JP2016023929A - Optical fiber temperature distribution measuring device - 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る光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、励振器の構造に関する。 The present invention relates to an optical fiber temperature distribution measuring device using an optical fiber as a sensor, and more particularly to an exciter structure.
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。 As one type of distributed measurement apparatus using an optical fiber as a sensor, there is an optical fiber temperature distribution measurement apparatus configured to measure a temperature distribution along an optical fiber as described in Patent Document 1. This technique uses backscattered light generated in an optical fiber. In the following description, the optical fiber temperature distribution measuring device is also referred to as DTS (Distributed Temperature Sensor) as necessary.
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。 The optical fiber temperature distribution measuring device measures the intensity Ias of the anti-Stokes light and the intensity Ist of the Stokes light, calculates the temperature from the intensity ratio, and displays the temperature distribution along the optical fiber. It is used in fields such as facility temperature management, disaster prevention research and research, and air conditioning in power plants and large buildings.
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。 FIG. 5 is a block diagram illustrating a basic configuration example of the optical fiber temperature distribution measuring apparatus. In FIG. 5, a light source 1 is connected to an incident end of an optical demultiplexer 2, an optical fiber 3 is connected to an input / output end of the optical demultiplexer 2, and a photoelectric is connected to one output end of the optical demultiplexer 2. A converter (hereinafter referred to as an O / E converter) 4 st is connected, and an O / E converter 4 as is connected to the other emission end of the optical demultiplexer 2.
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。 The output terminal of the O / E converter 4st is connected to the arithmetic control unit 7 via the amplifier 5st and the A / D converter 6st, and the amplifier 5as and the A / D converter are connected to the output terminal of the O / E converter 4as. It is connected to the arithmetic control unit 7 via 6as. The arithmetic control unit 7 is connected to the light source 1 via the pulse generation unit 8.
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。 For example, a laser diode is used as the light source 1 and emits pulsed light corresponding to the timing signal from the arithmetic control unit 7 input via the pulse generator 8. The optical demultiplexer 2 receives the pulsed light emitted from the light source 1 at the incident end thereof, emits the pulsed light emitted from the incident / exited end to the optical fiber 3, and the rear Raman generated in the optical fiber 3. Scattered light is incident from its input / output end and wavelength-separated into Stokes light ST and anti-Stokes light AS. The optical fiber 3 receives the pulsed light emitted from the optical demultiplexer 2 from the incident end, and emits backward Raman scattered light generated in the optical fiber 3 toward the optical demultiplexer 2 from the incident end. .
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。 For example, a photodiode is used as the O / E converters 4st and 4as, and the Stokes light ST emitted from one emission end of the optical demultiplexer 2 is incident on the O / E converter 4st, and O / E conversion is performed. The anti-Stokes light AS emitted from the other emission end of the optical demultiplexer 2 is made incident on the optical demultiplexer 4 and outputs an electrical signal corresponding to the incident light.
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。 The amplifiers 5st and 5as amplify the electric signals output from the O / E converters 4st and 4as, respectively. A / D converters 6st and 6as convert the signals output from amplifiers 5st and 5as into digital signals, respectively.
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。 Based on the digital signals output from the A / D converters 6st and 6as, the arithmetic control unit 7 calculates the temperature from the two components of the backscattered light, that is, the intensity ratio of the Stokes light ST and the anti-Stokes light AS. Based on the series, the temperature distribution along the optical fiber 3 is displayed on the display means (not shown). The arithmetic control unit 7 stores in advance the relationship between the intensity ratio and the temperature in the form of a table or an expression. The arithmetic control unit 7 also sends a timing signal to the light source 1 to control the timing of the light pulse emitted from the light source 1.
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。 The principle of temperature distribution measurement will be described. When the signal strengths of the Stokes light ST and the anti-Stokes light AT are 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 3 is known. It can be replaced with a function of distance along. That is, it can be regarded as the intensity of Stokes light ST and anti-Stokes light AS generated at each distance position of the optical fiber, that is, the distance distribution, with the horizontal axis as the distance.
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)であるから、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。 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 3, and the intensity ratio Ias / Ist of both lights also depends on the temperature of the optical fiber 3. Therefore, if the intensity ratio Ias / Ist is known, the temperature at the position 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 3 from this intensity ratio Ias (x) / Ist (x). ).
ところで、光の屈折率が中心軸から同心円状に連続的に変化する材質を用いたGI(Graded-Index)型の光ファイバケーブルの光損失測定では、測定光において複数の伝搬モードが存在することから、各光のパワー分布が変動しないように入射条件を一定にするための励振器が用いられる。 By the way, in optical loss measurement of GI (Graded-Index) type optical fiber cable using a material whose refractive index of light continuously changes concentrically from the central axis, there are multiple propagation modes in the measurement light. Therefore, an exciter is used for making the incident condition constant so that the power distribution of each light does not fluctuate.
励振器を挿入することにより、接続点で多数発生する高次モードを取り除くことができ、安定した測定値を得ることができる。 By inserting the exciter, many higher-order modes generated at the connection point can be removed, and a stable measurement value can be obtained.
また、被測定光ファイバ内に定常モード分布状態の光を入射するため、被測定光ファイバが実際の伝送線路として使用されたときの特性に近い状態で伝送損失を測定できる。 Further, since light in a steady mode distribution state is incident into the measured optical fiber, transmission loss can be measured in a state close to the characteristics when the measured optical fiber is used as an actual transmission line.
光源からGI形光ファイバに光を入射させると複数のモードが伝播し始めるが、光源との結合方法や光源の種類によっては伝播し得るモードにまんべんなく分配されないことがある。このような場合に励振器を挿入するとその中でモード混合を十分に発生させることができ、伝播モードにまんべんなく光を分配することができる。 When light is incident on the GI optical fiber from the light source, a plurality of modes start to propagate. However, depending on the coupling method with the light source and the type of the light source, the modes may not be distributed evenly. If an exciter is inserted in such a case, mode mixing can be sufficiently generated therein, and light can be evenly distributed to the propagation modes.
さらに、GI型光ファイバの入射光から不要なモードを除くことにより、定常的モードにおける測定が可能になる。 Further, by removing unnecessary modes from the incident light of the GI type optical fiber, measurement in a steady mode becomes possible.
マルチモード光ファイバのセンサ用光ファイバの近端から戻ってくるラマン散乱光に着目すると、高次モードの光強度が含まれる。この高次モードの光強度は光ファイバに加わる曲げなどのストレスで減衰するが、曲げによる減衰量には波長差があるため、センサ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で差が発生し、センサ用光ファイバの測定温度誤差となる。 When attention is paid to the Raman scattered light returning from the near end of the sensor optical fiber of the multimode optical fiber, the light intensity of the higher mode is included. The light intensity of this higher-order mode is attenuated by stress such as bending applied to the optical fiber, but there is a wavelength difference in the attenuation due to bending, so the Stokes light and anti-Stokes of the Raman scattered light returning from the optical fiber for the sensor A difference occurs in the light, resulting in a measurement temperature error of the optical fiber for the sensor.
高次モードを除去する方法として、たとえばマンドレルに光ファイバを一定の直径(たとえば15mm)で複数回(たとえば5回)巻きつけて励振器を構成する方法があるが、マンドレルと光ファイバのフォーミングに必要な大きさのスペースを確保しなければならない。 As a method for removing higher order modes, for example, there is a method in which an optical fiber is wound around a mandrel at a constant diameter (for example, 15 mm) a plurality of times (for example, 5 times) to form an exciter. The necessary amount of space must be secured.
本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、従来とほぼ同様の比較的小さなスペースであっても励振器を組み込むことができ、高次モードを除去することでより正しい温度分布測定が行える光ファイバ温度分布測定装置を提供することにある。 The present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to incorporate an exciter even in a relatively small space similar to the conventional one, and to eliminate a higher-order mode to obtain a more accurate temperature distribution. An object of the present invention is to provide an optical fiber temperature distribution measuring apparatus capable of measuring.
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、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、
前記光ファイバを二次元的に配線して励振器を構成することを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
In an optical fiber temperature distribution measuring device configured to measure a temperature distribution along the optical fiber using Raman backscattered light using an optical fiber as a sensor,
The optical fiber is two-dimensionally wired to constitute an exciter.
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、
前記励振器は、光ファイバが所定の半径で波型に配線されて円状にフォーミングされることにより平面状に形成されることを特徴とする。
The invention according to claim 2
In the optical fiber temperature distribution measuring device according to claim 1,
The exciter is formed in a planar shape by forming an optical fiber in a wave shape with a predetermined radius and forming a circular shape.
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、
前記励振器は、温度基準部を構成する多層光ファイバシートの一つの層に形成されていることを特徴とする。
The invention described in claim 3
In the optical fiber temperature distribution measuring device according to claim 1 or 2,
The exciter is formed in one layer of a multilayer optical fiber sheet constituting the temperature reference portion.
本発明によれば、スペースをほとんど増加させることなく光ファイバ温度分布測定装置に励振器を追加でき、この励振器で高次モードが除去されることでより正しい温度分布測定が行える。 According to the present invention, an exciter can be added to the optical fiber temperature distribution measuring apparatus with almost no increase in space, and more accurate temperature distribution measurement can be performed by removing higher-order modes with this exciter.
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を示す構成説明図であり、(A)は平面図、(B)は(A)の破線で囲まれた円弧部分aの拡大図である。図1(A)に示すように、光ファイバ10の一端は保護チューブ11から引き出され、たとえばアルミ板を用いた基板12上に一定の半径R(たとえば8mm)の円弧状の波型として所定の周回数(たとえば10回)で配線されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIGS. 1A and 1B are configuration explanatory views showing an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is an enlarged view of an arc portion a surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 1 (A), one end of the optical fiber 10 is drawn out from the protective tube 11, and is formed as an arc-shaped corrugation having a constant radius R (for example, 8 mm) on a substrate 12 using, for example, an aluminum plate. Wiring is performed with the number of laps (for example, 10 times).
円弧部分aにおいて、半径Rの内側にはたとえば往路の光ファイバ10aが設けられ、外側には復路の光ファイバ10bが設けられている。 In the arc portion a, for example, an outward optical fiber 10a is provided inside the radius R, and a return optical fiber 10b is provided outside.
具体的には、波型の光ファイバ配線は円弧状にフォーミングされて、一筆書きの要領で折り返すことにより、平面の励振器として構成される。この励振器は、多層光ファイバシートで構成される温度基準部の一つの層として一体構成される。 Specifically, the corrugated optical fiber wiring is formed in a circular arc shape, and is folded back in the manner of a single stroke, thereby being configured as a planar exciter. This exciter is integrally configured as one layer of a temperature reference portion composed of a multilayer optical fiber sheet.
図2は、光ファイバ10の配線周回数と挿入損失の特性測定例図である。図2に示すように、一定の周回数(たとえば3回)以上で挿入損失は周回数に比例することになり、高次モードが除去される。 FIG. 2 is a characteristic measurement example diagram of the number of times of wiring around the optical fiber 10 and the insertion loss. As shown in FIG. 2, the insertion loss is proportional to the number of turns at a certain number of turns (for example, three times) or more, and the higher-order mode is removed.
図3はセンサ用光ファイバの温度が一定状態で測定した高次モードの有無に基づく温度分布測定結果例図であり、実線Aは高次モード有りの温度分布特性を示し、破線Bは高次モードなしの温度分布特性を示している。実線Aで示すように高次モードが有る場合には近端の温度分布が低く曲がる現象が発生して測定温度誤差を生じるが、高次モードを除去することで破線Bで示すように誤差のない正しい温度分布を測定することができる。 FIG. 3 is an example of a temperature distribution measurement result based on the presence or absence of a higher order mode measured with the temperature of the optical fiber for the sensor being constant. A solid line A indicates a temperature distribution characteristic with a higher order mode, and a broken line B indicates a higher order mode. The temperature distribution characteristics without mode are shown. When the higher-order mode is present as indicated by the solid line A, a phenomenon in which the near-end temperature distribution bends low occurs to cause a measurement temperature error. However, by removing the higher-order mode, the error is reduced as indicated by the broken line B. Not correct temperature distribution can be measured.
図4は励振器が付加された温度基準部の構成説明図であり、(A)は平面図、(B)は側面断面図である。図4において、アルミ板12上には、温度基準部を構成するたとえば約60m長の光ファイバ13がたとえば4層で厚さ約1.6mmに積層され、これら光ファイバ13の上部には前述の励振用の約0.5m長の光ファイバ10が1層で厚さ約0.4mmで追加積層されている。 4A and 4B are configuration explanatory views of a temperature reference portion to which an exciter is added, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a side sectional view. In FIG. 4, on the aluminum plate 12, for example, an optical fiber 13 having a length of about 60 m that constitutes the temperature reference portion is laminated to a thickness of about 1.6 mm, for example, in four layers. An optical fiber 10 having a length of about 0.5 m for excitation is additionally laminated with a thickness of about 0.4 mm.
追加された励振部の外径寸法は下部に設けられている温度基準部と同一であり、励振部の追加による厚みの増加分は約0.4mmと薄いことから、温度基準部だけの場合とほぼ同様の配置スペースが確保できれば無理なく励振器を追加できる。 The outer diameter dimension of the added excitation part is the same as the temperature reference part provided at the lower part, and the increase in thickness due to the addition of the excitation part is as thin as about 0.4 mm. If a similar arrangement space can be secured, an exciter can be added without difficulty.
光ファイバを二次元的に配線することにより構成される本発明に基づく励振器は、光ファイバ温度分布測定装置に限るものではなく、スペースを取らない励振機能付きの光配線部品として広い範囲で応用できる。 The exciter based on the present invention constituted by wiring optical fibers two-dimensionally is not limited to an optical fiber temperature distribution measuring device, but can be applied in a wide range as an optical wiring component with an excitation function that does not take up space. it can.
なお、上記実施例では基板がアルミ板の例について説明したが、光ファイバを所望のパターンで配置できればアルミ板に限るものではない。 In the above embodiment, an example in which the substrate is an aluminum plate has been described. However, the substrate is not limited to the aluminum plate as long as the optical fibers can be arranged in a desired pattern.
以上説明したように、本発明によれば、スペースをほとんど増加させることなく光ファイバ温度分布測定装置に励振器を追加でき、この励振器で高次モードが除去されることでより正しい温度分布測定が行える光ファイバ温度分布測定装置が実現できる。 As described above, according to the present invention, an exciter can be added to the optical fiber temperature distribution measuring device with almost no increase in space, and the higher-order mode is removed by this exciter, thereby more accurate temperature distribution measurement. An optical fiber temperature distribution measuring device capable of performing the above can be realized.
10、13 光ファイバ
11 保護チューブ
12 基板
10, 13 Optical fiber 11 Protection tube 12 Substrate
Claims (3)
前記光ファイバを二次元的に配線して励振器を構成することを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。 In an optical fiber temperature distribution measuring device configured to measure a temperature distribution along the optical fiber using Raman backscattered light using an optical fiber as a sensor,
2. An optical fiber temperature distribution measuring apparatus, wherein the optical fiber is two-dimensionally wired to constitute an exciter.
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