ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
FIBRE-OPTIC DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE DISTRIBUTION (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам для измерения температурного распределения в протяженных объектах и может быть использовано, в частности, в нефтегазодобывающей промышленности для измерения температуры в добывающих скважинах на всем их протяжении, в энергетике, капитальном и гражданском строительстве в качестве систем противопожарной сигнализации.
Известно изобретение «Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения» (RU 2221225) /1/, в котором устройство, содержащее импульсный источник оптического излучения, включающий лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, снабжено фотоприемником синхронизации. Оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым. Лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера. Направленный оптический ответвитель выполнен связывающим одномодовое и многомодовое оптические волокна, причем импульсный источник оптического излучения связан с одномодовым входом направленного оптического ответвителя, узел спектрального разделения связан с многомодовым входом направленного оптического ответвителя, фотоприемник синхронизации связан с одномодовым выходом оптического ответвителя. Узел обработки сигналов дополнительно содержит аналого-цифровые преобразователи и цифровые накопители сигналов. Фотоприемные модули связаны с выходами узла спектрального разделения и с аналого-цифровыми преобразователями, выходы которых связаны с входами цифровых накопителей сигналов. Таймер связан с аналого-цифровыми преобразователями. Устройство может быть снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка многомодового оптического волокна. Одномодовый волоконный лазер выполнен на основе световода, легированного ионами редкоземельных элементов.
Недостатками данного изобретения являются использование нестандартных оптоволоконных элементов, таких как многомодовый/одномодовый направленный ответвитель, невозможность построения фильтров, полностью интегрированных с волокном, что приводит к удорожанию устройства, понижению надежности, ухудшению отношения сигнал/шум, ухудшению устойчивости к внешним воздействиям. Также в данном устройстве не реализован учет разных коэффициентов затухания в волокне на различных длинах волн, что приводит к ухудшению точности измерения температурного распределения.
Данное изобретение является ближайшим аналогом заявляемого изобретения, т.е. прототипом.
Задачей изобретения является создание дешевого, надежного и простого по конструкции устройства, обеспечивающего высокую точность измерения температурного распределения при значительной длине чувствительного элемента.
Поставленная задача решается тем, что в известном волоконно-оптическом устройстве для измерения температурного распределения, содержащем импульсный источник зондирующего излучения, соединенный через направленный оптический ответвитель, отделяющий рэелевскую компоненту, с чувствительным элементом в виде оптического волокна и систему регистрации, включающую два фотоприемных модуля и узел обработки сигналов, вход синхронизации которого связан с импульсным источником зондирующего излучения, отличающееся тем, что оптическое волокно чувствительного элемента выполнено одномодовым, а к выходу направленного оптического ответвителя подключен последовательно один или более дополнительный направленный оптический ответвитель, отделяющий рэлеевскую компоненту, соединенный последовательно с одним или более направленным оптическим ответвителем, разделяющим стоксову и антистоксову компоненты рассеянного излучения и направляющим их по разным фотоприемным модулям, подключенным к узлу обработки сигналов.
Вариантом является устройство, в котором для повышения точности измерений дополнительно введен оптический коммутатор, имеющий два оптических входа и четыре выхода, два из которых соединены между собой, и полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны антистоксовой компоненты, мощность обратного рассеянного излучения которого используется для определения коэффициента затухания на данной длине волны, подключенный через циркулятор к двум выходам коммутатора, один вход коммутатора подключен к фотоприемному модулю, принимающему антистоксову компоненту, второй вход коммутатора соединен с выходом направленного ответвителя, разделяющего стоксову и антистоксову компоненты рассеяния.
В обоих вариантах устройства для подавления рэлеевской компоненты между направленными ответвителями может быть встроена брэгговская решетка.
Импульсным источником зондирующего излучения может служить импульсный волоконный лазер или импульсный полупроводниковый лазер.
Для увеличения мощности импульсного источника зондирующего излучения последовательно ему может быть введен волоконно-оптический усилитель или полупроводниковый усилитель с волоконными выходами.
Описание изобретения поясняется блок-схемой, приведенной на чертеже, где: источник накачки 1, выход которого связан с входом импульсного зондирующего источника излучения (волоконный лазер) 2; направленный оптический ответвитель 3, имеющий три порта, связывает выход лазера 2 с чувствительным элементом датчика 4. Направленный оптический ответвитель 3 настроен на пропускание рэлеевской компоненты через один порт и стоксовой и антистоксовой - через другой. Выход направленного ответвителя 3, пропускающий стоксову и антистоксову компоненты, присоединен ко входу направленного ответвителя 5, аналогичного по строению с ответвителем 3. В направленном ответвителе 5 стоксова и антистоксова компоненты направляются на порт, связанный с брэгговской решеткой 7, настроенной на подавление рэлеевской компоненты излучения. Выход брэгговской решетки соединен со входом направленного ответвителя 6, настроенного на разделение стоксовой и антистоксовой компонент излучения и направление по двум разным портам. Порты со стоксовой и антистоксовой компонентами рассеяния соединены непосредственно с высокоскоростными фотоприемными модулями 8 и 9 соответственно, регистрирующими мощность излучения от времени. Выходы фотоприемных модулей 8 и 9 соединены с входами узла обработки сигналов 13, подключенного к компьютеру 14. Вход узла обработки сигналов 13, предназначенный для синхронизации, связан с импульсным источником лазерного зондирующего излучения 2.
В варианте устройства с дополнительно введенным коммутатором выход направленного ответвителя 6 с антистоксовой компонентой рассеяния соединен не непосредственно с фотоприемным модулем 9, а с оптическим коммутатором 10, содержащим два оптических входа и четыре выхода, два из которых соединены между собой, и полупроводниковый лазер 12, излучающий на длине волны антистоксовой компоненты, подключенный через циркулятор 11 к двум выходам коммутатора 10, один вход коммутатора подключен к фотоприемному модулю 9, принимающему антистоксову компоненту, второй вход коммутатора соединен с выходом направленного ответвителя 6, разделяющего стоксову и антистоксову компоненты.
Переключение оптического соединения каждого порта входа между двумя альтернативными выходами происходит синхронно, так что оптический коммутатор может находиться в двух состояниях. В первом состоянии коммутатор настроен таким образом, что излучение поступает непосредственно на фотоприемный модуль 9. Во втором - альтернативном состоянии коммутатора - излучение поступает на циркулятор 11, который затем направляет его на один из выходов коммутатора, соединенного с входом фотоприемного модуля 9. При этом импульсный полупроводниковый диод 12 работает на длине волны антистоксовой компоненты и соединен с одним из входов циркулятора 11.
Устройство работает следующим образом.
После укладки чувствительного элемента датчика 4 в месте, где требуется измерение температуры (например, в скважине) включают источник накачки 1 и волоконный лазер 2, генерирующий короткие лазерные импульсы зондирования. Лазерное излучение по оптическому волокну поступает в направленный оптический ответвитель 3, а далее в оптическое волокно, являющееся чувствительным элементом датчика 4. При распространении излучения по волокну 4 происходит рассеяние излучения, в котором помимо несмещенной (рэлеевской) компоненты присутствуют еще две компоненты комбинационного рассеяния (стоксовая и антистоксовая), симметрично отстоящие по частоте от рэлеевской линии. Отношение интенсивности антистоксовой компоненты комбинационного рассеяния к интенсивности стоксовой компоненты комбинационного рассеяния есть функция абсолютной температуры соответствующего участка оптического волокна (чувствительного элемента датчика 4). Для получения температурного распределения в объекте измерения излучение рассеяния сначала отделяется ответвителем 5 и дополнительно подавляется оставшаяся рэлеевская компонента брэгговской решеткой 7, затем стоксова и антистоксова компоненты разделяются по двум каналам, направленным ответвителем 6, каждая компонента из которых принимается индивидуальным высокоскоростным фотоприемным модулем 8, 9. Электрические сигналы с выходов модулей 8, 9 поступают в узел обработки сигналов 13, подключенный компьютер 14, где и вычисляется температурное распределение. Узел обработки сигналов 13 запускается по синхроимпульсу с волоконного лазера 2.
В одном из конкретных примеров реализации изобретения в качестве источника накачки был использован полупроводниковый лазер, а в качестве источника зондирующего излучения импульсный волоконный одномодовый лазер на ионах эрбия с длиной волны генерации около 1,53 мкм.
В случаях, когда определить коэффициент затухания антистоксовой компоненты рассеяния не представляется возможным, для улучшения точности измерений используется вариант устройства с коммутатором 10, циркулятором 11 и диодным лазером 12, излучающим на длине волны антистоксовой компоненты. В альтернативном положении коммутатора излучение лазера 12 поступает в чувствительный элемент 4. По обратному рэлеевскому (несмещенному) рассеянию от импульсного излучения лазера 12, детектируемому фотоприемным модулем 9, рассчитывается требуемый коэффициент.
Данное изобретение позволяет измерять температурный профиль вдоль больших расстояний (до нескольких десятков километров) и характеризуется высокой надежностью, простотой исполнения и большой точностью измерений.
Источники информации
1. Патент RU 2221225.