JP6440858B2 - Dptssケーブル - Google Patents
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Description
しかしながら、従来、光ファイバ素線を金属管で被覆した芯線であるFIMT(Fiber In Metallic Tube)では、金属管(パイプ)の外径は約0.8mmφ〜数mmφ程度であって、その肉厚は0.1mm〜0.2mmであるため、断線しやすく、長尺の光ファイバケーブルを製造することは難しかった。
特に、複数の金属管被覆芯線を撚りあわせて用いるFIMTにおいては、ケーブル外径が1mmφ程度の場合には、パイプの肉厚は0.1mm以下となり、機械強度の点などから、絞線加工が困難となる。
実際上、数km長のFIMTを製造する場合において、ピンホールを100%検出することは困難であり、コストがかかるという問題もある。地上部分でFIMTを開口して内部圧力を解放する方法もあるが、FIMT内部に通常充填されているグリースにより、この方法による効果も万全とはいえない。
また、多層アーマードケーブルの場合においては、各層間の相対すべりにより、アーマードケーブルの歪と光ファイバ芯線の歪との間にずれが生ずるような場合においても、正確な歪分布を得ることはできないという問題もある。
光ファイバに出射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布、歪分布、温度分布を測定するため、
外周部の軸方向に溝を形成し当該溝内に光ファイバを備えた金属ワイヤケーブルを、少なくとも2本備えたDPTSSケーブルであって、
一の前記金属ワイヤケーブルは、当該金属ワイヤケーブルの前記溝に沿って光ファイバを埋め込んで保持した光ファイバ埋め込み型ケーブルであり、
他の前記金属ワイヤケーブルは、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルであって、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルのブリルアン散乱およびレイリー散乱の周波数変化に対する圧力変化の感度係数とは異なる圧力変化の感度係数を持つよう構成したものである。
以下、本発明の実施の形態1について図を用いて説明する。本実施の形態の具体例を示す前に、まず本発明に係るDPTSSケーブル10の基本構造について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1によるDPTSSケーブル10に用いられる金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブルの基本構造の一例を示す図である。図1(a)は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル1の基本構造の概念図であり、図1(b)、図1(c)は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル1の軸に直交する方向の断面図であり、図1(a)のA矢視に相当する。図1に示す例では、1本の光ファイバ埋め込み型ケーブル1の外周部分であって、その長手方向に沿って凹状(切り込み溝)に形成され、この光ファイバ埋め込み型ケーブルの軸に直交する方向の断面形状がU字状の溝2に、光ファイバ3を埋め込んで収納し、この光ファイバ埋め込み型ケーブル1の長手方向の全長にわたって樹脂等により光ファイバを保持したものである(この部分を以降、光ファイバ保持部4と呼ぶ)。本発明では、DPTSSケーブルの基本構造として、圧力を受ける感度の異なる2種類の構造のものを提案している。
第2の基本構造(以下タイプ2とも呼ぶ)は、光ファイバ保持部4が接着剤5c、あるいは光ファイバの被覆部分が弾性材5dで構成されているような場合であり、接着剤による接着効果、あるいは被覆部分の弾性効果を利用してワイヤの切込み部分に実装する(埋め込む)ものである(図1(c)参照)。本基本構造をもつワイヤは、ストランド(撚り線)する際に、ワイヤ1本として扱え、DPTSSケーブル製作を可能にするものである点は上記第1の基本構造のものと同じである。しかし、圧力測定時においては、溝の形状、ワイヤとの結合方法により、光ファイバに負荷される圧力はケーブル周りの静水圧の一部でしかなく、この場合の光ファイバの圧力に対する感度は、上記第1の基本構造のものとは異なる。そして、本実施の形態においては、上述の2種類の光ファイバを埋め込んだワイヤを用いて、DPTSSケーブルを製造する。
同様に図2(a)に示す光ファイバ埋め込み型ケーブル1bは、図2(c)の拡大図に示すように、第2の基本構造である光ファイバ保持部4を樹脂等の接着剤5cで構成した金属ワイヤケーブルであり、光ファイバ3bを溝に埋め込んでいる。以降では、これら、溝に埋め込んだ光ファイバを総称して、ビルトインファイバと呼び、そのうちタイプ1に用いられるファイバをPファイバ、タイプ2に用いられるファイバをBファイバと以下称する。
また、図2(d)は、上記2種類の金属ワイヤケーブルのいずれとも異なるダミーケーブル9を説明する図であり、金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブル1a、1bに比較して、細径の複数本のワイヤで構成されたストランド(撚り線)となっている。
なお、図2(a)に示す金属ワイヤケーブルの組み合わせは上記に限らず、ダミーケーブル9に代えて、金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブル1a、あるいは1bのいずれか1本を用いてもよい。また、上記では、フリー構造の光ファイバを作成するため、水溶性被膜を用いた例を示したが、被測定体が石油などの油性である場合には、水溶性被膜を油溶性被膜に代えることで同様の効果を得ることができる。また、同じワイヤ上に溝を2つ設けて、それぞれに光ファイバを1本づつ、計2本実装することもできる。
なお、図2では一例として、基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルの外側に1層のみの外層を構成したDPTSSケーブルを示したが、これに限らず、外層が2層以上で構成されるストランド構造体であってもよい。例えば外層が2層の場合には、基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルが配置されている層を内層、この内層のすぐ外側の層を中間層、その外側の層を最外層、と以下称する。
さらに、ストランド構成するワイヤに異なる直径のものを用いて、層と層の間の結合を強化する方法もあるが、従来、光ファイバが含まれていないケーブル構造体で熟知されており、ここでは詳細な説明を省略する。
ここでC11、C12、C13は、それぞれ、ブリルアン散乱の周波数変化における光ファイバの歪変化に対する感度係数、温度変化に対する感度係数、圧力変化に対する感度係数である。
ここでC21、C22、C23は、それぞれ、レイリー散乱の周波数変化における光ファイバの歪変化に対する感度係数、温度変化に対する感度係数、圧力変化に対する感度係数である。
光ファイバを鋼線などに固定して変形させた場合、鋼線の剛性は光ファイバの剛性に比較して非常に大きいため、光ファイバの変形は鋼線の変形に一致する。発明者の最近の研究によれば、圧力変化に関わる項目に限定して考えた場合、βを圧力変化に対する体積変化係数として、光ファイバの圧力変化によるレイリー散乱の周波数変化は次の式(3)で表される。
すなわち、光ファイバに圧力変化が生じても、レイリー散乱の周波数は変化しないという特性を持つ場合があることが判っている。
従って、実際の計測においては、必要な精度に応じて、上述のような、感度係数を上げる構造等を選択することが重要になる。
ここで、各式において、上付き符号P、Bは、それぞれ、Pファイバの場合、Bファイバの場合を示し、下付き符号B、Rはそれぞれ、ブリルアン散乱の場合、レイリー散乱の場合を示す。
また、式(19)、式(20)より、以下の式(24)が求まる。
すなわち、Bファイバについては、以下の式(28)が一般的に成立する。
なお、Pファイバについては、k=1とすればよい。
ここで、右辺の左側のΔPの係数を式(30)で置きなおせば、Bファイバの圧力変化に対する真の感度係数は、式(30)の左辺で表されると見なせる。
なお、従来のFIMTは、この式(30)でk=0となる極端な場合の例と言える。
一方、圧力のみの変化による光ファイバのレイリー周波数シフトについても、同様に式(31)で表される。
また、Bファイバの式(26)を、式(30)、式(32)を用いて、同様に式(33)として表す。
上記の式(32)、式(33)では、各右辺の式は互いに異なるため、ΔT、ΔPは互いに独立して求めることができることがわかる。すなわち、本実施の形態1の方式のPファイバとBファイバを同時に用いることにより、被測定体の温度分布、圧力分布を求めることができることになる。
なお、以上の説明において、外層である中間層、あるいは最外層を構成する各ワイヤケーブルは、上述のダミーケーブル9、光ファイバ埋め込み型ケーブル1(1a〜1c、1e。1eについては後述)のいずれであってもよい。
このことは、実施の形態1に示した光ファイバ埋め込み方式の光ファイバ埋め込み型ケーブルを用いたDPTSSケーブルにおいて、歪分布についても適正な計測が可能であることを数値解析的に裏付けるものである。なお、本シミュレーションで用いたパラメータの値は、D=1.5mm、b=0.3mm、d=0.25mm、d0=0.125mm、h=0.6mmである。
以上の実施の形態1では、2種類の金属ワイヤケーブルを同軸状に配置し、多層のストランド構造体6として構成したDPTSSケーブル10の一例を示した。この2種類の金属ワイヤケーブルの圧力感度の特性の違いは、光ファイバ自体の影響というよりは、主としてその光ファイバ保持部の差によるものであった。
この実施の形態2では、上記2種類の金属ワイヤケーブルを、そこに使用される光ファイバを例えば1ケタ程度、圧力係数の異なる2種類の光ファイバで構成するものであり、2種類の金属ワイヤケーブルの圧力感度の特性の違いが、その光ファイバ保持部の差によるものというよりは、光ファイバ自体の特性の差による影響が大きい構成としたものである。このような構成としたDPTSSケーブルを用いることによっても、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。以下本実施の形態について図を用いて詳しく説明する。
このような構成とすることによっても、実施の形態1において、式(28)で説明したのと同様の効果が得られ、従って、DPTSSケーブル全体として、実施の形態1と同様の効果が得られるものである。
さらに、このような構成のDPTSSケーブルは、図8の構造のものに比較して、より簡易に製造することが可能であり、被測定体が変わるなど、DPTSSケーブルの仕様を変更しなければならないような場合にも容易に対応することができる。なお、金属ワイヤケーブルを、2本ではなく3本のケーブルとして構成するのは、図4の場合と同様の理由である。
本実施の形態3では、光ファイバ埋め込み型ケーブルのケーブル特性の1つである材質について取り上げ、材質に特徴がある場合の適用例について以下説明する。本実施の形態では、光ファイバ埋め込み型ケーブルには実施の形態1で示したものと同じ構造のものを用いる点、かつ金属ワイヤケーブルを構成する金属の材質が互いに異なるものを用いる点が、実施の形態1の場合と相違する。以下この実施の形態3について、図を用いて説明する。
ここでk≠k1であることに注意する。
Claims (6)
- 光ファイバに出射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布、歪分布、温度分布を測定するため、
外周部の軸方向に溝を形成し当該溝内に光ファイバを備えた金属ワイヤケーブルを、少なくとも2本備えたDPTSSケーブルであって、
一の前記金属ワイヤケーブルは、当該金属ワイヤケーブルの前記溝に沿って光ファイバを埋め込んで保持した光ファイバ埋め込み型ケーブルであり、
他の前記金属ワイヤケーブルは、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルであって、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルのブリルアン散乱およびレイリー散乱の周波数変化に対する圧力変化の感度係数とは異なる圧力変化の感度係数を持つよう構成したことを特徴とするDPTSSケーブル。 - 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルは、
前記溝内に埋め込まれた光ファイバの特性が、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルの溝内に埋め込まれた光ファイバの特性と異なることを特徴とする請求項1に記載のDPTSSケーブル。 - 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルは、
前記光ファイバ埋め込み型ケーブルの外部を構成する金属とは異なる材質の金属で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のDPTSSケーブル。 - 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルの外側に、当該光ファイバ埋め込み型ケーブルに対して螺旋状に巻回された少なくとも一層のケーブル構造体を有するストランド構造体を配置したことを特徴とする請求項1に記載のDPTSSケーブル。
- 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルは、前記溝内に備えた光ファイバが固定部により部分的に固定されていることを特徴とする請求項2に記載のDPTSSケーブル。
- 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルは、前記溝の外側寄りに化学保護層を備えたことを特徴とする請求項1、請求項3、または請求項5のいずれか1項に記載のDPTSSケーブル。
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