Die verteilte Temperaturmessung (engl. Distributed Temperature Sensing, DTS) bietet präzise Temperaturdaten für die thermische Überwachung, Branderkennung und Zustandsbewertung durch den Einsatz handelsüblicher Glasfaserkabel. Diese faseroptischen Systeme analysieren das Temperaturprofil einer Anlage exakt, indem sie die Interaktion von Licht mit der Glasfaserstruktur auswerten. Die Echtzeitüberwachung entlang des Glasfaserkabels liefert entscheidende Informationen, um präventive oder korrigierende Maßnahmen bei Anlagen wie Stromkabeln, Pipelines oder Tunneln zu initiieren oder zu optimieren.
Funktionsweise der verteilten Temperaturmessung
Die verteilte Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) nutzt handelsübliche Glasfasern, die oft mehrere hundert Kilometer lang sind, als lineare Temperatursensoren. Diese Technologie ermöglicht ein hochaufgelöstes Temperaturprofil entlang des gesamten Sensorkabels, mit einer räumlichen Auflösung von bis zu einem Meter.
Lichtstreuung in der Faseroptik, OTDR
Die DTS-Technologie nutzt entweder Raman- oder Brillouin-Streuung in der Faseroptik. Dabei wird ein Laserpuls periodisch in die Glasfaser eingespeist, wobei ein kleiner Teil des Lichts durch die Wechselwirkung mit der Glasstruktur zurückgestreut wird. Dieses gestreute Licht kehrt zum DTS-Messinstrument zurück und wird dort kontinuierlich analysiert. Die Position der Temperaturmessung wird anhand der Laufzeit des zurückkehrenden Lichts bestimmt, ähnlich wie bei der Radar-Echo-Analyse. Dieses Verfahren wird als optische Zeitbereichsreflektometrie (Optical Time Domain Reflectometry, OTDR) bezeichnet. Eine alternative, technisch abweichende Methode ist die optische Frequenzbereichsreflektometrie (Optical Frequency Domain Reflectometry, ODFR), die mathematisch jedoch äquivalent ist. Um große Entfernungen mit dem besten Signal-Rausch-Verhältnis zu überwinden, ist das Zeitbereichsverfahren (OTDR) aufgrund seines geringeren Schrotrauschens besonders vorteilhaft.
Temperaturüberwachung mit Raman-basierten DTS-Systemen
In Raman-basierten DTS-Systemen dient das Intensitätsverhältnis zwischen Raman-Anti-Stokes- und Stokes-Signalen zur Bestimmung der Temperatur entlang der optischen Faser. Das Raman-Anti-Stokes-Signal reagiert dabei deutlich empfindlicher auf Temperaturveränderungen, während das Raman-Stokes-Signal als stabile Referenz fungiert.
AP Sensing nutzt die Raman-OTDR-Technologie, deren Leistung durch die firmeneigene Code-Correlation-Technologie (CC) deutlich verbessert wird. Die Integration der CC-OTDR bietet mehrere Vorteile: Sie steigert das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich, was zu einer verbesserten Temperaturauflösung und Reichweite führt. Zudem ermöglicht sie den Betrieb mit geringer optischer Leistung, wodurch die Laserdegradation minimiert wird. Dies macht die AP Sensing DTS-Systeme besonders sicher, auch in EX-klassifizierten Umgebungen.
Ein patentiertes Einzel-Empfänger-Design gewährleistet zudem eine hervorragende Stabilität der relativen Amplituden beider Signale und damit eine präzise Temperaturmessung. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist die außergewöhnliche Systemzuverlässigkeit. Das System bleibt unempfindlich gegenüber Faserdehnungen, die ansonsten die Messergebnisse verfälschen könnten.
Das Raman-System ist resistent gegen mechanische Belastungen der Sensorfaser, was eine zuverlässige Temperaturmessung selbst unter mechanischer Spannung gewährleistet. Dies ist besonders vorteilhaft im Vergleich zu anderen Signalen wie Rayleigh- oder Brillouin-Signalen, die bei mechanischen Einflüssen zu ungenauen Messergebnissen führen können.
So funktioniert Distributed Temperature Sensing (DTS) per Raman-Reflektometrie:
Temperaturüberwachung mit Brillouin-basierten DTS-Systemen
In Brillouin-basierten DTS-Systemen wird die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Brillouin-Signals als zentrale Messgröße genutzt. Diese sogenannte Brillouin-Frequenz ist empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen. AP Sensing setzt die Brillouin-OTDR-Technologie ein. In der Praxis ist darauf zu achten, dass Faserdehnungen durch geeignete Loose-Tube-Designs minimiert werden, da die Brillouin-Frequenz auch auf mechanische Belastungen reagiert.
Ein wesentlicher Vorteil der Brillouin-OTDR-Technologie ist das deutlich stärkere Rückstreusignal, das größere Messreichweiten ermöglicht und sich besonders für die Überwachung von langen Anlagen eignet. Zudem bietet sie eine hohe räumliche Auflösung über große Distanzen sowie die gleichzeitige Messung von Temperatur und Dehnung.
Nutzen & Vorteile der verteilten faseroptischen Temperaturmessung
Kontinuierliche Temperaturprofilmessung
DTS-Systeme bieten durchgängige thermische Informationen, wodurch Temperaturabweichungen präzise erkannt und lokalisiert werden können. Mit einer Abdeckung von mehreren Dutzend Kilometern pro Messeinheit und der Bereitstellung von Echtzeitdaten ermöglicht diese Technologie die exakte Erkennung von Hotspots, Bränden oder anderen thermischen Abweichungen, die auf Fehler oder Probleme hinweisen. Darüber hinaus erleichtern die kontinuierlich bereitgestellten Temperaturinformationen eine optimierte Steuerung von Abkühlvorgängen. Diese Funktion ist besonders wertvoll für die Industrie, da sie eine lückenlose Überwachung entlang der gesamten Faserlänge ermöglicht und so die Erkennung von Anomalien, die Verbesserung der Betriebseffizienz und eine präzise Temperaturkontrolle in zahlreichen Anwendungen unterstützt.
Maximale Zuverlässigkeit unter rauen oder explosiven Bedingungen
DTS-Systeme haben sich in rauen, industriellen Umgebungen wie Hitze, Schmutz, Staub und Korrosion als äußerst zuverlässig bewährt. Dank der optischen Fasern in der Sensorik sind diese Systeme korrosionsfrei und eigensicher in explosionsgefährdeten Bereichen.
Abhängig vom Kabeldesign und der Faserbeschichtung können DTS-Anwendungen einen breiten Temperaturbereich von -185 °C (-300 °F) bis +750 °C (+1400 °F) und darüber hinaus abdecken.
Immunität gegen elektromagnetische Störungen
Die Verwendung optischer, nichtleitender Fasern macht den Sensor unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI oder RFI). Diese Immunität beruht auf der Nutzung von Licht in Glasfasern zur Messung und Signalübertragung, anstelle von elektrischen Spannungs- oder Stromsignalen, die anfällig für Beeinträchtigungen durch elektromagnetische Felder oder Hochfrequenzstörungen sind. Dadurch wird eine zuverlässige Temperaturmessung auch in Umgebungen mit starkem elektromagnetischem Rauschen sichergestellt.
Hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit
DTS-Systeme liefern präzise und zuverlässige Temperaturmessungen für detaillierte Analysen. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit erkennen sie selbst geringste Temperaturveränderungen, was insbesondere für die vorausschauende Wartung von Vorteil ist. Diese Systeme sind daher ideal für Anwendungen, bei denen kleine Temperaturschwankungen entscheidend sind, wie z. B. in industriellen Prozessen, der Forschung oder bei der Überwachung der Vergrabungstiefe von Unterwasserkabeln.
Kosteneffizienz und geringe Wartungsanforderungen
Ein DTS-System ist vollständig verteilt, was bedeutet, dass es auf Temperaturänderungen an jedem Punkt des Kabels gleichmäßig reagiert. Das Ergebnis ist ein kontinuierliches Temperaturprofil entlang der gesamten Glasfaserkabellänge. Dies bietet einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Sensoren in vielen Anwendungen. Durch den Einsatz eines einzigen passiven Glasfaserkabels über große Distanzen lassen sich Ausrüstungs- und Installationskosten einsparen, da mehrere herkömmliche Sensoren überflüssig werden. Zudem minimiert der geringe Wartungsaufwand die Betriebskosten und steigert die langfristige Kosteneffizienz.
Anwendungsbereiche
Die verteilten Temperaturmessungen (Distributed Temperature Sensing, DTS) sind für die anspruchsvollsten Anwendungen unverzichtbar. Sie tragen zur Verbesserung der Sicherheit, der Betriebsfähigkeit und der Temperaturüberwachung in schwierigen Betriebsumgebungen bei.
Anwendungen der verteilten Temperaturmessung
DTS-Systeme finden in einer Vielzahl von Anwendungen Einsatz, darunter die Temperaturüberwachung für Energieversorger, Pipelines, Bohrschächte, Lagerstätten und in der geothermischen Überwachung. Ihr großer Vorteil liegt in ihrem wartungsarmen Betrieb und der einfachen Integration in bestehende betriebliche Systeme.
Einige der wichtigsten Anwendungen von verteilten Temperaturmesssystemen umfassen:
DTS-Systeme von AP Sensing
DTS N45-Serie
AP Sensing erfüllt mit seinen Systemen alle Anforderungen dieser Märkte. Unsere DTS N45-Serie ist so entwickelt, dass sie in allen Umgebungen eingesetzt werden kann – von der Wüste bis zur Arktis. Branchenführende Zertifizierungen und strenge Typentests garantieren höchste Produktqualität und Langlebigkeit.
DTS N62-Serie
Die innovative DTS N62-Serie ist ein Beweis für modernste Technik. Durch die Nutzung der fortschrittlichen Fähigkeiten der B-OTDR-Technologie gewährleistet dieses DTS-System eine außergewöhnliche Messleistung bei der Überwachung langer Anlagen.
Erweitertes DTS (eDTS)
Umfassende Überwachungslösung in Kombination mit verteilter akustischer Sensorik
Die Kombination von verteilter Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) und verteilter Akustikmessung (Distributed Acoustic Sensing, DAS) in der erweiterten verteilten Temperaturmesslösung (eDTS) bietet eine robuste und umfassende Überwachungslösung. Diese Integration erfasst sowohl Temperaturschwankungen als auch akustische Anomalien und verbessert so die Analyse, den Schutz und die Optimierung von Infrastrukturen. Ein Raman-basiertes DTS liefert präzise absolute Temperaturmessungen, während DAS mit der verteilten Temperaturgradientenmessung (DTGS) ultraschnelle und genaue Erkennung kleinster Temperaturveränderungen ermöglicht. Die Kombination dieser Technologien steigert die Reaktionszeit und Temperaturauflösung erheblich und bietet im Vergleich zu herkömmlichem DTS erweiterte Messmöglichkeiten über große Distanzen. Ein eDTS ist besonders vorteilhaft für die präzise Temperaturüberwachung über sehr große Entfernungen, z. B. über 50 km, und ideal für Anwendungen wie die Überwachung von Stromkabeln und die Leckerkennung in Öl- und Gaspipelines.
Mit einer bewährten Erfolgsgeschichte und kontinuierlicher Innovation bietet AP Sensing eine vollständig integrierte End-to-End-Lösung „Made in Germany“. Unser Team arbeitet mit Ihnen zusammen, um die richtige Technologiekombination für Ihre Anforderungen auszuwählen.
Wesentliche Erkenntnisse
Zusammenfassend revolutionieren verteilte faseroptische Temperatursensoren die Temperaturüberwachung. Mit ihrer kontinuierlichen, verteilten Temperaturmessung, Echtzeit-Datenerfassung und Reichweiten von Dutzenden Kilometern bieten sie vielseitige Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Technologien wie die optische Raman-Zeitbereichsreflektometrie (optical time domain reflectometry, OTDR) und die Code-Correlation-Technologie (CC) ermöglichen präzise Temperaturmessungen über große Distanzen und verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis, die Temperaturauflösung und die Reichweite erheblich.
Ob bei der Überwachung von Stromkabeln, der Lecksuche in Pipelines oder in der Öl- und Gasförderung – faseroptische Temperatursensoren bleiben ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Temperaturüberwachungssysteme.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Dieser FAQ-Bereich bietet praxisnahe, herstellerneutrale Informationen zur Unterstützung von Ingenieuren, Anwendern und Entscheidern im Umgang mit verteilter faseroptischer Sensorik (DFOS).
Er wurde inhaltlich begleitet von Dr. Gregor Cedilnik, Principal Research Scientist bei AP Sensing und ausgewiesener Experte im Bereich verteilte faseroptische Sensorik. Mit jahrzehntelanger Erfahrung in den Bereichen Faseroptik, Photonik und DFOS-Systementwicklung hat er zahlreiche Fachpublikationen und Patente verfasst und die Entwicklung zentraler Plattformen von AP Sensing maßgeblich mitgestaltet.
Was ist verteilte Temperaturmessung (DTS)?
Verteilte Temperaturmessung (engl. Distributed Temperature Sensing, DTS) nutzt eine Glasfaser als kontinuierlichen Temperatursensor. Ein Lichtpuls wird durch die Faser gesendet und rückgestreutes Licht wird analysiert, um ein Temperaturprofil über die gesamte Faserlänge, oft über viele Kilometer hinweg, zu erstellen. So können Temperaturveränderungen, einschließlich Hotspots und Kältebereiche, präzise erkannt und lokalisiert werden.
Wie funktioniert ein Raman-basiertes DTS?
Ein Raman-basiertes DTS misst das Verhältnis zweier Rückstreukomponenten: Stokes und Anti-Stokes. Deren Intensitätsverhältnis verändert sich temperaturabhängig. Mithilfe von optischer Zeitbereichsreflektometrie (engl. Optical Time Domain Reflectometry, ODTR) wird die Laufzeit des Lichts in eine Position entlang der Faser umgerechnet. Auf diese Weise entsteht ein Temperaturprofil über die gesamte Faserlänge.
Wie unterscheidet sich ein Brillouin-basiertes DTS von einem Raman-basierten?
Ein Brillouin-DTS gewinnt Temperaturinformationen aus der Frequenzverschiebung und/oder Signalstärke des rückgestreuten Brillouin-Signals.
Da das Brillouin-Signal sowohl auf Temperatur als auch auf Dehnung reagiert, werden Systemdesign, Kabelauswahl und Signalverarbeitungstechniken gezielt eingesetzt, um diese Effekte zu trennen oder zu kompensieren.
Verfahren wie die Brillouin-basierte optische Zeitbereichsreflektometrie (engl. Brillouin Optical Time Domain Reflectometry, BOTDR) eignen sich besonders für große Reichweiten und ermöglichen die kombinierte Temperatur- und Dehnungsmessung (DTSS).
Raman vs. Brillouin: Wann sollte welche Technologie eingesetzt werden?
- Raman-DTS: Eignet sich für robuste (dehnungsunempfindliche) Temperaturmessungen über lange Distanzen mit einfacher Kalibrierung.
- Brillouin-DTS: Bietet Vorteile bei sehr großen Reichweiten oder in Anwendungen, bei denen Temperatur- und Dehnungseinflüsse berücksichtigt oder gemeinsam erfasst werden müssen.
Die Entscheidung hängt ab von der erforderlichen Messreichweite, der räumlichen Auflösung, der Aktualisierungsrate und davon, ob Dehnung gemessen oder kompensiert werden soll
Welche Reichweiten und räumlichen Auflösungen sind bei DTS typisch?
Raman-basiertes DTS: In der Regel mehrere Kilometer bis mehrere dutzend Kilometer pro Kanal, mit räumlicher Auflösung im Meterbereich. Auf kürzeren Strecken oder bei spezifischer Konfiguration ist auch eine Submeter-Auflösung möglich.
Brillouin-basiertes DTS: Optimiert für sehr große Reichweiten bei gleichzeitiger Temperaturmessung (und optional Dehnungserfassung). Typischerweise mehrere dutzend Kilometer bei einer Auflösung im Meterbereich. Die tatsächliche Leistung hängt ab von Fasertyp und -qualität, der Streckenführung, dem optischen Dämpfungsbudget, der thermischen Ankopplung sowie den Geräteeinstellungen (z. B. räumliche Auflösung und Messzeit).
Welche Fasertypen werden verwendet?
Die Wahl des Fasertyps hängt vom Messprinzip und der jeweiligen Anwendung ab.
Für Raman-basiertes DTS kommen in der Regel Multimode-Fasern (MMF) zum Einsatz.
Brillouin-basierte DTS-Systeme nutzen dagegen typischerweise Singlemode-Fasern (SMF).
Bei Installationen mit engen Biegeradien helfen biegeunempfindliche Fasertypen, die Signalqualität aufrechtzuerhalten.
In vielen Fällen können vorhandene Glasfasern für die verteilte Temperaturmessung (DTS) verwendet werden.
Die geeignete Faser- und Kabelkonstruktion sollte immer unter Berücksichtigung von Messreichweite, Umgebungsbedingungen und Installationsanforderungen ausgewählt werden.
Welche typischen Anwendungen gibt es für DTS?
Distributed Temperature Sensing (DTS) wird häufig zur Überwachung von Stromkabeln und Umspannwerken, Pipelines und industriellen Prozessen, Lagertanks, Verkehrstunneln und Brücken eingesetzt, sowie in geotechnischen und hydrologischen Projekten.
Diese Anwendungen profitieren von einer kontinuierlichen Temperaturüberwachung, der frühzeitigen Erkennung von Anomalien und der präzisen Lokalisierung von Ereignissen.
Wie schnell werden DTS-Messungen aktualisiert?
Raman-basiertes DTS liefert Temperaturmesswerte typischerweise im Intervall von wenigen Sekunden bis mehrere Minuten. Bei kürzeren Faserlängen und niedrigen Mittelungseinstellungen sind Aktualisierungszeiten von etwa 1 bis 10 Sekunden möglich. Für größere Reichweiten oder höhere räumliche Auflösung werden häufig Intervalle von 10 bis 60 Sekunden (oder länger) eingesetzt, um das Signal-Rausch-Verhältnis (engl. signal-to-noise ratio, SNR) zu verbessern.
Brillouin-basiertes DTS aktualisiert die Messwerte in der Regel im Bereich von Sekunden bis Minuten, abhängig vom jeweiligen BOTDR-Verfahren, der Faserlänge und davon, ob Temperatur und Dehnung gleichzeitig erfasst werden. Sehr große Entfernungen oder hochauflösende Messungen erfordern in der Regel längere Mittelungszeiten, typischerweise zwischen 10 und 120 Sekunden.
Dabei gilt ein grundlegender Zielkonflikt: Kürzere Aktualisierungszeiten führen zu geringerer Mittelung und potenziell höherem Rauschen, während längere Mittelung die Messstabilität erhöht, aber die Reaktionszeit verlängert.
Können vorhandene Telekommunikationsfasern verwendet werden?
Oft ja – sofern die Streckenführung, die optische Dämpfung und der Zugang zur Faser geeignet sind. Die Verwendung ungenutzter Fasern (Dark Fiber) kann die Installationskosten deutlich senken.
Für zuverlässige Messergebnisse sollten jedoch Steckverbinder und Spleißstellen, die thermische Ankopplung an das überwachte Objekt sowie die Umgebungsanforderungen sorgfältig geprüft werden, um Messgenauigkeit und Stabilität sicherzustellen.
Was beeinflusst die Messgenauigkeit und Stabilität eines DTS-Systems?
Die Messgenauigkeit eines DTS-Systems hängt stark von der Qualität der Installation und der Systemkonfiguration ab.
Bei Raman-basiertem DTS beeinflussen insbesondere folgende Faktoren die Messleistung:
- das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), z. B. durch optische Dämpfung, Spleiß- und Steckverbinderqualität
- eine korrekte Kalibrierung des Anti-Stokes/Stokes-Verhältnisses, etwa durch Referenzabschnitte oder bekannte Umgebungstemperaturen
- die Entscheidung für ein- oder doppelseitige Faserankopplung
- die thermische Ankopplung des Sensorkabels an das überwachte Objekt (z. B. Montage, Befestigung, Kabeltyp)
- Geräteeinstellungen wie räumliche Auflösung und Messdauer
- die Durchführung von sorgfältigen Inbetriebnahme-Messungen (Baseline) sowie regelmäßige Verifikationen im Betrieb
Bei Brillouin-basiertem DTS gelten die oben genannten Punkte ebenfalls. Zusätzlich ist auf Folgendes zu achten:
- eine geeignete Trennung von Temperatur- und Dehnungseinflüssen, z. B. durch Referenzfasern oder mechanische Entkopplung
- die Vermeidung unnötiger Zug- oder Druckspannungen während der Verlegung
- eine durchdachte Segmentierung von Messzonen, um Temperatur- und Dehnungseinflüsse gezielt auszuwerten
Wie wird ein DTS-System integriert und visualisiert?
DTS-Daten werden typischerweise in Überwachungssoftware eingebunden, um Echtzeit-Alarme, Trendanalysen und eine kartenbasierte Visualisierung bereitzustellen. Typische Ausgaben sind georeferenzierte Ereignisse, Schwellwertüberschreitungen und Schnittstellen (APIs oder Industrieprotokolle) zur Anbindung an SCADA-, EMS- oder DCS-Systeme.
In sicherheitskritischen Anwendungen, etwa im Bereich der Branderkennung, ermöglichen Relaisausgänge die direkte Alarmweiterleitung an eine Brandmeldezentrale (fire alarm control panel, FACP) oder andere Sicherheitssysteme.
Kann DTS mit anderen verteilten Messverfahren kombiniert werden?
Ja. Die Kombination verschiedener Distributed Fiber Optic Sensing (DFOS)-Verfahren kann in vielen Anwendungen nützlich sein, um ein umfassenderes Bild des Anlagenzustands zu erhalten. Im einfachsten Fall werden DTS, DAS (Distributed Acoustic Sensing) parallel auf separaten Fasern innerhalb desselben Kabels betrieben.
In bestimmten Anwendungen kann Brillouin-basiertes DTS gemeinsam mit DAS (Distributed Acoustic Sensing) auf derselben Singlemode-Faser betrieben werden, vorausgesetzt, die Wellenlängenplanung und Systemarchitektur sind entsprechend abgestimmt. So lassen sich Temperatur- und Vibrations-/Akustikdaten miteinander kombinieren, was eine umfassendere Zustandsdiagnose ermöglicht.