JPH051314A - 光フアイバ式温度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバの減衰特性の変化に起因する温度
分布の測定誤差の発生を容易に検出し、測定誤差の検出
結果から減衰特性を補正して常に正確な温度分布を測定
することを可能とする。 【構成】 測定部２０が、光ファイバ２２の両端と光ス
イッチ２４により光学的に接続され、測定方向をルート
１又はルート２のいずれかに切換えが可能となってい
る。ルート１及びルート２のそれぞれについて温度分布
を測定し、両方の温度分布を温度分布比較部２８で比較
し、両者に差が生じた場合には警報を出力する。上記温
度分布の差から特性係数校正部３０で光ファイバ２２の
特性係数の変化量を算出し、各ルート毎に特性係数の校
正を自動的に行い、校正した特性係数を前記温度分布演
算部２６に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ式温度分布
測定装置、特に、熱風炉蓄熱室内部等の測定対象の温度
分布を常に高精度で測定することができる、光ファイバ
式温度分布測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱風炉蓄熱室の温度分布を適正に制御す
ることは、操業面からみると、例えば特開昭６２−４０
３０５に記載されているように、熱風炉の熱効率を高
め、燃焼ガスの使用量を削減する上で非常に重要であ
る。

【０００３】従来、熱風炉蓄熱室内部の温度は、温度測
定手段として放射温度計や熱電対を用いて測定されてい
る。

【０００４】これら温度測定手段を用いる場合は、いず
れも局所的な温度測定しかできないため、蓄熱室の高さ
方向の温度分布を得るためには、多数箇所に温度計を設
置する必要があった。

【０００５】ところが、実際に用いられている熱風炉蓄
熱室の高さは、例えば３０m 以上もあるため、例えば実
公昭６２−３９３０２に開示されているように、蓄熱室
を構成する煉瓦内に熱電対を数箇所に設置し、その熱電
対から得られた部分的な測定温度を用いて内挿法又は外
挿法に基づいて温度分布を求めていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように部分的な測定温度を用いて温度分布を推定する場
合には、必ずしも正確な温度分布が求められている保障
はない。そのため、熱風炉の熱効率を高める等の要請か
ら、より正確な熱風炉蓄熱室内部の温度分布を測定する
技術が望まれていた。

【０００７】これを可能とする技術としては、例えば、
熱風炉蓄熱室の所定位置に光ファイバを配設し、該光フ
ァイバに光を入射した際に入射側に戻ってくるラマン散
乱光を時分割で検出し、各時間毎に検出されたラマン散
乱光に含まれるストークス光／アンチストークス光の強
度比から散乱点の温度を求めると共に、上記ラマン散乱
光の戻り時間から上記散乱点の位置を特定することによ
り、上記光ファイバに沿った任意の位置の温度を測定す
るものが考えられる。

【０００８】上記のような熱風炉蓄熱室内部等の測定対
象について、広い範囲に亘る温度分布を測定できる光フ
ァイバ式温度分布測定装置としては、例えば、図３に示
すような、光発振器であるレーザダイオードＬＤと光検
出器であるアバランシェホトダイオードＡＰＤ１、ＡＰ
Ｄ２とを有する測定部１０と、センサ部である光ファイ
バ１２とを備えているものがある。

【０００９】この測定装置は、上記レーザダイオードＬ
Ｄ、ホトダイオードＡＰＤ１、ＡＰＤ２が、上記光ファ
イバ１２と光学的に接続されており、パルス駆動回路か
らのパルス信号により上記レーザダイオードＬＤからレ
ーザ光がパルス発振されると、該レーザ光は光ファイバ
１２にその一端から入射されるようになっている。

【００１０】上記光ファイバ１２にレーザ光が入射され
ると、該レーザ光が入射された上記一端に散乱光等が戻
ってくる。この散乱光は干渉フィルタを経て上記ホトダ
イオードＡＰＤ１、ＡＰＤ２によって検出される。

【００１１】上記ホトダイオードＡＰＤ１、ＡＰＤ２で
検出された光は、電気信号として高速平均化処理装置へ
入力され、所定の処理が行われた後、更にデータ処理装
置を経て温度分布ディスプレイに上記光ファイバに沿っ
た位置の温度分布が表示されるようになっている。

【００１２】この装置の測定原理を次に説明する。

【００１３】上記光ファイバ１２に対し、定期的に又は
適宜、レーザ光をパルス状に入射し、その際に該光ファ
イバ１２の長さ方向の各ポイントから散乱されて戻って
くるラマン散乱光を時分割で検出する。

【００１４】上記のように光ファイバ１２にレーザパル
スを入射すると、その光は光ファイバ内部を伝搬すると
共に、該光ファイバ１２の各ポイントは、その温度に応
じて、散乱光を発生させ、その散乱光の一部が後方散乱
光として入射側に戻ってくる。この散乱光が戻ってくる
までに要した時間により、後方散乱光の発生位置を特定
することができる。

【００１５】又、後方散乱光の中には、光ファイバを構
成しているガラスの格子振動により、弾性的に散乱され
て生じるレ−レ散乱光の他に、非弾性的に生じるラマン
散乱光が含まれている。このラマン散乱光は、ストーク
ス光とアンチストークス光からなり、この２つの光の強
度比は、入射光波長とガラスの組成が決まれば理論的に
温度のみに依存している。

【００１６】従って、前記の如く、レーザ光を入射した
後に戻ってくるラマン散乱光を時分割で検出し、時間毎
にストークス光／アンチストークス光の強度比から温度
を、又戻ってくるまでに要した時間から光ファイバ１４
の長さ方向の位置を、例えば１m 間隔で特定できる。

【００１７】以上詳述した光ファイバ式温度分布測定装
置は、例えば空間的に広い範囲に亘って温度分布を測定
する上で極めて有効であるが、使用するに従って光ファ
イバの持つ特性、特に光の減衰特性が変化するため、そ
の変化によって測定値に誤差が生じてくる欠点を有して
いる。従って、上記測定装置で常に正確な温度分布を測
定するためには、常時、その測定値に誤差が生じたか否
かを検査する必要がある。

【００１８】ところが、上記検査には、他の温度計（例
えば熱電対等）で対象となる箇所を実際に測定し、その
測定値と上記測定装置による測定値とを比較する方法し
かなく、又、この方法を用いたとしても、ある特定の点
における測定値の誤差をチェックすることしかできない
ため、信頼性上の問題がある。

【００１９】又、上記測定装置は、光ファイバ自体が、
その敷設位置の温度を検出する検出部（センサ部）であ
るため、該光ファイバが途中で断線した場合は、その断
線位置から先の温度は測定できなくなるという問題もあ
る。

【００２０】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、光ファイバの減衰特性の変化に起因
する温度分布の測定誤差の発生を容易に検出できるよう
にすると共に、その測定誤差の検出結果から減衰特性を
補正することにより、常に正確な温度分布を測定するこ
とができるようにし、しかも光ファイバが途中で断線し
た場合でも、該光ファイバの敷設範囲全体に亘る温度分
布を測定することができる光ファイバ式温度分布測定装
置を提供することを課題とする。

【００２１】

【課題を達成するための手段】本発明は、光発振器と光
検出器とを有する測定部と、光ファイバからなるセンサ
部とを備え、上記測定部から上記光ファイバに光を入射
した際に入射側に戻ってくるラマン散乱光を該測定部に
より時分割で検出し、各時間毎に検出されたラマン散乱
光に含まれるストークス光／アンチストークス光の強度
比から散乱点の温度を求めると共に、上記ラマン散乱光
の戻り時間から上記散乱点の位置を特定することによ
り、上記光ファイバに沿った任意の位置の温度を測定す
る光ファイバ式温度分布測定装置であって、上記測定部
から上記光ファイバの両端にそれぞれ独立に光を入射さ
せる手段を設けたことにより、前記課題を達成したもの
である。

【００２２】又、本発明は、上記光ファイバ式温度分布
測定装置において、光ファイバの両端のそれぞれから２
つの経路で測定した温度分布測定値を比較する比較部
と、上記２つの経路で測定した温度分布測定値の差から
光ファイバの減衰特性を校正する校正部とを備えたこと
により、同様に前記課題を達成したものである。

【００２３】

【作用】図２は、本発明に係る光ファイバ式温度分布測
定装置の一例を示す概略構成図である。

【００２４】上記温度分布測定装置は、前記図３に示し
た測定装置と同様の測定部１０に、光スイッチ１４を介
して、ループ状にした光ファイバ１２の両端を連結し、
該両端のいずれか一方を上記光スイッチ１４で選択し、
光学的に接続可能としたものである。

【００２５】従って、この測定装置では、上記光スイッ
チ１４を切換えることにより、上記両端のいずれから
も、即ち２つの経路で温度分布の測定が可能となってい
る。

【００２６】ところで、光ファイバ１２は、減衰特性、
即ち光が通過する長さに応じてその強度が減衰する性質
を有している。従って、光ファイバにその一端から光を
入射した際、検出端である該一端へその光ファイバの任
意の位置から後方散乱されて戻ってくるラマン散乱光
は、該検出端からより遠い部位で散乱されて戻ってくる
もの程光の通過経路が長くなるため、光ファイバ１２中
における光強度の減衰の程度が大きくなり、結果として
その受光強度は小さくなる。

【００２７】そこで、通常、光ファイバ式温度分布測定
装置では、予め光ファイバの減衰特性を求めておき、そ
の特性を考慮した上で後方散乱されて戻ってくるラマン
散乱光の強度から、各部位の温度を求めている。従っ
て、光ファイバの持つ減衰特性が経時的に変化した場合
には、当然温度分布の測定誤差が生じることになる。

【００２８】即ち、今、ラマン散乱光の強度Ｉ₀ から温
度Ｔが次式（１）の関係式で求められるとする。但し、
この光強度Ｉ₀ は、距離による補正、即ち光ファイバの
持つ減衰特性による補正が施された値である。

【００２９】Ｔ＝f （Ｉ₀ ） …（１）

【００３０】実際に検出される散乱光の強度をＩとする
と、上記光強度Ｉ₀は、次の（２）式の関数で表わすこ
とができる。

【００３１】Ｉ₀ ＝g （Ｉ） …（２）

【００３２】関数g は、減衰特性に基づく補正値であ
り、例えば次の（３）式とすることができる。

【００３３】 g （Ｉ）＝Ｉ／exp （−ax） …（３）

【００３４】ここで、x は散乱点の位置を、a は減衰係
数をそれぞれ表わしている。

【００３５】上記（３）式において関数g が変化する
と、即ち減衰係数a が変化すると、上記（１）式から求
められる温度Ｔも変化することになる。従って、前記図
３に示した測定装置では、光ファイバの減衰特性が変化
したか否かを、常に他の熱電対等の温度計でチェックす
る必要がある。

【００３６】しかし、本発明の温度分布測定装置は、前
述の如く、光スイッチ１４を切換えることにより、例え
ば光ファイバ１２の両端に交互にレーザ光を入射させ、
２つの方向のルートを通って後方散乱されるラマン散乱
光を交互に検出できるようにしたので、他の温度計を使
用することなく、簡単に且つ速やかに光ファイバ１２の
減衰特性が変化したことを検出することができると共
に、その検出結果に基づいて減衰特性を適切な値に校正
することができる。以下、これについて詳述する。

【００３７】上記のように、散乱光が通過するルートを
双方向とすると、測定する方向をルート１とするか、ル
ート２とするかによって、光ファイバの同一の部位を測
定した際に、実際に検出される散乱光の強度Ｉは異な
る。

【００３８】そこで、ルート１及び２の両経路で測定し
た場合、同一部位について実際に検出される散乱光の強
度がそれぞれＩ₁ 、Ｉ₂ であるとすると、いずれのルー
トで測定した場合でも、前記（１）式で使用する光強度
Ｉ₀ が等しくなるように、即ち次式（４）が成り立つよ
うに、ルート１及び２のそれぞれに補正式として関数g
₁ 、 g₂ を求めておく。

【００３９】 Ｉ₀ ＝ g₁ （Ｉ₁ ）＝ g₂ （Ｉ₂ ） …（４）

【００４０】本発明では、このように各ルート毎に適切
な補正式を適用し、いずれの方向から測定する場合でも
同一部位については同一温度が測定されるようにしてあ
る。従って、上記（４）式が成り立つ条件の下で測定し
ている限りは、ルート１又は２のいずれの経路で測定し
ても常に正確な温度分布を求めることができる。

【００４１】ところが、光ファイバの減衰特性は不変の
ものでなく、経時的に変化する。光ファイバの減衰特性
が変化すると、当然（５）式となり、上記（４）式の関
係が成り立たなくなり、同一部位を測定しているにも拘
らず、上記２つのルートで測定した温度は異なってく
る。

【００４２】 g₁ （Ｉ₁ ）≠ g₂ （Ｉ₂ ） …（５）

【００４３】例えば、ルート１で測定する場合、ある部
位x での散乱光強度をＩ_T とし、減衰特性がexp （−a
x）で表わされるとすると、検出強度Ｉは次の（６）式
で与えられる。これを、関数h を用いて表わすと（７）
式のようになる。

【００４４】Ｉ＝Ｉ_T exp （−ax） …（６）

【００４５】Ｉ＝h （Ｉ_T ） …（７）

【００４６】補正式を、減衰特性の逆関数とすれば、即
ちg ＝h ^-1とすれば、次の（８）式となる。

【００４７】 Ｉ₀ ＝Ｉ_T …（８） （Ｉ₀ ＝Ｉ／exp （−ax））

【００４８】今、減衰特性が変化し、減衰係数a がa ＋
Δa となった場合は、次の（９）式となり、Ｉ₀ ≠Ｉ_T
となるため、前記（１）式から正しい温度を得ることは
できない。

【００４９】 Ｉ₀ ＝Ｉ_T exp ｛−a ＋Δa ）x ／exp （−ax）｝ …（９）

【００５０】一方、逆のルート、即ちルート２で測定を
行った場合、検出強度Ｉは次の（１０）式で与えられ、
Ｉ₀ は（１１）式となる。なお、Ｌは光ファイバの全長
である。

【００５１】 Ｉ＝Ｉ_T exP ｛−a （Ｌ−x ）｝ …（１０）

【００５２】 Ｉ₀ ＝Ｉ／exp ｛−a （Ｌ−x ）｝ …（１１）

【００５３】従って、前記の如く、減衰特性が変化し、
減衰係数a がa＋Δa となった場合は、次の（１２）式
となる。

【００５４】 Ｉ₀ ＝Ｉ_T exp ｛−（a ＋Δa ）（Ｌ−x ）｝／exp ｛−a （Ｌ−x ）｝ …（１２）

【００５５】従って、ルート１の場合の（９）式で求め
たＩ₀ と、ルート２の場合の（１２）式で求めたＩ₀ と
の間には、 x＝Ｌ／２の点以外ではＩ_T が同じでも差が
生じることになるため、測定経路によって同一部位の測
定温度が異なることになる。

【００５６】そこで、このように差が生じた場合には、
上記（９）式及び（１２）式で求めたＩ₀ が同一となる
ように補正式を校正することにより、即ち、特性係数a
を適正な値に校正することにより、再び両経路において
正確な温度分布を測定することが可能となる。

【００５７】上述の如く、本発明によれば、ルート１と
ルート２の両ルートについて測定を行うことにより、上
記両ルートの間に生じる測定誤差を容易且つ早期に検出
することができるため、光ファイバの減衰特性が変化し
たことをも早期に知ることができる。

【００５８】従って、上記の２つのルートで測定したそ
れぞれの温度分布測定値の差から特性係数の変化量を算
出し、迅速に補正式を正しい状態に校正することができ
るので、常に正確な温度分布の測定が可能となる。

【００５９】又、本発明によれば、２つのルートのいず
れの方向からも測定することができるので、仮に途中で
光ファイバが断線した場合でも、光ファイバの敷設範囲
全体の温度分布を測定することができる。

【００６０】

【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００６１】図１は、本発明に係る一実施例である光フ
ァイバ式温度分布測定装置を示す概略構成図である。

【００６２】本実施例の温度分布測定装置は、測定部２
０と、温度センサ部である光ファイバ２２と、該光ファ
イバ２２の両端を上記測定部２０とそれぞれ独立に光学
的に接続させるための光スイッチ２４とを備えている。

【００６３】上記測定部２０は、温度分布演算部２６、
温度分布比較部２８及び特性係数校正部３０とを有して
いる。又、上記温度分布演算部２６は、前記図１又は図
２に示した測定部１０と実質的に同一の機能と、光ファ
イバ２２の減衰特性の特性係数を自動的に設定し直す機
能とを有している。上記比較部２８は、光スイッチ２４
を切換えて、ルート１及びルート２のそれぞれで測定し
て得られる温度分布測定値を比較する機能を有し、上記
校正部３０は、上記両ルートにより測定した温度分布測
定値の差から光ファイバ２２の特性係数を校正する機能
を有している。

【００６４】上記光ファイバ２２は、ループ状に敷設さ
れ、その両端が光スイッチ２４にスプライシング（融
着）されている。この光スイッチ２４は、光ファイバ２
２のいずれか一方の終端が温度分布測定部２０に光学的
に接続されるようにスイッチングを行い、光の経路（測
定方向）をルート１又はルート２に、例えば定期的に切
換える機能を有している。

【００６５】次に本実施例の作用を説明する。

【００６６】上記光ファイバ２２が敷設されている位置
x₀ と x₁ の間の温度分布を測定する場合を考える。

【００６７】上記光スイッチ２４を切換えてルート１及
びルート２のそれぞれについて温度分布を測定する。そ
の測定結果をディスプレイに表示すると、測定部２０の
内側に図示したようになる。ルート１、ルート２のそれ
ぞれで測定した温度分布測定値を温度分布比較部２８で
比較し、両者に差が生じた場合に外部に測定誤差が生じ
たことを知らせる警報を出力する。

【００６８】又、上記特性係数校正部３０では、上記２
つのルートで測定した温度分布測定値の差から光ファイ
バの特性係数の変化量を算出し、その係数を各ルート毎
に正しく補正し直す特性係数の校正を自動的に行う。

【００６９】上記校正部３０で校正された光ファイバの
特性係数は、前記演算部２６へ送られ、該演算部２６に
設定されている特性係数を校正後の正しい値に設定し直
す。

【００７０】以上説明した如く、本実施例によれば、ル
ート１、ルート２の両方向からそれぞれ温度分布を測定
することにより、光ファイバ１２の減衰特性に変化が生
じたことを早期に検出することができると共に、上記両
ルートによる温度分布の測定結果から特性係数を適切な
値に校正し、この校正後の特性係数に設定し直すことを
自動的に行うことができるため、常に正確な温度部分の
測定を行うことができる。

【００７１】又、本実施例によれば、光ファイバ２２が
そのループの途中の１箇所で断線したとしても、光ファ
イバ２２の各点の温度はいずれか一方のルートによって
測定することができる。従って、前記図３に示したよう
な一つの経路でしか測定できない装置のように、光ファ
イバが断線するとその断線箇所から先の温度が測定不能
となることはなく、常に光ファイバ２２の敷設範囲全体
の温度分布を測定することができる。

【００７２】以上、本発明を具体的に説明したが、本発
明は、前記実施例に示したものに限られるものでなく、
その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【００７３】例えば、光ファイバとしては温度センサと
して利用できるものであれば制限はないが、熱風炉蓄熱
室等のように高温のものを測定する場合には、高温でも
高い光伝搬特性を有している石英系のものが好ましい。

【００７４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、光
ファイバの減衰特性の変化に起因する測定誤差の発生を
容易に検出することができ、２つの方向の測定結果から
光ファイバの減衰特性の校正を行うことができるため、
常に高精度の温度分布の測定が可能となる。又、仮に光
ファイバが１箇所で断線しても、全体の温度分布の測定
を行うことができるため、測定装置の信頼性を格段に向
上することができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の光ファイバ式温度分布測定装置
を示す概略構成図である。

【図２】図２は、本発明の光ファイバ式温度分布測定装
置の一例を示す概略構成図である。

【図３】図３は、本発明に係る一実施例の光ファイバ式
温度分布測定装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１０、２０…測定部、 １２、２２…光ファイバ、 １４、２４…光スイッチ、 ２６…温度分布演算部、 ２８…温度分布比較部、 ３０…特性係数校正部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光発振器と光検出器とを有する測定部と、
   光ファイバからなるセンサ部とを備え、上記測定部から
   上記光ファイバに光を入射した際に入射側に戻ってくる
   ラマン散乱光を該測定部により時分割で検出し、各時間
   毎に検出されたラマン散乱光に含まれるストークス光／
   アンチストークス光の強度比から散乱点の温度を求める
   と共に、上記ラマン散乱光の戻り時間から上記散乱点の
   位置を特定することにより、上記光ファイバに沿った任
   意の位置の温度を測定する光ファイバ式温度分布測定装
   置であって、上記測定部から上記光ファイバの両端にそ
   れぞれ独立に光を入射させる手段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】請求項１において、光ファイバの両端のそ
   れぞれから２つの経路で測定した温度分布測定値を比較
   する比較部と、上記２つの経路で測定した温度分布測定
   値の差から光ファイバの減衰特性を校正する校正部とを
   備えていることを特徴とする光ファイバ式温度分布測定
   装置。