(57)【要約】【課題】広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを実現する。【解決手段】  部分的に細くなった括れ部と端部に反射手段を有するセンサ用光ファイバと、流体の差圧に応じた変位を発生する差圧／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部に曲げを与える手段を具備する差圧センサと、内部にオリフィスを有する管路と、当該管路に設けられた当該オリフィスを挟む各側の流体圧力を当該差圧センサに導くための流体導入管と、当該流体管に設けられたストップバルブと、差圧を零に調整するための連結管及び零点調整用バルブとを備えた構成とし、括れ部１２の曲げ損失変化を、反射光の光量変化として検出するようにした。【選択図】図１
2009063400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分的に細くなった括れ部（１２）と端部に反射手段（１４）を有するセンサ用光ファイバ（１１）と、流体の差圧に応じた変位を発生する差圧／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部（１２）に曲げを与える手段とを具備する差圧センサ（１）と、内部にオリフィス（２１）を有する管路（２２）と、当該管路（２２）に設けられた当該オリフィス（２１）を挟む各側の流体圧力を当該差圧センサ（１）に導くための流体導入管（２６）及びストップバルブ（２３）と、差圧を零に調整するための連結管（２４）及び零点調整用バルブ（２７）とを備えることを特徴とする光ファイバ流量センサ。
【請求項２】
当該差圧／変位変換手段が接続治具（１６）を介して対抗する向きに接続された２個のベローズ（１３）であり、当該センサ用光ファイバ（１１）の一点が差圧に応じて変位する当該接続治具（１６）に固定保持され、当該括れ部（１２）を挟むもう一点が非可動部分に固定保持されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ流量センサ。
【請求項３】
当該接続治具（１６）が直動機構を有しており、当該２個のベローズ（１３）及び当該センサ用光ファイバ（１１）の一点が当該直動機構の直動する可動部へ固定保持されていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ流量センサ。
【請求項４】
当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサと計測部（３）の間の光伝送を行う伝送用光ファイバ（２）と、当該光ファイバ流量センサに供給すべき測定光を発生する発光手段（４）と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた測定光を受光する受光手段（６）と、当該受光手段（６）の出力を流量に変換する演算処理手段（８）を備えたことを特徴とする流量検知システム。
【請求項５】
特定の波長の光を特定の当該光ファイバ流量センサに分波し、当該光ファイバ流量センサからの反射光を合波する合分波フィルタ（３４）と、当該合分波フィルタ（３４）を介して当該伝送用光ファイバ（２）に複数配置した当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段（３１）と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタ（３３）と、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段（６）と、複数の当該受光手段（６）の出力を流量に変換するための当該演算処理手段（８）とを具備したことを特徴とする多点流量検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを使って気体や液体の流量を検知する光ファイバ流量センサ及びそれを使った流量検知システムに関し、より具体的には、光ファイバの曲げ損失を利用した差圧式流量センサと流量検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンサは、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易なことから今後幅広い分野での利用が期待されており、光ファイバ流量センサもそれらの利点のため開発が望まれている。
【０００３】
光ファイバを利用した流量センサが特許文献１〜１０に記載されている。
【０００４】
特許文献１〜３には、光ファイバを用いて羽根車の回転数や回転方向を検知する羽根車式流量センサが開示されている。
【０００５】
特許文献４、５には、流体の流路に介装されるケーシング内に設けた可動部がケーシング内の空間部に充満する流体を送り出す回数を光ファイバで計数する容量式流量センサが開示されている。
【０００６】
特許文献６〜８には、光ファイバを利用してカルマン渦の渦放出振動数を計測するカルマン渦式流量センサが開示されている。
【０００７】
特許文献９、１０には、光ファイバを利用して干渉させたレーザー光の干渉縞の数からコリオリの力を検知するコリオリ式流量センサが開示されている。
されている。
【特許文献１】特許公開平10−267709号公報
【特許文献２】特許公開平05−142010号公報
【特許文献３】特許公開平07−055515号公報
【特許文献４】特許公開平05−005641号公報
【特許文献５】特許公開平05−005642号公報
【特許文献６】特許公開2002−365103号公報
【特許文献７】特許公開平08−278182号公報
【特許文献８】特許公開平07−019920号公報
【特許文献９】特許公開平10−048019号公報
【特許文献１０】特許公開平05−196488号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、歴史的に最も古く、液体、気体、蒸気、スラリーなど広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価などの理由で、現在でも最も多く使われている差圧式流量センサに関しては、光ファイバ式センサが開示されていない。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、液体、気体、蒸気、スラリーなど広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのため、本発明は、部分的に細くなった括れ部と端部に反射手段を有するセンサ用光ファイバと、流体の差圧に応じた変位を発生する差圧／変位変換手段と、当該変位に応じて当該括れ部に曲げを与える手段を具備する差圧センサと、内部にオリフィスを有する管路と、当該管路に設けられた当該オリフィスを挟む各側の流体圧力を当該差圧センサに導くための流体導入管及びストップバルブと、差圧を零に調整するための連結管及び零点調整用バルブとを備えることを特徴とする差圧式光ファイバ流量センサを提供する。
【００１１】
また、（２）当該差圧／変位変換手段が接続治具を介して対抗する向きに接続された２個のベローズであり、当該センサ用光ファイバの一点が差圧に応じて変位する当該接続治具に固定保持され、当該括れ部を挟むもう一点が非可動部分に固定保持されたことを特徴とする差圧式光ファイバ流量センサを提供する。
【００１２】
また、（３）当該接続治具が直動機構を有しており、当該２個のベローズ及び当該センサ用光ファイバの一点が当該直動機構の直動する可動部へ固定保持されていることを特徴とする差圧式光ファイバ流量センサを提供する。
【００１３】
また、（４）当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサと計測部の間の光伝送を行う伝送用光ファイバと、当該光ファイバ流量センサに供給すべき測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力を流量に変換する演算処理手段を備えたことを特徴とする流量検知システムを提供する。
【００１４】
更に、（５）特定の波長の光を特定の当該光ファイバ流量センサに分波し、当該光ファイバ流量センサからの反射光を合波する合分波フィルタと、当該合分波フィルタを介して当該伝送用光ファイバに複数配置した当該光ファイバ流量センサと、当該光ファイバ流量センサに供給すべき複数の波長の測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバ流量センサで光量変化を受けた複数の波長からなる測定光を各波長に分岐する波長分岐フィルタと、分岐された各波長の光を受光する複数の当該受光手段と、複数の当該受光手段の出力を流量に変換するための当該演算処理手段とを具備したことを特徴とする多点流量検知システムを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、液体、気体、蒸気、スラリーなど広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の一実施例である差圧式光ファイバ流量センサの基本概略構成（ａ）と拡大した差圧センサ（ｂ）を示す図である。以下、本実施例の動作を説明する。
【００１８】
測定すべき流体は、図１（ａ）において左側から管路２２へ流入し、右側に流出する。管路２２の内部には口径が絞られたオリフィス２１が設置されているため、流体の圧力はオリフィス２１を挟んで上流側で高く、下流側で低くなり、差圧が発生する。管路２２を流れる流体の流量と差圧の関係は２乗特性である。即ち、流量が２倍になれば差圧は４倍になるという関係である。従って、差圧を測定することにより流量を知ることができる。
【００１９】
管路２２には、流体を差圧センサ１に導くための一組の流体導入管２６とストップバルブ２３が設置されており、両ストップバルブ２３を開くことにより流体を差圧センサ１内のベローズ１３に導入し、差圧測定を行うことができる。測定時には、零点調整用バルブ２４は閉じておく。
【００２０】
連結管２７に設置されている零点調整用バルブ２４は、管路２２の流れを止めることなく差圧の零点設定を行うのに使用する。即ち、両ストップバルブ２３を閉じ、零点調整用バルブ２４を開けば対抗する２個のベローズ１３内の流体圧力が等しくなるため差圧の零点調整ができる。
【００２１】
差圧センサ１内には、接続治具１６を介して２個のベローズ１３が対抗する向きに接続され、他端が各々のベローズ保持具１７で固定保持されている。ベローズ１３の材質には、ステンレス、フッ素樹脂、ニッケルなどがあり、流体の化学的性質や流体の圧力などを考慮して適切な材質を選択する。また、流体の圧力や差圧に応じて適切なバネ定数のものを使用する。ベローズ１３内に流体が導入されると、オリフィス２１の上流側の流体圧力が下流側より高いため、接続治具１６は差圧に応じて下流側（右側）に移動する。
【００２２】
接続治具１６に、一部を細くした括れ部１２と端面に反射ミラーを備えたセンサ用光ファイバ１１の片端近傍をファイバ固定具１５で固定保持し、括れ部１２を挟み、括れ部１２がほぼ中央になる位置で、非可動部であるベローズ保持具１７にもう一点固定保持する。この固定場所は、非可動部であれば特にベローズ保持具１７に限定されるわけではなく、固定場所を別に設けることもできる。また、センサ用ファイバ１１は、差圧ゼロで括れ部１２がほぼ直線状になるように固定する。
【００２３】
差圧が発生して接続治具１６が下流側に移動すると、括れ部１２に曲げが発生するためセンサ用ファイバ１１を伝播する測定光の一部が漏洩する。従って、この曲げ損失光強度を測定することにより差圧を計測できる。
【００２４】
センサ用光ファイバ１１は、線形性のよい応答を得るためにシングルモードファイバが望ましく、また、伝送距離、コスト面から１．５μｍ帯、１．３μｍ帯など光通信波長帯のファイバが適している。
【００２５】
括れ部１２は、光ファイバ１１に、微小な力で、再現性よく、大きな曲率の曲げを与える役割をし、括れ部１２の中央の径が細いほど、僅かな変位で大きな曲率変化が得られるため高感度となる。以下、括れ部１２の中央の径を括れ径と称す。しかし、括れ径が細すぎると光出力が非線形となりやすいため細すぎる括れ径は望ましくない。例えば、クラッド径が１２５μｍ、ＭＦＤ（モードフィールド径）が１０μｍ（波長：１．５５μｍ）程度である通常のシングルモードファイバの場合、括れ径は５０〜９０μｍの範囲であることが望ましい。括れ径が９０μｍ以上の場合は、曲げによる光の漏洩が少なく、５０μｍ以下の場合は、曲げがない場合でも光の漏洩が大きく、また、光出力が非線形で不安定になりやすい。また、感度はセンサ用光ファイバ１１の固定間隔にも依存し、固定間隔が狭くなるほど高感度となる。
【００２６】
図２は、くびれ径１２及び固定間隔を変えたときのセンサ用光ファイバ１１の特性例を示す。（ａ）に示す感度の高いセンサ用光ファイバ１１は僅か４０μｍの変位で１０ｄＢ、（ｂ）に示す感度の低いセンサ用光ファイバ１１では３ｍｍ程度の変位でほぼ１０ｄＢの曲げ損失を生じる。即ち、センサ用光ファイバ１１の変位幅はＭｉｎ．４０μｍ〜Ｍａｘ．３ｍｍの範囲内で調節でき、何れの変位幅でも１０ｄＢ程度の曲げ損失を得ることができる。従って、ベローズ１３の伸縮量に合わせた変位幅のセンサ用光ファイバ１１を適用することにより、測定のダイナミックレンジを１０ｄＢ程度とることができる。
【００２７】
図３は本実施例の構成の差圧センサ１に測定光を入射し、差圧と反射光強度の関係を測定した例である。使用したセンサ用光ファイバ１１は、ＭＦＤ９．５μｍ、カットオフ波長１２８０nmのシングルモード光ファイバで、括れ径は８０μｍである。ベローズ１３は、最大外径２５ｍｍ、有効長２５ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ製で、１０ＫＰａの差圧で約１ｍｍ伸びる。測定光は波長１．５５μｍの半導体レーザ光で、受光には光パワーメータを使用した。１０ＫＰａの差圧変化に対して７．４ｄＢの光量変化が得られ、応答は非常によい線形性を示した。反射光を受光した光パワーメータの測定分解能は０．００１ｄＢであるので、差圧に換算すると約１．４Ｐａの高い分解能の測定ができる可能性のあることが分かる。
【００２８】
以上、説明したように、対抗する向きに接続した２個のベローズ１３と、当該接続部に片端近傍が固定され、括れ部１２を挟むもう一点が非可動部分に固定された反射ミラー１４を有するセンサ用光ファイバ１１とを具備する差圧センサ１と、内部にオリフィス２１を有する管路２２と、当該管路２２に設けられた当該オリフィス２１を挟む各側の流体圧力を当該差圧センサ１に導くための流体導入管２６及びストップバルブ２３と、差圧を零に調整するための連結管２４及び零点調整用バルブ２７とで構成することにより、広い適用範囲があり、構造がシンプルで故障しにくく安価という差圧式流量センサの特徴と、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易という光ファイバセンサの特徴を併せ持つ差圧式光ファイバ流量センサ及び流量検知システムを実現できる。
【実施例２】
【００２９】
本実施例の光ファイバ流量検知システムの動作を図４を用いて説明する。  
【００３０】
図中、２は流量センサ２０への光の伝送および反射してくる信号光を計測部３に導くための伝送用光ファイバである。計測部３の主要構成部品は、発光素子４、光カプラ５、受光素子６、光アイソレータ７、演算処理回路８である。発光素子４は、光ファイバに入射可能な光源であり、より遠隔まで信号を伝送するためには、波長帯が１．５μｍ帯、１．３μｍ帯など通信波長帯であることが望ましく、例えば、通信波長帯の半導体レーザを利用できる。
【００３１】
これら計測部３の主要構成部品は何れも市販品を安価に購入できるため、安価な流量検知システムを構成できる。
【００３２】
発光素子４から出射した測定光は、光アイソレータ７、光カプラ５を通過して光伝送用ファイバ２に送られ、流量センサ２０に入射される。括れ部１２の曲げにより一部の光を漏洩した後、測定光は反射ミラー１４で反射され、再度括れ部１２で光を漏洩した後、伝送用光ファイバ２を経て光カプラ５に達し、受光素子６で受光される。発光素子４側に戻る一部の光は光アイソレータ７でブロックされる。流量と反射光強度の関係式を予め演算処理回路８に入力しておき、受光素子６の出力に適用すれば流量を検知することができる。
【実施例３】
【００３３】
図５は、本発明の第三実施例である多点流量検知システムの概略構成を示す。以下、システムの動作を図５を用いて説明する。光源３１は、ＡＳＥ光源、チューナブルレーザなどのように複数の波長を発光する光源で、光源３１から発光された光は、光アイソレータ７、２個の光カプラ５を経て伝送用光ファイバ２に入射される。光アイソレータ７を出た光の一部は、光カプラ５で分岐され光源３１の光強度変化をモニターするパワーモニタ用受光素子３２に入射され、光源３１の変動を補正するデータとして使われる。
【００３４】
本実施例のシステムでは、各流量センサ２０−（1〜n）を異なる波長の光で測定することにより各センサの識別を行う。測定光が合分波フィルタ３４−１に到達すると、波長λ１の光のみ流量センサ２０−１側に分岐され、残りの波長の光は伝送用光ファイバ２を先に進む。合分波フィルタ３４−２ではλ２、合分波フィルタ３４−３ではλ３というように各流量センサ２０−（1〜n）に割り当てられた波長が分岐されていく。各流量センサ２０−（1〜n）で反射された各波長の光は、再度合分波フィルタ３４-（１〜ｎ）を経て伝送用光ファイバ２に入射され、光カプラ５を経て波長分岐フィルタ３３に達する。波長分岐フィルタ３３で光は各波長に分岐され、各々割り当てられた受光素子６に入射される。
【００３５】
演算処理回路８に流量と反射光強度の関係式を予め入力しておき、各受光素子６の出力を演算処理すれば、各流量センサ２０−（１〜ｎ）の流量を検知できる。
【００３６】
各流量センサ２０−（１〜ｎ）の識別に異なる波長の光λ１〜λｎを用い、各波長に割り当てた複数の受光素子ＰＤ１〜ＰＤｎで並列に受光することにより、計測時間が短くなり、リアルタイム測定ができる。
【００３７】
また、伝送用光ファイバ２、光カプラ５、光アイソレータ７、合分波フィルタ３４、波長分岐フィルタ３３、受光素子６など、上記各種の構成部品には光通信用に開発された安価で信頼性の高い市販品を利用できるため、安価で信頼性の高いシステムを構成できる。
【００３８】
特定の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更を加えることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修正も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施例の概略構成図（ａ）と差圧センサの拡大図である。
【図２】センサ用光ファイバの特性例を示す図である。
【図３】差圧センサの反射光強度と差圧の関係を測定した例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１：差圧センサ
２：伝送用光ファイバ
３：計測部
４：発光素子
５：光カプラ
６：受光素子
７：光アイソレータ
８：演算処理回路
１１センサ用光ファイバ
１２：括れ部
１３：ベローズ
１４：反射ミラー
１５：ファイバ固定部
１６：接続治具
１７：ベローズ保持具
２０−（１〜３）：流量センサ
２１：オリフィス
２２：管路
２３：ストップバルブ
２４：零点調整用バルブ
２６：流体導入管
２７：連結管
３１：光源
３２：パワーモニタ用受光素子
３３：波長分岐フィルタ
３４−（１〜３）：合分波フィルタ
【図１】
2009063400.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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