CN111141413A - 一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统及方法，包括感温光纤、分布式光纤测温主机、温度标定系统和温度校正主机，所述温度标定系统用于对感温光纤首端和末端的温度进行标定，所述测温主机用于获取感温光纤沿线的温度分布数据，所述温度校正主机用于根据感温光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正；所述温度校正主机分别与测温主机、温度标定系统连接，所述测温主机与感温光纤首端连接。本发明通过在光纤首端、末端进行温度标定，解决了光纤末端精度差的问题，延长了分布式光纤测温的覆盖长度。

Description

一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统及方法

技术领域

本发明属于光纤温度传感技术领域，具体是一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统及方法。

背景技术

光纤分布式温度检测技术，也称为分布式光纤测温技术，它是依据光时域反射原理和拉曼散射效应对温度的敏感从而实现温度检测；分布式光纤温度测量系统中，光纤既是测量信号载体，也可以是传感媒质，与传统的传感技术相比，具有抗电磁干扰强、抗辐射性能好、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异性能，具有连续测温、分布式测温、实时测温、远程监控等特点，广泛应用于管道、隧道、电缆、石油石化和煤矿等行业。

但由于分布式光纤测温是依靠拉曼散射信号的强度进行温度解调，长距离的光纤传输(通道大于10公里)会导致信号光强度的损耗增大，测温曲线随距离的分布波动加大，因此会呈现如图1中的喇叭状分布，造成尾端测温精度差，这也是限制分布式光纤实现长距离测温的主要因素。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统及方法，通过在光纤首端、末端进行温度标定，解决了光纤末端精度差的问题，延长了分布式光纤测温的覆盖长度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，包括感温光纤、分布式光纤测温主机、温度标定系统和温度校正主机，所述温度标定系统用于对感温光纤首端和末端的温度进行标定，所述测温主机用于获取感温光纤沿线的温度分布数据，所述温度校正主机用于根据感温光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正；所述温度校正主机分别与测温主机、温度标定系统连接，所述测温主机与感温光纤首端连接。

可选地，所述温度标定系统包括第一恒温装置和第二恒温装置；所述第一恒温装置设在感温光纤首端，所述第二恒温装置设在感温光纤末端；所述第一恒温装置、第二恒温装置分别与温度校正主机连接。

进一步地，所述第一恒温装置/第二恒温装置包括恒温水浴箱，所述感温光纤的首端和末端分别置于两个恒温水浴箱内。

由于感温光纤的首端、末端均设有恒温水浴箱，因此，光纤首端、末端的温度始终处于已知的状态，恒温水浴箱的温度由温度校正主机设定，温度校正主机可直接利用光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正。

可选地，所述温度标定系统包括第一测温装置和第二测温装置；所述第一测温装置、第二测温装置分别设在感温光纤的首端和末端，分别用于监测感温光纤首端和末端的实际温度数据；所述温度校正主机分别与第一测温装置、第二测温装置连接。

进一步地，所述第一测温装置/第二测温装置包括温度传感器；

本发明还可采用温度传感器实时监测感温光纤首端、末端的温度数据，并将监测到的温度数据实时反馈给温度校正主机，温度校正主机再直接利用光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正。

与上述分布式光纤测温系统相对应的，本发明还提供了一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，包括以下步骤：

通过测温主机获取感温光纤沿线的温度分布数据；

通过温度标定系统获取感温光纤首端和末端的实际温度数据；

根据感温光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正，获得感温光纤沿线的准确温度分布数据。

具体地，所述感温光纤沿线的温度分布数据是利用自发后向拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的功率比值得到的，计算公式为：

简化上式可得：

对上式两边同时取自然对数可得光纤沿线的温度分布数据为：

其中，P_AS、P_S分别为自发后向拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的功率；C为常数；K_AS、K_S分别为与光纤中反斯托克斯散射和斯托克斯散射界面有关的系数；λ_AS、λ_S分别为反斯托克斯光与斯托克斯光的频率；h为普朗克常数；Δv为拉曼频移；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；α_AS、α_S分别为反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中传输时的衰减系数；L为感温光纤上待测位置与光纤首端的距离；γ为量纲为K的常数；Δα为距离光纤首端L处的光纤损耗。

可选地，所述温度标定系统包括第一恒温装置和第二恒温装置；所述第一恒温装置设在感温光纤首端，所述第二恒温装置设在感温光纤末端；所述第一恒温装置、第二恒温装置分别与温度校正主机连接。

进一步地，所述第一恒温装置/第二恒温装置包括恒温水浴箱，所述感温光纤的首端和末端分别置于两个恒温水浴箱内。

可选地，所述温度标定系统包括第一测温装置和第二测温装置；所述第一测温装置、第二测温装置分别设在感温光纤的首端和末端，分别用于监测感温光纤首端和末端的实际温度数据；所述温度校正主机分别与第一测温装置、第二测温装置连接。

进一步地，所述第一测温装置/第二测温装置包括温度传感器。

具体地，获得感温光纤沿线的准确温度分布数据的方法为：

设光纤首端温度为T₀，光纤末端温度为T₁，光纤末端与光纤首端的距离为L₁，由式(2)可得：

对上式两边分别同时取对数可得：

联立上式(6)、(7)可得距离光纤首端L处的温度T和损耗Δα；其中，Δα₁为光纤末端的损耗。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在感温光纤首端、末端进行温度标定，并校正测温主机测量的感温光纤沿线温度分布数据，解决了现有技术中在长距离光纤尾端温度测量波动较大的问题，可以延长分布式光纤测温系统的覆盖距离，提高了感温光纤尾端温度测量的精度。

附图说明

图1为现有分布式光纤测温系统的温度随距离分布曲线；

图2为本发明实施例1一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统的结构示意框图；

图3为本发明实施例2一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统的结构示意框图；

图中：1、感温光纤；2、测温主机；3、温度校正主机；4、第一恒温装置；5、第二恒温装置；6、第一测温装置；7、第二测温装置。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，包括感温光纤1、分布式光纤测温主机2、温度标定系统和温度校正主机3，所述温度标定系统用于对感温光纤1首端和末端的温度进行标定，所述测温主机2用于获取感温光纤1沿线的温度分布数据，所述温度校正主机3用于根据感温光纤1首端、末端的温度数据对感温光纤1沿线的温度分布数据进行校正；所述温度校正主机3分别与测温主机2、温度标定系统连接，所述测温主机2与感温光纤1首端连接。

具体地，所述温度标定系统包括第一恒温装置4和第二恒温装置5；所述第一恒温装置4设在感温光纤1首端，所述第二恒温装置5设在感温光纤1末端；所述第一恒温装置4、第二恒温装置5分别与温度校正主机3连接。

进一步地，所述第一恒温装置4/第二恒温装置5包括恒温水浴箱，所述感温光纤1的首端和末端分别置于两个恒温水浴箱内。

由于感温光纤1的首端、末端均设有恒温水浴箱，因此，光纤首端、末端的温度始终处于已知的状态，恒温水浴箱的温度由温度校正主机3设定，温度校正主机3可直接利用光纤首端、末端的温度数据对感温光纤1沿线的温度分布数据进行校正。

与上述分布式光纤测温系统相对应的，本实施例还提供了一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，包括以下步骤：

通过测温主机2获取感温光纤1沿线的温度分布数据；

通过温度标定系统获取感温光纤1首端和末端的实际温度数据；

根据感温光纤1首端、末端的温度数据对感温光纤1沿线的温度分布数据进行校正，获得感温光纤1沿线的准确温度分布数据。

具体地，所述感温光纤1沿线的温度分布数据是利用自发后向拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的功率比值得到的，计算公式为：

简化上式可得：

对上式两边同时取自然对数可得光纤沿线的温度分布数据为：

其中，P_AS、P_S分别为自发后向拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的功率；C为常数，与测温主机2中探测器的响应度及光路耦合系数有关；K_AS、K_S分别为与光纤中反斯托克斯散射和斯托克斯散射界面有关的系数；λ_AS、λ_S分别为反斯托克斯光与斯托克斯光的频率；h为普朗克常数；Δv为拉曼频移；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；α_AS、α_S分别为反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中传输时的衰减系数；L为感温光纤1上待测位置与光纤首端的距离；γ为量纲为K的常数；Δα为距离光纤首端L处的光纤损耗，通常与现场实时情况及光纤状态有关；从上式可以看出，感温光纤1测得的温度与光纤损耗有很大的关系，现有的光纤测温系统都是利用上式进行测量的，这种方法在短距离测温可以保证测量精度，但随着分布距离的延长，光纤末端的损耗会比较大，不能被忽略掉，这种测量方式会导致光纤末端的测量误差较大。如图1所示，图1为现有分布式光纤测温系统的温度随距离分布曲线，图1中横坐标表示感温光纤1的覆盖长度，纵坐标为感温光纤1末端测得的温度数据；由于受到光纤传输损耗的影响，拉曼散射信号强度在长距离传输后衰减严重，导致温度曲线呈现喇叭状分布，光纤尾端的精度较差。

具体地，所述温度标定系统包括第一恒温装置4和第二恒温装置5；所述第一恒温装置4设在感温光纤1首端，所述第二恒温装置5设在感温光纤1末端；所述第一恒温装置4、第二恒温装置5分别与温度校正主机3通过无线通信方式连接。

进一步地，所述第一恒温装置4/第二恒温装置5包括恒温水浴箱，所述感温光纤1的首端和末端分别置于两个恒温水浴箱内。

具体地，获得感温光纤1沿线的准确温度分布数据的方法为：

设光纤首端温度为T₀，光纤末端温度为T₁，光纤末端与光纤首端的距离为L₁，由式(2)可得：

对上式两边分别同时取对数可得：

联立上式(6)、(7)可得距离光纤首端L处的温度T和损耗Δα；其中，Δα₁为光纤末端的损耗。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，与上述实施例1的区别点在于，本实施例中，所述温度标定系统包括第一测温装置6和第二测温装置7；所述第一测温装置6、第二测温装置7分别设在感温光纤1的首端和末端，分别用于监测感温光纤1首端和末端的实际温度数据；所述温度校正主机3分别与第一测温装置6、第二测温装置7通过无线通信方式连接。

进一步地，所述第一测温装置6/第二测温装置7包括温度传感器；

本实施例采用温度传感器实时监测感温光纤1首端、末端的温度数据，并将监测到的温度数据实时反馈给温度校正主机3，温度校正主机3再直接利用光纤首端、末端的温度数据对感温光纤1沿线的温度分布数据进行校正。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，其特征在于，包括感温光纤、分布式光纤测温主机、温度标定系统和温度校正主机，所述温度标定系统用于对感温光纤首端和末端的温度进行标定，所述测温主机用于获取感温光纤沿线的温度分布数据，所述温度校正主机用于根据感温光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正；所述温度校正主机分别与测温主机、温度标定系统连接，所述测温主机与感温光纤首端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述温度标定系统包括第一恒温装置和第二恒温装置；所述第一恒温装置设在感温光纤首端，所述第二恒温装置设在感温光纤末端；所述第一恒温装置、第二恒温装置分别与温度校正主机连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述第一恒温装置/第二恒温装置包括恒温水浴箱，所述感温光纤的首端和末端分别置于两个恒温水浴箱内。

4.根据权利要求1所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述温度标定系统包括第一测温装置和第二测温装置；所述第一测温装置、第二测温装置分别设在感温光纤的首端和末端，分别用于监测感温光纤首端和末端的实际温度数据；所述温度校正主机分别与第一测温装置、第二测温装置连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述第一测温装置/第二测温装置包括温度传感器。

6.一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，基于权利要求1至5任一项所述的分布式光纤测温系统，其特征在于，包括以下步骤：

通过测温主机获取感温光纤沿线的温度分布数据；

通过温度标定系统获取感温光纤首端和末端的实际温度数据；

根据感温光纤首端、末端的温度数据对感温光纤沿线的温度分布数据进行校正，获得感温光纤沿线的准确温度分布数据。

7.根据权利要求6所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，其特征在于，所述感温光纤沿线的温度分布数据是利用自发后向拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的功率比值得到的，计算公式为：

简化上式可得：

对上式两边同时取自然对数可得光纤沿线的温度分布数据为：

其中，P_AS、P_S分别为自发后向拉曼反斯托克斯光与斯托克斯光的功率；C为常数；K_AS、K_S分别为与光纤中反斯托克斯散射和斯托克斯散射界面有关的系数；λ_AS、λ_S分别为反斯托克斯光与斯托克斯光的频率；h为普朗克常数；Δv为拉曼频移；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；α_AS、α_S分别为反斯托克斯光和斯托克斯光在光纤中传输时的衰减系数；L为感温光纤上待测位置与光纤首端的距离；γ为量纲为K的常数；Δα为距离光纤首端L处的光纤损耗。

8.根据权利要求6所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，其特征在于，所述温度标定系统包括第一恒温装置和第二恒温装置；所述第一恒温装置设在感温光纤首端，所述第二恒温装置设在感温光纤末端；所述第一恒温装置、第二恒温装置分别与温度校正主机连接。

9.根据权利要求6所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，其特征在于，所述温度标定系统包括第一测温装置和第二测温装置；所述第一测温装置、第二测温装置分别设在感温光纤的首端和末端，分别用于监测感温光纤首端和末端的实际温度数据；所述温度校正主机分别与第一测温装置、第二测温装置连接。

10.根据权利要求7所述的一种基于双端温度标定的分布式光纤测温方法，其特征在于，获得感温光纤沿线的准确温度分布数据的方法为：

设光纤首端温度为T₀，光纤末端温度为T₁，光纤末端与光纤首端的距离为L₁，由式(2)可得：

对上式两边分别同时取对数可得：

联立上式(6)、(7)可得距离光纤首端L处的温度T和损耗Δα；其中，Δα₁为光纤末端的损耗。

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