K003783 Дипломная работа Использование и применение волоконно-оптических датчиков

ВВЕДЕНИЕ

Перспективно использование и применение волоконно-оптических датчиков, так как из-за своего маленького размера они могут быть очень компактны, отсутствует необходимость подвода внешнего питания, что позволяет размещать их в удаленном месте, кроме того огромное число датчиков можно подключить к одному волокну методом мультиплексирования с использованием различных длин волн излучения для каждого датчика, либо путем измерения времени задержки данных от каждого датчика. Волоконно-оптические датчики невосприимчивы к электромагнитным помехам и являясь диэлектриками не проводят электричество, что позволяет использовать их в местах, где есть опасность воздействия высокого напряжения или работа в горючих и взрывоопасных средах. Волоконно-оптические датчики могут противостоять высоким температурам и давлениям. Основным преимуществом компактных датчиков является возможность их установки в местах, недоступных для других типов датчиков. Примером является измерение температуры внутри реактивных двигателей. Для измерения внутренней температуры в электрическом трансформаторе могут быть использованы волоконно-оптические датчики, где из-за присутствия мощного электромагнитного поля другие методы измерения невозможны.

Почти все позволяют измерять современные волоконно-оптические датчики. Например: давление, температуру, ускорение, расстояние, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, концентрацию различных загрязнений, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, вращающего момента, скручивания, колебания, вибрации, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, дозу радиационного излучения и т. д.

Волоконно-оптические датчики в максимальной степени удовлетворяют та-кие требования как: высокая надёжность, долговечность, стабильность, малые габариты, масса и энергопотребление, совместимость с микроэлектронными устройствами обработки информации при низкой трудоёмкости изготовления и дешевизне.

Основными элементами волоконно-оптического датчика являются оптиче-ское волокно, светоизлучающие (источники света) и светоприёмные устройства, оптический чувствительный элемент.

Волоконно-оптические датчики не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства. Материалы могут быть химически инертны (не загрязняют окружающую среду и не подвержены коррозии) из которых они изготовлены.

Используемые в волоконно-оптических датчиках элементы, являются абсо-лютно пассивными по отношению к электричеству (не излучают и не проводят электрический ток), что часто оказывает решающее влияние на успешное применение их в обслуживании таких отраслей промышленности как нефтехимические, ядерные, и другие опасные производственные объекты.

Нефтедобыча

Применение оптических датчиков в нефтяной отрасли позволяет создавать волоконно-оптические системы мониторинга (ВОСМ) нефтедобывающего обору-дования, строить интеллектуальные скважины и месторождения. Состав ВОСМ приведен на рис.1

Интеллектуальная скважина — адаптивная система повышения среднего дебита нефтяной скважины и продления срока службы насоса путем дистанционного управления погружным оборудованием, притоками из отдельных продуктивных пластов и ответвлений, на основе непрерывных измерений параметров оборудования, среды забоя и пластов в реальном масштабе времени.

В мировой практике механизированной добычи нефти адаптивное управление скоростью работы насоса в зависимости от забойного давления и внутрискважинными потоками из пластов в зависимости от их обводненности и состава, на основании текущей информации от ВОД системы мониторинга скважины, например в нефтяных компаниях, позволило построить несколько тысяч устойчивых и высоконадежных интеллектуальных скважин.

Путь к повышенной надежности и увеличению срока службы нефтедобыва-ющего оборудования, является изъятие с нефтяной скважины активной электроники путем замены на постоянные установленные пассивные ВОД . Путь к поддержанию адаптивной оптимизации добычи нефти, является непрерывный мониторинг параметров нефтяных скважин, погружных насосов и управление оборудованием, то есть снижение удельных затрат, повышение коэффициента извлекаемости нефти от 0,28 до 0,56 и рост среднего дебита нефтяных скважин.

 Эффективность применения интеллектуальных ВОСМ очень высоко оценивается на нефтяных месторождениях Крайнего Севера и арктического шельфа.

Транспортировка газа

Круглосуточно, всепогодно и помехоустойчиво формировать оперативные данные о техническом состоянии трубопроводной обвязки компрессорных станций позволяет применение ВОД деформации, давления, температуры и коррозии для мониторинга и упреждающей диагностики фактического технического состояния газопроводов, что позволяет определить остаточный ресурс участков трубопроводов и свести к минимуму затраты на его обслуживание и ремонт газотранспортной системы.

В качестве ВОД деформации используется специальное оптоволокно с ди-фракционными решетками для измерения воздействия нагрузок в диапазоне –50 000 – +50 000 млн–1 с разрешением на 0,5 млн–1.

Опыт применения ВОД в газовой отрасли России показал, что наиболее важные преимущества ВОСМ — высокая устойчивость к электромагнитным помехам и удаленный постоянный доступ к множеству датчиков — позволяют уменьшить коэффициент аварийности (количество аварий на 1000 км трубопроводов в год) от 2,0 до 0,8%.

Хранение отработанного ядерного топлива

Отработанное ядерное топливо (ОЯТ), из-за его высокой потенциальной опасности, требует осторожного обращения в течение всего ядерного топливного цикла — от производства до окончательного захоронения. Основными требованиями систем мониторинга хранилищ ОЯТ являются: долгосрочная эффективность, низкие эксплуатационные расходы, надежность функционирования с высокой точностью и устойчивостью к различным механическим и геохимическим воздействиям в радиационной обстановке. Ряд параметров, важных для безопасности хранилища ОЯТ, можно контролировать с помощью оптических датчиков. Сенсоры для измерения деформации, смещения, температуры и появления воды вместе с системой мультип-лексирования и сбора данных устанавливают на глубине до 1000 м, где рабочая температура составляет около +40 °C. Конфигурация экспериментальной ВОСМ хранилища ОЯТ приведена на рис. 9. Полная функциональная схема ВОСМ хранилища ОЯТ показана на рис. 10. На рис. 11 представлена волоконная сенсорная сеть для мониторинга хранилища ОЯТ.

В трех скважинах размещены датчики деформации, температуры и обнаружения воды, в то время как датчики смещения закреплены вокруг поперечного сечения выработки для контроля изменения геометрии полости. Все измеренные данные собираются так называемым сенсорным сервером через соответствующий блок мультиплексирования. Сенсорный сервер может быть подключен к шине передачи данных в цифровых выходных файлах для загрузки пользователем.