用於校準分布式纖維溫度感測系統的方法和裝置的製作方法

2023-06-16 12:07:51 3

專利名稱：用於校準分布式纖維溫度感測系統的方法和裝置的製作方法
用於校準分布式纖維溫度感測系統的方法和裝置
本申請要求享有2006年4月11日提交的臨時專利申請系列號 60/791,158和2007年2月6日提交的系列號60/888,444的優先權。上述每 一個申請的公開內容，包括附圖在內的全部內容都在此以引用方式併入而 並不聲明放棄。
背景技術：
1. 發明領域
本發明通常涉及溫度感測。更具體地說，本發明的公開內容涉及用於 在，如分布式線系統中^f交準溫度曲線(temperature profile)的系統。
2. 相關領域的描述
諸如電線、管線以及類似物的線內的溫度範圍可以確定包括負載在內 的許多因素。雖然使用本領域目前的技術能夠可靠地模擬電纜絕緣的熱性 能，但是線所工作的環境的熱參數可能會變化，因而可能是不可預測的。 例如，位於線附近的熱源可以影響溫度。另一個例子包括線外部的環境溫 度的影響，此環境溫度可能對熱參^t產生影響。
目前的技術試圖通過確定線中的諸如熱區等的區域來確定有缺陷的 部件、退化的絕緣或者甚至可能的失效(如，短路)。然而，有時候可能 難以採集數據，這是因為一些線埋藏在地下，且可能在相對於地面相對高 的電壓下工作。
目前的溫度感測技術的一個實例利用雷射脈沖來穿過線，然後依靠隨 溫度變化的某些光散射現象來在一定程度內標示沿著特定分布路線的溫 度是多少。雖然目前的技術和系統已經具有一些優勢，但是除了別的優勢 外，它們未能提供線的準確的溫度分布。所提到的缺陷並不是窮盡性的，而是許多往往會破壞用於描述溫度分 布的先前已知技術的效果的缺陷的其中之一。然而，所提到的這些缺陷足 以證明本領域存在的方法還不能完全令人滿意，因此非常需要本公開內容 所描述並要求保護的技術。
發明概述
本發明的公開內容提供了用於在諸如光纖管線的分布式線系統中進 行溫度感測的系統和4支術。該溫度感測系統可以為參照線圈或參照部件
(reference cell)提供溫度穩定性，其中參照部件可以被絕緣層圍繞。耦合 到參照部件的控制元件可以具有局部電源和數據訪問埠 ，其可以獨立工 作或者與分布式溫度系統(DTS)—起工作。自動電路控制(如，TE控制 器和/或TE才莫塊)可以用反饋迴路確定內部溫度，以維持或調整當前時間 段的溫度，這可以通過熱偶、電阻式溫度檢測器(RTD)或其他溫度感測 設備來監測。
參照線圈或參照部件可以包括用於插入或去除線(如，光纖電纜)的 芯軸(mandrel )。可替代地，線可以被纏繞在參照線圈周圍。在這些構型 的每一種中，參照線圈可以從溫度感測系統上去除，並且在纖維被纏繞後 又可以重新4*入。
自動電路控制可以通過提供不同的溫度來改變參照線圈的溫度。當參 照線圈已經達到穩定的溫度值時，耦合到溫度感測系統的DTS可以依照經 驗得出，因此，DTS可以被校準到絕對溫度。
在一個方面，提供了一種用於校準纖維溫度感測系統的系統。該系統 可以包括用於獲得第一溫度的第一參照部件和用於獲得第二溫度的第二 參照部件。第一控制系統可以^皮耦合到第一參照部件，且可以用於控制第 一參照部件的溫度。類似地，耦合到第二參照部件的第二控制系統可以用 於控制第二參照部件的溫度。第一和第二參照部件可以被構建成允許光纖 電纜^皮纏繞在笫一和第二參照部件的周圍。該系統可以利用來自第一和第 二參照部件的溫度數據來校準纖維溫度感測系統。在另外一個方面，提供了一種方法。該方法包括將諸如光纖電纜的線 與第一和第二參照部件置於可操作的關係。調整第一和第二參照部件的溫 度。例如，第一參照部件可以被調整到環境溫度之上的溫度，而第二參照 部件可以被調整到環境溫度之下的溫度。根據第 一和第二參照部件的溫度 數據衝交準分布式溫度感測系統。
術語"一 (a， an)"界定為一個或多個，除非本公開內容以其他方式 明確要求。
術語"基本上"、"約"以及其變體界定為按照本領域的技術人員所理 解的主要地，但並不必須完全是按照所確定的，且在一個非限制性的實施 方案中，基本上指在所確定範圍的10%的範圍內，優選在5%的範圍內， 更優選在1 %的範圍內，且最優選在0.5 %的範圍內。
術語"耦合"被界定為相連的，但並不需要直接相連，且並不需要機 械相連。
術i吾"包4舌(comprise)"(以及包4舌的4壬4可形式(comprises和 comprising )、"具有(have )"(以及具有的j壬〈可形式(has和having))、"包 括(include )"(以及包括的任何形式(includes和including ))以及"包含 (contain)"(以及包含的任4可形式(contains和containing))都是開》丈式 的連繫動詞。因此，"包括(comprises )"、"具有(has )，，、"包括(includes )" 或"包含(contains)" —個或多個步驟或元件的方法或裝置擁有這些一個 或多個步驟或元件，但並不限於只擁有這些一個或多個元件。同樣地，方 法或裝置的"包括(comprises )"、"具有(has)"、"包括(includes )"或"包 含(contains )" —個或多個特徵的步驟或元件擁有一個或多個特徵，^旦並 不限於只擁有這些一個或多個特徵。而且，以某種方式構建的裝置或結構 是至少以那種方式構建，但是還可以按照未列舉的其他方式構建。
參照下文結合附圖的具體實施方案的詳細描述，其他特徵和優勢將變 得明顯。附圖筒述
下面的附圖形成了本發明說明書的 一部分，且被包括在內以進一步驗 證本發明的某些方面。通過參考這些附圖中的一幅或多幅並結合此處提供 的具體實施方案的詳細描述，可以更好地理解本發明。


圖1顯示了根據本公開內容的實施方案的溫度感測系統的剖面圖。
圖2A和2B顯示了根據本公開內容的實施方案的溫度感測系統的側視圖。
圖3顯示了根據本公開內容的實施方案的圓盤(puck)。
圖4顯示了根據本公開內容的實施方案的圓盤纏繞組件(puck winding assembly)。
圖5A和5B顯示了根據本公開內容的實施方案的溫度感測系統的側視圖。
圖6A和6B顯示了根據本公開內容的實施方案的溫度感測系統的各種 視圖。
圖7顯示了根據本公開內容的實施方案的分布式溫度感測圖。
圖8顯示了根據本公開內容的實施方案的帶指示器燈的溫度感測系統。
圖9顯示了根據本公開內容的實施方案的溫度感測系統的電路。
示例性實施方案的描述
參考闡釋在附圖和下面描述的詳細內容中的非限制性的實施方案，更 充分地解釋了本公開內容以及各種特徵和有優勢的細節。省去了對眾所周 知的初始材料、工藝技術、部件和裝置的描述，以便不會因不必要的細節 而遮掩本發明。然而，應該理解，雖然詳細的描述和具體的實施例標示了 本發明的實施方案，但是它們只是為了示例性地闡釋而不是為了限制而給 出。從此公開內容來看，在隱含的本發明概念的主旨和/或範圍內進行的各 種替換、修改、添加和/或重新排列對本領域的技術人員來說將變得明顯。DTS溫度傳感器在包括，但不限於，工業過程、多用途監測以及油氣 生產的若千領域中是有用的儀器。光學纖維不受電磁千擾(EMI)的影響， 且不會輻射電磁千擾，這使得光學纖維在這些應用中是有用的。許多溫度 數據點可以沿著纖維的相當大的長度，如10公裡或更長而^f皮處理。所得 到的分布式測量結果能夠等同於許多常規的點式溫度傳感器(point temperature sensor )，但若採用點式溫度傳感器，將會具有比較高的安裝和 操作成本。
光纖溫度測量系統可要求遠程校準系統，以便，如溫度傳感器的測量 結果是準確的。除了其他優勢之外，本公開內容的裝置提供了兩個參考點。 參考點可以在環境溫度之上以及可以在環境溫度之下，從參考點可以自動 獲得準確的溫度。該系統可以採用本領域所使用的實際纖維，以便減少或 基本上消除因不同的纖維類型而產生的信號效應。
諸如DTS儀器的系統可以將雷射能量引入感測纖維探針。沿著探針的 溫度可以從拉曼背散射強度(Raman backscattered intensity)的比計算得到。 無溫度差異(temperature indifferent)的拉曼斯託克背散射可以返回，且可以 與溫度敏感的反斯託克強度(Anti-Stokes intensity)進行比較。DTS通常包 括一^L可以用於測量已知溫度的纏繞到參照線圏或參照部件的纖維。可以位 於DTS ^f義器內或作為獨立裝置的參照線圏或參照部件可以用於將溫度曲線 測量結果校準到絕對溫度。對一些採用纖維探針的方案來說，在置於，如集 成到探針路徑的某些位置的額外的參照線圈的輔助下可以提高準確度。
本發明的公開內容提供了沿著線的一個或多個參照溫度位置，且可以不 要求到DTS儀器的線或通信。該系統可以包括獨立的電源，如DC電源、 AC電源、太陽能收集器或類似物。該系統可以改變其內部的纖維線圈溫度， 從而為DTS提供不同的值以確定絕對溫度。DTS隨後可以用此絕對溫度編 程，且當系統的參照線圈或參照部件通過耦合到參照線圈的集成纖維探針而 已經達到穩定的溫度值時，DTS可以依照經驗得出，並可以進行校準。
在一個方面，可以使用包括兩個參照部件的系統，這兩個部件可以祐二 加熱或冷卻到特定的溫度。參照部件可以使用標準的電阻加熱器，以便加 熱到具體的溫度。可替代地，參照部件可以使用諸如熱電(TE)模塊的熱源和冷卻源。TE模塊中的每一個可以具有其自己的控制器("TE控制器") 和電源，且可以通過諸如110伏的電源或220伏的電源等的電源供電。可 替代地，可以使用一個控制器控制TE模塊。在某些實施方案中，控制器 可以經由封閉物(enclosure)底部的通信埠 25,通過連接膝上型電腦、 計算機、處理器、個人數字助理(PDA)、有線或無線電話或其他手持的 通信或電腦設備(總稱"處理設備")而設定為通信到控制器。可以使用 由處理設備執行的軟體命令，或可替代地，使用可操作地構建的硬體部件 (或者通過軟體指令、機械裝置，或者通過人工控制)，來設定TE控制器。 特別地，每一個TE控制器都可以接收指令，以將相應的參照部件的溫度 變化到預先確定的溫度。預先確定的溫度可以高於環境溫度。另外或可替 代地，此預先確定的溫度可以低於環境溫度。
可替代地，在某些實施方案中，參照部件可以設定到大約環境溫度， 用於變化的溫度設計。用於每一個參照部件(或圓盤)的控制器可以提供 浮動溫度設置，且可以與加熱和/或冷卻元件一起工作以提供所需的溫度設 置值。溫度設置的輸出(如類似於圖7顯示的圖表)可以顯示代表環境溫 度的峰值(spike )。
在一些方面，可以為每一個參照部件提供通信埠 (如，RS232埠、 USB埠等)。 一旦設定系統(即，並不需要額外編程)，該系統就可以耦 合到具有15km或更大長度的線的任何部分。可替代地，分布式線系統可 以具有小於15km的長度。
參考圖1,顯示了在一封閉物內的參照部件的剖面圖。由絕緣固定器 (insulation retainer) 15分隔的每一 個參照部件可以包括圓盤3和圓盤覆 蓋物8，其中在圓盤3上纏有線9 (諸如光纖電纜)，圓盤覆蓋物8使線9 保持在內部的圓盤3上。在某些實施方案中，圓盤3可以是鋁或包括鋁。 可替代地或另外，圓盤3可以採用銅或表現出良好的熱保留性能的其他材 料。圓盤3更詳細地顯示在圖3中。
圓盤3可以安裝在熱底座板(thermal mount plate ) 4上，且可以-陂圓 盤固定螺釘6固定。熱底座板4可以耦合到熱電(TE)模塊5上，該熱電 模塊5根據所施加電流的極性加熱和/或冷卻圓盤3。來自TE模塊5的任何多餘的熱量可以通過散熱器7輸送到封閉物16 的外部而進入大氣中。在某些實施方案中，風扇2和/或罩1可以用於改善 向大氣的熱輸送。可以通過向TE控制器11才是供信號的熱電偶17測量溫 度。TE控制器反過來又可以控制TE模塊5，並因此控制圓盤3的溫度。
在某些實施方案中，每一個參照部件可以由絕緣覆蓋物10封閉，絕 緣覆蓋物10被絕緣固定器15置於合適的位置。絕緣固定器15可以由泡 沫塑料製成。替換絕緣固定器15，或者除了絕緣固定器15之外，參照部 件可以由膠帶、連接到主殼上的金屬或塑料條、或者連接到主殼上的塑料 或橡膠帶保持在合適的位置。
參考圖2A和2B，顯示了系統的側面輪廓視圖。在一些實施方案中， 系統可以包括6個指示燈，3個用於每一個參照部件(即，紅燈100、綠 燈102和藍燈104)。每一個指示燈可以標示參照部件的溫度調整狀態。例 如，紅燈可以標示溫度調整到設定溫度之上，而藍燈可以標示溫度調整到 設定溫度之下。綠燈可以標示已經達到期望的溫度。
系統還可以包括光纖參照線圈110，其是可以被纏繞在圓盤/參照部件 周圍的光纖電纜。當加熱或冷卻圓盤時，纖維的溫度基本上類似於圓盤的 溫度，且可以通過，如DTS系統檢測。耦合到光纖參照線圏IIO的可以是 纖維塞(fiberplug) 112，其可以將參照線圈110固定在合適的位置，且可 以經由，如電纜密封接頭(cablegland)114提供封閉物的防水出口。例如， 電纜密封接頭114可以提供來自電源12的電力電纜可以橫穿的區域。
在某些方面，圓盤3可以是可去除的，以使線9，例如，但不限於， 來自一位置的光纖電纜可以從外部纏繞到圓盤3上。在纏繞過程之後，兩 個圓盤可以通過去除，如內部入口板(access plate) 13和外部出口板14 而從底部插入到封閉物16中。
在一些實施方案中，線的環可以同時纏繞到兩個圓盤上，如使用諸如 圖4中顯示的一種纏繞組件。例如，5米長的線可以同時纏繞到兩個圓盤 上，每一個圓盤上纏繞約8圈。本領域的技術人員應認識到，圏數可以取 決於線的長度以及圓盤的直徑。圖4顯示的纏繞組件可以被可操作地構建成將線纏繞在圓盤周圍。例
如，線可以形成約2m到3m高的環，但可以根據纏繞組件和/或圓盤的尺 寸改變尺寸。環的每一端可以固定到握柄50。圓盤3可以固定到工具上， 且纏繞芯軸52利用，如固定螺釘將圓盤固定在合適的位置。在一個方面， 當圓盤都位於封閉物16內時，圓盤可以以類似的或基本上相同的距離被 間隔開。纏繞可以開始於圓盤的外部，最靠近臂支撐體而後纏繞入中心。 兩個圓盤可以同時^t纏繞，以消除電纜的纏結。
在一個方面，線可以纏繞在圓盤的周圍，而不是旋轉圓盤並將線牽拉 到其上。可以手動旋轉芯軸，或者可以利用電動的。 一旦完全纏繞圓盤， 那麼就可以去除芯軸，並用電纜將圓盤轉移到封閉物16的合適位置中。 在一個方面，具有線的圓盤可以從下面插入到封閉物中，其中圓盤可以被 螺栓固定在合適的位置。接著，圓盤的外部覆蓋物和封閉物都設置在合適 的位置，且設置電纜塞以固定線。
在一些實施方案中，線9可以是具有塑料罩的光纖電纜。光纖電纜9 可以通過手動或通過纏繞組件纏繞到圓盤上。可替代地，光纖電纜可以具 有金屬罩，這有益於用工具，諸如圖2顯示的組件纏繞在圓盤的周圍。在 一些方面，纏繞組件可以將纖維同時纏繞到兩個圓盤上。光纖電纜可以不 用切割就用於纏繞，且在某些實施方案中，兩個圓盤可以一起纏繞以降低 線纏結的可能性。在將光纖電纜置於兩個圓盤內的合適位置後，圓盤可以 -故插入到封閉物9中，如圖5A和5B所示。
在其他方面，封閉物16可以包括通過窗口可見的兩個內部顯示器， 如圖6A所示。在設置過程中，顯示器60可以用於設置溫度，且還可以用 於監測溫度。
可替代地，在圖6B中，可以使用獨立的(self-contained)控制器， 以使在設置過程中可以不需要外部通信(即，為每一個圓盤選擇參照點溫 度)。獨立的控制器可在諸如字母數字型顯示器的顯示器上顯示溫度。
在某些實施方案中，可以串連使用兩個參照部件，且使用，如TE控 制器和TE才莫塊將一個參照部件在環境溫度之下冷卻，而一個參照部件在 環境溫度之上加熱。特別地，冷卻和加熱可以被設置到已知的溫度。可以照亮封閉物16上的燈指示器以顯示溫度調整的"狀態"。在一個方面，指
示器燈IOOA、 102A和104A可以用於標示第一參照部件的狀態，而指示 器燈IOOB、 102B和104B可以用於標示第二參照部件的狀態。如果第一 參照部件需要被調整到環境溫度之上的溫度，那麼紅色指示器燈(100A) 可以在調整過程中變亮。類似地，如果第二參照部件需要被調整到環境溫 度之下的溫度，那麼藍色指示器燈(104B)可以在調整過程中變亮。當每 一個參照部件都已經達到預先確定的溫度時，分別是102A和102B的綠色 指示器燈變亮，如圖8所示。耦合到指示器燈的內部電路顯示在圖9中。
在一個方面，圓盤是可以互換的，因此如果要求的話，加熱和冷卻可 以4史轉換。在某些實施方案中，如果一個圓盤失效，那麼仍能利用變化的 且執行已知溫度序列(temperature sequence)的一個圓盤進行校準。此技 術是依賴時間的過程，該過程將單個參照部件設定到一段時期的環境溫度 之上的已知溫度，然後將此溫度變化到環境溫度之下的設定值等等。DTS 儀器可以自動確認此情況。
在一個實施例中，溫度以正峰值(高於環境溫度)和負峰值(低於環 境溫度)顯示在DTS (分布式溫度感測)圖表上，如圖7所示。因為溫度 是已知的，所以分布式溫度感測系統的軟體可以自動調整範圍和偏差並校 準整個系統。
與現有的系統相比，所闡釋的實施方案包括許多特徵和優勢。例如， 在某些實施方案中，引入兩個圓盤能夠獲得高的和低的參照溫度。多個圓 盤還能夠使光纖現場被纏繞而不會纏結，且在失效的情形下使系統有備用 的。此外，某些實施方案可以安裝在纖維電纜長度的任何位置上而無需切 割電纜。而且，在某些實施方案中，可以在裝置的外部先纏繞圓盤，然後 再插入到TE沖莫塊上而無需切割電纜。在某些實施方案中，裝置是"獨立 的"的裝置，且並不要求與DTS裝置通信。
可以使用許多程式語言中的任何一種來實現本公開內容的技術。合適 的語言包括，但不限於，BASIC、 FORTRAN、 PASCAL、 C、 C + + 、 C# 、 JAVA、 HTML、 XML、 PERL等。構建來實施本發明的應用可以是獨立的 應用、基於網絡的或基於有線或無線網際網路的應用，以允許容易的、遠程訪問。此應用可以在個人電腦、數據輸入系統、PDA、手才幾或任何計算機 化的裝置上進行。
就本發明公開內容的益處而言，本領域的技術人員將理解此處所要求 保護的技術可以被改變，且可以應用到許多額外的、不同的用途，獲得了 相同或類似的結果。權利要求覆蓋了落入本公開內容的範圍和主旨內的所 有這種變化。
權利要求
1. 一種用於校準纖維溫度感測系統的系統，其包括第一參照部件，其被構建以獲得第一溫度；第二參照部件，其耦合到所述第一參照部件，且被構建以獲得第二溫度，所述第一溫度和所述第二溫度是不同的；其中所述系統利用來自所述第一參照部件和所述第二參照部件的溫度數據來校準纖維溫度感測系統。
2. 如權利要求1所述的系統，其中所述第一參照部件和所述第二參照 部件是大體圓柱形的。
3. 如權利要求l所述的系統，其中第一控制系統包括熱電模塊。
4. 如權利要求1所述的系統，其中第二控制系統包括熱電模塊或電阻 加熱器。
5. 如權利要求1所述的系統，其中所述第一參照部件和所述第二參照 部件被構建成插入到罩住所述第一參照部件和所述第二參照部件的封閉 物中以及從所述封閉物中去除，且其中所述第 一參照部件和所述第二參照 部件被構建成當所述第 一參照部件和所述第二參照部件被從所述封閉物 去除時，允許光纖電纜被纏繞在所述第一參照部件和所述第二參照部件的 周圍。
6. 如權利要求5所述的系統，其中所述第一參照部件和所述第二參照 部件被構建成在光纖電纜纏繞在所述第一參照部件和所述第二參照部件 的周圍之後，所述光纖電纜不會變得纏結。
7. 如權利要求5所述的系統，其中所述第一參照部件和所迷第二參照 部件被構建成在光纖電纜已經纏繞在所述第一參照部件和所述第二參照 部件的周圍之後^f皮插入到罩住所述第一參照部件和所述第二參照部件的 封閉物中。
8. 如權利要求1所述的系統，其中所述系統被構建成安裝到現有的光 纖電纜上而無需切割現有的光纖電纜。
9. 如權利要求1所述的系統，其中第一控制系統初始被編程來控制所 述第一參照部件的溫度，且並不要求外部輸入隨後控制所述第一參照部件 的溫度。
10. 如權利要求9所述的系統，其中第二控制系統初始被編程來控制所述第二參照部件的溫度，且並不要求外部輸入隨後控制所述第二參照部 件的溫度。
11. 如權利要求1所述的系統，其中第一控制系統和第二控制系統中 的每一個包括熱電偶、散熱器和絕緣覆蓋物。
12. 如權利要求所述的系統，其還包括風扇和罩。
13. 如權利要求1所述的系統，其中如果所述第一參照部件失效，那 麼仍能利用變化的且執行已知溫度序列的所述第二參照部件進行校準。
14. 如權利要求1所述的系統，其還包括控制所述第一參照部件的溫 度的第一控制系統和控制所述第二參照部件的溫度的第二控制系統。
15. 如權利要求1所述的系統，其還包括用於罩住所述第一參照部件 和所迷第二參照部件的封閉物。
16. —種方法，其包括設置線以與第一參照部件和第二參照部件成可操作的關係；將所述第一參照部件的溫度調整到環境溫度之上；將所述第二參照部件的溫度調整到環境溫度之下；根據所述第一參照部件和所述第二參照部件的溫度數據校準分布式 溫度感測系統。
17. 如權利要求16所述的方法，其中設置線的所述步驟包括在所述第 一參照部件和所述第二參照部件上同時纏繞所述線。
全文摘要
公開了一種用於校準溫度感測系統的系統和方法。在一個方面，線可以與第一參照部件和第二參照部件置於可操作的關係。可以調整第一和第二參照部件的溫度。在一個非限制性的實施例中，第一參照部件的溫度可以被調整到環境溫度之上的溫度，而第二參照部件的溫度可以被調整到環境溫度之下的溫度。根據第一和第二參照部件的溫度數據可以校準溫度感測系統。
文檔編號G01K11/32GK101421600SQ200780012955
公開日2009年4月29日 申請日期2007年3月13日 優先權日2006年4月11日
發明者布萊恩·帕克, 鍾 李, 肯特·卡拉爾, 麥可·E·桑德斯, 默罕默德·法茨·尼婭 申請人:薩索特蘭公司