РАСПРЕДЕЛЕННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

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 - 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].