ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ

Предложение относится к измерительной технике и может быть использовано для мониторинга состояния протяженных объектов, таких, как, например, трубопроводы, мостовые сооружения, железные дороги и др.
Используемые в телекоммуникациях оптические кабели должны удовлетворять двум основным требованиям - обеспечивать низкие микроизгибные потери и малую нагрузку на оптические волокна при укладке. Первое достигается применением свободной трубки, в которую укладываются оптические волокна, а второе - преимущественно спиральной укладкой этой трубки в конструкции кабеля. Такого рода кабель выпускается серийно (источник - интерне-ресурс http://sarko.ru/volokonno-opticheskiy-kabel/kabel-okb.html).
Известный кабель включает центральный силовой элемент, периферийные оптические модули, выполненные в виде оптических волокон, свободно уложенных в трубчатые полимерные элементы, охватывающие центральный силовой элемент спиральным повивом по его длине в один слой, скрепляющую ленту, размещенную поверх периферийных оптических модулей и охваченную снаружи промежуточной полиэтиленовой оболочкой, и стальную проволоку (броню), размещенную между промежуточной и наружной полиэтиленовыми оболочками, при этом трубчатые элементы со свободно уложенными в них оптическими модулями, свободное пространство между периферийными оптическими волокнами и скрепляющей лентой, а также между промежуточной и наружной полиэтиленовыми оболочками оптических модулей заполнено гидрофобным заполнителем.
У известного кабеля оптические волокна оказываются разгруженными относительно продольной деформации кабеля в довольно значительных пределах (на уровне 1-2%). Имеется в виду, что такое удлинение кабеля не приводит к появлению в волокнах механических деформаций. Такой кабель можно использовать в качестве кабель-датчика, измеряющего температурное распределение, или для детектирования вибраций кабеля. Измерительное оборудование при этом может представлять собой рамановский рефлектометр, когерентный рефлектометр или бриллюэновский рефлектометр. Вместе с тем актуальной является задача определения статических деформаций объекта, например, трубопровода. Эта задача может быть решена применением бриллюэновского рефлектометра. Однако использовать телекоммуникационный кабель указанной выше конструкции невозможно, поскольку продольная деформация кабеля не передается на оптические волокна.
Известен внутриобъектовый оптический кабель, содержащий, по меньшей мере, один оптический модуль, состоящий из полимерной трубки, внутри которой размещено, по меньшей мере, одно оптическое волокно, силовой элемент и пластмассовую оболочку, при этом, по меньшей мере, 15% поверхности оболочки снабжено слоем адгезивного материала, выполненного в виде продольной полосы по всей длине кабеля (RU 66555, 2007).
Недостатком известного кабеля является то, что его конструктивные особенности направлены только на решение вопросов по его удобной прокладке, кабель не предназначен для независимого измерения температурного распределения и распределения механических напряжений.
Известен оптический кабель, содержащий центральный оптический модуль, состоящий из полимерной трубки, внутри которой размещено, по меньшей мере, одно оптическое волокно и элементы, препятствующие продольному распространению воды, повив стальных проволок вокруг оптического модуля и наружную полимерную оболочку. При этом повив стальных проволок размещен внутри полимерной оболочки, которая выполнена с толщиной, равной величине В, причем B=d+b, где d - диаметр стальной проволоки, а b - минимальная толщина слоя полимера между соседними стальными проволоками, а значение b - должно быть не менее d/2. В качестве элементов, препятствующих продольному распространению воды, используются водоблокирующие нити и/или порошок, причем повив выполнен стальными ламинированными проволоками (RU 90583, 2010).
Известный оптический кабель не может быть использован в качестве датчика, в котором продольная деформация кабеля максимально точно передается на одну группу оптических волокон, в то время как вторая группа волокон остается ненапряженной, не обеспечивает возможность независимого измерения температурного распределения и распределения механических напряжений, например, с помощью технологии бриллюэновской рефлектометрии или технологии, использующей брэгговские решетки.
Известен волоконно-оптический кабель, содержащий, по меньшей мере, один оптический модуль, состоящий по меньшей мере из одного оптического волокна, заключенного в заполненную гидрофобным компаундом полимерную трубку, силовой элемент и наружную защитную полимерную оболочку. Трубка и наружная оболочка выполнены из прозрачной полимерной композиции, а гидрофобный компаунд содержит люминофор, при этом в каждой трубке может содержаться люминофор, имеющий индивидуальный цвет или оттенок цвета люминесценции, силовой элемент расположен аксиально в центре кабеля и выполнен из анизотропного композитного материала на основе стеклопластика или из стальной оцинкованной проволоки в полимерной оболочке или из стального троса в полимерной оболочке, а оптические модули скручены вместе с дополнительно введенными полимерными кордельными заполнителями вокруг силового элемента. Силовой элемент может быть расположен под наружной оболочкой и выполнен в виде выпрессованной из прозрачной высокомодульной полимерной композиции трубы, внутри которой располагается, по меньшей мере, одно оптическое волокно. При этом все полимерные элементы могут быть выполнены из прозрачной пожаростойкой самозатухающей полимерной композиции (RU 63552, 2007).
Известный кабель решает вопросы предотвращения выпуска контрафактной продукции и его хищений и обладает теми же недостатками.
Известен кабель оптический, содержащий, по меньшей мере, один оптический модуль в виде трубки из полимерного материала, внутри которой уложены, по меньшей мере, одно оптическое волокно и гидрофобный заполнитель, бронепокров из одного или двух повивов стальных проволок, наложенных поверх оптического модуля, и оболочку из полиэтилена, при этом кабель дополнительно снабжен бандажом, выполненным из синтетических нитей и расположенным между бронепокровом и оболочкой (RU 38964, 2004).
Известный кабель обладает теми же недостатками - отсутствует возможность независимого измерения температурного распределения и распределения механических напряжений.
Задачей предложенного оптического кабеля является создание простого по конструкции оптического кабеля для использования его в качестве датчика, в котором продольная деформация кабеля максимально точно передается на одну группу оптических волокон, в то время как вторая группа волокон остается ненапряженной.
Техническим результатом предложенного оптического кабеля является достижение возможности независимого измерения температурного распределения и распределения механических напряжений, например, с помощью технологии бриллюэновской рефлектометрии или технологии, использующей брэгговские решетки.
Задача решается и технический результат достигается тем, что оптический кабель содержит центральный оптический модуль в виде одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке с возможностью предотвращения их осевого перемещения относительно последней, периферийные оптические модули, выполненные в виде одномодовых оптических волокон, свободно уложенных в трубчатые элементы, охватывающие центральный оптический модуль спиральным повивом по его длине, по крайней мере, в один слой, водоблокирующую обмотку, размещенную поверх периферийных оптических модулей и охваченную снаружи промежуточной оболочкой, и броню, размещенную между промежуточной и наружной оболочками.
В одном из частных случаев периферийные оптические модули, охватывают центральный оптический модуль по его длине в два слоя со встречным спиральным повивом в слоях.
Обычно металлическая трубка бывает выполнена из нержавеющей стали.
Как правило, для предотвращения осевого перемещения одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке, последняя бывает заполнена тиксотропным гелем повышенной вязкости или кремнийорганическим компаундом с низким модулем упругости и химическим отверждением.
В конкретном случае трубчатые элементы выполнены из полимера, например, полиэтилена, и вместе со свободно уложенными в них одномодовыми оптическими волокнами заполнены тиксотропным гелем стандартной вязкости.
В частном случае водоблокирующая обмотка может быть выполнена в виде спирально навитой ленты или спирально навитых нитей.
Броня обычно бывает выполнена в виде слоя из стальных оцинкованных проволок со спиральным повивом и, иногда, в виде двух слоев со встречным спиральным повивом в слоях.
На графическом изображении показан оптический кабель, поперечное сечение.
В конструкции оптического кабеля центральный оптический модуль 1 выполнен в виде одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке с возможностью предотвращения их осевого перемещения относительно последней. Металлическая трубка обычно бывает выполнена из нержавеющей стали.
Периферийные оптические модули 2 выполнены в виде одномодовых оптических волокон, свободно уложенных в трубчатые элементы 3. Оптические модули 2 охватывают центральный оптический модуль 1 спиральным повивом по его длине, в конкретном примере, в один слой. Однако возможна конструкция, когда периферийные оптические модули 2, охватывают центральный оптический модуль 1 по его длине в два слоя со встречным спиральным повивом в слоях. Трубчатые элементы 3, как правило, выполнены из полимера, например, полиэтилена. Трубчатые элементы 3 со свободно уложенными в них одномодовыми оптическими волокнами, обычно, заполнены тиксотропным гелем стандартной вязкости. Поверх периферийных оптических модулей 2 размещена водоблокирующая обмотка (на графике не показана). Водоблокирующая обмотка может быть выполнена в виде в виде спирально навитой ленты или спирально навитых нитей. Снаружи водоблокирующая обмотка охвачена промежуточной оболочкой 4. Броня 5 размещена между промежуточной и наружной оболочками 4, 6. Броня 5 в конкретном примере выполнена в виде слоя из стальных оцинкованных проволок со спиральным повивом, но может быть и в виде двух слоев из стальных оцинкованных проволок со встречным спиральным повивом в слоях.
В конкретном примере металлическая трубка с размещенными в ней одномодовыми оптическими волокнами заполнена тиксотропным гелем повышенной вязкости или кремнийорганическим компаундом с низким модулем упругости и химическим отверждением (например, СИЭЛ). Это предотвращает осевое перемещение одномодовых оптических волокон, размещенных в металлической трубке, относительно последней, т.е. способствует механической связи. Центральный оптический модуль 1 одновременно играет роль центрального силового (армирующего) элемента. Избыточность укладки одномодовых оптических волокон при изготовлении модуля 1 минимальна или равна нулю.
Периферийные модули 2 скручены вокруг центрального силового (армирующего) элемента. В модуле содержится (преимущественно от 2 до 6) оптических волокон. При необходимости увеличения количества оптических волокон допускается наложение второго слоя периферийных оптических модулей 2 с направлением скрутки (повива) противоположным предыдущему. Каждый модуль 2 содержит одномодовые оптические волокна, уложенные с нормальной избыточностью. Каждый модуль 2 заполнен тиксотропным гелем стандартной вязкости. Повив модулей 2 закреплен обмоткой из водоблокирующей ленты или нитей.
Для обеспечения необходимого уровня прочности указанный набор периферийных модулей 2 защищен промежуточной (полимерной, пластиковой трубкой) оболочкой 4, броней 5 и внешней оболочкой 6.
Работает оптический кабель следующим образом. В процессе эксплуатации объекта возникают температурные изменения и продольные деформации сопутствующего ему оптического кабеля. Оба указанных воздействия приводят к изменению частотного сдвига в спектрах бриллюэновского рассеяния, что и фиксируется бриллюэновским рефлектометром или анализатором. Разделить эти воздействия при использовании обычного оптического кабеля затруднительно. Однако в предлагаемом кабеле изменение температуры приведет к синхронному сдвигу частоты как в волокнах, расположенных в центральном модуле 1, так и в периферийных модулях 2, имеющих спиральный повив. Если же на каком-то участке оптического кабеля возникнут продольные деформации, обусловленные деформацией объекта контроля, то трубчатые элементы периферийных модулей 2 не передадут деформации на их оптические волокна, а металлическая трубка центрального модуля 1 передаст такие деформации на оптические волокна модуля 1. Этому способствует как геометрия укладки металлической трубки (отсутствие повива), так и ее наполнитель, препятствующий скольжению оптических волокон вдоль металлической трубки.
Использование предложения позволяет с помощью одного оптического кабеля в качестве кабель-датчика производить независимые измерения температуры, вибраций и статических механических деформаций при мониторинге состояния протяженных объектов, таких, как газо- и нефтепроводы, мостовые сооружения, объекты железнодорожной инфраструктуры и т.д. В свою очередь, мониторинг повышает безопасность эксплуатации таких систем в условиях подвижек грунта (оползни, карстовые явления), при несанкционированных воздействии третьих лиц, позволяет определять факт и координаты утечек продуктов из трубопроводов.