光纤系统被广泛应用于各个领域的温度测量。其优势尤其体现在需要大量测量点、同时要求结构紧凑且热质量低的应用场景中。一根仅重几克、直径仅为150 µm的光纤，既能替代数百个传感器，又能同时充当信号传输路径。 因此，对于许多与当前“电力到X”（Power-to-X）技术相关的工艺工程应用而言，光纤系统是一个理想的解决方案，因为它能提供连续的温度分布曲线。在许多情况下，这是实现评估和优化工艺所需的高数据密度的唯一途径。
基本上，光纤测量系统由两个组成部分构成：读出单元及其连接的无源传感器光纤。读出单元将光注入光纤，并分析反射或后向散射的光信号。该系统可分为点测量系统和分布式测量系统两类。 点式传感器解决方案与相应的电测方案类似，在预定义的测量位置进行测量。而分布式系统对于化学过程工程及相关学科则更具吸引力，因为它们能够通过密集的测量点捕获完整的温度分布曲线。
无需在光纤中嵌入特殊传感器。相反，通过分析光纤材料本身散射的光，即可获得所需的温度信息。这样，整根光纤就成为了传感器。可分为两类：基于拉曼效应的系统适用于测量长度达数十公里的场景，沿光纤的测量点间距可达25厘米。
第二类系统基于瑞利散射的分析，可实现毫米级的分辨率。这意味着光纤沿线的几乎每个点都起到了传感器的作用。而传统方法则需要数百甚至数千个常规点传感器及相应的布线，这往往会导致难以接受的安装难度和成本。
因此，在化学过程工程领域，基于瑞利散射的光纤系统正受到广泛关注（见图1）。例如，位于德国弗莱堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）就将其应用于一座专门用于甲醇合成的微型工厂（见图2）。
用于推进甲醇合成的微型装置
甲醇合成作为“电力制液体”（Power-to-Liquid）工艺的一部分，利用氢气和二氧化碳生产甲醇。弗劳恩霍夫研究所的该设施旨在研究工业规模的甲醇合成工艺。研究重点包括反应器的动态运行，以及将电解氢与含二氧化碳的气流相结合的非传统气体混合物。
该小型示范装置可连续将氢气和二氧化碳转化为甲醇。
该反应会释放热量，并产生水作为副产物。然而，在与生物精炼厂结合进行大规模工业化应用方面，仍有若干科学问题亟待解决。例如，合成气中较高的二氧化碳浓度会加速催化剂老化，并降低化学转化率。
此外，来自可变可再生能源的氢气产量波动，以及二氧化碳供应过程的不稳定性，可能需要采用动态合成操作。当前工艺主要依赖传统来源的原料，尚未考虑此类动态因素。
对反应器工艺的实时洞察
通过将温度测量数据与傅里叶变换红外光谱（FT-IR）相结合，可以每秒对反应器过程进行实时分析。随后，可利用这些分析数据调整稳态和动态模拟的模型参数。未来，这不仅有助于深入了解反应动力学，还能通过长期测量获取有关催化剂失活的信息。
不同操作点可被快速表征，从而能够高效处理甚至大规模的参数空间。所得见解与弗劳恩霍夫太阳能研究所（Fraunhofer ISE）现有的动态模拟平台相衔接。这使得研究实际工业装置中可能发生的负荷变化成为可能。
由此可生成宝贵的设计数据，有助于利用可持续原料和可再生电力生产甲醇，进而将其作为储能介质、化学品或燃料（添加剂）应用于各种领域。
光纤传感利用了瑞利散射
在瑞利传感中，激光被耦合到光纤中，随后通过光学测量方法对光纤材料产生的后向散射光进行高分辨率的空间扫描。由此可在光纤沿程获得一种特征图案，称为“指纹”，该图案在每个截面均不相同，但具有极高的稳定性和可重复性。
这是由沿光纤分布的局部折射率波动和缺陷（其分布遵循统计规律）所引起的。当发生外部应变或温度变化时，该“指纹”会以独特的方式被拉伸或压缩，因此局部瑞利图案的变化可转换为温度或应变。由于光纤沿线的每个点都对这种效应敏感，因此整根光纤在其全长范围内都起着分布式传感器的作用。可实现的空间分辨率可达1毫米。 以10米为测量长度为例，这相当于10,000个传感器。使用特殊光纤时，温度测量范围约为-200 °C至+640 °C。
关于弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）
位于弗莱堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（ISE）拥有约1,400名员工，是欧洲最大的太阳能研究机构。其研究重点在于能源的生成、分配、存储和利用。 在光伏、节能建筑、太阳能热电厂与工业工艺、氢能技术、电能存储以及电力电子、电网和智能系统等业务领域，该研究所致力于开发材料、组件、系统和工艺。此外，该研究所还开展分析、研究和咨询服务，并提供测试与认证服务。
