Автореферат (Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно­оптического телеметрического комплекса)

На правах рукописиСимонов Максим АндреевичРАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙДИАГНОСТИКИ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СПРИМЕНЕНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСАСпециальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронныеприборы и комплексыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Диссертация выполнена в Федеральномобразовательномучреждениивысшеготехнологическом университете» (МГУПИ)государственном бюджетномобразования«МосковскомНаучный руководитель:доктор технических наук, академик РАЕН,профессор, Директор Института высокихтехнологий, заведующий кафедрой«Оптических и биотехнических системи технологий» МГУПИКондратенко Владимир СтепановичОфициальные оппоненты:доктор технических наук,профессор МГТУ им.

Н. Э. БауманаСагателян Гайк Рафаэловичдоктор технических наук,начальник отдела технологии ростакристаллов и новых материаловФГУП ЭЗАНБородин Алексей ВладимировичВедущая организация:ОАО «НИИЭФА им. Д.В.Ефремова»Защита состоится « »2016 г. вна заседаниидиссертационного совета Д212.131.02 при Московском технологическомуниверситете по адресу: 119454, г. Москва, Проспект Вернадского, д. 78.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМИРЭА. Автореферат размещен на сайте: www.mirea.ruОтзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатьюучредителя, просьба направлять по указанному адресу.Автореферат разослан «»2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат физико-математических наук, доцентА. Н. ЮрасовОбщая характеристика работы1.1 Актуальность.В результате эксплуатации промышленных объектов возникаютразрушения конструкций из-за образования и роста дефектов, либо потериустойчивости.

Причинами данных проблем являются напряжения материалов вконструкции объекта. Техническая диагностика промышленного оборудования,а именно, мониторинг температурного и деформационного состоянияповерхности объекта позволяет своевременно выявить опасные зоны объекта ипредотвратить их разрушение.Современные методы, составляющие методику технической диагностикиоборудования с применением волоконно-оптических средств, позволяютрешить данную задачу благодаря использованию абсолютно нечувствительногок электромагнитным наводкам волоконного световода, длина которого можетдостигает десятков километров. Волоконный световод выполняетодновременно функцию передачи оптического излучения и функциючувствительного элемента.1.2 Состояние проблемы.Хотя методы технической диагностики оборудования с применениемволоконно-оптических средств известны и исследованы в работах С.А.Васильева, Ю.Н.

Кульчина, Т. Окоси (Япония), О.И. Медведкова, В.Н.Листвина, Керсей А.Д. (США), А.С. Куркова, И.Г. Королева, Танака Н.(Япония), В.К. Леко, О.В. Мазурина, Р. Кашьяпа (Англия), Д. Бэйли(Австралия) и др., актуальной проблемой является создание новых типовквазираспределенных методов и аппаратуры для технической диагностикипромышленных объектов, позволяющих проводить мониторинг на кардинальноновом уровне, а именно, проводить измерения с высокой точностью, свозможностью гибкого формирования системы мониторинга, с возможностьюотслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно и в большомобъеме информации.Наиболее подходящей и практически применимой для решения такихзадач является волоконно – оптический телеметрический комплекс,основанный на измерении спектральной характеристики волоконных решетокпоказателя преломления (далее волоконных решеток Брэгга).Важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно –оптического телеметрического комплекса, является долговременная работаволоконно-оптических датчиков температуры и деформации, адаптации их кпромышленному применению, проведение измерений в большом количестветочек одновременно, с высокой частотой, точностью и надежностью длябыстрого реагирования в случае преждевременного выхода из строя объектаили оборудования, снижения и предотвращения аварийных и опасныхситуаций.1.3 Цель работы и задачи исследования.Цель данной работы - разработка методик и аппаратуры для техническойдиагностики промышленного оборудования с применением волоконно3оптического телеметрического комплекса, обеспечивающего контрольпараметров температуры и деформации объектов с высокой точностью врежиме реального времени.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:•Провести анализ современных методик и аппаратуры для техническойдиагностики промышленного оборудования и предложить новую методику иаппаратурусулучшеннымиметрологическимиитехническимихарактеристиками.•Провести теоретические исследования методик нахождения спектровчувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и выбратьподходящую из них для повышения точности работы аппаратуры.•Разработать алгоритмы обработки спектров чувствительных элементовволоконно-оптических датчиков.•Исследовать влияние температурного и деформационного воздействия наволоконные решетки Брэгга волоконно-оптических датчиков с цельюопределения достижимых технических характеристик.•Разработатьтехническоезаданиенаволоконно-оптическийтелеметрический комплекс с целью составления и утверждения техническихусловий на комплекс.•Разработать конструкцию волоконно-оптического телеметрическогокомплекса.•Провести оценку технических характеристик волоконно-оптическихдатчиков температуры и деформации.•Провестиметрологическиеиспытанияволоконно-оптическоготелеметрического комплекса.•Апробировать разработанный волоконно-оптический комплекс надействующих промышленных объектах.•Представить применимость разработанной методики и аппаратуры длярешения альтернативных задач с применением волоконно-оптических средств.1.4 Методы исследования.При выполнении работы применялись как теоретические, так иэкспериментальные методы исследования, которые способствовали решениюпоставленных задач.

Теоретические исследования проводились путемпостроения модели, основанной на формулах расчета и обработки спектровволоконных решеток Брэгга (ВБР), а также с использованием обработкиспектров с учетом температурного и деформационного воздействия на ВБР.Экспериментальные исследования проводились в нормальных климатическихусловиях на стендах ООО ИП «НЦВО – Фотоника», а также с использованиемкалибровочного оборудования, имеющего аттестацию ФГУП «ВНИИМС», и сиспользованием волоконно-оптического телеметрического комплекса всоответствии с порядком проведения поверки средств измерений (ПР 50.2.00694 ГСИ). На протяжении всей работы выполнялось сопоставлениетеоретических и экспериментальных результатов.41.5 Научная новизна работы заключается в следующем:•Разработана методика определения температуры и деформациипромышленных объектов, основанная на измерении спектральныххарактеристик волоконных решеток Брэгга и позволяющая проводитьмониторинг технического состояния промышленных объектов на новом уровне.А именно, проводить измерения с высокой точностью, с возможностью гибкогоформирования системы мониторинга, с возможностью отслеживаниябыстропротекающих процессов, непрерывно и в большом объеме.

Этопозволяет предотвратить преждевременный выход из строя объекта илиоборудования, снизить риск аварийных и опасных ситуаций.•Исследованы методики нахождения спектров чувствительных элементовволоконно-оптических датчиков. В результате проведения исследований дляразработки волоконно-оптического телеметрического комплекса была выбранаметодика установления пороговых параметров пика волоконной решеткиБрэгга.•Разработаны алгоритмы обработки спектров, позволяющие с высокойточностью находить центральную длину волны резонансного пика отраженияволоконно-оптической решетки Брэгга волоконно-оптического датчика.•Исследовано влияние температурного и деформационного воздействия наволоконные решетки Брэгга волоконно-оптических датчиков.

В результатеисследований установлена возможность одновременной регистрации кактемпературы, так и деформации с четким разделением этих физическихвеличин. Разработана методика расчета температурного и деформационноговоздействия на волоконные решетки Брэгга.1.6 Практическая ценность работы состоит в том, что:•Разработаны и утверждены технические условия на ВоТК (ТУ-5210-22177951881-2012), УРМ (ТУ-1000-440-77951881-2011), ВОДТ (ТУ-1100-31177951881-2011), ВОДД (ТУ-7378-540-77951881-2011).•Разработана конструкция волоконно-оптического телеметрическогокомплекса:Оптоэлектронная схема и принцип действия разработанногоунифицированного регистрирующего модуля с малой степенью поляризациивыходного излучения, высокой частотой работы и большим количествомоптических каналов,Конструкцияволоконно-оптическогодатчикатемпературы,позволяющего проводить измерения с точностью ±1°с в диапазоне температурот -50°с до +500°с,Конструкцияволоконно-оптическогодатчикадеформации,позволяющего проводить измерения относительной деформации с точностью0.2%, абсолютной деформации ~ 1-2 мкм с возможностью работы притемпературе до +100°С.•По результатам проведения метрологических испытаний разработанныйволоконно-оптический телеметрический комплекс внесен в государственныйреестр средств измерений, что подтверждено свидетельством об утверждении5типасредствизмеренийна"Комплексыволоконно-оптическиетелеметрические ВоТК-21х-1,55-y/40" RU.C.32.004.A №49372.•Разработанные методики и аппаратура нашли применение вальтернативных волоконно-оптических решениях.