JP7119989B2 - Temperature measuring device and its measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、温度計測装置及びその計測方法に関し、特に、光ファイバを用いて流体温度を計測可能な温度計測装置及びその計測方法に関する。 The present invention relates to a temperature measuring device and its measuring method, and more particularly to a temperature measuring device capable of measuring fluid temperature using an optical fiber and its measuring method.
従来より、長距離伝送、耐電気ノイズ、防爆性能等に優れた光ファイバは、通信分野に加え、物理量を計測するセンシング分野でも多く使用に供されている。
通常、光ファイバは、光を伝搬するコアと、その周囲を覆う同心円状のクラッドとからなる誘電体から構成され、クラッドの屈折率をコアの屈折率よりも小さくすることにより、光の全反射現象を利用して光を伝送している。このような光ファイバは、その特性として光学的特性と温度依存性とを備えているため、これらの特性を利用した温度計測装置が種々提案されている。
Optical fibers, which are excellent in long-distance transmission, electrical noise resistance, explosion-proof performance, etc., have been widely used not only in the field of communication but also in the field of sensing for measuring physical quantities.
Generally, an optical fiber is composed of a dielectric material consisting of a core that propagates light and a concentric clad that covers the core. Light is transmitted using the phenomenon. Since such an optical fiber has optical characteristics and temperature dependence as its characteristics, various temperature measuring devices using these characteristics have been proposed.
まず、光学的特性を利用した温度計測装置は、OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)センサに代表され、光ファイバに強力な入射光を導入した際に発生するラマン散乱やブリルアン散乱等の散乱現象を用いている。これらの後方散乱光の波長が、光ファイバの構成物質である二酸化ケイ素の温度に依存しているからである。
特許文献1は、温度計測装置ではないが、片持ちタイプの走査光ファイバを光ファイバ自身の共振周波数と実質的に離れた初期周波数から共振周波数に近づくように連続的に振動させて光を照射し、後方散乱光を時系列に集光している。
First, temperature measurement devices that use optical characteristics are represented by OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) sensors, which use scattering phenomena such as Raman scattering and Brillouin scattering that occur when a strong incident light is introduced into an optical fiber. ing. This is because the wavelength of these backscattered lights depends on the temperature of silicon dioxide, which is the constituent material of the optical fiber.
また、温度依存性を利用した温度計測装置は、FBG(Fiber Bragg Grating)センサに代表され、光ファイバ内部の屈折率を周期的に変化させることにより、入射光とは波長が異なる反射光を用いている(例えば、特許文献2)。コア内に形成された複数の回折格子から反射した反射光の波長が、温度に起因する光ファイバ自身の歪によって変化するからである。 A temperature measuring device using temperature dependence is represented by an FBG (Fiber Bragg Grating) sensor. (for example, Patent Document 2). This is because the wavelength of the reflected light reflected from the plurality of diffraction gratings formed in the core changes due to the distortion of the optical fiber itself caused by temperature.
図11に示すように、FBGセンサは、光ファイバのコア51にコア51よりも屈折率が大きい周期的な回折格子(Grating)54が形成され、クラッド52の外周に紫外線硬化樹脂等の保護被覆53が設けられている。このタイプのセンサでは、コア51内を伝搬する入射光のうち、回折格子54の間隔が入射光の半波長に合致した光が反射光として進行方向とは反対側にブラッグ反射され、回折格子54の間隔が入射光の半波長に合致しない光が透過光として進行方向側に透過される。ブラッグ反射の条件は、次式で表される。
λ=2n・Λ
尚、λはブラッグ波長(反射光波長)、nはコア51の屈折率、Λは屈折率変調周期(回折格子54の間隔)である。
As shown in FIG. 11, in the FBG sensor, a periodic diffraction grating 54 having a larger refractive index than the
λ=2n・Λ
is the Bragg wavelength (reflected light wavelength), n is the refractive index of the
単一の光源と単一の受光器を用いて多点型センシングを行うFBGセンサは、線上に連続する分布型センシングを行うOTDRセンサに比べて、光ファイバ1本当りの温度測定箇所が多く、特に、狭隘な空間内で多点計測を行う状況においては優位性が高い。
しかし、FBGセンサは、配置された環境温度に起因する光ファイバ自身の歪を用いて温度を計測していることから、速度を有する空気や水等の流体内に配置された状況において、多点計測性を維持しつつ流体温度を精度良く検出できない虞がある。
An FBG sensor that performs multi-point sensing using a single light source and a single light receiver has more temperature measurement points per optical fiber than an OTDR sensor that performs continuous distributed sensing on a line. In particular, it is highly superior in situations where multi-point measurement is performed in a narrow space.
However, since the FBG sensor measures the temperature using the strain of the optical fiber itself caused by the environmental temperature in which it is placed, it can There is a possibility that the fluid temperature cannot be accurately detected while maintaining the measurability.
そこで、本発明者は、上記問題点を明らかにするため、FBGセンサを用いた温度計測実験装置を作成し、検証実験を行った。
風速を段階的に調整可能な送風機と、この送風機の送風口の前に張設されたFBGセンサとによって実験装置を構成し、時間経過に伴って風速を増加させた状態の下、計測値と真値との計測温度差及びFBGセンサの振動周波数を夫々測定した。
図12,図13に検証結果を示す。図12は、経過時間と計測温度差との相関関係を示すグラフ、図13は、風速と光ファイバの振動周波数との相関関係を示すグラフである。
図12に示すように、計測温度差、所謂計測ノイズが極端に増加する領域が特定の経過時間に対応して発生している。また、図13に示すように、FBGセンサの振動周波数は風速に比例する線形傾向であるにも拘らず、振動周波数が一定値に固定される領域が特定の風速に対応して生じている。
Therefore, in order to clarify the above problem, the present inventor created a temperature measurement experimental device using an FBG sensor and conducted a verification experiment.
An experimental device is composed of a blower whose wind speed can be adjusted step by step and an FBG sensor stretched in front of the blower port of this blower, and the measured value and the The measured temperature difference from the true value and the vibration frequency of the FBG sensor were measured.
12 and 13 show the verification results. FIG. 12 is a graph showing the correlation between the elapsed time and the measured temperature difference, and FIG. 13 is a graph showing the correlation between the wind speed and the vibration frequency of the optical fiber.
As shown in FIG. 12, a region in which the measured temperature difference, so-called measurement noise, increases extremely occurs corresponding to a specific elapsed time. Further, as shown in FIG. 13, although the vibration frequency of the FBG sensor has a linear tendency proportional to the wind speed, a region where the vibration frequency is fixed at a constant value occurs corresponding to a specific wind speed.
上記検証実験により、以下の問題点が判明した。
図14に示すように、光ファイバが速度を有する流体内に存在するとき、光ファイバは風向きに対して直交方向に上下振動する。これは、光ファイバの上面及び下面から後面にかけて上下交互に発生するカルマン渦に起因するものであり、上下各々の圧力差により光ファイバが上下方向に周期的に振動する。そして、カルマン渦に起因した光ファイバの振動(自励振動)は、光ファイバ自身が本来有する構造上の固有な振動周波数(固有振動数)に近づくと、カルマン渦の発生周波数が光ファイバの固有振動数に強制的に引き寄せられることから(所謂、ロッキング現象)、光ファイバの自励振動がカルマン渦の発生周波数に共鳴し、結果的に、光ファイバの固有振動数とカルマン渦の発生周波数とが合致する周辺の周波数帯域において、光ファイバの自励振動が更に増幅される傾向にある。
The above verification experiments revealed the following problems.
As shown in FIG. 14, when an optical fiber is in fluid with velocity, the optical fiber oscillates up and down in a direction orthogonal to the wind direction. This is due to Karman vortices that are alternately generated vertically from the upper and lower surfaces to the rear surface of the optical fiber, and the optical fiber periodically vibrates in the vertical direction due to the pressure difference between the upper and lower surfaces. When the vibration of the optical fiber (self-excited vibration) caused by the Karman vortices approaches the inherent vibration frequency (eigenfrequency) of the structure of the optical fiber itself, the generated frequency of the Karman vortices becomes the peculiar frequency of the optical fiber. Since the frequency is forcibly attracted (so-called rocking phenomenon), the self-excited vibration of the optical fiber resonates with the frequency of Karman vortex generation, resulting in a difference between the natural frequency of the optical fiber and the frequency of Karman vortex generation. The self-excited oscillations of the optical fiber tend to be further amplified in the peripheral frequency band where .
即ち、流体温度を対象とするFBGセンサの計測精度を向上するためには、FBGセンサとカルマン渦の共鳴振動による自励振動の増幅を抑制する必要がある。
しかし、現時点、有効且つ具体的な改善策は、提案されていない。
That is, in order to improve the measurement accuracy of the FBG sensor for fluid temperature, it is necessary to suppress the amplification of the self-excited vibration due to the resonant vibration of the FBG sensor and the Karman vortices.
However, at present, no effective and concrete improvement measures have been proposed.
本発明の目的は、多点計測性を維持しつつ流体内の温度計測精度を向上可能な温度計測装置及びその計測方法等を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a temperature measuring device, a measuring method, and the like capable of improving the accuracy of temperature measurement in a fluid while maintaining multi-point measurement capability.
請求項1の温度計測装置は、軸方向に延びる感温部とこの感温部の両端部に形成された被支持部を有する光ファイバと、この光ファイバに光を出力する光源と、前記感温部で発生した反射光を処理する処理手段とを備え、流体温度を計測可能な温度計測装置において、前記感温部が、速度を有する流体内に配置されると共に、前記光ファイバの固有振動数が、前記感温部から発生するカルマン渦の周波数帯域から外れる振動数に設定されたことを特徴としている。
The temperature measuring device according to
この温度計測装置では、前記感温部が、速度を有する流体内に配置されているため、流体温度を感温部から反射された反射光を用いて多点計測することができる。
前記光ファイバの固有振動数が、前記感温部から発生するカルマン渦の周波数帯域から外れる振動数に設定されているため、計測環境下において、カルマン渦の発生周波数に相当する周波数帯域が光ファイバの固有振動数に引き寄せられるロッキング現象を強制的且つ構造的に回避することができ、光ファイバとカルマン渦との共鳴振動に起因した光ファイバの歪の発生を抑制することができる。
In this temperature measuring device, since the temperature sensing portion is arranged in fluid having a velocity, the fluid temperature can be measured at multiple points using reflected light reflected from the temperature sensing portion.
Since the natural frequency of the optical fiber is set to a frequency outside the frequency band of the Karman vortices generated from the temperature sensing part, the frequency band corresponding to the frequency of the Karman vortices generated in the measurement environment is Therefore, it is possible to forcibly and structurally avoid the rocking phenomenon that is attracted to the natural frequency of the optical fiber, and to suppress the occurrence of distortion in the optical fiber due to the resonance vibration between the optical fiber and the Karman vortex.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記光ファイバは、前記感温部の表面に前記光ファイバの固有振動数を変更するための金属被膜を有し、前記金属被膜の膜厚が、前記カルマン渦の周波数帯域に関連付けて設定されることを特徴としている。
この構成によれば、保護被膜に相当する金属被膜を用いて光ファイバの伸縮を抑制しつつ、光ファイバの固有振動数を調整することができる。
The invention of
According to this configuration, the natural frequency of the optical fiber can be adjusted while suppressing expansion and contraction of the optical fiber by using the metal coating corresponding to the protective coating.
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記光ファイバは、コアと、前記コアを被覆するクラッドとを有し、前記金属被膜の膜厚が、前記光ファイバの直径よりも小さく形成されたことを特徴としている。
この構成によれば、計測精度と計測応答性とを両立することができる。
The invention of
According to this configuration, it is possible to achieve both measurement accuracy and measurement responsiveness.
請求項4の発明は、請求項2又は3の発明において、前記被支持部の表面を覆う被膜を設け、前記被膜の膜厚が、前記金属被膜の膜厚よりも大きく形成されたことを特徴としている。
この構成によれば、感温部の金属被膜を薄くすることにより、計測応答性を高めつつ、固有振動数の調整幅を大きくすることができる。しかも、被支持部の被膜を厚くすることにより、光ファイバの支持剛性を確保することができる。
The invention of
According to this configuration, by thinning the metal film of the temperature sensing portion, it is possible to increase the adjustment range of the natural frequency while improving the measurement response. Moreover, by thickening the coating of the supported portion, the support rigidity of the optical fiber can be ensured.
請求項5の発明は、請求項1の発明において、前記光ファイバの前記処理手段と反対側端部に前記光ファイバの張力を調整可能な張力付与手段を設け、前記張力付与手段が、前記光ファイバの固有振動数を前記カルマン渦の周波数帯域から外すことができる張力を前記光ファイバに付与することを特徴としている。
この構成によれば、簡単な構成で固有振動数の調整幅を大きくすることができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, a tension applying means capable of adjusting the tension of the optical fiber is provided at the end of the optical fiber opposite to the processing means, and the tension applying means It is characterized in that tension is applied to the optical fiber so that the natural frequency of the fiber can be removed from the frequency band of the Karman vortices.
According to this configuration, it is possible to increase the adjustment range of the natural frequency with a simple configuration.
請求項6の発明は、請求項5の発明において、前記感温部が、複数位置の温度を検知可能に形成されると共に車両のエンジンルーム内を車体前後方向に延びる1対のフレーム間に配置され、前記張力付与手段が、前記1対のフレームの何れか一方に配設されたことを特徴としている。
この構成によれば、簡単な構成で車両のエンジンルーム内温度を精度良く計測することができる。
The invention of claim 6 is the invention of
According to this configuration, it is possible to accurately measure the temperature in the engine room of the vehicle with a simple configuration.
請求項7の温度計測方法は、軸方向に延びる感温部とこの感温部の両端部に形成された被支持部を有する光ファイバと、この光ファイバに光を出力する光源と、前記感温部で発生した反射光を処理する処理手段とを用いて流体温度を計測可能な温度計測方法において、流体内に配置された前記光ファイバから発生するカルマン渦の周波数帯域を流体の速度に基づき演算する周波数演算ステップと、次に、前記光ファイバの固有振動数が前記感温部を流体内に配置したときのカルマン渦の周波数帯域に含まれる場合、前記光ファイバの固有振動数を、前記感温部から発生するカルマン渦の周波数帯域から予め外れる振動数に設定する振動数設定ステップと、を有することを特徴としている。 A temperature measuring method according to claim 7 comprises: an optical fiber having a temperature sensing portion extending in an axial direction and supported portions formed at both ends of the temperature sensing portion; a light source for outputting light to the optical fiber; In a temperature measurement method capable of measuring fluid temperature using a processing means for processing reflected light generated in a warm part, the frequency band of Karman vortices generated from the optical fiber placed in the fluid is determined based on the velocity of the fluid. a frequency calculation step for calculating; and a frequency setting step of setting the frequency to be previously out of the frequency band of the Karman vortices generated from the temperature sensing part.
この温度計測方法では、流体内に配置された前記光ファイバから発生するカルマン渦の周波数帯域を流体の速度に基づき演算する周波数演算ステップを有しているため、流体温度を感温部から反射された反射光を用いて計測するに当り、計測環境下において、カルマン渦の発生周波数に相当する周波数帯域を演算することができる。
前記光ファイバの固有振動数が前記感温部を流体内に配置したときのカルマン渦の周波数帯域に含まれる場合、前記光ファイバの固有振動数を、前記感温部から発生するカルマン渦の周波数帯域から予め外れる振動数に設定する振動数設定ステップを有しているため、計測環境下において、カルマン渦の周波数帯域が光ファイバの固有振動数に引き寄せられるロッキング現象を強制的且つ構造的に回避することができ、光ファイバとカルマン渦との共鳴振動に起因した光ファイバの歪の発生を抑制することができる。
Since this temperature measurement method has a frequency calculation step of calculating the frequency band of the Karman vortices generated from the optical fiber placed in the fluid based on the velocity of the fluid, the fluid temperature is reflected from the temperature sensing part. In the measurement using the reflected light, it is possible to calculate the frequency band corresponding to the generation frequency of the Karman vortices under the measurement environment.
When the natural frequency of the optical fiber is included in the frequency band of the Karman vortices when the temperature sensing part is placed in the fluid, the natural frequency of the optical fiber is the frequency of the Karman vortices generated from the temperature sensing part. Since it has a frequency setting step that preliminarily sets the frequency to be outside the band, the locking phenomenon in which the frequency band of the Karman vortices is attracted to the natural frequency of the optical fiber is forcibly and structurally avoided under the measurement environment. It is possible to suppress the occurrence of strain in the optical fiber due to resonance vibration between the optical fiber and the Karman vortices.
本発明の温度計測装置及びその計測方法によれば、光ファイバの固有振動数を計測性能に影響を与えることなく変更することにより、多点計測性を維持しつつ流体内の温度計測精度を向上することができる。 According to the temperature measurement device and the measurement method of the present invention, by changing the natural frequency of the optical fiber without affecting the measurement performance, the temperature measurement accuracy in the fluid is improved while maintaining the multi-point measurement capability. can do.
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated based on drawing. The following description of preferred embodiments is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention, its applications or uses.
以下、本発明の実施例1について図1~図9に基づいて説明する。
本実施例1に係る温度計測装置1は、光ファイバの温度依存性を利用したFBG(Fiber Bragg Grating)センサを前提とした温度計測装置である。
図1に示すように、本実施例1の温度計測装置1は、光ファイバ10と、光源2と、サーキュレータ3と、処理手段4等を主な構成要素としている。
説明の便宜上、単一の光ファイバ10を示しているが、光ファイバ10は1本でも良く、計測環境に合わせて複数本であっても良い。
尚、以下、温度計測装置1の説明は、温度計測方法の説明を含むものである。
The
As shown in FIG. 1, the
For convenience of explanation, a single
It should be noted that the following description of the
図2に示すように、光ファイバ10は、コア11と、コア11の屈折率よりも低い屈折率に形成され且つコア11を被覆するクラッド12と、コア11の屈折率よりも高い屈折率に形成され且つコア11内に形成された複数の回折格子13と、クラッド12を被覆する金属被膜14及び取付被膜15(被膜)等を備えている。
コア11とクラッド12は、透明な誘電体(ガラス等)から構成され、例えば、直径が125μmに設定されている。
As shown in FIG. 2, the
The
光ファイバ10は、複数の回折格子13が形成された光軸方向に延びる感温部10aと、この感温部10aの両端部に相当する1対の被支持部10bを有している。
感温部10aは、計測対象領域である流体(空間)内に流体の進行方向に対して交差角(例えば、90°)を有するように配置されている。1対の被支持部10bは、感温部10aを非接触状態で張設するため、固定部材に支持されている。
本実施例では、後述する張力付与手段5を介して1対の被支持部10bを固定部材に支持している。
The
The
In this embodiment, a pair of supported
図2に示すように、感温部10aには、周期的な複数の回折格子13が形成されている。
回折格子13の間隔をΛ、コア11の屈折率をnとしたとき、回折格子13からの反射光の波長(ブラッグ波長)λは、次式(1)で表すことができる。
λ=2n・Λ …(1)
波長λに対応する回折格子13部分が流体温度を計測するセンサ部に相当し、回折格子13の間隔Λが異なるセンサ部を単一の感温部10aに対して複数個所形成することが可能である。
As shown in FIG. 2, a plurality of
When the interval of the
λ=2n·Λ (1)
The portion of the
金属被膜14は、感温部10aに対応したクラッド12表面を一定の膜厚になるように被覆している。この金属被膜14は、ニッケル被膜で形成され、光ファイバ10の固有振動数fiが、計測環境下において、カルマン渦の発生周波数に相当する周波数帯域Aから外れる膜厚(例えば、10μm)になるように設定されている。
取付被膜15は、被支持部10bに対応したクラッド12表面を一定の膜厚になるように被覆している。本実施例では、取付被膜15は金属被膜14とは異なる材質で同じ膜厚になるように設定されている。
The
The
図1に示すように、光源2は、広帯域波長光源により構成され、光ファイバ10に連続的に光を出力している。サーキュレータ3は、入射光を光ファイバ10の感温部10aに導波し、回折格子13から光源2側にブラッグ反射された反射光を混合光から分離して処理手段4に導波するように導波方向を制御している。
処理手段4は、回折格子13(センサ部)から反射された反射光を入力し、入力した反射光のブラッグ波長λと温度特性係数kとに基づいて回折格子13に対応した位置の温度を演算している。基準温度Ta℃のときのブラッグ波長をλa、基準温度よりも温度Tb℃高いときのブラッグ波長をλbとしたとき、以下の式(2)が成り立っている。
Tb-Ta=(λb-λa)/k …(2)
温度特性係数kは、例えば、10pm/℃を用いている。
As shown in FIG. 1, the
The processing means 4 receives the reflected light reflected from the diffraction grating 13 (sensor section) and calculates the temperature at the position corresponding to the
Tb−Ta=(λb−λa)/k (2)
The temperature characteristic coefficient k is, for example, 10 pm/°C.
次に、本実施例に係る温度計測装置1の基本的な考え方について説明する。
温度計測装置1では、計測環境下において、光ファイバ10の固有振動数fiがカルマン渦の周波数帯域Aに含まれる場合、固有振動数fiを周波数帯域Aから外すため、計測実行前に、固有振動数変更処理を実行している。
光ファイバ10の固有振動数fiは、次式(3)で表すことができる。
In the
The natural frequency fi of the
式(3)を用いて算出された基本光ファイバの固有振動数fiが、例えば、72Hz、計測環境下の風速範囲が、例えば、0m/s~15m/sの場合について説明する。
尚、基本光ファイバは、金属被膜14及び取付被膜15が省略されている。
カルマン渦の発生周波数は、その物性として、流速に比例して線形特性を示すため、カルマン渦の発生周波数と基本光ファイバの固有振動数fiは、風速約11m/sで略一致する。そして、風速11m/sの周辺領域、具体的には、風速約9m/sから12m/sの領域では、カルマン渦の発生周波数が基本光ファイバの固有振動数に強制的に引き寄せられるロッキング現象が生じ、基本光ファイバの自励振動がカルマン渦の発生周波数に共鳴振動する。それ故、風速約9m/sから12m/sの領域、つまり、周波数72Hzを含む約60Hzから80Hzの周波数帯域Aから光ファイバの固有振動数fiを強制的に外し、周波数帯域A内におけるロッキング現象の発生を回避している。
A case where the natural frequency fi of the basic optical fiber calculated using equation (3) is, for example, 72 Hz and the wind velocity range under the measurement environment is, for example, 0 m/s to 15 m/s will be described.
Note that the
Since the Karman vortex generation frequency exhibits a linear characteristic as a physical property in proportion to the flow velocity, the Karman vortex generation frequency and the natural frequency fi of the fundamental optical fiber substantially match at a wind speed of about 11 m/s. In the region around the wind speed of 11 m/s, specifically, in the region of wind speeds from about 9 m/s to 12 m/s, a rocking phenomenon occurs in which the frequency of Karman vortices is forcibly attracted to the natural frequency of the fundamental optical fiber. The self-excited oscillation of the fundamental optical fiber resonates at the frequency of the Karman vortices. Therefore, the natural frequency fi of the optical fiber is forcibly removed from the region of the wind speed of about 9 m / s to 12 m / s, that is, the frequency band A of about 60 Hz to 80 Hz including the frequency of 72 Hz, and the rocking phenomenon in the frequency band A avoids the occurrence of
固有振動数変更処理は、膜厚設定処理と張力設定処理の少なくとも何れか一方である。
膜厚設定処理では、クラッド12の外周に膜厚10μmのニッケル金属被膜14を設けている。
これにより、式(3)のヤング率Eを92.2Gpa増加することができ、光ファイバ10の固有振動数fiを周波数帯域Aから強制的に外している。図3の表に示すように、ニッケル金属被膜14の膜厚を厚くすることにより、ヤング率Eを増加することができるため、周波数帯域Aに応じて、適宜、金属被膜14膜厚を設定している。
また、金属被膜14の材質は、銅、金等、計測環境に応じて任意に選択可能であり、何れの場合であっても、膜厚を増加することにより、ヤング率Eを増加することができる。
The natural frequency changing process is at least one of the film thickness setting process and the tension setting process.
In the film thickness setting process, a
As a result, the Young's modulus E in equation (3) can be increased by 92.2 Gpa, and the natural frequency fi of the
Also, the material of the
張力設定処理では、感温部10aに付与される張力Tを増加する張力付与手段5を設けている(図4~図6参照)。
これにより、式(3)の張力Tを増加することができ、光ファイバ10の固有振動数fiを周波数帯域Aから外している。張力付与手段5は、例えば、テープ等の貼着手段を用いることが可能である。張力付与手段5を用いて感温部10aに所定張力Tを付与した状態で、被支持部10bを固定部材に支持している。
金属被膜14の膜厚が所定厚さよりも厚くなる場合、計測応答性に支障が生じる虞がある。それ故、光ファイバ10の固有振動数fiを周波数帯域Aから外すに当り、金属被膜14の膜厚が所定厚さよりも厚くなる場合には、金属被膜14の膜厚を所定厚さに制限し、追加的に張力付与手段5を用いて感温部10aの張力Tを増加する。
また、空間的許容範囲に基づき膜厚が制限される場合も、同様である。
In the tension setting process,
As a result, the tension T in equation (3) can be increased, and the natural frequency fi of the
If the film thickness of the
The same applies when the film thickness is restricted based on the spatial tolerance.
次に、光ファイバ10を配置した計測環境の一例について説明する。
本実施例では、風洞実験等の車両走行状態におけるエンジンルームの下端部、具体的には、オイルパンとアンダーカバーとの間の雰囲気温度を検出している。
図4~図6に示すように、車両Vのエンジンルームには、横置きエンジン21と、このエンジン21の左側に隣接配置された変速機22と、フロントサスペンション(図示略)を支持すると共に前端部に左右1対の突出部を有するサスペンションクロスメンバ23と、このサスペンションクロスメンバ23の左右1対の突出部から前方に夫々延びると共にエンジン21の下部を支持する左右1対のエンジンサポートメンバ24(フレーム)と、エンジンルームの底部を覆うアンダーカバー(図示略)等を備えている。
尚、図中、矢印F方向は、車体前後方向前方、矢印L方向は、車幅方向左方、矢印U方向は、車体上下方向上方を夫々示している。
Next, an example of a measurement environment in which the
In this embodiment, the ambient temperature between the lower end of the engine room, specifically between the oil pan and the undercover, is detected while the vehicle is running in a wind tunnel test or the like.
As shown in FIGS. 4 to 6, in the engine room of the vehicle V, a transversely mounted
In the drawings, the direction of arrow F indicates the front in the longitudinal direction of the vehicle, the direction of arrow L indicates the left in the width direction of the vehicle, and the direction of arrow U indicates the upper direction in the vertical direction of the vehicle.
3本の光ファイバ10は、エンジン21のオイルパンとアンダーカバーとの間に前後方向に直交するように配置され、左端部が左側エンジンサポートメンバ24の基端部分に張力付与手段5を介して支持され、右側途中部が右側エンジンサポートメンバ24の基端部分に張力付与手段5を介して支持されている。各光ファイバ10の張力付与手段5に挟まれた部分には、張力設定処理にて設定された張力Tが付与されている。
オイルパンとアンダーカバーとの間隔(例えば、17.5mm)に対して光ファイバ10の直径(145μm)であるため、流れ場に対して殆ど影響を与えない。
尚、光ファイバ10の直径が1mm(空間の間隔に対して約5%の占有率)であれば、空間的許容範囲であるため、エンジンカバーとボンネットとの間隔(約27mm)、エギマニインシュレータとパネルインシュレータとの間隔(約23.3mm)、キャタリストとトンネルインシュレータとの間隔(約25.1mm)等にも適用可能である(何れも図示略)。
The three
Since the diameter of the optical fiber 10 (145 μm) is equal to the distance between the oil pan and the undercover (17.5 mm, for example), it has little effect on the flow field.
If the diameter of the
次に、図7に示すフローチャートを参照しながら、温度計測装置1による温度計測動作の一例について説明する。尚、図中、Si(i=1,2,…)は、各ステップを示す。
Next, an example of temperature measurement operation by the
図7のフローチャートに示すように、S1にて、光ファイバ10の物性、計測環境下の風速範囲及び雰囲気温度等の計測条件を設定し、S2(周波数演算ステップ)に移行する。
S2では、光ファイバ10の固有振動数fiを式(3)を用いて演算した後、S3に移行する。S3では、カルマン渦の発生周波数に相当する周波数帯域Aを演算した後、S4に移行する。
As shown in the flowchart of FIG. 7, in S1, measurement conditions such as the physical properties of the
In S2, the natural frequency fi of the
S4では、光ファイバ10の固有振動数fiがカルマン渦の周波数帯域Aから外れているか否か判定する。
S4の判定の結果、固有振動数fiが周波数帯域Aから外れている場合、光ファイバ10を温度計測対象である流体の計測位置に配置する(S5)。
S5の後、温度計測装置1による多点温度計測を実行し(S6)、終了する。
S4の判定の結果、固有振動数fiが周波数帯域Aから外れていない場合、光ファイバ10に対して固有振動数変更処理を実行し(S7)、S2にリターンする。
S7(振動数設定ステップ)の固有振動数変更処理では、まず、膜厚設定処理が実行され、金属被膜14の膜厚が所定厚みを超える場合、張力設定処理を実行している。
In S4, it is determined whether or not the natural frequency fi of the
As a result of the determination in S4, if the natural frequency fi is out of the frequency band A, the
After S5, multi-point temperature measurement is performed by the temperature measuring device 1 (S6), and the process ends.
If the result of determination in S4 is that the natural frequency fi does not deviate from the frequency band A, the natural frequency changing process is executed for the optical fiber 10 (S7), and the process returns to S2.
In the natural frequency changing process of S7 (frequency setting step), first, the film thickness setting process is executed, and when the film thickness of the
次に、上記温度計測装置1の作用、効果について説明する。
作用、効果の説明にあたり、実施例1の温度計測装置1を用いた温度計測実験装置を作成し、検証実験を行った。この検証実験では、風速を段階的に調整可能な送風機と、この送風機の送風口の前に張設された光ファイバ10とによって実験装置を構成し、時間経過に伴って風速を増加させた状態の下、計測値と真値との計測温度差及び光ファイバ10の振動周波数を夫々測定した。
Next, the operation and effects of the
In order to explain the operation and effects, a temperature measurement experimental apparatus using the
図8,図9に検証結果を示す。
図8は、経過時間と計測温度差との相関関係を示すグラフ、図9は、風速と光ファイバの振動周波数との相関関係を示すグラフである。
図8に示すように、従来のFBGセンサ(図12参照)に比べて、計測ノイズに起因した計測温度差が解消している。また、図9に示すように、カルマン渦の周波数帯域Aにおけるロッキング現象が解消され、光ファイバ10の振動周波数が、風速に拘らず、線形特性を有している。
8 and 9 show the verification results.
8 is a graph showing the correlation between the elapsed time and the measured temperature difference, and FIG. 9 is a graph showing the correlation between the wind speed and the vibration frequency of the optical fiber.
As shown in FIG. 8, compared with the conventional FBG sensor (see FIG. 12), the measured temperature difference due to measurement noise is eliminated. Further, as shown in FIG. 9, the locking phenomenon in the frequency band A of the Karman vortices is eliminated, and the vibration frequency of the
この温度計測装置1によれば、感温部10aが、速度を有する流体内に配置されているため、流体温度を感温部10aから反射された反射光を用いて多点計測することができる。
光ファイバ10の固有振動数fiが、感温部10aから発生するカルマン渦の周波数帯域Aから外れる振動数に設定されているため、計測環境下において、カルマン渦の発生周波数に相当する周波数帯域Aが光ファイバ10の固有振動数fiに引き寄せられるロッキング現象を強制的且つ構造的に回避することができ、光ファイバ10とカルマン渦との共鳴振動に起因した光ファイバ10の歪の発生を抑制することができる。
According to this
Since the natural frequency fi of the
光ファイバ10は、感温部10aの表面に光ファイバ10の固有振動数fiを変更するための金属被膜14を有し、金属被膜14の膜厚が、カルマン渦の周波数帯域Aに関連付けて設定されるため、保護被膜に相当する金属被膜14を用いて光ファイバ10の伸縮を抑制しつつ、光ファイバ10の固有振動数fiを調整することができる。
The
光ファイバ10は、コア11と、コア11を被覆するクラッド12とを有し、金属被膜14の膜厚が、光ファイバ10の直径よりも小さく形成されたため、計測精度と計測応答性とを両立することができる。
The
光ファイバ10の処理手段4と反対側端部に光ファイバ10の張力Tを調整可能な張力付与手段5を設け、張力付与手段5が、光ファイバ10の固有振動数fiをカルマン渦の周波数帯域Aから外すことができる張力Tを光ファイバ10に付与するため、簡単な構成で固有振動数fiの調整幅を大きくすることができる。
A
感温部10aが、複数位置の温度を検知可能に形成されると共に車両Vのエンジンルーム内を前後に延びる1対のエンジンサポートメンバ24間に配置され、張力付与手段5が、1対のエンジンサポートメンバ24に夫々配設されたため、簡単な構成で車両Vのエンジンルーム内温度を精度良く計測することができる
The
この温度計測方法では、流体内に配置された光ファイバ10から発生するカルマン渦の周波数帯域Aを流体の速度に基づき演算する周波数演算ステップを有しているため、流体温度を感温部10aから反射された反射光を用いて計測するに当り、計測環境下において、カルマン渦の発生周波数に相当する周波数帯域Aを演算することができる。
光ファイバ10の固有振動数fiが感温部10aを流体内に配置したときのカルマン渦の周波数帯域Aに含まれる場合、光ファイバ10の固有振動数fiを、感温部10aから発生するカルマン渦の周波数帯域Aから予め外れる振動数に設定する振動数設定ステップを有しているため、計測環境下において、カルマン渦の周波数帯域Aが光ファイバ10の固有振動数fiに引き寄せられるロッキング現象を強制的且つ構造的に回避することができ、光ファイバ10とカルマン渦との共鳴振動に起因した光ファイバ10の歪の発生を抑制することができる。
This temperature measurement method has a frequency calculation step of calculating the frequency band A of the Karman vortices generated from the
When the natural frequency fi of the
次に、実施例2に係る光ファイバ10Aについて図10に基づいて説明する。
尚、実施例1と同様の部材には、同じ符号を付している。
実施例1では、金属被膜14及び取付被膜15が同じ膜厚であったのに対し、実施例2では、金属被膜14及び取付被膜15Aが異なる膜厚とされている。
Next, an optical fiber 10A according to Example 2 will be described with reference to FIG.
In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the member similar to Example 1. As shown in FIG.
In Example 1, the
金属被膜14は、感温部10aに対応したクラッド12表面を一定の膜厚になるように被覆されている。感温部10aには、周期的な複数の回折格子13が形成されている。
取付被膜15Aは、金属被膜14の膜厚よりも大きく形成され、被支持部10bに対応したクラッド12表面を端部側程厚くなるように被覆されている。
本実施例では、取付被膜15Aは金属被膜14と同じ材質で形成している。
The
The mounting
In this embodiment, the
これにより、被支持部10bの表面を覆う取付被膜15Aを設け、取付被膜15Aの膜厚が、金属被膜14の膜厚よりも大きく形成されたため、感温部10aの金属被膜を薄くでき、計測応答性を高めつつ、固有振動数fiの調整幅を大きくすることができる。しかも、被支持部10bの取付被膜15Aを厚くすることにより、光ファイバ10の支持剛性を確保することができる。
As a result, the mounting
次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
1〕前記実施例においては、コア及びクラッドの外周に金属被膜及び取付被膜を直接被覆した例を説明したが、少なくとも金属被膜によって光ファイバの固有振動数を変更できれば良く、コア及びクラッドの外周を紫外線硬化樹脂等の保護被膜で被覆された光ファイバを金属被膜によって被覆し、固有振動数を変更しても良い。また、保護被膜が単一層でなく、1次被膜及び2次被膜等複数層の被膜を用いて被覆することも可能である。
Next, a modified example in which the above embodiment is partially changed will be described.
1) In the above embodiments, the metal coating and the mounting coating are directly coated on the outer periphery of the core and the clad. An optical fiber coated with a protective coating such as an ultraviolet curable resin may be coated with a metal coating to change the natural frequency. In addition, the protective coating may be not a single layer, but a multi-layer coating such as a primary coating and a secondary coating.
2〕前記実施例においては、エンジンルーム内の温度を3本の多点計測可能な光ファイバを用いて温度計測した例を説明したが、測定領域はエンジンルームに限られず、カルマン渦が発生する流速を有する流体空間であれば、何れでも適用可能である。
また、光ファイバは単一でも良く、また、複数本併用しても良い。
尚、レイノルズ数が約80~約300の範囲で完全なカルマン渦、300~3×105の範囲で略周期的なカルマン渦、3×106よりも大きい範囲で周期的なカルマン渦が発生することから、上記レイノルズ数を満足する流体空間に適用することが好ましい。
2) In the above embodiment, the temperature in the engine room was measured using three optical fibers capable of multi-point measurement. Any fluid space having a flow velocity can be applied.
A single optical fiber may be used, or a plurality of optical fibers may be used together.
Complete Karman vortices are generated when the Reynolds number is in the range of about 80 to about 300, approximately periodic Karman vortices are generated in the range of 300 to 3×10 5 , and periodic Karman vortices are generated in the range of more than 3×10 6 . Therefore, it is preferable to apply it to a fluid space that satisfies the above Reynolds number.
3〕前記実施例においては、金属被膜としてニッケル、銅、金の例を説明したが、他の金属であっても良い。また、膜厚の例として、10μm、20μm、30μmを示したが、これに限るものではない。 3) In the above embodiments, nickel, copper, and gold were used as examples of the metal coating, but other metals may be used. Although 10 μm, 20 μm, and 30 μm are shown as examples of film thickness, the present invention is not limited to these.
4〕前記実施例においては、走行風の流れ方向に対して直交方向に配置された光ファイバの例を説明したが、少なくとも、光ファイバが走行風の流れ方向に対して交差角度を有していれば良い。 4) In the above embodiment, an example of the optical fibers arranged in a direction perpendicular to the flow direction of the running wind has been explained, but at least the optical fibers have a crossing angle with respect to the flow direction of the running wind. I wish I could.
5〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。 5) In addition, without departing from the spirit of the present invention, a person skilled in the art can implement the above-described embodiment in a form in which various modifications are added or in a form in which each embodiment is combined. Any modifications are also included.
1 温度計測装置
2 光源
4 処理手段
5 張力付与手段
10,10A 光ファイバ
10a 感温部
10b 被支持部
11 コア
12 クラッド
14 金属被膜
15,15A 取付被膜
24 エンジンサポートメンバ
V 車両
1
Claims (7)
前記感温部が、速度を有する流体内に配置されると共に、
前記光ファイバの固有振動数が、前記感温部から発生するカルマン渦の周波数帯域から外れる振動数に設定されたことを特徴とする温度計測装置。 An optical fiber having a temperature sensing portion extending in an axial direction and supported portions formed at both ends of the temperature sensing portion, a light source for outputting light to the optical fiber, and processing the reflected light generated by the temperature sensing portion. A temperature measuring device capable of measuring fluid temperature, comprising a processing means for
the temperature sensing portion is placed in a fluid having a velocity, and
A temperature measuring device, wherein the natural frequency of the optical fiber is set to a frequency outside the frequency band of Karman vortices generated from the temperature sensing portion.
前記金属被膜の膜厚が、前記カルマン渦の周波数帯域に関連付けて設定されることを特徴とする請求項1に記載の温度計測装置。 The optical fiber has a metal coating on the surface of the temperature sensing part for changing the natural frequency of the optical fiber,
2. The temperature measuring device according to claim 1, wherein the film thickness of said metal coating is set in relation to the frequency band of said Karman vortices.
前記金属被膜の膜厚が、前記光ファイバの直径よりも小さく形成されたことを特徴とする請求項2に記載の温度計測装置。 The optical fiber has a core and a clad covering the core,
3. The temperature measuring device according to claim 2, wherein the thickness of said metal coating is smaller than the diameter of said optical fiber.
前記被膜の膜厚が、前記金属被膜の膜厚よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項2又は3に記載の温度計測装置。 providing a coating covering the surface of the supported portion;
4. The temperature measuring device according to claim 2, wherein the thickness of said coating is formed to be larger than the thickness of said metal coating.
前記張力付与手段が、前記光ファイバの固有振動数を前記カルマン渦の周波数帯域から外すことができる張力を前記光ファイバに付与することを特徴とする請求項1に記載の温度計測装置。 A tension applying means capable of adjusting the tension of the optical fiber is provided at the end of the optical fiber opposite to the processing means,
2. The temperature measuring device according to claim 1, wherein said tension applying means applies tension to said optical fiber so as to remove the natural frequency of said optical fiber from the frequency band of said Karman vortices.
前記張力付与手段が、前記1対のフレームの何れか一方に配設されたことを特徴とする請求項5に記載の温度計測装置。 The temperature sensing part is formed to detect temperatures at a plurality of positions and is disposed between a pair of frames extending in the longitudinal direction of the vehicle body in the engine room of the vehicle,
6. The temperature measuring device according to claim 5, wherein said tension applying means is arranged on either one of said pair of frames.
流体内に配置された前記光ファイバから発生するカルマン渦の周波数帯域を流体の速度に基づき演算する周波数演算ステップと、
次に、前記光ファイバの固有振動数が前記感温部を流体内に配置したときのカルマン渦の周波数帯域に含まれる場合、前記光ファイバの固有振動数を、前記感温部から発生するカルマン渦の周波数帯域から予め外れる振動数に設定する振動数設定ステップと、
を有することを特徴とする温度計測方法。 An optical fiber having a temperature sensing portion extending in an axial direction and supported portions formed at both ends of the temperature sensing portion, a light source for outputting light to the optical fiber, and processing the reflected light generated by the temperature sensing portion. In a temperature measurement method capable of measuring fluid temperature using a processing means to
a frequency calculation step of calculating a frequency band of Karman vortices generated from the optical fiber arranged in the fluid based on the velocity of the fluid;
Next, when the natural frequency of the optical fiber is included in the frequency band of Karman vortices when the temperature sensing portion is placed in the fluid, the natural frequency of the optical fiber is set to the Karman vortex generated from the temperature sensing portion. a frequency setting step of setting a frequency that is preliminarily deviated from the frequency band of the vortex;
A temperature measurement method, comprising:
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