Soluciones de fibra óptica para ambientes extremos-INNO

Sensores de temperatura de fibra óptica fluorescentes Tienen numerosas ventajas adecuadas para entornos extremos.:

Alta sensibilidad: Puede alcanzar una sensibilidad extremadamente alta., que permite una detección precisa de pequeños cambios de temperatura incluso en entornos extremos. Por ejemplo, en algunos escenarios de investigación científica o procesos de control industrial de precisión que son extremadamente sensibles a los cambios de temperatura, la alta sensibilidad garantiza la precisión de la medición.
No afectado por interferencias electromagnéticas: Basado en fibras ópticas fluorescentes para medición de temperatura., No se ve afectado por interferencias electromagnéticas del entorno circundante.. En el monitoreo de equipos industriales bajo fuertes campos electromagnéticos., Medición de temperatura de equipos de subestaciones grandes., o sitios especiales de investigación científica con entornos complejos de radiación electromagnética, Esta ventaja garantiza la fiabilidad de los datos de medición de temperatura., Mientras que los sensores de sonda metálica tradicionales pueden causar errores de medición debido a interferencias electromagnéticas..
Capacidad de medición remota: La distancia de transmisión de la fibra óptica puede alcanzar decenas de metros sin afectar la precisión de la medición.. En algunos ambientes extremos peligrosos, como cerca de hornos de alta temperatura y entornos de radiación nuclear, Los sensores se pueden colocar en puntos de medición a través de fibras ópticas de larga distancia., y los operadores pueden recopilar y monitorear datos desde una distancia segura; Esto también es muy adecuado para escenarios de difícil acceso, como medir la temperatura de la lava volcánica y medir la temperatura del agua cerca de respiraderos geotérmicos de aguas profundas..
No hay necesidad de fuente de alimentación (Los cables de fibra óptica por sí solos no requieren fuente de alimentación.): La principal fuente de energía es la fuente de luz., que es seguro y conveniente de usar en entornos que requieren una fuente de alimentación aislada o a prueba de explosiones (como sitios de extracción de petróleo y gas, almacenes de almacenamiento de materias primas químicas, y otros lugares inflamables y explosivos, minas, etc.), evitando peligros potenciales como chispas eléctricas que pueden ser causadas por el suministro de energía.
Diversidad y flexibilidad de puntos de medición.: Cambiando el número y posición de las sondas fluorescentes en la fibra óptica., es fácil lograr una medición de temperatura distribuida o multipunto. En redes de oleoductos de gran escala, edificios con amplias áreas de cobertura, etc., Las sondas se pueden configurar en múltiples ubicaciones clave según la demanda para un monitoreo integral de la temperatura., aumentar la flexibilidad y aplicabilidad del sistema.
Resistencia a la corrosión y resistencia a altas temperaturas.: Los materiales de fibra óptica tienen una excelente resistencia a la corrosión y a altas temperaturas., y se puede utilizar en entornos hostiles, soportando altas temperaturas, altas presiones, y sustancias químicas corrosivas. Mantener la función normal de medición de temperatura de los sensores en condiciones de alta temperatura., alta presión, y entornos altamente corrosivos como la zona de combustión de los motores aeroespaciales, alrededor de hornos de fundición de metales, y dentro de recipientes de reacción química.
Estabilidad a largo plazo: La combinación de sustancias fluorescentes y fibras ópticas tiene una alta estabilidad química y física.. Bajo requisitos de monitoreo ininterrumpido y a largo plazo., tales como monitoreo de temperatura de equipos de plataformas de petróleo y gas en alta mar y equipos de estaciones de monitoreo de temperatura ambiental en la región ártica, puede funcionar de manera estable durante mucho tiempo, reduciendo en gran medida la frecuencia de mantenimiento y calibración, ahorro efectivo de costos y mano de obra.
Alta precisión: Las sustancias fluorescentes responden rápidamente y tienen buena repetibilidad a la temperatura., hacer que los resultados de las mediciones sean más precisos en ambos campos de temperatura que cambian rápidamente (como las fluctuaciones de temperatura en las reacciones de combustión) y requisitos de medición de temperatura estable a largo plazo, asegurando una salida de datos de alta precisión.
Velocidad de transmisión de datos rápida: La transmisión de datos por fibra óptica es extremadamente rápida, Especialmente importante en sistemas ambientales extremos que requieren una respuesta rápida.. Por ejemplo, Monitoreo de temperatura en el momento del encendido del motor del cohete., La transmisión de datos de alta velocidad puede proporcionar información oportuna sobre la información de temperatura para la toma de decisiones y el ajuste oportunos.; Se puede lograr un monitoreo de temperatura en tiempo real o casi en tiempo real.
Fácil integración y automatización: El sistema de medición de temperatura de fibra óptica por fluorescencia se puede integrar fácilmente con sistemas informáticos y equipos de automatización existentes., Facilitar la automatización y la inteligencia del monitoreo de temperatura.. En algunas fábricas modernas de producción automatizada., estaciones de monitoreo remotas no tripuladas, etc., La gestión inteligente de la temperatura se puede integrar fácilmente en los sistemas existentes..
Buen aislamiento eléctrico y resistencia a explosiones.: El sensor de fibra óptica utilizado para la medición de temperatura de fibra óptica por fluorescencia es un aislante eléctrico no conductor.. Incluso en entornos inflamables y explosivos, No generará chispas eléctricas ni electricidad estática., que puede causar accidentes. Por lo tanto, en entornos extremos con peligros de explosión, como almacenamiento de productos químicos y petróleo y gas, su seguridad intrínseca es extremadamente alta.

Sensores de temperatura distribuidos de fibra óptica También tienen sus ventajas únicas para ambientes extremos.:

Aislamiento: Las propias fibras ópticas están aisladas eléctricamente., inherentemente seguro, y resistente a interferencias electromagnéticas. Esto es de gran importancia en el monitoreo ambiental de los sistemas de energía., como cerca de grandes subestaciones o torres de transmisión de alto voltaje. Este aislamiento puede prevenir accidentes eléctricos y garantizar que las mediciones de temperatura no se vean afectadas por interferencias electromagnéticas externas., garantizar la precisión de los datos. Fibra óptica distribuida Los sensores de temperatura son capaces de trabajar en entornos con riesgos de interferencias electromagnéticas., como el control de la temperatura de las instalaciones eléctricas en zonas con frecuentes rayos o el control de la temperatura de los equipos de generación de energía eólica y fotovoltaica durante el funcionamiento.
Monitoreo a larga distancia: Puede lograr un monitoreo continuo distribuido de la temperatura en tiempo real a larga distancia y en un amplio rango., medir con precisión el valor de temperatura en cualquier punto a lo largo del cable de fibra óptica. En ambientes extremos con características de larga distancia., como el control de la diferencia de temperatura de todo el cable de fibra óptica submarino, Monitoreo de temperatura a lo largo de oleoductos de varios kilómetros o incluso decenas de kilómetros de longitud o sistemas de tuberías de calefacción urbana., es posible lograr una cobertura total de fibra y obtener información completa sobre la temperatura, reduciendo en gran medida la complejidad y el costo del diseño del punto de detección.
Resistencia a la corrosión: El material utilizado para fabricar el núcleo de la fibra óptica es dióxido de silicio., lo que dota al sensor de fibra óptica de una excelente resistencia a la corrosión y una larga vida útil. En ambientes marinos altamente corrosivos, Tuberías de descarga de aguas residuales industriales., y oleoductos y gasoductos subterráneos, una gran cantidad de medios corrosivos (como el agua de mar, soluciones ácidas y alcalinas, etc.) están densamente distribuidos. Los sensores de temperatura de fibra óptica distribuidos pueden medir la temperatura de manera estable durante mucho tiempo sin erosionarse.
Fuerte flexibilidad: Las fibras ópticas tienen una excelente flexibilidad y posiciones de instalación flexibles., que puede satisfacer las necesidades de diferentes proyectos y posiciones de instalación. En entornos con diseños espaciales complejos (tales como espacios de instalación pequeños e irregulares para instrumentos y equipos dentro de naves espaciales, y escenas complejas de túneles en grandes proyectos de conservación de agua), Las fibras ópticas se pueden doblar y organizar según los requisitos espaciales reales., facilitando que los sensores midan con precisión en entornos extremos que son difíciles de planificar y diseñar. La medición de temperatura en espacios estrechos, como compartimentos de motores de automóviles y alas de aviones, también puede aprovechar esta característica..
Obtener múltiples puntos de información a la vez: Midiendo toda el área de la fibra de una vez, Se puede obtener un mapa de distribución unidimensional del área medida.. Estableciendo un marco especial para la fibra. (como enmarcarlo en forma de rejilla), También se puede determinar la distribución bidimensional y tridimensional del área medida.. En grandes tanques y edificios de almacenamiento de productos químicos., es necesario realizar una detección de distribución de campo de temperatura tridimensional (como detectar la distribución de temperatura en diferentes alturas y áreas en un gran almacén, utilizando una red de fibra óptica tridimensional para transmitir, recibir y medir la temperatura en diferentes ubicaciones), y detección de temperatura general de la estructura interna de grandes puentes, que puede obtener información de temperatura general y multipunto. Esta ventaja es muy obvia y puede comprender de manera eficiente el estado de temperatura de todo el espacio de monitoreo..
Adecuado para diversos entornos complejos y extremos: Los sensores de temperatura distribuidos de fibra óptica pueden adaptarse a diversos entornos extremos. Por ejemplo, en escenarios de producción complejos y diversos en diversas industrias como la química, electrónico, metalúrgico, farmacéutico, etc., Puede funcionar eficazmente al medir el campo de distribución térmica de grandes tanques de almacenamiento que almacenan productos inflamables., explosivo, gas u otras sustancias. Además, en equipos grandes como calderas, generadores, etc., Es difícil instalar sensores convencionales debido a su compleja estructura., o no se puede acceder a sensores convencionales debido a fuertes interferencias electromagnéticas, o el costo de la medición punto por punto es demasiado alto para ser práctico. Los sensores de temperatura distribuidos de fibra óptica pueden desempeñar un papel destacado en estos entornos extremos donde los sensores tradicionales no son adecuados. Además, Se pueden lograr buenos resultados de monitoreo de temperatura en escenarios extremos, como la medición de la distribución de temperatura en puentes., represas, barcos, grandes edificios, almacenes, recipientes de alta presión, túneles, e incluso cuerpos de aviones y naves espaciales..

Principios Básicos y Desarrollo de Sensores de fibra óptica distribuidos

El principio de distribución. sensor de temperatura de fibra óptica es utilizar el principio de dispersión Raman de la fibra óptica. Cuando cambia la temperatura de una determinada parte de la fibra óptica, la luz dispersa se ve afectada. A través de tecnología de procesamiento de datos y adquisición de señales de alta velocidad., la ubicación de la perturbación se puede localizar con precisión y se puede proporcionar información de alarma de temperatura en tiempo real. Al inicio de su desarrollo, comenzó con sistemas de dispersión Rayleigh basados en reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR), y pasó por sistemas de dispersión Raman basados en OTDR y sistemas de dispersión Brillouin basados en OTDR. Este proceso de desarrollo mejoró enormemente la precisión y el rango de medición de temperatura.. Actualmente, Investigación sobre reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia. (OFDR) La tecnología también está en constante profundización.. Aunque todavía queda camino por recorrer en términos de practicidad industrial, it is still the development direction of distributed fiber optic temperature sensor technology. With the development, El rendimiento de todo el sensor de temperatura de fibra óptica distribuido continúa mejorando para adaptarse mejor a diversas necesidades de medición ambientales extremas..

Sensores de temperatura de rejilla de fibra de Bragg También tienen múltiples ventajas adecuadas para ambientes extremos.:

Portador de señal único y ventajas correspondientes.: Utilizando la longitud de onda reflejada como portadora de señal. (es decir. modulación de longitud de onda), no se ve afectado por las fluctuaciones de corriente y voltaje. En comparación con los sensores tradicionales que utilizan corriente y voltaje como portadores de señales, como sensores de temperatura basados en métodos de medición eléctricos tradicionales (como detectores de temperatura basados en resistencia metálica) en entornos de temperaturas ultrabajas y campos magnéticos fuertes, no pueden funcionar debido al efecto Kondo a temperaturas ultrabajas (causing a significant increase in temperature probe resistance), Hall effect under strong electromagnetic fields, and magnetoresistance effect (causing strong interference to the readings of most electronic components). Fiber Bragg grating temperature sensors completely avoid this drawback and can perform temperature measurements normally. This characteristic of using wavelength as a signal also has stability that matches its optical method. Even in complex optical interference environments or light source fluctuations, it can still detect wavelength drift caused by temperature changes relatively stably, thus enabling accurate temperature measurement.

Small and lightweight, suitable for distributed multi-point measurement: pequeño en tamaño, ligero en peso, and easy to continuously produce multiple gratings in one optical fiber. The grating array produced is lightweight and flexible, and when combined with time-division multiplexing and wavelength division multiplexing technologies, it is very suitable as a distributed sensing element. It performs well in distributed multi-point temperature measurement of large areas or large-scale structures, such as the need to arrange numerous measurement points on the surface of the huge fuselage of an aerospace aircraft, and temperature monitoring at multiple points on the surface and inside of large superconducting equipment (maglev train superconducting components, particle accelerator superconducting components, etc.). After embedding or pasting inside or on the surface of the structure, Se puede lograr una medición de temperatura multipunto; Esta característica también es beneficiosa para reducir la complejidad y la carga de peso del equipo cuando se colocan múltiples sensores., y tiene ventajas irremplazables para algunas aplicaciones de vanguardia que requieren requisitos de peso estrictos, como cargas de sensores en equipos de exploración aeroespacial.
Fuerte resistencia a las interferencias electromagnéticas y la corrosión.: Esta es una ventaja común de la familia de sensores de fibra óptica.. Este sensor puede usarse ampliamente en ambientes extremos., ya sea para monitorear la temperatura del equipo en áreas de alta temperatura y alta interferencia electromagnética, como fábricas de fundición de metales, o para detectar la temperatura en algunos equipos eléctricos de barcos marinos debido a riesgos de corrosión e interferencias eléctricas en el ambiente húmedo y la niebla salina circundante.. También se puede lograr un funcionamiento estable en entornos extremos especiales, como la energía nuclear., donde hay una fuerte radiación electromagnética y riesgos potenciales de corrosión (como la presencia de atmósferas corrosivas en islas nucleares debido a sustancias químicas especiales), como el control de la temperatura de las tuberías del sistema de refrigeración externo de los reactores nucleares o el control del calor de algunos equipos eléctricos dentro de las centrales nucleares..
Ventajas de sensibilidad y velocidad de respuesta: Los sensores de temperatura de rejilla de fibra de Bragg basados en detección sensible a la fase pueden alcanzar una sensibilidad ultraalta de nivel inferior a mikelvin, lo que significa que pueden detectar incluso pequeños cambios de temperatura (como débiles fluctuaciones de temperatura cerca del cero absoluto, Cambios de temperatura en entornos de investigación extremadamente micro, como células biológicas.), haciéndolos adecuados para la medición precisa de pequeños cambios de temperatura. Al mismo tiempo, Tiene un tiempo de respuesta rápido y puede proporcionar información de datos de temperatura precisa y oportuna en escenarios extremos donde ocurren cambios rápidos de temperatura., tales como cambios en el campo de temperatura alrededor de la onda de choque de detonación generada en el momento de un experimento de explosión o cambios repentinos de temperatura en la superficie del objeto irradiado bajo irradiación láser de alta energía. También tiene amplias perspectivas de aplicación en campos como la imagen biomédica., microfluidos, nanotecnología, que requieren una velocidad de reacción y una precisión de medición extremadamente altas.

Comparación de las ventajas de las soluciones de fibra óptica en ambientes extremos

Capacidad antiinterferencia electromagnética
Sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente: Basado en el principio de la fibra óptica fluorescente., Aísla de forma natural las interferencias electromagnéticas y puede garantizar una medición precisa de la temperatura sin verse afectado en escenarios extremos, como entornos con campos electromagnéticos fuertes., Plantas industriales con numerosos dispositivos electrónicos y entornos electromagnéticos complejos..
Sensor de temperatura distribuido de fibra óptica: La fibra óptica tiene las características fundamentales de aislamiento eléctrico e inmunidad a las interferencias electromagnéticas.. En el área de fuertes campos electromagnéticos relacionados con la electricidad. (Alrededor de subestaciones y líneas de transmisión de alta tensión.), Los datos de medición de temperatura son estables., sin interferencias ni desviaciones, y puede monitorear con precisión la temperatura en talleres de fábrica con una gran cantidad de equipos eléctricos que generan campos electromagnéticos complejos.
Sensor de temperatura de rejilla de Bragg de fibra: Utilizar la longitud de onda como portadora de señal., Evita interferencias electromagnéticas en corriente y voltaje., y puede detectar de forma estable la temperatura en escenarios extremos con campos electromagnéticos de alta intensidad (como alrededor de grandes aceleradores de partículas, cerca de equipos con fuertes emisiones electromagnéticas, etc.).
En términos de resistencia ambiental extrema (temperatura alta, presión alta, fuerte corrosión, etc.)
Sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente: El material de fibra óptica es resistente a la corrosión y a las altas temperaturas., y puede penetrar profundamente en hornos industriales a altas temperaturas para medir temperaturas de hasta varios cientos de grados Celsius; Trabajar normalmente en ambientes con productos químicos corrosivos., como recipientes de reacción química y tanques de almacenamiento de ácido; Adecuado para monitoreo de temperatura en ambientes de alta presión (como el control de la temperatura cerca de fuentes termales de alta presión en las profundidades del mar).
Sensor de temperatura distribuido de fibra óptica: El material de la fibra óptica es dióxido de silicio resistente a la corrosión., que puede monitorear continuamente la temperatura en ambientes corrosivos de tuberías de aguas residuales químicas y alrededor de tuberías subterráneas en áreas salinas y alcalinas durante décadas de vida útil; Eficaz para monitorear la temperatura a lo largo de grandes tuberías de transmisión de vapor de alta temperatura en escenarios donde el petróleo a alta temperatura genera calor y presión en oleoductos de larga distancia.; También se puede utilizar en escenarios como aviones y naves espaciales que requieren monitoreo de temperatura mientras se experimentan cambios de presión a gran altitud..
Sensor de temperatura de rejilla de Bragg de fibra: Con su diseño integrado miniaturizado, se puede unir a la superficie de componentes de alta temperatura (para controlar la temperatura de la superficie de las palas de los motores de turbinas de aviación) para medición; Uso de sensores de rejilla de fibra Bragg fabricados con materiales especiales para resolver mediciones de temperatura alta y temperatura ultraalta (como sensores de rejilla Bragg de fibra de zafiro que pueden medir altas temperaturas hasta 1600 ℃); La medición de temperatura también se puede realizar en equipos eléctricos exteriores en entornos climáticos marinos hostiles con riesgos de corrosión. (Temperatura externa del motor de equipos de generación de energía eólica marina.).

Dimensiones de medición y flexibilidad.
Sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente: Ajustando la disposición de la sonda fluorescente., Se puede realizar una medición punto a multipunto., satisfaciendo así las necesidades de medición de temperatura en diferentes espacios y requisitos de diseño flexibles. También puede equilibrar el monitoreo de temperatura local a pequeña escala y el monitoreo de temperatura puntual distribuido a gran escala.. Por ejemplo, al organizar puntos de monitoreo de temperatura para diferentes equipos de la línea de producción en el edificio de una fábrica, la posición de las sondas fluorescentes se puede configurar libremente según la distribución del equipo para crear o ajustar el diseño de monitoreo de temperatura.
Sensor de temperatura distribuido de fibra óptica: Toda la línea de fibra óptica puede considerarse como el área de detección., que puede completar la medición continua de larga distancia a la vez. Tiene características de medición distribuida natural., Especialmente puede formar fácilmente una red de fibra óptica para controlar la temperatura en áreas bidimensionales o incluso tridimensionales. (como almacenes tridimensionales y edificios de varios pisos). Además, La flexibilidad de las fibras ópticas permite que las posiciones de instalación sean ilimitadas., y se pueden disponer entre canales o equipos de diferentes formas y direcciones según entornos específicos para obtener valores de temperatura.
Sensor de temperatura de rejilla de Bragg de fibra: Se pueden integrar múltiples rejillas en una sola fibra óptica para lograr múltiples puntos de medición. Sin embargo, comparado con los dos anteriores, la densidad de los puntos de medición por unidad de longitud de fibra puede ser teóricamente mayor. Through wavelength division multiplexing and time-division multiplexing technology, the temperature of each grating point can be measured in time or simultaneously. It is more suitable for fields with precise spatial layout (such as narrow internal space of optical instruments and biomedical micro samples requiring multi-point accurate temperature measurement), and due to its lightweight and flexibility, it also has great flexibility in attachment and embedding.
Cost and application popularization aspects
Sensor de temperatura de fibra óptica fluorescente: It has achieved large-scale industrial production and application, with rapidly decreasing costs. Actualmente, it is widely used in medical diagnosis, gestión de energía, y otros campos. With the expansion of popularity and technological upgrades, there is still room for cost reduction, making it easy for new users to choose and adopt. La introducción de este sensor mediante la renovación de la infraestructura no requiere una inversión de costes especialmente elevada.
Los sensores de temperatura distribuidos de fibra óptica se han utilizado ampliamente en proyectos de ingeniería a gran escala. (tales como monitoreo del estado de grandes estructuras de puentes y sistemas de monitoreo de temperatura de tuberías de larga distancia) y escenarios industriales específicos (tales como plantas de energía y monitoreo de subestaciones). Aunque su tecnología se ha desarrollado con madurez, Se ve obstaculizado en la popularización de algunos proyectos pequeños o sensibles a los costos debido a la inversión inicial relativamente alta en hosts de medición y equipos de soporte., tendido de fibra optica, etc.. Sin embargo, con la promoción de la tecnología, avances en materiales, y la mejora de la integración de equipos, También se espera que el costo de su aplicación disminuya..
Sensor de temperatura de rejilla de Bragg de fibra: Es ampliamente utilizado en campos de fabricación de equipos de alta gama, como la fabricación aeroespacial y de grandes barcos., y también tiene una cierta proporción de microaplicaciones en la investigación biomédica. Debido a las limitaciones de la tecnología de rejillas de fibra de Bragg, Especialmente la tecnología de preparación de materiales especiales como la fibra de zafiro., que se domina en un pequeño número de unidades y tiene altos costos, como procesos de preparación complejos y condiciones especiales de escritura en rejilla, el costo total es alto. Además, Muchas aplicaciones de alta gama todavía dependen de componentes importados.. Si queremos aplicarlos en escenarios industriales generales o promoción a gran escala de campos de monitorización básica como los dos anteriores, todavía existen importantes barreras de costos.