Распределенные системы измерения температуры (DTS): OTDR и OFDR


Описание

Под волоконно-оптическим измерением температуры (английский вариант DTS - Distributed Temperature Sensing) понимают применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков. Волоконно-оптические системы пригодны не только для передачи информации, но и в качестве локальных распределенных измерительных датчиков. Физические величины измерения, например, температура или давление а также сила растяжения могут воздействовать на Стекловолокно и менять свойства световодов в определённом месте. Вследствие гашения света в кварцевых стеклянных волокнах, за счёт рассеивания может быть точно определено место внешнего физического воздействия, благодаря чему, возможно применение световода в качестве линейного датчика. Для измерения температуры с помощью световодов, изготовленных из кварцевого стекла, особенно подходит так называемый эффект Рамана. Свет в стеклянном волокне рассеивается на микроскопически малых колебаниях плотности, размер которых меньше длины волны. В обратном рассеивании можно найти, наряду с эластичной долей рассеивания (излучаемое рассеивание) на одинаковой длине волны, как проникший свет, так и дополнительные компоненты на других длинах волны, которые связаны с колебанием молекул и, тем самым с локальной температурой (комбинационное Рамановское рассеяние).

Комбинационное Рамановское рассеивание по сравнению с излучаемым обладает лишь очень малой долей рассеивания, которой можно пренебречь, и поэтому оно не может быть измерено с помощью классической техники OTDR - оптическая рефлектометрия временной области. Интенсивность антистоковой полосы зависит от температуры, в то время как стоковая полоса почти не зависит от температуры. Измерение локальной температуры в любом месте световода следует из «отношения интенсивности антистокового и стокового света». Особенностью эффекта Рамана заключается в прямом измерении температуры с помощью шкалы Кельвина. Благодаря оптическому методу обратного комбинационного рассеивания можно измерять температуру вдоль стеклянного волокна, как функцию места и времени. Самым известным методом обратного рассеивания является метод OTDR ( Optical Time Domain Reflectometry - оптическая рефлектометрия временной области). В его основе заложен импульсно-акустический метод (импульсы и эхо), в результате разницы времени распространения между временем передачи и обнаружения световых импульсов можно определить уровень и место рассеивания. Соотношение излучаемого рассеивания света с эффектом Рамана, сигнал обратного рассеивания при измерении комбинационного рассеянного света составляет коэффициент 1000. Поэтому локально распределенный датчик температуры Рамана с техникой OTDR может быть реализован только с помощью мощных (дорогих) импульсных лазеров (обычно лазеров с твердым рабочим веществом) и быстрой, также дорогостоящей, техникой передачи сигналов. Разработанный компанией «LIOS Technology GmbH» температурный датчик Рамана OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry - рефлектометрия частотной области) работает не во временном диапазоне, как техника OTDR, а в частотном. При методе OFDR получают информацию о локальном изменении температуры, если сигнал обратного рассеивания, обнаруженный на протяжении всего времени измерения, измеряется как функция частоты и в комплексе (комплексная передаточная функция), а затем подвергается преобразованию Фурье (преобразование Фурье). Существенными преимуществами техники OFDR являются режим квазинепрерывного излучения лазера и узкополосное обнаружение оптического сигнала обратного рассеивания, вследствие чего, достигается значительно более высокое отношение сигнал / шум, чем при использовании импульсной техники. Данное техническое преимущество позволяет использовать недорогие полупроводниковые лазерные диоды и недорогостоящие электронные блоки для передачи сигналов. Им противопоставляется технически сложное измерение комбинационного рассеиваемого света (комплексное измерение в соответствии с величиной и фазой) и высокая затратная часть из-за БПФ (блока преобразования Фурье), необходимого для обработки сигнала и с более высокими требованиями к линейности электронных блоков и компонентов.

Разработчики

ООО “СистеК”

Актуальные сложности

Примечания

Комментарии


Добавить свой комментарий
На сайте Конкурс приветствуются все комментарии. Если вы не хотите быть анонимным, зарегистрируйтесь или представьтесь. Это бесплатно.