JPH04294230A - 光ファイバ式温度分布測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバをセンサと
して、光ファイバに沿った温度分布を計測する光ファイ
バ式温度分布計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ式温度分布検出装置は、光フ
ァイバ中で発生するラマン散乱光やレーリ散乱光等の散
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ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏ
ｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）　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。

【０００３】ラマン散乱光を利用した光ファイバ式温度
分布測定装置の計測概念を図４，図５を用いて以下に説
明する。

【０００４】先ず、光源から図４に示したパルス光（パ
ルス幅Ｔｗ，パルス周期Ｔｐ）をセンサ用ファイバに導
くと、該光ファイバ内でアンチ・ストークス光やストー
クス光などの散乱光が発生し、その一部は図５に示すよ
うな後方散乱光として計測装置に戻る。この後方散乱光
をパルス入射時刻をｔ＝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Ｉａ’（ｔ），Ｉｓ’（ｔ）　
がサンプリング時間間隔ｔｓ　の整数倍のｔにつき求ま
る。これらの受光強度Ｉａ’（ｔ），Ｉｓ’（ｔ）　は
、光ファイバ内の距離ｘの位置で発生した散乱光が光パ
ルス入射端（計測部）に戻ってくるまでの時間が下記数
１式で表されることを利用すると、光ファイバに沿った
距離ｘの関数Ｉａ’（ｘ），Ｉｓ’（ｘ）　に置き換え
ることができる。

【０００５】

【数１】ｔ＝２×ｘ／ｖ ｖ：光ファイバ中の光速 また、各距離ｘから計測部までの測定光の伝送損失αａ
（ｘ），αｓ（ｘ）が分かれば、各距離で発生した散乱
光強度が数２，数３式により求まる。

【０００６】

【数２】

【０００７】

【数３】

【０００８】これらの比Ｉａ（ｘ）／Ｉｓ（ｘ）は、下
記数４式に示すように、光源の波長と光ファイバの材料
が決まれば純粋に温度の関数となることから、各点ｘの
温度Ｔ（ｘ）　を求めることができる。

【０００９】

【数４】

【００１０】次に、図３を用いて、ラマン散乱光を用い
る光ファイバ式温度分布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。

【００１１】光源２からパルス光をセンサ用ファイバ２
０に導くと、該光ファイバ内で発生した散乱光の一部は
後方散乱光として計測装置１０側に戻り、光分波器３１
に入射する。光分波器３１では、入射した後方散乱光か
ら波長λａ　のアンチ・ストークス光と波長λｓ　のス
トークス光を分波し、波長λａのアンチ・ストークス光
は、光フィアバ２３ａを介して受光器４ａ，増幅器５ａ
，平均化処理回路６ａで構成されるアンチ・ストークス
光用ＯＴＤＲ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Ｉａ（ｔ）が求めら
れる。同様にして、ストークス光は、光ファイバ２３ｓ
を介して受光器４ｓ，増幅器５ｓ，平均化処理回路６ｓ
で構成されるストークス光用ＯＴＤＲ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の周期合
わせは、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内で図５に
示す一定の時間間隔Ｔｓ　で行われる。なお、受光器４
ａ，４ｓは受光感度を高めるため、通常はＡＰＤ（アバ
ァランシェ・フォト・ダイオード）を用いている。

【００１２】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、送電容量の制御用に利用したり、ケーブルの劣
化等により生ずる部分的温度の高い箇所の検知などが行
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。

【００１３】ラマン式温度分布測定装置は、上述した方
法で長手方向の温度分布を測定できる。しかし、光ファ
イバから戻って来る後方散乱光中には、測定しようとす
るラマン散乱光（波長λａ　のアンチ・ストークス光と
波長λｓ　のストークス光）の他に、光源と同じ波長λ
０　のレーリ散乱光が含まれており、レーリ散乱光の強
度はラマン散乱光の１０００倍と強く、またλ０　とλ
ａ，λｓ　の差は、いずれも約３０ｎｍと小さいため、
光分波器３１により分波されたアンチ・ストークス光用
ＯＴＤＲ計測回路３０ａに入射する光信号の中にレーリ
散乱光が全く入らないようにすることは難しく、現実に
は、多少のレーリ散乱光が混入してしまう。つまり、受
光信号には、アンチ・ストークス光の他にレーリ散乱光
が若干含まれていることになり、このままでは、距離ｘ
で真のアンチ・ストークス光発生量Ｉａ（ｘ）を求める
ことができない。そこで、アンチ・ストークス光用ＯＴ
ＤＲ計測回路３０ａに入射する光信号の中に混入するレ
ーリ散乱光量の割合Ｒａ　を用いて、数５式により真の
アンチ・ストークス光受光強度Ｉａ’（ｔ）　を求め、
これから、距離ｘでの真のアンチ・ストークス光発生量
Ｉａ（ｘ）を求めていた。ストーク光についても同様に
数５式を用いていた。

【００１４】

【数５】

【００１５】上記数５式の補正を行うことにより、レー
リ散乱光の混入による温度分布測定結果への影響は、２
Ｋｍ　の温度分布計測では認められなかった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、２Ｋｍ
　以上の温度分布測定のニーズに対し、測定温度精度の
検討を行ったところ、測定距離が長くなる等、図６のよ
うに高温部の温度が実際の温度よりも低目に測定される
傾向のあることが分かった。

【００１７】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、２Ｋｍ　以上の温度分布測定おいても、測定誤差を
極力小さくした光ファイバ式温度分布測定装置を提供す
ることにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、計測装置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、該光ファイバで発生する後方散
乱光を上記計測装置内の計測系の受光器に導き、これら
後方散乱光の光強度から光ファイバの温度を求め、光パ
ルスの入射時刻と後方散乱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
と位置を同時に計測し、該光ファイバの温度分布を計測
する光ファイバ式温度分布計測装置において、距離ｘに
対応する受光強度Ｉ（ｘ）　から、距離の関数であるＩ
ｒ　（ｘ）　を差し引いたものを用いて温度換算する機
能を有する温度分布演算器を設けた構成のものである。

【００１９】この場合、上記温度分布演算器は、後方散
乱光として光ファイバ中で発生するラマン散乱光のうち
アンチ・ストークス光とストークス光のうちのいずれか
一方あるいは両方を用い、それぞれ距離ｘの関数である
Ｉｒａ（ｘ），Ｉｒｓ（ｘ）　を差し引いた後、いずれ
か一方あるいは両方を用いて温度演算することが好まし
い。

【００２０】

【作用】本発明の要旨は、測定信号に含まれるレーリ散
乱光の割合を距離ｘの関数とし、距離毎に異なった補正
係数を用いて、真のラマン散乱光強度を算出した後に温
度換算を行う温度分布演算器を備えたことにある。

【００２１】このような補正を行う理由を図２を用いて
説明する。

【００２２】センサ用ファイバ２０からアンチ・ストー
クス光用ＯＴＤＲ計測回路３０ａへのアンチ・ストーク
ス光波長λａ　での挿入損失をＬａ　，レーリ散乱光波
長λ０　での挿入損失をＬｒａとすると、各距離に換算
したアンチ・ストークス光用ＯＴＤＲ計測回路３０ａ　
に入射する光信号強度Ｉａ’’（ｘ）と、センサ用ファ
イバ２０から戻ってきた各距離に換算したアンチ・スト
ークス光信号強度Ｉａ’（ｘ）　と、レーリ散乱光強度
のＩｒ’（ｘ）　の関係は数６式で表すことができる。 これは各距離に換算したストークス光用ＯＴＤＲ計測回
路３０ｓ　に入射するストークス光の光信号強度Ｉｓ’
’（ｘ）についても同様である。

【００２３】

【数６】

【００２４】一方、距離ｘで発生した各後方散乱光強度
Ｉａ（ｘ），　Ｉｓ（ｘ），　Ｉｒ（ｘ）と、光分波器
３１に到達した各散乱光強度Ｉａ’（ｘ），Ｉｓ’（ｘ
），Ｉｒ（ｘ）の関係は数７式で表すことができる。

【００２５】

【数７】

【００２６】従って、距離ｘで発生した散乱光強度Ｉａ
（ｘ）とＩｓ（ｘ）は、数６，数７式を用いて下記数８
式で表すことができる。

【００２７】

【数８】

【００２８】上記数８式を用いることにより、測定値で
あるＩａ”（ｘ），Ｉｓ”（ｘ）　からそれぞれ距離の
関数であるＩｒａ”（ｘ），　Ｉｒｓ”（ｘ）を差し引
いた後、伝送損失の補正等を行うことにより、距離ｘで
の真のアンチストークス光及びストークス光発生強度Ｉ
ａ（ｘ），　Ｉｓ（ｘ）を求めることができ、これを数
４式に代入することにより、温度分布Ｔ（ｘ）　をレー
リ散乱光の混入の影響なく求めることができる。

【００２９】即ち、従来の補正方法では、レーリ散乱光
の混入比率を距離に関係なく、一定として差し引いてい
たのを、距離ｘからのレーリ散乱光とラマン散乱光の伝
送損失が若干異なることに着目し、この差を正確に評価
した数８式を算出して温度分布の計算に用いることにし
たことになる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を第１図を用いて説
明する。

【００３１】第１図は従来例の図３とほぼ同じ構成であ
るが、温度分布演算器にレーリ散乱光補正計算方法の異
なる改良型温度分布演算器７１を用いている点が異なる
。

【００３２】改良型温度分布演算器７１は、上記数８式
に従った演算機能を有するので、数４式から導出した数
９式による温度分布Ｔ（ｘ）　の演算により、被測定光
へのレーリ散乱光混入の影響を全く受けずに２ｋｍ以上
の距離にわたり、センサ用光ファイバ２０に沿った温度
分布を測定することができる。

【００３３】

【数９】 Ｔ（ｘ）　＝Ｋ２　／〔ｌｎ［｛Ｉａ（ｘ）／　Ｉｓ（
Ｘ）｝／Ｋ１　］〕数８式で用いるレーリ散乱光補正項
とＩｒａ”（ｘ）とＩｒｓ”（ｘ）は、数７，数８式及
び、距離ｘでのレーリ散乱光強度を距離ゼロ（入射口）
でのレーリ散乱光強度との関係を表した数１０式を用い
て数１１式のように表わせるので、

【００３４】

【数１０】

【００３５】

【数１１】

【００３６】光分波器３１におけるレーリ散乱光波長λ
０　でのセンサ用ファイバ２０からアンチ・ストークス
光用ＯＴＤＲ測定系３０ａ及びストークス光用ＯＴＤＲ
測定系３０ｓへの挿入損失Ｌｒａ，　Ｌｒｓと、入射光
でのレーリ散乱光強度Ｉｒ（ｏ）と、センサ用ファイバ
でのレーリ散乱光の伝送損失αｒ（ｘ）が分れば求める
ことができる。

【００３７】距離０でのレーリ散乱光強度Ｉｒ（Ｏ）と
レーリ散乱光の伝送損失αｒ（ｘ）は、入射光波長と検
出光波長の等しい既存のＯＴＤＲ測定技術を用いること
により、容易に測定することができる。

【００３８】上記実施例では、レーリ散乱光混入の補正
をアンチ・ストークス光及びストークス光強度測定デー
タＩａ”（ｔ），Ｉｓ”（ｔ）　を距離の関数Ｉａ”（
ｘ），Ｉｓ”（ｘ）　に置き換えた後に、距離ｘの関数
であるＩｒａ”（ｘ），　Ｉｒｓ”（ｘ）を用いて行っ
ているが（数８式参照）、距離の関数に変換する前の時
間の関数Ｉａ”（ｔ），Ｉｓ”（ｔ）　の段階で、先の
実施例と同様の手法により、レーリ散乱光混入の補正を
行っても良い。

【００３９】即ち、Ｉｒａ”（ｘ），　Ｉｒｓ”（ｘ）
，αａ（ｘ），　αｓ（ｘ）を数１式の関係を用いて、
それぞれ時間の関数に置き換えた下記数１２式を用いて
補正を行い、この補正結果を数１式の関係を用いて距離
の関数に置き換えてＩａ（ｘ），　Ｉｓ（ｘ）を求め、
数９式により温度分布Ｔ（ｘ）　を求める手順である。

【００４０】

【数１２】

【００４１】また他の実施例としては、温度分布を求め
るのにアンチ・ストークス光のみを用いる方式に本発明
を適用しても良い。またレーリ散乱光とアンチ・ストー
クス光とストークス光のどちらか、あるいは両方を併用
して温度分布を求める方式に適用しても良い。

【００４２】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、測定距離
が２Ｋｍを超える場合であっても、被測定光へのレーリ
散乱光混入に起因する温度分布測定誤差を無くし、長距
離まで高精度で測定可能な光ファイバ式温度分布測定装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバ式温度分布測定装置の一実
施例を示すセンサ・システム構成図である。

【図２】本発明の説明に供する概要図である。

【図３】従来の光ファイバ式温度分布測定装置の一実施
例を示すセンサ・システム構成図である。

【図４】光源からのパルス光の説明図である。

【図５】センサ用ファイバから計測装置に戻る後方散乱
光の説明図である。

【図６】従来の光ファイバ式温度分布測定装置での問題
点を説明する温度分布測定例を示す図である。

【符号の説明】

１　　トリガ回路 ２　　パルス光源 ４ａ，４ｓ　　受光器 ５ａ，５ｓ　　増幅器 ６ａ，６ｓ　　平均化処理回路 ７　　温度分布演算器 １０　　計測装置 ２０　　センサ用光ファイバ ２１，２３ａ，２３ｓ　　光ファイバ ３０ａ　　アンチ・ストークス光用ＯＴＤＲ計測回路３
０ｓ　　ストークス光用ＯＴＤＲ計測回路３１　　光分
波器 ７２　　温度分布表示器を示す。 ７１　　改良型温度分布演算器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　計測装置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、該光ファイバで発生する後
   方散乱光を上記計測装置内の計測系の受光器に導き、こ
   れら後方散乱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後方散乱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、
   温度と位置を同時に計測し、該光ファイバの温度分布を
   計測する光ファイバ式温度分布計測装置において、距離
   ｘに対応する受光強度Ｉ（ｘ）　から、距離の関数であ
   るＩｒ　（ｘ）　を差し引いたものを用いて温度換算す
   る機能を有する温度分布演算器を設けたことを特徴とす
   る光ファイバ式温度分布測定装置。
2. 【請求項２】　　上記温度演算器は、後方散乱光として
   光ファイバ中で発生するラマン散乱光のうちアンチ・ス
   トークス光とストークス光のうちのいずれか一方あるい
   は両方を用い、それぞれ距離ｘの関数であるＩｒａ（ｘ
   ），Ｉｒｓ（ｘ）　を差し引いた後、いずれか一方ある
   いは両方を用いて温度演算することを特徴とする請求項
   １の光ファイバ式温度分布測定装置。