Волоконно-оптическое измерение температуры

Волоко́нно-опти́ческое измере́ние температу́ры (английский вариант DTS = Distributed Temperature Sensing) — применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, в котором стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков.

Основы

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

Рэлеевское и рамановское рассеяние света.

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 отличие от входящего света, обратно рассеянный свет содержит как компоненту с начальной длиной волны (обусловленную эластичным, или рэлеевским рассеянием), так и компоненты, подвергшиеся спектральному сдвигу на частоту, соответствующую резонансной частоте колебаний рассеивающих узлов (комбинационное рамановское рассеяние). Компоненты со смещённой длиной волны образуют в спектре рассеянного света линии-спутники, которые делятся на стоксовы (сдвинуты к большим длинам волн и меньшей частоте) и анти-стоксовы (сдвинуты к меньшим длинам волн и большей частоте). Амплитуда анти-стоксовой компоненты зависит от локальной температуры.

Способы измерения

Минимально достигаемое затухание в стеклянных волокнах ограничивается рассеянием света, вызываемым аморфной структурой стеклянных волокон. Нагрев вызывает усиление колебаний решётки в молекулярном комплексе кварцевого стекла. Когда свет падает на эти термически возбужденные колебания молекул, происходит взаимодействие частиц света (фотонов) и электронов молекул. В стекловолоконном материале возникает упругое (рэлеевское) рассеяние, а также дополнительное, значительно более слабое рассеяние света, так называемое комбинационное рамановское рассеяние, которое по отношению к падающему свету спектрально смещено на величину резонансной частоты колебания решётки.

Классическая техника временно́й оптической рефлектометрии (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry) основана на определении разности времени между моментами передачи светового импульса и приёма обратно-рассеянного света, а также зависимости интенсивности рассеянного света от времени (то есть от расстояния вдоль кабеля). Поскольку обратное рэлеевское рассеяние зависит от температуры, оно может быть использовано для измерения температуры по длине кабеля.

Комбинационное рамановское рассеяние значительно (на три порядка) слабее рэлеевского, поэтому оно не может быть измерено с помощью техники OTDR. Однако оно используется в более сложной технике частотной оптической рефлектометрии (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry).

Интенсивность анти-стоксовой полосы рамановского рассеяния зависит от температуры, в то время как стоксова полоса почти не зависит от температуры. Измерение локальной температуры в любом месте световода следует из отношения интенсивности анти-стоксового и стоксового света. Благодаря оптическому методу обратного комбинационного рассеяния можно измерять температуру вдоль стеклянного волокна, как функцию места и времени.

Структура системы для измерений температуры методом OFDR

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приёмного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. В соответствии с методом OFDR интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируется синусообразно, а частота — линейно. Отклонение частоты является прямой причиной для локального срабатывания рефлектометра. Частотно модулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает сигнал комбинационного рассеяния, излучаемый во всех направлениях. Часть данного сигнала движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация обратно рассеянного света, 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 рассеяния как функцию расстояния от начала кабеля. Амплитуда кривых обратного рассеяния пропорциональна интенсивности соответствующего комбинационного рассеяния. Из отношения кривых обратного рассеяния (анти-стоксовой и стоксовой) получают температуру волокна вдоль световодного кабеля. Технические спецификации системы рамановского измерения температуры могут быть оптимизированы посредством настройки параметров прибора (дальность действия, пространственное 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 обладают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Оптическое волокно 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;
• нечувствителен 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;
• компьютерный анализ, а также визуализация (параметрирование зон, пороговых значений, функций извещения и сигнализации) и передача данных;
• оценка временно́го 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.

Ссылки

• Информация VDI/VDE Технологический центр Informationstechnik GmbH — Infobörse Mikrosystemtechnik (нем.)
• 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