JP5305032B2

JP5305032B2 - 光ファイバ分布型温度測定装置

Info

Publication number: JP5305032B2
Application number: JP2009205493A
Authority: JP
Inventors: 久夫阿川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: JP2011058815A

Description

本発明は、ラマン後方散乱光を利用した光ファイバ分布型温度測定装置に関し、詳しくは、センサ用光ファイバの損失劣化度（ＳＩＦ: Signal Impairment Factor）の測定改善に関する。

光ファイバをセンサとして用いた分布型測定装置の一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された温度測定装置がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。

後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、入射光の波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光がある。

光ファイバ分布型温度測定装置は、ストースク光とアンチストークス光の強度を測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備の温度管理、防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。

図４は、このような光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。図４において、光源１は光分波器２の入射端に接続され、光分波器２の入出射端には光ファイバ３が接続され、光分波器２の一方の出射端には光電変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器という）４ｓが接続され、光分波器２の他方の出射端にはＯ／Ｅ変換器４ａが接続されている。

Ｏ／Ｅ変換器４ｓの出力端子にはアンプ５ｓおよびＡ／Ｄ変換器６ｓを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４ａの出力端子にはアンプ５ａおよびＡ／Ｄ変換器６ａを介して演算制御部７に接続されている。なお、演算制御部７は、光源１にも接続されている。

光源１としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、演算制御部７からのタイミング信号に対応してパルス光を出射する。光分波器２は、その入射端に光源１から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ３に出射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光とアンチストークス光に波長分離する。光ファイバ３は、その入射端から光分波器２から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器２に向けて出射する。

Ｏ／Ｅ変換器４ｓおよび４ａとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、Ｏ／Ｅ変換器４ｓには光分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光が入射され、Ｏ／Ｅ変換器４ａには光分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光が入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。

アンプ５ｓおよび５ａは、Ｏ／Ｅ変換器４ｓおよび４ａから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａは、アンプ５ｓおよび５ａから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。

演算制御部７は、Ａ／Ｄ変換器６ｓおよび６ａから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の２成分、すなわち、ストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ３に沿った温度分布を表示手段（図示せず）に表示する。なお、演算制御部７にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部７は、光源１にタイミング信号を送り、光源１から出射される光パルスのタイミングを制御する。

次に温度分布測定の原理を説明する。ストークス光およびアンチストークス光の信号強度を光源１における発光タイミングを基準にした時間の関数として表すと、光ファイバ３中の光速が既知であるので、光源１を基準にして光ファイバ３に沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、横軸を距離とし、光ファイバの各距離地点で発生したストークス光およびアンチストークス光の強度、つまり距離分布とみなすことができる。

一方、ストークス光強度Ｉｓとアンチストークス光強度Ｉａはいずれも光ファイバ３の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉｓ／Ｉａも光ファイバ３の温度に依存する。したがって、強度比Ｉｓ／Ｉａが分かればラマン散乱光が発生した箇所の温度を知ることができる。ここで、強度比Ｉｓ／Ｉａは距離ｘの関数Ｉｓ（ｘ）／Ｉａ（ｘ）であるから、この強度比Ｉｓ（ｘ）／Ｉａ（ｘ）から光ファイバ３に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。

光ファイバ分布型温度測定装置に関連する先行技術文献としては、次のようなものがある。

特開２００９−１１５５６８号公報

ところで、図４の構成で得られるストークス光強度とアンチストークス光強度のデータを用いて、センサ用光ファイバのＳＩＦを求めることが行われている。

図５は図４の構成における特性例図であり、Ａは温度測定結果を示し、ＢはＳＩＦ計算結果を示している。図５の特性例図において、距離３１０ｍ付近に往復で０．２ｄＢ程度の光ファイバの損失劣化部分が現れている。

また、温度が変化している箇所のＳＩＦの値に注目すると、パルス状に変化していることが分かる。これは、光ファイバ温度の影響を無くすために、ストークス光強度をアンチストークス光強度で補正しているが、温度の影響を完全に打ち消すことができないため、損失計算の結果が光ファイバの温度変化の影響を受けているものと考えられる。

本発明はこのような課題を解決するもので、その目的は、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、ＳＩＦを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を提供することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光ファイバのラマン後方散乱光に基づき温度を測定するように構成され、前記光ファイバの温度変化の影響を補正して前記光ファイバの損失劣化度を演算する損失劣化度演算手段を設けた光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記損失劣化度演算手段は、
前記光ファイバの損失劣化評価関数として用いるＳＩＦ演算式を格納するＳＩＦ演算式格納部と、
前記ラマン後方散乱光におけるストークス光強度の測定結果を格納するストークス光強度測定部と、
前記ストークス光強度測定部に格納されているストークス光強度の測定結果を前記ＳＩＦ演算式格納部に格納されている演算式に代入して、ＳＩＦを求めるための演算を行う代入式演算部、
を含むことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記損失劣化度演算手段は、
さらに、前記ＳＩＦの値が距離と無関係になるように設定する基準ＳＩＦ設定部を含むことを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバ分布型温度測定装置において、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、ＳＩＦを測定評価できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。図１のデータ補間部７１の具体例を示すブロック図である。図１の特性例図である。従来の光ファイバ分布型温度測定装置の一例を示すブロック図である。従来の特性例図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図４と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明は省略する。図１と図４の相違点は、図１では演算制御部７に図２に示すような光ファイバの温度変化の影響を補正して光ファイバの温度変化の影響を受けることなく光ファイバの損失劣化度を演算する損失劣化度演算部７１を設けていることである。

図２は、損失劣化度演算部７１の具体例を示すブロック図である。損失劣化度演算部７１には、ＳＩＦ演算式格納部７１ａと、ストークス光強度測定部７１ｂと、代入式演算部７１ｃと、基準ＳＩＦ設定部７１ｄが設けられている。

ＳＩＦ演算式格納部７１ａには、測定位置（z）における損失劣化評価関数として用いる（1）式が格納されている。

（１）式において、
Is(z):測定位置（z）でのストークス光強度(W)
ｈ:プランク定数6.626×10^-34 Js
Ｃ:光速3×10⁸ (m/s)
ν:ラマンシフト量
ｋ:ボルツマン定数1.3806×10^-23 JK-¹
Ｔ(z) :測定位置（z）における測定温度(K)
α_N：ストークス光におけるファイバ損失の基準値（dB/km）
SIF｜ref：基準位置でのSIF計算値(dB)
である。

ストークス光強度測定部７１ｂには、次式で求められるラマン後方散乱光におけるストークス光強度Ｉｓが格納されている。

（２）式において、
α(z): 光源から距離(z)までの光ファイバの往復の損失量
β：光源のレベル等に依存する定数
である。

代入式演算部７１ｃは、ストークス光強度測定部７１ｂに格納されているストークス光強度の測定結果をＳＩＦ演算式格納部７１ａに格納されている（１）式に代入して、ＳＩＦを求めるための演算を行う。これにより、ＳＩＦは（３）式のようになる。

（３）式に示すように、（１）式における温度（Ｔ）の項が打ち消される。また、光ファイバの損失α（ｚ）が基準値どおりの場合には、（４）式のようになる。

そして、基準ＳＩＦ設定部７１ｄは、SIF｜ref＝log(β)になるようにSIF｜refを設定する。この結果、ＳＩＦの値は距離に関係無くゼロとなる。もし光ファイバ損失が基準値と異なった場合、ＳＩＦの値はファイバ損失の基準値との差分が求められることになる。

図３は本発明の構成に基づく特性例図であり、Ａは温度測定結果を示し、ＢはＳＩＦ計算結果を示している。図１の特性例図においても、図５と同様に、距離３１０ｍ付近に往復で０．２ｄＢ程度のファイバの損失劣化部分が現れている。

ところが、温度が変化している箇所のＳＩＦの値に注目すると、図５のようなパルス状の変化は現れていない。これにより、ＳＩＦの値は温度変化の影響を受けておらず、純粋に光ファイバの基準値からの偏差分のみが測定できていることが分かる。

すなわち、光ファイバ敷設時の光ファイバ損失値を基準値に設定した場合、ＳＩＦの値は光ファイバ敷設時からの劣化分を示すことになる。

以上説明したように、本発明によれば、センサ用光ファイバの温度変化の影響を受けることなく、ＳＩＦを測定評価できる光ファイバ分布型温度測定装置を実現でき、光ファイバをセンサとした温度分布測定や故障検出などに好適である。

１光源
２光分波器
３光ファイバ
４ｓ，４ａＯ／Ｅ変換器
６ｓ，６ａＡ／Ｄ変換器
７演算制御部
７１損失劣化度演算部
７１ａＳＩＦ演算式格納部
７１ｂストークス光強度測定部
７１ｃ代入式演算部
７１ｄ基準ＳＩＦ設定部

Claims

光ファイバのラマン後方散乱光に基づき温度を測定するように構成され、前記光ファイバの温度変化の影響を補正して前記光ファイバの損失劣化度を演算する損失劣化度演算手段を設けた光ファイバ分布型温度測定装置において、
前記損失劣化度演算手段は、
前記光ファイバの損失劣化評価関数として用いるＳＩＦ演算式を格納するＳＩＦ演算式格納部と、
前記ラマン後方散乱光におけるストークス光強度の測定結果を格納するストークス光強度測定部と、
前記ストークス光強度測定部に格納されているストークス光強度の測定結果を前記ＳＩＦ演算式格納部に格納されている演算式に代入して、ＳＩＦを求めるための演算を行う代入式演算部、
を含むことを特徴とする光ファイバ分布型温度測定装置。
前記損失劣化度演算手段は、
さらに、前記ＳＩＦの値が距離と無関係になるように設定する基準ＳＩＦ設定部を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ分布型温度測定装置。