JPWO2015044998A1 - 光ファイバコード及び異常検知システム - Google Patents
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Abstract
【課題】応力に対する十分な応答性を備えた光ファイバコード、及びその光ファイバコードを用いた異常検知システムを提供する。【解決手段】光ファイバコード２０は、光ファイバ２１ａと、複数本の糸を組紐状に編組して形成され光ファイバ２１ａを被覆する被覆材２２とを有する。また、異常検知システムは、複数本の糸を組紐状に編組した被覆材２２に被覆された光ファイバ２１ａと、光ファイバ２１ａ内で発生する散乱光を検出し、光ファイバ２１ａの長さ方向における強度分布のデータを出力する散乱光検出部６０と、散乱光検出部６０の出力に基づき異常の有無を判定するデータ処理部７０とを有する。【選択図】図１９
Description
本発明は、光ファイバコード及び異常検知システムに関する。
化学プラント、製油工場及び火力発電所等のように大量の可燃物、爆発物又は危険物を取り扱う施設では、配管やタンクの腐食や減肉を早期に検知して、重大事故を未然に防ぐことが重要である。
そのために、光ファイバを温度センサとして使用する温度分布測定装置（Distributed Temperature Sensor：ＤＴＳ）を備えた異常検知システムが採用されることがある。
この種の異常検知システムでは、例えば配管やタンクの周囲に光ファイバを敷設し、光ファイバの端部を温度分布測定装置に接続する。そして、温度分布測定装置から光ファイバ内にレーザ光を照射し、光ファイバ内で発生するラマン散乱光を温度分布測定装置で検出して配管やタンク等の温度を取得し、その結果を基に異常の有無を判定する。
化学プラント、製油工場及び火力発電所等の施設では、異常検知の遅れが重大事故につながることがあるため、異常の発生をより早い段階で検知できるシステムが望まれる。
応力に対する十分な応答性を備えた光ファイバコード、及びその光ファイバコードを用いた異常検知システムを提供することを目的とする。
開示の技術の一観点によれば、光ファイバと、複数本の糸を組紐状に編組して形成され、前記光ファイバを被覆する被覆材とを有する光ファイバコードが提供される。
開示の技術の他の一観点によれば、複数本の糸を組紐状に編組した被覆材に被覆された光ファイバと、前記光ファイバ内で発生する散乱光を検出し、前記光ファイバの長さ方向における強度分布のデータを出力する散乱光検出部と、前記散乱光検出部の出力に基づき異常の有無を判定するデータ処理部とを有する異常検知システムが提供される。
上記一観点に係る光ファイバコードは、応力に対する十分な応答性を備える。また、上記一観点に係る異常検知システムによれば、光ファイバコードに印加される応力から異常の有無を判定することができる。
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
前述したように、光ファイバを温度センサとして使用し、化学プラント等の施設の異常を検知するシステムが従来から提案されている。これに対し、後述の実施形態に係る異常検知システムでは、曲げ応力の印加により光ファイバの伝送損失が変化することを利用して、異常を検知する。
図１は、主配管１１に枝配管１２が溶接された部分に光ファイバ１３を一定の張力で巻き付けた状態を示す図である。光ファイバ１３は、テープ１４により枝配線１２に部分的に固定している。
プラントの運転や停止にともなって、主配管１１及び枝配管１２内の溶液又はガスの流れが変化し、主配管１１及び枝配管１２の温度が変化する。この温度変化により主配管１１及び枝配管１２が膨張又は収縮し、光ファイバ１３に加わる曲げ応力や引張り応力が変化する。
光ファイバ１３は、ある程度以上の曲げ応力又は引張り応力が加えられると、伝送損失が大きくなる。そこで、例えば過去の運転時又は停止時の伝送損失と現在の伝送損失とを比較することで、異常の有無を判定することが可能になる。
図２は、横軸に距離（光ファイバの長さ方向の位置）をとり、縦軸に戻り光の強度をとって、光ファイバに中程度の曲げを加えたとき、やや強い曲げを加えたとき、及び強い曲げを加えたときの伝送損失を調べた結果を示す図である。
なお、中程度の曲げとは図３（ａ）に示す程度の曲げ（曲げ半径１０ｍｍ程度）であり、やや強い曲げとは図３（ａ）よりも若干強い曲げ（図３（ｂ）参照）であり、強い曲げとは図３（ｂ）よりも若干強い曲げ（図３（ｃ）参照）である。また、図２では、戻り光の強度を、光ファイバの長さ方向０ｍの位置の光量を基準に規格化している。
図２から、光ファイバの長さ方向の約３４０ｍの位置で、曲げの程度に応じた伝送損失が発生していることがわかる。
例えば、通常運転時には光ファイバに中程度の曲げが加わっており、光ファイバの長さ方向の特定の位置で一定量の伝送損失が発生しているものとする。この場合、光ファイバの伝送損失が急激に変化したら、何らかの異常が発生したものと判定することができる。
ところで、化学プラント等の施設において配管等の異常の検知が必要な場所は高温であることが多い。このため、上述した方法を用いて化学プラント等の施設において異常検知を実際に行うためには、センサとなる光ファイバに例えば３００℃以上の耐熱性が要求される。
カーボンコートの光ファイバやポリイミドコートの光ファイバは、３００℃以上の環境下で連続的に使用できる耐熱性を有している。しかし、コート厚が極めて薄いため機械的強度が十分でなく、図１のように配管に沿って光ファイバを敷設した場合、光ファイバに擦り傷が発生したり、極端な場合は光ファイバが断線してしまうことが考えられる。
耐熱性が高く、且つ機械的強度が高い光ファイバケーブルとして、ステンレス管内にカーボンコート又はポリイミドコートした光ファイバを収納したものがある。しかし、ステンレス管に光ファイバを収納してしまうと、ステンレス管に応力が加えられても光ファイバには応力が伝わらないため、異常を検知することができなくなってしまう。
以下の実施形態では、十分な耐熱性と機械的強度とを有し、更に応力に対する十分な応答性を備えた光ファイバコード、及びその光ファイバコードを用いた異常検知システムについて説明する。
なお、以下の説明では、コアとクラッドとからなる光ファイバに保護又は耐熱性の強化の目的でカーボン又は樹脂等を薄くコートしたものを、光ファイバ素線と呼んでいる。また、光ファイバ素線に、強度向上又は耐水性の向上等を目的として２次被覆材が付加されたものを、光ファイバ心線と呼んでいる。更に、光ファイバ素線又は光ファイバ心線に組紐状に編組された被覆材を付加して取扱いを容易にしたものを、光ファイバコードと呼んでいる。
（実施形態）
図４（ａ）は実施形態に係る光ファイバコードの構造を示す模式平面図、図４（ｂ）は同じくその模式断面図である。
図４（ａ）は実施形態に係る光ファイバコードの構造を示す模式平面図、図４（ｂ）は同じくその模式断面図である。
本実施形態に係る光ファイバコード２０は、光ファイバ素線２１と、光ファイバ素線２１の周囲を被覆する被覆材２２とを有する。
光ファイバ素線２１は、コア及びクラッドからなる光ファイバ２１ａの周囲に、コート材２１ｂとしてカーボン及びポリイミドをこの順で２層にコートしたものである。カーボン層の厚さは例えば１００ｎｍ以下であり、ポリイミド層の厚さは例えば３０μｍ以下である。
このように光ファイバ２１ａの周囲にカーボン及びポリイミドを薄くコートすることにより耐曲げ性が向上し、曲げ応力が繰り返し与えられても光ファイバ２１ａにクラックが発生しにくくなる。
被覆材２２は、耐熱性の繊維を組紐状に編組したものである。被覆材２２となる繊維として、ＳｉＯ2成分を６０％以上含むガラス繊維（高珪酸ガラス繊維）や、ＰＡＮ（polyacrylonitrile）系炭素繊維、又はＰＢＯ（poly(p-phenylenebenzobisoxazole））繊維（ザイロン：登録商標）等を使用することができる。
図５に、これらの繊維の耐熱温度及びヤング率を、光ファイバ及びポリイミドの耐熱温度及びヤング率と併せて示す。但し、図５では耐熱温度として、光ファイバの場合は融点の温度を示し、ポリイミドコート、ＰＢＯ繊維、ＰＡＮ系炭素繊維及び高珪酸ガラス繊維の場合は軟化点の温度又は分解温度を示している。
図５に示すように、光ファイバ自体（コア及びクラッド）の耐熱温度は１０００℃程度であり、ポリイミドコートの耐熱温度は３００℃〜４００℃程度である。
高珪酸ガラス繊維、ＰＡＮ系炭素繊維及びＰＢＯ繊維は、いずれもコート材であるポリイミドよりも耐熱性が優れている。しかし、それらの繊維はいずれも光ファイバと同じ又はそれ以上のヤング率を有している。そのため、それらの繊維を光ファイバ素線２１の周囲に単に平行に束ねただけでは、張力が加えられたときに光ファイバ素線２１に加わる張力が低減し、異常を検知できなくなる。
一方、本実施形態では、ガラス繊維、ＰＡＮ繊維又はＰＢＯ繊維を組紐状に編組してなる被覆材２２を使用し、その被覆材２２の内側に光ファイバ素線２１を配置している。このため、繊維自体のヤング率は高くても、被覆材２２は光ファイバ素線２１の長さ方向に伸縮可能である。
本実施形態に係る光ファイバコード２０は、曲げ応力や引張り応力が加えられると被覆材２２が容易に伸長し、光ファイバ素線２１に応力が伝達される。このため、光ファイバ素線２１による応力の検出が可能となる。
また、本実施形態に係る光ファイバコード２０は、被覆材２２としてコート材２１ｂよりも耐熱温度が高い繊維を使用しているので、高温下で長時間使用することができる。
更に、本実施形態に係る光ファイバコード２０は、光ファイバ素線２１が被覆材２２内に配置されているので、光ファイバ素線２１に傷が付きにくく、機械的な強度も確保される。
なお、図４（ａ），（ｂ）では被覆材２２の中に光ファイバ素線２１のみを配置しているが、製造時における光ファイバ素線２１の破断を防止するために、光ファイバ素線２１とともに補強用芯糸を挿入してもよい。補強用芯糸は被覆材の繊維間に編組されていてもよい。また、光ファイバ素線２１に替えて、光ファイバ心線を使用してもよい。
ところで、図４（ａ），（ｂ）に示す光ファイバコード２０を実際に使用するときには、被覆材２２の端部で繊維がほつれないように終端処理することが好ましい。
図６（ａ）〜（ｃ）は、被覆材２２の終端処理方法の一例を示す図である。なお、以下の説明では、被覆材２２を構成する１本１本の糸を側糸と呼ぶ。本実施形態では、側糸として、複数のモノフィラメントを撚り合わせて１本の糸としたマルチフィラメントを使用する。
まず、図６（ａ）に示すように、筒状の樹脂製ブーツ３１を用意し、ブーツ３１に光ファイバコード２０の端部を挿入する。そして、図６（ｂ）に示すように、被覆材２２の端部にブーツ３１を配置し、ブーツ３１の周りに被覆材２２の端部（側糸）を折り曲げて、ブーツ３１の端部で被覆材２２の端部を切りそろえる。
次に、図６（ｃ）のようにブーツ３１が取り付けられた２組の光ファイバコード２０を、それらの先端を向かい合わせて配置する。そして、一方の光ファイバコード２０の周囲に熱収縮チューブ３２を通しておく。その後、一方の光ファイバコード２０の光ファイバ２１ａの先端と他方の光ファイバコード２０の光ファイバ２１ａの先端とを融着して光学的に接合する。
次いで、光ファイバ２１ａの融着部に沿って補強用金属棒３３を配置し、熱収縮チューブ３２を接合部に移動して、熱収縮させる。このようにして、光ファイバコード２０の終端処理を行うことができ、被覆材２２の側糸のほつれが回避される。
図７（ａ）〜（ｅ）は、被覆材２２の終端処理方法の他の例を示す図である。
まず、図７（ａ）に示すように、円筒状の樹脂製ブーツ４１を用意し、ブーツ４１に光ファイバコード２０の端部を挿入する。そして、図７（ｂ）に示すように、被覆材２２の端部にブーツ４１を配置し、ブーツ４１の周りに被覆材２２の端部（側糸）を折り曲げて、ブーツ４１の端部で被覆材２２の端部を切りそろえる。
その後、光ファイバ素線２１の先端をリング状の金具４２に通し、金具４２の一部を被覆材２１の内側に挿入する。
次に、図７（ｃ）に示すように、光ファイバ素線２１の先端部をジルコニア製のフランジ付フェルール４３に挿入する。そして、フェルール４３と金具４２とを接着剤４４により接着する。
次に、図７（ｄ）に示すように光ファイバコード２０の先端部をＳＣコネクタ４５に挿入し、図７（ｅ）に示すようにＳＣコネクタ４５の先端にフェルール４３の先端部が若干突出する位置でＳＣコネクタ４５を固定する。その後、光ファイバ素線２１の先端部を研磨して、フェルール４３の先端面と光ファイバ２１ａの先端面とを一致させる。
このようにして、光ファイバコード２０の終端処理が完了し、被覆材２２の側糸のほつれが回避される。
以下、本実施形態に係る光ファイバコード２０の製造方法について説明する。
図８は、製紐機の一例を示す模式図である。この製紐機は水平に配置されたリング状のターンテーブル５１を有し、ターンテーブル５１の上には被覆材２２の側糸となる糸（マルチフィラメント）が巻回された複数のボビン５２ａ，５２ｂが配置されている。
ボビン５２ａは、ターンテーブル５１の下に配置された駆動機構（図示せず）により、ターンテーブル５１の中心からの距離を周期的に変化させながらターンテーブル５１上を左回りに移動する。また、ボビン５２ｂは、ターンテーブル５１の下に配置された駆動機構により、ターンテーブル５１の中心からの距離を周期的に変化させながらターンテーブル５１上を右回りに移動する。ボビン５２ａの軌道（図８中に破線で示す）とボビン５２ｂの軌道（図８中に一点鎖線で示す）とは、周期的に交差する。
ボビン５２ａ，５２ｂから巻き解かれた糸は、ターンテーブル５１の上方に配置されたリング状の編み口５３の内側を通り、組紐状に編組されて被覆材２２となる。
光ファイバ素線２１が巻回されたボビン５４及び補強用芯糸２３が巻回されたボビン５５は、ターンテーブル５１の下方に配置されている。そして、ボビン５４，５５から巻き解かれた光ファイバ素線２１及び補強用芯糸２３は、ターンテーブル５１の中央を通り、編み口５３の内側に導入されて、被覆材２２の内側に配置される。光ファイバ素線２１及び芯糸２３が挿入された被覆材２２は、巻取りロール（図示せず）に巻き取られる。このようにして、本実施形態に係る光ファイバコード２０が製造される。
ところで、上述した方法により試作した光ファイバコード（以下、「光ファイバコードＡ」と呼ぶ）を温度分布測定装置（ＤＴＳ）に接続して伝送損失を調べたところ、図９のように−１．４ｄＢ／３５ｍと大きいものであった。この光ファイバコードＡでは、側糸及び補強用芯糸として、番手（太さ）が１１１０ｇ／１０ｋｍのザイロンを使用している。また、被覆材は、１６本の側糸を編組して形成している。なお、ここでは光ファイバ素線の一部区間のみを被覆材で被覆し、光ファイバコードＡとしている。
光ファイバコードＡの伝送損失が大きい原因として、側糸及び芯糸の締め付けにより光ファイバ素線に最小許容曲げ半径よりも小さい曲げが連続的に生じている可能性が考えられた。そこで、光ファイバコードＡのＸ線写真を撮影した。しかし、Ｘ線写真から、光ファイバ素線は被覆材内で十分に大きな曲げ半径を保っており、最小許容曲げ半径よりも小さい曲げは生じていないことが判明した。
また、光ファイバコードＡでは、製造工程においてザイロンに擦られて光ファイバに擦り傷が発生し、それが伝送損失の増加の原因となっている可能性が考えられた。
そこで、光ファイバと同程度の硬さをもつ高珪酸ガラスマルチフィラメントを側糸に用いて、光ファイバコードを試作した。側糸に用いた高珪酸ガラスマルチフィラメントの番手は、４５０ｇ／ｋｍである。４本の側糸を編組した光ファイバコード（以下、「光ファイバコードＢ」と呼ぶ）と、８本の側糸を編組した光ファイバコード（以下、「光ファイバコードＣ」と呼ぶ）とを作製した。なお、ここでも、光ファイバ素線の一部区間のみを被覆材で被覆し、光ファイバコードＢ，Ｃとしている。
これらの光ファイバコードＢ，Ｃを温度分布測定装置（ＤＴＳ）に接続して伝送損失を調べたところ、いずれも図１０に示すように−３．７ｄＢ／３８ｍ程度であった。
光ファイバコードＡ，Ｂ，Ｃから光ファイバ素線を引き出してみたところ、いずれも光ファイバ素線には外観的な傷はなかった。しかし、図１１に模式的に示すように、芯糸２３が光ファイバ素線２１に絡みついていた。このことから、光ファイバコードＡ，Ｂ，Ｃにおいて伝送損失が大きい原因は、光ファイバ素線２１に捩じり応力が印加されているためであると推察された。
光ファイバコードＡ，Ｂ，Ｃの製造に使用した製紐機の構造は左右対称である。このため、右回りの側糸の本数と左回りの側糸の本数とが同じであれば、右回りの捩じり応力と左回りの捩じり応力とがつりあって、光ファイバ素線２１に芯糸２３が絡みつくことはないはずである。
しかし、実際には、フィラメント公差やボビン毎のフィラメント残量の差、及び編み口の位置の誤差などにより、右回りの捩じり応力及び左回りの捩じり応力のいずれか一方が他方よりも大きくなって、光ファイバ素線を捩じる方向に応力が働くものと考えられる。そう考えると、図１１のように芯糸２３が光ファイバ素線２１に周期的に絡みついていたことも説明できる。
光ファイバ素線に働く捩じり応力を小さくするために、例えば側糸の本数を増加して光ファイバ素線と側糸（被覆材）との間の隙間を大きくし、光ファイバ素線と側糸との接触面積を小さくすることが考えられる。
例えば側糸として番手が４５０ｇ／ｋｍの高珪酸ガラス繊維を使用した場合、１本の側糸の太さは０．３ｍｍ〜０．９ｍｍ程度である。この高珪酸ガラス繊維の側糸を２４本以上使用すると、被覆材の外径は６．６ｍｍ程度になり、光ファイバ素線と被覆材との間に平均２ｍｍ以上の隙間が確保される。
しかし、そのような光ファイバコードを作製する場合、編み口の位置では光ファイバ素線と側糸との間の隙間を確保することはできるものの、巻取りロールに巻き取る際に光ファイバ素線と側糸とが接触して、光ファイバ素線に捩じり応力が発生してしまう。
また、光ファイバコードを温度センサとして使用する場合に、被覆材と光ファイバ素線との間に大きな隙間があると、温度変化に対する応答性が悪くなるという問題もある。
本実施形態では、編組周期を調整することで、上記の問題を解消する。
編組周期Ｌは、図１２に模式的に示すように、被覆材２２に外力が印加されていない状態のときに、側糸が光ファイバコード２０の回りを１周する間に進む距離の平均値として定義される。
編組周期Ｌは、例えば図８中のターンテーブル５１と編み口５３との間の距離を変化させることにより調整できる。ターンテーブル５１と編み口５３との間の距離を大きくすると、編み口５３における糸の入射角度（糸と鉛直軸との角度）が小さくなるため、編組周期Ｌは大きくなる。逆に、ターンテーブル５１と編み口５３との間の距離を小さくすると、編み口５３における糸の入射角度が大きくなるため、編組周期Ｌは小さくなる。
ところで、光ファイバに捩じり応力が働くと伝送損失が大きくなるのは、捩じり応力により光ファイバに伸び歪が発生するためである。
図１３は、光ファイバの捩じれ周期と伸び歪との関係を示す図である。光ファイバの直径がＲ、光ファイバの捩じれ周期がＳであるとすると、伸び歪Ｗ（％）は下記（１）式により表わされる。
図１４は、横軸に捩じれ周期Ｓをとり、縦軸に伸び歪Ｗ（％）をとって、両者の関係を示す図である。なお、ここでは光ファイバの直径を０．１２５ｍｍとしている。図１４から、捩じれ周期Ｓが短くなるほど伸び歪Ｗが大きくなることがわかる。
一般的に、光ファイバの寿命の観点から、光ファイバの伸び歪は０．２％以下にすることが好ましいといわれており、この値が光ファイバを製造する場合の指針となっている。
直径が０．１２５ｍｍの光ファイバの伸び歪を０．２％以下にするためには、（１）式より、捩じれ周期Ｓを６．２ｍｍ以上とすればよいことがわかる。
図１５は、実際に光ファイバを捩じって、捩じれ周期と伝送損失との関係、及びねじれ周期と伝送損失の増加の割合との関係を調べた結果を示す図である。ここでは、光ファイバをその長さ方向に７０ｃｍ離れた２箇所の位置で固定し、それらの間の光ファイバを捩じりながら伝送損失を測定した。
図１５から、捩じれ周期が８．２５ｍｍ〜５．５ｍｍの間で伝送損失が急激に増大することがわかる。また、図１４から、捩じれ周期が８．２５ｍｍ〜５．５ｍｍのときの伸び歪は０．１１％〜０．２５％であることがわかる。
これらの結果から、伸び歪が０．２％以下となるような捩じれ周期であれば、伝送損失は十分に小さいことが判明した。
光ファイバの捩じれは製紐時の側糸との摩擦により生じるため、捩じれ周期Ｓが編組周期Ｌよりも大きくなることはない。つまり、伸び歪が０．２％以下となる捩じれ周期をＳとしたときに、被覆材の編組周期ＬをＳ以下とすれば、伝送損失を十分小さくすることができる。
例えば、光ファイバの直径が０．１２５ｍｍの場合、伸び歪が０．２％のときの捩じれ周期Ｓは６．２ｍｍであるので、編組周期Ｌを６．２ｍｍ以上とすることにより、伝送損失が十分に小さい光ファイバコードが得られる。なお、図１０に示す光ファイバコートＢ，Ｃの編組周期を調べたところ、光ファイバコードＢの編組周期は５ｍｍであり、光ファイバコードＢの編組周期は５．５ｍｍであった。
図１６は、被覆材の側糸となる糸の材質、太さ（番手）、本数、及び編組周期を種々変化させて図４（ａ），（ｂ）に示す構造の光ファイバコードを作製し、被覆材に２００ｇ重の荷重を印加したときの被覆材の伸びを調べた結果を示している。但し、ここでは、直径が０．１２５ｍｍの光ファイバにカーボンコート及びポリイミドコートを付与した光ファイバ素線を使用している。光ファイバ素線の直径は０．１５ｍｍである。
図１６に示すように、作製したNo.1〜No.5の光ファイバコードはいずれも編組周期Ｌが６．２ｍｍ以上である。また、光ファイバ素線に２００ｇ重の荷重を印加したときの伸びが１．０５ｍｍであるのに対し、被覆材の伸びはいずれも１．６ｍｍ以上であり、光ファイバ素線の伸びよりも大きい。
つまり、これらNo.1〜No.5の光ファイバコードは、いずれも伝送損失の変化により応力の変化を検知する異常検知システムに使用可能である。
図１７は、No.3の光ファイバコードを温度分布測定装置（ＤＴＳ）に接続して伝送損失を測定した結果を示す図である。この図１７に示すように、No.3の光ファイバコードの９０ｍの区間における伝送損失は０．１５ｄＢである。この値を１ｋｍの伝送損失に換算すると１．６６ｄＢとなり、光ファイバ素線単体のときの伝送損失とほぼ同じ値となる。
図１８は、No.5の光ファイバコードを温度分布測定装置（ＤＴＳ）に接続して伝送損失を測定した結果を示す図である。この図１８に示すように、No.5の光ファイバコードの３５ｍの区間における伝送損失は０．０９ｄＢである。この値を１ｋｍの伝送損失に換算すると２．５７ｄＢとなる。この値はNo.3の光ファイバコードの伝送損失よりも大きいが、実用上問題ないレベルである。
（異常検知システム）
図１９は、実施形態に係る異常検知システムを示すブロック図である。また、図２０は後方散乱光のスペクトルを示す図、図２１は散乱光検出装置で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。
図１９は、実施形態に係る異常検知システムを示すブロック図である。また、図２０は後方散乱光のスペクトルを示す図、図２１は散乱光検出装置で検出されるラマン散乱光の強度の時系列分布を示す図である。
図１９に示すように、本実施形態に係る異常検知システムは、光ファイバコード２０と、散乱光検出装置６０と、散乱光検出装置６０から出力されるデータを処理するデータ処理装置７０とを有する。散乱光検出装置６０は散乱光検出部の一例であり、データ処理装置７０はデータ処理部の一例である。
図１９のように、散乱光検出装置６０は、レーザ光源６１と、レンズ６２ａ，６２ｂと、ビームスプリッタ６３と、波長分離部６４と、光検出器６８と、演算部６９とを有し、光ファイバコード２０に接続して使用する。
光ファイバコード２０は、図４（ａ），（ｂ）に示すように光ファイバ素線２１と組紐状に編組された被覆材２２とを有する。また、光ファイバ素線２１は、光ファイバ２１ａとその周面を被覆するコード材２１ｂとを有する。光ファイバ素線２１の直径Ｒは０．１５０ｍｍであり、被覆材２２の編組周期Ｌは６．２ｍｍ以上である。光ファイバ素線２１の直径Ｒ及び被覆材２２の編組周期Ｌは、下記（２）式の関係を満足する。
光ファイバコード２０は、例えば図１のように配管１１，１２の周囲に敷設され、テープ１４等により配管１１，１２に部分的に固定される。
レーザ光源６１からは、所定のパルス幅のレーザ光が一定の周期で出力される。このレーザ光は、レンズ６２ａ、ビームスプリッタ６３及びレンズ６２ｂを通って光ファイバ２１ａの光源側端部から光ファイバ２１ａ内に進入する。
光ファイバ２１ａ内に進入した光の一部は、光ファイバ２１ａを構成する分子により後方散乱される。後方散乱光には、図２０に示すように、レイリー（Rayleigh）散乱光と、ブリルアン（Brillouin）散乱光と、ラマン（Raman）散乱光とが含まれる。レイリー散乱光は入射光と同一波長の光であり、ブリルアン散乱光及びラマン散乱光は入射波長からシフトした波長の光である。
ラマン散乱光には、入射光よりも長波長側にシフトしたストークス光と、入射光よりも短波長側にシフトした反ストークス光とがある。ストークス光及び反ストークス光の強度はいずれも温度により変化するが、ストークス光は温度による変化量が小さく、反ストークス光は温度による変化量が大きい。すなわち、ストークス光は温度依存性が小さく、反ストークス光は温度依存性が大きいということができる。
これらの後方散乱光は、図１９に示すように、光ファイバ２１ａ内を戻って光源側端部から出射する。そして、レンズ６２ｂを透過し、ビームスプリッタ６３により反射されて、波長分離部６４に進入する。
波長分離部６４は、波長に応じて光を透過又は反射するビームスプリッタ６５ａ〜６５ｃと、特定の波長の光のみを透過する光学フィルタ６６ａ〜６６ｃとを有する。また、波長分離部６４は、光学フィルタ６６ａ〜６６ｃを透過した光をそれぞれ光検出器６８の受光部６８ａ〜６８ｃに集光する集光レンズ６７ａ〜６７ｃを有する。
波長分離部６４に入射した光は、ビームスプリッタ６５ａ〜６５ｃ及び光学フィルタ６６ａ〜６６ｃによりレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光に分離され、光検出器６８の受光部６８ａ〜６８ｃに入力される。その結果、受光部６８ａ〜６８ｃからはレイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光の強度に応じた信号が出力される。
演算部６９は、コンピュータを含んで構成される。この演算部６９は、光検出器６８から出力される信号の経時的変化を記憶するとともに、ストークス光及び反ストークス光の強度比を演算して、光ファイバ２１ａの長さ方向の温度分布を取得する。
光ファイバ２１ａ内で発生した後方散乱光は、光ファイバ２１ａを戻る間に減衰する。そのため、後方散乱が発生した位置における温度を正しく評価するためには、光の減衰を考慮することが重要である。
図２１は、横軸に時間をとり、縦軸に信号強度をとって、ラマン散乱光の強度の時系列分布の一例を示す図である。光ファイバ２１ａにレーザパルスを入射した直後から一定の間、光検出器６８にはストークス光及び反ストークス光が検出される。光ファイバ２１ａの全長にわたって温度が均一の場合、レーザパルスが光ファイバ２１ａに入射した時点を基準とすると、信号強度は時間の経過とともに減少する。この場合、横軸の時間は光ファイバ２１ａの光源側端部から後方散乱が発生した位置までの距離を示しており、信号強度の経時的な減少は光ファイバ２１ａによる光の減衰を示している。
光ファイバ２１ａの長さ方向にわたって温度が均一でない場合、例えば長さ方向に沿って高温部及び低温部が存在する場合は、ストークス光及び反ストークス光の信号強度は一様に減衰するのではなく、図２１に示すように信号強度の経時変化を示す曲線に山及び谷が現れる。図２１において、ある時間ｔにおける反ストークス光の強度をＩ1、ストークス光の強度をＩ2とする。
図２２は、図２１のラマン散乱光の強度の時系列分布を基にＩ1／Ｉ2比を時間毎に計算し、且つ図２１の横軸（時間）を距離に換算し、縦軸（信号強度）を温度に換算した結果を示す図である。この図２２に示すように、反ストークス光とストークス光との強度比（Ｉ1／Ｉ2）を計算することにより、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定することができる。
本実施形態で使用する散乱光検出装置６０は、温度分布測定装置（ＤＴＳ）と基本的に同じ構造を有し、上述したように温度分布を測定することもできる。但し、温度分布の測定は必要に応じて行えばよく、必須ではない。
散乱光検出装置６０からは、上述したように光ファイバの長さ方向における温度分布のデータと、図２に示すように光ファイバの長さ方向における戻り光（ストークス光、反ストークス光及びレイリー散乱光）の強度分布のデータとが出力される。
データ処理装置７０は、コンピュータを含んで構成される。そして、データ処理装置７０は、散乱光検出装置６０から出力されるデータを処理して異常の有無を判定し、異常と判定したときには警報を発生するなどの予め設定された処理を実行する。
データ処理装置７０に光ファイバコード２０の敷設経路（２次元又は３次元空間における敷設経路）を記憶しておけば、散乱光検出装置６０から出力される光ファイバ２１ａの長さ方向の温度分布から、２次元又は３次元空間の温度分布を演算することも可能である。光ファイバコード２０の被覆材２２には文字や数字等を印字することができるので、例えば光ファイバコードの被覆材に基準点からの距離を印字しておくことにより、敷設経路をデータ化する際の処理が容易になる。
なお、本願発明者らは、特定の測定ポイントの温度を基準にし、伝達関数を用いてその他の測定ポイントの温度測定値を補正する温度測定方法を提案している（特許文献４等）。この方法によれば、光ファイバの長さ方向に沿って１０ｃｍ〜数１０ｃｍの間隔で設定された測定ポイントの温度を精度よく検出することができる。
ところで、図２に示すように光ファイバの長さ方向における戻り光の強度分布から光ファイバに付加された応力を検出することが可能である。戻り光の強度分布に対し、微分系のＦＩＲ（Finite Impulse Response：有限インパルス応答）フィルタを作用させることによりノイズ成分が除去され、伝送損失が強調される。
微分系のＦＩＲフィルタとは、ユニットステップ型の微分フィルタと異なり、微分とローパスフィルタの特性を併せもつフィルタである。本実施形態で使用するＦＩＲフィルタの一例を、図２３に示す。例えば、ストークス光及び反ストークス光の強度分布にＦＩＲフィルタを作用させて得られた結果の積を光ファイバの長さ方向の位置毎に演算し、その演算結果の２乗和のルートを光ファイバの長さ方向の位置毎に演算することで、伝送損失を強調することができる。
また、光ファイバの一方の端部側からレーザ光を進入させたときに得られるストークス光の強度分布にＦＩＲフィルタを作用させた結果と、他方の端部側からレーザ光を進入させたときに得られるストークス光の強度分布にＦＩＲフィルタを作用させた結果との積を光ファイバの長さ方向の位置毎に演算しても、伝送損失を強調することができる。
更に、光ファイバの一方の端部側からレーザ光を進入させたときに得られるストークス光の強度分布と他方の端部側からレーザ光を進入させたときに得られるストークス光の強度分布とを取得し、規格化関数によりそれらのストークス光の関数を作製してＦＩＲフィルタを作用させることで、伝送損失を強調することができる。
図２４（ａ）は、図１６のNo.4の光ファイバコードに対し中程度の引張り応力（相対強さ１）を印加したときの温度分布の測定結果と応力の検出信号の測定結果（ＦＩＲフィルタ適用後）とを示す図である。また、図２４（ｂ）は、同一の光ファイバコードに対しやや強い引張り応力（相対強さ２）を印加したときの温度分布の測定結果と応力の検出信号の測定結果（ＦＩＲフィルタ適用後）とを示す図である。更に、図２４（ｃ）は、同一の光ファイバコードに対し強い引張り応力（相対強さ２．８）を印加したときの温度分布の測定結果と応力の検出信号の測定結果（ＦＩＲフィルタ適用後）とを示す図である。引張り応力は、光ファイバの基準点から約９７ｍの位置に印加している。
これらの図２４（ａ）〜（ｃ）から、印加された引張り力に応じた信号が検出できていることがわかる。また、引張り応力の程度にかかわらず、温度分布はほぼ同じであり、引張り応力が温度分布の測定に影響していないことがわかる。
なお、これら図２４（ａ）〜（ｃ）では、１１８ｍ付近に大きなピークが出現しているが、このピークはコネクタ部での伝送損失によるものである。
図２５は、図１６のNo.4の光ファイバコードを用いて伝送損失測定と温度分布測定とを同時に行った結果を示す図である。ここでは、光ファイバコードの一部（約８ｍの区間）を直径８ｃｍ程度に巻回して電気炉に入れ、約４５０℃の温度で加熱している。この場合も、温度分布の測定と同時に、応力の変化による異常の検知を行うことができた。
以上説明したように、本実施形態に係る異常検知システムは、耐熱温度が３００℃以上の繊維を用いて組紐状に編組された被覆材を有する光ファイバコード２０をセンサとして使用している。これにより、温度が３００℃以上の環境下で、温度分布の測定と応力の変化による異常検知とを同時に行うことができる。
開示の技術の一観点によれば、光ファイバと、複数本の糸を組紐状に編組して形成され前記光ファイバを被覆する被覆材とを有し、前記光ファイバと前記被覆材との間に隙間が設けられている光ファイバコードが提供される。
開示の技術の他の一観点によれば、複数本の糸を組紐状に編組した被覆材に被覆された光ファイバと、前記光ファイバ内で発生する散乱光を検出し、前記光ファイバの長さ方向における強度分布のデータを出力する散乱光検出部と、前記散乱光検出部の出力に基づき異常の有無を判定するデータ処理部とを有し、前記光ファイバと前記被覆材との間に隙間が設けられている異常検知システムが提供される。
Claims (16)
- 光ファイバと、
複数本の糸を組紐状に編組して形成され前記光ファイバを被覆する被覆材と
を有することを特徴とする光ファイバコード。 - 前記被覆材の耐熱温度が３００℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバコード。
- 前記光ファイバの直径をＲ、前記被覆材の編組周期をＬとしたときに
（（（Ｌ2＋（π.Ｒ）2））1/2−Ｌ）÷Ｌ≦０．２（％）
を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバコード。 - 前記光ファイバの周面にカーボン又は樹脂のコート材がコートされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光ファイバコード。
- 前記被覆材を構成する糸のヤング率が、前記コート材のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバコード。
- 前記被覆材単体の伸びが、同じ荷重を印加したときの前記光ファイバ単体の伸びよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光ファイバコード。
- 前記被覆材には、基準点からの距離を示すデータが印字されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光ファイバコード。
- 複数本の糸を組紐状に編組した被覆材に被覆された光ファイバと、
前記光ファイバ内で発生する散乱光を検出し、前記光ファイバの長さ方向における強度分布のデータを出力する散乱光検出部と、
前記散乱光検出部の出力に基づき異常の有無を判定するデータ処理部と
を有することを特徴とする異常検知システム。 - 前記被覆材の耐熱温度が３００℃以上であることを特徴とする請求項８に記載の異常検知システム。
- 前記光ファイバの直径をＲ、前記被覆材の編組周期をＬとしたときに
（（（Ｌ2＋（π.Ｒ）2））1/2−Ｌ）÷Ｌ≦０．２（％）
を満足することを特徴とする請求項８乃至９のいずれか１項に記載の異常検知システム。 - 前記光ファイバの周面にカーボン又は樹脂のコート材がコートされていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の異常検知システム。
- 前記被覆材を構成する糸のヤング率が、前記コート材のヤング率よりも大きいことを特徴とする請求項１１に記載の異常検知システム。
- 前記被覆材単体の伸びが、同じ荷重を印加したときの前記光ファイバ単体の伸びよりも大きいことを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の光ファイバコード。
- 前記散乱光検出部は、更に前記光ファイバ内で発生する散乱光の検出結果から、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を検出することを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の異常検知システム。
- 前記データ処理部は、前記散乱光検出部の出力、又はその出力を入力とした関数にＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタを作用させることを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか１項に記載の異常検知システム。
- 前記光ファイバが、配管に沿って敷設されることを特徴とする請求項８乃至１５のいずれか１項に記載の異常検知システム。
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