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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Temperaturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur ortsaufgelösten Temperaturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Faseroptische Temperaturmesssysteme (Distributed Temperature Sensing – DTS) können optische Effekte in Lichtleitfasern zur ortsaufgelösten Temperaturmessung nutzen. Beispielsweise kann der Effekt der Raman-Streuung genutzt werden. Hierbei wird die Strahlung einer schmalbandigen Quelle elektromagnetischer Strahlung (z. B. die eines Lasers) inelastisch im Fasermaterial gestreut. Das Verhältnis der Intensitäten der Streustrahlung mit kürzerer Wellenlänge als die Anregung (anti-Stokes-Streustrahlung) und der Streustrahlung bei längerer Wellenlänge (Stokes-Streustrahlung) ist temperaturabhängig und kann zur Temperaturbestimmung verwendet werden. Durch Nutzung von Frequenz-(Optical Frequency-Domain Reflectometry – OFDR (
EP0692705 ,
EP0898151 )) oder Pulstechniken (Optical Time-Domain Reflectometry – OTDR) kann die Temperatur entlang der Faser ortsaufgelöst bestimmt werden. Derartige Messsysteme können beispielsweise zur Brandüberwachung in Tunneln und Kanälen, zur Überwachung von Energiekabeln und Pipelines sowie bei der Öl- und Gasförderung eingesetzt werden.
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Probleme der ortsaufgelösten Temperaturmessung in Lichtleitfasern sind die begrenzte Temperaturauflösung durch das Rauschen der schwachen Stokes- und anti-Stokes-Signale und der hohe technische Aufwand für die Filterung und Detektion der Signale.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs Art sind aus der
US 7,350,972 B2 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird eine Laserdiode abwechselnd als Laser und als Leuchtdiode betrieben. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass für den Laserbetrieb die angelegte Spannung so groß gewählt wird, dass die Laserschwelle überschritten wird, und dass für den Leuchtdiodenbetrieb die Spannung so gering gewählt wird, dass die Laserschwelle nicht überschritten wird. Im Laserbetrieb wird von den zurückgestreuten Anteile das anti-Stokes-Signal detektiert und ausgewertet. Im Leuchtdiodenbetrieb wird von den zurückgestreuten Anteilen das Rayleigh-Signal detektiert und ausgewertet. Dabei macht sich die Vorrichtung zunutze, dass im Leuchtdiodenbetrieb das von der Laserdiode emittierte Spektrum breitbandiger ist, so dass die gleichen Filter und Detektoren wie für das anti-Stokes-Signal verwendet werden können. Aus dem Verhältnis von anti-Stokes-Signal einerseits und Rayleigh-Signal andererseits wird die Temperatur in der Lichtleitfaser ortsaufgelöst bestimmt.
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Nachteilig bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung ist der regelmäßige Wechsel zwischen zwei völlig voneinander verschiedenen Betriebsarten der Laserdiode. Dieser Wechsel zieht großen apparativen Aufwand nach sich und führt zu einem wenig stabilen Betrieb der Vorrichtung.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Angabe einer Vorrichtung und eines Verfahrens der eingangs genannten Arten, die technisch weniger aufwändig aufgebaut sind und eine gute Temperaturauflösung ermöglichen.
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Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Erfassungsmittel richtungsabhängige Ablenkmittel umfassen. Beispielsweise können dabei die richtungsabhängigen Ablenkmittel als Polarisationsstrahlteiler oder als optischer Zirkulator ausgebildet sein. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln der Rayleigh-Anteil von dem ursprünglichen Lasersignal getrennt werden.
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Insbesondere können dabei die Auswertemittel den von den Sensormitteln erfassten anti-Stokes-Anteil oder Stokes-Anteil durch den von den Sensormitteln erfassten Rayleigh-Anteil dividieren.
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Bei der im Stand der Technik eingesetzten Berechnung der Temperatur aus dem Verhältnis von anti-Stokes- und Stokes-Signal werden zwei schwache Signale ausgewertet, die auch noch gleichsinnig von der Temperatur abhängen. Die Schwäche der Signale und die gleichsinnige Temperaturabhängigkeit begrenzen die Temperaturauflösung eines DTS-Geräts. Das erfindungsgemäß verwendete Rayleigh-Signal ist jedoch um Größenordnungen stärker als das Stokes-Signal und hängt praktisch nicht von der Temperatur ab. Deshalb führt eine Berechnung der Temperatur aus dem Verhältnis von anti-Stokes- und Rayleigh-Signal unter gleichen Messbedingungen zu einer höheren Temperaturauflösung.
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Aufgrund der Trennung des Rayleigh-Signals vom Laser durch einen richtungsabhängigen Koppler wie einen optischen Zirkulator oder einen Polarisationskoppler kann anstelle eines aufwendigen Filters, der im Stand der Technik zur Trennung der Messwellenlängen des anti-Stokes-Anteils und des Stokes-Anteils von der Laserwellenlänge genutzt wird, ein einfacherer Filter nur zur Trennung des anti-Stokes-Anteils von der Laserwellenlänge eingesetzt werden. Insbesondere können dabei die Erfassungsmittel Filtermittel wie Bandpassfilter oder WDM-Filter umfassen.
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Die erfindungsgemäß verwendete Laserlichtquelle muss nicht unbedingt Licht im sichtbaren Spektralbereich emittieren, sondern kann insbesondere auch langwelligere Strahlung im nahen Infrarotbereich emittieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 schematisch die Temperaturabhängigkeit von Stokes, anti-Stokes und des anti-Stokes/Stokes-Verhältnisses bei einer Phononenergie von 52 meV/415 cm–1;
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2 schematisch die Sensitivität (Ableitung) von Stokes, anti-Stokes und anti-Stokes/Stokes über der Temperatur, wobei bei 300 K SAS = 0,77%/K, SS = 0,1%/K und SAS/S = 0,67%/K betragen;
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3 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 einen schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 einen schematischen Aufbau einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den 3 bis 5 sind gleichen oder funktional gleichen Teilen gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
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Die Intensitäten von Stokes I
S,0(x) und anti-Stokes I
AS,0(x) Raman-Streuung am Ort x bei einer Anregungsintensität I
0, einer Temperatur T und einer Schwingungsfrequenz der Phononen ω
P ergeben sich aus:
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Das Verhältnis beider Intensitäten
erlaubt, die Temperatur gemäß
zu berechnen.
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Dieses Ergebnis hängt nicht von I0 ab. Sofern die Dämpfung in der Faser für die Stokes- und anti-Stokes Wellenlängen gleich ist, hängt die Temperaturbestimmung überhaupt nicht von der Faserdämpfung ab (siehe unten). Dies und das Vorliegen einer analytischen Lösung mit einem linearen Zusammenhang zwischen 1/T und dem Logarithmus des Intensitätsverhältnisses sind die Gründe für die weit verbreitete Anwendung der Formel (3).
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Die gemessenen Intensitäten I
AS(x) I
S(x) beinhalten Beiträge der Faserdämpfung für Anregung und Streulicht gemäß:
und
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Unter Berücksichtigung der Wellenlängenabhängigkeit der Faserdämpfung erhält man anstelle von Gleichung (3) folgendes:
bzw.
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In die Berechnung geht somit die Differenz der Dämpfungen bei Stokes und anti-Stokes Wellenlängen (Deltaalpha) ein.
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Grundsätzlich kann die Temperatur nicht nur gemäß Gleichung (6) analytisch aus dem Verhältnis von anti-Stokes und Stokes Intensitäten berechnet werden, sondern es ist auch eine numerische Berechnung aus Gleichung (4) oder (5) möglich. Die entsprechenden Abhängigkeiten sind in 1 dargestellt.
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Die Fehlerfortpflanzung ist analytisch zumindest nicht einfach zu berechnen, da für Gleichungen (4) und (5) keine analytische Lösung vorliegt. Numerisch werden aber einige Zusammenhänge klar:
Gleichung 6: Bei der Verhältnisbildung werden die relativen Messunsicherheiten (σ) quadratisch summiert:
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Diese Messunsicherheit ist noch durch die Ableitung des Intensitätsverhältnisses nach der Temperatur zu teilen, um den relativen Temperaturfehler zu erhalten. Eine graphische Darstellung dieser Ableitungen zeigt 2.
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Es liegen somit zwei Effekte vor, die bei der Verhältnisbildung gemäß Gleichung (6) die Messunsicherheit gegenüber einer Bestimmung der Temperatur allein aus dem anti-Stokes-Signal gemäß Gleichung (5) vergrößern:
- – Die Sensitivität ist geringer, z. B. bei 300 K um den Faktor 1,15.
- – Die Messunsicherheiten von Stokes und anti-Stokes summieren sich. Bei gleichen Messunsicherheiten ergibt sich ein Faktor 1,41. Da das Stokes-Signal generell stärker ist (abgesehen vom λ4-Faktor), sollte es weniger zur Messunsicherheit beitragen. Allerdings weisen die Detektoren bei den längeren Stokes-Wellenlängen deutlich verringerte Quantenausbeuten und somit niedrigere Signal/Rausch-Verhältnisse auf. Real ist die Messunsicherheit des Stokes-Signals im OTS etwa 2× kleiner, woraus sich der Faktor 1,12 ergibt.
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Insgesamt wird durch die Quotientenbildung die Messunsicherheit bei 300 K etwa um den Faktor 1,3 erhöht. Bei 500 K ergibt sich ein Faktor von 1,6.
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Die Temperatur lässt sich grundsätzlich auch alleine aus Gleichung (4) oder (5) berechnen. Die Berechnung aus dem anti-Stokes-Signal gemäß Gleichung (5) führt – wie bereits dargestellt – zu einer bei 300 K 1,3-mal geringeren Messunsicherheit als bei der Berechnung anhand des anti-Stokes/Stokes-Verhältnisses. Bei einer Berechnung aus dem Stokes-Signal gemäß Gleichung (4) ergibt sich durch den höheren Signalpegel und die deutlich niedrigere Sensitivität insgesamt eine etwa 4× höhere Messunsicherheit. Aus der Sicht der Messunsicherheit liefert also die Gleichung (5) das beste Ergebnis.
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Eine Kombination von IS(x) aus Gleichung (4) und von IAS(x) aus Gleichung (5) ist denkbar. Hinsichtlich der Messunsicherheit dürfte es aber gegenüber dem Ergebnis aus IAS(x) keine merkliche Verbesserung geben, weil die Messunsicherheit aus IS(x) gemäß Gleichung (4) deutlich höher ist. Es sind aber Situationen denkbar, in denen die Kombination von IAS(x) und IS(x) oder auch die Kombination von IAS(x) und IAS(x)/IS(x) zur Kalibrierung genutzt werden kann. Praktisch kommen zwei Ansätze in Betracht:
- 1. IAS und I0
Eine Messung der Rayleigh-Streuung I0 dient zur Bestimmung der Faserdämpfung. Die Temperatur wird dann aus IAS(x) entsprechend Gleichung (5) bestimmt. Wegen des hohen Signalpegels von I0 und des aufgrund der geringen Wellenlängendifferenz kleinen Δα0,AS ist das ein vielversprechender Ansatz.
Für das Rayleigh-Signal gilt: Aus (5) und (8) erhält man folgende Formel zur Temperaturberechnung: Diese Formel stellt im Gegensatz zu (6) keinen linearen Zusammenhang zwischen 1/T und dem natürlichen Logarithmus des Intensitätsverhältnisses her. Temperaturberechnungen sind jedoch problemlos möglich. Nur lässt sich die Formel nicht nach auflösen, wodurch ein iterativer Algorithmus zur Bestimmung des Scale-Faktors einzusetzen ist.
- 2. IAS und IAS/IS
Wenn von den bisher gemessenen Größen IAS(x) und IS(x) ausgegangen wird, kann die Messunsicherheit folgendermaßen reduziert werden:
Das Verhältnis IAS(x)/IS(x) dient zur Berechnung einer Temperaturkurve gemäß Gleichung (6). Eine zweite Temperaturkurve wird aus IAS(x) gemäß Gleichung (5) berechnet. Diese zweite Kurve weist eine geringere Messunsicherheit, aber durch den Einfluss von α0 größere systematische Fehler auf. Zur Korrektur dieser Fehler kann der globale Verlauf der zweiten Kurve an den der ersten angepasst werden. Die geringere Messunsicherheit könnte dabei erhalten werden.
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Ein Grundproblem der faseroptischen Temperaturmessung ist die Abhängigkeit der Messsignale von der Faserdämpfung. Die Temperaturberechnung aus IAS(x)/IS(x) gemäß Gleichung (6) hat den Vorteil, dass hier nur die Differenz der Dämpfungen bei anti-Stokes und Stokes-Wellenlängen Δα zu berücksichtigen ist. Der wellenlängenunabhängige Anteil der Dämpfung spielt nur für das Signal/Rausch-Verhältnis eine Rolle.
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Bei einer Bestimmung der Temperatur aus IAS(x) gemäß Gleichung (5) ist α0 + αAS zu berücksichtigen. Dieser im Vergleich zu Δα große Dämpfungsterm könnte zu erheblichen Temperaturfehlern führen. Daher kann es bei Anwendung der Gleichung (5) insbesondere erforderlich sein, α0 aus einer Messung der Rayleigh-Streuung zu bestimmen. Wegen α0 + αAS = 2α0 + Δα0,AS (10) bleibt dann wieder nur ein wellenlängenabhängiger Anteil als zunächst unbekannte Größe. In diesem Fall liegen die Wellenlängen dichter beieinander als beim ursprünglichen Δα, so dass dieser Anteil geringer ist.
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Die aus 3 ersichtliche erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Laserlichtquelle 1, einen als richtungsabhängige Ablenkmittel dienenden Polarisationsstrahlteiler 2, einen weiteren Strahlteiler 3 für ein Referenzsignal, Filtermittel 4, eine schematisch angedeutete, zur ortsaufgelösten Temperaturmessung verwendete Lichtleitfaser 5 sowie Sensormittel 6, 7, 8 für den anti-Stokes-Anteil, den Rayleigh-Anteil und das Referenzsignal.
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Das von der Laserlichtquelle 1 ausgehende Licht 9 tritt auf seinem Weg nach rechts in 1 beziehungsweise in Richtung auf die Lichtleitfaser 5 vergleichsweise ungehindert durch den Polarisationsstrahlteiler 2 hindurch. Dieser kann beispielsweise als faseroptisches Bauteil ausgebildet sein, so dass das Licht 9 zwischen sämtlichen in 3 abgebildeten Bauteilen in Lichtleitfasern verläuft.
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Hinter dem Polarisationsstrahlteiler 2 ist ein weiterer Strahlteiler 3 angeordnet, der einen kleinen Teil des Lichts 9 als Referenzsignal 10 abzweigt. Dieses Referenzsignal 10 kann von Sensormitteln 8 erfasst und von nicht abgebildeten Auswertemitteln ausgewertet werden. Beispielsweise können über dieses Referenzsignal 10 Intensitätsschwankungen der Laserlichtquelle 1 erfasst und bei der Temperaturbestimmung berücksichtigt werden.
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Über die Filtermittel 4 und nicht abgebildete Koppelmittel wie beispielsweise Linsen wird das Licht 9 in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt. Die Lichtleitfaser 5 ist lediglich schematisch dargestellt und kann eine Länge von mehreren hundert Metern oder mehr aufweisen.
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Die in der Lichtleitfaser 5 zurück gestreuten Anteile 11 des von der Laserlichtquelle 1 erzeugten Lichts 9 werden nach Auskopplung aus der Lichtleitfaser 5 von den Filtermitteln 4 gefiltert. Ein der anti-Stokes-Streustrahlung entsprechender anti-Stokes-Anteil 12 wird von den Filtermitteln 4 abgelenkt und beispielsweise über eine Lichtleitfaser den Sensormitteln 6 zugeführt. Zu diesem Zweck können die Filtermittel 4 beispielsweise als Bandpassfilter oder WDM-Filter ausgeführt sein.
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Von den Filtermitteln 4 wird ein der Rayleigh-Streustrahlung entsprechender Rayleigh-Anteil 13 der zurück gestreuten Anteile 11 vergleichsweise ungehindert nach links in 3 durchgelassen. Dieser Rayleigh-Anteil 13 ist aufgrund der Entstehung durch Streuung in der Lichtleitfaser 5 vergleichsweise unpolarisiert, so dass ein Teil dieses Rayleigh-Anteils 13 von dem Polarisationsstrahlteiler 2 in Richtung auf die Sensormittel 7 abgelenkt, beziehungsweise diesen über eine Lichtleitfaser zugeführt wird. Diesen Teil des Rayleigh-Anteils 13 können die Sensormittel 7 erfassen.
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Ein anders polarisierter Teil des Rayleigh-Anteils 13 tritt zwar nach links in 3 in Richtung auf die Laserlichtquelle 1 hindurch und kann für die Messung nicht verwertet werden. Aufgrund der großen Intensität der Rayleigh-Streuung ist dies jedoch tolerierbar.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin nicht abgebildete Auswertemittel, die aus dem erfassten anti-Stokes-Anteil 12 und dem erfassten Rayleigh-Anteil 13 die Temperatur in der Lichtleitfaser 5 ortsaufgelöst bestimmen können. Dabei wird insbesondere der anti-Stokes-Anteil 12 durch den Rayleigh-Anteil 13 dividiert.
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Die aus 4 ersichtliche zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass der Polarisationsstrahlteiler 2 durch einen optischen Zirkulator 14 ersetzt ist. Der Zirkulator 14 kann insbesondere optisch aktives Material umfassen, das die Polarisationsrichtung des durch den Zirkulator 14 hindurch tretenden Lichts drehen kann. Dadurch kann der Zirkulator 14 richtungsabhängig das Licht 9 hindurch treten lassen und den Rayleigh-Anteil 13 ablenken.
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Die aus 5 ersichtliche dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform dadurch, dass der optische Zirkulator 14 zwischen dem Strahlteiler 3 für das Referenzsignal 10 und den Filtermitteln 4 angeordnet ist. Dabei lenkt der Zirkulator 14 das Licht 9 der Laserlichtquelle 1 nach oben in 5 ab, wo es dann über nicht abgebildete Koppelmittel in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt wird.
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Die in der Lichtleitfaser 5 zurückgestreuten Anteile 11 des von der Laserlichtquelle 1 erzeugten Lichts 9 werden nach Auskopplung aus der Lichtleitfaser 5 von dem Zirkulator 14 nach rechts in 5 abgelenkt und den Filtermitteln 4 zugeführt. Der anti-Stokes-Anteil 12 wird von den Filtermitteln 4 vergleichsweise ungehindert nach rechts in 5 durchgelassen und beispielsweise über eine Lichtleitfaser den Sensormitteln 6 zugeführt. Zu diesem Zweck können die Filtermittel 4 beispielsweise als Bandpassfilter oder WDM-Filter ausgeführt sein.
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Von den Filtermitteln 4 wird der Rayleigh-Anteil 13 nach unten in 5 in Richtung auf die Sensormittel 7 abgelenkt, beziehungsweise diesen über eine Lichtleitfaser zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0692705 [0002]
- EP 0898151 [0002]
- US 7350972 B2 [0004]
zu berechnen.
Diese Formel stellt im Gegensatz zu (6) keinen linearen Zusammenhang zwischen 1/T und dem natürlichen Logarithmus des Intensitätsverhältnisses her. Temperaturberechnungen sind jedoch problemlos möglich. Nur lässt sich die Formel nicht nach
auflösen, wodurch ein iterativer Algorithmus zur Bestimmung des Scale-Faktors einzusetzen ist.