RU134320U1

RU134320U1 - TEMPERATURE PROFILE MONITORING DEVICE ALONG PIPELINE SYSTEMS

Info

Publication number: RU134320U1
Application number: RU2013129126/28U
Authority: RU
Inventors: Энвер Рустамович Ахмедов; Алексей Тимофеевич Кулаков; Анатолий Сергеевич Ненашев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПетроЛайт"
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-11-10

Abstract

1. Устройство для мониторинга температурного профиля вдоль трубопроводных систем, содержащее зондирующий импульсный лазер, подключенный выходом к спектральному демультиплексору; чувствительный элемент в виде отрезка оптического волокна, находящегося в тепловом контакте с объектом измерения, подключенный через термостатированный бокс к выходу спектрального демультиплексора, фотоприемник, вход которого соединен с выходом спектрального демультиплексора; при этом фотоприемник подключен к первому аналого-цифровому преобразователю (АЦП), связанному с цифровым процессором, который содержит линии измерения и управления температурой в термостатированном боксе посредством второго АЦП и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), связанных с внешними выводами, позволяющими осуществлять обмен электрическими сигналами для управления и мониторинга внутренней температуры термостатированного бокса; устройство также содержит таймер, связанный управляющими линиями с зондирующим импульсным лазером и с первым АЦП.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зондирующий импульсный лазер представляет собой твердотельный или волоконный лазер с длительностью импульсов в соответствии с требуемым временным разрешением.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перестройка температуры в термостатированном боксе осуществляется с применением воздушных, жидкостных или твердотельных термостатов.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мониторинг температуры в термостатированном боксе осуществляется с применением терморезисторов и термопар.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отрезок оптического волокна выполнен в1. A device for monitoring the temperature profile along pipeline systems, containing a probing pulsed laser connected to the output of a spectral demultiplexer; a sensitive element in the form of a piece of optical fiber in thermal contact with the object of measurement, connected through a temperature-controlled box to the output of the spectral demultiplexer, a photodetector, the input of which is connected to the output of the spectral demultiplexer; at the same time, the photodetector is connected to the first analog-to-digital converter (ADC) associated with a digital processor, which contains lines for measuring and controlling temperature in a temperature-controlled box by means of a second ADC and a digital-to-analog converter (DAC) connected to external outputs that allow the exchange of electrical signals for control and monitoring of the internal temperature of the temperature-controlled box; the device also contains a timer connected by control lines to the probing pulsed laser and to the first ADC.2. The device according to claim 1, characterized in that the probing pulsed laser is a solid-state or fiber laser with a pulse duration in accordance with the required time resolution. The device according to claim 1, characterized in that the temperature adjustment in the thermostated box is carried out using air, liquid or solid state thermostats. Device according to claim 1, characterized in that temperature monitoring in a thermostated box is carried out using thermistors and thermocouples. The device according to claim 1, characterized in that the segment of the optical fiber is made in

Description

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.The utility model relates to measuring equipment and can be used for distributed temperature measurement in the oil, gas industry, electric power industry and so on, and more specifically for monitoring the temperature profile along pipeline systems.

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.A fiber-optic device for measuring the temperature distribution is known, comprising a pulsed probe radiation source connected through a directional optical coupler separating the Rayleigh component with a sensing element in the form of an optical fiber and a recording system including two photodetector modules and a signal processing unit, the synchronization input of which is connected to a pulse source of probing radiation, and one and one is connected in series to the output of the directional optical coupler and a further optical directional coupler, which separates the Rayleigh component connected in series with one or more directional optical coupler, separating the anti-Stokes and Stokes components of the scattered radiation and directing them to different light receiving modules connected to a signal processing node. To increase the power of a pulsed probe radiation source, a fiber optic amplifier or a semiconductor amplifier with fiber outputs is introduced in series.

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).In another embodiment, an optical switch is additionally introduced into this device, having two optical inputs and four outputs, two of which are interconnected, and a semiconductor laser emitting an anti-Stokes component at a wavelength connected through a circulator to two outputs of the switch, one switch input is connected to the photodetector module receiving the anti-Stokes component, the second input of the switch is connected to the output of a directional coupler separating the Stokes and anti-Stokes components (application RU 2009113245/28, 2010).

Недостатки известного устройства: сложная конструкция, низкая чувствительность и точность измерений температурного распределения ввиду использования стоксова рамановского рассеяния в качестве опорного.The disadvantages of the known device: complex design, low sensitivity and accuracy of temperature distribution measurements due to the use of Stokes Raman scattering as a reference.

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.The creation and use of our utility model solves the problem of obtaining a device that is simple in design and highly sensitive to changes in the temperature of the optical fiber under operating conditions that allow long-term stability of the attenuation parameters in the optical fiber.

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.The technical result of the proposed utility model is to increase the accuracy and reliability of the device for measuring and monitoring temperature changes along piping systems while simplifying its design.

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.So, since the proposed design uses only one photodetector, and not two, as previously known, taking into account the fact that the photodetector is one of the sources of possible failures, the probability of failure of the entire device during operation is reduced.

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.An increase in measurement accuracy is achieved by eliminating the use of a second measuring channel tuned to the Stokes component of the Raman scattering. Thus, it is possible to avoid measurement errors associated with the intrinsic noise of the second measuring channel, as well as violation of normalization conditions due to the difference in the attenuation coefficients of the Stokes and anti-Stokes components of Raman scattering in an optical fiber.

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.The specified technical result is achieved due to the fact that in the proposed device for monitoring the temperature profile along the pipeline systems, in addition to means for generating laser pulsed optical radiation, the input of this radiation into a sensitive optical fiber having thermal contact with the object of measurement of temperature distribution, registration of backscattered radiation on the wavelength of anti-Stokes Raman scattering with the determination of the intensity of scattered radiation Ia, in addition A priori information on the temperature distribution along the measuring line is used, as well as a calibration measuring channel, consisting of an optical fiber placed in a thermostated box, capable of tuning and measuring the internal temperature on the basis of known technical devices, for example, electric cooling or electric heating elements, thermocouples, thermoresistance etc. In addition, the proposed device uses one photodetector.

Как известно, зависимость антистоксова комбинационного рассеяния от температуры и дальности в общем виде можно записать какAs is known, the dependence of anti-Stokes Raman scattering on temperature and range in a general form can be written as

Ia(T,z)=IoR(T)A(z),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.where T is the temperature of the corresponding range channel, z is the distance to the range channel, Io is the probe radiation intensity, R (T) is the temperature dependence of the scattered radiation intensity, A (z) is the coefficient of the dependence of the scattered radiation received at the photodetector on range.

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.In the general case, the dependence R (T) can be obtained analytically by analyzing the temperature dependence of the intensity of the scattered radiation, as well as the spectrum of the incident and scattered radiation. However, this technique justifies itself well in the case when the width of the spectrum of the incident radiation does not exceed a few nanometers.

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.In the proposed utility model, a range calibration channel is used to determine the coefficient R (T), in which, within the temperature measurement interval of interest, R (T) is approximated by a polynomial. In the process of calibrating the device, a controlled adjustment of the temperature in the calibration channel of the range is performed, which allows one to estimate the coefficients of the polynomial describing R (T). Thus, the dependence of the intensity of anti-Stokes Raman scattering on the spectrum of the incident radiation, as well as the spectral characteristics of the optical filter emitting this radiation, are automatically taken into account.

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.In the proposed utility model, the determination of the coefficient A (z) is based on information on the initial temperature distribution along the measuring line obtained from well-known mathematical models of the temperature distribution described in, for example, [Agapkin VM, Krivoshey BL, Yufin V .BUT. Thermal and hydraulic calculations of pipelines for oil and oil products, M., Nedra, 1981, p.18-32]; or information obtained from temperature measuring sensors located, for example, in technological wells, at oil pumping stations, etc. This a priori known information is entered into the processor memory. Under operating conditions characteristic of the scope of application of this device, it can be considered that the attenuation parameters of optical radiation in the fiber do not change for a long time of the order of several years, that is, the value of the coefficient A (z) can be considered unchanged.

На основе известных параметров A(z) и R(T), полученных при первоначальной настройке устройства, зависимость текущего значения температуры от дальности определяется следующим образомBased on the known parameters A (z) and R (T) obtained during the initial setup of the device, the dependence of the current temperature on the range is determined as follows

T(Z)=R^-1(Ia/A(z)).T (Z) = R ^-1 (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).The proposed utility model for monitoring the temperature profile contains a probe pulsed laser 1; spectral demultiplexer 2; a thermostatic box 3, containing a length of fiber 25-50 m long and external leads that allow the exchange of electrical signals to control and monitor the internal temperature of the thermostatic box; a sensitive element in the form of a segment of an optical fiber 4 in thermal contact with the measurement object; photodetector 5; timer 6; analog-to-digital converter (ADC) 7, converting information from the output of the photodetector; digital processor 8; analog-to-digital converter 9 and digital-to-analog converter (DAC) 10, providing the function of tuning and monitoring the temperature in the thermostated box from the side of the digital processor (the ADC and DAC are connected to the external terminals of the thermostated box, allowing the exchange of electrical signals to control and monitor the internal temperature thermostated box).

На фиг.1 схематически представлена предлагаемая полезная модель.Figure 1 schematically presents the proposed utility model.

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.The probe pulsed laser 1 is connected by an output to a spectral demultiplexer 2. A sensitive element in the form of a segment of an optical fiber 4 is connected through a thermostatic box 3 to the output of a spectral demultiplexer 2. Another output of a spectral demultiplexer is connected by an input to a photodetector 5, which is connected to the ADC 7, connected to a digital processor 8, which also contains temperature measurement and control lines in a thermostated box 3 by means of ADC 9 and DAC 10. Timer 6 is connected by probing lines they pulsed laser 1 and the analog-to-digital converter 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.In specific embodiments of the utility model, the probe pulsed laser 1 may be a solid-state or fiber laser with a pulse duration in accordance with the required time resolution and usually a unit or tens of not with an output pulse power of at least hundreds mW; spectral demultiplexer 2 is commercially available for systems with spectral channel multiplexing; thermostated box 3 is executed in the form of a thermally insulated box, temperature adjustment in thermostated box 3 is carried out using air, liquid or solid-state thermostats, and temperature monitoring using thermistors and thermocouples; a sensitive element - a segment of optical fiber 4 can be made in the form of a single-mode or multimode fiber waveguide with optical radiation attenuation, approximately 0.2 ... 3 dB / km; the photodetector 5 may be made on the basis of p-i-n or an avalanche photodiode; timer 6, ADC 7, 9 and DAC 10 can be performed as integrated components of microcontrollers or programmable logic integrated circuits (FPGA), as well as on the basis of specialized microcircuits; digital processor 8 is based on a microcontroller, FPGA or personal computer.

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.The device operates as follows. By the signal of timer 6, the probe pulsed laser 1 generates an optical pulse with a central wavelength of 1550 nm of a given duration of the order of units or tens of nanoseconds. Through the spectral demultiplexer 2, this pulse first enters the sensitive optical fiber section inside the thermostatic box 3, and then into the main measuring line 4. The probing optical pulse generates scattered radiation in the direction opposite to its propagation path along the optical fiber. This scattered radiation, which consists of elastic and Raman scattering components, passes through a spectral demultiplexer 2, which passes into the optical photodetector 5 only the anti-Stokes component of Raman scattering, offset 100 nm from the wavelength of the probe radiation. From the output of the photodetector 5, the electrical signal is converted into digital form through an analog-to-digital converter 7 and digitally supplied to the processor 8. In the process, the digital processor 8 controls and monitors the temperature in the thermostated box 3 in accordance with the specified program through the ADC 9 and DAC 10, connected directly to external terminals, allowing the exchange of electrical signals to control and monitor the internal temperature of the thermostated box 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.Thus, the resolution of the range channels is carried out by measuring the intensity of the scattered radiation after the moment of formation of the probe pulse, which allows you to conditionally divide the fiber into range channels corresponding to the time steps of the ADC 7.

Процедура вычисления абсолютной температуры в предложенном устройстве осуществляется следующим образом.The procedure for calculating the absolute temperature in the proposed device is as follows.

Выделяется три этапа функционирования устройства:Three stages of the operation of the device are distinguished:

- этап калибровки;- calibration step;

- этап привязки;- the binding stage;

- этап измерения.- stage of measurement.

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.At the calibration stage, the dependence of the amplitude of the scattered radiation observed at the photodetector on the temperature in the observed range channel is established. For this, the processor 8 controls the temperature adjustment within a few tens of degrees in the thermostated box 3 by issuing control signals to the DAC 10 and simultaneously monitors the temperature using the signals received from the ADC 9, and also evaluates the intensity of the scattered radiation from the optical fiber section inside the thermostatically controlled boxing. The timing diagram of the operation is shown in FIG. 2, where the solid line shows the temperature control law in thermostated box 3, and the dashed line shows the real evolution of the temperature observed on the measuring element. The range and step of temperature adjustment is selected based on the requirements for the accuracy of approximation of the calibration dependence, as well as the time of the calibration stage.

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.Using the obtained discrete values of the dependence of the scattered radiation intensity on the temperature of the optical fiber placed in a thermostated box, an approximating temperature dependence of the scattered radiation intensity is constructed using polynomials of no more than third order, which gives a measurement error of less than 1 ° C in the temperature range from -50 ° C up to + 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.At the binding stage, the dependence of the attenuation of the probe and scattered radiation on the range is established. As input on processor 8, we use the calibration temperature dependence of the scattered radiation intensity obtained at the calibration stage, as well as information on the temperature distribution along the optical fiber at the time of the binding, which can be obtained using the well-known mathematical model described in [Agapkin V .M., Krivoshey B.L., Yufin V.A. Thermal and hydraulic calculations of pipelines for oil and oil products, M., Nedra, 1981, p.18-32] or by measuring a set of discrete temperature sensors. The attenuation coefficient for a given range channel is estimated at a known temperature in the vicinity of the optical fiber corresponding to this range channel by calculating the ratio of the scattered radiation intensity from the given range channel to the scattered healing intensity from the calibration curve at a given temperature. Based on the obtained discrete values of the attenuation coefficient in a set of points, the attenuation coefficient is interpolated to the entire optical fiber.

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.At the measurement stage, the absolute temperature value is evaluated along the entire optical cable. As input information, we use the calibration temperature dependence of the scattered radiation intensity, the dependence of the attenuation coefficient on the range, and an estimate of the distribution of the current value of the scattered radiation intensity over the range. The absolute temperature is defined as the inverse function of the calibration dependence when using the ratio of the intensity estimate to the attenuation coefficient in a given range channel as an argument.

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.Thus, the main feature of the method of working with the device, dictated by the features of the proposed device itself, is the fact that, to determine the temperature value based on the measured value of the anti-Stokes radiation scattering intensity Ia, a priori information on the primary temperature distribution along the measuring line is additionally used, as well as the possibility of tuning and measuring the internal temperature, due to the inclusion of a calibration measuring channel in the device optical fiber placed in a thermostatic box.

Пример работы устройства:An example of the operation of the device:

Рассмотрим пример работы предлагаемой полезной модели на участке нефтепровода «Дружба» длиной 25 км.Consider the example of the proposed utility model on a section of the Druzhba pipeline 25 km long.

Были установлены следующие параметры функционирования устройства:The following device operation parameters were set:

- длина зондирующего импульса 50 нс,- probe pulse length 50 ns,

- пиковая мощность зондирующего импульса 1 Вт,- peak power of the probe pulse 1 W,

- частота работы АЦП на выходе фотоприемника 100 МГц.- the frequency of the ADC at the output of the photodetector 100 MHz.

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.At the stage of calibration of the device, the temperature inside the thermostatic box 3 was tuned in the range from 15 to 40 ° C. The adjustment step was 1 ° C. The waiting time for establishing the temperature inside the box 3 was 30 seconds, the measurement time after establishing the set temperature was also 30 seconds. Thus, the total measurement time at the calibration stage was no more than 30 minutes. To interpolate the calibration dependence, a third-order polynomial was used.

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.At the binding stage, a fiber optic cable was used that was laid in advance on the working section of the pipeline at a depth of 0.7-1 m. A 25 km section was divided into 25 sections 1 km long. At the end of each section, a cable fragment of 15 m in length was excavated, which corresponded to 3 range channels. To determine the numbers of the corresponding range channels, the exposed fragment of the cable was spilled with heated liquid, which was displayed on the operator’s screen as a change in the intensity of Raman scattering in the corresponding range channel. After determining the range channel numbers, a pause was expected for 30 minutes to equalize the temperature of the cable and the ambient air. Next, the air temperature near the cable was measured and transmitted by radio to the operator of a personal computer, which entered information about the current temperature in the corresponding range channel into the memory of the digital processor. Thus, a record appeared in the memory of digital processor 8 of the temperature T (z) and intensity I (z) in a given range channel. In accordance with the procedure described above, these values were converted into the attenuation coefficient A (z) for a given range channel. Based on the results of discrete values of the attenuation coefficient A (z) obtained for 25 range channels, an interpolating dependence was constructed using 3rd-order B-splines. At the end of the binding phase, soil was added with soil to the exposed sections of the fiber optic cable.

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.At the measurement stage, a spill of heated liquid (35 ° C) from the tank onto the ground in the cable laying area was used as a test action. To equalize the temperature of the cable buried in the ground and the temperature of the spilled liquid, a time interval of 15 minutes was maintained. The error in measuring the temperature of the liquid at the end of this time interval was not more than 1 ° C.

Claims

1. A device for monitoring the temperature profile along piping systems, containing a probe pulsed laser connected to the output of the spectral demultiplexer; a sensitive element in the form of a piece of optical fiber in thermal contact with the measurement object, connected through a thermostatic box to the output of the spectral demultiplexer, a photodetector, the input of which is connected to the output of the spectral demultiplexer; the photodetector is connected to the first analog-to-digital converter (ADC) connected to the digital processor, which contains the temperature measurement and control lines in the thermostated box by means of the second ADC and digital-to-analog converter (DAC), connected to external terminals that allow the exchange of electrical signals for control and monitoring of the internal temperature of the thermostated box; the device also contains a timer connected by control lines to a probe pulsed laser and to the first ADC.

2. The device according to claim 1, characterized in that the probe pulsed laser is a solid-state or fiber laser with a pulse duration in accordance with the required time resolution.

3. The device according to claim 1, characterized in that the temperature adjustment in the thermostated box is carried out using air, liquid or solid state thermostats.

4. The device according to claim 1, characterized in that the temperature monitoring in a thermostated box is carried out using thermistors and thermocouples.

5. The device according to claim 1, characterized in that the optical fiber segment is made in the form of a single-mode or multimode fiber waveguide with optical radiation attenuation of 0.2 ... 3 dB / km.

6. The device according to claim 1, characterized in that the photodetector is based on p-i-n or an avalanche photodiode.

7. The device according to claim 1, characterized in that the first and second ADCs, a timer and a DAC are made as integrated components of microcontrollers or programmable logic integrated circuits (FPGAs).

8. The device according to claim 1, characterized in that the first and second ADCs, a timer and a DAC are made on the basis of specialized microcircuits.

9. The device according to claim 1, characterized in that the digital processor is based on a microcontroller, FPGA or personal computer.