JP2010271254A

JP2010271254A - 光ファイバ温度測定器

Info

Publication number: JP2010271254A
Application number: JP2009124738A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Hamada; 浜田則幸; Eiki Mimura; 三村榮紀
Original assignee: FIBERLABS Inc
Current assignee: FIBERLABS Inc
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】
極めて小型な温度センサ部を備え、測定精度が高く、且つ、５００〜６００℃の高温域でも測定可能な光ファイバ温度測定器を実現する。
【解決手段】
対向するテーパファイバ対（１１）と、非テーパ部（１２）と、反射器（１３）と、当該テーパファイバ対の表面が周囲の気体、液体と接しないための保護手段を具備した温度センサ部（１）に光を入射し、反射光を受光する。温度センサ部（１）から反射された光は周期的強度変調をうけており、周期の位相が温度によりシフトするので、位相を測定して温度を検知する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを使って温度を測定する光ファイバ温度測定器に関し、より具体的には、５００〜６００℃の高温域でも測定可能な、光ファイバ温度測定器に関する。

光ファイバ温度センサは、防爆性、耐電磁ノイズ特性に優れ、遠隔、多点モニタリングが容易なことから各種のセンサが開発されている。

光ファイバを用いた温度センサが、特許文献１、２、３、非特許文献１、２に開示されている。

特許文献１には、ファイバ先端に装填した蛍光物質の蛍光減衰特性を利用した温度センサが開示されている。

特許文献２には、ラマン散乱光強度の温度依存性を温度測定に利用する方法が述べられている。

特許文献３には、光ファイバ素線の軸方向に沿って配置した、熱膨張率の異なる被覆剤よって生じるマイクロベンド損失を利用する温度センサが開示されている。

非特許文献１には、ファイバに形成した周期的屈折率分布（ＦＢＧ）の温度依存性を利用したセンサが記載されている。

非特許文献２には、２個のテーパ部と、その間に極めて細長い非テーパ部を持つファイバの透過光が周期的なスペクトルになることを利用した温度センサが記載されている。
特表昭６２−５０１４４８号公報特開平０７−１６７７１７号公報特開平０８−０１５０５４号公報「P. R. Forman et. al., Rev. Sci. Instrum. 61(10), 2970-2972(1990)」「K. Q. Kieu et. al., IEEE Photon. Lett., 18(21), 2239-2241 (2006)」「R. J. Black et.al., IEE Proceeings-J, 138(5), 355-364(1991」

しかしながら、特許文献１に開示されている蛍光式温度センサ、特許文献２に開示されているラマン散乱式温度センサ、特許文献３に開示されているマクロベンド式温度センサ、非特許文献１に記載されているＦＢＧ式温度センサは、いずれも５００℃以上の温度測定は困難である。

非特許文献２では、２個のテーパファイバを透過した光が周期的強度変調されるのを利用し、周期の位相変化から温度を計測するセンサが記載されている。非特許文献２では、測定可能な温度範囲が記載されていないが、位相変化が１０ｐｍ／℃程度と小さいため測定精度が低いという問題点が記載されている。また、透過光測定のため、光の入出力に２本のファイバが必要であるのに加え、相対するテーパ部の間に外径１０μｍ以下、長さ１０ｍｍ以上に引き延ばされた、極めて細長いファイバ部分が存在するため、センサファイバを何らかの基材に固定しなければならず、そのため、温度センサ部が複雑で大きくなるという問題もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、極めて小型な温度センサ部を備え、測定精度が高く、且つ、５００〜６００℃の高温域でも測定可能な光ファイバ温度測定器を提供することにある。

そのため、本発明は、対向するテーパファイバ対と、当該テーパファイバ対の片側に連結した非テーパ部と、当該非テーパ部の端面で測定光を反射する反射器と、当該テーパファイバ対の表面が周囲の気体、液体と接しないための保護手段とを具備した温度センサ部と、当該温度センサ部に供給すべき測定光を発生する光発生手段と、当該温度センサ部で周期的強度変化を受けた反射光スペクトルを計測する光計測手段と、当該温度センサ部に測定光を導き、当該温度センサ部から戻る反射光を当該光計測手段に導く導光手段と、周期的強度変化を受けた反射光スペクトルの位相を検出し、位相から温度を算出する演算処理手段とを具備した計測部と、当該温度センサ部と当該計測部の間の光伝送を行う伝送用光ファイバを備えたことを特徴とする。

本発明により、極めて小型な温度センサ部を備え、測定精度が高く、且つ、５００〜６００℃の高温域でも測定可能な光ファイバ温度測定器を実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１である光ファイバ温度計測器の構成概略図を示し、図２は、温度センサ部１の拡大切断面図を示してある。図１における矢印は光が進行する様子を示している。図２（a）では、図面を見やすくするためテーパファイバ対１１の表面が周囲の気体、液体と接しないための保護手段（１５，１６）を省略してある。図２（ｂ）では、保護手段としてコーティング層１５で覆った構成を、図２（ｃ）では、中空容器１６に温度センサ部１を封入した構成を示している。

本実施例１は、温度センサ部１、計測部３、伝送用光ファイバ６から構成される。

温度センサ部１は、テーパファイバ対１１と、その片側に連結した非テーパ部１２と、非テーパ部１２の端面で測定光を反射する反射器１３と、テーパファイバ対１１の表面が周囲の気体、液体と接しないためのコーティング層１５、或いは中空容器１６を具備する。テーパファイバ対１１は、ウエスト部１４に向かってファイバ外径が次第に細くなっており、また、外径に比例してコア径も細くなっている。テーパファイバ対１１の最も細い部分であるウエスト部１４の外径は３０〜５０μｍ程度であり、非テーパ部１２の重量で曲がらない剛性を備えている。非テーパ部１２の長さは、１〜５ｍｍ程度である。反射器１３は、例えば、誘電体多層膜、金属膜などで構成する。

計測部３は、ブロードバンド光源３１と、温度センサ部１から反射されてきた光のスペクトルを測定する分光計測器３３と、ブロードバンド光源３１から発生する光を伝送用光ファイバ６に導き、温度センサ部１から戻る光を分光計測器３３に導く光サーキュレータ７と、スペクトルの周期的変化から位相を検出し、温度に変換する演算処理回路３４を具備する。

ブロードバンド光源３１には、ＡＳＥ光源、ＳＬＤ（ＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｏｄｅ）、ＬＥＤなど、スペクトル幅の広い光源を使用する。

分光計測器３３には、モノクロメータ、波長可変フィルタなど光を分光し、光強度と波長の関係を測定する装置、例えば、光スペクトラムアナライザー、波長可変フィルタと光検出器の組合せなどを用いる。

伝送用光ファイバ６は、温度センサ部１と計測部３の間の光伝送を行うシングルモード光ファイバで、温度センサ部１に用いる光ファイバと同種の場合も、異種の場合もある。

本実施例１の温度センサ部１から戻る反射光スペクトルは、温度センサ部１の作用により周期的に強度変調されている。この周期の位相が温度により変化するので、分光計測器３３で計測したスペクトルから位相を検出し、演算処理回路３４により温度に変換して温度測定を行う。

以下、本実施例１の温度センサ部１の動作について詳細に説明する。

図３は、本実施例１の温度センサ部１に広帯域光源を入射し、反射光スペクトルを測定した例と、同様なテーパファイバ対１１を透過した光のスペクトル例を示している。反射光のスペクトルは、正弦関数に近い、明瞭な周期的変化を示す。一方、透過光スペクトルでは、波長に対して若干の光量変化が見られるものの、明確な周期スペクトルを観察できない。このような周期スペクトルを生じることが、温度センサとして機能する要件であり、本実施例１の温度センサ部１においては、この現象は反射光に特有に現れる。

図４は、本実施例１の温度センサ部１で得られる周期的スペクトルの温度変化を測定した例を示している。温度上昇と共に、スペクトルが長波長側にシフトすることが分かる。シフト量は約１００ｐｍ／℃と非常に大きい。従って、この位相シフト量を分光計測器３３で検出して、演算処理回路３４により温度に換算すれば高精度の温度測定器となる。

このような周期的スペクトルが出現する理由としてクラッドモードとコアモード間の干渉、結合が考えられる。図５に示すように、周期スペクトルが顕著に観測できる５０μｍ以下のウエスト部１４では、コア径が小さいためＭＦＤ（モードフィールド径）がクラッド径以上に大きく広がっており、コアモードとクラッドモード間の干渉、結合が起こり得る。また、位相が温度上昇と共に長波長側にシフトする理由は、ファイバ屈折率の温度変化によりファイバ内の光路長が変化するためと考えられる。

振幅の大きさは、ウエスト部１４の径に依存し、ウエスト部１４の径が小さいほど大きくなる。しかし、ウエスト部１４の径が３０μｍ以下ではウエスト部１４の剛性が小さく、曲がりやすくなってしまうため、３０〜５０μｍ程度が実用的である。

周期は非テーパ部１１の長さに強く依存する。図６は非テーパ部１１の長さを変えてスペクトルを測定した例を示す。非テーパ部１１が短いほど周期が長くなり、且つ、規則的変化をする。一方、非テーパ部１１が長くなると周期が短くなるのに加え、不規則な変化をする。非テーパ部１１が長いほど周期が短くなる理由は、より高次のクラッドモードとの干渉、結合が起こるためと考えられる。また、不規則な周期となるのは複数のクラッドモードとの干渉、結合が起こるためと考えられる。本実施例１の温度センサとして用いるには、規則的な周期が得られる５mm以下が適している。

本実施例１における温度センサ部１のウエスト部１４では、コアモードもＭＦＤが大きく、ファイバ外部に光が浸み出している。そのため周囲雰囲気の影響を受けやすく、例えば、温度センサ部１への液体の付着、湿度変化などにより反射光量が変化してしまう。この問題を解決するには、温度センサ部１を周囲の液体、気体から遮断でき、且つ、光をファイバ内に閉じこめることができる材質で保護するのが有効である。図２(ｂ)は、温度センサ部１の外周に液体、気体を遮断できる材質のコーティング層１５を設けた構造を示す。コーティング材質としては、金、白金、ニッケル、ステンレスなどの金属、或いは、クラッドガラスより屈折率の低いMgF2、CaF2などの無機材料を利用できる。MgF2、CaF2などの絶縁材料をコーティングした場合は、温度センサ部１が電磁界の影響を受けないので、高周波環境下や強い電磁界の中での温度を測定できる利点がある。図２（ｃ）は、温度センサ部１を液体、気体を遮断できる材質の中空容器１６に封入した構造を示す。この場合は、中空容器１６内に封入された気体により光がファイバ内に閉じこめられるため、中空容器の材質は、液体、気体を遮断できればどんな材質でもよく、例えば、金属、ガラス、セラミックスなどを利用できる。

上記のように、本実施例１の温度センサ部１に入射した光は、周期的な強度変調を受けて反射される。また、周期的スペクトルの位相が温度上昇にともない長波長側に大きくシフトする。従って、この位相変化を分光器３３により検出し、演算処理回路３４により温度に変換することにより温度を測定できる。また、位相シフトが約１００ｐｍ／℃と大きいので、精度の高い温度測定が可能である。

温度センサ部１は、石英光ファイバと反射器１３、コーティング層１５、或いは、中空容器１６で構成され、反射器１３には、例えば、誘電体多層膜を用いることができる。反射器１３、コーティング層１５、中空容器１６とも６００℃の高温に耐える無機材料で作成することが可能であり、５００℃を超える高温測定可能な光ファイバ温度測定器となる。

また、これらの無機材料は、優れた耐放射線特性を有しているのに加え、放射線によって作られる欠陥の影響を受けにくい１．５μｍ帯の光を使った測定ができるので、原子炉の温度測定など、放射線環境下で使用できる温度測定器となる。

反射光測定なので、光の入出力を１本の光ファイバで行うことができ、小型の温度センサヘッドとすることができる。温度センサ部１が小さいため、温度に対する応答が早く、狭い部分の温度測定ができる。テーパファイバ対１１が非テーパファイバ部の重量で曲がらない剛性を備えているため、基材に両端を固定しなくてもセンサとして使用でき、小型のセンサヘッドとなる。

反射器１３を誘電体多層膜、コーティング層１５、或いは、中空容器１６をガラス、セラミックスなどの絶縁性無機材料とすれば、温度センサ部１を全て非導電性材質で構成できるため、高周波環境下でも使用できる温度測定器となる。

テーパファイバ対１１を異種ファイバとの融着接続で作製することも可能で、この場合、同じファイバの接続より振幅の大きなスペクトルを得られる場合がある。

図７は、本実施例２構成を示している。本構成では、光源を波長可変レーザ４１とし、温度センサ部１から戻る反射光強度を受光器４３で計測する。

波長可変レーザ４１により波長を連続的に変えた光を、光サーキュレータ７を介して伝送用光ファイバ６に入射する。温度センサ部１で強度変化を受けた反射光の強度を受光器４３で連続的に計測し、演算処理回路４４で光強度の周期的変化から位相を検出すると共に、位相から温度を算出する。本実施例２の構成では、波長に対して光強度が平坦な光源を利用できる利点がある。

特定の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更を加えることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修正も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の実施例１である光ファイバ温度測定器の概略構成を示す図である。温度センサ部の拡大切断面図である。温度センサ部を透過した光、及び、反射した光のスペクトルを示す図である。温度センサ部で得られる周期スペクトルの温度変化を示す図である。ファイバ外径とＭＦＤの関係を示す図である。非テーパ部の長さと周期スペクトルの関係を示す図である。本発明の実施例２を示す図である。

１：温度センサ部
３、４：計測部
６：伝送用光ファイバ
７：光サーキュレータ
１１：テーパファイバ対
１２：非テーパ部
１３：反射器
１４：ウエスト部
１５：コーティング層
１６：中空容器
３１：ブロードバンド光源
４１：波長可変レーザ
３３、４３：光計測手段
３４、４４：演算処理回路

Claims

対向するテーパファイバ対（１１）と、当該テーパファイバ対（１１）の片側に連結した非テーパ部（１２）と、当該非テーパ部（１２）の端面で測定光を反射する反射器（１３）と、当該テーパファイバ対（１１）の表面が周囲の気体、液体と接しないための保護手段（１５、１６）とを具備した温度センサ部（１）と、当該温度センサ部（１）に供給すべき測定光を発生する光発生手段（３１、４１）と、当該温度センサ部（１）で周期的強度変調を受けた反射光スペクトルを計測する光計測手段（３３、４３）と、当該温度センサ部（１）に測定光を導き、当該温度センサ部（１）から戻る反射光を当該光計測手段（３３、４３）に導く導光手段（７）と、周期的強度変調を受けた反射光スペクトルの位相を検出し、位相から温度を算出する演算処理手段（３４、４４）とを具備した計測部（３、４）と、当該温度センサ部（１）と当該計測部（３、４）の間の光伝送を行う伝送用光ファイバ（６）とを備えたことを特徴とする光ファイバ温度測定器。
当該テーパファイバ対（１１）の最も細い部分であるウエスト部（１４）の外径が３０〜５０μｍの範囲であり、当該非テーパ部（１２）の長さが５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該テーパファイバ対（１１）が異種ファイバからなることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該反射器（１３）が誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該保護手段が金属のコーティング層（１５）であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該保護手段が当該テーパファイバ対（１１）のクラッド層より低屈折率のセラミックスからなるコーティング層（１５）であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該保護手段が中空容器（１６）であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該光発生手段（３１）がブロードバンド光源であり、当該光計測手段（３３）が分光計測器であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。
当該光発生手段（４１）が波長可変レーザであり、当該光計測手段（４３）が受光器であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ温度測定器。