Распределенные системы измерения температуры ( DTS ) - это оптоэлектронные устройства, которые измеряют температуру с помощью оптических волокон, работающих как линейные датчики . Температура регистрируется вдоль кабеля оптического датчика, поэтому не в точках, а в виде непрерывного профиля. Достигнута высокая точность определения температуры 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 даже более точное пространственное разрешение.
Принцип измерения - Рамановский эффект
Физические размеры измерения, такие как температура или давление и растягивающие усилия, могут влиять на стеклянные волокна и локально изменять характеристики светопропускания в волокне. В результате затухания света в волокнах из кварцевого стекла за счет рассеяния можно определить место внешнего физического воздействия, так что оптическое волокно можно использовать в качестве линейного датчика. Оптические волокна изготовлены из легированного кварцевого стекла. Кварцевое стекло - это форма диоксида кремния (SiO 2 ) с аморфной твердой структурой. Тепловые эффекты вызывают колебания решетки в твердом теле. Когда свет падает на эти термически возбужденные молекулярные колебания, происходит взаимодействие между легкими частицами ( фотонами ) и электронами молекулы. В оптическом волокне происходит рассеяние света, также известное как комбинационное рассеяние света . В отличие от падающего света, этот рассеянный свет претерпевает спектральный сдвиг на величину, эквивалентную резонансной частоте колебаний решетки. Следовательно, свет, рассеянный обратно от оптоволокна, имеет три различных спектральных доли:
- рэлеевское рассеяние с длиной волны лазерного источника , используемого,
- в Стокс линия компонента из фотонов смещается в большую длину волны (нижняя частота), и
- компоненты антистоксовой линии с фотонами, смещенными в сторону меньшей длины волны (более высокой частоты), чем рассеяние Рэлея.
Интенсивность так называемой антистоксовой полосы зависит от температуры, а так называемая стоксова полоса практически не зависит от температуры. Локальная температура оптического волокна определяется соотношением антистоксовой и стоксовой интенсивностей 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 [1] [2] [3] , которая содержит элементы обоих принципов.
OTDR был разработан более 20 лет назад и стал отраслевым стандартом для измерения потерь в электросвязи, который обнаруживает - по сравнению с сигналом комбинационного рассеяния - очень доминирующим - сигналы обратного рассеяния Рэлея . Принцип OTDR довольно прост и очень похож на измерение времени пролета, используемое для радара . По сути, узкий лазерный импульс, генерируемый полупроводниковыми или твердотельными лазерами , направляется в волокно и анализируется обратно рассеянный свет. С того момента, как обратный свет возвращается к блоку обнаружения, можно определить местоположение температурного события.
Альтернативные блоки оценки DTS используют метод оптической рефлектометрии ( OFDR ). Система OFDR предоставляет информацию о локальной характеристике только тогда, когда сигнал обратного рассеяния, обнаруженный в течение всего времени измерения, измеряется как функция частоты комплексным образом, а затем подвергается преобразованию Фурье . Существенными принципами технологии OFDR являются квазинепрерывный волновой режим, используемый лазером, и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеяния. Это компенсируется технически сложным измерением рамановского рассеянного света и довольно сложной обработкой сигналов из-за вычисления БПФ с более высокими требованиями к линейности для электронных компонентов.
Кодовая корреляция DTS отправляет в оптоволокно последовательности включения / выключения ограниченной длины. Коды выбираются так, чтобы иметь 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, путем взаимной корреляции . В отличие от технологии OFDR, излучение является конечным (например, 128 бит), что позволяет избежать наложения слабых рассеянных сигналов издалека на сильные рассеянные сигналы с близкого расстояния, улучшая дробовой шум и отношение сигнал / шум.
Используя эти методы, можно анализировать расстояния более 30 км от одной системы и измерять температурное разрешение менее 0,01 ° C.
Строительство сенсорного кабеля и системная интеграция
Система измерения температуры состоит из контроллера ( лазерный источник, генератор импульсов для OTDR или генератор кода для кодовой корреляции или модулятора и ВЧ- смеситель для OFDR, оптический модуль, приемник и микропроцессор) и кварцевое стекловолокно для измерения температуры в виде линии. датчик . Волоконно-оптический кабель (может иметь длину более 30 км) по своей природе пассивен и не имеет отдельных точек считывания, поэтому его можно изготавливать на основе стандартных телекоммуникационных волокон. Это дает отличный эффект масштаба. Поскольку разработчику системы / интегратору не нужно беспокоиться о точном расположении каждой точки измерения, стоимость разработки 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 и рассчитан на срок более 30 лет, затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию также значительно ниже, чем у обычных датчиков. Дополнительные преимущества волоконно-оптической сенсорной технологии 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 возгорание), что делает эти сенсоры идеальными для использования в промышленных измерительных приложениях. .
Что касается конструкции сенсорного кабеля, хотя он основан на стандартной волоконной оптике , при проектировании отдельного сенсорного кабеля необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить адекватную защиту волокна. При этом необходимо учитывать рабочую температуру (стандартные кабели работают до 85 ° C, но можно измерить до 700 ° C при правильной конструкции), газообразную среду ( водород может вызвать ухудшение измерения из-за « потемнения водорода » - также известного как затухание. - составов кварцевого стекла) и механической защиты.
Большинство доступных систем DTS имеют гибкую системную архитектуру и относительно просто интегрируются в промышленные системы управления, такие как SCADA . В нефтегазовой отрасли был разработан файловый стандарт на основе XML ( WITSML ) для передачи данных с инструментов DTS. Стандарт поддерживается Energistics .
Лазерная безопасность и эксплуатация системы
При эксплуатации системы, основанной на оптических измерениях, таких как оптический DTS, необходимо учитывать требования лазерной безопасности для стационарных установок. Во многих системах используется конструкция с маломощным лазером, например, с классификацией лазерной безопасности класса 1M , которую может применять любой (утвержденные специалисты по лазерной безопасности не требуются). Некоторые системы основаны на более мощных лазерах с рейтингом 3B , которые, хотя и безопасны для использования утвержденными специалистами по лазерной безопасности, могут не подходить для стационарных установок.
Преимущество чисто пассивной технологии оптических датчиков заключается в отсутствии электрического или электромагнитного взаимодействия. Некоторые системы DTS на рынке используют специальную конструкцию с низким энергопотреблением и изначально безопасны во взрывоопасных средах, например, сертифицированы в соответствии с директивой ATEX, зона 0.
Для использования в системах обнаружения пожара нормативы 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.
Оценка температуры с помощью DTS
Распределения температуры можно использовать для разработки моделей на основе метода правильного ортогонального разложения или анализа главных компонент . Это позволяет восстановить распределение температуры путем измерения только в нескольких пространственных точках [4]
Приложения
Распределенное измерение температуры может быть успешно развернуто в нескольких промышленных сегментах:
- Добыча нефти и газа - постоянный внутрискважинный мониторинг, развернутые системы вмешательства с оптической системой колтюбинга, развернутые системы вмешательства с помощью оптического кабеля.
- Контроль силового кабеля и линии передачи ( оптимизация допустимой нагрузки )
- Обнаружение пожара в туннелях, на промышленных конвейерных лентах и в зданиях особой опасности
- Промышленные индукционные печи наблюдения
- Целостность танкеров и терминалов сжиженного природного газа (СПГ)
- Обнаружение утечек на дамбах и плотинах
- Мониторинг температуры на предприятиях и в технологических процессах, включая трубопроводы
- Резервуары и емкости для хранения
Совсем недавно DTS стали применяться и для экологического мониторинга:
- Температура потока
- Обнаружение источника подземных вод
- Температурные профили в шахте, над озерами и ледниками
- Температура окружающей среды в глубоких тропических лесах при различной плотности листвы
- Температурные профили в подземной шахте, Австралия
- Температурные профили в теплообменниках контура заземления (используются для систем отопления и охлаждения с заземлением)
Смотрите также
- Распределенное акустическое зондирование
- Волоконная решетка Брэгга
- Волоконно-оптический датчик
- Рефлектометр во временной области
- Каротаж скважин
- WITSML
Рекомендации
- ^ Назарати, М .; Newton, SA; Giffard, RP; Moberly, DS; Сищка, Ф .; Trutna, WR; Фостер, С. (29 января 1989 г.). «Оптический рефлектометр с дополнительной корреляцией с большой дальностью в реальном времени». Журнал Lightwave Technology . 7 (1): 24–38. DOI : 10.1109 / 50.17729 .
- ^ Метод и устройство для выполнения оптической рефлектометрии во временной области. Архивировано 05 октября 2013 г. в Wayback Machine , патент.
- ^ ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ НА ОСНОВЕ СИГНАЛОВ РАССЕЯНИЯ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКА , Патент
- ^ MR García; К. Вилас; JR Banga; А.А. Алонсо (2007). «Оптимальная полевая реконструкция распределенных технологических систем по частичным измерениям». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 46 (2): 530–539. DOI : 10.1021 / ie0604167 . ЛВП : 10261/50413 .
Внешние ссылки
- Волоконно-оптическая ассоциация Волоконно-оптическая ассоциация (FOA)
- Технические переговоры по принципу технологии
- Проект по демонстрации и оценке оптоволоконных распределенных технологий измерения температуры
- SEAFOM, некоммерческая организация, продвигающая стандарты и расширяющая использование оптоволоконных датчиков в подводных приложениях.
- Распределенное измерение температуры - запатентованная технология НАСА
При обнаружении пожара
- Обширные испытания на огнестойкость подтверждают использование DTS в автомобильных и железнодорожных туннелях (бумага)
- Доклад опубликован на Международной конференции по автоматическому обнаружению пожара (AUBE'04); Дуйсбургский университет ;
- Европейская инициатива SOLIT - Безопасность жизни в туннелях
- Раннее обнаружение тлеющего огня возле конвейерных систем (бумага)
В мониторинге силового кабеля
- ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ КАБЕЛЯ 220 КВ В СЕТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА (Ji-Cable 2011)
- Практический пример: Постоянный мониторинг температуры кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена 220 кВ в Олимпийском городе 2008, Пекин
- Пример: распределительный кабель 33 кВ, мониторинг которого выполняется с помощью DTS, и моделирование с помощью RTTR (тепловые характеристики в реальном времени)
В экологическом мониторинге
- Тайлер, С.В., Селкер Дж., М. Б. Хауснер, К. Э. Хэтч, Т. Торгерсен и С. Шладов. 2009. Измерение температуры окружающей среды с использованием волоконно-оптических методов DTS спектров комбинационного рассеяния света. Water Resources Res ‹см. Tfd› doi : 10.1029 / 2008WR007052 ‹см. Tfd› .
- Селькер, Дж. С., Н. ван де Гизен, М. Вестхофф, В. Люксембург и М. Парланж. Волоконная оптика открывает окно "Потоковая динамика". Письма о геофизических исследованиях, ‹См. ТПД› doi : 10.1029 / 2006GLO27979 ‹См. Тфд› , 2006
- Селкер, Дж. С., Л. Тевеназ, Х. Хувальд, А. Маллет, В. Люксембург, Н. ван де Гизен, М. Стейскал, Дж. Земан, М. Вестхофф и М. Б. Парланж. Распределенное оптоволоконное измерение температуры для гидрологии. Системы. Water Resources Research, 42, W12202, ‹см. Tfd› doi : 10.1029 / 2006WR005326 ‹см. Tfd› , 2006
- Tyler, SW, S. Burak, J. McNamara, A. Lamontagne, J. Selker и J. Dozier. 2008. Пространственно распределенные температуры у подножия двух горных снежных покровов, измеренные с помощью оптоволоконных датчиков. Журнал гляциологии. 54 (187): 673-679
Обнаружение утечек в трубопроводе
- Пример обнаружения утечки и движения грунта в газопроводе
В мониторинге канализации
- OAC Hoes, RPS Schilperoort, WMJ L Luxembourg, FHLR Clemens и NC van de Giesen. Обнаружение незаконных подключений в ливневой канализации с помощью распределенного оптоволоконного датчика температуры. Water Research, Volume 43, Issue 20, December 2009, Pages 5187-5197 ‹См. Tfd› doi : 10.1016 / j.watres.2009.08.020 ‹См. Tfd›
- RPS Schilperoort, FHLR Clemens, Оптоволоконное распределенное измерение температуры в комбинированной канализационной системе, Water Science Technology. 2009; 60 (5): 1127-34. DOI: 10.2166 / wst.2009.467 .
- Ниенхейс Дж., Де Хаан С.Дж., Лангевельд Дж. Г., Клутвейк М., Клеменс ФХЛР. Оценка пределов обнаружения оптоволоконных распределенных датчиков температуры для обнаружения незаконных подключений. Водные науки и технологии. 2013; 67 (12): 2712-8. DOI: 10.2166 / wst.2013.176
- Лангевельд Дж. Г., де Хаан С. Дж., Клутвейк М., Шильпероорт РПС. Мониторинг работы коллектора отделения ливневой воды с распределенным измерением температуры // Водная наука и технологии. 2012; 66 (1): 145-50. DOI: 10.2166 / WST.2012.152 .
- Schilperoort RPS, Hoppe H, de Haan CJ, Langeveld JG. Поиск притока ливневых вод в сточных коллекторах с использованием оптоволоконного распределенного измерения температуры // Водная наука и технологии. 2013; 68 (8): 1723-30. DOI: 10.2166 / wst.2013.419 .
- фильм, который иллюстрирует применение DTS в канализации с помощью канализационного осьминога Royal HaskoningDHV Royal HaskoningDHV поздравляет Эгмонда ан Зее с получением Голубого флага (длинная история) и Riooloctopus, opsporen van foutieve aansluitingen vanuit het riool (короткометражный фильм о полевых работах)
- Матс Воссе, Реми Шильпероорт, Корнелис де Хаан, Яап Ниенхуис, Марсель Тирион и Йерун Лангевельд, Обработка результатов мониторинга DTS: автоматическое обнаружение незаконных подключений, Практика и технологии водоснабжения [1]