WO2017060971A1 - Ｄｐｔｓｓケーブル - Google Patents
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Definitions
- the present invention makes it easy to assemble or manufacture an optical fiber cable in place of a conventional optical fiber cable equipped with FIMT, for example, a drawing process, and continuously measure pressure distribution and strain distribution using an optical fiber.
- the present invention relates to an optical fiber cable that can be easily measured.
- FIMT Fiber In Metallic Tube
- FIMT Fiber In Metallic Tube
- the optical fiber in FIMT is not subjected to pressure load, it can function as a temperature sensor and measure a long-distance continuous temperature distribution along the optical fiber. Widely used in various fields including radiation thermometers.
- an optical fiber buffer tube that can be used at high temperatures.
- An optical fiber as a sensor is provided.
- an optical fiber cable provided with the optical fiber buffer tube and a conductor with high conductivity (see, for example, Patent Document 1).
- an optical fiber strain sensor is housed in a sensor housing groove formed in the longitudinal direction of the trolley wire, and heat is generated by a current flowing through a portion where the cross-sectional area decreases due to wear of the trolley wire over a long section and a long time.
- a current flowing through a portion where the cross-sectional area decreases due to wear of the trolley wire over a long section and a long time there is one that can measure the amount and detect a risk of disconnection of the trolley wire (see, for example, Patent Document 2).
- an optical fiber strain measurement method is also described. In other words, the optical fiber was mounted in a metal tube in a negative extra length state, and in the state of no tension load, the optical fiber was contained with a gap in a shorter state than the metal tube containing it, and the metal tube was given tension.
- Non-Patent Document 1 As another example, in the field of industrial distributed optical fiber sensing, it has been pointed out that there are only a limited number of examples in which strain or temperature can be measured (see, for example, Non-Patent Document 1). This is because commercially available systems and actual industry requirements are not particularly matched in spatial resolution and accuracy (eg, distance resolution and temperature resolution are generally trade-offs). It is in). Also shown here is a hybrid Brillouin-Rayleigh backscattered light measurement system that demonstrates capabilities beyond the measurement method using strain gauges. The principle of this system is illustrated taking into account an optical fiber calibration method, and equations for determining strain, temperature, and water pressure are derived and discussed. However, it has been shown that hysteresis occurs in the relationship between temperature and Brillouin frequency shift, or temperature and Rayleigh frequency shift. It is also shown that there is an influence of the thickness of the coating agent that is a protective film of the optical fiber.
- K. KISHIDA et.al “Study of Optical Fibers Strain-Temperature Sensitivities Using Hybrid Brillouin-Rayleigh System”, “PHOTONIC SENSORS”, 2 Sep. 2013. J. Wojcik et.al, “V type high birefringent PCF fiber for hydrostatic pressure sensing”, PHOTONIC LETTERS OF POLAND, vol.2 (1), 10-12, 2010.
- FIMT Distributed Pressure, Temperature, and Strain System
- at least one fiber that does not receive pressure and one that receives pressure have been provided.
- FIMT which has arrange
- the outer diameter of the metal tube (pipe) is about 0.8 mm ⁇ to several mm ⁇ , and its thickness Is 0.1 mm to 0.2 mm, it is easy to break, and it is difficult to manufacture a long optical fiber cable.
- the thickness of the pipe is 0.1 mm or less. It becomes difficult.
- the optical fiber core wire for measuring the pressure of the measured object and the temperature of the measured object are measured.
- the FIMT in the armored cable is provided, and a fixing material for fixing the optical fiber core wire and the armored cable is spaced in the axial direction of the optical fiber cable so that an annular gap layer is formed between the optical fiber core wire and the armored cable. There is something that was set up.
- the present invention has been made in view of the above problems, and since it does not employ FIMT, there is no problem of pinholes, there is almost no fear of disconnection, and the assembly of a large number of cables to be used is easy. It is an object of the present invention to provide a DPTSS cable that can be easily manufactured and can continuously measure strain distribution.
- the DPTSS cable according to this invention is In order to measure the pressure distribution, strain distribution, and temperature distribution of the measured object based on the frequency change of Brillouin scattering and Rayleigh scattering, which is the scattering of pulsed laser light emitted to the optical fiber,
- a DPTSS cable having at least two metal wire cables formed with grooves in the axial direction of the outer peripheral portion and provided with optical fibers in the grooves,
- One metal wire cable is an embedded optical fiber cable in which an optical fiber is embedded and held along the groove of the metal wire cable.
- the other metal wire cable is a metal wire cable having a characteristic different from that of the optical fiber embedded cable, and is a sensitivity coefficient of pressure change with respect to frequency change of Brillouin scattering and Rayleigh scattering of the optical fiber embedded cable. It is configured to have different pressure change sensitivity coefficients.
- the present invention compared to the case of using the conventional FIMT, it is possible to completely eliminate the problem of pinholes, and since special laser welding is unnecessary, high-speed and economical production is possible. Therefore, the assemblability can be improved when assembling the cable structure. In addition, there is no loss of pressure blocking function due to pinholes. Furthermore, continuous strain distribution measurement, which is impossible with the conventional method of providing a fixed point using a DPTSS cable, is possible.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of a basic structure of an optical fiber embedded cable that is a metal wire cable used for the DPTSS cable 10 according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 1A is a conceptual diagram of the basic structure of the optical fiber embedded cable 1.
- FIGS. 1B and 1C are views in a direction perpendicular to the axis of the optical fiber embedded cable 1. It is sectional drawing and is equivalent to A arrow view of Fig.1 (a). In the example shown in FIG.
- the outer peripheral portion of one optical fiber embedded cable 1 is formed in a concave shape (cut groove) along the longitudinal direction, and is a direction orthogonal to the axis of the optical fiber embedded cable.
- the optical fiber 3 is embedded and housed in the groove 2 having a U-shaped cross section, and the optical fiber is held by resin or the like over the entire length in the longitudinal direction of the optical fiber embedded cable 1 (this portion is hereinafter referred to as “the portion”). , Referred to as an optical fiber holding unit 4).
- the basic structure of the DPTSS cable two types of structures having different sensitivity to pressure are proposed.
- the optical fiber holding part 4 is composed of a water-soluble coating 5a, and this optical fiber holding part is fixed (embedded) in a wire having a cut. Yes (see FIG. 1B).
- the wire with this basic structure can be handled as a single wire when stranded, making it possible to manufacture a DPTSS cable. After the DPTSS cable is completed, the water-soluble coating is dissolved, The structure has pressure sensitivity in all parts (100% part).
- the second basic structure (hereinafter also referred to as type 2) is a case where the optical fiber holding portion 4 is made of the adhesive 5c or the coated portion of the optical fiber is made of an elastic material 5d.
- the wire having this basic structure is the same as that of the first basic structure in that it can be handled as one wire when it is stranded (twisted wire), and enables the production of a DPTSS cable.
- the pressure applied to the optical fiber is only a part of the hydrostatic pressure around the cable due to the shape of the groove and the connection method with the wire, and the sensitivity to the pressure of the optical fiber in this case is It is different from that of the first basic structure.
- a DPTSS cable is manufactured using a wire in which the above-described two types of optical fibers are embedded.
- the embedding distance h 0 is set to be larger than the deformation amount of the embedded optical fiber cable (the amount of deformation in the radial direction of the cable) during use. Even if there is a torsional deformation around it, the measurement by the optical fiber 3 is not adversely affected thereby.
- D is the diameter of the optical fiber embedded cable
- b is the opening width of the U-shaped groove at the outermost peripheral radius position of the optical fiber embedded cable
- h is the groove depth of the U-shaped groove.
- D 1.17 mm
- b 0.3 mm
- FIG. 2 is a view showing an example of the configuration of a DPTSS cable 10 using the optical fiber embedded cable 1, and is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the axis of the DPTSS cable.
- 2A is a cross-sectional view showing a configuration of a metal wire cable used for the DPTSS cable
- FIGS. 2B, 2C, and 2D are respectively a part of FIG. 2A.
- FIG. 2 is a view showing an example of the configuration of a DPTSS cable 10 using the optical fiber embedded cable 1, and is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the axis of the DPTSS cable.
- 2A is a cross-sectional view showing a configuration of a metal wire cable used for the DPTSS cable
- FIGS. 2B, 2C, and 2D are respectively a part of FIG. 2A.
- the DPTSS cable 10 is typically characterized by a structure having at least one of two types of wires having different basic structures as described above. Two types of wires are placed in the first layer (the layer in the frame of the one-dot chain line in the figure) which is the inner layer, and the outer periphery is the second layer (the layer in the frame of the one-dot chain line and the two-dot chain line in the figure) It is a DPTSS cable with a cross-strand strand structure surrounded by an outer layer.
- FIG. 2B which is an enlarged view of the embedded optical fiber cable 1a shown in FIG. 2A
- the optical fiber holding portion 4 as the first basic structure is attached to the water-soluble coating 5a.
- the optical fiber 3a is embedded in the groove. Since the water-soluble coating 5a is dissolved by the aqueous solution that is the object to be measured at the time of use, the optical fiber 3a is used in a free state.
- the optical fiber embedded cable 1b shown in FIG. 2 (a) as shown in the enlarged view of FIG. 2 (c), the optical fiber holding portion 4 which is the second basic structure is bonded with an adhesive 5c such as resin.
- the metal wire cable is configured, and the optical fiber 3b is embedded in the groove.
- FIG. 2D is a diagram for explaining a dummy cable 9 that is different from any of the above two types of metal wire cables.
- FIG. 2A is a strand (stranded wire) composed of a plurality of wires.
- the combination of the metal wire cables shown in FIG. 2A is not limited to the above, and any one of the optical fiber embedded cable 1a or 1b, which is a metal wire cable, may be used instead of the dummy cable 9. Good.
- the DPTSS cable In such a system using an optical fiber embedded cable, it is usually necessary to make the DPTSS cable have a multilayer structure as shown in FIG. Hereinafter, this multilayered structure is referred to as a strand structure 6.
- this multilayered structure is referred to as a strand structure 6.
- the cut portion of the type 1 metal wire cable is arranged in the direction of the central axis of the DPTSS cable.
- the reason for this is as follows. That is, when measurement is performed under a condition where water pressure such as in a liquid is applied using this cable, the liquid usually contains a proppant, that is, a substance mainly composed of sand.
- a proppant that is, a substance mainly composed of sand.
- the sand wears the surface of the metal wire cable, and as a result, the sand component directly contacts the optical fiber. This may damage the optical fiber.
- the multilayered structure of the present embodiment fulfills a filter function for preventing sand intrusion and maintains a function for measuring water pressure. In addition, this filter function is more effective as the inner peripheral portion becomes multilayered.
- the multilayered optical fiber embedded cable in FIG. 2 is arranged as the strand structure (strand structure) 6 as described above
- the strand structure (strand structure) used here is Usually, it has a structure called cross twist. Since cross strands use strands having substantially the same diameter, they are generally easy to handle and inexpensive.
- the inner layer and the outer layer have a strand structure in which the helical pitch is different, and the outer layer embedded optical fiber embedded cable layer is in contact with each other so as to straddle the unevenness of the inner layer embedded optical fiber embedded cable. It has become. Therefore, in the case of cross-twisting, there is a possibility that the strain of the outer layer cannot be faithfully transmitted to the central wire, but the stability of the cable structure is excellent.
- FIG. 2 shows a DPTSS cable in which only one outer layer is formed on the outer side of an optical fiber embedded cable having a basic structure.
- the present invention is not limited to this, and the strand includes two or more outer layers. It may be a structure.
- the layer in which the optical fiber embedded cable having the basic structure is arranged is referred to as an inner layer
- the layer immediately outside the inner layer is referred to as an intermediate layer
- the outer layer is referred to as an outermost layer.
- strands of different diameters are generally twisted at the same time and are twisted at the same pitch in the longitudinal direction of the cable from the inner layer to the outer layer.
- an inner layer that is a first layer in which an optical fiber embedded cable having the above-described basic structure is disposed, an intermediate layer that is a second layer immediately outside the first layer, and a third layer positioned outside the second layer.
- the outermost layer which is a layer, can have a structure in which the first layer to the third layer are twisted at the same pitch in the longitudinal direction of the cable.
- each optical fiber is embedded.
- the contact state between the mold cables 1 is a so-called line contact, it is also called a line contact twist. That is, the second layer overlaps between the first layer troughs of the strands, and the third layer overlaps with the second layer troughs of the strands so that the layers are arranged without gaps. For this reason, there is an advantage that disconnection due to wear or metal fatigue between the optical fiber embedded cables 1 is difficult to occur, and there is a feature that deformation or deformation hardly occurs and a breaking load increases.
- there is a method of strengthening the bonding between layers by using wires having different diameters for the strands but conventionally, the cable structure does not include an optical fiber. Detailed description is omitted.
- Brillouin scattering which is the scattered light of pulsed laser light emitted to the optical fiber due to the deformation of the optical fiber generated by the deformation generated in this shape due to the external pressure of the shape embedded with the optical fiber.
- C 11 , C 12 , and C 13 are a sensitivity coefficient with respect to a strain change of the optical fiber in a Brillouin scattering frequency change, a sensitivity coefficient with respect to a temperature change, and a sensitivity coefficient with respect to a pressure change, respectively.
- C 21 , C 22 , and C 23 are a sensitivity coefficient with respect to a change in strain of the optical fiber, a sensitivity coefficient with respect to a change in temperature, and a sensitivity coefficient with respect to a change in pressure, respectively.
- K 23 which is a sensitivity coefficient representing the relationship between ⁇ R and ⁇ P, is summed up, and this is again set to K 23.
- K 23 has characteristics as shown in FIG. 3 by measurement in water. Show. That is, the sensitivity coefficient varies depending on the material to be fixed, and the case where the fixing material is steel (Steel) is the smallest (low sensitivity), and then aluminum (Al). The largest value was shown when the optical fiber was not particularly fixed (in the case of a free structure).
- an evaluation formula that can be used in the present embodiment is derived based on the formulas (1) and (2).
- an evaluation formula that can be used in the present embodiment is derived based on the formulas (1) and (2).
- the coefficients represented by the following (9) and (10) are the temperature and frequency shift measured when temperature or pressure is applied to a free P fiber and B fiber that do not add tension or the like, respectively. It is a coefficient representing the slope of an expression representing the relationship between pressure and frequency shift function. These coefficients include strain due to thermal expansion for temperature, and strain due to volume compression for pressure. Therefore, the values are different between the P fiber and the B fiber.
- the coefficients of (9) and (10) are expressed by the following equations (11) to (18).
- the optical fiber is divided into terms specific to the optical fiber (terms without the coefficient ⁇ or ⁇ ), terms due to thermal strain (terms including the coefficient ⁇ ), and terms due to volume compression (terms including the coefficient ⁇ ) Can be expressed.
- Equation (23) and Equation (25) it seems that ⁇ T and ⁇ P can be obtained (obtained independently) by combining these equations.
- the right side of Expression (23) is equivalent to the right side of Expression (24)
- the right side of Expression (25) is equivalent to the right side of Expression (26)
- the right side of Expression (24) And it can be seen that ⁇ T and ⁇ P cannot be obtained independently of each other, considering that the right side of the equation (26) is exactly the same equation. That is, ⁇ T and ⁇ P cannot be obtained from the above equations.
- the Brillouin frequency shift of the optical fiber due to the change of only the pressure is expressed by the following equation (29) in consideration of the deformation due to ⁇ P of the metal.
- equation (30) the coefficient of ⁇ P on the left side of the right side
- the true sensitivity coefficient for the pressure change of the B fiber can be regarded as represented by the left side of equation (30).
- the Rayleigh frequency shift of the optical fiber due to a change in pressure alone is similarly expressed by Expression (31).
- equation (24) of the P fiber from which the distortion has been eliminated the coefficient is replaced with a simplified symbol and expressed as equation (32). Also, the expression (26) for the B fiber is similarly expressed as an expression (33) using the expressions (30) and (32).
- S, R, Q 1 and Q 2 are as follows.
- ⁇ T and ⁇ P can be obtained independently of each other. That is, by simultaneously using the P fiber and B fiber of the system of the first embodiment, the temperature distribution and pressure distribution of the measurement object can be obtained.
- each sensitivity coefficient of ⁇ T and ⁇ P satisfies the following relational expression (42).
- ⁇ P and ⁇ B are values represented by the following equations (43) and (44).
- FIG. an example of the first embodiment that realizes the above-described equations (38) to (41) is shown in FIG. That is, the frequency change of the Brillouin scattering and the frequency change of the Rayleigh scattering due to the pressure change or the like of the measured object are measured by the P fiber of the first basic structure, and the measured object is measured by the B fiber of the second basic structure. The frequency change of Brillouin scattering and the frequency change of Rayleigh scattering due to the pressure change of the light are measured.
- the system using the embedded optical fiber cable 1 as described above can overcome the demerits such as the improvement of assemblability and the loss of the pressure blocking function due to the pinhole when the conventional FIMT is used.
- Continuous strain measurement which was a drawback of the method, can be performed.
- the optical fiber is a groove provided on the outer periphery of a metal such as a steel wire having a larger outer diameter than the conventional one (for example, the diameter of the dummy cable shown in FIG. 2D may be assumed as the conventional cable diameter).
- the DPTSS cable is relatively easy to manufacture.
- the DPTSS cable having a multi-layered strand structure has been described.
- the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 4, the second type includes two types of metal wire cables constituting the inner layer shown in FIG. It goes without saying that the same effect can be obtained even with a structure in which only one layer of the structure is wound in a spiral.
- the DPTSS cable 10 having such a configuration can be manufactured more easily, and can easily cope with a case where the specification of the DPTSS cable has to be changed, for example, the object to be measured is changed. Can do.
- the reason why the metal wire cables are configured as three cables instead of two is to make the contact state between the metal wire cables into a line contact state and to stabilize the structure as a DPTSS cable. That is, it is intended to provide the characteristics that the metal wire cables are not easily broken due to wear or metal fatigue, are not easily deformed or deformed, and have a high breaking load.
- the distortion generated in the fibers of the equations (40) to (41), which are the principle equations for measurement is equal to the distortion of the optical fiber embedded cable, and therefore, the distortion of the measured object eventually occurs in the B fiber. I want to confirm once again that this is a distortion.
- channel which embeds an optical fiber demonstrated by the U-shaped thing, if it is not only this shape but a concave shape, there exists the same effect.
- the U-shaped groove 2 for embedding the optical fiber has been described as having a concave portion on the outer peripheral side.
- the present invention is not limited to this, and as shown in FIG.
- Even when the above-described embedded optical fiber cables 1a and 1b are used for the DPTSS cable even in the embedded optical fiber cable 1c covered with the chemical protective layer 7 such as a resin and the optical fiber 3c embedded in the groove 2 Has the same effect as.
- the structure covered with the chemical protective layer 7 as shown in FIG. 5 can effectively prevent the intrusion of hydrogen gas or the like into the inside, and therefore has an effect of preventing the performance of the optical fiber 3c from being deteriorated. .
- each of the wire cables constituting the outer layer, the intermediate layer, or the outermost layer is any of the above-described dummy cable 9 and optical fiber embedded cable 1 (1a to 1c, 1e, 1e will be described later). It may be.
- FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional shape model orthogonal to the axis of the optical fiber embedded cable used in this simulation, and is a diagram for explaining each parameter used in this simulation.
- 6A is a diagram for explaining main shape parameters in this model diagram
- FIG. 6B is a more detailed explanation of the shape parameters of the optical fiber holding portion in FIG. 6A. Therefore, it is the figure which expanded the part corresponded to the optical fiber holding
- D is the outer diameter of the fiber optic embedded cable
- h is the depth of the groove
- b is the width of the upper opening of the U-shaped groove
- c is the thickness of the adhesive
- d is the coating.
- the included optical fiber outer diameter, d 0 is the cladding outer diameter, and e is the distance from the outer surface of the embedded optical fiber cable to the center position of the optical fiber.
- the material of the optical fiber embedded cable is a steel wire.
- the right direction is the positive direction of the x axis and the upward direction is the positive direction of the y axis, as shown in the figure.
- the z direction is a direction perpendicular to the paper surface (the direction from the bottom to the top of the paper is the plus direction) and corresponds to the axial direction of the optical fiber embedded cable.
- Fig. 7 shows an example of simulation results when external pressure is applied.
- This figure shows a case 1 where the optical fiber has an elastic modulus of 3.2 Gpa and a Poisson's ratio of 0.35, and as case 2 an optical fiber has an elastic modulus of 0.3 Gpa and the Poisson's ratio is 0.45 (in liquid (In case of similar characteristics).
- the horizontal axis of the graph indicates x, y, and x in case 1 and case 2 when the thickness c (see FIG. 7B) of the adhesive (in this example, epoxy resin) is changed with respect to the horizontal axis of the graph. It shows the stress in the z direction.
- the temperature distribution and pressure distribution of the measurement object can be measured using the Brillouin scattering frequency change and the Rayleigh scattering frequency change.
- the sensitivity coefficients of ⁇ T and ⁇ P are different from those of the prior art, and also between the B fiber and the P fiber, ⁇ T And ⁇ P have different sensitivity coefficients. That is, in the first embodiment, it is necessary to evaluate the measurement values obtained as the frequency change of Brillouin scattering and the frequency change of Rayleigh scattering in consideration of these differences.
- a single-core optical fiber has been described as an example.
- the present invention is not limited to this, and a multi-core optical fiber may be employed.
- the strain, temperature, and pressure of each core in the same optical fiber are the same.
- the same argument as in the case of a single core optical fiber is established.
- a multi-core it is possible to connect a plurality of measuring devices directly and simultaneously without using an optical switch, which is excellent in high-speed measurement.
- Embodiment 2 FIG.
- the difference in the pressure sensitivity characteristics of the two types of metal wire cables is mainly due to the difference in the optical fiber holding portion rather than the influence of the optical fiber itself.
- the above-described two types of metal wire cables are constituted by two types of optical fibers having different pressure coefficients, for example, the optical fiber used therein is about 1 digit.
- the difference in the characteristics of the pressure sensitivity of the cable is not due to the difference in the optical fiber holding part, but rather the influence of the difference in the characteristics of the optical fiber itself.
- the effect similar to that of the first embodiment can be obtained also by using the DPTSS cable having such a configuration.
- the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
- the inner layer (first layer) is a total of three metal wire cables including two optical fiber embedded cables which are the basic structure of the DPTSS cable and one dummy cable 9 shown in the first embodiment.
- the outer layer (first layer) is configured in the same manner as in the first embodiment, and is a DPTSS cable configured as a whole with a strand structure.
- an optical fiber 3a having a free structure is used for an optical fiber embedded cable 1a (hereinafter also referred to as Type 3), which is one of two optical fiber embedded cables, as in the first embodiment.
- the other optical fiber embedded cable 1d (hereinafter also referred to as type 4) uses an optical fiber 3d having a free structure different from that of the first embodiment, and is different from the first embodiment in this respect.
- the optical fiber 3d is an optical fiber having a pressure coefficient that is about one digit larger than that of the optical fiber 3a (see, for example, Non-Patent Document 2 for such an optical fiber). Is different. Even with this configuration, the same effect as described in the expression (28) can be obtained in the first embodiment. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained as the entire DPTSS cable. Is.
- the two optical fiber embedded cables constituting the DPTSS cable 10 of the present embodiment have an optical fiber holding portion similar to the P fiber described in the first embodiment. By using it, it is possible to measure the pressure change and temperature change of the measurement object. In addition, by adding an optical fiber fixing part (details will be described later) indicated by reference numeral 9 in the figure as an option, it is possible to detect changes in strain in addition to changes in pressure and temperature of the measured object. Become.
- FIG. 9 shows another example of the configuration of the DPTSS cable 10 according to the present embodiment.
- the inner layer which is the first layer, is used as a component, and three metals are used.
- Wire cables are wound around each other in a spiral shape. 8 and 9 show a cross section in a direction perpendicular to the axis of the DPTSS cable on the assumption that a cross section B1-B1 and a cross section B2-B2 of FIG. 10 to be described later are on the same cross section. .
- the DPTSS cable having such a configuration can be manufactured more easily than the DTSSS cable having the structure shown in FIG. 8, and the specification of the DPTSS cable has to be changed, such as the object to be measured is changed. Such a case can be easily handled.
- the reason for configuring the metal wire cable as three cables instead of two is the same reason as in FIG.
- optical fiber embedded cable shown in FIGS. 8 and 9
- the optical fiber embedded cable of this embodiment can be manufactured roughly by the method shown in FIG.
- an outline of a method for manufacturing the optical fiber embedded cable will be described by comparing the two types of optical fiber embedded cables 1a and 1d used in the present embodiment.
- FIG. 10A shows an example of a manufacturing process of the optical fiber embedded cable 1a
- FIG. 10B shows an example of a manufacturing process of the optical fiber embedded cable 1d
- the optical fiber embedded cable 1a is generally manufactured in the order of steps STEP1 to STEP4 in FIG.
- An optical fiber 3a having a normal pressure sensitivity characteristic is adopted as a core wire of the optical fiber embedded cable (STEP 1), and a water-soluble film 5b partially coated with a water-insoluble portion is coated (STEP 2). Thereafter, it is inserted into the groove 2 of the metal wire cable and held (STEP 3). Thereafter, in actual use, the water-soluble film portion of the water-soluble film 5b is dissolved in the solution to be measured (STEP 4). And it uses for actual measurement.
- the water-soluble film 5a described in the first embodiment is entirely made of a water-soluble film, whereas the water-soluble film 5b shown in FIG. Although it is made of a water-soluble film, a part is made of a water-insoluble film.
- the water-insoluble annular coating serves as a fixing portion 8 that fixes the optical fiber to the groove portion during use.
- a plurality of the fixing portions 8 are provided in the longitudinal direction (axial direction) of the optical fiber embedded cable at a predetermined interval L (see STEP 2 in FIG. 10A).
- B1-B1 of STEP4 in FIG. 10A and B2-B2 of STEP4 in FIG. 10B indicate cross sections orthogonal to the axis of each metal wire cable.
- the optical fiber embedded type cable 1d is manufactured in the order of steps STEP1 to STEP4 in FIG. Unlike the manufacturing process of the above-described embedded optical fiber cable 1a, only the optical fiber 3d having a pressure sensitivity characteristic about one digit larger than the normal pressure sensitivity performance is adopted as the core of the embedded optical fiber cable (STEP 1). Other manufacturing processes are the same as the manufacturing process of the above-described optical fiber embedded cable 1a (detailed description is omitted).
- the two types of embedded optical fiber cables are described as having the fixing portion 8, but not limited to this, only one of the two types has the fixing portion 8. May be. In addition, both may have no fixed portion. In either case, the same effects as in the first embodiment are obtained.
- metal wire cables other than the metal wire cable which is the two types of optical fiber embedded cables shown in FIGS. 8 and 9 are type 3, type 4, or dummy cable 9 shown in the first embodiment. Any of these may be used, and the same effects as those of the first embodiment can be obtained with any configuration.
- At least one of the three metal wire cables is a basic structure embedded optical fiber cable.
- it has at least one embedded optical fiber cable whose characteristics are different from those of the above-mentioned basic structure embedded optical fiber cable. Is a feature.
- the same effect as that of the first embodiment can be obtained by using two free-structure optical fibers without a fixed portion as a basic-structure optical fiber embedded cable.
- an optical fiber embedded cable having a fixing portion another effect can be obtained. This will be described below.
- the strain change is directly measured using the optical fiber 3a of the optical fiber embedded cable 1a having the fixing portion 8 in FIG. 10, and the pressure change and the temperature change are measured with the light having the fixing portion 8 in FIG. Measurement can be performed using the optical fiber 3a of the fiber embedded type cable 1a, the optical fiber 3d of the optical fiber embedded type cable 1d having no fixed portion, and two types of optical fibers.
- these two types of embedded optical fiber cables have different optical fiber characteristics, the sensitivity coefficients of pressure change and temperature change are different from each other.
- the pressure distribution and temperature distribution are obtained by measuring the frequency change of Brillouin scattering of the pressure change and temperature change of two types of optical fiber embedded cables, and the frequency change of Rayleigh scattering, and the optical fiber embedded cable Together with the obtained strain distribution measured in 1a, the required temperature distribution, pressure distribution, and strain distribution can be obtained.
- the coating for coating the free-structure optical fiber at the time of manufacture may be an oil-soluble coating as well as a water-soluble coating. Is possible. The latter is used when the object to be measured is oily, such as an oil well.
- Embodiment 3 a material that is one of the cable characteristics of an optical fiber embedded cable will be taken up, and an application example in the case where the material has characteristics will be described below.
- the embedded optical fiber cable has the same structure as that shown in the first embodiment, and uses different metal materials for the metal wire cable. This is different from the first embodiment.
- the third embodiment will be described with reference to the drawings.
- FIG. 11 shows an example of the DPTSS cable 10 according to the third embodiment.
- an optical fiber embedded cable 1e is used instead of the optical fiber embedded cable 1a.
- the optical fiber embedded cable 1e is the same as the optical fiber embedded cable 1b in the point of using the optical fiber holding portion 4 having an adhesive, but is the same as in the first embodiment.
- the material of the metal constituting 1e is basically different from that of the optical fiber embedded cable 1b (for example, in the case of the first embodiment, it is steel, and in this embodiment, it is aluminum).
- the pressure sensitivity characteristic of the optical fiber 3e used here is also different from the characteristic of the optical fiber 3b of the optical fiber embedded cable 1b.
- the sensitivity coefficient of ⁇ P is different from that in the first embodiment. Therefore, even when the configuration shown in FIG. 11 is used, ⁇ T and ⁇ P can be obtained.
- a dummy cable 9 different from these is shown as the third cable.
- the other one cable is not limited to this, and one of the two types of embedded optical fiber cables is used. It may be the same as one.
- the DPTSS cable having the multilayer strand structure has been described.
- the present invention is not limited to this, and the DPTSS cable shown in FIG. Needless to say, the same effect can be obtained.
- the DPTSS cable 10 having such a configuration can be manufactured more easily, and can easily cope with a case where the specification of the DPTSS cable has to be changed, for example, the object to be measured is changed. Can do.
- the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Furthermore, in the configuration of the DPTSS cable according to the third embodiment, since a free-structure fiber is not used in the production, there is no need to provide a water-soluble coating production process for the optical fiber. For this reason, there is an effect that the manufacture becomes easier and a cost advantage can be obtained.
- the present invention is not limited to the contents shown in each of the above embodiments, and each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention. It is.
- the chemical protective layer of FIG. 5 can be similarly applied to the optical fiber embedded cable of the third embodiment.
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Abstract
ＤＰＴＳＳケーブルを、外周部の軸方向に溝を形成し、この溝内に光ファイバを備えた金属ワイヤケーブルを少なくとも２本備えたものとし、うち１本の金属ワイヤケーブルは、溝に沿って光ファイバを埋め込んだ光ファイバ埋め込み型ケーブルとし、他の１本の金属ワイヤケーブルは、前者の金属ワイヤケーブルとは、その特性が異なるものとした。
Description
本発明は、従来のＦＩＭＴを備えた光ファイバケーブルに代わる光ファイバケーブルの組立、あるいは製造、例えば絞線加工、を容易にし、光ファイバを用いた圧力分布、ひずみ分布等の測定において、連続的な測定が可能な光ファイバケーブルに関するものである。
従来、光ファイバ素線を金属管で被覆した芯線であるＦＩＭＴ（Fiber In Metallic Tube）は、複数素線の被覆ができ、水あるいは水素ガスに対する密封性がよく、補強なしで所要の引張強度他の機械強度が保てる等、の利点があり、ＦＩＭＴ中の光ファイバは圧力による荷重を受けないため、温度センサとして機能して光ファイバに沿った長距離の連続的な温度分布を測定できるため、放射温度計をはじめ、種々の分野で広く利用されている。
上記のようなＦＩＭＴの一例として、高温下で使用できる光ファイバ緩衝管を備えたものがあり、この光ファイバ緩衝管は、最低でも２００℃以上、例えば３５０℃の高温下で動作する高温測定のセンサとしての光ファイバを備えている。また、上記光ファイバ緩衝管と高導電率の導体を備えた光ファイバケーブルがある（例えば特許文献１参照）。
また、別の例として、トロリ線長手方向に形成されたセンサ収納溝に光ファイバ歪センサを収納し、長い区間及び長期間にわたり、トロリ線の摩耗により断面積が減少する部位に流れる電流による発熱量を計測し、トロリ線の断線危険部位を検出することができるものがある（例えば特許文献２参照）。この例では、光ファイバのひずみ測定による方法も述べられている。つまり金属管に負余長状態で光ファイバを実装し、張力無負荷の状態で、光ファイバはこれを内包する金属管より短い状態で間隙を持って内包され、金属管が張力を付与された状態でトロリ線長手方向に距離をおいて１０ｃｍ～４ｍ程度の間隔で間欠的に固定されている。光ファイバは温度もひずみも検出できるため、温度情報とひずみ情報を同時に監視し、いわゆるダブルパラメータ監視により確実性を高める計測方法もある。
また、別の例として、工業用の分布型光ファイバセンシングの分野で、歪あるいは温度を旨く測定できた例がごく限られていることが指摘されている（例えば、非特許文献１参照）。これは、商用的に利用可能なシステムと実際の産業での要求とが、特に、空間分解能と精度においてマッチングしていないからである（例えば、一般的に距離分解能と温度分解能はトレードオフの関係にある）。ここでは、歪ゲージを使用した測定方法を超える能力を示すハイブリッドブリルアン・レイリー（Brillouin-Rayleigh）後方散乱光測定システムについても示されている。このシステムの原理が、光ファイバ校正方法を考慮して図示されるとともに、歪、温度、水圧を決めるための式が導き出され、議論されている。ただし、温度とブリルアン（Brillouin）周波数シフト、あるいは温度とレイリー（Rayleigh）周波数シフトの関係においてヒステリシスが生ずることが示されている。また光ファイバの保護膜である塗布剤の厚みの影響があることについても示されている。
K．KISHIDA et.al, "Study of Optical Fibers Strain-Temperature Sensitivities Using Hybrid Brillouin-Rayleigh System","PHOTONIC SENSORS",2 Sep. 2013．
J.Wojcik et.al, "V type high birefringent PCF fiber for hydrostatic pressure sensing",PHOTONIC LETTERS OF POLAND, vol.2(1),10-12, 2010.
ＤＰＴＳＳ（Distributed Pressure, Temperature, and Strain System）計測するには、これまで圧力を受けないファイバと圧力を受けるファイバをそれぞれ少なくとも１本ずつ設けて実現していた。そして、圧力を受けないファイバを金属管の中に配置するＦＩＭＴが採用されていた。
しかしながら、従来、光ファイバ素線を金属管で被覆した芯線であるＦＩＭＴ（Fiber In Metallic Tube）では、金属管（パイプ）の外径は約０．８ｍｍφ～数ｍｍφ程度であって、その肉厚は０．１ｍｍ～０．２ｍｍであるため、断線しやすく、長尺の光ファイバケーブルを製造することは難しかった。
特に、複数の金属管被覆芯線を撚りあわせて用いるＦＩＭＴにおいては、ケーブル外径が１ｍｍφ程度の場合には、パイプの肉厚は０．１ｍｍ以下となり、機械強度の点などから、絞線加工が困難となる。
しかしながら、従来、光ファイバ素線を金属管で被覆した芯線であるＦＩＭＴ（Fiber In Metallic Tube）では、金属管（パイプ）の外径は約０．８ｍｍφ～数ｍｍφ程度であって、その肉厚は０．１ｍｍ～０．２ｍｍであるため、断線しやすく、長尺の光ファイバケーブルを製造することは難しかった。
特に、複数の金属管被覆芯線を撚りあわせて用いるＦＩＭＴにおいては、ケーブル外径が１ｍｍφ程度の場合には、パイプの肉厚は０．１ｍｍ以下となり、機械強度の点などから、絞線加工が困難となる。
また、従来のＦＩＭＴにおいては、密封性が良いとはいえ、被覆する金属管に１箇所でもピンホールがあると、圧力遮断機能が喪失して、精度の高い圧力の測定ができなくなるという問題がある。すなわち、ピンホールがあると、測定の対象となる流体がピンホールを通じてＦＩＭＴの内部に侵入するため、ＦＩＭＴの内外での圧力差がなくなり、圧力測定ができなくなる。
実際上、数ｋｍ長のＦＩＭＴを製造する場合において、ピンホールを１００％検出することは困難であり、コストがかかるという問題もある。地上部分でＦＩＭＴを開口して内部圧力を解放する方法もあるが、ＦＩＭＴ内部に通常充填されているグリースにより、この方法による効果も万全とはいえない。
実際上、数ｋｍ長のＦＩＭＴを製造する場合において、ピンホールを１００％検出することは困難であり、コストがかかるという問題もある。地上部分でＦＩＭＴを開口して内部圧力を解放する方法もあるが、ＦＩＭＴ内部に通常充填されているグリースにより、この方法による効果も万全とはいえない。
また、従来のＦＩＭＴを備えた光ファイバケーブルによる圧力、歪、温度測定においては、例えば、光ファイバケーブルには、被測定体の圧力を計測する光ファイバ芯線と、被測定体の温度を計測するアーマードケーブル中のＦＩＭＴが備えられ、当該光ファイバ芯線とアーマードケーブル間に環状の空隙層が形成されるよう、光ファイバ芯線とアーマードケーブルを固定する固定材を光ファイバケーブルの軸方向に、間隔をおいて設けたものがある。
この装置においては、被測定体の歪を正確に測定するため、所定の間隔でアーマードケーブルと光ファイバを固定する固定材を設け、その固定材の設置位置で両者を固定する必要があり、この固定材の設置された箇所では圧力を正確に測定できないという問題が生じていた。このことから、固定材の設置位置では、光ファイバに生ずる歪を正確に求めることができず、従って、連続的な歪分布が測定できないという問題が生じていた。
また、多層アーマードケーブルの場合においては、各層間の相対すべりにより、アーマードケーブルの歪と光ファイバ芯線の歪との間にずれが生ずるような場合においても、正確な歪分布を得ることはできないという問題もある。
また、多層アーマードケーブルの場合においては、各層間の相対すべりにより、アーマードケーブルの歪と光ファイバ芯線の歪との間にずれが生ずるような場合においても、正確な歪分布を得ることはできないという問題もある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、ＦＩＭＴを採用していないためピンホールの問題は生じず、断線等の懸念がほとんどなく、また、使用する多数本のケーブルの組立が容易であることなどによって製造が容易であって、かつ連続的な歪分布測定可能なＤＰＴＳＳケーブルを提供することを目的とする。
この発明に係るＤＰＴＳＳケーブルは、
光ファイバに出射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布、歪分布、温度分布を測定するため、
外周部の軸方向に溝を形成し当該溝内に光ファイバを備えた金属ワイヤケーブルを、少なくとも２本備えたＤＰＴＳＳケーブルであって、
一の前記金属ワイヤケーブルは、当該金属ワイヤケーブルの前記溝に沿って光ファイバを埋め込んで保持した光ファイバ埋め込み型ケーブルであり、
他の前記金属ワイヤケーブルは、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルであって、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルのブリルアン散乱およびレイリー散乱の周波数変化に対する圧力変化の感度係数とは異なる圧力変化の感度係数を持つよう構成したものである。
光ファイバに出射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布、歪分布、温度分布を測定するため、
外周部の軸方向に溝を形成し当該溝内に光ファイバを備えた金属ワイヤケーブルを、少なくとも２本備えたＤＰＴＳＳケーブルであって、
一の前記金属ワイヤケーブルは、当該金属ワイヤケーブルの前記溝に沿って光ファイバを埋め込んで保持した光ファイバ埋め込み型ケーブルであり、
他の前記金属ワイヤケーブルは、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルであって、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルのブリルアン散乱およびレイリー散乱の周波数変化に対する圧力変化の感度係数とは異なる圧力変化の感度係数を持つよう構成したものである。
この発明によれば、従来のＦＩＭＴを用いた場合に比べて、ピンホールの課題を完全に排除することが可能となり、また特殊なレーザー溶接が不要であることから、高速かつ経済的な製造が可能となるため、ケーブル構造を組み立てる際に組立性の改善が図れる。また、ピンホールによる圧力遮断機能の喪失がない。さらに、従来のＤＰＴＳＳケーブルを用いた固定点を設ける方式では不可能であった連続的なひずみ分布計測が可能となる。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。本実施の形態の具体例を示す前に、まず本発明に係るＤＰＴＳＳケーブル１０の基本構造について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１によるＤＰＴＳＳケーブル１０に用いられる金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブルの基本構造の一例を示す図である。図１（ａ）は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１の基本構造の概念図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１の軸に直交する方向の断面図であり、図１（ａ）のＡ矢視に相当する。図１に示す例では、１本の光ファイバ埋め込み型ケーブル１の外周部分であって、その長手方向に沿って凹状（切り込み溝）に形成され、この光ファイバ埋め込み型ケーブルの軸に直交する方向の断面形状がＵ字状の溝２に、光ファイバ３を埋め込んで収納し、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１の長手方向の全長にわたって樹脂等により光ファイバを保持したものである（この部分を以降、光ファイバ保持部４と呼ぶ）。本発明では、ＤＰＴＳＳケーブルの基本構造として、圧力を受ける感度の異なる２種類の構造のものを提案している。
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。本実施の形態の具体例を示す前に、まず本発明に係るＤＰＴＳＳケーブル１０の基本構造について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１によるＤＰＴＳＳケーブル１０に用いられる金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブルの基本構造の一例を示す図である。図１（ａ）は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１の基本構造の概念図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１の軸に直交する方向の断面図であり、図１（ａ）のＡ矢視に相当する。図１に示す例では、１本の光ファイバ埋め込み型ケーブル１の外周部分であって、その長手方向に沿って凹状（切り込み溝）に形成され、この光ファイバ埋め込み型ケーブルの軸に直交する方向の断面形状がＵ字状の溝２に、光ファイバ３を埋め込んで収納し、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１の長手方向の全長にわたって樹脂等により光ファイバを保持したものである（この部分を以降、光ファイバ保持部４と呼ぶ）。本発明では、ＤＰＴＳＳケーブルの基本構造として、圧力を受ける感度の異なる２種類の構造のものを提案している。
第１の基本構造（以下タイプ１とも呼ぶ）は、光ファイバ保持部４が水溶性被膜５ａで構成されており、この光ファイバ保持部を切込みのあるワイヤの中に固定する(埋め込む)ものである（図１（ｂ）参照）。本基本構造をもつワイヤは、ストランド（撚り線）する際に、ワイヤ１本として扱え、ＤＰＴＳＳケーブル製作を可能にするものであって、ＤＰＴＳＳケーブル完成後、上記水溶性被膜を溶解させ、ケーブル周りの全部分（１００％の部分）で圧力感度を有する構造のものである。
第２の基本構造(以下タイプ２とも呼ぶ)は、光ファイバ保持部４が接着剤５ｃ、あるいは光ファイバの被覆部分が弾性材５ｄで構成されているような場合であり、接着剤による接着効果、あるいは被覆部分の弾性効果を利用してワイヤの切込み部分に実装する（埋め込む）ものである（図１（ｃ）参照）。本基本構造をもつワイヤは、ストランド（撚り線）する際に、ワイヤ１本として扱え、ＤＰＴＳＳケーブル製作を可能にするものである点は上記第１の基本構造のものと同じである。しかし、圧力測定時においては、溝の形状、ワイヤとの結合方法により、光ファイバに負荷される圧力はケーブル周りの静水圧の一部でしかなく、この場合の光ファイバの圧力に対する感度は、上記第１の基本構造のものとは異なる。そして、本実施の形態においては、上述の２種類の光ファイバを埋め込んだワイヤを用いて、ＤＰＴＳＳケーブルを製造する。
第２の基本構造(以下タイプ２とも呼ぶ)は、光ファイバ保持部４が接着剤５ｃ、あるいは光ファイバの被覆部分が弾性材５ｄで構成されているような場合であり、接着剤による接着効果、あるいは被覆部分の弾性効果を利用してワイヤの切込み部分に実装する（埋め込む）ものである（図１（ｃ）参照）。本基本構造をもつワイヤは、ストランド（撚り線）する際に、ワイヤ１本として扱え、ＤＰＴＳＳケーブル製作を可能にするものである点は上記第１の基本構造のものと同じである。しかし、圧力測定時においては、溝の形状、ワイヤとの結合方法により、光ファイバに負荷される圧力はケーブル周りの静水圧の一部でしかなく、この場合の光ファイバの圧力に対する感度は、上記第１の基本構造のものとは異なる。そして、本実施の形態においては、上述の２種類の光ファイバを埋め込んだワイヤを用いて、ＤＰＴＳＳケーブルを製造する。
なお、図１（ｃ）において、埋め込み距離ｈ０は使用時における光ファイバ埋め込み型ケーブル変形量（ケーブルの径方向変形量）より大きく設定されており、光ファイバ埋め込み型ケーブル１の長手方向において軸回りのねじり変形があっても、それによって光ファイバ３による計測に悪影響を及ぼすことはない。また、この図において、Ｄは光ファイバ埋め込み型ケーブルの直径、ｂは光ファイバ埋め込み型ケーブルの最外周半径位置でのＵ字形状の溝の開口幅、ｈはＵ字形状の溝の溝深さであり、例えば、Ｄ＝１．１７ｍｍ、ｂ＝０．３ｍｍ、ｈ＝０．３ｍｍに設定されている。また、さらに詳細にいうと、このＵ字形状の溝は外周側に凹状の段差部分を持っている。この部分を以降、凹部と呼ぶ。以上を前提にして、以下、実施の形態１の具体例の詳細を説明する。
図２は、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１を用いたＤＰＴＳＳケーブル１０の構成の一例を示す図であり、ＤＰＴＳＳケーブルの軸に直交する方向の断面図である。図２（ａ）は、ＤＰＴＳＳケーブルに用いられる金属ワイヤケーブルの構成を示す断面図、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）は、それぞれ、図２（ａ）の一部拡大図である。
図２（ａ）に示すように、ＤＰＴＳＳケーブル１０では、通常、上述のような、基本構造の異なる２種類のワイヤを少なくとも各１本ずつ備えた構造となっていることが特徴であり、これら２種類のワイヤを内層である第１層(図中、一点鎖線の枠内の層)に配置し、その外周を第２層（図中、一点鎖線と二点鎖線の枠内の層）である外層で取り囲んだ交差撚りのストランド構造のＤＰＴＳＳケーブルとなっている。
ここで、図２（ａ）に示す光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａは、その拡大図である図２（ｂ）に示すように、第１の基本構造である光ファイバ保持部４を水溶性被膜５ａで構成した金属ワイヤケーブルであり、光ファイバ３ａを溝に埋め込んでいる。この水溶性被膜５ａは、使用時において、被測定体である水溶液によって溶解するため、光ファイバ３ａはフリーな状態で使用に供される。
同様に図２（ａ）に示す光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｂは、図２（ｃ）の拡大図に示すように、第２の基本構造である光ファイバ保持部４を樹脂等の接着剤５ｃで構成した金属ワイヤケーブルであり、光ファイバ３ｂを溝に埋め込んでいる。以降では、これら、溝に埋め込んだ光ファイバを総称して、ビルトインファイバと呼び、そのうちタイプ１に用いられるファイバをＰファイバ、タイプ２に用いられるファイバをＢファイバと以下称する。
また、図２（ｄ）は、上記２種類の金属ワイヤケーブルのいずれとも異なるダミーケーブル９を説明する図であり、金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａ、１ｂに比較して、細径の複数本のワイヤで構成されたストランド（撚り線）となっている。
なお、図２（ａ）に示す金属ワイヤケーブルの組み合わせは上記に限らず、ダミーケーブル９に代えて、金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａ、あるいは１ｂのいずれか１本を用いてもよい。また、上記では、フリー構造の光ファイバを作成するため、水溶性被膜を用いた例を示したが、被測定体が石油などの油性である場合には、水溶性被膜を油溶性被膜に代えることで同様の効果を得ることができる。また、同じワイヤ上に溝を２つ設けて、それぞれに光ファイバを１本づつ、計２本実装することもできる。
同様に図２（ａ）に示す光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｂは、図２（ｃ）の拡大図に示すように、第２の基本構造である光ファイバ保持部４を樹脂等の接着剤５ｃで構成した金属ワイヤケーブルであり、光ファイバ３ｂを溝に埋め込んでいる。以降では、これら、溝に埋め込んだ光ファイバを総称して、ビルトインファイバと呼び、そのうちタイプ１に用いられるファイバをＰファイバ、タイプ２に用いられるファイバをＢファイバと以下称する。
また、図２（ｄ）は、上記２種類の金属ワイヤケーブルのいずれとも異なるダミーケーブル９を説明する図であり、金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａ、１ｂに比較して、細径の複数本のワイヤで構成されたストランド（撚り線）となっている。
なお、図２（ａ）に示す金属ワイヤケーブルの組み合わせは上記に限らず、ダミーケーブル９に代えて、金属ワイヤケーブルである光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａ、あるいは１ｂのいずれか１本を用いてもよい。また、上記では、フリー構造の光ファイバを作成するため、水溶性被膜を用いた例を示したが、被測定体が石油などの油性である場合には、水溶性被膜を油溶性被膜に代えることで同様の効果を得ることができる。また、同じワイヤ上に溝を２つ設けて、それぞれに光ファイバを１本づつ、計２本実装することもできる。
このような光ファイバ埋め込み型ケーブルを使う方式においては、図２（ａ）に示したように、通常、ＤＰＴＳＳケーブルを多層化構造とする必要がある。以下、この多層化された構造体をストランド構造体６と呼ぶ。特にタイプ１の金属ワイヤケーブルはその切込み部をＤＰＴＳＳケーブルの中心軸の向きに配置するのが好ましい。
この理由は、以下の通りである。すなわち、本ケーブルを用いて液体中などの水圧が負荷された条件下で計測する場合には、その液体に通常、プロッパント（proppant）、すなわち砂を主成分とする物質が含まれている。本実施の形態の光ファイバ埋め込み型ケーブルでは光ファイバが金属ワイヤケーブルの表面近くに配置されているため、この砂が金属ワイヤケーブルの表面を摩耗させ、この結果、砂成分が光ファイバに直接接触して光ファイバにダメージを与える可能性がある。本実施の形態の多層化構造は、砂侵入を阻止するフィルタ機能を果たすとともに、水圧を測定する機能を維持している。また、このフィルタ機能は、多層化した内周部ほど効果が大きい。
ところで、図２における多層化した光ファイバ埋め込み型ケーブルは上述のようにストランド構造体（撚り線構造体）６として配置されているが、ここで用いられるストランド構造体（撚り線構造体）は、通常、交差撚りといわれる構造のものである。交差撚りでは、ほぼ同径の素線を使用するため、一般的には、取扱い易く安価であるという特徴がある。そして、内層と外層間で螺旋のピッチが異なるストランド構造となっており、内側の層の光ファイバ埋め込み型ケーブルの並びの凹凸をまたぐように外側の層の光ファイバ埋め込み型ケーブルの層が接する配置となっている。従って、交差撚りの場合、外層のひずみを忠実に中央のワイヤに伝えられない可能性があるが、ケーブル構造の安定性がすぐれている。また、ケーブルに砂侵入の可能性がないときは、ひずみ測定ワイヤを外層に配置することも可能となり、ひずみ測定が有効に実現できる。
なお、図２では一例として、基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルの外側に１層のみの外層を構成したＤＰＴＳＳケーブルを示したが、これに限らず、外層が２層以上で構成されるストランド構造体であってもよい。例えば外層が２層の場合には、基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルが配置されている層を内層、この内層のすぐ外側の層を中間層、その外側の層を最外層、と以下称する。
なお、図２では一例として、基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルの外側に１層のみの外層を構成したＤＰＴＳＳケーブルを示したが、これに限らず、外層が２層以上で構成されるストランド構造体であってもよい。例えば外層が２層の場合には、基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルが配置されている層を内層、この内層のすぐ外側の層を中間層、その外側の層を最外層、と以下称する。
また、別のストランド構造である平行撚りを採用してもよい。平行撚りの場合には、一般に異なる径の素線を同時に撚り合わせて、内層から外層まで、互いにケーブルの長手方向に同一ピッチで撚られている。例えば、上述の基本構造を有する光ファイバ埋め込み型ケーブルが配置されている第１層である内層と、そのすぐ外側の第２層である中間層と、この第２層の外側に位置する第３層である最外層は、第１層から第３層までが、互いに、ケーブルの長手方向に同一ピッチで撚られた構造とすることができ、このような構造の平行撚りでは、各光ファイバ埋め込み型ケーブル１同士の接触状態はいわゆる線接触であるため線接触撚りとも呼ばれる。すなわち、ストランドの第１層の谷間に第２層が重なり、ストランドの第２層の谷間に第３層が重なって各層が隙間なく配置されるような構造となる。このため、各光ファイバ埋め込み型ケーブル１同士の摩耗あるいは金属疲労による断線が起こり難いという長所があり、また、型くずれ、あるいは変形が起こり難く破断荷重も高くなるという特徴を備えている。
さらに、ストランド構成するワイヤに異なる直径のものを用いて、層と層の間の結合を強化する方法もあるが、従来、光ファイバが含まれていないケーブル構造体で熟知されており、ここでは詳細な説明を省略する。
さらに、ストランド構成するワイヤに異なる直径のものを用いて、層と層の間の結合を強化する方法もあるが、従来、光ファイバが含まれていないケーブル構造体で熟知されており、ここでは詳細な説明を省略する。
ところで、最近の研究によって、光ファイバを埋め込んだ形状体の外圧により、この形状体に発生した変形によって発生した光ファイバの変形によって、光ファイバに出射されたパルスレーザ光の散乱光であるブリルアン散乱の周波数変化は以下の式（１）により、またレイリー散乱の周波数変化は以下の式（２）で表されることが示されている（特許文献３参照）。
ここでＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３は、それぞれ、ブリルアン散乱の周波数変化における光ファイバの歪変化に対する感度係数、温度変化に対する感度係数、圧力変化に対する感度係数である。
ここでＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３は、それぞれ、レイリー散乱の周波数変化における光ファイバの歪変化に対する感度係数、温度変化に対する感度係数、圧力変化に対する感度係数である。
ここでＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３は、それぞれ、ブリルアン散乱の周波数変化における光ファイバの歪変化に対する感度係数、温度変化に対する感度係数、圧力変化に対する感度係数である。
ここでＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３は、それぞれ、レイリー散乱の周波数変化における光ファイバの歪変化に対する感度係数、温度変化に対する感度係数、圧力変化に対する感度係数である。
この原理を今回提示するＤＰＴＳＳケーブルに適用することで、所望の被測定体の圧力、温度、歪の連続的な分布が測定できることを以下順に説明する。
光ファイバを鋼線などに固定して変形させた場合、鋼線の剛性は光ファイバの剛性に比較して非常に大きいため、光ファイバの変形は鋼線の変形に一致する。発明者の最近の研究によれば、圧力変化に関わる項目に限定して考えた場合、βを圧力変化に対する体積変化係数として、光ファイバの圧力変化によるレイリー散乱の周波数変化は次の式（３）で表される。
光ファイバを鋼線などに固定して変形させた場合、鋼線の剛性は光ファイバの剛性に比較して非常に大きいため、光ファイバの変形は鋼線の変形に一致する。発明者の最近の研究によれば、圧力変化に関わる項目に限定して考えた場合、βを圧力変化に対する体積変化係数として、光ファイバの圧力変化によるレイリー散乱の周波数変化は次の式（３）で表される。
ここで、ΔνＲとΔＰとの関係を表す感度係数であるＣ23＋βＣ21をまとめ、これを改めてＫ23とおくと、Ｋ23は水中での計測等により、図３に示すような特性を示す。つまり、固定する材質によって感度係数が異なる特性をもち、固定材質が鋼（Ｓｔｅｅｌ）の場合が一番小さく（感度が低く）、ついでアルミ（Ａｌ）であった。そして光ファイバを特に固定しない場合（フリー構造の場合）に一番大きな値を示した。
さらに、レイリー散乱においては、適当な固定物質を選べば、次式（４）が成立する場合があることが判っている。
すなわち、光ファイバに圧力変化が生じても、レイリー散乱の周波数は変化しないという特性を持つ場合があることが判っている。
従って、実際の計測においては、必要な精度に応じて、上述のような、感度係数を上げる構造等を選択することが重要になる。
すなわち、光ファイバに圧力変化が生じても、レイリー散乱の周波数は変化しないという特性を持つ場合があることが判っている。
従って、実際の計測においては、必要な精度に応じて、上述のような、感度係数を上げる構造等を選択することが重要になる。
本実施の形態１においては、従来形式のＦＩＭＴを用いるわけではないので、上記の式（１）、あるいは式（２）の周波数変化の評価式をそのまま使用して、歪などを評価することはできない。そこで、まず、本実施の形態で使用できる評価式を上記式（１）、（２）をもとに導出する。以下では、２種類の金属ワイヤケーブルの光ファイバとして、上述のタイプ１のＰファイバとタイプ２のＢファイバを組み合わせた場合を例に説明する。
ＰファイバとＢファイバの素線は同一とすると、上記式（１）、（２）から、各ファイバについて、以下の式（５）～式（８）が成立する。
ここで、各式において、上付き符号Ｐ、Ｂは、それぞれ、Ｐファイバの場合、Ｂファイバの場合を示し、下付き符号Ｂ、Ｒはそれぞれ、ブリルアン散乱の場合、レイリー散乱の場合を示す。
ここで、各式において、上付き符号Ｐ、Ｂは、それぞれ、Ｐファイバの場合、Ｂファイバの場合を示し、下付き符号Ｂ、Ｒはそれぞれ、ブリルアン散乱の場合、レイリー散乱の場合を示す。
また、下記の（９）、（１０）で表される係数は、それぞれ、張力等を付加しないフリーのＰファイバ、Ｂファイバに、温度または圧力を負荷したときに計測される温度と周波数シフト、圧力と周波数シフト関間の関係を表す式の傾きを表わす係数である。
そして、これらの係数は、温度については、熱膨張による歪を、また、圧力については、体積圧縮による歪を含んでいる。従って、ＰファイバとＢファイバとでは、値が異なっている。
そこで、これらの歪による影響を考えるため、熱歪による係数をα、体積圧縮による係数をβとすると、上記（９）、（１０）の各係数は、以下の式（１１）～（１８）で示すように、光ファイバ固有の項（係数α、あるいは係数βを含まない項）、熱歪による項（係数αを含む項）、および体積圧縮による項（係数βを含む項）に分離して表すことができる。
式（１１）～式（１８）を用いると、式（５）～式（８）は、下記の式（１９）～式（２２）で、それぞれ表される。
そこで、計測によって求まる各式左辺のブリルアン散乱の周波数変化の値、およびレイリー散乱の周波数変化の値、および既知である各感度係数（Ｃ11他）の値を基に、以上の式を用いて、ΔＴ、ΔＰを求めることを考える。上述の式（５）、式（６）から、以下の式（２３）が求まる。
また、式（１９）、式（２０）より、以下の式（２４）が求まる。
また、式（１９）、式（２０）より、以下の式（２４）が求まる。
同様に、式（７）、式（８）から、以下の式（２５）が求まる。
また、式（２１）、式（２２）より、以下の式（２６）が求まる。
また、式（２１）、式（２２）より、以下の式（２６）が求まる。
式（２３）、式（２５）から、これらの式を連立することにより、ΔＴ、ΔＰが求まる（独立して求められる）ように思われる。しかしながら、式（２３）の右辺は式（２４）の右辺と等価であり、式（２５）の右辺は式（２６）の右辺と等価であることを考慮し、かつ、式（２４）の右辺と、式（２６）の右辺は全く同一の式になっていることを考慮すれば、ΔＴ、ΔＰは互いに独立して求めることができないことが判る。つまり、以上の式からはΔＴ、ΔＰを求めることはできない。
そこで、この問題を解決するためには、以下の考えを導入することが必要であることが判る。すなわち、Ｂファイバについては、このファイバが受ける圧力をΔＰとしてきたが、一般に、Ｂファイバがそれより剛な材料に囲まれているときには、実際にＢファイバが受ける圧力ΔＰ1は、式（２７）の関係になっていると考えられる。
すなわち、Ｂファイバについては、以下の式（２８）が一般的に成立する。
なお、Ｐファイバについては、ｋ＝１とすればよい。
すなわち、Ｂファイバについては、以下の式（２８）が一般的に成立する。
なお、Ｐファイバについては、ｋ＝１とすればよい。
よって、圧力のみの変化による光ファイバのブリルアン周波数シフトは、金属のΔＰによる変形を考えると、次式（２９）で表される。
ここで、右辺の左側のΔＰの係数を式（３０）で置きなおせば、Ｂファイバの圧力変化に対する真の感度係数は、式（３０）の左辺で表されると見なせる。
なお、従来のＦＩＭＴは、この式（３０）でｋ＝０となる極端な場合の例と言える。
一方、圧力のみの変化による光ファイバのレイリー周波数シフトについても、同様に式（３１）で表される。
ここで、右辺の左側のΔＰの係数を式（３０）で置きなおせば、Ｂファイバの圧力変化に対する真の感度係数は、式（３０）の左辺で表されると見なせる。
なお、従来のＦＩＭＴは、この式（３０）でｋ＝０となる極端な場合の例と言える。
一方、圧力のみの変化による光ファイバのレイリー周波数シフトについても、同様に式（３１）で表される。
そこで、歪を消去したＰファイバの式（２４）を見やすくするため、係数を簡略化した記号で置き換え、式（３２）として表す。
また、Ｂファイバの式（２６）を、式（３０）、式（３２）を用いて、同様に式（３３）として表す。
また、Ｂファイバの式（２６）を、式（３０）、式（３２）を用いて、同様に式（３３）として表す。
ここで、Ｓ、Ｒ、Ｑ1、Ｑ2は、以下の通りである。
上記の式（３２）、式（３３）では、各右辺の式は互いに異なるため、ΔＴ、ΔＰは互いに独立して求めることができることがわかる。すなわち、本実施の形態１の方式のＰファイバとＢファイバを同時に用いることにより、被測定体の温度分布、圧力分布を求めることができることになる。
上記の式（３２）、式（３３）では、各右辺の式は互いに異なるため、ΔＴ、ΔＰは互いに独立して求めることができることがわかる。すなわち、本実施の形態１の方式のＰファイバとＢファイバを同時に用いることにより、被測定体の温度分布、圧力分布を求めることができることになる。
以上をまとめると、実施の形態１でのＰファイバとＢファイバにおけるブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化は、式（１９）～式（２１）及び式（３０）、式（３１）などから、結局、以下の式（３８）～式（４１）で表される。
ここで、ΔＴとΔＰの各感度係数は以下の関係式（４２）を満たす。また、ΔεＰ、ΔεＢは以下の式（４３）、式（４４）で表される値である。
なお、上記の式（３８）～式（４１）から、ＢファイバとＰファイバ間で、ΔＴとΔＰの感度係数が異なるものとなっていることが確かめられる。すなわち、ＰファイバとＢファイバなど、感度の異なる２種類のファイバを用いることで、これらのファイバの温度変化、圧力変化によるブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化をそれぞれ求め、これら４種類のデータが式（３８）～式（４１）によることを基に、これらの式から歪変化ΔεＰ、ΔεＢをそれぞれ消去して求めたΔＴとΔＰの関係式（ΔＴとΔＰを２つの未知数とする２元連立方程式）から、ΔＴとΔＰを求めることができる。
つまり、上記の式（３８）～式（４１）の原理式を実現する実施の形態１の一例が上記の図２に示したものである。すなわち、第１の基本構造のＰファイバにより、被測定体の圧力変化等によるブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化を計測するとともに、第２の基本構造のＢファイバにより、被測定体の圧力変化等によるブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化を計測する。
そして、予め求めておいたΔε、ΔＴ、およびΔＰの感度係数と、上記式（３８）～式（４１）を基にして、これらの式を連立させて演算することにより、Δε、ΔＴ、およびΔＰが求められ、結局、所定のケーブル位置での求めるべき圧力、温度、歪が求まり、この位置と異なるケーブル軸上の多点位置で同様に計測値が求まることで、被測定体の圧力分布、温度分布、歪分布を求めることができる。
以上のような光ファイバ埋め込み型ケーブル１を使う方式により、従来のＦＩＭＴを用いた場合の組立性の改善、ピンホールによる圧力遮断機能の喪失といったデメリットを克服できることは勿論、従来の固定点を設ける方式の欠点であった連続的な歪測定が可能となる。また、光ファイバは、従来より外径の大きな鋼線など（従来のケーブル径としては、例えば図２（ｄ）に示したダミーケーブルの径を想定すればよい）の金属の外周に設けた溝に埋め込むだけの構造であり、ＤＰＴＳＳケーブルの製造は比較的容易である。
また、上述の説明においては、多層のストランド構造のＤＰＴＳＳケーブルについて説明したが、これに限らず、図４に示すように、図２に示した内層を構成する２種類の金属ワイヤケーブルを含む第１層の構成のみを用いて螺旋に巻回した構造のものでも、同一の効果を奏することはいうまでもない。また、このような構成のＤＰＴＳＳケーブル１０は、より簡易に製造することが可能であり、被測定体が変わるなど、ＤＰＴＳＳケーブルの仕様を変更しなければならないような場合にも容易に対応することができる。なお、金属ワイヤケーブルを、２本ではなく３本のケーブルとして構成するのは、各金属ワイヤケーブル同士の接触状態を線接触状態にして、ＤＰＴＳＳケーブルとして構造の安定化を図るためである。すなわち、各金属ワイヤケーブル同士の摩耗あるいは金属疲労による断線が起こり難くし、また、型くずれ、あるいは変形が起こり難く破断荷重も高くなるという特徴を備えるようにするためである。
なお、計測の原理式である式（４０）～式（４１）のファイバに生ずる歪は、そのまま、光ファイバ埋め込み型ケーブルの歪に等しく、従って、結局、被測定体の歪はＢファイバに生ずる歪となっていることを、ここで、もう一度、確認しておきたい。また、光ファイバを埋め込む溝の形状はＵ字形状のもので説明したが、この形状に限らず、凹状の形状であれば、同様の効果を奏する。
また、以上では光ファイバを埋め込むＵ字形状の溝２は外周側に凹部を持つものを示して説明したが、これに限らず、図５に示すように、この凹部の外側寄り（金属ワイヤケーブルの外周寄り）に樹脂などの化学保護層７で覆われ、光ファイバ３ｃを溝２に埋め込んだ光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｃでも、ＤＰＴＳＳケーブルに上述の光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａ、１ｂを採用した場合と同様の効果を奏する。さらに、この図５のような化学保護層７で覆った構造のものでは、水素ガス等の内部への侵入を有効に防ぐことができるため、光ファイバ３ｃの性能の劣化を防止できる効果がある。
なお、以上の説明において、外層である中間層、あるいは最外層を構成する各ワイヤケーブルは、上述のダミーケーブル９、光ファイバ埋め込み型ケーブル１（１ａ～１ｃ、１ｅ。１ｅについては後述）のいずれであってもよい。
なお、以上の説明において、外層である中間層、あるいは最外層を構成する各ワイヤケーブルは、上述のダミーケーブル９、光ファイバ埋め込み型ケーブル１（１ａ～１ｃ、１ｅ。１ｅについては後述）のいずれであってもよい。
ここで、Ｕ字形状の溝を有する光ファイバ埋め込み型ケーブル内に設置された光ファイバに対する歪に密接に関係する応力について、３次元シミュレーション解析により確認したので、以下図を用いて説明する。なお、本シミュレーション解析では、光ファイバ埋め込み型ケーブルの形状を格子状に分割したモデルを用いた。このモデルでは、光ファイバ保持部のうちでも光ファイバが存在する領域の近傍では、それ以外の領域に比較してこの格子の間隔を特に細かく設定しており、このように設定したモデルを用いて３次元領域で発生する応力のシミュレーションを行った。
図６は、本シミュレーションに用いた光ファイバ埋め込み型ケーブルの軸に直交する断面形状モデルを示す図であって、本シミュレーションに用いる各パラメータを説明するための図である。図６（ａ）では、このモデル図における主な形状パラメータを説明するための図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のうち、光ファイバ保持部の形状のパラメータをさらに詳細に説明するため、図６（ａ）の光ファイバ保持部に相当する部分を拡大した図である。これらの図において、Ｄは光ファイバ埋め込み型ケーブルの外径、ｈは溝の深さ、ｂはＵ字形状の溝の上部の開口部分の幅、ｃは接着剤の厚さ、ｄは被膜を含めた光ファイバ外径、ｄ０はクラッド外径、ｅは光ファイバ埋め込み型ケーブルの外表面から光ファイバの中心位置までの距離、をそれぞれ示す。また、光ファイバ埋め込み型ケーブルの材質は鋼線とする。また、座標は図中に示した通り、右方向がｘ軸のプラス方向、上方向がｙ軸のプラス方向である。なおｚ方向は紙面に垂直な方向（紙面下側から上に向かう方向がプラス方向）であり、光ファイバ埋め込み型ケーブルの軸方向に相当する。
図７に外圧が作用した場合のシミュレーション結果の一例を示す。この図はケース１として光ファイバの弾性係数が３．２Ｇｐａ、ポアソン比が０．３５の場合と、ケース２として光ファイバの弾性係数が０．３Ｇｐａ、ポアソン比が０．４５の場合(液体に似た特性の場合)とを採り上げ、比較したものである。図中、グラフの横軸は接着剤（本例ではエポキシ樹脂）の厚さｃ（図７（ｂ）参照）をグラフの横軸にとって変化させた場合のケース１とケース２のｘ、ｙ、ｚ方向の応力を示したものである。
この結果から、応力の値は全て負の値を取るので、いずれの方向にも圧縮応力が負荷されていることが判る。また、応力の値は、ケース２の方が横方向ｘの応力と縦方向ｙの応力がより近い状態となっているが、両者ともほぼ等方的（ｘ、ｙの２方向の応力の値がほぼ等しい）になっているといえる。
このことは、実施の形態１に示した光ファイバ埋め込み方式の光ファイバ埋め込み型ケーブルを用いたＤＰＴＳＳケーブルにおいて、歪分布についても適正な計測が可能であることを数値解析的に裏付けるものである。なお、本シミュレーションで用いたパラメータの値は、Ｄ＝０．７５ｍｍ、ｂ＝０．３ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍ、ｄ０＝０．１２５ｍｍ、ｈ＝０．６ｍｍである。
このことは、実施の形態１に示した光ファイバ埋め込み方式の光ファイバ埋め込み型ケーブルを用いたＤＰＴＳＳケーブルにおいて、歪分布についても適正な計測が可能であることを数値解析的に裏付けるものである。なお、本シミュレーションで用いたパラメータの値は、Ｄ＝０．７５ｍｍ、ｂ＝０．３ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍ、ｄ０＝０．１２５ｍｍ、ｈ＝０．６ｍｍである。
以上説明したように、ブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化を用いて、被測定対象物の温度分布、圧力分布の計測が可能であるが、これらの式、すなわち、式（３８）～式（４１）と式（１）、式（２）との対比から判るように、ΔＴとΔＰの感度係数は、従来とは異なるものであり、また、ＢファイバとＰファイバ間でも、ΔＴとΔＰの感度係数が異なるものとなることが特徴である。すなわち、本実施の形態１では、これらの違いに留意してブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化として得られる計測値を評価する必要がある。
以上においては、シングルコアの光ファイバを例にして説明したがこれに限らず、マルチコアの光ファイバを採用して実施する場合もある。その場合、同一の光ファイバ中の各コアのひずみ、温度、圧力は同じであると仮定することができる。そして、以上に述べた各数式におけるひずみ、温度、圧力は、同一の光ファイバ中の各コアの値とみなすことにより、シングルコアの光ファイバの場合と同様の議論が成立する。マルチコアの場合においては、光スイッチを介することなく、複数の計測機器を直接、同時に接続することが可能となるため、高速測定において優れている。
実施の形態２．
以上の実施の形態１では、２種類の金属ワイヤケーブルを同軸状に配置し、多層のストランド構造体６として構成したＤＰＴＳＳケーブル１０の一例を示した。この２種類の金属ワイヤケーブルの圧力感度の特性の違いは、光ファイバ自体の影響というよりは、主としてその光ファイバ保持部の差によるものであった。
この実施の形態２では、上記２種類の金属ワイヤケーブルを、そこに使用される光ファイバを例えば１ケタ程度、圧力係数の異なる２種類の光ファイバで構成するものであり、２種類の金属ワイヤケーブルの圧力感度の特性の違いが、その光ファイバ保持部の差によるものというよりは、光ファイバ自体の特性の差による影響が大きい構成としたものである。このような構成としたＤＰＴＳＳケーブルを用いることによっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。以下本実施の形態について図を用いて詳しく説明する。
以上の実施の形態１では、２種類の金属ワイヤケーブルを同軸状に配置し、多層のストランド構造体６として構成したＤＰＴＳＳケーブル１０の一例を示した。この２種類の金属ワイヤケーブルの圧力感度の特性の違いは、光ファイバ自体の影響というよりは、主としてその光ファイバ保持部の差によるものであった。
この実施の形態２では、上記２種類の金属ワイヤケーブルを、そこに使用される光ファイバを例えば１ケタ程度、圧力係数の異なる２種類の光ファイバで構成するものであり、２種類の金属ワイヤケーブルの圧力感度の特性の違いが、その光ファイバ保持部の差によるものというよりは、光ファイバ自体の特性の差による影響が大きい構成としたものである。このような構成としたＤＰＴＳＳケーブルを用いることによっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。以下本実施の形態について図を用いて詳しく説明する。
本実施の形態のＤＰＴＳＳケーブル１０の構成の一例を図８に示す。図８において、内層（第１層）は、ＤＰＴＳＳケーブルの基本構造である光ファイバ埋め込み型ケーブル２本と、実施の形態１で示したダミーケーブル９が１本の計３本の金属ワイヤケーブルで構成され、外層（第１層）は、実施の形態１と同様に構成され、全体としてストランド構造で構成されたＤＰＴＳＳケーブルである。
図において、２本の光ファイバ埋め込み型ケーブルのうちの１つである光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａ（以下タイプ３とも呼ぶ）には、実施の形態１と同様、フリー構造の光ファイバ３ａが使用されており、もう１つの光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｄ（以下タイプ４とも呼ぶ）には実施の形態１とは異なるフリー構造の光ファイバ３ｄが使用されており、この点で実施の形態１とは異なる。すなわち、光ファイバ３ｄは、光ファイバ３ａと比較して圧力係数が１ケタ程度大きい光ファイバであり（このような光ファイバについては、例えば非特許文献２参照）、この点で光ファイバ３ａとは異なるものである。
このような構成とすることによっても、実施の形態１において、式（２８）で説明したのと同様の効果が得られ、従って、ＤＰＴＳＳケーブル全体として、実施の形態１と同様の効果が得られるものである。
このような構成とすることによっても、実施の形態１において、式（２８）で説明したのと同様の効果が得られ、従って、ＤＰＴＳＳケーブル全体として、実施の形態１と同様の効果が得られるものである。
本実施の形態のＤＰＴＳＳケーブル１０を構成する２本の光ファイバ埋め込み型ケーブルは、実施の形態１で説明したＰファイバと同様の光ファイバ保持部を有するものであり、この光ファイバ埋め込み型ケーブルを用いることにより、被測定体の圧力の変化、および温度変化を計測することが可能である。なお、図中、符号９で示した光ファイバの固定部（詳細は後述）を追加しオプションとして設けることにより、被測定体の圧力の変化、および温度変化に加え、歪変化の検知も可能となる。
図９は、本実施の形態のＤＰＴＳＳケーブル１０の構成の他の例であり、図４と同様に、図８の構成要素のうち、第１層である内層のみを構成要素として３本の金属ワイヤケーブルを互いに螺旋状に巻回するものである。なお、これら図８、図９は、後述する図１０の断面Ｂ１－Ｂ１と断面Ｂ２－Ｂ２とが同一の断面上にあるとして、ＤＰＴＳＳケーブルの軸に垂直な方向の断面を示したものである。この図に示すように、１層で２種類の金属ワイヤケーブルを用いて構成したものでも、図８と同一の効果を奏することはいうまでもない。
さらに、このような構成のＤＰＴＳＳケーブルは、図８の構造のものに比較して、より簡易に製造することが可能であり、被測定体が変わるなど、ＤＰＴＳＳケーブルの仕様を変更しなければならないような場合にも容易に対応することができる。なお、金属ワイヤケーブルを、２本ではなく３本のケーブルとして構成するのは、図４の場合と同様の理由である。
さらに、このような構成のＤＰＴＳＳケーブルは、図８の構造のものに比較して、より簡易に製造することが可能であり、被測定体が変わるなど、ＤＰＴＳＳケーブルの仕様を変更しなければならないような場合にも容易に対応することができる。なお、金属ワイヤケーブルを、２本ではなく３本のケーブルとして構成するのは、図４の場合と同様の理由である。
次に、図１０を用いて、図８、図９で示した光ファイバ埋め込み型ケーブルの製法について説明する。本実施の形態の光ファイバ埋め込み型ケーブルは、概略、図１０で示す方法により製作することができる。以下、この光ファイバ埋め込み型ケーブルの製作方法の概略を、本実施の形態に用いられる２種類の光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａと１ｄを比較しながら説明する。
図１０（ａ）は、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの製作工程の一例を示し、図１０（ｂ）は、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｄの製作工程の一例を示す。光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの製作は、概略、図１０（ａ）のＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ４の工程順に行う。光ファイバ埋め込み型ケーブルの芯線として、通常の圧力感度特性を持つ光ファイバ３ａを採用し（ＳＴＥＰ１）、この芯線に、一部に非水溶性部分を設けた水溶性被膜５ｂをコーティング（ＳＴＥＰ２）した後、金属ワイヤケーブルの溝２に挿入して保持する（ＳＴＥＰ３）。その後、実際の使用時において、被測定体である溶液中で水溶性被膜５ｂの水溶性の被膜部分を溶解させる（ＳＴＥＰ４）。そして、実際の計測に使用する。
ここで、実施の形態１で説明した水溶性被膜５ａは、そのすべての部分が水溶性の被膜で作られているのに対して、この図で示した水溶性被膜５ｂは、その大部分が水溶性の被膜で作られているものの、一部分は非水溶性の被膜で作られている。そして、この非水溶性の環状の被膜が、使用時に光ファイバを溝の部分に固定する固定部８となる。この固定部８は、所定の間隔Ｌで光ファイバ埋め込み型ケーブルの長手方向（軸方向）に複数個設けられる（図１０（ａ）のＳＴＥＰ２参照）。その後、この水溶性被膜５ｂで被膜した光ファイバ３ａを金属ワイヤケーブルの溝２に挿入した後、実際の使用時において、被測定体である溶液中で水溶性被膜５ｂの水溶性の被膜部分が溶解し、非水溶性の被膜部分である固定部のみが残る構成となっている（図１０（ａ）のＳＴＥＰ４参照）。なお。図１０（ａ）のＳＴＥＰ４のＢ１－Ｂ１、及び図１０（ｂ）のＳＴＥＰ４のＢ２－Ｂ２は、各金属ワイヤケーブルの軸に直交する断面を示す。
一方、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｄの製作は、概略、図１０（ｂ）のＳＴＥＰ１からＳＴＥＰ４の工程順に行う。光ファイバ埋め込み型ケーブルの芯線として通常の圧力感度性能より１桁程度大きい圧力感度特性を持つ光ファイバ３ｄを採用（ＳＴＥＰ１）するところだけが、上述の光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの製作工程と異なり、他の製作工程は、上述の光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの製作工程と同様である（詳細説明は省略する）。
以上、図１０の説明においては、２種類の光ファイバ埋め込み型ケーブルはいずれも固定部８を持つ場合について説明したが、これに限らず、２種類の一方のみが固定部８を持つものであってもよい。また、両者とも固定部のないものであってもよい。いずれの場合にも、実施の形態１と同様の効果を奏する。
また、図８、図９において示した２種類の光ファイバ埋め込み型ケーブルである金属ワイヤケーブル以外の金属ワイヤケーブルは、タイプ３、タイプ４、あるいは実施の形態１で示したダミーケーブル９のうち、いずれでもよく、いずれの構成とした場合も実施の形態１と同様の効果を奏する。
以上説明したように、本実施の形態２のＤＰＴＳＳケーブルにおいては、３本の金属ワイヤケーブルのうち、少なくとも１本が基本構造の光ファイバ埋め込み型ケーブルとなっている。また、このケーブル以外に、光ファイバの特性自体が異なるようにして、上記の基本構造の光ファイバ埋め込み型ケーブルとは特性が異なるようにした光ファイバ埋め込み型ケーブルを少なくとも１本有していることが特徴となっている。
このような構造を持つ実施の形態２のＤＰＴＳＳケーブルにおいては、固定部のないフリー構造の光ファイバを２本、基本構造の光ファイバ埋め込み型ケーブルとして用いることで、実施の形態１と同様の効果を得ることができるが、固定部のある光ファイバ埋め込み型ケーブルを用いることで、さらに別の効果を得ることができる。これについて以下説明する。
例えば、歪変化については、図１０で固定部８のある光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの光ファイバ３ａを用いて直接、計測し、圧力変化、温度変化については、図１０で固定部８のある光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの光ファイバ３ａと、固定部のない光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｄの光ファイバ３ｄ、２種類の光ファイバを用いて計測することができる。この結果、これら２種類の光ファイバ埋め込み型ケーブルは、その光ファイバの特性が互いに異なることで、圧力変化と温度変化の感度係数は互いに異なるものとなるため、上記、実施の形態１の原理式が成立し、２種類の光ファイバ埋め込み型ケーブルの圧力変化と温度変化のブリルアン散乱の周波数変化、およびレイリー散乱の周波数変化を計測することにより、圧力分布、温度分布が求まり、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａで測定した求めた歪分布と併せて、所要の温度分布、圧力分布、歪分布を求めることができる。
なお、実施の形態２においては、フリー構造の光ファイバを用いた計測が可能となるものであるが、製作時にこのフリー構造の光ファイバを被覆する被膜は水溶性被膜以外に油溶性被膜でも適用可能である。後者は、石油井など、被測定対象が油性の場合に使用されることとなる。
実施の形態３．
本実施の形態３では、光ファイバ埋め込み型ケーブルのケーブル特性の１つである材質について取り上げ、材質に特徴がある場合の適用例について以下説明する。本実施の形態では、光ファイバ埋め込み型ケーブルには実施の形態１で示したものと同じ構造のものを用いる点、かつ金属ワイヤケーブルを構成する金属の材質が互いに異なるものを用いる点が、実施の形態１の場合と相違する。以下この実施の形態３について、図を用いて説明する。
本実施の形態３では、光ファイバ埋め込み型ケーブルのケーブル特性の１つである材質について取り上げ、材質に特徴がある場合の適用例について以下説明する。本実施の形態では、光ファイバ埋め込み型ケーブルには実施の形態１で示したものと同じ構造のものを用いる点、かつ金属ワイヤケーブルを構成する金属の材質が互いに異なるものを用いる点が、実施の形態１の場合と相違する。以下この実施の形態３について、図を用いて説明する。
図１１は実施の形態３に係るＤＰＴＳＳケーブル１０の一例を示す。光ファイバ埋め込み型ケーブル１ａの代わりに、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｅを用いる点が実施の形態１と異なる。すなわち、この光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｅは光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｂとは、接着剤をもつ光ファイバ保持部４を用いる点では、実施の形態１の場合と同じであるが、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｅを構成する金属の材質が光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｂとは基本的に異なるものである（例えば、実施の形態１の場合には鋼であり、本実施の形態ではアルミニウムである）。その結果、ここで用いられる光ファイバ３ｅもその圧力感度特性が光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｂの光ファイバ３ｂの特性とは異なるものとなる
つまり、このように構成した場合には、光ファイバ埋め込み型ケーブル１ｅに埋め込まれたＢファイバが実際に受ける圧力をΔＰ2とすると、このΔＰ2は実施の形態１で示した式（２８）の右辺の値ではなく、この式（２８）の右辺のｋをｋとは異なるｋ１で置き換えたものとなっていると考えられる。すなわち、次式（４５）の関係が成立していると考えられる。
ここでｋ≠ｋ１であることに注意する。
ここでｋ≠ｋ１であることに注意する。
このことから、実施の形態３においては、ΔＰの感度係数は、実施の形態１とは異なるものであることがわかる。よって、図１１に示すような構成とした場合においても、ΔＴとΔＰをそれぞれ求めることができる。なお、図１１においても、第３のケーブルとして、これらとは異なるダミーケーブル９を示したが、他の１本のケーブルは、これに限らず、上記２種類の光ファイバ埋め込み型ケーブルのいずれか１つと同じものであってもよい。
なお、上述の説明においては、多層ストランド構造のＤＰＴＳＳケーブルについて説明したが、これに限らず、図１２に示すように、第２層である外層のない構造のものでも、図１１のＤＰＴＳＳケーブルと同一の効果を奏することはいうまでもない。また、このような構成のＤＰＴＳＳケーブル１０は、より簡易に製造することが可能であり、被測定体が変わるなど、ＤＰＴＳＳケーブルの仕様を変更しなければならないような場合にも容易に対応することができる。
以上により、本実施の形態３のＤＰＴＳＳケーブルを用いた場合でも実施の形態１と同様の効果を得ることが可能である。さらに、本実施の形態３のＤＰＴＳＳケーブルの構成においては、その製造に際して、フリー構造のファイバを用いないため、光ファイバに対する水溶性被膜の製造工程を設ける必要がない。このため、製造がより簡単になり、コスト的な利点が得られるという効果がある。
なお、本発明は、上記各実施の形態に示した内容に止まらず、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、図５の化学保護層は、実施の形態３の光ファイバ埋め込み型ケーブルにも、同様に適用できる。
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ 光ファイバ埋め込み型ケーブル、２ 溝、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ 光ファイバ、４ 光ファイバ保持部、５ａ 水溶性被膜（非水溶性の被膜部分なし）、５ｂ 水溶性被膜（非水溶性の被膜部分あり）、５ｃ 接着剤 ５ｄ 弾性材 、６ ストランド構造体、７ 化学保護層、８ 固定部、９ ダミーケーブル、１０ ＤＰＴＳＳケーブル。
Claims (6)
- 光ファイバに出射されたパルスレーザ光の散乱であるブリルアン散乱とレイリー散乱の周波数変化をもとに、被測定体の圧力分布、歪分布、温度分布を測定するため、
外周部の軸方向に溝を形成し当該溝内に光ファイバを備えた金属ワイヤケーブルを、少なくとも２本備えたＤＰＴＳＳケーブルであって、
一の前記金属ワイヤケーブルは、当該金属ワイヤケーブルの前記溝に沿って光ファイバを埋め込んで保持した光ファイバ埋め込み型ケーブルであり、
他の前記金属ワイヤケーブルは、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルであって、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルのブリルアン散乱およびレイリー散乱の周波数変化に対する圧力変化の感度係数とは異なる圧力変化の感度係数を持つよう構成したことを特徴とするＤＰＴＳＳケーブル。 - 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルは、
前記溝内に埋め込まれた光ファイバの特性が、前記光ファイバ埋め込み型ケーブルの溝内に埋め込まれた光ファイバの特性と異なることを特徴とする請求項１に記載のＤＰＴＳＳケーブル。 - 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルとは異なる特性を持つ金属ワイヤケーブルは、
前記光ファイバ埋め込み型ケーブルの外部を構成する金属とは異なる材質の金属で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＤＰＴＳＳケーブル。 - 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルの外側に、当該光ファイバ埋め込み型ケーブルに対して螺旋状に巻回された少なくとも一層のケーブル構造体を有するストランド構造体を配置したことを特徴とする請求項１に記載のＤＰＴＳＳケーブル。
- 前記金属ワイヤケーブルは、前記溝内に備えた光ファイバが固定部により部分的に固定されていることを特徴とする請求項２に記載のＤＰＴＳＳケーブル。
- 前記光ファイバ埋め込み型ケーブルは、前記溝の外側寄りに化学保護層を備えたことを特徴とする請求項１、請求項３、または請求項５のいずれか１項に記載のＤＰＴＳＳケーブル。
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