DE69002702T2

DE69002702T2 - Verfahren und Gerät, basierend auf faseroptischen Interferometersensoren, zur Analysierung der dynamischen Entstellung einer Struktur oder ihrer Komponenten.

Info

Publication number: DE69002702T2
Application number: DE90201570T
Authority: DE
Inventors: Paolo Campelli; Mario Martinelli
Original assignee: Agip SpA; CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Current assignee: Agip SpA; CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1994-03-10
Anticipated expiration: 2010-06-19
Also published as: JPH0354427A; NO300345B1; IT8920963A0; NO902763L; EP0404242B1; ES2043254T3; NO902763D0; JP3057322B2; DE69002702D1; EP0404242A1; IT1237486B; MX172748B; DK0404242T3; BR9003105A

Description

Diese Erfindung betrifft eine in den Patentansprüchen 1 und 5 definierte Methode und Vorrichtung zum Messen der dynamischen Deformation einer Struktur oder Teile derselben zum Zwecke der Bestimmung der Veränderung dieser Deformation, wenn sie Kräften ausgesetzt wird, die im Zeitverlauf in Intensität und Richtung variieren.
Insbesondere betrifft die Methode und Vorrichtung gemäß dieser Erfindung die Bestimmung der dynamischen Deformation von Körpern, die schwer zugänglich sind und/oder die sich in einer aggressiven Lfmgebung befinden, wodurch die Benutzung herkömmlicher Meßvorrichtungen, wie Extensometer oder Beschleunigungsmesser, unpraktisch oder unwirksam ist
Die Bestimmung der Deformationsveränderung eines Körpers, der im Zeitverlauf sich ändernden Kräften ausgesetzt ist, ist nützlich, um mehr über sein Verhalten zu erfahren, beispielsweise über seine Schwingungswerte sowie die Spannungsverteilung und -art in seinem Inneren, über die von außen auf ihn einwirkenden Spannungen, die ansonsten nicht mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmt werden könnten, über die geeigneten und zur Vermeidung einer Beschädigung des Körpers zu verwendenden Gegenmittel und weiterhin für Diagnosezwecke, um den Zustand der Struktur zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines nicht ausschließlichen Beispiels bezogen auf eine typische Ausführungstorm in der Erdölindustrie und insbesondere auf aufwärtsgerichtete Rohre beschrieben, die allgemein als Steigleitungen bekannt sind und Bohrlocheinfassungen von am Meeresgrund vorhandenen Kohlenwasserstoffvorkommen mit auf der Wasseroberfläche befindlichen Plattformen (wie TLPs, d.h. Zugstrangplattformen) oder schwimmenden Teilen, die mittels Schwimmkraft und/oder Propeller unter Spannung in einer bestimmten Stellung gehalten werden, mit dem Meeresboden verbinden
Es versteht sich von selbst, daß die dieser Erfindung entsprechende Vorrichtung ebenfalls zur Bestimmung der dynamischen Deformation in anderen technischen Bereichen benutzt werden kann, z.B. bei Gitterstrukturen oder den dazugehörigen Bestandteilen, die variablen Belastungen oder periodischen Spannungen ausgesetzt sind, wie Brücken mit Gitterstrukturen, Kräne, Gitterstruktu ren für Fernkraftstromleitungen, Maschinenteile, etc.
In der hier beschriebenen sich auf Steigleitungen beziehenden Austührungsform gehört das Steigrohr zu den empfindlichsten Teilen der Infrastruktur für die Gewinnung von Unterwasser-Kohlenwasserstoffvorkommen, da eine Bruchstelle an der Steigleitung sowohl Umweltschäden als auch eine recht lange Unterbrechung hinsichtlich der Gewinnung der Vorkommen und somit erhebliche Kosten für die erneute Inbetriebnahme zur Folge haben würde
Derartige Steigleitungen werden so weit wie möglich freigehalten von den Ankerkräften, die die Plattform oder den Schwimmkörper in der richtigen Stellung im Verhältnis zum Meeresboden halten, aufgrund der Wellenbewegung, des Winds, der Gezeiten und Strömungen wird die Steigleitung jedoch periodischen Bewegungen und Spannungen ausgesetzt die ständig überwacht werden müssen
Beim Messen der Deformation führt die der Erfindung entsprechende Vorrichtung extensometrische Messungen mit optischen Fasern aus. Grundsätzlich setzt ein faseroptischer Meßwandler seine erfahrene Deformation in eine Modulation der Hauptparameter des übertragenen Lichts, d.h. Intensität, Polarisation und Phase, um.
Es sind faseroptische Extensometer-Meßwandler bekannt, die jede dieser Modulationsarten getrennt benutzen, entweder durch direkte oder indirekte Messung.
Bei der direkten Messung ist die optische Faser starr mit dem Teil der zu kontrollierenden Struktur verbunden. Bei der indirekten Messung wirkt die Strukturdeformation auf eine die optische Faser enthaltende Vornchtung ein. Werden die Verfahren zur Lösung des technischen Problems, worauf diese Erfindung abzielt, verwendet, sind die faseroptischen Extensometersensoren zur Messung der Intensitätsmodulation zwar in der Lage absolute Deformationsmessungen zu liefern, weisen aber zahlreiche Nachteile auf, wie beispielsweise Nicht-Linearität der Empfindlichkeits- und Messeigenschaften, begrenzte Messbasis begrenzte Frequenzbereiche und geringe Systemzuverlässigkeit.
Auch Extensometersensoren zur Messung der Polarisationsmodulation weisen Nachteile hinsichtlich der Nicht-Linearität des Sensors und der hohen Störungsempfänglichkeit auf.
Phasenmodulationssensoren, wie beispielsweise Autointerferometer, weisen sich zwar durch Linearität und Einfachheit aus, haben aber andere Nachteile, beispielsweise der fehlende Zugriff zu beiden Faserenden und Frequenzmodulationsprobleme.
Die Vornchtung dieser Erfindung hingegen basiert auf der Verwendung von faseroptischen Sensoren mit Interferometermessung der Phasenmodulation, wobei eine Laserquelle zur Messung der Vibration und langsamen Deformation benutzt wird.
Diese Meßsensoren sind in dem Europäischen Patent 64789 und dem UK Patent 2144215 beschrieben, die sich auf die Durchftihrung von Messungen ohne Umweltstörungen beziehen, indem die jeweiligen Geräusche in der Übertragung via optischer Faser unterdruckt werden.
In diesen Sensoren erfährt die optische Faser, die fest mit der deformierenden mechanischen Struktur verbunden ist, eine Veränderung ihrer geometrischen und optischen Eigenschaft, da eine Phasenverzögerung in das gelenkte Licht induziert wird.
Das Verhältnis zwischen dem Integral der auf die Faser ausgeübten Deformation und der gemessenen Phasenverzögerung des Lichtstrahls ist über den gesamten Meßbereich linear.

Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1: Allgemeine Darstellung der vorliegenden Erfindung
Fig. 2 und 3: Typische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Fig. 4: Elektro-optische Einheit
Der Aufbau und die Funktion des gemaß der vorliegenden Erfindung benutzten faseroptischen Interferometersensors ist in Fig. 1 dargestellt.
Der Strahl 1 von der Laserquelle 2 wird durch die Spaltvorrichtung BS in zwei Strahlen, den Referenzlichtstrahl 3 und den Meßstrahl 4, gespalten. Letzterer geht weiter zu Verbindungsstück C und wird dann über ein geeignetes, herkömmliches, hier nicht abgebiidetes, optisches Fokussiersystem in die sensoroptische Faser 5 geleitet.
Diese optische Faser spiegelt an ihrem Ende M durch Anbringen einer geeigneten dünnen Refiexionsschicht an der ebenen Endseite Zur Vermeidung von Schwankungen bei der Polarisierung des durch Strahl 4 durch die Faser geleiteten Lichts, die durch in der Faser mit kleinen Radien auftretenden Krümmungen enstehen können, ist es vorteilhaft, eine die Polarisation aufrechterhaltende Faser zu verwenden. In diesem Fall verursacht die Verzögerungsplatte HWP, daß die Polarisationsebene des einfallenden Lichts mit einer der beiden doppelbrechenden Hauptflächen der optischen Faser koinzidiert. Der aus der optischen Faser 5 zurückkehrende Lichtstrahl der diese ab HWP in beide Richtungen durchlaufen hat, die Reflexion bei M erfahren hat und in die entgegengesetzte Richtung zurückkehrt, übermittelt die für die Messung erfbrderlichen Informationen, d.h. die optische Phasenmodulation.
Diese optische Phasenmodulation verhält sich proportional zu der Deformation der Faser.
Die optische Faser 5 wird durch die feste Verbindung seines zwischen 8 und M gelegenen Endstücks 7 mit einem zu messenden Körper 6 als Deformationssensor benutzt. Der Sensor zur Messung der Deförmation des Körpers 6 auf dem Körperabschnitt zwischen 8 und M besteht also aus dem optischen Faserteil 7.
Das optische Rücksignal 9 soll mit dem Referenzstrahl 3 in BS eine Interferenz erzeugen. In diesem Moment hat der Referenzstrahl 3 bereits zweimal den Modulator UM passiert, da er von dem Spiegel RM reflektiert wurde. Der Zweck des Modulators UM, dem der Modulationsbefehl Um zugeführt wird, besteht darin, das Interferometersystem mit einer angemessenen Frequenzumsetzung zu versehen um eine bessere Wiederherstellung des Phasensignals, einschließlich des Signals für das mechanische Deformationsphänomen, zu ermöglichen. Das in BS erzeugte Interfbrometersignal wird von einem Photosensor PD erfaßt und in die für die Signaldemodulation vorgesehene elektronische Einheit geleitet.
Der hier vorgeschlagene Extensometersensor ist aus den nachstehend genannten Gründen äußerst vorteilhaft:
- extreme Empfindlichkeit
- quasi unbegrenzte Meßbasis,
- Linearität der Sensorfrequenz,
- hohe Anwendungsfiexibilität hinsichtlich der Systemgeometne,
- hoher Durchlaßbereich,
- hohe dynamische Akzeptanz ninsichtlich der gemessenen Deformationswerte.
Die Vorrichtung dieser Erfindung enthält eine Vielzahl von phasenmodulierten, faseroptischen Interferometersensoren.
Sie wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 beschrieben, die eine typische, jedoch nicht ausschließliche Ausführungsform zeigen.
Wie in Fig. 2 zu sehen, sind die optischen Fasern des Sensors parallel zueinander in einem Bündel zusammengefaßt in dem jede optische Faser an gleicher Höhe beginnt, jedoch eine unterschiedliche Länge L aufweist, wodurch die Deformation, die über die Länge L des fest damit verbundenen Teils der Struktur auftritt, gemessen werden kann.
Die optischen Fasern können auch in einem Kabel zusammengefaßt und an der Struktur befestigt werden. Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung ist jedoch ein Bündel von unterschiedlich langen, parallel verlaufenden Fasern, die durch einen Schutzmantel, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, geführt werden, der an der Struktur befestigt wird. Beispielsweise kann der Mantel an der Struktur entweder unter Verwendung eines Schweißmaterials und möglicherweise eines eingeschobenen gewölbten Einsatzstücks mittels Schweißnaht oder Punktschweißstelle, mittels Klebemittel oder mittels Beschlägen befestigt werden. Nach Befestigung dieses Mantels verformt sich dieser auf die gleiche Art und Weise wie die Struktur und die in ihm enthaltenen optischen Fasern.
Die verschiedenen optischen Fasern 7m....... 7j....... T mit den Längen Lm....... bzw. Lj....... bilden den für die Struktur vorgesehenen Extensometersensor und messen die Deformation über die damit fest verbundenen Längen Lm....... Lj......., wobei diese Struktur als Rohr dargestellt ist.
Um genaue Daten zu erhalten, muß die Deformationsrekonstruktion auf der Parallelanalyse einer großen Anzahl von Signalen basieren, die durch die verschiedenen Längen der kontrollierten Struktur erzeugt werden, um die Deformationsveränderungen entlang der Struktur zu erhalten.
Es ist ebenfalls erforderlich, die räumliche Deformation der Struktur durch Bestimmung derselben anhand der beiden gegenseitig senkrechtverlaufenden Ebenen erneut herzustellen. Weiterhin ist es erforderlich, die Axialdeformationskomponente zu beseitigen, die auf das Vorhandensein der axialen, auf die hier beschriebene Steigleitung einwirkende Belastung zurückzuführen ist, wobei diese Belastung mindestens mit ihrem Eigengewicht wiedergegeben wird.
Diesen Anforderungen wird durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, siehe Fig. 3, entsprochen, in der die phasenmodulierten faseroptischen Sensoren in eine Vielzahl identischer Bündel unterteilt und in der Struktur als eine Doppelgruppe von um 90º verschobenen Sensoren angeordnet werden.
Die modularen elektro-optischen Einheiten UEO verwandeln die durch die Deformation induzierte Phasenmodulation in ein analoges elektrisches Ausgangssignal u. Jede Einheit UEO ist mit zwei in einer Differentialkonfiguration angeordneten optischen Fasern verbunden, so daß lediglich die durch Biegung erzeugten Deformationen gemessen werden. Über jedem Abschnitt der Länge Lj befindet sich ein Doppelpaar der Sensoren j und jq, um die Punktrekonstruktion der Deformation in zwei gegeneinander senkrechtverlaufenden Ebenen zu ermöglichen.
Für n Meßpunkte gibt es 4n Extensometersensoren und 2n elektro-optische Einheiten.
Das Signal uj von UEOj wird in der elektronischen Einheit UEj verarbeitet und in analoger Form dem Datensammelsystem zugeführt. Das Signal ej ist mit einer bekannten, festen Proportionalitätskonstanten direkt proportional zu dem Phasenmodulationswert.
Der Faserabschnitt CI ist empfindlich für das "nicht übliche" Geräusch durch Deformation oder Vibration.
Dieses Geräusch kann mit Hilfe der in dem UK Patent Nr. 2 144 215 beschriebenen Vorrichtungen aufgehoben oder hinreichend verringert werden, indem der Abschnitt CI so kurz wie möglich und in einer konstanten Position gehalten wird, d.h. hinsichtlich der Deformation so unempfänglich wie nur möglich. Der optische Faserabschnitt IM stellt den Extensometersensor dar und kann sich zusammen mit dem röhrenförmigen Körper 10 verformen. Die schematische Darstellung der Einheit UEO ist in Fig. 4 zu sehen. Die Darstellung dieses faseroptischen Interferometers entspricht der 'Michelsons' mit Frequenzverschiebung oder -modulation.
Das ankommende Lasersignal wird in BS in zwei Signale geteilt und einer Modulationseinheit UM zugeführt, in der die Frequenzverschiebung erfolgt. Diese Verschiebung ist zum Zwecke der vollständigen Rekonstruktion des Fortschreitens der Deformation mit dem passenden Signal sehr gut geeignet.
Die beiden aus UM austretenden Laserstrahlen werden über die Elemente PBS, FR und HWP in die optischen Fasern geführt. Diese Elemente haben die folgenden Funktionen:
- Sie hindern das Rücksignal aus der optischen Faser daran, erneut in Richtung des Elements BS und des Lasers eine Interferenz zu erzeugen.
- Sie fangen das gesamte von der optischen Faser ausgehende Signal ab.
- Sie führen den Laserstrahl in die optische Meßfaser mit der korrekten Polarisation.
Die von dem Laser erzeugten Strahlen werden entlang der doppelbrechenden Hauptachse in die die Polarisation aufrechterhaltenden Fasern geleitet und von der spiegelnden Oberfläche am Faserende M reflektiert. Die die Polarisation aufrechterhaltende Faser ist eine einzelmodale Faser mit den charakteristischen, durch die hohe Doppelbrechung gegebenen Eigenschaften und hat zwei Hauptübertragungsebenen, in denen ein linear polarisiertes Licht im wesentlichen seinen Polarisationszustand beibehält. Die Verwendung einer derartigen optischen Faser vermeidet Störungen aufgrund von Polarisationsschwankungen unter gleichzeitiger Beibehaltung guter Empfindlichkeitseigenschaften des Interferometers.
Das von den Trennvorrichtungen PBS aufgenommene Rücksignal wird durch Interferenz in BS erneut zusammengefügt.
Die in einer Differentialkonfiguration angeordneten Photodioden PD weisen die allgemeinen Intensitätsgeräusche zurück
Das Signal uj von dem Verstärker A wird zu der elektronischen Verarbeitungseinheit UE geführt, die ebenfalls den programmierbaren Trägerfrequenzgenerator, der der Einheit Um das Signal um zuführt, und die Demodulationskette enthält. Das Signal u- wird einer Frequenzdemodulationstufe und -integrator zugeführt. Der Ausgang ej stellt das erforderliche Analogsignal dar, das zu der Differenz in der Phasenmodulation zwischen den optischen Fasern proportional ist, was wiederum zu der Differenz in der Deformation zwischen den beiden Generatoren der Steigleitung proportional ist. Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Extensometervornchtung weist zahlreiche Vorteile auf.
Die Zuverlässigkeit ist für eine Verwendung in einer unbewachten, aggressiven Umgebung ausreichend hoch, da lediglich die durch einen Mantel oder ein Kabel geschützten faseroptischen Sensoren der aggressiven Umgebung ausgesetzt sind, wohingegen sich die restliche Vorrichtung in einer geschützten Umgebung befindet.
Durch den geringen Querdurchmesser des optischen Faserbündels und seiner Schutzhülle von insgesamt nur einigen Millimetern sind die hydrodynamischen Eigenschaften der Steigleitung keinerlei Störungen ausgesetzt und es müssen keine Anderungen an der Steigleitung selbst vorgenommen werden. Die Vorrichtung ermöglicht äußerst präzise Bestimmungen in einem großen Meßbereich mittels linearer Signalumformung komplexer Quantitäten und dies mit hoher dynamischer Akzeptanz
Weiterhin ist die Vorrichtung aufgrund des Baukastensystems leicht herzustellen und zu installieren, wodurch ebenfalls ermöglicht wird, daß sie an verschiedenste Strukturen angepaßt werden kann.
Die Vorrichtung genießt ebenfalls den Vorteil der Differentialanwendung, so daß sowohl der Meßstrahl als auch der Referenzstrahl in verschiedene Fasern geleitet werden kann und die Abweisung aller allgemeinen externen Spannungen möglich ist.

Claims

1. Ein Verfahren zur Analyse der dynamischen Deformation einer Struktur mittels Vergleich, in einem faseroptischen Interferometer mit einer reflektierenden Ebene am entfernt gelegenen Ende, des Modulationsunterschieds zwischen einem ersten Meßlaserstrahl, der ein erstes optisches Faserbündel in beide Richtungen durchlaufen hat, und einem zweiten Meßlaserstrahl, der ein zweites optisches Faserbündel mit der gleichen Länge wie das erste Faserbündel in beide Richtungen durchlaufen hat, wobei jedes Faserbündel aus einer Vielzahl von Fasern verschiedener Längen besteht und die Faserbündel an den gegenüberliegenden Seiten der Struktur angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Schritte ausgeführt werden:

(a) Bestimmung der Phasenmodulation des Lichts.

(b) Messung der Deformation der jeweiligen Struktur mittels Messung der in bestimmten Abschnitten mit zunehmenden Längen eintretenden Längenveränderung, wobei jeder Abschnitt komplett alle Abschnitte der Aufeinanderfolge der kürzeren Längen enthält und damit fest verbundene faseroptische Sensorabschnitte der gleichen Länge aufweist, um die Strukturdeformation zu rekonstruieren.

(c) Messung der Längenveränderungen mittels Feststellung der Phasenverzögerung zwischen dem ersten Meßlaserstrahl und dem zweiten Meßlaserstrahl basierend auf der Verzögerung der Interferenzstreifen, die durch den Aufprall des Laserstrahls auf eine die Strahlen wieder zusammenfügende Strahlspaltvorrichtung verursacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung einer einflächigen Deformation eines jeden Strukturteils mittels Vergleich der Teillängenveränderung entlang gegenüberliegender Seiten oder Mantellinien der Struktur durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der räumlichen Deformation der Struktur durch Messung und Vergleich der Längenveränderungen entlang von zwei oder mehreren Paaren oder von um 90º verschobenen Mantellinien erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen sowohl des ersten als auch des zweiten Meßlaserstrahls moduliert werden

5. Ein faseroptisches Interferometersystem zur Analyse dynamischer Deformationen an einer Struktur gemäß Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es das Folgende aufweist:

(a) Optische Faserbündel mit jeweils einer Vielzahl optischer Fasern (7g, 7h, 7i, 7k) verschiedener Längen, die parallel gebündelt und fest mit der zu analysierenden Struktur (10) verbunden sind

(b) Eine modulare elektronische Einheit (UEO), die die den optischen Fasern (7g, 7h, 7i, 7k) entlang geführten Signale verarbeitet, bestehend aus:

(A) einem Element (LASER) für die Erzeugung eines Meßlaserstrahls;

(B) einem Element (BS) für die Spaltung des Meßlaserstrahls in einen ersten Meßlaserstrahl und einen zweiten Meßlaserstrahl,

(C) einem Element (UM) für die Modulation des ersten und zweiten Meßlaserstrahls,

(D) den Elementen (PBS, FR und HWP) zum Passieren des ersten Meßlaserstrahls mit der korrekten Polarisation durch ein erstes optisches Faserbündel mit einem reflektierenden Ende (M);

(E) den Elementen (PBS, FR und HWP) zum Passieren des zweiten Meßlaserstrahls mit der korrekten Polarisation durch ein zweites optisches Faserbündel mit einem reflektierenden Ende (M), und zur Vermeidung, daß ein Frequenzmeßlaserstrahl, der durch den ersten oder zweiten Meßlaserstrahl erzeugt und vom entfernt gelegenen Ende der optischen Faser reflektiert wird, Interferenzen mit dem ersten oder zweiten Meßlaserstrahl erzeugt;

(F) einem Element (BS) zur Zusammenführung des ersten und zweiten Frequenzmeßlaserstrahls,

(G) einem Element (PD) für die Zurückweisung allgemeiner Intensitätsgeräusche,

(H) einem Element (A) für die Verstärkung der in Schritt (F) zusammengeführten Signale.

(c) Eine elektronische Einheit (LE), die das aus dem faseroptischen Interferometersensor (j,jq) austretende Signal in ein Analogsignal umwandelt.

6. Ein faseroptisches Interferometersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern (7g, 7h, 7i, 7k) die Polarisation aufrechterhaltende Fasern sind.

7. Ein faseroptisches Interferometersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern (7g, 7h, 7i, 7k) in eine Vielzahl identischer Bündel mit verschieden langen optischen Fasern unterteilt sind und in der zu analysierenden Struktur (10) als Doppelgruppe von um 90º verschobenen Sensoren angeordnet sind.

8. Ein faseroptisches Interferometersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel in einer Kabelader zusammengefaßt und von einem Schutzmantel umgeben ist.

9. Ein faseroptisches Interferometersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Lichtstrahl-Eingangsende einer jeden optischen Faser in einer senkrecht zu der Faserachse verlaufenden Ebene befindet.

10. Ein faseroptisches Interferometersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel die bleiche Länge wie das zu analysierende Strukturteil hat und parallel dazu befestigt ist.