Principles and Applications of Distributed Fiber Optical Temperature Sensing-INNO

Sensor Distribuído de Temperatura por Fibra Óptica (ETED) é uma tecnologia avançada de monitoramento de temperatura que utiliza fibras ópticas como componentes sensíveis à temperatura e meios de transmissão de sinal para obter monitoramento contínuo e em tempo real da distribuição de temperatura em longas distâncias e grandes alcances. Os sistemas DTS são normalmente baseados no princípio da reflectometria óptica no domínio do tempo (OTDR) e o efeito de espalhamento Raman de fibras ópticas, e obter informações de distribuição de temperatura ao longo da fibra, analisando as mudanças de intensidade da luz de dispersão Raman reversa na fibra.

1、Os principais componentes do sistema DTS

fonte de luz
Laser: Lasers pulsados de alta potência, como Nd: Lasers YAG ou amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) lasers são comumente usados. O sinal de luz pulsada emitido pelo laser é transmitido para a área medida através de fibra óptica.
Fibra óptica
Detecção de fibra: usado para transmitir sinais ópticos e servir como um componente sensível à temperatura. Fibras de detecção comuns incluem fibras monomodo e fibras multimodo. A fibra monomodo é amplamente utilizada devido à sua baixa perda e alta resolução.
detector
Fotodetector: usado para detectar luz Raman retroespalhada retornando de fibras ópticas. Os fotodetectores comumente usados incluem tubos fotomultiplicadores (PMT) e fotodiodos de avalanche (DPA).
unidade de processamento de sinal
Cartão de aquisição de dados: usado para coletar sinais elétricos emitidos por fotodetectores e convertê-los em sinais digitais.
Processador de sinal: processa os sinais digitais coletados e extrai informações de temperatura. Algoritmos comuns de processamento de sinal incluem transformada de Fourier, transformada wavelet, etc..
sistema de software
Software de análise de dados: usado para exibir e analisar dados de distribuição de temperatura, generate temperature curves and temperature distribution graphs. Software systems typically have data storage, funções de alarme, e recursos de monitoramento remoto.
The working principle of DTS system
Principle of Optical Time Domain Reflectometry (OTDR)
The pulse light signal emitted by the laser propagates along the optical fiber, and when it encounters uneven points or end faces in the fiber, it will produce backscattered light. By measuring the return time and intensity of backscattered light, the propagation distance and position of the optical signal in the fiber can be determined.
Dispersão Raman
Quando os sinais ópticos se propagam em fibras ópticas, various types of scattering occur, incluindo espalhamento Rayleigh, Dispersão de Brillouin, e espalhamento Raman. A intensidade da luz espalhada Raman depende da temperatura. Raman scattering is divided into Stokes scattering and Anti Stokes scattering. 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, a temperatura em cada ponto ao longo da fibra pode ser calculada.

2、Application scenarios of DTS system

Sistema de energia
Monitoramento de temperatura do cabo: 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
Oil pipeline monitoring: In long-distance oil pipelines, the DTS system can monitor the temperature distribution of the pipeline in real time, detect leakage points and temperature anomalies in a timely manner, and prevent environmental pollution and economic losses.
Oil well temperature monitoring: Em poços de petróleo, DTS systems can monitor the temperature distribution underground, providing data support for oil extraction.
Architecture and Infrastructure
Bridge temperature monitoring: In large bridges, DTS systems can monitor the temperature distribution of the bridge body, evaluate the health status of the bridge, and promptly detect potential safety hazards.
Tunnel temperature monitoring: In tunnels, DTS systems can monitor the temperature distribution inside the tunnel to ensure its safe operation.
proteção ambiental
Monitoramento da temperatura do solo: Na pesquisa agrícola e ecológica, DTS systems can monitor soil temperature distribution, provide guidance for agricultural production, and study soil microbial activity and nutrient transformation.
Monitoramento da temperatura da água: In rivers, lagos, e oceanos, DTS systems can monitor the temperature distribution of water bodies and study the impacts of water ecosystems and climate change.
segurança contra incêndio
Monitoramento de temperatura do armazém: Em grandes armazéns, Os sistemas DTS podem monitorar a distribuição de temperatura dentro do armazém, detectar riscos de incêndio em tempo hábil, e prevenir acidentes de incêndio.
Monitoramento de incêndio em túneis: In tunnels, Os sistemas DTS podem monitorar a distribuição de temperatura dentro do túnel em tempo real, detectar incêndios em tempo hábil, e ativar o sistema de proteção contra incêndio.

3、Vantagens do sistema DTS

Monitoramento de longa distância: O sistema DTS pode monitorar a temperatura por até dezenas de quilômetros, adequado para grande escala, cenários de monitoramento de temperatura de longa distância.
Alta resolução: Os sistemas DTS podem fornecer dados de distribuição de temperatura com alta resolução espacial, normalmente até vários metros ou até menos.
Monitoramento em tempo real: O sistema DTS pode obter monitoramento contínuo e em tempo real da temperatura, e detectar anomalias de temperatura em tempo hábil.
Interferência anti-eletromagnética: Optical fibers have good anti electromagnetic interference capabilities and are suitable for temperature monitoring in strong electromagnetic environments.
Fácil instalação: The installation and maintenance of DTS system are relatively simple and cost-effective.

4、Limitations of DTS system

Custo: Although the unit cost of DTS system decreases with the increase of monitoring distance, the initial investment cost is still relatively high.
Accuracy limitation: The temperature measurement accuracy of DTS system is affected by various factors, such as fiber quality, environmental temperature changes, external interference, etc..
Complex data processing: DTS systems require complex signal processing algorithms and high-performance computer systems to process large amounts of data.
resumo
O Sensor Distribuído de Temperatura por Fibra Óptica (ETED) 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, proteção ambiental, segurança contra incêndio, etc.. It has advantages such as long-distance monitoring, alta resolução, monitoramento em tempo real, interferência anti-eletromagnética, e fácil instalação. No entanto, DTS systems also have limitations such as high cost, accuracy limitations, and complex data processing.