Měření teploty optickými vlákny (anglická verze DTS = Distributed Temperature Sensing ) je použití optoelektronických zařízení pro měření teploty, ve kterých se jako lineární senzory používají skleněná vlákna.
Optické systémy jsou vhodné nejen pro přenos informací, ale také jako lokální distribuované měřicí senzory. Fyzikální měřené veličiny jako teplota nebo tlak a také tažná síla mohou působit na optické vlákno a měnit vlastnosti optických vláken v určitém místě. Díky zhášení světla ve vláknech křemenného skla v důsledku rozptylu lze přesně určit místo vnějšího fyzického dopadu, což umožňuje použít světlovod jako lineární senzor.
Takzvaný Ramanův jev je vhodný zejména pro měření teploty pomocí optických vláken z křemenného skla . Světlo ve skleněném vláknu je rozptylováno mikroskopicky malými fluktuacemi hustoty, jejichž velikost je menší než vlnová délka . Na rozdíl od dopadajícího světla obsahuje zpětně rozptýlené světlo jak složku s počáteční vlnovou délkou (díky elastickému neboli Rayleighovu rozptylu ), tak složky, které prošly spektrálním posunem o frekvenci odpovídající rezonanční frekvenci kmitání uzlů rozptylu ( Ramanův rozptyl ). Komponenty s posunutou vlnovou délkou tvoří ve spektru rozptýleného světla satelitní čáry, které se dělí na Stokesovy ( posunuté na delší vlnové délky a nižší frekvence) a anti-Stokesovy (posunuté na kratší vlnové délky a vyšší frekvence) [1] . Amplituda anti-Stokes složky závisí na místní teplotě.
Minimální dosažitelný útlum ve skleněných vláknech je omezen rozptylem světla způsobeným amorfní strukturou skleněných vláken. Zahřívání způsobuje zvýšení vibrací mřížky v molekulárním komplexu křemenného skla. Když světlo dopadá na tyto tepelně excitované vibrace molekul, částice světla (fotony) a elektrony molekul interagují. V materiálu skelných vláken dochází k elastickému (Rayleighovu) rozptylu a také k dodatečnému, mnohem slabšímu rozptylu světla, tzv. Ramanovu rozptylu , který je vzhledem k dopadajícímu světlu spektrálně posunut o rezonanční frekvenci kmitání mřížky.
Klasická technika časové optické reflektometrie ( OTDR , Optical Time Domain Reflectometry) je založena na stanovení časového rozdílu mezi okamžiky přenosu světelného pulsu a příjmu zpětně rozptýleného světla a také na závislosti intenzity rozptýleného světla. na čas (tj. na vzdálenost podél kabelu). Protože Rayleighův zpětný rozptyl je závislý na teplotě, lze jej použít k měření teploty podél délky kabelu.
Ramanův rozptyl je mnohem (o tři řády) slabší než Rayleigh, takže jej nelze měřit pomocí techniky OTDR. Používá se však v sofistikovanější technice reflektometrie v optické frekvenční oblasti (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry).
Intenzita anti-Stokesova Ramanova pásma je závislá na teplotě, zatímco Stokesovo pásmo je na teplotě téměř nezávislé. Měření lokální teploty v libovolném bodě vlákna vyplývá z poměru intenzity anti-Stokesova a Stokesova světla. Díky optické metodě Ramanova zpětného rozptylu je možné měřit teplotu podél skleněného vlákna jako funkci místa a času.
Schéma systému měření teploty pomocí optických vláken se skládá z jednotky pro úpravu signálu s frekvenčním generátorem, laserem, optickým modulem, přijímací jednotkou a mikroprocesorovou jednotkou, jakož i světlovodným kabelem (křemenné skleněné vlákno) jako lineární teplotní senzor. V souladu s metodou OFDR je intenzita laseru modulována sinusově během časového intervalu měření a frekvence je modulována lineárně. Frekvenční odchylka je přímou příčinou lokální odezvy OTDR. Frekvenčně modulované laserové světlo je směrováno do světlovodu. V kterémkoli bodě vlákna je Ramanův signál vyzařován všemi směry. Část tohoto signálu se pohybuje v opačném směru než blok úpravy signálu. Poté je provedena spektrální filtrace zpětně odraženého světla, jeho převod v měřicích kanálech na elektrické signály, zesílení a elektronické zpracování. Mikroprocesor vypočítá Fourierovu transformaci . Jako mezivýsledek se získají Ramanovy křivky zpětného rozptylu jako funkce vzdálenosti od začátku kabelu. Amplituda křivek zpětného rozptylu je úměrná intenzitě odpovídajícího Ramanova rozptylu. Z poměru křivek zpětného rozptylu (anti-Stokes a Stokes) se získá teplota vlákna podél optického kabelu. Technické specifikace Ramanova systému měření teploty lze optimalizovat úpravou parametrů přístroje (dosah, prostorové rozlišení, přesnost teploty, doba měření).
Světlovodný kabel je také možné upravit podle možností konkrétní aplikace. Tepelný odpor sklolaminátového povlaku omezuje maximální teplotní rozsah světlovodného kabelu. Standardní datová vlákna mají akrylový nebo UV vytvrzený povlak a jsou vhodná pro teploty do 80°C. Optické vlákno potažené polyamidem lze použít do maximální teploty 400 °C.
Typické aplikace pro lineární vláknové teplotní senzory jsou bezpečnostní aplikace, jako jsou požární poplachové systémy v silničních, železničních nebo servisních tunelech, stejně jako sklady, letecké hangáry, plovoucí tankery nebo skladovací zařízení pro přechodné skladování radioaktivních látek. Spolu se systémy požární signalizace se tyto systémy používají v dalších průmyslových oblastech:
(možné možnosti v závislosti na aplikaci)