Адресный волоконно-оптический датчик для измерения относительной влажности в комплектных распределительных устройствах


https://doi.org/10.36027/rdeng.0120.0000157

Полный текст:


Аннотация

Рядом руководящих документов и подзаконных актов Российской Федерации, отраслевых министерств, ведомств и компаний измерение относительной влажности воздуха, изоляции элементов, элегаза введено в практику процесса эксплуатации и обслуживания комплектных распределительных устройств. Разработан широкий спектр высокоточных лабораторных приборов, которые используются для реализации указанных измерений. Однако, как правило, данные измерения проводятся планово, один-два раза в квартал, хотя о постоянном онлайн мониторинге влажности речь идет как в производственных, так и научных кругах энергетической отрасли. Возможность онлайн мониторинга появилась с появлением волоконно-оптических объектовых пассивных сетей сбора информации и возможности формирования в них сенсорных каналов, что предусмотрено также развитием концепции «Smart Grid Plus». Волоконно-оптические датчики, единые по структуре физического уровня с пассивными оптическими сетями, обладают высокой помехоустойчивостью, не подвержены влиянию мощных электромагнитных полей, характерных для создаваемых в комплектных распределительных устройствах, предназначены для работы в жестких условиях эксплуатации. Среди их широкого класса существенными преимуществами обладают волоконно-оптические датчики на брэгговских решетках, которые отличаются от других прямыми методами измерений. В частности, увеличение или уменьшение относительной влажности приведет к соответствующему изменению отраженной от решетки длины волны зондирующего источника, которая может быть измерена с точностью до шестого знака от ее абсолютного значения.

В данной работе предложен к рассмотрению двухсенсорный датчик относительной влажности параллельной структуры, отличающийся от существующих использованием адресных волоконных брэгговских решеток, выполненных в волокне SMF-28. Одна из решеток имеет замененную полиимидом кварцевую оболочку, синтезированную с помощью восстановителя покрытия волокна, и полный мультипликативный отклик к температуре и деформации, вызванной влажностью. Вторая – представляет собой решетку, записанную в стандартном волокне, и реагирует только на температуру. Возможно включение дополнительной третьей решетки с частично вытравленной оболочкой, которая может быть применена для рефрактометрических измерений количества конденсированной влаги на элементах комплектного распределительного устройства. Все решетки идентичны, имеют, как правило, одинаковую длину волны Брэгга, после манипуляции над их оболочками, но отличаются уникальным адресом, который формируется записью двух окон прозрачности в каждой из решеток с различным разностным частотным пространством. Окна прозрачности соответствуют фазовым p-сдвигам, симметрично расположенным на одинаковом расстоянии от центра каждой из решеток. Полученная структура позволяет регистрировать информацию измерительного преобразования на указанных адресных разностных частотах в радиодиапазоне, что существенно повышает быстродействие измерений относительной влажности и их точность еще на порядок. В дополнение к сказанному можно отметить возможность построения сети указанных датчиков в последовательно расположенных комплектных распределительных устройствах, при этом в каждом из шкафов будет использована другая радиочастотная адресная группа.


Об авторах

Р. Ш. Мисбахов
Казанский государственный энергетический университет, Казань
Россия

Мисбахов Ринат Шаукатович

Директор Инжинирингового центра
«Компьютерное моделирование и инжиниринг в области энергетики и энергетического машиностроения», 5446-8990



А. Н. Васёв
Набережночелнинские электрические сети, филиал ОАО «Сетевая Компания», Набережные Челны
Россия

Васёв Алексей Николаевич

начальник службы связи
средств диспетчерского технологического управления,

7175-1986



А. Ж. Сахабутдинов
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева, Казань
Россия

Сахабутдинов Айрат Жавдатович

профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, 6370-3600



И. И. Нуреев
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева, Казань
Россия

Нуреев Ильнур Ильдарович

профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий, 5942-5382



О. Г. Морозов
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева, Казань
Россия

Морозов Олег Геннадьевич

Заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий, директор НИИ прикладной электродинамики, фотоники и живых систем, 4446-4570



К. А. Липатников
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева, Казань
Россия

Липатников Константин Алексеевич

инженер научно-исследовательского института
прикладной электродинамики, фотоники и живых систем+



А. А. Василец
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева, Казань; Казанский инновационный университет им. В.Г. Тимирясова, Казань
Россия

Василец Александр Александрович

старший преподаватель, 5861-2662



Список литературы

1. Hypszer R., Wierzba H.J. Fiber optic technique for relative humidity sensors // Proc. of the Soc. of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). 1997. Vol. 3054. Pp. 145-150. DOI: 10.1117/12.266701

2. Kolpakov S.A., Gordon N.T., Chengbo Mou, Kaiming Zhou. Toward a new generation of photonic humidity sensors // Sensors. 2014. Vol. 14. No. 3. Pp. 3986-4013. DOI: 10.3390/s140303986

3. Massaroni C., Caponero M.A., D’Amato R., Lo Presto D., Schena E. Fiber Bragg grating measuring system for simultaneous monitoring of temperature and humidity in mechanical ventilation // Sensors. 2017. Vol. 17. No. 4. P. 749. DOI: 10.3390/s17040749

4. Majumder M., Gangopadhyay T.K., Chakraborty A.K., Dasgupta K., Bhattacharya D.K. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring – present status and applications // Sensors and Actuators A: Physical. 2008. Vol. 147. No. 1. Pp. 150-164. DOI: 10.1016/j.sna.2008.04.008

5. Kronenberg P., Rastogi P.K., Giaccari P., Limberger H.G. Relative humidity sensor with optical fiber Bragg gratings // Optics Letters. 2002. Vol. 27. No. 16. Pp. 1385-1387. DOI: 10.1364/OL.27.001385

6. Yeo T.L., Tong Sun, Grattan K.T.V., Parry D., Lade R., Powell B.D. Polymer-coated fiber Bragg grating for relative humidity sensing // IEEE Sensors J. 2005. Vol. 5. No. 5. Pp. 1082–1089. DOI: 10.1109/JSEN.2005.847935

7. Huang X.F., Sheng D.R., Cen K.F., Zhou H. Low-cost relative humidity sensor based on thermoplastic polyimide-coated fiber Bragg grating // Sensors and Actuators B: Chemical. 2007. Vol. 127. No. 2. Pp. 518-524. DOI: 10.1016/j.snb.2007.05.007

8. Correia S.F.H., Antunes P., Pecoraro E., Lima P.P. Optical fiber relative humidity sensor based on a FBG with a di-ureasil coating // Sensors. 2012. Vol. 12. No. 7. Pp. 8847-8860. DOI: 10.3390/s120708847

9. Berruti G., Consales M., Giordano M., Sansone L., Petagna P., Buontempo S., Breglio G., Cusano A. Radiation hard humidity sensors for high energy physics applications using polyimide-coated fiber Bragg gratings sensors // Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. Vol. 177. Pp. 94-102. DOI: 10.1016/j.snb.2012.10.047

10. Yeo T.L., Sun T., Grattan K.T.V., Parry D., Lade R., Powell B.D. Characterisation of a polymer-coated fibre Bragg grating sensor for relative humidity sensing // Sensors and Actuators B: Chemical. 2005. Vol. 110. No. 1. Pp. 148-156. DOI: 10.1016/j.snb.2005.01.033

11. Садыков И.Р., Морозов О.Г., Садеев Т.С., Степущенко О.А., Кокурина О.Е., Арбузова Е.Ю. Волоконно-оптический рефрактометрический датчик // Тр. МАИ. 2012. № 61. С. 18.

12. Морозов О.Г., Степущенко О.А., Садыков И.Р. Модуляционные методы измерений в оптических биосенсорах рефрактометрического типа на основе волоконных решеток Брэгга с фазовым сдвигом // Вестник Марийского гос. техн. ун-та. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2010. № 3 (10). С. 3-13. Режим доступа: http://elibrary.ru/download/elibrary_15575847_99729134.pdf (дата обращения 9.03.2020).

13. Сахабутдинов А.Ж., Салахов Д.Ф., Нуреев И.И., Морозов О.Г. Процедура решения задач калибровки совмещенных датчиков давления и температуры // Нелинейный мир. 2015. Т. 13. № 8. С. 32-38.

14. Buchhold R., Nakladal A., Gerlach G., Sahre K., Eichhorn K.-J. Mechanical stress in micromachined components caused by humidity-induced in-plane expansion of thin polymer films // Thin Solid Films. 1998. Vol. 312. No. 1-2. Pp. 232-239. DOI: 10.1016/S0040-6090(97)00721-9

15. Ping Lu, Liqiu Men, Qiying Chen. Tuning the sensing responses of polymer-coated fiber Bragg gratings // J. of Applied Physics. 2008. Vol. 104. No. 11. Pp. 116110-1 - 116110-3. DOI: 10.1063/1.3042227

16. Казаров В.Ю., Морозов О.Г. Волоконно-оптические рефрактометры на основе брэгговских решеток с фазовым π-сдвигом // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер.: Естественные и технические науки. 2016. № 8. С. 34-41.

17. Мисбахов Рус.Ш., Мисбахов Рин.Ш., Морозов О.Г., Нуреев И.И., Кузнецов А.А., Сахабутдинов А.Ж., Артемьев В.И., Куревин В.В., Пуртов В.В . Волоконные брэгговские решетки с двумя фазовыми сдвигами как чувствительный элемент и инструмент мультиплексирования сенсорных сетей // Инженерный вестник Дона. 2017. № 3(46). С. 24. Режим доступа: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2017/4315 (дата обращения 9.03.2020).

18. Маскевич К.В., Мисбахов Р.Ш., Морозов О.Г., Нуреев И.И., Сахабутдинов А.Ж. Волоконно-оптическая парадигма диагностического мониторинга цифровой энергетики. Основа концепции "Smart Grids Plus" // Фотон-экспресс. 2018. № 4(148). С. 18-25.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Мисбахов Р.Ш., Васёв А.Н., Сахабутдинов А.Ж., Нуреев И.И., Морозов О.Г., Липатников К.А., Василец А.А. Адресный волоконно-оптический датчик для измерения относительной влажности в комплектных распределительных устройствах. Радиостроение. 2020;(1):1-16. https://doi.org/10.36027/rdeng.0120.0000157

For citation: Misbakhov R.S., Vasev A.N., Sakhabutdinov A.Z., Nureev I.I., Morozov O.G., Lipatnikov K.A., Vasilets A.A. Address Fiber Optical Sensor for Relative Humidity Measuring in a Switchgear. Radio Engineering. 2020;(1):1-16. (In Russ.) https://doi.org/10.36027/rdeng.0120.0000157

Просмотров: 109

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2587-926X (Online)