JP2010223831A - Temperature measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光を用いて被測定対象の温度を測定する温度測定装置に関する。 The present invention relates to a temperature measuring apparatus that measures the temperature of a measurement target using Raman scattered light obtained by making laser light incident on the measurement target.
近年、ラマン散乱光を用いて温度を測定する温度測定装置の研究開発が盛んに行われている。この温度測定装置の1つに、光ファイバ内で生ずるラマン散乱光(ストークス光及び反ストークス光)を検出して光ファイバの長さ方向における温度分布を測定するR−OTDR(Raman Optical Time Domain Reflectmetry)がある。具体的に、この温度測定装置は、光ファイバに入射させるパルス状のレーザ光を射出する光源部と、光ファイバにレーザ光を入射させて得られる後方散乱光に含まれるストークス光と反ストークス光とを個別に受光する受光部と、受光部から出力される受光信号を用いて光ファイバの長さ方向における温度分布を求める演算処理部とを備える。 In recent years, research and development of temperature measuring devices that measure temperature using Raman scattered light have been actively conducted. One of the temperature measuring devices is an R-OTDR (Raman Optical Time Domain Reflectmetry) that detects Raman scattered light (Stokes light and anti-Stokes light) generated in an optical fiber and measures the temperature distribution in the length direction of the optical fiber. ) Specifically, the temperature measuring device includes a light source unit that emits pulsed laser light that is incident on an optical fiber, and Stokes light and anti-Stokes light included in backscattered light that is obtained by allowing the laser light to enter the optical fiber. And a calculation processing unit for obtaining a temperature distribution in the length direction of the optical fiber using a light reception signal output from the light receiving unit.
ここで、光ファイバから射出されるストークス光及び反ストークス光は、その強度比が温度に比例して変化する。このため、演算処理部は、レーザ光を光ファイバに入射させた後のある時点で得られるストークス光の受光信号と反ストークス光の受光信号との強度比を求めることにより、光ファイバの長さ方向におけるある点の温度を測定している。また、レーザ光を光ファイバに入射させた時点以降のストークス光の受光信号と反ストークス光の受光信号との強度比の時間変化を求めることで、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定している。 Here, the intensity ratio of the Stokes light and the anti-Stokes light emitted from the optical fiber changes in proportion to the temperature. For this reason, the arithmetic processing unit obtains the intensity ratio of the Stokes light reception signal and the anti-Stokes light reception signal obtained at a certain point after the laser light is incident on the optical fiber, thereby obtaining the length of the optical fiber. The temperature at a point in the direction is measured. In addition, the temperature distribution in the length direction of the optical fiber is measured by determining the temporal change in the intensity ratio between the received light signal of Stokes light and the received light signal of anti-Stokes light after the point where the laser light is incident on the optical fiber. ing.
光ファイバの長さ方向におけるある点の温度の具体的な求め方は以下の通りである。レーザ光を光ファイバに入射させた後のある時点で得られる反ストークス光の強度As及びストークス光の強度Stは、以下の(1)式で表される。
上記(1)式中におけるA0,S0は温度測定装置の性能及び光ファイバの特性に依存する固有の定数であり、ν0は光源部から射出されるレーザ光(光ファイバに入射するレーザ光)の波数であり、ν1は光ファイバに入射するレーザ光の波数とストークス光又は反ストークス光の波数との差であるラマンシフト波数である。また、hはプランク定数であり、cは光速であり、kはボルツマン定数であって、Tは温度(絶対温度)である。上記(1)式を参照すると、反ストークス光の強度As及びストークス光の強度Stは何れも温度Tの関数で表されるのが分かる。 In the equation (1), A 0 and S 0 are specific constants depending on the performance of the temperature measuring device and the characteristics of the optical fiber, and ν 0 is a laser beam emitted from the light source unit (a laser incident on the optical fiber). ) 1 is a Raman shift wave number that is the difference between the wave number of laser light incident on the optical fiber and the wave number of Stokes light or anti-Stokes light. Further, h is a Planck constant, c is the speed of light, k is a Boltzmann constant, and T is a temperature (absolute temperature). Referring to equation (1) it is seen that both the intensity A s and Stokes light intensities S t of the anti-Stokes light is expressed by a function of the temperature T.
ストークス光の波長をλs、反ストークス光の波長をλaとし、A0=S0とすると、反ストークス光とストークス光との強度比R(T)=As/Stは以下の(2)式で表される。
ここで、既知の温度Trにおける反ストークス光とストークス光との強度比をR(Tr)とすると、以下の(3)式を用いて温度Tを求めることができる。
つまり、光ファイバの既知の温度Trにおける反ストークス光とストークス光との強度比を予め求めておき、その光ファイバの未知の温度における反ストークス光とストークス光とを測定して強度比を求めれば、上記(3)式から未知の温度を求めることができる。尚、ラマンシフト波数ν1は光ファイバ固有の定数であり、他の手段によって予め測定しておく。レーザ光を光ファイバに入射させてからストークス光と反ストークス光との強度比を順次求めて上記(3)式に順次代入すれば、光ファイバの長さ方向における温度分布を測定することができる。尚、従来の温度測定装置の詳細については、例えば以下の特許文献1,2及び非特許文献1を参照されたい。
That is, the intensity ratio between the anti-Stokes light and the Stokes light at a known temperature Tr of the optical fiber is obtained in advance, and the intensity ratio can be obtained by measuring the anti-Stokes light and the Stokes light at the unknown temperature of the optical fiber. For example, an unknown temperature can be obtained from the above equation (3). The Raman shift wavenumber ν 1 is a constant inherent to the optical fiber and is measured in advance by other means. If the intensity ratio between Stokes light and anti-Stokes light is sequentially obtained after the laser light is incident on the optical fiber and is sequentially substituted into the above equation (3), the temperature distribution in the length direction of the optical fiber can be measured. . For details of the conventional temperature measuring device, refer to, for example,
ところで、従来の温度測定装置では、前述した(1)〜(3)式中におけるラマンシフト波数ν1を定数として取り扱っている。しかしながら、光ファイバ内で実際に生ずるストークス光及び反ストークス光の波数はある広がりを有しており、ラマンシフト波数も定数(線スペクトル)ではなくある分布を有している。このため、ラマンシフト波数を定数として取り扱う従来の温度測定装置では測定される温度に誤差が生ずるという問題があった。 By the way, in the conventional temperature measuring apparatus, the Raman shift wave number ν 1 in the above-described equations (1) to (3) is handled as a constant. However, the wave numbers of Stokes light and anti-Stokes light actually generated in the optical fiber have a certain spread, and the Raman shift wave number also has a distribution rather than a constant (line spectrum). For this reason, the conventional temperature measuring apparatus that handles the Raman shift wave number as a constant has a problem that an error occurs in the measured temperature.
ここで、前述した(2)式を変形すると、以下の(4)式で表される。
図8は、光ファイバ内で実際に生ずるストークス光の波数分布を示す図の一例である。尚、図8においては、横軸に波数をとり、縦軸に相対強度をとっている。尚、図8中の波数ν100は光ファイバに入射するレーザ光の波数である。図8に示す通り、光ファイバ内で実際に生ずるストークス光は、波数ν101〜ν102の範囲で図示の通りの分布を有する。ラマンシフト波数はストークス光の波数ν101〜ν102とレーザ光の波数ν100との差であるため、その分布は図8に示すストークス光の分布に応じた分布となる。尚、図8に示す例では、波数が44,000[1/m]のときにストークス光の強度がピークになり、ストークス光の分布の半値全幅は26,000[1/m]である。 FIG. 8 is an example of a diagram showing the wave number distribution of Stokes light actually generated in the optical fiber. In FIG. 8, the horizontal axis represents the wave number and the vertical axis represents the relative intensity. Note that the wave number ν 100 in FIG. 8 is the wave number of the laser light incident on the optical fiber. As shown in FIG. 8, the Stokes light actually generated in the optical fiber has a distribution as shown in the range of wave numbers ν 101 to ν 102 . Since the Raman shift wave number is the difference between the Stokes light wave numbers ν 101 to ν 102 and the laser light wave number ν 100 , the distribution is a distribution corresponding to the Stokes light distribution shown in FIG. 8. In the example shown in FIG. 8, the intensity of Stokes light peaks when the wave number is 44,000 [1 / m], and the full width at half maximum of the Stokes light distribution is 26,000 [1 / m].
図9は、従来の温度測定装置における温度測定誤差の一例を示す図である。尚、図8においては、横軸に温度をとり、縦軸に温度測定誤差をとっている。図9において、符号D101を付した曲線は、前述した(1)〜(3)式中のラマンシフト波数ν1に図8中のラマンシフト波数ν201を設定した場合の温度測定誤誤差を示すグラフであり、符号D102を付した曲線はラマンシフト波数ν1に図8中のラマンシフト波数ν202を設定した場合の温度測定誤誤差を示すグラフである。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a temperature measurement error in a conventional temperature measurement device. In FIG. 8, the horizontal axis represents temperature, and the vertical axis represents temperature measurement error. In FIG. 9, a curve denoted by reference numeral D101 indicates a temperature measurement error error when the Raman shift wave number ν 201 in FIG. 8 is set to the Raman shift wave number ν 1 in the above-described equations (1) to (3). The curve with the symbol D102 is a graph showing a temperature measurement error when the Raman shift wave number ν 202 in FIG. 8 is set to the Raman shift wave number ν 1 .
図9を参照すると、光ファイバの温度が前述した(3)式中の既知の温度Trである場合には、グラフD101とグラフD102とが交差する。しかしながら、既知の温度Trから外れた温度においては、温度測定誤差がグラフD101とグラフD102とで異なる(ラマンシフト波数ν1の値によって異なる)ことが分かる。例えば、既知の温度Trが300[K]である場合に、光ファイバの実際の温度が350[K]であるとすると、約3[K]の測定誤差が生ずる。 Referring to FIG. 9, when the temperature of the optical fiber is the known temperature Tr in the above-described equation (3), the graph D101 and the graph D102 intersect. However, it can be seen that at a temperature deviating from the known temperature Tr , the temperature measurement error differs between the graph D101 and the graph D102 (depending on the value of the Raman shift wavenumber ν 1 ). For example, if the known temperature T r is 300 [K] and the actual temperature of the optical fiber is 350 [K], a measurement error of about 3 [K] occurs.
従来は、温度測定装置の性能がさほど高くなく、要求される測定精度もさほど高くなかったため、以上の測定誤差は許容される範囲であった。しかしながら、近年においては温度測定装置の性能が飛躍的に向上してストークス光及び反ストークス光を精度良く測定することができるようになったため、以上のラマンシフト波数の分布に起因する温度誤差が無視できなくなってきた。 Conventionally, the performance of the temperature measuring device is not so high, and the required measurement accuracy is not so high, so the above measurement error is in an allowable range. However, in recent years, the performance of temperature measuring devices has improved dramatically, and it has become possible to measure Stokes light and anti-Stokes light with high accuracy, so the temperature error due to the above-mentioned Raman shift wavenumber distribution is ignored. I can't do it.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ラマンシフト波数の分布を考慮した高精度の温度測定を行うことができる温度測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a temperature measurement apparatus that can perform highly accurate temperature measurement in consideration of the distribution of Raman shift wavenumbers.
上記課題を解決するために、本発明の温度測定装置は、被測定対象(13)にレーザ光(PL)を入射させて得られるラマン散乱光(Pa、Ps)を用いて前記被測定対象の温度を測定する温度測定装置(1)において、前記ラマン散乱光を受光して受光信号を出力する受光部(21a、21b)と、前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを記憶する記憶部(26)と、前記ラマン散乱光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとして前記受光部から出力される受光信号を用いて前記被測定対象の温度を求めるための所定の演算を行い、当該所定の演算によって得られる演算結果を前記記憶部に記憶された前記補正テーブルを用いて補正する演算処理部(25)とを備える。
この発明によると、被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光が受光部で受光され、受光部から出力される受光信号を用いて被測定対象の温度を求めるための所定の演算が行われ、この所定の演算によって得られる演算結果が記憶部に記憶されたラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを用いて補正される。
また、本発明の温度測定装置は、前記補正テーブルが、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎の前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を示すテーブルであり、前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を求める演算を行い、当該演算により得られた強度比から求められる温度を前記補正テーブルを用いて補正することを特徴としている。
或いは、本発明の温度測定装置は、前記補正テーブルが、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、前記ストークス光及び前記反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した場合に求められる温度との差分を温度毎に示すテーブルであり、前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比から前記被測定対象の温度を求める演算を行い、当該演算により得られた温度を前記補正テーブルを用いて補正することを特徴としている。
また、本発明の温度測定装置は、前記演算処理部が、前記記憶部に記憶される前記補正テーブルを、前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を示すデータを用いて作成することを特徴としている。
また、本発明の温度測定装置は、前記ラマン散乱光に含まれるストークス光の所定の成分及び反ストークス光の所定の成分をそれぞれ個別に通過させるフィルタ部を備えることを特徴としている。
また、本発明の温度測定装置は、前記被測定対象が光ファイバであり、前記受光部は、前記光ファイバにパルス状のレーザ光を入射させて得られる前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光を個別に受光し、前記演算処理部は、前記受光部から順次出力される受光信号を用いて前記所定の演算を順次行うことにより、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を求めることを特徴としている。
In order to solve the above-described problem, the temperature measuring device of the present invention uses the Raman scattered light (P a , P s ) obtained by making the laser beam (P L ) incident on the measurement target (13). In the temperature measuring device (1) for measuring the temperature of the measurement object, the light receiving unit (21a, 21b) that receives the Raman scattered light and outputs a received light signal, and the distribution of the Raman shift wave number of the Raman scattered light are considered. In order to obtain the temperature of the object to be measured using a storage unit (26) for storing a correction table and a light reception signal output from the light receiving unit on the assumption that the Raman scattered light does not have a distribution of the Raman shift wave number. And a calculation processing unit (25) that corrects a calculation result obtained by the predetermined calculation using the correction table stored in the storage unit.
According to this invention, the Raman scattered light obtained by making the laser beam incident on the measurement target is received by the light receiving unit, and the predetermined calculation for obtaining the temperature of the measurement target using the received light signal output from the light receiving unit The calculation result obtained by this predetermined calculation is corrected using a correction table that takes into account the distribution of the Raman shift wave number of the Raman scattered light stored in the storage unit.
In the temperature measuring device according to the present invention, the correction table may include the Stokes light and the antireflection for each temperature obtained in consideration of a distribution of Raman shift wave numbers of Stokes light and anti-Stokes light included in the Raman scattered light. It is a table showing an intensity ratio with the Stokes light, and the arithmetic processing unit performs an operation for obtaining an intensity ratio between the Stokes light and the anti-Stokes light as the predetermined operation, and from the intensity ratio obtained by the operation The required temperature is corrected using the correction table.
Alternatively, in the temperature measuring device of the present invention, the correction table includes a temperature required when the Stokes light and the anti-Stokes light included in the Raman scattered light do not have a distribution of the Raman shift wavenumber, and the temperature It is a table showing the difference from the temperature obtained when considering the distribution of Raman shift wavenumbers of the Stokes light and the anti-Stokes light for each temperature, and the arithmetic processing unit performs the predetermined calculation as the Stokes light and the anti-Stokes light. A calculation for obtaining the temperature of the object to be measured from the intensity ratio with the Stokes light is performed, and the temperature obtained by the calculation is corrected using the correction table.
In the temperature measuring device of the present invention, the arithmetic processing unit creates the correction table stored in the storage unit using data indicating a distribution of Raman shift wavenumbers of the Raman scattered light. Yes.
In addition, the temperature measuring device of the present invention includes a filter unit that individually passes a predetermined component of Stokes light and a predetermined component of anti-Stokes light included in the Raman scattered light.
In the temperature measuring device of the present invention, the object to be measured is an optical fiber, and the light receiving unit includes Stokes light included in the Raman scattered light obtained by making pulsed laser light incident on the optical fiber, and The anti-Stokes light is individually received, and the calculation processing unit obtains a temperature distribution in the length direction of the optical fiber by sequentially performing the predetermined calculation using light reception signals sequentially output from the light receiving unit. It is characterized by that.
本発明によれば、被測定対象にレーザ光を入射させて得られるラマン散乱光を受光部で受光し、受光部から出力される受光信号を用いて被測定対象の温度を求めるための所定の演算を行い、この所定の演算によって得られる演算結果を記憶部に記憶されたラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを用いて補正しているため、ラマンシフト波数の分布を考慮した高精度の温度測定を行うことができるという効果がある。 According to the present invention, the Raman scattered light obtained by making the laser beam incident on the measurement target is received by the light receiving unit, and the predetermined temperature for obtaining the temperature of the measurement target using the light reception signal output from the light receiving unit. The calculation results obtained by this predetermined calculation are corrected using a correction table that takes into account the distribution of the Raman shift wave number of the Raman scattered light stored in the storage unit, so the distribution of the Raman shift wave number is taken into account. It is possible to perform temperature measurement with high accuracy.
以下、図面を参照して本発明の実施形態による温度測定装置について詳細に説明する。 Hereinafter, a temperature measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態による温度測定装置の要部構成を示すブロック図である。図1に示す通り、本実施形態の温度測定装置1は、パルス光源回路11、フィルタ部12、光ファイバ13(被測定対象)、処理部14、タイミング発生回路15、及び表示操作装置16を備える。この温度測定装置1は、所謂R−OTDR(Raman Optical Time Domain Reflectmetry)といわれるものであり、光ファイバ13内で生ずるラマン散乱光(ストークス光及び反ストークス光)を検出して光ファイバ13の長さ方向における温度分布を測定する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of the temperature measuring device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
パルス光源回路11は、例えば半導体レーザ等の光源を備えており、タイミング発生回路15で規定されるタイミングでパルス状のレーザ光PLを射出する。尚、以下の説明では、パルス光源回路11から射出されるレーザ光PLの波数をν0とする。フィルタ部12は、方向性結合器12aと光フィルタ12bとを備える。方向性結合器12aは、パルス光源回路11から射出されたレーザ光PLが光ファイバ13に導かれ、且つ、光ファイバ13で生じた後方散乱光PBが光フィルタ12に導かれるよう、パルス光源回路11、光ファイバ13、及び光フィルタ12bを光学的に結合する。
Pulse
光フィルタ12bは、方向性結合器12aからの後方散乱光PBに含まれるラマン散乱光(ストークス光Ps及び反ストークス光Pa)を抽出するとともに、ストークス光Psと反ストークス光Paとを分離して出力するフィルタである。尚、光ファイバ13で生ずるラマンシフト波数をν1とすると、ストークス光Psの波数はν0−ν1で表され、反ストークス光Paの波数はν0+ν1で表される。光ファイバ13は、例えば数km〜数十km程度の長さを有する石英系マルチモード光ファイバを用いることができる。尚、シングルモード光ファイバを用いてもよい。
処理部14は、光電変換回路21a,21b(受光部)、増幅回路22a,22b、A/D変換回路23a,23b、平均化処理回路24a,24b、演算処理回路25(演算処理部)、及びメモリ26(記憶部)を備える。光電変換回路21a,21bは、例えばアバランシェ・フォトダイオード等の受光素子を備えており、フィルタ部12の光フィルタ12bから出力されるストークス光Ps及び反ストークス光Paを受光して光電変換信号(受光信号)をそれぞれ出力する。増幅回路22a,22bは光電変換回路21a,21bから出力される光電変換信号をそれぞれ所定の増幅率で増幅する。
The
A/D変換回路23a,23bは、増幅回路22a,22bで増幅された光電変換信号をタイミング発生回路15で規定されるタイミングでサンプリングし、ディジタル化されたサンプルデータを出力する。ここで、図1に示す通り、タイミング発生回路15から出力されるタイミング信号TG2はA/D変換回路23a,23bの双方に入力されているため、A/D変換回路23a,23bは増幅回路22a,22bで増幅された光電変換信号を同一のタイミングでそれぞれサンプリングする。
The A /
平均化処理回路24aは、パルス光源回路11から射出されるレーザ光PLが複数回に亘って光ファイバ13に入射される度にA/D変換回路23aから出力されるサンプルデータを平均化する。同様に、平均化処理回路24bは、パルス光源回路11から射出されるレーザ光PLが複数回に亘って光ファイバ13に入射される度にA/D変換回路23bから出力されるサンプルデータを平均化する。光ファイバ13で生ずるラマン散乱光(ストークス光Ps及び反ストークス光Pa)は微弱であるため、光ファイバ13に対して複数回に亘ってレーザ光PLを入射させて得られるサンプルデータを平均化することにより、所望の信号対雑音比(S/N比)を得ている。
Averaging
演算処理回路25は、平均化処理回路24aで平均化処理が行われたストークス光Psに関するサンプルデータと、平均化処理回路24aで平均化処理が行われた反ストークス光Paに関するサンプルデータとを用いて、サンプルポイント(光ファイバ13内における位置と同義)毎の強度比を求め、この強度比からサンプルポイント毎の温度を求める演算を行う。
ここで、光ファイバ13で生じた後方散乱光PBに含まれるストークス光Ps及び反ストークス光Paの波数はある広がりを有しており、ラマンシフト波数も定数(線スペクトル)ではなくある分布を有している。演算処理回路15は、上記のサンプルポイント毎の強度比を、ストークス光Ps及び反ストークス光Paが共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求める。
Here, the wave number of the Stokes beam P s and the anti-Stokes light P a is included in the backscattered light P B generated in the
また、演算処理回路25は、上記の演算によって求められるサンプルポイント毎の強度比を、メモリ26に記憶される補正テーブルを用いて補正する。この補正テーブルは、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎のストークス光と反ストークス光との強度比を示すテーブルであり、演算処理回路15において求められる強度比(ストークス光Ps及び反ストークス光Paが共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められる強度比)を、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を考慮した強度比に補正するものである。
In addition, the
補正テーブルを用いて補正された強度比からサンプルポイント毎の温度を求めることにより、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を考慮した光ファイバ13の長さ方向における温度分布が高精度に求められる。更に、演算処理回路25は、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を示すデータを用いてメモリ26に記憶される補正テーブルを作成することもできる。尚、補正テーブルを用いた補正方法及び補正テーブルの作成方法の詳細については後述する。
By determining the temperature of each sample point from the corrected intensity ratio using the correction table, the temperature distribution in the longitudinal direction of the
メモリ26は、例えば揮発性又は不揮発性のRAM(Random Access Memory)等であり、演算処理回路25で用いられる各種のデータを記憶する。例えば、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を示すデータ、演算処理回路25によって作成される補正テーブル、演算処理回路25で演算を行う際に一時的に用いられるデータ等を記憶する。尚、このメモリ26は、演算処理回路25とは別に設けられていてもよく、演算処理回路25内に内蔵されていても良い。
The
タイミング発生回路15は、パルス光源回路11に対して、パルス状のレーザ光PLを射出させるタイミングを規定するタイミング信号TG1を出力する。また、タイミング発生回路15は、A/D変換回路23a,23bに対して、これらが増幅回路22a,22bから出力される光電変換信号をそれぞれサンプリングするタイミングを規定するタイミング信号TG2を出力する。
Timing generating
表示操作装置16は、例えば、液晶表示装置やCRT(Cathode Ray Tube)等の表示装置とユーザにより操作されるキーボードやマウス等の入力装置とを備えたコンピュータにより実現される。この表示操作装置16は、演算処理回路25から出力される演算結果(光ファイバ13の長さ方向における温度分布)を表示装置に表示するとともに、ユーザの操作に応じて、処理部14及びタイミング発生回路15等を制御する。
The
次に、上記構成による温度測定装置1の動作について説明する。図2は、本発明の第1実施形態による温度測定装置の動作を示すフローチャートである。図2に示す通り、温度測定装置1の動作は、補正テーブルを作成する初期化ステップS1と、光ファイバ13の長手方向における温度分布を測定する測定ステップS2とに大別される。以下、これらのステップで行われる処理の詳細について順に説明する。
Next, the operation of the
初期化ステップS1が開始されると、まずユーザの操作によって、光ファイバ13内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示すデータ(分布データ)が温度測定装置1のメモリ26に記憶される(ステップS11)。この分布データは、予め光スペクトラムアナライザ等を用いて光ファイバ13を測定することにより得られるデータであり、光ファイバ13をなす材質(分子構造)によって決まるものであるため1度だけ測定すればよい。
When the initialization step S1 is started, data (distribution data) indicating the distribution of Raman shift wavenumbers of Stokes light and anti-Stokes light generated in the
図3は、光ファイバ13内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示す分布データの一例を示す図である。図3に示す通り、分布データは、ラマンシフト波数毎のストークス光及び反ストークス光の相対強度を示すデータである。尚、図3においては、ラマンシフト波数毎のストークス光の相対強度を示す分布データのみを図示しているが、ラマンシフト波数毎の反ストークス光の相対強度を示す分布データも同様のデータである。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of distribution data indicating the distribution of Raman shift wave numbers of Stokes light and anti-Stokes light generated in the
尚、上記の分布データは、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を正確に反映したデータであることが望ましいが、その分布の近似値を示すデータであっても良い。以下では、ストークス光のラマンシフト波数の分布をS(ν)とし、反ストークス光のラマンシフト波数の分布をA(ν)とする。 The distribution data is preferably data that accurately reflects the distribution of Raman shift wavenumbers of Stokes light and anti-Stokes light, but may be data indicating an approximate value of the distribution. Hereinafter, the Raman shift wave number distribution of Stokes light is S (ν), and the Raman shift wave number distribution of anti-Stokes light is A (ν).
次に、演算処理回路25によって、メモリ26に記憶された分布データが読み出され、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光と反ストークス光との強度比が算出される(ステップS12)。この処理では、まずメモリ26から読み出された分布データを正規化し、次いで正規化した分布データを考慮した既知の温度Trにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれ求め、最後にストークス光と反ストークス光との強度比を求める処理が順に行われる。
Next, the distribution data stored in the
具体的には、以下の処理が順に行われる。分布S(ν),A(ν)を正規化した分布(正規化分布)をそれぞれS*(ν),A*(ν)とすると、メモリ26から読み出された分布データに対して例えば以下の(5)式に示す演算が行われて正規化分布A*(ν),S*(ν)が求められる。
次に、既知の温度Trにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をラマンシフト波数毎に求める処理が行われ、以下の(6)式に示す通り、求められたストークス光及び反ストークス光の強度に対して上記(5)式に示す正規化分布S*(ν),A*(ν)をそれぞれ乗算して波数νで積分する処理が行われる。この処理によってラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光及び反ストークス光の強度がそれぞれ求められる。
最後に、以下の(7)式に示す通り、上記(6)式に示される反ストークス光の強度を示す式をストークス光の強度を示す式で除算する処理が行われる。これにより、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光と反ストークス光との強度比が算出される。
次いで、既知の温度Trにおけるストークス光及び反ストークス光の強度が従来の方法により測定され、その強度比が従来の方法で算出される(ステップS13)。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとしてストークス光及び反ストークス光の強度が測定されるとともに強度比が算出される。ここで求められる強度比R(Tr)は、以下の(8)式で表される。
そして、以下の(9)式に示す通り、ステップS12で得られた強度比をステップS13で得られた強度比で除算する処理を行う。かかる処理は、メモリ26に記憶される分布データを得た光スペクトラムアナライザ等と温度測定装置1との測定感度の違いを解消するために行われる処理である。
以上の処理によって求められた強度比R(Tr)は、ある既知の温度Trにおけるものである。このため、測定すべき温度範囲内において温度Trを変化させながら以上の処理を繰り返すことによって、温度補正テーブルが作成される(ステップS14)。図4は、本発明の第1実施形態における初期化ステップS1で作成される補正テーブルの一例を示す図である。図4に示す通り、補正テーブルは、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められた温度毎のストークス光と反ストークス光との強度比を示すテーブルである。 The intensity ratio R (T r ) obtained by the above processing is at a known temperature T r . Therefore, a temperature correction table is created by repeating the above processing while changing the temperature Tr within the temperature range to be measured (step S14). FIG. 4 is a diagram showing an example of the correction table created in the initialization step S1 in the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the correction table is a table showing the intensity ratio of Stokes light and anti-Stokes light at each temperature obtained in consideration of the Raman shift wave number distribution of Stokes light and anti-Stokes light.
尚、上記のステップS13では、ストークス光と反ストークス光の強度比を従来の方法で求めるために、既知の温度Trにおけるストークス光及び反ストークス光の強度を従来の方法で測定している。しかしながら、既知の温度Trを変えながら従来の方法による測定を予め行ってストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれ求めておけば、ステップS13で測定を行うことなく演算処理回路25の演算のみで補正テーブルを作成することも可能である。尚、作成された補正テーブルは例えばメモリ26に記憶される。
In step S13, the intensity of Stokes light and anti-Stokes light at a known temperature Tr is measured by a conventional method in order to obtain the intensity ratio of Stokes light and anti-Stokes light by a conventional method. However, if the intensity of the Stokes light and the anti-Stokes light is obtained in advance by performing the measurement by the conventional method while changing the known temperature Tr , only the calculation of the
以上の初期化ステップS1が終了すると測定ステップS2が行われる。測定ステップS2が開始されると、まず温度が不明である光ファイバ13の測定が行われる(ステップS21)。光ファイバ13の測定が開始されると、図1に示すタイミング発生回路15からタイミング信号TG1が出力され、このタイミング信号TG1に基づいてパルス光源回路11からパルス状のレーザ光PLが射出される。このレーザ光PLは、光フィルタ部12を介して光ファイバ13に入射し、光ファイバ13内を伝播する。これにより、光ファイバ13内でラマン散乱光(ストークス光Ps及び反ストークス光Pa)を含む後方散乱光PBが発生する。
When the initialization step S1 is completed, a measurement step S2 is performed. When the measurement step S2 is started, first, the
この後方散乱光PBは、光ファイバ13内をレーザ光PLの進行方向とは逆方向に進み、フィルタ部12の光フィルタ12bに入射する。そして、ストークス光Psと反ストークス光Paとが抽出されて分離される。ストークス光Ps及び反ストークス光Paは、光電変換回路21a,21bでそれぞれ光電変換されて、それらの光電変換信号が増幅回路22a,22bでそれぞれ増幅される。増幅回路22a,22bで増幅された光電変換信号は、A/D変換回路23a,23bにおいて、タイミング発生回路15から出力されるタイミング信号TG2で規定されるタイミングでそれぞれサンプリングされる。
The backscattered light P B is the traveling direction of the laser beam P L through the
光ファイバ13にパルス状のレーザ光PLが入射される度に、以上の処理が繰り返し行われ、A/D変換回路23aから出力されるストークス光Psに関するサンプルデータが平均化処理回路24aでサンプルポイント毎に平均化されるとともに、A/D変換回路23bから出力される反ストークス光Paに関する複数のサンプルデータが平均化処理回路24bでサンプルポイント毎に平均化される。
Each time the
A/D変換回路23a,23bの各々でサンプルポイント毎に平均化されたサンプルデータは演算処理回路25に入力され、ストークス光Psに関するサンプルデータと反ストークス光Paに関するサンプルデータとの比がサンプルポイント毎に求められる(ステップS22)。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして、サンプルポイント毎のストークス光と反ストークス光との強度比が求められる。
A /
次に、ステップS22で求められた強度比を、初期化ステップS1で作成された補正テーブルを用いて補正して温度を算出する処理が行われる(ステップS23)。例えば、あるサンプルポイントの強度比が「1.00000」であった場合には、図4に示す補正テーブルを用いて、そのサンプルポイントにおける温度が300[K]であると求められる。 Next, a process of calculating the temperature by correcting the intensity ratio obtained in step S22 using the correction table created in initialization step S1 is performed (step S23). For example, when the intensity ratio of a certain sample point is “1.000000”, the temperature at that sample point is determined to be 300 [K] using the correction table shown in FIG.
ここで、前述した(3)式中の強度比R(T)に上記の強度比「1.00000」を代入すれば従来の方法による温度が求められる。本実施形態では、図4に示す補正テーブルを用いて温度を求めることにより、(3)式中から求められる温度(ストークス光Ps及び反ストークス光Paが共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められる温度)を、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を考慮して求めた温度に補正している。 Here, if the above-described intensity ratio “1.00000” is substituted into the intensity ratio R (T) in the above-described equation (3), the temperature by the conventional method can be obtained. In the present embodiment, by determining the temperature using the correction table shown in FIG. 4, (3) have a both distribution of Raman shift wavenumber sought temperature (Stokes light P s and the anti-Stokes light P a from formula the temperature) determined as not, is corrected to a temperature obtained by considering the distribution of Raman shift wavenumber of the Stokes beam P s and the anti-Stokes light P a.
次いで、演算処理回路25によって、全てのサンプルポイントの温度を算出したか否かが判断される(ステップS24)。温度の算出を行っていないサンプルポイントが存在すると判断した場合(判断結果が「NO」の場合)には、ステップS23の処理が繰り返され、全てのサンプルポイントについて温度の算出を行ったと判断した場合(判断結果が「YES」の場合)には、一連の測定ステップS2が終了する。このようにして、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を考慮した光ファイバ13の長手方向における温度分布が高精度に求められる。
Next, the
尚、図4に示す補正テーブルの温度刻みは5[K]であるが、より細かい温度刻みの補正テーブルを作成すれば温度分布の測定精度を向上させることができる。また、図4に示す補正テーブルを用いて温度を測定する場合において、ステップS22で算出された強度比に応じて補正テーブルを補完することにより、より高い精度で温度分布を測定することができる。また、既知の温度Trが一定ならば、一度補正テーブルを作成してしまえば繰り返し同じ補正テーブルを用いることができる。このため、温度分布の測定を行った光ファイバ13を再び測定する場合には、図2に示す初期化処理S1を省略することができる。更に、既知の温度Trが変動しないように既知の温度Trを求める光ファイバ13の区間を恒温槽内に配置する等の対策を行っても良い。
Although the temperature increment of the correction table shown in FIG. 4 is 5 [K], the measurement accuracy of the temperature distribution can be improved by creating a finer temperature increment correction table. In the case where the temperature is measured using the correction table shown in FIG. 4, the temperature distribution can be measured with higher accuracy by complementing the correction table according to the intensity ratio calculated in step S22. If the known temperature Tr is constant, once the correction table is created, the same correction table can be used repeatedly. Therefore, when the
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態による温度測定装置について詳細に説明する。本実施形態の温度測定装置の構成は以上説明した第1実施形態による温度測定装置の構成とほぼ同じである。但し、演算処理回路25における補正テーブルの作成方法及び補正テーブルを用いた温度分布の補正方法が異なる。
[Second Embodiment]
Next, the temperature measuring device according to the second embodiment of the present invention will be described in detail. The configuration of the temperature measurement device of this embodiment is substantially the same as the configuration of the temperature measurement device according to the first embodiment described above. However, the correction table creation method and the temperature distribution correction method using the correction table in the
具体的に、演算処理回路25は、光ファイバ13内で生ずるストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められる温度との差分を温度毎に示す補正テーブルを作成する。また、演算処理回路25は、光ファイバ13内で生ずるストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして従来の方法により各サンプリングポイントの温度を求め、この温度の各々を補正テーブルを用いて補正する処理を行う。
Specifically, the
以下、本実施形態の温度測定装置の動作について説明する。図5は、本発明の第2実施形態による温度測定装置の動作を示すフローチャートである。図5に示す通り、温度測定装置の動作は、補正テーブルを作成する初期化ステップS3と、光ファイバ13の長手方向における温度分布を測定する測定ステップS3とに大別される。以下、これらのステップで行われる処理の詳細について順に説明する。
Hereinafter, the operation of the temperature measuring apparatus of the present embodiment will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the temperature measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the operation of the temperature measurement device is roughly divided into an initialization step S3 for creating a correction table and a measurement step S3 for measuring a temperature distribution in the longitudinal direction of the
初期化ステップS3が開始されると、まずストークス光及び反ストークス光の強度が従来の方法により測定され、その強度比が従来の方法で算出される(ステップS31)。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとしてストークス光及び反ストークス光の強度が測定されて強度比が算出される。次いで、ユーザの操作によって、光ファイバ13内で生ずるストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を示す分布データが温度測定装置のメモリ26に記憶される(ステップS32)。
When the initialization step S3 is started, first, the intensities of Stokes light and anti-Stokes light are measured by the conventional method, and the intensity ratio is calculated by the conventional method (step S31). That is, the intensity ratio is calculated by measuring the intensity of the Stokes light and the anti-Stokes light, assuming that both the Stokes light and the anti-Stokes light do not have a Raman shift wave number distribution. Next, distribution data indicating the distribution of Raman shift wavenumbers of Stokes light and anti-Stokes light generated in the
次に、演算処理回路25によって、メモリ26に記憶された分布データが読み出され、この分布データを乗じたストークス光及び反ストークス光の温度毎の強度を示すテーブルが作成される(ステップS33)。具体的には、(1)式に示す式に対して温度Tをパラメータとして指定して温度毎の反ストークス光の強度As及びストークス光の強度Stをそれぞれ求め、これら温度毎の反ストークス光の強度As及びストークス光の強度Stに対して反ストークス光及びストークス光の分布データをそれぞれ乗算する処理が行われる。尚、ラマンシフト波数νとしては、実際の光ファイバ13の有するラマンシフト波数の分布に含まれる所定の波数を用いればよい。
Next, the distribution data stored in the
以上の処理が終了すると、演算処理回路25によって、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとしてストークス光と反ストークス光との温度毎の強度比を示すテーブルが作成される(ステップS34)。具体的には、既知の温度Trにおける強度比がステップS31で算出された強度比と等しくなるように、ステップS33で作成されたテーブルを補正(線形補正)する処理が行われる。
When the above processing is completed, a table indicating the intensity ratio of Stokes light and anti-Stokes light for each temperature is created by the
ここで、ステップS31で測定された既知の温度Trにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれAs(Tr),St(Tr)とすると、既知の温度Trにおける反ストークス光とストークス光との強度比P1は、以下の(10)式で表される。
よって、線形補正されたテーブルは、温度Tをパラメータにした以下の(11)式に示す強度比P2で表される。
次に、演算処理回路25によって、ラマンシフト波数分布を考慮したストークス光と反ストークス光との温度毎の強度比を示すテーブルが作成される(ステップS35)。この処理では、まず正規化した分布データを考慮したストークス光及び反ストークス光の温度毎の強度を示すテーブルを作成し、次にストークス光と反ストークス光との温度毎の強度比を示すテーブルを作成し、最後に既知の温度Trにおける強度比がステップS31で算出された強度比と等しくなるようにテーブルを補正(線形補正)する処理が順に行われる。
Next, the
具体的には、以下に示す処理が順に行われる。まず、以下の(12)式に示す通り、ストークス光及び反ストークス光の強度に対して正規化分布S*(ν),A*(ν)をそれぞれ乗算して波数νで積分し、温度Tをパラメータとしてストークス光及び反ストークス光の強度を示すテーブルを作成する処理が行われる。尚、以下の(12)式中におけるA1,S1は、温度測定装置の性能及び光ファイバの特性に依存する固有の定数である。
次に、以下の(13)式に示す通り、上記(12)式に示される反ストークス光の強度を示す式をストークス光の強度を示す式で除算する処理が行われる。これにより、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮したストークス光と反ストークス光との強度比が算出される。
最後に、既知の温度Trにおける強度比がステップS31で算出された強度比と等しくなるようにテーブルを補正(線形補正)する処理が順に行われる。ここで、ステップS31で測定された既知の温度Trにおけるストークス光及び反ストークス光の強度をそれぞれAs(Tr),St(Tr)とすると、既知の温度Trにおける反ストークス光とストークス光との強度比P3は、以下の(14)式で表される。
よって、線形補正されたテーブルは、温度Tをパラメータにした以下の(15)式に示す強度比P4で表される。
そして、演算処理回路25によって、ステップ34で作成されたテーブルとステップS35で作成されたテーブルとの温度毎の差分を算出する処理が行われる。以上の処理によって、補正テーブルが作成される。図6は、本発明の第2実施形態における初期化ステップS3で作成される補正テーブルの一例を示す図である。図6に示す通り、補正テーブルは、光ファイバ13内で生ずるストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとした場合に求められる温度と、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮して求められる温度との差分を温度毎に示すテーブルである。尚、作成された補正テーブルは例えばメモリ26に記憶される。
Then, the
以上の初期化ステップS3が終了すると測定ステップS4が行われる。測定ステップS4が開始されると、まず温度が不明である光ファイバ13の測定が行われる(ステップS41)。尚、光ファイバ13の測定時における温度測定装置の動作は第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
When the initialization step S3 is completed, a measurement step S4 is performed. When the measurement step S4 is started, first, the
ステップS41の測定を行って得られたサンプルポイント毎のサンプルデータ(A/D変換回路23a,23bの各々でサンプルポイント毎に平均化されたサンプルデータ)は演算処理回路25に入力され、A/D変換回路23aから出力されるサンプルデータとA/D変換回路23bから出力されるサンプルデータとの比がサンプルポイント毎に求められる。そして、この比からサンプルポイント毎の温度が算出される(ステップS42)。つまり、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして、サンプルポイント毎のストークス光と反ストークス光との強度比が求められて温度が算出される。
Sample data for each sample point (sample data averaged for each sample point in each of the A /
次に、ステップS42で求められた温度を、初期化ステップS3で作成された補正テーブルを用いて補正してする処理が行われる(ステップS43)。例えば、あるサンプルポイントの温度が320[K]であった場合には、図6に示す補正テーブルを用いて、そのサンプルポイントにおける温度が320[K]から−0.68[K]だけ減じられた319.32[K]に補正される。 Next, a process of correcting the temperature obtained in step S42 using the correction table created in initialization step S3 is performed (step S43). For example, when the temperature of a certain sample point is 320 [K], the temperature at that sample point is reduced by −0.68 [K] from 320 [K] using the correction table shown in FIG. To 319.32 [K].
次いで、演算処理回路25によって、全てのサンプルポイントの温度を算出したか否かが判断される(ステップS44)。温度の算出を行っていないサンプルポイントが存在すると判断した場合(判断結果が「NO」の場合)には、ステップS43の処理が繰り返され、全てのサンプルポイントについて温度の算出を行ったと判断した場合(判断結果が「YES」の場合)には、一連の測定ステップS4が終了する。このようにして、ストークス光Ps及び反ストークス光Paのラマンシフト波数の分布を考慮した光ファイバ13の長手方向に温度分布が高精度に求められる。
Next, the
尚、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、より高い精度で温度分布を測定するために、より細かい温度刻みの補正テーブルを作成しても良く、ステップS42で算出された温度に応じて補正テーブルを補完しても良い。また、第1実施形態と同様に、既知の温度Trが変動しないように既知の温度Trを求める光ファイバ13の区間を恒温槽内に配置する等の対策を行っても良い。
In the present embodiment, as in the first embodiment, in order to measure the temperature distribution with higher accuracy, a correction table with finer temperature increments may be created, and the temperature calculated in step S42 may be set. The correction table may be complemented accordingly. As in the first embodiment, measures may be carried out, such as known temperature T r to place a section of the
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態による温度測定装置について詳細に説明する。前述した第1,第2実施形態では、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを作成し、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められた温度分布を補正テーブルを用いて補正することにより、光ファイバ13の長さ方向における温度分布を高精度に測定するものであった。
[Third Embodiment]
Next, a temperature measuring device according to a third embodiment of the present invention will be described in detail. In the first and second embodiments described above, a correction table that takes into account the distribution of Raman shift wave numbers of Stokes light and anti-Stokes light is created, and both the Stokes light and anti-Stokes light do not have a distribution of Raman shift wave numbers. The temperature distribution in the length direction of the
これに対し、本実施形態の温度測定装置は、ラマンシフト波数の分布を有するストークス光Ps及び反ストークス光Paを個別に線スペクトル状にすることで、ラマンシフト波数の分布によって生ずる温度誤差の低減を図り、もって温度分布の測定精度を高めるものである。本実施形態の温度測定装置の構成は前述した第1,第2実施形態による温度測定装置の構成とほぼ同じである。但し、光フィルタ12bが、ストークス光Ps及び反ストークス光Paを線スペクトル状にする透過特性を有する点が相違する。
In contrast, the temperature measuring device of the present embodiment, by the Stokes beam P s and the anti-Stokes light P a have a distribution of Raman shift wavenumber individually line spectrum shape, the temperature error caused by the distribution of Raman shift wavenumber Therefore, the measurement accuracy of the temperature distribution is improved. The configuration of the temperature measurement device of this embodiment is substantially the same as the configuration of the temperature measurement device according to the first and second embodiments described above. However, the
図7は、本発明の第3実施形態による温度測定装置が備える光フィルタの透過特性の一例を示す図であって、(a)はストークス光に係る光フィルタの透過特性を示す図であり、(b)は反ストークス光に係る光フィルタの透過特性を示す図である。尚、図7中に示す波数ν0はパルス光源回路11から射出されるレーザ光PL(光ファイバ13に入射するレーザ光)の波数である
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the transmission characteristics of an optical filter provided in the temperature measurement device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 7A is a diagram illustrating the transmission characteristics of an optical filter related to Stokes light. (B) is a figure which shows the permeation | transmission characteristic of the optical filter based on anti-Stokes light. The wave number ν 0 shown in FIG. 7 is the wave number of the laser beam P L (laser beam incident on the optical fiber 13) emitted from the pulse
図7(a)に示す通り、ストークス光に係る光フィルタは、ラマンシフト波数の分布を有するストークス光Psのうちの波数ν11〜ν12を有する波数成分のみを透過させるバンドパスフィルタの透過特性C1を有する。また、図7(b)に示す通り、反ストークス光に係る光フィルタは、ラマンシフト波数の分布を有する反ストークス光Paのうちの波数ν21〜ν22を有する波数成分のみを透過させるバンドパスフィルタの透過特性C2を有する。 As shown in FIG. 7A, the optical filter related to Stokes light transmits a band-pass filter that transmits only wave number components having wave numbers ν 11 to ν 12 of the Stokes light P s having a Raman shift wave number distribution. It has characteristic C1. Further, as shown in FIG. 7 (b), the optical filter according to the anti-Stokes light, the band which transmits only the wave number component having a wave number ν 21 ~ν 22 of the anti-Stokes light P a having a distribution of Raman shift wavenumber It has a transmission characteristic C2 of a pass filter.
尚、これらのフィルタの透過特性は、複数の波数成分を透過させる透過特性である必要は必ずしも無く、反ストークス光及びストークス光の各々について少なくとも1つの波数成分を透過させる透過特性であればよい。また、これらのフィルタは、波数成分の透過帯域が可変であるのが望ましい。ここで、反ストークス光の強度は、ラマンシフト波数と温度とによって変動するため、必ずしも強度が最大となる波数が最大の温度依存性を示すとは限らない。透過帯域が可変のフィルタを用いることで、反ストークスの温度依存性が最大となる波数を選択するといったことが可能となる。 Note that the transmission characteristics of these filters are not necessarily transmission characteristics that transmit a plurality of wave number components, but may be transmission characteristics that transmit at least one wave number component for each of anti-Stokes light and Stokes light. Further, it is desirable that these filters have a variable transmission band of wave number components. Here, since the intensity of the anti-Stokes light varies depending on the Raman shift wave number and the temperature, the wave number with the maximum intensity does not necessarily exhibit the maximum temperature dependence. By using a filter with a variable transmission band, it is possible to select a wave number that maximizes the temperature dependence of anti-Stokes.
ストークス光及び反ストークス光を線スペクトル状にする透過特性を有する光フィルタを光フィルタ12bとして用いれば、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして温度分布を測定する従来の方法を用いても、測定誤差を低減することができる。勿論、上記の透過特性を有する光フィルタを用いた場合であっても、前述した第1,第2実施形態のように測定された温度分布を補正テーブルを用いて補正して、測定精度をより高めることも可能である。
If an optical filter having a transmission characteristic for making Stokes light and anti-Stokes light into a line spectrum is used as the
以上説明した通り、本発明の第1,第2実施形態では、ストークス光及び反ストークス光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを作成し、ストークス光及び反ストークス光が共にラマンシフト波数の分布を有さないものとして求められた温度分布を補正テーブルを用いて補正しているため、光ファイバ13の長さ方向における温度分布を高精度に測定することができる。また、本発明の第3実施形態のように、ラマンシフト波数の分布を有するストークス光及び反ストークス光を線スペクトル状にする光フィルタを用いれば、測定精度をより高めることができる。
As described above, in the first and second embodiments of the present invention, a correction table that takes into account the distribution of Raman shift wave numbers of Stokes light and anti-Stokes light is created, and both the Stokes light and anti-Stokes light have Raman shift wave numbers. Since the temperature distribution obtained as having no distribution is corrected using the correction table, the temperature distribution in the length direction of the
以上、本発明の実施形態による温度測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、パルス状のレーザ光PLを光ファイバ13に入射させて光ファイバ13の長さ方向における温度分布を測定する温度測定装置について説明した。しかしながら、本発明は、光ファイバ以外の被測定対象の温度を測定する温度測定装置、連続光を用いたラマン分光による温度測定装置にも適用することができる。
The temperature measuring device according to the embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be freely changed within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the temperature measurement device that measures the temperature distribution in the length direction of the
また、被測定対象に入射させるレーザ光の周波数を変化させながら被測定対象から得られる光の周波数特性・位相特性を求めることにより温度を測定するR−OFDR(Raman Optical Frequency Domain Reflectometry:光周波数領域反射測定装置)と言われる温度測定装置にも適用することができる。また、被測定対象に入射させるパルス状のレーザ光としてゴーレイ符号、バーカー符号、シンプレックス符号等を用いて符号変調した光パルス列を用いる温度測定装置にも適用することができる。 Further, an R-OFDR (Raman Optical Frequency Domain Reflectometry: optical frequency domain) that measures temperature by obtaining frequency characteristics and phase characteristics of light obtained from the measurement target while changing the frequency of the laser light incident on the measurement target. The present invention can also be applied to a temperature measuring device called a reflection measuring device. Further, the present invention can also be applied to a temperature measurement apparatus that uses an optical pulse train that is code-modulated using a Golay code, a Barker code, a simplex code, or the like as a pulsed laser beam incident on a measurement target.
更に、上記実施形態のように、ストークス光Psと反ストークス光Paとを測定して光ファイバ13の長手方向における温度分布を測定する温度測定装置のみならず、ストークス光のみ、反ストークス光のみ、或いはレーリー散乱光と反ストークス光とから温度を測定する温度測定装置にも本発明を適用することができる。つまり、本発明は、ラマン散乱光を用いて温度を測定するあらゆる温度測定装置に適用可能である。
Further, as described in the above embodiment, not only the temperature measuring device for measuring the temperature distribution in the longitudinal direction of the
1 温度測定装置
13 光ファイバ
21a,21b 光電変換回路
25 演算処理回路
26 メモリ
Pa 反ストークス光
PL レーザ光
Ps ストークス光
1 a
Claims (6)
前記ラマン散乱光を受光して受光信号を出力する受光部と、
前記ラマン散乱光のラマンシフト波数の分布を考慮した補正テーブルを記憶する記憶部と、
前記ラマン散乱光が前記ラマンシフト波数の分布を有さないものとして前記受光部から出力される受光信号を用いて前記被測定対象の温度を求めるための所定の演算を行い、当該所定の演算によって得られる演算結果を前記記憶部に記憶された前記補正テーブルを用いて補正する演算処理部と
を備えることを特徴とする温度測定装置。 In the temperature measuring device for measuring the temperature of the measurement object using Raman scattered light obtained by making laser light incident on the measurement object,
A light receiving unit that receives the Raman scattered light and outputs a light reception signal;
A storage unit for storing a correction table in consideration of the distribution of the Raman shift wave number of the Raman scattered light;
The Raman scattered light does not have the distribution of the Raman shift wave number, and performs a predetermined calculation for obtaining the temperature of the measurement target using a light reception signal output from the light receiving unit, and by the predetermined calculation A temperature measurement device comprising: an arithmetic processing unit that corrects an obtained calculation result using the correction table stored in the storage unit.
前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比を求める演算を行い、当該演算により得られた強度比から求められる温度を前記補正テーブルを用いて補正する
ことを特徴とする請求項1記載の温度測定装置。 The correction table is a table showing an intensity ratio between the Stokes light and the anti-Stokes light for each temperature obtained in consideration of the distribution of Raman shift wave numbers of the Stokes light and the anti-Stokes light included in the Raman scattered light. Yes,
The arithmetic processing unit performs an operation for obtaining an intensity ratio between the Stokes light and the anti-Stokes light as the predetermined operation, and corrects a temperature obtained from the intensity ratio obtained by the operation using the correction table. The temperature measuring device according to claim 1.
前記演算処理部は、前記所定の演算として前記ストークス光と前記反ストークス光との強度比から前記被測定対象の温度を求める演算を行い、当該演算により得られた温度を前記補正テーブルを用いて補正する
ことを特徴とする請求項1記載の温度測定装置。 The correction table includes a temperature required when Stokes light and anti-Stokes light included in the Raman scattered light do not have a distribution of the Raman shift wavenumber, and a Raman shift of the Stokes light and the anti-Stokes light. It is a table showing the difference from the temperature obtained when considering the wave number distribution for each temperature,
The calculation processing unit performs a calculation for obtaining the temperature of the measurement target from the intensity ratio between the Stokes light and the anti-Stokes light as the predetermined calculation, and uses the correction table to calculate the temperature obtained by the calculation. The temperature measuring device according to claim 1, wherein the temperature measuring device is corrected.
前記受光部は、前記光ファイバにパルス状のレーザ光を入射させて得られる前記ラマン散乱光に含まれるストークス光及び反ストークス光を個別に受光し、
前記演算処理部は、前記受光部から順次出力される受光信号を用いて前記所定の演算を順次行うことにより、前記光ファイバの長さ方向における温度分布を求める
ことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の温度測定装置。 The object to be measured is an optical fiber,
The light receiving unit individually receives Stokes light and anti-Stokes light included in the Raman scattered light obtained by allowing pulsed laser light to enter the optical fiber,
The said arithmetic processing part calculates | requires the temperature distribution in the length direction of the said optical fiber by performing the said predetermined calculation sequentially using the light reception signal sequentially output from the said light-receiving part. The temperature measuring device according to claim 5.
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