JP3769603B2

JP3769603B2 - 路面温度測定方法

Info

Publication number: JP3769603B2
Application number: JP13000297A
Authority: JP
Inventors: 亮中村; 信浩今長; 克也大友; 一加藤
Original assignee: National Institute for Land and Infrastructure Management
Current assignee: National Institute for Land and Infrastructure Management
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH10318853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ分布型温度センサを用いた路面温度測定方法に係り、特に、光ファイバ分布型温度センサを保護しつつ道路表面の温度を正確に知ることができる路面温度測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
道路の凍結、積雪等を監視するために、道路表面の温度を測定することが行われる。道路表面の温度を測定するには、従来、以下のような方法がある。
【０００３】
ａ．赤外線温度計等で道路表面の温度を測定する。
【０００４】
ｂ．熱電対等で道路表面の温度を測定する。
【０００５】
ｃ．光ファイバ分布型温度センサ（ＦＴＲ）で温度分布を測定する。
【０００６】
上記ａ．及びｂ．は、１点の温度しか測定できないため、道路全体の温度状況を知るためには、多数の点で温度を測定するべく多数のセンサを必要とするという問題がある。
【０００７】
上記ｃ．は、光ファイバ分布型温度センサの長手方向に沿った温度分布が測定できるので、道路全体の温度状況を知るには大変有効である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記ｃ．の方法において、光ファイバ分布型温度センサを道路表面上に布設したのでは、車両等による衝撃や圧力に晒され、損傷を受けたり測定が影響されたりするので、保護のため道路内部に埋設せざるをえない。
【０００９】
しかし、光ファイバ分布型温度センサを道路内部に埋設してしまうと、道路内部の温度分布しか測定できず、道路表面の温度を正確に知ることができない。
【００１０】
また、道路内部の比較的浅いところに保護管を埋設し、保護管中に光ファイバ分布型温度センサを通したものがあるが、これでは保護管中雰囲気の温度分布を測定することになり、管体或いは空気による長手方向への熱の伝搬が生じ、道路内部の実際の温度分布を正確に知ることができない。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光ファイバ分布型温度センサを保護しつつ道路表面の温度を正確に知ることができる路面温度測定方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、２本の光ファイバ分布型温度センサを道路内部の異なる深さに埋設し、道路表面の任意の位置における温度を、その位置における各深さでの温度と、道路表面及び各センサ間の熱容量及び熱抵抗と、一方の深さでの温度の時間的変化とから算出することにより、上記異なる深さでの温度分布から道路表面の温度分布を推定するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態は、２本の光ファイバ分布型温度センサを道路内部の異なる深さに埋設し、得られる異なる深さでの温度分布から道路表面の温度分布を推定するものであり、光ファイバ分布型温度センサを道路内部に埋設するので車両等による衝撃や圧力から保護されると同時に、道路表面上からでなくても道路表面の温度分布を正確に知ることができる。
【００１５】
ここで、位置ｘにおける道路表面の温度分布をＴｓ（ｘ）、地中側（深いほう）の温度分布をＴｇ１（ｘ）、路面側（浅いほう）の温度分布をＴｇ２（ｘ）、路面側の温度分布の時間的変化をＴｇ２´（ｘ）又はｄＴｇ２（ｘ）／ｄｔ、両光ファイバ分布型温度センサ間の熱容量をＣｇ１及び熱抵抗をＲｇ１、道路表面及び路面側の光ファイバ分布型温度センサ間の熱容量をＣｇ２及び熱抵抗をＲｇ２とすると、
Ｔｓ（ｘ）＝Ｔｇ２（ｘ）
＋｛Ｔｇ２（ｘ）−Ｔｇ１（ｘ）｝Ｒｇ２／Ｒｇ１
＋Ｒｇ２・Ｃｇ２・Ｔｇ２´（ｘ）
により任意の位置における温度が算出される。熱容量及び熱抵抗は時間的変化がないので、予め測定しておけばよく、道路内部の２つの温度分布を常時測定していれば、道路表面の温度分布をリアルタイムで知ることができる。
【００１６】
図１に示されるように、本発明の路面温度測定方法を適用した路面温度測定装置は、温度分布測定のための光源・受光器・解析回路等を備えたＦＴＲ装置１と、光スイッチ７と、２つの深さでの温度分布から道路表面の温度分布を推定する温度推定部２と、２本の光ファイバ分布型温度センサ（光ファイバセンサ）３，４とからなる。ＦＴＲ装置１と光スイッチ７及び光ファイバ分布型温度センサ３，４には従来知られているものを使用することができる。
【００１７】
道路表面５からＬ１及びＬ２の深さ（Ｌ１が深い）に光ファイバ分布型温度センサ（光ファイバセンサ）３，４を埋設し、その一端に光スイッチ７を介してＦＴＲ装置１を接続し、さらに温度推定部２を接続する。ＦＴＲ装置１は、光スイッチ７を切り替えることにより各々の光ファイバ分布型温度センサ３，４による各深さＬ１，Ｌ２での温度分布を測定し、温度推定部２に送るようになっている。
【００１８】
温度推定部２は、２つの深さＬ１，Ｌ２での温度分布から道路表面５の温度分布を推定するために、上記計算式を具備しており、両光ファイバ分布型温度センサ３，４間の熱容量Ｃｇ１及び熱抵抗Ｒｇ１、道路表面５及び路面側の光ファイバ分布型温度センサ４間の熱容量Ｃｇ２及び熱抵抗Ｒｇ２を予め調べて保持すると共に、時間ｔを計測することにより、異なる時間での温度分布から温度分布の時間的変化を計算できるようになっている。
【００１９】
２つの深さでの温度分布から道路表面の温度分布を推定する方法を、図２により説明する。図２は、任意の位置ｘにおける道路表面及び道路内部の深さ方向の熱の流れを等価回路で表したものである。ここでは、道路表面５、路面側光ファイバ分布型温度センサ４、地中側光ファイバ分布型温度センサ３の他に、地中側光ファイバ分布型温度センサ３よりもさらに深い地中６を仮定しておく。地中６での温度分布をＴ０（ｘ）、地中６及び地中側の光ファイバ分布型温度センサ３間の熱抵抗をＲｇ０とする。
【００２０】
図２の等価回路から、キルヒホッフの電流則に従って式（１）の連立微分方程式が得られる。
【００２１】
【数１】

【００２２】
式（１）をＴｓ（ｘ）について解くと、式（２）が得られる。
【００２３】
【数２】

【００２４】
式（２）によれば、道路表面５の温度分布Ｔｓ（ｘ）は、地中側光ファイバ分布型温度センサ３による温度分布Ｔｇ１（ｘ）と、路面側光ファイバ分布型温度センサ４による温度分布Ｔｇ２（ｘ）と、路面側の温度分布の時間的変化Ｔｇ２´（ｘ）とから求められることがわかる。熱容量及び熱抵抗は時間的変化がないので、予め測定しておけばよい。また、地中の温度分布Ｔ０（ｘ）及び熱抵抗Ｒｇ０は、式（２）に影響しないので測定する必要がない。埋設深さＬ１及びＬ２も無関係となる。
【００２５】
なお、本実施形態のように、埋設深さＬ１及びＬ２を布設全長で一定にしておくことにより、道路内部の熱容量及び熱抵抗の分布が均一であれば、一か所の熱容量及び熱抵抗が任意の位置ｘに適用できる。
【００２６】
また、交通量が多い道路等で路面の磨耗が特に激しい場合などは、長期的に見て熱容量及び熱抵抗が時間的に変化すると考えられる。この場合、赤外線放射線温度計を用いて光ファイバ分布型温度センサ３及び４上の道路表面温度を測定することによって、熱容量及び熱抵抗を求めることもできる。また、道路の舗装の仕方や種類等によって場所ごとに熱容量及び熱抵抗が変化する場合もある。この場合、場所ごとに赤外線放射線温度計を設置して道路表面温度を測定することにより熱容量及び熱抵抗を求めるほか、図３に示すように、光ファイバ分布型温度センサ３及び４の一部を、車両等の圧力に晒されない路肩に迂回させ、その路肩部分の道路表面温度を光ファイバ分布型温度センサ又は熱電対等で測定することによって熱容量及び熱抵抗を求めることもできる。熱容量及び熱抵抗は、式（２）よりＲｇ２／Ｒｇ１及びＲｇ２Ｃｇ２の形で求める。まず、道路表面温度が測定可能な位置ｘにおける地中側の温度Ｔｇ１（ｘ１）、路面側の温度Ｔｇ２（ｘ１）及び道路表面の温度Ｔｇｓ（ｘ１）を適当な時間測定する。そして、測定データの任意時点２点以上の地中側の温度Ｔｇ１（ｘ１）、路面側の温度Ｔｇ２（ｘ１）、道路表面の温度Ｔｇｓ（ｘ１）及び路面側の温度の時間的変化ｄＴｇ２（ｘ１）／ｄｔの測定値を式（２）に代入し、Ｒｇ２／Ｒｇ１及びＲｇ２Ｃｇ２について解く。
【００２７】
本実施形態では、深さＬ１，Ｌ２での温度分布を別々の光ファイバ分布型温度センサ３，４で測定するものとしたが、１本の光ファイバ分布型温度センサを、ある長さ分だけ埋設深さがＬ１，Ｌ２となるようにしても本発明は実施可能である。１本の光ファイバ分布型温度センサを異なる深さで埋設した場合、予め光ファイバ分布型温度センサの位置と埋設深さとの関係を明確にして熱容量と熱抵抗とを容易に求めることが可能となる。
【００２８】
ただし、極端に深く埋設すると、地中温度と同様に地表面の温度変化を敏感に受けにくくなるため、地中温度の影響を受けないように埋設深さを事前に考慮する必要がある。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３０】
（１）光ファイバ分布型温度センサを道路内部に埋設するので車両等による衝撃や圧力から保護される。
【００３１】
（２）異なる深さでの温度分布から道路表面の温度分布を推定するので、道路表面上からでなくても道路表面の温度分布を正確に知ることができる。
【００３２】
（３）光ファイバ分布型温度センサを保護管等に入れなくてよいので、道路内部の温度分布が直接測定できる。
【００３３】
（４）熱容量及び熱抵抗を常時求めながら計測することによって、路面の磨耗等による熱容量及び熱抵抗の変化がある場合でも、その影響を受けずに道路表面の温度を求めることができる。
【００３４】
（５）場所ごとの熱容量及び熱抵抗を求めることによって、道路の舗装の仕方や種類等による場所ごとの熱容量及び熱抵抗の変化がある場合でも、その影響を受けずに道路表面の温度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す道路断面図である。
【図２】道路表面及び道路内部の深さ方向の熱の流れの等価回路図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す道路平面図（断面図付き）である。
【符号の説明】
１ＦＴＲ装置
２温度推定部
３地中側光ファイバ分布型温度センサ
４路面側光ファイバ分布型温度センサ
５道路表面

Claims

２本の光ファイバ分布型温度センサを道路内部の異なる深さに埋設し、道路表面の任意の位置における温度を、その位置における各深さでの温度と、道路表面及び各センサ間の熱容量及び熱抵抗と、一方の深さでの温度の時間的変化とから算出することにより、上記異なる深さでの温度分布から道路表面の温度分布を推定することを特徴とする路面温度測定方法。