JP5171623B2 - 光ファイバーひずみ調整型材料変化センサー - Google Patents
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Description
好適な実施形態において、本発明は、プロセス用機器での腐食減肉比率、腐食タイプ、および腐食種を計測すると共に、安全で信頼性の高い動作を損なわないようにプロセスフィードおよび条件を制御して歩留まりおよび機器の寿命を最大化するための方法およびシステムを含む。
第2の例は、変化プロセスが、流れる流体媒体内の分散された固相材料による侵食である材料変化センサーである。このセンサーの実施形態は、材料損失メカニズムが流体中での分散された固相の衝突による変化センサー要素の侵食であることを除けば、腐食センサーの実施形態と非常に類似している。腐食センサーの変化センサー要素材料と不変センサー要素材料とを区別する1つの特性は流体に対する腐食耐性につながる合金組成であり、一方、侵食センサーの場合、1つの重要な特性は材料の硬度である。材料は金属に限定する必要はなく、セラミック、重合体、および複合材でもよい。
第3の例は、変化プロセスが変化センサー要素への材料の堆積による変化センサー要素の熱伝導率の変化である材料変化センサーである。先に説明した2つの例とは異なり、ブラッグ回折格子の反射スペクトルのシフトが計測された場合、それは変化センサー要素の材料の熱伝導率の変化の結果として発生するひずみ変化ではなく回折格子での温度の変化に起因したものである。1つの用途は、直火式加熱炉チューブの汚損の検出である。チューブは外部から加熱され、チューブ内部のプロセス流体の流動によって対流的に冷却される。従って、チューブの金属の温度は、チューブ壁の熱伝達特性によってある程度決定される。一般に汚損(fouling)と呼ばれる、熱的に劣化したプロセス流体のチューブ壁への不要な堆積は熱伝達を減少させ、チューブの外側表面の熱が上昇する。この熱上昇は、チューブの内側に堆積された付着物に対して局部的に発生する。多数の汚損センサーを分散させて使用することで、初期の汚損の兆候とその位置を特定することができる。
第4の例は、変化プロセスが、流体媒体を含む1つ以上の化学種の吸着または吸収による変化センサー要素の強度の変化である材料変化センサーである。化学種の例としては、大気中の水が挙げられる。1つの用途は、加熱パイプラインを覆う断熱材のもとでの水の浸入を検出することである。変化センサー要素は、重合体、セラミック、または複合材とすることができる。これらの材料は水蒸気に対して選択的であり、これらの材料の構造は、水の吸着または吸収に応じて可逆的に変化し、腐食センサーの例で説明したように変化センサー要素および不変センサー要素の組み合わせとセンサー位置での温度とによってファイバー上に生じるひずみを変化させるという結果をもたらす。
Claims (22)
- 媒体内の光センサーであって、
a)光ファイバー;
b)前記光ファイバー内のファイバー回折格子;
c)第1の熱膨張係数を有し、前記媒体によって特性が変化し得る、変化要素と呼ばれる第1の要素;
d)前記第1の熱膨張係数とは異なる第2の熱膨張係数を有し、前記媒体によって前記特性が変化しない、前記第1の要素に固定された、不変要素と呼ばれる第2の要素;および
e)前記第2の要素および前記光ファイバーに固定された少なくとも1つのひずみ調整要素
を備え、
前記光ファイバーは、前記第1および第2の要素に接触せず、
前記ひずみ調整要素は、前記媒体の温度における、前記第1および第2の熱膨張係数の違いに起因する前記第2の要素のひずみの変化を、前記ファイバー回折格子に伝達し、
前記ひずみ調整要素は、前記第1および第2の熱膨張係数の違いを補正するように、前記ファイバー回折格子上での軸方向のひずみを調整する手段からなり、
前記第1の要素の特性の変化は、前記媒体の温度において、前記ひずみ調整要素で前記ファイバー回折格子上のひずみを変化させるための手段である
ことを特徴とする光センサー。 - 前記第1の要素、前記第2の要素および前記ひずみ調整要素が結合して、前記光ファイバーに主として軸方向のひずみを加えることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記変化要素は、前記媒体内で腐食する材料を含む腐食性要素であることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記不変要素は、前記媒体内で腐食しない材料を含む非腐食性要素であることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記第1の要素は、前記媒体の吸収によって変化し得ることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記第1の要素は、前記媒体の反応によって変化し得ることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記第1の要素は、前記媒体の分解によって変化し得ることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記第1の要素は、前記媒体の吸着によって変化し得ることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記第1の要素は、前記媒体により引き起こされた材料の損失によって変化し得ることを特徴とする請求項1に記載の光センサー。
- 前記不変要素は、前記ファイバーと前記変化要素の間に配置されることを特徴とする請求項4に記載のセンサー。
- 前記変化要素および前記不変要素は、それらの熱膨張が相互に抑制されるように、それらの相互接触面の全体で結合されることを特徴とする請求項4に記載のセンサー。
- 前記少なくとも1つのひずみ調整要素は、前記不変要素内に封入されることを特徴とする請求項11に記載のセンサー。
- 前記少なくとも1つのひずみ調整要素は、前記光ファイバー内回折格子を支持することを特徴とする請求項12に記載のセンサー。
- 前記ファイバー内回折格子を、前記回折格子の各端に1つずつ配置された2つの前記ひずみ調整要素が支持することを特徴とする請求項13に記載のセンサー。
- 前記変化要素は、前記ファイバーおよび前記ひずみ調整要素を完全に取り囲んでいることを特徴とする請求項11に記載のセンサー。
- 前記媒体の温度において、前記変化要素は主として圧縮された状態にあり、不変要素は主として伸張状態にあることを特徴とする請求項11に記載のセンサー。
- 前記変化要素の前記圧縮は、前記変化要素が変化すると緩和されることを特徴とする請求項16に記載のセンサー。
- 前記変化要素は、前記不変要素、前記ファイバーおよび前記ひずみ調整要素を完全には取り囲んでいないことを特徴とする請求項11に記載のセンサー。
- 前記結合された変化要素および不変要素は、主として曲げモーメントをもたらすことを特徴とする請求項18に記載のセンサー。
- 前記変化要素は、変化の前には実質的に一定の半径を有することを特徴とする請求項4に記載のセンサー。
- 前記変化要素は、変化の前には主に双円錐先細り部を有することを特徴とする請求項4に記載のセンサー。
- 前記回折格子は、ブラッグ回折格子であることを特徴とする請求項1に記載のセンサー。
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