JPH09203669A - 防爆型光センシング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】所要のＳ／Ｎが得られ、且つ位置分解能を向上
し得る安価で長寿命な防爆型光センシング装置を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】幅の広い光パルスと幅の狭い光パルスとを
送波する送波部３と、光パルス７を異常検知領域まで導
く光ファイバ５と、光ファイバ５の経路に沿って設置さ
れ、異常を検出して作動する複数のセンサ６と、これら
複数のセンサ６の作動により当該センサの設置位置にお
いて光ファイバ５の光伝送機能を断つ手段と、光ファイ
バ５を介して戻ってくる光パルス８を受波するラマン散
乱受光器１１およびレーリー散乱受光器１２を含む受波
部４と、受波部４で受波された光パルス７に基づき信号
処理を行う手段とを具備し、幅の広い光パルスに基づき
温度計測を行い、幅の狭いパルスに基づき前記作動した
センサの位置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定値を超える温
度上昇又は漏油の発生等の異常を検出するための防爆型
光センシング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来から知られているこの種の
防爆型光センシング装置の構成を示すブロック図であ
る。図３に示すように、光・送受波器１０１に対して一
端が接続されている光ファイバ５の経路上には、複数の
光センサ６が配置されている。これらの光センサ６は、
所定値を超える温度上昇、漏油の発生等の異常を検出す
ると作動し応動装置（不図示）をオンさせる。この応動
装置は、光センサ６の作動により、当該センサの設置位
置において光ファイバ５の光伝送機能を断つものであ
る。光・送受波器１０１は、信号処理装置１０２、送波
部１０３、受波部１０４から構成されている。

【０００３】信号処理装置１０２から指示を受けると、
送波部１０３は光ファイバ５に光パルス７を発信（送
波）する。送波部１０３から発信された光パルス７は、
光ファイバ５の中を伝搬し、その一部は後方散乱光８と
して受波部１０４に戻る。受波部１０４を構成している
ラマン散乱受光器１０９は、受光した後方散乱光８の中
からラマン散乱光の強度信号１１１を取り出し、これを
信号処理装置１０２に出力する。

【０００４】信号処理装置１０２は、入力したラマン散
乱光の強度信号１１１に含まれるストークス光とアンチ
ストークス光との強度比から求めた温度と、光パルス７
が送波部１０３から発信されたのち、後方散乱光８とし
て受波部１０４に戻ってくるまでの遅延時間との組合わ
せにより、光ファイバ５上の温度分布の計測を行う。ま
た、ラマン散乱光の信号強度１１１のストークス光およ
びアンチストークス光の減衰量に基づいて、光センサ６
が作動したか否かを判断する。

【０００５】図４は、信号処理装置１０２で得られる遅
延時間１８に対するストークス光１７およびアンチスト
ークス光１６の強度１４との関係を示すグラフである。
光ファイバ５上の光センサ６が作動していない通常時に
おいては、ストークス光１７およびアンチストークス光
１６の強度１４は、温度一定の条件の下で、図４に示さ
れる点線ａの如く距離と共に減衰し、光ファイバ５の終
端１９にて後方散乱光８は“０”となる。一方、光セン
サ６が作動した場合、該光センサ６に応動する応動装置
により、光ファイバ５はセンサ作動位置２０において、
押圧、屈曲、切断等される。これにより、センサ作動位
置２０より先の光ファイバ５からは後方散乱光８が戻ら
なくなり、ストークス光１７およびアンチストークス光
１６の強度１４は、図４に示される実線ｂの如くにな
る。したがって、ラマン散乱光の信号強度１１１のおけ
るストークス光１７およびアンチストークス光１６の減
衰量に基づいて、光センサ６が作動したか否かを判断で
きる。なお、このときのセンサの作動位置２０は、遅延
時間１８の値から知ることができる。

【０００６】ところで、光センサ６の作動位置２０を求
める場合の位置分解能は、上記作動位置を後方散乱光８
の遅延時間１８から求めているため、光パルス７のパル
ス幅に依存する。例えば、パルス幅を１μｓｅｃとすれ
ば、位置（距離）分解能は１００ｍ程度であるが、パル
ス幅をこれより小さく１０ｎｓｅｃとすれば、分解能は
１ｍとなる。すなわち、光パルス７のパルス幅を広くす
れば位置分解能は悪化し、狭くすれば向上する。

【０００７】ここで、受波部１０４が受波した信号のＳ
／Ｎについて着目すると、Ｓ／Ｎは後方散乱光８の強度
およびパルス幅に依存する。したがって位置分解能を高
めるべくパルス幅を狭くすると充分なＳ／Ｎを得ること
が困難となる。特に、後方散乱光８から得られるラマン
散乱光の強度信号１１１は微弱であるため、所要のＳ／
Ｎを得るためには光パルス７のパルス幅を大きくせざる
を得ないという問題があった。

【０００８】なお、後方散乱光８の強度を大とすれば、
所要のＳ／Ｎが得られると共に位置分解能を向上し得る
が、そのためには送波部１０３に、強力な光パルスを出
力できる発光素子（レーザ等）を設けることが必要とな
る。しかしながら、このような発光素子等は、非常に高
価である上、寿命が短いものしかないので実用的でな
い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
防爆型光センシング装置では、位置分解能を高めようと
するとＳ／Ｎが低下し、Ｓ／Ｎを高めようとすると位置
分解能が悪化するという問題があり、かつ好ましい解決
手段が見当たらなかった。

【００１０】本発明の目的は、下記の防爆型光センシン
グ装置を提供することにある。 (a) 感度の良い温度計測および高い位置分解能での異常
箇所の検出を行える防爆型光センシング装置。 (b) 十分なＳ／Ｎで、かつ高精度に異常箇所を検出する
ことが可能な上、安価に製作でき、しかも長寿命な防爆
型光センシング装置。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、本発明は以下に示す手段を用いてい
る。本発明の防爆型光センシング装置は、幅の広い光パ
ルスと幅の狭い光パルスとを設定されたタイミングで送
波する送波部と、この送波部から送波された光パルスを
異常検知領域まで導く光ファイバと、この光ファイバの
経路に沿って設置され、所定値を超える温度上昇、漏油
の発生等の異常を検出して作動する複数のセンサと、こ
れら複数のセンサの作動により当該センサの設置位置に
おいて前記光ファイバの光伝送機能を断つ手段と、前記
光ファイバを介して戻ってくる光パルスを受波するラマ
ン散乱受光器およびレーリー散乱受光器を含む受波部
と、この受波部で受波された光パルスに基づき信号処理
を行う手段とを具備し、前記幅の広い光パルスに基づき
温度計測を行い、前記幅の狭い光パルスに基づき前記作
動したセンサの位置を検出するものとなっている。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態に係る防
爆型光センシング装置の構成を示すブロック図である。
本装置は、光・送受波器１、光ファイバ５、光センサ６
から構成されている。

【００１３】光・送受波器１は、信号処理装置２からの
指示に従って、例えば１００〜１０ｎｓｅｃの範囲で可
変な幅の広い光パルスと幅の狭い光パルスとを、設定さ
れたタイミングで送波する送波部３と、後方散乱光８を
受波するラマン散乱受光器９およびレーリー散乱受光器
１０を含む受波部４と、前記送波部３への指示を行うと
共に、受波部４で受波された後方散乱光８に基づき信号
処理を行い、異常の検知等を行う信号処理装置２とから
構成されている。

【００１４】光ファイバ５は、送波部３から送波された
光パルス７を異常検知領域まで導くものである。この光
ファイバ５の経路に沿って、所定値を超える温度上昇、
漏油の発生等の異常を検出して作動する複数の光センサ
６が配置されている。なお図示していないが、上記複数
の光センサ６の各作動にそれぞれ応動して当該センサの
設置位置において、例えば切断、折り曲げ等を行うこと
により光ファイバ５の光伝送機能を断つ手段を備えてい
る。

【００１５】光ファイバ５を介して戻ってきた後方散乱
光８は、ラマン散乱受光器９およびレーリー散乱受光器
１１に入力される。ラマン散乱受光器９に入力した後方
散乱光８は、ラマン散乱光の強度信号１１に変換され信
号処理装置２に入力する。レーリー散乱受光器１１に入
力した後方散乱光８はレーリー散乱光の強度信号１２に
変換され信号処理装置２に入力する。

【００１６】信号処理装置２では、入力したラマン散乱
光の強度信号１１およびレーリー散乱光の強度信号１２
と、各々の遅延時間との関係を求めることにより、光フ
ァイバー上の温度分布の計測、光センサ６の作動の有無
および作動位置の検出等が行われる。

【００１７】温度計測には、幅の広い光パルス７の後方
散乱光８に基づくラマン散乱光の強度信号１１が用いら
れる。このため、位置分解能はある程度低下する不利益
があるが、Ｓ／Ｎが向上し、精度良く温度を計測できる
という利点がある。例えば、パルス幅を５０ｎｓｅｃに
した場合には、位置分解能は約５ｍ程度に低下するが温
度の検出精度を１゜Ｃ以内に収めることができる。

【００１８】また、光センサ６の作動位置確認には、幅
の狭い光パルス７の後方散乱光８に基づくレーリー散乱
光の強度信号１２が用いられる。これにより、距離分解
能が向上し、精度良くセンサ作動位置を計測できる。例
えば、パルス幅を１０ｎｓｅｃにした場合には、距離分
解能は１ｍ程度に向上する。

【００１９】図２の（ａ）は、受波部４に入力される後
方散乱光８の波長１３と強度１４との関係を示すグラフ
であり、図２の（ｂ）は、後方散乱光８の遅延時間１８
と強度１４との関係を示すグラフである。図２の（ａ）
に示すように、中央部には送波部３から出力された光パ
ルス７（送信波）の波長と同じ波長の成分であるレーリ
ー散乱光１５が存在しており、その両側にラマン散乱光
１６および１７とが現れている。ラマン散乱光１６およ
び１７のうち波長の短い方がアンチストーク光１６であ
り、波長の長い方がストークス光１７である。これら周
波数成分の強度比は温度に依存しており、次式（１）の
ように表されることが一般に知られている。

【００２０】 Ｔ＝−ｈｃν／（ｋlog （Ｉas／ａＩs ）） …（１） ここでＴは絶対温度、ｈはプランク定数、ｃは真空中の
光速、ｋはボルツマン定数、Ｉasはアンチストークス光
強度、Ｉs はストークス光強度、ａは補正係数、νはラ
マンシフト量である。

【００２１】ラマン散乱光１６および１７の強度１４
は、レーリー散乱光１５の強度１４に比べて非常に小さ
く、約５００分の１程度である。図２の（ｂ）に示され
るように、これら散乱光１５〜１７は距離に応じて減衰
する。ここで、Ｓ／Ｎはパルス幅と強度との積で表され
ることから、Ｓ／Ｎを同程度にした場合、レーリー散乱
光１５で計測する場合は、ラマン散乱光１６または１７
で計測する場合に比べ、パルス幅を５００分の１にする
ことができる。この結果、位置分解能を５００分の１に
向上できる。

【００２２】したがって、上記送波部３から例えば５０
ｎｓｅｃの比較的幅の広い光パルス７と、１０ｎｓｅｃ
の幅の比較的狭い光パルス７とを、例えば０．１ｓｅｃ
毎に交互に送信し、幅の広い光パルスに基づいて温度計
測を行い、幅の狭い光パルスに基づいて距離計測を行え
ば、温度および距離をいずれも精度良く計測できる。し
たがって、本実施形態によれば、温度計測に関しては十
分なＳ／Ｎが得られ、且つ距離計測に関しては高い位置
分解能での計測が可能であり、しかも安価で長寿命な防
爆型光センシング装置が得られる。

【００２３】（実施形態のまとめ）上述した実施形態に
示された防爆型光センシング装置の構成および作用効果
をまとめると次の通りである。 ［１］実施形態に示された防爆型光センシング装置は、
幅の広い光パルスと幅の狭い光パルスとを設定されたタ
イミングで送波する送波部３と、この送波部３から送波
された光パルス７を異常検知領域まで導く光ファイバ５
と、この光ファイバ５の経路に沿って設置され、所定値
を超える温度上昇、漏油の発生等の異常を検出して作動
する複数のセンサ６と、これら複数のセンサ６の作動に
より当該センサの設置位置において光ファイバ５の光伝
送機能を断つ手段と、光ファイバ５を介して戻ってくる
光パルス（後方散乱光）８を受波するラマン散乱受光器
９およびレーリー散乱受光器１０を含む受波部４と、こ
の受波部４で受波された後方散乱光８に基づき信号処理
を行う手段（２）とを具備し、前記幅の広い光パルスに
基づき温度計測を行い、前記幅の狭いパルスに基づき前
記作動したセンサの位置を検出するものとなっている。

【００２４】上記防爆型光センシング装置においては、
温度計測は幅の広い光パルスによって行われるため、感
度の良い温度計測を行える。また、作動したセンサの位
置検出は幅の狭い光パルスで行われるため、高い位置分
解能で異常箇所を検出可能である。なお、受波部４に
は、ラマン散乱受光器９とレーリー散乱受光器１０とが
備えられているので、光パルスの幅等の計測条件に応じ
てそれらの出力を選択的に用いることが可能である。 ［２］実施形態に示された防爆型光センシング装置は、
上記［１］に記載された装置であって、作動したセンサ
の位置検出をレーリー散乱受光器１０で受光されたレー
リー散乱光を用いて行うものとなっている。

【００２５】上記防爆型光センシング装置においては、
ラマン散乱光に比べ、単位パルス当たりの強度が大とな
るためＳ／Ｎを低下させることなく位置分解能を向上で
きるという利点がある。また送信パルス強度を格別に強
める必要はないので送波部３を安価で長寿命な汎用の発
光素子で構成可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、下記の防爆型光センシ
ング装置を提供できる。 (a) 感度の良い温度計測および高い位置分解能での異常
箇所の検出を行える防爆型光センシング装置。 (b) 十分なＳ／Ｎで、かつ高精度に異常箇所を検出する
ことが可能な上、安価に製作でき、しかも長寿命な防爆
型光センシング装置。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る防爆型光センシング装
置の構成を示すブロック図。

【図２】上記実施形態に係る後方散乱光８の波長１３と
強度１４との関係、および後方散乱光８の遅延時間１８
と強度１４との関係を示すグラフ。

【図３】従来例に係る防爆型光センシング装置の構成を
示すブロック図。

【図４】上記従来例に係る信号処理装置１０２にて計測
される遅延時間１８と、ストークス光１７およびアンチ
ストークス光１６との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１…光・送受波器 ２…信号処理装置 ３…送波部 ４…受波部 ５…光ファイバ ６…光センサ ９…ラマン散乱受光器 １０…レーリー散乱受光器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 幅の広い光パルスと幅の狭い光パルスと
   を設定されたタイミングで送波する送波部と、 この送波部から送波された光パルスを異常検知領域まで
   導く光ファイバと、 この光ファイバの経路に沿って設置され、所定値を超え
   る温度上昇、漏油の発生等の異常を検出して作動する複
   数のセンサと、 これら複数のセンサの作動により当該センサの設置位置
   において前記光ファイバの光伝送機能を断つ手段と、 前記光ファイバを介して戻ってくる光パルスを受波する
   ラマン散乱受光器およびレーリー散乱受光器を含む受波
   部と、 この受波部で受波された光パルスに基づき信号処理を行
   う手段とを具備し、 前記幅の広い光パルスに基づき温度計測を行い、前記幅
   の狭い光パルスに基づき前記作動したセンサの位置を検
   出することを特徴とする防爆型光センシング装置。