автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно-оптического телеметрического комплекса

На правах рукописи

Симонов Максим Андреевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.11.14- Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете приборостроения и информатики» (МГУПИ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Инновационные технологии в приборостроении, микро- и оптоэлектронике» МГУПИ Кондратенко Владимир Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

директор по научной работе ОАО «НИТС» Машир Юрий Иванович

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по управлению проектами ООО «Т8» Слепцов Михаил Алексеевич

Ведущая организация: ОАО «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова»

Защита состоится «23» декабря 2014 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107076, г. Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МГУПИ. Автореферат размещен на сайте: http://wvvw.miuipi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учредителя, просьба направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «18» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В. В. Филинов

Общая характеристика работы u?„'1 кл

1.1 Актуальность.

В результате эксплуатации промышленных объектов возникают разрушения конструкций из-за образования и роста дефектов, либо потери устойчивости. Причинами данных проблем являются напряжения материалов в конструкции объекта. Техническая диагностика промышленного оборудования, а именно, мониторинг температурного и деформационного состояния поверхности объекта позволяет своевременно выявить опасные зоны объекта и предотвратить их разрушение.

Современные методы, составляющие методику технической диагностики оборудования с применением волоконно-оптических средств, позволяют решить данную задачу благодаря использованию абсолютно нечувствительного к электромагнитным наводкам волоконного световода, длина которого может достигает десятков километров. Волоконный световод выполняет одновременно функцию передачи оптического излучения и функцию чувствительного элемента.

1.2 Состояние проблемы.

Хотя методы технической диагностики оборудования с применением волоконно-оптических средств известны и исследованы в работах С.А. Васильева, Ю.Н. Кульчина, Т. Окоси (Япония), О.И. Медведкова, В.Н. Листвина, Керсей А.Д. (США), A.C. Куркова, И.Г. Королева, Танака Н. (Япония), В.К. Леко, О.В. Мазурина, Р. Кашьяпа (Англия), Д. Бэйли (Австралия) и др., актуальной проблемой является создание новых типов квазираспределенных методов и аппаратуры для технической диагностики промышленных объектов, позволяющих проводить мониторинг на кардинально новом уровне, а именно, проводить измерения с высокой точностью, с возможностью гибкого формирования системы мониторинга, с возможностью отслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно и в большом объеме информации.

Наиболее подходящей и практически применимой для решения таких задач является волоконно - оптический телеметрический комплекс, основанный на измерении спектральной характеристики волоконных решеток показателя преломления (далее волоконных решеток Брэгга).

Важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно -оптического телеметрического комплекса, является долговременная работа волоконно-оптических датчиков температуры и деформации, адаптации их к промышленному применению, проведение измерений в большом количестве точек одновременно, с высокой частотой, точностью и надежностью для быстрого реагирования в случае преждевременного выхода из строя объекта или оборудования, снижения и предотвращения аварийных и опасных ситуаций.

1.3 Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно-

оптического телеметрического комплекса, обеспечивающего контроль параметров температуры и деформации объектов с высокой точностью в режиме реального времени.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Провести анализ современных методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования и предложить новую методику и аппаратуру с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками.

• Провести теоретические исследования методик нахождения спектров чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и выбрать подходящую из них для повышения точности работы аппаратуры.

• Разработать алгоритмы обработки спектров чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.

• Исследовать влияние температурного и деформационного воздействия на волоконные решетки Брэгга волоконно-оптических датчиков с целью определения достижимых технических характеристик.

• Разработать техническое задание на волоконно-оптический телеметрический комплекс с целью составления и утверждения технических условий на комплекс.

• Разработать конструкцию волоконно-оптического телеметрического комплекса.

• Провести оценку технических характеристик волоконно-оптических датчиков температуры и деформации.

• Провести метрологические испытания волоконно-оптического телеметрического комплекса.

• Апробировать разработанный волоконно-оптический комплекс на действующих промышленных объектах.

• Представить применимость разработанной методики и аппаратуры для решения альтернативных задач с применением волоконно-оптических средств.

1.4 Методы исследования.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые способствовали решению поставленных задач. Теоретические исследования проводились путем построения модели, основанной на формулах расчета и обработки спектров волоконных решеток Брэгга (ВБР), а также с использованием обработки спектров с учетом температурного и деформационного воздействия на ВБР. Экспериментальные исследования проводились в нормальных климатических условиях на стендах ООО ИП «НЦВО - Фотоника», а также с использованием калибровочного оборудования, имеющего аттестацию ФГУП «ВНИИМС», и с использованием волоконно-оптического телеметрического комплекса в соответствии с порядком проведения поверки средств измерений (ПР 50.2.00694 ГСИ). На протяжении всей работы выполнялось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.

1.5 Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработана методика определения температуры и деформации промышленных объектов, основанная на измерении спектральных характеристик волоконных решеток Брэгга и позволяющая проводить мониторинг технического состояния промышленных объектов на новом уровне. А именно, проводить измерения с высокой точностью, с возможностью гибкого формирования системы мониторинга, с возможностью отслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно и в большом объеме. Это позволяет предотвратить преждевременный выход из строя объекта или оборудования, снизить риск аварийных и опасных ситуаций.

• Исследованы методики нахождения спектров чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков. В результате проведения исследований для разработки волоконно-оптического телеметрического комплекса была выбрана методика установления пороговых параметров пика волоконной решетки Брэгга.

• Разработаны алгоритмы обработки спектров, позволяющие с высокой точностью находить центральную длину волны резонансного пика отражения волоконно-оптической решетки Брэгга волоконно-оптического датчика.

• Исследовано влияние температурного и деформационного воздействия на волоконные решетки Брэгга волоконно-оптических датчиков. В результате исследований установлена возможность одновременной регистрации как температуры, так и деформации с четким разделением этих физических величин. Разработана методика расчета температурного и деформационного воздействия на волоконные решетки Брэгга.

1.6 Практическая ценность работы состоит в том, что:

• Разработаны и утверждены технические условия на ВоТК (ТУ-5210-221-77951881-2012), УРМ (ТУ-1000-440-77951881-2011), ВОДТ (ТУ-1100-311-77951881 -2011), ВОДД (ТУ-7378-540-77951881-2011).

• Разработана конструкция волоконно-оптического телеметрического комплекса:

Оптоэлектронная схема и принцип действия разработанного унифицированного регистрирующего модуля с малой степенью поляризации выходного излучения, высокой частотой работы и большим количеством оптических каналов,

Конструкция волоконно-оптического датчика температуры, позволяющего проводить измерения с точностью ±1°с в диапазоне температур от -50°с до +500°с,

Конструкция волоконно-оптического датчика деформации, позволяющего проводить измерения относительной деформации с точностью 0.2%, абсолютной деформации ~ 1-2 мкм с возможностью работы при температуре до +100°С.

• По результатам проведения метрологических испытаний разработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс внесен в государственный реестр средств измерений, что подтверждено свидетельством об утверждении

типа средств измерений на "Комплекс ы волоконно-оптические телеметрические ВоТК-21х-1,55-у/40" RU.C.32.004.A №49372.

• Разработанные методики и аппаратура нашли применение в альтернативных волоконно-оптических решениях. Разработаны: волоконно-оптический термометр, волоконно-оптический торцевой датчик нагрузки.

1.7 Реализация и использование результатов работы.

Разработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс реализован в ООО «ИП «НЦВО - Фотоника» и апробирован на объекте коксования нефтепродуктов ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ», а так же для решения задач ОАО «Концерн «Океанприбор». Результаты апробации подтверждены актами внедрения предприятий ООО НПЦ «Динамика» и ОАО «Концерн «Океанприбор».

Разработаны: волоконно-оптический термометр, волоконно-оптический торцевой датчик нагрузки. По результатам разработки волоконно-оптического термометра был получен патент на изобретение №2491523 (Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 27.08.2013) «Волоконно-оптический термометр», патент на полезную модель №133294 (Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 10.10.2013) «Волоконно-оптический щуп для измерения температуры». По результатам разработки волоконно-оптического торцевого датчика давления был получен патент на изобретение №2522791 (Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 21.05.2014) «Волоконно-оптический торцевой датчик давления (его варианты)».

1.8 Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались на семинарах и научных конференциях Московского Государственного Университета Приборостроения и Информатики.

Результаты диссертационной работы демонстрировались на XII Международном форуме «Высокие технологии XXI века» - «ВТ XXI - 2011» совместно с НЦВО РАН, на XIV Московском международном салоне «Архимед 2011» совместно с Московским Государственным Университетом Приборостроения и Информатики, на 21-й международной выставке «Здравоохранение-2011», на VI Международной специализированной выставке лазерной оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики - 2011», на VII международной специализированной выставке лазерной оптической и оптоэлектронной техники «ФОТОНИКА. МИР ЛАЗЕРОВ И ОПТИКИ-2012», на VIII международной специализированной выставке лазерной оптической и оптоэлектронной техники «ФОТОНИКА. МИР ЛАЗЕРОВ И ОПТИКИ-2013», VII Московский международный конгресс "БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ".

1.9 Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 7 в опубликованных тезисах и докладах всероссийских и международных конференций и 2 в журнале из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных

журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Получено три патента на изобретение, два патента на полезную модель.

1.10 Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 174 страницы текста, включая 60 рисунков, 17 таблиц и список цитируемой литературы из 105 наименований.

1.11 Основные положения, выНосимые на защиту.

1. Результаты исследований влияния температурного и деформационного воздействия на волоконные решетки Брэгга.

2. Методика и алгоритмы нахождения и обработки спектральных характеристик волоконных решеток Брэгга.

3. Принцип действия и конструктивные особенности волоконно-оптического телеметрического комплекса.

4. Результаты метрологических испытаний волоконно-оптического телеметрического комплекса.

5. Результаты апробации и внедрения волоконно-оптического телеметрического комплекса.

2. Содержание диссертации

Во введении сформулирована цель, указаны научная новизна и практическая ценность выбранной темы исследований по разработке методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно-оптического телеметрического комплекса. Приведены основные научные и практические положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы современные методики и аппаратура для технической диагностики промышленных объектов. По результатам анализа сделаны выводы, что существующие на сегодняшний день методики и аппаратура имеют целый ряд недостатков:

• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры имеет малый спектральный и динамический диапазон работы, не обладает достаточной скоростью опроса датчиков, что необходимо для технической диагностики больших объектов;

• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры не имеет нормировки опорного сигнала, что приводит к систематическим ошибкам в измерениях;

• Современные волоконно-оптические датчики температуры имеют высокую погрешность и малый диапазон работы (до 150°С), хотя в большинстве приложений требуется измерение темпертуры до 500°С с погрешностью измерений не хуже ±1°С.

Современные волоконно-оптические датчики деформации имеют малый диапазон работы (0.5% относительной деформации), хотя в большинстве приложений требуется измерение относительной деформации объекта до 2%.

Определено, что важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно - оптического телеметрического комплекса, является повышение диапазонов работы датчиков температуры и деформации, адаптации их к

промышленному применению, проведение измерений в большом количестве точек одновременно, с высокой частотой, точностью и надежностью для быстрого реагирования в случае преждевременного выхода из строя объекта или оборудования, снижения риска аварийных и опасных ситуаций.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям квазираспределенной волоконно-оптической методики определения температуры и деформации и разработке алгоритмов обработки измерений.

Исследованы основные параметры волоконно-оптических решеток Брэгга (ВБР) и по результатам исследований изготовлены образцы для проведения испытаний, с геометрической длиной ¿ВБР = 3 ± 0.5мм, амплитудой модуляции наведенного показателя преломления в сердцевине световода ~4х10'4, коэффициентом отражения 85±5%, спектральной шириной 0.5±0.1 нм.

Проанализировав результаты теоретических исследований данных методик для разработки волоконно-оптического телеметрического комплекса (ВоТК) была выбрана методика установления пороговых параметров пика ВБР из-за ее удобства в

4000

зооо

2000

1000

о

Рисунок 1. Пример установления пороговых параметров пика ВБР Данная методика позволяет устанавливать минимальный уровень сигнала, определяющий наличие пика ВБР и минимальную ширину по уровню 50%, чтобы избежать распознавания в качестве ВБР случайных шумовых всплесков на спектральной зависимости на рисунке участок спектра приведен с указанием уровня отсечки сигнала и ширины на полувысоте наблюдаемых резонансных пиков.

Разработанны алгоритмы, позволяющие с высокой точностью находить центральную длину волны резонансного пика отражения ВБР волоконно-оптического датчика.

Исследовано влияние температурного и деформационного воздействия на чувствительные элементы волоконно-оптических датчиков, как при изоляции одного из воздействий, так и при их одновременном воздействии, изменение

практическом применении (Рисунок 1). I. отн ед.

; ! | о .............I I I ? 4

I 9 1 ° а 1 1 ] о 1и 1_

—,-,-1-,| ,-,---,-1-.-1---1 • I

1540 1542 1544 1546 1548 1550 1552 1554 1556

},. НМ

резонансной длины волны ВБР в широких диапазонах изменения температуры и деформации с хорошей точностью может быть описано линейным приближением, которое имеет вид:

1 = ко5е + кО5т (1)

Авбр Авбр \ ог ) Явбр V от )

где ЯВБР - длина волны ВБР, К°6е и К°8Т - деформационный и температурный материальные коэффициенты кварцевого стекла.

Такая линеаризация позволяет упростить процедуру одновременного измерения температуры и деформации объектов. Этот простейший подход заслуживает упоминания, так как может реализовываться во многих практических измерениях, и, в силу своей простоты, обеспечивает минимальные погрешности при измерении деформации с помощью ВБР.

Разработана методика расчета внешнего воздействия на волоконные решетки Брэгга. Оптимальной с точки зрения простоты калибровки и перекалибровки формой задания калибровочной зависимости является задание отклика пика ВБР на внешние воздействия в виде:

Д! = А\ ■ АТ (1 + А\ ■ ДГ(1 + ■ ДТ)) + ДР(1 + • Д/О) + А™ ■ АТ ■ АР

Д2 = В\ ■ АТ (1 + В1 ■ ДТ(1 + В^ ■ АТ)) + ДР (1 + В$ ■ + ■ А+ВТР ■ АТ ■ ДГ, (2)

где величина Д = (Я.ВБР - Х0)Д0, АТ = (Т-Т0) - отклонение от первоначального значения температуры и ДИ = (Р - РО) - изменение другого измеряемого параметра (деформации).

Основными преимуществами данного способа задания калибровочных зависимостей является простота перекалибровки и ясный физический смысл, вкладываемый в коэффициенты выражения (2).

Он легко позволяет ввести в рассмотрение сенсорные элементы, измеряющие более чем два параметра по отклику сразу нескольких ВБР, либо учесть влияние дополнительных параметров на сенсорный элемент, работающий с двумя ВБР.

В результате проведенных исследований, можно сделать заключение, что достоинством квазираспределенного метода, основанного на измерении резонансной длины волны волоконных решеток Брэгга, является возможность одновременной регистрации как температуры, так и деформации с четким разделением этих физических величин.

Третья глава посвящена разработке конструкции ВоТК и оценке ее технологических характеристик.

Составлено техническое задание на волоконно-оптический датчик температуры (ВОДТ), представляющий собой отрезок волоконного световода, защищенный металлоконструкцией, с записанной в него ВБР. ВОДТ предназначен для контактного измерения температуры различных объектов. Температурный диапазон измерений ВОДТ составляет от -50 °С до +500 °С, с допустимой аболютной погрешностью во всем температурном диапазоне ±1 °С. На основании технического задания утверждены технические условия на ВОДТ (ТУ-1100-311-77951881-2011).

Составлено техническое задание на датчик деформации (ВОДД),

представляющий собой механическую систему, которая включает в себя чувствительный элемент на основе ВБР и механическое устройство, обеспечивающее преобразование деформации объекта в регистрируемую деформацию измерительного элемента. Максимальная измеряемая деформация посредством ВОДД составляет 4 мм при установочной базе равной 200 мм, с допустимой абослютной погрешностью измерений деформации ±20 мкм. На основании технического задания утверждены технические условия на ВОДТ (ТУ-7378-540-77951881-2011).

Разработана оптоэлектронная схема унифицированного регистрирующего модуля с малой степенью поляризации выходного излучения, высокой частотой опроса оптических каналов (Рисунок 2).

Излучение источника посредством трехпортового оптического циркулятора попадает на волоконно-оптический переключатель, коммутирующий опорное и измерительное плечи. Управление переключателем осуществляется с помощью встроенного в УРМ ПК в автоматическом и ручном режимах. В опорном плече расположен световод с перпендикулярным к распространению света торцом (зеркало), обеспечивающим широкополосное отражение для измерения опорного спектра источника. Измерительное плечо служит для подключения волоконно-оптических датчиков (ВОД) на основе ВБР. Отраженное излучение (с опорного и измерительного канала) посредством трехпортового оптического циркулятора попадает на спектроанализатор, с помощью которого производится измерение спектров. После оцифровки измеренные спектры обрабатываются ПК для получения данных о температуре и деформации ВОД.

Типичная процедура нормировки сигнала требует проведения перед началом цикла измерений двух дополнительных процедур, а именно регистрации спектра темнового сигнала N(X) (сигнал при выключенном источнике, т.е. сумма темнового и шумового сигнала системы) и спектра источника излучения L(X.), который часто снимается с помощью оптического патчкорда типа FC/PC - FC/APC. Спектр отражения ВБР S(A,) при этом вычисляется по формуле:

5(Я) =

/(Я)-Л/(Я)

(3),

КЛ)-н(Л)

где 1(а) - сигнал, полученный непосредственно регистрирующий модульем из сенсорной системы. Примеры спектров 1(А), ЦХ), N(>1.) и БСа) приведены на рисунке 3.

I, отн.ед

Рисунок 3. Примеры спектров 1(А.), ЦА.), Ы(Л.) и Поскольку число ВОД, которые можно установить в одном спектральном канале, ограничено характеристиками регистрирующего модуля. Необходимо размещать ВОД в разные оптические каналы. При этом переключение между каналами осуществляется при помощи оптических переключателей.

Наиболее простым алгоритмом переключения между оптическими каналами сенсорной системы является циклическое переключение между каналами, содержащими сенсорные элементы. При этом каждый из каналов будет опрашиваться с одной и той же частотой, что обеспечит одинаковую погрешность измерений и упростит упорядочивание снятых системой данных.

Разработана конструкция волоконно-оптического датчика температуры (ВОДТ). Измерение температуры при помощи датчиков на основе ВБР является наиболее простой технической задачей, так как температура является единственным параметром, требующим измерения. Общая конструкция ВОДТ показана на рисунке 4.

3 9 1

Рисунок 4. Конструкция ВОД температуры Волоконно-оптический датчик температуры представляет собой волоконный световод с одной записанной решеткой Брэгга ВБР (1) с подавленным обратным отражением от торца световода (8). Датчик

предназначен для контактного измерения температур на промышленных объектах. Он упакован в металлическую трубку (2) из нержавеющей стали, для защиты волокна от механических повреждений. Металлическая трубка (2) зажата цанговым патроном (3) в гайке корпуса (4) с одной стороны, с другой -герметичино запаяна (9). В гайку корпуса (4) закручена присоединительная гайка (5), для обеспечения возможности крепления датчика к объекту измерений. В торцевой части корпуса датчика (6) имеется отверстие, в котором закреплена оптическая розетка типа FC/APC (7) , для внешнего обеспечения оптического подключения датчика к регистрирующему модулю.

Разработана конструкция волоконно-оптического датчика деформации (ВОДЦ), представляющего собой механическую систему, которая включает в себя чувствительный элемент (1) с внедренным в него волоконным световодом (5) содержащим несколько ВБР (2) и механическое устройство (3), обеспечивающее передачу деформации объекта на механическое устройство посредством крепления базы ВОД деформации (8) к объекту с дальнейшим преобразованием ее в регистрируемую деформацию чувствительного элемента. Чувствительный элемент закреплен в механическом устройстве элементами крепления (4), которое закреплено в корпусе (7) ВОД деформации (Рисунок 5). ВОД деформации может быть соединен с УРМ посредством оптического соединения разъемами типа FC/APC, через соответствующие разъемы (6) на корпусе ВОД.

Принцип работы основан на спектральном смещении резонансной длины волны отраженного оптического сигнала под воздействием деформации чувствительного элемента датчика. Механическое устройство представляет собой металлоконструкцию, выполненную из нержавеющей стали. Короб датчика выполнен из алюминиевого сплава.

Форма чувствительного элемента (балки) обеспечивает одинаковость величины деформации по всей длине ВБР и снижает требования к точности пространственного расположения ВБР по длине балки. Композиционный материал надежно фиксирует ВБР, что делает сформированный таким образом чувствительный элемент удобным для практического использования.

Балка (2) фиксируется зажимом (4). Усилия показаны на рисунке 6

8

7

5

Рисунок 5. Схема ВОД деформации

стрелочками. Для учета температурных воздействий (или измерения температуры совместно с измерением деформации) наиболее удобно разместить

две ВБР (1) вблизи противоположных поверхностей балки (Рисунок 3.15).

4 ?

Рисунок 6. Чувствительный элемент ВОДД

В таком случае изгиб балки приводит к разнонаправленному смещению резонансной длины волны ВБР, в то время как изменение температуры приводит к однонаправленному сдвигу.

Проведена оценка технологических характеристик волоконно-оптических датчиков температуры и деформации. Абсолютная погрешность измерения температуры не превышает ±1°С во диапазоне температур от -50°С до +500°С. Погрешность измерения относительной деформации не превышает 0.2%, абсолютной деформации ~ 1-2 мкм, с возможностью работы при температуре до +100°С.

Четвертая глава посвящена проведению метрологических испытаний волоконно-оптического телеметрического комплекса и апробации его на действующих производственных объектах.

В соответствии с разработанной методикой испытаний проведены метрологические испытания волоконно-оптического телеметрического комплекса.

Проведена калибровка и проверка волоконно-оптических датчиков температуры. Результаты испытаний представлены в таблице 1. В таблице приведены результаты сравнения температуры 7\, измеренной ВОДТ посредством УРМ, и Т2, измеренной эталонной термопарой посредством МИТ

-8.15.

Таблица 1. Результаты температурных испытаний

МИТ ВОДТ

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10

Т2 С С) тл°с)

100,1 100,2 100,1 100,0 100,0 100,3 100,2 100,3 100,2 100,1 100,2

199,8 199,5 199,6 199,3 199,6 199,7 199,4 199,7 199,4 199,7 199,4

299,9 300,2 300,1 300,3 300,1 300,2 300,1 300,2 300,1 300,2 300,1

400,1 400,4 400,3 400,5 400,2 400,4 400,0 400,4 400,0 400,4 400,0

498,2 498,7 498,1 498,4 498,5 498,3 498,1 498,3 498,1 498,3 498,1

По результатам температурных испытаний откалиброванных волоконно-оптических датчиков температуры (Таблица 1) были посчитаны абсолютные погрешности показаний каждого из датчиков (Таблица 2).

МИТ ВОДТ

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10

г,га Абсолютная погрешность измерения |Г1(°С)|

100,1 0,1 0 0,1 од 0,2 0,1 0,2 0,1 0 0,1

199,8 0,3 0,2 0,5 0,2 0,1 0,4 0,1 0,4 0,1 0,4

299,9 0,3 0,2 0,4 0,2 0,3 0,2 0,3 0,2 0,3 0,2

400,1 0,3 0,2 0,4 0,1 0,3 0,1 0,3 0,1 0,3 0,1

498,2 0,5 0,1 0,2 0,3 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Из таблицы результатов испытаний видно, что абсолютная погрешность каждого из испытанных ВОДТ удовлетворяет техническому заданию и составляет менее ±1°С во всем диапазоне измерений температуры.

По результатам калибровки и проверке ВОДТ получено свидетельство о поверке №207/12-0434п.

Проведена калибровка и проверка волоконно-оптических датчиков деформации. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты тестирования датчиков деформации

ИЧ-10 ВО да

№1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10

мм

0,00 0,001 0,012 0,004 0,003 0,003 0,004 0,005 0,003 0,001 0,002

0,52 0,521 0,522 0,521 0,522 0,523 0,523 0,524 0,521 0,520 0,522

1,00 1,001 1,008 1,002 1,004 1,002 1,005 1,007 1,004 1,006 1,003

1,50 1,506 1,501 1,502 1,502 1,502 1,501 1,505 1,506 1,504 1,503

2,00 2,007 2,001 2,003 2,003 2,004 2,004 2,006 2,006 2,004 2,004

2,50 2,503 2,503 2,504 2,501 2,507 2,504 2,505 2,507 2,506 2,503

3,00 2,997 2,995 2,996 2,998 2,996 2,996 2,998 2,997 2,999 2,997

3,51 3,511 3,509 3,512 3,510 3,512 3,513 3,514 3,513 3,513 3,510

4,01 4,009 4,012 4,011 4,010 4,013 4,009 4,008 4,009 4,007 4,011

По результатам тестирования откалиброванных волоконно-оптических датчиков деформации (Таблица 3) были посчитаны абсолютные погрешности

показаний каждого из них (Таблица 4).

_Таблица 4. Результаты тестирования датчиков деформации

ИЧ-10 ВО дд

№1 | №2 | №3 | №4 | №5 №6 | №7 | №8 | №9 | №10

мм Абсолютная погрешность измерений, мм

0,00 0,001 0,012 0,004 0,003 0,003 0,004 0,005 0,003 0,001 0,002

0,52 0,001 0,002 0,001 0,002 0,003 0,003 0,004 0,001 0 0,002

1,00 0,001 0,008 0,002 0,004 0,002 0,005 0,007 0,004 0,006 0,003

1,50 0,006 0,001 0,002 0,002 0,002 0,001 0,005 0,006 0,004 0,003

2,00 0,007 0,001 0,003 0,003 0,004 0,004 0,006 0,006 0,004 0,004

2,50 0,003 0,003 0,004 0,001 0,007 0,004 0,005 0,007 0,006 0,003

3,00 0,003 0,005 0,004 0,002 0,004 0,004 0,002 0,003 0,001 0,003

3,51 0,001 0,001 0,002 0 0,002 0,003 0,004 0,003 0,003 0

4,01 0,001 0,002 0,001 0 0,003 0,001 0,002 0,001 0,003 0,001

Из таблицы результатов испытаний видно, что абсолютная погрешность каждого из испытанных ВОДЦ удовлетворяет техническому заданию и составляет менее ±0.02мм во всем диапазоне измерений деформации.

Проведенные испытания унифицированного регистрирующего модуля показали его полное соответствие техническому заданию.

По результатам проведения метрологических испытаний разработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс внесен в государственный реестр средств измерений, что подтверждено свидетельством об утверждении типа средств измерений на "Комплексы волоконно-оптические телеметрические ВоТК-21х-1,55-у/40" 1Ш.С.32.004.А №49372.

Разработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс апробирован на объекте коксования нефтепродуктов ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ», а так же для решения задач ОАО «Концерн «Океанприбор». Результаты апробации подтверждены актами внедрения предприятий ООО НПЦ «Динамика» и ОАО «Концерн «Океанприбор».

Методики и аппаратура, примененные и разработанные в рамках разработки ВоТК, нашли применение в альтернативных волоконно-оптических решениях. В частности разработаны: волоконно-оптический термометр, волоконно-оптический торцевой датчик нагрузки.

Заключение содержит основные результаты исследований автора в области разработки технологии и устройств повышения точности и надежности с использованием волоконно-оптических систем, которые можно сформулировать в виде выводов:

1. Проведен анализ современных методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования.

Проведенный анализ показал, что применение волоконно-оптической методики, в частности квазираспределенного метода на основе ВБР, позволяет проводить мониторинг промышленного оборудования на новом уровне, а именно, проводить измерения с высокой точностью, с возможностью гибкого формирования системы мониторинга, с возможностью отслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно и в большом объеме.

2. Проведены теоретические исследования методик нахождения спектров чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.

В результате проведения теоретических исследований для разработки волоконно-оптического телеметрического комплекса была выбрана методика установления пороговых параметров пика волоконной решетки Брэгга благодаря своей эффективности.

3. Разработаны алгоритмы обработки спектров чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.

Разработанные алгоритмы позволяют с высокой точностью находить центральную длину волны резонансного пика отражения волоконно-оптической решетки Брэгга волоконно-оптического датчика.

4. Исследовано влияние температурного и деформационного воздействия на волоконные решетки Брэгга волоконно-оптических датчиков.

В результате исследований установлена возможность одновременной

регистрации как температуры, так и деформации с четким разделением этих физических величин. Разработана методика расчета температурного и деформационного воздействия на волоконные решетки Брэгга.

5. Составлено техническое задание на волоконно-оптический телеметрический комплекс, включающее в себя унифицированный регистрирующий модуль (УРМ), волоконно-оптический датчик температуры (ВОДТ), волоконно-оптический датчик деформации (ВОДД).

На основании технического задания были утверждены технические условия на ВоТК (ТУ-5210-221-77951881-2012), УРМ (ТУ-1000-440-77951881-2011), ВОДТ (ТУ-1100-311-77951881-2011), ВОДД (ТУ-7378-540-77951881-2011).

6. Разработана конструкция волоконно-оптического телеметрического комплекса.

Разработана оптоэлектронная схема для унифицированного регистрирующего модуля с малой степенью поляризации выходного излучения, высокой частотой опроса оптических каналов.

Разработаны конструкции волоконно-оптического датчика температуры и деформации, позволяющие за счет высокой механической, химической и коррозионной стойкости использовать датчики на различных промышленных объектах.

7. Проведена оценка технических характеристик волоконно-оптических датчиков температуры и деформации.

Оценка технических характеристик показала, что разработанные датчики полностью удовлетворяют техническому заданию. Абсолютная погрешность измерения температуры не превышает ±1°С во диапазоне температур от -50°С до +500°С. Погрешность измерения относительной деформации не превышает 0.2% с абсолютной чувствительностью ~ 1-2 мкм с возможностью работы при температуре до +100°С.

8. Проведены метрологические испытания волоконно-оптического телеметрического комплекса в соответствии с разработанной методикой испытаний.

Проведена калибровка и проверка волоконно-оптических датчиков температуры и деформации. Проведенные испытания унифицированного регистрирующего модуля показали его полное соответствие техническому заданию. По результатам проведения метрологических испытаний разработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс внесен в государственный реестр средств измерений, что подтверждено свидетельством об утверждении типа средств измерений на "Комплексы волоконно-оптические телеметрические ВоТК-21х-1,55-у/40" 1Ш.С.32.004.А №49372.

9. Разработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс апробирован на объекте коксования нефтепродуктов ОАО «Газпромнефть-ОНПЗ», а так же для решения задач ОАО «Концерн «Океанприбор». Результаты апробации подтверждены актами внедрения предприятий ООО НПЦ «Динамика» и ОАО «Концерн «Океанприбор».

10. Методики и аппаратура, примененные и разработанные в рамках разработки ВоТК, нашли применение в альтернативных волоконно-оптических решениях.

Разработаны: волоконно-оптический термометр, волоконно-оптический рефрактометр, волоконно-оптический торцевой датчик нагрузки. По результатам разработки волоконно-оптического термометра получен патент на изобретение №2491523 (Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ

27.08.2013) «Волоконно-оптический термометр», патент на полезную модель №133294 (Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 10.10.2013) «Волоконно-оптический щуп для измерения температуры». По результатам разработки волоконно-оптического торцевого датчика давления получен патент на изобретение №2522791 (Зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ

21.05.2014) «Волоконно-оптический торцевой датчик давления (его варианты)».

3. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Из перечня ВАК:

1. Симонов М.А., Заренбин A.B., Кондратенко B.C. Результаты и анализ измерения концентрации сухих веществ сахаристых растмворов малой концентрации до 5 % с использованием волоконно-оптической системы. // Ежемесячный научно-технический, производственный и справочный журнал «Приборы», 2013, №11, с.48.

2. Симонов М. А., Кондратенко В. С., Заренбин A.B., Игнатьев А. Д., Лукин Н. Д., Костенко В.Г. Разработка волоконно-оптического зондового рефрактометра для измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов // Ежемесячный научно-технический, производственный и справочный журнал «Приборы». - 2013. - №5. - С. 21 - 25.

Патенты:

1. Симонов М.А., Греков М.В., Васильев С.А., Медведков О.И., Дианов Е.М., Заренбин A.B. Волоконно-оптический термометр // Патент на изобретение № 2491523. Опубликовано: 27.08.2013. Бюл. №24.

2. Симонов М.А., Дельнов C.B., Заренбин A.B. Волоконно-оптический торцевой датчик давления (его варианты) // Патент на изобретение №2522791. Опубликовано: 20.07.2014. Бюл. №20.

3. Симонов М.А., Греков М.В., Васильев С.А., Медведков О.И., Дианов Е.М., Заренбин A.B. Устройство измерения показателя преломления // Патент на изобретение №2506568. Опубликовано: 10.02.2014. Бюл. №4.

4. Симонов М.А., Заренбин A.B., Васильев С.А., Медведков О.И. Волоконно-оптический щуп для измерения температуры // Патент на полезную модуль № 133294. Опубликовано: 10.10.2013. Бюл. №28.

5. Симонов М.А., Заренбин A.B., Лукин Н.Д., Костенко В.Г. Волоконно-оптический рефрактометр // Патент на полезную модель № 132202. Опубликовано: 10.09.2013. Бюл. №25.

Прочие публикации:

1. Симонов М.А., Заренбин A.B., Гриднева Г.Н. Опыт разработки и применения волоконно-оптического телеметрического комплекса мониторинга состояния объекта коксования нефтепродуктов. // III всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2014, ISBN 978-5-7262-1904-2, с.197-198.

2. Симонов М. А., Заренбин A.B., Васильев С.А., Медведков О.И., Костюков В.Н., Тарасов Е.В Опыт разработки и применения волоконно-оптического телеметрического комплекса мониторинга состояния объекта коксования нефтепродуктов на нефтеперерабатывающем заводе. // Научно-технический журнал «Фотон-экспресс», 6 (110) октябрь 2013, ISBN: 37261, с.20-21.

3. Симонов М. А., Заренбин A.B. Волоконно-оптическая система контроля температуры масляного трансформатора. // Материалы 2-й международной научно-практической конференции «Современная наука: актуальные проблемы и пути их решения» (г. Липецк), ISSN 2307-8782, 2013, с. 19-23.

4. Симонов М. А., Заренбин A.B. Инновационный способ измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов на основе волоконной оптики. // Материалы девятой всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (г. Старый Оскол), 2013.

5. Симонов М. А., Заренбин A.B. Способ измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов на основе волоконной оптики. // Материалы международной заочной научно-практической конференции "Современная наука: реальность и перспективы" (г.Липецк), ISBN 978-5-9903836-4-7, 2013, с.75-77.

6. Симонов М. А., Заренбин A.B. Волоконно-оптический датчик для измерения температуры в сухих и маслонаполненных трансформаторных реакторах. // Materiäly IX mezinärodni vddecko - praktickä konference «Moderni vymozenosti vödy - 2013». - Dil 76. Technicke v6dy: Praha. Publishing House «Education and Science», ISBN 978-966-8736-05-6, s.r.o - 96 stran, page 54-57.

7. Симонов M. А. Разработка волоконно-оптического зондового рефрактометра для измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов. // Вестник молодых ученых МГУПИ, 2011, №9, с.20.

ООО «Типография РПринто» Подписано в печать 18.11.14, тираж 70 экз. МО, г. Лыткарино, ул. Парковая, стр.4а Тел.: 8 (495) 792-86-66 е-теП: info@rprinto.ru www.rprinto.ru

U 628

2014356624