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Lexikon der Geowissenschaften: faseroptische Temperaturmessung

faseroptische Temperaturmessung, Laser-Radar-Temperaturmessung, Verfahren zur Temperaturmessung unter Nutzung der Eigenschaften optischer Fasern. Die faseroptische Temperaturmessung ermöglicht die zeitgleiche Temperaturmessung mit einer hohen Ortsauflösung (z.B. 0,5 m) entlang von optischen Fasern. Das Verfahren wird daher als verteilte Temperaturmessung bezeichnet (Distributed Temperature Sensing, DTS). Die Entwicklung erfolgte Anfang der 1980er Jahre an der Universität Southampton (UK). Das Verfahren basiert auf der OTDR-Methode (Optical Time Domain Reflectometry). Das Licht eines Impulslasers wird in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt. Bei der Ausbreitung des Laserlichtimpulses wird das Licht an den Molekülen des Lichtwellenleiters gestreut. Diese Moleküle und deren Verhalten bestimmen die Intensität und spektrale Zusammensetzung des Rückstreulichtes. Die Wechselwirkung des Laserlichtes mit optischen Phononen ist die Ursache für das Raman-Rückstreulicht. Seine Intensität hängt von der Temperatur ab. Auf Grund des Entstehungsmechanismus setzt sich das Raman-Rückstreulicht aus zwei Komponenten, der Stokes-Linie und der Anti-Stokes-Linie, zusammen. Während die Stokes-Linie nur schwach temperaturabhängig ist, zeigt die Intensität der kürzerperiodischen Anti-Stokes-Linie eine starke Temperaturabhängigkeit. Über die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit des emittierten Lichtes in der Faser ist eine genaue Ortszuordnung möglich. Der Lichtwellenleiter wird dadurch selbst zum sensitiven Element. Das Meßprinzip besteht darin, aus dem Spektrum des Rückstreulichtes die Stokes- und die Anti-Stokes-Linie herauszufiltern. Durch eine Verhältnisbildung der Intensitäten der beiden Linien werden mit Ausnahme der Temperatur alle anderen Einflüsse auf den Lichtwellenleiter eliminiert. Damit läßt sich die Temperatur für einen kleinen Lichtwellenleiterabschnitt bestimmen, während sich die zugehörige Ortskoordinate aus der entsprechenden Laufzeit des rückgestreuten Lichtimpulses ergibt. Mit der faseroptischen Temperaturmessung wird die mittlere (integrale) Temperatur für einen kleinen Abschnitt (z.B. 0,5 m) des Lichtwellenleiters bestimmt, während mit Widerstandsthermometern die Temperatur an einem diskreten Punkt gemessen wird.

Wesentliche Eigenschaften der faseroptischen Temperaturmeßtechnik sind: gleichzeitige Messung von Temperatur und Ort entlang der Meßstrecke mit einer Ortsauflösung ≥ 0,5 m, Meßlänge bis zu 30 km, Temperaturauflösung bis zu 0,02 K, Absolutgenauigkeit der Temperaturmessung bis zu ± 0,1 K, Meßbereich -140°C bis +460°C, keine Beeinflussung des Temperaturfeldes durch den Meßvorgang, Nutzung von Spezialkabelkonstruktionen entsprechend den Meßanforderungen, beliebige Verlegung des Meßkabels (z.B. entlang einer Strecke, flächenhaft, räumlich), stationärer Einbau des Meßkabels auch an später nicht mehr zugänglichen Stellen, besonders geeignet für Langzeitmonitoring. Durch Weiterentwicklung der Meßtechnik können die Meßparameter verbessert werden. [EH]

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