ELEKTRO 7/201233témaVyužití DTS v kabelové techniceOptovláknové kabely DTS (Distributed Temperature System) jsou určeny k přenosu elektrické energie nízkého a středního napě-tí. Navíc tento systém poskytuje rozšířenou funkci v podobě integrovaných optických vlá-ken, která umožňují nejen přenos informace, ale i sledování teploty, popř. mechanického namáhání podél kabelové trasy.Optovláknové DTS jsou unikátní senzo-rické systémy založené na analýze zpětné-ho rozptylu v optickém vlákně, které jsou schopny měřit teplotu i mechanické napě-tí podél vlákna. Samotné optické vlákno se používá jako senzor ke sledování neelektric-kých veličin, přičemž jsou zachovány všech-ny výhody použití optických vláken. Mezi tyto výhody patří:– odolnost proti elektromagnetickému záření,– současné odečítání několika tisíců hodnot,– snadná instalace a téměř žádná údržba,– bezpečné použití v hořlavých a výbušných prostředích,– okamžitá lokalizace změn teploty, tlaku a poruch.Optovláknové DTS systémy jsou založe-ny na podobném principu jako optické re-flektometry OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). Do vlákna je vyslán optický pulz o definované šířce (typicky 10 ns) a vl-nové délce (975, 1 064 nebo 1 550 nm v zá-vislosti na konstrukci systému). Při průchodu optického pulzu vláknem se vlivem rozpty-lu odrazí část světelné energie, která se vrací zpět k vysílači (obr. 1). Právě díky frekvenční a amplitudové analýze této odražené energie lze s velkou přesností určit teplotu i mecha-nické namáhání podél vlákna. Část optické-ho pulzu se vysílači vrací se stejnou vlnovou délkou, jakou měl původně vyslaný pulz – ho-voří se o tzv. elastickém Rayleighově rozpty-lu. Jiná část světelného impulzu se vrací s od-lišnou vlnovou délkou než původně vyslaný pulz – hovoří se o tzv. neelastickém rozptylu. Tyto neelastické jevy jsou označovány jako Ramanův a Brillouinův stimulovaný rozptyl a jsou využívány k měření uvedených veličin.Při zaměření se na princip vzniku Ramano-va rozptylu lze zjistit, že velká část záření roz-ptýleného na molekulách má stejnou vlnovou délku jako záření původní (Rayleighův roz-ptyl). Pouze u malé části rozptýleného záření se oproti původnímu budicímu záření mění vl-nová délka. Tento jev v roce 1928 experimen-tálně prokázal indický vědec Chandrasekhara Venkata Raman, po němž byl jev pojmenován. K rozptylu záření na molekulách dochází ve chvíli, kdy se foton záře-ní srazí s molekulou op-tického vlákna. Při pruž-né srážce se nemění ener-gie fotonu, a tak i vlnová délka zůstává stejná. Na-opak při nepružných sráž-kách je mezi molekulou a fotonem předána určitá část energie, což zapříči-ňuje změnu vlnové délky rozptýleného záření. Ho-voří se o tzv. Ramanově posunu, který odpo-vídá frekvenci v Ramanově spektru (obr. 2). Pro vyhodnocení teploty je třeba se zaměřit na tzv. anti-Stokesovu oblast spektra odpoví-dající fotonům, které mají po srážce s mole-kulou větší energii, a frekvence záření je tak posunuta k větším hodnotám. Tato část spek-tra mění svou amplitudu právě v závislosti na okolní teplotě. Naopak amplituda Ramanova spektra ve Stokesově oblasti se s teplotou ne-mění. Z poměru obou amplitud lze přesně ur-čit okolní teplotu.Měřicí systém využívající analýzu Ra-manova stimulovaného rozptylu se používá v kombinaci s mnohovidovými vlákny (prů-měr jádra 50 μm, průměr pláště 125 μm), je-jichž relativně vyšší útlumová charakteristika limituje dosah takového systému na přibližně 8 až 10 km. Prostorová rozlišitelnost je 1 m s přesností měření teploty až 0,01 °C. Přes-nost měření teploty závisí na integrační době, po kterou probíhá měření, a na počtu iterací při výpočtu. Tyto parametry jsou nastavovány před každým měřením a platí, že čím je doba integrace delší a počet iterací větší, tím více jsou zpřesňovány získané hodnoty. Nicméně i při uvedené nejvyšší přesnosti měření tep-loty trvá jedno měření řádově desítky sekund.Je-li zájem měřit kromě teploty i mecha-nické napětí podél kabelové trasy, je nutné použít systém detekující Brillounův stimu-lovaný rozptyl, který se používá v kombinaci s jednovidovými vlákny (průměr jádra 9 μm, průměr pláště 125 μm). Dosah takového sys-tému je více než 50 km a umožňuje prostoro-vou rozlišitelnost až 0,5 m při přesnosti mě-ření teploty až 0,05 °C.Integrováním měřicího vlákna do struktu-ry kabelu se získá systém umožňující za pro-vozu sledovat teplotní i mechanické namáhá-ní podél kabelové trasy. V případě kabelové techniky se jako nejpřínosnější jeví sledová-ní teplotního profilu, kdy lze jednoduše lo-kalizovat např. místa s nadměrným ohřevem. Dále lze vyvozovat, jak stárne izolační systém kabelu, a na základě toho předcházet nepřed-vídanému zhoršení izolačních stavů. Taková-to diagnostika je důležitá např. v energetice, petrochemickém průmyslu či dopravě, kde je nutná vysoká míra zabezpečení. Do struktury kabelu je integrován celý buffer s optickými vlákny, což znamená, že po zbylých vláknech v bufferu lze přenášet informace. Tuto sku-tečnost lze s výhodou využít pro přenos sig-nálů v rámci technologických celků, kde má integrace optického vlákna do struktury me-talického kabelu potenciál snižovat prostoro-vé požadavky a cenu kabeláže.http://www.kabex.czIng. Ondřej Veselý, Kabelovna Kabex, a. s., Ing. Jakub Čubík, Ing. Stanislav Kepák, VŠB-TU OstravaObr. 1. Optické schéma měřicího systémuDTSlaserměřicí jednotkaoptické vláknorozptylObr. 2. Spekt-rum rozptýle-ného zářeníRaileighův rozptylBrillouinův rozptylRamanův rozptylAnti Stokes výkon rozptýleného záření vlnová délkavýkon je úměrný ztrátám na ohybechvýkon je závislý na teplotěposun frekvence je závislý na tlaku a teplotěStokes