JP4954687B2

JP4954687B2 - 光ファイバセンサケーブル

Info

Publication number: JP4954687B2
Application number: JP2006327962A
Authority: JP
Inventors: 志明田中; 忠嘉佐山; 毅下道
Original assignee: Fujikura Ltd; Neubrex Co Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd; Neubrex Co Ltd
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: JP2008139238A

Description

本発明は、水圧の変化を高分解能ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）によるブリルアン散乱光の周波数シフト量から歪変化として検知し、水圧分布の異常を検出する光ファイバセンサケーブルに関し、特に、水圧、長手方向の歪、温度の分布を一度に計測可能な構造を有する光ファイバセンサケーブルに関する。

地下に存在するガスおよび油等備蓄貯槽の気密性能を確保するためには、貯蓄槽周辺の岩盤内又は貯蓄槽内の水圧分布を計測し、水封機能が確保されていることを常時監視することが重要である。

現在、これらの水圧分布に関する測定方法の一つとして、分布型光ファイバ歪センサ（又は光ファイバ圧力センサ）を用いた水圧計が挙げられる。分布型光ファイバ歪センサを用いた水圧計は、光ファイバ（もしくは光ファイバケーブル）の全体が水圧計として機能するものであり、ＢＯＴＤＲ、ＢＯＴＤＡ法等により、水圧により光ファイバに加わる歪を測定することで、水圧計として使用されている。

現在までに、分布型光ファイバ歪センサに関して、例えば、特許文献１〜５に開示された技術が提案されている。
特許文献１には、中心導体の外周に順に内部半導電層、絶縁層、外部半導電層、遮蔽層、及びケーブルシースを有してなる高電圧用電力ケーブルに、前記遮蔽層の一部にその長手方向に沿いかつ螺旋巻きあるいはＳＺ巻きした光ファイバを少なくとも一本設けた構造の分布型歪センサーが開示されている。
特許文献２には、被検出圧力により変形可能な可撓性材の太丸線状支持体と、その支持体上にスパイラル状に巻かれた光ファイバとを具備した圧力センサ用光ファイバケーブルが開示されている。
特許文献３には、外皮を形成する樹脂中に長手方向の歪検出用の内部光ファイバを埋設収納してなる断面扁平の光ファイバ収納部と、この光ファイバ収納部の断面長手方向両側を膨出させて形成され、前記外皮を形成する樹脂中に抗張力体を埋設固定してなる一対の抗張力体収納部とを備えた光ファイバケーブルが開示されている。また、特許文献３の図３（ｂ）には、抗張力体となる保護管内に温度補償用光ファイバを設けた構成が開示されている。
特許文献４には、歪検知用光ケーブルを測定対象物上に弛みのない状態で間欠的に固定し、ブリルアン散乱光を用いたＯＴＤＲ手法により前記歪検知用光ケーブルにおける歪分布を測定することによって、前記測定対象物における歪を検知する歪検知装置において、温度補償用光ファイバを金属管内に余長を有する状態で収容してなる温度補償用光ケーブルが、前記歪検知用光ケーブルと平行に配された状態で、前記測定対象物上に間欠的に固定された歪検知装置が開示されている。
特許文献５には、光ファイバ心線をセンサとし、該光ファイバ中のブリルアン散乱光を用いて光ファイバケーブルの歪分布を測定する歪分布測定システムにおいて、光ファイバ心線の温度分布を測定し、光ファイバ心線のブリルアン散乱光分布測定結果の温度補正を行い光ファイバケーブルの歪分布を導出する測定システムが開示されている。
特許第２７４６４２４号公報特開平６−４３０５６号公報特開２００２−４８５１５号公報特開２００２−２６７４２５号公報特開平１１−１７３９４３号公報

しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題があった。
図１は、特許文献１及び２に開示されている従来の分布型光ファイバ歪センサ（以下、歪センサと記す。）の概要を示し、（ａ）は歪センサの概略断面図、（ｂ）はその部分拡大図である。この従来の歪センサ１は、パイプ２の外面に１本以上の光ファイバ３を撚り合わせ、これらをシース４内に収容した構造になっている。布設環境下において光ファイバ３に印加される歪は、図１（ｂ）のようにケーブル径方向については水圧による歪＋自重による伸び歪が加わる。図１に示した従来構造の場合、得られる歪計測値は水圧による歪と長手方向での伸び歪を切り分けられず、目的とする水圧分布のみを歪情報として得ることが不可能である。水圧変化に伴う歪分布を得るためには、別途もう１本の歪計測用ケーブルを布設し、ケーブル自重による伸び歪を計測する必要があった。

また、特許文献３〜５には、歪検知用光ファイバと温度補償用光ファイバとを並設した構造が記載されており、これによって歪検知用光ファイバに加わる温度変化に起因した歪を補償し、これによって幾分正確な歪計測値を得ることができる。しかしながら、特許文献３〜５に開示された従来技術についても、得られる歪計測値は水圧による歪と長手方向での伸び歪を切り分けられず、目的とする水圧分布のみを歪情報として得ることが不可能である。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、より正確な歪計測が可能な光ファイバセンサケーブルの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、チューブ内に抗張力繊維とともに、ケーブルの伸びや水圧による影響を受けないように、ルース構造として収納された温度補償用光ファイバと、該チューブの外面に撚り合わせた水圧計測用光ファイバと、該チューブに抗張力体とともに並設された伸び歪計測用光ファイバと、これらを一括被覆したシースとを有することを特徴とする光ファイバセンサケーブルを提供する。

本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、前記シースが、２つの丸型シース部を有する断面眼鏡型とされ、その一方の丸型シース部に前記チューブと前記水圧計測用光ファイバとが収納され、他方の丸型シース部に前記伸び歪計測用光ファイバとその周囲に添設された抗張力体とが埋設されてなることが好ましい。

前記光ファイバセンサケーブルにおいて、前記抗張力体が、チューブ状をなしており、該チューブ状抗張力体の内部に前記伸び歪計測用光ファイバが埋設された構成としてもよい。

本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、外面に前記水圧計測用光ファイバを撚り合わせた前記チューブの外側に、２本の前記伸び歪計測用光ファイバが該チューブの径方向に対向する両側に並設され、該伸び歪計測用光ファイバの外側にそれぞれ抗張力体が並設され、これらをシースで一括被覆してなる構成としてもよい。

本発明の光ファイバセンサケーブルは、チューブ内に抗張力繊維とともに収納された温度補償用光ファイバと、該チューブの外面に添設された水圧計測用光ファイバと、該チューブに抗張力体とともに並設された伸び歪計測用光ファイバと、これらを一括被覆したシースとを有する構成としたので、このセンサケーブルを水圧分布等を計測する被計測地点に布設し、（１）水圧計測用光ファイバ、（２）伸び歪計測用光ファイバ及び（３）温度補償用光ファイバのそれぞれに加わる歪を、高分解能ＢＯＴＤＡ等により計測し、これらの計測値から、（１）水圧計測用光ファイバに加わる歪−（２）伸び歪計測用光ファイバに加わる歪−（３）温度補償用光ファイバに加わる歪＝水圧による歪、の式によって水圧による歪のみを正確に計測することができる。

以下、図面を参照して本発明の光ファイバセンサケーブルの実施形態を説明する。
図２は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第１実施形態を示す図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ａは、ポリアミド樹脂製のチューブ１１内に、アラミド繊維などの抗張力繊維１２とともにルースに収納された温度補償用光ファイバ１３と、該チューブ１１の外面に撚り合わせた水圧計測用光ファイバ１４と、該チューブ１１に抗張力体１５とともに並設された伸び歪計測用光ファイバ１６と、これらを一括被覆したポリウレタン製のシース１７とを有する構成になっている。

前記シース１７は、２つの丸型シース部を有する断面眼鏡型とされ、その一方の丸型シース部には、温度補償用光ファイバ１３が収納されたチューブ１１とその外面に撚り合わされた水圧計測用光ファイバ１４とが収納され、他方の丸型シース部には、伸び歪計測用光ファイバ１６とその両側に添設された２本の抗張力体１５とが埋設されている。

本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ａは、チューブ１１の外面に螺旋状に撚り合わせた水圧計測用光ファイバ１４で水圧による歪と自重による伸び歪（ケーブル長手方向の歪）を測定し、ルース構造とした温度補償用光ファイバ１３で温度変化による歪を測定し、充実構造とした伸び歪計測用光ファイバ１６で自重による伸び歪（ケーブル長手方向の歪）を測定することで、自重による長手方向の伸び歪、温度変化による歪変化分を独立して測定することが可能となる。前記各光ファイバの歪量を計測するには、高分解能ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）によるブリルアン散乱光の周波数シフト量から求めることができる。

そして、これらの歪分を水圧計測用光ファイバ１４によって計測した歪量（自重による伸び歪＋温度変化による歪＋水圧による歪）から差し引くことで、純粋な水圧による歪量を算出することができる。抗張力体１５の存在により、伸び歪計測用光ファイバ１６には、水圧による歪が加わらない。

本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ａにおいて各光ファイバに加わる歪は、下記の通りである。
（１）水圧計測用光ファイバ１４に加わる歪は、水圧による歪＋自重による歪＋温度変化による歪である。
（２）伸び歪計測用光ファイバ１６に加わる歪は、自重による伸び歪＋温度変化による歪である。
（３）温度補償用光ファイバ１３に加わる歪は、温度変化による歪である。

従って、（１）水圧計測用光ファイバ１４に加わる歪−（２）伸び歪計測用光ファイバ１６に加わる歪−（３）温度補償用光ファイバ１３に加わる歪＝水圧による歪、の式によって、水圧による歪のみを計測することができる。

温度補償用光ファイバ１３は、ケーブルの伸びや水圧による影響を受けないように、ルース構造とし、抗張力繊維１２、例えばアラミド繊維を配することで心線移動による位置情報のズレを防いでいる。

伸び歪計測用光ファイバ１６の周囲に配した抗張力体１５には、接着剤を塗布したアラミドＦＲＰを使用している。この抗張力体１５は、水圧による変形を防ぐのが目的であるため、シース１７と密着しさえすれば、鋼線でもよいが、その場合、水分の存在による錆の発生を防ぐため、防食加工を施した鋼線を用いることが望ましい。

水圧計測用光ファイバ１４及び伸び歪計測用光ファイバ１６の本数は限定されず、それぞれ１本でもよいし、２本以上用いてもよい。

図３は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第２実施形態を示す図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ｂは、図２に示す第１実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ａとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、前記抗張力体１５がチューブ状をなしており、該チューブ状抗張力体１５の内部に伸び歪計測用光ファイバ１６が埋設された点が異なっている。

本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ｂは、前記第１実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ａと同じく、（１）水圧計測用光ファイバ１４に加わる歪−（２）伸び歪計測用光ファイバ１６に加わる歪−（３）温度補償用光ファイバ１３に加わる歪＝水圧による歪、の式によって、水圧による歪のみを計測することができる。また、チューブ状抗張力体１５を用いたことによって、その内部に配した伸び歪計測用光ファイバ１６への水圧による影響をより確実になくすことができ、測定精度を向上できる。

図４は、本発明の光ファイバセンサケーブルの第３実施形態を示す図である。本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ｃは、ポリアミド樹脂製のチューブ１１内に、アラミド繊維などの抗張力繊維１２とともにルースに収納された温度補償用光ファイバ１３と、該チューブ１１の外面に撚り合わせた水圧計測用光ファイバ１４と、該チューブ１１に抗張力体１５とともに並設された伸び歪計測用光ファイバ１６と、これらを一括被覆したポリウレタン製のシース１７とを有してなり、外面に前記水圧計測用光ファイバを撚り合わせたチューブ１１の外側に、２本の伸び歪計測用光ファイバ１６がチューブ１１の径方向に対向する両側に並設され、該伸び歪計測用光ファイバ１６の外側にそれぞれ抗張力体１５が並設され、これらをシース１７で一括被覆した構成になっている。

本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ｃは、螺旋状に撚り合わせた水圧計測用光ファイバ１４で水圧による歪と自重によるケーブル長手方向の歪を測定し、ルース構造とした温度補償用光ファイバ１３で温度変化による歪を測定し、充実構造とした伸び歪計測用光ファイバ１６で自重による伸び歪（ケーブル長手方向の歪）を測定することで、自重による長手方向の伸び歪、温度変化による歪変化分を独立して測定することが可能となる。前記各光ファイバの歪量を計測するには、高分解能ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）によるブリルアン散乱光の周波数シフト量から求めることができる。

そして、これらの歪分を水圧計測用光ファイバ１４によって計測した歪量（自重による伸び歪＋温度変化による歪＋水圧による歪）から差し引くことで、純粋な水圧による歪量を算出することができる。抗張力体１５の存在により、伸び歪計測用光ファイバ１６には、水圧による歪が加わらない。また、抗張力体１５と伸び歪計測用光ファイバ１６を並列させることで、伸び歪計測用光ファイバ１６の中心がケーブルの曲げ中立点（図４中破線で示す）となり、ケーブルに曲げが加わった場合でも、伸び歪計測用光ファイバ１６には曲がりによる伸び・圧縮歪が加わらず、ケーブル自重による長手方向歪のみを計測することが可能となる。

本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０Ｃにおいて各光ファイバに加わる歪は、下記の通りである。
（１）水圧計測用光ファイバ１４に加わる歪は、水圧による歪＋自重による歪＋温度変化による歪である。
（２）伸び歪計測用光ファイバ１６に加わる歪は、自重による伸び歪＋温度変化による歪である。
（３）温度補償用光ファイバ１３に加わる歪は、温度変化による歪である。

伸び歪計測用光ファイバ１６の外側に配した抗張力体１５には、接着剤を塗布したアラミドＦＲＰを使用している。この抗張力体１５は、水圧による変形を防ぐのが目的であるため、シース１７と密着しさえすれば、鋼線でもよいが、その場合、水分の存在による錆の発生を防ぐため、防食加工を施した鋼線を用いることが望ましい。

抗張力体１５と伸び歪計測用光ファイバ１６とは、近接した状態で並列させることが望ましい。

従来の歪センサの一例を示し、（ａ）は歪センサの概略断面図、（ｂ）はその部分拡大図である。本発明の光ファイバセンサケーブルの第１実施形態を示す横断面図である。本発明の光ファイバセンサケーブルの第２実施形態を示す横断面図である。本発明の光ファイバセンサケーブルの第３実施形態を示す横断面図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…光ファイバセンサケーブル、１１…チューブ、１２…抗張力繊維、１３…温度補償用光ファイバ、１４…水圧計測用光ファイバ、１５…抗張力体、１６…伸び歪計測用光ファイバ、１７…シース。

Claims

チューブ内に抗張力繊維とともに、ケーブルの伸びや水圧による影響を受けないように、ルース構造として収納された温度補償用光ファイバと、該チューブの外面に撚り合わせた水圧計測用光ファイバと、該チューブに抗張力体とともに並設された伸び歪計測用光ファイバと、これらを一括被覆したシースとを有することを特徴とする光ファイバセンサケーブル。
前記シースが、２つの丸型シース部を有する断面眼鏡型とされ、その一方の丸型シース部に前記チューブと前記水圧計測用光ファイバとが収納され、他方の丸型シース部に前記伸び歪計測用光ファイバとその周囲に添設された抗張力体とが埋設されてなることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサケーブル。
前記抗張力体が、チューブ状をなしており、該チューブ状抗張力体の内部に前記伸び歪計測用光ファイバが埋設されたことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサケーブル。
外面に前記水圧計測用光ファイバを撚り合わせた前記チューブの外側に、２本の前記伸び歪計測用光ファイバが該チューブの径方向に対向する両側に並設され、該伸び歪計測用光ファイバの外側にそれぞれ抗張力体が並設され、これらをシースで一括被覆してなることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサケーブル。