Pomiary światłowodowe wykorzystywane są w wielu dziedzinach techniki. W przypadku gazociągów, światłowody mogą być pomocne przy wykrywaniu i lokalizacji wycieków, a także pomiarach odkształceń.

Systemy światłowodowych pomiarów naprężeń bazują na efekcie rozpraszania światła wewnątrz włókna światłowodu pod wpływem jego odkształcenia. Efekt ten jest niekorzystny dla zastosowań optycznych, pozwala jednak zastosować światłowód do pomiaru odkształceń, a co za tym idzie wyznaczenia naprężeń (z uwzględnieniem modułu Younga materiału) – podobnie jak w przypadku standardowych tensometrów oporowych. Szereg naukowców pracował na przestrzeni lat nad opisem fizycznym zjawiska, w wyniku czego uzyskano kilka różniących się opisów mechanizmu rozpraszania światła: Rayleigha, Brillouina, Ramana.

W praktyce pomiar odkształcenia światłowodu polega na pomiarze ilości światła odbitego od nieciągłości (defektów) światłowodu za pomocą wyspecjalizowanych reflektometrów optycznych i przetwarzaniu sygnału z pomocą dedykowanego oprogramowania.

W zależności od metody, wykorzystuje się sztucznie wytworzone nieciągłości (tzw. Siatkę Bragga – naniesione na włókno światłowodu szereg prążków w ściśle kontrolowanej od siebie odległości) lub naturalne nieciągłości włókna występujące w jego objętości.

W przypadku zastosowania siatki Bragga (metoda Fibre Bragg Grating – FBG), pomiar odbywa się tylko w rejonie naniesionej na światłowód siatki (punktowo).

Wykorzystuje się zjawisko zmiany długości fali światła odbitego od prążków siatki wraz ze zmianą odległości miedzy nimi (spowodowanej odkształceniem). Jest oczywiście możliwe naniesienie na światłowód większej liczby siatek Bragga – wówczas możemy dysponować większą liczbą punktów pomiarowych. Ze względu na wymaganą dokładność przy nanoszeniu na światłowód siatki, czujniki tego typu są kosztowne.

W przypadku metody Optical Fibre Sensor – OFS, wykorzystuje się rozproszenie (odbicie) światła na naturalnych wadach włókna światłowodu (najczęściej w oparciu opis fizyczny rozproszenia Rayleigha lub Brillouina). Cały odcinek światłowodu staje się czujnikiem (liczba naturalnych mikro-nieciągłości odpowiada istnieniu nawet do 1000 siatek Bragga na 1 metr światłowodu).

Możliwy jest więc pomiar ciągły odkształceń, z dokładnością ich lokalizacji wzdłuż włókna rzędu od kilkunastu mikrometrów (dla odcinków rzędu 20 metrów) do kilkudziesięciu centymetrów (odcinki pomiarowe rzędu kilu - kilkunastu kilometrów). Ponadto istnieje zdefiniowana zależność rozproszenia światła w włóknie światłowodu od jego temperatury, wobec czego światłowód nie poddany odkształceniom (luźno ułożony) może służyć jako ciągły czujnik temperatury.

Pomiary światłowodowe wykorzystywane są w wielu dziedzinach techniki, zwłaszcza do pomiarów prowadzonych na obiektach budowlanych (mosty, wiadukty, wieże itp.). Pozwalają prowadzić ciągły lub okresowy monitoring odkształceń konstrukcji. Światłowody są trwałe, odporne na czynniki chemiczne, stosunkowo tanie (w przypadku pomiarów metodą OFS), nie wymagają kalibracji.

W przypadku gazociągów światłowody mogą być stosowane do wykrywania i lokalizacji wycieków (poprzez pomiar temperatury), a także do pomiarów odkształceń (a co za tym idzie naprężeń) spowodowanych ruchami gruntu (np. na terenach szkód górniczych, osuwisk), dając możliwość prowadzenia monitoringu na kilkukilometrowych odcinkach gazociągu, z ciągłym liniowo pomiarem temperatury i odkształceń (oraz ich dokładną lokalizacją).

Dostępne są technologie z mocowaniem włókna światłowodowego do powierzchni gazociągu za pomocą specjalnego kleju (podobnego do używanych do tensometrów oporowych) lub bez mocowania - z włóknami zatopionymi w przestrzennym rdzeniu, układanym na gazociągu.

Aktualnie prowadzone są prace badawcze mające na celu praktyczną weryfikację możliwości zastosowania monitoringu światłowodowego na gazociągach potencjalnie narażonych na zwiększone obciążenia zewnętrzne.

Źródła:

[1] Fights On Logistics „Badania NDT. Diagnostyka SHM. Ekspertyzy techniczne. Prace badawczo-rozwojowe”

[2] Luna https://lunainc.com/fiber-optic-solutions/optical-backscatter-reflectometer-benchtop/

[3] FBGS https://fbgs.com/components/strain-sensor-sg-01/