Làm thế nào để bạn đo nhiệt độ cáp?-INNO

Hệ thống đo nhiệt độ sợi quang phân tán đo tỷ lệ cường độ ánh sáng phản Stokes và ánh sáng Stokes thông qua hiệu ứng tán xạ Raman của các xung laser trong cáp quang, từ đó xác định được nhiệt độ tại mỗi điểm của cáp.

1、 Nguyên tắc của đo nhiệt độ cáp quang phân tán

Đo nhiệt độ cáp quang phân tán dựa trên hiệu ứng tán xạ Raman tự phát và phép đo phản xạ miền thời gian quang học (OTDR) công nghệ.
Hiệu ứng tán xạ Raman: Khi tia laser LD xung hẹp công suất cao chiếu tới sợi cảm biến, sự tương tác giữa các phân tử laser và sợi quang tạo ra ánh sáng tán xạ ngược cực kỳ yếu, bao gồm ba bước sóng: Rayleigh, chống Stokes, và ánh sáng Stokes. Trong số đó, Đèn chống Stokes nhạy cảm với nhiệt độ và có thể được sử dụng làm đèn tín hiệu; Ánh sáng Stokes không nhạy cảm với nhiệt độ và có thể được sử dụng làm ánh sáng tham chiếu. Sự dao động nhiệt của các phân tử sợi tạo ra tán xạ Raman, dẫn đến sự hình thành ánh sáng Stokes và phản ánh sáng Stokes. Cường độ của tín hiệu ánh sáng phản Stokes phụ thuộc vào nhiệt độ, và nhiệt độ của bất kỳ điểm nào trong ống dẫn sóng quang có thể được xác định bằng tỷ lệ giữa tín hiệu ánh sáng phản Stokes và cường độ tín hiệu ánh sáng Stokes. Ví dụ, khi nhiệt độ của cáp tăng lên ở một điểm nhất định, cường độ ánh sáng phản Stokes tại thời điểm đó sẽ thay đổi tương ứng. Bằng cách so sánh và tính toán với cường độ ánh sáng Stokes, giá trị nhiệt độ có thể đạt được. Phương pháp đo nhiệt độ sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman này có đặc tính là độ chính xác cao, có thể đáp ứng nhu cầu giám sát nhiệt độ cáp.
công nghệ OTDR: Việc xác định vị trí dựa trên công nghệ OTDR. Khi ánh sáng truyền trong sợi quang, tán xạ xảy ra do chiết suất không đồng đều ở cấp độ vi mô trong sợi. Bằng cách sử dụng việc thu thập dữ liệu tốc độ cao để đo thời gian phản hồi của tín hiệu phân tán, vị trí của sợi tương ứng với tín hiệu tán xạ có thể được xác định. Vì tốc độ truyền ánh sáng trong sợi quang là cố định, bằng cách đo thời gian từ khi phát ra đến khi nhận được xung ánh sáng, vị trí xảy ra tán xạ có thể được tính toán chính xác, từ đó đạt được việc định vị các điểm đo nhiệt độ dọc theo sợi quang. Ví dụ, nếu sự bất thường về nhiệt độ xảy ra tại một vị trí nhất định trên 10 cáp quang dài hàng km, Công nghệ OTDR có thể định vị chính xác tọa độ cụ thể của vị trí đó trên cáp quang. Công nghệ này cho phép cáp quang phân tán hệ thống đo nhiệt độ không chỉ đo nhiệt độ, mà còn xác định chính xác vị trí của sự bất thường về nhiệt độ, Điều này rất quan trọng đối với việc theo dõi nhiệt độ cáp vì nó có thể phát hiện kịp thời các điểm nóng cục bộ trên cáp, làm cho việc thực hiện các biện pháp tương ứng dễ dàng hơn.

Giám sát cáp quang phân tán

2、 Phương pháp đo nhiệt độ cáp quang phân tán

Lắp đặt sợi quang: Trước hết, cáp quang phải được đặt xung quanh hoặc bên trong cáp. Nếu cáp có cấu trúc nhiều lớp, chẳng hạn như một lớp dây dẫn, lớp cách nhiệt, lớp đệm, lớp chống thấm, và vỏ ngoài sắp xếp theo thứ tự từ trong ra ngoài, cần phải xem xét tác động của vị trí đặt sợi đến độ chính xác của phép đo nhiệt độ. Nói chung, sợi quang càng gần nguồn nhiệt (chẳng hạn như một lớp dây dẫn), nó càng nhạy cảm hơn với sự thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, cũng cần tránh làm hỏng sợi quang do các yếu tố vật lý trong quá trình vận hành cáp. (chẳng hạn như uốn cáp, kéo dài, vân vân.). Trong một số ứng dụng thực tế, chẳng hạn như trong đường hầm cáp, Sợi quang có thể được đặt dọc theo máng cáp hoặc song song với cáp trong rãnh cáp để đảm bảo sợi quang tiếp xúc hoàn toàn với trường nhiệt độ xung quanh cáp..
Thu thập và xử lý tín hiệu: Các xung laser xung hẹp công suất cao LD chiếu tới sợi cảm biến, tạo ra ánh sáng tán xạ ngược. Ánh sáng phản Stokes và Stokes đi qua mô-đun bộ chia WF, cô lập ánh sáng tán xạ Rayleigh, và được nhận bởi cùng một máy dò (APD). Thu được thông tin nhiệt độ bằng cách đo và tính tỉ số giữa hai cường độ ánh sáng này. Quá trình này đòi hỏi thiết bị phát hiện có độ chính xác cao và thuật toán xử lý tín hiệu để phân biệt và xử lý chính xác các tín hiệu ánh sáng tán xạ yếu.. Về mặt thu thập dữ liệu, cần đảm bảo tần suất và độ chính xác của việc thu thập dữ liệu đáp ứng yêu cầu giám sát nhiệt độ cáp. Ví dụ, trong môi trường cáp có nhiệt độ thay đổi nhanh chóng, cần có tần suất thu thập cao hơn để nắm bắt kịp thời những thay đổi động của nhiệt độ.
Tính toán và định vị nhiệt độ: Dựa vào tỷ lệ giữa cường độ ánh sáng phản Stokes và Stokes nhận được, sử dụng mô hình toán học định trước để tính giá trị nhiệt độ. Đồng thời, phép đo phản xạ miền thời gian quang học (OTDR) Công nghệ được sử dụng để xác định vị trí điểm đo nhiệt độ trên sợi quang, nhờ đó đạt được sự tương ứng một-một giữa nhiệt độ và vị trí. Khi tính nhiệt độ, cần phải xem xét tính chất quang của sợi quang, thông số của xung laser, và các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến kết quả đo. Ví dụ, tổn thất trong sợi quang, dao động công suất trong xung laser, và các yếu tố khác đều có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của tỷ lệ cường độ ánh sáng, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phép tính nhiệt độ. Về mặt định vị, cần đảm bảo độ chính xác của việc định vị để có thể tìm được chính xác vị trí tương ứng khi cáp gặp bất thường về nhiệt độ.

3、 Dụng cụ và thiết bị đo nhiệt độ cáp quang phân tán

Máy chủ đo nhiệt độ sợi quang phân tán:
Đây là thiết bị cốt lõi của hệ thống đo nhiệt độ cáp quang phân tán. Nó có thể tạo ra các xung laser xung hẹp công suất cao và ghép chúng thành các sợi cảm biến. Ví dụ, Máy chủ đo DTS8000 có thể sử dụng các xung laser bán dẫn xung hẹp tốc độ cao được ghép vào các sợi cảm biến. Bằng cách lọc, phát hiện, và thu thập dữ liệu tốc độ cao và phân tích các tín hiệu tán xạ ngược yếu trong sợi quang, nó có thể thu được tín hiệu chống Stokes nhạy cảm với nhiệt độ và tín hiệu Stokes không nhạy cảm với nhiệt độ, nhờ đó có được thông tin nhiệt độ chính xác được phân bổ dọc theo sợi quang theo thời gian thực.
Nó có các chức năng đa dạng như xử lý tín hiệu, phân tích tín hiệu, cảnh báo nhiệt độ cao, và truyền dữ liệu. Có thể xử lý và phân tích các tín hiệu quang thu được, tính toán giá trị nhiệt độ dựa trên các thuật toán cài sẵn, và xác định xem có sự bất thường về nhiệt độ hay không. Khi phát hiện tình trạng bất thường, đầu ra rơle có thể nhanh chóng điều khiển thiết bị báo động âm thanh và ánh sáng bên ngoài và các thiết bị liên kết khác để đảm bảo xử lý kịp thời và hiệu quả tình huống bất thường.
Các mẫu máy chủ đo nhiệt độ khác nhau có sự khác biệt về khoảng cách đo, độ chính xác đo lường, thời gian đo, số lượng kênh, và các khía cạnh khác. Ví dụ, một số máy chủ có thể đo khoảng cách lên tới 30KM hoặc thậm chí lâu hơn, với độ chính xác đo là ± 1 oC, thời gian đo khoảng 3-15s, Và 1-8 kênh đo lường.
Cáp quang nhiệt:
Nó vừa là vật mang tín hiệu vừa là bộ phận cảm biến nhiệt độ. Đặc tính của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và độ tin cậy của phép đo nhiệt độ. Ví dụ, cáp quang cảm biến nhiệt độ với áo giáp khai thác mỏ, chất chống cháy, và ống bó trung tâm có cường độ nén tốt (ngắn hạn 3000, lâu dài 1500) và độ bền kéo, thích hợp để theo dõi nhiệt độ cáp trong các môi trường đặc biệt như mỏ than.
Các loại sợi quang khác nhau (chẳng hạn như chế độ đơn và đa chế độ) có thể được sử dụng cho các tình huống đo lường khác nhau. Sợi quang đơn mode phù hợp để đo nhiệt độ ở khoảng cách xa và có độ chính xác cao; Sợi đa mode có lợi thế trong một số trường hợp ứng dụng nhạy cảm với khoảng cách ngắn và chi phí.
Chiều dài của cáp quang cảm biến nhiệt độ được xác định theo yêu cầu đo lường, và có thể dài tới vài km hoặc thậm chí hàng chục km, cho phép giám sát nhiệt độ liên tục của các tuyến cáp dài hơn.
Thiết bị hỗ trợ khác:
Mô-đun quang phổ WF: dùng để cô lập ánh sáng tán xạ Rayleigh, sao cho cùng một máy dò có thể nhận được ánh sáng tín hiệu chống Stokes nhạy cảm với nhiệt độ và ánh sáng tham chiếu Stokes không nhạy cảm với nhiệt độ (APD), cung cấp tín hiệu cường độ ánh sáng chính xác cho các tính toán nhiệt độ tiếp theo.
máy dò (APD): chịu trách nhiệm nhận ánh sáng tín hiệu phản Stokes và ánh sáng tham chiếu Stokes được xử lý bởi mô-đun tách, chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện để xử lý tín hiệu và tính toán nhiệt độ tiếp theo.

4、 Trường hợp thực tế đo nhiệt độ cáp quang phân tán

Ứng dụng trong phát hiện cháy hầm cáp:
Có số lượng lớn hầm cáp ở những nơi như nhà máy điện, nhà máy thép, dễ bị cháy do cáp nóng lên và lỗi. Công nghệ đo nhiệt độ sợi quang phân tán dựa trên nguyên lý đo phản xạ miền thời gian quang học (OTDR) và tán xạ Raman ngược của sợi quang, có thể chính xác, kịp thời, và liên tục theo dõi nhiệt độ bên trong hầm cáp. Ví dụ, bằng cách đặt sợi phát hiện trong đường hầm cáp, máy chủ sợi quang phát ra chùm tia laser vào cáp quang phát hiện và thu thập ánh sáng tán xạ Raman thời gian thực cùng với thông tin nhiệt độ thời gian thực tại chỗ nằm rải rác dọc theo cáp quang. Các tín hiệu ánh sáng này được phân tích và xử lý để thu được thông tin phân bố nhiệt độ trên toàn bộ cáp quang. Khi nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo đặt trước, máy chủ cáp quang phát ra âm thanh báo cháy và đèn báo, và có thể xuất thông tin cảnh báo tới bộ điều khiển báo cháy.
Thành phần của hệ thống đo nhiệt độ sợi quang phân tán bao gồm cáp quang cảm biến đặt tại chỗ, có chức năng đo nhiệt độ của khay cáp tại chỗ và nhiệt độ môi trường xung quanh; Mỗi máy chủ đo nhiệt độ sợi quang phân tán được lắp đặt trong phòng giám sát hoặc khay cáp hoặc đường hầm theo nguyên tắc lân cận (nếu được cài đặt trực tiếp trên trang web, nên chọn thiết bị ngoài trời có cấp độ bảo vệ IP66), chịu trách nhiệm thu thập và tính toán nhiệt độ đo được bằng cáp quang cảm biến theo thời gian thực; Máy chủ giám sát thu thập dữ liệu nhiệt độ từ nhiều máy chủ đo nhiệt độ, cửa hàng, hiển thị, quản lý, phân tích, xuất khẩu, và in dữ liệu bằng cách chạy phần mềm theo dõi nhiệt độ. Nó cũng có thể sử dụng giao thức Modbus để kết nối với bộ điều khiển báo cháy và gửi trực tiếp tín hiệu báo cháy đến bộ điều khiển báo cháy, đạt được sự liên kết.
Ứng dụng trong Tòa nhà Điện Truyền thông:
Việc phân phối hệ thống giám sát nhiệt độ sợi quang được sử dụng để theo dõi nhiệt độ trong phòng máy tính của tòa nhà điện truyền thông, bao gồm giám sát nhiệt độ của tủ, cáp cầu, và cáp hầm ngầm. Hệ thống bao gồm một khách hàng địa phương, máy chủ đo nhiệt độ sợi quang, cáp quang cảm biến nhiệt độ, và phần mềm đo nhiệt độ. Bằng cách cảm nhận nhiệt độ thông qua cáp quang cảm biến nhiệt độ, máy chủ đo nhiệt độ sợi quang thu thập và xử lý dữ liệu, truyền thông tin nhiệt độ đến khách hàng địa phương và phần mềm đo nhiệt độ, thực hiện theo dõi nhiệt độ thời gian thực, phân tích xu hướng, và cảnh báo và báo động từ xa, đảm bảo hoạt động thông tin liên lạc an toàn, ổn định. Ví dụ, Khi nhiệt độ khay cáp trong phòng máy tăng bất thường do tải cao, cái hệ thống giám sát nhiệt độ sợi quang phân tán có thể phát hiện sự thay đổi nhiệt độ một cách kịp thời, phân tích nó thông qua phần mềm để xác định xem nó đã đạt đến ngưỡng báo động hay chưa, và nếu nó có, phát tín hiệu báo động để thông báo cho người có liên quan đến kiểm tra, xử lý, từ đó tránh được lỗi liên lạc hoặc tai nạn an toàn như hỏa hoạn do nhiệt độ cáp cao.

5、 Các biện pháp phòng ngừa khi đo nhiệt độ cáp quang phân tán

Về lắp đặt cáp quang:
Đường đi đặt sợi quang cần được quy hoạch hợp lý để tránh bị ảnh hưởng bởi ứng suất cơ học bên ngoài. Nếu sợi quang bị uốn cong quá mức, kéo dài, hoặc bị nén trong quá trình đẻ, nó có thể làm tăng sự mất chất xơ, ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu quang, và do đó làm giảm độ chính xác của phép đo nhiệt độ. Ví dụ, khi đặt cáp quang trong rãnh cáp, cần chú ý đến việc nén sợi bằng thiết bị khác hoặc mảnh vụn trong rãnh để đảm bảo có đủ không gian cho sợi..
Phương pháp ghép nối giữa sợi quang và cáp cũng rất quan trọng. Nếu khớp nối không đúng, có thể không cảm nhận được chính xác sự thay đổi nhiệt độ của cáp. Khi lắp đặt cáp quang trên cáp, nên lựa chọn phương pháp ghép thích hợp dựa trên loại, kết cấu, và môi trường làm việc của cáp, chẳng hạn như buộc, dán, hoặc sửa chữa bằng đồ gá chuyên dụng, để đảm bảo rằng các sợi quang tiếp xúc chặt chẽ với cáp và có thể dẫn nhiệt hiệu quả.
Để lắp đặt cáp quang ở khoảng cách xa, vấn đề nối cáp quang cần được xem xét. Các điểm nối cáp quang có thể gây ra tổn thất và phản xạ, ảnh hưởng đến việc đo nhiệt độ. Vì thế, nên sử dụng thiết bị và quy trình nối chất lượng cao trong quá trình nối cáp quang để đảm bảo tổn thất tối thiểu tại điểm nối.
Về hiệu chuẩn và bảo trì hệ thống đo lường:
Hiệu chuẩn thường xuyên các hệ thống đo nhiệt độ sợi quang phân tán là chìa khóa để đảm bảo độ chính xác của phép đo. Do khả năng tác động của nhiệt độ môi trường, độ ẩm, lão hóa sợi, và các yếu tố khác về độ chính xác đo lường của hệ thống, cần phải thường xuyên hiệu chuẩn hệ thống bằng nguồn nhiệt độ chuẩn. Ví dụ, kết quả đo của hệ thống có thể được so sánh và điều chỉnh trong môi trường nhiệt độ không đổi với nhiệt độ đã biết để đảm bảo sai số đo nằm trong phạm vi cho phép.
Cần tiến hành bảo trì thường xuyên các máy đo nhiệt độ, máy dò, và các thiết bị khác. Kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị, làm sạch bề mặt của thiết bị, và ngăn ngừa bụi, hơi nước, vân vân. xâm nhập vào bên trong thiết bị và ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị. Đối với máy dò APD, Độ nhạy và tốc độ phản hồi của chúng phải được kiểm tra thường xuyên để đảm bảo thu và chuyển đổi tín hiệu quang chính xác..
Cũng nên tiến hành kiểm tra thường xuyên đối với cáp quang cảm biến nhiệt độ để kiểm tra xem có bất kỳ hư hỏng nào không., sự vỡ vụn, hoặc ăn mòn. Nếu phát hiện hư hỏng ở cáp quang, nó cần được sửa chữa hoặc thay thế kịp thời để đảm bảo tính liên tục và chính xác của phép đo nhiệt độ.
Về tác động của các yếu tố môi trường:
Những thay đổi về nhiệt độ và độ ẩm môi trường có thể ảnh hưởng đến tính chất quang của sợi quang và hiệu suất của thiết bị. Ví dụ, trong môi trường nhiệt độ cao và độ ẩm cao, sự mất mát của sợi quang có thể tăng lên, và các linh kiện điện tử bên trong thiết bị có thể bị suy giảm hoặc hỏng hóc về hiệu suất. Vì thế, khi sử dụng hệ thống đo nhiệt độ cáp quang phân tán trong môi trường này, phải thực hiện các biện pháp bảo vệ tương ứng, chẳng hạn như niêm phong, chống ẩm, và xử lý tản nhiệt của thiết bị.
Nếu có nhiễu điện từ mạnh trong môi trường đo, mặc dù bản thân sợi quang có đặc tính chống nhiễu điện từ, thiết bị điện tử trong hệ thống (chẳng hạn như máy chủ đo nhiệt độ) có thể bị ảnh hưởng. Trong trường hợp này, nên áp dụng che chắn điện từ cho các thiết bị điện tử để đảm bảo hệ thống có thể hoạt động bình thường. Đồng thời, cũng cần tránh đặt sợi quang gần nguồn bức xạ điện từ mạnh để tránh nhiễu tín hiệu quang trong sợi..