(57)【要約】【課題】配管に温度変化がある場合にも、適切に歪を検知することができる歪検知用システム及びこれを用いた歪検知方法を提供する。【解決手段】配管Ｍに、当該配管の温度及び歪による温度・歪値を計測するための歪検出用光ファイバケーブル１と、上記温度に相当する温度補正値を計測するための温度補償用光ファイバケーブル３とを固設し、かつ歪検出用光ファイバケーブル及びこの一端部にパルス光を入射させるとともに、他端部に連続光を入射させる光源並びにブリルアン散乱光を検出する検出器を有するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づいた歪検出用センサと、温度補償用光ファイバケーブル及びこの一端部にパルス光を入射させるとともに、他端部に連続光を入射させる光源並びにブリルアン散乱光を検出する検出器を有するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づいた温度補償用センサとを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪測定対象物である配管に、当該配管の温度および歪による温度・歪値を計測するための歪検出用光ファイバケーブルと、上記温度に相当する温度補正値を計測するための温度補償用光ファイバケーブルとが固設されており、かつ
上記歪検出用光ファイバケーブル及びこの歪検出用光ファイバケーブルの一端部にパルス光を入射させるとともに、当該ケーブルの他端部に連続光を入射させる光源並びに上記歪検出用光ファイバケーブルからのブリルアン散乱光を検出する検出器を有するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づいた歪検出用センサと、
上記温度補償用光ファイバケーブル及びこの温度補償用光ファイバケーブルの一端部にパルス光を入射させるとともに、当該ケーブルの他端部に連続光を入射させる光源並びに上記温度補償用光ファイバケーブルからのブリルアン散乱光を検出する検出器を有するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づいた温度補償用センサと、
上記歪検出用センサによって検出されたブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度・歪値として算出するとともに、上記温度補償用センサによって検出されたブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度補正値として算出して、この温度補正値によって上記温度・歪値を補正することにより、上記配管の歪量に相当する歪値を算出する演算装置とを有することを特徴とする歪検知用システム。
【請求項２】
上記歪値を伝達関数によって逆解析することにより、上記配管の形状を特定する解析装置を有しており、
この解析装置は、上記歪値相当が得られる複数の上記配管の形状にそれぞれ対応する複数の入力値を上記伝達関数に導入する順解析によって各々推定歪値を出力するとともに、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値をLevenberg-Marquardt法を用いて特定し、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する上記配管の形状を導出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の歪検知用システム。
【請求項３】
上記歪測定対象物である配管は、円筒状に形成されており、上記歪検出用光ファイバケーブルと上記温度補償用光ファイバケーブルとは、融着によって接続されるとともに、上記歪検出用光ファイバケーブルが上記配管の一端部から他端部に向けて螺旋状に巻回され、上記接続部が上記配管の上記他端部に位置して、上記温度補償用光ファイバケーブルが上記他端部から上記一端部に向けて上記歪検出用光ファイバケーブルの間に位置するように螺旋状に巻回されていることを特徴とする請求項１または２に記載の歪検知用システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の歪検知用システムを用いて、上記歪値を算出する歪検知方法において、
上記検出器によって、上記歪検出用光ファイバケーブルにおける上記ブリルアン散乱光のピーク周波数とこの散乱光のピーク周波数の検出時間とを検出するとともに、上記温度補償用光ファイバケーブルにおける上記ブリルアン散乱光のピーク周波数とこの散乱光のピーク周波数の検出時間とを検出し、
次いで、上記演算装置によって、上記歪検出用光ファイバケーブルにおける上記ブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度・歪値として算出するとともに、上記温度補償用光ファイバケーブルにおけるブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度補正値として算出した後に、この温度補正値によって上記温度・歪値を補正することにより、上記配管の歪量に相当する歪値を算出し、かつ上記検出時間によって、上記配管における上記歪の位置を特定することを特徴とする歪検知方法。
【請求項５】
上記歪値を解析装置を用いて、伝達関数によって逆解析することにより配管の形状を特定する歪検知方法であって、
上記歪値および上記歪の位置の歪分布データ相当が得られる複数の上記配管の形状にそれぞれ対応する複数の入力値を上記伝達関数に導入して、順解析することによって各々推定歪値を出力するとともに、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値をLevenberg-Marquardt法を用いて算出した後に、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する上記配管の形状を導出するようになっていることを特徴とする請求項４に記載の歪検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバケーブルを用いて歪測定対象物である配管の歪量を特定する歪検知用システム及びこれを用いた歪検知方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火力プラントや石油プラントなどの配管等のプラント設備の検査は、直径約１ｃｍの棒状の超音波プローブを具備した超音波厚さ計を用いて、このプローブを検査ポイントに熟練した検査員が手で押し当てることによって、プローブから発振した超音波が伝播・反射してくる時間から検査ポイントの肉厚を測定することによって行われている。
【０００３】
この検査は、一般にＵＴ検査と呼ばれており、この検査を行う検査員は、超音波プローブの配管への押し当て加減によって、検査結果が異なってくることから、日本非破壊検査協会で有資格者として認定を受けることが必要である。
【０００４】
また、この検査は、検査員が配管に接近して、手で超音波プローブを配管等の検査ポイントに押し当てることによって行うことから、プラントの運転中に行うことが困難であり、定期点検中等の運転停止時に行うこととなる。その上、この検査は、検査員が検査ポイントに接近するために、足場の設置や保温材の撤去及び検査後の復旧などの付帯作業が必要となって、検査毎の作業が大がかりとなり、窮屈な姿勢での高所作業を伴うことも多くなってしまうといった問題がある。
【０００５】
さらに、この検査は、例えば、検査ポイントがＬ字部、Ｔ字部、レデューサ部等を有する配管であれば、同径の直線管から変形が生じる各部を円周方向に４等分または８等分（例えば、Ｔ字部を構成する３本の直線管の交差部近傍を、各々円周方向に４等分または８等分）することにより、各部について４箇所または８箇所の測定ポイントを設けて、かつ直線管であっても長手方向に一定間隔毎に測定ポイントを設けて、プラント全体において、一般に、数千の測定ポイントを設けることが保全管理上好ましいとされている。
【０００６】
ところが、この検査は、上述のように熟練を要する検査員が１箇所ずつ手作業によって行う上に、定期点検等の限られた期間で行うために、全ての装置に対して、上記全ての測定ポイントを検査する全数検査が難しいという問題があり、近年、関連装置のうち代表装置における測定ポイントのみの検査とならざるを得ない状況がある。
【０００７】
加えて、例えば、現在、火力プラントでは１３ヶ月に一度、石油プラントでは数年に一度の検査が行われているものの、年々プラントが老朽化するに連れて、検査の頻度が高くなることから、将来にわたって、人数の限られた検査員による全数検査が益々困難になる状況下にあり、代表装置のみの検査とせざるを得ない状況がある上に、このようなインターバルの検査であっても、現存プラントの老朽化の著しい昨今においては、正確な余寿命の予測が困難であるという問題もある。
【０００８】
さらには、この検査は、測定ポイント毎の検査員が手書きした肉厚の測定値を、データベースに入力することにより管理して、保全計画に反映させる等の不要な労力が必要になってしまうという欠点もある。また、測定ポイント毎の測定結果を検査員が手書き記録する方法では検査員が記入欄を誤る恐れもあり、さらに、手書きした肉厚測定値を電子ファイル等のデータベースに入力し直す手作業においても誤入力が発生する恐れがある。
【０００９】
これに対して、上記検査方法に代わるものとして、例えば、非特許文献１に示されているように、上記光ファイバケーブルを用いた歪検知用システムが知られている。
【００１０】
この歪検知用システムは、配管等のプラント設備における歪測定対象物である配管に固設された上記光ファイバケーブルを具備しており、この光ファイバケーブル１は、図２に示すように、細長状の光ファイバ１１が全長に亘ってポリイミド接着剤（図示を略す）によりシート状のステンレステープ基材２１に貼設されている。
【００１１】
また、このステンレステープ基材２１としては、配管Ｍが炭素鋼配管である場合には、炭素鋼と熱膨張係数が略等しいＳＵＳ４３０が用いられ、配管ＭがＳＵＳ３０４鋼配管の場合には、同様にＳＵＳ３０４が用いられており、ステンレステープ基材２１は、配管Ｍに応じて、熱膨張率が略等しくなるように素材が選択されている。さらに、このステンレステープ基材２１は、配管Ｍ側の貼設面２１ａに、必要に応じてガルバニック腐食を防止するための絶縁用ポリイミドフィルム２２が貼設されている。
【００１２】
換言すると、ステンレステープ基材２１および配管ＭがともにＳＵＳ３０４である場合等、ステンレステープ基材２１および配管Ｍが同一の素材である場合には、ガルバニック腐食の恐れがないため、光ファイバケーブル１は、ステンレステープ基材２１の貼設面２１ａに、直接、ポリイミド接着剤２３を設けて、この接着剤２３によって配管Ｍに貼設されるようになっている。他方、光ファイバケーブル１は、ステンレステープ基材２１と配管Ｍとが異なる素材である場合には、ガルバニック腐食の恐れがあるため、ステンレステープ基材２１の貼設面２１ａに絶縁用ポリイミドフィルム２２が貼設されて、このポリイミドフィルム２２の表面にポリイミド接着剤２３が塗布されて、この接着剤２３によって配管Ｍに貼設されるようになっている。
【００１３】
このようにして、配管Ｍに貼設された光ファイバケーブル１は、光ファイバ１１の外周および全長が帯状の耐熱ポリイミド樹脂フィルム１２により覆われており、この耐熱ポリイミド樹脂フィルム１２は、裏面に粘着剤が塗られて、光ファイバの外周よりも一回り大きい帯幅寸法を有し、これによって、帯幅方向一端部がステンレステープ基材２１に貼設されるとともに、同中央部が光ファイバ１１に貼設され、かつ同他端部がステンレステープ基材２１に貼設されている。
【００１４】
上述のようにして構成される光ファイバケーブル１は、光ファイバ１１の一端にパルス光を入射させ、かつ他端に連続光を入射させる光源と、この光ファイバからのブリルアン散乱光を検出する検出器とともにＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ（Pulse-Pre-Pump Brillouin Optical Time Domain Analysis）原理に基づく歪検出用センサを構成しており、上記歪検知用システムは、この検出用センサによって、ブリルアン散乱光の入射光であるパルス光からのピーク周波数のシフトを検出することにより、配管Ｍに存在する歪を検知することができる。加えて、ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づく歪検出用センサを用いることによって、距離分解能１０ｃｍ以上および歪測定精度±２５με以上の分布計測が可能であることから、歪を高精度に検知することができる。
【００１５】
また、この光ファイバケーブルを用いた歪検知用システムは、光ファイバーネットワークとの相性がよく、遠隔地にあるプラントの観察にも適する上に、光ファイバが電気ケーブルと比較して防爆性に優れることから、火力プラントや電力プラント等への設置にも好適である。
【００１６】
しかしながら、上記歪検出用センサは、配管Ｍに温度変化がある場合において、歪がある場合よりも上記ブリルアン散乱光のピーク周波数のシフト量が２桁以上大きくなることから、適切に歪を検知することができないという問題があった。
【００１７】
【特許文献１】保守検査特別研究委員会ミニシンポジウム講演原稿  平成１７年１２月８日、９日倉敷市芸文館  社団法人  日本非破壊検査協会
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、歪測定対象物である配管に温度変化がある場合にも、適切に歪を検知することができる歪検知用システム及びこれを用いた歪検知方法を提供することを課題とするものである。
【００１９】
すなわち、請求項１に記載の発明に係る歪検知用システムは、歪測定対象物である配管に、当該配管の温度および歪による温度・歪値を計測するための歪検出用光ファイバケーブルと、上記温度に相当する温度補正値を計測するための温度補償用光ファイバケーブルとが固設されており、かつ上記歪検出用光ファイバケーブル及びこの歪検出用光ファイバケーブルの一端部にパルス光を入射させるとともに、当該ケーブルの他端部に連続光を入射させる光源並びに上記歪検出用光ファイバケーブルからのブリルアン散乱光を検出する検出器を有するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づいた歪検出用センサと、上記温度補償用光ファイバケーブル及びこの温度補償用光ファイバケーブルの一端部にパルス光を入射させるとともに、当該ケーブルの他端部に連続光を入射させる光源並びに上記温度補償用光ファイバケーブルからのブリルアン散乱光を検出する検出器を有するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づいた温度補償用センサと、上記歪検出用センサによって検出されたブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度・歪値として算出するとともに、上記温度補償用センサによって検出されたブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度補正値として算出して、この温度補正値によって上記温度・歪値を補正することにより、上記配管の歪量に相当する歪値を算出する演算装置とを有することを特徴とするものである。
ここで、上記歪検出用センサと上記温度補償用センサとは、それぞれ上記検出器が上記ブリルアン散乱光のピーク周波数を検出するとともに、上記ピーク周波数を検出した検出時間を上記ピーク周波数と関連付けて、上記演算装置に伝達することによって、上記ピーク周波数のシフトが発生した配管における歪の位置を特定することも可能である。また、上記歪検出用センサと上記温度補償用センサとは、上記検出器をそれぞれ個別に有していても、一台の上記検出器を兼用してもよいものであり、この検出器は、上記演算装置と個別に設けられても、演算装置と組み合わせて設けられても、さらには、演算装置と光源を組み込んで、制御装置として設けられてもよいものである。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の歪検知用システムにおいて、上記歪値を伝達関数によって逆解析することにより、上記配管の形状を特定する解析装置を有しており、この解析装置は、上記歪値相当が得られる複数の上記配管の形状にそれぞれ対応する複数の入力値を上記伝達関数に導入する順解析によって各々推定歪値を出力するとともに、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値をLevenberg-Marquardt法を用いて特定し、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する上記配管の形状を導出するようになっていることを特徴とするものである。
ここで、上記伝達関数は、配管の形状および材質等の設計情報ならびに温度および配管に作用する圧力等の力学情報によって定まるものであり、これらパラメータを基に作成されるメッシュモデルから導出されるものである。このため、配管の形状に対応する複数の入力値とは、配管が円筒状に形成されている場合には、減肉が進行することにより配管が楕円形に近似した形状に変形するため、減肉形状を表現する楕円の長軸および短軸ならびに最大減肉座標を意味するものであり、上記解析装置は、これら楕円の長軸および短軸ならびに最大減肉座標を上記伝達関数に複数導入する順解析によって、複数の推定歪値を出力するものである。
【００２１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の歪検知用システムにおいて、上記歪測定対象物である配管は、円筒状に形成されており、上記歪検出用光ファイバケーブルと上記温度補償用光ファイバケーブルとは、融着によって接続されるとともに、上記歪検出用光ファイバケーブルが上記配管の一端部から他端部に向けて螺旋状に巻回され、上記接続部が上記配管の上記他端部に位置して、上記温度補償用光ファイバケーブルが上記他端部から上記一端部に向けて上記歪検出用光ファイバケーブルの間に位置するように螺旋状に巻回されていることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の歪検知用システムを用いて、上記歪値を算出する歪検知方法において、上記検出器によって、上記歪検出用光ファイバケーブルにおける上記ブリルアン散乱光のピーク周波数とこの散乱光のピーク周波数の検出時間とを検出するとともに、上記温度補償用光ファイバケーブルにおける上記ブリルアン散乱光のピーク周波数とこの散乱光のピーク周波数の検出時間とを検出し、次いで、上記演算装置によって、上記歪検出用光ファイバケーブルにおける上記ブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度・歪値として算出するとともに、上記温度補償用光ファイバケーブルにおけるブリルアン散乱光の上記パルス光からのピーク周波数のシフト量を上記温度補正値として算出した後に、この温度補正値によって上記温度・歪値を補正することにより、上記配管の歪量に相当する歪値を算出し、かつ上記検出時間によって、上記配管における上記歪の位置を特定することを特徴とするものである。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の歪検知方法において、上記歪値を解析装置を用いて、伝達関数によって逆解析することにより配管の形状を特定する歪検知方法であって、上記歪値および上記歪の位置の歪分布データ相当が得られる複数の上記配管の形状にそれぞれ対応する複数の入力値を上記伝達関数に導入して、順解析することによって各々推定歪値を出力するとともに、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値をLevenberg-Marquardt法を用いて算出した後に、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する上記配管の形状を導出するようになっていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発明によれば、演算装置によって、温度・歪値を温度補正値により補正して、配管の歪量に相当する歪値を特定することができるため、配管に温度変化がある場合にも、適切に歪を検知することができるとともに、ＰＰＰ−ＢＯＤＴＡ原理に基づいた歪検出用センサおよび温度補償用センサを用いたため、距離分解能を高めて、距離分解能１０ｃｍ以上、歪測定精度±２５με以上および温度測定精度±０．１℃以上の分布計測を可能にすることができる。このため、歪が検知された歪検出用センサおよび温度補償用センサのブリルアン散乱光の検出時間を演算装置に伝達することにより、この演算装置によって歪位置を精度高く特定することができる。
【００２５】
特に、請求項２または５に記載の発明によれば、解析装置を用いて、歪値を伝達関数によって逆解析することにより配管の形状を特定することができるため、より具体的に配管の変形を認識することができ、配管に対するより適切な対応を可能にすることができる。
さらに、この逆解析は、解析装置を用いて、歪値相当が得られる配管の複数の形状にそれぞれ対応する複数の入力値を伝達関数に導入して、順解析することによって各々推定歪値を出力し、Levenberg-Marquardt法によって、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値を算出することにより、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する配管の形状を導出することによって行うため、収束が速く、その結果、歪検知用システムは、適切かつ効率的に配管の変形を表現することができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明によれば、歪検出用光ファイバケーブルと温度補償用光ファイバケーブルとを融着によって接続するとともに、歪検出用光ファイバケーブルを配管の一端部から他端部に向けて螺旋状に巻回し、かつ温度補償用光ファイバケーブルを他端部から一端部に向けて歪検出用光ファイバケーブルの間に位置するように螺旋状に巻回したため、配管の全面の歪を検出することができるとともに、配管に減肉や熱膨張等の変形が生じた場合にも両ケーブルを密着させることができ、確実に配管の歪を検出することができる。加えて、歪検出用光ファイバケーブルのブリルアン散乱光を検出して得た温度・歪値を、隣り合って位置する温度補償用光ファイバケーブルのブリルアン散乱光を検出して得た温度補正値によって、的確に補正することができ、その結果、歪の検知精度および歪の位置検知精度を高めることができる。
【００２７】
また、歪検出用光ファイバケーブルと温度補償用光ファイバケーブルとを融着によって接続したため、一台の光源および検出器によって歪値を特定することができ、例えば、配管の一端部側に光源、検出器および演算装置を包含した制御装置を設置し、この制御装置に歪検出用光ファイバケーブルおよび温度補償用光ファイバケーブルの一端をそれぞれ接続して、この歪検出用光ファイバケーブルの制御装置に接続された一端に光源からパルス光を入射させるとともに、温度補償用光ファイバケーブルの制御装置に接続された一端に光源から連続光を入射させることにより、上記歪検出用光ファイバケーブルの一端から制御装置に出射する両ファイバケーブルにおけるブリルアン散乱光を検出器によって検出することにより、演算装置によって歪値および歪の位置を特定することができ、装置の小型化を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る歪検知用システムについて、図１〜図３を用いて説明する。
本実施形態の歪検知用システムは、図１に示すように、歪検出用光ファイバケーブル１と温度補償用光ファイバケーブル３とが円筒状の炭素鋼あるいはステンレス鋼からなるＬ字状の配管Ｍに螺旋状に巻回されている。
【００２９】
ここで、配管Ｍは、石油プラント、石化プラント、液化天然ガス（LNG）プラント、石炭プラント、電力プラントや化学プラント等の設備に用いられるものであって、その長手方向に向けて温度変化を有するものである。また、この配管Ｍは、その温度変化が−２７０℃〜＋５００℃の範囲内、より好ましくは−１００℃〜＋３００℃の範囲内に抑えられるものである。
【００３０】
この歪検出用光ファイバケーブル１は、表１に示す材質等によって構成されている円柱状のコアと、このコアの外周に一体に形成された円筒状のクラッドとからなる光ファイバ１１が長手方向両端部を除き、上述のようにステンレステープ基材２１に貼設されており、このステンレステープ基材２１は、ＳＵＳ４３０素材によって、厚さ０．０５０ｍｍ、幅３．０ｍｍの帯状に形成されている。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
そして、歪検出用光ファイバケーブル１は、このステンレステープ基材２１の貼設面２１ａに、厚さ０．０２５ｍｍ、幅８．０ｍｍの帯状に形成された絶縁用ポリイミドフィルム２２が貼設されて、ポリイミド接着剤２３によって配管Ｍの一端部Ｌ１から他端部Ｌ２に向けて螺旋状に巻回されて貼設されており、特に、配管Ｍの円弧状に屈曲している屈曲部Ｍ２に、他の直線部Ｍ１と比較して、間隔が密になるように貼設されている。
さらに、歪検出用光ファイバケーブル１は、ステンレステープ基材２１に貼設されている光ファイバ１１の外周面が全長に亘って帯状の粘着剤付き耐熱ポリイミド樹脂フィルム１２に被覆されて、外径が１７０±２０μｍに形成されている。このようにして配管Ｍに固設された歪検出用光ファイバケーブル１は、−２７０℃ないし＋５００℃の温度範囲内で使用可能である。
【００３３】
他方、温度補償用光ファイバケーブル３は、図３に示すように、光ファイバ１１と同一構成の光ファイバ３１の外周面が全長に亘ってポリイミド樹脂３２に被覆されて、外径１７０±２０μｍの円柱状に形成されるとともに、このポリイミド樹脂３２の外周面に略全長に亘って接触する１９５ｄのアラミド繊維３３が光ファイバ３１の周方向に複数本（本実施形態においては３本）配設されている。
これによって、温度補償用光ファイバケーブル３は、ポリイミド樹脂３２に被覆された光ファイバ３１がアラミド繊維３３に覆われるとともに、このアラミド繊維３３の外周面に全長に亘ってパーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）３４が被覆されて構成されている。
【００３４】
このパーフルオロアルコキシ樹脂３４は、フッ素樹脂の一種であって、フッ素樹脂の中では最高の耐熱性を有し、ＯＤ：φ１．１±０．１ｍｍおよびＩＤ：φ０．８±０．１ｍｍとなるよう形成されている。このように、温度補償用光ファイバケーブル３は、アラミド繊維３３が介在することによって、ポリイミド樹脂３２に被覆された光ファイバ３１が当該温度補償用光ファイバケーブル３の外周部から独立して設けられて、同外周部が配管Ｍの減肉等により局部的に変形した場合にも、光ファイバ３１等に影響が及ぶことなく、光ファイバ３１の変形が阻止されるようになっている。
【００３５】
この温度補償用光ファイバケーブル３は、歪検出用光ファイバケーブル１の間に位置するように配管Ｍの他端部Ｌ２から一端部Ｌ１に向けて螺旋状に巻回された状態で、振動による移動防止のために、長手方向両端部を除き、当該ファイバケーブル３を覆うように帯状の粘着剤付き耐熱ポリイミドフィルムが貼設されている。そして、このポリイミドフィルムは、耐熱ポリイミドフィルム１２と同様に、帯幅方向の一端部が配管Ｍに貼設されるとともに、同中央部が光ファイバケーブル３に固定され、同他端部が配管Ｍに貼設されている。これによって、温度補償用光ファイバケーブル３は、歪検出用光ファイバケーブル１と同様に、長手方向の両端部を除いて配管Ｍに固定されるとともに、特に、屈曲部Ｍ２の間隔が密になるように螺旋状に巻回されており、−２７０℃ないし＋５００℃の温度範囲内で使用可能である。
【００３６】
そして、歪検出用光ファイバケーブル１と温度補償用光ファイバケーブル３とは、上述のように光ファイバ１１と光ファイバ３１との素材および外径が同一であって、融着等によって簡易的に接続可能であることから、図１に示すように、配管Ｍの他端においてファイバ１１、３１の長手方向端部同士がポリイミド樹脂フィルム１２やポリイミド樹脂３２等の被覆物を剥がして、融着によって接続されており、この接続部５によって一体的に設けられている。
【００３７】
また、歪検知用システムは、上記歪検出用光ファイバケーブル１の他に、この歪検知用光ケーブル１の端部（一端部）１０から光ファイバ１１にパルス光を入射させるとともに、接続部（他端部）５から光ファイバ１１に連続光を入射させるパルス光源およびプローブ光源を具備する光源と、この光ファイバ１１からのブリルアン散乱光を検出する検出器とを具備した制御装置４を備えた歪検出用センサを有している。
【００３８】
すなわち、光ファイバケーブル１の両端からパルス光と連続光を入射させ、これら光の相互作用によって、パルス光の一部が誘導散乱光となって反射したブリルアン散乱光の周波数分布を検出するＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づく歪検出用センサを有している。
この光ファイバケーブル１によるブリルアン散乱光の周波数分布によって検出されるブリルアンスペクトルの中心周波数からの変化量であるブリルアン周波数シフト量ΔＶβは、光ファイバに加わる軸方向の歪εや温度変化量ΔＴと下記式（１）のように線形関係がある。
ΔＶβ＝Ｃ11ε＋Ｃ12ΔＴ（Ｃ11およびＣ12は、光ファイバケーブルによる固有定数）・・（１）
【００３９】
同様に、上記温度補償用光ファイバケーブル３の他に、このケーブル３の端部（一端部）３０から光ファイバ３１に連続光を入射させるとともに、接続部（他端部）５から光ファイバ３１にパルス光を入射させるパルス光源およびプローブ光源を具備する光源と、この光ファイバ３１からのブリルアン散乱光を検出する検出器とを具備した制御装置４を備えたＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ原理に基づく温度補償用センサを有している。
【００４０】
換言すると、この制御装置４としては、上述の温度補償用センサおよび歪検出用センサの光源と検出器とを兼ね備えたＮＢＸ−６０００（ニューブレクス株式会社製）が用いられて、歪検出用光ファイバケーブル１の端部１０からパルス光が入射し、温度補償用光ファイバケーブル３の端部３０から連続光が入射するようになっている。これにより、本実施形態の歪検知用システムは、歪検出用光ファイバケーブル１および温度補償用光ファイバケーブル３におけるブリルアン散乱光が歪検出用光ファイバケーブル１の端部１０から出射し、制御装置４における検出器によって、ブリルアン散乱光とその検出時間とが関連付けて特定されるようになっている。
【００４１】
さらに、制御装置４は、この検出時間から、歪検出用光ファイバケーブル１におけるブリルアン散乱光または温度補償用光ファイバケーブル３におけるブリルアン散乱光であるかを特定する、さらには、ブリルアン散乱光が生じた配管Ｍの位置を特定する演算部（演算装置）を有している。
【００４２】
具体的には、歪検知用システムは、検出器によって歪検出用光ファイバケーブル１におけるブリルアン散乱光とその検出時間とを検出し、演算部によって同ブリルアン散乱光のパルス光からのピーク周波数のシフト量を温度・歪値として算出するとともに、同様に、温度補償用光ファイバケーブル３におけるブリルアン散乱光とその検出時間とを検出し、同ブリルアン散乱光のパルス光からのピーク周波数のシフト量を温度補正値として算出するようになっている。さらに、制御装置４は、演算部を用いて、この温度補正値によって温度・歪値を補正することにより、すなわち、この温度補正値を温度変化量ΔＴとして、温度・歪値を周波数シフト量ΔＶβとして上述の式（１）にそれぞれ代入することにより、配管Ｍの歪量に相当する歪値である光ファイバケーブル１の軸方向の歪εを算出するようになっている。その際、温度・歪値に関連付けられている検出時間と、温度補正値に関連付けられている検出時間とにより歪の位置も特定するようになっている。
【００４３】
さらに、この演算部によって算出された歪値から逆解析を行うことにより、配管Ｍの形状を特定する解析装置（図示を略す）が制御装置４と独立して設けられており、この解析装置は、伝達手段によって上記歪値および歪の位置の歪分布データが受信されるようになっている。
この解析装置は、予め、配管Ｍの形状、外径、肉厚および材料等の設計情報ならびに温度および配管Ｍに作用する外力等の力学的情報を投影した境界要素法のメッシュモデルを作成する。次に、このメッシュモデルを基にした伝達関数に、上記歪分布データ相当が得られる複数の配管Ｍの形状に各々対応する複数の入力値を導入して、順解析する。換言すると、配管Ｍが減肉している場合には、楕円形に近似した形状に変形しているため、上記複数の入力値として、楕円の長軸および短軸ならびに最大減肉座標を導入して、順解析することにより、推定歪値を出力するようになっている。次いで、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値を、Levenberg-Marquardt法を用いて算出し、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する上記減肉形状を導出するようになっている。
【００４４】
次いで、本発明に係る上記歪検知用システムを用いた配管Ｍの歪検知方法について説明する。
本実施形態の歪検知方法は、まず、制御装置４によって、光源部からパルス光を歪検出用光ファイバケーブル１の端部１０に入射させるとともに、連続光を温度補償用光ファイバケーブル３の端部３０に入射させることにより、制御装置４に具備する検出器によって、パルス光を入射させた歪検出用光ファイバケーブル１の端部から出射する歪検出用光ファイバケーブル１または温度補償用光ファイバケーブル３におけるブリルアン散乱光のピーク周波数のシフト量とその検出時間とを関連付けて検出する。
【００４５】
次いで、この制御装置４における演算部によって、検出時間から歪検出用光ファイバケーブル１におけるブリルアン散乱光または温度補償用光ファイバケーブル３におけるブリルアン散乱光であるかを特定した後に、ブリルアン散乱光が生じた配管Ｍの位置を特定する。これと同時に、歪検出用光ファイバケーブル１におけるブリルアン散乱光のパルス光からのシフト量を温度・歪値として算出するとともに、温度補償用光ファイバケーブル３におけるブリルアン散乱光のパルス光からのシフト量を温度補正値として算出し、この温度補正値によって温度・歪値を補正することにより、配管Ｍの歪量に相当する歪値を算出する。これにより、歪の位置および歪値の歪分布データを得る。
【００４６】
さらに、配管Ｍの形状を特定する場合には、以下の方法によって行う。
本実施形態の配管Ｍの形状を特定する歪検知方法は、予め、配管Ｍの形状、外径、肉厚および材料等の設計情報ならびに温度および配管Ｍに作用する外力等の力学情報を投影した境界要素法のメッシュモデルを作成し、このメッシュモデルを基に伝達関数を導出する前処理工程を有する。
【００４７】
次いで、解析装置によって、上記歪分布データ相当が得られる複数の配管Ｍの形状に各々対応する複数の入力値を、すなわち、配管Ｍの減肉の進行している部分では、楕円の長軸および短軸ならびに最大減肉座標を、伝達関数に導入して、順解析することにより推定歪値を出力し、これら推定歪値から歪値との差の二乗和が最小になる特定歪値をLevenberg-Marquardt法を用いて算出する解析工程を有する。その際、漸次、歪値との最小二乗和が小さくなる推定歪量をLevenberg-Marquardt法を用いて算出することにより、最終的に、上記二乗和が最小になった特定推定歪値を算出する。
【００４８】
次に、この解析工程において特定推定歪値を出力した入力値に対応する配管Ｍの形状を導出することにより、この同配管Ｍの形状を表現する後処理工程を有する。
【００４９】
上述の歪検知用システム及びこれを用いた歪検知方法によれば、歪検出用センサと温度補償用センサとを設けたため、制御装置４の演算部によって、温度・歪値を温度補正値によって補正することができ、配管Ｍに温度変化がある場合にも、適切に歪量を検知することができる。また、ＰＰＰ−ＢＯＤＴＡ原理に基づいた歪検出用センサおよび温度補償用センサを用いたため、歪量が検知された歪検出用センサおよび温度補償用センサのブリルアン散乱光の検出時間を検出することにより、歪位置を精度高く特定することができる。
【００５０】
加えて、歪検出用光ファイバケーブル１および温度補償用光ファイバケーブル３を配管Ｍに螺旋状に巻回したため、配管Ｍに減肉や熱膨張等の変形が生じた場合にも両ケーブルを密着させることができるとともに、温度補償用光ファイバケーブル３を歪検出用光ファイバケーブル１の間に位置させるように螺旋状に巻回したため、歪検出用光ファイバケーブル１によって算出される温度・歪値を、隣に位置する温度補償用光ファイバケーブル３によって算出される温度補正値により、一段と的確に補正することができ、結果として、正確な歪値を算出することができる。特に、歪検出用光ファイバケーブル１および温度補償用光ファイバケーブル３を異常が生じ易い屈曲部Ｍ２に密に巻回したため、より緻密な歪値の算出によって、適正な対応を採ることができる。
【００５１】
さらには、解析装置によって、予め、配管Ｍの形状、外径、肉厚および材料等の設計情報ならびに温度および配管Ｍに作用する外力等の力学的情報を投影した境界要素法のメッシュモデルを作成して、このメッシュモデルを基にした伝達関数を作成し、この伝達関数に、歪分布データ相当が得られる複数の配管Ｍの形状に各々対応する複数の入力値を、すなわち、配管Ｍの減肉の進行している部分では、楕円の長軸および短軸ならびに最大減肉座標を、導入して、順解析することによって推定歪値を出力し、次いで、これら推定歪値から上記歪値との差の二乗和が最小になる特定推定歪値を、Levenberg-Marquardt法を用いて算出し、この特定推定歪値を出力した入力値に対応する上記配管Ｍの形状を導出することにより、光ファイバケーブル１、３が敷設されていない部分も含めて配管全体の網羅的な形状を把握することできる。その結果、歪検知法システムは、上記解析における収束も速く、適切かつ効率的に配管Ｍの変形を表現することができる。
【００５２】
なお、本発明は、上述の実施形態に何等限定されるものでなく、例えば、温度補償用光ファイバケーブル３は、光ファイバ３１を被覆するポリイミド樹脂３２の外周面にアラミド繊維３３を配設したものに限られるものでなく、光ファイバ３１がオイルの充填された金属中空チューブ内に配設されていてもよく、光ファイバ３１が当該温度補償用光ファイバケーブル３の外周部から独立して設けられて、同外周部が配管Ｍの減肉等により局部的に変形した場合にも、光ファイバ３１に影響が及ぶことなく、光ファイバ３１の変形が阻止されるものであればよい。
【実施例】
【００５３】
まず、図４に示すように、Ｌ字状に形成されて、直線部Ｍ１および屈曲部Ｍ２を有する円筒状の配管Ｍに、上述の歪測定用光ファイバケーブル１ａ、１ｂおよび温度補償用光ファイバケーブル３を、以下のように螺旋状に巻回して、それぞれ上述の実施の形態と同様にして貼設した。
なお、この光ファイバケーブル１ａ、１ｂは、上記式（１）におけるＣ11＝０．０４７８ＭＨｚ／με、Ｃ12＝１．０６ＭＨｚ／℃の固有定数をそれぞれ有していた。
【００５４】
歪測定用光ファイバケーブル１ａは、長手方向両端部を除き、配管Ｍの一端部Ｌ１から他端部Ｌ２に向けて螺旋状に巻回されて、特に、屈曲部Ｍ２において密に巻回されて、端部１０が制御装置４に接続された。歪測定用光ファイバケーブル１ｂは、長手方向両端部を除き、配管Ｍの他端部Ｌ２から一端部Ｌ１に向けてケーブル１ａと一定の間隔を設けて螺旋状に巻回されて、特に、屈曲部Ｍ２において密に巻回されて、配管Ｍの他端部Ｌ２において歪測定用光ファイバケーブル１ａと端部同士を融着した接続部５１によって一体的に設けられた。また、温度補償用光ファイバケーブル３は、長手方向両端部を除き、配管Ｍの一端部Ｌ１から他端部Ｌ２に向けてケーブル１ｂと一定の間隔を設けて螺旋状に巻回されて、配管Ｍの一端部において歪測定用光ファイバケーブル１ｂと端部同士を融着した接続部５２によって一体的に設けられて、かつ端部３０が制御装置４に接続された。これにより、配管Ｍに歪測定用光ファイバケーブル１ａ、１ｂおよび温度補償用光ファイバケーブル３は、いずれも螺旋ピッチが配管Ｍの直径と等しくなるように巻回されるとともに、接続部５１，５２によって一体化されて、一本となるように構成された。
【００５５】
次いで、実験の前準備として、歪測定用光ファイバケーブル１ａ、１ｂ等の施設直後に、同ケーブル１ａ、１ｂによる歪検出用センサによって、減肉等の歪や温度変化もない配管Ｍの温度・歪値を測定した。その結果、ケーブル１ａによる歪検出用センサの方がより配管Ｍの各位置における温度・歪値が一定で、歪や温度変化がない配管Ｍの形状を正確に表していることが判ったため、以下、ケーブル１ａによる歪検出用センサを用いて、実験を行った。
【００５６】
まず、配管Ｍの屈曲部Ｍ２における歪測定用光ファイバケーブル１ａ近傍の６箇所に熱電対Ｓ１〜Ｓ６を、温度補償用光ファイバケーブル３近傍の５箇所に熱電対Ｔ１〜Ｔ５をそれぞれ設置し、基準用電極を直線部Ｍ１の歪測定用光ファイバケーブル１ａと１ｂとの間に位置するＫ点に設置し、図示されない帯状のラバーヒータ（河合電器製作所製）を屈曲部Ｍ２が覆われるように巻回した。このラバーヒータは、電源を切った状態、５０℃、１００℃、１５０℃の３段階の加熱状態の切替が可能である。
【００５７】
次に、このラバーヒータを５０℃、１００℃、１５０℃に設定した場合の温度測定用光ファイバケーブル３近傍の熱電対Ｔ１〜Ｔ５の値を表１に示すとともに、温度測定用光ファイバケーブル３による温度補償用センサの計測温度を上記熱電対Ｔ１〜Ｔ５の値とともに図５に示した。
その際、このラバーヒータは、熱容量が配管Ｍに比較して小さいため、光ファイバケーブル１ａ、３による熱歪の計測中にも温度変化があることから、同計測開始前後に温度測定を行って、表１に示した。また、計測開始前後の平均値を計測時の熱電対による計測温度として図５に示すとともに、各々ラバーヒータによる５０℃、１００℃、１５０℃に加熱状態での熱電対Ｔ１〜Ｔ５による計測温度をそれぞれＳｅｎｓｏｒ−５０、Ｓｅｎｓｏｒ−１００およびＳｅｎｓｏｒ−１５０として、温度測定用光ファイバケーブル３による温度補償用センサの計測温度をＦｉｂｅｒ−５０、Ｆｉｂｅｒ−１００およびＦｉｂｅｒ−１５０として各々図５に示した。
【００５８】
【表２】
2009287957.tif 000004
【００５９】
同様に、このラバーヒータを５０℃、１００℃、１５０℃に設定した場合の歪測定用光ファイバケーブル１ａ近傍の熱電対Ｓ１〜Ｓ６の値を表２および図６に示すとともに、歪測定用光ファイバケーブル１ａによる歪検出用センサによって計測した温度・歪値であるブリルアン周波数のシフト量ΔＶβを、歪ε＝０と仮定して、Ｃ12＝１．０６ＭＨｚ／℃で割って温度変化ΔＴを求めることによって計算した配管Ｍの疑似温度を図６に示した。この配管Ｍの疑似温度は、配管Ｍに歪がなく、ブリルアン散乱光の周波数のシフト量ΔＶβが全て温度変化に起因する場合のものである。
【００６０】
【表３】
2009287957.tif 000005
【００６１】
すると、図６から判るように、温度上昇するにつれて歪測定用光ファイバケーブル１ａで計測した疑似温度の分布と熱電対Ｓ１〜Ｓ６の温度分布とに誤差が生じており、この誤差こそが熱によって生じた歪成分であった。
【００６２】
次に、歪測定用光ファイバケーブル１ａによる歪測定用センサで計測した温度・歪値であるブリルアン周波数のシフト量ΔＶβを、温度変化ΔＴ＝０と仮定して、Ｃ11＝０．０４７８ＭＨｚ／μεで割って歪εを求めることによって算出した配管Ｍの疑似熱歪の分布グラフを図７に示した。この配管Ｍの疑似熱歪は、温度変化がなく、ブリルアン散乱光の周波数のシフト量ΔＶβが全て配管Ｍの歪に起因する場合のものである。
【００６３】
次いで、この図７の疑似熱歪に、Ｃ11＝０．０４７８ＭＨｚ／μεを乗算し、この乗算値から、図５の温度補償用センサによる計測温度をΔＴとしてΔＴ×（Ｃ12＝１．０６ＭＨｚ／℃）を差し引いた後に、再度、この値をＣ11で割ることにより、温度補正を実施した後の熱歪分布のグラフを図８に示した。
【００６４】
他方、配管Ｍの物性値、肉厚、直径、内部温度からラバーヒータを５０℃、１００℃、１５０℃に設定した場合の熱歪を、それぞれ材料力学的に求めて、Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ−５０、Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ−１００またはＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ−１５０として、図８の熱歪分布に重ねたグラフを図９に示した。
この図９のグラフによって、歪測定用光ファイバセンサで計測した熱歪分布から熱電対Ｔ１〜Ｔ５による図５（表１）の計測温度を差し引くことにより得られた図８の熱歪分布が高精度であり、歪測定用センサによる温度・歪値から温度補償用センサによって温度を差し引くことにより高精度の歪が得られることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施形態における歪検知用システムの概念説明図である。
【図２】歪検出用光ファイバケーブル１の模式説明図である。
【図３】温度補償用光ファイバケーブル３の模式説明図である。
【図４】実施例における歪検知用システムの概念説明図である。
【図５】温度補償用光ファイバケーブル３と熱電対とによる配管Ｍの計測温度を示すグラフである。
【図６】歪検出用光ファイバケーブル１と熱電対とによる配管Ｍの計測温度を示すグラフである。
【図７】温度補正前の熱歪分布のグラフである。
【図８】温度補正後の熱歪分布のグラフである。
【図９】温度補正後の熱歪分布とシミュレーションとを比較するグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
Ｍ  配管
１  歪検出用光ファイバケーブル
３  温度補償用光ファイバケーブル
【図１】
2009287957.tif 000006
【図２】
2009287957.tif 000007
【図３】
2009287957.tif 000008
【図４】
2009287957.tif 000009
【図５】
2009287957.tif 000010
【図６】
2009287957.tif 000011
【図７】
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【図８】
2009287957.tif 000013
【図９】
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