RU159893U1 - Комбинированный волоконно-оптический сенсор - Google Patents

Abstract

1. Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения, содержащий 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, отличающийся тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном пластикового прутка с вклеенным оптическим волокном.2. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что армированный волокном пластиковый пруток выполнен из стеклопластика или арамидопластика.3. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что размещенное в центральном оптическом модуле оптическое волокно имеет плотное полимерное покрытие.4. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно размещено в центральном оптическом модуле по его оси.

Description

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров, на основе регистрации распределения параметров структуры рассеянного излучения, в которых оптические волокна используются в качестве чувствительных элементов.

Для измерения распределения температуры 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.

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://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, в датчиках на основе РМБ измеряется частота, 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 не задают точность измерения расстояния, равную 1 м). Оптические рефлектометры позволяют измерять распределение деформации или температуры в оптическом волокне длиной свыше нескольких километров. Частотный сдвиг Мандельштама-Бриллюэна для стандартных одномодовых волокон составляет примерно 500 МГц на один процент удлинения волокна (иные воды деформации могут быть представлены через удлинение) и примерно 1 МГц/град.

Известны волоконно-оптические датчики распределения температуры или внутреннего механического напряжения (растяжения), на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (URL: http://nepa-ru.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. 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, 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.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели решением (прототипом) является известное техническое решение, представленное в патенте РФ на полезную модель №122784, опубликованном 10.12.2012. Прототип позволяет производить независимые измерения температурного распределения и распределения механических напряжений, например, с помощью технологии бриллюэновской рефлектометрии. Известное техническое решение содержит центральный оптический модуль в виде одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке с возможностью предотвращения их осевого перемещения относительно последней, периферийные оптические модули, выполненные в виде одномодовых оптических волокон, свободно уложенных в трубчатые элементы, охватывающие центральный оптический модуль спиральным одно или двухслойным повивом по его длине, водоблокирующую обмотку, размещенную поверх периферийных оптических модулей и охваченную снаружи промежуточной оболочкой, и броню, размещенную между промежуточной и наружной оболочками. Для предотвращения осевого перемещения одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке, относительно последней, металлическая трубка с размещенными в ней одномодовыми оптическими волокнами заполнена тиксотропным гелем повышенной вязкости или кремнийорганическим компаундом с низким модулем упругости и химическим отверждением. Периферийные трубчатые элементы со свободно уложенными в них оптическими волокнами, выполнены из полимера, например полиэтилена, и заполнены тиксотропным гелем стандартной вязкости.

К недостаткам прототипа следует отнести технологическую сложность обеспечения механической связи покрытия оптического волокна с внутренней поверхностью металлической трубки. Даже применение химически отверждаемых кремнийорганических компаундов не создает уверенности в отсутствии взаимного скольжения оптического волокна относительно металлической оболочки модуля, которое приводит к снижению точности измерения деформации. Другим недостатком прототипа является малый диапазон упругой деформации растяжения металлического модуля и металлической брони (типично не более 0,5%), что снижает диапазон допустимых внешних воздействий, особенно неоднократных, как например, в процессе монтажа. Кроме того малый диапазон упругой деформации растяжения металлического модуля снижает метрологические характеристики в целом, особенно при измерении знакопеременных деформаций в области пластических деформаций металла.

Поставленная задача состояла в разработке конструкции комбинированного сенсора, предназначенного для измерения распределения температуры и деформации, с расширенным диапазоном допустимых деформаций, расширенным диапазоном измеряемых деформаций, исключающей возможность скольжения оптического волокна относительно армирующих элементов сенсора.

Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение диапазона допустимых деформаций растяжения, расширение диапазона измеряемых деформаций, а также упрощение технологии изготовления центрального оптического модуля, содержащего механически связанное с ним оптическое волокно.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор температуры и деформации, на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения, 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, отличается тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном пластикового прутка, с вклеенным оптическим волокном. В частности, армированный волокном пластиковый пруток может быть выполнен из стеклопластика или арамидопластика. Размещенное в центральном оптическом модуле оптическое волокно может иметь плотное полимерное покрытие. Оптическое волокно может быть размещено в центральном оптическом модуле по его оси. Расположенные в периферийных оптических трубчатых модулях оптические волокна могут быть уложены с избыточной длиной не менее 2%. Свободное пространство в периферийных оптических трубчатых модулях может быть заполнено тиксотропным гелем. Армирующие элементы могут быть выполнены в виде повива из стеклопластиковых прутков. Также, армирующие элементы могут быть выполнены в виде повива из стальных проволок.

Преимуществом центрального оптического модуля с размещенным в нем плотно, без скольжения, оптическим волокном в случае его исполнения в виде армированного волокном пластикового прутка, с вклеенным оптическим волокном является технологичность и простота его изготовления на существующем оборудовании. Использование для размещения в центральном оптическом модуле оптического волокна в плотном полимерном покрытии обеспечивает дополнительную защиту оптического волокна в процессе изготовления сенсора и упрощает разделку сенсора и отделение оптического волокна от стеклопластика или арамидопластика в процессе подготовки к соединению. Размещение оптического волокна в центральном оптическом модуле по его оси снижает его деформацию при изгибе сенсора.

Укладка в периферийных оптических трубчатых модулях оптических волокна с избыточной длиной не менее 2% позволяет использовать их для измерения температуры в диапазоне деформаций растяжения сенсора до 2%, так как в данном диапазоне указанные волокна не будут подвергаться деформации и измерения температуры не будут искажены.

Заметим, что величина избыточной длины выбрана исходя того, во-первых существуют коммерчески доступные оптические волокна прошедшие тест на прочность к растяжению на 2%, что соответствует механическим напряжению кварцевого оптического волокна 1400 МПа ≈200 kpsi (см. например, URL: http://www.coming.com/WorkArea/showcontent.aspx?id=33597. дата обращения 25/03/2015, http://fiber-optic-catalog.ofsoptics.com/item/single-made-optical--fibers/imaging-sensing-and-harsh-environments/bf05717-06, дата обращения 25/03/2015, http://www.aflglobal.com/Products/Fiber-Optic-Imaging-Energy-and-Sensing/Harsh-Environments-Products/VHS700-Series.aspx, дата обращения 25/03/2015), во-вторых, что типично, коммерчески доступные стеклопластиковые прутки разрушаются при деформации удлинения не менее 2,5% (см. например, URL: http://www.akshoptifibre.com/upload/Product/Description/File/Picl57_AKSH-FRP-Specs.pdf, дата обращения 25/03/2015; http://mirmat.ru/materials/se/sp/, дата обращения 25/03/2015) и, в-третьих, что типично, коммерчески доступные арамидопластиковые прутки разрушаются при деформации удлинения не менее 2,5% (см. например, URL: http://www.akshoptifibre.com/upload/Product/Description/File/0.5%20ARP%20Specification%20sheet.pdf, дата обращения 25/03/2015; http://www.2m.spb.ru/pdf/Aramid-Rod.pdf, дата обращения 25/03/2015).

Свободное пространство в периферийных оптических трубчатых модулях может быть заполнено тиксотропным гелем для стабилизации свободной укладки оптических волокон в них и предотвращения распространения воды.

Использование армирующих элементов могут быть в виде повива из стеклопластиковых прутков или стальных проволок повышает защиту сенсора от внешних воздействий. Преимуществом армирующих элементов из стеклопластиковых прутков является большой диапазон деформации растяжения.

Полезная модель иллюстрируется чертежом:

На чертеже представлено сечение волоконно-оптического сенсора температуры и деформации.

Заявленная полезная модель содержит центральный модуль с оптическим волокном в плотном полимерном покрытии 1, вклеенным в стеклопластиковый пруток 2, свободно уложенные оптические волокна 3 в периферийных трубчатых оптических модулях 4, армирующие элементы 5 и наружную защитную оболочку 6.

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.

Сенсор температуры и деформации 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 стеклопластиковый пруток в центре, заполненные тиксотропным гелем оптические трубчатые модули, в виде сплошного повива вокруг центрального модуля, 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).

плотное полимерное покрытие на оптическое волокно, которое предназначено для размещения в центральном оптическом модуле, может быть наложено на традиционном кабельном оборудовании либо методом экструзии термопластика (см., например, URL: http://www.nextrom.com/874_en_Tight-Buffering-Line.aspx, дата обращения 25/03/2015), либо на линии с ультрафиолетовым отверждением смолы (см., например, URL: http://www.nextrom.com/910_en_Fiber-UV-Coating-Technology.aspx. дата обращения 25/03/2015).

Центральный оптический модуль в виде стеклопластикового или арамидопластикового прутка с размещенным в ней плотно, без скольжения, оптическим волокном, может быть изготовлен на традиционном оборудовании для производства оптических кабелей, например на линии наложения оболочки на пучок оптических волокон (обычно до 12 или 24 штук) с использованием технологии ультрафиолетового отверждения смолы (см., например, URL: http://www.nextrom.com/868_en_High-Speed-Optical-Fiber-Ribbon-Line.aspx, дата обращения 25/03/2015; http://www.nextrom.com/869_en_Blown-Fiber-Svstem.aspx, дата обращения 25/03/2015), заменив при производстве часть оптических волокон на стеклонити или на армидные нити. Другим способом изготовления может быть вклеивание оптического волокна в процессе изготовления стеклопластиковых или арамидопластиковых прутков на традиционной линии, заменив часть нитей на оптическое волокно и обеспечив его отдачу в процессе изготовления с традиционного отдатчика волокна. В этом случае также может использоваться распространенная для изготовления прутков технология ультрафиолетового отверждения и светоотверждаемые эпоксидные компаунды, что позволяет предотвращать опасные для оптического волокна термические воздействия. Размещение оптического волокна в центре прутка может быть обеспечено технологической оснасткой (фильерой).

Механическая связь оптического волокна и центрального оптического модуля обеспечивается адгезией материалов первичного покрытия оптического волокна, плотного полимерного покрытия и полимера прутка. Наиболее просто обеспечить данную адгезию при использовании в качестве этих материалов однотипных материалов ультрафиолетового отверждения.

Механическая связь центрального оптического модуля с наружной защитной оболочкой обеспечивается за счет трения между элементами конструкции сенсора, а именно центральным оптическим модулем, периферийными трубчатыми оптическими модулях, армирующими элементами, наружной защитной оболочкой. Данная механическая связь также обеспечивается в процессе наложения наружной оболочки методом экструзии с сильным обжатием наружной оболочкой. Данная механическая связь также за счет проникновения материала наружной оболочки в свободное пространство между другими элементами конструкции сенсора.

Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации в качестве чувствительного к деформации элемента содержит оптическое волокно центрального оптического модуля, которое имеет механическую связь с наружной оболочкой и деформируется при растяжении сенсора, а в качестве чувствительных к температуре элементов содержит оптические волокна периферийных оптических трубчатых модулей, которые за счет свободной укладки не подвергаются деформации при растяжении сенсора в пределах заложенного избытка длины.

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].

Claims (4)

1. Волоконно-оптический сенсор температуры и деформации на основе регистрации продольного распределения параметров рассеянного излучения, содержащий 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, отличающийся тем, что центральный оптический модуль выполнен в виде армированного волокном пластикового прутка с вклеенным оптическим волокном.

2. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что армированный волокном пластиковый пруток выполнен из стеклопластика или арамидопластика.

3. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что размещенное в центральном оптическом модуле оптическое волокно имеет плотное полимерное покрытие.

4. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно размещено в центральном оптическом модуле по его оси.

Images