Такое может быть после землетрясения, военных действий или теракта. Но дома рушатся и в мирное время. Всему виной — ошибки проектировщиков, небрежность строителей или чья-то преступная халатность. По данным организации "Городской центр экспертиз", в России только в прошлом году неожиданно рухнули 58 зданий. Под обломками погиб 41 человек, 58 пострадали.
Решить проблему, а, значит, сохранить сотни жизней по всему миру, постарались ученые. Российские инженеры разработали датчики, способные круглосуточно на расстоянии следить за состоянием жилых домов, небоскребов, мостов и тоннелей.
"Темпы жизни увеличиваются, увеличивается потребность мониторинга и промышленных объектов для безопасности, строительных конструкций", — отмечает генеральный директор предприятия "НЦВО-Фотоника" Алексей Заренбин.
Невидимые глазу системы учета и контроля, так называемая телеметрия, теперь не только следит за безопасностью. Она лечит болезни, контролирует чистоту экологии, помогает в бизнесе. Подробнее об этом — Иван Судаков, генеральный директор, главный конструктор ОКБ "Вектор": "Если вы контролируете, то вы можете прогнозировать, сберегать, сохранять. Вы можете эффективно торговать. Если вы не измеряете и не контролируете, то вы не можете делать абсолютно ничего".
Старт технологии производства оптоволоконных световодов. Они – основа для высокочувствительных датчиков нового поколения. "В процессе происходит полировка кварцевого стержня, который является заготовкой будущего волоконного световода, — рассказывает младший научный сотрудник Научного центра волоконной оптики РАН Владимир Вельмискин. — Иначе говоря, очистка его поверхности с помощью высокотемпературного пламени. Все примеси и грязь, которые держатся на поверхности стержня, просто сгорают и улетают".
Далее – вытяжка самого световода. Автоматическая установка, которая занимает 3 этажа здания, разогревает очищенный кварцевый стержень до 2000 градусов, и он начинает течь. Оператор на нижнем этаже подхватывает образующийся стеклянный волосок и направляет его на специальную катушку. Толщина каждой нити стекловолокна почти такая же, как у человеческого волоса – 125 микрон. Однако по крепости световод сопоставим со стальной проволокой.
"Волоконные световоды очень прочные и долгоживущие, — отмечает академик, директор Научного центра волоконной оптики РАН Евгений Дианов . — Их прокладывают под водой, в океанах. Они живут десятки лет. На самом деле никто не знает сколько, но это несколько десятков лет".
Без оптического стекловолокна сегодня немыслима надежная связь, высокоскоростной интернет, работа суперкомпьютеров, жизнь глобальных информационных систем, как отдельных государств, так и целых континентов. Однако наши ученые и инженеры пошли дальше. Специалисты предложили использовать стекловолокно для измерения почти всего, что нас окружает – от атмосферного давления до температуры тела.
"Это могут быть датчики деформационно-напряженного состояния, внедренные в бетон, — поясняет Алексей Заренбин. — Это могут быть датчики, приваренные к арматуре и измерять напряженное состояние самой арматуры, находящейся в бетоне. Это могут быть датчики температуры, вибрации".
Превращение световода в высокочувствительный датчик идет в несколько этапов. Сначала со световода снимают защитное полимерное покрытие. Далее — очищенный участок облучается ультрафиолетовым лазером. Его энергия подобрана так, чтобы в сердцевине волокна образовывались особые структурны — штрихи. Специалисты их называют решетками Брэгга. На участке всего в 5 миллиметров можно разместить около 10 тысяч штрихов решетки Брэгга, а расстояние между ними окажется лишь несколько микрон.
Оптоволоконный датчик начнет работать, если в "облученный" световод ввести луч лазера. При малейшем изменении температуры или деформации микронные расстояния между штрихами начинают изменяться. Это влияет на спектр отражения этих решеток. "Отражаясь от Брэгговской решетки, свет попадает на спектрометр, и мы регистрируем изменения периодической структуры Брегговской решетки", — продолжает Алексей Заренбин.
Еще одно применение телеметрии – круглосуточный контроль за расходом нефтепродуктов. Высокоточный датчик уровня должен четко определить, сколько в многотонном подземном резервуаре отходов нефтепродуктов, а сколько воды.
"Мы мерим массу, которая находится в слое в 1 миллиметр, — говорит Сергей Волк – директор лаборатории компании "Промприбор". — Это в зависимости от уровня налива поверхность имеет разную площадь. Но мы мерим четко, надежно, с гостовской точностью в 95% достоверности – один миллиметр".
Понять, откуда же берется такая точность, можно, если сымитировать работу датчика в лаборатории. Вместо нефтепродуктов здесь — ярко красное масло. "На измерительный элемент нашего датчика надеты 2 поплавка, — сообщает руководитель отдела разработки программного обеспечения ОКБ "Вектор" Артем Казанов. — Каждый подобран под свою плотность. Соответственно один поплавок мерит уровень масла, а второй – воды. Данная информация обрабатывается в датчике и передается на верхний уровень по открытым протоколам".
Принцип действия датчика основан на так называемом эффекте магнитострикции. Это изменение геометрических размеров тел под действием магнитного поля. Чтобы измерить уровень жидкости, в резервуар опускают металлический волновод, вдоль которого свободно двигается специальный поплавок. Внутри поплавка — обычный магнит. Волновод подсоединен к датчику, из которого подается электромагнитный импульс. Из-за магнитострикционного эффекта поплавок создает незаметную глазу механическую деформацию волновода. Отразившись от этой деформации, ультразвуковой импульс возвращается в датчик, который вычисляет уровень жидкости по времени запаздывания отраженного сигнала.
Преимущество методики — в ее долголетии и абсолютной пожарной безопасности. Но главное достоинство — все та же точность. Даже легкое качение поплавка вызывает мгновенное изменение показаний на компьютере и времени прохождения импульса. На практике это означает, что ошибка в измерении для многотонных топливных резервуаров не превысит всего нескольких литров. Говорят, многие начальники нефтебаз, узнав про такую точность, сознательно теперь тормозят внедрение новой технологии.
"Сертифицированная точность нашего датчика составляет плюс-минус 1 миллиметр, — уточняет Артем Казанов. — Но испытания прошли в сертификационном центре на 0,5 миллиметре. Но при поверке такого датчика на 0,5 миллиметре нет необходимого оборудования. Соответственно, нам пришлось его сертифицировать на плюс-минус 1 миллиметр".
Еще одно достоинство этой технологии – возможность вести учет и контроль за тысячи километров от места измерения. Например, резервуары одной из нефтебаз в Башкирии. Для полной картины их заполнения в Москве достаточно нажать лишь несколько кнопок на компьютере. До этого топливные компании были вынуждены работать только на дорогостоящем импортном оборудовании. Нашим специалистам удалось создать свою, более доступную, технологию.
"Путем применения наших ноу-хау в приборе, — замечает Иван Судаков. — И нам удалось сократить цену относительно импортных датчиков такого же качества, не совру, минимум в 5 раз. При этом без потери качества".
Миниполигон для демонстрации возможностей волоконно-оптических датчиков. Вся магистраль буквально напичкана сенсорами учета и контроля. По-научному это называется "мониторинг физических величин". "Здесь мы можем видеть датчики давления, деформации, датчик прогиба моста и температуры, — рассказывает Александр Игнатьев – инженер-конструктор НЦВО-Фотоника. — Например, датчик температуры при проезде моста позволяет видеть изменение температуры в определенной точке, представленное в графическом виде на мониторе".
Сфера применения подобных датчиков сегодня ограничивается лишь фантазией конструкторов. Например, в современном авиалайнере, большая часть которого — из композитных материалов, оптоволокно можно укладывать прямо в карбоновые слои крыльев, фюзеляжа, обтекателей. В медицине все больше требуется контролировать температуру в тканях организма, прямо в месте проведения операции. Например, при лазерной хирургии сосудов ног, или при выжигании тем же лазером доброкачественных опухолей. "Преимущество волоконной оптики заключается в том, что диаметр световода — 250 микрон, и его можно вместе с инвазивной иглой ввести прямо в организм", — добавляет Алексей Заренбин.
Еще одно перспективное направление – экологический мониторинг. Высокочувствительные датчики загазованности воздуха дороги, недолговечны, требуют постоянного обслуживания. Стекловолокно же по определению лишено всех этих недостатков. "Волоконно-оптическое устройство можно сделать длинным — полкилометра, километр, сколько угодно, — говорит Евгений Дианов. — И чувствительность сильно повышается, поэтому мне кажется, датчики температуры, деформации, давления хорошо разработаны. Но контроль среды обитания — эта проблема еще не решена".
Сфера применения магнитострикционных датчиков также постоянно расширяется. Точное измерение количества жидкостей остро необходимо, например, в фармакологии — применение новой технологии повысит качество выпускаемых лекарств. В пищевой промышленности это может удешевить производство безалкогольных напитков и молочных продуктов. Но еще большие перспективы открываются для автономных датчиков с беспроводными технологиями.
"Датчик, который бы обменивался уже с устройствами отображения информации по радиоканалу, — рассуждает Иван Судаков. – И мы можем гарантировать работу до нескольких лет без замены элементов питания".
Обе высокотехнологичные компании – резиденты столичных технопарков. Курирует их работу Департамент науки, промышленной политики и предпринимательства Москвы. По мнению предпринимателей, это территории, где созданы все необходимые условия для роста и развития инновационного бизнеса, ведь хорошую прибыль наукоемкие технологии могут дать лишь через несколько лет, когда общество будет готово сделать еще один шаг на пути прогресса.
"Мы — единственный технопарк, где есть технопарк и бизнес-инкубатор, — констатирует генеральный директор технопарка "Строгино" Сергей Теплов. — Мы от идеи через бизнес-инкубатор до организации производства всю эту лестницу организуем и вместе с проектами ее проходим, что позволяет им активно развиваться и расти. Те, кто приходят через бизнес-инкубатор, около 70% активно работают".
Такая статистика дает возможность молодым инновационным предприятиям вести самостоятельную, независимую деятельность. Новая технология появится только тогда на рынке, когда она будет полностью подготовлена к массовому внедрению.
"У нас были предложения профинансировать нас со стороны крупных компаний, крупных финансистов, фондов, — признается Иван Судаков. — Но это бизнесмены, которых интересуют только деньги".
Возможно, через несколько лет повсеместная телеметрия станет таким же обыденным явлениям нашей жизни, как сотовые телефоны, скоростные авиалайнеры, уходящие в бесконечность мосты, теряющиеся в поднебесье небоскребы. Технологии могут быть безопасными, если вести правильный учет и контроль.
