Pętla światłowodowa

Wyniki pomiarów przemieszczeń różnych obiektów względem siebie (pomiary względne) lub względem ich otoczenia (pomiary bezwzględne) mają decydujący wpływ na podejmowanie decyzji odnośnie lokalizacji w terenie nowych obiektów, a także na opracowanie orzeczeń i opinii dotyczących stanu bezpieczeństwa budowli już istnieją-cych.

Na wielu istniejących obiektach inżynierskich można się spotkać z występowaniem znacznych różnic wysokości między punktami kontrolowanymi położonymi na różnych fragmentach oddzielonych dylatacjami, a także z występowaniem w otoczeniu badane-go obiektu specyficznebadane-go mikroklimatu charakteryzującebadane-go się nierównomiernym rozkładem temperatury i jej gradientów, dużą wilgotnością powietrza itp. Warunki takie utrudniają a okresowo całkowicie uniemożliwiają prowadzenie optycznych obserwacji geodezyjnych. Skutkiem nierównomiernych rozkładów temperatury jest rozszerzanie i kurczenie się materiału, z którego zbudowany jest obiekt, a w efekcie – zmiany położe-nia osadzonych w nim punktów geodezyjnych (Żak, 1981; Bryś, 2002).

Obecnie stosowane przyrządy do pomiaru temperatury można podzielić na wymaga-jące bezpośredniego kontaktu z powierzchnią badanego ciała i są to termoelementy i termistory oraz bezdotykowe pozwalające na zdalny pomiar temperatury obiektu – termowizyjne (Gocał, 1993).

Współczesne tachymetry elektroniczne charakteryzują się coraz lepszymi parame-trami dokładnościowymi pomiaru odległości i kątów (Płatek, 1995). W przypadku pomiarów długości dalmierzem w otwartej atmosferze ostateczną odległość wyznacza-my ze wzoru: 1 c D t 2 n = ⋅ ⋅ (5.6) gdzie:

c – prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni, n – współczynnik załamania fali świetlnej w ośrodku pomiarowym, t – czas przebiegu sygnału pomiarowego na drodze pomiaru.

Występujący we wzorze współczynnik załamania fal elektromagnetycznych w atmosferze – n określany jest na podstawie pomiarów ciśnienia atmosferycznego, prężności pary wodnej w powietrzu i temperatury powietrza. Światłowód jako prze-wodnik światła charakteryzuje się również pewnym współczynnikiem załamania światła przyjmującym dla światłowodu najczęściej wartość 1,48. Wspomniany współ-czynnik ulega zmianom zależnym od wartości temperatury otaczającego środowiska. Występujące zjawisko fizyczne zmiany odległości mierzonej dalmierzem elektroop-tycznym od współczynnika załamania fali w powietrzu oraz zmienność temperaturowa współczynnika załamania światła w światłowodzie skłoniły autora do opracowania projektu zdalnego pomiaru temperatury pętlą światłowodową za pomocą dalmierza elektrooptycznego (Ćmielewski, 2003d).

Budowa i zasada posługiwania się pętlą światłowodową

Na rysunku 5.74 przedstawiono zastosowanie linii światłowodowej z pętlą na badanym obiekcie (Ćmielewski, 2003d).

Rys. 5.74. Schemat zastosowania linii światłowodowej z pętlą do zdalnego pomiaru temperatury na badanym obiekcie

Fig. 5.74. Application scheme of optical fibre line with loop for remote temperature measuring on researched object

Pętla światłowodowa w pojemniku umieszczona jest w pobliżu danego punktu kontrolowanego, natomiast przy słupie bądź stanowisku obserwacyjnym umieszcza się optyczne układy: wejściowy i wyjściowy z końcówkami odcinków światłowodów znajdujących się w osłonie i połączonych z pętlą światłowodową. Podczas pomiaru temperatury dalmierz elektrooptyczny emituje falę pomiarową, która za pomocą optycznego układu wejściowego wprowadzana jest do jednego końca odcinka światło-wodu i propagowana jest poprzez pętlę światłowodową do drugiego końca odcinka światłowodu, a dalej wyprowadzana do dalmierza przez optyczny układ wyjściowy. Wynik pomiaru odległości mierzonej w pętli, na podstawie formuły matematycznej uzyskanej z pomiaru kalibracyjnego, pozwala określić aktualną temperaturę występują-cą w podłożu otoczenia punktu kontrolowanego. Przedstawiona na rysunku 5.74 linia światłowodowa biegnąca od stanowiska obserwacyjnego do pojemnika ze zwojem światłowodowym, mimo osłony termoizolacyjnej, nie jest uwolniona od wpływów temperatury podłoża obiektu. Dla ustalenia efektu ilościowego występującego zjawiska opisana pętla światłowodowa wyposażona jest dodatkowo w kontrolną pętlę światłowo-dową, jak na rysunku 5.75. Umieszczona jest ona w osłonie termoizolacyjnej w bezpo-średnim sąsiedztwie linii pomiarowej pętli światłowodowej i dochodzi do pojemnika. Wyznaczona temperatura w kontrolnej pętli światłowodowej pozwala zredukować wyznaczoną temperaturę w pętli podstawowej do temperatury panującej w otoczeniu pojemnika.

Rys. 5.75. Schemat budowy pętli światłowodowej Fig. 5.75. Structure of optical fiber loop

Przykład wyznaczenia empirycznej zależności zmiany temperatury otoczenia pętli

światłowodowej przy skokowych zmianach długości drogi transmisji sygnału pomiarowego dalmierza TC1800

Dla określenia zależności pomiędzy przyrostem temperatury a przyrostem mierzonej długości ustawiono na podstawie bazy światłowodowej tachymetr TC 1800, a w komo-rze termicznej umieszczono pętle światłowodową o długości 595 m (rys. 5.76 i 5.77). Podczas pomiarów temperaturę w komorze termicznej zmieniano w zakresie od 22,6°C do 30,2°C ze skokiem 0,1°C w odstępach 10-minutowych. Dla każdego skoku tempera-tury przeprowadzono dziesięciokrotny pomiar odległości dalmierzem elektrooptycznym w pętli światłowodowej. Wspomniane pomiary odległości uśredniono, a następnie każdej wartości przypisano temperaturę pętli światłowodowej panującą w komorze termicznej (Ćmielewski, 2003d).

W celu opisania zależności funkcyjnej pomiędzy wzrostem temperatury i pomierzo-ną długością szukano takiej funkcji matematycznej, która by najlepiej odzwierciedlała rozkład otrzymanych wartości empirycznych. Za najbardziej zbliżoną została przyjęta funkcja o postaci parabolicznej. Wyznaczona funkcja dla danych empirycznych przed-stawionych w pracy (Ćmielewski, 2003d) wyraża się wzorem:

2

T= −21100 D⋅ +18742335,39932 D-4162027649,53591⋅ (5.7) gdzie:

Rys. 5.76. Schemat rozmieszczenia aparatury pomiarowej podczas wykonywania doświadczeń Fig. 5.76. Scheme of arrangement of measuring equipment during experiments

Rys. 5.77. Widok aparatury pomiarowej w trakcie doświadczeń Fig. 5.77. View of measuring equipment during experiments

Wykres funkcji przedstawiono na rysunku 5.78.

Rys. 5.78. Graficzne przedstawienie wyników pomiarów i wpasowanej krzywej Fig. 5.78. Graphic presentation of measurement and fitted curve results

Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów doświadczalnych niepewność pomia-rowa określenia temperatury wyniosła O

0.3 C

σ = . Krzywa przedstawiona na wykresie (rys. 5.78) dotyczy indywidualnego przypadku (konkretnie użyty w doświadczeniu światłowód) i nie jest miarodajna dla opisanej metody. Wyznaczona w sposób testowy funkcja dotyczy użytego rodzaju światłowodu i jego długości. Przed zainstalowaniem na obiekcie innego rodzaju pętli światłowodowej należałoby ustalić zależność funkcyj-ną temperatury względem mierzonej długości. Powyższą czynność można przeprowa-dzić sposobem opisanym powyżej.

5.1.2.7. Charakterystyka systemów i przyrządów do pomiaru różnic wysokości,