JPS59156937A - 温度分布測定用光フアイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、温度分布を測定するためのセンサとして用い
られるｔｈＡ　度分布測定用光ファイバに関する。

光ファイバを用いて温度の分布を測定する方法のひとつ
として、そのレーリー散乱損失の温度依存性を利用する
ことが考えられており、このレーリー散乱損失を利用し
たセンサとしては、主に液体物質を光フアイバ内にコア
として封入した液体コア光ファイバが研究されている。

この液体コア光ファイバの一例として、ＨＡＲＴＯＧ　
Ａ、Ｇ、とＰＡＹＮＥ　Ｄ、Ｎ、　　が発表した、ヘキ
サクロロブタジェンをコアの材料として用いたシリカク
ラツド光ファイバがある。（文献：ＨＡＲＴＯＧ　Ａ、
Ｇ、、ＰＡＹＮＥ　Ｄ、Ｎ、、”Ｒｅｍｏｔｅｍｅａｓ
ｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄ
ｉｓｔｒｉｂｕ−ｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ｏｐｔ
ｉｃａｌ　　ｆｉｂｒｅ、”Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｅｕ
ｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｏｐｔｉ
ｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、　２１〜２４．　
ｐ、２１５−２１９，８ｅｆ）ｔ。

１９８２、）Ｌ／かし、このような液体コア光ファイバ
の場合、センサとしその感度は良好であるが、高温（約
２００℃以上）ではコアを形成する液体が分解してしま
うので、高い温度の測定をする、ことができない。しか
も、その製造には特別な装置を必要とするうえ製造でき
るファイバ長も短か（、またコアを形成する液体が流出
するのを防ぐために光ファイバの両端末を密閉しなけゎ
、ばならず、その取り扱いは面倒である。

このような液体コア光ファイバに対して前記したＨＡＲ
ＴＯＧ　Ａ、Ｇ・らは同じ論文中で固体物質（組成は不
明）Ｉｃよってコアを形成した固体コア光ファイバを温
度測定用センサとして用いた比較実験例を示しており、
その中で［温Ｖ（こ対する感度が低い。」と述べている
。本発明の発明者らは、一般的な光ファイバ（コアが１
０ｍｏ　ｌ　％　Ｇｅｍ、と２　ｍｏｆ　％　Ｐ、　０
．とがドーパントとして添加された石英ガラスからなり
、クラッドが１．５ｍｏ１％ＧｅＯ。

と３ｍｏ１％Ｂ、０．とがドーパントとして添加された
石英ガラスからなる光ファイバ）（こついて、そのレー
リー散乱損失係数と温度との関係を調べたところ、第１
図に示すように、温度を室温の２０℃から連続使用可能
な耐熱温度である７００″Ｃまで変化させてもレーリー
散乱損失係数は約１０４の変化しか示さなかった。従っ
て、温度が１℃変化しても、レーサー散乱損失係数は僅
かに約１．５Ｘ　１０４　ｄＢμｍｌゾ細しか変化せず
、感度が低いのでこのような光ファイバを温度分布測定
用のセンサに用いることはできないことを確認した＠本
発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、液体コア光
ファイバでは測定することができない約２００℃以上の
高温度の範囲を良い精度で測定することができる温度分
布測定用光ファイバを提供することを目的とするもので
ある。

以下、図面を参照して、この発明を説明する。

第２図は、本発明の光ファイバの一例を示すもので、四
中符号ｌはＭＣＶＤ法（こよって作成した温度分布測定
用光ファイバである。この温度分布測定用光ファイバ１
の中心部分はコア２とされており、このコア２の外周に
はシリカ（８ｉ０．）を主成分とするクラッド３と、出
発母材管から形成さむ、た石英ジャケット層４と、これ
らを採掘するプライマリコート層５とが１ｉｔ（次被覆
されている。

上記コア２は、測定対象温度においてレーリー散乱によ
って発生する散乱光の強度が高い温度依存性を示すもの
で、各種のドーパントを添加して、徐冷温度が測定対象
温度以下となるようにＰＪ！４整されたガラス蚤こより
て形成されている。このコア２に用いられるガラスとし
ては、例えば第３肉に斜線で示したような、Ｂ、Ｏ，（
６５〜９５ｍｏ１％　）とＰｂ０（０〜３５　ｍｏ　１
％）と５ｉＯｓ　（０〜３５　ｍｏ　３％）とからなる
徐冷温度約２５０〜４５０℃のガラス、又、このガラス
にさらにｌＱｍｏ１％程度のＺｎＯを添加して徐冷温度
をさらに５０″０稈度下げたガラス、さらにＢｔ　Ｏｓ
　（１０ｍｏ１％）とＰｔＯｓ（１２ｍｏ１％）とＧｅ
ｍ、　（１０ｍｏ１％　）と８１０．とからなる徐冷温
度約３５０℃のガラスなどがあり、さらにまた以上のガ
ラスＧこ少量のＩ’Ｊ、ＯやＡＩ！、０．などを加えた
ガラスも良好な結果を得ることができる。その他に徐冷
温度が約５１０〜５５０℃の硼珪酸ガラス、徐冷温度が
約４７０〜５３０°０のソーダ石灰ガラス、徐冷温度が
約４１０〜４６０℃の鉛ガラスなどをコア２の材料ガラ
スとするこ々もできる。

ここで、レーリー散乱と徐冷温度と温度測定の関係につ
いて説明する。

レーリー散乱は、物質昏こ入射した光が物質中に存在す
る非常に微細な密度のゆらぎや組成のゆらぎによって光
が散乱されることであり、このレーリー散乱によって発
生する散乱光の強さは、密度や組成が時間的、空間的に
揺ぐ卯度に比例する。

この密度や組成が揺ぐ頻度は物質の温度に対応するので
、散乱光の強さを測定すればその物体の温度を知ること
ができる。

ガラスの徐冷温度とは、ガラスの粘度が２．５×１０１
８ポアズとなる温度のことであり、この温度付近からは
、ガラスを形成する粒子が動き易くなるので、粒子の運
動の激しさは温度の上昇とともに急激に増大することと
なり、密度や組成の揺らぎは高い温度依存性を生じる。

このため、上記のようなガラスによって形成されたコア
畳こ光パルスを入射すると、その入射した光パルスによ
って生じるレーリー散乱光の強度は温度によって大きく
変化し、各部に発生したレーリー散乱光のうち、入射端
に返送される後方散乱光の強度を測定すれば光ファイバ
の叶かれている各位置の温度を知ることができる。

上記コア２を被覆するクラッド３は、フッ素（Ｆ）や酸
化ボロン（Ｂｘｉｓ）などがドーパントとして添加され
て、コア２との比屈折率差が１〜３％とされ、さらに徐
冷温度が若干下げらゎた石英ガラスＩこよって形成され
ている。ここで徐冷温度を若干下げるのは、軟化温度の
低いコア２と軟化温度の高い石英ジャケット層４との緩
衝層としての機能を持たせるためである。

石英ジャケット層４は、この湯度分布測定用光ファイバ
ｌ　ｆセンサとして使用に供する場合には、内部のコア
２、クラッド３が熱によって軟化するため、こわらを保
持、保穫するものである。ＭＣＶＤ法によってこの温度
分布測定用光ファイバ１のプリフォームを作成した場合
には、出発母材管がこの石英ジャケット層４となる。

石英ジャケット層４の外周に被覆さゎ、たプライマリコ
ート層５は、ガラスによって形成された石英ジャケット
１４４とクラッド３とコア２とからなるファイバを保譲
強化し取扱いを容易にするために施されるものである。

この温鹿分布測定用光ファイバｌは高温で使用されるの
で合成樹脂等ではこの光ファイバを保峠することがでな
いことおよび測定温度の変化に対する感度を良くするた
め、このプライマリコートｆｆ１５は金属によって形成
することが好ましい。金属−によってプライマリコート
層５を形成する方法としては、ディップ法、真空ｆＡ７
ｅｆ法、高周波スパッタ法および減圧ＣＶＤ法、さらに
これらの方法によって薄く金属膜を形成した後番こメッ
キを施す方法などもあり、用いることのできる金属や合
金は、ＡＩ！、Ｎｉ、８ｉＳＣｕ等多種類に及ぶ。

次に実施例によって、本発明をさらに詳しく説明する。

〔実施例〕

Ｍ　ＣＶ　Ｄ法を用いて、バイコールガラスヨリする出
発母材管内壁に、Ｆを２ｍｏｌチ、Ｂ１０３を３ｍｏ１
％含む石英系ガラスからなるクラッド層を堆積させた。

このクラッド層の内面に、Ｇｅｍ、　−１１０ｍ０１％
％ｐ、ｏ１１を１２ｍ０Ｉ％、Ｂ、　Ｏ，を１０ｍｏｌ
チ含む石英ガラスからなるコア層を堆積させた後コラプ
スしてプリフォームとした０このプリフォームと檗た部
分を２００　’Ｑ以下に冷えないように保温しながら次
の紡糸工程に移り、通常の方法で紡糸した後、ディップ
法によってＡ／を被覆してプライマリコート層１を形成
し、温度分布測定用光ファイバ１を作成した。

ここで、出発母材管の材料に選んだバイコールガラスは
、従来出発母材管の材料として用いている石英ガラスに
比べ軟化温度が約２００　”Ｑ低いものである。ここで
バイコールガラスを選択した理由は、コア、クラッドと
して堆積されるガラスの軟化＠度は低いので、石英ガラ
スでは軟化温度の差が大きすぎ、コラプス工程において
中空部分が均−齋こ縮小せず、出来上るプリフォームが
偏平になるなど変形する可能性が大きいためである・ま
た、ここでプリフォームを保温して２００　”０以上（
こ保っ理由は、プリフォーム内部ＧＣＧｔ大きな虫が残
留しており、プリフォームが冷えるき割れを生ずる可能
性が高いためである◇なお、このプリフォームが紡糸さ
れ光ファイバとされた後は歪−によって割ｎ、を生ずる
ことはない。

ここで得られた温度分布測定用光ファイバ１のコア２の
直径は５０μｍ、クラッド３の外径は８０μｍ石英ジ石
英ジャケット外径は２．５０μｍ１プライマリコ一ト層
の厚さは２０μｍであり、コア２を形成するガラスの徐
冷温度は３５０　”０であり、コア２とクーラッド３間
の比屈折率差は１．８チであった０ この温度分布測定用光ファイバ１のレーリー散２００ｍ
の温度分布測定用光ファイバ１のうち、１００ｍを室温
（２０１ｆこ＃き、残り１００ｍをコイル状蚤こ巻いて
内径１．５ｍのポット型加熱炉の中に入れた◎室温に置
いた方の端面がら波長０．８５μｍの光パルスを入射し
て得られる後方散乱波形を観測した。第４因は観測さゎ
、た後方散乱波形の一例である。この第４図中、室温部
分と高温部分との境（ファイバ長１００ｆＨの位ｌｔ）
に発生した後方散乱光強度のギャップの大きさΔαは、
この温度分匍測定用光ファイバ１の室温に置かわた部分
のレーリー散乱損失係数をＡ１、高温に置かれた部分の
レーリー散乱損失係数をＡ、とすれば、 Δα＝１０　”Ｒｔｏ・２Δ・ １ で示すことができる。あらかじめ、室温に！ｄかれた時
の、温度分布測定用光ファイバ１のレーリー散乱損失係
数Ａ、を測定しておけば、ΔαからＡ。

を求めることができる。

ポット型加熱炉の温度を２０℃から６００°０までの間
を変化させて、各温度において光パルス法によって得ら
れる後方散乱波形を観測して、ΔαからＡ、の温度依存
性を算出したところ第５図に示す結果を得た。この図か
ら約３５０℃以上になると、この温度分布測定用光ファ
イバ１のレーリー散乱損失係数は、１°Ｃ当り、通信用
光ファイバの約４０倍、６　Ｘ　１０−”ｄＢμｍ’／
−変化し、高イ温度依存性を持つことが確認できた０な
お、このレーリー散乱損失係数の変化は可逆的であった
。

このように、この温度分布測定用光コアイノｚ＃　１は
、コア２を高温でも分解しないガラスによって形成した
ので高温をも測定することができ、又このガラスを測定
対象温度よりも低い徐冷温度を有するものとしたので、
測定温度においては、レーリー散乱損失係数が高い温度
依存性を示すから感度の良いセンサとなる。さらに、既
存の光フアイバ製造装置を用いて製造することができる
ので、設備を共用できるとともに、長距離用のセンサも
容易に作ることができる。さらにまた、この温度分布測
定用光ファイバ１のコア２は室温においては固体である
から、これを敷設する際に、両端末部分を室温部分に設
置しておけば、コアを形成するガラスは流出することが
なく、液体コア光ファイバのよう（ζ両端を封する必要
がなく取り扱いも便利である〇 なお、以上の説明（こおいては製造方法としてＭＣＶＤ
法を示したが、この方法に限ぎらず、二重ルツボ法、ロ
ッドインチューブ法、ＶＡＩ）法外付けＣＶＤ法などを
用いても製造することができる。中でもロッドインチュ
ーブ法は、＠６図に示すように、別々のコア材６とクラ
ツド管７と石英ジャケット管８とを紡糸炉９内で加熱し
て一体化する方法なので、前記したようなコア２、クラ
ッド３、石英ジャケット層４を形成するそれぞれの材料
の間の軟化温度の差による割れを防止するためにプリフ
ォームを紡糸するまでの間保温する、という作柴が不要
となるので温度分布測定用光ファイバの製造方法として
適している。また、実施例では石英ジャケット層４を設
けた温度分布測定用光ファイバ１（こついて示したが、
石英ジャケット層４の持つ耐熱性をクラッド３に付与し
ておけば、石英ジャケット層４は特別設ける必要はない
。

さらに実施例においては、コラプス時の変形を防止する
方法として、出発母材管をバイコールガラス製とする方
法を示したが、コラプス時、中空部分の減圧を行ない変
形を防止する方法もあり、この方法によれば通常用いて
いる石英ガラスを用いることもできる。

以上説明したように、本発明の温度分布測定用光ファイ
バは、コアを形成する材料にドーパントを加えて測定対
象温度以下の徐冷温度とされたガラスを用いたので、高
０Ａ蚤こおいても使用することができ、かつ良い精度を
有するセンサおなる。

【図面の簡単な説明】

第１因は通信用光ファイバのレーリー散乱損失係数と温
度との関係を示すグラフ、第２図は本発明の温度分布測
定用光ファイバの一実施例の断面図、第３図は、本発明
の温度分布測定用光ファイバのコアに用いられるガラス
の組成の一例を示すもので、８ｉｏ、−Ｂ、０．−Ｐｂ
Ｏの三成分系の状態図、第４図および第５図は本発明の
温度分布測定用光ファイバの一実施例について測定した
内容を示すもので、第４図は光パルス法（こよりて観測
さ１１、た後方散乱波形、！３ｇ５１ｇ１はレーリー散
乱損失係数と温度との関係を示すグラフ、第６図はロッ
ドインチューブ法の説明画である。 １・・・・・・温度分布測定用光ファイバ、２・・・・
・・コア、３・・・・・・クラッド、４・・・・・・石
英ジャケット層。 出願人藤倉電線株式会社 第４図 Ｏｔｏｏ　　　　　　　　　　　２００免フ１イ／ぐ＆
ｒｍ） ？Ｌ７Ｌ　（”Ｃ） 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　コア、クラッド型のガラス系温度分布測定用光
   ファイバにおいて、コアを形成するガラスに酸化ゲルマ
   ニウム（ＧｅＯ，）、五酸化リン（Ｐｌｕｇ）、酸化ボ
   ロン（Ｂｔ’ｓ）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化亜鉛（Ｚｎ
   Ｏ）などのドーパントを添加してその徐冷温度が所望の
   測定温度範囲の下限以下となるようにしたことを特徴と
   する温度分布測定用光ファイバ。
2. （２）　コアを形成するガラスの徐冷温度よりも高い徐
   冷温度を持つガラスによってクラッドおよび／又は石英
   ジャケット層を形成したことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の温度分布測定用光ファイバ。