Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта



Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта
Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта
Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта

 


Владельцы патента RU 2550768:

Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" (RU)

Группа изобретений относится к измерительной технике. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта согласно первому варианту реализации содержит передатчик оптического излучения, два приемника, два чувствительных элемента, выполненных в виде оптического волокна, два разветвителя, три канала связи, два ответвителя, три усилителя. В качестве волокон использованы каналы связи волоконно-оптической линии передачи, длина которой не меньше половины длины чувствительного элемента. При этом выход передатчика подсоединен только одним первым каналом связи к каждому из входов двух разветвителей, каждый из которых соответственно подсоединен к одному из чувствительных элементов, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи ВОЛП к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения. Согласно второму варианту реализации, выход передатчика подсоединен только одним первым каналом связи ВОЛП к входу первого разветвителя, который подсоединен к одному концу первого чувствительного элемента, который противоположным концом подсоединен к входу второго разветвителя, подсоединенного к второму чувствительному элементу, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи ВОЛП к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения. Технический результат - повышение точности измерения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройствам контроля распределения виброакустических характеристик протяженных объектов, применяющих волоконно-оптические чувствительные элементы большой длины и использующие принципы оптической рефлектометрии рассеяния Релея, и может быть использовано в эксплуатационных (добывающих и нагнетательных) скважинах, при транспортировке продукции скважин на пункты сбора и др.

Задачи контроля наличия и местоположения вибраций актуальны для контроля транспортировки нефти, газа, других нефтепродуктов, а также других жидкостей и газов в трубах и трубопроводах и может служить для определения утечек, локализации внутритрубных снарядов и для определения характера режима движения транспортируемого продукта. Контроль вибраций также актуален для решения задач охраны периметра, где наличие и характер регистрируемых вибраций позволяет определить наличие и место нарушения периметра, т.е. вторжения в объект.

Известно волоконно-оптическое устройство для обнаружения вторжения в предварительно определенный периметр протяженного объекта, которое включает в себя средства для генерации когерентного светового импульса, который вводится в чувствительное оптическое волокно, расположенное вдоль предварительно определенного периметра. Вызванное импульсом в чувствительном волокне обратное рассеяние света регистрируется фотоприемником и генерирует сигнал. Изменение данного сигнала служит для обнаружения вторжения (US №5194847).

Устройство содержит непрерывный лазер, оптический модулятор, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, средство соединения чувствительного элемента с оптическим модулятором и фотоприемником и средство обработки сигнала с выхода фотоприемника - аналого-цифровой преобразователь с процессором.

Ограничением этого устройства является низкая мощность источника изучения (типично 1 мВт), следовательно, малое отношение сигнал /шум, что приводит к необходимости длительного накопления сигнала и невозможности регистрации малых значений виброакустических колебаний. По этой же причине невозможно использовать протяженные (километры, десятки километров) чувствительные элементы. Устройство не предназначено для использования в скважинах.

Наиболее близким является устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее непрерывный лазер, оптический модулятор, чувствительный элемент в виде оптического волокна, расположенного продольно внутри или снаружи протяженного объекта, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник и узел обработки сигнала с процессором, при этом устройство снабжено таймером, последовательно соединенными между собой аналого-цифровым преобразователем и введенной в узел обработки сигнала буферной памятью, при этом дополнительно содержит активное оптическое волокно, узел спектрального уплотнения, фильтр на основе брегговской волоконной решетки, оптический вентиль и выходной направленный оптический ответвитель, соединенные совместно с оптическим модулятором в кольцо и образующие узкополосный волоконный кольцевой лазер, причем непрерывный лазер соединен с узлом спектрального уплотнения, выходной направленный оптический ответвитель - с узлом ввода оптического излучения в чувствительный элемент, фотоприемник - с аналого-цифровым преобразователем и с узлом ввода излучения в чувствительный элемент, буферная память - с процессором, а таймер - с оптическим модулятором, аналого-цифровым преобразователем и буферной памятью (RU №2271446).

Однако ограничением этого устройства является недостаточно большое увеличение по сравнению с техническим решением по US №5194847 длины чувствительного элемента, что связано с затуханием сигнала в его оптическом волокне и с увеличением нестабильности параметров когерентности от импульса к импульсу при увеличении времени между ними, приводящее к возникновению шума, мешающего обнаружению вторжения, поскольку время между импульсами определяется длиной оптического волокна чувствительного элемента.

Другим недостатком известного устройства является увеличение времени мониторинга протяженного объекта последовательными световыми импульсами из-за невысокой частоты следования импульсов опроса, приводящее к уменьшению диапазона (полосы) частот регистрируемых вибраций, что затрудняет обнаружение вторжения и его место.

Использование в известном устройстве узла обработки сигнала буферной памятью, узла спектрального уплотнения, фильтра на основе брегговской волоконной решетки, оптического вентиля, соединение их совместно с оптическим модулятором в кольцо для образования узкополосного волоконного кольцевого лазера приводит к усложнению конструкции в целом.

Кроме того, в известном техническом решении используется терминология, не соответствующая технически общепринятой и не являющаяся корректной. Например, это касается узла обработки сигнала буферной памятью, узла обработки сигнала с процессором, а понятие - «узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент» не соответствует выполняемой функции (циркулятора или ответвителя), поскольку, кроме ввода излучения, этот элемент должен выполнять и функцию вывода излучения от чувствительного элемента (которые выполняют циркулятор или ответвитель). Поэтому в заявленном техническом решении терминология приведена в соответствии с ГОСТ 26599-85 «Системы передачи волоконно-оптические».

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик и обеспечение возможности проведения мониторинга на достаточно большом удалении от протяженного объекта.

Технический результат, который получен при выполнении заявленного устройства - увеличение длины чувствительного элемента особенно при его удалении от передатчика и/или приемника излучения, увеличение расстояния от приемника/передатчика до наиболее удаленного конца чувствительного элемента, повышение точности за счет расширения диапазона частот регистрируемых вибраций, упрощение конструкции.

Дополнительный технический результат, который может быть получен, это использование только одного передатчика оптического излучения для нескольких чувствительных элементов, что при увеличении общей длины всех чувствительных элементов и их количества приводит к сохранению основного технического результата при упрощении конструкции в целом.

В первом варианте выполнения для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащем передатчик оптического излучения, приемник оптического излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, расположенного продольно относительно протяженного объекта, разветвитель, причем передатчик оптического излучения и приемник оптического излучения подсоединены посредством волокон через разветвитель к чувствительному элементу, согласно изобретению в качестве волокон использованы каналы связи волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), длина которой не меньше половины длины чувствительного элемента, причем использованы один передатчик оптического излучения, по меньшей мере два чувствительных элемента, два приемника оптического излучения и два разветвителя, и три канала связи ВОЛП, при этом выход передатчика оптического излучения подсоединен только одним первым каналом связи ВОЛП к каждому из входов двух разветвителей, каждый из которых соответственно подсоединен к одному из чувствительных элементов, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи ВОЛП к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства для первого варианта, в которых целесообразно, чтобы:

- в первый канал связи волоконно-оптической линии передачи были введены оптические ответвители и усилитель оптический, выход передатчика оптического излучения подсоединен первым каналом связи волоконно-оптической линии передачи к каждому из входов двух разветвителей через оптические ответвители, а усилитель оптический установлен в первом канале связи волоконно-оптической линии передачи между оптическими ответвителями;

- были введены усилители оптические и выходы разветвителей соответственно подсоединены к входам приемников оптического излучения через усилители оптические;

- длины всех чувствительных элементов были равны.

Во втором варианте выполнения для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащем передатчик оптического излучения, приемник оптического излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, расположенного продольно относительно протяженного объекта, разветвитель, причем передатчик оптического излучения и приемник оптического излучения подсоединены посредством волокон через разветвитель к чувствительному элементу, согласно изобретению в качестве волокон использованы каналы связи ВОЛП, длина которой не меньше половины длины чувствительного элемента, причем использованы один передатчик оптического излучения, по меньшей мере два чувствительных элемента, два приемника оптического излучения и два разветвителя, и три канала связи ВОЛП, при этом выход передатчика оптического излучения подсоединен только одним первым каналом связи ВОЛП к входу первого разветвителя, который подсоединен к одному концу первого чувствительного элемента, который противоположным концом подсоединен к входу второго разветвителя, подсоединенного к второму чувствительному элементу, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи ВОЛП к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства для второго варианта, в которых целесообразно, чтобы:

- выходы разветвителей соответственно были подсоединены к входам приемников оптического излучения через усилители оптические;

- первый чувствительный элемент был подсоединен к входу второго разветвителя через усилитель оптический.

Указанные преимущества изобретения, а также его особенности поясняются с помощью вариантов ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает обобщенную функциональную схему заявленного устройства.

Фиг. 2 - то же, что фиг. 1, один из вариантов использования нескольких чувствительных элементов.

Фиг. 3 - то же, что фиг. 1, другой из вариантов использования нескольких чувствительных элементов при использовании одного чувствительного элемента в качестве среды передачи зондирующего излучения на другой чувствительный элемент.

Устройство (фиг. 1) для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит передатчик 1 оптического излучения, приемник 2 оптического излучения, чувствительный элемент 3, выполненный в виде оптического волокна, расположенного продольно относительно протяженного объекта (внутри него или вне), разветвитель 4. Передатчик 1 оптического излучения и приемник 2 оптического излучения подсоединены посредством волокон через разветвитель 4 к чувствительному элементу 3. В качестве волокон использованы каналы 5, 6 связи волоконно-оптической линии передачи 7 (ВОЛП). Длина L1 ВОЛП 7 выбрана не меньше половины длины L чувствительного элемента 3 (L1≥L/2).

Может быть введен по меньшей мере один усилитель 8 оптический, установленный в канале связи ВОЛП 7.

Разветвитель 4 может быть выполнен в виде оптического циркулятора или оптического ответвителя, как и в ближайшем аналоге.

Для удобства проведения мониторинга передатчик 1 оптического излучения и приемник 2 оптического излучения размещены в едином корпусе 9.

Устройство (фиг. 2) для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит один передатчик 11 оптического излучения, по меньшей мере два приемника 12, 13 оптического излучения, два чувствительных элемента 14, 15, два разветвителя 16, 17 и три канала 18, 19, 20 связи волоконно-оптической линии передачи 21. Выход передатчика 11 оптического излучения подсоединен только одним первым каналом 18 связи ВОЛП 21 к каждому из входов двух разветвителей 16, 17 (первое плечо). Каждый из двух разветвителей 16, 17 соответственно подсоединен (вторым плечом) к одному из чувствительных элементов 14, 15. Выход одного из разветвителей 16 (третье плечо) соответственно подсоединен посредством второго канала 19 связи ВОЛП 21 к входу одного приемника 12 оптического излучения. Выход другого из разветвителей 17 (третье плечо) посредством третьего канала 20 связи подсоединен к входу другого приемника 13 оптического излучения.

В первый канал 18 связи ВОЛП 21 введены оптические ответвители 22, 23 и усилитель 24 оптический. Выход передатчика 11 оптического излучения подсоединен первым каналом 18 связи ВОЛП 21 к каждому из входов двух разветвителей 16, 17 (первые плечи) через оптические ответвители 22, 23, а усилитель 24 оптический установлен в первом канале 18 связи ВОЛП 21 между оптическими ответвителями 22, 23.

Выходы разветвителей 16, 17 (третьи плечи) могут быть соответственно подсоединены к входам приемников 12, 13 оптического излучения через усилители 25, 26 оптические.

Длины чувствительных элементов 14, 15 могут быть выбраны равными.

Устройство (фиг. 3) для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит один передатчик 31 оптического излучения, по меньшей мере два приемника 32, 33 оптического излучения, два чувствительных элемента 34, 35, два разветвителя 36, 37 и три канала 38, 39, 40 связи ВОЛП 41. Выход передатчика 31 оптического излучения подсоединен только одним первым каналом 38 связи ВОЛП 41 к входу первого разветвителя 36 (первое плечо). Первый разветвитель 36 (второе плечо) подсоединен к одному концу первого чувствительного элемента 34.

Первый чувствительный элемент 34 противоположным концом подсоединен через усилитель 42 оптический к входу второго разветвителя 37 (первое плечо). Второй разветвитель 37 подсоединен (второе плечо) к второму чувствительному элементу 35. Выход одного из разветвителей 36 (третье плечо) соответственно подсоединен посредством второго канала 39 связи ВОЛП 41 к входу одного приемника 32 оптического излучения, а выход другого из разветвителей 37 (третье плечо) посредством третьего канала 40 связи подсоединен к входу другого приемника 33 оптического излучения.

Первый чувствительный элемент 34 может быть подсоединен к входу второго разветвителя 37 через усилитель 42 оптический.

Выходы первого и второго разветвителей 36, 37 (третьи плечи) соответственно могут быть подсоединены к входам приемников 32, 33 оптического излучения через усилители 43, 44 оптические.

Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.

Зондирующее излучение в виде оптического импульса от передатчика 1 оптического излучения по каналу 5 связи связи ВОЛП 7 поступает через разветвитель 4 на вход чувствительного элемента 3. При прохождении через оптическое волокно чувствительного элемента 3 происходит Релеевское рассеяние, возникает полезный сигнал, который распространяется в обратном направлении и поступает через разветвитель 4 в канал 6 связи ВОЛП 7 и далее на приемник 2 оптического излучения, где и регистрируется. При этом каналы 5, 6 связи ВОЛП 7 обеспечивают передачу оптического излучения (импульса передатчика и полезного сигнала) с требуемыми характеристиками без искажений.

Передатчик 1 оптического излучения может быть выполнен так же, как в ближайшем аналоге, и содержать последовательно соединенные непрерывный лазер и оптический модулятор. Приемник 2 оптического излучения может быть выполнен так же, как в ближайшем аналоге, и содержать последовательно соединенные фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, процессор.

В технике передачи для передачи и приема оптического сигнала достаточно широко используется волоконно-оптическая линия передачи 7 (ВОЛП). Обязательными каналообразующими элементами ВОЛП 7 являются оптические волокна, одномодовые или многомодовые, в том числе поддерживающие состояние поляризации сигнала, причем одно оптическое волокно может обеспечить передачу сигналов по нескольким оптическим каналам связи за счет спектрального уплотнения. Оптические волокна характеризуются параметром затухания оптического сигнала и дисперсионными характеристиками. Типичная величина затухания излучения с длиной волны 1550 нм в связных оптических волокнах составляет 0,19-0,22 дБ/км и величина хроматической дисперсии составляет около 20 пс/(нм·км). При передаче оптического излучения по каналам 5, 6 связи ВОЛП 7 происходит падение амплитуды оптического сигнала вследствие затухания, и может искажаться временная форма сигнала вследствие вклада хроматической дисперсии.

Для восстановления амплитуды оптического сигнала применяются усилители 8 оптические (УО), например Эрбиевые или Рамановские, которые устанавливаются в канале 5 и/или 6 связи через определенное расстояние так, чтобы величина усиления УО 8 компенсировала общее затухание и потери оптической мощности на предыдущем участке ВОЛП 7, включая ответвленную часть оптической мощности сигнала в случае установки оптического ответвителя на участке ВОЛП 7. Типичное длина участка ВОЛП 7 без усилителей составляет 50 км, что соответствует потере мощности оптического сигнала на 10 дБ. Таким образом, в настоящем изобретении под УО 8 понимается один или нескольку усилителей 8 оптических, установленных через определенное расстояние, которые совместно с ВОЛП 7 образуют систему линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания в пределах действия устройств обслуживания.

Кроме устройств обслуживания в виде УО 8, ВОЛП 7 могут дополняться спектральными оптическими фильтрами, которые отфильтровывают по спектру длин волн оптический полезный сигнал от спектральных шумов УО 8, например, от спонтанного излучения Эрбиевого усилителя. Для восстановления временной формы сигнала могут применяться компенсаторы дисперсии (волоконные или полупроводниковые), компенсирующих накопленную на предыдущем отрезке ВОЛП 7 дисперсию. Использование поддерживающих состояние поляризации сигнала оптических волокон позволяет избавиться от поляризационно-модовой дисперсии и уменьшить искажение в линии передачи. Объединение УО 8 с последовательно установленным за ним в канале 5 или 6 связи компенсатором дисперсии является повторителем. Таким образом, использование через определенное расстояние на волоконно-оптической линии передачи 7 УО 8 и компенсаторов дисперсии (на фиг. 1 не показаны) позволяет восстанавливать форму передаваемого по каналу 5 и/или 6 сигнала до состояния исходного, то есть повторять сигнал.

Усилитель 8 может быть установлен как в канале 5 связи ВОЛП 7, так и в канале 6, или в обоих каналах 5 и 6 связи ВОЛП 7, что зависит от вида протяженного объекта, его длины L и решаемой задачи, например, режима движения транспортируемого продукта или определения местоположения вторжения. Усилитель 8 целесообразно монтировать в канале 5 связи ВОЛП 7 при небольшой мощности передатчика 1 оптического излучения или, например, при L1, близкой к длине L, в канале 6 связи при очень большой длине L чувствительного элемента 3, в двух каналах 5 и 6 связи при больших длинах как L1, так и L.

Длина L1 ВОЛП 7 выбрана не меньше половины длины L чувствительного элемента 3 (L1≥L/2). Это позволяет увеличить длину чувствительного элемента особенно при его удалении от передатчика 1 и/или приемника 2 оптического излучения, увеличить расстояние от приемника 2 и/или передатчика 1 до наиболее удаленного конца чувствительного элемента 3, повысить точность за счет расширения диапазона частот регистрируемых вибраций, что поясняется следующим.

Эксперименты показывают, что чувствительные элементы 3, выполненные из оптического волокна (с механической связью с наружной оболочкой), имеют чувствительность в несколько раз выше стандартно применяемых в ВОЛП 7 кабелей со свободной укладкой волокна. Однако наложение на оптическое волокно чувствительного элемента 3 механической связи плотных оболочек из полимеров увеличивает километрическое затухание в нем. В частности, на широко используемой длине волны 1550 нм километрическое затухание в чувствительном элементе 3 с одномодовым волокном в плотной буферной оболочке возрастает до величин 0,3÷0,6 дБ/км по сравнению с исходным затуханием 0,22 дБ/км в оптических каналах 5, 6 связи, в стандартно применяемых в ВОЛП 7 кабелях со свободной укладкой волокна.

Рассмотрим пример, когда динамический диапазон устройства равен 11 дБ и объект мониторинга удален от передатчика 1/приемника 2 на 18,5 км. Тогда при стандартной компоновке приемника 2, передатчика 1, разветвителя 4 в одном корпусе и прокладке чувствительного элемента 3 (с километрическим затуханием 0,3 дБ/км), длина всего чувствительного элемента 3 не превысит 37 км (динамический диапазон 11 дБ, деленный на километрическое затухание 0,3 дБ), а максимальная длина чувствительного элемента 3, проложенного вдоль объекта, составит 18,5 км. Максимальное расстояние от передатчика 1/приемника 2 до наиболее удаленного конца чувствительного элемента составит 37 км. Максимальная частота опроса при этом составит ~2700 Гц (групповая скорость света в оптическом волокне ~200000 км/с, деленная на удвоенную длину всего чувствительного элемента 2×37 км). При использовании ВОЛП 7 (в соответствии с фиг. 1) длиной 18,5 км получим, что потери в ВОЛП 7 с километрическим затуханием 0,22 дБ/км составят 4,07 дБ, так что максимальная длина L чувствительного элемента 3, который весь проложен вдоль объекта, превысит 23,1 км (так что суммарные потери в ВОЛП 7 ~4,07 дБ и чувствительном элементе 3 ~23,1 км × 0,3 дБ/км=6,93 дБ составили бы величину, соответствующую динамическому диапазону). Максимальное расстояние от передатчика 1/приемника 2 до наиболее удаленного конца чувствительного элемента 3 составит 41,6 км. Максимальная частота опроса при этом составит ~4300 Гц (групповая скорость света в оптическом волокне ~200000 км/с, деленная на удвоенную длину всего чувствительного элемента 3 ~2×23,1 км).

Таким образом, для достижения указанного технического результата длина L1 ВОЛП 7 должна быть выбрана не меньше половины длины L чувствительного элемента 3 (L1≥L/2).

Упрощение конструкции в целом достигается за счет уменьшения количества элементов и функциональных связей между ними по сравнению с ближайшим аналогом.

Кроме того, размещение передатчика 1/приемника 2 в непосредственной близости от чувствительного элемента 3, как это выполнено в ближайшем аналоге, не всегда возможно, поскольку требуется электропитание передатчика 1/приемника 2, обеспечение которого может быть дорогостоящим и сложно выполнимым, например, при контроле трубопровода, проложенного в малонаселенной местности, в условиях крайнего севера, или при мониторинге нефте-газоносных пластов в добывающих скважинах, или при контроле подводных трубопроводов.

Усилитель 8 оптический целесообразно монтировать в канале связи ВОЛП 7 в случае, когда затухание оптического сигнала приводит к ухудшению технических характеристик устройства.

Устройство (фиг. 2) для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта работает следующим образом.

Зондирующее излучение в виде оптического импульса от передатчика 11 оптического излучения распространяется по каналу 18 связи ВОЛП 21 и одна его часть поступает через разветвитель 16 на вход чувствительного элемента 14, а другая часть - через разветвитель 17 на вход чувствительного элемента 15. Для отвода части зондирующего излучения могут использоваться ответвители 22, 23 оптические, установленные в канале 18 связи. При прохождении зондирующего излучения в оптическом волокне первого чувствительного элемента 14 происходит Релеевское рассеяние, возникает полезный сигнал, который распространяется в обратном направлении и поступает через разветвитель 16 во второй канал 19 связи ВОЛП 21 и далее на первый приемник 12 оптического излучения, где регистрируется. При прохождении зондирующего излучения в оптическом волокне второго чувствительного элемента 15 происходит Релеевское рассеяние, возникает полезный сигнал, который распространяется в обратном направлении и поступает через разветвитель 17 в третий канал 20 связи ВОЛП 21 и далее на второй приемник 13 оптического излучения, где и регистрируется. При этом каналы 18, 19, 20 связи ВОЛП 21 обеспечивают передачу оптического излучения (импульса передатчика и полезного сигнала) с требуемыми характеристиками.

Местоположение виброакустического воздействия на первый чувствительный элемент 14 определяется путем анализа сигнала первого приемника 12 оптического излучения по задержке Tз1 оптического сигнала:

Тз1=t1+t2+2z1/ν,

где z1 - расстояние по оптическому волокну со стороны разветвителя 16 от конца первого чувствительного элемента 14 до места виброакустического воздействия, t1, t2 - времена задержки в ВОЛП 21 при распространении оптического сигнала от передатчика 11 до первого чувствительного элемента 14 и от первого чувствительного элемента 14 до первого приемника 12, соответственно, ν - групповая скорость света в оптическом волокне. Таким образом, местоположение виброакустического воздействия на первый чувствительный элемент 14 определяется однозначно при условии, когда

где L - длина первого чувствительного элемента 14.

Местоположение виброакустического воздействия на второй чувствительный элемент 15 определяется путем анализа сигнала второго приемника 13 оптического излучения по задержке Тз2 оптического сигнала:

где z2 - расстояние по оптическому волокну со стороны разветвителя 17 от конца второго чувствительного элемента 15 до места виброакустического воздействия, t3, t4 - времена задержки в ВОЛП 21 при распространении оптического сигнала от передатчика 11 до второго чувствительного элемента 15 и от второго чувствительного элемента 15 до второго приемника 13, соответственно. Таким образом, местоположение виброакустического воздействия на второй чувствительный элемент 15 определяется однозначно при условии, когда

где L - длина второго чувствительного элемента 15.

Длины всех чувствительных элементов 14, 15 могут быть выбраны равными для достижения максимальной суммарной длины чувствительных элементов 14, 15 при фиксированной задержке между импульсами, которая определяет диапазон регистрируемых частот.

Местоположение виброакустического воздействия определяется по номеру приемников 12, 13 оптического излучения и задержке оптического сигнала.

Таким образом, в отличие от ближайшего аналога, при одинаковой общей длине контролируемого участка протяженного объекта устройство (фиг. 2) позволяет увеличить частоту следования импульсов, что приводит увеличению диапазона частот регистрируемых вибраций, что, в свою очередь, повышает точность обнаружения местоположения вторжения.

Использование только одного передатчика 11 оптического излучения для нескольких чувствительных элементов 14, 15 при увеличении общей длины всех чувствительных элементов 14 и/или 15 и их количества приводит к сохранению основного технического результата при упрощении конструкции в целом.

Так как в заявленном устройстве времена задержки для всех каналов связи являются постоянными, то возможно однозначное определение местоположения виброакустического воздействия при минимальной временной задержке Тмин между зондирующими импульсами оптического сигнала

где L - длина наибольшего чувствительного элемента 14 или 15.

А так как L может быть в несколько раз меньше суммарной длины чувствительных элементов 14 и 15, и длины контролируемого протяженного объекта, то Тмин можно сократить в несколько раз, и тем самым увеличить диапазон регистрируемых частот виброакустического воздействия.

Устройство (фиг. 3) для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта работает следующим образом.

Зондирующее излучение в виде оптического импульса от передатчика 31 оптического излучения распространяется по каналу 38 связи ВОЛП 41 и поступает через первый разветвитель 36 на вход первого чувствительного элемента 34 и далее, проходя через чувствительный элемент 34, поступает через второй разветвитель 37 на вход второго чувствительного элемента 35. При прохождении зондирующего излучения в оптическом волокне первого чувствительного элемента 34 происходит Релеевское рассеяние, возникает полезный сигнал, который распространяется в обратном направлении и поступает через первый разветвитель 36 во второй канал 39 связи ВОЛП 41 и далее на первый приемник 32 оптического излучения, где регистрируется. При прохождении зондирующего излучения в оптическом волокне второго чувствительного элемента 35 происходит Релеевское рассеяние, возникает полезный сигнал, который распространяется в обратном направлении и поступает через второй разветвитель 37 в третий канал 40 связи ВОЛП 41 и далее на второй приемник 33 оптического излучения, где и регистрируется. При этом каналы 38, 39, 40 связи ВОЛП 41 обеспечивают передачу оптического излучения (импульса передатчика и полезного сигнала) с требуемыми характеристиками.

Местоположение виброакустического воздействия на первый чувствительный элемент 34 определяется путем анализа сигнала первого приемника 32 оптического излучения по задержке Τз11 оптического сигнала:

Тз11=t11+t12+2z11/ν,

где z11 - расстояние по оптическому волокну со стороны первого разветвителя 36 от конца первого чувствительного элемента 34 до места виброакустического воздействия,

t11, t12 - времена задержки в ВОЛП 41 при распространении оптического сигнала от передатчика 31 до первого чувствительного элемента 34 и от первого чувствительного элемента 34 до первого приемника 32, соответственно.

Местоположение виброакустического воздействия на второй чувствительный элемент 35 определяется путем анализа сигнала второго приемника 33 оптического излучения по задержке Тз12 оптического сигнала:

где z12 - расстояние по оптическому волокну со стороны второго разветвителя 37 от конца второго чувствительного элемента 35 до места виброакустического воздействия, t13, t14 - времена задержки в ВОЛП 41 при распространении оптического сигнала от передатчика 31 до второго чувствительного элемента 35 и от второго чувствительного элемента 35 до второго приемника 33, соответственно.

Устройство, показанное на фиг. 3, использует три канала 38, 39, 40 связи ВОЛП 41, и устройство на фиг. 2 - три канала 18, 19, 20 связи ВОЛП 21. Но в устройстве на фиг. 2 канал 18 связи служит для подачи сигнала от передатчика 11 как на первый чувствительный элемент 14, так и на второй чувствительный элемент 15. В устройстве, показанном на фиг. 3, канал связи 38 ВОЛП 41 служит для подачи сигнала на первый чувствительный элемент 34. Поэтому устройство, показанное на фиг. 3, сравнительно проще, в то время как устройства на фиг. 2 более сложное, но и более надежное, так как в устройстве на фиг. 3 импульс прежде чем попасть во второй чувствительный элемент 35 распространяется через первый чувствительный элемент 34, где может испытывать различного рода искажения, в то время как в устройстве на фиг. 2 импульс попадает во второй чувствительный элемент 15, минуя первый чувствительный элемент 14, проходя по первому каналу 18 связи ВОЛП 21, который способен передавать импульс без искажений. Разветвители 16, 17 (фиг. 2) и 36, 37 (фиг. 3) являются известными компонентами, которые дополнительных искажений импульса не вносят.

Таким образом, заявленное устройство позволяет, в том числе сегментировано, производить мониторинг виброакустической характеристики протяженного объекта, неограниченного длиной, связанной с величиной затухания оптического сигнала в оптическом волокне, и/или мониторинга протяженного объекта, удаленного на существенное расстояние порядка нескольких сотен километров от места регистрации.

Использование изобретения позволяет оперативно выявлять нарушения целостности оболочки протяженного объекта либо фиксировать какие-либо воздействия изнутри или извне на протяженный объект. При этом устройство позволяет определить координаты места дефекта или точки воздействия на объект.

Наиболее успешно заявленное «Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта (варианты) промышленно применимо в эксплуатационных скважинах, при транспортировке продукции скважин, а также для определения местоположения вторжения в протяженный объект.

1. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее передатчик оптического излучения, приемник оптического излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, расположенного продольно относительно протяженного объекта, разветвитель, причем передатчик оптического излучения и приемник оптического излучения подсоединены посредством волокон через разветвитель к чувствительному элементу, отличающееся тем, что в качестве волокон использованы каналы связи волоконно-оптической линии передачи, длина которой не меньше половины длины чувствительного элемента, причем использованы один передатчик оптического излучения, два чувствительных элемента, два приемника оптического излучения и два разветвителя, и три канала связи волоконно-оптической линии передачи, при этом выход передатчика оптического излучения подсоединен только одним первым каналом связи волоконно-оптической линии передачи к каждому из входов двух разветвителей, каждый из которых соответственно подсоединен к одному из чувствительных элементов, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи волоконно-оптической линии передачи к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в первый канал связи волоконно-оптической линии передачи введены оптические ответвители и усилитель оптический, выход передатчика оптического излучения подсоединен первым каналом связи волоконно-оптической линии передачи к каждому из входов двух разветвителей через оптические ответвители, а усилитель оптический установлен в первом канале связи волоконно-оптической линии передачи между оптическими ответвителями.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введены усилители оптические и выходы разветвителей соответственно подсоединены к входам приемников оптического излучения через усилители оптические.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длины всех чувствительных элементов равны.

5. Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта, содержащее передатчик оптического излучения, приемник оптического излучения, чувствительный элемент, выполненный в виде оптического волокна, расположенного продольно относительно протяженного объекта, разветвитель, причем передатчик оптического излучения и приемник оптического излучения подсоединены посредством волокон через разветвитель к чувствительному элементу, отличающееся тем, что в качестве волокон использованы каналы связи волоконно-оптической линии передачи, длина которой не меньше половины длины чувствительного элемента, причем использованы один передатчик оптического излучения, два чувствительных элемента, два приемника оптического излучения и два разветвителя, и три канала связи волоконно-оптической линии передачи, при этом выход передатчика оптического излучения подсоединен только одним первым каналом связи волоконно-оптической линии передачи к входу первого разветвителя, который подсоединен к одному концу первого чувствительного элемента, который противоположным концом подсоединен к входу второго разветвителя, подсоединенного к второму чувствительному элементу, выход одного из разветвителей соответственно подсоединен посредством второго канала связи волоконно-оптической линии передачи к входу одного приемника оптического излучения, а выход другого из разветвителей посредством третьего канала связи - к входу другого приемника оптического излучения.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что выходы разветвителей соответственно подсоединены к входам приемников оптического излучения через усилители оптические.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что первый чувствительный элемент подсоединен к входу второго разветвителя через усилитель оптический.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим способам измерения параметров вибрации объектов. Формируют сигнал видеоизображения исследуемого объекта с помощью видеокамеры, производят последующую оцифровку указанного сигнала с помощью аналогово-цифрового преобразователя, обрабатывают оцифрованное видеоизображение с помощью ЭВМ, получают информацию об абсолютных параметрах вибрации точек исследуемого объекта на видеоизображении.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля положения поглощающих стержней различного функционального назначения в активной зоне реактора, а также различных механических узлов и оборудования, например, на атомных электростанциях.

Изобретение относится к измерительной технике. На исследуемый объект в качестве тест-объекта наносят светоотражающие метки круглой формы.

Изобретение относится к измерительной технике. На исследуемый объект наносят светоотражающие метки круглой формы.

Изобретение относится к области распределенных измерений, а именно к распределенным датчикам акустических и вибрационных воздействий. В распределенном датчике акустических и вибрационных воздействий, содержащем чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля и оптически соединенный с ним через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических импульсов и приемник рассеянного излучения с фотодетектором, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, а источник периодической последовательности оптических импульсов и/или приемник рассеянного излучения выполнен многоканальным с числом каналов не менее двух и с возможностью регистрации рефлектограмм, формирующихся в каждом из каналов, приемник рассеянного излучения содержит неравноплечный интерферометр Маха-Цендера или Майкельсона с фарадеевскими зеркалами, при этом интерферометр имеет не менее двух выходных каналов, каждый из которых соединен с фотодетектором, а блок управления и синхронизации выполнен с возможностью обеспечения разделения и независимой обработки сигналов с каждого из выходных каналов интерферометра.

Устройство для мониторинга виброакустической характеристики протяженного объекта содержит непрерывный полупроводниковый лазер, оптический модулятор, предназначенный для формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью в диапазоне от 50 нс до 500 нс и частотой следования от 200 Гц до 50 кГц, чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля, узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения, фотоприемник, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, и узел обработки сигнала с процессором, при этом непрерывный полупроводниковый лазер снабжен брэгговским селективным отражателем с возможностью сужения полосы непрерывного излучения лазера до уровня менее 100 кГц, а оптический модулятор выполнен в виде акустооптического модулятора на бегущей акустической волне с возможностью формирования периодической последовательности прямоугольных импульсов с коэффициентом гашения К≥10×lg(T×f), где Т - длительность импульса, f - частота следования.

Система содержит источник света для передачи света на поверхность вала через множество пучков оптических волокон, расположенных во множестве местоположений вблизи поверхности в по существу аксиальном направлении между концами по меньшей мере одного вала; высокотемпературный зонд отражения на основе пучка волокон для обнаружения света, отраженного от поверхности вала, механизм измерения для определения крутящего момента или вибрации на валу.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерений вибраций. Способ измерения амплитуды нановибраций ξ заключается в том, что освещают объект лазерным излучением, преобразуют отраженное от него излучение в электрический (автодинный) сигнал, раскладывают сигнал в спектральный ряд и измеряют значение амплитуды гармоники Sx на частоте колебания объекта Ω.

Изобретение может использоваться для неразрушающего контроля материалов. Устройство содержит лазер, делитель, первую и вторую линзы и последовательно соединенные генератор ультразвуковой частоты и пьезокерамический излучатель, находящийся в емкости, в которой также размещены на одной линии с излучателем исследуемый образец и собирающая акустическая линза.

Изобретение относится к технике преобразования вибрационных сигналов и может быть использовано в технических системах обнаружения и контроля вибраций объектов. Дистанционный вибродатчик содержит источник излучения, двухэлементный фотоприемник и вычитающее устройство, входы которого соединены с выходами элементов фотоприемника.

Изобретение относится к области измерительной технике и касается оптико-электрического преобразователя механических волн. Преобразователь механических волн содержит осветитель, водяную емкость с зеркальным узлом и стойку, поддерживающую светочувствительный элемент. Осветитель установлен на демпфере под углом к вертикали. Лучи от осветителя падают на зеркальный узел, находящийся в водяной емкости, и отражаются от него на светочувствительный элемент, установленный на текстолитовой стойке. Размер чувствительной площадки светочувствительного элемента выбирают из условия равенства размеру светового пятна отраженного излучения. Технический результат заключается в повышении чувствительности и надежности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам фазометрии для определения акустических или вибрационных возмущений. Способ распределенного акустического считывания обеспечивает измерение производной или скорости изменения сигнала, рассеянного в обратном направлении в волокне. Способ осуществляется путем введения входного сигнала в отрезок оптического волокна, приема возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от упомянутого оптического волокна в ответ на упомянутый входной сигнал, сравнение первого возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от части упомянутого волокна в первый момент времени, и второго возвращенного сигнала, рассеянного в обратном направлении от той же самой части упомянутого волокна во второй, отличающийся момент времени. При этом первый возвращенный сигнал модулирован первым смещением частоты, а упомянутый второй возвращенный сигнал модулирован вторым смещением частоты. В дальнейшем осуществляется вычисление скорости изменения фазы во времени для упомянутого рассеянного в обратном направлении сигнала. Устройство содержит оптическое волокно, приемник сигнала, рассеянного в обратном направлении, выходной интерферометр, содержащий модулятор частоты, фазовый детектор. Технический результат - улучшение качеств считывания фазовой составляющей. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Распределенный датчик акустических и вибрационных воздействий содержит чувствительный элемент в виде оптического волокна, помещенного в волоконно-оптический кабель, и оптически соединенный с волокном через интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр. Также датчик содержит соединенный с интерфейсом источник периодической последовательности оптических тестирующих сигналов, выполненный в виде последовательно оптически соединенных непрерывного лазера, акустооптического модулятора на бегущей акустической волне, и приемник рассеянного излучения. Указанный источник выполнен с возможностью формирования тестирующих сигналов в виде пары импульсов равной длительности с задержкой второго импульса относительно первого и периодически изменяемой задержкой фазы оптической несущей волны второго импульса относительно фазы оптической несущей волны первого импульса. Технический результат - достижение линейного отклика устройства к внешнему воздействию, обеспечение равномерного распределения чувствительности вдоль длины волокна (датчика) и уменьшение вероятности возникновения зон нечувствительности. 6 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к метрологии, а, именно к виброметрии. Датчик содержит чувствительный оптический кабель, оптический интерфейс, когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр. Рефлектометр содержит соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических импульсов и приемник рассеянного излучения. Источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации. Измеритель снабжен оптическим мультиплексором и источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала. Мультиплексор установлен между оптическим интерфейсом и чувствительным элементом, выход оптического мультиплексора соединен с чувствительным элементом, первый вход мультиплексора соединен с оптическим интерфейсом, а второй вход мультиплексора соединен с источником излучения накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала. Источник излучения накачки для рамановского усиления выполнен с возможностью периодического изменения мощности накачки для рамановского усиления рассеянного сигнала во времени от Pp(t)=Pmin в момент времени T0 до Pp(t)=Pmax в момент времени Tmax. Технический результат - повышение чувствительности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к распределенным волоконно-оптическим устройствам обнаружения звуковых волн. Заявленное распределенное волоконно-оптическое устройство обнаружения звуковых волн включает блок излучения оптических импульсов, вызывающий падение оптического импульса на оптическое волокно, и блок приема света рэлеевского рассеяния, принимающий рэлеевское рассеяние света, полученное внутри оптического волокна. Блок излучения оптических импульсов выдает оптический импульс, модулированный кодовой последовательностью, которая имеет заданную длину, основанную на размере длины оптического волокна, и посредством которой оптический импульс разделяется на множество элементов заданной ширины. Техническим результатом является повышение чувствительности и точности обнаружения звуковой волны. 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к информационно-измерительным системам и может применяться для вибромониторинга протяженных, площадных или объемных объектов. Оптическое волокно размещают в механической связи с контролируемым объектом и генерируют оптические импульсы длительностью T. Осуществляют фотоприем рассеянного в обратном направлении оптического излучения и разделяют сигналы фототока по виртуальным каналам дальности. Определяют значения амплитуды сигналов фототока и осуществляют их коррекцию с учетом выявленного уровня шума. Устройство, реализующее способ, содержит оптическое волокно, импульсный источник лазерного излучения, ответвитель или циркулятор с оптическим волокном. Блок оценки уровня шума в каждом из сигналов и последующей коррекции амплитуды выполнен в виде подключенного к ответвителю или циркулятору фотоприемника, связанного с вычислителем через аналого-цифровой преобразователь сигнала фототока. Технический результат - повышение достоверности результатов мониторинга путем выравнивания чувствительности по виртуальным каналам дальности, что выражается в снижении вероятности ложных срабатываний при обнаружении вибрационных воздействий и/или повышении вероятности правильного обнаружения таких воздействий. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ создания нормированного натяжения волоконного световода в корпусе геофона относится к области производства подводных сейсмических датчиков, используемых для контроля и измерения параметров сейсмических и гидрологических процессов, протекающих в морях и океанах. Способ основан на том, что устанавливают стойку и примыкающую к ней наклонную поверхность, устанавливают угол наклона наклонной поверхности, соответствующий нормированному значению натяжения волоконного световода, закрепляют чувствительный участок волоконного световода на конце первой опоры, установленной в корпусе геофона, размещают геофон на наклонной поверхности таким образом, чтобы корпус был наклонен первой опорой вниз, закрепляют верхнюю часть волоконного световода на стойке, размещают чувствительный участок волоконного световода на конце второй опоры, установленной в корпусе геофона, а требуемое нормированное натяжение волоконного световода создают под действием веса корпуса геофона, после чего фиксируют его путем закрепления чувствительного участка волоконного световода на конце второй опоры геофона. Техническим результатом является повышение точности и стабильности при создании нормированного натяжения волоконного световода в корпусе геофонов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам, используемым в системах мониторинга протяженных и крупногабаритных объектов, и может быть использовано для мониторинга состояния судна и элементов его конструкции (баки и т.д.) путем акустоэмиссионной диагностики, детектируя акустические сигналы от этих элементов, которые воздействуют на оптическое волокно и могут быть зарегистрированы при помощи метода когерентной рефлектометрии. Задача - повышение динамического диапазона полезного сигнала измерений вибраций акустического частотного диапазона и соответствующее увеличение длины сенсорного участка вдоль инспектируемого объекта. Технический результат достигается за счет того, что волоконно-оптическое устройство большой протяженности с источником излучения малой мощности для регистрации вибрационных воздействий акустического частотного диапазона включает в себя первую последовательную цепочку измерительного канала из узкополосного когерентного источника излучения (лазера с большой длиной когерентности) 1 малой мощности, оптического изолятора 2, разветвителя 3, управляемоего драйвером акустооптического модулятора 4, оптического циркулятора 6 и сенсорного оптоволоконного участка 7. Для обратнорассеянного сигнала из сенсорного участка 7 через первый циркулятор 6 есть вторая последовательная цепочка из предусилителя 8, оптического фильтра 9, второго циркулятора 10, узкополосного фильтра Фабри-Перо 11, третьего циркулятора 12 и первого цифрового фотоприемного устройства 13. Со второго выхода разветвителя 3 в калибровочный канал со вторым разветвителем 16 для деления неискаженной части сигнала из источника излучения 1 во второе цифровое фотоприемное устройство 17 и подачи второй части этого сигнала исходного непрерывного излучения через третий циркулятор 12, далее через фильтр Фабри-Перо 11 и второй циркулятор 10 в третье цифровое фотоприемное устройство 18. Выходы всех трех цифровых фотоприемных устройств заведены в цифровой вычислительный блок 14, из которого выработанный в блоке 14 сигнал обратной связи через блок обратной связи 15 поступает на вход подстройки фильтра Фабри-Перо 11. Выход вычислительного блока 14 по отображению результатов инспектирования (регистрации вибрационных воздействий на сенсорный оптоволоконный участок) соединен с блоком отображения 19. 2 ил.
Наверх