분산 온도 감지

분산형 온도 감지 시스템(DTS)은 선형 센서로서 기능하는 광섬유를 이용하여 온도를 측정하는 광전자 소자다. 광학 센서 케이블을 따라 온도가 기록되므로, 지점에서는 온도가 아니라 연속 프로필로 기록된다. 높은 온도 결정의 정확도는 먼 거리에 걸쳐 달성된다. 일반적으로 DTS 시스템은 0.01°C의 분해능에서 ±1°C 이내의 정확도로 1m의 공간 분해능에 대한 온도를 찾을 수 있다. 30km 이상의 측정 거리는 모니터링할 수 있으며, 일부 특수 시스템은 더욱 엄격한 공간 분해능을 제공할 수 있다.

측정 원리—라만 효과

온도나 압력 및 인장력과 같은 물리적 측정 치수는 유리 섬유에 영향을 미칠 수 있으며 섬유 내 빛 전달의 특성을 국소적으로 변화시킬 수 있다. 산란을 통해 석영 유리섬유에 있는 빛을 감쇠시킨 결과, 광섬유가 선형 센서로 채용될 수 있도록 외부 물리적 효과의 위치를 파악할 수 있다. 광섬유들은 도핑된 석영 유리로 만들어진다. 쿼츠 글라스는 비정형 고체 구조를 가진 이산화규소₂(SiO)의 일종이다. 열효과는 고체 내에서 격자 진동을 유도한다. 빛이 이러한 열적으로 흥분한 분자 진동 위에 떨어지면, 빛 입자(광자)와 분자의 전자 사이에 상호작용이 일어난다. 라만 산란이라고도 알려진 빛 산란은 광섬유에서 발생한다. 이 산란된 빛은 입사광과 달리 격자 진동수의 공명 주파수에 상당하는 양만큼 스펙트럼의 변화를 겪는다. 따라서 광섬유로부터 다시 산란되는 빛은 다음과 같은 세 가지 스펙트럼 공유를 포함한다.

사용된 레이저 소스의 파장과 함께 Rayleigh 산란,
광자의 스톡스 선 성분이 더 긴 파장(저주파수)으로 이동했으며
광자가 있는 안티 스톡스 라인 구성 요소는 Rayleigh 산란보다 짧은 파장(높은 주파수)으로 이동했다.

이른바 안티 스톡스 밴드의 강도는 온도에 의존하는 반면, 이른바 스톡스 밴드는 사실상 온도와 무관하다. 광섬유의 국부 온도는 안티 스톡스와 스톡스 광도의 비율에서 도출된다.

측정 원리—OTDR 및 OFDR 기술

분산 센싱 기술에 대한 측정의 기본 원리는 OTDR(광학 시간 영역 반사 측정)과 OFDR(광학 주파수 영역 반사 측정)이다. 분산 온도 감지에는 종종 두 원칙의 요소를 전달하는 코드 상관 관계 기술이 사용된다^[1]^[2]^[3].

OTDR은 20여 년 전에 개발되었으며, Raman 신호에 비해 매우 우세한 Rayleigh 역스크래터 신호에 비해 이를 감지하는 통신 손실 측정의 업계 표준이 되었다. OTDR의 원리는 매우 간단하며 레이더에 사용되는 비행 측정 시간과 매우 유사하다. 기본적으로 반도체나 솔리드 스테이트 레이저에 의해 생성된 좁은 레이저 펄스가 섬유로 보내지고 백스캐터된 빛을 분석한다. 백스캐터된 빛이 감지 장치로 되돌아오는 시간부터 온도 사건의 위치를 찾을 수 있다.

대체 DTS 평가 장치는 OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry) 방법을 배치한다. OFDR 시스템은 전체 측정 시간 동안 감지된 백스캐터 신호를 복잡한 방식으로 주파수의 함수로 측정한 후 푸리에 변환을 받아야만 국부적 특성에 대한 정보를 제공한다. OFDR 기술의 기본 원리는 레이저가 사용하는 준 연속파 모드와 광학 백스캐터 신호의 협대역 검출이다. 이는 기술적으로 어려운 Raman 산란 광선 측정과 다소 복잡한 신호 처리에 의해 상쇄되며, 전자 부품에 대한 더 높은 선형성 요건이 있는 FFT 계산 때문이다.

코드 상관 DTS는 제한된 길이의 연속/오프 시퀀스를 섬유로 전송한다. 코드는 바이너리 골레이 코드와 같은 적절한 속성을 갖도록 선택된다. OTDR 기술과 대조적으로 광학 에너지는 단일 펄스로 포장되기 보다는 코드로 분산된다. 따라서 OTDR 기술에 비해 피크 전력이 낮은 광원을 사용할 수 있다(예: 장수명 콤팩트 반도체 레이저). 감지된 백스캐터를 OFDR 기술과 유사하게 공간 프로파일로 다시 변환해야 한다(예: 교차 상관). OFDR 기술과 대조적으로 방출은 유한하다(예: 128비트). 단거리에서 강한 산란 신호에 의해 먼 곳의 약한 산란 신호가 중첩되는 것을 방지하여 샷 노이즈와 신호 대 잡음 비를 개선한다.

이러한 기법을 사용하여 한 시스템에서 30km 이상의 거리를 분석하고 0.01°C 미만의 온도 분해능을 측정할 수 있다.

센싱케이블 구축 및 시스템 통합

온도 측정 시스템은 컨트롤러(코드 상관 또는 변조기의 경우 레이저 소스, OPDR 또는 코드 생성기의 경우 펄스 발생기, OFDR, 광학 모듈, 수신기 및 마이크로프로세서 유닛의 경우 HF 믹서)와 라인 형태의 온도 센서로서 쿼츠 유리 섬유로 구성된다. 광섬유 케이블(길이^[4] 70km일 수 있음)은 자연적으로 수동적이며 개별 감지 지점이 없으므로 표준 통신 섬유에 기초하여 제조할 수 있다. 이것은 훌륭한 규모의 경제를 제공한다. 시스템 설계자/통합기는 각 감지 지점의 정확한 위치에 대해 걱정할 필요가 없기 때문에 분산형 광섬유 센서를 기반으로 하는 감지 시스템의 설계 및 설치 비용이 기존 센서의 그것보다 크게 절감된다. 또한 감지 케이블은 움직이는 부품과 설계 수명이 30년 미만이기 때문에 유지보수 및 운용 비용도 기존 센서에 비해 상당히 적다. 광섬유 감지 기술의 또 다른 이점은 전자기 간섭, 진동에 대한 내성이 있고 위험 구역에서 사용하기에 안전하다는 것이다(레이저 전력이 발화를 일으킬 수 있는 수준 이하로 떨어짐). 따라서 이러한 센서는 산업용 감지 애플리케이션에 사용하기에 이상적이다.

감지 케이블의 구조와 관련하여, 표준 광섬유를 기반으로 하지만 광섬유를 위한 적절한 보호가 제공되도록 개별 감지 케이블의 설계에 주의를 기울여야 한다. 이는 작동 온도(표준 케이블이 85 °C까지 작동하지만 정확한 설계로 최대 700 °C까지 측정할 수 있음), 기체 환경(실리카 유리 화합물의 "수소 검게" - 일명 감쇠 -로 불림) 및 기계적 보호를 고려해야 한다.

이용 가능한 대부분의 DTS 시스템은 유연한 시스템 아키텍처를 가지고 있으며 SCADA와 같은 산업 제어 시스템에 통합하는 것이 비교적 간단하다. 석유 및 가스 산업에서는 DTS 기기에서 데이터를 전송하기 위해 XML 기반 파일 표준(WITSML)이 개발되었다. 그 표준은 에너지틱스에 의해 유지된다.

레이저 안전 및 시스템 작동

광학 DTS 등 광학적 측정에 기반한 시스템을 운용할 때는 영구설치 시 레이저 안전요건을 고려할 필요가 있다. 많은 시스템은 레이저 안전 등급 1M으로 분류되는 등 저전력 레이저 설계를 사용하며, 누구나 적용할 수 있다(승인된 레이저 안전 담당자는 필요 없음). 일부 시스템은 3B 등급의 고출력 레이저를 기반으로 하며, 승인된 레이저 안전 담당자가 사용하기에 안전하지만 영구 설치에 적합하지 않을 수 있다.

순수하게 패시브 광학 센서 기술의 장점은 전기적 또는 전자기적 상호작용의 부족이다. 시판 중인 일부 DTS 시스템은 특수 저전력 설계를 사용하며, 예를 들어 ATEX 지침 구역 0에 따라 인증된 폭발성 환경에서 본질적으로 안전하다.

화재 감지 애플리케이션에 사용하기 위해, 규제는 일반적으로 EN 54-5 또는 EN 54-22 (유럽), UL521 또는 FM (미국), cUL521 (캐나다) 및/또는 기타 국가 또는 지역 표준과 같은 관련 표준에 따른 인증된 시스템을 요구한다.

DTS를 사용한 온도 추정

온도 분포는 적절한 직교 분해 방법 또는 주성분 분석에 기초한 모형을 개발하는 데 사용할 수 있다. 이를 통해 몇 개의 공간적 위치에서만 측정하여 온도 분포를 재구성할 수 있다.

적용들

분산 온도 감지 기능은 여러 산업 부문에 성공적으로 배치될 수 있다.

석유 및 가스 생산—영구적인 다운홀 모니터링, 코일 튜브 광학 지원 배치 개입 시스템, 매끄러운 광케이블 배치 개입 시스템.
전원 케이블 및 변속기 라인 모니터링(암페어 최적화)
터널,^[6] 산업용 컨베이어 벨트 및 특수 위험 건물에서의 화재 감지
산업유도로 감시
액화천연가스(LNG) 운반체 및 단자의 무결성
둑 및 댐의 누설탐지
송전 파이프라인을 포함한 플랜트 및 프로세스 엔지니어링에서의 온도 모니터링
저장 탱크 및 용기

최근에는 DTS가 생태 모니터링에도 적용되었다.

스트림 온도
지하수 발생원 검출
광산 갱도와 호수 및 빙하의 온도 프로파일
다양한 잎 밀도의 깊은 열대우림 주변 온도
오스트레일리아 지하 갱도의 온도 프로파일
접지 루프 열교환기의 온도 프로파일(접지 연결 냉난방 시스템에 사용)

전원 케이블 모니터링 중

생태 모니터링에서

타일러, S.W.J.S.셀커, M.B.하우스너, C.E. 해치, T. 토르거슨과 S. 슐라도. 2009. Raman 스펙트럼 DTS 광섬유 방법을 사용한 환경 온도 감지. 수자원 재량:10.1029/2008WR007052.
Selker, J.S., N. van de Giesen, M. Westhoff, W. Luxemburg, M. Parlange. 광섬유가 스트림 다이내믹스의 창을 연다. 지구물리학적 연구서, doi:10.1029/2006GLO27979, 2006
셀커, J.S., L. 테베나즈, H. 휴왈드, A. 말렛, W. 룩셈부르크, N. 반 데 기센, M. 스테즈칼, J. 제만, M. Westhoff, 그리고 M.B. Parlange.수문학적 시스템을 위한 분산 광섬유 온도 감지. 수자원 연구, 42, W12202, doi:10.1029/2006WR005326, 2006
타일러, S.W, S. 부락, J. 맥나마라, A. 라몬테뉴, J. 셀커, J. 도지에. 2008. 광섬유센서로 측정된 두 개의 산 제설대 밑부분에 공간적으로 분산된 온도. 빙하학 저널 54(187):673-679

파이프라인 누출 감지 중

가스관 누수 및 지반 이동 감지 사례 연구

하수관내 모니터링

O.A.C. Hoes, R.P.S. Schilperoort, W.M.J. 룩셈부르크, F.H.L.R. 클레멘스와 N.C 반 데 지센. 광섬유 분산 온도 감지를 사용하여 급수 하수구에서 불법 연결 위치 확인 Water Research, 제43권, 제20권, 제20호, 2009년 12월, 페이지 5187-5197 doi:10.1016/j.watres.2009.08.020
R.P.S. Schilperoort, F.H.L.R. 클레멘스, 복합하수관 시스템에서의 광섬유 분산 온도 감지, 물 과학 기술. 2009;60(5):1127-34.doi: 10.2166/wst.2009.467.
Nienhuis J, de Han CJ, Langeveld JG, Klootwijk M, Clemens FHLR. 불법 연결 감지를 위한 광섬유 분산 온도 감지의 검출 한계 평가. 물 과학과 기술. 2013;67(12):2712-8.doi:10.2166/wst.2013.1987
Langeveld JG, de Han CJ, Klootwijk M, Schilperoort RPS. 분산 온도 감지 기능을 통해 매니폴드를 분리하는 폭풍수의 성능 모니터링물 과학과 기술. 2012;66(1):1996-50. doi: 10.2166/wst.2012.1987.
슐페로트 RPS, 호페 H, 드 하안 CJ, 랭겔드 JG. 광섬유 분산온도감지를 이용한 오염하저 내 폭풍수 유입 검색물 과학과 기술. 2013;68(8):1723-30. 도이: 10.2166/wst.2013.419.
movie which illustrates the application of DTS in sewers by use of the SewerOctopus of Royal HaskoningDHV Royal HaskoningDHV congratulates Egmond aan Zee with achieving the Blue Flag (longer story) and Riooloctopus, opsporen van foutieve aansluitingen vanuit het riool (short movie of field work)
Mats Vosse, Rémy Schilperoort, Cornelis de Haan, Jaap Nienhuis, Marcel Tirion 및 Jeroen Langeveld, DTS 모니터링 결과 처리: 불법 연결의 자동 탐지, 물 사용 및 기술 [1]

화재탐지중

참고 항목

참조

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^ Henrik Hoff; et al. (2010). "Fibre Optic Linear Heat Detection (DTS) enables Fire Monitoring in Road- and Rail-Tunnels – 4. International Symposium on Tunnel Safety and Security" (PDF).

[cc_art-1] Nazarathy, M.; Newton, S. A.; Giffard, R. P.; Moberly, D. S.; Sischka, F.; Trutna, W. R.; Foster, S. (January 29, 1989). "Real-time long range complementary correlation optical time domain reflectometer". Journal of Lightwave Technology. 7 (1): 24–38. doi:10.1109/50.17729.

[cc_pata-2] 2013-10-05년 Wayback Machine, 특허에 보관된 광학 시간 영역 반사 측정 수행 방법 및 장치

[cc_patb-3] 1차 및 2차 산점신호에 기초한 광학적 반사측정 분석, 특허

[4] Thomas Lauber; et al. (2018). "Physical Limits of Raman Distributed Temperature Sensing".

[5] M.R. García; C. Vilas; J.R. Banga; A.A. Alonso (2007). "Optimal Field Reconstruction of Distributed Process Systems from Partial Measurements". Industrial and Engineering Chemistry Research. 46 (2): 530–539. doi:10.1021/ie0604167. hdl:10261/50413.

[6] Henrik Hoff; et al. (2010). "Fibre Optic Linear Heat Detection (DTS) enables Fire Monitoring in Road- and Rail-Tunnels – 4. International Symposium on Tunnel Safety and Security" (PDF).

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