Волоконно-оптическое измерение температуры

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков.

Основы

Волоконно-оптические системы пригодны не только для передачи информации, но и в качестве локальных распределенных измерительных датчиков. Физические величины измерения, например, температура или давление а также сила растяжения могут воздействовать на Стекловолокно и менять свойства световодов в определённом месте. Вследствие гашения света в кварцевых стеклянных волокнах, за счёт рассеивания может быть точно определено место внешнего физического воздействия, благодаря чему, возможно применение световода в качестве линейного датчика.

Для измерения температуры с помощью световодов, изготовленных из кварцевого стекла, особенно подходит так называемый эффект Рамана. Свет в стеклянном волокне рассеивается на микроскопически малых колебаниях плотности, размер которых меньше длины волны. В обратном рассеивании можно найти, наряду с эластичной долей рассеивания (излучаемое рассеивание) на одинаковой длине волны, как проникший свет, так и дополнительные компоненты на других длинах волны, которые связаны с колебанием молекул и, тем самым с локальной температурой (комбинационное Рамановское рассеяние).

Способ измерения

За основу волоконно-оптической системы измерения температуры взят метод обратного комбинационного рассеивания. Tепловой извещатель (температурный датчик) является световодным кабелем, чувствительным к теплу и излучению. С помощью блока формирования сигнала (оптический рефлектометр Рамана) значения температуры в стеклянном волокне в световодном кабеле могут быть определены для конкретных точек. Для световодов характерно незначительное затухание. Минимально достигаемое затухание стеклянных волокон ограничивается излучаемым рассеиванием света, вызываемым аморфной структурой стеклянных волокон. Помимо излучаемого рассеивания при тепловом воздействии в стекловолоконном материале возникает дополнительное рассеивание света, так называемое комбинационное Раманское рассеивание. Температурные изменения индуцируют колебания решётки в молекулярном комплексе кварцевого стекла. Если свет падает на эти термически возбужденные колебания молекул, то происходит взаимодействие частиц света (фотонов) и электронов молекул. В световоде возникает зависимое от температуры рассеивание света (комбинационное Рамановское рассeивание), которое по отношению к падающему свету спектрально смещено на величину резонансной частоты колебания решётки.

Комбинационное Рамановское рассеивание по сравнению с излучаемым обладает лишь очень малой долей рассеивания, которой можно пренебречь, и поэтому оно не может быть измерено с помощью классической техники OTDR = оптическая рефлектометрия временной области. Интенсивность антистоковой полосы зависит от температуры, в то время как стоковая полоса почти не зависит от температуры. Измерение локальной температуры в любом месте световода следует из «отношения интенсивности антистокового и стокового света». Особенностью эффекта Рамана заключается в прямом измерении температуры с помощью шкалы Кельвина. Благодаря оптическому методу обратного комбинационного рассеивания можно измерять температуру вдоль стеклянного волокна, как функцию места и времени. Самым известным методом обратного рассеивания является метод OTDR (= Optical Time Domain Reflectometry = оптическая рефлектометрия временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания. Соотношение излучаемого рассеивания света с эффектом Рамана, сигнал обратного рассеивания при измерении комбинационного рассеянного света составляет коэффициент 1000. Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry = рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье (преобразование Фурье). Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Структура системы

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивностьлазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотномодулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка. Микропроцессор проводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результата получают кривые комбинационного обратного рассеивания как функцию длины кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеивания. Из отношения кривых обратного рассеивания получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, локальное разрешение, точность температуры, время измерения). Возможна также регулировка световодного кабеля в соответствии с возможностями конкретного случая применения. Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

Области применения

Типичными случаями применения линейных волоконных температурных датчиков являются сферы, связанные с безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях, а также склады, авиационные ангары, плавучие танкеры или склады промежуточного хранения радиоактивных веществ. Наряду с системами пожарного оповещения такие системы находят применение в других промышленных областях:

• термический контроль силовых кабелей и воздушных линий передач для оптимизации производственных отношений ;
• повышение эффективности нефтяных и газовых скважин (технологии заканчивания скважин);
• обеспечение безопасного рабочего состояния промышленных индукционных плавильных печей ;
• контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом на судах в разгрузочных терминалах ;
• обнаружение утечек на плотинах и запрудах ;
• контроль температуры при химических процессах ;
• обнаружение утечек в трубопроводах.

Спецификации и свойства

Свойства световодного датчика

• пассивен и нейтрален на участке, не оказывает влияния на температурное поле;
• компактен, малый вес, гибкий, несложный в монтаже ;
• установка также в местах, к которым впоследствии не будет доступа ;
• нечувствительнен к электромагнитным помехам ;
• отсутствует возможность заноса потенциала (на корпус), цепи возврата тока через землю и т. д. ;
• возможность эксплуатации во взрывоопасных установках ;
• комбинация со стальной трубкой: высокая степень механической защиты ;
• возможность применения в условиях высокого давления ;
• различные покрытия, например, не содержащие галогенов материалы с пониженной горючестью, отсутствие коррозии.

Преимущества метода волоконно-оптического измерения

• прямое измерение температуры по шкале Кельвина ;
• локально распределяемое измерение температуры применительно к участку, поверхности или объёму ;
• точная локализация наиболее нагретых мест ;
• возможность избыточного роста ;
• компьютерный анализ, а также визуализация (параметрирование зон, пороговых значений, функций извещения и сигнализации) и передача данных ;
• оценка временного и локального изменения температуры ;
• незначительные затраты на техническое обслуживание: системное самотестирование.

Типичные измерительные параметры волоконно-оптических систем измерения температуры

(возможны варианты в зависимости от области применения)

• дальность действия измерения: различная, до 20 км ;
• локальное разрешение: различное, от 3 м до 50 см ;
• температурное разрешение: различное, от +/- 2 °C до 0,1 °C ;
• типы оптического волокна: GI 50/125 или GI 62,5/125 (многомодовое волокно).
• волоконно-оптические выключатели: опции до 8 каналов на одном приборе.

См. также

• Температура
• Стекловолокно
• Датчик

Интернет-ссылки

• Информация VDI/VDE Технологический центр Informationstechnik GmbH — Infobörse Mikrosystemtechnik
• Публикация с международной конференции, посвященной автоматическому обнаружению пожаров AUBE04; Uni Duisburg; LIOS Technology GmbH; англ.
• Case study: Permanent Temperature Monitoring of a 220kV XLPE cable at the Olympic City 2008, Beijing; англ.
• Новые возможности: применения оптоволокна в электроэнергетике
• Системы телемониторинга температуры кабеля