CZ28266U1

CZ28266U1 - Optovláknový senzor a sestava pro měření tvarových změn ochranné obálky jaderného reaktoru

Info

Publication number: CZ28266U1
Application number: CZ2014-30464U
Authority: CZ
Inventors: Břetislav Mikel; Radek Helán; František Urban; Michal Jelínek
Original assignee: Ústav Přístrojové Techniky Av Čr, V. V. I.
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2015-06-10
Also published as: RU163742U1; UA109254U

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká optovláknového senzoru pro měření tvarových změn ochranné obálky jaderného reaktoru. Technické řešení se týká rovněž sestavy obsahující soustavu takovýchto optovláknových senzorů.

Dosavadní stav techniky

Ochranné obálky některých jaderných reaktorů bývají zhotoveny ve formě předpjatých železobetonových stěn o tloušťce obvykle 1,2 m tvořících válcovitou konstrukci s horní stěnou ve tvaru kulového vrchlíku.

Z bezpečnostního hlediska je nutné neustále sledovat stav těchto stěn, a proto bývají ve stěnách zabudované senzory pro sledování jejich tvarových změn. Tyto známé senzory pracují na principu drátových tenzometrů. Nevýhodou těchto senzorů je jejich stáří a nemožnost jejich výměny. Vzhledem ke stále se zvyšujícím požadavkům na bezpečnost je úkolem tohoto technického řešení tento nedostatek odstranit a nahradit tyto senzory novými.

Podstata technického řešení

Výše uvedený úkoluje vyřešen návrhem optovláknového senzoru pro měření tvarových změn ochranné obálky jaderného reaktoru, přičemž podle tohoto technického řešení tento senzor zahrnuje:

- první stojinu,

- druhou stojinu,

- pracovní optické vlákno, které je prvním koncem zafixované vzhledem k první stojině a druhým koncem ke druhé stojině a ve kterém je vepsaná alespoň jedna Braggova mřížka,

- kompenzační optické vlákno, jehož alespoň jeden konec je uspořádán s možností posuvu vzhledem ke stojinám a ve kterém je vepsaná alespoň jedna Braggova mřížka, přičemž pracovní optické vlákno i kompenzační optické vlákno zahrnují vždy alespoň jeden konektor pro jejich propojení s optickým zdrojem, zejména širokospektrálním optickým zdrojem pro vysílání světla do pracovního optického vlákna a do kompenzačního optického vlákna, a se spektrometrem pro příjem a detekci světla odraženého z Braggových mřížek v pracovním optickém vlákně a v kompenzačním optickém vlákně.

Optovláknový senzor s výhodou zahrnuje ochrannou trubici, která je svými konci upevněná ke stojinám, přičemž je v oblasti mezi stojinami délkově přestavitelná, a kterou prochází pracovní optické vlákno.

Rovněž je výhodné, když ochranná trubice zahrnuje první trubkovitou část a druhou trubkovitou část, které jsou uspořádané navzájem souose, přičemž druhá trubkovitá část je jedním koncem upevněná ke druhé stojině a druhým koncem zasouvatelná do první trubkovité části, a první trubkovitá část je upevněná k první stojině, a styková plocha mezi první trubkovitou částí a druhou trubkovitou částí je opatřená těsněním.

Optovláknový senzor s výhodou dále zahrnuje optický zdroj, zejména širokospektrální optický zdroj pro vysílání světla do pracovního optického vlákna a do kompenzačního optického vlákna, a spektrometr pro příjem a detekci světla odraženého z Braggových mřížek v pracovním optickém vlákně a v kompenzačním optickém vlákně.

Ve zvlášť výhodném provedení optovláknový senzor podle tohoto technického řešení dále zahrnuje optický cirkulátor, přes který je širokospektrální optický zdroj propojitený s pracovním

-1 CZ 28266 U1 optickým vláknem a kompenzačním optickým vláknem a přes který jsou pracovní optické vlákno a kompenzační optické vlákno propoj itelná se spektrometrem.

Rovněž je výhodné, když optovláknový senzor dále zahrnuje vláknový přepínač pro volitelné nebo periodické propojování optického cirkulátoru s pracovním optickým vláknem a kompenzačním optickým vláknem.

Výše uvedený úkol je rovněž vyřešen sestavou pro měření tvarových změn ochranné obálky jaderného reaktoru, která podle tohoto technického řešení zahrnuje:

- soustavu optovláknových senzorů podle tohoto technického řešení,

- optický zdroj, s výhodou širokospektrální optický zdroj,

- spektrometr pro příjem a detekci světla odraženého z Braggových mřížek,

- optický cirkulátor a vláknový přepínač, přes které je širokospektrální optický zdroj propojitelný s pracovním optickým vláknem a kompenzačním optickým vláknem kteréhokoli z optovláknových senzorů uvedené soustavy a přes který jsou pracovní optické vlákno a kompenzační optické vlákno kteréhokoli z optovláknových senzorů uvedené soustavy propoj itelná se spektrometrem.

Spektrometr v této sestavě s výhodou zahrnuje optický filtr a fotodetektor a s výhodou je propojitelný s řídicí, vyhodnocovací a zobrazovací jednotkou.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení optovláknového senzoru podle tohoto technického řešení je schematicky znázorněno na obr. 1, zatímco na obr. 2 je naznačena sestava pro měření tvarových změn obálek jaderných reaktorů zahrnující soustavu optovláknových senzorů podle tohoto technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Optovláknový senzor 1 znázorněný na obr. 1 zahrnuje ochrannou trubici G, ve které je vloženo pracovní optické vlákno H.

Ochranná trubice G je svými konci upevněna ke stojinám Fl, F2. Ochranná trubice G je délkově přestavitelná, což je v tomto příkladném provedení realizováno tak, že je rozdělená na první trubicovitou část G1 a druhou trubicovitou část G2, přičemž volný konec druhé trubicovité části G2 (konec, který není upevněn ke stojině F2) je zasunutý do volného konce první trubicovité části Gl, takže jsou první trubicovitá část G1 a druhá trubicovitá část G2 uloženy s možností vzájemného posuvu ve směru jejich osy. V oblasti vzájemného styku jsou opatřeny těsněním, které brání vniknutí prachu a/nebo vlhkosti do vnitřku ochranné trubice G.

K první stojině EL je upevněn první upínač El a ke druhé stojině F2 je upevněn druhý upínač E2.

Pracovní optické vlákno H procházející trubicí G je jedním koncem uchycené v prvním upínači El a druhým koncem ve druhém upínači E2, takže je napnuté mezi body AI, A2.

Optovláknový senzor 1 dále zahrnuje kompenzační optické vlákno D, které prochází mimo ochrannou trubici G a je upevněno jedním koncem k první stojině Fl a druhým koncem ke druhé stojině F2 tak, aby na ně nebyl přenášen vzájemný pohyb stojin Fl, F2. Tedy alespoň jeden konec kompenzačního optického vlákna D je uložený volně s možností posuvu vzhledem k jemu příslušející stojině. Kompenzační optické vlákno D je opatřeno ochranným obalem.

Každý konec pracovního optického vlákna H a kompenzačního optického vlákna D je opatřen konektorem C.

Stojiny Fl, F2 jsou uzpůsobeny k upevnění na stěny ochranné obálky jaderného reaktoru.

V pracovním optickém vlákně H i v kompenzačním optickém vlákně D je zapsána Braggova mřížka B, z nichž každá vytváří periodickou změnu indexu lomu jádra vlákna a vzniklý optický filtr tak odráží pouze určitou vlnovou délku.

-2CZ 28266 U1

Délka ochranné trubice G je s výhodou 30 až 2000 mm a je s výhodou primárně nastavena na hodnotu odpovídající středu jejího měřicího rozsahu, aby bylo za provozu možné měřit změny délky v obou směrech (zkracování i prodlužování).

Ochranná trubice G, upínače El, E2 a stojiny Fl, F2 jsou s výhodou vyrobené z duralu.

Na obr. 2 je naznačena sestava pro měření tvarových změn obálky jaderného reaktoru, která zahrnuje dva optovláknové senzory 1 z obr. 1. Sestava obsahuje širokospektrální optický zdroj 2, který je prvním propojovacím optickým vláknem Ol propojený s optickým cirkulátorem 3, který je druhým propojovacím optickým vláknem 02 propojený s vláknovým přepínačem 4, pomocí kterého je volitelně propojitelný s jedním nebo druhým optovláknovým senzorem 1, a to s jeho pracovním optickým vláknem Has kompenzačním optickým vláknem D. Optický cirkulátor 3 je navíc propojený se spektrometrem 5, který může s výhodou zahrnovat optický filtr a fotodetektor. Spektrometr 5 je přes AD/DA kartu 6 propojený s řídicí, vyhodnocovací a zobrazovací jednotkou 7, v tomto případě s průmyslovým počítačem. Řídicí, vyhodnocovací a zobrazovací jednotka 7 je navíc propojená přes kontrolní elektronickou jednotku 8 se širokospektrálním optickým zdrojem 2.

Je zřejmé, že s výhodou obsahuje tato sestava více než dva optovláknové senzory 1 a tyto mohou být zapojeny navzájem jednak sériově a jednak paralelně. Sestava umožňuje sério-paralelní připojení až 256 senzorů. Zapojení z obr. 2 pracuje následovně:

Optovláknové senzory 1 se svými stojinami Fl, F2 upevní na různých místech na vnější stranu ochranné obálky jaderného reaktoru. Pracovní optické vlákno H se dle schématu z obr. 2 propojí s širokospektrálním optickým zdrojem 2. Za provozu světlo z širokospektrálního optického zdroje 2 prochází přes optický cirkulátor 3 a vláknový přepínač 4 do pracovního optického vlákna H, případně přepnutím vláknového přepínače 4 do kompenzačního optického vlákna D. Každá Braggova mřížka B v pracovním optickém vlákně H a kompenzačním optickém vlákně D odrazí z celého frekvenčního spektra pouze jeho malou část zpět. Spektrometr 5, resp. spektrální analyzátor, pak snímá odraženou část spektra a signál reprezentující odraženou část spektra je přes AD/DA kartu 6 předáván do počítače, kde může být provedeno jeho vyhodnocení. Na výstupu tak lze vidět příslušný počet částí frekvenčního spektra v závislosti na počtu Braggových mřížek B v daném optickém vlákně.

Pokud se v důsledku prodloužení nebo zkrácení příslušného optického vlákna s kteroukoli Braggovou mřížkou B něco stane - změní se její fyzikální parametry, prodlouží se, zkrátí se, na výstupu se to projeví okamžitým posunem frekvence dané části frekvenčního spektra. U pracovního optického vlákna H by se jednalo o délkovou změnu v důsledku teplotních změn nebo v důsledku nežádoucí tvarové deformace v měřené oblasti ochranné obálky jaderného reaktoru. Pro eliminaci vlivu změn způsobených teplotními změnami (změn způsobených teplotní roztažností) na výsledky měření jsou průběžně vyhodnocovány rovněž odrazy z Braggových mřížek B v kompenzačním optickém vlákně D.

Jinými slovy, dochází-li ke změně vzdálenosti mezi stojinami Fl a F2, ovlivňuje to přímo délku vzhledem k nim zafixovaného pracovního optického vlákna H, kterou lze pak monitorovat ve vyhodnocovacím zařízení. Délka kompenzačního optického vlákna D, které má alespoň jeden konec volný, je naopak ovlivňována v největší míře změnami teplot. Na základě výsledků z kompenzačního optického vlákna D lze u výsledků měření z pracovního optického vlákna H eliminovat vliv změn délky pracovního optického vlákna H způsobených zejména změnami teplot a ve výsledcích měření zobrazit tvarové změny, tedy změny vzdálenosti pevně uchycených stojin Fl, F2, bez vlivu vnějších změn způsobených zejména teplotní roztažností.

Ačkoli byla popsána řada příkladných provedení, je zřejmé, že odborník z dané oblasti snadno nalezne další možné alternativy k těmto provedením. Například je možná realizovat délkovou přestavitelnost ochranné trubice G i jiným způsobem. Rovněž je možné místo ochranné trubice G opatřit optovláknový senzor 1 společným krytem pro pracovní optické vlákno H a kompenzační

-3 CZ 28266 U1 optické vlákno D. Proto rozsah technického řešení není omezen na výše uvedená příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených nároků na ochranu.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims

optické vlákno D. Proto rozsah technického řešení není omezen na výše uvedená příkladná provedení, ale spíše je dán definicí přiložených nároků na ochranu.

NÁROKY NA OCHRANU

1. Optovláknový senzor (1) pro měření tvarových změn ochranné obálky jaderného reaktoru, vyznačující se tím, že zahrnuje:

- první stojinu (Fl),

- druhou stojinu (F2),

- pracovní optické vlákno (H), které je prvním koncem zafixované vzhledem k první stojině (Fl) a druhým koncem ke druhé stojině (F2) a ve kterém je vepsaná alespoň jedna Braggova mřížka (B),

- kompenzační optické vlákno (D), jehož alespoň jeden konec je uspořádán s možností posuvu vzhledem ke stojinám (Fl, F2) a ve kterém je vepsaná alespoň jedna Braggova mřížka (B), přičemž pracovní optické vlákno (H) i kompenzační optické vlákno (D) zahrnují vždy alespoň jeden konektor (C) pro jejich propojení s optickým zdrojem, zejména širokospektrálním optickým zdrojem (2) pro vysílání světla do pracovního optického vlákna (H) a do kompenzačního optického vlákna (D), a se spektrometrem pro příjem a detekci světla odraženého z Braggových mřížek (B) v pracovním optickém vlákně (H) a v kompenzačním optickém vlákně (D).
2. Optovláknový senzor (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že zahrnuje ochrannou trubici (G), která je svými konci upevněná ke stojinám (Fl, F2), přičemž je v oblasti mezi stojinami (Fl, F2) délkově přestavitelná, a kterou prochází pracovní optické vlákno (H).
3. Optovláknový senzor (1) podle nároku 2, vyznačující se tím, že ochranná trubice (G) zahrnuje první trubicovitou část (Gl) a druhou trubicovitou část (G2), které jsou uspořádané navzájem souose, přičemž druhá trubicovitá část (G2) je jedním koncem upevněná ke druhé stojině (F2) a druhým koncem zasouvatelná do první trubicovité části (Gl), a první trubicovitá část (Gl) je upevněná k první stojině (Fl), a styková plocha mezi první trubicovitou částí (Gl) a druhou trubicovitou částí (G2) je opatřená těsněním.
4. Optovláknový senzor (1) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále zahrnuje optický zdroj, zejména širokospektrální optický zdroj (2) pro vysílání světla do pracovního optického vlákna (H) a do kompenzačního optického vlákna (D), a spektrometr (5) pro příjem a detekci světla odraženého z Braggových mřížek (B) v pracovním optickém vlákně (H) a v kompenzačním optickém vlákně (D).
5. Optovláknový senzor (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že dále zahrnuje optický cirkulátor (3), přes který je širokospektrální optický zdroj (2) propojitený s pracovním optickým vláknem (H) a kompenzačním optickým vláknem (D) a přes který jsou pracovní optické vlákno (H) a kompenzační optické vlákno (D) propojitelná se spektrometrem (5).
6. Optovláknový senzor (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že dále zahrnuje vláknový přepínač (4) pro volitelné nebo periodické propojování optického cirkulátoru (3) s pracovním optickým vláknem (H) a kompenzačním optickým vláknem (D).
7. Sestava pro měření tvarových změn ochranné obálky jaderného reaktoru, vyznačující se tím, že zahrnuje:

- soustavu optovláknových senzorů (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 3,

- optický zdroj, zejména širokospektrální optický zdroj (2),

- spektrometr (5) pro příjem a detekci světla odraženého z Braggových mřížek (B),

-4CZ 28266 U1

- optický cirkulátor (3) a vláknový přepínač (4), přes které je širokospektrální optický zdroj (2) propoj itelný s pracovním optickým vláknem (H) a kompenzačním optickým vláknem (D) kteréhokoli z optovláknových senzorů uvedené soustavy a přes který jsou pracovní optické vlákno (H) a kompenzační optické vlákno (D) kteréhokoli z optovláknových senzorů uvedené soustavy 5 propojitelná se spektrometrem (5).
8. Sestava podle nároku 7, vyznačující se tím, že spektrometr (5) zahrnuje optický filtr a fotodetektor.
9. Sestava podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že spektrometr (5) je propojitelný s řídicí, vyhodnocovací a zobrazovací jednotkou (7).