ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК И КОМПЛЕКТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Область техники
Техническое решение относится к волоконно-оптическому датчику для измерения деформаций защитной оболочки (контейнмента) ядерного реактора. Техническое решение относится также к комплекту, в который входит система таких волоконно-оптических датчиков.
Предпосылки для создания полезной модели
Защитные оболочки некоторых ядерных реакторов возводят в виде стен из предварительно напряженного железобетона, обычно толщиной 1,2 м, образующих цилиндрическую конструкцию, сопряженную в верхней части со сферическим куполом. С точки зрения безопасности необходимо постоянно контролировать состояние стен, с этой целью в стены встраивают датчики для контроля их деформации. Распространенные датчики работают на принципе струнных тензометров. Недостатком этих датчиков является их срок действия, а также невозможность их замены. Учитывая все возрастающие требования к безопасности, задачей данного технического решения являлось устранение этого недостатка и замена таких датчиков новыми.
Сущность полезной модели
Выполнение поставленной выше задачи осуществлено в проектном решении волоконно-оптического датчика для измерения деформаций защитной оболочки ядерного реактора, при этом в соответствии с данным техническим решением в датчик входит:
- первая стойка
- вторая стойка
- рабочее оптическое волокно, один конец которого зафиксирован на первой стойке, а второй конец - на второй стойке; с образованной в нем как минимум одной брэгговской решеткой
- компенсирующее оптическое волокно, хотя бы один конец которого расположен таким образом, чтобы имелась возможность смещения по отношению к стойкам; с образованной в нем как минимум одной брэгговской решеткой,
при этом рабочее оптическое волокно и компенсирующее оптическое волокно всегда содержит хотя бы один разъем для их соединения с источником оптического излучения, в частности, с источником света с широким спектральным диапазоном излучения в рабочее оптическое волокно и в компенсирующее оптическое волокно, а также со спектрометром для приема и детектирования света, отраженного из брэгговских решеток в рабочем оптическом волокне и компенсирующем оптическом волокне.
Преимущество волоконно-оптического датчика состоит в наличии защитной трубки, которая своими концами крепится к стойкам, расстояние между стойками регулируется, внутри трубки проходит рабочее оптическое волокно.
Еще одно преимущество в том, что защитная трубка состоит из одной трубчатой части и второй трубчатой части с соосным расположением друг к другу, при этом вторая трубчатая часть одним концом прикреплена ко второй стойке, а вторым своим концом вставлена в первую трубчатую часть. Первая трубчатая часть зафиксирована на первой стойке, а сопряженный стык между первой трубчатой частью и второй трубчатой частью оснащен прокладкой.
Преимущество волоконно-оптического датчика состоит также в наличии источника оптического излучения, в частности, источника света с широким спектром излучения в рабочее оптическое волокно и в компенсирующее оптическое волокно, и спектрометра для приема и детектирования света, отраженного из брэгговских решеток в рабочем оптическом волокне и компенсирующем оптическом волокне.
В особенно предпочтительном варианте волоконно-оптический датчик в соответствии с данным техническим решением дополнительно содержит оптический циркулятор, через который источник света с широким спектром излучения соединяем с рабочим оптическим волокном и компенсирующим оптическим волокном, а также посредством которого рабочее оптическое волокно и компенсирующее оптическое волокно соединяемы со спектрометром.
Преимущество также в том, что волоконно-оптический датчик дополнительно содержит волоконный переключатель для избирательного или периодического соединения оптического циркулятора с рабочим оптическим волокном и компенсирующим оптическим волокном.
Вышеуказанная задача также решена комплектом для измерения деформаций защитной оболочки ядерного реактора, в который в соответствии с техническим решением входит:
- система волоконно-оптических датчиков в соответствии с настоящим техническим решением,
- источник оптического излучения, преимущественно источник света с широким спектром излучения,
- спектрометр для приема и детектирования света, отраженного из брэгговских решеток,
- оптический циркулятор и волоконный переключатель с помощью которых источник света с широким спектром излучения соединяем с рабочим оптическим волокном и компенсирующим оптическим волокном любого из волоконно-оптических датчиков указанной системы, и через который рабочее оптическое волокно и компенсирующее оптическое волокно любого из волоконно-оптических датчиков указанной системы можно соединить со спектрометром.
Преимущество спектрометра в таком комплекте - наличие оптического фильтра и фотодетектора и подключение к блоку управления, анализа и визуализации.
Краткое описание чертежей
Показательный вариант исполнения волоконно-оптического датчика в соответствии с данным техническим решением схематически изображен на фиг. 1, а на фиг. 2 показан комплект для измерения деформаций герметической оболочки ядерных реакторов, в который входит система волоконно-оптических датчиков согласно данному техническому решению.
Иллюстративные варианты осуществления полезной модели
Волоконно-оптический датчик 1, изображенный на фиг. 1, состоит из защитной трубки G, в которой помещено рабочее оптическое волокно Н.
Защитная трубка G своими концами крепится к стойкам F1, F2. Защитная трубка G регулируется по длине, что в данном показательном варианте исполнения осуществляется путем ее разделения на одну трубчатую часть G1 и вторую трубчатую часть G2, при этом свободный конец второй трубчатой части G2 (конец, который не прикреплен к стойке F2) вставлен в свободный конец первой трубчатой части G1, таким образом, что взаимное расположение одной трубчатой части G1 и второй трубчатой части G2 позволяет им перемещаться в направлении их оси. В области сопряженного стыка находится уплотнение, которое предотвращает попадание пыли и/или влаги внутрь трубки G.
К первой стойке F1 крепится первый зажим Е1, а ко второй стойке F2 крепится второй зажим Е2.
Рабочее оптическое волокно Η, проходящее в трубке G, одним своим концом закреплено в первом зажиме Е1 а второй его конец закреплен во втором зажиме Е2, то есть, волокно натянуто между двумя точками А1, А2.
В волоконно-оптический датчик 1 входит также компенсирующее оптическое волокно D, которое расположено вне защитной трубки G и крепится одним концом к первой стойке F1, а вторым концом ко второй стойке F2 таким образом, чтобы на него не передавалось смещение стоек F1, F2 относительно друг друга. Следовательно, минимум один конец компенсирующего оптического волокна D свободнолежащий и имеет возможность смещаться по отношению к соответствующей ему стойке. Компенсирующее оптическое волокно D находится в защитной оболочке.
Каждый конец рабочего оптического волокна H и компенсирующего оптического волокна D снабжен разъемом С.
Стойки F1, F2 приспособлены для крепления на стены герметической оболочки ядерного реактора.
В рабочем оптическом волокне Нив компенсирующем оптическом волокне D сформированы брэгговские решетки В, каждая из которых вызывает периодическое изменение коэффициента преломления сердцевины волокна, а полученный оптический фильтр отражает лишь определенную длину волны.
Преимуществом является длина защитной трубки G от 30 до 2000 мм, по умолчанию установленная на значение, соответствующее середине ее предела измерения, чтобы при эксплуатации можно было измерять изменение длины в обоих направлениях (сокращение и удлинение).
Защитная трубка G, зажимы Е1, Е2 и стойки F1, F2 изготовлены из дюраля, что является преимуществом.
На фиг. 2 показан комплект для измерения деформаций герметической оболочки ядерного реактора, который состоит из двух волоконно-оптических датчиков 1, изображенных на фиг. 1. В комплект входит источник света с широким спектром излучения 2, который с помощью первого соединяющего оптического волокна O1 соединен с оптическим циркулятором 3, а тот вторым оптическим волокном O2 соединен с волоконным переключателем 4, с помощью которого избирательно соединяется с одним или с другим волоконно-оптическим датчиком 1, то есть, с его рабочим оптическим волокном H и с компенсирующим оптическим волокном D. Оптический циркулятор 3 можно, кроме того, соединить еще со спектрометром 5, который удачно дополнят оптический фильтр и фотодетектор. Спектрометр 5 через AD/DA карту 6 соединен с блоком управления, анализа и визуализации 7, в данном случае с промышленным компьютером. Блок управления, анализа и визуализации 7 через контрольный электронный блок 8 дополнительно подключен к источнику света с широким спектром излучения 2.
Очевидно, что преимуществом такого комплекта является наличие более двух волоконно-оптических датчиков 1, которые могут быть соединены между собой последовательно или параллельно. Комплект позволяет последовательно -параллельно соединить до 256 датчиков.
Подключение, указанное на фиг.2 работает следующим образом:
Волоконно-оптические датчики 1 на стойках F1, F2 крепятся в разных местах внешней поверхности герметической оболочки ядерного реактора. Рабочее оптическое волокно H в соответствии с схемой на фиг. 2 соединяется с оптическим источником широкого спектра излучения 2. Во время эксплуатации свет из оптического источника широкого спектра излучения 2 проходит через оптический циркулятор 3 и волоконный переключатель 4 в рабочее оптическое волокно Н, или, переключением волоконного переключателя 4, в компенсирующее оптическое волокно D. Каждая брэгговская решетка B в рабочем оптическом волокне Нив компенсирующем оптическом волокне D из всего спектра частот отражает обратно только его малую часть. Спектрометр 5 или спектральный анализатор записывает отраженную часть спектра, а сигнал, представляющий отраженную часть спектра, передается через AD/DA карту 6 в компьютер, где его можно проанализировать. Следовательно, на выходе можно будет наблюдать соответствующее количество частей частотного спектра, зависящее от количества брэгговских решеток B в данном оптическом волокне.
Если в результате удлинения или сокращения соответствующего оптического волокна произойдут изменения в любой из брэгговских решеток В -изменятся ее физические параметры, удлинится или сократится, то на выходе это проявится мгновенным смещением частоты в данной области частотного спектра. Изменение длины рабочего оптического волокна H произошло бы в результате колебаний температуры или в результате нежелательной деформации в измеряемой области герметической оболочки ядерного реактора. Для устранения влияния изменений, вызванных колебаниями температуры (колебаний, вызванных тепловым расширением) на результаты измерений, ведется постоянный анализ отражений из брэгговских решеток B в компенсирующем оптическом волокне D.
Другими словами, если меняется расстояние между стойками F1 и F2, это напрямую влияет на длину прикрепленного к ним рабочего оптического волокна Н, которую затем можно контролировать в контрольном устройстве. Длина компенсирующего оптического волокна D, как минимум с одним свободным концом, наоборот, в наибольшей степени зависит от колебаний температуры. На основании результатов из компенсирующего оптического волокна D, можно в результатах измерений из рабочего оптического волокна H исключить влияние изменений длины рабочего оптического волокна Н, вызванных, в частности, колебаниями температуры, а в результатах измерений отобразить деформации, то есть изменения расстояния между жестко закрепленными стойками F1, F2, без влияния внешних изменений, вызванных, главным образом, тепловым расширением.
Несмотря на описанный ряд показательных вариантов исполнения, очевидно, что специалист в данной области легко найдет другие возможные альтернативы этим вариантам. Например, регулирование длины защитной трубки G можно выполнить и по-другому. Кроме того, можно вместо защитной трубки G оснастить волоконно-оптический датчик 1 общим корпусом для рабочего оптического волокна H и компенсирующего оптического волокна D. Таким образом, область технического решения не ограничивается вышеописанными вариантами, а скорее регламентирована определениями прилагаемых «Требований к защите».