Fiberoptisk temperaturmätning (engelsk version DTS = Distributed Temperature Sensing ) är användningen av optoelektroniska enheter för temperaturmätning, där glasfibrer används som linjära sensorer.
Fiberoptiska system lämpar sig inte bara för informationsöverföring utan också som lokalt distribuerade mätsensorer. Fysiska mätstorheter som temperatur eller tryck samt dragkraft kan verka på den optiska fibern och ändra egenskaperna hos de optiska fibrerna på en viss plats. På grund av släckning av ljus i kvartsglasfibrer på grund av spridning kan platsen för den yttre fysiska påverkan exakt bestämmas, vilket gör det möjligt att använda ljusledaren som en linjär sensor.
Den så kallade Raman-effekten är särskilt lämplig för temperaturmätningar med optiska fibrer av kvartsglas . Ljus i en glasfiber sprids av mikroskopiskt små densitetsfluktuationer, vars storlek är mindre än våglängden . Till skillnad från inkommande ljus innehåller bakåtspritt ljus både en komponent med en initial våglängd (på grund av elastisk, eller Rayleigh-spridning ), och komponenter som har genomgått en spektralförskjutning med en frekvens som motsvarar resonanssvängningsfrekvensen för spridningsnoderna ( Raman-spridning ). Komponenter med en förskjuten våglängd bildar satellitlinjer i spektrumet av spritt ljus, som är uppdelade i Stokes ( förskjutna till längre våglängder och lägre frekvenser) och anti-Stokes (förskjutna till kortare våglängder och högre frekvenser) [1] . Amplituden för anti-Stokes-komponenten beror på den lokala temperaturen.
Den minsta möjliga dämpningen i glasfibrer begränsas av ljusspridning orsakad av glasfibrernas amorfa struktur. Uppvärmning orsakar en ökning av gittervibrationer i det molekylära komplexet av kvartsglas. När ljus faller på dessa termiskt exciterade vibrationer av molekyler, samverkar ljuspartiklarna (fotoner) och molekylernas elektroner. Elastisk (Rayleigh) spridning förekommer i glasfibermaterialet, liksom ytterligare, mycket svagare ljusspridning, den så kallade Raman-spridningen , som, med avseende på det infallande ljuset, skiftas spektralt av gittervibrationens resonansfrekvens.
Den klassiska tekniken för temporal optisk reflektometri ( OTDR , Optical Time Domain Reflectometry) är baserad på att bestämma tidsskillnaden mellan sändningsögonblicken för en ljuspuls och mottagningen av tillbakaspritt ljus, såväl som beroendet av den spridda ljusintensiteten i tid (det vill säga på avståndet längs kabeln). Eftersom Rayleigh backscatter är temperaturberoende kan den användas för att mäta temperatur längs en kabellängd.
Raman-spridningen är mycket (med tre storleksordningar) svagare än Rayleigh, så den kan inte mätas med OTDR-tekniken. Den används dock i en mer sofistikerad teknik för optisk frekvensdomänreflektometri (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry).
Intensiteten hos anti-Stokes Raman-bandet är temperaturberoende, medan Stokes-bandet är nästan oberoende av temperaturen. Mätningen av den lokala temperaturen vid vilken punkt som helst i fibern följer av förhållandet mellan intensiteten hos anti-Stokes- och Stokes-ljuset. Tack vare den optiska Raman backscattering-metoden är det möjligt att mäta temperaturen längs glasfibern som funktion av plats och tid.
Den schematiska strukturen för ett fiberoptisk temperaturmätningssystem består av en signalbehandlingsenhet med en frekvensgenerator, en laser, en optisk modul, en mottagningsenhet och en mikroprocessorenhet, samt en ljusledarkabel (kvartsglasfiber) som en linjär temperatursensor. I enlighet med OFDR-metoden moduleras laserintensiteten sinusformigt under mättidsintervallet, och frekvensen moduleras linjärt. Frekvensavvikelse är en direkt orsak till lokal respons av OTDR. Frekvensmodulerat laserljus riktas in i ljusledaren. När som helst längs fibern sänds en Raman-signal ut i alla riktningar. En del av denna signal rör sig i motsatt riktning mot signalkonditioneringsblocket. Därefter utförs spektralfiltreringen av det bakåtspridda ljuset, dess omvandling i mätkanalerna till elektriska signaler, förstärkning och elektronisk bearbetning. Mikroprocessorn beräknar Fouriertransformen . Som ett mellanresultat erhålls Raman-backscatter-kurvor som en funktion av avståndet från kabelns början. Amplituden för tillbakaspridningskurvorna är proportionell mot intensiteten hos motsvarande Raman-spridning. Från förhållandet mellan backscatter-kurvorna (anti-Stokes och Stokes) erhålls fiberns temperatur längs fiberkabeln. De tekniska specifikationerna för ett Raman temperaturmätningssystem kan optimeras genom att justera instrumentparametrar (räckvidd, rumslig upplösning, temperaturnoggrannhet, mättid).
Det är också möjligt att justera ljusledarkabeln efter möjligheterna för den specifika applikationen. Glasfiberbeläggningens termiska motstånd begränsar ljusledarens maximala temperaturområde. Standarddatafibrer har en akryl- eller UV-härdad beläggning och är lämpliga för temperaturer upp till 80°C. Polyamidbelagd optisk fiber kan användas upp till en maximal temperatur på 400 °C.
Typiska applikationer för linjära fibertemperatursensorer är säkerhetsrelaterade applikationer, såsom brandlarmsystem i väg-, järnvägs- eller servicetunnlar, samt lager, flygplanshangarer, flytande tankfartyg eller lageranläggningar för mellanlagring av radioaktiva ämnen. Tillsammans med brandlarmsystem används sådana system i andra industriområden:
(möjliga alternativ beroende på applikation)