JP2015222225A - Device for measuring distribution type temperature - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバをセンサとして用い、後方ラマン散乱光のアンチストークス光の強度とストースク光の強度の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布を算出する分布型温度測定装置等に関する。 The present invention relates to a distributed temperature measuring device that uses an optical fiber as a sensor and calculates a temperature distribution along the optical fiber from the intensity ratio of the intensity of anti-Stokes light and stokes light of backward Raman scattered light.
光ファイバをセンサとして用いた温度測定装置の一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された分布型温度測定装置(例えば、特開2012−27001号公報に開示された装置)がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。 A type of temperature measuring device using an optical fiber as a sensor, a distributed temperature measuring device configured to measure a temperature distribution along the optical fiber (for example, a device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2012-27001) There is. This technique uses backscattered light generated in an optical fiber.
後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、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ASと、長い波長側に発生するストークス光STがある。 Backscattered light includes Rayleigh scattered light, Brillouin scattered light, and Raman scattered light, but temperature-dependent back Raman scattered light is used for temperature measurement. Measure. The back Raman scattered light includes anti-Stokes light AS generated on the short wavelength side with respect to the wavelength of incident light and Stokes light ST generated on the long wavelength side.
光ファイバを用いた分布型温度測定装置は、これらアンチストークス光の強度Iasとストースク光の強度Istとを測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備の温度管理、防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。 The distributed temperature measuring device using an optical fiber measures the intensity Ias of the anti-Stokes light and the intensity Ist of the stosk light, calculates the temperature from the intensity ratio, and displays the temperature distribution along the optical fiber. It is used in fields such as temperature management of plant equipment, investigation and research related to disaster prevention, and air conditioning related to power plants and large buildings.
このような後方ラマン散乱光を利用した分布型温度測定装置は、光パルスを光ファイバの片側からのみ入射する片方向測定方式と、光パルスを光ファイバの両側から入射する双方向測定方式とに大別される。 Such distributed temperature measurement devices using back Raman scattered light are divided into a one-way measurement method in which an optical pulse is incident only from one side of the optical fiber and a bidirectional measurement method in which an optical pulse is incident from both sides of the optical fiber. Broadly divided.
片方向測定方式の場合、ストークス光とアンチストークス光の波長差による光ファイバの伝送損失差の影響で、実際には同一温度であっても測定位置により温度測定値が一定ではなくなる。これに対し、特開2013−92388号公報等に開示された双方向測定方式では、ストークス光とアンチストークス光ともに双方向から測定した結果を合成することにより、光ファイバの伝送損失差が自動的に相殺され、測定位置に基づく誤差が大幅に抑制される。 In the case of the one-way measurement method, the temperature measurement value is not constant depending on the measurement position, even at the same temperature due to the effect of the transmission loss difference of the optical fiber due to the wavelength difference between the Stokes light and the anti-Stokes light. On the other hand, in the bidirectional measurement method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-92388 and the like, the transmission loss difference of the optical fiber is automatically increased by combining the results measured from both the Stokes light and the anti-Stokes light. And the error based on the measurement position is greatly suppressed.
このような利点から、石油プラント等における温度測定では、双方向測定方式を用いた温度測定が主流となっている。 Because of such advantages, temperature measurement using a bidirectional measurement method has become mainstream in temperature measurement in petroleum plants and the like.
しかし、双方向測定方式を用いた場合に、光ファイバ伝送中の分散による空間分解能の劣化を回避できないという問題がある。分散には主として波長分散とモード分散がある。光ファイバを用いた分布型温度測定装置では、光通信で使用されるシングルモードファイバではなく、ラマン散乱光の発生効率のよいマルチモードファイバが使われることが多い。このマルチモードファイバを用いる場合、片方向測定方式および双方向測定方式によらず、主にモード分散の影響による光パルスの劣化が問題となる。この分散の影響は、ファイバ長が増すにつれて顕著となり、分布型温度測定装置の性能の一つを示す空間分解能を悪化させる要因となる。 However, when the bidirectional measurement method is used, there is a problem that it is not possible to avoid deterioration of spatial resolution due to dispersion during optical fiber transmission. Dispersion mainly includes chromatic dispersion and mode dispersion. In a distributed temperature measuring device using an optical fiber, a multimode fiber having a high generation efficiency of Raman scattered light is often used instead of a single mode fiber used in optical communication. When this multimode fiber is used, deterioration of the optical pulse mainly due to the effect of mode dispersion becomes a problem regardless of the one-way measurement method or the two-way measurement method. The influence of this dispersion becomes more prominent as the fiber length increases and becomes a factor of deteriorating the spatial resolution indicating one of the performances of the distributed temperature measuring device.
本発明の目的は、空間分解能の優れた分布型温度測定装置等を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a distributed temperature measuring device having excellent spatial resolution.
本発明の分布型温度測定装置は、光ファイバをセンサとして用い、後方ラマン散乱光のアンチストークス光の強度とストースク光の強度の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布を算出する分布型温度測定装置において、折り返し地点を中心として往復するように配置された光ファイバと、前記光ファイバからの一端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第1の算出手段と、前記光ファイバからの他端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第2の算出手段と、前記第1の算出手段および前記第2の算出手段により得た算出結果の双方に基づいて双方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第1の温度分布情報を出力する第1の出力手段と、前記第1の算出手段または前記第2の算出手段により得た算出結果の一方に基づいて片方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第2の温度分布情報を出力する第2の出力手段と、前記光ファイバに沿った温度が急激に変化する温度変化点を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された温度変化点以外の地点については前記第1の出力手段により出力された前記第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については前記第2の出力手段により出力された前記第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成する合成手段と、を備えることを特徴とする。
この分布型温度測定装置によれば、温度変化点以外の地点については第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成するので、温度変化点における空間分解能を向上させつつ、双方向測定方式の利点であるファイバ損失差相殺効果を維持することができる。
The distributed temperature measuring device of the present invention uses an optical fiber as a sensor, and calculates the temperature distribution along the optical fiber from the intensity ratio of the intensity of anti-Stokes light and the intensity of stokes light of backward Raman scattered light. In the measurement device, an optical fiber arranged to reciprocate around the turning point, and a first calculation means for calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from one end side from the optical fiber, Second calculation means for calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from the other end side from the optical fiber, and calculation results obtained by the first calculation means and the second calculation means. A first output means for outputting first temperature distribution information along the optical fiber using a bidirectional measurement method based on both; the first calculation means; A second output means for outputting second temperature distribution information along the optical fiber using a one-way measurement method based on one of the calculation results obtained by the calculating means; and a temperature along the optical fiber is rapidly increased. And using only the first temperature distribution information output by the first output means for points other than the temperature change point extracted by the extraction means, and extracting means for extracting the temperature change point that changes to The temperature change point includes synthesis means for synthesizing a temperature distribution by using the second temperature distribution information output by the second output means.
According to this distributed temperature measuring apparatus, only the first temperature distribution information is used for points other than the temperature change point, and the second temperature distribution information is used for the temperature change point to synthesize the temperature distribution. Therefore, it is possible to maintain the fiber loss difference canceling effect, which is an advantage of the bidirectional measurement method, while improving the spatial resolution at the temperature change point.
前記合成手段は、前記温度変化点について、第2の出力手段から出力された前記第2の温度分布情報の空間分解能が維持される形態で温度分布を合成してもよい。 The synthesizing unit may synthesize the temperature distribution in such a form that the spatial resolution of the second temperature distribution information output from the second output unit is maintained for the temperature change point.
前記合成手段は、前記温度変化点について、第2の出力手段から出力された前記第2の温度分布情報から、互いに異なる測定位置間のアンチストークス光の強度とストースク光の強度の変化幅比を算出し、この変化幅比を用いて前記温度変化点についての温度分布を得てもよい。 For the temperature change point, the synthesizing unit obtains a change width ratio between the anti-Stokes light intensity and the stosk light intensity between different measurement positions from the second temperature distribution information output from the second output unit. The temperature distribution about the temperature change point may be obtained by calculating and using the change width ratio.
本発明の分布型温度測定方法は、光ファイバをセンサとして用い、後方ラマン散乱光のアンチストークス光の強度とストースク光の強度の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布を算出する分布型温度測定方法において、折り返し地点を中心として往復するように配置された光ファイバを用い、前記光ファイバからの一端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第1の算出ステップと、前記光ファイバからの他端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第2の算出ステップと、前記第1の算出ステップおよび前記第2の算出ステップにより得た算出結果の双方に基づいて双方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第1の温度分布情報を出力する第1の出力ステップと、前記第1の算出ステップまたは前記第2の算出ステップにより得た算出結果の一方に基づいて片方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第2の温度分布情報を出力する第2の出力ステップと、前記光ファイバに沿った温度が急激に変化する温度変化点を抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにより抽出された温度変化点以外の地点については前記第1の出力ステップにより出力された前記第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については前記第2の出力ステップにより出力された前記第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成する合成ステップと、を備えることを特徴とする。
この分布型温度測定方法によれば、温度変化点以外の地点については第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成するので、温度変化点における空間分解能を向上させつつ、双方向測定方式の利点であるファイバ損失差相殺効果を維持することができる。
The distributed temperature measurement method of the present invention uses an optical fiber as a sensor, and calculates a temperature distribution along the optical fiber from the intensity ratio of the intensity of anti-Stokes light and the intensity of stokes light of backward Raman scattered light. In the measurement method, a first calculation step of calculating the intensity ratio along the optical fiber by using an optical fiber arranged so as to reciprocate around the turning point and measuring from one end side from the optical fiber; , A second calculation step for calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from the other end side from the optical fiber, and a calculation result obtained by the first calculation step and the second calculation step A first output step of outputting first temperature distribution information along the optical fiber using a bidirectional measurement method based on A second output step of outputting second temperature distribution information along the optical fiber using a one-way measurement method based on one of the calculation step or the calculation result obtained in the second calculation step; An extraction step for extracting a temperature change point at which the temperature along the fiber abruptly changes, and the first temperature output by the first output step for points other than the temperature change point extracted by the extraction step A synthesis step of synthesizing a temperature distribution by using only the distribution information and using the second temperature distribution information output by the second output step for the temperature change point. To do.
According to this distributed temperature measurement method, only the first temperature distribution information is used for points other than the temperature change point, and the temperature distribution is synthesized by using the second temperature distribution information for the temperature change point. Therefore, it is possible to maintain the fiber loss difference canceling effect, which is an advantage of the bidirectional measurement method, while improving the spatial resolution at the temperature change point.
本発明の分布型温度測定装置によれば、温度変化点以外の地点については第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成するので、温度変化点における空間分解能を向上させつつ、双方向測定方式の利点であるファイバ損失差相殺効果を維持することができる。 According to the distributed temperature measuring apparatus of the present invention, only the first temperature distribution information is used for points other than the temperature change point, and the second temperature distribution information is used for the temperature change point. Therefore, it is possible to maintain the fiber loss difference canceling effect, which is an advantage of the bidirectional measurement method, while improving the spatial resolution at the temperature change point.
また、本発明の分布型温度測定方法によれば、温度変化点以外の地点については第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成するので、温度変化点における空間分解能を向上させつつ、双方向測定方式の利点であるファイバ損失差相殺効果を維持することができる。 Further, according to the distributed temperature measuring method of the present invention, only the first temperature distribution information is used for points other than the temperature change point, and the second temperature distribution information is used for the temperature change point, Since the temperature distribution is synthesized, it is possible to maintain the fiber loss difference canceling effect, which is an advantage of the bidirectional measurement method, while improving the spatial resolution at the temperature change point.
以下、図面を参照して、本発明の分布型温度測定装置の実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a distributed temperature measuring device of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態の分布型温度測定装置の構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a distributed temperature measuring apparatus according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施形態の分布型温度測定装置は、温度分布測定部1と、温度分布測定部1に接続された光ファイバFBと、温度分布測定部1および光ファイバFBを結合する光スイッチ3と、を備える。
As shown in FIG. 1, the distributed temperature measuring apparatus of the present embodiment combines a temperature distribution measuring unit 1, an optical fiber FB connected to the temperature distribution measuring unit 1, a temperature distribution measuring unit 1 and an optical fiber FB. And an
温度分布測定部1は、光ファイバFB内で生ずる後方ラマン散乱光(ストークス光および反ストークス光)を受光して光ファイバFBの長さ方向における温度分布を測定する光ファイバ測定装置(R−OTDR)として構成されている。光ファイバFBとして、例えば数Km〜数十Km程度の長さを有する石英系マルチモード光ファイバを用いることができる。なお、シングルモード光ファイバを用いてもよい。 The temperature distribution measurement unit 1 receives backward Raman scattered light (Stokes light and anti-Stokes light) generated in the optical fiber FB, and measures the temperature distribution in the length direction of the optical fiber FB (R-OTDR). ). As the optical fiber FB, for example, a silica-based multimode optical fiber having a length of about several kilometers to several tens of kilometers can be used. A single mode optical fiber may be used.
光ファイバFBは先端と後端とが光スイッチ3を介して温度分布測定部1に接続されることで、双方向ファイバとして機能する。光スイッチ3をチャネルA(先端)とチャネルB(後端)との何れかに切り替えることで、ファイバFBの先端または後端のいずれかと、温度分布測定部1とを選択的に接続する。これにより、光ファイバFBの温度分布を双方向測定することが可能となる。
The optical fiber FB functions as a bidirectional fiber by connecting the front end and the rear end to the temperature distribution measuring unit 1 via the
光ファイバFBは、光ファイバFBの中央を折り返し地点Pとして実質的に同一の温度測定点を通って往復するように配置される。 The optical fiber FB is arranged so as to reciprocate through substantially the same temperature measurement point with the center of the optical fiber FB as a turning point P.
なお、光ファイバFBの先端および後端は光スイッチ3に接続されるが、光スイッチ3から温度分布測定部1の内部にまで光ファイバは延在されている。ここでは、光スイッチ3を基端としてループ状に配置された光ファイバFBを双方向ファイバとして機能させている。
The front and rear ends of the optical fiber FB are connected to the
図2は、温度分布測定部1の構成を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the temperature distribution measuring unit 1.
図2に示すように、温度分布測定部1は、光パルスを発生させるタイミング等を制御するパルス発生部11と、光パルスを射出する光源12と、光の方向を制御する方向性結合器13と、方向性結合器13からの光を受ける光フィルタ14と、光量を電圧値あるいは電流値に変換する一対の光電変換器15aおよび光電変換器15bと、光電変換器15aおよび光電変換器15bの出力をそれぞれ増幅する一対の増幅回路16aおよび増幅回路16bと、増幅回路16aおよび増幅回路16bから出力されるアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換するA/D変換回路17aおよびA/D変換回路17bと、A/D変換回路17aおよびA/D変換回路17bから出力されるサンプリングデータを平均化する平均化回路18と、平均化回路18からの出力に基づいて光ファイバFBの温度分布を算出する演算部19と、温度分布測定部1の内部の温度を与える温度基準部21と、光ファイバを着脱可能に接続するためのコネクタCNと、を備える。
As shown in FIG. 2, the temperature distribution measurement unit 1 includes a
次に、温度分布測定部1に設けられた各要素の機能について説明する。 Next, the function of each element provided in the temperature distribution measurement unit 1 will be described.
パルス発生部11は、光源12からパルス光を発生させるタイミングおよび平均化回路18を動作させるタイミングを規定するパルス信号を出力する。光源12は、例えば半導体レーザ等を備えており、パルス発生部11からパルス信号が出力されるタイミングでパルス状のレーザ光を射出する。なお、光源12から射出されるレーザ光の波数をk0とする。方向性結合器13は、光源12から射出されたレーザ光が温度基準部21に導かれ、かつ、光ファイバFBで生じた後方散乱光が光フィルタ14に導かれるように、光源12、温度基準部21および光フィルタ14を光学的に結合する。
The
温度基準部21は、巻き回された光ファイバ21aと温度センサ21bとを備えており、温度分布測定部1内部の温度(基準温度)を得るためのものである。光ファイバ21aは、一端が方向性結合器13と光学的に結合され、他端がコネクタCNと光学的に結合された数十〜数百m程度の全長を有する光ファイバである。温度センサ21bは、例えば白金測温抵抗体を備えており、光ファイバ21b近傍の温度を測定する。温度センサ21bの測定結果は演算部19に出力される。
The
光フィルタ14は、方向性結合器13からの後方散乱光に含まれる後方ラマン散乱光(ストークス光STおよび反ストークス光AS)を抽出するとともにストークス光STと反ストークス光ASとを分離して出力するフィルタである。なお、光ファイバFBで生ずるラマンシフト(波数)をkrとすると、ストークス光STの波数はk0−krで表され、反ストークス光ASの波数はk0+krで表される。
The optical filter 14 extracts backward Raman scattered light (Stokes light ST and anti-Stokes light AS) included in the backscattered light from the
光電変換回路15a,15bは、例えばアバランシェ・フォトダイオード等の受光素子を備えており、光フィルタ14から出力されるストークス光STおよび反ストークス光ASをそれぞれ光電変換する。増幅回路16a,16bは光電変換回路15a,15bから出力される光電変換信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。
The
A/D変換回路17a,17bは、増幅回路16a,16bで増幅された光電変換信号をサンプリングし、デジタル化したサンプリングデータを出力する。これらA/D変換回路17a,17bは、光スイッチ3の位置(チャネルAおよびチャネルBの出口)を原点とし、光ファイバFBの長手方向に一定間隔(例えば、1mの間隔)で設定されたサンプリングポイントにおいて生ずる後方ラマン散乱光(ストークス光STおよび反ストークス光AS)の光電変換信号をサンプリングするように動作タイミングが設定される。
The A /
平均化回路18は、パルス発生部11からのパルス信号によって動作し、光源12から複数回に亘って射出されるレーザ光が光ファイバFBに入射される度に得られるA/D変換回路17a,17bのサンプリングデータを、それぞれ個別に平均化する。光ファイバFBで生ずる後方ラマン散乱光(ストークス光STおよび反ストークス光AS)は微弱であるため、光ファイバFBに対して複数回に亘ってレーザ光を入射させて得られるサンプリングデータを平均化することにより、所望の信号対雑音比(S/N比)を得ている。
The averaging
演算部19は、温度センサ21bの測定結果を参照しつつ、平均化回路18により平均化されたストークス光STおよび反ストークス光ASのサンプリングデータを用いて、サンプリングポイント毎の強度比を求める演算を行う。かかる演算によってサンプリングポイント毎の温度が求められ、これにより光ファイバFBの長さ方向における温度分布が得られる。なお、演算部19では、光ファイバFBの特定部位の温度を測定する温度センサ(不図示)の測定結果に基づいて、上記温度分布を補正する。
The
次に温度分布測定の原理を説明する。ストークス光およびアンチストークス光の信号強度を光源1における発光タイミングを基準にした時間の関数として表すと、光ファイバFB中の光速が既知であるので、光スイッチ3を基準にして光ファイバFBに沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、横軸を距離とし、光ファイバの各距離地点で発生したストークス光およびアンチストークス光の強度、つまり距離分布とみなすことができる。
Next, the principle of temperature distribution measurement will be described. When the signal intensity of Stokes light and anti-Stokes light is expressed as a function of time with reference to the light emission timing in the light source 1, the speed of light in the optical fiber FB is known, so that the
一方、アンチストークス光強度Iasとストークス光強度Istはいずれも光ファイバFBの温度に依存し、さらに、両光の強度比Ias/Istも光ファイバFBの温度に依存する。したがって、強度比Ias/Istが分かればラマン散乱光が発生した箇所の温度を知ることができる。ここで、強度比Ias/Istは距離xの関数Ias(x)/Ist(x)であるから、この強度比Ias(x)/Ist(x)から光ファイバFBに沿った温度分布T(x)を求めることができる。 On the other hand, the anti-Stokes light intensity Ias and the Stokes light intensity Ist both depend on the temperature of the optical fiber FB, and the intensity ratio Ias / Ist of both lights also depends on the temperature of the optical fiber FB. Therefore, if the intensity ratio Ias / Ist is known, the temperature at the location where the Raman scattered light is generated can be known. Here, since the intensity ratio Ias / Ist is a function Ias (x) / Ist (x) of the distance x, the temperature distribution T (x along the optical fiber FB from the intensity ratio Ias (x) / Ist (x). ).
次に、本実施形態の分布型温度測定装置の動作について説明する。 Next, the operation of the distributed temperature measuring device of this embodiment will be described.
図3は、本実施形態の分布型温度測定装置の動作を示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the distributed temperature measuring apparatus of the present embodiment.
図3のステップS1では、光スイッチ3をそれぞれチャネルAおよびチャネルBに設定した状態で温度分布測定部1を動作させ、チャネルAから光パルスを入射する順方向測定(図1(a))およびチャネルBから光パルスを入射する逆方向測定(図1(b))を行う。これにより、順方向測定および逆方向測定におけるアンチストークス光強度Iasとストークス光強度Istのデータを取得する。
In step S1 of FIG. 3, the temperature distribution measurement unit 1 is operated with the
次に、ステップS2では、ステップS1により取得されたデータを用いて演算部19において双方向測定方式により温度分布を算出する。(1)式は双方向測定方式により得られるアンチストークス光強度Iasとストークス光強度Istの強度比G(X)を示す。ここで、Xは測定位置を示す0〜mのいずれかの整数であり、mは光ファイバFBの全長を、Xは測定位置を示す。
Next, in step S2, the temperature distribution is calculated by the bidirectional measuring method in the
図4は、mとXの関係を示す図であり、測定位置XはチャネルAの出口からの距離に相当するとともに、測定位置XはチャネルBの出口からm−Xの距離にある。折り返し地点Pは、測定位置X=m/2に対応する。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between m and X. The measurement position X corresponds to the distance from the outlet of channel A, and the measurement position X is at a distance m−X from the outlet of channel B. The turning point P corresponds to the measurement position X = m / 2.
次に、ステップS3では、演算部19において、ステップS1で取得したデータに基づいて、急激に温度が変化する地点である温度変化点を抽出する。なお、温度変化点を抽出する具体的な方法については後述する。
Next, in step S3, the
次に、ステップS4では、演算部19において、ステップS2において抽出された温度変化点について、隣接する測定位置間における、(2.1)式または(2.2)式に示す強度Iasと強度Istの変化幅比D(X)を算出する。この変化幅比D(X)は、測定位置の間隔が十分に小さければ微分値dG(X)/dXと等価と看做せるパラメータである。(2.1)式は、折り返し地点Pを境界としてチャネルAに近い測定位置X(X≦m/2)について採用される。また、(2.2)式は、折り返し地点Pを境界としてチャネルBに近い測定位置X(X≧m/2)について採用される。(2.1)式または(2.2)式において、X−1はXより1つ手前(チャネルA寄り)の測定位置を示す。
Next, in step S4, with respect to the temperature change point extracted in step S2, in the
ステップS5では、演算部19において、ステップS2において算出された温度分布と、ステップS4において算出されたD(X)とを用いて最終的な強度比G(X)を算出する。具体的には、ステップS3において抽出された温度変化点以外の位置については、ステップS2において算出された双方向測定方式により得られた強度比G(X)を採用する。一方、ステップS3において抽出された温度変化点については、ステップS4において算出されたD(X)を使用して強度比G(X)を算出する。そして、ステップS5では、これらの強度比G(X)を合成して光ファイバFBの全長にわたる温度分布を得る。
In step S5, the
(3)式は、(2.1)式または(2.2)式により算出されたD(X)を用いて表される強度比G(X)を示す。 The expression (3) indicates the intensity ratio G (X) expressed using D (X) calculated by the expression (2.1) or the expression (2.2).
(3)式に示すように、1つ手前の測定位置における強度比G(X−1)にD(X)を加算することにより、強度比G(X)を順次、求めることができる。 As shown in equation (3), the intensity ratio G (X) can be obtained sequentially by adding D (X) to the intensity ratio G (X-1) at the immediately preceding measurement position.
このように、本実施形態では、温度変化点ではチャネルAの出口またはチャネルBの出口から近い方のデータのみを用いた片方向測定方式を用いることを特徴とする。 As described above, this embodiment is characterized in that a one-way measurement method using only data closer to the outlet of channel A or the outlet of channel B is used at the temperature change point.
ところで、図1(a)では、チャネルAの出口から入射されて光ファイバFBを進む光パルス41a、41b、41c、41dの形状を、図1(b)では、チャネルBの出口から入射されて光ファイバFBを進む光パルス42a、42b、42c、42dの形状を、それぞれ模式的に示している。このように、光パルス41a、41b、41c、41d、42a、42b、42c、42dの形状は光ファイバFBを進む距離の増大に応じて劣化し、空間分解能の劣化を招く。しかし、本実施形態では、熱源の存在などにより生ずる温度変化点ではスイッチ3から近い位置についてのデータのみを用いた片方向測定方式を適用し、双方向測定方式により得られた温度変化点以外における強度比G(X)に連続させるように補間しているため、温度変化点における空間分解能を向上させることができる。
By the way, in FIG. 1A, the shapes of the
図5は、本発明の分布型温度測定装置における測定結果と従来の双方向測定方式による測定結果を対比した例を示す図である。図5では、横軸に測定位置Xを、縦軸に強度比G(X)を示すグラフであり、実線51が本発明の分布型温度測定装置における測定結果の例を、点線52が従来の双方向測定方式による測定結果の例を、それぞれ示している。
FIG. 5 is a diagram showing an example in which the measurement result in the distributed temperature measurement device of the present invention is compared with the measurement result by the conventional bidirectional measurement method. FIG. 5 is a graph showing the measurement position X on the horizontal axis and the intensity ratio G (X) on the vertical axis. The
図5に示すように、本発明の分布型温度測定装置によれば、温度変化点における急激な温度変化がより正確に測定されており、従来の双方向測定方式よりも空間分解能が改善されていることが判る。本発明の分布型温度測定装置によれば、とくに温度分布測定部1ないしスイッチ3からの距離が近い地点、すなわちチャネルAの出口またはチャネルBの出口に近い地点についての空間分解能を大幅に向上させることが可能となる。
As shown in FIG. 5, according to the distributed temperature measuring device of the present invention, a rapid temperature change at the temperature change point is measured more accurately, and the spatial resolution is improved as compared with the conventional bidirectional measurement method. I know that. According to the distributed temperature measuring apparatus of the present invention, the spatial resolution is greatly improved particularly at a point where the distance from the temperature distribution measuring unit 1 to the
従来の双方向測定方式では、例えば、順方向では温度分布測定部1からの距離が近い地点であっても、長距離となる逆方向からの測定結果が常に加味されるため、空間分解能については実質的に長距離となる逆方向からの測定結果が支配的となり、高い空間分解能が得られないという問題がある。これに対し、本発明によれば、より短距離での片方向測定における空間分解能をそのまま活かすことができるため、とくに温度分布測定部1からの距離が近い地点における空間分解能を大幅に向上させることが可能となる。 In the conventional bidirectional measurement method, for example, even if the distance from the temperature distribution measurement unit 1 is close in the forward direction, the measurement result from the reverse direction, which is a long distance, is always taken into account. There is a problem that the measurement result from the reverse direction, which is substantially a long distance, becomes dominant and high spatial resolution cannot be obtained. On the other hand, according to the present invention, the spatial resolution in the unidirectional measurement at a shorter distance can be utilized as it is, so that the spatial resolution at a point where the distance from the temperature distribution measuring unit 1 is close is greatly improved. Is possible.
次に、ステップS3(図3)において、温度変化点を抽出する具体的な方法について説明する。 Next, a specific method for extracting a temperature change point in step S3 (FIG. 3) will be described.
温度変化点は、(2.1)式または(2.2)式により算出されるD(X)を用いて抽出することができる。例えば、D(X)の絶対値が所定の閾値よりも大きい場合に、その地点を温度変化点と看做し、(3)式を用いてG(X)を算出することができる。この場合、片方向測定方式におけるノイズや空間分解能自体が測定位置Xにより変化することを考慮して、測定位置Xに応じて閾値を変化させることができる。 The temperature change point can be extracted using D (X) calculated by the equation (2.1) or (2.2). For example, when the absolute value of D (X) is larger than a predetermined threshold value, the point can be regarded as a temperature change point, and G (X) can be calculated using equation (3). In this case, the threshold value can be changed according to the measurement position X in consideration of the noise in the one-way measurement method and the fact that the spatial resolution itself changes depending on the measurement position X.
また、特定の測定位置XにおいてD(X)が所定の閾値よりも大きい場合に、その地点を含め、その前後を温度変化点と看做し、(3)式を用いてG(X)を算出することができる。この場合には、温度変化点と看做した区間において(3)式を用いてG(X)が連鎖的に算出され、この区間全体において空間分解能を高めることができる。 In addition, when D (X) is larger than a predetermined threshold at a specific measurement position X, the point before and after that point is regarded as a temperature change point, and G (X) is calculated using equation (3). Can be calculated. In this case, G (X) is calculated in a chain using the equation (3) in the section regarded as the temperature change point, and the spatial resolution can be increased in the entire section.
また、測定位置Xと測定位置m−Xは温度の測定ポイントとしては実質的に同一であるため、例えば、X≦m/2の場合、順方向での光パルスにより片方向測定方式で測定された測定位置XのD(X)と、逆方向での光パルスにより片方向測定方式で測定された測定位置m−XのD(m−X)の両者を用いて温度変化点を抽出してもよい。この場合、例えば、D(X)とD(m−X)の平均値の絶対値と閾値とを比較してもよく、あるいは、D(X)またはD(m−X)のいずれかの絶対値が閾値を超える場合に、温度変化点と看做してもよい。 In addition, since the measurement position X and the measurement position m-X are substantially the same as the temperature measurement point, for example, when X ≦ m / 2, the measurement position X and the measurement position m-X are measured by a one-way measurement method using a light pulse in the forward direction. The temperature change point is extracted using both D (X) at the measurement position X and D (m-X) at the measurement position m-X measured by the one-way measurement method using the light pulse in the reverse direction. Also good. In this case, for example, the absolute value of the average value of D (X) and D (m−X) may be compared with a threshold value, or the absolute value of either D (X) or D (m−X) may be compared. When the value exceeds the threshold value, it may be regarded as a temperature change point.
また、温度変化点を抽出するに当たり、ステップS2において双方向方式により得られた温度分布を使用することもできる。この場合には、双方向方式により得られた温度分布が急激に変化する部分を何らかのアルゴリズムにより抽出し、この部分を温度変化点と看做すことができる。 In extracting the temperature change point, the temperature distribution obtained by the bidirectional method in step S2 can be used. In this case, a portion where the temperature distribution obtained by the bidirectional method changes rapidly can be extracted by some algorithm, and this portion can be regarded as a temperature change point.
以上のように、本発明の分布型温度測定装置によれば、温度変化点以外では双方向測定方式により温度測定を採用し、温度変化点では片方向測定方式により双方向測定方式による温度測定を補間している。このため、本発明の分布型温度測定装置では、温度変化点における空間分解能を向上させつつ、双方向測定方式の利点であるファイバ損失差相殺効果を維持することができる。 As described above, according to the distributed temperature measuring apparatus of the present invention, the temperature measurement is adopted by the bidirectional measurement method except for the temperature change point, and the temperature measurement by the bidirectional measurement method is performed by the one-way measurement method at the temperature change point. Interpolated. For this reason, the distributed temperature measuring device of the present invention can maintain the fiber loss difference canceling effect, which is an advantage of the bidirectional measurement method, while improving the spatial resolution at the temperature change point.
また、本発明の分布型温度測定装置では、従来の双方向測定方式による装置のシステム構成をそのまま利用することが可能であり、ソフトウェアのアルゴリズムのみの変更により本発明の分布型温度測定装置を構成することができる。 Further, in the distributed temperature measuring apparatus of the present invention, the system configuration of the apparatus based on the conventional bidirectional measurement method can be used as it is, and the distributed temperature measuring apparatus of the present invention is configured by changing only the software algorithm. can do.
本発明の分布型温度測定装置では、折り返し地点において空間分解能が最悪値をとる。例として光ファイバ長30kmの場合を考えると、本発明の分布型温度測定装置では空間分解能の最悪値は、片方向測定方式での15km地点の空間分解能とほぼ同等となる。すなわち、光ファイバ長30kmに対して、分散による影響を中間地点の15km相当まで抑制することができる。 In the distributed temperature measuring apparatus of the present invention, the spatial resolution takes the worst value at the turning point. Considering the case of an optical fiber length of 30 km as an example, the worst value of the spatial resolution in the distributed temperature measuring device of the present invention is almost equivalent to the spatial resolution at a 15 km point in the one-way measurement method. That is, with respect to the optical fiber length of 30 km, the influence of dispersion can be suppressed to 15 km equivalent to the intermediate point.
上記のように、分布型温度測定装置の光ファイバとしてマルチモードファイバが使用される場合が多いが、本発明はシングルモードファイバ等の異なる種類の光ファイバにも適用可能である。シングルモードファイバではモード分散は発生しないが、長距離になれば波長分散による空間分解能の劣化は起こり得る。本発明では波長分散、モード分散などの種類によらず、双方向測定方式での空間分解能の劣化を抑制できる。 As described above, a multimode fiber is often used as the optical fiber of the distributed temperature measuring device, but the present invention can also be applied to different types of optical fibers such as a single mode fiber. Although mode dispersion does not occur in a single mode fiber, spatial resolution can be degraded by chromatic dispersion at longer distances. In the present invention, it is possible to suppress the degradation of spatial resolution in the bidirectional measurement method regardless of the types such as chromatic dispersion and mode dispersion.
上記実施形態では、演算部19においてストークス光STおよび反ストークス光ASのサンプリングポイント毎の強度比を求めているが、ストークス光STおよび反ストークス光ASのそれぞれの強度を別々に算出してから、最後に光強度比を求めてもよい。
In the above embodiment, the
双方向測定方式において2種類の光源を用いる方法など、種々の方式が知られているが、いずれの方式においても光ファイバの両端から光パルスを入射して温度測定する点は変わりがなく、理論上、本発明を適用することができる。 Various methods are known, such as a method using two types of light sources in the bi-directional measurement method, but in either method, the point of measuring the temperature by injecting light pulses from both ends of the optical fiber remains the same. In addition, the present invention can be applied.
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、光ファイバをセンサとして用い、後方ラマン散乱光のアンチストークス光の強度とストースク光の強度の強度比から前記光ファイバに沿った温度分布を算出する分布型温度測定装置等に対し、広く適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention uses an optical fiber as a sensor, for a distributed temperature measuring device that calculates the temperature distribution along the optical fiber from the intensity ratio of the intensity of anti-Stokes light and the intensity of stokes light of backward Raman scattered light, etc. Can be widely applied.
1 温度分布測定部
19 演算部(第1の算出手段、第2の算出手段、第1の出力手段、第2の出力手段、抽出手段、合成手段)
FB 光ファイバ
1 temperature
FB optical fiber
Claims (4)
折り返し地点を中心として往復するように配置された光ファイバと、
前記光ファイバからの一端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第1の算出手段と、
前記光ファイバからの他端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第2の算出手段と、
前記第1の算出手段および前記第2の算出手段により得た算出結果の双方に基づいて双方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第1の温度分布情報を出力する第1の出力手段と、
前記第1の算出手段または前記第2の算出手段により得た算出結果の一方に基づいて片方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第2の温度分布情報を出力する第2の出力手段と、
前記光ファイバに沿った温度が急激に変化する温度変化点を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段により抽出された温度変化点以外の地点については前記第1の出力手段により出力された前記第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については前記第2の出力手段により出力された前記第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成する合成手段と、
を備えることを特徴とする分布型温度測定装置。 In a distributed temperature measuring device that uses an optical fiber as a sensor and calculates a temperature distribution along the optical fiber from the intensity ratio of the intensity of anti-Stokes light and the intensity of stokes light of back Raman scattered light,
An optical fiber arranged to reciprocate around the turning point; and
First calculating means for calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from one end side from the optical fiber;
Second calculating means for calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from the other end side from the optical fiber;
First output means for outputting first temperature distribution information along the optical fiber using a bidirectional measurement method based on both the calculation results obtained by the first calculation means and the second calculation means. When,
Second output means for outputting second temperature distribution information along the optical fiber using a one-way measurement method based on one of the calculation results obtained by the first calculation means or the second calculation means. When,
Extraction means for extracting a temperature change point at which the temperature along the optical fiber changes rapidly;
For the points other than the temperature change point extracted by the extraction means, only the first temperature distribution information output by the first output means is used, and for the temperature change point, the second output means. A synthesis means for synthesizing the temperature distribution by using the output second temperature distribution information;
A distributed temperature measuring device comprising:
折り返し地点を中心として往復するように配置された光ファイバを用い、
前記光ファイバからの一端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第1の算出ステップと、
前記光ファイバからの他端側からの測定により前記光ファイバに沿った前記強度比を算出する第2の算出ステップと、
前記第1の算出ステップおよび前記第2の算出ステップにより得た算出結果の双方に基づいて双方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第1の温度分布情報を出力する第1の出力ステップと、
前記第1の算出ステップまたは前記第2の算出ステップにより得た算出結果の一方に基づいて片方向測定方式を用いて前記光ファイバに沿った第2の温度分布情報を出力する第2の出力ステップと、
前記光ファイバに沿った温度が急激に変化する温度変化点を抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップにより抽出された温度変化点以外の地点については前記第1の出力ステップにより出力された前記第1の温度分布情報のみを用いるとともに、前記温度変化点については前記第2の出力ステップにより出力された前記第2の温度分布情報を用いることにより、温度分布を合成する合成ステップと、
を備えることを特徴とする分布型温度測定方法。 In the distributed temperature measurement method for calculating the temperature distribution along the optical fiber from the intensity ratio of the intensity of the anti-Stokes light and the intensity of the stosk light using the optical fiber as a sensor,
Using an optical fiber arranged to reciprocate around the turning point,
A first calculation step of calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from one end side from the optical fiber;
A second calculation step of calculating the intensity ratio along the optical fiber by measurement from the other end side from the optical fiber;
A first output step of outputting first temperature distribution information along the optical fiber using a bidirectional measurement method based on both of the calculation results obtained by the first calculation step and the second calculation step. When,
A second output step of outputting second temperature distribution information along the optical fiber using a one-way measurement method based on one of the calculation results obtained by the first calculation step or the second calculation step. When,
An extraction step for extracting a temperature change point at which the temperature along the optical fiber changes abruptly;
For points other than the temperature change point extracted by the extraction step, only the first temperature distribution information output by the first output step is used, and for the temperature change point by the second output step. A synthesis step of synthesizing a temperature distribution by using the output second temperature distribution information;
A distributed temperature measurement method comprising:
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