Проектант
Размещение
рекламы





@proektant.
 
ГЛАВНЫЕ НОВОСТИ
 

21 мая семинар «Инновационный опыт и взгляд в будущее в проектировании, строительстве с учётом требований информационного моделирования и евронормирования в рамках Директивы № 8 от 04.03.2019 г.»

Основания, фундаменты и подземные сооружения: инновационный опыт и взгляд в будущее в проектировании, строительстве и реконструкции с учётом требований информационного моделирования и евронормирования в рамках Директивы № 8 от 04.03.2019 г. Эта тема будет освещена на семинаре 21 мая в Минске.

ПОИСК ПО САЙТУ
новости, статьи, объявления, информация
Поиск осуществляется только по страницам разделов «Инфо», «Новости», «Статьи»

Разработка и применение рамановского рефлектометра в системе контроля температуры ОВ на ВОЛС-ВЛ

Источник информации: РИЦ Техносфера

Размещено 23.01.2019


 


1Белянко Е.В., 2Бобров В.И., 3Богданова О.И., 2Гринштейн М.Л., 1Зюзин М.С., 3Орешкин А.В.

1 ЧП «Оптиксофт», Минск

2 ЗАО «Институт информационных технологий», Минск

3ОАО «Союзтехэнерго», Москва


В настоящее время контроль температуры многих протяженных объектов – тоннелей, шахт, трубопроводов, кабельных линий – часто осуществляется путем измерения температуры оптического волокна (ОВ), проложенного вдоль или внутри этих объектов. При этом температура ОВ служит индикатором для определения других физических характеристик или состояния объектов: утечек из трубопроводов, замыкания в силовых кабелях и т.д. В зависимости от требуемого диапазона измерения температур используются либо стандартные телекоммуникационные, либо специализированные ОВ. Само кварцевое ОВ выдерживает высокие температуры, однако полимерное покрытие стандартных ОВ нельзя нагревать выше 85…100 °С, поскольку оно начинает деградировать, что в свою очередь может вызвать увеличение затухания ОВ.


Однако есть ситуации, при которых требуется контроль температуры ОВ самого по себе, например, плавка гололеда – удаление обледенения оптического кабеля путем нагрева его электрическим током. В волоконно-оптических линиях связи на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ) часто используется оптический кабель в грозозащитном тросе (ОКГТ). В ряде климатических районов возможно образование гололеда на таком кабеле. Одним из способов снятия льда является пропускание по ОКГТ электрического тока, что приводит к его нагреву и сбрасыванию льда. При этом процессе ОВ также нагревается, и необходимо не допускать увеличения его температуры выше указанных значений.


ВОЛС-ВЛ имеют достаточно большую протяженность, налипание льда на кабеле неравномерно по его длине из-за различия в условиях окружающей среды: температуры, влажности, скорости и направления ветра. Различаются также условия расположения ОВ относительно оболочки кабеля, от которой тепло передается к ОВ. Поэтому эффективный контроль состояния ОВ возможен только при непосредственном измерении его температуры и ее распределения вдоль ОКГТ. Какие-либо точечные датчики, установленные на внешней поверхности кабеля, не могут служить источником достоверных данных о температуре всего ОВ.


МЕТОД РАМАНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОВ


Измерение температуры ОВ обычно основано на анализе характеристик бриллюэновского или рамановского рассеяния. Каждый из методов имеет свои достоинства; в каждом случае для реализации метода необходимо преодолеть определенные технические сложности.


При распространении оптического излучения по ОВ рассеянный сигнал состоит из:


- компоненты с той же длиной волны, что и падающее излучение – рэлеевское рассеяние;

- компонент с другими длинами волн – рамановское и бриллюэновское рассеяние, спектры которых, в свою очередь, содержат не одну, а две линии; спектральная линия, с большей длиной волны, чем рэлеевская, называется стоксовой, а линия с меньшей длиной волны – антистоксовой.


Параметром, по которому определяют температуру ОВ при регистрации бриллюэновского рассеяния, является изменение частоты его компонент. Однако на эту частоту влияет также и механическое натяжение ОВ, причем чувствительность к нему значительно выше, чем к изменению температуры. При образовании гололеда на ОВ воздействуют оба фактора и разделить их влияние крайне затруднительно, если вообще возможно в условиях реальных ВОЛС-ВЛ.


Возможность измерения температуры ОВ по характеристикам рамановского рассеяния основана на соотношении между интенсивностями антистоксовой и стоксовой компонент [1]:


формула, (1)


где IАС и IС – интенсивность антистоксовой и стоксовой компонент;

формулаАС и формулаС – длина волны антистоксовой и стоксовой компонент;

формула− разность волновых чисел падающего излучения и стоксовой (антистоксовой) компоненты;

Т – абсолютная температура ОВ;

h – постоянная Планка;

k – постоянная Больцмана;

с – скорость света в вакууме.


Выражение (1) показывает, что при увеличении температуры ОВ отношение интенсивностей компонент рамановского рассеяния увеличивается; происходит это прежде всего из-за роста антистоксовой компоненты. Для стандартных одномодовых ОВ и диапазона длин волн, используемого в волоконно-оптической связи, изменение отношения IАС/IС составляет примерно 0,8 %/К.


Одним из самых распространенных методов диагностики состояния ОВ является метод импульсной рефлектометрии: в ОВ вводится зондирующий оптический импульс, регистрируется непрерывный сигнал обратного рассеяния и анализируется зависимость его интенсивности от времени. Как было указано выше, в спектре этого сигнала всегда есть рэлеевская компонента (ее параметры не зависят от температуры ОВ) и компоненты рамановского рассеяния. Для определения температуры ОВ необходимо выделить их из общего сигнала.


Таким образом, для решения задачи контроля температуры ОВ ВОЛС-ВЛ был выбран метод рамановской импульсной рефлектометрии.


АНАЛИЗАТОР ТЕМПЕРАТУРЫ РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ АТР-111


Вследствие больших длин ВОЛС-ВЛ для проведения измерений целесообразно использовать длины волн в диапазоне 1550…1625 нм, на которых затухание ОВ минимально. Но тогда длина волны стоксовой компоненты становится больше 1650 нм, потери в ОВ значительно возрастают, чувствительность приемной аппаратуры падает, и регистрация компоненты возможна только на коротких расстояниях. Вследствие этого для измерения температуры ОВ может использоваться только антистоксова компонента [1] в соответствии с выражением


формула (2)


Величина IАС зависит не только от температуры ОВ, но и от обычного затухания, поэтому необходимо разделить их влияние. Это можно сделать, измерив сигналы рэлеевского рассеяния на длинах волн зондирующего импульса и антистоксовой компоненты [2]. Изменение их интенсивности определяется только обычным затуханием ОВ, что дает возможность выделить из антистоксовой сигнала вклад, который вносит именно изменение температуры.


В результате анализа возможных вариантов построения рамановского рефлектометра был разработан прибор – анализатор температуры рефлектометрический АТР-111, структурная схема которого показана на рис. 1, а внешний вид на рис. 2.


 график

Рис. 1. Структурная схема анализатора температуры рефлектометрического АТР-111


 график

Рис. 2. Внешний вид анализатора температуры рефлектометрического АТР-111


В качестве источника зондирующего импульса используется лазерный диод (ЛД) с длиной волны 1625 нм. Его излучение вводится в измеряемое ОВ через блок объединения и разделения оптических сигналов, содержащий пассивные оптические компоненты – мультиплексоры и циркуляторы. Импульс с длиной волны 1625 нм при распространении по ОВ порождает сигнал обратного рэлеевского рассеяния с такой же длиной волны и антистоксову компоненту рамановского рассеяния, центральная длина волны которой находится около 1520 нм. Эти сигналы возвращаются к началу ОВ, отделяются друг от друга в блоке объединения и разделения оптических сигналов и поступают в двухканальное приемное устройство. Каждый канал состоит из фотодиода ФД, усилителя У и АЦП.


Еще один сигнал, измеряемый прибором, – рэлеевское рассеяние на длине волны антистоксовой компоненты рамановского рассеяния. Для этого используется ЛД с номинальной длиной волны 1550 нм. При изготовлении прибора АТР-111 из партии ЛД выбирается такой, длина волны которого ближе всего к 1520 нм; дополнительная ее подстройка проводится регулировкой тока и температуры лазера.


В приборе АТР-111 сигналы обратного рассеяния проходят также через опорное оптическое волокно ОВ-Т, которое находится в теплоизолированном кожухе; его температура измеряется встроенным электронным датчиком. Взаимное расположение уровней сигналов от этого ОВ и показания датчика используются для привязки результатов измерения к шкале температуры.


Формирователь импульсов, показанный на рис. 1, управляет работой ЛД и, как и в обычном оптическом рефлектометре, позволяет проводить измерения при достаточно широком наборе длительностей импульса – от 8 нс до 10 мкс.


Процессор прибора и персональный компьютер осуществляют управление и обработку сигналов.


На рис. 3 показаны рефлектограммы ОВ, получаемые при измерении. Здесь обозначены:


- «1625 нм» – рефлектограмма рэлеевского рассеяния при длине волны зондирующего импульса 1625 нм;

- «1550 нм» – рефлектограмма рэлеевского рассеяния при номинальной длине волны зондирующего импульса 1550 нм;

- «АС» – рефлектограмма антистоксовой компоненты рамановского рассеяния.


Первый участок каждой рефлектограммы (левее отметки 0 км) – это сигнал от внутреннего ОВ-Т, остальная часть – сигналы измеряемого ОВ.


 график

Рис. 3. Рефлектограммы, измеряемые прибором АТР-111 для определения
температуры ОВ


ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОВ


Как известно, мощность сигнала обратного рэлеевского рассеяния, в каждой точке ОВ прямо пропорциональна мощности зондирующего импульса в этой точке, коэффициенту обратного рассеяния и длительности импульса [3]. Мощность сигнала, пришедшего ко входу ОВ, определяется следующим выражением:

формула, (3)

где Pрасс,Р(L) – мощность сигнала обратного рэлеевского рассеяния, пришедшего ко входу ОВ от точки, находящейся на расстоянии L от начала ОВ;


Pимп – мощность зондирующего оптического импульса на входе ОВ;


BР – коэффициент обратного рэлеевского рассеяния, определяющий, какая часть мощности падающего импульса рассеивается и направляется назад ко входу ОВ;


формулаимп – длительность зондирующего оптического импульса;


аимп – коэффициент затухания зондирующего излучения; при рассмотрении рэлеевского рассеяния предполагается, что его значение одинаково для прямого и обратного сигналов.


Для обработки сигнала антистоксовой компоненты рамановского рассеяния использована аналогичная модель:


формула,(4)

где Pрасс,АС(L) – мощность сигнала антистоксовой компоненты, пришедшего ко входу ОВ от точки, находящейся на расстоянии L от начала ОВ;


BАС(T(L)) – коэффициент обратного рассеяния, определяющий, какая часть мощности падающего импульса преобразуется в антистоксову компоненту рамановского рассеяния и направляется назад ко входу ОВ; его величина меняется с изменением температуры волокна Т;


aАС – коэффициент затухания антистоксовой компоненты.


Параметры выражения (4) определяются из результатов измерения соответствующих рефлектограмм. Регистрируя антистоксову компоненту, прибор определяет сумму коэффициентов aимп + aАС. По рэлеевскому рассеянию на каждой из двух длин волн измеряется коэффициент aимп и независящая от температуры составляющая коэффициента aАС. Температура ОВ определяется по отклонению измеренного антистоксового сигнала от значений, рассчитанных с учетом только рэлеевских коэффициентов.


В результате обработки рефлектограмм, показанных на рис. 3, строится график температуры ОВ – рис. 4. На нем, в частности, температура внутреннего ОВ-Т (участок до отметки 0 км) составляет 18 °С, а внешнего 26 °С.


 график

Рис. 4. График температуры ОВ


Реальная ВОЛС состоит из нескольких последовательно соединенных участков строительной длины. В точках соединения интенсивность зондирующего сигнала уменьшается, на рефлектограмме появляются неоднородности («ступеньки»). Однако величина изменения сигнала обратного рассеяния зависит не только от затухания в соединении, но и от соотношения их коэффициентов обратного рассеяния BР [4]. Формулы (3) и (4) были обобщены для анализа сигналов таких линий.


На рис. 5 показаны рефлектограммы линии, состоящей из двух ОВ разных типов – G.652 (волокно А) и G.655 (волокно Б) – и измеренной с двух сторон. Хотя можно считать, что затухание в соединении не зависит от направления измерения, но вызванные им «ступеньки» получаются разными из-за различных коэффициентов BР. Можно показать, что действительное значение затухания в соединении равно среднему из значений, измеренных с каждой стороны. Конкретные значения коэффициентов обратного рассеяния BР волокон, составляющих ВОЛС, практически никогда не известны, поэтому для паспортизации ВОЛС измерения проводят с двух сторон, и результаты усредняют.


 график

Рис. 5. Рефлектограммы соединения ОВ разных типов, измеренные с двух сторон


Разные значения коэффициентов обратного рассеяния сказываются и на измерении температуры ОВ. На рис. 6 показаны графики температуры линии А – Б, после того как оба ОВ в течение суток были выдержанны при одинаковой температуре. При измерении в направлении А - Б температура первого ОВ (ближнего к рефлектометру) на 3,7 °С больше, чем температура второго. При измерении в обратном направлении ситуация противоположная. Усреднение результатов дает практически одинаковые значения температуры обоих ОВ.


 график

Рис. 6. Графики температуры ОВ разных типов, измеренные с двух сторон


Таким образом, и для получения правильных значений распределения температуры линии, состоящей из нескольких соединенных ОВ, необходимо проводить измерения с двух сторон. Однако в реальной ситуации контроля температуры ВОЛС-ВЛ это не представляется возможным, поэтому различие коэффициентов обратного рассеяния является источником дополнительной погрешности измерения температуры.


СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ВОЛС-ВЛ


На основе анализатора температуры рефлектометрического АТР-111 была создана система распределенного контроля температуры (СРКТ) ВОЛС-ВЛ. Несколько таких систем установлены на сетях ВОЛС, находящихся в гололедоопасных районах. На рис. 7 показана структура одной такой сети. Плавка гололеда может осуществляться на любой линии с помощью двух установок УПГ, находящихся в пунктах Б и Г. Контроль температуры длинных линий проводится приборами АТР-111 с двух сторон по разным ОВ. Прибор АТР-111 работает в комплекте с блоком управления (на рис. 7 не показан), который может иметь встроенный оптическим переключатель. Это позволяет измерять несколько ВОЛС одним прибором, как, например, организовано в пункте Б.


Управление всеми приборами АТР-111 и проведение измерений осуществляется с удаленного ПК рабочего места оператора по сети Ethernet.


 график

Рис. 7. Структура ВОЛС-ВЛ с оборудованием плавки гололеда и системы распределенного контроля температуры ОВ


За время эксплуатации систем контроля нескольких ВОЛС-ВЛ накоплено большое количество результатов измерения температуры ОВ, выполненных в различное время года и суток. Они свидетельствуют о сложном характере влияния окружающих условий на температуру ОВ в ОКГТ. На рис. 8 показаны графики температуры одной из ВОЛС. Для удобства сравнения они сдвинуты по вертикали друг относительно друга. На нижнем графике показаны отметки мест расположения муфт, в которых соединены ОВ участков строительной длины.


График 3 измерен вечером 3-го января, т.е. в темное время суток, когда отсутствует неоднородность внешних условий из-за солнечного излучения. Температура ОВ практически одинакова вдоль всей линии. В то же время на других графиках появляются участки с отклонениями по температуре. Участок a – b находится между двумя соседними муфтами, поэтому отличие его температуры можно объяснить параметрами ОВ. С другой стороны, участок c – d представляет собой часть непрерывного отрезка ОКГТ; его свойства, возможно, связаны с географическим изменением направления ВОЛС и соответствующим изменением по отношению к направлению ветра и солнечным лучам.


В некоторых точках ВОЛС-ВЛ, для которых предусмотрена плавка гололеда, на внешней поверхности ОКГТ были установлены датчики системы контроля образования гололеда. Эти датчики измеряли в том числе и температуру кабеля. Когда измерения проводилось в темное время суток, с предположительно установившейся температурой волокна и кабеля, данные этих датчиков соответствовали показаниям приборов АТР-111 с отклонениями не более ±2 °С. В другое время суток или при проведении плавки гололеда различия были значительно больше. Это подтверждает предположение о том, что температура ОВ может значительно отличаться от температуры оболочки ОКГТ в случае нестационарных условий.


 график

Рис. 8. Температура ОВ ВОЛС-ВЛ, измеренная в разное время


На рис. 9 и 10 показаны изменения распределения температуры одного и того же ОВ при проведении плавки гололеда в ноябре 2014 года и в январе 2015 года. ОВ нагревается после включения УПГ и остывает после ее выключения. Момент выключения УПГ определялся оператором по показаниям датчиков обледенения. Графики нагрева и остывания сдвинуты друг относительно друга по вертикали для удобства сравнения. График 1 на обоих рисунках измерен перед началом плавки гололеда. Нумерация графиков соответствует последовательности их измерения.


Из рис. 9 и 10 видно, что нагрев ОВ происходит крайне неравномерно по его длине. Есть участки сильного роста температуры, и есть участки, на которых она изменилась незначительно. Максимальные зафиксированные значения температуры составили 76 °С и 37 °С. Это связано с тем, что плавка гололеда в январе 2015 длилась значительно меньшее время. Сравнение графиков, на которых достигалась максимальная температура ОВ, показывает наличие совпадающих участков сильного и слабого нагрева. Это может свидетельствовать о схожих условиях образования гололеда в этих случаях.


 график

Рис. 9. Распределение температуры ОВ при плавке гололеда - I


график

Рис. 10. Распределение температуры ОВ при плавке гололеда - II


Данные о распределении температуры вдоль ОВ при проведении плавки гололеда дают возможность службам, управляющим этим процессом, регулировать режим плавки с целью недопущения превышения заданных пороговых значений температуры ОВ. Использование информации о климатических условиях, в которых находятся различные участки ВОЛС-ВЛ, позволит лучше понять динамику изменения температуры ОВ и повысить эффективность этих действий.


Используемый принцип организации СРКТ (удаленное управление измерениями из единого центра, автоматический анализ полученных результатов) дают возможность осуществить ее интеграцию с другими частями системы плавки гололеда и автоматизировать указанные процессы.


Образование гололеда происходит в течение достаточно ограниченных временных интервалов и в определенное время года, поэтому в остальное время система распределенного контроля температуры используется как система мониторинга физического состояния ВОЛС. Приборы АТР-111 работают как обычные оптические рефлектометры и в непрерывном автоматическом режиме проводятся измерения основных параметров линии: длина, полное затухание, расстояния до муфт, затухание участков и соединений ОВ. При возникновении повреждений и обрывов на ВОЛС система выдает соответствующие сообщения диспетчерским службам. На сервере хранится статистика измерений, что позволяет отслеживать медленные деградации ОВ и планировать предупредительные мероприятия. Кроме автоматического мониторинга возможно удаленное управление в ручном режиме, например, для паспортизации ВОЛС.


Список литературы


1. Bao X., Chen L. Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors // Sensors. 2012. Vol.12. P. 8601-8639.

2. Suh K., Lee C.. Auto-correction method for differential attenuation in a fiber-optic distributed-temperature sensor // Optics Letters. 2008. Vol.33. N.16. P.1845 – 1848.

3. Григорьянц В.В., Чаморовский Ю.К. Диагностика волоконных световодов и оптических кабелей методом обратного рассеяния // Итоги науки и техники. Серия «Радиотехника». М.: ВИНИТИ, 1982. Т. 29, С.47-79.

4. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. М.: ЛЕСАРарт, 2005.







СВЕЖИЕ СТАТЬИ



Контактные данные   |   Рекламно-информационные услуги   |   Размещение в Каталоге   |   Баннерная реклама   |   Статистика посещаемости