JPH02145932A - 光ファイバ式分布形温度計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は温度計測方法、特に光ファイバ式分布形温度計
測方法に関するものである８［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度計測方法は、光フアイバ中のラ
マン散乱光やレーり散乱光等の散乱光強度が温度によっ
て変化することを利用し１、二の変化を公知の０ＴＤＲ
（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｉｒａｅＤｏｎ＋ａｉｎ　Ｒｅｆ
ｌｅｃｔｏｎｅｔｒｙ）の手法で検知することにより、
光ファイバの長手方向に沿った温度分布を計測するもの
である。

ラマン散乱光を利用し、た光ファイバ式分布形温度計測
方法（以下、単にラマン式温度計測方法と呼ぶ）の計測
概念を第４図を用い以下に説明する。

光源からパルス光（パルス幅Ｔｗ、パルス周期Ｔｐ）を
センサ用光ファイバに導くと、該光フアイバ内でアンチ
ストークス光やストークス光等の後方散乱光（反射光）
が励起され、その一部は計測装置に戻る。この反射光を
パルス光入射時刻を１＝０とし、サンプリング時間間隔
Ｔｓで計測すると、アンチストークス光やストークス光
の強度の時間関数Ｉ　ａ　（ｔ）、　Ｉ　ｓ　（ｔ）が
サンプリング時間間隔Ｔｓの関数として求まる。このと
き、これらの比Ｉ　ａ（ｔ）　／　Ｉ　ｓ　（ｔ）が純
粋に温度の関数であること、及び光パルス入射後、光フ
アイバ内の距離Ｘの位置で発生した反射光が光パルス入
射端（反射光光計測部）に戻ってくるまでの時間が２Ｘ
Ｘ／Ｃｏであること（ＣＯ；光フアイバ中の光速）を利
用すると、光ファイバの沿った線状の温度分布が測定で
きる。

なお、反射光が計測される時間幅Ｔｒは２×Ｌ、／Ｃｏ
であり（Ｌ：光ファイバ長さ）、この時間はＴｒ内の計
測値が有効な温度分布情報を与える９　次に、第５図を
用いて、ラマン式温度センサの概要を説明する。

このラマン式温度センサは、計測装置１０とセンサ用光
ファイバ２０から構成される。光Ｒ２がらパルス光をセ
ンサ用光ファイバ２０に導くと、該光フアイバ内で後方
散乱光（反射光）が励起され、励起された反射光の一部
は計測装置１０側に戻り、光分岐器３１、光ファイバ２
２を介して、光分岐器３２に導かれる。

光分岐器３２で二分された反射光のうち、光ファイバ２
３ａに導かれたものは、アンチストークス光用の光学フ
ィルタ４ａ、受光器５ａ及び平均化処理回路６ａで構成
されるアンチストークス光用０ＴＤＲ計測回路３０ａに
入り、この光強度からアンチストークス光強度の時間関
数Ｉ　ａ（ｔ）が求められる。他方、光分岐器３２で二
分された後方散乱光のうち、光ファイバ２３ｓに導かれ
たものは、ストークス光用の光学フィルタ４ｓ、受光器
５ｓ及び平均化処理回路６ｓで構成されるストークス光
用０　’Ｉ’　Ｄ　Ｒ計測回路３０ｓに入り、この光強
度からストークス光強度の時間関数Ｉ　５（ｔ）が求め
られる。パルス光源２と平均化処理回路６ａ６ｓの同期
合せは、トリガ回路ｌの同期信号によっで行い、反射光
のサンプリングは平均化処理回路６ａ、６ｓ内で、第４
図に示す一定の時間聞漏Ｔｓで行われる９ 得られた時間関数Ｉ　ａ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）を温度
分布演算回路７に入力し、Ｉ　ａ（ｔＬ／　Ｉ　５（ｔ
）の演算を行うことにより、センサ用光ファイバに沿っ
た線状温度分布測定を行っている。

また、平均化処理回路６は、第６図に示すように、Ａ　
、／　Ｄ変換回路６１、加算器６２、メモリ回路６３、
同期回路６４がら構成される５平ｊ句化処理は以下のよ
うにして行う９ 受光器５から入力されたアナログ量をＡ　、／　Ｄ変換
回路６１でディジタル量に変換し、そのディジタル量と
メモリ回路６３に記憶されたディジタル量との和を加算
器６２で行い、その結果を再び５、メモリ回路６３に記
憶する。この操作をパルス周期ＴＰごとに、繰返し１行
い、最終的にメモリ回路６３に記憶された値を繰返し回
数で割ると、入力情報の平均値が求まる、この平均化処
理を行うと、入力情報に含まれたノイズが除去されるた
め、温度測定精度は向上する。

また、Ａ／Ｄ変換回路６１、加算器６２、メモリ回路６
３の同期合わせは同期回路６４によって行われている。

このラマン式温度センサは、例えば電カケープルに沿わ
せてセンサ用光ファイバを敷設することにより、電力ケ
ーブルの長手方向の温度分布を知ることができ、送電容
量の制御等に利用したり、ケーブルの劣化等により生じ
る部分的に温度の高い箇所の検知等が行なえる。また、
ビルやトンネル等の火災検知用として使用すれば、火災
発生位置の標定を行うこともできる。

［発明が解決し、よとする課題］ ラマン式温度センサあるいはレーり式温度センサは上述
した方法で線状の温度分布が測定できる有望な方式であ
るが、後方散乱光が微弱なため、外部ノイズの影響を受
は易く、この影響を除去するため、平均化処理回路では
、致方から数百方図繰返し、計測を行っている。しかし
、この方法ではランダムなノイズは除去できものの、平
均化処理回路等で発生ずるサンプリング周期に同期し、
た周期性ノイズは除去できず、測定精度にある限界を与
えていた。

この周期性ノイズをハード的に除去するには各構成回路
の電源回路やアース回路を独立し１、かつ、各素子間の
シールド対策等を強固に行えばよいが、各構成回路や素
子数が膨大な量であるため、装置全体が大形となり、か
つ、高価なものとなるという欠点がある。従って、周期
性ノイズをハード的に除去して、計測精度を向上させる
方式は、経済性とコンパクト性の面から限界があった９
本発明の目的は、従来技術の欠点を改善し、計測精度度
を向上させ、かつ、安価な光ファイバ式分布形温度測定
方法を提供することにある９［課題を解決するための手
段］ 本発明の光ファイバ式分布形温度計測方法は、計測系内
の光源からセンサ用光ファイバに光パルスを入射させ、
該ファイバで発生する後方散乱光で形成される反射光を
計測系に導き、これら反射光の強度から光ファイバの温
度を求め、光パルスの入射光時刻と反射光が計測系へ到
達する時刻の差から後方散乱光の発生位置を求めること
により、温度と位置を同時計測し５、該光ファイバの温
度分布を計測するに当り、計測系内で発生する周期性の
ノイズを反射光を入力し、たときの計測値と反射光を入
力しないときの計測値の差から除去するものである５ 具体的には、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに
光パルスを入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光
の光強度を計測し、て記憶後、光パルスを入射させない
状態で同様な計測と記憶を行い、同一計側点に対応した
両者の計測値の差から計測系内で発生する周期性のノイ
ズを除去することができる３ また１、光パルスがセンサ用光ファイバを往復伝搬する
時間より計測時間を長くし、該計測時間内において、後
方散乱光が観測されない時間領域の計測値から周期性ノ
イズを求め、後方散乱光が観測される時間領域の計測値
から、求めた周期性ノイズを除去することにより、計測
系内で発生する周期性のノイズを除去することもできる
。

［作用］ 計測系を構成する温度計測装置内で発生する周期性ノイ
ズは、トリガ回路、パルス光源、平均化処理回路内で発
生したノイズの内、サンプリング周期に同期し、たちの
が、平均化処理回路内のＡ、／Ｄ変換回路の入力部へ回
り込んだものである９このため、周期性ノイズは信号の
有無に！！量関係発生し１、サンプリング周期に同期し
４たノイズであるため、平均化処理回数を増し、ても、
除去できないものである。

しかし１、この温度測定装置内で発生する周期性ノイズ
も、後方散乱光で形成される反射光を入力したときの計
！［から、反射光を入力し、ないときの計測値を差し、
引くことにより、除去することができる。何故なら、前
者の反射光が観測されるときの測定値は、真の反射光強
度５Ｏ（ｔ）と、温度測定装置内で発生する周期性ノイ
ズ５ｎ（ｔ）との和であり、後者の反射光を入力しない
ときの計測値は、反射光が無いために、温度測定装置内
で発生する周期性ノイズＳ　ｎ（ｔ）のみとなっている
からである。

尚、反射光の入力の有無は、例えば光スィッチを開閉制
御することで行うことができる。

他方、計測時間内において、周期性ノイズは、反射光が
観測される時間領域と観測されない時間領域のいずれで
も、連続な周期関数として含まれている、従って、反射
光が観測されない時間領域の計測値から求めた周期性ノ
イズを、後方散乱光が観測される時間領域の計８１１値
から除去することによっても、温度計測装置内で発生す
る周期性ノイズの影響を無くすことができる。この計測
方法には、上記のような光スィッチで反射光の入力をス
イッチングする必要がない。従って、温度計測装置内で
発生する周期性ノイズ対策をハード的に行うこと無し、
に、温度計測精度を大幅に向上させることができる。

［実施例コ 以下、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの実
施例を第１図により説明する。本実施例による光ファイ
バ式分布形温度センサの基本概念及び構成は、第４図、
第５図に示し、たちのとほぼ同じであり、異なる点は以
下の通りである６即ち、光分岐器３１．３２間に、後方
散乱光を観測する時間と観測しない時間に区分するため
の光スィッチ８を挿入したことと、トリガ回路１の代わ
りにコントローラ１１を挿入したことである。

光スィッチ８は、反射光強度を測定するときにのみ反射
光を、アンチストークス光用０ＴＤＲ計測回路３０ａと
ストークス光用０ＴＤＲ計測回路３０ｓに入射するため
に用いられ、このタイミング調整はコントローラ１１に
よりライン１２を介して行う。コントローラ１１の機能
とし、ては、この他、パルス光源２へのトリガ信号の作
成、及び０ＴＤＲ計測回路３Ｑａ、３０ｓや温度分布演
算回路７等のへ同期信号の作成が主なものとなっている
。

次に、本発明による光ファイバ式分布形温度センサの動
作について、第２図を併用して説明する９計測装置１０
内のパルス光源２から出射されたパルス幅Ｔｗ、パルス
周期Ｔｐの光は（第２図（ａ））、光ファイバ２１、光
分岐器３１を介し、センサ用光ファイバ２０に導かれ、
該光フアイバ内で後方散乱光を励起し、この一部は反射
光となって計測装置１０側に戻り、光岐器３１、光ファ
イバ２２を介して、光スィッチ８に導かれる９ 光スイツチ８は、コントローラ１１からの開閉制御信号
により、所定の時刻の到来毎に一定時間幅だけＯＮ状態
（光シャッタ開）となり、反射光を通過させる。これに
より、反射光を観測する計測区間と観測し、ない計測区
間の２つが交互に作り出される。

先ず、光スッチ８がＯＮの状態では、反射光が光スィッ
チ８を通して光分岐器３２に入り、ここで二分される。

二分された光の一方は、光ファイバ２３ａを介して、ア
ンチストークス光用の波長分離手段たる光学フィルタ４
ａ、受光器５ａ及び平均化処理回路６ａで構成されるア
ンチストークス光用０ＴＤＲ計測回路３０ａへ入る。他
方の光は、光ファイバ２３ｓを介して、ストークス光用
の波長分離手段たる光学フィルタ４ｓ、受光器５Ｓ及び
平均化処理回路６５″′Ｃ−構成されるストークス光用
０ＴＤＲ計測回路３０ｓに入る。

両０ＴＤＲ計測回路３０ａ、３０ｓ内において、光分岐
器３２からの光は、光フィルタ４　ａ＋　４　ｓでそれ
ぞれの波長領域の光のみが透過された後、受光器５ａ、
５ｓに入り、それぞれの光強度情報に応じた電気的なア
ナログ信号に変換される。受光器５ａ、５ｓから出力さ
れる光強度の電気信号は平均化処理回路６ａ、６ｓに入
力され、受光器出力の平均値５１（ｔ）とし、て出力さ
れる。

正確には、受光器５ａ、５ｓの出力は、平均化処理回路
６ａ、６ｓ内でそれぞれ一定の時間間隔Ｔｓでサンブリ
ングされ、平均化処理されて、アンチストークス光強度
の時間関数Ｉ　ａ（ｔ）とストークス光強度の時間関数
Ｉ　５（ｔ）とが求められる。つまり、上記し、た受光
器出力の平均値３１　（ｔ）は、説明の便宜上、上記時
間関数Ｔ　ａ（ｔ）、　Ｉ　５（ｔ）の各々を一般性を
もたせて表現したものである。

得られた時間関数１　ａ（ｔ）及びＩ　５（ｔ）の情報
は、温度分布演算回路７に入力されて、Ｉ　ａ（ｔ）／
Ｉ　５（ｔ）の演算が行われ、センサ用光ファイバ２０
に沿った線状温度分布が求められる。尚、パルス光源２
と、上記平均化処理回路６ａ、６ｓ、０ＴＤＲ計測回路
３０　ａ　＋　３０　ｓ及び温度分布演算回路７間の同
期合せは、コントローラ１１から発生される同期信号に
よって行われる。

上記の後、光スィッチ８がＯＦＦ状態に切換えられ、反
射光を通過させない状態下で上記と同様な計測が行われ
、同様に受光器出力の平均値５２（１）が平均化処理回
路６ａ、６ｓから出力される。

さて、温度分布演算回路７は、線状温度分布を求めるに
当り、温度計測装置内で発生する周期性のノイズを次の
ようにし、て除去する。

今、ランダムノイズが無視できる程度に平均化処理回数
を大きくとると、光スッチ８が光を通過させる状態で計
測される受光器出力の平均値５１（１）は、真の反射光
強度５Ｏ（ｔ）と温度計測装置内で発生する周期性のノ
イズ５ｎ（ｔ）との和となる（第２図（ｂ））。

Ｓｔ　ｆｔ）　＝ＳＯ（ｔ）　＋Ｓｎ　（ｔ）　　　＝
−（１）次に、光スィッチ８が反射光を通過させない状
態で計測される受光器出力の平均値３２　ｆｔ）は、反
射光がないため、温度計測装置１０内で発生する周期性
ノイズ５ｎ（ｔ）のみとなる（第２図（Ｃ））。

３２　ｆｔ）　＝Ｓｎ　（ｔ）　　　　　　　　＝（２
）従って、真の反射光強度ＳＯは）は、上記（１）（２
）式から、 ３０　（ｔ）　＝３１　（ｔ）　−３２（ｔ）　　　・
・・（３）で求められる（第２図（ｄ））。

上記計測は、一般的な反射光強度の計測について述べた
ものであるが、アンチストークス光強度の時間関数１ａ
（ｔ）やストークス光強度の時間関数１　ｓ　（ｔ）も
全く同様にし５て計測でき、このようにし、て求められ
た反射光強度には、周期性のノイズが除去されるため、
温度精度は大巾に向上し、ている。

尚、光スィッチ８は、光分岐器と光フィルタとによって
、反射光の中からラマン散乱光或いはレーリー散乱光の
中心波長に相当する波長領域の光を分離して受光器に導
く構成とし、た場合には、この波長分離手段により計測
系内の反射光を受光器に導くまでの経路途中の任意の場
所、即ち、光分岐器の前、光分岐器と各光フィルタとの
間、各光フィルタと受光器との間のいずれかに設けるこ
とができる。

上記第２図は、光スィッチ８を開閉することにより、受
光器に反射光を入力した場合とし５ない場合の測定区間
を交互に作り出し、両者の測定差から、真の反射光強度
を求める実施例であった。シ。

かじ、これ以外の方法によっても、周期性ノイズを除去
することができる。

例えば、第３図に示すように、光パルスがセンサ用光フ
ァイバ２０を往復伝搬する時間Ｔｒより、計測時間を長
く（パルス周期Ｔｐと同時か、これ以下）シ２、受光器
５ａ、５ｓに反射光を入力し、ない時間領域で周期性ノ
イズ５ｎ（ｔ）を検出し、第１図の実施例と同様なこと
を行えば、真の反射光強度Ｓｏ　（ｔ）を求めることが
できる。

即ち、計測時間内においては、周期性ノイズＳｎ　（ｔ
）は、その周期性から一様に発生し、ているため、後方
散乱光が観測されない領域（Ｔｎｌ。

Ｔｎ２）でも、後方散乱光が観測される領域（時間；Ｔ
ｒ）でも、連続な周期関数とし、て観測される。

この周期性を利用し、まず、後方散乱光が観測される領
域（時間；Ｔｒ）の計測値から、求めた周期関数（周期
ノイズＳｎ　（ｔ）　）を除去することにより、温度計
測装置内で発生する周期性ノイズを除去することができ
る９尚、この周期性は、温度計測装置内の規則性（例え
ば、加算器を並列使用時には、この並列使用台数とサン
プリング時間の積が一周期となる）から定まる。

また、第１図〜第２図で説明した実施例を組み合わせる
ことにより、同様な機能を発揮することもできる。

上記実施例では、後方散乱光として、ラマン散乱光を主
体に説明したが、レーリ散乱光を用いても、或いはこれ
らの組み合わせを用いても、本発明の原理はそのまま適
用できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、以下の顕著な効果を奏することができ
る。

（１）後方散乱光をｔＵ測する時間とＷ１測し、ない時
間に区分し、て計測を行い、後者の計測値から、温度計
測装置内で発生する周期性ノイズを検出し、検出された
周期性ノイズを前者の計測値から・差引くことにより、
真の後方散乱光のみを検出できるため、温度測定精度の
よい光ファイバー式分布形温度センサを実現できる。

（２）本手法を用いれば、従来の測定装置を殆ど変更す
ること無しに、目標機能を達成できるため、同一機能装
置に比較すると、装置はコンパクトとなり、且つ、安価
な装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を適用し、た光ファイバ式分布形
温度センサの構成例を示す図、第２図は本発明の計測方
法の説明図、第３図は本発明の他の計測方法の説明図、
第４図は先に提案されている計測概念の説明図、第５図
は第４図の計測方法による光ファイバ式分布形温度セン
サの構成図、第６図はその平均化処理装置の構成例を示
す図である。 図中、２はパルス光源、４ｓ、４ａは光学フィルタ、５
ｓ、５ａは受光器、６ｓ、６ａは平均化処理回路、７は
温度分布演算回路、８は光スィッチ、１０は計測装置、
１１はコントローラ、２０はセンサ用光ファイバ、２１
．２２，２３ｓ。 ２３ａは光ファイバ、３０ｓはストーク光用０ＴＤＲ計
測回路、３０ａはアンチストークス光用０ＴＤＲ計測回
路、３１．３２は光分岐器を示す。 特許出願人　　日立電線株式会社 代理人弁理士　　絹　谷　信　雄 一時間ｔ （ａ）入射光パルス 一時間ｔ （ｂ）反射光入力・Ｓ＋（ｔ） 第１図 ７：温度分布演算回路 ８：光スィッチ １０：計測装置 １１：コントローラ ２０：センサ用光ファイバ 一時間ｔ （ｃ）反射光無し５ｚ（ｔ） 一時間ｔ （ｄ）（ｂ）、（ｃ）の差出カニ５ｏ（ｔ）第２図 −時間ｔ （ａ）入射光バルヌ 一時間ｔ （ｂ）計測時間 第３図 （ａ）入射パルス光 □時間ｔ （ｂ）センサからの反射光 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
   を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光で形成さ
   れる反射光を計測系に導き、これら反射光の強度から光
   ファイバの温度を求め、光パルスの入射光時刻と反射光
   が計測系へ到達する時刻の差から後方散乱光の発生位置
   を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該光フ
   ァイバの温度分布を計測するに当り、計測系内で発生す
   る周期性のノイズを反射光を入力したときの計測値と反
   射光を入力しないときの計測値の差から除去することを
   特徴とする光ファイバ式分布形温度計測方法。 ２、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
   を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光の光強度
   を計測して記憶後、光パルスを入射させない状態で同様
   な計測と記憶を行い、同一計側点に対応した両者の計測
   値の差から計測系内で発生する周期性のノイズを除去す
   ることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式分布形
   温度計測方法。 ３、計測系内の光源からセンサ用光ファイバに光パルス
   を入射させ、該ファイバで発生する後方散乱光で形成さ
   れる反射光を計測系に導き、これら反射光の強度から光
   ファイバの温度を求め、光パルスの入射光時刻と反射光
   が計測系へ到達する時刻の差から後方散乱光の発生位置
   を求めることにより、温度と位置を同時計測し、該光フ
   ァイバの温度分布を計測するに当り、光パルスがセンサ
   用光ファイバを往復伝搬する時間より計測時間を長くし
   、該計測時間内において、後方散乱光が観測されない時
   間領域の計測値から周期性ノイズを求め、後方散乱光が
   観測される時間領域の計測値から、求めた周期性ノイズ
   を除去することにより、計測系内で発生する周期性のノ
   イズを除去することを特徴とする光ファイバ式分布形温
   度計測方法。