专利名称：根据分布式纤维光学检测监视温度分布用的方法和设备以及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据分布式光纤温度检测来监视温度分布和/或温度异常的方法和设备以及上述方法的新颖应用。
分布式纤维光学测量的原理利用的是将激光脉冲引进光学波导以及其散射效果。激光脉冲的散射出现在光波导的分子上。从而会有一小部分激光散射回来。散射光的强度和光谱成分因此而取决于光波导中的分子以及分子的行为。
后向散射的光由不同的光谱部分构成，这些成分源于由激光与光波导组件之间的相互作用的不同机制，从而包括与光波导的物理状态有关的不同信息。因而，光波导件本身会变成一敏感的部件。
雷利(Rayleigh)后向散射分量具有与积分主激光脉冲相同的波长，能提供散射光谱中的最高峰值，从而能基本上确定后向散射的光的强度时间曲线的指数下降。由于光波导件的不均匀性、局部衰减的变化、微小的断裂、接合等会使得雷利后向散射分量的强度发生变化，所以，散射光谱的分量可分别用于控制光波导件的质量或用于错误检测。
激光与光波导件中的光子的相互作用即光子在材料中热栅格振动时的散射是喇曼(Raman)后向散射分量的原因。
喇曼散射光包括两个分量所谓斯托克斯线和反斯托克斯线。这两种光谱线对称于雷利后向散射的峰值，但移动一定量的波数。尽管移至较少波数的斯托克斯线IS的强度实际上与温度无关，但移至较高波数的反斯托克斯线IA却毫无疑问地取决于温度，从而，要为分布温度的测定而指定使用喇曼后向散射。
单独考虑包括在光波导件的后向散射光谱内的信息尚不能提供任何与沿光波导件的局部分布有关的信息。所谓OTDR法可用于后向散射测定法，该测定法可通过雷利散射用于对衰减作局部分辨检测。为了能用喇曼传感装置实现一种对温度作分布式即局部分辨检测，将上述OTDR(光学间域反射测量)方法用作时间域反射测定装置或者将OFTR(光学频率域反射测量)用作频率域反射计测定装置。
OTDR法是以脉冲/回波为基础的，也就是说，可根据发送出与检测到光线脉冲之间的时间间隔来确定后向散射的喇曼光线的强度(散射强度)以及原点的位置(散射位置)。
另一种OFTR技术允许激光有准永久性的操作以及对光后向散射行为作窄波段检测。这样做获得的优点是对信号检测而言可使用更廉价的激光源以及节约成本的电子组件。但是，与此相反，不得不考虑散射光线的更有问题的测定法以及有较高线性要求的信号处理，这种信号处理因傅立叶变换而更加费事。
德国公开文件DE19509129A1公开了一种方法和一种设备，它们用于对管道、容器、管线等的状态进行控制和监视。
依照上述内容，假定包含在所述管道、容器或管线中的液体或气体介质相对外部环境有不同的介质温度。但是，可在所封住的介质空间的外部沿靠近上述管道、容器或管线的底部区域和/或在该底部区域的边缘和/或该底部区域内的至少上方部分处确定外部温度分布。
可用一细长的分布式温度传感器来进行所说的温度确定，上述分布式温度传感器呈纤维光学检测器光缆的形式，以便按照上述原理检测所说的温度。如果检测到温度分布有局部异常，则可假定有泄漏，然后，根据异常的相应位置处的温度分布或异常的变化的位置来确定扩散的位置、方向以及泄漏量。
就DE19809129A1的设备而言，在管道的外表的圆周上，沿管道的纵向按预定的间隙将细长的温度传感器即纤维光学检测器光缆直接设置在管道沟或管道桥内或设置在与管道沟或管道桥相邻的位置处。
就基本上水平延伸的管道、管线等而言，细长传感器固定在管道的下方。这方面，通常还固定有多个温度传感器或光缆，它们基本上以平行于下方的纵轴的方式平行地延伸，因此，可确定泄漏导致的介质排放的扩散方向和扩散量。在具体危及到的现场，上述方案提出了设置多个或更密集排列的温度传感器，以便能按高的与位置有关的测定精度来识别出最小的泄漏。
泄漏检测的基础是这样的知识即相对环境温度具有较高或较低温度的渗透介质会导致局部温度变化，包括管道的直接外部环境或容器的外壳。
以最佳方式使用的本身是周知的纤维光学检测器光缆可用高达10km的光缆长度来测算后向散射光线的时间间隔和强度，从而达到0.1℃的温度分辨率。给定的位置分辨率根据传感器缆的长度和选定的方法的不同而在1至0.25m的范围内。
德国实用新型G9318404公开了这样一种设备，它用于确定或测定物体的温度，其中，所示的系统使用了光电测量装置。这种周知的测量装置在光波导件的至少一端上提供激光脉冲并用于检验该光波导件后向散射出的辐射。由于有已经说明了的相互作用，故可根据光谱和时间间隔在光波导件的纵向上测出温度和位置，其中，可将光波导件的纵坐标与相应的温度值关联起来。
为了具体在地下气体聚集器的上升或供给管道中确定泄漏的位置，周知有所谓的流量计测定法，其中，检测从周围环形空间中流进实际开孔器内的气流。无法用流量测定法来确定内管的效果，因为，这种效果不能使得气体在管道内流动。周知的流量计测定法的局部分辨率取决于相应的在其中进行测量的离散深度，从而该局部分辨率基本上是小的。
而且，业已提出，在选定的深的区域中依次封住环形空间，以便进行压力测量。但是，在这种情况下，仅能确定流进实际管道的输入气体，从而，依照上述密封步骤，局部分辨率是小的。再有，这种压力测量的成本相当显著。
就分别测定建筑坑道中的基础和侧壁的密封性而言，在坑道中设置各个开孔器，以便用尖部上配备有温度传感器的矛状装置依次检测温度。换句话说，用矛状装置及其上配备的温度传感器在各开孔器的底部处确定温度。不可能检测到温度随时间的变化，或者，对温度随时间的变化的检测存在着问题。难以解释在按周知方式进行的测量结束时所形成的与表面有关的温度图，因为，同时不能确定温度值。必须将水抽出建筑坑道，直至完成了对所有开孔器的测量。就大型建筑坑道而言，这会导致大量的抽水时间，其中，所述方案的缺点在于对垂直壁面的监视是不可能的或只能用有限的质量来加以实现。
如上所述，光纤温度检测装置能最佳地适用于监视诸如成品管线、远距离供热管等之类的管线并且在这方面特别适用于检测泄漏。温度随时间的变化或温度本身包含有与所监视的管线的当前操作状态有关的信息。泄漏会导致局部温度异常，这种异常会在短时间即在几分钟至几小时内出现。用与上述光纤温度测量有关的测量方法来检测上述异常并确定该异常的位置。随一天和一年中的时间或随天气而变的温度偏差在所有时刻都会按较长的时间常数大量地出现。与其它的温度偏差相比，可用空间限制及温度偏差随时间的变化来检测泄漏并确定泄漏的位置。所使用的泄漏检测系统的响应时间取决于诸如泄漏速率、产品的种类、压力、温度、地面的质量、光纤温度测定技术的局部和温度分辨率等之类的多种技术参数。
就相应的使用而言，所需的泄漏检测系统的响应时间决定了时间间隔τ，必须要用该时间间隔来确定温度分布。由于因考虑各种情况下的参照值而要对大量的数据进行处理而且必需要从当前测定值中去掉自然温度的变化，所以，周知的测算方法需要大量的时间和/或计算，因此，联机测算部分是不可能的或者存在有局限性。
依照以上内容，本发明的目的是提供一种这样的方法，它用于根据分布式光纤温度检测来永久且自动地监视温度分布和/或温度异常，所述分布式光纤温度检测可以改进对测定值的测算且同时能提高上述测定法所提供的信息的精确性。而且，所提供的方法适于长期测试并能在不需要费事的数值推导的情况下可靠地测出局部极值。
本发明的另一个目的是提供这样一种设备，它用于通过用来确定温度分布的纤维光学检测器光缆，具体监视环形空间所包围的地下气体聚集器的上升或供给管道的温度分布和/或温度异常，所述设备可使得相应测量或泄漏检验有廉价的高局部分辨率并且能排除连续或不间断存储操作中的安全隐患。
本发明的又一个目的是提供这样一种方法，该方法用于根据分布式光纤温度检测进行监视特别是用于检测建筑坑道或类似设施中的基础和侧壁的密封性，其中，缩短了抽水时间，并且，通过实际的同步测量，可高精度且快速地获得与坑道的基础和壁面上的缺陷有关的信息。
本发明的再一个目的是在不使用对环境有害的方法或所谓示踪物的情况下用光纤温度检测来检测地下水流和/或流域分界的位置。
最后，本发明的还一个目的是开辟与光纤温度检测有关的新的应用领域，由此，可特别考虑化学或微生物渗漏过程或方法。
就长期进行监视而言，达到本发明目的方案配备有依照权利要求1的特征的方法，其中，就要解决的局部目标而言，参照了各个权利要求。
就本发明用于永久且自动监视温度分布和/或温度异常的方法而言，首先假定确定正常操作中的自然存在的温度变化的值并据此推导出所谓的基准分布(reference profile)。
以下，生成一矩阵Aij，该矩阵具有一定的大小，它是由传感器缆的纵向部分的数量以及基准分布的数量所限定的。
在短的时间间隔中进行各分布的测定，并形成其均值分布。然后根据均值分布确定当前分布，并最好将上述当前分布存储在一个表中。
此外，就所有的各个值而言，通过使它们与不同的基准分布相比较而逐步测算出所存储的当前分布，由此，可就比阈值大的偏差来检测用于所有纵向部分的最终温度差。
此后，判断对一个或多个值来说是否存在偏差，并检验对多个相邻的纵向部分是否存在有偏差。如果存在有相对上述分布的参照值的可比温度偏差，则可在正的情况下得出有大规模温度变化的结论，而在负的情况下得出泄漏的结论。
因此，当前温度分布T(xi,t)可与不同的基准分布相比较并用要加以限定的标准来测算。在这方面，xi表示传感器缆的各个测定间隔[xi-Δx/2,xi+Δx/2]的纵坐标，其中，Δx是测定系统的局部分辨率。
就相应监视任务而言要加以修改的关键值涉及到阈值9，它可用于温度差ΔT(xi)=T(xi,t)-TRef(xi)以及对温度分布进行测定之间的时间间隔τ。
在时间t-τ测出的温度分布以及带有相应静态信息内容的参照数据可用作基准分布TRef。
可在相应系统的操作过程中永久地更新并在统计学上测算出所述参照数据。就每天的时间以及季节和气候的影响而言，这些数据包含有与温度偏差有关的局部信息。对基准分布的永久更新和目录扩展能使得系统进行自学习，并且，能独立地调至各个环境。
就测定的时间动态性而言，必须注意，所使用的纤维光学检测器光缆会因其结构而导致温度测定的暂短延迟，这种延迟可能会依照与环境介质的热接触的不同而持续至若干分钟。泄漏本身通常会首先很快地出现，以后会慢慢地改变成准静态的状态。依照本发明，所述性质可用于选择对温度分布进行各次测定之间的时间间隔，从而使计算工作达到最佳并缩短测算的时间。
依照本发明，通过校正从更新的测定值中恒定地排除自然温度变化，因此，源于实际泄漏的温度异常会以温度差特征ΔT(xi)的形式很清楚地表现出来。通过与测定值进行比较做到这一点。所说的测定值是在某一时间之前马上测出的。如果不存在有精确的结果，则还可以使用以前的所谓历史数据，这些数据是在较长的测定过程中连续确定下来的。
就历史数据的处理而言，最好将历法年分成52周，以便能使用精确的参照数据，这些数据考虑了季节性的温度变化。余下的一天、闰年中的两天例如增加给该年中的最后一个历法周。然后，按时间间隔τ例如τ=1h连续地测定和存储当前的温度分布Ti,t,n,w,N。下标是指
i=纵向部分t=时间n=一周中的天w=历法周的数量N=自监视系统开始运行以来的当前年所存储的值用于将当前温度分布与先前温度分布作比较，以便形成两者的差值ΔT(xi)=Ti,t,n,w,N-TRef,j。
如果出现了局部即几个相邻的xi的温度差且这些温度差大于预定的相应阈值9，则这种温度异常表示有泄漏。
依照本发明，将表示年中各周的平均温度测定值以及某些辅助的选定统计值传给数据库，数据库的数据字段分别源于参照时间或一天中的时间以及各个历法周。
每个数据字段包含有下列存储值1、自监视系统开始运行以来的当前年的连续数N(N=1、2、3……)2、用于所有纵坐标xi和用于所有参照时间r=tRef的温度<Ti,r,w,N>的周平均值的更新均值<Ti,r,w>N 其中，在各种情况下于最后一个历法周w的结束时计算出<Ti,r,w,N>；3、来自用于所有纵坐标xi和用于所有参照时间r=tRef的温度<Ti,r,w,N>的更新温度均值<σ2i,r,w,N>的周温度均值的平方差的更新均值 等式(1)和(2)中所示的值因此包含有与例如管线的正常操作过程中自然存在的温度变化有关的信息，并且可用于测算当前测出的温度的波动。在一年期间或在其它预定时间段中可逐步更新日期本身。
在一辅助步骤中，可以用检测到的异常的先兆来检查是否提供了预定的物理效果，以便校正或相应地扩展用于正在执行的方法的矩阵元素。
就用纤维光学检测器光缆来监视由环形空间所包围的用于地下气体聚集器的上升或供给管道而言，所述传感器缆设置在上升或供给管道和/或高压气体管线的内侧，以便确定温度的分布或者检测异常。所述传感器缆通过耐压密封通向外侧。而且，设置有用于暂时缓解受压环形空间和/或上升管道的设备或装置，以便在业已确定了温度分布的初始状态时对受压环形空间或者上升管道空间本身减压。所述减压仅短时间地出现，因此，不会显著地中断存储操作。
用于馈送辐射脉冲并用于接收喇曼后向散射辐射的测定装置与所使用的纤维光学检测器光缆的外端相连。
依照一个最佳实施例，一配重体与传感器缆的内端相连，以使该端部下降进管道，从而能使得光缆以自由悬吊的方式设置在管道内。还可以使用诸如DE4304546C1中所述之类的光缆端盒或接线盒的结构。
在因测量技术或其它原因而需要管道外部的传感器缆的预定位置的情况下，使弹性间隔件逐部分地与传感器缆相连，这就能在将传感器缆插进管道时确保传感器缆有预定或可以预先设定的位置。
间隔件的弹性能确保还可通过仅有小直径的受压空气锁插入传感器缆。在放松状态下，弹性间隔件具有基本上垂直于传感器缆的纵轴的位置或者沿垂直方向从该纵轴延伸至上升或供给管道的内侧壁面。
上述设备所检测到的测定温度分布中的温度异常能提供与管道的泄漏或管道后部区域中即所谓环形空间内的流动过程有关的信息。正如该设备显示的那样，如果传感器缆安装在供给管道内，那么，这一点也是非常可能的。冷却即环形空间内或粘固过程中的温度变化具有通过热传导过程向后进入供给管道的效果并且能用光纤温度检测装置进行测定、用前述方法测算和定位。
就测算而言，可在释放了受影响的环形空间之前和之后确定温度分布的不同的曲线，其中，所述曲线用不同的先兆示出了异常。负的温差意味着有泄漏的管道承口，而正的温差和异常则表示在管道的后部区域因受损的粘合或外壳而有温暖的气体到来。
所以，上述设备在给定了较大传感器电缆长度的情况下按高的局部和温度分辨率同时以分布式的方式测出沿天然气聚集器中的所有聚集器开孔器的温度深度分布。可检测到的温度在高达75MPa的压力下在-50℃至350℃以上的范围内。
用本发明的设备可排除存储操作的影响。由于传感器缆不具有带电势或电流的导线，所以，从开始就没有爆炸的危险。所述设备使用的纤维光学检测器光缆在机械和化学上均具有极强的耐久性并有长的寿命。所述纤维光学检测器光缆可永久地留在管道的内部并能进行关键日期测量且通过与电子数据处理控制室相连而永久地进行监视。
另外，可以将传感器缆临时安装进气体聚集器的开孔器内，从而，可用受压空气锁将传感器缆插进受压开孔器，以便在安装光缆和进行实际测量时封住所述开孔器。在确定了初始温度状态时，对受压的环形空间或上升管道减压，并进行新的温度检测。可在蓄水器和洞穴或用于蓄气的开采沉积器内进行测量。
业已示出，用所提出的设备可获得精确至0.25m的泄漏的局部位置，因此，可用给定的管道配置来精确地确定缺陷或泄漏部分。通过光缆接线盒或光缆端盒中的附加传感装置可检测到其它物理参数。通过将一地音探测器设置在盒内或盒上，可按最佳的方式确定在插入传感器缆时的气/水接触，并且，可阻止因急剧变化的压力而导致的有可能受损的不希望有的光缆的偶而摆动。
在将传感器缆放置到经过无法进行挖掘工作或挖掘工作有问题的人口密集区的高压气管线的内部时，除泄漏检测以外，特别是就远程通讯而言，用带有多个光导件的复合光缆进行数据传输。
就本发明用于根据分布式光纤温度检测来检测建筑坑道或类似结构中的基础和侧壁的密封性的方法而言，首先以与坑道的几何形状相对应的方式将多个栅格状开孔器向下插进基础。然后将温度探头插进所说的开孔器，读出探头的测定结果。
如果检测到了异常，则可以将测量从粗栅格转换成细栅格，以便能更精确地确定泄漏的位置。
此外，在各壁面部件的接头的前面于紧挨着板桩和地下隔板的位置插进开孔器，从而所述开孔器能向下达到基础。
然后，将连续的光纤光缆插进所述辅助开孔器，从而，可将基础重物或配重体用于上述目的。
在业已确定了温度分布的初始状态之后，从坑道的内部中抽出水，并按连续或周期性的方式测定调节温度分布。通过与初始状态作连续或周期性的比较，可以联机地得出泄漏的结论，从而，也可以确定出各泄漏点的位置。
依照本发明，上述方法考虑了因可能泄漏而流过的水与密封系统的外部环境之间的现有温度差。在建筑坑道基础这样的具体情况中，在粘固过程中会产生热。因此，在基础密封的上方，建筑坑道中的温度可上升至大于20℃。这就会导致坑道外的地下水与坑道内的水之间有明显的温差。在将水抽出建筑坑道的内部时，密封的建筑坑道中的地下水位会降低，从而会形成液压梯度以及额外的流体静压力。所述液压梯度具有这样的效果，通过基础上、垂直壁面即板桩或地下隔板上以及基础/壁面连接部区域上的泄漏，温度例如为10至13℃的较凉地下水会进入建筑坑道。如前所述，通过测定建筑坑道的基础上以及垂直壁面上的温度分布，在抽水过程中，可很容易且可靠地检测到相应密封装置或系统中的泄漏。
在本发明用于监视温度分布和/或温度异常的另一种方法中，具体说在用于确定坑道水流以及用于确定流域分界行为的方法中，使用了纤维光学检测器光缆。
在通道或在横向或沿纵向延伸的坑道内，最好通过尽可能地覆盖住表面部件以弯曲的方式插入光纤光缆。
而且，最好在光缆结构的中心启动点热源，从而，根据所确定的温度分布相对点热源的周知位置的检测到的位移，可得出不仅存在有流动而且在有一定的流速这样的结论。
依照本发明，还可以确定坑道水的流向，并且，可估算出完全都充满水的被淹通道中的流速。通过将点热源例如局部受热或致冷与分布式温度测量即对温度和部位的同步测定结合起来而做到这一点。所述点热源仅在一定的时间范围内起热脉冲的作用。
业已示出，尽管在水中存在着热传导，但是，通过平移所确定的温度曲线，可以确定小的流速。
所述测定方法可以放弃所需的示踪物，示踪物会对环境产生影响。通过再次启动点热源，可以在任何时候重复并更新用先前安装的光纤光缆的测量，从而，就例如监视被淹的矿井设施而言，可以监视临界的地下水或基础部分。
本发明用于根据分布式光纤光缆温度传感来确定温度分布和/或温度异常的方法的新颖应用在于测算化学或微生物渗漏过程。在这方面，所使用的知识是渗漏活动会放热，并且，可以通过对渗漏坑或渗漏填土方中的温度进程的测算而对渗漏过程进行控制。
依照本发明，在形成渗漏坑或渗漏填土方时最好插入弯曲的纤维光学检测器，从而，相应的弯曲光缆会以栅格状的方式盖住渗漏坑或渗漏填土方的表面。至少两个或多或少构成了多层的表面结构相叠置地设置在渗漏坑或渗漏填土方上。
弯曲光缆的空间分布或结构可呈1、0.5或0.25m的栅格的形式。
用一种通用测量设备可按平面的方式在一层内以及在彼此叠置的多层内确定温度分布。
依照本发明，当然还可以按螺旋的形式或其它平面的方式放置传感器缆而不是以弯曲的方式设置传感器缆。
借助于所插入的纤维光学检测机构，可确定渗漏坑或渗漏填土方中渗漏前部的局部和临时结构，并且，可以检查渗漏是否是同质的。在非同质的情况下，可有目的增加新物质。
利用按平面方式设置的最好水平地彼此叠置的至少两层或多层传感器结构，可以检测和测算出渗漏填土方或渗漏坑中的流动，该流动可用于测算或控制渗漏过程。
通过简单地暂时检测所形成的水的前部，还可以监视放热反应之后的释放时间，并且可以开始新的过程，或者，还可以有目的地确定就渗漏过程而言的排放状态。
正如可从上述说明中看出的那样，测算方法可具体在长期监视过程中根据用光纤光缆传感对温度分布的确定而提高精确性，其中，通过考虑参照数据库，可用较少的计算来进行联机测算。
利用上述改进型的测算方法，可用光纤开辟分布式温度测量的新应用领域，因此，具体在这方面，可提及对气体聚集器中的上升或供给管道中的泄漏的检测，以及，对基础和侧壁的密封性的确定。
而且，业已示出，可以根据测算的精确性在非常小的流速情况下例如在开放的通道部分中确定地下流量。另外的新颖应用是测算化学物质和/或微生物渗漏过程的放热反应，因此，所述方法可在原位得以监视和控制，结果是，在这些设备和设施同时有效地运转的情况下获得有所增加的开采量。
以下用不同的实施例和附图详细地说明本发明。
图1a和b表示利用纤维光学检测来永久、自动地监视温度变化的方法的图；图2表示用于地下气体聚集器的上升或供给管道的基本结构以及在环形空间放松之前和之后所确定的温度分布的不同曲线，所述上升或供给管道带有环形套管和后部管气流。
图3表示地下通道中用于确定流体的点热源和纤维光学检测器光缆的基本结构以及示例性确定的温度分布；图4表示设置在建筑坑道中垂直壁面前面的温度测量光缆的基本结构；图5表示渗漏坑中的传感器缆结构的基本图。
在图1和1b所示的实施例中，首先，最佳设置的光纤温度测量设备进行自检。在所述设备发信号准备操作之后，实际测定和测算当前温度分布。
依照上述实施例，可在没有数值推导的情况下识别出局部极值即最小和最大。从而消除了在对温度分布作数值区分过程中因作为相应管线特征的信号噪音或空间和暂时温度变化而出现的问题。测算当前测定结果所需的基准分布TRef,j是可以指定的并且配备有相应的下标。选定的预调节装置是可自由编程的，以便使监视系统的各调节装置完成相应的测量任务。
下述温度分布可用作参照数据TRef,1=Ti,t-τ,n,w,NTRef,2=Ti,t-24h,n,w,NTRef,3=Ti,t,n,w,N-1生成一矩阵(整数变量)，将其中的元素Ai,j置为零。矩阵的大小取决于传感器缆的纵向部分的数量I=L/Δx以及所使用的参照分布的数量J即I×J。
对当前温度分布的测定包括统计测算，其中，可进行各次测量并计算，以便很清楚地将噪音振幅推至用于温度差ΔT(x)的预定阈值9之下。以下将这样获得的就时间而言彼此相接近的温度分布的均值称为当前温度分布Ti,t,n,w,N。对应于相应的时间t和一周中的天n将所说的温度分布存储在一个表内。
随后就所有的j值通过与不同的基准分布TRef,j相比较而逐步测算当前温度分布。据此就所有的纵向部分i检验最终的温差ΔT(xi)，以便确定它们是否偏离了参照值超过阈值9。如果这一点仅适用于一个或几个i值，则检测所说的偏差是否会导至相邻的纵向部分。通过逻辑AND(与)函数，可查询不同的k值±1、±2、±3、±5、±10、和±20。如果上述所有的相邻纵向部分均表明有相对参照值的可比温差，则特定的温度变化就涉及一大的表面并不指向泄漏。
但是，如果只涉及几个直接相邻的温差例如±1、±2、±3，则可测算为泄漏。
在最后一个步骤中，检测所检测到的局部温度异常是否具有与预定效果相匹配的先兆。
例如，气体泄漏涉及到负的温度异常。在这种情况下，如果检测到的温度异常的先兆对应于所述物理过程，则矩阵元素Aij就会增加1。而且，会产生用于这些在物理上不能立即且肯定中断的局部异常的消息。这种温度偏差可提供与管线的状态和负载有关的重要信息。
在最终处理了所有的j值时，对矩阵元素Aij作最后的测算。测算的标准基本上是可以自由选择的。最好指定阈值S，该值可在1至J之间变化。对和∑iAij超过阈值S的每个i值而言，都发出泄漏警告，如图1b所示。
图2中所示的对上升或供给管道1进行泄漏监视的设备表示出一管道，它被环形空间或水泥灌浆所包围。
纤维光学检测器光缆3插在或设置在上升或供给管道1内。所述传感器缆3具有在一非示出的耐压密封件上受引导的外端。
上升或供给管道1由各个部分构成，这些部分由套管4所连接。纤维光学检测器光缆3的上述外端通向一未示出的测定装置，以便馈送辐射脉冲并接收后向散射的辐射具体说是喇曼后向散射，因此，可确定传感器旁边的温度分布。
在传感器缆3的内端设置有一配重体和/或一光缆接头盒5，以便于插入光缆和抵消管道内的压力。一封装件6朝位于其下方的聚集器封住了上述环形空间。
间隔件7可与传感器缆3相连，在将传感器缆插进管道内之后，该间隔件会或多或少地伸展或折叠，因此，光缆可相对管道1位于预定位置。为此，间隔件7是弹性的，其中，间隔件可在放松状态下从传感器缆的纵轴垂直地延伸至管道的内壁。
图2的右侧部分中所示的环形空间放松之前和之后的温度分布的差值曲线示出了光纤温度测定技术的高敏感度以及温度分布中有不同先兆的可检测到的异常。
负的温差表示出有泄漏的套管4。但是，正的温度异常表示在后部管道区域中因粘固缺陷而有输入的温暖气流。
通过附图中所示及所说明的设备，不仅可按对应于所提供的检验标准的方式进行泄漏控制，而且能监视长期的温度进程并检测地下气体聚集器的其它参数。所获得的热力学信息与地下的地理状态一道提供了气体聚集器中所述过程的详细画面。通过确定聚集器开孔器中的温度分布，可根据探头处的压力并根据上述温度分布用气体的热力学状态公式计算出聚集器内的压力分布。
图2所示的环形空间或水泥灌浆中的冷却通过热传导过程而具有向后进入上升或供给管道的效果并且可通过使用传感器缆而被光纤温度检测装置检测到并被加以定位。
业已示出，在测试过程中，即使在开孔器本身受压的情况下也可以将传感器缆暂时安装进气体聚集器的开孔器内。为此，在安装光缆时并在测定温度时通过受压空气锁来封住前述开孔器。在确定了温度分布的初始状态之后，使受压的环形空间或上升管减压。此后，再次测定温度分布。通过考虑周知的管道布局可根据温差来确定泄漏和缺陷部分。可以证实，泄漏的套管会使得有若干度的降温。正如所示出的那样，可在一不同的时间将相对气体聚集器封住环形空间的略深设置的封装件确认为缺陷。
因此，可用图2所述的设备以成本效益特别好的方式来具体确定用于地下聚集器的上升或供给管道中的泄漏和/或对地下天然气存储器或压缩空气存储器进行长期监视。由于所应用的纤维光学检测器光缆无电势，故排除了危险并能确保预定的爆炸安全性。可联机且移动地测算出从用于馈送辐射脉冲和接收喇曼后向散射辐射的测定装置中获得的结果，或者，这些结果可包括在状态监视的控制室内。
以下用图3和下述实施例说明如何借助于纤维光学检测装置检测到坑道水中的流动以及如何确定流域分界的行为。
在这种情况中，可检测完全充满了水的被淹通道部分中坑道水的流向并可测定流速。
依照本发明，假定有具有温度Tq的点热源，并且可进行在该处的分布式温度测定。就分布式温度测定而言，在通道部分设置有纤维光学检测器光缆SK，以便按尽可能高的局部分辨率进行测定。
所述点热源在具有热脉冲的效果时受时间的限制。通过考虑水的通常的热传导，可以确定出在0.2至0.8或更高m/h范围内的流速，其中，如果检测到较高的流速，则可相应调整点热源的温度。
测定路线即传感器缆SK的设置方向最好位于通道的纵向方向即x轴方向。从图中可以看出，就现有的流动情况而言，在应用了点热源以后，可以使温度曲线平移，其中，光纤测定系统能通过特征的平移而检测到流向和流速。
所应用到的点热源Tq可产生热量并有目的地冷却坑道水。
所以，依照本发明，可以使用这样的知识即就畅通的流动过程而言，热膨胀是无向的，因为，这种膨胀在相应的同质场地中移动。可用光纤温度测定技术来确定热场地的移动，从而能再次确定流动介质的流向和流速。
本发明光纤温度检测机构的一个具体应用是确定和检证建筑坑道或类似设施的基础及侧壁的密封性。
为了确定建筑坑道的基础中的泄漏的位置，直接将具有预定直径的多个开孔器按调成了建筑坑道的几何形状的栅格的方式向下插至基础。然后将温度测定探头插进开孔器，从而能确定温度的表面分布。为此，同时读取所有的传感器，或者，也可以首先启动构成了粗栅格的选定传感器，以便以粗放的方式检测假定的泄漏。随后，可按压缩的方式用狭窄的点阵列测定可预先选定的区域。
就板桩或地下隔板中的泄漏检测而言，确定垂直的温度分布需要约0.5至1m的局部分辨率，以便尽可能精确地检测到泄漏。为此，使用了光纤温度测定法。在这种具体情况下，可将光纤温度测定光缆在紧挨着建筑坑道的各壁面部件之间的接头前面的板桩或地下隔板的位置处安装在开孔器内。换句话说，在临界的冲击点处，最好将传感器缆插进开孔器。
所述直接向下插至基础的开孔器最好具有至少为1至1.5″的内径并且以连续的方式装在玻璃纤维增强塑料过滤管或类似的过滤管内。
就有17m的开孔器的介质深度以及开孔器彼此有4m的距离而言，多达100个开孔器可配备一条连续的光缆，例如如图4所示。
测定光缆的设置是预定的，因此，光缆在建筑坑道内仅需相对光缆鼓是不卷曲的，并且，配备有基础重物的光缆环可穿过被淹没的开孔器。
在安装测定光缆时，可例如在30分钟的时间内确定建筑坑道中温度分布的初始状态。此后，开始将水抽出建筑坑道的内部。在抽水过程中，在预定的周期内确定抽水开始之前温度分布相对初始状态的变化。
可在实际测定过程之后即在抽水努力过程中立即利用联机数据测算来进行控制干预。换句话说，影响抽水速度和抽水的持续性。
随后较冷的地下水流进板桩的泄漏点，从而可检测相应的局部温度变化。通过共用的在局部分辨出来的测定结果，可确定泄漏的位置，以便维修。
如图5的实施例所述，可以实现用于监视放热化学和/微生物渗漏过程的光纤温度测定方法的应用，其中，可通过设置在渗漏材料中的弯曲纤维光学检测器来确定暂时和局部的温度分布，所述传感器最好设置在几个高度上。可根据周知的化学或微生物过程确定和控制渗漏活动及其效率。
依照图5，例如呈弯曲设置的传感器11形式的光纤测量设备形成在渗漏坑10内部。从而，可以以平面的方式将传感器11设置在位于顶部的第一高度12和第二高度13。
然后，被引导至测量设备14的光缆按上述方式受激光的照射，以便根据喇曼后向散射效果来局部和暂时地确定温度分布。
上述传感器11的最佳结构可以检测渗漏坑10内侧形成的连续渗漏的前部并就同质性而言对其进行测算。通过有目的地增加能增强渗漏过程的特定材料，可以整体地提高效率。
而且，长期进行监视可在放热反应结束时测算渗漏坑内的释放过程，以便以后移动所说的坑或开始新的渗漏周期。
由于作为封装了的光导件的结构，所述纤维光学检测器特别能耐住渗漏坑内的临界和腐蚀性环境条件。例如可在渗漏坑10满时按图5所示的方式插入传感器缆，其中，可在整个生产周期内保留这些光缆。测算设备14所进行的测定可连续而且有间隔即周期性地加以重复，以便确保对渗漏产生的预定控制或影响。
标号表1 上升或供给管道2 环形空间3 纤维光学检测器缆4 套管5 配重体/光缆接头盒6 封装件7 间隔件
8 渗漏坑11 传感器缆12 第一传感器缆高度13 第二传感器缆高度14 测算设备
权利要求
1.一种根据分布式光纤温度检测来永久且自动地监视温度分布和/或温度异常的方法，所述方法的特征在于确定相应测量设备正常操作过程中自然存在的温度变化的和并获得其基准分布；生成一矩阵Aij，该矩阵具有一定的大小，它是由传感器缆的纵向部分的数量I=L/Δx以及基准分布的数量J所限定的；在短的时间间隔中进行各分布的测定并形成其均值分布；从上述均值分布中获得当前的分布Ti,t,n,w,N并将其存储在一个表中；就所有的J值而言，通过与不同的参照值TRef,i,j的比较而逐步测算出所存储的当前分布值，其中，可就比阈值9(噪声)大的偏差来检测用于所有纵向部分i的最终温度差ΔT(xi)；判断对一个或多个i值来说是否存在偏差，并检验多个相邻的纵向部分中是否存在有偏差，其中，在存在有相对上述分布的参照值的可比温度偏差的情况下，可在正的情况下得出有大表面温度变化的结论，而在负的情况下则得出泄漏的结论；
2.如权利要求1的方法，其特征在于检查所检测到的局部温度异常的先兆，且当该先兆对应该异常的预定物理效果时，该矩阵元素Ai,j就会增加值1。
3.一种利用检测温度分布或温度异常的纤维光学检测器光缆，根据分布式光纤温度检测来永久且自动地具体监视由用于地下气体聚集器的环形空间所包围的上升或供给管道的温度分布和/或温度异常的设备，所述设备的特征在于所述传感器缆(3)设置在上升或供给管道(1)内侧并经过耐压密封通向外侧，其中，还设置有用于暂时缓解受压环形空间(2)和/或上升管(1)的设备，并且，纤维光学检测器光缆(3)的外端与用于馈送辐射脉冲并用于接收后向散射的辐射的测量装置相连。
4.如权利要求3的设备，其特征在于一配重体和/或光缆接头盒(5)与传感器缆(3)的内端相连。
5.如权利要求4的设备，其特征在于所述传感器缆(3)以自由悬吊的方式设置在上述管道内。
6.如权利要求3至5的设备，其特征在于间隔件(7)与传感器缆(3)相连，这就能在将传感器缆(3)插进管道内部时确保传感器缆有预定的位置。
7.如权利要求6的设备，其特征在于间隔件(7)形成为是弹性的并且在放松状态下相对传感器缆的纵轴基本上垂直地延伸。
8.如权利要求3的设备，其特征在于传感器缆(3)设置在至少部分地水平延伸的高压气体管线的内部。
9.如权利要求8的设备，其特征在于所述传感器缆是一复合缆，它用于确定温度分布并用于数据传输特别是远程通讯。
10.如权利要求4的设备，其特征在于在所述光缆接头盒内或在所述光缆接头盒上设置有用于检测压力、温度和/或外部传导的辅助传感器。
11.如权利要求4或10的设备，其特征在于所述光缆接头盒由多腔室结构构成，该结构具有耐压和/或被淹没或分别通向外部环境的部分。
12.如权利要求4、10或11的设备，其特征在于所述光缆接头盒最好配备有一光纤地音探测器，它具体用于确定在插入时的气/水接触。
13.一种根据分布式光纤温度检测来永久且自动地监视温度分布和/或温度异常，特别是用于检测建筑坑道或类似结构中的基础和侧壁的密封性的方法，该方法的特征在于使与坑道的几何形状相对应的矩阵状开孔器下沉至上述基础；将温度探头插进所说的开孔器，然后读出探头的测定结果；其中，如果检测到了异常，则将测量和估算从粗栅格转换成细栅格或加以补充，并且，在各壁面部件的接头的前面于紧挨着板桩和地下隔板的位置插进开孔器，其中，所述开孔器能向下达到基础；将连续的纤维光缆插进所述开孔器并借助基础重物或类似的物体使之下沉；其中，确定温度分布的初始状态，并从坑道的内部中抽出水，从而，通过联机测算连续或周期地测定温度分布并与上述初始状态作比较，
14.一种根据分布式光纤温度检测来永久且自动地监视温度分布和/或温度异常，特别是用于检测坑道水流和用于检测流域分界行为的方法，该方法的特征在于通过沿纵向方向将最好是弯曲或螺旋形状的纤维光学检测器光缆或类似结构安装在通道或坑道内，其中，最好在光缆结构的中心启动点热源，并且，根据所确定的温度分布相对于点热源的周知位置的检测到的位移，得出存在有流动而且有流速这样的结论。
15.一种用于根据放热化学和/或微生物渗漏过程的分布式光纤光缆温度检测来监视温度分布和/或温度异常的方法的应用，其中，利用设置在渗漏材料内并且最好设置在若干高度的弯曲、环形或类似的纤维光学检测器来确定渗漏坑或渗漏填土方中的暂时或空间上的温度分布，并且，还根据周知的化学和/或微生物过程来确定和控制渗漏活动及效率。
全文摘要
本发明涉及根据分布式光纤温度检测来永久和自动监视温度分布和/或温度异常的方法和设备以及上述方法和设备的应用。依照本发明,可在没有数值推导的情况下通过测算检测出局部温度极值即最小和最大。特别是在压缩气体存储领域内,用于对由环形空间所包围的上升或供给管道进行监视的设备能特别经济地监视受压设施的安全性。而且,可根据光纤温度测量确定地下流域分界的位置或被淹矿井中的流体的流向和流速。所述被插进开孔的最佳垂直传感器缆的限定结构,能检测建筑坑道内的基础和侧壁的密度。最后,位于多个高度上的纤维光缆的实际水平的弯曲结构,能够测算和控制渗漏坑和填土方中的渗漏过程的效率和同质性。
文档编号G01K11/00GK1301339SQ99806244
公开日2001年6月27日 申请日期1999年5月7日 优先权日1998年5月15日
发明者斯蒂芬·哥劳思维格, 卡特林·库恩 申请人:耶拿Geso传感、地质构造环保技术及数学模型技术有限公司