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DTS分布式温度传感系统原理先容

分布式温度传感系统(DTS)是基于光纤的光电仪器,其测量沿着光纤传感电缆的长度的温度。分布式温度传感系统的独特之处在于它沿传感电缆的长度提供连续(或分布式)温度分布,而不是必须预先确定的离散传感点。

光纤温度传感器如何工作

DTS系统包含一个脉冲激光器,它向光纤发送大约1m脉冲(相当于10ns的时间)。当脉冲沿着光纤的长度传播时,它与玻璃相互作用。由于玻璃中的小缺陷,少量的原始激光脉冲被反射回DTS传感系统。通过分析反射光,DTS能够计算事件的温度(通过分析反射光的功率)以及事件的位置(通过测量反向散射光返回的时间),通常在仪表。

分布式温度传感电缆

通常,DTS技术使用标准的电信光纤电缆,只有在温度高于100°C时需要进行测量时才需要专用电缆或传感点。传感光纤通常基于多模光纤,适用于较短距离(最长40km)和单模光纤,适用于长距离(40-100km)。

DTS的光纤温度测量规范

分布式温度传感系统通常可以将温度定位在1米的距离内(这称为空间分辨率),精度在±1°C范围内,感应分辨率低至0.01°C。但是,测量分辨率,范围和采样时间之间存在反比关系,即温度分辨率会随着范围而降低,并且会延长获取特定测量数据的时间。

分布式温度传感 – 拉曼测量原理

光纤由掺杂的石英玻璃制成,并且当激光在光纤中传输时,在光粒子(光子)和分子的电子之间发生相互作用。在电磁波谱中的特定频率(称为斯托克斯和反斯托克斯波段),光散射(也称为拉曼散射)发生在光纤中。所谓的反斯托克斯波段的强度与温度有关,而所谓的斯托克斯波段实际上与温度无关。光纤的局部温度来自反斯托克斯和斯托克斯光强度的比率。

测量原理 – OTDR和OFDR技术

分布式传感技术有两种基本的测量原理:光时域反射仪(OTDR)和光频域反射仪(OFDR)。

OTDR是20多年前开发的,已成为电信损耗测量的行业标准。OTDR的原理非常简单,与用于雷达的飞行时间测量非常相似。基本上由半导体或固态激光器产生的窄激光脉冲被发送到光纤中并且分析反向散射光。从反向散射光返回检测单元的时间开始,可以定位温度事件的位置。

替代DTS评估单元部署光频域反射计(OFDR)的方法。只有当在整个测量时间内检测到的反向散射信号以复杂的方式作为频率的函数被测量时,OFDR系统才提供关于局部特性的信息,然后进行傅里叶变换。

目前可用的绝大多数分布式温度传感系统都基于OTDR技术。

DTS系统的优点

分布式温度传感系统的一些独特功能包括:

  • 优秀的规模经济。系统设计人员/集成商不必担心每个传感点的精确位置,因此设计和安装基于分布式光纤传感器的传感系统的成本与传统传感器相比大大降低。
  • 维护和运营成本低。传感电缆没有活动部件,设计寿命为30年+,维护和运行成本远低于传统传感器。
  • DTS传感电缆不受电磁干扰,振动的影响
  • 可安全用于危险区域(激光功率低于可引起点火的水平),从而使这些传感器成为工业传感应用的理想选择。

光纤传感电缆设计

光纤电缆本质上是无源的,并且没有单独的传感点,因此可以基于标准电信光纤制造,并且在许多情况下使用标准电信光纤电缆封装。

在某些情况下,需要专门的光纤,并且类似地,需要专门的电缆封装。设计分布式温度传感电缆时需要考虑的一些注意事项包括:

  • 温度:标准电信光纤和电缆材料的工作温度高达100°C。在此之上,您将需要专门的玻璃和电缆材料。例如,油井通常超过200°C
  • 机械保护:根据具体的监测环境,可能存在高振动或可能的破碎力,这将需要额外的电缆层来为传感光纤提供保护
  • 防氢:在某些环境中会有高含量的氢气,这会导致光纤劣化(或变暗)。通过使用氢清除凝胶可以提供一些保护 – 但是对于更长的持续时间,必须使用在光纤的芯和包层内具有特殊性质(掺杂剂)的专用光纤本身。

激光安全与系统运行

当操作基于光学测量的系统(例如光学DTS)时,需要考虑激光安全要求以进行永久性安装。许多系统使用低功率激光设计,例如分类为激光安全等级1M,任何人都可以应用(不需要经过批准的激光安全人员)。有些系统基于额定值为3B的高功率激光器,虽然经批准的激光安全人员可以安全使用,但可能不适合永久性安装。

光纤联系

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