مقدمة لمبدأ نظام استشعار درجة حرارة الألياف البصرية الموزعة

نظام استشعار درجة الحرارة الموزعة (دي تي اس) عبارة عن أداة إلكترونية بصرية من الألياف الضوئية تقيس درجة الحرارة على طول كابل استشعار الألياف الضوئية. الميزة الفريدة لنظام استشعار درجة الحرارة الموزعة هي أنه يوفر درجة حرارة مستمرة (أو موزعة) توزيع درجة الحرارة على طول كابل الاستشعار, بدلاً من نقاط الاستشعار المنفصلة التي يجب تحديدها مسبقًا.

كيف تعمل أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية

يشتمل نظام DTS على ليزر نبضي يرسل ما يقرب من مليون نبضة (ما يعادل 10ns من الوقت) إلى الألياف. عندما ينتشر النبض على طول الألياف الضوئية, يتفاعل مع الزجاج. بسبب عيوب صغيرة في الزجاج, تنعكس كمية صغيرة من نبضات الليزر الخام مرة أخرى في نظام استشعار DTS. من خلال تحليل الضوء المنعكس, يمكن لـ DTS حساب درجة حرارة الحدث (من خلال تحليل قوة الضوء المنعكس) ومكان الحدث (عن طريق قياس الوقت الذي يستغرقه الضوء المرتد للعودة), عادة في الصكوك.

Distributed temperature sensing cable

عادة, DTS technology uses standard telecommunications fiber optic cables, and specialized cables or sensing points are only required for measurements when temperatures exceed 100 درجة مئوية. Sensing fibers are usually based on multimode fibers, suitable for short distances (ما يصل إلى 40 كم) and single-mode fibers, and suitable for long distances (40-100كم).

قياس درجة حرارة الألياف الضوئية specification for DTS

Distributed temperature sensing systems can typically locate temperatures within a distance of 1 متر (referred to as spatial resolution), with accuracy within the range of ± 1 ° C and sensing resolution as low as 0.01 درجة مئوية. لكن, there is an inverse relationship between measurement resolution, يتراوح, and sampling time, where temperature resolution decreases with range and prolongs the time required to obtain specific measurement data.

Distributed temperature sensing Raman measurement principle

Fiber optic is made of doped quartz glass, and when laser is transmitted in the fiber, interactions occur between optical particles (الفوتونات) and molecular electrons. At specific frequencies in the electromagnetic spectrum (known as the Stokes and anti Stokes bands), تشتت الضوء (also known as Raman scattering) occurs in optical fibers. The intensity of the so-called anti Stokes band is temperature dependent, while the so-called Stokes band is actually temperature independent. The local temperature of optical fibers comes from the ratio of anti Stokes and Stokes light intensity.

مبادئ القياس – OTDR and OFDR Technologies

There are two basic measurement principles for distributed sensing technology: optical time-domain reflectometer (أوتدر) and optical frequency-domain reflectometer (OFDR).

OTDR was developed over 20 years ago and has become an industry standard for telecommunications loss measurement. The principle of OTDR is very simple, similar to the flight time measurement used for radar. Basically, narrow laser pulses generated by semiconductors or solid-state lasers are sent into fibers and analyzed for backscattered light. Starting from the time when the backscattered light returns to the detection unit, the location of the temperature event can be located.

A method to replace DTS evaluation of unit signed frequency domain reflectometer (OFDR). The OFDR system only provides information about local characteristics and then performs Fourier transform when the backscattered signal detected throughout the measurement time is measured in a complex manner as a function of frequency.

The vast majority of currently available distributed temperature sensing systems are based on OTDR technology.

The advantages of DTS system

Some unique features of distributed temperature sensing systems include:

Excellent economies of scale. System designers/integrators do not have to worry about the precise location of each sensing point, so the cost of designing and installing sensing systems based on الألياف البصرية الموزعة sensors is greatly reduced compared to traditional sensors.
Low maintenance and operational costs. The sensing cable has no moving parts and is designed with a lifespan of over 30 اعوام. The maintenance and operating costs are much lower than traditional sensors.
DTS sensing cables are not affected by electromagnetic interference or vibration
These sensors can be safely used in hazardous areas (قوة الليزر أقل من المستوى الذي يمكن أن يسبب الاشتعال), مما يجعلها خيارًا مثاليًا لتطبيقات الاستشعار الصناعي.
تصميم كابلات استشعار الألياف الضوئية

تعتبر كابلات الألياف الضوئية سلبية بشكل أساسي ولا تحتوي على نقاط استشعار منفصلة, بحيث يمكن تصنيعها على أساس ألياف الاتصالات القياسية وفي كثير من الحالات, يتم تعبئتها باستخدام كابلات الألياف الضوئية القياسية للاتصالات.

في بعض الحالات, مطلوب ألياف بصرية متخصصة, وبالمثل, مطلوب تغليف الكابلات المتخصصة. تتضمن بعض الاعتبارات عند تصميم كابلات استشعار درجة الحرارة الموزعة:

درجة حرارة: يمكن أن تصل درجة حرارة العمل للألياف الضوئية ومواد الكابلات القياسية للاتصالات إلى ما يصل إلى 100 درجة مئوية. علاوة على ذلك, سوف تحتاج إلى مواد زجاجية وكابلات متخصصة. على سبيل المثال, آبار النفط تتجاوز عادة 200 درجة مئوية
الحماية الميكانيكية: اعتمادا على بيئة المراقبة المحددة, there may be high vibrations or possible crushing forces, which will require additional cable layers to provide protection for sensing optical fibers
Hydrogen protection: In certain environments, there may be high levels of hydrogen gas, which can cause fiber optic degradation (or darkening). Some protection can be provided by using hydrogen to remove the gel – but for a longer duration, the special fiber itself with special properties (dopants) in the core and cladding of the fiber must be used.
Laser safety and system operation

When operating optical measurement based systems (such as optical DTS), it is necessary to consider laser safety requirements for permanent installation. Many systems use low-power laser designs, such as those classified as laser safety level 1M, which can be applied by anyone without the need for approved laser safety personnel. Some systems are based on high-power lasers rated at 3B, and although approved laser safety personnel can safely use them, they may not be suitable for permanent installation.

مستشعر درجة حرارة الألياف البصرية, نظام مراقبة ذكي, الشركة المصنعة للألياف البصرية الموزعة في الصين