JPH109974A - 温度分布測定方法および温度分布測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ファイバに沿った線状の温度分布を測定す
るとともに、光ファイバ上の任意の点において電子回路
や電源を必要としないで較正用の温度を検出できる温度
分布測定方法を提供する。 【解決手段】 温度分布測定部１は、光分岐器４を介し
て被測定光ファイバ２に接続され、被測定光ファイバ２
の遠端に、光ファイバグレーティング３の一端が接続さ
れる。広帯域光源５と光スペクトル測定部６とは、光分
岐器７、接続用光ファイバ８を介して被測定光ファイバ
２に接続される。光スペクトル測定部６の出力は、較正
温度測定部９を経て温度分布測定部１に入力されて温度
分布を較正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバに沿っ
た線状の温度分布を測定する温度分布測定方法および温
度分布測定システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバに沿った線状の温度分布を測
定する温度分布測定方法としては、特開平１−１２６５
２２号公報などに記載されているように、ラマン散乱光
の温度依存性と、後方散乱光を観察して光ファイバの破
断点検知を行なうＯＴＤＲ（Ｏｐｉｔｉｃａｌ Ｔｉｍ
ｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ）の原理
を利用したものがある。

【０００３】ラマン散乱光は、シングルモード光ファイ
バに、強い光を入射させたときに発生するもので、パル
ス光の往復時間に対しラマン後方散乱光中のストークス
光および反ストークス光の比を計算することにより温度
分布を得るものである。その際、被測定光ファイバの遠
端に副装置を設置し、この部分の温度をデジタル信号と
して温度分布測定部に送り、温度分布測定値を較正する
ものである。

【０００４】図６は、上述した従来の温度分布測定方法
を説明する温度分布測定システムの概要図である。図
中、２は被測定光ファイバ、２１は温度分布測定部、２
２はパルス光源、２３，２４は光分岐器、２５ａはアン
チストークス光測定系、２５ｂはストークス光測定系、
２６ａ，２６ｂは光学フィルタ、２７ａ，２７ｂは光電
気変換器、２８ａ，２８ｂは平均化演算処理部、２９は
較正演算部、３０は副装置、３１は光ファイバ巻き取り
部、３２は温度センサ、３３は温度測定回路、３４はデ
ィジタル信号伝送回路である。

【０００５】温度分布測定部２１内のパルス光源２２か
ら出たパルス光は、光分岐器２３を通って被測定光ファ
イバ２に入射する。パルス光が被測定光ファイバ２を伝
搬中に発生する後方散乱光は、光分岐器２３を通り、光
分岐器２４によって２分され、アンチストークス光測定
系２５ａ，ストークス光測定系２５ｂに導かれる。アン
チストークス光測定系２５ａにおいては、光学フィルタ
２６ａによりアンチストークス光の波長成分の光を分離
抽出して光電気変換器２７ａにより電気信号に変換さ
れ、ディジタル化されて、平均化演算処理回路２８ａに
おいて平均化を行なった上で較正演算部２９に出力され
る。一方、ストークス光も同様に、ストークス光測定系
２５ｂにおいて、光学フィルタ２６ｂ、光電気変換器２
７ｂを経て電気信号に変換され、ディジタル化されて、
平均化演算処理部２８ｂにおいて平均化を行なった上で
較正演算部２９に出力される。

【０００６】較正演算部２９においては、後方散乱光の
うち、アンチストークス光の光電変換出力をストークス
光の光電変換出力で除算した値であって、パルス光入射
時刻をｔ＝０とする時間的に変化する値から、被測定光
ファイバ２に沿った線状の温度分布を測定する。その
際、遠端になるにつれて後方散乱光の受信信号強度が低
下することなどにより測定誤差が生じる。そこで、後述
する副装置３０により、遠端の正確な温度を測定して、
上述した温度分布測定の演算結果を較正する。

【０００７】副装置３０においては、光ファイバ巻き取
り部３１の温度を温度センサ３２で検出し、温度測定回
路３３において温度を測定し測定値をディジタル化して
ディジタル信号伝送回路３４に出力し、測定値を光信号
として所定のタイミングで被測定光ファイバ２を逆方向
に温度分布測定部２１に伝送する。温度分布測定部２１
においては、光分岐器２３，２４、アンチストークス光
測定系２５ａ、ストークス光測定系２５ｂを通って較正
演算回路２９に入力される。

【０００８】しかし、副装置３０側では温度情報を得て
デジタル光信号とする電子回路を必要とするために電源
を必要とする。回路規模が比較的大きくなるため、副装
置の小型化に限界があり、大きな設置スペースを必要と
する。受信した光パルスに合わせてディジタル信号を送
信するために送出タイミング等の調整作業を必要とする
といった問題がある。

【０００９】一方、被測定点の場所の温度変化などを検
出する方法においては、被測定点に電子回路を必要とし
ないものが知られている。例えば、米国特許第５，３６
１，１３０号明細書等に記載されているように、広帯域
光源が接続された光ファイバの１または複数の被測定点
に光ファイバグレーティングを用いたセンサを設置し、
光ファイバグレーティングの反射波長の変化から被測定
点での温度変化、圧力変化などを検出するものが知られ
ている。

【００１０】光ファイバグレーティングの反射波長の変
化は、次式で与えられ、反射光の波長の変化を測定する
ことにより、１℃以下の精度で温度変化を測定すること
ができる。λを反射波長、Ｔを温度としたとき、 Δλ／λ＝（１／λ）・（ｄλ／λＴ）・ΔＴ となる。括弧の中の定数は、９×１０^-6程度であるか
ら、反射波長が１．３μｍの場合、１℃当たり約０．０
１ｎｍ変化する。しかし、この技術では、光ファイバに
沿った線状の温度分布を測定することができない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、光ファイバに沿った線状の
温度分布を測定するとともに、光ファイバ上の任意の被
測定点において、電子回路や電源を必要とせず大きな設
置スペースを必要としないで較正用の温度を測定する温
度分布測定方法および温度分布測定システムを提供する
ことを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１に記
載の発明においては、光ファイバのラマン散乱光を利用
した線状の温度分布を測定する温度分布測定方法におい
て、測定用光ファイバの少なくとも一箇所に光ファイバ
グレーティング部を設け、該光ファイバグレーティング
部からの反射光を検出し、前記反射光の波長から前記光
ファイバグレーティング部の設置箇所の温度を測定し、
前記ラマン散乱光を利用した温度分布の較正をすること
を特徴とするものである。

【００１３】請求項２に記載の発明においては、光ファ
イバのラマン散乱光を利用した線状の温度分布を測定す
る温度分布測定システムにおいて、測定用光ファイバの
少なくとも一箇所に反射光の波長が前記ラマン散乱光の
波長と異なる光ファイバグレーティング部と、前記ラマ
ン散乱光の波長範囲とは異なる波長範囲の光を前記光フ
ァイバに入射する光源と、前記光ファイバグレーティン
グ部からの反射光の波長を測定する波長測定手段と、該
波長測定手段の出力に基づいて前記光ファイバグレーテ
ィング部の設置箇所の温度を測定する温度測定手段と、
該温度測定手段の出力に基づいて前記ラマン散乱光を利
用した温度分布の測定結果を較正する処理手段を有する
ことを特徴とするものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の温度分布測定方
法の第１の実施の形態を説明する温度分布測定システム
の概要図である。図中、図６と同様な部分には同じ符号
を用いて説明を省略する。１は温度分布測定部、３は光
ファイバグレーティング、４は光分岐器、５は広帯域光
源、６は光スペクトル測定部、７は光分岐器、８は接続
用光ファイバ、９は較正温度測定部である。ここで、光
分岐器とは、機能的に光分岐をさせるものだけでなく、
光結合をさせるもの、方向性を有して光結合をさせるも
のなどを含めた光デバイスを意味し、一具体例としては
光ファイバカプラがある。

【００１５】温度分布測定部１は、光分岐器４を介して
被測定光ファイバ２に接続される。被測定光ファイバ２
の遠端に、較正温度検出センサとしての光ファイバグレ
ーティング３の一端が接続される。光ファイバグレーテ
ィング３の他端は、反射波長の測定に悪影響が出ないよ
うに、無反射終端にすることが望ましい。広帯域光源５
と光スペクトル測定部６とは、光分岐器７を通して接続
用光ファイバ８に接続され、この接続用光ファイバ８は
光分岐器４を通して被測定光ファイバ２に接続される。
光スペクトル測定部６の出力は、較正温度測定部９を経
て温度分布測定部１に入力されて温度分布を較正する。

【００１６】温度分布測定部１は、図６に示した温度分
布測定部２１とほぼ同様であり、ラマン散乱光の温度依
存性と、ＯＴＤＲの原理を利用したもので、パルス光の
往復時間に対しラマン後方散乱光中のストークス光およ
び反ストークス光の比を計算することにより温度分布を
得るものである。ただし、図６に示した較正演算部２８
では、副装置３０で検出された温度データを受信して温
度分布を較正したのに対し、温度分布測定部１内の図示
を省略した較正演算部では、較正温度測定部９から出力
された較正用の温度を用いて温度分布を較正する。

【００１７】広帯域光源５からの光は、被測定光ファイ
バ２中を伝搬して光ファイバグレーティング３において
グレーティングの間隔に応じた特定の波長のみが反射さ
れる。この反射光は、光分岐器４、接続用光ファイバ
８、光分岐器７を通って光スペクトル測定部６に入射す
る。光ファイバグレーティング３の設置箇所における周
囲環境の温度の変化によって、光ファイバグレーティン
グ３のグレーティング間隔および屈折率が変化するため
に、光ファイバグレーティング３の反射波長は変化す
る。

【００１８】光スペクトル測定部６は、光ファイバグレ
ーティング３からの反射光を受けて反射波長を測定する
もので、上述した米国特許明細書に記載のようなマッハ
ツェンダ干渉計等の干渉計を用いることができる。較正
温度測定部９では、測定された反射波長と、光ファイバ
グレーティング３の基準温度、例えば、２０℃における
基準波長とから、基準波長からの波長変化量を演算し、
この波長変化量に対応する基準温度からの温度変化量を
得る。この温度変化量に基準温度を加算して光ファイバ
グレーティング３が設けられた地点の温度を測定するこ
とができる。温度分布測定部１内の較正演算部では、従
来技術と同様にして温度分布の測定結果を較正する。

【００１９】なお、測定された反射波長からこれに対応
する温度を直接に測定することもできる。また、光スペ
クトル測定部６において、波長の測定として、上述した
波長変化量を直接的に測定するようにして、この波長変
化量から同様に温度変化量を得て上述した光ファイバグ
レーティング３が設けられた地点の温度を測定してもよ
い。

【００２０】広帯域光源５は、光ファイバグレーティン
グ３の反射波長が変化する範囲の波長を含む光スペクト
ルを有する必要がある。また、広帯域光源５は、温度分
布の測定において障碍とならないように、ラマン散乱光
の波長範囲とは異なる波長範囲のスペクトルを有し、光
ファイバグレーティング３の反射波長は、ラマン散乱光
の波長と異なるようにする必要がある。

【００２１】例えば、温度分布測定用のパルス光源の波
長が１．５μｍ帯の場合、光ファイバグレーティング３
の反射波長および広帯域光源５の波長は１．３μｍ帯と
し、逆に、光ファイバグレーティング３の反射波長およ
び広帯域光源５の波長が１．３μｍ帯の場合は、温度分
布測定用のパルス光源の波長は１．５μｍ帯というよう
にすればよい。光分岐器４においては、温度分布測定用
のラマン散乱波長を阻止するフィルタを用いて接続用光
ファイバ８に分岐してもよいし、波長に関係なく一部の
光を接続用光ファイバ８に分岐させてもよい。

【００２２】上述した説明では、温度分布測定部１、広
帯域光源５、光スペクトル測定部６は、常時、光分岐器
４を介して接続用光ファイバ８に接続されるものとして
説明した。しかし、被測定光ファイバ２上の温度分布の
真値との差は、時間に対し、日単位、月単位といった、
緩やかに変化するものであるから、較正のための端縁の
温度測定は、常時行なう必要はなく、例えば、オフライ
ンで測定するようにしてもよい。

【００２３】つまり、光分岐器４は使用せず、温度分布
測定時には、温度分布測定部１に被測定光ファイバ２を
直接に接続する。較正用の温度情報を得る際には、広帯
域光源５および光スペクトル測定部６を、光分岐器７と
接続用光ファイバ８を介して直接に被測定光ファイバ２
に接続する。光分岐器４を用いた場合に比べてラマン後
方散乱光を減衰させることなく温度分布を測定できるの
で高い精度で測定可能となる。上述したオフラインの場
合、温度分布測定と較正用の温度測定とで接続を切り換
えているため、広帯域光源５の波長および光ファイバグ
レーティング３の反射波長とラマン散乱光の波長とが同
じであっても問題がない。

【００２４】図２は、第１の実施の形態における、温度
分布の真値と較正前の測定値との関係を説明する線図で
ある。図中、横軸は被測定光ファイバ２の線状における
温度分布測定部１からの距離、縦軸は温度である。通
常、温度分布の真値と較正前の測定値との差は、距離に
対して傾き、および、ずれとして現れる。図２に示すよ
うに、傾きだけの場合には、図１を参照して説明したよ
うに、遠端に光ファイバグレーティング３を配置し、遠
端でラマン後方散乱光の観測以外の方法で測定した温度
を用いることにより、温度分布測定部１において測定値
を較正することができる。例えば、遠端の温度を較正温
度に設定し、これに合うように温度分布の傾きを変化さ
せるような演算をすればよい。

【００２５】図３は、本発明の温度分布測定方法の第２
の実施の形態を説明する温度分布測定システムの概要図
である。図中、図１と同様な部分には同じ符号を用いて
説明を省略する。１１〜１４は被測定光ファイバ、１５
〜１７は光ファイバグレーティングであり、Ｘ印は被測
定光ファイバ同士の接続点である。この実施の形態は、
複数本の被測定光ファイバ１１〜１４を接続して１本の
被測定光ファイバとした場合を前提とするものである。

【００２６】図４は、第２の実施の形態における温度分
布の真値と較正前の測定値との関係を説明する線図であ
る。図中、横軸は被測定光ファイバ１１〜１４の線状に
おける温度分布測定部１からの距離、縦軸は温度であ
る。

【００２７】図３に示すように、複数本の被測定光ファ
イバ１１〜１４を接続したときには、図４に示すよう
に、温度分布の真値と較正前の測定値との差は、接続部
でのずれとして現れやすい。そこで、複数本の被測定光
ファイバ１２〜１４ごとに、その近端に光ファイバグレ
ーティング１５〜１７を較正用の温度センサとして配置
することにより、それぞれの温度分布測定用ファイバ１
２〜１４の部分的な温度を検出して、温度分布を較正す
ることができる。例えば、近端の温度が較正温度に等し
くなるように温度分布を縦軸方向にずらせるような演算
をすればよい。同時に、遠端に、図１と同様な光ファイ
バグレーティング３を設けておくことにより、距離に対
する温度の傾きを較正することもできる。

【００２８】図５は、第２の実施の形態における光ファ
イバグレーティングの反射波長を説明するための線図で
ある。図中、実線は、各光ファイバグレーティング３，
１５〜１７の較正時の反射波長、破線は２０℃での、い
わば公称の反射波長である。複数の光ファイバグレーテ
ィング３，１５〜１７中の１つの光ファイバグレーティ
ングにおける反射および透過が、他の光ファイバグレー
ティングにおける反射および透過に影響を与えることの
ないように、複数の光ファイバグレーティング３，１５
〜１７の反射波長帯を、あらかじめ、わずかずつ異なら
せている。

【００２９】光スペクトル測定部６においては、複数の
光ファイバグレーティング３，１５〜１７からの反射光
を各光ファイバグレーティングの反射波長帯ごとに分離
抽出して、反射波長の変化を検出する。あるいは、上述
した従来技術の米国特許明細書に記載のように、広帯域
光源５をパルス光源にすれば、複数の光ファイバグレー
ティング３，１５〜１７の設置箇所が異なることによる
反射光の到達時間差によって、複数の光ファイバグレー
ティング３，１５〜１７からの反射光の波長に対応した
電気信号を時間的に分離抽出することもできる。

【００３０】図示の例では、光ファイバグレーティング
１５〜１７は、各被測定光ファイバ１２〜１４上の近端
に配置したが、遠端でも、設置箇所さえ明確であれば中
間の所定位置に挿入してもよい。また、各被測定光ファ
イバ１１〜１４上の複数箇所、例えば、近端と遠端とに
設けてもよい。同様に、図１を参照して説明した第１の
実施の形態においても、１本の被測定光ファイバ２上の
複数箇所に多数の光ファイバグレーティングを挿入すれ
ば、較正を一層正確に行なうことができる。

【００３１】上述した説明では、光ファイバグレーティ
ングが作製された短い光ファイバを較正温度検出センサ
として、被測定光ファイバの遠端または近端に接続した
り、被測定光ファイバを中間点で切断して挿入接続し
た。このような場合、光ファイバグレーティングが作製
された短い光ファイバを含めて全体の光ファイバを被測
定光ファイバであるということができる。

【００３２】しかし、光ファイバグレーティングが作製
された短い光ファイバを接続することなく、元の被測定
光ファイバに直接、光ファイバグレーティングを作製す
ることもできる。そのためには、元の被測定光ファイバ
として、光ファイバグレーティング作製用の光ファイバ
を使用する。例えば、ゲルマニウムがドープされたコア
部を有する光ファイバを用い、例えば、この光ファイバ
に波長２４０ｎｍの紫外光の干渉縞パターンを照射する
ことによって、コア部に周期的に屈折率が変化したブラ
ッグ格子が作製される。

【００３３】このようにして、被測定光ファイバ上に光
ファイバグレーティング部が設置される。この場合に
は、較正温度検出センサとしての光ファイバグレーティ
ングを設置するために接続点を増やす必要がなく、接続
損失を避けることができる。また、接続部を設けるため
の余分なスペースが不要となり、較正用の温度センサ部
分をさらにコンパクトにでき場所をとらない。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に記載の発明によれば、測定用光ファイバの少なくと
も一箇所に光ファイバグレーティング部を設け、光ファ
イバグレーティング部からの反射光を検出し、反射光の
波長から光ファイバグレーティング部の設置箇所の温度
を測定し、ラマン散乱光を利用した温度分布の較正をす
ることから、光ファイバに沿った線状の温度分布を測定
できるとともに、光ファイバ上の任意の較正用の被測定
部において大きな設置スペースを必要としないで較正用
の温度を検出できるという効果がある。

【００３５】また、被測定部に配置する構成要素をすべ
て光学的に構成することができるので、従来のように電
気回路を用いる場合に比べ、本質的に防爆性に優れ、別
途、電池，商用電源などの電源を用意する必要もないと
いう効果がある。光ファイバグレーティングは受動的な
素子であり設置後の調整の必要がないという効果もあ
る。

【００３６】請求項２に記載の発明によれば、測定用光
ファイバの少なくとも一箇所に反射光の波長がラマン散
乱光の波長と異なる光ファイバグレーティング部と、ラ
マン散乱光の波長範囲とは異なる波長範囲の光を光ファ
イバに入射する光源と、光ファイバグレーティング部か
らの反射光の波長を測定する波長測定手段と、この波長
測定手段の出力に基づいて光ファイバグレーティング部
の設置箇所の温度を測定する温度測定手段と、この温度
測定手段の出力に基づいてラマン散乱光を利用した温度
分布の測定結果を較正する処理手段を有することから、
請求項１に記載の発明と同様な効果を奏するとともに、
ラマン散乱光を利用した温度分布の測定と較正を同時に
行なう場合でも、較正用の光源からの光の波長がラマン
散乱光を用いた温度分布の測定に障碍とならないという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度分布測定方法の第１の実施の形態
を説明する温度分布測定システムの概要図である。

【図２】第１の実施の形態における、温度分布の真値と
較正前の測定値との関係を説明する線図である。

【図３】本発明の温度分布測定方法の第２の実施の形態
を説明する温度分布測定システムの概要図である。

【図４】第２の実施の形態における温度分布の真値と較
正前の測定値との関係を説明する線図である。

【図５】第２の実施の形態における光ファイバグレーテ
ィングの反射波長を説明するための線図である。

【図６】従来の温度分布測定方法を説明する温度分布測
定システムの概要図である。

【符号の説明】

１…温度分布測定部、２，１１〜１４…被測定光ファイ
バ、３，１５〜１７…光ファイバグレーティング、５…
広帯域光源、６…光スペクトル測定部、９…較正温度測
定部、２１…温度分布測定部、２２…パルス光源、２５
ａ…アンチストークス光測定系、２５ｂ…ストークス光
測定系、３０…副装置、３２…温度センサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバのラマン散乱光を利用した線
   状の温度分布を測定する温度分布測定方法において、測
   定用光ファイバの少なくとも一箇所に光ファイバグレー
   ティング部を設け、該光ファイバグレーティング部から
   の反射光を検出し、前記反射光の波長から前記光ファイ
   バグレーティング部の設置箇所の温度を測定し、前記ラ
   マン散乱光を利用した温度分布の較正をすることを特徴
   とする温度分布測定方法。
2. 【請求項２】 光ファイバのラマン散乱光を利用した線
   状の温度分布を測定する温度分布測定システムにおい
   て、測定用光ファイバの少なくとも一箇所に反射光の波
   長が前記ラマン散乱光の波長と異なる光ファイバグレー
   ティング部と、前記ラマン散乱光の波長範囲とは異なる
   波長範囲の光を前記光ファイバに入射する光源と、前記
   光ファイバグレーティング部からの反射光の波長を測定
   する波長測定手段と、該波長測定手段の出力に基づいて
   前記光ファイバグレーティング部の設置箇所の温度を測
   定する温度測定手段と、該温度測定手段の出力に基づい
   て前記ラマン散乱光を利用した温度分布の測定結果を較
   正する処理手段を有することを特徴とする温度分布測定
   システム。