分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用

【資料簡(jiǎn)介】

分布式光纖測(cè)溫（Distributed Temperature Sensing）（DTS）技術(shù)早示范成功是在1981年，Southampton大學(xué)在通訊光纖上測(cè)試成功。DTS系統(tǒng)于1986年正式投入商業(yè)化運(yùn)作，在隨后的時(shí)間里，伴隨著光纖通訊的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器等一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的使用使得光纖傳感行業(yè)也經(jīng)歷了的發(fā)展，光纖的本征特性和越來越多成功的案例充分證明光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)已成為解決越來越多溫度監(jiān)測(cè)難題、火情預(yù)警與探測(cè)方面OK解決方案。

DTS系統(tǒng)的工作原理

DTS系統(tǒng)同時(shí)利用單根光纜實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(yīng)（Raman scattering）和光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（Optical Time-Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱OTDR）來獲取空間溫度分布信息。

其中光纖拉曼散射效應(yīng)（Raman scattering）用于實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（Optical Time Domain Reflectometer）用于實(shí)現(xiàn)溫度定位，是近幾年發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高科技技術(shù)，它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線的溫度分布情況，測(cè)量距離在可達(dá)30公里，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí)，能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量，特別適宜于需要長(zhǎng)距離、大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

DTS測(cè)溫原理

激光光脈沖射入傳感用的光纖之中，在光脈沖向前的傳播過程中，由于光纖的密度、應(yīng)力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會(huì)按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括：

n  瑞利（RayLeigh）散射，由光纖折射率的微小變化引起，其頻率與入射光脈沖一致；

n  拉曼（Raman）散射，由光子與光聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲；

n  布里淵（Brillouin）散射，由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場(chǎng)低頻聲子相互作用引起。其頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲；

針對(duì)溫度檢測(cè)需求，Rayleigh 散射信號(hào)對(duì)溫度變化不敏感；Brillouin 散射信號(hào)的變化與溫度和應(yīng)力有關(guān)，但信號(hào)剝離難度大；Raman 散射信號(hào)的變化與溫度有關(guān)，而且 Raman 散射信號(hào)相對(duì)容易獲取和分析，因此工業(yè)應(yīng)用主要采集Raman 散射信號(hào)進(jìn)行溫度分析。

 

 

 

 

 

Raman散射會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)：斯托克斯(Stokes)光（比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光）和反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波長(zhǎng)短的光），光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。

DTS定位原理

光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）初用于評(píng)價(jià)通信光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗、光纖故障的手段。一般將DTS測(cè)溫原理和定位原理稱為ROTDR，其工作機(jī)理是向被測(cè)光纖發(fā)射光脈沖，發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象，在光纖中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后傳播至光纖的起始端（也就是光脈沖的注入端），由于每一個(gè)背向傳播的散射光都對(duì)應(yīng)光纖上的一個(gè)散射點(diǎn)，因此，根據(jù)背向散射光的行進(jìn)時(shí)間便可判斷出光纖上發(fā)生散射點(diǎn)的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中，c是光在真空中的速度，而t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)（雙程）的總時(shí)間，IOR是光纖折射率。

通過采集和分析入射光脈沖從光纖的一端（注入端）注入后在光纖內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生的 Raman 背向反射光的時(shí)間和強(qiáng)度信息得到相應(yīng)的位置和溫度信息，在得知每一點(diǎn)的溫度和位置信息后，就可以得到一個(gè)關(guān)于整根光纖的不同位置的溫度曲線。

DTS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

HO-D-2000--地?zé)峋诜植际焦饫w測(cè)溫方案 DTS 系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：分布式光纖測(cè)溫主機(jī)和線性多模感溫光纜。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)內(nèi)部封裝光器件、激光器、數(shù)據(jù)處理等部分組成，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)配置、信號(hào)采集、信號(hào)分析和分析結(jié)果輸出等功能。多模感溫光纜作為線型傳感器，光纜內(nèi)含2根光纖，一根光纜可以長(zhǎng)至數(shù)公里，甚至數(shù)十公里，通過分析光纜內(nèi)不同位置上的光散射信號(hào)得到相應(yīng)的溫度信息。DTS 系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量整根光纖上成千上萬位置點(diǎn)溫度信息，光纖固有的優(yōu)良特性使得DTS系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

n  在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，光纜既是溫度傳感器又是信號(hào)傳輸通道，不再需要其它的測(cè)量或傳輸裝置；

n  一根光纜能夠提供上萬個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信息，安裝快捷簡(jiǎn)便且成本低廉，安裝后無需維護(hù)；

n  光纖具有耐高溫（能夠承受超過1000℃的高溫）、抗腐蝕、抗雷擊和長(zhǎng)壽命的特質(zhì)，適用于各種復(fù)雜、有害或惡劣環(huán)境；

n  光纖具有抗射頻和抗電磁干擾的特質(zhì)，適用于高壓場(chǎng)合；

n  光纖具有無靜電、無輻射的特質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生電火花，適用于易燃易爆環(huán)境；

光纖本身輕細(xì)纖柔，體積小，重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無損埋設(shè)等

DTS系統(tǒng)應(yīng)用

n  油田和天然氣豎井的溫度檢測(cè)；

n  高壓電纜溫度監(jiān)測(cè)；

n  大型變壓器的溫度監(jiān)測(cè)；

n  各種管道（天然氣、石油等）泄漏監(jiān)測(cè)；

n  建筑物防火監(jiān)測(cè)；

n  大型工廠（化工廠電廠）重點(diǎn)設(shè)備（煉爐、煤炭傳送）溫度監(jiān)測(cè)，或生產(chǎn)過程的溫度監(jiān)測(cè)；

n  各種遂道（高速公路、地鐵、鐵路等）防火監(jiān)測(cè)；

n  大壩的泄漏和溫度檢測(cè)；

Raylens DTS系統(tǒng)在石油、天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用，按照監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，可分為：

n  管道、容器滲漏及溫度監(jiān)測(cè)

HO-D-2000--地?zé)峋诜植际焦饫w測(cè)溫方案 DTS能提供管道、容器的的實(shí)時(shí)溫度信息，生成2D圖表，對(duì)溫度異常點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確探測(cè)和定位

n  豎井溫度監(jiān)測(cè)

HO-D-2000--地?zé)峋诜植际焦饫w測(cè)溫方案 DTS系統(tǒng)可以在很短的時(shí)間（幾秒或者十幾秒）內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量出井下沿線連續(xù)的溫度場(chǎng)分布，通過生成的2D/3D圖形能夠直觀獲得井內(nèi)溫度場(chǎng)變化信息，給生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的指導(dǎo)。

 

我司深井地?zé)岜O(jiān)測(cè)產(chǎn)品系列介紹：

1.0-1000米單點(diǎn)溫度檢測(cè)（普通表和存儲(chǔ)表）

2.0-1000米淺層地溫能監(jiān)測(cè)（采集器采用低功耗、攜帶方便；物聯(lián)網(wǎng)GPRS無線傳輸至WEB端網(wǎng)絡(luò)；單總線結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展128個(gè)點(diǎn)；進(jìn)口18B20高精度傳感器，在10-40度范圍內(nèi)，精度在0.1-0.2度）

3.0-3000米單點(diǎn)溫度檢測(cè)（普通顯示，只能顯示溫度，沒有存儲(chǔ)分析軟件功能）

4.0-10000米分布式多點(diǎn)深層地溫監(jiān)測(cè)（采用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)）

5.0-2000米GPRS型液位／溫度一體式自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和液位兩個(gè)參數(shù)，MAX耐溫125攝氏度）

6.0-7000米全景型耐高溫測(cè)溫成像一體井下電視（同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和視頻圖片等）

分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)細(xì)分兩大類：1.井筒測(cè)試 2.井壁測(cè)試

有此類深井地溫項(xiàng)目，歡迎新老客戶朋友垂詢！

 

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