Ознайомлення з принципом роботи розподіленої волоконно-оптичної системи вимірювання температури

Розподілена система вимірювання температури (ДТС) — це волоконно-оптичний оптико-електронний прилад, який вимірює температуру вздовж довжини волоконно-оптичного сенсорного кабелю. Унікальною особливістю розподіленої системи вимірювання температури є те, що вона забезпечує безперервний (або розповсюджується) розподіл температури по довжині чутливого кабелю, а не дискретні точки зондування, які повинні бути заздалегідь визначені.

Як працюють волоконно-оптичні датчики температури

Система DTS включає імпульсний лазер, який посилає приблизно 1 м імпульсів (еквівалентно 10 нс часу) до клітковини. Коли імпульс поширюється по довжині оптичного волокна, Він взаємодіє зі склом. Через невеликі дефекти скла, невелика кількість необроблених лазерних імпульсів відбивається назад у сенсорну систему DTS. Аналізуючи відбите світло, DTS може розрахувати температуру заходу (аналізуючи потужність відбитого світла) та місце проведення заходу (вимірюючи час, необхідний для повернення зворотного розсіяного світла), Як правило, в інструментах.

Розподілений кабель для вимірювання температури

Зазвичай, Технологія DTS використовує стандартні телекомунікаційні волоконно-оптичні кабелі, А спеціалізовані кабелі або точки визначення потрібні лише для вимірювань, коли температура перевищує 100 ° С. В основі чутливих волокон зазвичай лежать багатомодові волокна, підходить для коротких дистанцій (до 40 км) та одномодових волокон, і підходить для далеких дистанцій (40-100Км).

Fiber optic temperature measurement specification for DTS

Розподілені системи визначення температури зазвичай можуть визначати температуру на відстані 1 метр (називається просторовою роздільною здатністю), з точністю в межах ± 1 ° C і роздільною здатністю виявлення до низького рівня 0.01 ° С. Однак, Існує зворотна залежність між роздільною здатністю вимірювань, Діапазон, і час відбору проб, де роздільна здатність температури зменшується з діапазоном і подовжує час, необхідний для отримання конкретних даних вимірювань.

Принцип вимірювання комбінаційного розсіювання комбінаційного розсіювання температури з розподіленим температурним датчиком

Волоконно-оптичне скло виготовляється з легованого кварцового скла, і коли лазер передається у волокні, Між оптичними частинками відбувається взаємодія (Фотони) і молекулярних електронів. На конкретних частотах в електромагнітному спектрі (відомі як гурти Стокса та анти Стокса), розсіювання світла (також відоме як комбінаційне розсіювання) відбувається в оптичних волокнах. Інтенсивність так званого антистоксівського діапазону залежить від температури, в той час як так званий діапазон Стокса насправді не залежить від температури. Місцева температура оптичних волокон походить від співвідношення інтенсивності світла анти Стокса і Стокса.

Принципи вимірювання – Технології OTDR та OFDR

Існує два основних принципи вимірювання технології розподіленого зондування: Оптичний рефлектометр часової області (ОТДР) та оптичний частотно-доменний рефлектометр (OFDR).

OTDR був розроблений протягом 20 років тому і стала галузевим стандартом для вимірювання телекомунікаційних втрат. Принцип роботи OTDR дуже простий, Подібно до вимірювання часу польоту, що використовується для радара. Основному, Вузькі лазерні імпульси, що генеруються напівпровідниками або твердотільними лазерами, надсилаються у волокна та аналізуються на наявність зворотного розсіювання світла. Починаючи з моменту, коли зворотне розсіяне світло повертається на блок виявлення, Місце проведення температурного явища може бути визначено.

Запропоновано метод заміни оцінки ДТС рефлектометра зі знаковою частотною областю (OFDR). Система OFDR надає інформацію лише про локальні характеристики, а потім виконує перетворення Фур'є, коли зворотний розсіяний сигнал, виявлений протягом усього часу вимірювання, вимірюється комплексно як функція частоти.

Переважна більшість доступних в даний час розподілених систем визначення температури засновані на технології OTDR.

Переваги системи DTS

Деякі унікальні особливості систем розподіленого вимірювання температури включають:

Відмінна економія на масштабі. Розробникам/інтеграторам систем не потрібно турбуватися про точне розташування кожної точки виявлення, so the cost of designing and installing sensing systems based on розподілене волоконно-оптичне sensors is greatly reduced compared to traditional sensors.
Низькі витрати на обслуговування та експлуатацію. Чутливий кабель не має рухомих частин і розрахований на термін служби понад 30 Років. Витрати на обслуговування та експлуатацію набагато нижчі, ніж у традиційних датчиків.
Чутливі кабелі DTS не піддаються впливу електромагнітних перешкод або вібрації
Ці датчики можна безпечно використовувати у вибухонебезпечних зонах (потужність лазера нижче рівня, який може спричинити займання), що робить їх ідеальним вибором для промислових сенсорних застосувань.
Конструкція волоконно-оптичних сенсорних кабелів

Волоконно-оптичні кабелі по суті пасивні і не мають окремих точок чутливості, Тому вони можуть бути виготовлені на основі стандартних телекомунікаційних волокон і в багатьох випадках, упаковані з використанням стандартних телекомунікаційних волоконно-оптичних кабелів.

У деяких випадках, Потрібні спеціалізовані оптичні волокна, і аналогічно, Потрібна спеціалізована герметизація кабелю. Деякі міркування при проектуванні розподілених кабелів з датчиком температури включають:

Температура: Робоча температура стандартних телекомунікаційних, волоконно-оптичних і кабельних матеріалів може досягати 100 ° С. На додачу до всього, Вам знадобляться спеціалізовані матеріали для скла та кабелю. Наприклад, нафтових свердловин зазвичай перевищують 200 ° С
Механічний захист: Залежно від конкретного середовища моніторингу, можуть бути сильні вібрації або можливі сили здавлювання, для чого знадобляться додаткові кабельні шари для забезпечення захисту чутливих оптичних волокон
Захист від водню: У певних середовищах, Може бути високий рівень газоподібного водню, що може спричинити деградацію волоконно-оптичного волокна (або потемніння). Деякий захист можна забезпечити, використовуючи водень для видалення гелю – але на більш тривалий термін, саме особливе волокно з особливими властивостями (легуючі добавки) У серцевині і обшивці повинні використовуватися волокна.
Безпека лазера та робота системи

При експлуатації оптичних вимірювальних систем (такі як оптичний DTS), Необхідно враховувати вимоги безпеки лазера для стаціонарної установки. У багатьох системах використовуються малопотужні лазерні конструкції, такі, як ті, що класифікуються як рівень лазерної безпеки 1М, який може застосовуватися будь-ким без необхідності використання затвердженого персоналу з лазерної безпеки. Деякі системи базуються на потужних лазерах з номінальною напругою 3В, І хоча затверджений персонал з лазерної безпеки може безпечно їх використовувати, Вони можуть не підійти для стаціонарної установки.

Волоконно-оптичний датчик температури, Інтелектуальна система моніторингу, Виробник розподіленого волоконно-оптичного волокна в Китаї