Autoři: Petr Koudelka, Jan Látal, František Hanáček, Petr Šiška, Jan Skapa a Vladimír Vašinek, Katedra telekomunikací, VŠB-TU Ostrava

Abstrakt
DTS (Distribution Temperature System) jsou unikátní optovláknové distribuované systémy pro měření teploty a mechanického napětí. Tyto systémy využívají nelineárních vlastností optických vláken. Optické vlákno využívané DTS systémem si lze tedy představit jako tisíce senzorů umístněných podél měřené trasy, přičemž je využito předností optického vlákna, jakými jsou odolnost vůči elektromagnetickému záření, bezpečné použití v hořlavých a výbušných prostředích, odolnost vůči agresivnímu prostředí, malé rozměry, snadná instalace a bezúdržbový provoz. Výše uvedené vlastnosti DTS systému se jeví jako ideální pro aplikaci v různých průmyslových odvětvích.

Klíčová slova - Optovláknové distribuované systémy, nelineární jevy, Ramanův rozptyl, monitoring, zabezpečení

1. Úvod

DTS (Distributed Temperature System) jsou unikátní systémy, které jsou schopny měřit teplotní i mechanicko-napěťový profil podél optického vlákna. Optické vlákno si lze tedy představit nejen jako médium určené pro přenos dat, ale i jako senzoru pro snímání neelektrických veličin, přičemž je využito veškerých předností, které optické vlákno nabízí. Mezi tyto výhody patří [1]:
• odolnost vůči elektromagnetickému záření,
• bezpečné použití v hořlavých a výbušných prostředích,
• odolnost vůči agresivnímu prostředí,
• současné odečítání několika tisíců naměřených hodnot,
• snadná instalace a téměř žádná údržba,
• okamžitá lokalizace změn teploty, tlaku, poruchy a událostí,
• délka optického vlákna až do 50 km.

2. Princip DTS systémů

DTS systémy jsou založeny na principu optického reflektometru, tzn., že do vlákna je vyslán světelný impuls o šířce 10 ns a vlnové délce 975 nm, 1064 nm nebo 1550 nm v závislosti na konstrukci DTS systému. Určitá část světelného impulsu se vrací zpět do DTS systému (obr. 1) se stejnou vlnovou délkou (elastický – Rayleighův rozptyl) a s odlišnou vlnovou délkou (neelastický rozptyl). Neelastické jevy způsobující návrat části světelného impulsu do DTS systému označujeme jako Ramanův a Brillouinův stimulovaný rozptyl. DTS systémy se proto dělí dle využívaného druhu neelastického rozptylu.

DTS detekující Ramanův stimulovaný rozptyl využívají mnohovidového optického vlákna (průměr jádra 50 μm a průměr pláště 125 μm) s velkou hodnotou numerické apertury pro maximalizování vedené intenzity zpětně odraženého světla. Relativně vyšší útlumová charakteristika mnohovidového vlákna limituje dosah takových DTS systémů na přibližně 8 – 10 km. 

Naproti tomu DTS detekující Brillounův stimulovaný rozptyl využívají jednovidového optického vlákna (průměr jádra 9 μm a průměr pláště 125 μm) a jsou schopny měřit teplotu i mechanické napětí působících podél optického vlákna do vzdálenosti více než 50 km.

Prostorová rozlišitelnost DTS systémů je standardně 1 m při rozlišení 0,01 °C. Pro extrémní DTS systémy (využívající Brillounův stimulovaný rozptyl) je prostorová rozlišitelnost 0,5 m s teplotní rozlišitelností 0,05 °C. Jedná se tedy o velice přesné a precizní měřící systémy [3].

Obr. 1. Zjednodušený princip činnosti DTS systémů

3. Ramanův rozptyl

Fyzikální podstata Ramanova rozptylu spočívá v neelastických srážkách molekul optického vlákna s fotony excitujícího záření. Následkem je výměna energie mezi fotonem a molekulou, která způsobuje změnu energie fotonu, respektive jeho vlnové délky. Výše uvedenou fyzikální podstatu lze vyjádřit pomocí kvantově mechanického modelu, který zahrnuje vlnově-částicovou povahu kvant záření, fotonů, a kvantování energetických hladin molekuly (obr. 2), nebo pomocí indukce dipólového momentu v molekule působením oscilujícího elektrického pole excitačního záření [2].

 
Obr. 2. Kvantově mechanický model Ramanova rozptylu

Nicméně oba dva způsoby jsou schopny popsat stavy, kdy koncová vibrační energetická hladina přechodu je vyšší než počáteční a vyzářený foton má nižší energii (větší vlnovou délku λ) než excitační záření. Tuto část v Ramanově spektru nazýváme jako Stokesova. Naproti tomu anti-Stokesova část odpovídá přechodu, kdy je koncová vibrační energetická hladina celého děje nižší než počáteční a vyzářený foton má vyšší energii (menší vlnovou délku) než excitační záření.

Vědeckými studiemi bylo zjištěno, že anti-Stokesova část v Ramanově spektru je teplotně závislá (mění se její intenzita) na rozdíl od Stokesovy části. Tohoto poznatku je využito při konstrukci DTS systémů. DTS systém detekuje oba stavy neelasticky rozptýlených fotonů. Výsledný poměr intenzit částí Ramanova spektra definuje teplotu v daném místě optického vlákna:

  (1)

kde R(T) je výsledná teplota, Ia-S je intenzita anti-Stokesovy části spektra, IS je intenzita Stokesovy části spektra, λS je Stokesova vlnová délka,  λa-S  je anti-Stokesova vlnová délka,  h je Planckova konstanta, vib je vibrační frekvence, k je Boltzmanova konstanta, T je termodynamická teplota, Δa optický útlum mezi Stokesovou a anti-Stokesovou části spektra, z je pozice od čela optického vlákna [3].

4. DTS systémy aplikované do průmyslových odvětví

Příkladem aplikace DTS systémů do průmyslových odvětví je jejich nasazení pro měření podpovrchových vrtů horninového masivu určených pro tepelná čerpadla. Příkladem může být areál Technické univerzity Ostrava, kde má v budoucnu stát nová budova Fakulty elektrotechniky a informatiky. Pro tuto budovu se plánuje využít geotermální energie získané z podpovrchových vrtů. Je nutné ovšem provést jejich správné dimenzování, které má i ekonomický charakter [4]:
• stanovení počtu a hloubek vrtů,
• stanovení vzdálenosti mezi vrty,
• stanovení způsobu rozmístnění vrtů.

Jelikož samotné vyvrtání vrtů nám nenapoví, jaký bude možný celkový odběr tepla, jeví se využití DTS systému pro zjištění teplotního profilu tepelného vrtu jako vhodná volba. Pro vytopení velké budovy jakou bezesporu bude nová budova fakulty, je jich zapotřebí celá řada. Projektováno je také využití solárních článků pro zpětnou akumulaci tepla pod zemský povrch a následně v zimním období jeho zpětné čerpání. Měření probíhalo dne 31. 7. 2009. Do vrtu, který je opatřen dvojicí PE trubek rozměrů 40 mm spuštěn optický senzorický kabel (obr. 3).

Obr. 3. Speciální senzorický kabel zavedený do PE trubky uvnitř vrtu MV03

Obecně je nutné mezi DTS systém a senzorické optické vlákno připojit 50 m předřadného vlákna stejných geometrických parametrů. Důvodem je podobný problém mrtvé zóny jako u ODTR metrů. V části za optickou spojkou, která spojuje předřadné vlákno se senzorickým optickým kabelem, dochází ke značnému nárůstu teploty. Tento nárůst je způsoben zbytkem kabelu namotaného na cívce, který vystaven přímému slunečnímu záření se ohřál na teplotu kolem 36 °C. Další nepatrnou teplotní špičku lze sledovat na začátku PE trubky, která vyčnívala nad úroveň země. Následující část křivky od hodnoty 80 m až po hodnotu 200 m (obr. 4) zobrazuje teplotní profil samotného vrtu.

Obr. 4. Naměřený profil vrtu MV03 ze dne 31. 7. 2009 systémem Raman-DTS

Na teplotním profilu je možné pozorovat dvě základní oblasti, první je představována vlivem slunečního záření, které ohřívá zemský povrch. S postupem do hloubky jeho vliv klesá a začíná se projevovat vlivem zemského tepla horninového masivu, kdy s rostoucí hloubkou teplota narůstá. Pomocí DTS je možné určit rovnovážný bod, který v tomto případě činí 45 m.

Mezi další možnosti aplikace DTS systému v průmyslových odvětvích patří:

• monitoring produktovou a ropovodů: moderní management potrubního vedení potřebuje zajistit integritu a okamžitě odhalit prosakovaní či jeho prasknutí. DTS systémy umožňují monitorování celé trasy najednou a lokalizaci poruch dokonce i za extrémních podmínek,

• monitoring energetických kabelů: nepřetržité monitorování energetických kabelů umožňuje odhalení přetížených míst, kdy informace z DTS systémů mohou upravit provozní stav na vedení, DTS systém tedy dokáže stavový odhad vedení, což povede k optimalizaci distribuční sítě a redukce provozních nákladů,

• monitoring důležitých pozemních komunikací: v současné době se v oblasti automobilového průmyslu hovoří o bezpečnosti na pozemních komunikacích a snížení úmrtí na evropských silnicích, DTS systémy umístněné podél hlavních tras by mohli účastníky provozu informovat pomocí komunikace C2I (Car-to-Infrastructure) a údržbu silnic a dálnic o stavu vozovky a předejít tak hromadným nehodám díky náledím,

• aplikací DTS systémů ve stavebnictví, např. při monitoringu tuhnutí betonu, by výrazně přispělo k výzkumu nových betonových směsí, k urychlení výstavby objektů a možnosti dlouhodobého zaručení jejich bezpečnosti (ob. 5),

• monitoring průmyslových procesů, ve kterých není možné použít standardních senzorů.

 
Obr. 5. Měření průběhu hydratace u betonové směsi (vytvoření senzorického meandru ve čtyřech vrstvách)

5. Závěr

V současné době je povědomí o DTS systémech v průmyslových odvětvích České republiky velmi malé. DTS systémy představují zajímavou technologii pro kontinuální měření teploty a mechanického napětí s využitím výhodných vlastností optických vláken v průmyslu. Jen pouze otázkou času, kdy se tyto systémy vzhledem k svým výhodám rozšíří do ostatních odvětví průmyslu.

References
[1] LÁTAL, J., KOUDELKA, P., HANÁČEK, F.: The new methods of the heat borehole measuring by the help of DTS system. In proceeding of the 7th Annual workshop WOFEX 2009. Ed. P. Moravec, J. Dvorský, Ostrava: VŠB - TU Ostrava, 2009, p. 332 - 337, ISBN 978-80-248-2028-6
[2] NIKLES, M., VOGEL, B., BRIFFOD, F., GROSSWIG, S., SAUSER, F., LUEBBECKE, S., BALS, A., PFEIFFER, T.: Leakage detection using fiber optics distributed temperature monitoring., In 11th SPIE Annual International Symposium on Smart Structures and Materials [online].  c 2004, poslední aktualizace 9. 10. 2009 [cit. 2009-09-10].
[3] JAASKELAINEN, M.: Distributed Temperature Sensing (DTS) in Geothermal Energy Applications [online]. c 2009, poslední aktualizace 1. 9. 2009 [cit. 2009-09-01].
[4] LUKEŠ, Petr. Aplikace počítačového modelování při využívání geotermální [online]. c 2007, poslední aktualizace 2. 9. 2008 [cit. 2008-09-02].

O autorech
 
Petr KOUDELKA, narozen v roce 1984 v Prostějově. V roce 2006 získal titul Bc. na VŠB-TU Ostrava, Fakultě elektroniky a informatiky, Katedře Telekomunikací. O dva roky později získal na tomtéž pracovišti titul Ing. v zaměření optoelektronika. V současné době v rámci doktorského studia se věnuje optickým bezdrátovým spojům a optovláknovým distribuovaným systémům.
 
Jan LÁTAL, narozen v roce 1983 v Prostějově. V roce 2006 získal titul Bc. na VŠB-TU Ostrava, Fakultě elektroniky a informatiky, Katedře Telekomunikací. O dva roky později získal na tomtéž pracovišti titul Ing. v zaměření optoelektronika. V současné době v rámci doktorského studia se věnuje optickým bezdrátovým spojům a optovláknovým distribuovaným systémům.