Temperatuurmeting met glasvezelkabel (DTS) in een leiding, methode en materialen

Techniek

Een glasvezelkabel bestaat uit een lange vezel helder glas, waarmee signalen over een lange afstand zijn te transporteren. De afgelopen jaren is het gebruik van glasvezelkabels toegenomen. In steeds meer woonwijken zorgen glasvezelkabels bijvoorbeeld voor een snelle doorgave van signalen, zoals van internet en telefonie.
 
Nog relatief onbekend is dat met een glasvezelkabel de temperatuur over de lengte van de kabel is te meten. Hierbij stuurt een laser hoogfrequente pulsen de kabel in en wordt het in de kabel weerkaatste lasersignaal gemeten. Het tijdstip van deze reflectie en de mate waarin het signaal is vervormd, zijn een maat voor de locatie en de temperatuur op die locatie. Hiermee is dus een temperatuurbeeld over de lengte van de kabel en het verloop ervan in de tijd te bepalen.
 
Met het meten van de temperatuur langs een kabel vinden gelijktijdig op ‘elke locatie’ van de glasvezelkabel en nagenoeg continu metingen plaats. Dit is een groot voordeel ten opzichte van het meten met een thermometer, die maar op een meetpunt de temperatuur vaststelt.

Praktijkervaringen

Internationaal is de techniek bekend als ‘Distributed Temperature Sensing’ (DTS). De petrochemische industrie in de Verenigde Staten past deze techniek veelvuldig toe. In Duitsland en Zweden bestaat al enige tijd ervaring met het gebruik van glasvezelkabels voor het detecteren van brand in tunnels en  lekkage van stuwdammen (Johansson et al.; 1999/2000). Hiervoor zijn glasvezelkabels in een bepaald patroon aan de teen van de dam of in het dak van de tunnel ingebed.
 
In Nederland zijn de experimenten met glasvezelkabels nog beperkt. De sectie Waterhuishouding van de TU Delft heeft experimenten uitgevoerd om wellen op te sporen met temperatuurmetingen op de bodem van sloten in droogmakerijen (Luxemburg et al.; 2008).

Principe

De DTS-methode gebruikt het principe dat een klein deel van het laserlicht dat door een kabel gaat, wordt gereflecteerd. Dit is de zogenaamde ‘Ramanreflectie’. Bij bekende snelheid van het laserlicht door de kabel is te bepalen van welke locatie langs de kabel op een bepaald moment de reflectie wordt waargenomen (x=u * Δt/2, waarin ‘u’ de lichtsnelheid is en ‘Δt’ de benodigde tijd).
 
Van het gereflecteerde signaal zit de meeste energie in het signaal met een frequentie gelijk aan de uitgezonden frequentie. Maar een deel van de energie wordt geabsorbeerd en gereflecteerd met kortere en langere golflengten. Deze qua frequentie verschoven reflectie heet de ‘Ramanbackscatter’ (zie ook figuur A).
 

Figuur A De Stokes- en Anti-Stokesbackscatter
 
De reflectie met de langere golflengte heet de ‘Stokesbackscatter’ en heeft een amplitude die temperatuuronafhankelijk is. De reflectie met de kortere golflengte is wel temperatuurgevoelig. De amplitude van deze ‘Anti-Stokesbackscatter’ is lineair afhankelijk van de temperatuur. Door de verhouding Stokes/Anti-Stokes te meten, is over de gehele lengte van de kabel de temperatuur te bepalen.

Meetapparatuur

Voor de experimenten is meetapparatuur van Sensornet gebruikt: de Sentinel DTS-LR (zie figuur B) en de HALO-DTS. De specificaties vindt u in tabel A. Voor de opgegeven precisie is een meetinterval van tien minuten nodig. Om de veranderingen van temperatuur in de tijd goed te kunnen waarnemen, is bij de in het riool uitgevoerde experimenten een meetinterval van 30 seconden gebruikt. Daarbij is de behaalde precisie grover (de precisie is dus afhankelijk van het meetinterval!).
 

	Resolutie	Precisie	Lengte	Vermogen	Gewicht	Kosten
Sentinel DTS-LR	1 m	< 0,01°C	0 - 10 km	120 W	21 kg	€ 45.000
HALO-DTS	2 m	< 0,10°C	0 - 4 km	40 - 50 W	9 kg	€ 25.000

Tabel A Verschillen Sentinel DTS-LR en HALO-DTS
 
Naast Sensornet (zie www.sensornet.co.uk) verkopen diverse andere fabrikanten soortgelijke apparatuur. Bijvoorbeeld Sensortran, EP-sensing, Agilent en Sensa. Het gebruik van Sensornetapparatuur is hier willekeurig. De specificaties van de apparatuur van de diverse andere fabrikanten zijn ongeveer gelijkwaardig. De keuze voor een bepaald DTS-systeem is een afweging tussen de verschillen in apparatuurspecificaties en de gekozen toepassing.


Figuur B De Sentinel DTS-LR

Typen kabels

Voor de pilots zijn twee typen kabels gebruikt:

• een vieraderige polyethyleen grondkabel van de Fockertglasvezeltechniek, Multimode 50/125 μm;
• een speciaal voor dit type metingen vervaardigde tweeaderige Multimode 50/125 μm, met metaalgewapende polyethyleen kabel van Kaiphone Technology (Taiwan).

 
De ader van de kabel waarin de feitelijke metingen plaatsvinden, bestaat uit een standaard 250 μm diameter glasvezel. Deze dunne vezel is te kwetsbaar voor gebruik in het veld en wordt daarom door enkele mantels beschermd. De opbouw en specificatie van de Kaiphonekabel ziet u in figuur C. De mantels creëren een voldoende sterk en werkbaar product. Om te voorkomen dat trekspanning op de glasvezelader de temperatuurmetingen beïnvloedt, zit om de aders een laag gel.
 
Hoewel de mantels bij elkaar een enkele mm dikke beschermlaag vormen, neemt de glasvezelkabel al snel de temperatuur van de omgeving aan. Uit de publicatie van Selker (2006) blijkt dat de reactietijd van een gewapende kabel op temperatuur acceptabel is. Binnen 15 seconden meet de kabel 95% van de werkelijke temperatuur.
 

Figuur C Opbouw Kaiphonekabel

Installatie kabel

In de casestudies zijn de glasvezelkabels in het hemelwaterriool getrokken door eerst een touw van put naar put te trekken (zie figuur D) en vervolgens hiermee de glasvezelkabel binnen te halen. Belangrijk is te voorkomen dat er te veel spanning op de glasvezel komt en dat de kabel zelfs wordt stukgetrokken. Daarom is een kabel nodig met door gel omgeven glasvezels en gewapend met metaal en/of kevlar. Dan is het (bijna) onmogelijk om de kabel handmatig kapot te trekken.


Figuur D Kabel van put naar put trekken
 
Een doorspuitwagen heeft het touw door de leiding getrokken. Afhankelijk van de afstand tussen twee putten en de lengte van de slang van de doorspuitwagen stond de wagen een of twee putten verder dan het uiteinde van het touw. Door de slang eerst een of twee putten terug te voeren en vervolgens het touw aan de spuitkop vast te maken, is het touw bij het binnenhalen van de slang door het riool getrokken. Het kost circa drieenhalf uur om 1.300 meter kabel door te trekken. Als per slag grotere afstanden zijn te overbruggen, kan het sneller. Met een langer touw en enkele katrollen voor het in- en uitleiden van de kabel is bijvoorbeeld de wrijving te verkleinen.

De kabel kan beter niet in heel scherpe bochten, knikken of lussen in het riool liggen. Op die punten weerkaatst het lasersignaal niet goed. Hoewel de kabelfabrikanten een minimale straal van 2,5 cm opgeven, is het beter als vuistregel een minimale straal van circa 10 cm aan te houden.

Meetresultaten

Zowel de Sentinel DTS-LR als de HALO-DTS leveren na aansluiting van de glasvezelkabel vrijwel direct temperatuurgegevens. Beide slaan deze gegevens per tijdsstap op in een gegevensbestand. Als een Sentinel DTS-LR met een meetinterval van 30 seconden gedurende een week in een stelsel metingen doet, slaat het apparaat 20.160 gegevensbestanden op. Is de kabel 1.000 meter lang, dan bevat de gegevensset meer dan twintig miljoen afzonderlijke temperatuurwaarnemingen. Deze aantallen zijn redelijkerwijs niet met afzonderlijke thermometers of temperatuurloggers te meten.
 
Om de gegevens te visualiseren, moeten de afzonderlijke gegevensbestanden in een database worden ingelezen (zie tabel B en figuur E).
 

(Screenshot maken)
Tabel B Voorbeeld samengevoegde temperatuurgegevens (afstand, tijd) in °C. Korendijk 4 april 2008

 
Figuur E Temperatuurgegevens (°C) in Excel (linksboven) en Matlab, Korendijk 4 april 2008
 
Let op de verschillende temperatuurlegenda’s. Deze zijn in Matlab naar behoefte zodanig bij te stellen, dat de verschillen in tijd en ruimte goed zichtbaar zijn. Voor grotere gegevenssets is Excel met maximaal 256 kolommen te beperkt.

Productie en kosten

Na enkele keren oefenen duurt het trekken van een 1.300 meter lange kabel circa 3,5 uur. Het verwijderen uit het riool en het oprollen van de kabel duren samen circa 2 uur. Meet altijd meerdere dagen achter elkaar, bijvoorbeeld op twee werkdagen en in een weekend. Tijdens de metingen hoeft niemand bij de apparatuur te blijven. Afhankelijk van de resultaten en het vervolgonderzoek kost het verwerken van de metingen een dag. Bij geconstateerde foutaansluitingen kunt u de kabel het best laten liggen. Dan kunt u na aanpassing van de aansluitingen een controlemeting laten doen.
 
De kosten zijn afhankelijk van meerdere factoren, zoals:

• de lengte van de kabel;
• de duur van het experiment;
• de locatie van de meting;
• de wijze van het inbrengen van de kabel.