(57)【要約】【課題】温度補正処理を簡略化するとともに補正精度の向上が図れる光ファイバ温度分布測定装置を提供すること。【解決手段】光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、  前記センサとして用いる光ファイバの近傍に設けた基準温度測定手段と、  この基準温度測定手段の温度測定データをパラメータとする補正式を用いて測定温度を補正する温度補正手段、を設けたことを特徴とするもの。【選択図】  図１
2012027001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
前記センサとして用いる光ファイバの近傍に設けた基準温度測定手段と、
この基準温度測定手段の温度測定データをパラメータとする補正式を用いて測定温度を補正する温度補正手段、
を設けたことを特徴とする光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項２】
前記温度補正手段の補正式は、パラメータとして、装置本体に設けられている温度基準部のラマンシフト周波数、前記センサとして用いる光ファイバのラマンシフト周波数および前記基準温度測定手段で測定した真の温度値を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項３】
前記センサとして用いる光ファイバのラマンシフト周波数を、前記基準温度測定手段で測定した温度とその時点における温度計算値に基づき求めることを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項４】
前記温度補正手段は、前記基準温度測定手段の温度測定データをリアルタイムに取り込むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【請求項５】
前記温度補正手段は、レイリー光とアンチストークス光またはレイリー光とストークス光のいずれかを用いて、補正の基準となる温度を測定することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ温度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、後方ラマン散乱光を利用した光ファイバ温度分布測定装置に関し、詳しくは、温度補正の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバをセンサとして用いた分布型測定装置の一種に、光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された温度測定装置がある。この技術は光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用している。
【０００３】
後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光などがあるが、温度測定には温度依存性の高い後方ラマン散乱光が利用され、この後方ラマン散乱光を波長分波して測定を行う。後方ラマン散乱光には、入射光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ＡＳと、長い波長側に発生するストークス光ＳＴがある。
【０００４】
光ファイバ温度分布測定装置は、これらアンチストークス光の強度Ｉasとストースク光の強度Ｉstとを測定してその強度比から温度を算出し、光ファイバに沿った温度分布を表示するものであり、プラント設備の温度管理、防災関連の調査・研究、発電所や大型建設物の空調関連などの分野で利用されている。
【０００５】
図８は、光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。図８において、光源１は光分波器２の入射端に接続され、光分波器２の入出射端には光ファイバ３が接続され、光分波器２の一方の出射端には光電変換器（以下Ｏ／Ｅ変換器という）４stが接続され、光分波器２の他方の出射端にはＯ／Ｅ変換器４asが接続されている。
【０００６】
Ｏ／Ｅ変換器４stの出力端子にはアンプ５stおよびＡ／Ｄ変換器６stを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４asの出力端子にはアンプ５asおよびＡ／Ｄ変換器６asを介して演算制御部７に接続されている。なお、演算制御部７は、パルス発生部８を介して光源１に接続されている。
【０００７】
光源１としてはたとえばレーザダイオードが用いられ、パルス発生部８を介して入力される演算制御部７からのタイミング信号に対応したパルス光を出射する。光分波器２は、その入射端に光源１から出射されたパルス光が入射され、その入出射端から出射されたパルス光を光ファイバ３に出射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入出射端から入射してストークス光とアンチストークス光に波長分離する。光ファイバ３は、その入射端から光分波器２から出射されたパルス光を入射し、光ファイバ３内で発生した後方ラマン散乱光をその入射端から光分波器２に向けて出射する。
【０００８】
Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４asとしてはたとえばフォトダイオードが用いられ、Ｏ／Ｅ変換器４stには光分波器２の一方の出射端から出射されたストークス光が入射され、Ｏ／Ｅ変換器４asには光分波器２の他方の出射端から出射されたアンチストークス光が入射されて、それぞれ入射光に対応する電気信号を出力する。
【０００９】
アンプ５stおよび５asは、Ｏ／Ｅ変換器４stおよび４asから出力された電気信号をそれぞれ増幅する。Ａ／Ｄ変換器６stおよび６asは、アンプ５stおよび５asから出力された信号をそれぞれディジタル信号に変換する。
【００１０】
演算制御部７は、Ａ／Ｄ変換器６stおよび６asから出力されたディジタル信号に基づいて後方散乱光の２成分、すなわち、ストークス光とアンチストークス光の強度比から温度を演算し、その時系列に基づいて光ファイバ３に沿った温度分布を表示手段（図示せず）に表示する。なお、演算制御部７にはあらかじめ、強度比と温度の関係がテーブルや式の形で記憶されている。また、演算制御部７は、光源１にタイミング信号を送り、光源１から出射される光パルスのタイミングを制御する。
【００１１】
次に温度分布測定の原理を説明する。ストークス光およびアンチストークス光の信号強度を光源１における発光タイミングを基準にした時間の関数として表すと、光ファイバ３中の光速が既知であるので、光源１を基準にして光ファイバ３に沿った距離の関数に置き換えることができる。すなわち、横軸を距離とし、光ファイバの各距離地点で発生したストークス光およびアンチストークス光の強度、つまり距離分布とみなすことができる。
【００１２】
一方、アンチストークス光強度Ｉasとストークス光強度Ｉstはいずれも光ファイバ３の温度に依存し、さらに、両光の強度比Ｉas／Ｉstも光ファイバ３の温度に依存する。したがって、強度比Ｉas／Ｉstが分かればラマン散乱光が発生した箇所の温度を知ることができる。ここで、強度比Ｉas／Ｉstは距離ｘの関数Ｉas（ｘ）／Ｉst（ｘ）であるから、この強度比Ｉas（ｘ）／Ｉst（ｘ）から光ファイバ３に沿った温度分布Ｔ（ｘ）を求めることができる。
【００１３】
図９は従来の光ファイバ温度分布測定装置の一例を示すブロック図であり、図８と共通する部分には同一の符号を付けている。
【００１４】
図９において、光分波器２と光ファイバ３との間には数十ｍ巻回された光ファイバよりなる温度基準部９がコネクタ接続部１３を介して設けられていて、この温度基準部９には実際の温度を測定するためのたとえば白金測温抵抗体よりなる温度計１０が設けられている。この温度計１０の出力信号は、演算制御部７に入力されている。なお、温度センサとして用いる光ファイバ３の近傍にも、実際の温度を測定するためのたとえば白金測温抵抗体よりなる基準温度計１１が設けられている。
【００１５】
このような構成において、光ファイバ３の温度がＴ（Ｋ）の時、アンチストークス光（ＡＳ）とストークス光（ＳＴ）との強度比は、（１）式で求められる。
【００１６】
2012027001.tif 000003
【００１７】
Ｇas  :アンチストークス(AS)とストークス(ST)系の利得の比
ω0  :光信号の周波数
ωr   :ラマンシフト周波数
h    :プランク定数（6.626×10-34 Js）
k    :ボルツマン定数（1.38×10-23 JK-1）
ここで、
【００１８】
2012027001.tif 000004
【００１９】
とした場合、実際のシステムではＬnは未知であるが、この値は、温度基準部９に設けられている温度計１０の温度データから求めることができる。
【００２０】
温度基準部９に設けられている温度計１０の温度をＴ0、その時の強度比Ias/IstをＧ0(Ｔ0)とすると、式（１）、（２）から、
【００２１】
2012027001.tif 000005
【００２２】
となる。
この値を使い、ＡＳとＳＴの光強度比（Ias/Ist）から温度Ｔを求める式は、式（１）、（３）から、
【００２３】
2012027001.tif 000006
【００２４】
となる。
実際には装置本体と光ファイバ３の接続部分での損失や、光ファイバ３のラマンシフト周波数と計算に使っているラマンシフト周波数との違いによる誤差が生じるため、光ファイバ３の近傍に配置した基準温度計１１を使って真の温度を測定しておき、温度計算に用いるラマンシフト周波数（ωr）の微調整や、式（４）で求めた温度値Ｔに対し係数やオフセットによる補正を行っている。
【００２５】
係数およびオフセット補正の例としては次のような方法がある。
Ｔr＝Ａ×Ｔ＋Ｃ
Ｔr  :補正後の温度(k)
Ｔ  :補正前温度(K)
Ａ  :係数補正値
Ｃ  :オフセット補正値
【００２６】
また、接続部分での損失や温度基準部９に用いている光ファイバとセンサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数の違いによる誤差を無くすために、たとえば特許文献１に開示されているように、温度計算のための基準となる温度基準部を装置本体外部の測定用光ファイバの経路に設ける方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００８−２４９５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかし、図９に示す従来の構成によれば、ラマンシフト周波数の微調整を行いフィッティングする場合、計算に使うラマンシフト周波数を微調整しながら温度を再測定するという繰り返しの作業が必要であり、校正に多くの時間を要することになる。
【００２９】
また、ラマンシフト周波数の微調整を行っても、温度基準部９に用いている光ファイバと温度センサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数が異なることによる温度計算誤差が発生してしまう。
【００３０】
また、係数やオフセットによる補正を行う場合、ラマン散乱強度と温度の関係が非線形であるのに対し、線形での補正を行うことになるため、補正に使った温度から離れた温度測定では誤差が生じてしまう。
【００３１】
さらに、温度計算のための基準となる温度基準部を装置本体外部の測定用光ファイバの経路に設ける場合には、それらの構成が複雑になるとともに、温度基準部を測定用光の設置現場で構築しなければならず、温度補正に関わる作業が複雑になってしまうという問題もある。
【００３２】
本発明はこれら課題を解決するもので、その目的は、温度補正処理を簡略化するとともに補正精度の向上が図れる光ファイバ温度分布測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光ファイバをセンサとして用い、ラマン後方散乱光を利用して前記光ファイバに沿った温度分布を測定するように構成された光ファイバ温度分布測定装置において、
前記センサとして用いる光ファイバの近傍に設けた基準温度測定手段と、
この基準温度測定手段の温度測定データをパラメータとする補正式を用いて測定温度を補正する温度補正手段、
を設けたことを特徴とする。
【００３４】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記温度補正手段の補正式は、パラメータとして、装置本体に設けられている温度基準部のラマンシフト周波数、前記センサとして用いる光ファイバのラマンシフト周波数および前記基準温度測定手段で測定した真の温度値を含むことを特徴とする。
【００３５】
請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記センサとして用いる光ファイバのラマンシフト周波数を、前記基準温度測定手段で測定した温度とその時点における温度計算値に基づき求めることを特徴とする。
【００３６】
請求項４記載の発明は、
請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記温度補正手段は、前記基準温度測定手段の温度測定データをリアルタイムに取り込むことを特徴とする。
【００３７】
請求項５記載の発明は、
請求項１から４のいずれかに記載の光ファイバ温度分布測定装置において、
前記温度補正手段は、レイリー光とアンチストークス光またはレイリー光とストークス光のいずれかを用いて、補正の基準となる温度を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、温度校正処理を簡略化するとともに、高精度の温度補正が行える光ファイバ温度分布測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】演算制御部７と温度補正部１２の具体例を示すブロック図である。
【図３】本発明の補正式による温度補正の効果例を示す説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図５】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図６】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図７】本発明の他の実施例を示すブロック図である。
【図８】光ファイバ温度分布測定装置の基本構成例を示すブロック図である。
【図９】従来の光ファイバ温度分布測定装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図９と共通する部分には同一の記号を付して重複する説明は省略する。図１と図９の相違点は、図１では演算制御部７に温度補正部１２が接続されていることである。
【００４１】
温度補正部１２は、温度センサとして用いる光ファイバ３の近傍に設けられた基準温度計１１の温度測定データと本発明による補正式を用いて装置本体の演算制御部７で演算される温度値に対する補正を行い、高精度の温度測定結果を出力する。
【００４２】
温度補正部１２による温度補正は、以下の手順で行う。
まず、従来と同様に、アンチストークス光ＡＳとストークス光ＳＴの強度比と装置本体に内蔵された温度基準部９に設けられている温度計１０の測定データを用い、式（４）に基づき温度値Ｔを求める。
【００４３】
次に、式（４）により求めた温度値Ｔに対し、以下の補正式を用いて補正を行う。
【００４４】
2012027001.tif 000007
【００４５】
ここで、ω1は温度センサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数に相当し、式（６）で演算される値を用いる。
【００４６】
2012027001.tif 000008
【００４７】
ω1        ：真のラマンシフト周波数
ωr        ：温度基準部９のラマンシフト周波数
Ｔ          ：補正前の装置で計算した温度(K)
Ｔ1，Ｔ2    ：基準温度計１１で測定した基準温度値（K)
Ｔ1’，Ｔ2’：基準温度がＴ1，Ｔ2の時の補正前の測定温度値(K)
【００４８】
上記式（６）は２点温度校正時に用いる式であるが、温度センサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数ω1があらかじめ分かっている場合は、（６）式によるω1の計算は不要となり、Ｔ1およびＴ1’のみを使用した１点温度での校正が可能となる。
【００４９】
式（５）を使って補正することで、シフト周波数の微調整や、係数、オフセットによる調整が不要となり、パラメータの追い込みも不要で、校正が短時間で行える。また校正による誤差も少なくなる。以下に、式（５）に基づく補正について説明する。
【００５０】
（１）式から、温度基準部９が内蔵されている装置本体から出力されるアンチストークス光（ＡＳ）とストークス光（ＳＴ）との強度比は、以下の式で表せる。
【００５１】
2012027001.tif 000009
【００５２】
ここで、
Gr(T0)：温度基準部９の温度Ｔ0 の時に温度基準部から出力されるAS/ST光の強度比
Gas    ：ASとST系の利得比
ω0    ：光信号の周波数
ωr    ：温度基準部９のラマンシフト周波数
であり、Ｌrは式（８）で表される。
【００５３】
2012027001.tif 000010
【００５４】
一方、演算制御部７でＡＳ、ＳＴの光強度比{(Ias/Ist)＝Ｇ}から温度Ｔを計算するのにあたっては、（９）式で計算される。
【００５５】
2012027001.tif 000011
【００５６】
ここで、ωdは演算制御部７で温度計算パラメータとして使用したラマンシフト周波数である。
【００５７】
温度センサとして用いる光ファイバ３の温度がＴrの時の光強度比{(Ias/Ist)＝Ｇ1(Ｔr)}は（１０）式のようになる。
【００５８】
2012027001.tif 000012
【００５９】
ここで、（１０）式におけるＬ１は（１１）式で表される。
【００６０】
2012027001.tif 000013
【００６１】
（１１）式において、
ω1    ：温度センサとして用いる光ファイバ３の真のラマンシフト周波数
ΔＧc ：装置本体と光ファイバ３を接続するコネクタのＡＳ光とＳＴ光との損失比
である。
【００６２】
（９）、（１０）式より、光ファイバ３の温度がＴrの時に演算制御部７で計算される温度Ｔは、（１２）式のように表せる。
【００６３】
2012027001.tif 000014
【００６４】
2012027001.tif 000015
【００６５】
2012027001.tif 000016
【００６６】
（１２）式から、本体内部のシフト周波数（ωr）と計算に用いるシフト周波数（ωd）が等しい場合、右辺のＴ0に関係する項は消えて、温度センサとして用いる光ファイバ３の温度計算値は本体の温度に依存しないことになる。従って、本体温度が変動した場合でも測定値が変動しないようにするには、温度計算に用いるシフト周波数として、本体温度基準部９に用いる光ファイバの真のシフト周波数の値を使う必要がある。
【００６７】
本体温度基準部９に用いる光ファイバのシフト周波数が既知で、温度計算に用いるシフト周波数と一致しているものとして、温度センサとして用いる光ファイバ３の温度校正について説明する。
【００６８】
（１２）式において、ωd＝ωrとすると、温度測定値Ｔは以下のようになる。
【００６９】
2012027001.tif 000017
【００７０】
光ファイバ３のラマンシフト周波数ω1は、基準温度計１１により同じ場所で２点の基準温度Ｔ1，Ｔ2を測定して演算制御部７で演算した値Ｔ1’，Ｔ2’を用いることにより、（６）式にしたがって補正演算できる。
【００７１】
最初の温度計算は、次式（１４）で行う。
【００７２】
2012027001.tif 000018
【００７３】
ここで
Ｔr    ：実際の温度（基準温度計１１で測定した温度）
Ｇ1(Ｔr)：光ファイバ３（温度Ｔr）で測定したＡＳ/ＳＴ比
Ｇr(Ｔ0)：温度基準部９（温度基準Ｔ0）で測定した温度基準部９のＡＳ/ＳＴ比
ωr    ：温度計算に使うラマンシフト周波数（＝温度基準部９のラマンシフト周波数）
【００７４】
（１４）式で計算される温度（Ｔ）を（７）、（１０）式を使って分解すると、（１５）式のようになる。
【００７５】
2012027001.tif 000019
【００７６】
2012027001.tif 000020
【００７７】
（１５）式からＴとＴrの関係を逆に求めると（１６）式のようになる。
【００７８】
2012027001.tif 000021
【００７９】
（１６）式は、演算制御部７で計算された温度Ｔから真の温度Ｔrを導き出す式となる。ここで、Ｘ＝−log(Ｌ1)＋log(Ｌr)−log(ΔＧc)とすると、Ｘは光ファイバ３の近傍に設けられた基準温度計１１の温度測定データから求めることができる。
【００８０】
光ファイバ３の実温度Ｔrとそのときに演算制御部７で計算された温度Ｔとの関係は、式（１３）を書き直すと（１７）式のようになる。
【００８１】
2012027001.tif 000022
【００８２】
基準温度計１１で測定した基準温度Ｔ1が既知で、そのときの温度計算値がＴ1’であったとすると、Ｘは（１７）式から（１８）式のように求められる。
【００８３】
2012027001.tif 000023
【００８４】
これら（１６）式と（１８）式を組み合わせることにより、（５）式に示した温度校正の演算式を（１９）式に示すように導くことができる。
【００８５】
2012027001.tif 000024
【００８６】
2012027001.tif 000025
【００８７】
2012027001.tif 000026
【００８８】
Ｔ：演算制御部７で計算した補正前の温度計算値(K)
Ｔ1：基準温度計１１で測定した基準温度値(K)
Ｔ1’：基準温度がＴ1の時の補正前の測定温度値(K)
ω1：光ファイバ３の真のラマンシフト周波数
ωr：温度基準部９のラマンシフト周波数
【００８９】
このように温度校正の（１９）式を導く過程で、補正後の温度Ｔrの計算がＡＳ光、ＳＴ光の損失差ΔＧcに無関係なことが明らかである。これは、補正によって、装置本体と温度センサとして用いる光ファイバ３の接続部分における損失の影響も補正されていることを示している。
【００９０】
（１９）式は基本的に１点での温度校正の式であって、センサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数ω1があらかじめ分かっている場合に適用できる。ラマンシフト周波数ω1が分からない場合は、以下に説明するように、（６）式を使い２点温度校正によりω1を計算すればよい。
【００９１】
（１）式から、（２０）式が得られる。
【００９２】
2012027001.tif 000027
【００９３】
温度センサとして用いる光ファイバ３の真のラマンシフト周波数がω1で、真の温度Ｔ1の時に補正前の測定温度値としてＴ1’と計算されたとすると次式が成り立つ。
【００９４】
2012027001.tif 000028
【００９５】
2012027001.tif 000029
【００９６】
また、温度センサとして用いる光ファイバ３の真のラマンシフト周波数がω1で、真の温度Ｔ2の時に補正前の測定温度値としてＴ2’と計算されたとすると次式が成り立つ。
【００９７】
2012027001.tif 000030
【００９８】
（２１）式の両辺から（２２）式の両辺を差し引くと、（２３）式が得られる。
【００９９】
2012027001.tif 000031
【０１００】
この（２３）式から２点温度校正時に用いる（６）式と同様な（２４）式が得られる。
【０１０１】
2012027001.tif 000032
【０１０２】
ω1        ：センサ部３の真のラマンシフト周波数
ωr        ：温度基準部９のラマンシフト周波数
Ｔ          ：補正前の装置で計算した温度(K)
Ｔ1，Ｔ2    ：基準温度計１１で測定した基準温度値（K)
Ｔ1’，Ｔ2’：基準温度がＴ1，Ｔ2の時の補正前の装置で計算した温度(K)
【０１０３】
図２は、演算制御部７と温度補正部１２の具体例を示すブロック図である。
【０１０４】
まず、演算制御部７は、式（４）で表される温度演算を行う温度演算部７ａを中心に、プランク定数ｈおよびボルツマン定数ｋを格納する定数格納部７ｂ、装置内部の基準温度部９のラマンシフト周波数ωr を格納する内部基準温度部ラマンシフト周波数格納部７ｃ、装置内部の基準温度部９の温度測定値Ｔ0を格納する内部基準温度格納部７ｄ、装置内部の基準温度部９における光強度比Ｇ0(Ｔ0)を演算する内部基準温度部光強度比演算部７ｅ、温度センサとして用いる光ファイバ３の光強度比Ias/Istを演算するセンサ光強度比演算部７ｆなどで構成されている。
【０１０５】
そして、温度補正部１２は、式（５）および式（１９）で表される温度補正演算を行う温度補正演算部１２ａを中心に、演算制御部７の温度演算部７ａで演算された温度Ｔを格納する演算温度格納部１２ｂ、装置内部の基準温度部９のラマンシフト周波数ωr を格納する内部基準温度部ラマンシフト周波数格納部１２ｃ、温度センサとして用いる光ファイバ３の近傍に設けられた基準温度計１１で測定した基準温度Ｔ1，Ｔ2を格納するセンサ基準温度格納部１２ｄ、基準温度がＴ1，Ｔ2の時の補正前の測定温度値Ｔ1’，Ｔ2’を格納するセンサ基準温度部演算温度格納部１２ｅ、温度センサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数ω1を演算するセンサラマンシフト周波数演算部１２ｆなどで構成されている。
【０１０６】
図３は、本発明の補正式による温度補正の効果例を示す説明図である。この例で使用した補正式のパラメータは、以下のとおりである。
補正前の温度計算に用いたラマンシフト周波数ωr:72.4×1012  (rad/Hz)
実温度Ｔ1,Ｔ2：  295.85(K) (22.7(℃))、521.25(K) (248.1(℃))
温度補正前の温度計算値Ｔ1’,Ｔ2’：  298.15(K) (25.0(℃)), 540.25 ( 267.1(℃))  
【０１０７】
補正前の温度測定誤差は、実際の温度１００℃で約６℃、２５０℃で約１９℃と、大きくなっている。これは、装置本体と温度センサとして用いる光ファイバ３の接続損失による誤差および装置本体内部の温度基準部９に用いている光ファイバのラマンシフト周波数と温度センサとして用いる光ファイバ３のラマンシフト周波数との差によるものと考えられる。これに対し、本発明による補正式を用いた補正後の温度測定誤差は、実際の温度１００℃で−０．１℃以下になって２５０℃ではほぼ０℃と小さくなり、大幅に改善されている。
【０１０８】
なお、上記実施例では、温度センサとして用いる光ファイバ３の近傍に基準温度計１１を配置し、その温度測定データをオフラインで取得して演算制御部７の計算パラメータとして使用する方法を示したが、装置本体と温度センサとして用いる光ファイバ３との接続損失が変動してしまうような場合には、図４に実線で示すように、基準温度計１１のデータをリアルタイムに取り込み、温度補正式のパラメータをリアルタイムに変化させるようにしてもよい。
【０１０９】
実際の運用では、基準ファイバ３の近傍に基準温度計１１を配置できない場合がある。その場合、何らかの方法で基準温度値を求めることが必要になってくる。実際のシステムでは、センサ用ファイバ３中のストークス波長とアンチストークス波長の損失の違いが温度測定誤差を生じる主要因であり、これを取り除いて基準温度値を求める方法が必要となってくる。
【０１１０】
この誤差を取り除くため、たとえば特開２００４−６９６８５号公報では、ＤＴＳ光学的エレクトロニクスモジュールの他にストークス波長用とアンチストークス波長用にそれぞれ異なる２個の光源を使い、各々の波長におけるレイリー散乱強度を求めてストークス光波長およびアンチストークス光波長の損失を測定して温度補正演算を行う方法が提案されているが、この方法によれば３個の光源を必要とするため、高価なシステムになってしまう。
【０１１１】
これに対し、図５のように構成することにより、比較的安価な構成で、ストークス波長およびアンチストークス波長の損失の違いによる誤差を補正できる。図５も本発明の他の実施例を示すブロック図であり、図１および図４と共通する部分には同一の符号を付けている。
【０１１２】
図５において、図１および図４の光源１に代えて、２個の光源１ａと１ｂと光スイッチ１４が設けられている。光源１ａは、図１および図４の光源１と同様に、ストークス光およびアンチストークス光の強度比を使って温度を計算する時に使用する光源である。光源１ｂは、アンチストークス光の波長でレイリー散乱光を測定する時に使用するアンチストークス光波長の光源である。光スイッチ１４は、これら光源１ａと１ｂの出力光を切り換えて光分波器２に入力する。
【０１１３】
光分波器２には３個の出射端が設けられていて、第１の出射端にはＯ／Ｅ変換器４stが接続され、第２の出射端にはＯ／Ｅ変換器４asが接続され、第３の出射端にはＯ／Ｅ変換器４rlが接続されている。
【０１１４】
Ｏ／Ｅ変換器４stの出力端子はアンプ５stおよびＡ／Ｄ変換器６stを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４asの出力端子はアンプ５asおよびＡ／Ｄ変換器６asを介して演算制御部７に接続され、Ｏ／Ｅ変換器４rlの出力端子はアンプ５rlおよびＡ／Ｄ変換器６rlを介して演算制御部７に接続されている。なお、演算制御部７は、パルス発生部８を介して光源１ａと１ｂに接続されている。ここで、Ｏ／Ｅ変換器４rlとアンプ５rlおよびＡ／Ｄ変換器６rlは、光源１ａの出力光におけるレイリー散乱光を測定するために設けられている。
【０１１５】
図５の構成に基づくストークス波長およびアンチストークス波長の損失の違いによる誤差補正方法について説明する。まず、位置ｘで温度がＴ（Ｋ）の時、受光部が受光検出する位置ｘに相当するアンチストークス光強度は次式（２５）で求められる。
【０１１６】
2012027001.tif 000033
【０１１７】
Ｇas      ：アンチストークス光系の利得
Ｐ0       ：アンチストークス強度を測定した時の光源1の光電力
Ｌld(ｘ)  ：光源１ａの波長の位置ｘまでの片道の損失
Ｌas(ｘ)  ：アンチストークス光波長の位置xから受光部までの片道の損失
ω0      ：光源１ａの光信号の周波数
ωr       ：ラマンシフト周波数
h        ：プランク定数（6.626×10-34 Js）
k        ：ボルツマン定数（1.38×10-23 JK-1）
T        ：絶対温度(K)
【０１１８】
一方、光源１ａを使用した時のレイリー散乱光強度Ｉrldは次式（２６）のようになり、
【０１１９】
2012027001.tif 000034
【０１２０】
また、アンチストークス波長である光源１ｂを使用した時のレイリー散乱強度Ｉrasは次式（２７）のようになる。
【０１２１】
2012027001.tif 000035
【０１２２】
（２５）式の両辺を、（２６）式と（２７）式を掛け算した値の平方根で割り算して、Ｇ（ｘ,Ｔ）と定義すると、次式（２８）のようになる。
【０１２３】
2012027001.tif 000036
【０１２４】
すなわち、アンチストークス光強度をアンチストークス波長および光源の波長で測定したレイリー光強度の掛け算値の平方根で割った値は、アンチストークス光波長およびレイリー光波長での損失の影響を受けない値となる。この値を使うことで、アンチストークス光波長およびレイリー光波長での損失の影響を受けない温度値が計算できる。
【０１２５】
ここで、Ｇ0を（２９）式で表すものとする。
【０１２６】
2012027001.tif 000037
【０１２７】
（２９）式のＧ0は、温度基準部（位置Ｘref）が既知温度(Ｔref）の時点におけるＧ（Ｘref,Ｔref）の値を使うことで、（２８）式より次のように計算できる。
【０１２８】
2012027001.tif 000038
【０１２９】
（３０）式において、ωrefは温度基準部のラマンシフト周波数である。
【０１３０】
（２８）式および（３０）式に基づき、温度ＴをＧ（Ｘ,Ｔ）で表現すると、次式（３１）のようになる。
【０１３１】
2012027001.tif 000039
【０１３２】
（３１）式は、アンチストークス光強度をアンチストークス波長および光源の波長で測定したレイリー光強度の掛け算値の平方根で割った値Ｇ（Ｘ,Ｔ）を使うことにより、ファイバ損失の影響を受けない正確な温度を測定できることを示している。
【０１３３】
この方式による温度測定は、２種類のレイリー散乱光と１種類のラマン散乱光を高精度で測定することから、比較的長い測定時間を要するものの、実際の運用ではこの方式での温度測定は装置のキャリブレーション時のみ行えばよく、このキャリブレーションで得られた温度値を基準温度として、通常のアンチストークス光強度とストークス光強度の比を用いた温度測定値を補正すればよい。
【０１３４】
これにより、光ファイバの劣化などでアンチストークス光とストークス光の損失が変化した場合でも、比較的低コストの構成で、より正確な温度測定が行える。
【０１３５】
なお、上記説明では、レイリー光とアンチストークス光を使って補正の基準となる正の温度を測定する方法を示したが、同様の方法を使い、レイリー光とストークス光を使って補正の基準となる正の温度を測定することも可能である。
【０１３６】
また、図５の例ではレイリー光測定回路を別途設ける構成を示したが、たとえば図６や図７に示すように光スイッチ１５を用い、この光スイッチ１５でアンチストークス光測定回路またはストークス光測定回路に入力される光をアンチストークス光またはストークス光からレイリー光に切り換えて、アンチストークス光測定回路またはストークス光測定回路をレイリー光測定回路として使用してもよい。
【０１３７】
以上説明したように、本発明によれば、温度基準部の温度値をパラメータとした温度補正式による補正で温度が決定されるため、校正作業が単純化され、短時間での校正が可能である。
【０１３８】
そして、原理式から導かれた補正式により補正を行うため、線形近似の場合に生じていた誤差は無くなって高精度の校正が実現でき、光ファイバをセンサとした温度分布測定や故障検出などに好適である。
【０１３９】
さらに、光ファイバの劣化などでアンチストークス光とストークス光の損失が変化した場合でも、より正確な温度測定が行える。
【符号の説明】
【０１４０】
１  光源
２  光分波器
３  光ファイバ
４st，４as  Ｏ／Ｅ変換器
６st，６as  Ａ／Ｄ変換器
７  演算制御部
７ａ  温度演算部
７ｂ  定数格納部
７ｃ  内部基準温度部ラマンシフト周波数格納部
７ｄ  内部基準温度格納部
７ｅ  内部基準温度部光強度比演算部
７ｆ  センサ光強度比演算部
８  パルス発生部
９  温度基準部
１０  温度計
１１  基準温度計
１２  温度補正部
１２ａ  温度補正演算部
１２ｂ  演算温度格納部
１２ｃ  内部基準温度部ラマンシフト周波数格納部
１２ｄ  センサ基準温度格納部
１２ｅ  センサ基準温度部演算温度格納部
１２ｆ  センサラマンシフト周波数演算部
１３  コネクタ接続部
１４、１５  光スイッチ
【図１】
2012027001.tif 000040
【図２】
2012027001.tif 000041
【図３】
2012027001.tif 000042
【図４】
2012027001.tif 000043
【図５】
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【図６】
2012027001.tif 000045
【図７】
2012027001.tif 000046
【図８】
2012027001.tif 000047
【図９】
2012027001.tif 000048