Таратылған талшықты – оптикалық кабель – сенсорлы мониторинг жүйелері және оларды өнеркәсіп саласында қолдану

Таратылған талшықты – оптикалық кабель – сенсорлы мониторинг жүйелері
және оларды өнеркәсіп саласында қолдану
Наурыз Қ.Ж., аға оқытушы
«Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар» кафедрасы,
энергетикалық факультеті
С.Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық университеті,
Нұр-Сұлтан қаласы, Қазақстан
Бүгінгі күні заманауи индустриялық жүйелерге қатаң талаптар қойылуда. Олар
қоршаған орта жағдайларына қарамастан әрдайым сенімді жұмыс істеуі керек.
Бақылау мен басқару маңызды параметрге айналуда. Оператор мәселені, оның ішінде
ықтимал мәселені анықтай алуы, пайда болған орнын анықтап, уақтылы жауап бере
алуы, төтенше жағдайлар кезінде уақыт пен материалдық шығындарды азайту үшін
қажетті шараларды қолдана білуі керек. Заманауи технологиялардың көмегімен
температураны, акустикалық фонды және деформациядағы кішігірім өзгерістерді
өндірістік мекеменің кез-келген жерінде үздіксіз, дәл және нақты уақытта анықтауға
болады. Бұл үшін ақпарат тарату үшін дәстүрлі түрде телекоммуникация саласында
қолданылатын оптикалық кабельдер көмекке келеді. Оптикалық кабельге қосылған
құрылғылардың түріне байланысты әр түрлі экологиялық оқиғаларды үлкен
қашықтықта анықтауға болады (бірнеше ондаған шақырымға дейін). Сезімтал орта
болып оптикалық талшық және оның ішіндегі көптеген «виртуалды» сенсорлар болып
табылады [1, 2].
Оптикалық талшықты сенсор ретінде пайдалану салыстырмалы түрде жаңа
бағыт болып табылады. Оптикалық талшық көмегімен ақпарат жинауға арналған
алғашқы жобалар өткен ғасырдың 80 - жылдарына жатады, ал мұнай-газ саласында
өнеркәсіптік жаппай қолдану 2000 - шы жылдардың басында басталды. Алғашында
талшық температура сенсоры ретінде қолданылды, ал 2010 - шы жылдардан бастап
акустикалық сенсор ретінде қолданыла бастады. Технология тиімді деп танылғанына
қарамастан, қазіргі таңда кеңінен қолданылмайды. Алайда, таратылған (үлестірілген)
оптикалық мониторингтің көптеген салаларда жақын болашақта кең қолданыс табып,
стандартқа айналатын белгілері бар. Таратылған (үлестірілген) мониторингтің
нүктелік мониторингке қарағанда (Bragg торларына негізделген) сөзсіз артықшылығы
- бұл оптикалық талшыққа жіберілген жарық импульсін және осы импульстен кері
серпілісті талдаудың арқасында кеңістіктің жоғары рұқсаттылығы (метр
бөлшектерінен бастап 10 метрге дейін) Рэлей, Бриллюэн және Раман кері шашырауы
сәйкесінше акустика, деформация және температураны өлшеуге мүмкіндік береді.
Осыған байланысты таратылған (үлестірілген) мониторинг жүздеген жеке нүктелік
сенсорлардың қымбат және күрделі (үлестірілген) жүйесін бір үздіксіз шешіммен
ауыстыруға мүмкіндік береді [3].

Ұзын объектіні мониторингтеуді қажет ететін өнеркәсіптің кез - келген
саласында оптикалық кабель сенсор ретінде қолданыла алады. Бұл нәтижеге келесі
артықшылықтар арқылы қол жеткізіледі [3, 2]:
- шағын өлшемі мен салмағы;
- қоршаған орта параметрлерінің өзгеруіне жоғары сезімталдық;
- әр түрлі параметрлерді тіркеу мүмкіндігі;
- сенімділік пен өлшеудің кең ауқымы;
- өлшенетін жол ұзындығы бірлігінің салыстырмалы түрде төмен бағасы;
- ұзақ жұмысқа пайдалану уақыты мен кеңістікте жоғары ажырату мүмкінділігі;
- агрессивті ортаға және күрделі ауа-райына төзімділігі;
- электромагниттік әсерлерді қабылдау мүмкінділігінің болмауы;
- сенсор кабелі электр желілеріне қосылуды немесе қосымша байланыс және
коммутация құралдарын қажет етпейді.
Оптикалық – талшықты технологияға негізделген мониторинг жүйесінде
қолданатын сенсорлар (аспаптар) [4, 2]:
DAS (Distributed Acoustic Sensing) - бұл оптикалық талшық бойымен
«виртуалды» микрофондар болып табылады. Стандартты бір режимді талшықтар мен
Рэлей шашырауы қолданылады (шашырау көмегімен ұсталады), мұнда акустикалық
тербелістер сыну көрсеткішінің кішігірім өзгерісін тудырады. Талшық қоршаған
ортадағы оқиғаларды сөзбе - сөз «естиді». Бұл микрофондардың саны кеңістіктік
ажыратудың, қашықтықтың және импульстің енінің комбинациясы болып табылады.
Қазіргі таңдағы жүйелер 80 км қашықтықта жұмыс істей алады. Бірнеше құрылғыны
бір желіге біріктіру мыңдаған шақырымдық бақылау жолдарын жасауға мүмкіндік
береді.
DTS (Distributed Temperature Sensing) - бұл оптикалық талшық бойымен
«виртуалды» термометрлер болып табылады. Кәдімгі бір модалы талшыққа арналған
қашықтық диапазоны 100 км-ге дейін: кеңістіктік ажырату мүмкінділігі 1-ден 5 метрге
дейін және өлшеу дәлдігі 10 С кем емес, өлшеу уақыты 2-ден 30 минутқа дейін дейін
жетеді. Бұл параметрлер бір-біріне тәуелді. Мысалы, өлшеу уақыты неғұрлым көп
болса, кеңістіктің ажырату мен өлшеу дәлдігі соғұрлым жақсы болады және
керісінше. Өлшеу үшін Раманның шашырауы қолданылады, дәлірек айтсақ, оның екі
компоненті қолданылады (біреуі температураға байланысты, ал екіншісі оған тәуелді
емес). Температура осы екі компоненттің үшбұрышын өлшеу арқылы анықталады.
DSS (Distributed Strain Sensing) - бұл оптикалық талшық бойымен «виртуалды»
тензо сенсорлар болып табылады. Стандартты бір модалы талшықтар және Бриллюэн
шашырауы қолданылады. Талшықтағы кернеу өзгерген кезде Бриллюэн жиілігінде
ығысу пайда болады және оны анықтауға болады. Сонымен бірге 65 метрге дейінгі
қашықтықта кеңістіктің ажырату мүмкіндігі 1 метрге жетеді және кернеуді тіркеу
0,001% -дан аз болып келеді.
Оптикалық талшыққа негізделген мониторингтің қолдану аясы үнемі өсуде.
Төмендегі 1 - суретте аталған технологияның қолдануға болатын салалары
көрсетілген [1, 2].

Сурет 1. Оптикалық талшыққа негізделген мониторингтің қолдану аясы

Талдау көрсеткендей, жақын болашақта мұндай жобалар нарығы жылына кем
дегенде 10 % өседі. Соңғы 10 жылда аталған технология мыңдаған километрлік
құбырларды, мыңдаған мұнай мен газ ұңғымаларын және басқаларын мониторинг
жасау үшін қолданылды. Өндіріске перспективалы технологияларды енгізуді
жеделдетуге мүмкіндік беретін көптеген шешімдер пайда болады, құрылғылар мен
кабельдер үнемі жетілдіріліп, дәлірек және қолжетімді болып келеді. Қазіргі таңда
осы бағытта барлық салаларға өзара үйлесімділікті қамтамасыз етуге көмектесетін
стандарттар қажет. Әлемде таратылған оптикалық мониторинг үшін осындай бірнеше
стандарттар жасалған, өкінішке орай, нарықта айтарлықтай жоғары деңгейдегі
жабдықтар мен сенсорлық кабельдерді ТМД елдерінде, әсіресе Ресейде өндірушілері
болғанына қарамастан, бұл елдердің өнеркәсіп саласы әлі де әлемдік енгізу
қарқынынан артта кенже қалып отыр [1, 2].
Қолданылған дереккөздер тізімі
1 Дмитрий Гиберт. Кабели-датчики для распределенного оптического
мониторинга. Қолжеткізім режимі: https://vols.expert/useful-information/volokonnoopticheskie-kabeli-datchiki-dlya-primeneniya-v-promyishlennosti/. Қолданыстағы күні:
22.01.2021.
2 Серикпай Н. «Сарыарқа» газ құбыры бойында ТОК – сенсорын қолданып
мониторинг жүйесін ұйымдастыру» ДИПЛОМДЫҚ ЖОБА. 5В071900 –
«Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар» мамандығы.Нұр - Сұлтан
2021. С.Сейфуллин атын. ҚазАТУ. - 91 б.
3 Степанов К.В. Волоконно – оптическая сенсорная система с повышенной
акустической чувствительностью на основе фазочувствительного рефлектометра.
МГТУ им. Н.Э.Баумана. 05.11.07 – Москва – 2021. – 130 с.
4
Сайт
"Ваш
электрик".
Қолжеткізім
режимі:
https://paes250.ru/provodka/proverka-ekrana-kabelya-2.html.
Қолданыстағы
күні:
22.01.2021.