Распределенное измерение температуры с помощью оптоволоконного проводника
Системы распределенного измерения температуры (РИЗ) — это оптоэлектронные устройства, измеряющие температуры с помощью оптоволокон, выполняющих функцию линейных сенсоров.
Распределенное измерение температуры с помощью оптоволоконного проводника
Температуры регистрируются вдоль оптического сенсорного кабеля, то есть не точечно, а как непрерывный профиль. Высокая точность определения температуры достигается благодаря большим расстояниям. Обычно системы РИЗ могут обнаруживать температуру на расстоянии до 1 м с точностью до ±1°C при разрешении в 0.01°C. Можно отследить измерения на расстояниях более 30 км, некоторые специальные системы могут обеспечить более устойчивое пространственное разрешение.
Принцип измерения — эффект Рамана
Величины физических измерений, такие как температура, давление или силы растяжения, могут повлиять на стекловолокна и точечно изменить характеристики светопроницаемости в волокне. В результате затухания световых колебаний в кварцевых стекловолокнах из-за рассеивания расположение внешнего физического эффекта определяется таким образом, что оптоволокно может быть использовано в качестве линейного сенсора.
Оптоволокна сделаны из синтетического кварцевого стекла. Кварцевое стекло является одной из форм диоксида кремния (SiO2) с твердой аморфной структурой. Тепловое воздействие вызывает колебания решетки внутри массива. Когда свет падает на возбужденные тепловым эффектом молекулярные колебания, происходит взаимодействие частиц света (фотонов) и электронов в молекуле.
В оптоволокне возникает рассеивание света (также известное, как рассеивание Рамана). В отличие от падающего луча, рассеянный луч подвергается спектральному смещению на величину, равную резонансной частоте колебаний решетки. Следовательно, свет, отраженный от оптоволокна, содержит три различных части спектра:
- Рассеивание Рэлея (используется длина волны лазерного источника),
- Компоненты линий Стокса из фотонов, смещенных к более протяженной длине волны (с меньшей частотой) и
- Анти-компоненты линий Стокса из фотонов, смещенных к более короткой длине волны (с большей частотой), чем рассеивание Рэлея.
Интенсивность так называемой «зоны анти-Стокса» зависит от температуры, в то время, как так называемая «зона Стокса» от температуры практически не зависит. Локальная температура оптоволокна выводится из соотношения интенсивностей света анти-Стокса и Стокса.
Принцип измерения — технология оптического временного рефлектора (ОВР) и оптического частотного рефлектора (ОЧР)
Существуют два базовых принципа измерения для технологии распределенного измерения: технология ОВР (оптический временной рефлектор) и технология ОЧР (оптический частотный рефлектор). Для распределенного измерения температуры часто используется технология корреляции кодов, которая заключает в себе элементы обоих принципов.
Технология ОВР была разработана более 20 лет назад и стала основной отраслью для потерянных телекоммуникационных данных, которая считывает — по сравнению с очень сильным сигналом Рамана — отраженные сигналы Рэлея. Принцип ОВР очень прост и похож на принцип измерения времени полета, используемый для радара.
Фактически узкий сигнал лазера, сформированный либо полупроводником, либо полупроводниковыми лазерами, направляется в волокно, и проводится анализ отраженного света. Время, затраченное на то, чтобы отраженный свет вернулся к объекту обнаружения, позволяет определить местоположение температурного явления.
Альтернативные приборы оценки РИЗ используют метод оптического частотного рефлектора (ОЧР). Система ОЧР предоставляет данные исключительно локальных параметров, когда отраженный сигнал, считанный за все время измерения, рассчитывается, как функция частоты в комплексной манере, а затем подвергается трансформации Фурье.
Главные принципы технологии ОЧР — волны квазинепрерывного действия, используемые лазером и узкополосными системами обнаружения оптического отраженного сигнала. Это сдвиг, обусловленный технически сложным измерением рассеянного света Рамана и достаточно сложной обработкой сигнала из-за подсчета БПФ с более высокими требованиями линейности для электронных компонентов.
Корреляция кодов РИЗ пересылает и отсылает последовательности ограниченной длины в волокно. Коды выбраны согласно подходящим параметрам, например двоичный код Голея. В отличие от технологии ОВР оптическая энергия скорее распространяется в коде, нежели чем собирается в единичном сигнале. Следовательно, можно использовать источник света с более низкой пиковой силой, чем в технологии ОВР, например, компактные полупроводниковые лазеры с длительном сроком эксплуатации.
Считанный отраженный сигнал необходимо преобразовать (так же, как и в ОЧР технологии) обратно в простраственный профиль, например, по средствам взаимной корреляции. В отличие от технологии ОЧР, излучение имеет предел (например, 128 бит), что позволяет избежать наложения сильных рассеянных сигналов с близкого расстояния на слабые дальние сигналы, тем самым улучшая дробовые помехи и отношение сигнал/шум.
Использование данных техник позволяет проанализировать расстояние более 30 км от одной системы и измерить температурные разрешения менее 0.01°C.
Устройство сенсорного кабеля и внедрение системы
Система измерения температуры состоит из контролера (лазерный источник, генератор сигнала для ОВР или генератор кода для корреляции кодов или модулятор и ВЧ преобразователь для ОЧР, оптический модуль, приемник или микропроцессор) и волокно из кварцевого стекла в качестве температурного сенсора в форме линии.
Оптоволоконный кабель (длина его может достигать 30 км и более), не активный по натуре и не имеющий своих точек считывания, следовательно, может быть изготовлен на базе стандартных телекоммуникационных волокон, что позволяет сэкономить за счет масштаба.
Так как разработчик/интегратор системы не должен беспокоиться о точном расположении каждой точки считывания, стоимость разработки и установки системы датчиков, основанная на распределении оптоволоконных датчиков, значительно снижается в отличие от стоимости обычных датчиков.
К тому же, поскольку кабель с датчиками не имеет подвижных частей, а его конструкция способна выдержать более 30 лет работы, затраты на техобслуживание и эксплуатацию также значительно ниже, чем на обычные датчики.
Дополнительным плюсом технологии оптоволокновых датчиков является тот факт, что они не подвержены электромагнитной интерференции, вибрации и используются без повреждений в опасных зонах (мощность лазера опускается ниже уровней, вызывающих возгорание), что прекрасно позволяет использовать эти датчики для промышленного сенсорного оборудования.
Несмотря на конструкцию сенсорного кабеля и тот факт, что он сделан из стандартных оптоволокон, необходимо тщательно разработать отдельный сенсорный кабель с целью обеспечения надлежащей защиты волокна.
Во внимание должны приниматься следующие параметры: температура эксплуатации (эксплуатация стандартных кабелей возможна до 85°C, однако температуру можно увеличить до 700°C при правильной разработке), газовая среда (gaseous environment (водород может ухудшить значения измерений из-за «водородного затемнения», также известного, как «разжижение», элементов из кварцевого стекла).
Большинство доступных РИЗ систем имеют гибкую системную архитектуру и достаточно просты во внедрении в промышленные системы контроля, такие как КАС ДУ. В газовой и нефтяной промышленности норма на основе XML файла (протокол передачи данных со скважины бурения) была разработана для передачи данных из инструментов РИЗ. Эта норма поддерживается отраслью Energistics.
Безопасность при работе с лазерами и эксплуатация системы
При эксплуатации системы на основе оптических измерений, таких как измерения РИЗ, необходимо учитывать требования лазерной безопасности для стационарного оборудования. Многие системы используют лазеры низкой мощности, например, лазеры класса безопасности 1 М, которые могут использоваться любым лицом (не требуют присутствия должностного лица, отвечающего за лазерную безопасность).
Некоторые системы основаны на лазерах мощностью выше (лазеры класса 3B). Несмотря на то, что их использование безопасно должностным лицом, отвечающим за лазерную безопасность, они могут не соответствовать параметрам, необходимым для использования со стационарным оборудованием.
Преимущество технологии пассивного оптического датчика заключается в небольшом электрическом или электромагнитном взаимодействии. Некоторые системы РИЗ используют на рынке модели со специально низкой мощностью и по сути безопасны во взрывоопасных средах, например удостоверенная в постановлении о взрывоопасных средах Зона 0.
Для использования в оборудовании для обнаружения возгорания, регламент обычно требует наличие систем, сертифицированных согласно значимым нормам, таким как EN 54–5 или EN 54–22 (Европа), UL521 или FM (США), cUL521 (Канада) и/или другие национальные или региональные нормы.
Определение температуры с использованием РИЗ
Распределение температур используется для развития моделей на основе метода собственно ортогонального разложения или анализа основных компонентов, что позволяет воссоздать распределение температур, измеряя только некоторые пространственные расположения.
Применение
Распределенное измерение температуры успешно используется во многих отраслях промышленности:
- Нефтегазовая промышленность — постоянный контроль шурфа, разветвленные системы по предотвращению аварийных ситуаций с гибкой оптической НКТ, разветвленные системы по предотвращению аварийных ситуаций с тросовым оптическим кабелем.
- Контроль линии трансмиссии и силового кабеля (Power cable and transmission line monitoring (оптимизация допустимой токовой нагрузки).
- Обнаружение возгораний в туннелях, промышленных конвейерных ремнях и специальных опасных зданиях.
- Наблюдение за промышленными индукционными печами.
- Целостность платформ и терминалов сжиженного природного газа.
- Обнаружение утечек на плотинах и дамбах.
- Контроль температур на фабрике и технологическом проектировании, включая перекачивающие трубопроводы.
- Танкеры и суда для хранения.
Позднее, РИЗ использовалось также для экологического контроля:
- Температура ручья.
- Обнаружение источников подземных вод.
- Температурные профили в стволе шахты и на озерах и ледниках.
- Температура среды глубоких тропических лесов на различных плотностях растительности.
- Температурные профили в подземной шахте, Австралия.
- Температурные профили для петлевых подземных теплообменников (используются для совмещенных подземных систем обогрева и охлаждения).
Перевод статьи .
Поделиться:
