Innowacyjne systemy monitoringu odkształceń i temperatury oparte o czujniki światłowodowe. Od światłowodu do czujnika

Transkrypt

1 Innowacyjne systemy monitoringu odkształceń i temperatury oparte o czujniki światłowodowe Prezentacja możliwości, technologii wykonania oraz zastosowań czujników światłowodowych Od światłowodu do czujnika Mgr inż. Katarzyna Małysa

2 Konwencjonalne czujniki tensometryczne Odkształcenie Czujnik tensometryczny Tensometr elektryczny Pomiar względnego wydłużenia obiektu ε = ΔL/L Zastosowanie w analizie strukturalnej Tensometr jako rdzeń innych czujników (ciśnienie, przemieszczenie etc.) Najpopularniejszy czujnik do pomiarów odkształceń Przyklejany do badanej powierzchni Zmiana rezystancji pozwala na pomiar odkształcenia Rynki zbytu 3,5 miliona dolarów sprzedaży w 2010 >18 milionów sztuk sprzedanych w 2010

3 Optyczny czujnik tensometryczny Optyczny czujnik Czujnik z naciętą siatką Bragga Przyklejany do powierzchni badanej konstrukcji Światło podane Siatka FBG Zasada działania Światło odbite Światło odbite Odkształćenie

4 Technologia - Światłowód z siatką Bragga (FBG) Jednomodowy światłowód Wiązka światłą UV Światło wprowadzone Siatka Bragga Odbicie Odbicie Odkształcenie Siatka tworzona jest za pomocą promieniowana UV. Następuje periodyczne zaburzenie współczynnika załamania światła rdzenia światłowodu jednomodowego. Gdy światło pada na siatkę Bragga tylko wąski zakres długości fali odbija się od siatki tworząc pik. Wahania odbitej długości fali są wprost proporcjonalne do zmian temperatury i odkształcenia.

5 Technologia - Światłowód z siatką Bragga (FBG) l B =2n eff L l B = fala Bragga, n eff = współczynnik załamania rdzenia, L = stała siatki Bragga Dl B = l B (1- r a ) De + l B (a+ ξ) DT r a = stała wydłużeniowa, De = zmiana naprężenia, a = liniowy współczynnik temperaturowy, ξ = stała temperaturowa, DT = zmiana temperatury.

6 Technologia produkcji czujników Fotoczułą wiązka Interferometr laserowy

7 Formowanie wiązki Technologia produkcji czujników Interferometr Powlekanie + + Czujnik FBG o dużej wytrzymałości = DTG

8 Klienci Lotnictwo R&D WTCB Budownictwo Analizy odkształceń Ropa naftowa

9 Wielkość i masa Kompatybilność Czujnik o bardzo małych rozmiarach i niewielkiej masie. Mozliwość zwielokrotnienia Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji Światłowody pozwalają na duże zmniejszenie wagi systemu pomiarowego w porównaniu do czujników elektrycznych.

10 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Wielkość oraz materiał czujnika sprawia, że jest on kompatybilny z większością kompozytów oraz procesów produkcyjnych. Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

11 Wielkość i masa Kompatybilność Możliwość zwielokrotnienia Setki czujników mogą być zapisane na kilku światłowodach i kontrolowane przez jedno urządzenie. (np. 20 czujników na pojedycznym kanale) Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

12 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Czujniki mogą być oddalone kilka kilometrów od urządzenia sterującego bez potrzeby zastosowania wzmacniaczy. Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

13 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Czujniki nie zmieniają swoich własności z biegiem czasu, przez co mogą one być zastosowane przy długoterminowym monitoringu. Nie wymagają kalibracji. Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

14 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Odległa kontrola Czujniki nie potrzebują zewnętrznego elektrycznego zasilania przez co mogą być zastosowane w każdym środowisku (odporne na wysokie napięcia, promieniowanie elektromagnetyczne itp.) Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

15 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Czujniki o dużej wytrzymałości zmęczeniowej (praca ponad 20 lat) Odporne na działanie czynników chemicznych. Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

16 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Rożnego rodzaju pomiary mogą być odczytywane przez jeden kanał (odkształcenie, temperatura, ciśnienie) Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

17 Wielkość i masa Kompatybilność Mozliwość zwielokrotnienia Ze względu na wagę i ilość przewodów w porównaniu do czujników elektrycznych, światłowody są łatwiejsze w instalacji. Odległa kontrola Długa stabilność Brak zasilania Odporność zmęczeniowa Wielofunkcyjność Łatwość instalacji

18 Niezawodność Wydajność Pomiar na podstawie światła Rozmiar Element pasywny Długa żywotność (>20 lat) Stabilność w czasie Kalibracja nie wymagana Złącze i okablowanie: tradycyjne światłowodowy telekomunikacyjne Połączenie do 20 czujników na jednym kablu-> mniej połączeń Wysoka czułość Duża odporność zmęczeniowa Pomiary z dużych odległości (20+ km) Odporny na zakłócenia elektromagnetyczne Odporny na wysokie napięcie elektryczne Iskrobezpieczny Kabel jest czujnikiem Niewielka waga i niewielka średnica (< ¼ mm) Możliwość integracji czujników różnych typów Możliwość zatopienia wewnątrz konstrukcji Zalety czujników FBG

19 Technologia DTG 1 Duża wytrzymałość: odkształcenie 5% (klasyczne czujniki FBG tylko 1%) Odporność na wysokie temperatury (200 C) Łatwo przylegająca powłoka (uniemożliwia przesunięcie się światłowodu przy przyklejaniu lub zatopieniu) Łatwe dostosowanie do potrzeb konkretnej aplikacji: pozycja sensora i długość fali świetlnej Wyprodukowanie siatki punktów bez konieczności stosowania dodatkowych złącz

20 Produkty Systemy SHM Systemy pomiarowe

21 Systemy pomiarowe Siatka Bragga Określona liczba czujników zapisana na pojedynczym światłowodzie. Czujniki mogą być bardzo blisko siebie (kilka mm) lub oddalone o kilometry. Optyczny czujnik do pomiaru kompensacji temperaturowej Interrogator - Urządzenie akwizycji danych, naświetlające światłowód oraz odczytujące zmienną długość fali każdego z czujników. Oprogramowanie: wizualizacja i zapis danych. Przetwarzanie informacji zmiana długość fali na inną badana wielkość fizyczną. Montaż czujników: klej lub klej utwardzany UV Tor pomiarowy

22 Zastosowanie: systemy pomiarowe Analiza modalna łopat wirnika 20 SG 1 SG 2 SG 3 SG 4 SG 5 15 Strain [µe] t [a.u.] 12

23 Czujniki pomiarowe Czujnik temperatury Łańcuchowy czujnik odkształceń Czujnik odkształcenia do zatapiania w betonie Czujnik odkształcenia wielokrotnego użytku montowany na powierzchni Czujnik ciśnienia Sonda temperaturowa Standardowe czujniki DTG rdzeniem zaawansowanych czujników

24 Produkty: Czujniki stosowane w budownictwie Łańcuchowy czujnik do pomiarów odkształceń- ASC-01 Właściwości: Czujnik składający się z kilku segmentów, w każdym zamontowany czujnik światłowodowy FBG Każdy czujnik pomiędzy dwoma punktami zakotwiczenia Standardowe długości segmentów: od 0,5 do 5 metrów Czujnik łańcuchowy może być szeregowo połączony z innymi tworząc serie Czujnik zaprojektowany z myślą o mocowaniu wewnątrz struktur (beton, cement, tynk czy gips) Możliwość montażu na łańcuchu czujnika do kompensacji temperaturowej Zastosowanie Monitoring ścian, kotw, itp..

25 axial deformation (µstrain) Zastosowanie: Łańcuchowy czujnik Czujniki DTG osadzone w kotwach Monitorowanie obciążeń Długość łańcucha 8m Ilość segmentów: 10 Instalacja na gotowym nasypie Czujnik zamocowany poprzez zalanie betonem comparison axial force (kn)

26 Zastosowanie: Łańcuchowy czujnik

27 Produkty: Czujniki stosowane w budownictwie Czujnik do pomiaru odkształceń SC-01 Właściwości Czujnik o bazie pomiarowej od 1 do 10m Monitoring zmian naprężenia pomiędzy punktami zakotwiczenia Czujnik łańcuchowy może być szeregowo połączony z innymi tworząc serie Możliwość montażu na łańcuchu czujnika do kompensacji temperaturowej Wodoodporna i wytrzymała obudowa Zastosowanie Monitoring stanu konstrukcji, pęknięć i występowania szczelin w ścianach betonowych, tuneli, otworów wiertniczych, rurociągów itp..

28 Zastosowanie: Czujnik do pomiaru odkształceń Tunel BILBAO - Hiszpania Pomiary deformacji ścian Baza pomiarowa 1m Kompensacja temperaturowa 12 czujników w serii Odległość między kolejnymi czujnikami: 10m 4 serie SC-01 / 1m

29 Zastosowanie: Czujnik wielokrotnego użytku Naprawa wiaduktu de Boirs Czujnik MS-01 montowany na słupach 3 czujniki na pojedynczym słupie Kompensacja temperatury 10 czujników w serii 8 serii

30 FBG Interrogator urządzenie optoelektryczne naświetlające światłowód i skanujące wartości z czujników FBG Produkty: interrogaotry FBG- Scan 700/800 Przenośny, laboratoryjny Obsługa za pomocą laptopa Możliwość rozszerzenia do 8/16 kanałów Możliwość obsługi do 160/320 czujników FBG-0Scan 708/716 Wzmocniona obudowa typu rack Wbudowany komputer Od 8 do 16 kanałów Możliwość obsługi do 160 czujników

31 Interrogator FBG-Scan X08/X16 Zakres pracy (długość fali): nm Wbudowany komputer Przemysłowy interrogator 19 Liczba kanałów: 8 lub 16 Dokładność długości fali: ±1 pm Bezwzględna dokładność długości fali (EOL): ±20 pm Zakres dynamiki: 30dB (z możliwością ustawienia przez użytkownika) Częstotliwość skanowania: 1 Hz Złącza optyczne: FC/APC Żywotność złącz optycznych: >10 8 cykli Laser: zgodny z normą IEC klasa 1

32 Interrogator FBG-Scan 700/800 Zakres pracy (długość fali): nm Liczba czujników na jednym kanale: 40 Liczba kanałów: 2 Dokładność długości fali: ±1 pm Bezwzględna dokładność długości fali (EOL): ±20 pm Zakres dynamiki: 30dB (z możliwością ustawienia przez użytkownika) Częstotliwość skanowania: 1 khz Złącza optyczne: FC/APC Laser: zgodny z normą IEC klasa 1

33 Możliwości Iskrobezpieczne Pomiary na dużych odległościach Wysoka odporność zmęczeniowa Możliwości integracji Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwości Wysoka oporność na odkształcenia

34 Optical switch 1xN Passive coupler Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwe tworzenie siatek punktów o zaawansowanej architekturze: Aktywne multipleksery (dla zastosowań statycznych) Czujniki połączone w serie Możliwość podłączenia czujników rożnych wielkości na tym samym przewodzie Siatka zbudowana całkowicie z elementów pasywnych Transmisja sygnału na duże odległości

35 Zastosowanie: Stadion olimpijski w Atenach System SHM: 32 czujniki odkształceń 5 akcelerometrów trójosiowych 16 czujników przemieszczeń 25 czujników temperatury 3 czujników nacisku

36 Zastosowanie: Monitoring Tankowca Lodołamacz Korea 2008 Czujniki spawane do powierzchni - czujniki łatwe w instalacji oraz niezawodne przy monitoringu kadłuba oraz zbiorników Ponad 150 czujników sterowanych jednym urządzeniem. Dynamiczne przetwarzanie danych przy użyciu 1kHz interrogatora.

37 Możliwości Iskrobezpieczne Pomiary na dużych odległościach Wysoka odporność zmęczeniowa Możliwości integracji Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwośći Wysoka oporność na odkształcenia

38 Wysoka odporność zmęczeniowa Czujniki FBG wykazują znacznie większą wytrzymałość zmęczeniową niż klasyczne czujniki tensometryczne 1544 y = E+01x E l [nm] Strain [%]

39 Wysoka odporność zmęczeniowa

40 Zastosowanie: lotnictwo Główne założenia Czujniki światłowodowe mierzące odkształcenia na 6 różnych rodzajach powierzchni: Stal nierdzewna/ stal/al/ti/inconel/kompozyt Opatentowany sposób mocowania czujników przy pomocy klejów utwardzanych UV

41 Możliwości Iskrobezpieczne Pomiary na dużych odległościach Wysoka odporność zmęczeniowa Możliwości integracji Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwości Wysoka oporność na odkształcenia

42 Iskrobezpieczne Czujnik pasywny, transmituje tylko światło Brak sygnału elektrycznego Brak konieczności używania metalowych kabli Możliwość stosowania w środowiskach eksplozyjnych

43 Zastosowanie: Kopalnia ryzyko eksplozji metanu Instalacje: Asse (Niemcy) Konrad (Niemcy) Grimsel (Szwajcaria) Wismuth (Niemcy) Morsleben (Niemcy) Aspo (Szwecja) Mont Terri (Szwajcaria) Andra (Francja)

44 Możliwości Iskrobezpieczne Pomiary na dużych odległościach Wysoka odporność zmęczeniowa Możliwości integracji Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwości Wysoka oporność na odkształcenia

45 Zastosowanie: monitoring temperatury zdalnie sterowanych robotów podwodnych Konieczność monitorowania temperatury na kablu wciągarki Temperatura zależna od: Pogody Poboru mocy Długości kabla na szpuli Długość kabla od 3 do 8 km

46 Zastosowanie: monitoring temperatury ropociągu Olej podgrzewany do optymalizacji procesów przepływu Ciągły pomiar temperatury systemu Długość rurociągu 20 km

47 Zastosowanie: Inteligentny Szyb Naftowy Oman Pierwszy i udany projekt ulepszenia wydobycia ropy naftowej. Jeden czujnik ciśnienia i temperatury umiejscowiony 900m pod powierzchnią ziemi Wielopunktowypomiar przy użyciu 9 czujników Potwierdzona jakość pracy w ciężkich warunkach

48 Możliwości Iskrobezpieczne Pomiary na dużych odległościach Wysoka odporność zmęczeniowa Możliwości integracji Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwości Wysoka oporność na odkształcenia

49 Zastosowanie: Badanie kompozytów Instalacja czujników DTG o średnicy 80 µm wewnątrz kompozytu

50 Możliwości Iskrobezpieczne Pomiary na dużych odległościach Wysoka odporność zmęczeniowa Możliwości integracji Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwości Wysoka oporność na odkształcenia

51 Standardkraft in N Wysoka odporność na odkształcenia Czujniki DFG posiadają maksymalne wydłużenie >> 5% F max σ-max L0 S0 Nr N MPa mm mm² Prüfzeit in s Wydłużenie 6,8 % Brak odkształcenia plastycznego

52 Możliwości Wysoka oporność na odkształcenia Możliwość tworzenia siatek punktów Możliwości integracji Wysoka odporność zmęczeniowa Pomiary na dużych odległościach Iskrobezpieczne

53 Dziękuję za uwagę. Pytania?