JPH0643040A

JPH0643040A - 測定装置

Info

Publication number: JPH0643040A
Application number: JP4199979A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Wada; 一郎和田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-07-27
Filing date: 1992-07-27
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、広範な被測定領域の多数の測定点
の温度，湿度或いは被測定領域の温度分布等を連続的、
かつ、正確に測定でき、かつ、測定感度および位置分解
能を高めることにある。【構成】光源１１から光ファイバ１３の入射端に光信
号を入射し、前記入射端方向に向かう後方散乱光が戻っ
てくるまでの時間と戻ってきた信号の強さとを解析し、
温度，湿度または温度分布を測定する測定装置におい
て、被測定領域１５内の平面的または立体的な各測定点
に対応するように、前記光ファイバの所要とする部分に
測定部１６となる光ファイバ束またはボビンに巻回した
測定部となる光ファイバ束を形成し、これら光ファイバ
束を直列的に連結した状態で前記各測定部に分散配置す
る測定装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定領域内に光ファ
イバを配置し、この光ファイバ内の一端である入射端か
ら光信号を入射し、他端側に向かう光ファイバのあらゆ
る部分から入射端に戻ってくる後方散乱光を解析して前
記被測定領域内の任意の場所の温度，湿度或いは温度分
布等を測定する測定装置に係わり、特に測定感度および
位置分解能を改善する測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の光ファイバを用いた温度計に
は、ＯＴＤＲ（Optical Time DomainReflectometry）
形温度計とＯＦＤＲ（Optical Frequency Domain Re
flect-ometry）形温度計とがある。これら両温度計はラ
マン（Raman ）散乱方式とレイリー（Rayleigh）散乱方
式とが用いられているが、これら両方式の違いは、ラマ
ン散乱は散乱波長が発射光と異なること、一方、レイリ
ー散乱は散乱波長が発射光と同一波長であることが大き
な違いである。ここでは、温度計としてＯＴＤＲ形温度
計を用い、かつ、温度の測定感度が高いラマン散乱方式
を用いた例について説明する。このＯＴＤＲ形温度計
は、光ファイバ中のラマン散乱を用いた温度測定と光パ
ルス反射法を用いた位置測定という２つの原理から成り
立っている。

【０００３】ところで、ラマン散乱は、物質に入射した
光子が分子振動の光学モードと相互作用し、非弾性衝突
を起こすことにより、入射光とは異なる波長の光が散乱
される物理現象である。ラマン散乱光には入射光に対し
て長波長側にずれるもの（ストークス光）と短波長側に
ずれるもの（反ストークス光）との２種類があり、これ
らの間には、入射光の波長をλ、ストークス光の波長を
λ_S、反ストークス光の波長をλ_Aとすると、次のよう
な関係になっている。 ν＝（１／λ）−（１／λ_S） ν＝（１／λ）＋（１／λ_A）

【０００４】ここで、νは波数である。波数は物質の性
質で決まる量であり、ラマンシフトと呼ばれている。ラ
マン散乱光の強度は温度に依存する。温度Ｔにおける反
ストークス光とストークス光の比をＲ（Ｔ）とすると、
次の関係が成り立つ。Ｒ（Ｔ）＝（λ_S／λ_A）⁴ exp （−ｈｃν／ｋＴ）

【０００５】ここで、ｈはプランク定数、ｃは光速、ｋ
はボルツマン定数である。ラマン散乱では、反ストーク
ス光の散乱強度が温度に対して大きく変化することが知
られており、これを温度測定に利用している。一方、Ｏ
ＴＤＲ法は、光ファイバの一端からパルス光を入射し、
光ファイバの媒質中で逆散乱されて戻ってくる成分の時
間を測定することにより距離を測定する。従って、以上
述べた２つの方法を組合わせることにより、温度分布測
定が可能となるものである。

【０００６】このラマン散乱は、空気やガスの環境下に
おいてその環境内の微小物質や種々の分子等の影響を受
けるために、温度測定に利用するのが難しいと考えられ
ていた。しかし、その後、光ファイバの製造技術上の発
展に伴い、その光ファイバの種々の利用法が研究され，
その一環として温度計の利用についても研究開発が進め
られてきた。特に、光ファイバは空気やガスの環境と異
なって固定されたファイバ成分のみが存在するのみであ
るので、徐々にではあるが温度計測に適することが分か
ってきた。このＯＴＤＲは高速パルスを用いて温度計測
を行うのに対し、ＯＦＤＲでは周波数変調された光を用
いた温度計測を行うものである。

【０００７】しかし、現在、このラマン散乱方式を適用
した代表機種であるＯＴＤＲ形温度計では、光ファイバ
の検温部（測定部）の位置分解能長さＬｔが２０ｍ、最
低測定温度Ｔｂが５°Ｃ、最高測定温度Ｔｃが１５０°
Ｃ、最大測定長さＬmax が１ｋｍ（１ＧＨｚで０．１ｍ
に相当するので、０．１ｍ程度の分解能が限界）等を有
する測定範囲にあるが、学会その他の状況から将来的に
はＬｔが０．５ｍ、Ｔｂが−５０°Ｃ、Ｔｃが５００〜
６００°Ｃ、Ｌmax が１０ｋｍ程度まで改善されるもの
と考えられている。なお、レイリー散乱方式を用いても
よく、これらの散乱方式を含め、ＯＴＤＲ形温度計と呼
ぶこととする。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、現状において
は、Ｌｔ＞２０ｍであることから点の温度を測定するこ
とが難しく、光ファイバにそった温度分布を測定する程
度の研究しかなされていない。しかも、長い光ファイバ
上の各点からの後方散乱光は微弱であり、かつ、これに
ノイズが混入されているので、光信号を数千〜数万回に
わたって繰り返し発射し、得られる後方散乱光を平均化
してノイズを除去し、所要とする信号を測定するごとく
構成されているが、忠実度のよい測定は非常に難しい。

【０００９】また、ＯＴＤＲは、本来位置を検出する機
能をもったものであり、光源から光ファイバの入射端へ
光信号を入射し、この光信号の入射によって光ファイバ
内で発生するラマン散乱のうち前記入射端方向に向う後
方散乱光が戻ってくるまでの時間からその温度検知位置
を計測するごとく構成されているが、光ファイバを構成
する微細な成分の違いや構成等により、光ファイバを外
側から長さ計で温度検知位置までの長さを計測した場合
と異なることが多い。その上、ＯＴＤＲの検温部である
光ファイバは取付場所になじんで、柔軟に形が変化する
ため光ファイバの長さを光ファイバの外側から測定する
ことも非常に難しいという問題がある。

【００１０】なお、Ｌｔ＞２０ｍの長さを必要とする理
由の１つには光の伝送速度変化に起因することが上げら
れる。従って、予め定めた測定場所の一定温度の環境下
で使用され、かつ、部分的に発生する異常温度を測定す
る場合には、それらの既知条件を考慮しながら温度検知
場所およびその場所の温度をかなり正確に測定できる
が、不特定場所の温度を測定する一般的な温度測定の場
合には前述したように種々の問題が生ずる。

【００１１】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、広範な被測定領域の多数の測定点の温度，湿度或い
は被測定領域の温度分布等を連続的、かつ、正確に測定
可能とし、しかも測定感度および位置分解能を高めうる
測定装置を提供することを目的とある。

【００１２】また、本発明の他の目的は、事前に光ファ
イバの所要とする測定部の基準信号を正確に測定し、実
測定時のデータ処理に有効に利用しうる測定装置を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】先ず、請求項１〜３に対
応する発明は上記課題を解決するために、光源から光フ
ァイバの入射端に光信号を入射し、この光信号の入射に
よって光ファイバ内で発生するラマン散乱のうち前記入
射端方向に向かう後方散乱光が戻ってくるまでの時間と
戻ってきた信号の強さとを解析し、温度，湿度または温
度分布を測定する測定装置において、

【００１４】被測定領域内の平面的または立体的な各測
定点に対応するように、前記光ファイバの所要部分に測
定部となる光ファイバ束またはボビンに巻回した測定部
となる光ファイバ束を形成し、これら光ファイバ束を直
列的に連結した状態で前記各測定部に分散配置する構成
である。

【００１５】そして、光ファイバの所要とする部分に束
を作るに際し、当該光ファイバを一筆書きの状態を維持
し、かつ、各測定部に分散配置するときに捩れが発生し
ないような巻き方で巻回して順次必要な距離をおきなが
ら束を形成していく。

【００１６】さらに、光ファイバの所要とする部分に束
を作るに際し、光ファイバの所要とする部分を、石油精
製用精留塔の各段のバブルトレイに設けたバブルネック
に順次巻き付けて形成し、前記精留塔各段の平均温度を
測定するものである。

【００１７】また、請求項４に対応する発明は、被測定
領域内の平面的または立体的な各測定点に対応するよう
に、光ファイバの所要とする部分に測定部となる光ファ
イバ束またはボビンに巻回した測定部となる光ファイバ
束を形成するとともに、これら光ファイバ束を直列的に
連結した状態で、或いは連続状態で各測定部に分散配置
する前に、適宜前記光ファイバ束を選択して任意または
所定の温度または機械的歪を印加し、選択された光ファ
イバ束から基準信号を測定する測定装置である。

【００１８】

【作用】従って、請求項１〜３に対応する発明は以上の
ような手段を講じたことにより、予め温度，温度分布，
位置等を十分に計測可能な長さの光ファイバの所要とす
る部分に束を形成し、これら光ファイバの束を被測定領
域内の平面的または立体的な各測定点に配置し、しかも
光ファイバを一筆書きの状態を維持し、かつ、各測定部
に分散配置するときに捩れないように配置したので、広
範な被測定領域内の平面的または立体的な各測定点の温
度等を連続的に測定でき、また光ファイバの各測定部が
束となっているので、測定感度を上げることができ、さ
らに位置分解能を改善できる。

【００１９】次に、請求項４に対応する発明では、事前
に光ファイバの所要とする測定部の温度，位置等の基準
信号を正確に測定するので、実測定時にその基準信号を
用いて測定信号を補正または校正でき、より精度の高い
測定を実現できる。

【００２０】

【実施例】先ず、本発明装置を説明するためのベースと
なるＯＴＤＲを用いた温度計の測定原理について図１な
いし図３を参照して説明する。

【００２１】今、例えば図１に示すように、光パルスを
発生するレーザ発振装置や発光ダイオード等の光源１１
から光パルスＳを発生し、ビームスプリッタ１２（ビー
ムスプリッタと同様な機能を発揮するデバイス例えば光
分岐等も含めてビームスプリッタと呼ぶ）を通して光フ
ァイバ１３の入射端に入射すると、この光ファイバ１３
内で光パルスＳの伝送伝達位置例えばｔ₁，……，ｔ
_n-1，ｔ_nから、 ν＝（１／λ）−（１／λ_S） ν＝（１／λ）＋（１／λ_A）

【００２２】なる周波数のラマン散乱が次々に発生し、
それによって各位置ｔ₁，…，ｔ_n-1，ｔ_nから後方散
乱光が光ファイバ入射端側へ戻ってきて前記ビームスプ
リッタ１２で反射或いは分岐され、信号処理装置１４に
導入される。

【００２３】そこで、光パルスＳ発生後、この信号処理
装置１４においては、各位置ｔ₁，…，ｔ_n-1，ｔ_nか
ら散乱されてくる後方散乱光の強度である温度Ｔ1 ，…
Ｔn-1 ，Ｔn を検出し、仮にＴ1 ＝Ｔ2 ＝……＝Ｔn-1
＝Ｔn なる関係にあるとき、遠い位置にある温度程伝送
による損失が大きいために信号レベルが小さくなる。す
なわち、信号処理装置１４による測定結果は図２のよう
になる。なお、信号処理装置１４から光源１１へ光パル
ス発射命令を出しているので、本実施例ではこの発射命
令と光ファイバ１３内から散乱して戻ってくる後方散乱
光とをそれぞれ処理可能な電気信号に変換し、発射命令
時刻を基準として後方散乱光の戻ってくる時間を計測
し、その計測時間軸上で後方散乱光の強度を計測し、か
つ、光ファイバ内の光速を既知として演算し、測定位置
およびその測定位置での後方散乱光の強度から温度を測
定する。

【００２４】すなわち、この測定原理は、光パルスＳの
発生後、光ファイバ１３内から返ってくるまでの時間を
測定し、どこの位置で起こったラマン散乱であるかを知
る方法であって、比較的長い光ファイバに有効である。

【００２５】一方、ＯＦＤＲでは、ＡＣ連続波（変調
波）を用いる場合には同様にＡＣ波形の光信号と光ファ
イバ内から戻ってくるＡＣ波形の光信号との位相ずれか
らどの位置でラマン散乱が起きたかを知る方法であっ
て、この場合には比較的短い光ファイバであっても正確
に測定できる。何れの場合にも後方散乱光の大きさから
温度を測定する。この後方散乱光には光源１１から発生
した光パルスＳの波長λの他、λ_A，λ_S等が混在して
いるので、信号処理装置１４内の特性フィルタ或いは分
波器によってλ_A，λ_Sを分離し、温度計測を行う。λ
_Aは温度に対して感度が高く、λ_Sは温度に対して感度
が低いので、λ_A／λ_Sのごとく割算を行ない、λ_Sは
光源や伝送路の変動を補償するのに用いる。このような
補償を行うことにより、光源の光量変化や伝送路の損失
変化等の影響を大きく受けることなく、λ_Aを用いた高
感度の温度測定を行うことができる。一方、位置を検出
する温度にもλ_A，λ_Sを活用することが望ましい。な
お、光信号を発生する光源と検出器とを兼ねる素子を用
いる場合にはビームスプリッタは不要である。

【００２６】次に、図３は特に信号処理装置１４の一具
体例を示す図である。すなわち、この信号処理装置１４
は、シーケンスプログラムに基づいて種々の指令を出力
するＣＰＵ１４１を有し、このＣＰＵ１４１から動作指
令を受けて光源１１から波長λの光パルスを例えば２個
のプリズムで構成されたビームスプリッタ１２を介して
光ファイバ１３へ入射すると、この光ファイバ１３内部
で発生するラマン散乱のうち光入射端側に戻ってくる波
長λ，λ_A，λ_S等を含んだ後方散乱光が特性フィルタ
或いは分波器１４２に入射してくる。

【００２７】なお、１４２が特性フィルタの場合にはそ
れぞれ一方の波長λ_A或いはλ_Sを通すフィルタが用い
られ、前述のごとくλ_Aで温度計測を行い、λ_Sで光源
や伝送路の変動を検出するごとくし、例えばλ_A／λ_S
を温度に対応した補償されたプロセス量にする。或いは
λ_A，λ_Sの双方を通すフィルタを用い、λ_A，λ_Sを
温度信号として用いる。

【００２８】一方、１４２が分波器の場合は、λ_A，λ
_Sなる波長の光に分離した後、後続の光−電気変換器１
４３，１４４でそれぞれ電気信号に変換される。そし
て、光−電気変換器１４４で変換された電気信号，つま
りラマン散乱に起因した信号は直接またはスイッチ回路
１４５を通って高速時系列処理手段１４６に送られ、こ
こでＣＰＵ１４１から光源１１への動作指令出力に同期
して入力されるタイミング信号に基づいて時間（位置）
の計測およびその時間に対する温度に相当する信号強度
を計測し内蔵するメモリに順次保存していく。１４７は
高速時系列処理手段１４６に記憶されているデータおよ
び必要に応じて被測定領域の例えば温度発信源等をマッ
プ化したファイル１４８のデータを用いて所望とするデ
ータ処理を行うデータ処理部である。

【００２９】ところで、この種のＯＴＤＲを用いた温度
計としての測定装置は、例えば図４に示すように光ファ
イバ１３を被測定領域１５内に平面的、かつ、一筆書き
となるように所定の順序で蛇行状をなすように敷設し、
さらにその端部を折り返して直交する方向に蛇行状をな
すように敷設し、いわゆる光ファイバ１３を網目状に配
列すれば、その光ファイバ１３の各交叉部分，つまり測
定点から温度，湿度，温度分布界面等を測定できる。従
って、光ファイバ１３の各交叉部分を測定部１６，…と
呼ぶ。湿度の測定は、乾球，湿球を設け、乾球と湿球の
温度を計測することによって測定する。界面は界面の上
下の温度差或いは発熱ファイバを用いた界面の上下の熱
伝達率の違いに起因する温度差を用いて測定する。

【００３０】しかして、光パルスは、超高速度で伝送す
るので位置，温度等の分解能を上げるためには電子回路
の高級化は不可欠であり、技術的に十分に消化して完全
な普及に至るまでには、まだだそれ相当の期間を要する
が、温度，湿度，温度分布等のプロセス測定量を感度よ
く、しかも、位置分解能を上げるためには、光ファイバ
１３の温度，位置の測定部に光ファイバ１３を複数ター
ンにわたって巻回して配置すれば、その要求に少しづつ
近づいてくる。つまり、光ファイバ１３について、必要
個所のみはわせ、温度，位置等の測定個所のところで光
ファイバ１３の束を作ってマトリックス配置や立体的な
座標の如く配置すれば、光ファイバ１３の測定となるべ
き部分が長くなり、得られた後方散乱光を平均化すれ
ば、測定感度，分解能が上げることができる。

【００３１】そこで、実際上、例えば図４に示すように
被測定領域１５内に光ファイバ１３を切断せずに、一筆
書きの状態でマトリックス状や立体的な座標配置とする
一方、その交叉部に測定部１６とする。そして、これら
測定部１６，…に捩れを発生させずにボビン巻きにより
束を形成すれば、実用性に大きく貢献する。

【００３２】以下、光ファイバ１３を切断せず、一筆書
きの状態で、かつ、捩れを発生させずに束を作ってマト
リックス配置や立体的な座標配置とする具体例について
説明する。

【００３３】図５は配置するに容易な長さを設定し、著
しく全長が長い場合には複数分割し、少くとも分割した
光ファイバを１単位として光ファイバ１３を切断せず
に、一筆書きの状態でボビンに巻き付けるためのコイル
巻き装置を示す図である。具体的には、床２１上に巻線
機２２を設置するとともに、この巻線機２２の巻軸２３
に図６（ａ）に示すような重ね合せ可能なボビン２４，
…を装着し、各ボビン２４，…間およびこれらボビン２
４と巻軸２３との間で遊動状態とならないように、終端
側ボビンをねじなどで締め付け固定する。

【００３４】これらボビン２４，…は、図６（ａ）に示
すように例えば各ボビンの一部に凹凸の嵌合部が設けら
れ、相隣接する両ボビン２４，２４どうしが互いに嵌合
され、動きを封ずるような構造となっている。そして、
例えば図示最外部側のボビン２４から順次光ファイバ１
３を所定ターン数分巻き込み、次のボビン２４に移ると
きに適宜な長さの渡り線２５を設けていく。この渡り線
２５の長さは、非測定部に相当する部分であり、被測定
領域１５にどのように測定部１６を設けるかによって決
定される。２７はファイバ巻き始め、２８はファイバ巻
き終りである。同図（ｂ）は巻線機２２の巻軸２３に多
数のボビン２４，…を取り付けたときの側面図である。
この図には巻線機２２側に近いボビン２４の巻軸取付用
脚部２９が見えている。３０は取付ネジである。なお、
巻軸取付用脚部２９は各ボビン２４，…ごとに設けてよ
い。この場合には相隣接するボビン２４，２４どうしが
取付ネジ３０で固定するので、各ボビン２４，…ごとの
凹凸の嵌合部は必要でなくなる。なお、これらの光ファ
イバ１３は非金属シースを用いた可撓性保護管に内装し
た状態でボビン２４に巻き込む場合もある。

【００３５】以上のようにして光ファイバ１３を全ての
ボビン２４，…に所定回数巻回した後、ほどけ防止処置
を施す。このほどけ防止処置とは、例えばボビン２４に
巻回された光ファイバ１３の外側から樹脂を塗布すると
か、或いはボビン２４の両つばに跨がるようにほどけ防
止部材を掛けわたすとか、その他必要な処置を講ずる。

【００３６】しかる後、巻線機２２の巻軸２３から順次
各ボビン２４，…を取り外し、図７（ａ）または図７
（ｂ）に示すように、光ファイバ１３の渡り線２５など
が捩れないように各ボビン２４を、被測定領域１５の各
測定点に配置する。同図（ａ）は平面，かつ、Ｘ，Ｙ状
に配置した例、同図（ｂ）は円形状に配置した例であ
る。また、図８は光ファイバ１３の各ボビン２４，…を
図７とは異なる形態で配置した例を示す図である。同図
（ａ）はＸ方向に蛇行状に配置した例、同図（ｂ）は曲
状を描いて一部交叉するように配置した例である。

【００３７】なお、図８（ａ）は互いに独立した２本の
光ファイバ１３の端部を被測定領域１５外に導き出し、
基準温度を得るための基準温度印加手段３１を設けたも
のである。接続に当たっては、極力光信号が減衰しない
ように光ファイバ接続箱３２を利用して適切に接続する

【００３８】次に、図９は光ファイバ１３を図５とは異
なった形態でボビン２４に巻き付ける例を示している。
つまり、この装置は、コイル巻線用回転盤４１の正面
に、各ボビン２４，…が複数の異なる径の環状をなすよ
うに配置し、アーム４２に装着された巻線ストックボビ
ン４３からの光ファイバ１３を、例えば内側環状に配置
した１個ずつのボビン２４に順次巻き付け、その後、外
側環状に配置した１個ずつのボビン２４に順次巻き付け
ていく。この回転盤４１は１つのボビン２４に光ファイ
バ１３を巻き付け完了すると、一時停止し、回転盤４１
全体を所定角度回転させて次のボビン２４に光ファイバ
１３を巻き付ける。このとき、巻取中のボビン４４は回
転盤４１の回転アームによって１ボビン分前進した状態
となって光ファイバ１３を巻き取っていく。４５は巻取
完了ボビンである。

【００３９】なお、この場合にも光ファイバ１３を全て
ボビン２４，…に巻き付けた後、全てボビン２４，…を
取り外して図７および図８のように被測定領域１５の各
測定点に配置しても、光ファイバ１３は捩れることがな
く、一筆書きの状態で配置できる。

【００４０】図１０（ａ）は円形ボビンの代りに角形ボ
ビン２４に光ファイバ１３を巻き付け、被測定領域１５
内の測定点に配置した例である。この角形ボビン２４の
巻芯２３の径は光ファイバ１３の曲げ寸法で許される程
度に曲状になっていればよい。図１０（ｂ）は円形ボビ
２４に光ファイバ１３を巻き付けて円形状に配置した例
である。

【００４１】次に、図１１は光ファイバ１３の各ボビン
２４を被測定領域１５内に平面的、かつ、蛇行状をなし
てＸＹ座標を構成するように配置して測定系に接続した
構成である。４７は終端無散乱部であって、具体的には
光の大きな反射が入射端方向に発生しないようにシリコ
ーンオイル，パラフィンオイル等の液体中に光ファイバ
１３の終端部を挿入し、光ファイバ１３の光の大半を液
体中で散乱させる機能をもっている。なお、光ファイバ
１３の各ボビン２４は渦巻き状に構成してもよい。

【００４２】図１２は光ファイバ１３の各ボビン２４を
被測定領域１５内に平面的、かつ、ＸＹ座標を構成する
ように配置し、さらにＺ方向にも展開配置して測定系に
接続した構成図である。図１３は図１２を模式的に表し
た図である。

【００４３】次に、図１４は多段プロセス工程によって
所望の製品を得る石油精製用，精留塔（蒸留塔）内の段
内温度分布を測定する例を示す図である。例えば精留塔
は、複数段のバブルトレイ４８，…が交互に突き出し、
加熱炉から出てくる油がフラッシュゾーンにて油蒸気と
液体に分離され、そのうち液体だけがトレイ４８，…を
流下する過程において下側からの吹込み蒸気にて各液体
留分を分離し、各段の留分として抜き出される。一方、
油蒸気は精留塔内部のトレイを上昇する間に精留により
塔頂油（蒸気）と各側線油（液体）とに分離されて抜き
取られる。４９はバブルキャップ、５０はネック、５１
はスロットである。

【００４４】このように精留塔は、各段から必要な成分
を正確に留出することが望まれ、しかも各段間の油滴は
豪雨のようで１〜２ｍ先が全く見えない状態に激しい。
従って、飛沫同伴により、下の段に出てくる成分が上の
段に連れ込まれたり、ダウンフローの中に異なる成分が
１つ下の段に流下したりし、正しい成分が得られなくな
る。この影響を回避するには、各段内の温度分布が均一
である必要がある。一般的な傾向として、精留塔の外に
近い部分には沸点の低い成分が停流するので温度が低く
なる傾向にあり、中心部に近くなるに従って温度が高く
なる傾向にある。

【００４５】そこで、これらの傾向を改善するために
は、バブルキャップ４９の個数分布や大きさ等について
種々工夫されている。外に近い部分に多量の蒸気が１つ
上の段に移行すれば、外側に近い部分の温度を上昇さ
せ、中央部に近い温度にすることができ、均温化を図る
ことができる。

【００４６】しかし、精留塔内の温度分布を運転中に計
測することは従来からのサーモカップル形，白金抵抗線
等の点センサの温度計では、無数の点センサが保護管に
入れて精留塔外から挿入することになる。その結果、精
留塔内の温度が保護管を伝って外部に放熱され、熱バラ
ンスが狂ったり、精留塔内の蒸気や油滴の流れが変り、
温度分布が変ってしまう等のために、運転中の温度分布
を図ることができない。

【００４７】そこで、本発明装置においては、光ファイ
バ１３を細いファイバ状ステンレスシースなどに入れて
バブルキャップ４９のかぶっているバブルネック４９ａ
に巻き付けたり、各段の底板に例えば渦巻き状にボビン
２４等を取り付けたりすれば、各バブルネック４９ａや
その近傍の温度を測定でき、その測定データに基づいて
バブルネック４９ａの高さ，太さ、スロット５１の幅，
高さ、さらには「バブルネック４９ａ＋バブルキャップ
４９」の個数分布等を改善できる。また、バブルネック
４９ａ等に流量コントロールロッド，つまり一種のバタ
フライバルブ機構や堰の高さ等を調整できる機構を設
け、各段間の流れの制御、温度分布制御等を行うことが
できる。

【００４８】従って、本発明装置の如く、精留塔内に一
筆書きの状態で多数の測定部１６を配置すれば、各測定
点の温度を正確に測定できる。そして、この測定温度に
基づいて前述した種々の工夫を施せば、各段から所望の
成分の留分を正確に取り出せ、さらにガソリン等の単価
が高は、かつ、高品質の高級な製品を収率良く得ること
ができ、さらに効率的な運転の確保、熱効率，全搬的に
収率等を著しく改善できる。次に、請求項４に係わる発
明の実施例について説明する。

【００４９】先ず、図１５はその一実施例を示す図であ
る。これは、製造工場において光ファイバ１３の所要と
する部分に光ファイバ１３を所定回数巻回した測定部１
６となる束或いはボビンに巻回した測定部となる束を形
成する。この束を（イ）、（ロ）、（ハ）とする。しか
る後、光ファイバ１３の光学的基準点６１を決定し、こ
の基準点６１から各束（イ）、（ロ）、（ハ）までの距
離を正確に測定する一方、当該光ファイバ１３を測定系
１１，１２，１４に接続し、各束（イ）、（ロ）、
（ハ）を順次所定の温度で加熱（ヒータ，バーナなど）
または冷却（水，氷など）等を行い、現地取付け前に測
定系１１，１２，１４にて基準点６１と各束（イ）、
（ロ）、（ハ）の部分から反射されてくる後方散乱光の
計測によって得られる時間に相当する位置（距離）およ
び信号レベルに相当する温度を計測し、この光学的な測
定による位置，温度と機械的に実測した位置（距離）お
よび予め知りうる加熱温度との関係を校正し、信号処理
装置１４のメモリなどに既知データとして保存し、被測
定領域１５内の各測定点の実際の測定値を補正する。

【００５０】なお、基準点６１は、複数個所でなく１個
所でもよく、しかも溶接部または極端な屈曲部とすれば
十分な光の損失が得られるので、当該基準点６１の適切
な位置，温度等を求めることができる。また、基準点６
１を所定の温度で加熱等を行い、光学的に位置，温度を
正確に求めてもよい。さらに、光ファイバ１３の各１つ
ずつの束に強烈な振動や曲げを与えることにより光の損
失を発生させても、同様に正確な位置を測定することが
できる。

【００５１】以上のようにして例えば製造工場内で既知
データを得たならば、その光ファイバ１３を単に客先に
納入し、被測定領域１５内の平面的または立体的な各測
定点に測定部となる光ファイバ束を順次分散配置するだ
けで即座に利用可能となる。

【００５２】そして、実際に被測定領域１５内の各測定
点の位置および温度を測定したならば、事前に測定しメ
モリに格納している既知データを用いて補正し、被測定
領域１５内の各測定点（位置）の温度を正確に測定す
る。

【００５３】さらに、ＯＴＤＲ等を用いた温度計の位置
分解能が不足する場合、図１６のように適宜な２つのボ
ビン２４の間に十分な余裕部６２を設け（同図ａ）、こ
の部分６２に所定の温度を印加し、測定信号上の測定の
区切りを作るとか、或いは当該余裕部６２に溶接点６３
を設けてフレネル反射を生じさせるとか（同図ｂ）、或
いは極端な曲げ６４を設けて光の漏洩を発生させ（同図
ｃ）、測定系で十分にその位置が分かるようにしてもよ
い。このようにすれば、相隣接する測定部１６，１６の
中央部を、各測定部１６，…の位置対応の温度としてと
らえることができる。なお、上記実施例では、光ファイ
バ１の所要とする部分をボビン２４などを用いて束とし
たが、ボビン２４を用いずに束としてもよい。その他、
本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施
できる。

【００５４】

【発明の効果】請求項１の発明は、広範な被測定領域の
多数の測定点の温度，湿度或いは被測定領域の温度分布
等を連続的、かつ、正確に測定でき、かつ、測定感度お
よび位置分解能を高めることができる。

【００５５】請求項２の発明は、事前に光ファイバの所
要とする測定部の基準信号を正確に測定しているので、
かかる光ファイバの各測定部を被測定領域内の各測定点
に簡単，迅速に測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる測定装置の基本構成を示す
図。

【図２】図１に示す測定装置の動作を説明するタイム
チャート。

【図３】図１に示す信号処理装置の一実施例を示す構
成図。

【図４】光ファイバの測定部をマトリクッス状に配置
する例を示す図。

【図５】光ファイバの所要部分に測定部となる束を作
る巻線機の構成図。

【図６】巻線機の巻軸に重ね合わせて装着したボビン
の状態を示す図。

【図７】光ファイバの各測定部の配置例を示す図。

【図８】図７とは異なる光ファイバの各測定部の配置
例を示す図。

【図９】図５とは別の巻線機を用いて一筆書き的にボ
ビンを用いて束を作る巻線機の構成図。

【図１０】ボビンの形態を説明する図。

【図１１】実際の被測定領域内に光ファイバの束を平
面的に配置した図。

【図１２】実際の被測定領域内に光ファイバの束を立
体的に配置した図。

【図１３】図１２の配置を模式的に表した図。

【図１４】石油精留塔の各段に光ファイバの各測定部
を配置する例を示す図。

【図１５】工場内で事前に光ファイバの各測定部等の
位置，温度を知るための説明図。

【図１６】２つの測定部間の光ファイバから位置，温
度を知るための説明図。

【符号の説明】

１１…光源、１３…光ファイバ、１４…信号処理装置、
１５…被測定領域、１６…測定部、２２…巻線機、２３
…巻軸、２４…ボビン、２５…渡り線、３１…基準温度
印加手段、４１…コイル巻線用回転盤、４８…バブルト
レイ、４９…バブルキャップ、４９ａ…バブルネック、
６１…基準点。

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】ところで、ラマン散乱は、物質に入射し
た光子が分子振動の光学モードと相互作用し、非弾性衝
突を起こすことにより、入射光とは異なる波長の光が散
乱される物理現象である。ラマン散乱光には入射光に対
して長波長側にずれるもの（ストークス光）と短波長側
にずれるもの（反ストークス光）との２種類があり、こ
れらの間には、入射光の波長をλ、ストークス光の波長
をλ_S、反ストークス光の波長をλ_Aとすると、次のよ
うな関係になっている。 ν＝（１／λ）−（１／λ_S） ν＝−（１／λ）＋（１／λ_A）

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】今、例えば図１に示すように、光パルス
を発生するレーザ発振装置や発光ダイオード等の光源１
１から光パルスＳを発生し、ビームスプリッタ１２（ビ
ームスプリッタと同様な機能を発揮するデバイス例えば
光分岐等も含めてビームスプリッタと呼ぶ）を通して光
ファイバ１３の入射端に入射すると、この光ファイバ１
３内で光パルスＳの伝送伝達位置例えばｔ¹ ，……，ｔ
^n-1 ，ｔⁿ から、 ν＝（１／λ）−（１／λ_S） ν＝−（１／λ）＋（１／λ_A）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から光ファイバの入射端に光信号を
入射し、この光信号の入射によって光ファイバ内で発生
するラマン散乱のうち前記入射端方向に向かう後方散乱
光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた信号の強さとを
解析し、温度，湿度または温度分布を測定する測定装置
において、被測定領域内の平面的または立体的な各測定点に対応す
るように、前記光ファイバの所要とする部分に測定部と
なる光ファイバ束またはボビンに巻回した測定部となる
光ファイバ束を形成し、これら光ファイバ束を直列的に
連結した状態で前記各測定部に分散配置することを特徴
とする測定装置。
【請求項２】各光ファイバ束は、前記光ファイバを一
筆書きの状態を維持し、かつ、前記各測定部に分散配置
するときに捩れが発生しない巻き方で形成することを特
徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】光ファイバの所要とする部分に形成する
測定部となる光ファイバ束は、前記光ファイバの所要と
する部分を、石油精製用精留塔の各段のバブルトレイに
設けたバブルネックに順次巻き付けて形成し、前記精留
塔各段の平均温度を測定可能とした請求項１記載の測定
装置。
【請求項４】光源から光ファイバの入射端に光信号を
入射し、この光信号の入射によって光ファイバ内で発生
するラマン散乱のうち前記入射端方向に向かう後方散乱
光が戻ってくるまでの時間と戻ってきた信号の強さとを
解析し、温度，湿度または温度分布を測定する測定装置
において、被測定領域内の平面的または立体的な各測定点に対応す
るように、前記光ファイバの所要とする部分に測定部と
なる光ファイバ束またはボビンに巻回した測定部となる
光ファイバ束を形成し、これら光ファイバ束を直列的に
連結した状態で前記各測定部に分散配置する前に、稼働
状態にし、適宜に前記光ファイバ束を選択して任意また
は所定の温度または機械的歪を印加し、前記選択した光
ファイバ束の光学的に見た位置を測定し、或いは位置と
ともに温度または機械的な所定量の変化を校正し、各測
定部に分散配置することを特徴とする測定装置。