Come si misura la temperatura del cavo??

Il sistema di misurazione della temperatura distribuito in fibra ottica misura il rapporto di intensità della luce Anti Stokes e della luce Stokes attraverso l'effetto di diffusione Raman degli impulsi laser nel cavo in fibra ottica, determinando così la temperatura in ogni punto del cavo.

1、 Il principio di misurazione della temperatura distribuita del cavo in fibra ottica

La misurazione della temperatura distribuita del cavo in fibra ottica si basa sull'effetto di diffusione Raman spontaneo e sulla riflettometria ottica nel dominio del tempo (OTDR) tecnologia.
Effetto di diffusione Raman: Quando un laser LD a impulsi stretti ad alta potenza incide su una fibra di rilevamento, l'interazione tra il laser e le molecole della fibra produce una luce retrodiffusa estremamente debole, che comprende tre lunghezze d'onda: Rayleigh, anti Stokes, e la luce di Stokes. Tra loro, La luce anti Stokes è sensibile alla temperatura e può essere utilizzata come luce di segnalazione; La luce Stokes è insensibile alla temperatura e può essere utilizzata come luce di riferimento. La vibrazione termica delle molecole della fibra genera lo scattering Raman, con conseguente formazione di luce Stokes e luce anti Stokes. L'intensità del segnale luminoso anti Stokes dipende dalla temperatura, e la temperatura di qualsiasi punto nella guida d'onda ottica può essere determinata dal rapporto tra il segnale luminoso anti Stokes e l'intensità del segnale luminoso Stokes. Per esempio, quando la temperatura di un cavo aumenta ad un certo punto, l'intensità della luce anti Stokes a quel punto cambierà di conseguenza. Confrontando e calcolando con l'intensità della luce di Stokes, è possibile ottenere il valore della temperatura. Questo metodo di misurazione della temperatura utilizzando l'effetto di diffusione Raman ha la caratteristica di elevata precisione e può soddisfare le esigenze di monitoraggio della temperatura dei cavi.
Tecnologia OTDR: La determinazione della posizione si basa sulla tecnologia OTDR. Quando la luce viene trasmessa nelle fibre ottiche, lo scattering avviene a causa della microscopica disuniformità dell'indice di rifrazione nelle fibre. Utilizzando l'acquisizione dati ad alta velocità per misurare il tempo di eco dei segnali sparsi, è possibile determinare la posizione della fibra corrispondente al segnale diffuso. Perché la velocità di trasmissione della luce nelle fibre ottiche è fissa, misurando il tempo dall'emissione alla ricezione degli impulsi luminosi, la posizione in cui avviene la dispersione può essere calcolata con precisione, ottenendo così il posizionamento dei punti di misurazione della temperatura lungo la fibra ottica. Per esempio, if a temperature anomaly occurs at a certain location on a 10 kilometer long fiber optic cable, OTDR technology can accurately locate the specific coordinates of that location on the fiber optic cable. This technology enables fibra ottica distribuita temperature measurement systems to not only measure temperature, ma anche individuare con precisione la posizione delle anomalie di temperatura, which is crucial for cable temperature monitoring because it can detect local hotspots on the cable in a timely manner, making it easier to take corresponding measures.

2、 Method for Distributed Fiber Optic Measurement of Cable Temperature

Fiber optic laying: Innanzitutto, the fiber optic cable should be laid around or inside the cable. If the cable has a multi-layer structure, such as a conductor layer, insulation layer, buffer layer, waterproof layer, and outer sheath arranged in sequence from the inside out, è necessario considerare l'impatto della posizione di posa della fibra sulla precisione della misurazione della temperatura. In generale, quanto più la fibra ottica è vicina ad una possibile fonte di calore (such as a conductor layer), più è sensibile alle variazioni di temperatura. Tuttavia, è inoltre necessario evitare di danneggiare la fibra ottica per fattori fisici durante il funzionamento del cavo (come la piegatura del cavo, allungamento, ecc.). In alcune applicazioni pratiche, come nei tunnel dei cavi, le fibre ottiche possono essere posate lungo le passerelle portacavi o parallelamente ai cavi nelle trincee per garantire che le fibre ottiche possano entrare completamente in contatto con il campo di temperatura attorno ai cavi.
Acquisizione ed elaborazione del segnale: Gli impulsi laser a impulsi stretti ad alta potenza LD incidono sulla fibra di rilevamento, generando luce retrodiffusa. L'anti Stokes e la luce Stokes passano attraverso il modulo splitter WF, isolating the Rayleigh scattered light, and are received by the same detector (APD). Obtain temperature information by measuring and calculating the ratio of these two light intensities. This process requires high-precision detection equipment and signal processing algorithms to accurately distinguish and process weak scattered light signals. In terms of data collection, it is necessary to ensure that the frequency and accuracy of data collection meet the requirements of cable temperature monitoring. Per esempio, in cable environments with rapid temperature changes, a higher collection frequency is required to capture the dynamic changes in temperature in a timely manner.
Temperature calculation and positioning: Based on the ratio of the received anti Stokes and Stokes light intensities, utilizzare un modello matematico predeterminato per calcolare il valore della temperatura. Allo stesso tempo, la riflettometria ottica nel dominio del tempo (OTDR) viene utilizzata per determinare la posizione del punto di misurazione della temperatura sulla fibra ottica, ottenendo così una corrispondenza biunivoca tra temperatura e posizione. Quando si calcola la temperatura, è necessario considerare le proprietà ottiche delle fibre ottiche, parametri degli impulsi laser, e fattori ambientali che influenzano i risultati della misurazione. Per esempio, perdite nelle fibre ottiche, fluttuazioni di potenza negli impulsi laser, e altri fattori possono influenzare la precisione del rapporto di intensità luminosa, influenzando così la precisione dei calcoli della temperatura. In termini di posizionamento, è necessario garantire la precisione del posizionamento in modo che la posizione corrispondente possa essere trovata con precisione quando il cavo presenta anomalie di temperatura.

3、 Strumenti e apparecchiature per la misura distribuita in fibra ottica della temperatura dei cavi

Host di misurazione della temperatura in fibra ottica distribuita:
Questa è l'apparecchiatura principale del sistema di misurazione della temperatura distribuito in fibra ottica. Può generare impulsi laser a impulsi stretti ad alta potenza e accoppiarli a fibre di rilevamento. Per esempio, l'host di misurazione DTS8000 può utilizzare impulsi laser a semiconduttore a impulsi stretti ad alta velocità accoppiati a fibre di rilevamento. Filtrando, rilevamento, e acquisizione dati ad alta velocità e analisi di deboli segnali di backscattering nella fibra, può ottenere segnali anti Stokes sensibili alla temperatura e segnali Stokes insensibili alla temperatura, ottenendo così informazioni precise sulla temperatura distribuita lungo la fibra in tempo reale.
Ha funzioni diversificate come l'elaborazione del segnale, analisi del segnale, avviso di alta temperatura, e trasmissione dati. È possibile elaborare e analizzare i segnali ottici raccolti, calcolare il valore della temperatura in base ad algoritmi preimpostati, e determinare se ci sono anomalie di temperatura. Una volta rilevata una situazione anomala, l'uscita relè può azionare rapidamente le apparecchiature esterne di allarme acustico e luminoso e altri dispositivi di collegamento per garantire una gestione tempestiva ed efficace della situazione anomala.
Diversi modelli di host per la misurazione della temperatura presentano differenze nella distanza di misurazione, precisione della misurazione, tempo di misurazione, numero di canali, e altri aspetti. Per esempio, alcuni host possono misurare distanze fino a 30 km o anche di più, con una precisione di misurazione di ± 1 ℃, un tempo di misurazione di circa 3-15 secondi, E 1-8 canali di misura.
Thermal fiber optic cable:
È sia un vettore per la trasmissione del segnale che un elemento di rilevamento della temperatura. Le sue caratteristiche influenzano direttamente la precisione e l'affidabilità della misurazione della temperatura. Per esempio, cavi ottici per il rilevamento della temperatura con armatura mineraria, ritardante di fiamma, e il tubo del fascio centrale hanno una buona resistenza alla compressione (a breve termine 3000, a lungo termine 1500) e resistenza alla trazione, adatto per il monitoraggio della temperatura dei cavi in ​​ambienti speciali come le miniere di carbone.
Diversi tipi di fibre ottiche (come monomodale e multimodale) può essere utilizzato per diversi scenari di misurazione. La fibra monomodale è adatta per la misurazione della temperatura a lunga distanza e ad alta precisione; La fibra multimodale presenta vantaggi in alcuni scenari applicativi a breve distanza e sensibili ai costi.
La lunghezza del cavo ottico di rilevamento della temperatura è determinata in base ai requisiti di misurazione, e può essere lungo diversi chilometri o addirittura decine di chilometri, consentendo il monitoraggio continuo della temperatura di linee di cavi più lunghe.
Altre attrezzature di supporto:
Modulo spettrale WF: utilizzato per isolare la luce diffusa di Rayleigh, in modo che la luce di segnale anti Stokes sensibile alla temperatura e la luce di riferimento Stokes insensibile alla temperatura possano essere ricevute dallo stesso rilevatore (APD), fornendo segnali accurati di intensità luminosa per i successivi calcoli della temperatura.
Rivelatore (APD): responsabile della ricezione della luce di segnale anti Stokes e della luce di riferimento Stokes elaborata dal modulo di suddivisione, conversione del segnale ottico in segnale elettrico per la successiva elaborazione del segnale e calcolo della temperatura.

4、 Caso pratico di misurazione della temperatura distribuita del cavo in fibra ottica

Applicazione nella rilevazione incendi di gallerie di cavi:
There are a large number of cable tunnels in places such as power plants and steel plants, which are prone to fires due to cable heating and faults. Distributed fiber optic temperature measurement technology is based on the principles of optical time domain reflectometry (OTDR) and backward Raman scattering of optical fibers, which can accurately, timely, and continuously monitor the temperature inside cable tunnels. Per esempio, by laying the detection fiber in a cable tunnel, the fiber optic host emits a laser beam into the detection fiber optic cable and collects real-time Raman scattering light with on-site real-time temperature information scattered back along the fiber optic cable. Questi segnali luminosi vengono analizzati ed elaborati per ottenere informazioni sulla distribuzione della temperatura sull'intero cavo in fibra ottica. Quando la temperatura supera il valore di allarme preimpostato, l'host in fibra ottica emette un suono di allarme antincendio e un'indicazione luminosa, e può inviare informazioni sull'allarme al controller dell'allarme antincendio.
La composizione del sistema di misurazione della temperatura distribuito in fibra ottica comprende cavi ottici di rilevamento posati in loco, la cui funzione è quella di rilevare la temperatura della passerella portacavi in ​​cantiere e la temperatura ambiente; Ogni host di misurazione della temperatura in fibra ottica distribuita è installato nella sala di monitoraggio, nella passerella portacavi o nel tunnel secondo il principio di prossimità (se installato direttamente in cantiere, È necessario selezionare apparecchiature per esterni con un livello di protezione IP66), responsible for collecting and calculating the temperature measured by the sensing fiber optic cable in real time; Il server di monitoraggio raccoglie i dati sulla temperatura da più host di misurazione della temperatura, negozi, visualizza, gestisce, analisi, esportazioni, e stampa i dati eseguendo il software di monitoraggio della temperatura. Può anche utilizzare il protocollo Modbus per connettersi al controller di allarme antincendio e inviare direttamente segnali di allarme al controller di allarme antincendio, raggiungimento del collegamento.
Applicazione nella costruzione di energia di comunicazione:
Il distribuito sistema di monitoraggio della temperatura in fibra ottica viene utilizzato per il monitoraggio della temperatura nella sala computer dell'edificio dell'energia di comunicazione, compreso il monitoraggio della temperatura degli armadi, cavi del ponte, e cavi per tunnel sotterranei. Il sistema include un client locale, host di misurazione della temperatura in fibra ottica, cavo ottico per il rilevamento della temperatura, e software di misurazione della temperatura. Rilevando la temperatura attraverso cavi ottici di rilevamento della temperatura, l'host di misurazione della temperatura in fibra ottica raccoglie ed elabora i dati, trasmette informazioni sulla temperatura ai client locali e al software di misurazione della temperatura, realizza il monitoraggio della temperatura in tempo reale, analisi delle tendenze, e avviso e allarme remoto, garantendo un funzionamento della comunicazione sicuro e stabile. Per esempio, quando la temperatura della passerella portacavi nella sala computer aumenta in modo anomalo a causa del carico elevato, IL sistema di monitoraggio della temperatura distribuito in fibra ottica può rilevare tempestivamente il cambiamento di temperatura, analizzarlo tramite software per determinare se ha raggiunto la soglia di allarme, e se lo ha, emettere un segnale di allarme per avvisare il personale interessato per l'ispezione e la movimentazione, evitando così guasti alla comunicazione o incidenti legati alla sicurezza come incendi causati dall'elevata temperatura del cavo.

5、 Precauzioni per la misurazione della temperatura del cavo in fibra ottica distribuito

Per quanto riguarda la posa e l'installazione della fibra ottica:
Il percorso di posa delle fibre ottiche dovrebbe essere pianificato ragionevolmente per evitare di essere influenzato da sollecitazioni meccaniche esterne. Se la fibra ottica è eccessivamente piegata, allungato, o compresso durante il processo di posa, potrebbe aumentare la perdita di fibre, influenzano la trasmissione dei segnali ottici, e quindi ridurre la precisione della misurazione della temperatura. Per esempio, durante la posa delle fibre ottiche nelle trincee dei cavi, occorre prestare attenzione alla compressione delle fibre da parte di altre attrezzature o detriti nella trincea per garantire che ci sia spazio sufficiente per le fibre.
Importante è anche la modalità di accoppiamento tra fibre ottiche e cavi. Se l'accoppiamento non è corretto, potrebbe non essere possibile rilevare con precisione le variazioni di temperatura del cavo. Quando si installano le fibre ottiche sui cavi, i metodi di accoppiamento appropriati dovrebbero essere selezionati in base al tipo, struttura, e l'ambiente di lavoro del cavo, come legare, incollare, o fissaggio con attrezzature specializzate, per garantire che le fibre ottiche siano a stretto contatto con il cavo e possano condurre efficacemente il calore.
Per installazione in fibra ottica a lunga distanza, dovrebbe essere considerata la questione della giunzione della fibra ottica. I punti di giunzione della fibra ottica possono introdurre perdite e riflessioni, influenzando la misurazione della temperatura. Perciò, Durante la giunzione della fibra ottica è necessario utilizzare attrezzature e processi di giunzione di alta qualità per garantire una perdita minima nel punto di giunzione.
In termini di taratura e manutenzione dei sistemi di misura:
La calibrazione regolare dei sistemi di misurazione della temperatura distribuiti in fibra ottica è fondamentale per garantire l'accuratezza della misurazione. A causa del potenziale impatto della temperatura ambientale, umidità, invecchiamento delle fibre, e altri fattori sulla precisione di misurazione del sistema, è necessario calibrare regolarmente il sistema utilizzando una sorgente di temperatura standard. Per esempio, i risultati della misurazione del sistema possono essere confrontati e regolati in un ambiente a temperatura costante con una temperatura nota per garantire che l'errore di misurazione rientri nell'intervallo consentito.
È necessario eseguire una manutenzione regolare sugli host di misurazione della temperatura, rilevatori, e altre attrezzature. Controllare lo stato operativo dell'apparecchiatura, pulire la superficie dell'apparecchiatura, e prevenire la polvere, vapore acqueo, ecc. penetrare all'interno dell'apparecchiatura compromettendone le prestazioni. Per rilevatori APD, la loro sensibilità e velocità di risposta dovrebbero essere controllate regolarmente per garantire una ricezione e una conversione accurate dei segnali ottici.
Dovrebbero essere condotte ispezioni regolari anche sui cavi ottici di rilevamento della temperatura per verificare eventuali danni, rottura, o corrosione. Se si riscontrano danni al cavo ottico, dovrebbe essere riparato o sostituito in modo tempestivo per garantire la continuità e l'accuratezza della misurazione della temperatura.
In termini di impatto dei fattori ambientali:
I cambiamenti nella temperatura e nell'umidità ambientale possono influenzare le proprietà ottiche delle fibre ottiche e le prestazioni delle apparecchiature. Per esempio, in ambienti ad alta temperatura e alta umidità, la perdita di fibre ottiche potrebbe aumentare, e i componenti elettronici all'interno dell'apparecchiatura potrebbero subire un degrado delle prestazioni o un guasto. Perciò, quando si utilizza un sistema di misurazione della temperatura distribuito in fibra ottica in questo ambiente, dovrebbero essere adottate misure protettive corrispondenti, come la sigillatura, a prova di umidità, e trattamento di dissipazione del calore dell'apparecchiatura.
Se sono presenti forti interferenze elettromagnetiche nell'ambiente di misurazione, sebbene le fibre ottiche stesse abbiano la caratteristica di resistere alle interferenze elettromagnetiche, dispositivi elettronici nel sistema (come host di misurazione della temperatura) potrebbe essere influenzato. In questo caso, È necessario applicare una schermatura elettromagnetica ai dispositivi elettronici per garantire che il sistema possa funzionare correttamente. Allo stesso tempo, è inoltre necessario evitare di posare le fibre ottiche in prossimità di forti sorgenti di radiazioni elettromagnetiche per evitare interferenze con i segnali ottici presenti nelle fibre.

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