ПОДВОДНЫЙ КАБЕЛЬ СО ВСТРОЕННЫМИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ СЕНСОРАМИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФОРМАЦИИ

Подводный кабель со встроенными волоконно-оптическими сенсорами распределения температуры и деформации
Полезная модель относится к подводному кабелю, а именно к конструкции подводного кабеля, дополненного распределенными сенсорами температуры и деформации, в которых оптические волокна используются в качестве чувствительных элементов, работающих на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения. Для измерения распределения температуры и\или деформации в оптическом волокне используются методы, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (КР, или эффект Рамана) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ).
Эффект КР 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. 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, в датчиках на основе РМБ измеряется частота, а в датчиках на основе КР -интенсивность сигнала. 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. Поэтому сенсоры, использующие эффект РМБ, обладают большей точностью и лучшей стабильностью во времени.
Эффект РМБ может значительно усиливаться, если в световод 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 измеряется температура или деформация, 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 до нескольких десятков километров. Частотный сдвиг Мандельштама-Бриллюэна 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 распределенные сенсоры, предназначенные для мониторинга различных объектов, работа которых основана на регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, например, волоконно-оптические датчики измерения распределения температуры, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (эффект Рамана), в которых амплитуда рассеянного сигнала зависит от температуры (URL: http://temperatoes.ru/pages/volokonno_opticheskie_datchiki_temperatury; URL: http://www.thermal-rating.com/Menu/About+LIOS/LIOS+Technology+Russian;URL:http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/; патент на полезную модель РФ №65223, опубликован 27/07/2007). Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: : http://www.sedatec.org/ru/products/863951/863952/864017/). Недостатком сенсоров на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) является невозможность раздельного измерения в одном и том же сенсоре и 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 для измерения только 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, например по винтовой линии, внутри оптического модуля, или также за счет повива оптического модуля, вокруг центрального элемента. Чем меньше шаг повива, 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 в установленном диапазоне внешних воздействий. Следовательно, большинство конструкций оптических кабелей связи применимы в качестве сенсоров распределения температуры на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна. Применение внутримодульного гидрофобного заполнения улучшает также и тепловой контакт. Сенсоры деформации (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, должны содержать оптические волокна, в плотном механическом контакте с наружными оболочками сенсора (и объектом мониторинга). Конструкция сенсора деформации должна исключать взаимное скольжение оптического волокна относительно элементов конструкции 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.
Итак, волоконно-оптические сенсоры на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, предназначенные для измерения распределения температуры (температурные сенсоры), должны содержать свободно уложенные, с избыточной длиной, оптические волокна. Диапазон нечувствительности к деформации определяется величиной избыточной длины оптического волокна.
Сенсоры деформации, с плотной без скольжения укладкой оптических волокон, позволяют регистрировать сдвиг частоты рассеянного излучения Мандельштама-Бриллюэна, зависящий как от величины деформации (растяжения), так и от температуры. Для определения чисто деформационного сдвига частоты, необходимо вычесть величину частотного сдвига расположенного вблизи температурного сенсора.
В настоящее время приборы, 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), производятся и являются коммерчески доступными. В качестве примера такого устройства можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA, Швейцария [URL: http://onmisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php].
Известен волоконно-оптический сенсор деформации предназначенный для использования в распределенных волоконно-оптических системах мониторинга (4-th International Conference on Structural Health Monitoring on Intelligent Infrastructure (международная конференция SHMII-4) 2009, 22-24 июля, Цюрих, Швейцария доклад M. Iten, F. Ravet, M. Nikles, M. Facchini, T. Hertig, D. Hauswirth, A. Puzrin «Soil-embedded fiber optic strain sensor for detection of differential soil displacement» рисунок 3b). Сенсор состоит из специального оптического волокна в плотном полимерном покрытии, армирующих покрытий, в числе которых, есть продольно сваренная трубка из нержавеющей стали, герметично запечатывающая оптическое волокно и повышающая стойкость сенсора к раздавливанию. Наружная оболочка сенсора из термопластичного материала дополнительно армирована проволочной броней из круглых стальных проволок.
Известен «Волоконно-оптический сенсор», предназначенный для систем мониторинга на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, представленный в патенте на полезную модель РФ №125705, опубликованном 10/03/2013. Сенсор содержит, по меньшей мере, одно оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, металлические армирующие покрытия и наружную оболочку из термопластичного материала, отличающейся тем, что армирующее покрытие, расположенное плотно поверх полимерного покрытия оптического волокна, выполнено из ламинированной с двух сторон металлической ленты.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является техническое решение, представленное компанией Omnisens SA Швейцария (URL: http://www.omnisens.com/docs/umbilical%20prototype%20strain%20temperature%20monitoring%20JSM.pdf, дата публикации 22.07.2012). Известный кабель является шлангокабелем и содержит один сенсор деформации и два сенсора температуры, расположенных по оси кабеля. Данный кабель предназначен для подводной прокладки и содержит основные функциональные элементы конструкции, армирующие элементы, промежуточные и наружную оболочки и, размещенные по оси кабеля, в общей оболочке, встроенные два сенсора распределения температуры и один сенсор распределения деформации. Каждый сенсор распределения температуры представляет собой металлическую трубку со свободно уложенными оптическими волокнами, и заполненную гидрофобным заполнителем. Сенсор распределения деформации представляет собой оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, размещенное плотно, без скольжения внутри кабельных оболочек. Выбранная конструкция сенсорной части кабеля состоит из трех, расположенных по оси кабеля, волоконно-оптических сенсоров, два из которых предназначены для контроля температуры, а один для контроля деформации. Заметим еще раз, что для определения величины деформации кабеля, из величины частотного сдвига деформационного сенсора необходимо вычесть температурный частотный сдвиг, температурного сенсора, размещенного также по оси кабеля, при той же температуре.
Недостатком известного решения (прототипа) является то, что ввиду использования только одного сенсора деформации расположенного в центре кабеля невозможно судить о трех независимых типах возможных деформаций кабеля, а именно, изгибах в двух плоскостях и удлинении/сжатии.
Была поставлена задача разработки такой конструкции кабеля, которая обеспечила бы получение информации о трех независимых типах возможных деформаций кабеля, а именно изгибах в двух плоскостях и удлинении/сжатии.
Технический результат достигается тем, что кабель для подводной прокладки, содержащий основные функциональные элементы конструкции, армирующие элементы и наружные оболочки, содержащий, размещенные по оси кабеля встроенные сенсоры распределения температуры в виде, по меньшей мере, одного, свободно уложенного оптического волокна и гидрофобного заполнителя внутри металлической трубки, и сенсоры распределения деформации в виде оптического волокна в плотном полимерном покрытии, размещенного плотно, без скольжения внутри кабельных оболочек, отличающийся тем, что кабель содержит дополнительный сенсор распределения температуры, размещенный в радиальной толщине наружной оболочки и три сенсора распределения деформации, размещенные в радиальной толщине наружной оболочки на равных расстояниях друг от друга.
Наличие, в сумме, четырех сенсоров деформации позволяет сформировать наиболее полную картину о деформации кабеля, имея данные о направлении изгиба, удлинении/сжатии и кручении, благодаря расположению одного сенсора в центре кабеля и трех сенсоров, на равных расстояниях друг от друга, во внешней оболочке. Размещенный, там же, в радиальной толщине наружной оболочки дополнительный сенсор распределения температуры позволяет выделить чисто деформационный частотный сдвиг дополнительных деформационных сенсоров.
Кроме того, наличие двух сенсоров температуры, во внешней оболочке и в центре кабеля, позволяет дополнительно получить информацию о температуре окружающей среды и распределении температуры внутри кабеля, это особенно важно в случае, когда функциональные элементы кабеля, например, токопроводящие жилы, являются источниками тепла.
Полезная модель иллюстрируется чертежом (Фиг. 1), на котором изображено сечение подводного кабеля, содержащего функциональные элементы кабеля 1, армирующие элементы 2, оболочку кабеля 3, сенсор распределения температуры 4, сенсор распределения деформации 5, дополнительный сенсор распределения температуры 6, дополнительные сенсоры распределения деформации 7.
Для определения доли чисто деформационного сдвига частоты рассеяния Мандельштама-Бриллюэна датчика деформации 5, размещенного по оси кабеля, необходимо вычесть величину частотного сдвига температурного сенсора 4, также размещенного по оси.
Дополнительный сенсор распределения температуры 6, позволяет определить значения чисто деформационных частотных сдвигов трех дополнительных сенсоров распределения деформации 7, размещенных в радиальной толщине наружной оболочки на равных расстояниях друг от друга. Кроме того, дополнительный температурный сенсор 6, размещенный в радиальной толщине наружной оболочки кабеля, с учетом частотного сдвига температурного сенсора 4, размещенного по оси, позволяет получить информацию о температуре окружающей среды и распределении температуры внутри кабеля.
Размещенный в наружной оболочке сенсор распределения температуры может быть выполнен в виде свободно уложенного, с избыточной длиной оптического волокна и гидрофобного заполнителя внутри металлической трубки, с использованием известных технологий и стандартного оборудования, предназначенного для изготовления оптических кабелей связи, подводной прокладки, либо встроенных в грозонесущий трос.
Распределенные сенсоры деформации, в том числе размещаемые в наружной оболочке, могут быть выполнены на основе оптического волокна, в плотном полимерном покрытии. Оптическое волокно в плотном светоотверждаемом полимерном покрытии широко применяется в производстве оптических кабелей связи, предназначенных для сетей доступа.
Распределенные сенсоры температуры и деформации могут быть размещены в радиальной толщи наружной оболочки в процессе наложения слоев внешней оболочки с использованием известного оборудования и технологий.
Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления данного типа подводного кабеля на существующем кабельном оборудовании, с применением известных, промышленно выпускаемых материалов.