eng
Выпуск #4/2016
О.Колмогоров, С.Донченко, Д.Прохоров, Б.Акулин, Н.Юстус
Средства метрологического обеспечения оптических рефлектометров и волоконно-оптических датчиков
Средства метрологического обеспечения оптических рефлектометров и волоконно-оптических датчиков
Просмотры: 5952
Создание, испытания и эксплуатация волоконно-оптических систем связи и передачи информации (ВОСП), систем мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков невозможны без проведения измерений их характеристик с помощью соответствующих средств измерений. В статье приведены требования нормативных документов по обеспечению единства измерений, рассмотрены методы и средства, применяемые при поверке и калибровке средств измерений параметров ВОСП и волоконно-оптических датчиков.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.94.100
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.94.100
Теги: fiber optic sensor measure optical time domain reflectometer standard волоконно-оптический датчик измерения оптический рефлектометр эталон
Волоконно-оптические системы связи и передачи информации играют важную роль в обеспечении потребностей современного общества в услугах связи, в обеспечении потребностей промышленности, транспорта и специальных потребителей в оперативной передаче данных [1]. Специализированные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используются при решении задач частотно-временного обеспечения для передачи сигналов эталонной частоты и синхронизации шкал времени [2–4], при разработке и испытаниях радиоэлектронных систем для уменьшения влияния электромагнитных помех путем использования модуляции оптического излучения радиочастотным сигналом. Кроме того, волоконно-оптические линии связи используются в системах охраны и мониторинга состояния технических объектов и сооружений [1].
Создание, испытания и эксплуатация ВОСП невозможны без проведения измерений их характеристик и использования соответствующих средств измерений, в частности оптических рефлектометров. Системы мониторинга на основе волоконно-оптических линий связи, оснащенные волоконно-оптическими датчиками, уже исходя из своего назначения обладают измерительными функциями.
Оптические рефлектометры представляют собой средства измерений длины световода, времени распространения сигнала в световоде, и распределенного ослабления. Волоконно-оптические датчики (ВОД) – это первичные преобразователи измеряемой физической величины (температуры, давления, перемещения, ускорения и др.), используемые в комплексе с аппаратурой, обеспечивающей регистрацию и обработку сигнала с ВОД с последующим вычислением значения измеряемой величины. В соответствии с Федеральным законом № 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений" [5], средства измерений, применяемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежат утверждению типа и периодической поверке. К сфере применения ВОД относятся такие объекты, как нефте- и газопроводы, атомные электростанции, здания, сооружения и др. [1], что придает особую важность обеспечению точности и достоверности результатов измерений, проводимых с помощью ВОД.
При создании и эксплуатации волоконно-оптических линий связи, как и систем на основе ВОД, возникает потребность измерений таких величин, как длина оптического кабеля, мощность оптического излучения, ослабление, спектральные характеристики оптического излучения, временные параметры модулированного оптического излучения. Кроме того, при градуировке и поверке ВОД необходимо проводить измерения регистрируемой датчиком величины с помощью соответствующих высокоточных средств измерений и эталонов.
Для достижения требуемой точности измерений перечисленных характеристик необходимо обеспечить прослеживаемость используемых средств измерений к государственным эталонам соответствующих единиц величин. Прослеживаемость – свойство эталона единицы величины или средства измерений, заключающееся в документально подтвержденном установлении их связи с государственным первичным эталоном соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений [5].
Порядок передачи единиц физических величин от эталонов к средствам измерений параметров ВОСП, в частности к волоконно-оптическим рефлектометрам, устанавливается ГОСТ 8.585-2013 [6]. Фрагмент графической части данной поверочной схемы, определяющий передачу единиц величин к оптическим рефлектометрам, приведен на рис.1.
В качестве рабочих эталонов единиц длины, времени распространения сигнала в световоде и распределенного ослабления используются комплексы аппаратуры, включающие оптические генераторы, катушки оптического волокна и вспомогательное оборудование. Оптические генераторы формируют повторяющиеся оптические импульсы с нормированными интервалами времени между ними, которые соответствуют заданной длине оптического кабеля. Эти импульсы подаются в качестве эталонного сигнала на вход рефлектометра с целью определения его погрешности при измерениях длины световода. Для проверки погрешности оптического рефлектометра при измерениях ослабления используется нормирование амплитуды импульсов, поступающих с оптического генератора.
Рабочие эталоны единиц средней мощности и ослабления строятся на основе высокоточных измерителей оптической мощности и стабилизированных источников излучения на фиксированных длинах волн. При поверке средств измерений (СИ) средней мощности и ослабления проводится сличение поверяемого СИ с эталонным измерителем оптической мощности.
Рабочие эталоны единицы длины волны строятся на основе источников излучения и кювет с газами, у которых спектр пропускания оптического излучения содержит ряд пиков поглощения с нормируемой длиной волны. При поверке оптических спектроанализаторов проводятся измерения длин волн пиков поглощения поверяемыми СИ и сравнение результатов измерений длин волн с паспортными значениями.
Основными нормативными документами, регламентирующими методики поверки средств измерений характеристик ВОСП, являются:
• ГОСТ Р 8.720-2010. ГСИ. Измерители оптической мощности, источники оптического излучения, измерители обратных потерь и тестеры оптические малогабаритные в ВОСП. Методика поверки;
• Рекомендация по метрологии Р 50.2.069-2009. ГСИ. Спектроанализаторы оптические в ВОСП. Методика поверки;
• Рекомендация по метрологии Р 50.2.070-2009. "ГСИ. Аттенюаторы в ВОСП. Методика поверки";
• Рекомендация по метрологии Р 50.2.071-2009. "ГСИ. Рефлектометры оптические. Методика поверки".
В целях метрологического обеспечения специализированных ВОЛС в ФГУП "ВНИИФТРИ" создан комплекс аппаратуры контроля характеристик оптического излучения, в состав которого входит измерительная аппаратура РЭСМ-ВС и РЭДВ, аттестованная в качестве рабочих эталонов, средства измерений временных характеристик оптического излучения (осциллограф с широкополосным оптико-электронным преобразователем), оптический анализатор спектра. Для повышения точности определения задержки между оптическими импульсами при калибровке оптических рефлектометров по шкале длины в данной аппаратуре используется комплексирование оптического генератора с цифровым запоминающим осциллографом, выполняющим измерения интервалов времени с субнаносекундной точностью. Предложенный комплекс аппаратуры позволяет решать основные задачи по контролю характеристик ВОЛС и средств измерений их параметров, в том числе оптических рефлектометров. Основные метрологические характеристики комплекса аппаратуры контроля параметров оптического излучения приведены в таблице. Комплекс позволяет проводить испытания в целях утверждения типа, поверку и калибровку СИ характеристик ВОСП: оптических рефлектометров, измерителей мощности оптического излучения, оптических тестеров, источников оптического излучения, оптических аттенюаторов, оптических анализаторов спектра, анализаторов цифровых линий связи. С помощью комплекса возможно также проведение высокоточных измерений характеристик ВОЛС: средней мощности и ослабления оптического излучения, длины световода, спектральных и временных характеристик оптического излучения.
Метрологическое обеспечение ВОД и измерительных систем на их основе охватывает более широкий, по сравнению с ВОСП, ряд задач, касающихся не только характеристик оптического излучения, переносящего сигналы внутри системы, но и измеряемых датчиками физических величин, характеризующих состояние контролируемого системой объекта (температуры, давления, вибрации и др.). Причем обеспечение требуемой точности и достоверности измерений именно этих, входных по отношению к системе, величин, является первоочередной задачей, для решения которой необходимо использовать эталоны единиц измеряемых системой величин.
Порядок экспериментального определения метрологических характеристик ВОД поясняет обобщенная схема, представленная на рис.2. На схеме приведены следующие основные элементы: ВОД с аппаратурой регистрации сигналов, оборудование для воспроизведения воздействующих величин (например, термокамера, вибростенд и т. д.) и эталонная аппаратура (эталонный датчик с аппаратурой регистрации). При градуировке ВОД воспроизводимая оборудованием величина (температура, давление, ускорение и др.) воздействует одновременно на ВОД и эталонный датчик, размещенные в камере (на стенде), сигналы с датчиков поступают на соответствующую аппаратуру регистрации, где фиксируются измеренные значения воздействующей на исследуемый ВОД величины и её действительные значения, определяемые с помощью эталонного датчика. Это позволяет определить значения коэффициентов преобразования датчиков и оценить их погрешность.
Для проведения испытаний в целях утверждения типа и поверки различных групп волоконно-оптических датчиков и систем на их основе могут быть использованы возможности ФГУП "ВНИИФТРИ" по проведению высокоточных измерений температуры, давления, перемещений, параметров вибрации, и оснащенность соответствующими эталонами, к которым относятся: Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 0,3 до 273,16 К, Государственный вторичный эталон единицы давления в диапазоне от 0,02 до 1600 МПа, рабочие эталоны единицы температуры, рабочий эталон единиц относительной влажности газов и температуры в диапазонах от 5 до 95% и от 5 до 60 °C, рабочие эталоны единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела, а также эталоны других физических величин.
Использование имеющейся в стране эталонной базы в целях метрологического обеспечения систем мониторинга на основе ВОД необходимо для выполнения требований нормативных документов по обеспечению единства измерений. Кроме того, использование высокоточных СИ и эталонов представляется целесообразным при разработке и исследованиях перспективных ВОД с улучшенными метрологическими характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы /Под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. – М.: Техносфера, 2010.
2. Федорова Д.М., Балаев Р.И., Курчанов А.Ф., Троян В.И., Малимон А.Н. Передача эталонных радиочастот по волоконно-оптической линии с электронной компенсацией возмущений. – Измерительная техника, 2015, № 9, с. 34–37.
3. Донченко С.С., Колмогоров О.В., Прохоров Д.В. Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени. – Измерительная техника, 2015, № 1, с. 14–17.
4. Садовников М.А., Сумерин В.В. Беззапросные квантово-оптические системы контроля и передачи шкал времени ГЛОНАСС. – Вестник ГЛОНАСС, 2012, № 3 (7), с. 39–42.
5. Федеральный закон от 26 июня 2008 года N 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений".
6. ГОСТ 8.585–2013. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации.
Создание, испытания и эксплуатация ВОСП невозможны без проведения измерений их характеристик и использования соответствующих средств измерений, в частности оптических рефлектометров. Системы мониторинга на основе волоконно-оптических линий связи, оснащенные волоконно-оптическими датчиками, уже исходя из своего назначения обладают измерительными функциями.
Оптические рефлектометры представляют собой средства измерений длины световода, времени распространения сигнала в световоде, и распределенного ослабления. Волоконно-оптические датчики (ВОД) – это первичные преобразователи измеряемой физической величины (температуры, давления, перемещения, ускорения и др.), используемые в комплексе с аппаратурой, обеспечивающей регистрацию и обработку сигнала с ВОД с последующим вычислением значения измеряемой величины. В соответствии с Федеральным законом № 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений" [5], средства измерений, применяемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежат утверждению типа и периодической поверке. К сфере применения ВОД относятся такие объекты, как нефте- и газопроводы, атомные электростанции, здания, сооружения и др. [1], что придает особую важность обеспечению точности и достоверности результатов измерений, проводимых с помощью ВОД.
При создании и эксплуатации волоконно-оптических линий связи, как и систем на основе ВОД, возникает потребность измерений таких величин, как длина оптического кабеля, мощность оптического излучения, ослабление, спектральные характеристики оптического излучения, временные параметры модулированного оптического излучения. Кроме того, при градуировке и поверке ВОД необходимо проводить измерения регистрируемой датчиком величины с помощью соответствующих высокоточных средств измерений и эталонов.
Для достижения требуемой точности измерений перечисленных характеристик необходимо обеспечить прослеживаемость используемых средств измерений к государственным эталонам соответствующих единиц величин. Прослеживаемость – свойство эталона единицы величины или средства измерений, заключающееся в документально подтвержденном установлении их связи с государственным первичным эталоном соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений [5].
Порядок передачи единиц физических величин от эталонов к средствам измерений параметров ВОСП, в частности к волоконно-оптическим рефлектометрам, устанавливается ГОСТ 8.585-2013 [6]. Фрагмент графической части данной поверочной схемы, определяющий передачу единиц величин к оптическим рефлектометрам, приведен на рис.1.
В качестве рабочих эталонов единиц длины, времени распространения сигнала в световоде и распределенного ослабления используются комплексы аппаратуры, включающие оптические генераторы, катушки оптического волокна и вспомогательное оборудование. Оптические генераторы формируют повторяющиеся оптические импульсы с нормированными интервалами времени между ними, которые соответствуют заданной длине оптического кабеля. Эти импульсы подаются в качестве эталонного сигнала на вход рефлектометра с целью определения его погрешности при измерениях длины световода. Для проверки погрешности оптического рефлектометра при измерениях ослабления используется нормирование амплитуды импульсов, поступающих с оптического генератора.
Рабочие эталоны единиц средней мощности и ослабления строятся на основе высокоточных измерителей оптической мощности и стабилизированных источников излучения на фиксированных длинах волн. При поверке средств измерений (СИ) средней мощности и ослабления проводится сличение поверяемого СИ с эталонным измерителем оптической мощности.
Рабочие эталоны единицы длины волны строятся на основе источников излучения и кювет с газами, у которых спектр пропускания оптического излучения содержит ряд пиков поглощения с нормируемой длиной волны. При поверке оптических спектроанализаторов проводятся измерения длин волн пиков поглощения поверяемыми СИ и сравнение результатов измерений длин волн с паспортными значениями.
Основными нормативными документами, регламентирующими методики поверки средств измерений характеристик ВОСП, являются:
• ГОСТ Р 8.720-2010. ГСИ. Измерители оптической мощности, источники оптического излучения, измерители обратных потерь и тестеры оптические малогабаритные в ВОСП. Методика поверки;
• Рекомендация по метрологии Р 50.2.069-2009. ГСИ. Спектроанализаторы оптические в ВОСП. Методика поверки;
• Рекомендация по метрологии Р 50.2.070-2009. "ГСИ. Аттенюаторы в ВОСП. Методика поверки";
• Рекомендация по метрологии Р 50.2.071-2009. "ГСИ. Рефлектометры оптические. Методика поверки".
В целях метрологического обеспечения специализированных ВОЛС в ФГУП "ВНИИФТРИ" создан комплекс аппаратуры контроля характеристик оптического излучения, в состав которого входит измерительная аппаратура РЭСМ-ВС и РЭДВ, аттестованная в качестве рабочих эталонов, средства измерений временных характеристик оптического излучения (осциллограф с широкополосным оптико-электронным преобразователем), оптический анализатор спектра. Для повышения точности определения задержки между оптическими импульсами при калибровке оптических рефлектометров по шкале длины в данной аппаратуре используется комплексирование оптического генератора с цифровым запоминающим осциллографом, выполняющим измерения интервалов времени с субнаносекундной точностью. Предложенный комплекс аппаратуры позволяет решать основные задачи по контролю характеристик ВОЛС и средств измерений их параметров, в том числе оптических рефлектометров. Основные метрологические характеристики комплекса аппаратуры контроля параметров оптического излучения приведены в таблице. Комплекс позволяет проводить испытания в целях утверждения типа, поверку и калибровку СИ характеристик ВОСП: оптических рефлектометров, измерителей мощности оптического излучения, оптических тестеров, источников оптического излучения, оптических аттенюаторов, оптических анализаторов спектра, анализаторов цифровых линий связи. С помощью комплекса возможно также проведение высокоточных измерений характеристик ВОЛС: средней мощности и ослабления оптического излучения, длины световода, спектральных и временных характеристик оптического излучения.
Метрологическое обеспечение ВОД и измерительных систем на их основе охватывает более широкий, по сравнению с ВОСП, ряд задач, касающихся не только характеристик оптического излучения, переносящего сигналы внутри системы, но и измеряемых датчиками физических величин, характеризующих состояние контролируемого системой объекта (температуры, давления, вибрации и др.). Причем обеспечение требуемой точности и достоверности измерений именно этих, входных по отношению к системе, величин, является первоочередной задачей, для решения которой необходимо использовать эталоны единиц измеряемых системой величин.
Порядок экспериментального определения метрологических характеристик ВОД поясняет обобщенная схема, представленная на рис.2. На схеме приведены следующие основные элементы: ВОД с аппаратурой регистрации сигналов, оборудование для воспроизведения воздействующих величин (например, термокамера, вибростенд и т. д.) и эталонная аппаратура (эталонный датчик с аппаратурой регистрации). При градуировке ВОД воспроизводимая оборудованием величина (температура, давление, ускорение и др.) воздействует одновременно на ВОД и эталонный датчик, размещенные в камере (на стенде), сигналы с датчиков поступают на соответствующую аппаратуру регистрации, где фиксируются измеренные значения воздействующей на исследуемый ВОД величины и её действительные значения, определяемые с помощью эталонного датчика. Это позволяет определить значения коэффициентов преобразования датчиков и оценить их погрешность.
Для проведения испытаний в целях утверждения типа и поверки различных групп волоконно-оптических датчиков и систем на их основе могут быть использованы возможности ФГУП "ВНИИФТРИ" по проведению высокоточных измерений температуры, давления, перемещений, параметров вибрации, и оснащенность соответствующими эталонами, к которым относятся: Государственный первичный эталон единицы температуры в диапазоне от 0,3 до 273,16 К, Государственный вторичный эталон единицы давления в диапазоне от 0,02 до 1600 МПа, рабочие эталоны единицы температуры, рабочий эталон единиц относительной влажности газов и температуры в диапазонах от 5 до 95% и от 5 до 60 °C, рабочие эталоны единиц длины, скорости и ускорения при колебательном движении твердого тела, а также эталоны других физических величин.
Использование имеющейся в стране эталонной базы в целях метрологического обеспечения систем мониторинга на основе ВОД необходимо для выполнения требований нормативных документов по обеспечению единства измерений. Кроме того, использование высокоточных СИ и эталонов представляется целесообразным при разработке и исследованиях перспективных ВОД с улучшенными метрологическими характеристиками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и перспективы /Под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. – М.: Техносфера, 2010.
2. Федорова Д.М., Балаев Р.И., Курчанов А.Ф., Троян В.И., Малимон А.Н. Передача эталонных радиочастот по волоконно-оптической линии с электронной компенсацией возмущений. – Измерительная техника, 2015, № 9, с. 34–37.
3. Донченко С.С., Колмогоров О.В., Прохоров Д.В. Система одно- и двухсторонних сравнений шкал времени. – Измерительная техника, 2015, № 1, с. 14–17.
4. Садовников М.А., Сумерин В.В. Беззапросные квантово-оптические системы контроля и передачи шкал времени ГЛОНАСС. – Вестник ГЛОНАСС, 2012, № 3 (7), с. 39–42.
5. Федеральный закон от 26 июня 2008 года N 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений".
6. ГОСТ 8.585–2013. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности и длины волны оптического излучения для волоконно-оптических систем связи и передачи информации.
Отзывы читателей
