RU2848664C1 - Optical fibre distributed temperature sensor and method of its application - Google Patents
Optical fibre distributed temperature sensor and method of its applicationInfo
- Publication number
- RU2848664C1 RU2848664C1 RU2025111456A RU2025111456A RU2848664C1 RU 2848664 C1 RU2848664 C1 RU 2848664C1 RU 2025111456 A RU2025111456 A RU 2025111456A RU 2025111456 A RU2025111456 A RU 2025111456A RU 2848664 C1 RU2848664 C1 RU 2848664C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stokes
- rayleigh
- temperature sensor
- digital
- fiber
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
[1] Заявленное изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к волоконно-оптическим сенсорным системам термометрии, и может быть использовано для зондирования протяженных участков и объектов, таких как нефте- и газопроводы, измерения профиля температуры в нефтяных, газовых и паровых скважинах, линии связи и электропередач, состояния промышленных индукционных плавильных печей, контроль герметичности контейнеров с сжиженным природным газом, обнаружение утечек на плотинах, запрудах и трубопроводах, а также в сферах, связанных с пожарной безопасностью, например, системы пожарного оповещения в автомобильных, железнодорожных или сервисных туннелях, с использованием оптоволокна как чувствительного элемента, с целью обнаружения изменения температур.[1] The claimed invention relates to the field of distributed measurements, namely to fiber-optic thermometry sensor systems, and can be used for probing extended sections and objects, such as oil and gas pipelines, measuring the temperature profile in oil, gas and steam wells, communication and power lines, the state of industrial induction melting furnaces, monitoring the tightness of containers with liquefied natural gas, detecting leaks in dams, ponds and pipelines, as well as in areas related to fire safety, for example, fire alarm systems in road, railway or service tunnels, using fiber optics as a sensing element, for the purpose of detecting temperature changes.
Уровень техникиState of the art
[2] Для мониторинга колебаний температур, деформации и иных воздействий в нескольких местах или на протяженных участках использование точечных датчиков требует крупных сетей измерений, больших затрат на устройства, сложной структуры и высокой согласованности датчиков. Однако существует широко известная технология распределенного температурного зондирования (DTS), которая позволяет измерять температуру в зависимости от времени в любой точке оптического волокна. В настоящее время это один из наиболее перспективных методов зондирования протяженных участков с высокой чувствительностью.[2] Monitoring temperature fluctuations, deformation, and other impacts in multiple locations or over long sections requires large measurement networks, high device costs, a complex structure, and high sensor consistency. However, distributed temperature sensing (DTS), a well-known technology that allows temperature measurements over time at any point along an optical fiber, is currently one of the most promising methods for sensing long sections with high sensitivity.
[3] Распределенный датчик температуры (Distributed temperature sensor DTS) - это оптоэлектронный прибор, который может измерять температуру вдоль оптического волокна. Есть два основных типа таких датчиков. Первый работает на эффекте комбинационного рассеяния света в волокне (эффекте Рамана), а второй - на изменении частоты пиков Бриллюэновского рассеяния. Принцип действия эффекта Рамана работает следующим образом. При прохождении светового импульса по оптическому волокну фотоны света взаимодействуют с атомами и молекулами волокна и происходит упругое (Рэлеевское) и неупругое (Комбинационное) рассеяние света. При упругом рассеянии света длина волны рассеянного света не изменяется, в то время в случае комбинационного рассеяния возникают фотоны с меньшей энергией, чем у входного импульса, то есть с большей длиной волны, так называемые Стоксовские компоненты, и с большей энергией, то есть с меньшей длиной волны - Антистоксовские. К изменениям температуры более чувствительна Антистоксовская компонента. В большинстве случаев для расчета температуры используют соотношение интенсивности Стоксовской к Антистоксовской компонент. Хотя для расчета температуры вполне достаточно только Антистоксовской компоненты, наличие второй компоненты нужно для коррекции искажений температуры, связанных с изменениями интенсивности лазерного импульса на сварках, коннекторах, изгибах и разных неоднородностей волокна. Второй компонентой для расчета температуры не обязательно должна быть Стоксовская компонента комбинационного рассеяния. Вместе с комбинационным рассеянием происходит и Рэлеевское рассеяние, интенсивность которого не зависит от температуры, а только от состояния волокна. Используя Рэлеевскую компоненту в качестве второй компоненты для расчета температуры, уравнение для расчета температуры будет выглядеть следующим образом:[3] A distributed temperature sensor (DTS) is an optoelectronic device that can measure temperature along an optical fiber. There are two main types of such sensors. The first operates on the Raman effect of light in the fiber, while the second operates on the change in the frequency of Brillouin scattering peaks. The Raman effect works as follows. When a light pulse passes through an optical fiber, photons interact with the atoms and molecules of the fiber, resulting in elastic (Rayleigh) and inelastic (Raman) scattering of light. With elastic scattering, the wavelength of the scattered light does not change, while in the case of Raman scattering, photons with lower energy than the input pulse, i.e., with a longer wavelength, the so-called Stokes components, are produced, while photons with higher energy, i.e., with a shorter wavelength, are called anti-Stokes components. The anti-Stokes component is more sensitive to temperature changes. In most cases, the ratio of the Stokes to Anti-Stokes component intensities is used to calculate temperature. Although the Anti-Stokes component alone is sufficient for temperature calculation, a second component is necessary to correct for temperature distortions associated with changes in laser pulse intensity at splices, connectors, bends, and various fiber inhomogeneities. The second component for temperature calculation does not necessarily have to be the Stokes component of Raman scattering. Along with Raman scattering, Rayleigh scattering also occurs, the intensity of which does not depend on temperature, but only on the fiber's condition. Using the Rayleigh component as the second component for temperature calculation, the equation for calculating temperature will look like this:
[4] где: IR и Iast - интенсивности Рэлеевской и Антистоксовской компонент, λast и λR - спектральное положение максимума пика Антистоксовской и Рэлеевской компонент, Т - абсолютная температура, σR и σast - коэффициент аттенюации волокна на длине волны Стоксовской и Антистоксовской компонент комбинационного рассеивания, А - сгруппированные постоянные:[4] where: I R and I ast are the intensities of the Rayleigh and Anti-Stokes components, λ ast and λ R are the spectral position of the maximum of the Anti-Stokes and Rayleigh components, T is the absolute temperature, σ R and σ ast are the attenuation coefficient of the fiber at the wavelength of the Stokes and Anti-Stokes components of Raman scattering, A are the grouped constants:
[5] где: n - показатель преломления волокна, β - коэффициент изотермического расширения волокна, k - постоянная Больцмана, а это независимые от температуры константы:[5] where: n is the refractive index of the fiber, β is the coefficient of isothermal expansion of the fiber, k is the Boltzmann constant, and these are temperature-independent constants:
[6] где: h - постоянная Планка, c - скорость света, Δv - рамановский сдвиг.[6] where: h is Planck's constant, c is the speed of light, Δv is the Raman shift.
[7] Однако во время работы оптическое волокно деградирует, в том числе от воздействий и перепадов температур, давлений, механических воздействий и так далее. Также распределенные температурные датчики часто используются для мониторинга температуры в нефтяных и газовых скважинах. Окружающая среда в таких местах довольно агрессивна из-за высоких температур, давления и наличия большого количества водорода и активных химических соединений. При длительном пребывании оптического волокна в такой среде процесс диффузии водорода в сердцевину оптического волокна неизбежен, что приводит к искажению показаний распределенного датчика температуры. В результате таких воздействий коэффициенты аттенюации волокна меняются по-разному на различных длинах волн. Из-за этого расчет температуры с использованием общепринятой формулы 1 может быть некорректен, и получаемые данные с помощью устройств, не учитывающих изменения коэффициентов аттенюации, со временем накапливают ошибку. [7] However, optical fiber degrades during operation, including from exposure to temperature, pressure, mechanical stress, and other factors. Distributed temperature sensors are also often used to monitor temperature in oil and gas wells. The environment in such locations is quite aggressive due to high temperatures, pressure, and the presence of large amounts of hydrogen and active chemical compounds. When optical fiber is exposed to such an environment for long periods, hydrogen diffusion into the fiber core is inevitable, distorting the readings from the distributed temperature sensor. As a result of such exposure, the fiber attenuation coefficients change differently at different wavelengths. Because of this, temperature calculations using the generally accepted formula 1 may be incorrect, and data obtained using devices that do not account for changes in attenuation coefficients accumulate error over time.
[8] В патенте US 2013/0028289 (опубл. 31.06.2013 г., МПК: G01K 11/32) представлено техническое решение, в котором описывается распределенный оптоволоконный рамановский датчик температуры с автокоррекцией дисперсии и спектра потерь, и имеется двухволоконный импульсный лазерный модуль с двойными сдвигами длины волны Рамана. Лазерный модуль состоит из источника питания, электронного переключателя, первичного лазера и вторичного лазера, первого объединителя, двунаправленного ответвителя, многомодового волокна, интегрированного оптоволоконного мультиплексора с разделением по длине волны, второго объединителя, системы прямого обнаружения, системы сбора и обработки сигналов и дисплея. Датчик использует два источника света, которые имеют два смещения длины волны Рамана, при этом центральная длина волны пика обратного Антистоксковского рассеяния Рамана первичного источника света совпадает с центральной длиной волны пика обратного Стоксовского рассеяния вторичного источника света, и вычитается сигнал отражения во временной области одностороннего рэлеевского рассеяния оптического волокна. На основе принципа измерения температуры Рамановского рассеяния оптического волокна, метода автокоррекции спектра дисперсии и потерь и принципа отражения во временной области оптического волокна дисперсия и спектр потерь могут быть самокорректированы, а случайные потери мощности, вызванные изгибом и растяжением при установке, также могут быть автоматически скорректированы.[8] US Patent 2013/0028289 (published June 31, 2013, IPC: G01K 11/32) presents a technical solution that describes a distributed fiber-optic Raman temperature sensor with automatic correction of dispersion and loss spectrum, and has a dual-fiber pulsed laser module with double Raman wavelength shifts. The laser module consists of a power supply, an electronic switch, a primary laser and a secondary laser, a first combiner, a bidirectional coupler, a multimode fiber, an integrated fiber-optic wavelength division multiplexer, a second combiner, a direct detection system, a signal acquisition and processing system, and a display. The sensor utilizes two light sources with two Raman wavelength offsets. The central wavelength of the primary light source's anti-Stokes Raman backscattering peak matches the central wavelength of the secondary light source's Stokes backscattering peak. The single-sided Rayleigh scattering time-domain reflectance signal of the optical fiber is subtracted. Based on the optical fiber Raman temperature measurement principle, the dispersion and loss spectrum autocorrection method, and the optical fiber time-domain reflectance principle, the dispersion and loss spectrum can be self-corrected, and random power losses caused by bending and stretching during installation can also be automatically corrected.
[9] Недостатком данного решения является использование двух источников света с определенной разницей в длинах волн. Также для разделения всех компонент обратного рассеивания нужно вводить дополнительные фотодетекторы, оптические компоненты, что может сказаться на увеличении шумов на выходе прибора. Это также и удорожает сам прибор, а строгая зависимость длин волн излучения ограничивает выбор доступных компонент.[9] The disadvantage of this solution is the use of two light sources with distinct wavelength differences. Separating all backscatter components also requires the addition of additional photodetectors and optical components, which can increase noise at the device's output. This also increases the cost of the device itself, and the strict wavelength dependence limits the choice of available components.
[10] Техническое решение в патенте № US 8858069 В2 (опубл. 14.10.2014 г., МПК: G01K 15/00, G01K 11/00; G01K 11/32) описывает устройство для измерения распределения температуры оптического волокна, которое измеряет распределение температуры вдоль оптического волокна с использованием света обратного комбинационного рассеяния, генерируемого в оптическом волокне. Устройство включает: эталонный точечный температурный датчик, расположенный вблизи оптического волокна для измерения эталонной температуры оптического волокна; арифметический контроллер, который вычисляет температуру оптического волокна на основе света обратного комбинационного рассеяния; и корректор температуры, который корректирует вычисленную температуру на основе формулы коррекции, содержащей эталонную температуру в качестве параметра.[10] The technical solution in patent No. US 8858069 B2 (published October 14, 2014, IPC: G01K 15/00, G01K 11/00; G01K 11/32) describes a device for measuring the temperature distribution of an optical fiber, which measures the temperature distribution along the optical fiber using backscattered Raman light generated in the optical fiber. The device includes: a reference point temperature sensor located near the optical fiber for measuring the reference temperature of the optical fiber; an arithmetic controller that calculates the temperature of the optical fiber based on the backscattered Raman light; and a temperature corrector that corrects the calculated temperature based on a correction formula containing the reference temperature as a parameter.
[11] Недостатком данного решения является использование внешнего термодатчика. Это сильно ограничивает возможность применения прибора, так как не всегда есть возможность поместить эталонный датчик температуры в измеряемую среду. Также в решении не учитывается влияние деградации волокна, что снижает точность показаний прибора со временем.[11] A disadvantage of this solution is the use of an external temperature sensor. This significantly limits the device's applicability, as it is not always possible to place the reference temperature sensor in the measured environment. The solution also does not take into account the impact of fiber degradation, which reduces the accuracy of the device's readings over time.
[12] В патенте US 9322721 B2 (опубл. 26.04.2016 г., МПК: G01K 11/00; G01K 11/32) представлена система измерения температуры с возможностью автокоррекции показаний. В данном патенте используется зеркало на конце оптического волокна для отражения Антистоксовской компоненты комбинационного рассеивания. Таким образом, детектором регистрируются две Антистоксковских компоненты: одна - обратно рассеянная, а другая - отраженная от зеркала. Проводя деконволюцию этих компонент, рассчитывается температурный профиль.[12] US Patent 9322721 B2 (published April 26, 2016, IPC: G01K 11/00; G01K 11/32) presents a temperature measurement system with automatic reading correction. This patent uses a mirror at the end of an optical fiber to reflect the Anti-Stokes component of Raman scattering. Thus, the detector registers two Anti-Stokes components: one backscattered and the other reflected from the mirror. By deconvolving these components, the temperature profile is calculated.
[13] Недостатком данного решения наличие зеркала в конце оптической линии. Это сильно ограничивает возможность применения прибора, так как не во всех средах есть возможность установить волокно с зеркалом, а в агрессивных средах и само зеркало будет деградировать, что скажется на результатах измерения. Также в аналоге не измеряется Рэлеевская компонента рассеивания, а только Антистоксовская. Из-за этого не учитываются погрешности измерений, вызванные деградацией оптоволокна в процессе эксплуатации, что значительно снижает точность измерений. [13] A disadvantage of this solution is the presence of a mirror at the end of the optical line. This significantly limits the device's applicability, as not all environments allow for the installation of a fiber with a mirror, and in aggressive environments, the mirror itself will degrade, affecting the measurement results. Also, the analog does not measure the Rayleigh scattering component, only the anti-Stokes component. Because of this, measurement errors caused by fiber degradation during operation are not taken into account, significantly reducing measurement accuracy.
[14] Известно техническое решения измерения распределенной температуры по патенту US 7126680 B2 (опубл. 21.09.2006 г., МПК: G01N 21/00). В решении используется регистрация обратно рассеянных Рамановских компонент и расчет температуры по ним. Одним из вариантов реализации настоящего аналога является способ калибровки распределенного датчика, включающий подачу оптической энергии на длине волны Стоксовской компоненты обратного рассеяния на распределенный датчик; прием сигнала обратного рассеяния на длине волны Стоксковской компоненты и измерение; подачу оптической энергии на длине волны Антистоксковской компоненты обратного рассеяния на распределенный датчик; прием сигнала обратного рассеяния на длине волны Антистоксковской компоненты и измерение его интенсивности; расчет коэффициента затухания на длинах волн Стоксковской и Антистоксковской компонент в точках вдоль распределенного датчика; повторение этих шагов в разное время; расчет изменения коэффициента затухания со временем на длинах волн Стоксковской и Антистоксковской компонент; и применение указанного рассчитанного изменения со временем коэффициента затухания для Стоксковской и Антистоксковской компоненты к измерениям параметров, выполненным с использованием распределенного датчика. Полученная зависимость используется для коррекции показаний прибора.[14] A technical solution for measuring distributed temperature is known from patent US 7126680 B2 (published 21.09.2006, IPC: G01N 21/00). The solution uses recording of backscattered Raman components and calculation of temperature based on them. One embodiment of the present analogue is a method for calibrating a distributed sensor, including supplying optical energy at the wavelength of the Stokes backscattering component to the distributed sensor; receiving a backscattering signal at the wavelength of the Stokes component and measuring; supplying optical energy at the wavelength of the Anti-Stokes backscattering component to the distributed sensor; receiving a backscattering signal at the wavelength of the Anti-Stokes component and measuring its intensity; calculating the attenuation coefficient at the wavelengths of the Stokes and Anti-Stokes components at points along the distributed sensor; repeating these steps at different times; calculating the change in the attenuation coefficient over time at the wavelengths of the Stokes and Anti-Stokes components; and applying the calculated change in the attenuation coefficient over time for the Stokes and anti-Stokes components to the parameter measurements made using the distributed sensor. The resulting dependence is used to correct the instrument readings.
[15] Недостатками данного решения есть использование нескольких источников света и дополнительные оптические и электрические компоненты для регистрации дополнительных компонент. Это удорожает и усложняет схему прибора. По своей природе интенсивность обратно рассеянного света Рамановских компонент очень низкая, а добавление дополнительных электрических и оптических компонент увеличивает вложение их собственного шума в вычислительный процесс, что может исказить результат. Также использование дополнительных источников света на длине волны Стоксовской или Антистоксовской компоненты Рамановского рассеивания от первого источника света может привести к нежелательным нелинейным эффектам, таким как вынужденное комбинационное рассеивание в волокне. Это ограничивает мощность света, попадающего в волокно от первого лазерного источника, что может ухудшить соотношение сигнал/шум выходного результата прибора. Также точность измерений в этом случае оказывается невысокой за счет нелинейных эффектов проявляющихся, прежде всего, как нелинейное возрастание сигнала Стоксовской компоненты обратного рассеяния. [15] The disadvantages of this solution include the use of multiple light sources and additional optical and electrical components to register additional components. This increases the cost and complexity of the instrument's design. By its nature, the intensity of backscattered Raman light is very low, and the addition of additional electrical and optical components increases the contribution of their own noise to the computational process, which can distort the results. Also, the use of additional light sources at the wavelength of the Stokes or anti-Stokes Raman scattering component from the first light source can lead to undesirable nonlinear effects, such as stimulated Raman scattering in the fiber. This limits the power of light entering the fiber from the first laser source, which can degrade the signal-to-noise ratio of the instrument's output. Furthermore, the measurement accuracy in this case is low due to nonlinear effects, manifested primarily as a nonlinear increase in the signal of the Stokes backscattering component.
[16] В патенте №WO 2015/160459 A1 (опубл. 22.10.2015 г., МПК: G01K 11/32, G01K 13/10) описаны распределенный датчик температуры и метод определения температуры. Распределенный датчик температуры включает специальное оптическое волокно с волоконным фильтром на основе брэгговской решетки с возможностью фильтрации или удаления Стоксовской компоненты Рамановского рассеяния и предотвращения стимулированного Рамановского рассеяния, а также источник света для ввода света в оптическое волокно. Распределенный датчик температуры также включает фотодетектор для измерения интенсивности обратно рассеяного света, полученного в результате отражения лазерного импульса в оптическом волокне, которое состоит с Антистоксовской компоненты Рамановского рассеивания и Рэлеевской компоненты рассеяние; и процессор для определения температуры на основе соотношения Антистоксовской и Рэлеевской компонент рассеяния.[16] Patent No. WO 2015/160459 A1 (published 22.10.2015, IPC: G01K 11/32, G01K 13/10) describes a distributed temperature sensor and a method for determining temperature. The distributed temperature sensor includes a special optical fiber with a fiber filter based on a Bragg grating with the ability to filter or remove the Stokes component of Raman scattering and prevent stimulated Raman scattering, and a light source for introducing light into the optical fiber. The distributed temperature sensor also includes a photodetector for measuring the intensity of backscattered light obtained as a result of reflection of a laser pulse in the optical fiber, which consists of an Anti-Stokes component of Raman scattering and a Rayleigh scattering component; and a processor for determining the temperature based on the ratio of the Anti-Stokes and Rayleigh scattering components.
[17] Недостатками данного решения является использование специального волокна, использование брэгговской решетки и отсутствие учета деградации волокна во время использования. Использование специального волокна ограничивает использование прибора, так как есть уже готовые коммуникации для проведения измерений, где установлено неспециальное волокно. Деградация волокна со временем приведет к искажению результатов. Волоконный фильтр на брэгговской решетке является нестабильным элементом, на который оказывают влияние температурные факторы, что ведет к снижению надежности работы устройства. В условиях нефтяной скважины (агрессивной среды) брэгговские решетки деградируют от воздействия атомарного водорода и прочих факторов. При этом при использовании фильтра на брэгговской решетке спектр работы лазера должен подходить к рабочему спектру (брэгговские решетки должны иметь ту же длину волны, что и импульсный лазер). Спектры импульсных лазеров, а также спектры решеток определяются при производстве и порой могут немного отходить от ожидаемых значений. Это ухудшает технологичность прибора, так как необходимо проводить измерения спектров лазеров, спектров решеток и подбирать пары «лазер-фильтр». Спектры решеток зависят от натяжения волокна, которое в процессе сборки трудно контролировать, что также ухудшает технологичность прибора. Использование брэгговских решеток не позволяет использовать различные типы лазеров.[17] The disadvantages of this solution include the use of specialized fiber, the use of a Bragg grating, and the lack of consideration of fiber degradation during use. The use of specialized fiber limits the use of the device, as there are existing lines for conducting measurements with non-specialized fiber installed. Fiber degradation over time will distort the results. A fiber Bragg grating filter is an unstable element that is affected by temperature factors, which leads to a decrease in the reliability of the device. In an oil well (an aggressive environment), Bragg gratings degrade from exposure to atomic hydrogen and other factors. When using a Bragg grating filter, the laser spectrum must match the operating spectrum (the Bragg gratings must have the same wavelength as the pulsed laser). The spectra of pulsed lasers, as well as the spectra of gratings, are determined during production and may sometimes deviate slightly from the expected values. This reduces the device's manufacturability, as it requires measuring laser and grating spectra and selecting laser-filter pairs. Grating spectra depend on fiber tension, which is difficult to control during assembly, further reducing the device's manufacturability. The use of Bragg gratings precludes the use of different laser types.
[18] Также известен патент на изобретение (US 10620019 B2; опубл. 02.14.2019 г.; МПК G01D 5/353; G01B 11/16; G01K 11/32), в котором описывается система, в которой исходные данные и целевые данные анализируются по частоте для получения исходного спектра Рэлеевского рассеяния (RSS) и целевого RSS соответственно. Коррекция расстояния выполняется для целевого RSS путем сравнения целевого RSS с исходным RSS, а сдвиг спектра Рэлея определяется на основе коэффициента корреляции между исходным RSS и целевым RSS после коррекции расстояния. Согласно настоящему аналогу, достигается значительный эффект, заключающийся в том, что измерение распределений, таких как деформация и температура объекта измерения, может быть выполнено с высокой точностью с использованием только рэлеевского рассеяния даже в случае большого диапазона измерения, превышающего несколько сотен метров.[18] Also known is a patent for an invention (US 10620019 B2; published 02.14.2019; IPC G01D 5/353; G01B 11/16; G01K 11/32), which describes a system in which source data and target data are frequency analyzed to obtain a source Rayleigh scattering spectrum (RSS) and a target RSS, respectively. Distance correction is performed for the target RSS by comparing the target RSS with the source RSS, and the Rayleigh spectrum shift is determined based on the correlation coefficient between the source RSS and the target RSS after distance correction. According to the present analogue, a significant effect is achieved in that the measurement of distributions such as deformation and temperature of the measurement object can be performed with high accuracy using only Rayleigh scattering even in the case of a large measurement range exceeding several hundred meters.
[19] Недостатком данного решения является то, что с помощью указанной системы возможно скорректировать только расстояние от источника сигнала, но не саму величину, то есть данный метод не подходит для коррекции значений температуры. Также в данной системе используется достаточно трудоемкий процесс коррекции целевого сигнала, также обладающий недостаточно высокой точностью и вносящий погрешность в измерения, увеличивая тем самым ошибку.[19] The disadvantage of this solution is that it can only correct the distance from the signal source, not the magnitude itself, meaning this method is not suitable for correcting temperature values. This system also uses a rather labor-intensive target signal correction process, which is also insufficiently accurate and introduces measurement error, thereby increasing the measurement error.
[20] Известно другое техническое решение (RU 2458325 C2; опубл. 10.08.2012 г.; G01K 11/32), в котором описывается изобретение, относящееся к измерительной технике, и может быть использовано для распределенного измерения температуры в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и других областях. Согласно заявленному способу, регистрируют обратно рассеянное излучение на длине волны Антистоксковской компоненты комбинационного рассеяния с определением интенсивности Антистоксковской компоненты Ia. В процессе регистрации обратно рассеянного излучения на длине волны Антистоксковской компоненты комбинационного рассеяния дополнительно определяют интенсивность Рэлеевского рассеяния Ip и Ipa. Температуру Т определяют из отношения интенсивности Антистоксковской компоненты к интенсивности Рэлеевской компоненты рассеяния Ia/Ip, скорректированного с учетом интенсивности Рэлеевского компоненты рассеяния Ipa с условием, что температура Т пропорциональна математическому выражению. Для реализации указанного выше способа предложено также устройство для измерения температурного распределения, содержащее два лазера, спектральный мультиплексор и димультиплексор, циркулятор, оптическое волокно, фотоприемники, АЦП, процессор и коммутатор. Технический результат - повышение чувствительности и точности измерений распределенного измерителя температуры.[20] Another technical solution is known (RU 2458325 C2; published 10.08.2012; G01K 11/32), which describes an invention related to measuring equipment and can be used for distributed temperature measurement in the oil and gas industries, in the electric power industry and other fields. According to the claimed method, backscattered radiation is recorded at the wavelength of the Anti-Stokes component of Raman scattering with the intensity of the Anti-Stokes component Ia determined. In the process of recording the backscattered radiation at the wavelength of the Anti-Stokes component of Raman scattering, the intensity of the Rayleigh scattering Ip and Ipa is additionally determined. The temperature T is determined from the ratio of the intensity of the Anti-Stokes component to the intensity of the Rayleigh scattering component Ia/Ip, corrected taking into account the intensity of the Rayleigh scattering component Ipa under the condition that the temperature T is proportional to the mathematical expression. To implement the above method, a device for measuring temperature distribution is also proposed, comprising two lasers, a spectral multiplexer and dimultiplexer, a circulator, an optical fiber, photodetectors, an ADC, a processor, and a switch. The technical result is increased sensitivity and measurement accuracy of the distributed temperature meter.
[21] Недостатком данного решения является то, что для коррекции необходим второй лазер, что удорожает и усложняет систему, а также, что после каждого измерения интенсивности Антистоксовской и Рэлеевской компонент рассеяния дополнительно проводить новое измерение Рэлеевского рассеяния на длине волны Антистоксовской компоненты комбинационного рассеяния, что значительно усложняет процесс измерения и корректировки данных, так как второй лазер нуждается в постоянной перенастройке на длину волны Антистоксовской компоненты комбинационного рассеяния, которое может меняться от измерения к измерению.[21] The disadvantage of this solution is that a second laser is required for correction, which increases the cost and complexity of the system, and also that after each measurement of the intensity of the Anti-Stokes and Rayleigh scattering components, a new measurement of Rayleigh scattering must be carried out at the wavelength of the Anti-Stokes Raman scattering component, which significantly complicates the process of measuring and correcting the data, since the second laser needs to be constantly reconfigured to the wavelength of the Anti-Stokes Raman scattering component, which can change from measurement to measurement.
[22] Недостатками всех вышеупомянутых аналогов является сложность и дороговизна используемых систем, отсутствие учета погрешности измерений, связанных с изменением коэффициентов аттенюации, использование дополнительных приборов и элементов, ограничивающих применение распределенного датчика температуры и плохое соотношение сигнал/шум.[22] The disadvantages of all the above-mentioned analogs are the complexity and high cost of the systems used, the lack of consideration of measurement errors associated with changes in attenuation coefficients, the use of additional devices and elements that limit the use of a distributed temperature sensor, and a poor signal-to-noise ratio.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[23] Задачей настоящей группы изобретений является создание оптоволоконного датчика распределенной температуры, обладающего низкой стоимостью, простой конструкцией и высокой точностью измерения. Данная задача решается за счет достижения заявляемыми изобретениями технического результата, заключающегося в повышении точности и достоверности измерений температуры с сохранением простоты конструкции. Повышение точности и достоверности измерений температуры обеспечивается за счет применения первоначальной Рэлеевской рефлектограммы обратно рассеянного излучения для корректировки последующих измерений Рэлеевской и Рамановских компонент обратного рассеивания датчиком температуры.[23] The objective of this group of inventions is to create a fiber-optic distributed temperature sensor with low cost, simple design, and high measurement accuracy. This objective is achieved by achieving the technical result of the claimed inventions, which consists of increasing the accuracy and reliability of temperature measurements while maintaining the simplicity of the design. The increased accuracy and reliability of temperature measurements is achieved through the use of the initial Rayleigh reflectogram of backscattered radiation to correct subsequent measurements of the Rayleigh and Raman components of backscattered radiation by the temperature sensor.
[24] Более полно, технический результат достигается оптоволоконным датчиком распределенной температуры с коррекцией показаний, включающим источник сфокусированного оптического излучения, оптический модуль, соединенный с источником сфокусированного оптического излучения, чувствительным оптоволокном и по крайней мере одним фотодетектором через оптоволокно, выполненный с возможностью выделения по крайней мере Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратно рассеянного излучения, по крайней мере один фотодетектор, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, аналого-цифровой преобразователь, выполненный с возможностью преобразования электрического сигнала с по крайней мере одного фотодетектора в цифровые сигналы, и передающий их на цифровой процессор, цифровой процессор, выполненный с возможностью хранения цифровых сигналов первоначальной Рэлеевской компоненты, обработки полученных цифровых сигналов, расчета коррекционных коэффициентов и расчета температуры с учетом полученных коррекционных коэффициентов, причем цифровой процессор рассчитывает коррекционные коэффициенты из отношений интенсивностей сохраненной в памяти цифрового процессора рефлектограммы первоначальной Рэлеевской компоненты к интенсивностям рефлектограммы текущей Рэлеевской компоненты в каждой точке чувствительного оптоволокна.[24] More fully, the technical result is achieved by a fiber optic distributed temperature sensor with reading correction, including a source of focused optical radiation, an optical module connected to the source of focused optical radiation, a sensitive optical fiber and at least one photodetector via the optical fiber, configured to isolate at least the Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered radiation, at least one photodetector connected to an analog-to-digital converter, an analog-to-digital converter configured to convert an electrical signal from at least one photodetector into digital signals and transmitting them to a digital processor, a digital processor configured to store digital signals of the original Rayleigh component, process the received digital signals, calculate correction factors and calculate the temperature taking into account the received correction factors, wherein the digital processor calculates the correction factors from the ratios of the intensities of the reflectogram of the original Rayleigh component stored in the memory of the digital processor to the intensities of the reflectogram of the current Rayleigh components at each point of the sensitive optical fiber.
[25] Использование Рэлеевской компоненты обратного рассеивания может использоваться для мониторинга состояния волокна и коррекции показаний температуры, связанных с деградацией волокна. Распределенные температурные датчики часто используются для мониторинга температуры в нефтяных и газовых скважинах. В них при помощи чувствительного оптического волокна получают рефлектограммы рассеянного обратно излучения, показывающие распределения интенсивности рассеянного обратно излучения или его компонент от длины волокна. Настоящее техническое решение использует первоначальный замер Рэлеевской рефлектограммы, для будущей коррекции показаний оптоволоконного датчика распределенной температуры, связанных с деградацией волокна. После спуска оптического волокна в скважину проводится замер Рэлеевской компоненты обратного рассеивания датчиком распределенной температуры. Полученные данные сохраняются как первоначальное измерение в памяти микрокомпьютера. При последующих измерениях постепенно на результаты начинает влиять деградация чувствительного оптического волокна. С деградацией волокна изменяется коэффициенты аттенюации волокна для всех длин волн. Для того чтобы учесть эти изменения, был введен коррекционный коэффициент, который пропорционален отношению интенсивности первоначальной Рэлеевской компоненты к интенсивности текущей Рэлеевской компоненты в каждой точке волокна, которое, в свою очередь, пропорционально квадрату отношения коэффициента аттенюации первоначальной Рэлеевской компоненты к коэффициенту аттенюации текущей Рэлеевской компоненты. Данный коэффициент учитывает степень деградации оптического волокна исходя из изменения коэффициента аттеньюации. Далее температуру Т определяют из отношения интенсивности Антистоксовской компоненты рассеянного излучения к интенсивности Рэлеевской компоненты рассеянного излучения, или из отношения интенсивности Стоксовской компоненты рассеянного излучения к интенсивности Антистоксовской компоненты рассеянного излучения в каждой точке, с учетом коррекционных коэффициентов. Для этого отношения интенсивностей умножают на рассчитанные коррекционные коэффициенты в каждой точке. Благодаря этому при расчете температур в каждой точке учитывается степень деградации волокна, что повышает точность и достоверность результатов, а также данное решение не требует использования дополнительных элементов для проведения измерений, которые могли бы увеличить сложность датчика температуры, его стоимость или добавить различные шумы и/или погрешности, такие как дополнительные источники излучения, дополнительные датчики температур, отражательные элементы и так далее, что напрямую влияет на достижение указанного технического результата.[25] The use of the Rayleigh backscatter component can be used to monitor the condition of the fiber and correct temperature readings associated with fiber degradation. Distributed temperature sensors are often used to monitor the temperature in oil and gas wells. In them, backscatter reflectograms are obtained using a sensing optical fiber, showing the distribution of the intensity of the backscattered radiation or its components over the fiber length. The present technical solution uses the initial measurement of the Rayleigh reflectogram for future correction of the fiber-optic distributed temperature sensor readings associated with fiber degradation. After lowering the optical fiber into the well, the Rayleigh backscatter component is measured by the distributed temperature sensor. The obtained data are stored as an initial measurement in the memory of the microcomputer. During subsequent measurements, the degradation of the sensing optical fiber gradually begins to affect the results. As the fiber degrades, the attenuation coefficients of the fiber for all wavelengths change. To account for these changes, a correction factor was introduced that is proportional to the ratio of the initial Rayleigh component intensity to the current Rayleigh component intensity at each point in the fiber. This correction factor, in turn, is proportional to the square of the ratio of the initial Rayleigh component attenuation coefficient to the current Rayleigh component attenuation coefficient. This coefficient accounts for the degree of degradation of the optical fiber based on the change in the attenuation coefficient. The temperature T is then determined from the ratio of the anti-Stokes component of scattered radiation to the Rayleigh component of scattered radiation, or from the ratio of the Stokes component of scattered radiation to the anti-Stokes component of scattered radiation at each point, taking into account the correction factors. To do this, the intensity ratios are multiplied by the calculated correction factors at each point. This allows the degree of fiber degradation to be taken into account when calculating temperatures at each point, which increases the accuracy and reliability of the results. This solution also eliminates the need for additional elements to perform measurements, which could increase the complexity of the temperature sensor, its cost, or introduce various noise and/or errors, such as additional radiation sources, additional temperature sensors, reflective elements, etc., which directly impacts the achievement of the specified technical result.
[26] Оптоволоконный датчик распределенной температуры с коррекцией показаний условно разделен на две части - интеррогатор и чувствительное оптоволокно. В интеррогаторе размещены: источник сфокусированного оптического излучения, оптический модуль с возможностью перенаправления обратно рассеянного излучения и выделения его компонент, по крайней мере один фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор с возможностью хранения цифровых сигналов первоначальной Рэлеевской компоненты, обработки полученных цифровых сигналов, расчета коррекционных коэффициентов и расчета температуры. Причем оптический модуль, источник сфокусированного оптического излучения и фотодетектор или фотодетекторы соединены оптоволокном. Цифровой процессор, в свою очередь, сконфигурирован с возможностью учета степени деградации оптоволокна, расчета температуры и ее коррекции в зависимости от степени деградации оптоволокна. [26] The fiber-optic distributed temperature sensor with correction is conventionally divided into two parts: an interrogator and a sensitive optical fiber. The interrogator contains: a source of focused optical radiation, an optical module with the ability to redirect backscattered radiation and isolate its components, at least one photodetector, an analog-to-digital converter, a digital processor with the ability to store digital signals of the original Rayleigh component, process the received digital signals, calculate correction factors and calculate the temperature. Moreover, the optical module, the source of focused optical radiation and the photodetector or photodetectors are connected by an optical fiber. The digital processor, in turn, is configured with the ability to take into account the degree of degradation of the optical fiber, calculate the temperature and correct it depending on the degree of degradation of the optical fiber.
[27] Источник сфокусированного оптического излучения необходим для генерации сканирующих импульсов в чувствительное оптоволокно. На этом основывается распределенная термометрия. Физическое воздействие на чувствительное оптоволокно, такое как, например, изменение температуры окружающей среды, в которой находится чувствительное оптоволокно, могут локально на него влиять и изменять характеристики светопропускания в нем. В результате затухания излучения в чувствительном оптоволокне за счет рассеяния может быть определено местоположение внешнего физического воздействия и величина этого воздействия. Для этого сгенерированный импульс сфокусированного оптического излучения проходит по оптоволокну через оптический модуль и попадает в чувствительное оптоволокно. Далее, в любой точке вдоль чувствительного оптоволокна происходит упругое и неупругое (Комбинационное) рассеяние излучения, излучаемое во всех направлениях. Часть рассеянного излучения движется в обратном направлении к интеррогатору, и обратно рассеянное излучение вновь попадает в оптический модуль. [27] A source of focused optical radiation is required to generate scanning pulses into the sensing optical fiber. This is the basis of distributed thermometry. Physical influences on the sensing optical fiber, such as, for example, changes in the ambient temperature in which the sensing optical fiber is located, can locally affect it and change the light transmission characteristics in it. As a result of the attenuation of radiation in the sensing optical fiber due to scattering, the location of the external physical influence and the magnitude of this influence can be determined. For this purpose, the generated pulse of focused optical radiation passes along the optical fiber through the optical module and enters the sensing optical fiber. Then, at any point along the sensing optical fiber, elastic and inelastic (Raman) scattering of the radiation occurs, emitted in all directions. Part of the scattered radiation moves in the opposite direction to the interrogator, and the backscattered radiation again enters the optical module.
[28] Оптический модуль, который подключен к источнику лазерного излучения посредством оптоволокна, необходим для направления обратно рассеянного излучения на фотодетектор или фотодетекторы. Им выполняется перенаправление и, если используется несколько фотодетекторов, спектральная фильтрация оптического излучения обратного рассеивания, к примеру, при помощи оптических элементов, таких как системы фильтров, линз, зеркал или иных элементов, известных из уровня техники и очевидных для специалистов данного уровня техники. Оптический модуль обладает возможностью выделения и направления на фотодетекторы Антистоксовской и Рэлеевской или Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, в случае использования нескольких фотодетекторов, или направления всего обратно рассеянного излучения, содержащего эти компоненты, на один фотодетектор. За счет этого появляется возможность расчета и корректировки значений температур на протяжении всего чувствительного оптоволокна, так как именно эти компоненты обратно рассеянного излучения необходимы для проведения описанных выше расчетов, что напрямую влияет на указанный технический результат. [28] An optical module, which is connected to the laser source via an optical fiber, is required to direct the backscattered radiation to a photodetector or photodetectors. It redirects and, if multiple photodetectors are used, spectral filters the backscattered optical radiation, for example, using optical elements such as filter systems, lenses, mirrors, or other elements known in the art and obvious to those skilled in the art. The optical module has the ability to isolate and direct the Anti-Stokes and Rayleigh or Stokes, Anti-Stokes, and Rayleigh components of the backscattered radiation to the photodetectors, if multiple photodetectors are used, or to direct all of the backscattered radiation containing these components to a single photodetector. This makes it possible to calculate and correct temperature values along the entire length of the sensitive optical fiber, since it is these components of the backscattered radiation that are necessary to perform the calculations described above, which directly affects the specified technical result.
[29] Каждый из фотодетекторов сконфигурирован с возможностью регистрации поступающего на него оптического излучения. Фотодетекторы предназначены для преобразования поступающих на них оптических сигналов в электрические сигналы. В качестве фотодетекторов можно использовать два фотодетектора для отдельной регистрации Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, три фотодетектора для отдельной регистрации Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания или один фотодетектор со спектральным разделением Антистоксовской и Рэлеевской или Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, интенсивность которых рассчитывается далее интегрированием каждой полосы. Электрические сигналы от фотодетектора или фотодетекторов далее попадают на аналогово-цифровой преобразователь. [29] Each of the photodetectors is configured to detect incoming optical radiation. The photodetectors are designed to convert incoming optical signals into electrical signals. The photodetectors can be two photodetectors for separately detecting the Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components, three photodetectors for separately detecting the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components, or one photodetector with spectral separation of the Anti-Stokes and Rayleigh or Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components, the intensity of which is then calculated by integrating each band. The electrical signals from the photodetector or photodetectors are then fed to an analog-to-digital converter.
[30] Аналого-цифровой преобразователь необходим для преобразования полученных аналоговых электрических сигналов в цифровые. Это позволяет впоследствии произвести корректировку искажений расчета температуры алгоритмами в цифровом процессоре, что также необходимо для достижения заявленного технического результата. В качестве промежуточного результата получают кривые обратного рассеивания как функции длины чувствительного оптоволокна. Амплитуды кривых обратного рассеивания пропорциональны интенсивностям соответствующих компонент рассеивания и полученные кривые называются рефлектограммами. Также, если используется один фотодетектор со спектральным разделением Антистоксовской и Рэлеевской или Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, цифровой процессор проводит разделение цифрового сигнала обратно рассеянного излучения на компоненты и интегрирует их в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах, в результате чего получаются те же самые данные, описанные выше. После получения рефлектограмм цифровой процессор рассчитывает коррекционные коэффициенты из отношений интенсивностей сохраненной в памяти цифрового процессора рефлектограммы первоначальной Рэлеевской компоненты к интенсивностям рефлектограммы текущей Рэлеевской компоненты в каждой в каждой точке волокна. Далее цифровой процессор рассчитывает температуру на основе Антистоксовской и Рэлеевской или Стоксовской и Антистоксовской рефлектограмм, если проводилась регистрация Стоксовской компоненты при помощи фотодетекторов или фотодетектора, с учетом полученных коррекционных коэффициентов. За счет этого повышается точность и достоверность результатов измерений температуры, так как учитывается деградация чувствительного оптоволокна в процессе его эксплуатации, а также данная система не требует сложных, дорогих или дополнительных элементов, которые могли бы увеличивать шумы и погрешности измерений.[30] An analog-to-digital converter is required to convert the received analog electrical signals into digital ones. This allows for subsequent correction of distortions in the temperature calculations by the algorithms in the digital processor, which is also necessary to achieve the stated technical result. As an intermediate result, backscatter curves are obtained as a function of the length of the sensitive optical fiber. The amplitudes of the backscatter curves are proportional to the intensities of the corresponding scattering components, and the resulting curves are called reflectograms. Also, if a single photodetector with spectral separation of the Anti-Stokes and Rayleigh or Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components is used, the digital processor separates the digital backscattered radiation signal into components and integrates them in the spectral ranges defined for each component, resulting in the same data described above. After receiving the reflectograms, the digital processor calculates correction factors based on the ratio of the intensities of the initial Rayleigh component reflectogram stored in the digital processor's memory to the intensities of the current Rayleigh component reflectogram at each point along the fiber. The digital processor then calculates the temperature based on the anti-Stokes and Rayleigh reflectograms, or the Stokes and anti-Stokes reflectograms if the Stokes component was recorded using photodetectors or a photodetector, taking into account the obtained correction factors. This increases the accuracy and reliability of temperature measurement results, as degradation of the sensitive optical fiber during operation is taken into account. This system also eliminates the need for complex, expensive, or additional components that could increase noise and measurement errors.
[31] В еще одном из возможных вариантов реализации настоящего изобретения цифровой процессор, аналого-цифровой преобразователь и источник сфокусированного оптического излучения могут быть связаны электронным линиями для управления и синхронизации. К примеру, цифровой процессор может подавать сигналы на аналого-цифровой преобразователь и источник сфокусированного оптического излучения для их запуска и остановки, для их синхронизации по времени, для настройки параметров излучения, генерируемых источником и так далее.[31] In another possible embodiment of the present invention, the digital processor, the analog-to-digital converter, and the focused optical radiation source may be connected by electronic lines for control and synchronization. For example, the digital processor may supply signals to the analog-to-digital converter and the focused optical radiation source to start and stop them, to synchronize them in time, to adjust the parameters of the radiation generated by the source, and so on.
[32] Цифровой процессор может быть выполнен на базе персонального компьютера, ноутбука, ЭВМ, микроконтроллера, программируемых логических интегральных схем или иных устройств, известных из уровня техники и очевидных для специалистов данного уровня техники.[32] The digital processor may be implemented on the basis of a personal computer, laptop, computer, microcontroller, programmable logic integrated circuits or other devices known from the prior art and obvious to specialists in this prior art.
[33] Источник сфокусированного оптического излучения может быть сконфигурирован с возможностью генерации оптического излучения с частотой от 1 до 40 кГц и с длительностью импульсов от 2 до 100 нс. Длительность импульса влияет на физическое пространственное разрешение. Чем меньше длина импульса, тем выше пространственное разрешение, но меньше интенсивность обратно рассеяного излучения и, как следствие, выше шумность. Частота импульсов позволяет сделать больше усреднений измерений за секунду для повышения точности.[33] The focused optical source can be configured to generate optical radiation with a frequency of 1 to 40 kHz and pulse durations of 2 to 100 ns. Pulse duration affects the physical spatial resolution. The shorter the pulse duration, the higher the spatial resolution, but the lower the intensity of backscattered radiation and, consequently, the higher the noise. The pulse frequency allows for more measurement averaging per second to improve accuracy.
[34] Также в данном изобретении заявлен способ применения оптоволоконного датчика распределенной температуры для достижения технического результата, состоящего из последовательных этапов, на которых:[34] Also claimed in this invention is a method of using a fiber optic distributed temperature sensor to achieve a technical result, consisting of successive stages in which:
[35] Сначала генерируют импульс оптического излучения с помощью источника сфокусированного оптического излучения.[35] First, an optical radiation pulse is generated using a focused optical radiation source.
[36] Далее направляют импульс оптического излучения через оптический модуль в чувствительное оптоволокно.[36] Next, the optical radiation pulse is directed through the optical module into the sensitive optical fiber.
[37] После направляют или направляют и разделяют обратно рассеянное оптическое излучение на фотодетектор или фотодетекторы при помощи оптического модуля.[37] The backscattered optical radiation is then directed or directed and separated to a photodetector or photodetectors using an optical module.
[38] После регистрируют по крайней мере Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора или фотодетекторов.[38] Then, at least the Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered optical radiation are recorded using a photodetector or photodetectors.
[39] Затем преобразовывают аналоговые сигналы с фотодетектора или фотодетекторов в цифровые сигналы при помощи аналого-цифрового преобразователя.[39] The analog signals from the photodetector or photodetectors are then converted into digital signals using an analog-to-digital converter.
[40] После чего отправляют цифровой сигнал или цифровые сигналы компонент обратно рассеянного оптического излучения в цифровой процессор.[40] Then the digital signal or digital signals of the components of the backscattered optical radiation are sent to the digital processor.
[41] Далее обрабатывают полученные цифровые сигналы при помощи цифрового процессора путем получения рефлектограмм и расчета коррекционных коэффициентов.[41] The received digital signals are then processed using a digital processor by obtaining reflectograms and calculating correction coefficients.
[42] И в конце рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора на основе полученных рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.[42] And finally, the temperature is calculated using a digital processor based on the obtained reflectograms, taking into account the correction factors.
[43] Причем рассчитывают коррекционные коэффициенты при помощи цифрового процессора из отношений интенсивностей сохраненной в памяти цифрового процессора рефлектограммы первоначальной Рэлеевской компоненты к интенсивностям рефлектограммы текущей Рэлеевской компоненты в каждой в каждой точке чувствительного оптоволокна.[43] Moreover, the correction coefficients are calculated using a digital processor from the ratios of the intensities of the reflectogram of the initial Rayleigh component stored in the memory of the digital processor to the intensities of the reflectogram of the current Rayleigh component at each point of the sensitive optical fiber.
[44] Также способ отличается тем, что отправляют стартовый сигнал на источник сфокусированного оптического излучения и аналого-цифровой преобразователь при помощи цифрового процессора.[44] The method also differs in that a starting signal is sent to a source of focused optical radiation and an analog-to-digital converter using a digital processor.
[45] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора.[45] The method also differs in that the Anti-Stokes and Rayleigh components of backscattered optical radiation are recorded and spectrally separated using a photodetector.
[46] Также способ отличается тем, что выделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи оптического модуля.[46] The method also differs in that the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered optical radiation are isolated using an optical module.
[47] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора.[47] The method also differs in that the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of backscattered optical radiation are recorded and spectrally separated using a photodetector.
[48] Также способ отличается тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора на основе Антистоксовской и Стоксовской рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.[48] The method also differs in that the temperature is calculated using a digital processor based on the Anti-Stokes and Stokes reflectograms, taking into account correction factors.
[49] Также способ отличается тем, что разделяют цифровой сигнал обратно рассеянного излучения на компоненты и интегрируют их в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах при помощи цифрового процессора.[49] The method also differs in that the digital signal of backscattered radiation is divided into components and integrated into spectral ranges specific to each component using a digital processor.
Описание чертежейDescription of drawings
[50] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:[50] The subject matter of the present application is described point by point and clearly stated in the claims. The above mentioned objects, features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, which show:
[51] На Фиг. 1 представлен схематичный вид оптоволоконного датчика распределенной температуры согласно настоящему изобретению с использованием двух отдельных фотодетекторов для регистрации Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания.[51] Fig. 1 is a schematic view of a fiber optic distributed temperature sensor according to the present invention using two separate photodetectors to detect the Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components.
[52] На Фиг. 2 представлен схематичный вид оптоволоконного датчика распределенной температуры согласно настоящему изобретению с использованием трех отдельных фотодетекторов для регистрации Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания и на котором цифровой процессор, аналого-цифровой преобразователь и источник лазерного излучения связаны электронными линиями для управления и синхронизации.[52] Fig. 2 is a schematic view of a fiber optic distributed temperature sensor according to the present invention using three separate photodetectors to detect the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components and in which the digital processor, analog-to-digital converter and laser source are connected by electronic lines for control and synchronization.
[53] На Фиг. 3 представлен схематичный вид оптоволоконного датчика распределенной температуры согласно настоящему изобретению с использованием одного детектора с возможностью спектрального разделения Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания и на котором цифровой процессор, аналого-цифровой преобразователь и источник лазерного излучения связаны электронными линиями для управления и синхронизации.[53] Fig. 3 is a schematic view of a fiber optic distributed temperature sensor according to the present invention using a single detector with the ability to spectrally separate the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components and in which the digital processor, analog-to-digital converter and laser source are connected by electronic lines for control and synchronization.
[54] Указанные фигуры поясняются следующими позициями: 10 - интеррогатор; 1 - источник сфокусированного оптического излучения; 2 - оптический модуль; 3 - фотодетектор; 31 - первый фотодетектор; 32 - второй фотодетектор; 33 - третий фотодетектор; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - цифровой процессор; 6 - оптическое волокно.[54] The figures indicated are explained by the following positions: 10 - interrogator; 1 - source of focused optical radiation; 2 - optical module; 3 - photodetector; 31 - first photodetector; 32 - second photodetector; 33 - third photodetector; 4 - analog-to-digital converter; 5 - digital processor; 6 - optical fiber.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
[55] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.[55] In the following detailed description of the embodiment of the invention, numerous implementation details are provided to provide a clear understanding of the present invention. However, it will be obvious to one skilled in the art how the present invention can be used with or without these implementation details. In other instances, well-known methods, procedures, and components have not been described in detail in order not to unnecessarily obscure the features of the present invention.
[56] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.[56] Furthermore, it is clear from the foregoing that the invention is not limited to the embodiment shown. Numerous possible modifications, changes, variations and substitutions, while preserving the essence and form of the present invention, are obvious to those skilled in the art.
[57] Используемый в описании технического решения термин «цифровой процессор» используется для обозначения компьютерных сущностей, который может являться аппаратным обеспечением/оборудованием (например, устройством, инструментом, аппаратом, аппаратурой, составной частью устройства, например, процессором, микропроцессором, интегральной схемой, печатной платой, в том числе электронной печатной платой, макетной платой, материнской платой и т.д., микрокомпьютером и так далее), может содержать программное обеспечение для выполнения описываемых им действий (например, исполняемый программный код, скомпилированный приложением, программным модулем, частью программного обеспечения или программного кода и так далее) и/или микропрограмму (в частности, прошивкой). Так, например, «цифровой процессор» может выполнять и/или содержать процессы, объекты, исполняемые кодом, программные коды, файлы, программы/приложения, функции, методы, (программные) библиотеки, подпрограммы, сопрограммы и/или вычислительные устройства (например, микрокомпьютер или компьютер) или комбинации программных или аппаратных компонентов. Так, в частном случае, «цифровой процессор» может являться печатной платной с множеством подключенных друг к другу микропроцессоров и микроконтроллеров. «Цифровой процессор» может располагаться на одном вычислительном устройстве (например, микрокомпьютере, микропроцессоре, печатной плате и т.д.) и/или может быть распределен/разделен между несколькими вычислительными устройствами.[57] The term “digital processor” used in the description of the technical solution is used to designate computer entities that may be hardware/equipment (e.g., a device, instrument, apparatus, apparatus, component part of a device, such as a processor, microprocessor, integrated circuit, printed circuit board, including an electronic printed circuit board, breadboard, motherboard, etc., a microcomputer, etc.), may contain software for performing the actions described by it (e.g., executable program code compiled by an application, a program module, a part of software or program code, etc.) and/or microprogram (in particular, firmware). For example, a "digital processor" may execute and/or contain processes, objects executable by code, program codes, files, programs/applications, functions, methods, (software) libraries, subroutines, coroutines, and/or computing devices (e.g., a microcomputer or computer), or combinations of software or hardware components. Thus, in a particular case, a "digital processor" may be a printed circuit board with multiple interconnected microprocessors and microcontrollers. A "digital processor" may be located on a single computing device (e.g., a microcomputer, microprocessor, printed circuit board, etc.) and/or may be distributed/partitioned among several computing devices.
[58] На Фиг. 1 представлен схематичный вид оптоволоконного датчика распределенной температуры с возможностью коррекции показаний согласно настоящему изобретению. Оптоволоконный датчик температуры включает источник сфокусированного оптического излучения 1, оптический модуль 2, два фотодетектора 31, 32, аналого-цифровой преобразователь 4, цифровой процессор 5 и чувствительное оптоволокно 6. Оптический модуль 2 подключен к источнику лазерного излучения 1 посредством оптоволокна и сконфигурирован с возможностью выделения Антистоксовской и Рэлеевской компоненты обратно рассеянного излучения и разделения их к фотодетекторам 31 и 32. Каждый из фотодетекторов 31 и 32 также подключен к оптической схеме 2 посредством оптоволокна, и сконфигурирован с возможностью регистрации отдельной компоненты обратного рассеивания. Первый фотодетектор 31 регистрирует Антистоксовскую, а второй 32 - Рэлеевскую компоненты обратного рассеяния. На Фиг. 1 оптическое волокно изображено сплошной толстой линией, направление сфокусированного лазерного излучения обозначено сплошной стрелочкой, а направление обратно рассеянного излучения изображено пунктирной стрелочкой параллельно оптическому волокну.[58] Fig. 1 is a schematic view of a fiber optic distributed temperature sensor with the ability to correct readings according to the present invention. The fiber optic temperature sensor includes a source of focused optical radiation 1, an optical module 2, two photodetectors 31, 32, an analog-to-digital converter 4, a digital processor 5 and a sensitive optical fiber 6. The optical module 2 is connected to the laser radiation source 1 via an optical fiber and is configured to isolate the Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered radiation and separate them to photodetectors 31 and 32. Each of the photodetectors 31 and 32 is also connected to the optical circuit 2 via an optical fiber and is configured to register a separate backscatter component. The first photodetector 31 registers the Anti-Stokes, and the second 32 registers the Rayleigh components of the backscatter. In Fig. 1 optical fiber is shown as a solid thick line, the direction of focused laser radiation is indicated by a solid arrow, and the direction of backscattered radiation is shown by a dotted arrow parallel to the optical fiber.
[59] Источник сфокусированного оптического излучения 1 представляет из себя устройство, обычно имеющее в себе источник накачки, к примеру, диод накачки, рабочее тело, которое может быть выполнено из различных веществ, дающих усиление излучения при накачке, резонатор и другие устройства. Он служит для генерации импульсов сфокусированного оптического излучения, которое впоследствии можно преобразовывать, усиливать и так далее. Источник сфокусированного оптического излучения 1 необходим для генерации сканирующих импульсов в чувствительное оптоволокно 6, что позволяет измерять температуру волоконно-оптическим методом. В качестве источника сфокусированного оптического излучения 1 может использоваться лазер любого типа, способный генерировать сфокусированное видимое излучение. Длина волны излучения может быть выбрана в диапазоне 980-1650 нм и зависит от типа чувствительного оптоволокна 6 и оптического модуля 2 прибора. При этом источник сфокусированного оптического излучения 1 может быть сконфигурирован с возможностью генерации импульсного оптического излучения с частотой от 1 до 40 кГц и с длительностью от 2 до 100 нс. [59] The source of focused optical radiation 1 is a device that usually contains a pump source, for example, a pump diode, a working medium, which can be made of various substances that provide amplification of radiation during pumping, a resonator and other devices. It serves to generate pulses of focused optical radiation, which can subsequently be converted, amplified, etc. The source of focused optical radiation 1 is necessary for generating scanning pulses in the sensitive optical fiber 6, which allows for measuring temperature using the fiber-optic method. A laser of any type capable of generating focused visible radiation can be used as a source of focused optical radiation 1. The wavelength of the radiation can be selected in the range of 980-1650 nm and depends on the type of the sensitive optical fiber 6 and the optical module 2 of the device. In this case, the source of focused optical radiation 1 can be configured with the possibility of generating pulsed optical radiation with a frequency of 1 to 40 kHz and a duration of 2 to 100 ns.
[60] Оптический модуль 2 может быть сконфигурирован различными известными способами и состоять из известных в данной области техники оптических элементов. Важно, чтобы при этом оптический модуль 2 обладал возможностью направления на фотодетектор 3, а также выделения для направления на фотодетекторы 31, 32 и 33 по крайней Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания. При этом изначально сгенерированное излучение при прохождении через оптический модуль 2 может оставаться без изменений.[60] The optical module 2 may be configured in various known ways and consist of optical elements known in the art. It is important that the optical module 2 has the ability to direct to the photodetector 3, as well as to select for direction to the photodetectors 31, 32 and 33 at least the anti-Stokes and Rayleigh components of the backscatter. In this case, the initially generated radiation may remain unchanged when passing through the optical module 2.
[61] Чувствительное оптоволокно 6 является чувствительным элементом, помещаемым в область внешних воздействий, изменения параметров которого отражаются на параметрах проходящих по нему сканирующих импульсов. Каждый сгенерированный источником 1 сканирующий импульс излучения попадает в чувствительное оптоволокно 6. В каждой точке данного оптоволокна 6 происходит рассеяние данных импульсов во все стороны, причем интенсивности рассеянного излучения и его компонент зависят от температуры чувствительного оптоволокна 6. Само чувствительное оптоволокно 6 может иметь различную длину от единиц до сотен метров, может быть одномодовым или многомодовым, может быть многослойным или однослойным и обладать другими параметрами, в зависимости от используемого оборудования, излучения, сканируемой местности и так далее. Условия применения, конструкция и типы элементов чувствительного оптоволокна очевидны для специалистов данного уровня техники.[61] The sensing optical fiber 6 is a sensitive element placed in the area of external influences, changes in the parameters of which are reflected in the parameters of the scanning pulses passing through it. Each scanning radiation pulse generated by the source 1 enters the sensing optical fiber 6. At each point of this optical fiber 6, the data pulses are scattered in all directions, and the intensity of the scattered radiation and its components depend on the temperature of the sensing optical fiber 6. The sensing optical fiber 6 itself can have different lengths from units to hundreds of meters, can be single-mode or multi-mode, can be multi-layer or single-layer and have other parameters, depending on the equipment used, the radiation, the area being scanned, and so on. The conditions of use, design and types of elements of the sensing optical fiber are obvious to specialists in this level of technology.
[62] Каждый из фотодетекторов 3 или 31, 32, 33 сконфигурирован с возможностью регистрации поступающего на него оптического излучения. Фотодетекторы 3 или 31, 32, 33 предназначены для преобразования поступающих на них оптических сигналов в электрические сигналы. В качестве фотодетекторов 3 или 31, 32, 33 можно использовать два фотодетектора 31 и 32 для отдельной регистрации Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, три фотодетектора 31, 32, 33 для отдельной регистрации Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, или один фотодетектор 3, со спектральным разделением Антистоксовской и Рэлеевской или Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, интенсивность которых рассчитывается далее, интегрированием каждой полосы. Электрические сигналы от фотодетектора или фотодетекторов 3 или 31, 32, 33 далее попадают на аналогово-цифровой преобразователь. [62] Each of the photodetectors 3 or 31, 32, 33 is configured with the possibility of registering the optical radiation arriving thereto. The photodetectors 3 or 31, 32, 33 are intended for converting the optical signals arriving thereto into electrical signals. As photodetectors 3 or 31, 32, 33 it is possible to use two photodetectors 31 and 32 for separately registering the Anti-Stokes and Rayleigh components of backscattering, three photodetectors 31, 32, 33 for separately registering the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of backscattering, or one photodetector 3, with spectral separation of the Anti-Stokes and Rayleigh or Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of backscattering, the intensity of which is then calculated by integrating each band. Electrical signals from the photodetector or photodetectors 3 or 31, 32, 33 then go to the analog-to-digital converter.
[63] Аналого-цифровой преобразователь 4 представляет собой устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Аналого-цифровой преобразователь 4 различаются разрешением и разрядностью. Предпочтительно применять аналого-цифровой преобразователь 4 с более высоким разрешением, т.к. так возможно будет снизить потерю данных, вызванную преобразованием.[63] An analog-to-digital converter 4 is a device that converts an input analog signal into a digital signal. Analog-to-digital converters 4 differ in resolution and bit depth. It is preferable to use an analog-to-digital converter 4 with a higher resolution, since this will reduce the data loss caused by the conversion.
[64] Цифровой процессор 5 получает цифровые сигналы с аналого-цифрового преобразователя 4, а также обладает средствами для обработки и хранения получаемых цифровых сигналов, как было описано выше. Он проводит расчеты преобразования Фурье и в качестве промежуточного результата получает кривые обратного рассеивания, как функции длины чувствительного оптоволокна 6. Также, если используется один фотодетектор 3 со спектральным разделением Антистоксовской и Рэлеевской или Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания, цифровой процессор 5 проводит разделение цифрового сигнала обратно рассеянного излучения на компоненты и интегрирует их в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах, в результате чего получаются рефлектограммы. После получения рефлектограмм цифровой процессор 5 рассчитывает коррекционные коэффициенты из отношений интенсивностей сохраненной в памяти цифрового процессора 6 рефлектограммы первоначальной Рэлеевской компоненты к интенсивностям рефлектограммы текущей Рэлеевской компоненты в каждой в каждой точке волокна. Далее цифровой процессор рассчитывает температуру на основе отношения интенсивностей Антистоксовской к Рэлеевской рефлектограмме на всей длине чувствительного оптического волокна 6, с учетом полученных коррекционных коэффициентов. За счет этого повышается точность и достоверность результатов измерений температуры, так как учитывается деградация чувствительного оптоволокна 6 в процессе его эксплуатации, а также данная система не требует сложных, дорогих или дополнительных элементов, которые могли бы увеличивать шумы и погрешности измерений. Также дополнительно цифровой процессор 5, аналого-цифровой преобразователь 4 и источник сфокусированного оптического излучения 1 могут быть связаны электронным линиями для управления и синхронизации. К примеру, цифровой процессор 5 может подавать сигналы на аналого-цифровой преобразователь 4 и источник сфокусированного оптического излучения 1 для их запуска и остановки, для их синхронизации по времени, для настройки параметров излучения, генерируемых источником и так далее.[64] Digital processor 5 receives digital signals from analog-to-digital converter 4 and also has means for processing and storing the received digital signals, as described above. It carries out Fourier transform calculations and, as an intermediate result, obtains backscatter curves as a function of the length of sensitive optical fiber 6. Also, if one photodetector 3 with spectral separation of Anti-Stokes and Rayleigh or Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components is used, digital processor 5 separates the digital signal of backscattered radiation into components and integrates them in spectral ranges determined for each component, resulting in reflectograms. After receiving reflectograms, digital processor 5 calculates correction coefficients from the ratios of the intensities of the reflectogram of the original Rayleigh component stored in the memory of digital processor 6 to the intensities of the reflectogram of the current Rayleigh component at each point of the fiber. The digital processor then calculates the temperature based on the intensity ratio of the anti-Stokes to Rayleigh reflectogram along the entire length of the sensitive optical fiber 6, taking into account the obtained correction factors. This increases the accuracy and reliability of temperature measurement results, as the degradation of the sensitive optical fiber 6 during operation is taken into account. Furthermore, this system does not require complex, expensive, or additional components that could increase noise and measurement errors. Additionally, the digital processor 5, analog-to-digital converter 4, and focused optical source 1 can be connected via electronic lines for control and synchronization. For example, digital processor 5 can send signals to analog-to-digital converter 4 and focused optical source 1 to start and stop them, synchronize them, adjust the parameters of the radiation generated by the source, and so on.
[65] Оптоволоконный датчик распределенной температуры с коррекцией показаний, изображенный на Фиг. 1, работает следующим образом. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует импульс излучения в оптоволокно, который далее через оптический модуль 2 попадает в чувствительное оптоволокно 6. В чувствительном оптоволокне 6 происходит рассеяние излучения по описанным выше механизмам, часть которого движется в обратную сторону, в направлении к источнику сфокусированного оптического излучения 1. Обратно рассеянное излучение включает в себя три компоненты - Стоксовская, Антистоксовская и Рэлеевская. В оптическом модуле 2 выделяются Антистоксовская и Рэлеевская компоненты и по отдельным каналам, образованными оптоволокнами, передаются на фотодетекторы 31 и 32. Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрические сигналы, которые далее поступают в аналого-цифровой преобразователь 4. В нем аналоговые сигналы преобразуется в цифровые сигналы отдельно для каждой компоненты рассеяния. Цифровые сигналы передают в цифровой процессор 5, который обрабатывает данные сигналы и проводит вычисление поправочных коэффициентов на основе сравнения первоначальной Рэлеевской компоненты, сохраненной в памяти цифрового процессора 5, с текущей. Дальше идет вычисление температуры чувствительного оптоволокна 6 в каждой точке его длины по исходя из отношений интенсивностей Антистоксовской компоненты к Рэлеевской, с учетом полученных коррекционных коэффициентов. Таким образом, в результате работы системы получают более точную и достоверную температуру в оптоволокне. [65] The fiber optic distributed temperature sensor with reading correction shown in Fig. 1 operates as follows. The source of focused optical radiation 1 generates a radiation pulse into the optical fiber, which then passes through the optical module 2 into the sensitive optical fiber 6. In the sensitive optical fiber 6, scattering of radiation occurs according to the mechanisms described above, part of which moves in the opposite direction, in the direction of the source of focused optical radiation 1. The backscattered radiation includes three components - Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh. In the optical module 2, the Anti-Stokes and Rayleigh components are separated and transmitted through separate channels formed by optical fibers to photodetectors 31 and 32. There, the optical radiation is recorded and converted into electrical signals, which are then fed to the analog-to-digital converter 4. In it, the analog signals are converted into digital signals separately for each scattering component. Digital signals are transmitted to digital processor 5, which processes these signals and calculates correction factors based on a comparison of the original Rayleigh component stored in digital processor 5's memory with the current one. The temperature of sensitive optical fiber 6 is then calculated at each point along its length based on the intensity ratios of the anti-Stokes component to the Rayleigh component, taking into account the obtained correction factors. Thus, the system results in a more accurate and reliable temperature measurement in the optical fiber.
[66] Представленный на Фиг. 1 датчик позволяет осуществлять коррекцию искажений сигнала в чувствительном оптоволокне 6, связанных с его деградацией во время эксплуатации, в рамках задач распределенной термометрии. Имея первоначальную рефлектограмму Рэлеевской компоненты обратного рассеивания, можно отслеживать изменение Рэлеевской компоненты обратного рассеивания для расчета коррекционных коэффициентов. Таким образом, крайне важным для достижения заявленного технического результата является использование Рэлеевской компоненты обратного рассеивания и сохранение ее первоначального измерения в цифровом процессоре 5 как эталона, так как она не зависит от температуры, а напрямую от состояния чувствительного оптоволокна 6.[66] The sensor shown in Fig. 1 allows for the correction of signal distortions in the sensitive optical fiber 6 associated with its degradation during operation, within the framework of distributed thermometry tasks. Having the initial reflectogram of the Rayleigh backscatter component, it is possible to track the change in the Rayleigh backscatter component for the calculation of correction coefficients. Thus, it is extremely important for achieving the stated technical result to use the Rayleigh backscatter component and to store its initial measurement in the digital processor 5 as a standard, since it does not depend on temperature, but directly on the state of the sensitive optical fiber 6.
[67] На Фиг. 2 представлен схематичный вид оптоволоконного датчика распределенной температуры с коррекцией показаний, с использованием трех компонент обратного рассеивания и трех фотодетекторов 31, 32, 33, а также с электронной связью между цифровым процессором 5, аналого-цифровым преобразователем 4 и источником сфокусированного оптического излучения 1, согласно настоящему изобретению. Оптоволоконный датчик температуры с коррекцией показаний включает источник сфокусированного оптического излучения 1, оптический модуль 2, три фотодетектора 31, 32, 33, аналого-цифровой преобразователь 4, цифровой процессор 5 и чувствительное оптоволокно 6. Причем, оптический модуль 2 подключен к источнику лазерного излучения 1 посредством оптоволокна и сконфигурирован с возможностью перенаправления обратно рассеянного излучения и выделения Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания. Каждый из фотодетекторов 31, 32, 33 подключен к оптическому модулю 2 оптоволокном и сконфигурирован для регистрации отдельной компоненты обратного рассеивания. Первый фотодетектор 31 сконфигурирован с возможностью регистрации Стоксовской компоненты рассеяния, второй 32 - Рэлеевской компоненты, а третий 33 - Антистоксовской компоненты обратного рассеяния. В данном варианте реализации также цифровой процессор 5, аналого-цифровой преобразователь 4 и источник сфокусированного оптического излучения 1 связаны электронной линией для управления и синхронизации. На Фиг. 2 оптическое волокно изображено сплошной толстой линией, направление сфокусированного лазерного излучения обозначено сплошной стрелочкой, а направление обратно рассеянного излучения изображено пунктирной стрелочкой параллельно оптическому волокну.[67] Fig. 2 is a schematic view of a fiber optic distributed temperature sensor with correction of readings, using three backscatter components and three photodetectors 31, 32, 33, as well as with electronic communication between the digital processor 5, the analog-to-digital converter 4 and the focused optical radiation source 1, according to the present invention. The fiber optic temperature sensor with correction of readings includes the focused optical radiation source 1, the optical module 2, three photodetectors 31, 32, 33, the analog-to-digital converter 4, the digital processor 5 and the sensitive optical fiber 6. Moreover, the optical module 2 is connected to the laser radiation source 1 via an optical fiber and is configured with the possibility of redirecting the backscattered radiation and separating the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscatter. Each of the photodetectors 31, 32, 33 is connected to the optical module 2 via an optical fiber and is configured to register a separate backscatter component. The first photodetector 31 is configured to register the Stokes scattering component, the second 32 - the Rayleigh component, and the third 33 - the anti-Stokes backscatter component. In this embodiment, the digital processor 5, the analog-to-digital converter 4 and the source of focused optical radiation 1 are also connected via an electronic line for control and synchronization. In Fig. 2, the optical fiber is shown by a solid thick line, the direction of the focused laser radiation is indicated by a solid arrow, and the direction of the backscattered radiation is shown by a dotted arrow parallel to the optical fiber.
[68] Оптоволоконный датчик температуры с коррекцией показаний, изображенный на Фиг. 2, работает следующим образом. С цифрового процессора 5 отправляется стартовый сигнал на источник сфокусированного оптического излучения 1 и аналого-цифровой преобразователь 4. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует лазерный импульс в оптоволокно, а аналого-цифровой преобразователь 4 начинает преобразовывать сигнал с фотодетекторов 31, 32, 33 в цифровой сигнал. В чувствительном оптоволокне 6 происходит рассеяние оптического излучения, часть которого движется в обратную сторону. Обратно рассеянное излучение состоит из трех компонент - Стоксовская, Антистоксовская и Рэлеевская. В оптическом модуле 2 эти компоненты выделяются и направляются по отдельным оптоволоконным каналам и передаются на фотодетекторы 31, 32, 33. Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрические сигналы, которые далее передают в аналого-цифровой преобразователь 4. В нем аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, отдельно для каждой компоненты рассеяния. Цифровые сигналы передают в цифровой процессор 5, который обрабатывает данные сигналы и проводит вычисление поправочных коэффициентов на основе сравнения первоначальной Рэлеевской компоненты, сохраненной в памяти цифрового процессора 5, с текущей. Дальше идет вычисление температуры чувствительного оптоволокна 6 в каждой точке его длины исходя из отношений интенсивностей Антистоксовской компоненты к Рэлеевской, и/или Стоксовской к Антистоксовской, с учетом полученных коррекционных коэффициентов.[68] The fiber optic temperature sensor with reading correction shown in Fig. 2 operates as follows. A start signal is sent from digital processor 5 to focused optical radiation source 1 and analog-to-digital converter 4. Focused optical radiation source 1 generates a laser pulse into the optical fiber, and analog-to-digital converter 4 begins to convert the signal from photodetectors 31, 32, 33 into a digital signal. In sensitive optical fiber 6, scattering of optical radiation occurs, part of which moves in the opposite direction. Backscattered radiation consists of three components - Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh. In optical module 2, these components are separated and directed through separate fiber-optic channels and transmitted to photodetectors 31, 32, and 33. There, the optical radiation is recorded and converted into electrical signals, which are then transmitted to analog-to-digital converter 4. Here, the analog signals are converted into digital signals, separately for each scattering component. The digital signals are transmitted to digital processor 5, which processes these signals and calculates correction factors based on a comparison of the original Rayleigh component, stored in the memory of digital processor 5, with the current one. Next, the temperature of sensitive optical fiber 6 is calculated at each point along its length based on the intensity ratios of the Anti-Stokes component to the Rayleigh component, and/or the Stokes component to the Anti-Stokes component, taking into account the obtained correction factors.
[69] На Фиг. 3 представлен схематичный вид оптоволоконного датчика распределенной температуры с коррекцией показаний, с использованием трех компонент обратного рассеивания и одного фотодетектора 3, согласно настоящему изобретению, а также с электронной связью между цифровым процессором 5, аналого-цифровым преобразователем 4 и источником сфокусированного оптического излучения 1, согласно настоящему изобретению. Оптоволоконный датчик температуры с коррекцией показаний включает источник сфокусированного оптического излучения 1, оптический модуль 2, фотодетектор 3, аналого-цифровой преобразователь 4, цифровой процессор 5 и чувствительное оптоволокно 6. Причем, оптический модуль 2 подключен к источнику лазерного излучения 1 посредством оптоволокна и сконфигурирован с возможностью выделения обратно рассеянного и направляет его на фотодетектор 3. Фотодетектор подключен к оптическому модулю 2 оптоволокном и выполнен с возможностью регистрации большого спектрального диапазона, покрывающего Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевской компоненты обратного рассеивания. Цифровой процессор 5 выполнен с возможностью разделения цифрового сигнала обратно рассеянного излучения на компоненты и их интегрирования в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах. Дополнительно цифровой процессор 5, аналого-цифровой преобразователь 4 и источник сфокусированного оптического излучения 1 связаны электронной линией для управления и синхронизации. На Фиг. 3 оптическое волокно изображено сплошной толстой линией, направление сфокусированного лазерного излучения обозначено сплошной стрелочкой, а направление обратно рассеянного излучения изображено пунктирной стрелочкой параллельно оптическому волокну.[69] Fig. 3 is a schematic view of a fiber optic distributed temperature sensor with correction of readings, using three backscatter components and one photodetector 3, according to the present invention, and with electronic communication between a digital processor 5, an analog-to-digital converter 4 and a focused optical radiation source 1, according to the present invention. The fiber optic temperature sensor with correction of readings includes a focused optical radiation source 1, an optical module 2, a photodetector 3, an analog-to-digital converter 4, a digital processor 5 and a sensitive optical fiber 6. Moreover, the optical module 2 is connected to the laser radiation source 1 via an optical fiber and is configured with the possibility of selecting backscattered radiation and directing it to the photodetector 3. The photodetector is connected to the optical module 2 via an optical fiber and is configured with the possibility of recording a large spectral range covering the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh backscatter components. Digital processor 5 is configured to separate the digital backscattered radiation signal into components and integrate them in spectral ranges specific to each component. Additionally, digital processor 5, analog-to-digital converter 4, and focused optical radiation source 1 are connected via an electronic line for control and synchronization. In Fig. 3, the optical fiber is depicted by a solid thick line, the direction of the focused laser radiation is indicated by a solid arrow, and the direction of the backscattered radiation is depicted by a dotted arrow parallel to the optical fiber.
[70] Оптоволоконный датчик распределенной температуры с коррекцией показаний, изображенный на Фиг. 3, работает следующим образом. С цифрового процессора 5 отправляется стартовый сигнал на источник сфокусированного оптического излучения 1 и аналого-цифровой преобразователь 4. Источник сфокусированного оптического излучения 1 генерирует лазерный импульс в оптоволокно, а аналого-цифровой преобразователь 4 начинает преобразовывать сигнал с фотодетектора 3 в цифровой сигнал. В чувствительном оптоволокне 6 происходит рассеяние оптического излучения, часть которого движется в обратную сторону. Обратно рассеянное излучение включает три компоненты - Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую. В оптическом модуле 2 это излучение перенаправляется на фотодетектор 3. Там оптическое излучение регистрируется и преобразуется в электрический сигнал, который далее передают в аналого-цифровой преобразователь 4. В нем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. Цифровой сигнал передают в цифровой процессор 5, который обрабатывает данные сигнал, в том числе проводит разделение цифрового сигналов обратно рассеянного излучения на компоненты и интегрирует их в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах, а далее проводит вычисление поправочных коэффициентов на основе сравнения первоначальной Рэлеевской компоненты, сохраненной в памяти цифрового процессора 5, с текущей. Дальше идет вычисление температуры чувствительного оптоволокна 6 в каждой точке его длины исходя из отношений интенсивностей Антистоксовской компоненты к Рэлеевской, и/или Стоксовской к Антистоксовской, с учетом полученных коррекционных коэффициентов.[70] The fiber optic distributed temperature sensor with reading correction shown in Fig. 3 operates as follows. A start signal is sent from digital processor 5 to focused optical radiation source 1 and analog-to-digital converter 4. Focused optical radiation source 1 generates a laser pulse into the optical fiber, and analog-to-digital converter 4 begins to convert the signal from photodetector 3 into a digital signal. In sensitive optical fiber 6, scattering of optical radiation occurs, part of which moves in the opposite direction. The backscattered radiation includes three components - Stokes, anti-Stokes and Rayleigh. In optical module 2, this radiation is redirected to photodetector 3. There, the optical radiation is recorded and converted into an electrical signal, which is then transmitted to analog-to-digital converter 4. In it, the analog signal is converted into a digital one. The digital signal is transmitted to digital processor 5, which processes the signal, including separating the digital backscattered radiation signals into components and integrating them in specific spectral ranges for each component. Correction factors are then calculated based on a comparison of the original Rayleigh component stored in digital processor 5's memory with the current one. The temperature of sensitive optical fiber 6 is then calculated at each point along its length based on the intensity ratios of the Anti-Stokes component to the Rayleigh component, and/or the Stokes component to the Anti-Stokes component, taking into account the obtained correction factors.
[71] Также в данном изобретении заявляется способ применения оптоволоконного датчика распределенной температуры для достижения технического результата, состоящего из последовательных этапов, на которых:[71] The present invention also claims a method for using a fiber optic distributed temperature sensor to achieve a technical result, consisting of successive steps in which:
[72] Генерирует импульс оптического излучения с помощью источника сфокусированного оптического излучения 1.[72] Generates an optical radiation pulse using a focused optical radiation source 1.
[73] Далее направляют импульс оптического излучения через оптический модуль 2 в чувствительное оптоволокно 6.[73] Next, the optical radiation pulse is directed through the optical module 2 into the sensitive optical fiber 6.
[74] Направляют или направляют и разделяют обратно рассеянное оптическое излучение на фотодетектор или фотодетекторы при помощи оптического модуля.[74] Direct or direct and separate backscattered optical radiation to a photodetector or photodetectors using an optical module.
[75] Регистрируют по крайней мере Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора 3 или фотодетекторов 31, 32, 33.[75] At least the Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered optical radiation are recorded using photodetector 3 or photodetectors 31, 32, 33.
[76] Преобразовывают аналоговый сигнал или сигналы с фотодетектора 3 или фотодетекторов 31, 32, 33 в цифровой сигнал или сигналы при помощи аналого-цифрового преобразователя.[76] Convert the analog signal or signals from photodetector 3 or photodetectors 31, 32, 33 into a digital signal or signals using an analog-to-digital converter.
[77] Отправляют цифровой сигнал или цифровые сигналы компонент обратно рассеянного оптического излучения в цифровой процессор 5.[77] Send a digital signal or digital signals of the components of the backscattered optical radiation to the digital processor 5.
[78] Обрабатывают полученный цифровой сигнал или сигналы при помощи цифрового процессора 5 путем получения рефлектограмм и расчета коррекционных коэффициентов.[78] The received digital signal or signals are processed using a digital processor 5 by obtaining reflectograms and calculating correction factors.
[79] Рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора 5 на основе полученных рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.[79] The temperature is calculated using digital processor 5 based on the obtained reflectograms, taking into account the correction factors.
[80] Причем рассчитывают коррекционные коэффициенты при помощи цифрового процессора 5 из отношений интенсивностей сохраненной в памяти цифрового процессора 5 рефлектограммы первоначальной Рэлеевской компоненты к интенсивностям рефлектограммы текущей Рэлеевской компоненты в каждой в каждой точке чувствительного оптоволокна 6.[80] Moreover, correction coefficients are calculated using digital processor 5 from the ratios of the intensities of the reflectogram of the initial Rayleigh component stored in the memory of digital processor 5 to the intensities of the reflectogram of the current Rayleigh component at each point of the sensitive optical fiber 6.
[81] Также способ отличается тем, что отправляют стартовый сигнал на источник сфокусированного оптического излучения 1 и аналого-цифровой преобразователь 4 при помощи цифрового процессора 5.[81] The method also differs in that a starting signal is sent to a source of focused optical radiation 1 and an analog-to-digital converter 4 using a digital processor 5.
[82] Также способ отличается тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора 5 на основе Антистоксовской и Рэлеевской рефлектограмм с учетом полученных коррекционных коэффициентов.[82] The method also differs in that the temperature is calculated using a digital processor 5 based on the Anti-Stokes and Rayleigh reflectograms, taking into account the obtained correction factors.
[83] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора 3.[83] The method also differs in that the Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered optical radiation are recorded and spectrally separated using a photodetector 3.
[84] Также способ отличается тем, что выделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи оптического модуля 2.[84] The method also differs in that the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered optical radiation are isolated using optical module 2.
[85] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора 3.[85] The method also differs in that the Stokes, Anti-Stokes and Rayleigh components of the backscattered optical radiation are recorded and spectrally separated using a photodetector 3.
[86] Также способ отличается тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора 5 на основе Антистоксовской и Стоксовской рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.[86] The method also differs in that the temperature is calculated using a digital processor 5 based on the Anti-Stokes and Stokes reflectograms, taking into account correction factors.
[87] Также способ отличается тем, что разделяют цифровой сигнал обратно рассеянного излучения на компоненты и интегрируют их в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах при помощи цифрового процессора 5.[87] The method also differs in that the digital signal of backscattered radiation is divided into components and integrated into spectral ranges determined for each component using a digital processor 5.
[88] Также важно отметить, что все дополнительные этапы способа могут считаться дополнительными для функционирования датчика этапами. Аналогично все дополнительные элементы датчика могут применяться для реализации способа.[88] It is also important to note that all additional steps of the method can be considered additional steps for the operation of the sensor. Similarly, all additional elements of the sensor can be used to implement the method.
[89] Терминология, используемая в настоящем документе, предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения настоящего изобретения. Далее следует понимать, что термины «содержит» и/или «включает» при использовании в данной спецификации указывают на наличие заявленных признаков, целых чисел, шагов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или нескольких других признаков, целых чисел, шагов, операций, компонентов элементов и/или их групп. [89] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. It should further be understood that the terms "comprises" and/or "includes" when used in this specification indicate the presence of the claimed features, integers, steps, operations, elements, and/or components, but do not exclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, component elements, and/or groups thereof.
[90] Соответствующие конструкции, материалы, акты и эквиваленты всех средств или элементов шага плюс функции в формуле изобретения ниже предназначены для включения любой конструкции, материала или действия для выполнения функции в сочетании с другими заявленными элементами, как конкретно заявлено. Описание настоящего изобретения представлено в целях иллюстрации и описания, но не претендует на то, чтобы быть исчерпывающим или ограничиваться изобретением в описанной форме. Многие модификации и вариации будут очевидны для тех, кто обладает обычными навыками в данной области техники, не отступая от смысла. Вариант осуществления был выбран и описан для того, чтобы наилучшим образом объяснить принципы изобретения, а также дать возможность другим лицам, обладающим обычными навыками в данной области техники, понять изобретение для различных вариантов осуществления с различными модификациями, которые подходят для конкретного предполагаемого использования. [90] The corresponding structures, materials, acts and equivalents of all means or elements of a step plus function in the claims below are intended to include any structure, material or act to perform a function in combination with other claimed elements as specifically claimed. The description of the present invention is presented for purposes of illustration and description, but is not intended to be exhaustive or to be limited to the invention in the form described. Many modifications and variations will be obvious to those of ordinary skill in the art without departing from the spirit. The embodiment has been chosen and described in order to best explain the principles of the invention, and also to enable others of ordinary skill in the art to understand the invention for various embodiments with various modifications that are suitable for the particular intended use.
[91] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в повышении точности и достоверности измерений температуры с сохранением простоты конструкции.[91] Thus, the mentioned elements directly influence the technical result, which consists in increasing the accuracy and reliability of temperature measurements while maintaining the simplicity of the design.
[92] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.[92] These application materials present a preferred disclosure of the implementation of the claimed technical solution, which should not be used as limiting other, particular embodiments of its implementation that do not go beyond the scope of the requested scope of legal protection and are obvious to specialists in the relevant field of technology.
Claims (34)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2848664C1 true RU2848664C1 (en) | 2025-10-21 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5765948A (en) * | 1995-03-07 | 1998-06-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light-temperature distribution sensor using back scattering light produced by incident light pulse and temperature distribution measuring method |
| US7126680B2 (en) * | 2002-06-21 | 2006-10-24 | Schlumberger Technology Corporation | Method for measuring and calibrating measurements using optical fiber distributed sensor |
| RU2458325C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5765948A (en) * | 1995-03-07 | 1998-06-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Light-temperature distribution sensor using back scattering light produced by incident light pulse and temperature distribution measuring method |
| US7126680B2 (en) * | 2002-06-21 | 2006-10-24 | Schlumberger Technology Corporation | Method for measuring and calibrating measurements using optical fiber distributed sensor |
| RU2458325C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-08-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
| RU2552222C1 (en) * | 2011-04-28 | 2015-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Method of measuring temperature distribution and device for realising said method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7628531B2 (en) | Methods and apparatus for dual source calibration for distributed temperature systems | |
| US9810556B2 (en) | Apparatus for measuring optical signals from multiple optical fiber sensors | |
| CA2288746C (en) | Distributed sensing system | |
| CA2490113C (en) | Method for measuring and calibrating measurements using optical fiber distributed sensor | |
| EP2330390B1 (en) | Optical fiber sensing system | |
| US7109471B2 (en) | Optical wavelength determination using multiple measurable features | |
| US8477296B2 (en) | Opto-electronic signal processing methods, systems, and apparatus for optical sensor interrogation | |
| US20080204759A1 (en) | Method for demodulating signals from a dispersive white light interferometric sensor and its application to remote optical sensing | |
| CA2646312C (en) | Dual source calibration for distributed temperature systems | |
| Markvart et al. | Fiber optic SMS sensor for simultaneous measurement of strain and curvature | |
| US10254198B2 (en) | Birefringent multi-peak optical reference element and birefringent sensor system | |
| RU2848664C1 (en) | Optical fibre distributed temperature sensor and method of its application | |
| US20150362386A1 (en) | Fiber optic sensor system and method | |
| Zhang et al. | Experimental investigation on optical spectral deformation of embedded FBG sensors | |
| RU2800632C1 (en) | System and method for correcting optical radiation signal distortions | |
| CA2577160C (en) | Method for measuring and calibrating measurements using optical fiber distributed sensor | |
| EP3775787A1 (en) | Sensor system | |
| Buck et al. | Performance analysis of interrogators for fiber Bragg grating sensors based on arrayed waveguide gratings | |
| RU2386105C1 (en) | Fibre-optic device for measuring transverse deformation vector | |
| US20160146642A1 (en) | Optical fiber sensing optical system and optical fiber sensing system | |
| JP2004163154A (en) | Wavelength measuring device | |
| Grigor’Ev et al. | Quasi-distributed measuring system based on bragg sensors of mechanical stress with increased sample rate | |
| Kim et al. | Demodulation of FBG sensors embedded in a fiber optic Sagnac loop | |
| Ames | Multiplexed Fiber Laser Sensor System | |
| Chengang et al. | Wavelength readout system constructed of fiber Fabry-Perot tunable filter and virtual instrument |