(57)【要約】【課題】測定装置本体の小型化を図った分布型光ファイバ温度センサを提供する。【解決手段】温度の測定箇所に沿って配設される測定用光ファイバ２と、その測定用光ファイバ２に光を入射すると共に後方散乱光を検出して、測定用光ファイバ２に沿った温度分布を測定する測定装置本体３と、測定用光ファイバ２に形成された基準温度ファイバ部１１と、その基準温度ファイバ部１１に設けられた基準温度ファイバ部１１の近傍の温度を検出する基準温度センサ１２とからなり、測定装置本体３で求めた基準温度ファイバ部１１の温度を基準温度センサ１２からの検出温度で補正して、測定用光ファイバ２全体の温度分布を補正する分布型光ファイバ温度センサであって、測定装置本体３より離れた位置の測定用光ファイバ２に、基準温度ファイバ部１１が配置されているものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度の測定箇所に沿って配設される測定用光ファイバと、その測定用光ファイバに光を入射すると共に後方散乱光を検出して、前記測定用光ファイバに沿った温度分布を測定する測定装置本体と、前記測定用光ファイバに形成された基準温度ファイバ部と、その基準温度ファイバ部に設けられた前記基準温度ファイバ部の近傍の温度を検出する基準温度センサとからなり、前記測定装置本体で求めた基準温度ファイバ部の温度を前記基準温度センサからの検出温度で補正して、前記測定用光ファイバ全体の温度分布を補正する分布型光ファイバ温度センサであって、
前記測定装置本体より離れた位置の前記測定用光ファイバに、前記基準温度ファイバ部が配置されていることを特徴とする分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項２】
前記基準温度ファイバ部が前記測定装置本体の近傍に配置されている請求項１記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項３】
前記基準温度ファイバ部が前記測定用光ファイバの長手方向の中心付近に設置されている請求項１記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項４】
前記基準温度ファイバ部の雰囲気温度を検出する基準温度センサに温度データ送信機が設けられ、その温度データ送信機からの温度データを受信して前記測定装置本体に入力する受信機が前記測定装置本体に設けられている請求項１〜３いずれかに記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項５】
前記温度データ送信機と前記基準温度センサは光電変換器で駆動され、その光電変換器が電力供給用ファイバを介して発電用の光を供給する前記測定装置本体に接続されている請求項４記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項６】
前記測定用光ファイバに、前記基準温度ファイバ部が複数形成されている請求項１〜５いずれかに記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ中で発生するラマン散乱光を検出して温度を測定する分布型光ファイバ温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いて、温度、歪み、圧力などの測定を行う光センサがあり、特に、光ファイバに発生するラマン散乱光を利用した分布型光ファイバ温度センサがある。
【０００３】
図５は、従来の分布型光ファイバ温度センサを示す回路図である。
【０００４】
図５に示すように、従来の分布型光ファイバ温度センサ５１は、温度測定箇所に沿って配設される測定用光ファイバ５２を、測定装置本体５３に接続して構成される。
【０００５】
測定装置本体５３の光源５４からパルス状の光信号を測定用光ファイバ５２に入射すると、測定用光ファイバ５２の各個所で微弱なラマン散乱光が発生する。ラマン散乱光は、入射光波長を中心として、その両側の波長帯に発生する。長波長側のラマン散乱光はストークス光であり、短波長側のラマン散乱光はアンチストークス光である。
【０００６】
測定用光ファイバ５２で発生したストークス光とアンチストークス光との強度比は、測定用光ファイバ５２の温度に依存する。したがって、被温度測定物の温度によって、測定用光ファイバ５２の温度が変化し、検知されるストークス光とアンチストークス光の強度比が変化する。この光強度比を求めることにより、被温度測定物の温度を測定することができる。
【０００７】
分布型光ファイバ温度センサ５１では、後方散乱したストークス光とアンチストークス光とを波長フィルターモジュール５５によって分波し、それぞれ独立して光検出器５６，５７で受光する。受光された光は光検出器５６，５７で電気信号に変換され、その電気信号が増幅器５８で増幅され、増幅された電気信号はＡＤ変換器５９でディジタル信号に変換されて信号処理回路６０に入力される。この入力された電気信号から信号処理制御回路６０により温度分布が求められる。
【０００８】
アンチストークス光の受信電力をＰａ、ストークス光の受信電力をＰｓとすると、測定温度はこれらの比Ｐａ／Ｐｓをもとに計算される。しかし、これら受信電力Ｐａ，Ｐｓは、光検出器５６，５７の増倍率の変化や、光源５４の波長変動によりストークス光およびアンチストークス光の波長が変動し、波長フィルターモジュール５５を通過した後の光量が変動することにより変化してしまう。よって、これらの比であるＰａ／Ｐｓも変化し、比Ｐａ／Ｐｓをもとに計算した温度分布も変化してしまう。
【０００９】
そこで、分布型光ファイバ温度センサ５１では、測定用光ファイバ５２に基準温度ファイバ部６１を形成すると共に、基準温度センサ６２を用意し、基準温度ファイバ部６１での比Ｐａ／Ｐｓと、基準温度センサ６２で検出した温度Ｔ0との相関をとっている。これにより、温度Ｔ0のときの比Ｐａ／Ｐｓが決まり、正しい温度を計算できる。
【００１０】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１２１４５２号公報
【特許文献２】特開平７−１２６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の分布型光ファイバ温度センサ５１では、基準温度ファイバ部６１は測定用光ファイバ５２の一部を巻き回して形成されるが、基準温度ファイバ部６１の長さはラマン後方散乱光による距離応答性（距離分解能）を考慮して、距離応答性以上の長さ、好ましくは距離応答性の５倍程度（３０〜５０ｍ程度）とする必要があり、基準温度ファイバ部６１が大型となってしまう。したがって、基準温度ファイバ部６１を収納する測定装置本体５３も大型となってしまう。
【００１３】
さらに、基準温度ファイバ部６１を収納するためのケースが必要となり、測定装置本体の内部構造が複雑となってしまう。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、前記課題を解決し、測定装置本体の小型化を図った分布型光ファイバ温度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、温度の測定箇所に沿って配設される測定用光ファイバと、その測定用光ファイバに光を入射すると共に後方散乱光を検出して、前記測定用光ファイバに沿った温度分布を測定する測定装置本体と、前記測定用光ファイバに形成された基準温度ファイバ部と、その基準温度ファイバ部に設けられた前記基準温度ファイバ部の近傍の温度を検出する基準温度センサとからなり、前記測定装置本体で求めた基準温度ファイバ部の温度を前記基準温度センサからの検出温度で補正して、前記測定用光ファイバ全体の温度分布を補正する分布型光ファイバ温度センサであって、前記測定装置本体より離れた位置の前記測定用光ファイバに、前記基準温度ファイバ部が配置されている分布型光ファイバ温度センサである。
【００１６】
また、本発明は、前記基準温度ファイバ部が前記測定装置本体の近傍に配置されている分布型光ファイバ温度センサである。
【００１７】
または、本発明は、前記基準温度ファイバ部が前記測定用光ファイバの長手方向の中心付近に設置されている分布型光ファイバ温度センサである。
【００１８】
さらに、本発明は、前記基準温度ファイバ部の雰囲気温度を検出する基準温度センサに温度データ送信機が設けられ、その温度データ送信機からの温度データを受信して前記測定装置本体に入力する受信機が前記測定装置本体に設けられている分布型光ファイバ温度センサである。
【００１９】
本発明は、前記温度データ送信機と前記基準温度センサは光電変換器で駆動され、その光電変換器が電力供給用ファイバを介して発電用の光を供給する前記測定装置本体に接続されている分布型光ファイバ温度センサである。
【００２０】
本発明は、前記測定用光ファイバに、前記基準温度ファイバ部が複数形成されている分布型光ファイバ温度センサである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、測定装置本体を小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２３】
本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサは、例えば、電力線の温度監視や、工場・ビルのガスダクトの温度管理、路面の凍結を調べるための道路の温度測定などに用いられるものである。
【００２４】
図１は、本発明の好適な第１の実施形態を示す分布型光ファイバ温度センサの概略図であり、図２はその回路図である。
【００２５】
図１および図２に示すように、第１の実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサ１は、温度の測定箇所に沿って配設される測定用光ファイバ２と、その測定用光ファイバ２に光を入射すると共に後方散乱光を検出して、測定用光ファイバ２に沿った温度分布を測定する測定装置本体３と、その測定装置本体３の近傍に配置された基準温度部４とを主に備える。
【００２６】
測定用光ファイバ２としては、コアにＧｅをドープした一般的な通信用のマルチモードファイバ、あるいはシングルモードファイバを用いるとよい。
【００２７】
測定装置本体３は、測定用光ファイバ２に光を入射する光源５と、測定用光ファイバ２で発生した後方散乱光からラマン散乱光を分波する波長フィルターモジュール６と、その波長フィルターモジュール６で分波されたラマン散乱光を検出して電気信号に変換し、受光信号を出力する光検出器７と、その光検出器７からの受光信号を処理する信号処理制御回路８とを主に備える。
【００２８】
光源５は、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）からなる。光源５は光源５を駆動するＬＤドライバ５ａに接続され、ＬＤドライバ９はＬＤドライバ９を制御する信号処理制御回路８に接続される。
【００２９】
光検出器７は、ラマン散乱光のうちストークス光（ＳＴ光）を検出するストークス光受光用光検出器７ａと、アンチストークス光（ＡＳ光）を検出するアンチストークス光受光用光検出器７ｂとからなる。ストークス光受光用光検出器７ａおよびアンチストークス光受光用光検出器７ｂは、例えば、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）からなる。
【００３０】
光源５、ストークス光受光用光検出器７ａ、およびアンチストークス光受光用光検出器７ｂは、波長フィルターモジュール６を介して測定用光ファイバ２に接続される。
【００３１】
波長フィルターモジュール６は、測定用光ファイバ２で発生した後方散乱光のラマン散乱光のうちストークス光を透過させる長波長側バンドパスフィルタと、アンチストークス光を透過させる短波長側バンドパスフィルタとを備える。
【００３２】
波長フィルターモジュール６は、光源５からの光を測定用光ファイバ２に出力すると共に、測定用光ファイバ２からの後方散乱光のうち、長波長側バンドパスフィルタを通過したストークス光をストークス光受光用光検出器７ａに出力し、短波長側バンドパスフィルタを通過したアンチストークス光をアンチストークス光受光用光検出器７ｂに出力するように構成される。
【００３３】
長波長側バンドパスフィルタおよび短波長側バンドパスフィルタは、レイリー散乱光成分の混入を避けるため、光源５に用いる半導体レーザの波長帯域の光を通過しないようにされる。
【００３４】
ストークス光受光用光検出器７ａには、ストークス光受光用光検出器７ａから出力された受光信号を増幅する増幅器９ａが接続される。増幅器９ａには、増幅器９ａで増幅した受光信号をディジタル信号に変換するＡＤ（アナログ・ディジタル）変換器１０ａが接続される。
【００３５】
同様に、アンチストークス光受光用光検出器７ｂには、アンチストークス光受光用光検出器７ａから出力した受光信号を増幅する増幅器９ｂが接続される。増幅器９ｂには、増幅器９ｂで増幅した受光信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器１０ｂが接続される。
【００３６】
各ＡＤ変換器１０ａ，１０ｂは信号処理制御回路８に接続される。信号処理回路８は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）からなる信号処理制御部８ａと、その信号処理制御部８ａに接続された、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）からなる温度分布演算部８ｂとからなる。
【００３７】
信号処理制御部８ａは、ストークス光受光用光検出器７ａおよびアンチストークス光受光用光検出器７ｂからの各受光信号を複数回測定し、これを平均化する平均化回路（図示せず）と、ＬＤドライバ５ａを制御して光源５を駆動させる制御回路（図示せず）と、平均化回路と制御回路とを同期させる同期回路（図示せず）とを備える。
【００３８】
基準温度部４は、測定用光ファイバ２に形成された基準温度ファイバ部１１と、基準温度ファイバ部１１の近傍の温度を検出する基準温度センサ１２とからなり、移動可能に配置される。基準温度部４は、これら基準温度ファイバ部１１および基準温度センサ１２を容器、箱などの閉じた空間に収容したものである。
【００３９】
基準温度ファイバ部１１は、測定用光ファイバ２の一部をループ状に巻き回して形成される。基準温度センサ１２としては、白金抵抗体、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサを用いるとよい。基準温度センサ１２は、基準温度ファイバ部１１の近傍に設置される。
【００４０】
基準温度センサ１２と測定装置本体３の温度分布演算部８ｂとはケーブル１３で接続される。ケーブル１３は、基準温度センサ１２が動作するための電力を温度分布演算部８ｂ側から供給すると共に、基準温度センサ１２で検出した温度データを温度分布演算部８ｂに伝搬する。
【００４１】
次に、分布型光ファイバ温度センサ１の動作を説明する。
【００４２】
まず、ＬＤドライバ５ａにより光源５を駆動し、パルス状の光信号を出射する。光源５より出射された光信号は、波長フィルターモジュール６を通過し、測定用光ファイバ２を伝搬する。この光信号が測定用光ファイバ２を伝搬する際に、測定用光ファイバ２の各個所で後方散乱光が発生する。発生した後方散乱光は、光信号の進行方向と反対方向に測定用光ファイバ２を伝搬し、波長フィルターモジュール６に入射する。
【００４３】
波長フィルターモジュール６に入射した後方散乱光のうちラマン散乱光のストークス光は、長波長側バンドパスフィルタを通過し、ストークス光受光用光検出器７ａで検出され電気信号に変換される。ストークス光受光用光検出器７ａで出力した受光信号は、増幅器９ａで増幅され、ＡＤ変換器１０ａでディジタル信号に変換されて、信号処理制御回路８の信号処理制御部８ａに出力される。
【００４４】
同様に、波長フィルターモジュール６に入射した後方散乱光のうちラマン散乱光のアンチストークス光は、短波長側バンドパスフィルタを通過し、アンチストークス光受光用光検出器７ｂで検出され電気信号に変換される。アンチストークス光受光用光検出器７ｂで出力した受光信号は、増幅器９ｂで増幅され、ＡＤ変換器１０ｂでディジタル信号に変換されて、信号処理制御部８ａに出力される。
【００４５】
信号処理制御部８ａは、上記各受光信号を複数回測定した後にこれを平均化処理し、各受光信号の平均出力を温度分布演算部８ｂに出力する。また、信号処理制御部８ａは、光源５で光信号を出射してからラマン散乱光が戻ってくるまでの時間を測定し、その時間から各受光信号に対応する測定装置本体３からの距離を求め、各受光信号の平均出力と共に温度分布演算部８ｂに出力する。
【００４６】
各受光信号の平均出力と各受光信号に対応する距離のデータを受けた温度分布演算部８ｂは、信号処理制御部８ａからの各平均出力をもとに仮の温度分布を求める。すなわち、アンチストークス光の受光信号の平均出力をＰａ、ストークス光の受光信号の平均出力をＰｓとすると、その強度比Ｐａ／Ｐｓを求め、強度比Ｐａ／Ｐｓとそれに対応する距離のデータから仮の温度分布を求める。
【００４７】
さらに、温度分布演算部８ｂは、基準温度部４の基準温度ファイバ部１１からのラマン散乱光（ストークス光およびアンチストークス光）から基準温度ファイバ部１１の温度（強度比Ｐａ／Ｐｓ）を求め、この基準温度ファイバ部１１の温度と、基準温度センサ１２で検出した基準温度ファイバ部１１近傍の温度との相関をとる。この基準温度ファイバ部１１の温度と基準温度センサ１２で検出した温度とが一致するように上述した仮の温度分布を補正すると、測定用光ファイバ２に沿った温度分布が得られる。
【００４８】
第１の実施形態の作用を説明する。
【００４９】
第１の実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサ１では、測定装置本体３と基準温度部４とを別体に形成し、測定装置本体３より離れた位置の測定用光ファイバ２に基準温度部４を形成している。
【００５０】
これにより、従来測定装置本体３に収納されていた基準温度部４を測定装置本体３の外部に出すことができ、測定装置本体３を小型化できる。よって、測定装置本体３を設置したときの設置面積を小さくできる。
【００５１】
また、分布型光ファイバ温度センサ１では、基準温度部４が移動可能に配置されるため、基準温度部４を被測定物に接触させ、その温度を基準温度センサ１２および基準温度ファイバ部１１で検出することができ、基準温度部４を高精度のスポット温度センサとして用いることができる。
【００５２】
基準温度部４をスポット温度センサとして用いる際には、基準温度部４の温度が被測定物の温度と同じになる。このとき、基準温度センサ１２の温度と基準温度ファイバ部１１の温度とが等しくなるので、基準温度部４をスポット温度センサとして用いた場合でも、基準温度部４を温度分布演算部８ｂで補正を行う際の基準として用いることができる。
【００５３】
さらに、分布型光ファイバ温度センサ１では、基準温度部４を測定装置本体３の近傍に設置しているため、測定装置本体３の近傍の温度を求めることができ、測定装置本体３が使用温度範囲内の温度で使われているかどうかのチェッカーとして基準温度部４を用いることができる。
【００５４】
次に、第２の実施形態を説明する。
【００５５】
図３に示すように、第２の実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサ３１は、基本的に図１の分布型光ファイバ温度センサ１と同じ構成であり、測定装置本体３２と基準温度部３３とを備え、これら測定装置本体３２と基準温度部３３とを電力供給用ファイバ３４で接続したものである。
【００５６】
基準温度部３３は、測定用光ファイバ２の長手方向の中心付近に設置される。この基準温度部３３には、基準温度センサ１２で検出した温度データを送信する温度データ送信機３５と、その温度データ送信機３５と基準温度センサ１２とを駆動する光電変換器（光発電機）が設けられる。
【００５７】
測定装置本体３２には、基準温度部３３の温度データ送信機３５で送信した温度データを受信して測定装置本体３２に入力する受信機３６と、基準温度部３３の光電変換器に光を供給する発電用光源が設けられる。基準温度部３３の光電変換器と測定装置本体３２の発電用光源とは、電力供給用ファイバ３４で接続される。
【００５８】
分布型光ファイバ温度センサ３１では、基準温度センサ１２で検出した温度データを送信機３５から送信し、その送信機３５から送信した温度データを測定装置本体３２の受信機３６で受信し、受信機３６で受信した温度データを温度分布演算部８ｂに入力する。
【００５９】
基準温度部３３は、例えば、測定装置本体３２から数ｋｍ離れた位置に配置される場合も考えられるため、基準温度センサ１２と温度分布演算部８ｂとを単に電線で接続し、基準温度センサ１２で検出した温度データを電線を用いて送信した場合、電線の抵抗分で基準温度センサ１２から送信した温度データの信号が減衰し、測定装置本体３２側で温度データを受信できないことがある。
【００６０】
分布型光ファイバ温度センサ３１では、基準温度センサ１２で検出した温度データを送信機３５で送信し、その温度データを受信機３６で受信して温度分布演算部８ｂに入力しているため、基準温度センサ１２からの温度データの信号を減衰することなく確実に温度分布演算部８ｂに入力できる。
【００６１】
また、分布型光ファイバ温度センサ３１では、測定装置本体３２に設けた発電用光源からの光を電力供給用ファイバ３４を介して基準温度部３３の光電変換器に供給し、その供給した光を光電変換器で電力に変換し、その電力により基準温度センサ１２および送信機３５を駆動しており、光で電力を供給することができる。
【００６２】
さらに、分布型光ファイバ温度センサ３１では、基準温度部３３を測定用光ファイバ２の長手方向の中心付近に設置している。分布型光ファイバ温度センサ３１の測定誤差は基準温度部３３から離れるほど大きくなるため、基準温度部３３を測定用光ファイバ２の長手方向の中心付近に設置することで、測定用光ファイバ２の遠端と近端での測定誤差を小さくすることができる。
【００６３】
上記実施形態では、基準温度部を１つ配置したものを説明したが、これに限定されず、基準温度部を複数配置してもよい。基準温度部を複数配置する際は、図４に示すように、測定用光ファイバ２に直列に基準温度部４２を配置するとよい。このとき、各基準温度部４２の間隔は、任意の間隔でよい。
【００６４】
また、測定装置本体４３から遠方にある基準温度部４２からの信号（基準温度センサ１２で検出した温度データ）を受信する場合、配線が長く信号が減衰して、信号が受信できない場合があるので、その場合は、基準温度部４２に送信機を設けると共に測定装置本体４３に受信機を設け、基準温度センサ１２で検出した温度データを送信機で送信し、その温度データを受信機で受信して測定装置本体４３の温度分布演算部８ｂに入力するようにしてもよい。
【００６５】
基準温度部４２を複数配置することで、設置した基準温度部４２を中心に精度がよくなるので、測定用光ファイバ２全長にわたって精度よく温度分布を測定することができる。
【００６６】
また、上記実施形態では、基準温度センサ（および送信機）を動作させるための電力を測定装置本体側から供給したが、基準温度部付近に電源がある場合、そこから電力を供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す分布型光ファイバ温度センサの概略図である。
【図２】図１の分布型光ファイバ温度センサの回路図である。
【図３】第２の実施形態を示す分布型光ファイバ温度センサの概略図である。
【図４】本発明の一変形例を示す分布型光ファイバ温度センサの概略図である。
【図５】従来の分布型光ファイバ温度センサの回路図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  分布型光ファイバ温度センサ
２  測定用光ファイバ
３  測定装置本体
４  基準温度部
１１  基準温度ファイバ部
１２  基準温度センサ
【図１】
2009174987.tif 000003
【図２】
2009174987.tif 000004
【図３】
2009174987.tif 000005
【図４】
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【図５】
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