W pierwszej części artykułu “Światłowody jako czujniki” przedstawiono pomiar temperatury realizowany w oparciu o zjawisko wstecznego rozproszenia Brillouina. Kontynuując ten temat przestawiamy przykłady pomiarów i ich analizy wykonane w laboratorium PCSS, wykorzystując jako metodę pomiarową analizator BOFDA (włókna podłączono do dwóch portów sensorów i wykonano pomiar w pętli).
Przygotowano układ składający się z 3 typów włókien: Corning Ultra Low Loss 30m, Corning TXF G.654E o długości ok 20m i 35 m włókna standardowego G.652. Zestaw był połączony przez złącza SC/APC z spawanymi pigtailami na bazie włókien NZDS G.655. Zestaw włókien podłączono patchcordem światłowodowym z włóknem G.657.
Poniżej (Rys. 1) wyniki z analizatora obrazujące połączone różne typy włókien światłowodowych.
Rys.1 Przykładowy pomiar temperatury przeprowadzony na połączonych trzech typach włókien (połączonych przez różne pigtaile).
Wyniki pokazały różne odczyty temperatury dla poszczególnych typów włókien. Konieczne jest prawidłowe skalibrowanie danego typu włókna do prawidłowego odczytu wartości temperatury. Miernik był skalibrowany dla paramentów włókna ULL. Różne włókna wykazują inną częstotliwość przesunięcia Brillouina.
Dodatkowo można zaobserwować, że włókno TXF najmniej reagowało na zmianę temperatury.
Pomiar trwał 2,5 h prowadzony co 2 min (50 cykli). W tym czasie w popomieszczeniu wyłączono klimatyzator i po ponad 1 h włączono jego pracę by schłodzić pomieszczenie.
Rys 2. Wykresy wielu pomiarów wraz z pokazanym trendem zmian temperatury (niebieska linia).
Zmianę temperatury pokazano powyżej z niebieskim wykresem zmian.
Poniżej (Rys.3) wykres z miernika przedstawiający obszary przesunięcia częstotliwości Brillouina:
Rys 3. Zmiany przesunięcia częstotliwości Brillouina.
Poniżej wykresy 3D badanego zestawu włókien:
Rys. 4. Wykres 3D obrazujący przesunięcie częstotliwości Brillouina.
Ponadto zauważono że np. włókno NZDS G.655 ma kilka pików zmiany częstotliwości i niestety nie nadaje się do pomiaru temperatury.
Rys. 5. Rysunek przedstawiający charakterystyki pojedynczej i podwójnej częstotliwości Brillouina występującej w różnych typach włókien.
Systemy pomiaru temperatury z wykorzystaniem zjawiska Brillouina, często nazywane rozproszonymi czujnikami temperatury (DTS – Distributed Temperature Sensing), oferują możliwości monitorowania. Ich główne zalety to:
- Monitorowanie na długich dystansach: Mogą mierzyć temperaturę na odcinkach od kilkuset metrów do dziesiątek kilometrów, co jest niemożliwe dla konwencjonalnych czujników.
- Ciągły profil temperatury: Zamiast punktowych pomiarów, systemy te dostarczają ciągły profil temperatury wzdłuż całego włókna, umożliwiając precyzyjne wykrywanie i lokalizowanie anomalii termicznych (tzw. “gorących punktów”).
- Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI): Ponieważ do pomiarów wykorzystuje się światło w szkle, są one niewrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne, co jest kluczowe w środowiskach przemysłowych.
- Bezpieczeństwo w trudnych warunkach: Światłowody są niekorozyjne i z natury bezpieczne w atmosferach wybuchowych.
- Szeroki zakres temperatur: W zależności od konstrukcji kabla i powłoki włókna, mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, od bardzo niskich do bardzo wysokich (nawet do +750°C).
Typowe zastosowania obejmują:
- Monitoring infrastruktury:
- Wykrywanie wycieków i monitorowanie odkształceń w rurociągach (gazociągi, ropociągi).
- Monitorowanie tuneli (np. wykrywanie pożarów, kontrola wentylacji).
- Kontrola stanu mostów i innych dużych konstrukcji.
- Monitorowanie temperatury w lądowiskach i pasach startowych.
- Energetyka:
- Monitorowanie temperatury w kablach energetycznych (podziemnych i napowietrznych) w celu wykrywania przegrzewających się punktów i optymalizacji obciążenia.
- Kontrola temperatury w elektrowniach.
- Przemysł:
- Monitorowanie procesów przemysłowych, np. w piecach lub zbiornikach magazynowych.
- Wykrywanie pożarów i monitorowanie temperatury w magazynach i obiektach przemysłowych.
- Geotechnika i środowisko:
- Monitorowanie osuwisk.
- Badania geotermalne.
Technologia ta jest dynamicznie rozwijana, oferując coraz większą dokładność i zasięg pomiarów, co czyni ją atrakcyjnym rozwiązaniem dla szerokiej gamy zastosowań wymagających rozłożonego monitoringu temperatury i odkształceń.
Piotr Turowicz