Sensores de temperatura distribuido

Distribuye sistemas de detección de temperatura (DTS) son optoelectrónicos dispositivos que medir temperaturas por medio de fibras ópticas funcionamiento tan lineal sensores de. Las temperaturas se registran a lo largo del cable del sensor óptico, por lo tanto no en puntos, pero como un perfil continuo. Se logra una alta exactitud de determinación de temperatura a grandes distancias. Típicamente los sistemas DTS pueden localizar la temperatura a una resolución espacial de 1 m con exactitud de ± 1 ° C con una resolución de 0,01 ° C. medición distancias superiores a 30 km se puede supervisar y algunos sistemas especializados pueden proporcionar incluso más estrictas de las resoluciones espaciales.

Principio de medición: efecto de Raman

Dimensiones físicas de la medida, tales como temperatura o presión y resistencia a la tracción las fuerzas, puede afectar a fibras de vidrio y localmente cambian las características de transmisión de la luz en la fibra. Como resultado de la de amortiguación de la luz en las fibras de vidrio de cuarzo a través de dispersión, puede determinarse la ubicación de un efecto físico externo para que la fibra óptica se puede emplear como sensor lineal. Fibras ópticas se hacen de vidrio de cuarzo dopado. Cristal de cuarzo es una forma de dióxido de silicio (SiO₂) con estructura sólida amorfa. Efectos térmicos inducen oscilaciones enrejado dentro del sólido. Cuando la luz incide sobre estas oscilaciones moleculares térmicamente excitadas, una interacción se produce entre las (partículas ligerasfotones) y los electrones de la molécula. Luz dispersa, también conocido como Raman scattering, se produce en la fibra óptica. A diferencia de la luz incidente, esta luz dispersada sufre un cambio espectral por un monto equivalente a la frecuencia de resonancia de la oscilación del enrejado. La luz dispersada de la fibra óptica por lo tanto contiene tres diferentes acciones espectrales:

• el Dispersión de Rayleigh con la longitud de onda de la fuente del láser utilizado,
• el Línea de Stokes componentes de fotones a longitud de onda más larga (baja frecuencia), y
• los componentes de la línea anti-Stokes con fotones a longitud de onda más corta (mayor frecuencia) que la dispersión de Rayleigh.

La intensidad de la banda llamada anti-Stokes es dependiente de la temperatura, mientras que la llamada banda de Stokes es prácticamente independiente de la temperatura. La temperatura local de la fibra óptica se deriva de la relación de intensidades luminosas Stokes y anti-Stokes.

Principio de medición, tecnología de OTDR y OFDR

Hay dos principios básicos de medición por tecnología de detección distribuida, OTDR (Reflectometría de dominio de tiempo óptico) y OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry). Para detección de temperatura distribuidos a menudo una tecnología de código de correlación es empleado que lleva elementos de ambos principios.

OTDR fue desarrollado hace más de 20 años y se ha convertido en la industria estándar para las mediciones de pérdida de telecom que detecta el — en comparación con la señal de Raman muy dominante —Rayleigh señales de retrodispersión. El principio de OTDR es bastante sencillo y es muy similar a la época del vuelo para su medición radar. Esencialmente un pulso de láser estrecha generada por semiconductores o láseres de estado sólido es enviado a la fibra y la retrodispersión se analiza la luz. Desde el momento en toma la luz retrorreflejada para volver a la unidad de detección es posible localizar la ubicación de los eventos de temperatura.

Unidades de evaluación de alternativas DTS implementación el método de reflectometría de dominio de frecuencia óptica (OFDR). El sistema OFDR proporciona información sobre la característica local sólo cuando la señal de retrodispersión detectada durante el tiempo de medición total se mide en función de la frecuencia de una manera compleja y luego sometidos a Transformación de Fourier. Los principios esenciales de la tecnología OFDR son el modo de onda continua cuasi empleado por el láser y la detección de banda estrecha de la señal óptica dispersión posterior. Esto es compensado por la técnico difícil medición de la luz de dispersión Raman y procesamiento de señal bastante complejo, debido a la FFT cálculo con mayores requerimientos de linealidad para los componentes electrónicos.

Código correlación DTS envía secuencias de longitud limitada en la fibra de encendido-apagado. Los códigos son elegidos para tener propiedades convenientes, por ejemplo Código binario de Golay. En contraste con tecnología OTDR, la energía óptica es repartida en un código más embalado en un solo pulso. Así una fuente de luz con potencia de pico inferior en comparación a la tecnología OTDR puede ser utilizado, por ejemplo, larga vida láseres de semiconductor compacto. La retrodispersión detectado debe transformarse — similar a la tecnología OFDR, nuevamente dentro de un perfil espacial, por ejemplo, por correlación cruzada. En contraste con tecnología OFDR, la emisión es finito (por ejemplo de 128 bits) que evita que señales débiles dispersas son lejanas superponen por fuertes señales dispersas de corta distancia, mejorando la Ruido Shot y la relación señal a ruido.

Con estas técnicas es posible analizar distancias de más de 30 km de un sistema y medir las resoluciones de la temperatura de menos de 0,01 ° C.

Construcción de Cable y la integración de sistemas de detección

La temperatura del sistema de medición consta de un controlador (láser fuente, generador de impulsos para OTDR o código generador de código de correlación o modulador y HF mezclador para OFDR, módulo óptico, receptor y unidad de microprocesador) y un fibra de vidrio de cuarzo como la temperatura en forma de línea sensor de. El cable de fibra óptica (puede ser 30 km + longitud) es pasivo en la naturaleza y no tiene individuales detección puntos y por lo tanto puede fabricarse basado en fibras de telecomunicaciones estándar. Esto ofrece excelentes economías de escala. Porque el diseñador integrador no tiene que preocuparse de la localización exacta de cada punto que presiente el costo de diseño e instalación de un sistema de detección basado en sensores ópticos de fibra distribuida se reduce grandemente de la de los sensores tradicionales. Además, porque el cable del sensor no tiene mover piezas y diseño de vida de 30 años +, los costes de mantenimiento y operación son también considerablemente menor que para los sensores convencionales. Beneficios adicionales de la tecnología de detección de fibra óptica son que es inmune a interferencia electromagnética, vibración y es seguro para uso en zonas peligrosas (la energía del laser cae por debajo de los niveles que pueden causar ignición), por lo que estos sensores ideal para uso en industrial aplicaciones de la teleobservación.

Con respecto a la construcción del cable del sensor, aunque se basa en el estándar fibra óptica, debe tenerse cuidado en el diseño del cable sensor individual para asegurar que se proporciona una protección adecuada de la fibra. Esto debe tener en cuenta temperatura de funcionamiento (cables estándar operan a 85° C pero es posible medir hasta 700° C, con el correcto diseño), ambiente gaseoso ()hidrógeno Aunque puede causar deterioro de la medida"hidrógeno de oscurecimiento"- también conocido como atenuación - de los compuestos de vidrio de sílice) y protección mecánica.

La mayoría de los sistemas DTS disponibles tiene arquitecturas flexibles y es relativamente fácil de integrar en sistemas de control industrial tales como SCADA. En la industria del petróleo y el gas un XML base (estándar) archivoWITSML) ha sido desarrollado para la transferencia de datos de instrumentos DTS. El estándar es mantenido por Energistics.

Láser de seguridad y operación del sistema

Cuando un sistema operativo basado en medidas ópticas tales como óptica DTS, seguridad de láser requisitos deben ser considerados para las instalaciones permanentes. Muchos sistemas usan diseño de láser de baja potencia, por ejemplo, clasificación como seguridad de láser clase 1M, que puede ser aplicado por cualquier persona (no láser aprobados agentes de la seguridad necesarias). Algunos sistemas se basan en láser de potencia más alta de un Clasificación 3B, que aunque seguro para el uso de agentes de seguridad de láser aprobado, puede no ser conveniente para instalaciones permanentes.

La ventaja de la tecnología de sensor óptico puramente pasivo es la falta de interacción eléctrica o electromagnética. Algunos sistemas DTS en el mercado utilizan un diseño especial de bajo consumo y son intrínsecamente seguros en ambientes explosivos, por ejemplo, la certificación Directiva ATEX Zona 0.

Para uso en aplicaciones de detección de incendio, las regulaciones requieren generalmente sistemas homologados según las normas pertinentes, tales como EN 54-5 o EN 54-22 (Europa), UL521 o FM (USA), cUL521 (Canadá) y otras normas nacionales o locales.

Estimaciones de la temperatura mediante el uso de DTS

Distribuciones de temperatura pueden utilizarse para desarrollar modelos basados en el método de descomposición Orthogonal apropiada o Análisis de componentes principales. Esto permite para reconstruir la distribución de temperatura midiendo sólo en algunos lugares espaciales

Aplicaciones

Sensor de temperatura distribuida puede implementarse con éxito en múltiples segmentos industriales:

• Producción de petróleo y gas, monitoreo de fondo permanente, bobina tubo óptico permitido implementada sistemas de intervención, cable óptico de slickline desplegado sistemas de intervención.
• Transmisión y el cable de alimentación de línea (monitoreocapacidad de corriente optimización)
• Detección de túneles, cintas transportadoras industriales y edificios de especial peligro de incendio
• Industrial horno de inducción vigilancia
• Integridad de los gas natural licuado Terminales y portadores (GNL)
• Detección de fugas en diques y presas
• Monitoreo de temperatura en plantas y procesos de ingeniería, incluyendo tuberías de transmisión
• Recipientes y tanques de almacenamiento

Más recientemente, DTS se ha aplicado para el monitoreo ecológico, así:

• Temperatura de la corriente
• Detección de la fuente de agua subterránea
• Perfiles de temperatura en un eje de la mina y sobre lagos y glaciares
• Temperatura ambiente de la selva profunda en varias densidades de follaje
• Perfiles de temperatura en un subterráneo mina, Australia
• Perfiles de temperatura en intercambiadores de calor de bucle de tierra (usados para tierra juntada sistemas de enfriamiento y calefacción)

Véase también

• Rejilla de Bragg de la fibra
• Sensor de fibra óptica
• Reflectómetro de dominio de tiempo
• Registro de bien
• WITSML
• Distribuido de detección acústica

Acoplamientos externos

• La Asociación de óptica de fibra La Asociación de óptica de fibra (FOA)
• Charlas técnicas sobre Director de tecnología
• Distribuido de fibra óptica proyecto de evaluación y demostración de la tecnología de detección de temperatura
• SEAFOM, una organización sin fines de lucro que promueve los estándares y el crecimiento en el uso de fibra óptica basado en sensores en aplicaciones submarinas
• Distribuido de detección de temperatura - tecnología patentada por NASA

DTS en detección de incendios

• Ensayos de fuego extensa demuestran uso de DTS en el túnel de carretera y ferrocarril (papel)
• Artículo publicado en Conferencia Internacional sobre detección automática de incendios (AUBE'04); Universidad de Duisburg;
• SOLIT iniciativa europea - seguridad de la vida en los túneles
• Detección temprana del fuego smoldering cerca sistemas de la correa de transporte (papel)

DTS en la supervisión de cable de alimentación

• DETERMINACIÓN de la capacidad de conducción en línea de un CABLE de 220 KV mediante una fibra óptica basado en sistema de monitoreo (Ji-Cable 2011)
• Estudio de caso: monitoreo permanente de la temperatura de un cable de 220kV XLPE en el 2008 Olímpico de la ciudad, Beijing
• Estudio de caso: Cable de distribución 33kV monitoreados con DTS y modelado con RTTR (puntuación térmica de tiempo Real)

DTS en monitoreo ecológico

• Tyler, S.W., J.S. Selker, M.B. Hausner, C.E. Portilla, T. Torgersen y S. Schladow. 2009 detección de temperatura ambiental métodos Raman spectra DTS fibra óptica. Res de recursos de agua doi:10.1029/2008WR007052.
• Selker, J.S., N. van de Giesen, M. Westhoff, Luxemburgo W. y M. Parlange. Fibra óptica abre la ventana sobre la dinámica de la corriente. Cartas de investigación geofísica, doi:10.1029/2006GLO27979, 2006
• Selker, J.S., L. Thévenaz, H. Huwald, mazo a., w. Luxemburgo, N. van de Giesen, Stejskal M., J. Zeman y M. Westhoff y detección de temperatura M.B. Parlange.Distributed fibra óptica para sistemas hidrológicos. Investigación de recursos de agua, 42, W12202, doi:10.1029/2006WR005326, 2006
• Tyler, S.W., Burak S., J. McNamara, A. Lamontagne, Selker J. y J. Dozier. 2008. espacialmente distribuidos las temperaturas en la base de dos snowpacks de la montaña mide con sensores de fibra óptica. Diario de Glaciología. 54 (187): 673-679

DTS en detección de fugas de tubería

• Fuga en la tubería de gas, estudio de caso de detección de movimiento de tierra

DTS en la supervisión de alcantarilla

• O.A.C. azadas, R.P.S. Schilperoort, W.M.J. Luxemburgo, F.H.L.R. Clemens y Carolina del Norte van de Giesen. Localización de conexiones ilícitas en colectores de agua con sensor de temperatura distribuido de fibra óptica. Investigación del agua, volumen 43, número 20, diciembre de 2009, páginas 5187-5197 doi:10.1016/j.watres.2009.08.020
• R.P.S. Schilperoort, F.H.L.R. Clemens, detección en de temperatura de fibra óptica distribuido combinado sistema de alcantarillado, agua ciencia tecnología. 2009; 60 (5): 1127-34.doi: 10.2166/wst.2009.467.
• Nienhuis J, de Haan CJ Langeveld JG, Klootwijk M, Clemens FHLR. Evaluación de límites de detección de fibra óptica distribuido temperatura sensor para la detección de conexiones ilícitas. Agua ciencia y tecnología. 2013; 67 (12): 2712-8. doi: 10.2166/wst.2013.176
• Langeveld JG, de Haan CJ, Klootwijk M, Schilperoort RPS. Monitorear el funcionamiento de un agua de separación múltiple con sensor de temperatura distribuida. Agua ciencia y tecnología. 2012; 66 (1): 145-50. doi: 10.2166/wst.2012.152.
• Schilperoort RPS, H Hoppe, de Haan CJ, Langeveld JG. Buscando las entradas de agua de tormenta en alcantarillas malos con detección de temperatura distribuido de fibra óptica. Agua ciencia y tecnología. 2013; 68 (8): 1723-30. doi: 10.2166/wst.2013.419.
• película que ilustra la aplicación de DTS en las alcantarillas por el uso de la SewerOctopus de HaskoningDHV real https://www.youtube.com/watch?v=zLnI3XCXyVY (cuento largo) y https://www.youtube.com/watch?v=K3tPO6LwNtw (película corta de trabajo de campo)
• Alfombras de Vosse, Rémy Schilperoort, Cornelis de Haan, Jaap Nienhuis, Marcel Tirion y Jeroen Langeveld, procesamiento de DTS en los resultados del control: automatizado de detección de conexiones ilícitas, agua práctica y tecnología https://www.iwaponline.com/WPT/008/wpt0080037.htm

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