Калибровка распределенного волоконно-оптического датчика температуры в полевых условиях

Беспрозванных В.Г.; Лекомцева Д.Д.; Петухов А.С.

3. При расчете и проектировании изделий из высокопористых материалов, необходимо учитывать количество и качественное соотношение структурных составляющих, в том числе и пористости.

4. Для определения прочностных свойств композиционного материала рекомендуется простая корреляционная зависимость (1).

5. С целью уменьшения отрицательного влияния касательных деформаций на нормальные разрушающие напряжения при изгибе, целесообразно использовать плоские образцы с расширенными консольными участками (лопатками).

Список использованной литературы:

1. Конструкционные стеклопластики.М.: Химия ,1979,360 с.

2. Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы: справочник. М.; Машиностроение, 1987.-224 с.

3. Семенова Г.П., Павлов В.В.- Механика полимеров, 1970, №4, с.585.

4. Кортен Х.Т., Разрушение армированных пластиков. Пер. с англ./Под ред. Тарнопольского Ю.М. М.,Химия, 1967

5. Бокин М.Н., Рогалев А.С., Сойкин Б.М., Сидоров В.Н. Некоторые особенности механической обработки ортогонально армированных стеклопластиков // Полимерные материалы в машиностроении. Сб. научных трудов № 171. -Пермь, 1975, изд-во ППИ.-С.97-102.

6. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты // СИБ: НОТ, 2009-380 с.

7. Тимофеев Н.Е., Абдуллин И.А., Белобородова О.И., Богатеев Г.Г. Основы производства изделий из стеклопластика // Казахский национальный исследовательский технологический университет, 2006,с.160.

УДК 681.7.068

В.Г. Беспрозванных, к.ф.-м.н., доцент ПНИПУ Д.Д. Лекомцева, студентка 4 курса ПНИПУ А.С. Петухов, инженер-исследователь Факультет прикладной математики и механики Пермский национальный исследовательский политехнический университет

г. Пермь, Российская Федерация

КАЛИБРОВКА РАСПРЕДЕЛЕННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Аннотация

Работа посвящена разработке методики калибровки распределенного рамановского датчика температуры в полевых условиях. Выполнена сравнительная характеристика эффективности калибровки различных вариантов датчиков дуплексной однопроходной конфигурации, адаптированных к полевым условиям, на основе критериев минимизации среднеквадратичного смещения калиброванных данных в точках независимых наблюдений и ошибки дупликации.

Ключевые слова

Распределенный рамановский датчик температуры, калибровка (поверка) датчика, эффективность калибровочных процедур, экспериментальный стенд для калибровки в полевых условиях.

В настоящее время одним из наиболее распространенных способов диагностики и мониторинга теплового состояния протяженных технических объектов является применение распределенных волоконно-оптических датчиков температуры (DTS - Distributed Temperature Sensors), основанных на рамановской технологии, в которых необходимую информацию дает анализ соотношения уровней стоксова и антистоксова излучений в сигнале обратного рассеяния [1]. Системы DTS применяются с конца 1980-х г.г.

Широкое использование таких систем в экстремальных условиях эксплуатации сопряжено с рядом возникающих новых научно-технических проблем. Так, невозможно проводить метрологическую калибровку (поверку) систем DTS, осуществляющих мониторинг теплового состояния буровой скважины или горного тоннеля, способами традиционной метрологии эталонов в лабораториях [2]. Необходимы совершенствование метрологического обеспечения и разработка новых методик калибровки, в частности, в полевых условиях, а также получение дополнительных экспериментальных данных.

В статье [3] в качестве решения проблемы предлагается внедрение интеллектуальных оптических датчиков, позволяющих производить самокалибровку в реальном масштабе времени без остановки контролируемых процессов и без поверочных эталонов. Менее масштабный способ связан с оптимизацией конструкции чувствительных элементов систем DTS и, как следствие, — повышением эффективности калибровочных процедур [4]. Аналогичный подход развивается в исследовании [5].

В данной работе представлено новое методическое сопровождение калибровочных процедур для рамановских систем DTS, связанное с разработкой специализированного стенда для калибровки датчиков вертикальных нефтяных скважин в полевых условиях и позволяющее повысить точность локализации температуры и достоверность результатов калибровки.

Калибровочный стенд (рис. 1) состоит из термостабильной камеры (термованны), где за счет нагрева и циркуляции воды создаются необходимые температурные условия, и шкафа автоматики, через который ведется контроль и управление процессами.

Рисунок 1 - Схема экспериментального стенда.

Схема подключения DTS - дуплексная однопроходная. В такой схеме используется два одинаковых совместно расположенных кабеля оптического волокна, соединенные друг с другом в одной точке, для обеспечения двойного наблюдения температуры в каждой точке исследуемой области. Общая длина оптического волокна в экспериментах составляла 700 м. Эксперименты проводились с помощью систем Yokogawa DTSX200 (DTS 1) и Silixa Ultima (DTS 2), при этом максимальная разрешающая способность приборов по расстоянию была установлена на 0,5 м. При проведении процедуры калибровки температура термованн составляла 25°С.

Пример термограммы для системы DTS 2 представлен на рис. 2 (верхний график - до калибровки, нижний - после калибровки). Для другой системы DTS термограмма имеет аналогичный характер.

Рисунок 2 - Пример термограммы.

После обработки массива данных важно оценить как точность, так и достоверность откалиброванных величин. Для проведения этих оценок требуются независимые наблюдения за температурой. Обозначим через п общее количество таких наблюдений по всей длине волоконно-оптического кабеля. Для оценки показателей качества калибровки использовались: • среднеквадратичная ошибка

1

RMSE = -п

и ¿=1

Т)2,

(1)

• ошибка дупликации, используемая в качестве показателя калибровки для дуплексных установок, когда для каждой контрольной точки производятся два наблюдения за температурой,

_ 1

Edup

П

Т,

п2

(2)

где Т - известная температура, Т - температура, измеренная DTS в данной точке, Тл и Т„2 -соответственно два наблюдения температуры в одной и той же точке волоконно-оптического кабеля. Результаты расчета показателей (1) и (2) приведены в таблице.

Таблица

п

1

DTS 1 Ванна в прямом направлении Ванна в обратном направлении

До калибровки После калибровки До калибровки После калибровки

RMSE,°C 0,475 0,153 0,438 0,166

RMSEbef RMSEafi 3,105 2,639

Edup, С До калибровки 0,082; после калибровки 0,068

DTS 2 Ванна в прямом направлении Ванна в обратном направлении

До калибровки После калибровки До калибровки После калибровки

RMSE,°C 0,506 0,043 0,515 0,050

RMSEbef RMSEafi 11,767 10,300

Edup, С До калибровки 0,037; после калибровки 0,029

Таким образом, для DTS 1 показатель RMSE в результате калибровки улучшился более чем в 2 раза, а для DTS 2 - более чем в 10 раз, тогда как ошибка дупликации в последнем случае практически не изменилась. Можно предположить, что показатель (2) играет существенно меньшую роль в интегральной эффективности процедуры калибровки, чем показатель (1). Выводы:

1. Разработанная методика калибровки в полевых условиях позволяет повысить ее эффективность и точность получения данных по локализации температуры.

2. Достоверность температур, определяемых с помощью процедуры калибровки, зависит не только от специфики конфигурации калибровочного стенда, но и от характеристик самого прибора DTS.

Список использованной литературы:

1. Волоконно-оптические датчики: вводный курс для инженеров и научных работников. Под ред. Э. Удда. М.: Техносфера, 2008. 520 с.

2. Д. Браун. Волоконно-оптическое распределенное измерение темпера-туры в скважине // Нефтегазовое обозрение, 2011, т. 20, № 4. С. 42-49.

3. Буймистрюк Г.Я. Волоконно-оптические датчики для экстремальных условий // Control Engineering (Russian Edition), 2013, № 3(45). С. 34-40.

4. Беспрозванных В.Г., Репин К.А. Повышение эффективности конструкции распределенных рамановских датчиков для мониторинга состояния технических систем // Мир науки и инноваций, 2015, вып. 1(1), т. 5. С. 29-33.

5. Кузнецова Е.Ю., Алексеенко З.Н. Моделирование распределенного оптоволоконного датчика в Labview с целью повышения пространственного и температурного разрешения // Автоматика и программная инженерия, 2016, №1(15). С.24-28.

УДК 681.7.068

В.Г. Беспрозванных, к.ф.-м.н., доцент ПНИПУ В.Д. Ширинкин, студент 4 курса ПНИПУ Факультет прикладной математики и механики Пермский национальный исследовательский политехнический университет

г. Пермь, Российская Федерация

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ВОЛОКОННОГО ИСТОЧНИКА

Аннотация

Работа посвящена разработке модифицированного алгоритма стабилизации выходной оптической мощности суперлюминесцентного волоконного источника (СВИ) на основе регулировки тока накачки лазерного диода. Исследована зависимость выходной оптической мощности от температуры окружающей среды. Разработан инструмент с обратной связью и соответствующее программное обеспечение для автоматизированной стабилизации СВИ при работе в требуемом диапазоне температур.

Ключевые слова

Суперлюминесцентный волоконный источник, усилитель спонтанной эмиссии, стабилизация выходной оптической мощности, регулировка тока накачки лазерного диода.

В настоящее время во многих областях науки и техники: в телекоммуникациях, рефлектометрии,

Текст научной работы на тему «Калибровка распределенного волоконно-оптического датчика температуры в полевых условиях»