fiber optics solutions for extreme environments-INNO

蛍光光ファイバー温度センサー極限環境に適した数多くの利点を持っています:

高感度: 非常に高い感度を実現できます, 極端な環境下でも小さな温度変化を正確に感知できるようになります. 例えば, 一部の科学研究シナリオや、温度変化に非常に敏感な精密工業制御プロセスにおいて, 高感度により測定精度が保証されます.
電磁干渉の影響を受けない: 温度測定用蛍光光ファイバをベースとした, 周囲環境からの電磁干渉の影響を受けません. 強力な電磁場下での産業機器の監視, 大型変電設備の温度測定, または複雑な電磁放射環境を伴う特別な科学研究現場, この利点により、温度測定データの信頼性が保証されます。, 一方、従来の金属プローブセンサーは電磁干渉により測定誤差を引き起こす可能性があります。.
リモート測定機能: 光ファイバーの伝送距離は、測定精度に影響を与えることなく数十メートルに達することができます。. いくつかの危険な極限環境では, 高温炉や核放射線環境の近くなど, 長距離の光ファイバーを介してセンサーを測定点に設置可能, オペレーターは安全な距離からデータを収集および監視できます。; これは、火山溶岩の温度測定や深海の地熱噴出孔付近の水温測定など、アクセスが困難なシナリオにも非常に適しています。.
電源不要 (光ファイバーケーブル自体は電源を必要としません): 主なエネルギー源は光源です, 防爆または絶縁電源が必要な環境で安全かつ便利に使用できます。 (石油やガスの採掘現場など, 化学原料保管倉庫, その他の可燃性および爆発性の場所, 鉱山, 等), 電源によって引き起こされる可能性のある電気火花などの潜在的な危険を回避します。.
測定点の多様性と柔軟性: 光ファイバー内の蛍光プローブの数と位置を変更することにより, 多点または分散温度測定を容易に実現. 大規模パイプラインネットワークにおいて, 広いカバーエリアを持つ建物, 等, 包括的な温度監視の需要に応じて、複数の主要な場所にプローブをセットアップできます。, システムの柔軟性と適用性の向上.
耐食性と耐高温性: Fiber optic materials have excellent corrosion resistance and high temperature resistance, and can be used in harsh environments, withstanding high temperatures, 高圧, and corrosive chemical substances. Maintain the normal temperature measurement function of sensors in high-temperature, 高圧, and highly corrosive environments such as the combustion zone of aerospace engines, around metal smelting furnaces, and inside chemical reaction vessels.
長期安定性: The combination of fluorescent substances and optical fibers has high chemical and physical stability. Under long-term and uninterrupted monitoring requirements, such as temperature monitoring of offshore oil and gas platform equipment and environmental temperature monitoring station equipment in the Arctic region, it can work stably for a long time, メンテナンスと校正の頻度を大幅に削減, コストと人員を効果的に節約.
高精度: 蛍光物質は反応が早く、温度に対する再現性が良好です。, 急速に変化する両方の温度領域での測定結果をより正確にします (燃焼反応における温度変動など) 長期安定した温度測定要件, 高精度のデータ出力を確保.
速いデータ転送速度: 光ファイバーによるデータ伝送は非常に高速です, 迅速な対応が必要な極限環境システムでは特に重要. 例えば, ロケットエンジン点火時の温度監視, 高速データ伝送により、温度情報に関するタイムリーなフィードバックが提供され、タイムリーな意思決定と調整が可能になります。; リアルタイムまたはほぼリアルタイムの温度監視を実現できます。.
簡単な統合と自動化: 蛍光ファイバー光温度測定システムは、既存のコンピュータシステムや自動化機器と簡単に統合できます。, 温度監視の自動化とインテリジェンスの促進. 一部の最新の自動化された生産工場では, 遠隔無人監視ステーション, 等, インテリジェントな温度管理は既存のシステムに簡単に統合できます.
優れた電気絶縁性と防爆性: 蛍光ファイバー光温度測定に使用される光ファイバーセンサーは、非導電性の電気絶縁体です。. 可燃性および爆発性の環境でも, 電気火花や静電気が発生しません, 事故を引き起こす可能性があるもの. したがって, 化学物質、石油、ガスの貯蔵庫など、爆発の危険がある極限環境, its intrinsic safety is extremely high.

Distributed fiber optic temperature sensors also have their unique advantages for extreme environments:

絶縁: Optical fibers themselves are electrically insulated, inherently safe, and resistant to electromagnetic interference. This is of great significance in environmental monitoring of power systems, such as near large substations or high-voltage transmission towers. This insulation can prevent electrical accidents and ensure that temperature measurements are not affected by external electromagnetic interference, ensuring data accuracy. 分散型光ファイバー temperature sensors are capable of working in environments with electromagnetic interference risks, 落雷多発地域の電力設備の温度監視や風力発電・太陽光発電設備の運転中の温度監視など.
長距離監視: 長距離・広範囲にわたる分散型連続リアルタイム温度監視を実現できます。, 光ファイバーケーブルに沿った任意の点の温度値を正確に測定. 長距離特性を備えた極限環境, 海底光ファイバーケーブル全体の温度差監視など, 数キロメートル、場合によっては数十キロメートルの長さの石油パイプラインまたは都市暖房パイプラインシステムに沿った温度監視, ファイバーを完全にカバーし、包括的な温度情報を取得することが可能です。, 検出ポイントのレイアウトの複雑さとコストを大幅に削減します。.
耐食性: 光ファイバーコアの製造に使用される材料は二酸化ケイ素です, 光ファイバーセンサーに優れた耐食性と長寿命をもたらします。. 腐食性の高い海洋環境では, 産業排水排出パイプライン, 地下の石油とガスのパイプライン, 大量の腐食性媒体 (海水などの, 酸性およびアルカリ性溶液, 等) 密に分布している. 分散型光ファイバー温度センサーは侵食されることなく、長期間安定して温度を測定できます。.
強い柔軟性: 光ファイバーは柔軟性に優れ、設置位置も自由自在, さまざまなプロジェクトや設置位置のニーズを満たすことができます. 複雑な空間レイアウトのある環境で (such as small and irregular installation spaces for instruments and equipment inside spacecraft, and complex tunnel scenes in large water conservancy projects), optical fibers can be bent and arranged according to the actual spatial requirements, making it easier for sensors to accurately measure in extreme environments that are difficult to plan and layout. Temperature measurement in narrow spaces such as car engine compartments and airplane wings can also leverage this feature.
Obtaining multiple points of information at once: By measuring the entire fiber area in one go, a one-dimensional distribution map of the measured area can be obtained. By setting a special framework for the fiber (such as framing it into a grating shape), the two-dimensional and three-dimensional distribution of the measured area can also be determined. In large chemical storage tanks and buildings, it is necessary to conduct three-dimensional temperature field distribution detection (such as detecting the temperature distribution at different heights and areas in a large warehouse, using a three-dimensional fiber optic network to transmit and receive and measure the temperature at different locations), and overall temperature detection of the internal structure of large bridges, which can obtain multi-point and overall temperature information. This advantage is very obvious and can efficiently understand the temperature status of the entire monitoring space.
Suitable for various complex and extreme environments: Distributed fiber optic temperature sensors can adapt to various extreme environments. 例えば, in complex and diverse production scenarios in various industries such as chemical, 電子, 冶金学的な, 医薬品, 等, it can effectively work when measuring the thermal distribution field of large storage tanks storing flammable, 爆発物, gas or other substances. さらに, in large equipment such as boilers, 発電機, 等, it is difficult to install conventional sensors due to their complex structure, or conventional sensors cannot be approached due to strong electromagnetic interference, or the cost of point by point measurement is too high to be practical. Distributed fiber optic temperature sensors can play a prominent role in these extreme environments where traditional sensors are not suitable. 加えて, good temperature monitoring results can be achieved in extreme scenarios such as temperature field distribution measurement in bridges, ダム, ships, 大きな建物, 倉庫, 高圧容器, トンネル, and even aircraft and spacecraft bodies.

Basic Principles and Development of Distributed Fiber Optic Sensors

The principle of distributed 光ファイバー温度センサー is to use the Raman scattering principle of fiber optic. When the temperature of a certain part of the fiber optic changes, the scattered light is affected. Through high-speed signal acquisition and data processing technology, the location of the disturbance can be accurately located and real-time temperature alarm information can be provided. At the beginning of its development, it started with Rayleigh scattering systems based on optical time domain reflectometry (OTDR), OTDR に基づくラマン散乱システムと OTDR に基づくブリルアン散乱システムを通過. この開発プロセスにより、温度測定の精度と範囲が大幅に向上しました。. 現在のところ, 光周波数領域反射率測定法の研究 (OFDR) テクノロジーも常に深化しています. 産業上の実用化にはまだ道半ばだが, それは依然として分散型光ファイバー温度センサー技術の開発方向です. 開発に伴い, 分散型光ファイバー温度センサー全体の性能は、さまざまな極端な環境測定のニーズによりよく適応するために向上し続けています。.

ファイバーブラッググレーティング温度センサー極限環境に適した複数の利点もあります:

独自の信号搬送波とそれに伴う利点: 反射波長を信号搬送波として使用 (つまり. 波長変調), 電流や電圧の変動の影響を受けません. 信号搬送波として電流と電圧を使用する従来のセンサーとの比較, 従来の電気測定法に基づく温度センサーなど (金属抵抗ベースの温度検出器など) 超低温・強磁場環境下, 超低温では近藤効果により機能しません。 (温度プローブの抵抗が大幅に増加する), 強い電磁場下でのホール効果, と磁気抵抗効果 (ほとんどの電子部品の読み取りに強い干渉を引き起こす). ファイバーブラッググレーティング温度センサーはこの欠点を完全に回避し、通常通り温度測定を実行できます。. 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: small in size, 軽い, 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, 航空宇宙機の巨大な機体表面に多数の測定点を配置する必要性など, 大型超電導機器の表面および内部の多点温度監視 (リニアモーターカーの超電導部品, 粒子加速器超電導部品, 等). 構造物の内部または表面に埋め込みまたは貼り付けた後, 多点温度測定が可能; この機能は、複数のセンサーを配置する場合の機器の複雑さや重量負担の軽減にも役立ちます。, 厳格な重量要件を必要とする一部の最先端のアプリケーションにとって、かけがえのない利点があります。, 航空宇宙探査機器のセンサー負荷など.
電磁干渉や腐食に対する強い耐性: これは光ファイバーセンサーファミリーの共通の利点です. このセンサーは極限環境で広く使用できます, 金属精錬工場などの高温で電磁干渉の多い場所での機器の温度監視用かどうか, または、周囲の塩水噴霧や湿気の多い環境での腐食のリスクや電気的干渉による、一部の船舶電気機器の温度の検出用. 原子力などの特殊な極限環境でも安定した動作が可能, 強い電磁放射があり、潜在的な腐食の危険がある場所 (特殊な化学物質による核島の腐食性雰囲気の存在など), 原子炉の外部冷却システムパイプラインの温度監視や原子力発電所内の一部の電気機器の熱監視など.
感度と応答速度の利点: 位相敏感検出に基づくファイバーブラッググレーティング温度センサーは、サブミリケルビンレベルの超高感度を達成可能, つまり、小さな温度変化も検出できるということです (絶対零度付近の微弱な温度変動など, 生体細胞などの極微小な研究環境における温度変化), 小さな温度変化の正確な測定に適しています。. 同時に, 応答時間が速く、急激な温度変化が発生する極端なシナリオでもタイムリーで正確な温度データのフィードバックを提供できます。, such as changes in the temperature field around the detonation shock wave generated at the moment of an explosion experiment or sudden temperature changes on the surface of the irradiated object under high-energy laser irradiation. It also has broad application prospects in fields such as biomedical imaging, マイクロ流体工学, nanotechnology, which require extremely high reaction speed and measurement accuracy.

Comparison of the advantages of fiber optics solutions in extreme environments

Anti electromagnetic interference capability
蛍光ファイバー光温度センサー: Based on the principle of fluorescent fiber optic, it naturally isolates electromagnetic interference and can ensure accurate temperature measurement without being affected in extreme scenarios such as strong electromagnetic field environments, industrial plants with numerous electronic devices and complex electromagnetic environments.
分散型光ファイバー温度センサー: Fiber optic has the fundamental characteristics of electrical insulation and immunity to electromagnetic interference. In the strong electromagnetic field area related to electricity (around substations and high-voltage transmission lines), temperature measurement data is stable, without interference or deviation, and can accurately monitor temperature in factory workshops with a large number of electrical equipment generating complex electromagnetic fields.
ファイバーブラッググレーティング温度センサー: Using wavelength as the signal carrier, it avoids electromagnetic interference in current and voltage, and can stably detect temperature in extreme scenarios with high-intensity electromagnetic fields (such as around large particle accelerators, near strong electromagnetic emission equipment, 等).
In terms of extreme environmental resistance (高温, 高圧, 強い腐食, 等)
蛍光ファイバー光温度センサー: The fiber optic material is corrosion-resistant and high-temperature resistant, and can penetrate deep into industrial furnaces at high temperatures for temperature measurement up to several hundred degrees Celsius; Work normally in environments with corrosive chemicals, such as chemical reaction vessels and acid storage tanks; Suitable for temperature monitoring in high-pressure environments (such as temperature monitoring near high-pressure hot springs in deep sea).
分散型光ファイバー温度センサー: The fiber optic material is corrosion-resistant silicon dioxide, which can continuously monitor temperature in corrosive environments of chemical wastewater pipelines and around underground pipelines in saline alkali areas for decades of service life; 長距離の石油パイプラインで高温の油が熱と圧力を発生させるシナリオで、大規模な高温蒸気輸送パイプラインに沿った温度を監視するのに効果的です。; 高高度の気圧変化にさらされながら温度監視が必要な航空機や宇宙船の機体などのシナリオにも使用できます。.
ファイバーブラッググレーティング温度センサー: 小型化された統合設計により、, 高温部品の表面に貼り付けることができます (航空タービンエンジンブレードの表面温度監視用) 測定用; 特殊素材のファイバーブラッググレーティングセンサーで高温・超高温測定を解決 (サファイアファイバーブラッググレーティングセンサーなど、最高の高温を測定できます。 1600 ℃); 温度測定は、腐食のリスクを伴う厳しい海洋気候環境にある屋外の電気機器でも実行できます。 (洋上風力発電設備の外部モーター温度).

測定寸法と柔軟性
蛍光ファイバー光温度センサー: 蛍光プローブの配置を調整することで, ポイントツーマルチポイント測定が可能, これにより、さまざまなスペースでの温度測定のニーズと柔軟なレイアウト要件に対応します。. 小規模なローカル温度監視と大規模な分散点温度監視のバランスを取ることもできます。. 例えば, 工場建屋内に各種生産ライン設備の温度監視ポイントを配置する場合, 機器の配置に応じて蛍光プローブの位置を自由に設定し、温度監視レイアウトの作成・調整が可能.
分散型光ファイバー温度センサー: 光ファイバー回線全体をセンシングエリアとみなすことができます。, 長距離連続測定を一度に完了できる. 自然な分散測定特性を備えています, 特に、二次元または三次元領域での温度監視のための光ファイバーネットワークを簡単に形成できます。 (立体倉庫や高層ビルなど). さらに, 光ファイバーの柔軟性により設置位置に制限がありません, 特定の環境に応じて形状や方向が異なるチャネルや機器の間に配置して温度値を取得できます。.
ファイバーブラッググレーティング温度センサー: 複数のグレーティングを単一の光ファイバーに統合して、複数の測定点を実現できます。. しかし, 上の2つと比べて, 理論的には、単位繊維長あたりの測定点の密度がより高くなる可能性があります。. 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
蛍光ファイバー光温度センサー: It has achieved large-scale industrial production and application, with rapidly decreasing costs. 現在, it is widely used in medical diagnosis, エネルギー管理, その他の分野. 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. Introducing this sensor through infrastructure renovation does not require particularly huge cost investment.
Distributed fiber optic temperature sensors have been widely used in large-scale engineering projects (such as health monitoring of large bridge structures and long-distance pipeline temperature monitoring systems) and specific industrial scenarios (such as power plants and substation monitoring). Although its technology has developed maturely, it is hindered in the popularization of some small or cost sensitive projects due to relatively high initial investment in measurement hosts and supporting equipment, fiber optic laying, 等. しかし, with the promotion of technology, advances in materials, and the improvement of equipment integration, its application cost is also expected to decrease.
ファイバーブラッググレーティング温度センサー: It is widely used in high-end equipment manufacturing fields such as aerospace and large ship manufacturing, and also has a certain proportion of micro applications in biomedical research. Due to the limitations of fiber Bragg grating technology, especially the preparation technology of special materials such as sapphire fiber, which is mastered in a small number of units and has high costs, such as complex preparation processes and special grating writing conditions, the overall cost is high. さらに, many high-end applications still rely on imported components. If we want to apply them in general industrial scenarios or large-scale promotion of basic monitoring fields like the previous two, there are still significant cost barriers.