DE10242205B4

DE10242205B4 - Verfahren und Vorrichtung zur räumlich ausgedehnten Erfassung von Betriebszuständen

Info

Publication number: DE10242205B4
Application number: DE10242205.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Glombitza Ulrich
Original assignee: Lios Technology GmbH
Current assignee: Luna Innovations Germany GmbH
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: DE10242205A1

Abstract

Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle (38) eine Strahlung in wenigstens ein langgestrecktes optisches Medium (45) ausgesandt wird, mittels einer ersten Messkanalbaugruppe (14) die von der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) emittierte Strahlung erfasst wird, und über zumindest zwei Messkanalbaugruppen (11, 12) eine Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium (45) erfasst wird, wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheidet, wobei über wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) eine Rückstrahlung eines dritten Spektrums erfasst wird, wobei das dritte Spektrum im wesentlichen einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wird, wobei die weitere Messkanalbaugruppe (13) dafür verwendet wird, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Solche Verfahren und Vorrichtungen umfassen dabei die Auswertung optisch rückgestreuter Signale aus einem optischen Lichtwellenleiter.
Für ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung, z. B. zur Brandüberwachung von Verkehrstunneln, ist ein System sowie ein faseroptisches Kabel beschrieben in der Broschüre FP 595 eD der Siemens Building Technologies AG, Männedorf, CH, wobei das dort beschriebene Lichtleiterkabel eine Röhre aus einem korrosionsbeständigen Stahl aufweist, in dem sich eine oder mehrere Glasfasern befinden, und wobei die Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl mit einer Kunststoffummantelung versehen ist. Die Kunststoffummantelung dient dabei zur Wärmeleitung von Umgebungswärme auf die Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl sowie auch zur Absorption von auftreffender Strahlungswärme, um im Bereich von Wärmestrahlung eine Erwärmung der Röhre aus korrosionsbeständigem Stahl zu erhalten.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlich ausgedehnten Erfassung von Betriebszuständen sind aus der EP 0 692 705 A1 bekannt. Insbesondere sind dort ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Bestimmung eines streckenabhängigen Temperaturprofils entlang eines Lichtwellenleiters ausführlich beschrieben.
Weiterhin ist aus EP 0 692 705 A1 ein solches Verfahren und eine solche Messeinrichtung mit Änderungen zur Bestimmung eines streckenabhängigen Messprofils zur Erkennung einer Einwirkung von Feuchte oder Kräfte auf den Lichtwellenleiter, bekannt.
Dabei basiert das in der EP 0 692 705 A1 beschriebene Verfahren zur Temperaturbestimmung auf der Erfassung der Intensität des Rückstreulichtes im spektralen Raman-Band, während das dort beschriebene Verfahren zur Messung von Feuchte- oder Krafteinwirkung aus der wellenlängenselektiven Auskopplung von Raman-, vorzugsweise Rayleigh-Streulicht erfolgt.
Ein solches Messsystem soll bestehen aus einem optischen Sender (FMCW-Laserquelle), einer spektralen Vorfilterung und einer Nachfilterung, einer faseroptischen Messstrecke (Lichtwellenleiter) und einer zweikanaligen Empfängereinheit, bestehend aus je einer Photodiode und je einem HF-(Hochfrequenz)-Mischer. Die beiden Kanäle der Empfängereinheit entsprechen dem Laufweg des Lichts des Messbandes und dem des Referenzbandes.
Parallel zu den erwähnten Kanälen verläuft ein Referenzkanal, dessen Licht mittels Leistungskoppler aus dem Primärstrahlengang entnommen wird und ebenfalls auf eine Photodiode trifft und an die Empfängereinheit weitergegeben wird. Die Signale aus den drei Kanälen laufen dann über eine Schnittstelle in die numerische Weiterverabeitung, vorzugsweise in einem PC. Sie besteht aus der Fensterung der Messsignale, einer Fast Fourier Transformation (FFT), einer Signalmittelung und der abschliessenden EDV-Bearbeitung.
Laserquellen besitzen aufgrund ihrer Resonatorstruktur ein kammartiges (longitudinales) Modenspektrum. Die Strahlungsleistung wird nicht nur bei der Emissionswellenlänge lo (Hauptmodus) geführt sondern verteilt sich auf die nächstliegenden Nebenmoden. Die Lage dieser Ausläufer fällt in den Spektralbereich des zu erwartenden Raman-Streulichtes. Aus diesem Grund wird das frequenzmodulierte Laserlicht vor der Einkopplung in die Glasfaserleitung mit z. B. einem Absorptionsfilter vorgefiltert. Das aus der Faser rückgestreute Licht wird mit Hilfe beispielsweise zweier Wavelength Division Multiplexing-(WDM)-Filter so bewertet bzw. vorgefiltert, dass die Spektralanteile bei der Laserwellenlänge lo passieren und das Raman-Streulicht der Stokes- und Anti-Stokes-Linie zum jeweiligen Ausgang transferiert wird. In der Nachfilterung wird das Laserlicht und das Rayleigh-Streulicht unterdrückt, und in jeweils einem Kanal nur selektiv Raman-Streulicht durchgelassen.
Das Messlicht der Stokes- und der Anti-Stokes-Linie des Raman-Streulichtes gelangt auf die beiden lichtempfindlichen Dioden. Die elektrischen Signale werden verstärkt und mit dem Modulationssignal der Laseransteuerung in den niederfrequenten Spektralbereich gemischt und über die Rechnerschnittstelle an den FFT-Analysator übergeben.
Vorzugsweise für eine Feuchtemessung soll das Spektralband (als Messband) der Absorption des in das Rückstreumedium eingelagerten Wasserstoffs und als Referenzband ein Spektralband verwendet werden, welches möglichst ohne Einfluss der Absorption des eingelagerten Wasserstoffs ist. Die Maxima der Absorptionsbanden des Wasserstoffs sind bekannt und liegen etwa bei 1.240 nm (beispielsweise für die reversible Einlagerung von Wasserstoff in Quarz) bzw. bei 1.390 nm (beispielsweise irreversible Einlagerung). Das Referenzband sollte möglichst von den Absorptionsbanden weit entfernt liegen, um ihren Einfluss zu minimieren.
Vorzugsweise wird als Rückstreumedium ein Lichtwellenleiter benutzt, der aus einem örtlich hin- und rückführenden Strang besteht und der am Ende der Messstrecke über eine Schlaufe läuft, so dass beide Stränge etwa dieselbe örtliche Lage einnehmen. Vorzugsweise wird einer der Stränge gegen Feuchteeinwirkung hermetisch abgeschirmt, was sich beispielsweise dadurch erreichen lässt, dass dieser Strang in einem Mantel liegt, welcher undurchlässig gegen Feuchte ist (z. B. aus Edelstahl).
Vorzugsweise soll für Kraftmessung als Messband Licht einer festen, hohen Wellenlänge (etwa 1.550 nm oder 1.650 nm) benutzt werden, das vom Rückstreumedium möglichst schwach geführt und als Referenzband Licht mit einer Wellenlänge, das im Rückstreumedium möglichst stark geführt wird (etwa 980 nm, 1.064 nm, 1.300 nm). In der Messfaser werden physikalisch micro-bending-Störungen zur Messung ausgenutzt.
Das zweite beschriebene Verfahren kann mit den hierfür aufgeführten Verfahrensschritten auch zur Temperaturmessung verwendet werden, wobei temperaturabhängige Eigenschaften, insbesondere Ausdehnungskoeffizienten des Coatings von Lichtwellenleitern ausgenutzt werden. Temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizienten bewirken die temperaturabhängige Zu- oder Abnahme von Druckkräften auf den Lichtwellenleiter, wodurch indirekt über den Krafteinfluss Temperatur messbar wird.
Das in der EP 0 692 705 A1 beschriebene Messprinzip wird auch als optische Frequenzbereichsreflektomie bezeichnet (Optical frequency domain reflectometry) und mit OFDR abgekürzt.
Sowohl bei den in EP 0 692 705 A1 beschriebenen Messverfahren als auch in den weiteren Messverfahren, die in der Beschreibungseinleitung zu EP 0 692 705 A1 genannt sind und deren Messprinzip auf der Ausnutzung von intrinsischen Streuprozessen von Quarzglasfasern beruhen, nämlich der Raman- oder Brillouin-Streuung, ist die Tatsache, dass für die Messung eines Parameters bzw. einer physikalischen Größe jeweils ein komplettes entsprechend angepasstes Messsystem mit entsprechendem Investitionsaufwand erforderlich ist.
Die Druckschrift DE 197 54 910 A1 beschreibt eine Wellenlängen-Detektoranordnung zur Erfassung der Bragg-Wellenlänge mindestens eines Bragg-Gitters in mindestens einem FBG-Sensor, bei der mit Faserkopplern von jedem Bragg-Gitter reflektiertes Licht jeweils in zwei Detektorkanäle geführt wird, in denen je ein Detektor enthalten ist. In der 1b ist eine Ausführungsform mit einer Vielzahl von Bragg-Gittern von einem oder mehreren FBG-Sensoren gerichtet. Die Detektoren jedes Paares von Detektorkanälen besitzen schmalbandige Spektralempfindlichkeiten, die einander überlappen und deren Zentralwellenlängen maximaler Empfindlichkeit einen Wellenbereich aufspannen, indem die Bragg-Wellenlänge des jeweiligen Bragg-Gitters liegt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der US 6,285,446 B1 bekannt. Aus dieser Schrift ist ein faser-optischer Sensor bekannt, bei dem über zwei Messkanalbaugruppen eine Rückstrahlung eines Stokes- und eines anti-Stokes-Spektrums aus dem optischen Medium erfasst wird, das sich in der Wellenlänge von der emittierten Strahlung unterscheidet. In einer dritten Messkanalbaugruppe wird die Rückstrahlung eines dritten Spektrums erfasst, das einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht.
Aus der US 5,765,948 A ist es bekannt, mittels separater Messbaugruppen die Rayleigh-Dämpfung, die anti-Stokes- und die Stokes-Raman-Dämpfung zu messen und durch Normierung der Raman-Dämpfungssignale mit der Rayleigh-Dämpfung miteinander zu vergleichen.
Aus der EP 0 190 001 A2 ist es ebenfalls bekannt, die anti-Stokes-Raman-Dämpfung mit der Rayleigh-Dämpfung ins Verhältnis zu setzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen der eingangs erwähnten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Einsatzbereich solcher Verfahren und Vorrichtungen erweitert wird und insbesondere im Hinblick auf verbesserte Wirtschaftlichkeit auf weiteren Gebieten Verwendung finden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wird, wobei die weitere Messkanalbaugruppe dafür verwendet wird, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist. Gemäß Anspruch 10 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen werden kann, wobei die weitere Messkanalbaugruppe dafür verwendet werden kann, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst werden kann, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst werden kann, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.
Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung ist es möglich, die Genauigkeit und Langzeitstabilität eines solchen Messsystems und -verfahrens wesentlich zu verbessern, ohne dass zusätzliche Messinfrastruktur bei dem zu überwachenden Objekt erforderlich wird. Die Verbesserung lässt sich erzielen mit den bekannten Lichtwellenleiterkabeln, auch unter Verwendung solcher, die bereits verlegt sind.
Dadurch wird der Anwendungsbereich eines solchen Messverfahrens und Systems erweitert im Hinblick auf Anwendungen, bei denen z. B. zur Prozessüberwachung eine höhere Messgenauigkeit und insbesondere eine höhere Genauigkeit der erfassten Absolutwerte erforderlich sind. Solche Anwendungen können im chemischen Anlagenbau liegen, insbesondere in der Petrochemie, bei der thermisch außer Kontrolle geratene Prozesse oder entstehende Brände verheerende Folgen haben können.
Weiterhin wird es durch die erfindungsgemäße Ausbildung möglich, auch mehrere physikalische Größen mit einem einzigen Messsystem und somit ohne nennenswerte zusätzliche Kosten zu erfassen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird dabei vorgesehen, eine Einrichtung vorzusehen, mit der mehrere Lichtwellenleiter, insbesondere zeitlich nacheinander, mit der Auswerteinrichtung der Vorrichtung verbindbar sind.
Dadurch wird es nicht nur möglich, bei der Überwachung und Diagnostik von komplexen Anlagen, wie z. B. im Off-Shore-Bereich bei der Erdöl- und Erdgasgewinnung, -förderung und -transport, sondern auch bei anderen hochtechnisierten Objekten, wie Flugzeugen, sowie besonders sicherheitskritischen Großbauwerken, wie Talsperren oder Verkehrstunnel, die geologische Bruchlinien queren, wesentlich effizienter, längerer und sicherer betrieben werden können.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, mit Hilfe faseroptischer Sensoren bei geringen apparativem und Auswerteaufwand komplexe Zustandsgrößen eines technischen Objektes zu erfassen, mit geringem Aufwand auszuwerten und übersichtlich darzustellen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung eines Messverfahrens und einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art ist die Messvorrichtung und das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtwellenleiter vorgesehen wird, der an einer oder mehreren Stellen sogenannte Fasergitter-Sensor aufweist, d. h. optische Gitter, die beispielsweise durch Lasergravieren in den Lichtwellenleiter eingebracht sind, sowie vorzugsweise einen oder mehrere Wellenlängendetektoren umfasst, beispielsweise ein Wellenlängendetektor SSO-WS-7.56-TO5i der Fa. SILICON Sensor GmbH, oder ein holographisches Gitter mit CCD-Zeile.
Insbesondere bei der Verwendung mehrerer solcher Fasergitter-Sensor ist es besonders zweckmäßig, diese Gitter mit unterschiedlichen Gitterabständen zu versehen.
Durch Veränderung der in die Faser eingestrahlten Wellenlänge ist es möglich, die einzelnen Fasergitter-Sensor zu ”adressieren” und über eine temperaturbedingte Änderung des herstellbedingt bekannten Gitterabstandes eine sehr genaue Information über die tatsächlich am Ort des jeweiligen Fasergitter-Sensors herrschende Temperatur zu erhalten.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, ohne den bisher als erforderlich angesehenen hohen apparativen Aufwand für ein zweites Referenzmesssystem eine gelegentliche Überprüfung der normalen Temperaturmessung eine Nachkalibrierung vorzunehmen, mit der Toleranzen bei der Glasfaserherstellung aber auch insbesondere auch Alterungsprozesse der Glasfaser und Umwelteinflüsse zu kompensieren. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung bei solchen Anwendungen, bei denen der normale Lichtwellenleiter nicht oder nur schwer zugänglich ist und daher eine Nachkalibrierung auf herkömmlichem Wege durch Überprüfen der Ist-Temperatur an bestimmten Referenzpunkten mit einem separaten Referenzmesssystem nicht möglich ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es aber nicht nur möglich, eine Nachkalibrierung dort vorzunehmen, wo der Lichtwellenleiter schwer zugänglich ist, sondern durch den Entfall des Investitionsaufwandes für ein separates Referenzmesssystem kann die Gebrauchsdauer eines Messsystems der eingangs erwähnten Art wesentlich verlängert und damit die Wirtschaftlichkeit bei dem Einsatz langfristig erheblich gesteigert werden, auch dort, wo bisher auf den Aufwand für eine Nachkalibrierung aus Kostengründen verzichtet wurde.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gestaltung einer kostengünstigen Feuchte- und/oder Kraftmessung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Rückstrahlung bei einer emittierten Wellenlänge der wenigstens einen Strahlungsquelle von etwa 1240 nm und/oder etwa 1390 nm über die wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe erfasst wird, insbesondere, wenn ferner über zumindest zwei Messkanalbaugruppen eine Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium erfasst wird, wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung um etwa 65 bis 75 nm, vorzugsweise um 70 nm, zu einer höheren und/oder einer niedrigeren Wellenlänge unterscheidet.
Erfindungsgemäß wird die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist, insbesondere, wenn dabei ein zusätzlicher Lichtwellenleiter zur Feuchtemessung vorgesehen ist.
Für die Erfassung auch einer Dehnung des Lichtwellenleiters ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verfahren und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass ferner eine weitere Strahlungsquelle, vorzugsweise in Form eines zusätzlichen Lasers, vorgesehen ist, von der optische Strahlung in das langgestreckte optische Medium entgegen der Richtung der von der ersten Strahlungsquelle emittierten Strahlung aussendbar ist, und Vorsehen eines mit der ersten und der weiteren Strahlungsquelle verbundenen Spektrumanalysators zur Bestimmung einer Frequenzdifferenz zwischen der Strahlung der ersten und der weiteren Strahlungsquelle, insbesondere bei Erfassung des Brillouin-Verstärkungsspektrums und der Brillouin-Stokes-Frequenz.
Dies gilt insbesondere, wenn das Verfahren ferner gekennzeichnet ist durch den Schritt der Korrelation des erfassten Effektes der Brillouin-Streuung mit einer Temperaturmessung aufgrund der Raman-Streuung zur Bestimmung eines örtlichen Dehnungsverlaufes entlang des optischen Mediums.
Die Erfindung lässt sich wirtschaftlich besonders gut einsetzen mit einem Sensorkabel zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern aufweist, von denen wenigstens einer zur Feuchte- und/oder Kraftbestimmung wie oben beschrieben geeignet ist, und/oder wenn das Sensorkabel eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern aufweist, von denen wenigstens einer zur Temperaturbestimmung durch ein oben beschriebenes Verfahren und wenigstens ein weiterer Lichtwellenleiter zur Bestimmung einer Dehnung durch ein oben erwähntes Verfahren geeignet ist, insbesondere bei einem Lichtwellenleiter mit mehreren Fasergitter-Sensoren.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine Prinzipdarstellung eines alternativen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine Querschnittsdarstellung durch ein Energiekabel mit Sensorkabelelementen;
4 eine Querschnittdarstellung durch ein weiteres Sensorkabel; und
5 eine Querschnittdarstellung durch ein weiteres Sensorkabel zur beispielsweisen Integration in ein Energiekabel gemäß 3.
Nach dem Stand der derzeitigen technologischen Entwicklung existieren eine große Vielfalt an optischen und faseroptischen Sensoren. Für den Einsatz an ausgedehnten Messobjekten haben sich in vielen Fällen örtlich verteilte Messsysteme aus technischen und wirtschaftlichen Gründen als zweckmäßig erwiesen. Als örtlich verteilte Messsysteme werden solche bezeichnet, bei denen physikalische Parameter nicht an einzelnen diskreten Orten, insbesondere durch individuelle Sensoren, sondern über ausgedehnte Sensoren kontinuierlich entlang des Sensors erfasst werden. Hierzu ist insbesondere die Verwendung von Lichtwellenleitern (Glasfaserleitungen) bekannt und zweckmäßig, bei denen sich bestimmte Größen als Funktion beispielsweise der Glasfaserlänge erfassen lassen. Diese Technik ermöglicht somit eine lückenlose Messung über viele Kilometer mit einer örtlichen Auflösung von unter einem Meter. Die Kosten pro Messzelle liegen dabei im Vergleich zu konventionellen Sensornetzwerken mit punktuell messenden Sensoren erheblich geringer.
Kommerziell werden derzeit zwei Messsysteme mit örtlich verteilten Sensoren verwendet, die entweder auf der Raman-Streuung zur örtlich verteilten Temperaturmessung basieren oder der Brillouin-Streuung, die sowohl für örtlich verteilte Temperaturmessung als auch im Sinne eines verteilten Dehnungssensors benutzt werden kann. Ausgangsbasis für einen erfindungsgemäßen Aufbau ist ein aus EP 0 692 705 A1 bekannter Aufbau eines OFDR-Raman-Temperaturmesssystems.
Das Messsystem setzt sich zusammen aus einem Auswertegerät, gelegentlich auch als optisches Radar bezeichnet, und einem Lichtwellenleiterkabel als linienförmigem Temperatursensor. Das optische Radar arbeitet mit Laserlicht, welches in das Sensorkabel eingekoppelt wird. Durch thermische Molekülschwingungen des Lichtwellenleitermaterials entsteht eine Streuung des Laserlichtes mit inelastischen Eigenschaften, die Raman-Streuung. Um diese temperaturabhängige Lichtstreuung entlang der Faser an jedem Ort bestimmen zu können, wird ein OFDR-Verfahren nach EP 0 692 705 A1 verwendet. Optional kann ein Computer verwendet werden, um eine Parametrierung und Konfiguration des Messsystems vornehmen zu können und die Auswertung der Messdaten visuell darstellen zu können.
Die Besonderheit des OFDR-Raman-Temperaturverfahrens ist, dass der örtliche Temperaturverlauf entlang des Lichtwellenleiters aus der Berechnung der Fouriertransformierten des auf der Faser rückgestreuten Raman-Streulichtes resultiert. Die Amplituden der resultierenden Raman-Rückstreukurven sind proportional zur Intensität der Raman-Streuung des betrachteten Ortselementes. Nach Korrektur der Dämpfungsabhängigkeit der Glasfaser erhält man aus dem Amplitudenverhältnis des Stokes-Messkanals und des Antistokes-Messkanals die Fasertemperatur entlang des Sensorkabels.
Wesentliche Vorzüge der bekannten OFDR-Technik sind der in praktischer Näherung bestehende Dauerstrich-Betrieb der Laserquelle und die schmalbandige Detektion des optischen Rückstreusignals. Dieser technische Vorzug ermöglicht den Einsatz von preiswerten Halbleiterlaserdioden und die Verwendung von preiswerten elektronischen Baugruppen für die Signalverarbeitung.
Ein Beispiel für den Aufbau eines OFDR-Auswertegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Die dargestellte Messeinrichtung umfasst im Wesentlichen vier Hauptbaugruppen: eine Spannungsversorgung 1, ein Signalprozessormodul 2, ein Lasermodul 3, das die Laserquelle in Form einer Laserdiode 38 und die zu deren Ansteuerung erforderliche Elektronik enthält, sowie die Messkanalbaugruppen 11, 12, 13, und 14. Die Messkanalbaugruppen 11 und 12 umfassen in bekannter Weise zwei Messkanäle sowie einen Referenzkanal mit der Messkanalbaugruppe 14 zur Erfassung der Spektrallage der Laserquelle 38 bzw. des in den Lichtwellenleiter 45 eingestrahlten Signals. Potentialfreie Ein- und Ausgänge 5 und 6 sowie Anschlüsse zur Datenkommunikation 7 dienen zur Einbindung von Peripheriegeräten, eine Statusanzeige 8 zur Information eines Benutzers.
Jede der Messkanalbaugruppen 11 bis 14 ist durch eine Baugruppe realisiert, die entsprechende Fotodetektoren, optische Filter und elektronische Komponenten umfasst, sowie eine interne Temperaturreferenz und vorzugsweise eine Einrichtung zur wahlweisen Verbindung einer Mehrzahl von an den Anschlüssen 18 bis 23 anschließbaren Leichtwellenleitern 45 mit einer oder mehreren Messkanalbaugruppen 11 bis 13 in Form eines sogenannten faseroptischen Schalters 17. Der faseroptische Schalter 17 ermöglicht eine effiziente faseroptische Verbindung des der Messkanalbaugruppen 11 bis 13 mit Lichtwellenleitern 45 als Sensorfasern.
Mittels softwaremäßiger Ansteuerung kann der optische Schalter 17 aktiviert und das Temperaturprofil der Sensorfasern 45 zeitlich nacheinander bestimmt werden. Die Messzeit des Vorrichtung wird im Wesentlichen von der eingestellten Reichweite, der örtlichen Auflösung (der Anzahl der Messpunkte über die Sensorlänge) sowie der Temperaturgenauigkeit des Gerätes bestimmt. Bei einem realisierten Gerät beträgt die Messzahl bei etwa 1.000 Messpunkten, einer örtlichen Auflösung des Sensors von einem Meter und einer Temperaturgenauigkeit von ±1 K je Lichtwellenleiter 45 zwischen 10 und 20 Sekunden.
Die typischerweise in den Messkanalbaugruppen 11 und 12 eingesetzten optischen Filter 34, 35 weisen eine Durchlasskurve entsprechend einer Gauß-Funktion auf, während der Filter 37 für den Referenzkanal (Messkanalbaugruppe 14) im Wesentlichen für die Seitenkanalunterdrückung optimiert ist.
Für die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche Messkanalbaugruppe 13 wird für die erfindungsgemäße Störgrößenerfassung ebenfalls ein Filter mit Optimierung auf Seitenunterdrückung (Rayleighfilter 36) vorgesehen, um Störungen durch das eingestreute Licht zu erfassen, die beispielsweise durch die Reflexion am Ende des Lichtwellenleiters 45, insbesondere Stecker- und Fresnelreflexionen, entstehen.
Für die Nutzung der erfindungsgemäß zusätzlichen Messkanalbaugruppe 13 für die Nachkalibrierung kann es zweckmäßig sein, einen Filter mit Rampencharakteristik oder einen Kammfilter vorzusehen, um bei einem Abfahren eines Frequenzbereiches über eine Temperaturvariation der Laserlichtquelle 38 durch Vergleich mit der Amplitude des der Messkanalbaugruppe 13 bei einem Rampenfilter oder durch Mitzählen der durchfahrenen maximales Kammfilters eine Erfassung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes zu erhalten. Es kann auch ein oder mehrere Wellenlängendetektoren verwendet werden, um die Wellenlänge der emittierten Strahlung zu erfassen, beispielsweise ein Wellenlängendetektor SSO-WS-7.56-TO5i der Fa. SILICON Sensor GmbH, oder auch ein holographisches Gitter mit CCD-Zeile.
Für die Messung einer Dehnung einer Lichtwellenleiterfaser 45 oder eines Faserbündels kann zu der bereits vorgeschriebenen Temperaturmessung die Brillouin-Streuung herangezogen werden. Die Brillouin-Streuung ist eine Lichtstreuung an akustischen Wellen. Durch akustische Wellen auf der Faser 45 wird ein optisches Gitter im atomaren Aufbau der Quarzkreisfaser erzeugt. Aufgrund der endlichen Gruppengeschwindigkeit der akustischen Wellen entlang der Faser 45 führt dies dazu, dass die rückgestreute Welle der einfallenden Pumplichtquelle 38 eine niedrigere Frequenz aufweist. Die Frequenzdifferenz zwischen der Pump- und Stokes-Welle entspricht der Frequenz der akustischen Welle und wird als Brillouin-Stokes-Frequenz bezeichnet, und durch einen Spektrumanalysator 44 erfasst. Durch die Überlagerung der Stokes- und der Pumpwelle entsteht eine Wechselwirkung zwischen den beiden Wellen, die zu einem elektrostriktiven Effekt und zur Anregung von neuen akustischen Wellen in der Faser führt. Diese bewirken wiederum eine Verstärkung der Stokes-Welle und eine weitere Zunahme der Rückstreuung. Ab einer bestimmten Schwellleistung der Pumpwelle wächst dieser Prozess lawinenartig an. Es kommt zur stimulierten Brillouin-Streuung mit einem (lorenzförmigen) spektralen Verstärkungsprofil. Die Frequenzlage des Maximums des Verstärkungsspektrums ist temperatur- und dehnungsabhängig. Grundsätzlich kann daher durch eine Messung nur der Brillouin-Streuung nicht unterschieden werden, ob die gemessene Veränderung auf eine Temperatur- oder Dehnungsänderung zurückzuführen ist.
Das Brillouin-Verstärkungsspektrum und somit die Brillouin-Stokes-Frequenz kann mittels optischer Reflektometrie ortsaufgelöst entlang der Faser 45 gemessen werden.
Die Mehrdeutigkeit des erfassten Effektes der Brillouin-Streuung kann durch die Korrelation mit einer Temperaturmessung aufgrund der Raman-Streuung aufgehoben werden, so dass durch die erfindungsgemäße kombinierte Vorrichtung eine örtlich verteilte Messung von Temperatur und Dehnung gleichzeitig möglich wird. Durch die Integration in einem einzigen Messsystem kann dies sehr viel preiswerter realisiert werden als mit herkömmlichen Systemen.
Dazu kann die in 1 beschriebene Vorrichtung erweitert werden, wie sie in 2 beschrieben ist. Dabei weist die Vorrichtung eine zusätzliche Laserlichtquelle 40 auf und eine Glasfaser 45 ist an den Anschlüssen 18 und 22 des faseroptischen Schalters 17 angeschlossen.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Hochspannungs-Energiekabel mit mehreren Lichtwellenleitern 45 zur Zustandsüberwachung des Kabels. Das Freileitungsseil umfasst ein Zentralrohr 55, in dem von einem wärmeleitfähigen Gelfüller 51 eingebettet drei Lichtwellenleiter 54, 52, 59 angeordnet sind. Das Zentralrohr 55 ist durch die Seiladern 58 umgeben, die wiederum in einem Füller 53 eingebettet von einem Außenmantel 56 umgeben sind.
Dabei ist auf der Oberseite des Freileitungskabels die Einbringung einer Glasfaser 50 zur Druckmessung vorgesehen, über die der Durchhang des Freileitungskabels erfasst werden kann. Im Bereich der unteren Peripherie ist ein Lichtwellenleiter 57 mit einem feuchtigkeitsdurchlässigen Mantel vorgesehen, über den die Feuchtebelastung des Kabels erfasst werden kann. Im Kern des Freileitungskabels finden sich idealerweise drei Lichtwellenleiter 54, 52 und 59, von denen einer für die Messung der Temperatur, der Dehnung und eine Referenzmessung zur Nachkalibrierung vorgesehen ist. Über die Temperaturmessung kann auf die Strombelastung des Kabels rückgeschlossen werden, die Messergebnisse der Feuchte- und Dehnungsmessung lassen Schlüsse auf eine mechanische Belastung des Kabels, z. B. durch Eisbehang zu. Über die Dehnungsmessung lässt sich insbesondere eine alterungsbedingte Ausreckung des Kabels erkennen, bei der durch den Verlust der Elastizität das Risiko eines Kabelbruches bei stoßartiger Belastung, z. B. schweren Sturmböen, oder die Gefahr einer Berührung von Grund oder Bäumen etc. besteht.

Claims

Verfahren zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich, bei dem von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle (38) eine Strahlung in wenigstens ein langgestrecktes optisches Medium (45) ausgesandt wird, mittels einer ersten Messkanalbaugruppe (14) die von der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) emittierte Strahlung erfasst wird, und über zumindest zwei Messkanalbaugruppen (11, 12) eine Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium (45) erfasst wird, wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheidet, wobei über wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) eine Rückstrahlung eines dritten Spektrums erfasst wird, wobei das dritte Spektrum im wesentlichen einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen wird, wobei die weitere Messkanalbaugruppe (13) dafür verwendet wird, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst wird, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst wird, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens einer ersten Strahlungsquelle (38) eine optische Strahlung in wenigstens ein anschließbares langgestrecktes optisches Medium in Form eines Lichtwellenleiters (45) ausgesandt wird, das an einer oder mehreren Stellen über seine Längserstreckung eines oder mehrere sogenannte Fasergitter-Sensoren bekannter Gitterkonstante aufweist, und wobei die Wellenlänge der von der ersten Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung verändert und ein Signal erfasst wird, wobei die Wellenlänge des erfassten Signals einem oder mehreren Reflexionsmaxima der Fasergitter-Sensoren zugeordnet und mit einem vorgegebenen Ausgangswert verglichen wird, wobei die Verschiebung der erfassten Wellenlänge eines Reflexionsmaximums zu dem zugeordneten vorgegebenen Ausgangswert in eine Temperaturinformation umgesetzt wird, die der Position des betreffenden Fasergitter-Sensors zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Rückstrahlung bei einer emittierten Wellenlänge der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) von etwa 1240 nm und/oder etwa 1390 nm über die wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung um 65 bis 75 nm zu einer höheren und/oder einer niedrigeren Wellenlänge unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasergitter-Sensoren jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Lichtwellenleiter (57) zur Feuchtemessung vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine weitere Strahlungsquelle (40) vorgesehen ist, von der optische Strahlung in das langgestreckte optische Medium (45) entgegen der Richtung der von der ersten Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung aussendbar ist, und Vorsehen eines mit der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (40) verbundenen Spektrumanalysators (44) zur Bestimmung einer Frequenzdifferenz zwischen der Strahlung der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (38, 40).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet ferner durch die Erfassung des Brillouin-Verstärkungsspektrums und der Brillouin-Stokes-Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner gekennzeichnet durch den Schritt der Korrelation des erfassten Effektes der Brillouin-Streuung mit einer Temperaturmessung aufgrund der Raman-Streuung zur Bestimmung eines örtlichen Dehnungsverlaufes entlang des optischen Mediums (45).
Vorrichtung zur Erfassung von Betriebszuständen über einen räumlich ausgedehnten Bereich, enthaltend wenigstens eine Strahlungsquelle (38) zur Aussendung einer optischen Strahlung, wenigstens ein langgestrecktes optisches Medium (45), eine Messkanalbaugruppe (14) zur Erfassung der von der wenigstens einen Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung, und zumindest zwei Messkanalbaugruppen (11, 12) zur Erfassung von Rückstrahlung eines ersten und eines zweiten Spektrums aus dem optischen Medium (45), wobei sich die Wellenlänge des ersten und/oder zweiten Spektrums von der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheidet, wobei die Vorrichtung wenigstens eine weitere Messkanalbaugruppe (13) zur Erfassung von Rückstrahlung eines dritten Spektrums aufweist, wobei das dritte Spektrum im wesentlichen einer Rayleigh-Rückstreukurve entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gestaltet ist, dass die Rayleigh-Dämpfung der Rückstrahlung mit der Raman-Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums am selben Ort verglichen werden kann, wobei die weitere Messkanalbaugruppe (13) dafür verwendet werden kann, eine weitere physikalische Eigenschaft oder Größe zu messen, und wobei ein Wert für eine Kraftbeanspruchung des Lichtwellenleiters erfasst werden kann, wenn alle drei Rückstrahlungen eine Dämpfungsänderung aufweisen, und ein Wert für eine Feuchteerkennung erfasst werden kann, wenn am selben Ort eine Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung der emittierten Strahlung erfasst ist und keine signifikante Änderung der Dämpfung der Rückstrahlung des ersten und zweiten Spektrums erfasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17) zur wahlweisen Verbindung einer Mehrzahl von Lichtwellenleitern (45) mit einer oder mehreren Messkanalbaugruppen (11, 12, 13).
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) für eine zeitlich aufeinander folgende Verbindung der Lichtwellenleiter (45) mit einer oder mehreren Messkanalbaugruppen (11, 12, 13) ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (45) an einer oder mehreren Stellen über seine Längserstreckung einen oder mehrere sogenannte Fasergitter-Sensoren aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen oder mehrere Wellenlängendetektoren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der das eine oder mehrere Fasergitter-Sensoren aufweisende Lichtwellenleiter ein zusätzlicher Lichtwellenleiter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fasergitter-Sensoren jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Lichtwellenleiter (57) zur Feuchtemessung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine weitere Strahlungsquelle (40) vorgesehen ist, von der optische Strahlung in das langgestreckte optische Medium (45) entgegen der Richtung der von der ersten Strahlungsquelle (38) emittierten Strahlung aussendbar ist, und Vorsehen eines mit der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (40) verbundenen Spektrumanalysators (44) zur Bestimmung einer Frequenzdifferenz zwischen der Strahlung der ersten und der weiteren Strahlungsquelle (38, 40).