РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G01B11/16 G01K5/00 

Изобретение относится к устройствам измерения распределения температуры, в котором оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, а именно является чувствительным элементом распределенного датчика температуры, в котором используется способ, основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), возникающего в оптическом волокне.

В настоящее время приборы, в которых используется способ измерения распределения деформации и/или температуры оптического волокна вдоль его оси (растяжения или сжатия), основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, производятся и являются коммерчески доступными. В качестве примера такого устройства можно привести Бриллюэновский анализатор Ditest STA-R производства Omnisens SA, Швейцария [URL: http://omnisens.ch/ditest/3521-ditest-sta-r.php, дата обращения 05/08/2013].

Известно устройство - распределенный датчик для измерения деформации и/или температуры (см. Патент РФ №2346235, опубл. 27.07.2008), в котором используется способ, основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, возникающего в оптическом волокне. В этом решении оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента для детектирования деформации и/или температуры в среде, где размещено оптическое волокно. Известное устройство состоит из источника светового излучения накачки, чувствительного оптического волокна, оптического ответвителя, источника светового излучения зондирования и детектора. Чувствительное оптическое волокно с одного конца подключено к источнику светового излучения накачки, а со второго конца, при помощи оптического ответвителя, к источнику светового излучения зондирования и детектору. Известное устройство измеряет распределение спектров ВРМБ вдоль чувствительного оптического волокна с заданным пространственным разрешением. Бриллюэновский сдвиг частоты ν_В является одним из измеряемых известным устройством параметров ВРМБ. Бриллюэновский сдвиг частоты ν_В (в МГц) в оптическом волокне определяется следующим уравнением:

где n - показатель преломления оптического волокна (безразмерная величина), ν_а - скорость звука в оптическом волокне (в м/с), λ - длина волны светового излучения (в мкм). Так как скорость звука зависит от деформации и температуры оптического волокна, деформация и/или температура могут быть измерены посредством измерения бриллюэновского сдвига частоты.

Известно, что при использовании сенсорных кабелей со свободной укладкой стандартного одномодового оптического волокна диаметром 125 мкм увеличение температуры на 1°C вызывает увеличение бриллюэновского сдвига частоты на величину около 1 МГц, в то время как растяжение оптического волокна на 1% вызывает увеличение бриллюэновского сдвига частоты на величину около 500 МГц [F. Ravet, F. Briffod, M. Nikles, Extended distance fiber optic monitoring for pipeline Leak and ground movement detection. 2008 International Pipeline Conference, Calgary, paper No. IPC2008-64521, pp.689-697, опубликовано 2008.]. При этом вклад в температурную зависимость сдвига частоты за счет теплового расширения первичного покрытия оптического волокна, которое обычно имеет диаметр 250 мкм, незначителен [М. Nikles, L. Thevenaz, Р.А. Rober, “Brillouin gain spectrum characterization in single-mode optical fibers”, Journal of Lightwave Technology, vol.15, no.10, pp.1842-1851, опубликовано 1997],

Известен волоконно-оптический сенсорный кабель [Патент Японии JP 2009103496 (А), опубл. 14.05.2009], предназначенный для измерения распределения деформации, который содержит по крайней мере одно чувствительное к деформации оптическое волокно, трубку с по крайней мере одним используемым для температурной компенсации (измерения температуры) оптическим волокном, свободно размещенном в ней.

Наиболее близким аналогом, прототипом является известный волоконно-оптический сенсор (см. патент РФ на полезную модель №122773, опубликованный 10.12.2012) для систем мониторинга распределения деформации и температуры на основе регистрации параметров тонкой структуры рассеянного излучения, в частности, который позволяет регистрировать распределение деформации посредством плотной, без проскальзывания, связи оптического волокна с армирующим покрытием и наружной оболочкой и, одновременно, регистрировать изменения температуры через параллельно размещенное свободно уложенное в полимерном модуле оптическое волокно.

Однако в конструкции данного кабеля не применяются меры для увеличения чувствительности при измерении распределения температуры анализатором ВРМБ, а именно для преобразования температурной деформации буферного покрытия волокна в деформацию чувствительного оптического волокна так, чтобы она была однородна по длине кабеля, и однозначным образом. Также у известного кабеля не предприняты меры для обеспечения механической связи защитного буферного покрытия с оптическим волокном и свободной укладки чувствительного модуля (волокна в буферном покрытии) в кабеле.

Технический результат направлен на повышение чувствительности сенсора температуры повышенной чувствительности.

Технический результат достигается за счет того, что в известном волоконно-оптическом сенсоре для систем мониторинга распределения температуры на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна, содержащем, по меньшей мере, один оптический модуль, состоящий из трубки, включающей, по меньшей мере, одно, свободно уложенное с ней, кварцевое оптическое волокно, согласно заявленному изобретению волокно имеет механически связанную с ним оболочку, а коэффициент продольного линейного теплового расширения оптического волокна в оболочке не менее чем в сорок раз превышает коэффициент линейного теплового расширения кварцевого стекла.

Оптические волокна могут содержать дополнительное герметичное покрытие из углерода или металла.

Оптический модуль может находиться в скрутке.

Сенсор может иметь армирующее покрытие и наружную защитную полимерную оболочку.

Свободное пространство в оптических модулях может быть заполнено гидрофобным заполнителем.

Трубка оптического модуля может быть выполнена из полибутилентерефталата или из стали.

На фигуре изображен в поперечном сечении волоконно-оптический сенсор температуры повышенной чувствительности. Сенсор содержит кварцевое оптическое волокно 1, в герметичном покрытии 2, механически связанную с оптическим волокном оболочку 3, расположенные в оптическом модуле, сформированным заполненной гидрофобным наполнителем 4 трубкой 5 из полибутилентерефталата или из стали. Оптический модуль находится в скрутке, сформированной вокруг сердечника 6 и содержащей кордели заполнения 7. Поверх скрутки с оптическим модулем наложены армирующее покрытие 8 и наружная защитная оболочка 9.

Суть предлагаемого изобретения в том, чтобы повысить температурную чувствительность оптического волокна сенсора за счет деформационной.

С целью повышения чувствительности сенсорное оптическое волокно покрывается дополнительным слоем материала, коэффициент теплового линейного расширения которого значительно выше, чем у кварцевого стекла, причем сила, создаваемая дополнительным покрытием вследствие температурного расширения/сжатия, приводит к такой деформации чувствительного оптического волокна, что дополнительное изменение бриллюэновского сдвига частоты в нем не меньше, чем изменение бриллюэновского сдвига частоты за счет температурной зависимости. То есть, при увеличении температуры на 1°C, оптическое волокно должно деформироваться (удлиняться) на величину 0,002% или более. В результате, у заявленного сенсорного кабеля увеличение температуры на 1°C вызывает увеличение бриллюэновского сдвига частоты на величину порядка 2 МГц и более.

Для обеспечения зависимости бриллюэновского сдвига частоты только от температуры в конструкции заявленного сенсора обеспечивается свободная укладка чувствительного элемента (оптического волокна с дополнительным покрытием) и, следовательно, его защита от деформации, вызванной действующими на сенсорный кабель внешними силами.

В результате, точность измерения температуры улучшается в 2 и более раза.

Изменение бриллюэновского сдвига частоты Δν (в МГц) в оптическом волокне при изменении его температуры на ΔT и его продольной относительной деформации растяжения/сжатия ε (в %) задан следующим уравнением:

Δν=Δν₀+С_ТΔТ+C_εε,

где Δν₀ - постоянная (в МГц), а С_Т и С_ε - чувствительность оптического волокна к изменению температуры и к продольной относительной деформации растяжения/сжатия, соответственно, которые, как указывалось выше, приблизительно равны С_Т≈1 МГц/°C и С_ε≈500 МГц/%.

Найдем продольную относительную деформацию растяжения/сжатия оптического волокна, вызванную тепловым расширением механически связанной с ним оболочкой с площадью поперечного сечения S_o (в кв.мм), коэффициентом линейного теплового расширения α_o (в %/°C) и модулем Юнга E_o (в МПа). Деформация оптического волокна рассчитывается с использованием третьего закона Ньютона и закона Гука

,

где S - площадь поперечного сечения оптического волокна (в кв.мм), Е - модуль Юнга оптического волокна (в МПа) и, как незначительный, отброшен вклад теплового расширения оптического волокна, которое состоит из плавленого кварца с коэффициентом линейного теплового расширения, равном около 0,5×10^-4%/°C, что существенно меньше, чем типичных материалов оболочки, например, для оболочки из поливинилхлорида - ~70×10^-4%/°C, из полиамида ~70×10^-4%/°C, из полиэфира (60-125)×10^-4%/°C, из полиэтилена (130-200)×10^-4%/°C, из полипропилена ~200×10^-4%/°C.

Вклад в изменение Бриллюэновского сдвига частоты Δν (в МГц) в оптическом волокне при изменении его температуры на ΔТ за счет теплового расширения оболочки и в отсутствии других причин продольной относительной деформации задан следующим уравнением6

.

Таким образом, получаем, что абсолютная чувствительность К оптического волокна в механически связанной с ним оболочке как сенсора температуры, которая равна отношению изменения выходного сигнала, то есть изменению бриллюэновского сдвига частоты, к абсолютному изменению измеряемой температуры равна

К=C_T+C_D,

где $$C_D=C_{\epsilon }{\alpha }_o\frac{E_o{S}_o}{ES+E_o{S}_o}$$ - дополнительный вклад в чувствительность за счет теплового расширения оболочки, механически связанной с оптическим волокном. Из данного выражения видно, что при выполнении условия

C_D≥C_T

наличие оболочки существенно увеличивает чувствительность оптического волокна к температуре при измерении сдвига частоты ВРМБ. Данное условие означает, что тепловое расширение оболочки вызывает продольную деформацию растяжения/сжатия волокна большую или равную чувствительности волокна к температуре, деленной на чувствительность к указанной деформации. В случае использования стандартного одномодового оптического волокна с приведенными выше чувствительностями, изменение температуры на 1°C должно приводить к вызванной тепловым расширением оболочки деформации оптического волокна на величину не менее 0,002%. Таким образом, коэффициент продольного линейного теплового расширения оптического волокна в оболочке должен не менее чем в сорок раз превышать коэффициент линейного теплового расширения кварцевого стекла. Используя указанные выше соотношения, запишем данное условие в следующем виде:

где K_o=E_oS_o и К=ES - жесткость (в Н) при деформации продольного растяжения/сжатия для оболочки и оптического волокна, соответственно. То есть произведение коэффициента теплового линейного расширения оболочки на чувствительность оптического волокна к относительной деформации растяжения/сжатия, деленное на чувствительность оптического волокна к изменению температуры, не меньше чем на единицу превышает отношение жесткости к продольному растяжению/сжатию оптического волокна к такой же жесткости оболочки.

Так как свойства полимеров сильно зависят от температуры, то для обеспечения существенности вклада оболочки в увеличение чувствительности во всем диапазоне измеряемых температур, необходимо, чтобы указанное выше соотношение также выполнялось во всем диапазоне измеряемых температур.

Для обеспечения равномерности чувствительности волокна, что упрощает пересчет измеряемого сдвига частоты в температуру, необходимо обеспечить однородность площади поперечного сечения связанной с волокном оболочки.

Для того чтобы тепловое расширение не вызывало изгиба, а приводило только к продольной деформации растяжения/сжатия необходимо, чтобы ось оптического волокна находилась в геометрическом центре поперечного сечения связанной с ним механически оболочки (центре тяжести). Например, если оболочка цилиндрическая, то оси оптического волокна и оболочки должны совпадать.

Для защиты оптического волокна в оболочке от внешних механических воздействий и для обеспечения его свободной укладки оно может быть помещено в трубку. Трубка может быть выполнена из полимера, например, полибутилентерефталата, при помощи широко распространенной в производстве оптического кабеля технологии [URL: http://www.ruscable.ru/info/cable/sev_13.html, дата обращения 05/08/2013]. Трубка также может быть выполнена из металла, например, нержавеющей стали, при помощи распространенной в производстве оптического кабеля встроенного в грозотрос технологии [URL: http://sarko.ru/new/opticheskiy-grozotros/kabel-okgt-ts.html, дата обращения 05/08/2013].

Для предотвращения образования неравномерности укладки оптического волокна в трубке и предотвращения продольного распространения снижающей механические характеристики оптического волокна воды, она может быть заполнена гелем. В качестве геля может быть использован внутримодульный гидрофобный наполнитель, широко распространенной в производстве оптического кабеля связи при помощи известной технологии.

Для увеличения диапазона продольной деформации оптического волокна, в котором обеспечивается свободная укладка оптического волокна в оболочке в трубке, трубка может быть скручена, например, вокруг центрального элемента или вокруг центральной, образуя тем самым повив. Кроме того, скрутка позволяет увеличить диапазон допустимых внешних воздействий (температурных, силовых), в котором обеспечивается свободная укладка оптического волокна. Скрутка может быть выполнена при помощи широко распространенной в производстве оптического кабеля связи технологии.

Для увеличения допустимого диапазона продольной деформации оптического волокна, в котором обеспечивается его надежная эксплуатация, оптические волокна могут содержать дополнительное герметичное покрытие из углерода или металла, которые являются коммерчески доступными.

Для защиты от внешних воздействий, сенсор может иметь армирующее покрытие и наружную полимерную оболочку, широко распространенные в конструкциях оптических кабелей связи.

В случае, когда использовано стандартное кварцевое оптическое волокно (то есть состоящего в основном из кварцевого стекла) диаметром 0,125 мм с модулем Юнга Е=70000 МПа и коэффициентами, характеризующими чувствительность оптического волокна С_Т=1 МГц/°C и С_ε=500 МГц/%, а оболочка выполнена из полиамида с модулем Юнга E_o=1000 МПа и коэффициентом линейного теплового расширения α_o=70×10^-4%/°C, получим, что наличие оболочки существенно увеличивает чувствительность оптического волокна к температуре при измерении сдвига частоты ВРМБ при условии, когда жесткость оболочки превышает

K_o≥344 Н,

что соответствует площади оболочки ≥0,344 кв.мм, и в случае цилиндрической оболочки вокруг расположенного в центре оптического волокна. Это соответствует наружному диаметру оболочки ≥0,674 мм. При этом, деформация такого оптического волокна за счет теплового расширения его оболочки составит:

ε=2,8×10^-3ΔТ.

С учетом того, большинство стандартных оптических волокон допускают растяжение в процессе эксплуатации до 0,2% без риска повреждения [URL: http://www.specialtyphotonics.com/about/white_papers/Fiber%20Strength-rev21%282%29.pdf, дата обращения 05/08/2013], то возможно использование такой оболочки в диапазоне температур 71°C, в котором оболочка вызовет деформацию оптического волокна не более 0,2% и, следовательно, не приведет к риску его повреждения. Для увеличения диапазона рабочих температур возможно использование специальных волокон имеющих герметичное покрытие, например из металла или углерода, которые допускают в процессе эксплуатации большее растяжение без риска повреждения [URL: http://www.specialtyphotonics.com/about/white_papers/Aqueous%20White%20Paper.pdf, дата обращения 05/08/2013].

Изобретение относится к устройствам измерения распределения температуры, в котором оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента, а именно является чувствительным элементом распределенного датчика температуры, в котором используется способ, основанный на явлении вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна (ВРМБ), возникающего в оптическом волокне. Волоконно-оптический сенсор для систем мониторинга распределения температуры на основе регистрации параметров вынужденного рассеяния Мандельштамма-Бриллюэна содержит, по меньшей мере, один оптический модуль, состоящий из трубки, включающей, по меньшей мере, одно, свободно уложенное с ней, кварцевое оптическое волокно. Волокно имеет механически связанную с ним оболочку, а коэффициент продольного линейного теплового расширения оптического волокна в оболочке не менее чем в сорок раз превышает коэффициент линейного теплового расширения кварцевого стекла. Техническим результатом является повышение чувствительности сенсора температуры повышенной чувствительности. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. 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 с ней, кварцевое оптическое волокно, отличающийся тем, что волокно имеет механически связанную с ним оболочку, а коэффициент продольного линейного теплового расширения оптического волокна в оболочке не менее чем в сорок раз превышает коэффициент линейного теплового расширения кварцевого стекла.

2. Сенсор по п.1, отличающийся тем, оптические волокна содержат дополнительное герметичное покрытие из углерода или металла.

3. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что оптический модуль находится в скрутке.

4. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что имеет армирующее покрытие и наружную защитную полимерную оболочку.

5. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что свободное пространство в оптических модулях заполнено гидрофобным заполнителем.

6. Сенсор по п.1, отличающийся тем, что трубка оптического модуля выполнена из полибутилентерефталата или из стали.