JPH02309220A - 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］ 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、この変化を公知の０ＴＤＲ（
Ｏｐｔｉｃａｌ　ｔｉｎｇｅＤｏｌａｉｎ　Ｒｅｆｌｅ
ｃｔｒｙ）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測定装
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６図を用いて以下に説明する。

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
ストークス光の光強度の時間関数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２ＸＸ／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。

尚、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。

次に、第５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とセンナ用光ファイ
バ２０から構成される。計測装置１０内のパルス光源２
から出射されたパルス幅ＴＶ、パルス周期Ｔｐの光は（
第６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（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２２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及び平均化処理装置６ａ″′Ｃ
′構成されるアンチストークス光用０ＴＤＲ計測回路３
０ａ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１　ａ（ｔ）が求められる。同様にして、スト
ークス光強度の時間関数Ｉ　５（ｔ）はストークス光用
０ＴＤＲ計測回路３０ｓで求められる。

得られた時間関数Ｉ　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、Ｉａ、（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。

パルス光源２と平均化処理装置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装置６ａ。

６ｓ内で、第６図に示す一定の時間間隔Ｔｓで行われる
。

尚、受光器５は受光感度を高めるため、通常はＡＰＤ　
（アバアランス　フォトダイオード）と増幅器の組み合
わせ回路を用いている。

このラマン式温度計測装置は、例えば電力ケーブルに沿
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なり、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。又、
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。

ところが、一般に入射パルス光１回で生じるラマン散乱
光は微弱で、しかもその放出には確、率要素が含まれる
一方、ファイバ中のランダムな雑音光や、受光器、増幅
器１演算回路での雑音等は大きい。

従って、ラマン後方散乱光の時間（距離）分布を正確に
計測するには、゛パルス光を多数回繰り返し入射し、こ
れと同期したあるいはサンプリングタイミング毎の受光
信号の平均化処理（そのタイミングでの受光信号を積算
し、あるいは積算値をパルス印加回数で除去する）を平
均化処理装置６ａ、６ｓで行い、ランダムに発生する雑
音成分を平均的にゼロに近付け、相対的にラマン散乱光
を明確にするという手法が取られている。これを平均化
処理という。

尚、ランダムな雑音の平均値は、あるサンプリングタイ
ミングでの多数回の雑音を平均しても、また長時間の雑
音の時間平均をとっても、数学的に同じ意味での平均値
となることは明らかである。

［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リ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、第７図に示すよ
うに、受光器５にはＡＰＤ等の高感度の光／電気（０／
Ｂ）変換素子５１並びに高感度の増幅器５２が必要とな
る。又、これら直流から高周波まで忠実に増幅する必要
性から直流結合回路が基本となる。

しかし、高感度の直流増幅器では、そのオフセット電圧
は温度の影皆を受は易く、周囲温度が変わる毎に、最適
なオフセット電圧となるように電圧調整することが必要
となる。この様な観点から、通常、直流増幅器を用いる
場合には、第７図に示すようにＡＧＣ回路を設けて直流
増幅器５２の出力電圧をモニタし、入力情報が無いとき
の電圧が零になるようにするＡＺＣ（オート　ゼロ　コ
ントロール）等を施している。

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、増幅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いこと、後述のよう
に最適なオフセット電圧に選定しないと、平均化処理に
よりノイズをうまくキャンセルできないことから、計測
毎に手動でこの調整を行っているのが現状である。

従って、光ファイバ式分布形温度計測装置で自動計測を
行うには、オフセット電圧が一定になるように、受光器
全体を高精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、且つ安価で小型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。

［課題を解決するための手段１ 本発明の光ファイバ式分布形温度計測装置は、計測系内
の光源からセンナ用光ファイバに光パルスを入射させ、
該ファイバ内に発生する後方散乱光で形成される反射光
を該計測系に導き、これら反射光の受光器からの光強度
を平均化処理装置でサンプリングして時間平均をとり、
その値から光ファイバの温度を求めると共に、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
同時針側し、センサ用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、一巡の平均
化処理が終了する毎に、平均化処理装置で得られた散乱
光の観測されない時間領域における反射光強度の平均化
処理値を取り出す演算手段と、この取り出された平均化
処理値を受け、受光器を構成する増幅器等のオフセット
電圧を、散乱光が観測されない時間領域での受光器出力
電圧が平均化処理装置の入力部のダイナミックレンジ以
内となるように制御する制御回路とを設けて構成したも
のである。

［作用］ 平均化処理装置は、受光器からの反射光強度をサンプリ
ングしその平均化処理を行う。この値から光ファイバの
温度が求められる。演算手段は、一巡の平均化処理が終
了する毎に、平均化処理装置で求められた散乱光の観測
されない時間領域における反射光強度の平均化処理＠（
サンプリングタイミング毎の一連の平均値）を演算して
取り出し、これを制御回路に入力する。この平均化処理
値を受けて、制御回路が受光器を構成する増幅器のオフ
セット電圧を制御する。このオフセット電圧制御は、次
回の一巡の平均化処理において、受光器の出力電圧が、
散乱光の観測されない時間領域では、平均化処理装置の
入力部のダイナミックレンジ以内となるように制御され
る。

この受光器のオフセット電圧制御によって、受光器を直
流増幅器で構成した場合でも、高精度の恒温槽を設置す
ることなしに、受光器のオフセット電圧を最適値に自動
調整することができ、安価７小型の光ファイバ式分布形
温度計測装置を提供することができる。

［実施例］ 以下、本発明による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。

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図及び第６図に示す従来例とほぼ
同じであり、異なる点は、アンチストークス光用０ＴＤ
Ｒ計測回路３０ａとストークス光用０ＴＤＲ計測回路３
０ｓを、第１図に示す如く、オートオフセット電圧制御
器８即ちＡＯＶＣ（Ａｕｔｏ　０ｆｆｓｅｔ　Ｖｏｌｔ
ａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌ）制御器を追加した構成の０
ＴＤＲ計測回路３０に変更したことである。ＡＯＶＣ！
制御器８は、受光器５の温度が変動しても、受光器５内
の直流増幅器５２のオフセット電圧を最適値に制御する
ために設置したものであり、その概念に付いて以下説明
する。

平均化処理装置６で求められた一巡の平均化処理値は、
温度分布演算回路７に入力され、ここで温度分布を演算
するが、この演算と同時に、散乱光の観測されない時間
領域における反射光、強度の平均化処理値を演算して、
受光器５内の直流増幅器５２のオフセット電圧を推定し
て適正なオフセット電圧値を試算し、この結果をＡ　Ｏ
Ｖ　ＣＩＩＩ御回路８に入力する。ＡＯＶＣ制御回路８
はこのオフセット電圧値に応じ、散乱光が観測されない
時間領域での受光器５の出力電圧が、平均化処理装置６
の入力部のダイナミックレンジ以内となるように、増幅
器５２のオフセット電圧を制御する。

この手法を以下に詳述する。

今、入射光のない状態でのみかけ後方散乱光受光時ある
いはパルス入射後でも温度計測の対象としない一定温度
の手前のセンサファイバからの後方散乱光受光時（後述
の第４図の時間額域Ａ）とか、もはや後方散乱光が戻っ
てこない時間後でのみかけの後方散乱光受光時（第４図
の時間領域Ｃ）を検出する状態とする。

第２図はオフセット電圧ｖＯとノイズレベルＶＮの関係
を図示したものであり、縦軸にはノイズ電圧を、横軸に
は時間又は平均化処理回数をとっである。第２図（ａ）
の適正なオフセット電圧の場合、即ち、平均化処理装置
６の入力部のダイナミックレンジＶＤ内にノイズレベル
ＶＮが入っている場合には、ノイズも忠実に平均化処理
装置６に入力され、ここで各タイミング毎に平均化され
るため、ノイズの平均値を無視できる程度に低減でき、
平均化処理装置の出力電圧はほぼオフセット電圧となる
。

しかし、オフセット電圧ｖＯが不足している場合（第２
図（ｂ））、オフセット電圧ｖＯが過大な場合（第２図
（Ｃ））には、ノイズ電圧の片極性の一部がダイナミッ
クレンジＶＤから外れるため（ハツチング部分）、ノイ
ズを平均化するとハツチング部分の逆極性部分が相殺で
きずに残り、平均化処理してもノイズの影響を低減でき
ない、尚、証明簡略化のためノイズは三角函数の如く表
示したが、現実には振動１位相１周波数がランダムに組
合わされたノイズである。

従って、オフセット電圧ＶＯは第２図（ａ）のように適
正な値に設定すべきであるが、ノイズは絶えずランダム
に変動しているため、自動的にオフセット電圧ｖＯを適
正な値に設定することは難しく、以下の方法でその調整
を行う。

第３図は、光信号が無いときのオフセット電圧ｖＯと平
均化処理装置６の出力電圧ｖ２との関係を示したもので
ある。第２図の（ａ）、　（ｂ）Ｉ　（Ｃ）に示したオ
フセット電圧■０の変化に対応して、平均化処理装置出
力電圧Ｖ２は変化し、オフセット電圧ｖＯが適正な範囲
（第３図の範囲（ａ））ではその出力電圧ｖ２がほぼオ
フセット電圧ｖＯと一致するが、この範囲を外れると（
第３図の（ｂ）、　（ｃ）の範囲）、ノイズ分が残り、
出力電圧ｖ２が急激にオフセット電圧ｖＯと異なる値と
なるので、この点に着目して制御することになる。

第４図は、平均化処理装置６で求められた後方散乱光を
平均化処理した後の信号（平均化処理装置の出力電圧Ｖ
２　’）の例である０時間領域Ａは、入射光のない状態
でのみかけ後方散乱光受光時あるいはパルス入射後でも
温度計測の対象としない一定温度の手前のセンサファイ
バからの後方散乱光受光時の部分であり、時間額域Ｂは
後方散乱光が戻って来ている部分であり、時間領域Ｃは
もはや後方散乱光が戻ってこない時間後でのみかけの後
方散乱光相当部分である４本発明ではこれらの信号のう
ち、光信号が実質的に戻ってこない時間領域Ａあるいは
Ｃの部分の信号を用いて、オフセット電圧を制御する。

ここでは、例として時間領域Ｃの部分を用いる場合の制
御内容を以下に示す。

第４図中で、オフセット電圧ｖＯが第３図の（ａ）の範
囲にあれば適正で、第４図の時間領域Ｃにおける時間平
均の出力電圧ｖ２はほぼオフセット電圧ＶＯに一致し、
ノイズの影響ＶＮは最小となっている。この場合には、
ＡＯＶＣ制御回路８によるオフセット電圧の変更は結果
的に行われない。

一方、第４図の時間領域Ｃにおいて時間平均の出力電圧
Ｖ２がオフセット電圧■０より大きい場合は、第３図（
ｂ）の範囲にあることになるので、残留するノイズ成分
ＶＮが大きい、従って、ＡＯＶＣ制御回路８は、これに
応じた入力により増幅器５２のオフセット電圧ｖＯを大
きくする。逆に、時間平均の出力電圧ｖ２がオフセット
電圧■０より小さい場合は、第３図（Ｃ）の範囲にある
ので、ＡＯＶＣ制御回路８はオフセット電圧ＶＯを小さ
くする。

このように一巡の平均化処理が終了する毎に、ＡＯＶＣ
制御回路８を介してオフセット電圧■０を制御すると、
次回測定時の一巡の平均化処理では、適正な側のオフセ
ット電圧となる。時間領域Ｃにおける時間平均ｖ２とオ
フセット電圧ｖＯとの差や、オフセット電圧の調整幅は
、第３図を基準に予め設定しておくことができる。

尚、通常用いているＡＧＣ制御と本発明の上記実施例の
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オフセッ
ト電圧を調整し、次の計測を行うことにある。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば
下記のように変形することもできる。

（１）第１図における、受光器５の出力電圧を適正な直
流フィルタ（直流のみ通過させ、一種の時間平均を求め
ることになる）を介してモニタし、予め求めた第３図の
関係を参照して適正なオフセット電圧（第３図（ａ））
になるように、オートオフセット電圧制御８を′ＭＩ御
しても、上記と同様な効果を上げることができる。

（２）平均化処理装置の入力レンジを片極性に設定し、
これと逆極性で且つノイズレベルより十分大きい値のオ
フセット電圧となるように制御すると、下記（ａＬ　（
ｂ）の理由で顕著にノイズの影響を除去できる。

（ａ）ラマン散乱光は常に正極性であり、発生確率は高
いが弱い強度の第１の光■１と、発生確立は低いが強い
強度の第２の光Ｉ２とで構成され、後者の光■２からも
温度情報を得ることができる。

（ｂ）上記計測法では第１の光１１は計測されず■２が
計測されるが、第１の光■１の光強度は強いため、Ｓ／
Ｎ比は大きい。この場合についても前述のようにオフセ
ット電圧を制御することにより、一層安定した測定が可
能となる。

［発明の効果コ 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、受
光器を構成する増幅器のオフセット電圧を最適値に制御
するため、平均化処理回数を増加させることによりＳ／
Ｎ比を向上でき、各計測時に進入するノイズの影響を少
なくすることができる。

（２）上記理由により、受光器のオフセット電圧の自動
制御が可能となり、計測毎に手動で制御する必要がない
。

（３）計測直前に最適な受光器のオフセット電圧に調整
されるなめ、増幅器等のオフセット電圧が温度で変化し
てもその影響を受けない。

このなめ、恒温対策が不要となり、装置は小型で安価に
できる。

（４）ノイズレベルを最小にできるため、Ｓ／Ｎ比が良
くなり高精度の計測が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ファイバ式分布形温度測定装置
に用いる受光器のオートオフセット電圧自動ｆｌｌｔＸ
Ｊ系の回路図、第２図はオフセット電圧ｖＯとノイズレ
ベルＶＮとの関係を示した図、第３図は光信号がないと
きのオフセット電圧■０と平均化処理装置の出力電圧ｖ
２との関係を示した図、第４図は平均化処理装置で求め
られた後方散乱光の平均化処理した後の信号を例示した
図、第５図は従来例の光ファイバ式分布形温度測定装置
の構成図、第６図はその計測概念図、第７図は従来の受
光器のオートゼロ制御系の回路図である。 図中、１はトリガ回路、２はパルス光源、４ｓ。 ４ａは光学フィルタ、５．５ｓ、５ａは受光器、６．６
ｓ、６ａは平均化処理装置、７は温度分布演算回路、８
はオートオフセット電圧制御器、１０は計測装置、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、５１はＡＰＤ、５２は増幅器を示す
。 ５：受光器　　　　　　　　７：温度分布演算回路６：
平均化処理装置　　　　８：オートオフセット電圧制御
器第１図− （ａ）適正なオフセント電圧 （ｂ）オフセット電圧不足 時間０「平均化処理回数 （ｃ）オフセット電圧過大 ■ｏ：平均化処理装置入力部ダイナミ’７クレンジｖＮ
、ノイズレベル　　　　ｖｏ：オフセント電圧第２図 Ｖ２：平均化処理装置の出力電圧 第３図 一今時間ｔ ｖ２：平均化処理装置の出力電圧 第４図 第５図 （ｂ）センサからの反射光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、該ファイバ内に発生する後方散乱光で形成
   される反射光を該計測系に導き、これら反射光の受光器
   からの光強度を平均化処理装置でサンプリングして時間
   平均をとり、その値から光ファイバの温度を求めると共
   に、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、センサ用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
   、一巡の平均化処理が終了する毎に、平均化処理装置で
   得られた散乱光の観測されない時間領域における反射光
   強度の平均化処理値を取り出す演算手段と、この取り出
   された平均化処理値を受け、受光器を構成する増幅器の
   オフセット電圧を、散乱光が観測されない時間領域での
   受光器出力電圧が平均化処理装置の入力部のダイナミッ
   クレンジ以内となるように制御する制御回路とを設けた
   ことを特徴とする光ファイバ式分布形温度計測装置。