מבוא לעיקרון של מערכת חישת טמפרטורה סיבים אופטיים מבוזרת

מערכת חישת טמפרטורה מבוזרת (DTS) הוא מכשיר סיבים אופטיים אופטו-אלקטרוניים המודד את הטמפרטורה לאורך כבל החישה של סיבים אופטיים. התכונה הייחודית של מערכת חישת טמפרטורה מבוזרת היא שהיא מספקת רצף (או מופץ) פיזור הטמפרטורה לאורך כבל החישה, במקום נקודות חישה בדידות שיש לקבוע מראש.

כיצד פועלים חיישני טמפרטורה בסיבים אופטיים

מערכת ה-DTS כוללת לייזר דופק השולח פולסים של כ-1 מטר (שווה ערך ל-10ns של זמן) לסיבים. כאשר הדופק מתפשט לאורכו של הסיב האופטי, הוא יוצר אינטראקציה עם הזכוכית. עקב פגמים קטנים בזכוכית, a small amount of raw laser pulses are reflected back into the DTS sensing system. By analyzing the reflected light, DTS can calculate the temperature of the event (by analyzing the power of the reflected light) and the location of the event (by measuring the time it takes for the backscattered light to return), typically in instruments.

Distributed temperature sensing cable

בְּדֶרֶך כְּלַל, DTS technology uses standard telecommunications fiber optic cables, and specialized cables or sensing points are only required for measurements when temperatures exceed 100 °C. Sensing fibers are usually based on multimode fibers, suitable for short distances (up to 40km) and single-mode fibers, and suitable for long distances (40-100ק"מ).

מדידת טמפרטורה בסיבים אופטיים specification for DTS

Distributed temperature sensing systems can typically locate temperatures within a distance of 1 מֶטֶר (המכונה רזולוציה מרחבית), עם דיוק בטווח של ± 1 °C ורזולוציית חישה נמוכה כמו 0.01 °C. אוּלָם, יש קשר הפוך בין רזולוציית המדידה, לָנוּעַ, וזמן הדגימה, כאשר רזולוציית הטמפרטורה יורדת עם הטווח ומאריכה את הזמן הנדרש להשגת נתוני מדידה ספציפיים.

חישת טמפרטורה מבוזרת עקרון מדידת ראמאן

סיבים אופטיים עשויים מזכוכית קוורץ מסוממת, וכאשר מועבר לייזר בסיב, אינטראקציות מתרחשות בין חלקיקים אופטיים (פוטונים) ואלקטרונים מולקולריים. בתדרים ספציפיים בספקטרום האלקטרומגנטי (המכונה להקות סטוקס ואנטי סטוקס), פיזור אור (ידוע גם בשם פיזור רמאן) מתרחש בסיבים אופטיים. העוצמה של מה שנקרא רצועת אנטי סטוקס תלויה בטמפרטורה, בעוד שהלהקה שנקראת סטוקס היא למעשה בלתי תלויה בטמפרטורה. הטמפרטורה המקומית של סיבים אופטיים נובעת מהיחס בין עוצמת האור נגד סטוקס וסטוקס.

עקרונות מדידה – טכנולוגיות OTDR ו-OFDR

ישנם שני עקרונות מדידה בסיסיים עבור טכנולוגיית חישה מבוזרת: רפלמטר אופטי בתחום הזמן (OTDR) ורפלקמטר תחום תדר אופטי (OFDR).

OTDR פותחה מעל 20 לפני שנים והפך לסטנדרט תעשייתי למדידת אובדן טלקומוניקציה. העיקרון של OTDR הוא פשוט מאוד, בדומה למדידת זמן הטיסה המשמשת לרדאר. בעצם, פולסי לייזר צרים הנוצרים על ידי מוליכים למחצה או לייזרים במצב מוצק נשלחים לסיבים ומנתחים עבור אור מפוזר לאחור. החל מהזמן שבו האור המפוזר חוזר ליחידת הזיהוי, 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 סיבים אופטיים מבוזרים חיישנים מופחתים מאוד בהשוואה לחיישנים מסורתיים.
עלויות תחזוקה ותפעול נמוכות. לכבל החישה אין חלקים נעים והוא מתוכנן עם תוחלת חיים של מעל 30 שנים. עלויות התחזוקה והתפעול נמוכות בהרבה מחיישנים מסורתיים.
כבלי חישת DTS אינם מושפעים מהפרעות אלקטרומגנטיות או רעידות
ניתן להשתמש בחיישנים אלה בבטחה באזורים מסוכנים (כוח לייזר מתחת לרמה שעלולה לגרום להצתה), מה שהופך אותם לבחירה אידיאלית עבור יישומי חישה תעשייתיים.
עיצוב כבלי חישה בסיבים אופטיים

כבלים סיבים אופטיים הם בעצם פסיביים ואין להם נקודות חישה נפרדות, כך שניתן לייצר אותם על בסיס סיבי טלקומוניקציה סטנדרטיים ובמקרים רבים, ארוז באמצעות כבלי סיבים אופטיים תקניים לתקשורת.

במקרים מסוימים, נדרשים סיבים אופטיים מיוחדים, ובדומה, נדרשת מעטפת כבלים מיוחדת. כמה שיקולים בעת תכנון כבלי חישת טמפרטורה מבוזרים כוללים:

טֶמפֶּרָטוּרָה: טמפרטורת העבודה של סיבים אופטיים וכבלים סטנדרטיים לתקשורת יכולה להגיע עד 100 °C. נוסף על כך, תזדקק לחומרי זכוכית וכבלים מיוחדים. לְדוּגמָה, בארות נפט בדרך כלל עולות 200 °C
הגנה מכנית: תלוי בסביבת הניטור הספציפית, ייתכנו רעידות גבוהות או כוחות ריסוק אפשריים, מה שידרוש שכבות כבלים נוספות כדי לספק הגנה עבור חישת סיבים אופטיים
הגנה על מימן: בסביבות מסוימות, ייתכנו רמות גבוהות של גז מימן, מה שעלול לגרום לפירוק סיבים אופטיים (או החשיכה). ניתן לספק הגנה מסוימת על ידי שימוש במימן להסרת הג'ל – אבל לזמן ארוך יותר, הסיב המיוחד עצמו בעל תכונות מיוחדות (סמים) יש להשתמש בליבה ובחיפוי של הסיב.
בטיחות לייזר ותפעול המערכת

בעת הפעלת מערכות מבוססות מדידה אופטית (כגון DTS אופטי), יש צורך לשקול דרישות בטיחות לייזר להתקנה קבועה. מערכות רבות משתמשות בעיצובי לייזר בעלי הספק נמוך, כגון אלה המסווגים כרמת בטיחות לייזר 1M, אשר ניתן ליישם על ידי כל אחד ללא צורך באנשי בטיחות לייזר מאושרים. חלק מהמערכות מבוססות על לייזרים בעלי הספק גבוה בדירוג של 3B, ולמרות שאנשי בטיחות לייזר מאושרים יכולים להשתמש בהם בבטחה, ייתכן שהם לא מתאימים להתקנה קבועה.

חיישן טמפרטורה בסיבים אופטיים, מערכת ניטור חכמה, יצרן סיבים אופטיים מבוזרים בסין