Als je van een groot stuk land wilt weten hoe het staat met de temperatuur in de grond, kun je een thermometer pakken en die hier en daar in de aarde steken. Dat geeft je al een redelijk beeld, maar wat als je het veel preciezer wilt weten en ook benieuwd bent of de temperatuur veel schommelt gedurende een periode? Dan zul je een heleboel thermometers moeten plaatsen en elke dag een paar keer controleren wat ze aangeven. Niet echt ideaal…

Om tijd en energie te besparen kun je ook zogenaamde distributed temperature sensing (DTS) toepassen. Dat wil zeggen dat je een glasvezelkabel (zie kader) gebruikt die dienst doet als één langgerekte thermometer. De TU Delft heeft in januari drie van zulke kabels ingegraven om warmtestromen in de bodem te meten. Daarmee kun je ‘bodemvochtprofielen’ maken (overzichtjes van het vocht in de grond) en die zijn belangrijk bij het klimaatstudies. Maar je kunt nog veel meer met DTS.

Glasvezelkabels zijn erg veelzijdig. Het Britse paviljoen op de Wereldtentoonstelling dit jaar in Sjanghai gebruikte ze bijvoorbeeld als ‘wandbekleding’: zo’n 60.000 glasvezels steken naar buiten om licht van buiten naar binnen te brengen.

Flickr: amanda_toop

Temperatuur op basis van licht

Een glasvezelkabel werkt niet zomaar als thermometer, daar moet je wel wat voor doen. Allereerst moet je een laserstraal door de kabel schieten, dat doet de ‘DTS-machine’. De laserstraal botst tegen de binnenkant van de kabel, waarbij het licht op verschillende manieren wordt gereflecteerd (dat heet het Raman-effect). Een deel van het licht komt terug met dezelfde frequentie en golflengte als de laserstraal, maar bij de rest verandert dat: of de frequentie wordt lager en de golflengte groter (Stokes_-verstrooiing), of de frequentie wordt hoger en de golflengte kleiner (_Anti-Stokes-verstrooiing).

De gereflecteerde lichtdeeltjes komen uiteindelijk aan bij een uiteinde van de kabel. Op basis van het verschil in aankomsttijd kan de DTS-machine bepalen waarvandaan het licht afkomstig is. De temperatuur berekent de machine op basis van het verschil in intensiteit tussen de Stokes- en Anti-Stokes-verstrooide deeltjes. De intensiteit van de Anti-Stokes-verstrooiing is namelijk erg temperatuurafhankelijk en die van de Stokes-verstrooiing vrijwel niet. Door naar de verhouding Stokes/Anti-Stokes-intensiteit te kijken, bepaalt de DTS-machine de temperatuur op een plek. En zo weet je dus op van elke plek in de kabel wat de temperatuur is!

Als je een aantal dagen achter elkaar in de hele kabel de temperatuur meet, krijg je zo’n soort plaatje. Op de y-as staat de locatie in de kabel, op de x-as staat het tijdstip van de meting en de kleur geeft aan hoe warm of koud het was. Zoals je ziet verschilt de temperatuur overdag steeds van die van ’s nachts.

Steele-Dunne et al., 2010

Water in de grond

De temperatuurmetingen kun je vervolgens gebruiken om de bodemvochtigheid te bepalen. Dat doe je door te kijken naar temperatuurverschillen tussen twee kabels. Het warmtetransport tussen de kabels hangt af van de thermische eigenschappen van de grond, zoals de warmtegeleiding en warmtecapaciteit. Deze hangen op hun beurt weer samen met de vochtigheid van de bodem. Dus weet je het temperatuurverschil tussen twee kabels, dan kun je ook de vochtigheid bepalen.

Bodemvocht van belang

Informatie over bodemvochtigheid is erg belangrijk omdat bodemvocht een grote rol speelt in de waterhuishouding van de Aarde. “De bodemvochtigheid is eigenlijk het uitgangspunt voor iedere hydroloog”, zegt professor Nick van de Giesen van de TU Delft. “Van daaruit kun je, samen met andere informatie, uitspraken doen over zaken als overstromingen, droogte, verwoestijning en het regionale weer.”

Hier zie je de watercyclus van de Aarde. De getallen in het zwart geven aan hoeveel water er ‘verplaatst’ wordt, in 1000 km3 per jaar. De rode getallen tonen de hoeveelheid water in de reservoirs van de Aarde, in 1000 km3. Zoals je ziet is bodemvocht ook een factor in de cyclus.

Trenberth et al., 2007

De informatie is niet alleen direct nuttig voor hydrologen (zie kader), maar kan ook gebruikt worden om satellietmetingen te controleren. Eind 2009 is de Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS)-satelliet gelanceerd. Deze eerste hydrologische satelliet meet de zwakke radiogolven die door de bovenste laag van de bodem en het zeewater worden uitgezonden. De sterkte van het gemeten signaal is een maat voor de hoeveelheid water in de bodem. Hoe goed die waarden kloppen, kan met DTS worden vastgesteld.

Veelzijdige kabel

DTS heeft nog meer toepassingen. De olie- en gasindustrie gebruikt de techniek bijvoorbeeld al jaren om temperaturen in pijplijnen te meten. Die tunnels zijn zo goed geïsoleerd dat monitoren met infraroodcamera’s niet werkt (die kunnen niet in de pijp ‘kijken’), dus de temperatuur moet ter plekke bepaald worden. Dat kan met DTS.

Bij twee ammoniakfabrieken van Yara in Sluiskil is DTS toegepast. De glasvezelkabels geven een goed overzicht van de temperatuur in de installaties, zodat scheuren in de tank snel worden gedetecteerd.

Sensornet

Een heel nieuwe toepassing is bij het ondergronds brengen van hoogspanningskabels. Nu gaat elektriciteit nog langs hoge masten van de centrale naar huizen en fabrieken, maar men wil hier graag verandering in brengen. Een probleem hierbij is dat de warmte van ondergrondse kabels niet overal gelijk wordt afgevoerd: dat hangt af van de bodemomstandigheden (droge of natte grond, andere kabels dicht in de buurt, etc.). In Engeland doen ze proeven om met DTS de plekken op te sporen waar warmte niet goed weg kan. Vervolgens kun je daar maatregelen treffen, zodat je problemen voorkomt en de maximale capaciteit van de kabels kunt benutten.

Niet in de aarde

Ten slotte hoeft een DTS-kabel niet per se ingegraven te worden. Ze kunnen bijvoorbeeld dienst doen in het water, zoals in het riool. Dr.ir. Olivier Hoes, onderzoeker bij de TU Delft, gebruikte een glasvezelkabel om in een wijk in Eindhoven huizen op te sporen die verkeerd op het riool waren aangesloten. Elke 30 seconden werd om de 2 meter de temperatuur van het rioolwater bepaald, zodat er een mooi overzicht van het temperatuurverloop ontstond. De pieken op dit overzicht verraadden verkeerd aangesloten huizen.

Met deze opstelling werd de verdamping gemeten.

TU Delft

En ook in de lucht is DTS bruikbaar. In een speciale opstelling (zie afbeelding) kunnen de kabels meten hoeveel water er verdampt boven een stuk grond. Dat is interessante informatie voor bijvoorbeeld de land- en tuinbouw.

In stedelijk gebied is informatie over verdamping ook interessant, bijvoorbeeld om het ‘hitte-eilandeffect’ (urban heat island-effect) tegen te gaan. Een stad kan soms veel warmer zijn dan het gebied erbuiten en een mogelijke oplossing is het gebruik van water. Ga maar na: vlak langs het zwembad is het meestal koeler dan verderop, dus wellicht dat waterbassins in de stad ook voor verkoeling kunnen zorgen. Met behulp van DTS wordt onderzocht of dat zo is.

Zie ook:

• ‘KNMI gebruikt gegevens SMOS satelliet’
• ‘Hoogspanning zonder horizonvervuiling’ (TU Delta, januari 2009)
• Engeland wil ook hoogspanning onder de grond: meer informatie vind je op de site van National Grid Company

Lees meer over sensoren op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/sensor/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}