JPWO2008081720A1 - 流動体の物理量測定方法及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
この発明は、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術を利用して、流動体の温度分布等の物理量を測定する測定方法及び制御方法に関する。当該測定方法では、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサとして機能する光ファイバが、管路内を流れる流動体の流れ方向に沿って該管路内に設置される。管路内を流れる流動体に光ファイバが直接接触するので、流動体の温度分布を迅速に測定することができる。また、当該制御方法は、この測定結果に基づき、管路の長手方向に沿って設置された加熱／冷却手段の温度を調整することにより、該管路内における流動体の温度分布を高精度に制御する。
Description
この発明は、対象物である流動体の温度分布、流速などの物理量を、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定／制御するための流動体の物理量測定方法及び流動体の物理量制御方法に関するものである。
従来、光センシング技術に応用される光ファイバセンサとしては、光ファイバ内に光パルスを入射させた際に発生するレーリー散乱による後方散乱光を測定することで、該光ファイバ内の物理量（温度、損失等）や欠陥場所を測定する、ＯＴＣＲ（Optical Time Domain Reflectrometer）方式の光ファイバセンサが知られている。
一方、光ファイバから出力されるブリルアン散乱光のブリルアンゲインスペクトル（ＢＧＳ）の形状は、光ファイバの温度及び／又は歪により変化する。この変化を利用して対象物の物理量を測定する技術として、例えば、特許文献１や非特許文献１に記載されたＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）方式の光ファイバセンサが従来から知られている。
特開２０００−１８０２６５号公報
保立和夫、新井寛、「ポンプ・プローブ時分割発生方式ＢＯＣＤＡ光ファイバ歪み分布センシング系における時間ゲート法による測定レンジの拡大」、信学技報、社団法人 電子情報通信学会、ＯＰＥ２００４−２２４（２００５−０２）
発明者らは、従来の光ファイバセンサについて検討した結果、以下のような課題を発見した。
すなわち、管路内又は容器内に存在する流動体の、温度分布、流速等の物理量を迅速活高精度に測定する要求があった。しかしながら、従来のＯＴＤＲ方式の光ファイバセンサでは、被測定対象物である流動体の物理量測定における距離分解能や測定時間に関し、満足できる測定性能を達成するのは困難であった。
ここで、上記特許文献１、非特許文献１などに開示された技術によれば、ポンプ光及びプローブ光がセンサ部分に相当する光ファイバの両端から対向入射される。このとき、ポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、光ファイバの長手方向における所望位置においてブリルアン散乱が発生する。このブルリアン散乱に起因した利得スペクトル（ＢＧＳ）を測定することで、光ファイバの長手方向に沿った温度分布が測定される。
このような連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式が採用された光ファイバ分布型歪センシング技術（ＢＯＣＤＡ方式）の光ファイバセンサによれば、旧来から知られているラマン散乱型光ファイバセンシングなどに比べ、測定温度範囲、長手方向における温度分布測定の空間分解能、測定時間などの各種特性において優れた効果が期待できる。
例えば、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、ストークス光の強度（ゲイン）は極低温でも十分なレベルが維持される。さらに、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、周波数シフトにより温度が測定されるので、強度比に基づいた温度測定を行うラマン散乱型光ファイバセンシングに比べ、ノイズに強く、絶対温度１Ｋまでの測定可能性が確認されている。
ＢＯＣＤＡ方式の光センサにおける空間分解能Δｚｒは以下の式（１）で表される。
ここで、ｍｆｍ、ｆｍはそれぞれ光源に印加される正弦波状周波数変調の振幅と変調周波数であり、ΔνＢはＢＧＳ線幅、ｖｇは光の群速度である。
一例を挙げると、群速度２．０×１０８ｍ／秒、ＢＧＳ線幅５０ＭＨｚの典型的な光ファイバに関し、既存のレーザダイオード（ＬＤ）で実現可能な周波数変調の振幅２ＧＨｚ、変調周波数１００ＭＨｚとすると、該光ファイバの長手方向に沿った空間分解能は約１ｃｍとなる。
また、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサでは連続光が使用されるため、パルス法に比べてＯＳＮＲ（光信号と雑音との強度比）がよく、また、光信号を積算したり平均化する必要がない。このため、高速な温度分布測定等が可能であり、測定点１箇所あたり５７Ｈｚで測定できることが確認されている。
さらに、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、ポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンを調整することにより、光ファイバの長手方向における温度分布測定の空間分解能、測定範囲、測定時間を、被測定対象物の特性などに合わせて自由に調整することができる。また、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサは、空間分解能とともに、サンプリング間隔も自由に調整可能である。
この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、優れた特性を有するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術を有利用して、流動体が流れる容器等の形状の制限されることなく、該流動体の温度分布、流速などの物理量を迅速かつ高精度に測定／制御するための流動体の物理量測定方法及び流動体の物理量制御方法を提供することを目的としている。
上述の目的を達成するため、この発明に係る流動体の物理量測定方法及び制御方法は、管路内を流れる流動体の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定する一方、該管路の長手方向に沿って設置された１又はそれ以上の加熱／冷却手段の温度を調整することで流動体の温度分布を制御する。
具体的に、管路内を流れる流動体の温度分布を測定するための当該測定方法では、少なくとも一部が対象物である流動体の流れ方向に沿って管路内に配置された光ファイバが用意される。この光ファイバの一端からはポンプ光が入射され、該光ファイバの他端からはプローブ光が入射される（ポンプ光及びプローブ光の対向入射）。そして、光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、該光ファイバの長手方向における所望位置で発生するＢＧＳが測定される。これにより、管路内における流動体の温度分布として、光ファイバのうち該管路内に位置する部分（センサ部分）の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布が決定される。
一方、管路内を流れる流動体の温度分布を制御するための当該制御方法では、以上のように測定された管路内の流動体の温度分布測定結果に基づいて、該管路内における流動体の温度分布が所定の分布パターンになるよう、該管路に設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段それぞれの温度が調整される。なお、この明細書において、「所定の分布パターン」とは、時間的に変化又は空間的に変化の事前に決められた温度分布パターンをいう。
また、この発明に係る流動体の物理量測定方法及び制御方法は、任意形状の容器内に収容された流動体の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定する一方、該容器に対して設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段の温度を調整することで流動体の温度分布を制御する。
具体的に、容器内の流動体の温度分布を測定するための当該測定方法では、少なくとも一部が容器内に二次元的又は三次元的に配置された光ファイバが用意される。この光ファイバの一端からはポンプ光が入射され、該光ファイバの他端からはプローブ光が入射される（ポンプ光及びプローブ光の対向入射）。そして、光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、光ファイバの長手方向における所望位置で発生するＢＧＳが測定される。これにより、容器内における流動体の温度分布として、光ファイバのうち容器内に位置する部分（センサ部分）の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布が決定される。
一方、容器内の流動体の温度分布を制御するための当該制御方法では、以上のように測定された容器内の流動体の温度分布測定結果に基づいて、該容器内における流動体の温度分布が所定の分布パターンになるよう、該容器に対して設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段それぞれの温度が調整される。
さらに、この発明に係る流動体の物理量測定方法及び制御方法は、管路内を流れる流動体の流速をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定する一方、該管路に対して設置された、流動体の流速を調整するための流量調整手段を調整することにより、流動体の流速を制御する。
具体的に、管路内を流れる流動体の流速を測定するための当該測定方法では、少なくとも一部が流動体の流れ方向に沿って管路内に配置された光ファイバが用意される。この光ファイバの一端からはポンプ光が入射され、該光ファイバの他端からはプローブ光が入射される（ポンプ光及びプローブ光の対向入射）。そして、光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、光ファイバの長手方向における所望位置で発生するＢＧＳが測定される。これにより、光ファイバのうち管路内に位置する部分（センサ部分）の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定結果と、該温度分布の時間的変化に基づいて、管路内を流れる流動体の流速が決定される。
一方、管路内を流れる流動体の流速を制御する当該制御方法では、以上のように測定された光ファイバのうち管路内に位置する部分（センサ部分）の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定結果と、該温度分布の時間的変化に基づいて、該管路内における流動体の流速が所定値に近づくよう流量調整手段が制御される。
好ましくは、この発明に係る流動体の物理量測定方法及び制御方法において、光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定のサンプリング間隔及び空間分解能、温度分布測定の範囲、温度分布測定の実行時間は、被測定物である流動体の種類に合わせてポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンが調整されることにより設定される。
なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。
また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の範囲における様々な変形及び改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
以上のようにこの発明によれば、光ファイバの長手方向に沿った温度分布をブリルアン散乱により高精度、短時間で測定するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術を用いる。このとき、センサ部分である光ファイバは管路又は容器の内部に設置され被測定物である流動体に直接接触することになる。この構成により、管路内又は容器内の流動体の温度分布や流速が、精度良く短時間に測定可能になる。
また、得られた測定結果に基づき、加熱／冷却手段や流量調整手段などを適宜調整することにより、流動体の温度分布や流速が、高い精度でかつ迅速に制御され得る。
さらに、この発明によれば、軽量、細径、防爆性を有するとともに、電磁ノイズなどの影響を受けない、発生させないなどの光ファイバの特徴を活かすことができる。そのため、光ファイバのこれら特性が要求される被測定物の測定／制御に幅広く利用できるなど、多くの効果を奏する。
１…管路、２、２ａ、２ｂ…流動体、３…温度測定用の光ファイバ、４ａ、４ｂ…フィードスルー用光ファイバ、５…ＢＯＣＤＡ方式の温度センサ本体。
以下、この発明に係る流動体の物理量測定方法及び制御方法の各実施例を、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部位、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図１は、この発明に係る流動体の物理量測定方法及び制御方法を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサの概略構成を示す図である。特に、図１において、領域（ａ）は流動体の物理量として温度分布を測定／制御可能な光ファイバセンサの構成例を示し、領域（ｂ）は流動体の物理量として流速を測定／制御可能な光ファイバセンサの構成例を示す。なお、図１に示されたように、管路１内には、被測定物としての流動体２が所定の流速で矢印方向に流れている。
図１の領域（ａ）に示された光ファイバセンサは、温度センサ本体５と、光ファイバ３（センサ部分）と、フィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂと、一又はそれ以上の加熱／冷却手段１９を備える。
この光ファイバセンサ（図１の領域（ａ））において、管路１内を矢印方向に沿って流れる流動体２の温度分布を測定／制御するため、光ファイバ３は、該管路１内に流動体２の流れ方向に沿って該管路１内に配置されている。また、加熱／冷却手段１９も、管路１に対して流動体２の流れ方向に沿って該管路１内に設置されている。光ファイバ３の両端にはフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂそれぞれの一端が接続されている。これらフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂは管路１の壁面を貫通して外部に位置しており、それらの他端を温度センサ本体５に接続することで、光ファイバ３と温度センサ本体５とが光学的に接続される。
以上の構成により、光ファイバ３が、ＢＯＣＤＡ方式（連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式光ファイバ分布型歪センシング技術）の光ファイバセンサとして機能する。また、得られた管路１内の流動体２の温度分布測定結果に基づいて、該管路１内における流動体２の温度分布が所定の分布パターンになるよう、温度センサ本体５から加熱／冷却手段１９に制御信号が送られる。これにより、温度センサ本体５が加熱／冷却手段１９それぞれの温度を制御する。
一方、図１の領域（ｂ）に示された光ファイバセンサは、温度センサ本体５と、光ファイバ３（センサ部分）と、フィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂと、流量調整手段１９０を備える。
この光ファイバセンサ（図１の領域（ｂ））において、管路１内を矢印方向に沿って流れる流動体２の流速を測定／制御するため、光ファイバ３は、該管路１内に流動体２の流れ方向に沿って該管路１内に配置されている。また、流量調整手段１９０も、管路１に対して取り付けられている。光ファイバ３の両端にはフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂそれぞれの一端が接続されている。これらフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂは管路１の壁面を貫通して外部に位置しており、それらの他端を温度センサ本体５に接続することで、光ファイバ３と温度センサ本体５とが光学的に接続される。
以上の構成により、光ファイバ３が、ＢＯＣＤＡ方式（連続光波の相関制御法によるブリルアン散乱方式光ファイバ分布型歪センシング技術）の光ファイバセンサとして機能する。また、得られた管路１内の流動体２の温度分布測定結果と測定された温度分布の時間変化に基づいて、該管路１内を流れる流動体２の流量が所定値に近づくよう、流量調整手段１９０が制御される。このように、温度センサ本体５が管路１内を流れる流動体２の流速を制御する。
ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサの温度センサ本体５は、図２に示されたように構成されている。すなわち、温度センサ本体５は、光源としてのレーザダイオード（ＬＤ）６を備えるとともに、プローブ光の生成系と、ポンプ光生成系と、測定系から構成される。プローブ光生成系は、３ｄＢカプラ７と、偏波コントローラ８と、マイクロ波発生器により制御される位相変調器（ＬＮｍｏｄ．）９と、アイソレータ９０そ備える。ポンプ光生成系は、３ｄＢカプラ７と、偏波コントローラ１０と、強度変調器（ＩＭ）１１と、遅延線１２と、光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）１３と、アイソレータ１３０と、サーキュレータ１４を備える。測定系は、サーキュレータ１４と、光フィルタ１５と、フォトダイオード１６と、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１７と、制御部（コンピュータ）１８を備える。
まず、ＬＤ６から出力された光は、３ｄＢカップラ７で２光波成分に分岐される。一方の光は、偏波コントローラ（ＰＣ）８を介して、位相変調器（ＬＮｍｏｄ．）９で約１１ＧＨｚ周波数がシフトされる。この周波数シフトされた光が、プローブ光として、アイソレータ９０、接続用光ファイバ４ａを順に伝搬し、光ファイバ３（センサ部分）の一端側に入射する。他方の光は、偏波コントローラ１０、強度変調器（ＩＭ）１１、遅延線１２を介して、光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）１３で増幅される。この増幅光が、ポンプ光として、アイソレータ１３０、接続用光ファイバ４ｂを順に伝搬し、光ファイバ３の他端側に入射する。このように、ポンプ光とプローブ光は光ファイバ３中を対向伝搬し、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が発生する。このとき、プローブ光は、ストークス光のゲインスペクトル（ＢＧＳ）に対応したゲインだけ増幅される。増幅されたプローブ光は、サーキュレータ１４を介して光フィルタ１５に導かれる。光フィルタ１５により不要光成分が除去された後、プローブ光は、フォトダイオード（ＰＤ）１６、ロックインアンプ（ＬＩＡ）１７などにより、ＢＧＳが検出される。制御部１８（コンピュータ）は、このＢＧＳの検出結果に基づいて、対象物の温度分布を測定するとともに、加熱／冷却手段１９を制御する（制御信号の出力）。なお、管路１に流量調整手段１９０が配置された構成においても、制御部１８から出力される制御信号に基づいて、流量調整手段１９０が制御される。
上述のＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサにおいて、ポンプ光及びプローブ光の周波数は、ＬＤ６の注入電流を正弦波状に変化させることで変調される。このため、光ファイバ３の長手方向にポンプ光及びプローブ光の周波数差が一定となる相関の高い位置（相関ピーク）と低い位置が生成され、相関ピークのみで大きなＳＢＳが発生する。
この結果、特定位置でのストークス光のＢＧＳ情報を得ることができ、ポンプ光、プローブ光の周波数変調パターンを順次変化させることにより、管路１内を流れる流動体２の温度分布を、高精度かつ短時間に測定することが可能になる。
このように得られた管路１内の流動体２の温度分布データは、パーソナルコンピュータなどで構成される制御部１８が格納する。一方、管路１の外側又は内側には、該管路１の長手方向に沿って所定間隔ごとに加熱／冷却器１９が設置されており、制御部１８からの制御信号（指令）で、それぞれの加熱／冷却器１９の温度が調整される。制御部１８は、管路１内を流れる流動体２の理想的な温度分布データ（基礎データ）を予め格納しており、光ファイバ３によって測定された温度分布データと格納されている基礎データを比較し、該基礎データの許容範囲を外れた箇所に設置されている加熱／冷却器１９を作動させる（温度調整）。このように、制御部１８により、管路１内における流動体２の温度分布が制御される。
なお、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサでは、ポンプ光、プローブ光の周波数変調パターンを調整することで、光ファイバ３の長手方向のサンプリング間隔、測定範囲、測定時間などを自由に調整することができる。すなわち、温度分布の時間的変化や二次元的分布を的確に捉えるためには、対象物における温度分布変化の位置に関する細かさや広がり・温度変化の速度と、光ファイバセンサによる光ファイバ３の長手方向のサンプリング間隔、測定範囲、測定時間とが対応していることが重要である。なお、光ファイバセンサの空間分解能よりも細かくサンプリング間隔を設定しても意味ある測定はできない。
例えば、被測定物が長さ１０ｍの管路を流速（ｖ）＝１ｍ／ｓｅｃで流れる流動体であり、この流動体の温度分布を測定する場合、光ファイバセンサによる測定範囲は１０ｍ以上であることが好ましい。また、光ファイバセンサによる長手方向のサンプリング間隔（ｄｚ）が０．１ｍである場合、サンプリング間隔（ｄｚ）に相当する長さを流動体が流れるのに要する時間は０．１ｓｅｃである。このような流動体を測定するためには、測定時間（ｄｔ）は０．１ｓｅｃ以下であることが必要となる。これを表した一般式が以下の式（２）である。
上述のような仕様の温度分布測定、すなわち、測定範囲１０ｍ以上、光ファイバ３の長手方向の空間分解能０．１ｍ以下、測定時間０．１秒以下は、上述のように構成されたＢＯＣＤＡ方式の光センシング技術で十分実現可能なレベルである。具体的には、長さ１０ｍの光ファイバ３をセンサ部分とし、該光ファイバ３の長手方向の空間分解能０．１ｍで、測定位置１００箇所（測定点）、各測定点における測定時間を０．１秒とすることができる。
この発明の用途としては、例えば、管路内を流れる液体や気体の流入口での温度、流出口での温度、流入口から流出口に至る全域の温度などを所望温度に制御したい場合などが含まれる。また、加熱／冷却器の設置数や設置箇所は、それら用途に応じて適宜に選択され得る。
次に、図３は、この発明に係る流動体の物理量測定方法を実現するＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサ、特に、センサ部分となる光ファイバ３の三次元配置の例を示す図である。この図３に示されたように、被測定物が容器２０内に収容された流動体２でる場合、該容器２０内に光ファイバ３が２次元的又は３次元的に配置される。
まず、図３の領域（ａ）に示された配置例では、容器２０内の内周に沿う円形部３ａが容器高さ方向に対し多段に設置される一方、これら円形部３ａ同士が容器２０の高さ方向に沿う直線状部３ｂで繋がれるように、光ファイバ３が部分的に変形している。この光ファイバ３の両端にはフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂそれぞれの一端が接続している。これらフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂは、容器２０の壁面を貫通して外部に位置している。また、これらフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂの他端は、温度センサ本体５に接続されており、光ファイバ３（円形部３ａ及び直線状部３ｂ）が、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサとして機能する。
また、この図３の領域（ａ）に示された配置例では、容器２０の外側又は内側の一箇所又は適宜複数個所に加熱／冷却器（図１の領域（ａ）参照）が設置されている。このように構成されることにより、制御部１８が各加熱／冷却器の温度を調整可能になる。
制御部１８は、容器２０内の流動体２の理想的な温度分布データ（基礎データ）を予め格納しており、光ファイバ３（円形部３ａ及び直線状部３ｂ）によって測定された温度分布データと基礎データを比較し、該基礎データの許容範囲を外れた場合、適所の加熱／冷却器を適時を作動させる（温度調整）。これにより、容器２０内における流動体２の温度分布が制御される。
図３の領域（ｂ）及び領域（ｃ）には、光ファイバ３の配置形態の変形例が示されている。例えば、図３において、領域（ｂ）に示された配置例では、容器２０の内周及び高さ方向に沿うよう螺旋状に設置された光ファイバ３の両端にフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂそれぞれの一端が接続されている。また、領域（ｃ）に示された配置例では、容器２０の内部空間に、仮想球体の中心部位に設置された緯線状部３ｃと、該仮想球体の上下の極点を通過するように設置された直交する二つの経線状部３ｄ、３ｅを有するように、光ファイバ３が部分的に変形される。そして、このように変形された光ファイバ３の両端にはフィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂそれぞれの一端が接続されている。
なお、図３に示された配置例において、光ファイバ３の配置形態は図示の配置例には限定されない。例えば、容器の形状や被測定物の特性に合わせて、２次元的又は３次元的な各種の設置形態が採用可能である。
このような温度分布測定の用途には、例えば、容器内に収容された液体や気体の温度を、容器内の全域にわたって一定に保持したい場合や、所望のパターンで温度差を生じさせたい場合などが含まれる。例えば、容器内での結晶成長や所望の化学反応、発酵を行うなど、環境温度に敏感な場合や、それ自体が温度変化をもたらすプロセスなどに好適に用られる。なお、加熱／冷却器の設置数や設置箇所は、それら用途に応じて適宜に選択され得る。
図４は、この発明に係る流動体の物理量測定方法による流速測定を説明するための図である。図４に示された流速測定及び流速制御は、管路１の内部に設置された光ファイバ（センサ部分）３、フィードスルー用光ファイバ４ａ、４ｂ温度センサ本体５、及び流量調整手段１９０を備えた、図１の領域（ｂ）に示されたＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサにより行われる。なお、図４には、流動体２の温度境界２ｃが流れ方向に沿って移動する要すが示されており、領域（ａ）は測定開始から１秒後の温度境界及びそのときの温度分布測定結果を示し、領域（ｂ）は測定開始から２秒後の温度境界及びそのときの温度分布測定結果を示し、そして、領域（ｃ）は測定開始から３秒後の温度境界及びそのときの温度分布測定結果を示す。
すなわち、管路１内には低温の流動体（例えば冷水）２ａが予め充填されており、この管路１内に流入口側から高温の流動体（例えば温水）２ｂを流す。この場合、高温の流動体２ｂが導入された直後（測定開始から１秒後）では、図４（ａ）に示されたように、ＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサが管路１内を流れる流動体の温度分布を測定することにより、温度の異なる流動体２ａ、２ｂの温度境界２ｃが特定される。その後、所定の時間間隔ごとに流動体２ａ、２ｂの温度境界２ｃの移動を光ファイバ３で測定することで（図４の領域（ｂ）及び領域（ｃ）参照）、高温の流動体２ｂの流速が測定される。
一方、制御部１８（図２参照）には、高温の流動体２ｂの理想的な時間的温度変化データ（基礎データ）が格納されている。制御部１８は、光ファイバ３によって測定された流速データと基礎データを比較し、該基礎データの許容範囲を外れた場合、高温の流動体２ｂの供給手段（流量調整手段１９０）による供給量を適宜に調整する。これにより、高温の流動体２ｂの流速が制御される。
このような流動体の流速測定及び流速制御は、例えば、食品、化粧品、薬品などの発酵、精製などの温度を厳密に制御する製造プロセスなどに好適に適用され得る。
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
この発明に係る測定方法及び制御方法は、対象物として流動体が流れる容器の形状に制限されることなく、該流動体の温度分布、流速等の物理量を迅速かつ高精度に測定することができるＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンシング技術への適用が可能である。
Claims (8)
- 管路内を流れる流動体の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定するための測定方法であって、
少なくとも一部が前記流動体の流れ方向に沿って前記管路内に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記管路内における流動体の温度分布として、前記光ファイバのうち前記管路内に位置する部分の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布を決定する流動体の物理量測定方法。 - 管路内を流れる流動体の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定し、そして、該流動体の温度分布を所定の分布パターンに制御するための制御方法であって、
前記流動体の流れ方向に沿って前記管路に対して設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段を用意するとともに、少なくとも一部が前記流動体の流れ方向に沿って前記管路内に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記管路内における流動体の温度分布が所定の分布パターンになるよう、前記管路内の流動体の温度分布測定結果に基づき、前記管路に対して設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段それぞれの温度を調整する流動体の物理量制御方法。 - 容器内に収容された流動体の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定するための測定方法であって、
少なくとも一部が前記容器内に二次元的又は三次元的に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記容器内における流動体の温度分布として、前記光ファイバのうち前記容器内に位置する部分の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布を決定する流動体の物理量測定方法。 - 容器内に収容された流動体の温度分布をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定し、そして、該流動体の温度分布を所定の分布パターンに制御するための制御方法であって、
前記容器内に設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段を用意するとともに、少なくとも一部が前記容器に対して二次元的又は三次元的に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記容器内における流動体の温度分布が所定の分布パターンになるよう、前記容器内の流動体の温度分布測定結果に基づき、前記容器に対して設置された一又はそれ以上の加熱／冷却手段それぞれの温度を調整する流動体の物理量制御方法。 - 管路内を流れる流動体の流速をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定するための測定方法であって、
少なくとも一部が前記流動体の流れ方向に沿って前記管路内に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記光ファイバのうち前記管路内に位置する部分の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定結果と、該温度分布の時間的変化に基づいて、前記管路内を流れる流動体の流速を決定する物理量測定方法。 - 管路内を流れる流動体の流速をＢＯＣＤＡ方式の光ファイバセンサを用いて測定し、そして、該流動体の流速を所定値に制御するための制御方法であって、
前記管路に対して設置された、前記流動体の流速を調整するための流量調整手段を用意するとともに、少なくとも一部が前記流動体の流れ方向に沿って前記管路内に配置された光ファイバを用意し、
前記光ファイバの一端からポンプ光を入射させる一方、前記光ファイバの他端からプローブ光を入射させ、
前記光ファイバの両端から対向入射されるポンプ光及びプローブ光の周波数を変調することにより、前記光ファイバの長手方向における所望位置で発生するブリルアンゲインスペクトルを測定し、そして、
前記管路内における流動体の流速が所定値に近づくよう、前記光ファイバのうち前記管路内に位置する部分の、該光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定結果と、該温度分布の時間的変化に基づいて、前記流量調整手段を制御する流動体の物理量制御方法。 - 前記光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定のサンプリング間隔及び空間分解能、温度分布測定の範囲、温度分布測定の実行時間は、被測定物である前記流動体の種類に合わせて前記ポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンが調整されることにより設定されることを特徴とする請求項１、３、５のいずれか一項記載の流動体の物理量測定方法。
- 前記光ファイバの長手方向に沿った温度分布測定のサンプリング間隔及び空間分解能、温度分布測定の範囲、温度分布測定の実行時間は、被測定物である前記流動体の種類に合わせて前記ポンプ光及びプローブ光の周波数変調パターンが調整されることにより設定されることを特徴とする請求項２、４、６のいずれか一項記載の流動体の物理量制御方法。
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