ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О DTS
Метод оптоволоконного распределенного измерения температуры (DTS), основанный на эффекте Рамана, был разработан в начале 1980-х годов в Саутгемптонском университете в Англии, Соединенное Королевство. Метод DTS основан на технологии оптического измерителя отражённого сигнала (OTDR) и использует методику, применяемую при тестировании телекоммуникационных кабелей.
Метод DTS основан на использовании для измерения температуры оптоволокна вместо термопар или термосопротивлений, как это обычно делалось раньше. Системы DTS являются экономичным способом получения тысяч точных, высокочувствительных измерений температуры.
Оптоволоконный метод распределенного мониторинга температуры особенно эффективен в некоторых часто встречающихся ситуациях:
Показанная ниже анимация демонстрирует основные принципы работы DTS. Более полное техническое описание методики следует после схемы. Учтите, что анимация — на английском языке.
Описание методики DTS
В DTS импульсный лазер соединен с оптическим волокном посредством направленного ответвителя. При распространении импульса через оптоволокно обратное рассеяние света зависит от изменений плотности и состава, равно как и от молекулярной вибрации и вибрации массы. В однородном оптоволокне интенсивность обратнорассеянного света экспоненциально убывает со временем.
Поскольку скорость распространения света в оптическом волокне хорошо известна, расстояние можно определить по времени возвращения обратнорассеянного света. Поскольку существуют разные механизмы взаимодействия между распространяющимся световым импульсом и оптическим волокном, обратнорассеянный свет состоит из различных спектральных компонентов.br />
Эти обратнорассеянные спектральные компоненты включают в себя пики либо полосы Релея, Бриллуэна и Рамана. Обратнорассеянный компонент Релея является самым сильным ввиду изменений плотности и состава и имеет ту же длину волны, что и исходный лазерный импульс. Компонент Релея определяет главный наклон кривой убывания интенсивности света и может быть использован для выявления разрывов и разнородности оптоволокна. Компонент Релея нечувствителен к температуре.
Обратнорассеянные компоненты Бриллуэна вызваны вибрацией пространственной решетки под воздействием распространяющегося светового импульса. Однако пики этих компонентов настолько спектрально близки к исходному лазерному импульсу, что трудно отличить компоненты Бриллуэна от сигнала Релея.
Обратнорассеянные компоненты Рамана вызваны термическим влиянием на молекулярную вибрацию, создаваемую распространяющимся световым импульсом. Таким образом, их интенсивность зависит от температуры. Обратнорассеянный свет Рамана имеет два компонента, симметричных пику Релея — стоксовский пик и антистоксовский пик.
Интенсивность антистоксовского пика ниже, чем интенсивность стоксовского пика, но она сильно связана с температурой, тогда как интенсивность стоксовского пика лишь слабо связана с температурой. Вычисляя отношение интенсивности антистоксовского сигнала к интенсивности стоксовского сигнала, мы можем точно измерить температуру. Сочетая измерение температуры с измерением расстояния по времени прохождения света, DTS создает картину измеряемой температуры по всей длине оптоволокна.
Компания SensorTran мобилизует усилия по стандартизации терминологии, относящейся к техническим характеристикам DTS и эксплуатационным параметрам. Приведенные ниже термины используются согласно определению, данному компанией SensorTran, для описания процесса работы и эксплуатационных качеств систем. Просьба иметь в виду, что не все поставщики систем DTS в настоящее время используют эти термины так, как это описано ниже. Мы рекомендуем пользователям, сравнивающим эксплуатационные данные различных изготовителей, обратить пристальное внимание на эти определения. Если требуется разъяснение терминов, обращайтесь по электронной почте в SensorTran по адресу: techinfo@sensortran.com.
Время измерений — Период времени, требующийся DTS для измерения при заданной температурной чувствительности, при заданной пространственной разрешающей способности и заданной дискретизации на заданном расстоянии с использованием данного оптоволоконного зонда.
Температурная чувствительность — Описывается как функциональный допуск для получения рабочего стандартного отклонения температурных данных, измеренных по всей длине оптоволоконного зонда для 20 точек при температуре 20C.
13-секундная температурная чувствительность (при пространственной разрешающей способности 1 м)
Стандартное отклонение температурных измерений в 20 смежных точках = STDEV (X-10:X+10)
Рабочее стандартное отклонение для 20 точек
Кривая чувствительности (с допуском в пределах стандартного отклонения)
Расстояние
Пространственная разрешающая способность — Расстояние, необходимое для измерения ступенчатого изменения температуры оптоволокна. Переход считается произошедшим, если температура сместилась от 10% изменения до 90% изменения.
Пространственная разрешающая
90% точка.
10% точка.
Выборка данных для расстояния 0,5 м (1 деление = 0,5 м)
Дискретизация — Расстояние между последовательными точками температурных данных.
Точность измерения температуры — Максимальная разница между любым рабочим средним значением температуры для 100 точек и фактической температурой по всей длине оптоволоконного зонда при постоянной температуре 20 ºC. Точность измерения температуры может быть определена только после того, как система DTS должным образом откалибрована.
Оптический ресурс (потеря) — Допустимая для DTS потеря (в дБ) в оптоволоконном зонде. Это суммарные потери в местах сращивания оптоволокна, соединительных устройствах и переключателях, а также зависящие от состояния оптоволокна в обоих направлениях (потери за счёт двунаправленности).
Рабочая температура — Это диапазон условий окружающей среды, в котором DTS может быть откалибрована, чтобы отвечать объявленным техническим характеристикам.
Температурный диапазон — Диапазон температур оптоволоконного зонда, в котором можно сконфигурировать DTS для проведения измерений. [Примечание: Разные типы оптоволоконных зондов будут иметь сильно различающиеся сроки эксплуатации, которые зависят от условий работы оптоволоконного зонда (в частности, от температуры и давления).]
Среднее потребление энергии — Среднее количество энергии, необходимое для измерения температуры при чувствительности 0,2 градуса Цельсия при измерении через каждые 10 мин. с пространственной разрешающей способностью 1 м на расстоянии 4 км (при температуре датчика 20 ºC).
Максимальное потребление энергии — Максимальное количество энергии, которую может потребить DTS.
Диапазон измерений (расстояние) — Максимальное расстояние, на котором DTS может получать данные при заданной дискретизации.
Краткосрочная устойчивость (24 часа) — Стандартное отклонение для 288 последовательных 5-минутных измерений температуры, которое вычисляется для каждой точки оптоволоконного зонда, длиной равного установленному диапазону. Максимальное стандартное отклонение сообщается как показатель краткосрочной устойчивости системы.
Метод оптоволоконного распределенного измерения температуры (DTS), основанный на эффекте Рамана, был разработан в начале 1980-х годов в Саутгемптонском университете в Англии, Соединенное Королевство. Метод DTS основан на технологии оптического измерителя отражённого сигнала (OTDR) и использует методику, применяемую при тестировании телекоммуникационных кабелей.
Метод DTS основан на использовании для измерения температуры оптоволокна вместо термопар или термосопротивлений, как это обычно делалось раньше. Системы DTS являются экономичным способом получения тысяч точных, высокочувствительных измерений температуры.
Оптоволоконный метод распределенного мониторинга температуры особенно эффективен в некоторых часто встречающихся ситуациях:
- Когда необходимо разместить большое число датчиков: Если необходимо разместить большое число датчиков температуры для непрерывного мониторинга, легкость установки оптоволоконной DTS становится очевидной. Одно оптическое волокно может заменить множество точечных датчиков, так что требуется только уложить оптоволокно таким образом, чтобы оно обеспечивало нужную зону охвата и нужную плотность измерения.
- Когда не имеется теоретических данных о размещении датчиков. Когда на проекте выполняются предварительные инженерные изыскания, не всегда возможно правильно определить необходимое расположение датчиков температуры. Высокая пространственная разрешающая способность и дальний радиус действия оптоволоконных датчиков позволяют оператору выбрать, какие части оптоволокна следует контролировать после завершения проекта.
- Когда электрический мониторинг температуры невыполним. Если существует большое количество электромагнитных помех, данные, полученные от термопар и термоэлектрических сопротивлений, могут быть искажены. Данные, получаемые от DTS, являются чисто оптическими и, следовательно, не подвержены искажению в такой среде.
- Когда электрический мониторинг температуры небезопасен. Существует опасность искрения, внутренне присущая всем электрическим системам. Если воздушной среде в зоне мониторинга грозит насыщение летучими веществами, отсутствие искрения может оказаться существенным преимуществом DTS с точки зрения безопасности.
Показанная ниже анимация демонстрирует основные принципы работы DTS. Более полное техническое описание методики следует после схемы. Учтите, что анимация — на английском языке.
Описание методики DTS
В DTS импульсный лазер соединен с оптическим волокном посредством направленного ответвителя. При распространении импульса через оптоволокно обратное рассеяние света зависит от изменений плотности и состава, равно как и от молекулярной вибрации и вибрации массы. В однородном оптоволокне интенсивность обратнорассеянного света экспоненциально убывает со временем.
Поскольку скорость распространения света в оптическом волокне хорошо известна, расстояние можно определить по времени возвращения обратнорассеянного света. Поскольку существуют разные механизмы взаимодействия между распространяющимся световым импульсом и оптическим волокном, обратнорассеянный свет состоит из различных спектральных компонентов.br />
Эти обратнорассеянные спектральные компоненты включают в себя пики либо полосы Релея, Бриллуэна и Рамана. Обратнорассеянный компонент Релея является самым сильным ввиду изменений плотности и состава и имеет ту же длину волны, что и исходный лазерный импульс. Компонент Релея определяет главный наклон кривой убывания интенсивности света и может быть использован для выявления разрывов и разнородности оптоволокна. Компонент Релея нечувствителен к температуре.
Обратнорассеянные компоненты Бриллуэна вызваны вибрацией пространственной решетки под воздействием распространяющегося светового импульса. Однако пики этих компонентов настолько спектрально близки к исходному лазерному импульсу, что трудно отличить компоненты Бриллуэна от сигнала Релея.
Обратнорассеянные компоненты Рамана вызваны термическим влиянием на молекулярную вибрацию, создаваемую распространяющимся световым импульсом. Таким образом, их интенсивность зависит от температуры. Обратнорассеянный свет Рамана имеет два компонента, симметричных пику Релея — стоксовский пик и антистоксовский пик.
Интенсивность антистоксовского пика ниже, чем интенсивность стоксовского пика, но она сильно связана с температурой, тогда как интенсивность стоксовского пика лишь слабо связана с температурой. Вычисляя отношение интенсивности антистоксовского сигнала к интенсивности стоксовского сигнала, мы можем точно измерить температуру. Сочетая измерение температуры с измерением расстояния по времени прохождения света, DTS создает картину измеряемой температуры по всей длине оптоволокна.
Словарь терминов
Компания SensorTran мобилизует усилия по стандартизации терминологии, относящейся к техническим характеристикам DTS и эксплуатационным параметрам. Приведенные ниже термины используются согласно определению, данному компанией SensorTran, для описания процесса работы и эксплуатационных качеств систем. Просьба иметь в виду, что не все поставщики систем DTS в настоящее время используют эти термины так, как это описано ниже. Мы рекомендуем пользователям, сравнивающим эксплуатационные данные различных изготовителей, обратить пристальное внимание на эти определения. Если требуется разъяснение терминов, обращайтесь по электронной почте в SensorTran по адресу: techinfo@sensortran.com.
Время измерений — Период времени, требующийся DTS для измерения при заданной температурной чувствительности, при заданной пространственной разрешающей способности и заданной дискретизации на заданном расстоянии с использованием данного оптоволоконного зонда.
Температурная чувствительность — Описывается как функциональный допуск для получения рабочего стандартного отклонения температурных данных, измеренных по всей длине оптоволоконного зонда для 20 точек при температуре 20C.
13-секундная температурная чувствительность (при пространственной разрешающей способности 1 м)Стандартное отклонение температурных измерений в 20 смежных точках = STDEV (X-10:X+10)
Рабочее стандартное отклонение для 20 точек
Кривая чувствительности (с допуском в пределах стандартного отклонения)
Расстояние
Пространственная разрешающая способность — Расстояние, необходимое для измерения ступенчатого изменения температуры оптоволокна. Переход считается произошедшим, если температура сместилась от 10% изменения до 90% изменения.
Пространственная разрешающая 90% точка.
10% точка.
Выборка данных для расстояния 0,5 м (1 деление = 0,5 м)
Дискретизация — Расстояние между последовательными точками температурных данных.
Точность измерения температуры — Максимальная разница между любым рабочим средним значением температуры для 100 точек и фактической температурой по всей длине оптоволоконного зонда при постоянной температуре 20 ºC. Точность измерения температуры может быть определена только после того, как система DTS должным образом откалибрована.
Оптический ресурс (потеря) — Допустимая для DTS потеря (в дБ) в оптоволоконном зонде. Это суммарные потери в местах сращивания оптоволокна, соединительных устройствах и переключателях, а также зависящие от состояния оптоволокна в обоих направлениях (потери за счёт двунаправленности).
Рабочая температура — Это диапазон условий окружающей среды, в котором DTS может быть откалибрована, чтобы отвечать объявленным техническим характеристикам.
Температурный диапазон — Диапазон температур оптоволоконного зонда, в котором можно сконфигурировать DTS для проведения измерений. [Примечание: Разные типы оптоволоконных зондов будут иметь сильно различающиеся сроки эксплуатации, которые зависят от условий работы оптоволоконного зонда (в частности, от температуры и давления).]
Среднее потребление энергии — Среднее количество энергии, необходимое для измерения температуры при чувствительности 0,2 градуса Цельсия при измерении через каждые 10 мин. с пространственной разрешающей способностью 1 м на расстоянии 4 км (при температуре датчика 20 ºC).
Максимальное потребление энергии — Максимальное количество энергии, которую может потребить DTS.
Диапазон измерений (расстояние) — Максимальное расстояние, на котором DTS может получать данные при заданной дискретизации.
Краткосрочная устойчивость (24 часа) — Стандартное отклонение для 288 последовательных 5-минутных измерений температуры, которое вычисляется для каждой точки оптоволоконного зонда, длиной равного установленному диапазону. Максимальное стандартное отклонение сообщается как показатель краткосрочной устойчивости системы.
| SensorTran впереди | | | ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О DTS | | | ИЗДЕЛИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ | | | МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗАГРУЗКИ | | | КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ | |
| © 2008. SensorTran. All Rights Reserved. | |||||||||