(57)【要約】  本発明は、プロセス流体および機器内での変化、変化タイプ、および変化を引き起こす種を計測すると共に、変化を最低限に抑えることにより歩留まりおよび機器の寿命を最大化するためにプロセスフィードおよび条件を制御する方法およびシステムを含む。本発明は、光ファイバーと、光ファイバー内に書き込まれたファイバー回折格子と、光ファイバーおよび不変要素に固定されたひずみ調整要素と、不変要素に固定された変化要素とを有する光センサーを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体内の光センサーであって、
ａ）光ファイバー；
ｂ）前記光ファイバー内のファイバー回折格子；
ｃ）前記媒体によって特性が変化し得る、変化要素と呼ばれる第１の要素；
ｄ）前記媒体によって前記特性が変化しない、前記第１の要素に固定された、不変要素と呼ばれる第２の要素；および
ｅ）前記第２の要素および前記光ファイバーに固定された少なくとも１つのひずみ調整要素
を備えることを特徴とする光センサー。
【請求項２】
前記第１の要素、前記第２の要素および前記ひずみ調整要素が結合して、前記光ファイバーに主として軸方向のひずみを加えることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項３】
前記変化要素は、前記媒体内で腐食する材料を含む腐食性要素であることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項４】
前記不変要素は、前記媒体内で腐食しない材料を含む非腐食性要素であることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項５】
前記第１の要素は、前記媒体の吸収によって変化し得ることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項６】
前記第１の要素は、前記媒体の反応によって変化し得ることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項７】
前記第１の要素は、前記媒体の分解によって変化し得ることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項８】
前記第１の要素は、前記媒体の吸着によって変化し得ることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項９】
前記第１の要素は、前記媒体により引き起こされた材料の損失によって変化し得ることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
【請求項１０】
前記不変要素は、前記ファイバーと前記変化要素の間に配置されることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項１１】
前記変化要素および前記不変要素は、それらの熱膨張が相互に抑制されるように、それらの相互接触面の全体で結合されることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのひずみ調整要素は、前記不変要素内に封入されることを特徴とする請求項１１に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのひずみ調整要素は、前記光ファイバー内回折格子を支持することを特徴とする請求項１２に記載のセンサー。
【請求項１４】
前記ファイバー内回折格子を、前記回折格子の各端に１つずつ配置された２つの前記ひずみ調整要素が支持することを特徴とする請求項１３に記載のセンサー。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのひずみ調整要素は、前記ファイバー内回折格子上での軸方向のひずみを調整する手段を有することを特徴とする請求項１３に記載のセンサー。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのひずみ調整要素は、前記結合された変化要素および不変要素上でのひずみの変化を、前記ファイバー内回折格子に伝達することを特徴とする請求項１５に記載のセンサー。
【請求項１７】
前記センサーの温度と前記変化要素の変化の組み合わせは、前記ひずみ調整要素で前記ファイバー内回折格子上のひずみを変化させるための手段であることを特徴とする請求項１６に記載のセンサー。
【請求項１８】
前記変化要素の変化は、前記ひずみ調整要素で前記ファイバー内回折格子上のひずみを変化させるための手段であることを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。
【請求項１９】
前記センサーの温度は、前記ひずみ調整要素で前記ファイバー内回折格子上のひずみを変化させるための手段であることを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。
【請求項２０】
前記変化要素は、前記ファイバーおよび前記ひずみ調整要素を完全に取り囲んでいることを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。
【請求項２１】
前記センサー動作温度において、前記変化要素は主として圧縮された状態にあり、不変要素は主として伸張状態にあることを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。
【請求項２２】
前記変化要素の前記圧縮は、前記変化要素が変化すると緩和されることを特徴とする請求項２１に記載のセンサー。
【請求項２３】
前記変化要素は、前記不変要素、前記ファイバーおよび前記ひずみ調整要素を完全には取り囲んでいないことを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。
【請求項２４】
前記結合された変化要素および不変要素は、主として曲げモーメントをもたらすことを特徴とする請求項２３に記載のセンサー。
【請求項２５】
前記腐食性要素は、変化の前には実質的に一定の半径を有することを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項２６】
前記変化要素は、変化の前には主に双円錐先細り部を有することを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項２７】
前記回折格子は、ブラッグ回折格子であることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、単相流体または多相流体における材料変化の検出のための光ファイバーセンサーシステムに関する。本発明の一例は、石油および炭化水素の製造時および処理時におけるプロセス用機器の減肉腐食の検出に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本発明は流体媒体および周辺材料を監視できる光センサーである。このセンサーは、光ファイバーと、この光ファイバー内に形成されるブラッグ回折格子等の１つ以上のファイバー内回折格子と、媒体によって変化し得る特性を有する変化要素と呼ばれる第１のセンサー要素と、同じ特性が媒体によって変化せず、第１の要素に固定される不変要素と呼ばれる第２のセンサー要素と、第２の要素を光ファイバーに連結する少なくとも１つのひずみ調整要素とを含む。変化要素、不変要素、およびひずみ調整要素が結合して、ファイバー内回折格子に主として軸方向のひずみを加える。変化をもたらす回折格子のひずみは、ファイバーに伝播して回折格子から反射される掃引波長レーザー光線を使用して、光学反射スペクトルの変化により計測される。
【０００３】
本発明は、一般に、センサーが配置されている媒体および環境による変化センサー要素の変化の度合および比率の検出に適用可能である。本発明は、一般に、変化センサー要素材料の寸法、強度、熱特性、および機械特性を変えるプロセスによる材料変化の検出に適用可能である。このような材料変化プロセスの例として、媒体の構成要素による腐食、侵食、吸収、付着、可溶化、分解、反応、または蒸発が挙げられる。
【０００４】
変化センサー材料の流体による変化の度合および比率の決定は、これらの計測パラメータと、流体媒体の製造、輸送、保管、または処理に使用される装置の構成材料に対して同じように流体がもたらす変化の度合および比率とを関係付けることにより、実用性および価値を有する。原油処理装置で使用される変化センサー要素の減肉腐食比率の決定に本発明を適用する場合、プロセス用機器と同じ合金から変化センサー要素を製造することで、機器の腐食比率を予測するための手段をプロセスオペレータに提供する。
【０００５】
本発明は、一般に、種選択的なセンサー材料の変化の度合および比率を通して、媒体に存在する変化をもたらす種タイプの特定にも適用可能である。選択的な材料の変化の比率の依存性が、変化種の濃度、温度、および流速の関数として判明していれば、濃度の定量的測度を得ることができる。減肉腐食用途において、特定の合金に対する原油の腐食性は、変化センサー要素としてこの合金を使用することで求めることができる。硫黄、ナフテン酸、塩化物等の特定の種は、その種の腐食比率において既知の相違を有する合金を使用することで求めることができる。
【０００６】
本発明は、石油流体の製造、搬送、処理、および保管（「プロセス」と呼ぶ）にも関する。また、比較的過酷な温度条件および多相乱流下で稼働する石油プロセスにも関する。ただし、本発明の態様は、他のプロセス、流体、流動様体、および温度にも広く適用可能である。
【０００７】
変化センサー要素の変化の度合および比率を測定するためのシステムは、統合された変化／光変換器および検出サブシステムを含む。検出サブシステムは、ファイバーの長さに沿って１つ以上のブラッグ回折格子が形成されている光ファイバーを含む。変化センサー要素およびプロセス温度によってもたらされる回折格子位置のひずみおよび温度変化により、回折格子の光学特性が変化する。変化する光学特性の一例は、回折格子の最大反射が発生する波長である。ファイバーに伝播した光がこの波長で選択的に反射される。このピーク反射率波長の測定は回折格子における局所的な温度およびひずみと関連付けることができ、このような波長の変化は局所的な温度およびひずみの変化と関連付けることができる。ひずみおよび温度のセンサーとしてのファイバーブラッグ回折格子並びに温度およびひずみの変化によって回折格子の光伝播特性の変化を検出するための手段の使用は当該技術分野で公知である。本発明の記載ではブラッグ回折格子を１つの例として使用しているが、長周期回折格子等これ以外のファイバー内回折格子タイプを用いてもよい。この場合、ファイバーに伝播する光は、従来技術に記載されているように、検出が可能で、回折格子の温度およびひずみの変化に関連付けることができるスペクトル的に狭い損失領域となる。本発明を明確に記載するために、ブラッグ回折格子の例およびブラッグ波長での光の後方散乱を本明細書で引き続き説明する。
【０００８】
変化／光変換器は、本発明の重要な特徴である。変換器は、変化センサー要素の変化をファイバー内回折格子のひずみまたは温度の変化に変換する。当該用途のためのセンサーの感度および寿命の要件を満たすよう、温度、圧力、流体種、および流体の流れ等の用途環境に応じて、変換器を有する３つの多機能要素が設計および製造される。このように設計および製造された用途固有のセンサーは、プロセスおよびセンサーの製造温度と変化要素の変化との違いを組み合わせて使用することで、変化に伴い、ファイバーに絶えず変化する、実質的に軸方向のひずみをもたらす。この変化するひずみは、３つの変換器要素の熱応答によってもたらされるファイバー回折格子における変化前の初期の軸方向のひずみによって決まる範囲内にあり、これは動作温度において約２％以下であることが好ましい。最終的な軸方向のひずみは、最大変化が発生した後に変換器要素の熱応答によってもたらされ、これはセンサーが動作温度である場合、ゼロに近いことが好ましい。
【０００９】
材料の変化量を求める回折格子の各軸方向位置において、変化に対する光学変換器をファイバーに結合することで、材料変化の分散測定を行うことができる。用途に応じて、変換器の機能要素はそれぞれ１つ以上の材料から構成され、１つ以上の温度で製造または処理されてもよい。
【００１０】
変化センサー要素は流体媒体と接触している。この機能は、流体プロセスにおいて、プロセス用機器の場合と同じ変化プロセス種に応じて、プロセス用機器の場合と同じまたは関連する変化比率で変化することにある。変化要素の更なる機能は、発生する変化に関連して、他のセンサー要素の応力状態に変化をもたらすことである。
【００１１】
不変センサー要素もプロセス流体にさらされるが、プロセス流体で腐食することはない。非腐食要素の更なる機能は、ファイバーおよびひずみ調整要素がプロセス流体と接触しないようにするために、連続する筐体の全体または一部を形成することにある。
【００１２】
ひずみ調整機能またはくぼみ形支持要素は、前記不変要素内に封入されると共に、前記不変要素に取り付けられ、ある程度ファイバーを支持する働きをする。この要素の２つが、回折格子のそれぞれの端部で１つずつ、ファイバーを支持する。ひずみ調整要素は、変化プロセスによって生じるひずみの変化をファイバー内の回折格子に伝達し、ひずみの変化をバイアスつまり「調整」して、センサーに必要とされる感度および動作寿命性能の目標を実現するという更なる機能を果たす。この調整は、センサーの温度とくぼみ形支持体の材料および形状とにより、自動的に行われる。
【００１３】
変化要素が最大変化を達成しているセンサーは材料変化センサーとしては非アクティブである。ただし、これによって、ファイバー要素における光の伝播に悪影響が生じることはない。このため、この非アクティブなセンサーが１本のファイバーに分散している複数のセンサーアレイの１つである場合、このファイバー上の残りのアクティブなセンサーを使用して、センサーが目的とする材料変化の監視を続行できる。
【００１４】
本発明では、２つのクラスの材料変化センサーについて記載する。どちらのクラスでも、不変要素がファイバーおよびくぼみ形ファイバー支持体を完全に取り囲む。回折格子はファイバー支持体同士の間のほぼ中心に位置し、回折格子の中心と不変要素が同軸かつ同心である。一方のセンサークラスであるタイプＩでは、材料変化によってファイバーにもたらされるひずみの変化は主として軸方向である。センサーごとに変化要素が１つ存在し、この変化要素は、不変要素、くぼみ形支持要素、およびファイバー回折格子と同軸かつ同心であり、これらを完全に取り囲む。タイプ１センサーの製造または動作における非対称性が原因で生じる何らかの曲げモーメントによってもたらされる軸方向のひずみはごくわずかである。
【００１５】
第２のセンサークラスであるタイプ２では、単一の回折格子に１つ以上の変化要素が存在し得る。これらの変化要素の各々の縦軸は、不変要素、くぼみ形支持要素、およびファイバー回折格子の縦軸と一致しないが、これらの縦軸と平行であり、これら縦軸から変位している。この１つ以上の変化要素は、不変要素周囲の１つ以上の不連続な角度位置で、不変要素の表面に取り付けてもよい。タイプ２のセンサーは、変化プロセスによってもたらされる変化センサー要素および不変センサー要素の主とした曲げモーメントを通して、回折格子に軸方向のひずみを付与する。変化要素が１つの場合、曲げモーメントは、変化センサー要素および不変センサー要素の平行軸を含む平面上にある。
【００１６】
タイプ１とタイプ２のセンサーはどちらも、変化プロセスの関数としてファイバーにひずみの変化をもたらすために、流体媒体による変化センサー要素材料の変化による材料変化センサーの役割を果たす。ファイバーの軸方向のひずみに変化が生じると、回折格子の周期性および実効屈折率の変化によって、ブラッグ回折格子の最大反射率の波長がシフトする。材料変化アナライザは、１本のファイバーまたはマルチファイバーアレイに分散された１つ以上の材料変化センサーと、アレイ内の各ファイバーに伝播する光を検出システムに伝送するための光学的手段と、適切な光源（好ましくはレーザーまたは超放射ダイオード）、波長決定要素、および波長シフトを検知する検出器を有するファイバー外部の光学的検出システムと、計測された波長シフトを温度、回折格子位置、およびその他のプロセス情報と一緒に受け取り、計測されたシフトを材料変化の度合および比率に変換するためのプロセッサとから構成される。材料変化アナライザはこの度合および比率を他の情報と一緒にプロセスコンピュータおよび制御システムに報告し、プロセスコンピュータおよび制御システムは、この情報を用いて、用途に応じて作動可能なオプションを決定する。本発明の主な特徴としては、センサーの動作が、センサーの製造温度とプロセスの動作温度との差、および変化要素の変化に依存していること、１本のファイバー上にある複数のセンサーを使用することで感度および動作寿命性能の目標を満たしたり冗長構成を提供し信頼性を向上させたりすることができること、温度や振動だけでなく様々な変化プロセスおよび種を計測するセンサーを１本のファイバー上で使用できることが挙げられる。
【００１７】
更に、タイプ１とタイプ２のセンサーどちらでも、ファイバーがプロセス流体種およびプロセス流体の流れと直接接触しないようにするための手段が提供されている。これによって、（ａ）ファイバーの動的疲労につながる、流体の流れおよび乱流渦によって一部のプロセスでファイバー上に生じる急速に変化する横方向および縦方向の粘性抵抗およびせん断と、（ｂ）プロセスまたはプロセス流体媒体に存在しうる分散相種の影響による侵食が原因でファイバー上に生じる、ファイバーの被覆の損傷およびファイバー表面の微細な亀裂の生成と、（ｃ）流体種との反応によるファイバー表面の腐食および応力腐食と、（ｄ）個々の回折格子位置での温度勾配と、を軽減することができる。このような影響の軽減は、動作寿命を伸ばすこと、および変化プロセスと関係がない反射光の波長シフトを招き、ノイズ源となる、流動によって引き起こされる回折格子内の変化を低減するのに役立つ。
【００１８】
ファイバー保護構造とは、（ａ）不変要素であり、（ｂ）センサーアレイを配置し、プロセス容器または管に取り付けるための支持体となり、（ｃ）構成材料および機械面の機能性の選定において柔軟であり、（ｄ）ファイバー構造内部でファイバーの支持体となり、（ｅ）ファイバーとセンサー要素の材料との間の熱膨張の違いおよびひずみを補正するための手段を提供し、（ｆ）変化プロセスによって生じた応力のファイバーブラッグ回折格子への伝達を最適化し、ひずみの感度をセンサーの形状によって変化プロセスに変えるための手段を提供する構造体である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
例Ａ−減肉腐食センサー
好適な実施形態において、本発明は、プロセス用機器での腐食減肉比率、腐食タイプ、および腐食種を計測すると共に、安全で信頼性の高い動作を損なわないようにプロセスフィードおよび条件を制御して歩留まりおよび機器の寿命を最大化するための方法およびシステムを含む。
【００２０】
本発明におけるような高性能で比較的低コストの腐食検出技術を使用すると、例えば、腐食性原油の利用を最適化することや、腐食によって引き起こされる機器障害のために発生する予期しない容量損失、ターンアラウンドタイム、および検査費用を削減することが可能である。原油、留分／派生生成物、および化学薬品に使用される運搬、プロセス、および貯蔵用機器の腐食監視に本発明を適用することにより、価値を高めることができる。地下および海中の埋蔵物から原油を抽出および移送するために使用される機器内での減肉腐食の監視に本発明を適用することで、価値を高めることができる。本発明の基本的概念を石油流体の生産、運搬、およびプロセスにおける他の用途（機器の汚損、材料腐食、流体内に存在する特定の化学種、混相流の検出等）にも拡張することで、更に価値を高めることができる。
【００２１】
腐食の例では、現行の腐食検出技術（例えば、電気抵抗式プローブ）は、上記した経済的な刺激策を実現するのに必要な性能レベルにはほど遠い。現行の腐食検出技術の問題点としては、センサーを移動させることなく一箇所でしか計測行うことができず、このような運用は高温の石油流体のプロセスの場合に安全および環境面で非常に大きな危険を及ぼすこと、現行のセンサーは配管のエルボやベンド等の腐食拡張の恐れがある箇所に利用できないこと、各位置での計測には、移送ライン、プロセスユニット、または貯蔵容器の中に入口ポートが必要であること、単一のセンサーでは、プロセスの同時監視を実現できず、感度および稼動寿命について経済的な要件を満たすことができないこと、該センサーで計測される腐食種および減肉比率は、最終的に機器障害を引き起こす、機器壁の流体境界層内で発生する腐食タイプおよび減肉比率を表すことができないことが挙げられる。結果として、現行の腐食検出技術は、競争技術がほとんど存在しないことから利用されているが、信頼性および正確さに欠けているとみなされている。上記した問題点および制限事項は本発明によって克服することができる。
【００２２】
長期にわたる減肉腐食比率をタイプ１およびタイプ２のセンサーで計測する場合は、腐食性要素が、腐食減肉比率の計測が求められているプロセス用機器と同じ材料で形成されることが好ましい。例えば、原油プロセスの場合は、腐食性要素を単純な炭素または５％Ｃｒ鋼とすることができる。腐食性変換器要素の製造材料としてプロセス用機器の合金を使用すると、減肉計測の信頼性が向上する。腐食性センサー要素およびプロセス用機器の合金が、同じものである場合、または同一の温度および流動環境に置かれたプロセス流体内の腐食種に対して類似の減肉腐食性を有する場合は、計測によりプロセス用機器の腐食減肉がよく示される。
【００２３】
或いは、減肉腐食計測の応用としてプロセス用機器の合金以外のものを使用することが好ましいこともある。一例として計測の目的が、腐食のタイプを区別することまたは流体内の主要な腐食種（原油プロセスの場合は硫化物、ナフテン酸、塩化物等）を特定することにある場合、これらの腐食種にさらされたときに選択的に腐食する金属を選択することが可能である。減肉比率を校正することが可能、或いはプロセスユニット内の腐食種の重量または容積％に減肉比率を関連付けることが可能な場合は、センサーを流体腐食性センサーとして使用することができる。
【００２４】
計測の目的が腐食の発生初期を選択的に検出することにある場合は、プロセス用機器の金属より減肉比率が高い金属を変換器腐食性要素として使用することができる。複数の用途の目的は、単一のファイバーまたはファイバーアレイ上に複数のセンサーを使用する（センサーごとに腐食性変換器要素には異なる材料を使用する）ことにより達成できることが理解できる。
【００２５】
高温、多相石油プロセス流体流動での腐食に対して使用されるタイプ１のセンサーの構成部品の好適な実施形態の断面を図１に示す。腐食センサーは、プロセス流で腐食する腐食性の第１の材料要素チューブ（７）を備える。第１の材料要素は、プロセス容器または配管の合金であることが好ましく、例えば、５％Ｃｒまたは炭素鋼である。腐食性要素チューブの最小の壁厚は、特定の流体および流体環境での特定の合金の減肉比率と、センサーに必要とされる稼動寿命および感度によって決定される。ブラッグ回折格子（２）が書き込まれている光ファイバー（１）は、非腐食性の第２の材料要素チューブ（５）内に封入されている。腐食性要素のために合金が選択された場合、非腐食性の材料は２つの主要な検討事項を基に決定される。第１に、センサーに必要とされる稼動寿命の間、該材料はプロセス流内でおよびプロセス温度で実質的に非腐食性とすべきである。第２に、プロセス温度での非腐食性要素の材料の熱膨張は、腐食性要素の材料の場合より小さくなるべきである。流体腐食性および必要な稼動寿命に基づいて要求される程十分な耐腐食性が材料にない場合、該材料に処理を施して耐腐食性を向上させることが可能である（例えば、コーティングやクラッディングが適用される）。
【００２６】
図１に更に示すように、腐食性要素チューブ（７）はその全長にわたり、高温鑞付けや拡散接合等の手段、ネジ切り等の機械的な嵌合、熱による収縮締まり嵌め、またはこれら手段の任意の組み合わせによって、非腐食性要素チューブ（５）と連続的に結合されている（８）。このように結合された要素（５）および（７）は、複合バイメタル変換器要素を形成し、対応する熱膨張反応を有する。センサーが動作しなければならないプロセス動作温度は、結合手段の選択時に検討されなければならない。例えば、上記結合手段として高温鑞付けまたは熱収縮締まり嵌めが使用される場合は、鑞付けまたは収縮締まり嵌めの温度がプロセス温度より十分に高くなるよう選択することで、プロセス温度で必要とされるセンサー稼動寿命の間、腐食性要素および非腐食性要素が複合要素のまま確実にとどまるようにする必要がある。腐食性センサー要素の熱膨張係数が非腐食性要素の熱膨張係数を上回っている場合を検討すると、組み立てられた複合要素がプロセス温度まで引き上げられたとき、腐食性要素は圧縮状態となり、非腐食性要素は伸張状態となる。
【００２７】
図１に更に示すように、ファイバーは２つのくぼみ形ファイバー支持要素チューブ（３）によって支持されており、この２つのファイバー支持要素チューブ（３）は、最も近接した間隔が好ましくは１つの回折格子の長さ以上となるように、回折格子の両端に対称的に配置されている。くぼみ形要素チューブは、ファイバーを支持することに加えて、ファイバーのひずみ状態を変更または「調整」する手段を提供するという点で本発明には重要である。該手段は、ファイバーおよび非腐食性センサー要素へのくぼみ形支持要素チューブの結合方法と、くぼみ形支持チューブ要素の材料特性および長さとによって得られる。
【００２８】
図１に更に示すように、２つのくぼみ形要素チューブ（３）の各々は、適切な結合方法により、回折格子に最も近いその端部またはその近く（４）でファイバーに結合され、その反対側の端部（６）またはその近くで非腐食性センサー要素（５）に結合されている。（４）と（６）に示された円周方向の結合のための該方法の例としては、例えば、それぞれガラス半田やレーザー溶接を用いた方法が挙げられる。他の例としてエポキシ系接着剤や機械的なスレッドがそれぞれ挙げられる。
【００２９】
くぼみ形支持要素の材料および長さは、腐食性および非腐食性のバイメタル式複合変換器要素およびファイバー要素の材料特性および長さとプロセス温度とに応じて適切に選択される。このような材料および長さの選択は、動作プロセス温度で、腐食に起因する種々の減肉量でのファイバーと複合バイメタリック変換器要素との間の熱膨張の差とひずみを、くぼみ形支持要素の熱膨張が様々な度合で補正するように行われる。材料要素と非腐食性の材料要素に光ファイバーを取り付けるための手段とは、プロセス温度で腐食減肉発生前にファイバーでの実質的に軸方向の最大引張ひずみが約２％を超えないようにすると共に、プロセス温度で腐食性変換器要素の実質的に完全な腐食減肉の後にファイバーでの最小ひずみがゼロより大きくゼロ付近にあるように設計される。
【００３０】
腐食性材料要素が腐食するとファイバー内のひずみ度が変化し、これによりブラッグ回折格子から反射される光の波長が変化する。波長シフトは、検出システムによって計測され、予め取得されている校正モデルを使用して腐食減肉比率として報告される。
【００３１】
図１に示すように、一定半径の減肉要素（７）の両端部（９）は、ひずみをファイバーに効率的に伝達するため、減肉に合わせてひずみ感度を変化させるため、非腐食性要素（５）と接触した減肉要素内径の先端にストレスが集中するのを実質的に解消するため、減肉部の外径先端／流体接触部での不要な流体循環渦を最小限に抑えるように形成されている（直線状の傾斜として概略的に示されている）。
【００３２】
図１に更に示すように、非腐食性要素（５）は、センサー領域の外部にて、レーザー溶接等により、代替のファイバー保護材料に（低コスト、構造的完全性、柔軟性のために、例えば柔軟な外装ケーブルを使用して）または壁がより厚い同一のまたは代替の材料に任意選択で結合（１０）され得る。この代替材料は、ファイバーまたはファイバーアレイに沿って空間的に分散されたセンサー同士の間において、非腐食性変換器要素に取って替わる。
【００３３】
単一のファイバーに沿って複数のセンサーを組み付けることができる。この結果、計測箇所が空間的に分散され、管へのポートは１つまたは２つ（ファイバーの両端）だけでよい。温度、腐食タイプおよび腐食種、流体の腐食性、侵食、流体により誘発される壁せん断および振動等の各種特性を計測するセンサーを単一のファイバー上に組み付けることもできる。図２は、一定半径の腐食性要素（１）および非腐食性要素（２）と、ファイバー（３）と、回折格子（４）と、くぼみ形支持要素（５）とを示す減肉腐食センサーの動作を示す。光源（６）と、ビームスプリッタまたは光サーキュレータ（７）と、検出器（８）とを図示し、ファイバーの１ポートまたはシングルエンド照明とセンサーからの反射光の計測方法とを概略的に示している。
【００３４】
図１では、説明したセンサーの実施形態が、ファイバーの軸に対して垂直であり且つ回折格子の中心を通る垂直面について対称になっていることがわかる。ページに対して垂直であり変換器要素を２分する垂直面の縁端部は、図１でラインＶ−Ｖとして表示されている。
【００３５】
図３は一定半径の減肉腐食センサーの右半分の拡大図であり、腐食減肉と熱効果とに基づいて該センサーの動作を更に説明するためのものである。４つのパネル（Ａ）−（Ｄ）内の図は、センサーの半分を概略的に示しており、左側は横軸対称面Ｖ−Ｖから右側は腐食性および非腐食性変換器要素の端部までの範囲を網羅している。非腐食性要素の延長部と、センサーの端部およびくぼみ形支持要素の端部を通り過ぎたファイバーは図示されていない。ファイバー内に書き込まれている回折格子の半分についても図示されていない。
【００３６】
本発明のために不可欠な動作上の基礎を説明するために、センサー要素（組み立てられた状態の）には、初期温度Ｔ＝Ｔ１で残留応力がかかっていないものとみなす。
【００３７】
図３の（Ａ）は、組み立てられたセンサー要素について、温度Ｔ１で腐食が発生していない場合の断面図である。図１で（１）、（２）、（３）、（４）とラベル付けられた位置にそれぞれ延びている腐食性要素、非腐食性要素、くぼみ形支持チューブ、およびファイバー要素は同軸円筒である。
【００３８】
減肉変換器要素（１）と非腐食性変換器要素（２）は、先に説明したように、全長にわたって結合されていて、複合バイメタルチューブを形成している。図３では、この結合が（５）で示されている。この例の場合は、腐食性要素（１）の熱膨張係数が非腐食性要素（２）の熱膨張係数を上回るケースが選択されている。
【００３９】
くぼみ形支持要素（３）は、その左端がファイバーまたはファイバーのコーティング表面に結合され、その右端が非腐食性要素（２）に結合されている。図３の（Ａ）では、この結合がそれぞれ（６）および（７）として示されている。くぼみ形支持要素の材料は、腐食性要素（１）および非腐食性要素（２）の場合と異なるものであってもよい。この例の場合は、くぼみ形支持要素（３）の熱膨張係数が非腐食性要素（１）の熱膨張係数を上回っている。図３の（Ａ）において（ａ）および（ｂ）というラベルが付けられた垂直方向に延びる破線は、ファイバーと金属要素の右端の初期の軸方向位置をそれぞれ示している。この場合、要素の長さは相互組立の要件により制約されている。
【００４０】
図３の（Ｂ）を参照すると、パネル（Ａ）の（５）で示される２つの金属要素（１）と（２）との間の機械的な結合、およびパネル（Ａ）の（６）で示される支持要素（３）とファイバー（４）との間の機械的な結合が切断されているのが見られ、センサー要素は温度がΔＴだけ上昇してプロセス動作温度に達している。パネル（Ｂ）は腐食減肉が発生していない場合に発生した自由膨張を示しており、この場合、腐食性要素（１）、非腐食性要素（２）、およびファイバー（４）の左端がＶ−Ｖ対称面に取り付けられていると仮定する。腐食性要素（１）および非腐食性要素（２）は、位置（ｂ）から位置（ｅ）および（ｄ）にそれぞれ右方に伸長している。くぼみ形支持要素は非腐食性要素（２）に取り付けられたままである（７）ので、右側に移動されるが、温度の上昇により左側に伸長する。ファイバー（４）は位置（ａ）から（ｃ）へ右方に伸長している。
【００４１】
図３の（Ｃ）は、要素（１）、要素（２）、くぼみ形支持要素（３）、およびファイバー（４）がパネル（Ａ）で説明したようにそれぞれ機械的に組み立てられ、温度がパネル（Ｂ）の場合と同様にＴ１からＴ１＋ΔＴに上昇した場合を示している。ここでは要素同士が結合しているので、腐食性要素（１）は位置（ｂ）から位置（ｆ）までしか延びない。要素（１）は、パネル（Ｂ）の場合のような位置（ｅ）への自由膨張を果たすことができない。これは、その他の要素が及ぼす圧縮力により要素（１）の自由膨張が制約されるからである（ただし、非腐食性要素（２）は熱膨張係数がより小さいので主として非腐食性要素（２）の影響を受ける）。
【００４２】
図３の（Ｃ）では、非腐食性要素（２）が位置（ｂ）から伸長し、位置（ｄ）の自由膨張の長さを越えて位置（ｆ）に達することが更に分かる。この結果は、その他の要素が要素（２）に及ぼす張力によるものである。ただし、腐食性要素（１）の熱膨張係数がより大きいことから、腐食性要素（１）が及ぼす力が大部分を占める。
【００４３】
要素（１）と要素（２）とを含みそれらが結合されてなる複合要素上には、ファイバーの右方、位置（ａ）から位置（ｃ）までの正味の熱膨張と、くぼみ形支持要素の左方への正味の熱膨張とにより発生する分力、並びにくぼみ形支持要素（３）がその左端ではファイバー（４）に結合され、その右端では要素（２）に結合されているという制約により生じるひずみが存在する。
【００４４】
腐食性要素と、非腐食性要素と、ファイバーおよびくぼみ形支持要素の組み合わせとが、パネル（Ｂ）に示された自由膨張位置からパネル（Ｃ）の実際の組立位置（ｆ）に移動するのは、相互の機械的な結合により生じる力が要素に加えられるためである。
【００４５】
腐食性変換器要素は腐食によって金属を失うので、腐食性要素がその他の要素に及ぼす分力は減少し、特に、ファイバーのひずみが減少する。この減少は、減肉腐食により連続的に発生し、腐食性要素がすっかり腐食するまで続く。図３の（Ｄ）は、この最終的なひずみの場合を示す。
【００４６】
図３の（Ｄ）では、ファイバーが、パネル（Ｂ）で示されたその自由膨張位置である位置（ｃ）に表示されていることが分かる。この場合、センサーの稼動寿命の終点でファイバーにひずみは存在しない。これは、くぼみ形支持要素の熱膨張が、非腐食性変換器要素の熱膨張とファイバーの熱膨張との差に等しく、Ｔ１において要素内に残留ひずみが存在しないという、特殊で好適なケースである。本発明の主な特徴は、くぼみ形支持要素以外の変換器要素の長さおよび特性が与えられている場合に、くぼみ形支持要素の材料特性および長さを選択することにより、ファイバーのひずみ状態を変更または「調整」できることである。
【００４７】
センサーの材料および特性と腐食減肉の特定のケースで、ファイバーのひずみを推定するためのモデルが開発されている。３つの例を検討して、腐食が発生したときの減肉に対するひずみとひずみ感度についてモデルの結果を示す。３つの全ての例において、減肉要素（１）用の材料は同じである。Ｔ１＝２３℃でセンサー要素上に残留ひずみが存在せず、プロセス温度が４２３℃となるようにセンサーは製造される。腐食性要素の腐食減肉は、腐食性変換器要素の円筒表面に垂直な方向に一定の速度で発生するとみなす。変換器上に曲げモーメントは存在しない。腐食性要素の厚さは１２５０μｍであるとみなされており、これらの例のための腐食性要素の厚さは、予測される減肉腐食比率とセンサーに必要な稼動寿命とによって決定される。従って、腐食によってこの厚さの金属が減量すると、腐食性要素は完全に消費され、センサーは腐食センサーとして非アクティブとなる。ファイバー内のブラッグ回折格子の長さは１ｃｍである。
【００４８】
例１：非腐食性要素の材料は、３１６ステンレス鋼等の金属である。ステンレス鋼の熱膨張係数は、腐食性要素の金属の熱膨張係数より大きい。この例では、くぼみ形要素が存在しない。従って、ファイバーの長さは非腐食性要素の長さに等しく、非腐食性要素の両端に結合されている。
【００４９】
例２：例２は、非腐食性要素の材料が低膨張ガラス封着合金であることを除けば、例１と同じである。ガラス封着合金の熱膨張係数は、腐食性要素の金属の熱膨張係数より小さい。
【００５０】
例３：非腐食性要素の材料が、例２の場合と同様にガラス封着合金である。熱膨張が大きな金属（３１６ステンレス鋼等）からなるくぼみ形ファイバー支持チューブ要素が採用されている。該支持体は、その外側の先端で非腐食性要素の両端に結合され、その内側の先端でファイバーに結合されている。これらのくぼみ形支持要素は、くぼみ形支持要素同士の間の範囲の中心に回折格子を含むファイバー分だけ間隔が空けられている。
【００５１】
図４は、３つの例について減肉の関数として算出されたファイバー上のひずみの結果を示す。例１および例２では、くぼみ形支持要素が存在していない。例１では、非腐食性要素の材料の熱膨張係数が、減肉要素の熱膨張係数より大きい。従って、複合要素として組み立てられ、本例の温度４２３℃まで上昇されると、非腐食性要素は圧縮状態となり、その長さが自由熱膨張長さに至らないように腐食性要素によって抑制される。しかしながら、これらの２つのケースでは、ファイバーは非腐食性要素に直接結合されており、ファイバーの熱膨張係数は２つの金属要素の場合よりかなり小さい。従って、ファイバーには張力がかかっている。減肉ゼロでのファイバーにおける初期引張ひずみ状態の値は、図４の例１の曲線では約１３０００マイクロストレインとなっていることが分かる。腐食によって腐食性要素から金属が除去されると、非腐食性要素を圧縮する力の一部が減少し、非腐食性要素がその自由膨張伸長の方向に膨張する。非腐食性要素が膨張すると、ファイバー上の張力が初期ひずみ状態から増大し、減肉１２５０ミクロンで約１６０００マイクロストレインに達する。
【００５２】
図４の例２の曲線では、非腐食性要素の熱膨張係数が減肉要素の場合より小さい。従って、複合要素として組み立てられ、本例の温度まで上昇させられた場合、非腐食性要素は伸張状態となり、その長さは腐食性要素による自由熱膨張長さを超えて伸長される。上記したように、このケースについても同様にファイバーには最初に張力がかかっている。減肉ゼロでのファイバーにおける初期ひずみ状態の値は、図４の例２の曲線では約１１５００マイクロストレインとなっている。しかしながら、この場合は、腐食によって腐食性要素から金属が除去されると、非腐食性要素を伸長する力の一部が減少し、非腐食性要素がその自由膨張伸長の方向に縮小する。非腐食性要素が縮小すると、ファイバー上の張力が今度は初期ひずみ状態から減少し、減肉１２５０ミクロンで約３５００マイクロストレインになる。このケースは、センサーの稼動寿命を通してひずみの減少が進行し、これに伴いファイバーおよび回折格子の障害発生の確率が低下するので、例１のケースよりも明らかに好適である。ファイバー上の初期の軸方向の引張ひずみレベルが２％未満、より好ましくは１．５％以下、更により好ましくは約１％以下になるようセンサーを設計することが好ましい。また、ファイバー上の最終的な軸方向の引張ひずみレベルが好ましくは１０００マイクロストレイン未満、より好ましくは１００マイクロストレイン未満、更により好ましくは１０マイクロストレイン未満であるようにセンサーを設計することが好ましい。材料の選択および変換器の寸法の選択には制限があるので、ファイバー上での初期および最終の好適な引張ひずみを両方とも達成することは不可能である。くぼみ形ファイバー支持要素の使用は進歩性であり、初期および最終の好適なひずみレベルが達成されるようファイバーにおける変換器要素のひずみ挙動を調整するための手段を提供する。
【００５３】
これは図４の例３に示されている。例３は、例２のセンサーにくぼみ形支持要素の使用を追加したものである。例３では、腐食性要素および非腐食性要素について、例２の場合と同じ長さおよび材料を使用している。しかしながら、例３では、ファイバー長が例２の場合より短くなっている。ゼロより大きく回折格子の長さ程も、ファイバー長は短縮されている。ファイバーの両端は、図１および図３に示すように、長さが非腐食性要素の長さと短縮された光ファイバーの長さとの差の半分であって非腐食性要素に結合されたステンレス鋼支持チューブ要素に結合されている。ファイバーは、支持要素同士の間の回折格子を中心に置くように配置されている。くぼみ形支持要素を使用した場合、腐食減肉の関数として算出されたファイバー上のひずみは、図４の例３に示されている。図は、くぼみ形支持要素が、初期のひずみ状態を１０３００マイクロストレインに低下させ、最終のひずみ状態を２４マイクロストレインに低下させるという重要な利点を提供していることを示している。
【００５４】
図５は、３つの例について、減肉の関数として表されるひずみ感度（センサーの１ミクロンの減肉当たりのマイクロストレインを単位とする）を示している。この図からわかることは、図４に示されているように例１のセンサーが腐食プロセスを通してより大きな引張ひずみ状態にあるにもかかわらず、例２のセンサーの感度の方が例１のセンサーの感度より高いということである（例２のセンサーは減肉１．１、例１のセンサーは減肉０．４マイクロストレイン／ミクロン）。くぼみ形ひずみ調整支持要素の更なる利点が、図５の例３の曲線から理解できる。例３の曲線は、ひずみレベルは図４の例２および例３から分かるように例２から大幅に低下しているが、減肉に対する感度は若干改善され、減肉１．３６マイクロストレイン／ミクロンに達している。図５はまた、最低感度（例１の場合は０．４）を示している。１５５０ｎｍのブラッグ波長を有する回折格子については、最低感度になると、波長シフトが０．１５ｐｍより大きくなる。この波長シフトは、十分なＳ／Ｎの条件下で計測可能である。これは、利用分野で必要とされる０．３５μｍ減肉感度に対応する。
【００５５】
タイプ２のセンサーでは、ファイバーの軸方向のひずみは、主に、組み立てられた要素の不均一な熱膨張と腐食性要素の腐食減肉との相互作用に起因する変換器要素の曲率の変化によって生じる。腐食性要素は、例えば、１つ以上の中実の金属ロッドまたは矩形の棒の形態をとることができ、非腐食性要素は、単一の円形または矩形の金属チューブ（その中でファイバーがくぼみ形支持要素によって支持される）の形態をとることができる。腐食性要素は、タイプ１のセンサーで説明した手段によって、非腐食性要素の円周または外周の１つ以上の角位置で非腐食性要素の表面に結合される。
【００５６】
タイプ１とタイプ２の両方のセンサー構成の場合、ファイバーセンサーを非腐食性金属チューブで封入することにより、プロセス流体流動が誘発する微小振動および侵食から、並びにファイバーおよびファイバーコーティングの動作寿命に有害になり得るプロセス流体種からファイバーを保護するという重要な利点がもたらされる。
【００５７】
腐食性変換器要素と非腐食性変換器要素の材料は、互いに異なる熱膨張係数を有するように選択される。ある温度において組み立てられたセンサーはファイバーに残留応力を実質的に及ぼさず、腐食性要素の軸と、非腐食性要素の軸と、ファイバーの軸は平行である。プロセス温度まで上昇すると、腐食性変換器要素と非腐食性変換器要素との幾何学的な非対称、およびこれらの要素の熱膨張係数の差によってセンサー構造が曲がる。これにより、腐食減肉が発生する前にファイバーに初期の軸方向の張力がかかる。腐食性要素が金属を失うと、非腐食性要素はまっすぐになり、ファイバー上の軸方向のひずみが小さくなる。
【００５８】
図６の（ａ）は、プロセス温度におけるファイバーブラッグ回折格子センサーの一実施形態の端面図と側面図を示す。このセンサーは、単一の腐食性金属棒要素（１）を備え、非腐食性矩形金属チューブ要素（２）に機械的に結合されており、非腐食性矩形金属チューブ要素（２）は、くぼみ形ファイバー支持体（４）によって支持されるファイバー回折格子（３）を含んでいる。腐食性要素の長手方向の軸は、非腐食性要素の軸、くぼみ形支持チューブの軸、およびファイバーの軸に最初は平行であるが、ある初期温度で腐食が発生していない状態では、それらの軸から変位する。初期のひずみが無いケースは図示していない。プロセス温度まで上昇すると、腐食性変換器要素と非腐食性変換器要素との幾何学的な非対称、およびこれらの要素の熱膨張係数の差によって軸平面に曲げモーメントが発生する。従って、図６の（ａ）に示すように曲げモーメントによりセンサー構造が曲がる。非腐食性要素２の熱膨張係数が腐食性要素１の場合よりも大きく、腐食性要素（１）からの腐食減肉がまだ発生していない場合、曲がりは図示したように上向きの凹状となる。表示された構造体の非腐食性要素の熱膨張係数が、腐食性要素の熱膨張係数よりも小さい場合、構造体は下向きの凹状に曲がる。構造体が図示したように曲がると、ファイバーは中央の縦軸から垂直方向に若干変位する。この変位は図６の（ａ）には図示されていない。
【００５９】
図６の（ｂ）は、腐食性要素（１）からのほぼ完全な減肉を示す。腐食性要素の除去は、非腐食性要素（２）での曲げモーメントを緩和し、図示したように非腐食性要素（２）がまっすぐになる。
【００６０】
くぼみ形支持チューブ（各チューブがその一端で非腐食性要素に結合されている）は、温度Ｔ１では同軸上にある。温度がＴ１＋ΔＴに上昇すると曲がる非腐食性要素にくぼみ形支持チューブを結合することにより、くぼみ形支持チューブは回転された状態となり、図６の（ａ）に示すようにファイバーとは同軸でなくなる。互いに離れている要素の端部の外向きの回転により、ファイバー上には引張ひずみが発生する。腐食性要素が完全に腐食減肉すると、曲げモーメントが除去され、くぼみ形支持チューブは図６の（ｂ）に示すようにファイバーと同一線上に戻る。曲げモーメントのために発生した張力も除去される。図７は、腐食性要素が腐食した後のセンサー要素を示す。非腐食性材料には（１）、くぼみ形支持要素には（２）、ファイバーには（３）がラベル付されている。ファイバーは（４）において支持チューブに結合されている。プロセス温度での腐食中のくぼみ形支持要素の軸とファイバーの軸との角度のずれを吸収するために、センサーの材料、寸法、動作温度を考慮に入れ、支持要素の端部（５）には、ファイバーの最小曲げ半径以上のカーブが付けられる。
【００６１】
図１の腐食性減肉要素７の半径は一定である。しかしながら、一定半径の減肉要素ではなく起伏が付けられた減肉要素を使用すると、センサーの性能特性を大幅に拡張することができる。起伏は、拡張または改善すべきセンサーの性能特性に応じて選択することができる。
【００６２】
例えば、図８は双円錐形の先細り減肉要素を備えた減肉センサーを示す。その他のセンサー要素はすべて、一定半径の減肉要素を有する図１の場合と同じである。双円錐形の腐食性減肉要素センサーと一定半径の腐食性減肉要素センサーの感度を定量的に比較するために、例４について検討する。例４では、腐食前の双円錐形要素の最大半径が一定半径要素の半径と同じである。この２つのセンサー構成における減肉要素の長さとその他の全ての寸法および特性は同じである。両構成はいずれも、くぼみ形ファイバー支持要素を採用している。一定半径要素の傾斜はゼロである。一方、双円錐形の先細り要素の各半分の傾斜は、一定であり、要素の全長の１／２で分割される要素の最大高さに等しい。
【００６３】
図９は、各ケースにおける減肉が減肉要素の表面に対して垂直方向に発生するという条件下で２つのセンサー構成について算出されたひずみを示す。双円錐形構成の場合の減肉ゼロでのひずみ値は、一定半径の場合よりも約３０％小さい初期ひずみを示している。しかしながら、腐食の初期段階で双円錐形要素については、減肉量に応じてひずみが変化する比率は、一定半径センサーの場合の２倍を上回り、センサーの寿命全体を通してより大幅に直線的になっている。１２５０ミクロンの減肉量でのひずみ値は両構成とも同じである。これは、いずれの場合も、減肉メカニズムにより腐食性減肉要素が除去されたからである。
【００６４】
例Ｂ−侵食センサー
第２の例は、変化プロセスが、流れる流体媒体内の分散された固相材料による侵食である材料変化センサーである。このセンサーの実施形態は、材料損失メカニズムが流体中での分散された固相の衝突による変化センサー要素の侵食であることを除けば、腐食センサーの実施形態と非常に類似している。腐食センサーの変化センサー要素材料と不変センサー要素材料とを区別する１つの特性は流体に対する腐食耐性につながる合金組成であり、一方、侵食センサーの場合、１つの重要な特性は材料の硬度である。材料は金属に限定する必要はなく、セラミック、重合体、および複合材でもよい。
【００６５】
例Ｃ−汚損センサー
第３の例は、変化プロセスが変化センサー要素への材料の堆積による変化センサー要素の熱伝導率の変化である材料変化センサーである。先に説明した２つの例とは異なり、ブラッグ回折格子の反射スペクトルのシフトが計測された場合、それは変化センサー要素の材料の熱伝導率の変化の結果として発生するひずみ変化ではなく回折格子での温度の変化に起因したものである。１つの用途は、直火式加熱炉チューブの汚損の検出である。チューブは外部から加熱され、チューブ内部のプロセス流体の流動によって対流的に冷却される。従って、チューブの金属の温度は、チューブ壁の熱伝達特性によってある程度決定される。一般に汚損（ｆｏｕｌｉｎｇ）と呼ばれる、熱的に劣化したプロセス流体のチューブ壁への不要な堆積は熱伝達を減少させ、チューブの外側表面の熱が上昇する。この熱上昇は、チューブの内側に堆積された付着物に対して局部的に発生する。多数の汚損センサーを分散させて使用することで、初期の汚損の兆候とその位置を特定することができる。
【００６６】
例として加熱炉チューブの汚損検出に応用する場合は、加熱炉チューブ自体が変化センサー要素として機能し、加熱炉チューブ壁への熱的連結が良好でファイバーを含む小径キャピラリーチューブが不変センサー要素として機能する。回折格子の反射スペクトルのシフトを生じさせるのは、汚物の堆積によって引き起こされる温度変化（前の例で示したひずみではなく）であるので、くぼみ形支持チューブはファイバーを支持する役割を果たせばよいだけである。ひずみの変化を検出するのに必要な、ファイバーとくぼみ形支持要素の一端との間のひずみ軸受シール連結は、温度変化の検出では必要ない。
【００６７】
例Ｄ−湿度センサー
第４の例は、変化プロセスが、流体媒体を含む１つ以上の化学種の吸着または吸収による変化センサー要素の強度の変化である材料変化センサーである。化学種の例としては、大気中の水が挙げられる。１つの用途は、加熱パイプラインを覆う断熱材のもとでの水の浸入を検出することである。変化センサー要素は、重合体、セラミック、または複合材とすることができる。これらの材料は水蒸気に対して選択的であり、これらの材料の構造は、水の吸着または吸収に応じて可逆的に変化し、腐食センサーの例で説明したように変化センサー要素および不変センサー要素の組み合わせとセンサー位置での温度とによってファイバー上に生じるひずみを変化させるという結果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】変化プロセスとしての減肉腐食に対する本発明に係るタイプ１の材料変化センサーの一実施形態の構成部品を示す。
【図２】ブラッグ回折格子がファイバー内に形成されている場合の、検出サブシステムを伴う、単一ファイバー上での図１のセンサーを示す。
【図３】組立および温度の各種条件並びに腐食性要素の減肉の各種条件のもとでの構成部品のひずみ状態を説明するために、図１のタイプ１のセンサーをセンサーの右半分の展開図で示す。図示したケースでは、腐食性要素の熱膨張係数が非腐食性要素の熱膨張係数を上回っている。
【図４】３つの例について図３に示したタイプ１のセンサーの算出されたファイバー上のひずみを比較したものである。
【図５】図４に示した例について、減肉の関数として算出された、減肉に対するひずみ感度を比較したものである。
【図６】（ａ）は、腐食センサーとしてのタイプ２の材料変化センサーの一実施形態の構成要素の端面図と側面図であり、プロセス温度での減肉腐食前の初期のひずみ状態について示す。端面図では、装置の軸方向の中心がＡ−Ａで示されている。（ｂ）は、前記（ａ）のセンサーの最終のひずみ状態を示す。この場合、センサーはプロセス温度にあり、腐食性要素にはほぼ完全な減肉が発生している。
【図７】タイプ２のセンサー用のくぼみ形支持要素の実施形態を示す。
【図８】双円錐形に成形された減肉要素を備える減肉センサーの実施形態を示す。
【図９】半径が一定の減肉要素を備える減肉センサーと起伏の付いた双円錐形の減肉要素を備える減肉センサーでのファイバー上のひずみの比較を示す。
【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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【国際調査報告】
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