Giới thiệu nguyên lý hệ thống cảm biến nhiệt độ sợi quang phân tán

Hệ thống cảm biến nhiệt độ phân tán (DTS) is a fiber optic optoelectronic instrument that measures the temperature along the length of the fiber optic sensing cable. The unique feature of a distributed temperature sensing system is that it provides a continuous (or distributed) temperature distribution along the length of the sensing cable, rather than discrete sensing points that must be predetermined.

How fiber optic temperature sensors work

The DTS system includes a pulse laser that sends approximately 1m pulses (tương đương với 10ns thời gian) to the fiber. When the pulse propagates along the length of the optical fiber, it interacts with the glass. Due to small defects in the glass, a small amount of raw laser pulses are reflected back into the DTS sensing system. Bằng cách phân tích ánh sáng phản xạ, DTS có thể tính toán nhiệt độ của sự kiện (by analyzing the power of the reflected light) và địa điểm diễn ra sự kiện (by measuring the time it takes for the backscattered light to return), typically in instruments.

Distributed temperature sensing cable

Thường xuyên, 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 (lên tới 40km) and single-mode fibers, and suitable for long distances (40-100km).

Đo nhiệt độ sợi quang specification for DTS

Distributed temperature sensing systems can typically locate temperatures within a distance of 1 mét (referred to as spatial resolution), with accuracy within the range of ± 1 ° C và độ phân giải cảm biến thấp đến mức 0.01 ° C. Tuy nhiên, có mối quan hệ nghịch đảo giữa độ phân giải đo, phạm vi, và thời gian lấy mẫu, trong đó độ phân giải nhiệt độ giảm theo phạm vi và kéo dài thời gian cần thiết để thu được dữ liệu đo cụ thể.

Nguyên lý đo Raman cảm biến nhiệt độ phân tán

Sợi quang được làm bằng thủy tinh thạch anh pha tạp, và khi tia laser được truyền trong sợi quang, tương tác xảy ra giữa các hạt quang học (photon) và các electron phân tử. Tại các tần số cụ thể trong phổ điện từ (được gọi là ban nhạc Stokes và anti Stokes), tán xạ ánh sáng (còn được gọi là tán xạ Raman) xảy ra trong sợi quang. Cường độ của cái gọi là dải phản Stokes phụ thuộc vào nhiệt độ, trong khi cái gọi là dải Stokes thực sự không phụ thuộc vào nhiệt độ. The local temperature of optical fibers comes from the ratio of anti Stokes and Stokes light intensity.

Measurement Principles – OTDR and OFDR Technologies

There are two basic measurement principles for distributed sensing technology: optical time-domain reflectometer (OTDR) and optical frequency-domain reflectometer (OFDR).

OTDR was developed over 20 years ago and has become an industry standard for telecommunications loss measurement. The principle of OTDR is very simple, similar to the flight time measurement used for radar. Basically, narrow laser pulses generated by semiconductors or solid-state lasers are sent into fibers and analyzed for backscattered light. Starting from the time when the backscattered light returns to the detection unit, the location of the temperature event can be located.

A method to replace DTS evaluation of unit signed frequency domain reflectometer (OFDR). The OFDR system only provides information about local characteristics and then performs Fourier transform when the backscattered signal detected throughout the measurement time is measured in a complex manner as a function of frequency.

The vast majority of currently available distributed temperature sensing systems are based on OTDR technology.

The advantages of DTS system

Some unique features of distributed temperature sensing systems include:

Excellent economies of scale. System designers/integrators do not have to worry about the precise location of each sensing point, so the cost of designing and installing sensing systems based on cáp quang phân tán sensors is greatly reduced compared to traditional sensors.
Low maintenance and operational costs. The sensing cable has no moving parts and is designed with a lifespan of over 30 năm. 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.

Trong một số trường hợp, specialized optical fibers are required, and similarly, cần có vỏ bọc cáp chuyên dụng. Một số cân nhắc khi thiết kế cáp cảm biến nhiệt độ phân tán bao gồm:

Nhiệt độ: Nhiệt độ làm việc của vật liệu cáp quang và cáp viễn thông tiêu chuẩn có thể lên tới 100 ° C. Trên hết, bạn sẽ cần vật liệu kính và cáp chuyên dụng. Ví dụ, giếng dầu thường vượt quá 200 ° C
Bảo vệ cơ khí: Tùy thuộc vào môi trường giám sát cụ thể, có thể có rung động cao hoặc lực nghiền có thể xảy ra, điều này sẽ yêu cầu các lớp cáp bổ sung để bảo vệ cho các sợi quang cảm biến
Bảo vệ hydro: Trong một số môi trường nhất định, có thể có lượng khí hydro cao, có thể gây suy thoái sợi quang (hoặc tối đi). Có thể cung cấp một số biện pháp bảo vệ bằng cách sử dụng hydro để loại bỏ gel – nhưng trong thời gian dài hơn, Bản thân sợi đặc biệt có những đặc tính đặc biệt (chất kích thích) 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.

Cảm biến nhiệt độ sợi quang, Hệ thống giám sát thông minh, Nhà sản xuất cáp quang phân phối tại Trung Quốc