pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-2-131-141pimi-307Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsКВАЗИРАСПРЕДЕЛЕННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ СПЕКТРАЛЬНОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯQUASI-DISTRIBUTED FIBER-OPTIC RECIRCULATING SYSTEM FOR TEMPERATURE MEASUREMENT BASED ON WAVELENGTH-DIVISION MULTIPLEXING TECHNOLOGIESПоляковА. В.PolyakovA. V.

Адрес для переписки: Поляков А.В. - Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, г. Минск 220030      e-mail: polyakov@bsu.by

Address for correspondence: Polyakov A.V.  - Belarusian State University, Nezavisimosty Ave., 4, Minsk 220030, Belarus    e-mail: polyakov@bsu.by

polyakov@bsu.byПрокопенковаТ. Д.ProkopenkovaT. D.Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus20170906201782131141Copyright © Поляков А.В., Прокопенкова Т.Д., 20172017Поляков А.В., Прокопенкова Т.Д.Polyakov A.V., Prokopenkova T.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/307

Обеспечение качественной и надежной работы, а также температурный мониторинг современных систем напрямую связаны с использованием инновационных оптоволоконных технологий на основе концепции так называемых распределенных и квазираспределенных датчиков, имеющих большие линейные размеры, в которых оптические волокна являются одновременно и чувствительным элементом, и каналом передачи данных. Существующие волоконно-оптические датчики на основе вынужденного комбинационного рассеяния и вынужденного рассеяния Мандельштама–Бриллюэна имеют относительно высокую погрешность измерений, длительную и сложную методику измерений, высокую стоимость. Цель данной работы состояла в разработке структуры автоматизированной квазираспределенной волоконно-оптической системы измерения температуры рециркуляционного типа с использованием технологии спектрального мультиплексирования.

Метод измерений основан на регистрации возникающих под воздействием температуры изменений частоты рециркуляции одиночных оптических импульсов на соседних длинах волн. При этом происходит периодическое восстановление сигнала по форме, амплитуде и длительности. Чувствительными элементами являются отрезки многомодового кварцевого волоконного световода с металлическим покрытием, разделенные спектрально-селективными элементами, в качестве которых предлагается использовать дихроичные зеркала. С помощью разработанной математической модели, учитывающей температурную зависимость коэффициента линейного расширения и модуля Юнга волокна, спектральную и температурную зависимость показателя преломления, химический состав волокна, тип металлического покрытия рассчитана функция отклика системы, позволяющая оценить чувствительность и погрешность измерений.

В результате проведенных исследований определены: количество измерительных секций (8), максимальная измеряемая температура (500 °С), чувствительность метода (3,28 Гц/°С), погрешность измерений (±0,2 °С), а также оптимальное время начала измерений после запуска циркуляции (15 мин) и времени счета частотомера (1 с). Проведенные оценки показали, что по совокупности технических характеристик предлагаемая измерительная система может превзойти существующие аналоги.

Providing quality and reliable operation as well as temperature monitoring of modern systems are directly related on the use of innovative fiber optic technology based on the concept of so-called distributed and quasi-distributed sensors having large linear dimensions, in which the optical fiber is both sensor and data channel. Existing fiber optic sensors based on stimulated Raman scattering and stimulated Brillouin scattering have relatively high measurement error, long and complicated measurement method, high cost. The purpose of this paper was to develop an automated quasi-distributed fiber optic recirculating temperature measurement system using wavelength division multiplexing technology. Measurement method based on the registration arising due to temperature changes of the frequency of single optical pulses recirculating at adjacent wavelengths. Thus there is a periodic signal restoration on waveform, amplitude and duration. The sensing element is a segment of a multimode silica fiber coated with metal, separated spectrally selective elements, which are mainly offered to use dichroic mirrors. With the help of the developed mathematical model that takes into account the temperature dependence of the coefficient of linear expansion and Young’s modulus of the fiber, the spectral and temperature dependence of the refractive index, the chemical composition of the fibers, the type of metal coating system response function was calculated, which allows to evaluate the sensitivity and measurement accuracy. These studies determined: number of measuring sections (8), the maximal measured temperature (500 °C), the sensitivity (3,28 Hz/°C), the measurement error (±0,2 °C), and the optimum beginning time measurement after starting circulation (15 min), and counting time of the frequency meter (1 s). Carried out estimations have shown that the proposed measuring system can outperform existing analogues on set specifications.

волоконный световодтермические методыквазираспределенный датчик температурычастота рециркуляциитехнические характеристикиoptical fiberthermal methodsquasi-distributed temperature sensorrecirculating frequencytechnical characteristicsReferencesБраун, Д. Распределенные системы контроля температуры на базе современных волоконно-оптических датчиков / Д. Браун, Д. Рогачев // Технологии ТЭК. – 2005. – no 1. – С. 5–11.Brown D., Rogachev D. [Distributed temperature control system based on modern fiber-optic sensors]. Tekhnologii TEK, 2005, no. 1, pp. 5–11 (in Russian).Takada, H. High-energy dichroic chirped mirror for an ultrashort pulse amplification system / H. Takada,Takada H., Kakehata M., Torizuka K. Highenergy dichroic chirped mirror for an ultrashort pulse amplification system. Jpn. J. Appl. Phys., 2003, vol. 42, no. 7А, p. L760–L762. doi: 10.1143/JJAP.42.L760M. Kakehata, K. Torizuka // Jpn. J. Appl. Phys. – 2003. – Vol. 42, № 7А. – P. L760–L762.Cooper J.R., McGillem C.D. Probabilistic methods of signal and system analysis. New York, CBS College Publishing, 1986, 376 p.Купер, Дж. Вероятностные методы анализа сигналов и систем : пер. с англ. / Дж. Купер, К. Макгиллем. – М. : Мир, 1989. – 376 с.Polyakov A.V. Retsirkulyatsionnye optovolokonnye izmeritel'nye sistemy [Recirculating fiber-optic measuring system]. Minsk, BSU Publ., 2014, 208 p. (in Russian).Поляков, А.В. Рециркуляционные оптоволоконные измерительные системы / А.В. Поляков. – Минск : БГУ, 2014 . – 208 с.Gower J. Optical communication systems, London, Prentice-Hall Int. Inc., 1984, 504 p.Гауэр, Дж. Оптические системы связи : пер. с англ. / Дж Гауэр. – М. : Радио и связь, 1989. – 504 с.Skripnikova, N.K., Volokitin O.G. Termofizicheskie svoistva steklovidnykh pokrytii na stroitel'nykh materialakh[Thermophysical properties of glassy coatings on construction materials: methodical instructions for laboratory works]. Tomsk, Tomsk University of architecture and construction, 2012, 23 p. (in Russian).Скрипникова, Н.К. Термофизические свойства стекловидных покрытий на строительных материалах: методические указания к лабораторным работам / Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин. – Томск : Томский архитектурно-строительный университет, 2012. – 23 с.Lunin B.S., Torbin S.N. [Temperature dependence of the young's modulus of pure quartz glasses]. Vestn. Mosk. Univ. Ser. 2. Chemistry, 2000, vol. 41, no. 3, pp. 172–173 (in Russian).Лунин, Б.С. О температурной зависимости модуля Юнга чистых кварцевых стекол / Б.С. Лунин, С.Н. Торбин // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. – 2000. – Т. 41. – C. 172–173.Abramov A.A., Bubnov M.M., Vechkanov N.N. [Heat-resistant fiber modules]. Trudy IOFAN, 1987, vol. 5, pp. 72–82 (in Russian).Температуростойкие волоконно-оптические модули / А.А. Абрамов, М.М. Бубнов, Н.Н. Вечканов // Труды ИОФАН. 1987. – Т. 5. – С. 72–82.Gibert D.P. [The choice of the suspended optical cable based on the operating conditions]. CABLE-news, 2009, no. 2, pp. 49–53 (in Russian).Гиберт, Д.П. Выбор подвесного оптического кабеля исходя из условий эксплуатации / Д.П. Гиберт // КАБЕЛЬ-news. – 2009. – № 2 – С. 49–53.Bondarenko O.V., Iorgachev D.V., Myradyan L.L. [The choice of design, self-supporting optical cable in a tensile stress]. Technologiya and konstruirovanie v elektronnoj apparature Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature, 2001, no. 1, pp. 18–21 (in Russian).Бондаренко, О.В. Выбор конструкции самонесущего оптического кабеля по растягивающим нагрузкам / О.В. Бондаренко, Д.В. Иоргачев, Л.Л. Мурадьян // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2001. – № 1. – С. 18–21.Kosyakov O.I., Lipskaya M.A., Mekebaeva A.K., Mataeva A.B. [The possibility of increasing the service life of fiber-optic communication lines]. Izvestiya Vuzov. Priborostroenie, 2015, vol. 58, no. 7, pp. 561–563 (in Russian). doi:10.17586/0021-3454-2015-58-7-561-564.Возможность увеличения срока службы волоконно-оптических линий связи / О.И. Косяков, М.А. Липская, А.К. Мекебаева, А.Б. Матаева // Известия вузов. Приборостроение. – 2015. – Т. 58, № 7. – С. 561–563.Возможность увеличения срока службы волоконно-оптических линий связи / О.И. Косяков, М.А. Липская, А.К. Мекебаева, А.Б. Матаева // Известия вузов. Приборостроение. – 2015. – Т. 58, № 7. – С. 561–563.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.