JPH07280665A

JPH07280665A - 温度分布検出方法

Info

Publication number: JPH07280665A
Application number: JP6093935A
Authority: JP
Inventors: Yoshikane Morita; 義兼森田; Naoto Masuyama; 直人桝山; Katsumi Azuma; 勝美東; Akira Toriyama; 彰鳥山
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd; Electric Power Development Co Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; AGC Inc
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1995-10-27

Abstract

(57)【要約】【目的】光ファイバー分布型温度計により計測される
温度分布の距離分解能を向上させる。【構成】下記の工程を備えた温度分布検出方法を提供
する。（ａ）温度測定領域に配置された光ファイバー２１の一
端からパルス光を入射する工程、（ｂ）光ファイバー２
１の一端から出射するパルス光の後方散乱光の強度から
温度測定領域内の温度分布を検出する工程、および
（ｃ）後方散乱光から求められた温度分布の極大値を、
その温度極大値を含む温度上昇区間の幅により定まる補
正計数を用いて補正する工程。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、いわゆる光ファイバー
分布型温度計を用いた温度分布検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高温、高圧ガスを収納する圧力容器など
において、表面温度が局部的に上昇する領域（以下、ヒ
ートスポットと称する）が生じると、その領域の金属材
料の強度が低下し、内部圧力による容器の破壊といった
重大な事態を引き起こす可能性がある。このようなヒー
トスポットにより引き起こされる現象を未然に防止する
ためには、容器の表面温度分布を計測・監視し、ヒート
スポットの発生を早期に発見する必要がある。

【０００３】ヒートスポットの発生を発見するために
は、二次元的あるいは三次元的に拡がりのある容器の表
面温度を万遍なく監視する必要がある。しかし、従来温
度計測に幅広く使用されている熱電対など、素子が配置
された箇所のごく近傍の温度が計測可能な点計測素子で
は、ヒートスポット監視の目的にかなう密度で点計測素
子を配置することが事実上不可能である。従って、少な
くとも一次元的な広がりを持った温度分布が測定可能な
温度測定手段により容器の表面温度を監視することが望
まれており、その一つの手段として、光ファイバーケー
ブルの長手方向に沿って連続的に温度計測を行うことが
できる光ファイバー分布型温度計の使用が試みられ始め
ている。

【０００４】この光ファイバー分布型温度計は、例えば
特公平３−６４８１２号公報に開示されており、光ファ
イバーにレーザー光を照射したとき、ファイバー中の分
子の振動、回転がもたらすラマン散乱による反射光のう
ち入射光の波長より高波長側及び低波長側に出現するス
トークス光及びアンチストークス光の強度が、反射部分
の温度に依存して変化することを利用し、光ファイバー
周囲の温度を計測する。このとき、光ファイバーの入射
端にレーザーパルス光を照射すれば、このレーザーパル
ス光を照射してから後方散乱光として入射端に戻ってく
るまでの遅延時間と光ファイバー内における光速度によ
って入射端から反射部分までの距離が求められるので、
光ファイバー分布型温度計によれば光ファイバーの周囲
の温度をその長手方向に沿って連続的に計測することが
できる。

【０００５】光ファイバー分布型温度計によって計測さ
れる温度分布の距離分解能は、使用するレーザーパルス
光のパルス幅に依存することが知られている。これは、
現実に使用されているレーザーパルス光は理想インパル
スではないため、無視できないパルス幅を有するレーザ
ーパルス光が光ファイバー内を伝播した際、図６に示す
ようにパルス１の立ち上がり部１ａが（ａ）に示される
実温度分布２の温度上昇区間（ヒートスポット）２ａを
通過してから（ｃ）に示したように立ち下がり部１ｂが
温度上昇区間２ａを通過するまでに所定の時間Ｔ、つま
りパルス幅に相当する時間が経過してしまい、後方散乱
光から得られる計測温度分布３は、温度上昇領域２ａに
対してパルス幅に比例した（ｄ）に示された如く遷移領
域を有するものになる。数学的には、（ｄ）の計測温度
分布３は実温度分布２とパルス波形１とのコンボリュー
ションで与えられる（特開平４ー５０６２４号公報参
照）。従って、パルス幅が長くなるほど計測温度分布の
遷移領域の影響が大きくなり、計測温度分布と実温度分
布との乖離が無視できなくなる。

【０００６】しかし、レーザーパルス光による光ファイ
バーからの後方散乱光のパワーは非常に弱く、特に、パ
ワー＝強度×時間であるため、パルス幅を短くすればす
るほど後方散乱光のパワーは弱くなる。従って、レーザ
ーパルス幅の短縮化は、後方散乱光に対して信号処理を
行う電子回路の要求する信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）に
より制限され、現在の回路技術ではレーザーのパルス照
射時間は数ナノ秒、パルス幅にして１〜２ｍ程度が限界
である。

【０００７】図５は計測温度分布３と実温度分布２との
関係の一例を示す図であり、ΔＴは実温度分布２の温度
上昇区間の温度差、Δｔは計測温度分布３の温度上昇区
間の温度差、Ｌは温度上昇区間（ヒートスポット）２ａ
の幅である。図示例ではレーザーパルス幅を固定（1.4
ｍ）しているので、ヒートスポット２ａの幅Ｌが狭くな
ることにより相対的にパルス幅が長くなるため、遷移領
域の幅が長くなって温度分布３のピーク値にまで影響を
及ぼす結果になる。図５の結果から、ヒートスポット２
ａの幅Ｌが３ｍ以下になると、計測温度分布３と実温度
分布２との乖離が無視できなくなる。

【０００８】圧力容器などの用途で検出すべきヒートス
ポットの幅は１ｍ以下であることが多く、たとえ光ファ
イバーを円形に曲げて敷設して長手方向の長さを稼いだ
としても、光ファイバーの許容最小曲げ半径の制限か
ら、１ｍ×１ｍ程度の領域内に敷設できる光ファイバー
の長さは３ｍ程度に過ぎない。従って、従来の光ファイ
バー分布型温度計では、圧力容器等に生じるヒートスポ
ットを正確に計測することができなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光フ
ァイバー分布型温度計により計測される温度分布の距離
分解能を向上させることの可能な温度検出方法を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述の目的
に鑑みて鋭意研究をした結果、計測温度分布の温度上昇
区間の幅と、実温度分布の温度差に対する計測温度分布
の温度差の比との間に所定の関連性があるとの知見を得
ることができ、これに基づいて本発明を為すに至った。

【００１１】そこで、請求項１の発明は、下記の工程を
備えた温度分布検出方法からなる。（ａ）温度測定領域に配置された光ファイバーの一端か
らパルス光を入射する工程と、（ｂ）前記光ファイバー
の前記一端から出射する前記パルス光の後方散乱光の強
度から前記温度測定領域内の温度分布を検出する工程
と、（ｃ）前記後方散乱光から求められた前記温度分布
の極大値を、その温度極大値を含む温度上昇区間の幅に
より定まる補正計数を用いて補正する工程。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１に記載の温度
分布検出方法において、前記温度測定領域を高温容器の
表面領域とした。また、請求項３の発明は、請求項２に
記載の温度分布検出方法において、前記高温容器を、発
電所における加圧流動床ボイラー用高温ガス除塵装置の
容器とした。

【００１３】

【作用】温度上昇区間の幅から計測温度分布の極大値を
補正する理由は次のようなものである。

【００１４】まず、ある特定の点から戻ってくる後方散
乱光の強度から求められる温度計測値は、その点のみで
なく隣接する光ファイバーの実温度分布に影響され、次
の式により決定されるものとする。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここに、Δｔmes：計測温度値ｐ：極大値の位置 Δｔact：実温度値ｘ：光ファイバーの一端からの距離また、指数関数のべき数の中の（２．３３／１．５）と
いう値は、温度上昇区間の幅が３ｍ（±１．５ｍ）であ
るときに計測温度値を実温度値の９８％（±２．３３
σ）とするための係数である。

【００１７】上述の式(１)に基づいて、実温度分布とし
て幅０．５ｍから３ｍのステップ状温度上昇区間を与え
たときの計測温度値の極大値の追従率

【００１８】

【数２】

【００１９】の計算値を算出するとともに、光ファイバ
ーの所定の長さの部分を電気炉内にいれてステップ状の
温度上昇空間を実際に与えたときの計測温度値の実測値
に対する追従率の実測値を算出し、これら計算値及び実
測値を比較したところ、次の表に示すような結果を得
た。

【００２０】

【表１】

【００２１】この結果より、上述の式(２)の仮定は精度
良く光ファイバー分布型温度計の特性を表すことが確認
された。

【００２２】次いで、圧力容器等に実際に出現するヒー
トスポットの温度分布に近い三角形状の実温度分布を種
々の底辺の幅について仮定し、計測温度分布の極大値を
算出して追従率の計算値を算出した。その結果を次の表
２に示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】従って、実温度分布の底辺の幅さえ知れれ
ば追従率が求められ、この追従率の逆数を補正係数とし
て用いれば計測温度分布の極大値を補正することができ
る。しかし、実際の測定においては、光ファイバー分布
型温度計が正確な実温度分布を表示しない以上、実温度
分布の底辺の幅を知ることはできず、上述の手法から実
温度分布の極大値を求めることはできない。従って、光
ファイバー分布型温度計から得られる計測温度分布から
補正係数を求める必要が生じる。

【００２５】そこで、請求項１の発明では、光ファイバ
ー分布型温度計から得られる計測温度分布の温度上昇区
間の幅と、実温度分布の温度差に対する計測温度分布の
温度差の比との間の関係に注目し、光ファイバーの一端
から出射するパルス光の後方散乱光の強度から温度測定
領域内の計測温度分布を求め、この計測温度分布の温度
上昇区間の幅により定まる補正計数を用いて温度分布の
極大値を補正し、実温度分布を推定する。

【００２６】極大値の補正値を求める方法は、一例とし
て次の式による。

【００２７】

【数３】

【００２８】ここに、ｔactmax：実温度分布極大値の推
測値ｔavg ：温度上昇区間内の平均温度Ｃ：極大値補正計数ｔmesmax：計測温度分布の極大値

【００２９】計測温度分布の温度上昇区間の幅を測定す
る方法としては、温度上昇区間の立ち上がりの起点及び
立ち下がりの終点を特定することは困難であるから、計
測温度分布の極大値の５〜２０％の高さを横切る線と交
わる２点間の幅を用いることが望ましい。図４は、三角
形状の実温度分布を与えたときに光ファイバー分布型温
度計から得られる計測温度分布の極大値の１０％の高さ
における幅と、補正係数Ｃとの関係の一例を示す図であ
る。そして、この補正係数Ｃを用いて、計測温度分布の
極大値を補正して実温度分布極大値を推測する。

【００３０】

【実施例】本発明を外部保温付きの圧力容器の鉄皮温度
分布計測及びヒートスポット検出に応用した例を説明す
る。

【００３１】本実施例に適用される圧力容器は、発電所
に用いられる加圧流動床ボイラー用の高温ガス除塵装置
の一部をなすものである。この圧力容器１０は、図２に
示すように、円筒状の筒体の上下が閉塞された形状に形
成され、その寸法は全高16ｍ、外径3.2 ｍである。圧力
容器１０は厚さ24ｍｍの鉄皮１１（材質は炭素鋼）から
形成されている。

【００３２】圧力容器１０は、１０気圧、８５０℃の高
温加圧ガスを中に含むものであり、圧力容器１０を内部
の熱から保護するために図示しない内部断熱層が鉄皮１
１の内面に設けられているとともに、鉄皮１１の内面に
おいてガス中に含まれる水蒸気、酸等が結露することに
より鉄皮１１が腐食することを防止するために、鉄皮１
１の外表面にも図示しない保温層が施され、鉄皮１１が
冷えすぎることを防止している。従って、保温容器１０
の外部から鉄皮の状態を直接監視することが困難であ
り、内部断熱層の異常などによって鉄皮に局部的な加熱
部分（ヒートスポット）が生じた場合、発見が遅れて重
大な事態を招くおそれがある。そこで、外部保温層の施
工前に光ファイバーを鉄皮１１の外表面に敷設し、光フ
ァイバー分布型温度計により鉄皮１１の外表面の温度分
布を監視してヒートスポットの検出を行った。

【００３３】図１は、本実施例に用いた光ファイバー分
布型温度計を示すブロック図である。この図において、
２１は圧力容器１０の鉄皮１１外表面に敷設された測定
用光ファイバーである。光ファイバー２１としては、コ
ア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍのマルチモードグ
レーデッドインデックス型珪素系光ファイバーを用い、
ポリイミド樹脂により被覆した後、ステンレス鋼製のシ
ース管で保護した状態で圧力容器１０に敷設した。

【００３４】２２は方向性結合器として作用する光カプ
ラーであり、光信号は図中矢印方向にのみ流れる。２３
は一方に１端子、他方に２端子を有する光スイッチであ
り、後述する制御装置２６からの制御信号に応じて他方
側の２端子のうち一方を一方側の端子に接続する。２４
はレーザー光源であり、制御装置２６からの制御信号を
トリガーとして中心波長1.6 μｍ、パルス継続時間７ｎ
ｓのレーザーパルスを出力する。２５は光強度を検出す
る検出器である。

【００３５】２６は制御装置であり、たとえばマイクロ
コンピューターから構成される。制御装置２６は光スイ
ッチ２３及びレーザー光源２４に制御信号を出力してこ
れらの制御を行うとともに、検出器２５からの検出信号
を取り込んで計測温度分布を算出し、さらに計測温度分
布の極大値を補正する。算出結果、補正結果等はディス
プレイ２７に表示される。さらに、補正された極大値が
所定値より大きい場合にディスプレイ２７に警告表示を
行う。制御装置２６の動作の詳細は後述する。

【００３６】圧力容器１０の鉄皮１１の外表面は、図２
に示すように約１ｍ×約１ｍの矩形状の区画１２に区分
され、各区画１２には番地が付けられた。光ファイバー
２１は、各区画１２内の全長が約３ｍとなるように、図
２に示すように蛇行して敷設された。光ファイバー２１
は、図３に示すようにステンレス鋼製のシース管１３内
に収容された状態でアルミニウム箔テープ１４により圧
力容器１０の鉄皮１１の表面に固定し、さらに耐熱パテ
１５により鉄皮１１の表面に接着した。

【００３７】圧力容器１０の鉄皮１１の外表面の温度分
布監視動作を説明する。まず、制御装置２６からの制御
信号により３０秒毎にレーザーパルスを発生させ、光ス
イッチ２３により入射端側に定められた光カプラー２２
にレーザーパルスを送出し、この入射端側から光ファイ
バー２１にレーザーパルスを入射した。本実施例では、
制御装置２６からの制御信号により光スイッチ２３を制
御すれば、いずれの端部を入射端側とすることができ
る。光ファイバー２１からの後方散乱光は入射端側の光
カプラー２２によりもう１つの光スイッチ２３に入射
し、検出器２５によりその強度が検出された。検出され
た後方散乱光強度は制御装置２６に入力された。

【００３８】制御装置２６は、Ａ／Ｄ変換処理及び平均
化処理を行って、光ファイバー２１からの後方散乱光強
度のうちストークス光の強度及び反ストークス光の強度
を測定し、これら２つの光強度から各番地ごとに計測温
度分布を算出した。光ファイバー２１のある点における
温度分布は、次の関係式から導き出される。

【００３９】

【数４】

【００４０】ここに、Ia：上記点からの後方散乱光強度
のうち反ストークス光の強度 Is：上記点からの後方散乱光強度のうちストークス光の
強度 ν0：入射レーザーパルスの波数 νk：ラマンシフトｈ：プランク定数ｖ：光ファイバー２１内の光速度ｋ：ボルツマン定数Ｔ：上記点の絶対温度また、光ファイバー２１の入射端から上記点までの距離
ｌは、入射端にレーザーパルスを入射してから後方散乱
光として再び入射端に戻ってくるまでの遅延時間Δｔと
光ファイバー２１内の光速度ｖから、ｌ＝（ｖ・Δｔ）
／２として求められる。

【００４１】ついで、各番地の計測温度分布のうち、周
囲の平均温度より約２０℃以上温度の高い極大値（ピー
ク）を検出し、このピーク値と番地内の平均温度との差
の１０％の温度を有する２点の幅、つまり温度上昇区間
の幅を検出した。そして、図４に示すような温度上昇区
間の幅により定まる補正計数を用いて計測温度分布の極
大値を補正し、実温度分布の極大値を推定した。

【００４２】各番地名、計測温度分布の極大値、実温度
分布の極大推定値、番地内の平均温度、温度上昇区間の
幅はディスプレイ２７に表示した。そして、実温度分布
の極大推定値が予め設定した警報設定値以上になると、
ディスプレイ２７に警報表示を行った。

【００４３】本発明者の実験結果によれば、ヒートスポ
ットの幅、厳密には温度上昇区間の幅が３０ｃｍ程度の
場合であっても、その極大値をほぼ正確に推測すること
ができた。本実施例の圧力容器では、３０ｃｍ以下の幅
を有するヒートスポットは生じにくいと考えられるの
で、本実施例によれば圧力容器１０に生じるヒートスポ
ットの発生を正確に検出することができた。

【００４４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、光ファイバーからの後方散乱光強度から求められ
た温度分布の温度上昇区間の幅により定まる補正計数を
用いて温度分布の極大値を補正しているので、パルス光
の幅により定まる温度分布計測の距離分解能を越えた温
度分布計測の距離分解能を得ることができ、光ファイバ
ー分布型温度計により計測される温度分布の距離分解能
を向上させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である温度分布検出方法が適用
される光ファイバー分布型温度計を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の実施例である温度分布検出方法の検出
対象である圧力容器を示す平面図である。

【図３】光ファイバーの敷設方法を説明するための断面
図である。

【図４】補正係数と温度上昇区間の幅との関係の一例を
示す図である。

【図５】計測温度分布と実温度分布との関係の一例を示
す図である。

【図６】（ａ）は実温度分布の一例を示す図、（ｂ）、
（ｃ）はともにレーザーパルスを示す波形図、（ｄ）は
計測温度分布の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０圧力容器１１鉄皮１２区画２１光ファイバー２４レーザー光源２５検出器２６制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者東勝美神奈川県川崎市幸区塚越３丁目474番地２旭硝子株式会社玉川分室内 (72)発明者鳥山彰東京都千代田区丸の内二丁目１番２号旭硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の工程を備えたことを特徴とする温
度分布検出方法。（ａ）温度測定領域に配置された光ファイバーの一端か
らパルス光を入射する工程と、（ｂ）前記光ファイバー
の前記一端から出射する前記パルス光の後方散乱光の強
度から前記温度測定領域内の温度分布を検出する工程
と、（ｃ）前記後方散乱光から求められた前記温度分布
の極大値を、その温度極大値を含む温度上昇区間の幅に
より定まる補正計数を用いて補正する工程。
【請求項２】前記温度測定領域が高温容器の表面領域で
ある請求項１に記載の温度分布検出方法。
【請求項３】前記高温容器が、発電所における加圧流動
床ボイラー用高温ガス除塵装置の容器である請求項２に
記載の温度分布検出方法。