JP6413425B2 - 光ファイバ温度分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバをセンサとして用いる光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、波形歪に起因する測定誤差の改善に関する。

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、特許文献１に記載されているよう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光ファイバ温度分布測定装置がある。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。なお、以下の説明では、光ファイバ温度分布測定装置を必要に応じてＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor）とも表記する。

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ＡＳ（以下ＡＳ光という）と、長い波長側に発生するストークス光ＳＴ（以下ＳＴ光という）がある。

光ファイバ温度分布測定装置は、これらＡＳ光の強度ＩasとＳＴ光の強度Ｉstと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、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、光ファイバ温度分布測定装置の一例を示すブロック図である。図４において、パルス光源１から出射されたパルス光は波長分波部２を通過して、センサである光ファイバ３に入射される。

光ファイバ３で反射された後方散乱光は波長分波部２で分波される。波長分波部２は、入射された後方散乱光を中心波長λｓのＳＴ光と、中心波長λａのＡＳ光に分離する。

分波されたＳＴ光はＡＰＤ（Avalanche PhotoDiode）５でその強度に応じた電流信号に変換される。この電流信号はＩ−Ｖ変換器７で電圧信号に変換され、増幅器９で増幅された後、ＡＤ変換器１１でデジタルデータに変換される。分波されたＡＳ光も同様にＡＰＤ６で電流信号に変換され、Ｉ−Ｖ変換器８で電圧信号に変換された後、増幅器１０で増幅されてＡＤ変換器１２でデジタルデータに変換される。

ＡＤ変換器１１と１２の出力デジタルデータは、信号処理部１３に入力される。信号処理部１３は入力されたデジタルデータを加算平均し、演算処理を行って温度を算出し、この算出した温度から光ファイバ３の長さに合わせた温度分布を演算する。この温度分布は表示部１４に表示される。

タイミング発生部４はパルス光源１、ＡＤ変換器１１および１２、信号処理部１３にタイミング信号を出力する。パルス光源１はこのタイミング信号に同期してパルス光を光ファイバ３に出射し、ＡＤ変換器１１、１２はタイミング発生部４の出力信号に同期して、パルス光が出射されてから所定の期間増幅器９、１０の出力信号をデジタルデータに変換する動作を繰り返す。信号処理部１３は、タイミング発生部４の出力に同期してＡＤ変換器１１、１２の出力デジタルデータを取り込み、演算処理を行う。

波形補正回路１５、１６は、ＡＰＤ５、６で光電変換する際に生じる波形歪を補正するために設けられている。ＳＴとＡＳで波形歪が異なると、温度測定値に誤差を生じてしまうので、これら波形補正回路１５、１６で波形歪を補正する。

特開平５−２６４３７０号公報

しかし、光ファイバ３の途中にたとえばファイバ接続などに基づく大きなロスがある場合には、ＡＰＤ歪みや回路部品特性のバラツキや温度変動などにより、ロスの後にわずかなアンダーシュートや波形歪みが発生し、それらの特性がＡＳとＳＴで異なることにより温度測定値に誤差が発生してしまう。

また、従来の構成で大きなロスが発生した場合には、ＡＰＤ歪みや回路部品特性のバラツキや温度変動により発生するＡＳとＳＴのわずかな特性の違いに起因する温度測定誤差を補正することは困難である。

本発明は、このような課題を解決するもので、その目的は、大きなロスが発生した場合でも、ＡＳとＳＴのわずかな特性の違いに起因する温度測定誤差を適切に補正できる光ファイバ温度分布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、
光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、
前記後方散乱光をＳＴ光とＡＳ光に分離する波長分波手段と、
この波長分波手段で分離されたＳＴ光とＡＳ光をそれぞれ電気信号に変換する光電変換手段と、
制御電圧に応じて静電容量を可変できる静電容量可変素子を含み前記光電変換手段から出力されるＳＴ光とＡＳ光の変換信号特性をそれぞれ個別に補正する波形補正手段、
を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記波形補正手段の温度を測定する手段を設け、
この温度測定手段の測定温度に応じて前記波形補正手段の制御電圧を制御することを特徴とする。

本発明によれば、大きなロスが発生した場合であっても、ＡＳとＳＴのわずかな特性の違いに起因する温度測定誤差を適切に補正できる光ファイバ温度分布測定装置を実現できる。

本発明の一実施例の主要部を示すブロック図である。 波形補正回路１５の具体例を示す回路図である。 波形補正回路１５の他の具体例を示す回路図である。 光ファイバ温度分布測定装置の一例を示すブロック図である。

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の主要部を示すブロック図であり、図４と共通する部分には同一の符号を付けている。図１において、温度モニタ１７は回路の温度をモニタし、測定結果を制御電圧回路１８に入力する。

制御電圧回路１８は、温度モニタ１７の測定結果に応じて変化する制御電圧データを発生し、これら制御電圧データをＤＡ変換器１９、２０に入力する。

ＤＡ変換器１９は制御電圧データに基づいて変換された所定のアナログ制御電圧を波形補正回路１５に変換出力し、ＤＡ変換器２０は制御電圧データに基づいて変換された所定のアナログ制御電圧を波形補正回路１６に変換出力する。

図２は、波形補正回路１５の具体例を示す回路図である。なお、波形補正回路１６も波形補正回路１５と同様に構成されるものであり、波形補正回路１６の構成についての説明は省略する。

図２において、演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子には抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路を介して入力端子Ｔｉｎが接続され、反転入力端子と出力端子Ｔｏｔは抵抗Ｒ３を介して接続され、非反転入力端子は抵抗Ｒ４を介して共通電位点に接続されている。

抵抗Ｒ１とＲ２の接続点には抵抗Ｒ５の一端が接続され、抵抗Ｒ５の他端はコンデンサＣを介してダイオードＤのカソードに接続され、ダイオードＤのアノードは共通電位点に接続されている。そして、コンデンサＣとダイオードＤの接続点には制御電圧端子Ｔｃｔが接続されている。

ダイオードＤの静電容量は、制御電圧端子Ｔｃｔに入力される制御電圧の変化に応じて変化させることができる。

たとえば、ＤＡ変換器１９の出力信号を波形補正回路１５の制御電圧として入力することにより、波形補正回路１５を構成するダイオードＤの静電容量の値を所望の値に調整してＡＰＤ歪や回路部品特性のバラツキなどによるＡＳとＳＴのわずかな特性の違いを補正することができる。

同様に、ＤＡ変換器２０の出力信号を波形補正回路１６の制御電圧として入力することにより、波形補正回路１６を構成するダイオードＤの静電容量の値を所望の値に調整してＡＳとＳＴのわずかな特性の違いを補正することができる。

これらにより、大きなロスの後であっても、正確な温度が測定可能となる。

そして、温度モニタ１７で回路の温度をモニタしながら回路温度に応じて制御電圧を変化させることにより、温度変動によるＡＳとＳＴの特性変化を補正することができ、温度が変化しても大きなロスの後に正確な温度測定が行える。

なお、コンデンサＣとダイオードＤについては、補正量に合わせた適切な特性を有するものを選定すればよい。

図３は、波形補正回路１５の他の具体例を示す回路図である。図３において、演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子には入力端子Ｔｉｎが直接接続され、反転入力端子と出力端子Ｔｏｔは抵抗Ｒ６を介して接続され、反転入力端子は抵抗Ｒ７を介して共通電位点に接続されている。

さらに、反転入力端子には抵抗Ｒ５の一端が接続され、抵抗Ｒ５の他端はコンデンサＣを介してダイオードＤのカソードに接続され、ダイオードＤのアノードは共通電位点に接続されている。そして、コンデンサＣとダイオードＤの接続点には制御電圧端子Ｔｃｔが接続されている。

図３に示す演算増幅器ＯＰ２は、非反転増幅器として動作する。

補正回路は、演算増幅器ＯＰ２の前でもよいし、後でもよい。

さらに補正回路は、図３の例で示した容量可変型に限るものではなく、抵抗可変型としてもよい。

ＡＳ、ＳＴそれぞれの系統をＡＰＤ歪や回路部品特性のバラツキを補正できるように構成することで、ＡＳとＳＴの信号のわずかな特性の違いによって生じる誤差を補正することができ、大きなロスの後でも正確な温度測定を行うことができる。

以上説明したように、本発明によれば、大きなロスが発生した場合でも、ＡＳとＳＴのわずかな特性の違いに起因する温度測定誤差を適切に補正できる光ファイバ温度分布測定装置が実現できる。

１ パルス光源
２ 波長分波部
３ 光ファイバ
４ タイミング発生部
５、６ ＡＰＤ
７、８ Ｉ−Ｖ変換器
９、１０ 増幅器
１１、１２ ＡＤ変換器
１３ 信号処理部
１４ 表示部
１５、１６ 波形補正回路
１７ 温度モニタ
１８ 制御電圧回路
１９、２０ ＤＡ変換器

Claims (2)

1. 光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記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光ファイバ温度分布測定装置において、
   前記後方散乱光をＳＴ光とＡＳ光に分離する波長分波手段と、
   この波長分波手段で分離されたＳＴ光とＡＳ光をそれぞれ電気信号に変換する光電変換手段と、
   制御電圧に応じて静電容量を可変できる静電容量可変素子を含み前記光電変換手段から出力されるＳＴ光とＡＳ光の変換信号特性をそれぞれ個別に補正する波形補正手段、
   を設けたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。」
2. 前記波形補正手段の温度を測定する手段を設け、
   この温度測定手段の測定温度に応じて前記波形補正手段の制御電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ温度分布測定装置。

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