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WO2008035784A1 - Dispositif, procédé et système de mesure de la répartition de température dans une fibre optique - Google Patents

Dispositif, procédé et système de mesure de la répartition de température dans une fibre optique Download PDF

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WO2008035784A1
WO2008035784A1 PCT/JP2007/068454 JP2007068454W WO2008035784A1 WO 2008035784 A1 WO2008035784 A1 WO 2008035784A1 JP 2007068454 W JP2007068454 W JP 2007068454W WO 2008035784 A1 WO2008035784 A1 WO 2008035784A1
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WO
WIPO (PCT)
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light
optical fiber
measured
temperature distribution
intensity
Prior art date
Application number
PCT/JP2007/068454
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hidehiko Komeda
Tsuyoshi Igi
Yasushi Koyano
Fumiyoshi Ohkubo
Kazuaki Negishi
Original Assignee
J-Power Systems Corporation
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by J-Power Systems Corporation, Sumitomo Electric Industries, Ltd. filed Critical J-Power Systems Corporation
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Priority to GB0819188.4A priority patent/GB2453264B/en
Priority to US12/083,689 priority patent/US7874725B2/en
Priority to CA2626405A priority patent/CA2626405C/en
Priority to CN2007800146143A priority patent/CN101427117B/zh
Publication of WO2008035784A1 publication Critical patent/WO2008035784A1/ja

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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Definitions

  • Optical fiber temperature distribution measuring device optical fiber temperature distribution measuring method, and optical fiber temperature distribution measuring system
  • the present invention relates to an optical fiber temperature distribution measuring device, an optical fiber temperature distribution measuring method, and an optical fiber temperature distribution measuring system for optically remotely measuring the temperature distribution of an optical fiber.
  • Optical fiber temperature distribution measurement methods for optically measuring the optical fiber temperature distribution include optical distance measurement using OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) and temperature measurement by detecting Raman scattered light.
  • OTDR Optical Time Domain Reflectometry
  • a method combining the principle is known (for example, see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
  • FIG. 14A and FIG. 14B are explanatory views showing the principle of temperature distribution measurement of an optical fiber described in Patent Document 1
  • FIG. 14A is a measurement principle diagram of temperature distribution
  • FIG. It is a wavelength distribution map of backscattered light.
  • the temperature distribution is measured by changing the optical path of the backscattered light 6 that has passed through the optical fiber 2 to be measured and the incident pulsed light 4 generated at the scattering point 5 as output light 7 to a wavelength separator (not shown). This is performed using a configuration including a beam splitter 3 for output, a signal detection unit (not shown) for detecting a signal output from the wavelength separator, a signal processing unit (not shown), and the like.
  • Backscattered light 6 appears at the scattering point 5 which is about the same, and returns to the incident end side.
  • the distance from the incident end to a scattering point 5 is L
  • the time from the incident time of incident nose light 4 to the detection time of backscattered light 6 is t
  • the refractive index of optical fiber 2 to be measured is n
  • C is the speed of light in vacuum
  • the backscattered light 6 includes Rayleigh light 20, Stokes light 21, and anti-Stokes light 22, as shown in FIG. 14B.
  • the wavelength of Stokes light 21 is
  • the wavelength of 0 S light beam 22 is
  • the ratio between the received light intensity I of 21 and the received light intensity I of the anti-Stokes light 22 is the ratio between the received light intensity I of 21 and the received light intensity I of the anti-Stokes light 22.
  • T is the absolute temperature ( ⁇ )
  • A is a constant determined by the performance of the measurement system. Accordingly, the temperature of the scattering point is quantitatively determined.
  • the anti-Stokes light 22 alone is a function of the absolute temperature T of the scattering point 5 in the optical fiber 2 to be measured,
  • Stokes light and anti-Stokes light generated at a certain scattering point in the optical fiber away from the measuring device are attenuated by absorption and scattering by the optical fiber during propagation of the optical fiber.
  • the attenuation amount of Stokes light and anti-stray light during propagation through the optical fiber is corrected by regarding it as constant per unit distance.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3063063
  • Patent 1 J.P. Dakin, et al: Distributed upticai Fiore Raman Temperature Sensor using a Semiconductor Light Source and Detector “ELECTROMCS LETTERSJ 19 June 20, 85, Vol.21 No.13 p.569-570
  • FIG. 14A shows the measurement principle of an optical fiber according to the prior art.
  • a hydrogen atmosphere (measurement atmosphere 30 contains hydrogen) during actual temperature distribution measurement
  • Hydrogen molecules diffuse into the measurement optical fiber 2.
  • the backscattered light 6 generated at the scattering point 5 and returning to the apparatus side is absorbed by the diffused hydrogen molecules, and the received light intensity detected by the signal detection unit decreases.
  • the scattering point 5 itself is not in a hydrogen atmosphere
  • the optical fiber to be measured is in a hydrogen atmosphere at a certain portion between the scattering point 5 and the apparatus, the received light intensity is reduced.
  • the amount of decrease in received light intensity due to absorption of hydrogen molecules is wavelength-dependent. Therefore, the received light intensity of the stationary light and the anti-static light corresponding to the measurement temperature of the scattering point is There is a problem that accurate temperature information cannot be obtained because the value includes different optical transmission losses due to hydrogen molecules.
  • -Literature N. iJchida and N. Uesugi, 'Infrared Optical Loss Increase in silica Fibers due to Hydrogen ", J. Lightwave Technol., Vol LT_4, No.8, pp.1132-1138, Aug. 1986.
  • the optical transmission loss in the hydrogen atmosphere includes absorption loss (hydrogen molecule absorption) due to molecular vibration caused by hydrogen molecules diffused in the optical fiber, and hydrogen molecules and optical fiber.
  • Absorption loss hydrogen molecule absorption
  • Light transmission loss resulting from the chemical reaction with OH group such as OH group absorption loss due to OH group formation, etc.
  • the increase in optical transmission loss due to hydrogen molecules in the present invention is as follows. This means an increase in optical transmission loss due to absorption of hydrogen molecules.
  • FIGS. 15A and 15B show the distance in the presence of hydrogen molecules and the received light intensity detected by the measurement device
  • FIG. FIG. 15B is a characteristic diagram of anti-stable tuss light
  • Figure 16 shows hydrogen The relationship between the distance when a molecule is present and the temperature measurement calculated by the prior art is shown.
  • the relationship between the distance of the optical fiber to be measured and the received light intensity shown in Fig. 15A and Fig. 15B is that the hydrogen partial pressure is different from OMPa, 0.04MPa, 0.07MPa, and 0.09MPa.
  • the characteristics of the stoichiometric light and anti-stabilized light are shown respectively!
  • FIG. 15A Stokes light has a tendency that the received light intensity decreases due to attenuation as the length (distance) of the measured optical fiber increases, and the received light intensity decreases significantly as the hydrogen partial pressure increases. You can see that there is a direction.
  • FIG. 15B it can be seen that there is a similar tendency for anti-Stokes light.
  • the optical transmission loss increases due to the diffusion of hydrogen molecules in the optical fiber to be measured, and an error occurs between the temperature measurement value and the true value as shown in FIG. This error becomes more prominent as the measured optical fiber distance and hydrogen partial pressure are larger.
  • an object of the present invention is to provide an optical fiber temperature distribution measuring device, an optical fiber temperature distribution measuring method, and an optical fiber temperature that can accurately measure the temperature even when the optical fiber is in a hydrogen atmosphere. It is to provide a distribution measurement system.
  • a light source that inputs pulsed light into the optical fiber to be measured, and backscattered light that is generated in the optical fiber to be measured based on the incidence of the above-mentioned optical light.
  • a signal detector for detecting the received light intensity of the predetermined light included, and calculating a value corresponding to the amount of change in the received light intensity due to absorption of hydrogen molecules in the measured optical fiber based on the received light intensity of the predetermined light;
  • an optical fiber temperature distribution measuring device including a signal processing unit that corrects the received light intensity of the predetermined light according to the temperature of the optical fiber to be measured based on the value.
  • the signal detection unit may detect the received light intensity of the Stokes light and the anti-stort light included in the backscattered light as the predetermined light! /.
  • the signal detection unit may detect received light intensity of Stokes light, anti-Stokes light, and Rayleigh light included in the backscattered light as the predetermined light.
  • the signal processing unit is based on a value corresponding to the amount of change in the light intensity of the stoichiometric light! /, And the light intensity of the anti-stabilized light according to the temperature of the optical fiber to be measured. May be corrected. [0017]
  • the signal processing unit responds to the temperature of the optical fiber to be measured based on a value corresponding to the amount of change in received light intensity obtained based on the wavelength of the temperature measuring light output from the light source. You can correct the intensity of the predetermined light! /.
  • the signal processing unit is configured to perform the predetermined processing according to the temperature of the optical fiber to be measured based on a value corresponding to a change amount of received light intensity obtained based on a wavelength of 1240 nm light output from another light source. You can correct the received light intensity.
  • an optical fiber using the measured optical fiber made of a pure silica core optical fiber and the optical fiber temperature distribution measuring device according to the first feature of the present invention is provided.
  • pulsed light is incident on a measured optical fiber from a light source, and backscattered light is generated in the measured optical fiber based on the incidence of the Norse light.
  • the light receiving intensity of the predetermined light contained in the light is detected, and a value corresponding to the amount of change in the light receiving intensity due to the absorption of hydrogen molecules in the optical fiber to be measured is calculated based on the light receiving intensity of the predetermined light.
  • An optical fiber temperature distribution measuring method for correcting the received light intensity of the predetermined light according to the temperature of the optical fiber to be measured is provided.
  • the received light intensity of the anti-stust light according to the temperature of the optical fiber to be measured may be corrected.
  • the received light intensity of the Stokes light and the anti-stust light according to the temperature of the optical fiber to be measured may be corrected.
  • the received light intensity of the Stokes light and the anti-stust light according to the temperature of the optical fiber to be measured is corrected. Good.
  • a light source that makes a pulsed light incident on the optical fiber to be measured, and a light source that is based on the incidence of the Norse light!
  • a signal detection unit that detects light reception intensities of a plurality of predetermined lights including anti-stator light and reference light, and is included in the generated backscattered light, and the light reception intensity of the anti-stator light.
  • a signal processing unit that calculates a temperature distribution of the optical fiber to be measured, and the signal processing unit The amount of change in the received light intensity of the reference light due to absorption of hydrogen molecules in the optical fiber is calculated for each point, and the amount of change in the received light intensity of the reference light due to absorption of hydrogen molecules with respect to the light intensity of the anti-stabilized light.
  • a correction unit that performs a correction to add the amount of change in the received light intensity of the anti-storus light due to absorption of hydrogen molecules for each point, calculated based on the above, and the received light intensity of the corrected anti-Stokes light is used. Then, an optical fiber temperature distribution measuring device having a temperature distribution calculation unit for calculating the temperature distribution is provided.
  • the amount of change in the received light intensity of the anti-stabilized light due to the absorption of hydrogen molecules may be calculated by multiplying the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the absorption of hydrogen molecules by a predetermined coefficient. .
  • the predetermined coefficient is a coefficient that is a value obtained by dividing the amount of change in the received light intensity of the anti-stabilized light due to the hydrogen molecule absorption by the amount of change in the light intensity of the reference light due to the hydrogen molecule absorption. May further be included.
  • the predetermined coefficient is used to correct the received light intensity of the anti-stabilized light so as to be the measured temperature. You may have the coefficient calculating part calculated as a value to do.
  • a coefficient data capturing unit for inputting the predetermined coefficient from the outside may be further included.
  • the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference is determined, and the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference is added to the received light intensity of the reference light at each point of the measured optical fiber. You may further have the reference light correction
  • the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference may be determined.
  • the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference may be determined.
  • the measured optical fiber which is an optical fiber having a pure silica core
  • the optical fiber temperature distribution measuring device according to the fourth feature of the present invention are used.
  • An optical fiber temperature distribution measurement system is provided.
  • the backscattered light generated in the measured optical fiber by causing the light source power to enter the measured optical fiber and causing the light to be measured to enter the measured optical fiber.
  • the light receiving intensity of a plurality of predetermined lights including anti-stabilized light and reference light is detected, and the temperature distribution of the optical fiber to be measured is calculated using the light-receiving intensity of the anti-stabilized light.
  • the amount of change in the received light intensity of the anti-stor light due to the absorption of hydrogen molecules calculated based on the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the absorption of hydrogen molecules is corrected for each point, An optical fiber temperature distribution measuring method for calculating the temperature distribution using the corrected light intensity of the anti-stust light is provided.
  • the amount of change in the received light intensity of the anti-stabilized light due to the absorption of hydrogen molecules may be calculated by multiplying the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the absorption of hydrogen molecules by a predetermined coefficient. .
  • the predetermined coefficient may be a value obtained by dividing a change amount of the light intensity of the anti-stator light due to the hydrogen molecule absorption by a change amount of the light intensity of the reference light due to the hydrogen molecule absorption.
  • the predetermined coefficient is used to correct the received light intensity of the anti-stabilized light so as to be the measured temperature. It may be calculated as a value.
  • the predetermined coefficient may be input from the outside.
  • the first temperature distribution measurement is performed at a stage where hydrogen molecules are not diffused into the optical fiber to be measured and the influence of hydrogen molecule absorption is small.
  • the second temperature measurement the first temperature distribution is measured.
  • the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference is determined based on the measurement result, and the change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference to the received light intensity of the reference light at each point of the measured optical fiber. You can add the amount.
  • the optical fiber has different optical transmission loss depending on the wavelength. Furthermore, as shown in the figure, the optical transmission loss changes when the optical fiber is exposed to atmospheres with different hydrogen partial pressures (OMPa, 0.05 MPa, 0.09 MPa, 0.15 MPa, and 0.20 MPa). As shown in FIGS. 17A and 17B, the optical transmission loss tends to increase as the hydrogen partial pressure increases.
  • FIGS. 18A and 18B show the optical transmission of the optical fiber based on the optical transmission loss in the absence of hydrogen (ie, OMPa) to clarify the tendency shown in FIGS. 17A and 17B.
  • FIG. 19A and 19B show the ratio of increase in the amount of increase in optical transmission loss at other wavelengths of 850 nm, 1240 nm, 1300 nm, 1450 nm, 1650 nm, and 1690 nm with reference to 1550 nm, which is the optical transmission loss in the silica optical fiber Is illustrated. From these charts, it can be seen that the increase in optical transmission loss in optical fibers is proportional to the hydrogen partial pressure.
  • k does not depend on the type of In addition, k depends on the wavelength, but does not depend on the temperature or the amount of hydrogen.
  • the constant k is calculated based on the ratio between the amount of change in the received light intensity due to hydrogen molecules at other wavelengths i and the amount of change in the received light intensity due to hydrogen molecules at a certain wavelength j, using light of other wavelengths i as reference light. Then, by measuring the amount of change in received light intensity due to hydrogen molecules at other wavelengths i, the amount of change in light intensity due to hydrogen molecules at a certain wavelength j can be calculated.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the received light intensity I (X) of the static light and the anti-stoke according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a flowchart for obtaining the received light intensity I (X) of SO status light.
  • FIG. 3 is a flowchart for determining a k value according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a temperature measurement procedure in the optical fiber temperature distribution measurement system according to the first embodiment.
  • FIG. 5A is a characteristic diagram showing a temperature measurement result in a case where the correction of the light intensity of the anti-stabilized light is not performed in the temperature measurement based on the light intensity of the anti-static light.
  • FIG. 5B is a characteristic diagram showing the temperature measurement result when the light intensity of the anti-stabilized light is corrected in the temperature measurement based on the light intensity of the anti-static light.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows received light intensity I (X) of anti-Stokes light according to the second embodiment.
  • I a flowchart for determining the received light intensity I ( ⁇ ) and the Rayleigh light intensity I (X).
  • FIG. 8 is a flowchart for determining a 1-value and an m-value according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a temperature measurement procedure in the optical fiber temperature distribution measurement system according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the intensity I (x) of anti-stoke light received according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a flowchart for determining an n value and an o value according to the third embodiment.
  • FIG. 13 shows the temperature in the optical fiber temperature distribution measurement system according to the third embodiment. It is a flowchart which shows a measurement procedure.
  • FIG. 14A is a diagram showing the principle of temperature distribution measurement of a conventional optical fiber.
  • FIG. 14B is a wavelength distribution diagram of backscattered light of a conventional optical fiber.
  • FIG. 15A is a characteristic diagram showing the relationship between the distance of the stoichiometric light and the received light intensity when hydrogen molecules are present.
  • FIG. 15B is a characteristic diagram showing the relationship between the distance of the anti-stort light and the received light intensity when hydrogen molecules are present.
  • Fig. 16 is a diagram showing the relationship between the measured temperature and the distance due to the diffusion of hydrogen molecules in the optical fiber to be measured.
  • FIG. 17A is a characteristic diagram showing the amount of optical transmission loss with respect to the wavelength of the optical fiber to be measured.
  • FIG. 17B is a table showing the amount of optical transmission loss for each wavelength of the optical fiber under measurement.
  • FIG. 18A is a characteristic diagram showing an increase in optical transmission loss with respect to the wavelength of the optical fiber to be measured.
  • FIG. 18B is a table showing the increase in optical transmission loss for each wavelength of the optical fiber under measurement.
  • FIG. 19A is a characteristic diagram showing the rate of increase in optical transmission loss at other wavelengths when 1550 nm is used as a reference.
  • FIG. 19B is a table showing the ratio of the increase in optical transmission loss at other wavelengths with 1550 nm as a reference.
  • FIG. 20 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 shows an optical fiber temperature distribution measuring system according to the seventh embodiment of the present invention. It is a schematic block diagram which shows. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the first embodiment of the present invention.
  • the optical fiber temperature distribution measurement system according to the present embodiment includes a light source 1, a measured optical fiber 2, an incident pulsed light 4 incident on the measured optical fiber 2, and a scattering point 5 of the measured optical fiber 2.
  • the back-scattered light 6 generated in step 1 is optically path-converted and output as the output light 7 to the wavelength separation unit 8, and the light output from the beam splitter 3 is separated into the status light and the anti-status light.
  • a signal detector 9 having a Stokes light detector 9A for detecting the Stokes light separated by the wavelength separator 8 and an anti-Stokes light detector 9B for detecting the anti-Stokes light, From the incident end to the scattering point (measurement point) 5 of the measured optical fiber 2 based on the time difference between the incident timing of the light 4 and the detection timing of the backscattered light 6 generated at the scattering point 5 in the measured optical fiber 2 Distance
  • the signal processing unit 10 that calculates the temperature of the optical fiber 2 to be measured by correcting the signal strength detected by the signal detection unit 9 and the received light intensity of the anti-stort light, and the signal processing unit 10 And a display unit 11 for displaying calculation results and the like.
  • the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere.
  • the optical fiber temperature distribution measuring device in the present invention refers to the light source 1, the beam splitter 3, the wavelength separation unit 8, the signal detection unit 9, the signal processing unit 10, and the optical fiber 2 to be measured. It refers to the part that consists of the display unit 11.
  • the optical fiber temperature distribution measuring system refers to the entire system including the optical fiber temperature distribution measuring device and the optical fiber 2 to be measured.
  • FIGS. 2 to 4 are flowcharts showing a temperature measurement procedure in the optical fiber temperature distribution measurement system shown in FIG. 1.
  • FIGS. Describes the measurement of the temperature of the optical fiber under test, which corrects the intensity of the received light.
  • the optical fiber to be measured 2 used for measurement is placed in a hydrogen-free atmosphere (measurement atmosphere 30). Then, the light source 1 is connected to the light source 1 (S1), and incident light 4 having a wavelength ⁇ is incident on the light to be measured: from the light source 1 (S2). In the optical fiber 2 to be measured, backscattered light 6 ( ⁇ , ⁇ + ⁇ ⁇ , ⁇ -) ⁇ ) generated at the scattering point 5 in the propagation process appears and returns to the incident end side. The beam splitter 3 converts the path of the backscattered light 6 and outputs it to the wavelength separation unit 8 (S3).
  • the wavelength separation unit 8 includes the Stokes light ( ⁇ + ⁇ ) included in the backscattered light 6 and the anti-Stokes light.
  • the signal detector 9 receives the stove light from the stove light detector 9A and detects the received light intensity I (X). here
  • X represents the distance from the incident end to the scattering point 5.
  • the anti-Stokes light detector 9B receives the anti-stood light and detects the received light intensity I (X) (S5).
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the light source 1 in a hydrogen atmosphere (hydrogen is present in the measurement atmosphere 30) (S6), and the wavelength ⁇ is incident on the optical fiber 2 to be measured from the light source 1.
  • Norse light 4 is incident (S7).
  • Backscattered light 6 ( ⁇ , ⁇ + ⁇ ⁇ , ⁇ - ⁇ ⁇ ) generated at a scattering point 5 of the measured optical fiber 2 based on the incident light 4 appears and returns to the incident end side.
  • the beam splitter 3 converts the path of the backscattered light 6 and outputs it to the wavelength separation unit 8 (S8).
  • the wavelength separation unit 8 includes Stokes light ( ⁇ + ⁇ ) and anti-Stokes light included in the backscattered light 6.
  • the signal detector 9 receives the stove light from the stove light detector 9A and detects the received light intensity I (X). Also,
  • the anti-Stokes light detector 9B receives the anti-stood light, and the received light intensity I (X)
  • the straight line of k is the force that can be obtained from the amount of change in the received light intensity of the static light and the anti-static light as described above, as shown in FIGS. 18A and 18B and FIGS. 19A and 19B. It can also be obtained from wavelength-dependent data on the amount of optical transmission loss increase due to molecules.
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the light source 1 in a hydrogen atmosphere in which measurement is actually performed (hydrogen in the measurement atmosphere 30 in which measurement is actually performed) (S12).
  • Incident light 4 having a wavelength is incident on the optical fiber 2 to be measured (S13).
  • the beam splitter 3 optically converts the backscattered light 6 generated based on the incident Norse light 4 and outputs it to the wavelength separation unit 8 (S 14), and separates the stoichiometric light and the anti-static light.
  • the signal is output to the signal detector 9 (S 15).
  • the signal detector 9 receives the stoichiometric light at the Stokes light detector 9A to detect the received light intensity I (X), and the anti-Stokes light detector 9B receives the anti-stoke light to
  • the signal processing unit 10 calculates the temperature of the optical fiber 2 to be measured by calculating a signal based on the received light intensity of the steady light and the anti-static light.
  • I '(x) I (x) -k- ⁇ ⁇ (x) (10)
  • the received light intensity of the anti-Stokes light excluding the influence of hydrogen is obtained using the change in the received light intensity of the stoichiometric light (S 17).
  • Figs. 5 and 5 are characteristic diagrams showing temperature measurement based on the received light intensity of anti-stabilized light, and Fig. 5 shows the temperature measurement results without correcting the received light intensity of anti-stabilized light.
  • Fig. 5 (b) shows the temperature measurement results after correction of the light intensity of the anti-stabilized light.
  • the temperature measurement results at hydrogen partial pressures OMPa, 0.04 MPa, 0.07 MPa, and 0.09 MPa are shown.
  • a value (ratio) k corresponding to the amount of change in the received light intensity based on the absorption of hydrogen molecules in the optical fiber 2 to be measured is obtained, and the incident light 4 is applied to the optical fiber 2 to be measured in the hydrogen atmosphere in which measurement is actually performed. It is possible to correct the received light intensity of the anti-stabilized light obtained by the incidence by using the received light intensity of the stoichiometric light.
  • the accurate temperature measurement excluding the influence of hydrogen in the measurement environment is performed. The result can be obtained.
  • FIG. 6 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the second embodiment of the present invention.
  • the wavelength separation unit 8 that separates the light output from the beam splitter 3 into the static light, the anti-Stokes light, and the Rayleigh light, and the Stokes light separated by the wavelength separation unit 8 are detected.
  • FIG. 6 also shows the state where the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere.
  • parts having the same configuration and the same function as those of the first embodiment are denoted by common reference numerals.
  • FIGS. 7 to 9 show the temperature measurement procedure in the optical fiber temperature distribution measurement system shown in FIG.
  • the temperature measurement of the optical fiber to be measured is performed to correct the received light intensity of the stationary light and the anti-static light based on the received light intensity of the Rayleigh light. Tsu!
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the light source 1 in a hydrogen-free atmosphere (S20), and incident light 4 having a wavelength is incident on the optical fiber 2 to be measured from the light source 1.
  • incident light 4 having a wavelength is incident on the optical fiber 2 to be measured from the light source 1.
  • backscattered light 6 ( ⁇ , ⁇ + ⁇ , ⁇ - ⁇ ) generated in the propagation process appears at a certain scattering point 5, and returns to the incident end side.
  • the beam splitter 3 optically converts the backscattered light 6 and outputs it to the wavelength separator 8 (S22).
  • the wavelength separation unit 8 includes Stokes light ( ⁇ + ⁇ ) and anti-Stokes light included in the backscattered light 6.
  • the signal detector 9 receives the stow light from the Stokes light detector 9 and receives the received light intensity I (X).
  • the anti-Stokes light detection unit 9B receives the anti-stator light and receives the light intensity I (X)
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the light source 1 in a hydrogen atmosphere (S25), and incident wavelength light 4 having a wavelength is incident on the optical fiber 2 to be measured from the light source 1 (S26).
  • Back scattered light 6 ( ⁇ , ⁇ + ,, ⁇ ⁇ ⁇ ) generated at a scattering point 5 of the measured optical fiber 2 based on the incident pulsed light 4 appears and returns to the incident end side.
  • the beam splitter 3 optically converts the backscattered light 6 and outputs it to the wavelength separation unit 8 (S27).
  • the wavelength separation unit 8 includes Stokes light ( ⁇ + ⁇ e) and anti-Stokes light included in the backscattered light 6.
  • the Stokes light detector 9 ⁇ receives the strike light and receives the received light intensity I (X)
  • the anti-Stokes light detector 9 ⁇ receives the anti-static light and receives the received light intensity I (X
  • the Rayleigh light detector 9C receives the Rayleigh light and detects the received light intensity I (X).
  • the light receiving intensity I (X) of the Rayleigh light by the optical fiber 2 to be measured in a hydrogen atmosphere and water
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the light source 1 in a hydrogen atmosphere in which the measurement is actually performed (S32), and incident light 4 having a wavelength is applied from the light source 1 to the optical fiber 2 to be measured.
  • incident (S33) The beam splitter 3 optically converts the backscattered light 6 generated based on the incident Norse light 4 and outputs it to the wavelength separation unit 8 (S34), and separates the Stokes light, the anti-Stokes light, and the Rayleigh light, and outputs the signal detection unit.
  • Output to 9 (S35).
  • the signal detector 9 receives the stoichiometric light at the Stokes light detector 9A, detects the received light intensity I (X), and the anti-Stokes light detector 9B
  • the anti-stray light is received and the received light intensity I (X) is detected, and the Rayleigh light detector 9C
  • the Rayleigh light is received and the received light intensity I (X) is detected (S36).
  • the signal processing unit 10 calculates the temperature of the optical fiber 2 to be measured by calculating a signal based on the received light intensity of Stokes light, anti-Stokes light, and Rayleigh light.
  • the intensity of the received light of the static light without the influence of hydrogen can be obtained (S37).
  • the received light intensity of anti-stabilized light excluding the influence of hydrogen is obtained using the change in the received light intensity of Rayleigh light (S38).
  • the corrected stoichiometric light and anti-Stokes light obtained in this way are functions of the absolute temperature T of the scattering point 5 in the optical fiber 2 to be measured, as described above. Based on the equation, the temperature of the scattering point 5 can be accurately obtained (S39).
  • the measurement target is based on the received light intensity of Stokes light, anti-Stokes light, and Rayleigh light obtained by measuring the temperature of the optical fiber 2 to be measured in an atmosphere without hydrogen and in a hydrogen atmosphere. Since a value (ratio) of 1 m corresponding to the amount of change in the received light intensity due to absorption of hydrogen molecules in optical fiber 2 is obtained, incident norse light 4 is incident on optical fiber 2 to be measured in a hydrogen atmosphere in which measurement is actually performed. It is possible to correct the light intensity of the anti-stust light and the intensity of the light obtained by using the light intensity of the Rayleigh light. Become.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the third embodiment of the present invention.
  • light having a wavelength ⁇ r different from the wavelength ⁇ of the temperature measurement light is used as the reference light for measuring the amount of change in the received light intensity.
  • 1240 nm is a wavelength at which an increase in optical transmission loss due to hydrogen molecules appears remarkably, light having a wavelength of 1240 nm is used as reference light.
  • 1240 nm light is incident on the optical fiber 2 to be measured 2 via the beam splitter 3.
  • Wavelength separation unit 8 for separating light, anti-Stokes light, and 1240 nm light
  • Stokes light detection unit 9A for detecting the Stokes light separated by wavelength separation unit 8
  • anti-Stokes light detection unit 9B for detecting anti-Stokes light
  • a signal detection unit 9 having a 1240 nm light detection unit 9D for detecting 1240 nm light, which is different from the first embodiment.
  • FIG. 10 also shows the state where the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere.
  • FIGS. 11 to 13 are flowcharts showing the temperature measurement procedure in the optical fiber temperature distribution measurement system shown in FIG. 10.
  • the Rayleigh light of 1240 nm light will be described with reference to FIG.
  • the temperature measurement of the optical fiber to be measured which corrects the received light intensity of Stokes light and anti-stabilized light based on the above, will be described.
  • backscattered light 6 ( ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ + ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ -M r) appears at a certain scattering point 5 during the propagation process. Come back to.
  • the beam splitter 3 optically converts the backscattered light 6 and outputs it to the wavelength separation unit 8 (S42).
  • the wavelength separation unit 8 separates and transmits the 1240 nm Rayleigh light contained in the backscattered light 6.
  • the signal is output to the signal detection unit 9 (S43).
  • the 1240nm light detector 9D receives the 1240nm Rayleigh light and detects the received light intensity I ( x ) (S44).
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the temperature measurement light source IB in an atmosphere without hydrogen.
  • the incident pulsed light 4 having the wavelength ⁇ is incident on the optical fiber 2 to be measured from the temperature measuring light source 1B (S46).
  • the beam splitter 3 changes the optical path of the backscattered light 6 ( ⁇ , ⁇ + ⁇ ⁇ , ⁇ - ⁇ ) generated at the scattering point 5 of the measured optical fiber 2 based on the incidence of the incident Norse light 4.
  • the wavelength separation unit 8 includes Stokes light ( ⁇ + ⁇ ) and anti-Stokes light included in the backscattered light 6.
  • the signal detector 9 receives the stove light and detects the received light intensity I (X) at the stove light detector 9 ⁇ , and detects the anti-Stokes light.
  • the detection unit 9B receives the anti-stabilized light and detects the received light intensity I (X) (S49)
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the 1240nm light source 1A in a hydrogen atmosphere (S50), and the optical fiber 2 to be measured is the same as the operation performed in an atmosphere without hydrogen.
  • the Rayleigh light is received, and the received light intensity I (X) is detected (S51).
  • the optical fiber to be measured 2 used for measurement is connected to the temperature measurement light source 1B in a hydrogen atmosphere (S52), and the optical fiber to be measured is the same as the operation performed in an atmosphere without hydrogen.
  • the incident pulsed light 4 having the wavelength ⁇ is incident on 2, and the Stokes light and the anti-Stokes light are separated from the backscattered light 6 generated based on the incident light 4 and output to the signal detector 9.
  • the signal detector 9 receives the stove light at the Stokes light detector 9 and detects the received light intensity I (X).
  • the anti-Stokes light detector 9 ⁇ ⁇ receives the anti-stator light, and detects the received light intensity I (X) (S53).
  • the signal detection unit 9 receives the Rayleigh light of 1240 nm light in the 1240 nm light detection unit 9D, and detects the received light intensity I (x) (
  • the optical fiber 2 to be measured is connected to the temperature measuring light source 1B in a hydrogen atmosphere where the measurement is actually performed (S58), and the wavelength ⁇ is incident on the optical fiber 2 to be measured from the temperature measuring light source 1B.
  • the Norst light 4 is incident, and the stationary light and the anti-static light are separated from the back scattered light 6 generated at the scattering point 5 and output to the signal detection unit 9.
  • the signal detector 9 detects the received light intensity I (X) in the Stokes light detector 9 ⁇ ⁇ and receives the light intensity I (X).
  • the signal processing unit 10 performs arithmetic processing on a signal based on the received light intensity of the Stokes light and anti-stortus light of the incident pulsed light 4 having the wavelength ⁇ , and the Rayleigh light of 1240 nm light, so that the measured light Find the temperature of fiber 2.
  • the intensity of the incident light of wavelength 4 excluding the influence of hydrogen is expressed as I ′ (X).
  • the corrected stoichiometric light and anti-Stokes light obtained in this way are functions of the absolute temperature T of the scattering point 5 in the optical fiber 2 to be measured, as described above. (5) Based on the equation, the temperature at the scattering point 5 can be accurately obtained (S62).
  • the Stokes light and anti-stoke of incident light 4 having a wavelength ⁇ obtained by measuring the temperature of the optical fiber 2 to be measured in an atmosphere without hydrogen and in a hydrogen atmosphere.
  • values (ratio) n, o corresponding to the amount of change in the received light intensity based on the hydrogen molecule absorption of the optical fiber 2 to be measured are obtained. Therefore, based on the fact that incident pulsed light 4 with wavelength ⁇ is incident on the optical fiber 2 to be measured in a hydrogen atmosphere where measurement is actually performed, It is possible to correct the light reception intensity based on the light reception intensity of 1240 nm Rayleigh light.
  • 1240nm light can be corrected with high sensitivity because it is a wavelength at which an increase in optical transmission loss due to hydrogen molecules appears remarkably.
  • the strike of the incident light 4 having the wavelength ⁇ An embodiment is also conceivable in which temperature measurement is not performed using Tas light but based on Rayleigh light of 1240 nm light and anti-Stokes light of incident pulsed light 4 of wavelength ⁇ .
  • the 1240 nm light source 1A and the temperature measurement light source 1B are configured as separate light sources, but a single light source unit including the 1240nm light source and the temperature measurement light source is an optical fiber to be measured. It can be configured to connect to 2 and switch between two light sources. It is also possible to change the wavelength of the temperature measurement light source 1 B so that 1240 nm light and optical signals of other wavelengths for temperature measurement are incident on the optical fiber 2 to be measured continuously in a time division manner. .
  • FIG. 20 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measuring system according to the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment includes a wavelength separation unit 8 that separates light output from the beam splitter 3 into reference light and anti-stabilized light, and reference light detection that detects the reference light separated by the wavelength separation unit 8.
  • a signal processing unit 9 that further includes a unit 9E, and a signal processing unit 10 that calculates the temperature distribution of the optical fiber 2 to be measured by using the received light intensity of the anti-stabilized light.
  • FIG. 20 also shows a state in which the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere.
  • ⁇ ⁇ (X) is the amount of change in the received light intensity of the reference light.
  • Light intensity I (X) of the reference light of the optical fiber 2 to be measured in a pure atmosphere and hydrogen atmosphere It is obtained from the difference in the received light intensity I (X) of the reference light of the optical fiber 2 to be measured.
  • the amount of change in the received light intensity of the reference light due to hydrogen molecule absorption loss ⁇ I (X) is multiplied by the coefficient p.
  • the reference light means light other than the anti-Stokes light of the incident pulsed light 4 incident from the temperature measurement light source 1 and means Stokes light, Rayleigh light, or light of other wavelengths (for example, 1240 nm light). To do.
  • the signal processing unit 10 changes the amount of change in received light intensity of the anti-stort light due to absorption of hydrogen molecules.
  • ⁇ ⁇ (X) is divided by the amount of change in the received light intensity of the reference light due to hydrogen molecule absorption ⁇ ⁇ (X) and the coefficient p
  • a coefficient calculation unit 10C for calculating The fourth embodiment can be applied to each of the other embodiments.
  • FIG. 21 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measurement system according to the fifth embodiment of the present invention.
  • one or a plurality of temperature sensors 12 that are installed near the optical fiber 2 to be measured in a hydrogen atmosphere and measure the temperature of the optical fiber 2 to be measured, This is different from the fourth embodiment in that it further includes a temperature conversion unit 13 that converts a signal into temperature.
  • FIG. 21 also shows a state where the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere. It should be noted that parts having the same configuration and the same functions as those of the fourth embodiment are denoted by common reference numerals!
  • the correction unit 10A multiplies the amount of change ⁇ X (X) in the received light intensity of the reference light by hydrogen molecules by a predetermined coefficient p to counteract the strike by hydrogen molecules.
  • Rf Calculates the amount of change in the received intensity of one tuss light, ⁇ ⁇ (X).
  • the temperature distribution calculation unit 10B calculates the temperature of the optical fiber 2 to be measured at the measurement point based on the corrected received light intensity of the anti-stust light.
  • the temperature sensor 12 measures the temperature at the measurement point of the optical fiber 2 to be measured, and transmits a signal indicating the temperature to the temperature conversion unit 13 to the temperature conversion unit 13 by wire or wirelessly.
  • the temperature conversion unit 13 converts the signal received from the temperature sensor 12 into a temperature.
  • the coefficient calculation unit 10C includes the temperature of the measured optical fiber 2 measured by the temperature sensor 12 and the temperature of the measured optical fiber 2 calculated by the temperature distribution calculation unit 10B.
  • the correction coefficient P is calculated so that the degree calculation results match.
  • the coefficient p is calculated based on the measured temperature of the optical fiber 2 detected by the temperature sensor 12 installed in the vicinity of the measured optical fiber 2, the actual temperature measurement is performed. Measure the temperature of the optical fiber 2 to be measured without measuring the change in the received intensity of the anti-Stokes light and the reference light in a hydrogen-free atmosphere and in a hydrogen atmosphere and calculating the coefficient p based on these measurement results. It can be carried out. Therefore, even when the value of the coefficient p changes due to a change in the output wavelength of the light source 1, etc., it is possible to accurately correct the received light intensity of the anti-Stokes light without being affected by it. Further, by providing a plurality of temperature sensors 12, even when the temperature difference between the measurement points of the optical fiber 2 to be measured is large, highly accurate correction can be performed. Further, the fifth embodiment may be applied to each of the other embodiments.
  • FIG. 22 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measurement system according to the sixth embodiment.
  • the signal processing unit 10 performs an anti-storing process using a hydrogen molecule, which is calculated based on the amount of change in the received light intensity of the reference light due to hydrogen molecules relative to the received light intensity of the anti-storing light. It differs from the fourth embodiment in that it further includes a coefficient data capturing unit 10D that inputs the coefficient P used for correction from the outside when adding the amount of change in the received light intensity of the tuss light for each measurement point. .
  • FIG. 22 also shows the state where the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere. Note that parts having the same configuration and the same function as those of the fourth embodiment are denoted by common reference numerals. Also, the sixth embodiment can be applied to other embodiments.
  • FIG. 23 is a schematic configuration diagram showing an optical fiber temperature distribution measurement system according to the seventh embodiment.
  • Stokes light has a temperature dependence that is lower than the temperature dependence of anti-strobe light. For this reason, when measuring the received light intensity I (X) of the stoichiometric light in a hydrogen-free atmosphere and the received light intensity I (X) of the stoichiometric light in a hydrogen atmosphere in (11), Measured
  • the signal processing unit 10 determines the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the difference in the ambient temperature of the optical fiber 2 to be measured.
  • the difference from the fourth embodiment is that each measurement point of the measured optical fiber 2 further includes a reference light correction unit 10E for adding the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the difference in ambient temperature.
  • FIG. 23 also shows the state where the optical fiber 2 to be measured is in a hydrogen atmosphere. Note that parts having the same configuration and the same function as those of the fourth embodiment are denoted by common reference numerals.
  • the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the difference in ambient temperature of the measured optical fiber 2 can be obtained as follows. First, the first temperature distribution measurement is performed at a stage where hydrogen molecules are not diffused in the optical fiber 2 to be measured and the influence of hydrogen molecule absorption is small. Next, when measuring the temperature distribution for the second time, the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the difference in ambient temperature is determined based on the results obtained from the first temperature distribution measurement. Further, in the subsequent measurement, the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the temperature difference can be determined based on the result obtained in the previous temperature distribution measurement, and the same process can be repeated.
  • the signal processing unit 10 sets the ambient temperature when measuring the intensity of the reference beam based on the latest measurement temperature. Further, the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the difference in the ambient temperature is corrected based on the relationship data of the change in the received light intensity of the reference light due to the difference between the ambient temperature and the ambient temperature. Based on the received light intensity of the corrected reference light, the temperature distribution of the measured optical fiber 2 is measured again.
  • the temperature can be measured by conventional technology in an atmosphere with little influence of hydrogen molecule absorption, the amount of change in the received light intensity of the reference light due to the difference in ambient temperature is corrected.
  • the initial temperature can be used.
  • the reference light correction unit 10E It can also be applied to the sixth embodiment.
  • the light source wavelength of the light source for temperature measurement used in the first to seventh embodiments is 85.
  • Onm band 1060 nm band, 1300 nm band, 1550 nm band, etc. Power of the present invention (Although not limited to these wavelengths)
  • the optical fiber to be measured 2 used in the first to seventh embodiments is a force capable of using various optical fibers.
  • optical fiber temperature distribution measuring device optical fiber temperature distribution measuring method, and optical fiber temperature distribution measuring system of the present invention
  • optical transmission loss due to hydrogen molecules of Stokes light and anti-stabilized light in a hydrogen atmosphere is reduced. Because it can be corrected, hydrogen atmosphere Enables accurate temperature measurement even during

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Description

明 細 書
光ファイバ温度分布測定装置、光ファイバ温度分布測定方法および光フ アイバ温度分布測定システム
技術分野
[0001] 本発明は、光ファイバの温度分布を光学的に遠隔測定するための光ファイバ温度 分布測定装置、光ファイバ温度分布測定方法および光ファイバ温度分布測定システ ムに関する。
本出願は、国際出願番号 PCT/JP2006/318858に基づいており、この国際出 願の全内容は、本出願にお!/、て参照され導入される。
背景技術
[0002] 光ファイバの温度分布を光学的に遠隔測定するための光ファイバの温度分布測定 方法として、 OTDR (Optical Time Domain Reflectometry)による距離測定の原 理と、ラマン散乱光の検出による温度測定の原理とを組み合わせた方法が知られて いる(例えば、特許文献 1および非特許文献 1参照。)。
[0003] 図 14Aおよび図 14Bは、特許文献 1に記載された光ファイバの温度分布測定の原 理を示す説明図であり、図 14Aは、温度分布の測定原理図であり、図 14Bは、後方 散乱光の波長分布図である。温度分布の測定は、被測定光ファイバ 2を、入射パル ス光 4が通過し、散乱点 5において生じた後方散乱光 6を光路変換して波長分離器( 図示せず)に出力光 7として出力するビームスプリッタ 3と、波長分離器から出力され る信号を検出する信号検出部(図示せず)、信号処理部(図示せず)等を備える構成 を用いて行われる。
[0004] 次に、光ファイバの温度分布の測定方法を説明する。まず、被測定光ファイバ 2に 光源(図示せず)により発生させた波長 λ の入射パルス光 4を入射すると、伝播の過
0
程である散乱点 5において後方散乱光 6が現れ、入射端側に戻ってくる。ここで、入 射端からある散乱点 5までの距離を L、入射ノ レス光 4の入射時点から後方散乱光 6 の検出時点までの時間を t、被測定光ファイバ 2の屈折率を n、真空中の光速を C 、
0 被測定光ファイバ 2中の光速を Cとすると、 C = C /n (1)
o
L = C-t/2 (2)
となる。したがって、(2)式により散乱点 5の位置が定量的に求められる。
[0005] 一方、後方散乱光 6には、図 14Bに示すように、レーリー光 20、ストークス光 21、お よび反ストークス光 22が含まれる。入射ノ ルス光 4の波長をえ とするとレーリー光 20
0
の波長はえ となり、波長シフト量を Δ λとすると、ストークス光 21の波長え と反スト
0 S 一 クス光 22の波長え は、
AS
λ =λ +Δ λ (3)
S 0
λ =λ — Δ λ (4)
AS 0
となる。
[0006] そして、ある散乱点において生じる後方散乱光中の波長え のストークス光 21の受
S
光強度を I、波長え の反ストークス光 22の受光強度を I で表わすと、ストークス光
S AS AS
21の受光強度 Iと反ストークス光 22の受光強度 I の比は、被測定光ファイバ 2中の
S AS
散乱点 5の絶対温度 Tに依存し、
I /\ =A-exp(-h-C- Δ λ/k ·Τ) (5)
AS S B
に示す関係となる。ここで、 hはプランク定数 (J'S)、 Δ λはラマンシフト量 (π 1)、 k
B
はボルツマン定数 /Κ)、 Tは絶対温度(Κ) , Aは測定系の性能によって定まる定 数である。したがって、散乱点の温度が定量的に求められる。また、反ストークス光 22 のみでも被測定光ファイバ 2中の散乱点 5の絶対温度 Tの関数となり、
I =Β· (l/(exp(h-C- Δ λ /k T)-l)) (6)
AS B
に示す関係となる。ここで Bは測定系の性能によって定まる定数である。以上から、散 乱点 5の温度は定量的に求めることができる。
なお、測定装置から離れた光ファイバ内のある散乱点で発生したストークス光、反ス トークス光は光ファイバ伝播中に光ファイバによる吸収、散乱等により減衰する。従来 技術ではストークス光、反スト一タス光の光ファイバ伝播中のこれらの減衰量を単位 距離当たりで一定とみなして補正している。
[0007] 従来の光ファイバの温度分布測定方法によれば、上記のように散乱点の位置およ び温度を求めることができる。 特許文献 1:特許第 3063063号公報
^特許文 1: J.P.Dakin, et al: Distributed upticai Fiore Raman Temperature Senso r using a Semiconductor Light Source and Detector「ELECTROMCS LETTERSJ 19 85年 6月 20日、 Vol.21 No.13 p.569-570
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] しかし、従来の光ファイバの温度分布測定方法には以下の問題がある。図 14Aは 従来技術の光ファイバの測定原理を示すが、実際の温度分布測定の際に、被測定 光ファイバ 2が水素雰囲気中にある(測定雰囲気 30に水素が含まれている)場合、被 測定光ファイバ 2中に水素分子が拡散する。そしてこの拡散した水素分子によって散 乱点 5で発生して装置側に戻っていく後方散乱光 6が吸収され、信号検出部で検出 される受光強度が低下する。なお、散乱点 5自体が水素雰囲気にない場合であって も、散乱点 5から装置までの間のある部分において被測定光ファイバが水素雰囲気 中にあれば、受光強度の低下が発生する。この水素分子吸収による受光強度の低 下量、すなわち光伝送損失の増加量は波長依存性を有するため、散乱点の測定温 度に対応するスト一タス光と反スト一タス光の受光強度が水素分子に起因する異なる 光伝送損失を含んだ値となり、正確な温度情報が得られないという問題がある。なお 、 - 文献 (N. iJchida and N. Uesugi, 'Infrared Optical Loss Increase in silica Fibe rs due to Hydrogen", J. Lightwave Technol., Vol LT_4, No.8, pp.1132-1138, Aug. 1986.)にも開示されている通り、水素雰囲気中での光伝送損失には、光ファイバ内 に拡散した水素分子によるの分子振動に起因する吸収損失 (水素分子吸収)と、水 素分子と光ファイバとの化学反応の結果生じる光伝送損失であって、 OH基形成に 起因する OH基吸収損失等の損失とがある。本発明における水素分子による光伝送 損失の増加は、特に記載の無い限り、この水素分子吸収による光伝送損失の増加を 意味する。
[0009] 水素分子の存在に基づく光伝送への影響の一例として、図 15Aおよび図 15Bは水 素分子が存在する場合の距離と測定装置で検出される受光強度を示し、図 15Aは スト一タス光の特性図であり、図 15Bは反スト一タス光の特性図である。図 16は水素 分子が存在する場合の距離と従来技術で算出された温度測定値の関係を示す。
[0010] 図 15Aおよび図 15Bに示す被測定光ファイバの距離と受光強度の関係にお!/、て は、水素分圧が OMPa, 0. 04MPa, 0. 07MPa,および 0. 09MPaと異なる条件で のスト一タス光と反スト一タス光の特性がそれぞれ示されて!/、る。図 15Aに示すように 、ストークス光は、被測定光ファイバの長さ(距離)の増加にしたがって減衰により受 光強度が低下し、かつ水素分圧の上昇にしたがって受光強度の低下が著しくなる傾 向があることがわかる。また、図 15Bに示すように、反ストークス光についても同様の 傾向があることがわかる。
[0011] このように、被測定光ファイバ中に水素分子が拡散することによって光伝送損失が 増加し、図 16に示すように温度測定値と真値との間に誤差が生じる。この誤差は被 測定光ファイバの距離と水素分圧がそれぞれ大であるほど顕著になる。
[0012] 従って、本発明の目的は、光ファイバが水素雰囲気中にある場合であっても正確な 温度を測定することができる光ファイバ温度分布測定装置、光ファイバ温度分布測定 方法および光ファイバ温度分布測定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
[0013] 本発明の第 1の特徴によれば、被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、前 記ノ ルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含ま れる所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、前記所定の光の受光強度に基 づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値 を算出し、前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の 受光強度を補正する信号処理部とを有する光ファイバ温度分布測定装置を提供す
[0014] 前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光 および反スト一タス光の受光強度を検出してもよ!/、。
[0015] 前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光、 反ストークス光、およびレーリー光の受光強度を検出してもよい。
[0016] 前記信号処理部は、スト一タス光の受光強度の変化量に応じた値に基づ!/、て、前 記被測定光ファイバの温度に応じた反スト一タス光の受光強度を補正してもよい。 [0017] 前記信号処理部は、前記光源が出力する温度測定用ノ ルス光の波長に基づいて 得られる受光強度の変化量に応じた値に基づいて、前記被測定光ファイバの温度に 応じた前記所定の光の受光強度を補正してもよ!/、。
[0018] 前記信号処理部は、他の光源が出力する 1240nm光の波長に基づいて得られる 受光強度の変化量に応じた値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前 記所定の光の受光強度を補正してもよレ、。
[0019] 更に、本発明の第 2の特徴によれば、純石英コア光ファイバからなる前記被測定光 ファイバと、本発明の第 1の特徴による光ファイバ温度分布測定装置とを用いる光フ アイバ温度分布測定システムを提供する。
[0020] また、本発明の第 3の特徴によれば、光源から被測定光ファイバにパルス光を入射 し、前記ノ ルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に 含まれる所定の光の受光強度を検出し、前記所定の光の受光強度に基づいて前記 被測定光ファイバの水素分子吸収による受光強度の変化量に応じた値を算出し、前 記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強度を 補正する光ファイバ温度分布測定方法を提供する。
[0021] 前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光に基づいて前記被測 定光ファイバの温度に応じた反スト一タス光の受光強度を補正してもよい。
[0022] 前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるレーリー光に基づいて前記被測定 光ファイバの温度に応じたストークス光および反スト一タス光の受光強度を補正しても よい。
[0023] 前記所定の光として前記後方散乱光に含まれる 1240nm光のレーリー光に基づい て前記被測定光ファイバの温度に応じたストークス光および反スト一タス光の受光強 度を補正してもよい。
[0024] さらに、本発明の第 4の特徴によれば、被測定光ファイバにパルス光を入射する光 源と、 前記ノ ルス光の入射に基づ!/、て前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱 光に含まれる光であり、反スト一タス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を 検出する信号検出部と、前記反スト一タス光の受光強度を用いて前記被測定光ファ ィバの温度分布を計算する信号処理部とを有し、前記信号処理部は、前記被測定 光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量を各地点毎に算 出し、前記反スト一タス光の受光強度に対し、水素分子吸収による前記参照光の受 光強度の変化量に基づいて計算された、水素分子吸収による前記反スト一タス光の 受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を行う補正部と、前記補正された反ス トークス光の受光強度を使用して前記温度分布の計算をする温度分布計算部とを有 する光ファイバ温度分布測定装置を提供する。
[0025] 前記水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変化量は、前記水素分 子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算してもよ い。
[0026] 前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変 化量を前記水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量で割った値とする係数 演算部を更に有してもよい。
[0027] 前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置した温度センサにより測 定された測定温度に基づいて、前記測定温度となるように前記反スト一タス光の受光 強度を補正する値として算出する係数演算部を有してもよい。
[0028] 前記所定の係数を外部から入力する係数データ取り込み部を更に有してもよい。
[0029] 温度差による前記参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被測定光ファイバの 各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による前記参照光の受光強度の 変化量を加算する参照光補正部を更に有してもよい。
[0030] 前回測定での温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度の 変化量を決定してもよい。
[0031] 最新の測定の温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度の 変化量を決定してもよい。
[0032] さらに、本発明の第 5の特徴によれば、純石英コアを有する光ファイバである前記被 測定光ファイバと、本発明の第 4の特徴による光ファイバ温度分布測定装置とを用い る光ファイバ温度分布測定システムを提供する。
[0033] 本発明の第 6の特徴によれば、光源力 被測定光ファイバにノ ルス光を入射し、前 記ノ ルス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に含ま れる光であり、反スト一タス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検出し、 前記反スト一タス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算す る光ファイバ温度分布測定方法であり、前記被測定光ファイバの水素分子吸収によ る前記参照光の受光強度の変化量を各地点で算出し、前記反スト一タス光の受光強 度に対して、前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に基づいて 計算された、水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変化量を各地点 毎に加算する補正を行い、前記補正された反スト一タス光の受光強度を使用して前 記温度分布の計算をする光ファイバ温度分布測定方法を提供する。
[0034] 前記水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変化量は、前記水素分 子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算してもよ い。
[0035] 前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変 化量を前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量で割った値として あよい。
[0036] 前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置された温度センサによって 測定された測定温度に基づき、前記測定温度となるように前記反スト一タス光の受光 強度を補正する値として算出してもよい。
[0037] また、前記所定の係数を外部から入力してもよい。
[0038] 初回の温度分布の測定を被測定光ファイバへの水素分子が拡散しておらず水素分 子吸収の影響が少ない段階で行い、 2回目の温度分測定の際に、初回の温度分布 の測定結果を基に前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被 測定光ファイバの各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による参照光の 受光強度の変化量を加算してもよレ、。
[0039] 光ファイバは、図 17Aおよび図 17Bに示すように、波長によって光伝送損失が異な る。さらに、図示するように光ファイバが水素分圧の異なる雰囲気中(OMPa, 0. 05 MPa, 0. 09MPa, 0. 15MPa,および 0. 20MPa)に曝されることで光伝送損失が 変化する。図 17Aおよび図 17Bに示されるように、水素分圧が上昇すると光伝送損 失も増加する傾向がある。 [0040] 図 18Aおよび図 18Bは、図 17Aおよび図 17Bに示される傾向を明確にするために 、水素が存在しない状態(すなわち OMPa)での光伝送損失を基準として、光フアイ バの光伝送損失の増加量を水素分圧毎(0. 05MPa, 0. 09MPa, 0. 15MPa,お よび 0. 20MPa)に示したものである。さらに図 19Aおよび図 19Bに、石英光ファイバ における光伝送損失カ J、となる 1550nmを基準として、他の波長 850nm、 1240nm 、 1300nm、 1450nm、 1650nm、および 1690nmにおける光伝送損失の増カロ量の 割合を例示する。これらの図表から光ファイバの光伝送損失の増加量は水素分圧に 比例することが判る。
[0041] このこと力 、ある波長 jにおける水素分子による光ファイバの光伝送損失の増加量
Δ Lと、他の波長 iにおける水素分子による光ファイバの光伝送損失の増加量 Δ Lと は
A L / A L =k (kは定数) (7)
の関係を有する。波長 iと波長 jの光伝送損失の増加量に対応する比 kが定まると、他 の波長 iの水素分子による光伝送損失の増加量 A Lを求めることができる。なお、光 伝送損失の増加量 A Lは水素分子による吸収によるものであり、 kは光ファイバ 、
の種類に依存しない。また、 kは波長に依存するが、温度の大小や水素量の大小に 依存しない。
また、他の波長 iの水素分子による光伝送損失の増加量が定まれば、ある波長 jの 水素分子による光伝送損失の増加量を求めることもできる。そこで、他の波長 iの光を 参照光として用いて、他の波長 iの水素分子による受光強度の変化量とある波長 jの 水素分子による受光強度の変化量との比に基づき定数 kを算出した上で、他の波長 i の水素分子による受光強度の変化量を測定することで、ある波長 jの水素分子による 受光強度の変化量を算出することができる。また、過去の測定結果から定数 kを決定 すれば、 kを算出するための測定を都度実施することなぐ他の波長 iの水素分子によ る受光強度の変化量を測定することで、ある波長 jの水素分子による受光強度の変化 量を算出することもできる。
発明の効果
[0042] 本発明によれば、光ファイバが水素雰囲気中にある場合であっても正確に温度を 測定すること力でさる。
図面の簡単な説明
園 1]図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを 示す概略構成図である。
[図 2]図 2は、第 1の実施の形態に係るスト一タス光の受光強度 I (X)および反スト
SO 一 タス光の受光強度 I (X)を求めるフローチャートである。
AS0
[図 3]図 3は、第 1の実施の形態に係る k値を決定するフローチャートである。
園 4]図 4は、第 1の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムでの温度測 定手順を示すフローチャートである。
[図 5A]図 5Aは、反スト一タス光の受光強度に基づく温度測定において、反スト一タス 光の受光強度の補正を行わない場合の温度測定結果を示す特性図である。
[図 5B]図 5Bは、反スト一タス光の受光強度に基づく温度測定において、反スト一タス 光の受光強度の補正を行った場合の温度測定結果を示す特性図である。
園 6]図 6は、本発明の第 2の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを 示す概略構成図である。
[図 7]図 7は、第 2の実施の形態に係るスト一タス光の受光強度 I (X)、反ストークス光
SO
の受光強度 I (χ)、およびレーリー光の受光強度 I (X)を求めるフローチャートであ
ASO R0
[図 8]図 8は、第 2の実施の形態に係る 1値、 m値を決定するフローチャートである。
[図 9]図 9は、第 2の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムでの温度測 定手順を示すフローチャートである。
園 10]図 10は、本発明の第 3の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システム を示す概略構成図である。
園 11]図 11は、第 3の実施の形態に係るスト一タス光の受光強度 I (x)、反スト
SO 一タス 光の受光強度 I (χ)、および 1240nm光のレーリー光の受光強度 I (x)を求めるフ
ASO R 'O ローチャートである。
[図 12]図 12は、第 3の実施の形態に係る n値、 o値を決定するフローチャートである。
[図 13]図 13は、第 3の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムでの温度 測定手順を示すフローチャートである。
園 14A]図 14Aは、従来技術の光ファイバの温度分布測定の原理を示す図である。 園 14B]図 14Bは、従来技術の光ファイバの後方散乱光の波長分布図である。 園 15A]図 15Aは、水素分子が存在する場合のスト一タス光の距離と受光強度の関 係を示す特性図である。
園 15B]図 15Bは、水素分子が存在する場合の反スト一タス光の距離と受光強度の 関係を示す特性図である。
園 16]図 16は、被測定光ファイバ中に水素分子が拡散することによる温度測定値と 距離の関係を示す図である。
[図 17A]図 17Aは、被測定光ファイバの波長に対する光伝送損失量を示す特性図で ある。
[図 17B]図 17Bは、被測定光ファイバの各波長に対する光伝送損失量を示す表であ
[図 18A]図 18Aは、被測定光ファイバの波長に対する光伝送損失増加量を示す特性 図である。
[図 18B]図 18Bは、被測定光ファイバの各波長に対する光伝送損失増加量を示す表 である。
[図 19A]図 19Aは、 1550nmを基準としたときの他の波長における光伝送損失増加 量の割合を示す特性図である。
[図 19B]図 19Bは、 1550nmを基準としたときの他の波長における光伝送損失増加 量の割合を示す表である。
園 20]図 20は、本発明の第 4の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システム を示す概略構成図である。
園 21]図 21は、本発明の第 5の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システム を示す概略構成図である。
園 22]図 22は、本発明の第 6の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システム を示す概略構成図である。
園 23]図 23は、本発明の第 7の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システム を示す概略構成図である。 符号の説明
1 光源
1A 1240應光源
1B 温度測定用光源
2 被測定光ファイバ
3 ビームスプリッタ
4 入射パルス光
5 散乱点
6 後方散乱光
7 出力光
8 波長分離部
9 信号検出部
9A ストークス光検出部
9B 反ストークス光検出部
9C レーリー光検出部
9D 1240應光検出部
9E 参照光検出部
10 信号処理部
10A 補正部
10B 温度分布計算部
10C 係数演算部
10D 係数データ取り込み部
10E 参照光補正部
11 表示部
12 温度センサ
13 温度変換部
20 レーリー光 21 ストークス光
22 反ストークス光
30 測定雰囲気
発明を実施するための最良の形態
[0045] (第 1の実施の形態)
図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す 概略構成図である。本実施の形態における光ファイバ温度分布測定システムは、光 源 1と、被測定光ファイバ 2と、入射パルス光 4を被測定光ファイバ 2へ入射するととも に、被測定光ファイバ 2の散乱点 5において生じた後方散乱光 6を光路変換し、出力 光 7として波長分離部 8に出力するビームスプリッタ 3と、ビームスプリッタ 3から出力さ れた光をスト一タス光と反スト一タス光に分離する波長分離部 8と、波長分離部 8で分 離されたストークス光を検出するストークス光検出部 9Aと反ストークス光を検出する 反ストークス光検出部 9Bとを有する信号検出部 9と、入射ノ ルス光 4の入射タイミング と被測定光ファイバ 2内の散乱点 5において生じた後方散乱光 6の検出タイミングとの 時間差に基づき入射端から被測定光ファイバ 2の散乱点 (測定点) 5までの距離を算 出するとともに、信号検出部 9により検出した信号力 反スト一タス光の受光強度を補 正して被測定光ファイバ 2の温度を計算する信号処理部 10と、信号処理部 10におけ る計算結果等を表示する表示部 11とを備える。同図においては、被測定光ファイバ 2が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、本発明における光ファイバ温度分 布測定装置とは、図 1において、被測定光ファイバ 2を除ぐ光源 1、ビームスプリッタ 3、波長分離部 8、信号検出部 9、信号処理部 10、および表示部 11から構成される 部分を指す。また、光ファイバ温度分布測定システムとは、光ファイバ温度分布測定 装置と被測定光ファイバ 2を含む全体を指すものとする。
[0046] 図 2から図 4は、図 1に示す光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を 示すフローチャートであり、以下に、図 2から図 4を参照しつつ、ストークス光により反 スト一タス光の受光強度を補正する、被測定光ファイバの温度測定について説明す
[0047] まず、測定に使用する被測定光ファイバ 2を水素のない雰囲気中(測定雰囲気 30 において水素のない状態)にて光源 1に接続し(S1)、光源 1から被測定光: に波長 λの入射パルス光 4を入射する(S2)。被測定光ファイバ 2では、伝播の過程 で散乱点 5において生じた後方散乱光 6 (λ, λ + Α λ, λ-Α λ)が現れ、入射端 側に戻ってくる。ビームスプリッタ 3は、後方散乱光 6を光路変換して波長分離部 8に 出力する(S3)。
[0048] 波長分離部 8は、後方散乱光 6に含まれるストークス光(λ + Δ λ)と反ストークス光
(λ-Μ)とを分離して信号検出部 9に出力する(S4)。信号検出部 9は、スト一タス 光検出部 9Aにお!/、てスト一タス光を受光し、その受光強度 I (X)を検出する。ここで
SO
Xは入射端から散乱点 5までの距離を示す。また、反ストークス光検出部 9Bにおいて 反スト一タス光を受光し、その受光強度 I (X)を検出する(S5)。
AS0
[0049] 次に、被測定光ファイバ 2を水素雰囲気中(測定雰囲気 30に水素が存在する状態 )にて光源 1に接続し(S6)、光源 1から被測定光ファイバ 2に波長 λの入射ノ ルス光 4を入射する(S7)。入射ノ ルス光 4に基づいて被測定光ファイバ 2のある散乱点 5で 生じた後方散乱光 6 (λ, λ + Α λ, λ-Α λ)が現れ、入射端側に戻ってくる。ビー ムスプリッタ 3は、後方散乱光 6を光路変換して波長分離部 8に出力する(S8)。
[0050] 波長分離部 8は、後方散乱光 6に含まれるストークス光(λ + Δ λ)と反ストークス光
(λ-Μ)とを分離して信号検出部 9に出力する(S9)。信号検出部 9は、スト一タス 光検出部 9Aにお!/、てスト一タス光を受光し、その受光強度 I (X)を検出する。また、
S1
反ストークス光検出部 9Bにお!/、て反スト一タス光を受光し、その受光強度 I (X)を
AS1 検出する(S10)。
[0051] 次に、水素分子によるスト一タス光の受光強度の変化量 ΔΙ (X)即ち、水素雰囲気
S
中の被測定光ファイバ 2によるスト一タス光の受光強度 I (X)と水素のない雰囲気中
S1
の被測定光ファイバ 2によるスト一タス光の受光強度 I (X)との差を求める(ΔΙ (X)
SO S
=1 (X)— I (χ))。同様に水素分子による反スト一タス光の受光強度の変化量 ΔΙ
SI SO A
(χ)、即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ 2による反スト一タス光の受光強度 I
S AS
(χ)と水素のない雰囲気中の被測定光ファイバ 2による反スト一タス光の受光強度 I
1 A
(χ)との差を求める(ΔΙ (χ) =Ι (χ) -Ι (χ))。更に、水素分子によるストーク
SO AS AS1 ASO
ス光の受光強度の変化量 Δ I (χ)と反スト
S 一タス光の受光強度の変化量 Δ I (χ)の
AS 比、
Figure imgf000016_0001
を求める(S l l)。
なお、 kのィ直は、上記のようにスト一タス光と反スト一タス光の受光強度の変化量から 求めることができる力 図 18Aおよび図 18Bならびに図 19Aおよび図 19Bに示される 、水素分子による光ファイバの光伝送損失増加量の波長依存性データから求めるこ ともできる。
[0052] 次に、被測定光ファイバ 2を、実際に測定を行う水素雰囲気中(実際に測定を行う 測定雰囲気 30に水素がある状態)において光源 1に接続し(S 12)、光源 1から被測 定光ファイバ 2に波長えの入射ノ ルス光 4を入射する(S13)。ビームスプリッタ 3は、 入射ノ ルス光 4に基づいて生じる後方散乱光 6を光路変換して波長分離部 8に出力 し(S 14)、スト一タス光と反スト一タス光とを分離して信号検出部 9に出力する(S 15) 。信号検出部 9は、ストークス光検出部 9Aにおいてスト一タス光を受光して受光強度 I (X)を検出し、反ストークス光検出部 9Bにおいて反スト一タス光を受光して受光強
S
度 I (X)を検出する(S16)。
AS
[0053] 次に、信号処理部 10でスト一タス光と反スト一タス光の受光強度に基づく信号を演 算処理することにより、被測定光ファイバ 2の温度を求める。
水素の影響を除いた反スト一タス光の受光強度を I ' (X)とすると、
AS
Figure imgf000016_0002
(8)式より、 Δ Ι (x) =k- A l (x)であるので、これを(9)式に代入し、
AS S
I ' (x) =I (x) -k- Δ Ι (x) (10)
AS AS S
また、スト一タス光の水素分子による受光強度の変化量は、
Δ Ι (χ) = Ι (χ) - Ι (χ) (11)
S SI so
より求められるので、これを(10)式に代入し、
I ' (x) =I (x) -k- (I (x)— I (x) ) (12)
AS AS SI SO
となり、スト一タス光の受光強度の変化を用いて水素の影響を除いた反ストークス光 の受光強度が得られる(S 17)。
[0054] このようにして得られる補正された反スト一タス光の受光強度は、前述したように被 測定光ファイバ 2中における散乱点 5の絶対温度 Tの関数となることから、(6)式に基 づいて散乱点 5の温度を正確に求めることができる(S 18)。
[0055] 図 5Αおよび図 5Βは、反スト一タス光の受光強度に基づく温度測定について示す 特性図であり、図 5Αは反スト一タス光の受光強度の補正を行わない温度測定結果を 示し、図 5Βは反スト一タス光の受光強度の補正を行った温度測定結果を示す。ここ では、水素分圧 OMPa、 0. 04MPa、 0. 07MPa、および 0. 09MPaにおける温度 測定結果を示している。
[0056] (第 1の実施の形態の効果)
第 1の実施の形態によれば、水素のない雰囲気中および水素雰囲気中で被測定 光ファイバ 2の温度測定を行うことにより得られるスト一タス光と反スト一タス光の受光 強度に基づき、被測定光ファイバ 2の水素分子吸収に基づく受光強度の変化量に対 応する値 (比) kが求められ、実際に測定を行う水素雰囲気中で被測定光ファイバ 2に 入射ノ ルス光 4を入射して得られる反スト一タス光の受光強度を、スト一タス光の受光 強度を用いて補正することが可能になる。
[0057] したがって、図 5Aの測定結果に示す水素分子による光伝送損失を含む温度測定 結果から、図 5Bの測定結果に示すように、測定環境における水素の影響を除いた正 確な温度測定の結果を得ることができる。
[0058] (第 2の実施の形態)
図 6は、本発明の第 2の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示す 概略構成図である。第 2の実施の形態は、ビームスプリッタ 3から出力された光をスト 一タス光、反ストークス光、およびレーリー光に分離する波長分離部 8と、波長分離部 8で分離されたストークス光を検出するストークス光検出部 9Aと、反スト一タス光を検 出する反ストークス光検出部 9Bと、レーリー光を検出するレーリー光検出部 9Cとを有 する信号検出部 9を有する点で、第 1の実施の形態と相違している。図 6においても、 被測定光ファイバ 2が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、以下の説明では 、第 1の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分については共通の 符号を付している。
[0059] 図 7から図 9は、図 6に示す光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手順を 示すフローチャートであり、以下に、図 7から図 9を参照しつつ、レーリー光の受光強 度に基づきスト一タス光と反スト一タス光の受光強度を補正する被測定光ファイバの 温度測定につ!/、て説明する。
[0060] まず、測定に使用する被測定光ファイバ 2を水素のない雰囲気中にて光源 1に接続 し(S20)、光源 1から被測定光ファイバ 2に波長えの入射ノ ルス光 4を入射する(S2 D o被測定光ファイバ 2では、ある散乱点 5において伝播の過程で生じた後方散乱 光 6 ( λ , λ + Δ λ , λ - Μ )が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ 3は 、後方散乱光 6を光路変換して波長分離部 8に出力する(S22)。
[0061] 波長分離部 8は、後方散乱光 6に含まれるストークス光(λ + Δ λ )、反ストークス光
( λ - Μ )およびレーリー光( λ )を分離して信号検出部 9に出力する(S23)。信号 検出部 9は、ストークス光検出部 9Αにお!/、てスト一タス光を受光し受光強度 I (X)を
SO
検出し、反ストークス光検出部 9Bにおいて反スト一タス光を受光し受光強度 I (X)
AS0 を検出し、レーリー光検出部 9Cにおいてレーリー光を受光し受光強度 I (X)を検出
R0 する(S24)。
[0062] 次に、被測定光ファイバ 2を水素雰囲気中にて光源 1に接続し(S25)、光源 1から 被測定光ファイバ 2に波長えの入射ノ ルス光 4を入射する(S26)。入射パルス光 4に 基づいて被測定光ファイバ 2のある散乱点 5で生じた後方散乱光 6 ( λ , λ + Μ , λ Δ λ )が現れ、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ 3は、後方散乱光 6を光 路変換して波長分離部 8に出力する(S27)。
[0063] 波長分離部 8は、後方散乱光 6に含まれるストークス光( λ + Δえ)、反ストークス光
( λ - Μ )およびレーリー光( λ )を分離して信号検出部 9に出力する(S28)。信号 検出部 9では、ストークス光検出部 9Αにおいてスト一タス光を受光し受光強度 I (X)
S1 を検出し、反ストークス光検出部 9Βにおいて反スト一タス光を受光し受光強度 I (X
AS1
)を検出し、レーリー光検出部 9Cにおいてレーリー光を受光し受光強度 I (X)を検
R1 出する(S29)。
[0064] 次に、水素分子によるスト一タス光の受光強度の変化量 Δ Ι (X)即ち、水素雰囲気
S
中の被測定光ファイバ 2によるスト一タス光の受光強度 I (X)と水素のない雰囲気中
S1
の被測定光ファイバ 2によるスト一タス光の受光強度 I (X)との差を求める(Δ Ι (X) =1 (x)— I (x))。同様に水素分子によるレーリー光の受光強度の変化量 ΔΙ (χ)
SI SO R
、即ち、水素雰囲気中の被測定光ファイバ 2によるレーリー光の受光強度 I (X)と水
R1 素のない雰囲気中の被測定光ファイバ 2によるレーリー光の受光強度 I (X)との差を
R0
求める(ΔΙ (χ) =Ι (χ) -Ι (χ))。更に、被測定光ファイバ 2について、水素分子
R Rl R0
によるレーリー光の受光強度の変化量 ΔΙ (X)に対するスト
R 一タス光の受光強度の変 化量 ΔΙ (X)の比、
Figure imgf000019_0001
を求める(S30)。
[0065] 次に、水素分子による反スト一タス光の受光強度の変化量 ΔΙ (X)即ち、水素雰
AS
囲気中の被測定光ファイバ 2による反スト一タス光の受光強度 I (X)と水素のない
AS1
雰囲気中の被測定光ファイバ 2による反スト一タス光の受光強度 I (X)との差を求
AS0
める(ΔΙ (χ) =Ι (χ) -Ι (χ))。更に、被測定光ファイバ 2について、水素分子
AS AS1 AS0
によるレーリー光の受光強度の変化量 ΔΙ (X)に対する反スト
R 一タス光の受光強度の 変化量 ΔΙ (X)の比、
Figure imgf000019_0002
を求める(S31)。
[0066] 次に、被測定光ファイバ 2を実際に測定を行う水素雰囲気中にて光源 1に接続し(S 32)、光源 1から被測定光ファイバ 2に波長えの入射ノ ルス光 4を入射する(S33)。 ビームスプリッタ 3は、入射ノ ルス光 4に基づいて生じる後方散乱光 6を光路変換して 波長分離部 8に出力し(S34)、ストークス光、反ストークス光およびレーリー光を分離 して信号検出部 9に出力する(S35)。信号検出部 9は、ストークス光検出部 9Aにお いてスト一タス光を受光し受光強度 I (X)を検出し、反ストークス光検出部 9Bにおい
S
て反スト一タス光を受光し受光強度 I (X)を検出し、レーリー光検出部 9Cにおいて
AS
レーリー光を受光し受光強度 I (X)を検出する(S36)。
R
[0067] 次に、信号処理部 10でストークス光、反ストークス光およびレーリー光の受光強度 に基づく信号を演算処理することにより、被測定光ファイバ 2の温度を求める。
水素の影響を除いたスト一タス光の受光強度を I ' (X)とすると、
S
I ' (χ)=Ι (χ)- Δΐ (χ) (15) (13)式より、 ΔΙ (χ)=1·Δΐ (χ)であるので、これを(15)式に代入し、
S R
I ' (χ)=Ι (χ)-1· ΔΙ (χ) (16)
S S R
また、レーリー光の水素分子による受光強度の変化量は、
Figure imgf000020_0001
より求められるので、これを(16)式に代入し、
I '(χ)=Ι (χ)-1·(Ι (χ)-Ι (χ)) (18)
S S Rl RO
となり、レーリー光の受光強度変化を用いて水素の影響を除いたスト一タス光の受光 強度が得られる(S37)。
[0068] 次に、水素の影響を除いた反スト一タス光の受光強度を I '(χ)とすると、
AS
Figure imgf000020_0002
(14)式より、 ΔΙ (x)=m- ΔΙ (x)であるので、これを(19)式に代入し、
AS R
I ' (x)=I (x)-m-Al (x) (20)
AS AS R
また、レーリー光の水素分子による受光強度の変化量は、
Figure imgf000020_0003
より求められるので、これを(20)式に代入し、
I ' (x)=I (x)-m-(I (x)-I (x)) (22)
AS AS Rl RO
となり、レーリー光の受光強度の変化を用いて水素の影響を除いた反スト一タス光の 受光強度が得られる(S38)。
[0069] このようにして得られる補正されたスト一タス光と反ストークス光は、前述したように被 測定光ファイバ 2中における散乱点 5の絶対温度 Tの関数となることから、(5)式に基 づレ、て散乱点 5の温度を正確に求めることができる(S39)。
[0070] (第 2の実施の形態の効果)
第 2の実施の形態によれば、水素のない雰囲気中および水素雰囲気中で被測定 光ファイバ 2の温度測定を行うことにより得られるストークス光、反ストークス光および レーリー光の受光強度に基づき被測定光ファイバ 2の水素分子吸収による受光強度 の変化量に対応する値 (比) 1, mが求められるので、実際に測定を行う水素雰囲気中 で被測定光ファイバ 2に入射ノルス光 4を入射して得られる反スト一タス光の受光強 度とスト一タス光の受光強度をレーリー光の受光強度を用いて補正することが可能に なる。レーリー光はストークス光、反ストークス光に比べて温度依存性が極めて少ない ため、光ファイバの周囲温度に係わらず値 (比) 1、 mを適用すること力 Sできる。また、本 実施形態に基づく簡易的な形態として、ストークス光を利用せず、レーリー光と反スト 一タス光に基づき温度測定を行う実施形態も考えられる。
[0071] (第 3の実施の形態)
図 10は、本発明の第 3の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示 す概略構成図である。第 3の実施の形態では、受光強度の変化量を測定するための 参照光として、温度測定用の光の波長 λとは異なる波長 λ rの光を使用する。具体 的には、図 18Aに示すように、 1240nmは水素分子による光伝送損失の増加が顕著 に現れる波長であるため、波長 1240nmの光を参照光として使用する。第 3の実施 の形態は、被測定光ファイバ 2にビームスプリッタ 3を介して 1240nm光を入射する 1 240nm光源 1Aと、温度測定用光源 1Bと、ビームスプリッタ 3から出力された光をスト 一タス光、反ストークス光、および 1240nm光に分離する波長分離部 8と、波長分離 部 8で分離されたストークス光を検出するストークス光検出部 9Aと、反ストークス光を 検出する反ストークス光検出部 9Bと、 1240nm光を検出する 1240nm光検出部 9D とを有する信号検出部 9を有する点で、第 1の実施の形態と相違する。図 10において も、被測定光ファイバ 2が水素雰囲気中にある状態を示している。
[0072] 図 11から図 13は、図 10に示す光ファイバ温度分布測定システムでの温度測定手 順を示すフローチャートであり、以下に、図 11力も図 13を参照しつつ、 1240nm光 のレーリー光に基づきストークス光および反スト一タス光の受光強度を補正する、被 測定光ファイバの温度測定について説明する。
[0073] まず、測定に使用する被測定光ファイバ 2を水素のない雰囲気中にて 1240nm光 源 1Aに接続し(S40)、 1240nm光源 1Aから被測定光ファイバ 2に波長え r ( = 124 Onm)の入射ノ ルス光 4を入射する(S41)。被測定光ファイバ 2では、ある散乱点 5 にお!/、て伝播の過程で生じた後方散乱光 6 ( λ τ, λ τ+ Δ λ τ, λ ΐ- M r)が現れ 、入射端側に戻ってくる。ビームスプリッタ 3は、後方散乱光 6を光路変換して波長分 離部 8に出力する(S42)。
[0074] 波長分離部 8は、後方散乱光 6に含まれる 1240nm光のレーリー光を分離して信 号検出部 9に出力する(S43)。信号検出部 9では、 1240nm光検出部 9Dにおいて 1240nm光のレーリー光を受光し、その受光強度 I (x)を検出する(S44)
R' O 。
[0075] 次に、被測定光ファイバ 2を水素のない雰囲気中にて温度測定用光源 IBに接続し
(S45)、温度測定用光源 1Bから被測定光ファイバ 2に波長 λの入射パルス光 4を入 射する(S46)。ビームスプリッタ 3は、入射ノ ルス光 4の入射に基づいて被測定光フ アイバ 2の散乱点 5において生じる後方散乱光 6 ( λ , λ + Α λ , λ— Δ λ )を光路変 換して波長分離部 8に出力する(S47)。
[0076] 波長分離部 8は、後方散乱光 6に含まれるストークス光(λ + Δ λ )と反ストークス光
( λ - Μ )を分離して信号検出部 9に出力する(S48)。信号検出部 9は、スト一タス 光検出部 9Αにお!/、てスト一タス光を受光し受光強度 I (X)を検出し、反ストークス光
SO
検出部 9Bにお!/、て反スト一タス光を受光し受光強度 I (X)を検出する(S49)
AS0 。
[0077] 次に、測定に使用する被測定光ファイバ 2を水素雰囲気中にて 1240nm光源 1 A に接続し(S50)、水素のない雰囲気中で行った操作と同様に被測定光ファイバ 2へ 波長 λ r ( = 1240nm)の入射パルス光 4を入射し、そのことに基づ!/、て生じる後方散 乱光 6からレーリー光を分離して信号検出部 9の 1240nm光検出部 9Dで 1240nm 光のレーリー光を受光し、その受光強度 I (X)を検出する(S51)。
R' 1
[0078] 次に、測定に使用する被測定光ファイバ 2を水素雰囲気中にて温度測定用光源 1 Bに接続し(S52)、水素のない雰囲気中で行った操作と同様に被測定光ファイバ 2 へ波長 λの入射パルス光 4を入射し、そのことに基づ!/、て生じる後方散乱光 6からス トークス光および反ストークス光を分離して信号検出部 9に出力する。信号検出部 9 は、ストークス光検出部 9Αにお!/、てスト一タス光を受光し、その受光強度 I (X)を検
S1 出する。また、反ストークス光検出部 9Βにおいて反スト一タス光を受光し、その受光 強度 I (X)を検出する(S53)。
AS1
[0079] 次に、被測定光ファイバ 2について、水素分子による 1240nm光のレーリー光の受 光強度の変化量 Δ I (X)に対する波長 λの入射ノ ルス光 4のスト
R' 一タス光の受光強 度の変化量 Δ Ι (X)の比、
S
Δ Ι (χ) / Δ ΐ (χ) =η (23)
S R'
を求める(S54)。 [0080] 次に、被測定光ファイバ 2について、水素分子による 1240nm光のレーリー光の受 光強度の変化量 Δ I (X)に対する波長 λの入射ノ ルス光 4の反スト一タス光の受光
R'
強度の変化量 Δ Ι (X)の比、
AS
Δ Ι (χ) / Δ ΐ (χ) =ο (24)
AS R'
を求める(S55)。
[0081] 次に、被測定光ファイバ 2を実際に測定を行う水素雰囲気中において、 1240nm光 源 1Aに接続し(S56)、 1240nm光源 1Aから被測定光ファイバ 2に波長え r( = 124 Onm)の入射パルス光 4を入射し、散乱点 5で生じた後方散乱光 6から 1240nm光の レーリー光を分離して信号検出部 9に出力する。信号検出部 9は、 1240nm光検出 部 9Dにおいて 1240nm光のレーリー光を受光し、その受光強度 I (x)を検出する(
R'
S57)。
[0082] 次に、被測定光ファイバ 2を実際に測定を行う水素雰囲気中において、温度測定 用光源 1Bに接続し(S58)、温度測定用光源 1Bから被測定光ファイバ 2に波長 λの 入射ノ ルス光 4を入射し、散乱点 5で生じた後方散乱光 6からスト一タス光と反スト一 タス光とを分離して信号検出部 9に出力する。信号検出部 9は、ストークス光検出部 9 Αにおいてスト一タス光を受光し受光強度 I (X)を検出し、反ストークス光検出部 9B
S
にお!/、て反スト一タス光を受光し受光強度 I (X)を検出する(S 59)
AS 。
[0083] 次に、信号処理部 10で波長 λの入射パルス光 4のストークス光および反スト一タス 光と、 1240nm光のレーリー光の受光強度に基づく信号を演算処理することにより、 被測定光ファイバ 2の温度を求める。
水素の影響を除いた波長えの入射ノ ルス光 4のスト一タス光の受光強度を I ' (X)と
S
すると、
I ' (χ) =Ι (χ) - Δ I (χ) (25)
s s s
(23)式より、 Δ Ι (χ) =η· Δ ΐ (x)であるので、これを(25)式に代入し、
S R'
I ' (χ) =Ι (χ) -η· Δ Ι (χ) (26)
S S R
また、 1240nm光のレーリー光の光伝送損失量は、
Δ Ι (χ) =Ι (χ) -Ι (χ) (27)
R' R' l R' O
より求められるので、これを(26)式に代入し、 I, (x) =1 (x) -η· (I , (x) I , (x) ) (28)
となり、波長 λの入射パルス光 4のスト一タス光の受光強度を 1240nm光のレーリー 光の受光強度によって補正した値が得られる(S60)。
次に、水素の影響を除いた波長 λの入射ノ ルス光 4の反スト一タス光の受光強度 を I ' (χ)とすると、
Figure imgf000024_0001
(24)式より、 Δ Ι (χ) =ο · Δ ΐ (x)であるので、これを(29)式に代入し、
AS R'
I ' (χ) =Ι (χ) -ο · Δ Ι (χ) (30)
AS AS R'
また、 1240nm光のレーリー光の光伝送損失量は、
Figure imgf000024_0002
より求められるので、これを(30)式に代入し、
I ' (x) =I (x) -o - (I (χ) -Ι (χ) ) (32)
AS AS R' l R' O
となり、波長 λの入射パルス光 4の反スト一タス光の受光強度を 1240nm光のレーリ 一光の受光強度によって補正した値が得られる(S61)。
[0085] このようにして得られる補正されたスト一タス光と反ストークス光は、前述したように被 測定光ファイバ 2中における散乱点 5の絶対温度 Tの関数となることから、(5)式に基 づレ、て散乱点 5の温度を正確に求めることができる(S62)。
[0086] (第 3の実施の形態の効果)
第 3の実施の形態によれば、水素のない雰囲気中および水素雰囲気中で被測定 光ファイバ 2の温度測定を行うことにより得られる波長 λの入射ノ ルス光 4のストーク ス光および反スト一タス光の受光強度と 1240nm光のレーリー光の受光強度に基づ き、被測定光ファイバ 2の水素分子吸収に基づく受光強度の変化量に応じた値 (比) n, oが求められる。したがって、実際に測定を行う水素雰囲気中で被測定光ファイバ 2に波長 λの入射パルス光 4を入射することに基づ!/、て得られる反スト一タス光の受 光強度とスト一タス光の受光強度とを、 1240nm光のレーリー光の受光強度に基づ いて補正することが可能になる。図 18Aに示すように、 1240nm光は水素分子による 光伝送損失の増加が顕著に現れる波長なので、感度良く補正することができる。
[0087] また、本実施形態に基づく簡易的な形態として、波長 λの入射ノ ルス光 4のスト一 タス光を利用せず、 1240nm光のレーリー光と波長 λの入射パルス光 4の反ストーク ス光に基づき温度測定を行う実施形態も考えられる。さらに、本実施の形態では、 12 40nm光源 1Aと温度測定用光源 1 Bを別々の光源として構成しているが、 1240nm 光源と温度測定用光源を備えた単一の光源ユニットを被測定光ファイバ 2に接続し、 2つの光源を切り替えるように構成することもできる。また、温度測定用光源 1 Bの波 長を変化させ、 1240nm光と温度測定用の他の波長の光信号を時分割で連続して 被測定光ファイバ 2に入射するように構成することもできる。
[0088] (第 4の実施の形態)
図 20は第 4の実施の形態に係る光ファイバ温度分布計測システムを示す概略構成 図である。第 4の実施の形態は、ビームスプリッタ 3から出力された光を参照光および 反スト一タス光に分離する波長分離部 8と、波長分離部 8で分離された参照光を検出 する参照光検出部 9Eを更に有する信号処理部 9とを、反スト一タス光の受光強度を 用いて被測定光ファイバ 2の温度分布を計算する信号処理部 10とを備え、信号処理 部 10は被測定光ファイバ 2の水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量を測 定地点毎に算出し、反スト一タス光の受光強度に対して、参照光の受光強度の変化 量に基づいて計算された水素分子吸収損失の影響による反スト一タス光の受光強度 の変化量を各測定地点に加算する補正を行う補正部 10Aと、補正された反ストーク ス光の受光強度に基づき温度分布の計算をする温度分布計算部 10Bとを有する点 で、第 1の実施の形態と相違している。図 20においても、被測定光ファイバ 2が水素 雰囲気中にある状態を示している。
[0089] ここで、「水素分子吸収損失の影響に応じた反スト一タス光の受光強度の変化量を 加算する補正」とは、
I ' (χ) = Ι (χ) - Δ ΐ (χ) (33)
AS AS AS
であって、
I ' (χ) = Ι (χ) - ρ · Δ ΐ (x) (34)
AS AS Rf
(pは定数、 Δ Ι (χ) = Ι (χ) - Ι (χ) )
Rf Rfl RfO
に基づく補正を意味する。ここで、 Δ Ι (X)は参照光の受光強度の変化量であり、水
Rf
素のない雰囲気中の被測定光ファイバ 2の参照光の受光強度 I (X)と水素雰囲気 中の被測定光ファイバ 2の参照光の受光強度 I (X)の差から求められる。上記の通
Rf l
り、水素分子吸収損失の影響による反スト一タス光の受光強度の変化量 Δ Ι (X)は
AS
、水素分子吸収損失による参照光の受光強度の変化量 Δ I (X)に係数 pを乗じて算
Rf
出すること力 sできる。なお、第 1の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有す る部分について共通の符号を付している。また、参照光とは、温度測定用光源 1から 入射する入射パルス光 4の反ストークス光以外の光であって、ストークス光、レーリー 光、あるいは他の波長の光(例えば 1240nmの光)を意味する。
[0090] また、信号処理部 10は、水素分子吸収による反スト一タス光の受光強度の変化量
Δ Ι (X)を水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量 Δ Ι (X)で割って係数 p
AS Rf
を計算する係数演算部 10Cを更に有してもよい。また、第 4の実施の形態は、他の各 実施の形態にっレ、て適用してもょレ、。
[0091] (第 5の実施の形態)
図 21は、本発明の第 5の実施の形態に係る光ファイバ温度分布測定システムを示 す概略構成図である。第 5の実施の形態は、水素雰囲気中にある被測定光ファイバ 2の近傍に設置され、被測定光ファイバ 2の温度を測定する 1個または複数個の温度 センサ 12と、温度センサ 12からの信号を温度に変換する温度変換部 13を更に有す る点で、第 4の実施の形態と相違する。図 21においても、被測定光ファイバ 2が水素 雰囲気中にある状態を示している。なお、第 4の実施の形態と同一の構成および同 様の機能を有する部分にっレ、て共通の符号を付して!/、る。
[0092] 第 5の実施の形態において、補正部 10Aは、水素分子による参照光の受光強度の 変化量 Δ Ι (X)に所定の係数 pを乗じて水素分子による反スト
Rf 一タス光の受光強度 の変化量 Δ Ι (X)を算出し、算出結果に基づき反スト
AS 一タス光の受光強度を補正す る。温度分布計算部 10Bは、補正された反スト一タス光の受光強度に基づいて、測 定地点における被測定光ファイバ 2の温度を計算する。温度センサ 12は、被測定光 ファイバ 2の測定地点における温度を測定し、温度変換部 13に温度を示す信号を有 線または無線により温度変換部 13に送信する。温度変換部 13は、温度センサ 12か ら受信した信号を温度に変換する。係数演算部 10Cは、温度センサ 12で測定した被 測定光ファイバ 2の温度と温度分布計算部 10Bで計算した被測定光ファイバ 2の温 度の計算結果が一致するように、補正のための係数 Pを算出する。
[0093] 第 5の実施の形態では、被測定光ファイバ 2の近傍に設置された温度センサ 12が 検出した光ファイバ 2の測定温度に基づいて係数 pを算出するため、実際の温度測 定の前に水素のない雰囲気中と水素雰囲気中で反ストークス光および参照光の受 光強度の変化を測定し、これらの測定結果に基づき係数 pを算出することなぐ被測 定光ファイバ 2の温度測定を行うことができる。したがって、光源 1の出力波長の変化 等に起因して係数 pの値が変化する場合でも、その影響を受けることなぐ反ストーク ス光の受光強度の正確な補正を行うことができる。また、複数の温度センサ 12を設け ることにより、被測定光ファイバ 2の各測定地点間の温度差が大きい場合であっても、 高精度の補正を行うことができる。また、第 5の実施の形態は、他の各実施の形態に ついて適用してもよい。
[0094] (第 6の実施の形態)
図 22は、第 6の実施の形態に係る光ファイバ温度分布計測システムを示す概略構 成図である。第 6の実施の形態は、信号処理部 10が、反スト一タス光の受光強度に 対して、水素分子による参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された水素分 子による反スト一タス光の受光強度の変化量を測定地点毎に加算する際に、補正に 用いる係数 Pを外部から入力する係数データ取り込み部 10Dを更に有する点で、第 4の実施の形態と相違している。図 22においても、被測定光ファイバ 2が水素雰囲気 中にある状態を示している。なお、第 4の実施の形態と同一の構成および同様の機 能を有する部分について共通の符号を付している。また、第 6の実施の形態は、他の 各実施の形態にっレ、て適用してもょレ、。
[0095] (第 7の実施の形態)
図 23は、第 7の実施の形態に係る光ファイバ温度分布計測システムを示す概略構 成図である。ストークス光は反スト一タス光の温度依存性よりは低いが温度依存性を 有する。このため、 (1 1)式において、水素のない雰囲気中のスト一タス光の受光強 度 I (X)と水素雰囲気中のスト一タス光の受光強度 I (X)を測定する際に、被測定
SO SI
光ファイバ 2の周囲温度に差がある場合、この周囲温度の差に起因するストークス光 の受光強度の差によって、(11)式により算出されたスト一タス光の受光強度の変化 量に誤差を生ずる。し力、し、(11)式により算出されたスト一タス光の受光強度の変化 量から、この周囲温度の差に起因する受光強度の差を差し引くことにより、誤差の問 題を角早決すること力できる。
[0096] 第 7の実施の形態は、信号処理部 10が、被測定光ファイバ 2の周囲温度の差によ る参照光の受光強度の変化量を決定し、参照光の受光強度に対して、被測定光ファ ィバ 2の各測定地点において、周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を 加算する参照光補正部 10Eを更に有する点で、第 4の実施の形態と相違する。図 23 においても、被測定光ファイバ 2が水素雰囲気中にある状態を示している。なお、第 4 の実施の形態と同一の構成および同様の機能を有する部分について共通の符号を 付している。
[0097] 第 7の実施の形態において、被測定光ファイバ 2の周囲温度の差による参照光の 受光強度の変化量は以下のように求めることができる。まず、初回の温度分布の測定 を、被測定光ファイバ 2に水素分子が拡散しておらず水素分子吸収の影響の少な!/、 段階で行う。次に、 2回目の温度分布の測定の際には、初回の温度分布の測定で得 られた結果に基づいて、周囲温度の差による参照光の受光強度の変化量を決定す る。更に、次回以降の測定では、前回の温度分布の測定で得られた結果に基づいて 温度差による参照光の受光強度の変化量を決定し、同様の工程を繰り返すことがで きる。
[0098] また、最新の温度分布の測定の結果、参照光の受光強度を測定する被測定光ファ ィバ 2の周囲温度が信号処理部 10で設定した周囲温度と異なることが判明した場合 には、最新の測定温度に基づいて参照光の受光強度を測定する際の周囲温度を設 定する。更に、予め測定された、周囲温度と周囲温度の差による参照光の受光強度 の変化量の関係データに基づいて、周囲温度の差による参照光の受光強度の変化 量を補正する。この補正された参照光の受光強度に基づいて、再度、被測定光ファ ィバ 2の温度分布を測定する。
[0099] なお、水素分子吸収の影響の少なレ、雰囲気中では従来技術によって温度を測定 すること力 Sできるため、この測定温度を周囲温度の差による参照光の受光強度の変 化量を補正する際の初期温度とすることができる。また、参照光補正部 10Eは、第 5 および第 6の実施形態においても適用することができる。
[0100] 第 1から第 7の実施の形態において使用される温度測定用光源の光源波長は、 85
Onm帯、 1060nm帯、 1300nm帯、 1550nm帯等力ぁる力 本発明 (まこれらの波長 に限定されるものではない。
[0101] なお、第 1から第 7の実施の形態において使用される被測定光ファイバ 2としては、 種々の光ファイバを使用することができる力 特に、純石英コアファイバを使用するこ とが好ましい。
水素雰囲気中においては水素分子の拡散による光伝送損失の増加に加えて、前 ¾lの参^!"文 (N. Uchida and N. Uesugi, 'Infrared Optical Loss Increase in bilica Fi bers due to Hydrogen, J. Lightwave Technol., Vol LT_4, No.8, pp.1132-1138, Aug . 1986.)にも開示されている通り、水素分子と光ファイバの中のガラス欠陥との化学反 応の結果、 OH基形成に起因する OH基吸収損失等の吸収損失が増加すると!/、う課 題がある。これらの吸収損失による誤差に対しては、本発明による受光強度の補正 は有効ではない。一方、純石英コアファイバではこれらの吸収損失の増加がほとんど 発生しないことが知られている。このことは、例えば、参考文献 . anamori et al "T ransmissionし haracteristics and Reliability or Pure-Silica -し ore single-Mode Fibers , J. Lightwave Technol. , Vol LT- 4, No.8, pp.1144- 1150, Aug. 1986. )などに開示さ れている。したがって、水素と化学反応しない純石英コアファイバを用いることで、水 素分子と光ファイバとの化学反応の結果生じる吸収損失を防ぐことができるので、水 素分子吸収の影響を補正する本発明の温度分布測定システム用ファイバとして純石 英コアファイバを適用することは有効である。
したがって、本発明の温度分布測定システムに純石英コアファイバを使用した場合 には、他の光ファイバを使用した場合に比べて、より誤差を低減できるという効果があ
産業上の利用可能性
[0102] 本発明の光ファイバ温度分布測定装置、光ファイバ温度分布測定方法および光フ アイバ温度分布測定システムによると、水素雰囲気中におけるストークス光および反 スト一タス光の水素分子による光伝送損失を補正することができるので、水素雰囲気 中であっても正確な温度測定が可能になる

Claims

請求の範囲
[1] 被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、
前記ノ^レス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に 含まれる所定の光の受光強度を検出する信号検出部と、
前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収によ る受光強度の変化量に応じた値を算出し、前記値に基づいて前記被測定光ファイバ の温度に応じた前記所定の光の受光強度を補正する信号処理部とを有する光フアイ バ温度分布測定装置。
[2] 前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光 および反スト一タス光の受光強度を検出する請求項 1に記載の光ファイバ温度分布 測定装置。
[3] 前記信号検出部は、前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光、 反ストークス光、およびレーリー光の受光強度を検出する請求項 1に記載の光フアイ バ温度分布測定装置。
[4] 前記信号処理部は、スト一タス光の受光強度の変化量に応じた値に基づ!/ヽて、前 記被測定光ファイバの温度に応じた反スト一タス光の受光強度を補正する請求項 1 に記載の光ファイバ温度分布測定装置。
[5] 前記信号処理部は、前記光源が出力する温度測定用パルス光の波長に基づいて 得られる受光強度の変化量に応じた値に基づいて、前記被測定光ファイバの温度に 応じた前記所定の光の受光強度を補正する請求項 1に記載の光ファイバ温度分布 測定装置。
[6] 前記信号処理部は、他の光源が出力する 1240nm光の波長に基づいて得られる 受光強度の変化量に応じた値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前 記所定の光の受光強度を補正する請求項 1に記載の光ファイバ温度分布測定装置
[7] 純石英コア光ファイバからなる前記被測定光ファイバと、請求項 1に記載の光フアイ バ温度分布測定装置とを用いる光ファイバ温度分布測定システム。
[8] 光源力 被測定光ファイバにパルス光を入射し、 前記ノ^レス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に 含まれる所定の光の受光強度を検出し、
前記所定の光の受光強度に基づいて前記被測定光ファイバの水素分子吸収によ る受光強度の変化量に応じた値を算出し、
前記値に基づいて前記被測定光ファイバの温度に応じた前記所定の光の受光強 度を補正する光ファイバ温度分布測定方法。
[9] 前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるストークス光に基づいて前記被測 定光ファイバの温度に応じた反スト一タス光の受光強度を補正する請求項 8に記載 の光ファイバ温度分布測定方法。
[10] 前記所定の光として前記後方散乱光に含まれるレーリー光に基づいて前記被測定 光ファイバの温度に応じたストークス光および反スト一タス光の受光強度を補正する 請求項 8に記載の光ファイバ温度分布測定方法。
[11] 前記所定の光として前記後方散乱光に含まれる 1240nm光のレーリー光に基づい て前記被測定光ファイバの温度に応じたストークス光および反スト一タス光の受光強 度を補正する請求項 8に記載の光ファイバ温度分布測定方法。
[12] 被測定光ファイバにパルス光を入射する光源と、
前記ノ^レス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に 含まれる光であり、反スト一タス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検 出する信号検出部と、
前記反スト一タス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算 する信号処理部とを有し、
前記信号処理部は、前記被測定光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の 受光強度の変化量を各地点毎に算出し、前記反スト一タス光の受光強度に対し、水 素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された、水素分 子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を 行う補正部と、前記補正された反スト一タス光の受光強度を使用して前記温度分布 の計算をする温度分布計算部とを有する
光ファイバ温度分布測定装置。
[13] 前記水素分子吸収による前記反スト タス光の受光強度の変化量は、前記水素分 子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算する請求 項 12記載の光ファイバ温度分布測定装置。
[14] 前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反スト タス光の受光強度の変 化量を前記水素分子吸収による参照光の受光強度の変化量で割った値とする係数 演算部を有する請求項 13記載の光ファイバ温度分布測定装置。
[15] 前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置した温度センサにより測 定された測定温度に基づいて、前記測定温度となるように前記反スト タス光の受光 強度を補正する値として算出する係数演算部を有する請求項 13記載の光ファイバ 温度分布測定装置。
[16] 前記所定の係数を外部から入力する係数データ取り込み部を有する請求項 13記 載の光ファイバ温度分布測定装置。
[17] 温度差による前記参照光の受光強度の変化量を決定し、前記被測定光ファイバの 各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による前記参照光の受光強度の 変化量を加算する参照光補正部を有することを特徴とする請求項 13記載の光フアイ バ温度分布測定装置。
[18] 前回測定での温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度 の変化量を決定することを特徴とする請求項 17記載の光ファイバ温度分布測定装置
[19] 最新の測定の温度分布測定結果に基づき、前記温度差による参照光の受光強度 の変化量を決定することを特徴とする請求項 17記載の光ファイバ温度分布測定装置
[20] 純石英コアを有する光ファイバである前記被測定光ファイバと、請求項 12記載の光 ファイバ温度分布測定装置とを用いる光ファイバ温度分布測定システム。
[21] 光源力 被測定光ファイバにパルス光を入射し、
前記ノ^レス光の入射に基づいて前記被測定光ファイバ内で生じた後方散乱光に 含まれる光であり、反スト タス光と参照光を含む複数の所定の光の受光強度を検 出し、 前記反スト一タス光の受光強度を用いて前記被測定光ファイバの温度分布を計算 する光ファイバ温度分布測定方法であり、
前記被測定光ファイバの水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量を 各地点で算出し、前記反スト一タス光の受光強度に対して、前記水素分子吸収によ る前記参照光の受光強度の変化量に基づいて計算された、水素分子吸収による前 記反スト一タス光の受光強度の変化量を各地点毎に加算する補正を行い、 前記補正された反スト一タス光の受光強度を使用して前記温度分布の計算をする 光ファイバ温度分布測定方法。
[22] 前記水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変化量は、前記水素分 子吸収による前記参照光の受光強度の変化量に所定の係数を乗じて計算する請求 項 21記載の光ファイバ温度分布測定方法。
[23] 前記所定の係数は、前記水素分子吸収による前記反スト一タス光の受光強度の変 化量を前記水素分子吸収による前記参照光の受光強度の変化量で割った値とする 請求項 22記載の光ファイバ温度分布測定方法。
[24] 前記所定の係数を、前記被測定光ファイバの近傍に配置された温度センサによつ て測定された測定温度に基づき、前記測定温度となるように前記反スト一タス光の受 光強度を補正する値として算出する請求項 22記載の光ファイバ温度分布測定方法
[25] 前記所定の係数を外部から入力する請求項 22記載の光ファイバ温度分布測定方 法。
[26] 初回の温度分布の測定を被測定光ファイバへの水素分子が拡散しておらず水素 分子吸収の影響が少ない段階で行い、 2回目の温度分測定の際に、初回の温度分 布の測定結果を基に前記温度差による参照光の受光強度の変化量を決定し、前記 被測定光ファイバの各地点での前記参照光の受光強度に前記温度差による参照光 の受光強度の変化量を加算することを特徴とする請求項 21記載の光ファイバ温度分 布測定方法。
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