(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気中の水分を吸収する湿度吸収能力を備えた吸湿層が被覆された第１の測定部と湿度吸収能力が前記吸湿層よりも低い非吸湿層が被覆された第２の測定部とを備えた光ファイバと、
前記第１の測定部及び前記第２の測定部を加熱する加熱部と、
前記光ファイバに光を入射し、前記光ファイバから出射される後方散乱光を受光して前記光ファイバの長さ方向の温度分布を測定する温度測定装置と、
前記温度測定装置から出力される温度分布の経時変化を解析して前記第１の測定部及び前記第２の測定部が配置された測定場所の温度と湿度とを算出する解析装置と、
前記加熱部、前記温度測定装置及び前記解析装置を制御する制御装置と
を有し、
前記吸湿層は、潮解性を有する物質を母材となる樹脂に分散した材料により形成され、前記非吸湿層は、前記吸湿層の母材となる樹脂と同一の樹脂により形成されていることを特徴とする環境測定システム。
【請求項２】
前記光ファイバには、その長さ方向に沿って前記第１の測定部及び前記第２の測定部が複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の環境測定システム。
【請求項３】
前記解析装置は、前記加熱部により加熱されているときの前記第１の測定部における温度と前記第２の測定部における温度との差の積分値により前記測定場所の湿度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の環境測定システム。
【請求項４】
更に、前記光ファイバには風速を測定するための風速測定部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の環境測定システム。
【請求項５】
雰囲気中の水分を吸収する湿度吸収能力を備えた吸湿層が被覆された第１の測定部を有する第１の光ファイバと、
湿度吸収能力が前記吸湿層よりも低い非吸湿層が被覆された第２の測定部を有する第２の光ファイバと、
前記第１の光ファイバの前記第１の測定部を加熱する第１の加熱部と、
前記第２の光ファイバの前記第２の測定部を加熱する第２の加熱部と、
前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバに光を入射し、前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバから出射される後方散乱光を受光して前記第１の光ファイバ及び前記第２の光ファイバの長さ方向の温度分布を測定する温度測定装置と、
前記温度測定装置から出力される温度分布の経時変化を解析して前記第１の測定部及び前記第２の測定部が配置された測定場所の温度と湿度とを算出する解析装置と、
前記第１の加熱部、前記第２の加熱部、前記温度測定装置及び前記解析装置を制御する制御装置と
を有し、
前記吸湿層は、潮解性を有する物質を母材となる樹脂に分散した材料により形成され、前記非吸湿層は、前記吸湿層の母材となる樹脂と同一の樹脂により形成されていることを特徴とする環境測定システム。
【請求項６】
所定の測定場所に光ファイバの第１の測定部及び第２の測定部を配置する工程と、
前記光ファイバに光を入射し、前記光ファイバから出射される後方散乱光から前記第１の測定部における温度の経時変化と前記第２の測定部における温度の経時変化とを測定しつつ、前記第１の測定部及び前記第２の測定部を加熱する工程と、
前記第１の測定部における温度の変動と前記第２の測定部における温度の変動とから前記測定場所における温度と湿度とを算出する工程とを有し、
前記光ファイバの前記第１の測定部及び前記第２の測定部は、雰囲気中の水分を吸収する湿度吸収能力が相互に異なる被覆層を有し、
前記第１の測定部の前記被覆層は、潮解性を有する物質を母材となる樹脂に分散した材料により形成され、雰囲気中の水分を吸収する湿度吸収能力を備えた吸湿層であり、前記第２の測定部の前記被覆層は、前記吸湿層の母材となる樹脂と同一の樹脂により形成され、湿度吸収能力が前記吸湿層よりも低い非吸湿層であることを特徴とする環境測定方法。
【請求項７】
前記温度を算出する工程では、前記第１の測定部における温度と前記第２の測定部における温度との差の積分値を算出し、予め用意された積分値と湿度との関係を用いて前記積分値を湿度に換算することを特徴とする請求項６に記載の環境測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度及び湿度を測定する環境測定システム及び環境測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の防止が急務の課題となっており、そのために社会のあらゆる場面で省エネルギー化が求められている。例えば工場や大規模オフィスビル及びインターネットデータセンターなど（以下、「オフィスビル等の施設」ともいう）では空調に用いる電力が膨大であり、空調設備自体の省電力化とともに空調の最適化が要求されている。【０００３】
オフィスビル等の施設内の空調の最適化を図るためには、施設内の多数の場所で温度や湿度を測定し、その結果に基づいて空調設備を制御することが好ましい。測定場所が少ない場合は、それぞれの場所に温度センサや湿度センサを個別に設置することが考えられる。この種の用途に使用可能な温度センサには熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタ及び膨張式温度計などがあり、湿度センサには電気抵抗検出式湿度センサ及び電気容量（キャパシタンス）検出式湿度センサなどがある。【０００４】
しかし、このようなセンサを使用すると、測定場所が多い場合は必要なセンサの数が多くなって、システム全体のコストが高くなる。また、センサの数が多くなるほどメンテナンスに要するコストも高くなる。そこで、光ファイバを温度センサとして用いる温度測定装置（以下、「光ファイバ温度測定装置」という）を使用して、オフィスビル等の施設内の温度を測定することが提案されている。【０００５】
光ファイバ温度測定装置は、光ファイバ内にレーザ光を入射し、光ファイバ内で発生するラマン散乱光を検出して温度を測定するものであり、光ファイバの長さ方向に沿った温度分布を短時間で測定することができる。【０００６】
また、光ファイバ温度測定装置を利用し、一般的な乾湿式湿度計の原理を用いて湿度を測定することが提案されている。この種の湿度測定装置では、光ファイバの一部に常に水を供給して湿潤状態に維持し、この湿潤状態に維持した湿潤部の温度と乾燥部の温度との差から雰囲気中の相対湿度を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平２−１７１６２８号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の光ファイバを用いた湿度測定装置では貯水槽を設け、貯水槽から毛細管現象を利用して湿潤部に水を供給している。しかし、長時間にわたって湿度を測定するためには、貯水槽に水があるか否かを確認し、水がない場合は補給するという作業が必要である。測定場所が少ない場合は水の確認及び補給を人手で行うことが可能であるが、測定場所が多い場合は水の確認及び補給を人手で行うことは困難であり、自動で行うための設備が必要になる。そのためにシステムの規模が大きくなり、システム全体のコストやシステムのメンテナンスに要するコストが高くなる。【０００９】
以上から、水の補給を必要とせず、且つ多数の場所の温度及び湿度を比較的低コストで測定できる環境測定システム及び環境測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一観点によれば、雰囲気中の水分を吸収する湿度吸収能力を備えた吸湿層が被覆された第１の測定部と湿度吸収能力が前記吸湿層よりも低い非吸湿層が被覆された第２の測定部とを備えた光ファイバと、前記第１の測定部及び前記第２の測定部を加熱する加熱部と、前記光ファイバに光を入射し、前記光ファイバから出射される後方散乱光を受光して前記光ファイバの長さ方向の温度分布を測定する温度測定装置と、前記温度測定装置から出力される温度分布の経時変化を解析して前記第１の測定部及び前記第２の測定部が配置された測定場所の温度と湿度とを算出する解析装置と、前記加熱部、前記温度測定装置及び前記解析装置を制御する制御装置とを有し、前記吸湿層は、潮解性を有する物質を母材となる樹脂に分散した材料により形成され、前記非吸湿層は、前記吸湿層の母材となる樹脂と同一の樹脂により形成されている環境測定システムが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
上記一観点によれば、光ファイバに、雰囲気中の水分を吸収する吸湿層と、雰囲気中の水分を吸収しない（又は、殆ど吸収しない）非吸湿層とが設けられている。加熱部により吸湿層及び非吸湿層を加熱すると、吸湿層が配置された部分と非吸湿層が配置された部分とでは異なる温度変化を示す。吸湿層と非吸湿層との温度変化の差は、雰囲気中の湿度に関係する。従って、温度測定装置により吸湿層が配置された部分と非吸湿層が配置された部分との温度変化の差を検出し、その結果を解析装置で解析することにより、雰囲気中の湿度を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る環境測定システムの概要を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、いずれも光ファイバの断面図である。
【図３】図３は、後方散乱光のスペクトルを示す図である。
【図４】図４は、ラマン散乱光の強度の経時変化の一例を示す図である。
【図５】図５は、図４に示すラマン散乱光の強度の経時変化を基にＩ1／Ｉ2比を時間毎に計算し、且つ図４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。
【図６】図６は、発熱層に電気の供給を開始してから湿式測定部及び乾式測定部で観測される温度変化の一例を示す図である。
【図７】図７は、相対湿度と面積Ｓとの関係を示す図である。
【図８】図８は、実施形態に係る環境測定方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、発熱層に供給する電力と湿式測定部及び乾式測定部における温度の変化を示すタイミングチャートである。
【図１０】図１０は、第１の実施形態の変形例を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、実施形態に係る環境測定方法による湿度測定値と容量式湿度計による湿度測定値との相関を示す図である。
【図１２】図１２は、第２の実施形態に係る環境測定システムの概要を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る環境測定システムの概要を示すブロック図、図２（ａ），（ｂ）はいずれも光ファイバの断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る環境測定システムは、光ファイバ１０と、光ファイバ温度測定装置２０と、解析装置２５と、制御装置２６と、加熱用電源２７とを有している。
【００１６】
光ファイバ１０は、レーザ光が伝搬する芯線１１と、芯線１１を被覆する絶縁被覆層１２（図１では図示を省略）と、絶縁被覆層１２の上に設けられた発熱層（加熱部）１３と、発熱層１３の上に設けられた吸湿層１４及び非吸湿層１５とを有している。以下、吸湿層１４が設けられた部分を湿式測定部（第１の測定部）１４ａと呼び、非吸湿層１５が設けられた部分を乾式測定部（第２の測定部）１５ａと呼ぶ。
【００１７】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、芯線１１は、コア１１ａと、コア１１ａの周囲に配置されたクラッド１１ｂとを有し、コア１１ａとクラッド１１ｂとの屈折率の差により光をコア１１ａ内に閉じ込めて伝送する。
【００１８】
絶縁被覆層１２は、ある程度の耐熱性を有する絶縁性材料、例えばポリウレタンにより形成されている。発熱層１３は電気が供給されて抵抗発熱する材料により形成されていればよく、例えば銀又はカーボンを含む導電性材料により形成されている。
【００１９】
非吸湿層１５は、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン及びオルガノシリコーン樹脂などの非吸湿性又は撥水性を有する絶縁材料により形成されている。また、吸湿層１４は、例えば塩化マグネシウム、塩化カルシウム、酢酸ナトリウム及び五酸化二リンなどの潮解性を有する物質の微粒子を母材となる絶縁性樹脂に分散した材料により形成されている。非吸湿層１５は雰囲気中の湿度を吸収する能力（湿度吸収能力）を有しないか、又は湿度吸収能力が吸湿層１４よりも低いことが必要である。
【００２０】
データ処理を簡単にするために、吸湿層１４と非吸湿層１５とはその比熱が同じ又はほぼ同じであることが好ましい。このため、吸湿層材料の母材として、非吸湿層１５に使用されているのと同一の樹脂を使用することが好ましい。なお、吸湿層１４は、それ自体が潮解性又は強い吸湿性を示す樹脂により形成されていてもよい。このような樹脂には、ポリスチレンスルホン酸塩や四級化ポリビニルピリジンなどがある。これらの吸湿層１４及び非吸湿層１５は、図１に模式的に示すように、光ファイバ１０の長さ方向に所定の間隔をおいて配置されている。
【００２１】
後述するように、本実施形態では、湿式測定部１４ａと乾式測定部１５ａとを同一の測定場所に配置してその測定場所の温度と湿度とを測定する。測定場所が１箇所の場合は吸湿層１４及び非吸湿層１５を１組だけ設ければよく、測定場所が複数の場合は吸湿層１４及び非吸湿層１５を光ファイバ１０の長さ方向に沿って複数組配置すればよい。
【００２２】
温度測定装置２０は、レーザ光源２１と、ビームスプリッタ２２と、光検出器２３と、データ処理部２４とを有している。光ファイバ１０の芯線１１は、レーザ光源２１及びビームスプリッタ２２と光学的に接続されている。
【００２３】
レーザ光源２１からは一定の時間間隔でレーザ光（レーザパルス）が出射される。レーザ光源２１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ２２を透過して光ファイバ１０の芯線１１内に進入し、光ファイバ１０内を長さ方向に伝搬する。光ファイバ１０内を伝搬する光の一部は、光ファイバ１０（芯線１１）を構成する分子により後方散乱される。後方散乱された光は、光ファイバ１０を戻って光源側端部から出射し、ビームスプリッタ１２により反射されて光検出器２３に入力される。
【００２４】
光ファイバ１０内で発生する後方散乱光には、図３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。
【００２５】
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シフト量はレーザ光の波長や光ファイバ１０（芯線１１）を構成する物質等に依存するが、通常５０ｎｍ程度である。また、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。光検出器２３は、後方散乱光からストークス光及び反ストークス光を分離してそれぞれの光量を検出する。
【００２６】
図４は、横軸に時間をとり、縦軸に光検出器２３で検出される信号強度をとって、ラマン散乱光の強度の経時変化の一例を示す図である。光ファイバ１０にレーザパルスを入射した直後から一定の間、光検出器２３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１０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１０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１０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１０による光の減衰を示している。
【００２７】
光ファイバ１０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４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４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。
【００２８】
図５は、図４に示すラマン散乱光の強度の経時変化を基にＩ1／Ｉ2比を時間毎に計算し、且つ図４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５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１０の長さ方向における温度分布を測定することができる。
【００２９】
反ストークス光とストークス光との強度比の計算はデータ処理部２４により行われ、データ処理部２４からは所定の時間毎に光ファイバ１０の長さ方向の温度分布が出力される。解析装置２５は、温度測定装置２０から出力された温度分布のデータを蓄積し、温度分布の経時変化を解析して、湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａが配置された場所の温度と湿度とを算出する。
【００３０】
加熱用電源２７は、光ファイバ１０に沿って敷設された電線１６ａ，１６ｂを介して発熱層１３に電力を供給し、発熱層１３を抵抗発熱させる。なお、光ファイバを保護するために、光ファイバの両側に２本のテンションメンバを配置することがある。このような光ファイバを用いる場合、テンションメンバを配線１６ａ，１６ｂとして使用してもよい。また、図１では吸湿層１４及び非吸湿層１５のそれぞれ両側部分に電圧を印加して吸湿層１４及び非吸湿層１５の部分のみを発熱させるようにしている。しかし、光ファイバ１０の長さが短い場合は、光ファイバ１０の両端部に電圧を印加して発熱層１３全体を発熱させるようにしてもよい。制御装置２６は、システム全体の稼働状態を制御する。
【００３１】
本実施形態では、湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａを同一の測定場所に配置する。そして、光ファイバ１０の吸湿層１４に空気（雰囲気）中の水分を吸収させた後、加熱用電源２７を稼働して発熱層１３に電気を供給する。温度測定装置２０は、光ファイバ１０内で発生するラマン散乱光の検出結果に基づいて光ファイバ１０の長さ方向の温度分布を検出し、その温度分布のデータを出力する。解析装置２６は、温度測定装置２０から出力された温度分布のデータを蓄積し、湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａの温度変化を観測する。
【００３２】
図６は、横軸に時間をとり、縦軸に温度をとって、発熱層１３に電気の供給を開始してから湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａで観測される温度変化の一例を示す図である。この図６に示すように、乾式測定部１５ａでは時間の経過とともに温度がほぼ直線的に上昇する。これに対し、湿式測定部１４ａでは、電気の供給開始からある程度時間が経過するまでの間は温度の上昇速度が遅く、その後は温度が急激に上昇する。これは、電気の供給開始直後は吸湿層１４に吸収されていた水分が蒸発して蒸発熱を奪い、水分がある程度蒸発してしまうと蒸発熱が奪われなくなるためである。
【００３３】
図６において、乾式測定部１５ａの温度変化を示す曲線と湿式測定部１４ａの温度変化を示す曲線とで囲まれた部分の面積は雰囲気中の湿度に関係し、雰囲気中の湿度が高いほどこの部分の面積が大きくなる。すなわち、乾式測定部１５ａの温度と湿式測定部１４ａの温度との差を積分することにより、雰囲気中の湿度を求めることができる。
【００３４】
図７は、横軸に相対湿度（％ＲＨ）をとり、縦軸に乾式測定部１５ａの温度変化を示す曲線と湿式測定部１４ａの温度変化を示す曲線とで囲まれた部分の面積Ｓ（任意単位：a.u.）をとって、両者の関係を示す図である。
【００３５】
本実施形態においては、予め面積Ｓと相対湿度との関係を求めておき、それらの関係を示す湿度変換テーブルを解析装置２５内に記憶させておく。解析装置２５は、温度測定装置２０から光ファイバ１０の長さ方向の温度分布のデータを入力し、乾式測定部１５ａの温度と湿式測定部１４ａの温度との差を積分して面積Ｓを算出する。そして、解析装置２５は、予め記憶しておいた湿度変換テーブルを用いて、面積Ｓの値を雰囲気中の湿度に変換する。なお、湿度変換テーブルに替えて、面積Ｓと湿度との関係を示す関係式を求め、その関係式を解析装置２５に記憶させておいてもよい。
【００３６】
図８は、本実施形態に係る環境測定方法を示すフローチャートである。また、図９は、発熱層に供給する加熱電流と乾式測定部１５ａ及び湿式測定部１４ａの温度変化を示すタイミングチャートである。ここでは、乾式測定部１５ａ及び湿式測定部１４ａが同一の測定場所に配置されているものとする。
【００３７】
まず、ステップＳ１１において、制御装置２６は、温度測定装置２０及び解析装置２５に測定開始を指示する信号を出力する。これにより、温度測定装置２０はレーザ光源２１からレーザパルスを出力し、光検出部２３によりラマン散乱光を検出して、光ファイバ１０の長さ方向の温度分布を測定する。このとき、加熱用電源２７は稼働していないので、光ファイバ１０の長さ方向の温度分布のデータには湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａが配置された測定場所の温度のデータが含まれている。
【００３８】
なお、温度測定装置２０からは、ステップＳ１１で測定を開始してからステップＳ１８で測定を終了するまでの間、所定の時間毎に温度分布のデータが出力される。温度測定装置２０から出力された温度分布のデータは解析装置２５に伝達され、解析装置２５内に蓄積される。
【００３９】
次に、ステップＳ１２に移行し、制御装置２６は、加熱用電源２７に稼働開始を指示する信号を出力する。これにより、加熱用電源２７は、湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａの発熱層１３に所定の電圧を印加して、発熱層１３を抵抗発熱させる。また、加熱用電源２７の稼働開始を指示する信号は解析装置２５にも伝達される。これにより、解析装置２５では、加熱開始の時間ｔ0が判明する。
【００４０】
次に、ステップＳ１３に移行し、制御装置２６は、発熱層１３への電力供給の開始から所定の時間ＴA（例えば１０分間）経過したか否かを判定する。所定の時間ＴAは、吸湿層１４に吸収された水分を十分に蒸発させるのに要する時間に応じて設定される。所定の時間ＴAが経過したと判定すると、ステップＳ１３からステップＳ１４に移行する。
【００４１】
ステップＳ１４において、制御装置２６は、加熱用電源２７に稼働停止を指示する信号を出力する。これにより、発熱層１３への電力供給が停止する。加熱用電源２７に稼働停止を指示する信号は、解析装置２５にも伝達される。これにより、解析装置２５では、発熱層１３への電力供給を停止した時間ｔ1が判明する。
【００４２】
次に、ステップＳ１５に移行し、解析装置２５は、蓄積された温度分布のデータを基に、乾式測定部１５ａ及び湿式測定部１４ａが配置された測定場所の温度と湿度とを算出する。本実施形態では、発熱層１３に電力を供給する前の乾式測定部１５ａの温度の平均値を算出して測定場所の温度とする。また、解析装置２５により乾式測定部１５ａの温度と湿式測定部１４ａの温度との差を積分し、その値を湿度変換テーブルを用いて湿度に変換した値を、測定場所の湿度とする。
【００４３】
ステップＳ１６では、制御装置２６は、発熱層１３への電力供給を停止してから所定の時間ＴB（例えば１５分〜２０分間）が経過したか否かを判定する。発熱層１３への電力供給を停止してから所定の時間ＴBが経過するまでの間に、吸湿層１４は雰囲気中の水分を吸収して初期状態に戻る。なお、乾式測定部１５ａ及び湿式測定部１４ａの温度を一定の時間毎にサンプリングし、温度降下がなくなったことが確認できたときに所定の時間ＴBが経過したと判定するようにしてもよい。
【００４４】
所定の時間ＴBが経過すると、ステップＳ１６からステップＳ１７に移行し、制御装置２６は測定を終了するか否かを判定する。否の場合はステップＳ１２に戻り、発熱層１３への電力の供給を開始して、上述した処理を繰り返す。このようにして、所定の時間毎に測定場所の温度及び湿度が測定される。
【００４５】
ステップＳ１７において測定を終了すると判定した場合は、ステップＳ１８に移行し、制御装置２６は温度測定装置２０及び解析装置２５に測定終了を示す信号を出力する。これにより、測定が終了する。
【００４６】
本実施形態では、１本の光ファイバ１０で複数（例えば１００以上）の測定場所の温度と湿度とを同時に測定することができる。このため、測定場所毎に温度センサ及び湿度センサを個別に配置するシステムに比べてシステムの構成が簡単であり、システムを構築するためのコスト及びメンテナンスに要するコストが低減される。また、本実施形態では湿度の測定に貯水槽が必要でなく、水の補給等の作業も不要である。これらの理由により、本実施形態に係る環境測定システムは、データセンターや大規模オフィスビル及び工場などの施設内の多数の測定場所の温度及び湿度の測定に好適である。
【００４７】
なお、本実施形態では１本の光ファイバ１０に吸湿層１４と非吸湿層１５とを配置している。しかし、図１０に示すように、吸湿層１４を有し非吸湿層１５を有しない光ファイバ（第１の光ファイバ）３１と、非吸湿層１５を有し吸湿層１４を有しない光ファイバ（第２の光ファイバ）３２との２本の光ファイバを用いてもよい。この場合、光スイッチ２８を有する温度測定装置３０を使用し、この光スイッチ２８によりレーザ光源２１及びビームスプリッタ２２と光ファイバ３１，３２との間の光学的接続を制御する。例えば、後述する実験１で温度測定装置として使用したラマン散乱測定装置（DTS800M：SENSA社製）は、その内部に設けられた光スイッチを介して複数の光ファイバとレーザ光源及びビームスプリッタとの間を光学的に切替えることができる。光スイッチ２８により光接続を切り替える方式の温度測定装置３０に替えて、レーザ光源２１、ビームスプリッタ２２及び光検出器２３を複数組有する温度測定装置を使用してもよい。
【００４８】
また、本実施形態では光ファイバ１０と一体的に発熱層（加熱部）を形成しているが、光ファイバとは別個に設けた加熱部により吸湿層１４及び非吸湿層１５を加熱するようにしてもよい。更に、本実施形態ではラマン散乱光（ストークス光及び反ストークス光）により温度分布を測定するものとしているが、ブリルアン散乱光により温度分布を測定することも可能である。
【００４９】
以下、本実施形態に係る環境測定方法により温度と湿度とを実際に測定した実験結果について説明する。
【００５０】
（実験１）
センサとなる光ファイバには、マルチモード・グレーデッドインデックス型石英光ファイバ（HFR-2Z-1：古河電気工業株式会社製）を使用した。この光ファイバは芯線１１をポリウレタン樹脂で被覆したものであり、このポリウレタン樹脂の層を絶縁被覆層１２とした。光ファイバの直径（絶縁被覆層１２の外径）は２５０μｍ、芯線１１の直径は１２５μｍである。
【００５１】
この光ファイバの周囲に、ディップ法によりポリエステル系銀ペースト（DW-250H-5：東洋紡績株式会社製）を光ファイバの長さ方向に沿って２ｍずつ４ｍのピッチでコーティングし、発熱層１３とした。この発熱層１３の厚さは１０μｍである。なお、銀ペーストはディップ法により光ファイバの周面に塗布し、その後温度が１００℃の雰囲気中で３０分間かけて乾燥させた。
【００５２】
次に、発熱層１３を光ファイバの長さ方向に沿って１ｍずつ２つの領域に分割し、一方の領域に吸湿層材料を塗布して、厚さが０．３ｍｍの吸湿層１４を形成した。吸湿層材料には、１０重量部の紫外線硬化型シリコーン樹脂ワニス（X-31-2011-1：信越化学工業株式会社製）に対し１重量部の塩化カルシウムの粉末を使用し、これらをボールミルにより１時間混合して得たペーストを使用した。
【００５３】
また、発熱層１３の他方の領域に、吸湿層１４の形成に使用したのと同一のワニス（但し、塩化カルシウムを含まず）を塗布して、厚さが０．３ｍｍの非吸湿層１５を形成した。なお、吸湿層材料及び非吸湿層材料は、いずれも発熱層１３の上に塗布した後、光ファイバを１ｍ／minの速度で掃引しながら高圧水銀灯（１６０Ｗ／ｃｍ）の光（紫外線）を照射して硬化させた。
【００５４】
次に、光ファイバに並行して２本の電線を配置し、この２本の電線と発熱層１３との間をウレタン硬化型銀ペースト（3302B：株式会社スリーボンド製）により電気的に接続した。ウレタン硬化型銀ペーストは、ディスペンサを用いて電線と発熱層１３との間にで点状に塗布し、その後１２０℃の温度で１時間かけて乾燥した。
【００５５】
この吸湿層１４及び非吸湿層１５を有する光ファイバを、所定の温度及び湿度を維持可能な恒温恒湿槽内に配置した。そして、その光ファイバの終端を温度測定装置２０となるラマン散乱光測定装置（DTS800M：SENSA社製）に接続した。
【００５６】
また、恒温恒湿槽内には、容量式湿度計も配置した。そして、恒温恒湿槽内の湿度を１０％ＲＨから９０％ＲＨまで変化させて、容量式湿度計及び本実施形態に係る環境測定方法により湿度を測定した。なお、本実施形態に係る環境測定方法では、ラマン散乱光測定装置により吸湿層１４及び非吸湿層１５が配置された部分の温度を測定した。そして、吸湿層１４が配置された部分の温度上昇を示す曲線と非吸湿層が配置された部分の温度上昇を示す曲線とにより囲まれた面積Ｓを算出し、予め用意した面積Ｓと相対湿度との関係を示す湿度変換テーブルを使用して面積Ｓの値を湿度に換算した。
【００５７】
図１１は、本実施形態に係る環境測定方法による湿度測定値と容量式湿度計による湿度測定値との相関を示す図である。この図１１に示すように、本実施形態の環境測定方法により測定した湿度と容量式湿度計により測定した湿度との差は１０％以下であり、ほぼ一致していることが確認された。
【００５８】
本実施形態に係る環境測定方法では、全長２ｋｍの光ファイバを用いて環境測定を行った場合の消費電力はおおよそ３００Ｗ又はそれ以下である。
【００５９】
（実験２）
実験１で使用したのと同一の光ファイバ（HFR-2Z-1：古河電気工業株式会社製）を２本用意した（図１０参照）。そして、それらの光ファイバの上に発熱層１３を形成した後、一方の光ファイバ（第１の光ファイバ３１）には吸湿層材料を塗布して厚さが０．３ｍｍの吸湿層１４を形成し、他方の光ファイバ（第２の光ファイバ３１）には非吸湿層材料を塗布して厚さが０．３ｍｍの非吸湿層１５を形成した。吸湿層材料には、１０重量部のポリフッ化ビニリデン（KF-1100：株式会社クレハ製）に対し１重量部の塩化マグネシウムの粉末を混合分散して得たペーストを使用した。また、非吸湿層材料には、吸湿層１４の形成に使用したのと同一のポリフッ化ビニリデン（但し、塩化マグネシウムを含まず）を使用した。
【００６０】
これらの第１の光ファイバ３１及び第２の光ファイバ３２を恒温恒湿槽内に５ｍｍの間隔をおいて並行させて配置した。そして、それら２本の光ファイバ３１，３２の終端を、温度測定装置３０となるラマン散乱光測定装置（DTS800M：SENSA社製）に接続した。
【００６１】
また、恒温恒湿槽内には、容量湿度計も配置した。そして、恒温恒湿槽内の湿度を１０％ＲＨから９０％ＲＨまで変化させて、容量式湿度計及び本実施形態に係る環境測定方法により湿度を測定した。その結果、本実施形態の環境測定方法により測定した湿度と容量式湿度計により測定した湿度との差は１０％以下であった。
【００６２】
（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態に係る環境測定システムの概要を示すブロック図である。図１２において、図１と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６３】
本実施形態において使用する光ファイバ４０は、湿度測定部４１と風速測定部４２とを有している。湿度測定部４１は、第１の実施形態と同様に、吸湿層１４が設けられた湿式測定部１４ａと非吸湿層１５が設けられた乾式測定部１５ａとを有し、これらの乾式測定部１５ａ及び湿式測定部１４ａの温度変化に基づいて雰囲気中の湿度を算出する。
【００６４】
また、風速測定部４２には、発熱層１３がなく絶縁被覆層（図１１には図示せず）が露出した雰囲気温度測定部４２ａと、絶縁被覆層の周囲に発熱層１３を設けた加熱温度測定部４２ｂとが設けられている。この加熱温度測定部４２ｂの発熱層１３に電力を供給すると、発熱層１３が抵抗発熱して温度検出装置２０で検出される温度が上昇する。ここで、雰囲気の温度が一定であるとすると、風速測定部４２が配置された場所の風速が速いほどピーク温度は低くなる。また、発熱層１３への電力供給を停止すると時間の経過にともなって検出温度が低下するが、風速測定部４２が配置された場所の風速が速いほど常温に戻るまでの時間が短くなる。すなわち、ピーク温度や常温に戻るまでの時間により、風速検出部４２が配置された場所の風速を検出することができる。
【００６５】
解析装置２５には、湿度換算テーブルとともに、雰囲気温度とピーク温度と風速との関係を示す風速換算テーブルが記憶されている。そして、解析装置２５は、温度測定装置２０から出力される湿度検出部４１（湿式測定部１４ａ及び乾式測定部１５ａ）の温度変化に基づいて湿度を算出する。また、解析装置２５は、風速測定部４２（雰囲気温度測定部４２ａ及び加熱温度測定部４２ｂ）で検出される雰囲気温度と加熱温度測定部４２ｂで検出される温度変化とに基づいて風速を算出する。なお、風速測定部４２は風の通り道に配置することが重要であり、湿度測定部４１は風が直接当たらない場所に配置することが重要である。
【００６６】
本実施形態では、１本の光ファイバ４０を用いて、複数の場所の温度、湿度及び風速を測定することができる。このため、測定場所毎に温度センサ、湿度センサ及び風速センサを個別に配置するシステムに比べてシステムの構成が簡単であり、システムを構築するためのコスト及びメンテナンスに要するコストが低減される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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