JPH02281112A - 電力ケーブル用光ファイバ式分布形温度計測装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は温度センサ、特に光ファイバ式分布形温度計測
装置に関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバ式分布形温度測定装置は光ファイバ中のラマ
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、この変化を公知の０ＴＤＲ（Ｏ
ｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　（ｌｏｍａｉｎ　１ｔｅｆｌ
ｅｃｔｏ−＋ｎ’ｅｔｒｙ）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装
置（以下、単にラマン式温度測定装置と呼ぶ）の計測概
念を第７図、第８図を用いて以下に説明する。

先ず、光源から第７図に示したパルス光（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
光ファ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、その一部は第８図に
示すような反射光として計測装置に戻る。

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′Ｉ″Ｓで計測すると、アンチストークス
光やストークス光の光強度の時間関数Ｉａ（ｔ）　、ｌ
５（ｔ）がサンプリング時間間隔Ｔδの関数として求ま
る。

このとき、これらの比１ａ（ｔ）　／ｌ５（ｔ）が純粋
に温度の関数であること、及び光パルス入射後、光ファ
イバ内の距離Ｘの位置で発生した反射光か光パルス入射
端（反射光光計測部）に戻ってくるまでの時間２ＸＸ／
Ｃｏであること（Ｃｏ；光ファイバ中の光速）を利用す
ると、光ファイバに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２ＸＬ／　Ｃｏ
であり、（Ｌ；光ファイバ長さ）、この時間幅Ｔｒ内の
計測値が有効な温度分布情報を与える。

次に、第６図を用いて、ラマン式温度測定装置の概要を
説明する。

この温度測定装置は計測装置１０とセンサ用光ファイバ
２０から構成される。

光源２からパルス光をセンサ用光ファイバ２０に導くと
、該光ファ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
離器３１、光ファイバ２２を介して、光分岐器３２に導
かれる。

光分岐器３２で、２分された反射光の内、一方の光ファ
イバ２３ａ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及び受光器５ａ及び平均化処理回路６
ａ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１ａ（ｔ）が求められる。

同様にして、他方の光ファイバ２３ｓに導かれたものは
、光学フィルタ４ｓ、受光器５ｓ、平均化処理回路６ｓ
からなるストークス光用０ＴＤＲ計測回路３０ｓでスト
ークス光強度の時間関数Ｉｓ　（ｔ　）が求められる。

パルス光源２と平均化処理回路６ａ、６ｓの同期合せは
トリガ回路１の同期信号によって行い、反射光のサンプ
リングは平均化処理回路６ａ。

６ｓ内で第８図に示ず一定の時間間隔Ｔｓで行なわれる
。

なお、受光器５は、受光感度を高めるため、通常はＡＰ
Ｄ　　（アバアランシェ　フォト　ダイオード）を用い
ている。

このラマン式温度計測装置は、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、電カ
ケープ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。

［発明が解決しようとする課題］ ラマン式温度センサあるいはレーり式温度センサ等の光
ファイバ式分布形温度計測装置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、いずれも微
弱な散乱光を信号として用いるため、受光器は＾ＰＧ等
の高感度の光／電気（０／Ｅ）変換素子が必要となる。

しかし、高感度の受光素子はど、受光感度は温度の影響
を受けやすく、周囲温度が変わるごとに、最適な受光感
度となるようにＡＰＤバイアス電圧の調整等が必要とな
る。この様な観点から、通常、ＡＰＤ受光素子５１を用
いる場合には、第５図に示すように、ＡＰＤ素子５１で
構成される受光器５の電力電圧■をモニタし、この電圧
■が一定になるようにＡＧＣ（オートマチック　ゲイン
　コントロール）５２等を設置している。

しかし、前述したように、光ファイバ式分布形温度計測
装置では、非常に微弱な後方散乱光を信号としているた
め、信号よりノイズの方が大きく、受光器出力電圧をモ
ニタして受光感度を調整することは誼しく、計測ごとに
、手動でこの調整を行なっているのか現状である。従っ
て、光ファイバ式分布形温度計測装置で自動計測を行な
うには、受光感度か一定になるように、受光器全体を高
感度の恒温槽内に設置する等の対策が必要であり、装置
が大型で、高価なものとなるという欠点があった。

本発明の目的は前記した従来技術の欠点を改善し、自動
計測ができ、かつ、安価で、小形の光ファイバ式分布形
温度計測装置を提供することにある。

［課題を解決するだめの手段］ 本発明は上記の目的を達成するために、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
イバで発生ずる後方散乱光で形成される反射光を上記計
測系の受光器に導き、これら反射光の光強度から光ファ
イバの温度を求め、光パルスの入射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光ファイバ式分布温度計測装置に
おいて、上記受光器からの反射光強度の平均化処理値を
求める平均化処理回路と、その平均化処理値で上記受光
器の受光感度を調整するゲイン制御器とを備えたもので
ある。

［作用］ 」二記構成によれは、まず平均化処理回路で反射光強度
の平均化処理を行ない、求められた平均化処理値を用い
て、ゲイン制御器で受光器のゲイン制御を行ったことに
あり、これにより高精度の恒温槽を設置すること無しに
、受光素子の受光感度を最適値に自動調整することがで
き、安価で小形の光ファイバ式分布形温度劇測装置を提
供することかできる。

［実施例］ 以下、本発明によるラマン散乱光利用の光ファイバ式分
布形温度計測装置の実施例を第１図により、説明する。

先ず、本実施例による光ファイバ式分布形温度計測装置
の基本概念及び構成は、第５〜８図で説明した従来例と
ほぼ同じであり、異なる点はゲイン制御器であるＡＰＤ
バイアス電圧制御器８を追加したことである。へＰＤバ
イアス電圧制御器８は＾ＰＤ受光素子５１の温度が変動
しても、受光感度を最適値に制御するために、設置した
ものであり、その概念について、以下説明する。

平均化処理回路６で求められた平均化処理値は温度分布
演算回路７に入力され、ここで温度分布を運算するか、
その演算と同時にＡＰＤ受光素子の受光感度を推定し、
適正な受光感度となるＡＰＤバイアス電圧を試算し、こ
の結果をＡＰＤバイアス電圧制御器８に入力し、ここで
、ＡＰＤバイアス電圧を制御する。

第２図は＾ＰＤ受光素子５１の感度を示したものであり
、温度は低くなるほど、又、バイアス電圧は高くなるほ
ど感度は大きくなる。したがって、ＡＰＤ素子の温度が
低くなり、感度が上がったときは、バイアス電圧を下げ
、逆の場合にはバイアス電圧を上げ最適感度となるよう
に制御すれはよい。

この制御を行わないと、ＡＰＤ受光素子５１の温度が高
いと、信号か小さくなり、ノイズの影響を受は易くなり
、本温度計測装置の温度精度を低下させる。逆に、ＡＰ
Ｄ受光素子５１の温度が低いと、信号が大きくなり、や
やもすると、ＡＰＤ素子あるいはその後段に設置する増
幅器やへ／Ｄ変換器等を飽和させ、温度計測か不能とな
る。

第３図は平均化処理回路６で求められた後方散乱光の平
均化処理値の例であり、制御信号としては、これら平均
化処理値のいずれの部分を用いてもよい。例えば、ａｌ
　、ａ４は光ファイバ両端で発生するフレンネル反射光
であり、ａｌ　、ａ４のいずれか、あるいは両者の平均
値が一定になるようにすればよい。ａ２　、ａ３は温度
情報に用いる後方散乱光の任意サンプリング値の例であ
り、これらのいずれかあるいは平均値が一定になるよう
にすればよい。ｂｌ　、ｂ２．ｂ３はある範囲のサンプ
リング値の集合例を示したものであり、これらの範囲内
での積分値が一定になるように制御しても差し支えない
。

第４図は成分の異なるファイバ（＾、Ｂ、Ｃ，Ｄ）を直
列に接続した時の後方散乱光の平均化処理値の例であり
、これらファイバの接続部では後方散乱光強度に段差が
生じるので、これら段差（ｃｌ、ｃ２゜ｃ３）をモニタ
し、これらが一定になるように制御することも可能であ
る。

なお、通常用いているＡＧＣ制御と本実施例の異なる点
は、前者が常時出力電圧をモニタして、制御するのに対
し、後者は計測時には制御を行わずに、計測値の平均値
が求まった後に、その平均値を用いて、受光感度を調整
し、次の計測を行うことにある。

上述の実施例では、受光素子としてＡＰＤを用いた例に
ついて述べたが、フォトダイオードと増幅器の組合せを
用い、感度調整として増幅器のゲインをコントロールし
ても、同様の機能を発揮できる。

［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）計測後の後方散乱光の平均化処理値を用いて、Ａ
ＰＤ等の受光素子の受光感度を最適値に制御するため、
光信号成分を大きくでき、各計測時に進入するノイズの
影響を受けにくくでき、受光器感度の自動制御が可能と
なり、従来のように計測毎に手動で制御する必要はない
。

（２）計測直前に最適な受光器感度に調整できるため、
ＡＰＤ等の受光素子温度が変化しても、その影響を受け
ないため、恒温対策が不要となり装置を小形で安価にで
きる。

（３）最適な受光器感度で計測できるため、Ｓ／Ｎ比を
良くでき、高精度の計測か実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す要部回路図、第２図は
本発明において、受光器の各温度におけるバイアス電圧
と感度の関係を示す図、第３図及び第４図はそれぞれ本
発明において後方散乱光強度の平均化処理値を示す図、
第５図は従来の受光器のゲイン制御の回路図、第６図は
光ファイバ式分布形温度計測装置の概略構成を示す図、
第７図、第８図は第６図における計測概念を説明する図
である。 図中、５は受光器、６は平均化処理回路、８はゲイン制
御器である＾ＰＤバイアス電圧制御器である。 特許出願人　　東京電力株式会社 日立電線株式会社 代理人弁理士　　□絹・谷　信　雄 ６−平均化処理回路 ８−ＡＰＤバイアス電圧制御器 （ゲイン制御器〕 第１図 （低） バイアス電圧 第２図 第３図 時 間 第４図 ベ芹淑 昭芹ボ

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
   れる反射光を上記計測系の受光器に導き、これら反射光
   の光強度から光ファイバの温度を求め、光パルスの入射
   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光ファイバ式
   分布形温度計測装置において、上記受光器からの反射光
   強度の平均化処理値を求める平均化処理回路と、その平
   均化処理値で上記受光器の受光感度を調整するゲイン制
   御器とを備えたことを特徴とする光ファイバ式分布形温
   度計測装置。 ２、平均化処理回路がセンサ用光ファイバの特定場所あ
   るいは特定区間に於ける反射光強度の平均化処理値を求
   めて、受光器のゲイン制御を行なうことを特徴とした請
   求項１記載の光ファイバ式分布形温度計測装置。 ３、平均化処理回路が、センサ用光ファイバの特定場所
   に於ける反射光として、センサ用光ファイバ両端部で発
   生するフレネル反射光あるいは異種光ファイバ接続部に
   於ける両者の反射光の差を求めることを特徴とした請求
   項２記載の光ファイバ式分布形温度計測装置。 ４、平均化処理回路がセンサ用光ファイバの特定区間と
   して、センサ用光ファイバの入射端から、少なくとも１
   サンプリング長以上の区間、あるいは、センサ用光ファ
   イバの前段に設けた異種光ファイバを用いることを特徴
   とした請求項２記載の光ファイバ式分布形温度計測装置
   。