Высокотемпературный волоконно-оптический датчик

Измерение характеристик высокотемпературного потока газов - это многогранная задача, решение которой находит применение в различных областях промышленности. Классический метод измерения температуры - с использованием термопары - имеет ряд недостатков: чувствительный элемент необходимо располагать непосредственно в измеряемой области, что предъявляет высокие требования к материалам, из которых изготавливается датчик. Кроме того, качественное измерение резких изменений температур сильно зависит от теплопроводности используемых материалов. В отличие от термопар оптические методы измерения температуры позволяют устанавливать чувствительный элемент вне поля измерения, что позволяет избежать дополнительного воздействия на ламинарность потока газов. В рамках данного проекта на кафедре Оптических коммуникаций и измерительных систем совместно с ООО "Нева Технолоджи" при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение №14.578.21.0202 от "03" октября 2016 г.) ведутся работы, направленные на исследование и разработку высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Современный авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой изделие со сложной структурой газодинамических потоков. Температура и давление в тракте ГТД существенно изменяются по длине и сечению тракта в зависимости от режима работы. Контроль режима работы ГТД для оптимизации КПД и своевременного предотвращения нештатных и нежелательных ситуаций требует размещения большого количества контрольно-измерительной аппаратуры. Данная аппаратура должна решать задачи измерения температуры и давления по длине тракта ГТД. Наибольшие требования предъявляются к датчикам, размещаемым в камере сгорания ГТД, где происходит процесс воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси при температурах 400 - 1800 °С. Применяющиеся на данный момент термопары обладают низким ресурсом работы, а также не позволяют производить монитроинг тепловых процессов в реальном времени. Разрабатываемый датчик спектрального типа позволяет замерять следующие параметры работы ГТД и имеет следующие преимущества: - замер температуры до 1800 °С; - замер насыщенности топливно-воздушной смеси; - замер спектров в видимом и ИК диапазонах; - возможность установки датчика на летательный аппарат; - частота регистрации данных 15 Гц. Были проведены исследовательские испытания на базе пропановой горелки Мекера-Фишера и замерены спектры в видимой и ИК областях, показанные на рисунках ниже. Температурный режим, установившийся в камере сгорания, позволяет получить информацию о следующих параметрах: - ключевые рабочие характеристики ГТД (КПД, тягу двигателя); - интенсивность процессов износа и коррозии наиболее ответственных узлов и деталей двигателя; - информацию о полноте сгорания топлива. Контроль режима, установившегося в камере сгорания ГТД, в перспективе позволяет существенно улучшить долговечность, надежность, снизить эксплуатационную стоимость и экологический вред от использования ГТД. Использование датчиков на основе оптического волокна – это перспективный подход к высокотемпературным измерениям. Использование данной технологии позволяет создавать датчики для работы в экстремальных условиях в течение длительного времени. Традиционные волоконно-оптические датчики основаны на световодах из диоксида кремния. Верхний предел измерения температур для таких датчиков составляет 1200 °С. Для измерения более высоких температур, до 2000 °С, используются сапфировые волокна. Принципиальная схема авиационного газотурбинного двигателя В рамках первого этапа ПНИЭР выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в части волоконно-оптических устройств и оптических методов измерения высоких температур. Рассмотрены известные методы построения ВОД для измерения температур свыше 1000 , такие как: метод измерения излучения АЧТ, метод контроля сдвига резонансной длины волны ВБР, метод двухволновой пирометрии. Определены основные достоинства и недостатки исследуемых методов. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. В ходе патентных исследований рассмотрено 10 патентов. По результатам патентных исследований определена динамика патентования и выявлено, что разрабатываемое устройство обладает высокой конкурентоспособностью. Разработаны специальные требования к оптическим световодам из материалов, сохраняющих работоспособность при рабочих температурах разрабатываемых ЧЭ ВВОД. Для решения данной задачи выполнен обзор существующих волоконных световодов, применяемых для создания ЧЭ ВВОД. Рассмотрены сапфировые ОВ, халькогенидные ОВ, а также высокотемпературные ОВ, разработанные для использования в составе композиционных материалов. Выполнено обоснование направлений исследований ВВОД для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания ГТД. Рассмотрены существующие датчики: платина-платинородиевые термопары, вольфрамрений-вольфрамрениевые термопары, датчики пирометрического типа, а также их применение в составе испытательных стендов и в составе существующих двигателей. Предложен путь для коммерциализации результатов ПНИЭР. В рамках второго этапа ПНИЭР были исследованы и промоделированы способы обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД. В качестве ЧЭ ВВОД предполагается использовать стержень из лейкосапфира. При температурах до 1600°C данный материал сохраняет свои физико-химические характеристики. В рамках исследования обеспечения требуемого срока эксплуатации ЧЭ ВВОД проведено моделирование механических напряжений и процессов старения материалов в ЧЭ ВВОД в технологической оснастке. В рамках совместной работы с индустриальным партнером ООО «Нева Технолоджи» были проделаны следующие работы: - Разработаны требования по модернизации существующего стенда ГТД для установки на него разрабатываемого макета ВВОД. В качестве существующего стенда ГТД рассматривался стенд, соответствующий ГТД ТВ3-117, ВК-2500. Данные о стендах получены в рамках совместной работы с АО «ОДК-Климов». Основные требования касаются прокладки волоконно-оптического жгута по поверхности стенок ГТД и информационного сопряжения ВВОД с существующими стендовыми системами управления и контроля ГТД; - Разработаны требования информационно-технического и электрического сопряжения разрабатываемых устройств со стендовыми и бортовыми системами ГТД. В рамках доработки макета ВВОД в рамках третьего этапа ПНИЭР должна быть обеспечена возможность выдачи выходного сигнала РБ ВВОД в виде низковольтного аналогового сигнала, аналогичного сигналу, принимаемому авиационными САУ от термоэлектрических преобразователей и существующих электрических датчиков.; - Разработана Программа и методики исследовательских макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. В качестве существующего датчика была выбрана термопара Т-80-Т, используемая на ГТД ТВ3-117. Разработанные Программа и методики испытаний подразумевает выполнение следующих пунктов: проверка аппаратной части РБ ВВОД, проверка СПО макета РБ ВВОД, проверка частоты регистрации температуры, проверка диапазона регистрируемой температуры, оценка суммарной погрешности измерения в рабочем диапазоне температур; - Проведены исследовательские испытаний макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, а также существующих датчиков, используемых в составе ГТД. Показано, что разработанный макет РБ ВВОД и ЧЭ ВВОД обеспечивают измерение температуры в диапазоне от 400°C до 1000°C с погрешностью ±10°C. Частота измерения температуры составляет 15,6 Гц. В рамках выполнения третьего этапа ПНИЭР были разработаны программы и методики исследовательских испытаний макета ВВОД в составе макета РБ и экспериментального образца ЧЭ, согласно которым были осуществлены исследовательские испытания макета ВВОД. Результатом проведения испытаний стали работы по доработке макета ВВОД: усовершенствование схемы питания макета ВВОД, доработка корпуса и оптической схемы, проведения калибровки массива ФПУ. В рамках исследовательских испытаний были также проведены измерения с использованием пропановой горелки Мекера-Фишера для отработки методики записи данных. Схема измерения и результаты измерений представлены на изображениях ниже Схема измерения спектров излучения потоков газов в лабораторных условиях с использованием горелки Мекера-Фишера Замеренные спектры излучения в видимом диапазоне при помощи спектрометра Авеста ASP-150T Проведены исследовательские испытания макета ВВОД в составе стенда ГТД; результаты испытаний показали соответствие разработанного макета ВВОД указаным в техническом задании характеристикам. Разработан проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Исследование и разработка высокотемпературного волоконно-оптического датчика для мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей». Проведены работы по разработке КД и изготовлена технологическая оснастка для установки макета ВВОД на стенд ГТД. Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов, отражающая актуальность и уникальность проделанных работ. Проведены разработки предложений и рекомендаций по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот. Промежуточные результаты работ по выполнению проекта были представлены на конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках: Сухинец А.В., Гурьев В.И., Смирнов Д.С., Дейнека И.Г., Мехреньгин М.В.Алгоритмы обработки данных высокотемпературного волоконно-оптического датчика температуры в режиме реального времени//Сборник тезисов VII Всероссийского конгресса молодых ученых - 2018 Сухинец А.В., Аксарин С.М., Гурьев В.И., Смирнов Д.С.Разработка датчика для спектрального мониторинга тепловых процессов в камерах сгорания авиационных газотурбинных двигателей//Сборник тезисов VII Всероссийского конгресса молодых ученых - 2018 Mekhrengin M.V., Guryev V., Meshkovskii I.K., Smirnov D., Sukhinets A.V. Development of Sensor for Spectral Monitoring of Combustion Processes in Gas-Turbine Engines // Proceedings of 2018 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS 2018 - 2018, pp. 8524839

Fiber optic gyroscope

Long gone are the days when the captains of ships went on a long voyage armed only with a compass and a map. Today, no ship or aircraft is conceivable without a modern navigation system that allows at any time to determine the exact position of the ship in space. Modern navigation systems use a number of different sensors to determine the position of a moving object: satellite navigation (GPS, GLONASS), gyroscopes, accelerometers, odometers, etc. However, experts know that an independent navigation system can be created only on the basis of inertial sensors such as gyroscopes and accelerometers. Active development and continuous improvement of the element base of fiber and integrated optics in recent decades has led to the emergence of a new type of inertial angular displacement sensors – fiber optic gyroscopes (FOG). The main differences and advantages of FOG in comparison with mechanical gyroscopes are: the absence of moving parts, resistance to acceleration and vibration; short start-up time; high sensitivity in a wide range of rotational speeds; wide bandwidth; high linearity of the transfer characteristics; low power consumption; high reliability; long service life (decades); small size and weight. At present, vogs are used as the main sensitive element of inertial navigation systems, orientation systems and stabilization of objects in space. The principle of Vogue is based on the Sagnac effect. The figure below shows the schematic diagram of such a device. Optical radiation from the source, passing through the X-coupler enters the input of the integrated optical circuit, is divided into two beams that propagate along the fiber-optic circuit in opposite directions. If the circuit is at rest, there is no phase difference between the beams (Δφs = 0). When the circuit rotates relative to the inertial frame of reference, a phase difference Δφs proportional to the rotational speed of the FOG occurs. Changing the phase difference leads to a change in the radiation power detected by the photodetector. Despite the seeming simplicity of the principles of operation of the device and its high sensitivity to the angular velocity of rotation, at the same time extremely susceptible to various external influences, causing spurious signal and, consequently, to reduce measurement accuracy, so the problem of creating high-VOG is still relevant. Moreover, we can state the fact that only highly developed countries are able to produce such devices. Since 2005, the research center of Light-Guide Photonics (SIC light-Guide Photonics) together with the Central research Institute "Concern "Electropribor" are working to create a fiber-optic gyroscope navigation accuracy class. In this work, the staff and students of the Department in 2007-2008 were developed and implemented prototypes of FOG, which includes an optical circuit, a modulation system, electronics and software. To solve each of these problems, a huge research work has been done, dozens of articles have been written and several patents have been obtained. It should be noted that several books and monographs are devoted to the issue of building FOG. In 2013-2016 with the financial support of the Ministry of education and science of the Russian Federation (project No. 02.G25.31.0044) were aimed at preparing for the serial production of fog of accuracy class 0.01, and 0.001 o/h, which is the ITMO University in the face of the SIC Fiber Photonics was selected as the main performer of works for scientific research. The expanding areas of application of Vogue require constant modernization and refinement of the device (reduction of mass and dimensional characteristics, expansion of the dynamic range, operating temperatures, permissible maximum shock loads, etc.) therefore, work on the project of FOG is constantly ongoing.

Донная сейсмическая станция

Рис.1. Изучение и освоение природных ресурсов Арктический шельф наряду с Антарктидой остаются последними слабоизученными регионами планеты, при этом Арктика является уникальной сокровищницей полезных ископаемых, в первую очередь, нефти и газа. Россия, благодаря стараниям многих поколений своих сограждан, имеет выгодное географическое и геополитическое положение в арктическом секторе, которое может быть использовано как локомотив развития страны в 21 веке. Об этом уже много сказано, в том числе и на самом высоком уровне руководства Российской Федерации, и в дополнительном обосновании данный тезис не нуждается. Основной вопрос состоит в концепции освоения богатств северных морей, в частности, в технико-технологической реализации геологоразведочных работ. Схема донного сейсмического мониторингаВ связи с тем, что в водном слое могут распространяться только волны давления, волновое поле, регистрируемое плавающими косами, уже изначально обделено отсутствием записей поперечных волн, которые в ряде случаев, например, в так называемых газовых трубках, являются единственным источником информации об изучаемом объекте. При расположении четырех компонентных (три геофона и гидрофон) сейсмических датчиков на морском дне данная проблема снимается, а это, в свою очередь, дает возможность рассчитать скорости распространения поперечных волн, выявить эффекты анизотропии, получить широкий набор дополнительных динамических атрибутов, оценить фациальный состав вещества и т.д. Корректная обработка и интерпретация всего дополнительного объема сейсмической информации, несомненно, приводит к построению более достоверной геолого-геофизической модели среды и, соответственно, к снижению последующих геологических рисков. Расположение регистрирующей аппаратуры на морском дне также улучшает качества приема сейсмической информации, свободного от влияний волнения моря, колебаний косы и так далее. Донные системы, как правило, обеспечивают непрерывную регистрацию, то есть, с одной стороны, отсутствует ограничение на длину записи сигналов, вызванных активными источниками – пневмопушками, а, с другой стороны, в ходе полевых работ есть возможность собрать значительные объемы сейсмических шумов естественного и техногенного происхождения, обработка которых также сделала огромный шаг вперед за последнее десятилетие. Рис.3. Вариант схемы сейсмического мониторинга (1 - источник мощного акустического импульса; 2 - массив донных станций) Работы в научно-исследовательском центре Световодной Фотоники по тематике данного проекта начались с февраля 2013 года. Данный действующий макет проходил испытания на базе ОАО "Морская арктическая геологоразведочная экспедиция" в городе Мурманск. Преимуществами данной сейсмической станции являются высокая чувствительность в области низких частот, большой динамический диапазон измерений, низкая себестоимость по сравнению с аналогами, как российского, так и зарубежного производства». На кафедре Световодной Фотоники Университета ИТМО создан действующий макет донной сейсмической станции, в состав которой входит волоконно-оптический гидрофон оригинальной конструкции и микромеханический геофон сейсмического класса. Рис.4. Действующий макет донной сейсмической станции Примеры сигналов полученных с гидрофона макета донной сейсмической станции Рис.5. Непрерывный режим акустического излучения:частота 1 кГц, амплитуда 0,35 Па Рис.6. Импульсный режим акустического излучения:частота 3 кГц, амплитуда 1,5 Па

All publications

Last publications Publications

2024 year

Моор Я.Д., Козлова А.И., Коробкова У.Р., Варжель С.В., Куликов А.В.

Исследование метода измерения веса подвижных объектов на основе квазираспределенных волоконных решеток Брэгга с температурной компенсацией // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics] - 2024. - Т. 24. - № 6. - С. 913–922
Мягких М.К., Дейнека И.Г., Васильев А.С.

Разработка и исследование алгоритма определения прогиба крупногабаритных объектов - 2024
Kuncak J., Forinova M., Pilipenco A., Prochazka V., Horak P., Sycheva S.D., Deineka I.G., Vaisocherova-Lisalova H.

Automating data classification for label-free point-of-care biosensing in real complex samples // Sensors and Actuators A: Physical - 2024, Vol. 374, pp. 115501
Коннов Д.А., Варжель С.В., Карпов Е.Е., Волошина А.Л., Коробкова У.Р.

Разработка волоконно-оптического датчика температуры на базе чирпированных решеток Брэгга, основанного на модуляции интенсивности оптического излучения // Оптический журнал - 2024. - Т. 91. - № 12. - С. 84-90
Погудин Г.К., Алейник А.С., Никитенко А.Н., Арцер И.Р., Стригалев В.Е., Ошлаков В.С., Волковский С.А., Смирнов Д.С., Кубланова И.Л.

Метод определения коэффициента температурной чувствительности контура волоконно-оптического гироскопа // Оптический журнал - 2024. - Т. 91. - № 8. - С. 35-49
Егоров Д.А., Ключникова Е.Л., Унтилов А.А., Алейник А.С., Волковский С.А., Кузнецов В.Н., Ошлаков В.С., Погудин Г.К., Лиокумович Л.Б.

Источники оптического излучения для волоконно-оптических гироскопов // Гироскопия и навигация - 2024. - Т. 32. - № 2(125). - С. 8-34

Research Areas Areas

Высокотемпературный волоконно-оптический датчик

Fiber optic gyroscope

Донная сейсмическая станция

Last publications Publications

Моор Я.Д., Козлова А.И., Коробкова У.Р., Варжель С.В., Куликов А.В.

Мягких М.К., Дейнека И.Г., Васильев А.С.

Kuncak J., Forinova M., Pilipenco A., Prochazka V., Horak P., Sycheva S.D., Deineka I.G., Vaisocherova-Lisalova H.

Коннов Д.А., Варжель С.В., Карпов Е.Е., Волошина А.Л., Коробкова У.Р.

Погудин Г.К., Алейник А.С., Никитенко А.Н., Арцер И.Р., Стригалев В.Е., Ошлаков В.С., Волковский С.А., Смирнов Д.С., Кубланова И.Л.

Егоров Д.А., Ключникова Е.Л., Унтилов А.А., Алейник А.С., Волковский С.А., Кузнецов В.Н., Ошлаков В.С., Погудин Г.К., Лиокумович Л.Б.