JPH0823512B2 - 光ファイバ線状温度分布測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はラマン散乱光を利用した光ファイバ線状温度
分布測定装置に関するものである。

［従来の技術］ ラマン散乱光を利用した光ファイバ線状温度分布測定
装置は、センサ用光ファイバの一端から波長λ0,パルス
幅Tw,パルス周期Tpの光を入射させ、光ファイバ内で発
生するラマン散乱光の二成分である波長λｓのストーク
光と、波長λasのアンチストークス光の後方散乱光（反
射光）とを、パルス光入射時刻をｔ＝０として、それぞ
れサンプリング時間間隔Tsで計測し、アンチストークス
光やストークス光の強度の時間関数Ia（ｔ）,Is（ｔ）
のサンプリング時間間隔Tsの関数として求め、これらの
比Ia（ｔ）/Is（ｔ）が純粋に温度の関数であること、
及び光パルス入射後、光ファイバ内の距離Ｘの位置で発
生した反射光が光パルス入射端（反射光光計測部）に戻
ってくるまでの時間が２×X/Coであること（Co;光ファ
イバ中の光速）を利用して、光ファイバに沿った線状の
温度分布測定を行う装置である。なお、反射光が計測さ
れる時間幅Trは２×L/Coであり（L;光ファイバ長さ）、
この時間はTr内の計測値が有効な温度分布情報を与え
る。ストークス光及びアンチストークス光の後方散乱光
測定は、光ファイバの破断点検知等に用いるOTDR（Opti
cal time Domain Reflectometry）装置とほぼ同じ測定
方法で行う。

このラマン散乱光利用光ファイバ線状温度分布測定装
置は、例えば電力ケーブルに沿わせてセンサ用光ファイ
バを敷設することにより、電力ケーブルの長手方向の温
度分布を知ることができ、送電容量の制御等に利用した
り、ケーブルの劣化等により生じる部分的に温度の高い
箇所の検知等が行える。また、各種プラントの生産ライ
ンや、設備の温度コントロールや、ビルやトンネル等の
火災検知用として使用すれば、火災発生位置の標定を行
うことができる。

第２図に、従来のラマン散乱光利用光ファイバ線状温
度分布測定装置の構成例を示す。この線状温度分布測定
は、センサ用光ファイバ６と温度分布測定装置22とから
構成される。温度分布測定装置22のセンサ用パルス光源
４からパルス光は、光ファイバ9a、光分岐器５を通して
センサ用光ファイバ６に導かれ、センサ用光ファイバ６
内で発生した後方散乱光（反射光）は、その一部が測定
装置22側に戻り、光分岐器5,光ファイバ9dを介して、光
分岐器７に導かれる。

光分岐器７で二分された反射光のうち、光ファイバ9b
に導かれたものは、アンチストークス光用の光学フィル
タ8a,受光器3a及び平均化処理回路2aで構成されるアン
チストークス光用OTDR計測回路30aに入り、この光強度
からアンチストークス光強度の時間関数Ia（ｔ）が求め
られる。他方、光分岐器７で二分された後方散乱光のう
ち、光ファイバ9cに導かれたものは、ストークス光用の
光学フィルタ8b,受光器3b及び平均化処理回路2bで構成
されるストークス光用OTDR計測回路30bに入り、この光
強度からストークス光強度の時間関数Is（ｔ）が求めら
れる。得られた時間関数Ia（ｔ）及びIs（ｔ）を温度分
布演算回路1bに入力し、Ia（ｔ）/Is（ｔ）の演算を行
うことにより、センサ用光ファイバに沿った線状温度分
布測定を行っている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の線状温度分布測定装置では、理論的にはストー
クス光とアンチストークス光のそれぞれの後方散乱光の
比率ｆaf（ｔ）/fs（ｔ）によって、センサ用光ファイ
バの全長に亘り正確な温度測定が可能であるが、実祭に
は、主に、受光素子の受光感度或いは受光素子により光
信号を電気的信号に変換した後の増幅器の温度特性によ
り、前記後方散乱光の比率が見掛上変動するために、温
度測定誤差を±１℃以下に抑えることができなかった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、
温度測定精度を大幅に向上させることができるラマン散
乱光利用光ファイバ線状温度分布測定装置を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、線状温度測定装置内の光源からセン
サ用光ファイバに光パルスを入射させ、ファイバで発生
する後方散乱光で形成される反射光を二分して、光学フ
ィルタ、受光器及び平均化処理回路からなる二つの測定
回路に導き、これら二つの測定回路の出力を温度分布演
算回路に入力することにより、前記反射光の強度から光
ファイバの温度を求めると共に、光パルスの入射光時刻
と反射光が測定装置へ到達する時刻の差から後方散乱光
の発生位置を求めるように構成された光ファイバの温度
分布を計測する光ファイバ線状温度分布測定装置におい
て、前記センサ用光ファイバの一部を温度監視部分とし
て線状温度測定装置内に通すと共に、このセンサ用光フ
ァイバの温度監視部分の温度を計測する別個の温度セン
サを設け、温度センサにより測定された温度情報を温度
分布演算回路に直接入力して、センサ用光ファイバによ
り測定された温度監視部分の温度と比較校正することに
より、線状温度測定装置によるセンサ用光ファイバ全長
に亘る温度分布情報を構成するよう校正されたことにあ
る。

［作用］ 温度分布演算回路は、通常の温度分布演算を行うと共
に、センサ用光ファイバの一部の温度、即ち温度監視部
分として線状温度測定装置内に通っている部分の温度を
別個の温度センサを用いて直接計測する。このセンサ用
光ファイバの温度監視部分は線状温度測定装置内に通っ
ているため、線状温度測定装置の温度変動に伴って変動
する。従って、この温度センサの温度情報とセンサ用光
ファイバの温度監視部分の温度情報から、線状温度分布
情報を校正することにより、線状温度測定装置の温度変
動を直接監視することとなり温度測定精度を大幅に向上
させることができる。

［実施例］ 以下本発明を第１図の実施例に基づいて説明する。

光ファイバ線状温度分布測定装置の基本概念及び構成
は、第２図に示したものとほぼ同じであるが、次の点で
異なる。即ち、センサ用光ファイバ６の一部は、温度校
正用光ファイバ巻取部16として、測定装置20内に設けた
温度測定室10内を通っており、この巻取部16の近傍に温
度センサ11が設けてある。また、上記演算回路1bに代り
に温度校正機能付の温度分布演算回路1aが設けてあり、
この温度分布演算回路1aが温度センサ11からの温度T0の
情報に基づいて測定値を校正するようになっている。

次に、この光ファイバ線状温度分布測定装置の動作に
ついて説明する。

温度分布測定回路20のセンサ用光パルス光源４から出
た光は、光ファイバ9a,光分岐器５を通してセンサ用光
ファイバ６に導かれ、センサ用光ファイバ６中で後方散
乱を発生しながら遠端に達する。

センサ用光ファイバ６中で発生した後方散乱光が、光
信号として受信され、光分岐器5,光ファイバ9dを経て、
光分岐器７にて光ファイバ9bと9cとに二分される。二分
されて光ファイバ9bに導かれたものは、中心波長λasの
光学フィルタ8a,受光器3a及び平均化処理回路2aにより
成るアンチストークス光測定回路30aで、アンチストー
クス光のOTDR測定がなされ、関数ｆas（ｔ）が求められ
る。即ち、ラマン散乱光の二成分のうち、波長λasのの
アンチストークス光の後方散乱光が、センサ用パルス光
源４のパルス光入射時刻をｔ＝０とした時間の関数ｆas
（ｔ）として測定される。この場合、平均化処理回路2
a,2bは、ぞれぞれ受光器の電気的出力信号を一定の時間
間隔でサンプリングし平均化処理し、アンチストークス
光強度の時間関数ｆas（ｔ）を求める。なお、平均化処
理を行うのは、入力情報を含まれたノイズを除去するた
めのもので、温度測定精度が向上する。

一方、光ファイバ9cに導かれたものは、中心波長λｓ
の光学フィルタ8b,受光器3b及び平均化処理回路2bより
成るストークス光測定回路30bで、ストークス光のOTDR
測定がなされ、関数fs（ｔ）が求められる。即ち、ラマ
ン散乱光の二成分のうち、波長λｓのストークス光が、
パルス光入射時刻をｔ＝０とした時間の関数fs（ｔ）と
して測定される。

得られた時間関数ｆas（ｔ）及びfs（ｔ）の情報は、
温度校正機能付温度分布演算回路1aに入力されて、ｆas
（ｔ）/fs（ｔ）の演算が行われ、センサ用光ファイバ
６に沿った線状温度分布が求められる。

一方、温度校正機能付温度分布演算回路1aには、別に
設けた温度センサ11で計測される温度情報、即ちセンサ
用光ファイバ６の一部16におけるファイバ温度Toが、直
接常時入力されている。

温度校正機能付温度分布演算回路1aは、平均化処理回
路2a,2bで得られた関数より両者の比ｆas（ｔ）/fs
（ｔ）を求めた後、このセンサ用光ファイバ６の一部16
におけるファイバ温度Toの温度情報と、このセンサ用光
ファイバ６の一部16の点からのセンサ用光ファイバ６を
通して得られた後方散乱光による時間関数の情報ｆas
（to）/fs（to）とから、次式のようにして、校正され
た温度情報を得る。

｛ｆas（ｔ）/fs（ｔ）｝×｛fs（to）/fas（to）・To
…（１） また、光ファイバ６の内の距離ｌから戻ってくる後方
散乱光が光ファイバ端（光パルス入射端）に到達する時
間が光ファイバ中の光速をCoとすると、パルス光入射時
刻から２/Coであることを利用して、距離に対する温
度分布の計算を行い、光ファイバ６に沿った線状の温度
分布を得る。

上記（１）において、ファイバ温度Toは測定装置の温
度と等価であり、｛fs（to）/fas（to）｝×Toは、この
変動する可能性のある測定装置の温度Toを、後方散乱光
により計測される温度の時間関数ｆas（to）/fs（to）
で除し、変動計数としたものに他ならない。従って、上
記（１）式によれば、元記号ｆas（ｔ）/fs（ｔ）の、
受光器3a,3bの温度変化等による変動を補償することが
可能となり、これにより高精度な温度分布計測を行うこ
とができる。

上記実施例では、後方散乱光として、ラマン散乱光を
主体に説明したが、レーリ散乱光を用いても、或いはこ
れらの組み合わせを用いても、本発明の原理はそのまま
適用できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、センサ用光ファイバのうち一部の温
度を他のセンサで監視し、この監視温度情報で元温度分
布情報を校正するのみで、簡易かつ高精度の線状温度分
布計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の線状温度分布測定装置の構成例を示す
図、第２図は従来の温度分布測定装置の例を示す図であ
る。 図中、1aは温度校正機能付温度分布演算回路、2a,2bは
平均化処理回路、3a,3b,3cは受光器、４はセンサ用パル
ス光源、5,7は光分岐器、６はセンサ用光ファイバ、8a,
8bは光学フィルタ、11は温度センサ、16は温度校正用光
ファイバ巻取部を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】線状温度測定装置内の光源からセンサ用光
   ファイバに光パルスを入射させ、ファイバで発生する後
   方散乱光で形成される反射光を二分して、光学フィル
   タ、受光器及び平均化処理回路からなる二つの測定回路
   に導き、これら二つの測定回路の出力を温度分布演算回
   路に入力することにより、前記反射光の強度から光ファ
   イバの温度を求めると共に、光パルスの入射光時刻と反
   射光が測定装置へ到達する時刻の差から後方散乱光の発
   生位置を求めるように構成された光ファイバの温度分布
   を計測する光ファイバ線状温度分布測定装置において、
   前記センサ用光ファイバの一部を温度監視部分として線
   状温度制測定置内に通すと共に、このセンサ用光ファイ
   バの温度監視部分の温度を計測する別個の温度センサを
   設け、温度センサにより測定された温度情報を温度分布
   演算回路に直接入力して、センサ用光ファイバにより測
   定された温度監視部分の温度と比較校正することによ
   り、線状温度測定装置によるセンサ用光ファイバ全長に
   亘る温度分布情報を校正するよう構成されたことを特徴
   とする光ファイバ線状温度分布測定装置。