(57)【要約】【課題】製造及び配管等への施工が容易であり、高温環境下で配管の変形、減肉等に起因する歪を分布的に安定して検知することが可能な光ファイバセンサケーブルの提供。【解決手段】長尺のセンサ基材と、該センサ基材の一方の面上に長手方向に沿って固定された少なくとも１本の歪検知用ファイバと、センサ基材の前記一方の面と反対側の面に長手方向に沿って配置された絶縁用フィルムとを有することを特徴とする光ファイバセンサケーブル。【選択図】図３
2009002676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺のセンサ基材と、該センサ基材の一方の面上に長手方向に沿って固定された少なくとも１本の歪検知用ファイバと、センサ基材の前記一方の面と反対側の面に長手方向に沿って配置された絶縁用フィルムとを有することを特徴とする光ファイバセンサケーブル。
【請求項２】
前記絶縁用フィルム幅が、前記センサ基材の幅と同じかそれ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサケーブル。
【請求項３】
長尺のセンサ基材と、少なくとも１本の歪検知用ファイバと、絶縁用フィルムとを順に揃え、予め必要となるテンションをかけながら硬化性樹脂液塗布部に送り、該硬化性樹脂液塗布部で硬化性樹脂液を塗布し、該樹脂液を硬化させて請求項１又は２に記載の光ファイバセンサケーブルを１工程で得ることを特徴とする光ファイバセンサケーブルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所・プラント等に設置された配管の減肉によって発生する局部膨張や変形に起因する歪変化を、高分解能ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）を用いてブリルアン散乱光の周波数シフト量から計測し、配管破裂による漏洩事故を未然に防ぐために適用する光ファイバセンサケーブルに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関連すると思われる従来技術として、特許文献１〜７及び非特許文献１が挙げられる。
特許文献１には、光ファイバ温度センサに金属テープが使用された構造が開示されている。この金属テープは、被測温体の形状に沿ってセンサを布設可能にすると共に、ファイバの保護の役割を果たす。また、被測温体との接着層には合成ゴムを使用している。
【０００３】
特許文献２には、ステンレス金属基板上にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を、常温硬化型の２液混合エポキシ接着剤で固定した構造の歪センサが開示されている。
【０００４】
特許文献３には、ファイバグレーティング部を基板上に固定する際、接着剤よりも迅速且つ強固に接着する必要があるため、半田を使用した光ファイバセンサが開示されている。また、その半田の熱からグレーティング部を保護するため、ポリイミド被覆を施すことが開示されている。
【０００５】
特許文献４には、構造物に生じた歪を確実に光ファイバに伝達するため、弾性率の大きい金属や金属メッキ、ポリイミドを光ファイバに被覆した構造物のひずみ量測定装置が開示されている。この装置では、ゲージベースに耐食性の良いアルミニウムやステンレスを使用している。
【０００６】
特許文献５には、ファイバグレーティング部を低熱膨張材と高熱膨張材からなるべース材に固定し、且つそれぞれの熱膨張材の長さを調節することで、構造物の温度係数と等しい温度係数を持たせることを可能としたセンサの構造が開示されている。
【０００７】
特許文献６には、キャリア（ゲージベース）を金属、あるいは、ガルバニック腐食防止のため、キャリア（ゲージベース）をポリイミドにて構成したセンサが開示されている。
【０００８】
特許文献７には、ファイバグレーティング部を低熱膨張剤と高熱膨張剤からなるべース材に固定し、且つそれぞれの熱膨張材の長さを調節することで構造物の温度係数と等しい温度係数を持たせることを可能とした構造が開示されている。
【０００９】
非特許文献１には、接着剤にポリイミドを使用した耐熱性歪ゲージが開示されている。
【特許文献１】特許第２５４５１２７号公報
【特許文献２】特開平１１−１７３８２０号公報
【特許文献３】特開２００１−２２１６１５号公報
【特許文献４】特開２００３−２５４７２３号公報
【特許文献５】特開２００３−１４４９１号公報
【特許文献６】米国特許第６６６８１０５号明細書
【特許文献７】米国特許第６０４４１８９号明細書
【非特許文献１】http://www.kyowa-ei.co.jp
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述した従来技術には、次のような問題がある。
特許文献１に開示されたセンサは、接着層に用いる合成ゴム系の耐熱温度がせいぜい１３０℃であるため、これよりも高温環境下へ適用する場合、測定対象物との接着信頼性は保証できない。また、接着層のゴムは軟質であり、布設面の凹凸に過敏であるため、ファイバのベンドロス増を引き起こすという問題がある。
【００１１】
特許文献２において接着剤として使用している常温硬化型の２液混合エポキシ樹脂は、配合、温度によって約０．５〜４８ｈｒ程度の硬化時間を要する。完全硬化には、一般的に４〜６日の硬化時間を要するのが一般的である。また、粘度が高いため、均一に塗布することが難しく、ファイバに曲がりを加えることなく基板上に固定することは非常に困難である。ファイバに曲がりが加わったまま固定した場合、歪計測器のダイナミックレンジを超えるほどのロス増が発生する可能性があり、歪計測が不可になる可能性が高いという問題がある。また、常温硬化型の２液混合エポキシ接着剤の耐熱温度は２００℃程度であり、発電所など、環境温度が２００〜３００℃超に達する箇所には適用できないという問題もある。
【００１２】
特許文献３に開示された光ファイバセンサは、ファイバグレーティング部のみをポリイミドでコーティングする構造であるため、ファイバ全長に渡って耐熱性を保証することは出来ない。ブリルアン散乱を利用した分布型光ファイバセンサでは、長手方向で歪を検知する必要があり、布設したセンサ全長が高温環境に曝される。しかし、特許文献３の従来技術では、全長に渡って目的とする耐熱性を保証することは出来ない。また、選定した部分のみをコーティングする場合、その都度ラインを止める必要があり、長手方向に渡って一括コーティングを施す場合よりも製造コストがかかる。
【００１３】
特許文献４の従来技術では、構造物に生じた歪を確実に光ファイバに伝達させることを主目的とし、弾性率が高いという理由からポリイミドを光ファイバに被覆している。これは、耐熱性を考慮しているわけではない。また、ゲージベース材に耐食性の良いアルミニウムやステンレスを使用しているが、ゲージベース材と構造物が異種金属となる場合、ガルバニック腐食によりセンサ基材、構造物のどちらか電気的に卑となる方に錆が発生し、構造物からセンサが剥離することで歪検知感度が低下する可能性が生じる。
【００１４】
特許文献５の従来技術では、構造物と接触する低熱膨張体と構造物が異種金属となる場合、ガルバニック腐食によりベース材、構造物のどちらか電気的に卑となる方に錆が発生し、構造物からセンサが剥離することで歪検知感度が低下する可能性が生じる。
【００１５】
特許文献６の従来技術では、キャリアをポリイミドで構成できる旨が記載されているが、ポリイミドは金属と比較して柔らかく、構造物表面の凹凸の影響を受けやすい。凹凸の影響を受けた場合、ベース上に固定されているファイバに曲がりが加わり、損失増加を招く可能性が高い。
【００１６】
特許文献７では、構造物と接触する低熱膨張材と構造物が異種金属となる場合、ガルバニック腐食によりベース材、構造物のどちらか電気的に卑となる方に錆が発生し、構造物からセンサが剥離することで歪検知感度が低下する可能性が生じる。
【００１７】
非特許文献１に開示されている歪ゲージを用いた測定は、測定ポイント１点につき１個の歪ゲージが必要となる。構造物に加わる歪を全体的に測定するためには、膨大な数の歪ゲージが必要となる。そのため、実質的に設備全体の測定は難しい。
【００１８】
また、図１に一例を示す従来の耐熱光ファイバセンサケーブルにあっては、付設作業に多大の時間とコストを要するという問題がある。図１に示す従来の耐熱光ファイバセンサケーブルは、金属製テープからなるセンサ基材２上に、光ファイバを耐熱性樹脂被覆で被覆してなる耐熱光ファイバ心線１を、耐熱性接着剤３にて長手方向に沿って固定してケーブル化した構造になっている。
従来のセンサケーブルの布設概略を図２に示す。布設手順は以下の通りで、センサケーブルが布設されるまでに大まかに分けて６工程が必要となる。
（１）配管７への耐熱性接着剤６の塗布。
（２）絶縁用フィルム５の貼り付け。
（３）耐熱性接着剤６の加熱硬化。
（４）絶縁用フィルム５上への耐熱性接着剤４の塗布。
（５）センサの貼り付け。
（６）耐熱性接着剤４の加熱硬化。
【００１９】
さらに、後半のセンサの布設で失敗した場合、前工程のフィルム貼り付けからやり直す必要があるため、莫大な布設時間とコストを要することになる。
【００２０】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、製造及び配管等への施工が容易であり、高温環境下においても配管の変形、減肉等に起因する歪を分布的に安定して検知することが可能な光ファイバセンサケーブルの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記目的を達成するため、本発明は、長尺のセンサ基材と、該センサ基材の一方の面上に長手方向に沿って固定された少なくとも１本の歪検知用ファイバと、センサ基材の前記一方の面と反対側の面に長手方向に沿って配置された絶縁用フィルムとを有することを特徴とする光ファイバセンサケーブルを提供する。
【００２２】
本発明の光ファイバセンサケーブルにおいて、前記絶縁用フィルム幅が、前記センサ基材の幅と同じかそれ以上であることが好ましい。
【００２３】
また本発明は、長尺のセンサ基材と、少なくとも１本の歪検知用ファイバと、絶縁用フィルムとを順に揃え、予め必要となるテンションをかけながら硬化性樹脂液塗布部に送り、該硬化性樹脂液塗布部で硬化性樹脂液を塗布し、該樹脂液を硬化させて前記本発明に係る光ファイバセンサケーブルを１工程で得ることを特徴とする光ファイバセンサケーブルの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光ファイバセンサケーブルは、長尺のセンサ基材と、該センサ基材の一方の面上に長手方向に沿って固定された少なくとも１本の歪検知用ファイバと、センサ基材の前記一方の面と反対側の面に長手方向に沿って配置された絶縁用フィルムとを有する構成としたので、高温環境下においても配管の変形、減肉等に起因する歪を塗布的に安定して検知することが可能となる。
本発明の光ファイバセンサケーブルは、長手方向に渡って金属基板上にファイバを固定することで、構造物表面の凹凸あるいは膨張によってファイバに印加される側圧を低減し、ファイバロス増を抑制し、歪計測器に支障をきたすことがなくなった。絶縁用フィルムそのもの、例えばポリイミドフィルムを基材に用いた場合、金属に比べて柔らかく、配管表面の凹凸によって変形する恐れがある。その場合、基材上のファイバに曲がりが加わる、又は配管膨張による側圧の影響が非常に大きく、損失増加を招く可能性が高くなる。
また、ファイバを基材に固定する接着剤として熱硬化型の耐熱接着剤を適用することで、ライン状で完全に効果させることが可能となり、１ｍ長固定するのに３０秒程度で硬化を完了させることが可能である。
【００２５】
本発明の光ファイバセンサケーブルは、センサ基材に対し、光ファイバ設置面と反対側の面に絶縁用フィルムを長手方向に渡って貼り付けることで、測定対象物とセンサ基材の材質が異なる場合でも異種金属接触によるガルバニック腐食を防ぐことが可能となる。測定対象物への固定には布設環境に見合った接着剤を使用して固定するため、その接着剤のみでも絶縁効果は得られるが、長手方向に渡って最小塗布圧を保証することができない。したがって、部分的に基材と測定対象物が接触してしまう可能性があり、ガルバニック腐食を完全に防ぐことは困難である。一方、本発明で用いる絶縁用フィルムは、長手方向でほぼ均一の厚さを有しており、絶縁用フィルムを予めセンサ基材上に配置することで、長手方向に渡って絶縁最小厚を確保可能となる。フィルムの厚さも目的に合わせて数十μｍまで調整可能である。
【００２６】
本発明の光ファイバセンサケーブルは、製造ラインにて、絶縁用フィルムをセンサ化と同時にセンサ基材に貼り付けることが可能となるので、実布設時においてフィルム貼りとセンサ貼りに費やしていた接着剤硬化時間が半分となり、工程工数を半分にすることが可能となる。
また、本発明の製造方法によれば、配管への布設（巻き）ピッチ、配管径、環境温度範囲によってプリテンションを決定し、ケーブル製造時に予めテンションを加えてケーブルを製造することで、断線することを防ぎ、目的とする耐久性（耐用年数）を付加させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図３は、本発明の光ファイバセンサケーブルの一実施形態を示し、（ａ）は光ファイバセンサケーブル１０の要部斜視図、（ｂ）は横断面図である。図３中、符号１０は光ファイバセンサケーブル、１１は耐熱光ファイバ心線からなる歪検知用ファイバ、１２は金属製テープからなるセンサ基材、１３はポリイミドからなる耐熱性接着剤、１４はポリイミドフィルムからなる絶縁用フィルムである。
【００２８】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０は、長尺のセンサ基材１２と、該センサ基材１２の一方の面上に長手方向に沿って耐熱性接着剤１３により固定された歪検知用ファイバ心線１１と、センサ基材１２の前記一方の面と反対側の面に長手方向に沿って配置された絶縁用フィルム１４とから構成されている。
【００２９】
前記センサ基材１２としては、耐熱性に優れ、剛性の高い金属からなるテープ状基材、例えば、ステンレス鋼製のテープ状基材などが用いられる。
【００３０】
前記歪検知用ファイバ心線１１としては、石英ガラス製の光ファイバ裸線を、ポリイミドなどの耐熱性樹脂からなる１層以上の耐熱被覆で覆った構造の光ファイバ心線が好適である。この種の心線を用いることで、高温雰囲気中で長期にわたり測定対象物に付設し得る光ファイバセンサケーブル１０を得ることができる。この歪検知用ファイバ心線１１は、１本に限らず、複数本を用いても良い。複数本のファイバを用いる場合、複数本の単心ファイバ或いはテープ心線を用いることができる。
【００３１】
本実施形態では、耐熱性接着剤１３としては、ポリイミドを使用している。また、絶縁用フィルム１４にも、ポリイミドフィルムを使用している。本実施形態において、光ファイバセンサケーブル１０を適用しようとしている布設環境温度範囲は、常温〜３００℃を想定している。耐熱性接着剤１３及び絶縁用フィルム１４を構成しているポリイミドは、ガラス転移点が３１０℃であり、３００℃では重量減少もほとんど見られず、また絶縁性も非常に高いため、前記布設環境温度でも十分な耐性を有している。もちろん、布設環境温度範囲で使用可能な材料であるならば、ポリイミドに限る必要はない。固定用の接着剤１３に関しては、ポリイミド以外にも、熱硬化型の耐熱エポキシ、セラミック系等の耐熱接着剤が挙げられる。また、絶縁用フィルム１４に関しては、ポリエーテルスルホンやポリアリレート（長期耐熱温度１５０℃）ポリエーテルイミド（長期耐熱温度１７０℃）、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトンや全芳香族ポリエステル（長期耐熱温度２３０〜２４０℃）等が挙げられる。
【００３２】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０は、配管などの測定対象物上に付設する場合、以下のように、３工程となり、従来の半分の工程で簡単に布設が完了する。
（１）配管への耐熱性接着剤塗布。
（２）本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０の貼り付け。
（３）接着剤の加熱硬化。
【００３３】
また、布設に失敗した場合でも、図２に示す従来方式におけるフィルム貼り付けのような前工程がないため、余分な時間を要することなく付設が可能となる。
【００３４】
本実施形態の光ファイバセンサケーブル１０は、前記の通り、簡単な付設作業によって、配管など構造物の所望の部位に付設され、該構造物に異常が発生した際には、変形に起因する歪によるブリルアン散乱光の周波数シフト量を計測することにより、歪量を正確に検知することが可能である。また、高分解能ＢＯＴＤＡによる計測により、５ｃｍ間隔のサンプリングで１０ｃｍ距離分解能での計測が可能であり、且つ長手方向に渡って分布的な計測が実現できる。したがって、光ファイバセンサケーブル１０を布設することで設備全体の一括監視が可能となり、測定ポイントごとにセンサを布設する必要が無い。
【００３５】
図４は、本発明に係る光ファイバセンサケーブルの製造方法の一例を説明するための構成図である。
本例では、長尺のセンサ基材１２と、１本又は複数本の歪検知用ファイバ心線１１と、絶縁用フィルム１４とを順に揃え、予め必要となるテンションをかけながら樹脂液塗布部１５に送り、該樹脂液塗布部１５でポリイミド樹脂液を塗布し、次いで加熱炉１６を通過させて該樹脂液を硬化させ、前述した図３に示す光ファイバセンサケーブル１０を１工程で得ることを特徴としている。
【００３６】
この光ファイバセンサケーブル１０の製造方法によれば、配管への布設（巻き）ピッチ、配管径、環境温度範囲によってプリテンションを決定し、ケーブル製造時に予めテンションを加えてケーブルを製造することで、断線することを防ぎ、目的とする耐久性（耐用年数）を付加させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の光ファイバセンサケーブルの一例を示す要部斜視図である。
【図２】従来の光ファイバセンサケーブルの付設方法を説明するための要部組み立て斜視図である。
【図３】本発明の光ファイバセンサケーブルの一実施形態を示し、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は横断面図である。
【図４】本発明の光ファイバセンサケーブルの製造方法の一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…光ファイバセンサケーブル、１１…歪検知用ファイバ心線、１２…センサ基材、１３…耐熱性接着剤、１４…絶縁用フィルム、１５…樹脂液塗布部、１６…加熱炉、１７…引取ローラ、１８…巻取ローラ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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