には全長に渡って伸び歪が加わらず、温度変化に伴うブリルアンシフトに起因する歪量のみを検知することが可能になる。
また、この光ファイバコード１を圧力センサと共設して温度補償用に用いた場合、温度補償用としてこの光ファイバの歪量を測定し、その測定値を共設した歪検知用ファイバで測定した歪量から差し引くことで、純粋に布設対象物に加わった歪のみを検知することが可能となる。

次に、ファイバ歪量温度補償の考え方を説明する。
ケーブルのブリルアンシフト量はファイバに印加されている歪変化成分と屈折率分布の温度変化成分に分解される。
Δν＝ζ（Δε）＋η（ΔＮ（Ｔ））
ここで、Δνはブリルアンシフト量、Δεはファイバの歪変化量、ΔＮ（Ｔ）は屈折率分布の温度変化量である。

周囲温度の変化に伴い、ケーブル自体も伸縮（ＴＭ，シース材の線膨張）するため、Δεは、次式のようになる。
Δε＝Δε（Ｌ）＋Δε（Ｔ）
ここで、Δε（Ｌ）は布設スパン変化に伴うケーブル歪変化量であり、初期歪を与えた状態で布設した場合は、Δε（Ｌ）≠０となる。
Δε（Ｔ）は、環境温度変化により生じるケーブル伸縮歪変化量である。ここで、Δε（Ｔ）∝Ｔの関係がある。
∴Δν＝ζ（Δε（Ｌ）＋Δε（Ｔ））＋η（ΔＮ（Ｔ））
また、ζ(χ)＝αχ の関係がある（ブリルアン周波数シフトはファイバ歪量に対してリニアにシフトする）ことから、
ζ（Δε（Ｌ）＋Δε（Ｔ））＝α・Δε（Ｌ）＋α・Δε（Ｔ）
∴Δν＝ζ（Δε（Ｌ）＋Δε（Ｔ））＋η（ΔＮ（Ｔ））
＝α・Δε（Ｌ）＋α・Δε（Ｔ）＋η（ΔＮ（Ｔ））となる。
センシングの目的として、Δε（Ｌ）の変化を見る必要がある。
仮に、無張力でケーブルに温度変化を与えた場合、Δε（Ｌ）＝０であるから、
このときのΔν′は、
Δν′＝ ζ（Δε（Ｔ））＋η（ΔＮ（Ｔ））となり、ζ（Ｅ（Ｔ））＝α・Δε（Ｔ））であるから、
Δν′＝ α・Δε（Ｔ））＋η（ΔＮ（Ｔ））
Δν−Δν′＝α・Δε（Δν−Δν′Ｌ）となる。
従って、ΔνからΔν′を除すれば、ε（Ｌ）の変化を見ることが可能となる。
このΔν′に相当するブリルアンシフト量を計測するのが本発明の光ファイバコードである。

図４及び図５は、本発明の光ファイバコードの第２実施形態を示す図であり、図４は光ファイバコード１１の横断面図、図５は光ファイバコード１１の縦断面図である。これらの図中、符号１１は光ファイバコード、１２は抗張力繊維、１３は温度計測用光ファイバ、１４はコード外被、１５は隙間である。

本実施形態の光ファイバコード１１は、中空状のコード外被１４内に、少なくとも１本の温度計測用光ファイバ１３をコード内壁に沿わせるように螺旋状に配置し、該コード外被１４の中心部に少なくとも１本の抗張力繊維１２を配置した構成になっている。コード外被１４及びその内壁に沿って配設された温度計測用光ファイバ１３と、抗張力繊維１２との間には隙間１５が設けられてる。本実施形態において、１本以上の抗張力繊維１２は、縦添えでも、撚り合わせても構わない。

中空状のコード外被１４は、外径・内径ともに長手方向に著しい変動なく作製することができるため、温度計測用光ファイバ１３をコード内壁に沿わせるような形で撚ることで、前述したファイバ撚り込み率もほぼ均一となる。つまりファイバ余長率をコード全長にわたってほぼ一定とした構造とすることが可能である。
このように、本実施形態の光ファイバコード１１は、被測定対象物の変形及び温度変化に起因する膨張が生じても、その膨張分に相当する分の伸び歪をキャンセルできるだけのファイバ余長が長手方向に渡ってほぼ一定に確保されているため、コード内の光ファイバ自身には全長に渡って伸び歪が加わらず、温度変化に伴うブリルアンシフトに起因する歪量のみを検知することが可能になる。
また、この光ファイバコード１１を圧力センサと共設して温度補償用に用いた場合、温度補償用としてこの光ファイバの歪量を測定し、その測定値を共設した歪検知用ファイバで測定した歪量から差し引くことで、純粋に布設対象物に加わった歪のみを検知することが可能となる。

本発明の光ファイバコードの第１実施形態を示す横断面図である。 本発明の光ファイバコードの第１実施形態を示す縦断面図である。 ファイバ撚り込み率の基準となる光ファイバコードの各部寸法を表す図である。 本発明の光ファイバコードの第２実施形態を示す横断面図である。 本発明の光ファイバコードの第２実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

１，１１…光ファイバコード、２…中心体、３，１３…温度計測用光ファイバ、４，１４…コード外被、５，１５…隙間、１２…抗張力繊維。

Claims (3)

1. 抗張力繊維を撚り合わせて中心体とし、該中心体の外周上に少なくとも１本の温度計測用光ファイバを螺旋状に巻回し、これらを中空状のコード外被内に配置してなることを特徴とする光ファイバコード。
2. 中空状のコード外被内に、少なくとも１本の温度計測用光ファイバをコード内壁に沿わせるように螺旋状に配置し、該コード外被の中心部に少なくとも１本の抗張力繊維を配置してなることを特徴とする光ファイバコード。
3. 前記抗張力繊維が複数本の該繊維を撚り合わせたものであることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバコード。

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