(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと、
前記光ファイバに光パルスを出射する光源と、
前記光ファイバからのラマン散乱光を受光して電気信号に変換する受光部と、
前記光ファイバの所定の位置近傍の温度を測定する温度計と、
前記温度計の測定値の所定期間の平均値を算出する温度データ処理部と、
前記平均値を基準温度として、前記電気信号に基づいて前記光ファイバの温度分布を算出する演算部と、
前記光ファイバの所定の位置および前記温度計を覆う断熱材と、を備え、
前記所定期間は、前記断熱材の熱抵抗Ｒ１と、前記光ファイバの熱抵抗Ｒ２とに基づいて定められた期間であることを特徴とする温度分布測定器。
【請求項２】
前記所定期間は、Ｒ２（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１に応じた期間であることを特徴とする請求項１に記載の温度分布測定器。
【請求項３】
前記受光部は、ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光に対応して備えられており、
前記演算部は、前記電気信号に基づいて得られるストークス光とアンチストークス光の強度比を用いて前記光ファイバの温度分布を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の温度分布測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバにパルス光を入射したときに発生するラマン散乱光を用いて温度分布を測定する温度分布測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバにパルス光を入射したときに発生するラマン散乱光を用いて温度分布を測定する温度分布測定器が知られている。図５は、従来の温度分布測定器の構成を示すブロック図である。本図に示すように温度分布測定器３００は、センサ用光ファイバ２００、パルス発生部３１０、光源３２０、方向性結合器３３０、フィルタ３４０、受光部３５０、受光部３５１、増幅器３５２、増幅器３５３、ＡＤ変換器３５４、ＡＤ変換器３５５、平均化回路３６０、演算部３７０、温度基準部３８０、温度計３８２を備えている。
【０００３】
温度分布測定器３００では、パルス発生部３１０が発生するパルス信号に基づいて、光源３２０から光パルスがセンサ用光ファイバ２００に出射され、光パルスの後方散乱光がセンサ用光ファイバ２００から戻ってくる。センサ用光ファイバ２００は、温度基準部３８０を通っており、温度基準部３８０に備えられた温度計３８２によって実際の温度が測定され、センサ用光ファイバ２００による温度測定の基準温度として用いられる。基準温度を測定する温度計３８２は、一般に、高精度の白金温度計等が用いられる。
【０００４】
図６に示すように、波長λ０の入射光の後方散乱光には、波長λ０のレイリー散乱光、波長λ０±数１０ｎｍのラマン散乱光、波長λ０±数ｎｍのブリルアン散乱光などが含まれる。温度分布測定器３００は、これらの後方散乱光のうち、温度依存性が高いラマン散乱光を利用する。
【０００５】
本図に示すように、ラマン散乱光には、光パルスの波長に対して短い波長側に発生するアンチストークス光と、長い波長側に発生するストークス光があり、その強度比は、温度変化に比例して変化する。温度分布測定器３００は、この特性を利用して、センサ用光ファイバ２００によって測定対象物の温度分布を測定する。
【０００６】
温度分布測定器３００は、方向性結合器３３０、フィルタ３４０を用いてストークス光とアンチストークス光を抽出し、受光部３５０、受光部３５１で受光する。ストークス光は、受光部３５０で電気信号に変換され、増幅器３５２、ＡＤ変換器３５４を経て平均化回路３６０に入力される。アンチストークス光は、受光部３５１で電気信号に変換され、増幅器３５３、ＡＤ変換器３５５を経て平均化回路３６０に入力される。
【０００７】
後方散乱光は微弱であるため、光パルスの出射によるストークス光、アンチストークス光の測定を多数回繰り返し行ない、平均化回路３６０で、それぞれの測定結果を平均化することにより、温度測定分解能を上げるようにしている。
【０００８】
そして、演算部３７０が、平均化されたストークス光とアンチストークス光の強度比を演算し、温度基準部３８０に備えられた温度計３８２が測定する実際の温度を基準にして、ストークス光とアンチストークス光の強度比から測定温度を求める。
【０００９】
パルス光に対するストークス光とアンチストークス光の強度の時間変化は、センサ用光ファイバ２００の経路長に対応するため、演算部３７０の演算によりセンサ用光ファイバ２００が検出した温度分布を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−３４９７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
基準温度を測定する温度基準部３８０では、数１０メートルのセンサ用光ファイバ２００が直径１０ｃｍ程度に巻かれており、巻かれたセンサ用光ファイバ２００の近傍に配置された温度計３８２が測定するセンサ用光ファイバ２００の温度を基準温度として、演算部３７０が測定温度を求める。
【００１２】
センサ用光ファイバ２００のある測定位置における温度がＴ（Ｋ）のとき、アンチストークス光Ｉａｓとストークス光Ｉｓｔの強度比は、［数１］のように表わすことができる。
【数１】
0005467522.tif 000002
ここで、［数２］に示すようにＬｎを定める。
【数２】
0005467522.tif 000003
実際のシステムでは、Ｌｎは未知となるが、Ｌｎの値は、温度基準部３８０における基準温度Ｔ０を用いると、［数１］［数２］より、［数３］によって求めることができる。なお、基準温度Ｔ０における、アンチストークス光Ｉａｓとストークス光Ｉｓｔの強度比を、Ｇ０（Ｔ０）とする。
【数３】
0005467522.tif 000004
したがって、ある測定位置におけるセンサ用光ファイバ２００の測定温度Ｔ（Ｋ）は、その測定位置に対応するアンチストークス光Ｉａｓとストークス光Ｉｓｔの強度比から、［数４］にしたがって算出することができる。
【数４】
0005467522.tif 000005
測定温度Ｔは、温度基準部３８０における基準温度Ｔ０を用いて算出するため、温度基準部３８０の温度計３８２の測定値が、温度基準部３８０におけるセンサ用光ファイバ２００の実際の平均温度と異なっていると、そのまま測定誤差となる。
【００１３】
温度計３８２は、センサ用光ファイバ２００の近傍に配置されているため、温度分布測定器３００本体の温度が安定している場合には、温度計３８２の測定値は、センサ用光ファイバ２００の実際の平均温度とほぼ一致する。
【００１４】
しかしながら、周辺環境の変化等によって温度分布測定器３００本体の温度が急激に変化した場合には、温度計３８２の熱応答時間と、温度基準部３８０におけるセンサ用光ファイバ２００の熱応答との違いから、温度計３８２がセンサ用光ファイバ２００の平均温度を正確に測定できなくなり、温度分布測定結果に誤差が生じる場合がある。
【００１５】
図７は、一定の温度を保っている測定対象物の温度測定中に、温度分布測定器３００本体側の温度を急激に変化させたときの、温度分布測定器３００本体側の温度変化と、測定対象物の測定温度結果とを示す図である。なお、縦軸の値およびスケールは、温度分布測定器３００本体側の温度と測定対象物の測定温度結果とで異なっているものとする。
【００１６】
測定対象物の温度は一定であるため、本来であれば、対象物測定温度は一定となるべきであるが、対象物測定温度は、温度分布測定器３００本体温度の影響を受けて変動し、特に、本体温度が変化したときに大きな測定誤差が生じている。
【００１７】
そこで、本発明は、光ファイバを用いた温度分布測定器において、温度分布測定器本体側の温度変化による測定誤差の発生を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の温度分布測定器は、光ファイバと、前記光ファイバに光パルスを出射する光源と、前記光ファイバからのラマン散乱光を受光して電気信号に変換する受光部と、前記光ファイバの所定の位置近傍の温度を測定する温度計と、前記温度計の測定値の所定期間の平均値を算出する温度データ処理部と、前記平均値を基準温度として、前記電気信号に基づいて前記光ファイバの温度分布を算出する演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
温度計の測定値の所定期間の平均値を算出することで、光ファイバの所定の位置の温度を精度高く推定することができる。この平均値を基準温度として温度分布を算出することで、温度分布測定器本体側の温度変化による測定誤差の発生を防ぐことができる。
【００２０】
前記光ファイバの所定の位置および前記温度計を断熱材で覆うことにより、いっそう温度分布測定器本体側の温度変化による測定誤差の発生を防ぐことができる。
【００２１】
ここで、前記受光部は、ラマン散乱光のストークス光とアンチストークス光に対応して備えられており、前記演算部は、前記電気信号に基づいて得られるストークス光とアンチストークス光の強度比を用いて前記光ファイバの温度分布を算出することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光ファイバを用いた温度分布測定器において、温度分布測定器本体側の温度変化による測定誤差の発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る温度分布測定器の構成を示すブロック図である。
【図２】温度基準部について説明する図である。
【図３】温度基準部の電気回路モデルを示す図である。
【図４】本実施形態の温度分布測定器において、本体側の温度が急激に変化したときの測定結果例を示す図である。
【図５】温度分布測定器の構成を示すブロック図である。
【図６】後方散乱光について説明する図である。
【図７】従来の温度分布測定器において、本体側の温度が急激に変化したときの測定結果例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る温度分布測定器の構成を示すブロック図である。本図に示すように温度分布測定器１００は、センサ用光ファイバ２００、パルス発生部１１０、光源１２０、方向性結合器１３０、フィルタ１４０、受光部１５０、受光部１５１、増幅器１５２、増幅器１５３、ＡＤ変換器１５４、ＡＤ変換器１５５、平均化回路１６０、演算部１７０、温度基準部１８０、温度計１８２、温度データ処理部１９０を備えている。
【００２５】
センサ用光ファイバ２００は、ＧＩ型石英系マルチモード光ファイバが用いられており、測定対象物からの温度が効率よく伝わるよう敷設されているものとする。
【００２６】
本実施形態において、温度基準部１８０は、温度分布測定器１００本体の温度変化の影響を軽減するために、図２に示すように断熱材１８１で覆われている。すなわち、断熱材１８１の内側に、数１０メートルのセンサ用光ファイバ２００が直径１０ｃｍ程度に巻かれており、その近傍に基準温度を測定する温度計１８２が配置されている。
【００２７】
また、温度分布測定器１００の温度データ処理部１９０は、温度分布測定器１００本体の温度が急激に変化したときにも、温度基準部１８０のセンサ用光ファイバ２００の実際の温度を精度高く取得できるように、温度計１８２の測定値を所定期間平均した値を、温度基準部１８０のセンサ用光ファイバ２００の温度と推定する処理を行なう。
【００２８】
演算部１７０は、温度データ処理部１９０が推定したセンサ用光ファイバ２００の温度を基準温度として用いて、［数４」にしたがってセンサ用光ファイバ２００の温度分布を演算する。これにより、温度分布測定器１００本体側の温度変化による測定誤差の発生を防ぐことができる。
【００２９】
以下に、温度計１８２の測定値を所定期間平均した値をセンサ用光ファイバ２００の温度と推定することにより、測定誤差の発生を防ぐことができる原理について説明する。
【００３０】
まず、温度基準部１８０における断熱材１８１と、センサ用光ファイバ２００について、図３に示すような電気回路を用いてモデル化する。
【００３１】
本図において、電圧Ｖは、温度分布測定器１００本体の温度に対応し、電圧Ｖｒは、温度計１８２取り付け位置の温度に対応し、電圧Ｖｆは、温度基準部１８０におけるセンサ用光ファイバ２００の実際の温度に対応する。また、抵抗Ｒ１は、断熱材１８１の熱抵抗に対応し、抵抗Ｒ２は、センサ用光ファイバ２００の熱抵抗に対応する。
【００３２】
温度計１８２の値から、センサ用光ファイバ２００の実際の温度を推定するためには、このような電気回路モデルにおいて、センサ用光ファイバ２００の温度に対応する電圧Ｖｆの値を、温度計１８２の取り付けられている位置の電圧Ｖｒの値から推定すればよいことになる。
【００３３】
本図において、電圧Ｖｆは［数５］のように表わせ、電圧Ｖｒは［数６］のように表わすことができる。
【数５】
0005467522.tif 000006
【数６】
0005467522.tif 000007
電圧Ｖｒについて、時刻（ｔ−ｔｃ）からｔまでの一定時間ｔｃの平均値を求めると［数７］のようになる。
【数７】
0005467522.tif 000008
ここで、［数８］となるように時間ｔｃを定めると、［数７］と［数５］とが一致することになる。
【数８】
0005467522.tif 000009
【数９】
0005467522.tif 000010
時間ｔｃが、［数９］の条件を満たすものとして計算を行なうと、時間ｔｃは、［数１０］のように求めることができる。
【数１０】
0005467522.tif 000011
以上より、温度計１８２の値について、時間ｔｃの期間の平均値を用いることで、センサ用光ファイバ２００の平均温度を推定することができることになる。この推定されたセンサ用光ファイバ２００の平均温度を基準温度とし、演算部１７０が、［数４］に示した演算を行なうことにより、温度分布測定器１００本体側の温度変化の影響を受けない、精度の高い温度分布測定を行なうことができるようになる。
【００３４】
実際には、温度計１８２の測定値の平均値を算出する期間である時間ｔｃについて、実験等によって最適な値をあらかじめ定めておくようにする。
【００３５】
図１に示した構成により、本実施形態の温度分布測定器１００は、以下のような動作を行なう。すなわち、パルス発生部１１０が発生するパルス信号に基づいて光源１２０から光パルスがセンサ用光ファイバ２００に出射され、光パルスの後方散乱光がセンサ用光ファイバ２００から連続的に戻ってくる。
【００３６】
後方散乱光は、方向性結合器１３０によってフィルタ１４０に導かれ、フィルタ１４０によって、ストークス光と、アンチストークス光に分離される。ストークス光は、受光部１５０で電気信号に変換される。そして、増幅器１５２で増幅され、ＡＤ変換器１５４によってデジタル変換されて平均化回路１６０に入力される。アンチストークス光は、受光部１５１で電気信号に変換される。そして、増幅器１５３で増幅され、ＡＤ変換器１５５によってデジタル変換されて平均化回路１６０に入力される。
【００３７】
後方散乱光は微弱なため、光パルスの出射によるストークス光、アンチストークス光の測定はＮ回繰り返され、平均化回路１６０で、それぞれＮ回の測定結果が平均化される。
【００３８】
また、断熱材１８１で覆われた温度基準部１８０では、温度計１８２がセンサ用光ファイバ２００の温度を連続的あるいは断続的に測定する。そして、温度データ処理部１９０が、温度計１８２の測定値の所定期間の平均値を算出して演算部１７０に出力する。
【００３９】
演算部１７０は、平均化されたストークス光とアンチストークス光の強度比を距離ごとに演算する。そして、温度データ処理部１９０が演算した温度計１８２の測定値の所定期間の平均値を基準温度として、ストークス光とアンチストークス光の強度比から測定温度を算出することで、センサ用光ファイバ２００が敷設された測定対象物の温度分布を得る。
【００４０】
図４は、一定の温度を保っている測定対象物の温度測定中に、温度分布測定器１００本体側の温度を急激に変化させたときの、温度分布測定器１００本体側の温度変化と、測定対象物の測定温度結果とを示す図である。なお、縦軸の値およびスケールは、温度分布測定器１００本体側の温度と測定対象物の測定温度結果とで異なっているものとする。
【００４１】
本図に示すように、本実施形態の温度分布測定器１００は、一定温度の測定対象物の温度を測定している際に、温度分布測定器１００本体温度が急激に変化した場合であっても、測定温度はほとんど変動せず、本体の温度変化の影響を受けずに、測定誤差の発生が抑えられていることが分かる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の温度分布測定器１００は、温度基準部１８０を断熱材で覆うことにより、温度分布測定器１００本体の温度変化の影響を受けにくくするともに、温度計１８２の測定値の所定期間の平均値を基準温度として測定温度を算出することで、温度分布測定器本体側の温度変化による測定誤差の発生を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４３】
１００…温度分布測定器、１１０…パルス発生部、１２０…光源、１３０…方向性結合器、１４０…フィルタ、１５０…受光部、１５１…受光部、１５２…増幅器、１５３…増幅器、１５４…Ａ／Ｄ変換器、１５５…Ａ／Ｄ変換器、１６０…平均化回路、１７０…演算部、１８０…温度基準部、１８１…断熱材、１８２…温度計、１９０…温度データ処理部、２００…センサ用光ファイバ、３００…温度分布測定器、３１０…パルス発生部、３２０…光源、３３０…方向性結合器、３４０…フィルタ、３５０…受光部、３５１…受光部、３５２…増幅器、３５３…増幅器、３５４…Ａ／Ｄ変換器、３５５…Ａ／Ｄ変換器、３６０…平均化回路、３７０…演算部、３８０…温度基準部、３８２…温度計
【図１】
0005467522.tif 000012
【図２】
0005467522.tif 000013
【図３】
0005467522.tif 000014
【図４】
0005467522.tif 000015
【図５】
0005467522.tif 000016
【図６】
0005467522.tif 000017
【図７】
0005467522.tif 000018