Датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта
Предложение относится к области измерительной техники с использованием волоконной оптики и может быть использовано для конструирования датчиков физических величин в измерительных системах для проведения измерений величин и направлений деформаций, воспринимающих протяженными объектами, в частности, трубопроводами в процессе их строительства и эксплуатации. Техническим результатом предложения является упрощение конструкции и повышение надежности. Сущность предложения: датчик включает протяженный трубчатый каркас. Вдоль каркаса оппозитно расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса, волоконно-оптические световоды в количестве четырех. Световоды расположены в продольных углублениях, выполненных на наружной поверхности каркаса, и могут быть подключены к измерительному средству. Каркас и световоды снаружи охвачены защитной оболочкой. Материалом каркаса и оболочки является полимер, предпочтительно полихлорвинил или полиэтилен. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предложение относится к области измерительной техники с использованием волоконной оптики и может быть использовано для конструирования датчиков физических величин в измерительных системах для проведения измерений величин и направлений деформаций, происходящих с протяженными объектами, в частности, трубопроводами в процессе их строительства и эксплуатации.
Волоконно-оптические датчики используют тот факт, что воздействие окружающей среды может изменять амплитуду, фазу, частоту, спектральный состав или поляризацию света, распространяющегося через оптическое волокно. Основные преимущества волоконно-оптических датчиков заключаются в возможности иметь небольшой вес, быть очень маленькими, пассивными, энергетически эффективными, выносливыми и невосприимчивыми к интерференции электромагнитных волн. Кроме того, волоконно-оптические датчики имеют потенциал для очень высокой чувствительности, большого динамического диапазона и широкой полосы пропускания. Кроме того, определенный класс волоконных датчиков может распределяться или разделяться вдоль длины волокна. Они также могут встраиваться в материал.
В современном состоянии техники волоконно-оптические датчики могут классифицироваться как "внешние" или "внутренние". Внешние датчики полагаются на некоторое другое устройство, которое подсоединяется к волоконной оптической системе для того, чтобы преобразовать воздействия окружающей среды в изменения свойств светового пучка в волоконной оптической системе. Известные волоконно-оптические датчики включают датчики линейного положения, датчики полярной координаты, датчики деформаций.
Известен протяженный волоконно-оптический датчик с пространственным взвешиванием, предназначенный для измерения изменений физического параметра, включающий первое оптическое волокно, имеющее множество пространственно разделенных внешних катушек, сформированных в нем, и второе оптическое волокно, имеющее множество пространственно разделенных внутренних катушек, сформированных в нем, а внутренние и внешние катушки установлены концентрическими парами для формирования множества последовательно соединенных сегментов датчика, установленных так, что существуют первый сегмент датчика и последний сегмент датчика, и устройство характеризуется множеством разделителей, установленных так, что один из множества разделителей находится между последовательными сегментами датчика, причем разделители выполнены так, что они направляют первое и второе оптические волокна между последовательными сегментами датчика так, что изменения физического параметра между сегментами датчика не создают сдвига фаз между оптическими сигналами, направляемыми первым и вторым волокнами, первым оптическим соединительным устройством, установленным для подачи оптических сигналов в первое и второе оптические волокна, причем внутренняя и внешняя катушки установлены и подвергаются воздействию параметра так, что изменения параметра в каждом сегменте датчика образуют соответствующие сдвиги фаз между оптическими сигналами между внешними катушками и соответствующими внутренними катушками, и вторым оптическим соединительным устройством, установленным для объединения сигналов в первом и втором оптических волокнах после того, как сегменты датчика подверглись воздействию параметра (RU9711010, 1999).
Недостатком известного датчика является сложность конструкции и обусловленная этим низкая надежность в работе.
Известен чувствительный элемент для волоконно-оптического контроля наличия поверхности, содержащий эластичную трубку с размещенными в ней оптическими волокнами. На одном конце трубки установлен первый наконечник, в котором волокна первой группы размещены по кольцу, охватывающему волокна второй группы, количество волокон в которой меньше количества волокон в первой группе. На другом конце трубки установлена вилка, включающая два наконечника, охватывающих каждый конец соответствующей группы волокон. Пространство между волокнами в каждом наконечнике заполнено связующим веществом (RU2042158, 1995).
Недостатком известного чувствительного элемента является низкая надежность в работе, поскольку оптические волокна в нем имеют слабую защиту от внешних механических воздействий.
Известны волоконно-оптические датчики давления. Волоконно-оптический датчик содержит сердцевину оптического волокна, имеющую, по меньшей мере, одну решетку, сформированную вдоль, по меньшей мере, одной ее части, первую оболочку, окружающую указанную сердцевину и содержащую средство, воспринимающее давление, для преобразования изотропных сил давления в анизотропные силы давления на указанную сердцевину, двулучепреломляющее средство для улучшения двойного лучепреломления в указанной сердцевине. Двулучепреломляющее средство может включать в себя средство, имеющее пару продольных стержней, встроенных в первую оболочку. Средство, воспринимающее давление, включает в себя пару продольных отверстий или чувствительный к давлению материал, или капиллярную трубку, окружающую указанную первую оболочку, причем указанная капиллярная трубка имеет пару продольных отверстий, по существу параллельных указанной оболочке. Давление или поперечную деформацию измеряют направлением света от источника света в сердцевину волоконно-оптического датчика с решеткой на сердцевине волокна, оптическим присоединением анализатора спектра к волоконно-оптическому датчику с решеткой, измерением расстояния между двумя спектральными пиками, детектируемыми анализатором спектра (RU2205374, 2003).
Известное техническое решение обеспечивает повышение разрешения и динамического диапазона измерений, однако является сложным конструктивно и ненадежным в работе.
Техническим результатом предложения является упрощение конструкции и повышение надежности.
Технический результат достигается тем, что датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта, включает протяженный каркас и оппозитно расположенные вдоль каркаса во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса, волоконно-оптические световоды, выполненные с возможностью подключения к измерительному средству.
В конкретном исполнении датчик выполнен с возможностью закрепления на протяженном объекте, при этом каркас выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан.
Целесообразно, чтобы количество волоконно-оптических световодов составляло, предпочтительно, четыре.
Чаще протяженный каркас бывает выполнен трубчатым с продольными углублениями (канавками) на наружной поверхности, в которых расположены волоконно-оптические световоды.
Обычно протяженный каркас и волоконно-оптические световоды снаружи охвачены защитной оболочкой, причем протяженный каркас и защитная оболочка выполнены из полимерного материала, в качестве которого предпочтительно использование полихлорвинила или полиэтилена.
На фиг.1 показан датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта, поперечное сечение; на фиг.2 - вариант использования (закрепления) датчика на протяженном объекте; На фиг.3 - разрез по А-А (поперечное сечение) на фиг.2.
Датчик 1 включает протяженный каркас 2 и оппозитно расположенные вдоль каркаса 2 во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса 2, волоконно-оптические световоды (линии, кабели) 3, выполненные с возможностью подключения через коммутационный узел 4 и линию 5 передачи данных к измерительному средству (не показано). Каркас 2 выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан. В одном из вариантов протяженный каркас 2 выполнен трубчатым с продольными углублениями (канавками) на наружной поверхности, в которых расположены волоконно-оптические световоды 3, количество которых составляет четыре. Протяженный каркас 2 и волоконно-оптические световоды 3 снаружи охвачены защитной оболочкой 6. Материалом протяженного каркаса 2 и защитной оболочки 6 служит полимер (полихлорвинил, полиэтилен).
Датчик 1 выполнен с возможностью закрепления на протяженном объекте 7, например, с помощью направляющих 8 и ленточных хомутов 9.
Осуществление предложения производится следующим образом. Экструдированием формируется заготовка протяженного каркаса 2 с требуемым поперечным сечением. Одновременно в продольные углубления (канавки) на его наружной поверхности закладываются волоконно-оптические световоды 3, выполненные с собственным защитным покрытием и покрывается вся конструкция общей защитной оболочкой 6. Готовый протяженный датчик 1 навивается на транспортный барабан.
Работает датчик 1 следующим образом. Датчик 1 закрепляют на протяженном объекте, например, трубопроводе 7 при помощи направляющих 8 и ленточных хомутов 9. Волоконно-оптические световоды 3 подключают через коммутационный узел 4 и линию 5 передачи данных к измерительному средству. Давление окружающей среды, изменение процессов, протекающих внутри полого объекта (например, любое воздействие на трубопровод - внутреннее или внешнее) создает деформацию кожуха оптического волокна, который деформирует оболочку, тем самым, деформируя сердцевину и изменяя двойное лучепреломление волокна. Сигнал поступает к измерительному средству и соответствующим образом обрабатывается.
Использование предложения позволяет существенно упростить конструкцию датчика, повысить его надежность.
1. Датчик для определения величины и направления деформации протяженного объекта, включающий протяженный каркас и оппозитно расположенные вдоль каркаса во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через продольную ось каркаса, волоконно-оптические световоды, выполненные с возможностью подключения к измерительному средству.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью закрепления на протяженном объекте.
3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что каркас выполнен гибким для обеспечения навивки на транспортный барабан.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что количество волоконно-оптических световодов составляет предпочтительно четыре.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что протяженный каркас выполнен трубчатым с продольными углублениями на наружной поверхности, в которых расположены волоконно-оптические световоды.
6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что протяженный каркас и волоконно-оптические световоды снаружи охвачены защитной оболочкой.
7. Датчик по п.6, отличающийся тем, что протяженный каркас и защитная оболочка выполнены из полимерного материала.
8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала использован полихлорвинил.
9. Датчик по п.7, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала использован полиэтилен.
