横河電機株式会社
横河ソリューションサービス株式会社

光ファイバ温度センサ DTSX200

光ファイバによる温度検出とは?

従来のポイント型センサ(熱電対と RTD)とは異なり、光ファイバをセンサとして使用することで、光ファイバケーブル全体が温度センサとして機能します。このため、光ファイバケーブルに沿って温度分布を測定することができます。
光ファイバによる温度検出では、従来の電気温度測定では実現できない、広範囲の温度分布を抜け目なく、高確度・高精度、経済的にモニタすることができます。

DTSX 光ファイバ温度センサのご紹介

広大なプラントの温度監視は技術面、コスト面の課題があり、企業が重視するべき HSE(労働安全衛生・環境)の実現が困難であると言われています。光ファイバを温度センサとして使用する当社の DTSX は、防爆、耐誘導性にも優れているだけでなく、異常による温度変化の素早い検知、発生場所の特定が行えるため、迅速な初動を可能にします。実際に火災検知、漏れ検知、予防保全など様々な分野において導入が増えており、ポイント型センサには不可能である「ブランクエリアのない確実な温度監視」を実現しています。

 

DTSX のメリット

  1. コスト
    測定対象のセンサの数が数百、数千になる用途では、個々のセンサとデータ取得機器を接続するのに多大なコストを要します。光ファイバケーブルを使って温度を取得するほうが経済的です。

  2. 長距離監視
    従来のポイント型センサでは、広範囲にわたって温度を測定することは容易ではありません。光ファイバケーブルは長い距離を対象とし、その範囲の温度分布測定を行うことができます。

  3. 高電磁ノイズ環境でも温度モニタ可能
    光ファイバは従来の電気式温度センサ(熱電対と RTD)とは異なり、電気を使用しないため電磁ノイズの影響を受けません。
DTSの利点

 

光ファイバ温度センサ DTSX200 とは?

DTSX200 光ファイバ温度センサは、設置環境に柔軟に適応できるので、温度分布測定から得たデータを活用して、プラントの設備監視や、高温炉の健全性維持管理など、お客様の大切な設備や装置の故障や、異常を未然に防ぐことなど、稼働 / 操業の維持に貢献します。

DTSX200の紹介

About OpreX

OpreX は、YOKOGAWA のテクノロジーとソリューションの卓越性を集約した、制御事業の包括ブランドで、カテゴリーとその配下のファミリーから構成されています。本製品は OpreX Measurement 配下の OpreX Field Instruments に属します。

詳細

測定原理

光ファイバによる温度検出の仕組み

動作原理

当社の光ファイバ温度センサ DTSX は、ラマン散乱の原理を利用して光ファイバに沿って温度と距離を測定します。光ファイバに入射した光パルス(レーザーバルス)は、光ファイバ内を伝播する際にガラス分子によって散乱され、格子振動とエネルギーを交換します。光パルスが散乱する際、ストークス光(長波長)とアンチストークス光(短波長)が発せられます。これらをまとめてラマン散乱光と呼びます。
後方ラマン散乱光と呼ばれるラマン散乱光の一部が光源の方向に戻るまでに要した時間によって、散乱した位置が特定できます。また、ストークス光とアンチストークス光の強度比は、散乱が発生する位置の温度に依存するため、ストークス光とアンチストークス光の強度を測定することにより温度を求めることができます。

 

ラマン散乱の原理とは?

すべての光は物質と相互作用します。たとえば、外部から光が差し込んでいない真っ暗なガレージの中にいるとします。このガレージには真っ赤なスポーツカーがあります。もちろん、スポーツカーは見えないため、スポーツカーの色もわかりません。しかし、ガレージのライトを点灯すれば、スポーツカーの色が赤だとすぐにわかります。これは赤いスポーツカーに光を当てることで赤色のスペクトルだけが反射されるため、私たちは、スポーツカーを赤だと認識することができます。

ラマン散乱原理

この現象は、光ファイバケーブル内のガラス分子に光パルス(レーザーパルス)を照射したときにも起こります。光を光ファイバケーブルに入射すると、光の大部分は、波長が変わることなくそのまま跳ね返ります。しかし、跳ね返った光のごく一部がシフトしたり変化したりしています。光源からのシフトや変化を散乱と呼びます。その中でラマン散乱光の強度は温度により変化するため、ラマン散乱による温度検出では、伝搬する光パルスからのシフトや変化を捉え、ストークス光とアンチストークス光の強度を測定します。

 

散乱光の種類

当社の光ファイバ温度センサは、以下の散乱光の中で特に温度感受性の高いラマン散乱光を利用して温度分布を測定します。

散乱光の種類 特長 応用分野
レイリー散乱
(Rayleigh)
  • 媒質内の密度揺らぎにより発生
  • 入射光と同じ周波数成分
  • 損失分布 (OTDR:Optical Time Domain Reflectometer)
ラマン散乱
(Raman)
  • 媒質内の分子振動との相互作用により発生
  • 主にアンチストークス光の強度が温度に依存
  • 温度分布 (DTS:Distributed Temperature Sensor)
ブリルアン散乱
(Brillouin)
  • 媒質内の音波との相互作用により発生
  • 周波数が歪みと温度に依存
  • 歪み分布 (DSS:Distributed Strain Sensor)
  • 温度分布

測定方式

片方向測定(シングルエンド)方式

  • 光パルスを光ファイバケーブルの片端からのみ入射する方式で、敷設がシンプルな測定方式です。

片方向測定(シングルエンド)方式

 

双方向測定(ダブルエンド)方式

  • ループ状に敷設されたセンサ用光ファイバの両端から光パルスを入射する方式です。
  • 1 箇所断線した場合でも測定を継続することができます。

双方向測定(ダブルエンド)方式

 

測定方式の比較

測定方式 メリット デメリット
片方向測定方式
  • センサ用光ファイバの敷設が、双方向測定に比べて容易
  • 光スイッチが不要
  • 光ファイバが断線しても断線位置までは継続して測定可能
  • 位置による損失の変動は補正不能
  • 温度校正方法が双方向測定より複雑
双方向測定方式
  • 光ファイバに沿った損失分布を自動的に相殺
  • 当社方式ではダークニング等の影響を低減
  • 光ファイバが断線した場合、片方向測定に自動切替
  • センサ用光ファイバをループ状に敷設する必要がある
  • 光スイッチが必要

温度センサの種類

 

温度センサの種類と特長

種類 特長
光ファイバ温度センサ 光ファイバを温度センサとして使用するため、長距離・広範囲の温度監視に適しています。光ファイバに沿ってサンプリング間隔毎に具体的な場所の特定と、その場所の温度を監視することが可能です。
サーモカメラ 対象物から出ている赤外線放射エネルギーを検出して、温度測定・計測を行なう装置です。非接触で、幅広いエリアの温度分布を測定できるため、工業炉や回転体等の温度監視に適しています。
測温抵抗体 金属の電気抵抗が温度にほぼ比例して変化することを利用した温度センサです。精度の良い温度測定が可能なため、工業用精密温度測定に適しています。
熱電対 2 種類の異なる金属を接続して、両方の接点間にその温度差により生じる起電力を利用した温度センサです。安価で広い範囲の温度測定が可能なため工業用温度センサとして広く使われています。
放射温度計 物質から放射される赤外線の強度を測定して温度を測定する温度計です。非接触式温度計であること、遠隔測定が可能であることから、超高温域の温度測定に適しています。

 

比較事例:ケーブル温度モニタリングの場合

  光ファイバ温度センサ
光ファイバ温度センサ
サーモカメラ
サーモカメラ
ポイントセンサ(熱電対)
ポイントセンサ(熱電対)
概要 光ファイバセンサによる
広範囲モニタリング
サーモカメラによる
表面温度モニタリング
ポイントセンサによる
多点モニタリング
検出方法 接触 非接触 接触
モニタリング温度範囲 -200 ~ 300 °C
(センサケーブルによる)
常温 ~ 2000 °C
(レンジ切り替え要)
-200 ~ 1000 °C
(K 熱電対)
エリア 超広範囲
DTSX200: ~ 6 km / ch
DTSX3000: ~ 50 km / ch
DTSX1: ~ 16 km / ch
狭い視野角(例: 20 °) 広範囲
メリット 超広範囲、ブランクエリアなし 小エリア検出 小エリア検出
デメリット 小エリアへの制約 ブランクエリアあり ブランクエリアあり
補償導線敷設、メンテ

性能

光ファイバ温度センサの性能を表す代表的なパラメータとして、空間分解能と温度分解能があります。両者は一般的にトレードオフの関係にありますが、当社では信号処理技術によって高性能を実現しています。

 

空間分解能

  • 空間分解能は温度変化を捉える最小長になります。(「応答距離」と呼称されることもあります。)
  • 空間分解能の定義は、センサ用光ファイバの 10 ~ 90 % の温度変化を識別したときの長さになります。
  • サンプリング分解能は測定データの間隔であり、空間分解能の定義とは異なります。

空間分解能

 

温度分解能

  • 温度分解能は、均一温度環境(恒温槽)下における一定長のセンサ用光ファイバ長手方向の測定値の標準偏差( 1 σ )で定義されます。
  • 温度分解能は測定ばらつきの指標であり、温度確度とは異なります。(基準温度計を用いて校正することにより高い温度確度で測定が可能となります。)
  • 後方ラマン散乱光は非常に微弱な信号であり、光ファイバ温度センサは測定を繰り返して平均化処理することにより温度分解能が向上します。

温度分解能
測定結果の例(DTSX200)

ケーブルの種類

用途により最適な種類を選択できます。

通常使用温度 アプリケーション ケーブルタイプ イメージ 特長
常温
  • コンベア火災検知
  • ケーブル温度監視
  • バスダクト温度監視
  • トンネル火災検知
  • 倉庫火災検知
  • ホットスポット検知
  • コールドスポット検知
など
標準タイプ 標準タイプ Image Zoom 非金属、軽量、敷設がしやすい
EN 54-22 認証
堅牢タイプ 堅牢タイプ Image Zoom 押しつぶし、引っ張りに強い、断線しにくい
EN 54-22 認証
フレキシブルタイプ フレキシブルタイプ Image Zoom 細く柔軟で対象に沿って敷設がしやすい
高温/低温
  • 高炉監視
  • 乾燥炉監視
  • LNG 漏れ検知
  • Well 監視
など
金属管タイプ 金属管タイプ Image Zoom 細く柔軟で対象に沿って敷設がしやすい
金属アーマードタイプ 金属管アーマードタイプ Image Zoom 押しつぶし、引っ張りに強い、断線しにくい

幅広い用途に適用できる柔軟なシステム構成

温度データの処理(ゾーン設定、アラーム設定 / 発報など)は上位システム側で行うため、システム規模やお客様のご要求に応じ、柔軟にシステム構築ができます。
オプションとしてPLC( FA-M3 / e-RT3 )や記録計などを入れることで、アラーム発報時の接点出力も可能です。

システム構成例:図

【上位システムの例】
SMATRDAC+(記録計、データロギングソフトウェア)、CI サーバ( SCADA )、CENTUM(統合生産制御システム)

DTSX200 光ファイバ温度センサ

DTSX200 光ファイバ温度センサは DTS モジュール、光スイッチモジュール、ベースモジュール、電源モジュールなどから構成されます。

DTSX200 光ファイバ温度センサ

* DTS: Distributed Temperature Sensor(光ファイバ温度センサ)

対象距離: ~ 6 km

詳細仕様は「Partner Portal会員サイト 」よりご確認ください。
GS 39J06B45-01 「DTSXM 光ファイバ温度センサ ミドルレンジシステム」
GS 39J02B45-01 「DTSXM 光ファイバ温度センサ ミドルレンジシステム(ソフトウェア編)」

光スイッチモジュール

光スイッチモジュール(2チャネル、4チャンネル、または16チャネルのモジュール)を組み込むと、1台の DTSX200 システムで複数の光ファイバを監視することができます。

  • DTOS2: 2 チャネル光スイッチモジュール
  • DTOS4: 4 チャネル光スイッチモジュール
  • DTOS16: 16 チャネル光スイッチモジュール

ベースモジュール

DTSX 用のベースモジュールには、DTSX200 光ファイバ温度センサ、電源モジュール、光スイッチモジュールなどさまざまな機能モジュールを組み込みます。

電源モジュール

電源モジュールは、以下のいずれか 1 台が必要です。

  • NFPW426: 10 ~ 30 V DC
  • NFPW441: 100 ~ 120 V AC
  • NFPW442: 220 ~ 240 V AC
  • NFPW444: 21.6 ~ 31.2 V DC

アクセサリ

DTRK10 ラックマウントキット(光ファイバトレイ)

DTSX200、DTOS に接続される光ファイバを保持するトレイとして使用されます。

ソフトウェア

DTSX3000 用 設定・結果表示ソフトウエア DTAP3000

DTAP3000 は、DTSXシリーズ(DTSX3000 / 200 / 1) の設定や測定データの表示をするための専用アプリケーションソフトウェアです。DTSX200 本体、光スイッチの設定、測定結果の表示、アラーム設定、表示など多彩な機能を有しています。

 

DTSX200 用 データ変換用ソフトウエア DTAP200D

DTAP200D は、オイル、ガス市場の標準フォーマット(WITSML フォーマット)に測定データを変換するためのアプリケーションソフトウェアです。このソフトウェアを使用することにより、DTSX200 から WITSML フォーマットのデータを直接生成することができます。
* WITSML: Well site Information Transfer Standard Markup Language の略です。

仕様

詳細仕様につきましては、一般仕様書をご参照ください。

DTSX 200

項目 仕様
光ファイバ温度測定 距離 測定距離レンジ 1 km, 2 km, 3 km, 4 km, 6 km
サンプリング分解能 10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m
空間分解能 1 m (10 ~ 90 %)
温度 測定温度範囲 -200 ~ 300 °C
温度分解能
(1 σ、 光スイッチを除く)
距離レンジ
時間
10 s
1 min
10 min
1 km
0.5
0.3
0.1
3 km
1.1
0.6
0.2
6 km
4.2 °C
2.1
0.7
センサ用光ファイバ 光ファイバ 50 / 125 μm GI
反射が無いよう終端すること
光コネクタ E2000 / APC
インタフェース シリアルポート(RS-232C) 3 ポート、非絶縁、RJ45 モジュラージャック、全二重方式、調歩同期式
シリアル 1:
機能: 通信(Modbus)
通信速度: 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4 57.6, 115.2 kbps
シリアル 2:
機能: 通信(Modbus)
通信速度: 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4 kbps
シリアル 3:
機能: メンテナンス用(非公開)
イーサネット
インタフェース
LAN 1 ポート、10BASE-T または 100BASE-TX、 RJ45 モジュラージャック、オートネゴシェーション、 オートMDI、電源スイッチ付き(ON / OFF)
表示 LED: HRDY、RDY、LASER ON
電源 消費電力 測定動作時 10 W
パワーセーブ時 2.1 W
外形寸法 197.8 (W) x 132.0 (H) x 162.2 (D) mm(6 スロット占有)
重量 2.5 kg

光スイッチモジュール

項目 仕様
形名 DTOS2 DTOS4 DTOS16
入力損失 0.6 dB(代表値)
1.4 dB(最大値)
1.0 dB(代表値)
3.0 dB(最大値)
0.8 dB(代表値)
1.4 dB(最大値)
光ファイバ温度測定 測定方式 片方向測定、双方向測定
センサ用光ファイバ 光ファイバ 50 / 125 μm GI
反射が無いよう終端すること
光コネクタ E2000 / APC
チャネル数 2 チャネル 4 チャネル 16 チャネル
インタフェース 制御 DTSX200 光ファイバ温度センサから直接制御
表示 LED: HRDY, RDY, Alarm, Active channel
電源 消費電力 1 W 1 W 動作時: 4.5 W
パワーセーブ時: 1 W
外形寸法 65.8 (W) x 130.0 (H) x 160.3 (D) mm(2 スロット占有)
重量 0.6 kg 0.64 kg 0.75 kg

注:定期交換の目安(連続動作時)は 15 秒測定で 4.7 年、20 秒測定で 6 年、30 秒測定で 9.5 年です。

適合規格

項目 仕様
安全規格 CSA C22.2 No.61010-1-04
EN 61010-1:2010
EN 61010-2-030:2010
EN IEC 61010-2-201:2018
CU TR 004
EMC 規格 CE Marking EN 55011:2016+A1:2017 Class A Group 1
EN 61000-6-2:2005
EN 61000-3-2:2014
EN 61000-3-3:2013
RCM EN 55011:2016+A1:2017 Class A Group 1
KC Marking 韓国電磁波適合性基準
EAC Marking CU TR 020
レーザー安全 Class IEC 60825-1:2007 Class1M
IEC/EN 60825-1:2014 Class1
FDA(CDRH) 21CFR Part 1040.10
防爆規格 FM Nonincendive Class I, Division 2, Groups A, B, C, D T4
FM 3600-2018
FM 3611-2018
FM 3810-2005
ATEX Type "n" II 3 G Ex nA ic [op is Gc] IIC T4 Gc X
EN IEC 60079-0:2018
EN 60079-11:2012
EN 60079-15:2010
EN 60079-28:2015
CSA Non-Incendive Class I, Division 2, Groups A, B, C, D T4
C22.2 No. 0-10
CAN/CSA-C22.2 No. 0.4-04
C22.2 No. 213-M1987
TN-078
環境 RoHS 指令 EN IEC 63000:2018

業種 / アプリケーション

リチウムイオン電池

エージング棚のスマート監視

一つひとつの棚に収納されたリチウムイオン電池の熱暴走を早期発見することで、異常発生時に迅速な初動対応を実現し被害を最小限にとどめます。
詳細は、「車載用リチウムイオン電池アプリケーション (エージング棚のスマート監視) 」をご覧ください。

エージング棚のスマート監視

 

電池組立工程の排気ダクト防災

リチウムイオン電池の組立工程におけるアルミ粉塵などの混入を防ぐ排気ダクトの火災や粉塵爆発を監視します。天井裏など人の死角ある長距離ダクトを網羅的に監視することで異常を見逃しません。
詳細は、「車載用リチウムイオン電池アプリケーション (電池組立工程の排気ダクト防災) 」をご覧ください。

電池組立工程の排気ダクト防災

 

給電用バスバーの健全性監視

リチウムイオン電池工場に設置されている給電用バスバーの接合部分の健全性を監視します。バスダクトに内蔵されかつ天井裏などの死角にある長距離のバスバーを網羅的に監視することで異常を見逃しません。
詳細は、「車載用リチウムイオン電池アプリケーション (給電用バスバーの健全性監視)」をご覧ください。

給電用バスバーの健全性監視

 

セパレータ / 電極の塗工乾燥炉温度分布確認

リチウムイオン電池を構成するセパレータ / 電極の 塗工乾燥工程の乾燥炉内の温度分布を見える化します。最適な温度プロファイルにすることで生産性の向上を実現できます。
詳細は、「車載用リチウムイオン電池アプリケーション (セパレータ / 電極の乾燥炉温度分布監視)」をご覧ください。

セパレータ / 電極の塗工乾燥炉温度分布確認

火災検知

どのような安全システムにおいても、重要なプロセスや環境で発生している火災を早期に検知することが重要な要素になります。赤々と燃える炎は、大切な資産、製品、そして何よりも重要な人命に対して甚大な影響を及ぼします。さらに、火災による設備停止時間が発生することで、機会の損失や高額な修理コストを招きます。ポイントセンサ技術では、ほこり、湿度、熱、腐食といった周辺環境の状態によって障害が発生することが多々あります。さらに、定期的に修理を行う必要があるため、従来のセンサ技術の保守には多大な費用がかかります。当社の光ファイバ温度センサは、きわめて過酷な条件下において重要な資産に発生した火災を検知することを目的としており、他に類例を見ない信頼性、性能、コスト削減を実現します。

当社は、以下の火災検知用途での運用を想定しています。

  • 重要な物品を運ぶベルトコンベア
  • 石油貯蔵施設
  • ケーブルトレイ
  • 地下トンネル
  • パイプライン(地下、地上)
  • 原子力施設
  • 採鉱、精製所
特長 メリット
1 m の空間分解能 火災の正確な位置を特定できる
最高 0.1 °C の温度分解能 火災が発生している可能性を発生後早期に検知可能
光ファイバセンサケーブル スポットセンサや IR カメラとは異なり、光ファイバケーブルには"死角"がない
樹脂外被光ファイバケーブル ほこり、湿度、腐食、汚れの影響を受けない
レポートとデータ分析 ホストシステムやデータサーバの構築、あるいは DTSX200 のデータ保存機能を利用して過去のデータにアクセス可能
幅広いホストシステムとの親和性 既存のDCS、PLC、SCADA、レコーダ、データロギングソフトウェアなどと接続 / 構築が可能
光ファイバ 6 km 従来のセンサ技術と比べて、費用対効果が高い温度測定方法

石油 / ガス

世界的なエネルギー需要の増大に伴って、重油、オイルサンド、シェールガスといった非在来型資源の開発が進められています。DTSX200 を利用すると数キロメートルにわたって敷設された光ファイバに沿って温度分布を測定することができるため、非在来型資源の採取に利用されています。DTSX200 は、インジェクションの作用によって異なる温度をリアルタイムに連続的に測定できるため、石油やガスの採取効率を最大限に高めることができます。坑井を最適な状態にできるだけでなく、坑井の状態を監視して漏れ、透水、ガスの急増を検知するのに役立つきわめて重要なデータを示してくれます。さらに重要なポイントは、従来の坑井監視技術と比べて、堅牢性、経済性、確度に優れているということです。

特長 メリット
低消費電力: 10 W 僻地においても太陽光電池で動作可能
機器設置温度環境: -40 ~ 65 °C(動作時) 幅広い温度環境に機器設置可能
光ファイバセンサケーブル 抗井の温度分布を高精度かつ連続的に提示
幅広いホストシステムとの親和性 既存のDCS、PLC、SCADA、レコーダ、データロギングソフトウェアなどと接続 / 構築が可能
光ファイバ 6 km 従来のセンサ技術と比べて、費用対効果が高い温度測定方法

オイルガスアプリケーションノートイメージ1オイルガスアプリケーションノートイメージ2

関連情報

アプリケーションノート
概要:

エージング棚のスマート監視(車載用リチウムイオン電池アプリケーション)

概要:

電池組立工程の排気ダクト防災 (車載用リチウムイオン電池アプリケーション)

概要:

給電用バスバーの健全性監視 (車載用リチウムイオン電池アプリケーション)

概要:

セパレータ / 電極の乾燥炉温度分布監視 (車載用リチウムイオン電池アプリケーション)

概要:

ベルトコンベアローラ監視のデジタル化(ローラの健全性監視により火災の回避、生産性の確保)

アプリケーションノート
業種:
アプリケーションノート
概要:

高圧送電ケーブルの温度分布を正確かつリアルタイムに測定することで、ケーブル温度やホットスポットの状況を監視しつつ、可変速駆動装置(VSD)の出力レベルが動的に制御することが可能となります。これにより安全な状態を維持しながら、生産性を飛躍的に向上させることができます。

業種:
アプリケーションノート
概要:

バスバーまたはバスダクトの温度を正確に把握することができれば、過熱の発生箇所を特定し、破損や焼損を未然に防ぐことができます。YOKOGAWAのDTSXは、強電界下でも電磁ノイズの影響を受けない 『光ファイバケーブル』 を使用しているため、温度分布を1メートル単位で素早く正確に測定できます。また、連続的なバスバーの温度監視によって、過熱が起こっている箇所すなわちボルトの増し締めなどの保守作業が必要な箇所を特定することができます。

ドキュメント&ダウンロード

動画

概要:

広大なプラントのオート監視における技術面、コスト面の課題をDTSX光ファイバ温度センサが解決します。

本件に関する詳細などは下記よりお問い合わせください

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