状態監視保全のための光ファイバ機器監視システム
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カテゴリ: 第2回
1.緒言
た (2) (3) (4) (5) (6) 。192 点の接続数は全ての FBG 反射光 光ファイバを用いたセンサは、電磁誘導ノイズに強 量が、その光量を測定する光検出器の検出下限よりも く、動作に電源が不要なことから周囲への安全性が確 減衰しない条件に基づいて設計してあり、それは図に 保し易いといった特徴を有している。また、耐放射線 示すように、12 の分岐数と1分岐に接続する FBG を 性についても性能が改善されており原子炉内での試 16 個とした。本稿では、静的/動的量を測定するた 験も行われるなど、過酷な環境下における適用性が向 めの原理を紹介し、信号処理をデジタル化した測定装 上している。中でも、近年注目されている FBG(Fiber 置を用いてフィールド試験を行い、静的/動的測定に Bragg Grating)は、光ファイバ素線に回折格子を設けた 対応した 192 点の多点機器監視システムとして成立 単純な構造と、温度や歪みに対して高い測定精度が得性を有することを確認したので報告する。 上している。中でも、近年注目されている FBG(Fiber Bragg Grating)は、光ファイバ素線に回折格子を設けた 単純な構造と、温度や歪みに対して高い測定精度が得 られることから防爆性やメインテナンス性に優れた 多数点で監視する技術が求められており、格納容 の配管や機器に加わる歪みの監視や温度変化に 異常検知、あるいは回転機器の振動状態監視を目 た具体的なシステムの開発が望まれている。このを同時利用して Fig.1 に示した接続方法により 192 点 の FBG を接続した大規模監視を実現する方式を示し た (2) (3) (4) (5) (6) 。 192 点の接続数は全ての FBG 反射光 減衰しない条件に基づいて設計してあり、それ 示すように、12 の分岐数と1分岐に接続する
FBG FBG FBG 入1 12 116--- Array 1 ■一 Array2 BranchBranch pathpathMain patt 3dB Coupler由自TTMain pathDelay fiberCoupler BranchSignal processing unitBranchpathpath■■Array MAX:12 ----- Array8Array7FBG array- 119 -2.測定原理静的/動的測定に対応したシステムの装置構成を Fig.2 に示す。時分割・波長多重によって FBG位置識 別を可能にするため、広帯域光源から放出された連続 光は AOM(Acoustic Optic Modulator)でパルス化、 OTF(Optical Tunable Filter)で波長帯域を制限された参 照光となる。参照光は 3dB カプラによって2つの幹OTFASE Light Source (ASE:Amplified Spontaneous Emission.)AOMAOM DriverLight Pulse3dB Coupler*Fig. 1Reflected light Pulse TrainPDAWavelength------------, PowerADCPLDDigital ProcessingTimePCI BusCalculatorFig. 2 A basic configuration of our system to interrogate both static and dynamic signal from FBGs線に分かれ Fig.1で示した多数点のFBGに入射/透過 するとともに特定の波長帯の光だけが反射し、光パル ス列として戻ってくる。観測される光パルス列は PDA(Photo Detector Amplifier)で電気パルス列に変換 されて、100MS/s・12Bit 処理の ADC(Analog to Digital Converter)と、ADC が変換したデジタルデータを高速に 演算する機能を組み込んだ PLD(Programmable Logic Device)とを併用したデジタル処理部によってパルス の波高値情報のみがデジタルデータとして処理され、 計算機をベースとした解析装置に送られる。次に、静 的量の測定原理の概要を Fig.3 に示す。波長を軸とし た FBG の反射波形は一定の幅を持つ矩形状のパワー スペクトルで、静的測定の時にはこの反射波形は一定 とみなせる。矩形状のパワースペクトルに対して、 OTF の波長を一定間隔で掃引すると、重なり合う領 域に応じてフィルタを透過する光量が変化する。これReflected pulse from an FBGSpectrum of OTF filterScanningPowerWavelengthFig. 3 The interrogation principle using tunablefilter for static measurement.Relative Optical Powerzapoooooo00.00059000 ogoooodoooodgoo155015551551_ 1552 1553_ 1554Wavelength(nm) ? power spectrum of the filtered pulsepower spectrum of FBGFig. 4 The power spectrum of the filtered pulse when the filter is scanned for 0.03nm pitch and the reflected powerspectrum measured by an optical spectrum analyzerは Fig.4 に示すように反射波形のほぼ中心波長の位置 に最大点をもった分布が得られる。FBG に印加され た物理量は反射波長の変化量に比例するため校正式 を用いることで容易に換算できる。従って、この最大 点を FBG の反射波長として測定すれば温度や歪みの 測定を行うことができる。Fig.5 に動的測定の測定原 理の概要を示す。動的測定では、静的測定の場合とは 逆に FBGの反射波形が時間的に移動するので、OTFSpectrumReflected from an FBGSpectrum of OTF filterPowerAlternateWavelengthFig. 5 The interrogation principle using tunable filterfor dynamic measurement. The wavelength of the filter is fixed and the reflected spectrum alternates.120側の波長は固定しておく。反射波がフィルタの片側の 傾斜部分を移動すると、この移動量に応じた光量が光 検出器で観測されるため、この光量変化を FFT 解析す れば、動的特性を把握することができる。3.フィールド試験温度、歪み、振動の各物理量に対応した 3 種類の FBG センサを試作し、実際に建屋内の壁や鉄骨などの 構造物に敷設して以下の連続測定試験を行った。 Table.1 に FBG の共通仕様を示す。FBG は各センサにお いて共通化し、リコート部には歪みや振動測定で効果 が認められているポリイミドをコーティングした。 Fig.6に試作した FBG センサを示す。FBG 温度測定用Table.1 Common specification of the FBGFiber 3dB band Width 10dB band Width Center wavelength tolerance Reflectivity Crosstalk Recoating Environmental temperaturespecification Single Mode0.3 nm1 nm ±0.1 nm >95% |>25 dB Polyimide -20~+80 °CFBG temperature sensorMeasurement range・20~+80°CFBG strain sensorMeasurement range+2000 u strain366808888FBG vibration sensor2ターン※※※※1.39583333333333WR2X30Measurement range (2type)(10DC~40Hz.(2)40~250Hz Fig.6 The manufacture of FBG sensorセンサはSUS管内に FBGを封入し光ファイバの耐熱性 と防爆性を高めた構造とした。温度の設定には恒温槽 を使い比較用に熱電対の測定値を用いた。試験では温 度変動の大きい場所(壁側)を選び、近傍に比較用の熱 電対を設置して連続測定を行った。FBG 歪み測定用セ ンサは、FBG をグラスファイバ板上に接着することで 敷設性を高め、構造物から FBG への歪み伝達性を向上 させた。試験では約 50cm 長の配管中央近傍に比較用 の歪みゲージと互いに並行位置となるように接着固 定し、配管端部に歪みを発生し易くするためのターン バックルを装着して測定を行った。FBG 振動測定用セ ンサは、異なる測定周波数帯域毎に調整された2つの タイプを用意し、今回は 40~250Hz のタイプを使用し た。建屋内には振動機器がないため、試験では模擬配 管に本センサと比較用の加速度変換器を同じ位置で 固定し、振動源は加振装置を使用して測定を行った。4.試験結果- Fig.7 に温度測定結果の例を示す。図より日照によ る変動が 10°C前後と顕著に現われていることがわか る。約 10 日間の連続測定で熱電対の測定値に対して FBG の測定値は+1°C以内に収まっており、熱電対と 同等の測定ができたと考える。Thermo couple ・ FBG temperatue sensor||Te mperatue(°C)2019/03/212019/03/232019/03/253/27 Date2019/03/292019/03/312019/04/02Fig. 7 Experimental results of temperature measurement.Fig.8 に歪み測定結果の例を示す。歪みゲージの指示 値を基準として FBG 歪みセンサの指示値を任意の測 定点で比較したところ約5%以内で一致しており、一 一般に使用されている歪みゲージと同等の測定結果が 得られることを確認した。Fig.9 に振動試験結果の例 を示す。印加した振動の周波数を 50Hz に固定した状 態で振幅を3段階に変更し、その時の加速度変換器が121示した測定値(Nonlinearity:1.00%RO)に対し、FBG の 測定値は周波数、振幅ともによく追従できていること を確認した。Strain gage(ue) |0_600100 200300 400 500 FBG strain sensor ( 4 E)Fig.8 Experimental results of strain measurement.LAMPA annudup0_10203040 50 60 Frequency(Hz)708090 100FBG vibration sensor (amplitu de small) FBG vibration sensor (amplitude-medium) FBG vibration sensor (amplitu de-Lage)Conventin al accelerometer (amplitude+small) ・ Conventinal accelerometer(amplitude→medium)Conventin al accelerometer (amplitude Lage)- ・・ -Fig. 9 Experimental results of vibration measurement.5.結言温度、歪み、振動の各物理量測定に対応した FBG センサを試作し、静的/動的測定に対応した測定装置 を使用して FBG が 192 点と最大規模となる接続条件 下で建屋内の壁や鉄骨などの機器構造物に FBG セン サを敷設して連続測定を実施した。その結果、温度、歪み、振動測定に対し、一般に使 用されている既存のセンサと同等の測定ができるこ とを確認し、本光ファイバ機器監視システムは、実機 の機器構造物に対しても、静的/動的測定の適用が可 能であることを示すことができた。今後は、測定装置 の小型化や実機での測定に向けた検討を進めていく 予定である。参考文献[1] F. Fernandez, et al., Optical Engineering, Vol.41, No.6,pp1246-1254 (2002) [2] 牧野 他、日本原子力学会 2002 年春の大会予稿集H16(2002) [3] 新井 他、電気学会原子力研究会 NE-02-8 (2002) [4] R. Arai, et al., PHOTONIC ASEA 2002, Proc. of SPIE(2002) [5] 新井ほか、電気学会 C部門大会 GS5-1 (2003) [6] R. Arai, et al., proc. of NUTHOS6 (2004)122
“ “状態監視保全のための光ファイバ機器監視システム“ “隅田 晃生,Akio SUMITA,新井 良一,Ryoichi ARAI,園田 幸夫,Yukio SONODA,瀧澤 洋二,Yoji TAKIZAWA,清水 俊一,Shunichi SHIMIZU
た (2) (3) (4) (5) (6) 。192 点の接続数は全ての FBG 反射光 光ファイバを用いたセンサは、電磁誘導ノイズに強 量が、その光量を測定する光検出器の検出下限よりも く、動作に電源が不要なことから周囲への安全性が確 減衰しない条件に基づいて設計してあり、それは図に 保し易いといった特徴を有している。また、耐放射線 示すように、12 の分岐数と1分岐に接続する FBG を 性についても性能が改善されており原子炉内での試 16 個とした。本稿では、静的/動的量を測定するた 験も行われるなど、過酷な環境下における適用性が向 めの原理を紹介し、信号処理をデジタル化した測定装 上している。中でも、近年注目されている FBG(Fiber 置を用いてフィールド試験を行い、静的/動的測定に Bragg Grating)は、光ファイバ素線に回折格子を設けた 対応した 192 点の多点機器監視システムとして成立 単純な構造と、温度や歪みに対して高い測定精度が得性を有することを確認したので報告する。 上している。中でも、近年注目されている FBG(Fiber Bragg Grating)は、光ファイバ素線に回折格子を設けた 単純な構造と、温度や歪みに対して高い測定精度が得 られることから防爆性やメインテナンス性に優れた 多数点で監視する技術が求められており、格納容 の配管や機器に加わる歪みの監視や温度変化に 異常検知、あるいは回転機器の振動状態監視を目 た具体的なシステムの開発が望まれている。このを同時利用して Fig.1 に示した接続方法により 192 点 の FBG を接続した大規模監視を実現する方式を示し た (2) (3) (4) (5) (6) 。 192 点の接続数は全ての FBG 反射光 減衰しない条件に基づいて設計してあり、それ 示すように、12 の分岐数と1分岐に接続する
FBG FBG FBG 入1 12 116--- Array 1 ■一 Array2 BranchBranch pathpathMain patt 3dB Coupler由自TTMain pathDelay fiberCoupler BranchSignal processing unitBranchpathpath■■Array MAX:12 ----- Array8Array7FBG array- 119 -2.測定原理静的/動的測定に対応したシステムの装置構成を Fig.2 に示す。時分割・波長多重によって FBG位置識 別を可能にするため、広帯域光源から放出された連続 光は AOM(Acoustic Optic Modulator)でパルス化、 OTF(Optical Tunable Filter)で波長帯域を制限された参 照光となる。参照光は 3dB カプラによって2つの幹OTFASE Light Source (ASE:Amplified Spontaneous Emission.)AOMAOM DriverLight Pulse3dB Coupler*Fig. 1Reflected light Pulse TrainPDAWavelength------------, PowerADCPLDDigital ProcessingTimePCI BusCalculatorFig. 2 A basic configuration of our system to interrogate both static and dynamic signal from FBGs線に分かれ Fig.1で示した多数点のFBGに入射/透過 するとともに特定の波長帯の光だけが反射し、光パル ス列として戻ってくる。観測される光パルス列は PDA(Photo Detector Amplifier)で電気パルス列に変換 されて、100MS/s・12Bit 処理の ADC(Analog to Digital Converter)と、ADC が変換したデジタルデータを高速に 演算する機能を組み込んだ PLD(Programmable Logic Device)とを併用したデジタル処理部によってパルス の波高値情報のみがデジタルデータとして処理され、 計算機をベースとした解析装置に送られる。次に、静 的量の測定原理の概要を Fig.3 に示す。波長を軸とし た FBG の反射波形は一定の幅を持つ矩形状のパワー スペクトルで、静的測定の時にはこの反射波形は一定 とみなせる。矩形状のパワースペクトルに対して、 OTF の波長を一定間隔で掃引すると、重なり合う領 域に応じてフィルタを透過する光量が変化する。これReflected pulse from an FBGSpectrum of OTF filterScanningPowerWavelengthFig. 3 The interrogation principle using tunablefilter for static measurement.Relative Optical Powerzapoooooo00.00059000 ogoooodoooodgoo155015551551_ 1552 1553_ 1554Wavelength(nm) ? power spectrum of the filtered pulsepower spectrum of FBGFig. 4 The power spectrum of the filtered pulse when the filter is scanned for 0.03nm pitch and the reflected powerspectrum measured by an optical spectrum analyzerは Fig.4 に示すように反射波形のほぼ中心波長の位置 に最大点をもった分布が得られる。FBG に印加され た物理量は反射波長の変化量に比例するため校正式 を用いることで容易に換算できる。従って、この最大 点を FBG の反射波長として測定すれば温度や歪みの 測定を行うことができる。Fig.5 に動的測定の測定原 理の概要を示す。動的測定では、静的測定の場合とは 逆に FBGの反射波形が時間的に移動するので、OTFSpectrumReflected from an FBGSpectrum of OTF filterPowerAlternateWavelengthFig. 5 The interrogation principle using tunable filterfor dynamic measurement. The wavelength of the filter is fixed and the reflected spectrum alternates.120側の波長は固定しておく。反射波がフィルタの片側の 傾斜部分を移動すると、この移動量に応じた光量が光 検出器で観測されるため、この光量変化を FFT 解析す れば、動的特性を把握することができる。3.フィールド試験温度、歪み、振動の各物理量に対応した 3 種類の FBG センサを試作し、実際に建屋内の壁や鉄骨などの 構造物に敷設して以下の連続測定試験を行った。 Table.1 に FBG の共通仕様を示す。FBG は各センサにお いて共通化し、リコート部には歪みや振動測定で効果 が認められているポリイミドをコーティングした。 Fig.6に試作した FBG センサを示す。FBG 温度測定用Table.1 Common specification of the FBGFiber 3dB band Width 10dB band Width Center wavelength tolerance Reflectivity Crosstalk Recoating Environmental temperaturespecification Single Mode0.3 nm1 nm ±0.1 nm >95% |>25 dB Polyimide -20~+80 °CFBG temperature sensorMeasurement range・20~+80°CFBG strain sensorMeasurement range+2000 u strain366808888FBG vibration sensor2ターン※※※※1.39583333333333WR2X30Measurement range (2type)(10DC~40Hz.(2)40~250Hz Fig.6 The manufacture of FBG sensorセンサはSUS管内に FBGを封入し光ファイバの耐熱性 と防爆性を高めた構造とした。温度の設定には恒温槽 を使い比較用に熱電対の測定値を用いた。試験では温 度変動の大きい場所(壁側)を選び、近傍に比較用の熱 電対を設置して連続測定を行った。FBG 歪み測定用セ ンサは、FBG をグラスファイバ板上に接着することで 敷設性を高め、構造物から FBG への歪み伝達性を向上 させた。試験では約 50cm 長の配管中央近傍に比較用 の歪みゲージと互いに並行位置となるように接着固 定し、配管端部に歪みを発生し易くするためのターン バックルを装着して測定を行った。FBG 振動測定用セ ンサは、異なる測定周波数帯域毎に調整された2つの タイプを用意し、今回は 40~250Hz のタイプを使用し た。建屋内には振動機器がないため、試験では模擬配 管に本センサと比較用の加速度変換器を同じ位置で 固定し、振動源は加振装置を使用して測定を行った。4.試験結果- Fig.7 に温度測定結果の例を示す。図より日照によ る変動が 10°C前後と顕著に現われていることがわか る。約 10 日間の連続測定で熱電対の測定値に対して FBG の測定値は+1°C以内に収まっており、熱電対と 同等の測定ができたと考える。Thermo couple ・ FBG temperatue sensor||Te mperatue(°C)2019/03/212019/03/232019/03/253/27 Date2019/03/292019/03/312019/04/02Fig. 7 Experimental results of temperature measurement.Fig.8 に歪み測定結果の例を示す。歪みゲージの指示 値を基準として FBG 歪みセンサの指示値を任意の測 定点で比較したところ約5%以内で一致しており、一 一般に使用されている歪みゲージと同等の測定結果が 得られることを確認した。Fig.9 に振動試験結果の例 を示す。印加した振動の周波数を 50Hz に固定した状 態で振幅を3段階に変更し、その時の加速度変換器が121示した測定値(Nonlinearity:1.00%RO)に対し、FBG の 測定値は周波数、振幅ともによく追従できていること を確認した。Strain gage(ue) |0_600100 200300 400 500 FBG strain sensor ( 4 E)Fig.8 Experimental results of strain measurement.LAMPA annudup0_10203040 50 60 Frequency(Hz)708090 100FBG vibration sensor (amplitu de small) FBG vibration sensor (amplitude-medium) FBG vibration sensor (amplitu de-Lage)Conventin al accelerometer (amplitude+small) ・ Conventinal accelerometer(amplitude→medium)Conventin al accelerometer (amplitude Lage)- ・・ -Fig. 9 Experimental results of vibration measurement.5.結言温度、歪み、振動の各物理量測定に対応した FBG センサを試作し、静的/動的測定に対応した測定装置 を使用して FBG が 192 点と最大規模となる接続条件 下で建屋内の壁や鉄骨などの機器構造物に FBG セン サを敷設して連続測定を実施した。その結果、温度、歪み、振動測定に対し、一般に使 用されている既存のセンサと同等の測定ができるこ とを確認し、本光ファイバ機器監視システムは、実機 の機器構造物に対しても、静的/動的測定の適用が可 能であることを示すことができた。今後は、測定装置 の小型化や実機での測定に向けた検討を進めていく 予定である。参考文献[1] F. Fernandez, et al., Optical Engineering, Vol.41, No.6,pp1246-1254 (2002) [2] 牧野 他、日本原子力学会 2002 年春の大会予稿集H16(2002) [3] 新井 他、電気学会原子力研究会 NE-02-8 (2002) [4] R. Arai, et al., PHOTONIC ASEA 2002, Proc. of SPIE(2002) [5] 新井ほか、電気学会 C部門大会 GS5-1 (2003) [6] R. Arai, et al., proc. of NUTHOS6 (2004)122
“ “状態監視保全のための光ファイバ機器監視システム“ “隅田 晃生,Akio SUMITA,新井 良一,Ryoichi ARAI,園田 幸夫,Yukio SONODA,瀧澤 洋二,Yoji TAKIZAWA,清水 俊一,Shunichi SHIMIZU