JP2009063399A

JP2009063399A - 光ファイバ流量センサ及びそれを使った流量検知システム

Info

Publication number: JP2009063399A
Application number: JP2007231086A
Authority: JP
Inventors: Eiki Mimura; 三村榮紀; Noriyuki Hamada; 浜田則幸
Original assignee: FIBERLABS Inc
Current assignee: FIBERLABS Inc
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-26

Abstract

【課題】
広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを実現する。
【解決手段】
部分的に細くなった括れ部と端部に反射手段を有するセンサ用光ファイバと、流体の圧力に応じた変位を発生する圧力／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部に曲げを与える手段とを具備する２個一組の圧力センサと、内部にオリフィスを有する管路と、当該管路に設けられた当該オリフィスを挟む各側の流体圧力を当該圧力センサに導くための流体導入管と、当該流体管に設けられたストップバルブと、差圧を零に調整するための連結管及び零点調整用バルブと、流体の温度を測定する温度センサとを備えた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを使って気体や液体の流量を検知する光ファイバ流量センサ及びそれを使った流量検知システムに関し、より具体的には、光ファイバの曲げ損失を利用した圧力センサを用いる流量センサと流量検知システムに関する。

光ファイバセンサは、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易なことから今後幅広い分野での利用が期待されており、光ファイバ流量センサもそれらの利点のため開発が望まれている。

光ファイバを利用した流量センサが特許文献１〜１０に記載されている。

特許文献１〜３には、光ファイバを用いて羽根車の回転数や回転方向を検知する羽根車式流量センサが開示されている。

特許文献４、５には、流体の流路に介装されるケーシング内に設けた可動部がケーシング内の空間部に充満する流体を送り出す回数を光ファイバで計数する容量式流量センサが開示されている。

特許文献６〜８には、光ファイバを利用してカルマン渦の渦放出振動数を計測するカルマン渦式流量センサが開示されている。

特許文献９、１０には、光ファイバを利用して干渉させたレーザー光の干渉縞の数からコリオリの力を検知するコリオリ式流量センサが開示されている。
されている。
特許公開平10−267709号公報特許公開平05−142010号公報特許公開平07−055515号公報特許公開平05−005641号公報特許公開平05−005642号公報特許公開2002−365103号公報特許公開平08−278182号公報特許公開平07−019920号公報特許公開平10−048019号公報特許公開平05−196488号公報

しかしながら、歴史的に最も古く、液体、気体、蒸気、スラリーなど広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価などの理由で、現在でも最も多く使われている差圧式流量センサに関しては、光ファイバ式センサが開示されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、液体、気体、蒸気、スラリーなど広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを提供することにある。

そのため、（１）本発明は、部分的に細くなった括れ部と端部に反射手段を有するセンサ用光ファイバと、流体の圧力に応じた変位を発生する圧力／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部に曲げを与える手段とを具備する２個一組の圧力センサと、内部にオリフィスを有する管路と、当該管路に設けられた当該オリフィスを挟む各側の流体圧力を当該圧力センサに導くための流体導入管及びストップバルブと、差圧を零に調整するための連結管及び零点調整用バルブと、流体の温度を測定する温度センサとを備えることを特徴とする光ファイバ流量センサを提供する。

また、（２）当該圧力／変位変換手段がベローズ或いはダイヤフラムとしたことを特徴とする光ファイバ流量センサを提供する。

また、（３）当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサと計測部の間の光伝送を行う伝送用光ファイバと、当該光ファイバ流量センサに供給すべき測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力を流量に変換する演算処理手段を備えたことを特徴とする流量検知システムを提供する。

更に、（４）特定の波長の光を特定の当該光ファイバ流量センサに分波し、当該光ファイバ流量センサからの反射光を合波する合分波フィルタと、当該合分波フィルタを介して当該伝送用光ファイバに複数配置した当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタと、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段と、複数の当該受光手段の出力を流量に変換するための当該演算処理手段とを具備したことを特徴とする多点流量検知システムを提供する。

本発明により、液体、気体、蒸気、スラリーなど広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である（ａ）光ファイバ流量センサの基本概略構成と、（ｂ）拡大した圧力センサ１を示す図である。以下、本実施例の動作を説明する。

測定すべき流体は、図１（ａ）において左側から管路２２へ流入し、右側に流出する。管路２２の内部には口径が絞られたオリフィス２１が設置されているため、流体の圧力はオリフィス２１を挟んで上流側で高く、下流側で低くなり、差圧が発生する。管路２２を流れる流体の流量と差圧の関係は２乗特性である。即ち、流量が２倍になれば差圧は４倍になるという関係である。従って、差圧を測定することにより流量を知ることができる。

ただし、差圧によって直接測定できるのは体積流量である。気体の測定では温度、圧力によって体積が大きく変化するため標準状態（０℃、１気圧）の体積流量Ｎｍ^３/ｈに換算するのが一般的である。この換算に必要な圧力データは圧力センサ１で取得し、温度データは温度センサ２５により取得する。温度センサ２５も括れ部１２の曲げ損失を利用した光ファイバ式センサであり、例えば、特開２００７−２４５２７に本願発明者等により開示されている光ファイバ式温度センサを利用できる。

管路２２には、流体を各圧力センサ１に導くための一組の流体導入管２６とストップバルブ２３が設置されており、両ストップバルブ２３を開くことにより流体を各圧力センサ１に導入し、各圧力の測定をする。測定時には、零点調整用バルブ２４は閉じておく。

連結管２７に設置されている零点調整用バルブ２４は、管路２２の流れを止めることなく差圧の零点設定を行うのに使用する。即ち、両ストップバルブ２３を閉じ、零点調整用バルブを開けば対抗する２個のベローズ１３内の流体圧力が等しくなるため差圧の零点調整ができる。

圧力センサ１は、筐体１７内に固定保持された流体圧力により伸縮するベローズ１３と、当該ベローズ１３と筐体１７にファイバ固定治具１５、１６で固定保持されたセンサ用光ファイバ１１を具備している。当該センサ用光ファイバ１１は、一部を細くした括れ部１２と端部に反射ミラー１４を具備しており、括れ部１２がほぼ中央になるように固定保持する。ベローズ１３の材質には、ステンレス、フッ素樹脂、ニッケルなどがあり、流体の化学的性質や流体の圧力などを考慮して適切な材質を選択する。また、流体の圧力に応じて適切なバネ定数のものを使用する。

ベローズ１３内に流体が導入されると、流体の圧力によりベローズ１３が伸びるので、括れ部１２に曲げが発生してセンサ用ファイバ１１を伝播する測定光の一部が漏洩する。従って、この曲げ損失光強度を測定することにより圧力を計測できる。

大気圧開放口１８は、２個の圧力センサ１の筐体１７内圧力を等しくし、２個の圧力センサ１の圧力差が流体の差圧のみで生じるように設けてある。ただし、各圧力センサで測定する流体圧力自体の測定精度には、大気圧変動の影響が誤差として含まれるので、各流体圧力をより精度よく測定したいとにきは大気開放口１８を圧力変動のないガス容器に接続する。

括れ部１２を有するセンサ用光ファイバ１１は、線形性のよい応答を得るためにシングルモードファイバが望ましく、また、伝送距離、コスト面から１．５μｍ帯、１．３μｍ帯など光通信波長帯のファイバが適している。

括れ部１２は、光ファイバ１１に、微小な力で、再現性よく、大きな曲率の曲げを与える役割をし、括れ部１２の中央の径が細いほど、僅かな変位で大きな曲率変化が得られるため高感度となる。以下、括れ部１２の中央の径を括れ径と称す。しかし、括れ径が細すぎると光出力が非線形となりやすいため細すぎる括れ径は望ましくない。例えば、クラッド径が１２５μｍ、ＭＦＤ（モードフィールド径）が１０μｍ（波長：１．５５μｍ）程度である通常のシングルモードファイバの場合、括れ径は５０〜９０μｍの範囲であることが望ましい。括れ径が９０μｍ以上の場合は、曲げによる光の漏洩が少なく、５０μｍ以下の場合は、曲げがない場合でも光の漏洩が大きく、光出力が非線形で不安定になりやすい。また、感度はセンサ用光ファイバ１１の固定間隔にも依存し、固定間隔が狭くなるほど高感度となる。

図２は、くびれ径１２、固定間隔を変えたときのセンサ用光ファイバ１１の特性例を示す。（ａ）に示す感度の高いセンサ用光ファイバ１１は僅か４０μｍの変位で１０ｄＢ、（ｂ）に示す感度の低いセンサ用光ファイバ１１では３ｍｍ程度の変位でほぼ１０ｄＢの曲げ損失を生じる。即ち、センサ用光ファイバ１１の変位幅はＭｉｎ．４０μｍ〜Ｍａｘ．３ｍｍの範囲内で調節でき、何れの変位幅でも１０ｄＢ程度の曲げ損失を得ることができる。従って、ベローズ１３の伸縮量に合わせた変位幅のセンサ用光ファイバ１１を適用することにより、測定のダイナミックレンジを１０ｄＢ程度とることができる。

また、高感度なセンサ用光ファイバ１１は４０μｍという僅かな変位でも１０ｄＢの大きな曲げ損失を発生するため、圧力／変位変換媒体としてベローズ１３より変位幅の小さいダイヤフラムも使用可能である。

図３は本実施例の構成の圧力センサ１に測定光を入射し、圧力と反射光強度の関係を測定した例である。使用したセンサ用光ファイバ１１は、ＭＦＤ９．５μｍ、カットオフ波長１２８０nmのシングルモード光ファイバで、括れ径は８５μｍ、固定間隔は２５ｍｍである。ベローズ１３は、最大外径１９ｍｍ、有効長２５ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製で、１００ＫＰａの圧力で約１．８ｍｍ伸びる。測定光は波長１．５５μｍの半導体レーザ光で、受光には光パワーメータを使用した。１００ＫＰａの圧力変化に対して７．４ｄＢの光量変化が得られ、応答は非常によい線形性を示した。反射光を受光した光パワーメータの測定分解能は０．００１ｄＢであるので、圧力に換算すると約１．４Ｐａの高い分解能の測定ができる可能性のあることが分かる。

以上、説明したように、部分的に細くなった括れ部１２と端部に反射手段１４を有するセンサ用光ファイバ１１と、流体の圧力に応じた変位を発生する圧力／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部１２に曲げを与える手段とを具備する２個一組の圧力センサ１と、内部にオリフィス２１を有する管路２２と、当該管路２２に設けられた当該オリフィスを挟む各側の流体圧力を当該圧力センサ１に導くための流体導入管２６及びストップバルブ２３と、差圧を零に調整するための連結管２４及び零点調整用バルブ２７と、流体の温度を測定する温度センサとを備えることにより、広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサを実現できる。

本実施例の光ファイバ流量検知システムの動作を図４を用いて説明する。

図中、２は流量センサ２０内の２個の圧力センサ１と温度センサ２５への光の伝送および反射してくる信号光を計測部３内の３個の受光素子６に導くための３本の伝送用光ファイバである。計測部３の主要構成部品は、発光素子４、光カプラ５、受光素子６、光アイソレータ７、演算処理回路８である。発光素子４は、光ファイバに入射可能な光源であり、より遠隔まで信号を伝送するためには、波長帯が１．５μｍ帯、１．３μｍ帯など通信波長帯であることが望ましく、例えば、通信波長帯の半導体レーザを利用できる。

これら計測部３の主要構成部品は何れも市販品を安価に購入できるため、安価な流量検知システムを構成できる。

発光素子４から出射した測定光は、光アイソレータ７を通過した後、光分岐カプラ９により分岐されて３本の光伝送用ファイバ２に送られ、流量センサ２０内の２個の圧力センサ１と温度センサ２５に入射される。各センサにおける括れ部１２の曲げにより一部の光を漏洩した後、測定光は反射ミラー１４で反射され、再度括れ部１２で光を漏洩した後、伝送用光ファイバ２を経て光カプラ５に達し、３個の受光素子６で受光される。発光素子４側に戻る一部の光は光アイソレータ７でブロックされる。圧力、温度と反射光強度の関係式を予め演算処理回路８に入力しておき、３個の受光素子６の出力データから圧力、温度を求め、得られた圧力、温度データを使って演算処理することにより気体、液体等の流量を検知することができる。

図４は、本発明の第三実施例である多点流量検知システムの概略構成を示す。以下、システムの動作を図５を用いて説明する。光源３１は、ＡＳＥ光源、チューナブルレーザなどのように複数の波長を発光する光源で、光源３１から発光された光は、光アイソレータ７、２個の光カプラ５を経て伝送用光ファイバ２に入射される。光アイソレータ７を出た光の一部は、光カプラ５で分岐され光源３１の光強度変化をモニターするパワーモニタ用受光素子３２に入射され、光源３１の変動を補正するデータとして使われる。

流量センサ２０-１にはλ_１λ_２λ_３、２０−２にはλ_４λ_５λ_６というように、各流量センサ２０には、３波長づつ割当てられており、３波長は、また、流量センサ２０内の２個の圧力センサ１と温度センサ２５に割当てられる。即ち、全ての圧力センサ１と温度センサ２５に異なる波長を割当てることにより各センサの識別を行う。

伝送用光ファイバ２に入射された測定光は、各合分波フィルタ３４により、特定の波長の光が割当てられた圧力センサ１と温度センサ２５に分岐されていく。各センサで反射された各波長の光は、再度合分波フィルタ３４-（１〜ｎ）を経て伝送用光ファイバ２に入射され、光カプラ５を経て波長分岐フィルタ３３に達する。波長分岐フィルタ３３で光は各波長に分岐され、各々割り当てられた受光素子６に入射される。

圧力、温度と反射光強度の関係式を予め演算処理回路８に入力しておき、各受光素子６の出力データから圧力、温度を求め、得られた圧力、温度データを使って演算処理することにより気体、液体等の流量を検知することができる。

全ての圧力センサ１と温度センサ２５の識別に異なる波長の光λ_１〜λ_ｎを用い、各波長に割当てた複数の受光素子ＰＤ_１〜ＰＤ_ｎで並列に受光することにより、計測時間が短くなり、リアルタイム測定ができる。

また、伝送用光ファイバ２、光カプラ５、光アイソレータ７、合分波フィルタ３４、波長分岐フィルタ３３、受光素子６など、上記各種の構成部品には光通信用に開発された安価で信頼性の高い市販品を利用できるため、安価で信頼性の高いシステムを構成できる。

特定の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更を加えることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修正も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の第１実施例の（ａ）概略構成図と（ｂ）圧力センサの拡大図である。センサ用光ファイバの特性例を示す図である。本実施例の圧力センサの特性例を示す図である。本発明の第２実施例の概略構成を示す図である。本発明の第３実施例の概略構成を示す図である。

符号の説明

１：圧力センサ
２：伝送用光ファイバ
３：計測部
４：発光素子
５：光カプラ
６：受光素子
７：光アイソレータ
８：演算処理回路
９：光分岐カプラ
１１センサ用光ファイバ
１２：括れ部
１３：ベローズ
１４：反射ミラー
１５、１６：ファイバ固定具
１７：筐体
１８：大気開放口
２０−（１〜３）：流量センサ
２１：オリフィス
２２：管路
２３：ストップバルブ
２４：零点調整用バルブ
２５：温度センサ
２６：流体導入管
２７：連結管
３１：光源
３２：パワーモニタ用受光素子
３３：波長分岐フィルタ
３４−（１〜９）：合分波フィルタ

Claims

部分的に細くなった括れ部（１２）と端部に反射手段（１４）を有するセンサ用光ファイバ（１１）と、流体の圧力に応じた変位を発生する圧力／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部（１２）に曲げを与える手段とを具備する２個一組の圧力センサ（１）と、内部にオリフィス（２１）を有する管路（２２）と、当該管路（２２）に設けられた当該オリフィス（２１）を挟む各側の流体圧力を当該圧力センサ（１）に導くための流体導入管（２６）及びストップバルブ（２３）と、差圧を零に調整するための連結管（２４）及び零点調整用バルブ（２７）と、流体の温度を測定する温度センサとを備えることを特徴とする光ファイバ流量センサ。
当該圧力／変位変換手段がベローズ或いはダイヤフラムとしたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ流量センサ。
当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサと計測部（３）の間の光伝送を行う伝送用光ファイバ（２）と、当該光ファイバ流量センサに供給すべき測定光を発生する発光手段（４）と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた測定光を受光する受光手段（６）と、当該受光手段（６）の出力を流量に変換する演算処理手段（８）を備えたことを特徴とする流量検知システム。
特定の波長の光を特定の当該光ファイバ流量センサに分波し、当該光ファイバ流量センサからの反射光を合波する合分波フィルタ（４４）と、当該合分波フィルタ（４４）を介して当該伝送用光ファイバ（２）に複数配置した当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段（４１）と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタ（４３）と、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段（６）と、複数の当該受光手段（６）の出力を流量に変換するための当該演算処理手段（８）とを具備したことを特徴とする多点流量検知システム。