光纤光缆在分布式温度传感系统中的应用

责任编辑:匿名 (未验证) 2011/07/25 作者:杨红蕾
一、前言
      光纤传感技术是随着光纤通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新的技术。它运用了光时域反射的原理,当光在光纤中传输时,受到外界环境,如温度、压力等的影响,导致传输光的强度、相位、频率等光波量发生变化。通过监测这些量的变化可以获得相应的物理量。
      分布式光纤温度传感技术是光纤传感技术中最有发展前途的技术之一,与传统的温度传感系统相比,具有以下的特点:
      (1)可对整个光缆长度进行连续监测间隔为1m的各点温度变化,检测范围大,检测点连续;
      (2)光缆既做为信号传输媒介,也做为传感器,无需电子设备,不受电磁干扰,防爆性好,系统运行非常安全可靠,且寿命极长;
      (3)现场只需敷设感温光缆,安装施工方便、周期短、费用少。如果光缆受损,可精确定位受损点,通过光纤熔接对受损点予以修复;
      (4)传输距离远,在距离较长,空间广阔的环境下更有优势,距离越长性价比越高。
 
二、工作原理
      分布式光纤温度传感技术运用了光时域反射原理。激光脉冲在光纤中传输时,由于激光和光纤分子的相互作用,会产生3种散射光:瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射,如图1所示。其中瑞利散射对温度不敏感,而拉曼散射和布里渊散射都对温度敏感,因此拉曼散射和布里渊散射都可以用来测量温度。但是布里渊散射和瑞利散射在频谱上靠得非常近,比较难以分开,而且布里渊散射受应力等其他因素的影响也比较大,所以用来监测温度难度比较大。目前技术上比较成熟的还是利用拉曼散射原理的分布光纤温度传感技术。
图1  光纤背向散射光谱图
      拉曼散射包括两种:斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。它们在频谱图上的分布大致是对称的。这两者对温度都敏感。而反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大的多。
拉曼散射光的斯托克斯光与反斯托克斯光的光强差,与反射点光纤温度有线性关系,公式如下:
     
      式中:为反斯托克斯光强度;
      为斯托克斯光强度;
      α为温度相关系数;
      h为普朗克系数(J•s);
      c为真空中的光速(m/s);
      v为拉曼平移量(m-1);
      k为鲍尔茨曼常数(J/K);
      t为绝对温度值。
      由此可看出,拉曼散射光的斯托克斯光与反斯托克斯光的光强差与沿线各点的绝对温度值有直接的关系。因此,通过向光纤发送一个激光脉冲,分析所测得的背向散射的拉曼光谱,可得到光纤沿线所处的温度分布信息。测量距离在几公里的范围,空间定位精度达到米的数量级,能够进行不间断的自动测量,特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。
 
三、感温光缆的典型结构
      光纤光缆在分布式光纤温度传感系统中既是信号传输的通道,又是传感器。
      1、感温光缆的典型结构
      感温光缆的结构应根据敷设的环境、位置以及所需技术要求进行设计。根据光缆结构不同可分为非金属感温光缆和金属型感温光缆,紧套结构感温光缆和松套结构感温光缆等。
      以下是感温光缆的一些典型结构:
      2、感温光缆的耐温性能
      根据测温环境的不同,光纤光缆可分为不同耐温等级的感温光缆。
      例如,非金属感温光缆由于受到塑料材质的限制,通常其耐温等级不高于100℃,但如果采用了耐高温的材料,如铁氟龙等,其耐温等级也可以达到260-300℃。金属感温光缆通常耐温等级较高,最高可达到500℃,短时间可达700℃左右。
      而光缆中最重要的感温元件――光纤,应根据不同的工作环境选用不同耐温等级的光纤。例如,普通丙烯酸酯涂覆的光纤,耐温性能一般不高于100℃;而一些具有特殊涂层的特种光纤,例如聚酰亚胺涂覆的光纤,其耐温性能则可达到260-300℃,还有一些耐温性能更高的光纤,可达到500-700℃,如金属涂覆的光纤等。
      3、感温光缆的敷设方式
      感温光缆敷设时,应紧贴于所测设备或物体的表面。可采用捆扎式,捆扎的节距不应太大,应使感温光缆与被测设备紧密接触;也可采用胶粘式。当感温光缆用于电力电缆温度监测时,其敷设位置还可分为内嵌式和外敷设式,二种敷设方法性能对比如下:
敷设位置 外敷设式 内嵌式
生产难度 简单,与电缆分离 复杂,电力电缆生产时就必须嵌入
光纤数量 少,一般1根 较多,受电缆外径尺寸限制,一般为1~4根
现场安装 较复杂,光缆与电缆相对独立,适应各种安装形式,一般为缠绕在电力电缆外捆扎。 简单,电缆可直接敷设,无需考虑光缆,敷设时应注意控制拉力
防护能力 差,与光缆相同 较强,因为可通过电缆外护套进行保护
断纤维修 简单,只需对光缆本身进行维修 复杂,电缆必须停止负载进行维修
测试温度精确性 与铜导体距离较远,精确性较差 与铜导体距离近,精确性高
 
四、分布式光纤温度传感系统的应用
      分布式光纤温度传感系统由于其监测范围大、不受电磁干扰、安全可靠、施工方便等特点,广泛应用于电力、隧道、油田、矿井、铁路等大型工程恶劣环境下的过热预警、火灾、泄漏等灾害的监测。
      (1)电力方面
      对电力电缆的表面温度进行检测监控,并对故障点进行定位;
      对电缆隧道的火情或过热进行监控;
      对发电厂和变电站的温度进行监测,对故障点定位、监测和火灾报警。
      (2)油气方面
      对石油、天然气输送管线或储罐泄漏进行监测;
      对油库、油管、油罐的温度进行监测及故障点进行定位。
      (3)水利、土木方面
      监测大坝、河堤的渗漏;
      对大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度的监测。
      (4)消防方面
      可用于对隧道、地铁、公路和建筑物火灾的监测和报警。
 
五、结束语
      分布式光纤温度传感系统是目前温度传感领域中正在逐渐成熟的一种新技术,能够对设备进行连续和实时的在线温度监测,使维护人员可以准确地识别设备中出现的温度过热点,及时消除故障隐患,防止重大恶性事故的发生。该技术从适用环境、传感器寿命、系统可靠性、安装方式等各方面相比较都优于其他温度传感方式,显示了其在温度传感技术方面具有广阔的应用前景。

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