JP2019100977A - 計測装置、計測ケーブル及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度の経時変化の位置を、高い確度で的確に把握することができる計測装置、計測ケーブル及び計測方法を提供する。【解決手段】ＤＴＳ１１の距離分解能から、ＤＴＳ１１が１区間の温度として特定できる長さＬ１の複合ケーブル２０を、計測部Ｍ１の計測範囲Ａ１内で重ねずに平面的に折り返して配置する。複数の計測部Ｍ１は、複合ケーブル２０で構成される接続部２２で直列に接続され、ＤＴＳ１１までの距離が異なるように配置される。ＤＴＳ１１からのレーザ光を導入した複合ケーブル２０の光ファイバケーブル内で後方散乱したラマン散乱光のうち、温度依存性の強いアンチストークス光と温度依存性の弱いストークス光を強度の比から計測部Ｍ１における温度の経時変化を特定し、この経時変化から埋戻し材料の充填密度を把握する。【選択図】図１

Description

本発明は、温度変化を計測する計測装置、計測ケーブル及び計測方法に関する。

人工バリア施工技術の１つとして処分坑道にＰＥＭ（Prefabricated Engineered barrier system Module)を横置きにする方式がある（例えば、非特許文献１参照。）。この方式においては、廃棄体を、処分坑道に搬送して定置した後、処分坑道と廃棄体との隙間を、土砂やベントナイト等の埋戻し材料で充填する。この場合、未充填部がなく、所定の充填密度を確保する必要がある。このため、埋戻し材料が所定の充填密度で充填されていることを確認する必要がある。

また、光ファイバを用いて、広範囲の温度分布を計測する技術が知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献２参照。）。この特許文献１には、光源からの出射光を、分光光学系を介して被測定光ファイバに入射させ、被測定光ファイバから戻ってくる後方ラマン散乱光を分光光学系で選択的に取り出す分布型温度センサが記載されている。更に、この分布型温度センサは、後方ラマン散乱光を電気信号に変換した後、該電気信号を測定して被測定光ファイバの温度分布を測定する。また、非特許文献２には、光ファイバ温度分布計測システムの基本構成と測定原理が記載されている。

特開平６−２２１９３０号公報

北川義人、原子力発電環境整備機構、２０１４年６月１９日、「ＮＵＭＯ技術開発成果報告会２０１４ テーマ２：技術の保有・移転に向けた関係機関との共同研究 人工バリア施工技術適用試験の実施−ＳＫＢとの共同研究−」、［online］、［平成２９年１０月２５日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：https://www.numo.or.jp/approach/houkokukai/pdf/houkokukai20140623_06.pdf＞ ワイケー技研、「光ファイバー温度分布計測システム ＤＴＳ 技術解説 ＤＴＳの原理」、［online］、［平成２９年１０月２４日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：http://www.ykgiken.co.jp/tech_info/index.html＞

ところで、物質は、その密度（充填率）によって、熱の伝導率が異なる。そこで、充填密度を、温度変化の測定によって把握することができる。
しかしながら、光ファイバを用いて温度分布を計測する場合、例えば、ラマン散乱光による温度測定では、距離分解能が１ｍ程度と大きいため、密度が異なる箇所の位置を的確に把握することは難しかった。

上記課題を解決する計測装置は、予め定めた長さの光導波路を１つの計測範囲内で平面的に折り返した計測部と、前記光導波路に光を供給し、前記計測部から、温度依存性がある散乱光を取得する集光端部と、前記集光端部から、前記各計測部までの距離が異なるように、前記各計測部を接続する光導波路接続部とを備えた。

本発明によれば、温度変化の局所的な位置を、高い確度で的確に把握することができる。

本実施形態における計測装置を説明する説明図であって、（ａ）は全体構成、（ｂ）は計測部の構成を示す拡大図。 変更例における計測部の構成を説明する説明図。 変更例における計測装置の要部を説明する説明図であって、（ａ）は、１対の山形形状に配置した状態、（ｂ）は２対の山形形状に配置した状態、（ｃ）は上下に突出する複数の形状を組み合わせた状態を示す。

以下、図１を用いて、計測装置、計測ケーブル及び計測方法を具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、温度変化を計測し、埋戻し材料の充填密度（ムラ）を把握する。

埋戻し材料は、土砂やベントナイト等であって、処分坑道と廃棄体Ｗ１との間に充填される。本実施形態では、図１（ａ）に示すように、横置きされた直径数ｍの円柱形状の廃棄体Ｗ１に計測部Ｍ１を配置する。

埋戻し材料の充填密度を測定する計測装置１０は、ＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor：温度分布監視装置）１１、接続用光ファイバ１２，１７、温度基準用氷水ボックス１５、発熱用電源１８及び複合ケーブル２０を備えている。接続用光ファイバ１２，１７には、マルチモードファイバを用いる。この接続用光ファイバ１２，１７は、入射される光源光（レーザ光）の光強度に応じて、誘導ラマン散乱が生じない長さで、ＤＴＳ１１が測定可能な長さに設定される。複合ケーブル２０は、光ファイバケーブルと加熱用ケーブル（加熱線）とを一体化したケーブルである。本実施形態では、この複合ケーブル２０の光ファイバケーブルが光導波路を構成する。

複合ケーブル２０の光ファイバケーブルの一端部は、接続用光ファイバ１２の一端部と、融着点Ｆ１において融着されている。接続用光ファイバ１２は、温度基準用氷水ボックス１５において冷却されている。温度基準用氷水ボックス１５は、光ファイバにおける温度基準値を設定するために、氷水を貯蔵した容器である。そして、接続用光ファイバ１２の他端部は、融着点Ｆ２においてＤＴＳ１１の光ファイバ端子に融着される。

更に、複合ケーブル２０の光ファイバケーブルの他端部は、接続用光ファイバ１７の一端部と融着点Ｆ３において融着されている。そして、接続用光ファイバ１７の他端部は、融着点Ｆ４においてＤＴＳ１１の光ファイバ端子に融着される。更に、複合ケーブル２０の加熱用ケーブルには、このケーブルを加熱するための発熱用電源１８が接続されている。

本実施形態のＤＴＳ１１は、光ファイバループの両端から光を導入して測定するダブルエンド方式（双方向測定方式）を用いる。このＤＴＳ１１は、集光端部として機能し、レーザ光源部１１１、波長分離フィルタ部１１２、光検出部１１３及び信号処理部１１４を備えている。

レーザ光源部１１１は、複合ケーブル２０の光ファイバケーブルに導入するレーザ光を、パルス形状で射出する。
波長分離フィルタ部１１２は、光ファイバループに導入されたレーザ光の後方散乱光（ラマン散乱光）において、波長が異なるストークス光とアンチストークス光とを分離する。ラマン散乱光（ストークス光とアンチストークス光）には温度依存性があり、アンチストークス光の方が温度感受性は高く、両者の強度比から温度を求めることができる。

光検出部１１３は、分離されたストークス光とアンチストークス光の強度を測定する。
信号処理部１１４は、強度が測定されたストークス光及びアンチストークス光のそれぞれのＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）波形を算出し、これらのＯＴＤＲ波形の比から、光ファイバケーブルの長手方向の温度分布を時系列に検出する処理を実行する。

一方、複合ケーブル２０が配置された廃棄体Ｗ１の外周には、複数の計測部Ｍ１が設けられている。計測部Ｍ１は、廃棄体Ｗ１の外周面において、周方向に複数列、配置される。そして、各計測部Ｍ１は、直列に接続されており、計測部Ｍ１の多くは、処分坑道の周囲方向（上下）に配置される。計測部Ｍ１は、計測範囲Ａ１内に配置された複合ケーブル２０で構成される。

更に、各計測部Ｍ１は、接続部２２によって、全体として矩形形状となるように接続される。具体的には、接続部２２は、隣接する列の計測部Ｍ１と接続する２つの計測部Ｍ１を、その一方の端部において廃棄体Ｗ１の軸方向に接続する。更に、接続部２２は、軸方向に接続しなかった多くの計測部Ｍ１を処分坑道の周囲方向（上下）に接続する。この接続部２２も複合ケーブル２０によって構成される。すなわち、本実施形態では、１条の複合ケーブル２０により、計測部Ｍ１及び接続部２２を構成する。
そして、複合ケーブル２０の光ファイバケーブルにおいて接続部２２を構成する部分が光導波路接続部として機能し、加熱用ケーブルにおいて接続部２２を構成する部分が加熱用配線として機能する。また、複合ケーブル２０の計測部Ｍ１を構成する部分２１の加熱用ケーブルが計測領域加熱部として機能する。

図１（ｂ）は、本実施形態の計測部Ｍ１の拡大図である。
この図に示すように、計測部Ｍ１は、複合ケーブル２０の予め定めた長さＬ１を、１つの計測範囲Ａ１内で、重ならないように平面的に折り返して構成される。ここで、長さＬ１は、ＤＴＳ１１の距離分解能から、ＤＴＳ１１が１区間の温度として特定できる平均化範囲であり、例えば１ｍ程度である。本実施形態では、複合ケーブル２０の大部分が処分坑道の周囲方向（上下）に延在し、長さＬ１の中点が計測範囲Ａ１の中心Ｃ１となるように、複合ケーブル２０を蛇行させて配置する。この場合、複合ケーブル２０において計測部Ｍ１を構成する部分２１は、複合ケーブル２０の最小曲率以上で折り曲げられる。本実施形態では、最小曲げ半径は、以下の３つから定められる。

・加熱用ケーブルによる加熱が周囲の加熱に影響しない範囲に基づく最小曲げ半径。具体的には、最小曲げ半径は、約７０ｍｍである。
・複合ケーブル２０を曲げた状態における測定可能な最小曲げ半径。具体的には、最小曲げ半径は、約２５ｍｍである。

・光ファイバ単体の破断率（故障率）に基づく最小曲げ半径。具体的には、最小曲げ半径は、約１５ｍｍである。
以上により、本実施形態において、計測部Ｍ１における複合ケーブル２０は、最大の最小曲げ半径（７０ｍｍ）以上の半径で曲げられて、計測範囲Ａ１内に配置される。

次に、上述した構成を有する計測装置１０の計測方法について説明する。
複数の計測部Ｍ１を接続部２２で直列に接続する構成の複合ケーブル２０を、廃棄体Ｗ１の外周に配置する。この場合、計測部Ｍ１を構成する複合ケーブル２０の加熱用ケーブルによる熱の影響が、隣接する計測部Ｍ１に影響しない距離分、離間させて、計測部Ｍ１を配置する。本実施形態では、例えば７０ｍｍ以上離間するように配置する。そして、複合ケーブル２０の両端部を、接続用光ファイバ１２，１７に接続する。

そして、ＤＴＳ１１のレーザ光源部１１１が射出したパルス波のレーザ光を、接続用光ファイバ１２を介して、複合ケーブル２０の光ファイバケーブルに導入する。
ＤＴＳ１１の波長分離フィルタ部１１２は、光ファイバケーブル内で後方散乱したラマン散乱光のうち、アンチストークス光とストークス光とを分離する。

ＤＴＳ１１の光検出部１１３は、波長分離フィルタ部１１２によって分離されたアンチストークス光とストークス光との強度の比を特定する。
ＤＴＳ１１の信号処理部１１４は、ラマン散乱光が戻ってくるまでの往復時間（時間差）をＯＴＤＲの原理により測定し、温度測定点までの距離を特定する。信号処理部１１４は、アンチストークス光とストークス光との強度の比から計測部Ｍ１における温度ばらつきを検出する。そして、信号処理部１１４は、温度基準用氷水ボックス１５の温度基準値により、温度ばらつきを計測温度に校正する。次に、信号処理部１１４は、計測部Ｍ１における各温度との変化から、熱伝達率に応じた埋戻し材料の密度を特定する。なお、後方ラマン散乱光は微弱な信号であるため、測定を繰り返して平均化処理することにより温度分解能を向上させる。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、ＤＴＳ１１の距離分解能から、ＤＴＳ１１が１区間の温度として特定できる長さＬ１の複合ケーブル２０を、計測部Ｍ１の計測範囲Ａ１内で重ねずに平面的に折り返して収納する。これにより、計測範囲Ａ１における温度分布を効率的に把握することができ、温度変化によって密度が他と異なる箇所の位置を、高い確度で把握することができる。

（２）本実施形態では、複合ケーブル２０の加熱用ケーブルによって、各計測部Ｍ１を加熱する。これにより、各計測部Ｍ１が一様に加熱されるので、埋戻し材料の充填密度に応じた温度変化（温度の上昇と上昇速度）をより正確に特定し、密度が相違する箇所を、より正確に把握することができる。

（３）本実施形態では、各計測部Ｍ１を接続する接続部２２は、光ファイバケーブル及び加熱用ケーブルが一体になった複合ケーブル２０で構成される。これにより、光ファイバケーブル及び加熱用ケーブルを効率的に配置することができる。

（４）本実施形態では、計測部Ｍ１を構成する部分２１と接続部２２とを、複合ケーブル２０によって構成する。これにより、１条の複合ケーブル２０によって、効率的に温度計測を行なうことができる。

（５）本実施形態では、複合ケーブル２０において計測部Ｍ１を構成する部分２１は、複合ケーブル２０における熱影響範囲を考慮して最小曲げ半径以上で曲げられて、計測範囲Ａ１内に配置する。これにより、複数の計測部を均一に加熱して温度変化を計測することができる。

（６）本実施形態では、計測部Ｍ１は、処分坑道の垂直（上下）方向に、隣接する計測部と直列に配置する。これにより、複合ケーブル２０の下側に、埋戻し材料が充填され難い部分の発生を抑制できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態においては、複合ケーブル２０の加熱用ケーブルを用いて各計測部Ｍ１を加熱した。計測部Ｍ１を加熱する手段は、加熱用ケーブルに限られない。例えば、計測範囲Ａ１の大きさと長さＬ１との関係で、加熱用ケーブルによる熱干渉が想定される場合には、計測領域加熱部として、加熱用ケーブルの代わりに、加熱シートを用いてもよい。

具体的には、図２に示すように、複数の計測部Ｍ２は、複合ケーブル２０で構成される接続部２２によって、直列に接続される。各計測部Ｍ２は、予め定めた長さＬ１の光ファイバケーブル３１と、加熱シート３６を備えている。

光ファイバケーブル３１は、予め定めた長さＬ１を有し、１つの計測範囲Ａ１内で、重ならないように平面的に折り返して構成される。この光ファイバケーブル３１は、上記実施形態の複合ケーブル２０において、各計測部Ｍ２の長さＬ１において加熱用ケーブルの部分を除いた部分で構成される。更に、この光ファイバケーブル３１を、光ファイバ単体の破断率（故障率）に基づく最小曲げ範囲から定まる最小曲げ半径（約１５ｍｍ）以上で折り曲げる。

加熱シート３６には、計測範囲Ａ１に対応する大きさ及び面積を有しており、計測範囲Ａ１を加熱する。加熱シート３６の中心には、光ファイバケーブル３１の中点が位置するように配置する。加熱シート３６には、複合ケーブル２０の接続部２２を構成する加熱用ケーブルを接続する。この場合、加熱シート３６を、各接続部２２を介して直列に接続する。

・上記各実施形態においては、計測部Ｍ１は、処分坑道の周囲方向（上下）に、全体として矩形形状を構成するように配置した。計測部Ｍ１の配置は、これに限定されない。例えば、図３（ａ）に示すように、複数の山形を組み合わせた形状に配置してもよいし、図３（ｂ）に示すように、複数の山形を２対組み合わせた形状で配置してもよい。更に、図３（ｃ）に示すように、上下に突出する形状を組み合わせた状態であってもよい。これらの構成においても、複合ケーブル２０の下側に、埋戻し材料が充填され難い部分の発生を抑制することができる。

・上記各実施形態においては、多くの計測部Ｍ１を、処分坑道の垂直（上下）方向に隣接する計測部Ｍ１と直列に接続した。複数の計測部Ｍ１の接続方向は、処分坑道の垂直（上下）方向に限定されない。例えば、計測部Ｍ１を、処分坑道の軸線（横）方向に隣接する計測部Ｍ１と直列に接続してもよいし、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すように、計測部Ｍ１を斜め方向に直列に接続してもよい。

・上記各実施形態においては、複合ケーブル２０は、接続用光ファイバ１２，１７を介してＤＴＳ１１に接続されている。複合ケーブル２０が接続用光ファイバ１２，１７と融着する融着点Ｆ１，Ｆ３よりもＤＴＳ１１側の構成は、これに限定されない。また、上記実施形態では、各計測部Ｍ１，Ｍ２の長さＬ１を、１ｍ程度とした。各計測部に配置される光導波路の長さＬ１は、ＤＴＳ１１が１区間として特定できる長さ以上であればよく、ＤＴＳ１１の性能等によって変更される。また、計測部Ｍ１，Ｍ２は、計測範囲Ａ１において光導波路の大部分が処分坑道の周囲方向（上下）に延在するような折り返す形状とした。光導波路が、平面的に折り返す全体形状は、これに限定されず、例えば、渦巻き形状等であってもよい。

・上記実施形態においては、計測部Ｍ１，Ｍ２及び接続部２２を構成する複合ケーブル２０の光ファイバケーブルを光導波路として用いた。光導波路として用いられる部材であれば、光ファイバケーブル以外を用いてもよい。例えば、計測部には、基板上に、予め定めた長さの光導波路を形成した光集積回路を用いて、各光集積回路を光ファイバケーブルで接続するようにしてもよい。この場合には、複合ケーブル２０の代わりに、光ファイバケーブルと加熱線用ケーブルとを別々に配置してもよい。

・上記各実施形態においては、ダブルエンド方式を用いたが、後方ラマン散乱光を計測できればよく、シングルエンド方式（片方向測定方式）を用いてもよい。

Ａ１…計測範囲、Ｃ１…中心、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４…融着点、Ｌ１…長さ、Ｍ１，Ｍ２…計測部、Ｗ１…廃棄体、１０…計測装置、１１…ＤＴＳ、１２，１７…接続用光ファイバ、１５…温度基準用氷水ボックス、１８…発熱用電源、２０…複合ケーブル、２１…部分、２２…接続部、３１…光ファイバケーブル、３６…加熱シート、１１１…レーザ光源部、１１２…波長分離フィルタ部、１１３…光検出部、１１４…信号処理部。

Claims (6)

1. 予め定めた長さの光導波路を１つの計測範囲内で平面的に折り返した計測部と、
   前記光導波路に光を供給し、前記計測部から、温度依存性がある散乱光を取得する集光端部と、
   前記集光端部から、前記各計測部までの距離が異なるように、前記各計測部を接続する光導波路接続部とを備えたことを特徴とする計測装置。
2. 前記計測部を加熱する加熱部を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記加熱部は、
   前記光導波路接続部に沿った加熱用配線と、
   前記加熱用配線に接続され、前記計測部に配置される計測領域加熱部とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
4. 前記光導波路及び前記光導波路接続部を光ファイバで構成したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の計測装置。
5. 予め定めた長さの光導波路を１つの計測範囲内で平面的に折り返した計測部と、
   前記計測部から、温度依存性がある散乱光を取得する集光端部までの距離が異なるように、複数の前記計測部を接続する光導波路接続部とから構成されたことを特徴とする計測ケーブル。
6. 予め定めた長さの光導波路を有した計測部と、
   前記光導波路に供給される光の集光端部から、前記各計測部までの距離が異なるように、複数の前記計測部を接続する光導波路接続部と、
   前記計測部をそれぞれ加熱する加熱部を備えた計測装置を用いて、温度変化を計測する方法であって、
   前記光導波路を１つの計測範囲内で平面的に折り返した計測部のそれぞれを、隣接する前記計測部の加熱部による加熱の温度変化が影響しない距離を離間させて配置し、
   前記計測部から、温度依存性がある散乱光を集光して温度変化を計測することを特徴とする計測方法。

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