一种用于分布式光纤测温系统的校准方法与流程

本发明属于分布式光纤测温的技术领域，具体涉及一种用于分布式光纤测温系统的校准方法。

背景技术：

分布式光纤测温系统传感技术(以下简称为DTS)是应用了光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测参量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤路径分布的外部物理参量进行连续的测量，提供了同时获得被测物理层能量的空间分布状况和随时间变化状态的手段。DTS的发展使温度的点测量发展到了线测量，这是温度测量领域发展的新方向之一，具有划时代的意义。

分布式光纤测温系统的主要技术参数有温度最大允许误差、测温范围、温度分辨率、空间分辨率和定位精度，其中，最重要的技术参数即为空间分辨率，只有在空间分辨率确定的情况下，才能对其他性能参数做出准确的定义。根据空间分辨率的定义即采用在两个稳定的温度点之间，待测光纤在温度变化量的10％到90％的区间所对应的最小长度，参考目前企业自有的标准，对于空间分辨率的校准只能采取室温和恒温槽相结合的办法过渡，由于室温环境的波动比较大，且不好控制精度，但是校准需要稳定的温度环境，而现在等待室温稳定的过程耗时长，精度不好控制，这样就导致了空间分辨率的校准时间长，准确度也明显欠缺。空间分辨率作为DTS用户最关心的主要性能参数，目前急需一种较精确的校准方法和装置来满足空间分辨率对校准的需求。

技术实现要素：

本发明提供一种用于分布式光纤测温系统的校准方法，解决了现有空间分辨率的校准耗时长，测试结果的准确度差的问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种用于分布式光纤测温系统的校准方法，包括利用连接在一起的封闭的双槽恒温槽对待测的光纤的空间分辨率进行一次性测量，并根据测量数据和标准数据的比较做出判定的步骤。

进一步，所述双槽恒温槽包括具有独立控制系统的第一恒温槽和第二恒温槽，所述第一恒温槽和第二恒温槽之间通过连接架相连在一起，所述连接架是采用内部中空的金属架，所述连接架的上部的中间开设有下凹的隔槽，所述待测光纤从第一恒温槽穿过隔槽延伸至第二恒温槽，所述第一恒温槽和第二恒温槽及中间连接的连接架的外面设置有封闭的上盖。

进一步，对空间分辨率进行一次性测量的方法包括步骤ⅰ、将待测光纤末端的一段放在第一恒温槽里，与之相连的另一段穿过所述隔槽延伸至第二恒温槽里，步骤ⅱ、将第一恒温槽和第二恒温槽分别设置不同的温度，根据空间分辨率的要求一次性完成待测光纤的空间分辨率的测量。

进一步，所述步骤ⅰ包括将待测光纤末端一定长度的第一段光纤环绕在第一支架上设置在第一恒温槽内，待测光纤穿过隔槽，与之连接的一定长度的第二段光纤环绕在第二支架上设置在第二恒温槽内。

进一步，所述步骤ⅱ包括待第一恒温槽和第二恒温槽的实际温度稳定在设定温度附近且最大偏差不超过±0.5℃时，稳定10min，读取第一恒温槽的实际温度t_a以及第二恒温槽的实际温度t_b，并利用如下方程式计算出t₁和t₂；

t₁＝t_a+(t_b-t_a)×10％；t₂＝t_a+(t_b-t_a)×90％；

然后，在光纤测温系统主机中，读取在所述第一段光纤和第二段光纤长度内测得的温度为t₁和t₂所分别对应的待测光纤的长度位置值，进而计算空间分辨率。

进一步，所述隔槽的壁厚不大于一厘米，隔槽的一边设置有前固定板和第一垫片,隔槽的另一边设置有第二垫片和后固定板，所述前固定板和第一垫片及隔槽的隔槽壁上、第二垫片和后固定板的中间均设有开口，待测光纤依次穿过固定在一起的前固定板、第一垫片、隔槽壁、第二垫片和后固定板上的开口，进入第二恒温槽。

进一步，隔槽壁的所述开口设置在中上部，前固定板、后固定板的所述开口设置在中下部，开口均为长方形，在所述开口两边均设有多个圆孔，利用螺栓穿过圆孔配合螺母将所述前固定板、第一垫片、隔槽壁、第二垫片和后固定板固定在一起，隔槽壁的开口和前固定板、后固定板的开口配合后中间留有通孔，待测光纤从所述通孔穿过。

进一步，所述第一垫片和第二垫片的开口宽度相同，均采用尺寸为一毫米或三毫米或五毫米。

进一步，还包括利用双槽恒温槽的第一恒温槽或第二恒温槽及计米器对定位精度误差的测量，并根据测量数据和标准数据的比较做出判定的步骤，具体步骤包括：

①在待测光纤末端量取长度等于空间分辨率的一段光纤L1，放入第一恒温槽或第二恒温槽中；在距离L1后使用计米器测量一定距离的光纤，选取另一段长度等于空间分辨率的另一段光纤L2，也放入同一恒温槽中；

②待第一恒温槽或第二恒温槽的实际温度稳定在设定温度附近且最大偏差不超过±0.5℃时，稳定10min，从光纤测温系统主机中分别读取所述光纤L1段最高温度示值所对应的长度位置值，和所述光纤L2段最高温度示值所对应的长度位置值，进而计算定位精度误差。

进一步，还包括利用双槽恒温槽的第一恒温槽或第二恒温槽对性能参数：温度示值误差、温度测量范围和温度分辨率进行测量，并根据测量数据和标准数据的比较做出判定的步骤。

本发明有益的技术效果在于：

借助连接在一起的封闭的双槽恒温槽能够实现对空间分辨率的一次性测量，节省了测量时间，提高了测量值的精度，保障了测量的可靠性，同时利用双槽恒温槽可对定位测量误差、温度示值误差等其它性能参数进行校准，为现有光纤测温系统的量值标定提供了统一的检测标准，保障了其各项参数量值的可靠性。

附图说明

图1为本发明的双槽恒温槽的剖面主视图；

图2为本发明的双槽恒温槽的左视图；

图3为本发明的双槽恒温槽的俯视视图；

图4为本发明的双槽恒温槽的第一恒温槽和第二恒温槽连接A部分的放大图；

图5为本发明的温度示值误差的测量位置和长度的选取示意图；

图6为本发明的温度示值误差测量原理图；

图7为本发明的定位测量误差测量位置和长度的选取示意图；

图8为本发明的空间分辨率待测光纤放置示意图；

图9为本发明的空间分辨率测量原理图。

其中，1-连接架、2-隔槽、3-前固定板、4-后固定板、5-第一恒温槽、6-第二恒温槽、7-第一恒温槽控制系统、8-第二恒温槽控制系统、9-温度测量值、10-温度设定值、11-功率设定、12-设置按键、13-待测光纤、14-制冷压缩机系统、15-电源开关、16-循环开关、17-制冷开关。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

参照附图1、图2和图3，本发明的双槽恒温槽包括连接在一起的封闭的第一恒温槽5和第二恒温槽6，这两个恒温槽均具有独立的第一恒温槽控制系统7和第二恒温槽控制系统8。在第一恒温槽5和第二恒温槽6下部设有制冷压缩机系统14，在第一恒温槽5和第二恒温槽6上部设有控制面板和控制开关，控制面板主要包括温度测量值9、温度设定值10、功率设定11和设置按键12等按钮，控制开关主要包括电源开关15、循环开关16和制冷开关17。

参照附图4，第一恒温槽5和第二恒温槽6通过中空的连接架1相连，在连接架1的上部的中间开设有下凹的隔槽2，隔槽2的壁厚不大于一厘米，隔槽2的一边设置有前固定板3和第一垫片,隔槽2的另一边设置有第二垫片和后固定板4，在隔槽2中下部开设有长方形开口，前固定板3和后固定板4中上部开设有长方形开口，第一垫片和第二垫片中间也设有开口。前固定板3、后固定板4和隔槽2壁的长方形开口配合后中间留有通孔，待测光纤从该通孔穿过。

在长方形开口两边均设有三个圆孔，利用螺栓穿过圆孔配合螺母将前固定板3、第一垫片、隔槽2壁、第一垫片、和后固定板4固定在一起。待测光纤依次穿过固定在一起的前固定板、第一垫片、隔槽壁、第二垫片和后固定板上的开口，从第一恒温槽5延伸至第二恒温槽6。

该连接架1是采用内部中空的金属架，第一恒温槽5和第二恒温槽6及中间连接的连接架1的外面设置有封闭的上盖。

第一垫片和第二垫片的开口形状可以为圆形或者长方形，圆形开口的直径尺寸可以为一毫米、三毫米或五毫米，长方形开口和前固定板3和后固定板4的开口尺寸相同，宽度尺寸根据待测光纤13的尺寸而定，也可以为一毫米、三毫米或五毫米。

另外，连接架1内部还可以填充隔热棉。

采用上述的双槽恒温槽对分布式光纤测温系统进行校准，包括：

一、校准前的准备：

A)开启电测设备进行预热，预热时间至少20min或满足其使用说明书的相应要求。

B)将二等标准铂电阻温度计放入预先冻制好的水三项点瓶中，测量其水三相点值。

C)按双槽恒温槽使用说明书的要求使其处于正常工作状态，并保证工作区域的液面处于规定的位置。

D)分布式光纤测温系统主机开机预热，进入测量状态。

二、校准过程：

1、温度示值误差

1.1测量温度示值误差的温度点一般选择-20℃、20℃、60℃、100℃。

1.2将待测光纤与光纤测温系统主机相连，使其处于正常工作状态。从待测光纤末端量取长度等于空间分辨力(率)指标的光纤L₀，如图6所示；将光纤L₀环绕在定制的支架上再放入双槽恒温槽的第一恒温槽或者第二恒温槽中，保证与恒温槽内的液体导热介质充分地接触，测温光纤L₀浸没深度要大于15cm，同时将标准铂电阻温度计放入同一恒温槽中，浸没深度不小于15cm，如图7所示。

1.3将恒温槽设定在-20℃，待恒温槽的实际温度稳定在-20℃附近且最大偏差不超过±0.5℃(以标准铂电阻温度计为准)时，稳定10min，分别读取标准铂电阻温度计和待测光纤中等于空间分辨力长度位置a点的温度示值，按照如下顺序连续读取N次温度示值，并记录下来，其中N≥4，N为自然数。

在测量过程中，恒温槽温度变化不超过0.04℃。

1.4根据上述1.3所述的测量要求，依次测量在20℃、60℃、100℃状态下标准铂电阻温度计和待测光纤末端a点的温度示值。

注：1)温度测量点以及光纤位置a点的选择也可以根据客户的要求，按照上述方法进行测量。

2)如光纤测温系统没有空间分辨率(力)标称指标，可参考下文所述的方法测量得到光纤测温系统实际的空间分辨率(力)，再根据上述二中1.1～1.4的要求，测量相关温度点的温度示值。

2、温度测量范围

按照上文所述二中的1.1-1.3的测量要求和下文三中的1.1-1.3计算方法，分别测量光纤测温系统的待测光纤末端a点在温度测量下限-20℃和上限80℃状态下的示值误差。

3、温度分辨率(力)

3.1按照上文二中的1.1-1.3的测量要求，测量标准铂电阻温度计和待测光纤末端a点在60℃状态下的温度示值；

3.2将待测光纤从恒温槽中取出，在实验室环境下放置至少2min,再次放入恒温槽，再次测量标准铂电阻温度计和待测光纤末端a点在60℃状态下的温度示值；

3.3重复上述3.2，累计测量M次，其中M≥6，M为自然数。

4、定位测量误差

将待测光纤与主机相连，使其处于正常工作状态；在待测光纤末端量取长度等于空间分辨力的一段光纤L1，将光纤L1绕在定制支架，放入双槽恒温槽的第一恒温槽或者第二恒温槽中。然后使用计米器在距离L1段后的10m处选取另一段长度等于空间分辨力的光纤L2，同样将光纤L2绕在定制支架，也放入同一恒温槽中，如图8所示。将恒温槽温度设定在60℃，待实际温度稳定在60℃附近且最大偏差不超过±0.5℃(以标准铂电阻温度计为准)时，稳定10min，从光纤测温系统主机中分别读取光纤L1段最高温度示值所对应的位置d₁和光纤L2段段最高温度示值所对应的位置d₂，并记录下来。

注：光纤L1、光纤L2及光纤L1和光纤L2之间的相隔距离的选择也可以按照客户的要求，按照上述方法进行测量。

5、空间分辨率(力)

将待测光纤末端一段10m长的光纤La环绕在第一支架上放入双槽恒温槽的第一恒温槽内，相连的另一段10m长光纤Lb环绕在第二支架上放入双槽恒温槽的第二恒温槽内，如图9所示。第一恒温槽的温度设定为20℃，第二恒温槽的温度设定为60℃，第一恒温槽与Tb的实际温度按标准铂电阻温度计示值为准。待第一恒温槽与Tb的温度达到设定温度点且实际温度最大偏差不超过±0.5℃时，稳定10min，读取第一恒温槽的实际温度t_a以及第二恒温槽的实际温度t_b，并根据如下公式计算出t₁和t₂；在光纤测温系统的主机中，读取在光纤La和Lb长度内t₁和t₂区间所对应的最小长度区间的两个位置d₁和d₂，并记录下来。

t₁＝t_a+(t_b-t_a)×10％；t₂＝t_a+(t_b-t_a)×90％

其中，t_a：第一恒温槽的实际温度；

t_b：第二恒温槽的实际温度；

t₁：从第一恒温槽实际温度t_a到第二恒温槽的实际温度t_b，温度变化量的10％处的温度；

t₂：从第一恒温槽实际温度t_a到第二恒温槽的实际温度t_b，温度变化量的90％处的温度；

以上所有温度的单位均为℃。

三、校准结果的处理

1、温度示值误差的计算：

1.1依据JJG160的规定，换算标准铂电阻温度计在-20℃状态下N次测量得到的温度值，并计算其平均值

1.2计算待测光纤末端a点在-20℃状态下N次温度测量的平均值

1.3计算待测光纤末端a点在-20℃状态下的示值误差；

精确到0.1℃

1.4按照步骤1.1-1.3所述的计算方法，依次计算待测光纤末端a点在20℃、60℃、100℃状态下的示值误差。

2、温度分辨率(力)的计算：

2.1按照上文所述1.1-1.3所述的计算方法，得到待测光纤末端a点在60℃的温度示值误差，标记为δ_i,i＝1,...,M；

2.2按照以下方程式，计算温度分辨率(力)；

其中：σ──为温度分辨率，应精确到0.1℃；

δ_i──为光纤温度计单次测量的温度示值误差；精确到0.1℃；

为光纤温度计多次测量的温度示值误差的平均值；精确到0.1℃；

3、定位测量误差按照如下方程式计算：

δ_l＝|(d_a-d_b)-(10+S_r)|

其中：

δ_l──光纤温度计定位测量误差；

d_A──光纤温度计定位测量误差中，L1段最高温度对应的位置；精确到0.1m；

d_B──光纤温度计定位测量误差中，L2段最高温度对应的位置；精确到0.1m；

4、空间分辨率(力)按如下方程式计算：

S_r＝|d₂-d₁|

其中Sr─空间分辨率，精确到0.1m。

四、使用本发明的双槽恒温槽和计米器前后校准工作效率比较

对一套相同型号的光纤测温系统的温度示值误差、测温范围、温度分辨率、定位示值误差、空间分辨率进行校准。分别使用原有的二等铂电阻温度计标准装置和钢卷尺等设备作为计量标准器和配套设备和本发明的双槽恒温槽和计米器进行校准，其校准所需的时间如下：

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。