JP3571936B2 - 圧力測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた圧力測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバを用いて流体の圧力を検出する手段としては従来から次のようなものが知られている。
▲1▼ 光ファイバの端面間に配置した遮光部材を圧力により上下させ、圧力の変化を光伝送損失の変化として検出するもの(特開平8−152372号公報)。
▲2▼ 光ファイバの端面間の間隔を圧力により変化させ、圧力の変化を光伝送損失の変化として検出するもの(特開昭62−251632号公報)。
▲3▼ 光ファイバの曲率を圧力により変化させ、圧力の変化を光伝送損失の変化として検出するもの(特開平3−181831号公報)。
▲4▼ 磁気光学素子に印加する磁界を圧力により増減させ、圧力の変化を偏波面の回転角の変化として検出するもの(特開昭63−205534号公報)。
▲5▼ 光弾性材料に対する応力を圧力により変化させ、圧力の変化を偏波面の回転角の変化として検出するもの(特開平1−88224号公報)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこれらの方法には次のような問題がある。
a.▲1▼〜▲3▼の方法では、遮光部材の位置、光ファイバの端面間の間隔または光ファイバの曲率の初期状態が一定のものを製作する必要があり、そのためには非常に微細な調整が必要となり、コスト高になる。また運搬中に初期状態が変化してしまう可能性もある。
b.▲1▼〜▲3▼の方法は、圧力を光の伝送損失の大小として検出するものであるため、このセンサを1本の光ファイバに複数個直列に接続して、複数点の圧力測定を一端側の基地局で一括して(光源1個、受光器1個で)行う場合、基地局に近い方のセンサで大きな伝送損失が生じると、それより遠い方のセンサの検出精度が著しく低下するという問題がある。これを避けるためには各センサの伝送損失の最大値を小さくすることが考えられるが、そうすると各センサのダイナミックレンジが小さくなり、検出精度が低下してしまう。
【0004】
c.▲4▼、▲5▼の方法は、光源とセンサの間の光ファイバ内で偏波面の回転が生じて、測定結果に誤差が発生しやすい。
d.▲4▼、▲5▼の方法は、1本の光ファイバに複数個直列に接続して、複数点の圧力測定を一括して行うことができない。
【0005】
本発明の目的は、以上のような問題点に鑑み、高精度で安定して圧力を検出することができ、かつ1本の光ファイバに複数個のセンサを直列に接続して複数点の圧力検出を一括して行うことができるようにすることにある。
【0006】
この目的を達成するため本発明の圧力測定装置は、
長さ方向の一部にFBG(光ファイバブラッグ回折格子)を形成した光ファイバと、圧力の変化を前記FBGの伸び歪みの変化に変換する手段とを備えた圧力センサが、複数台設けられ、
各圧力センサのFBGは、直列に接続され、かつ圧力のない状態での中心波長を所定の間隔だけずらしてあり、
さらに前記直列に接続された複数のFBGを含む光ファイバに光を入射して、ブラッグ反射光の波長シフト量を測定する手段を備えている、
ことを特徴とする。
この装置に用いる圧力センサは、圧力の変化をFBGの伸び歪みに変換して圧力を検出するものである。圧力の変化でFBGの伸び歪みが変化すると、FBGを含む光ファイバに光(連続光)を入射したときのFBGのブラッグ反射光の波長が変化するので、その波長のシフト量を測定すれば圧力を測定できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔実施形態1〕
図1は本発明に用いる圧力センサの一実施形態を示す。図において、1は圧力センサ、3は圧力流体が導入される容器、5は容器3の円形開口部を塞ぐダイヤフラム、7はダイヤフラム5の中心から容器3の外に垂直に立ち上がる圧力伝達棒、9は圧力伝達棒7の先端に垂直に固定された剛性円板、11は剛性円板9と容器3のダイヤフラム5の周りの部分とを弛みのない状態で連結する抗張力線、13はシングルモード光ファイバ、15は光ファイバ13の長手方向の一部に作り込まれたFBG(光ファイバブラッグ回折格子)である。
【0011】
抗張力線11は周方向に一定の間隔をおいて複数本設けられている。FBG15はそのうちの1本の抗張力線11に、それと同じ方向に向けて接着剤などで固定されている。
【0012】
この圧力センサ1は、容器3内の流体の圧力が上昇すると、ダイヤフラム5が外側に変位し、圧力伝達棒7が剛性円板9を押し上げようとするが、剛性円板9は抗張力線11によって容器3に引き留められているため、抗張力線11に圧力の大きさに応じた張力がかかる。その結果、抗張力線11には伸び歪みが発生し、抗張力線11と一体化されているFBG15にも伸び歪みが発生する。FBG15に伸び歪みが発生すると、FBG15のブラッグ反射光の波長が変化するので、その変化を、後述するような手段で測定すれば、容器3内の流体の圧力を測定することができる。
【0013】
〔実施形態2〕
図2は本発明に用いる圧力センサの他の実施形態を示す。この圧力センサ1は、容器3内が大気圧になっていて、容器3外の流体の圧力を測定するタイプである。このため圧力伝達棒7はダイヤフラム5の中心から容器3内に垂直に立ち上がり、容器3内に、剛性円板9、抗張力線11、光ファイバ13、FBG15が実施形態1と同様の形態で設けられている。なおこの場合は容器3が圧力流体中に浸漬されるため、光ファイバ13は、容器3内と外部大気中とを連通するパイプ17を通して外部大気中に導出される。この圧力センサ1の動作は実施形態1のものと同じである。
【0014】
図3は図2の圧力センサを用いた圧力測定装置の一実施形態を示す。この例では3台の圧力センサ1が、伝送線路の光ファイバ19により直列に接続されている。21は圧力センサ1の光ファイバ13と伝送線路の光ファイバ19との接続部を収納する接続箱である。伝送線路の光ファイバ19の基端は測定器23に接続されている。測定器23は、光源25、カプラ29、光スペクトルアナライザ31等から構成されている。測定器23には、光スペクトルアナライザ31の解析結果を処理するコンピュータ(図示せず)を組み合わせることが好ましい。測定器23から最も遠い圧力センサ1の光ファイバ13の末端には無反射終端部33が設けられている。
【0015】
光源25からカプラ29を通して光(連続光)を送り出すと、各圧力センサ1のFBG15で発生したブラッグ反射光が、光スペクトルアナライザ31に返ってくる。各圧力センサ1に取り付けてあるFBG15の圧力無の状態での中心波長は予め所定の間隔だけずらしてある。この間隔は各圧力センサ1の測定範囲に応じたブラッグ反射光の中心波長変動幅を考慮して決められる。したがってブラッグ反射光の中心波長がどの範囲にあるかで、どの圧力センサ1からの信号であるかを区別できる。
圧力センサ1のダイヤフラム5に圧力がかかってFBG15に伸び歪みが発生すると、ブラッグ反射光の波長は、図4に示すように伸び歪みと明確な相関を持って変化する。
【0016】
したがって光スペクトルアナライザ31で各FBG15から返ってきたブラッグ反射光の波長を測定すれば、それぞれの圧力センサ1にかかっている圧力を測定することができる。この測定では、FBGの伸び歪みとブラッグ反射光の波長が明確な相関関係にあるので、正確な圧力測定を行うことができると共に、1つのFBGの測定値が他のFBGの測定値に影響を与えないので、複数箇所の圧力測定を一括して行うことができる。
【0017】
〔実施形態3〕
図5は本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す。図において、図1又は図2と同一部分には同一符号を付してある。この圧力センサ1が、図1又は図2の圧力センサと異なる点は、ダイヤフラムの代わりにベローズ35を使用したことである。ベローズ35は、容器3の壁を貫通する圧力伝達棒7の一端側を包囲するように配置されており、ベローズ35の一方の端部は容器3に、他方の端部は圧力伝達棒7の一端のフランジ部37に、それぞれ気密性又は液密性を保って接合されている。容器3がベローズ35側を囲む形の場合は図1の実施形態と同様になり、容器3が剛性円板9側を囲む形の場合は図2の実施形態と同様になる。使用方法も図1又は図2のものと同じである。
【0018】
〔実施形態4〕
図6は本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す。図において、図2と同一部分には同一符号を付してある。この圧力センサ1が、図2の圧力センサと異なる点は、ダイヤフラムの代わりにブルドン管39を使用し、ブルドン管39の先端と固定支持点41(容器3と一体)との間に抗張力線11を張り、この抗張力線11にFBG15を取り付けたことである。ブルドン管39は内圧が高くなると、広がろうとするが、先端が抗張力線11で引き留められているため、その力は抗張力線11にかかり、FBG15の伸び歪みに変換される。したがって図2の実施形態と同様に圧力測定を行うことができる。
【0019】
〔実施形態5〕
図7は本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す。図において、図2と同一部分には同一符号を付してある。この圧力センサ1が、図2の圧力センサと異なる点は、ダイヤフラム5に直接FBG15を張り付け、圧力伝達棒や抗張力線などを省略したことである。FBG15は図示のようにダイヤフラム5の中央部に径方向に向けて取り付けることが望ましい。
【0020】
この実施形態の場合は、ダイヤフラム5に圧力がかかると、ダイヤフラム5が弾性変形し、それによってFBG15に伸び歪みが発生する。したがって図2の実施形態と同様に圧力を測定することができる。この実施形態の圧力センサは構造的に非常にシンプルであるため、製作が容易で、コストを安くできる利点がある。なお容器3をダイヤフラム5の反対側に形成すれば、実施形態1の圧力センサと同様に、容器3内の圧力を検出できる。
【0021】
〔実施形態6〕
図8は本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す。この圧力センサは、実施形態5と同様にダイヤフラム5にFBG15を直接固定したものであるが、実施形態5と異なる点は、FBG15を張力をかけた状態でダイヤフラム5に固定したことである。47はFBG15をダイヤフラム5に固定する接着剤であり、FBG15は接着剤47の中に埋まっている。
【0022】
ダイヤフラム5は一般にステンレス製であるため、FBG15を張力をかけずにダイヤフラム5に固定すると、温度低下によりダイヤフラム5が収縮した場合、FBG15がたるんで、図9Bのように測定圧力の低い領域に不感帯が生じるが、FBG15を張力をかけて固定すれば、FBG15のたるみが生じなくなるので、図9Aのように不感帯をなくすことができる。
【0023】
FBG15を張力をかけてダイヤフラム5に固定するには、図10のような方法を採用するとよい。まず(a)のようにFBG15をダイヤフラム5上の所定位置(この場合は中央部径方向)に配置して、FBG15の一方の側の光ファイバ13を接着テープ49Aでダイヤフラム5に固定する。次にFBG15の他方の側の光ファイバ13をクリップ51で挟んで光ファイバ13に張力をかける。このときクリップ51にばねばかり等の張力計53を連結しておいて、張力の大きさが分かるようにする。光ファイバ13にかける張力は、後述するように0.05kgf 程度が好ましい。
【0024】
上記のようにして光ファイバ13に所定の張力をかけた状態で、(b)のようにFBG15の他方の側の光ファイバ13を接着テープ49Bでダイヤフラム5に固定し、その後クリップ51を外す。この状態でFBG15は張力がかかったままである。次に(c)のようにFBG15を接着剤47でダイヤフラム5に固定すると共に、光ファイバ13を無理のない曲率(半径30mm以上)で曲げて、ダイヤフラム5の台座5A(容器の底枠に相当)に接着剤47で固定する。接着剤47としては2液混合型エポキシ系接着剤を使用することができる。接着剤47が硬化した後、接着テープ49A、49Bを剥がせば(d)のようになり、FBG15は張力がかかった状態でダイヤフラム5に固定されたことになる。なお光ファイバ13を台座5Aにも接着固定したのは、FBG15にダイヤフラム5の歪みに基づく張力以外の張力がかからないようにするためである。
【0025】
FBG15をダイヤフラム5に接着固定するときは、FBG15の張力を0.05kgf 程度に設定するとよい。その理由は次の通りである。まずFBGを含む光ファイバに張力をかけたときのFBGの歪み量を求めると、光ファイバ外径0.125 mm、伸び方向の応力f=F/S=40.0×106 (N/m2 )、石英ガラスのヤング率7.31×1010(N/m2 )から、歪み量ε=547 με(0.05%)となる。この値は光ファイバの使用時の許容歪み(0.2 %程度)と比較しても十分小さな値である。またダイヤフラムの材質は一般にステンレスであるため、ダイヤフラムに固定されたFBGはステンレスの線膨張率で伸縮する。ステンレスの線膨張率は15με/℃で、石英ガラスの線膨張率0.5 με/℃に比べ30倍大きい。したがって予め500 με相当の張力を与えておけば、温度が30℃程度低下しても、ダイヤフラムの収縮によってFBGがたるむことはなくなり、不感帯をなくすことができる。
【0026】
なおFBG15をダイヤフラム5に接着剤で固定したときは、接着剤の硬化状態のバラツキにより製品仕上がり段階でブラッグ反射波長のバラツキ(初期波長バラツキ)が生じやすいが、接着剤硬化後に接着剤のアニールを行うことにより、初期波長バラツキを十分小さくすることができる。
【0027】
また図8の圧力センサは、ダイヤフラム5が台座5A(容器3の底枠に相当)と一体ものである場合を示している。すなわちダイヤフラム5は台座3Aと同じ厚さの円板の片面を所要の厚さまで切削することにより形成したものである。材質はステンレス(SUS630)である。このように削り出しにより形成したダイヤフラム5は台座3Aと一体であるため、高強度であり、剥離などのおそれがなく信頼性が高いという利点がある。ただしダイヤフラム5は台座に溶接または圧接により固定したもの(図7参照)であっても差し支えない。
【0028】
また図8の圧力センサは、容器3内に光ファイバが光ファイバコード55の形態で導入されており、容器3内にはこの光ファイバコード55の抗張力部材(アラミド繊維等)を引き留めるための引き留め部57(図示の例では棒状体)が設けられている。この引き留め部57に光ファイバコード55を引き留めておけば、光ファイバコード55に張力がかかっても、その張力がFBG15に影響を及ぼすことはない。光ファイバコード55は、容器3に接続された可撓管58内に収納して、取扱い性と強度を確保している。なお圧力センサを図3のように直列に接続する場合は、容器3内に入側と出側の2本の光ファイバコードが導入されることになる(図7参照)。
【0029】
また容器3内には光ファイバの余長収納部59が設けられている。FBG15側の光ファイバ13と光ファイバコード55側の光ファイバは融着接続されて、その接続余長が余長収納部59に収納されるようになっている。このような構造にすると圧力センサの組立が容易になり、生産性が向上する。
【0030】
なおダイヤフラム5の温度変化に基づく測定誤差を補正するためには、図11に示すようにダイヤフラム5の歪みの影響を受けない位置にダイヤフラム5の温度を検出するためのFBG61を接着剤47で固定しておいて、このFBG61でダイヤフラム5の温度を検出し、それに基づいて圧力検出用FBG15の検出値の温度補償を行えばよい。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光ファイバを用いて流体の圧力を高精度で安定して測定することができる。また1本の光ファイバに複数個の圧力センサを直列に接続して複数点の圧力測定を一括して行うことができるので、非常に経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる圧力センサの一実施形態を示す断面図。
【図2】本発明に用いる圧力センサの他の実施形態を示す断面図。
【図3】本発明に係る圧力測定装置の一実施形態を示す説明図。
【図4】FBGの伸び歪みとブラッグ反射光の波長との関係を示すブラフ。
【図5】本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図6】本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す断面図。
【図7】本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す、(A)は縦断面図、(B)は(A)のB−B線における横断面図。
【図8】本発明に用いる圧力センサのさらに他の実施形態を示す半裁斜視図。
【図9】FBGをダイヤフラムに張力をかけて固定した場合と、張力をかけないで固定した場合の歪み量の検出感度の違いを示すグラフ。
【図10】(a)〜(d)はFBGをダイヤフラムに張力をかけて固定する方法を工程順に示す説明図。
【図11】ダイヤフラムに温度補償用のFBGを固定した状態を示す平面図。
【符号の説明】
1:圧力センサ
3:容器
5:ダイヤフラム
7:圧力伝達棒
9:剛性円板
11:抗張力線
13:光ファイバ
15:FBG(光ファイバブラッグ回折格子)
19:伝送線路の光ファイバ
23:測定器
25:光源
29:カプラ
31:光スペクトルアナライザ
35:ベローズ
39:ブルドン管
Claims (4)
- 長さ方向の一部にFBG(光ファイバブラッグ回折格子)を形成した光ファイバと、圧力の変化を前記FBGの伸び歪みの変化に変換する手段とを備えた圧力センサが、複数台設けられ、
各圧力センサのFBGは、直列に接続され、かつ圧力のない状態での中心波長を所定の間隔だけずらしてあり、
さらに前記直列に接続された複数のFBGを含む光ファイバに光を入射して、ブラッグ反射光の波長シフト量を測定する手段を備えている、
ことを特徴とする圧力測定装置。 - 圧力の変化をFBGの伸び歪みの変化に変換する手段に、FBGが張力をかけた状態で固定されていることを特徴とする請求項1記載の圧力測定装置。
- 圧力の変化をFBGの伸び歪みの変化に変換する手段がダイヤフラムであることを特徴とする請求項2記載の圧力測定装置。
- FBG付近の光ファイバが、ダイヤフラムの台座に固定されていることを特徴とする請求項3記載の圧力測定装置。
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