Cистема температурного мониторинга на волоконно-оптических кабелях

Развитие новых высокоточных отраслей промышленности, характеризующихся автоматизацией технологических процессов, потребовало создания новых типов датчиков, обладающих высокой надежностью, стабильностью, малыми габаритами и массой.

Cистема температурного мониторинга на волоконно-оптических кабелях

Cистема температурного мониторинга на волоконно-оптических кабелях

Эти датчики должны потреблять минимум энергии, обладать совместимостью с электронными средствами обработки информации, иметь незначительную себестоимость и отличаться простотой изготовления.

Этими свойствами обладают волоконно-оптические датчики (ВОД). Использование ВОД в совокупности с цифровой техникой обработки информации позволяет создать новый тип контролирующих устройств.

При этом упростилась операция обработки данных и расширился диапазон измеряемых величин при постоянстве точности измерений во всем контролируемом диапазоне.

Оптические волокна (ОВ) — уже хорошо изученная область техники связи, которая активно развивается с конца 70-х годов прошлого столетия. Они явились основой появления ВОД, обеспечивающих высокую точность измерения температуры, давления, концентрации и пр.

Для датчиков используют в основном многомодовые ОВ. Одномодовые ОВ используют в когерентных измерительных линиях.

Использование волоконно-оптических датчиков для температурного мониторинга

Данная проблема чрезвычайно важна для контроля, например, температуры кабельных каналов. Известны случаи, когда перегрев кабелей, проложенных пучками, приводил к их возгоранию и возникновению чрезвычайных ситуаций на электростанциях, в домах, телевизионных башнях. При этом это явление сопровождалось человеческими жертвами и приносило значительный экономический ущерб. За рубежом практикуют изготовление кабельных изделий в негорючем исполнении, а также встраивают в конструкцию электрического кабеля многомодовое ОВ, которое служит в качестве распределенного по длине датчика для контроля температуры.

Разработанная система температурного мониторинга (СТМ) использует рамановское рассеяние в стандартных кварцевых многомодовых ОВ. Она позволяет уверенно регистрировать сигнал обратного рассеяния по длине ОВ на расстоянии до 10 км. В систему входят: электронный блок — оптический рамановский измеритель обратного рассеяния и сенсорные элементы — оптические кабели -сенсоры (ОКС).

Блок-схема прибора представлена на рис. 1.

Технические характеристики ОКС приведены в табл. 1

Измерение температуры осуществляется по всей длине оптического кабеля-сенсора (ОКС), подключенного к прибору, установленному в помещении. В системе используются специальные малогабаритные ОКС, отличающиеся высокой механической прочностью к воздействию всех видов нагрузок: растяжению, поперечному давлению и изгибам; при этом наружный диаметр ОКС 6 мм и менее. Температурный диапазон работы ОКС от минус 60 до 70 ˚С. Строительные длины ОКС до 5 км и по специальному заказу могут быть изготовлены большими длинами.

Сам ОКС прокладывается по трассе, анализ температуры которой представляет интерес. Он может лежать в земле или канализации, подвешен между опорами, укреплен на стенах, под потолком или под полом. ОКС может эксплуатироваться в качестве самонесущего для спуска в шахту, скважину и т. п.

Чувствительность измерений по температуре и разрешающая способность по расстоянию зависят от времени регистрации сигнала, или, что одно и тоже, времени измерений. Чувствительность измерений лучше 0,5 ˚С достигается при времени измерения порядка 5 минут и 0,25 ˚С — при времени измерениях до 10 минут. Абсолютная погрешность измерений не хуже 1˚С. Разрешение по длине отдельных нагретых участков ОКС не менее 3-х метров. Эти характеристики справедливы на длине ОКС до 10 км. Лучшие показатели по температурной чувствительности достигаются в начальных участках до (3–5) км.

Отметим, что все внешние воздействия на установленный, смонтированный по трассе ОКС в пределах его технических требований (кроме, естественно, воздействия температуры) не вызывают помех (ошибок) измерения основного параметра — измерения температуры ОВ. При этом, конечно, нужно иметь в виду, что нагрев ОВ происходит не мгновенно,

СТМ может быть использована для контроля и наблюдения любых протяженных пространственных объектов, например, имеющих сложную топологию, с одного пункта наблюдения.

Дополнительно в комплекте с прибором может быть использовано или разработано по требованиям заказчика аппаратурное и программное обеспечение, обеспечивающее дистанционное наблюдение за контролем и поведением исследуемых объектов по предложенному заказчиком алгоритму, в том числе при использовании и передаче информации по каналам связи.

Точно также могут быть разработаны ОКС с другими характеристиками, например, с расширенным температурным диапазоном, ОКС, имеющие большую механическую прочность на растяжение или выдерживающие большие поперечные нагрузки.
Отметим следующие наиболее важные области применения системы мониторинга:

• Использование в системах противопожарной безопасности крупных зданий и сооружений.
• Использование для предотвращения аварий во взрывоопасных и химически опасных объектах, в шахтах.
• Контроль температуры нефтяных трубопроводов.
• Проведение геофизических исследований нефтяных и газовых скважин.

Важно отметить одно практически важное обстоятельство. Каждый экземпляр системы проходит настройку и паспортизацию в комплекте, т. е. электронный блок плюс ОКС.

Система мониторинга в настоящее время подготовлена к сертификации в системе Госстандарта.

Рис. 1. Принципиальная схема системы температурного мониторинга.

Принцип действия СТМ основан на рефлектометрическом методе из-мерения обратно рассеянного стимулированного рамановского излучения [1]. Возникновение рамановского стимулированного сигнала связано с взаимодействием падающего излучения и вибрирующей, вследствие температурного нагрева, кристаллической решётки среды распространения излучения.

При этом стимулированное рамановское излучение состоит из двух линий (компонент) отличающихся от падающего излучения на ± 440 1/см или на 60нм (рис. 2). Линия, находящаяся левее стимулирующего излучения (СИ) по шкале длин волн, называется анти-стоксова (аСЛ), та, что правее — стоксова (СЛ).

При этом интенсивность аСЛ сильно зависит от температуры, в то время как СЛ практически нет. Таким образом, измеряя интенсивность сигнала аСЛ и, зная коэффициент зависимости интенсивности от температуры, можно рассчитать температуру окружающей среды. Измеряя рефлектометром сигнал обратного рассеяния аСЛ, можно рассчитать температуру вдоль ОВ.

Структура прибора очень схожа с обычным рефлектометром, работающим во временном диапазоне.

Рис. 2. Схема распределения волны различных типов излучений.

Ниже приведен пример практических испытаний СТМ, макетирующих нагрев ОКС. Целью явилось первоначальная проверка работы системы и первоначальное определение чувствительности системы и разрешения по длине.

В качестве образца использован стандартный ОКС, представленный (табл. 2) без наружной полиэтиленовой оболочки.

Методика испытаний

• Первая серия экспериментов.

Длина ОКС 880 м. На ОКС в его начале (3 метра от оптического соединителя) установлены две 5-и метровые нагревательные секции с промежутком в 5 метров. В качестве нагревательной секции использовался нагревательный кабель, который прикреплен вдоль по ОКС. ОКС подключен с помощью разъемного соединения к электронному блоку.

Потери на соединении составляют около 0,5 дБ. На температурной зависимости место стыковки ОКС с ОВ, находящимся внутри рефлектометра, выглядит в виде отрицательного импульса (рис. 3–8).

• Вторая серия экспериментов.

Дополнительное многомодовое ОВ длиной 700 м одним концом под-ключено к рефлектометру с помощью оптического разъема, а другой его конец приварен к ОКС 880 м. На ОКС, также как в 1-ом эксперименте, в его начале (3 метра от начала ОКС) установлены две 5-и метровые нагревательные секции с промежутком в 5 метров. В качестве нагревательной секции использовался нагревательный кабель, который прикреплен вдоль по ОКС.

Потери на разъемном соединении дополнительного ОВ к электронному блоку составляют около 0,5 дБ. Потери на сварке около 0,1 дБ. На температурной зависимости место стыковки дополнительного ОВ с ОВ, находящимся внутри рефлектометра, выглядит в виде отрицательного импульса (рис. 9–11), а потери на сварке фактически не проявляются.
Сначала измерения проведены без нагрева секций, когда ОКС и ОВ находились в естественных, т. е. комнатных условиях (рис. 3).

• Нагрев одной секции представлен на рис. 4, 8, 9, 11.
• Нагрев двух секций представлен на рис. 6, 10 (мелкий масштаб). Нагрев двух секций в крупном масштабе представлен на рис. 5, 7.

Результаты испытаний приведены ниже в виде температурных зависимостей по длине ОКС и ОВ на рис. 3–11.

Анализ результатов

В процессе этих испытаний подтверждена работоспособность метода измерений с конкретным разработанным прибором. В течение месяца эксплуатации видимых изменений результатов измерений не наблюдалось.

Следует ожидать неплохих основных метрологических характеристик.

Прибор проходит внутренние испытания для определения будущих декларируемых характеристик. Технические параметры системы мониторинга представлены в табл. 2.

Технические характеристики оптического кабеля-сенсора (таблица 1)

* Приведены параметры стандартного ОКС. По требованию Заказчика может быть разработан малогабаритный механически прочный кабель, работающий в широком диапазоне температур.

Технические параметры системы мониторинга (таблица 2)

Фотография электронного блока системы мониторинга с катушкой ОВ.

* стандартное решение кабеля-сенсора

Заключение

Комплект измерительного оборудования обеспечивает:

• Измерение температуры вдоль проложенного ОКС;
• Оповещение оператора о превышении заданной температуры с указанием расстояния до события;
• Непрерывный мониторинг целостности ОВ;
• Хранение и систематизацию данных;
• Работу в режиме полноценного рефлектометра с высоким динамическим диапазоном;
• Работу в системе удаленного мониторинга.

Литература

1. Система измерения температуры по оптическому волокну. А. А. Марьенков, А. Т. Лузгин, В. А. Бобров. Фотон-Экспресс № 2 2005.

Поделиться: