JP2018151199A - 温度計測装置、それを備えた温度計測システム、及び温度計測方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】３００℃以上の高温域における光ファイバによる温度計測の精度を向上させること。【解決手段】光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる波形と、光ファイバセンサの入射光の散乱光の波形との周波数シフト量を算出する光学的変化量算出部１１と、入射光の波形を取得したときに計測された基準となる基準温度と、光ファイバセンサの所定位置において散乱光を取得したときの第１温度との温度差を、周波数シフト量の関数で表す換算式を有しており、計測された基準温度を正として重回帰分析をすることにより換算式の係数を求め、第１温度を算出する温度算出部１２とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、温度計測装置、それを備えた温度計測システム、及び温度計測方法並びにプログラムに関するものである。

広範囲にわたって温度及び歪みを効率よく計測する技術として、光ファイバをセンシング媒体とする光ファイバセンサが知られている。光ファイバセンサは、ラマン散乱光、ブリルアン散乱光、レイリー散乱光等の光ファイバの散乱光を用いる方式や、ＦＧＢ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、ファブリー・ペロー等の反射光の干渉を用いる方式によって、温度や歪みを計測するものが開発されている。これらのうち、ラマン散乱光以外の方式は、温度と歪みを同時に計測している。特に、ファイバの各点からのレイリー散乱光周波数スペクトルの変化からＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｏｒｙ）によって周波数シフト量を求め、温度やひずみに演算する方式は、高分解能、高速、高精度な計測が可能とされている。
下記特許文献１は、温度と歪みの信号を分離して計測することが記載されている。
下記特許文献２は、歪みと温度の信号を演算によって分離する技術が記載されている。

特許第４７６８４０５号公報 特許第３４９２３４６号公報

ＯＦＤＲによる周波数シフト量から温度や歪に演算する演算式を用いる従来の方式では、演算式の設定は計測精度に影響する。また、光ファイバは石英ガラスでできているが、非常に脆弱であり細いため、周囲が樹脂製の保護被膜で覆われている。樹脂の耐熱性は３００℃程度であるため、市販されている光ファイバセンサによる温度計測システムは３００℃以下を対象とするのが一般的である。

しかしながら、ボイラや石炭ガス化複合発電（以下「ＩＧＣＣ」という；Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｏａｌ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ）等の高温構造物で用いられる鋼材は、例えば、３００℃以上での運転に十分なクリープ強度を確保する必要がある。そのため、３００℃以上の環境において温度及び歪みを求めることが必要とされるが、従来の方法では、３００℃以下を対象としているため、３００℃以上の高温域への演算式の適用は考慮されておらず、３００℃以上を計測する場合には計測精度が悪化するという問題がある。
また、上記特許文献１では、光ファイバを複数用意する必要があり、光ファイバの敷設の作業負担が大きいという問題がある。また、上記特許文献２では、ブリルアン散乱現象の方式に限定されるため、他の散乱方式や反射方式では演算できないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複雑な光ファイバの敷設を不要とし、光学的な変化量を求める方式によらず、３００℃以上の高温域において光ファイバによる温度計測の精度を向上させることができる温度計測装置、それを備えた温度計測システム、及び温度計測方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、３００℃以上の温度を測定する温度計測装置において、光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する光学的変化量算出手段と、前記第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、前記光ファイバセンサの所定位置において前記第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、前記光学的変化量の関数で表す演算式を有しており、計測された前記基準温度を正として重回帰分析をすることにより前記演算式の係数を求め、前記第１温度を算出する温度算出手段とを具備する温度計測装置を提供する。

本発明の構成によれば、光ファイバセンサに光が入射されたときの第１光学的物理パラメータと、光ファイバセンサに光が入射された結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量が算出され、該光学的変化量の関数で表される演算式によって第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準温度と、光ファイバセンサの所定位置における第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を表し、基準温度を正として重回帰分析をして求められた係数を用いて、第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度が算出される。
このように、光ファイバセンサから得られた基準温度の計測値を正として、基準温度と変化後の温度との温度差を、光ファイバセンサから得られた光学的変化量に合わせ込む演算式を用いる。これにより、３００℃以上の温度であっても、光ファイバセンサによる温度を精度よく計測できる。

上記温度計測装置の前記温度算出手段は、２次以上の多項式とする前記演算式を有していてもよい。

２次以上の多項式によって表されることにより、１次多項式によって求められるより温度の精度が向上する。

上記温度計測装置の前記温度算出手段は、前記光ファイバセンサを構成する物性の変化の特徴を勘案し、ΔＴが温度差とし、ΔＦが光学的変化量とし、α及びβが係数とするとき、下記（１）式に表される前記演算式を有していてもよい。

このように、温度差が光学的変化量の−２乗で表されるので、演算式が簡素化され、多項式が複雑になる（例えば、４次以上等の多項式）場合と比較して、重回帰分析が速やかに行える。

本発明は、３００℃以上の温度を測定する温度計測装置において、光ファイバセンサの近傍に設けられる参照用温度計測手段と、前記光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式と、前記参照用温度計測手段が設けられる第１位置における前記光学的変化量の実測値である第１光学的変化量と、前記参照用温度計測手段と同じ温度を示すときに算出される前記演算式から求められる前記光学的変化量である第２光学的変化量とに基づいて、前記第１位置における歪みの影響を算出する歪み算出手段と、前記第１位置とは異なる第２位置において、前記第１位置における前記歪みの影響と、前記第２位置の光学的変化量の実測値とに基づいて、前記演算式により算出される前記温度を補正する補正手段とを具備する温度計測装置を提供する。

本発明の構成によれば、光ファイバセンサの近傍で温度が計測され、光ファイバセンサの入射光の第１光学的物理パラメータと入射光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式を用い、光学的変化量の実測値と、演算式から求められる光学的変化量とに基づいて、第１位置の歪みの影響を算出する。第２位置の歪みの影響は第１位置の歪みの影響と近似できることとし、第２位置における温度は、第１位置における歪みの影響と第２位置の光学的変化量の実測値とに基づいて算出する。
これにより、外乱となる歪みの影響を除去し、より正確な温度計測が可能となる。

本発明は、上記いずれかに記載の３００℃以上の温度を測定する温度計測装置と、光ファイバセンサとを備えた温度計測システムを提供する。

本発明は、３００℃以上の温度を測定する温度計測方法において、光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する第１工程と、前記第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、前記光ファイバセンサの所定位置において前記第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、前記光学的変化量の関数で表す演算式を有しており、計測された前記基準温度を正として重回帰分析をすることにより前記演算式の係数を求め、前記第１温度を算出する第２工程とを有する温度計測方法を提供する。

本発明は、３００℃以上の温度を測定する温度計測プログラムにおいて、光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する第１処理と、前記第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、前記光ファイバセンサの所定位置において前記第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、前記光学的変化量の関数で表す演算式を有しており、計測された前記基準温度を正として重回帰分析をすることにより前記演算式の係数を求め、前記第１温度を算出する第２処理とをコンピュータに実行させるための温度計測プログラムを提供する。

本発明は、３００℃以上の温度を測定する温度計測方法において、光ファイバセンサの近傍で前記光ファイバセンサの第１位置で温度を計測する第１工程と、前記光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式を有し、前記第１位置における前記光学的変化量の実測値である第１光学的変化量と、前記参照用温度計測手段と同じ温度を示すときに算出される前記演算式から求められる前記光学的変化量である第２光学的変化量とに基づいて、前記第１位置における歪みの影響を算出する第２工程と、前記第１位置とは異なる第２位置において、前記第１位置における前記歪みの影響と、第２位置の光学的変化量の実測値とに基づいて、前記演算式により算出される前記温度を補正する第３工程とを有する温度計測方法を提供する。

本発明は、３００℃以上の温度を測定する温度計測プログラムにおいて、光ファイバセンサの近傍で前記光ファイバセンサの第１位置で温度を計測する第１処理と、前記光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式を有し、前記第１位置における前記光学的変化量の実測値である第１光学的変化量と、前記参照用温度計測手段と同じ温度を示すときに算出される前記演算式から求められる前記光学的変化量である第２光学的変化量とに基づいて、前記第１位置における歪みの影響を算出する第２処理と、前記第１位置とは異なる第２位置において、前記第１位置における前記歪みの影響と、前記第２位置の光学的変化量の実測値とに基づいて、前記演算式により算出される前記温度を補正する第３処理とをプログラムに実行させるための温度計測プログラムを提供する。

本発明は、３００℃以上の高温域における光ファイバによる温度計測の精度を向上できるという効果を奏する。

本発明の温度計測システムの概略構成を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る温度計測装置の機能ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の機能ブロック図である。 石英の物性の文献データの一例である。 屈折率の温度依存性を示すグラフの一例である。 本発明の第２実施形態に係る温度計測装置による補正前と補正後（換算式を使用後）とを比較した図の一例である。 歪みを無視して換算式により温度を求めた場合の図の一例を示している。 本発明の第３実施形態に係る温度計測システムの概略構成図を示している。 本発明の第２実施形態に係る温度計測装置の機能ブロック図である。 熱電対の温度と歪みの影響との関係を示した図の一例である。 本発明の第３実施形態に係る温度計測装置による歪みの補正前と補正後とを比較した図の一例である。

以下に、本発明に係る温度計測装置、それを備えた温度計測システム、及び温度計測方法並びにプログラムの実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図１には、本実施形態に係る温度計測システム１の概略構成図が示されており、温度計測をする対象となる構造物（例えば、ボイラ）の鋼材（例えば、配管）５の近傍の拡大図を示している。
図１に示されるように、鋼材５の近傍に光ファイバセンサ２が設けられ、ボイラの配管（構造物）および／または光ファイバセンサ２の近傍には温度検出部３が設けられている。
光ファイバセンサ２への入射光、入射光に対する散乱光、及び入射光に対する反射光等から検出された光学的な計測値は、温度計測装置１０（図２参照）に出力されるようになっている。また、温度検出部３により検出された温度情報は、温度計測装置１０に出力されるようになっている。
温度検出部３は、例えば、熱電対等の温度センサである。

温度計測装置は、例えば、コンピュータであり、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述する各種機能を実現するための処理手順は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

具体的には、図２に示されるように、温度計測装置１０は、光学的変化量算出部（光学的変化量算出手段）１１と、温度算出部（温度算出手段）１２とを備えている。
光学的変化量算出部１１は、光ファイバセンサ２に光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、光ファイバセンサ２の所定位置Ｐにおいて光ファイバセンサ２に光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する。
例えば、第１光学的物理パラメータは入射光の波形と、第２光学的物理パラメータはレイリー散乱光周波数スペクトルからＯＦＤＲ法によって求める散乱光の波形とし、光学的変化量は周波数シフト量とする。周波数シフト量は、入射光に対する散乱光を検出することにより求めてもよいし、入射光に対する反射光を検出することにより求めてもよく、周波数シフト量の求め方は特に限定されない。
また、本実施形態においては、光学的変化量は周波数シフト量を用いて説明するが、本発明はこれに限定されず、光学的変化量は、例えば、ラマン散乱光強度、ブリルアン散乱光周波数シフト量、ブラッグ反射光周波数シフト量等を用いても良い。

温度算出部１２は、第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、光ファイバセンサ２の所定位置Ｐにおいて第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、光学的変化量（例えば、周波数シフト量）の関数で表す演算式を有しており、計測された基準温度を正として重回帰分析をすることにより換算式（演算式）の係数を求め、第１温度を算出する。ここでは、第１温度が不明であり、換算式により第１温度を求めることとして説明する。なお、基準温度は、例えば、室内温度とし、室内温度を計測できる箇所に設けられた温度検出部３によって検出された温度情報を用いる。

温度算出部１２は、下記（２）式の換算式を備えている。
ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０＝ａ×（ΔＦ）^４＋ｂ×（ΔＦ）^３＋ｃ×（ΔＦ）^２＋ｄ×ΔＦ （２）
ここで、ΔＴは、基準温度からの温度変化量とし、Ｔは求める第１温度とし、Ｔ０は基準温度とし、ａからｄは係数とし、ΔＦは周波数シフト量とする。このように、（２）式は、周波数シフト量ΔＦの関数として温度差ΔＴを表している。
本実施形態においては、４次の多項式として説明するが、次数は特に限定されず、２次以上であればよい。

温度算出部１２は、計測された基準温度を正として重回帰分析をし、（２）式を満たすように係数ａから係数ｄを決定する。なお、係数ａは±１０^−１０を取りうる係数範囲とし、係数ｂは±１０^−６を取りうる係数範囲とし、係数ｃは−０．００１から−１０^−５及び−１０^−５から０．００１を取りうる係数範囲とし、係数ｄは−１から−０．０１及び０．０１から１を取りうる係数範囲とする。これら係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれ温度計測をする環境に応じて設定可能なものであり、例えば、温度計測を行う作業員等の経験に基づいて設定される。
温度算出部１２は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが決定された換算式に基づいて、第１温度Ｔを算出する。

以下に、本実施形態に係る温度計測システム１の作用について図１から図２を用いて説明する。
測定対象とする領域に光ファイバセンサ２を配置する。光ファイバセンサ２に光を入射させ、入射光の波形を取得する。また、入射光に対し、レイリー散乱光周波数スペクトルからＯＦＤＲ法によって求められる散乱光の波形を取得する。入射光の波形と散乱光の波形との信号の周波数の差が周波数シフト量として算出される。
算出された周波数シフト量ΔＦと、上述した（２）式とを用いて、光を入射させたときの基準温度（例えば、温度検出部３が配置される環境の室温）を正とし、重回帰分析を行い、（２）式を成立させる係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを決定する。係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが決定されると、温度差ΔＴが算出され、算出された温度差ΔＴ＝第１温度Ｔ−基準温度Ｔ０との関係から、光ファイバセンサ２の所定位置Ｐにおける温度Ｔが算出される。

以上説明してきたように、本実施形態に係る温度計測装置１０、それを備えた温度計測システム１、及び温度計測方法並びにプログラムによれば、３００℃以上になる構造物に設けられる光ファイバセンサ２に光が入射されたときの波形と、光ファイバセンサ２に入射光に対する散乱光の波形との信号の周波数の差である周波数シフト量が算出される。該周波数シフト量の関数で表される換算式によって、波形を取得したときに計測された基準温度と、光ファイバセンサ２の所定位置Ｐにおける散乱光の波形を取得したときの第１温度との温度差ΔＴを表し、基準温度Ｔ０を正として重回帰分析をして求められた係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを用いて、散乱光の波形を取得したときの第１温度Ｔが算出される。

このように、光ファイバセンサ２から得られた基準温度Ｔ０の計測値を正として、基準温度Ｔ０と変化後の温度との温度差ΔＴを、光ファイバセンサ２から得られた周波数シフト量に合わせ込む換算式を用いることにより、３００℃以上の温度域となる構造物であっても、光ファイバセンサ２による温度の計測精度が向上する。また、２次以上の多項式によって表されることにより、１次多項式によって求められるより温度の精度が向上する。

本実施形態においては、光ファイバセンサは、第１光学的物理パラメータを光ファイバセンサ２への入射光とする場合に、第２光学的物理パラメータは、ラマン散乱光、ブリルアン散乱光、レイリー散乱光等の光ファイバの散乱光であってもよいし、ＦＧＢ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、ファブリー・ペロー等の反射光であってもよい。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態においては、換算式に光ファイバセンサの物性の特徴を勘案する点で第１実施形態と異なる。本実施形態の温度計測装置について、第１実施形態と共通する点については説明を省略し、図１、及び図３から図６を用いて異なる点について主に説明する。

ここで、本実施形態においては、換算式は、光ファイバセンサ２に光を入射させたときに得られる波形と、光ファイバセンサ２の入射光に対する散乱光の波形との周波数シフト量を温度に変換するものとする。
図３には、本実施形態に係る温度計測装置１０’の機能ブロック図が示されている。
図３に示されるように、温度計測装置１０’は、光学的変化量算出部１１と、温度算出部１２’とを備えている。光学的変化量算出部１１は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
温度算出部１２’は、光ファイバセンサ２を構成する物性の変化の特徴を勘案し、ΔＴ（＝Ｔ−Ｔ０）を温度差とし、ΔＦを光学的変化量とし、α及びβを係数とし、下記（３）式の換算式を備えている。

以下に、上記（３）式を導出する流れを説明する。
Δλは波長シフト量［ｍ］とし、λ＿０は初期波長［ｍ］とし、ｐｅは歪−光係数とし、εは歪［ε］とし、α＿Λは光ファイバセンサ２の原料である石英の線膨張係数［Ｋ^−１］とし、α＿ｎは熱−光係数とし、ΔＴは温度変化量［Ｋ］とした場合に、以下の（４）式が成立する。

ここで、Ｆ_０は定数とし、歪みの影響は無視（ε＝０）とすると、下記（５）式となる。
−ΔＦ＝（α_Λ’＋α_ｎ’）ΔＴ （５）
図４には、文献（Ｗ．Ｗｅｉｓｓ， Ｊ Ａｍ. Ｃｅｒａｍ． Ｓｏｃ． ６７，２１３（１９８４））に示される光ファイバセンサ２を構成する石英の物性の一例を示す。図４の横軸は温度（Ｋ）を示し、線膨張係数（ｐｐｍ／℃）を示しており、石英の熱伸びの温度依存性を示すグラフの一例が示されている。図４の横軸はケルビンでの単位なので、℃の単位とすると、図４の点線枠内のグラフとなる。図４によれば、温度の上昇にともなって、線膨張係数の値が線形に変化していることがわかる。

図５には、文献（Ｒ．Ｂｒｕｃｋｎｅｒ，Ｊ Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ，５，１２３（１９７０））に示される屈折率の温度依存性を示すグラフの一例が示されている。図５の横軸は温度、縦軸は熱−光係数を示している。図５によれば、およそ１５００℃以下までは屈折率が線形に変化している。
このように、石英は図４及び図５で示す傾向を有する物性であるため、以下の（６）式及び（７）式のように設定する。ここで、ΔＦは周波数シフト量［ｓ^−１］、ａ，ｃ，ｅは温度係数［ｓ^−１・Ｋ^−２］とし、ｂ，ｄ，ｆは定数［ｓ^−１・Ｋ^−１］とし、Ｔ＝Ｔ０＋ΔＴは温度［Ｋ］とし、Ｔ０は基準温度［Ｋ］とし、ｇは定数［Ｋ］とし、ｈは定数［ｓ・Ｋ^２］とする。
α_Λ’＝ａＴ＋ｂ （６）
α_ｎ’＝ｃＴ＋ｄ （７）

上記（５）式に（６）式及び（７）式を代入すると、
−ΔＦ＝｛（ａ＋ｃ）Ｔ＋ｂ＋ｄ｝ΔＴ
＝｛（ａ＋ｃ）（Ｔ_０＋ΔＴ）＋ｂ＋ｄ｝ΔＴ
＝（ａ＋ｃ）ΔＴ^２＋｛（ａ＋ｃ）Ｔ_０＋ｂ＋ｄ｝ΔＴ

ここで、ｅ＝ａ＋ｃとし、ｆ＝ｂ＋ｄとすると、
−ΔＦ＝ｅΔＴ^２＋（ｅＴ_０＋ｆ）ΔＴ

こうして算出された（８）式は、上記（３）式と同様である。
（８）式の係数ｇ及び係数ｈは、別途取得した熱電対（温度検出部３）の値を正として、重回帰分析により求める。

なお、本実施形態においては、係数ｇ、ｈは熱電対から取得したデータに基づいて算出していたが、これに限定されず、例えば、熱電対が設けられていない（または、熱電対を設けることができない）場合などには、試験環境等によって予めｇ、ｈの値を求めておき、そのｇ、ｈを（８）式に代入してもよい。

図６は、横軸に温度（℃）を示し、縦軸に光ファイバセンサ２により検出された温度の誤差（℃）を示している。ラインＬ１は従来例による温度検出誤差を示しており、ラインＬ２は本実施形態の換算式を用いた温度検出誤差を示している。
従来は、例えば、ファイバ各点からのレイリー散乱光周波数スペクトルからＯＦＤＲ法によって周波数シフト量を求め温度に換算する方式では、３００℃以下を対象としており３００℃以上の高温域への演算式の適用は考慮されていなかったため、ラインＬ１に示すように３００℃以上で、高温になればなるほど誤差が大きくなり計測精度が悪化していた。
本実施形態においては、ラインＬ２に示すように、３００℃以上であっても誤差が０℃前後（図５においては、ほぼ誤差がない状態）で維持できていることがわかる。

以下に、本実施形態に係る温度計測システム１の作用について説明する。
測定対象とする領域に光ファイバセンサ２を配置する。光ファイバセンサ２に光を入射させ、入射光の波形を取得する。また、入射光に対し、レイリー散乱光周波数スペクトルからＯＦＤＲ法によって求められる散乱光の波形を取得する。入射光の波形と散乱光の波形との信号の周波数の差が周波数シフト量ΔＦとして算出される。
算出された周波数シフト量ΔＦと、上記（８）式とを用いて、光を入射させたときの基準温度（例えば、温度検出部３が配置される環境の室温）を正とし、重回帰分析を行い、係数ｇ及び係数ｈが決定される。係数ｇ及び係数ｈが決定されると、温度差ΔＴが算出され、算出された温度差ΔＴ＝Ｔ−基準温度Ｔ０との関係から、光ファイバセンサ２の所定位置Ｐにおける温度Ｔが算出される。

このように、本実施形態においては、石英の物性データそのものは使用せず、石英の物性の特徴変化の傾向から式を立て、換算式を作った。
本実施形態によれば、温度差が周波数シフト量（光学的変化量）の−２乗で表されるので、演算式が簡素化され、多項式が複雑になる（例えば、４次以上等の多項式）場合と比較して、重回帰分析が速やかに行える。

本実施形態においては、光ファイバセンサは、第１光学的物理パラメータを光ファイバセンサ２への入射光とする場合に、第２光学的物理パラメータは、ラマン散乱光、ブリルアン散乱光、レイリー散乱光等の光ファイバの散乱光であってもよいし、ＦＧＢ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、ファブリー・ペロー等の反射光であってもよい。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態においては、換算式に歪みを勘案する点で第１実施形態、第２実施形態と異なる。本実施形態の温度計測装置について、第１実施形態、第２実施形態と共通する点については説明を省略し、図７から図９を用いて異なる点について主に説明する。

上記第１実施形態または上記第２実施形態で示した換算式を用いて温度を算出した場合であっても、図７に一例が示されるように温度誤差が生じる場合がある。図７は横軸に熱電対の温度（℃）を示し、縦軸に光ファイバセンサ熱電対で検出された温度誤差（℃）を示している。縦軸の温度誤差が負の値を示すということは、光ファイバの計測温度、すなわち、周波数シフト量が本来より小さく出力されていることを意味している。
このように、換算式を用いても温度誤差が生じている場合には、熱伸び以外の何らかの歪みが光ファイバに発生し、誤差要因になったものとみなし、本実施形態においては歪みの影響を勘案する。こうした誤差要因は、例えば、光ファイバセンサ２がステンレス鋼製の保護管に通された状態で試験体に拘束されている場合において、拘束の影響により、熱伸び以外の何らかの歪みが光ファイバセンサ２に生じたものと推定される。

図８には、３００℃以上となる構造物に対応付けて配置させた光ファイバセンサ２と、光ファイバセンサ２の近傍に参照用温度計測部７が設けられた様子が示されている。位置Ａの近傍には参照用温度計測部７が設けられ、位置Ｂの近傍には参照用温度計測部７は設けられていない。
何らかの歪みの影響を符号ｘで示し、参照用温度計測部７と同じ温度（つまり、誤差がゼロ）となるときの周波数シフト量をΔＦとし、光ファイバセンサ２から得られる周波数シフト量の実測値をΔｆとした場合、歪みの影響ｘは、下記（９）式で示される。
ｘ＝ΔＦ−Δｆ （９）
本実施形態において、ΔＦは、第２実施形態で用いた換算式に含まれるΔＦを使用する場合を例に挙げて説明する。

図９には、本実施形態に係る温度計測システム１’の概略構成図を示している。
図９に示されるように、温度計測システム１’は、参照用温度計測部（参照用温度計測手段）７と、温度算出部３１と、歪み算出部（歪み算出手段）３２と、補正部（補正手段）３３とを備えている。
ここで、本実施形態においては、温度算出部３１は、第２実施形態で用いた光学的変化量算出部１１及び温度算出部１２’の機能を含み、第２実施形態で用いた換算式によって温度を算出するものとし、説明を省略するが、本発明はこれに限定されない。例えば、本実施形態における温度算出部３１は、光ファイバセンシング機器の製造メーカが各社で公開している光ファイバセンサによる検出値から温度を算出する換算式を用いて温度を算出してもよい。製造メーカ等が公開する換算式を利用する場合には、特殊なソフトウェアが不要となり、プログラム等の処理も簡易となって計算がスムーズに行えるようになるという効果を奏する。

参照用温度計測部７は、例えば、熱電対等の温度センサである。参照用温度計測部７によって検出された熱電対の温度情報は、温度計測装置３０に入力されるようになっている。
歪み算出部３２は、参照用温度計測部７が設けられる位置Ａ（第１位置）における光学的変化量の実測値である第１光学的変化量（例えば、周波数シフト量の実測値）と、参照用温度計測部７と同じ温度を示すときの換算式（演算式）から求められる光学的変化量である第２光学的変化量（例えば、換算式から求められる周波数シフト量）とに基づいて、位置Ａ（第１位置）における歪みの影響ｘを算出する。
補正部３３は、位置Ｂ（第１位置とは異なる第２位置）において、位置Ａ（第１位置）における歪みの影響ｘと、位置Ｂ（第２位置）の周波数シフト量の実測値Δｆとに基づいて、換算式により算出される温度を補正する。

本実施形態においては、図８の位置Ａにおいて、歪みの影響ｘを定量化する。
具体的には、第２実施形態によって下記（１０）式のα及びβが求められていれば、下記（１０）により、位置Ａにおける熱電対によるΔＴを代入することにより、ΔＦが算出できる。

算出されたΔＦを上記（９）式に代入することで、位置Ａにおける歪みの影響ｘが求められる。図８の光ファイバセンサ２の直線部では歪みの影響ｘが均一であると仮定し、位置Ａにおいて求めた歪みの影響ｘは、位置Ｂにおいても同値であるとみなす。
上記（１０）式を変換し、位置Ｂにおける光ファイバセンサ２の周波数シフト量の実測値Δｆと、位置Ｂでの歪みの影響（位置Ａで求めた歪みの影響）ｘとに基づいて、ｘ＋Δｆ＝ΔＦを用いて、位置Ｂにおける歪みの影響がない場合の本来あるべき周波数シフト量ΔＦを求めることができる。

こうして得られた位置Ｂにおける歪みの影響ｘがない場合の周波数シフト量ΔＦを、上記（１０）式に代入することにより、歪みの影響ｘがない場合の位置Ｂの温度差ΔＴが算出でき、結果として歪みの影響がない位置Ｂにおける温度が算出できる。
図１０は、横軸に熱電対温度（℃）を示し、縦軸に歪みの影響ｘを示しており、歪みの影響ｘの温度依存性の一例が示されている。図１０に示されるように、例えば、熱電対が０℃のときには歪みの影響ｘもほぼないが、熱電対の温度が上がるにつれて、歪みの影響ｘが大きくなる。

図１１は、位置Ａから１００ｍｍ離れた位置Ｂにおいて、歪みの影響ｘを勘案した位置Ｂでの温度の算出結果の一例を示している。横軸に熱電対の温度実測値を示し、縦軸に歪みの影響ｘを勘案後の光ファイバセンサ２に基づく温度を示している。図１１に示されるように、歪みの影響ｘを除去する前は、ラインＬ３で示すように熱電対で検出される温度が大きくなるにつれて光ファイバセンサ２から得られる温度に誤差が大きくなっていた。歪みの影響ｘを勘案し、除去した後はラインＬ４で示すように、熱電対で検出される温度が大きくなっても光ファイバセンサ２から得られる温度に誤差が所定温度範囲内（例えば、±１０℃以内）に収まった。
このように、図１１の例では、誤差温度が±１０℃以内に収まっているので、位置Ａから１００ｍｍ離れた位置Ｂであっても、歪みの影響ｘの大きさに変化はないと考えられ、歪みの影響ｘを除去できる。

従来、３００℃以上の高温域においては樹脂の保護被膜を使用すると焼損してしまうことから、金属製の保護管に光ファイバを挿通した形態が有効とされているが、保護管と光ファイバの熱伸び差や、曲げ部における光ファイバと保護管の擦れが生じる。そうすると、本来計測したい歪み以外の歪みが外乱として加わることとなり、温度や歪みの計測精度が悪化するという問題があった。

本実施形態によれば、光ファイバセンサ２の近傍で温度が計測され、光ファイバセンサ２の入射光の波形と入射光の散乱光の波形との周波数シフト量を温度に変換する演算式を用い、周波数シフト量の実測値と、演算式から求められる周波数シフト量とに基づいて、第１位置の歪みの影響を算出する。
第１位置と第２位置の間隔が所定幅（例えば、１００ｍｍ程度）であれば、第２位置の歪みの影響は第１位置の歪みの影響と近似できることに着眼し、第２位置における温度は、第１位置における歪みの影響と第２位置の光学的変化量の実測値とに基づいて算出する。これにより、外乱となる歪みの影響を除去し、より正確な温度計測が可能となる。

本実施形態においては、光ファイバセンサは、第１光学的物理パラメータを光ファイバセンサ２への入射光とする場合に、第２光学的物理パラメータは、ブリルアン散乱光、レイリー散乱光等の光ファイバの散乱光であってもよいし、ＦＧＢ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、ファブリー・ペロー等の反射光であってもよい。
本実施形態における第２光学物理パラメータは、歪みの外乱の影響を受ける物理パラメータを対象とし、例えば、ラマン散乱光は歪みの外乱の影響を受けないので除外される。

以上のように本発明の電池監視システムの好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想及び範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、及び省略が当業者によって可能である。例えば、第１実施形態から第３実施形態を適宜組み合わせてもよい。

２ 光ファイバセンサ
７ 参照用温度計測部（参照用温度計測手段）
１０、１０’、３０ 温度計測装置
１１ 光学的変化量算出部（光学的変化量算出手段）
１２、１２’、３１ 温度算出部（温度算出手段）
３２ 歪み算出部（歪み算出手段）
３３ 補正部（補正手段）

Claims (9)

1. ３００℃以上の温度を測定する温度計測装置において、
   光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する光学的変化量算出手段と、
   前記第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、前記光ファイバセンサの所定位置において前記第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、前記光学的変化量の関数で表す演算式を有しており、計測された前記基準温度を正として重回帰分析をすることにより前記演算式の係数を求め、前記第１温度を算出する温度算出手段と
   を具備する温度計測装置。
2. 前記温度算出手段は、２次以上の多項式とする前記演算式を有する請求項１に記載の温度計測装置。
3. 前記温度算出手段は、前記光ファイバセンサを構成する物性の変化の特徴を勘案し、ΔＴが温度差とし、ΔＦが前記光学的変化量とし、α及びβが係数とするとき、下記（１）式に表される前記演算式を有する請求項１に記載の温度計測装置。
   

   
4. ３００℃以上の温度を測定する温度計測装置において、
   光ファイバセンサの近傍に設けられる参照用温度計測手段と、
   前記光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式と、
   前記参照用温度計測手段が設けられる第１位置における前記光学的変化量の実測値である第１光学的変化量と、前記参照用温度計測手段と同じ温度を示すときの前記演算式から求められる前記光学的変化量である第２光学的変化量とに基づいて、前記第１位置における歪みの影響を算出する歪み算出手段と、
   前記第１位置とは異なる第２位置において、前記第１位置における前記歪みの影響と、前記第２位置の前記光学的変化量の実測値とに基づいて、前記演算式により算出される前記温度を補正する補正手段と
   を具備する温度計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の３００℃以上の温度を測定する温度計測装置と、
   光ファイバセンサと
   を備えた温度計測システム。
6. ３００℃以上の温度を測定する温度計測方法において、
   光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する第１工程と、
   前記第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、前記光ファイバセンサの所定位置において前記第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、前記光学的変化量の関数で表す演算式を有しており、計測された前記基準温度を正として重回帰分析をすることにより前記演算式の係数を求め、前記第１温度を算出する第２工程と
   を有する温度計測方法。
7. ３００℃以上の温度を測定する温度計測プログラムにおいて、
   光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を算出する第１処理と、
   前記第１光学的物理パラメータを取得したときに計測された基準となる基準温度と、前記光ファイバセンサの所定位置において前記第２光学的物理パラメータを取得したときの第１温度との温度差を、前記光学的変化量の関数で表す演算式を有しており、計測された前記基準温度を正として重回帰分析をすることにより前記演算式の係数を求め、前記第１温度を算出する第２処理と
   をコンピュータに実行させるための温度計測プログラム。
8. ３００℃以上の温度を測定する温度計測方法において、
   光ファイバセンサの近傍で前記光ファイバセンサの第１位置で温度を計測する第１工程と、
   前記光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式を有し、前記第１位置における前記光学的変化量の実測値である第１光学的変化量と、前記第１工程の前記温度と同じ温度を示すときの前記演算式から求められる前記光学的変化量である第２光学的変化量とに基づいて、前記第１位置における歪みの影響を算出する第２工程と、
   前記第１位置とは異なる第２位置において、前記第１位置における前記歪みの影響と、第２位置の前記光学的変化量の実測値とに基づいて、前記演算式により算出される前記温度を補正する第３工程と
   を有する温度計測方法。
9. ３００℃以上の温度を測定する温度計測プログラムにおいて、
   光ファイバセンサの近傍で前記光ファイバセンサの第１位置で温度を計測する第１処理と、
   前記光ファイバセンサに光を入射させたときに得られる第１光学的物理パラメータと、前記光ファイバセンサに光を入射させた結果得られる第２光学的物理パラメータとの光学的変化量を温度に変換する演算式を有し、前記第１位置における前記光学的変化量の実測値である第１光学的変化量と、前記第１処理の前記温度と同じ温度を示すときの前記演算式から求められる前記光学的変化量である第２光学的変化量とに基づいて、前記第１位置における歪みの影響を算出する第２処理と、
   前記第１位置とは異なる第２位置において、前記第１位置における前記歪みの影響と、前記第２位置の前記光学的変化量の実測値とに基づいて、前記演算式により算出される前記温度を補正する第３処理と
   をプログラムに実行させるための温度計測プログラム。
   

Images