Волоконно-оптический комбинированный распределенный сенсор температуры и деформации высокого пространственного разрешения

Полезная модель относится к конструкциям распределенных волоконно-оптических сенсоров с оптическими волокнами в качестве чувствительных элементов, используемых в системах мониторинга на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения.
Для измерения распределения физических параметров вдоль оптического волокна используются методы, основанные на регистрации и анализе распределения параметров тонкой структуры отраженного в обратном направлении излучения, а именно параметров пиков комбинационного рассеяния (КР, или эффект Рамана) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (эффект РМБ).
Эффект Рамана обусловлен взаимодействием излучения с тепловыми молекулярными колебаниями в среде. Отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента обычно используются многомодовые волокна с большой апертурой. Известны волоконно-оптические распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения. Например, волоконно-оптические сенсоры измерения распределения температуры, основанные на эффекте комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: http://temperatures.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury, дата обращения 13.03.2015;URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/Technology/Distributed+Temperature+Sensing, дата обращения 13.03.2015; URL: http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/, дата обращения 13.03.2015; патент на полезную модель РФ №65223, опубликован 27.07.2007).
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в оптическом волокне возникает в результате взаимодействия излучения с акустическими волнами (звуковыми волнами) гигагерцового диапазона. Этот эффект можно рассматривать как дифракцию света на движущейся решетке, созданной акустической волной. Таким образом, отраженный сигнал испытывает доплеровский сдвиг по частоте, поскольку решетка движется со скоростью звука. Скорость звука напрямую связана с плотностью материала и зависит как от его температуры, так и от внутреннего механического напряжения (деформации). В результате величина частотного Бриллюэновского сдвига несет информацию о температуре и деформации в точке рассеяния.
Таким образом, при регистрации эффекта Рамана измеряется интенсивность сигнала, в то время как при регистрации РМБ - частота. Частотные измерения можно осуществить с высокой точностью, в то время как интенсивность сигнала рассеянного излучения зависит от потерь во всем оптическом тракте и которые могут меняться со временем. Таким образом, системы мониторинга, основанные на регистрации эффекта РМБ в оптических волокнах распределенных сенсоров, обладают большей точностью.
Эффект РМБ может значительно усиливаться, если в оптическое волокно наряду с основным сигналом (сигналом накачки) ввести так называемый пробный сигнал. При выполнении условия резонанса, когда разность частот излучения накачки и пробного сигнала в точности равна Бриллюэновскому сдвигу частоты, мощность рассеянного излучения существенно усиливается (эффект вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, ВРМБ). Частота пробного сигнала, при которой выполняется условие резонанса, зависит от температуры и внутреннего механического напряжения в оптическом волокне. За счет увеличения мощности рассеянного сигнала улучшается отношение сигнал-шум в выходных данных. Это, в свою очередь, значительно снижает время измерения и повышает точность измерения в точке рассеяния.
Определение места, в котором регистрируется изменение температуры или деформации, происходит на основе технологии, схожей с применяемой в радарных установках (рефлектометрия). В оптическое волокно запускаются лазерные импульсы, и характеристики рассеянного излучения записываются как функции времени. При известном значении скорости света можно вычислить температуру или величину деформации (растяжения) оптического волокна в зависимости от расстояния. Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью оптического импульса (например, импульсы длительностью 10 нс задают точность измерения расстояния, равную 1 м). Оптические рефлектометры позволяют измерять распределение деформации или температуры в оптическом волокне длиной свыше нескольких километров. Частотный сдвиг РМБ для стандартных одномодовых волокон составляет примерно 500 МГц на один процент удлинения волокна (иные виды деформации могут быть представлены через удлинение) и примерно 1 МГц/град.
Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения, на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://neparu.com/brugg_files/10_sensoring/01_web_sens_tech_ru.pdf, дата обращения 13.03.2015; URL: http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/, дата обращения 13.08.2014). Недостатком известных сенсоров является невозможность одновременного измерения в одном и том же сенсоре температуры и деформации, что усложняет задачу измерения распределений деформации и температуры, так как требует использования двух типов сенсоров: деформации и температуры.
Конструкция волоконно-оптического сенсора температуры, на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должна обеспечивать нечувствительность сенсора к деформации (растяжению), что достигается свободной укладкой оптического волокна, с избыточной длиной, внутри оптического модуля, а также за счет повива оптического модуля, вокруг центрального элемента, с требуемым шагом. Чем меньше шаг повива модуля, тем больше избыточная длина оптического волокна, тем больше ресурс нечувствительности к растяжению. Точно так же, через избыточную длину оптического волокна, обеспечивается нечувствительность к растяжению, изгибу, кручению, в оптических кабелях связи, для сохранения их передаточных характеристик. Применение внутримодульного гидрофобного заполнения улучшает также и тепловой контакт.
Сенсоры деформации, на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должны содержать оптические волокна, расположенные строго параллельно оси сенсора, в плотном механическом контакте с наружными оболочками сенсора и объектом мониторинга. Конструкция сенсора деформации должна исключать взаимное скольжение ее элементов в диапазоне допустимых деформаций.
Известен волоконно-оптический комбинированный сенсор распределения деформации и температуры, предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ №122773, опубликованном 10.12.2012. Известный сенсор позволяет регистрировать распределение деформации посредством плотной, без проскальзывания, связи первого оптического волокна с армирующим покрытием и наружной оболочкой и одновременно регистрировать изменения температуры через параллельно размещенное, свободно уложенное в полимерном модуле, второе оптическое волокно. Известный сенсор содержит оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, армирующее покрытие и наружную полимерную оболочку, а также дополнительное оптическое волокно, свободно уложенное в оптическом модуле. Недостатком известного сенсора является сложность технологии его изготовления.
Известен комбинированный волоконно-оптический сенсор, представленный в патенте РФ на полезную модель №159893, опубликованном 01.02.2016. Сенсор содержит центральный оптический модуль, в виде трубки, с размещенным в ней плотно, без скольжения, оптическим волокном, периферийные оптические трубчатые модули, в виде сплошного повива вокруг центрального модуля, со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы и наружную защитную оболочку, и отличается тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном стеклопластикового или арамидопластикового прутка, с вклеенным по его оси оптическим волокном. К недостаткам указанного решения, помимо технологической сложности изготовления, следует отнести распределенные по его длине, неизбежные отклонения положения оптического волокна от оси сенсора, локальные изгибы волокна, а также распределенные по длине сенсора неравномерности его натяжения, что приводит к значительным локальным неоднородностям рефлектограммы частотного сдвига вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и, следовательно, к снижению чувствительности сенсора в целом.
-2
Очевидная простота идеи размещения вдоль оси сенсора оптического волокна, предназначенного для измерения растяжения, сталкивается с рядом технологических трудностей. Применение для этой цели непосредственно оптического волокна, в качестве сенсора, затруднительно в силу его недостаточной прочности. Даже применение оптического волокна в плотном полимерном покрытии бывает недостаточно по тем же причинам, поскольку сопротивление удлинению обусловлено в основном упругостью самого оптического волокна. Растягивающая нагрузка примерно в 10 Н, приводит к 1% удлинению, что соответствует величине смещения частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (для стандартных одномодовых волокон) примерно 500 МГц. Реальные продольные неоднородности (в пределах разрешения по длине порядка 1 метра), связанные с нестабильностью параметров технологических процессов, составляют не менее 10 МГц, что соответствует 2×10 % величине локальной неоднородности растяжения.
Другая технологическая сложность связана с невозможностью размещения оптического волокна строго на оси сенсора, что приводит к дополнительному разбросу смещения частоты рассеяния при изгибе сенсора. Так намотка сенсора на барабан с диаметром шейки 500 мм приводит к дополнительной неоднородности порядка 50 МГц, в пределах разрешения по длине порядка 1 метра.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является комбинированный волоконно-оптический сенсор, представленный в патенте РФ на полезную модель №171511, опубликованном 22.11.2016. Волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры, на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, содержит, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, по меньшей мере, одно оптическое волокно, свободно, с избыточной длиной, уложенное в оболочке оптического модуля, в виде полимерной трубки, центральный силовой цилиндрический элемент, армирующие элементы, промежуточную и наружную защитную оболочку, и отличается тем, что оптические волокна в плотном полимерном покрытии и оптические модули скручены в виде сплошного повива вокруг центрального силового элемента, в виде прутка из стеклопластика или арамидопластика, с постоянным по длине шагом, а величина шага повива много меньше величины пространственного разрешения продольного распределения параметров рассеянного излучения.
Основным недостатком технических решений распределенных волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения является величина пространственного разрешения измерений, определяемая длительностью оптического импульса и временем накопления сигнала. Величина пространственного разрешения до 0,5 м требует не менее нескольких минут накопления сигнала. Для ряда же практических приложений, например, в особо ответственных участках протяженного объекта (трубопровода) требуется гораздо более высокое пространственное разрешение измерений.
С другой стороны, известны волоконно-оптические квазираспределенные системы измерения температуры и деформации на основе встроенных в оптическое волокно Брегговских решеток (URL http://monsol.ru/resheniya/poleznye-materialy/statya-1/, дата обращения 12.09.2017).
Известны устройства для измерения деформаций на основе квазираспределенных волоконно-оптических датчиков на Брегговских решетках (URL http://www.findpatent.ru/patent/237/2377497.html, URL http://www.findpatent.ru/patent/239/2391625.html, дата обращения 12.09.2017). Поставленная задача увеличения пространственного разрешения на отдельных участках волоконно-оптического сенсора достигается тем, что волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры, на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, содержащий, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, по меньшей мере, одно оптическое волокно, свободно, с избыточной длиной, уложенное в оболочке оптического модуля, в виде полимерной трубки, отличается тем, что оптическое волокно дополнительно содержит встроенные Брегговские отражатели. Комбинация различных типов волоконных Брегговских решеток позволяет определить одновременно распределение механического напряжения и температуры (Волоконно-оптические системы мониторинга состояния инфраструктурных объектов. / Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. - М.: Экслибрис-Пресс, 2015. - С. 49-52.).
Наличие в оптическом волокне встроенной Брегговской решетки, в силу ее малого размера, никак не проявляется на рефлектограмме Мандельштамма-Бриллюэна.
Кроме того, Брегговские встроенные (на наиболее ответственных участках) сенсоры, безинерционны (акустические сигналы), что расширяет области практического применения, например, реализует дополнительно функции охраны.
Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели. Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем, традиционно используемом, кабельном оборудовании, с применением известных, промышленно выпускаемых материалов.
Волоконно-оптический комбинированный сенсор продольного распределения деформации и температуры может быть изготовлен из составляющих его элементов на коммерчески доступном, традиционном оборудовании для производства оптических кабелей связи. Например, типичные конструкции оптических кабелей связи, которые содержат в своем составе заполненные тиксотропным гелем оптические трубчатые модули, в виде сплошного повива вокруг центрального элемента, со свободно уложенными в них оптическими волокнами, армирующие элементы в виде повива из стеклопластиковых прутков или стальных проволок и наружную защитную оболочку приведены на сайтах производителей кабелей (см., например, URL: http://intg.ru/production/pg/v-grunt_4.html, дата обращения 25./03.2015; http://intg.ru/production/pg/v-grunt_2.html, дата обращения 25.03.2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/12/, дата обращения 25.03.2015; http://www.ofssvs1.ru/catalog/10/, дата обращения 25.03.2015).
Сенсор предназначен для работы с приборами, которые в настоящее время производятся и являются коммерчески доступными, и в которых используется способ измерения распределения деформации и (или) температуры оптического волокна вдоль его оси (растяжения или сжатия), основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ). В качестве примера такого устройства можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA, Швейцария (URL: http://omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, дата обращения 05.08.2013).
Считывание сигнала с Брегговских квазираспределенных сенсоров может осуществляться, в зависимости от конкретной задачи, также с применением специальных серийно выпускаемых вторичных приборов, интеррогаторов для Брегговских решеток (URL http://www.volokno-optic.com/products/equipment/bragggratings/).