JPH0663872B2 - 分布温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光フアイバセンサに関し、特に検出素子として
光フアイバを使用する分布温度センサに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕

比較的広い範囲の異なつた場所で温度が決定されなけれ
ばならない場合、分布温度センサが都合よく使用され
る。何故ならば、分布温度センサは、多数の別個のセン
サからの上方の収集及び伝達に固有の障害を除去するか
らである。特に光フアイバセンサは高温に耐えるという
長所を有しており、また、もしフアイバが伝達手段とし
ても使用されるならば、光フアイバセンサは、遠隔監視
を可能にし、且つ接近不可能な環境あるいは困難及び／
又は危険を伴つてのみ接近可能な環境における温度を検
出するのに使用され得る。

検出素子として光フアイバを使用した多数の温度センサ
が従来より知られている。

例えば、米国特許出願第4576485号はセンサを開示し、
該センサでは、フアイバは、監視されている環境の温度
に応答して熱放射を内部で発生することができ、しかも
放射スペクトルの各波長に対して一定且つ離散的な吸収
値を有しており、そしてファイバに沿う温度値は、フア
イバ出力放射が分割されるところの複数のスペクトルバ
ンドについてのパワーを測定することによつて得られ
る。

このようなシステムは多数の問題点を有している。例え
ば、それは商業的に入手できない特殊なフアイバ（赤外
用フアイバ）の使用を必要としており、あるいは又、そ
れは内部で発生した放射の吸収ピークの検出に基づいて
おり、従つて、波長によつては、フアイバ出力が検出に
対して不十分であり、温度データが不正確になり得る。

他の分布温度センサが、M.C.フアーリース（Farrie
s）、M.E.フエルマン（Ferman）、R.I.レイミング（Lam
ing）、S.B.プール（Poole）、D.N.ペイン（Payne）、
及びA.P.リーチ（Leach）によつて、論文「Nd（３＋）
をドーピングされた光フアイバを使用した分布温度セン
サ（Distributed tempera-ture sensor using Nd
（３＋）doped opticalfibre）」エレクトロニクス・
レターズ（ElectronicsLetters）、第22巻、第８号、19
86年４月10日に開示されている。この公知のセンサで
は、放射がフアイバ内に出射され、そしてドーピングイ
オン濃度と温度とに依存する、後方散乱放射の減衰が、
Ndイオンに起因する吸収ピークに対応する波長で測定さ
れる。後方散乱放射の測定は、減衰に関する情報をフア
イバに沿う位置と関連付けることのできる。光学時間ド
メイン反射率計（OTDR）によつて行われる。外部からフ
アイバ内に出射される放射を使用することにより、もし
光源の出力が十分に大きければ、このシステムは上述し
た米国特許出願のセンサの感度の問題を解決する。しか
しながら、これは特殊なフアイバの使用を必要とし、そ
して得られる情報の精度はドーピング剤の濃度の正確な
知識に依存する。更に減衰の測定が行われるため、結果
は光源の出力の正確な知識に依存する。

これらに対し、本発明は、特別に処理されたフアイバを
必要とせず、しかも使用される光源の出力に依存しない
情報を供給するセンサを提供する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によるセンサは、光フアイバーであつて、環境内
に又はその温度が測定される物体の近傍に少なくともそ
の長さ方向の一部が配置されると共に、監視されている
環境又は物体によつて達成される最高温度よりも高い軟
化点を有するものと、前記光フアイバー内に電磁放射パ
ルスを送る手段と、前記光フアイバー内で後方散乱され
た放射を集める手段と光源と放射を集める該手段が最適
時間領域での反射測定器の電気回で連結されているの
で、上記手段（4,5,9）によって発生する信号から温度
の値を得る計算手段とを具備する分布温度センサにおい
て、後方散乱された放射を集める前記手段が、後方散乱
の放射のスペクトルの周波数と光フアイバーに送られた
その放射周波数を比較し、かつ後方散乱の放射スペクト
ルの中のスペクトル線から巾を測定し、光フアイバー長
軸に沿って複数の後方散乱の放射点に対する該巾の温度
を決定する手段からなることことを特徴としている。

本発明のセンサは以下の考察に基づいている。即ち、光
フアイバ内に出射された電磁放射は、減衰のみならず、
材料の分子による散乱のため、その周波数スペクトルに
おける、温度に依存する変化をも受ける。特に、後方散
乱放射スペクトルは、入射放射スペクトルの線に重畳す
る、レイリー散乱に起因する新しい線を示し、この新し
い線は次式で与えられる幅δνRWを有する。

上式において、 Ｋは測定に使用される放射の波数ベクトル、 Ｔは絶対温度、 ａは粒子の半径、 ηは材料の粘度である。

線幅δνRWを測定することにより、物体の温度が即座に
得られる。何故ならば、監視されている環境又は物体の
温度がフアイバの軟化点よりも十分に低い限り、フアイ
バの粘度は実質的に一定であるからである。

散乱の解析に基づくセンサは、上述した問題点を解決す
る。実際、散乱は総てのフアイバで起こり、従つて、在
来のフアイバ、例えば石英ガラス製のフアイバが、特殊
な物質で作られているフアイバあるいは特別のドーピン
グを施されているフアイバに頼ることなく、使用され得
る。更に、スペクトルの線幅の測定は、減衰の測定とは
逆に、フアイバに出射される光学パワーに独立な結果を
与える。

スペクトル変化を検出する手段は、フアイバから出て行
く散乱ビームに直接的に作用する光学手段であつてもよ
く、例えばフアブリ−ペロ干渉計からなり得る。しかし
ながら、電磁放射の各パルスについて、フアイバの外の
光路に沿つて検出器に送られるパルスの一部分と、パル
スの残りの部分の後方散乱の結果として生ずる放射との
間でうなりを生成し、そしてそのうなりを表す電気パル
スの周波数変化を解析するのが好ましい。この後者の具
体化例は、感度がより高いという利点を有する。

スペクトル変化がフアイバに沿う位置と関連付けられ得
るようにするため、そのような変化を検出する手段は、
上述した光学時間ドメイン屈折率計技術に基づく測定シ
ステムによつて具体化される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。

図面は本発明による分布温度センサの一実施例を概略的
に示す図である。同図において、在来の石英ガラス製光
フアイバ１の少なくとも長さ方向の一部は環境を形成す
る囲い２内に配置されており、該囲い２は、その内部環
境の温度が監視されるか、又は温度が測定される物体を
包含する。

光源３は、フアイバ１の一端に向けて、所定の持続時間
及び周波数を有する光パルスを、ビームスプリツタ４を
通して送るように配設されており、該ビームスプリツタ
４は、フアイバ内で後方散乱された放射を集め、それを
検出器５に送るように配設されている。

検出器５は、フアイバに送られる各パルスが有するパワ
ーの一部を受光し、光源３によつて出射された放射とフ
アイバによつて後方散乱された放射との間のうなりを表
す電気信号を生成する。上記のパワーの一部は、例えば
第２のビームスプリツタ６によつて取り出され、そして
鏡7,8によつて検出器に送られる。後方散乱放射の周波
数は、少なくともレイリー散乱線の存在のため、入射放
射の周波数と異なるので、うなりが生じる。レイリー線
の幅は温度で変化するので、検出器の出力信号の周波数
（２つの入力信号の周波数の差に等しい）も又温度で変
化する。

検出器５の出力信号は装置９に送られる。該装置９は、
その信号の周波数の値を測定することができると共に、
信号それ自体の到着の瞬間、従つてフアイバに沿う散乱
地点の位置、の関数である値を供給する。この目的のた
め、例えば装置９は、ブロツク11によつて示されている
OTDRシステムの電気回路に、光源と共に接続されるスペ
クトル分析器を具備し得る。OTDRシステムの電気回路の
構造は当業者にとつては公知であるので、その詳細は図
示しない。計算システム10は、対応する位置における温
度の値を、各周波数の値から得る。

上述した利点以外に、本発明によるセンサは高い感度を
提供する。実際において、散乱線は数十MHzの幅であ
り、そして、特殊仕様ではない、従つて比較的低い価格
の、商業的に入手可能なスペクトル分析器は、そのよう
な値を数KHzの精度で測定することができる。従つて、
石英ガラス製光フアイバによつて測定可能な温度の範囲
（約1500゜Ｋ迄）において、センサは、Ｔの値に応じ
て、１度の１／100から１／10の温度差を検出すること
ができる。

上述した感度が要求されないならば、うなりの周波数の
測定に代えて、例えば、周波数の情報がフアイバの位置
と関連付けられることを可能にするOTDRシステムに接続
されるフアブリ−ペロ干渉計により、レイリー線の幅が
フアイバ出力放射上で直接的に測定され得る。

上述した記載は非限定的な例としてのみ与えられている
ということ、並びに変形及び変更が本発明の範囲から逸
脱することなく可能であるということは明白である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を概略的に示す図である。 １……光フアイバ、２……囲い ３……光源、4,6……ビームスプリツタ ５……検出器、7,8……鏡 ９……装置、10……計算システム 11……OTDRシステム

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光ファイバー（１）であって、環境（２）
   内にその温度が測定される物体の近傍に少なくともその
   長さ方向の一部が配置されると共に、監視されている環
   境（２）又は物体によって達成される最高温度よりも高
   い軟化点を有するものと、 前記光ファイバー（１）内に電磁放射パルスを送る手段
   （３）と、 前記光ファイバー（１）内で後方散乱された放射を集め
   る手段（4,5,9）と、 光源と放射を集める該手段が最適時間領域での反射測定
   器の電気回路で連結されているので上記手段（4,5,9）
   によって発生する信号から温度の値を得る計算手段（1
   0）と を具備する分布温度センサーにおいて、後方散乱の放射
   を集める該手段（4,5,9）が、後方散乱の放射のスペク
   トルの周波数と光ファイバーに送られたその放射周波数
   を比較し、かつ後方散乱の放射スペクトルの中のスペク
   トル線から巾を測定し、光ファイバー長軸に沿って複数
   の後方散乱の放射点に対する該巾の温度を決定する手段
   （９）からなることを特徴とする分布温度センサー。
2. 【請求項２】センサーであって、線巾を測定する該手段
   （９）がレイリー散乱により、スペクトル線の巾を測れ
   るように配備されていること、及び、レイリー散乱によ
   り該計算手段（10）がスペクトル線の巾から温度を得る
   ことを特徴とする特許請求項１のセンサー。
3. 【請求項３】前記スペクトル変化を決定する前記手段
   （９）が、前記光ファイバーから出て行く放射を直接的
   に解析するように配設されている光学手段であることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の分布温度センサ
   ー。
4. 【請求項４】ビームスプリッタ（６）が、前記光源
   （３）と前記光ファイバー（１）との間に、該光ファイ
   バー（１）内に送られる各電磁放射パルスの一部分を取
   り出すように配設され、 後方散乱された放射を集める前記手段（4,5,9）が、該
   光ファイバー（１）の外の光路に従う前記パルスの一部
   分と該パルスの残りの部分の後方散乱の結果として生じ
   る放射とを受光し、且つその入力に存在する放射の周波
   数の間の差異に等しい周波数を有すると共に該放射の間
   のうなりを表す電気信号を発生する検出器（５）を備
   え、そして 前記スペクトル変化を決定する前記手段（９）が、該電
   気信号の周波数変化を決定するように配設されている ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の分布温度
   センサー。