JP6284051B2 - 光ファイバ温度分布測定システムおよび光ファイバ温度分布測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ベルトコンベアのローラ異常を検出する光ファイバ温度分布測定システムおよび光ファイバ温度分布測定方法に関する。

光ファイバ温度分布測定器（ＤＴＳ：Distributed Temperature Sensor）を利用してベルトコンベアの近傍の温度を測定し、ベルトコンベアの火災を検知するシステムが提案されている。

ベルトコンベア近傍の温度を測定し、ベルトコンベアの火災を検知することは、初期消火に繋がり非常に有益であるが、ベルトコンベア近傍の温度によって得られる情報は火災発生に限られない。

例えば、ベルトコンベアのローラが、不具合や経年劣化等により円滑な回転ができなくなると、摩擦により回転部分の温度が上昇する。このため、ベルトコンベア近傍の温度を測定することでローラの異常を検出することも可能である。ローラの異常は、ベルトコンベアの負荷を増加させることに加え、摩擦による温度上昇が発火要因ともなりかねないため、早期に検出することが望ましい。

特開２０１４−８３２９７号公報

しかしながら、ローラの異常により上昇する温度は、火災発生時に比べて非常に低く、また局所的である。このため、ノイズに埋もれたり、光ファイバ温度分布測定器の空間分解能の制限から測定値に十分表われないおそれがある。

ローラ付近で、光ファイバをコイル状に周回させて、ローラ付近に配置される光ファイバの長さを確保したり、ローラを支える金属部分に光ファイバを密着させることで微妙な温度変化を検出することも考えられるが、ローラ毎に対応しなければならないことから、光ファイバ敷設工事の手間がかかり、コストの上昇を招くことになる。

そこで、本発明は、簡易な光ファイバ敷設工事でベルトコンベアのローラ異常を簡易に検出可能な光ファイバ温度分布測定システムおよび光ファイバ温度分布測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である光ファイバ温度分布測定システムは、
光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定システムであって、
ローラ列に沿って敷設される第１光ファイバ部からの戻り光で得られる第１温度分布と、前記第１光ファイバ部よりも前記ローラ列の遠方に前記第１光ファイバ部と並べて敷設される第２光ファイバ部からの戻り光で得られる第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する温度差分算出部と、
各空間分解能区間について、その空間分解能区間の温度差分と、隣接する空間分解能区間の温度差分との和である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定する異常検出部とを備えたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様である光ファイバ温度分布測定システムは、光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定システムであって、
ローラ列に沿って敷設される光ファイバからの戻り光で得られる第１温度分布と、前記第１温度分布における隣接する空間分解能区間以外の空間分解能区間の温度から算出される第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する温度差分算出部と、
各空間分解能区間について、その空間分解能区間の温度差分と、隣接する空間分解能区間の温度差分との和である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間に含まれるローラに異常が発生したと判定する異常検出部とを備えたことを特徴とする。
上記課題を解決するため、本発明の第３の態様である光ファイバ温度分布測定システムは光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定システムであって、ローラ列に沿って敷設される第１光ファイバ部からの戻り光で得られる第１温度の温度分布と、前記第１光ファイバ部よりも前記ローラ列の遠方に前記第１光ファイバ部と並べて敷設される第２光ファイバ部からの戻り光で得られる第２温度の温度分布とを算出し、各空間分解能区間について、その空間分解能区間の第１温度と隣接する空間分解能区間の第１温度との和と、その空間分解能区間の第２温度と隣接する空間分解能区間の第２温度との和との差分である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定するデータ処理部を備えたことを特徴とする。
いずれの態様であっても、前記ローラ列は、ベルトコンベアのローラ列とすることができる。
上記課題を解決するため、本発明の第４の態様である光ファイバ温度分布測定方法は、光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定方法であって、ローラ列に沿って敷設される第１光ファイバ部からの戻り光で得られる第１温度分布と、前記第１光ファイバ部よりも前記ローラ列の遠方に前記第１光ファイバ部と並べて敷設される第２光ファイバ部からの戻り光で得られる第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する温度差分算出ステップと、各空間分解能区間について、その空間分解能区間の第１温度と隣接する空間分解能区間の第１温度との和と、その空間分解能区間の第２温度と隣接する空間分解能区間の第２温度との和との差分である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定する異常検出ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な光ファイバ敷設工事でベルトコンベアのローラ異常を簡易に検出可能な光ファイバ温度分布測定システムおよび光ファイバ温度分布測定方法が提供される。

本実施形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを用いて構成したベルトコンベアのローラ異常検出システムの構成を示すブロック図である。 温度差分と評価用温度差分の算出を説明する図である。 隣接する空間分解能区間の足し合わせを説明する図である。 光ファイバ温度分布測定システムの動作を説明するフローチャートである。 ローラ異常検出システムの別構成を示すブロック図である。 第２温度分布の算出を説明する図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る光ファイバ温度分布測定システム１００を用いて構成したベルトコンベアのローラ異常検出システム１０の構成を示すブロック図である。

本図に示すように、ベルトコンベア３１０のローラ３２０の異常を検出する光ファイバ温度分布測定システム１００は、光ファイバ温度分布測定部１１０とデータ処理部１２０とを備えている。なお、光ファイバ温度分布測定システム１００は、ベルトコンベア３１０のローラ３２０の異常検出に特に好適であるが、他の用途のローラ列の異常検出に適用することもできる。

ここで、ローラ３２０は、ローラ金属支柱３２１に保持されており、ベルトコンベア３１０の搬送方向に、例えば、１ｍ間隔で多数設置され、ローラ列を形成している。回転に異常が生じたローラ３２０は、ベアリング部やベルトコンベア３１０との接触部分等が摩擦により温度上昇する。

光ファイバ温度分布測定部１１０は、例えば、光ファイバ温度分布測定器（ＤＴＳ：Distributed Temperature Sensor）を用いて構成することができる。光ファイバ温度分布測定部１１０は、仕様として温度検出の長さに関する単位である空間分解能が定められている。空間分解能は、通常１ｍ程度であり、光路長に応じて変化する場合もある。

データ処理部１２０は、温度分布演算部１２１、温度差分算出部１２２、異常検出部１２３を備えており、例えば、光ファイバ温度分布測定器用ツールとして開発されたアプリケーションソフトウェアをインストールしたＰＣ等の情報処理装置を用いて構成することができる。

光ファイバ温度分布測定システム１００は、光ファイバにパルス光を入射したときに発生する後方散乱光のうち、温度依存性が高いラマン散乱光を用いて温度分布を測定する。ラマン散乱光には、光パルス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り、その強度比が温度変化に比例して変化する。

光ファイバ温度分布測定システム１００において、光ファイバ温度分布測定部１１０とデータ処理部１２０の温度分布演算部１２１は、従来と同様の動作を行なう。

すなわち、光ファイバ温度分布測定部１１０は、測定対象物に沿って敷設した光ファイバにパルス光を繰り返し入射し、パルス光に対するストークス光とアンチストークス光の強度の時間変化を測定する。ストークス光とアンチストークス光の強度の時間変化は、光ファイバ経路における後方散乱光発生位置に対応するため、光ファイバ温度分布測定部１１０の測定結果に基づいて、温度分布演算部１２１が、測定対象物の温度分布を算出する。

本実施形態では、測定対象物であるローラ列に沿って光ファイバ２１０を敷設するが、図１に示すように、ローラ列に近い第１光ファイバ部２１１と、第１光ファイバ部２１１よりもローラ列から遠い第２光ファイバ部２１２とが形成されるようにループ状に敷設する。第１光ファイバ部２１１は、ローラ３２０の温度を測定し、第２光ファイバ部２１２は、ローラ３２０付近の環境温度を測定する機能を担う。第１光ファイバ部２１１と第２光ファイバ部２１２とは、各ローラ３２０からの距離が不均一にならないように、ローラ列と平行に真っ直ぐ敷設する。

光ファイバ２１０は、第１光ファイバ部２１１がローラ３２０の温度上昇を検出可能なローラ金属支柱３２１付近であって、第２光ファイバ部２１２がローラ３２０の温度上昇の影響を受けない程度の距離（例えば、２０〜３０ｃｍ）を確保できれば足り、コイル状に周回させたり、ローラ金属支柱３２１に密着させる必要はない。このため、光ファイバ２１０を簡易に敷設することができ、敷設工事の手間やコスト上昇を抑えることができる。

データ処理部１２０の温度差分算出部１２２は、第１光ファイバ部２１１からの戻り光で得られる第１温度分布と、第２光ファイバ部２１２からの戻り光で得られる第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する。

ここで、空間分解能区間は、空間分解能で区切られる温度測定区間である。すなわち、空間分解能区間毎に測定温度が得られることになる。また、対応する空間分解能区間とは、並んで敷設された第１光ファイバ部２１１と第２光ファイバ部２１２とで、ローラ列方向について同じ位置とみなせる空間分解能区間を意味する。測定結果の温度分布において、ローラ列の両端の位置は、容易に特定することが可能であるため、対応する空間分解能区間も容易に特定することができる。

温度差分は、対応する空間分解能区間において、第１光ファイバ部２１１の測定温度が、第２光ファイバ部２１２の測定温度よりどの程度高いかを示す値である。対応する空間分解能区間においては、太陽光や風等の周辺環境の影響はほぼ同一であることが想定される。このため、温度差分はローラ３２０の温度上昇による輻射熱により生じると考えられ、様々な外乱の影響を排除することができる。

しかしながら、異常によるローラ３２０の温度上昇は局所的であり、空間分解能区間で平均化される。このため、温度差分として表われる値は小さくなり、検出が難しい。さらに、設置箇所が空間分解能区間にまたがっているローラ３２０に異常が生じた場合には、温度上昇分が２つの空間分解能区間に分散されるため、一層温度差分が小さくなり、検出が難しくなる。

そこで、異常検出部１２３は、図２に示すように、各空間分解能区間について、その空間分解能区間の温度差分と、前後に隣接する空間分解能区間の温度差分との和である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定する。

これは、図３（ａ）に示すように、特定の空間分解能区間の温度上昇であっても、空間分解能の定義の関係上、その温度上昇分の一部が隣接する空間分解能区間の温度上昇としても現れることに着目したものである。隣接する空間分解能区間に現れる温度上昇は小さいものの、足し合わせることによって実際に温度が上昇した空間分解能区間の温度上昇が強調されることになる。これによって、異常なローラ３２０に起因する局所的で小さな温度上昇を精度よく検出することが可能となる。

また、隣接する空間分解能区間の温度差分を足し合わせることで、図３（ｂ）に示すように、異常なローラ３２０が２つの空間分解能区間にまたがって、それぞれの空間分解能区間に温度上昇分が分散している場合にも、合計された温度上昇分で評価を行なうことができる。

次に、本実施形態の光ファイバ温度分布測定システム１００の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、温度分布演算部１２１が、第１光ファイバ部２１１の戻り光に基づいて第１温度分布を演算する（Ｓ１０１）とともに、第２光ファイバ部２１２の戻り光に基づいて第２温度分布を演算する（Ｓ１０２）。

そして、温度差分算出部１２２が、第１温度分布と第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する（Ｓ１０３）。

温度差分が算出されると、異常検出部１２３が、各空間分解能区間について、その空間分解能区間の温度差分と、隣接する空間分解能区間の温度差分との和である評価用温度差分を算出する（Ｓ１０４）。

そして、算出された評価用温度差分が所定の基準値を超える空間分解能区間があるかどうかを判定し（Ｓ１０５）、ある場合には、その空間分解能区間付近のローラ３２０に異常が発生したと判定する（Ｓ１０６）。

以上の動作により、光ファイバ温度分布測定システム１００は、ローラ３２０の異常を検出することができる。

なお、上述の例では、第１光ファイバ部２１１と第２光ファイバ部２１２とを１本の光ファイバ２１０をループ状とすることで構成していた。これにより、第１温度分布と第２温度分布の測定タイミングが共通化され、外乱除去の効果を高めることができるとともに、双方向測定することで耐ノイズ性が向上するが、２本の独立した光ファイバで第１光ファイバ部２１１と第２光ファイバ部２１２とを構成してもよい。

また、上述の例では、空間分解能区間毎の温度差分を算出して、隣接する空間分解能区間の温度差分を足し合わせて評価用温度差分を算出したが、隣接する空間分解能区間の測定温度を足した後に、空間分解能区間毎の温度差分を算出することで評価用温度差分を算出してもよい。

また、周辺の環境温度が安定している場合には、図５に示すように、第２光ファイバ部２１２を省いて、第１光ファイバ部２１１だけで光ファイバ２１０を構成してもよい。これにより、光ファイバの敷設作業を一層簡略化し、コストを削減することができる。

この構成とした場合、空間分解能区間毎の第２温度分布は、隣接する空間分解能区間以外の空間分解能区間の第１温度分布を用いて推定する。例えば、図６に示すように、前後の２区間離れた空間分解能区間の測定温度の平均値から第２温度分布を推定することができる。もちろん、隣接する空間分解能区間以外であれば、他の空間分解能区間の温度を用いて推定することができる。例えば、前後の一方の空間分解能区間としたり、より多くの空間分解能区間の平均値から第２温度分布を推定したりしてもよい。

１０…ローラ異常検出システム、１００…光ファイバ温度分布測定システム、１１０…光ファイバ温度分布測定部、１２０…データ処理部、１２１…温度分布演算部、１２２…温度差分算出部、１２３…異常検出部、２１０…光ファイバ、２１１…第１光ファイバ部、２１２…第２光ファイバ部、３１０…ベルトコンベア、３２０…ローラ、３２１…ローラ金属支柱

Claims (5)

1. 光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定システムであって、
   ローラ列に沿って敷設される第１光ファイバ部からの戻り光で得られる第１温度分布と、前記第１光ファイバ部よりも前記ローラ列の遠方に前記第１光ファイバ部と並べて敷設される第２光ファイバ部からの戻り光で得られる第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する温度差分算出部と、
   各空間分解能区間について、その空間分解能区間の温度差分と、隣接する空間分解能区間の温度差分との和である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定する異常検出部と
   を備えたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定システム。
2. 光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定システムであって、
   ローラ列に沿って敷設される光ファイバからの戻り光で得られる第１温度分布と、前記第１温度分布における隣接する空間分解能区間以外の空間分解能区間の温度から算出される第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する温度差分算出部と、
   各空間分解能区間について、その空間分解能区間の温度差分と、隣接する空間分解能区間の温度差分との和である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間に含まれるローラに異常が発生したと判定する異常検出部と
   を備えたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定システム。
3. 光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定システムであって、
   ローラ列に沿って敷設される第１光ファイバ部からの戻り光で得られる第１温度の温度分布と、前記第１光ファイバ部よりも前記ローラ列の遠方に前記第１光ファイバ部と並べて敷設される第２光ファイバ部からの戻り光で得られる第２温度の温度分布とを算出し、
   各空間分解能区間について、その空間分解能区間の第１温度と隣接する空間分解能区間の第１温度との和と、その空間分解能区間の第２温度と隣接する空間分解能区間の第２温度との和との差分である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定するデータ処理部を備えたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定システム。
4. 前記ローラ列は、ベルトコンベアのローラ列であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ温度分布測定システム。
5. 光ファイバに光パルスを入射し、戻り光に基づいて空間分解能区間単位の温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定方法であって、
   ローラ列に沿って敷設される第１光ファイバ部からの戻り光で得られる第１温度分布と、前記第１光ファイバ部よりも前記ローラ列の遠方に前記第１光ファイバ部と並べて敷設される第２光ファイバ部からの戻り光で得られる第２温度分布とに基づいて、対応する空間分解能区間同士の温度差分を算出する温度差分算出ステップと、
   各空間分解能区間について、その空間分解能区間の第１温度と隣接する空間分解能区間の第１温度との和と、その空間分解能区間の第２温度と隣接する空間分解能区間の第２温度との和との差分である評価用温度差分を算出し、算出された評価用温度差分が基準値を超える場合に、その空間分解能区間付近のローラに異常が発生したと判定する異常検出ステップと
   を有することを特徴とする光ファイバ温度分布測定方法。