JPH09113380A - 防爆型光センシング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、異種の光センサを、１ループの光フ
ァイバと、１台の監視装置で計測することができる装置
を提供することを目的とする。 【解決手段】本発明に係る防爆型光センシング装置は、
光送受波器１ａ、１ｂを有する監視装置１と、監視装置
１に、一端を接続した光ファイバ２と、光ファイバ２の
任意の箇所に取り付けたセンサ箱１９からなり、センサ
箱１９は、所定の温度を検知した場合、又は漏油を検知
した場合に、光ファイバ２を押圧または切断する手段２
５を、内蔵することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度、漏油などの
異常検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

（１）原油タンクエリアや炭塵が充満する場所で使用す
る電気式センサには、防爆対策が必要である。これに対
して光を利用したセンサには、防爆対策が必要でないた
め、温度、漏油などの光式センサが個々に開発されてい
る。

【０００３】しかし、センサ毎に検出方式が異なり、検
出目的に合せて光ファイバと監視装置を選定する必要が
ある。 （２）温度センサとしての光式センサは、光ファイバ中
のラマン散乱光の反射強度が温度により変化することを
利用しているが、光ファイバ長の約３ｍ程度の平均温度
が検出されるため、検出感度が悪く、局部的発熱の検出
や、非接触での異常温度検出には不向きである。 （３）漏油センサとしての光式センサは、光ファイバの
漏油による漏光検出を行うため、光ファイバの外皮クラ
ッドを特殊加工する必要がある。

【０００４】しかし、ファイバ製作時に漏油センサ設置
位置を決めることは困難であるため、光コネクタを使用
して任意箇所に漏油センサを設置する方法が行なわれて
いる。

【０００５】しかし、光コネクタの接続部に於いて光損
失が発生し、かつ、光コネクタが比較的高価なことか
ら、１本の光ファイバラインに多数の漏油センサを接続
できないなどの問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

（１）従来式温度センサ装置では、局部的な温度検出が
困難である。図８は、光ファイバを利用した従来式温度
センサの検出原理を示したものである。

【０００７】図８に於いて、１は、監視装置（以下ＯＴ
ＤＲともいう）、（ＯＴＤＲ＝Ｏptical Ｔime Ｄomai
n Ｒeflectomoter）１ａは光パルス送波器、１ｂは受光
器、２は光ファイバ、２ａは光ファイバの拡大図、２ｂ
は後方散乱光、を示している。

【０００８】光ファイバ２に、光パルス送波器１ａでレ
ーザパルス光を入射すると、光ファイバ内部でラマン散
乱光２ｂが発生し、後方散乱光として再び入射端の１ｂ
に戻ってくる。この後方散乱光のストーク光（入射光よ
りも波長の長いもの）と反ストーク光（入射光よりも波
長の短いもの）の強度比と温度には、次の関係式が成立
する。

【０００９】

【数１】

【００１０】ただし、Ｖe は入射光波長、Ｖk はシフト
波長、ｈはプランク定数、ｋはボルツマン定数、ｃは光
ファイバ中の光速、Ｉa は反ストーク光強度、Ｔは絶対
温度、Ｉs はストーク光強度、を示す。

【００１１】従って、これらの後方散乱光２ｂが入射端
の受光器１ｂに戻ってくるまでの遅延時間から、後方散
乱光の発生する位置を求め、その光強度から温度を求め
ることができる。

【００１２】図９は従来方式による温度検出特性試験の
原理を示し、図１０はその結果を示したものである。図
９に於いて、１は監視装置（ＯＴＤＲ）、２は光ファイ
バ、２ｃは電気炉内部の光ファイバ、３は電気炉、を示
す。

【００１３】図９で電気炉３を１００℃の一定温度に制
御し、電気炉内部の光ファイバ２ｃの長さを３ｍ、１
ｍ、０．２ｍと変更した時の、温度検出特性を図１０に
示す。図１０のＸ軸は、電気炉内部の光ファイバ２ｃの
中央を０とし、右側をプラス、左側（ＯＴＤＲ側）をマ
イナス、として表示する。

【００１４】図１０のＹ軸は、監視装置（ＯＴＤＲ）で
計測可能な１ｍピッチ毎の検出温度を示す。これらの結
果から、約３ｍ長の光ファイバが１００℃に加熱される
と検出温度も約１００℃になるが、０．２ｍ長のものが
１００℃に加熱された場合には、約３５℃が検出温度と
なり、局部的な温度の検出が悪いことを示している。 （２）従来式温度センサ装置では、回転体などの異常温
度の検知が困難である。

【００１５】回転体などの温度検出では、光ファイバを
接触することができないため、非接触に布線せざるを得
ない。我々の試験例では、３００℃、３００φのホット
スポットの下部約２０ｍｍに布線した光ファイバの検出
温度は、周囲温度プラス約２℃しか上昇せず、周囲温度
や場所、布線方法ムラにより発生する温度のバラツキ範
囲に含まれてしまい、異常温度の検出が困難である。 （３）従来式温度センサ装置では、漏油センサを接続す
ることができない。

【００１６】図１１は漏油センサの検出原理を示したも
のであり、図１２はその検出例を示したものである。図
１１に於いて、１は監視装置（ＯＴＤＲ）、１ａは光パ
ルス送波器、１ｂは受光器、２は光ファイバ、４は光コ
ネクタ、５は漏油センサ、５ａは漏油センサ拡大図、５
ｂはコア、５ｃはクラッド、５ｄは漏光、６は油、を示
している。

【００１７】漏油センサ５は、光コネクタ４で光ファイ
バと接続されて任意箇所に設置される。図１１には、２
個の漏油センサ５を接続した例を示している。

【００１８】監視装置（ＯＴＤＲ）１の光パルス送波器
から照射されたレーザ光パルスは、光コネクタ４を介し
て漏油センサ５に伝達され、コア５ｂとクラッド５ｃの
間を反射しながら他方へ伝達されると同時に、光減衰に
比例したフレネル反射光が受光器１ｂに戻る。

【００１９】受光器１ｂのフレネル反射光の強度と反射
時間により、漏油センサの状態を検出する。漏油センサ
５のクラッドに油６が付着すると、コア５ｂとクラッド
５ｃ間の反射光が漏光５ｄするため、前記フレネル反射
光の強度が大きく変化する。そのため漏油を検出するこ
とができる。

【００２０】図８はその計測の１例を示したもので、Ｘ
軸に光ファイバ長、Ｙ軸にフレネル反射光の強度を示し
ている。正常時には、ファイバ長と光コネクタ部分で、
フレネル反射光の強度は一定の低下をするが、漏油が発
生し、前記漏光５ｄが起きると、黒線で示すように大幅
なフレネル反射光の強度の低下が起こるため、漏油を検
出することができる。

【００２１】しかし、漏油センサ設置毎に光コネクタが
必要で、その光コネクタによる光の減衰低下のため、多
数の漏油センサを接続することができず問題になってい
る。本発明は、これらの問題を解決することができる装
置を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】

［第１の手段］本発明に係る防爆型光センシング装置
は、（Ａ）光送受波器を有する監視装置と、（Ｂ）前記
監視装置に、一端を接続した光ファイバと、（Ｃ）前記
光ファイバの任意の箇所に取り付けたセンサ箱からな
り、（Ｄ）前記センサ箱は、所定の温度を検知した場
合、又は漏油を検知した場合に、前記光ファイバを押圧
または切断する手段を、内蔵することを特徴とする。 ［第２の手段］本発明に係る防爆型光センシング装置
は、第１の手段に於いて、光ファイバを押圧または切断
する手段は、（Ａ）上方にスリットを設けたセンサ箱
と、（Ｂ）前記センサ箱に内蔵されたバネの力で前記ス
リットから飛出すことにより光ファイバを押圧する押圧
手段と、（Ｃ）前記押圧手段が光ファイバを圧迫するこ
とを阻止する溶融材からなり、（Ｄ）前記溶融材は、所
定の温度または漏油により溶解することを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１〜図７
に示す。図１は本発明によるセンシング装置の原理を示
し、図２は図１の装置による検出例を示す。

【００２４】図３は本発明に係る装置の斜視図である。
図４は運炭ベルトの構造を示す図であり、図５は運炭ベ
ルトの断面と、センサの取付位置を示す図である。

【００２５】図６は本発明装置における温度センサのロ
ーラへの取付部分の詳細を示す図であり、図７は本発明
に係る光ファイバ型センサの原理を示す図である。

【００２６】図１に示すように、監視装置（ＯＴＤＲ）
１からの光ファイバ２には、多数の温度センサ３０と、
多数の漏油センサ４０を接続することができる。正常時
においては、光ファイバには何ら押圧はかからないの
で、原則的には８ｋｍ〜３０ｋｍ程度の任意のピッチに
前記センサを取付け、１台の監視装置（ＯＴＤＲ）１で
監視可能である。

【００２７】図２は、Ｘ軸に光ファイバ長、Ｙ軸にフレ
ネル反射光、を示した計測例である。正常時には、光フ
ァイバ長に対して一定の割合でフレネル反射光の強度が
減衰するが、いずれかのセンサで異常が検出されると、
そのセンサに該当するＸ軸のフレネル反射光が大きく変
化する。そのため、異常を検出することができる。

【００２８】図３に於いて、１９はセンサ箱で、センサ
取付台２４に取付けられている。センサ箱１９の上方に
は、スリット１８が設けられている。センサ箱１９の内
には、上方が尖った押圧金具２１が入れられている。

【００２９】押圧金具２１は、下方からバネ２０で押圧
される様になっている。押圧金具２１の上面と、センサ
箱１９の上部のストッパ部材１７との間には、溶融材２
２が挿入されている。

【００３０】光ファイバ２は、センサ取付台２４から突
出した光ファイバ支持金具２３に支えられ、上記スリッ
ト１８上を横断している。図３の溶融材２２としては、
次のものを使用する。

【００３１】温度センサの場合は、溶融材２２として金
属３１を使用し、漏油センサの場合は、溶融材２２とし
て金属石けん４１を使用する。以下に、温度センサの場
合の作動を説明する。

【００３２】通常の温度時には、溶融材２２と押圧金具
２１により、バネ２０を下に押し下げているので光ファ
イバ２には何ら変形がない。しかし、異常温度になる
と、溶融材が溶けるため、バネ２０が上部に動き、押圧
金具２１の上部がスリット１８からとび出し、光ファイ
バ２を変形または切断する。

【００３３】光ファイバ２は、微少曲面で曲げたり、切
断すると、光の透過率が大幅に低下し、ラマン散乱光又
はフレネル反射光が大きく変化する。次ぎに、漏油セン
サの場合の作動を説明する。

【００３４】漏油検出時には、溶融材を金属石けんに変
更するだけでよい。検出原理は、温度センサの場合とま
ったく同じであるので説明を省略する。２４はセンサ取
付台で、図３に示す例に於いてはローラ支持支柱１１に
取付けることになる。

【００３５】光ファイバ２は光ファイバ支持金具でロー
ラ下部に布線される。図４は石炭の運炭ベルトの構成図
を示したものである。図４に於いて、７は電動モータ、
８はローラ、９は運炭ベルトである。

【００３６】石炭火力等では貯炭場からミル（石炭粉砕
機）までは数ｋｍあり、数１０台の運炭ベルトにより、
石炭搬送が行われている。このような運炭ベルトで、過
去に火災が発生したことが数例発生しているが、運炭ベ
ルトが停止中に、大多数の火災が発生したこと以外明確
なことが解っていない。

【００３７】これらの火災を早期に検出するには、運炭
ベルト各部の温度を計測することが必要であり、ベルト
停止中かつ粉塵環境中での温度計測をするには光ファイ
バ方式の採用が一般的であった。

【００３８】図５は運炭ベルトの断面とセンサの取付位
置を示したものである。通常、運炭ベルトの上部には石
炭１０が搭載されるため、光ファイバ２はベルトの下部
に布線される。

【００３９】しかし、この場合、運炭ベルトが回転する
ため、光ファイバは運炭ベルトに非接触で布線する必要
がある。そのため、前記のごとく温度検出感度が悪くな
る。一方、我々の試験では、運炭ベルトの発火点は約３
５０℃程度であった。

【００４０】又、運炭ベルトは断熱材であることから、
火災の早期検出は極力低い異常温度でかつ微小ホットス
ポットでの検出が望まれる。従って、図６に示すよう
に、光ファイバを布線する場合に必要となる取付金具を
兼用した温度センサ２を、ローラ支持台１２のセンサ取
付台２４に密着した。

【００４１】本発明装置の温度センサ３０には、溶融材
２２としてＢｉ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｃｄの合金で、かつ混合
比を変えることにより約４７℃〜約１８３℃の範囲に任
意に融点を決めることができる一般的に周知された金属
を使用する。

【００４２】そして、図３および図７に示すように、溶
融材２２を、スリット１８を有するセンサ箱１９のスト
ッパ部材１７と押圧金具２１の間に挿入する。センサ箱
１９のスリット１８上には、光ファイバ２を通す。

【００４３】そのため、前記金属が融点に達すると、バ
ネで支持された押圧金具２１が光ファイバを押圧又は切
断する手段２５となり、異常温度を検出することができ
る。前記センサ３０は、ローラ支持台１２に密着し、か
つ金属であるので熱伝導も良い。そのため非常に高い感
度で、局部の異常温度を検出することができる。

【００４４】又図による説明は省略するが、前記石炭火
力には石炭着火用に軽油ポンプ等が使用されているが、
そのポンプの漏油を検出するためには、前記溶融金属の
かわりに、溶融材２２として、軽油で溶融する金属石け
んを使用することにより、同じ原理で、漏油センサ４０
として使用することができる。

【００４５】又これらは、通常時には、光ファイバに支
持しているだけで、光ファイバの距離による光減衰だけ
であるため、原理的には、数１０００点に及ぶセンサの
取付も可能である。

【００４６】次に、従来の光ファイバ型センサと、本発
明の光ファイバ型センサの取り付け可能なセンサ数に違
いが起こる理由について述べる。光ファイバに取り付け
可能なセンサの数は、上位監視装置のダイナミックレン
ジと、センサ取付部分でのロスから決まる。

【００４７】通常、上位監視装置のダイナミックレンジ
は８０ｄＢ位であり、光コネクタは０．５ｄＢほどのロ
スがあるので、光コネクタを使用するセンサは多くとも
１６０個しか取り付けられない。

【００４８】これに対し、本発明のセンサは、光ファイ
バの適当な箇所に被せておくだけで良く、光ファイバの
間に挿入したりしないので、コネクタ等の必要がない。
即ち、通常時にはロスが無いので、光ファイバにいくら
でも取付けることができる。

【００４９】従って、本発明のセンサを上位監視装置が
検知できる最少の間隔（約１ｍ）で数ｋｍの光ファイバ
に取付けたとするとセンサの数は数千個になる。次に、
本発明の光ファイバ自体が温度や漏油の影響を受けない
ようにするための対策について述べる。

【００５０】本発明で述べているセンサ３０が未作動時
の伝搬減衰光量は、光ファイバ自体の温度による減衰に
比べて非常に小さい為、光ファイバ自体の影響はほとん
どない。

【００５１】また、本発明で使用している光ファイバ
は、光ファイバの周囲にビニール被覆などを施したもの
を指しているので、光ファイバ自体が漏油の影響を受け
ることはない。

【００５２】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。 （１）本発明装置により、異種の光センサを、１ループ
の光ファイバと、１台の監視装置で計測することができ
る。 （２）そのため、高感度で、かつ経済的な防爆型光セン
シング装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るセンシング装置の原
理を示す図。

【図２】本発明装置による検出例を示す図。

【図３】本発明装置の斜視図。

【図４】運炭ベルトの構造を示す図。

【図５】運炭ベルトの断面とセンサの取付位置を示す
図。

【図６】本発明装置における温度センサのローラへの取
付部分の詳細図。

【図７】本発明に係る光ファイバ型センサの原理を示す
図。

【図８】従来の監視装置を利用した温度センサの検出原
理を示す図。

【図９】従来方式による温度特性試験の原理を示す図。

【図１０】図９の方式による検出例を示す図。

【図１１】図９の従来方式による漏油特性試験の原理を
示す図。

【図１２】図１１の方式による検出例を示す図。

【符号の説明】

１…監視装置（ＯＴＤＲ）、 １ａ…光パルス送波器、 １ｂ…受光器、 ２…光ファイバ、 ２ａ…光ファイバの拡大図、 ２ｂ…後方散乱光、 ２ｃ…電気炉内部の光ファイバ、 ３…電気炉、 ４…光コネクタ、 ５…漏油センサ、 ５ａ…漏油センサの拡大図、 ５ｂ…コア、 ５ｃ…クラッド、 ５ｄ…漏光、 ６…油、 ７…電動モータ、 ８…ローラ、 ９…運炭ベルト、 １０…石炭、 １１…ローラ支持支柱、 １２…ローラ支持台、 １７…ストッパ部材、 １８…スリット、 １９…センサ箱、 ２０…バネ、 ２１…押圧金具、 ２２…溶融材、 ２３…光ファイバの支持金具、 ２４…センサ取付台、 ２５…押圧または切断する手段、 ３０…温度センサ、 ４０…漏油センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｍ 11/00 Ｇ０１Ｍ 11/00 Ｕ Ｇ０１Ｎ 21/59 Ｇ０１Ｎ 21/59 Ｚ Ｇ０８Ｂ 29/04 Ｇ０８Ｂ 29/04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（Ａ）光送受波器（１ａ、１ｂ）を有する
   監視装置（１）と、（Ｂ）前記監視装置（１）に、一端
   を接続した光ファイバ（２）と、（Ｃ）前記光ファイバ
   （２）の任意の箇所に取り付けたセンサ箱（１９）から
   なり、（Ｄ）前記センサ箱（１９）は、所定の温度を検
   知した場合、又は漏油を検知した場合に、前記光ファイ
   バ（２）を押圧または切断する手段（２５）を内蔵する
   ことを特徴とする防爆型光センシング装置。
2. 【請求項２】 光ファイバ（２）を押圧または切断する
   手段（２５）は、（Ａ）上方にスリット（１８）を設け
   たセンサ箱（１９）と、（Ｂ）前記センサ箱（１９）に
   内蔵されたバネ（２０）の力で前記スリット（１８）か
   ら飛出すことにより光ファイバ（２）を押圧する押圧手
   段（２１）と、（Ｃ）前記押圧手段（２１）が光ファイ
   バ（２）を圧迫することを阻止する溶融材（２２）から
   なり、（Ｄ）前記溶融材（２２）は、所定の温度または
   漏油により溶解することを特徴とする請求項１記載の防
   爆型光センシング装置。