У реактора под мышкой

По словам специалистов, у существующих систем термометрии есть серьезные недостатки: термопары быстро выходят из строя из-за радиации, резистивные датчики искажают показания под воздействием электромагнитных помех, защитное покрытие оптоволоконных датчиков на основе решеток Брэгга разрушается от длительного нагрева. А для безопасной и эффективной работы реактора критически важен надежный тепловой режим.

Ученые Пермского политеха решили создать устройство, сочетающее преимущества волоконно-оптических систем с устойчивостью к радиации и электромагнитным помехам. В основе новой конструкции чувствительного элемента — оптическое волокно, внутри которого находятся микроскопические газовые полости, а вместо традиционного органического защитно-упрочняющего покрытия используется металлическая оболочка. Совокупность таких полостей (размер каждой составляет порядка 3‒6 мкм) представляет собой высокочувствительный датчик.

Заведующий кафедрой «Прикладная математика» ПНИПУ, доктор технических наук, профессор Владимир Первадчук

Пресс-служба ПНИПУ

Защита от перегрева

В конструкцию термометра встроен источник света, который посылает луч по тонкому стеклянному волокну. Чувствительный к температуре элемент — микроскопические пузырьки с газом — располагается на конце волокна. Свет, взаимодействуя с этими пузырьками, отражается, проходит через оптический усилитель — специальную «лупу» — и попадает в измерительную систему. Когда такой чувствительный элемент начинает нагреваться во внешней среде, то изменяются свойства света, отраженного от пузырьков. Компьютер анализирует эти изменения и преобразует их в температурные показания.

«В зависимости от выбранного высокотемпературного материала защитно-упрочняющего покрытия — алюминия, меди, никеля или их сплавов — термометр может стабильно работать в диапазоне температур от минус 196 градусов Цельсия вплоть до плюс 1000, тогда как существующие аналоги выдерживают кратковременно не более 400 градусов. Другим важным усовершенствованием стало внедрение оптического усилителя в измерительную цепь, что позволило использовать источники света малой мощности, полностью исключив эффект самонагрева датчика», — пояснил заведующий кафедрой «Прикладная математика» ПНИПУ, доктор технических наук, профессор Владимир Первадчук.

Волоконно-оптические датчики сейчас используются повсеместно. Они очень тонкие, легкие, просто устанавливаются, и ими опутана значительная часть инфраструктуры. Помимо самого оптоволокна нужна только станция, которая принимает и расшифровывает сигнал.

В строительстве и гражданской инженерии такие датчики используются для мониторинга конструкций, контроля деформации, вибрации и температуры. В энергетике — для контроля температуры силовых кабелей, трансформаторов и генераторов. В нефтегазовой промышленности — для контроля давления, температуры и состояния оборудования в реальном времени, с их помощью можно следить за состоянием скважин, трубопроводов, резервуаров.

Однако у стандартных волоконных датчиков есть один недостаток: их защитно-упрочняющее покрытие, как правило, имеет органический состав (акрилат, полиимид, силикон), максимальная температура эксплуатации которого не превышает 400 °С, поэтому в более горячих средах они работать не могут.

«Мы изучали этот вопрос и выяснили, что для условий эксплуатации при повышенных температурах разработаны специальные оптические волокна с металлической оболочкой — рассказал “Стимулу” Владимир Первадчук. — И мы подумали: а почему бы не сделать на основе такого волокна точечный датчик для измерения температуры? Защитно-упрочняющее покрытие можно изготавливать из алюминия, меди и других термостойких материалов и сплавов, которые сохраняют свои свойства вплоть до 1000 градусов. Алюминий — до 400‒450 градусов, медь — до 600, никель — до 1000. Наши датчики — зондового типа, и замерять ими температуру очень удобно».

Свет, вводимый в центральную часть оптического волокна, при определенных условиях начинает генерировать сильно разогретую плазму, в буквальном смысле испаряющую все изнутри; в результате формируются маленькие полости, совокупность которых является многорезонаторным интерферометром, чувствительным к тепловому воздействию

Пресс-служба ПНИПУ

Оптический разряд

Проблема, однако, состояла в том, чтобы отработать технологию формирования чувствительного элемента внутри оптического волокна, уже покрытого металлом. Это позволило бы сохранить прочностные характеристики и уменьшить количество технологических операций, поскольку не нужно восстанавливать оригинальное защитно-упрочняющее покрытие. Широко распространенные датчики на основе брэгговских решеток формируются при помощи ультрафиолетового излучения, вводимого в боковую поверхность оптического волокна через органическое покрытие. Однако при использовании металлического покрытия это неприменимо — излучение просто отразится и не сформирует нужную структуру, чувствительную к внешнему воздействию.

«Поэтому мы обратились к интересному явлению, возникающему только при очень высоких интенсивностях излучения (порядка мегаватта на квадратный сантиметр) — оптическому разряду. Свет, вводимый в центральную часть оптического волокна, при определенных условиях начинает генерировать сильно разогретую плазму, в буквальном смысле испаряющую все изнутри. За счет теплопроводности эта плазма начинает двигаться навстречу источнику высокоинтенсивного излучения, формируя маленькие полости, заполненные продуктами реакции испарения. Совокупность таких полостей в одном волокне является многорезонаторным интерферометром, чувствительным к тепловому воздействию», — поясняет Владимир Первадчук.

Затем оптоволокно на конце этого датчика спаивают с обычным световодом, который ведет к измерительному устройству. Тип датчика — зондовый, что подразумевает приложение термометра к горячей поверхности или помещение в жидкую или газообразную среду, после чего мгновенно начинается измерение температуры.

Оборудование, которое отправляет, принимает и обрабатывает оптический сигнал, можно использовать стандартное для волоконно-оптических датчиков спектрального типа. Существуют коммерчески доступные устройства, способные работать с 32 такими зондами одновременно.

Применение пермские датчики найдут в самых разных отраслях. Помимо атомной промышленности их можно использовать, к примеру, в металлургии для контроля расплавов, в химической промышленности для измерения параметров агрессивных сред, в энергетике для мониторинга оборудования. Как отмечают создатели устройства, его внедрение позволит сократить расходы на обслуживание и повысить эффективность работы энергетических объектов за счет более точного контроля тепловых режимов. На разработку ученых ПНИПУ уже выдан патент. Исследование было выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».