JPH06174561A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、界面を境にして温度差のな
い流体層や流動層の界面位置を測定するのに適した光フ
ァイバセンサを提供することにある。 【構成】 本発明の光ファイバセンサ１０は、温度分布
を測定するための光ファイバ１２が管形状の金属製の管
状ヒータ１４により囲われており、管状ヒータ１４の両
端には電流を供給するための電源１６が接続されてい
る。電源１６からの電流により管状ヒータ１４が均一に
加熱され、光ファイバ１２は管状ヒータ１４に沿った温
度分布を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度分布を測定するため
の光ファイバを用いた光ファイバセンサ、特に、流体層
又は流動層の界面位置や流体中の速度分布等を連続的に
測定するのに適した光ファイバセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、気相や液相からなる流体層
や、粒子が流体中に分散した流動層の界面を測定するこ
とは、一般的に困難であった。例えば、河川において流
動化した砂による河底位置の測定を連続的に行う測定装
置はなかった。また、異なる２つの流体層の界面位置を
測定することは更に困難であった。例えば、液化天然ガ
ス等の気相と液相の界面位置の測定することは困難であ
った。

【０００３】一方、近年、光ファイバを温度センサとし
て用いて温度分布を測定する光ファイバ温度分布測定装
置が注目を浴びている。光ファイバ温度分布測定装置
は、光ファイバセンサ内へレーザパルス光などの励起光
を入射し、それにより生じるラマン散乱光（非弾性散乱
光）の温度依存性により光ファイバ自体の温度を測定す
るものである。多くの温度センサを用いる代わりに光フ
ァイバを設けて温度分布を測定する。流体層または流動
層の界面に温度差がある場合には、光ファイバ温度分布
測定装置により測定された温度分布から界面位置を決定
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
には、異なる２つの流体層に界面を境にして温度差が顕
著でない場合が多く、従来の光ファイバ温度分布測定装
置を用いても、このような界面位置を測定することはで
きなかった。本発明の目的は、界面を境にして温度差の
ない流体層や流動層の界面位置を測定するのに適した光
ファイバセンサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、温度分布を
測定するための光ファイバと、前記光ファイバを包む管
形状の管状ヒータと、加熱するために前記管状ヒータに
電流を供給する電源とを有する光ファイバセンサによっ
て達成される。なお、管状ヒータは断面が円形のものだ
けではなく、断面が楕円形や四角形や三角形等の他の形
状のものも含む。また、管状ヒータが完全に閉じている
必要はなく、光ファイバを包んでいれば部分的に開いて
いてもよい。さらに、管状ヒータの表面に凹凸形状のひ
だを形成してもよい。

【０００６】また、上記目的は、加熱又は冷却する棒形
状の棒状加熱冷却手段と、前記棒状加熱冷却手段の周囲
に巻回され、温度分布を測定するための光ファイバとを
有する光ファイバセンサによっても達成される。なお、
棒状加熱冷却手段は断面が円形のものだけではなく、断
面が楕円形や四角形や三角形等の他の形状のものも含
む。

【０００７】

【作用】本発明によれば、管状ヒータにより測定対象を
均一に加熱し、光ファイバにより管状ヒータの温度分布
を測定するようにしている。管状ヒータの温度は、管状
ヒータの加熱状態と測定対象の熱的状態に依存してい
る。この熱的状態は、流体層又は流動層の流速や熱伝導
度等に依存しており、流体層又は流動層の界面を境界と
して変化しているので、管状ヒータの温度分布を測定す
ることにより、流体層又は流動層の界面の位置を測定す
ることができる。また、流体層又は流動層の流速の差も
検出することができる。

【０００８】また、本発明によれば、棒状加熱冷却手段
により測定対象を均一に冷却又は加熱し、光ファイバに
より棒状加熱冷却手段の温度分布を測定するようにして
いる。このため、加熱できない測定対象や、引火物等の
電流を流すことができない測定対象等も測定することが
できる。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例による光ファイバセンサを
用いた光ファイバ温度分布測定装置を図１乃至図５を用
いて説明する。本実施例の光ファイバセンサ１０は、図
１に示すように、温度分布を測定するための光ファイバ
１２が管形状の金属製の管状ヒータ１４により囲われて
おり、管状ヒータ１４の両端には電流を供給するための
電源１６が接続されている。電源１６からの電流により
管状ヒータ１４が均一に加熱され、光ファイバ１２は管
状ヒータ１４に沿った温度分布を測定する。なお、管状
ヒータ１４は、電気液絶縁のために絶縁体で被覆されて
いる。

【００１０】このように本実施例の光ファイバセンサ１
０では、管状ヒータ１４が光ファイバ１２の保護管とヒ
ータの両方の機能を兼ねているため、極めて簡単な構造
で所期の目的が達成されるだけでなく、長手方向に均一
な発熱量が容易に得られる。また、管状ヒータ１４と光
ファイバ１２との熱的接触が理想的で、実質的に管状ヒ
ータ１４自体が温度センサを兼ねているとみなすことが
でき、測定精度が向上する等実用上極めて大きな利点を
有している。

【００１１】本実施例の光ファイバセンサを用いた光フ
ァイバ温度分布測定装置を図２に示す。この光ファイバ
温度分布測定装置２０は、光ファイバセンサ１０に対し
て励起光を入射し、光ファイバセンサ１０の各位置で散
乱する非弾性散乱光から各位置の温度を測定する。

【００１２】図２では、光ファイバセンサ１０を、塩化
ビニール製の絶縁性パイプ１８の周囲に巻回して、測定
長さ方向に対する測定分解能を向上させている。光ファ
イバセンサ１０の両端部が光ファイバ温度分布測定装置
２０の光ファイバコネクタ２２ａ、２２ｂに接続されて
いる。光ファイバ温度分布測定装置２０において、パル
ス状の励起光を発するレーザ光源２４には光方向性結合
器２６が接続されている。光方向性結合器２６には接続
する光ファイバを切換える光ファイバスイッチ２８が接
続されている。光ファイバスイッチ２８には光ファイバ
がコイル状に巻回された２つのリファレンスコイル３０
ａ、３０ｂが接続されている。リファレンスコイル３０
ａ、３０ｂは恒温層３２内に収納されて予め定めた一定
温度に維持され、光ファイバセンサ１０の位置測定の基
点とされる。リファレンスコイル３０ａ、３０ｂはそれ
ぞれ光ファイバコネクタ２２ａ、２２ｂを介して光ファ
イバセンサ１０の両端部に接続されている。

【００１３】光方向性結合器２６には光検出器３４が接
続されている。光ファイバセンサ１０の光ファイバ１２
で散乱したラマン散乱光が光方向性結合器２６により分
岐され、光検出器３４によりストークス光と反ストーク
ス光とが検出される。光検出器３４には増幅器３６が接
続され、光検出器３４の光検出信号を増幅する。増幅器
３６にはＡ／Ｄ変換器３８が接続され、増幅器３６によ
り増幅された光検出信号をＡ／Ｄ変換する。

【００１４】Ａ／Ｄ変換部３８によりＡ／Ｄ変換された
デジタルの光検出信号は演算部４０に入力される。演算
部４０は入力された光検出信号を平均化処理した後に、
非弾性散乱光の光強度と遅延時間に基づいて光ファイバ
センサ１０の各位置における温度分布を演算する。演算
部４０により演算された光ファイバセンサ１０の温度分
布は、光ファイバ温度分布測定装置２０の外部に設けら
れたパーソナルコンピュータ４２により表示される。

【００１５】図３に示す実験装置を用いて光ファイバ温
度分布測定装置の測定実験を行った。図３の実験装置で
は、底部に砂を詰めた容器を用意し、砂上に水道水を流
した。光ファイバセンサ１０を、外径が５０ｍｍφで全
長が３５０ｍｍのプラスチック管１８にコイル状に巻回
して測定用のプローブ５０を作成した。この測定用のプ
ローブ５０を砂中に立てて、プローブ５０の下部の約１
／３が砂中に埋まり、中央の約１／３が水中に浸漬し、
上部の約１／３が大気中に露出するようにした。

【００１６】光ファイバセンサ１０の管状ヒータ１４
は、外形は１．２ｍｍφ、内径は０．８ｍｍφで、ステ
ンレス鋼ＳＵＳ３０４により形成されている。光ファイ
バセンサ１０がプラスチック管１８に約３．５ｍｍのピ
ッチでコイル状に巻回されている。金属製の管状ヒータ
１４の両端に電源１６を接続し、電流を流さない場合
と、０．５Ａの電流を流した場合と、１．０Ａを電流を
流した場合について、大気中と水中と土中の各相の温度
を測定した。測定結果を次の表１に示す。

【００１７】

【表１】 表１の測定結果に示すように、管状ヒータ１４に電流を
流さない状態では、大気中は２３．４℃、水中は２４．
０℃、土中は２４．３℃であったが、０．５Ａの電流を
流して加熱すると、大気中では１．５℃上昇し、水中で
は０．４℃上昇し、土中では０．７℃上昇し、大気中、
土中、水中の順番で温度が上昇した。電流値を増加させ
て１．０Ａにすると、この傾向が更に顕著となり、大気
中では１０．１℃上昇し、土中では３．７℃上昇した
が、水中では０．８℃しか上昇しなかった。このような
温度上昇の相違から各相の界面位置を正確に測定でき
た。

【００１８】このような温度上昇の相違が生じるメカニ
ズムについて考察した結果、次のことが分かった。金属
からなる管状ヒータ１４に通電すると、ジュール熱が発
生する。ジュール熱の発生量は、管状ヒータ１４の全長
でほぼ均一なので、周囲への熱伝達条件により管状ヒー
タ１４の温度が決定される。大気中では主として空気の
対流現象により熱が奪われ、水中では主として水の対流
現象により熱が奪われる。一般に水は空気よりもはるか
に熱伝達係数が大きいため、管状ヒータ１４の温度は水
中ではほとんど上昇せず水温にほぼ等しくなるのに対し
て、空中では管状ヒータ１４の温度は大きく上昇する。
一方、土中では、金属ヒータ１４は水と砂粒子の混合物
に接触しているため、水の対流による熱の移動は非常に
小さく、主に熱伝導により熱が奪われる。このため、水
中よりも熱伝達係数は小となり、土中の管状ヒータ１４
の温度はより上昇する。

【００１９】本実施例の光ファイバセンサを用いた光フ
ァイバ温度分布測定装置の応用例を図４及び図５を用い
て説明する。本応用例では、河川の水位変動を測定する
と共に、川底の洗掘や、土手中への川水の浸漬を検出す
る。図４に示すように、光ファイバセンサ１０をプラス
チック管１８にコイル状に巻回した測定用のプローブ５
０を少なくとも２本用意し、一方のプローブ５０Ａを川
底の土中に埋めると共に、他方のプローブ５０Ｂを土手
中に深く埋め込む。

【００２０】プローブ５０Ａ、５０Ｂによる測定例を図
５に示す。光ファイバセンサ１０への通電中における、
大気中の温度（４０℃）と水中の温度（２０℃）の相違
からプローブ５０Ａにより河川の水位が測定できる。水
位が変動するとプローブ５０Ａにより直ちに検出でき
る。光ファイバセンサ１０への通電中における、水中の
温度（２０℃）と土中の温度（２５℃）の相違からプロ
ーブ５０Ａにより川底の位置が測定できる。川底が洗掘
されると川底近傍の温度低下により簡単に検出できる。

【００２１】土手中に川水が浸漬していない状態ではプ
ローブ５０Ｂにより土手中は温度が比較的高温（５０
℃）に維持されているが、土手中に川水が浸漬すると温
度が低下して土手中への川水の浸漬を簡単に検出でき
る。本実施例の光ファイバセンサを用いた光ファイバ温
度分布測定装置の応用例としては上述したもの他にも種
々の応用例が考えられる。

【００２２】すなわち、各種物質の気相、液相、固相の
界面の位置検出だけでなく、熱伝達係数に影響を与える
物理的性質や現象が変化する境界の位置検出や、それら
の分布を検出することもできる。例えば、密度や流速等
の変化により熱伝達係数が変動する物質内の密度や流速
の分布を測定することも可能となる。具体的には、本実
施例の光ファイバセンサを空中に張る。既存の熱線風速
計と同様に、風速により光ファイバセンサの管状ヒータ
の表面の熱伝達係数が変化する。この熱伝導係数の変化
による温度分布を光ファイバにより測定することによ
り、風速分布を測定することができる。光ファイバセン
サを空中に張るだけでよいので、広い範囲の風速分布が
容易に測定できる。例えば、高層ビルの周囲に発生する
ことが知られている異常な風の風速分布を容易に測定す
ることができる。

【００２３】なお、室内で空調装置により発生する流速
分布を測定しようとする場合のように、測定しようとす
る空間に既に温度分布が存在する場合、上述した方法で
は正確に流速の分布が求められなくなる。一般に吹き出
される冷気あるいは暖気の温度は、室温とは一致せず温
度分布が同時に存在しているからである。このような場
合には、光ファイバセンサを適当な間隔をあけて空中に
平行に２本張り、一方の光ファイバセンサに通電し、他
方の光ファイバセンサには通電しないようにする。通電
しない方の光ファイバセンサにより温度分布自体を測定
できるので、通電した方の光ファイバセンサによる温度
分布の差により風速分布を測定できる。このようにすれ
ば、温度分布と風速分布の両方を広い範囲にわたって同
時に測定することができる。

【００２４】また、測定対象の時間的変動が少ないと考
えられる場合には、光ファイバセンサを１本だけ空中に
張り、通電時と非通電時の温度分布をそれぞれ測定し
て、測定された温度分布を比較することにより温度分布
と風速分布の両方を広い範囲にわたって測定することが
できる。本発明の他の実施例による光ファイバセンサを
図６に示す。図６に示す光ファイバセンサはいずれも、
棒状加熱冷却手段の周囲に温度分布を測定するための光
ファイバを巻回したものである。

【００２５】図６（ａ）に示す光ファイバセンサ６０
は、加熱又は冷却する加熱冷却用流体が流れる棒状加熱
冷却部材６２の周囲に温度分布を測定するための光ファ
イバ６４が巻回されている。棒状加熱冷却部材６２は内
部が空洞の管形状をしており、加熱冷却用液体を一方の
端部から流入させ、他方の端部から流出させることによ
り、棒状加熱冷却部材６２が均一に加熱又は冷却され、
光ファイバ６４は棒状加熱冷却部材６２に沿った温度分
布を測定する。

【００２６】図６（ｂ）に示す光ファイバセンサ７０
は、加熱又は冷却する加熱冷却用流体が流れる棒状加熱
冷却部材７２の周囲に温度分布を測定するための光ファ
イバ７４が巻回されている。棒状加熱冷却部材７２は二
重管になっており、加熱冷却用液体を一方の端部に設け
られた流入口７２ａから流入させ、同じ端部に設けられ
た流出口７２ｂから流出させることにより、棒状加熱冷
却部材７２が均一に加熱又は冷却され、光ファイバ７４
は棒状加熱冷却部材７２に沿った温度分布を測定する。

【００２７】図６（ｃ）に示す光ファイバセンサ８０
は、電流を流すことにより加熱又は冷却される棒状加熱
冷却部材８２の周囲に温度分布を測定するための光ファ
イバ８４が巻回されている。電源８６から棒状加熱冷却
部材８２に電流を流すことにより、棒状加熱冷却部材８
２が均一に加熱又は冷却され、光ファイバ８４は棒状加
熱冷却部材８２に沿った温度分布を測定する。

【００２８】本実施例によれば、加熱だけでなく冷却す
ることもできるので前述した実施例では不可能な界面の
測定ができる。例えば、水と氷の界面を検出しようとす
る場合、加熱すると光ファイバセンサ周囲の氷が融解す
るため、水との界面の検出が困難となる。このような場
合、例えば、液体窒素のような低温流体を流すことによ
り冷却すれば、氷と水とで温度差が生じ、氷と水との界
面の検出が可能となる。

【００２９】また、図６（ａ）及び（ｂ）に示す光ファ
イバセンサの場合には、通電することなく加熱又は冷却
が可能であるので、可燃性雰囲気においても安全に測定
できる。例えば、液化天然ガスの液面監視をする場合、
引火の危険性があるので電流を流すことはできないが、
図６（ａ）及び（ｂ）に示す光ファイバセンサの場合に
は、加熱冷却用流体を流すだけでよいので安全に測定す
ることができる。

【００３０】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、管状ヒー
タにより測定対象を均一に加熱し、光ファイバにより管
状ヒータの温度分布を測定するようにしている。管状ヒ
ータの温度は、管状ヒータの加熱状態と測定対象の熱的
状態に依存している。この熱的状態は、流体層又は流動
層の流速や熱伝導度等に依存しており、流体層又は流動
層の界面を境界として変化しているので、管状ヒータの
温度分布を測定することにより、流体層又は流動層の界
面の位置を測定することができる。また、流体層又は流
動層の流速の差も検出することができる。

【００３１】また、本発明によれば、棒状加熱冷却手段
により測定対象を均一に冷却又は加熱し、光ファイバに
より棒状加熱冷却手段の温度分布を測定するようにして
いる。このため、加熱できない測定対象や、引火物等の
電流を流すことができない測定対象等も測定することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光ファイバセンサを示
す図である。

【図２】本発明の一実施例による光ファイバセンサを用
いた光ファイバ温度分布測定装置を示す図である。

【図３】図２の光ファイバ温度分布測定装置を用いた測
定実験を説明するための図である。

【図４】図２の光ファイバ温度分布測定装置を用いた応
用例の光ファイバセンサの配置を示す図である。

【図５】図２の光ファイバ温度分布測定装置を用いた応
用例の測定例を示す図である。

【図６】本発明の他の実施例による光ファイバセンサを
示す図である。

【符号の説明】

１０…光ファイバセンサ １２…光ファイバ １４…管状ヒータ １６…電源 １８…絶縁性パイプ ２０…光ファイバ温度分布測定装置 ２２ａ、２２ｂ…光ファイバコネクタ ２４…レーザ光源 ２６…光方向性結合器 ２８…光ファイバスイッチ ３０ａ、３０ｂ…リファレンスコイル ３２…恒温層 ３４…光検出器 ３６…増幅器 ３８…Ａ／Ｄ変換器 ４０…演算部 ４２…パーソナルコンピュータ ５０、５０Ａ、５０Ｂ…プローブ ６０…光ファイバセンサ ６２…棒状加熱冷却部材 ６４…光ファイバ ７０…光ファイバセンサ ７２、７２ａ、７２ｂ…棒状加熱冷却部材 ７４…光ファイバ ８０…光ファイバセンサ ８２…棒状加熱冷却部材 ８４…光ファイバ ８６…電源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度分布を測定するための光ファイバ
   と、 前記光ファイバを包む管形状の管状ヒータと、 加熱するために前記管状ヒータに電流を供給する電源と
   を有する光ファイバセンサ。
2. 【請求項２】 加熱又は冷却する棒形状の棒状加熱冷却
   手段と、 前記棒状加熱冷却手段の周囲に巻回され、温度分布を測
   定するための光ファイバとを有する光ファイバセンサ。