RU2458325C1 - Method of measuring temperature distribution and device for realising said method - Google Patents
Method of measuring temperature distribution and device for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2458325C1 RU2458325C1 RU2011116901/28A RU2011116901A RU2458325C1 RU 2458325 C1 RU2458325 C1 RU 2458325C1 RU 2011116901/28 A RU2011116901/28 A RU 2011116901/28A RU 2011116901 A RU2011116901 A RU 2011116901A RU 2458325 C1 RU2458325 C1 RU 2458325C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- scattering
- intensity
- stokes
- laser
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для распределенного измерения температуры в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее. Особо значительный эффект может быть получен от его использования при добыче и транспортировке вязкой нефти.The invention relates to measuring equipment and can be used for distributed temperature measurement in the oil and gas industry, in the electric power industry and so on. A particularly significant effect can be obtained from its use in the production and transportation of viscous oil.
Известен способ измерения температурного распределения с использованием оптического волокна, в котором с помощью рефлектометрии во временной области получают значения интенсивности антистоксова комбинационного (рамановского) рассеяния света, зависящие от абсолютной температуры, и значения интенсивности стоксова комбинационного рассеяния света, практически не зависящие от температуры, и по отношению интенсивностей этих двух компонент судят о температуре на каждом виртуальном отрезке оптического волокна (патент GB 2140554, 1984).A known method of measuring the temperature distribution using an optical fiber, in which, using time domain reflectometry, obtains the values of the intensity of anti-Stokes Raman (Raman) light scattering, depending on the absolute temperature, and the intensity values of Stokes Raman light scattering, which are practically independent of temperature, and the ratio of the intensities of these two components is judged on the temperature on each virtual segment of the optical fiber (patent GB 2140554, 1984).
Недостатком этого способа является низкая точность измерений, обусловленная ограничением вводимой оптической мощности из-за нелинейных эффектов в волокне, служащем чувствительным элементом.The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurements, due to the limitation of the input optical power due to non-linear effects in the fiber, which serves as a sensitive element.
Вторым недостатком данного способа является низкая точность измерения температуры при изменении дифференциального поглощения в оптическом волокне в процессе эксплуатации в агрессивной среде (высокая температура, присутствие молекулярного водорода). Под дифференциальным поглощением понимается различное поглощение на зондирующей и сигнальной (антистоксовой комбинационной) длинах волн. Отсутствие информации о дифференциальном поглощении и о его изменении в процессе эксплуатации не позволяет корректно строить температурное распределение вдоль оптического волокна.The second disadvantage of this method is the low accuracy of temperature measurement when the differential absorption in the optical fiber changes during operation in an aggressive environment (high temperature, the presence of molecular hydrogen). Differential absorption is understood to mean different absorption at the probe and signal (anti-Stokes Raman) wavelengths. The lack of information about differential absorption and its change during operation does not allow one to correctly construct the temperature distribution along the optical fiber.
Указанный второй недостаток частично устранен в известном способе, раскрытом в патенте (патент US 7585107, 2009). Данный способ позволяет учитывать дифференциальное поглощение за счет снятия рефлектограмм на трех различных длинах волн. Данные о температурном распределении получают путем деления сигналов антистоксова и стоксова рассеяний с коррекцией на дифференциальное поглощение.This second drawback is partially eliminated in the known method disclosed in the patent (patent US 7585107, 2009). This method allows you to take into account differential absorption due to the removal of reflectograms at three different wavelengths. The temperature distribution data is obtained by dividing the anti-Stokes and Stokes scatter signals with correction for differential absorption.
Однако точность измерений в этом случае оказывается невысокой за счет указанных выше нелинейных эффектов, поскольку они проявляются, прежде всего, как нелинейное возрастание сигнала стоксова рассеяния. Использовать в этом случае указанный сигнал в качестве опорного становится нецелесообразно.However, the measurement accuracy in this case turns out to be low due to the above nonlinear effects, since they appear, first of all, as a nonlinear increase in the Stokes scattering signal. To use in this case the specified signal as a reference becomes impractical.
Известно устройство для измерения температурного распределения, содержащее зондирующий импульсный лазер, установленный с возможностью введения оптического излучения в первый порт оптического циркулятора или ответвителя, ко второму порту которого подключен чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна, спектральный демультиплексор, соединенный входом с третьим портом циркулятора или ответвителя, а выходом - с двумя фотоприемниками, каждый из которых подключен к аналого-цифровому преобразователю, связанному последовательно с цифровым процессором (US 7585107, 2009).A device for measuring the temperature distribution containing a probe pulsed laser installed with the possibility of introducing optical radiation into the first port of the optical circulator or coupler, to the second port of which is connected a sensing element in the form of a piece of optical fiber, a spectral demultiplexer connected to the input to the third port of the circulator or coupler , and the output - with two photodetectors, each of which is connected to an analog-to-digital converter, connected in series with no digital signal processor (US 7,585,107, 2009).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обеспечивающей его осуществление, так как включает в себя три источника оптического излучения, работающих, в числе прочих, на нестандартных для техники оптической связи длинах волн.A disadvantage of the known device is the complexity of the design that ensures its implementation, as it includes three sources of optical radiation, working, among others, at non-standard wavelengths for optical communication technology.
Известное устройство не обеспечивает необходимую чувствительность и точность измерений температурного распределения.The known device does not provide the necessary sensitivity and accuracy of temperature distribution measurements.
Известно волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения, содержащее импульсный источник зондирующего излучения, соединенный через направленный оптический ответвитель, отделяющий рэлеевскую компоненту с чувствительным элементом в виде оптического волокна и систему регистрации, включающую два фотоприемных модуля и узел обработки сигналов, вход синхронизации которого связан с импульсным источником зондирующего излучения, а к выходу направленного оптического ответвителя подключен последовательно один или более дополнительный направленный оптический ответвитель, отделяющий рэлеевскую компоненту, соединенный последовательно с одним или более направленным оптическим ответвителем, разделяющим стоксову и антистоксову компоненты рассеянного излучения и направляющим их по разным фотоприемным модулям, подключенным к узлу обработки сигналов. Для увеличения мощности импульсного источника зондирующего излучения последовательно ему введен волоконно-оптический усилитель. Для увеличения мощности импульсного источника зондирующего излучения последовательно ему введен полупроводниковый усилитель с волоконными выходами.A fiber-optic device for measuring the temperature distribution is known, comprising a pulsed probe radiation source connected through a directional optical coupler separating the Rayleigh component with a sensing element in the form of an optical fiber and a recording system including two photodetector modules and a signal processing unit, the synchronization input of which is connected to a pulse source of probing radiation, and one and one is connected in series to the output of the directional optical coupler and a further optical directional coupler, which separates the Rayleigh component connected in series with one or more directional optical coupler, separating the anti-Stokes and Stokes components of the scattered radiation and directing them to different light receiving modules connected to a signal processing node. To increase the power of the pulsed probe radiation source, a fiber optic amplifier was introduced in series with it. To increase the power of a pulsed probe radiation source, a semiconductor amplifier with fiber outputs was introduced in series.
В другом варианте в это устройство дополнительно введены оптический коммутатор, имеющий два оптических входа и четыре выхода, два из которых соединены между собой, и полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны антистоксовой компоненты, подключенный через циркулятор, к двум выходам коммутатора, один вход коммутатора подключен к фотоприемному модулю, принимающему антистоксову компоненту, второй вход коммутатора соединен с выходом направленного ответвителя, разделяющего стоксову и антистоксову компоненты (заявка RU 2009113245/28, 2010).In another embodiment, an optical switch is additionally introduced into this device, having two optical inputs and four outputs, two of which are interconnected, and a semiconductor laser emitting an anti-Stokes component at a wavelength connected through a circulator to two outputs of the switch, one switch input is connected to the photodetector module receiving the anti-Stokes component, the second input of the switch is connected to the output of a directional coupler separating the Stokes and anti-Stokes components (application RU 2009113245/28, 2010).
Недостатки известного устройства: сложная конструкция, низкая чувствительность и точность измерений температурного распределения ввиду использования стоксова рамановского излучения в качестве опорного.The disadvantages of the known device: complex design, low sensitivity and accuracy of temperature distribution measurements due to the use of Stokes Raman radiation as a reference.
Задачей настоящего изобретения является создание простого по конструкции устройства, обладающего высокой точностью измерения в условиях изменяющегося при эксплуатации дифференциального поглощения излучения в оптическом волокне.An object of the present invention is to provide a device that is simple in design and has high measurement accuracy under conditions of differential absorption of radiation in an optical fiber that varies during operation.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений, одно из которых предназначено для осуществления другого, является повышение чувствительности и точности измерений распределенного измерителя температуры при одновременном упрощении его конструкции.The technical result of the proposed group of inventions, one of which is intended for the implementation of the other, is to increase the sensitivity and accuracy of measurements of a distributed temperature meter while simplifying its design.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения температурного распределения, включающем генерирование первым лазером импульсного оптического излучения, ввод этого излучения в чувствительное оптическое волокно, имеющее тепловой контакт с объектом измерения температурного распределения, регистрацию обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности антистоксова рассеяния излучения Ia и определение температуры Т, согласно предложению в процессе регистрации обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния дополнительно определяют интенсивность рэлеевского рассеяния излучения Ip от указанного импульсного оптического излучения, а также последовательно во времени при генерировании вторым лазером импульсного оптического излучения проводят регистрацию обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ipa, причем температуру Т определяют из отношения интенсивности антистоксова рассеяния излучения к интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ia/Ip, скорректированному с учетом интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ipa.The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the temperature distribution, which includes generating the first laser pulsed optical radiation, introducing this radiation into a sensitive optical fiber having thermal contact with the object of measuring the temperature distribution, recording backscattered radiation at a wavelength of anti-Stokes Raman scattering with determining the intensity anti-Stokes radiation scattering Ia and determination of temperature T, according to the proposal in the register process The backscattered radiation at the anti-Stokes Raman scattering wavelength additionally determines the intensity of Rayleigh scattering of radiation Ip from the specified pulsed optical radiation, and also, in time, when the second laser generates pulsed optical radiation, the back-scattered radiation is recorded at the anti-Stokes Raman scattering wavelength to determine the Rayleigh intensity radiation scattering Ipa, and the temperature T is determined from the relation the nonsensitivity of anti-Stokes radiation scattering to the intensity of Rayleigh scattering of radiation Ia / Ip, adjusted for the intensity of Rayleigh scattering of radiation Ipa.
В конкретном случае при определении температуры Т корректировку отношения интенсивности антистоксова рассеяния излучения к интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ia/Ip проводят с условием, что температура Т пропорциональна выражению Ia/(Ipa·Ip)1/2,In a specific case, when determining the temperature T, the correction of the ratio of the intensity of anti-Stokes radiation scattering to the Rayleigh scattering intensity Ia / Ip is carried out under the condition that the temperature T is proportional to the expression Ia / (Ipa · Ip) 1/2 ,
где Ia - интенсивность антистоксова рассеяния излучения при генерировании импульсного оптического излучения первым лазером;where Ia is the intensity of anti-Stokes radiation scattering during the generation of pulsed optical radiation by the first laser;
Ipa - интенсивность рэлеевского рассеяния на длине волны антистоксова рассеяния при генерировании импульсного оптического излучения вторым лазером;Ipa is the intensity of Rayleigh scattering at the anti-Stokes scattering wavelength during the generation of pulsed optical radiation by a second laser;
Ip - интенсивность рэлеевского рассеяния при генерировании импульсного оптического излучения первым лазером.Ip is the intensity of Rayleigh scattering during the generation of pulsed optical radiation by the first laser.
Обычно регистрацию обратно рассеянного излучения осуществляют в виде рефлектограмм.Usually registration of backscattered radiation is carried out in the form of reflectograms.
В отношении объекта изобретения - устройства технический результат достигается тем, что согласно предложению устройство для измерения температурного распределения содержит подключенные к коммутатору зондирующий и дополнительный импульсный лазеры 1, 10, установленные параллельно друг другу с возможностью введения оптического излучения через спектральный мультиплексор 2 в первый порт оптического циркулятора или ответвителя 3, ко второму порту которого подключен чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна 4, спектральный демультиплексор 5, соединенный входом с третьим портом циркулятора или ответвителя, а выходом - с двумя фотоприемниками, каждый из которых подключен к аналогово-цифровому преобразователю 8, связанному последовательно с цифровым процессором 9 и коммутатором 11.In relation to the object of the invention, the device, the technical result is achieved in that according to the proposal, the device for measuring the temperature distribution comprises probing and additional pulsed lasers 1, 10 connected to the switch, mounted parallel to each other with the possibility of introducing optical radiation through the spectral multiplexer 2 into the first port of the optical circulator or a coupler 3, to the second port of which a sensitive element is connected in the form of a piece of optical fiber 4, spectral a demultiplexer 5 connected by an input to the third port of the circulator or coupler, and by an output with two photodetectors, each of which is connected to an analog-to-digital converter 8, connected in series with the digital processor 9 and switch 11.
В конкретных вариантах воплощения устройства:In specific embodiments of the device:
- чувствительный элемент - отрезок оптического волокна 4 может быть выполнен в виде одномодового или многомодового волоконного световода с малыми потерями оптического излучения, приблизительно 0,2…3 дБ/км;- a sensitive element - a segment of the optical fiber 4 can be made in the form of a single-mode or multimode fiber waveguide with low loss of optical radiation, approximately 0.2 ... 3 dB / km;
- фотоприемники 6 и 7 могут быть выполнены на основе p-i-n или лавинных фотодиодов;- photodetectors 6 and 7 can be made on the basis of p-i-n or avalanche photodiodes;
- зондирующий импульсный лазер 1 представляет собой твердотельный или волоконный лазер с выходной импульсной мощностью не менее сотен мВт;- probe pulsed laser 1 is a solid-state or fiber laser with an output pulse power of at least hundreds of mW;
- дополнительный импульсный лазер 10 выполнен полупроводниковым;- an additional pulsed laser 10 is made semiconductor;
- цифровой процессор 9 выполнен на базе микроконтроллера или персонального компьютера или на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС);- digital processor 9 is made on the basis of a microcontroller or a personal computer or on the basis of programmable logic integrated circuits (FPGA);
- коммутатор 11 выполнен с возможностью поочередной коммутации импульсов запуска зондирующего и дополнительного импульсных лазеров и может быть электронным или оптическим.- the switch 11 is configured to alternately switch the triggering pulses of the probing and additional pulsed lasers and can be electronic or optical.
На графическом изображении представлено схематически устройство, реализующее предлагаемый способ.The graphic image schematically shows a device that implements the proposed method.
Устройство для измерения температурного распределения содержит первый (зондирующий) импульсный лазер 1, работающий на длине волны λ0, спектральный мультиплексор 2, оптический циркулятор или ответвитель 3, чувствительный элемент в виде отрезка волокна 4, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения, спектральный демультиплексор 5, два фотоприемника 6 и 7, аналого-цифровой преобразователь 8, цифровой процессор 9, второй (дополнительный) импульсный лазер 10, работающий на длине волны λа, и коммутатор 11. Зондирующий и дополнительный импульсный лазеры 1, 10 подключены входами к коммутатору 11 и установлены параллельно друг другу с возможностью введения оптического излучения через спектральный мультиплексор 2 в первый порт оптического циркулятора или ответвителя 3. Чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна 4 подключен ко второму порту циркулятора или ответвителя 3. Спектральный демультиплексор 5 соединен входом с третьим портом циркулятора или ответвителя 3, а выходом - с двумя фотоприемниками 6, 7, каждый из которых подключен к аналогово-цифровому преобразователю 8, связанному последовательно с цифровым процессором 9 и коммутатором 11.The device for measuring the temperature distribution contains the first (probing) pulsed laser 1 operating at a wavelength of λ 0 , a spectral multiplexer 2, an optical circulator or coupler 3, a sensing element in the form of a piece of fiber 4 in thermal contact with the measurement object, a spectral demultiplexer 5 , two photodetectors 6 and 7, analog-to-digital converter 8, digital processor 9, second (additional) pulsed laser 10 operating at a wavelength of λ a , and switch 11. Probing and additional impulse Pulse lasers 1, 10 are connected by inputs to the switch 11 and are mounted parallel to each other with the possibility of introducing optical radiation through a spectral multiplexer 2 into the first port of the optical circulator or coupler 3. A sensitive element in the form of a piece of optical fiber 4 is connected to the second port of the circulator or coupler 3. The spectral demultiplexer 5 is connected by an input to the third port of the circulator or coupler 3, and the output is connected to two photodetectors 6, 7, each of which is connected to an analog-to-digital converter Atelier 8, connected in series with the digital processor 9 and the switch 11.
Зондирующий импульсный лазер 1 может представлять собой твердотельный или волоконный лазер с выходной импульсной мощностью не менее сотен мВт. Дополнительный импульсный лазер 10 выполнен полупроводниковым. Длительность импульсов выбирается в соответствии с требуемым временным разрешением и обычно составляет единицы или десятки нс. Спектральные мультиплексор 2 и демультиплексор 5 выпускаются серийно для систем со спектральным уплотнением каналов.The probe pulsed laser 1 may be a solid-state or fiber laser with an output pulse power of at least hundreds mW. An additional pulsed laser 10 is made semiconductor. The pulse duration is selected in accordance with the required time resolution and is usually one or tens of ns. Spectral multiplexer 2 and demultiplexer 5 are commercially available for systems with spectral channel multiplexing.
Чувствительный элемент в виде отрезка волокна 4 может быть выполнен в виде одномодового или многомодового волоконного световода, при этом предпочтительно использование волокон с малыми потерями (приблизительно 0,2…3 дБ/км), что в настоящее время широко используется в технике связи.The sensitive element in the form of a segment of fiber 4 can be made in the form of a single-mode or multi-mode fiber waveguide, while it is preferable to use fibers with low losses (approximately 0.2 ... 3 dB / km), which is currently widely used in communication technology.
Фотоприемники 6 и 7 могут быть выполнены на основе p-i-n или лавинных фотодиодов. Аналогово-цифровой преобразователь 8 может быть выполнен двухканальным. Цифровой процессор 9 сигналов может быть выполнен на базе микроконтроллера или персонального компьютера или на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Коммутатор 11 выполнен с возможностью поочередной коммутации импульсов запуска зондирующего и дополнительного импульсных лазеров 1,10 и может быть электронным или оптическим.Photodetectors 6 and 7 can be made on the basis of p-i-n or avalanche photodiodes. Analog-to-digital Converter 8 can be made dual-channel. The digital signal processor 9 can be performed on the basis of a microcontroller or a personal computer or on the basis of programmable logic integrated circuits (FPGA). The switch 11 is configured to alternately switch the triggering pulses of the probing and additional pulsed lasers 1.10 and can be electronic or optical.
Устройство работает следующим образом. Импульсный лазер 1 по команде процессора 9, поступающей через коммутатор 11, генерирует последовательность коротких и мощных импульсов на длине волны λ0. Излучение на этой длине волны с малыми потерями через спектральный мультиплексор 2 поступает в циркулятор 3, который обеспечивает ввод излучения в чувствительный элемент 4. Рассеянное в обратном направлении излучение содержит несмещенную (рэлеевскую) компоненту и две неупругие компоненты комбинационного (рамановского) рассеяния, причем стоксова компонента слабо зависит от температуры Т и в дальнейшем не подлежит регистрации, а антистоксова компонента с длиной волны λа достаточно сильно зависит от температуры Т. Представляющие интерес рэлеевская компонента с длиной волны λ0 и антистоксова с длиной волны λа поступают через циркулятор 3 на узел спектрального демультиплексирования (спектральный демультиплексор 5), после чего первая компонента принимается фотоприемником 7, а вторая - фотоприемником 6. Сигналы от фотоприемников 6, 7 усиливаются и оцифровываются соответствующим устройством (аналогово-цифровым преобразователем 8), после чего поступают в цифровой процессор. Полученная приемником 7 рефлектограмма описывает распределение затухания по длине чувствительного волокна 4 на длине волны λ0. Полученный от приемника 6 сигнал есть антистоксова рамановская рефлектограмма, содержащая информацию о температурном распределении по длине чувствительного элемента. Отношение интенсивности компонент на λа и λ0 определяет температуру на каждом элементе разрешения по длине чувствительного элемента без учета неизвестного дифференциального затухания. Для определения этого дифференциального затухания по команде процессора лазер 1 отключается, а импульсный лазер 2, работающий на длине волны λа, включается. Излучение от этого лазера через мультиплексор 2 и циркулятор 3 поступает в чувствительный элемент 4, где рассеивается. Наибольшая интенсивность рассеяния приходится на несмещенную компоненту (с длиной волны λа), излучение которой поступает на фотоприемник 6. Сигнал, вырабатываемый этим фотоприемником при работе лазера 10, есть рефлектограмма на длине волны λа, позволяющая вычислить распределение потерь на этой длине волны. Результирующее температурное распределение вычисляется из трех указанных выше рефлектограмм. Изменение дифференциального затухания, обусловленное деградацией оптического волокна 4 в тяжелых условиях эксплуатации, при этом автоматически учитывается, что приводит к повышению точности измерений.The device operates as follows. Pulse laser 1 at the command of the processor 9, coming through the switch 11, generates a sequence of short and powerful pulses at a wavelength of λ 0 . The radiation at this wavelength with low losses through the spectral multiplexer 2 enters the circulator 3, which provides input of radiation into the sensitive element 4. The backscattered radiation contains an unbiased (Rayleigh) component and two inelastic components of Raman scattering, and the Stokes component weakly dependent on the temperature T and will not be registered, and the anti-Stokes component having the wavelength λ and rather strongly depends on the temperature of interest T Rayleigh component 0 wave length λ and with the anti-Stokes wave length λ and fed through circulator 3 to node spectral demultiplexing (spectral demultiplexer 5), after which the first component is received by a photodetector 7, and the second - a photodetector 6. The signals from the photodetectors 6 and 7 are amplified and digitized by the appropriate device (analog-to-digital Converter 8), and then enter the digital processor. The trace obtained by the receiver 7 describes the distribution of attenuation along the length of the sensitive fiber 4 at a wavelength of λ 0 . The signal received from receiver 6 is an anti-Stokes Raman trace containing information about the temperature distribution along the length of the sensing element. The ratio of the component intensities on λ a and λ 0 determines the temperature at each resolution element along the length of the sensitive element without taking into account the unknown differential attenuation. To determine this differential attenuation at the command of the processor, laser 1 is turned off, and a pulsed laser 2 operating at a wavelength of λ a is turned on. The radiation from this laser through the multiplexer 2 and the circulator 3 enters the sensing element 4, where it is scattered. The highest scattering intensity falls on the unbiased component (with a wavelength of λ a ), the radiation of which goes to photodetector 6. The signal generated by this photodetector when laser 10 is in operation is a trace at wavelength λ a , which allows one to calculate the distribution of losses at this wavelength. The resulting temperature distribution is calculated from the three above traces. The change in differential attenuation due to the degradation of the optical fiber 4 in severe operating conditions, is automatically taken into account, which leads to an increase in the measurement accuracy.
Способ измерения температурного распределения осуществляют в процессе работы устройства следующим образом. Генерируют первым (зондирующим) лазером 1 импульсное оптическое излучение, вводят это излучение в чувствительное оптическое волокно 4, имеющее тепловой контакт с объектом измерения температурного распределения. Регистрируют обратно рассеянное излучение на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности антистоксова излучения Ia. В процессе регистрации обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния излучения первого лазера дополнительно определяют интенсивность рэлеевского рассеяния излучения Ip от импульсного оптического излучения, генерируемого первым лазером 1. Последовательно во времени при генерировании вторым (дополнительным) лазером 10 импульсного оптического излучения проводят регистрацию обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ipa. Температуру Т определяют из отношения интенсивности антистоксова рассеяния излучения к интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ia/Ip, скорректированному с учетом интенсивности рэлеевского рассеяния излучения Ipa. В конкретном случае при определении температуры Т корректировку отношения интенсивности антистоксова рассеяния излучения к интенсивности рэлеевского рассеяния излученияThe method of measuring the temperature distribution is carried out during operation of the device as follows. Pulse optical radiation is generated by the first (probing) laser 1, this radiation is introduced into a sensitive optical fiber 4 having thermal contact with an object for measuring the temperature distribution. The backscattered radiation is recorded at a wavelength of anti-Stokes Raman scattering with determination of the anti-Stokes radiation intensity Ia. In the process of registering backscattered radiation at the anti-Stokes Raman scattering wavelength of the first laser, the intensity of Rayleigh scattering of radiation Ip from the pulsed optical radiation generated by the first laser 1 is additionally determined. Consecutively in time when the second (additional) laser 10 generates pulsed optical radiation, the backscattered optical radiation is recorded radiation at a wavelength of anti-Stokes Raman scattering with determination of the Rayleigh intensity Ipa scattering of radiation. The temperature T is determined from the ratio of the intensity of anti-Stokes scattering of radiation to the intensity of Rayleigh scattering of radiation Ia / Ip, adjusted for the intensity of Rayleigh scattering of radiation Ipa. In a specific case, when determining the temperature T, the correction of the ratio of the intensity of anti-Stokes radiation scattering to the intensity of Rayleigh radiation scattering
Ia/Ip проводят с условием, что температура Т пропорциональна выражению Ia/(Ipa·Ip)1/2. Обычно регистрацию обратно рассеянного излучения осуществляют в виде рефлектограмм.Ia / Ip is carried out under the condition that the temperature T is proportional to the expression Ia / (Ipa · Ip) 1/2 . Usually registration of backscattered radiation is carried out in the form of reflectograms.
Пример. Устройство содержит в качестве чувствительного элемента 4 одномодовое оптическое волокно значительной длины (до 25-30 км). Зондирующий лазер 1 выполнен гибридным с задающим генератором и волоконным усилителем, работающим на длине волны 1550 нм. Длительность импульса выбирается исходя из требуемого пространственного разрешения и типично составляет десятки нс. Пиковая мощность - сотни мВт. Частота повторения импульсов определяется длиной чувствительного волокна 4 и при длине 25 км составляет 3 кГц. Оптический циркулятор 3, в данном примере, применен поляризационно независимый. При распространении по волокну 4 излучение испытывает рассеяние, причем для измерения температуры Т используется антистоксова компонента комбинационного рассеяния, имеющая широкий спектр с максимумом около 1460-1480 нм. Одновременно с этим происходит рэлеевское рассеяние, имеющее значительно большую интенсивность, которая практически не зависит от температуры Т, и поэтому сигнал рэлеевского рассеяния может использоваться как опорный. Разделение сигналов по спектру с границей разделения 1500 нм осуществляется спектральным мультиплексором 2, например, сплавным или тонкопленочным. Сигналы принимаются фотоприемниками 6, 7, а именно, фотоприемными модулями с лавинными фотодиодами, чувствительными на указанный спектральный диапазон (1460-1570 нм), оцифровываются и вводятся в память компьютера. Для того чтобы результаты измерений не зависели от дифференциальных потерь (потерь на различных длинах волн), в устройство введен импульсный лазер (дополнительный) 10, работающий на длине волны 1470 нм, который выполнен полупроводниковым и имеет мощность в единицы мВт. Этот лазер 10 включается в работу электронным коммутатором 11, в то время как импульсный зондирующий лазер 1 отключается. Этот сигнал также оцифровывается и вводится в память компьютера. Фактически он является рефлектограммой, снятой на длине волны 1470 нм. Имея рефлектограммы на двух рабочих длинах волн (1550 и 1470 нм), на основании сигнала антистоксова комбинационного рассеяния вычисляют температурное распределение, не зависящее от дифференциального затухания в чувствительном волокне 4, которое возникает при эксплуатации в условиях повышенных температур (более 100°C) и высокой концентрации водорода.Example. The device contains as a sensing element 4 single-mode optical fiber of considerable length (up to 25-30 km). The probe laser 1 is made hybrid with a master oscillator and a fiber amplifier operating at a wavelength of 1550 nm. The pulse duration is selected based on the required spatial resolution and is typically tens of ns. Peak power is hundreds of MW. The pulse repetition rate is determined by the length of the sensitive fiber 4 and at a length of 25 km is 3 kHz. Optical circulator 3, in this example, is applied polarization independent. When propagating through fiber 4, the radiation experiences scattering, and the anti-Stokes component of Raman scattering, which has a wide spectrum with a maximum of about 1460-1480 nm, is used to measure temperature T. At the same time, Rayleigh scattering occurs, which has a significantly higher intensity, which is practically independent of temperature T, and therefore, the Rayleigh scattering signal can be used as a reference. The separation of signals in a spectrum with a separation boundary of 1500 nm is carried out by a spectral multiplexer 2, for example, alloyed or thin-film. The signals are received by photodetectors 6, 7, namely, photodetector modules with avalanche photodiodes sensitive to the specified spectral range (1460-1570 nm), are digitized and entered into the computer memory. In order for the measurement results not to depend on differential losses (losses at different wavelengths), a pulsed laser (additional) 10, operating at a wavelength of 1470 nm, which is semiconductor and has a power of units mW, was introduced into the device. This laser 10 is turned on by the electronic switch 11, while the pulsed probe laser 1 is turned off. This signal is also digitized and entered into the computer's memory. In fact, it is a trace taken at a wavelength of 1470 nm. Having reflectograms at two working wavelengths (1550 and 1470 nm), based on the anti-Stokes Raman signal, the temperature distribution is calculated that is independent of the differential attenuation in the sensitive fiber 4, which occurs during operation at elevated temperatures (more than 100 ° C) and high hydrogen concentration.
Технические характеристики описанного устройства, полученные экспериментальным путем: длина чувствительного элемента до 25 км, температурное разрешение в начале волокна 0,2 градуса, в конце 2 градуса, пространственное разрешение 2 м, время осреднения 60 с.The technical characteristics of the described device obtained experimentally: the length of the sensitive element is up to 25 km, the temperature resolution at the beginning of the fiber is 0.2 degrees, at the end 2 degrees, the spatial resolution is 2 m, the averaging time is 60 s.
Использование предлагаемой группы изобретений, одно из которых предназначено для осуществления другого, позволяет повысить чувствительность и точность измерений распределенным измерителем температуры при одновременном упрощении его конструкции.Using the proposed group of inventions, one of which is intended for the implementation of the other, improves the sensitivity and accuracy of measurements with a distributed temperature meter while simplifying its design.
Claims (12)
где Ia - интенсивность антистоксова рассеяния излучения при генерировании импульсного оптического излучения первым лазером;
Ipa - интенсивность рэлеевского рассеяния на длине волны антистоксова рассеяния при генерировании импульсного оптического излучения вторым лазером;
Ip - интенсивность рэлеевского рассеяния при генерировании импульсного оптического излучения первым лазером.2. The method according to claim 1, characterized in that when determining the temperature T, the correction of the ratio of the intensity of anti-Stokes radiation scattering to the intensity of Rayleigh radiation scattering Ia / Ip is carried out with the condition that the temperature T is proportional to the expression Ia / (Ipa · Ip) 1/2 ,
where Ia is the intensity of anti-Stokes radiation scattering during the generation of pulsed optical radiation by the first laser;
Ipa is the intensity of Rayleigh scattering at the anti-Stokes scattering wavelength during the generation of pulsed optical radiation by a second laser;
Ip is the intensity of Rayleigh scattering during the generation of pulsed optical radiation by the first laser.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011116901/28K RU2552222C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
| RU2011116901/28A RU2458325C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011116901/28A RU2458325C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2458325C1 true RU2458325C1 (en) | 2012-08-10 |
Family
ID=46849690
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011116901/28A RU2458325C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
| RU2011116901/28K RU2552222C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011116901/28K RU2552222C1 (en) | 2011-04-28 | 2011-04-28 | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (2) | RU2458325C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583060C1 (en) * | 2015-02-09 | 2016-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring temperature distribution in object and device therefor |
| CN109443591A (en) * | 2018-12-27 | 2019-03-08 | 江苏明江机械制造有限公司 | Temperature-measuring system of distributed fibers |
| CN111879436A (en) * | 2020-06-29 | 2020-11-03 | 太原理工大学 | Distributed optical fiber Raman temperature demodulation device and method based on double-pulse modulation |
| CN116105891A (en) * | 2023-02-10 | 2023-05-12 | 之江实验室 | High-temperature sensing device and calibration method thereof |
| CN116337273A (en) * | 2023-05-29 | 2023-06-27 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | CARS spectrum multi-point temperature measuring device based on double micro-lens arrays |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101162158A (en) * | 2007-11-15 | 2008-04-16 | 中国计量学院 | Ultra-remote distributed fiber raman and brillouin photons sensor |
| RU2007103467A (en) * | 2007-01-30 | 2008-08-10 | Курков Андрей Семенович (RU) | FIBER OPTICAL DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE DISTRIBUTION (OPTIONS) |
| CN201680924U (en) * | 2010-04-13 | 2010-12-22 | 中国计量学院 | Distributive optical fiber Raman and Brillouin scattering sensor |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2575324B2 (en) * | 1991-03-02 | 1997-01-22 | 株式会社フジクラ | Optical fiber type temperature distribution measuring device |
| GB9315231D0 (en) * | 1993-07-22 | 1993-09-08 | York Ltd | Optical time domain reflextometry |
| JPH08247858A (en) * | 1995-03-07 | 1996-09-27 | Toshiba Corp | Optical temperature distribution sensor and temperature distribution measuring method |
| JP4100574B2 (en) * | 2005-12-01 | 2008-06-11 | 国立大学法人 東京大学 | Optical fiber characteristic measuring apparatus and optical fiber characteristic measuring method |
| US7585107B2 (en) * | 2006-01-17 | 2009-09-08 | Weatherford/Lamb, Inc. | Corrected DTS measurements based on Raman-Stokes signals |
| RU2413188C2 (en) * | 2009-04-09 | 2011-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "СибСенсор" | Fibre-optic device for measuring temperature distribution (versions) |
-
2011
- 2011-04-28 RU RU2011116901/28A patent/RU2458325C1/en not_active IP Right Cessation
- 2011-04-28 RU RU2011116901/28K patent/RU2552222C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2007103467A (en) * | 2007-01-30 | 2008-08-10 | Курков Андрей Семенович (RU) | FIBER OPTICAL DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE DISTRIBUTION (OPTIONS) |
| CN101162158A (en) * | 2007-11-15 | 2008-04-16 | 中国计量学院 | Ultra-remote distributed fiber raman and brillouin photons sensor |
| CN201680924U (en) * | 2010-04-13 | 2010-12-22 | 中国计量学院 | Distributive optical fiber Raman and Brillouin scattering sensor |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ВДОВЕНКО B.C., ГОРШКОВ Б.Г., ЗАЗИРНЫЙ М.В., КУЛАКОВ А.Т. и др. Когерентный рефлектометр с двухволоконным интерферометром рассеянного излучения. - Квантовая электроника, т.41, №2 (464), февраль 2011, с.176-178. ГОРШКОВ Б.Г., ПАРАМОНОВ В.М., КУРКОВ А.С., КУЛАКОВ А.Т., ЗАЗИРНЫЙ М.В. Распределенный датчик внешнего воздействия на основе фазочувствительного волнового рефлектометра. - Квантовая электроника, 36, №10, 2006, с.963-965. * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2583060C1 (en) * | 2015-02-09 | 2016-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring temperature distribution in object and device therefor |
| CN109443591A (en) * | 2018-12-27 | 2019-03-08 | 江苏明江机械制造有限公司 | Temperature-measuring system of distributed fibers |
| CN109443591B (en) * | 2018-12-27 | 2023-11-07 | 江苏明江机械制造有限公司 | Distributed optical fiber temperature measurement system |
| CN111879436A (en) * | 2020-06-29 | 2020-11-03 | 太原理工大学 | Distributed optical fiber Raman temperature demodulation device and method based on double-pulse modulation |
| CN116105891A (en) * | 2023-02-10 | 2023-05-12 | 之江实验室 | High-temperature sensing device and calibration method thereof |
| CN116105891B (en) * | 2023-02-10 | 2024-01-09 | 之江实验室 | High-temperature sensing device and calibration method thereof |
| CN116337273A (en) * | 2023-05-29 | 2023-06-27 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | CARS spectrum multi-point temperature measuring device based on double micro-lens arrays |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2552222C1 (en) | 2015-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107917738B (en) | Distributed optical fiber sensing system capable of simultaneously measuring temperature, strain and vibration | |
| JP6308160B2 (en) | Optical fiber strain measuring device and optical fiber strain measuring method | |
| US9599460B2 (en) | Hybrid Raman and Brillouin scattering in few-mode fibers | |
| CN108663138B (en) | Distributed optical fiber temperature and vibration sensing system and method | |
| RU2413188C2 (en) | Fibre-optic device for measuring temperature distribution (versions) | |
| CN102506904B (en) | Spontaneous Brillouin scattering optical time domain reflectometer based on superconductive nanowire single-proton detector | |
| WO2020034558A1 (en) | High-precision temperature demodulation method oriented toward distributed fiber raman sensor | |
| US9784567B2 (en) | Distributed brillouin sensing using correlation | |
| CN107340077B (en) | Sensing method and sensing system for full-distributed optical fiber temperature and stress | |
| CN102494801B (en) | Distributed optical delay optical fiber temperature sensor | |
| RU2458325C1 (en) | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method | |
| CN111896136B (en) | Dual-parameter distributed optical fiber sensing device and method with centimeter-level spatial resolution | |
| CN103697922A (en) | High-speed demodulation system of optical fiber F-P cavity sensor | |
| JP5000443B2 (en) | Method and apparatus for measuring backward Brillouin scattered light of optical fiber | |
| CN102269911A (en) | Optical demodulation method based on OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) technology and optical demodulation device thereof | |
| KR101889351B1 (en) | Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering | |
| CN104361707A (en) | Fiber-optic temperature-sensing fire detector system | |
| CN211740563U (en) | Optical time domain reflectometer | |
| CN111006787B (en) | Distributed optical fiber Raman double-end temperature demodulation method based on differential temperature compensation | |
| JP2007240294A (en) | Apparatus for measuring optical fiber distortion | |
| CN202631153U (en) | Single-port distributed optic fiber temperature sensor with automatic compensation function | |
| RU123518U1 (en) | FIBER OPTICAL DEVICE OF ACOUSTIC MONITORING OF LONG PROJECTS | |
| Liu et al. | Design of distributed fiber optical temperature measurement system based on Raman scattering | |
| CN203224310U (en) | Brillouin optical time domain reflectometer | |
| RU2583060C1 (en) | Method of measuring temperature distribution in object and device therefor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MF4A | Cancelling an invention patent |