JP3571936B2 - 圧力測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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＝４０．０×１０^６ （Ｎ／ｍ^２ ）、石英ガラスのヤング率７．３１×１０^１０（Ｎ／ｍ^２ ）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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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