Пассивная волоконно-оптическая квазираспределённая сенсорная сеть контроля уровня воды в дискретных точках резервуара с адресным мультиплексированием

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Предложена и продемонстрирована простая сенсорная квазираспределённая сеть контроля уровня воды на основе адресного мультиплексирования волоконно-оптических датчиков в дискретных точках расходного бака подготовки растворов реагентов для очистных сооружений химического производства. Основной принцип работы сенсорной сети основан на измерении оптической мощности сигнала биений двух компонент фазовой адресной волоконной брэгговской структуры, амплитуды которых зависят от коэффициента френелевского отражения на торце волоконно-оптических датчиков при изменении показателя преломления окружающей его среды (воздух или вода). Разработана математическая модель и оценены характеристики сети, проанализированы её преимущества по сравнению с самым распространенным аналогом – сенсорной сетью на основе плотного волнового мультиплексирования. По результатам статистической обработки данных, полученных при двадцатидневном цикле испытаний, относительная погрешность измерения уровня составила 0,3 %, а в абсолютных значениях погрешность измерений составила 2 мм. Данные значения по первой величине соответствуют группе электронных уровнемеров, работающих по давлению в дискретных точках, а по второй – группе микроволновых уровнемеров-радаров. При этом обе указанные группы измерителей не всегда могут быть применены в условиях химических производств.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ильнур Ильдарович Нуреев

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИ

Автор, ответственный за переписку.
Email: iinureev@kai.ru

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры радиофотоники и микроволновых технологий

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса,10

Андрей Дмитриевич Проскуряков

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИ

Email: iinureev@kai.ru
SPIN-код: 5540-8771

аспирант кафедры радиофотоники и микроволновых технологий

Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса,10

Никита Дмитриевич Смирнов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИ

Email: iinureev@kai.ru
SPIN-код: 4375-4457
Россия, 420111, Казань, ул. К. Маркса,10

Айдар Айратович Садыков

Казанское приборостроительное конструкторское бюро

Email: iinureev@kai.ru

заместитель генерального директора по НИОКР и развитию

Россия, 420061, Казань, Сибирский тракт,1

Артём Николаевич Леонтьев

Казанское приборостроительное конструкторское бюро

Email: iinureev@kai.ru

главный конструктор датчиковой аппаратуры – начальник управления

Россия, 420061, Казань, Сибирский тракт,1

Наталья Анатольевна Маркина

Казанское приборостроительное конструкторское бюро

Email: iinureev@kai.ru

главный конструктор электронной аппаратуры – начальник управления

Россия, 420061, Казань, Сибирский тракт,1

Артём Анатольевич Кузнецов

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева–КАИ

Email: iinureev@kai.ru
ORCID iD: 0000-0003-0276-0874
SPIN-код: 9172-6990

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой радиофотоники и микроволновых технологий

420111, Казань, ул. К. Маркса,10

Список литературы

  1. Park J, Kim KT, Lee WH. Recent advances in information and communications technology (ICT) and sensor technology for monitoring water quality. Water. 2020;12:510.
  2. Lee H-K, Choo J, Shin G. A simple all-optical water level monitoring system based on wavelength division multiplexing with an arrayed waveguide grating. Sensors. 2019;19(14):3095. doi: 10.3390/s19143095
  3. Loizou K, Koutroulis E. Water level sensing: State of the art review and performance evaluation of a low-cost measurement system. Measurement. 2016;89:204-214.
  4. Geetha S, Gouthami S. Internet of things enabled real time water quality monitoring system. Smart Water. 2016;2:1.
  5. Chai Q, Luo Y, Ren J. et al. Review on fiber-optic sensing in health monitoring of power grids. Opt. Eng. 2019;58:072007.
  6. Allwood G, Wild G, Hinckley S. Optical fiber sensors in physical intrusion detection systems: A review. IEEE Sens. J. 2016;16:5497-5509.
  7. Barrias A, Casas JR, Villalba S. A review of distributed optical fiber sensors for civil engineering applications. Sensors. 2016;16:748.
  8. Lee H-K, Choo J, Kim J. Multiplexed Passive Optical Fiber Sensor Networks for Water Level Monitoring: A Review. Sensors. 2020;20(23):6813. doi: 10.3390/s20236813
  9. Loizou K, Koutroulis E, Zalikas D. et al. A low-cost capacitive sensor for water level monitoring in large-scale storage tanks. In Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Seville, Spain,17-19 March; 2015.
  10. Jafer E, Ibala CS. Design and development of multi-node based wireless system for efficient measuring of resistive and capacitive sensors. Sens. Actuators A Phys. 2013;189:276-287.
  11. Schenato L, Galtarossa A, Pasuto Aet al. Distributed optical fiber pressure sensors. Opt. Fiber Technol. 2020;58:1-10. doi: 10.31224/osf.io/dfrzg
  12. Vorathin E, Hafizi Z, Ismail N et al. Review of high sensitivity fibre-optic pressure sensors for low pressure sensing. Opt. Laser Technol. 2020;121:105841.
  13. Fernandez-Vallejo M, Lopez-Amo M. Optical fiber networks for remote fiber optic sensors. Sensors. 2012;12:3929-3951.
  14. Lee H.-K, Choo J, Shin G et al. Long-reach DWDM-passive optical fiber sensor network for water level monitoring of spent fuel pool in nuclear power plant. Sensors. 2020;20:4218.
  15. Morozov OG, Sakhabutdinov AJ. Addressed fiber Bragg structures in quasi-distributed microwave-photonic sensor systems. Computer Optics. 2019;43:(4):535-543.
  16. Agliullin T, Anfinogentov V, Misbakhov Rin et al. Multicast fiber Bragg structures in microwave photonics sensor systems. Proceedings of Telecommunication Universities. 2020;6(1):6-13.
  17. Morozov O, Anfinogentov V, Sakhabutdinov AJ et al. Multi-Addressed fiber Bragg structures for microwave-photonic sensor systems. Sensors. 2020;20(9):2693.
  18. Morozov O, Tunakova Y, Hussein SMRH et al. Addressed combined fiber-optic sensors as key element of multisensor greenhouse gas monitoring systems. Sensors. 2022;22(13):4827. doi: 10.3390/s22134827
  19. Kim J.-Y, Moon S.-R, Yoo S.-H et al. Modeling of seeded reflective modulators for DWDM systems. IEEE J. Stqe. 2013;19:1-7.
  20. Khare RP. Fiber Optics and Optoelectronics. Oxford University Press: New Delhi, India; 2004,423 p.
  21. Thormahlen I, Straub J, Grigull U. Refractive index of water and its dependence on wavelength, temperature, and density. J. Phys. Chem. Ref. Data. 1985;14:933-945.
  22. Kamikawachi RC, Abe I, Paterno AS et al. Determination of thermo-optic coefficient in liquids with fiber Bragg grating refractometer. Opt. Commun. 2008;281:621-625.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структурная схема сети ВОД для контроля уровня воды с плотным волновым мультиплексированием (аналог)

Скачать (97KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структурная схема сети ВОД для контроля уровня воды с адресным мультиплексированием (разрабатываемая сеть)

Скачать (113KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема включения портов КРО

Скачать (25KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектр пропускания фазовой двухкомпонентной АВБС (а) и спектр на входе фотоприёмника в одном измерительном канале

Скачать (143KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Эскиз установки измерительной сети в баке (а), в трубе (б) и конструкция сенсорной сети (в), вставляемая в трубу

Скачать (326KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектр на входе фотоприёмника для случаев полного погружения всех ВОД в воду (а) и полного отсутствия воды в трубе (б)

Скачать (130KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».