JPH05288634A - 液体検知センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】液の検出感度や検出速度に優れ、しかも液の検
出に寄与しない有害な引張りや曲げ等の力が光ファイバ
に作用することを防止できるような液体検知センサを提
供することにある。 【構成】光ファイバユニット１２の外周部に第１の拘束
部材１３と第２の拘束部材１４が互いに交差するように
等ピッチで螺旋状に巻かれている。光ファイバユニット
１２は、光ファイバ１７とテンションメンバ１８とから
なるセンサ本体部１６と、センサ本体部１６を覆う膨潤
部材１５とを備えている。膨潤部材１５は、液を吸収し
た時に膨張する材料からなる。拘束部材１３，１４は、
いずれも10本以上の可撓性細線２０の束からなり、必要
に応じてＦＲＰのように可撓性細線２０が樹脂によって
固められる。可撓性細線２０の弾性率は 500kgf/mm² 以
上であり、しかもその線径は光ファイバユニット１２の
外径の0.03倍以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば液体を移送する
管の液漏れを検出するシステムなどに好適な液体検知セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】送油管などに生じた油漏れを検出する手
段として、光ファイバと後方散乱損失測定器（ＯＴＤ
Ｒ）等を用いた光学的検出システムが提案されている。
この種の検出システムに用いられる従来の液体検知セン
サは、特開平２−２５７３１号公報（先行技術１）に見
られるように、光ファイバを内包する膨潤部材の外周部
に拘束部材をコイル状に巻付けたものや、特開昭６４−
１９３４号公報（先行技術２）に示されるように、膨潤
部材の内側の偏心した位置に光ファイバを埋設したもの
などが知られている。

【０００３】これらの先行技術は、液漏れが生じた時に
被検知液を膨潤部材に吸収させて膨潤部材に体積膨張を
生じさせるとともに、膨潤部材の膨張に伴う動きを拘束
部材によって拘束することにより、光ファイバに曲げ変
形（マイクロベンド）を生じさせるようにしている。こ
の場合、光ファイバに送出された伝送光のパワー損失が
光ファイバの変形部分で増加するため、パワー損失と損
失発生時点をＯＴＤＲ等の測定器によって検出すること
により、液漏れ発生箇所を特定するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記先行技術１の場
合、光ファイバを内包する膨潤部材の外径と拘束部材の
コイル内径との間に寸法誤差が生じやすい。この場合、
光ファイバを内包する膨潤部材の外径よりも拘束部材の
コイル内径の方が大きいと、拘束部材と膨潤部材との間
に隙間が生じるため、液漏れを生じた時点すなわち膨潤
部材の膨張が始まってからマイクロベンドが生じるまで
にかなりの遅れ時間を生じる。このため液漏れを検知で
きるまでに時間がかかる。

【０００５】逆に、光ファイバを内包する膨潤部材の外
径よりも拘束部材のコイル内径が小さい場合には、液漏
れを生じなくても拘束部材による締付け力が働くため、
検出に有害なレベルのパワー損失が光ファイバに発生す
ることがある。しかも上記先行技術１の場合には、光フ
ァイバを内包する膨潤部材を製作したのちに、その外側
に拘束部材を巻付けるか、あるいは予めコイル状に成形
された拘束部材の内側に光ファイバを内包する膨潤部材
を挿通させる必要があるため、光ファイバ自体に有害な
引張り、曲げ、ねじりの応力が発生しやすい。

【０００６】一方、先行技術２の場合、単なるコイル状
の拘束部材を膨潤部材に巻付けるだけであるため、膨潤
部材が液を吸収した時に光ファイバに効率良くマイクロ
ベンドを発生させることが難しく、液漏れが発生してか
らかなりの遅れ時間を経ないと液漏れを検出できないと
いった問題がある。

【０００７】従って本発明の目的は、検出に有害な引張
りや曲げ、ねじり等の力が光ファイバに働くことを防止
できるとともに、膨潤部材が液を吸収してからマイクロ
ベンドを生じるまでの時間が短くかつ検出感度の高い液
体検知センサを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明の液体検知センサは、液体の吸収によ
って膨潤する膨潤部材およびこの膨潤部材に設けられた
光ファイバを備える光ファイバユニットと、上記光ファ
イバユニットの外周部に螺旋状に巻かれる第１の拘束部
材と、上記第１の拘束部材と交差するように第１の拘束
部材とは逆方向に巻かれる第２の拘束部材とを具備し、
かつ上記第１の拘束部材と第２の拘束部材がいずれも10
本以上の可撓性細線からなることを特徴とするものであ
る。可撓性細線は、弾性率が 500kgf/mm² 以上の金属繊
維、ガラス繊維、高分子繊維などであり、必要に応じて
樹脂で固められる。

【０００９】

【作用】被検知液が膨潤部材に吸収されると、この膨潤
部材は径方向と長手方向に膨張する。膨潤部材の外側に
は拘束部材が巻付けられているから、膨潤部材の膨張に
伴う動きが規制されることにより、膨潤部材に保持され
ている光ファイバがマイクロベンドを起こす。このマイ
クロベンドによって光ファイバに伝送損失が発生するた
め、ＯＴＤＲ等の光パルス試験器によって伝送光のパワ
ー損失と損失発生時点を検出することにより、液体の存
在と液漏れ発生箇所が検出される。

【００１０】光ファイバがマイクロベンドを起こすに
は、湾曲によって長手方向の見かけ上の距離が縮む必要
があるが、光ファイバの湾曲に伴って拘束部材も長手方
向に縮まなければならない。拘束部材に可撓性がない場
合、拘束部材がほとんど縮まないため、膨潤部材の膨張
によって光ファイバに曲げ力が作用しても、光ファイバ
に作用する張力が高くなるだけで、光ファイバには僅か
な曲げしか発生しない。このため拘束部材はなるべく大
きな可撓性をもたせる必要がある。しかもこの拘束部材
は、膨潤部材が膨張して拘束部材に引張り力が働いた時
に、引張り力に耐える引張り強さと、引張り力が作用し
てもほとんど伸びない性質が必要である。このような要
求を満たすために、弾性率が 500kg／mm² 以上の可撓性
細線が使用される。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の実施例について、図１ないし
図７を参照して説明する。図２に示された液漏れ検出シ
ステム１は、液体検知センサ１０と光パルス試験器１１
とを備えて構成されている。液体検知センサ１０は、液
漏れを検出すべき配管（図示せず）に沿って配設される
ものであり、下記構造の光ファイバユニット１２と拘束
部材１３，１４とを備えている。

【００１２】図１に示されるように、光ファイバユニッ
ト１２は、液の吸収によって体積膨張を生じる円柱状の
膨潤部材１５と、この膨潤部材１５に埋設されたセンサ
本体部１６とによって構成されている。センサ本体部１
６は、少なくとも１本の光ファイバ１７と、少なくとも
１本のテンションメンバ１８からなり、膨潤部材１５の
軸線方向に沿って膨潤部材１５のほぼ中心部分を通って
いる。テンションメンバ１８は、鋼線等の金属線あるい
はＦＲＰ（繊維強化プラスチック）のように引張り強度
の高い材料からなる。

【００１３】膨潤部材１５はセンサ本体部１６のほぼ全
長にわたって連続して設けられていてもよいし、あるい
は液漏れを検出する必要のある箇所に局部的に膨潤部材
１５を設けるようにしてもよい。また、検出すべき特定
の液体に対してのみ大きく膨潤するような材料を用いる
ことによって、特定の種類の液体のみを検知するように
してもよい。

【００１４】検出すべき液体が石油等の油類の場合、膨
潤部材１５の材料は油類を効率良く吸収するゴム、プラ
スチック、エラストマなどが使用される。膨潤部材１５
として好適に使用される材料は、例えばエチレンプロピ
レンゴム等のエチレン・オレフィン系化合物、スチレン
・エチレン・ブチレン・スチレン化合物、エチレン・エ
チルアクリレート、エチレン・ビニルアセテートなどで
ある。被検知液が水の場合は、水膨潤性樹脂とクロロプ
レンゴムとを混合成形加硫したゴム状体などを使用する
とよい。

【００１５】第１の拘束部材１３と第２の拘束部材１４
は、光ファイバユニット１２の外周部に巻付けられてい
る。これらの拘束部材１３，１４は、互いにＸ状に交差
するように等ピッチで互いに逆方向に螺旋状に巻かれて
いる。各拘束部材１３，１４は、いずれも10本以上の可
撓性細線２０の束からなる。

【００１６】可撓性細線２０は、後述する理由により、
１本の線径が光ファイバユニット１２の外径の0.03倍以
下でかつ弾性率が 500kg／mm² 以上のものが採用され
る。可撓性細線２０の一例はステンレス鋼線であるが、
上記の線径と弾性率を満足するものであれば、ガラス繊
維等の無機繊維ややアラミド繊維等の高分子繊維が用い
られてもよい。

【００１７】図２に示す光パルス試験器１１の一例は後
方散乱損失測定装置（ＯＴＤＲ）であり、光ファイバ１
７に発生するパワー損失を検出できるように光ファイバ
１７の一端側に接続されている。図示例の光パルス試験
器１１は、光ファイバ１７に光パルスを送出するパルス
光源２５と、光／電気変換機能を有する光検出器２６
と、光ファイバ１７内に生じた後方散乱光を光検出器２
６に導く光方向性結合器２７と、信号処理装置２８と、
表示装置２９などを備えて構成されている。

【００１８】上記液漏れ検出システム１の作用は次の通
りである。パルス光源２５から出た光パルスは、光方向
性結合器２７を介して、光ファイバ１７に入射する。こ
の入射光パルスは光ファイバ１７内を伝播するが、光フ
ァイバ１７内で生じる散乱により、光パルスの伝送パワ
ーはその到達距離が長くなるにつれて減衰する。その際
に、光ファイバ１７内で散乱した光の一部は後方散乱光
として光方向性結合器２７を通って光検出器２６に届
く。図３は、光検出器２６に届いた後方散乱光のパワー
を縦軸にとり、パルス光源２５を出てから光検出器２６
に届くまでの時間を横軸にとって図化したものである。

【００１９】ここで、光ファイバ１７が曲げ変形（マイ
クロベンド）を起こすことによって光ファイバ１７に入
射した光の一部が光ファイバ１７の外に放出されると、
その箇所で光パルスのパワーが減少するため、図４に例
示されるように光検出器２６に届く後方散乱光のパワー
損失が変化する。この場合に、光パルスがパルス光源２
５を出てからの経過時間Ｔと光ファイバ１７内を進む光
の速度から、マイクロベンドを生じた箇所を求めること
ができる。

【００２０】図５（ａ）は、膨潤部材１５が液体を吸収
する前の状態を示している。図５の（ｂ）は、膨潤部材
１５が液体を吸収して体積が膨張した状態を示してい
る。液体を吸収した膨潤部材１５は、径方向と長手方向
にそれぞれ拡大する。しかし、膨潤部材１５の膨張時に
拘束部材１３，１４によって膨潤部材１５の動きが制限
されるため、光ファイバ１７とテンションメンバ１８が
曲げ変形を起こすことによって、光ファイバ１７に伝送
光のパワー損失が発生する。この時、光ファイバ１７と
テンションメンバ１８が蛇行するために、ΔＬだけ見か
けの長さが短くなる。換言すると、図５（ｂ）のような
マイクロベンドを生じさせるためには、拘束部材１３，
１４は光ファイバ１７とテンションメンバ１８の変位に
容易に追従できるだけの可撓性がなければならない。

【００２１】図５（ｃ）は拘束部材１３′，１４′の可
撓性が不十分な場合を示している。この場合、膨潤部材
１５が膨張しても、光ファイバ１７が曲がろうとしかつ
長手方向に縮もうとした時に、長手方向の動きが規制さ
れてしまうため、光ファイバ１７とテンションメンバ１
８に張力が発生する。張力が与えられた状態の光ファイ
バ１７とテンションメンバ１８は膨潤部材１５による曲
げ力を受けても容易には変形しない。

【００２２】図６は、下記試料Ａ，Ｂ，Ｃについて、被
検知液の浸漬時間と伝送光のパワー損失との関係を調べ
た実験結果である。各試料Ａ，Ｂ，Ｃに使われている拘
束部材はいずれも複数本の線の束からなり、いずれの拘
束部材も引張り強度（拘束部材の断面積）はほぼ共通で
あるが、拘束部材を構成する線の外径と本数が互いに相
違している。

【００２３】試料Ａ：線１本の外径φ0.055mm ×80本
（総断面積 0.190mm² ） 試料Ｂ：線１本の外径φ0.075mm ×45本（総断面積 0.1
99mm² ） 試料Ｃ：線１本の外径φ0.125mm ×18本（総断面積 0.2
21mm² ） 上記３種類の線の外径を光ファイバユニット１２の外径
（φ3.5mm ）との比で表すと、試料Ａの線は0.016 倍、
試料Ｂの線は0.021 倍、試料Ｃの線は0.036 倍となる。
図６において、我々が実用上の検知時間の限界と考える
Ｔ₀ 以内で液漏れを検知できるのは試料Ａ，Ｂである。
試料Ｃは検知時間が遅すぎて実用に向かないと判断され
る。

【００２４】上記試料Ａ，Ｂ，Ｃを、拘束部材の曲げ剛
性（断面二次モーメントＩ）で比較すると、 試料Ａ： Ｉ＝4.49×10^-7×80本＝3.59×10^-5mm⁴ 試料Ｂ： Ｉ＝1.55×10^-6×45本＝6.99×10^-5mm⁴ 試料Ｃ： Ｉ＝7.67×10^-4×18本＝2.16×10^-4mm⁴

【００２５】以上の結果により、光ファイバユニット１
２に巻付ける拘束部材１３，１４は各々を構成する可撓
性細線２０の弾性率が高くかつ１本１本が細く撓みやす
いものほど有利であることが判る。また、このように可
撓性の大きい細線２０を使用すれば、液体検知センサ１
０を製造する際に、拘束部材１３，１４を光ファイバユ
ニット１２に巻付ける工程において光ファイバ１７に引
っ張り、曲げ、ねじれ等の有害な力が作用することなく
十分に密着させて巻くことが容易であるなどの利点もあ
る。

【００２６】上記の理由により、拘束部材１３，１４を
構成する可撓性細線２０の各１本の外径を光ファイバユ
ニット１２の外径の０．０３倍以下に限定するととも
に、可撓性細線２０の弾性率を 500kg／mm²以上に限定
するものとする。

【００２７】拘束部材１３，１４は、可撓性細線２０を
光ファイバユニット１２に巻付けたのちの形状を維持す
るために、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）のように可
撓性細線２０をマトリックス樹脂によって固めるとよ
い。この場合、可撓性細線２０を光ファイバユニット１
２に巻付けた後に未硬化の樹脂を含浸させてから硬化さ
せてもよいし、あるいは、可撓性細線２０を光ファイバ
ユニット１２に巻付ける前に樹脂を含浸させるようにし
てもよい。

【００２８】上記拘束部材１３，１４は、可撓性細線２
０を光ファイバユニット１２に巻付けた状態でその形状
を維持できるものであれば、必ずしも樹脂によって固め
なくてもよい。また、巻付けた形状を維持しつつセンサ
１０自身の曲げ易さを向上させるために、第１の拘束部
材１３と第２の拘束部材１４の交差部３５のみに樹脂を
含浸・硬化させるようにしてもよい。

【００２９】図７は、下記試料Ｄ，Ｅについて、被検知
液の浸漬時間と伝送光のパワー損失との関係を調べた実
験結果である。 試料Ｄ：外径 9μｍのガラス繊維1200本を束にした２本
の拘束部材を、図１に示される実施例と同様に互いに逆
方向に 5mmピッチで螺旋状に巻付けかつ各拘束部材の可
撓性細線を樹脂で固めたもの 試料Ｅ：外径 9μｍのガラス繊維1200本を束にした１本
の拘束部材を、一方向のみに 5mmピッチで螺旋状に巻付
けたもの 図７により、２本の拘束部材をＸ状に交差させた試料Ｄ
の方が、１本の拘束部材を用いた試料Ｅよりも検出感度
と検出速度が格段に優れていることが判る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、膨潤部材が膨潤する時
に光ファイバのマイクロベンドを迅速かつ確実に生じさ
せることができるため、液漏れ発生時の検知感度が高
く、検知に要する時間も短くなる。また、拘束部材を光
ファイバユニットに対して好ましい状態で密接させるこ
とができるから、センサ製造時において拘束部材を光フ
ァイバユニットに巻付ける際に光ファイバに有害な引張
りや曲げ、ねじれを与えずにすむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す液体検知センサの一部
の斜視図。

【図２】図１に示された液体検知センサを用いた液漏れ
検出システムの概略図。

【図３】図２に示された液漏れ検出システムによって検
出される光パルスの後方散乱光のパワーと時間との関係
を示す図。

【図４】図２に示された液漏れ検出システムにおいて液
漏れ発生時の後方散乱光のパワーと時間との関係を示す
図。

【図５】膨潤部材が膨潤した様子を膨潤前の状態と比較
して示す図。

【図６】３種類の試料の浸漬時間とパワー損失増加量と
の関係を示す図。

【図７】拘束部材が１本の場合と２本の場合の浸漬時間
とパワー損失増加量との関係を示す図。

【符号の説明】

１…液漏れ検出システム、１０…液体検知センサ、１１
…光パルス試験器、１２…光ファイバユニット、１３…
第１の拘束部材、１４…第２の拘束部材、１５…膨潤部
材、１７…光ファイバ、２０…可撓性細線。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体の吸収によって膨潤する膨潤部材およ
   びこの膨潤部材に設けられた光ファイバを備える光ファ
   イバユニットと、上記光ファイバユニットの外周部に螺
   旋状に巻かれる第１の拘束部材と、上記第１の拘束部材
   と交差するように第１の拘束部材とは逆方向に巻かれる
   第２の拘束部材とを具備し、かつ上記第１の拘束部材と
   第２の拘束部材がいずれも多数本の可撓性細線からなる
   ことを特徴とする液体検知センサ。
2. 【請求項２】上記拘束部材がそれぞれ10本以上の可撓性
   細線からなり、各可撓性細線の弾性率が 500kgf/mm² 以
   上であり、かつこの可撓性細線の外径が上記光ファイバ
   ユニットの外径の0.03倍以下である請求項１記載の液体
   検知センサ。
3. 【請求項３】上記拘束部材がそれぞれ上記可撓性細線を
   樹脂で固めたＦＲＰからなる請求項１または２記載の液
   体検知センサ。
4. 【請求項４】上記第１の拘束部材と第２の拘束部材の交
   差部のみが樹脂で固められている請求項１または２記載
   の液体検知センサ。
5. 【請求項５】上記可撓性細線が金属繊維、ガラス繊維、
   高分子繊維のいずれかである請求項１または２記載の液
   体検知センサ。