温度分布测定装置以及温度分布测定方法

温度分布测定装置以及温度分布测定方法
【专利摘要】本发明提供能够根据光纤的全长的变化而容易地设定适当的传递函数的温度分布测定装置以及温度分布测定方法。温度分布测定装置（20）具有：与光纤（24）光学连接的激光光源（21）、检测在光纤（24）内发生后向散射的光的光检测器（26）、以及对从光检测器（26）的输出获得的临时的测定温度分布进行使用了传递函数的修正计算来作为真的测定温度分布的温度分布测定部（27）。另外，温度分布测定部（27）存储有按每个光纤（24）的全长以及长度方向的每个位置而设定的传递函数的数据。而且，若光纤（24）的长度被变更，则温度分布测定部（27）使用传递函数的数据来变更用于修正计算的传递函数。
【专利说明】温度分布测定装置以及温度分布测定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用光纤的温度分布测定装置以及温度分布测定方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着高度信息化社会的到来，利用计算机处理大量的数据，在数据中心等设施中，多数情况下将许多计算机设置在同一室内来进行统一管理。在这样的状况下，从计算机产生大量的热量而成为误动作、故障的原因，所以需要使计算机冷却的手段。因此，通常在数据中心，利用风扇(送风机)将计算机内产生的热量排出计算机外，并且，使用空调机(空调)来调整室内的温度。
[0003]然而，从计算机产生的热量因计算机的运转状态而大幅度地变动。为了可靠地防止因热引起的计算机的误动作、故障，可以考虑例如使用具有与从计算机产生的热量的最大量对应的冷却能力的空调机,并使该空调机始终以最大能力运转。然而，使冷却能力较大的空调机始终以其最大能力运转，不光运行成本变高，从节能以及CO2减少的观点来看也不优选。因此，期望根据从各机架产生的热量来有效地控制空调设备。
[0004]为了有效地控制空调设备，需要实时地测定在数据中心内设置的各机架的温度。以往，提出在测定如数据中心这样具有多个热源的区域的温度分布时，使用光纤作为温度传感器。
[0005]专利文献1:日本特开2009 - 265077号公报
[0006]专利文献2:日本特开2010 — 160081号公报

【发明内容】

[0007]目的在于提供一种根据光纤全长的变化而能够容易地设定适当的传递函数的温度分布测定装置以及温度分布测定方法。
[0008]根据公开的技术的一个观点，提供一种温度分布测定装置，该温度分布测定装置具有:激光光源，其与光纤光学连接；光检测器，其检测在上述光纤内发生后向散射的光；以及温度分布测定部，其对从上述光检测器的输出获得的临时的测定温度分布进行使用了传递函数的修正计算来作为真的测定温度分布，上述温度分布测定部存储有按每个上述光纤的全长以及长度方向的每个位置而设定的传递函数的数据。
[0009]根据公开的技术的另一观点，提供一种温度分布测定方法，该温度分布测定方法是从激光光源向光纤输出激光、检测在上述光纤内发生后向散射的光而获取上述光纤的长度方向的临时的测定温度分布、对上述临时的测定温度分布进行使用了传递函数的修正计算来作为真的测定温度分布的温度分布测定装置的温度分布测定方法，上述温度测定装置存储按每个上述光纤的全长以及长度方向的每个位置而设定的传递函数的数据，若与上述激光光源光学连接的光纤的长度被变更，则使用上述传递函数的数据来变更用于上述修正计算的传递函数。
[0010]根据上述一个观点，能够根据光纤的全长的变化而容易地设定适当的传递函数。由此，能够高精度地测定温度分布。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是表示实施方式所涉及的温度分布测定装置的构成的示意图。
[0012]图2是表示后向散射光的光谱的图。
[0013]图3是表示拉曼散射光的强度的时间序列分布的一个例子的图。
[0014]图4是表示基于图3的拉曼散射光的强度的时间序列分布按时间计算I1 / I2比，并且将图3的横轴(时间)换算成距离、将纵轴(信号强度)换算成温度的结果的图。
[0015]图5是说明最小加热长度的图(其I)。
[0016]图6是说明最小加热长度的图(其2)。
[0017]图7是表示传递函数的一个例子的图。
[0018]图8是表示数据中心的计算机室的示意图。
[0019]图9是表示光纤的铺设例的图。
[0020]图10是表示实际温度分布、测定温度分布以及修正后的温度分布的例子的图。
[0021]图11是例示全长为7115m的光纤的每个位置的传递函数的图(其I)。
[0022]图12是例示全长为7115m的光纤的每个位置的传递函数的图(其2)。
[0023]图13是例示全长为2347m的光纤的每个位置的传递函数的图(其I)。
[0024]图14是例示全长为2347m的光纤的每个位置的传递函数的图(其2)。
[0025]图15是表示测定温度分布、和使用传递函数进行修正后的温度分布的图。
[0026]图16是表示每个光纤的全长以及长度方向的每个位置的传递函数的数据(数据库)的一个例子的图。
【具体实施方式】
[0027]以下，在对实施方式进行说明前，对用于使实施方式的理解变得容易的预备事项进行说明。
[0028]在使用光纤作为温度传感器的情况下，由于位置分辨率较低，所以在温度测定位置(测定点)密布存在的场所中，高精度且高效地测定温度分布是较困难的。因此，本申请
【发明者】在专利文献I (日本特开2009 - 265077号公报)以及专利文献2 (日本特开2010 —160081号公报)等中提出使用传递函数来修正通过温度分布测定装置获取的光纤的长度方向的温度分布。由此，能够高精度且高效地测定密布配置的测定点的温度。
[0029]然而，传递函数根据距离光源的距离(沿着光纤的长度方向的距离)、光纤的全长而变化。另一方面，在数据中心，根据需要进行服务器机架的增设或撤除，伴随与此，光纤的铺设路径被变更，或者光纤的全长发生变化。因此，伴随这些工事而重新设定传递函数变得重要。
[0030]在以下的实施方式中，对能够根据光纤的全长的变化而容易地设定适当的传递函数的温度分布测定装置以及温度分布测定方法进行说明。
[0031](实施方式)
[0032]图1是表示实施方式的温度分布测定装置的构成的示意图。另外，图2是表示后向散射光的光谱的图。[0033]如图1，本实施方式所涉及的温度分布测定装置20具有:激光光源21、透镜22a、22b、分光镜23、波长分离部25、光检测器26、和温度分布测定部27，该温度分布测定装置20与光纤24连接进行使用。
[0034]从激光光源21以固定的周期输出规定脉冲宽度的激光。该激光通过透镜22a、分光镜23以及透镜22b从光纤24的光源侧端部进入光纤24内。此外，图1中，24a表不光纤24的包层，24b表不光纤24的芯。
[0035]进入到光纤24内的光的一部分被构成光纤24的分子进行后向散射。如图2，后向散射光中包括瑞利(Ray I e i gh )散射光，布里渊(Br i 11ouiη )散射光、以及拉曼(Raman )散射光。瑞利散射光是与入射光相同波长的光，布里渊散射光以及拉曼散射光是从入射波长移位的波长的光。
[0036]拉曼散射光中有比入射光向长波长侧移位的斯托克斯光、和比入射光向短波长侧移位的反斯托克斯光。虽然斯托克斯光以及反斯托克斯光的移位量取决于激光的波长、构成光纤24的物质等，但通常为50nm左右。另外，斯托克斯光以及反斯托克斯光的强度均根据温度而变化，但斯托克斯光由温度引起的变化量较小，反斯托克斯光由温度引起的变化量较大。即、可以说斯托克斯光对温度的依存性较小，反斯托克斯光对温度的依存性较大。
[0037]这些后向散射光如图1，沿光纤24返回，从光源侧端部射出。然后，透过透镜22b，被分光镜23反射，进入到波长分尚部25。
[0038]波长分离部25具有:分光镜31a、31b、31c、光学滤光器33a、33b、33c、以及聚光透镜34a、34b、34c。分光镜31a、31b、31c根据波长而使光透过或者反射。光学滤光器33a、33b、33c仅使特定波长的光透过，聚光透镜34a、34b、34c使透过光学滤光器33a、33b、33c的光分别聚光到光检测器26的受光部26a、26b、26c。
[0039]入射到波长分离部25的光被分光镜31a、31b、31c以及光学滤光器33a、33b、33c分离为瑞利散射光、斯托克斯光以及反斯托克斯光，并被输入到光检测器26的受光部26a、26b、26c。其结果是,从光检测器26输出与瑞利散射光、斯托克斯光以及反斯托克斯光的强度对应的信号。
[0040]温度分布测定部27包括计算机而构成。该温度分布测定部27基于从光检测器26输出的信号来获取光纤24的长度方向的温度分布。另外，温度分布测定部27如后述那样存储光纤24的全长和各区域(沿着光纤24的长度方向被分割而成的区域)的传递函数的数据库，在光纤24的铺设状态被变更时，进行传递函数的修正计算。
[0041]图3是以时间为横轴、以从光检测器26的受光部26a、26b、26c输出的信号强度为纵轴来表不拉曼散射光的强度的时间序列分布的一个例子的图。在刚刚向光纤24入射激光脉冲之后的固定的期间，在光检测器26检测斯托克斯光以及反斯托克斯光。在整条光纤24的全长温度均匀的情况下，若以激光脉冲入射到光纤24的时刻为基准，则信号强度随着时间的经过而减少。该情况下，横轴的时间表示从光纤24的光源侧端部到发生后向散射的位置为止的距离，信号强度的随时间的减少表示由光纤24导致的光的衰减。
[0042]当在整体光纤24的长度方向上温度不均匀的情况下，例如沿着长度方向存在高温部以及低温部的情况下，斯托克斯光以及反斯托克斯光的信号强度衰减并不一样，如图3，表示信号强度随时间变化的曲线上出现峰以及谷。在图3中，将某个时间t中的反斯托克斯光的强度设为I1、将斯托克斯光的强度设为12。[0043]图4是表示基于图3的拉曼散射光的强度的时间序列分布按时间计算I1 / I2比，并且将图3的横轴(时间)换算成距离，将纵轴(信号强度)换算成温度的结果的图。如该图4，通过计算反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比(I1 / 12)，能够测定光纤24的长度方向上的温度分布。
[0044]此外，认为发生后向散射的位置上的拉曼散射光(斯托克斯光以及反斯托克斯光)的强度根据温度而变化，但瑞利散射光的强度不取决于温度。因此，优选由瑞利散射光的强度确定发生后向散射的位置，并根据该位置来修正由光检测器26检测出的斯托克斯光以及反斯托克斯光的强度。
[0045]以下，参照图5、图6，对最小加热长度进行说明。
[0046]将从激光光源21输出的激光的脉冲宽度h设为IOnsec、将真空中的光的速度c设为3X108m/ sec、将光纤24的芯24b的折射率η设为1.5。该情况下,光纤24内的激光的脉冲宽度W如下述(I)式那样约为2m。
[0047][数I]
[0048]W = t0 .c/n = 10 (nsec).3 X IO8 (m/sec) /1.5 ^ 2 (m)…(I)
[0049]该脉冲宽度量的激光的后向散射光被光检测器26作为一个信号获取,光检测器26根据该脉冲宽度量的信号的累计值来检测温度。因此，若对光纤中的与脉冲宽度W相当的长度不均匀地加热，则无法进行准确的温度测量。以下，将准确的温度测量所需的最小加热长度称为Lmin。
[0050]当在图5 Ca)所示的实际温度分布中加热了光纤24的情况下，即、仅均匀地加热了光纤24中的长度L的部分的情况下，测量温度分布如图5 (b)那样描绘高斯(正态分布)曲线。以下，将如图5 (a)那样的温度分布称为阶梯型温度分布。
[0051]图6是以光纤的长度方向的位置为横轴、以温度为纵轴来表示在温度为25°C的环境下配置光纤，以距离光源5m的位置为中心施加80°C的热量以成为阶梯型温度分布的情况下的测量温度分布的图。此处，加热部的长度分别为40cm、lm、1.6m、2.2m。从该图6可知，在加热部的长度比2m (最小加热长度Lmin)短的情况下，观测测量温度分布的峰值比实际温度低，在加热部的长度为2m以上的情况下，测量温度分布的峰值与实际温度几乎一致。
[0052]图7是以距离加热中心的距离为横轴，以相对强度为纵轴来表示图6的温度分布中的传递函数(温度测量系统的传递函数)的图。通过将图7的传递函数与图6的阶梯型温度分布进行折叠(卷积(convolution))，从而成为图6的测量温度分布。反之，若对测量温度分布使用传递函数的反函数(反修正函数)来进行修正(消卷积)，则获得与实际温度分布近似的温度分布(修正后的测量温度分布)。此外，传递函数几乎与温度测量系统(温度分布测定装置+光纤)的脉冲响应特性几乎相等。
[0053]由于光纤24具有群延迟特性，所以温度测量系统的传递函数根据距离而变化。因此，对整条光纤24的全长无法唯一地定义传递函数。然而，如果是较短的距离范围，则光信号的损失、延迟视为是一样的，能够定义传递函数。因此，预先在光纤24的长度方向的每个固定区域(例如每1000m)设定用于修正计算的传递函数是重要的。
[0054]另一方面，温度测定点(以下，仅称为“测定点”)与最小加热长度没有关系，能够考虑测定装置的取样频率等来决定。若考虑测定装置中平均化所需的时间等实用的测量时间，则测定点的间隔能够选为IOcm~50cm左右。[0055]图8是表示数据中心的计算机室的示意图。如该图8，计算机室的室内被分离成机器设置区域IOa和活动地板10b。在机器设置区域IOa中配置有多个机架(服务器机架)11，在各机架11上分别收纳有多个计算机(刀片服务器等)。另外，在机器设置区域IOa设置有用于管理者通行的通路和计算机的管理所需的管理空间。
[0056]活动地板IOb被设置在机器设置区域IOa的地板下。在该活动地板IOb配置有与各机架11连接的电力电缆、通信电缆等。
[0057]活动地板IOb的温度通过从空调机19供给的冷风而被维持为固定。在机器设置区域IOa的地板设置有通风口(格栅)12，经由该通风口 12从活动地板IOb向机架11的前面侧(吸气面侧)送冷风，对机架11内的计算机进行冷却。
[0058]图9是表示光纤24的铺设例的图。在该例子中，按各机架11设置以最小加热长度Lmin或者其以上的长度卷绕光纤24而成的第I卷绕部24x以及第2卷绕部24y，将这些第I卷绕部24x以及第2卷绕部24y配置在活动地板10b。而且，以在机架11内从下往上往复的方式铺设第I卷绕部24x与第2卷绕部24y之间的光纤24。
[0059]这样，在各机架11间的活动地板IOb配置了最小加热长度Lmin的2倍以上长度的光纤24的情况下，温度分布测定装置20不受机架11内的温度的影响，能够测定活动地板11的实际温度。另外，机架11内的温度不会比活动地板IOb的温度低。
[0060]在这样的条件下，以活动地板IOb的测定温度为基准，修正机架11内的各测定点的测定温度，从而能够高精度地获取机架11内的温度分布(参照专利文献1、2)。
[0061]图10表示实际温度分布、临时的测定温度分布以及真的测定温度分布。此处，实际温度分布是各测定点中的实际温度，临时的测定温度分布是根据斯托克斯光以及反斯托克斯光之比所获得的温度分布(修正前的温度分布)。另外，真的测定温度分布是使用传递函数对临时的测定温度分布进行修正计算后的温度分布。
[0062]从该图10可知真的测定温度分布与实际温度分布几乎一致。此外，图10中，纵轴的温度是与基准温度(活动地板IOb的温度)之差。
[0063]然而，为了修正临时的测定温度分布来获得真的测定温度分布而使用传递函数，但如前述，传递函数根据光纤的全长、长度方向的位置而变化。
[0064]图11 (a)、(b)以及图12 (a)、(b)是例示全长为7115m的光纤的各位置(106.75m、4100.25m、4873.75m、6028.25m)中的传递函数的图。另外，图13 (a)、(b)以及图14是例示全长为2347m的光纤的各位置(105.75m、1086.25m、2241.75m)中的传递函数的图。从这些图11?图14可知传递函数根据光纤的全长、长度方向的位置而变化。
[0065]图15是以光纤的长度方向的位置为横轴、以温度为纵轴来表示临时的测定温度分布、和使用传递函数进行修正后的温度分布的图。图中点划线表示使用适当的传递函数进行修正后的例子，虚线表示使用不适当的传递函数进行修正后的例子。此处，光纤的全长为7115m，使用图11 (a)所示的传递函数作为适当的传递函数。另外，使用图12 (b)所示的传递函数作为不适当的传递函数。
[0066]从该图15可知若使用不适当的传递函数，则无法高精度地测定温度分布。在该例子中，使用不适当的传递函数进行修正后的温度分布相对于使用适当的传递函数进行修正后的温度分布，峰值位置最大偏移50cm左右。
[0067]因此，在本实施方式中，预先将光纤的全长与长度方向的位置建立对应来求出传递函数，并作为数据库存储于温度分布测定部27。例如准备全长相互不同的多个光纤，预先对各光纤按照每1000m实验性地求出传递函数。传递函数能够如前述那样加热光纤以成为阶梯型温度分布，并根据此时获得的测定温度分布而求出。
[0068]图16是表示通过那种方式而得到的传递函数的数据库的一个例子的图。在该图16中，例如H4_、3_ (P)是全长L为4000m的光纤在3000m的位置(长度方向上距离光纤的光源侧端部3000m的位置)的传递函数。另外，(P)表示构成传递函数的要素(图11~图14中的点)。此外，在实验性求出光纤的端部的传递函数较困难的情况下，求出距离端部为规定的距离(α )的位置的传递函数即可。
[0069]此处，对通过线性近似求出全长为L的光纤的位置X的传递函数的情况进行说明。
[0070]首先，根据图16(数据库)，决定与L最近的数据库中的值L+以及L_、和X+以及X_。例如，变更后的光纤的全长L为3700m，光纤的长度方向的位置X为2600m的情况下，L+为4000m, 17 为 3000m, X+ 为 3000m, τ 为 2000m。
[0071]接下来，根据图16 (数据库)中的传递函数凡+, x+ (P)和传递函数凡+, x_ (P)，使用下述(2)式来计算全长为L+的光纤的长度方向的位置X的传递函数H’ L+,x (p)。
[0072][数2]
【权利要求】
1.一种温度分布测定装置，其特征在于，具有: 激光光源，其与光纤光学连接； 光检测器，其检测在所述光纤内发生后向散射的光；以及 温度分布测定部，其对从所述光检测器的输出获得的临时的测定温度分布进行使用了传递函数的修正计算来作为真的测定温度分布， 所述温度分布测定部存储有按每个所述光纤的全长以及长度方向的每个位置而设定的传递函数的数据。
2.根据权利要求1所述的温度分布测定装置，其特征在于， 若与所述激光光源连接的所述光纤的全长被变更，则所述温度分布测定部使用所述传递函数的数据来变更用于所述修正计算的传递函数。
3.根据权利要求2所述的温度分布测定装置，其特征在于， 用于所述修正计算的传递函数是通过线性近似而计算的。
4.根据权利要求1?3中任意一项所述的温度分布测定装置，其特征在于， 所述温度分布测定部对所述临时的测定温度分布使用所述传递函数的反函数来计算所述真的测定温度分布。
5.—种温度分布测定方法,是从激光光源向光纤输出激光、检测在所述光纤内发生后向散射的光而获取所述光纤的长度方向的临时的测定温度分布、对所述临时的测定温度分布进行使用了传递函数的修正计算来作为真的测定温度分布的温度分布测定装置的温度分布测定方法，其特征在于， 所述温度测定装置存储按每个所述光纤的全长以及长度方向的每个位置而设定的传递函数的数据，若与所述激光光源光学连接的光纤的长度被变更，则使用所述传递函数的数据来变更用于所述修正计算的传递函数。
6.根据权利要求5所述的温度分布测定方法，其特征在于， 用于所述修正计算的传递函数是通过线性近似而计算的。
7.根据权利要求5或者6所述的温度分布测定方法，其特征在于， 与所述激光光源光学连接的光纤在温度被维持为固定的场所中具有以固定长度以上卷绕而成的卷绕部。
8.根据权利要求5?7中任意一项所述的温度分布测定方法，其特征在于， 与所述激光光源光学连接的光纤被铺设在收纳有计算机的机架内。
9.根据权利要求5?8中任意一项所述的温度分布测定方法，其特征在于， 所述温度分布测定装置根据输入的光纤的全长以及长度方向的位置来变更用于所述修正计算的传递函数。
10.根据权利要求5?8中任意一项所述的温度分布测定方法，其特征在于， 所述温度分布测定装置根据从所述激光光源射出的激光到达所述光纤的端部为止的时间或者至未检测出所述后向散射光为止的时间来获取所述光纤的全长，并变更用于所述修正计算的传递函数。
11.根据权利要求5?10中任意一项所述的温度分布测定方法，其特征在于， 所述温度分布测定装置对所述临时的测定温度分布使用所述传递函数的反函数来计算所述真的测定温度分布。
【文档编号】G01K11/12GK103733037SQ201180072850
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2011年8月15日 优先权日:2011年8月15日
【发明者】笠嶋丈夫, 宇野和史, 石锅稔, 只木恭子, 武井文雄 申请人:富士通株式会社