Nguyên tắc hoạt động của cảm biến nhiệt sợi quang học và ứng dụng trong cảnh báo sớm an toàn đập

Nội dung text: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến nhiệt sợi quang học và ứng dụng trong cảnh báo sớm an toàn đập

1. THÔNG TIN KHOA HỌC NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN NHIỆT SỢI QUANG HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢNH BÁO SỚM AN TOÀN ĐẬP Phan Văn Độ1, Lương Duy Thành1 Tóm tắt: Cảm biến nhiệt sợi quang học là một kỹ thuật mới đang được sử dụng một cách hiệu quả trong việc giám sát và cảnh bảo sự an toàn đập tại một số nước phát triển. Một sợi quang học có thể thay thế hàng ngàn cảm biến rời rạc nên kỹ thuật này có thể theo dõi một cách chính xác và liên tục sự phân bố nhiệt độ trên một chiều dài lên tới vài chục km đập mà không cần sự có mặt của con người. Trên cơ sở sự phân bố nhiệt thu được, các chuyên gia có thể phát hiện sự rò rỉ của nước qua đập. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày ngắn gọn về cấu tạo của sợi quang học, nguyên tắc hoạt động của cảm biến nhiệt sợi quang và ứng dụng của nó trong cảnh báo sớm an toàn đập. Từ khóa: Cảm biến nhiệt sợi quang, an toàn đập. 1. GIỚI THIỆU1 độ rò rỉ trong đập. Tại Việt Nam, phương pháp Thông thường, việc phát hiện sự rò rỉ trong này chưa được nghiên cứu và sử dụng trong an các đê, đập đất chủ yếu dựa vào quan sát và toàn đập. Do đó, chúng tôi trình bày vắn tắt về kiểm tra bằng mắt. Tuy nhiên, việc kiểm tra này cơ sở lý thuyết, nguyên tắc hoạt động của cảm cũng có một số hạn chế như: (1) các đê, đập là biến nhiệt sợi quang và ứng dụng của nó trong rất lớn để có thể quan sát, kiểm tra bằng mắt; (2) cảnh báo sớm. các dấu hiệu cảnh báo trong nhiều trường hợp là 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SỢI không rõ ràng nếu chỉ quan sát bằng mắt; (3) QUANG HỌC VÀ ỨNG DỤNG ĐỂ PHÁT các khiếm khuyết về cấu trúc, sự rò rỉ hoặc xói HIỆN RÒ RỈ TRONG ĐẬP ĐẤT mòn xảy ra ở bên trong đê, đập mà không có sự 1. Sợi quang học và sự tán xạ ánh sáng thay đổi nào ở trên mặt đất nên không thể quan trên sợi quang sát được. Ngoài ra, các kỹ sư cũng sử dụng các Sợi quang là một dây hình trụ có nhiệm vụ thiết bị đo rời rạc trong cảnh báo sớm về sự an truyền dẫn ánh sáng ở một khoảng cách lớn mà toàn của đê, đập như cảm biến đo áp suất không gây tổn hao đáng kể về cường độ. Sợi (piezometer), máy đo độ nghiêng (inclinometer) quang học bao gồm 2 lớp vật liệu trong suốt Các thiết bị này có hiệu quả trong việc thu thập đồng trục như chỉ ra trên Hình 1: Một lõi hình dữ liệu tại một địa điểm nhất định. Tuy nhiên, trụ và một lớp vỏ bao quanh. Lõi sợi quang có việc lựa chọn vị trí đặt cảm biến là một thách đường kính rất nhỏ vào cỡ 10 μm thường được thức lớn vì các sự cố có thể xuất hiện ở bất cứ vị làm từ thủy tinh silica hoặc vật liệu polyme. trí nào trên toàn bộ đập. Hiện nay, với sự ra đời của cảm biến đo sự phân bố nhiệt liên tục trong sợi quang học, chúng ta có thể đánh giá, cảnh báo sớm về các sự cố trên trong suốt chiều dài các công trình ngăn nước như đập. Cảm biến nhiệt sợi quang (Fiber Optic Temperature Sensors-FOTS) cho phép chúng ta xác định được cả vị trí lẫn mức 1 Khoa Năng lượng, Trường Đại học Thủy Lợi. Hình 1. Cấu trúc của sợi quang học 130 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
2. Trong khi đó lớp vỏ bao quanh có đường nhằm chống lại sự kéo, ép từ bên ngoài, sự ăn kính cỡ 125 μm được làm từ vật liệu trong mòn và sự tiếp xúc giữa sợi quang học và môi suốt khác có chiết suất nhỏ hơn lõi thủy tinh. trường xung quanh [ Bên ngoài sợi quang học là một lớp vỏ bảo vệ technology.php]. Hình 2. Phổ tán xạ ngược của ánh sáng trên sợi quang, trong đó: cường độ của dải tán xạ anti- Stokes tăng với sự tăng của nhiệt độ; vị trí của dải tán xạ Brillouin dịch chuyển ra xa dải Rayleigh khi nhiệt độ và biến dạng tăng (Rajeev et al., 2013). Trong các chất rắn tại các nhiệt độ khác với bị tán xạ ngược lại tại mọi vị trí dọc theo sợi độ không tuyệt đối, do luôn có chuyển động quang học. Môi trường sợi quang học có thể gây nhiệt, nên các nguyên tử hoặc ion không nằm cố ra nhiều loại tán xạ trong đó điển hình là tán xạ định tại các nút mạng mà luôn dao động xung Rayleigh, tán xạ Brillouin và tán xạ Raman (tán quanh các vị trí này. Ngoài ra, một số tác nhân xạ Stokes và đối Stokes) như được biểu diễn khác như ánh sáng, sóng âm cũng gây ra các trong Hình 2 (Rajeev et al., 2013). Tuỳ thuộc dao động như vậy. Hiện tượng nói trên được gọi vào loại vật chất, ánh sáng, điều kiện môi là dao động mạng tinh thể. Khi một nguyên tử trường mà mỗi loại tán xạ xảy ra khác nhau. của tinh thể dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của Tán xạ Rayleigh là tán xạ đàn hồi của photon nó thì do tương tác giữa các nguyên tử trong trên các ion nên bước sóng chùm tán xạ đúng tinh thể nên các nguyên tử khác cũng bị dịch bằng bước sóng của chùm sáng tới λ0. Tán xạ chuyển theo. Do đó, có thể coi dao động mạng Raman và tán xạ Brillouin là các quá trình tán tinh thể là một sóng đàn hồi lan truyền trong xạ không đàn hồi, các nhóm nguyên tử bị kích tinh thể. Do tính chất gián đoạn và tuần hoàn thích khi có ánh sáng truyền qua và bước sóng của mạng tinh thể nên biên độ của sóng đàn hồi của ánh sáng tán xạ bị dịch so với bước sóng trong tinh thể cũng chỉ có thể thay đổi một cách của ánh sáng tới. Các quá trình tán xạ không gián đoạn, không liên tục và là bội số của một đàn hồi cần có sự tham gia của các phonon. biên độ nhỏ nhất nào đó. Sóng đàn hồi với biên Trong quá trình này, các phonon có thể được độ nhỏ nhất được gọi là phonon, như vậy sinh ra hoặc hấp thụ và độ dịch tần số của ánh phonon chính là lượng tử của sóng đàn hồi trong sáng tán xạ so với ánh sáng tới đúng bằng tần số tinh thể (Đào Trần Cao, 2014). của phonon. Tán xạ Raman có liên quan đến Khi một chùm sáng laser với bước sóng λ0 phonon quang, trong khi tán xạ Brillouin liên được bơm vào sợi quang, chúng sẽ truyền dọc quan đến phonon âm do đó độ dịch tần số trong theo sợi quang. Một phần rất nhỏ của chùm sáng tán xạ Raman lớn hơn so với tán xạ Brillouin. KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 131
3. Nếu ánh sáng tán xạ có bước sóng lớn hơn bước sáng tán xạ. Từ các công thức (2) và (3), chúng sóng của ánh sáng tới thì được gọi là tán xạ ta hoàn toàn có thể xác định được nhiệt độ theo Stokes, ngược lại là tán xạ đối Stokes. Thực vị trí dọc theo sợi quang nếu đo được độ dịch chất tán xạ Raman Stokes xảy là tán xạ xảy ra tần số của tán xạ Raman, cường độ dải Stokes trên các nhóm nguyên tử ở trạng thái cơ bản, và đối Stokes và khoảng thời gian từ lúc phát tới trong khi tán xạ Raman đối Stokes xảy ra trên lúc nhận ánh sáng. các nhóm nguyên tử ở trạng thái kích thích. 3. PHÁT HIỆN SỰ RÒ RỈ NƯỚC BẰNG 2. NGUYÊN TẮC ĐO SỰ PHÂN BỐ CẢM BIẾN NHIỆT SỢI QUANG NHIỆT ĐỘ TRÊN SỢI QUANG 3.1. Nguyên tắc phát hiện sự rò rỉ nước Theo phân bố Boltzman, số phonon ở một bằng cảm biến nhiệt sợi quang trạng thái nào đó được tính theo công thức: Để lắp đặt và vận hành một hệ đo FOTS cần phải có các bộ phận chính sau: sợi quang có E  n n0 exp  (1) chiều dài thích hợp được chôn xuống nơi cần kT  khảo sát, thiết bị phát và thu tín hiệu, máy tính Trong đó ΔE là khoảng cách giữa mức năng công nghiệp với phần mềm xử lý số liệu và lập lượng kích và mức cơ bản của nhóm nguyên tử, bản đồ biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ, biến k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối, dạng theo vị trí (xem hệ đo DiTEST® được mô n0 và n là số phonon ở trạng thái cơ bản và trạng tả trong bởi Courivaud et al. (2011) để biết thêm thái kích thích. Cường độ dải tán xạ ứng với chi tiết). một tần số nào đó tỉ lệ với số phonon ở tần số đó. Hình 2 biểu diễn phổ của chùm sáng tán xạ. Bên cạnh dải tán xạ Rayleigh, phổ tán xạ chỉ ra các dải tán xạ Raman và Brillouin, các dải này chứa đựng các thông tin như nhiệt độ (T) và độ biến dạng tại vị trí tán xạ (ε). Các dải tán xạ Raman (Stokes và đối Stokes trong Hình 2) luôn có vị trí xác định so với dải Rayleigh. Cường độ Hình 3. Sơ đồ lắp đặt sợi quang để phát hiện của dải Stokes không đổi, trong khi cường độ vết rò rỉ trên sườn đê. Một sợi quang cung cấp của dải đối Stokes phụ thuộc gần như tuyến tính hàng ngàn cảm biến điểm liên tục trên suốt theo nhiệt độ (Rajeev et al., 2013). Như vậy, tỉ chiều dài (Inaudi và Church, 2011). số cường độ giữa hai dải này sẽ cho biết nhiệt độ tại vị trí tán xạ trên sợi quang học. Nhiệt độ FOTS đã và đang được nghiên cứu và ứng này được tính theo công thức (Porras, 2007): dụng một cách có hiệu quả trong việc cảnh báo h f I f f an toàn các hệ thống đê, đập hoặc các đường T ln S 4ln 0 (2) k I f f ống dẫn dầu, khí, nước. Hình 3 chỉ ra một ví dụ AS 0 về cách bố trí sợi quang trên sườn đê để theo dõi trong đó: T (K) là nhiệt độ tại vị trí tán xạ, h các vết rò rỉ. Sợi quang được rải đều trên sườn là hằng số Planck, k là hằng số Bolzmann, f0 là đê, một số điểm có thể được gấp lại để xuyên tần số của ánh sáng tới, Δf là độ dịch tần số của sâu vào thân đê để theo dõi sự rò rỉ ở chân đê, tán xạ Raman, IS và IAS là cường độ dải Stokes đập (Inaudi và Church, 2011). Một đầu của sợi và đối Stokes. quang được nối với thiết bị phát và đọc tín hiệu, Vị trí tán xạ được xác định theo công thức đầu còn lại được gắn gương phản xạ. Dữ liệu (Porras, 2007): được thu thập và phân tích và từ đó sẽ thu được v f t sự phân bố nhiệt độ doc theo sợi quang. Như xi (3) 2 vậy, sợi quang đóng vai trò như một tập hợp vô Trong đó xi là vị trí tán xạ, vf là tốc độ của số các cảm biến nhiệt được phân bố dọc theo ánh sáng trong sợi quang (xấp xỉ bằng 2.108 m/s chiều dài của nó. trong thủy tinh SiO2), Δt là thời gian từ lúc ánh Hình 4 chỉ ra sự phân bố nhiệt độ dọc theo sáng đi vào sợi quang cho tới khi nhận được ánh sợi quang được lắp đặt dọc theo một con đập 132 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
4. trong nghiên cứu của tác giả Rajeev và cộng sự Từ những năm 1990, phương pháp FOTS (Rajeev et al., 2013). Trường hợp không có các cũng đã được sử dụng để phát hiện các vết rò rỉ vết rò rỉ, sự phân bố nhiệt trên sợi quang là liên trên các đường ống dẫn nước, dẫn khí hoặc dẫn tục và không có sự bất thường lớn giữa các dầu với chiều dài giám sát lên tới vài trăm điểm gần nhau. Khi xuất hiện vết rò rỉ nước qua kilomet. Trong trường hợp này, sợi quang được đập, phân bố nhiệt xung quanh điểm đó sẽ bị gắn trên các đường ống và phương pháp giám thay đổi nên tín hiệu thu được sẽ xuất hiện các sát tương tự như đối với đê, đập. Tại các vị trí rò điểm bất thường. Trong hình 4, tại hai vị trí có khoảng cách 125 m và 200 m, phân bố nhiệt có rỉ trên đường ống, sự phân bố nhiệt cũng xuất dấu hiệu bất thường. Ở vị trí thứ nhất (125 m), hiện các bất thường như được biểu diễn trong nhiệt độ cao hơn phân bố nhiệt xung quanh Hình 5a. Tuy nhiên, với sự trợ giúp của phần trong khi ở vị trí thứ 2 (200 m) nhiệt độ giảm mềm vẽ bản đồ DiVIEW, toàn bộ hình ảnh của mạnh. Điều này chỉ ra dấu hiệu rõ ràng của sự đường ống được thể hiện trên giao diện sử dụng. rò rỉ dòng nước ấm từ dòng sông tại vị trí thứ Các điểm vượt quá ngưỡng cảnh báo được hiển nhất và dòng nước mát trong lòng đất tại vị trí thị bởi các màu đỏ hoặc vàng trên sơ đồ đường thứ 2. Ngoài việc phát hiện vết rò rỉ, phương ống (Hình 5b). pháp FOTS còn có thể phát hiện được các sự cố Ngoài công dụng đo nhiệt độ, sợi quang còn khác của đê, đập như hiện tượng tràn đập hoặc được sử dụng trong việc đo biến dạng tại một vị xói lở cục bộ (Inaudi và Church, 2011). trí nào đó (Rajeev et al., 2013). Nguyên tắc đo dựa trên quá trình tán xạ Brillouin, phép đo cần một cảm biến được thiết kế đặc biệt để đo độ dịch tần số tán xạ. Do độ dịch tần số Δf của ánh sáng tán xạ Brillouin phụ thuộc mạnh vào độ biến dạng (ε) của sợi quang tại vị trí tán xạ (Δf tăng khi ε tăng) nên căn cứ vào độ dịch tần số tán xạ chúng ta có thể xác định được độ biến dạng tại vị trí tán xạ. Phương pháp đo biến dạng Hình 4. Phân bố nhiệt dọc theo chiều dài của bằng sợi quang được ứng dụng để giám sát sự một con đập chỉ ra sự rò rỉ của dòng nước ấm biến dạng hoặc phát hiện các khe nứt trong các từ dòng sông và dòng nước lạnh trong lòng đất công trình xây dựng như cầu, đường hầm, các (Rajeev et al., 2013). tòa nhà hoặc các đường ống. Hình 5. Đồ thị của nhiệt độ là một hàm của khoảng cách trong quá trình kiểm tra rò rỉ. (a) Các vết rò rỉ xuất hiện rất rõ nét. (b) Giao diện cho thấy nhiều điểm bất thường xảy ra dọc theo đường ống. Một số công trình lớn trên thế giới sử dụng dài lên tới 150 km; đường hầm Gulou với chiều công nghệ này như: đường hầm qua eo biển Đài dài 1150 m tại thành phố Nam Kinh, Trung Loan, là đường hầm dài nhất thế giới với chiều Quốc; đường hầm tại Cairo, Ai Cập; đường hầm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 133
5. tại Sargans, Thụy Sĩ và đường ống tại Indonexia thường rất mảnh, nhẹ và linh hoạt nên nó rất dễ (Rajeev et al., 2013). Trong các công trình này, dàng để cài đặt trong hoặc trên cấu trúc mà sợi quang được gắn liền với vòm bê tông hoặc không làm giảm sức mạnh của cấu trúc. Các tín đường ống. Tất cả các sợi quang được kết nối hiệu thu được từ sợi quang ít bị ảnh hưởng bởi với một cáp quang và sau đó được liên kết với nhiễu hơn các thiết bị điện tử. Ngoài ra, do sợi phòng điều hành đặt tại trung tâm của công quang không bị gỉ nên có thể sử dụng lâu dài trình. Khi một điểm nào đó của công trình xảy ngay cả trong các điều kiện khắc nghiệt. ra biến dạng hoặc xuất hiện các khe nứt, sợi Mặc dù vậy phương pháp cảm biến sợi quang quang tại điểm này sẽ bị kéo căng. Điều này làm cũng có một số nhược điểm như: sợi quang khá độ dịch chuyển tần số Δf của dải tán xạ Brillouin mảnh nên dễ bị đứt do các tác động vô ý của tại điểm xuất hiện sự cố là lớn nhất so với các con người hoặc do các loài gặm nhấm; chi phí điểm lân cận, tín hiệu xuất hiện trên giao diện cho việc lắp đặt là khá cao (giá của thiết bị đọc máy tính dưới dạng một cực đại. Từ đó, chúng ta khoảng gần 100.000 USD và chưa sản xuất có thể xác định được vị trí xảy ra sự cố. Sử dụng được tại Việt Nam), tuy nhiên chúng ta có thể kỹ thuật này có thể phát hiện được các khe nứt cỡ đưa máy đọc tới các vị trí khác nhau do đó chỉ micromet (Ravet et al., 2009). cần sử dụng một thiết là có thể kiểm soát được 3.2. Ưu điểm của phương pháp cảm biến rất nhiều hệ thống. sợi quang 4. KẾT LUẬN So với các phương pháp giám sát truyền Trong khoảng 10 năm gần đây, phương pháp thống, phương pháp cảm biến nhiệt sợi quang sử dụng cảm biến nhiệt sợi quang đã được ứng có các ưu điểm sau: dụng trong việc giám sát các vết rò rỉ trong đê, Theo dõi liên tục. Phương pháp FOTS có thể đập và các đường ống dẫn khí, dẫn nước hoặc theo dõi đồng thời và liên tục cả nhiệt độ và sự dẫn dầu ở một số quốc gia như Đức, Ý, Anh, biến dạng theo không gian và theo thời gian. Trung Quốc Đây là một phương pháp giám sát Với một hệ thống mạng lưới sợi quang được bố hiện đại và đã được chứng minh về tính hiệu trí thích hợp, chúng ta có thể giám sát được sự quả của nó. Mặc dù vậy, các hiện tượng vật lý an toàn của đập cho mọi điểm trên cấu trúc. xảy ra trong sợi quang và ở môi trường xung Điều này là không thể thực hiện được đối với quanh nó là rất phức tạp. Các hiện tượng này có các thiết bị giám sát rời rạc. thể gây ra các tín hiệu nhiễu ảnh hưởng tới sự Khoảng cách giám sát dài. Phương pháp phân bố nhiệt độ thực tế trên sợi quang. Vì vậy, FOTS có thể theo dõi với một khoảng cách vài để đưa ra kết luận một cách chính xác về các sự chục km đối với đê, đập và đến hàng ngàn km cố cần phải có sự tham gia của các chuyên gia với đường ống. Hơn nữa, đây là phương pháp giàu kinh nghiệm, có kiến thức tốt về Vật lý. Tại theo dõi từ xa nên không cần sự hiện diện của Việt Nam, phương pháp FOTS còn là mới mẻ, con người tại vị trí giám sát. hiện chưa có nhóm nghiên cứu nào tiếp cận kỹ Độ chính xác cao. Phương pháp FOTS đạt thuật này. Chúng tôi hy vọng trong tương lai được độ chính xác cao, nó có thể đạt được độ gần, các các nhà khoa học và đội ngũ kỹ sư sẽ phân giải 0,05-0,1oC trên 1,0 m chiều dài sợi tiếp cận phương pháp tiên tiến này để đưa vào quang và có thể phát hiện ra khe nứt cỡ 1,0 μm. sử dụng trong việc giám sát sự an toàn của đê, Khả năng tương thích cao. Các sợi quang đập cũng như các công trình xây dựng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Courivaud J.R., P. Pinettes, C. Guidoux, J.J. Fry, Y.L. Beck (2011), “Fiber optics based monitoring of levees and embankment dams”, 31st Annual USSD Conference San Diego, California. Inaudi D., Church J. (2011), “Paradigm shifts in monitoring levees and earthen dams: Distributed fiber optic monitoring systems”, 31st Annual USSD Conference San Diego, California, USA. 134 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
6. Porras P. (2007), Fiber optic temperature measurements Further Development of the Gradient Method for Leakage Detection and Localization in Earthen Structures, Doctoral Thesis, Technischen Universität München. Rajeev P., Kodikara J., Chiu W.K., Kuen T. (2013), “Distributed Optical Fibre Sensors and Their Applications in Pipeline Monitoring”, Key Engineering Materials, 558, 424-434. Ravet F., F. Briffod, B. Glisic, M.Niklès, D. Inaudi (2009), “Submillimeter Crack Detection With Brillouin-Based Fiber-Optic Sensors”, IEEE Sensors Journal, 9(11), 1391-1396 Đào Trần Cao (2004), Cơ sở Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội. Abstract: FIBER OPTIC TEMPERATURE SENSORS AND THEIR APPLICATIONS IN EARLY- WARNING SYSTEMS OF DAM SAFETY Fiber optic temperature sensing is a new technique that has been used effectively to monitor dam safety in developed countries. An optical sensor cable acts as the sensing element and a quantitative measure can be performed at any position along the cable, making possible long range continuous measurements (tens of kilometers). Therefore, the optical cable may substitute for thousands of point sensors and provide a direct map of the temperature distribution. From the map, one can detect and monitor leakages through water retaining structures. In this article, we briefly present the structure of optical fiber cables, the operating principle of the fiber optic temperature sensors and their applications in early-warning systems of dam safety. Keywords: Fiber optic temperature sensors, Dam safety. BBT nhận bài: 11/4/2016 Phản biện xong: 20/5/2016 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016) 135