Диссертация (Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики промышленного оборудования с применением волоконно­оптического телеметрического комплекса), страница 2

Отмеченные процессы приводят к снижению характеристиккратковременной и длительной прочности, инициируют ползучесть, мало имногоцикловуюусталость.Микродефектыэксплуатационныхфакторов превращаютсявпривоздействиимакродефектыввиде7макроскопическихнарушенийматериала,видкоторыхопределяетсяхарактером действующей нагрузки: усталостной, статической, длительнойстатической. Дефектообразование в результате термической усталости можетпроявляться в виде изменения формы объекта и образования сетки трещин[78].Высокиеуровнитемператур,неравномерноераспределениетемпературного поля в объекте, изменения температур в процессепроизводственныхциклов,создаютвматериалеобъектавысокиетермомеханические, статические и циклические напряжения, которые могутпревысить в определенных зонах объекта предел упругости, что приводит квозникновению пластической деформации.

В зависимости от видов нагрузкив наиболее напряженных конструкциях объекта могут возникать статическиеи циклические макротрещины.Исходяизприведенныхаргументовтехническаядиагностикапромышленного оборудования, а именно, мониторинг температурного идеформационного состояния поверхности объекта позволяет своевременновыявить опасные зоны объекта и предотвратить их разрушение.На сегодняшний день можно выделить несколько методов, нашедшихширокое применение в технической диагностике оборудования: методизмерения температуры термометром сопротивления, метод измерениятемпературы термистором, метод измерения деформации тензорезистором.Данные методы применяются в методике технической диагностикипромышленного оборудования с использованием электронных средств иимеют целый ряд существенных недостатков, таких как:• Необходимость подачи электропитания по отдельному кабельному каналук измерителям;• Необходимостьналичияраздельныхизмерительного и управляющего сигналов;линийприемо/передачи8• Ухудшение технических параметров измерителей под воздействиемэлектромагнитных полей, высоковольтного напряжения, агрессивныхсред;• Несоответствиесовременнымтребованиямпопожаро-взрывобезопасности.Современныеметоды,составляющиеметодикутехническойдиагностики оборудования с применением волоконно-оптических средств,позволяют устранить эти недостатки благодаря использованию абсолютнонечувствительного к электромагнитным наводкам волоконного световода,длина которого может достигает десятков километров.

Волоконный световодвыполняет одновременно функцию передачи оптического излучения ифункцию чувствительного элемента.В данной методике особое место занимают квазираспределенныеметоды, в которых не весь волоконный световод является чувствительнымэлементом, а некоторые заранее выделенные участки или специальныеволоконные устройства, например, волоконные решетки Брэгга.Однако существующие на сегодняшний день системы, работающие натаких методах, так же не лишены недостатков:• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры имеетмалый спектральный и динамический диапазон работы, не обладаетдостаточной скоростью опроса волоконно-оптических датчиков, чтонеобходимо для технической диагностики больших объектов;• Большинство существующих образцов измерительной аппаратуры так жене имеет нормировки опорного сигнала, что приводит к систематическимошибкам в измерениях;• Современныеволоконно-оптическиедатчикитемпературыимеютвысокую погрешность и малый диапазон работы (до 150°С), хотя вбольшинстве приложений требуется измерение температуры до 500°С спогрешностью измерений не хуже ±1°С.9• Современные волоконно-оптические датчики деформации имеют малыйдиапазон работы (до 5000με), хотя в большинстве приложений требуетсяизмерение относительного растяжения / сжатия объекта до ±10000με.Состояние проблемы.

Актуальной проблемой является созданиеновых типов квазираспределенных методов и аппаратуры для техническойдиагностики промышленных объектов, позволяющих проводить мониторингна кардинально новом уровне, а именно, проводить измерения с высокойточностью, с возможностью гибкого формирования системы мониторинга, свозможностью отслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно ив большом объеме.Наиболее подходящей и практически применимой для решения такихзадач является волоконно – оптический телеметрический комплекс,основанный на измерении спектральной характеристики волоконныхрешеток Брэгга.Важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно –оптического телеметрического комплекса, является корректная 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.Таким образом, разработка методик и аппаратуры для техническойдиагностики промышленного оборудования с применением волоконнооптического телеметрического комплекса является актуальной темой дляисследования.Цель работы и задачи исследования.Цель данной работы - разработка методик и аппаратуры длятехнической диагностики промышленного оборудования с применениемволоконно-оптическоготелеметрическогокомплекса,обеспечивающего10контроль параметров температуры и деформации объектов с высокойточностью в режиме реального времени.Для достижения поставленной цели необходимо было решитьследующие задачи:1.Провести анализ современных методик и аппаратуры длятехнической диагностики промышленного оборудования.2.Провести теоретические исследования методик нахожденияспектров чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков.3.Разработать алгоритмы обработки спектров чувствительныхэлементов волоконно-оптических датчиков.4.Исследоватьвлияниетемпературногоидеформационноговоздействия на волоконные решетки Брэгга волоконно-оптических датчиков.5.Разработать техническое задание на волоконно-оптическийтелеметрический комплекс.6.Разработатьконструкциюволоконно-оптическоготелеметрического комплекса.7.Провестиоценкутехническиххарактеристикволоконно-оптических датчиков температуры и деформации.8.Провести метрологические испытания волоконно-оптическоготелеметрического комплекса.9.Апробировать разработанный волоконно-оптический комплексна действующих промышленных объектах.10.Представитьприменимостьразработаннойметодикииаппаратуры для решения альтернативных задач с применением волоконнооптических средств.Реализация поставленной в диссертации цели позволила получитьважные в научном и практическом отношении результаты.Научная новизна работы заключается в следующем:Разработана методика определения температуры и деформациипромышленныхобъектов,основаннаянаизмеренииспектральных11характеристик волоконных решеток Брэгга и позволяющая проводитьмониторинг технического состояния промышленных объектов на новомуровне.

А именно, проводить измерения с высокой точностью, свозможностьюгибкогоформированиясистемымониторинга,свозможностью отслеживания быстропротекающих процессов, непрерывно ив большом объеме. Это позволяет предотвратить преждевременный выход изстроя объекта или оборудования, снизитьриск аварийных и опасныхситуаций.Исследованыметодикинахожденияспектровчувствительныхэлементов волоконно-оптических датчиков.

В результате проведенияисследований для разработки волоконно-оптического телеметрическогокомплекса была выбрана методика установления пороговых параметров пикаволоконной решетки Брэгга.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 воздействияна волоконные 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.Практическая ценность работы состоит в том, что:Разработаны и утверждены технические условия на ВоТК (ТУ-5210221-77951881-2012), УРМ (ТУ-1000-440-77951881-2011), ВОДТ (ТУ-1100311-77951881-2014), ВОДД (ТУ-7378-540-77951881-2011).Разработана конструкция волоконно-оптического телеметрическогокомплекса:• оптоэлектроннаяунифицированногосхемаипринципрегистрирующегодействиямодулясразработанногомалойстепенью12поляризации выходного излучения, высокой частотой работы и большимколичеством оптических каналов,• конструкция волоконно-оптического датчика температуры, позволяющегопроводить измерения с точностью ±1°С в диапазоне температур от -50°Сдо +500°С,• конструкция волоконно-оптического датчика деформации, позволяющегопроводить измерения относительной деформации с точностью 0.2%,абсолютной деформации~ 1-2 мкм с возможностью работы притемпературе до +100°С.Порезультатампроведенияметрологическихиспытанийразработанный волоконно-оптический телеметрический комплекс внесен вгосударственныйреестрсредствизмерений,чтоподтвержденосвидетельством об утверждении типа средств измерений на "Комплексыволоконно-оптические телеметрические ВоТК-21х-1,55-y/40" RU.C.32.004.A№49372 (Приложение 1).Разработанныеметодикииаппаратуранашлиприменениевальтернативных волоконно-оптических решениях.