Measuring the inner pressure of a pipe from its outer surface using optical fiber

Abstract

This is a bachelor’s thesis researching optical fiber as a tool for measuring inner pressure of a pipe from its outside surface. It is written for the laboratory of nuclear safety of Lappeenranta-Lahti University of Technology LUT. Researching ways to measure pressure inside a pipe from its outer surface is important, because the methods that require getting inside the pipe can obstruct the flow inside. Thus, measuring the pressure inside the pipe from the outer surface using optical fiber can potentially prove as an attractive way of measuring pressure.

The measurement technique uses optical fiber to measure strain in a precise way. The point of the technique is to receive measurement data from numerous data points in fiber optic sensors with high resolution using optical frequency domain reflectometry, or OFDR for short. Straining of the optical fiber is caused by two phenomena: the difference in pressure inside and outside the pipe, and the difference in temperature inside and outside the pipe. The measurements were performed by flowing water through a pipe and measuring the strain caused on the optical fiber with ODiSI 6100 optical distributed sensor interrogator.

While the time for analyzing the results of the measurements was very short, the research provided promising results in showing the strain caused by 1 bar of pressure increase being 6.39 microstrains, which is over 15.5% more than initially expected.

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan optista venymäkuitua mittausvälineenä putken sisäisen paineen ulkopinnalta mittaamiseen. Kandidaatintyö on kirjoitettu Lappeenrannan-Lahden teknillisen yliopiston LUTin ydinturvallisuuslaboratoriolle. Tapojen mitata putken sisäistä painetta putken ulkopinnalta tutkiminen on tärkeää, koska mittaustavat, jotka vaativat putken sisälle pääsyä voivat häiritä putken sisäistä virtausta. Siksi putken sisäisen paineen mittaaminen putken ulkopinnalta optisella venymäkuidulla voi osoittautua houkuttelevaksi paineen mittaustavaksi.

Mittaustekniikka perustuu optisen valokuidun käyttämiseen tarkan venymän mittaamiseen. Mittaustekniikan avulla saadaan mittausdataa useista mittauspisteistä valokuidun sensoreissa korkealla resoluutiolla OFDR:n avulla. Optisen valokuidun venymää aiheuttaa kaksi ilmiötä: paine-ero putken sisä- ja ulkopuolella sekä lämpötilaero putken sisä- ja ulkopuolella. Mittaukset suoritettiin virtaamalla vettä putken läpi ja mittaamalla sen aiheuttamaa venymää optisessa kuidussa ODiSI 6100:n avulla.

Vaikka aika mittaustulosten analysointiin oli hyvin lyhyt, tutkimus tuotti lupaavia tuloksia näyttämällä yhden baarin painemuutoksen aiheuttavan 6,39 microstrainin painemuutoksen, mikä on yli 15,5 % enemmän kuin aluksi oletettu.