JPS6054612B2 - Low temperature detection method using optical fiber - Google Patents

Low temperature detection method using optical fiber

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JPS6054612B2
JPS6054612B2 JP55189128A JP18912880A JPS6054612B2 JP S6054612 B2 JPS6054612 B2 JP S6054612B2 JP 55189128 A JP55189128 A JP 55189128A JP 18912880 A JP18912880 A JP 18912880A JP S6054612 B2 JPS6054612 B2 JP S6054612B2
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JP
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optical fiber
light
temperature
low temperature
detection method
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剛毅 西谷
清司 寺井
敬基 小島
憲二 白井
英治 菊池
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Examining Or Testing Airtightness (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は距離的に長い領域または面積的に広い領域にお
ける任意な位置あるいは区間での温度変化の発生を検知
し、その位置あるいは区間を定位し、ならびに、その区
間での温度を検知するセンサ装置に関し、特に低温領域
に対して急峻な光伝送損失の増加を示す光ファイバをセ
ンサ素子として用いる低温検知方式に係るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention detects the occurrence of a temperature change at an arbitrary position or section in a long distance or large area, localizes the position or section, and The present invention relates to a sensor device for detecting temperature, and particularly relates to a low-temperature detection method using an optical fiber as a sensor element, which exhibits a steep increase in optical transmission loss in a low-temperature region.

一般に、上記のような温度変化の発生位置あるいは発生
区間を検知定位、ならびにその発生区間の温度を検知す
る技術は種々の分野において重要なものである。例えば
、パイプラインやタンク、或いはその他の設備において
、気密異常による液体や気体の漏洩は、重大な事故につ
ながる恐れがあり、これを早期に検知する事は極めて有
意義な事である。従来より、温度変化の発生位置あるい
は発生区間、ならびに、その発生区間の温度を検知する
装置として種々の方式が実用化、或いは提案されている
が、これらの方式は、温度変化の予測される特定の温度
あるいは区間に点状に多数の温度センサを配置し、その
位置あるいは区間の温度変化を検知するポイントセンシ
ング方式であつたため、距離的に長い測定領域あるいは
面積的に広い測定領域に亘り、温度変化の発生位置ある
いは発生区間、ならびに発生区間の温度を検知しようと
する場合には、線上あるいは面上に多数のセンサを配置
する必要があり、また、安全対策のためにセンサが防爆
性能を有する必要があるなど、方式自体Jが非常に高価
となるなどの問題があつた。
Generally, techniques for detecting and localizing the position or area where a temperature change occurs, as described above, and detecting the temperature in the area where the temperature change occurs are important in various fields. For example, leakage of liquid or gas due to an airtight failure in pipelines, tanks, or other equipment can lead to serious accidents, and early detection of this is extremely significant. Conventionally, various methods have been put into practical use or proposed as devices for detecting the location or region where a temperature change occurs, as well as the temperature in that region. The point-sensing method used a point-sensing method in which a large number of temperature sensors were placed point-like in a temperature or area, and temperature changes in that position or area were detected. When trying to detect the location or area where a change occurs, as well as the temperature in the area, it is necessary to place many sensors on a line or surface, and for safety reasons, the sensors must have explosion-proof performance. However, there were problems such as the method itself being extremely expensive.

本発明の目的は、上記のような従来装置の欠点を排除し
た冒頭に記載の低温検知方式を提供することにある。こ
の目的を達成するため、本発明においては、低温度領域
に対して急峻な光伝送損失の増加を示す光ファイバを温
度の被測定区域に配設し、該光ファイバの光入射端を発
光源に接続し、該光ファイバの光入射端において入射光
に対するバツクスキヤツタ光の光量を測定し、該光量の
急峻な変化に対応する遅れ時間から温度変化発生位置を
検知することを特徴とし、更に該バツクスキヤツタ光の
光量の微分特性を求め、該微分特性から該温度変化の発
生区間又は/および温度を検知することを特徴とする。
The object of the present invention is to provide a low temperature detection method as mentioned in the opening paragraph, which eliminates the disadvantages of conventional devices as described above. In order to achieve this objective, in the present invention, an optical fiber exhibiting a sharp increase in optical transmission loss in a low temperature region is arranged in a temperature measurement area, and the light input end of the optical fiber is connected to a light emitting source. connected to the optical fiber, measures the amount of backscatter light relative to the incident light at the light input end of the optical fiber, and detects a temperature change occurrence position from a delay time corresponding to a steep change in the amount of light; The present invention is characterized in that a differential characteristic of the amount of light is determined, and from the differential characteristic, the period in which the temperature change occurs and/or the temperature are detected.

以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳
細に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings.

第1図は、本発明に使用する光ファイバの単位長当りの
光伝送損失の温度特性を示す。
FIG. 1 shows the temperature characteristics of optical transmission loss per unit length of the optical fiber used in the present invention.

光ファイバの周囲が冷却されると、その部分の微小曲げ
などにより、光が光ファイバの外部に放射され、光伝送
損失は極端な増加を示す。周囲温度と単位長当りの光伝
送損失には第1図に示す如く一定の関係があり、単位長
当りの光伝送損失を知れば、その周囲温度が確定でき、
温度センサとして使用できる。第2図に、本発明の光フ
ァイバによる低温検知方式の構造及び作用原理を示す。
When the area around the optical fiber is cooled, light is emitted to the outside of the optical fiber due to minute bends in that part, and optical transmission loss shows an extreme increase. There is a certain relationship between ambient temperature and optical transmission loss per unit length, as shown in Figure 1, and if you know the optical transmission loss per unit length, you can determine the ambient temperature.
Can be used as a temperature sensor. FIG. 2 shows the structure and operating principle of the low temperature detection system using optical fibers of the present invention.

この検知方式は、基本的にはセンサ素子である光ファイ
バ1とその一端に接続される検出部2とから構成されて
いる。検出部2は発光源3、ハーフミラー牡及ひ受光検
出器5を有している。発光源3て発生させたパルス光を
光ファイバ1へ入射されると(実線矢印で示す)、入射
光はバツクスキヤツタにより再び入射端へ戻つてきて出
射され(点線矢印で,示す)、検出器5によつて検出さ
れる。光パルスを発してから、任意の位置eからのバツ
クスキヤツタ光が入射端にもどるまでの遅れ時間tlは
、真空中での光速をC1光ファイバの屈折率をnとする
と、tl=2r11/Cで表わされ、従つ.て遅れ時間
tlを検知すれば、lが算出でき、バツクスキヤツタの
発光位置を定位することができる。
This detection method basically consists of an optical fiber 1, which is a sensor element, and a detection section 2 connected to one end of the optical fiber 1. The detection section 2 has a light emitting source 3, a half mirror, and a light receiving detector 5. When the pulsed light generated by the light emitting source 3 is input into the optical fiber 1 (indicated by the solid line arrow), the incident light returns to the input end by a back scatter and is emitted (indicated by the dotted line arrow). 5. The delay time tl from when a light pulse is emitted until the backscattered light from an arbitrary position e returns to the input end is given by tl = 2r11/C, where the speed of light in vacuum is C1 and the refractive index of the optical fiber is n. Represented and obeyed. By detecting the delay time tl, l can be calculated and the light emitting position of the back scatter can be localized.

今、遅れ時腓1から求まるバツクスキヤツタ光の発生位
置1を横軸に示し、入射光量をPinl且・つ位置1か
らのバツクスキヤツタ光の入射端での光量をP1とした
場合の値P=ー1010g(Pln/Pl)を縦軸に示
すと、Pは1の関数で第2図Bに示す如くほぼ直線傾斜
のグラフGで表わされる。
Now, the horizontal axis shows the generation position 1 of the back scatter light determined from the delay time 1, and the value P=-1010g when the amount of incident light is Pinl and the amount of light at the incident end of the back scatter light from position 1 is P1. When (Pln/Pl) is plotted on the vertical axis, P is a function of 1 and is represented by a graph G having an approximately linear slope as shown in FIG. 2B.

尚、ピークERは光ファイバ1の先端Eでの反射光の入
射端における出射光量を示す。本発明の検知方式におけ
る光ファイバ1は前述の如く低温度領域に対して急峻な
光伝送損失の増加を示す特性を有するため、光ファイバ
1の伝送路上の任意の位置あるいは区間が冷却による異
常温度変化を受けると、光入射端からみて、異常冷却発
性位置あるいは区間より遠い光ファイバの各部から入射
端に戻つてくるバツクスキヤツタ光は・大きな減衰を受
ける。
Note that the peak ER indicates the amount of light emitted from the input end of the reflected light at the tip E of the optical fiber 1. As described above, the optical fiber 1 in the detection method of the present invention has the characteristic that the optical transmission loss increases steeply in the low temperature region. When this change occurs, backscatter light returning to the input end from various parts of the optical fiber that are farther from the position or section where the abnormal cooling occurs, as viewed from the light input end, will be greatly attenuated.

即ち、第2図に示される光ファイバ1が、入射端からの
位置1xにおいて区間Xの範囲で異常に冷却さ、れたと
すると、第2図Cに示すグラフGAの如く、バツクスキ
ヤツタ光量は急峻に変化し、この時の遅れ時間1を検知
することにより、前述した方法により、入射端より異常
冷却発生区間までの任意な距離1xを検知定位すること
ができる。
That is, if the optical fiber 1 shown in FIG. 2 is abnormally cooled in the range of section By detecting the delay time 1 at this time, it is possible to detect and localize an arbitrary distance 1x from the incident end to the abnormal cooling occurrence section using the method described above.

一方、遅れ時間t1から求まるバツクスキヤツタ光の発
生位置1を横軸に示し、任意な位置1からのバツクスキ
ヤツタ光の光量Plの変化から求まる微分値DPl/d
1を縦軸に示すと、第2図Dに示す如く、ほぼ直線のグ
ラフHで表わされ、前述の如く、区間Xの範囲が異常に
冷却されたとすると、第2図Eに示されるグラフ弘の如
く変化することから、この時のDPl/d1と所定のス
レシヨルドレベルPHとの比較により異常冷却発生区間
長Xを求めることができる。
On the other hand, the horizontal axis shows the generation position 1 of the back scatter light determined from the delay time t1, and the differential value DPl/d determined from the change in the light amount Pl of the back scatter light from an arbitrary position 1.
1 on the vertical axis, it is represented by a nearly straight graph H as shown in FIG. 2D, and if the range of section Since the temperature changes as shown in FIG.

他方、第2図Bに示す如く、異常冷却発生区間長Xの両
端の各点より、入射端に戻つてくるバツクスキヤツタ光
量の差Pxは、その区間の伝送損失の増加に比例するの
で、先に述べた異常冷却発生区間長Xと、Pxから異常
温度区間ての単位長当りの光伝送損失が決定され、これ
により、第1図の単位長当りの光伝送損失の温度特性を
用いて、異常冷却発生区間の温度か確定できる。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, the difference Px in the amount of backscatter light returning to the incident end from each point at both ends of the abnormal cooling occurrence section length X is proportional to the increase in transmission loss in that section. The optical transmission loss per unit length in the abnormal temperature section is determined from the abnormal cooling occurrence section length X and Px, and using the temperature characteristics of the optical transmission loss per unit length in Fig. 1, It is possible to determine the temperature in the area where cooling occurs.

尚、異常冷却区間長Xの決定に際しては、光ファイバ1
の両端から光を入射することにより、前述した方法を用
いて各入射端から異常冷却発生区間迄の距離1x及びI
x″を検知定位して、既知の光ファイバ長1を基に異常
冷却発生区間長XをX=1−1x−1x″より求めるこ
とができることは言うまでもない。本発明の光ファイバ
による低温検知方式によれば、前述したような被測定領
域内の任意の位置あるいは区間で生じた温度変化の発生
位置あるいは、発生区間の検知定位ならびにその発生区
間の温度を検知することが可能である。
In addition, when determining the abnormal cooling section length X, the optical fiber 1
By injecting light from both ends of the
It goes without saying that by detecting and localizing x'', the abnormal cooling occurrence section length X can be determined from X=1-1x-1x'' based on the known optical fiber length 1. According to the low temperature detection method using an optical fiber of the present invention, it is possible to detect the location where a temperature change occurs at any position or section within the measurement area as described above, the detection localization of the section where the temperature change occurs, and the temperature of the section where the temperature change occurs. It is possible to do so.

代表例としてバイブラインやタンクの気密異常検知が挙
げられる。例えば第3図及び第4図に示すように、光フ
ァイバ1をバイブライン10に沿つて配置したり、或い
はタンク11の基部を取り巻くように配置すれば、もし
光ファイバ1が配置された被測定領域内の任意な位置あ
るいは区間において低温液または気体が漏洩した時には
、その位置あるいは区間での光ファイバ1の周囲温度が
低下し、従つて前述のような方法で漏洩発生位置あるい
は区間の検知定位,ならびにその区間での温度を検知す
ることができる。尚、センサ素子である光ファイバ1は
被測定領域や測定対象物の構造,形状に応じて種々の態
様に配置することができる。
A typical example is the detection of airtightness in vibration lines and tanks. For example, as shown in FIGS. 3 and 4, if the optical fiber 1 is placed along the vibration line 10 or surrounding the base of the tank 11, When low-temperature liquid or gas leaks at any position or section within the area, the ambient temperature of the optical fiber 1 at that position or section decreases, and therefore the leak location or section can be detected and localized using the method described above. , as well as the temperature in that area. The optical fiber 1, which is a sensor element, can be arranged in various ways depending on the region to be measured and the structure and shape of the object to be measured.

そのいくつかの例を第5図及至第7図に示してある。第
5図の例は、光ファイバ1を平面状で左右ジグザグに折
り曲げたものであり、第6図は光ファイバ1を同じく平
面状て渦巻状に配置したものであり、第7図は光ファイ
バ1を立体的にら旋状に巻いたものである。このように
して距離的に長い、または面積的に広い被測定領域に光
ファイバを粗,或いは密に配置することにより、所望の
測定精度を得ることができる。以上説明した本発明の光
ファイバによる低温検知方式の特徴を総括すれば、以下
の如くである。
Some examples are shown in FIGS. 5-7. The example in Fig. 5 is a planar optical fiber 1 bent in a zigzag pattern on the left and right sides, the example in Fig. 6 is a planar optical fiber 1 arranged in a spiral shape, and the example in Fig. 7 is an optical fiber 1 bent in a horizontal zigzag pattern. 1 is spirally wound three-dimensionally. In this way, desired measurement accuracy can be obtained by arranging optical fibers sparsely or densely over a long distance or a wide area to be measured. The features of the low temperature detection method using an optical fiber of the present invention explained above can be summarized as follows.

(イ)距離的に長い或いは面積的に広い被測定領域にお
ける任意な位置あるいは区間での温度変化の発生を検知
し、その位置あるいは区間を定位し、ならびにその区間
での温度の検知が連続的にできる。(ロ)光ファイバを
センサ素子として用いているため、可燃性ガス等に対し
て着火源となる危険がなく、また塵挨や湿気などの悪影
響を受けないなど、安全性,信頼性が非常に高い。
(b) Detects the occurrence of a temperature change at any position or section in a long-distance or wide-area measurement area, localizes that position or section, and continuously detects the temperature in that section. Can be done. (b) Since optical fiber is used as the sensor element, there is no danger of it becoming a source of ignition for flammable gases, etc., and it is not affected by the negative effects of dust or moisture, making it extremely safe and reliable. expensive.

(ハ)種々の構造形状の被測定対象物に適用できる。(c) Applicable to objects to be measured with various structural shapes.

(ニ)構造が簡単であり、且つ安価である。(d) The structure is simple and inexpensive.

このように本発明は、多くの利点を有し、実用性の高い
、すぐれた低温検知方式が得られる。
As described above, the present invention has many advantages and provides a highly practical and excellent low temperature detection method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は低温温度検知用の光ファイバの単位長当りの光
伝送損失と、周囲温度との関係を示す特性図。 第2図は本発明の光ファイバによる低温検知方式の構成
及ひ作用原理の説明図、第3図及び第4図はそれぞれ光
ファイバによる低温検知方式の異なる使用例を略示する
図、第5図、第6図、及び第7図はそれぞれ光ファイバ
の異なる配置構成例を示す図である。1・・・・・・光
ファイバ、2・・・・・・検出部、3・・・・・・発光
源、4・・・・・・ハーフミラー、5・・・・・・受光
検出器、10・・・・・・バイブライン、11・・・・
・・タンク。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the optical transmission loss per unit length of an optical fiber for low temperature temperature detection and the ambient temperature. Fig. 2 is an explanatory diagram of the configuration and working principle of the low temperature detection method using optical fibers of the present invention, Figs. 3 and 4 are diagrams schematically showing different usage examples of the low temperature detection method using optical fibers, respectively, and Fig. 5 , FIG. 6, and FIG. 7 are diagrams showing different arrangement configuration examples of optical fibers, respectively. 1... Optical fiber, 2... Detection unit, 3... Light emitting source, 4... Half mirror, 5... Light receiving detector , 10...vibration line, 11...
··tank.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 低温度領域に対して急峻な光伝送損失の増加を示す
光ファイバを温度の被測定区域に配設し、該光ファイバ
の光入射端を発光源に接続し、該光ファイバの光入射端
において入射光に対するバツクスキヤッタ光の光量を測
定し、該光量の急峻な変化に対応する遅れ時間から温度
変化発生位置を検知することを特徴とする光ファイバに
よる低温検置方式。 2 該バツクスキヤツタ光の光量の微分特性を求め、該
微分特性から該温度変化の発生区間又は/および温度を
検知することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
光ファイバによる低温検知方式。
[Claims] 1. An optical fiber exhibiting a sharp increase in optical transmission loss in a low temperature region is placed in a temperature measurement area, the light input end of the optical fiber is connected to a light emitting source, A low-temperature inspection method using an optical fiber, characterized in that the amount of backscatter light relative to the incident light is measured at the light input end of the optical fiber, and the position where a temperature change occurs is detected from the delay time corresponding to a steep change in the amount of light. 2. A low temperature detection method using an optical fiber according to claim 1, characterized in that a differential characteristic of the amount of light of the backscatter light is determined, and the interval and/or temperature in which the temperature change occurs is detected from the differential characteristic.
JP55189128A 1980-12-29 1980-12-29 Low temperature detection method using optical fiber Expired JPS6054612B2 (en)

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