Principles and Applications of Distributed Fiber Optical Temperature Sensing-INNO

Rilevamento della temperatura distribuito in fibra ottica (DTS) è una tecnologia avanzata di monitoraggio della temperatura che utilizza fibre ottiche come componenti sensibili alla temperatura e mezzi di trasmissione del segnale per ottenere un monitoraggio continuo e in tempo reale della distribuzione della temperatura su lunghe distanze e ampi intervalli. I sistemi DTS sono tipicamente basati sul principio della riflettometria ottica nel dominio del tempo (OTDR) e l'effetto di diffusione Raman delle fibre ottiche, e ottenere informazioni sulla distribuzione della temperatura lungo la fibra analizzando i cambiamenti di intensità della luce di diffusione Raman all'indietro nella fibra.

1、I componenti principali del sistema DTS

fonte di luce
Laser: Laser pulsati ad alta potenza come Nd: Laser YAG o amplificatore in fibra drogata con Erbio (EDFA) i laser sono comunemente usati. Il segnale luminoso pulsato emesso dal laser viene trasmesso all'area misurata attraverso la fibra ottica.
Fibra ottica
Fibra di rilevamento: utilizzato per trasmettere segnali ottici e fungere da componente sensibile alla temperatura. Le fibre di rilevamento comuni includono fibre monomodali e fibre multimodali. La fibra monomodale è ampiamente utilizzata grazie alla sua bassa perdita e all'alta risoluzione.
rivelatore
Fotorilevatore: utilizzato per rilevare la luce Raman retrodiffusa che ritorna dalle fibre ottiche. I fotorivelatori comunemente usati includono tubi fotomoltiplicatori (PMT) e fotodiodi a valanga (APD).
unità di elaborazione del segnale
Scheda di acquisizione dati: utilizzato per raccogliere i segnali elettrici emessi dai fotorilevatori e convertirli in segnali digitali.
Processore di segnale: elabora i segnali digitali raccolti ed estrae informazioni sulla temperatura. Gli algoritmi comuni di elaborazione del segnale includono la trasformata di Fourier, trasformata wavelet, ecc.
sistema software
Software di analisi dei dati: utilizzato per visualizzare e analizzare i dati di distribuzione della temperatura, generare curve di temperatura e grafici di distribuzione della temperatura. I sistemi software in genere dispongono di archiviazione dati, funzioni di allarme, e funzionalità di monitoraggio remoto.
Il principio di funzionamento del sistema DTS
Principio della riflettometria ottica nel dominio del tempo (OTDR)
Il segnale luminoso pulsato emesso dal laser si propaga lungo la fibra ottica, e quando incontra punti irregolari o facce terminali nella fibra, produrrà luce retrodiffusa. Misurando il tempo di ritorno e l'intensità della luce retrodiffusa, è possibile determinare la distanza di propagazione e la posizione del segnale ottico nella fibra.
Diffusione Raman
Quando i segnali ottici si propagano nelle fibre ottiche, si verificano vari tipi di dispersione, compreso lo scattering di Rayleigh, Diffusione Brillouin, e diffusione Raman. L'intensità della luce diffusa Raman dipende dalla temperatura. Lo scattering Raman si divide in scattering Stokes e scattering Anti Stokes. The intensity of anti Stokes scattering light increases with temperature, while the intensity of Stokes scattering light does not change significantly with temperature. By measuring the intensity ratio of anti Stokes scattering light to Stokes scattering light, the temperature at each point along the fiber can be calculated.

2、Application scenarios of DTS system

Power system
Cable temperature monitoring: In high-voltage cables and cable trenches, DTS system can monitor the temperature distribution of cables in real time, detect overheating problems in a timely manner, and prevent cable damage and fire accidents.
Substation temperature monitoring: In the substation, the DTS system can monitor the temperature of equipment such as transformers and switchgear to ensure the safe operation of the equipment.
Oil and gas industry
Monitoraggio oleodotti: Negli oleodotti a lunga distanza, il sistema DTS può monitorare la distribuzione della temperatura nella pipeline in tempo reale, rilevare tempestivamente punti di perdita e anomalie di temperatura, e prevenire l’inquinamento ambientale e le perdite economiche.
Monitoraggio della temperatura dei pozzi petroliferi: Nei pozzi petroliferi, I sistemi DTS possono monitorare la distribuzione della temperatura nel sottosuolo, fornire supporto dati per l'estrazione del petrolio.
Architettura e infrastrutture
Monitoraggio della temperatura del ponte: Nei grandi ponti, I sistemi DTS possono monitorare la distribuzione della temperatura del corpo del ponte, valutare lo stato di salute del ponte, e rilevare tempestivamente potenziali rischi per la sicurezza.
Monitoraggio della temperatura del tunnel: Nei tunnel, I sistemi DTS possono monitorare la distribuzione della temperatura all'interno del tunnel per garantirne il funzionamento sicuro.
protezione dell'ambiente
Monitoraggio della temperatura del suolo: Nella ricerca agricola ed ecologica, DTS systems can monitor soil temperature distribution, provide guidance for agricultural production, and study soil microbial activity and nutrient transformation.
Water temperature monitoring: In rivers, laghi, e oceani, DTS systems can monitor the temperature distribution of water bodies and study the impacts of water ecosystems and climate change.
sicurezza antincendio
Warehouse temperature monitoring: In large warehouses, DTS systems can monitor the temperature distribution inside the warehouse, detect fire hazards in a timely manner, and prevent fire accidents.
Tunnel fire monitoring: Nei tunnel, DTS systems can monitor the temperature distribution inside the tunnel in real time, detect fires in a timely manner, and activate the fire protection system.

3、Advantages of DTS system

Long distance monitoring: Il sistema DTS può raggiungere il monitoraggio della temperatura fino a decine di chilometri, adatto per larga scala, scenari di monitoraggio della temperatura a lunga distanza.
Alta risoluzione: I sistemi DTS possono fornire dati sulla distribuzione della temperatura con elevata risoluzione spaziale, tipicamente fino a diversi metri o anche meno.
Monitoraggio in tempo reale: Il sistema DTS può ottenere un monitoraggio continuo e in tempo reale della temperatura, e rilevare tempestivamente anomalie di temperatura.
Anti interferenza elettromagnetica: Le fibre ottiche hanno buone capacità anti-interferenza elettromagnetica e sono adatte per il monitoraggio della temperatura in ambienti fortemente elettromagnetici.
Installazione semplice: L'installazione e la manutenzione del sistema DTS sono relativamente semplici ed economiche.

4、Limitazioni del sistema DTS

Costo: Sebbene il costo unitario del sistema DTS diminuisca con l'aumento della distanza di monitoraggio, il costo dell’investimento iniziale è ancora relativamente elevato.
Limitazione della precisione: The temperature measurement accuracy of DTS system is affected by various factors, such as fiber quality, environmental temperature changes, external interference, ecc.
Complex data processing: DTS systems require complex signal processing algorithms and high-performance computer systems to process large amounts of data.
summary
IL Rilevamento della temperatura distribuito in fibra ottica (DTS) system is an advanced temperature monitoring technology that utilizes the Raman scattering effect and optical time domain reflection principle of optical fibers to achieve continuous and real-time monitoring of temperature distribution over long distances and large ranges. DTS system has a wide range of applications in the fields of power system, oil and gas industry, construction and infrastructure, protezione dell'ambiente, sicurezza antincendio, ecc. It has advantages such as long-distance monitoring, alta risoluzione, monitoraggio in tempo reale, anti-interferenza elettromagnetica, and easy installation. Tuttavia, DTS systems also have limitations such as high cost, accuracy limitations, and complex data processing.