فهم الألياف الضوئية المستشعرة لدرجة الحرارة

الألياف الضوئية التي تستشعر درجة الحرارة هي أنظمة متخصصة تستخدم الألياف الضوئية لقياس درجة الحرارة. على عكس أجهزة الاستشعار الإلكترونية التقليدية, تستخدم هذه الأنظمة خصائص الضوء الذي ينتقل داخل الألياف, والتي تتغير استجابة للتغيرات في درجات الحرارة. يمكنهم العمل ك أجهزة استشعار النقطة, قياس درجة الحرارة في مواقع منفصلة, أو كما مجسات درجة الحرارة الموزعة (دتس), توفير ملف تعريف مستمر لدرجة الحرارة على طول الألياف بالكامل. وتشمل المزايا الرئيسية الحصانة للتدخل الكهرومغناطيسي (إيمي), عزل كهربائي عالي, ملاءمة للبيئات القاسية, والقدرة على المراقبة لمسافات طويلة, مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تكون فيها أجهزة الاستشعار التقليدية غير عملية أو غير آمنة.

كيف تعمل أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية?

استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية يعتمد على مبدأ أن بعض الخصائص الفيزيائية لمادة الألياف الضوئية (مثل الزجاج) أو أن الضوء الذي يمر عبره يتأثر بدرجة الحرارة. تستفيد التقنيات المختلفة من تأثيرات مختلفة:

• تشتت الضوء (رامان / بريلوين): تستخدم في المقام الأول في أنظمة دي تي إس. أداة (المحقق) يرسل نبضات ليزر أسفل الألياف. تؤثر درجة الحرارة على الاهتزازات الجزيئية داخل الزجاج, والذي يؤثر بدوره على الطول الموجي وشدة الكمية الضئيلة من الضوء المنتشرة نحو الجهاز. من خلال تحليل هذا الضوء المرتد (على وجه التحديد رامان أو بريلوين نثر) وقياس الوقت المستغرق للعودة, يمكن للنظام تحديد درجة الحرارة عند كل نقطة على طول الألياف.
• شبكات الألياف براج (FBG): هذه هي أجهزة استشعار نقطة. FBG هو قسم صغير داخل قلب الألياف حيث يتم تغيير معامل الانكسار بشكل دوري. يعكس هذا الشبكة طولًا موجيًا محددًا جدًا للضوء. كما تتغير درجات الحرارة, يتوسع الشبكة أو يتقلص, تغيير الطول الموجي المنعكس. قياس هذا التحول يسمح لدرجة الحرارة الدقيقة التحديد في موقع FBG. يمكن تسجيل FBGs متعددة بأطوال موجية مختلفة على ألياف واحدة للاستشعار متعدد النقاط.
• الاضمحلال مضان: تستخدم في بعض أجهزة الاستشعار نقطة. مسبار يحتوي على أ يتم ربط مادة الفلورسنت بالألياف نصيحة. يتم إرسال الضوء إلى أسفل الألياف لإثارة المادة, والذي يتألق بعد ذلك (ينبعث الضوء). المعدل الذي هذا يعتمد اضمحلال الفلورسنت بشكل كبير على درجة الحرارة. قياس وقت الاضمحلال يوفر درجة الحرارة قراءة.
• قياس التداخل فابري بيرو: تقنية أخرى لاستشعار النقطة حيث يتم إنشاء تجويف صغير عند طرف الألياف. التغيرات في درجات الحرارة تغير طول التجويف, مما يؤثر على كيفية تداخل الضوء بداخله. تحليل طيف الضوء المنعكس يكشف عن درجة الحرارة.

أنواع أجهزة استشعار درجة الحرارة بالألياف البصرية

• أجهزة استشعار النقطة: قياس درجة الحرارة في واحد, موقع محدد (على سبيل المثال, FBG, مضان, فابري بيرو). عديد غالبًا ما يمكن مضاعفة أجهزة الاستشعار النقطية على طول ليف واحد. مثالية لرصد النقاط الحرجة.
• أجهزة الاستشعار الموزعة (دتس): استخدم الطول الكامل لل الألياف الضوئية كجهاز استشعار (عادةً ما يتم استخدام تشتت رامان أو بريلوين). أنها توفر لمحة مستمرة عن درجة الحرارة على مسافات قد تمتد لعدة كيلومترات. مثالية لمراقبة الأصول الطويلة مثل خطوط الأنابيب, كابلات الطاقة, الأنفاق, أو الهياكل الكبيرة.

المزايا والعيوب

الأسئلة المتداولة (التعليمات)

س1: ما مدى دقة أجهزة استشعار درجة حرارة الألياف الضوئية?

أ: تختلف الدقة اعتمادًا على التكنولوجيا, جودة النظام, معايرة, والتطبيق المحدد. نقطة أجهزة الاستشعار مثل FBGs أو تحقيقات مضان يمكن تحقيق دقة عالية, في كثير من الأحيان ضمن ±0.1 درجة مئوية إلى ±1 درجة مئوية. توفر أنظمة DTS عادةً دقة تتراوح بين ±0.5 درجة مئوية إلى ±2 درجة مئوية, مع القرار المكاني (القدرة على التمييز المنفصل النقاط الساخنة) عادة حولها 0.5 ل 2 متر.

Q2: ما هي المسافة القصوى لمراقبة DTS?

أ: معيار يمكن لأنظمة DTS عادةً مراقبة درجات الحرارة عبر كابلات الألياف الضوئية تمتد عشرات الكيلومترات (على سبيل المثال, 10 كم, 30 كم, 50 كم أو أكثر), اعتمادا على نموذج المحقق المحدد, جودة الألياف, والأداء المطلوب (وقت القياس مقابل. دقة). تتوفر أنظمة بعيدة المدى يمكن أن تمتد إلى أبعد من ذلك.

س3: هل حساسات الألياف الضوئية غالية الثمن؟?

أ: التكلفة الأولية, وخاصة بالنسبة لوحدة المحققين DTS, يمكن أن يكون أعلى من المزدوجات الحرارية التقليدية أو RTDs. لكن, يمكن أن تصبح التكلفة لكل نقطة استشعار منخفضة جدًا أنظمة DTS التي تغطي مسافات طويلة أو لأجهزة استشعار النقطة المتعددة. عند النظر في التكلفة الإجمالية للملكية (بما في ذلك الكابلات, التثبيت في المناطق الخطرة, عدم وجود احتياجات التدريع EMI, صيانة منخفضة للألياف السلبية), الألياف الضوئية يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة للتطبيقات المناسبة.

س 4: هل يمكن استخدام نفس الألياف للاتصال والاستشعار؟?

أ: عمومًا, لا, وخاصة بالنسبة لDTS. في حين أن الألياف القياسية للاتصالات (وضع واحد أو وضع متعدد, اعتمادا على تقنية DTS) غالبا ما يستخدم, تستخدم عملية الاستشعار خصائص ضوئية مختلفة (الأطوال الموجية, تقنيات التحليل) من نقل البيانات. عادةً ما يكون من الضروري تركيب ألياف مخصصة لأغراض الاستشعار, على الرغم من إمكانية تشغيله جنبًا إلى جنب مع كابلات الاتصال. توجد بعض الكابلات الهجينة المتخصصة, لكن ألياف الاستشعار المخصصة هي القاعدة.

خاتمة

تمثل الألياف الضوئية المستشعرة لدرجة الحرارة تقنية قوية ومتعددة الاستخدامات لمراقبة درجة الحرارة في الظروف الصعبة حيث تكافح أجهزة الاستشعار التقليدية. مناعتهم للتدخل الكهربائي, القدرة على تغطية مسافات طويلة (وخاصة DTS), والخيارات لكل من القياسات النقطية والموزعة تجعلها أدوات لا تقدر بثمن في صناعات تتراوح بين نقل الطاقة والنفط & الغاز للهندسة المدنية و كشف الحرائق. في حين أن التكاليف الأولية والتركيب تتطلب النظر فيها, غالبًا ما توفر المزايا الفريدة فوائد كبيرة طويلة المدى في مجال السلامة, مصداقية, والكفاءة التشغيلية.

 

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