分布式光纖測溫系統的工作原理及應用

【資料簡介】

分布式光纖測溫（Distributed Temperature Sensing）（DTS）技術早示范成功是在1981年，Southampton大學在通訊光纖上測試成功。DTS系統于1986年正式投入商業化運作，在隨后的時間里，伴隨著光纖通訊的飛速發展，半導體激光器等一系列新技術、新產品的使用使得光纖傳感行業也經歷了的發展，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溫系統已成為解決越來越多溫度監測難題、火情預警與探測方面OK解決方案。

DTS系統的工作原理

DTS系統同時利用單根光纜實現溫度監測和信號傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應（Raman scattering）和光時域反射測量技術（Optical Time-Domain Reflectometry，簡稱OTDR）來獲取空間溫度分布信息。

其中光纖拉曼散射效應（Raman scattering）用于實現溫度測量，光時域反射測量技術（Optical Time Domain Reflectometer）用于實現溫度定位，是近幾年發展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高科技技術，它能夠連續測量光纖沿線的溫度分布情況，測量距離在可達30公里，空間定位精度達到米的數量級，能夠進行不間斷的自動測量，特別適宜于需要長距離、大范圍多點測量的應用場合。

DTS測溫原理

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、應力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發生散射現象，有一部分的散射光會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，由光子與光纖內彈性聲波場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；

針對溫度檢測需求，Rayleigh 散射信號對溫度變化不敏感；Brillouin 散射信號的變化與溫度和應力有關，但信號剝離難度大；Raman 散射信號的變化與溫度有關，而且 Raman 散射信號相對容易獲取和分析，因此工業應用主要采集Raman 散射信號進行溫度分析。

 

 

 

 

 

Raman散射會產生兩個不同頻率的信號：斯托克斯(Stokes)光（比光源波長長的光）和反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波長短的光），光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強發生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的指示，利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。

DTS定位原理

光學時域反射技術（OTDR）初用于評價通信光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗光纖損耗、光纖故障的手段。一般將DTS測溫原理和定位原理稱為ROTDR，其工作機理是向被測光纖發射光脈沖，發生拉曼散射現象，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），由于每一個背向傳播的散射光都對應光纖上的一個散射點，因此，根據背向散射光的行進時間便可判斷出光纖上發生散射點的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中，c是光在真空中的速度，而t是信號發射后到接收到信號（雙程）的總時間，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）注入后在光纖內傳播時產生的 Raman 背向反射光的時間和強度信息得到相應的位置和溫度信息，在得知每一點的溫度和位置信息后，就可以得到一個關于整根光纖的不同位置的溫度曲線。

DTS系統的優點

HO-D-2000--地熱井井壁分布式光纖測溫方案 DTS 系統主要由兩部分構成：分布式光纖測溫主機和線性多模感溫光纜。分布式光纖測溫主機內部封裝光器件、激光器、數據處理等部分組成，主要用于整個系統的參數配置、信號采集、信號分析和分析結果輸出等功能。多模感溫光纜作為線型傳感器，光纜內含2根光纖，一根光纜可以長至數公里，甚至數十公里，通過分析光纜內不同位置上的光散射信號得到相應的溫度信息。DTS 系統可以準確地測量整根光纖上成千上萬位置點溫度信息，光纖固有的優良特性使得DTS系統具有如下優點：

n  在分布式光纖測溫系統中，光纜既是溫度傳感器又是信號傳輸通道，不再需要其它的測量或傳輸裝置；

n  一根光纜能夠提供上萬個測量點的信息，安裝快捷簡便且成本低廉，安裝后無需維護；

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

n  光纖具有抗射頻和抗電磁干擾的特質，適用于高壓場合；

n  光纖具有無靜電、無輻射的特質，不會產生電火花，適用于易燃易爆環境；

光纖本身輕細纖柔，體積小，重量輕，不僅便于布設安裝，而且對埋設部位的材料性能和力學參數影響甚小，能實現無損埋設等

DTS系統應用

n  油田和天然氣豎井的溫度檢測；

n  高壓電纜溫度監測；

n  大型變壓器的溫度監測；

n  各種管道（天然氣、石油等）泄漏監測；

n  建筑物防火監測；

n  大型工廠（化工廠電廠）重點設備（煉爐、煤炭傳送）溫度監測，或生產過程的溫度監測；

n  各種遂道（高速公路、地鐵、鐵路等）防火監測；

n  大壩的泄漏和溫度檢測；

Raylens DTS系統在石油、天然氣領域的應用，按照監測對象的不同，可分為：

n  管道、容器滲漏及溫度監測

HO-D-2000--地熱井井壁分布式光纖測溫方案 DTS能提供管道、容器的的實時溫度信息，生成2D圖表，對溫度異常點能實現準確探測和定位

n  豎井溫度監測

HO-D-2000--地熱井井壁分布式光纖測溫方案 DTS系統可以在很短的時間（幾秒或者十幾秒）內準確測量出井下沿線連續的溫度場分布，通過生成的2D/3D圖形能夠直觀獲得井內溫度場變化信息，給生產提供了強有力的指導。

 

我司深井地熱監測產品系列介紹：

1.0-1000米單點溫度檢測（普通表和存儲表）

2.0-1000米淺層地溫能監測（采集器采用低功耗、攜帶方便；物聯網GPRS無線傳輸至WEB端網絡；單總線結構，可擴展128個點；進口18B20高精度傳感器，在10-40度范圍內，精度在0.1-0.2度）

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

4.0-10000米分布式多點深層地溫監測（采用分布式光纖測溫系統）

5.0-2000米GPRS型液位／溫度一體式自動監測系統（同時監測溫度和液位兩個參數，MAX耐溫125攝氏度）

6.0-7000米全景型耐高溫測溫成像一體井下電視（同時監測溫度和視頻圖片等）

分布式光纖溫度監測系統細分兩大類：1.井筒測試 2.井壁測試

有此類深井地溫項目，歡迎新老客戶朋友垂詢！

 

關鍵詞：地熱井分布式光纖測溫監測系統／分布式光纖測溫系統／深井測溫儀／深水測溫儀／地溫監測系統／深井地溫監測系統／地熱井井壁分布式光纖測溫方案／光纖測溫系統／深孔分布式光纖溫度監測系統/干熱巖／干熱巖發電／干熱巖地溫監測／地熱井測溫系統／地熱井測溫儀／地溫監測系統／地熱監測系統