CC BY
39ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
*
Григорьев В.В., Митюрев А.К. , Погонышев А.О., Савкин К.Б., Тихомиров С.В.
Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), г. Москва
*E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16013
В настоящее время в России всё более широкое применение находят информационно-измерительные системы (ИИС) на основе волоконно-оптических датчиков (ВОД). К основным видам ИИС на основе ВОД можно отнести распределённые системы на базе различных оптических рефлектометров, а также квазираспределённые системы на базе брэговских датчиков (БД). В случае распределённых систем чувствительным элементом (первичным преобразователем) является само оптическое волокно (ОВ) - одномодовое или многомодовое, со специальным защитным покрытием или без, в кабеле или в специальной конструкции. Регистрирующим устройством выступает оптический рефлектометр, использующий эффекты рассеяния излучения Рэллея, Рамана и Мандельштама-Бриллюэна в ОВ. Данный вид систем позволяет получить распределение измеряемой величины (температуры, деформации, давления и т.п.) вдоль всего ОВ. Такие системы обычно применяют для мониторинга протяжённых объектов - нефте- и газо-трубопроводов, скважин, железнодорожного рельсового полотна. В квазираспределённых ИИС используют «точечные» датчики, количество которых в системе ограничено и пространственная разрешающая способность гораздо меньше, чем у распределенных. Такие системы, как правило, используют в различных локальных конструкциях - зданиях, мостах, корпусных изделиях в авиа- и кораблестроении.
В связи с применением ИИС на основе ВОД для измерений параметров ответственных объектов актуальной становится потребность в их метрологическом обеспечении - калибровке, проведении испытаний в целях утверждения типа средств измерений и последующей поверке. Для выполнения перечисленных задач во ВНИИОФИ применяются эталоны единиц длины и времени распространения сигнала в ОВ, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем передачи [1, 2]. Например, для ИИС на основе БД нормируемым оптическим параметром является длина волны лазерного излучения, отражённого брэгговским датчиком. При этом регистрирующим устройством является анализатор оптического спектра (измеритель длины волны) лазерного излучения в ОВ, поверка и калибровка которого осуществляется с помощью рабочего эталона единиц длины и ослабления в световоде или Государственного первичного специального эталона единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем передачи ГЭТ 1702011. Стоит отметить, что для распределённых ИИС важным параметром измерений является расстояние до места события (например, локальное изменение температуры), нормирование которого также осуществляется с помощью рабочего эталона единиц длины и ослабления в световоде или государственного первичного специального эталона ГЭТ 170-2011.
В процессе метрологического обеспечения необходимо учитывать особенности эксплуатации таких систем [2], а именно - отсутствие возможности перемещений ранее установленных ВОД для проведения их калибровки или периодической поверки в составе ИИС. Это обусловлено тем, что в большинстве случаев первичный преобразователь связан с объектом измерений с помощью неразрывного соединения, а также сами условия эксплуатации объекта могут запрещать к нему доступ в течение долгого времени, например, во взрывоопасных средах, скважинах и проч. Таким образом, калибровка ИИС на основе ВОД как всей системы (регистрирующее устройство вместе с первичным преобразователем) бывает в большинстве случаев возможна только на этапе проведения испытаний в целях утверждения типа средства измерений и первичной поверки. Возможность прохождения периодической поверки в этом случае есть только у регистрирующего устройства. Однако, первичные преобразователи на основе ОВ сохраняют свои метрологические характеристики на протяжении достаточно длительного периода времени [3], поэтому межповерочный интервал для них может быть увеличен до десяти и более лет. Основанием для такого шага могут служить результаты исследований долговременной стабильности преобразовательных свойств чувствительных элементов в соответствующих условиях на заводе-изготовителе с нормированием данного параметра при выпуске продукции.
36 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Волоконно-оптические датчики
На сегодняшний день во ВНИИОФИ уже проведены испытания нескольких типов ИИС на основе БД и оптических рефлектометров на эффектах Рамана и Мандельштама-Бриллюэна в ОВ (Заявители: ООО «Инверсия Сенсор», ООО «Нева Технолоджи», ООО «Петрофайбер», ООО «Мониторинг Солюшенс», ООО «Рустек», ЗАО «Лазер Солюшенс», ЗАО «ТКС», ООО «Йокогава электрик СНГ»). При этом начинают широко применяться и другие типы ИИС.
Одним из активно развивающихмя в России видов ИИС на основе ВОД являются распределённые системы на базе когерентных рефлектометров (так называемые ф-OTDR, Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer). От обычных OTDR они отличаются источником лазерного излучения, который имеет большую длину когерентности. Вследствие этого на рефлектограмме можно получить мгновенный интерференционный сигнал от каждой точки исследуемого ОВ по всей его длине. При механическом воздействии на участок исследуемого ОВ фазовая картина меняется, что свидетельствует о наличии воздействия. Такие системы используются для систем охраны периметров, мониторинга состояния железнодорожного полотна, колёсных пар и др. В настоящее время во ВНИИОФИ проводятся работы по разработке и исследованиям методов калибровки, поверки и испытаний ИИС на основе ф-OTDR.
Для диагностики бортовых систем связи, а также изделий интегральной оптики, используют перспективный класс оптических рефлектометров, работающих в частотной области - так называемые OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometr), отличительной особенностью которых является сочетание быстродействия и высокого разрешения (от десятков микрометров до единиц миллиметров) при измерениях ряда параметров волоконно-оптических трактов длиной от нескольких десятков до пары тысяч метров. Принцип работы OFDR основан на методе частотной интерферометрии [4], который заключается в регистрации интерференционного сигнала, полученного смешением излучения от опорного отрезка ОВ с излучением от исследуемого участка ОВ при сканировании длины волны одночастотного источника света. Данные рефлектометры также могут применяться для измерений температуры и деформации в ОВ. В настоящий момент во ВНИИОФИ поданы две заявки на проведение испытаний в целях утверждения типа таких рефлектометров.
Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы: ИИС на основе ВОД находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, что требует организации их метрологического обеспечения, в т.ч. в области государственного обеспечения единства измерений;
из-за особенностей применения ИИС на основе ВОД периодической поверке могут быть подвергнуты только регистрирующие устройства;
для обеспечения достоверности измерений ИИС необходимо проводить исследования долговременной стабильности параметров ВОД (первичных преобразователей) при их производстве с последующим учётом результатов исследований при проведении испытаний и дальнейшей эксплуатации;
необходимо проводить поиск и исследования параметров ВОД, контроль которых во время эксплуатации может дать оценку о стабильности их нормируемых метрологических характеристик и ИИС в целом;
периодическую поверку регистрирующего устройства из состава ИИС необходимо проводить по тому промежуточному оптическому параметру (сдвиг длины волны, брилюэновской частоты), в который ВОД преобразует измеряемые величины (например, температуру, деформацию и др.);
ВНИИОФИ постоянно совершенствует эталонную базу для метрологического обеспечения современных и перспективных ИИС на основе ВОД.
Литература
1. Григорьев В.В, Кравцов В.Е., Митюрёв А .К., Тихомиров С.В., Хатырев Н.П. Методы и средства калибровки информационно-измерительных систем на основе волоконно-оптичекских брэгговских датчиков // Фотон-экспресс. - 2015. - №6(126). - С. 182-183
2. Григорьев В.В, Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Тихомиров С.В., Хатырев Н.П. Распределенные волоконно-оптические датчики температуры и деформации и вопросы их метрологического обеспечения // ВНТК «Метрологическое обеспечение фотоники», Тезисы докладов. -М. - 2015. - С. 130
3. Пнев А.Б, Тихомиров С.В., Хатырев Н.П. Особенности метрологического обеспечения информационно -
измерительных систем на основе волоконно-оптических датчиков // Фотон-Экспресс. - 2013. - №6(78).-С. 98-99
4. B. J. Soller, M. Wolfe, M. E. Froggatt Polarization resolved measurement of Rayleigh backscatter in fiber-optic
components // OFC Technical Digest 2005, paper NWD3
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
