वितरित तापमान संवेदन

वितरित तापमान संवेदन प्रणाली (डीटीएस) ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण होता हैं जो रैखिक संवेदक (सेंसर) के रूप में कार्यरत प्रकाशिक तंतु (ऑप्टिकल फाइबर) के माध्यम से तापमान को मापते हैं। तापमान प्रकाशिक संवेदक केबल के साथ अभिलेखबद्ध (रिकॉर्ड) किया जाता है, इस प्रकार बिंदुओं पर नहीं, परन्तु एक सतत प्रोफ़ाइल के रूप में। बड़ी दूरी पर तापमान निर्धारण की उच्च यथार्थता प्राप्त की जाती है। सामान्य रूप से डीटीएस प्रणालियां 0.01 डिग्री सेल्सियस के रिज़ॉल्यूशन पर ±1°C के भीतर यथार्थता के साथ 1 m के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के तापमान का पता लगा सकती हैं। 30 km से अधिक की माप दूरी का अनुश्रवण किया जा सकता है और कुछ विशेष प्रणालियां और भी संकुचित स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्रदान कर सकती हैं। प्रकाशिक तंतु के साथ तापीय परिवर्तन अपवर्तक सूचकांक में एक स्थानीय भिन्नता का कारण बनता है, जो बदले में इसके माध्यम से प्रसार करने वाले प्रकाश के अकुशल प्रकीर्णन की ओर ले जाता है। पदार्थ में ऊष्मा आणविक या जाल कंपन के रूप में आयोजित की जाती है। रमन प्रकीर्णन के लिए उच्च आवृत्तियों (10 THz) पर आणविक कंपन उत्तर्दायी हैं। कम आवृत्ति कंपन (10-30 GHz) ब्रिलौइन प्रकीर्णन का कारण बनता है। तंतु और सामग्री से संचारित प्रकाश के बीच ऊर्जा का आदान-प्रदान होता है और घटना प्रकाश में आवृत्ति परिवर्तन का कारण बनता है। इस आवृत्ति परिवर्तन का उपयोग तब तंतु के साथ तापमान परिवर्तन को मापने के लिए किया जा सकता है।

मापन सिद्धांत - रमन प्रभाव
भौतिक माप आयाम, जैसे तापमान या दाब और तन्य बल, ग्लास तंतु को प्रभावित कर सकते हैं और तंतु में प्रकाश संचरण की विशेषताओं को स्थानीय रूप से परिवर्तित हो सकते हैं। प्रकीर्णन के माध्यम से क्वार्ट्ज ग्लास तंतु में प्रकाश की नमी के परिणामस्वरूप, बाह्य भौतिक प्रभाव का स्थान निर्धारित किया जा सकता है ताकि प्रकाशिक तंतु को रैखिक संवेदक के रूप में नियोजित किया जा सके। प्रकाशिक तंतु को अपमिश्रित (डोप्ड) क्वार्ट्ज ग्लास से बनाया जाता है। क्वार्ट्ज ग्लास सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) का एक रूप है जो अक्रिस्टलीय ठोस संरचना के साथ होता है। तापीय प्रभाव ठोस के भीतर जालक दोलनों को प्रेरित करते हैं। जब प्रकाश इन तपित रूप से उत्तेजित आणविक दोलनों पर आपतित होती है, तो प्रकाश कणों (फोटॉन) और अणु के इलेक्ट्रॉनों के बीच अंतःक्रिया होती है। प्रकाश प्रकीर्णन, जिसे रमन प्रकीर्णन के रूप में भी जाना जाता है, प्रकाशिक तंतु में होता है। आपतित प्रकाश के विपरीत, यह प्रकीर्णित हुआ प्रकाश जाली दोलन की अनुनाद आवृत्ति के समतुल्य राशि द्वारा वर्णक्रमीय परिवर्तन से गुजरता है। तंतु प्रकाशिकी से वापस प्रकीर्णित हुआ प्रकाश इसलिए तीन अलग-अलग वर्णक्रमीय शेयर में सम्मिलित होते है:
 * प्रयुक्त लेजर स्रोत के तरंग दैर्ध्य के साथ रेले प्रकीर्णन,
 * फोटॉन से स्टोक्स लाइन घटक लंबी तरंगदैर्ध्य (कम आवृत्ति) में स्थानांतरित हो गए, और
 * फोटॉनों के साथ एंटी-स्टोक्स लाइन घटकों को रेले प्रकीर्णन की तुलना में निम्न तरंग दैर्ध्य (उच्च आवृत्ति) में स्थानांतरित कर दिया गया।

तथाकथित एंटी-स्टोक्स बैंड की तीव्रता तापमान पर निर्भर है, जबकि तथाकथित स्टोक्स बैंड तापमान से व्यावहारिक रूप से स्वतंत्र है। प्रकाशिक तंतु का लोकल तापमान एंटी-स्टोक्स और स्टोक्स प्रकाश तीव्रता के अनुपात से प्राप्त होता है।

मापन सिद्धांत- ओटीडीआर और ओएफडीआर तकनीक
वितरित संवेदन प्रौद्योगिकी, ओटीडीआर ((प्रकाशिक समय प्रान्त परालर्तनमापी) ऑप्टिकल टाइम डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री) और ओएफडीआर ((प्रकाशिक आवृत्ति प्रान्त परालर्तनमापी) ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेक्टोमेट्री) के लिए माप के दो मूल सिद्धांत हैं। वितरित तापमान संवेदन के लिए प्रायः एक कोड सहसंबंध तकनीक  नियोजित होती है जो दोनों सिद्धांतों के तत्वों को वहन करती है।

ओटीडीआर को 20 वर्ष पहले विकसित किया गया था और यह दूरसंचार हानि मापन के लिए उद्योग मानक बन गया है, जो रमन सिग्नल की तुलना में बहुत प्रभावी रेले पश्च प्रकीर्णन (बैकस्कैटरिंग) सिग्नल का संसूचन करता है। ओटीडीआर के लिए सिद्धांत काफी सरल है और राडार के लिए उपयोग किए जाने वाले उड़ान मापन के समय के समान ही है। अनिवार्य रूप से अर्धचालक या ठोस अवस्था लेज़रों द्वारा उत्पन्न संकीर्ण लेजर स्पंदन (पल्स) को तंतु में प्रसारित करता है और पश्च प्रकीर्णित प्रकाश का विश्लेषण किया जाता है। पश्च प्रकीर्णित प्रकाश को संसूचन इकाई में पुनः अवगमन के समय से तापमान घटना के स्थान का पता लगाना संभव है।

वैकल्पिक डीटीएस मूल्यांकन इकाइयां प्रकाशिक आवृत्ति प्रान्त परालर्तनमापी (ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी डोमेन रिफ्लेटोमेट्री) (ओएफडीआर) की विधि को तैनात करती हैं। ओएफडीआर प्रणाली स्थानीय विशेषताओं पर केवल तभी जानकारी प्रदान करती है जब पूरे माप समय के दौरान पश्च प्रकीर्णनक सिग्नल का पता लगाया जाता है जिसे जटिल फैशन में आवृत्ति के कार्य के रूप में मापा जाता है, और फिर फोरिएर रूपांतरण के अधीन होता है। ओएफडीआर प्रौद्योगिकी के आवश्यक सिद्धांत लेजर द्वारा नियोजित अर्ध निरंतर तरंग मोड और ऑप्टिकल पश्च प्रकीर्णनक सिग्नल के संकीर्ण बैंड पहचान हैं। यह इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए उच्च रैखिकता आवश्यकताओं के साथ एफएफटी गणना के कारण रमन प्रकीर्णित प्रकाश और बल्कि जटिल सिग्नल प्रोसेसिंग के तकनीकी रूप से कठिन माप से ऑफसेट होता है।

कोड सहसंबंध डीटीएस तंतु में सीमित लंबाई के ऑन/ऑफ अनुक्रम भेजता है। उपयुक्त गुण रखने के लिए कोड चयनित किए जाते हैं, उदाहरण बाइनरी गोले कोड। ओटीडीआर तकनीक के विपरीत, प्रकाशिक ऊर्जा स्पंदन में पैक होने के बजाय एक कोड में फैली हुई होती है। इस प्रकार ओटीडीआर तकनीक की तुलना में कम पीक पावर वाले प्रकाश स्रोत का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण संसाधित जटिल अर्धचालक लेजर। संसूचित पश्च प्रकीर्णनक को रूपांतरित करने की आवश्यकता है—ओएफडीआर तकनीक के समान—स्थानिक प्रोफ़ाइल में वापस, उदाहरण क्रॉस-सहसंबंध द्वारा। ओएफडीआर प्रौद्योगिकी के विपरीत, उत्सर्जन परिमित है (उदाहरण के लिए 128 बिट) जो कि दूर से मन्द प्रकीर्णित सिग्नलों से परिवर्जन किया जाता है, कम दूरी से प्रबल प्रकीर्णित सिग्नलों द्वारा आरोपित किया जाता है, शॉट नॉइज़ और सिग्नल-से-नॉइज़ अनुपात में संशोधन करता है।

इन तकनीकों का उपयोग करके प्रणाली से 30 km से अधिक की दूरी का विश्लेषण करना और 0.01°C से कम के तापमान के विभेदन को मापना संभव है।

संवेदन केबल और सिस्टम एकीकरण का निर्माण
तापमान मापने की प्रणाली में नियंत्रक (लेज़र स्रोत, ओटीडीआर के लिए स्पंदन जनित्र या कोड सहसंबंध या मॉड्यूलेटर के लिए कोड जनित्र और ओएफडीआर, प्रकाशिक मॉड्यूल, रिसीवर और माइक्रो-प्रोसेसर यूनिट के लिए एचएफ मिश्रण) और क्वार्ट्ज ग्लास तंतु होता है जो लाइन के आकार का तापमान संवेदक होता है। तंतु प्रकाशिक केबल (लंबाई में 70 km हो सकता है) प्रकृति में निष्क्रिय होते है और इसमें कोई व्यक्तिगत संवेदन बिंदु नहीं होते है और इसलिए इसे मानक टेलीकॉम तंतु के आधार पर निर्मित किया जा सकता है। यह पैमाने की उत्कृष्ट अर्थव्यवस्थाओं की प्रस्तुति करता है। क्योंकि सिस्टम डिज़ाइनर/इंटीग्रेटर को प्रत्येक संवेदन बिंदु (सेंसिंग पॉइंट) के यथार्थ स्थान के बारे में चिंता करने की ज़रूरत नहीं होती है, वितरित तंतु प्रकाशिक संवेदक के आधार पर संवेदन प्रणाली को डिजाइन करने और स्थापित करने की लागत पारंपरिक संवेदक से बहुत कम हो जाती है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि संवेदन केबल में कोई मूविंग भाग नहीं होता है और डिज़ाइन का जीवनकाल >30 वर्ष होता है, इसलिए अनुरक्षण और संचालन लागत भी पारंपरिक संवेदक की तुलना में काफी कम है। तंतु प्रकाशिक संवेदन तकनीक के अतिरिक्त लाभ यह हैं कि यह विद्युत चुम्बकीय व्यतिकरण, कंपन के प्रति प्रतिरोधी है और खतरनाक क्षेत्रों (लेज़र शक्ति उस स्तर से नीचे पतित होती है जो प्रज्वलन का कारण बन सकता है) में उपयोग के लिए सुरक्षित है, इस प्रकार ये संवेदक औद्योगिक संवेदन अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए आदर्श हैं।

संवेदन केबल के निर्माण के संबंध में, हालांकि यह मानक तंतु प्रकाशिकी पर आधारित है, यह सुनिश्चित करने के लिए कि तंतु के लिए पर्याप्त सुरक्षा प्रदान की जाती है, व्यक्तिगत संवेदन केबल के डिजाइन में सावधानी रखनी चाहिए। इसे प्रचालन तापमान (मानक केबल 85 °C तक संचालित होता है, लेकिन सही डिजाइन के साथ 700 °C तक मापना संभव है), गैसीय वातावरण (सिलिका ग्लास यौगिकों के "हाइड्रोजन डार्कनिंग" - उर्फ क्षीणन - के बावजूद हाइड्रोजन मापन में अवनति का कारण बन सकता है) और यांत्रिक सुरक्षा को ध्यान में रखना चाहिए।

अधिकांश उपलब्ध डीटीएस प्रणालियों में फ्लेक्सिबल सिस्टम आर्किटेक्चर होते हैं और एससीएडीए जैसे औद्योगिक नियंत्रण प्रणालियों में एकीकृत करने के लिए अपेक्षाकृत सरल होते हैं। तेल और गैस उद्योग में डीटीएस उपकरणों से डेटा के हस्तांतरण के लिए एक एक्सएमएल आधारित फाइल मानक (डब्ल्यूआईटीएसएमएल) विकसित किया गया है। एनर्जीस्टिक्स द्वारा मानक बनाए रखा जाता है।

लेजर सुरक्षा और सिस्टम का संचालन
प्रकाशीय डीटीएस जैसे प्रकाशीय माप के आधार पर प्रणाली का संचालन करते समय, स्थायी प्रतिष्ठानों के लिए लेजर सुरक्षा आवश्यकताओं पर विचार करने की आवश्यकता होती है। कई प्रणालियाँ कम शक्ति वाले लेज़र डिज़ाइन का उपयोग करती हैं, उदाहरण के लिए लेज़र सुरक्षा वर्ग 1एम के रूप में वर्गीकरण के साथ, जिसे किसी के द्वारा भी लागू किया जा सकता है (कोई अनुमोदित लेज़र सुरक्षा अधिकारी आवश्यक नहीं)। कुछ प्रणालियाँ 3B रेटिंग के उच्च शक्ति वाले लेज़रों पर आधारित हैं, जो हालांकि अनुमोदित लेज़र सुरक्षा अधिकारियों द्वारा उपयोग के लिए सुरक्षित हैं, स्थायी संस्थापनों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकते हैं।

विशुद्ध रूप से निष्क्रिय प्रकाशिक संवेदक प्रौद्योगिकी का लाभ विद्युत या विद्युत चुम्बकीय संपर्क की कमी है। बाजार पर कुछ डीटीएस प्रणालियां एक विशेष कम शक्ति डिजाइन का उपयोग करती हैं और विस्फोटक वातावरण में स्वाभाविक रूप से सुरक्षित होती हैं, उदाहरण के लिए एटीईएक्स डायरेक्टिव जोन 0 को प्रमाणित किया गया है।

अग्नि संसूचन के अनुप्रयोग में उपयोग के लिए, विनियमों को सामान्य रूप से प्रासंगिक मानकों के अनुसार प्रमाणित प्रणालियों की आवश्यकता होती है, जैसे कि ईएन 54-5 या ईएन 54-22 (यूरोप), यूएल521 या एफएम (यूएसए), सीयूएल521 (कनाडा) और/या अन्य राष्ट्रीय या स्थानीय मानकों।

डीटीएस का उपयोग करके तापमान का अनुमान
तापमान वितरण का उपयोग उचित ओर्थोगोनल अपघटन विधि या प्रमुख घटक विश्लेषण के आधार पर मॉडल विकसित करने के लिए किया जा सकता है। यह केवल कुछ स्थानिक स्थानों में माप कर तापमान वितरण का पुनर्निर्माण करने की अनुमति प्रदान करता है

अनुप्रयोग
कई औद्योगिक क्षेत्रों में वितरित तापमान संवेदन को सफलतापूर्वक तैनात किया जा सकता है:


 * तेल और गैस उत्पादन - स्थायी डाउनहोल मॉनिटरिंग, कॉइल टयूबिंग प्रकाशिक सक्षम परिनियोजित अंतःक्षेप (इंटरवेंशन) प्रणाली, स्लिकलाइन प्रकाशिक केबल परिनियोजित अंतःक्षेप प्रणाली।
 * पावर केबल और संचरण लाइन मॉनिटरिंग (एम्पासिटी इष्टतमीकरण)
 * टनल, औद्योगिक वाहक (कन्वेयर) बेल्ट और विशेष संकट इमारतों में अग्नि संसूचन
 * औद्योगिक प्रेरण भट्टी अनुश्रवण
 * तरल प्राकृतिक गैस (एलएनजी) वाहकों और टर्मिनलों की अखंडता
 * बांधों और बाँधों में रिसाव का संसूचन
 * संचरण पाइपलाइनों सहित संयंत्र और प्रक्रिया अभियांत्रिकी में तापमान की अनुश्रवण
 * भंडारण टैंक और जहाजों

हाल ही में, डीटीएस को पर्यावरण अनुश्रवण के लिए भी लागू किया गया है:


 * स्ट्रीम तापमान
 * भूजल स्रोत का पता लगाना और तलछट परिमार्जन और निक्षेपण
 * खदान शाफ्ट और झीलों और हिमनदों में तापमान प्रोफाइल
 * विभिन्न पर्ण घनत्व पर गहरे वर्षावन परिवेश का तापमान
 * भूमिगत खान, ऑस्ट्रेलिया में तापमान प्रोफाइल
 * ग्राउंड लूप हीट एक्सचेंजर्स में तापमान प्रोफाइल (जमीन युग्मित ऊष्मण और शीतलन प्रणाली के लिए प्रयुक्त)


 * स्ट्रीम तापमान

पावर केबल अनुश्रवण

 * ऑप्टिकल फाइबर आधारित सिस्टम 1 का उपयोग करते हुए एक 220-kV केबल का ऑनलाइन एम्पैसिटी निर्धारणयोग्य मॉनिटर1]
 * केस स्टडी: ओलंपिक सिटी 2008, बीजिंग में 220kV एक्सएलपीई केबल की स्थायी तापमान निगरानी
 * केस स्टडी: 33kV डिस्ट्रीब्यूशन केबल डीटीएस के साथ मॉनिटर किया गया और आरटीटीआर (रीयल टाइम थर्मल रेटिंग) के साथ मॉडल किया गया

पर्यावरण अनुश्रवण

 * टायलर, एस.डब्ल्यू., जे.एस. सेल्कर, एम.बी. हॉस्नर, सी.ई. हैच, टी. टोरगेर्सन और एस. श्लाडोव। 2009. रमन स्पेक्ट्रा डीटीएस फाइबर ऑप्टिक विधियों का उपयोग करते हुए पर्यावरणीय तापमान संवेदन। जल संसाधन रेस.
 * सेल्कर, जे.एस., एन. वैन डी गिसेन, एम. वेस्टहॉफ, डब्ल्यू. लक्जमबर्ग, और एम. पारलांगे। तंतु प्रकाशिकी स्ट्रीम डायनेमिक्स पर विंडो खोलता है। भूभौतिकीय अनुसंधान पत्र,, 2006
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 * टायलर, एस.डब्ल्यू., एस. बुराक, जे. मैकनमारा, ए. लामोंटाग्ने, जे. सेल्कर और जे. डोजियर। 2008. फाइबर-ऑप्टिक सेंसर से मापे गए दो माउंटेन स्नोपैक के आधार पर स्थानिक रूप से वितरित तापमान। जर्नल ऑफ ग्लेशियोलॉजी। 54(187):673-679

पाइपलाइन रिसाव का पता लगाना

 * गैस पाइपलाइन रिसाव और ग्राउंड मूवमेंट डिटेक्शन केस स्टडी

सीवर की निगरानी

 * ओ.ए.सी. होस, आर.पी.एस. शिल्परोर्ट, डब्ल्यू.एम.जे. लक्जमबर्ग, एफ.एच.एल.आर. क्लेमेंस और एनसी वैन डी गिसेन। फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन का उपयोग करके वर्षा जल सीवरों में अवैध कनेक्शनों का पता लगाना। वाटर रिसर्च, वॉल्यूम 43, अंक 20, दिसंबर 2009, पेज 5187-5197
 * आर.पी.एस. शिल्परोर्ट, एफ.एच.एल.आर. क्लेमेंस, फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन संयुक्त सीवर प्रणाली, जल विज्ञान प्रौद्योगिकी में। 2009;60(5):1127-34.डोई: 10.2166/डब्लूएसटी.2009.467।
 * निएनहुइस जे, डी हान सीजे, लैंगवेल्ड जेजी, क्लॉटविज्क एम, क्लेमेंस एफएचएलआर। अवैध कनेक्शनों का पता लगाने के लिए फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन की पहचान सीमा का आकलन। जल विज्ञान और प्रौद्योगिकी। 2013;67(12):2712-8। डीओआई: 10.2166/डब्ल्यूएसटी.2013.176
 * लैंगवेल्ड जेजी, डी हान सीजे, क्लॉटविज्क एम, शिल्परोर्ट आरपीएस। वितरित तापमान संवेदन के साथ कई गुना अलग करने वाले तूफान के पानी के प्रदर्शन का अनुश्रवण करना। जल विज्ञान और प्रौद्योगिकी। 2012;66(1):145-50। डीओआई: 10.2166/डब्ल्यूएसटी.2012.152।
 * शिल्परोर्ट आरपीएस, हॉपी एच, डी हान सीजे, लैंगवेल्ड जेजी। फाइबर-ऑप्टिक वितरित तापमान संवेदन का उपयोग करके फाउल सीवर में तूफानी पानी के प्रवाह की खोज। जल विज्ञान और प्रौद्योगिकी। 2013;68(8):1723-30। डीओआई: 10.2166/डब्ल्यूएसटी.2013.419।
 * फिल्म जो रॉयल हास्कोनिंग डीएचवी के सीवर ऑक्टोपस के उपयोग से सीवर में डीटीएस के अनुप्रयोग को दर्शाती है रॉयल हास्कोनिंग डीएचवी ब्लू फ्लैग हासिल करने के लिए एगमंड आन ज़ी को बधाई देता है (लंबी कहानी) और रियोलोक्टोपस, फूटीव ऑपस्पोरेन एंसलुइटिंगेन वॉयइट हेट रीओल (क्षेत्र कार्य की लघु फिल्म)
 * मैट्स वोसे, रेमी शिल्परोर्ट, कॉर्नेलिस डी हान, जाप निएनहुइस, मार्सेल तिरिओन और जेरोएन लैंगवेल्ड, डीटीएस निगरानी परिणामों की प्रोसेसिंग: अवैध कनेक्शन, जल अभ्यास और प्रौद्योगिकी का स्वचालित पता लगाना /wpt0080037.htm

अग्नि संसूचन

 * व्यापक अग्नि परीक्षण सड़क और रेल सुरंग (पेपर) में डीटीएस के उपयोग को साबित करते हैं
 * इंटरनेशनल कांफ्रेंस ऑन ऑटोमैटिक फायर डिटेक्शन (एयूबीई'04) में प्रकाशित पेपर; डुइसबर्ग विश्वविद्यालय;
 * यूरोपीय पहल सॉलिट - सुरंगों में जीवन की सुरक्षा
 * कन्वेयर बेल्ट सिस्टम (पेपर) के पास सुलगती आग का शुरुआती पता लगाना

यह भी देखें

 * वितरित ध्वनिक संवेदन
 * फाइबर ब्रैग झंझरी
 * फाइबर ऑप्टिक सेंसर
 * समय-क्षेत्र परावर्तक
 * लॉगिंग
 * डब्ल्यूआईटीएसएमएल