1D distributed optical fibre temperature sensing on straight horizontal tube outer surface in CRAFTY facility

Abstract

Optical fibres have been used as sensors for several types of measurands, such as temperature, since the 1970s and proven feasible as distributed temperature sensors since the 1980s. This thesis focuses on the application of distributed optical fibre sensors in practical experiments to measure a temperature profile of a heated tube. The optical fibre sensing principles are based on Rayleigh backscattering and optical frequency-domain reflectometry (OFDR).

Experiments were performed in LUT University’s Nuclear Engineering Laboratory’s CRAFTY facility. Two different models of distributed optical fibre sensors, namely high-definition and high-definition strain-compensated, were used to measure a one-dimensional distributed temperature profile on the outer surface of a straight horizontal stainless steel tube in different temperatures ranging from 150 °C to 240 °C. Optical fibre temperature readings were compared to thermocouples and resistance temperature detectors.

Optical fibre sensors based on Rayleigh backscattering and OFDR were able to measure a relatively clear temperature distribution of a heated tube. Both fibres remained functional above their stated maximum operating temperatures. Temperature readings were always higher than those of thermocouples and resistance thermometers. High-definition fibre showed 2 °C to 20 °C higher readings with the inaccuracy increasing as a function of temperature. Strain-compensated fibre showed between the same to 5 °C higher readings, giving more accurate results in comparison without deviating as a function of temperature.

Optisia kuituja, eli valokuituja, on käytetty useiden eri fyysisten suureiden kuten lämpötilan mittaamiseen jo 1970-luvulta ja niiden toimivuus hajautettuina lämpötila-antureina todistettiin jo 1980-luvulla. Tässä kandidaatintyössä käytetään valokuitulämpötila-antureita käytännön kokeissa, joissa mitataan lämmitetyn putken lämpötilaprofiilia. Valokuitujen mittausperiaate perustuu Rayleigh-takaisinsirontaan ja optisen taajuusalueen reflektometriaan (OFDR).

Käytännön kokeita suoritettiin LUT-yliopiston ydinvoimatekniikan tutkimuslaboratoriossa CRAFTY-koelaitteistossa käyttäen kahta erimallista valokuitua, ns. high-definition (HD) ja high-definition strain-compensated (SC), lämpötila-anturina mittaamaan yksiulotteista vaakasuuntaista lämpötilaprofiilia lämmitetylle teräsputkelle eri lämpötiloissa 150 °C ja 240 °C välillä. Valokuitujen lämpötila-arvoja verrattiin termoparien ja vastuslämpötila-anturien arvoihin.

Rayleigh-sirontaan ja OFDR-tekniikkaan perustuvilla valokuitulämpötila-antureilla oli mahdollista mitata suhteellisen selkeä lämpötilaprofiili putkelle. Molemmat kuidut pysyivät toimintakykyisinä ilmoitettujen enimmäiskäyttölämpötilojen yläpuolella. Valokuitujen lämpötila-arvot olivat aina korkeammat kuin termoparien ja vastusanturien arvot. HD-kuitu osoitti 2 °C ja 20 °C väliltä korkeampia arvoja, epätarkkuuden kasvaessa lämpötilan noustessa. SC-kuitu osoitti joko samoja tai noin 5 °C korkeampia arvoja, antaen verrattaen tarkempia tuloksia ilman, että epätarkkuus olisi kasvanut lämpötilan funktiona.