JP7479717B2 - センサ装置、故障診断システム、及びセンサ装置の施工方法 - Google Patents

センサ装置、故障診断システム、及びセンサ装置の施工方法 Download PDF

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Description

特許法第３０条第２項適用 （１）講演会での公開 集会名、開催場所 第６１回航空原動機・宇宙推進講演会 米子コンベンションセンター ＢＩＧＳＨＩＰ（鳥取県米子市末広町２９４） 開催日 令和４年３月９日 （２）第６１回航空原動機・宇宙推進講演会講演集 ウェブサイト ウェブサイトのアドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓａｎｗａ－ｓ．ｃｏｍ／ｃｈｅｃｋｕｐｓｉｔｅ／６１ｓｔ＿０３０４／ ウェブサイトの掲載日 令和４年３月９日 （３）刊行物への発表 刊行物 第６１回航空原動機・宇宙推進講演会講演集 ＣＤ－ＲＯＭ（ＪＰ番号：２３６８３４７３）、日本航空宇宙学会 国立国会図書館の受入年月日 令和４年４月１日
本発明は、センサ装置、故障診断システム、及びセンサ装置の施工方法に関する。
従来、原子炉格納容器の内側に設置された配管の圧力変動を、監視システムにより監視することが行われている（例えば、特許文献１参照）。監視システムは、ひずみ測定部と、光ファイバと、変換器と、監視装置と、から構成されている。
ひずみ測定部は、配管の周方向に貼り付けられている。光ファイバは、ひずみ測定部で測定した光信号を導く。変換器は、光信号を電圧信号に変換する。監視装置は、変換器からの出力信号を観測する。
一方で、宇宙機液体推進システムにおける機器故障を診断する、故障診断システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。宇宙機液体推進システムにおける推進制御モジュールは、３個のスラスタと、燃料タンクと、酸化剤タンクと、第１供給管（配管）と、第２供給管と、圧力センサと、制御部と、を備えている。
第１供給管は、主配管と、主配管から３つのスラスタに向けて分岐する第１分岐管と、を備えている。第２供給管は、主配管と、主配管から３つのスラスタに向けて分岐する第２分岐管と、を備えている。
各スラスタには、燃料タンクから第１供給管を介して燃料が供給されるとともに、酸化剤タンクから第２供給管を介して酸化剤が供給される。
特開２００８－２５６６８１号公報 特開２０２１－１２４０４５号公報
しかしながら、特許文献１の監視システム及び特許文献２の故障診断システムでは、配管における複数の部分を同時に測定しようとすると、光ファイバの本数、圧力センサ及び圧力センサに接続されたケーブルの本数が増えて、装置の構成が大きくなる。
また、特許文献１の監視システムのように、光信号を導く光ファイバを用いる場合がある。この場合、光ファイバを配管に巻き付け、その配管の外径が比較的細いときには、巻き付けられる光ファイバの曲率半径が小さくなり、光信号の光損失が大きくなる虞がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、装置の構成が大きくなるのを抑えつつ配管における複数の部分を同時に測定するとともに、配管の外径が比較的細い場合であっても光損失を抑えて測定可能なセンサ装置、このセンサ装置を備える故障診断システム、このセンサ装置の施工方法を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明の態様１は、複数のＦＢＧセンサが形成された光ファイバと、前記光ファイバに光を入射させるとともに、前記複数のＦＢＧセンサの少なくとも１つで反射された前記光である反射光を検出する検出部と、を備え、前記光ファイバにおける前記複数のＦＢＧセンサが形成された部分は、配管に、前記光ファイバにおける前記ＦＢＧセンサが形成された部分側から見た前記配管の側面視において、前記配管の軸線に対して垂直又は鋭角である巻き付け角度をなすようにそれぞれ巻き付けられ、前記巻き付け角度は、前記配管の外径が小さくなるに従い小さくされている、センサ装置である。
この発明では、複数のＦＢＧセンサが形成された光ファイバが配管に巻き付けられているため、例えば、配管内を流れる流体により配管が周方向に歪（ひず）むと、配管と一体になって、光ファイバにおける複数のＦＢＧセンサが形成された部分も歪む。
検出部から光ファイバに入射した光の一部は、流体の流れに応じて歪んだ複数のＦＢＧセンサにより反射され、反射光となる。複数のＦＢＧセンサが歪み、例えば反射光における波長に対する強度の分布の変化を検出部が検出することにより、配管において複数のＦＢＧセンサが設けられた部分を、１本の光ファイバにより同時に測定することができる。複数の部分を測定する際に、光ファイバを１本のみ用いるため、センサ装置の構成が大きくなるのを抑えることができる。
また、光ファイバにおける複数のＦＢＧセンサが形成された部分は、配管に、光ファイバにおけるＦＢＧセンサが形成された部分側から見た配管の側面視において、配管の軸線に対して垂直又は鋭角である巻き付け角度をなすようにそれぞれ巻き付けられている。従って、配管の外径が比較的細い場合であっても、配管に巻き付けらえる光ファイバの曲率半径が小さくなるのが抑制される。これにより、光ファイバにより送られる光の光損失を抑えて、測定することができる。
（２）本発明の態様２は、前記（１）に記載のセンサ装置と、前記検出部の検出結果に基づいて前記複数のＦＢＧセンサの周波数応答関数である複数の取得周波数応答関数を算出する算出部と、前記配管内を流体が正常に流れる状態を模擬した解析結果、又は前記配管内を前記流体が正常に流れる実験結果により得られる、前記複数のＦＢＧセンサが配置された前記配管の複数の部分における周波数応答関数である複数の正常周波数応答関数を記憶する記憶部と、前記複数の取得周波数応答関数と前記複数の正常周波数応答関数とを比較し、前記配管内の前記流体の流れにおける異常の有無を判定する判定部と、を備える、故障診断システムである。
この発明では、記憶部には、予め、配管内を流体が正常に流れる状態を模擬した解析結果、又は配管内を流体が正常に流れる実験結果により得られる、複数のＦＢＧセンサが配置された配管の複数の部分における複数の正常周波数応答関数が記憶されている。
この状態で、算出部は、検出部の検出結果に基づいて複数のＦＢＧセンサの複数の取得周波数応答関数を算出する。判定部が複数の取得周波数応答関数と複数の正常周波数応答関数とを比較し、配管内の流体の流れにおける異常の有無を判定することにより、周波数応答関数に基づいて複数のＦＢＧセンサが配置された配管の複数の部分における異常の有無を判定することができる。
（３）本発明の態様３は、前記判定部は、前記配管において異常が生じた部分又は範囲を特定する、前記（２）に記載の故障診断システムであってもよい。
この発明では、配管における異常がある、所定の部分を又は所定の範囲を特定することができる。
（４）本発明の態様４は、前記判定部は、前記配管の所定の前記部分に対応する前記取得周波数応答関数と前記正常周波数応答関数との関係性に着目した処理結果が、予め定められた閾値以上であるときに、前記所定の部分に異常が生じていると判定する、前記（３）に記載の故障診断システムであってもよい。
この発明では、閾値という予め定められた数値に基づき、この閾値と処理結果とを比較することにより、異常が生じている所定の部分を、判定部が公平かつ迅速に判定することができる。
（５）本発明の態様５は、複数のＦＢＧセンサが形成された光ファイバと、前記光ファイバに光を入射させるとともに、前記複数のＦＢＧセンサの少なくとも１つで反射された前記光である反射光を検出する検出部と、を備えるセンサ装置を配管に巻き付けるセンサ装置の施工方法であって、前記光ファイバにおける前記複数のＦＢＧセンサが形成された部分を、前記配管に配管径に応じて適切な巻き付け角度を決定し、前記光ファイバにおける前記ＦＢＧセンサが形成された部分側から見た前記配管の側面視において、前記配管の軸線に対して垂直又は鋭角である巻き付け角度をなすようにそれぞれ巻き付け、前記巻き付け角度を、前記配管の外径が小さくなるに従い小さくする、センサ装置の施工方法である。
この発明では、複数のＦＢＧセンサが形成された光ファイバが配管に巻き付けられるため、例えば、配管内を流れる流体により配管が周方向に歪むと、配管と一体になって、光ファイバにおける複数のＦＢＧセンサが形成された部分も歪む。
検出部から光ファイバに入射した光の一部は、流体の流れに応じて歪んだ複数のＦＢＧセンサにより反射され、反射光となる。複数のＦＢＧセンサが歪み、例えば反射光における波長に対する強度の分布の変化を検出部が検出することにより、配管において複数のＦＢＧセンサが設けられた部分を、１本の光ファイバにより同時に測定することができる。複数の部分を測定する際に、光ファイバを１本のみ用いるため、センサ装置の構成が大きくなるのを抑えることができる。
また、光ファイバにおける複数のＦＢＧセンサが形成された部分は、配管に、光ファイバにおけるＦＢＧセンサが形成された部分側から見た配管の側面視において、配管の軸線に対して垂直又は鋭角である巻き付け角度をなすようにそれぞれ巻き付けられる。従って、配管の外径が比較的細い場合であっても、配管に巻き付けらえる光ファイバの曲率半径が小さくなるのが抑制される。これにより、光ファイバにより送られる光の光損失を抑えて、測定することができる。
本発明のセンサ装置、故障診断システム、及びセンサ装置の施工方法では、装置の構成が大きくなるのを抑えつつ配管における複数の部分を同時に測定するとともに、配管の外径が比較的細い場合であっても光損失を抑えて測定することができる。
本発明の一実施形態の故障診断システムによる診断の対象となる配管系の概要を示す図である。 同故障診断システムの概要構成を示す図である。 同故障診断システムの光ファイバが、配管系の第１配管に巻き付けられた状態を示す側面図である。 同故障診断システムの光ファイバが、配管系の第２配管に巻き付けられた状態を示す側面図である。 鋭角に基づいた補正を行う前の、時間に対する圧力の変化を表す図である。 鋭角に基づいた補正を行った後の、時間に対する圧力の変化を表す図である。 周波数に対する周波数応答関数のゲインの変化を表す図である。
以下、本発明に係るセンサ装置、故障診断システム、及びセンサ装置の施工方法の一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。
まず、図１を用いて、故障診断システムによる診断の対象となる配管系１００について説明する。
配管系１００の構成は、配管系が後述する配管を備えていれば、限定されない。例えば、配管系１００は、タンク１０１と、第１接続管１０２と、第１配管（配管）１０３と、複数の第２配管（配管）１０４Ａ，１０４Ｂと、第２接続管１０５Ａ，１０５Ｂと、バルブ１０６Ａ～１０６Ｅと、電磁弁１０７Ａ，１０７Ｂと、圧力センサ１０８Ａ～１０８Ｆと、を有する。なお、図１中には、第１配管１０３及び第２配管１０４Ａ，１０４Ｂの外径の大きさのイメージを、二点鎖線で示す。以下では、第１配管１０３及び第２配管１０４Ａ，１０４Ｂをまとめて、配管１１２と言う。
なお、配管系１００にバルブ、電磁弁、圧力センサが配置される位置、これらを備える数等は、これに限定されない。
例えば、タンク１０１には、水（流体）Ｗが収容されている。タンク１０１内は、ガス等により加圧されていることが好ましい。なお、タンク１０１に収容される流体は水Ｗに限定されず、燃料、酸化剤等でもよい。
第１接続管１０２は、第１片１０２ａと、第２片１０２ｂと、を有する。第１片１０２ａ及び第２片１０２ｂは、それぞれ管状である。第１片１０２ａの第１端部は、タンク１０１内におけるタンク１０１の底部近傍に配置されている。第１片１０２ａは、上下方向に沿って延び、第１片１０２ａにおける第１端部とは反対側の第２端部は、タンク１０１よりも上方に突出している。
第２片１０２ｂは、第１片１０２ａの上端部から水平面に沿って延びている。
第１配管１０３は、第１接続管１０２の第２片１０２ｂにおける第１片１０２ａが接続されていない端部から、水平面に沿って延びている。
第２配管１０４Ａ，１０４Ｂの外径は、第１配管１０３の外径よりも小さい。第２配管１０４Ａは、第１配管１０３が延びる先端部から、水平面に沿って延びている。
第２配管１０４Ｂは、第１片１０４ａＢと、第２片１０４ｂＢと、を有する。第１片１０４ａＢ及び第２片１０４ｂＢは、それぞれ管状である。
第１片１０４ａＢは、第１配管１０３が延びる先端部から、下方に向かって延びている。第２片１０４ｂＢは、第１片１０４ａＢの下端部から、水平面に沿うとともに第２配管１０４Ａに対して上下方向に対向するように延びている。
第２接続管１０５Ａは、第２配管１０４Ａが延びる先端部から、水平面に沿って延びている。第２接続管１０５Ｂは、第２配管１０４Ｂの第２片１０４ｂＢが延びる先端部から、水平面に沿って延びている。
なお、タンク１０１に排出管１１１が接続されている。
バルブ１０６Ａ～１０６Ｅは、配管１１２等を、水Ｗが流れる開状態と、水Ｗが流れない閉状態と、に切り替えることができる。バルブ１０６Ａは、第１接続管１０２の第１片１０２ａに設けられている。バルブ１０６Ｂは、第１接続管１０２の第２片１０２ｂに設けられている。
バルブ１０６Ｃは、第２接続管１０５Ａに設けられている。バルブ１０６Ｄは、第２接続管１０５Ｂに設けられている。バルブ１０６Ｃ，１０６Ｄは、第２接続管１０５Ａ，１０５Ｂ内を流れる水Ｗの流量を調整することができる。バルブ１０６Ｅは、排出管１１１に設けられている。
電磁弁１０７Ａ，１０７Ｂは、第２接続管１０５Ａ，１０５Ｂを、水Ｗが流れる開状態と、水Ｗが流れない閉状態と、に切り替えることができる。
電磁弁１０７Ａは、第２接続管１０５Ａにおける第２配管１０４Ａに接続された端部に設けられている。電磁弁１０７Ｂは、第２接続管１０５Ｂにおける第２配管１０４Ｂに接続された端部に設けられている。
圧力センサ１０８Ａは、タンク１０１内の圧力を測定する。圧力センサ１０８Ｂは、第１接続管１０２の第２片１０２ｂと第１配管１０３との接続部分内の圧力を測定する。
圧力センサ１０８Ｃは、第２配管１０４Ａと第２接続管１０５Ａとの接続部分内の圧力を測定する。圧力センサ１０８Ｄは、第２接続管１０５Ａにおけるバルブ１０６Ｃ及び電磁弁１０７Ａが設けられた部分の間の圧力を測定する。
圧力センサ１０８Ｅは、第２配管１０４Ｂと第２接続管１０５Ｂとの接続部分内の圧力を測定する。圧力センサ１０８Ｆは、第２接続管１０５Ｂにおけるバルブ１０６Ｄ及び電磁弁１０７Ｂが設けられた部分の間の圧力を測定する。
以上のように構成された配管系１００では、操作者が、バルブ１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｅを適宜開閉するとともに、バルブ１０６Ｃ，１０６Ｄの開度を適宜調整し、電磁弁１０７Ａ，１０７Ｂを適宜開閉する。これにより、第２接続管１０５Ａ，１０５Ｂから配管系１００の外部に流れ出る水Ｗの流量を調整することができる。
その際に圧力センサ１０８Ａ～１０８Ｆにより、配管系１００における各部分の圧力を測定することができる。
次に、図２を用いて、故障診断システム１について説明する。
故障診断システム１は、本実施形態のセンサ装置１０と、算出部２０と、記憶部２２と、判定部２４と、を備える。
センサ装置１０は、光ファイバ１１と、検出部１２と、を有する。
例えば、光ファイバ１１は、図示はしないが、コア、及びコアの外周面を覆うクラッドを有する。光ファイバ１１のコアには、複数のＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：屈折率変調回折格子）センサ１４が形成されている。なお、図２以下において、複数のＦＢＧセンサ１４をハッチングで示す。
図３及び図４に示すように、光ファイバ１１における複数のＦＢＧセンサ１４が形成された部分（以下では、センサ形成部１１ａと言う）は、第１配管１０３及び第２配管１０４Ａにそれぞれ巻き付けられている。
ここで、図３に示すように、第１配管１０３の軸線（中心軸線）を、軸線Ｏ１と言う。図４に示すように、第２配管１０４Ａの軸線を、軸線Ｏ２と言う。
より詳しく説明すると、図３に示すように、センサ形成部１１ａは、第１配管１０３に、センサ形成部１１ａ側から見た第１配管１０３の側面視において（第１配管１０３をセンサ形成部１１ａに対向するように見たときに）、軸線Ｏ１に対して傾斜して鋭角である巻き付け角度θ１をなすように巻き付けられている。言い換えれば、センサ形成部１１ａは、リード角が巻き付け角度θ１となるように、第１配管１０３に巻き付けられている。
同様に、図４に示すように、センサ形成部１１ａは、第２配管１０４Ａに、センサ形成部１１ａ側から見た第２配管１０４Ａの側面視において（第２配管１０４Ａをセンサ形成部１１ａに対向するように見たときに）、軸線Ｏ１に対して傾斜して鋭角である巻き付け角度θ２をなすように巻き付けられている。言い換えれば、センサ形成部１１ａは、リード角が巻き付け角度θ２となるように、第２配管１０４Ａに巻き付けられている。
なお、巻き付け角度θ１，θ２は、垂直（直角）でもよい。
巻き付け角度θ１，θ２は、配管１０３，１０４Ａ，１０４Ｂの径（外径）に応じて適切に決定される。具体的には、第２配管１０４Ａに対する巻き付け角度θ２は、第１配管１０３に対する巻き付け角度θ１よりも小さいことが好ましい。巻き付け角度θ１，θ２は、配管１１２の外径、配管１１２の材質等により適宜調節される。
配管１１２とセンサ形成部１１ａとは、接着剤やテープ３０（図３参照）等により互いに固定されている。配管１１２が周方向に歪むと、配管１１２と一体になってセンサ形成部１１ａが歪む。
複数のＦＢＧセンサ１４が配置される配管１１２の部分は、特に限定されない。図１に示すように、以下では、複数のＦＢＧセンサ１４が配置された第１配管１０３の複数の部分を、センサ設置部分１０３ａ，１０３ｂと言う。
例えば、センサ設置部分１０３ａは、第１配管１０３における第１接続管１０２に接続された側の端部である。センサ設置部分１０３ｂは、第１配管１０３における第２配管１０４Ａに接続された側の端部である。
以下では、複数のＦＢＧセンサ１４が配置された第２配管１０４Ａ，１０４Ｂの複数の部分を、センサ設置部分１０４ａＡ，１０４ｂＡ，１０４ｃＢ～１０４ｆＢと言う。
センサ設置部分１０４ａＡは、第２配管１０４Ａにおける第１配管１０３に接続された側の端部である。センサ設置部分１０４ｂＡは、第２接続管１０５Ａにおける第２配管１０４Ａに接続された側の端部である。
センサ設置部分１０４ｃＢは、第２配管１０４Ｂの第１片１０４ａＢにおける第１配管１０３に接続された側の端部である。センサ設置部分１０４ｄＢは、第１片１０４ａＢにおける第２片１０４ｂＢに接続された側の端部である。センサ設置部分１０４ｅＢは、第２片１０４ｂＢにおける第１片１０４ａＢに接続された側の端部である。センサ設置部分１０４ｆＢは、第２接続管１０５Ｂにおける第２配管１０４Ｂに接続された側の端部である。
以下では、センサ設置部分１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａＡ，１０４ｂＡ，１０４ｃＢ～１０４ｆＢを、センサ設置部分１０３ａ等と言う。
図２に示すように、検出部１２は、光ファイバ１１に光を入射させるとともに、複数のＦＢＧセンサ１４の少なくとも１つで反射された光である反射光を検出する。
算出部２０、記憶部２２、及び判定部２４は、互いにバス２６により接続されている。バス２６は、検出部１２に接続されている。
算出部２０は、検出部１２の検出結果に基づいて、例えば反射光における波長に対する強度の分布の変化を検出する。そして、算出部２０は、この関係から複数のセンサ形成部１１ａの歪を検出する。算出部２０は、複数のセンサ形成部１１ａの歪から、センサ設置部分１０３ａ等における配管１１２の圧力を算出する。
算出部２０は、算出した圧力を周波数解析し、複数のＦＢＧセンサ１４の周波数応答関数（Frequency Response Function）である複数の取得周波数応答関数を算出する。例えば、取得周波数応答関数は、算出した圧力の、周波数に対する周波数応答関数である。
より詳しく説明すると、算出部２０は、センサ設置部分１０３ａに対応する取得周波数応答関数、センサ設置部分１０３ｂに対応する取得周波数応答関数、‥、センサ設置部分１０４ｆＢに対応する取得周波数応答関数をそれぞれ算出する。
記憶部２２は、複数の正常周波数応答関数、周波数応答関数閾値（閾値）等を記憶する。複数の正常周波数応答関数は、センサ設置部分１０３ａ等における周波数応答関数である。
より詳しく説明すると、複数の正常周波数応答関数は、センサ設置部分１０３ａに対応する正常周波数応答関数、センサ設置部分１０３ｂに対応する正常周波数応答関数、‥、センサ設置部分１０４ｆＢに対応する正常周波数応答関数である。
平均二乗誤差の閾値は、異常及び正常を判定するために予め定められた値である。
複数の正常周波数応答関数は、配管１１２内を水Ｗが正常に流れる状態を模擬した解析結果により得られる。また、複数の正常周波数応答関数は、配管１１２内を水Ｗが正常に流れる実験結果によっても得られる。
ここで言う水Ｗが正常に流れるとは、配管１１２内が水Ｗで満たされて、空気等の水Ｗ以外の流体が配管１１２内に入らず、バルブ１０６Ａ～１０６Ｅ及び電磁弁１０７Ａ，１０７Ｂの開度不良による水Ｗの流量異常が無いことを意味する。
複数の正常周波数応答関数は、配管系１００に対する固有の周波数応答関数である。複数の正常周波数応答関数は、所定の配管系に対して解析又は実験を行うことにより得られる。例えば、正常周波数応答関数は、周波数に対応してゲインが変化する。
故障診断システム１で配管系１００の診断を行う前に、記憶部２２には、複数の正常周波数応答関数及び平均二乗誤差の閾値が予め記憶されていることが好ましい。
判定部２４は、複数の取得周波数応答関数と複数の正常周波数応答関数とを比較し、配管１１２内の水Ｗの流れにおける異常の有無を判定する。例えば、判定部２４は、配管１１２の所定の部分に対応する取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との関係性に着目した処理結果（分析結果）が、予め定められた閾値以上であるときに、前記所定の部分に異常が生じていると判定する。例えば、取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との関係性に着目した処理結果は、取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との平均二乗誤差（Mean Squared Error）であり、閾値は平均二乗誤差の閾値である。
より詳しく説明すると、判定部２４は、センサ設置部分１０３ａに対応する取得周波数応答関数と正常周波数応答関数とを比較し、これらの周波数応答関数からセンサ設置部分１０３ａに対応する平均二乗誤差を算出する。同様に、判定部２４は、センサ設置部分１０３ｂ，１０４ａＡ，１０４ｂＡ，１０４ｃＢ～１０４ｆＢに対応する平均二乗誤差をそれぞれ算出する。
例えば、センサ設置部分１０３ａに対応する平均二乗誤差が予め定めた閾値（平均二乗誤差の閾値）以上であり、センサ設置部分１０３ｂ，１０４ａＡ，１０４ｂＡ，１０４ｃＢ～１０４ｆＢに対応する平均二乗誤差が予め定めた閾値未満である場合には、判定部２４は、センサ設置部分１０３ａに異常が生じていると判定し、センサ設置部分１０３ｂ，１０４ａＡ，１０４ｂＡ，１０４ｃＢ～１０４ｆＢは正常であると判定する。
例えば、配管１１２に沿って隣り合うセンサ設置部分１０３ａ，１０３ｂに対応する平均二乗誤差が予め定めた閾値以上であり、センサ設置部分１０４ａＡ，１０４ｂＡ，１０４ｃＢ～１０４ｆＢに対応する平均二乗誤差が予め定めた閾値未満である場合には、判定部２４は、センサ設置部分１０３ａとセンサ設置部分１０３ｂとの間に対応する第１配管１０３の範囲に異常が生じていると判定する。
以上のように、判定部２４は、配管１１２において異常が生じた部分（センサ設置部分）又は範囲を特定する。
ここで、判定部２４が平均二乗誤差を求める方法について説明する。
周波数応答関数Ｈ（ｆ）は，入力信号ａのフーリエスペクトルＡ（ｆ）と出力信号ｂのフーリエスペクトルＢ（ｆ）を用いて（１）式で表される。
Figure 0007479717000001
（１）式の右辺における分子及び分母に、入力信号ａのフーリエスペクトルＡ（ｆ）の複素共役Ａ＊（ｆ）をそれぞれかけると、Ｈ（ｆ）は入力信号ａのパワースペクトルＧａａ（ｆ）及び入力信号ａと出力信号ｂのクロススペクトルＧｂａ（ｆ）を用いて（２）式のように表される。
Figure 0007479717000002
（２）式の周波数応答関数Ｈ（ｆ）は、出力信号ｂのフーリエスペクトルＢ（ｆ）にノイズが多い場合に用いられ、平均化によりランダムエラーが最小化される。
本実施形態のセンサ装置の施工方法（以下では、単に施工方法とも言う）は、センサ装置１０を配管１１２に巻き付ける方法である。
施工方法は、センサ形成部１１ａを、配管１１２に、センサ形成部１１ａ側から見た配管１１２の側面視において、配管１１２の軸線Ｏ１，Ｏ２に対して傾斜して鋭角である巻き付け角度θ１，θ２をなすようにそれぞれ巻き付ける。
（センサ装置を用いた配管の圧力の測定結果）
ここで、配管系１００における配管１１２の圧力（歪）をセンサ装置１０により測定した結果について説明する。
なお、配管１１２におけるセンサ設置部分１０３ａ等では、図示しない圧力センサにより圧力が測定される。圧力センサにより測定した圧力と、センサ装置１０のＦＢＧセンサ１４で測定した圧力と、を比較した。センサ装置１０のセンサ形成部１１ａは、配管１１２に、軸線に対して傾斜して鋭角θをなすように巻き付けられている。
比較した結果を、図５に示す。図５において、横軸は時間（ｍｓ（ミリ秒））を表し、縦軸は圧力（ＭＰａ（メガパスカル））を表す。
この場合、圧力センサによる圧力に対するセンサ装置１０による最大ピーク圧力の誤差は、１２％であった。
一方で、センサ装置１０により測定した歪εに対して、鋭角θに基づいた補正を行い、圧力を算出した。鋭角θに基づいた補正は、式（３）により行われる。式（３）は、配管の内径Ｒｉ、外径Ｒｏ、ヤング率Ｅ、ポアソン比ν、及び鋭角θを用いて、歪εを圧力Ｐに換算する。
Figure 0007479717000003
比較した結果を、図６に示す。この場合、圧力センサによる圧力に対するセンサ装置１０による最大ピーク圧力の誤差は、３．４％であった。鋭角θに基づいた補正を行うことにより、センサ装置１０により測定される圧力（歪）の精度が向上することが分かった。
（周波数応答関数の一例）
次に、正常周波数応答関数及び取得周波数応答関数の一例ついて説明する。
図７に、周波数に対する正常周波数応答関数及び取得周波数応答関数のゲインの変化を示す。図７において、横軸は周波数（Ｈｚ（ヘルツ））を表し、縦軸は周波数応答関数のゲイン（ｄＢ（デシベル））を表す。正常周波数応答関数のゲインは、（４）式により与えられる。一方で、取得周波数応答関数のゲインは、（５）式により与えられる。
Figure 0007479717000004
判定部２４は、取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との平均二乗誤差が周波数応答関数閾値以上であるときに、異常が生じていると判定する。
以上説明したように、本実施形態のセンサ装置１０では、複数のＦＢＧセンサ１４が形成された光ファイバ１１が配管１１２に巻き付けられているため、例えば、配管１１２内を流れる水Ｗにより配管１１２が周方向に歪むと、配管１１２と一体になって、光ファイバ１１における複数のＦＢＧセンサ１４が形成された部分も歪む。
検出部１２から光ファイバ１１に入射した光の一部は、水Ｗの流れに応じて歪んだ複数のＦＢＧセンサ１４により反射され、反射光となる。複数のＦＢＧセンサ１４が歪み、例えば反射光における波長に対する強度の分布の変化を検出部１２が検出することにより、センサ設置部分１０３ａ等を、１本の光ファイバ１１により同時に測定することができる。複数の部分を測定する際に、光ファイバ１１を１本のみ用いるため、センサ装置１０の構成が大きくなるのを抑えることができる。
また、センサ形成部１１ａは、配管１１２に、センサ形成部１１ａ側から見た配管１１２の側面視において、配管１１２の軸線Ｏ１，Ｏ２に対して傾斜して鋭角である巻き付け角度θ１，θ２をなすようにそれぞれ巻き付けられている。従って、配管１１２の外径が比較的細い場合であっても、配管１１２に巻き付けらえる光ファイバ１１の曲率半径が小さくなるのが抑制される。これにより、光ファイバ１１により送られる光の光損失を抑えて、測定することができる。
巻き付け角度θ１，θ２は、配管１０３，１０４Ａの径に応じて適切に決定される。これにより、巻き付け角度θ１，θ２を配管１０３，１０４Ａの径に応じて適切に決定することができる。
第２配管１０４Ａに対する巻き付け角度θ２は、第１配管１０３に対する巻き付け角度θ１よりも小さい場合がある。この場合には、外径が第１配管１０３よりも小さい第２配管１０４Ａの歪を測定する際に、第２配管１０４Ａに巻き付けらえる光ファイバ１１の曲率半径が小さくなるのを、より確実に抑制することができる。
また、本実施形態の故障診断システム１では、記憶部２２には、予め、配管１１２内を水Ｗが正常に流れる状態を模擬した解析結果、又は配管１１２内を水Ｗが正常に流れる実験結果により得られる、センサ設置部分１０３ａ等における複数の正常周波数応答関数が記憶されている。
この状態で、算出部２０は、検出部１２の検出結果に基づいて複数のＦＢＧセンサ１４の複数の取得周波数応答関数を算出する。判定部２４が複数の取得周波数応答関数と複数の正常周波数応答関数とを比較し、配管１１２内の水Ｗの流れにおける異常の有無を判定することにより、周波数応答関数に基づいてセンサ設置部分１０３ａ等における異常の有無を判定することができる。
判定部２４は、配管１１２において異常が生じた部分又は範囲を特定する。従って、配管１１２における異常がある、所定の部分を又は所定の範囲を特定することができる。
判定部２４は、配管１１２の所定の部分に対応する取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との関係性に着目した処理結果が、予め定められた閾値以上であるときに、前記所定の前記部分に異常が生じていると判定する。このため、閾値という予め定められた数値に基づき、この閾値と処理結果とを比較することにより、異常が生じている所定の部分を、判定部２４が公平かつ迅速に判定することができる。
取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との関係性に着目した処理結果が、取得周波数応答関数と正常周波数応答関数との平均二乗誤差である場合には、閾値という予め定められた数値に基づき、この閾値と平均二乗誤差とを比較することにより、異常が生じている所定の部分を、判定部２４が公平かつ、より迅速に判定することができる。
また、本実施形態の施工方法では、複数のＦＢＧセンサ１４が形成された光ファイバ１１が配管１１２に巻き付けられるため、例えば、配管１１２内を流れる水Ｗにより配管１１２が周方向に歪むと、配管１１２と一体になって、光ファイバ１１における複数のＦＢＧセンサ１４が形成された部分も歪む。
検出部１２から光ファイバ１１に入射した光の一部は、水Ｗの流れに応じて歪んだ複数のＦＢＧセンサ１４により反射され、反射光となる。複数のＦＢＧセンサ１４が歪み、例えば反射光における波長に対する強度の分布の変化を検出部１２が検出することにより、センサ設置部分１０３ａ等を、１本の光ファイバ１１により同時に測定することができる。複数の部分を測定する際に、光ファイバ１１を１本のみ用いるため、センサ装置１０の構成が大きくなるのを抑えることができる。
また、センサ形成部１１ａは、配管１１２に、センサ形成部１１ａ側から見た配管１１２の側面視において、配管１１２の軸線Ｏ１，Ｏ２に対して傾斜して鋭角である巻き付け角度θ１，θ２をなすようにそれぞれ巻き付けられる。従って、配管１１２の外径が比較的細い場合であっても、配管１１２に巻き付けらえる光ファイバ１１の曲率半径が小さくなるのが抑制される。これにより、光ファイバ１１により送られる光の損失を抑えて、測定することができる。
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、判定部２４が配管１１２の異常を判定する際に、平均二乗誤差とは異なる値を用いてもよい。
故障診断システムでは、周波数応答関数に代えて、周波数スペクトルデータを用いてもよい。
１ 故障診断システム
１０ センサ装置
１１ 光ファイバ
１２ 検出部
１４ ＦＢＧセンサ
２０ 算出部
２２ 記憶部
２４ 判定部
１０３ 第１配管（配管）
１０４Ａ，１０４Ｂ 第２配管（配管）
１１２ 配管
Ｏ１，Ｏ２ 軸線
Ｗ 水（流体）
θ１，θ２ 巻き付け角度

Claims (5)

  1. 複数のＦＢＧセンサが形成された光ファイバと、
    前記光ファイバに光を入射させるとともに、前記複数のＦＢＧセンサの少なくとも１つで反射された前記光である反射光を検出する検出部と、を備え、
    前記光ファイバにおける前記複数のＦＢＧセンサが形成された部分は、配管に、前記光ファイバにおける前記ＦＢＧセンサが形成された部分側から見た前記配管の側面視において、前記配管の軸線に対して垂直又は鋭角である巻き付け角度をなすようにそれぞれ巻き付けられ、
    前記巻き付け角度は、前記配管の外径が小さくなるに従い小さくされている、センサ装置。
  2. 請求項１に記載のセンサ装置と、
    前記検出部の検出結果に基づいて前記複数のＦＢＧセンサの周波数応答関数である複数の取得周波数応答関数を算出する算出部と、
    前記配管内を流体が正常に流れる状態を模擬した解析結果、又は前記配管内を前記流体が正常に流れる実験結果により得られる、前記複数のＦＢＧセンサが配置された前記配管の複数の部分における周波数応答関数である複数の正常周波数応答関数を記憶する記憶部と、
    前記複数の取得周波数応答関数と前記複数の正常周波数応答関数とを比較し、前記配管内の前記流体の流れにおける異常の有無を判定する判定部と、
    を備える、故障診断システム。
  3. 前記判定部は、前記配管において異常が生じた部分又は範囲を特定する、請求項２に記載の故障診断システム。
  4. 前記判定部は、前記配管の所定の前記部分に対応する前記取得周波数応答関数と前記正常周波数応答関数との関係性に着目した処理結果が、予め定められた閾値以上であるときに、前記所定の部分に異常が生じていると判定する、請求項３に記載の故障診断システム。
  5. 複数のＦＢＧセンサが形成された光ファイバと、前記光ファイバに光を入射させるとともに、前記複数のＦＢＧセンサの少なくとも１つで反射された前記光である反射光を検出する検出部と、を備えるセンサ装置を配管に巻き付けるセンサ装置の施工方法であって、
    前記光ファイバにおける前記複数のＦＢＧセンサが形成された部分を、前記配管に、前記光ファイバにおける前記ＦＢＧセンサが形成された部分側から見た前記配管の側面視において、前記配管の軸線に対して垂直又は鋭角である巻き付け角度をなすようにそれぞれ巻き付け、
    前記巻き付け角度を、前記配管の外径が小さくなるに従い小さくする、センサ装置の施工方法。
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