JP2781269B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

光ファイバセンサ

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JP2781269B2
JP2781269B2 JP2299980A JP29998090A JP2781269B2 JP 2781269 B2 JP2781269 B2 JP 2781269B2 JP 2299980 A JP2299980 A JP 2299980A JP 29998090 A JP29998090 A JP 29998090A JP 2781269 B2 JP2781269 B2 JP 2781269B2
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晃司 内田
一雄 酒井
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、光ファイバを用いる温度分布計測システム
に好適な光ファイバセンサに関するものである。
(従来の技術) 化学プラント、変電所、発電所等においては、変圧器
や分電盤の表面温度分布、或いは反応炉等の温度分布を
監視する集中監視システムの開発が強く要請されてい
る。この集中監視システムにおいては、温度計測すべき
各部位の温度を正確に検出できること並びに各測定部位
を特定できることが必要である。これらの要求を満たす
温度分布計測システムとしては、光ファイバの温度感受
性を利用した温度分布計測システムが既知であり、例え
ば特開昭61−270632号公報に開示されている。この既知
の温度分布計測システムでは、温度検出センサとして1
本の光ファイバを用い、温度計測すべき領域に1本の光
ファイバを線状に配設し、光ファイバの入射端からパル
ス状レーザ光を投射し、光ファイバの各部位で発生した
後方散乱光を受光し、後方散乱光の強度及び到達時間か
ら各部位の温度及び測定位置が検出されている。
(発明が解決しようとする課題) 光ファイバの温度感受性を利用した温度分布計測シス
テムは1本の光ファイバを用いて監視すべき領域の複数
の部位の温度変化を集中的に検出でき、温度分布モニタ
装置として極めて高い利用価値を有している。
しかしながら、光ファイバ温度分布計測システムは処
理回路を含む計測システム側の距離分解能により制約を
受けるため、検出温度は計測システムの単位分解能距離
当りの平均温度になってしまう。このため、従来の温度
分布計測システムは、センサとして1本の光ファイバを
測定区域内に線状に配設したにすぎないため、検出され
る各部位の温度は単位分離能距離当りの平均温度として
測定され、実際の温度よりも低く或は高く検出される欠
点があった。すなわち、例えば距離分解能が7.5mの温度
計測システムを用いる場合において、光ファイバの微小
長部分例えば1mの部分が高温にさらされても平均化され
た温度が計測されるため、実際の温度よりも低い温度が
検出されていた。
一方、光ファイバを巻回し、この巻回部を金属ケース
内に収納して1個のセンサとすることも考えられる。こ
の場合、光ファイバは金属ケースを介して被測定部の温
度まで昇温し又は被測定部の温度まで降温し、しかも金
属ケースは熱容量が大きいため、光ファイバ自体が被測
定部の温度になるのに長時間かかり、従って温度変化に
対する応答性が著しく悪くなってしまう。
従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、被測
定部の実際の温度を高精度に検出できると共に温度変化
に対する応答性を向上させた光ファイバセンサを提供す
るものである。
(課題を解決するための手段) 本発明による温度計測用光ファイバセンサは、温度に
応じた強度の後方散乱光を発生する温度計測用の光ファ
イバセンサであって、入射端、出射端及び同心状で且つ
平面状に形成した巻回部を有する光ファイバと、この光
ファイバの巻回部を支持するシート状ベース部材と、光
ファイバの巻回部を被覆するシート状被覆部材と、この
被覆部材に取り付けられ、光ファイバセンサを取り付け
るための永久磁石とを有することを特徴とするものであ
る。
(作 用) 本発明では、計測システムの距離分解能以上の長さの
光ファイバを同心状に巻回径が除々に大きくなるように
平面状に巻回して巻回部を形成し、この巻回部を例えば
樹脂、セラミック、金属等から成る薄膜状ベース部材に
固定して光ファイバセンサとする。なかでも、熱良導性
のアルミニウム、銅、ステンレススチール等の金属薄膜
状ベース部材が好ましい。そして、この光ファイバセン
サの入射端及び出射端を接続用光ファイバに光結合して
複数個の光ファイバセンサを直列に接続して温度計測セ
ンサとし、この温度計測センサを計測システムに接続す
る。従って、本発明による光ファイバセンサは面積の小
さい平面状のセンサとなるから、反応炉や変圧器等の壁
面上に容易に取り付けることができる。そして、被測定
物表面の熱はベース部材を経て光ファイバ巻回部全体に
伝達するから、距離分解能以上の長さの光ファイバ巻回
部全体が速やかに被測定部の温度になる。従って、光フ
ァイバを密に巻回することにより光ファイバセンサの面
積を極めて小さくすることができるから、微小区域の温
度を高精度に計測することができる。しかも、本発明で
は薄膜状ベース部材上に光ファイバの巻回部を固定して
いるから、巻回部自体が速やかに被測定部の温度とな
り、温度変化に対する応答性を一層向上させることがで
きる。さらに、本発明では、被覆部材に永久磁石を取り
付けているので、センサの測定部位への装着が一層容易
になる。また、計測システムは単位分解能距離当りの平
均温度を演算出力するが、本発明による光ファイバセン
サでは単位分解能距離以上の長さに亘る光ファイバ巻回
部全体が同一温度になるため、平均化されても実際の温
度を計測することができる。尚、巻回する光ファイバ長
は、計測システムの単位分解能距離の2倍以上とするこ
とが望ましい。
(実施例) 第1図は本発明による温度分布計測システムの一例を
示す線図である。例えば半導体レーザで構成する光源1
からパルス状の光を放射する。このパルス光を集光光学
系(図示せず)、光カプラ2を経て光ファイバコード3
内の光ファイバに投射する。光カプラ2はハーフミラー
や光ファイバカプラを用いることができる。光ファイバ
コード3は、グレーテッド・インデクスマルチモード光
ファイバをケブラ繊維及びビニール樹脂で被覆した光フ
ァイバコードを用いる。光ファイバコード3に光ファイ
バセンサ4−a〜4−dを接続用光ファイバコード3−
a〜3−cを介してそれぞれ直列に接続する。この光フ
ァイバセンサは温度検出センサとして作用し、後述する
ように1本の光ファイバを所定長に亘って同心状に巻回
して形成する。従って、各光ファインバセンサ4−a〜
4−dは、それぞれ入射端及び出射端を有し、それらの
端部を光ファイバコード3内の光ファイバと融着するこ
とにより或は光コネクタを介して所望の間隔で必要な個
数だけ直列に接続することができる。
そして、各光ファイバセンサ4−a〜4−dを温度計
測すべき各部位に装着する。例えば、変電所において温
度分布を集中監視する場合、変圧器や分電盤等の壁部表
面に接着剤や料面テープ等を用いて固定する。光ファイ
バコード3の入射端3aから投射された光パルスは、光フ
ァイバコード3及びこれらの間に接続した光ファイバセ
ンサを伝播して各光ファイバセンサ4−a〜4−dに到
達する。そして、各光ファイバセンサでレイリー散乱及
びラマン散乱が発生し、レイリー散乱光及びラマン散乱
光を含む光が後方散乱光として入射側に向けて伝播す
る。この後方散乱光のうち、ラマン散乱光の強度は光フ
ァイバの温度に強く依存して変化するから、ラマン散乱
光強度及びその到達時間を検出することにより各光ファ
イバセンサにおける温度を順次検出することができる。
尚、投射パルス光としてラマン閾値以上のパルス光及び
ラマン閾値以下のパルス光のいずれをも用いることがで
きる。各光ファイバセンサ4−a〜4−dで発生した後
方散乱光は、各光ファイバセンサ間を接続する光ファイ
バコード3−a〜3−cおよび光ファイバセンサを構成
する各光ファイバを経て入射側に向けて伝播し、光カプ
ラ2を経て干渉フィルタ5に入射し、ラマン散乱光のう
ち特定の波長域の光だけが光検出器6に入射する。この
光検出器6は高周波数で応答できるアバランシェフォト
ダイオードで構成する。光検出器6からの出力信号をA/
D変換器7によりデジタル信号に変換して演算処理装置
8に供給する。演算処理装置8では、光パルスを投射し
てから後方散乱光が光検出器6に入射するまでの所要時
間及びラマン散乱光強度に基いて各光ファイバセンサ4
−a〜4−dの温度を順次演算し出力する。そして、各
光ファイバセンサの温度はモニタ9に表示され、監視者
はモニタに表示された温度情報に基いて各被測定領域の
温度分布を監視することができる。
第2図a及びbは本発明による光ファイバセンサを説
明するための参考例の構成を示す線図的平面図及び断面
図である。本例では、1本の被覆のない光ファイバを同
心状且つ平面状に巻回して巻回部11を形成し、この巻回
部を熱良導性の薄膜状ベース部材12上に固定する。そし
て、この上を被覆部材13により被覆する。このリング状
巻回部11の内径は用いる光ファイバの曲げ限界角度によ
り規定され、その外径は巻回すべき光ファイバ長により
定まる。巻回する光ファイバ長は、計測システムの単位
分解能距離以上の長さとする。すなわち、計測システム
の距離分解能が7.5mの場合7.5m以上巻回する。巻回され
る光ファイバの端部はビニルシース14で被覆し、融着に
より又はカプラを用いて接続用の光ファイバコードに光
結合する。薄膜状ベース部材12は被測定部表面、例えば
反応炉の外表面や分電盤の表面に装着され、これら表面
の熱を光ファイバまで伝達する機能も果たすから、熱容
量の小さい熱良導性材料で構成するのが望ましく、アル
ミニウム箔のような金属箔で構成できる。特に、金属箔
は機械的強度及び可撓性を有しているから、装着すべき
壁面に凹凸があってもその表面形状に沿って変形装着す
ることができる。ベース部材12を温度計測される面に接
着剤或はテープにより固定すると、壁面の熱がベース部
材12を経て光ファイバに伝達し、巻回部11の光ファイバ
全体が壁面の温度まで昇温する。
次に、光ファイバセンサのファイバ巻回長について説
明する。温度計測に際し、演算処理装置を含む計測シス
テム側は単位分解能距離毎にその区域における平均温度
を演算して出力する。すなわち、単位分解能距離が7.5m
の計測システムの場合、7.5m毎にその長さの光ファイバ
の平均温度温度を順次出力する。従って、被測定部の実
際の温度を正確に測定するためには、単位分解能距離の
少なくとも2倍の長さに亘って巻回すること好ましい。
すなわち、2倍以上に亘って巻回することにより、光フ
ァイバセンサ内に含まれる単位分解能距離の区域の平均
温度が必ず計測されることになるからである。
第3図は光ファイバセンサを説明するための参考例の
構成を示す断面図である。本例では、光ファイバを2層
に密に巻回し、ベース部材12と被覆部材13との間に耐熱
性接着剤15を介在させてベース部材12、光ファイバ及び
被覆部材を一体的に固定する。この場合、熱膨脹により
光ファイバが伸縮するおそれがあるため、接着剤を部分
的に塗布して熱膨脹が生じても伸縮できるように固定す
るのが望ましい。或は、シリコンゴムやフッ素ゴムのよ
うな弾性を有する耐熱性接着剤で固定するのも好適であ
る。このように、光ファイバの巻回部は平面状に巻回で
きればよく、従って単層に巻回する場合だけでなく複数
層に亘って巻回することもできる。
第4図a及びbは本発明による光ファイバセンサの構
成を示す断面図である。第4図aでは、被覆部材13上に
プレート状の永久磁石16を接着剤を介して固定し、第4
図bでは永久磁石16のまわりに光ファイバを巻回し薄膜
状ベース部材12、被覆部材13で覆い固定する。永久磁石
16を一体的に固定すれば、温度計測される壁部17が磁性
体の場合磁力によって光ファイバセンサを壁面上に着脱
自在に取り付けることができる。光ファイバセンサは磁
界による影響を全く受けないから、磁石を用いてセンサ
を取り付けることができる大きな利点が達成できる。
さらに、第5図は本発明による光ファイバセンサの構
成を示す平面図である。本例では、1本の光ファイバ20
をその入射端と出射端との間の所定の部位で折返し、そ
の折返し点を基準として光ファイバの入射側部分及び出
射側部分を平行関係を維持しつつ巻回し、その巻回部を
薄膜状ベース部材に上に固定する。このように構成すれ
ば、入射端20aと出射端20bとを互いに隣接して配置する
ことができ、センサ間の接続作業が一層容易になる。し
かも、光ファイバが重なり合わないため、センサの厚さ
も薄くすることができる。
本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変
形や変更が可能である。例えば上述した実施例では、光
ファイバを1層又は2層に巻回したが、平面状に巻回す
る限り多層に巻回することもできる。
さらに、上述した実施例では光ファイバセンサを温度
計測システムに適用する例を以て説明したが、光ファイ
バを用いる火災検知システムの検知センサとして用いる
こともできる。
(発明の効果) 以上説明した本発明の効果を要約すると次の通りであ
る。
(1) 温度に応じた強度の後方散乱光を発生する光フ
ァイバを同心状且つ平面状に多数回巻回して温度センサ
を構成しているから、平面状で小形の光ファイバセンサ
を構成することができ、壁面等における表面温度を正確
に検出できる。
(2) 計測システムの範囲分解能距離以上の長さの光
ファイバ巻回部全体が被測定部の温度となるから、被測
定部の実際の温度を正確に計測することができる。
(3) 接続用光ファイバコードを介して多数の光ファ
イバセンサを直列に接続することができるので、所望の
多数の測定位置における温度をほぼ同時に計測すること
ができる。
(4) 巻回部を、熱容量の小さい薄膜状ベース部材に
より支持しているから、熱容量の大きい金属ケース内に
収納する場合に比べて、一層速やかに被測定部の温度変
化を検出することができる。
(5) 巻回部を可撓性を有する金属箔に支持すれば、
被測定部に凸凹があっても被測定部の形状に応じてセン
サを変形させて装着することができる。
(6) さらに、本発明は、取付け用の永久磁石を有し
ているので、センサの取付けが一層容易になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による光ファイバセンサを用いる温度計
測システムの一例の構成を示す線図、 第2図a及びb並びに第3図は本発明による光ファイバ
センサの参考例の構成を示す平面図及び断面図、 第4図a及びbは本発明による光ファイバセンサを示す
断面図、 第5図は光ファイバセンサの変形例の構成を示す平面図
である。 3……光ファイバコード 4−a〜4−d……光ファイバセンサ 11……巻回部、12……薄膜状ベース部材 13……被覆部材、15……永久磁石
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 一雄 東京都港区芝浦4丁目8番33号 株式会 社関電工内 (72)発明者 ▲榊▼原 宏行 東京都港区芝浦4丁目8番33号 株式会 社関電工内 (56)参考文献 特開 昭61−66134(JP,A) 実開 平3−130530(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01K 11/00 G01K 11/12

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】温度に応じた強度の後方散乱光を発生する
    温度計測用の光ファイバセンサであって、入射端、出射
    端及び同心状で且つ平面状に形成した巻回部を有する光
    ファイバと、この光ファイバの巻回部を支持するシート
    状ベース部材と、光ファイバの巻回部を被覆するシート
    状被覆部材と、この被覆部材に取り付けられ、光ファイ
    バセンサを取り付けるための永久磁石とを有することを
    特徴とする光ファイバセンサ。
  2. 【請求項2】前記永久磁石をプレート状としたことを特
    徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。
  3. 【請求項3】前記光ファイバの巻回部をドーナッツ状に
    形成し、その内側空間に前記永久磁石を装着したことを
    特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。
  4. 【請求項4】前記光ファイバの折り返し点を基準にして
    前記入射端に続く部分と出射端に続く部分とを平行関係
    を維持しながら巻回し、前記入射端と出射端を互いに隣
    接するようにベース部材に固定したことを特徴とする請
    求項1に記載の光ファイバセンサ。
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