Zbiorniki monitorwanie, MBM PWR, Inżynierskie, Mechanika materiałów Smart

//-->.pos {position:absolute; z-index: 0; left: 0px; top: 0px;}METODY MONITOROWANIA WYSOKOCIŚNIENIOWYCHZBIORNIKÓW KOMPOZYTOWYCH Z WYKORZYSTANIEMCZUJNIKÓWŚWIATŁOWODOWYCHPaweł Gasior(1), Jerzy Kaleta(1), Anna Sankowska(2)(1) Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, PolitechnikaWrocławska, ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław(2) Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska,ul. Janiszewskiego 11/17,50-372 Wrocławpawel.gasior@pwr.wroc.pl, jerzy.kaleta@pwr.wroc.pl, anna.sankowska@pwr.wroc.plMONITORING METHODS OF HIGH-PRESSURE COMPOSITE VESSELSWITH USE OF OPTICAL FIBER SENSORSStreszczenie:W pracy przedstawiono wyniki badań zmęczeniowych wysokociśnieniowychzbiorników kompozytowych przeznaczonych do magazynowania wodoru, monitorowanychprzy pomocy czujnikówświatłowodowych.ZałoŜono, iŜ zamontowane na powierzchnizewnętrznej zbiornikaświatłowodowegłowice czujnikowe ulegają takim samym deformacjomjak badany materiał kompozytowy. Odkształcenia te powodują modulację jednegoz parametrów faliświetlnej,propagowanej w stosowanym systemie czujnikowym. Badaniaprzeprowadzono z zastosowaniem czujników z modulacją długości fali (światłowodowychsiatek Bragga) oraz amplitudowych głowic mikrougięciowych. Uzyskane wynikieksperymentalne dowodzą, iŜ czujnikiświatłowodowemogą być stosowane do kontrolowaniastanu technicznego zbiorników wysokociśnieniowych w czasie ich eksploatacji.Summary:In this paper the results of the cyclic tests of the composite high-pressure vesselsassigned for hydrogen storage are presented. They were monitored with use of optical fibersensors. It was assumed that installed on the outer surface of the vessel sensor heads undergothe same deformations as tested composite material. The strain causes modulation one of thelight wave parameter. The measurements were realized with use of the amplitude micro-bending measurement heads as well as sensors with wavelength modulation (Fiber BraggGrating). Obtained experimental results prove that optical fiber sensors can be used forcontrolling the technical condition of high-pressure vessels during their use.1. WstępKoniecznośćciągłegomonitorowaniazbiornikówkompozytowychprzeznaczonych do magazynowania wodoru, wynika z zapewnienia wysokiego stopniabezpieczeństwa wymaganego przy przechowywaniu gazu pod ciśnieniem rzędu 700barów. Stosowalność standardowych metod tensometrycznych jest w duŜym stopniuograniczona ze względu na moŜliwość zapłonu wyciekającego ze zbiornika gazu.Dlatego teŜ najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest stosowanie czujnikówświatłowodowych,które to zintegrowane ze strukturą materiału kompozytowego, bądźteŜ zainstalowane na jego powierzchni, ulegają odkształceniom takim, jakmonitorowany obiekt. Wykorzystując jako nośnik informacji sygnał optycznyzapewniają tzw. iskrobezpieczeństwo oraz duŜą czułość pomiarową. Jednym zespotykanych rozwiązań jest stosowanie czujników z modulacją długości fali (tzw.światłowodowychsiatek Bragga, FBG) [1]. Pozwalają one na monitorowanie bardzoduŜych obiektów, takich jak samoloty czy elektrownie wiatrowe, poprzezzastosowanie tzw. sieci głowic pomiarowych z FBG.Inne moŜliwości pomiarowe daje wykorzystanie czujników z modulacjąamplitudy, dla których głowice pomiarowe mogą stanowić długie odcinkiświatłowodów(od kilku do kilkunastu metrów). Pozwala to na monitorowaniebadanego obiektu przy wykorzystaniu tylko jednej głowicy czujnikowej, zwanejgłowicą″rozproszoną″.W celu zwiększenia czułości pomiarowej głowic z modulacjąamplitudy, buduje się głowice typu Twisted Fiber (TF) [2], które naleŜą do grupyczujników mikrougięciowych.2. CzujnikiświatłowodoweMonitorowanie konstrukcji mechanicznych z wykorzystaniem czujnikówświatłowodowychpolega na analizie zmian parametrów fali elektromagnetycznejpropagowanej w układzie pomiarowym. Do najwaŜniejszych zalet czujnikówświatłowodowychnaleŜą: niewielkie wymiary geometryczne, cięŜar, odporność nazakłócenia elektromagnetyczne oraz iskrobezpieczeństwo. Wymienione cechy mająszczególne znaczenia dla zastosowań w kontroli stanu technicznego konstrukcjiz materiałów kompozytowych. PoniŜej omówione zostały dwa typy czujnikówświatłowodowych;z modulacją długości i amplitudy faliświetlnej.2.1 Czujnik z modulacją długości faliświetlnejCzujnikiemświatłowodowym,który charakteryzuje się modulacją długości faliświetlnejpod wpływem czynników zewnętrznych, jestświatłowodowasiatka Bragga(FBG – Fiber Bragg Grating). Jest to struktura wytworzona w rdzeniu jednomodowegowłóknaświatłowodowego,charakteryzująca się periodycznymi zmianami wartościwspółczynnika załamania (rys. 1a). Zmiany współczynnika załamania powstają naskutek naświetlania domieszkowanego germanem włóknaświatłowodowegopromieniowaniem UV. Periodyczne zaburzenia rozkładu współczynnika załamania,występujące wzdłuŜ osiświatłowodupowodują, iŜ część transmitowanegoświatłowodempromieniowania optycznego jest odbijana od struktury siatki,a pozostała jego część jest propagowana wzdłuŜ rdzeniaświatłowodu.Długość faliodbitej od siatki Bragga, tzw. fala Bragga (λB) jest opisana zaleŜnością [3]:(1)λB=2⋅neff⋅ Λgdzie:λB– długość fali Bragga, neff– efektywny współczynnik załamania rdzeniaświatłowodu, Λ– stała siatki Bragga.(a)(b)(c)Rys. 1.Zasada działania siatki Bragga (a) oraz charakterystyki zmiany długości fali Braggaodbitej od siatki w zaleŜności od zmiany odkształcenia (b) i temperatury (c)Długość odbijanej od siatki fali Bragga zaleŜy od efektywnego współczynnikazałamania rdzeniaświatłowodu(neff) oraz od stałej siatki (Λ). Przesuniecie długościfali∆λBmoŜe być efektem wpływu temperatury oraz wydłuŜenia względnegojednocześnie:(2)∆λB=Kε∆ε+KT∆Tgdzie:Kε=δλ/δε– czułość odkształceniowa; związana ze zmianą współczynnika załamaniapod wpływem napręŜeń (efekt fotoelastyczny) oraz ze zmianą okresu siatki wynikającąze zmian rozmiarów włókna (ściskanie, rozciąganie),KT=δλ/δT– czułość temperaturowa; związana ze zmianą okresu siatki wynikającąz rozszerzalności cieplnej materiału oraz efektu termooptycznego, czyli zmianiewspółczynnika załamania pod wpływem temperatury [3].Na rysunku 1 przedstawiono charakterystyki: odkształceniową (b) i temperaturową(c) dla dwóch róŜnych FBG, pracujących w innych oknach telekomunikacyjnych.2.2 Czujnik z modulacją amplitudy faliświetlnejKolejnym rodzajem głowic pomiarowych stosowanych do monitorowaniaodkształceń zbiorników kompozytowych sąświatłowodoweczujniki mikrougięciowe.NaleŜą one do grupy tzw. czujników amplitudowych. Czujniki te modulują amplitudęfaliświetlnej,która stanowi otrzymywany sygnał wyjściowy. W stosunku doczujników, których zasada działania opiera się na modulacji długości fali, czujnikiamplitudowe cechuje prosta zasada działania, nieskomplikowana budowa oraz niskikoszt wytworzenia. Kolejną zaletą przedstawionych głowic jest moŜliwośćskonstruowania czujników o długości rzędu kilku metrów. Tak długa głowicapomiarowa moŜe być stosowana do monitorowania konstrukcji o duŜych wymiarach.Budowę proponowanego czujnika pokazano na rysunku 2a. Głowica wykonana jestz odcinkaświatłowodu,który spleciony został sam ze sobą. Tłumienieświatław takzdeformowanym włóknieświatłowodowymwynika z obecności mikrougięć.Wprowadzone w sposób celowy deformacje powodują naruszenie warunkucałkowitego wewnętrznego odbiciaświatłana granicy rdzeń-płaszcz, przez co częśćmocy propagowanej w głowicy faliświetlnejwypromieniowuje na zewnętrzświatłowodu.Zmiany tłumienia głowicy wykorzystywane do pomiarów deformacjipojawiają się na skutek działania sił rozciągających.(a)(b)Rys. 2.Budowa głowicy mikrougięciowej (a) oraz charakterystyka zmiana jej tłumieniaw funkcji odkształceniaNa rysunku 2b przedstawiona została charakterystyka odkształceniowa głowicywykonanej zeświatłowodujednomodowego oφrdzenia=10µm i gęstości spleceńwynoszącej 200 na metr. Jakoźródła światłauŜyto lasera o długości fali 1300nm.ZauwaŜyć naleŜy, iŜ tłumienie głowicy maleje wraz z jej wydłuŜeniem. Spowodowanejest to zmniejszeniem deformacji włókien w skutek ich wydłuŜenia.3. Stanowisko badawcze i rozmieszczenie czujnikówBadania wysokociśnieniowego zbiornika kompozytowego z zainstalowanymi najego powierzchni czujnikamiświatłowodowymizrealizowano przy wykorzystaniuukładu hydraulicznego firmy KODAL. Głowice pomiarowe stanowiły wyŜejwymienione rodzaje czujnikówświatłowodowych: światłowodowesiatki Bragga orazczujnik mikrougięciowy. Ich rozmieszczenie na zbiorniku przedstawione zostało narys. 3. W trakcie badań zbiornik był poddawany cyklicznym obciąŜeniom, którewymuszano przez wpompowywanie do jego wnętrza oleju w zakresie ciśnień od 0 do900 barów.Światłowodowesiatki Bragga oznaczone numerami 1, 2 oraz 3monitorowały odkształcenia obwodowe, a siatka numer 4 odkształcenie wzdłuŜnew części walcowej zbiornika. Dodatkowo zastosowano jeszcze jedną FBG (niezaznaczona na rysunku) w celu kompensacji wpływu temperatury na wyniki pomiaruodkształceń. Posiadała ona termiczny kontakt z powłoką zewnętrzną badanegoobiektu, ale jednocześnie była odizolowana od jego odkształceń. Głowicę czujnika TFstanowiło skręcone włókno jednomodowe, które naklejono na długości ok. 400 mm,poprzecznie do osi głównej zbiornika w pobliŜu FBG3.(a)(b)Rys. 3.Lokalizacja czujnikówświatłowodowychna powierzchni zbiornika (a)oraz rzeczywisty obiekt przeznaczony do przechowywania wodoru (b)4. Wyniki pomiarówBadany zbiornik kompozytowy poddawano testom cyklicznym (zmęczeniowym),obciąŜając go ciśnieniem wewnętrznym w przedziale od 0 do 900 barów.Przeprowadzono 700 cykli zmian ciśnienia. Na wykresie zamieszczonym na rys. 4aprzedstawiono odkształcenia obwodowe zbiornika w trakcie cyklicznego obciąŜania,rejestrowane przez siatki FBG1, FBG2 oraz FBG3. Na rys. 4b przedstawionoodkształcenia maksymalne rejestrowane przez czujniki obwodowe w funkcji liczbycykli. ZauwaŜono, iŜ wzrost liczby cykli wywołuje lokalny wzrost odkształceń,rejestrowany przez siatki Bragga, prowadzący do zniszczenia badanego zbiornika [4].(a)(b)Rys. 4.Charakterystyka odkształceń obwodowych mierzona przezświatłowodowesiatkiBragga w róŜnych punktach zbiornika (a) oraz lokalny wzrost odkształceń maksymalnychw funkcji liczby cykli (b)przy ciśnieniu maksymalnym 900 barówNa rysunku 5 przedstawione zostały odkształcenia obwodowe zarejestrowanew momencie uszkodzenia zbiornika. MoŜna zauwaŜyć, iŜ moment uszkodzenia,poprzedzony został znaczącym wzrostem lokalnych odkształceń (rzędu1500÷2000µε).Badany zbiornik nie uległ całkowitemu zniszczeniu., a jedyniestalowy liner, znajdujący się pod zewnętrznym pokryciem kompozytowym, uległrozszczelnieniu.(a)(b)Rys. 5.Odkształcenia zbiornika rejestrowane w róŜnych punktach w momencie jegouszkodzenia (a) oraz moment początkujący zniszczenie (b) przy ciśnieniumaksymalnym 900 barPrzebiegi zamieszczone na rys. 6 ilustrują zmiany parametrów faliświetlnejdla dwóchrodzajów czujnikówświatłowodowych,wywołane zmianami ciśnienia wewnątrzzbiornika, a tym samym odkształceń zewnętrznej powłoki butli. Na rysunku 6aprzedstawiono widmo promieniowania odbitego od siatki FBG1 dla róŜnych wartościciśnienia panującego w zbiorniku, aŜ do maksymalnej wartości rzędu 900 barów.Zmiany mocy optycznej w głowicy mikrougięciowej umieszczonej na badanymzbiorniku przedstawiono na rys. 6b. Dla zastosowanej głowicy obserwujemy zmianęmocy optycznej rzędu 1 dB na skutek zmian ciśnienia w przedziale od 0 do 900 barów.

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

kachorra.htw.pl