Introduzione al principio del sistema di rilevamento della temperatura a fibra ottica distribuito-INNO

Sistema di rilevamento della temperatura distribuito (DTS) è uno strumento optoelettronico a fibra ottica che misura la temperatura lungo la lunghezza del cavo di rilevamento in fibra ottica. La caratteristica unica di un sistema di rilevamento della temperatura distribuito è che fornisce un flusso continuo (o distribuito) distribuzione della temperatura lungo la lunghezza del cavo di rilevamento, piuttosto che punti di rilevamento discreti che devono essere predeterminati.

Come funzionano i sensori di temperatura a fibra ottica

Il sistema DTS include un laser a impulsi che invia impulsi di circa 1 metro (equivalente a 10ns di tempo) alla fibra. Quando l'impulso si propaga lungo la lunghezza della fibra ottica, interagisce con il vetro. A causa di piccoli difetti nel vetro, una piccola quantità di impulsi laser grezzi viene riflessa nel sistema di rilevamento DTS. Analizzando la luce riflessa, DTS può calcolare la temperatura dell'evento (analizzando la potenza della luce riflessa) e il luogo dell'evento (misurando il tempo impiegato dalla luce retrodiffusa per ritornare), tipicamente negli strumenti.

Cavo di rilevamento della temperatura distribuito

Generalmente, La tecnologia DTS utilizza cavi in fibra ottica standard per telecomunicazioni, e cavi specializzati o punti di rilevamento sono necessari solo per le misurazioni quando le temperature superano 100 °C. Le fibre di rilevamento sono generalmente basate su fibre multimodali, adatto per brevi distanze (fino a 40 km) e fibre monomodali, e adatto a lunghe distanze (40-100km).

Misurazione della temperatura in fibra ottica specifica per DTS

I sistemi di rilevamento della temperatura distribuiti possono in genere individuare le temperature entro una distanza di 1 metro (denominata risoluzione spaziale), con precisione entro l'intervallo di ± 1 ° C e risoluzione di rilevamento pari a 0.01 °C. Tuttavia, esiste una relazione inversa tra la risoluzione della misurazione, allineare, e tempo di campionamento, dove la risoluzione della temperatura diminuisce con l'intervallo e prolunga il tempo necessario per ottenere dati di misurazione specifici.

Principio di misurazione Raman con rilevamento della temperatura distribuito

La fibra ottica è realizzata in vetro di quarzo drogato, e quando il laser viene trasmesso nella fibra, si verificano interazioni tra particelle ottiche (fotoni) ed elettroni molecolari. A frequenze specifiche nello spettro elettromagnetico (conosciute come le bande Stokes e anti Stokes), diffusione della luce (noto anche come diffusione Raman) avviene nelle fibre ottiche. L'intensità della cosiddetta banda anti Stokes dipende dalla temperatura, mentre la cosiddetta banda di Stokes è in realtà indipendente dalla temperatura. La temperatura locale delle fibre ottiche deriva dal rapporto tra l'intensità della luce anti Stokes e Stokes.

Principi di misurazione – Tecnologie OTDR e OFDR

Esistono due principi di misurazione di base per la tecnologia di rilevamento distribuito: riflettometro ottico nel dominio del tempo (OTDR) e riflettometro ottico nel dominio della frequenza (OFDR).

L'OTDR è stato sviluppato 20 anni fa ed è diventato uno standard industriale per la misurazione delle perdite nelle telecomunicazioni. Il principio dell'OTDR è molto semplice, simile alla misurazione del tempo di volo utilizzata per il radar. Fondamentalmente, stretti impulsi laser generati da semiconduttori o laser a stato solido vengono inviati nelle fibre e analizzati per rilevare la luce retrodiffusa. A partire dal momento in cui la luce retrodiffusa ritorna all'unità di rilevamento, è possibile localizzare la posizione dell'evento di temperatura.

Un metodo per sostituire la valutazione DTS del riflettometro nel dominio della frequenza con segno unitario (OFDR). Il sistema OFDR fornisce solo informazioni sulle caratteristiche locali e quindi esegue la trasformata di Fourier quando il segnale retrodiffuso rilevato durante il tempo di misurazione viene misurato in modo complesso in funzione della frequenza.

La stragrande maggioranza dei sistemi di rilevamento della temperatura distribuiti attualmente disponibili si basa sulla tecnologia OTDR.

I vantaggi del sistema DTS

Alcune caratteristiche uniche dei sistemi di rilevamento della temperatura distribuiti includono:

Eccellenti economie di scala. I progettisti/integratori di sistema non devono preoccuparsi della posizione precisa di ciascun punto di rilevamento, quindi il costo di progettazione e installazione di sistemi di rilevamento basato su fibra ottica distribuita sensori è notevolmente ridotto rispetto ai sensori tradizionali.
Bassi costi operativi e di manutenzione. Il cavo di rilevamento non ha parti mobili ed è progettato con una durata di oltre 30 anni. I costi di manutenzione e di esercizio sono molto inferiori rispetto ai sensori tradizionali.
I cavi di rilevamento DTS non sono influenzati da interferenze elettromagnetiche o vibrazioni
Questi sensori possono essere utilizzati in sicurezza in aree pericolose (potenza del laser al di sotto del livello che può causare l'accensione), rendendoli la scelta ideale per le applicazioni di rilevamento industriale.
Progettazione di cavi sensori in fibra ottica

I cavi in fibra ottica sono essenzialmente passivi e non hanno punti di rilevamento separati, quindi possono essere prodotti sulla base di fibre per telecomunicazioni standard e in molti casi, confezionato utilizzando cavi in fibra ottica standard per telecomunicazioni.

In alcuni casi, sono necessarie fibre ottiche specializzate, e allo stesso modo, è richiesto un incapsulamento specializzato del cavo. Alcune considerazioni durante la progettazione dei cavi di rilevamento della temperatura distribuiti includono:

Temperatura: La temperatura di esercizio delle fibre ottiche e dei materiali dei cavi standard per telecomunicazioni può raggiungere fino a 100 °C. Oltre a questo, avrai bisogno di materiali specializzati in vetro e cavi. Per esempio, i pozzi petroliferi in genere superano 200 °C
Protezione meccanica: A seconda dell'ambiente di monitoraggio specifico, potrebbero verificarsi forti vibrazioni o possibili forze di schiacciamento, che richiederà ulteriori strati di cavo per fornire protezione per il rilevamento delle fibre ottiche
Protezione dall'idrogeno: In determinati ambienti, potrebbero esserci livelli elevati di gas idrogeno, che può causare il degrado della fibra ottica (o oscuramento). Una certa protezione può essere fornita utilizzando idrogeno per rimuovere il gel – ma per una durata più lunga, la fibra speciale stessa con proprietà speciali (droganti) nel nucleo e nel rivestimento della fibra.
Sicurezza del laser e funzionamento del sistema

Quando si utilizzano sistemi basati su misurazioni ottiche (come il DTS ottico), è necessario considerare i requisiti di sicurezza del laser per l'installazione permanente. Molti sistemi utilizzano design laser a bassa potenza, come quelli classificati come livello di sicurezza laser 1M, che può essere applicato da chiunque senza la necessità di personale di sicurezza laser approvato. Alcuni sistemi sono basati su laser ad alta potenza classificati 3B, e sebbene il personale autorizzato alla sicurezza laser possa utilizzarli in sicurezza, potrebbero non essere adatti per l'installazione permanente.