В статье описаны волоконно-оптические датчики, принцип действия и применение.
Ключевые слова: волоконно-оптические датчики, нефть, газ, диагностика.
Fiber optic sensors, principle of operation and application.
Keywords: fiber optic sensors, oil, gas, diagnostics.
Нефтяная и газовая промышленность является одной из ведущих отраслей во всём мире. Она включает в себя добычу, транспортировку, хранение. В силу специфики данной отрасли к ней применяются повышенные требования, как в части безопасности, так и к экологическим показателям. Благодаря жестким требованиям нефтегазовая промышленность является одной из лидирующих отраслей по изобретениям и внедрением новейших систем контроля и сбора данных на всех этапах производства. Требования, предъявляемые к данному сектору на столько высоки, что оборудование спроектированное для большинства работ может конкурировать с космическими разработками и оборонной техникой по применяемым технологиям и решениям.
Одним из направлений которое является основным потребителем инновационных и прорывных решений это внутритрубная диагностика нефтегазовых трубопроводов, она является неотъемлемой частью транспортировки нефти и газа. Приборы, созданные для диагностики, вобрали в себя новейшие материалы, технологии и измерительные системы несущие на своем борту мини компьютеры для сбора данных и обработки информации. Существует множество измерительных систем на основе ультразвуковых, магнитных, вихретоковых и других датчиков. Одним из современных и новых направлений можно выделить волоконно-оптические технологии. Волоконно-оптические технологии существуют не первый день, но в нефтегазовой отрасли они появились позже других. Волоконно-оптические датчики (ВОД) открывают новые возможности для данной сферы в силу превосходства по определённым показателям другие датчики.
ВОД благодаря своим материалам могут быть диэлектриками, не проводящими электричество и не чувствительны к электромагнитным помехам, что позволяет использовать их во взрывоопасных средах. Так же ВОД могут работать в зоне высоких температур и давлений, что даёт возможность установки их там, где другие датчики не могут работать.
Волоконно-оптические датчики могут измерять почти все возможные параметры. Такие как температура, давление, магнитное поле, положение в пространстве, концентрацию газа, вибрацию, расстояние и многое другое.
Кроме отличных измерительных характеристик ВОД обладаю и другим не менее впечатляющими качествами такими как высокая надёжность, низким энергопотреблением, небольшими габаритами, невысокой стоимостью материалов для изготовления и длительным временем работы.
Принцип действия волоконно-оптических датчиков
Принцип действия волоконно-оптических датчиков основан на конвертировании измеряемой величин в световой сигнал. Далее полученный сигнал обрабатывается приемником, а приемник в свою очередь пересылает в обрабатывающий центр для интерпретации и использования полученных данных. Световой поток, передаваемый по оптическому волокну источником, может изменяться и отличаться по частоте, фазе, амплитуде импульсов и поляризации, также световой поток можно увеличивать или уменьшать.
Волоконно-оптические датчики можно разделить на два основных вида:
- Датчики, где оптическое волокно является передатчиком сигнала.
Такие датчики используют оптическое волокно в качестве элемента для передачи светового сигнала от источника света к датчику и от датчика к приемнику. Факторами, влияющими на результат измерения величин и характеристик, могут быть: изменение интенсивности светового потока, изменение длины волны и фильтрация длины волны светового потока, передаваемого по оптоволокну.
- Датчики, где оптическое волокно является чувствительным элементом.
В таких датчиках оптическое волокно изменяет свои передающие характеристики. Оптоволокно помимо передатчика являются датчиком. Параметр, который измеряется воздействует на характеристики волокна, что в свою очередь влияет на характеристики передаваемого по нему светового луча.
ВОД делятся на три типа датчиков:
1 тип — Регистрация изменения характеристик под внешним механическим воздействием;
2 тип — Регистрация изменения светового потока, проходящего через проводник;
3 тип — Регистрация изменения светового потока, проходящего через проводник чувствительным элементом, установленном на противоположном конце проводника от источника света.
Применение волоконно-оптических датчиков
В нефтяной отрасли ВОД активно применяются и позволяют создавать волоконно-оптические системы мониторинга для оборудования, задействованного в нефтедобыче, строительстве скважин и месторождений.
В газовой отрасли применение датчиков давления, температуры, деформации и коррозии для диагностики технического состояния газопроводов позволяет оперативно получать достоверную информацию. Это позволяют формировать оперативные данные о техническом состоянии трубопроводной обвязки компрессорных станций не зависимо от температуры окружающей среды, радио и электропомех, что дает возможность определить остаточный ресурс газопровода и минимизировать затраты на обслуживание и ремонт газотранспортной системы.
Мировыми производителями волоконно-оптических датчиков для нефтегазовой отрасли являются Weterford, Backer Hughes, Halliburton, Schlumberger и российские предприятия «Омега», «Оптолинк», «Интел-Системы». Объем рынка продаж волоконно-оптических датчиков для тяжелых условий, за последние 5 лет, вырастет до $3,5 млрд с $1,5 млрд.
Перспективность применение волоконно-оптических датчиков для внутритрубной диагностики
На базе современных волоконно-оптических датчиков могут создаваться приборы контроля для внутритрубной диагностики, способные работать в экстремальных условиях и получать информацию не доступную другим типам датчиков. Помимо геометрических данных трубопровода, приборы, снабженные датчиками, созданными на оптоволоконной технологии способны получать данные о химическом составе нефти и нефтепродуктов на объектах нефтехимии, поскольку для оптимизации процесса необходима точная и своевременная информация о состоянии нефтепродуктов.
Так же для бесконтактных измерений сильных магнитных полей и токов применяются волоконно-оптические датчики на магнитооптическом эффекте Фарадея. Для определения пространственного местоположения используются волоконно-оптические гироскопы кольцевого типа, основанные на эффекте Саньяка, отличающиеся от механических гироскопов отсутствием подвижных элементов, высокой чувствительностью и линейной характеристикой измерения, практически мгновенным временем запуска. Данные гироскопы не восприимчивы к электромагнитным помехам.
Литература:
- «Волоконно-оптические датчики» / Окоси Т. и др., пер с японского: Энергоатомиздат, 1990 г.
- Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение) / А. Н. Писаревский, А. Ф. Чернявский, Г. А. Афанасьев и др.; Под общ. ред. А. Н. Писаревского, А. Ф. Чернявского. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. 424 с.
- Прикладная оптика: Учеб. пособие / Л. Г. Бобчук, Ю. В. Богачев, Н. П. Заказнов и др.; Под общ. ред. Н. П. Заказнова. М.: Машиностроение, 1988. -312 c.
- Мониторинг технического состояния арктического магистрального газопровода / Буймистрюк Г. Я., Мелехов Ю. С., Гулиянц Р. Ц. и др.: Oil&Gas Journal Россия, 2008. № 6.
- Advanced systems for in-well optical fi bre sensing / Shiach G., Nolan A.: J. of Physics. 2007. v. 76.
- ГОСТ Р 8.673–2009 «Датчики и системы измерительные интеллектуальные».
- Принципы построения интеллектуальных волоконно-оптических датчиков / Буймистрюк Г. Я.: Фотон-Экспресс. 2011. № 6 (43)
