DTS分布式溫度傳感系統(tǒng)原理介紹

分布式溫度傳感系統(tǒng)（DTS）是基于光纖的光電儀器，其測(cè)量沿著光纖傳感電纜的長(zhǎng)度的溫度。分布式溫度傳感系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于它沿傳感電纜的長(zhǎng)度提供連續(xù)（或分布式）溫度分布，而不是必須預(yù)先確定的離散傳感點(diǎn)。

光纖溫度傳感器如何工作

DTS系統(tǒng)包含一個(gè)脈沖激光器，它向光纖發(fā)送大約1m脈沖（相當(dāng)于10ns的時(shí)間）。當(dāng)脈沖沿著光纖的長(zhǎng)度傳播時(shí)，它與玻璃相互作用。由于玻璃中的小缺陷，少量的原始激光脈沖被反射回DTS傳感系統(tǒng)。通過(guò)分析反射光，DTS能夠計(jì)算事件的溫度（通過(guò)分析反射光的功率）以及事件的位置（通過(guò)測(cè)量反向散射光返回的時(shí)間），通常在儀表。

分布式溫度傳感電纜

通常，DTS技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)的電信光纖電纜，只有在溫度高于100°C時(shí)需要進(jìn)行測(cè)量時(shí)才需要專(zhuān)用電纜或傳感點(diǎn)。傳感光纖通?；诙嗄９饫w，適用于較短距離（最長(zhǎng)40km）和單模光纖，適用于長(zhǎng)距離（40-100km）。

DTS的光纖溫度測(cè)量規(guī)范

分布式溫度傳感系統(tǒng)通?？梢詫囟榷ㄎ辉?米的距離內(nèi)（這稱(chēng)為空間分辨率），精度在±1°C范圍內(nèi)，感應(yīng)分辨率低至0.01°C。但是，測(cè)量分辨率，范圍和采樣時(shí)間之間存在反比關(guān)系，即溫度分辨率會(huì)隨著范圍而降低，并且會(huì)延長(zhǎng)獲取特定測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間。

分布式溫度傳感 – 拉曼測(cè)量原理

光纖由摻雜的石英玻璃制成，并且當(dāng)激光在光纖中傳輸時(shí)，在光粒子（光子）和分子的電子之間發(fā)生相互作用。在電磁波譜中的特定頻率（稱(chēng)為斯托克斯和反斯托克斯波段），光散射（也稱(chēng)為拉曼散射）發(fā)生在光纖中。所謂的反斯托克斯波段的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，而所謂的斯托克斯波段實(shí)際上與溫度無(wú)關(guān)。光纖的局部溫度來(lái)自反斯托克斯和斯托克斯光強(qiáng)度的比率。

測(cè)量原理 – OTDR和OFDR技術(shù)

分布式傳感技術(shù)有兩種基本的測(cè)量原理：光時(shí)域反射儀（OTDR）和光頻域反射儀（OFDR）。

OTDR是20多年前開(kāi)發(fā)的，已成為電信損耗測(cè)量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。OTDR的原理非常簡(jiǎn)單，與用于雷達(dá)的飛行時(shí)間測(cè)量非常相似?；旧嫌砂雽?dǎo)體或固態(tài)激光器產(chǎn)生的窄激光脈沖被發(fā)送到光纖中并且分析反向散射光。從反向散射光返回檢測(cè)單元的時(shí)間開(kāi)始，可以定位溫度事件的位置。

替代DTS評(píng)估單元部署光頻域反射計(jì)（OFDR）的方法。只有當(dāng)在整個(gè)測(cè)量時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的反向散射信號(hào)以復(fù)雜的方式作為頻率的函數(shù)被測(cè)量時(shí)，OFDR系統(tǒng)才提供關(guān)于局部特性的信息，然后進(jìn)行傅里葉變換。

目前可用的絕大多數(shù)分布式溫度傳感系統(tǒng)都基于OTDR技術(shù)。

DTS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

分布式溫度傳感系統(tǒng)的一些獨(dú)特功能包括：

• 優(yōu)秀的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員/集成商不必?fù)?dān)心每個(gè)傳感點(diǎn)的精確位置，因此設(shè)計(jì)和安裝基于分布式光纖傳感器的傳感系統(tǒng)的成本與傳統(tǒng)傳感器相比大大降低。
• 維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本低。傳感電纜沒(méi)有活動(dòng)部件，設(shè)計(jì)壽命為30年+，維護(hù)和運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)傳感器。
• DTS傳感電纜不受電磁干擾，振動(dòng)的影響
• 可安全用于危險(xiǎn)區(qū)域（激光功率低于可引起點(diǎn)火的水平），從而使這些傳感器成為工業(yè)傳感應(yīng)用的理想選擇。

光纖傳感電纜設(shè)計(jì)

光纖電纜本質(zhì)上是無(wú)源的，并且沒(méi)有單獨(dú)的傳感點(diǎn)，因此可以基于標(biāo)準(zhǔn)電信光纖制造，并且在許多情況下使用標(biāo)準(zhǔn)電信光纖電纜封裝。

在某些情況下，需要專(zhuān)門(mén)的光纖，并且類(lèi)似地，需要專(zhuān)門(mén)的電纜封裝。設(shè)計(jì)分布式溫度傳感電纜時(shí)需要考慮的一些注意事項(xiàng)包括：

• 溫度：標(biāo)準(zhǔn)電信光纖和電纜材料的工作溫度高達(dá)100°C。在此之上，您將需要專(zhuān)門(mén)的玻璃和電纜材料。例如，油井通常超過(guò)200°C
• 機(jī)械保護(hù)：根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)環(huán)境，可能存在高振動(dòng)或可能的破碎力，這將需要額外的電纜層來(lái)為傳感光纖提供保護(hù)
• 防氫：在某些環(huán)境中會(huì)有高含量的氫氣，這會(huì)導(dǎo)致光纖劣化（或變暗）。通過(guò)使用氫清除凝膠可以提供一些保護(hù) – 但是對(duì)于更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，必須使用在光纖的芯和包層內(nèi)具有特殊性質(zhì)（摻雜劑）的專(zhuān)用光纖本身。

激光安全與系統(tǒng)運(yùn)行

當(dāng)操作基于光學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)（例如光學(xué)DTS）時(shí)，需要考慮激光安全要求以進(jìn)行永久性安裝。許多系統(tǒng)使用低功率激光設(shè)計(jì)，例如分類(lèi)為激光安全等級(jí)1M，任何人都可以應(yīng)用（不需要經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的激光安全人員）。有些系統(tǒng)基于額定值為3B的高功率激光器，雖然經(jīng)批準(zhǔn)的激光安全人員可以安全使用，但可能不適合永久性安裝。