Оптико-волоконный кабель для распределенного мониторинга изменения формы протяженных объектов Российский патент 2024 года по МПК G02B6/44 G01L1/24 G01B11/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в конструкциях в качестве кабеля-датчика.

Известен комбинированный датчик деформации и температуры SMARTprofile II, который предназначен для мониторинга распределенной деформации (средней деформации) и температуры (средней температуры) на больших расстояниях с использованием технологий BOTDR/BOTDA (рассеяние Бриллюэна) и ROTDR (комбинационное рассеяние света).

Небольшой размер профиля облегчает транспортировку и установку датчика путем встраивания в бетон или раствор, склеивания или зажима. Однако этот датчик не обладает достаточной стойкостью к внешним механическим воздействиям и требует организации защиты при монтаже на поверхности измеряемого объекта. Датчик SMARTprofile II предназначен для использования в гражданских, геотехнических и нефтегазовых системах. Однако этот датчик нельзя использовать ни в условиях экстремальных температур, ни в условиях воздействия агрессивных химических веществ, а также не рекомендуется его устанавливать в условиях постоянного УФ-излучения (например, солнечного света) без дополнительной крышки или защиты из алюминиевой ленты; также недостатком данной конструкции является то, что датчик не может быть использован как контроль формы в трех плоскостях.

Задачей, на реализацию которой направлено данное техническое решение, является использование датчика контроля формы в трех плоскостях, стойкого к внешним механическим воздействиям и не требующего дополнительной защиты (лотков или труб).

Техническим результатом данного решения является: одновременное измерение различных параметров, все виды распределенного мониторинга (DTS, DAS, DSS) в одной конструкции, компактный и легкий кабель, полностью диэлектрический с повышенной чувствительностью к акустическим воздействиям.

Для решения поставленной задачи конструкция волоконно-оптического кабеля содержит центральный оптический модуль с гидрофобным заполнителем, буферное покрытие, стеклопластик, промежуточную оболочку, рипкорд, наружную оболочку с оребрением.

Волоконно-оптический кабель предназначен для передачи информационного сигнала в качестве кабеля для специального монтажа, прокладываемого только вдоль измеряемого объекта.

Изобретение иллюстрируется чертежом. При изготовлении кабеля используют известные материалы, выпускаемые в промышленном масштабе.

Представленная конструкция оптико-волоконного кабеля содержит: 1 - центральный оптический модуль с гидрофобным заполнителем, 2 - буферное покрытие, 3 - стеклопластик, 4 - промежуточную оболочку, 5 - рипкорд, 6 - наружную оболочку с оребрением по двум сторонам для лучшего сцепления с деформируемым объектом.

Оптико-волоконный кабель производства ООО «ИНКАБ» может быть использован как датчик температуры, деформации, а также может быть использован для контроля формы в 3-х плоскостях.

Оптико-волоконный кабель прокладывается обязательно синим буфером кверху, так по каждому из буферов специалист понимает, в какой плоскости происходит изгиб, цвет позволяет контролировать расположение буферов относительно измеряемого объекта.

В ООО «ИНКАБ» изготовлена опытная партия кабеля, которая успешно прошла стендовые испытания, показав более высокую стойкость к механическим воздействиям при компактных геометрических размерах. Все операции выполняются на стандартном оборудовании, применяемом для изготовления кабелей, при этом производятся измерения вертикального и горизонтального смещения по всей длине датчика, а также регулируемая геометрия для оптимизации чувствительности для конкретного проекта, т.е. геометрические размеры и форма кабеля могут быть изменены под конкретный проект. Влияние датчика на контролируемую среду (незначительная жесткость) - это устойчивость к условиям окружающей среды, включая электромагнитные поля и удары молний. Производится структурный мониторинг состояния инженерных сооружений, а также геологическое и гидротехническое проектирование (например, шламовые и подпорные стены, сваи, бетонные колонны, плотины, насыпи, линейные сооружения: дороги и мосты, туннели, железнодорожные пути, трубопроводы и др., оползневые и горнодобывающие районы). Применение датчиков формы DFOS для мониторинга работоспособности реальных инженерных сооружений позволяет измерять перемещения по всей длине, при этом главное - использовать точные и надежные датчики. Благодаря своей незначительной жесткости 3D-сенсор позволяет определять плоскость скольжения, не влияя на структуру грунта, что может повлиять на анализ и привести к неправильной интерпретации данных.

DAS (Distributed Acoustic Sensinsing) - это распределенный (протяженный) датчик акустических колебаний, которым является само оптическое волокно. Волокно фиксирует все акустические колебания, происходящие в окружающей среде.

Количество такого датчика - это комбинация пространственного разрешения, расстояния и длительности импульса. Современные системы могут работать на расстоянии до 80 км. Объединение нескольких приборов в единую сеть позволяет создавать тысячи километров мониторинга.

DTS (Distributed Temperature Sensing) - это распределенный (протяженный) датчик температуры, которым является само оптическое волокно.

Диапазон расстояний для обычного одномодового волокна составляет до 100 км с пространственным разрешением от 1 до 5 метров и точностью измерения менее 1 градуса С, время измерения при этом составляет от 2 до 30 минут.

DSS (Distributed Strain Sensing) - это распределенный (протяженный) датчик деформации (тензодатчик), при этом используется стандартное одномодовое волокно и рассеяние Бриллюэна. Когда изменяется напряжение волокна, то происходит сдвиг частоты Бриллюэна, который может быть зафиксирован. При этом достигается пространственное разрешение около 1 метра на расстоянии до 65 км и регистрации напряжений менее 0,001%.

Волоконно-оптический кабель в распределенных системах мониторинга является линейным датчиком. Кабель в таких системах используется как непрерывный распределенный чувствительный элемент на всем протяжении. Волоконно-оптический кабель (также оптоволоконный или оптико-волоконный кабель) - кабель на основе волоконных световодов, предназначен для передачи оптических сигналов в линиях связи в виде фотонов (света). Скорость передачи меньше скорости света из-за не прямолинейности.

Оптическое волокно - чувствительный элемент системы - может использоваться как канал передачи данных и как датчик, при этом оптическое волокно не нуждается в питании и устойчиво к электромагнитным воздействиям, а также обладает следующими свойствами: распределенностью и непрерывностью измерений, при этом оптические волокна не переносят разнонаправленные деформации при изгибе кабеля. Кабель и датчик в одном устройстве, при этом малые габариты кабеля позволяют его размещать в труднодоступных местах для измерения различных параметров.

При изготовлении кабеля используют известные материалы, выпускаемые в промышленном масштабе.

Оптико-волоконный кабель для распределенного мониторинга изменения формы протяженных объектов содержит:

1. оптические волокна;

2. силовые элементы в общей полимерной или металлической оболочке;

3. наружную оболочку с оребрением по двум сторонам, при этом два оптических волокна находятся по меньшей мере в каждой плоскости кабеля;

4. кабель дополнительно содержит одно или несколько оптических волокон, которые уложены свободно и не претерпевают деформации при изгибах кабеля.

Изобретение относится к конструкции оптико-волоконного кабеля, который может быть использован в качестве кабеля-датчика. Технический результат заключается в обеспечении возможности использования датчика контроля формы в трех плоскостях, стойкого к внешним механическим воздействиям и не требующего дополнительной защиты. Технический результат достигается за счет того, что оптико-волоконный кабель содержит оптические волокна, силовые элементы в общей полимерной или металлической оболочке и наружную оболочку. Наружная оболочка выполнена с оребрением по двум сторонам. При этом два оптических волокна находятся по меньшей мере в каждой плоскости кабеля. Кабель дополнительно содержит одно или несколько оптических волокон, которые уложены свободно и не претерпевают деформации при изгибах кабеля. 1 ил.

Оптико-волоконный кабель для распределенного мониторинга изменения формы протяженных объектов содержит: оптические волокна, силовые элементы в общей полимерной или металлической оболочке, наружную оболочку, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена с оребрением по двум сторонам, при этом два оптических волокна находятся по меньшей мере в каждой плоскости кабеля, кабель дополнительно содержит одно или несколько оптических волокон, которые уложены свободно и не претерпевают деформации при изгибах кабеля.