分布式光纤测温系统资料08114.docx

1、分布式光纤测温系统资料08114一、系统原理分布式光纤温度传感器（DTS）系统是由主机、传感光缆及其他配置组合而成。是国外近年发展起来的一种用于实时监控温度场的高新技术。主要依据光纤的光时域反射（OTDR）和光纤的背向喇曼散射温度效应。一条数公里乃至数十公里长的光纤（光纤既是传输媒体，又是传感媒体）铺设待测空间，可连续测量、准确定位整条光缆所处空间的温度，并可通过光纤上的温度的变化，检测出光纤所处环境中气体和液体的泄漏，因此拓展了其应用的领域。光纤不带电，抗射频和电磁干扰，防燃，防爆，抗腐蚀，耐高温和强电磁场，耐电离辐射，能在有害环境中安全运行。系统具有自标定、自校准和自检功能，其运行和控制是

2、通过计算机实现的。可将报警区域、光纤配置图等事先输入计算机，可自动或手动实时显示存贮报警区域、故障性质、温度的传播方向和受温面积、升温速度和温度分布等，并可结合到自动控制和远程控制系统中进行运行。系统工作原理如下图所示：1.1 DTS测量基本原理分布式光纤温度传感器获取空间温度分布信息的原理是利用光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，包括瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射。其中喇曼散射的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中

3、光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位，原理如下图所示：喇曼散射由两部分组成：斯托克斯光和反斯托克斯光。斯托克斯光和反斯托克斯光的强度之比 反射点的温度喇曼散射光的传输时间 反射点的位置喇曼散射光谱中斯托克斯光与反斯托克斯光强度之比的时间纪录 整条光纤的温度分布1.2 DTS系统的性能参数、测量距离：系统的测量长度、测量时间：系统测量一次需要的时间、温度分辨率：系统可以分辨的最小的温度差、空间分辨率：系统允许的测量点之间的最小距离、温度精度：系统测得的温度的准确度这些技术指标之间存在着一定的制约关系，在后边的主机技术指标部分有图示1.3 技术优势与传统传感器相比较，具有许多天然的优势，

4、主要包括：1） 连续分布式测量分布式光纤传感器是真正的分布式测量，可以连续的得到沿着探测 光缆几十公里的测量信息，误报和漏报率大大降低。同时实现实时监测。2） 抗电磁干扰，在高电磁环境中可以正常的工作光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘；同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的，本征安全，不受任何外界电磁环境的干扰。3） 系统简单分布式光纤测温系统只要将沿着隧道铺设的光缆接到主机上就可以了，系统非常简单。4） 本质防雷雷电经常破坏大量的电测传感器。光纤传感器由于完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击。5） 测量距离远，适于远程监控光纤的两个突出优点就是传输数据量大和损耗小，在无需中继的情况

5、下，可以实现几十公里的远程监测。6） 灵敏度高，测量精度高理论上大多数光纤传感器的灵敏度和测量精度都优于一般的传感器，实际已成熟的产品也证明了这一点。7） 寿命长，成本低，系统简单光纤的材料一般皆为石英玻璃，其具有不腐蚀、耐火、耐水及寿命长的特性，通常可以服役 30 年。综合考虑传感器的自身成本以及以后的维护费用，使用光纤传感器可以大大降低整个工程的最终经营成本。二、系统主机介绍分布式传感系统包括分布式温度传感系统（DTS)和分布式应力、温度传感系统（DTSS)，DTS的基本原理前面已有所述。DTSS的简单原理：后向散射中的布里渊(Brillouin)散射的光强和波长漂移与光纤的温度和应力有关

6、，通过优秀的算法可以得到具体的温度和应变信息。我公司和两种系统对应的有两种主机：DTS主机和DTSS主机。2.1 DTS主机DTS主机由激光组件，波分复用器，光电接收放大组件，信号采集处理卡，计算机，温度处理和图形显示软件等组成，根据需要配置各类周边设备 。C公司DTS 主机代表着目前国际上的最高水平，无论在温度分辨率、空间分辨率、测量距离，还是测量时间上都高于其他公司的产品，目前共包括6款产品，用户可以针对自己的用途，选择相应的型号。其中DTS-FR的空间分辨率为30cm特别适合于高水平的科学研究，特别是大坝监测；DTS-XR的测量距离达到了30km，但是空间分辨率和温度分辨率都没有下降，适

7、合超长距离的监测。系统特点： 整条光纤既传输信号又感应被测量 测试距离远：可达30km 空间分辨率高：从10cm 到1m 温度分辨率0.1 ，测量精度为1 高级的光子数技术 友好的用户界面 特殊设计的传感光缆 多种温度报警方式 嵌入的网络接口和调制解调器 2.2 DTSS主机 DTSS分布式光纤温度和应变传感系统同时利用光纤感测信号和传输信号，采用先进的OTDR技术和Brillouin散射光对温度和应变敏感的特性，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。通常的B-OTDR传感系统的温度和应变交叉敏感，而我们的DTSS独立探测温度，不存在温度与应变的交叉敏感。同时采用适当

8、的光缆，也可以实现温度无关的分布式压力的测量。系统特点： 测试距离远：可达10km（可定做30Km） 空间分辨率高：1-5m 温度分辨率为0.5，应变分辨率为10 同时的温度和应变独立测量 压力分辨率为2psi 单端测量 友好的用户界面 嵌入的网络接口和调制解调器 整条光纤既传输信号又感应被测量DTSS系统可以应用在大坝的应力与位移测量、结构完好测试（桥梁、建筑物等的分布式应力测量）等。 三、DTS主机技术指标DTS主机的测量时间、测量长度、空间分辨率、温度分辨率之间存在着一定的制约关系，以DTS-SR为例,下面是测量时间分别为10秒和1小时时其他三者的关系图。四、光缆分类4.1 S型火灾探测

9、光缆用于火灾探测，探测光缆内部为50/125m的多模光纤，外部为3mm的不锈钢管。不锈钢管内部是用激光焊接技术制作的，中间填充有可触变的复合材料，被很好的密封以保护光纤免受外界环境的影响和破坏。该探测光缆具有很高的热传导性，同时也可以在恶劣的环境中长期生存。 光缆指标： 重量13.9kg/km拉伸强度150kg直径3mm(2-6mm可以任意定制)线性碾压力30kg/cm引起0.3mm的变形热膨胀系数2017.2e-06(1/)热传导系数200.0036(1/)特殊的热度0.502(j/g)温度范围-806501-4光纤可选4.2 T型火灾探测光缆用于火灾探测，光缆内部为50/125m的多模光纤

10、，外部为多层热塑料材料。该光缆更加柔软，便于安装，同时也具有很好的热传导特性和抗腐蚀特性。 4.3 大坝探测光缆用于大坝探测，探测光缆设计与分布式温度传感器、分布式温度与应力传感器一起工作，检测堤坝结构内的应力与温度。这种光缆极其坚硬，能够嵌入到堤坝结构中（混凝土重力坝或土坝均可）。特征与用途 结构坚固、轻质、坚硬、使用寿命长，紧包缓冲层的光缆设计用于将最佳应力传递到光纤。 紧凑的圆形光缆设计便于运输和配置 适用于要求减小尺寸和重量的不利环境中 螺旋绞合线灵活应用，能够耐拉伸，并给光纤提供额外的机械保护 可以在室外所有地形中使用，包括条件恶劣的环境 有芳香族聚酰胺抗体厚层，耐挤压、有弹性 聚亚

11、氨酯外壳，耐磨损、切割和耐化学腐蚀 2至24根光纤，如果需要，可提供更多的光纤数技术指标：4.4 用于钻孔的探测电缆这种电缆可以抵抗很高的温度和压力。其关键组成部分是中间那层钢管，使其可以抵抗很高的压力，而且具有良好的导热性能，根据应用的需要可以选用不同的钢管。根据选用聚合体的不同，光缆可以抵抗的温度达250 技术特征：1、抗腐蚀能力强 2、很高的抗压能力和良好的导热性能 3、能有效的防止氢损耗 五、应用DTS应用主要包括以下几方面：一、空间场所的温度监控和火情监测适合于地铁、隧道、桥梁、地下车库、博物馆、图书馆、寺庙、危险品仓库、烟叶储存库、高层建筑等应用。二、管道的泄漏和温度监控：适合于输

12、油、输气管道；煤气、水及蒸汽管道；化工企业的流体输送管道等应用。三、高压电缆电力装置的温度监测：适合于高压输、配电电缆，动力电缆（尤其是联接处）等应用。四、地下探测适合于探测地热电厂、地热井的水流和温度的变化来取得相关信息；监控地下水位和水的纯度；其它地质勘探的应用。五、水利工程的渗漏和温度监控：适合于大坝、堤坝（岸）场合的渗漏监测；大坝混凝土固化温度的监控和面板长期的温度监控。六、贮存体的温度和泄漏监测：适合于大型油、气密封贮罐的温度和渗漏监测；地下洞穴的气体和油类储存状态的监测。七、场、矿的检测：适合于监测废料、物料堆放场、各类矿场的温度分布和变化，检查废物、污水处理场密封层的泄漏，对环境

13、保护有重要意义。八、工艺和过程的监控：适合于生产过程的热体（冷体）和化学反应工艺过程温度的监控，保证了产品的质量和运行设备的安全 5.1 废料处理场分布式光纤温度传感器（DTS）系统为物料储存和以前的废物处理场的长期检查和危险估计提供了可能。有关保护地面水和自然环境的政策和法律规章规定在物质存放期间和关闭存放所后需要对废物处理场所实行长期进行检查。物料储存处中和废物存放处的温度分布和温度变化是对物料处理场所的危险进行估计的关键参数。热是由生物反应和化学反应产生的，工业废物处理处的灰烬和因废物烧毁产生的硫化物所引起的滞后的化学反应将产生大量的热量。因此，进行平面或立体的长期温度变化测量对于检查物

14、料处理场所和工业废物堆是一种有效的方法，DTS技术提供了这种长期检测的可能。利用永久安装的光纤温度传感光缆可以在长达30年以上期间对使用中的或以前的废物处理场所的温度场进行测量。 DTS系统的安装和测量废物处理场在密封下的温度分布DTS系统不仅可以用来检测发热区，而且可以用来检测和定位废物处理场所密封的泄漏。 DTS系统提供：长期对物料处理场所的时间函数的过程进行监控对物料处理场的发热点和燃烧中心进行测量、定位和检测对物料存储基地处矿物密封层无水区域的探测和划界，可以预防污水泄露的危险探测从废物储存点渗漏的主要污水有关确定物料储存处中的气体产生条件和气体利用的数据基本的物料储存点的危险估计5.

15、2 地下水分布式光纤温度传感器（DTS）系统为长期监控和测量地下水位和水的纯度等级提供了新的可能，利用基于DTS系统的热流记录仪可以精确定位水流区域和确定流体速度。地下水是最重要的原始物质之一，也是最引人注意的事物之一。地下水与通常来自其它地方的水或其他渗入的液体有着不同的温度，它们将影响流经途中的地下水的温度。地下水可能被来自江和湖的水所污染，通过温度测量可以检查地下水层的变化，甚至，地面的湿度可能引起生物作用和化学再反应。它们大多数是发热的，由此，温度可用来作为不同表面作用的敏感的示迹器，表面作用与地下水或基层水的饱和有关。通过测量温度分布和它的时间变化，可以建立一个有效的检测系统。采用传

16、感光缆的DTS系统技术可装在那些需长期对地下水源和与亚表层作用有关的水的控制系统中。传感光缆的有效期长达30年以上。 用来长期温度控制的传感光缆可安装在：一、每年监控的钻孔 优点：可测量不饱和区域的温度二、安装传感光缆后需要重新填满的钻孔 优点：不需要套管，饱和区域和不饱和区域的真实温度信息都能测量， 开的钻孔不会扭曲温度分布三、永久开放的钻孔优点：现存钻孔再利用缺点：可能探测不到不饱和区域四、随意倾斜的钻孔优点：水平或倾斜的钻孔中的温度也可测量DTS系统的测量应用记录饱和与不饱和区的温度场与温度场随时间变化特性探测不同地下水层的渗透过程记录不同土层的化学和（或）生物反应，或地下水位的不同引起

17、的发热过程测量流动途径和渗透方式调研季节效应不饱和区温度和降水量的相互关系抽水实验期间，确定不同地理层的各自传递系数同步测量地下水井内和地下水井外的温度，用来调查渗入段对温度场的影响5.3 气体和油类贮存的监测一、分布式光纤温度传感器（DTS）系统用于油、气贮罐的温度监测油、天然气贮罐温度升高，导致罐内压力的上升，让其发展下去将会导致严重的后果，因此能及时了解油、气贮罐的温度并采取措施是极为必要的，DTS系统为此创造了良好条件。优点：实时监测，提供整个油、气罐的温度分布可设置定温报警和差温报警、温度速率报警传感光缆不带电，防腐蚀，能在有害环境中安全工作安装方便，一条光缆同时测量数十个油气罐群合

18、理的铺设，同时也可测量 油、气罐的泄漏二、分布式光纤温度传感器（DTS）系统用于孔隙和洞穴的气体储存监测DTS系统为长期监控洞穴的气体或油类提供了新的可能，并为能长期监控表层下的孔隙储存和其钻孔提供了新的机会。含水层和含气层可作为天然气的储存库。洞穴可用来储存天然气、储存油类和流体。该系统工程的规划、构建和管理需要各学科工程人员和科学家之间的密切配合。为了确保管理完善，保证人类安全和保护环境，需要对这些系统长期监控。监控温度的分布和温度随时间的变化，用于管理评估是必要的。DTS系统长期监控孔隙和洞穴的同时，也能在线监控垂直温度的分布，对于光缆应该考虑其机械强度和耐化学腐蚀性。光缆安装在密封孔隙

19、中，光缆也可以安装与孔隙的外侧相连的孔隙中，光缆安装后，监控过程不会影响储存管理。温度（包括压力）对估算洞穴储存是重要的参数，几乎所有热力学关系中，温度是必要的参数。洞穴储存的变化必须知道局部的热力学条件，因为每段热力学条件是有明显区别的（例如储存量中的流量）。若垂直温度分布是已知，可以确定露点、气体压力等，所以化学反应与温度有关。使用光缆能同时监控孔隙中垂直分布温度和储存。DTS系统用于孔隙和洞穴储存的优点：孔隙和储存处垂直温度分布的在线监控测量不影响储存管理测量时不用电，因此不会有爆炸危险光缆使用寿命长达30年借助网络可实现在线监控能监控因季节变化引起的热负荷变化 洞穴注入过程5.4 油、

20、气管道泄漏的监测分布式光纤温度传感器（DTS）系统为油、气管道的长期监控和泄露探测提供了新的可能由于地下管道的泄漏引起油和气体的逸出对人群和环境来说是相当危险的。泄漏的油将污染土壤和地下水，泄漏的气体将引起爆炸，对植物和大气将产生危害，甚至，油和气体的泄漏将引起巨大的经济损失，因此，有必要采用能以高空间分辨率检测微小泄漏的系统来控制管道。DTS系统是此任务的首选仪器。全程用对温度敏感的传感光缆与管道并行安装，来测量管道附近土壤的温度分布。泄漏的油往下渗透，通常引起管下面的温度异常。泄露气体沿着压力梯度扩散（主要向上），由于气体扩张，管周围的温度将变得异常。实时测量温度分布与正常运行情况下测量的

21、参考模式自动比较是一种有效地、可靠地对油管、气管的泄漏进行探测的长期监控的方法。传感光纤可与电信光缆结合在一起。 使用DTS系统检测油、气泄漏的原理图采用系统监控管道可提供:1、能以最少的成本准确的测出泄漏点和长期监控。2、用一套测量系统可监控数公里到数十公里的长度。3、高空间分辨率（通常为1-5m）。4、高温度分辨率（通常为0.5k)，相当于微笑泄漏的灵敏度。5、传感光缆可与通信光缆集成在一块。5.5 电力装置高压电缆等因其载流量过大或过载等原因导致过热，尤其是电缆的联接处，更易发热，影响电缆的寿命，甚至产生短路、爆炸等事故，给企业带来巨大损失。传统的测温方法是将热电偶或某些点式的感温装置安

22、装在电缆重要部位进行测温。在某些场合比如电缆敷设长度较短情况下这种方法比较实用，并且很经济。但是其缺点也是很明显的。比如它只能反映电缆局部位置的温度情况，无法反映电缆及所敷设环境的全部情况；安装繁琐并且不可靠，受电磁干扰程度大等等。利用DTS技术监测整条光纤的温度，即可实时检测被传感光缆所覆盖的高压电缆的温度分布情况及温度变化趋向。如下图所示为2003年6月10日15点整条电缆的分布曲线。系统也可以分析数据得出如：2003年6月10日2003年6月20日光纤500米处的温度变化曲线、2003年6月13日电缆的最高温度分布曲线、2003年2月4日2003年8月16日光纤500米处的最高温度变化直

23、方图等。 热传导原理：高压电缆电载体发热后温度：高压电缆和传感光缆接触面温度：传感光缆中心的传感光纤温度升温速率：即为线段的斜率/t=xk/min线段：高压电缆电载体的升温速率线段：高压电缆和传感光缆接触面的升温速率线段：传感光缆中心的传感光纤的升温速率用DTS系统对高压电缆温度实施监控和检测，可以实现：1、可以设置不同区域和域值，并实现定温报警和差温报警的要求。2、能够实时检测整条被检测电缆的温度分布，并可调取该电缆的历史数据正确反映被监控电缆的温度变化趋势。 3、利用分析软件功能分析，获得被测高压电缆的负荷变化情况和某些薄弱环节。5.6 大坝安全检测大坝工程代表着巨额投资和巨大的经济、社会

24、利益，同时也蕴藏着潜在的成灾风险。著名的法国Malpasset拱坝失事，美国Teton土石坝失事，和我国的沟后土石坝溃决都给我们留下了惨痛的教训和巨大的经济损失，同时也加速了各国大坝工程安全监测的研究。目前，绝大多数大坝安全监测系统都是采用电测系统，如电阻应变计、振弦式传感器等，这些监测系统由于普遍存在抗干扰能力差，长期稳定性差，相对误差，零漂等缺点而很难满足实际需要。因此新技术和新思想必须被引入到大坝安全监测技术中来，分布式光纤传感器以光纤为载体，既感测信号又传输信号，同时可以得到沿探测光纤所有的信号，非常适合于大坝安全监测。目前，国际、国内已经将该技术成功地应用于安全监测中，如大坝混凝土固

25、化过程的温度监测、大坝中渗流与泄漏监测、大坝的应力和位移测量。探测系统设计下图出示了一个利用DTS主机的大坝监测系统。DTS主机放置在控制室中监测，可以通过各种接口和外界通信： Ethernet TCP/IP接口 56K Modem RS232/485 控制系统或监控数据采集（SCADA）模块同时原始的温度数据可以在本机或远程提取与查看。对于光缆的铺设，对于不同测量应用有不同的要求。具体应用1混凝土固化温度的监测大坝建设过程中，适当的固化程序是保证混凝土性能的一个关键。通过对混凝土固化过程的温度测量，可以控制固化过程，提高混凝土的特性和减少裂缝出现的几率。 2大坝渗流和泄漏的探测大坝的渗流和泄

26、漏变化可以表现为温度的变化，冬天大坝中的水温低，当渗流变大时，会产生一个低温点。夏天水温高，会产生一个热点。而这些温度的变化非常地小，大约0.1左右,需要非常高的温度分辨率，我公司DTS的温度分辨率达到0.01，完全可以探测到如此微小的温度变化。通过对渗流的监测，可以分析大坝内部结构的浸蚀。 下图显示了堤坝的排水系统的温度分布用DTS技术在堤坝的温度测量中提供：长期监控堤坝的水渗漏在长距离内同步进行多个温度测量探测特定的渗透路径和泄漏在汛期和洪水期间，对堤坝进行在线测量在排水系统中，和（或）测量低于地下水位的亚层土的温度利用安装在钻孔的传感光缆探测和测量堤坝上水渗漏的垂直分布情况提供有关危险估

27、计、加固和重建堤坝的温度数据 5.7 火灾检测高速公路隧道、越江隧道、湖底隧道、地铁隧道和其他建筑物等的火灾探测是非常关键的，关系到人们生命、社会财产和社会稳定。火灾探测统称都是通过对温度的测量来实现的，传统火灾探测大多是点式传感器，误报和漏报率高。分布式光纤温度测量系统(DTS)可以实现沿着光纤几十公里的连续分布式测量，不会漏过任何点，大大减小了误报和漏报的几率，非常适合于隧道的火灾探测。同时该系统可以精确到点位，实时在线监测，得到温度的变化曲线图。此外，分布式光纤温度测量系统以光信号为载体，不受电磁干扰，光信号本质安全，使用寿命长。本公司的DTS分布式光纤温度测量系统代表着目前国际上最高的

28、技术指标，其测量时间远远快于其他产品，温度分辨率可达0.01，可以在最快的时间内捕捉到任何微小的变化，可以用于最长30km的隧道火灾探测。探测系统设计下图出示了一个利用DTS主机的隧道火灾监测系统。DTS主机放置在控制室中监测，可以通过各种接口和外界通信： Ethernet TCP/IP接口 56K Modem RS232/485 控制系统或监控数据采集（SCADA）模块同时原始的温度数据可以在本机或远程提取与查看。5.8 油气检测在油田的开发过程中必须进行井下多相流、声波、温度、压力等参数的测试。了解油井在产液或注水过程中井内流体的特性与状态的详细资料，从而可以优化生产、提高原油采收率和产量

29、、降低成本，尤其重要的是可以预防生产过程中的油管套管损坏。对于油田测试而言，可靠性和准确性是至关重要的，传统的电子传感器无法在恶劣环境下进行井下工作，而光纤传感器具有高精度、轻巧且能承受井下极端条件等优点。集传感与传输于一体，实现远距离测量与监控，一次测定就可获取整个光纤分布区域的一维分布图，能够测得长达几十公里的信息，因此整体成本大大降低。目前光纤传感器已经能够测量井下温度、压力、多相流与声波等参数，在油田开发中具有非常广阔的应用前景。 系统设计下图出示了一个利用DTS 的油井监测系统。了解石油和天然气生产井（以及注水井和注气井）下发生的情况是有效管理油藏的主要需求。DTS系统提供了井身的连

30、续温度曲线图-从顶部到底部。可以连续获取这些曲线图提供给油藏管理团队。直观的流量指示器。在天然气井中，当气压随穿过钻孔降低时，可以看到这种冷却效果。而在油井中，这通常是温油进入油井产生的一种加热效果。因为我们公司的DTS系统具有精确到0.01 的温度分辨率，所以可以见到锐敏效应。 分配流量的方法。能够将温度曲线转换为流量分配曲线。一些流速受限制的井口校准要求使用该技术。此外，生产工程师可以得到有用的操作数据，例如： 气举优化，因为不同气举阀的相对温度表明了进入每个气举阀的燃气的百 分比。 “过热点”连续砂筛监测，是砂筛故障的预警器。 六、软件简介 1）主控制界面 界面软件负责显示和分析分布式温度传感数据。2）数据记录模块 数据记录模块包含了存储在硬盘中有关分布式温度测量数据的信息。3）设定感兴趣的区域 用户可以设置多个感兴趣的点和段（热点、隧道的特殊地段）， 来判断 这些位置的情况。4）多种报警方式 用户可以对感兴趣的地方设置报警，既可以对一个单点，也可以对一段 长度。如果温度超过设置的报警温度，报警信号就