CC BY
19DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-387-388
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ DTS И FBG ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ УТЕЧЕК
Гончаров М.М.1'2, Сафарян К.А.1'2, Оглезнев А.А.2'3, Кондрашов А.Н.1'2
'Пермский государственный университет, ул. Букирева 15, Пермь, Россия 2ООО «Инверсия Сенсор», ул. Октября, 25 106, Пермь, Россия
3Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Комсомольский
проспект, 29, Пермь, Россия E-mail: goncharov.m.m@mail.ru
Технология волоконно-оптических датчиков позволяет определять место утечки по локализованному искажению температурного поля, деформации или акустического сигнала. В работе [1] показана перспективность использования сейсмических датчиков на основе технологии C-OTDR (когерентный оптический рефлектометр во временной области) для определения продольной координаты утечки. В статье [2] с той же целью для регистрации градиента температуры использовались брэгговские решетки. Описанные выше варианты неприменимы для анализа сложной структуры трубопроводных систем и размера наблюдаемых повреждений из-за отсутствия информации об азимутальной координате [3, 4].
Для корректной оценки азимутальной координаты требуется точное восстановление физических полей на поверхности наблюдаемого объекта. В нашей работе исследовались высокотемпературные трубопроводы, поэтому температурное поле подлежало реконструкции. Для достижения этой цели в [5-7] было предложено наматывать оптоволокно распределенного датчика температуры DTS по спирали на поверхность трубы. Пространственное разрешение таких методов зависит от плотности намотки и характеристик устройства; поэтому их нельзя использовать для анализа больших систем.
В результате возникает необходимость в разработке эффективного метода точного восстановления температурного поля с ограниченным количеством чувствительных датчиков. Решение проблемы является предметом настоящего отчета.
Для восстановления температурного поля на поверхности трубы были использованы две оптоволоконные технологии: Рамановский распределенный датчик температуры и волоконная Брэгговская решетка. Схема испытательного стенда с формой и положением планируемых утечек показана на рисунке 1. Для сбора данных использовался DTS ASTRO E5 с пространственным разрешением 0,6 м. Натурный эксперимент проводился на стенде при рабочей температуре воздуха в 4-метровом трубопроводе от 20°С до 500°С и перепаде давления от 0 до 6 атм. На трубопроводе моделировались утечки различной формы в заранее подготовленных координатах (рис. 1).
Рис. 1. Расположение имитируемых утечек
Рис. 2. Схема укладки оптоволоконного кабеля
Отверстия в трубопроводе были заделаны припоем с температурой плавления более 200 ° С для имитации утечки. В ходе эксперимента в трубопроводе создавалось давление. При этом температура постепенно повышалась. Когда она достигла значения около 200°С припой расплавился, и воздух покинул трубопровод, создав утечку, которую обнаружил оптоволоконный кабель. Кабель был подключен к DTS. Датчики были намотаны на трубопровод по заранее разработанной модели прокладки волокна с шагом сетки 0,2 м по схеме на рисунке 2. Результаты эксперимента показали, что точность определения утечки составляет 0,5 м по продольной координате, и составляет 0,05 м по азимутальной координате.
Результаты эксперимента показали недостаточное разрешение системы для определения координат утечки. Точность обнаружения утечек составила 88%. Мы разработали метод обработки сигналов для повышения точности с помощью искусственной нейронной сети. Моделирование утечки
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 387
было выполнено путем создания локальных градиентов температуры на плоской геометрии, чтобы упростить тестирование метода. Волокно располагалось по спирали в углублениях на квадратном алюминиевом основании (2) со стороной 40 см. Конечная плотность расположения ВБР составила в среднем один чувствительный элемент на 30 см2. Для тренировки системы машинного обучения использовались термограммы. Они были получены с помощью тепловизора (1) с разрешением 320x240 пикселей и температурном диапазоне от 20 ° C до 80 ° С Эти термограммы сравнивались с сигналом от 25 волоконных Брэгговских решеток, подключенных к опросчику (3). Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 3 а.
Температурное поле
щ - - „
к ш \
е
ш
а)
Рис. 3.а) Экспериментальная установка. б) Температурное поле, полученное нейронной сетью
Изображения, полученные с тепловизора, сравнивались с температурными полями, восстановленными нейронной сетью, для оценки точности метода. На рис. 3б показано восстановление температурного поля нейронной сетью.
Мы сравнили результаты при использовании метода прямого сравнения и обнаружили, что точность обнаружения утечек составила 88%. Разработанный алгоритм на основе машинного обучения позволяет определять координаты (x, y) максимальной температуры. Они были приняты за места утечки с погрешностью менее 0,2%. При этом положение максимального пикового значения определялось с точностью 99,7%. Величина потенциальной утечки, приведенной к области температурной неоднородности, оценивалась с погрешностью 10%.
Литература
1. Timofeev A.V., Groznov D.I. Classification of Seismoacoustic Emission Sources in Fiber Optic Systems for Monitoring Extended Objects // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing.—2020.—Vol. 56, no. 1.— P. 50-60
2. Jacobsz Schalk Willem, Jahnke Sebastian Ingo. Leak detection on water pipelines in unsaturated ground by discrete fibre optic sensing // Structural Health Monitoring.—2020.—Vol. 19, no. 4.—P. 1219-1236
3. Xin Feng, Yang Han, Zihao Wang, Hongfei Liu. Structural performance monitoring of buried pipelines using distributed fiber optic sensors // Journal of civil structural health monitoring. — 2018. — Vol. 8, no. 3.—P. 509516
4. Babin S.A., Kuznetsov A.G., Shelemba I.S. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2010. 46. № 4. 353-359
5. Koen Hilgersom, Tim van Emmerik, Anna Solcerova et al. Practical considerations for enhanced-resolution coil-wrapped distributed temperature sensing // Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems.—2016.— Vol. 5, no. 1.—P. 151-162
6. Kachura S.M., Postnov V.I. PERSPECTIVE OPTICAL FIBER SENSORS AND THEIR APPLICATION (review) // Proceedings of VIAM. — 2019. — no. 5 (77)
7. Pavol Sta-janca, Sebastian Chruscicki, Tobias Homann et al. Detection of leak-induced pipeline vibrations using fiber—optic distributed acoustic sensing // Sensors.—2018.—Vol. 18, no. 9.—P. 2841
388............№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpress.rufotonexpress@mail.ru
