Диссертация (Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно­оптического телеметрического комплекса), страница 11

Спектр излучения эрбиевого люминесцентного источникаКак видно, спектр имеет значительные спектральные вариацииинтенсивности, поэтому при проведении прецизионных измерений следуетпроводить нормировку измеренных спектров отражения ВБР на спектризлученияисточника.Крометого,интенсивностьизлучениявкоротковолновой части спектра мала, поэтому рабочий спектральныйдиапазон и спектральное расположение пиков ВБР следует выбирать начинаяс длины волны 1525 нм.Следует отметить, что ВБР имеют анизотропию, величина которойзависит от параметров световода и условий записи.

В частности, анизотропияВБР возникает при их внедрении в композиционный материал. Так, величинадвулучепреломления ВБР, внедренных в углепластик может достигать 10-4 иболее. Поэтому чувствительность схемы измерения к поляризации излученияиграет важную роль при анализе системы мониторинга.Важным достоинством эрбиевого источника, выгодно отличающим егоотширокополосныхполупроводниковыхисточников,является67пренебрежимо малая степень поляризации выходного излучения, чтопозволяет отказаться от использования дополнительных деполяризующихэлементов в оптической схеме.Приемник оптического излученияПомимонеобходимостисогласованиярабочиххарактеристикисточника и приемника излучения между собой следует иметь в виду, чтотип источника и приемника излучения, а также использованный принципдетектирования внешнего воздействия существенным образом сказываетсяна целом ряде важных характеристик системы, поэтому при их выборе нужнозаранее учитывать специфику поставленной задачи.В качестве приемника оптического излучения выбран спектрометр IMON производства компании Ibsen Photonics (Таблица 3.2.).Основные достоинства выбранного спектрометра для разработкиВоТК:• Отсутствиедвижущихсяэлементов,обеспечивающеевысокуюинфракраснойлинейкистабильность измерений;• Использованиевысокочувствительнойфотоприемников производства компании Hamamatsu (Япония), чтообеспечивает работу в удобном спектральном диапазоне 1510-1590 нм;• Высокая частота опроса до 8 кГц;• Небольшие габариты и вес.Таблица 3.2.

Основные характеристики выбранных спектрометровПараметрI-MON 256I-MON 512Рабочий диапазон, нм1525-15701525-1590Максимальное число ВБР816Спектральное разрешение, пм<0.5<0.5Динамический диапазон, дБ3050Макс. частота измерений, кГц10568Посовокупностиприведенныхпараметровтакойприемникоптического излучения является наилучшим для долговременного измерениятемпературы и деформации объектов, так как обеспечивает высокуюстабильность измерений при достаточно высокой частоте опроса всехдатчиков одновременно.К числу недостатков спектрометра следует отнести относительнонебольшое число элементов линейки фотоприемников (256 / 512 элементов,спектральное расстояние между соседними элементами ∼ 0.16 нм), чтонакладывает ограничения на параметры используемых в схемах мониторингаВБР.

Так, для проведения измерений спектральная ширина ВБР должнасоставлять несколько спектральных расстояний между элементами линейкифотоприемников, то есть быть не менее 0.3 нм. Этому условиюудовлетворяют однородные ВБР, геометрическая длина которых непревосходит 3 мм.Оптическая система УРМОптическиепереключатели,разветвителиициркуляторыиспользуются для создания оптической схемы УРМ, а так же дляобеспечения возможности увеличения независимых оптических каналовУРМ.Оптический переключатель создан на основе технологии MEMS иобеспечивает число коммутируемых каналов кратное двум (до 16 каналов),имеет малое время переключения ~ 10 мс [22].Оптический разветвитель позволяет разделить оптическое излучениена несколько световодов по мощности или, наоборот, свести излучение изнескольких световодов в один [14].Оптический циркулятор основан на эффекте Фарадея [11].

Онпредставляетсобойневзаимноепассивноеоптическоеустройство,направляющее свет последовательно из входа 1 во вход 2, из входа 2 во вход3 строго по направлению обхода (трехпортовый циркулятор). Оптическийциркулятор оптимизирован для работы вблизи 1,55 мкм.69Потери в циркуляторе составляют около 0,6 дБ, изоляция каналов более 40 дБ, оптические потери возвратившегося сигнала – более 50 дБ, иполяризационно – зависимые потери – ниже 0,1 дБ.Набор электронных компонентов УРМВычислительное устройство выполняет математическую обработкуданных, зарегистрированных приемником оптического излучения, хранитконечные результаты измерений, а также управляет различными элементамиУРМ.Потребляемая мощность УРМ составляет не более 50 Вт.Питание УРМ осуществляется переменным напряжением 220 В(-15, +10 %) частотой (50±1) Гц синусоидальной формы.Порезультатамсоставлениятехническогозаданиянаунифицированный регистрирующий модуль составлены и утвержденытехнические условия на УРМ (ТУ-1000-440-77951881-2011).3.1.2.

Технические характеристики волоконно-оптическогодатчика температуры (ВОДТ) и деформации (ВОДД)Волоконно-оптический датчик температуры (ВОДТ) представляетсобой отрезок волоконного световода, защищенный металлоконструкцией, сзаписанной в него ВБР.

ВОДТ предназначен для контактного измерениятемпературы различных объектов. Температурный диапазон измеренийВОДТсоставляет от -50 °С до +500 °С, с допустимой абсолютнойпогрешностью во всем температурном диапазоне ±1 °С.На основании технического задания утверждены технические условияна ВОДТ (ТУ-1100-311-77951881-2014).Датчик деформации ВОДД представляет собой механическую систему,которая включает в себя чувствительный элемент на основе ВБР имеханическое устройство, обеспечивающее преобразование деформацииобъектаврегистрируемуюдеформациюизмерительногоэлемента.Максимальная измеряемая деформация посредством ВОДД составляет 4 мм70при установочной базе равной 200 мм, с допустимой абсолютнойпогрешностью измерений деформации ±20 мкм.На основании технического задания утверждены технические условияна ВОДТ (ТУ-7378-540-77951881-2011).3.1.4.

Требования к испытаниям ВоТКПо требованиям пожарной безопасности ВоТК соответствует ГОСТ12.1.004-91 [61].Электрооборудование ВоТК соответствует требованиям безопасностисогласно ГОСТ 12.2.003 [62], ГОСТ 12.2.007.0 [63], документам «Правилатехнической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правилаустройства электроустановок».По степени защиты составных частей от проникновения твердых тел иводы ВоТК соответствует ГОСТ 14254 [64] согласно таблице 3.3.Таблица 3.3. Степень защиты ВоТКНаименование составных частейУнифицированныйКлассСтепеньзащитызащитырегистрирующий 01IP 30модульFIU-44-1.55-40Er-AБлок коммутации СВ-6/6Волоконно-оптические0IP 65датчики 0IP 54датчики 0IP 54деформации OSD – 540Волоконно-оптическиетемпературы OSHT – 311ВоТК подвергается следующим видам испытаний:• Приемо-сдаточным,• Типовым,• Пробная эксплуатация (п/э).71Приемо-сдаточные испытания ВоТК проводятся двумя сторонами:предприятием-изготовителем и предприятием-заказчиком.

Каждый датчикдолжен быть проверен на соответствие техническим требованиям, указаннымв таблице 4.1, 4.2. Любое устройство, не удовлетворяющее требованиям хотябы одному из пунктов приемо-сдаточных испытаний, бракуется ивозвращается на доработку, после которой подвергается повторномуконтролю в полном объеме приемо-сдаточных испытаний [79].При положительных результатах приемо-сдаточных испытаний впаспорте (в графе испытания провел) каждого изделия должны стоятьподписи участников испытательной комиссии со стороны производителя.Типовые испытания ВоТК проводятся предприятием-изготовителемпри изменении конструкции отдельных элементов или технологии ихизготовления, влияющих на технические характеристики, оговоренные внастоящих технических условиях.

Объем и порядок проведения типовыхиспытаний определяется характером вносимых изменений.Состав и рекомендуемая последовательность испытаний ВоТК должнысоответствовать указанным в таблице 3.4.Таблица 3.4. Состав испытаний ВоТКНаименование испытанийПроверка комплектности и документацииПроверка маркировки и упаковкиПроверка требований электробезопасностиПроверка способности УРМ к передачиданных АСУ через порт TCP/IPПроверка работоспособности датчиковдеформацииПроверка работоспособности датчиковтемпературыУстановка всех элементов системы наобъект и его подключениеВид испытанийПриемоТипосдаточныевыедаДадаДанетДап/энетнетнетдаДанетдаДанетдаДанетнетНетда72Средства измерений, используемые при испытаниях, должны бытьпроверены в соответствии с ПР 50.2.006-94 [84].При проведении контроля и испытаний ВоТК при нормальныхусловиях находится унифицированный регистрирующий модуль FIU-44-1.55,а именно:• температура окружающего воздуха +20 ± 5° ;• относительная влажность воздуха 40 - 80%;• атмосферное давление 84-106 кПа (630-795 мм.

рт. ст.)Проверку маркировки УРМ и наличие бирок с номерами датчиковпроводят визуальным осмотром, при котором проверяется соответствиемаркировки требованиями конструкторской документации и техническихусловий.Результаты проверки считают удовлетворительными, если маркировкасоответствуеттребованиямтехническихусловийиконструкторскойдокументации.Проверка упаковки производится внешним осмотром, при которомпроверяется соответствие требованиям технических условий.Взрывозащищенность ВоТК обеспечивается выполнением требованийГОСТ Р 52350.28 [75], приведенные в таблице 3.5.Таблица 3.5. Маркировки взрывозащиты ВоТКНаименование составной частиМаркировка взрывозащитыБлок коммутацииEx op is T6 GaДатчик деформацииEx op is T6 GaДатчик температурыEx op is T6 GaУРМEx op is T6 Ga73Взрывозащищенность компонентов ВоТК реализуется следующимиспособами:• дляБлокакоммутации:фрикционнойискробезопасностью,обеспечиваемой применением легких сплавов, содержащих в своемсоставе не более 7,5 % магния (п.8.2 ГОСТ Р 51330.0) [73];• для датчика деформации: размещением датчика в кожухе, имеющуюстепень защиты IP 54 по ГОСТ 14254; нагревом элементов и соединенийдатчика при максимальной допустимой температуре окружающей средыне выше 80˚С; фрикционной искробезопасностью, обеспечиваемойприменением легких сплавов, содержащих в своем составе не более 7,5 %магния (п.8.2 ГОСТ Р 51330.0) [73];• для датчика температуры: размещением датчика в кожухе, имеющуюстепень защиты IP 54 по ГОСТ 14254; нагревом элементов и соединенийдатчика при максимальной допустимой температуре окружающей средыне выше 80˚С; фрикционной искробезопасностью, обеспечиваемойприменением легких сплавов, содержащих в своем составе не более 7,5 %магния (п.8.2 ГОСТ Р 51330.0) [73];• для УРМ: применением взрывозащищенных элементов в оптической иэлектрической схеме УРМ; использованием в качестве источника светаволоконно-оптического широкополосного источника излучения, выходнаямощность которого не превышает 1 мВт при температуре не более 80˚С(п.5.2.2 ГОСТ Р 52350.28) [75]; конструктивным построением оптическогоизмерительного элемента, при котором оптическое излучение не выходитза пределы оптоволокна.Транспортирование всех компонентов системы проводится в крытыхтранспортныхсредствах,упакованнымивкартонныекоробки,притемпературе от -25°С до +55 °С.

Расстановка и крепление транспортныхкоробок в транспортных средствах должны обеспечивать устойчивоеположение при следовании в пути, отсутствие ударов друг о друга.74Приборы до введения в эксплуатацию следует хранить на складах вупаковке предприятия-изготовителя при температуре окружающего воздухаот 5 °С до +40 °С и относительной влажности воздуха 90 % при температуре+30 °С.Хранить приборы без упаковки следует при температуре окружающеговоздуха от +10 °С до +35 °С и относительной влажности воздуха 90 % притемпературе +30 °С.3.2. Принцип действия и конструктивные особенности ВоТКВ зависимости от условий применения оптические схемы мониторингана основе ВБР могут иметь весьма разнообразную структуру. Все они имеютобщийпринципизмерения,которыйсостоитвчувствительностирезонансной длины волны ВБР к изменению температуры или деформацииучастка световода, который содержит ВБР.