Оптоволоконный (спектроскопический)

Методы обнаружения утечек из трубопроводов и их локализации
klugl
Сообщения: 671
Зарегистрирован: 14.04.2019, 13:48

Оптоволоконный (спектроскопический)

Непрочитанное сообщение klugl »

Предисловие
Устоявшегося обозначения данного метода найти не удалось.
Метод основан на анализе рассеяния света в однородном материале оптоволокна. Для ясности в дальнейшем будем условно называть "оптоволоконным спектроскопическим"
СПЕКТРОСКОПИЯ (от спектр и греч. skopeo - смотрю) - область физики, посвящённая исследованию распределения интенсивности электромагнитного излучения по длинам волн или частотам (в более широком смысле спектроскопия - исследование различных спектров). Методами спектрскопии исследуют уровни энергии и структуру атомов, молекул и образованных из них макроскопических систем, изучают квантовые переходы между уровнями энергии, взаимодействия атомов и молекул, а также макроскопические характеристики объектов - температуру, плотность, скорость макроскопического движения и т. д. Важнейшие области применения спектроскопии - спектральный анализ, астрофизика, исследование свойств газов, плазмы, жидкостей и твёрдых тел.
Введение
Последнее время наблюдается тенденция применения в России СОУ на базе оптоволоконного спектроскопического метода.
Строго говоря, оптоволоконные спектроскопические СОУ являются не системами обнаружения утечек, а системами мониторинга состояния протяжённых объектов. В такого рода системах, оптическое волокно является фактически распределённым сенсором, изменение параметров рассеяния света в котором позволяет построить профиль распределения температуры и/или механического напряжения в материале волокна. Именно по изменению распределения температуры или механического напряжения в оптическом волокне и принимается решение об отсутствии/наличии утечки.

Физические основы метода
В основе метода лежат эффекты, связанные с рассеянием монохроматического света (света с узким спектром), сопровождающимся изменением длины волны света:
  • комбинационное рассеяние (эффект Рамана);
  • рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА - рассеяние света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся заметным изменением его частоты. В отличив от рэлеевского рассеяния света, при комбинационном рассеянии в спектре рассеянного излучения наблюдаются спектральные линии, отсутствующие в линейчатом спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появляющихся линий (их называют комбинационными линиями или спутниками) определяется молекулярным строением вещества. Комбинационное рассеяние света открыто в 1928 Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях. В зарубежной литературе комбинационное рассеяние света обычно называют эффектом Рамана. Спектроскопия комбинационное рассеяние света- эфф. метод изучения состава и строения вещества.
МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ (МБР) - рассеяние света на адиабатических флуктуациях плотности конденсированных сред, сопровождающееся изменением частоты. В спектре МБР монохроматического света наблюдаются дискретные, расположенные симметрично относительно частоты возбуждающего света спектральные компоненты, называемые компонентами Мандельштама - Бриллюэна или компонентами тонкой структуры линии Рэлея. Рассеяние предсказано Л. И. Мандельштамом (1918-26) и Л. H. Бриллюэном (L. N. Bril-louin, 1922); обнаружено при рассеянии в кристалле кварца и в жидкости E. Ф. Гроссом (1930) и впоследствии им же подробно исследовано.
В обоих случаях происходит неупругое рассеяние света в материале оптического волокна, сопровождающееся изменением длины волны отражённого света. Разница состоит в том, что комбинационное рассеяние это взаимодействие света с отдельными атомами, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна это взаимодействие света с группами атомов (точнее с собственными колебаниями вещества).

Рассеяние света, спектроскопические компоненты

На рисунке условно показано взаимодействие монохроматического излучения с веществом среды распространения. Рассеянный свет содержит несколько спектральных компонент:
  • компонента с длиной волны, равной исходной длине волны;
  • компоненты, длина волны которых больше исходной (т.н. стоксовы компоненты);
  • компоненты, длина волны которых меньше исходной (т.н. антистоксовы компоненты).
Таким образом, измеряя амплитуду спектральной составляющей, появление которой обусловлено комбинационным рассеянием, можно определить температуру среды. Зная температуру среды, по сдвигу частот составляющих, появление которых обусловлено рассеянием Мандельштама-Бриллюэна можно определить механическое напряжение в материале волокна.

Суть метода обнаружения утечек
В волокно подаётся импульс монохроматического светового излучения, генерируемого лазером. После окончание импульса, принимается сигнал рассеиваемый волокном, разбивается на временные промежутки, анализируется спектроанализатором. На базе данного анализа вычисляются значения температуры и механического напряжения для каждого из участков оптического волокна (длина участка зависит от длительности минимального временного промежутка. которая в свою очередь, определяется характеристиками спектроанализатора).
Таким образом получается распределение температуры и механического напряжения материала волокна.

Обнаружение утечек возможно как по температуре (при вытекании продукта температура локально меняется), так и по механическому напряжению (разрушение материала трубопровода, появление внешних механических воздействий)


Ответить

Вернуться в «Принципы работы систем обнаружения утечек»