专利名称：用于校准分布式纤维温度感测系统的方法和装置的制作方法
用于校准分布式纤维温度感测系统的方法和装置
本申请要求享有2006年4月11日提交的临时专利申请系列号 60/791,158和2007年2月6日提交的系列号60/888,444的优先权。上述每 一个申请的公开内容，包括附图在内的全部内容都在此以引用方式并入而 并不声明放弃。
背景技术：
1. 发明领域
本发明通常涉及温度感测。更具体地说，本发明的公开内容涉及用于 在，如分布式线系统中^f交准温度曲线(temperature profile)的系统。
2. 相关领域的描述
诸如电线、管线以及类似物的线内的温度范围可以确定包括负载在内 的许多因素。虽然使用本领域目前的技术能够可靠地模拟电缆绝缘的热性 能，但是线所工作的环境的热参数可能会变化，因而可能是不可预测的。 例如，位于线附近的热源可以影响温度。另一个例子包括线外部的环境温 度的影响，此环境温度可能对热参^t产生影响。
目前的技术试图通过确定线中的诸如热区等的区域来确定有缺陷的 部件、退化的绝缘或者甚至可能的失效(如，短路)。然而，有时候可能 难以采集数据，这是因为一些线埋藏在地下，且可能在相对于地面相对高 的电压下工作。
目前的温度感测技术的一个实例利用激光脉沖来穿过线，然后依靠随 温度变化的某些光散射现象来在一定程度内标示沿着特定分布路线的温 度是多少。虽然目前的技术和系统已经具有一些优势，但是除了别的优势 外，它们未能提供线的准确的温度分布。所提到的缺陷并不是穷尽性的，而是许多往往会破坏用于描述温度分 布的先前已知技术的效果的缺陷的其中之一。然而，所提到的这些缺陷足 以证明本领域存在的方法还不能完全令人满意，因此非常需要本公开内容 所描述并要求保护的技术。
发明概述
本发明的公开内容提供了用于在诸如光纤管线的分布式线系统中进 行温度感测的系统和4支术。该温度感测系统可以为参照线圈或参照部件
(reference cell)提供温度稳定性，其中参照部件可以被绝缘层围绕。耦合 到参照部件的控制元件可以具有局部电源和数据访问端口 ，其可以独立工 作或者与分布式温度系统(DTS)—起工作。自动电路控制(如，TE控制 器和/或TE才莫块)可以用反馈回路确定内部温度，以维持或调整当前时间 段的温度，这可以通过热偶、电阻式温度检测器(RTD)或其他温度感测 设备来监测。
参照线圈或参照部件可以包括用于插入或去除线(如，光纤电缆)的 芯轴(mandrel )。可替代地，线可以被缠绕在参照线圈周围。在这些构型 的每一种中，参照线圈可以从温度感测系统上去除，并且在纤维被缠绕后 又可以重新4*入。
自动电路控制可以通过提供不同的温度来改变参照线圈的温度。当参 照线圈已经达到稳定的温度值时，耦合到温度感测系统的DTS可以依照经 验得出，因此，DTS可以被校准到绝对温度。
在一个方面，提供了一种用于校准纤维温度感测系统的系统。该系统 可以包括用于获得第一温度的第一参照部件和用于获得第二温度的第二 参照部件。第一控制系统可以^皮耦合到第一参照部件，且可以用于控制第 一参照部件的温度。类似地，耦合到第二参照部件的第二控制系统可以用 于控制第二参照部件的温度。第一和第二参照部件可以被构建成允许光纤 电缆^皮缠绕在笫一和第二参照部件的周围。该系统可以利用来自第一和第 二参照部件的温度数据来校准纤维温度感测系统。在另外一个方面，提供了一种方法。该方法包括将诸如光纤电缆的线 与第一和第二参照部件置于可操作的关系。调整第一和第二参照部件的温 度。例如，第一参照部件可以被调整到环境温度之上的温度，而第二参照 部件可以被调整到环境温度之下的温度。根据第 一和第二参照部件的温度 数据冲交准分布式温度感测系统。
术语"一 (a， an)"界定为一个或多个，除非本公开内容以其他方式 明确要求。
术语"基本上"、"约"以及其变体界定为按照本领域的技术人员所理 解的主要地，但并不必须完全是按照所确定的，且在一个非限制性的实施 方案中，基本上指在所确定范围的10%的范围内，优选在5%的范围内， 更优选在1 %的范围内，且最优选在0.5 %的范围内。
术语"耦合"被界定为相连的，但并不需要直接相连，且并不需要机 械相连。
术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))都是开》丈式 的连系动词。因此，"包括(comprises )"、"具有(has )，，、"包括(includes )" 或"包含(contains)" —个或多个步骤或元件的方法或装置拥有这些一个 或多个步骤或元件，但并不限于只拥有这些一个或多个元件。同样地，方 法或装置的"包括(comprises )"、"具有(has)"、"包括(includes )"或"包 含(contains )" —个或多个特征的步骤或元件拥有一个或多个特征，^旦并 不限于只拥有这些一个或多个特征。而且，以某种方式构建的装置或结构 是至少以那种方式构建，但是还可以按照未列举的其他方式构建。
参照下文结合附图的具体实施方案的详细描述，其他特征和优势将变 得明显。附图筒述
下面的附图形成了本发明说明书的 一部分，且被包括在内以进一步验 证本发明的某些方面。通过参考这些附图中的一幅或多幅并结合此处提供 的具体实施方案的详细描述，可以更好地理解本发明。
图1显示了根据本公开内容的实施方案的温度感测系统的剖面图。
图2A和2B显示了根据本公开内容的实施方案的温度感测系统的侧视图。
图3显示了根据本公开内容的实施方案的圓盘(puck)。
图4显示了根据本公开内容的实施方案的圆盘缠绕组件(puck winding assembly)。
图5A和5B显示了根据本公开内容的实施方案的温度感测系统的侧视图。
图6A和6B显示了根据本公开内容的实施方案的温度感测系统的各种 视图。
图7显示了根据本公开内容的实施方案的分布式温度感测图。
图8显示了根据本公开内容的实施方案的带指示器灯的温度感测系统。
图9显示了根据本公开内容的实施方案的温度感测系统的电路。
示例性实施方案的描述
参考阐释在附图和下面描述的详细内容中的非限制性的实施方案，更 充分地解释了本公开内容以及各种特征和有优势的细节。省去了对众所周 知的初始材料、工艺技术、部件和装置的描述，以便不会因不必要的细节 而遮掩本发明。然而，应该理解，虽然详细的描述和具体的实施例标示了 本发明的实施方案，但是它们只是为了示例性地阐释而不是为了限制而给 出。从此公开内容来看，在隐含的本发明概念的主旨和/或范围内进行的各 种替换、修改、添加和/或重新排列对本领域的技术人员来说将变得明显。DTS温度传感器在包括，但不限于，工业过程、多用途监测以及油气 生产的若千领域中是有用的仪器。光学纤维不受电磁千扰(EMI)的影响， 且不会辐射电磁千扰，这使得光学纤维在这些应用中是有用的。许多温度 数据点可以沿着纤维的相当大的长度，如10公里或更长而^f皮处理。所得 到的分布式测量结果能够等同于许多常规的点式温度传感器(point temperature sensor )，但若采用点式温度传感器，将会具有比较高的安装和 操作成本。
光纤温度测量系统可要求远程校准系统，以便，如温度传感器的测量 结果是准确的。除了其他优势之外，本公开内容的装置提供了两个参考点。 参考点可以在环境温度之上以及可以在环境温度之下，从参考点可以自动 获得准确的温度。该系统可以采用本领域所使用的实际纤维，以便减少或 基本上消除因不同的纤维类型而产生的信号效应。
诸如DTS仪器的系统可以将激光能量引入感测纤维探针。沿着探针的 温度可以从拉曼背散射强度(Raman backscattered intensity)的比计算得到。 无温度差异(temperature indifferent)的拉曼斯托克背散射可以返回，且可以 与温度敏感的反斯托克强度(Anti-Stokes intensity)进行比较。DTS通常包 括一^L可以用于测量已知温度的缠绕到参照线圏或参照部件的纤维。可以位 于DTS ^f义器内或作为独立装置的参照线圏或参照部件可以用于将温度曲线 测量结果校准到绝对温度。对一些采用纤维探针的方案来说，在置于，如集 成到探针路径的某些位置的额外的参照线圈的辅助下可以提高准确度。
本发明的公开内容提供了沿着线的一个或多个参照温度位置，且可以不 要求到DTS仪器的线或通信。该系统可以包括独立的电源，如DC电源、 AC电源、太阳能收集器或类似物。该系统可以改变其内部的纤维线圈温度， 从而为DTS提供不同的值以确定绝对温度。DTS随后可以用此绝对温度编 程，且当系统的参照线圈或参照部件通过耦合到参照线圈的集成纤维探针而 已经达到稳定的温度值时，DTS可以依照经验得出，并可以进行校准。
在一个方面，可以使用包括两个参照部件的系统，这两个部件可以祐二 加热或冷却到特定的温度。参照部件可以使用标准的电阻加热器，以便加 热到具体的温度。可替代地，参照部件可以使用诸如热电(TE)模块的热源和冷却源。TE模块中的每一个可以具有其自己的控制器("TE控制器") 和电源，且可以通过诸如110伏的电源或220伏的电源等的电源供电。可 替代地，可以使用一个控制器控制TE模块。在某些实施方案中，控制器 可以经由封闭物(enclosure)底部的通信端口 25,通过连接膝上型电脑、 计算机、处理器、个人数字助理(PDA)、有线或无线电话或其他手持的 通信或电脑设备(总称"处理设备")而设定为通信到控制器。可以使用 由处理设备执行的软件命令，或可替代地，使用可操作地构建的硬件部件 (或者通过软件指令、机械装置，或者通过人工控制)，来设定TE控制器。 特别地，每一个TE控制器都可以接收指令，以将相应的参照部件的温度 变化到预先确定的温度。预先确定的温度可以高于环境温度。另外或可替 代地，此预先确定的温度可以低于环境温度。
可替代地，在某些实施方案中，参照部件可以设定到大约环境温度， 用于变化的温度设计。用于每一个参照部件(或圓盘)的控制器可以提供 浮动温度设置，且可以与加热和/或冷却元件一起工作以提供所需的温度设 置值。温度设置的输出(如类似于图7显示的图表)可以显示代表环境温 度的峰值(spike )。
在一些方面，可以为每一个参照部件提供通信端口 (如，RS232端口、 USB端口等)。 一旦设定系统(即，并不需要额外编程)，该系统就可以耦 合到具有15km或更大长度的线的任何部分。可替代地，分布式线系统可 以具有小于15km的长度。
参考图1,显示了在一封闭物内的参照部件的剖面图。由绝缘固定器 (insulation retainer) 15分隔的每一 个参照部件可以包括圓盘3和圓盘覆 盖物8，其中在圓盘3上缠有线9 (诸如光纤电缆)，圓盘覆盖物8使线9 保持在内部的圆盘3上。在某些实施方案中，圓盘3可以是铝或包括铝。 可替代地或另外，圓盘3可以采用铜或表现出良好的热保留性能的其他材 料。圓盘3更详细地显示在图3中。
圓盘3可以安装在热底座板(thermal mount plate ) 4上，且可以-陂圓 盘固定螺钉6固定。热底座板4可以耦合到热电(TE)模块5上，该热电 模块5根据所施加电流的极性加热和/或冷却圓盘3。来自TE模块5的任何多余的热量可以通过散热器7输送到封闭物16 的外部而进入大气中。在某些实施方案中，风扇2和/或罩1可以用于改善 向大气的热输送。可以通过向TE控制器11才是供信号的热电偶17测量温 度。TE控制器反过来又可以控制TE模块5，并因此控制圓盘3的温度。
在某些实施方案中，每一个参照部件可以由绝缘覆盖物10封闭，绝 缘覆盖物10被绝缘固定器15置于合适的位置。绝缘固定器15可以由泡 沫塑料制成。替换绝缘固定器15，或者除了绝缘固定器15之外，参照部 件可以由胶带、连接到主壳上的金属或塑料条、或者连接到主壳上的塑料 或橡胶带保持在合适的位置。
参考图2A和2B，显示了系统的侧面轮廓视图。在一些实施方案中， 系统可以包括6个指示灯，3个用于每一个参照部件(即，红灯100、绿 灯102和蓝灯104)。每一个指示灯可以标示参照部件的温度调整状态。例 如，红灯可以标示温度调整到设定温度之上，而蓝灯可以标示温度调整到 设定温度之下。绿灯可以标示已经达到期望的温度。
系统还可以包括光纤参照线圈110，其是可以被缠绕在圓盘/参照部件 周围的光纤电缆。当加热或冷却圓盘时，纤维的温度基本上类似于圆盘的 温度，且可以通过，如DTS系统检测。耦合到光纤参照线圏IIO的可以是 纤维塞(fiberplug) 112，其可以将参照线圈110固定在合适的位置，且可 以经由，如电缆密封接头(cablegland)114提供封闭物的防水出口。例如， 电缆密封接头114可以提供来自电源12的电力电缆可以横穿的区域。
在某些方面，圓盘3可以是可去除的，以使线9，例如，但不限于， 来自一位置的光纤电缆可以从外部缠绕到圆盘3上。在缠绕过程之后，两 个圆盘可以通过去除，如内部入口板(access plate) 13和外部出口板14 而从底部插入到封闭物16中。
在一些实施方案中，线的环可以同时缠绕到两个圆盘上，如使用诸如 图4中显示的一种缠绕组件。例如，5米长的线可以同时缠绕到两个圓盘 上，每一个圆盘上缠绕约8圈。本领域的技术人员应认识到，圏数可以取 决于线的长度以及圓盘的直径。图4显示的缠绕组件可以被可操作地构建成将线缠绕在圓盘周围。例
如，线可以形成约2m到3m高的环，但可以根据缠绕组件和/或圓盘的尺 寸改变尺寸。环的每一端可以固定到握柄50。圆盘3可以固定到工具上， 且缠绕芯轴52利用，如固定螺钉将圓盘固定在合适的位置。在一个方面， 当圆盘都位于封闭物16内时，圓盘可以以类似的或基本上相同的距离被 间隔开。缠绕可以开始于圓盘的外部，最靠近臂支撑体而后缠绕入中心。 两个圓盘可以同时^t缠绕，以消除电缆的缠结。
在一个方面，线可以缠绕在圓盘的周围，而不是旋转圓盘并将线牵拉 到其上。可以手动旋转芯轴，或者可以利用电动的。 一旦完全缠绕圓盘， 那么就可以去除芯轴，并用电缆将圓盘转移到封闭物16的合适位置中。 在一个方面，具有线的圆盘可以从下面插入到封闭物中，其中圓盘可以被 螺栓固定在合适的位置。接着，圓盘的外部覆盖物和封闭物都设置在合适 的位置，且设置电缆塞以固定线。
在一些实施方案中，线9可以是具有塑料罩的光纤电缆。光纤电缆9 可以通过手动或通过缠绕组件缠绕到圓盘上。可替代地，光纤电缆可以具 有金属罩，这有益于用工具，诸如图2显示的组件缠绕在圓盘的周围。在 一些方面，缠绕组件可以将纤维同时缠绕到两个圓盘上。光纤电缆可以不 用切割就用于缠绕，且在某些实施方案中，两个圆盘可以一起缠绕以降低 线缠结的可能性。在将光纤电缆置于两个圓盘内的合适位置后，圓盘可以 -故插入到封闭物9中，如图5A和5B所示。
在其他方面，封闭物16可以包括通过窗口可见的两个内部显示器， 如图6A所示。在设置过程中，显示器60可以用于设置温度，且还可以用 于监测温度。
可替代地，在图6B中，可以使用独立的(self-contained)控制器， 以使在设置过程中可以不需要外部通信(即，为每一个圓盘选择参照点温 度)。独立的控制器可在诸如字母数字型显示器的显示器上显示温度。
在某些实施方案中，可以串连使用两个参照部件，且使用，如TE控 制器和TE才莫块将一个参照部件在环境温度之下冷却，而一个参照部件在 环境温度之上加热。特别地，冷却和加热可以被设置到已知的温度。可以照亮封闭物16上的灯指示器以显示温度调整的"状态"。在一个方面，指
示器灯IOOA、 102A和104A可以用于标示第一参照部件的状态，而指示 器灯IOOB、 102B和104B可以用于标示第二参照部件的状态。如果第一 参照部件需要被调整到环境温度之上的温度，那么红色指示器灯(100A) 可以在调整过程中变亮。类似地，如果第二参照部件需要被调整到环境温 度之下的温度，那么蓝色指示器灯(104B)可以在调整过程中变亮。当每 一个参照部件都已经达到预先确定的温度时，分別是102A和102B的绿色 指示器灯变亮，如图8所示。耦合到指示器灯的内部电路显示在图9中。
在一个方面，圓盘是可以互换的，因此如果要求的话，加热和冷却可 以4史转换。在某些实施方案中，如果一个圓盘失效，那么仍能利用变化的 且执行已知温度序列(temperature sequence)的一个圓盘进行校准。此技 术是依赖时间的过程，该过程将单个参照部件设定到一段时期的环境温度 之上的已知温度，然后将此温度变化到环境温度之下的设定值等等。DTS 仪器可以自动确认此情况。
在一个实施例中，温度以正峰值(高于环境温度)和负峰值(低于环 境温度)显示在DTS (分布式温度感测)图表上，如图7所示。因为温度 是已知的，所以分布式温度感测系统的软件可以自动调整范围和偏差并校 准整个系统。
与现有的系统相比，所阐释的实施方案包括许多特征和优势。例如， 在某些实施方案中，引入两个圓盘能够获得高的和低的参照温度。多个圓 盘还能够使光纤现场被缠绕而不会缠结，且在失效的情形下使系统有备用 的。此外，某些实施方案可以安装在纤维电缆长度的任何位置上而无需切 割电缆。而且，在某些实施方案中，可以在装置的外部先缠绕圆盘，然后 再插入到TE沖莫块上而无需切割电缆。在某些实施方案中，装置是"独立 的"的装置，且并不要求与DTS装置通信。
可以使用许多编程语言中的任何一种来实现本公开内容的技术。合适 的语言包括，但不限于，BASIC、 FORTRAN、 PASCAL、 C、 C + + 、 C# 、 JAVA、 HTML、 XML、 PERL等。构建来实施本发明的应用可以是独立的 应用、基于网络的或基于有线或无线互联网的应用，以允许容易的、远程访问。此应用可以在个人电脑、数据输入系统、PDA、手才几或任何计算机 化的装置上进行。
就本发明公开内容的益处而言，本领域的技术人员将理解此处所要求 保护的技术可以被改变，且可以应用到许多额外的、不同的用途，获得了 相同或类似的结果。权利要求覆盖了落入本公开内容的范围和主旨内的所 有这种变化。
权利要求
1. 一种用于校准纤维温度感测系统的系统，其包括第一参照部件，其被构建以获得第一温度；第二参照部件，其耦合到所述第一参照部件，且被构建以获得第二温度，所述第一温度和所述第二温度是不同的；其中所述系统利用来自所述第一参照部件和所述第二参照部件的温度数据来校准纤维温度感测系统。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一参照部件和所述第二参照 部件是大体圆柱形的。
3. 如权利要求l所述的系统，其中第一控制系统包括热电模块。
4. 如权利要求1所述的系统，其中第二控制系统包括热电模块或电阻 加热器。
5. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一参照部件和所述第二参照 部件被构建成插入到罩住所述第一参照部件和所述第二参照部件的封闭 物中以及从所述封闭物中去除，且其中所述第 一参照部件和所述第二参照 部件被构建成当所述第 一参照部件和所述第二参照部件被从所述封闭物 去除时，允许光纤电缆被缠绕在所述第一参照部件和所述第二参照部件的 周围。
6. 如权利要求5所述的系统，其中所述第一参照部件和所述第二参照 部件被构建成在光纤电缆缠绕在所述第一参照部件和所述第二参照部件 的周围之后，所述光纤电缆不会变得缠结。
7. 如权利要求5所述的系统，其中所述第一参照部件和所迷第二参照 部件被构建成在光纤电缆已经缠绕在所述第一参照部件和所述第二参照 部件的周围之后^f皮插入到罩住所述第一参照部件和所述第二参照部件的 封闭物中。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述系统被构建成安装到现有的光 纤电缆上而无需切割现有的光纤电缆。
9. 如权利要求1所述的系统，其中第一控制系统初始被编程来控制所 述第一参照部件的温度，且并不要求外部输入随后控制所述第一参照部件 的温度。
10. 如权利要求9所述的系统，其中第二控制系统初始被编程来控制所述第二参照部件的温度，且并不要求外部输入随后控制所述第二参照部 件的温度。
11. 如权利要求1所述的系统，其中第一控制系统和第二控制系统中 的每一个包括热电偶、散热器和绝缘覆盖物。
12. 如权利要求所述的系统，其还包括风扇和罩。
13. 如权利要求1所述的系统，其中如果所述第一参照部件失效，那 么仍能利用变化的且执行已知温度序列的所述第二参照部件进行校准。
14. 如权利要求1所述的系统，其还包括控制所述第一参照部件的温 度的第一控制系统和控制所述第二参照部件的温度的第二控制系统。
15. 如权利要求1所述的系统，其还包括用于罩住所述第一参照部件 和所迷第二参照部件的封闭物。
16. —种方法，其包括设置线以与第一参照部件和第二参照部件成可操作的关系；将所述第一参照部件的温度调整到环境温度之上；将所述第二参照部件的温度调整到环境温度之下；根据所述第一参照部件和所述第二参照部件的温度数据校准分布式 温度感测系统。
17. 如权利要求16所述的方法，其中设置线的所述步骤包括在所述第 一参照部件和所述第二参照部件上同时缠绕所述线。
全文摘要
公开了一种用于校准温度感测系统的系统和方法。在一个方面，线可以与第一参照部件和第二参照部件置于可操作的关系。可以调整第一和第二参照部件的温度。在一个非限制性的实施例中，第一参照部件的温度可以被调整到环境温度之上的温度，而第二参照部件的温度可以被调整到环境温度之下的温度。根据第一和第二参照部件的温度数据可以校准温度感测系统。
文档编号G01K11/32GK101421600SQ200780012955
公开日2009年4月29日 申请日期2007年3月13日 优先权日2006年4月11日
发明者布莱恩·帕克, 钟 李, 肯特·卡拉尔, 迈克尔·E·桑德斯, 默罕默德·法茨·尼娅 申请人:萨索特兰公司