Distributed Temperature Sensing (DTS)
the simplest form of a continous temperature profile
Monitoring of temperature profile in geotechnical structures
Introduction
As part of our work in 2017, the question arose of continuously measuring the temperature of a small cross-section of 1.75 cm². For conventional sensors, this cross-section is too small to measure continuously. Distributed Temperature Sensing (DTS) is ideal for this and for many other questions in connection with temperature measurement. The advantages of continuous measurements in the 10 cm range quickly become apparent. The technology we use is Raman technology, which is characterized not only by its enormous cost-effectiveness but also by its 'robustness'. It is important here that when measuring temperatures using Raman technology, the glass fibers are loosely embedded in a fiber jacket with an excess length so that the fibers are not exposed to any mechanical stress. In addition to the development and patenting of joint monitoring for diaphragm walls, Distributed Temperature Sensing was and is used for backwater monitoring at dams, leak detection in power plant buildings and channel structures, and for monitoring the temperature development in in-situ concrete piles in connection with integrity tests (TIP). The seasonal monitoring of large energy fields is also easily possible using Distributed Temperature Sensing (DTS) and is used successfully.
Einführung
Im Rahmen unserer Arbeit stellte sich 2017 die Frage nach einer kontinuierlichen Temperaturmessung einem kleinen Querschnitt von 1,75 cm². Für konventionelle Sensorik ist dieser Querschnitt zu klein um kontinuierlich zu messen. Hierzu und für viele andere Fragestellungen im Zusammenhang mit der Temperaturmessung eignet sich das Distributed Temperature Sensing (DTS) hervorragend. So zeigen sich schnell die Vorteile einer kontinuierlichen Messungen im 10 cm Bereich. Bei der von uns eigesetzten Technologie handelt es sich um die Raman-Technologie, welche sich neben der enormen Wirtschaftlichkeit ebenfalls durch ihre ‚Robustheit‘ auszeichnet. Wichtig ist hier, dass zur Messung von Temperaturen mittels Raman-Technologie die Glasfasern schlaff mit einer Überlänge in einem Fasermantel gebettet ist um die Faser keiner mechanischen Beanspruchung auszusetzen. Neben der Entwicklung und Patentierung eines Fugenmonitorings bei Schlitzwänden wurde und wird das Distributed Temperature Sensing für das Stauwassermonitoring bei Talsperren, die Leckageortung in Kraftwerksbauten und Rinnenbauwerken sowie zum Monitoring der Temperaturentwicklung bei Ortbetonpfählen im Zusammenhang mit Integritätsprüfungen (TIP) eingesetzt. Auch das jahreszeitliche Monitoring von großen Energiefeldern ist mittels Distributed Temperature Sensing (DTS) mühelos möglich und wird erfolgreich angewendet.
Basics of Distributed Temperature Sensing (DTS)
Distributed Temperature Sensing (DTS) uses light to measure temperature using the Raman effect. Using a transmitter and receiver unit, a laser pulse is coupled into the fiber at the beginning of the fiber through the system. Most of this laser light travels through the fiber to its end. However, a small portion of this laser light is scattered by each imperfect glass molecule along the fiber. Almost all of the scattered light has a wavelength that is identical to the incident laser light. This is known as Rayleigh scattering. However, a small portion of the scattered light has a different wavelength, which is called the Raman effect. The advantage of this Raman effect is that it is influenced by temperature. This means that if the temperature changes along the optical fiber, the Raman scattering will inevitably change. Optically, Raman scattering is composed of Stokes and anti-Stokes scattering. Stokes scattering has a longer wavelength than the incident laser light, whereas anti-Stokes scattering has a shorter wavelength. The Raman effect shows that Stokes scattering is only slightly affected by temperature, whereas the intensity of anti-Stokes scattering increases with increasing temperature. The difference between the Stokes and anti-Stokes intensities makes it possible to measure the temperature at a particular location. The exact position of this temperature change is again determined by the time measurement of the scattering which is needed to return to the source after sending the light signal.
Grundlagen des Distributed Temperature
Sensing (DTS)
Das Distributed Temperature Sensing (DTS) nutzt den Raman-Effekt, um die Temperatur zu messen. Mittels einer Sende- und Empfangseinheit wird am Anfang der Glasfaser durch das Systems ein Laserimpuls in die Glasfaser eingekoppelt. Der größte Teil dieses Laserlichts wandert durch die Faser bis zum deren Ende hindurch. Ein kleiner Teil dieses Laserlichtes wird jedoch an jedem unperfekten Glasmolekül entlang der Faser gestreut. Fast sämtliches Streulicht hat eine Wellenlänge, welches mit dem einfallenden Laserlicht identisch ist. Dies ist die sogenannte Rayleigh-Streuung. Ein kleiner Teil des Streulichts weist jedoch eine andere Wellenlänge auf, welche als Raman-Effekt bezeichnet wird. Der Vorteil dieses Raman-Effektes ist, das dieser durch die Temperatur beeinflusst wird. Das heißt, sofern sich die Temperatur entlang der Glasfaser ändert, ändert sich damit zwangsläufig die Raman-Streuung. Optisch setzt sich die die Raman-Streuung aus der Stokes- und Anti-Stokes-Streuung zusammen. Dabei weist die Stokes-Streuung eine längeren Wellenlänge als das einfallende Laserlicht auf, wohingegen die Anti-Stokes-Streuung eine kürzere Wellenlänge besitzt. Der Raman -Effekt zeigt, dass die Stokes-Streuung nur geringfügig von der Temperatur beeinflusst wird, wohingegen die Intensität der Anti-Stokes-Streuung mit steigender Temperatur zu nimmt. Durch die Differenz zwischen der Stokes- und der Anti-Stokes-Intensität ist es möglich die Temperatur an einem bestimmten Ort zu messen. Die genaue Position dieser Temperaturänderung erfolgt wiederum über die Zeitmessung der Streuung welche benötigt wird um nach dem Senden des Lichtsignales benötigt wird um zur Quelle zurückzukehren.