JP5563086B2 - 燃料中の水分センサ - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は、液体燃料中に溶解した添加剤の量を検出するためのセンサに関する。たとえば、この発明は、航空機燃料（灯油）中の水分の存在を検出するための装置に用いられ得る。

発明の背景
一般に、石油から生成される液体燃料（たとえばガソリン、ディーゼル、灯油）は、ある特性を高める（たとえば取扱を容易にする、または性能を改善する）ために、その中に溶解した化学添加剤を有する。そのような添加剤の比率は非常に小さく（たとえば１００ｐｐｍ未満）あり得るが、燃料が所望の特性を示すことを確保するために、注意深く管理される必要があり得る。

水は通常では添加剤として用いられないが、普通は液体燃料に僅かな量で存在する。燃料中において、水は、燃料に溶解した状態、分離水の相（遊離水として知られる）の状態、あるいは燃料水エマルション（fuel-water emulsion）の３つの状態で存在し得る。使用時における遊離水または燃料水エマルションの存在は、特に、水の凍結の可能性が増大する航空機の分野において問題を引き起こし得る。遊離水または燃料水エマルションの発生のリスクの目安を与えるために、燃料中に溶解する水分の量をモニタすること、たとえば、燃料がどの程度飽和に近付いているかを測定することが望ましい。

溶解していない水を検出するための、燃料中の水分センサがこれまでに提案されている。たとえば、米国特許第４，６３８，３０５号は、その抵抗特性を検出することによって、燃料中の遊離水を検出するための装置を記述する。同様に、米国特許第５，６４２，０９８号は、エマルションの誘電特性をモニタすることにより、油中水エマルション中の水分を検出することを記述する。光学的技術もまた提案されてきた。たとえば、米国特許第５，１２１，９８６号は、燃料中に複数の光ガイドを浸すことを記述するが、各々のガイドは、そのガイドを伝搬する光の強度変化を比較するあるいは相互に関連付けることによって、含まれる水分が検出可能とするように、異なる屈折率を有する。

最近になって、長周期格子（ＬＰＧ）を含むシリカ系光ファイバにおける水分感度コーティングを用いて、灯油に溶解した水を検出する技術が示された［１］。ここでは、水の存在は、そのコーティングの屈折率変化をもたらし、それによって、ＬＰＧ光ファイバはスペクトル損失素子として動作する。燃料中に溶解した水の量を検出するために、透過スペクトルにおける減衰帯域の中心波長がモニタされる。

発明の概要
最も一般的には、この発明は、化学物質が液体燃料中に溶解している場合に、その化学物質を検出するために、光ファイバの光学的特性において検出可能な変化を生成するための手段としての、化学物質に対して感度を有する材料から光ファイバを製造することを提案する。すなわち、化学物質の存在は、固有の方法で、光ファイバの光学的特性に影響を与える。これは、光ファイバを用いて中間体における変化が検出される従来のセンサと区別可能である。

対象の特定の局面において、この発明は、液体燃料中の水分を検出するように適合された、透水性材料からなるポリマー光ファイバを提供し得る。

この局面によると、以下の構成を有する燃料中の水分センサが提供され得る。燃料中の水分センサは、燃料中に浸すためのプローブを備え、プローブは光放射を導くためのコーティングされていないポリマー光ファイバ（ＰＯＦ）を備え、ＰＯＦは透水性のプラスチック材料からなるとともに格子部分を有し、格子部分は、特有の反射または透過プロファイルを示す周期的な屈折率変調を有する。センサは、さらにプローブに光学的に結合されてＰＯＦに光放射を届けるための光源と、検出器とをさらに備える。検出器は格子部分から反射され、または格子部分により透過された光放射を受けて、格子部分の特有の反射または透過プロファイルをモニタするように構成される。使用において、コーティングされていないポリマー光ファイバは燃料に直接的にさらされる。ＰＯＦの構成材料の透水性は、ファイバへの水分の拡散を可能にし、それによってその屈折率または幾何学性が影響を受けて、したがって格子部分の特有の反射または透過プロファイルが変化する。たとえば、拡散した水分は、ファイバにサイズの変化、たとえば膨張をもたらし、それは、次にはファイバの光学的特性の変化を引起し得る。

ここで、「燃料」は、たとえばガソリン、ディーゼルおよび灯油といった、石油から生成される液体燃料を意味し得る。「透水性プラスチック材料」は、水分がその中に拡散し得る重合体材料を意味する。その材料への水分の拡散の割合は、素子の応答時間に影響を与える因子であり、したがって、拡散レートが高い材料が好ましくあり得る。

ＰＯＦは、ポリ（メチルメタクリル樹脂）系（ＰＭＭＡ系）材料からなり得る。たとえばＰＯＦは、実質的に純粋なＰＭＭＡからなるクラッディングを備え得るが、クラッディングはコアを囲み、コアは、その屈折率を増加させるために、１以上の他のポリマーを含むＰＭＭＡからなる。コア中の他のポリマーは、格子部分の刻印（inscription）を改善するために、１以上の光感度増強ポリマーを含み得る。正確な検出を容易にするために、ＰＯＦは、好ましくは、シングルモードファイバである。

水に対するＰＭＭＡ系光ファイバの感度の検出は既に知られているが、それは、ファイバ中に形成されたＬＰＧを用いてこの感度をモニタするための手段としてのものである［２］。しかしながら、この構成は水中に浸されたファイバに基づくものであり、その一方、この発明は、燃料中に溶解する非常に少量（たとえば１００ｐｐｍ未満、好ましくは１０ｐｐｍ未満）の水分をモニタすることに関する。実際、湿度を測定する手段として光ファイバ中の格子を用いることは周知であり［３］、それは同じ分野におけるプラスチック光ファイバの特定の使用としてのものである［４，５］。しかしながら、これらの従来の構成は、別の媒体に存在する少量の水分の検出には拡張されない。

光放射を導くため、ＰＯＦは第１の屈折率を有する透水性のプラスチックからなるコアと、第２の屈折率を有する、コアを囲むクラッディングとを備え得るが、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも低い。周期的屈折率変調は、コア内に制限され得るか、またはファイバ全体を通じて存在し得る。

周期的な屈折率変調は、熱と結合される機械的な変形、または、たとえばＵＶ光を用いた直接的な光刻印（photoinscription）によって作製され得る。

クラッディングは、格子部分において、研磨されるか、あるいは薄くされ得る。この構造は、コアを燃料により近付けるという利点をもたらし、それによって水が格子部分に拡散するために要する時間を減少して、したがってセンサの応答時間を改善する。ＰＯＦは、２５０μｍ以下の直径を有し得る。より小さな直径が好ましくあり得るが、その理由は小さな直径によりセンサの応答時間が改善されるためである。

格子部分は、ブラッググレーティング（ＦＢＧ）（たとえば、屈折率変調の周期がピーク反射波長、または「ブラッグ波長」のオーダーである、短い周期の格子）、または長周期格子（ＬＰＧ）であり、屈折率変調の周期は振幅以上のオーダーであり、たとえば１００μｍ以上である。ファイバ中への水の拡散は、ファイバの膨張により、屈折率と格子の間隔との両方に影響を与え得る。格子部分は、入力される光放射とファイバ特性との間の測定可能な相互作用を提供するために用いられる。特に、格子構造の共鳴波長は格子が形成される媒体の屈折率と、その格子の周期とに依存する。共鳴波長は、ファイバの含まれる水分をモニタするために用いられる、（たとえばＦＢＧの）特有の反射プロファイル、または（たとえばＬＰＧの）特有の透過プロファイルの一局面であり得る。

検出器は、ＦＢＧまたはＬＰＧのブラッグ波長をモニタするように構成され得る。これは、任意の従来の方式でなされ得る。たとえば、光源は広帯域の信号（すなわち広い波長範囲を有する信号）でプローブを調べるように構成され、検出器は格子部分によって反射されたスペクトルを解析するように構成され得る。他のアプローチは、チューナブルレーザまたはエッジフィルタを用いることを含み得る。たとえば、光源は、単一の調節可能な周波数を有する光放射をＰＯＦに結合するように構成され得るとともに、検出器は光源とともにフィードバックループに配置されて格子部分の共鳴周波数を検出し得る。その代わりに、エッジフィルタは、光学的に結合されて、格子部分によって反射され、または透過する光を受ける。エッジフィルタは、波長で変化する透過率を有し、したがって共鳴波長は、エッジフィルタを通過したパワーの量をモニタすることによって推定され得る。

本明細書で提案されるセンサは、燃料、特に航空機燃料に溶解する少量（たとえば１−１００ｐｐｍ）の水分のリアルタイムでのモニタを可能にし得る、電気的受動アプローチを提供する。

対象の特定の局面に関して述べられたが、本発明は、また、溶媒中の他の種類の化学物質に対するセンサを提供し得る。唯一要求されることは、その化学物質の浸透性を有し得るとともに、周期的な屈折率変調を有する光ファイバとして形成可能である材料を見つけることである。

本発明の実施の形態が添付の図面を参照して、以下に詳細に説明される。

本発明の実施の形態である、燃料中の水分センサを示す概略図である。 プローブが水分のない（dry）燃料、環境（ambient）燃料、および水で飽和した燃料に挿入される時間にともなうブラッグ波長シフトを示したグラフである。

詳細な説明：さらなるオプションおよび好ましい例
図１は、燃料中の水分センサ１０の実施形態を示す。センサは光源１２を備え、光源１２は、たとえばハロゲンランプ等の広帯域白色光源であり、光ファイバ１４を介してプローブ２１に光学的に結合される。この実施の形態において、光ファイバ１４は従来のシリカ系ファイバであるが、光源１２の出力をプローブ２１へと運ぶ、任意の他の手段を用いることができる。

プローブは、従来の方式でコネクタ１８において光ファイバ１４に結合されたＰＭＭＡ系ファイバ２０を備える。ＰＭＭＡ系ファイバ２０は、従来のステップインデックス設計を有し、円形のクラッディング内に保持された、円形断面を有するコアを備える。クラッディングは純粋なＰＭＭＡであり得るが、コアはその屈折率を高めるためにＰＭＭＡに混合された添加物を含み得る。その代わりに、ファイバは傾斜屈折率プロファイルを有するか、あるいは、ファイバの長さ方向に存在する適切な孔のパターンによって光を導くことを可能にする、微小構造ジオメトリーを有していてもよい。

プローブは、格子部分２２を含み、その格子部分２２において、クラッディングはコーティングされておらず、周期的な屈折率変調がコアに形成される。この実施の形態において、周期的な屈折率変調は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）であり、ＦＢＧは、およそ１５６５ｎｍの波長を有する光を反射するように選択された周期を有する。

図１に挿入された断面図において示されるように、コーティングされていないクラッディング２８は、格子部分２２において研磨３２され、それにより、コア３６をファイバ２０の外部表面により接近させて、センサの応答時間を改善する。

プローブ２１の格子部分２２は、容器２４（たとえば燃料タンクなど）に保持された燃料２６（たとえば灯油）に浸される。

使用の際には、光源１２により発せられた白色光がプローブ２１に結合される。格子部分は大部分の波長を透過させ、それはプローブの端部から燃料へと放出される。しかし特有の反射プロファイルに従って小さな範囲の波長が反射し、その反射プロファイルは格子の周期およびファイバの屈折率に依存する。以下に示されるように、格子部分２２においてのファイバ２０への水分の拡散は、ファイバの特性における変化をもたらし、それは、特有の反射プロファイルにおける変化として明らかになる。

プローブ２１から反射した光放射は、光ファイバ１４を通り光源へと戻る。その反射光を検出するために、カプラ１６が光ファイバ１４に挿入され、カプラ１６は、その反射光（前方に向かう白色光ではない）を検出器３０へと導く。この実施の形態において、検出器３０はピーク（最大振幅）反射波長（ブラッグ波長）をモニタするように構成された光スペクトルアナライザである。

図２は、異なる量の水分が溶解された燃料サンプルの間でプローブが移動する時間に対する、検出器３０の出力を示すグラフである。この実験結果は、格子部分が研磨されていないプローブにおいて得られた。

まず、乾燥したプローブが、水分のない燃料（すなわちモレキュラーシーブを用いて水分を除去した灯油）へと挿入された。平衡期間の後、検出器によって測定されたブラッグ波長は約１５６４．４５ｎｍであった。環境条件での燃料（すなわち、たとえば３０ｐｐｍといった少量の水分を含む）に挿入することにより水がファイバへ拡散し始めると、ただちにブラッグ波長への効果がみられる。平衡状態では、検出されたブラッグ波長が約１５６４．６５ｎｍにおいて安定する。同様に、水分で飽和した燃料に挿入されることにより、ブラッグ波長の即時的な増加が存在する。この場合、平衡状態において検出されるブラッグ波長は１５６６．３５ｎｍで安定する。

検出機構の可逆性を示すために、プローブは、次に環境燃料に戻して挿入された。ブラッグ波長における即時的な降下が見られる。同様に、続けてプローブを水分のない燃料に挿入すると、ブラッグ波長は再び降下して約１５６４．４５ｎｍで安定する。

［参照文献］

Claims (11)

1. 燃料中の水分センサであって、
   燃料に浸すためのプローブを備え、前記プローブは、光放射を導くための、コーティングされていないポリマー光ファイバ（ＰＯＦ）を備え、前記ＰＯＦは、透水性のプラスチック材料からなるとともに格子部分を有し、前記格子部分は、特有の反射または透過プロファイルを示す周期的な屈折率変調を有し、
   前記燃料中の水分センサは、さらに、
   前記プローブに光学的に結合されて前記ＰＯＦに光放射を届けるための光源と、
   前記格子部分から反射され、または前記格子部分により透過された光放射を受けて、前記格子部分の前記特有の反射または透過プロファイルをモニタするように構成された検出器とをさらに備える、燃料中の水分センサ。
2. 前記ＰＯＦは、第１の屈折率を有する透水性のプラスチックからなるコアと、第２の屈折率を有する、前記コアを囲むクラッディングとを備え、前記第２の屈折率は、前記第１の屈折率よりも低い、請求項１に記載の燃料中の水分センサ。
3. 前記周期的な屈折率変調は、前記コア内に制限される、請求項２に記載の燃料中の水分センサ。
4. 前記クラッディングは、前記格子部分において減少した厚みの領域を有する、請求項２または３に記載の燃料中の水分センサ。
5. 前記格子部分は、ブラッググレーティング（ＦＢＧ）または長周期格子（ＬＰＧ）を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載の燃料中の水分センサ。
6. 前記検出器は、前記ＦＢＧまたは前記ＬＰＧの共鳴波長をモニタするように構成される、請求項５に記載の燃料中の水分センサ。
7. 前記光源は、広帯域光放射を前記ＰＯＦに結合するように構成され、
   前記検出器は、前記格子部分から反射され、または前記格子部分により透過された光放射のスペクトルを検出するように構成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の燃料中の水分センサ。
8. 前記光源は、単一の調節可能な周波数を有する光放射を前記ＰＯＦに結合するように構成され、前記検出器は、前記光源とともにフィードバックループに配置されて前記格子部分の共鳴周波数を検出する、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料中の水分センサ。
9. 前記ＰＯＦは、ポリ（メチルメタクリル樹脂）系（ＰＭＭＡ系）材料からなる、先行する請求項のいずれか１項に記載の燃料中の水分センサ。
10. 前記ＰＯＦは、実質的に純粋なＰＭＭＡからなるクラッディングを備え、前記クラッディングはコアを囲み、前記コアは、その屈折率を増加させるために、１以上の他のポリマーを含むＰＭＭＡからなる、請求項９に記載の燃料中の水分センサ。
11. 前記コア中の前記他のポリマーは、１以上の光感度増強ポリマーを含む、請求項１０に記載の燃料中の水分センサ。