Применение оборудования для волоконно-оптического мониторинга

Применение волоконно-оптических датчиков в Структурированных системах мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений

Презентация компании

Применение волоконно-оптических датчиков в Структурированных системах мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений

В структурированных системах мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений зачастую возникает вопрос о способах получения информации о состоянии контролируемых объектов. Существующие системы автоматизации и диспетчеризации на объекте не всегда могут предоставить необходимую информацию о состоянии объектов контроля. В этих случаях встает вопрос об использовании в СМИС своих источников информации, которые зачастую приводят к дополнительным материальным затратам. Встает вопрос не только о количестве, качестве, но и о принципе действия датчиков, влияния на них внешних условий, электромагнитной совместимости, охватываемому объему мониторинга.

Принцип действия волоконно-оптических датчиков, варианты их применения, преимущества перед классическими датчиками, пример использования ВОД.

Принцип действия любого волоконно-оптического датчика заключается в изменении входного и выходного сигнала (свет, лазерное излучение) под действием внешних физических величин. Именно по изменению характеристик светового потока внутри волокна можно судить о воздействующих на него физических величинах.
Такими физическими величинами могут быть:

  • давление;
  • температура;
  • ускорение;
  • различные электрические параметры и др.

Само по себе оптическое волокно в таких устройствах является лишь составной частью датчика, обеспечивая прохождение сигнала. Основную же работу выполняют передатчик и приемник, на основе анализа информации с которых и делается вывод об изменении проходящего светового луча. Такие устройства высокотехнологичны, сложны в изготовлении, имеют высокую степень защиты прежде всего от электромагнитного излучения, что в конечном итоге сказывается на конечной стоимости продукта.

Тем не менее, невосприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям делает ВОД чрезвычайно эффективными в условиях промышленных и энергетических объектов, позволяя получать актуальную информацию о контролируемых физических величинах, исключив негативное влияние помех.

Кроме того, немаловажную роль играет и объем, охватываемый одним ВОД. Имеются в виду линейные датчики, осуществляющие контроль и мониторинг физических параметров линейного объекта. Примером такого датчика может служить мониторинг температуры линейного объекта. Определение температуры на всей протяженности объекта ведется на основе эффекта Рамана. В настоящее время существуют готовые системы для реализации этой задачи. Вдоль объекта на всей его протяженности протягивается оптическое волокно. Передатчик генерирует лазерное излучение с определенными характеристиками, которое поступает в приемник, где проводится анализ произошедших в нем изменений. Получившийся результат представляет собой график изменения температуры объекта по всей его длине, а не в конкретных точках, что позволяет выявить критическое отклонение температуры в определенном месте с высокой точностью. Данный способ обладает массой преимуществ по сравнению с классическими методами измерения температур линейных объектов, охватывает объект целиком и с учетом протяженности объекта дает определенный экономический эффект.

Ввиду особенностей функционирования, а также назначения подсистемы СУКС, применение в ее составе не только волоконно-оптических, но и других видов датчиков крайне ограничено. Исходя из этого, рассмотрение подсистемы СУКС в контексте использования ВОД в рамках данной статьи исключается.

Волоконно-оптические датчики в системе сбора данных и передачи сообщений (ССП) СМИС.

Одной из ключевых проблем СМИС является необходимость и целесообразность и/или возможность получения информации из собственных источников (датчиков).
В ССП СМИС существует множество вариантов применения волоконно-оптических датчиков. В зависимости от типа объекта и его оснащенности это может быть измерение давления, температуры, различных электромагнитных характеристик и др.

Камнем преткновения в вопросе применения волоконно-оптических датчиков в ССП СМИС является вопрос оснащенности объекта автоматизированными системами.
Согласно [1] допускается производить мониторинг дестабилизирующих факторов через существующие аппаратно-программные средства объекта, однако сопряжение с комплексами диспетчерского управления производственными процессами, безопасностью и жизнеобеспечением объектов запрещено. Данные положения вносят некоторую неопределенность в процесс разработки СМИС. Перед разработчиком стоит дилемма: с одной стороны сопряжение с комплексами диспетчерского управления запрещено, с другой стороны в 90 процентах случаев недопустимо использовать источники информации, по сути дублирующие существующие аппаратные средства. К тому же не всегда есть возможность внедрения в технологические или другие системы проектируемого объекта. Выходом из данной ситуации является получение информации через существующие аппаратно-программные средства объекта в одностороннем порядке, исключив какие либо воздействия на автоматизированные системы объекта.

Смоделируем ситуацию. Крупный промышленный объект с развитой инфраструктурой автоматизированных систем. Разработчик в своих решениях по оснащению ССП СМИС данного объекта использует волоконно-оптические датчики (с условием возможности и/или необходимости их использования). Стоит заметить, что величина издержек на ВОД значительно выше издержек на аналогичные датчики традиционных принципов действия, однако и качество получаемой информации с данного вида датчиков несравненно выше. В итоге получается, что информация, поступающая с ВОД используется только для нужд ССП СМИС. Логично, что в данном случае использование столь дорогостоящего оборудования в рамках только одной подсистемы экономически нецелесообразно и разработчик зачастую вынужден отказаться от использования ВОД в пользу классических методов сбора информации, одновременно тем самым оптимизируя издержки.

В итоге получается, что перспективы внедрения передовых технологий на объекте и формирование единого информационного поля оказываются невозможными из-за ограничений нормативно-правовой базы. Однако не стоит относиться к этому сугубо отрицательно. Существуют объекты, на которых данное требование критически важно, где производственный процесс чрезвычайно сложен и любое вмешательство в него грозит возникновением чрезвычайной ситуации. В любом случае для каждого конкретного объекта необходим четкий и углубленный анализ возможностей использования конкретного типа оборудования, исключая формальный подход.

Волоконно-оптические датчики в СМИК.

Если для ССП СМИС проблема получения информации из собственных источников более-менее решаема, ввиду присутствия на многих промышленных объектах различных систем высокой степени автоматизации (АСУ ТП и др.), то для СМИК данный вопрос открыт всегда.
Сама структура подсистемы СМИК исключает любое взаимодействие и получение данных из сторонних источников или существующих аппаратно-программных средств объекта.
Обобщенная структурная схема СМИК (без учета специфики конкретного объекта) представлена на рисунке 1 (структурная схема СМИК взята из технического пособия СМИС, разработанного ООО «ЦентрПроектЗащита»).

Исходя из данной структурной схемы можно увидеть, что применение волоконно-оптических датчиков имеет огромные перспективы для нужд СМИК: это различные датчики давления, деформации, нагрузки арматуры, а также волоконно-оптические инклинометры.

Применяемые сегодня датчики имеют стоимость, сравнимую с ценой волоконно-оптических аналогов. Кроме того, неоспоримое преимущество волоконно-оптических датчиков в плане невосприимчивости к электромагнитным воздействиям играет решающую роль в вопросе об их применении.

Другим неоспоримым преимуществом оптического волокна является расстояние, на которое может передаваться информация. Ведь зачастую объектами мониторинга со стороны СМИК являются сложные, массивные и протяженные конструкции, здания, фундаменты. Для организации мониторинга таких объектов могут понадобиться сотни, тысячи точек контроля и измерений, каждая из которых имеет немалую стоимость. Используя волоконно-оптические датчики можно получить непрерывный график состояния объекта на всей его протяженности по той или иной физической характеристике с большой точностью, как по параметру, так и по месту. Охват разнесенных на местности объектов дает неоспоримые преимущества по сравнению с другими типами датчиков, в то же время являясь более простым способом с точки зрения монтажа и организации сбора информации.

Представленный в статье анализ возможностей и вариантов применения волоконно-оптических датчиков в СМИС приведен с целью ознакомления читателя с перспективными принципами получения информации и продвижения идеи широкомасштабного внедрения данных технологий в проектирование не только СМИС, но и любых других информационных и автоматизированных систем.

Кроме того, стоит заметить широкое применение волоконно-оптических датчиков и различных устройств в проектировании и строительстве различных промышленных и гражданских объектов.
Возможно прочитав данный материал, разработчики систем обратят свой взор в сторону перспективных идей и разработок, в том числе и отечественного производства.

Мониторинг ВОЛС (оптического волокна) – выбираем лучшее решение

Мониторинг ВОЛС, или круглосуточный контроль параметров оптического волокна необходим для облегчения процесса эксплуатации оптических линий и обеспечения высокого качества услуг. Профессиональная система мониторинга позволяет:

  • своевременно обнаружить несанкционированный доступ к ВОЛС
  • своевременно определить проблемные места ВОЛС и устранить повреждения еще до того, как они проявят себя
  • максимально быстро отреагировать в случае возникновения аварий
  • избежать длительных периодов не работоспособности линии связи и связанных с этим штрафных санкций
  • создать базу данных рефлектограмм ВОЛС

Мониторинг ВОЛС можно осуществлять несколькими способами:

Ручной способ осуществления мониторинга состояния оптического волокна может выполняться при помощи стандартного оптического рефлектометра, включенного в online режиме измерений.

Наиболее комфортно это организовать на базе профессионального оптического рефлектометра, поддерживающего возможность установки опорной рефлектограммы. Опорная рефлектограмма представляет собой рефлектограмму оптического волокна, снятую в исходном состоянии (когда линия заведомо исправна). На экране оптического рефлектометра будет отображаться эта рефлектограмма и рефлектограмма измеряемой линии. Оператору остается только время от времени смотреть на расхождения в этих рефлектограммах.

Однако такой способ может использоваться только в случае, если контролировать необходимо только одно волокно. Если же необходимо осуществлять мониторинг нескольких волокон одновременно, то между оптическим рефлектометром и линией связи необходимо подключить коммутатор, который через определенные пользователем промежутки времени будет переключаться на следующее волокно. Процесс наблюдения за измерениями в этом случае существенно усложняется, потому как далеко не все рефлектометры могут использовать отдельные опорные рефлектограммы для каждого тестируемого волокна (некоторые модели рефлектометров VIAVI поддерживают установку до 8-ми опорных трасс). Вместе с тем, оператор должен постоянно следить за соответствием опорных и измеряемых рефлектограмм, что весьма непросто. В результате этого, существенно затрудняется своевременное обнаружение аварии, (не говоря уже про быстрое обнаружение места повышения затуханий и отражений в отдельных точках ВОЛС).

Читайте также:  Какой инструмент используется для монтажа медных труб?

Наилучшим решением задач одновременного мониторинга нескольких волокон являются профессиональные системы мониторинга оптического волокна. Они позволяют работать с множеством волокон, причем существует возможность контролировать как темные (на длине волны 1550 нм) так и активные (на длине волны 1625 нм или 1650 нм) оптические волокна. Системы мониторинга ВОЛС снимают и сохраняют в памяти опорные рефлектограммы для всех тестируемых волокон и фиксируют отклонения по затуханию и отражению во всех точках линии. В случае даже небольших отклонений (величина отклонения от опорной рефлектограммы задается пользователем) система мониторинга информирует ответственных инженеров посредством электронной почты, SMS сообщений и сообщения на экран ПК дежурному инженеру.

Панель настройки системы оповещения (более подробно в инструкции по эксплуатации)

Многие системы мониторинга дают возможность удаленного доступа к рефлектограммам и отображают место повреждения на карте местности, что существенно облегчает локализацию и устранение последнего в кратчайшие сроки.

Конструктивно, система мониторинга состоит из:

  • Тестового блока (удаленного блока)
  • Блока управления и обработки результатов
  • Хранилища результатов (некоторые системы мониторинга требуют отдельного сервера, другие имеют встроенный винчестер большой емкости)
  • Блока информирования ответственных специалистов (GSM модуль)

В свою очередь блок тестирования (удаленный блок) может состоять из:

  • Оптического рефлектометра с заданными характеристиками (рабочая длина волны, динамический диапазон)
  • Блока переключателей (для поочередного подключения нескольких волокон к рефлектометру)
  • Блока фильтров, если требуется мониторинг активных волокон и используется рабочая длина волны рефлектометра 1625 нм или 1650 нм

Один удаленный блок способен выполнять мониторинг до 96-ти оптических волокон. Кроме того, система мониторинга может иметь целый каскад удаленных блоков.

Система мониторинга Geozondas 7102 выполнена на базе автономных удаленных блоков (RTU), который включает функциональные возможности тестового блока, системы управления и информирования а также имеет внутреннюю память. Такое решение существенно снижает ее стоимость и повышает надежность. Наиболее выгодно использовать такую систему в сетях с небольшим количеством удаленных блоков.

Конструктивной особенностью системы мониторинга VIAVI ONMSi является централизация управления и наличие сервера. Применение такой системы обусловлено в сетях с большим количеством удаленных блоков.

Видео обзор системы сониторинга VIAVI ONMS

Волоконно-оптическая система ГТМ магистральных трубопроводов для оценки НДС и обнаружения утечек

Назначение

Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) предназначена для непрерывного мониторинга состояния магистральных трубопроводов в режиме реального времени. ВОС ГТМ обеспечивает:- контроль напряженно деформированного состояния трубопровода;- контроль и обнаружение утечек газа;- контроль температурного состояния трубопровода и окружающей среды.

ВОС ГТМ, разработанная ООО «Флагман Гео», предоставляет полный спектр возможностей по измерению, сбору, обработке, хранению, отображению и анализу информации о состоянии трубопровода. Наличие в ВОС ГТМ выходных ОРС серверов позволяет использовать ВОС ГТМ в качестве одной из подсистем в составе единой комплексной системы контроля газопровода.

Структура

ВОС ГТМ имеет центрально-распределенную топологию и состоит из линейных сегментов и единого центра мониторинга и управления.

Структура ВОС ГТМ магистрального трубопровода

Линейные сегменты включают оборудование, устанавливаемое непосредственно на контролируемом участке трубопровода или в непосредственной близости от него, в специально оборудованных помещениях или с использованием объектов инфраструктуры, к которым относятся, крановые узлы. ВОС ГТМ может включать в себя несколько линейных сегментов. Количество линейных сегментов ограничено только возможностями вычислительных средств и каналов связи.

Единый центр мониторинга и управления располагается в удаленном оборудованном офисе.Отдельные задачи единого центра мониторинга и управления могут быть переданы ситуационному центру, центральной диспетчерской или удаленному центру мониторинга.

Единый центр мониторинга и управления связан с линейными сегментами через Интернет или любую другую, в том числе и служебную, сеть TCP/IP.

Функции и состав линейного сегмента ВОС ГТМ

Линейные сегменты предназначены для контроля линейных участков, к которым, как правило, относятся наиболее опасные участки прохождения трубопровода, например, в районах карстовых пустот. Контроль трубопроводов на линейных участках основан на применении технологии распределенных волоконно-оптических сенсоров.Данная технология использует эффект рассеяния когерентного лазерного излучения при прохождении волоконно-оптического кабеля (ВОК). Изменения натяжения, температуры и механических воздействий на ВОК приводят к изменению параметров рассеяния. Установка соответствующего ВОК непосредственно на поверхность трубопровода приводит к тому, что все изменения его параметров передаются непосредственно на ВОК, что создает возможность по параметрам рассеяния определить параметры его состояния газопровода.

Оборудование линейного участка ВОС ГТМ обеспечивает определение следующих параметров состояния трубопровода:

  • напряженно деформированного состояния трубопровода;
  • утечки транспортируемого агента;
  • температурного состояния трубопровода и окружающей среды.

Напряженно-деформированное состояние трубопровода, в соответствии с разработанной ООО «Флагман ГЕО» методикой, определяется двумя способами. Первый основан на измерении деформации поверхности трубопровода и определение параметров НДС в ходе последующей обработки. Второй заключается в анализе реакции поверхности трубы на акустические внешние воздействия и выработке качественной индикаторной оценки уровня состояния НДС трубопровода. Наша методика позволяет классифицировать пять возможных уровней состояния НДС:

  • нормальное состояние;
  • незначительные изменения состояния;
  • значительные изменения состояния;
  • критические изменения состояния;
  • аварийное состояние.

Комплексный анализ двух оценок НДС трубопровода позволяет резко увеличить точность определения параметров состояния трубопровода.

Т емпературное состояние трубопровода определяется на основе анализа стоксовых и антистоксовых компонент Рамановского рассеяния.

Утечки транспортируемого агента определяются с помощью совместного комплексного анализа данных температурного состояния и данных о реакции поверхности трубопровода на акустические внешние воздействия. Определение факта утечки происходит за два этапа. На первом производится диагностика факта утечки и предварительное оценивание параметров утечки. На втором этапе происходит уточнение параметров утечки.

Анализатор «Флагман 3SLTS» является центральным устройством линейного сегмента и обеспечивает выполнение следующих функций:

  • формирование оптических воздействий на волоконно-оптический кабель, необходимых для выполнения измерений;
  • первичное преобразование и измерение обратного рассеянного излучения; – предварительную обработку измеренных величин;
  • выполнение алгоритмов состояния трубопровода;
  • передачу данных в Единый центр мониторинга и управления;
  • управление аппаратурой линейного сегмента;
  • тестирование работоспособности аппаратуры линейного сегмента;
  • управление аппаратурой линейного сегмента.

В качестве волоконно-оптического сенсора используются два волоконно-оптических кабеля: CO-DV8-1 и FL-CO-FTTH4-2. Данные кабели устанавливаются непосредственно на поверхность трубопровода в соответствии с оригинальной методикой, разработанной в ООО «Флагман ГЕО».

Структура Линейного сегмента ВОС ГТМ

Типичный состав линейного сегмента включает следующее оборудование;

  • анализатор «Флагман 3SLTS»;
  • два волоконно-оптических сенсора CO-DV8-1 и FL-CO-FTTH4-2;
  • аппаратуру связи;
  • АРМ оператора – наладчика;
  • специальное программное обеспечение.

Функции и состав Един ого центра монитори нга и управления ВОС ГТМ

Единый центр мониторинга и управления организуется в офисе Заказчика или другом подготовленном помещении. Основой задачей Единого центра является предоставление персоналу Заказчика всех необходимых инструментов для управления оборудованием трубопровода и организацию комфортных условий для работы персонала.

Структура Единого центра мониторинга и управления, разработанная ООО «Флагман ГЕО», организована в виде двух уровней:

  • базовый уровень сбора, обработки и хранения данных мониторинга;
  • верхний уровень анализа данных мониторинга и выработки управляющих решений.
Структура Единого центра мониторинга и управления ВОС ГТМ

В составе каждого конкретного Единого центра мониторинга и управления в соответствии с требованиями Заказчика могут использоваться оба уровня или один базовый. В случае использования одного базового уровня, функции верхнего уровня выполняет автоматизированная система управления Заказчика.

Базовый уровень Единого центра мониторинга и управления осуществляет следующие функции:

  • сбор данных от линейных сегментов;
  • обработку данных;
  • хранение данных в базе данных;
  • предоставление данных системе верхнего уровня;
  • интеграцию подсистем мониторинга сторонних производителей.

Верхний уровень анализа данных мониторинга и выработки управляющих решений, разработанный ООО «Флагман ГЕО», предоставляет комплексную систему контроля состояния трубопровода на основе данных волоконно-оптических сенсоров.Верхний уровень включает:

  • программные модули, реализующие расширенные алгоритмы обработки данных мониторинга;
  • автоматизированные рабочие места операторов;
  • автоматизированные рабочие места экспертов;
  • программные модули управления состоянием оборудования.

Программное обеспечение верхнего уровня позволяет организовывать как локальные рабочие места, так и удаленные рабочие места на основе WEB-интерфейсов.

СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ОВ

ONMSi – Система автоматического мониторинга оптических волокон

Система ONMSi автоматизированного тестирования ВОЛС предназначена для увеличения эффективности удаленного обслуживания сетей.
Функции системы:

  • Мониторинг ВОЛС сети – одномодовый, многомодовый;
  • Мониторинг «темного» и активного волокна;
  • архитектура клиент/сервер;
  • Удаленный мониторинг до 999-и волокон
  • TMN-интерфейс.

Система ONMSi позволяет осуществлять сбор и анализ сведений, поступающих с тестируемых удаленных узлов и проводить на основе полученной информации полную диагностику имеющихся ошибок до прибытия персонала на объект для осуществления ремонта.
В случае развертывания в важнейших точках сети RTU (удаленные модули тестирования) выполняют автоматическое тестирование кабелей и формируют для управляющей системы отчеты о выявленных аварийных состояниях.

Экономия времени, необходимого для выявления и идентификации неполадок

Система ONMSi позволяет выполнять непрерывный и круглосуточный мониторинг ВОЛС комплекса оптико-волоконных кабелей, автоматически предоставляя точное и оперативное уведомление о каждой возникшей в сети проблеме без участия пользователя. Система выявляет и локализует имеющиеся в кабеле ошибки и посылает отчеты, содержащие сведения об аварийных состояниях. Использование системы в среднем сокращает необходимые на обслуживание временные затраты на 30%.

Повышение эффективности мониторинга функционирования оптико-волоконных кабелей
Система AMS формирует отчеты с данными об эксплуатационных характеристиках также для обеспечения соответствия параметров функционирования сети установленным показателям качества.

Совершенствование системы, управляющей кабельной разводкой

Отсутствие полных данных о кабелях ведет к увеличению времени, необходимого для идентификации неисправности, определения ее местонахождения и последующей ликвидации. Входящая в состав системы ONMSi база данных по характеристикам кабелей содержит координаты GPS, наземные ориентиры и может легко обновляться для немедленного отражения изменений, произошедших в кабельной системе и сети.

Дистанционное отслеживание качества прокладки кабелей

ONMSi оптимально подходит для управления процессами по формированию сети и размещению кабелей. Все точные сведения о кабелях могут вноситься в базу данных при инсталляции. Система также может применяться в рабочем режиме «по требованию», при этом из центрального пункта можно отслеживать качество соединений удаленного объекта.
Получаемые с RTU сведения заносятся в центральную базу системы AMS. Обслуживающий персонал может получать точную информацию о местонахождении неисправности и использовать записи о наземных ориентирах и разводке кабелей.
ONMSi допускает интеграцию в общую систему, обеспечивающую сетевое управление. Сведения об аварийном состоянии выдаются системой сервисному координатору с применением интерфейса TMN. Использование комплексной архитектуры вида клиент/сервер обеспечивает возможность гибкого применения системы несколькими операторами.

Читайте также:  Какой чехол лучше выбрать для Айфона

Полная информация по оптоволоконным кабелям

В случае интеграции графического управления ONMSi позволяет упростить документирование сведений, касающихся оптоволокна и усовершенствовать процессы обслуживания. В базе данных могут содержаться данные о разводке кабелей, соединителях, делителях и других компонентах, наземных ориентирах, позволяющих точно выявить местонахождение неисправности. Вся информация о ремонте или обновлении сети может незамедлительно вноситься и документироваться в базе данных системы.

Наземные ориентиры для системы GPS

Информация о наземных географических ориентирах может дополняться координатами GPS. Неполадки в работе сети незамедлительно отображаются на предусмотренной в системе AMS цифровой карте и могут интерпретироваться оператором системы.

Мониторинг эксплуатационных показателей

Циклические программируемые процедуры обслуживания обеспечивают возможность отслеживания характеристик волокна. Оптоволокно может также детально анализироваться для выявления устаревания компонентов или признаков снижения качества.

Конфигурация ONMSi для небольших систем

ONMSi может конфигурироваться для применения одним пользователем с целью сокращения расходов. Подобные конфигурации могут использоваться для централизации в одном месте проводимых процедур по сетевому обслуживанию.

Конфигурация для масштабной системы

Специальные конфигурации системы ONMSi могут использоваться несколькими пользователями и при необходимости интегрироваться в укрупненные процессы обслуживания. Использование архитектуры вида клиент/сервер обеспечивает возможность доступа многих пользователей к системе на региональном уровне или национальном.

Для получения более подробной информации обращайтесь в наш офис по тел. 322-59-00 или оставьте запрос на нашем сайте.

Оригинальная документация:

Cистема температурного мониторинга на волоконно-оптических кабелях

Эти датчики должны потреблять минимум энергии, обладать совместимостью с электронными средствами обработки информации, иметь незначительную себестоимость и отличаться простотой изготовления.

Этими свойствами обладают волоконно-оптические датчики (ВОД). Использование ВОД в совокупности с цифровой техникой обработки информации позволяет создать новый тип контролирующих устройств.

При этом упростилась операция обработки данных и расширился диапазон измеряемых величин при постоянстве точности измерений во всем контролируемом диапазоне.

Оптические волокна (ОВ) – уже хорошо изученная область техники связи, которая активно развивается с конца 70-х годов прошлого столетия. Они явились основой появления ВОД, обеспечивающих высокую точность измерения температуры, давления, концентрации и пр.

Для датчиков используют в основном многомодовые ОВ. Одномодовые ОВ используют в когерентных измерительных линиях.

Использование волоконно-оптических датчиков для температурного мониторинга

Данная проблема чрезвычайно важна для контроля, например, температуры кабельных каналов. Известны случаи, когда перегрев кабелей, проложенных пучками, приводил к их возгоранию и возникновению чрезвычайных ситуаций на электростанциях, в домах, телевизионных башнях. При этом это явление сопровождалось человеческими жертвами и приносило значительный экономический ущерб. За рубежом практикуют изготовление кабельных изделий в негорючем исполнении, а также встраивают в конструкцию электрического кабеля многомодовое ОВ, которое служит в качестве распределенного по длине датчика для контроля температуры.

Разработанная система температурного мониторинга (СТМ) использует рамановское рассеяние в стандартных кварцевых многомодовых ОВ. Она позволяет уверенно регистрировать сигнал обратного рассеяния по длине ОВ на расстоянии до 10 км. В систему входят: электронный блок – оптический рамановский измеритель обратного рассеяния и сенсорные элементы – оптические кабели -сенсоры (ОКС).

Блок-схема прибора представлена на рис.1.

Технические характеристики ОКС приведены в табл. 1

Измерение температуры осуществляется по всей длине оптического кабеля-сенсора (ОКС), подключенного к прибору, установленному в помещении. В системе используются специальные малогабаритные ОКС, отличающиеся высокой механической прочностью к воздействию всех видов нагрузок: растяжению, поперечному давлению и изгибам; при этом наружный диаметр ОКС 6 мм и менее. Температурный диапазон работы ОКС от минус 60 до 70 ˚С. Строительные длины ОКС до 5 км и по специальному заказу могут быть изготовлены большими длинами.

Сам ОКС прокладывается по трассе, анализ температуры которой представляет интерес. Он может лежать в земле или канализации, подвешен между опорами, укреплен на стенах, под потолком или под полом. ОКС может эксплуатироваться в качестве самонесущего для спуска в шахту, скважину и т.п.

Чувствительность измерений по температуре и разрешающая способность по расстоянию зависят от времени регистрации сигнала, или, что одно и тоже, времени измерений. Чувствительность измерений лучше 0,5 ˚С достигается при времени измерения порядка 5 минут и 0,25 ˚С – при времени измерениях до 10 минут. Абсолютная погрешность измерений не хуже 1˚С. Разрешение по длине отдельных нагретых участков ОКС не менее 3-х метров. Эти характеристики справедливы на длине ОКС до 10 км. Лучшие показатели по температурной чувствительности достигаются в начальных участках до (3-5 ) км.

Отметим, что все внешние воздействия на установленный, смонтированный по трассе ОКС в пределах его технических требований (кроме, естественно, воздействия температуры) не вызывают помех (ошибок) измерения основного параметра – измерения температуры ОВ. При этом, конечно, нужно иметь в виду, что нагрев ОВ происходит не мгновенно,

СТМ может быть использована для контроля и наблюдения любых протяженных пространственных объектов, например, имеющих сложную топологию, с одного пункта наблюдения.

Дополнительно в комплекте с прибором может быть использовано или разработано по требованиям заказчика аппаратурное и программное обеспечение, обеспечивающее дистанционное наблюдение за контролем и поведением исследуемых объектов по предложенному заказчиком алгоритму, в том числе при использовании и передаче информации по каналам связи.

Точно также могут быть разработаны ОКС с другими характеристиками, например, с расширенным температурным диапазоном, ОКС, имеющие большую механическую прочность на растяжение или выдерживающие большие поперечные нагрузки.

Отметим следующие наиболее важные области применения системы мониторинга:

  • Использование в системах противопожарной безопасности крупных зданий и сооружений.
  • Использование для предотвращения аварий во взрывоопасных и химически опасных объектах, в шахтах.
  • Контроль температуры нефтяных трубопроводов.
  • Проведение геофизических исследований нефтяных и газовых скважин.

Важно отметить одно практически важное обстоятельство. Каждый экземпляр системы проходит настройку и паспортизацию в комплекте, т.е. электронный блок плюс ОКС.

Система мониторинга в настоящее время подготовлена к сертификации в системе Госстандарта.

Рис. 1. Принципиальная схема системы температурного мониторинга.

Принцип действия СТМ основан на рефлектометрическом методе из-мерения обратно рассеянного стимулированного рамановского излучения [1]. Возникновение рамановского стимулированного сигнала связано с взаимодействием падающего излучения и вибрирующей, вследствие температурного нагрева, кристаллической решётки среды распространения излучения.

При этом стимулированное рамановское излучение состоит из двух линий (компонент) отличающихся от падающего излучения на ± 440 1/см или на 60нм (рис. 2). Линия, находящаяся левее стимулирующего излучения (СИ) по шкале длин волн, называется анти-стоксова (аСЛ), та, что правее – стоксова (СЛ).

При этом интенсивность аСЛ сильно зависит от температуры, в то время как СЛ практически нет. Таким образом, измеряя интенсивность сигнала аСЛ и, зная коэффициент зависимости интенсивности от температуры, можно рассчитать температуру окружающей среды. Измеряя рефлектометром сигнал обратного рассеяния аСЛ, можно рассчитать температуру вдоль ОВ.

Структура прибора очень схожа с обычным рефлектометром, работающим во временном диапазоне.

Рис. 2. Схема распределения волны различных типов излучений.

Ниже приведен пример практических испытаний СТМ, макетирующих нагрев ОКС. Целью явилось первоначальная проверка работы системы и первоначальное определение чувствительности системы и разрешения по длине.

В качестве образца использован стандартный ОКС, представленный (табл. 2) без наружной полиэтиленовой оболочки.

Методика испытаний

  • Первая серия экспериментов.

Длина ОКС 880 м. На ОКС в его начале (3 метра от оптического соединителя) установлены две 5-и метровые нагревательные секции с промежутком в 5 метров. В качестве нагревательной секции использовался нагревательный кабель, который прикреплен вдоль по ОКС. ОКС подключен с помощью разъемного соединения к электронному блоку.

Потери на соединении составляют около 0,5 дБ. На температурной зависимости место стыковки ОКС с ОВ, находящимся внутри рефлектометра, выглядит в виде отрицательного импульса (рис. 3-8).

  • Вторая серия экспериментов.

Дополнительное многомодовое ОВ длиной 700 м одним концом под-ключено к рефлектометру с помощью оптического разъема, а другой его конец приварен к ОКС 880 м. На ОКС, также как в 1-ом эксперименте, в его начале (3 метра от начала ОКС) установлены две 5-и метровые нагревательные секции с промежутком в 5 метров. В качестве нагревательной секции использовался нагревательный кабель, который прикреплен вдоль по ОКС.

Потери на разъемном соединении дополнительного ОВ к электронному блоку составляют около 0,5 дБ. Потери на сварке около 0,1 дБ. На температурной зависимости место стыковки дополнительного ОВ с ОВ, находящимся внутри рефлектометра, выглядит в виде отрицательного импульса (рис. 9-11), а потери на сварке фактически не проявляются.

Сначала измерения проведены без нагрева секций, когда ОКС и ОВ находились в естественных, т.е. комнатных условиях (рис.3).

  • Нагрев одной секции представлен на рис. 4, 8, 9, 11.
  • Нагрев двух секций представлен на рис. 6, 10 (мелкий масштаб). Нагрев двух секций в крупном масштабе представлен на рис. 5, 7.

Результаты испытаний приведены ниже в виде температурных зависимостей по длине ОКС и ОВ на рис. 3-11.

Анализ результатов

В процессе этих испытаний подтверждена работоспособность метода измерений с конкретным разработанным прибором. В течение месяца эксплуатации видимых изменений результатов измерений не наблюдалось.

Читайте также:  Что такое умная колонка и что умеет делать?

Следует ожидать неплохих основных метрологических характеристик.

Прибор проходит внутренние испытания для определения будущих декларируемых характеристик. Технические параметры системы мониторинга представлены в табл. 2.

Технические характеристики оптического кабеля-сенсора (таблица 1)

Бронированный кабель с центральным полимерным сердечником и наружной оболочкой из шлангового полиэтилена

Одно (возможны дополнительные волокна для вспомогательных целей)

Многомодовое волокно с диаметром сердцевина/ оболочка 50/125 мкм

Применение распределённой Волоконно-оптической системы геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) для проведения мониторинга температуры и деформации трубопроводов в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов

Долгосрочная энергетическая стратегия России предполагает широкомасштабное освоение газовых и нефтяных месторождений, расположенных в труднодоступных регионах с суровым климатом. В мировой практике известно множество подходов и технологий, специально разработанных для преодоления физических сложностей эксплуатации трубопроводов. Однако, помимо выбора и обоснования конструктивных и технологических особенностей строительства трубопроводной инфраструктуры, также важно получать подробные и точные данные о её состоянии в процессе эксплуатации.

Зачастую особый риск для целостности трубопровода представляет состояние многолетнемёрзлых грунтов под ними, которые могут увеличиваться (при промерзании) или уменьшаться (при протаивании) в размерах в связи с сезонными изменениями.

В настоящей статье описываются технологии для повышения безопасности критических участков трубопроводов, методики диагностики пространственного положения трубопроводов и способы укладки волоконно-оптических сенсоров измерения температуры и деформации в зонах распространения многолетнемёрзлых грунтов.

Система мониторинга должна обеспечить решение следующих задач:

– заблаговременно выявлять начало процессов деградации (растепления) многолетнемёрзлых грунтов под трубопроводом;

– определять местоположение участков трубопровода с деградацией многолетнемёрзлых грунтов;

– определять профиль распределения температуры в вертикальной плоскости на критических участках трубопровода;

– оценивать скорость деградации многолетнемёрзлого грунта;

– определять смещения трубопровода и места расположения таких смещений;

– формировать аварийные сообщения при выявлении случаев растепления грунтов, а также формирования деформаций трубопровода.

Для решения упомянутых выше задач предполагается использование распределённой ВОС ГТМ. Предлагаемая система может включать в свой состав две сенсорные подсистемы.

Подсистема 1 предназначена для определения месторасположения зон деградации многолетнемёрзлых грунтов вдоль трубопровода с помощью сенсора температуры, а также предназначена для контроля смещений грунта вдоль трубопровода, определяемых по изменению распределения деформаций грунтового сенсора.

Подсистема 2 (термометрические скважины) предназначена для определения вертикального профиля распределения температуры с помощью высокоточного сенсора температуры в скважинах, что, в свою очередь, даёт возможность определить состояние и прогноз процесса растепления многолетнемерзлого грунта.

Система позволяет измерять:

– температуру грунта вдоль продольного сенсора с разрешением 1 o C;

– смещение грунта вдоль трубопровода с точностью от 15 мм;

– расположение места события (изменение температуры грунта или его вертикальное смещение) с точностью 2 м;

– различные события с типичным пространственным разрешением 2 м;

– вертикальный профиль распределения температуры с пространственным шагом 10 см и разрешением температуры 0,2 o C;

– время измерения: 2 минуты (для одного канала измерения анализатора).

ВОС ГТМ состоит из линейной и программно-аппаратной частей. Принципы работы системы основываются на диагностике состояния волоконно-оптических сенсоров – измерении распределения температуры и деформаций по всей их длине. Ключевым измерительным прибором программно-аппаратной части системы является анализатор DITEST, который представляет собой импульсный оптический рефлектометр, измеряющий сигнал вынужденного Бриллюэновского рассеяния из каждой точки оптического волокна сенсора. Анализ сигнала вынужденного Бриллюэновского рассеяния позволяет измерять распределение температуры и деформации по всей длине сенсора. Таким образом, протяжённый волоконно-оптический сенсор является эквивалентом огромного количества точечных датчиков (программное обеспечение анализатора DITEST позволяет разбить контролируемый участок длиной 50 км на 100 000 датчиков, поскольку пространственное разрешение анализатора составляет 0,5 м).

Линейная часть решения включает в свой состав сенсоры температуры и продольные сенсоры деформации. Оптоволоконный продольный сенсор распределения температуры представляет собой волоконно-оптический бронированный кабель (рис. 1), который монтируется на дне траншеи вдоль трубопровода, как показано на рис. 3 и 4 (Подсистема 1). На рисунках дополнительно продемонстрирована возможность монтажа системы (только при новом строительстве либо реконструкции) непосредственно на сам трубопровод. Показания продольного сенсора температуры также используются для компенсации температурных эффектов при измерении величин относительной деформации грунтового сенсора. Оптоволоконный сенсор распределения деформации грунта представляет собой волоконно-оптический кабель специальной конструкции (рис. 2), который монтируется на дне траншеи в непосредственной близости от сенсора температуры, как показано на рис. 3 и 4. Оба сенсора являются полностью пассивными устройствами, не требующими электропитания. Как упоминалось выше, сенсоры устанавливаются в траншее вдоль всего контролируемого участка мониторинга параллельно трубопроводу и позволяют измерять распределение температуры, а также деформации.

Термометрическая скважина представляет волоконно-оптическую сенсорную систему высокоточного измерения температуры, установленную непосредственно в вертикальную скважину, поэтапно заполненную специализированной инъекционной смесью (Подсистема 2). Термометрическая скважина предназначена для определения вертикального профиля температуры многолетнемёрзлых грунтов.

Анализатор DITEST должен располагаться в шкафу шириной 19” в блок-контейнере или ином помещении, в котором поддерживается нормальный микроклимат. Данные измерений анализатора передаются на сервер обработки данных системы мониторинга по сети связи Ethernet, где осуществляется их последующая обработка. Данные системы мониторинга могут передаваться в АСУ верхнего уровня или использоваться независимо.

Для организации контроля температуры при мониторинге процессов деградации (растепления) многолетнемёрзлых грунтов вдоль участка мониторинга предложена следующая система ВОС ГТМ.

Предлагается одновременное использование Подсистемы 1 и Подсистемы 2. В качестве сенсора в Подсистеме 1 используется оптический кабель-сенсор температуры ДКП-50-6z-4/32_ГТМ, проложенный в грунте в непосредственной близости от трубопровода. Предлагается монтировать сенсоры температуры по обе стороны от оси трубопровода на глубину ниже на 0,5 м уровня расположения верхней границы многолетнемёрзлого грунта, как показано на рис. 5. Соединения строительных длин сенсоров предлагается выполнить в кабельных колодцах типа ККТ-1 с помощью оптических соединительных муфт типа МТОК в соответствии с нормами, принятыми при строительстве ВОЛС (при более протяжённом участке мониторинга более 4 км).

В случае применения опции измерения вертикальных смещений грунта используется сенсор деформации ФОСД-Г, который оснащается грунтовыми якорями специальной конструкции с механическими предохранителями для фиксации сенсора деформации в грунте (рис. 4). Монтируются сенсоры деформации грунта также по обе стороны от оси трубопровода в одной траншее с сенсорами температуры (рис. 6).
Соединения строительных длин сенсоров деформации грунта предлагается выполнить в тех же оптических муфтах типа МТОК, которые используются для соединения строительных длин сенсоров температуры.

Подсистема 2 включает в свой состав термометрические скважины глубиной 15 м, расположенные в местах соединения строительных длин продольных сенсоров температуры и деформации. Термометрические скважины устанавливаются перпендикулярно плоскости трубопровода. Бурение производится в стороне от траншеи с расположенными в ней продольными сенсорами на расстоянии, которое определяется в условиях конкретного проекта, чтобы обеспечить соединение сенсорной системы в скважине с сенсорами в траншее посредством оптической муфты (используется та же оптическая муфта, что и для монтажа продольных сенсоров), рис. 5 и 6. Каждая скважина оборудуется волоконно-оптической сенсорной системой высокоточного измерения температуры, которая включает в свой состав специализированный сенсор температуры, концевую и проходную специализированные муфты. После монтажа сенсорной системы скважина поэтапно заполняется специализированной инъекционной смесью для фиксации сенсорной системы внутри скважины.

Обобщённая структурная схема ВОС ГТМ для мониторинга температуры и деформации трубопровода в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов представлена на рис. 7. В систему включена опция измерения вертикальных смещений грунта, как ранее упоминалось, Подсистема 1 также включает в свой состав продольные сенсоры деформации грунта.

В целом процесс монтажа, наладки, испытаний и ввод в эксплуатацию ВОС ГТМ аналогичен подобным работам для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Это обусловлено тем, что система мониторинга построена на основе ВОЛС (т.е. использует их компоненты – волоконно-оптический кабель специальной конструкции (сенсор), оптические муфты, оптические кроссы, оптические шнуры и т.д., а также специализированное монтажное и измерительное оборудование), и через соответствующие интерфейсы сопрягается с ними. Все это, а также структурная схожесть ВОЛС и ВОС ГТМ (наличие линейной и станционной части, системы управления) позволяет частично использовать при организации монтажа, наладке, испытаний и ввода в эксплуатацию соответствующие нормативно-технические документы, регламентирующие процесс создания ВОЛС, проводить инсталляцию элементов системы силами подрядных организаций, специализирующихся на строительстве ВОЛС. Смонтированная на трубопровод линейная часть ВОС ГТМ представлена на рис. 8.

Вместе с тем в процессах монтажа, наладки, испытаний и вводе в эксплуатацию ВОС ГТМ существует и своя специфика, связанная с использованием специализированных распределённых волоконно-оптических сенсоров и специализированных компонентов:

• Укладка сенсоров осуществляется определённым образом в заданном месте относительно объекта мониторинга.

• Сенсоры деформации монтируются с контролируемым растягивающим усилием.

• Монтаж сенсоров в измерительные скважины и их фиксация.

• Засыпка сенсоров в траншее должна осуществляться песком или просеянным грунтом.

• Необходимо выполнить пространственную привязку месторасположения сенсоров к карте местности.

• Необходимо определить положение пространственных зон мониторинга на сенсоре с помощью термометок.

Предотвращение техногенных катастроф, выз-ванных авариями на потенциально опасных объектах, является основной задачей, стоящей перед газотранспортными организациями. Жёсткие требования, предъявляемые к материалам, используемым при производстве, технике инсталляции и системам контроля приводят к необходимости разработки новых прогрессивных технологий мониторинга и надёжной диагностики технического состояния объектов.

ВОС ГТМ способна детектировать опасные события на основе анализа малейших изменений температуры и/или деформации в оптическом кабеле. Программное обеспечение ВОС ГТМ включает в себя самостоятельное обнаружение аномальных событий и потенциальных угроз и оповещает оператора о факте и типе угрозы целостности трубопровода и месте её возникновения путём подачи аварийного сигнала в единый диспетчерский центр. Система позволяет диспетчерам предотвратить утечки на ранней стадии их зарождения, а также избежать огромных материальных затрат, связанных с выходом трубопровода из строя.

Ссылка на основную публикацию