Распределенное измерение температуры

Распределенные системы измерения температуры ( ДТС ) представляют собой оптоэлектронные устройства, которые измеряют температуру с помощью оптических волокон и действуют как линейные датчики . Температуры регистрируются вдоль кабеля оптического датчика, то есть не в точках, а в виде непрерывного профиля. Высокая точность определения температуры достигается на больших расстояниях. Обычно системы DTS могут определять температуру с пространственным разрешением 1 м с точностью до ±1 °C при разрешении 0,01 °C. Можно контролировать расстояния измерения более 30 км, а некоторые специализированные системы могут обеспечивать еще более высокое пространственное разрешение. Термические изменения вдоль оптического волокна вызывают локальное изменение показателя преломления, что, в свою очередь, приводит к неупругому рассеянию распространяющегося по нему света. Тепло удерживается в виде колебаний молекул или решетки в материале. Молекулярные колебания на высоких частотах (10 ТГц) ответственны за комбинационное рассеяние света. Низкочастотные колебания (10–30 ГГц) вызывают рассеяние Бриллюэна. Между светом, проходящим через волокно, и самим материалом происходит обмен энергией, что приводит к сдвигу частоты падающего света. Этот сдвиг частоты затем можно использовать для измерения изменений температуры вдоль волокна. ^[1]

Принцип измерения — эффект Рамана

Физические измерения, такие как температура или давление и растягивающие силы, могут влиять на стекловолокно и локально изменять характеристики светопропускания в волокне. В результате затухания света в волокнах кварцевого стекла за счет рассеяния можно определить место внешнего физического воздействия, что позволяет использовать оптическое волокно в качестве линейного датчика.

Оптические волокна изготавливаются из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло представляет собой разновидность диоксида кремния (SiO ₂ ) с аморфной твердой структурой. Тепловые эффекты вызывают колебания решетки внутри твердого тела. Когда свет падает на эти термически возбужденные молекулярные колебания, происходит взаимодействие между легкими частицами ( фотонами ) и электронами молекулы. Рассеяние света, также известное как комбинационное рассеяние , происходит в оптическом волокне. В отличие от падающего света, этот рассеянный свет претерпевает спектральный сдвиг на величину, эквивалентную резонансной частоте колебаний решетки. Таким образом, свет, рассеянный обратно от оптоволокна, содержит три различные спектральные доли:

рэлеевское рассеяние с длиной волны используемого лазерного источника,
компоненты линии Стокса от фотонов сдвинуты в сторону более длинных волн (более низкая частота) и
компоненты антистоксовой линии с фотонами, сдвинутыми в сторону более коротких волн (более высоких частот), чем при рэлеевском рассеянии.

Интенсивность так называемой антистоксовой полосы зависит от температуры, тогда как так называемая стоксова полоса практически не зависит от температуры. Локальная температура оптического волокна определяется соотношением интенсивностей антистоксового и стоксова света.

Принцип измерения — технология OTDR и OFDR

Существует два основных принципа измерения для технологии распределенного зондирования: OTDR (оптическая рефлектометрия во временной области) и OFDR (оптическая рефлектометрия в частотной области). Для распределенного измерения температуры часто используется технология кодовой корреляции. ^[2]^[3]^[4] используется, который несет в себе элементы обоих принципов.

OTDR был разработан более 20 лет назад и стал отраслевым стандартом для измерения потерь в телекоммуникациях, который обнаруживает — по сравнению с рамановским сигналом — очень доминирующие сигналы обратного рэлеевского рассеяния . Принцип OTDR довольно прост и очень похож на измерение времени полета, используемое в радаре . По сути, узкий лазерный импульс, генерируемый полупроводниковым или твердотельным лазером, направляется в волокно и анализируется обратно рассеянный свет. По тому времени, которое потребуется обратному рассеянному свету для возвращения в блок обнаружения, можно определить место температурного события.

Альтернативные блоки оценки DTS используют метод оптической рефлектометрии частотной области ( OFDR ). Система OFDR предоставляет информацию о локальной характеристике только тогда, когда сигнал обратного рассеяния, обнаруженный в течение всего времени измерения, измеряется как функция частоты сложным образом, а затем подвергается преобразованию Фурье . Основными принципами технологии OFDR являются режим квазинепрерывной волны, используемый лазером, и узкополосное детектирование оптического сигнала обратного рассеяния. Это компенсируется технически сложным измерением комбинационного рассеяния света и достаточно сложной обработкой сигнала из-за расчета БПФ с более высокими требованиями к линейности электронных компонентов.

Кодовая корреляция DTS отправляет в волокно последовательности включения/выключения ограниченной длины. Коды выбираются так, чтобы они имели подходящие свойства, например двоичный код Голея . В отличие от технологии OTDR, оптическая энергия распределяется по коду, а не упаковывается в один импульс. Таким образом, можно использовать источник света с более низкой пиковой мощностью по сравнению с технологией OTDR, например, компактные полупроводниковые лазеры с длительным сроком службы. Обнаруженное обратное рассеяние необходимо преобразовать — аналогично технологии OFDR — обратно в пространственный профиль, например, посредством взаимной корреляции . В отличие от технологии OFDR, излучение ограничено (например, 128 бит), что позволяет избежать наложения слабых рассеянных сигналов с большого расстояния на сильные рассеянные сигналы с близкого расстояния, что улучшает дробовой шум и соотношение сигнал/шум.

Используя эти методы, можно анализировать расстояния более 30 км от одной системы и измерять температуру с разрешением менее 0,01°C.

Строительство сенсорного кабеля и системная интеграция

Система измерения температуры состоит из контроллера ( лазерного источника, генератора импульсов для OTDR или генератора кода для Code Correlation или модулятора и ВЧ- смесителя для OFDR, оптического модуля, приемника и микропроцессорного блока) и кварцевого стекловолокна для измерения температуры в форме линии. датчик . Волоконно-оптический кабель (длина может составлять 70 км) ^[5]) пассивен по своей природе и не имеет отдельных точек измерения, поэтому может быть изготовлен на основе стандартных телекоммуникационных волокон. Это обеспечивает превосходную экономию за счет масштаба. Поскольку разработчику/интегратору системы не нужно беспокоиться о точном местоположении каждой точки измерения, стоимость проектирования и установки системы измерения на основе распределенных оптоволоконных датчиков значительно снижается по сравнению с традиционными датчиками. Кроме того, поскольку сенсорный кабель не имеет движущихся частей, а расчетный срок службы превышает 30 лет, затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию также значительно ниже, чем у обычных датчиков. Дополнительные преимущества технологии оптоволоконных датчиков заключаются в том, что она невосприимчива к электромагнитным помехам , вибрации и безопасна для использования в опасных зонах (мощность лазера падает ниже уровней, которые могут вызвать воспламенение), что делает эти датчики идеальными для использования в промышленных приложениях измерения. .

Что касается конструкции сенсорного кабеля, хотя он основан на стандартном оптоволокне , при проектировании отдельного сенсорного кабеля необходимо уделить внимание, чтобы обеспечить достаточную защиту волокна. При этом необходимо учитывать рабочую температуру (стандартные кабели работают до 85 °C, но при правильной конструкции можно измерять до 700 °C), газообразную среду ( водород может привести к ухудшению результатов измерений из-за « водородного затемнения » – т. е. затухание – соединений кварцевого стекла) и механическая защита.

Большинство доступных систем DTS имеют гибкую системную архитектуру и относительно легко интегрируются в промышленные системы управления, такие как SCADA . В нефтегазовой отрасли стандарт файлов на основе XML ( WITSML был разработан ) для передачи данных из приборов DTS. Стандарт поддерживается компанией Energistics .

Лазерная безопасность и работа системы

При эксплуатации системы, основанной на оптических измерениях, такой как оптический DTS, лазерной безопасности необходимо учитывать требования для постоянных установок. Во многих системах используется лазер малой мощности, например, с классом лазерной безопасности 1M , который может применяться кем угодно (не требуются утвержденные специалисты по лазерной безопасности). Некоторые системы основаны на лазерах более высокой мощности с рейтингом 3B , которые, хотя и безопасны для использования утвержденными специалистами по лазерной безопасности, могут не подходить для постоянной установки.

Преимущество чисто пассивной технологии оптических датчиков заключается в отсутствии электрического или электромагнитного взаимодействия. Некоторые системы DTS, представленные на рынке, имеют специальную конструкцию с низким энергопотреблением и изначально безопасны во взрывоопасных средах, например, сертифицированы по директиве ATEX для зоны 0.

Для использования в системах обнаружения пожара правила обычно требуют сертифицированных систем в соответствии с соответствующими стандартами, такими как EN 54-5 или EN 54-22 (Европа), UL521 или FM (США), cUL521 (Канада) и/или другими национальными или местными стандартами. стандарты.

Для оценки температуры

Распределения температуры можно использовать для разработки моделей на основе метода правильного ортогонального разложения или анализа главных компонентов . Это позволяет восстановить распределение температуры, измеряя только в нескольких пространственных точках. ^[6]

Приложения

Распределенное измерение температуры может быть успешно внедрено в нескольких промышленных сегментах:

Добыча нефти и газа — постоянный скважинный мониторинг, развернутые системы вмешательства с использованием оптических колтюбинговых труб, развернутые системы вмешательства на тросе с оптическим кабелем.
Мониторинг силового кабеля и линии передачи ( оптимизация токовой нагрузки )
Обнаружение пожара в туннелях, ^[7] промышленные конвейерные ленты и здания особой опасности
промышленной индукционной печью Наблюдение за
Целостность сжиженного природного газа (СПГ) танкеров и терминалов
Обнаружение утечек на дамбах и плотинах
Мониторинг температуры на предприятиях и в технологических процессах, включая магистральные трубопроводы
Резервуары и емкости для хранения

стала применяться для мониторинга окружающей среды Совсем недавно DTS также :

Температура потока
Обнаружение источников подземных вод, очистка и отложение отложений
Профили температуры в стволе шахты, над озерами и ледниками
Температура окружающей среды в глубоком тропическом лесу при различной плотности листвы
Профили температуры в подземной шахте, Австралия
Температурные профили в теплообменниках с заземленным контуром (используются для заземленных систем отопления и охлаждения)

См. также

Ссылки

^ Хартог, Артур Х. (2017). Введение в распределенные оптоволоконные датчики . Бока Ратон. ISBN 978-1-138-08269-4 . OCLC 960843043 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Назарати, М.; Ньютон, ЮАР; Гиффард, Р.П.; Моберли, Д.С.; Сишка, Ф.; Трутна, WR; Фостер, С. (29 января 1989 г.). «Оптический рефлектометр с дополнительной корреляцией дальнего действия в режиме реального времени». Журнал световых технологий . 7 (1): 24–38. Бибкод : 1989JLwT....7...24N . дои : 10.1109/50.17729 .
^ Способ и устройство для проведения оптической рефлектометрии во временной области. Архивировано 5 октября 2013 г. в Wayback Machine , патент.
^ ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ СИГНАЛОВ РАССЕЯНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКА , Патент
^ Томас Лаубер; и др. (2018). «Физические ограничения распределенного рамановского измерения температуры» : WF30. дои : 10.1364/OFS.2018.WF30 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ г-н Гарсия; К. Вилас; Дж. Р. Банга; А.А. Алонсо (2007). «Оптимальная реконструкция поля распределенных технологических систем на основе частичных измерений». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 46 (2): 530–539. дои : 10.1021/ie0604167 . hdl : 10261/50413 .
^ Хенрик Хофф; и др. (2010). «Волоконно-оптический линейный тепловой детектор (DTS) обеспечивает мониторинг пожара в автомобильных и железнодорожных туннелях - 4. Международный симпозиум по безопасности и защищенности туннелей» (PDF) .

[1] Хартог, Артур Х. (2017). Введение в распределенные оптоволоконные датчики . Бока Ратон. ISBN 978-1-138-08269-4 . OCLC 960843043 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[cc_art-2] Назарати, М.; Ньютон, ЮАР; Гиффард, Р.П.; Моберли, Д.С.; Сишка, Ф.; Трутна, WR; Фостер, С. (29 января 1989 г.). «Оптический рефлектометр с дополнительной корреляцией дальнего действия в режиме реального времени». Журнал световых технологий . 7 (1): 24–38. Бибкод : 1989JLwT....7...24N . дои : 10.1109/50.17729 .

[cc_pata-3] Способ и устройство для проведения оптической рефлектометрии во временной области. Архивировано 5 октября 2013 г. в Wayback Machine , патент.

[cc_patb-4] ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ СИГНАЛОВ РАССЕЯНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКА , Патент

[5] Томас Лаубер; и др. (2018). «Физические ограничения распределенного рамановского измерения температуры» : WF30. дои : 10.1364/OFS.2018.WF30 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[6] г-н Гарсия; К. Вилас; Дж. Р. Банга; А.А. Алонсо (2007). «Оптимальная реконструкция поля распределенных технологических систем на основе частичных измерений». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 46 (2): 530–539. дои : 10.1021/ie0604167 . hdl : 10261/50413 .

[7] Хенрик Хофф; и др. (2010). «Волоконно-оптический линейный тепловой детектор (DTS) обеспечивает мониторинг пожара в автомобильных и железнодорожных туннелях - 4. Международный симпозиум по безопасности и защищенности туннелей» (PDF) .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]