Światłowody w monitoringu

Ta druga technologia jest starsza, opracował ją w latach 30. XX w. An­dre Coyne, wynalazca procesu aku­stycznego osłuchiwania konstrukcji budowlanych.

Obecnie, w szczególności przy mo­nitoringu zbiorników z gazami albo cieczami lub rurociągów i instalacji kanalizacyjnych, zwykle używane są czujniki światłowodowe FBG (ang. Fiber Bragg Grating) i OFS (Optical Fiber Sensors). W ich działaniu wy­korzystano tę zaletę światłowodu, że cały on jest elementem pomiaro­wym. Pomiary temperatury, napręże­nia i parametrów akustycznych (DTS, DSS/DSTS, DAS) oparto na pomia­rach trzech rozproszeń: Ramana, Brillouina i Rayleigha.

Fot. 1 System OFS wykrywania przecieków w rurociągach (archiwum Cementys^©)

Najnowszym rozwiązaniem w zakre­sie monitoringu są światłowody linio­we (OFS). Takie światłowody zainsta­lowane na wielu kilometrach wałów przeciwpowodziowych w regularnych odstępach sprawiają, że wszystkie zaistniałe w konstrukcji ruchy lub awarie (ugniatanie się podłoża, wycie­ki, skutki włamania) są sygnalizowane przez zmianę temperatury i deforma­cję mechaniczną światłowodu. Zale­tą monitoringu tą metodą jest brak martwych miejsc (czujnik jest ciągle czuły bez względu na zaistniałe wa­runki atmosferyczne lub szczególne okoliczności, np. spawanie w pobliżu). Jeden światłowód zainstalowany na długości 20 km infrastruktury równo­ważny jest 20 tys. klasycznych czuj­ników umieszczonych co 1 m. Światłowody liniowe są zarówno czujnikami pomiarowymi, jak również środkami do lokalizacji awarii. Ten typ czujników był wprowadzony dwadzie­ścia lat temu w branży petrochemicz­nej przez firmę Schlumberger i obec­nie coraz częściej jest stosowany budownictwie inżynieryjnym.

Fot. 2 Zastosowanie „Struktur Smart” – THMInsight Interfejs do monitorowania w czasie rzeczywistym stanu konstrukcji z zabezpieczonym dostępem do sieci (archiwum Cementys^®)

Zastosowanie światłowodów w moni­toringu jest bardzo szerokie, dotyczy zarówno dużych obiektów infrastruk­turalnych: zapór i wałów, mostów i tuneli, linii kolejowych czy instalacji energetycznych, jak również małych wrażliwych konstrukcji (np. mostki i pomosty, wieże kościołów, punktowe części konstrukcji stacji, pompowa­nia ropy czy gazu). Dynamicznie roz­wija się też monitoring zabytkowych obiektów w celu wykonania pomiarów (badań nieniszczących) związanych z ich starzeniem.

Technologię monitoringu za pomocą światłowodów używa się na co dzień w wielu tunelach do wykrywania poża­rów, taki monitoring pozwala nie tylko wykryć ogień, ale również zlokalizować go z dużą precyzją.

Fot. 3 Pomiar temperatury i naprężeń w sekcji tunelu wraz z pomiarem odkształceń w świeżym betonie (ciepło/wycofania/konwegencja) (archiwum Cementys^®)

Światłowody mają wiele zalet – są nieinwazyjne i odporne na zmiany atmosferyczne, zmęczenie, wilgot­ność i wysokie temperatury, techno­logia jest sprawdzona, światłowody są tanie w produkcji i eksploatacji. Dlatego trwały i bezpieczny monito­ring (25-75 lat) z ich użyciem staje się coraz popularniejszy. W Polsce stosowany jest już ten rodzaj moni­toringu do kontroli zbiorników gazu ciekłego (instalacje LNG SA) czy lin drugiego co do wysokości mostu w Polsce na Wisłoku w Rzeszowie. Czujniki światłowodowe, obok klasycznych na wibrujący drut, odgry­wają coraz większą rolę w konserwa­cji zabytków i starszych obiektów: zamków, kościołów czy mostów, aby monitorować topografię i zachowa­nie ich struktur. Po wizualnej diag­nostyce struktury obiektu oraz ma­teriałów użytych do konstrukcji lub renowacji instalowane są czujniki, aby obserwować zachowanie się (prze­mieszczenia, nachylenia, osadzania) poszczególnych elementów konstruk­cji. Oprócz inklinometrów, zbieżnościometrów czy przyrządów do bada­nia rys stosuje się dodatkowo czujniki światłowodowe, które pozwalają na obserwowanie w czasie rzeczywistym podejrzanych ruchów i przemieszczeń poszczególnych partii konstrukcji. Czujniki rejestrują codzienne zmiany temperatury i fal mechanicznych będacych następstwem mechanicznych przemian, co pozwala na ocenę i kon­trolę starzenia się badanych obiektów w czasie rzeczywistym.

Fot. 4 Zastosowanie monitoringu światłowodowego w zamku we Francji

Wszystkie czujniki są podłączone do zbiorczej centrali THM-rejestratora (THM, ang. Total Health Monitoring), który oprócz zbierania i archiwizacji danych pozwala na skonsultowanie ich na odległość (komunikacja za pomocą modemu GSM). Zintegrowany system monitoringu zapewnia wiele korzyści, np. ustanowienie progów alarmowych dla zwiększenia zdolności reagowania, w przypadku gdyby interwencja była ko­nieczna, daje również możliwość two­rzenia bazy danych. Dodatkowo, dzięki okresowej lub ciągłej kontroli obiektu, zapobiega się znaczącej degradacji za­bytku oraz oszczędza na kosztownych pracach remontowych.