УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОФИЛЯ ВДОЛЬ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для распределенного измерения температуры в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее, а более конкретно для мониторинга температурного профиля вдоль трубопроводных систем.
Известно волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения, содержащее импульсный источник зондирующего излучения, соединенный через направленный оптический ответвитель, отделяющий рэлеевскую 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, 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. Для увеличения мощности импульсного источника зондирующего излучения последовательно ему введен волоконно-оптический усилитель или полупроводниковый усилитель с волоконными выходами.
В другом варианте в это устройство дополнительно введены оптический коммутатор, имеющий два оптических входа и четыре выхода, два из которых соединены между собой, и полупроводниковый лазер, излучающий на длине волны антистоксовой компоненты, 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 (заявка RU 2009113245/28, 2010).
Недостатки известного устройства: сложная конструкция, низкая чувствительность и точность измерений температурного распределения ввиду использования стоксова рамановского рассеяния в качестве опорного.
Создание и использование предлагаемой нами полезной модели решает задачу получения простого по конструкции устройства, обладающего высокой чувствительностью к изменениям температуры оптического волокна в условиях эксплуатации, допускающих долговременную стабильность параметров затухания в оптическом волокне.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности и надежности устройства измерения и наблюдения за изменением температуры вдоль трубопроводных систем при одновременном упрощении его конструкции.
Так, поскольку в предлагаемой конструкции используется только один фотоприемник, а не два, как в известных ранее, то с учетом того, что фотоприемник является одним из источников возможных отказов, то снижается вероятность отказа всего устройства в процессе эксплуатации.
Увеличение точности измерений достигается путем отказа от использования второго измерительного канала, настроенного на стоксову компоненту рамановского рассения. Тем самым, удается избежать погрешностей измерений, связанных с собственными шумами второго измерительного канала, а также нарушением условий нормировки из-за различия коэффициентов затухания стоксовой и антистоксовой компоненты рамановского рассеяния в оптическом волокне.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в предлагаемом устройстве мониторинга температурного профиля вдоль трубопроводных систем, помимо средств, обеспечивающих генерирование лазером импульсного оптического излучения, ввод этого излучения в чувствительное оптическое волокно, имеющее тепловой контакт с объектом измерения температурного распределения, регистрацию обратно рассеянного излучения на длине волны антистоксова комбинационного рассеяния с определением интенсивности рассеяного излучения Ia, дополнительно используется априорная информация о температурном распределении вдоль измерительной линии, а также калибровочный измерительный канал, состоящий из оптического волокна, помещенного в термостатированный бокс, имеющий возможность перестройки и измерения внутренней температуры на основе известных технических устройств, например, электроохлаждающих или электронагревательных элементов, термопар, термосопротивлений и т.д. Кроме того, в предложенном устройстве используется один фотоприемник.
Как известно, зависимость антистоксова комбинационного рассеяния от температуры и дальности в общем виде можно записать как
Ia(T,z)=IoR(T)A(z),
где T - температура соответствующего канала дальности, z - расстояние до канала дальности, Io - интенсивность зондирующего излучения, R(T) - коэффициент зависимость интенсивности рассеянного излучения от температуры, A(z) - коэффициент зависимости мощности рассеянного излучения, принимаемого на фотоприемнике, от дальности.
В общем случае зависимость R(T) может быть получена аналитически путем анализа температурной зависимости интенсивности рассеянного излучения, а также спектра падающего и рассеянного излучения. Однако, данная методика хорошо себя оправдывает в случае, когда ширина спектра падающего излучения не превышает единиц нанометров.
В предлагаемой полезной модели для определения коэффициента R(T) служит калибровочный канал дальности, в котором в пределах интересующего интервала измерения температур R(T) аппроксимируется полиномом. В процессе выполнения калибровки устройства осуществляется управляемая перестройка температуры в калибровочном канале дальности, что позволяет оценить коэффициенты полинома, описывающего R(T). Таким образом, автоматически учитывается зависимость интенсивности антистоксова комбинационного рассеяния от спектра падающего излучения, а также спектральной характеристики оптического фильтра, выделяющего это излучение.
В предлагаемой полезной модели определение коэффициента A(z) основано на информации о первоначальном температурном распределении вдоль измерительной линии, получаемой из известных математических моделей распределения температуры, описанных в, например, в [Агапкин В.М., Кривошеий Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов, М., Недра, 1981, с.18-32]; или информации, полученной от датчиков измерения температуры, расположенных, например, в технологических колодцах, на нефтеперекачивающих станциях и т.д. Эта априорно известная информация вводится в память процессора. В условиях эксплуатации, характерных для области применения настоящего устройства, можно считать, что параметры затухания оптического излучения в волокне не меняются в течение длительного времени порядка нескольких лет, то есть значение коэффициента A(z) можно считать неизменным.
На основе известных параметров A(z) и R(T), полученных при первоначальной настройке устройства, зависимость текущего значения температуры от дальности определяется следующим образом
-1
T(Z)=R(Ia/A(z)).
Предлагаемая полезная модель для мониторинга температурного профиля содержит зондирующий импульсный лазер 1; спектральный демультиплексор 2; термостатированный бокс 3, содержащий отрезок волокна длиной 25-50 м и внешние выводы, позволяющие осуществлять обмен электрическими сигналами для управления и мониторинга внутренней температуры термостатированного бокса; чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна 4, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения; фотоприемник 5; таймер 6; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, преобразующий информацию с выхода фотоприемника; цифровой процессор 8; аналогово-цифровой преобразователь 9 и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 10, обеспечивающие функцию перестройки и мониторинга температуры в термостатированном боксе со стороны цифрового процессора (АЦП и ЦАП связаны с внешними выводами термостатированного бокса, позволяющими осуществлять обмен электрическими сигналами для управления и мониторинга внутренней температуры термостатированного бокса).
На фиг.1 схематически представлена предлагаемая полезная модель.
Зондирующий импульсный лазер 1 подключен выходом к спектральному демультиплексору 2. Чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна 4 подключен через термостатированный бокс 3 к выходу спектрального демультиплексора 2. Еще один выход спектрального демультиплексора соединен входом с фотоприемником 5, который подключен к АЦП 7, связанному с цифровым процессором 8, который также содержит линии измерения и управления температурой в термостатированном боксе 3 посредством АЦП 9 и ЦАП 10. Таймер 6 связан управляющими линиями с зондирующим импульсным лазером 1 и аналого-цифровым преобразователем 7.
В конкретных вариантах воплощения полезной модели зондирующий импульсный лазер 1 может представлять собой твердотельный или волоконный лазер с длительностью импульсов в соответствии с требуемым временным разрешением и обычно составляющей единицы или десятки не с выходной импульсной мощностью не менее сотен мВт; спектральный демультиплексор 2 выпускается серийно для систем со спектральным уплотнением каналов; термостатированный бокс 3 исполняется в виде теплоизолированного короба, перестройка температуры в термостатированном боксе 3 осуществляется с применением воздушных, жидкостных или твердотельных термостатов, а мониторинг температуры с применением терморезисторов и термопар; чувствительный элемент - отрезок оптического волокна 4 может быть выполнен в виде одномодового или многомодового волоконного световода с затуханием оптического излучения, приблизительно 0,2…3 дБ/км; фотоприемник 5 может быть выполнен на основе p-i-n или лавинного фотодиода; таймер 6, АЦП 7, 9 и ЦАП 10 могут быть выполнены как встроенные компоненты микроконтроллеров или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), а также на базе специализированных микросхем; цифровой процессор 8 выполнен на базе микроконтроллера, ПЛИС или персонального компьютера.
Устройство работает следующим образом. По сигналу таймера 6 зондирующий импульсный лазер 1 формирует оптический импульс с центральной длиной волны 1550 нм заданной длительности порядка единиц или десятков наносекунд. Через спектральный демультиплексор 2 данный импульс сначала попадает в участок чувствительного оптического волокна внутри термостатированного бокса 3, а затем в основную измерительную линию 4. По пути своего следования в оптическом волокне зондирующий оптический импульс порождает рассеянное излучение в сторону, обратную направлению его распространения. Данное рассеянное излучение, которое состоит из компонент упругого и комбинационного рассеяния, проходит через спектральный демультиплексор 2, который пропускает в оптический фотоприемник 5 только антистоксовую компоненту рамановского рассеяния, смещенную на 100 нм от длины волны зондирующего излучения. С выхода фотоприемника 5 электрический сигнал преобразуется в цифровую форму через аналого-цифровой преобразователь 7 и в цифровом виде поступает на обработку процессором 8. В процессе работы цифровой процессор 8 осуществляет управление и мониторинг температуры в термостатированном боксе 3 в соответствии с заданной программой посредством АЦП 9 и ЦАП 10, связанных непосредственно с внешними выводами, позволяющими осуществлять обмен электрическими сигналами для управления и мониторинга внутренней температуры термостатированного бокса 3.
Таким образом, разрешение каналов дальности осуществляется по времени измерения интенсивности рассеянного излучения после момента формирования зондирующего импульса, что позволяет условно разделить волокно на каналы дальности, соответствующие временным тактам работы АЦП 7.
Процедура вычисления абсолютной температуры в предложенном устройстве осуществляется следующим образом.
Выделяется три этапа функционирования устройства:
- этап калибровки;
- этап привязки;
- этап измерения.
На этапе калибровки устанавливается зависимость амплитуды рассеянного излучения, наблюдаемого на фотоприемнике, от температуры в наблюдаемом канале дальности. Для этого процессор 8 управляет перестройкой температуры в пределах нескольких десятков градусов в термостатированном боксе 3 посредством выдачи управляющих сигналов на ЦАП 10 и параллельно осуществляет мониторинг температуры по сигналам, принимаемым с АЦП 9, а также оценивает интенсивность рассеянного излучения от участка оптического волокна, помещенного внутри термостатированного бокса. Временная диаграмма функционирования представлена на фиг.2, где сплошной линией показан закон управления температурой в термостатированном боксе 3, а пунктирной - реальная эволюция температуры, наблюдаемой на измерительном элементе. Диапазон и шаг перестройки температуры выбирается исходя из требований по точности аппроксимации калибровочной зависимости, а также времени выполнения этапа калибровки.
По полученным дискретным значениям зависимости интенсивности рассеянного излучения от температуры оптического волокна, помещенного в термостатированный бокс, строится аппроксимирующая зависимость интенсивности рассеянного излучения от температуры с применением полиномов не более третьего порядка, что дает погрешность измерения менее 1°C в диапазоне температур от -50°C до +100°C.
На этапе привязки устанавливается зависимость величины затухания зондирующего и рассеянного излучения от дальности. В качестве входной информации на процессоре 8 используется калибровочная зависимость интенсивности рассеянного излучения от температуры, полученная на этапе калибровки, а также информация о температурном распределении вдоль оптического волокна на момент осуществления привязки, которая может быть получена на основании использования известной математической модели описанной в [Агапкин В.М., Кривошеий Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов, М., Недра, 1981, с.18-32] или путем измерения совокупностью дискретных температурных датчиков. Оценка коэффициента затухания для заданного канала дальности при известном значении температуры в окрестности оптического волокна, соответствующей данному каналу дальности, осуществляется путем вычисления отношения интенсивности рассеянного излучения от заданного канала дальности к интенсивности рассеянного излечения по калибровочной зависимости при заданной температуре. По полученным дискретным значениям коэффициента затухания в наборе точек осуществляется интерполяция коэффициента затухания на все оптическое волокно.
На этапе измерения осуществляется оценка абсолютного значения температуры вдоль всего оптического кабеля. В качестве входной информации используется калибровочная зависимость интенсивности рассеянного излучения от температуры, зависимость коэффициента затухания от дальности и оценка распределения текущего значения интенсивности рассеянного излучения по дальности. Абсолютная температура определяется как обратная функция калибровочной зависимости при использовании отношения оценки интенсивности к коэффициенту затухания в заданном канале дальности в качестве аргумента.
Таким образом, основной особенностью способа работы с устройством, продиктованной особенностями самого предложенного устройства, является тот факт, что для определения значения температуры на основе измеренного значения интенсивности антистоксова рассеяния излучения Ia дополнительно используется априорная информация о первичном распределении температуры вдоль измерительной линии, а также возможность перестройки и измерения внутренней температуры, благодаря включению в состав устройства калибровочного измерительного канала, состоящего из оптического волокна, помещенного в термостатированный бокс.
Пример работы устройства:
Рассмотрим пример работы предлагаемой полезной модели на участке нефтепровода «Дружба» длиной 25 км.
Были установлены следующие параметры функционирования устройства:
- длина зондирующего импульса 50 нс,
- пиковая мощность зондирующего импульса 1 Вт,
- частота работы АЦП на выходе фотоприемника 100 МГц.
На этапе калибровки устройства температура внутри термостатированного бокса 3 перестраивалась в диапазоне от 15 до 40°C. Шаг перестройки составил 1°C. Время ожидания для установления температуры внутри бокса 3 равнялось 30 сек, время измерения после установления заданной температуры также составило 30 сек. Таким образом, общее время измерений на этапе калибровки составило не более 30 мин. Для интерполяции калибровочной зависимости использовался полином 3-го порядка.
На этапе привязки использовался волоконно-оптический кабель, заранее уложенный на рабочем участке нефтепровода на глубине 0.7-1 м. Участок 25 км был разбит на 25 участков длиной по 1 км. На конце каждого участка осуществлялось откапывание фрагмента кабеля длиной 15 м, что соответствовало 3 каналам дальности. Для определения номеров соответствующих каналов дальности осуществлялся пролив обнаженного фрагмента кабеля подогретой жидкостью, что отображалось на экране оператора как изменение интенсивности рамановского рассеяния в соответствующем канале дальности. После определения номеров каналов дальности выжидалась пауза в течение 30 минут для выравнивания температуры кабеля и окружающего воздуха. Далее измерялась температура воздуха вблизи кабеля и передавалась по радиосвязи оператору персонального компьютера, который заносил информацию о текущем значении температуры в соответствующем канале дальности в память цифрового процессора. Таким образом, в памяти цифрового процессора 8 появлялась запись о значении температуры T(z) и интенсивности I(z) в заданном канале дальности. В соответствии с описанной выше методикой эти значения пересчитывались в коэффициент затухания A(z) для заданного канала дальности. По результатам дискретных значений коэффициента затухания A(z), полученных для 25 каналов дальности, была построена интерполирующая зависимость с применением В-сплайнов 3-го порядка. По окончании этапа привязки была осуществлена подсыпка грунтом оголенных участков волоконно-оптического кабеля.
На этапе измерения в качестве тестового воздействия использовался пролив подогретой жидкости (35°C) из цистерны на грунт в районе укладки кабеля. Для выравнивания температуры кабеля, закопанного в грунт, и температуры проливаемой жидкости выдерживался временной интервал в течение 15 мин. Погрешность измерения температуры жидкости по окончании данного временного интервала составила не более 1°C.