JP2540631B2 - 電力ケ―ブル用光ファイバ式分布形温度計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電力ケーブル用の温度センサに係り、特に電
力ケーブル用光ファイバ式分布形温度計測装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度測定装置は光ファイバ中のラ
マン散乱光やレーリ散乱光等の散乱光強度が温度によっ
て変化することを利用し、この変化を公知のOTDR（Opti
cal Time Domain Reflectometry）の手法で検知するこ
とにより、光ファイバの長手方向に沿った温度分布を計
測するものである。

ラマン散乱光を利用した光ファイバ式分布形温度測定
装置（以下、単にラマン式温度測定装置と呼ぶ）の計測
概念を第７図、第８図を用いて以下に説明する。

先ず、光源から第７図に示したパルス光（パルス幅T
W、パルス周期Tp）をセンサ用光ファイバに導くと、該
光ファイバ内でアンチストークス光やストークス光等の
後方散乱光（反射光）が励起され、その一部は第８図に
示すような反射光として計測装置に戻る。

この反射光をパルス光入射時刻をｔ＝０とし、サンプ
リング時間間隔Tsで計測すると、アンチストークス光や
ストークス光の光強度の時間関数Ia（ｔ）、Is（ｔ）が
サンプリング時間間隔Tsの関数として求まる。

このとき、これらの比Ia（ｔ）/Is（ｔ）が純粋に温
度の関数であること、及び光パルス入射後、光ファイバ
内の距離Ｘの位置で発生した反射光が光パルス入射端
（反射光光計測部）に戻ってくるまでの時間２×X/Coで
あること（Co;光ファイバ中の光速）を利用すると、光
ファイバに沿った線状の温度分布が測定できる。

なお、反射光が計測される時間幅Trは２×L/Coであ
り、（L;光ファイバ長さ）、この時間幅Tr内の計測値が
有効な温度分布情報を与える。

次に、第６図を用いて、ラマン式温度測定装置の概要
を説明する。

この温度測定装置は計測装置10とセンサ用光ファイバ
20から構成される。

光源２からパルス光をセンサ用光ファイバ20に導く
と、該光ファイバ内で後方散乱光（反射光）が励起さ
れ、励起された反射光の一部は計測装置10側に戻り、光
分離器31、光ファイバ22を介して、光分岐器32に導かれ
る。

光分岐器32で、２分された反射光の内、一方の光ファ
イバ23aに導かれたものは、アンチストークス光用の光
学フィルタ4a及び受光器5a及び平均化処理回路6aで構成
されるアンチストークス光用OTDR計測回路30aに入り、
この光強度からアンチストークス光強度の時間関数Ia
（ｔ）が求められる。

同様にして、他方の光ファイバ23sに導かれたもの
は、光学フィルタ4s、受光器5s、平均化処理回路6sから
なるストークス光用OTDR計測回路30sでストークス光強
度の時間関数Is（ｔ）が求められる。

パルス光源２と平均化処理回路6a,6sの同期合せはト
リガ回路１の同期信号によって行い、反射光のサンプリ
ングは平均化処理回路6a,6s内で第８図に示す一定の時
間間隔Tsで行なわれる。

なお、受光器５は、受光感度を高めるため、通常はAP
D（アバァランシェ フォト ダイオード）を用いてい
る。

このラマン式温度計測装置は、電力ケーブルに沿わせ
てセンサ用光ファイバを敷設することにより、電極ケー
ブルの長手方向の温度分布を知ることができ、送電容量
の制御等に利用したり、ケーブルの劣化等により生じる
部分的に温度の高い箇所の検知等が行なえる。

［発明が解決しようとする課題］ ラマン式温度センサあるいはレーリ式温度センサ等の
光ファイバ式分布形温度計測装置は上述した方法で電力
ケーブル用の温度分布が測定できる有望な方式である
が、いずれも微弱な散乱光を信号として用いるため、受
光器はAPD等の高感度の光／電気（O/E）変換素子が必要
となる。しかし、高感度の受光素子ほど、受光感度は温
度の影響を受けやすく、周囲温度が変わるごとに、最適
な受光感度となるようにAPDバイアス電圧の調整等が必
要となる。この様な観点から、通常、APD受光素子51を
用いる場合には、第５図に示すように、APD素子51で構
成される受光器５の電力電圧Ｖをモニタし、この電圧Ｖ
が一定になるようにAGC（オートマチック ゲイン コ
ントロール）52等を設置している。

しかし、前述したように、光ファイバ式分布形温度計
測装置では、非常に微弱な後方散乱光を信号としている
ため、信号よりノイズの方が大きく、受光器出力電圧を
モニタして受光感度を調整することは難しく、計測ごと
に、手動でこの調整を行なっているのが現状である。従
って、光ファイバ式分布形温度計測装置で自動計測を行
なうには、受光感度が一定になるように、受光器全体を
高感度の恒温槽内に設置する等の対策が必要であり、装
置が大型で、高価なものとなるという欠点があった。

本発明の目的は前記した従来技術の欠点を改善し、自
動計測ができ、かつ、安価で、小形の電力ケーブル用光
ファイバ式分布形温度計測装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、電
力ケーブルに沿わせてセンサ用光ファイバを敷設させ、
計測系内の光源から該センサ用光ファイバに光パルスを
入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光で形成され
る反射光を上記計測系の受光器に導きAPD受光素子で受
光し、これら反射光から光ファイバの温度を求め、光パ
ルスの入射時刻と反射光が計測系に到達する時刻の差か
ら後方散乱光の発生位置を求めることにより、温度と位
置を同時計測し、該光ファイバの温度分布を計測する電
力ケーブル用光ファイバ式分布形温度計測装置におい
て、上記受光器からの出力信号によりセンサ用光ファイ
バの特定場所或いは特定区間に於ける反射光強度の平均
化処理値を求める平均化処理回路と、その平均化処理値
から温度分布を演算する温度分布演算回路と、温度分布
演算回路で求めた受光感度を基に上記APD受光素子の受
光感度を調整するゲイン制御器とを備えたことを特徴と
する電力ケーブル用光ファイバ式分布形温度計測装置で
ある。

請求項２の発明は、平均化処理回路がセンサ用光ファ
イバの特定場所に於ける反射光として、センサ用光ファ
イバ両端部で発生するフレネル反射光あるいは異種光フ
ァイバ接続部に於ける両者の反射光の差を求めることを
特徴とした請求項１記載の電力ケーブル用光ファイバ式
分布形温度計測装置である。

請求項３記載の発明は、平均化処理回路がセンサ用光
ファイバの特定区間として、センサ用光ファイバの入射
端から、少なくとも１サンプリング長以上の区間あるい
は、センサ用光ファイバの前段に設けた異種光ファイバ
を用いることを特徴とした請求項１記載の電力ケーブル
用光ファイバ式分布形温度計測装置である。

［作用］ 上記構成によれば、先ず反射光を受光器のAPD受光素
子で受光することで非常に微弱な信号を高感度で受光で
き、次に、平均化処理回路で反射光強度の平均化処理を
行い、求められた平均化処理値を用いて、ゲイン制御器
で受光器のゲイン制御を行ったことにあり、これにより
構成度の高温槽を設置すること無しに、APD受光素子の
受光感度を最適に自動調整することができ、安価で小形
の電力ケーブル用光ファイバ式分布形温度計測装置を提
供することがきる。

［実施例］ 以下、本発明によるラマン散乱光利用の電力ケーブル
用光ファイバ式分布形温度計測装置の実施例を第１図に
より、説明する。

先ず、本実施例による電力ケーブル用光ファイバ式分
布形温度計測装置の基本概念及び構成は、第５〜８図で
説明した従来例とほぼ同じであり、異なる点はゲイン制
御器であるAPDバイアス電圧制御器８を追加したことで
ある。APDバイアス電圧制御器８はAPD受光素子51の温度
が変動しても、受光感度を最適値に制御するために、設
置したものであり、その概念について、以下説明する。

平均化処理回路６で求められた平均化処理値は温度分
布演算回路７に入力され、ここで温度分布を演算する
が、その演算と同時にAPD受光素子の受光感度を推定
し、適正な受光感度となるAPDバイアス電圧を試算し、
この結果をAPDバイアス電圧制御器８に入力し、ここ
で、APDバイアス電圧を制御する。

第２図はAPD受光素子51の感度を示したものであり、
温度は低くなるほど、又、バイアス電圧は高くなるほど
感度は大きくなる。したがって、APD素子の温度は低く
なり、感度が上がったときは、バイアス電圧を下げ、逆
の場合にはバイアス電圧を上げ最適感度となるように制
御すればよい。

この制御を行わないと、APD受光素子51の温度が高い
と、信号が小さくなり、ノイズの影響を受け易くなり、
本温度計測装置の温度精度を低下させる。逆に、APD受
光素子51の温度が低いと、信号が大きくなり、ややもす
ると、APD素子あるいはその後段に設置する増幅器やA/D
変換器等を飽和させ、温度計測が不能となる。

第３図は平均化処理回路６で求められた後方散乱光の
平均化処理値の例であり、制御信号としては、これら平
均化処理値のいずれの部分を用いてもよい。例えば、a
1,a4は光ファイバ両端で発生するフレンネル反射光であ
り、a1,a4のいずれか、あるいは両者の平均値が一定に
なるようにすればよい。a2,a3は温度情報に用いる後方
散乱光の任意サンプリング値の例であり、これらのいず
れかあるいは平均値が一定になるようにすればよい。b
1,b2,b3はある範囲のサンプリング値の集合例を示した
ものであり、これらの範囲内での積分値が一定になるよ
うに制御しても差し支えない。

第４図は成分の異なるファイバ（A,B,C,D）を直列に
接続した時の後方散乱光の平均化処理値の例であり、こ
れらファイバの接続部では後方散乱光強度に段差が生じ
るので、これら段差（c1,c2,c3）をモニタし、これらが
一定になるように制御することも可能である。

なお、通常用いているAGC制御と本実施例の異なる点
は、前者が常時出力電圧をモニタして、制御するのに対
し、後者は計測時には制御を行わずに、計測値の平均値
が求まった後に、その平均値を用いて、受光感度を調整
し、次の計測を行うことにある。

［発明の効果］ 本発明によれば以下の顕著な効果を奏することができ
る。

（１） 計測後の後方散乱光の平均化処理値を用いて、
APD受光素子の受光感度を最適値に制御するため、光信
号成分を大きくでき、各計測時に進入するノイズの影響
を受けにくくでき、受光器感度の自動制御が可能とな
り、従来のように計測毎に手動で制御する必要はない。

（２） 計測直前に最適な受光器感度に調整できるた
め、APD受光素子の温度が変化しても、その影響を受け
ないため、恒温対策が不要となり装置を小形で安価にで
きる。

（３） 最適な受光器感度で計測できるため、S/N比を
良くでき、高精度の計測が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す要部回路図、第２図は
本発明において、受光器の各温度におけるバイアス電圧
と感度の関係を示す図、第３図及び第４図はそれぞれ本
発明において後方散乱光強度の平均化処理値を示す図、
第５図は従来の受光器のゲイン制御の回路図、第６図は
光ファイバ式分布計温度計測装置の概略構成を示す図、
第７図、第８図は第６図における計測概念を説明する図
である。 図中、５は受光器、６は平均化処理回路、８はゲイン制
御器であるAPDバイアス電圧制御器である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 耕一 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日 立電線株式会社電線研究所内 (56)参考文献 特開 平１−169387（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力ケーブルに沿わせてセンサ用光ファイ
   バを敷設させ、計測系内の光源から該センサ用光ファイ
   バに光パルスを入射させ、該ファイバで発生する後方散
   乱光で形成される反射光を上記計測系の受光器に導きAP
   D受光素子で受光し、これら反射光から光ファイバの温
   度を求め、光パルスの入射時刻と反射光が計測系に到達
   する時刻の差から後方散乱光の発生位置を求めることに
   より、温度と位置を同時計測し、該光ファイバの温度分
   布を計測する電力ケーブル用光ファイバ式分布形温度計
   測装置において、上記受光器からの出力信号によりセン
   サ用光ファイバの特定場所或いは特定区間に於ける反射
   光強度の平均化処理値を求める平均化処理回路と、その
   平均化処理値から温度分布を演算する温度分布演算回路
   と、温度分布演算回路で求めた受光感度を基に上記APD
   受光素子の受光感度を調整するゲイン制御器とを備えた
   ことを特徴とする電力ケーブル用光ファイバ式分布形温
   度計測装置。
2. 【請求項２】平均化処理回路がセンサ用光ファイバの特
   定場所に於ける反射光として、センサ用光ファイバ両端
   部で発生するフレネル反射光あるいは異種光ファイバ接
   続部に於ける両者の反射光の差を求めることを特徴とし
   た請求項１記載の電力ケーブル用光ファイバ式分布形温
   度計測装置。
3. 【請求項３】平均化処理回路がセンサ用光ファイバの特
   定区間として、センサ用光ファイバの入射端から、少な
   くとも１サンプリング長以上の区間、あるいは、センサ
   用光ファイバの前段に設けた異種光ファイバを用いるこ
   とを特徴とした請求項１記載の電力ケーブル用光ファイ
   バ式分布形温度計測装置。