分散式光纖偵溫系統簡介及應用介紹

前言

分散式光纖偵溫系統是藉由一條扮演傳感器的光纖，實現監測光纖所到之處的溫度量測，這是目前普遍的溫度量測方法所無法達成的。分散式光纖測溫系統可以即時、準確的反映出被測對象的溫度資訊，並具有多種差動定溫的報警方式。 主要特點是區別於傳統點式、分散式測量，在光纜敷設的範圍內無測量盲點，測量距離長且取樣讀值密度高、適於遠程監控，測量週期短，響應快速，靈敏度高，測量精度高，誤報率、漏報率低等特點，十分適合於大區域、大範圍不易管理的系統監測及災害預警之用途；DTS目前在全球的應用已有相當多的案例，主要應用領域為電力、交通、工業、地理水文之溫度偵測及安全預警監控。

文獻回顧

傳統溫度監測主要以點式取樣之方式進行量測，傳感器普遍使用電阻式溫度元件(RTD)或電熱偶(Thermocouple)感測溫度，以所產生之電阻或毫伏電壓信號來作溫度信號量化及傳訊，其使用上有著應用的限制及缺點，如溫度範圍固定、侷限的量測空間、信號易受電磁干擾影響、易因水氣潮濕及雷擊影響、突波故障等。在實際應用上，傳統式的傳感器，不論是採用類比量或者數位點式感測器，其系統連線多，測量存在盲點，只能夠針對特定的溫度點進行量測，無法對週遭熱點全面進行即時監測，也不能夠確定熱點位置，系統組成複雜，大範圍之量測安裝整合不易；因零件老化而會產生飄移，除須定期調校外使用壽命相對較短，後續維護成本也較高。

分散式光纖偵溫系統（DTS）能夠提供即時的溫度監測和熱點定位功能，具有測量距離長等優勢。且獨特的電氣絕緣性賦予光纖傳感器的抗電磁干擾能力，以及快速響應和對腐蝕液體的抗拒性。光纖傳感器因其本質安全性，非常適合於易燃易爆的危險場合及重要設施之溫度監測及火災報警預警的應用。

分散式光纖偵溫系統的警報規劃可依各區段環境及需求不同而作不同背景均溫下之警報定義，可配合現場分系統、區域、樓層、隔間來設定光纖量測路徑之參考距離，在發生異常狀況時，能藉著系統精準定位之功能，迅速找出事故警報發生之正確位置，在災害形成前解決問題，防止事故發生及影響之蔓延。

DTS (Distribution Temperature Sensing)原理簡介

分散式光纖偵溫系統之溫度量測方式，是以光纖作為感測元件，光纖採石英材料所製成，為SiO2分子的結合，當分子的熱量發生變化時，也會使得分子晶格振盪產生變化，此時如果加入一光束於這區域，就會發生光散射現象，若以頻譜觀看反射光會發現除入射光本身的頻帶外，另外會因光散射現象產生反斯拖克斯(Anti-Stoke)頻帶及斯拖克斯(Stoke)頻帶，稱為拉曼(Raman)散射 圖一，由於光纖分子熱振動產生兩個回射波，比原光源長的回波-斯拖克斯(Stokes)以及比原光源短的回波-反斯拖克斯(Anti-Stokes)。

光纖因受外部溫度的變化影響，使光纖中的反斯拖克斯 (Anti-Stokes)發生變化，而量測Anti-Stokes與Stokes信號的比值，可計算出沿光纖路徑上之所有量測點之溫度 圖二，透過光時域反射技術(OTDR)之應用可將所有位置之溫度讀數，透過類似於測量雷達回聲返回的脈波到達時間而被定位，因此可作精準而長距離的連續性溫度量測，分析回波散射的信號以計算出光纖路徑上之所有量測點之溫度和距離。 圖三、四

分散式光纖感溫探測系統(DTS)特性

• 即時性：可對被測物件溫度進行即時監控，即時顯示，達到早期預警功能。
• 分散式：DTS系統為全分散式測溫，以光纖作為感溫元件外無其他任何偵測元件，偵測距離達數十公里，能實現被測物件全長度範圍內連續性的線形監測方式，沒有探測盲點。 圖五

  圖五、光纖佈置沿線皆有溫度讀值^[6]

  
• 先進性：DTS光纜分散式溫度測量系統已經被廣泛應用於電力纜線/設施安全、隧道的火災監測和環境監測，通過採用不同的外護套材料和不同的光纜結構，探測光纜可以適應各種環境。
• 準確性：DTS系統溫度解析度可以達到0.1℃，溫度精度可以達到0.5℃以下，定位精度達1米以下。
• 靈活性：DTS監測系統的監測是連續的溫度測量，可設置多種報警模式，如定溫報警，溫升報警，分區極大溫度報警等；可按照用戶的要求進行分區，每個分區的報警條件相互獨立。
• 擴展性：DTS系統可以對多路光纖進行同時測量，根據實際需要，有1、2、4、8、12路可以選擇，並可提供系統備源設計， 可依需求選擇來提高系統可靠度，並可偵測光纖斷線位置。
• 安全性：探測光纜本質安全，採用光信號，不會與動力電纜之間產生相互電磁干擾。
• 免維護性：探測光纜的使用壽命在20年以上，光纜能夠被安裝在惡劣環境條件下，能夠抵禦灰塵、潮濕、腐蝕性氣體、高壓突波衝擊及電磁輻射等外界干擾。

偵溫光纜及點式傳感器介紹

偵溫光纖纜線

光纖纜線應用於溫度感測，應考慮到安裝的方便和安全性，分散式光纖偵溫系統之量測溫度範圍取決於光纖之耐溫，所以使用溫度範圍較大及抗壓力、拉力較強、高彈性和良好的彎曲性能的光纖為佳。以下是常用之偵溫光纖規格 圖六:

點式傳感器

使用於溫度偵測需求較靈敏或重要設備及接續點、電纜接頭之熱點探測，可將5到10公尺傳感光纜繞成直徑不小於20公分的圓作為點式傳感器，緊貼著待測物舖設 圖七。增加了測量該區域的光纖長度，可提高測量準確性， 並在溫度曲線中能快速地找到高溫故障點。

計畫方法

DTS在全球產業較為普遍的安裝用途為電力安全、製程監控/液態氣態流體洩漏、火災預警及環境溫度之偵測。相關之應用場合如下說明:

電力安全之應用

電纜和電氣設備監測之說明

將光纜鋪設在被監測的電纜表面，且可對電纜接頭和電纜套管重點監測，亦能夠即時、連續的對電纜托架、電纜隧道和電纜進行溫度測量 圖十~圖十三。

可監測高電流負載引起的發熱，及完整的覆蓋電纜托架或電纜隧道，無測量死角，即時且可準確定位之警報能夠即時監控負載電流及有問題之電纜接頭等等。

變壓器因過負荷或故障等原因，可能使變壓器過熱，導致自燃或爆炸。利用偵溫光纜佈設於變壓器的表面，通過溫度的即時監測，可以即時發現異常溫度部位，並自動通知工作人員，做出即時的處理。

分散式光纖偵溫系統於光纖通道上能夠提供數千個測量點，具1米的空間解析度，以及小於0.1℃的溫度解析度，可對電力主設備的溫度監測 圖十，採用帶有外護套的光纜用於主變壓器室火災監視、變壓器的套管及GIS穿牆管、導線連接處的溫度即時監測。對於發電機繞組、變壓器等體積比較大的重要部件，可將光纖纏繞在其表面，增加測量該區域的光纖長度，提高了量測準確性，並在溫度曲線中能快速地找到高溫故障點。

由於輸電線路於送電運轉時，每一層構造將產生熱阻，故較新之分散式光纖偵溫系統將輸電線運轉時所產生之熱阻計算建立模組化，進行電纜導體運轉溫度換算，並可推估導體送電容量，藉由監控畫面以單線圖方式清楚呈現目前電纜溫度及送電容量變化，並可累計資訊建立資料庫以利比對。當溫度或送電容量過高時則發出警告訊號至監控系統以利電力調度，及可提高電力輸送可靠性。

火災警報及預警之監控應用說明

分散式光纖偵溫系統藉由一條偵溫光纜實現數千個溫度點的測量，在整個光纜所及處無測量死角。火災能夠被快速確定且能夠精準定位，節省應急小組的寶貴時間，在最短的時間採取有效的消防行動。

安全的系統要求有很高的可靠性和良好快速的熱探測。尤其是在惡劣的環境裡，分散式光纖偵溫系統能夠避免干擾和誤報警，即使產生巨大熱量和煙霧迅速蔓延，儀器仍然能照常工作。

依據IEC 60079-28要求，雷射輸出功率大於35 mW（3B等級）就能夠點燃爆炸性氣體，此雷射器將被視為危險光源，目前分散式光纖偵溫系統中的雷射輸出功率為17mW，所以能夠安裝在危險區域（防爆區域），不需要額外的措施，即使在甲烷報警和光纖斷裂的情況下，系統仍然可以繼續運行，這是其他方案無法做到的安全保證。

火警警報及預警

針對事故發生前的溫度變化率大的特點，在報警設置中可設置溫度變化率進行監測，當監測到溫度變化率大於設定值時，發出報警信號，並提供相應的信號輸出，差溫報警共有多組條件可以設置，能夠針對不同情況進行準確的報警，將誤報降到最低。

火災監測可以採用VDS認證採用的設置：定溫60℃，差溫13℃/40s、17℃/120s、28℃/360s；電纜的溫度監測可以按照實際需求進行分區和設置。差溫報警是針對時間維度上的溫度變化量，報警演算法還具備空間維度上的設置，與分區平均溫度值之差的報警設置不受外界環境變化及氣候變化而改變，報警準確可靠，誤報率低。

分散式光纖偵溫系統火災監控不只是預警

分散式光纖測溫主機配合其特定的傳感光纜能夠實現特別的功能：

• 快速、可靠地探測多種不同類型的火災
• 在火災中具有高耐用性
• 監控火勢發展，以提供關鍵資訊

火災發生後，隧道內的溫度會急劇上升，普通光纜一般所能承受的溫度上限約為150℃，採用耐高溫光纜訂製品則能夠在750℃的高溫下兩個小時內保持功能的完整性 圖十五、十六，不僅能夠實現火災的預警，還能對火災全程進行監測。

分散式光纖偵溫系統可迅速探測不同類型的火災，精確定位火災和在火災發生後火場火源的移動位、分佈及監控火勢大小和蔓延的能力對於火場的救援及決策能提供非常有效的幫助 圖十七。如今，由於這些迅速探測及精確定位火災的特性，在國外已普遍應用於連動滅火系統，將大大地影響著未來的火災保護系統的啟動和管理方式。

工廠製程及流液體洩漏偵測應用簡述

根據洩漏檢測原理，現行方法可分為直接檢測法（根據洩漏的介質）和間接檢測法（根據洩漏引起的管道流量壓力及溫度等輸送條件的變化和洩漏引起的聲光電等變化）及新型管道洩漏檢測技術(紅外線成像法、嗅覺感測法、氣體成像法)等等。

以上的洩漏監測技術都存在類似的缺點，無法進行即時快速的監測洩漏，無法在空間上進行連續的監測洩漏，當發現洩漏後也無法準確定位出洩漏點。分散式光纖偵溫系統剛好可解決上述大部分問題。如果管道或儲槽發生了洩漏，氣體及液體本身具有溫度特性，分散式光纖測溫技術即時的測量管道及儲槽溫度，既可以快速連續的監測洩漏的狀況，也能定位出洩漏點，定位精度小於1m。

工廠製程及流液體洩漏偵測應用之說明

即時監測系統探測整個管道或儲槽的溫躦異常事件做為洩漏偵測之應用，溫躦異常可能由液體和環境溫躦本身的差異產生或者由如Joule-Thomson效應的物理效應導致的管道高壓或者是蒸發洩漏節流後產生。監測桶槽或管路洩漏必須先瞭解所在管路或桶槽外壁所造成的洩漏前後溫差，通常洩漏溫差達約偵測解析的4-6倍的變化可以被檢出異常，最好先調查需要測漏之流體種類、溫度、輸送壓力後，計算出洩漏產生之溫差、可偵測之洩漏量及偵溫光纖之適當量測長度，如此才可達具體效益。

若是接近常溫的洩漏需要將光纜設計在絕熱結構中，傳感光纜更加接近於管路或儲槽，且不受外界環境干擾，能夠得到較好的洩漏檢測。若是溫差較大的洩漏(如蒸氣、LNG..)則不需做包覆絕熱。由於傳感光纜是鋪設在管線表面，直接與空氣接觸，測量的溫度與環境相關，分散式光纖偵溫系統的警報演算法與分區平均溫度差警報是將每點的溫度與該點所在分區的平均溫度比較，當發生洩漏時，洩漏點的溫度會明顯與分區平均溫度有落差，所以能迅速報警，且準確定位；當沒有洩漏發生時也不會引起任何的誤報警。

合理的佈置分散式光纖偵溫系統能夠為廠區管道提供兩項重要功能。第一，能夠在製冷過程中提供熱量梯度信息，確保管道壓力保持在指定的操作限制值內；第二，能夠在絕熱層下方定位管道洩漏點位置，無需存在明顯的破壞。在絕熱層位鋪設時將傳感光纜沿著管道的上部和底部鋪設，能夠提供管道詳細的信息。

結果與分析

電力安全監控之優點

為確保輸電電纜鋪設後之供電安全與供電品質，可在涵洞內設置偵溫光纖，能即時瞭解電纜運轉溫度變化，電纜本身亦可鋪設光纖以瞭解電纜導體溫度變化。國外在地下電纜、海底電纜、匯流銅排、電纜線槽托架以光纖進行電纜及設備安全之監測已漸成趨勢。其優點如下：

• 即即時溫度測量，具高分辨率和空間分辨率，(0.1℃，1米)，極高的測量重複性。
• 掌握電纜載流量的利用水準，熱點探測及定位並於HMI監視電腦顯示，協助優化電纜的設計和安裝。
• 光纖抗電磁干擾，無需電力供應和零件，易裝於既有及新安裝設備上，並整合於電力電纜控制系統中，即時監控數據亦可整合到即時熱量評估系統或數據庫。
• 可同時對多條電纜進行量測，系統組成簡單、便於管理。
• 使用壽命長，減小維修及養護的成本。

火災警報及預警監控之優點

現在應用於火災監測系統中，除極早型偵煙系統可於火災形成前可提前偵測外，一般的煙霧或溫度差動探測器，報警時往往已形成火災，且無法正確指出火災之位置，無法有效預警。而一般之線型探測器有常規感溫電纜探測系統、分散式點式測溫系統和分散式光纖偵溫系統。常規感溫電纜探測系統功能比較簡單，安裝也很方便，但只能夠在特定的溫度點進行報警，誤差較大，既無法對熱點進行即時監測，也不能夠確定熱點位置；分散式點式測溫系統，如光纖光柵（FBG）一般採用類比量或者數位量點式感測器，其系統連線較多，測量存在盲點；光纖分散式溫度探測系統功能強大，能夠提供即時的溫度監測和確定熱點位置，精度較高，無測量盲點，測量距離長等優勢。

絕佳的電氣絕緣性賦予光纖傳感器的抗電磁干擾能力，和在易燃易爆場所的本質安全性，具快速回應和抗酸鹼腐蝕等特性，偵溫光纖適用於各種惡劣的工作環境。尤其在屬於易燃易爆領域的石化工業，偵溫光纖因其本質安全性非常適合於重要場所之溫度監測及火災報警的場合使用。故應用在火災警報及預警用途有著相當優異的特性 圖二十四。

工廠製程及流液體洩漏偵測應用之優點

光纖應用在洩漏監測領域具有良好的優勢，只要沿著整個需要監測的管道及桶槽及組件鋪設一根光纜就可以實現完整的監測方案，實現長距離的溫度測量，在整個光纜所及之處沒有測量死角。洩漏能夠被快速確定且能夠精確定位。光纖傳感具有不受電磁干擾影響、分散式測量、長期免維護、能夠應對惡劣環境等優勢，使之成為洩漏監測的解決方案。

分散式光纖溫度傳感方法對於洩漏十分敏感，不受外界環境變化及氣候變化而影響，報警準確可靠，誤報率低。透過光纖偵測儲槽及管路溫度之變化，即使是最微小的洩露也能可靠的檢測到，識別監測過程中的環境變化，實現優化流程，增加生產過程效率，保護雇員安全，減少停工期和損害，能夠節約應急小組的寶貴時間，在最短的時間內採取有效行動。

分散式光纖偵溫系統與傳統洩漏監測之比較 圖二十五。

結論

綜觀光纖測溫在火災和電力及洩漏監測領域具有良好的優勢，僅需沿著整個需要監測的區域鋪設光纜就可以實現完整的監測方案。

光纖傳感具有不受電磁干擾影響、分散式測量、長期免維護、能夠應對惡劣環境等優勢，使之成為火災探測和電纜及洩漏監測應用的解決方案。

與傳統傳感器相比較，分散式光纖測溫系統具有的天然優勢，主要包括：

連續分散式測量

分散式光纖傳感器的分散式測量，可以沿著幾十公里的探測光纜連續測量溫度資訊，誤報和漏報率低，可以實現即時監測。

抗電磁干擾，在高電磁環境中可以正常的工作

石英材的的光纖本身完全的電氣絕緣；同時光纖傳感器的信號是以光纖為載體的，為本質安全材質，不受任何外界電磁環境的干擾。

本質防雷雷

雷電經常破壞大量的電測傳感器。光纖傳感器是完全的電氣絕緣，可以抵抗高電壓和大電流的衝擊。

測量距離遠，適於遠程監控

光纖的優點是傳輸數據量大和損耗小，在無需中繼的情況下，可實現幾十公里的遠程監測。

靈敏度高，測量精度高

理論上光纖傳感器的靈敏度和測量精度都優於一般的傳感器，目前已成熟的產品也證明了這一點。

壽命長，成本低，系統簡單

光纖具有耐腐蝕、耐火、耐水及壽命長的特性，通常可以服役30年。綜合考慮傳感器的設置成本以及運轉維護費用，使用光纖傳感器可以大大降低整體安裝及經營成本。