Волоконно-оптическое устройство сбора цифровой информации от пространственно разнесенных электрических датчиков Российский патент 2025 года по МПК G01D5/353 

Изобретение относится к информационным системам и может быть применено в комплексах охраны объектов, катодной защиты трубопроводов, пожарной сигнализации, определения концентрации газов и иных сферах деятельности.

Сбор информации от пространственно разнесенных датчиков первичной информации традиционно осуществляется с помощью электрических кабельных линий. В современном варианте такие линии представляют собой шлейф, одновременно питающий датчики (например, пожарные извещатели) и служащий средой передачи информации, например, к приемо-контрольному прибору (в случае пожарно-охранной сигнализации) (В.Г. Синилов «Системы охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации». М.: Издательский центр "Академия" (2014), стр. 233-236). Датчики могут быть безадресными или (в более поздних разработках) адресными. Недостатками такого способа являются: ограниченная дальность действия, высокая вероятность ложных срабатываний в условиях электромагнитных помех.

Известен также способ сбора информации от пространственно разнесенных датчиков по радиоканалу (см., например, патенты США 7973669 (2011), 9860360 (2018)). В России производится внутриобъектовая радиосистема СТРЕЛЕЦ®, предназначенная для организации радиоканальной охранно-пожарной, адресно-аналоговой пожарной сигнализации и системы оповещения. Система позволяет опрашивать до 512 радиоизвещателей и технологических детекторов, находящихся в зоне радиовидимости. Недостатки этого способа те же. В частности, при использовании диапазона УКВ необходимо обеспечить прямую видимость между источником и приемником сигнала, что ограничивает дальность действия. Система СТРЕЛЕЦ обеспечивает дальность действия до 1000 м. Система, кроме того, не может работать при подземной установке датчиков и в иных условиях, препятствующих распространению радиоволн.

Информация от отдельных датчиков может передаваться по волоконно-оптической сети той или иной топологии (см., например, заявку на полезную модель №2014143134/08 (2014)). В этом случае обеспечивается электромагнитная защищенность и возможность разнесения датчиков (при использовании современных оптических волокон с малыми потерями) на десятки и сотни километров. Однако для каждого датчика необходимо обеспечить собственный канал связи, организуемый либо с использованием многоволоконных оптических кабелей, либо с уплотнением по длине волны, либо с применением тех или иных концентраторов, требующих электрического питания. Такая система сложна в монтаже и эксплуатации, а в условиях отсутствия стационарного электрического питания реализация ее затруднительна.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение по патенту РФ №2746176 (2021), соответствующее способу сбора информации от пространственно разнесенных источников информации (датчиков), включающий в себя подключение волоконно-оптического кабеля к когерентному рефлектометру, установку на оптический кабель источников звуковых волн (или вибрации), формирование электрического сигнала, соответствующего передаваемой информации от каждого датчика, подачу этого сигнала на указанный источник звуковых волн (или вибрации), распознавание упомянутых звуковых колебаний (или вибраций) когерентным рефлектометром. Конструктивно одно из волокон в оптическом кабеле подключается к фазочувствительному когерентному оптическому рефлектометру (например, по патенту РФ №2477838 (2013), информация о состоянии того или иного датчика преобразуется в акустический (или вибрационный) сигнал, воздействующий посредством специально установленных на кабель источников вибраций или низкочастотных звуковых волн на отрезок оптического кабеля, адресная информация извлекается по известной задержке рассеянного оптического импульса относительно зондирующего импульса. Передаваемая информация может кодироваться любым из известных способов (частотная модуляция, импульсно-кодовая и пр.). Использование когерентного импульсного рефлектометра позволяет обеспечить дальность действия до 40 км (или до 100 км при использовании оптических усилителей) и более тысячи независимых каналов получения информации. Достоинством указанного технического решения является отсутствие необходимости разделки оптического кабеля, который, как правило, содержит оболочку и силовые элементы.

Недостатком описанного технического решения является ограничение скорости передачи информации, обусловленное амплитудно-частотной акустической характеристикой оптического кабеля и источника вибраций (звука), составляющее единицы бит/с.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении сбора информации с использованием волоконной оптики и когерентного рефлектометра от пространственно разнесенных на произвольные расстояния (от единиц метров до десятков км) датчиков первичной информации (в общем случае разнородных, таких, как информация о концентрации веществ, температуре, влажности и пр.) со значительной скоростью, типично составляющей единицы и десятки килобит в секунду (в зависимости от общей длины трассы).

Технический результат достигается тем, что одно из волокон в оптическом кабеле подключается к фазочувствительному когерентному оптическому рефлектометру (например, по патенту РФ №2477838 (2013)), информация о показаниях того или иного датчика первичной информации преобразуется в цифровую посылку в форме электрического сигнала, который управляет оптическим фазовым модулятором, встроенным в оптическое волокно (в разрыв волокна). При этом обязательно использование когерентного рефлектометра с восстановлением фазы и знака воздействия для получения неискаженной и однозначной информации. Фазовый модулятор предполагается быстродействующим, например, интегрально-оптическим или на основе пьезокерамики, а также магнитооптическим или на базе магнитострикционного эффекта.

Интегрально-оптический модулятор представляет собой полосковую структуру на подложке с подведенными для управления электродами. Для использования в волоконно-оптических устройствах полосок стыкуется с одномодовыми волокнами. Достаточная модуляция фазы обеспечивается напряжением в единицы вольт. Для обеспечения работоспособности на интересующих нас частотах потребная электрическая мощность составляет микроватты.

Пьезоэлектрический фазовый модулятор представляет собой пьезокерамический цилиндр или пластину произвольной формы, жестко связанную с оптическим волокном. При подаче на пьезокерамику электрического напряжения происходит ее деформация с соответствующим удлинением или укорочением волокна. Это приводит к формированию в волокне фазового сдвига. На интересующих нас частотах пьезоэлектрический модулятор требует до десятков мкВт электрической мощности в момент передачи кодовой посылки.

Низкое энергопотребление фазовых модуляторов дает возможность использовать их в устройствах с автономным питанием от гальванических элементов.

После восстановления истинного сигнала от каждого датчика когерентным оптическим рефлектометром этот цифровой сигнал содержит ту же информацию, что подается на фазовые модуляторы от источников информации (датчиков). Адресность информации достигается за счет самого принципа рефлектометрии с временным разрешением (сигнал с более удаленных датчиков приходит с большей задержкой).

Указанные фазовые модуляторы могут устанавливаться в разрывы оптического волокна последовательно на расстояниях, не меньших пространственного разрешения рефлектометра (типично более 10 м). Количество используемых модуляторов может составлять десятки на каждом километре оптического кабеля.

Использование предложенного устройства позволяет создавать сложные информационные комплексы, когда требуется сбор информации от относительно низкочастотных датчиков. Наибольший эффект может быть достигнут при значительном пространственном разнесении источников информации. В частности, подобная ситуация характерна для систем диагностики магистральных трубопроводов, где общая протяженность контролируемой трассы измеряется десятками километров, а группы датчиков расположены в сотнях метров или километрах друг от друга. Предельное число фазовых модуляторов определяется общей длиной волоконно-оптической линии и пространственным разрешением когерентного рефлектометра. При этом необходимо исходить из того, что фазовые модуляторы должны располагаться на расстоянии, отсчитываемом по длине оптического волокна, не менее указанного пространственного разрешения рефлектометра.

На Рис. 1 показана схема устройства. Оно содержит когерентный оптический рефлектометр 1, отрезки оптического кабеля 2, фазовые модуляторы 3, источники информации 4. Оптический кабель 2 присоединен к выходу когерентного рефлектометра 1, а фазовые модуляторы 3 включены в разрыв волокна оптического кабеля. В типичном случае оптический кабель 2 содержит по меньшей мере одно оптическое волокно, о также силовые и герметизирующие элементы. Поэтому подключение фазового модулятора, как правило, требует разделки кабеля с извлечением для сварки или иного соединения оптических волокон кабеля и модулятора. Каждый из фазовых модуляторов 3 связан электрически с источниками информации 4.

Устройство работает следующим образом. Когерентный рефлектометр 1 с восстановлением фазы акустического сигнала формирует оптические зондирующие импульсы, которые поступают в волокно оптического кабеля 2. Эти импульсы испытывают рэлеевское рассеяние в направлении назад, рассеянное излучение поступает обратно в рефлектометр, где на основе его анализа восстанавливается оптическое фазовое распределение на каждом элементарном участке, определяемом пространственным разрешением прибора. Если элементарный участок соответствует координате установки фазового модулятора 3, то на соответствующей координате возникает сигнал, пропорциональный задаваемому модулятором фазовому сдвигу. Получаемый при этом сигнал, преимущественно имеющий цифровую форму, соответствует электрическому сигналу, полученному от источника информации 4. Поскольку фазочувствительный рефлектометр распознает знак воздействия, в устройстве могут передаваться двуполярные коды, например, Manchester II. Источник цифровой информации может быть выполнен в виде концентратора данных от произвольного числа датчиков, в том числе разнотипных.

Авторами выполнен эксперимент, в котором в разрыв оптического волокна длиной 10 км на расстоянии 9900 м был установлен пьезокерамический фазовый модулятор. Волокно подключалось к когерентному рефлектометру ВОСК-А разработки ООО «Петрофайбер», обладающему свойством восстановления истинной фазы акустических сигналов. Результаты эксперимента иллюстрируются фиг. 2, где на фиг. 2 а показан исходный цифровой сигнал, подаваемый на фазовый модулятор, а на фиг. 2 б - сигнал восстановленной фазы с выхода когерентного рефлектометра. Качество последнего сигнала достаточно для безошибочного восстановления цифровой посылки. 10-битная посылка передается за 10 мс, таким образом, показана скорость передачи данных около 1 кбит/с.

Использование предложенного устройства позволяет создавать сложные информационные комплексы, когда требуется сбор информации от относительно низкочастотных датчиков. Наибольший эффект может быть достигнут при значительном пространственном разнесении источников информации. В частности, подобная ситуация характерна для систем диагностики магистральных трубопроводов, где общая протяженность контролируемой трассы измеряется десятками километров, а группы датчиков расположены в сотнях метров или километрах друг от друга. При этом датчики могут быть разнотипными, измеряющими концентрацию газов, катодный потенциал электрохимической защиты, контроль доступа и т.п.). Низкое энергопотребление обеспечивает возможность автономного питания от гальванических источников длительное время, измеряемое годами.

Изобретение относится к информационным системам и может быть применено в комплексах охраны объектов, катодной защиты трубопроводов, пожарной сигнализации, определения концентрации газов и иных сферах деятельности. Устройство сбора цифровой информации от пространственно разнесенных электрических датчиков содержит фазочувствительный когерентный рефлектометр, оптический кабель, включающий по меньшей мере одно оптическое волокно, оптические фазовые модуляторы по числу опрашиваемых источников цифровой информации и связанные с ними электрически указанные источники информации, причем оптические фазовые модуляторы монтируются в разрывы оптического кабеля. Технический результат - обеспечение сбора цифровой информации от множества электрических датчиков, в том числе с автономным питанием, с использованием одного оптического волокна с высокой скоростью. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волоконно-оптическое устройство сбора цифровой информации от пространственно разнесенных электрических датчиков, содержащее фазочувствительный когерентный рефлектометр, оптический кабель, включающий по меньшей мере одно оптическое волокно, оптические фазовые модуляторы по числу опрашиваемых источников цифровой информации и связанные с ними электрически указанные источники информации, причем оптические фазовые модуляторы монтируются в разрывы оптического кабеля.

2. Устройство по п. 1, в котором источник цифровой информации выполнен в виде концентратора данных от произвольного числа датчиков.

3. Устройство по п. 1, в котором оптические фазовые модуляторы монтируются в разрывы оптического кабеля на расстояниях, отсчитываемых по длине оптического волокна, не меньших, чем пространственное разрешение когерентного рефлектометра.