Introduction to the Principle of Distributed Fiber Optic Temperature Sensing System-INNO

Gedistribueerd temperatuurdetectiesysteem (DTS) is een opto-elektronisch glasvezelinstrument dat de temperatuur meet over de lengte van de glasvezeldetectiekabel. Het unieke kenmerk van een gedistribueerd temperatuurdetectiesysteem is dat het een continue temperatuur levert (of gedistribueerd) temperatuurverdeling over de lengte van de detectiekabel, in plaats van discrete detectiepunten die vooraf moeten worden bepaald.

Hoe glasvezeltemperatuursensoren werken

Het DTS-systeem bevat een pulslaser die pulsen van ongeveer 1 meter verzendt (gelijk aan 10 ns tijd) naar de vezel. Wanneer de puls zich voortplant langs de lengte van de optische vezel, het interageert met het glas. Wegens kleine defecten in het glas, een kleine hoeveelheid ruwe laserpulsen wordt teruggekaatst naar het DTS-detectiesysteem. Door het gereflecteerde licht te analyseren, 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

Gebruikelijk, 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 (40-100km).

Glasvezel temperatuurmeting specification for DTS

Distributed temperature sensing systems can typically locate temperatures within a distance of 1 meter (referred to as spatial resolution), with accuracy within the range of ± 1 ° C and sensing resolution as low as 0.01 ° C. Echter, there is an inverse relationship between measurement resolution, bereik, en bemonsteringstijd, where temperature resolution decreases with range and prolongs the time required to obtain specific measurement data.

Distributed temperature sensing Raman measurement principle

Fiber optic is made of doped quartz glass, and when laser is transmitted in the fiber, interactions occur between optical particles (photons) and molecular electrons. At specific frequencies in the electromagnetic spectrum (known as the Stokes and anti Stokes bands), light scattering (also known as Raman scattering) occurs in optical fibers. The intensity of the so-called anti Stokes band is temperature dependent, while the so-called Stokes band is actually temperature independent. De lokale temperatuur van optische vezels komt voort uit de verhouding tussen anti-Stokes- en Stokes-lichtintensiteit.

Meetprincipes – OTDR- en OFDR-technologieën

Er zijn twee fundamentele meetprincipes voor gedistribueerde detectietechnologie: optische tijddomeinreflectometer (OTDR) en optische frequentiedomeinreflectometer (OFDR).

OTDR is voorbij ontwikkeld 20 jaar geleden en is een industriestandaard geworden voor het meten van telecommunicatieverlies. Het principe van OTDR is heel eenvoudig, vergelijkbaar met de vliegtijdmeting die voor radar wordt gebruikt. In principe, smalle laserpulsen gegenereerd door halfgeleiders of vastestoflasers worden naar vezels gestuurd en geanalyseerd op terugverstrooid licht. Vanaf het moment dat het terugverstrooide licht terugkeert naar de detectie-eenheid, de locatie van de temperatuurgebeurtenis kan worden gelokaliseerd.

Een methode ter vervanging van de DTS-evaluatie van een unit-signed frequentiedomeinreflectometer (OFDR). Het OFDR-systeem biedt alleen informatie over lokale kenmerken en voert vervolgens Fourier-transformatie uit wanneer het terugverstrooide signaal dat gedurende de meettijd wordt gedetecteerd, op een complexe manier wordt gemeten als een functie van de frequentie.

De overgrote meerderheid van de momenteel beschikbare gedistribueerde temperatuursensorsystemen is gebaseerd op OTDR-technologie.

De voordelen van het DTS-systeem

Enkele unieke kenmerken van gedistribueerde temperatuursensorsystemen zijn onder meer::

Uitstekende schaalvoordelen. Systeemontwerpers/integrators hoeven zich geen zorgen te maken over de precieze locatie van elk detectiepunt, dus de kosten voor het ontwerpen en installeren van detectiesystemen zijn gebaseerd op gedistribueerde glasvezel sensoren is sterk verminderd in vergelijking met traditionele sensoren.
Low maintenance and operational costs. The sensing cable has no moving parts and is designed with a lifespan of over 30 jaar. The maintenance and operating costs are much lower than traditional sensors.
DTS sensing cables are not affected by electromagnetic interference or vibration
These sensors can be safely used in hazardous areas (laser power below the level that can cause ignition), making them an ideal choice for industrial sensing applications.
Design of fiber optic sensing cables

Fiber optic cables are essentially passive and do not have separate sensing points, so they can be manufactured based on standard telecommunications fibers and in many cases, packaged using standard telecommunications fiber optic cables.

In sommige gevallen, specialized optical fibers are required, and similarly, specialized cable encapsulation is required. Some considerations when designing distributed temperature sensing cables include:

Temperatuur: The working temperature of standard telecommunications fiber optic and cable materials can reach up to 100 ° C. On top of this, you will need specialized glass and cable materials. Bijvoorbeeld, oil wells typically exceed 200 ° C
Mechanical protection: Depending on the specific monitoring environment, there may be high vibrations or possible crushing forces, which will require additional cable layers to provide protection for sensing optical fibers
Hydrogen protection: In certain environments, there may be high levels of hydrogen gas, which can cause fiber optic degradation (or darkening). Some protection can be provided by using hydrogen to remove the gel – but for a longer duration, the special fiber itself with special properties (dopants) in the core and cladding of the fiber must be used.
Laser safety and system operation

When operating optical measurement based systems (such as optical DTS), it is necessary to consider laser safety requirements for permanent installation. Many systems use low-power laser designs, such as those classified as laser safety level 1M, which can be applied by anyone without the need for approved laser safety personnel. Some systems are based on high-power lasers rated at 3B, and although approved laser safety personnel can safely use them, they may not be suitable for permanent installation.