JPH04168324A - Water level distribution detector - Google Patents
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- JPH04168324A JPH04168324A JP29562090A JP29562090A JPH04168324A JP H04168324 A JPH04168324 A JP H04168324A JP 29562090 A JP29562090 A JP 29562090A JP 29562090 A JP29562090 A JP 29562090A JP H04168324 A JPH04168324 A JP H04168324A
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Abstract
Description
この発明は、地下のトンネルなどにおける出水を検出す
る等に好適な水位分布検出装置に関する。The present invention relates to a water level distribution detection device suitable for detecting water leakage in underground tunnels and the like.
地中の施設として従来より鉱山でのトンネルや汽車、自
動車のためのトンネルなどが知られている。この他に、
たとえば地下に洞道(トンネル)を設けて、電力、通信
ケーブルを埋めたり、地中に建造物を作り地下街として
いる。
これら地下のトンネル、地下街等では地下水などの出水
がつねに問題となる。そこで、電力、通信ケーブル用洞
道では、たとえばマンホール部分に水位センサを設置し
て、マンホールとマンホールとの間で出水があったこと
を推定している。Tunnels for mines, trains, and automobiles have long been known as underground facilities. In addition to this,
For example, tunnels are built underground and power and communication cables are buried, or structures are built underground to create underground malls. In these underground tunnels, underground malls, etc., leakage of groundwater is always a problem. Therefore, in tunnels for power and communication cables, for example, water level sensors are installed in manholes to estimate that water has leaked between the manholes.
しかしながら、従来の水位センサはそのセンサが設けら
れた部分での水位を検出するものであり、いわゆる点型
のセンサであって広い範囲での水位の分布を検出するも
のではない。そのため、従来では特定の点での水位を検
出して、その周囲での出水等を推定することになるが、
これでは出水箇所を直ちに確定することが困難であると
いう問題がある。
この発明は、上記に鑑み、広い範囲での水位の分布を安
価・容易に検出することのできる、水位分布検出装置を
提供することを目的とする。However, conventional water level sensors detect the water level in the area where the sensor is installed, and are so-called point-type sensors that do not detect the water level distribution over a wide range. Therefore, conventionally, the water level at a specific point is detected and the water outflow etc. in the surrounding area is estimated.
This poses a problem in that it is difficult to immediately determine the location of water leakage. In view of the above, an object of the present invention is to provide a water level distribution detection device that can inexpensively and easily detect water level distribution over a wide range.
上記目的を達成するため、この発明による水位分布検出
装置においては、鉛直方向の異なる各位 。
1において、実質的に水平方向に配置された複数の温度
センシング用の光ファイバと、該光ファイバの一端に接
続され該光ファイバからの後方散乱光を計測する後方散
乱光計測装置とを備えることが特徴となっている。In order to achieve the above object, in the water level distribution detection device according to the present invention, various points in the vertical direction are provided. 1, comprising a plurality of optical fibers for temperature sensing arranged substantially horizontally, and a backscattered light measuring device connected to one end of the optical fibers and measuring backscattered light from the optical fibers. is a feature.
一般に、光ファイバの一部を加温すると、その温度上昇
した部分での散乱光が増大する。そこで、光ファイバの
一端からパルス光を入射し、その−端に戻ってくる後方
散乱光を観測し、後方散乱光の強度によりその温度が計
測され、またパルス光の入射から後方散乱光が戻ってく
るまでの時間により温度上昇した位置が計測されること
になる。
一方、上記のような温度センシング用の光ファイバを地
下トンネルなどの中に水平方向に敷設する。そしてこの
ような光ファイバを複数本、鉛直方向の位置を違えて上
記のトンネル内に配置する。
すると、出水などがあったとき、トンネル内で部分的に
水位が高くなり、その部分で光ファイバが水に浸ること
になり、その浸った箇所だけが他の部分と温度が異なる
ことになる。
そこで、この温度センシング用光ファイバの一端に後方
散乱光計測装置を接続して、その光ファイバの後方散乱
光を計測すれば、温度が変化した箇所つまり水位の高く
なった場所が検出できる。
温度センシング用光ファイバは上記のようにトンネル内
で鉛直方向に位置を違えて配置されているので、出水が
あったとき、水面より下の光ファイバは水没し、それよ
り上の光ファイバは水に浸らないことになる。そのため
、どの光ファイバで温度が変化したかにより、水位がど
れほどであるかを検出できる。Generally, when a part of an optical fiber is heated, the amount of scattered light in the heated part increases. Therefore, pulsed light is input from one end of an optical fiber, and the backscattered light returning to the other end is observed.The temperature is measured based on the intensity of the backscattered light, and the backscattered light returns from the input of the pulsed light. The location where the temperature has increased can be measured based on the time it takes for the temperature to rise. On the other hand, an optical fiber for temperature sensing as described above is laid horizontally in an underground tunnel or the like. A plurality of such optical fibers are arranged in the tunnel at different vertical positions. Then, when water comes out, the water level will rise in some parts of the tunnel, and the optical fiber will be immersed in water in that part, and the temperature of that part will be different from the rest of the tunnel. Therefore, by connecting a backscattered light measuring device to one end of this optical fiber for temperature sensing and measuring the backscattered light of the optical fiber, it is possible to detect a location where the temperature has changed, that is, a location where the water level has become high. As mentioned above, the optical fibers for temperature sensing are arranged at different positions vertically within the tunnel, so when water comes out, the optical fibers below the water surface will be submerged, and the optical fibers above it will be submerged. You will not be immersed in it. Therefore, depending on which optical fiber the temperature has changed, it is possible to detect the water level.
以下、この発明の一実施例について図面を参照しながら
詳細に説明する。第1図及び第2図に示す実施例はこの
発明を電力、通信ケーブル用の地下のトンネル(洞道)
1の出水を監視する場合に適用したものである。この第
1図及び第2図では、地下のトンネル1内に、複数本の
温度センシング用光ファイバ4が水平方向に配置されて
いる。これら複数本の温度センシング用光ファイバ4の
鉛直方向の位置は第2図に示すようにそれぞれ異なる位
置とされている。これら複数本の温度センシング用光フ
ァイバ4の一端は、この実施例の場合、電話局、電力所
、変電所などの監視センター2内に設けられた後方散乱
光計測装置3に接続される。
トンネル1で出水事故が生じると、その出水箇所付近で
水があふれ、その付近の水位が上昇し、温度センシング
用光ファイバ4がその水に浸されることになる。すると
、温度センシング用光ファイバ4の温度が変化すること
になるため、この温度センシング用光ファイバ4の一端
に接続された後方散乱光計測装置3により、その温度変
化箇所つまり出水箇所を検出することができる。すなわ
ち、このトンネル1は地中に設けられていて、その中の
温度はほぼ一定と考えられるのに対し、地下水が出水し
たとき、その水の温度はトンネル1内の温度よりも2℃
〜3℃程度低く、下水道の水が出水したときは、工業用
・家庭用の温排水により5℃〜10℃程高くなるからで
ある。
そして、温度センシング用光ファイバ4は複数本がそれ
ぞれ上下方向に異なる位置となるように配置されている
。そのため、出水があったとき、水面より下の光ファイ
バ4は水没し、それより上の光ファイバ4は水に浸らな
いことになる。そのため、どの光ファイバ4において温
度が変化したかを後方散乱光計測装置3で捉えることに
より、水位がどれほどであるかを検出できる。
実際に、複数本の温度センシング用光ファイバ4を上下
方向に所定の間隔としてI・ンネル1内に敷設する際に
は、それら複数本の光ファイバ4の全体をテープ化、あ
るいは部分的にテープ化してそれらの間の間隔が一定に
保たれるようにしておいて、このテープ化されたものを
トンネル1の内壁に取り付けるようにすれば、作業が容
易となる。
このように複数本の温度センシング用光ファイバ4の長
さ方向及び配列方向(上下方向)での温度分布を検出で
きるため、出水時の出水箇所及び水位のみならず、火災
などの災害によってトンネル1内の温度が上昇したこと
をも検出できる。
温度センシング用光ファイバ4としては、通常の通信用
光ファイバを用いることができる。たとえばエポキシア
クリレートやウレタン樹脂などのプライマリ−コートを
持ち、さらにその上に金属管やFRP、CFRPなどの
シースを設けた、シングルモード用の石英系光ファイバ
や、GI型光ファイバなどを用いることができる。なお
プライマリ−コートとしてはヤング率の大きい材料を薄
くつけることが好ましい。この実施例では、温度センシ
ング用光ファイバ4としてコア径50μm、外径125
μmのGI型光ファイバにステンレススチール被覆した
ものを用いている。
後方散乱光計測装置3から温度センシング用光ファイバ
4の一端にパルス光を入射すると、そのパルス光が温度
センシング用光ファイバ4を長さ方向に伝搬して行くと
き、その長さ方向の各位置で散乱を生じる。これによる
後方散乱光は、温度センシング用光ファイバ4の長さ方
向各位置に対応した時間遅れで順次戻ってくるため、時
間ごとの後方散乱光強度を計測することにより、各位置
での散乱光強度を求めることができる。そしてこの散乱
光強度は温度依存性を有しているため、温度センシング
用光ファイバ4の長さ方向各位置での温度、すなわち長
さ方向の各位置が水に浸かっているかを検出することが
できる。
光ファイバの後方散乱光の計測法としては、0TDR(
Optical Time Domain Refle
ctometry)法、R−OTDR(Raman 0
ptical Time Domain Reflec
tometry)法、○F D R(0ptical
Frequency DomainRef lect
ometry)法等を採用できる。この実施例では後方
散乱光計測装置3として、第3図で示すような、温度分
解能±1℃、距離分解能1mのラマン散乱光検出型0T
DR装置(R−OTDR装置)を用いている。
温度センシング用光ファイバ4を複数本用いているので
、そのそれぞれに後方散乱光検出装置を接続してもよい
が、この実施例では複数の温度センシング用光ファイバ
4を切り換えてそれらの後方散乱光を順次計測すること
により、一つの後方散乱光計測装置3で一括監視してい
る。この第3図で示す後方散乱光計測装置の場合、複数
の温度センシング用光ファイバ4を機械式光スィッチ7
で切り換える構成をとっている。
すなわち、第3図で示す後方散乱光計測装置では、レー
ザ光源5からのレーザ光を分光器6を経て機械式光スィ
ッチ7に送り、各温度センシング用光ファイバ4に順次
入射するようにしている。
レーザ光源5としてはここではレーザダイオードで励起
したNd : YLFレーザを用い、コンピュータ11
の制御下、波長1.3μmのレーザをパルス状に発生し
ている。温度センシング用光ファイバ4の数はたとえば
10本とし、これらを機械式光スィッチ7で切り換える
。この機械式光スィッチ7は光コネクタを機械的に移動
して切り換えるもので、ここでは切換寿命100万回、
挿入損失0.7dBのものを用いた。この機械式光スィ
ッチ7はコンピュータ11で制御され、100 m5e
cの切換速度で切り換えられる。
温度センシング用光ファイバ4において戻ってきた後方
散乱光は機械式光スィッチ7を経て分光器6に送られ、
ストークス光の成分と反ストークス光の成分とに分けら
れ、それぞれ受光素子8により電気信号に変換された後
、アンプ9を通してデジタル平均化処理回路10に送ら
れる。このようなパルス光入射−後方散乱光検出のプロ
セスを機械式光スィッチ7を高速に切り換えながら多数
回繰り返してストークス光成分と反ストークス光成分の
多数のデータを得て、それらを各温度センシング用光フ
ァイバ4ごとに平均化処理し、その結果をコンピュータ
11に送る。コンピュータ11ではストークス光成分の
データと反ストークス光成分のデータとの比をとるとと
もに、その結果の時間軸方向の分布を得て、それを各温
度センシング用光ファイバ4ごとに表示する。これによ
り、トンネル1内での地下水の出水箇所及びその水位の
即時の検出ができた。
なお、機械式光スィッチ7は損失は低く且つ切換光フア
イバ数も多数とすることができるという長所があるが、
切換速度、寿命に制限があり、そのため、これに代えて
電気的切換スイッチを用いることも考えられる。電気的
切換スイッチを用いる場合、後方散乱光計測装置3はた
とえば第4図のように構成できる。すなわち、レーザ光
源5からのパルス光は光フアイバカプラ12で分配して
分光器6を経て各温度センシング用光ファイバ4に同時
に入射する。温度センシング用光ファイバ4の後方散乱
光は分光器6によりストークス光成分と反ストークス光
成分とに分離され、それぞれの温度センシング用光ファ
イバ4につきこれらの各成分の光が受光素子8により電
気信号に変換されアンプ9により増幅される。この電気
信号が、電気的切換スイッチ13により各成分ごとに切
り換えられる。この電気的切換スイッチ13により、温
度センシング用光ファイバ4の各々についての、各成分
の電気信号がデジタル平均化処理装置1゜に送られる。
このような電気的切換スイッチ13を用いた場合、温度
センシング用光ファイバ4の数に制限があるが、損失が
低く、且つ信頼性が高いという利点が得られる。
なお、上記ではこの発明を電力、通信ケーブル用の洞道
の出水を監視する場合に適用した実施例について説明し
たが、このような場合だけに限らず、水平方向の広い範
囲で水位の分布を検出する必要のある場合に適用すれば
効果が大きい。Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is an example of an underground tunnel for power and communication cables.
This method was applied to the case of monitoring water leakage in step 1. In FIGS. 1 and 2, a plurality of temperature sensing optical fibers 4 are arranged horizontally in an underground tunnel 1. As shown in FIG. The vertical positions of these plural temperature sensing optical fibers 4 are different from each other as shown in FIG. 2. In this embodiment, one end of the plurality of temperature sensing optical fibers 4 is connected to a backscattered light measuring device 3 provided in a monitoring center 2 such as a telephone office, power station, or substation. When a water spill accident occurs in the tunnel 1, water floods near the water spill point, the water level in the vicinity rises, and the temperature sensing optical fiber 4 is immersed in the water. Then, the temperature of the temperature sensing optical fiber 4 changes, so the backscattered light measuring device 3 connected to one end of the temperature sensing optical fiber 4 detects the temperature change point, that is, the water leaking point. I can do it. In other words, this tunnel 1 is installed underground, and the temperature inside it is considered to be almost constant, but when underground water comes out, the temperature of the water is 2 degrees Celsius lower than the temperature inside tunnel 1.
This is because the temperature is about 3 degrees Celsius lower, and when sewer water comes out, it becomes about 5 degrees Celsius to 10 degrees Celsius higher due to industrial and household heated waste water. A plurality of temperature sensing optical fibers 4 are arranged at different positions in the vertical direction. Therefore, when water comes out, the optical fibers 4 below the water surface will be submerged, and the optical fibers 4 above it will not be submerged. Therefore, by using the backscattered light measurement device 3 to determine in which optical fiber 4 the temperature has changed, it is possible to detect the water level. Actually, when laying a plurality of optical fibers 4 for temperature sensing in the I-channel 1 at predetermined intervals in the vertical direction, the entire optical fibers 4 are made into a tape, or some parts are made into a tape. The work becomes easier if the tape is attached to the inner wall of the tunnel 1 so that the distance between them is kept constant. In this way, the temperature distribution in the length direction and arrangement direction (vertical direction) of multiple temperature sensing optical fibers 4 can be detected. It can also detect when the internal temperature has increased. As the temperature sensing optical fiber 4, a normal communication optical fiber can be used. For example, it is possible to use a single mode quartz optical fiber or GI type optical fiber, which has a primary coat of epoxy acrylate or urethane resin, and a sheath of metal tube, FRP, CFRP, etc. can. Note that it is preferable to apply a thin layer of material having a large Young's modulus as the primary coat. In this example, the temperature sensing optical fiber 4 has a core diameter of 50 μm and an outer diameter of 125 μm.
A μm GI type optical fiber coated with stainless steel is used. When pulsed light is input from the backscattered light measurement device 3 to one end of the temperature sensing optical fiber 4, as the pulsed light propagates in the length direction of the temperature sensing optical fiber 4, each position in the length direction This causes scattering. The backscattered light from this returns sequentially with a time delay corresponding to each position in the length direction of the temperature sensing optical fiber 4, so by measuring the backscattered light intensity at each time, the scattered light at each position can be Strength can be determined. Since this scattered light intensity has temperature dependence, it is possible to detect the temperature at each position in the length direction of the temperature sensing optical fiber 4, that is, whether each position in the length direction is immersed in water. can. 0TDR (
Optical Time Domain Refle
ctometry) method, R-OTDR (Raman 0
Physical Time Domain Reflec
tometry) method, ○FDR(0ptical
Frequency Domain Ref rect
ometry) method etc. can be adopted. In this embodiment, the backscattered light measuring device 3 is a Raman scattered light detection type 0T with a temperature resolution of ±1° C. and a distance resolution of 1 m, as shown in FIG.
A DR device (R-OTDR device) is used. Since a plurality of optical fibers 4 for temperature sensing are used, a backscattered light detection device may be connected to each of them, but in this embodiment, the plurality of optical fibers 4 for temperature sensing are switched to detect the backscattered light. By measuring sequentially, one backscattered light measuring device 3 can collectively monitor. In the case of the backscattered light measuring device shown in FIG. 3, a plurality of temperature sensing optical fibers 4 are connected to a mechanical optical switch 7.
The configuration is such that switching can be done with That is, in the backscattered light measuring device shown in FIG. 3, laser light from a laser light source 5 is sent to a mechanical optical switch 7 via a spectroscope 6, and is made to enter each temperature sensing optical fiber 4 in sequence. . Here, an Nd:YLF laser excited by a laser diode is used as the laser light source 5, and the computer 11
Under the control of , a laser beam with a wavelength of 1.3 μm is generated in a pulsed manner. The number of temperature sensing optical fibers 4 is, for example, ten, and these are switched by a mechanical optical switch 7. This mechanical optical switch 7 switches the optical connector by mechanically moving it, and here the switching life is 1 million times.
One with an insertion loss of 0.7 dB was used. This mechanical light switch 7 is controlled by a computer 11 and has a length of 100 m5e.
It can be switched at a switching speed of c. The backscattered light returned from the temperature sensing optical fiber 4 is sent to the spectrometer 6 via a mechanical optical switch 7.
The light is divided into a Stokes light component and an anti-Stokes light component, each converted into an electric signal by a light receiving element 8, and then sent to a digital averaging processing circuit 10 through an amplifier 9. This process of pulsed light incidence and backscattered light detection is repeated many times while switching the mechanical optical switch 7 at high speed to obtain a large amount of data on the Stokes light component and anti-Stokes light component, which are then used for each temperature sensing. Averaging processing is performed for each optical fiber 4, and the results are sent to the computer 11. The computer 11 calculates the ratio between the data of the Stokes light component and the data of the anti-Stokes light component, obtains the distribution of the result in the time axis direction, and displays it for each temperature sensing optical fiber 4. This made it possible to immediately detect the location of underground water leakage and its water level within the tunnel 1. Note that the mechanical optical switch 7 has the advantage of low loss and the ability to switch a large number of optical fibers.
There are limits to the switching speed and lifespan, so it is conceivable to use an electrical changeover switch instead. When using an electrical changeover switch, the backscattered light measuring device 3 can be configured as shown in FIG. 4, for example. That is, the pulsed light from the laser light source 5 is divided by the optical fiber coupler 12, passes through the spectroscope 6, and enters each temperature sensing optical fiber 4 at the same time. The backscattered light of the temperature sensing optical fiber 4 is separated into a Stokes light component and an anti-Stokes light component by a spectroscope 6, and the light of each of these components is converted into an electrical signal by a light receiving element 8 for each temperature sensing optical fiber 4. and is amplified by amplifier 9. This electrical signal is switched for each component by an electrical changeover switch 13. This electrical changeover switch 13 sends the electrical signals of each component for each of the temperature sensing optical fibers 4 to the digital averaging processing device 1°. When such an electrical changeover switch 13 is used, although there is a limit to the number of temperature sensing optical fibers 4, the advantages of low loss and high reliability can be obtained. In addition, although the embodiment in which the present invention is applied to the case of monitoring water outflow in a tunnel for power and communication cables has been described above, the present invention is not limited to such a case, and is applicable to monitoring water level distribution over a wide range in the horizontal direction. It is highly effective if applied when detection is necessary.
この発明の水位分布検出装置によれば、トンネルなどの
全長のどこで出水が生じても、その出水箇所の位置及び
その箇所での水位を即時に検出することが可能となる。
また、温度センシング用の光ファイバは、防爆性であっ
て本質的に安全性が高く、しかも安価・小型・軽量で敷
設も容易であるから、長いトンネルなどにおいてきわめ
て安全、安価且つ容易に出水の監視を行うことができる
。According to the water level distribution detection device of the present invention, even if water occurs anywhere along the entire length of a tunnel or the like, it is possible to immediately detect the location of the water source and the water level at that location. In addition, optical fibers for temperature sensing are explosion-proof and inherently safe, and are also inexpensive, small, lightweight, and easy to install, making them extremely safe, inexpensive, and easy to install in long tunnels. Monitoring can be carried out.
第1図はこの発明の一実施例を模式的に示す模式図、第
2図は上記実施例の断面を模式的に示す模式図、第3図
は同実施例にかかる後方散乱光計測装置の構成を表すブ
ロック図、第4図は他の実施例にかかる後方散乱光計測
装置の構成を表すブロック図である。
1・・・トンネル、2・・・監視センター、3・・・後
方散乱光計測装置、4・・・温度センシング用光ファイ
バ、5・・・レーザ光源、6・・・分光器、7・・・機
械式光スィッチ、8・・・受光素子、9・・・アンプ、
10・・・デジタル平均化処理装置、11・・・コンピ
ュータ、12・・・光フアイバカブラ、13・・・電気
的切換スイッチ。Fig. 1 is a schematic diagram schematically showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a schematic diagram schematically showing a cross section of the above embodiment, and Fig. 3 is a backscattered light measuring device according to the same embodiment. FIG. 4 is a block diagram showing the structure of a backscattered light measuring device according to another embodiment. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Tunnel, 2... Monitoring center, 3... Backscattered light measuring device, 4... Optical fiber for temperature sensing, 5... Laser light source, 6... Spectrometer, 7...・Mechanical optical switch, 8... Light receiving element, 9... Amplifier,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Digital averaging processing device, 11... Computer, 12... Optical fiber converter, 13... Electric changeover switch.
Claims (1)
方向に配置された複数の温度センシング用の光ファイバ
と、該光ファイバの一端に接続され該光ファイバからの
後方散乱光を計測する後方散乱光計測装置とを備えるこ
とを特徴とする水位分布検出装置。(1) A plurality of optical fibers for temperature sensing arranged substantially horizontally at different positions in the vertical direction, and a rear part connected to one end of the optical fibers to measure backscattered light from the optical fibers. A water level distribution detection device comprising a scattered light measurement device.
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JP (1) | JPH04168324A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1990
- 1990-10-31 JP JP29562090A patent/JPH04168324A/en active Pending
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