JP2016020869A - 光ファイバ温度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＳＥ光の強度変動の影響を補正することにより正しい温度分布測定結果を得ることができる光ファイバ温度分布測定装置を提供する。【解決手段】光ファイバ３をセンサとして用い、光源１の出力光を光アンプで増幅して前記光ファイバへ入力することにより発生するラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、前記光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動を測定するＡＳＥ光強度変動測定手段と、このＡＳＥ光強度変動測定手段の測定結果に基づき前記ラマン後方散乱光を利用した温度分布測定結果を補正する温度分布測定結果補正手段、を設けたことを特徴とするもの。【選択図】図５

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用いる光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、温度測定結果に対するＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission：増幅自然放出）光の影響を除去するための補償処理に関する。

光ファイバをセンサとして用いた分布型測定装置の一種に、特許文献１に記載されているよう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光ファイバ温度分布測定装置がある。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。なお、以下の説明では、光ファイバ温度分布測定装置を必要に応じてＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor）とも表記する。

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。

光ファイバ温度分布測定装置は、これらアンチストークス光の強度Ｉasとストークス光の強度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。

図５は、光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。図５において、光源１は光分波器２の入射端に接続され、光分波器２の入出射端には光ファイバ３が接続され、光分波器２の一方の出射端には光電変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器という）４stが接続され、光分波器２の他方の出射端にはＯ／Ｅ変換器４asが接続されている。

Ｏ／Ｅ変換器４stの出力端子にはアンプ５stおよびＡ／Ｄ変換器６stを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４asの出力端子にはアンプ５asおよびＡ／Ｄ変換器６asを介して演算制御部７に接続されている。なお、演算制御部７は、パルス発生部８を介して光源１に接続されている。

光源１としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、パルス発生部８を介して入力される演算制御部７からのタイミング信号に対応したパルス光を出射する。光分波器２は、その入射端に光源１から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ３に出射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＳに波長分離する。光ファイバ３は、その入射端から光分波器２から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器２に向けて出射する。

Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４asとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、Ｏ／Ｅ変換器４stには光分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光ＳＴが入射され、Ｏ／Ｅ変換器４asには光分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光ＡＳが入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。

アンプ５stおよび５asは、Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４asから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。Ａ／Ｄ変換器６stおよび６asは、アンプ５stおよび５asから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。

演算制御部７は、Ａ／Ｄ変換器６stおよび６asから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の２成分、すなわち、ストークス光ＳＴとアンチストークス光ＡＳの強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ３に沿った温度分布を表示手段（図示せず）に表示する。なお、演算制御部７にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部７は、光源１にタイミング信号を送り、光源１から出射される光パルスのタイミングを制御する。

光分波器２と光ファイバ３との間には数十ｍ巻回された光ファイバよりなる温度基準部９がコネクタ接続部１１を介して設けられていて、この温度基準部９には実際の温度を測定するためのたとえば白金測温抵抗体よりなる温度計１０が設けられている。この温度計１０の出力信号は、演算制御部７に入力されている。なお、温度センサとして用いる光ファイバ３の近傍にも、実際の温度を測定するためのたとえば白金測温抵抗体よりなる基準温度計１２が設けられている。

温度分布測定の原理を説明する。ストークス光ＳＴおよびアンチストークス光ＡＴ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３中の光速が既知であるので、光源１を基準にして光ファイバ３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位置で発生したストークス光ＳＴおよびアンチストークス光ＡＳの強度、つまり距離分布とみなすことができる。

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３の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉas／Ｉstも光ファイバ３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位置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）であり、この強度比Ｉas（ｘ）／Ｉst（ｘ）から光ファイバ３に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。

特開平５−２６４３７０号公報

図６は、従来のＤＴＳで測定した温度分布特性例図である。ここで、ＤＴＳの温度測定距離レンジは５０ｋｍで、温度基準部９は一定温度２５℃に維持され、標準の測定時間で測定し、ＡＳＥ光の影響を除去するための補償処理手段は設けられていない。図６の測定結果によれば、３０ｋｍ以遠で測定温度が大きく落ち込んでいることが明らかである。

温度測定を行う光ファイバ３が長距離になると、ＳＮ比を高めるために信号光強度を大きくする必要がある。光源１として用いるレーザーダイオードで長距離の温度測定に十分な信号光強度を得ることは困難であることから、一般的には光源１の出力光を図示しない光アンプで増幅して光ファイバ３へ入力する。

光アンプで信号光を増幅するためには励起光が必要になるが、光アンプに励起光を入力すると信号光波長と同じ波長のＡＳＥ光が発生する励起状態になる。

ところが、光アンプを励起するための励起時間は数十msと比較的長く、励起光を適切にON/OFFできない。

図７は、光アンプから増幅出力される信号光の強度特性例図である。光アンプが励起された状態で信号パルス光が入力されると、信号パルス光は増幅されるが、ＡＳＥ光のゼロレベルも右肩上がりに上昇することになり、ＡＳＥ光の強度は変動することになる。

温度分布測定に用いるラマン散乱光は信号光とＡＳＥ光に基づいて発生することから、ＡＳＥ光の強度が変動すると温度分布測定を正しく行うことができなくなる。

信号光と同一波長のＡＳＥ光は、たとえばフィルタでカットすることはできない。

本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、ＡＳＥ光の強度変動の影響を補正することにより正しい温度分布測定結果を得ることができる光ファイバ温度分布測定装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光ファイバをセンサとして用い、光源の出力光を光アンプで増幅して前記光ファイバへ入力することにより発生するラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、
前記光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動を測定するＡＳＥ光強度変動測定手段と、
このＡＳＥ光強度変動測定手段の測定結果に基づき前記ラマン後方散乱光を利用した温度分布測定結果を補正する温度分布測定結果補正手段、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
光ファイバが敷設されていない部分のラマン散乱光を測定することにより、前記光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動成分の値を測定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記ラマン散乱光の測定結果に基づきゼロレベルの変動を平坦にするための近似式を算出する手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、温度分布測定結果から光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動の影響を除去することができ、正しい温度分布測定結果を得ることができる。

本発明の一実施例の主要部を示すブロック図である。 ラマン散乱光強度の測定特性例図である。 光アンプから増幅出力される信号光の強度特性例図である。 本発明に基づくＤＴＳで測定した温度分布特性例図である。 光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。 従来のＤＴＳで測定した温度分布特性例図である。 光アンプから増幅出力される信号光の強度特性例図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例の主要部を示すブロック図である。図１に示すように、演算制御部７には、従来から設けられている温度分布演算部７ａの他に、ＡＳＥ光強度変動測定部７ｂ、近似式算出部７ｃ、温度分布補正演算部７ｄなどが設けられている。

温度分布演算部７ａは、光ファイバ３の敷設に沿った温度分布を求めるために、従来から周知の演算を行う。

ＡＳＥ光強度変動測定部７ｂは、光ファイバ３が敷設されていない部分のラマン散乱光を測定することにより、光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動成分の値を測定する。

近似式算出部７ｃは、ＡＳＥ光強度変動測定部７ｂの測定結果に基づき、図７に示したＡＳＥ光の右肩上がりのゼロレベルの変動を平坦にするための近似式を算出する。

そして、温度分布補正演算部７ｄは、近似式算出部７ｃで算出された近似式を用いて、温度分布演算部７ａで演算された温度分布の演算結果に対して、ＡＳＥ光の右肩上がりのゼロレベルの変動を平坦にするための補正演算を行う。

図２は、ラマン散乱光強度の測定特性例図である。図２において、特性曲線ＡはＡＳＥ光の強度変動成分を含む補正前のラマン散乱光強度の測定特性例を示し、特性曲線ＢはＡＳＥ光の強度変動成分の影響を除去した補正後のラマン散乱光強度の測定特性例を示している。

特性曲線ＡにはＡＳＥ光の変動に対応した右肩上がりのゼロレベルの変動が存在しているが、特性曲線Ｂのゼロレベルは平坦であり、ＡＳＥ光の強度が変動せずに一定であることを示している。

図３も光アンプから増幅出力される信号光の強度特性例図であり、ＡＳＥ光の強度が変動することなく一定値に保持されている理想的な状態を示している。図３の場合には、ＡＳＥ光の強度が一定であることからＡＳＥ光の変動分を補正する必要はなく、効率よく温度測定が行える。

図４は、本発明に基づくＤＴＳで測定した温度分布特性例図である。図４の特性例図から明らかなように、３０ｋｍ以遠でも測定温度が大きく落ち込むことはなく、従来よりも広い測定範囲で安定した温度測定結果が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、ＡＳＥ光の強度変動の影響を補正することにより正しい温度分布測定結果が得られる光ファイバ温度分布測定装置が実現できる。

１ 光源
２ 光分波器
３ 光ファイバ
４ Ｏ／Ｅ変換器
５ アンプ
６ Ａ／Ｄ変換器
７ 演算制御部
７ａ
７ｂ
７ｃ
７ｄ
８ パルス発生部
９ 温度基準部
１０ 温度計
１１ コネクタ接続部
１２ 基準温度計

Claims (3)

1. 光ファイバをセンサとして用い、光源の出力光を光アンプで増幅して前記光ファイバへ入力することにより発生するラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、
   前記光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動を測定するＡＳＥ光強度変動測定手段と、
   このＡＳＥ光強度変動測定手段の測定結果に基づき前記ラマン後方散乱光を利用した温度分布測定結果を補正する温度分布測定結果補正手段、
   を設けたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。
2. 光ファイバが敷設されていない部分のラマン散乱光を測定することにより、前記光アンプに発生するＡＳＥ光の強度変動成分の値を測定することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
3. 前記ラマン散乱光の測定結果に基づきゼロレベルの変動を平坦にするための近似式を算出する手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ファイバ温度分布測定装置。