RU2848664C1 - Оптоволоконный датчик распределенной температуры и способ его применения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и касается оптоволоконного датчика распределенной температуры с коррекцией показаний. Датчик включает источник оптического излучения, оптический модуль, фотодетектор, аналого-цифровой преобразователь, цифровой процессор. Оптический модуль выполнен с возможностью выделения по крайней мере Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратно рассеянного излучения. Цифровой процессор выполнен с возможностью хранения цифровых сигналов первоначальной Рэлеевской компоненты, обработки полученных цифровых сигналов, расчета коррекционных коэффициентов и расчета температуры с учетом полученных коррекционных коэффициентов. 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. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении точности и достоверности измерения температуры. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники

[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.

Уровень техники

[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.

[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:

[4] где: I_R и I_ast - интенсивности Рэлеевской и Антистоксовской компонент, λ_ast и λ_R - спектральное положение максимума пика Антистоксовской и Рэлеевской компонент, Т - абсолютная температура, σ_R и σ_ast - коэффициент аттенюации волокна на длине волны Стоксовской и Антистоксовской компонент комбинационного рассеивания, А - сгруппированные постоянные:

[5] где: n - показатель преломления волокна, β - коэффициент изотермического расширения волокна, k - постоянная Больцмана, а это независимые от температуры константы:

[6] где: h - постоянная Планка, c - скорость света, Δv - рамановский сдвиг.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

Сущность изобретения

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[34] Также в данном изобретении заявлен способ применения оптоволоконного датчика распределенной температуры для достижения технического результата, состоящего из последовательных этапов, на которых:

[35] Сначала генерируют импульс оптического излучения с помощью источника сфокусированного оптического излучения.

[36] Далее направляют импульс оптического излучения через оптический модуль в чувствительное оптоволокно.

[37] После направляют или направляют и разделяют обратно рассеянное оптическое излучение на фотодетектор или фотодетекторы при помощи оптического модуля.

[38] После регистрируют по крайней мере Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора или фотодетекторов.

[39] Затем преобразовывают аналоговые сигналы с фотодетектора или фотодетекторов в цифровые сигналы при помощи аналого-цифрового преобразователя.

[40] После чего отправляют цифровой сигнал или цифровые сигналы компонент обратно рассеянного оптического излучения в цифровой процессор.

[41] Далее обрабатывают полученные цифровые сигналы при помощи цифрового процессора путем получения рефлектограмм и расчета коррекционных коэффициентов.

[42] И в конце рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора на основе полученных рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.

[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.

[44] Также способ отличается тем, что отправляют стартовый сигнал на источник сфокусированного оптического излучения и аналого-цифровой преобразователь при помощи цифрового процессора.

[45] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора.

[46] Также способ отличается тем, что выделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи оптического модуля.

[47] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора.

[48] Также способ отличается тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора на основе Антистоксовской и Стоксовской рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.

[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.

Описание чертежей

[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:

[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.

[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.

[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.

[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.

Подробное описание изобретения

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[71] Также в данном изобретении заявляется способ применения оптоволоконного датчика распределенной температуры для достижения технического результата, состоящего из последовательных этапов, на которых:

[72] Генерирует импульс оптического излучения с помощью источника сфокусированного оптического излучения 1.

[73] Далее направляют импульс оптического излучения через оптический модуль 2 в чувствительное оптоволокно 6.

[74] Направляют или направляют и разделяют обратно рассеянное оптическое излучение на фотодетектор или фотодетекторы при помощи оптического модуля.

[75] Регистрируют по крайней мере Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора 3 или фотодетекторов 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.

[77] Отправляют цифровой сигнал или цифровые сигналы компонент обратно рассеянного оптического излучения в цифровой процессор 5.

[78] Обрабатывают полученный цифровой сигнал или сигналы при помощи цифрового процессора 5 путем получения рефлектограмм и расчета коррекционных коэффициентов.

[79] Рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора 5 на основе полученных рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.

[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.

[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.

[82] Также способ отличается тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора 5 на основе Антистоксовской и Рэлеевской рефлектограмм с учетом полученных коррекционных коэффициентов.

[83] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора 3.

[84] Также способ отличается тем, что выделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи оптического модуля 2.

[85] Также способ отличается тем, что регистрируют и спектрально разделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора 3.

[86] Также способ отличается тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора 5 на основе Антистоксовской и Стоксовской рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.

[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.

[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.

[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.

[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.

[91] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в повышении точности и достоверности измерений температуры с сохранением простоты конструкции.

[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.

Claims (34)

1. Оптоволоконный датчик распределенной температуры с коррекцией показаний, включающий:

- 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 крайне 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 в каждой точке чувствительного оптоволокна.

2. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что цифровой процессор, аналого-цифровой преобразователь и источник сфокусированного оптического излучения связаны электронными линиями для управления и синхронизации.

3. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что цифровой процессор рассчитывает температуру на основе Антистоксовской и Рэлеевской рефлектограмм с учетом полученных коррекционных коэффициентов.

4. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что цифровой процессор выполнен на базе персонального компьютера, ноутбука, ЭВМ, микроконтроллера или программируемых логических интегральных схем.

5. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что источник сфокусированного оптического излучения сконфигурирован с возможностью генерации лазерных импульсов с частотой от 1 до 40 кГц и с длительностью от 2 до 100 нс.

6. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что фотодетектор выполнен с возможностью регистрации и спектрального разделения Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания.

7. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что фотодетекторы выполнены с возможностью отдельной регистрации Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания.

8. Оптоволоконный датчик температуры по п. 1, отличающийся тем, что оптический модуль выполнен с возможностью выделения Антистоксовской, Стоксовской и Рэлеевской компонент обратно рассеянного излучения.

9. Оптоволоконный датчик температуры по п. 8, отличающийся тем, что фотодетекторы выполнены с возможностью отдельной регистрации Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания.

10. Оптоволоконный датчик температуры по п. 8, отличающийся тем, что фотодетектор выполнен с возможностью регистрации и спектрального разделения Стоксовской, Антистоксовской и Рэлеевской компонент обратного рассеивания.

11. Оптоволоконный датчик температуры по пп. 8-10, отличающийся тем, что цифровой процессор выполнен с возможностью расчета температуры на основе Антистоксовской и Стоксовской рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.

12. Оптоволоконный датчик температуры по пп. 6, 10, отличающийся тем, что цифровой процессор выполнен с возможностью разделения цифрового сигнала обратно рассеянного излучения на компоненты и их интегрирования в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах.

13. Способ применения оптоволоконного датчика распределенной температуры, по которому:

- генерируют импульс оптического излучения с помощью источника сфокусированного оптического излучения;

- направляют импульс оптического излучения через оптический модуль в чувствительное оптоволокно;

- направляют обратно рассеянное оптическое излучение на фотодетектор или фотодетекторы при помощи оптического модуля;

- регистрируют по крайней мере Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора или фотодетекторов;

- преобразовывают аналоговые сигналы с фотодетектора или фотодетекторов в цифровые сигналы при помощи аналого-цифрового преобразователя;

- отправляют цифровой сигнал или цифровые сигналы компонент обратно рассеянного оптического излучения в цифровой процессор;

- обрабатывают полученные цифровые сигналы при помощи цифрового процессора путем получения рефлектограмм и расчета коррекционных коэффициентов;

- рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора на основе полученных рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов;

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.

14. Способ применения оптоволоконного датчика температуры по п. 13, отличающийся тем, что отправляют стартовый сигнал на источник сфокусированного оптического излучения и аналого-цифровой преобразователь при помощи цифрового процессора.

15. Способ применения оптоволоконного датчика температуры по п. 13, отличающийся тем, что регистрируют и спектрально разделяют Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора.

16. Способ применения оптоволоконного датчика температуры по п. 13, отличающийся тем, что выделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи оптического модуля.

17. Способ применения оптоволоконного датчика температуры по п. 16, отличающийся тем, что регистрируют и спектрально разделяют Стоксовскую, Антистоксовскую и Рэлеевскую компоненты обратно рассеянного оптического излучения при помощи фотодетектора.

18. Способ применения оптоволоконного датчика температуры по пп. 16, 17, отличающийся тем, что рассчитывают температуру при помощи цифрового процессора на основе Антистоксовской и Стоксовской рефлектограмм с учетом коррекционных коэффициентов.

19. Способ применения оптоволоконного датчика температуры по пп. 15, 17, отличающийся тем, что разделяют цифровой сигнал обратно рассеянного излучения на компоненты и интегрируют их в определенных для каждой компоненты спектральных диапазонах при помощи цифрового процессора.