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光纤测温技术在IDC机房的应用研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-04-29  来源:《电气&智能建筑》  作者:杨军志
  1 光纤测温技术的发展概况
 
  当前,光纤测温系统已广泛应用于电力、石化、隧道、建筑等领域,但较少用于IDC机房领域,主要原因在于原已成熟的光纤测温系统空间分辨率(一般≥2m)、温度精度(一般为±1℃~±3℃)、测量范围(一般≥2km/每通道)和测量时间(一般10s~20s)均较大,不适用于温度和距离测量精度要求较高的IDC机房。
 
  光纤测温系统作为IDC机房环境监控系统的一个子系统,使用单根光纤实现温度监测、信号传输,综合利用光纤拉曼散射效应和光时域反射测量技术来实时测量光纤沿线空间温度分布情况,在IDC机房内按照一定的路由规则在所有机柜内敷设一根传感光纤,可实现对每个机柜指定的测量点进行实时精确的温度信息采集。
 
  2 光纤测温的基本理论
 
  2.1 概念
 
  分布式光纤温度传感系统(Distributed Fiber Temperature Sensor,DFTS)使用的光缆既是传输介质,又是传感单元。光源发出的脉冲经波分复用器后沿光缆传输,传输过程中与光纤分子相互作用,产生自发拉曼(Raman)散射光,其中斯托克斯(Stokes)光对温度不敏感,而反斯托克斯(Anti-Stokes)光对温度敏感,两散射光经波分复用器分离后由高灵敏度的探测器所探测;光缆不同位置处产生的拉曼散射信号传输到探测器的时间不同,通过探测信号返回时间即可确定拉曼散射发生的位置;结合高速信号采集与数据处理技术,可准确、快速地获得整根光缆上任意一点的温度信息。
 
  目前,广泛使用的温度测量方法均存在一定的限制:如测量方式是点式测量,在需要大范围收集温度信息时,需要大量的传感器,使得布线、安装困难;有的传感器是电测式温度传感器,由于这类传感器本身非绝缘,所以在强电磁场、易燃易爆、腐蚀性等环境中的应用受到限制。与传统电子温度传感器相比,其具有明显的优势:分布式连续测量,能实时监测光纤所及之处的温度,可精确定位局部热点的位置;不受电磁干扰,稳定性好;体积小,可灵活安装到缝隙、小孔等,不占用空间;只要光纤不受外力破坏,可做到免维护。
 
  2.2 特点
 
  采用光纤测温,具备非常明显的技术优势,具体表现在以下几个方面:
  (1)高绝缘性能。适合安装在高低压配电设备里;
  (2)抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆。能在恶劣环境下稳定工作;
  (3)测量精度高。精确地投射和反射特征能准确反映温度的变化;
  (4)单路光纤上可以串联多路光纤传感器,其测量点数多,测量范围大;
  (5)光纤传感器结构简单,尺寸小,适用于各种场合;
  (6)可靠性高。由于光纤传感器对温度信息采用波长编码,使得整个测温系统不再受光源功率波动和光纤弯曲等因素影响。
  (7)系统实时对整个区域进行分布式温度巡检,监测机房内机柜顶部及内部的温度,100%覆盖监测区域,无测量盲区;
  (8)系统具有分区定位报警、定温报警和预报警功能,一旦检测到机柜环境温度值超过设定的阈值,自动发出声光报警信息,并传送至主监控系统;
  (9)当温度超过阈值时,及时提供报警信息并准确定位报警位置;后期可扩展通过继电器输出模块与其它消防设施进行联动控制;
  (10)实时温度信息和报警信息可自动保持,具有历史数据查阅与统计分析功能;
  (11)系统具有自诊断功能,如果探测光缆受损,系统可及时定位故障点;
  (12)全程可视化显示,实时显示温度变化过程;
  (13)全年365×24小时不间断在线监测,从根本上杜绝人员疏忽导致的事故;
  (14)通道多:一台主机最多可实现8通道测量;
  (15)系统接口丰富,组网方便。
 
  采用光纤测温对机柜微环境温度进行在线峰值监测,精细化监测温度分布,温度一旦超过预设的报警值,实时报警,避免由于过热而造成服务器宕机事故发生;通过历史温度数据分析,对可能发生的事故进行趋势判断,提前预警,避免事故的发生;多种报警方式,可通过以太网、短信等方式报警;预留有扩展接口,具备和空调系统相连接并联动的可能,辅助机房整体规划的施行,合理有效的使用机房空调系统,提高资源利用率,实现空调资源的按需分配。
 
  数据中心机房环境温度到机柜微环境温度的光纤测温,可监测机房中机房级到机柜级,更精准地显示机房各处温度,这有利于空调温度、湿度、风速更加合理的设置,使空调制冷系统的制冷更有针对性,在提高制冷效率的同时,降低能耗。而且分布式光纤测温系统同样可用于数据中心动力线路温度的监测,让用电更加安全可靠和节能。
 
  2.3 与传统的电子传感器及感温电缆的比较
 
  (见表1)
B-01
 
  2.4 基本原理
 
  2.4.1 光纤测温所用光纤
 
  数据中心布线系统需要不断提升带宽为快速增长的网络(如核心层网络,汇聚层网络及SAN存储网络)传输应用提前铺好道路,而采用光纤传输可以为不断发掘带宽潜力提供保障。与单模光纤相比较,根据综合成本的优势,多模光纤布线系统明显优于单模光纤布线系统,多模光纤技术较低的有源+无源的综合成本,将促使多模光纤在数据中心的应用中占有绝对的优势,大中型数据中心超过85%的光纤布线系统采用的是多模光纤。
 
  新一代高端抗弯多模光纤OM4光纤,能够与传统普通多模光纤很好兼容,新一代多模光纤和普通多模光纤在几何结构上完全相同,材料的掺杂也相似,均可以和普通多模光纤相互熔接,熔接衰耗分布和同类型多模光纤的熔接衰耗分布完全相同。但在抗弯性能上更加优越(见表2),优异的抗弯性能可以允许其在任意狭小空间、任意弯曲状态下依然保持良好的信号传输性能和带宽。
B-02
 
  目前,国内某光纤厂家的高带宽抗弯OM4光纤均具有宽带宽、优异的抗弯性能。使用新一代多模光纤建设850nm应用口的10Gbit/s以太网系统,其费用是最低的,大约只是单模光纤系统的1/3到1/2,且通信传输距离可达550m.
 
  新一代多模光纤是多模光纤技术适应网络发展需求的结果,随着基于多模光纤的光器件成本的逐步降低和客户对高带宽的需求,多模光纤将长期被使用且其用量会逐渐增加,全球各地区多模光纤的用量也将与日俱增。
 
  2.4.2 光纤中的自发拉曼散射的温度效应
 
  (1)光纤中的自发拉曼散射效应及其量子能级观点解释
 
  激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用,发生散射效应,散射光有多种类型,如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等(见图1)。
T-01
 
  从量子理论能级的观点来看,拉曼散射是由光子的非弹性碰撞引起的。光纤主要成分是SiO2分子,热量引发固体结构内的晶格振动。以双原子分子的能级为例,拉曼散射过程的能级如图2所示。
T-02
 
  假定注入光纤的激光频率为υ0,则光子的能量为hυ0;当分子从振动基态E1(或振动激发态E2)被入射光激发到能级E1+hυ0(或E2+hυ0)的虚态,又回到振动基态E1(或振动激发态E2),散射出频率为υ0的光子,这一过程称为瑞利散射。
 
  当振动基态的分子被入射光激发到虚态,然后回到振动激发态E2,产生能量为h(υ0-υ)的拉曼散射,散射光子的频率为υ0-υ,这种散射称为斯托克斯(Stokes)散射;另一种是处于振动激发态的分子被入射光激发到虚态,然后回到振动基态E1,产生能量为 h(υ0+υ)的拉曼散射,散射光子的频率为υ0+υ,这种散射称为反斯托斯(Anti-Stokes)散射。
 
  (2)Anti-Stokes拉曼散射的温度效应
 
  拉曼散射由波长上移的斯托克斯光和波长下移的反斯托克斯光组成,其波长偏移量是由光纤组成元素的属性决定的,Stokes和Anti-Stokes散射光在频谱图上的分布大致是对称的。由于拉曼散射由光纤组成及热振动作用决定,所以散射光强度与温度有关,拉曼散射中斯托克斯光和反斯托克斯光的强度与温度的关系分别用以下公式来表示。
 
      斯托克斯光强为:
S-01
  拉曼散射不受光纤应力影响,只对温度敏感,实现温度的单一测量;Anti-Stokes散射光对温度敏感,其强度受温度调制,而Stokes散射光基本上与温度无关,两者光强的比值只与散射区的温度有关。
 
 
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