Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ современных методик и аппаратуры для технической диагностики промышленных объектов 16
1.1. Обзор методики технической диагностики промышленного оборудования с использованием электронных средств 16
1.1.1. Метод измерения температуры термометром сопротивления 16
1.1.2. Метод измерения температуры термистором 17
1.1.3. Метод измерения деформации тензорезистором 18
1.2. Анализ методики и аппаратуры технической диагностики промышленного оборудования с использованием волоконно-оптических средств 21
1.2.1. Методы распределенной технической диагностики 22
1.2.2. Методы локальной и квазираспределенной технической диагностики 24
1.2.3. Аппаратура для локальной и квазираспределенной технической диагностики с использованием волоконно-оптических средств 31
1.2.4. Выводы и постановка задачи исследований 40
ГЛАВА 2. Теоретические исследования квазираспределенной волоконно-оптической методики определения температуры и деформации и разработка алгоритмов обработки измерений 42
2.1. Волоконно - оптические решетки Брэгга и их основные параметры 42
2.2. Теоретические исследования методик нахождения спектров чувствительных элементов ВОД 46
2.1.1. Методика разбиения на спектральные интервалы 47
2.1.2. Методика установления пороговых параметров пика ВБР 49
2.1.3. Методика, основанная на установлении общего числа резонансных пиков 50
2.1.4. Методика, основанная на задании приблизительного положения резонансных пиков 51
2.1.5. Вывод по теоретическому исследованию методик нахождения спектров чувствительных элементов ВОД 51
2.2. Разработка алгоритма обработки спектров чувствительных элементов ВОД 52
2.2.1. Алгоритм отыскания РДВ ВБР, основанный на умножении спектра на нечетную функцию 54
2.2.2. Алгоритм отыскания РДВ ВБР, основанный на аппроксимации модельным спектром 56
2.3. Исследование влияния температурного и деформационного воздействия на ВБР ВОД 57
2.3.1. Исследование влияния температурного и деформационного воздействия на ВБР ВОД при изоляции одного из воздействий 58
2.3.2. Исследование одновременного температурного и деформационного воздействия на ВБР ВОД 59
2.4. Разработка методики расчета внешнего воздействия на ВБР 61
2.5. Выводы 63
ГЛАВА 3. Разработка технического задания на волоконно-оптический телеметрический комплекс (ВоТК) и экспериментальные исследования применения волоконно-оптической методики измерения температуры и деформации производственных объектов 64
3.1. Техническое задание на волоконно-оптический телеметрический комплекс 64
3.1.1. Техническое задание на унифицированный регистрирующий модуль (УРМ) 64
3.1.2. Технические характеристики волоконно-оптического датчика температуры (ВОДТ) и деформации (ВОДД) 69
3.1.4. Требования к испытаниям ВоТК 70
3.2. Принцип действия и конструктивные особенности ВоТК 74
3.2.1. Принцип действия и конструктивные особенности УРМ 76
3.2.2. Принцип действия и конструктивные особенности ВОДТ 80
3.2.3. Принцип действия и конструктивные особенности ВОДД 86
3.2.4. Конструктивные особенности волоконно-оптических соединений 91
3.3. Экспериментальные исследования применения волоконно-оптической методики измерения температуры и деформации производственных объектов 94
3.3.1. Экспериментальные исследования характеристик датчика температуры 94
3.3.2. Экспериментальные исследования характеристик датчика деформации и выбор схемы измерения 98
3.4. Выводы 108
ГЛАВА 4. Метрологические испытания волоконно-оптического телеметрического комплекса и апробация его на действующих производственных объектах 109
4.1. Метрологические испытания волоконно-оптического телеметрического
комплекса 109
4.1.1. Методика проведения испытаний 109
4.1.2. Калибровка и проверка датчиков температуры 117
4.1.3. Калибровка и проверка датчиков деформации 122
4.1.4. Испытания унифицированного регистрирующего модуля 127
4.2. Апробация ВоТК на действующих производственных объектах 129
4.2.1. Апробация ВоТК на объекте коксования нефтепродуктов ОАО
«Газпромнефть-ОНПЗ» 129
4.2.3. Апробация ВоТК для решения задач ОАО «Концерн «Океанприбор» 132
4.3. Альтернативные области применения разработанной методики с
применением волоконно-оптических средств 134
4.3.1. Волоконно-оптический термометр 134
4.3.2. Устройство измерения показателя преломления 136
4.3.3. Волоконно-оптический торцевой датчик давления 138
Выводы 142
Заключение 144
Список использованной литературы
- Метод измерения температуры термистором
- Методика разбиения на спектральные интервалы
- Техническое задание на унифицированный регистрирующий модуль (УРМ)
- Калибровка и проверка датчиков температуры
Метод измерения температуры термистором
Металлический термометр сопротивления представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или плёнки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры [105].
Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Это объясняется тем, что платина имеет стабильную и хорошо изученную зависимость сопротивления от температуры и высокую стойкость к окислению, что обеспечивает их высокую воспроизводимость. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты, так же применяются медные и никелевые термометры. Действующий стандарт на технические требования к рабочим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651-2009 (Государственная система обеспечения единства измерений [65]. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний). В стандарте приведены диапазоны, классы допуска, таблицы номинальных статических характеристик (НСХ) и стандартные зависимости сопротивление-температура. Стандарт соответствует международному стандарту МЭК 60751 (2008) [81]. В стандарте отказались от нормирования номинальных сопротивлений при нормальных условиях. Начальное сопротивление изготовленного терморезистора может быть любым. Промышленные платиновые термометры сопротивления в большинстве случаев считаются имеющими стандартную зависимость сопротивление-температура (НСХ), что обусловливает погрешность не более 1C (класс А при 0 C).
Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов, составляет 660 C (класс С), для плёночных — 600 C (класс С).
Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от температуры [104]. Для термисторов характерны большой температурный коэффициент сопротивления, простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Они могут иметь весьма малые размеры, что существенно для измерений температуры малых объектов. Обычно термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, в отличие от металлов.
Современные полупроводниковые датчики деформации тензорезисторы. Основными материалами для изготовления полупроводниковых тензорезисторов в настоящее время являются кремний и германий. Кремний вследствие его меньшей чувствительности к температуре получил большее распространение. Применяются также полупроводниковые соединения, например, арсенид галлия GaAs и др. [105].
В зависимости от применяемых материалов полупроводниковые тензорезисторы можно разделить на две группы: монокристаллические и поликристаллические. К монокристаллическим тензорезисторам относятся тензорезисторы, полученные на монокристаллических подложках; игольчатые кристаллы, полученные выращиванием из газовой фазы; эпитаксиальные пленки и дендриты. К поликристаллическим относятся тензолиты, представляющие собой искусственные смеси, например, угля (или сажи) и бакелитового лака.
Материалы для полупроводниковых тензорезисторов должны обладать большим коэффициентом тензочувствительности (КТЧ) и наименьшим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), а также обеспечивать стабильность параметров тензорезисторов. Весьма ответственной операцией при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов является создание контакта металл-полупроводник, который получается различными способами: пайкой, вплавлением, сваркой, напылением, электрохимическим или химическим нанесением покрытий. Определенный интерес представляют полупроводниковые тензорезисторы из дендритной ленты германия, получившие широкое распространение вследствие простой и доступной технологии изготовления.
Дендритами принято называть древовидные, игольчатые или пластинчатые кристаллы сложного двойникового строения, образующиеся при кристаллизации в переохлажденном расплаве или из пересыщенной газовой фазы.
Дендритные тензорезисторы из германия отличаются пониженной механической прочностью по сравнению с тензорезисторами, полученными из монокристаллического слитка.
По конструктивным особенностям полупроводниковые тензорезисторы можно разделить на приклеиваемые и неприклеиваемые. Приклеиваемые полупроводниковые тензорезисторы могут использоваться как с подложкой, так и без подложки.
Полупроводниковые тензорезисторы без подложки отличаются формой сечения, материалом и способом осуществления омического контакта. Во многом конструкция их определяется технологией изготовления. Самый распространенный тип тензорезистора - брусок.
Методика разбиения на спектральные интервалы
Из общего класса ВОД следует выделить так называемые квазираспределенные датчики, в которых не весь волоконный световод является чувствительным элементом, а некоторые заранее выделенные участки или специальные волоконные устройства, например, волоконные брэгговские решетки (ВБР) [30].
Такие волоконно-оптические системы датчиков называют также мультиплексированными линейками или антеннами. Преимуществами квазираспределенных ВОД является то, что при измерениях достаточно получить информацию о номере датчика, чтобы знать его координату. Чувствительные элементы таких датчиков и измерительных систем могут быть оптимизированы для измерения выбранного физического параметра. Кроме того имеются широкие возможности по их конструированию. Для получения информации с чувствительных элементов квазираспределенных ВОД необходима регистрирующая аппаратура. Ниже представлены и проанализированы квазираспределенные ВОД и современная регистрирующая аппаратура. Квазираспределенные ВОД на основе ВБР [20]
В основу квазираспределенных ВОД положена собственная температурная чувствительность резонансной длины волны ВБР. Корпус датчика предназначен для защиты волоконного световода с ВБР от механических повреждений и для крепления датчика к объекту измерения. К числу достоинств такой конструкции датчика можно отнести отсутствие механической деформации световода, что увеличивает надежность и срок эксплуатации датчика [32].
С применением современной регистрирующей аппаратуры (регистрирующих модулей) типичная точность измерения температуры в большинстве случаев лучше, чем ± 1 С. Температурный диапазон измерения температуры определяется конструктивными особенностями датчика и использованными материалами. В большинстве случаев этот диапазон составляет от -50 до +150С. Датчики этого типа имеют волоконные выводы с двух сторон и могут быть расположены в линию для реализации квазираспре деленного измерения температуры.
Характерное время отклика датчика на основе ВБР зависит от того, каким образом обеспечен контакт световода с ВБР с исследуемым объектом [44]. При непосредственном контакте кварцевого световода с измеряемым объектом характерное время отклика ограничивается теплопроводностью кварцевого стекла и для световода, имеющего диаметр 125 мкм, составляет 10 мкс.
Датчики деформации (здесь рассматриваются датчики линейной продольной деформации растяжения/сжатия), на основе ВБР могут иметь большое разнообразие параметров. В частности, основными параметрами являются: Диапазон измеряемых деформаций Чувствительность к деформации Материал корпуса датчика Способ крепления к поверхности диагностируемого объекта
В ряде случаев световод с ВБР внедряется непосредственно в материал корпуса (клей, пластик, композиционный материал, и т.д.), что позволяет исключить возможные механические воздействия на световод, увеличить чувствительность, однако может приводить к неоднородной деформации ВБР и возникновению двулучепреломления [24].
Перестройка источника излучения осуществляется с использованием перестраиваемого спектрального фильтра Фабри-Перо. В ходе одного такта сканирования спектральный фильтр непрерывно и монотонно изменяет центральную длину волны полосы пропускания, в результате чего длина волны излучения, пришедшего на ВБР, однозначно зависит от времени, прошедшего с начала такта сканирования. Такая схема позволяет использовать в качестве приемника излучения фотодетектор с временным разрешением 1000 мкс, преобразуя зависимость интенсивности сигнала на приемнике от времени в спектр отражения сенсорной системы на основе ВБР.
Одним из недостатков измерительной схемы является систематическая ошибка определения положения резонансного пика ВБР при большой длине оптического кабеля между регистрирующим модулем и ВБР в силу задержки сигнала в оптической линии. Он обладает достаточно небольшим динамическим диапазоном измерения (40 дБ) и не высоким спектральным разрешением (5 пм). К числу недостатков так же следует отнести относительно невысокую частоту измерения спектров (0,5 Гц при сканировании 16 каналов, 2 Гц при сканировании 4 каналов). Данный регистрирующий модуль оптимален для мониторинга температуры и деформаций малых технических объектов, где не требуется высокая скорость измерений и нет необходимости непрерывного опроса большого числа ВОД. В таблице 1.4 приведены основные характеристики данного регистрирующего модуля, представленные фирмой-производителем.
В регистрирующих модулях FBG-Scan X08/X16 фирмы FBG-S детектирование излучения производится с использованием сканирующего интерферометра Фабри-Перо [46]. Излучение широкополосного оптического источника сравнительно высокой мощности вводится в сенсорную систему ВБР-датчиков, после чего отраженный сигнал анализируется
Техническое задание на унифицированный регистрирующий модуль (УРМ)
Оптоэлектронная схема УРМ 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 волоконных брэгговских решеток (ВБР). Отраженное излучение (с опорного и измерительного канала) посредством трехпортового оптического циркулятора попадает на спектроанализатор I-MON, 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(A,) (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 [8, 36]. Спектр отражения сенсорной сигнал, полученный непосредственно регистрирующим модулем. Для повышения точности измерения РДВ, в течение длительного времени должна быть предусмотрена функция автоматического взятия спектров N(A) и L(А) через определенные равные промежутки времени (например, раз в час). При этом для их регистрации один или два оптических канала регистрирующего модуля могут быть зарезервированы. Примеры спектров I(A), ЦА), N(A) и S(A) приведены на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6. Примеры спектров I(A), ЦА,), N(A) и S(A) Поскольку число ВОД, которые можно установить в одном спектральном канале, ограничено характеристиками регистрирующего модуля, необходимо размещать их в разные оптические каналы. При этом переключение между каналами должно осуществляться 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.
Принцип действия и конструктивные особенности ВОДТ Измерение температуры при помощи датчиков на основе ВБР является наиболее простой технической задачей, так как температура является единственным параметром, требующим измерения. Вместе с тем, следует иметь ввиду, что если ВБР, использующиеся в составе ВОД, прикреплены к некоторым поверхностям или внедрены в состав корпуса датчика, то возможна дополнительная деформация ВБР вследствие теплового расширения материала.
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 – герметично 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. Общая конструкция ВОД показана на рисунке 3.7.
Конструкция ВОД температуры Для изготовления ВОД температуры используется одномодовый световод SMF.28 покрытый полиимидным покрытием, стойким к химическим воздействием, защищающим волокно от механических повреждений, и имеющим температурную стойкость до 400С [5].
ВБР, записанная в волокне является узкополосным отражателем, а по причине того что источник света имеет широкий спектр излучения, то весь тот свет, который не отразила ВБР, отразится от торца световода, такое отражение будет иметь характер шумов, мешающих прецизионной работе с отражением ВБР. Была предложена следующая схема и методика, которая позволяет полностью устранить данный эффект [18].
Калибровка и проверка датчиков температуры
Для проведения испытаний был представлен образец комплекса волоконно-оптического телеметрического ВоТК-21х-1.55-у/40 в составе: унифицированный регистрирующий модуль FIU-44-1.55-16-Er-A-x в комплекте с датчиками температуры OSHT - 311 и датчиками деформации OSD - 540.
Все испытания, если это не оговорено в настоящей программе особо, проводят в нормальных климатических условиях: температура окружающего воздуха от плюс 15 до плюс 25 С; относительная влажность воздуха от 30 до 80 %; атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (от 645 до 795 мм рт. ст.); вибрация, тряска, удары, магнитные поля (кроме земного), влияющие на работу приборов, отсутствуют; напряжение питания сети - 220±10 %, частота питания сети - 50±1 Гц.
При проведении испытаний должны соблюдаться требования ГОСТ 12.2.007.0 [63] по обеспечению безопасности и безаварийности проведения испытаний.
Испытания волоконно-оптического комплекса проводились в соответствие с данной методикой. Содержание и объем испытаний по данной методике представлен в таблице 4.1.
Наименование этапа испытаний Ссылка на пункт методики испытаний Сведения об эталонах и испытательном оборудовании для проведения испытаний Оценка полнотыи правильностивыраженияметрологическиххарактеристиксредстваизмерений А 2. Проверка внешнего вида, комплектности и маркировки. Б 3. Проверка габаритных размеров и массы В Штангенциркуль Eagle, Tesa, № 005 30045 7М-8, (0... 150 мм, ПГ ±0,1 мм), св-во № 203В-11 (ВНИИМС) до 21.07.2012 г. Линейка измерительная металлическая 1000 мм, б/н, цд 1мм, св-во №203-447 (ВНИИМС) до 18.03.2013 г.Весы неавтоматического действия по ГОСТ Р 53228-2008 [76], б/н, св-во № 242 (ВНИИМС) до 21.05.2013г.
Цифровой прецизионный термометр сопротивления DTI-1000 (в комплекте с термопреобразователями сопротивления платиновыми STS100), диапазон измерений: от минус 50 до плюс 650 С, пределы допускаемой основной абсолютной погрешности: ± (0,03+ед.мл.разр) С (в диапазоне от минус 50 С до плюс 400 С), ± (0,06+ед.мл.разр.) С (в диапазоне св. плюс 400 С до плюс 650 С) № 013.02-02-960623, св-во № 207/11-1157п (ВНИИМС) до 30.09.2012 г.
Измеритель/регулятор температуры прецизионный многоканальный МИТ 8-15М, ИГ: ± (0,001+10-4 U) мВ, ±(0,002+3 10 -6 t) С № 016, св-во № 207/11-1155п (ВНИИМС) до 30.09.2012 г. Калибратор температуры серии ATC-R модели АТС-650В, диапазон воспроизводимых температур от плюс 20 до плюс 650 С, пределы допускаемой абсолютной погрешности воспроизведения заданной температуры ±0,39 С (по внутреннему термометру), нестабильность поддержания заданной температуры: ±0,02 С, № 514192-00216, св-во № 207/10-1160п (ВНИИМС) до 30.09.2012 г.
Цифровой прецизионный термометр сопротивления DTI-1000 (в комплекте с термопреобразователями сопротивления платиновыми STS100), диапазон измерений: от минус 50 до плюс 650 С, пределы допускаемой основной абсолютной погрешности: (0,03±ед.мл.разр) С (в диапазоне от минус 20 С до плюс 400 С), ± (0,06+ед.мл.разр.) С (в диапазоне св. плюс 400 С до плюс 650 С) № 013.02-02-960623, св-во № 207/11-1157п (ВНИИМС) до 30.09.2012 г. Калибратор температуры серии ATC-R модели АТС-650В, диапазон воспроизводимых температур от плюс 20 до плюс 650 С, пределы допускаемой абсолютной погрешности воспроизведения заданной температуры ±0,39 С (по внутреннему термометру), нестабильность поддержания заданной температуры: ±0,02 С, № 514192-00216, св-во № 207/10-1160п (ВНИИМС) до 30.09.2012 г. Камера климатическая мод. MHU-880CSSA, зав. № Т80704, Аттестат № 1 (ВНИИМС) до 22.01.2015г.
Помещают унифицированный регистрирующий модуль в камеру, а подключенные датчики типа OSHT-31x в калибратор температуры. После установления заданного режима в камере и выдержки при данном режиме порядка 4-х часов снимают показания измеряемых температур датчиков при одной контрольной температуре (например, при +100 С) с монитора ПК. Погрешность не должна превышать предельно допустимые значения.
З) Опробование методики поверки производят в соответствии с документом «Комплексы волоконно-оптические телеметрические ВоТК-21х-1.55-у/40. Методика поверки», разработанным и утвержденным ГЦИ СИ ФГУП «ВНИИМС».
Калибровка и проверка датчиков температуры
Для калибровки и последующей проверки волоконно-оптического датчика температуры использовался измеритель/регулятор температуры прецизионный многоканальный МИТ 8-15М с абсолютной погрешностью измерений ±0,002 С (Рисунок 4.1.А.) и калибратор температуры серии ATC – R модели АТС – 650В с диапазоном воспроизводимых температур от + 20 С до + 650 С (Рисунок 4.1.Б.).
