Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий

Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассмотрены современные волоконно-оптические датчики и измерительные системы контроля объектов в тяжелых условиях эксплуатации в разных областях применения.

Введение

Условия окружающей и контролируемой сред, в которых один или несколько внешних воздействующих факторов — радиация, температура, электромагнитное поле, агрессивность, влажность, давление, деформация — имеют предельно возможные постоянные значения, принято считать экстремальными.

В таких условиях работают первичные преобразователи систем управления опасными технологическими процессами (нефтедобыча, транспортировка и переработка нефти и газа, выработка атомной энергии, хранение радиоактивных отходов), систем мониторинга и диагностики сложных строительно-инженерных сооружений (плотин, мостов, шахт и т. п.) и систем управления военными и чрезвычайными ситуациями.

Стандартные электронные датчики (ЭД) применяются в экстремальных условиях, однако они восприимчивы к электромагнитным излучениям (шумы и помехи в измерительном сигнале), не применимы в условиях высоких напряжений без специальной защиты, и большинство материалов электроники накладывают ограничение на температурный диапазон работы до +200 °С и радиационный диапазон до нескольких кГр (1 Гр = 100 рад ). ЭД имеют существенные недостатки:

  • требуют электропитания и зазем­ления в зоне измерений и, соответственно, взрыво- и пожаробезопасного исполнения;
  • требуют совмещенной конструкции чувствительного элемента и электронного преобразователя в жестких радиационных и климатических условиях зоны измерений;
  • принцип совмещенного построения не позволяет разнести чувствительный элемент и электронный блок на расстояние более нескольких метров;
  • неспособность к самотермокомпенсации и самокалибровке, поскольку ЭД принципиально являются одноканальными преобразователями физической величины в электрический сигнал.

Н

Сравнение свойств кварцевого стекла и нержавеющей стали

Рис. 1. Сравнение свойств кварцевого стекла и нержавеющей стали

аиболее полным и перспективным техническим решением для экстремальных условий эксплуатации является использование оптических принципов измерений, на которых основаны волоконно-оптические датчики (ВОД). Использование кварцевого стекла в качестве материала для ВОД и измерительных линий связи является эффективным решением как по механическим свойствам, так и по свойствам радиационной стойкости оптических кварцевых волокон (рис. 1).

ВОД имеют следующие, обусловленные их физической природой, преимущества:

  • абсолютная взрывопожаробезопасность;
  • радиационная стойкость;
  • устойчивость практически ко всем горючим и агрессивным средам;
  • помехозащищенность от электромагнитных воздействий;
  • полная оптическая гальваническая развязка с электронной аппаратурой;
  • расширенный диапазон рабочих температур;
  • высокая механическая прочность и надежность;
  • распределенные, многодатчиковые измерения;
  • высокое быстродействие;
  • длительный срок службы;
  • малые габариты и гибкость;
  • мультиплексирование большого массива датчиков одного оптоволокна.

 

Радиация

Отсутствие электропитания в месте расположения ВОД не препятствует осуществлять с их помощью непрерывный дистанционный мониторинг опасных объектов, например атомных станций, в аварийных запроектных ситуациях. Известные события на японской АЭС «Фукусима–1» в 2011 г. были характерны тем, что в течение двух недель, когда АЭС была полностью обесточена, отсутствовала информация от электронных датчиков, которая была чрезвычайно важна для контроля технического состояния аварийной станции.

Первичные преобразователи (сенсоры) ВОД являются радиационно-стойкими (доза g-радиации до 21 ГГр и плотность потока быстрых нейтронов до 2×1020 нейтрон/см2), пассивными стеклянно-полимерными изоляторами, не требующими электропитания, а их оптико-электронные преобразователи (трансиверы) могут быть поэтому удалены на расстояние до 500 км от атомной станции. Это позволяет уверенно контролировать аварийную АЭС в критический период и вырабатывать решения для экстренных мероприятий по предотвращению развития аварии в ядерную катастрофу [1].

 

Температура

Проблемы контроля с помощью ЭД герметичности баков с жидким водородом, который является топливом современных ракетных двигателей, имеет температуру –253 °С и очень высокую текучесть, обусловлены тем, что при таких температурах большинство материалов становятся очень хрупкими, а чувствительность палладиевых датчиков быстро падает. Проблемным является измерение давления и сухости перегретого пара в газогенераторах и перегретого газа в соплах реактивных двигателей при температуре до +600 °С, поскольку пьезоэлектрические датчики быстро деградируют при температурах выше +300 °С.

Сенсоры современных ВОД физических величин являются теплостойкими (до +2300 °С) и хладостойкими (до –270 °С). Это позволяет надежно и долговременно контролировать техническое состояние высокотемпературных и криогенных объектов.

 

Электромагнитные помехи

Проблемными являются измерения физических величин с помощью ЭД в условиях мощных электромагнитных помех, включая наводки на коаксиальные электрические кабели и сенсоры от грозовых разрядов, в условиях контроля пульса пациента в медицинской установке ядерного магнитного резонанса, равно как и измерения высоких напряжений и больших токов в электротехнике.

Сенсоры ВОД полностью невосприимчивы к электромагнитным помехам и наводкам и являются устойчивыми изоляторами. Это позволяет с высокой точностью (класс 02s) измерять высокие напряжения до 800 кВ и сильные токи до 200 кА.

 

Агрессивные среды

Проблемными для ЭД являются также измерения физических величин химически агрессивных сред, длительные измерения деформации динамически нагружаемых объектов и сооружений, а также многодатчиковые измерения — при количестве точек контроля в несколько сотен и тысяч, поскольку объем измерительных электрических кабелей неприемлемо возрастает.

Сенсоры распределенных ВОД являются в принципе многодатчиковыми: в одном оптическом волокне (оптическом кабеле) могут быть задействованы для измерений физических величин (температуры, деформации, сейсмоакустики, давления, радиации и др.) до 10 тысяч последовательно расположенных внутриволоконных сенсоров. Многоволоконные оптические жгуты позволяют с повышенной точностью выполнять удаленные измерения с помощью скважинных видеокамер, а температурных полей — с помощью пирометров и тепловизоров.

 

Метрологическая калибровка

Серьезной проблемой ЭД, встроенных в объекты (в бетон гидротехнических плотин и мостов, в пилоны и стены высотных зданий и т. п.), является практическая трудность их периодической калибровки (метрологической поверки).

Современные интеллектуальные оптические датчики обладают функцией метрологического самоконтроля (ФМСК) в силу мультимодальности оптического сигнала, что позволяет производить самокалибровку ВОД в реальном масштабе времени без остановки контролируемых процессов и без поверочных эталонов.

В последнее десятилетие реализованы многие варианты подобных применений современных оптических датчиков и систем в экстремальных условиях атомной, нефтегазовой и авиакосмической отраслях, в судостроении, в гидротехнике, в энергетике, в строительных сооружениях, в военных и стихийных чрезвычайных ситуациях [1–3].

Сравнение точностных характеристик и диапазонов измерения ЭД и ВОД для экстремальных условий приведено в таблице.

таблица. Характеристики и диапазоны измерений ЭД и ВОД для экстремальных условийКроме того, долговечность работы ВОД в этих экстремальных условиях создает очевидное преимущество их применения в энергетике, нефтегазовой, аэрокосмической промышленности, строительстве и транспорте в сравнении с неоптическими типами измерительных преобразователей [2].

Таким образом, жесткие условия эксплуатации ВОД, например в скважинах (экстремальные по параметрам, горючие, агрессивные и абразивные среды) или энергетических установках (сверхвысокие токи и разряды, напряжения и поля, значительное ионизирующее излучение), фактически относятся к обычным рабочим условиям волоконно-оптических датчиков.

 

Применение ВОД в ядерной энергетике

В ядерной энергетике ВОД предоставляют уникальную возможность реализации принципа разнесенного (удаленного) измерения (рис. 2), когда волоконно-оптический сенсор 1, находящийся в экстремальных условиях, может быть удален на расстояние в десятки и сотни километров с помощью оптического кабеля 2 от оптико-электронного трансивера (ОЭТ), находящегося в комфортной обстановке аппаратной. В оптическом кабеле между сенсором и трансивером распространяются только оптические сигналы [1].

структурная схема интеллектуального ВОД

Рис. 2. Структурная схема интеллектуального ВОД:
1 — волоконно-оптический сенсор;
2 — оптический кабель;
3 — оптический разветвитель;
4 — оптический излучатель;
5 — перестраиваемый оптический фильтр;
6 — фотоприемники;
7 — микроконтроллер с цифровым интерфейсом

Общий вид интеллектуального ВОД: а) волоконно-оптический сенсор, б) оптико-электронный трансивер

Рис. 3. Общий вид интеллектуального ВОД:
а) волоконно-оптический сенсор,
б) оптико-электронный трансивер

Волоконно-оптический сенсор 1 преобразует измеряемую физическую величину в изменение фазы оптического сигнала, приходящего по оптическому кабелю 2 через оптический разветвитель 3 от оптического излучателя 4. — волоконно-оптического интерферометра Фабри–Перо, — модулируется по фазе в сенсоре, образуя информационную и опорную составляющие. Опорная составляющая, служащая для нормализации выходного сигнала ВОД, и информационная составляющая, выделяемая оптическим фильтром 5, поступают на фотоприемники 6, преобразуются в электрические сигналы, а микроконтроллер 7 формирует аналоговые (4–20 мА) и цифровые (RS–485) выходные сигналы датчика [1].

Оптический кабель при контроле реакторов АЭС очень эффективно заменяет нежелательные импульсные трубки, поскольку исключаются металлоемкая трубная арматура, механические резонансы до 200 Гц и дополнительная погрешность измерения давления, что важно для перспективных водно-водяных энергетических реакторов типовых, оптимизированных и информатизированных (ВВЭР-ТОИ).

Например, общий вид ВОД давления для АЭС приведен на рис. 3, а на рис. 4 показано подсоединение ВОД к контуру атомного реактора по схеме разнесенного измерения.

ВОД давления для атомных станций (рис. 3) сконструирован так, что обладает свойствами само-термокомпенсации и интеллектуальности. Само-термокомпенсация показаний ВОД давления достигнута материаловедческим способом — подбором кварцевых стекол оптических волокон и оболочки по коэффициенту температурного расширения (КТР). Действительно, выходной сенсорный сигнал ВОД давления Is определяется величиной полости волоконного резонатора Фабри–Перо G при постоянном пике пропускания спектрального оптического фильтра λо = 1300 нм. В диапазоне измеряемых давлений размер полости G изменяется от 20 мкм до 20,3 мкм, то есть на 300 нм. При изменении температуры ΔT измеряемой среды до +600 °С длина полости резонатора Фабри–Перо изменяется на величину 0,1 нм, которая ниже порога разрешения 0,3 нм. То есть ВОД обеспечивает практически полную само-термокомпенсацию измерения давления во всем рабочем диапазоне температур. Эффективное применение измерительных систем мониторинга технического состояния сооружений требует датчиков, встроенных постоянно в структуры — в бетонные, композитные, или сваренных с металлическими оболочками объектов. Такие закладные датчики невозможно калибровать (поверять) способами традиционной метрологии эталонов в лабораториях, так как они являются не снимаемыми в течение всего срока эксплуатации объектов (несколько десятков лет). Проблема калибровки решается путем интеллектуализации измерений, то есть применением интеллектуальных датчиков.

Интеллектуальным измерительным датчиком является адаптивный датчик с функцией метрологического самоконтроля (ФМСК), осуществляемой им в процессе непрерывной эксплуатации [4]. Построение интеллектуальных датчиков нового поколения предполагает наличие у них минимальной структурной и/или максимальной информационной избыточности.

Схема подсоединения ВОД к контуру атомного реактора ВВЭР-ТОИ

Рис. 4. Схема подсоединения ВОД к контуру атомного реактора ВВЭР-ТОИ

ВОД физических величин формируют мультимодальный выходной сигнал U, зависящий, по меньшей мере, от двух параметров датчика. Например, у датчика на волоконном интерферометре Фабри–Перо выходной сигнал Is зависит от изменения как длины оптического резонатора G, так и длины волны λ0:Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий

где I0 — начальная интенсивность света, поступающая в волоконный интерферометр Фабри–Перо. Выходной сигнал такого ВОД в соответствии с уравнением (1) обладает информационной избыточностью, поскольку изменяется как в зависимости от изменения длины полости резонатора ΔG, вызываемого давлением, так и в зависимости от λоизменения центральной оптической длины волны когерентного сенсорного канала Δλ0, обеспечиваемого, например, перестраиваемым спектральным фильтром, как конкретно показано на рис. 5.

5. Зависимость изменения выходного сигнала ВОД от длины полости резонатора DG и от центральной оптической длины волны когерентного сенсорного канала Dl0, обеспечиваемого перестраиваемым спектральным фильтром

Рис. 5. Зависимость изменения выходного сигнала ВОД от длины полости резонатора DG и от центральной оптической длины волны когерентного сенсорного канала Dl0, обеспечиваемого перестраиваемым спектральным фильтром

Очевидно, что интеллектуальные ВОД имеют информационную избыточность: зависимость изменения выходного сигнала Us как от изменения внешней измеряемой физической величины G, так и от изменения длины волны оптического излучения λ0. Структурная избыточность интеллектуальных ВОД предельно минимальна и сводится к применению вместо стандартных стабилизированных стандартных перестраиваемых оптоэлектронных элементов (оптических излучателей или оптических фильтров).

Алгоритмы реализации интеллектуальных ВОД сводятся к быстрому (микросекундному) периодическому изменению параметра оптического излучения при условии временного постоянства измеряемой физической величины и получению текущей калибровочной характеристики ВОД, сличению ее с хранимой в памяти микроконтроллера калибровочной характеристикой, полученной при заводской поверке ВОД, и при выявлении отличия — к изменению калибровочных коэффициентов [5].

Интеллектуальные ВОД позволяют:

  • Отдалить ВОД на расстояние до 500 км с помощью протяженного оптического кабеля от электронного блока, то есть на объекте в экстремальных условиях находятся встроенные ВОД, а в аппаратной системы управления, в комфортных условиях, находится электронный блок регистрации.
  • Установить на объекте множество ВОД в одном оптическом волокне, которые опрашиваются оптическими импульсами, приходящими отражающимися от датчиков и возвращающимися по оптическому кабелю в оптоэлектронный трансивер-регистратор. Разделение сигналов от каждого ВОД производится либо в спектральной области (каждому датчику соответствует своя длина волны максимума отражения, положение которой прямо пропорционально величине измеряемого параметра), либо во временной области (от каждого датчика оптический сигнал приходит с определенной задержкой).

В многодатчиковых системах мониторинга (при числе датчиков более 1000 в одном волокне) применяется комбинированный способ разделения: спектрально-временной.

Поскольку каждый ВОД системы мониторинга имеет свою спектрально-временную «метку» и их установка на объекте фиксирована, то их точное местоположение на объекте определяется системой автоматически.

 

Области применения

Нефтедобыча

Применение оптических датчиков в нефтяной отрасли позволяет создавать волоконно-оптические системы мониторинга (ВОСМ) нефтедобывающего оборудования, строить интеллектуальные скважины и месторождения. Состав ВОСМ приведен на рис. 6.

Рис. 6. Состав ВОСМ для телеметрии нефтяной скважины: а) установка телеметрии и управления нефтяной скважины; б) и в) сенсорный электро-оптический кабель системы мониторинга: 1 — силовые жилы; 2 — сенсорные оптические жилы; 3 — изоляция силовых жил; 4 — бронированная оболочка

Рис. 6. Состав ВОСМ для телеметрии нефтяной скважины:
а) установка телеметрии и управления нефтяной скважины;
б) и в) сенсорный электро-оптический кабель системы мониторинга:
1 — силовые жилы;
2 — сенсорные оптические жилы;
3 — изоляция силовых жил;
4 — бронированная оболочка

Интеллектуальная скважина — адаптивная система повышения среднего дебита нефтяной скважины и продления срока службы насоса путем дистанционного управления погружным оборудованием, притоками из отдельных продуктивных пластов и ответвлений, на основе непрерывных измерений параметров оборудования, среды забоя и пластов в реальном масштабе времени.

В мировой практике механизированной добычи нефти адаптивное управление скоростью работы насоса в зависимости от забойного давления и внутрискважинными потоками из пластов в зависимости от их обводненности и состава, на основании текущей информации от ВОД системы мониторинга скважины, например в нефтяных компаниях Weatherford, Norsk Hydro, Chevron и др., позволило построить несколько тысяч устойчивых и высоконадежных интеллектуальных скважин.

Изъятие с нефтяной скважины активной электроники путем замены на постоянные установленные пассивные ВОД — путь к повышенной надежности и увеличению срока службы нефтедобывающего оборудования. Непрерывный мониторинг параметров нефтяных скважин, погружных насосов и управление оборудованием — путь к поддержанию адаптивной оптимизации добычи нефти, то есть к снижению удельных затрат, повышению коэффициента извлекаемости нефти от 0,28 до 0,56 и рост среднего дебита нефтяных скважин.

Структура нефтяной скважины с ВОСМ

Рис. 7. Структура нефтяной скважины с ВОСМ

 Очень высокой оценивается эффективность применения интеллектуальных ВОСМ на нефтяных месторождениях Крайнего Севера и арктического шельфа [3].

Транспортировка газа

Применение ВОД деформации, давления, температуры и коррозии для мониторинга и упреждающей диагностики фактического технического состояния газопроводов позволяет эффективно объединить традиционные методы сопротивления материалов с новыми информационно-измерительными технологиями, которые позволяют круглосуточно, всепогодно и помехоустойчиво формировать оперативные данные о техническом состоянии трубопроводной обвязки компрессорных станций, что позволяет определить остаточный ресурс участков трубопроводов и свести к минимуму затраты на его обслуживание и ремонт газотранспортной системы.

В качестве ВОД деформации используется специальное оптоволокно с дифракционными решетками для измерения воздействия нагрузок в диапазоне –50 000 – +50 000 млн–1 с разрешением на 0,5 млн–1.

 Состав ВОСМ для газовых трубопроводов: а) точечно приваренные ВОД деформации; б) инсталляция ВОД на трубопроводную обвязку газокомпрессорной станции «Северного потока»; в) оптико-электронный трансивер и регистратор ВОСМ

Рис. 8. Состав ВОСМ для газовых трубопроводов:
а) точечно приваренные ВОД деформации;
б) инсталляция ВОД на трубопроводную обвязку газокомпрессорной станции «Северного потока»;
в) оптико-электронный трансивер и регистратор ВОСМ

Опыт применения ВОД в газовой отрасли России показал, что наиболее важные преимущества ВОСМ — высокая устойчивость к электромагнитным помехам и удаленный постоянный доступ к множеству датчиков — позволяют уменьшить коэффициент аварийности (количество аварий на 1000 км трубопроводов в год) от 2,0 до 0,8%.

Хранение отработанного ядерного топлива

Отработанное ядерное топливо (ОЯТ), из-за его высокой потенциальной опасности, требует осторожного обращения в течение всего ядерного топливного цикла — от производства до окончательного захоронения. Долгосрочная эффективность, низкие эксплуатационные расходы, надежность функционирования с высокой точностью и устойчивостью к различным механическим и геохимическим воздействиям в радиационной обстановке являются основными требованиями систем мониторинга хранилищ ОЯТ. Ряд параметров, важных для безопасности хранилища ОЯТ, можно контролировать с помощью оптических датчиков. Сенсоры для измерения деформации, смещения, температуры и появления воды вместе с системой мультиплексирования и сбора данных устанавливают на глубине до 1000 м, где рабочая температура составляет около +40 °C. Конфигурация экспериментальной ВОСМ хранилища ОЯТ приведена на рис. 9. Полная функциональная схема ВОСМ хранилища ОЯТ показана на рис. 10. На рис. 11 представлена волоконная сенсорная сеть для мониторинга хранилища ОЯТ.

Общая конфигурация ВОСМ хранилища ОЯТ

Рис. 9. Общая конфигурация ВОСМ хранилища ОЯТ

В трех скважинах размещены датчики деформации, температуры и обнаружения воды, в то время как датчики смещения закреплены вокруг поперечного сечения выработки для контроля изменения геометрии полости. Все измеренные данные собираются так называемым сенсорным сервером через соответствующий блок мультиплексирования. Сенсорный сервер может быть подключен к шине передачи данных в цифровых выходных файлах для загрузки пользователем.

Функциональная схема ВОСМ хранилища ОЯТ

Рис. 10. Функциональная схема ВОСМ хранилища ОЯТ

Мониторинг полостей деформации по представленным сечениям является основой для оценки эксплуатационной безопасности хранилища ОЯТ. Одновременно осуществляется контроль изменений температуры в разных местах, для проверки данных моделирования материалов пород хранилища на основе термомеханических уравнений.

Волоконная сенсорная сеть для мониторинга хранилища ОЯТ

Рис. 11. Волоконная сенсорная сеть для мониторинга хранилища ОЯТ

Мониторинг вредных газов, метана и углекислого газа в солевой среде является важной задачей из-за продолжающихся бурений в период эксплуатации. Таким образом, ВОД газов, по крайней мере для измерения метана и углекислого газа, включены в глобальную систему мониторинга хранилищ ОЯТ [1].

* * *

Интеллектуальные оптические датчики и измерительные системы показали уникальные свойства и характеристики по чувствительности к разным физическим параметрам, устойчивости к тяжелым и суровым средам и способности самокалибровки, что сформировало для них современный рынок использования и делает их наиболее подходящим кандидатом для перспективных применений в экстремальных условиях.

Мировыми производителями ВОД для энергетики являются компании Siemens, ABB, Roctest, для нефтегазовой отрасли — Weterford, Backer Hughes, Halliburton, Schlumberger и российские предприятия «Омега», «Оптолинк», «Интел-Системы». Объем рынка продаж ВОД для экстремальных условий, по оценкам маркетинговой компании Frost&Sullivan, в 2012 г. составил около $1,5 млрд и, по прогнозу, к 2017 г. вырастет до $3,2 млрд.

Литература
  1. Buymistryuk G. Y. Radiation-hard and intelligent optical fi ber sensors for nuclear power plants // Nuclear power. ch. 7. InTech. 2011.
  2. Shiach G., Nolan A. Advanced systems for in-well optical fi bre sensing // J. of Physics. 2007. v. 76.
  3. Буймистрюк Г. Я., Мелехов Ю. С., Гулиянц Р. Ц. и др. Мониторинг технического состояния арктического магистрального газопровода // Oil&Gas Journal Россия, 2008. № 6.
  4. ГОСТ Р 8.673-2009 «Датчики и системы измерительные интеллектуальные».
  5. Буймистрюк Г. Я. Принципы построения интеллектуальных волоконно-оптических датчиков // Фотон-Экспресс. 2011. № 6 (43)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *