Оптоволоконний датчик для вимірювання деформацій контейнмента ядерного реактора

Реферат: Оптоволоконний датчик для вимірювання деформацій контейнмента ядерного реактора містить: перший та другий стояки, робоче оптичне волокно, яке одним кінцем зафіксоване по відношенню до першого стояка, а другим кінцем до другого стояка, в якому утворена як мінімум одна брегівська решітка, компенсувальне оптичне волокно, як мінімум один кінець якого розміщений так, щоб була можливість зміщення по відношенню до стояків, і в якому утворена як мінімум одна брегівська решітка, причому робоче оптичне волокно і компенсувальне оптичне волокно оснащені завжди як мінімум одним роз'ємом для їх з'єднання з джерелом оптичного випромінювання, зокрема з джерелом світла з широким спектром випромінювання, для випромінювання світла в робоче оптичне волокно і компенсувальне оптичне волокно, і також із спектрометром для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток в робочому оптичному волокні і в компенсувальному оптичному волокні. UA 109254 U (12) UA 109254 U UA 109254 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до волоконно-оптичного датчика для вимірювання деформацій захисної оболонки (контейнмента) ядерного реактора. Захисні оболонки деяких ядерних реакторів зводять у вигляді стін із заздалегідь напруженого залізобетону, зазвичай завтовшки 1,2 м, які утворюють циліндрову конструкцію, зв'язану у верхній частині із сферичним куполом. З точки зору безпеки необхідно постійно контролювати стан стін, з цією метою в стіни вбудовують датчики для контролю їх деформації. Поширені датчики працюють на принципі струнних тензометрів. Недоліком цих датчиків є їх термін дії, а також неможливість їх заміни. Враховуючи зростаючі вимоги до безпеки, в основу корисної моделі поставлена задача усунення цього недоліку аналогу і заміна таких датчиків новими. Поставлена задача вирішується тим, що в оптоволоконний датчик для вимірювання деформацій контейнмента ядерного реактора, згідно з корисною моделлю, входить: - перший стояк; - другий стояк; - робоче оптичне волокно, один кінець якого зафіксований на першому стояку, а другий кінець - на другому стояку; з утвореною в ньому як мінімум однією брегівською решіткою; - компенсуюче оптичне волокно, хоча би один кінець якого розташований так, щоб була можливість зміщення по відношенню до стояків; з утвореною в ньому як мінімум однієї брегівської решітки, при цьому робоче оптичне волокно і компенсувальне оптичне волокно завжди містить хоч би один роз'єм для їх з'єднання з джерелом оптичного випромінювання, зокрема, з джерелом світла з широким спектральним діапазоном випромінювання у робоче оптичне волокно і у компенсувальне оптичне волокно, а також із спектрометром для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток в робочому оптичному волокні і компенсувальному оптичному волокні. Перевага волоконно-оптичного датчика полягає у наявності захисної трубки, яка своїми кінцями кріпиться до стояків, відстань між стояками регулюється, всередині трубки проходить робоче оптичне волокно. Ще одна перевага в тому, що захисна трубка складається з одної трубчастої частини і другої трубчастої частини із співвісним розташуванням одна до одної, при цьому друга трубчаста частина одним кінцем прикріплена до другого стояка, а другим своїм кінцем вставлена у першу трубчасту частину. Перша трубчаста частина зафіксована на першому стояку, а спряжений стик між першою трубчастою частиною і другою трубчастою частиною оснащений прокладкою. Перевага волоконно-оптичного датчика полягає також у наявності джерела оптичного випромінювання, зокрема джерела світла з широким спектром випромінювання у робоче оптичне волокно і у компенсувальне оптичне волокно, і спектрометра для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток в робочому оптичному волокні і компенсувальному оптичному волокні. В переважному варіанті волоконно-оптичний датчик згідно з корисною моделлю додатково містить оптичний циркулятор, через який джерело світла з широким спектром випромінювання сполучається з робочим оптичним волокном і компенсувальним оптичним волокном, а також за допомогою якого робоче оптичне волокно і компенсувальне оптичне волокно сполучаються із спектрометром. Перевага також в тому, що волоконно-оптичний датчик додатково містить волоконний перемикач для вибіркового або періодичного з'єднання оптичного циркулятора з робочим оптичним волокном і компенсувальним оптичним волокном. Вищезгадана задача також вирішується тим, що датчик, в якому згідно з корисною моделлю входить: - джерело оптичного випромінювання, переважно джерело світла з широким спектром випромінювання, - спектрометр для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток, - оптичний циркулятор і волоконний перемикач, за допомогою яких джерело світла з широким спектром випромінювання сполучається з робочим оптичним волокном і компенсувальним оптичним волокном, і через який робоче оптичне волокно і компенсувальне оптичне волокно можна з'єднати із спектрометром. Перевага спектрометра у такому комплекті - наявність оптичного фільтра і фотодетектора і підключення до блока управління, аналізу і візуалізації. Показовий варіант виконання волоконно-оптичного датчика згідно з корисною моделлю схематично змальований на фіг. 1, а на фіг. 2 показаний комплект для вимірювання деформацій герметичної оболонки ядерних реакторів, в який входить система волоконно-оптичних датчиків згідно з корисною моделлю. 1 UA 109254 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Волоконно-оптичний датчик 1, змальований на фіг. 1, складається із захисної трубки G, в якій поміщено робоче оптичне волокно Н. Захисна трубка G своїми кінцями кріпиться до стояків F1, F2. Захисна трубка G регулюється по довжині, що в даному показовому варіанті виконання здійснюється шляхом її розділення на одну трубчасту частину G1 і другу трубчасту частину G2, при цьому вільний кінець другої трубчастої частини G2 (кінець, який не прикріплений до стояка F2) вставлений у вільний кінець першої трубчастої частини G1 таким чином, що взаємне розташування одної трубчастої частини G1 і другої трубчастої частини G2 дозволяє їм переміщатися у напрямі їх осі. В області спряженого стику знаходиться ущільнення, яке запобігає попаданню пилу і/або вологи всередину трубки G. До першого стояка F1 кріпиться перший затиск Е1, а до другого стояка F2 кріпиться другий затиск Е2. Робоче оптичне волокно Н, що проходить в трубці G, одним своїм кінцем закріплене у першому затиску Е1, а другий його кінець закріплений у другому затиску Е2, тобто, волокно натягнуте між двома точками А1, А2. У волоконно-оптичний датчик 1 входить також компенсувальне оптичне волокно D, яке розташоване поза захисною трубкою G і кріпиться одним кінцем до першого стояка F1, a другим кінцем до другого стояка F2 так, щоб на нього не передавалося зміщення стояків F1, F2 відносно один одного. Отже, мінімум один кінець компенсувального оптичного волокна D вільно лежить і має можливість зміщуватися по відношенню до відповідного йому стояка. Компенсувальне оптичне волокно Dзнаходиться в захисній оболонці. Кожен кінець робочого оптичного волокна H і компенсувального оптичного волокна D оснащений роз'ємом С. Стояки F1, F2 пристосовані для кріплення на стіни герметичної оболонки ядерного реактора. У робочому оптичному волокні H і в компенсувальному оптичному волокні D сформовані брегівські решітки В, кожна з яких викликає періодичну зміну коефіцієнта заломлення серцевини волокна, а отриманий оптичний фільтр відображає лише певну довжину хвилі. Перевагою є довжина захисної трубки G від 30 до 2000 мм, за умовчанням встановлена на значенні, що відповідає середині її границі вимірювання, щоб при експлуатації можна було вимірювати зміну довжини в обох напрямах (скорочення і подовження). Захисна трубка G, затиски E1, E2 і стояки F1, F2 виготовлені з дюралю, що є перевагою. На фіг. 2 показаний комплект для вимірювання деформацій герметичної оболонки ядерного реактора, який складається з двох волоконно-оптичних датчиків 1, змальованих на фіг. 1. У комплект входить джерело світла з широким спектром випромінювання 2, який за допомогою першого з'єднувального оптичного волокна О1 сполучений з оптичним циркулятором 3, а той другим оптичним волокном О2 сполучений з волоконним перемикачем 4, за допомогою якого вибірково з'єднується з одним або з іншим волоконно-оптичним датчиком 1, тобто, з його робочим оптичним волокном Н і з компенсувальним оптичним волокном D. Оптичний циркулятор 3 можна, крім того, з'єднати ще із спектрометром 5, який вдало доповнять оптичний фільтр і фотодетектор. Спектрометр 5 через AD/DA карту 6 сполучений з блоком управління, аналізу і візуалізації 7, в даному випадку з промисловим комп'ютером. Блок управління, аналізу і візуалізації 7 через контрольний електронний блок 8 додатково підключений до джерела світла з широким спектром випромінювання 2. Вочевидь, що перевагою такого комплекту є наявність більше двох волоконно-оптичних датчиків і, які можуть бути сполучені між собою послідовно або паралельно. Комплект дозволяє послідовно - паралельно з'єднати до 256 датчиків. Підключення, вказане на фіг. 2 працює таким чином: Волоконно-оптичні датчики 1 на стояках F1, F2 кріпляться в різних місцях зовнішньої поверхні герметичної оболонки ядерного реактора. Робоче оптичне волокно Н відповідно до схеми на фіг. 2 з'єднується з оптичним джерелом широкого спектра випромінювання 2. Під час експлуатації світло з оптичного джерела широкого спектра випромінювання 2 проходить через оптичний циркулятор 3 і волоконний перемикач 4 в робоче оптичне волокно H, або, перемиканням волоконного перемикача 4, в компенсувальне оптичне волокно D. Кожна брегівська решітка В в робочому оптичному волокні Н і в компенсувальному оптичному волокні D зі всього спектра частот відображає назад лише його малу частину. Спектрометр 5 або спектральний аналізатор записує відбиту частину спектра, а сигнал, що представляє відбиту частину спектра, передається через AD/DA карту 6 у комп'ютер, де його можна проаналізувати. Отже, на виході можна буде спостерігати відповідну кількість частин частотного спектра, залежну від кількості брегівських решіток В в даному оптичному волокні. 2 UA 109254 U 5 10 15 20 25 Якщо в результаті подовження або скорочення відповідного оптичного волокна стануться зміни в будь-якій з брегівських решіток В - зміняться її фізичні параметри, подовжиться або скоротиться, то на виході це виявиться миттєвим зміщенням частоти в даній області частотного спектру. Зміна довжини робочого оптичного волокна Н сталася б в результаті коливань температури або в результаті небажаної деформації у вимірюваній області герметичної оболонки ядерного реактора. Для усунення впливу змін, викликаних коливаннями температури (коливань, викликаних тепловим розширенням) на результати вимірювань, ведеться постійний аналіз віддзеркалень з брегівських решіток В у компенсувальному оптичному волокні D. Іншими словами, якщо замінюється відстань між стояками F1 і F2, це безпосередньо впливає на довжину прикріпленого до них робочого оптичного волокна Н, яку потім можна контролювати в контрольному пристрої. Довжина компенсувального оптичного волокна D, як мінімум з одним вільним кінцем, навпаки, найбільшою мірою залежить від коливань температури. На підставі результатів з компенсувального оптичного волокна D можна в результатах вимірювань з робочого оптичного волокна H виключити вплив змін довжини робочого оптичного волокна Н, викликаних, зокрема, коливаннями температури, а в результатах вимірювань відображати деформації, тобто зміни відстані між жорстко закріпленими стояками F1, F2, без впливу зовнішніх змін, викликаних, головним чином, тепловим розширенням. Не дивлячись на описаний ряд показових варіантів виконання, вочевидь, що фахівець в даній області легко знайде інші можливі альтернативи цим варіантам. Наприклад, регулювання довжини захисної трубки G можна виконати і по-іншому. Крім того, можна замість захисної трубки G оснастити волоконно-оптичний датчик 1 загальним корпусом для робочого оптичного волокна Н і компенсувального оптичного волокна D. Таким чином, область заявленої корисної моделі не обмежується вищеописаними варіантами, а швидше регламентована визначеннями, що даються формулою корисної моделі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 50 55 60 1. Оптоволоконний датчик (1) для вимірювання деформацій контейнмента ядерного реактора, який відрізняється тим, що він містить: - перший стояк (F1); - другий стояк (F2); - робоче оптичне волокно (Н), одним кінцем зафіксоване по відношенню до першого стояка (F1), а другим кінцем до другого стояка (F2), в якому утворена як мінімум одна брегівська решітка (В); - компенсувальне оптичне волокно (D), як мінімум один кінець якого розміщений так, щоб була можливість зміщення по відношенню до стояків (F1, F2), і в якому утворена як мінімум одна брегівська решітка (В), причому робоче оптичне волокно (Н) і компенсувальне оптичне волокно (D) оснащені завжди як мінімум одним роз'ємом (С) для їх з'єднання з джерелом оптичного випромінювання, зокрема з джерелом (2) світла з широким спектром випромінювання, для випромінювання світла в робоче оптичне волокно (Н) і компенсувальне оптичне волокно (D), і також із спектрометром для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток (В) в робочому оптичному волокні (Н) і в компенсувальному оптичному волокні (D). 2. Оптоволоконний датчик (1) за п. 1, який відрізняється тим, що складається із захисної трубки (G), кінці якої прикріплені до стояків (F1, F2), причому в проміжку між стояками (F1, F2) трубка має змінну довжину, і через трубку проходить робоче оптичне волокно (Н). 3. Оптоволоконний датчик (1) за п. 2, який відрізняється тим, що захисна трубка (G) містить одну трубчасту частину (G1) і другу трубчасту частину (G2) із співвісним розташуванням один до одного, при цьому друга трубчаста частина (G2) одним кінцем прикріплена до другого стояка (F2), а другим кінцем вставлена в першу трубчасту частину (G1), причому перша трубчаста частина (G1) зафіксована на першому стояку (F1), і спряжений стик між першою трубчастою частиною (G1) і другою трубчастою частиною (G2) оснащений ущільненням. 4. Оптоволоконний датчик (1) за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що він містить джерело оптичного випромінювання, зокрема джерело світла з широким спектром випромінювання (2) для випромінювання світла у робоче оптичне волокно (Н) і у компенсувальне оптичне волокно (D), і спектрометр (5) для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток (В) у робочому оптичному волокні (Н) і у компенсувальному оптичному волокні (D). 5. Оптоволоконний датчик (1) за п. 4, який відрізняється тим, що він додатково містить оптичний циркулятор (3), через який джерело світла з широким спектром випромінювання (2) сполучається з робочим оптичним волокном (Н) і компенсувальним оптичним волокном (D) і 3 UA 109254 U 5 10 15 через який робоче оптичне волокно (Н) і компенсувальне оптичне волокно (D) сполучаються із спектрометром (5). 6. Оптоволоконний датчик (1) за п. 5, який відрізняється тим, що він додатково містить волоконний перемикач (4) для вибіркового або періодичного з'єднання оптичного циркулятора (3) з робочим оптичним волокном (Н) і компенсувальним оптичним волокном (D). 7. Оптоволоконний датчик (1) за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що він містить: - джерело оптичного випромінювання, зокрема оптичне джерело з широким спектром випромінювання (2), - спектрометр (5) для прийому і детектування світла, відбитого з брегівських решіток (В), - оптичний циркулятор (3) і волоконний перемикач (4), через які оптичне джерело з широким спектром випромінювання (2) з'єднується з робочим оптичним волокном (Н) і компенсувальним оптичним волокном (D); а також через які робоче оптичне волокно (Н) і компенсувальне оптичне волокно (D) сполучаються із спектрометром (5). 8. Оптоволоконний датчик (1) за п. 7, який відрізняється тим, що спектрометр (5) оснащений оптичним фільтром і фотодетектором. 9. Оптоволоконний датчик (1) за п. 7 або 8, який відрізняється тим, що спектрометр (5) підключається до блока управління, аналізу і візуалізації (7). 4 UA 109254 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5