以下、この発明に係る流動体の物理量測� ��方法及び制御方法の各実施例を、図1~図4を� ��照しながら詳細に説明する。なお、図面の� ��明において、同一部位、同一要素には同一� ��号を付して重複する説明を省略する。

 図1は、この発明に係る流動体の物理量測 定方法及び制御方法を実現するBOCDA方式の光� ��ァイバセンサの概略構成を示す図である。� ��に、図1において、領域(a)は流動体の物理量 として温度分布を測定/制御可能な光ファイ� �センサの構成例を示し、領域(b)は流動体の� �理量として流速を測定/制御可能な光ファイ� ��センサの構成例を示す。なお、図1に示され たように、管路1内には、被測定物としての� �動体2が所定の流速で矢印方向に流れている� ��

 図1の領域(a)に示された光ファイバセンサ は、温度センサ本体5と、光ファイバ3(センサ 部分)と、フィードスルー用光ファイバ4a、4b� ��、一又はそれ以上の加熱/冷却手段19を備え� ��。

 この光ファイバセンサ(図1の領域(a))にお� ��て、管路1内を矢印方向に沿って流れる流動 体2の温度分布を測定/制御するため、光ファ� ��バ3は、該管路1内に流動体2の流れ方向に沿� ��て該管路1内に配置されている。また、加熱 /冷却手段19も、管路1に対して流動体2の流れ� ��向に沿って該管路1内に設置されている。光 ファイバ3の両端にはフィードスルー用光フ� �イバ4a、4bそれぞれの一端が接続されている� ��これらフィードスルー用光ファイバ4a、4bは 管路1の壁面を貫通して外部に位置しており� �それらの他端を温度センサ本体5に接続する� ��とで、光ファイバ3と温度センサ本体5とが� �学的に接続される。 

 以上の構成により、光ファイバ3が、BOCDA� ��式(連続光波の相関制御法によるブリルアン 散乱方式光ファイバ分布型歪センシング技術 )の光ファイバセンサとして機能する。また� �得られた管路1内の流動体2の温度分布測定結 果に基づいて、該管路1内における流動体2の� ��度分布が所定の分布パターンになるよう、� ��度センサ本体5から加熱/冷却手段19に制御信 号が送られる。これにより、温度センサ本体 5が加熱/冷却手段19それぞれの温度を制御す� �。

 一方、図1の領域(b)に示された光ファイバ センサは、温度センサ本体5と、光ファイバ3( センサ部分)と、フィードスルー用光ファイ� �4a、4bと、流量調整手段190を備える。

 この光ファイバセンサ(図1の領域(b))にお� ��て、管路1内を矢印方向に沿って流れる流動 体2の流速を測定/制御するため、光ファイバ3 は、該管路1内に流動体2の流れ方向に沿って� ��管路1内に配置されている。また、流量調整 手段190も、管路1に対して取り付けられてい� �。光ファイバ3の両端にはフィードスルー用� ��ファイバ4a、4bそれぞれの一端が接続されて いる。これらフィードスルー用光ファイバ4a� ��4bは管路1の壁面を貫通して外部に位置して� ��り、それらの他端を温度センサ本体5に接続 することで、光ファイバ3と温度センサ本体5� ��が光学的に接続される。

 以上の構成により、光ファイバ3が、BOCDA� ��式(連続光波の相関制御法によるブリルアン 散乱方式光ファイバ分布型歪センシング技術 )の光ファイバセンサとして機能する。また� �得られた管路1内の流動体2の温度分布測定結 果と測定された温度分布の時間変化に基づい て、該管路1内を流れる流動体2の流量が所定� ��に近づくよう、流量調整手段190が制御され� ��。このように、温度センサ本体5が管路1内� �流れる流動体2の流速を制御する。

 BOCDA方式の光ファイバセンサの温度セン� �本体5は、図2に示されたように構成されてい る。すなわち、温度センサ本体5は、光源と� �てのレーザダイオード(LD)6を備えるとともに 、プローブ光の生成系と、ポンプ光生成系と 、測定系から構成される。プローブ光生成系 は、3dBカプラ7と、偏波コントローラ8と、マ� ��クロ波発生器により制御される位相変調器( LNmod.)9と、アイソレータ90そ備える。ポンプ� �生成系は、3dBカプラ7と、偏波コントローラ1 0と、強度変調器(IM)11と、遅延線12と、光ファ イバアンプ(EDFA)13と、アイソレータ130と、サ� ��キュレータ14を備える。測定系は、サーキ� �レータ14と、光フィルタ15と、フォトダイオ� ��ド16と、ロックインアンプ(LIA)17と、制御部( コンピュータ)18を備える。

 まず、LD6から出力された光は、3dBカップ� ��7で2光波成分に分岐される。一方の光は、� �波コントローラ(PC)8を介して、位相変調器(LN mod.)9で約11GHz周波数がシフトされる。この周� ��数シフトされた光が、プローブ光として、� ��イソレータ90、接続用光ファイバ4aを順に伝 搬し、光ファイバ3(センサ部分)の一端側に入 射する。他方の光は、偏波コントローラ10、� ��度変調器(IM)11、遅延線12を介して、光ファ� �バアンプ(EDFA)13で増幅される。この増幅光が 、ポンプ光として、アイソレータ130、接続用 光ファイバ4bを順に伝搬し、光ファイバ3の他 端側に入射する。このように、ポンプ光とプ ローブ光は光ファイバ3中を対向伝搬し、誘� �ブリルアン散乱(SBS)が発生する。このとき、 プローブ光は、ストークス光のゲインスペク トル(BGS)に対応したゲインだけ増幅される。� ��幅されたプローブ光は、サーキュレータ14� �介して光フィルタ15に導かれる。光フィルタ 15により不要光成分が除去された後、プロー� ��光は、フォトダイオード(PD)16、ロックイン� ��ンプ(LIA)17などにより、BGSが検出される。制 御部18(コンピュータ)は、このBGSの検出結果� �基づいて、対象物の温度分布を測定すると� �もに、加熱/冷却手段19を制御する(制御信号� ��出力)。なお、管路1に流量調整手段190が配� �された構成においても、制御部18から出力さ れる制御信号に基づいて、流量調整手段190が 制御される。

 上述のBOCDA方式の光ファイバセンサにお� �て、ポンプ光及びプローブ光の周波数は、LD 6の注入電流を正弦波状に変化させることで� �調される。このため、光ファイバ3の長手方� ��にポンプ光及びプローブ光の周波数差が一� ��となる相関の高い位置(相関ピーク)と低い� �置が生成され、相関ピークのみで大きなSBS� �発生する。

 この結果、特定位置でのストークス光のB GS情報を得ることができ、ポンプ光、プロー� ��光の周波数変調パターンを順次変化させる� ��とにより、管路1内を流れる流動体2の温度� �布を、高精度かつ短時間に測定することが� �能になる。

 このように得られた管路1内の流動体2の� �度分布データは、パーソナルコンピュータ� �どで構成される制御部18が格納する。一方、 管路1の外側又は内側には、該管路1の長手方� ��に沿って所定間隔ごとに加熱/冷却器19が設� ��されており、制御部18からの制御信号(指令) で、それぞれの加熱/冷却器19の温度が調整さ れる。制御部18は、管路1内を流れる流動体2� �理想的な温度分布データ(基礎データ)を予め 格納しており、光ファイバ3によって測定さ� �た温度分布データと格納されている基礎デ� �タを比較し、該基礎データの許容範囲を外� �た箇所に設置されている加熱/冷却器19を作� �させる(温度調整)。このように、制御部18に� ��り、管路1内における流動体2の温度分布が� �御される。

 なお、BOCDA方式の光ファイバセンサでは� �ポンプ光、プローブ光の周波数変調パター� �を調整することで、光ファイバ3の長手方向� ��サンプリング間隔、測定範囲、測定時間な� ��を自由に調整することができる。すなわち� ��温度分布の時間的変化や二次元的分布を的� ��に捉えるためには、対象物における温度分� ��変化の位置に関する細かさや広がり・温度� ��化の速度と、光ファイバセンサによる光フ� ��イバ3の長手方向のサンプリング間隔、測定 範囲、測定時間とが対応していることが重要 である。なお、光ファイバセンサの空間分解 能よりも細かくサンプリング間隔を設定して も意味ある測定はできない。

 例えば、被測定物が長さ10mの管路を流速(v)= 1m/secで流れる流動体であり、この流動体の温 度分布を測定する場合、光ファイバセンサに よる測定範囲は10m以上であることが好ましい 。また、光ファイバセンサによる長手方向の サンプリング間隔(dz)が0.1mである場合、サン� ��リング間隔(dz)に相当する長さを流動体が流 れるのに要する時間は0.1secである。このよう な流動体を測定するためには、測定時間(dt)� �0.1sec以下であることが必要となる。これを� �した一般式が以下の式(2)である。

 上述のような仕様の温度分布測定、すな� ��ち、測定範囲10m以上、光ファイバ3の長手方 向の空間分解能0.1m以下、測定時間0.1秒以下� �、上述のように構成されたBOCDA方式の光セン シング技術で十分実現可能なレベルである。 具体的には、長さ10mの光ファイバ3をセンサ� �分とし、該光ファイバ3の長手方向の空間分� ��能0.1mで、測定位置100箇所(測定点)、各測定� ��における測定時間を0.1秒とすることができ� ��。

 この発明の用途としては、例えば、管路� ��を流れる液体や気体の流入口での温度、流� ��口での温度、流入口から流出口に至る全域� ��温度などを所望温度に制御したい場合など� ��含まれる。また、加熱/冷却器の設置数や設 置箇所は、それら用途に応じて適宜に選択さ れ得る。

 次に、図3は、この発明に係る流動体の物 理量測定方法を実現するBOCDA方式の光ファイ� ��センサ、特に、センサ部分となる光ファイ� ��3の三次元配置の例を示す図である。この図 3に示されたように、被測定物が容器20内に収 容された流動体2でる場合、該容器20内に光フ ァイバ3が2次元的又は3次元的に配置される。

 まず、図3の領域(a)に示された配置例では 、容器20内の内周に沿う円形部3aが容器高さ� �向に対し多段に設置される一方、これら円� �部3a同士が容器20の高さ方向に沿う直線状部3 bで繋がれるように、光ファイバ3が部分的に� ��形している。この光ファイバ3の両端にはフ ィードスルー用光ファイバ4a、4bそれぞれの� �端が接続している。これらフィードスルー� �光ファイバ4a、4bは、容器20の壁面を貫通し� �外部に位置している。また、これらフィー� �スルー用光ファイバ4a、4bの他端は、温度セ� ��サ本体5に接続されており、光ファイバ3(円� ��部3a及び直線状部3b)が、BOCDA方式の光ファイ バセンサとして機能する。

 また、この図3の領域(a)に示された配置例 では、容器20の外側又は内側の一箇所又は適� ��複数個所に加熱/冷却器(図1の領域(a)参照)が 設置されている。このように構成されること により、制御部18が各加熱/冷却器の温度を調 整可能になる。

 制御部18は、容器20内の流動体2の理想的� �温度分布データ(基礎データ)を予め格納して おり、光ファイバ3(円形部3a及び直線状部3b)� �よって測定された温度分布データと基礎デ� �タを比較し、該基礎データの許容範囲を外� �た場合、適所の加熱/冷却器を適時を作動さ� ��る(温度調整)。これにより、容器20内におけ る流動体2の温度分布が制御される。

 図3の領域(b)及び領域(c)には、光ファイバ 3の配置形態の変形例が示されている。例え� �、図3において、領域(b)に示された配置例で� ��、容器20の内周及び高さ方向に沿うよう螺� �状に設置された光ファイバ3の両端にフィー� ��スルー用光ファイバ4a、4bそれぞれの一端が 接続されている。また、領域(c)に示された配 置例では、容器20の内部空間に、仮想球体の� ��心部位に設置された緯線状部3cと、該仮想� �体の上下の極点を通過するように設置され� �直交する二つの経線状部3d、3eを有するよう� ��、光ファイバ3が部分的に変形される。そし て、このように変形された光ファイバ3の両� �にはフィードスルー用光ファイバ4a、4bそれ� ��れの一端が接続されている。

 なお、図3に示された配置例において、光 ファイバ3の配置形態は図示の配置例には限� �されない。例えば、容器の形状や被測定物� �特性に合わせて、2次元的又は3次元的な各種 の設置形態が採用可能である。

 このような温度分布測定の用途には、例� ��ば、容器内に収容された液体や気体の温度� ��、容器内の全域にわたって一定に保持した� ��場合や、所望のパターンで温度差を生じさ� ��たい場合などが含まれる。例えば、容器内� ��の結晶成長や所望の化学反応、発酵を行う� ��ど、環境温度に敏感な場合や、それ自体が� ��度変化をもたらすプロセスなどに好適に用� ��れる。なお、加熱/冷却器の設置数や設置箇 所は、それら用途に応じて適宜に選択され得 る。

 図4は、この発明に係る流動体の物理量測 定方法による流速測定を説明するための図で ある。図4に示された流速測定及び流速制御� �、管路1の内部に設置された光ファイバ(セン サ部分)3、フィードスルー用光ファイバ4a、4b 温度センサ本体5、及び流量調整手段190を備� �た、図1の領域(b)に示されたBOCDA方式の光フ� �イバセンサにより行われる。なお、図4には� ��流動体2の温度境界2cが流れ方向に沿って移� ��する要すが示されており、領域(a)は測定開� ��から1秒後の温度境界及びそのときの温度分 布測定結果を示し、領域(b)は測定開始から2� �後の温度境界及びそのときの温度分布測定� �果を示し、そして、領域(c)は測定開始から3� ��後の温度境界及びそのときの温度分布測定� ��果を示す。

 すなわち、管路1内には低温の流動体(例� �ば冷水)2aが予め充填されており、この管路1� ��に流入口側から高温の流動体(例えば温水)2b を流す。この場合、高温の流動体2bが導入さ� ��た直後(測定開始から1秒後)では、図4(a)に示 されたように、BOCDA方式の光ファイバセンサ� ��管路1内を流れる流動体の温度分布を測定す ることにより、温度の異なる流動体2a、2bの� �度境界2cが特定される。その後、所定の時間 間隔ごとに流動体2a、2bの温度境界2cの移動を 光ファイバ3で測定することで(図4の領域(b)及 び領域(c)参照)、高温の流動体2bの流速が測定 される。

 一方、制御部18(図2参照)には、高温の流� �体2bの理想的な時間的温度変化データ(基礎� �ータ)が格納されている。制御部18は、光フ� �イバ3によって測定された流速データと基礎� ��ータを比較し、該基礎データの許容範囲を� ��れた場合、高温の流動体2bの供給手段(流量� ��整手段190)による供給量を適宜に調整する。 これにより、高温の流動体2bの流速が制御さ� ��る。

 このような流動体の流速測定及び流速制� ��は、例えば、食品、化粧品、薬品などの発� ��、精製などの温度を厳密に制御する製造プ� ��セスなどに好適に適用され得る。

 以上の本発明の説明から、本発明を様々� ��変形しうることは明らかである。そのよう� ��変形は、本発明の思想及び範囲から逸脱す� ��ものとは認めることはできず、すべての当� ��者にとって自明である改良は、以下の請求� ��範囲に含まれるものである。