Применение волоконных датчиков для измерения скорости потока воды

Группа ученых из Испании представила новый метод измерения скорости воды в каналах и реках с использованием оптоволоконных датчиков, основанных на брэгговских решетках (ВБР).

Предпосылки
Скорость потока воды является важным параметром для многих областей, таких как ирригация, борьба с наводнениями, гидроэнергетика, оценка качества водных ресурсов и др. Однако, ее измерение является сложной задачей ввиду необходимости наличия точных, надежных и компактных измерительных устройств.

Обычные расходомеры обладают рядом ограничений, например, высокой стоимостью, требованиями к техническому обслуживанию, необходимостью калибровки и потенциальными погрешностями в измерении скорости потока воды. Их альтернативой являются волоконно-оптические датчики, основанные на пропускании и отражении света. Они также позволяют измерять скорость в различных местах по всей длине волокна, тем самым обеспечивая высокое пространственное разрешение, недостижимое для других методов.

Описание исследования
Ученые спроектировали и сконструировали волоконно-оптический датчик, а также провели ряд тестов для измерения скорости потока воды на основе ВБР. При попадании света в волокно, ВБР отражала определённую длину волны в зависимости от деформации волокна.

Деформацию можно определить, измерив сдвиг длины волны отраженного света. Она вызвана гидродинамической силой воздействия потока воды на волокно, связанной со скоростью воды, с помощью уравнений гидродинамики. Таким образом, рассчитать скорость воды можно с помощью измерения деформации волокна.

Ученые использовали два типа оболочек для ВБР: стандартную акрилатную и алюминиевую, которая является более устойчивой к коррозии в условиях повышенной влажности. Также используемые волокна отличались диаметром: 250 мкм для акрилатного и 180 мкм для алюминиевого.
Сами датчики были протестированы в лабораторных и полевых условиях с использованием различных скоростей потока, уклонов канала и высот положения.

Также в ходе исследования были проведены сравнительные анализы с электромагнитным и механическим расходомерами, которые считаются высокоточными приборами.

Результаты исследования
В ходе экспериментальных исследований волоконный датчик многократно измерял скорость воды с высокой точностью. Отклик на скорость воды был линейным, причем сдвиг длины волны был пропорционален деформации волокна.
Показатели датчика совпали с теоретическими расчетами, компьютерным моделированием и данными расходомера.
Также, по словам ученых, волокно с алюминиевой оболочкой обладает большей чувствительностью и меньшим гистерезисом, по сравнению с волокном с акрилатной оболочкой.
Кроме того, датчик фиксировал распределение скоростей вдоль поперечного сечения канала: более высокие скорости были в центре и около поверхности воды, более низкие – около стенок и ближе ко дну.

Применение
Разработанные датчики могут быть применены для измерения скорости воды в открытых каналах и реках, что необходимо в таких областях, как экологический мониторинг, гидротехническое строительство, управление водными ресурсами и др. Они также могут предоставить информацию об условиях течения воды, таких как скорость расхода и турбулентность потока, что необходимо в таких областях, как оценка качества воды или изучение водных экосистем.
Данные датчики могут помочь в проектировании и оптимизации гидротехнических сооружений, например плотин или водосбросов, путем точного измерения параметров потока воды, оценки гидравлических характеристик и КПД. Также их можно применять в области планирования и эксплуатации систем водоснабжения и распределения, в том числе ирригации, питьевом водоснабжении и управлении сточными водами, так как мониторинг расхода и объема воды позволяет более эффективно использовать водные ресурсы.

Итоги
Таким образом, новый подход к измерению скорости потока воды оказался достаточно эффективным. В отличие от других методов, он является более точным и надежным, а также обладает высокой чувствительностью, быстрым откликом и является устойчивым к электромагнитным помехам. Кроме того, он позволяет измерять скорость в нескольких точках одновременно.
Также этот тип датчиков можно интегрировать с другими волконно-оптическими датчиками, например, для измерения температуры, мутности и проч. для создания комплексной и надежной системы мониторинга водных пространств.