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分布式多点温度测量

物(wu)理学(xue)、化学(xue)、医(yi)学(xue)、生物(wu)学(xue)等自(zi)然科学(xue)领(ling)域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)各种(zhong)现象中,温度(du)(du)(du)是一个非常(chang)重要的(de)(de)(de)(de)(de)物(wu)理量(liang)(liang)。在食品和饮料(liao)加工(gong)、塑(su)料(liao)生产、金(jin)属加工(gong)等各个行(xing)业都(dou)需要监测和控(kong)制温度(du)(du)(du)。为(wei)了能够测量(liang)(liang)温度(du)(du)(du),可以(yi)根(gen)据给定(ding)测量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)适用(yong)(yong)性(xing)采用(yong)(yong)各种(zhong)类型的(de)(de)(de)(de)(de)设备,包括热(re)电偶、电阻温度(du)(du)(du)检测器、热(re)敏(min)电阻、红外(wai)辐射温度(du)(du)(du)计和加热(re)标(biao)签。通(tong)常(chang)需要使(shi)用(yong)(yong)具有相同(tong)(tong)性(xing)能水平的(de)(de)(de)(de)(de)相同(tong)(tong)类型的(de)(de)(de)(de)(de)温度(du)(du)(du)测量(liang)(liang)设备同(tong)(tong)时测量(liang)(liang)多(duo)个点的(de)(de)(de)(de)(de)温度(du)(du)(du)。

如(ru)(ru)果测(ce)(ce)量点分(fen)布(bu)较远,则可以(yi)(yi)(yi)采(cai)用(yong)基于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)的(de)(de)传感(gan)器(qi),作(zuo)为在多(duo)个(ge)分(fen)布(bu)点进(jin)行温度测(ce)(ce)量的(de)(de)最合适设(she)备之(zhi)一(yi)。基于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)的(de)(de)传感(gan)器(qi)具有许多(duo)优点,例如(ru)(ru)体积小、灵活性好、远程操(cao)作(zuo)、抗电(dian)磁场(chang)和射频干扰以(yi)(yi)(yi)及能(neng)够在恶劣(lie)环境中(zhong)运行。已(yi)经开发了各种基于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)的(de)(de)温度传感(gan)器(qi),据报道它们可以(yi)(yi)(yi)使用(yong)光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)布(bu)拉格光(guang)(guang)(guang)栅测(ce)(ce)量温度(FBG)、红外 (IR)光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)或可以(yi)(yi)(yi)改变其物(wu)理特(te)性(包(bao)括颜色、吸光(guang)(guang)(guang)度和反射率)的(de)(de)特(te)殊(shu)材(cai)料,作(zuo)为温度的(de)(de)函(han)数(shu). 然而,上述(shu)基于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian)的(de)(de)温度传感(gan)器(qi)即使使用(yong)长光(guang)(guang)(guang)纤(xian)(xian),也不适合监测(ce)(ce)分(fen)布(bu)广泛的(de)(de)多(duo)点温度。在某(mou)些情(qing)况下,需要同(tong)时测(ce)(ce)量相距数(shu)百米(mi)或数(shu)公里的(de)(de)点的(de)(de)温度。例如(ru)(ru),有必要测(ce)(ce)量或监测(ce)(ce)难以(yi)(yi)(yi)接近的(de)(de)危险环境(如(ru)(ru)核电(dian)站、放射性废物(wu)场(chang)和化工厂)的(de)(de)温度。

在这项研究中(zhong),我(wo)们(men)开发了一种基于硅油的(de)(de)多通道光(guang)(guang)(guang)纤温(wen)度(du)传感器系统 (FTSS),使用光(guang)(guang)(guang)时域(yu)反(fan)射(she)计(OTDR) 来(lai)同时测(ce)量(liang)多个任(ren)意点(dian)的(de)(de)温(wen)度(du)。OTDR 是一种光(guang)(guang)(guang)电仪器,可(ke)(ke)用于表(biao)征光(guang)(guang)(guang)纤并揭(jie)示光(guang)(guang)(guang)纤通信网(wang)络中(zhong)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)纤断裂(lie)位置。作为 FTSS 的(de)(de)一部(bu)分(fen),OTDR 可(ke)(ke)用作光(guang)(guang)(guang)源和光(guang)(guang)(guang)学测(ce)量(liang)设备。它(ta)可(ke)(ke)以测(ce)量(liang)多个不同的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)信号,这些光(guang)(guang)(guang)信号随着分(fen)布(bu)在多个点(dian)上的(de)(de)温(wen)度(du)变(bian)化而同时产生。我(wo)们(men)测(ce)量(liang)并分(fen)析了光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv) FTSS 的(de)(de)四个通道,以便使用 OTDR 同时确定四个不同点(dian)的(de)(de)各(ge)个温(wen)度(du)。

材料和方法
对于实时同步温度测量,我们开发了多通道 FTSS。它由光纤温度传感探头、光纤耦合器、传输光纤和 OTDR 组成。感温探头由感温材料、镀镍黄铜帽、光纤通道(FC)端接器和单模光纤组成,如图1所示。作为感温材料,我们使用了硅油(KF-54,Shin-Etsu),其折射率随温度变化而变化。此外,它还表现出温度稳定性、良好的传热特性,在-35°C至250°C的温度范围内表现非常明显。镀镍黄铜帽,具有非常好的导热性, 用于增加温度敏感性,镀镍可以防止外部污染物引起的腐蚀。圆柱形镀镍黄铜帽的高度为 13.0 毫米,帽的外径和内径分别为 9.0 和 6.1 毫米。为了将光纤简单准确地连接到光学仪器(如 OTDR 和光纤耦合器),我们采用了 FC 端接器(30126C3,Thorlabs Inc.),这有助于通过镀镍进行快速简单的操作黄铜帽,由于内部凹槽的螺旋结构。为了将光信号从温度传感探头传输到 OTDR,我们使用了具有纤芯/包层结构的单模光纤(980HP,Thorlabs Inc.)。单模光纤的外径为 245 µm,由折射率为 1.402 的氟化聚合物制成。纤芯直径为 3.6 µm,由折射率为 1.46 的二氧化硅制成。

 

在本研究中(zhong),OTDR(AQ7275-735041,Yokogawa Inc.)用作光(guang)源和光(guang)测(ce)量(liang)(liang)(liang)设备。常用于光(guang)通信(xin)领域中(zhong)埋地(di)光(guang)线路故障点的(de)(de)测(ce)量(liang)(liang)(liang)。它可以测(ce)量(liang)(liang)(liang)和显示由(you)沿(yan)光(guang)纤的(de)(de)端(duan)点散射(瑞利反(fan)向散射)或反(fan)射(菲涅耳反(fan)射)的(de)(de)光(guang)产生的(de)(de)一(yi)系列光(guang)脉冲。OTDR 的(de)(de)优势在于它可以同时实(shi)时测(ce)量(liang)(liang)(liang)多个光(guang)信(xin)号,并将光(guang)纤的(de)(de)长度延长到数百公里。

我们使用 OTDR测量了反射光(菲涅耳反射)的光功率。菲涅耳反射是部分入射光在具有不同折射率的两种介质之间的离散界面处的反射。在 FTSS 中,菲涅耳反射是在硅油与传感探头远端单模光纤纤芯的界面处产生的。反射光(菲涅耳反射)的强度比为:
(1)
其中 R 是反射系数,并且 和 分别是单模光纤纤芯和硅油的折射率。硅油的折射率与菲涅耳反射强度(方程(1))之间的相关性随温度而变化,如图2所示。

 

硅油的(de)折(zhe)射(she)(she)率(lv)随着(zhe)温度(du)的(de)升高而(er)降低(di)(di),接近单(dan)模(mo)光(guang)(guang)纤纤芯(xin)的(de)折(zhe)射(she)(she)率(lv)值,导致(zhi)菲涅耳反射(she)(she)强(qiang)度(du)降低(di)(di)。因此,菲涅耳反射(she)(she)量随着(zhe)硅油温度(du)的(de)降低(di)(di)而(er)增加。因此,可以通过测量反射(she)(she)光(guang)(guang)的(de)光(guang)(guang)强(qiang)来确定(ding)任意点的(de)温度(du),这(zhei)与硅油的(de)折(zhe)射(she)(she)率(lv)变化直(zhi)接相(xiang)关。

用(yong)于评估温(wen)度传感(gan)探(tan)头的(de)(de)(de)实验装(zhuang)置。一(yi)(yi)旦将(jiang)具有温(wen)度感(gan)应探(tan)头的(de)(de)(de)四个(ge)(ge)通(tong)道(dao)放入(ru)四个(ge)(ge)烧杯中,每(mei)个(ge)(ge)烧杯中的(de)(de)(de)水(shui)温(wen)就(jiu)可以使(shi)(shi)用(yong)加热板(Combi mantle,Global Lab)独(du)立控制和(he)保持。使(shi)(shi)用(yong)热电偶(ou)(54II温(wen)度计(ji))测(ce)(ce)量(liang)(liang)水(shui)温(wen), Fluke),用(yong)作(zuo)参考温(wen)度计(ji)。在四个(ge)(ge)通(tong)道(dao)中使(shi)(shi)用(yong)热电偶(ou)测(ce)(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)温(wen)度和(he)使(shi)(shi)用(yong) OTDR 的(de)(de)(de)光功率进行(xing)比较和(he)分析,以确定(ding)四个(ge)(ge)烧杯中的(de)(de)(de)水(shui)温(wen)。一(yi)(yi)个(ge)(ge) 1 × 4 光纤耦(ou)合器(FCQ1315-FC,Thorlabs Inc.)用(yong)于将(jiang)来自 OTDR 的(de)(de)(de)光源信号(hao)分配到(dao)温(wen)度传感(gan)探(tan)头,以及收集和(he)传输来自探(tan)头的(de)(de)(de)菲涅尔反射信号(hao)到(dao)OTDR。

分布式光纤测温系统特点:

分布式实(shi)时(shi)测量,覆盖100%探测区(qu)域,精确定位(wei)火灾发(fa)生位(wei)置(zhi);

测量距(ju)离长,测量信(xin)息丰富;

测量精(jing)度高,响(xiang)应速度快;

可靠性高,误报率低;

报(bao)警方式灵活,可实现差(cha)定温多(duo)级报(bao)警方式,确保火灾初期可靠报(bao)警;

探测(ce)光缆既(ji)是(shi)信号传输(shu)载体,又是(shi)感温元件,安装方便;

光信号(hao)测量,本质安全,抗电(dian)磁干扰,适(shi)合易(yi)燃易(yi)爆(bao)环境下长(zhang)期工作(zuo);

探(tan)测(ce)光缆寿命(ming)长,后期维(wei)护成本(ben)低。

 

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