Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов

Способ теплового неразрушающего контроля теплотехнического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к тепловому неразрушающему контролю объектов, и может быть использовано для теплового контроля (мониторинга) технического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов (например, трубопроводов и теплотрасс) в условиях ограниченного доступа на основе обратного рамановского рассеяния в стандартных одномодовых и многомодовых оптических волокнах.

Предшествующий уровень техники

Тепловой неразрушающий контроль включает две основные технологические операции:

1. Регистрацию температурного поля поверхности контролируемого объекта.

2. Обработку температурного поля с целью решения поставленных задач: обнаружение внутренних несплошностей, определения качества теплоизоляции и т.п.

В большинстве случаев для регистрации температурного поля поверхности используется тепловизионная техника (О.Н.Будадин, А.И.Потапов, В.И.Колганов и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - М., Наука, 2002, 476 с.).

К способам теплового контроля технического состояния протяженных объектов, например трубопроводов, теплотрасс и т.п., использующим тепловизинную технику, относится способ, раскрытый в указанном источнике. Способ заключается в перемещении над земной поверхностью системы регистрации температурного поля - тепловизора, регистрации видеоизображения температурного поля и его компьютерной обработке. По результатам обработки определяют аномалии температурного поля, характерные для дефектных областей теплоизоляции. Имея определенные преимущества, данный способ регистрации температурного поля имеет существенные недостатки, которые значительно ограничивают его применение на практике, а также при решении задач долговременного периодического мониторинга технического состояния объектов. Эти недостатки следующие:

- большое влияние неравномерного качества поверхности, с которой осуществляется регистрация температурного поля, наличие помех, трудностей при перемещении аппаратуры регистрации (тепловизора) и др., которые снижают достоверность контроля,

- низкая производительность контроля вследствие необходимости перемещения тепловизора вдоль теплотрассы,

- большая стоимость контроля в случае применения авиационной техники для перемещения тепловизора,

- трудности дефектометрии трубопроводов, расположенных в полых коробах,

- затруднения постоянного в течение длительного времени контроля одного и того же объекта, особенно с небольшим периодом контроля.

За последние 30 лет оптические волокна (ОВ) стали важнейшим элементом систем связи благодаря очень малым потерям, которые испытывает свет при распространении, большой полосе пропускания для информационного сигнала и нечувствительности к воздействию внешних электромагнитных полей. Для телекоммуникационных применений разработаны различные конструкции оптических кабелей (ОК), способные работать в широком диапазоне внешних температур и механических воздействий, в условиях высокой влажности в химически активных средах.

Современные волоконно-оптические линии связи позволяют передавать широкополосные сигналы (10 ГГц и более) на расстояние в десятки километров без ретрансляторов. Эти же свойства делают ОВ и ОК крайне привлекательными для использования в устройствах контроля и измерения различных физических величин, таких как температура, механические напряжения, давление и т.п. Такие устройства называют волоконно-оптическим датчиками (ВОД).

В общем случае ВОД можно разделить на два больших класса [1]. К первому классу относятся внешние или гибридные датчики. В них ОВ служит средством доставки сигнала к различным чувствительным приборам, в которых пучки света преобразуются внешними воздействиями, подвергаясь модуляции по интенсивности или поляризации.

В другом типе датчиков само оптическое волокно выступает в качестве чувствительного элемента. Изменение параметров внешней среды приводит к изменению параметров сигнала, распространяющегося по ОВ. Такие датчики по самой своей сути являются распределенными, поскольку воздействию подвергаются различные участки ОВ (все ОВ или каждая его точка) и, тем самым, имеется возможность отслеживать изменения среды в большом количестве точек или непрерывно по всей длине волокна. В этом случае одно ОВ заменяет систему точечных датчиков (их число в некоторых случаях может составлять сотни и тысячи штук), которые должны быть установлены для решения конкретной задачи контроля.

В настоящее время самым распространенным способом измерения распределения характеристик ОВ по его длине является оптическая рефлектометрия, когда параметром является мощность сигнала обратного рассеяния, приходящего от различных точек ОВ. Импульсные оптические рефлектометры (OTDR - optical time domain reflectometer), использующие сигнал обратного рэлеевского рассеяния, широко применяются в волоконно-оптической связи для измерения затухания и длины ОВ. При рэлеевском рассеянии частота (длина волны) падающего и рассеянного излучения совпадают.

Измерение температуры ОВ осуществляется путем регистрации бриллюэновского или рамановского рассеяния. Спектр рассеяния в этих случаях состоит из двух компонент: стоксовой и антистоксовой (их длины волн соответственно больше и меньше длины волны падающего излучения).

Бриллюэновское рассеяние возникает в результате взаимодействия между падающим излучением и акустическими волнами, которые образуются вследствие механических и температурных напряжений в ОВ.

Бриллюэновское рассеяние имеет две спектральные компоненты, частота которых отличается от частоты падающего излучения на 10.5…11 ГГц [2]. Температура ОВ непосредственно влияет как раз на величину этого частотного сдвига. Метод бриллюэновской рефлектометрии применим только в одномодовых ОВ.

Рамановское рассеяние возникает в результате взаимодействия между падающим излучением и колебательными состояниями молекул вещества. Интенсивность антистоксовой компоненты рассеяния зависит от температуры, которая, с другой стороны, практически не влияет на интенсивность стоксовой компоненты. Для регистрации этих компонент используется рефлектометрический метод. Как и в стандартном случае, он позволяет получить данные о непрерывном распределении исследуемого параметра (в данном случае температуры) вдоль оптического волокна.

Метод рамановской рефлектометрии позволяет использовать для этой цели как стандартные телекоммуникационные ОВ, так и специализированные оптические волокна и кабели, предназначенные для работы в условиях высоких температур, давлений, в активных средах и т.п. ОВ одновременно выполняет функции сенсора и канала распространения измерительных сигналов, а рамановский рефлектометр - прибора, регистрирующего и обрабатывающего эти сигналы.

При прохождении электромагнитного излучения через физическую среду часть этого излучения рассеивается на неоднородностях и атомах (молекулах) вещества. При этом в рассеянном излучении присутствуют компоненты с той же длиной волны, что и падающее излучение, а так же и компоненты с другими длинами волн. На фиг.1 схематически представлен спектральный состав рассеянного излучения в кварцевом ОВ.

Основные параметры рэлеевского рассеяния - длина волны и интенсивность не зависят от температуры ОВ. С другой стороны, ее изменение приводит к сдвигу частоты бриллюэновских компонент и изменению интенсивности антистоксовой компоненты рамановского рассеяния. Эти эффекты схематически отображены на фиг.2.

В соответствии с указанными физическими явлениями существует два способа измерения температуры ОВ.

При бриллюэновском рассеянии происходит взаимодействие между распространяющимся оптическим сигналом и акустическими волнами, которые возникают вследствие механических и температурных напряжений в ОВ. Эти напряжения создают волны показателя преломления, которые движутся со звуковой скоростью. Вследствие эффекта Доплера у рассеянного излучения появляется сдвиг по длине волны (частоте). Скорость акустической волны непосредственно связана с плотностью среды, которая, в свою очередь, зависит от температуры и механического напряжения. Таким образом, бриллюэновский сдвиг частоты рассеянного сигнала несет в себе информацию и о температуре и о напряжении ОВ.

В этом заключается главная проблема при реализации измерителя температуры ОВ с помощью анализа бриллюэновского рассеяния - невозможность отделить механические и температурные влияния на сдвиг частоты. Кроме того, в измерительной аппаратуре необходимо применять лазерные излучатели с узким спектром излучения и высокодобротные волоконно-оптические фильтры, а для регистрации бриллюэновских компонент использовать либо гетеродинный, либо интерференционный метод приема. Из этого следует, что реализация метода регистрации бриллюэновского рассеяния для измерения температуры возможна только в одномодовых ОВ, а использование сложных высокоточных волоконно-оптических компонентов приводит к значительному удорожанию аппаратной части прибора.

При рамановском рассеянии изменение температуры ОВ приводит к изменению интенсивности (мощности) антистоксовой компоненты. При этом температура не влияет на характеристики стоксовой компоненты и рэлеевского рассеяния. Отношение интенсивностей компонент рамановского рассеяния определяется из выражения [3]:

где I_AS и I_S - интенсивности антистоксовой и стоксовой компонент соответственно;

λ_AS и λ_S - длины волн этих компонент;

h - постоянная Планка;

с - скорость света в вакууме;

Т - абсолютная температура;

ν - величина частотного сдвига между падающим излучением и рамановскими линиями.

В кварцевом ОВ рамановские линии отстоят от частоты падающего излучения на 13.2 ТГц или 440 см^-1 [3]. Например, если длина волны падающего излучения 1064 нм, то пики стоксовой и антистоксовой компонент будут приходиться на 1116 нм и 1016 нм соответственно.

Из соотношения (1) следует, что для измерения температуры ОВ достаточно знать отношение интенсивностей I_AS/I_S. При этом расстояние по оси длин волн между компонентами довольно велико. Это позволяет:

- использовать для регистрации рамановского рассеяния такие же методы и устройства, как и в обычной рэлеевской рефлектометрии;

- применять стандартные телекоммуникационные оптические мультиплексоры и фильтры для разделения спектральных компонент рассеяния;

- измерять температуру как одномодовых, так и многомодовых ОВ.

Однако интенсивность антистоксовой компоненты сигнала обратного рассеяния будет зависеть не только от температуры ОВ, но и от затухания в нем. Поэтому аппаратура и методы (методики) измерения должны учитывать этот фактор.

Известен способ теплового контроля технического состояния протяженных объектов, например трубопроводов, теплотрасс и т.п. (О.Н.Будадин, А.И.Потапов, В.И.Колганов и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - М., Наука, 2002, 476 с.). Он включает регистрацию температурного поля области поверхности земли в районе расположения трубопровода и анализ температурного поля. За счет повышенной температуры трубопровода (теплоноситель, протекающий по трубопроводу имеет повышенную температуру по сравнению с окружающей средой) и нарушенной теплоизоляции либо нарушенной сплошности самого трубопровода, на поверхности земли образуются аномалии температурного поля, характеристики которых содержат информацию о техническом состоянии трубопровода. Анализ температурного поля позволяет оценить характеристики нарушений трубопровода и объективно определить его техническое состояние.

Однако этот способ имеет существенные недостатки:

- необходим свободный доступ к поверхности для обследования тепловизионной системы,

- большие трудности определения толщины и качества технического состояния теплоизоляции из-за неравномерного качества поверхности, наличия помех, трудностей при перемещении аппаратуры регистрации (тепловизора) и т.п.,

- низкая производительность контроля вследствие необходимости перемещения тепловизора вдоль теплотрассы,

- высокая стоимость контроля в случае применения авиационной техники для перемещения тепловизора,

- трудности дефектометрии трубопроводов, расположенных в полых коробах,

- затруднения постоянного в течение длительного времени контроля одного и того же объекта, особенно с небольшим периодом контроля.

Сущность изобретения

В свете изложенного возникает необходимость создания достоверного метода теплового неразрушающего контроля (мониторинга) технического состояния протяженных сложнопрофильных и труднодоступных объектов (например, трубопроводов и теплотрасс) в условиях ограниченного доступа на основе обратного рамановского рассеяния в стандартных одномодовых и многомодовых оптических волокнах.

Это позволит решать следующие задачи:

1. Повышение объективности, достоверности результатов теплового контроля технического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов (например, трубопроводов и теплотрасс) в условиях ограниченного доступа, в т.ч. обеспечение достоверности результатов контроля не менее 0,98.

2. Расширение области применения для различных классов объектов и условий проведения контроля, в т.ч.

- обеспечение проведения контроля без условий свободного доступа к поверхности земли, где расположен контролируемый объект,

- повышения помехозащищенности за счет исключения влияния качества поверхности земли при подземном расположении трубопровода и т.п.,

- повышение производительности контроля, обеспечения производительности контроля не менее 10 км протяженности трубопровода за 2-3 мин в течение не менее 15-20 лет.

3. Снижение затрат на проведения контроля за счет исключения использования перемещающихся узлов и блоков системы контроля.

4. Возможность проведения теплового контроля качества и дефектометрии трубопроводов, расположенных в полых коробах.

Таким образом, появится возможность решения актуальных для практики задач повышения объективности, достоверности результатов теплового контроля технического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов (например, трубопроводов и теплотрасс) в условиях ограниченного доступа, расширение области его применения, снижение затрат на проведения контроля и снижение потерь энергии за счет своевременного ремонта объекта.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в:

1. обеспечении достоверности результатов контроля, в т.ч. повышении объективности, достоверности результатов контроля технического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов (например, трубопроводов и теплотрасс) в условиях ограниченного доступа,

2. расширении области применения теплового контроля для различных классов объектов и условий проведения контроля, в т.ч.

- обеспечении проведения контроля без условий свободного доступа к поверхности земли, где расположен контролируемый объект,

- повышении помехозащищенности за счет исключения влияния качества поверхности земли при подземном расположении трубопровода и т.п.,

3. повышении производительности контроля, обеспечения производительности контроля не менее 10 км протяженности трубопровода за 2-3 мин в течение не менее 15-20 лет,

4. возможности проведения теплового контроля качества и дефектометрии трубопроводов, расположенных в полых коробах.

Технический результат достигается за счет того, что согласно способу теплового неразрушающего контроля теплотехнического состояния протяженных, сложнопрофильных и труднодоступных объектов прокладывают одномодовую или многомодовую оптоволоконную линию по поверхности теплоизоляции трубопровода, максимальная допустимая температура нагрева которой составляет 200-250°С, имеряют температуру теплопроводной жидкости, протекающей внутри трубопровода в течение времени Т_внутр(t), измеряют тепловой поток q₀ характерного качественного участка трубопровода, имеющего качественную, принимаемую за эталонную теплоизоляцию, измеряют температуру T(x,t) в дискретных точках по длине оптоволоконной линии, формируют матрицу измерений, располагая в столбцах значения температуры в одной точке поверхности теплозащитного слоя объекта, измеренные в разное время, а в строках - значения температуры, полученные в разных точках по длине объекта одновременно:

определяют матрицу толщин теплозащитного слоя вдоль контролируемого объекта от времени

Элементы матрицы определяются по формуле: δ(j,i)=λ(Т_внутр(t_i)-T(j,i))/q₀,

по определенному значению толщины теплозащитного слоя определяют техническое состояние трубопровода и величину потерь передаваемой энергии, где λ - коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции.

Технический результат достигается также за счет того, что температуру теплоизоляции измеряют прибором, включающим импульсный твердотельный лазер со схемой запуска, оптический демультиплексор, предназначенный для разделения сигналов рэлеевского и рамановского рассеяния; оптические приемники, предназначенные для регистрации сигналов рэлеевского и рамановского рассеяния и сигнала синхронизации, оптические разветвители, предназначенные для направления оптических импульсов в измеряемое оптическое волокно, на оптический приемник сигнала синхронизации и на оптический демультиплексор; катушку оптического волокна, предназначенного для создания опорного оптического сигнала обратного рассеяния; электронный датчик температуры оптического волокна; блок вычислений, предназначенный для первичной обработки измерительной информации; блок управления, предназначенный для управления процессом измерения и накопления информации; блок интерфейсный, предназначенный для связи прибора с персональным компьютером, и импульсный преобразователь напряжения, предназначенный для выработки напряжений для питания блоков прибора.

При этом используют импульсный твердотельный лазер, генерирующий зондирующие импульсы с длиной волны излучения 1064 нм.

Описание фигур чертежей

Сущность изобретения будет далее раскрыта более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, где

фиг.1. показывает спектральный состав рассеянного излучения в кварцевом ОВ,

фиг.2. - сдвиг частоты бриллюэновских компонент и изменения интенсивности антистоксовой компоненты рамановского рассеяния,

на фиг.3. приведена схема укладки опто-волоконной линии вдоль протяженного объекта - теплотрассы,

на фиг.4. показана укладка опто-волоконной линии вдоль трубопровода,

фиг.5. иллюстрирует характер систематической погрешности,

фиг.6 - характер скачка систематической погрешности,

фиг.7 показывает рефлектограммы стоксовой (верхняя линия) и антистоксовой компонент рамановского рассеяния,

фиг.8 - характерный вид динамического диапазона - разности между начальным уровнем обратного рассеяния и максимальным уровнем шума за пределами рефлектограммы,

на фиг.9. приведены графики зависимости амплитуды шума на рефлектограмме от уровня сигнала обратного рассеяния (уровня рефлектограммы) при различных значениях динамического диапазона рефлектометра,

на фиг.10 - зависимости амплитуды шума на рефлектограмме от погрешности измерения температуры от длины многомодового ОВ. Предполагается, что затухание ОВ на длине волны 1064 нм составляет 0,9 дБ/км и чувствительность интенсивности антистоксовой компоненты к изменению температуры - 0,013 дБ/°С,

на фиг.11 показан график зависимости амплитуды антистоксовой компоненты по отношению к стоксовой от температуры,

фиг.12 иллюстрирует шумовую схему оптического приемника,

на фиг.13 приведена структурная схема прибора,

на фиг.14 изображен внешний вид прибора,

на фиг.15 - блок-схема измерительного алгоритма,

фиг.16 иллюстрирует примеры результатов измерений, отображенных в виде графиков, полученных с помощью программного обеспечения (ПО) прибора,

фиг.17 показывает оптическое волокно и участки, температура которых подлежит анализу,

фиг.18 - распределение весовых коэффициентов,

на фиг.19 изображена схема алгоритма мониторинга заданных участков,

на фиг.20 приведена фотография прибора с катушкой опто-волоконного кабеля,

на фиг.21 - блок-схема измерительного алгоритма,

на фиг.22 - результаты мониторинга,

фиг.23 показывает интерфейс оператора, и

фиг.24 - фрагмент видеоизображения температурного поля поверхности земли в районе контролируемого трубопровода.

Описание предпочтительного варианта изобретения

Ниже рассмотрено использование способа для теплового неразрушающего контроля технического состояния протяженного сложнопрофильного и труднодоступного трубопровода в условиях ограниченного доступа на основе обратного рамановского рассеяния в стандартных одномодовых и многомодовых оптических волокнах.

Прокладывают одномодовую или многомодовую опто-волоконную линию по поверхности теплоизоляции трубопровода. Потенциальная температура нагрева опто-волоконной линии не должна превышать максимальной допустимой (200-250 град.С).

Схема укладки опто-волоконной линии вдоль трубопровода теплотрассы представлена на фиг.3.

На фиг.4 приведены фотографии укладки опто-волоконной линии вдоль трубопровода.

Измеряют температуру теплопроводной жидкости, протекающей внутри трубопровода в течение времени - Т_внутр(t).

Измерение температуры осуществляется либо непосредственно самой теплопроводной жидкости внутри трубопровода, путем введения термощупа через специальные технологические отверстия, либо измеряют температуру поверхности трубопровода на участке отсутствия теплоизоляции.

Измерение может осуществляться термодатчиком - Термометр контактный ТК-5.09 производитель ООО «ТехноАс» (г.Коломна) с погрешностью не более ±0,5 град.

Измеряют тепловой поток характерного качественного участка трубопровода (участка качественной эталонной теплоизоляции) - q₀.

Измерения осуществляют датчиком теплового потока - Электронный измеритель плотности тепловых потоков пятиканальный ИТП-МГ4.03 "ПОТОК" и Зонды. Производитель ООО «Стройприбор» (г.Челябинск).

Измеряют температуру в дискретных точках по длине оптоволоконной линии - T(x, t).

Формируют (располагают) результаты измерения по поверхности теплозащитного слоя, таким образом получают матрицу измерений.

Определяют матрицу толщин теплозащитного слоя вдоль контролируемого объекта от времени

Элементы матрицы определяют по формуле δ(j,i)=λ(Т_внутр(t_i)-T(j,i))/q₀.

По определенному значению толщины теплозащитного слоя определяют техническое состояние трубопровода и величину потерь передаваемой энергии, например, следующим образом:

Здесь δ_min - минимальное допустимое значение толщины теплоизоляции, определенное исходя из предельно допустимых потерь передаваемого по трубопроводу энергоносителя.

Значения матриц температуры Т(nxk) и толщины δ(nxk) теплоизоляции сохраняют в базе данных для ретроспективного анализа функционирования контролируемого трубопровода.

Определим погрешность способа.

Исследование величины сигналов обратного рамановского рассеяния

При определении температуры оптического волокна (ОВ) осуществляется регистрация компонент рамановского рассеяния и производится процедура сравнения сигналов. Поскольку предполагается, что характеристики рэлеевского и стоксового сигнала не зависят от температуры, то отличие в их поведении от антистоксового сигнала (изменение наклона антистоксовой рефлектограммы, появление на ней больших неоднородностей и т.п.) трактуется как изменение температуры на соответствующих участках ОВ.

Однако для более точного измерения температуры ОВ необходимо учитывать различия сигналов, которые имеются даже при постоянной температуре вдоль ОВ. На фиг.5 показаны рефлектограммы стоксовой и антистоксовой компонент линии, состоящей из двух ОВ, соединенных с помощью сварного соединения. Температура обоих ОВ одинаковая, однако видно, что наклон стоксовой (верхней) рефлектограммы, имеющей большую длину волны, меньше. Кроме того, затухания в соединении ОВ разные. Если для определения температуры просто вычислить разность между сигналами, то указанные различия приведут к систематическим погрешностям в виде наклона температурного графика и скачка в месте соединения ОВ, как показано на фиг.5, 6.

При анализе сигналов комбинационного рассеяния необходимо учитывать, что длина волны рассеянного излучения отличается от длины волны зондирующего импульса. Здесь необходимо отметить, что коэффициент обратного рассеяния В_имп-S (или В_имп-AS) определяют долю мощности оптического импульса (с длиной волны λ_имп), которая преобразуется в соответствующую компоненту сигнала рамановского рассеяния рассеивается (с длиной волны λ_S или λ_AS).

Параметры стоксового сигнала, как и рэлеевского, не зависят от температуры, а коэффициент антистоксового обратного рассеяния В_имп-AS зависит и от температуры, и от расстояния, поскольку температура может быть различна в разных точках ОВ. Это свойство можно выразить следующим образом:

В_имп-AS=В_имп-AS(Т₀)·В_имп-AS(ΔT(L)),

где В_имп-AS(Т₀) - значение коэффициента антистоксового обратного рассеяния, когда ОВ по всей длине имеет некоторую постоянную температуру Т₀,

В_имп-AS(ΔT(L)) - изменение этого коэффициента при изменении температуры.

В соответствии с (12), величина затухания в соединении ОВ, измеренная рефлектометром на антистоксовой компоненте, определяется выражением (см. (7) и (9)):

где T₁ и Т₂ - температура 1-го и 2-го ОВ соответственно;

Т_1,2=Т₀+ΔT_1,2.

Из вышеприведенных равенств следует, что измеренная величина затухания в соединении зависит от:

- затухания на длине волны зондирующего оптического импульса (β_12,имп),

- затухания на длине волны антистоксовой компоненты (β_12,AS),

- отношения коэффициентов антистоксового обратного рассеяния волокон при одинаковой температуре;

- изменения этих коэффициентов при изменении температуры.

Информация о температуре ОВ заложена именно в последнем слагаемом равенства, поэтому для ее точного определения необходимо иметь возможность учесть значения других составляющих. Это значит, что необходимо независимыми измерениями определить:

- коэффициенты затухания γ каждого ОВ на длинах волн оптического импульса и антистоксовой компоненты (не зависят от температуры);

- значения затухания β в соединениях ОВ на этих длинах волн (не зависят от температуры);

- составляющую коэффициента антистоксового обратного рассеяния каждого ОВ при некоторой постоянной вдоль ОВ температуре;

- и, наконец, долю мощности антистоксового сигнала в каждой точке ОВ, зависящую от температуры.

Факторы, определяющие точность измерения температуры оптического волокна при регистрации рамановского рассеяния

Мощность сигнала и амплитуда шума.

При определении температуры оптического волокна путем регистрации интенсивности компонент рамановского рассеяния используется метод импульсной рефлектометрии. Сигналы обратного рассеяния имеют малую амплитуду, и их анализ проводится при низком отношении сигнала к шуму (для больших расстояний это отношение может быть меньше 1). Поэтому основными факторами, определяющими погрешность измерения температуры оптического волокна, являются:

- мощность источника излучения, поскольку мощность сигнала обратного рассеяния (и рэлеевского и рамановского) прямо пропорциональна мощности зондирующего оптического импульса;

- длительность зондирующего оптического импульса, поскольку мощность сигнала обратного рассеяния (и рэлеевского и рамановского) прямо пропорциональна этой длительности;

- собственный шум оптического приемника;

- время измерения (накопления) сигнала.

Для численных оценок влияния указанных факторов используются формула (2) и выражения:

ΔU_ш=5·lg(t₁/t₂)^1/2,

где ΔU_ш (дБ) - изменение амплитуды шума оптического приемника при изменении времени измерения в (t₁/t₂) раз.

Из формулы (2) следует, что при увеличении мощности импульса в 2 раза уровень рефлектограммы возрастает на

5·lg(Р_имп2/Р_имп1)=5·lg(2)=1,5 дБ

Аналогично из формулы (16) следует, что при увеличении времени измерения в 2 раза амплитуда шума уменьшается на 0,75 дБ.

Мощность сигнала обратного рассеяния и собственные шумы оптического приемника рефлектометра определяют отношение сигнала к шуму и, значит, амплитуду шума на рефлектограмме. Поскольку измерение температуры ОВ основано на измерении интенсивности антистоксовой компоненты рамановского рассеяния, то амплитуда шума на рефлектограмме определяет минимально возможную погрешность определения температуры.

На фиг.7 показаны рефлектограммы стоксовой (верхняя линия) и антистоксовой компонент рамановского рассеяния.

Амплитуда шума на антистоксовой рефлектограмме значительно выше; она составляет примерно 0,022 дБ. Температурная чувствительность интенсивности антистоксовой компоненты составляет 0,45…0,65%/°С [6] или 0,01…0,014 дБ/°С. Это значит, что для данного измерения минимальная погрешность измерения температуры может составлять 1,6…2,2°С.

Поэтому анализ способов повышения точности измерения температуры, прежде всего, должен основываться на анализе отношения сигнала к шуму в рефлектометре и путях его увеличения.

Влияние динамического диапазона рефлектометра на амплитуду шума на рефлектограмме

Теоретическую оценку амплитуды шума на рефлектограмме удобно провести пользуясь понятием динамического диапазона рефлектометра.

Динамический диапазон - это разность между начальным уровнем обратного рассеяния и максимальным уровнем шума за пределами рефлектограммы (см. фиг.8); указанная разность определяется при определенной длительности импульса и заданном времени измерения.

Определим амплитуду шума на рефлектограмме.

Обозначим

U_c - напряжение сигнала обратного рассеяния, соответствующего некоторой точке ОВ, на выходе оптического приемника рефлектометра, В;

U_ш - напряжение шума на выходе оптического приемника рефлектометра, В;

U₀ - максимальное напряжение сигнала обратного рассеяния, соответствующего начальной точке ОВ, на выходе оптического приемника рефлектометра, В;

А - уровень на рефлектограмме, соответствующий напряжению сигнала U_c, дБ.

A₀ - максимальный уровень рефлектограммы, соответствующий напряжению сигнала U₀, дБ.

Тогда исходя из определения, динамический диапазон

D=5·lg(U₀/U_ш).

Кроме того, поскольку максимальному уровню рефлектограммы в соответствии со стандартом [7] обычно приписывается значение 0 дБ, то все более низкие уровни будут иметь отрицательные значения, и можно записать

A=5·lg(U_c/U₀).

Амплитуду шума в точке на рефлектограмме, соответствующей уровню А, можно определить следующим образом:

Необходимо еще раз отметить, что уровень точки рефлектограммы А - отрицательная величина, а динамический диапазон D - положительная.

На фиг.9 показаны графики зависимости амплитуды шума на рефлектограмме от уровня сигнала обратного рассеяния (уровня рефлектограммы) при различных значениях динамического диапазона рефлектометра.

На фиг.10 эти данные преобразованы в зависимость погрешности измерения температуры от длины многомодового ОВ. При этом предполагается, что затухание ОВ на длине волны 1064 нм составляет 0,9 дБ/км и чувствительность интенсивности антистоксовой компоненты к изменению температуры - 0,013 дБ/°С.

Полученные оценки позволяют конкретизировать требования к величине динамического диапазона рефлектометра, который определяет минимальную достижимую погрешность измерения температуры ОВ.

Мощность сигналов обратного рамановского рассеяния

Мощность стоксовой P_S и антистоксовой P_AS компонент сигнала, рассеянного от участка ОВ длиной dL, находящегося на расстоянии L от начала ОВ, можно определить по формуле [8]:

dP_S(AS)=P(L)·П_S(AS)·Г_S(AS)·dL,

где P(L) - мощность падающего излучения в точке L;

П_S(AS) - коэффициенты Бозе-Эйнштейна распределения плотностей вероятностей фононов для стоксовой (S) и антистоксовой (AS) компонент;

Г_S(AS) - коэффициент преобразования падающей оптической мощности в сигнал обратного рассеяния

Согласно [8]

,

,

где ΔЕ - энергия собственных колебаний кристаллической решетки твердого вещества, для кварцевого стекла ΔЕ=50 мэВ;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

Длина участка рассеяния связана с длительностью зондирующего оптического импульса соотношением [4]:

dL=(τ_имп·с)/(2·n),

где с - скорость света в вакууме;

n - показатель преломления сердцевины ОВ.

Используя данные, приведенные в [8], можно определить, что в многомодовом ОВ при комнатной температуре (T=300 K) при длине волны зондирующего излучения 1064 нм и длительности оптического импульса 1 нс мощности стоксовой и антистоксовой компонент, приведенные к входной мощности, составят P_S=4,67 нВт/Вт, P_AS=0,85 нВт/Вт и стоксова компонента больше антистоксовой в 5,5 раз.

Из этих данных следует, что для длины волны 1064 нм и длительности импульса 1 нс коэффициент обратного рассеяния для стоксовой компоненты будет составлять -83.3 дБ; а для антистоксовой -90.7 дБ. Коэффициент обратного рэлеевского рассеяния для стандартного ММ ОВ составляет -68 дБ для длины волны 850 нм и -76 дБ для длины волны 1300 нм [9].

На фиг.11. приведен график зависимости амплитуды антистоксовой компоненты по отношению к стоксовой от температуры. Видно, что в диапазоне 100 градусов отношение интенсивностей изменяется примерно в 2 раза.

Метод корреляционного рефлектометра

Как указывалось выше, мощность сигнала обратного рассеяния, а значит, и динамический диапазон, прямо пропорциональны мощности и длительности зондирующего оптического импульса, т.е. его энергии. В работе [6] предложено для увеличения энергии полезного сигнала использовать не одиночные оптические импульсы, псевдослучайную последовательность, образованную с использованием комплиментарно-корреляционного кодирования. Принцип использования такого кодирования в оптической рефлектометрии был предложен в статье [10]. Главное отличие комплиментарных кодов от других состоит в том, что теоретически корреляционная функция последовательности таких импульсов не имеет боковых лепестков, вся ее энергия сосредоточена в центральном пике. В [10] получены выражения для отношения сигнала к шуму для обычного одноимпульсного метода и при использовании кодированной последовательности:

В этих формулах

N - число усреднений отсчета рефлектограммы;

М - длина (количество бит) псевдослучайной последовательности;

βh - энергия одиночного импульса с учетом формы импульсного отклика оптического приемника рефлектометра;

σ - амплитуда шума на выходе оптического приемника рефлектометра.

Из этих равенств видно, что кодирование улучшает отношение сигнала к шуму пропорционально квадратному корню из длины кодированной последовательности.

В статье [8