JP5038220B2 - Fbg温度センサ - Google Patents
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- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Description
高温での温度測定は、一般的には熱起電力を利用した熱電対を温度センサとして用いる電気的測定が行われているが、熱電対を温度センサとして用いる場合、通常の工業的処理工程での工程監視及び工程制御技術やセキュリティ管理技術としては適用できるものの、可燃性ガスへの防爆性、耐電磁ノイズ対策、適用距離、保護管工事、適用可能点数等の面で妥協せざるを得ない点が多いのが実情である。
この技術は、光ファイバへレ−ザのパルス光(最小パルス幅は10ns程度)を入射させると生じるラマン後方散乱光を利用しており、(1)光ファイバ自体が温度センサであるので、格別の通信線を必要がなく、適用可能点数を多くすることができ、また(2)伝送損失が0.5dB/km程度と小さいので、長距離適用が可能であり、(3)検出手段が光であるので、防爆性や耐電磁ノイズ対策は不要で、(4)耐環境性及び耐久性については、シ−ス型熱電対と同様に金属管でカバ−する事が可能であるという熱電対の温度センサの各種欠点を克服している。その一方で、光ファイバに入射されたレ−ザ光で生じる微弱なラマン後方散乱光を検出手段としているので、数千回から数万回の平均化処理が不可欠で、温度分解能が±0.5℃と温度精度が比較的低く、また、応答時間が数秒から数十秒と時間かかる。さらに、最小パルス幅は10ns程度であるので、光ファイバ長さ1mの平均温度しか検出できないという欠点があった。
したがって、必要とする温度精度が低く、応答時間が長くてもよい工程監視技術やセキュリティ管理技術としては適用可能であるが、高い温度精度や距離分解能で短い応答時間が必要である工程制御技術としては適用出来ない場合があった。
上記FBG温度センサは、樹脂により被覆されているシングルモ−ド用の光ファイバ素線20を利用して、光ファイバを被覆する樹脂21を除去してグレーティングを施し、該コア22に縞状の屈折率の変化を付与している。
なお、光ファイバのコアはゲルマニウムがドープされた石英系ガラスであるが、これに縞状の屈折率の変化を付与するために、予め水素を吸収させレーザの干渉を利用して光ファイバのコアの長手方向に周期的なエネルギー強度の分布を与え、エネルギーの高い部分のコアにO−Hの結合を付与して屈折率の変化を与える技術がグレーティングである。
ここで、このグレーティングを備えた光ファイバにおいては、高温の加熱雰囲気中にH 2 Oが存在する場合には、該H 2 Oに光ファイバが曝されると予期せぬ部分に同様のO−H結合を生じる可能性があるため、グレーティングを有する光ファイバがH 2 Oに曝されないようにする必要がある。
そして、屈折率が変化している縞部の間隔を変化させることにより、異なるグレーティング部(例えば、図6中の符合23,24)を得ることができ、コアに白色光を入射させるとブラッグ反射が生じて各グレーティング部で特定の波長の光のみが反射される。図7に示すように、縞間隔の異なるグレーティング部では、異なる波長λ1,λ2の光がそれぞれ反射されるが、温度が上昇すると、これらの反射光はより高い波長のλ3,λ4にそれぞれシフトする。この波長のシフト量は温度に比例するため、これを利用して温度の測定を行うことができる。
この伝送損失の増加については、図8に示すように、FBG温度センサを80℃及び300℃の各温度域で適用した保持日数と損失値との関係から明らかである。80℃で適用したFBG温度センサは、光ファイバ素線の被覆樹脂及びグレーティング部を再被覆(リコ−ト)した樹脂としてUV硬化樹脂を使用したもので、被覆外径は0.25mmである。一方、300℃で適用したFBG温度センサは、光ファイバ素線の被覆樹脂及びリコートした樹脂としてポリイミド樹脂を使用したもので、被覆外径が0.15mmである。なお、図8のグラフにおいて、縦軸が伝送損失値を、横軸が保持日数をそれぞれ示しており、「300℃」は被覆樹脂としてポリイミド樹脂を使用したもの、「80℃」はUV硬化樹脂を使用したものである。
さらに、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁とセンサケーブルの外周面との間に隙間が形成された状態で挿入されているため、熱により金属管が膨張したとしても、該金属管よりも熱膨張率が低いセンサケーブルが金属管の膨張によって引っ張られることがなく、これにより、センサケーブルの切断を確実に防止することができる。
ここで「火焼」とは、樹脂の燃焼させることなく熱分解し、その熱分解により発生した熱分解ガス、特に水素ガスをパージしながら熱処理を施し、その熱処理した樹脂を低分子化された物質あるいは変質した物質として残存させることである。
(1)「燃焼現象」について
空気中の酸素によって生じる連鎖的な酸化反応であり、通常は発熱現象として反応が進行し、酸素が不足する状態にならない限りは継続する。この燃焼現象により発生する物質としては、二酸化炭素、窒素系ガスや水等があるが、燃焼現象が終了すると、基本的に燃焼した樹脂そのものは残存しない。
(2)「熱分解現象」について
物質を熱したときに起こる分解反応であり、炭素、酸素、水素や窒素等の高分子材である樹脂は、無酸素の雰囲気中で熱を受けることにより、熱分解ガスを発生しながら低分子化や変質が生じる。この熱分解現象自体は吸熱現象であり、加熱を続けなければ現象は停止する。熱分解現象によって発生する物質としては、一酸化炭素、メタン等の有機系ガス、窒素系ガスや水素等があり、加熱温度や加熱時間等の条件によって低分子化や変質内容は異なるが、熱分解を伴った樹脂は何らかの態様で残存させることができる。なお、加熱温度が高い場合は、炭素となって残存する。
樹脂被覆された光ファイバをFBG温度センサに使用する場合、上記燃焼現象が生じると、樹脂の燃焼中において該樹脂の熱膨張が不均一に生じてしまうため、熱膨張率が樹脂に比べて低い光ファイバが引っ張られ、該光ファイバに断線が発生してしまう可能性が極めて高い。また、燃焼現象によって樹脂が消失するため、光ファイバを保護するものが存在しなくなり、振動や衝撃によって光ファイバが破損するおそれがある。
一方で、FBGセンサの使用中に、光ファイバを被覆する樹脂に上記熱分解現象が生じると、熱分解ガス中の水素が光ファイバのコア4に吸収されてしまうため、伝送損失が増加し、実用上の問題を生じる。
そこで、FBG温度センサの適用温度以上で光ファイバを被覆する樹脂を燃焼させることなく熱分解することにより、光ファイバを被覆して保護するものを被覆材として残存させてクッションとして該光ファイバを振動等から守る一方、少なくともFBG温度センサの適用温度範囲内で発生する可能性がある熱分解ガスを予め除去し、該FBG温度センサの使用中に熱分解ガスが発生することを抑えることが肝要であり、この目的を実現するための熱処理を上記「火焼」としている。
上記火焼処理の対象となる樹脂としては、UV硬化樹脂、ナイロン樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、あるいはこれらの樹脂にガラス粉末などのセラミック粉末を添加したものが好適に使用され、FBG温度センサ1の適用温度に適合し、且つ該FBG温度センサ1の適用温度以上での火焼処理に耐え得る樹脂を選定することができる。また、リコートした部分については、除去した樹脂と同じ材質である事が好ましいが、強化を目的として異なる材質であってもよい。
即ち、図2に示すように、グレーティング及び樹脂のリコ−トが終了した火焼処理前の樹脂被覆付きの光ファイバ8をコイル状に巻装したボビンを供給機9に取付けて、該樹脂被覆付きの光ファイバ8を引張状態で該供給機9から巻取機10へ通し、この巻取機10により巻き取っていく。
このとき、巻き取られる樹脂被覆付きの光ファイバ8は、供給機9と巻取機10との間に配設された加熱炉11内を通過するが、被覆された樹脂は、該加熱炉11内にガス供給口11aから供給される所定のガス、例えば窒素ガス等の不活性ガスによって無酸素下で順次ムラなく加熱されて熱分解される一方で、樹脂の加熱によって生じた熱分解ガスが加熱炉11外にパージされることにより火焼処理される。その際、上記供給機9、巻取機10、加熱炉11に電線12で電気的に接続された制御盤13によって巻取速度や炉内温度等が調整されることにより、火焼温度や火焼処理時間等がFBG温度センサの適用温度や火焼処理の状況に応じて適宜調整される。そして、最終的には、上記巻取機10には、火焼処理が完了した樹脂である被覆材6が被覆された光ファイバ3、即ち上記センサケーブル2が巻き付けられることになる。
上記火焼処理においては、FBG温度センサ1の適用温度以上で加熱して光ファイバの被覆樹脂を熱分解させて、火焼処理した被覆材が確実に残存するように行うことが肝要であり、処理時間やガスの種類、処理速度は、火焼する樹脂の材質を考慮して適宜設定される。例えば、上記光ファイバ8の被覆樹脂としてポリイミド樹脂を使用した場合において、FBG温度センサ1の適用温度が650℃である場合、この被覆樹脂を650℃以上で加熱し、被覆材として残存する程度に熱分解させるように火焼処理する。
なお、上記図2に係る火焼処理の工程の場合は、通常使用されるFBG温度センサ用の光ファイバに既に被覆されている樹脂(リコート部分を含む)をそのまま利用しているので、長尺なものであってもスムーズに火焼処理を行うことができ、製造が比較的容易であるという利点がある。
なお、上記金属管7内にセンサケーブル2を挿通させるに際しては、例えば特開昭63−180922号公報に記載されているような振動挿通方法等、適当な方法が採用される。
上記隙間14は、金属管7の熱膨張により、該金属管の管内壁が管内のセンサケーブル2を圧迫したりあるいは金属管7と被覆材とが固着したりするなどして実質的に該センサケーブル2が金属管7に位置不動に拘束されることを防止するものであり、これにより、金属管7が熱膨張によって軸方向に延びた場合等に、該金属管よりも熱膨張率が低いセンサケーブル2が引っ張られるのを抑止し、金属管の熱膨張に伴う応力がセンサケーブル2に作用しないようにしている。
この隙間14は、実用的には最大で4mm程度が望ましく、センサケーブル2の太さに合わせて上記金属管7の内径を適宜設定することができる。また、上記隙間14内は、雰囲気を窒素やアルゴンなどの無酸素とすることが望ましいが、隙間14内に新しい空気が流入することを避けることができれば、例えば金属管の端部を気密にシールするなど、FBG温度センサの適用条件と製造コストとのバランスを考えて隙間14内の雰囲気の在り方を選択することができる。
そのための対策として、金属管7に比べて熱膨張率が小さいセンサケーブル2には、所定の余長率による余長を付与し、金属管7の熱膨張に伴う応力がセンサケーブル2に作用しないようにしている。
ここで、「余長」とは、FBG温度センサ1の一定の長さにおいて、センサケーブル2の金属管7の軸方向長さよりも長い部分のことである。
また「余長率」とは、金属管7の軸方向長さに対するセンサケーブル2の余長の割合を示すもので、「余長率(%)=(センサケーブル全体の長さ−金属管の軸方向長さ)/金属管の軸方向長さ×100」の式で表わされるものである。この余長率は、適用温度範囲、金属管7の熱膨張係数、隙間14の大きさ等を考慮して選定され、実用的には0.05%から1.3%で適当であり、センサケーブル2にはこの余長率に応じた余長を設けることが望ましい。
しかも、上記被覆材6が残存して光ファイバ3を保護し、クッションとして光ファイバを振動や衝撃を和らげるため、高い耐久性を保つことができる。
さらに、上記センサケーブル2は、上記金属管7内に非拘束且つ該金属管7の内周壁とセンサケーブル2の外周面との間に隙間14が形成された状態で挿入されているため、熱により金属管が膨張したとしても、該金属管7よりも熱膨張率が低いセンサケーブル2が金属管7の膨張によって引っ張られることがなく、したがって、金属管7の熱膨張に起因するセンサケーブル2の切断が確実に防止される。
金属管 : 外径1.2mm、肉厚0.2mm、ステンレス製。
光ファイバを被覆した樹脂 : 外径155μm、ポリイミド樹脂製。
リコートした部分 : 外径約160μm、ポリイミド樹脂製。
被覆材 : 元の樹脂層及びリコ−ト部を650℃で火焼処理した。
隙間 : 約0.6mm
余長率 : 1.1%
隙間内雰囲気 : 窒素
結果を図3にグラフに示す。なお、光ファイバには2つのグレーティング部が設けられているが、各グレーティングの波長のシフト量はほぼ同一であるので、図3のグラフには各温度における2つのグレーティング部の波長のシフト量を平均してプロットした。また、図3のグラフにおいて、縦軸は波長シフト量を、横軸はセンサの適用温度をそれぞれ示す。
なお、上記実施例1では、650℃で火焼処理した被覆材を使用しているが、樹脂の材質等を検討すればより高温の測定にも適用できる。一般の通信用光ファイバ通信に使用されている光ファイバ素線を使用している限りにおいては、上限としては、光ファイバの構成材料であるアモルファス状態にある石英系ガラスの結晶化温度850℃前後であるが、石英系ガラスと異なる材質のガラスで結晶化温度がより高い物が開発されれば、より高い温度測定に適用可能になる。
なお、この実施例2においては、各FBG温度センサの光ファイバの被覆樹脂にそれぞれ火焼処理を施した以外の条件については図8に示した従来のFBG温度センサとほぼ同じである。
結果を図4に示す。なお、図4のグラフは、縦軸が伝送損失値を、横軸が保持日数をそれぞれ示しているが、縦軸の数値は、図8の縦軸の数値と異なっている。また、グラフ中の「300℃処理」は被覆樹脂がポリイミド樹脂のものを300℃で火焼処理したもの、「80℃処理」は被覆樹脂がUV硬化樹脂のものを80℃で火焼処理したものである。
結果を図5のグラフに示す。なお、このグラフにおいては、縦軸は伝送損失値を、横軸は保持時間を示し、「実施例」はリコートをしたセンサケーブルを指す。
2 センサケーブル
3 光ファイバ
4 コア
4a,4b グレーティング部
5 クラッド
6 被覆材
7 金属管
8 火焼処理前の樹脂被覆付きの光ファイバ
9 供給機
10 巻取機
11 加熱炉
12 電線
13 制御盤
14 隙間
20 光ファイバ素線
21 樹脂
22 コア
23,24 グレーティング部
Claims (1)
- 光ファイバのコアにグレーティング部が形成されて外周面が被覆材により被覆されたセンサケーブルを金属管内に挿通させた構成のFBG温度センサにおいて、
上記被覆材は、上記FBG温度センサの適用温度以上で樹脂を無酸素雰囲気下で火焼処理して形成されていると共に、上記センサケーブルは、上記金属管内に非拘束且つ該金属管の内周壁とセンサケーブルの外周面との間に隙間が形成された状態で挿入されて、80℃を越えて使用されることを特徴とするFBG温度センサ。
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