分布式光纤测温系统(distributed temperature sensing system,DTS)是近些年发展迅速的一种新型 感温火灾探测器,光纤本身就是测温传感器,传、感合一,实现了沿光纤分布的温度实时测量。与传统技术相比,DTS具有分布式测量、精确定位、抗电磁干扰、本质安全、报警方式灵活等优点^{[1, 2, 3]}。将测温光缆沿探测区域线型敷设,可及时发现过热点,防患于未“燃”,在电力、交通、石化等行业安全在线监测领域具有广泛应用。测量距离、测温精度、空间分辨率和测量时间是DTS最主要的技术指标,这几个技术指标相互关联、相互制约。其中空间分辨率,又称最小感温长度,直接关系到分布式温度测量性能和应用效果,空间分辨率越高,温度测量效果越好^{[4, 5]}。国家消防标准要求空间分辨率不超过3 m,国内大部分厂家的空间分辨率为2～3 m,该指标可满足公路隧道火情监测等常规应用,但对电缆等小区域过热监测应用效果并不理想。因此,有必要设计、研究高空间分辨率的DTS产品。

1理论分析

DTS的温度测量基于光纤自发拉曼(Raman)散射效应。利用温度敏感的Anti-stokes光强P_A和温度不敏感的Stokes光强P_S的比值R(T)可以计算出温度值T^[6],其表达式为:

DTS的位置确定是基于光时域反射OTDR技术。利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置z。DTS的空间分辨率是设备的核心指标之一,是设备真实反应外界热点温度的最短受热光纤长度。由于激光脉冲存在一定宽度,某一时刻返回入射点的信号是脉冲宽度内光纤各点散射信号的叠加,即DTS获得的每点温度是脉冲宽度内光纤上各点温度的平均值。当受热光纤长度小于空间分辨率时,DTS的测量温度值将小于实际温度值。空间分辨率δz受激光脉冲宽度τ、探测电路响应时间t、数据采集时间间隔Δt等因素共同影响,根据文献^[5],空间分辨率Δz由下式决定:

2 高空间分辨率DTS的设计

高空间分辨率DTS主要由测温主机、传感光缆、用户软件以及备用电源、服务器等外围设备组成。测温主机是系统核心,包括脉冲光源产生、光放大、信号探测及数据采集等,直接影响测温性能和应用效果。传感光缆既是温度感测元件,又是信号传输介质,既能快速响应外界温度,又具有较好抗拉、抗压强度;并且光缆一旦断裂可精确定位和快速接续。用户软件包括温度曲线显示、火灾预警报警、历史数据查询及统计、监测区域可视化显示等功能。高空间分辨率DTS的组成如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 高空间分辨率DTS系统组成原理图 Fig. 1 Diagram of high spatial resolution DTS system

测温主机的设计直接关系到高空间分辨率的性能,本文给出了0.5 m空间分辨率的DTS设计思路。高速激光器驱动电路激发半导体激光器产生脉宽2 ns、峰值约10 mW的激光脉冲,被EDFA放大器放大为瓦级的高峰值激光脉冲,经分光器后入射到传感光纤上,激光与光纤分子相互作用,所产生的背向拉曼散射光经分光器分离出Anti-stokes光和Stokes光,并由高灵敏、高速响应探测器APD接收,经约300 MHz超高带宽放大电路后由8 bit、1 GS/s高速数据采集电路同步采集,控制及信号处理电路实现温度信号计算及火灾报警判断。根据式(3),τ、t及Δt均应小于5 ns方可实现 0.5 m空间分辨率,本文采用激光脉冲宽度τ为2 ns、电路响应时间t为1.5 ns、数据采集 时间间隔Δt为1 ns。

表 1Table 1)

表 1 不同脉冲宽度下4个加热环的温度测量值 Tab. 1 Measured temperature of four fiber rings for different pulse widths 光纤 长度/m 温度/℃ 脉冲 宽度2 ns 脉冲 宽度6 ns 脉冲 宽度10 ns 脉冲 宽度14 ns 0.25 58.6 48.2 40.3 35.5 0.5 75.0 64.7 56.6 42.4 1.0 75.1 74.9 70.8 55.4 2.0 75.0 75.0 75.1 74.9

表 1 不同脉冲宽度下4个加热环的温度测量值 Tab. 1 Measured temperature of four fiber rings for different pulse widths

为测量DTS的空间分辨率指标,采用光纤取样环加热的方法,在2 km附近盘绕4个长度分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m和1.0 m的光纤环,一同放入51.9 ℃的恒温水槽中,温度曲线如图 2所示。从图中可以看出,0.5 m光纤环的温度值与1.0 m均为52.0 ℃,测温误差小于0.5 ℃,说明所设计的DTS的空间分辨率实现了0.5 m。此外,为了说明空间分辨率指标的重要性,盘绕4个长度分别为0.25 m、0.5 m、1.0 m和2.0 m的光纤环,一同放入约75 ℃的热水中。分别改变激光脉冲宽度2 ns、6 ns、10 ns和14 ns,模拟空间分辨率为0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m的设备,加热各环的温度值如表 1所示。从表可以看出,如果受热区域较小,空间分辨率越高(脉冲宽度越小)则温度测量值越接近实际温度。

图 2

Fig. 2

图 2 DTS的空间分辨率测试情况 Fig. 2 Measured result of spatial resolution performance

宁波万华工业园区内敷设了数量众多的各种动力电缆和控制电缆,密集布设的电缆通风效果不佳容易造成电缆发热;此外,随着电缆老化,局部护套会出现破损,在水汽缓慢作用下绝缘电阻降低,也会造成电缆运行出现过热点。电缆发热是电气火灾的重要因素,由于电缆的可靠运行事关安全生产,因此有必要对电缆桥架和密集电缆沟的温度进行实时监测。由于电缆过热点的区域一般只有几十cm,为考察不同空间分辨率下电缆温度监测效果,将一段长度约400 m的测温光缆敷设在电缆桥架上,测温电缆紧贴电缆线型敷设,测温光缆与高空间分辨率DTS设备相连。该DTS设备的空间分辨率可在0.5～2 m之间自主设置,采样间隔0.1 m,测量时间最快5 s,测温误差小于1.0 ℃,长期稳定性小于1.0 ℃。

图 3是不同空间分辨率设置下电缆分布式温度测量情况。从图 3(a)可以看出,不同分辨率下的DTS测量的温度分布轮廓基本一致,在100 m前后有3个较明显的过热点,与实际热电偶排查的情况相符;图 3(b)是过热点2的细节放大图,可以看出0.5 m空间分辨率下对小区域过热点的探测更为显著,能更及时发现潜在的火灾隐患。

图 3

Fig. 3

图 3 不同空间分辨率设置下的电缆温度测量情况 Fig. 3 Measured cable temperature at different spatial resolution settings

空间分辨率是分布式光纤测温系统的核心技术指标,空间分辨率越高,对小的受热区域监测效果越好。对于电缆过热监测等应用,尤其需要关注空间分辨率指标。测试结果表明,所设计的分布式光纤测温系统的空间分辨率达到0.5 m;同时,由宁波万华电缆监测的应用证实,0.5 m空间分辨率对电缆等小区域过热点的探测更为显著,可有效提升电缆运行安全监测水平。