Światłowodowe rozłożone pomiary ciśnienia hydrostatycznego i temperatury

Nowe czujniki światłowodowe do jednoczesnego pomiaru ciśnienia i temperatury

Niewielkie rozmiary czujników światłowodowych, w porównaniu do ich elektrycznych odpowiedników oraz właściwości dielektryczne szkła krzemionkowego, z którego włókna optyczne zazwyczaj są zrobione, pozwalają na ich użytkowanie w różnych warunkach. Dlatego czujniki światłowodowe są z powodzeniem stosowane od wielu lat – przy zachowaniu niskich kosztów instalacji i konserwacji. Jednak większość proponowanych na rynku czujników światłowodowych przeznaczona jest do pomiaru tylko jednego parametru. Czy możliwe jest jednoczesne (w czasie rzeczywistym) monitorowanie zmian ciśnienia hydrostatycznego oraz temperatury? To sprawdza dr hab. inż. Gabriela Statkiewicz-Barabach, prof. Politechniki Wrocławskiej z Katedry Optyki i Fotoniki Wydziału Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej. Prace są możliwe dzięki finansowaniu z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG) w ramach działania Proof of Concept realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Jednoczesne pomiary dwóch różnych parametrów fizycznych, w tym ciśnienia hydrostatycznego i temperatury są kluczowe np. przy wykonywaniu odwiertów w przemyśle naftowym i gazowym, w monitorowaniu przepływów i stanu wód w terenie, czy też w geotechnice i odwiertach geotermalnych. Potencjał wdrożeniowy systemu światłowodowego, który pozwoli na jednoczesne monitorowanie tych dwóch parametrów na dużej odległości lub na dużym obszarze, z wysoką rozdzielczością przestrzenną, wydaje się być zatem naprawdę duży.

„Zaproponowana koncepcja będzie opierała się na pomiarach amplitudy rozpraszania Rayleigha, co pozwoli na wykonywanie pomiarów na dużych odległościach (od kilku do kilkudziesięciu metrów), z bardzo dobrą rozdzielczością przestrzenną (co oznacza, że pomiar jest wykonywany co około 1 milimetr). Taka rozdzielczość jest nieosiągalna przy wykorzystaniu czujników światłowodowych opartych o siatki Bragga, które są obecnie dostępne komercyjnie. Natomiast systemy detektorów światłowodowych, które oferują wysoką rozdzielność przestrzenną są wrażliwe zarówno na zmiany temperatury, jak i na zmiany odkształceń światłowodu. Takie systemy wykorzystywane są na przykład do kontroli stanu naprężeń mostów lub budynków. Niestety przez to, że reagują zarówno na zmiany temperatury, jak i odkształceń, to na podstawie sygnału, który z nich otrzymujemy, nie jesteśmy w stanie rozróżnić wpływu tych dwóch różnych parametrów.  W naszych badaniach będziemy chcieli rozwiązać ten problem. Wykorzystamy w nich specjalny światłowód dwójłomny typu side-hole, opracowany przez nasz zespół, a także nowy, specjalny system detekcji” – wyjaśnia prof. Statkiewicz-Barabach.

Jak podkreśla badaczka, ze względu na zidentyfikowany duży rynek potencjalnych odbiorców tego rozwiązania oraz praktycznie brak konkurencyjnych produktów, technologia opracowana przez zespół z Politechniki Wrocławskiej może wypełnić istniejącą lukę rynkową w Polsce i za granicą. Pomysłów na jej zastosowanie z pewnością będzie przybywać z roku na rok, chociażby ze względu na małe rozmiary czujników światłowodowych, które dzięki temu mogą zostać zastosowane we wszystkich trudno dostępnych miejscach i wszędzie tam, gdzie nie zmieszczą się czujniki standardowe.

Prof. Statkiewicz-Barbach prowadzi badania nad nowymi czujnikami światłowodowymi razem z mgr inż. Agnieszką Bednarek, także z Katery Optyki i Fotoniki.

Dr hab. inż. Gabriela Statkiewicz-Barabach ukończyła studia na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej na kierunku fizyka techniczna, ze specjalnością inżynieria biomedyczna. Po uzyskaniu stopnia doktora została zatrudniona w Instytucie Fizyki Politechniki Wrocławskiej, gdzie następnie uzyskała stopień doktora habilitowanego. Aktualnie jest pracownikiem Katedry Optyki i Fotoniki na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej. Kierowała projektami naukowymi, m. in. Miniatura, Iuventus Plus, Opus. Wyniki jej badań zostały opublikowane w 48 artykułach w międzynarodowych czasopismach naukowych, a prace te były cytowane ponad 1000 razy (bez autocytowań), h index-20. Jej zainteresowania naukowe koncentrują się wokół optyki światłowodów, w szczególności czujników światłowodowych oraz technologii strukturyzowania włókien optycznych.