वितरित तापमान संवेदन
वितरित तापमान संवेदन प्रणाली (डीटीएस) optoelectronic उपकरण हैं जो रैखिक सेंसर के रूप में कार्य करने वाले ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से तापमान को मापते हैं। तापमान ऑप्टिकल सेंसर केबल के साथ दर्ज किए जाते हैं, इस प्रकार बिंदुओं पर नहीं, बल्कि एक सतत प्रोफ़ाइल के रूप में। बड़ी दूरी पर तापमान निर्धारण की उच्च सटीकता प्राप्त की जाती है। आमतौर पर डीटीएस प्रणालियां 0.01 डिग्री सेल्सियस के रिज़ॉल्यूशन पर ±1 डिग्री सेल्सियस के भीतर सटीकता के साथ 1 मीटर के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में तापमान का पता लगा सकती हैं। 30 किमी से अधिक की माप दूरी की निगरानी की जा सकती है और कुछ विशेष प्रणालियां और भी सख्त स्थानिक समाधान प्रदान कर सकती हैं। ऑप्टिकल फाइबर के साथ थर्मल परिवर्तन अपवर्तक सूचकांक में एक स्थानीय भिन्नता का कारण बनता है, जो बदले में इसके माध्यम से फैलने वाले प्रकाश के अप्राप्य प्रकीर्णन की ओर जाता है। सामग्री में गर्मी आणविक या जाली कंपन के रूप में आयोजित की जाती है। रमन प्रकीर्णन के लिए उच्च आवृत्तियों (10 THz) पर आणविक कंपन जिम्मेदार हैं। कम आवृत्ति कंपन (10-30 गीगाहर्ट्ज) ब्रिलौइन बिखरने का कारण बनता है। फाइबर और सामग्री के माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है और घटना प्रकाश में आवृत्ति बदलाव का कारण बनता है। इस फ़्रीक्वेंसी शिफ्ट का उपयोग फ़ाइबर के साथ तापमान परिवर्तन को मापने के लिए किया जा सकता है।[1]
मापने का सिद्धांत - रमन प्रभाव
भौतिक माप आयाम, जैसे तापमान या दबाव और तनाव (भौतिकी) बल, कांच के तंतुओं को प्रभावित कर सकते हैं और स्थानीय रूप से तंतुओं में प्रकाश संचरण की विशेषताओं को बदल सकते हैं। बिखरने के माध्यम से क्वार्ट्ज ग्लास फाइबर में प्रकाश के भिगोने के अनुपात के परिणामस्वरूप, बाहरी भौतिक प्रभाव का स्थान निर्धारित किया जा सकता है ताकि ऑप्टिकल फाइबर को रैखिक सेंसर के रूप में नियोजित किया जा सके। ऑप्टिकल फाइबर डोप्ड क्वार्ट्ज ग्लास से बने होते हैं। क्वार्ट्ज ग्लास सिलिकॉन डाइऑक्साइड का एक रूप है (SiO2) अनाकार ठोस संरचना के साथ। थर्मल प्रभाव ठोस के भीतर जाली दोलनों को प्रेरित करते हैं। जब प्रकाश इन ऊष्मीय रूप से उत्तेजित आणविक दोलनों पर पड़ता है, तो प्रकाश कणों (फोटॉन) और अणु के इलेक्ट्रॉनों के बीच एक अंतःक्रिया होती है। प्रकाश प्रकीर्णन, जिसे रमन प्रकीर्णन भी कहा जाता है, ऑप्टिकल फाइबर में होता है। घटना प्रकाश के विपरीत, यह बिखरा हुआ प्रकाश जाली दोलन की अनुनाद आवृत्ति के बराबर राशि द्वारा वर्णक्रमीय बदलाव से गुजरता है। फाइबर ऑप्टिक से वापस बिखरे हुए प्रकाश में तीन अलग-अलग वर्णक्रमीय शेयर होते हैं:
- प्रयुक्त लेजर स्रोत की तरंग दैर्ध्य के साथ [[रमन बिखरना]],
- फोटोन से स्टोक्स लाइन के घटक लंबी तरंग दैर्ध्य (कम आवृत्ति) में स्थानांतरित हो गए, और
- फोटॉनों के साथ एंटी-स्टोक्स लाइन घटक रेले स्कैटरिंग की तुलना में कम तरंग दैर्ध्य (उच्च आवृत्ति) में स्थानांतरित हो गए।
तथाकथित एंटी-स्टोक्स बैंड की तीव्रता तापमान पर निर्भर है, जबकि तथाकथित स्टोक्स बैंड व्यावहारिक रूप से तापमान से स्वतंत्र है। ऑप्टिकल फाइबर का स्थानीय तापमान एंटी-स्टोक्स और स्टोक्स प्रकाश तीव्रता के अनुपात से प्राप्त होता है।
मापने का सिद्धांत—OTDR और OFDR तकनीक
वितरित संवेदन प्रौद्योगिकी, ओटीडीआर (ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री) और ओएफडीआर (ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री) के लिए माप के दो बुनियादी सिद्धांत हैं। वितरित तापमान संवेदन के लिए अक्सर एक कोड सहसंबंध प्रौद्योगिकी
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OTDR को 20 साल पहले विकसित किया गया था और दूरसंचार हानि मापन के लिए उद्योग मानक बन गया है जो रमन सिग्नल की तुलना में बहुत प्रभावी रेले स्कैटरिंग बैकस्कैटरिंग सिग्नल का पता लगाता है। ओटीडीआर के लिए सिद्धांत काफी सरल है और राडार के लिए उपयोग किए जाने वाले उड़ान मापन के समय के समान ही है। अनिवार्य रूप से सेमीकंडक्टर या लेजर # सॉलिड-स्टेट लेजर द्वारा उत्पन्न एक संकीर्ण स्पंदित लेजर को फाइबर में भेजा जाता है और बैकस्कैटर्ड लाइट का विश्लेषण किया जाता है। बैकस्कैटर्ड लाइट को डिटेक्शन यूनिट में लौटने के समय से तापमान घटना के स्थान का पता लगाना संभव है।
वैकल्पिक डीटीएस मूल्यांकन इकाइयां ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री (ओएफडीआर) की विधि को लागू करती हैं। ओएफडीआर प्रणाली केवल स्थानीय विशेषता पर जानकारी प्रदान करती है जब संपूर्ण माप समय के दौरान बैकस्कैटर सिग्नल का पता लगाया जाता है जिसे एक जटिल फैशन में आवृत्ति के कार्य के रूप में मापा जाता है, और फिर फूरियर रूपांतरण के अधीन होता है। OFDR प्रौद्योगिकी के आवश्यक सिद्धांत लेजर द्वारा नियोजित अर्ध निरंतर तरंग मोड और ऑप्टिकल बैकस्कैटर सिग्नल के संकीर्ण बैंड पहचान हैं। यह इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए उच्च रैखिकता आवश्यकताओं के साथ फास्ट फूरियर रूपांतरण गणना के कारण, रमन बिखरी हुई रोशनी और बल्कि जटिल सिग्नल प्रोसेसिंग के तकनीकी रूप से कठिन माप से ऑफसेट है।
कोड सहसंबंध डीटीएस फाइबर में सीमित लंबाई के अनुक्रमों को चालू/बंद भेजता है। उपयुक्त गुण रखने के लिए कोड चुने जाते हैं, उदा। बाइनरी भाषा में कोड। ओटीडीआर तकनीक के विपरीत, ऑप्टिकल ऊर्जा एक पल्स में पैक होने के बजाय एक कोड में फैली हुई है। इस प्रकार OTDR तकनीक की तुलना में कम चरम शक्ति वाले प्रकाश स्रोत का उपयोग किया जा सकता है, उदा। लंबे जीवन कॉम्पैक्ट सेमीकंडक्टर लेजर। पता लगाए गए बैकस्कैटर को - OFDR तकनीक के समान - एक स्थानिक प्रोफ़ाइल में बदलने की आवश्यकता है, उदा। क्रॉस-सहसंबंध द्वारा। ओएफडीआर प्रौद्योगिकी के विपरीत, उत्सर्जन परिमित है (उदाहरण के लिए 128 बिट) जो कि दूर से कमजोर बिखरे संकेतों से बचा जाता है, कम दूरी से मजबूत बिखरे संकेतों से अधिक होता है, शॉट शोर और सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार करता है।
इन तकनीकों का उपयोग करके एक सिस्टम से 30 km से अधिक की दूरी का विश्लेषण करना और 0.01°C से कम के तापमान विभेदन को मापना संभव है।
सेंसिंग केबल और सिस्टम इंटीग्रेशन का निर्माण
तापमान मापने की प्रणाली में एक नियंत्रक (लेज़र स्रोत, ओटीडीआर के लिए पल्स जनरेटर या कोड सहसंबंध या न्यूनाधिक के लिए कोड जनरेटर और ओएफडीआर, ऑप्टिकल मॉड्यूल, रिसीवर और माइक्रो-प्रोसेसर यूनिट के लिए उच्च आवृत्ति मिक्सर) और लाइन-आकार के तापमान के रूप में एक फ़ाइबर ऑप्टिक होता है। सेंसर। फाइबर ऑप्टिक केबल (70 किमी लंबी हो सकती है[2]) प्रकृति में निष्क्रिय है और इसका कोई व्यक्तिगत संवेदन बिंदु नहीं है और इसलिए इसे मानक टेलीकॉम फाइबर के आधार पर निर्मित किया जा सकता है। यह पैमाने की उत्कृष्ट अर्थव्यवस्थाओं की पेशकश करता है। क्योंकि सिस्टम डिज़ाइनर/इंटीग्रेटर को प्रत्येक सेंसिंग पॉइंट के सटीक स्थान के बारे में चिंता करने की ज़रूरत नहीं है, वितरित फाइबर ऑप्टिक सेंसर के आधार पर एक सेंसिंग सिस्टम को डिजाइन करने और स्थापित करने की लागत पारंपरिक सेंसर से बहुत कम हो जाती है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि सेंसिंग केबल में कोई हिलता हुआ भाग नहीं होता है और डिज़ाइन का जीवनकाल >30 वर्ष होता है, रखरखाव और संचालन लागत भी पारंपरिक सेंसर की तुलना में काफी कम होती है। फाइबर ऑप्टिक सेंसिंग तकनीक के अतिरिक्त लाभ यह हैं कि यह विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप, कंपन से मुक्त है और खतरनाक क्षेत्रों में उपयोग के लिए सुरक्षित है (लेजर शक्ति उस स्तर से नीचे आती है जो प्रज्वलन का कारण बन सकती है), इस प्रकार इन सेंसर को औद्योगिक संवेदी अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए आदर्श बनाती है। .
सेंसिंग केबल के निर्माण के संबंध में, हालांकि यह मानक फाइबर ऑप्टिक्स पर आधारित है, यह सुनिश्चित करने के लिए व्यक्तिगत सेंसिंग केबल के डिजाइन में ध्यान रखा जाना चाहिए कि फाइबर के लिए पर्याप्त सुरक्षा प्रदान की जाती है। इसे ऑपरेटिंग तापमान (मानक केबल 85 डिग्री सेल्सियस तक संचालित होते हैं, लेकिन सही डिजाइन के साथ 700 डिग्री सेल्सियस तक मापना संभव है), गैसीय वातावरण (हाइड्रोजन के कारण हाइड्रोजन को कम करने के कारण माप में गिरावट हो सकती है) को ध्यान में रखना चाहिए – उर्फ क्षीणन – सिलिका ग्लास यौगिकों की) और यांत्रिक सुरक्षा।
अधिकांश उपलब्ध डीटीएस प्रणालियों में लचीले सिस्टम आर्किटेक्चर होते हैं और एससीएडीए जैसे औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों में एकीकृत करने के लिए अपेक्षाकृत सरल होते हैं। तेल और गैस उद्योग में डीटीएस उपकरणों से डेटा के हस्तांतरण के लिए एक एक्सएमएल आधारित फ़ाइल मानक (डब्लूआईटीएसएमएल) विकसित किया गया है। ऊर्जा द्वारा मानक बनाए रखा जाता है।
लेजर सुरक्षा और सिस्टम का संचालन
ऑप्टिकल माप जैसे कि ऑप्टिकल डीटीएस पर आधारित प्रणाली का संचालन करते समय, स्थायी प्रतिष्ठानों के लिए लेजर सुरक्षा आवश्यकताओं पर विचार किया जाना चाहिए। कई प्रणालियाँ कम शक्ति वाले लेज़र डिज़ाइन का उपयोग करती हैं, उदा। लेज़र सुरक्षा के रूप में वर्गीकरण के साथ#श्रेणी 1M, जिसे कोई भी लागू कर सकता है (कोई अनुमोदित लेज़र सुरक्षा अधिकारियों की आवश्यकता नहीं है)। कुछ प्रणालियाँ एक लेज़र सुरक्षा # श्रेणी 3B के उच्च शक्ति वाले लेज़रों पर आधारित हैं, जो हालांकि अनुमोदित लेज़र सुरक्षा अधिकारियों द्वारा उपयोग के लिए सुरक्षित हैं, स्थायी प्रतिष्ठानों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकते हैं।
विशुद्ध रूप से निष्क्रिय ऑप्टिकल सेंसर तकनीक का लाभ विद्युत या विद्युत चुम्बकीय संपर्क की कमी है। बाजार पर कुछ डीटीएस प्रणालियां एक विशेष कम शक्ति डिजाइन का उपयोग करती हैं और विस्फोटक वातावरण में स्वाभाविक रूप से सुरक्षित होती हैं, उदा। ATEX निर्देश जोन 0 के लिए प्रमाणित।
आग का पता लगाने वाले एप्लिकेशन में उपयोग के लिए, नियमों को आमतौर पर प्रासंगिक मानकों के अनुसार प्रमाणित सिस्टम की आवश्यकता होती है, जैसे EN 54-5 या EN 54-22 (यूरोप), UL521 या FM (USA), cUL521 (कनाडा) और/या अन्य राष्ट्रीय या स्थानीय मानकों।
== डीटीएस == का उपयोग करके तापमान का अनुमान उचित ऑर्थोगोनल अपघटन विधि या प्रमुख घटक विश्लेषण के आधार पर मॉडल विकसित करने के लिए तापमान वितरण का उपयोग किया जा सकता है। यह केवल कुछ स्थानिक स्थानों में माप कर तापमान वितरण का पुनर्निर्माण करने की अनुमति देता है [3]
अनुप्रयोग
वितरित तापमान संवेदन को कई औद्योगिक क्षेत्रों में सफलतापूर्वक तैनात किया जा सकता है:
- तेल और गैस उत्पादन - स्थायी डाउनहोल मॉनिटरिंग, कॉइल टयूबिंग ऑप्टिकल सक्षम तैनात हस्तक्षेप प्रणाली, स्लीकलाइन ऑप्टिकल केबल तैनात हस्तक्षेप प्रणाली।
- पावर केबल और ट्रांसमिशन लाइन मॉनिटरिंग (ampacity ऑप्टिमाइजेशन)
- सुरंगों में आग का पता लगाना,[4] औद्योगिक कन्वेयर बेल्ट और विशेष खतरे वाली इमारतें
- औद्योगिक प्रेरण भट्ठी निगरानी
- तरल प्राकृतिक गैस (एलएनजी) वाहक और टर्मिनलों की अखंडता
- तटबंधों और बांधों में रिसाव का पता लगाना
- पारेषण पाइपलाइनों सहित संयंत्र और प्रक्रिया इंजीनियरिंग में तापमान की निगरानी
- भंडारण टैंक और जहाजों
हाल ही में, डीटीएस को पर्यावरण निगरानी के लिए भी लागू किया गया है:
- स्ट्रीम तापमान
- भूजल स्रोत का पता लगाना और तलछट परिमार्जन और निक्षेपण
- खान शाफ्ट और झीलों और हिमनदों में तापमान प्रोफाइल
- विभिन्न पर्ण घनत्व पर गहरे वर्षावन परिवेश का तापमान
- एक भूमिगत खदान, ऑस्ट्रेलिया में तापमान प्रोफाइल
- ग्राउंड लूप हीट एक्सचेंजर्स में तापमान प्रोफाइल (ग्राउंड कपल्ड हीटिंग और कूलिंग सिस्टम के लिए उपयोग किया जाता है)
पावर केबल मॉनिटरिंग
- एक ऑप्टिकल फाइबर आधारित सिस्टम 1 का उपयोग करते हुए एक 220-केवी केबल का ऑनलाइन एम्पैसिटी निर्धारणयोग्य मॉनिटर1]
- केस स्टडी: ओलंपिक सिटी 2008, बीजिंग में 220kV XLPE केबल की स्थायी तापमान निगरानी
- केस स्टडी: 33kV डिस्ट्रीब्यूशन केबल DTS के साथ मॉनिटर किया गया और RTTR (रीयल टाइम थर्मल रेटिंग) के साथ मॉडल किया गया
पर्यावरण निगरानी
- टायलर, एस.डब्ल्यू., जे.एस. सेल्कर, एम.बी. हॉस्नर, सी.ई. हैच, टी. टोरगेर्सन और एस. श्लाडोव। 2009. रमन स्पेक्ट्रा डीटीएस फाइबर ऑप्टिक विधियों का उपयोग करते हुए पर्यावरणीय तापमान संवेदन। जल संसाधन रेस doi:10.1029/2008WR007052.
- सेल्कर, जे.एस., एन. वैन डी गिसेन, एम. वेस्टहॉफ, डब्ल्यू. लक्जमबर्ग, और एम. पारलांगे। फाइबर ऑप्टिक्स स्ट्रीम डायनेमिक्स पर विंडो खोलता है। भूभौतिकीय अनुसंधान पत्र, doi:10.1029/2006GLO27979, 2006
- सेल्कर, जे.एस., एल. थेवेनाज, एच. हुवाल्ड, ए. मैलेट, डब्ल्यू. लक्ज़मबर्ग, एन. Parlange.Hydrologic सिस्टम्स के लिए वितरित फाइबर ऑप्टिक तापमान संवेदन। जल संसाधन अनुसंधान, 42, W12202, doi:10.1029/2006WR005326, 2006
- टायलर, एस.डब्ल्यू., एस. बुराक, जे. मैकनमारा, ए. लामोंटाग्ने, जे. सेल्कर और जे. डोजियर। 2008. फाइबर-ऑप्टिक सेंसर से मापे गए दो माउंटेन स्नोपैक के आधार पर स्थानिक रूप से वितरित तापमान। जर्नल ऑफ ग्लेशियोलॉजी। 54(187):673-679
पाइपलाइन रिसाव का पता लगाना
सीवर की निगरानी
- ओ.ए.सी. होस, आर.पी.एस. शिल्परोर्ट, डब्ल्यू.एम.जे. लक्जमबर्ग, F.H.L.R. क्लेमेंस और एनसी वैन डी गिसेन। फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन का उपयोग करके वर्षा जल सीवरों में अवैध कनेक्शनों का पता लगाना। वाटर रिसर्च, वॉल्यूम 43, अंक 20, दिसंबर 2009, पेज 5187-5197 doi:10.1016/j.watres.2009.08.020
- आर.पी.एस. शिल्परोर्ट, F.H.L.R. क्लेमेंस, फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन संयुक्त सीवर प्रणाली, जल विज्ञान प्रौद्योगिकी में। 2009;60(5):1127-34.डोई: 10.2166/wst.2009.467।
- निएनहुइस जे, डी हान सीजे, लैंगवेल्ड जेजी, क्लॉटविज्क एम, क्लेमेंस एफएचएलआर। अवैध कनेक्शनों का पता लगाने के लिए फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन की पहचान सीमा का आकलन। जल विज्ञान और प्रौद्योगिकी। 2013;67(12):2712-8। डीओआई: 10.2166/डब्ल्यूएसटी.2013.176
- लैंगवेल्ड जेजी, डी हान सीजे, क्लॉटविज्क एम, शिल्परोर्ट आरपीएस। वितरित तापमान संवेदन के साथ कई गुना अलग करने वाले तूफान के पानी के प्रदर्शन की निगरानी करना। जल विज्ञान और प्रौद्योगिकी। 2012;66(1):145-50। डीओआई: 10.2166/डब्ल्यूएसटी.2012.152।
- शिल्परोर्ट आरपीएस, हॉपी एच, डी हान सीजे, लैंगवेल्ड जेजी। फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन का उपयोग करके फाउल सीवर में तूफानी पानी के प्रवाह की खोज। जल विज्ञान और प्रौद्योगिकी। 2013;68(8):1723-30। डीओआई: 10.2166/डब्ल्यूएसटी.2013.419।
- फिल्म जो रॉयल हास्कोनिंग डीएचवी के सीवर ऑक्टोपस के उपयोग से सीवर में डीटीएस के अनुप्रयोग को दर्शाती है रॉयल हास्कोनिंग डीएचवी ब्लू फ्लैग हासिल करने के लिए एगमंड आन ज़ी को बधाई देता है (लंबी कहानी) और Riooloctopus, opsporen van foutieve aansluitingen vanuit het rioool (क्षेत्र कार्य की लघु फिल्म)
- मैट्स वोसे, रेमी शिल्परोर्ट, कॉर्नेलिस डी हान, जाप निएनहुइस, मार्सेल तिरिओन और जेरोएन लैंगवेल्ड, डीटीएस निगरानी परिणामों की प्रोसेसिंग: अवैध कनेक्शन, जल अभ्यास और प्रौद्योगिकी का स्वचालित पता लगाना /wpt0080037.htm
आग का पता लगाना
- व्यापक अग्नि परीक्षण सड़क और रेल सुरंग (पेपर) में डीटीएस के उपयोग को साबित करते हैं
- इंटरनेशनल कांफ्रेंस ऑन ऑटोमैटिक फायर डिटेक्शन (AUBE'04) में प्रकाशित पेपर; डुइसबर्ग विश्वविद्यालय;
- यूरोपीय पहल सॉलिट - सुरंगों में जीवन की सुरक्षा
- कन्वेयर बेल्ट सिस्टम (पेपर) के पास सुलगती आग का शुरुआती पता लगाना
यह भी देखें
- वितरित ध्वनिक संवेदन
- फाइबर ब्रैग झंझरी
- फाइबर ऑप्टिक सेंसर
- समय-क्षेत्र परावर्तक
- लॉगिंग
- डब्ल्यूआईटीएसएमएल
संदर्भ
- ↑ Hartog, Arthur H. (2017). An introduction to distributed optical fibre sensors. Boca Raton. ISBN 978-1-138-08269-4. OCLC 960843043.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link) - ↑ Thomas Lauber; et al. (2018). "Physical Limits of Raman Distributed Temperature Sensing".
- ↑ M.R. García; C. Vilas; J.R. Banga; A.A. Alonso (2007). "Optimal Field Reconstruction of Distributed Process Systems from Partial Measurements". Industrial and Engineering Chemistry Research. 46 (2): 530–539. doi:10.1021/ie0604167. hdl:10261/50413.
- ↑ Henrik Hoff; et al. (2010). "Fibre Optic Linear Heat Detection (DTS) enables Fire Monitoring in Road- and Rail-Tunnels – 4. International Symposium on Tunnel Safety and Security" (PDF).
