JPH061231B2

JPH061231B2 - 漏洩検知用光フアイバセンサ

Info

Publication number: JPH061231B2
Application number: JP61136145A
Authority: JP
Inventors: 彰種子; 豊大野; 浩吉川; 卓小菅
Original assignee: Nippon Kokan Koji KK
Current assignee: Nippon Kokan Koji KK
Priority date: 1986-06-13
Filing date: 1986-06-13
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-01-05
Also published as: JPS62293132A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、化学プラントや燃料パイプラインにおける油
・水等の漏洩を光を利用して無電源で検知できる漏洩検
知用光ファイバセンサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来の電気的検知方法による漏洩検知センサとしては、
金属線の外周をテフロン多孔質の絶縁材で被覆したもの
があった。この漏洩検知センサは、その絶縁材に油が付
着して湿潤化すると、金属線と絶縁材間のインピーダン
スが変化するため、このインピーダンスの変化により油
の漏洩を検知していた。

しかしながら、かかる漏洩検知センサは、絶縁材に水が
付着してもインピーダンスが変化するため、水と油との
区別が難しい、経年変化により感度が低下する等の欠点
があり、また電気的に検出するために誘導ノイズによる
誤検出があったりセンサ自体が発火原因になったりする
という本質的な欠点があった。

かかる欠点を解消せんとしたものとして光ファイバを利
用した漏洩検知用光ファイバセンサが現在発明されてい
る。

第１１図は漏洩検知用光ファイバセンサの第１の従来例
を示す斜視図、第１２図は漏洩検知用光ファイバセンサ
の漏洩検知原理を示す説明図である。第１１図，第１２
図において、１は光ファイバのクラッド部、２はコア
部、３はクラッド部１を所定長切り欠いてコア部２を露
出させて形成された漏洩検知光センサ部、４は油であ
る。

油４の漏洩検知を上記光ファイバセンサで行なう原理
は、屈折率（ｎ＝１：空気、ｎ＝１．４５８：油、ｎ＝
１．３３３：水）の違いを利用したもので、例えば漏洩
検知光センサ部３に油４が付着すると、漏洩検知光セン
サ部３がコア部２より屈折率が大きくなり、コア部２内
の伝播モードの光が漏洩検知光センサ部３で漏洩モード
に変換される、すなわち、外部に漏洩する。これを光パ
ルス試験器（ＯＴＤＲ）を用いて後方散乱光を計測すれ
ば、漏洩の発生時刻と発生位置を検知することができ
る。

第１３図は漏洩検知用光ファイバセンサの第２の従来例
（実開昭５７−２２１０３号）を示す説明図である。第
１３図において、１は光ファイバのクラッド部、２は通
常のコア部である。クラッド部１はシリコン樹脂により
形成されており、漏洩検知光センサ部を兼ねる。

この第２の従来例の漏洩検知用光ファイバセンサで油の
漏洩検知を行なう原理は、シリコン樹脂で形成されたク
ラッド部１に油が付着して浸油された時に生じる屈折率
の変化を利用したもので、例えば、クラッド部１のある
場所に油が付着すると、油がクラッド部１に浸漬し、ク
ラッド部１はその油の浸漬を受けて屈折率がｎ＝１．４
０５からｎ＝１．４５１に変化する。そうすると、コア
部２内の伝播モードＬ１の光がクラッド部１の油の浸漬
を受けた部分ですべて漏洩モードＬ２の変換される。な
おＬ０はクラッド部１の屈折率が変化しても漏洩モード
に変換しない伝播モードの光である。この場合も、光パ
ルス試験器により漏洩の発生時刻と発生位置を検知でき
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような第１の従来例の漏洩検知用光ファイバセン
サでは、漏洩検知光センサ部３がクラッド部１を所定長
切り欠いてコア部２を露出させて形成された点状センサ
であるため、漏油個所と漏洩検知光センサ部３が不一致
のときには検出不能となり、さらに、クラッド部１が切
り欠かれていることから、機械的に弱くなるという問題
があった。

また、上記第２の従来例の漏洩検知用光ファイバセンサ
では、シリコンクラッド光ファイバのクラッド部１を厚
くすると、油の浸漬に時間がかかり検知感度が低下し、
かつ、光ファイバの伝送損失が増大し長距離検知ができ
なくなるので、クラッド部１を薄くする必要があり、ク
ラッド部１を薄くすると光ファイバの引張り強度が低下
するというジレンマがあった。さらに、クラッド部１が
シリコン樹脂で形成されているので、１回油の浸漬を受
けると、油抜きが困難であって再利用ができず、耐久性
の面でも問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、光ファイバの全長にわたって油
等の漏液油の検知が行なえ、繰り返し検知可能な漏洩検
知用光ファイバセンサを得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明は、ほぼ円柱形
状に形成され油がしみこまない材料からなり、外周面の
一部に軸方向に沿ってその直径に比して十分に小さい深
さに形成された検知空間(14)となる溝を有するクラッド
部(11)と、クラッド部の中にその中心に対して偏心して
直線状に形成され、溝のほぼ中央で、かつコア外周面と
溝の面との距離がエバネッシェント波長厚さよりやや小
さくなるような位置に形成されたコア部(12)と、クラッ
ド部の溝を除く外周面に設けられた緩衝層(17)と、クラ
ッド部の外周を保護するために、緩衝層上および溝上部
の全周に形成された被測定流体を吸い込む被覆部材(18)
とからなるものである。

〔作用〕

本発明においては、溝内の検知空間に漏れた油などの被
測定流体が付着すると、伝播モードの光が漏洩モードの
光に変換される。この被測定流体は光ファイバセンサの
全線のいずれの箇所に付着しても検知でき、またクラッ
ド部に油等が浸漬することがなく、繰り返して検知可能
である。溝の検知空間はクラッドと一体で形成されてい
るので検知位置がずれるようなことはなく、常に正確な
検知ができる。

〔実施例〕

第１図(a)は本発明に係わる漏洩検知用光ファイバセン
サの原理を説明するための構成を示す正面図、第１図
(b)は斜視図である。第１図において、１１は円柱形状
のクラッド部、１２は１つの直線状に形成されると共に
クラッド部１１の中心に対して偏心して形成されたコア
部であり、コア部１２の周囲をクラッド部１１が取り巻
いており、互いに平行に伸びて形成されている。クラッ
ド部１１の表面には光ファイバの全長にわたって形成さ
れた漏洩検知光センサ部１３があり、直線状のコア部１
２の外周面とクラッド部１１の外周面との最短距離を、
光ファイバを伝搬する光が外部に漏洩しないクラッド部
１１の最小の厚さ、すなわちエバネッシエント波長厚さ
ｔより少し小さめとすることにより形成される。実用的
には感度と光伝送損失の兼ね合いで決められ、エバネッ
シェント波長からその3/4または2/3程度が良好である。
１４は油・水等を導入するための検知空間、１５はクラ
ッド部１１を保護し漏洩検知用光ファイバセンサ自身の
強度を増加させる油・水等が浸潤可能なメッシュ、１６
はクラッド部１１とメッシュ１５との間に形成された緩
衝帯である。なお、メッシュ１５は多孔質材でもよい。

上記のように構成された漏洩検知用光ファイバセンサに
おいては、光ファイバの全長にわたって漏洩検知光セン
サ部１３が連続して分布形成されており、漏洩検知光セ
ンサ部１３のある個所にコア部１２より高い屈折率の液
体例えば漏油が付着すると、コア部１２内の漏油付着部
分において、油がないときにはある角度で反射して伝播
すべき伝播モードの光は、漏洩モードで変換されて外部
に漏洩する。従って、これを光パルス試験器を用いて後
方散乱光を計測すれば、漏洩の発生時刻と発生位置を検
知することができる。なお、漏洩検知光センサ部１３が
コア部１２の外周面とクラッド部１１の外周面との最短
距離をエバネッシエント波長以下として形成されている
のは、それ以上では油が付着したときに漏洩モードに変
換されにくいからである。

また、前述の第２の従来例（第１３図）のように油がク
ラッド部に浸漬するものでないので、クラッド部１１の
表面に付着した油を真空ポンプ等で抜きアルコール等で
拭き取れば、繰り返し使用することが可能である。さら
に、油の付着によりある角度で反射する伝播モードの光
がすべて漏洩モードの光に変換されるという検出感度の
高いものであるから、クラッド部１１に油が油滴状に付
着した場合だけでなく、薄膜状に付着した場合にも漏油
を検知することが可能である。

ここで、水を検知せずに油だけを検知するのには、水の
屈折率ｎ＝１．３３３と油の屈折率ｎ＝１．４４〜１．
５３（油）との間にコア部１２の屈折率を設定すればよ
い。例えば、ｎ＝１．４程度に設定すればよい。もちろ
ん、多孔質の材質を撥水性のものにすれば二重の効果が
あり、より長期信頼性が向上する。なお、逆に水の検知
をするようなときは、コア部１２の屈折率を被検知物質
（水）の屈折率より低くすればよい。

第２図は本発明の実施例を示す断面図である。第２図の
漏洩検知用光ファイバセンサはクラッド部１１に溝が設
けられていて、この溝が検知空間１４となっている。第
２図において、１７はきずの発生防止のためのクッショ
ンの役目をするシリコン層（緩衝層）、１８は油を吸い
込み水をはじく例えばテフロン多孔質層の外皮（被覆部
材）、１９は漏洩検知光センサ部１３のない部分の位置
を示す目印部、２０はクラッド部１１の割れの発生等を
防ぐために丸みを付けた曲率部であり、検知空間１４の
深さは、クラッド部１１の径と比べて充分に小さくして
ある。なお、第２図において第１図と同一部分又は相当
部分には同一符号が付してある。

第２図の漏洩検知用光ファイバセンサの検知空間１４
は、外皮１８を両肩部を形成している曲率部２０で支え
ることにより形成される。このように、検知空間１４は
クラッド部１１自体に設けられているので、緩衝帯は不
要となり、外皮１８だけでクラッド部１１を被覆すれば
よいため、外装を取り付ける作業が簡単なものとなる。
第１図の構成では緩衝帯１６がずれて漏洩検知光センサ
部１３の部分を覆ってしまうこともあり得るが、この実
施例では第２図の形状と相似なプリフォームを線引きす
ることにより、漏洩検知光センサ部１３の部分に簡単に
検知空間１４が形成されるので、そのようなことはな
い。検知空間１４は細長く薄い線状であるため、検知空
間１４の内面を油にぬれ性のよい処理をしておくと、毛
細管現象で油を積極的に吸い込むことができ、漏洩検知
の感度を一段と向上することができる。

第３図は本発明の他の実施例を示す断面図である。第３
図において第１図と同一部分又は相当部分には同一符号
が付してある。第３図に示す漏洩検知用光ファイバセン
サは第１のコア部１２と第２のコア部１２ａとを有し、
第１のコア部１２を漏洩検知用、第２のコア部１２ａを
参照用とするものである。これにより、例えばコア部が
曲がり、これによってコア部１２に損失が生じても、参
照用のコア部１２ａでも全く同様な損失が生じているの
で、両コアの光を相殺すれば、損失の影響をなくすこと
ができる。なお、コア部１２ａには通信用の情報を送る
ことができる。

第４図は本発明の別の他の実施例を示す断面図である。
これは、２本の光ファイバをメッシュ又は多孔質材等の
ケーブルカバーで包みこみ、１本のケーブルとした漏洩
検知用光ファイバセンサである。第４図において、２１
は漏洩検知用光ファイバ、２２は参照用光ファイバ、２
３はケーブルカバー、２１ａ，２２ａはコア部、２１
ｂ，２２ｂはクラッド部である。第４図の漏洩検知用光
ファイバセンサはケーブルカバーに浸潤した油を検知す
るものであり、その動作は第３図のものと同様の動作と
なる。

第５図は本発明の別の他の実施例を示す漏洩検知用光フ
ァイバセンサである。第５図において、Ａは第２図に示
す漏洩検知用光ファイバセンサ、３０はナイロン等を使
用したケーブル構造体、３１はケーブル構造体３０に形
成され漏洩検知用光ファイバセンサＡを配設するための
溝である。このような構造とすることにより、現場施工
を行なうことができ、施工時の摩擦・張力等はケーブル
構造体３０で受けることができる。また、漏洩検知光セ
ンサ部１３はケーブル構造体３０の表面近くに配置でき
るので、漏洩検知がより容易となる。さらに、第５図に
は１本の漏洩検知用光ファイバセンサＡしか示してない
が、溝３１を多数設ければ多数の漏洩検知用光ファイバ
センサＡを配設することができる。

第６図は本発明の別の他の実施例であり、溝３１を直線
ではなく、ヘリカル状にしたものである。これにより被
測定流体との接触長が長くなり検知感度が向上すること
が期待できる。

第７図は溝３１の内面３１ａに第８図に示すような突起
３２を設けた本発明の別の他の実施例であり、内面３１
ａをこのような形状のものとすることにより、被測定流
体を漏洩検知用光ファイバセンサＡのあらゆる所に侵入
させることができ、コア部１２の位置を調整しなくても
よいという効果がある。

また、上記いずれの実施例も油等の液体の漏洩を検知す
るものとして説明してきたが、レーザ光の波長を検知対
象のガスの吸収波長とすることにより、ガス検知ができ
るガスセンサとして使用できる。

さらに、漏洩を検知したいもの例えば油のみによって溶
ける特定波長の色素を光ファイバに沿って配置してお
き、溶けた色素がセンサ部に付着した状態で油の漏洩を
検出することもできる。

次に本発明の第２図の実施例についての実験例を示す。
第９図は外部領域の屈折率n_Gが1.473の場合の液体の接
触長に対する放射損失（漏洩損失）を示す。横軸は液体
の接触長Ｌを示し、縦軸は漏洩損失α_ｒを示す。漏洩損
失α_ｒは、液体を接触させる前後での透過光の強度変化
から求めている。第９図より明らかなように、漏洩損失
α_ｒは液体の接触長Ｌに比例して増加している。

第１０図は、液体の屈折率に対する単位長さ当たりの漏
洩損失α_ｒ／Ｌ（縦軸）を示すものであり、横軸は外部
領域の屈折率ｎ_Ｇを示す。単位長さ当たりの漏洩損失α
_ｒ／Ｌは外部領域の屈折率が1.463で最大となり、それ
以上では徐々に低下している。第１０図から分かるよう
に、外部領域の屈折率を高くした場合、すなわち、第２
図の漏洩検知用光ファイバセンサにクラッド部１１より
屈折率の高い液体を付着させた場合の漏洩損失は、漏洩
検知用光ファイバセンサの１ｃｍ当たり４ｄＢ程度とな
る。

なお、第２図の漏洩検知光センサ部１３の部分には常に
検知空間１４が形成されており損失のある媒質が存在し
ないので、液体が付着しないときの伝送損失は通信用光
ファイバと同程度の低損失である。このため、長距離の
分布漏洩検知が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、ほぼ円柱形状に形成され
油がしみこまない材料からなり、外周面の一部に軸方向
に沿ってその直径に比して十分に小さい深さに形成され
た検知空間となる溝を有するクラッド部と、クラッド部
の中にその中心に対して偏心して直線状に形成され、溝
のほぼ中央で、かつコア外周面と溝の面との距離がエバ
ネッシェント波長厚さよりやや小さくなるような位置に
形成されたコア部と、クラッド部の溝を除く外周面に設
けられた緩衝層と、クラッド部の外周を保護するため
に、緩衝層上および溝上部の全周に形成された被測定流
体を吸い込む被覆部材とから構成したことにより、光フ
ァイバの全長にわたって油等の漏液油の検知が行なうこ
とをができる効果があり、また、クラッド部に油が浸漬
することがないので、繰り返し検知可能な漏洩検知用光
ファイバセンサを得ることができる効果がある。

また、被覆部材はクラッドに形成された溝の両肩で支え
られるために、被覆部材がセンサ部となる薄肉クラッド
外周面に接触することなく検知空間を形成できる。した
がって、被覆部材の接触による傷の発生も防止でき、コ
アから薄肉クラッド部へ，さらに検知空間へと侵み出し
ながら伝播する検出光が、被覆部材がセンサ部に接近し
たことによりここで反射したり吸収されたりするような
ことはなくなり、光伝送損失が防止される。

また、センサとなるクラッド薄肉部の厚さは、エバネッ
シェント波長より薄ければ薄いほど検出感度は向上する
が、同時に光を閉じ込める能力が弱くなるために光の伝
送損失が急激に増大する。しかも、センサ施工時に避け
られない曲げや引っ張りによる損失増加も発生し易くな
るため、この厚さは、この感度と光伝送損失との兼ね合
いで決められ、エバネッシェント波長よりやや小さくな
る程度が実用的には良好であり、分布型の長距離光ファ
イバセンサとしての利点が生かせる。

また、コア部はクラッド部に偏心して形成してあるの
で、コアとクラッド外周面との間にエバネッシェント波
長よりやや小さくなる距離が得られると同時に、コア部
はクラッド部に完全に被覆されて保護され、かつクラッ
ド部も全体では十分な太さを保持できるので必要な強度
を保てる。さらに、クラッド部を緩衝層を介して被覆部
材が覆っているので、クラッド部は緩衝されてきずが発
生することもなく、外部からも保護され長期に安定な測
定ができる。さらに、溝からなる検知空間はクラッドと
一体に形成されているので検知位置がずれるようなこと
はなく、常に正確な検知ができる。

また、上記構成に第２のコア部をクラッド部の中心近傍
に追加することにより、第１のコア部の曲がり等により
第１のコア部に損失が生じても、第２のコア部によりそ
の損失を補正することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)は本発明に係わる漏洩検知用光ファイバセン
サの原理の構成を示す正面図、第１図(b)はその斜視
図、第２図は本発明の実施例を示す正面図、第３図は他
の実施例を示す正面図、第４図は別の他の実施例を示す
正面図、第５図は別の他の実施例を示す斜視図、第６図
は別の他の実施例を示す斜視図、第７図は別の他の実施
例を示す斜視図、第８図は第７図の漏洩検知用光ファイ
バセンサの溝の内面形状を示す部分図、第９図，第１０
図は第２図の漏洩検知用光ファイバセンサの実験例を示
すグラフ、第１１図は従来の漏洩検知用光ファイバセン
サを示す斜視図、第１２図はその縦断面図、第１３図は
さらに別の従来の漏洩検知用光ファイバセンサを示す説
明図である。１１…クラッド部、１２…コア部、１３…漏洩検知光セ
ンサ部、１４…空間、１５…メッシュ、１６…緩衝帯、
１７…シリコン層、１８…外皮、１９…目印部、２０…
曲率部、２１，２２…光ファイバ、２３…ケーブルカバ
ー、Ａ…漏洩検知用光ファイバセンサ、３０…ケーブル
構造体、３１…溝、３１ａ…内面、３２…突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小菅卓神奈川県横浜市戸塚区若竹町６−７ (56)参考文献実開昭54−107392（ＪＰ，Ｕ) 実開昭59−72535（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ほぼ円柱形状に形成され油がしみこまない
材料からなり、外周面の一部に軸方向に沿ってその直径
に比して十分に小さい深さに形成された検知空間となる
溝を有するクラッド部と、このクラッド部の中にその中心に対して偏心して直線状
に形成され、クラッド部の溝のほぼ中央で、かつ、コア
外周面と溝の面との距離がエバネッシェント波長厚さよ
りやや小さくなるような位置に形成されたコア部と、クラッド部の溝を除く外周面に設けられた緩衝層と、クラッド部の外周を保護するために、緩衝層上および溝
上部の全周に形成された被測定流体を吸い込む被覆部材
とからなり、クラッド部の全長に渡り検知空間に導入された被測定流
体の検知を行なうことを特徴とする漏洩検知用光ファイ
バセンサ。
【請求項２】クラッド部の溝は、クラッド部の外周面と
の間に丸みを付けた曲率部を有することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の漏洩検知用光ファイバセン
サ。
【請求項３】被覆部材は、溝の上部以外の部分に検知空
間部分でないことを示す目印部が形成されていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の漏洩検知用光フ
ァイバセンサ。
【請求項４】ほぼ円柱形状に形成され油がしみこまない
材料からなるクラッド部と、このクラッド部の中にその中心に対して偏心して形成さ
れ、かつ、外周面とクラッド部の外周面との最短距離が
エバネッシェント波長以下になるような位置に形成され
た第１のコア部と、この第１のコア部の外周面から最短距離にあるクラッド
部の外周面の近傍範囲に設けられ、被測定流体を導入す
るための検知空間と、前記クラッド部の中にその中心近傍に配置されて形成さ
れた第２のコア部と、クラッド部の外周を保護するための被覆部材とからな
り、クラッド部の全長に渡り検知空間に導入された被測定流
体の検知を行なうことを特徴とする漏洩検知用光ファイ
バセンサ。