Wprowadzenie do zasady rozproszonego światłowodowego systemu pomiaru temperatury-INNO

Rozproszony system wykrywania temperatury (DTS (Biblioteka DTS) to światłowodowy przyrząd optoelektroniczny, który mierzy temperaturę na całej długości światłowodowego kabla czujnikowego. Unikalną cechą rozproszonego systemu pomiaru temperatury jest to, że zapewnia on ciągłość (lub dystrybuowane) rozkład temperatury na całej długości kabla czujnikowego, zamiast dyskretnych punktów pomiarowych, które należy wcześniej określić.

Jak działają światłowodowe czujniki temperatury

System DTS zawiera laser impulsowy, który wysyła impulsy o długości około 1 m (odpowiednik 10ns czasu) do włókna. Gdy impuls rozchodzi się wzdłuż długości światłowodu, wchodzi w interakcję ze szkłem. Ze względu na drobne wady szkła, niewielka ilość surowych impulsów laserowych jest odbijana z powrotem do systemu wykrywania DTS. Analizując światło odbite, DTS może obliczyć temperaturę zdarzenia (analizując moc odbitego światła) i miejsce wydarzenia (mierząc czas potrzebny na powrót rozproszonego światła), zazwyczaj w instrumentach.

Rozproszony kabel do pomiaru temperatury

Zazwyczaj, Technologia DTS wykorzystuje standardowe telekomunikacyjne kable światłowodowe, a specjalistyczne kable lub punkty pomiarowe są wymagane tylko do pomiarów, gdy temperatury przekraczają 100 ° C. Światłowody czujnikowe są zwykle oparte na włóknach wielomodowych, nadaje się na krótkie dystanse (do 40km) i światłowody jednomodowe, i nadaje się na duże odległości (40-100kilometr).

Pomiar temperatury światłowodem specyfikacja DTS

Rozproszone systemy wykrywania temperatury mogą zazwyczaj lokalizować temperatury w odległości od 1 metr (nazywana rozdzielczością przestrzenną), z dokładnością w zakresie ± 1 ° C i rozdzielczość wykrywania tak niska jak 0.01 ° C. Jednak, istnieje odwrotna zależność pomiędzy rozdzielczością pomiaru, zakres, i czas pobierania próbek, gdzie rozdzielczość temperaturowa maleje wraz z zakresem i wydłuża czas potrzebny na uzyskanie określonych danych pomiarowych.

Zasada pomiaru Ramana metodą rozproszonego pomiaru temperatury

Światłowód wykonany jest z domieszkowanego szkła kwarcowego, oraz gdy w włóknie transmitowany jest laser, interakcje zachodzą pomiędzy cząsteczkami optycznymi (fotony) i elektrony molekularne. Przy określonych częstotliwościach widma elektromagnetycznego (znane jako zespoły Stokesa i anty Stokesa), rozpraszanie światła (znane również jako rozpraszanie Ramana) występuje w światłowodach. Intensywność tzw. pasma anty-Stokesa zależy od temperatury, podczas gdy tak zwane pasmo Stokesa jest w rzeczywistości niezależne od temperatury. Lokalna temperatura światłowodów wynika ze stosunku anty-Stokesa i natężenia światła Stokesa.

Zasady pomiaru – Technologie OTDR i OFDR

Istnieją dwie podstawowe zasady pomiarów w technologii wykrywania rozproszonego: optyczny reflektometr w dziedzinie czasu (OTDR) i optyczny reflektometr w dziedzinie częstotliwości (OFDR).

OTDR został opracowany 20 lat temu i stał się standardem branżowym w zakresie pomiaru strat telekomunikacyjnych. Zasada OTDR jest bardzo prosta, podobny do pomiaru czasu lotu stosowanego w radarze. Zasadniczo, wąskie impulsy laserowe generowane przez lasery półprzewodnikowe lub na ciele stałym są przesyłane do włókien i analizowane pod kątem światła rozproszonego wstecznie. Począwszy od chwili, gdy światło rozproszone wstecznie powraca do jednostki detekcyjnej, można zlokalizować miejsce zdarzenia temperaturowego.

Metoda zastąpienia oceny DTS reflektometru w dziedzinie częstotliwości ze znakiem jednostkowym (OFDR). System OFDR dostarcza jedynie informacji o charakterystykach lokalnych, a następnie przeprowadza transformację Fouriera, gdy sygnał rozproszony wstecznie wykrywany w czasie pomiaru jest mierzony w sposób złożony w funkcji częstotliwości.

Zdecydowana większość dostępnych obecnie rozproszonych systemów pomiaru temperatury opiera się na technologii OTDR.

Zalety systemu DTS

Niektóre unikalne cechy rozproszonych systemów wykrywania temperatury obejmują:

Doskonałe korzyści skali. Projektanci/integratorzy systemów nie muszą martwić się o dokładną lokalizację każdego punktu detekcji, więc koszt projektowania i instalacji systemów czujnikowych opartych na rozproszony światłowód czujników jest znacznie zmniejszona w porównaniu z tradycyjnymi czujnikami.
Niskie koszty utrzymania i eksploatacji. Kabel czujnikowy nie ma ruchomych części i został zaprojektowany z myślą o żywotności ponad 30 lata. Koszty konserwacji i eksploatacji są znacznie niższe niż w przypadku tradycyjnych czujników.
Kable czujnikowe DTS nie są podatne na zakłócenia elektromagnetyczne ani wibracje
Czujniki te można bezpiecznie stosować w obszarach niebezpiecznych (moc lasera poniżej poziomu, który może spowodować zapłon), co czyni je idealnym wyborem do zastosowań przemysłowych.
Projektowanie światłowodowych kabli czujnikowych

Kable światłowodowe są zasadniczo pasywne i nie mają oddzielnych punktów detekcji, dzięki czemu mogą być produkowane w oparciu o standardowe światłowody telekomunikacyjne iw wielu przypadkach, pakowane przy użyciu standardowych telekomunikacyjnych kabli światłowodowych.

W niektórych przypadkach, wymagane są specjalistyczne światłowody, i podobnie, wymagana jest specjalistyczna hermetyzacja kabla. Niektóre kwestie do rozważenia przy projektowaniu rozproszonych kabli do pomiaru temperatury obejmują::

Temperatura: Temperatura robocza standardowych materiałów światłowodowych i kablowych telekomunikacyjnych może sięgać nawet 100 ° C. Oprócz tego, będziesz potrzebować specjalistycznych materiałów szklanych i kablowych. Na przykład, odwierty naftowe zazwyczaj przekraczają 200 ° C
Ochrona mechaniczna: W zależności od konkretnego środowiska monitorowania, mogą występować duże wibracje lub możliwe siły zgniatające, co będzie wymagało dodatkowych warstw kabli w celu zapewnienia ochrony światłowodów czujnikowych
Ochrona wodorowa: W niektórych środowiskach, może występować wysoki poziom wodoru, co może spowodować degradację światłowodu (lub przyciemnienie). Pewną ochronę można zapewnić, stosując wodór do usunięcia żelu – ale na dłuższy czas, samo specjalne włókno o specjalnych właściwościach (domieszki) w rdzeniu i płaszczu światłowodu.
Bezpieczeństwo lasera i działanie systemu

Podczas obsługi systemów opartych na pomiarach optycznych (takich jak optyczny DTS), konieczne jest uwzględnienie wymagań bezpieczeństwa lasera w przypadku instalacji stałej. Wiele systemów wykorzystuje konstrukcje laserowe o małej mocy, takie jak te sklasyfikowane jako poziom bezpieczeństwa lasera 1M, które może być stosowane przez każdego bez konieczności zatrudniania zatwierdzonego personelu zajmującego się bezpieczeństwem laserowym. Niektóre systemy opierają się na laserach dużej mocy o mocy 3B, i chociaż zatwierdzony personel zajmujący się bezpieczeństwem laserowym może z nich bezpiecznie korzystać, mogą nie nadawać się do montażu na stałe.