JPH054621B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は主として産業プラントにおける温
度、圧力などの各種プロセス量を検出する透過型
光センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来使用されている透過型光センサの例として
光フアイバ温度センサを採り上げ、第３図〜第５
図によつてこの原理、構成および動作について説
明する。

第３図はGaAsなどの半導体の持つ吸収端特性
（または透過率曲線）を示している。図に示すよ
うに信号光スペクトルの光強度はある波長を中心
として分布しているが、この近傍において半導体
の吸収端特性が温度によつて変化し、このため半
導体を透過したのちの信号光の光強度は温度によ
つて変化する。従つて透過光の強度を測定するこ
とにより逆に温度が判明する。これが温度測定の
原理である。実用上は、光フアイバの曲げ損失や
光コネクタ損失の変動による測定誤差を除去する
ために、参照光と称する、信号光よりも長波長で
あり且つ半導体を透過後の光強度が変化しない光
を用いた、いわゆる二波長方式が採用されてい
る。

第４図は温度測定プローブ部分の断面図であつ
て、図中１は温度測定プローブ本体（ホルダ兼
用）、２は半導体、３は入射光フアイバ、４は透
過光フアイバをそれぞれ示す。図示のように半導
体２を光フアイバ３，４にてはさむことにより、
光フアイバ４における信号光の強度が温度上昇と
共に低下することになる。

第５図は光温度センサ全体の構成図であつて、
１０は温度測定部を示し、この中には信号光送信
機１１、参照光送信機１２、光合波器１３、光受
信機１４、信号処理部１５、出力信号１６、表示
器１７が収容される。光合波器１３においては信
号光送信機１１および参照光送信機１２より発生
する光が重複せず交互に到来するようにそれぞれ
の光送信機１１および１２が制御される。

合波器１３を通つた光信号は第４図において説
明した。入射光フアイバ３、温度測定プローブ
１、透過光フアイバ４の順に通過して再度温度測
定部１０に戻り、光受信機１４において信号光お
よび参照光にそれぞれ対応する電気信号に交互に
変換されたのち信号処理部１５において温度測定
が行われ、その結果は出力信号１６になるととも
に表示器１７において表示される。以上光フアイ
バ温度センサを例にとつて、透過型光フアイバセ
ンサの構成および動作を説明した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

さて従来の透過型光フアイバセンサは前記説明
のように測定プローブ、１対の入射・透過光フア
イバおよび測定部が全て一対一対応となつてい
る。従つてたとえば測定プローブが100個あれば
光フアイバも100対、測定部も100個必要である。
現実工事が種々制約される産業プラントにおいて
は、特にケーブルの敷設量が増加することに対し
て問題が大きく、このため光フアイバセンサの特
徴である小型軽量の特性が活かせず、普及が妨げ
られて来た。

この発明は上記のような問題を解消するために
なされたもので、光フアイバセンサの測定プロー
ブの数量が増大しても現場に敷設すべき光フアイ
バケーブルの本数を増加させない光フアイバセン
サを得ることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る光フアイバセンサは、光パルス
発生手段より順次発生された光パルスを光フアイ
バ１２１を介して入力する光分岐回路１２２と、
この光分岐回路１２２と光合流回路１２５との間
に接続された光フアイバ１５０−１〜１５０−１
００中に介挿され、かつ測定量を透過光の強度変
化として検出する測定プローブ１０１−１〜１０
１−１００と、上記光分岐回路１２２と光合流回
路１２５間の各光フアイバ１５０−１〜１５０−
１００中の光を遅延する光遅延手段と、上記光合
流回路１２５の光を光フアイバ１２６を介して受
信する光受信機１１４と、この光受信機１１４の
受信光を上記測定プローブ１０１−１〜１０１−
１００毎に弁別する信号弁別回路１１８と、この
弁別されたそれぞれの光を処理する信号処理回路
１１５とを備えたものである。

〔作用〕

この発明における光遅延回路は、従来は複数の
光接点入力信号を収集するために使用されている
ものでありその方式はたとえば特開昭59−4253号
公報に開示されている。今回の発明に際してはこ
の方式を接点信号のごときオンオフ信号ではな
く、光フアイバセンサという連続的アナログ光信
号に応用したものである。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第１図は100個の透過型光温度センサがまと
めて接続された例を示したものである。第１図に
おいて、１０１−１，１０１−２，……，１０１
−１００は透過型の光温度センサの温度測定プロ
ーブである。これらのプローブは光分岐装置１２
０を通じて温度測定部１１０に接続されている。
光分岐装置１２０内には光分岐回路１２２、光遅
延回路１２３−１，１２３−２，……，１２３−
１００、光合流回路１２５が収納されている。光
分岐装置１２０と温度測定部１１０との間は僅か
２本の光フアイバ１２１，１２６で結ばれてい
る。また温度測定部１１０には、信号光送信機１
１１、参照光送信機１１２、光合波器１１３、光
受信機１１４、信号弁別回路１１８−１，１１８
−２，……，１１８−１００および信号処理部１
１５−１，１１５−２，……，１１５−１００が
収納されている。

次に本実施例における動作を示す。100個の温
度測定プローブ１０１−１，１０１−２，……，
１０１−１００はそれぞれ第４図に示した従来の
温度測定プローブと基本的には同一原理かつ同一
構造のものである。従つてこのプローブの動作の
ためには信号光光源および参照光光源を透過させ
ることが要請されるが、この機能は信号光送信機
１１１および参照光送信機１１２によつて遂行さ
れる。これらの送信機１１１，１１２は交互にパ
ルス状の光信号を発信し、これらの信号は光合波
器１１３により合流されて光フアイバ１２１へ出
力される。ここで、信号光送信機１１１、参照光
送信機１１２及び光合波器１１３で光パルス発生
手段が構成される。光フアイバ１２１内の光信号
波形を模式的に示したのが１３１であつて図中１
３２は信号光送信機１１１の発光パルスを、また
１３３は参照光送信機１１２の発光パルスを示
す。図中において便宜上のため参照光のパルス１
３３にはハツチングを付している。それぞれのパ
ルスの同期としては、たとえば1mescと選定され
る。この場合、波形１３１においては、信号光パ
ルスと参照光パルスとは1mesc／２＝0.5msec毎
に交互に出現することとなる。また、それぞれの
信号光パルスの継続時間は可能な限り短く選定さ
れる。

光フアイバ１２１を経由して光分岐装置１２０
へ到達した光信号は光分岐回路１２２において分
岐される。この光分岐回路１２２と光合流回路１
２５との間に100本の光フアイバ１５０−１〜１
５０−１００が設けられ、この光フアイバ１５０
−１〜１５０−１００中に温度測定プローブ１０
１−１〜１０１−１００が介挿される。ここに光
分岐装置１２０は、プラント現場に設置された温
度測定プローブ１０１−１，１０１−２，……，
１０１−１００の近傍、すなわち通常はプラント
現場に設置され、温度測定部１００との間の敷設
線の本数の削減に貢献するものであり、この間の
敷設光フアイバ線の数は僅か２本（すなわち１
対）となる。光分岐回路１２２においては、まず
温度測定プローブ部に至ることなく光分岐装置１
２０内にて閉じた光回路１２４が分岐される。こ
れは特開昭59−4253号公報の適用であり、同期信
号生成の手段である。次に、それぞれの温度測定
プローブは光遅延回路と組になつて分岐される。
たとえば温度測定プローブ１０１−１は光分岐回
路１２２から光遅延手段としての光遅延回路１２
３−１を経由して光信号が分岐される。図に示す
ように100個の温度測定プローブ１０１−１，１
０１−２，……，１０１−１００にはそれぞれ光
遅延手段としての光遅延回路１２３−１，１２３
−２，……，１２３−１００が対応している。こ
れら光遅延回路は、光分岐装置１２０の中に収納
されている。各光遅延回路は温度測定プローブ１
０１−１〜１０１−１００の前段に限らず後段で
つても良い。温度測定プローブ１０１−１，１０
１−２，……，１０１−１００を経由した光信号
は再び光合流回路１２５により集められ、光フア
イバ１２６により出力される。ここで、光フアイ
バ１２６内の光信号波形が１３４とした模式的に
示されている。図中１３５は信号光に対応するパ
ルス列、１３６は参照光に対応するパルス列であ
り、これらは光フアイバ１２１における信号波形
１３１上の光パルス１３２および１３３により引
きおこされたものである。図中１３５の最初のパ
ルスは光回路１２４を経由した同期信号であり、
それ以後に各々の温度測定プローブを通過した光
信号パルスが続く。パルス高さの高低差はすなわ
ち検出温度差により生起したものである。信号光
に対応するパルス列１３５が終了した後に参照光
に対応するパルス列１３６が続く。図中では便宜
上参照光に対応するパルス列１３６には１３３と
同様にハツチングを付した。これらの光信号パル
ス列１３５，１３６は光フアイバ１２６を経由し
て温度測定部１１０へ戻り、光受信機１１４によ
つて電気信号パルス列に変換されたのち、弁別回
路１１８−１，１１８−２，……，１１８−１０
０に至る。ここではそれぞれの遅延時間に対応し
て各々の温度測定プローブ１０１−１，１０１−
２，……，１０１−１００に対応する信号光対応
信号と参照光対応信号が分けられる。たとえば弁
別回路１１８−１の出力側は、温度測定プローブ
１０１−１に対応する信号光対応信号と参照光対
応信号しか出力されないようになつている。従つ
て第５図１５と同様の機能を有する信号処理部１
１５−１によつて測定温度が出力信号１１６−１
として得られる。同様にして他の全ての温度測定
プローブの測定値も出力信号１１６−２，……，
１１６−１００に得られるのである。

ここで、測定精度をあげるために通常採用され
る方式について説明する。前記の説明によれば、
信号光パルスおよび参照光パルスともに1msec周
期にて発せられるため、測定値も1msec毎に得ら
れることになる。しかしながら通常温度の信号が
急激にかわることはなく従つて1msec毎の測定値
は不要であり、むしろ出来うる限り高精度とする
ことが好ましい。従つて、本発明においては信号
処理部に平均化機能を持たせて1000回分の測定値
を平均して1msec毎に測定値を得るようにした。
このとき測定値の分散は となり、従つて精度的には約31.6倍の向上が図ら
れることになる。

以上によつて、通常はプラント現場から離れた
制御室内に設置される温度測定部１１０と、プラ
ント現場に設置される光分岐部１２０とは僅か１
対の光フアイバ線で結ばれ、かつ精度的にも問題
なく100点という多数の温度データを収集できる、
光フアイバセンサの動作を説明した。

さて前記第１図において説明した実施例におい
ては、光遅延回路１２３−１，１２３−２，……
を必須のものとして採用した。しかしながら、こ
の光遅延回路は光センサ群がほぼ同一場所に固ま
つて設置されている時に必要であり、ケースによ
つては省略できる場合のあることを第２図Ａ，第
２図Ｂに示した実施例によつて説明する。

第２図Ａは高さが数10ｍに及ぶ産業プラント塔
槽類１４０の高さ方向に５点の温度計測を行う場
合における本発明の実施例を示す構成図であり、
図上の番号はことごとく第１図と対応づけて付番
されている。唯一の相異点は第１図における光遅
延回路１２３−１，１２３−２、……の対応物が
ないことであるが、機能的には温度測定プローブ
１０１−１，１０１−２，……，１０１−５のそ
れぞれと光分岐装置１２０との間の光フアイバ１
５０−１〜１５０−１００の回路の経路長差が光
遅延回路（光遅延手段）として動作しているため
不要となつているのである。第２図Ｂは第２図Ａ
における構成の改良型であつて、第２図Ａにおけ
る光分岐装置１２０内に設置されていた光分岐回
路１２２および光合流回路１２５をいわば分散さ
せ、それぞれの温度測定プローブの近傍に設置し
たものであつて、１２２−０，１２２−１，…
…，１２２−５が光分岐回路、１２５−０，１２
５−１，……，１２５−５が光合流回路である。
なお１４１，１４２は無反射光終端であり無用な
反射パルスの発生を抑制する。なお光回路１２４
が同期信号発生用であることは云うまでもない。
また第２図Ｂのように光信号が順次分岐される場
合は光源より離れた温度測定プローブほど透過後
の光信号が小さくなるのは明らかである。センサ
の数が多くなるとこれが受信部における光信号の
強弱差の増大となりＳ／Ｎ比を悪化させるためそ
れぞれの測定プローブに直列に光減衰器を挿入し
て出力を調整することも行われる。（図示はして
いない）。

つぎに、本発明の実施例の説明においては、温
度を測定する光センサをとりあげたが、本発明の
方式は温度測定のみならず透過型の原理によるす
べての光センサに適用できることを指摘せねばな
らない。すなわち透過型光圧力センサに対して、
または温度測定と圧力測定の組合せなど種々のバ
リエーシヨンが考えられる。温度測定と圧力測定
など異なるプロセス量の計測をまとめて行いうる
のも本発明の大きな特徴の一つである。また受信
部において一定のレベル検出機能を付加すること
によつて、透過型光オンオフセンサとの混用ので
きることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

以上にようにこの発明によれば光パルス発生手
段より順次発生された光パルスを光フアイバを介
して入力する光分岐回路と、この光分岐回路と光
合流回路との間に接続された光フアイバ中に介挿
され、かつ測定量を透過光の強度変化として検出
する測定プローブと、上記光分岐回路と光合流回
路間の各光フアイバ中の光を遅延する光遅延手段
と、上記光合流回路の光を光フアイバを介して受
信する光受信機と、この光受信機の受信光を上記
測定プローブ毎に弁別する信号弁別回路と、この
弁別されたそれぞれの光を処理する信号処理回路
とを備え、透過型光センサ群に対して光遅延回路
もしくは遅延機能としての光遅延機能を適用し、
プラント現場で光回路の分岐を行えるようにした
ので、現場におけるケーブル敷設量を減少させ据
付工事を容易にする効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図で、第１図
イは構成図、第１図ロは第１図イの光フアイバ１
２１の信号波形図、第１図ハは第１図イの光フア
イバ１２６の信号波形図、第２図Ａおよび第２図
Ｂは本発明の他の実施例を示す構成図、第３図〜
第５図は従来のセンサを説明するための図で、第
３図は半導体の持つ吸収端特性を示す図、第４図
は温度測定プローブ部分の断面図、第５図は光温
度センサの構成図を示す。 図において、１……温度測定プローブ本体（ホ
ルダ兼用）、２……半導体、３……入射光フアイ
バ、４……透過光フアイバ、１０……温度測定
部、１１……信号光送信機、１２……参照光送信
機、１３……光合波器、１４……光受信機、１５
……信号処理部、１６……信号処理部、１７……
表示器、１０１−１，１０１−２，……，１０１
−１００……透過型光温度センサの温度測定プロ
ーブ、１１０……温度測定部、１１１……信号光
送信機、１１２……参照光送信機、１１３……光
合波器、１１４……光受信機、１１５−１，１１
５−２，……，１１５−１００……信号処理部、
１１６−１，１１６−２，……，１１６−１００
……出力信号、１１８−１，１１８−２，……，
１１８−１００……信号弁別回路、１２０……光
分岐装置、１２１……光フアイバ、１２２，１２
２−１，１２２−２，……，１２２−５……光分
岐器、１２３−１，１２３−２，……，１２３−
１００……光遅延回路、１２４……同期信号生成
用光回路、１２５，１２５−１，１２５−２，…
…，１２５−５……光合流回路、１２６……光フ
アイバ、１３１……発光パルス波形、１３２……
信号光パルス、１３３……参照光パルス、１３４
……光パルス列波形、１３５……信号光パルス
列、１３６……参照光パルス列、１４０……産業
プラント塔槽類、１４１，１４２……無反射光終
端、なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分
を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光パルス発生手段より順次発生された光パル
   スを光フアイバを介して入力する光分岐回路と、
   この光分岐回路と光合流回路との間に接続された
   複数本の光フアイバのそれぞれに介挿され、かつ
   測定量を透過光の強度変化として検出する測定プ
   ローブと、上記光分岐回路と光合流回路間の各光
   フアイバ中の光を遅延する光遅延手段と、上記光
   合流回路の光を光フアイバを介して受信する光受
   信機と、この光受信機の受信光を上記測定プロー
   ブ毎に弁別する信号弁別回路と、この弁別された
   それぞれの光を処理する信号処理回路とを備えた
   ことを特徴とする透過型光センサ。