RU158854U1 - Волоконно-оптический сенсор распределения температуры - Google Patents

Abstract

Волоконно-оптический сенсор распределения температуры на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, содержащий оптический модуль, состоящий из трубки, включающей, по меньшей мере, одно свободно уложенное в ней оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, отличающийся тем, что оптический модуль состоит из трубки с двойными стенками, разделёнными жидким заполнителем.

Description

Волоконно-оптический сенсор распределения температуры

Полезная модель относится к сенсорам, а именно к конструкциям волоконно-оптических сенсоров на основе регистрации распределения параметров тонкой структуры рассеянного излучения. Для измерения распределения температуры в оптическом волокне используются методы, основанные на эффектах комбинационного рассеяния (КР, или эффект Рамана) и рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ).

Известны волоконно-оптические сенсоры распределения температуры на основе эффекта комбинационного рассеяния (Рамана) (http://www.thermal-rating.com/Menu/About+LIOS/LIOS+Technology+Russian;

http://www.sedatec.org/products/863951/863952/863954/; патент на полезную модель 65223 «волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры (варианты)»; патент на изобретение 2434208 «волоконно-оптическое устройство для измерения распределения температуры (варианты)»).

Известен волоконно-оптической сенсор распределения температуры на основе эффекта комбинационного рассеяния (Рамана), описанный в статье ((Environmental temperature sensing using Raman spectra DTS fiber-optic methods», опубликованный в журнале ((WATER RESOURCES RESEARCH)), том 45, выпуск 4, апрель 2009 г.

Эффект КР обусловлен присутствием в среде термических молекулярных колебаний. Соответственно, отраженный (Рамановский) сигнал содержит информацию о температуре в точке рассеяния. Романовское излучение состоит из двух спектральных компонент, смещенных по частоте относительно исходного сигнала. Амплитуда антистоксовой компоненты сильно зависит от температуры волокна, в то время как амплитуда стоксовой компоненты практически не зависит от температуры. Эти две частоты выделяются из отраженного сигнала с помощью фильтрации, после этого находится отношение их спектральных интенсивностей, которое и позволяет определить температуру в точке рассеяния. Поскольку мощность Рамановского излучения очень мала, в качестве чувствительного элемента используются многомодовые волокна с большой апертурой.

Для сохранения передаточных характеристик в волоконно-оптических сенсорах распределения температуры, в условиях внешних воздействий, например, механических

или температурных используются методы, отработанные в практике применения оптических кабелей связи. Оптическое волокно свободно, с избыточной длиной, укладывается внутри полимерной трубки. Величина заложенной в конструкции избыточной длины оптического волокна определяет ресурс допустимого воздействия (растяжения, изгиба, кручения, нагрева и т.д.) Так удлинение оптического кабеля в пределах величины избыточной длины оптического волокна не приводит к удлинению (растяжению) последнего.

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 отличие от датчиков на основе комбинационного рассеяния Рамана, где измеряется интенсивность отраженного сигнала. Частотные измерения можно осуществить с высокой точностью, в то время как интенсивность рассеянного излучения подвержена случайным флуктуациям. Поэтому сенсоры, использующие эффект РМБ, обладают большей точностью и лучшей стабильностью во времени. Основной особенностью сенсоров на основе рассеяния Мандельштама-Бриллюэна является зависимость частотного сдвига, как от температуры, так и от величины деформации (растяжения). Конструкция сенсора распределения температуры должна исключать деформацию (растяжение) оптического волокна, как в заданном диапазоне допустимых механических воздействий, так и в заданном диапазоне изменения внешней температуры.

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, 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 волокна в зависимости от расстояния (температурный профиль). Пространственное разрешение таких измерений определяется длительностью оптического импульса (например, импульсы длительностью 10 не задают точность измерения расстояния, равную 1 м).

Рамановские датчики, как сказано ранее, хорошо работают с многомодовыми волокнами, но такие волокна обладают высоким коэффициентом затухания, и длина сенсора, таким образом, ограничена величиной 10 км. В Бриллюэновских датчиках используются только одномодовые волокна, что позволяет охватывать измерениями кабеля длиной до 50 километров.

Известны волоконно-оптические сенсоры распределения температуры на основе регистрации сдвига частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Бриллюэна) (11th SPIE Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, March 14-18, 2004, San Diego, California, USA, Proc. SPIE Vol. 5384 «Leakage detection using fiber optics distributed temperature monitoring.)) pp. 18-25.)

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является волоконно-оптический сенсор для систем мониторинга распределения температуры на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, содержащий, по меньшей мере, один оптический модуль, состоящий из трубки, включающей, по меньшей мере, одно, свободно уложенное в ней, кварцевое оптическое волокно, патент на полезную модель 139213 «распределенный волоконно-оптический сенсор температуры повышенной чувствительности». Применение одномодового оптического волокна позволяет использовать регистрацию параметров рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Поскольку регистрируемый частотный сдвиг является функцией, как температуры, так и деформации оптического волокна, последнее уложено в оптическом модуле свободно, с избыточной длиной, для обеспечения нечувствительности к растяжению сенсора.

Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому, из числа известных по совокупности признаков, к недостаткам которого следует отнести недостаточный диапазон допустимых внешних механических воздействий, в частности

деформации растяжения, которая допустима только в пределах величины избыточной длины свободно уложенного оптического волокна в плотном полимерном покрытии, поскольку растяжение оптического волокна приводит к дополнительному сдвигу частоты рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, не связанного с действием температуры. Наклон температурной зависимости Бриллюэновского сдвига составляет 0,927 МГц/градус для стандартных телекоммуникационных одномодовых волокон ITU Т G.652 в спектральном диапазоне вблизи 1,55 мкм. Зависимость величины Бриллюэновского сдвига от механического напряжения (растяжения) того же оптического волокна примерно 500 МГц на 1% удлинения, что и приводит к ограничению допустимой величины деформации растяжения распределенного сенсора температуры. Увеличение же избыточной длины оптического волокна в плотном полимерном покрытии, за счет свободной его укладки в оптическом модуле связано с необходимостью увеличения диаметра трубки оптического модуля, что неминуемо снижает точность измерения температуры.

Для измерения распределения температуры протяженного объекта сенсор должен находиться в плотном контакте с объектом измерения. Изменение температуры объекта сопровождается его тепловой деформацией, а следовательно и деформацией сенсора. Деформация сенсора приводит к дополнительному сдвигу частоты рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна и, следовательно, к ошибке измерения температуры. Локальная, на ограниченном участке длины, деформация распределенного сенсора температуры может быть связана с деформацией объекта мониторинга, (например, с искривлением трубопровода вследствие подвижки грунта и т.п.).

Поставленная задача состояла в разработке конструкции, приводящей к увеличению диапазона допустимых локальных деформаций сенсора, без влияния на точность измерения распределения температуры.

Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический сенсор распределения температуры на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна содержит оптический модуль, включающей в себя, по меньшей мере, одно, свободно уложенное в нем, оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, и состоящий из трубки с двойными стенами, разделенными жидким заполнителем.

Из практики проектирования оптических кабелей связи известно, что оптический модуль с наружным диаметром в 2 миллиметра и внутренним диаметром 1,3 мм, содержащий одно, свободно уложенное, оптическое волокно, может обеспечить избыточную длины волокна не более 0,2% в силу ограничения минимального радиуса изгиба оптического волокна. Наличие полимерного покрытия оптического волокна при допущении

деформации растяжения сенсора, например, в пределах одного процента, потребует значительного увеличения диаметра сенсора, что связано со значительным уменьшением точности измерения температуры и значительным ограничением областей применения сенсора. Допущение скольжения внутренней трубки оптического модуля относительно внешней, за счет жидкого заполнителя, обеспечивает отсутствие растяжения оптического волокна, при ограниченном локальном растяжении модуля, без снижения точности измерения распределения температуры.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображен в сечении волоконно-оптический сенсор распределения температуры, содержащий оптическое волокно 1, в плотном полимерном покрытии 2, свободно уложенное внутри оптического модуля 3, с двойными стенками и жидким заполнителем 4.

Предлагаемая полезная модель сенсора может эффективно функционировать в составе соответствующей регистрирующей аппаратуры, например в составе оборудования DiTest компании Omnisens, нового высокотехнологичного прибора для мониторинга температуры и механического напряжения, принцип действия которого основан на эффекте ВРМБ (вынужденном рассеянии Мандельштамма-Бриллюэна). В качестве источников пробного сигнала и сигнала накачки используется один и тот же лазер и высокоскоростной электрооптический модулятор, что значительно улучшает стабильность работы системы во времени. Для увеличения отношения сигнал-шум выходного сигнала и уменьшения времени измерения можно настраивать мощности пробного излучения и излучения накачки. Частотный сдвиг между накачкой и пробным сигналом регулируется частотой модуляции с точностью 0,001%. Величину частотного сдвига можно менять в пределах диапазона Бриллюэновских частот (от 10,5 до 11 ГГц в зависимости от типа одномодового волокна). Спектральное распределение амплитуды взаимодействия пробного сигнала и сигнала накачки прописывается в каждой точке контролируемого участка сенсора. По частоте, на которой происходит наиболее интенсивное взаимодействие, определяется величина Бриллюэновского сдвига, несущая информацию о температуре либо растяжении оптического волокна в точке измерения. Локальная (до нескольких метров) деформация до 1% растяжения опытного образца полезной модели сенсора с двойной стенкой, содержащей жидкий заполнитель, не приводит к дополнительному сдвигу регистрируемой частоты рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна.

Далее приводятся сведения, подтверждающие промышленную применимость полезной модели.

Оптические модули могут быть изготовлены в виде двустенной пластмассовой или металлической трубки, а пространство между трубками модуля может быть заполнено, в частности, тиксотропным гидрофобным гелем.

Несомненным достоинством предлагаемого решения является возможность изготовления сенсора на существующем, традиционно используемом, кабельном оборудовании, с применением промышленно выпускаемых оптических волокон и промышленно выпускаемых и коммерчески доступных материалов.

Claims (1)

1. Волоконно-оптический сенсор распределения температуры на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, содержащий оптический модуль, состоящий из трубки, включающей, по меньшей мере, одно свободно уложенное в ней оптическое волокно в плотном полимерном покрытии, отличающийся тем, что оптический модуль состоит из трубки с двойными стенками, разделёнными жидким заполнителем.

   

Images