TWM631526U

TWM631526U - 光纖纏繞水溫量測裝置

Info

Publication number: TWM631526U
Application number: TW111204662U
Authority: TW
Inventors: 邱永嘉; 潘庭馨; 吳承翰
Original assignee: 國立臺灣海洋大學
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2022-09-01

Abstract

本創作係關於一種光纖纏繞水溫量測裝置，用於測量一水體之溫度，該光纖纏繞水溫量測裝置包括一中心桿以及一光纖溫度量測主機。該中心桿定義一軸線，該軸線概略沿著該中心桿中心延伸。該光纖溫度量測主機具有一光纖纜線，該光纖纜線局部設置於該中心桿上，用於浸入該水體中，以測量該水體溫度。其中，該光纖纜線以該軸線為中心並以固定的間距纏繞於該中心桿上。

Description

光纖纏繞水溫量測裝置

本創作係關於一種使用纏繞光纖之水溫量測裝置，尤指一種使用可自訂測量距離的高精度纏繞光纖水溫量測裝置。

由於水文地質環境的非均質性，欲更加瞭解其複雜的水文循環與交互作用過程，對於研究區域在空間解析度上的需求也日漸增加。近年來，分散式光纖溫度感測器（fiber optical distributed temperature sensor（FO-DTS），為一種創新的量測技術，透過雷射在光纖內傳遞的過程中，雷射脈衝（laser pulse）之拉曼散射（Raman scattering）對於外在環境溫度的敏感性，進行溫度之量測。

DTS之布置方式具有許多可能性，其常見方式之是將單一光纖置於井內，並以機具輔助來測量水體溫度。圖1為傳統以分散式光纖溫度感測器進行地下水井溫度量測示意圖。一分散式光纖溫度感測器D藉由一光纖纜線C量測地下水井W內之地下水溫度。分散式光纖溫度感測器D以一雷射脈衝輸入訊號S ₁經由光纖纜線C傳遞經過地下水井W內，並接收反射訊號，得到該地下水溫度，進而分析地下水層結構。然而在溫度量測上因為受儀器與光纖材質或是試驗環境所限制，導致量測之解析度有一定的限制。

創作人緣因於此，亟思一種可以解決上述問題之纏繞光纖及使用置中流器之水溫量測裝置。

本創作之主要目的在於提供一種光纖纏繞水溫量測裝置，俾能利用一質輕中空之透水環狀管體以作為穩定光纖纜線的纏繞中心桿，可將光纖纜線置於水體內，達精確量測水體溫度之效果，進一步提升空間中量測之解析度。

為達上述目的，本創作揭露一種光纖纏繞水溫量測裝置，用於測量一水體之溫度，該光纖纏繞水溫量測裝置包括一中心桿以及一光纖溫度量測主機。該中心桿定義一軸線，該軸線概略沿著該中心桿中心延伸。該光纖溫度量測主機具有一光纖纜線，該光纖纜線局部設置於該中心桿上，用於浸入該水體中，以測量該水體溫度。其中，該光纖纜線以該軸線為中心並以固定的間距纏繞於該中心桿上。

該光纖溫度量測主機為一分散式光纖溫度感測系統，該光纖溫度量測主機包含一雷射發射器及一測量單元，該雷射發射器可朝向該光纖纜線發射一脈衝，該測量單元可藉由偵測該脈衝的反射，以分析該光纖纜線於特定位置的溫度。

該光纖纜線包含至少一纏繞段，所述纏繞段套設於該中心桿上，用以進行高精度的溫度測量。

該光纖溫度量測主機更包含一加熱纜線，該加熱纜線概略沿該軸線設置於該中心桿，並可主動於該中心桿上產生溫度變化，以利於該測量單元偵測該水體內的溫度變化。

於一實施例中，該加熱纜線與該光纖纜線係交疊地纏繞於該中心桿上。

在所述纏繞段上，該光纖溫度量測主機量測溫度的空間解析度介於1至5公分。

於一實施例中，該光纖纜線的所述纏繞段係緊密纏繞於該中心桿上。

該中心桿為中空的管狀結構，該中心桿可供該光纖纜線穿設。

於一實施例中，該中心桿是由鐵絲網捲繞而形成。

該中心桿為圓管狀，以利該光纖纜線捲繞於該中心桿上。

該中心桿具有複數實體段及至少一連接段，所述實體段之間是透過所述連接段相連。

所述連接段為承重纜線。

該光纖纏繞水溫量測裝置更包含複數固定件，所述固定件分別位於所述纏繞段的兩端，用以將該光纖纜線固定於該中心桿上。

所述固定件為魔鬼氈、磁鐵、膠帶、束帶或扣件。

請參閱圖2，本創作光纖纏繞水溫量測裝置1000用於測量一水井W中的一水體2000之溫度，光纖纏繞水溫量測裝置1000包括一中心桿1、一光纖溫度量測主機2以及複數固定件3。

請一併參閱圖3，中心桿1定義一軸線X，軸線X概略沿著中心桿1的中心延伸。中心桿1為中空的管狀結構。於一實施例中，中心桿1是由鐵絲網捲繞而形成。於另一實施例中，中心桿1不是一體成形的結構，如圖4所示，中心桿1更具有複數實體段11及至少一連接段12。所述實體段11分別為中空管體，所述連接段12為承重纜線，其中，所述實體段11互相分離且其間是透過所述連接段12相連。實體段11可依據預測量的區段數量而對應設置，各相鄰的兩實體段11間也對應以連接段12連接。

請參閱圖2，光纖溫度量測主機2為一分散式光纖溫度感測系統，光纖溫度量測主機2包含一光纖纜線21、一雷射發射器22以及一測量單元23。光纖纜線21是與雷射發射器22及測量單元23配合使用，以測量光纖纜線21特定位置的溫度。詳細而言，光纖溫度量測主機2測量水體2000溫度的方式是透過雷射發射器22朝向光纖纜線21發射一脈衝，測量單元23可藉由偵測該脈衝的反射，以分析光纖纜線21於特定位置的溫度。

光纖纜線21局部設置於中心桿1上，用於浸入水體2000中，以測量水體2000的溫度。詳細而言，光纖纜線21以軸線X為中心並以固定的間距纏繞於中心桿1上。中心桿1較佳為圓管狀，如圖3，以利光纖纜線21捲繞於中心桿1上，且因中心桿1為中空管，光纖纜線21可穿設中心桿1後再纏繞於中心桿1上。於其他實施例中，中心桿1可為截面非圓形的管體，如圖5所示，在一實施例中，中心桿1為中空六角柱狀的管體。光纖纜線21包含至少一纏繞段211，所述纏繞段211套設於中心桿1上，用以對纏繞的區域進行高精度的溫度測量。在如圖4的實施例中，中心桿1具有複數實體段11且所述實體段透過連接段12接合，複數纏繞段211會分別設置於所述實體段上11。

此外，光纖纜線21在測量溫度上，最小的間距為25公分，也就是說，光纖纜線21量測溫度的空間解析度一般僅能高至25公分。然而，最小測量單位為25公分的空間解析度在測定水體2000中局部區域中的溫度時精確度稍嫌不足。本創作藉由光纖纜線21纏繞於中心桿1的方式，使光纖纜線21上的量測點因捲繞而相鄰排列，以提高光纖溫度量測主機2測量溫度的密度。在所述纏繞段211上，光纖溫度量測主機2量測溫度的空間解析度可大幅提高，最小測量單位由原本的25公分可降低至介於1至5公分。如圖6所示，在一實施例中，光纖纜線21的所述纏繞段211係緊密纏繞於中心桿1上，在此配置下，光纖纜線21上的相鄰測量點可密集至彼此僅相距1公分，使光纖溫度量測主機2可測得水體2000中最精細的溫度分布。

於特定實施例中，光纖溫度量測主機2更包含一加熱纜線24加熱纜線24概略沿中心桿1設置，可主動於中心桿1上產生溫度變化，以利於測量單元23偵測水體2000內的溫度變化，以分析提供熱能與水體2000溫度變化的關係。請參閱圖7，在中心桿1內部與外部熱能容易傳遞的情況下，如中心桿1由鐵絲網纏繞形成的實施例中，加熱纜線24可設置於中心桿1的內部，其提供的熱能可通過中心桿1的管壁，使得纏繞於中心桿1的光纖纜線21得以測得水體2000的溫度變化。於另一實施例中主要目的為針對非水井之含水層加熱，請參閱圖8，加熱纜線24與光纖纜線21交疊地纏繞於中心桿1上，藉由提高加熱纜線24纏繞的密度，使其提供的熱能可集中釋放，可提高加熱纜線24纏繞區域水體2000產生溫度變化的程度。透過此不同的加熱方式，可以獲得不同的溫度資料，分析不同地下水井之資料。

如圖2及圖3所示，所述固定件3分別位於所述纏繞段211的兩端，用以將光纖纜線21固定於中心桿1上。其中，所述固定件3為魔鬼氈、磁鐵、膠帶、束帶或扣件。

請參閱圖9A至圖9C，所述固定件3包含一固定端31與一被固定端32。固定件3藉由固定端31與被固定端32對接，而包圍光纖纜線21，並固定光纖纜線21於固定件3與中心桿1之間。

上述之固定件3可為魔鬼氈、磁鐵、膠帶、束帶或扣件其中之一。當固定件3為魔鬼氈，固定端31以及被固定端32具有魔鬼氈表面，如圖9A所示。當固定件3為扣件，固定端31具有公扣合部311，以及被固定端32具有一母扣合部321，如圖9B所示。當固定件3為磁鐵，固定端31為一N極磁鐵312，以及被固定端32為一S極磁鐵322，如圖9C所示。

綜上所述，藉由將光纖溫度量測主機的光纖纜線以纏繞方式固定於中心桿上，使得光纖纜線可隨中心桿深入水體中，且由於光纖纜線以纏繞線圈的方式設置，可提高光纖纜線各個測量節點的排列密度，使光纖溫度量測主機可對纏繞段所在區域進行高空間解析度的溫度測量。

上述的實施例僅用來例舉本創作的實施態樣，以及闡釋本創作的技術特徵，並非用來限制本創作的保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬於本創作所主張的範圍，本創作的權利保護範圍應以申請專利範圍為準。

1000:光纖纏繞水溫量測裝置 2000:水體 1:中心桿 11:實體段 12:連接段 2:光纖溫度量測主機 21:光纖纜線 211:纏繞段 22:雷射發射器 23:測量單元 24:加熱纜線 3:固定件 31:固定端 311:公扣合部 312:N極磁鐵 32:被固定端 321:母扣合部 322:S極磁鐵 C:光纖纜線 D:分散式光纖溫度感測器 S1:輸入訊號 W:水井 X:軸線

圖1為傳統以分散式光纖溫度感測器進行水井溫度量測示意圖；圖2為本創作以光纖溫度量測主機量測水井之溫度的示意圖；圖3為本創作中光纖纜線纏繞於中心桿上的示意圖；圖4為本創作另一實施例中光纖纜線纏繞於分段的中心桿上的示意圖；圖5為本創作另一實施例中光纖纜線纏繞於非圓管型的中心桿上的示意圖；圖6為本創作另一實施例中光纖纜線緊密纏繞於中心桿上的示意圖；圖7為本創作一實施例具有加熱纜線穿設於中心桿的示意圖；圖8為本創作一實施例加熱纜線與光纖纜線交疊纏繞的示意圖；圖9A為本創作一實施例的固定件示意圖；圖9B為本創作一實施例的固定件示意圖；以及圖9C為本創作一實施例的固定件示意圖。

1000:光纖纏繞水溫量測裝置

2000:水體

1:中心桿

2:光纖溫度量測主機

21:光纖纜線

211:纏繞段

22:雷射發射器

23:測量單元

3:固定件

W:水井

Claims

一種光纖纏繞水溫量測裝置，用於測量一水體之溫度，該光纖纏繞水溫量測裝置包括：一中心桿，定義一軸線，該軸線概略沿著該中心桿中心延伸；以及一光纖溫度量測主機，具有一光纖纜線，該光纖纜線局部設置於該中心桿上，用於浸入該水體中，以測量該水體溫度；其中，該光纖纜線以該軸線為中心並以固定的間距纏繞於該中心桿上。
如請求項1所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該光纖溫度量測主機為一分散式光纖溫度感測系統，該光纖溫度量測主機包含一雷射發射器及一測量單元，該雷射發射器可朝向該光纖纜線發射一脈衝，該測量單元可藉由偵測該脈衝的反射，以分析該光纖纜線於特定位置的溫度。
如請求項2所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該光纖纜線包含至少一纏繞段，所述纏繞段套設於該中心桿上，用以進行高精度的溫度測量。
如請求項3所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該光纖溫度量測主機更包含一加熱纜線，該加熱纜線概略沿該軸線設置於該中心桿，並可主動於該中心桿上產生溫度變化，以利於該測量單元偵測該水體內的溫度變化。
如請求項4所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該加熱纜線與該光纖纜線係交疊地纏繞於該中心桿上。
如請求項4所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，在所述纏繞段上，該光纖溫度量測主機量測溫度的空間解析度介於1至5公分。
如請求項6所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該光纖纜線的所述纏繞段係緊密纏繞於該中心桿上。
如請求項6所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該中心桿為中空的管狀結構，該中心桿可供該光纖纜線穿設。
如請求項8所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該中心桿是由鐵絲網捲繞而形成。
如請求項8所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該中心桿為圓管狀，以利該光纖纜線捲繞於該中心桿上。
如請求項10所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，該中心桿具有複數實體段及至少一連接段，所述實體段之間是透過所述連接段相連。
如請求項11所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，所述連接段為承重纜線。
如請求項3至12中任一項所述之光纖纏繞水溫量測裝置，更包含複數固定件，所述固定件分別位於所述纏繞段的兩端，用以將該光纖纜線固定於該中心桿上。
如請求項13所述之光纖纏繞水溫量測裝置，其中，所述固定件為魔鬼氈、磁鐵、膠帶、束帶或扣件。