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.