JP2008249515A - 温度分布測定システム及び温度分布測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な温度換算を行うことで、正確な温度分布測定を行うこと。
【解決手段】測定用光ファイバ６を入出力コネクタ５の外部に配置した温度調整が可変な恒温槽７を通し、該測定用光ファイバ６の一部の温度を恒温槽７により一定に保ち、該恒温槽７の内部の温度を検出手段としての温度計８により検出し、演算装置３により測定用光ファイバ６から戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに温度計８からの検出結果を測定用光ファイバ６の任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求め、データ処理装置９により温度分布データに基づいたデータ処理を行うと、モニタ１０によりデータ処理された温度分布が表示されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定用光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定システム及び温度分布測定方法に係り、特に、監視対象ゾーンの温度分布を正確に測定するようにした温度分布測定システム及び温度分布測定方法に関する。

従来より、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）技術を利用し、測定用の光ファイバ（以下、測定用光ファイバという）を用いて長距離に渡る温度分布を測定する装置が知られている。このような温度分布測定装置では、たとえばプラント、オフィスビル、トンネル、歴史的建造物等の構築物等の温度変化を監視し、火災等の初期異常を事前に捉えて、災害を最小限に抑える役割を果たすことができるようになっている。

すなわち、係る温度分布測定装置では、パルス光源から発生されるパルス光が、測定用光ファイバに入射されると、その測定用光ファイバでのパルス光の伝播の過程で後方散乱光が発生し、入射端に後方散乱光が戻ってくる。ここで、後方散乱光には、ラマン散乱により波長が一定量シフトしたラマン散乱光が含まれる。また、ラマン散乱光には、入射光に対して波長が長波長側にシフトしたストークス光と、短波長側にシフトしたアンチストークス光とがある。

このようなラマン散乱光は、光ファイバを構成する分子の熱振動との相互作用により発生するものであり、測定用光ファイバの各部の温度によりその光強度が敏感に変化する特性を有している。また、ストークス光及びアンチストークス光の光強度は絶対温度に依存しているため測定用光ファイバの温度を測定することができる。また、ラマン散乱光が帰還するまでの時間を計測することにより、測定用光ファイバ内での散乱の生じた位置を測定できる。これにより測定用光ファイバの距離に沿った温度分布を測定することができる。

すなわち、ストークス光やアンチストークス光の光強度比から温度分布の相対温度を求め、さらに測定用光ファイバの任意の位置の実温度を基準温度として温度分布を換算することにより、測定用光ファイバ全体の実際の温度分布を求めることができる。

測定用光ファイバ全体の実際の温度分布を求めるものとして、特許文献１では、図４に示すように、パルス光源２から測定用光ファイバ６に光パルスを入射させ、そのファイバで発生する後方散乱光で形成される反射光を光カプラ４で二分して、演算装置３に導き、反射光の強度から測定用光ファイバ６の温度を求めると共に、光パルスの入射光時刻と反射光が到達する時刻の差から後方散乱光の発生位置を求めるように構成された温度分布測定装置１において、測定用光ファイバ６の一部を校正用ファイバ１１として測定装置内に通すと共に、この校正用ファイバ１１の温度を計測する別個の温度計８を設け、温度計８により測定された温度情報を演算装置３に直接入力して、校正用ファイバ１１により測定された温度と比較校正することにより、測定用光ファイバ６全長に亘る温度分布情報を校正するようにした線状温度測定装置を提案している。なお、図中、符号９はデータ処理装置であり、符号１０はモニタである。
特公平０８−２３５１２号公報

上述した特許文献１に示されている線状温度測定装置によれば、演算装置３により、測定用光ファイバ６の一部の温度、すなわち線状温度測定装置内に通っている校正用ファイバ１１の温度を別個の温度計８を用いて直接計測し、その温度計８の温度情報と測定用光ファイバ６の温度監視部分の温度情報とから、線状温度分布情報が校正されるため、測定用光ファイバ６の一部を恒温槽に入れて温度校正する必要がなくなる。

ところで、温度分布演算による温度分布の換算は、温度傾斜を持つ１次関係式に近似する換算式に基づいて行われることになるため、実際に測定しようとする測定場所の環境温度に近い温度を基準温度として換算した方が温度精度が高くなるといえる。

このようなことから、特許文献１のように、温度監視部分である校正用ファイバ１１を線状温度測定装置内部に収容して線状温度分布情報の校正に用いるようにすると、基準温度は線状温度測定装置の温度変化により変動することになり、測定しようとする場所の環境温度とは異なる温度となることから、温度換算の精度が低下してしまうという問題点があった。

また、線状温度測定装置に測定用光ファイバ６を接続するための光入出力コネクタを取り付ける構成にした場合、温度監視部分である校正用ファイバ１１を線状温度測定装置内部に配置していることから、測定用光ファイバ６は光入出力コネクタを介して温度監視部分である校正用ファイバ１１と接続されることになる。

この場合、測定用光ファイバ６からのラマン散乱光は光入出力コネクタの接続損失により光強度の変動の影響を受けることになる。ちなみに、光入出力コネクタでの接続損失は最大で０．１ｄＢ程度あり、温度に換算すると数℃に相当する。一方、温度換算の基準温度とする温度監視部分である校正用ファイバ１１は、線状温度測定装置内にあるので光入出力コネクタの接続損失による光強度の変動を受けないことになる。

このようなことから、温度監視部分である校正用ファイバ１１の温度情報を基準温度として行う温度換算では、光入出力コネクタのレベル変動による温度データの誤差を含んだものとなるため、正確に温度換算を行うことができないことから、正確な温度分布測定を行うことができないという問題点があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決することができる温度分布測定システム及び温度分布測定方法を提供することを目的とする。

本発明の温度分布測定システムは、測定用光ファイバの一端から測定用のパルス光を入射し、前記測定用光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記測定用光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定システムであって、前記測定用光ファイバの一部の温度を一定に保つための温度調整が可変とされている恒温槽と、該恒温槽の内部の温度を検出する検出手段と、前記測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに前記検出手段からの検出結果を前記測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求める演算装置と、光入出力コネクタとを備え、前記測定用光ファイバは、前記光入出力コネクタを介して前記演算装置に接続され、前記恒温槽は、前記演算装置側からみて前記光入出力コネクタの外部に配置されていることを特徴とする。
本発明の温度分布測定方法は、測定用光ファイバの一端から測定用のパルス光を入射し、前記測定用光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記測定用光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、前記測定用光ファイバの一部の温度を温度調整が可変とされている恒温槽により一定に保つ工程と、該恒温槽の内部の温度を検出手段により検出する工程と、演算装置により光入出力コネクタを介し前記測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに前記検出手段からの検出結果を前記測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求める工程とを有し、前記測定用光ファイバは、前記光入出力コネクタを介して前記演算装置に接続され、前記恒温槽は、前記演算装置側からみて前記光入出力コネクタの外部に配置されていることを特徴とする。
本発明の温度分布測定システム及び温度分布測定方法では、測定用光ファイバの一部の温度を温度調整が可変とされている恒温槽により一定に保たれ、該恒温槽の内部の温度が検出手段により検出され、演算装置により測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光との光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度が求められ、さらに検出手段からの検出結果を測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布が換算されて温度分布データが求められ、データ処理装置により温度分布データに基づいたデータ処理が行われ、モニタによりデータ処理された温度分布が表示される。
ここで、恒温槽は温度調整が可変とされていることから、基準温度を測定場所の環境温度とほぼ同一に設定することが可能となり、演算装置により換算が行われる際、恒温槽の内部の温度を検出する検出手段からの検出結果が基準温度として用いられるため、正確な温度換算を行うことができる。

本発明の温度分布測定システム及び温度分布測定方法によれば、測定用光ファイバの一部の温度を温度調整が可変とされている恒温槽により一定に保ち、演算装置により測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに恒温槽の内部の温度を検出する検出手段からの検出結果を測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求めるようにすると共に、光入出力コネクタによる接続損失の影響を排除したので、正確な温度換算を行うことができることから、正確な温度分布測定を行うことができる。

本実施例では、測定用光ファイバの一部の温度を温度調整が可変とされている恒温槽により一定に保たれ、該恒温槽の内部の温度が検出手段により検出され、演算装置により測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度が求められ、さらに検出手段からの検出結果を測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布が換算されて温度分布データが求められ、データ処理装置により温度分布データに基づいたデータ処理が行われ、モニタによりデータ処理された温度分布が表示される。

ここで、恒温槽は温度調整が可変とされていることから、基準温度を測定場所の環境温度とほぼ同一に設定することが可能となり、演算装置により換算が行われる際、恒温槽の内部の温度を検出する検出手段からの検出結果が基準温度として用いられるため、正確な温度換算を行うことができ、正確な温度分布測定を行うことができる。

すなわち、ラマン散乱光の光強度から測定用光ファイバの温度分布を換算する場合は、ストークス光、アンチストークス光の強度比から相対温度を算出し、光ファイバの任意の位置の実温度を基準温度として温度分布を換算することにより、測定用光ファイバ全体の実際の温度分布が求められる。

ここで、温度分布の換算は、温度傾斜を持つ１次関係式に近似する換算式に基づいて行われることになるため、実際に測定しようとする測定場所の環境温度に近い温度を基準温度として換算した方が温度精度が高くなるといえる。

この場合、温度調整が可変とされている恒温槽を用いることで、基準温度を測定場所の環境温度とほぼ同一に設定することが可能となり、演算装置により正確な温度換算を行うことができる。なお、温度測定しようとして想定されているターゲット温度があった場合、恒温槽の温度をターゲット温度と同一に設定することにより、ターゲット温度付近の温度を正確に測定することもできる。

さらに、恒温槽を演算装置側からみて光入出力コネクタの外部に配置しているため、測定用光ファイバの任意の位置からのラマン散乱光強度と、基準温度を測定する恒温槽内の測定用光ファイバからのラマン散乱光強度は共に、光入出力コネクタの接続損失を共通に受けることになるので、光入出力コネクタの接続損失の影響を相殺すことができる。これにより光入出力コネクタの接続損失による光強度の変動の影響を受けることがなく、正確な温度換算を行うことができる。

以下、本発明の詳細を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の温度分布測定システムの一実施例を説明するための図である。なお、以下に説明する図において、図４と共通する部分には同一符号を付すものとする。

同図に示すように、温度分布測定システムは、温度分布測定装置１と、恒温槽７と、データ処理装置９と、モニタ１０とを備えている。

温度分布測定装置１は、パルス光源２、演算装置３、光カプラ４、光入出力コネクタ５を備えている。また、温度分布測定装置１には、光入出力コネクタ５を介して測定用光ファイバ６が接続されている。

パルス光源２は、測定用光ファイバ６にパルス光を入射する半導体レーザである。

演算装置３は、たとえば測定用光ファイバ６から戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに測定用光ファイバ６の任意の位置の実温度を基準温度として温度分布を換算することにより、測定用光ファイバ６全体の実際の温度分布を得るための温度分布データを求めるものである。

なお、測定用光ファイバ６の任意の位置の実温度としては、後述の恒温槽７内に設けられている温度計８からの温度情報としているが、その詳細については後述する。

また、演算装置３では、図示しないＡ／Ｄ変換器により変換されたデジタルデータに基づき、ノイズ低減のためにデータを加算し、平均を算出したデータを得、その後、比を求め、温度分布データを得るようになっている。

演算装置３では、温度分布データに換算する過程において、測定用光ファイバ６の任意の位置のラマン散乱光に対する実温度のデータが必要であるため、予め取得しておいたその実温度を基準温度として温度分布データに換算するようになっている。

恒温槽７は、任意の温度に設定が可能とされるものであり、光入出力コネクタ５の外部の任意の位置に配置され、測定用光ファイバ６の一部を恒温槽７の中に収納している。また、恒温槽７の内部には、温度計８が設けられており、恒温槽７の内部の温度を検出し、その検出した温度情報を演算装置３に与えるようになっている。このように、温度計８から演算装置３に恒温槽７の内部の温度情報が与えられることで、測定用光ファイバ６の任意の位置の実温度が得られようになっている。温度計８はたとえば熱電対を用いることができる。

光カプラ４は、測定用光ファイバ６から戻ってくる後方散乱光のうち、ラマン散乱光を、演算装置３側に分配するものである。

データ処理装置９は、温度分布測定装置１に対しＲＳ−２３２Ｃ等のインタフェースを介して接続されており、温度分布測定装置１の演算装置３からの温度分布データに基づき、モニタ１０によって温度分布が表示されるようにデータ処理を行うものである。

モニタ１０は、データ処理装置９によるデータ処理に応じて温度分布の波形を表示する。

図２は、データ処理装置９によりデータ処理されてモニタ１０に表示される温度分布の波形を模式的に示すものである。図２では、２９０ｍ付近と６４０ｍ付近とでそれぞれ５５℃、８５℃程度の温度が観測されている場合を示している。

次に、温度分布測定システムによる温度分布測定方法について説明する。

まず、図３に示すように、パルス光源２からパルス光を出力する（ステップＳ１）。このとき、パルス光源２からのパルス光は、光カプラ４及び光入出力コネクタ５を介して測定用光ファイバ６の一端から入射される（ステップＳ２）。

次いで、その測定用光ファイバ６の長手方向における各位置から一端に帰還する後方散乱光が光入出力コネクタ５を介して温度分布測定装置１内部に取り込まれると（ステップＳ３）、光カプラ４により、その後方散乱光のうちのラマン散乱光が演算装置３側に分配される（ステップＳ４）。

また、演算装置３には、温度計８からの恒温槽７の内部の温度を検出した温度情報が与えられる（ステップＳ５）。そして、演算装置３では、そのラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに温度計８からの温度情報に基づいた実温度を基準温度として温度分布を換算することにより、測定用光ファイバ６全体の実際の温度分布を得るための温度分布データを求める（ステップＳ６）。

このとき、演算装置３では、図示しないＡ／Ｄ変換器により変換されたデジタルデータに基づき、ノイズ低減のためにラマン散乱光を加算し、平均を算出したデータを得、その後、比を求め、温度分布データを得るようになっている。

ここで、演算装置３により温度分布データが得られると、温度分布測定装置１に対しＲＳ−２３２Ｃ等のインタフェースを介して接続されているデータ処理装置９により、モニタ１０によって温度分布が表示されるようにデータ処理が行われると（ステップＳ７）、たとえば図２に示したような温度分布がモニタ１０に表示される（ステップＳ８）。

このように、本実施例では、測定用光ファイバ６の一部の温度を恒温槽７により一定に保ち、該恒温槽７の内部の温度を検出手段としての温度計８により検出し、演算装置３により測定用光ファイバ６から戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに温度計８からの検出結果を測定用光ファイバ６の任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求め、データ処理装置９により温度分布データに基づいたデータ処理を行うと、モニタ１０によりデータ処理された温度分布が表示されるようにした。

ここで、恒温槽７は温度調整が可変とされていることから、基準温度を測定場所の環境温度とほぼ同一に設定することが可能となり、演算装置３により換算が行われる際、恒温槽７の内部の温度を検出する温度計８からの検出結果が基準温度として用いられるため、正確な温度換算を行うことができることから、正確な温度分布測定を行うことができる。

また、本実施例では、温度分布測定装置１に測定用光ファイバ６を接続するための光入出力コネクタ５を取り付ける構成にした場合、恒温槽７を温度分布測定装置１の外部、すなわち、恒温槽７を演算装置３側からみて光入出力コネクタ５の外部に配置されているように、さらに温度計８からの恒温槽７内の検出結果を基準温度として用いているため、測定用光ファイバ６の任意の位置からのラマン散乱光強度と、基準温度を測定する恒温槽７内の測定用光ファイバ６からのラマン散乱光強度は共に、光入出力コネクタ５の接続損失を共通に受けることになるので、光入出力コネクタ５の接続損失の影響を相殺することができる。これにより、光入出力コネクタ５の接続損失による光強度の変動の影響を受けることがなく、正確な温度換算を行うことができる。

温度分布測定に限らず、光通信技術にも適用可能である。

本発明の温度分布測定システムの一実施形態を示すブロック図である。 図１のデータ処理装置によりデータ処理されてモニタに表示される温度分布の波形を模式的に表現した図を示すものである。 図１の温度分布測定システムにおける温度分布測定方法を説明するためのフローチャートである。 従来の線状温度測定装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 温度分布測定装置
２ パルス光源
３ 演算装置
４ 光カプラ
５ 光入出力コネクタ
６ 測定用光ファイバ
７ 恒温槽
８ 温度計（検出手段）
９ データ処理装置
１０ モニタ

Claims (2)

1. 測定用光ファイバの一端から測定用のパルス光を入射し、前記測定用光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記測定用光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定システムであって、
   前記測定用光ファイバの一部の温度を一定に保つための温度調整が可変とされている恒温槽と、
   該恒温槽の内部の温度を検出する検出手段と、
   前記測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに前記検出手段からの検出結果を前記測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求める演算装置と、
   光入出力コネクタとを備え、
   前記測定用光ファイバは、前記光入出力コネクタを介して前記演算装置に接続され、
   前記恒温槽は、前記演算装置側からみて前記光入出力コネクタの外部に配置されている
   ことを特徴とする温度分布測定システム。
2. 測定用光ファイバの一端から測定用のパルス光を入射し、前記測定用光ファイバの長手方向における各位置から前記一端に帰還する後方散乱光のうち、ラマン散乱光の光強度と帰還時間とを検出して前記測定用光ファイバの長手方向の温度分布を測定する温度分布測定方法であって、
   前記測定用光ファイバの一部の温度を温度調整が可変とされている恒温槽により一定に保つ工程と、
   該恒温槽の内部の温度を検出手段により検出する工程と、
   演算装置により光入出力コネクタを介し前記測定用光ファイバから戻ってくるラマン散乱光の光強度比と帰還時間とから温度分布の相対温度を求め、さらに前記検出手段からの検出結果を前記測定用光ファイバの任意の位置の基準温度として温度分布を換算して温度分布データを求める工程とを有し、
   前記測定用光ファイバは、前記光入出力コネクタを介して前記演算装置に接続され、
   前記恒温槽は、前記演算装置側からみて前記光入出力コネクタの外部に配置されている
   ことを特徴とする温度分布測定方法。

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