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분산형 온도 감지의 비밀 무기: OTDR과 OFDR 기술은 어떻게 측정을 그렇게 정확하게 만들까요?
오늘날의 고도로 자동화된 산업 환경에서는 온도를 정확하게 측정하는 능력이 점점 더 중요해지고 있습니다. 광섬유 기술인 분산형 온도 감지 시스템(DTS)은 많은 분야에서 없어서는 안될 역할을 해왔습니다. 이 기술을 사용하면 온도 측정이 사전 설정된 지점에만 국한되지 않고 광섬유 전체에 걸쳐 연속적인 온도 프로파일 기록을 수행하여 측정의 정확도와 범위를 크게 향상시킬 수 있습니다.
열 변화로 인한 광섬유의 국부적 굴절률 변화를 바탕으로 이 기술을 사용하면 1m의 공간 분해능과 ±1°C의 정확도로 다양한 거리에서 정밀한 측정이 가능합니다.
측정 원리: 라만 효과
온도, 압력, 장력과 같은 물리적 측정 매개변수가 유리 광섬유에 미치는 영향은 빛의 전송 특성에 국부적인 변화를 초래할 수 있으므로 광섬유가 선형 센서로 사용됩니다. 열 효과로 인해 고체 내에서 격자 진동이 유도되면 빛이 고체를 조사하고 광자가 분자의 전자와 상호 작용하여 라만 산란이 발생합니다.
라만 산란은 레이리 산란, 스토크스 선, 안티스토크스 선의 세 가지 스펙트럼 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 선의 강도는 온도에 비례합니다.
안티스토크스 라인과 스토크스 라인 광 강도의 비율을 측정함으로써 광섬유의 국소 온도를 도출할 수 있습니다. 이 정밀한 측정 원리는 DTS 기술을 오늘날 산업에서 중요한 도구로 만듭니다.
측정 원리: OTDR 및 OFDR 기술
분산형 온도 감지 기술에서 OTDR(광 시간 영역 반사 측정법)과 OFDR(광 주파수 영역 반사 측정법)은 두 가지 기본 측정 원리입니다. OTDR 기술은 20년 전 도입된 이래로 주로 상류 및 하류 레이리 에코 신호를 통해 통신 손실 측정을 위한 산업 표준이 되었습니다. 이와 대조적으로 OFDR은 주파수 기반의 응답 정보를 제공하므로 전체 측정 과정이 복잡해지고 푸리에 변환이 필요합니다.
DTS 시스템은 이러한 기술을 통해 30km가 넘는 거리를 분석하고 0.01°C 미만의 온도 분해능을 달성하여 광범위한 산업에 뛰어난 적용 역량을 제공합니다.
감지 케이블의 구조 및 시스템 통합
분산형 온도 측정 시스템은 컨트롤러(레이저 소스, 펄스 발생기, 광 모듈, 수신기 및 마이크로프로세서 장치 포함)와 선형 온도 센서 역할을 하는 석영 유리 광섬유로 구성됩니다. 이 광섬유는 길이가 최대 70km에 달할 수 있고 수동적인 특성으로 인해 개별 감지 지점이 필요 없기 때문에 생산 비용이 크게 줄어들어 비용 효율성이 더 높습니다.
광섬유 측정 시스템은 움직이는 부품이 없는 설계로 30년 이상의 수명을 제공하여 유지 관리 및 운영 비용을 크게 줄여줍니다.
이로 인해 DTS 기술은 매우 유연하고 산업용 제어 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다. 오늘날 석유 및 가스 산업에서는 서로 다른 시스템 간의 통합된 애플리케이션을 용이하게 하기 위해 데이터 전송을 위한 XML 표준이 채택되었습니다.
레이저 안전 및 시스템 작동
광학 테스트 시스템에서는 장기적인 설치 안전을 보장하기 위해 레이저 보안 요구 사항을 고려해야 합니다. DTS 시스템의 상당수는 저전력 레이저 설계(예: 클래스 1M)를 사용하는데, 이는 작동이 비교적 안전하며 전문 레이저 안전 관리자가 없어도 누구나 사용할 수 있습니다. 폭발성 환경에서 사용되는 DTS 시스템의 경우, 작동 안전을 보장하기 위해 특정한 저전력 설계 모델이 개발되었습니다.
이러한 기술의 비전기적 상호 작용 특성은 복잡한 환경에서의 안전 위험을 더욱 줄여 주므로 다양한 산업 분야에 적합합니다.
온도 추정 및 적용 범위
기업들은 분산형 온도 감지 기술을 활용하여 석유 및 가스 생산, 전력 전송 채널 모니터링, 터널 및 산업 시설의 화재 감지 분야에서 성공적인 적용 사례를 만들어냈습니다. 더 중요한 점은 이 기술이 하천 온도에서 지하수원 탐지에 이르기까지 환경 모니터링은 물론, 열교환 시스템의 온도 구성에도 적용할 수 있어 그 광범위함과 유연성을 입증할 수 있다는 것입니다.
분산형 온도 감지 기술을 적용하면 산업 발전이 촉진될 뿐만 아니라, 환경 보호와 자원 관리에 새로운 가능성이 제공됩니다.
이러한 기술적 진보는 업계의 업무 방식을 변화시켰을 뿐만 아니라 더 높은 해상도와 더 긴 측정 범위에 대한 수요로 이어졌습니다. 이는 미래에 온도 측정 기술의 혁신을 더욱 촉진할까요?
