RU91625U1

RU91625U1 - SENSOR FOR DETERMINING THE SIZE AND DIRECTION OF DEFORMATION OF A LONG PROJECT

Info

Publication number: RU91625U1
Application number: RU2009141695/22U
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Горшков; Дмитрий Владимирович Зазирный; Максим Владимирович Зазирный
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" (ООО "ПетроФайбер")
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2010-02-20

Abstract

1. Датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта, включающий протяженный каркас и оппозитно расположенные вдоль каркаса во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса, волоконно-оптические световоды, выполненные с возможностью подключения к измерительному средству. ! 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью закрепления на протяженном объекте. ! 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что каркас выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан. ! 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что количество волоконно-оптических световодов составляет предпочтительно четыре. ! 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что протяженный каркас выполнен трубчатым с продольными углублениями на наружной поверхности, в которых расположены волоконно-оптические световоды. ! 6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что протяженный каркас и волоконно-оптические световоды снаружи охвачены защитной оболочкой. ! 7. Датчик по п.6, отличающийся тем, что протяженный каркас и защитная оболочка выполнены из полимерного материала. ! 8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала использован полихлорвинил. ! 9. Датчик по п.7, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала использован полиэтилен.1. A sensor for determining the magnitude and direction of deformation of an extended object, including an extended frame and oppositely located along the frame in mutually perpendicular planes passing through the longitudinal axis of the frame, optical fibers made with the ability to connect to the measuring tool. ! 2. The sensor according to claim 1, characterized in that it is made with the possibility of fixing on an extended object. ! 3. The sensor according to claim 1, characterized in that the frame is flexible to provide winding on the transport drum. ! 4. The sensor according to claim 1, characterized in that the number of optical fibers is preferably four. ! 5. The sensor according to claim 1, characterized in that the extended frame is made tubular with longitudinal recesses on the outer surface, in which fiber optic fibers are located. ! 6. The sensor according to claim 5, characterized in that the extended frame and fiber optic optical fibers are externally covered by a protective sheath. ! 7. The sensor according to claim 6, characterized in that the extended frame and protective sheath are made of polymer material. ! 8. The sensor according to claim 7, characterized in that polyvinyl chloride is used as the polymeric material. ! 9. The sensor according to claim 7, characterized in that polyethylene is used as the polymeric material.

Description

Предложение относится к области измерительной техники с использованием волоконной оптики и может быть использовано для конструирования датчиков физических величин в измерительных системах для проведения измерений величин и направлений деформаций, происходящих с протяженными объектами, в частности, трубопроводами в процессе их строительства и эксплуатации.The proposal relates to the field of measuring technology using fiber optics and can be used to design sensors of physical quantities in measuring systems for measuring the magnitudes and directions of deformations occurring with extended objects, in particular, pipelines during their construction and operation.

Волоконно-оптические датчики используют тот факт, что воздействие окружающей среды может изменять амплитуду, фазу, частоту, спектральный состав или поляризацию света, распространяющегося через оптическое волокно. Основные преимущества волоконно-оптических датчиков заключаются в возможности иметь небольшой вес, быть очень маленькими, пассивными, энергетически эффективными, выносливыми и невосприимчивыми к интерференции электромагнитных волн. Кроме того, волоконно-оптические датчики имеют потенциал для очень высокой чувствительности, большого динамического диапазона и широкой полосы пропускания. Кроме того, определенный класс волоконных датчиков может распределяться или разделяться вдоль длины волокна. Они также могут встраиваться в материал.Fiber optic sensors exploit the fact that environmental exposure can alter the amplitude, phase, frequency, spectral composition, or polarization of light propagating through an optical fiber. The main advantages of fiber optic sensors are the ability to be lightweight, very small, passive, energy efficient, tough and immune to interference from electromagnetic waves. In addition, fiber optic sensors have the potential for very high sensitivity, large dynamic range and wide bandwidth. In addition, a certain class of fiber sensors can be distributed or shared along the length of the fiber. They can also be embedded in material.

В современном состоянии техники волоконно-оптические датчики могут классифицироваться как "внешние" или "внутренние". Внешние датчики полагаются на некоторое другое устройство, которое подсоединяется к волоконной оптической системе для того, чтобы преобразовать воздействия окружающей среды в изменения свойств светового пучка в волоконной оптической системе. Известные волоконно-оптические датчики включают датчики линейного положения, датчики полярной координаты, датчики деформаций.In the current state of the art, fiber optic sensors can be classified as “external” or “internal”. External sensors rely on some other device that connects to the fiber optic system in order to convert environmental influences into changes in the properties of the light beam in the fiber optic system. Known fiber optic sensors include linear position sensors, polar coordinate sensors, strain gauges.

Известен протяженный волоконно-оптический датчик с пространственным взвешиванием, предназначенный для измерения изменений физического параметра, включающий первое оптическое волокно, имеющее множество пространственно разделенных внешних катушек, сформированных в нем, и второе оптическое волокно, имеющее множество пространственно разделенных внутренних катушек, сформированных в нем, а внутренние и внешние катушки установлены концентрическими парами для формирования множества последовательно соединенных сегментов датчика, установленных так, что существуют первый сегмент датчика и последний сегмент датчика, и устройство характеризуется множеством разделителей, установленных так, что один из множества разделителей находится между последовательными сегментами датчика, причем разделители выполнены так, что они направляют первое и второе оптические волокна между последовательными сегментами датчика так, что изменения физического параметра между сегментами датчика не создают сдвига фаз между оптическими сигналами, направляемыми первым и вторым волокнами, первым оптическим соединительным устройством, установленным для подачи оптических сигналов в первое и второе оптические волокна, причем внутренняя и внешняя катушки установлены и подвергаются воздействию параметра так, что изменения параметра в каждом сегменте датчика образуют соответствующие сдвиги фаз между оптическими сигналами между внешними катушками и соответствующими внутренними катушками, и вторым оптическим соединительным устройством, установленным для объединения сигналов в первом и втором оптических волокнах после того, как сегменты датчика подверглись воздействию параметра (RU9711010, 1999).Known is an extended fiber optic sensor with spatial weighing, designed to measure changes in a physical parameter, including a first optical fiber having a plurality of spatially separated external coils formed therein, and a second optical fiber having a plurality of spatially separated internal coils formed therein, and internal and external coils are mounted in concentric pairs to form a plurality of sensor segments connected in series; so that there is a first segment of the sensor and a last segment of the sensor, and the device is characterized by a plurality of spacers installed so that one of the plurality of spacers is between successive segments of the sensor, and the spacers are configured so that they direct the first and second optical fibers between consecutive segments of the sensor so that changes in the physical parameter between the sensor segments do not create a phase shift between the optical signals directed by the first and second fibers, the first optical connecting device installed to supply optical signals to the first and second optical fibers, and the inner and outer coils are installed and exposed to the parameter so that changes in the parameter in each segment of the sensor form the corresponding phase shifts between the optical signals between the external coils and the corresponding internal coils, and a second optical connecting device installed to combine the signals in the first and second optical fibers after Sensor segments have been exposed to a parameter (RU9711010, 1999).

Недостатком известного датчика является сложность конструкции и обусловленная этим низкая надежность в работе.A disadvantage of the known sensor is the design complexity and the resulting low reliability.

Известен чувствительный элемент для волоконно-оптического контроля наличия поверхности, содержащий эластичную трубку с размещенными в ней оптическими волокнами. На одном конце трубки установлен первый наконечник, в котором волокна первой группы размещены по кольцу, охватывающему волокна второй группы, количество волокон в которой меньше количества волокон в первой группе. На другом конце трубки установлена вилка, включающая два наконечника, охватывающих каждый конец соответствующей группы волокон. Пространство между волокнами в каждом наконечнике заполнено связующим веществом (RU2042158, 1995).A known element for fiber-optic control of the presence of a surface, containing an elastic tube with optical fibers placed in it. A first tip is installed at one end of the tube in which the fibers of the first group are arranged in a ring spanning the fibers of the second group, the number of fibers in which is less than the number of fibers in the first group. A plug is installed at the other end of the tube, including two lugs covering each end of the corresponding fiber group. The space between the fibers in each tip is filled with a binder (RU2042158, 1995).

Недостатком известного чувствительного элемента является низкая надежность в работе, поскольку оптические волокна в нем имеют слабую защиту от внешних механических воздействий.A disadvantage of the known sensitive element is its low reliability, since the optical fibers in it have poor protection against external mechanical influences.

Известны волоконно-оптические датчики давления. Волоконно-оптический датчик содержит сердцевину оптического волокна, имеющую, по меньшей мере, одну решетку, сформированную вдоль, по меньшей мере, одной ее части, первую оболочку, окружающую указанную сердцевину и содержащую средство, воспринимающее давление, для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы давления на указанную сердцевину, двулучепреломляющее средство для улучшения двойного лучепреломления в указанной сердцевине. Двулучепреломляющее средство может включать в себя средство, имеющее пару продольных стержней, встроенных в первую оболочку. Средство, воспринимающее давление, включает в себя пару продольных отверстий или чувствительный к давлению материал, или капиллярную трубку, окружающую указанную первую оболочку, причем указанная капиллярная трубка имеет пару продольных отверстий, по существу параллельных указанной оболочке. Давление или поперечную деформацию измеряют направлением света от источника света в сердцевину волоконно-оптического датчика с решеткой на сердцевине волокна, оптическим присоединением анализатора спектра к волоконно-оптическому датчику с решеткой, измерением расстояния между двумя спектральными пиками, детектируемыми анализатором спектра (RU2205374, 2003).Fiber optic pressure sensors are known. The fiber optic sensor comprises an optical fiber core having at least one grating formed along at least one part thereof, a first sheath surrounding said core and containing pressure sensing means for converting isotropic pressure forces to anisotropic forces pressure on said core, a birefringent agent for improving birefringence in said core. The birefringent means may include means having a pair of longitudinal rods embedded in the first shell. The pressure receiving means includes a pair of longitudinal holes or a pressure sensitive material, or a capillary tube surrounding said first shell, said capillary tube having a pair of longitudinal holes substantially parallel to said shell. The pressure or lateral deformation is measured by the direction of the light from the light source into the core of the fiber optic sensor with a grating on the fiber core, by optical connection of the spectrum analyzer to the fiber optic sensor with a grating, by measuring the distance between two spectral peaks detected by the spectrum analyzer (RU2205374, 2003).

Известное техническое решение обеспечивает повышение разрешения и динамического диапазона измерений, однако является сложным конструктивно и ненадежным в работе.Known technical solution provides increased resolution and dynamic range of measurements, however, it is complex structurally and unreliable in operation.

Техническим результатом предложения является упрощение конструкции и повышение надежности.The technical result of the proposal is to simplify the design and increase reliability.

Технический результат достигается тем, что датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта, включает протяженный каркас и оппозитно расположенные вдоль каркаса во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса, волоконно-оптические световоды, выполненные с возможностью подключения к измерительному средству.The technical result is achieved by the fact that the sensor for determining the magnitude and direction of deformation of an extended object includes an extended frame and opposed along the frame in mutually perpendicular planes passing through the longitudinal axis of the frame, optical fibers made with the ability to connect to the measuring tool.

В конкретном исполнении датчик выполнен с возможностью закрепления на протяженном объекте, при этом каркас выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан.In a specific embodiment, the sensor is configured to be mounted on an extended object, while the frame is flexible to provide winding on the transport drum.

Целесообразно, чтобы количество волоконно-оптических световодов составляло, предпочтительно, четыре.It is advisable that the number of optical fibers is preferably four.

Чаще протяженный каркас бывает выполнен трубчатым с продольными углублениями (канавками) на наружной поверхности, в которых расположены волоконно-оптические световоды.More often, an extended frame is made tubular with longitudinal recesses (grooves) on the outer surface, in which fiber optic fibers are located.

Обычно протяженный каркас и волоконно-оптические световоды снаружи охвачены защитной оболочкой, причем протяженный каркас и защитная оболочка выполнены из полимерного материала, в качестве которого предпочтительно использование полихлорвинила или полиэтилена.Typically, an extended frame and fiber optic fibers are externally covered by a protective sheath, wherein the extended frame and the protective sheath are made of a polymer material, which is preferably polyvinyl chloride or polyethylene.

На фиг.1 показан датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта, поперечное сечение; на фиг.2 - вариант использования (закрепления) датчика на протяженном объекте; На фиг.3 - разрез по А-А (поперечное сечение) на фиг.2.Figure 1 shows a sensor for determining the magnitude and direction of deformation of an extended object, a cross section; figure 2 is a variant of the use (fixing) of the sensor on an extended object; Figure 3 is a section along aa (cross section) in figure 2.

Датчик 1 включает протяженный каркас 2 и оппозитно расположенные вдоль каркаса 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса 2, волоконно-оптические световоды (линии, кабели) 3, выполненные с возможностью подключения через коммутационный узел 4 и линию 5 передачи данных к измерительному средству (не показано). Каркас 2 выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан. В одном из вариантов протяженный каркас 2 выполнен трубчатым с продольными углублениями (канавками) на наружной поверхности, в которых расположены волоконно-оптические световоды 3, количество которых составляет четыре. Протяженный каркас 2 и волоконно-оптические световоды 3 снаружи охвачены защитной оболочкой 6. Материалом протяженного каркаса 2 и защитной оболочки 6 служит полимер (полихлорвинил, полиэтилен).The sensor 1 includes an extended frame 2 and oppositely located along the frame 2 in mutually perpendicular planes passing through the longitudinal axis of the frame 2, fiber-optic optical fibers (lines, cables) 3 made with the possibility of connecting through the switching unit 4 and the data transmission line 5 to the measuring means (not shown). The frame 2 is flexible to provide winding on the transport drum. In one embodiment, the extended frame 2 is made tubular with longitudinal recesses (grooves) on the outer surface, in which there are optical fiber 3, the number of which is four. The extended frame 2 and the fiber optic optical fibers 3 are externally covered by a protective sheath 6. The material of the extended frame 2 and the protective sheath 6 is a polymer (polyvinyl chloride, polyethylene).

Датчик 1 выполнен с возможностью закрепления на протяженном объекте 7, например, с помощью направляющих 8 и ленточных хомутов 9.The sensor 1 is made with the possibility of fixing on an extended object 7, for example, using guides 8 and tape clamps 9.

Осуществление предложения производится следующим образом. Экструдированием формируется заготовка протяженного каркаса 2 с требуемым поперечным сечением. Одновременно в продольные углубления (канавки) на его наружной поверхности закладываются волоконно-оптические световоды 3, выполненные с собственным защитным покрытием и покрывается вся конструкция общей защитной оболочкой 6. Готовый протяженный датчик 1 навивается на транспортный барабан.The implementation of the proposal is as follows. Extrusion forms a blank of an extended frame 2 with the desired cross section. At the same time, fiber-optic optical fibers 3, made with their own protective coating, are laid in longitudinal recesses (grooves) on its outer surface and the entire structure is covered with a common protective sheath 6. A ready-made long sensor 1 is wound onto a transport drum.

Работает датчик 1 следующим образом. Датчик 1 закрепляют на протяженном объекте, например, трубопроводе 7 при помощи направляющих 8 и ленточных хомутов 9. Волоконно-оптические световоды 3 подключают через коммутационный узел 4 и линию 5 передачи данных к измерительному средству. Давление окружающей среды, изменение процессов, протекающих внутри полого объекта (например, любое воздействие на трубопровод - внутреннее или внешнее) создает деформацию кожуха оптического волокна, который деформирует оболочку, тем самым, деформируя сердцевину и изменяя двойное лучепреломление волокна. Сигнал поступает к измерительному средству и соответствующим образом обрабатывается.Sensor 1 operates as follows. The sensor 1 is fixed on an extended object, for example, pipeline 7 using guides 8 and tape clamps 9. Fiber optic fibers 3 are connected through a switching unit 4 and a data transmission line 5 to the measuring means. Environmental pressure, a change in the processes occurring inside a hollow object (for example, any effect on the pipeline - internal or external) creates a deformation of the casing of the optical fiber, which deforms the shell, thereby deforming the core and changing the birefringence of the fiber. The signal is sent to the measuring means and processed accordingly.

Использование предложения позволяет существенно упростить конструкцию датчика, повысить его надежность.Using the proposal can significantly simplify the design of the sensor, increase its reliability.

Claims

1. A sensor for determining the magnitude and direction of deformation of an extended object, including an extended frame and oppositely located along the frame in mutually perpendicular planes passing through the longitudinal axis of the frame, optical fibers made with the ability to connect to the measuring tool.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that it is made with the possibility of fixing on an extended object.

3. The sensor according to claim 1, characterized in that the frame is flexible to provide winding on the transport drum.

4. The sensor according to claim 1, characterized in that the number of optical fibers is preferably four.

5. The sensor according to claim 1, characterized in that the extended frame is made tubular with longitudinal recesses on the outer surface, in which fiber optic fibers are located.

6. The sensor according to claim 5, characterized in that the extended frame and fiber optic optical fibers are externally covered by a protective sheath.

7. The sensor according to claim 6, characterized in that the extended frame and protective sheath are made of polymer material.

8. The sensor according to claim 7, characterized in that polyvinyl chloride is used as the polymeric material.

9. The sensor according to claim 7, characterized in that polyethylene is used as the polymeric material.