JP5782082B2 - 光ファイバを使用した漏れ検出器 - Google Patents

Description

本発明は、漏れの検出に関し、特に、ホースにおける流体漏れの検出に関する。

オイルホース等の水中ホースでは、全般的な損耗及び老化が生じると共に、他の形態の損傷を受ける場合もある。これにより、ホースの破裂が生じ、ホースの内容物の漏出又はホース外部からの水の浸入を引き起こす可能性がある。

国際公開第０２／０８８６５６号公報

一般に、水中ホースは、内部カーカスと外部カーカスとを備え、何れもホースの任意の地点において破れる場合がある。外部カーカスの破損は、水の浸入を発生させ、内部カーカスの破損は、流体の漏れを発生させる。検出器は、一般に、ホース区画の端部に配置され、漏れによる石油がホース区画の端部に達すると漏れを検出する。あらゆる漏れを可能な限り早く検出し、漏れの位置及び種類を検出することは明らかに有益である。

したがって、本発明は、ホースカーカスを介した流体の漏れを検出するように構成された光ファイバセンサを備える漏れ検出装置を提供し、センサは、ホースの区画に沿った漏れの位置を検出するように構成される。

光ファイバセンサは、内部ホースカーカスと外部ホースカーカスとの間に配置され、ホースの長さに沿って延び得る。好ましくは、センサは、ホースの長さに沿って螺旋状となる。これにより、漏れ検出器の被覆領域が最大となる。ホース区画の長さに沿った連続的検知により、流体をホース区画の端部に押しやるのに十分なレベルまで圧力が増進する前に、小さな漏れを可能な限り早く検出することが可能となる。

装置は、更に、光ファイバ内に光パルスを放出するように構成されたエミッタと、反射信号を検出し且つ反射信号の経時的な強度変化から漏れの位置を検出するように構成された検出器とを備え得る。光学検出システムの使用は、石油との接触の可能性を有する電流を、センサのいかなる部分にも有していないことを意味する。各ホース区画では、障害を発生させ得る機構であり且つ安全上の問題でもある電源の必要も無い。

光ファイバセンサは、光ファイバと、特定の流体との接触により体積変化を生じる流体感知材料とを含み得る。流体感知材料の体積変化は、光ファイバのマイクロベンドを発生させ得る。好ましくは、光ファイバセンサは、流体感知材料により被覆されたセンサコアを含み、光ファイバは、この被覆センサコアに縛り付けられる。

好ましくは、光ファイバは、ケブラ糸等の糸により流体感知材料に縛り付けられる。材料の体積変化により、光ファイバを糸に押しつけ、ファイバにマイクロベンドを発生させ得る。光ファイバのマイクロベンドは、減衰による光の損失をもたらし、拡張地点からの後方散乱光の強度を減少させる。

流体感知材料は、炭化水素との接触により膨張し得るものであり、シリコンポリマーを含み得る。或いは、流体感知材料は、水との接触により膨張し得るものであり、ハイドロゲル材料を含み得る。好ましくは、漏れ検出装置は、異なる流体の漏れを検出するように準備された少なくとも二本の光ファイバセンサを備える。

センサは、保護スリーブに収容し得る。保護スリーブは、透過性であり、内部ホースカーカス又は外部ホースカーカスの何れかを介して漏れた流体がセンサと接触可能になる。保護スリープは、ホース区画の端部に固定し、ホース区画の拡張と共に拡張し、ホース区画の収縮と共に収縮するように構成し得る。好ましくは、センサは、多孔性保護スリーブ内で自由に移動できる。センサの長さは、ホース区画の拡張及び収縮に対応するために、保護スリーブの長さを超えて延びてよい。

本発明における漏れ検出装置は、更に、ホース区画の一端に位置し且つセンサの付加的な長さを収容するように構成し得る防水ハウジングを備えてよい。ホース端部の光ファイバセンサの余分な長さにより、ホースの拡張及び収縮が可能となる。センサは、保護スリーブ内で自由に移動できるため、ホースが拡張した場合には、センサケーブルの付加的な長さを、防水ハウジングから保護スリーブへ供給できる。同様に、ホースが収縮した場合、センサケーブルの余分な長さを、防水ハウジングに収容できる。

本発明における漏れ検出装置は、更に、ホース区画の光ファイバセンサと第二の接続ホース区画の光ファイバセンサとの間へ延びて連続光信号を提供するように構成された光ジャンパケーブルを備える。光隔壁アダプタは、光ファイバセンサと光ジャンパケーブルとの間に防水接続を提供するように構成され、防水ハウジングの壁を介して延び得る。好ましくは、光隔壁コネクタは、光ファイバを光隔壁アダプタに接続し、ジャンパケーブルコネクタは、光ジャンパケーブルを光隔壁アダプタに接続する。

光ジャンパケーブルは、ホースの外側に延びてよく、保護ケーブルハウジングにより保護し得る。光ジャンパケーブルは、ホースの外側に位置し、各ホースの端部の防水ハウジング間にのみ延びるため、外力により損傷を受けた場合、容易に交換又は補修し得る。

装置は、更に、検出信号をグラフィックにより表示するように準備されたディスプレイを備え得る。ディスプレイは、更に、検出信号と比較可能な基準トレースを表示するように構成し得る。したがって、信号の予期しない変化を検出し、漏れの位置を決定するのに使用できる。

本発明の第二の態様によれば、ホースカーカスを介した流体の漏れを検出するように準備された光ファイバセンサを備える一定の長さのホースが提供される。

本発明の第三の態様によれば、少なくとも一本の光ファイバセンサに沿って光信号を放出するステップと、反射信号を検出するステップと、反射信号の強度の経時的変化を監視するステップとを備える、ホース内の流体漏れを検出する方法が提供される。

以下、次の添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を単なる一例として説明する。

図１を参照すると、オイルホースの漏れ検出システムは、内部ホースカーカス６と外部ホースカーカス８との間でホース４に沿って螺旋状に延びる光ファイバセンサ２ａ及び２ｂに接続された光学時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）ユニット１を備える。

図２及び３を参照すると、センサ２ａ及び２ｂは、同様の構造を有しており、その一方のみを説明する。センサは、炭化水素生成物又は水の何れかとの接触により膨張する膨張材料５により被覆されたセンサコア３を含む。光ファイバ７は、相対的に膨張性の少ない結合材料、本例では、ケブラ糸等の糸９により、被覆センサコア３に縛り付けられる。センサは、保護スリーブ１４の内部に収容される。この実施形態において、漏れ検出システムは、二本の光ファイバセンサ２ａ及び２ｂを備え、一方２ａは炭化水素産物の存在を検出し、もう一方２ｂは水の存在を検出する。

ＯＴＤＲ１は、一連の非常に短い高出力光パルスを光ファイバ７内へ放出する。光は、ファイバ７の長さに沿って進む際に内部で反射され、少量の光がソース１の検出器へ後方散乱される。このデータは、その後、ＯＴＤＲ１により収集及び処理される。内部ホースカーカス６又は外部ホースカーカス８に漏れが存在する場合、石油又は水は、二層の間の空間に入る。石油又は水は、多孔性の保護スリーブ１４を通過し、光ファイバセンサ２に接触し、二本のセンサの一方の被覆５を膨張させる。膨張材料５が膨張すると、光ファイバ７を結合糸９に押し付け、光ファイバ７に局所的なマイクロベンドを発生させる。こうした位置では、全内部反射の状態を満たすことができなくなり、光は、ファイバ７の中心から外部のクラッディングへ逃れる。この光は減衰により失われ、結果的に、検出される後方散乱光の損失が増加する。

センサ２ａ及び２ｂは、漏れ検出範囲を最大にすることで、漏れが検出される時間を最短にするために、それぞれ螺旋状に内部ホースカーカス６に巻き付けられる。保護スリーブ１４は、損傷から保護するためにセンサ２ａ及び２ｂのそれぞれを取り囲むが、漏れによる石油又は水がセンサに到達できるようにする。

炭化水素センサ２ａは、ガソリン等の一般的な炭化水素燃料に接触すると膨張する熱硬化シリコンポリマー等の膨張材料５により被覆されたガラス強化ポリマー（ＧＲＰ）センサコア３を含む。材料５は、センサコア３に対して押し出し被覆又は浸漬被覆され、約５０ミクロン乃至１００ミクロンの薄い被覆として付与される。更に重い燃料及び石油の検出には、ブチルゴム及びＥＰＤＭ等、他のゴム化合物をシリコンに置き換えてよい。こうした材料５は、完全に乾燥させた後、再び同じ流体を検出するために再使用できる。

水の存在を検出するように構成された光ファイバセンサ２ｂは、水との接触により膨張するハイドロゲルにより被覆されたセンサコア３を含む。適切なヒドロゲルの一例は、ポリ（エチレンオキシド）−コポリ（ポリピレンオキシド）（ＰＥＯ／ＰＰＯ）ブロック共重合体ポリウレタンウレア（ＰＵＵ）である。ＰＰＯに対するＰＥＯの比は、材料の膨張及び物理特性を変化させる。したがって、成分の比は、最適な物理的強度を維持しつつ、水との接触により最大の膨張を提供するように選択される。ハイドロゲルは、乾燥すると非膨張状態に戻り、再使用が可能となる。

炭化水素又は水の検出に同様の物理特性を示す他の任意の材料を使用し得ることは理解されよう。センサコア３に被覆可能であり、特定の流体との接触時に予測可能な体積変化を生じる任意の適切な材料を使用して、他の流体の存在も検出し得る。

図１乃至４を参照すると、個別のホース区画４は、ホース端部取り付け具１１を含むホースコネクタ１０により互いに連結して、連続したホースを形成できる。ホース取り付け具１１の第一の端部では、内部ホースカーカス６の端部を、端部取り付け具１１の外縁部に対して密閉する。端部取り付け具１１の第二の端部は、隣接するホース端部取り付け具１１の金属フランジにボルト留めされるように構成された金属フランジ１６を含む。

光ファイバセンサ２ａ及び２ｂのそれぞれを収容する保護スリーブ１４は、内部ホースカーカス６と外部ホースカーカス８との間で、ホース区画４の長さに沿って位置する。光ファイバセンサ２ａ及び２ｂの長さは、ホース区画４の長さより大きいため、センサの付加的な巻き線は、保護スリーブ１４の外部へ延びる。使用中、ホースは、延伸及び収縮するため、このセンサの付加的な長さは、これに対応するように準備される。保護スリーブ１４は、延長可能な材料により作成され、その端部は、ホース端部取り付け具１１に取り付けられ、ホース端部取り付け具１１に対して固定される。そのため、スリーブ１４は、ホースと共に延伸及び収縮する。保護スリーブ１４は、螺旋状に巻かれた平坦なストリップ又はワイヤを含み、金属、十分に硬質なプラスチック材料、又は他の適切な材料により作成される。弛緩状態では、螺旋のそれぞれの巻きの間に隙間が存在し、ホースが収縮する際に、保護スリーブの圧縮を可能にする。センサ２は、非伸張性であり、保護スリーブ１４内で自由に移動できる。ホース区画４が拡張した場合、センサ２の付加的な長さは、保護スリーブ１４内に引き込まれ、ホース区画の長さに沿って延びるのに十分である。ホース区画４、したがって保護スリーブ１４が収縮する場合、センサ２の何らかの余分な長さは、スリーブ１４の端部を越えて延びる。光ファイバ、即ち、センサの長さは、各ホース区画４に対して一定であり、ＯＴＤＲユニットから漏れまでの距離は、漏れがどのホース区画４に含まれるかと、そのホース区画４に沿った漏れの位置とを示す。

防水箱形ハウジング２０は、ホース端部取り付け具１１に取り付けられ、これに対して固定される。箱形ハウジング２０の開口部２２は、内部６及び外部８のホースカーカス間の隙間に接続され、外部ホースカーカス８により外部から密閉される。保護スリーブ１４は、防水箱形ハウジング２０の開口部２２内へ延び、ハウジング２０に対して固定される。各センサ２ａ、２ｂの余分な巻きは、保護スリーブの端部の外側へ延び、防水箱形ハウジング２０に収容される。

防水ハウジング２０は、更に、ハウジング２０の端壁２８に取り付けられた防水光隔壁アダプタ２６を含む。光隔壁コネクタ２５は、光ファイバセンサ２ａ及び２ｂの端部に設けられ、光ファイバセンサを隔壁アダプタ２６に取り付けるように構成される。光ジャンパケーブル１２が更に設けられ、隣接する二つのホース区画４の光ファイバセンサ２ａ及び２ｂのそれぞれの間に延びる。光ジャンパケーブル１２のそれぞれの端部に位置するジャンパケーブルコネクタ１３は、ケーブル１２を隣接ホース区画４の光隔壁アダプタ２６に接続し、ホース区画からホース区画への連続する光信号を提供するように構成される。光ジャンパケーブル１２は、ホースコネクタ１０の外側を回り、露出したフランジ領域では頑丈なケーブルハウジング１８により保護される。外力によりジャンパケーブル１２が損傷した場合には、コネクタ１３によりケーブルを容易に切断及び交換できる。

図５を参照すると、検出された後方散乱光のレベルは、ファイバに沿った距離に対する強度のプロットとして表示できる。放出光パルスのタイミングは公知であり、パルス放出後の所定時間に渡る後方散乱光のレベルが記録される。任意の所定時間内にシグナルが光ファイバを進んだ距離は公知であるため、後方散乱光の強度は、ファイバの長さに沿った距離の関数として表示できる。通常の全ての光ファイバには光強度の内在的損失があり、一般に、光ファイバは、その全長に沿って同様の損失特性を示す。したがって、通常のファイバでは、ファイバに沿った距離の関数である後方散乱光の強度のプロットは、負の傾斜を有する直線的なものとなる。これは画面３２に基準トレース３０として表示される。

ホース４の漏れ３４は、上記のように、漏れ３４の光ファイバ７に沿った位置における光の損失を増加させる。そのため、これにより、その位置からの後方散乱光のレベルにおいて予想される低下よりも大きなものが生じる。検出信号３６は、画面３２に表示され、漏れが生じたかを判断するために基準トレース３０と比較される。同じ位置での基準トレース３０の強度との比較における強度の予想外の降下は、その位置での漏れの存在を示す。したがって、ホースに沿った漏れの位置を検出できる。

各ホース区画に関連する光ファイバの長さは一定であるため、ホースが多数のホース区画により形成され、センサが上記のように共に接続されて、ホースの実質的に全長に沿って延びる単一のセンサを形成する時、検出された漏れのホースに沿った距離を決定できる。これにより、漏れが生じたホース区画を特定できる。更に、そのホース区画に沿った漏れの発生位置も、ＯＴＤＲユニットに応じた精度で決定できる。

表示信号を監視する必要性を回避するために、差動トレースを取り出して、基準トレース３０と検出信号３６との間の差を検出する。閾値を設定し、閾値を上回る二つの信号の差により警報を起動し、漏れの存在の可能性を操作者に警告する。漏れ３４の位置は、ホースの長さに沿った距離として記録されるか、或いは、監視するホースの長さの概略地図上に表示される。

上述した実施形態の漏れ検出器は、炭化水素製品及び水以外の流体の存在を検出するのに適合させ得ること、及び三種類以上の流体の検出を容易にするために、検出器に追加のセンサを含め得ることは理解されよう。更に、操作者が漏れの存在を多数の異なる形に変換し得ることは理解されよう。例えば、警報は、検出器のある場所での音声にしてよく、或いは、遠隔デバイスに信号が送信されてもよい。

本発明の実施形態による、二本の接続されたホース区画と漏れ検出装置とを示す概略図である。 図１の装置において使用される光ファイバセンサを示す概略図である。 図２の光ファイバセンサの断面図である。 図１のホース端部接続の断面の概略図である。 漏れの検出を示すトレースの例を示すグラフである。

１ 光学時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）ユニット
２ センサケーブル
２ａ，２ｂ 光ファイバセンサ
３ センサコア
４ ホース区画
５ 膨張材料
６ 内部ホースカーカス
７ 光ファイバ
８ 外部ホースカーカス
９ 結合糸
１０ ホースコネクタ
１１ ホース取り付け具
１４ 保護スリーブ
２０ ハウジング
２５ 光隔壁コネクタ
２６ 防水光隔壁コネクタ
３０ 基準トレース
３２ 画面
３４ ホースの漏れ

Claims (10)

1. ホース区画のホースカーカスを介した流体の漏れを検出するように構成され、且つ前記ホース区画に沿った前記流体の漏れの位置を検出するように構成された光ファイバセンサを備え、
   前記ホース区画の前記光ファイバセンサとこの光ファイバセンサと第二の接続ホース区画の光ファイバセンサとの間で延びて光学的連続性を提供するように構成された光ジャンパケーブルとの間に防水接続を提供するように構成された光隔壁アダプタを更に備え、
   前記光隔壁アダプタは、前記ホース区画の端部に設けられている防水ハウジングの中に配置される、
   漏れ検出装置。
2. 前記光ファイバセンサは、内部ホースカーカスと外部ホースカーカスとの間に配置される、請求項１に記載の漏れ検出装置。
3. 前記光ファイバセンサは、保護スリーブに収容される、請求項１または請求項２に記載の漏れ検出装置。
4. 前記保護スリーブの端部は、前記ホース区画の端部に固定される、請求項３に記載の漏れ検出装置。
5. 前記光ファイバセンサは、前記保護スリーブ内で自由に移動可能であり、前記光ファイバセンサの長さは、ホース区画の長さの何らかの変化に対応するために、前記保護スリーブの端部を超えて延びる、請求項３に記載の漏れ検出装置。
6. 前記光ファイバセンサの端部は、前記防水ハウジング内に収容される、請求項１に記載の漏れ検出装置。
7. 前記防水ハウジングは、ホース区画の長さの何らかの変化に対応するように準備された光ファイバセンサの付加的な長さを収容する、請求項６に記載の漏れ検出装置。
8. 前記光隔壁アダプタは、前記防水ハウジングの壁を介して延びる、請求項６に記載の漏れ検出装置。
9. 前記光ファイバセンサを前記光隔壁アダプタに接続するように構成された光隔壁コネクタと、前記光ジャンパケーブルを前記光隔壁アダプタに接続するように構成されたジャンパケーブルコネクタとを更に備える、請求項１に記載の漏れ検出装置。
10. 前記光ジャンパケーブルは、保護ケーブルハウジングにより保護される、請求項１に記載の漏れ検出装置。

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