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Die Geheimwaffe der verteilten Temperaturmessung: Wie sorgen OTDR- und OFDR-Technologien für so präzise Messungen?
In den heutigen hochautomatisierten Industrieumgebungen wird die Fähigkeit zur genauen Temperaturmessung immer wichtiger. Das verteilte Temperatursensorsystem (DTS) spielt als Glasfasertechnologie in vielen Bereichen eine unverzichtbare Rolle. Durch diese Technologie ist die Temperaturmessung nicht auf voreingestellte Punkte beschränkt, sondern es kann eine kontinuierliche Aufzeichnung des Temperaturprofils entlang der gesamten Glasfaser durchgeführt werden, was die Genauigkeit und den Messbereich erheblich verbessert.
Die durch thermische Schwankungen verursachten lokalen Änderungen des Brechungsindex der Glasfaser ermöglichen mit dieser Technologie präzise Messungen über unterschiedliche Entfernungen mit einer räumlichen Auflösung von 1 Meter und einer Genauigkeit von ±1°C.
Messprinzip: Raman-Effekt
Der Einfluss physikalischer Messparameter wie Temperatur, Druck und Spannung auf Glasfasern kann zu lokalen Änderungen der Übertragungseigenschaften des Lichts führen, weshalb Glasfasern als Liniensensoren eingesetzt werden. Wenn thermische Effekte Gitterschwingungen in einem Festkörper auslösen, wird dieser mit Licht bestrahlt und Photonen interagieren mit den Elektronen der Moleküle, was zur Raman-Streuung führt.
Die Raman-Streuung kann in drei spektrale Komponenten unterteilt werden: Rayleigh-Streuung, Stokes-Linie und Anti-Stokes-Linie. Die Intensität der Linien ist proportional zur Temperatur.
Durch Messen des Verhältnisses der Lichtintensität der Anti-Stokes-Linie zur Stokes-Linie können wir die lokale Temperatur der Glasfaser ableiten. Dieses präzise Messprinzip macht die DTS-Technologie zu einem wichtigen Werkzeug in der heutigen Industrie.
Messprinzip: OTDR- und OFDR-Technologie
In der verteilten Temperatursensortechnologie sind OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) und OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) zwei grundlegende Messprinzipien. Seit ihrer Einführung vor mehr als 20 Jahren hat sich die OTDR-Technologie zum Industriestandard für die Messung von Telekommunikationsverlusten entwickelt, hauptsächlich durch Upstream- und Downstream-Rayleigh-Echosignale. Im Gegensatz dazu liefert OFDR frequenzbasierte Antwortinformationen, was den gesamten Messvorgang komplex macht und eine Fourier-Transformation erfordert.
Durch diese Technologien ist das DTS-System in der Lage, Entfernungen von über 30 Kilometern zu analysieren und eine Temperaturauflösung von weniger als 0,01 °C zu erreichen, wodurch es hervorragende Anwendungsmöglichkeiten für eine breite Palette von Branchen bietet.
Aufbau und Systemintegration von Sensorkabeln
Das verteilte Temperaturmesssystem besteht aus einem Controller (bestehend aus einer Laserquelle, einem Impulsgenerator, einem optischen Modul, einem Empfänger und einer Mikroprozessoreinheit) und einer Quarzglas-Lichtleitfaser als linearem Temperatursensor. Da diese Faser bis zu 70 Kilometer lang sein kann und aufgrund ihrer passiven Beschaffenheit keine einzelnen Sensorpunkte erfordert, sind ihre Produktionskosten erheblich geringer, was sie kostengünstiger macht.
Da das Glasfaser-Messsystem keine beweglichen Teile aufweist, hat es eine Lebensdauer von über 30 Jahren und reduziert so die Wartungs- und Betriebskosten erheblich.
Dadurch ist die DTS-Technologie äußerst flexibel und lässt sich leicht in industrielle Steuerungssysteme integrieren. In der Öl- und Gasindustrie wurden heute XML-Standards für die Datenübertragung übernommen, um integrierte Anwendungen zwischen verschiedenen Systemen zu ermöglichen.
Lasersicherheit und Systembetrieb
Bei optischen Testsystemen müssen die Anforderungen an die Lasersicherheit berücksichtigt werden, um die langfristige Sicherheit der Installation zu gewährleisten. Viele DTS-Systeme verwenden Laserdesigns mit geringer Leistung (z. B. Klasse 1M), die relativ sicher im Betrieb sind und von jedermann verwendet werden können, ohne dass ein professioneller Laserschutzbeauftragter erforderlich ist. Für DTS-Systeme, die in explosiven Atmosphären eingesetzt werden, wurden spezielle Low-Power-Designmodelle entwickelt, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Die nicht-elektromagnetischen Interaktionseigenschaften dieser Technologien verringern die Sicherheitsrisiken in komplexen Umgebungen weiter und machen sie ideal für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.
Temperaturabschätzung und Anwendungsbereich
Unternehmen haben mithilfe der verteilten Temperatursensortechnologie erfolgreiche Anwendungen in der Öl- und Gasproduktion, der Überwachung von Stromübertragungskanälen und der Branderkennung in Tunneln und Industrieanlagen erzielt. Noch wichtiger ist jedoch, dass diese Technologie auch zur Umweltüberwachung – von der Flusstemperatur bis zur Grundwasserquellenerkennung – und sogar zur Temperaturkonfiguration in Wärmeaustauschsystemen eingesetzt werden kann, was ihre Breite und Flexibilität zeigt.
Der Einsatz verteilter Temperatursensortechnologie fördert nicht nur die industrielle Entwicklung, sondern bietet auch neue Möglichkeiten für den Umweltschutz und das Ressourcenmanagement.
Dieser technologische Fortschritt hat nicht nur die Arbeitsweise der Branche verändert, sondern auch zu der Forderung nach höherer Auflösung und längeren Messbereichen geführt. Wird dies auch in Zukunft weitere Innovationen in der Temperaturmesstechnik fördern?
