JPS63140927A

JPS63140927A - 分布温度センサ

Info

Publication number: JPS63140927A
Application number: JP62289676A
Authority: JP
Inventors: ジオルジオ・グレゴ
Original assignee: CSELT Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 1986-11-24
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1988-06-13
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: US4830513A; DE3781122D1; EP0272466A2; EP0272466B1; DE3781122T2; CA1308935C; IT8667871A0; JPH0663872B2; DE272466T1; IT1196798B; EP0272466A3

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】〔産業上の利用分野〕本発明は光フアイバセンサに関し、特に検出素子として
光ファイバを使用する分布温度センサに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕比較
的広い範囲の異なった場所で温度が決定されなければな
らない場合、分布温度センサが都合よく使用される。何
故ならば、分布温度センサは、多数の別個のセンサから
の上方の収集及び伝達に固有の障害を除去するからであ
る。特に光フアイバセンサは高温に耐えるという長所を
有しており、また、もしファイバが伝達手段としても使
用されるならば、光フアイバセンサは、遠隔監視を可能
にし、且つ接近不可能な環境あるいは困難及び／又は危
険を伴ってのみ接近可能な環境における温度を検出する
のに使用され得る。

検出素子として光ファイバを使用した多数の温度センサ
が従来より知られている。

例えば、米国特許出願第４５７６４８５号はセンサを開
示し、該センサでは、ファイバは、監視されている環境
の温度に応答して熱放射を内部で発生することができ、
しかも放射スペクトルの各波長に対して一定且つ離散的
な吸収値を有しており、そしてファイバに沿う温度値は
、ファイバ出力放射が分割されるところの複数のスペク
トルバンドについてのパワーを測定することによって得
られる。

このようなシステムは多数の問題点を有している０例え
ば、それは商業的に入手できない特殊なファイバ（赤外
用ファイバ）の使用を必要とじており、あるいは又、そ
れは内部で発生した放射の吸収ピークの検出に基づいて
おり：従って、波長によっては、ファイバ出力が検出に
対して不十分であり、温度データが不正確になり得る。

他の分布温度センサが、Ｍ、Ｃ，ファーリース（Ｐａｒ
ｒｉｅｓ）　、Ｍ、Ｉ！、フェルマン（Ｆｏｒｍａｎ）
、！１．１．レイミング（Ｌａｇｉｎｇ）、Ｓ、Ｂ、プ
ール（Ｐｏｏｌｅ）　、Ｄ、Ｎ、ペイン（Ｐａｙｎｅ）
　、及びＡ、Ｐ、リーチ（Ｌｅａｃｈ）によって、論文
ｒＮｄ　（３＋）をドーピングされた光ファイバを使用
した分布温度センサ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｔｅｍ
ｐｅｒａ−ｔｕｒｅ　５ｅｎｓｏｒ　ｕｓｉｎｇ　Ｎｄ
　（３＋）　ｄｏｐｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｒｅ）
　Ｊエレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓＬｅＬｔｅｒｓ）、第２２巻、第８号、１９８６年
４月１０日に開示されている。この公知のセンサでは、
放射がファイバ内に出射され、そしてドーピングイオン
濃度と温度とに依存する、後方散乱放射の減衰が、Ｎｄ
イオンに起因する吸収ピークに対応する波長で測定され
る。後方散乱放射の測定は、減衰に関する情報をファイ
バに沿う位置と関連付けることのできる、光学時間ドメ
イン反射率計（ＱＴＤＲ）によって行われる。外部から
ファイバ内に出射される放射を使用することにより、も
し光源の出力が十分に大きければ、このシステムは上述
した米国特許出願のセンサの感度の問題を解決する。し
かしながら、これは特殊なファイバの使用を必要とし、
そして得られる情報の精度はドーピング剤の濃度の正確
な知識に依存する。更に減衰の測定が行われるため、結
果は光源の出力の正確な知識に依存する。

これらに対し、本発明は、特別に処理されたファイバを
必要とせず、しかも使用される光源の出力に依存しない
情報を供給するセンサを提供する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によるセンサは、光ファイバであって、環境内に
又はその温度が測定される物体の近傍に少なくともその
長さ方向の一部が配置されると共に、監視されている環
境又は物体によって達成される最高温度よりも高い軟化
点を有するものと、前記光フアイバ内に電磁放射パルス
を送る手段と、前記光フアイバ内で後方散乱された放射
を集める手段とを具備する分布温度センサにおいて、後
方散乱された放射を集める前記手段が、前記光フアイバ
内に出射された放射のスペクトルと比較した場合の、後
方散乱された放射のスペクトルにおける変化を決定し且
つ該スペクトル変化を前記光ファイバに沿う後方散乱地
点と関連付ける手段を備え、該手段は計算手段に供給さ
れる該スペクトル変化を決定し、該計算手段は該変化か
ら温度値を得ることを特徴としている。

本発明のセンサは以下の考察に基づいている。

即ち、光フアイバ内に出射された電磁放射は、減衰のみ
ならず、材料の分子による散乱のため、その周波数スペ
クトルにおける、温度に依存する変化をも受ける。特に
、後方散乱放射スペクトルは、入射放射スペクトルの線
に重畳する、レイリー散乱に起因する新しい線を示し、
この新しい線は次式で与えられる幅δνＲ−を有する。

８π！ａ！η 上式において、Ｋは測定に使用される放射の波数ベクトル、Ｔは絶対温
度、ａは粒子の半径、 ηは材料の粘度である。

線幅δνＲＨを測定することにより、物体の温度が即座
に得られる。何故ならば、監視されている環境又は物体
の温度がファイバの軟化点よりも十分に低い限り、ファ
イバの粘度は実質的に一定であるからである。

散乱の解析に基づくセンサは、上述した問題点を解決す
る。実際、散乱は総てのファイバで起こり、従って、在
来のファイバ、例えば石英ガラス製のファイバが、特殊
な物質で作られているファイバあるいは特別のドーピン
グを施されているファイバに顧ることなく、使用され得
る。更に、スペクトルの線幅の測定は、減衰の測定とは
逆に、ファイバに出射される光学パワーに独立な結果を
与える。

スペクトル変化を検出する手段は、ファイバから出て行
く散乱ビームに直接的に作用する光学手段であってもよ
く、例えばファプリーペロ干渉計からなり得る。しかし
ながら、電磁放射の各パルスについて、ファイバの外の
光路に沿って検出器に送られるパルスの一部分と、パル
スの残りの部分の後方散乱の結果として生ずる放射との
間でうなりを生成し、そしてそのうなりを表す電気パル
スの周波数変化を解析するのが好ましい、この後者の具
体化例は、感度がより高いという利点を有する。

スペクトル変化がファイバに沿う位置と関連付けられ得
るようにするため、そのような変化を検出する手段は、
上述した光学時間ドメイン屈折率計技術に基づく測定シ
ステムによって具体化される。

〔実　施　例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

図面は本発明による分布温度センサの一実施例を概略的
に示す図である。同図において、在来の石英ガラス製光
ファイバ１の少なくとも長さ方向の一部は環境を形成す
る囲い２内に配置されており、該囲い２は、その内部環
境の温度が監視されるか、又は温度が測定される物体を
包含する。

光源３は、ファイバ１の一端に向けて、所定の持続時間
及び周波数を有する光パルスを、ビームスプリッタ４を
通して送るように配設されており、咳ビームスプリッタ
４は、ファイバ内で後方散乱された放射を集め、それを
検出器５に送るように配設されている。

検出器５は、ファイバに送られる各パルスが有するパワ
ーの一部を受光し、光源３によって出射された放射とフ
ァイバによって後方散乱された放射との間のうなりを表
す電気信号を生成する。上記のパワーの一部は、例えば
第２のビームスプリッタ６によって取り出され、そして
鏡７，８によって積出器に送られる。後方散乱放射の周
波数は、少なくともレイリー散乱線の存在のため、入射
放射の周波数と異なるので、うなりが生じる。レイリー
線の幅は温度で変化するので、検出器の出力信号の周波
数（２つの入力信号の周波数の差に等しい）も又温度で
変化する。

検出器５の出力信号は装置９に送られる。該装置９は、
その信号の周波数の値を測定することができると共に、
信号それ自体の到着の瞬間、従ってファイバに沿う散乱
地点の位置、の関数である値を供給する。この目的のた
め、例えば装置９は、ブロック１）によって示されてい
る０ＴＤＲシステムの電気回路に、光源と共に接続され
るスペクトル分析器を具備し得る。　０ＴＤＲシステム
の電気回路の構造は当業者にとっては公知であるので、
その詳細は図示しない。計算システム１０は、対応する
位置における温度の値を、各周波数の値から得る。

上述した利点以外に、本発明によるセンサは高い感度を
提供する。実際において、散乱線は数十ＭＨｚの幅であ
り、そして、特殊仕様ではない、従って比較的低い価格
の、商業的に入手可能なスペクトル分析器は、そのよう
な値を数＼ＫＨｚの精度で測定することができる。従っ
て、石英ガラス製光ファイバによって測定可能な温度の
範囲（約１５００’　Ｋ迄）において、センサは、Ｔの
値に応じて、１度の１／１００から１／１０の温度差を
検出することができる。

上述した感度が要求されないならば、うなりの周波数の
測定に代えて、例えば、周波数の情報がファイバの位置
と関連付けられることを可能にする０ＴＤＲシステムに
接続されるファプリーペロ干渉計により、レイリー線の
幅がファイバ出力放射上で直接的に測定され得る。

上述した記載は非限定的な例としてのみ与えられている
ということ、並びに変形及び変更が本発明の範囲から逸
脱することなく可能であるということは明白である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を概略的に示す図である。１・・・光ファイバ　　２・・・囲い３・・・光ｆｉ　　　　　　４．６−・ビームスプリッ
タ５・−・検出器　　　　７．８・・・鏡９・・−装置
　　　　　１０−計算システム１）・・・０ＴＤＲシス
テム

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光ファイバ（１）であつて、環境（２）内に又は
その温度が測定される物体の近傍に少なくともその長さ
方向の一部が配置されると共に、監視されている環境（
２）又は物体によつて達成される最高温度よりも高い軟
化点を有するものと、前記光ファイバ（１）内に電磁放射パルスを送る手段（
３）と、前記光ファイバ（１）内で後方散乱された放射を集める
手段（４、５、９）と、を具備する分布温度センサにおいて、後方散乱された放射を集める前記手段（４、５、９）が
、前記光ファイバ（１）内に出射された放射のスペクト
ルと比較した場合の、後方散乱された放射のスペクトル
における変化を決定し且つ該スペクトル変化を前記光フ
ァイバ（１）に沿う後方散乱地点と関連付ける手段（９
）を備え、該手段（９）は計算手段（１０）に供給される該スペク
トル変化を決定し、該計算手段（１０）は該変化から温
度値を得ることを特徴とする分布温度センサ。
（２）前記スペクトル変化を決定する前記手段（９）が
、レイリー散乱に起因する線の幅を測定するように配設
され、且つ光学時間ドメイン屈折率計に光源と共に接続
されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の分布温度センサ。
（３）前記スペクトル変化を決定する前記手段（９）が
、前記光ファイバから出て行く放射を直接的に解析する
ように配設されている光学手段であることを特徴とする
特許請求の範囲第２項記載の分布温度センサ。
（４）ビームスプリッタ（６）が、前記光源（３）と前
記光ファイバ（１）との間に、該光ファイバ（１）内に
送られる各電磁放射パルスの一部分を取り出すように配
設され、後方散乱された放射を集める前記手段（４、５、９）が
、該光ファイバ（１）の外の光路に従う前記パルスの一
部分と該パルスの残りの部分の後方散乱の結果として生
じる放射とを受光し、且つその入力に存在する放射の周
波数の間の差異に等しい周波数を有すると共に該放射の
間のうなりを表す電気信号を発生する検出器（５）を備
え、そして前記スペクトル変化を決定する前記手段（９）が、該電
気信号の周波数変化を決定するように配設されていることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の分布温度
センサ。