A száloptikai hőmérsékletmérés (angol változata DTS = Distributed Temperature Sensing ) olyan optoelektronikai eszközök alkalmazása a hőmérséklet mérésére, amelyekben üvegszálakat használnak lineáris érzékelőként.
A száloptikai rendszerek nemcsak információtovábbításra, hanem helyi elosztott mérőérzékelőként is alkalmasak. Fizikai mérési mennyiségek, például hőmérséklet vagy nyomás , valamint húzóerő hatnak az optikai szálra , és megváltoztathatják az optikai szálak tulajdonságait egy bizonyos helyen. A kvarcüvegszálakban a szórás miatti fény kioltása miatt a külső fizikai behatás helye pontosan meghatározható, ami lehetővé teszi a fényvezető lineáris szenzorként való használatát.
Az úgynevezett Raman-effektus különösen alkalmas kvarcüvegből készült optikai szálak felhasználásával végzett hőmérsékletmérésekhez . Az üvegszálban lévő fényt mikroszkopikusan kis sűrűségingadozások szórják, amelyek mérete kisebb, mint a hullámhossz . A bejövő fénnyel ellentétben a visszaszórt fény tartalmaz egy kezdeti hullámhosszú komponenst (az elasztikus vagy Rayleigh-szórás miatt ), valamint olyan komponenseket, amelyek a szórócsomópontok rezonáns oszcillációs frekvenciájának megfelelő frekvenciájú spektrális eltolódáson estek át ( Raman-szórás ). Az eltolt hullámhosszú komponensek a szórt fény spektrumában műholdvonalakat alkotnak, amelyeket Stokes-ra ( hosszabb hullámhosszra és alacsonyabb frekvenciára tolva) és anti-Stokes-ra (rövidebb hullámhosszra és magasabb frekvenciára tolva) osztanak [1] . Az anti-Stokes komponens amplitúdója a helyi hőmérséklettől függ.
Az üvegszálak minimálisan elérhető csillapítását korlátozza az üvegszálak amorf szerkezete által okozott fényszórás. A hevítés a kvarcüveg molekuláris komplexumában a rácsrezgések növekedését okozza. Amikor fény esik a molekulák termikusan gerjesztett rezgéseire, a fény részecskéi (fotonok) és a molekulák elektronjai kölcsönhatásba lépnek. Az üvegszálas anyagban elasztikus (Rayleigh) szórás, valamint további, sokkal gyengébb fényszórás, az úgynevezett Raman-szórás , amely a beeső fényhez képest spektrálisan eltolódik a rácsrezgés rezonanciafrekvenciájával.
Az időbeli optikai reflektometria klasszikus technikája ( OTDR , Optical Time Domain Reflectometry) a fényimpulzus átbocsátásának és a visszaszórt fény vételének pillanatai közötti időkülönbség, valamint a szórt fény intenzitásának függőségének meghatározásán alapul. időben (vagyis a kábel mentén lévő távolságon). Mivel a Rayleigh visszaszórás hőmérsékletfüggő, használható a hőmérséklet mérésére a kábel hossza mentén.
A Raman-szórás sokkal (három nagyságrenddel) gyengébb, mint Rayleigh, ezért nem mérhető OTDR technikával. Azonban az optikai frekvenciatartomány-reflektometria kifinomultabb technikájában (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) használják.
Az anti-Stokes Raman sáv intenzitása hőmérsékletfüggő, míg a Stokes sáv szinte független a hőmérséklettől. A helyi hőmérséklet mérése a szál bármely pontján az anti-Stokes és Stokes fény intenzitásának arányából következik. Az optikai Raman visszaszórási módszernek köszönhetően lehetőség nyílik a hőmérséklet mérésére az üvegszál mentén a hely és az idő függvényében.
A száloptikai hőmérsékletmérő rendszer sematikus felépítése egy frekvenciagenerátorral ellátott jelkondicionáló egységből, egy lézerből, egy optikai modulból, egy vevőegységből és egy mikroprocesszor egységből, valamint egy fényvezető kábelből (kvarcüvegszál) áll. lineáris hőmérséklet-érzékelőként. Az OFDR módszer szerint a mérési időintervallumban a lézerintenzitás szinuszosan, a frekvencia pedig lineárisan modulálódik . A frekvencia eltérése az OTDR helyi válaszának közvetlen oka. A frekvenciamodulált lézerfényt a fényvezetőbe irányítják. A szál bármely pontján Raman-jelet bocsátanak ki minden irányban. Ennek a jelnek egy része a jelkondicionáló blokkkal ellentétes irányba mozog. Ezt követően a visszaszórt fény spektrális szűrését, a mérőcsatornákban elektromos jelekké történő átalakítást, erősítést és elektronikus feldolgozást végeznek. A mikroprocesszor kiszámítja a Fourier-transzformációt . Köztes eredményként Raman visszaszórási görbéket kapunk a kábel kezdetétől való távolság függvényében. A visszaszórási görbék amplitúdója arányos a megfelelő Raman-szórás intenzitásával. A visszaszórási görbék (anti-Stokes és Stokes) arányából megkapjuk a szál hőmérsékletét a szálkábel mentén. A Raman hőmérsékletmérő rendszer műszaki jellemzői a műszerparaméterek (tartomány, térbeli felbontás, hőmérsékleti pontosság, mérési idő) beállításával optimalizálhatók.
Lehetőség van a fényvezető kábel beállítására is az adott alkalmazás lehetőségeinek megfelelően. Az üvegszálas bevonat hőellenállása korlátozza a fényvezető kábel maximális hőmérsékleti tartományát. A szabványos adatszálak akril vagy UV-re keményedő bevonattal rendelkeznek, és 80°C-ig alkalmasak. A poliamid bevonatú optikai szál maximum 400 °C hőmérsékletig használható.
A lineáris szálas hőmérséklet-érzékelők tipikus alkalmazásai a biztonsággal kapcsolatos alkalmazások, például tűzjelző rendszerek közúti, vasúti vagy szervizalagutakban, valamint raktárakban, repülőgép-hangárokban, úszó tartályhajókban vagy radioaktív anyagok köztes tárolására szolgáló tárolókban. A tűzjelző rendszerekkel együtt az ilyen rendszereket más ipari területeken is használják:
(alkalmazástól függően lehetséges opciók)