JP2013125331A

JP2013125331A - フィールドシステム

Info

Publication number: JP2013125331A
Application number: JP2011272403A
Authority: JP
Inventors: Nobunari Takeuchi; 伸成竹内
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-06-24

Abstract

【課題】光ファイバを用いた分布測定器とフィールド機器と制御システムとを有するフィールドシステムにおいて、敷設するケーブル数を削減する。
【解決手段】分布測定器と、フィールド機器と、制御システムと、ビームスプリッタと、制御システムとビームスプリッタと接続する第１光ファイバと、分布測定器とビームスプリッタを接続する第２光ファイバと、ビームスプリッタとフィールド機器を接続する第３光ファイバとを備え、制御システムとフィールド機器とは、分布測定器が使用する測定用波長帯と重ならない通信用波長帯の光信号により通信を行ない、ビームスプリッタは、第１光ファイバと第３光ファイバとの間で、測定用波長帯の光を通過させずに、通信用波長帯の光を通過させ、第２光ファイバと第３光ファイバとの間で、測定用波長帯の光を通過させるフィールドシステム。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィールドシステムに関し、特に、光ファイバを用いた分布測定器とフィールド機器とフィールド機器の制御システムとを有するフィールドシステムに関する。

屋内外のプラント等において、伝送器やアクチュエータ等のフィールド機器が用いられている。図９（ａ）に示すように、フィールド機器６００は、ＤＣＳ（Distributed Control System）等の制御システム５００と、電線７００により接続され、電線７００を介して電気信号を伝送したり電源の供給を受けている。なお、制御システム５００とフィールド機器６００との電気信号のやり取りは、無線通信により行なわれる場合もある。

また、光ファイバにパルス光を入射したときに発生するラマン散乱光を用いて温度分布を測定する温度分布測定器（ＤＴＳ：Distributed Temperature Sensor）が知られている。図９（ｂ）に示すように、ＤＴＳ３００は、温度センサとして機能する光ファイバ７１０を接続し、光ファイバ７１０にパルス光を入射して光ファイバ７１０の連続的温度分布を計測する。

特開２００１−２６４７１０号公報

一般に、フィールド機器６００とＤＴＳ３００とは独立したシステムとなっている。このため、制御システム５００とフィールド機器６００との間の温度分布を計測する場合、制御システム５００とフィールド機器６００とを接続する電線７００と、ＤＴＳ３００に接続して温度センサとして機能する光ファイバ７１０とを両方敷設する必要がある。

近距離や、作業がしやすい環境であれば、電線７００と光ファイバ７１０とを両方敷設することはそれほど大きな負担にはならないが、油井プラントのような屋外の劣悪な環境下におけるプラント等においては、敷設作業やメンテナンス作業の手間等を考慮してケーブルの敷設は最小限とすることが望ましい。

制御システム５００とフィールド機器６００との通信を無線で行ない、光ファイバ７１０のみを敷設することも考えられるが、屋外のプラント等は、無線電波の到達不能な遠距離にフィールド機器６００を設置しなければならないことも多く、この場合は、やはり電線７００と光ファイバ７１０とを両方敷設しなければならない。

そこで、本発明は、光ファイバを用いた分布測定器とフィールド機器とフィールド機器の制御システムとを有するフィールドシステムにおいて、敷設するケーブル数を削減することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様であるフィールドシステムは、光ファイバにパルス光を入射したときに発生する後方散乱光を用いて前記光ファイバの測定対象量分布を測定する分布測定器と、フィールド機器と、前記フィールド機器を制御する制御システムと、ビームスプリッタと、前記制御システムと前記ビームスプリッタとを接続する第１光ファイバと、前記分布測定器と前記ビームスプリッタとを接続する第２光ファイバと、前記ビームスプリッタと前記フィールド機器とを接続する第３光ファイバとを備え、前記制御システムと前記フィールド機器とは、前記光パルスの波長と前記後方散乱光の波長とを含んだ波長帯である測定用波長帯と重ならない波長帯である通信用波長帯の光信号により通信を行ない、前記ビームスプリッタは、前記第１光ファイバと前記第３光ファイバとの間で、前記測定用波長帯の光を通過させずに、前記通信用波長帯の光を通過させ、前記第２光ファイバと前記第３光ファイバとの間で、前記測定用波長帯の光を通過させることを特徴とする。

ここで、前記フィールド機器は、前記第３光ファイバから入射した光を電気に変換し、動作電力として用いることができる。具体的には、前記第３光ファイバから入射した光は、前記分布測定器が出射した前記パルス光とすることができる。

また、前記フィールド機器は、温度伝送器であり、前記分布測定器は、温度分布測定器であり、前記制御システムから前記温度伝送器の測定結果を取得し、校正処理を行なうようにしてもよい。

上記課題を解決するため、本発明の第２の態様であるフィールドシステムは、フィールド機器と、前記フィールド機器を制御する制御システムと、前記フィールド機器、前記制御システム、光ファイバにパルス光を入射したときに発生する後方散乱光を用いて前記光ファイバの測定対象量分布を測定する分布測定器のそれぞれと光ファイバを介して接続されるビームスプリッタとを備え、前記制御システムと前記フィールド機器とは、前記光パルスの波長と前記後方散乱光の波長とを含んだ波長帯である測定用波長帯と重ならない波長帯である通信用波長帯の光信号により通信を行ない、前記ビームスプリッタは、前記制御システムと前記フィールド機器との間で、前記測定用波長帯の光を通過させずに、前記通信用波長帯の光を通過させ、前記分布測定器と前記フィールド機器との間で、前記測定用波長帯の光を通過させることを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバを用いた分布測定器とフィールド機器とフィールド機器の制御システムとを有するフィールドシステムにおいて、敷設するケーブル数を削減することができる。

本実施形態に係るフィールドシステムの構成を示すブロック図である。制御システムの構成を示すブロック図である。ＤＴＳの構成を示すブロック図である。ＤＴＳ波長帯について説明する図である。ＤＴＳ波長帯とフィールド機器波長帯との関係を説明する図である。ビームスプリッタの特性を説明する図である。フィールド機器の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るフィールドシステムの変形例を示すブロック図である。従来の制御システムとフィールド機器との接続、およびＤＴＳについて説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るフィールドシステムの構成を示すブロック図である。本図に示すように、フィールドシステム１０は、制御システム１００、フィールド機器２００、ＤＴＳ３００、ビームスプリッタ４００を備えており、制御システム１００、フィールド機器２００、ＤＴＳ３００は、それぞれ光ファイバ４１０、光ファイバ４２０、光ファイバ４３０を介してビームスプリッタ４００と接続している。

フィールド機器２００は、温度、差圧等の物理量を測定する伝送器や、アクチュエータ、バルブポジショナ等の駆動装置等を用いることができる。フィールド機器２００に接続される光ファイバ４２０は、ＤＴＳ３００の温度センサ用光ファイバとしても機能するため、温度測定対象物に沿って敷設する。

図２は、制御システム１００の構成を示すブロック図である。制御システム１００は、フィールド機器２００を制御するシステムであり、フィールド機器２００と通信を行ない、例えば、フィールド機器２００のパラメータを設定したり、フィールド機器２００を駆動させたり、フィールド機器２００から測定値等を取得したりする。

制御システム１００は、電気信号を入出力してフィールド機器と通信を行なう従来の制御システム５００を含んでおり、さらに、光電気変換器１１０、光方向性結合器１２０、電気光変換器１３０を備えている。光電気変換器１１０、電気光変換器１３０は、それぞれ電線１４１、電線１４２により制御システム（従来）５００と接続している。

また、光電気変換器１１０、電気光変換器１３０は、それぞれ光ファイバ１５１、光ファイバ１５２を介して光方向性結合器１２０と接続している。光方向性結合器１２０は、さらに、光ファイバ４１０と接続しており、光ファイバ１５２を介して入力される電気光変換器１３０からの光信号を光ファイバ４１０に出力し、光ファイバ４１０を介して入力されるビームスプリッタ４００からの光信号を光ファイバ１５１に出力する。

制御システム１００が光ファイバ４１０により入出力する光信号の通信用波長帯をフィールド機器波長帯と称するものとする。フィールド機器波長帯は複数あってもかまわない。フィールド機器波長帯は、後述するＤＴＳ波長帯と重複しない波長帯を用いるようにする。

光電気変換器１１０は、フィールド機器波長帯の光信号を制御システム（従来）５００に対応した電気信号に変換する。必要に応じてデジタル−アナログ変換、レンジ変換等を行なうようにしてもよい。電気光変換器１３０は、制御システム（従来）５００が出力する電気信号をフィールド機器波長帯の光信号に変換する。必要に応じてアナログ−デジタル変換、レンジ変換等を行なうようにしてもよい。

図３は、ＤＴＳ（温度分布測定器）３００の構成を示すブロック図である。ＤＴＳ３００は、従来と同様の構成とすることができる。本図に示すようにＤＴＳ３００は、パルス発生部３１０、光源３２０、光方向性結合器３３０、フィルタ３４０、光電気変換器（Ｏ／Ｅ）３５０、光電気変換器（Ｏ／Ｅ）３５１、増幅器３５２、増幅器３５３、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）３５４、ＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）３５５、平均化回路３６０、演算部３７０を備えている。

ＤＴＳ３００では、パルス発生部３１０が発生するパルス信号に基づいて、光源３２０から光パルスが光方向性結合器３３０を介して光ファイバ４２０に出射される。光ファイバ４２０に入射された光パルスは、ビームスプリッタ４００を介して接続された光ファイバ４３０を進むとともに、後方散乱光が光ファイバ４２０から戻ってくる。

図４に示すように、波長λ_０の入射光の後方散乱光には、波長λ_０のレイリー散乱光、波長λ_０±数１０ｎｍのラマン散乱光、波長λ_０±数ｎｍのブリルアン散乱光などが含まれる。ＤＴＳ３００は、これらの後方散乱光のうち、温度依存性が高いラマン散乱光を利用する。

本図に示すように、ラマン散乱光には、入射光の波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光があり、その強度比は、温度変化に比例して変化する。ＤＴＳ３００は、この特性を利用して、ビームスプリッタ４００を介して接続された光ファイバ４２０によって対象物の温度分布を測定する。

ＤＴＳ３００は、光方向性結合器３３０、フィルタ３４０を用いてストークス光とアンチストークス光を抽出し、光電気変換器３５０、光電気変換器３５１で受光する。ストークス光は、光電気変換器３５０で電気信号に変換され、増幅器３５２、ＡＤ変換器３５４を経て平均化回路３６０に入力される。アンチストークス光は、光電気変換器３５１で電気信号に変換され、増幅器３５３、ＡＤ変換器３５５を経て平均化回路３６０に入力される。

後方散乱光は微弱であるため、光パルスの出射によるストークス光、アンチストークス光の測定は多数回繰り返し行ない、平均化回路３６０で、それぞれの測定結果を平均化することにより、温度測定分解能を上げるようにしている。そして、演算部３７０で、平均化されたストークス光とアンチストークス光の強度比が演算される。

パルス光に対するストークス光とアンチストークス光の強度の時間変化は、光ファイバ４３０の経路長に対応するため、演算部３７０の演算により光ファイバ４３０が検出した温度分布を得ることができる。

アンチストークス光の波長、入射光の波長、ストークス光の波長を含んだ測定用の波長帯をＤＴＳ波長帯と称するものとする。上述のように、ＤＴＳ波長帯とフィールド機器波長帯とは重複しないようにする。このため、例えば、図５に示すように、ＤＴＳ波長帯を２つのフィールド機器波長帯で挟むような関係とすることができる。ただし、ＤＴＳ波長帯はいずれか一方としたり、より多くの波長帯を使用するようにしてもよい。

ビームスプリッタ４００は、例えば、広帯域誘多膜プレートハーフミラー等の光学フィルタを用いて構成することができる。ただし、ビームスプリッタ４００の構成は任意である。図６は、ビームスプリッタ４００の特性を説明する図である。図６（ａ）に示すように、ビームスプリッタ４００は、ＤＴＳ３００とフィールド機器２００との間では、フィールド機器波長帯の光を通過させ、ＤＴＳ波長帯の光は通過させない。

また、図６（ｂ）に示すように、ビームスプリッタ４００は、ＤＴＳ３００と光ファイバ４３０との間では、ＤＴＳ波長帯の光を通過させ、フィールド機器波長帯の光は通過させない。ただし、フィールド機器波長帯の光信号が十分大きい場合は、ＤＴＳ３００と光ファイバ４３０との間でフィールド機器波長帯の光が多少通過してもよい。

これにより、制御システム１００とフィールド機器２００との間で、フィールド機器波長帯の光信号のやり取りが可能となる。また、ＤＴＳ３００からの光パルスを減衰させることなく光ファイバ４３０に入射させ、後方散乱光を減衰させることなくＤＴＳ３００に入射させることができる。したがって、ＤＴＳ３００は、従来と同様に光ファイバ４３０の温度分布を測定することができる。なお、ＤＴＳ３００から出射された光パルスは、光ファイバ４３０を通ってフィールド機器２００に到達することになる。後述するように、本実施形態では、この光パルスをフィールド機器２００の動作電力として用いるようにする。

図７は、フィールド機器２００の構成を示すブロック図である。フィールド機器２００は、電気信号を入出力して制御システムと通信を行なう従来のフィールド機器６００を含んでおり、さらに、ビームスプリッタ２１０、光電気変換器２２０、平滑回路２３０、光方向性結合器２４０、光電気変換器２５０、光電気変換器２６０を備えている。

ビームスプリッタ４００は、光ファイバ４３０と接続し、ＤＴＳ波長帯に含まれる光パルスを、光ファイバ２７２を介して光電気変換器２２０に導き、フィールド機器波長帯の光信号を、光ファイバ２７１を介して光方向性結合器４００との間でやり取りする。

光電気変換器２２０に入力された光パルスは、光電気変換器２２０で電気パルスに変換され、平滑回路２３０で平滑化される。そして、電線２８２によりフィールド機器（従来）６００に入力され、フィールド機器（従来）６００の動作電力として用いられる。フィールド機器２００のその他の部位の動作電力としても用いるようにしてもよい。

ＤＴＳ３００が発するパルス光は一般に強力なエネルギーを有しているため、本実施形態では、フィールド機器（従来）６００の動作電力として用いるようにしているが、フィールド機器２００に別途電源を備えさせたり、太陽電池等の発電機構を備えさせるようにしてもよい。この場合、ビームスプリッタ２１０、光電気変換器２３０、平滑回路２３０は不要となる。また、パルス光以外の光をＤＴＳ３００、制御システム１００等から伝送し、その光をフィールド機器２００内で電力に変換するようにしてもよい。この場合、ビームスプリッタ４００の特性等をその光の波長に対応させるようにする。また、連続光であれば平滑回路２３０は不要となる。

光ファイバ４３０およびビームスプリッタ２１０を介して入射されたフィールド機器波長帯の光信号は、光方向性結合器２４０により光ファイバ２７３を介して光電気変換器２５０に入射される。そして、光電気変換器２５０により電気信号に変換され、電線２８３を介してフィールド機器（従来）６００に入力される。光電気変換器２５０は、入射された光信号を制御システム（従来）５００が出力した電気信号と同じ信号になるように変換する。

フィールド機器（従来）６００が出力した電気信号は、電線２８４を介して光電気変換器２６０に入力され、光電気変換器２６０が光信号に変換する。このとき、必要に応じてアナログ−デジタル変換、レンジ変換等を行なうようにしてもよい。光電気変換器２６０が変換した光信号は、光ファイバ２７４を介して光方向性結合器２４０に入射され、光ファイバ２７１を介してビームスプリッタ２１０に導かれる。そして、光ファイバ４３０を介して制御システム１００に入射される。

これにより、制御システム１００内の制御システム（従来）５００と、フィールド機器２００内のフィールド機器（従来）６００とは、従来と同様の電気信号のやり取りを行なうことができる。

以上説明したように、本実施形態のフィールドシステムは、制御システム１００とフィールド機器２００との間の通信を、温度センサとして用いる光ファイバ４３０を利用して光信号により行なうため、電気配線が不要となり、敷設するケーブル数を削減することができる。

このとき、制御システム１００とフィールド機器２００との通信を、光ファイバ４３０を用いて行なうため、制御システム１００とフィールド機器２００との間が長距離であっても通信可能となり、外来雑音にも強くなる。また、ＤＴＳ３００が発するパルス光をフィールド機器２００の動作電力として用いることにより、フィールド機器２００への給電が不要となる。

なお、変形例として図８に示すように、ケーブル４４０等を用いて制御システム１００とＤＴＳ３００との間で通信を行なえるようにしてもよい。この場合、例えば、フィールド機器２００として温度伝送器を用いて光ファイバ４３０の端部近辺の温度を測定し、制御システム１００からＤＴＳ３００に測定温度情報を提供することで、ＤＴＳ３００において校正処理を行なうことが可能となる。

また、ＤＴＳ３００で得られた温度分布情報を制御システム１００に提供することで、制御システム１００においてフィールド機器２００制御の温度補正を行なうことが可能となる。

なお、本発明は、ラマン散乱光を用いて光ファイバの温度分布を測定する温度分布測定器に限られず、光ファイバの伝送損失や距離測定、断線箇所の検出等を行なうＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）、Ｂ−ＯＴＤＲ（Brillouin-OTDR）、光ファイバ分散音響探査手法であるＤＡＳ（Distributed Acoustic Sensing）等の後方散乱光を用いて光ファイバの測定対象量分布を測定する分布測定器に適用することができる。

１０…フィールドシステム、６０…フィールド機器、１００…制御システム、１１０…光電気変換器、１２０…光方向性結合器、１３０…電気光変換器、１４１…電線、１４２…電線、１５１…光ファイバ、１５２…光ファイバ、２００…フィールド機器、２１０…ビームスプリッタ、２２０…光電気変換器、２３０…光電気変換器、２３０…平滑回路、２４０…光方向性結合器、２５０…光電気変換器、２６０…光電気変換器、２７１…光ファイバ、２７２…光ファイバ、２７３…光ファイバ、２７４…光ファイバ、２８２…電線、２８３…電線、２８４…電線、３１０…パルス発生部、３２０…光源、３３０…光方向性結合器、３４０…フィルタ、３５０…光電気変換器、３５１…光電気変換器、３５２…増幅器、３５３…増幅器、３５４…Ａ／Ｄ変換器、３５５…Ａ／Ｄ変換器、３６０…平均化回路、３７０…演算部、４００…ビームスプリッタ、４００…光方向性結合器、４１０…光ファイバ、４２０…光ファイバ、４３０…光ファイバ、４４０…ケーブル、５００…制御システム、６００…フィールド機器、７００…電線、７１０…光ファイバ

Claims

光ファイバにパルス光を入射したときに発生する後方散乱光を用いて前記光ファイバの測定対象量分布を測定する分布測定器と、
フィールド機器と、
前記フィールド機器を制御する制御システムと、
ビームスプリッタと、
前記制御システムと前記ビームスプリッタとを接続する第１光ファイバと、
前記分布測定器と前記ビームスプリッタとを接続する第２光ファイバと、
前記ビームスプリッタと前記フィールド機器とを接続する第３光ファイバとを備え、
前記制御システムと前記フィールド機器とは、前記光パルスの波長と前記後方散乱光の波長とを含んだ波長帯である測定用波長帯と重ならない波長帯である通信用波長帯の光信号により通信を行ない、
前記ビームスプリッタは、前記第１光ファイバと前記第３光ファイバとの間で、前記測定用波長帯の光を通過させずに、前記通信用波長帯の光を通過させ、前記第２光ファイバと前記第３光ファイバとの間で、前記測定用波長帯の光を通過させることを特徴とするフィールドシステム。
前記フィールド機器は、
前記第３光ファイバから入射した光を電気に変換し、動作電力として用いることを特徴とする請求項１に記載のフィールドシステム。
前記第３光ファイバから入射した光は、前記分布測定器が出射した前記パルス光であることを特徴とする請求項２に記載のフィールドシステム。
前記フィールド機器は、温度伝送器であり、
前記分布測定器は、温度分布測定器であり、前記制御システムから前記温度伝送器の測定結果を取得し、校正処理を行なうことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィールドシステム。
フィールド機器と、
前記フィールド機器を制御する制御システムと、
前記フィールド機器、前記制御システム、光ファイバにパルス光を入射したときに発生する後方散乱光を用いて前記光ファイバの測定対象量分布を測定する分布測定器のそれぞれと光ファイバを介して接続されるビームスプリッタとを備え、
前記制御システムと前記フィールド機器とは、前記光パルスの波長と前記後方散乱光の波長とを含んだ波長帯である測定用波長帯と重ならない波長帯である通信用波長帯の光信号により通信を行ない、
前記ビームスプリッタは、前記制御システムと前記フィールド機器との間で、前記測定用波長帯の光を通過させずに、前記通信用波長帯の光を通過させ、前記分布測定器と前記フィールド機器との間で、前記測定用波長帯の光を通過させることを特徴とするフィールドシステム。