(57)【要約】【課題】ファイバの温度分布の双方向測定を行うときに、ファイバの損失が変化したとしても、正確な温度分布の測定を行うことを目的とする。【解決手段】本発明のファイバ温度分布測定装置は、ラマン散乱光を利用してファイバ２の温度分布を測定するファイバ温度分布測定装置であって、ファイバ２の先端と後端とを光スイッチ３に接続して双方向ファイバとして、ファイバ２の光スイッチ３から同じ距離にファイバ２に設けられる温度が同一である同一温度区間３０と、同一温度区間３０におけるストークス光の強度Ｉｓｔとアンチストークス光の強度Ｉａｓとの強度比に基づいて、ファイバ２の温度分布を測定する演算部２２と、を備えている。【選択図】  図１
2013092388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマン散乱光を利用してファイバの温度分布を測定するファイバ温度分布測定装置であって、
前記ファイバの先端と後端とを光スイッチに接続して双方向ファイバとして、この双方向ファイバの前記光スイッチから同じ距離に前記双方向ファイバに設けられる温度が同一である同一温度区間と、
この同一温度区間におけるストークス光とアンチストークス光との強度比に基づいて、前記双方向ファイバの温度分布を測定する演算部と、
を備えたことを特徴とするファイバ温度分布測定装置。
【請求項２】
前記温度同一区間の温度を測定する基準温度計の温度に基づいて、前記温度分布の補正を行う温度補正部を備えたこと
を特徴とする請求項１記載のファイバ温度分布測定装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記温度同一区間内で前記アンチストークス光と前記ストークス光との強度比を複数取得して、当該複数の強度比を平均化して前記双方向ファイバの温度分布を測定すること
を特徴とする請求項１または２記載のファイバ温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン散乱光を利用したファイバ温度分布測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバに沿った温度分布を測定するために、光ファイバ内で発生する後方散乱光を利用したファイバ温度分布測定装置を用いたシステムＤＴＳ（Distributed Temperature Sensor）が従来から用いられている。後方散乱光には、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、ラマン散乱光等があるが、温度測定には温度依存性が高いラマン散乱光が利用される。ラマン散乱光は、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光）と、長い波長側に発生するストークス光（ＳＴ光）とを用いて測定が行われる。
【０００３】
ＤＴＳは、ＡＳ光の強度ＩａｓとＳＴ光の強度Ｉｓｔとを測定して、その強度比から温度を算出する。これにより、光ファイバに沿った温度分布を測定している。この測定装置は、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等の分野で利用されている。
【０００４】
ＤＴＳの原理図を図４に示す。ＤＴＳでは温度分布測定部１００からファイバ１０１（光ファイバ：センサファイバ）に光パルスを出力して温度分布の測定を行う。図５に示すように、温度分布測定部１００は、パルス発生部１０２と光源１０３と方向性結合器１０４とフィルタ１０５と第１光電変換器１０６と第２光電変換器１０７と第１アンプ１０８と第２アンプ１０９と第１ＡＤ変換器１１０と第２ＡＤ変換器１１１と平均化回路１１２と演算部１１３と温度補正部１１４と温度基準部１１５とを備えている。
【０００５】
パルス発生部１０２は平均化回路１１２に同期したタイミングで光源１０３からパルス光を発生させる。発生したパルス光は方向性結合器１０４を介してファイバ１０１に出力される。図４に示すように、ファイバ１０１ではラマン散乱光が発生する。このラマン散乱光は温度分布測定部１００に入力される。温度分布測定部１００に入力したラマン散乱光は方向性結合器１０４によりフィルタ１０５に導かれる。
【０００６】
このフィルタ１０５により、アンチストークス光（ＡＳ光）とストークス光（ＳＴ光）とに分岐される。ＡＳ光は第１光電変換器１０６により光電変換されて、第１アンプ１０８で増幅され、第１ＡＤ変換器１１０でデジタル信号に変換される。ＳＴ光は第２光電変換器１０７により光電変換されて、第２アンプ１０９で増幅され、第２ＡＤ変換器１１１でデジタル信号に変換される。
【０００７】
平均化回路１１２では平均化処理を行う。この平均化処理はノイズ除去のために行われる。そして、演算部１１３でＡＳ光の強度ＩａｓとＳＴ光の強度Ｉｓｔとの強度比を演算する。この強度比はファイバ１０１の温度に比例する。よって、ＡＳ光の強度ＩａｓとＳＴ光の強度Ｉｓｔとの強度比を演算して、温度を測定することができる。
【０００８】
図５に示すように、方向性結合器１０４とファイバ１０１との間にはファイバを巻回した温度基準部１１５が設けられている。この温度基準部１１５には白金測温抵抗体よりなる温度計１１５Ｓが設けられている。この温度計１１５Ｓが測定した温度は演算部１１３に出力される。演算部１１３はこの温度基準部１１５からの温度を基準として、ＡＳ光の強度ＩａｓとＳＴ光の強度Ｉｓｔとの強度比に基づいて、温度を計算する。
【０００９】
図４に示されるように、ファイバ１０１に光パルスを出力することで、時系列で強度ＩｓｔとＩａｓとの強度比が得られる。この時系列は距離に相当するため、ファイバ１０１の全体のＩｓｔとＩａｓとの強度比が得られ、この強度比を温度基準部１１５が測定した温度に対して所定の演算を行うことで、ファイバ１０１の温度分布を得ることができる。温度補正部１１４は演算部１１３で得られたファイバ１０１の温度分布に対して所定の補正処理を行う。
【００１０】
図４に示すように、ラマン散乱光のスペクトルは、レーリ光の波長λ０を境界にして、短波長側（λ０−Δλ）がアンチストークス光（ＡＴ光）になっており、長波長側（λ０＋Δλ'）がストークス光（ＳＴ光）になっている。
【００１１】
温度分布測定部１００ではラマン散乱光を入力して演算を行うことで、時間軸がファイバ１０１の距離になり、その温度分布が測定される。図４に示すように高温部ＨＴが存在する場合、当該箇所のファイバ１０１は高温になっている。従って、図４に示すように、一部の温度が上昇した温度分布が得られる。
【００１２】
図４および図５では、ファイバ１０１が単方向である場合を示した。つまり、ファイバ１０１の一端のみが温度分布測定部１００に接続されている単方向の温度分布の測定である。単方向測定の場合、ファイバ１０１のＩａｓとＩｓｔとの損失比が異なるため、ＤＴＳを用いた温度分布の測定では、ファイバ１０１の端面からの測定する位置までのＩａｓとＩｓｔとの損失比で補正をしなければならない。
【００１３】
このために、単方向測定の場合は、ファイバ１０１の全長に亘ってファイバ１０１の端面からＩａｓとＩｓｔとの損失比を距離ごとに認識しなければならない。このとき、ファイバ１０１にコネクタ等の接続点が存在していると、ファイバ１０１の距離ごとにＩａｓとＩｓｔとの損失比を認識することは困難となる。
【００１４】
そこで、図６に示すような双方向測定を行う。双方向測定はファイバ１０１の先端および後端が温度分布測定部１００に接続される光スイッチ１２０に接続され、先端と後端との何れか一方が選択的に接続される。
【００１５】
双方向測定では、ＩａｓとＩｓｔの値を得るために、チャネルＡからの測定を行い、且つチャネルＢからの測定を行う。図７に示すように、ファイバ１０１のチャネルＡからの距離をＸとしたときに、ＩａｓとＩｓｔとの比をＧ（Ｘ）とすると、双方向測定時のＧ（Ｘ）は以下の式１で得られる。
【００１６】
【数１】
2013092388.tif 000003
ＩａｓＡ（Ｘ）はチャネルＡの方向から測定した位置ＸのＩａｓの値
ＩｓｔＡ（Ｘ）はチャネルＢの方向から測定した位置ＸのＩｓｔの値
ＩａｓＢ（ｍ−Ｘ）はチャネルＢの方向から測定した位置ＸのＩａｓの値
ＩｓｔＢ（ｍ−Ｘ）はチャネルＢの方向から測定した位置ＸのＩｓｔの値
ｍはファイバ１０１の全体の長さ
Ｌ（Ｘ）はチャネルＡの出口から位置ＸまでのＩａｓとＩｓｔとの損失比
Ｌ（ｍ−Ｘ）はチャネルＢの出口から位置ＸまでのＩａｓとＩｓｔとの損失比
【００１７】
式１の「ＩａｓＡ（Ｘ）／ＩｓｔＡ（Ｘ）」の値と「ＩａｓＢ（ｍ−Ｘ）／ＩｓｔＢ（ｍ−Ｘ）」の値とは同じ位置のＩａｓとＩｓｔの比であり、その位置での温度に依存した値になる。よって、これらの値をＧ０（Ｘ）とすると、次の式２が成立する。
【数２】
2013092388.tif 000004
【００１８】
ここで、Ｌ（Ｘ）はチャネルＡの出口からＸの位置までの損失比、Ｌ（ｍ−Ｘ）は位置Ｘからファイバ１０１の遠端までの損失比であり、Ｌ（Ｘ）とＬ（ｍ−Ｘ）とを乗算した値はファイバ１０１の全長の損失比となる。よって、式２の「Ｌ（Ｘ）×Ｌ（ｍ−Ｘ）」は位置Ｘの値に依存せず、一定の値になる。この「Ｌ（Ｘ）×Ｌ（ｍ−Ｘ）」をＬｔｏｔａｌとすると、式２は以下の式３となる。
【数３】
2013092388.tif 000005
【００１９】
このＬｔｏｔａｌはファイバ１０１の全長のＩａｓとＩｓｔとの損失比となる。従って、双方向測定時には、ファイバ１０１の距離ごとの損失比（損失プロファイル）を認識しなくても、ファイバ１０１の全長でのＩａｓとＩｓｔとの損失比であるＬｔｏｔａｌを固定値として認識できていれば、正確に温度測定を行うことができる。
【００２０】
このように、ストークス光Ｉｓｔとアンチストークス光Ｉａｓとの強度比に基づいて温度分布を測定する技術としては、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００８−２４９５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
ファイバ１０１には損失が上昇するダークニングといった現象が発生する。このダークニングが発生すると、前述した式３のＬｔｏｔａｌ、つまりファイバ１０１の全長の損失比が変化する。これにより、双方向測定によりファイバ１０１の温度分布の測定を行うときに、正確な温度分布の測定を行うことができなくなる。
【００２３】
そこで、本発明は、ファイバの温度分布の双方向測定を行うときに、ファイバの損失が変化したとしても、正確な温度分布の測定を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
以上の課題を解決するため、本発明のファイバ温度分布測定装置は、ラマン散乱光を利用してファイバの温度分布を測定するファイバ温度分布測定装置であって、前記ファイバの先端と後端とを光スイッチに接続して双方向ファイバとして、この双方向ファイバの前記光スイッチから同じ距離に前記双方向ファイバに設けられる温度が同一である同一温度区間と、この同一温度区間におけるストークス光とアンチストークス光との強度比に基づいて、前記双方向ファイバの温度分布を測定する演算部と、を備えたことを特徴とする。
【００２５】
このファイバ温度分布測定装置によれば、双方向ファイバに同一温度区間を設けている。これにより、ファイバ全体の損失比を得ることができ、このファイバ全体の損失比に基づいて、双方向ファイバ全体の温度分布を測定することができる。
【００２６】
また、前記同一温度区間の温度を測定する基準温度計の温度に基づいて、前記温度分布の補正を行う温度補正部を備えたことを特徴とする。
【００２７】
光スイッチによりストークス光とアンチストークス光との強度は損失する。そこで、同一温度区間の温度を測定して、この温度で補正することで、光スイッチによる損失による温度分布の測定誤差を回避できる。
【００２８】
また、前記演算部は、前記同一温度区間内で前記アンチストークス光と前記ストークス光との強度比を複数取得して、当該複数の強度比を平均化して前記双方向ファイバの温度分布を測定することを特徴とする。
【００２９】
同一温度区間内でアンチストークス光とストークス光との強度比の複数のサンプルを取得して、平均化することで、温度分布の測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、双方向ファイバに同一温度区間を設けることで、双方向ファイバに損失の変化を生じても、正確なストークス光とアンチストークス光との強度比を算出でき、正確な温度分布の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態のファイバ温度分布測定装置の全体構成図である。
【図２】本実施形態の双方向ファイバを展開して説明した図である。
【図３】基準温度計を設けたファイバ温度分布測定装置の全体構成図である。
【図４】従来の単方向のファイバ温度分布測定装置を説明した図である。
【図５】従来の温度分布測定部の構成を示した図である。
【図６】従来の双方向のファイバ温度分布測定装置を説明した図である。
【図７】従来の双方向ファイバを展開して説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実実施形態のファイバ温度分布測定装置は、温度分布測定部１にファイバ（光ファイバ：ファイバセンサ）２が接続されている。ファイバ２は先端と後端とが光スイッチ３に接続される双方向ファイバになる。光スイッチ３はチャネルＡ（先端）とチャネルＢ（後端）との何れかにスイッチを切り替えることで、ファイバ２と温度分布測定部１とを接続する。これにより、ファイバ２の温度分布の測定は双方向測定となる。
【００３３】
なお、ファイバ２の先端および後端は光スイッチ３に接続されるが、光スイッチ３から温度分布測定部１の内部にまでファイバ２は延在されている。ここでは、光スイッチ３を基準としてループ状のファイバ２を双方向としている。
【００３４】
温度分布測定部１は、パルス発生部１１と光源１２と方向性結合器１３とフィルタ１４と第１光電変換器１５と第２光電変換器１６と第１アンプ１７と第２アンプ１８と第１ＡＤＣ１９と第２ＡＤＣ２０と平均化回路２１と演算部２２と温度補正部２３と温度基準部２４とコネクタ２５とを備えている。なお、図中において、光電変換器は「Ｏ／Ｅ」、ＡＤＣ（アナログデジタル変換器）は「Ａ／Ｄ」として示している。
【００３５】
パルス発生部１１から平均化回路２１に同期したタイミングで光パルスを光源１２から出力させる。この光パルスは方向性結合器１３を経由して、コネクタ２５から光スイッチ３に入力される。図１では光スイッチ３はチャネルＡに接続されているため、光パルスはチャネルＡからファイバ２に出力される。勿論、光スイッチ３はチャネルＢに切り替えることもできる。
【００３６】
光源１２から発振したパルス光によりファイバ２でラマン散乱光が発生する。このラマン散乱光が温度分布測定部１に入力される。温度分布測定部１に入力したラマン散乱光は方向性結合器（光分波器）１３によりフィルタ１４に導かれる。このフィルタ１４により、ラマン散乱光よりも短い波長側のアンチストーク光（ＡＳ光）と長い波長側のストークス光（ＳＴ光）とに分離される。
【００３７】
ＳＴ光は第１の光電変換器１５により光電変換されて電気信号になる。この電気信号は第１アンプ１７により増幅される。そして、第１ＡＤＣ１９により、電気信号がアナログ信号からデジタル信号に変換される。このデジタル信号はＳＴ光の強度Ｉｓｔであり、この強度Ｉｓｔのデジタル信号が平均化回路２１に入力される。
【００３８】
ＡＳ光は第２の光電変換器１６により光電変換されて電気信号になる。この電気信号は第２アンプ１８により増幅される。そして、第２ＡＤＣ２０により、電気信号がアナログ信号からデジタル信号に変換される。このデジタル信号はＡＳ光の強度Ｉａｓであり、この強度Ｉａｓのデジタル信号が平均化回路２１に入力される。
【００３９】
平均化回路２１では強度ＩｓｔおよびＩａｓに対してノイズ除去を行うための平均化処理が行われる。この平均化回路２１とパルス発生部１１との間では、同期を取るための信号の入出力が行われており、平均化回路２１とパルス発生部１１との間で同期が取られている。
【００４０】
演算部２２では、ストークス光の強度Ｉｓｔとアンチストークス光Ｉａｓとの強度比の演算を行う。この演算結果と温度基準部２４が測定しているファイバ２の温度とに基づいて、ファイバ２の温度が得られる。温度補正部２３は演算部２２により得られた温度に対してラマンシフト周波数等のパラメータを用いて補正を行うようにしている。
【００４１】
温度基準部２４には方向性結合器１３とコネクタ２５との間に巻回されたファイバ１０１の温度を測定する温度センサ２４Ｓが設けられており、実際のファイバ１０１の温度を温度センサ２４Ｓが測定している。この温度センサ２４Ｓが測定している温度が温度補正部２３に対して出力される。
【００４２】
図１に示すように、ファイバ２はループ状になっており、先端が光スイッチ３のチャネルＡに接続され、後端が光スイッチ３のチャネルＢに接続される。つまり、双方向測定になっている。光スイッチ３から延在する２本のファイバ２について、光スイッチ３から一定の距離だけ離間した区間を同一温度区間３０とする。この同一温度区間３０の内部にチャネルＡに接続されるファイバ２とチャネルＢに接続されるファイバ１０１とが内包される。従って、同一温度区間３０における２本のファイバ１０１の温度は同一になる。
【００４３】
以上が構成である。前述したようにファイバ２にダークニングが発生してストークス光とアンチストークス光との損失比が変化すると、測定されるＧ（Ｘ）の値が変化してしまい、ファイバ２の温度が正確に測定することができなくなる。
【００４４】
本実施形態では、ファイバ２に同一温度区間３０を設けている。光スイッチ３はチャネルＡに接続されており、光源１２から出力したパルス光はチャネルＡを経由してファイバ２に出力される。図２はファイバ２を展開した図であり、同一温度区間３０におけるＸ１の位置のＩａｓとＩｓｔとの強度比Ｇ（Ｘ１）は、以下の式４で表される。
Ｇ（Ｘ１）＝Ｇ０（Ｔ）×Ｌ（Ｘ１）・・・（式４）
Ｇ０（Ｔ）は同一温度区間３０の温度ＴにおけるＩａｓとＩｓｔとの比
Ｌ（Ｘ１）はチャネルＡの出口からＸ１の位置までのＩａｓとＩｓｔとの損失比
【００４５】
一方、ファイバ２の全長（チャネルＡからチャネルＢまでの長さ）をｍとしたときに、ファイバ２の遠端（つまり、未接続のチャネルＢ）からＸ１までの位置（ｍ−Ｘ１）におけるＩａｓとＩｓｔとの強度比Ｇ（ｍ−Ｘ１）は、以下の式５で表される。
Ｇ（ｍ−Ｘ１）＝Ｇ０（Ｔ）×Ｌ（ｍ−Ｘ１）・・・（式５）
【００４６】
式４を式５で除算すると、以下の式６が得られる。
【数４】
2013092388.tif 000006
【００４７】
Ｘ１は同一温度区間３０の中にあり、温度分布測定部１と非常に近接した位置にある。ファイバ２の全長は数Ｋｍであるのに対して、チャネルＡから位置Ｘ１までの距離は数ｍ〜数十ｍとなる。よって、ファイバ２の全長と比べると、非常に短い距離になる。このため、位置Ｘ１でのＩａｓとＩｓｔとの損失比は無視できるものになり、「Ｌ（Ｘ１）≒１」となる。
【００４８】
また、ファイバ２の全長ｍに対して、チャネルＡから位置Ｘ１までの距離は非常に短いため（つまり、Ｘ１は非常に小さいため）、Ｌ（ｍ−Ｘ１）はほぼＬ（ｍ）とみなせる。このＬ（ｍ）はファイバ２の全長でのＩａｓとＩｓｔとの損失比であり、Ｌ（ｍ）＝Ｌｔｏｔａｌとなる。よって、以下の式７が得られる。
【数５】
2013092388.tif 000007
【００４９】
従って、Ｇ（Ｘ１）およびＧ（ｍ−Ｘ１）が得られれば、ＩａｓとＩｓｔとの損失比であるＬｔｏｔａｌを得ることができる。Ｇ（Ｘ１）は位置Ｘ１でのＩａｓとＩｓｔとの強度比であるため、光源１２からパルス光を出力して、ラマン散乱光を測定することで、演算部２２において、位置Ｘ１のＩａｓとＩｓｔとの強度比Ｇ（Ｘ１）を測定することができる。同様に、ラマン散乱光を測定することで、演算部２２において、位置（ｍ−Ｘ１）におけるＩａｓとＩｓｔとの強度比Ｇ（ｍ−Ｘ１）を得ることができる。
【００５０】
従って、演算部２２では、Ｇ（Ｘ１）およびＧ（ｍ−Ｘ１）に基づいて、Ｌｔｏｔａｌを得ることができる。このＬｔｏｔａｌはファイバ２の全長のＩａｓとＩｓｔとの損失比を示しており、ダークニング等によりファイバ２の損失が変化したとしても、ファイバ２の全長のＩａｓとＩｓｔとの損失比であるＬｔｏｔａｌを得ることができる。
【００５１】
演算部２２はＬｔｏｔａｌを得ることで、温度基準部２４の温度を基準として、式３で説明したＧ０（Ｘ）を得る。このＧ０（Ｘ）は位置ＸにおけるＩａｓとＩｓｔとの強度比であり、温度に依存した値になる。このため、温度基準部２４の温度を基準として、ファイバ２の位置Ｘでの温度を得ることができる。
【００５２】
前述したＧ（Ｘ１）およびＧ（ｍ−Ｘ１）は、同一温度区間３０の中でのＩａｓとＩｓｔとの強度比になる。同一温度区間３０は所定の長さを有しているため、同一温度区間３０の中でＸ１を少しずつ（例えば、数ｍずつ）ずらして、Ｌｔｏｔａｌを測定して、Ｌｔｏｔａｌの平均値を取ることで、温度分布の測定の正確性をより向上させることができる。
【００５３】
次に、図３に示すように、同一温度区間３０の温度を測定する温度基準計４１を設ける。この温度基準計４１は同一温度区間３０の温度を測定しており、測定した温度を温度補正部２３に入力している。光スイッチ３では所定の損失が発生する。このために、基準温度計４１が同一温度区間３０の温度を計測して、温度補正部２３に出力する。
【００５４】
温度補正部２３では演算部２２が演算して得られる温度に対して、基準温度計４１が計測する温度の補正を行うことで、光スイッチ３の損失による温度測定の誤差を是正している。これにより、正確な温度測定が可能になる。
【符号の説明】
【００５５】
１    温度分布測定部
２    ファイバ
３    光スイッチ
１１    パルス発生部
１２    光源
２２    演算部
２３    温度補正部
２４    温度基準部
２４Ｓ    温度センサ
３０    同一温度区間
４１    基準温度計
【図１】
2013092388.tif 000008
【図２】
2013092388.tif 000009
【図３】
2013092388.tif 000010
【図４】
2013092388.tif 000011
【図５】
2013092388.tif 000012
【図６】
2013092388.tif 000013
【図７】
2013092388.tif 000014