СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ, КОТОРЫЙ ИСПОЛЬЗУЕТ ОПТОВОЛОКОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ В КАЧЕСТВЕ ДАТЧИКА
METHOD TO MEASURE LENGTH OF ELECTRIC CABLE, WHICH USES OPTIC FIBRE ELEMENT AS SENSOR

Настоящее изобретение направлено на способ измерения длины электрического кабеля.
Длина кабеля может играть ключевую роль в передаче сигналов, переносимых посредством его. WO 2010/126467 раскрывает способ указания длины входного кабеля для сигналов последовательного цифрового интерфейса. Способ содержит измерение дифференциала, который изменяется между первым (+1В) и вторым (-1В) значениями приблизительно линейно по отношению к характеристике сигнала на конце кабеля, и перевод измеренного дифференциального напряжения в измерение длины кабеля.
WO 2010/092256 описывает устройство для измерения длины перемещающегося кабеля, снабженного отметками, которые зафиксированы вдоль кабеля с предварительно определенными интервалами. Устройство содержит электронные устройства детектирования, которые подходят для автоматического детектирования, на перемещающемся кабеле, каждого локального изменения поперечной геометрии, связанного с наличием отметки.
Каротажные работы в нефтяных и газовых скважинах, как правило, требуют точного определения местоположения прибора для проведения каротажа в стволе скважины. Для осуществления точного определения местоположения прибора для проведения каротажа во время каротажных работ применяется отслеживание подземной длины кабеля или каната, поддерживающего прибор для проведения каротажа, погруженного в ствол скважины или размотанного кабельными лебедками. Отслеживание длины может быть выполнено с использованием калиброванного счетного колеса, которое точно соответствует диаметру каната или кабеля, установленного на кабельный барабан/катушку лебедки, чтобы формировать длину пробега сигнала для длины размотанного или намотанного кабеля. US 6745487 описывает устройство измерения подземной длины кабеля, содержащее три главных компонента: установку для измерения вращательного расстояния; установку для калибровки вращение-длина и модуль процессора.
Использовались датчики длины кабеля для кабелей, которые наматываются на кабельный барабан. Как правило, кабель закрепляют на одной из его конечных сторон и предварительно натягивают с помощью элемента возврата. Поскольку диаметр кабельного барабана известен, длину размотанного кабеля можно определить с помощью датчика посредством модуля оценки, который обычно является внешним. US 2008/0141548 относится к датчику длины кабеля, в котором устройство возврата располагают в корпусе, а также обеспечивают средства соединения для соединения устройства возврата с направлением вращения кабельного барабана. Фиксирующие средства, которые могут приводиться в действие из-за пределов корпуса и которые служат для фиксирования текущего положения устройства возврата, в частности, по меньшей мере, слабо предварительно натянутого исходного положения устройства возврата, связывают с корпусом.
Для некоторых практических приложений покупатели могут оплачивать кабель и его установку в соответствии с общей заказанной или установленной длиной. В таких случаях может быть полезным измерять длину кабеля после установки без требования ее измерения до этого. US2006/181283 раскрывает механизм диагностики кабеля, который использует TDR (TDR - Time Domain Reflectometry - временная (во временной области) рефлектометрия), чтобы определить и идентифицировать повреждения кабеля, провести оценки длины кабеля, идентифицировать топологию кабеля, идентифицировать нагрузку и неоднородный импеданс на металлическом парном кабеле, таком как скрученная пара и коаксиальные кабели.
Поскольку измерения, выполненные с использованием TDR, проводятся на электрических проводниках, то, когда проводники объединены в жгут вокруг оси кабеля - это очень распространенная конфигурация - длина проводника больше, чем длина кабеля, и эта разница не известна с достаточной точностью, поскольку шаг укладки точно не контролируется.
WO 08/073033 описывает систему мониторинга изгиба и деформации силового кабеля, присоединенного к перемещающейся морской платформе, путем измерения деформации в оптических волокнах, прикрепленных к или встроенных в силовой кабель. Изгиб силового кабеля будет увеличивать деформацию оптоволокна, и эта деформация будет изменять оптические свойства оптоволокна. Изменение оптических свойств можно измерить с помощью оптического временного рефлектометра (OTDR) или оптического частотного рефлектометра (OFDR).
GB 2368921 раскрывает скважинный кабель, имеющий разнесенные концы, включающие первый конец и второй конец, тонкостенный металлический трубчатый профиль, вытянутый от его первого конца к его второму концу, и, по меньшей мере, одно волокно, расположенное оптически неплотно в пределах тонкостенного металлического трубчатого профиля и вытянутое от его первого конца до его второго конца. По меньшей мере, одно оптоволокно имеет, по меньшей мере, одну волоконную брегговскую решетку.
EP 0203249 раскрывает силовой кабель среднего (от 6 до 60 кВ) напряжения, который содержит, по меньшей мере, один оптоволоконный температурный датчик и/или оптоволоконный тензодатчик.
Обычно электрические кабели поставляют покупателям намотанными вокруг бобин, вместе с информацией о номинальной длине намотанного кабеля. Для некоторых практических приложений, таких, как использование в условиях нисходящей скважины, может быть важным знать ”реальную” длину питающего кабеля, чтобы определить маршрут кабеля вдоль развертывания. Очевидно, что даже пренебрежимо малые длины, такие как 1 м или меньше, особенно при их пропуске, могут стать результатом затруднений.
Заявитель обнаружил, что в некоторых случаях покупатель может запросить кабель, который обеспечен стыковочными соединителями, которые необходимо обеспечить на заводе, перед поставкой кабеля. Подготовка концов кабеля для стыковочного соединения на заводе имеет большие преимущества в упрощении процедуры стыковки в условиях эксплуатации и работе в контролируемых (чистых) условиях окружающей среды с более высокими качественными результатами. В этом случае, если длина секции кабеля между последовательными стыковочными соединителями не соответствует требуемой длине секции в среде использования, кабельная секция может быть слишком короткой или слишком длинной, чтобы быть присоединенной к существующим местоположениям стыковки вдоль трассы кабеля. В частности, для случая кабельной секции, включающей в себя множественные кабельные пролеты, может быть нетрудным обрезать и подогнать секции длины кабеля.
В некоторых других случаях покупатели могут захотеть проконтролировать длину кабеля после поставки кабеля.
Заявитель обнаружил, что измерение длины кабеля с использованием механического устройства, которое перемещается по длине кабеля, может быть неосуществимо, если размещение кабеля проходит сложным маршрутом и/или длина кабеля относительно большая, например, превышающая 1 км.
Заявитель принял во внимание использование способов, которые измеряют изменение падения напряжения (дифференциального напряжения), которое получается при подсоединении входного кабеля к входному порту, или способов, которые детектируют отраженные электрические импульсы. Однако такие способы включают электрические измерения вдоль одного или более электрических проводников в кабеле, которые являются, для типичных конфигураций кабеля, спирально намотанными вокруг центральной продольной оси кабеля. Это подразумевает, что длина измеренных электрических проводников, в большинстве случаев, больше, чем длина кабеля, который их содержит. Неточность при определении значения длины тем больше по абсолютной величине, чем больше длина кабеля.
Заявитель обнаружил, что в электрических кабелях, обеспеченных, по меньшей мере, одним оптоволокном, длина кабеля может быть измерена с помощью оптических методов, которые детектируют световое излучение, переданное и/или отраженное вдоль оптоволокна. Кроме этого, Заявитель отметил, что если электрический кабель обеспечивают оптоволокном, свободно вставленным в вытянутый в продольном направлении модуль, то такое оптоволокно обычно имеет излишек длины волокна относительно длины кабеля, который вводит неточность в соответствие между измеренной длиной и действительной длиной кабеля. Неточность может происходить также из-за того факта, что оптоволоконный модуль обычно скручен с электрическими проводниками кабеля. Ненатянутое состояние волокна вносит неточность в измерения, как известно, также в случае геометрической конструкции, так как обычные допуски процесса изготовления (например, для полибутилентерефталатной трубки со свободной укладкой, содержащей двенадцать SZ-скрученных (разнонаправленно скрученных) оптических волокон) содержат измерение длины оптоволокна с погрешностью не более чем примерно 0,5%. Например, точность измерения кабеля длиной 4 км может быть примерно 20 м, величина которой может быть неприемлемой для некоторых практических приложений.
Заявитель установил, что если электрический кабель обеспечен оптоволоконным модулем, расположенным практически вдоль нейтральной оси электрического кабеля и механически соединенным с электрическим кабелем, то существует возможность точно измерить длину электрического кабеля, измеряя длину оптоволокна, содержащегося в оптоволоконном модуле, посредством методов на основе обратного рассеяния оптического излучения.
В общем и согласно одному аспекту, настоящее изобретение относится к способу измерения длины электрического кабеля, содержащему обеспечение электрического кабеля, имеющего длину, и включающего в себя нейтральную ось кабеля и оптоволоконный модуль, вытянутый в продольном направлении по длине кабеля и содержащий оптоволокно, расположенное практически вдоль нейтральной оси, причем оптоволокно механически соединено с кабелем. Способ дополнительно содержит введение оптического сигнала в оптоволокно; детектирование светового излучения, обратно рассеянного из оптоволокна в ответ на упомянутый оптический сигнал; анализ детектируемого обратно рассеянного светового излучения как функции времени, чтобы определить длину оптоволокна, и вычисление длины кабеля исходя из длины оптоволокна.
“Нейтральная ось” означает продольную ось кабеля, которая при изгибе кабеля не подвергается удлинению или компрессионному растяжению.
0
f
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления, посредством обеспечения механического соединения, и в частности механической конгруэнтности (взаимного соответствия формы соединяемых поверхностей), между электрическим кабелем и оптоволокном в соединенном с кабелем оптоволоконном модуле, перемещения и деформации, последнее в которых вызывается, например, растягивающими нагрузками, термостресс и т.п. электрического кабеля во время его развертывания и/или других действий, по меньшей мере, частично передаются соединенному с кабелем оптоволокну, тем самым поддерживая практически постоянное соотношение между длиной кабеля L и длиной соединенного с кабелем оптоволокна L. В частности, в предпочтительных вариантах осуществления, не происходит никаких независимых от изменений длины электрического кабеля флуктуаций длины соединенного с кабелем оптоволокна.
Наличие “механической конгруэнтности” означает возможность двум или более частям перемещаться практически как единое целое, с тем же самым геометрическим удлинением (положительным или отрицательным). Механическая конгруэнтность между соединенным с кабелем оптоволокном и кабелем позволяет получить кабель, способный обеспечить надежную оценку его длины посредством детектирования длины соединенного с кабелем оптоволокна.
В соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления изобретения, соединенное с кабелем оптоволокно встраивают в обеспечивающий механическое соединение наполнитель, механически соединяющий оптоволоконный модуль с продольным конструктивным элементом кабеля.
Путем конфигурирования оптоволоконного модуля в соответствии с основной идеей настоящего изобретения, измеренная длина соединенного с кабелем оптоволокна по существу соответствует длине электрического кабеля. Длину волокна можно определить с помощью OTDR с точностью примерно один метр для электрических кабелей длиной до 5 км.
Предпочтительно, соединенное с кабелем оптоволокно окружают защитной оболочкой (оплеткой) для улучшения механической прочности к поперечным нагрузкам, причем упомянутая защитная оболочка непосредственно контактирует с необязательно буферированным оптоволокном соединенного с кабелем оптоволоконного модуля электрического кабеля. Предпочтительно, защитная оболочка содержит армированный волоконный композит.
Предпочтительно, обеспечивающий механическое соединение наполнитель основан на эластомере, более предпочтительно, на термореактивном эластомере.
Предпочтительно, способ в соответствии с изобретением использует OTDR или OFDR, чтобы измерить длину соединенного с кабелем оптоволокна и, таким образом, определить длину электрического кабеля.
В рамках настоящего описания выражение “продольный конструктивный элемент” обозначает элемент электрического кабеля, вытянутый, по существу, в продольном направлении по длине кабеля, который несет главную часть нагрузки кабеля, определяя тем самым нейтральную ось кабеля. Обычно в кабеле, состоящем из изолированных проводников, покрытых одной или более полимерными оболочками, продольный конструктивный элемент является проводником (токоведущей жилой) кабеля (или возможно совокупностью проводников кабеля). Если имеется один или более несущих элементов, кроме проводника или проводников, продольный конструктивный элемент является совокупностью таких несущих элементов и проводников кабеля, которые совместно определяют нейтральную ось кабеля.
Термин “жила” обозначает полуготовую конструкцию электрического кабеля, содержащую, по меньшей мере, один электрический проводящий элемент, к примеру, электрический проводник и, обычно, по меньшей мере, один изоляционный слой, окружающий электрический проводник. В типичных конфигурациях электрические проводники содержат множество скрученных проводов.
Способ в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для электрических кабелей с напряжением от низкого до высокого.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение будет описано более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все, варианты осуществления изобретения. Чертежи, иллюстрирующие варианты осуществления, являются схематическими изображениями без соблюдения масштаба.
Для целей настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, если не указано по-другому, все числа, выражающие величины, количества, процентные содержания и так далее, следует понимать как дополняемые, во всех возможных случаях, термином “приблизительно”. Кроме того, все интервалы содержат максимальные и минимальные точки, согласно раскрытию, и содержат любые промежуточные интервалы, которые могут быть, а могут не быть, специально перечислены.
Фиг.1 является схематичным изображением поперечного сечения электрического кабеля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2а является схематичным перспективным изображением соединенного с кабелем оптоволоконного модуля, используемого в электрическом кабеле настоящего изобретения.
Фиг.2b является схематичным изображением поперечного сечения соединенного с кабелем оптоволоконного модуля, показанного на Фиг.2а.
Фиг.3 является схематичным изображением поперечного сечения электрического кабеля в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 является схематичным изображением поперечного сечения электрического кабеля в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.5 является схематичным изображением поперечного сечения электрического плоского кабеля в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.6 является блок-схемой, иллюстрирующей принципы метода на основе обратного рассеяния оптического излучения для электрического кабеля в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.7 является графиком примерной кривой ODTR, измеренной с помощью способа согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 показывает поперечное сечение электрического кабеля в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Кабель 1 является круглым кабелем, содержащим три жилы 2, расположенные по радиусу около центральной продольной оси Z кабеля. Жилы 2 могут обеспечить трехфазную передачу мощности. Кабель 1 может быть низковольтным или средневольтным силовым кабелем, где низкое напряжение означает напряжение до 1 кВ, а среднее напряжение означает напряжение от 1 кВ до 60 кВ. Каждая жила 2 содержит электрический проводник 12, например, медный проводник, образованный группой луженых или чисто медных электрических проводов, скрученных вместе стандартными способами. В радиально внешнем положении относительно каждого электрического проводника 12 последовательно обеспечены: внутренний полупроводниковый слой 13, изоляционный слой 16 и внешний полупроводниковый слой 17. Внутренний полупроводниковый слой 13, изоляционный слой 16 и внешний полупроводниковый слой 17 изготавливают из материалов на основе полимеров, которые могут быть экструдированы один поверх другого, или совместно экструдированы на проводник 12. Изоляционным слоем 16 может быть, например, поперечно связанный этилен-пропиленовый каучук (EPR); внутренний и внешний полупроводниковые слои 12 и 17 могут быть, например, из EPR, из этилен/пропилен/диеновых терполимеров (EPDM) или их смеси, дополненных соответствующим количеством проводящего наполнителя, которым, обычно, может быть сажа.
Альтернативно, если условия эксплуатации дают возможность это сделать, изоляционный слой и полупроводниковые слои могут быть изготовлены из термопластичных соединений, таких как соединения на основе полипропилена.
Для некоторых практических применений жила 2 кабеля содержит, по меньшей мере, один металлический экранирующий слой 22 в наружном радиальном положении относительно внешнего полупроводникового слоя 17.
Следует понимать, что приведенное выше описание жил 2 представляет только одну из возможных конструкций жил, включенных в электрический кабель, которые, как правило, могут быть фазовыми жилами для передачи мощности или заземляющими жилами, жилами для передачи управляющих сигналов, или жилами, передающими и мощность, и управляющие сигналы.
В соответствии с одним признаком изобретения, электрический кабель 1 содержит соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5, расположенный по существу вдоль центральной продольной оси Z электрического кабеля, которая является по существу нейтральной осью кабеля. Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 механически соединен с продольным конструктивным элементом кабеля, то есть с жилами.
Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 является механически конгруэнтным продольному конструктивному элементу в кабеле, так что он остается в коаксиальном расположении с центральной продольной осью, и сохраняется практически постоянное соотношение между длиной кабеля и длиной соединенного с кабелем оптоволокна. С этой целью в некоторых предпочтительных вариантах осуществления соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 встраивают в обеспечивающий механическое соединение наполнитель 6, который механически соединяет связанное с кабелем волокно с продольным конструктивным элементом электрического кабеля. Предпочтительно, обеспечивающий механическое соединение наполнитель механически соединяет соединенный с кабелем оптоволоконный модуль с каждой из расположенных по окружности жил, объединенных в электрическом кабеле.
В дополнение к жилам 2 для передачи мощности и/или управляющих сигналов, электрический кабель 1 содержит, по меньшей мере, один заземляющий проводник 7. В варианте осуществления, показанном на Фиг.1, кабель содержит два заземляющих проводника 7, например, в виде группы луженых или чисто медных электрических проволок. В частности, при использовании для высокого напряжения группа электрических проводов заземляющих проводников может быть окружена полупроводниковым слоем (не показанным на чертежах). Заземляющие проводники 7 располагают в наружном радиальном положении относительно соединенного с кабелем оптоволоконного модуля 5 и скручивают вместе с жилами вдоль кабеля в продольном направлении. В частности, жилы 2 и заземляющие проводники 7 наматывают спирально вокруг центральной продольной оси кабеля Z обычными способами.
В вариантах осуществления, показанных на Фиг.1, кабель 1 содержит оптоволоконный элемент 3, содержащий множество оптических волокон, например, от 6 до 24 волокон, для передачи управляющих сигналов, голосовых, видео и других информационных сигналов. Одно оптическое волокно (оптоволокно) или пара волокон могут быть помещены в буферной конструкции со свободной укладкой волокон в трубке в вытянутых в продольном направлении модулях 19, предпочтительно, изготовленных из гибкого материала, такого как полибутилентерефталат (PBT) или этилен тетрафтороэтилен (ETFE). В показанном примере модули, содержащие волокна, являются SZ спирально намотанными вокруг продольного несущего элемента 18, являясь, например, стекловолокном, арамидной нитью или углеродным волокном. Оптоволоконный элемент 3 может быть скручен с жилами 2 и заземляющими проводниками 7. Как правило, если конструкция кабеля позволяет это, заземляющие проводники и оптоволоконный элемент можно располагать в наружных промежутках, образованных жилами 2.
Жилы 2 и, если присутствуют, заземляющие проводники 7 и/или оптоволоконный элемент 3 обобщенно именуются продольным конструктивным элементом электрического кабеля.
мин
мин
мин
Поскольку изгиб кабеля может вызывать удлинение оптоволокна, расположенного в электрическом кабеле, то при расположении оптоволоконного модуля коаксиально центральной продольной оси электрического кабеля, оптоволокно не повреждается от изгиба кабеля под любым радиусом изгиба, который не меньше, чем минимальный радиус кривизны ρ, который соответствует минимальному радиусу изгиба, под которым можно изогнуть кабель без необратимого повреждения. Согласно сделанным наблюдениям, соединенное с кабелем оптоволокно, как правило, не повреждается изгибом кабеля при радиусах кривизны не более чем ρ, если продольная деформация, вызванная изгибом, меньше, чем деформация, которую прикладывают к волокну при испытании на деформацию, обычно, равная 1 или 2%. Величины ρ для кабелей, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, особенно для использования в передвижном оборудовании, могут быть относительно низкими, например, 250 мм. Для того чтобы улучшить сопротивление изгибу соединенного с кабелем оптоволокна, его, предпочтительно, располагают в пределах относительно небольшого расстояния по радиусу от центральной продольной оси электрического кабеля, например, не более чем 5 мм.
мин
мин
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления соединенное с кабелем оптоволокно размещают по длине кабеля в пределах расстоянии от нейтральной оси не более чем 0,02ρ, более предпочтительно, не более чем 0,01ρ.
Предпочтительно, соединенное с кабелем оптоволокно размещают по длине кабеля в пределах расстояния от нейтральной оси, которое должно быть малым, насколько только возможно, учитывая размер кабеля, минимальный радиус изгиба кабеля (или на бобине, или при развертывании на местах) и требуемую точность измерения длины. В качестве примера, смещение от нейтральной оси меньшее чем 5 мм допустимо для большинства практических приложений.
Предпочтительно, контакт между обеспечивающим механическое соединение наполнителем и, по меньшей мере, одним продольным конструктивным элементом не должен демонстрировать значительного проскальзывания в условиях натяжения. Во многих интересующих случаях реальное отсутствие проскальзывания (сдвига) между оптоволоконным модулем и элементом (элементами) подразумевает адгезию с трением или связывание между ними. Механическое соединение между двумя элементами, вызывающее практически такую же деформацию в результате незначительного проскальзывания между элементами, называется в данном документе механической конгруэнтностью.
В варианте осуществления, показанном на Фиг.1, геометрическая форма обеспечивающего механическое соединение наполнителя 6 является такой, что наполнитель контактирует с множеством продольных конструктивных элементов, размещенных в радиально наружном положении относительно соединенного с кабелем оптоволоконного модуля 5, даже если кабель находится практически в недеформированном состоянии.
По геометрической конструкции электрического кабеля и количеству продольных конструктивных элементов, интегрированных в кабель, обеспечивающий механическое соединение наполнитель 6 на Фиг.1 приблизительно имеет форму трехлепестковой фигуры.
Обеспечивающий механическое соединение наполнитель 6 предпочтительно изготавливают из материала, обладающего упругими свойствами, чтобы реагировать на максимальную деформацию, для которой кабель демонстрирует упругие свойства, без необратимой деформации наполнителя (т.е. обратимость деформации). Материал обеспечивающего механическое соединение наполнителя выбирают, чтобы он соответствующим образом растягивался вдоль подвергающегося удлинению кабеля и чтобы соответственно возвращал деформацию к исходному состоянию при удалении внешних растягивающих нагрузок, по меньшей мере, для растягивающих нагрузок, соответствующих допустимой максимальной деформации, за пределами которых происходит стабильная и необратимая деформация кабеля.
Обеспечивающий механическое соединение наполнитель 6 может быть основан на полимерном материале, преимущественно, экструдированном вокруг соединенного с кабелем оптоволоконного модуля 5. Термореактивные эластомеры, имеющие упругие характеристики в пределах относительно большого интервала деформации, например, превышающего 1%, являются особенно подходящими для кабеля настоящего изобретения. Было обнаружено, что, преимущественно, термореактивные упругие полимеры соединяются с высоким трением с поверхностями продольных конструктивных элементов. Например, обнаружено, что термореактивные упругие полимеры обеспечивают прочную адгезию с полупроводниковыми материалами, которыми обычно окружают жилы некоторых электрических кабелей, демонстрируя при этом трение, не причиняющее вреда наружной полупроводниковой поверхности жил. Было обнаружено, что происходит достоверная передача деформации, обладающая прогнозируемым или, по меньшей мере, выводимым соотношением между деформацией, испытываемой продольным конструктивным элементом кабеля, и деформацией, измеренной тензодатчиком.
Преимущественно, материалом обеспечивающего механическое соединение наполнителя 6 является материал, стойкий к термообработкам, которые могут происходить в процессе изготовления кабеля, таким как полимеризация наружной оболочки электрического кабеля, которую обычно проводят приблизительно при 200°C.
Предпочтительно, обеспечивающий механическое соединение наполнитель содержит термореактивный упругий полимер, поперечно связанный посредством давления пара, облучения электронным лучом, погружения в солевую ванну, или поперечно связанные силановые системы. Как правило, обеспечивающий механическое соединение наполнитель предпочтительно выполнен из упругих полимеров, обладающих модулем упругости между 0,01 и 0,7 ГПа. Например, обеспечивающий механическое соединение наполнитель выбирают из группы, состоящей из этилен-пропилен-диенового каучука (EPDM), этилен-пропиленового каучука (EPR), бутадиен-нитрильного каучука (NBR).
Несмотря на то, что термореактивные упругие полимеры являются предпочтительными, благодаря их термостойким адгезионным свойствам и широкой области упругости, возможность использования термопластичных упругих полимеров не исключается. Примеры термопластичных эластомеров содержат стирол-диен-стирольные трехблочные сополимеры, термопластичные полиэфирные упругие полимеры и термопластичные полиуретановые упругие полимеры; и термопластичные полиолефиновые каучуки (полиолефиновые смеси).
В некоторых вариантах осуществления, обеспечивающий механическое соединение наполнитель 6 может быть электропроводным.
Промежуточные участки 11 заполняют полимерным наполнителем, таким как соединение на основе EPR. Внешнюю оболочку 14 обеспечивают, например, экструзией. Чтобы повысить стойкость электрического кабеля к механическим воздействиям, внешнюю оболочку 14 предпочтительно изготавливают из отвержденного полимерного материала, предпочтительно, на основе армированного сверхпрочного термореактивного упругого полимера, такого как полиэтилен высокой плотности (HDPE), полихлоропрен, полиуретан или соединение на основе NBR.
Опционально, чтобы повысить стойкость электрического кабеля к кручению, обеспечивают броню 15 в виде, например, оплетки или двойной спирали из армированных нитей, таких как металлические или полиэфирные нити, сделанные, например, из Кевлара (Kevlar) (ароматического полиамида).
Фиг.2a и 2b показывают, соответственно, частичный перспективный вид и поперечное сечение соединенного с кабелем оптоволоконного модуля 5, интегрированного в электрический кабель Фиг.1, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 содержит оптическое волокно 9, расположенное, по существу, вдоль продольной оси Z, которая является нейтральной осью кабеля, когда соединенный с кабелем оптоволоконный модуль интегрирован в кабель. Волокно 9 в соединенном с кабелем оптоволоконном модуле 5 является оптоволокном, а именно, кварцевым оптическим волокном, с примерным номинальным диаметром 125 мкм, покрытым первичным покрытием, которое окружено вторичным покрытием, которое обычно плотно контактирует с первичным покрытием, причем первичное и вторичное покрытия образуют систему покрытия. Наружный диаметр оптоволокна (с нанесенным покрытием) может быть 250+/-10 мкм или 200+/-10 мкм. Однослойные системы покрытия также могут использоваться. Предпочтительно, оптоволокно 9 является одномодовым оптическим волокном, хотя также можно использовать многомодовое оптическое волокно.
В некоторых вариантах осуществления, где способ предназначен для измерения длины кабеля в тяжелых условиях эксплуатации, оптоволокно в соединенном с кабелем оптоволоконном модуле имеет улучшенные характеристики изгиба, демонстрируя низкие потери при изгибе. В некоторых вариантах осуществления, оптоволокно соответствует рекомендациям G.657 ITU-T.
В одном варианте осуществления, в качестве системы покрытия соединенного с кабелем волокна наносят систему покрытия, раскрытую в EP 1497686, которая, как обнаружено, обеспечивает отсутствие разрывов оптоволокна при воздействии повторяющихся удлинений, превышающих 2%.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления, оптоволокно 9 является оптоволокном с плотным буферным слоем 10, окружающим систему покрытия, для улучшения механической защиты оптоволокна, например, от потерь при микроизгибах. Заявитель понял, что равномерная адгезия буферного слоя на оптоволокно, а именно, на систему покрытия оптоволокна, является особенно важной для обеспечения механической конгруэнтности между оптоволокном и обеспечивающим механическое соединение наполнителем.
Например, буферный слой 10 экструдируют или наносят сверху 250 мкм волокна с нанесенным покрытием, увеличивая наружный диаметр до 600-1000 мкм, с типичным значением 800-900 мкм. Предпочтительно, буферный слой изготавливают из материала, обладающего упругими свойствами, что позволяет оптоволокну с плотным буфером выдерживать удлинения вплоть до и включая 2%.
Преимущественно, буферный слой выбирают так, чтобы иметь сцепление с системой покрытия оптоволокна, практически без сползания, скольжения или разделения. Предпочтительно, основой буферного слоя является термостойкий материал, способный демонстрировать термостойкость, достаточную для того, чтобы выдержать термическую обработку, происходящую в процессе изготовления кабеля.
Предпочтительно, буферный слой изготавливают из отверждаемого излучением акрилатного полимера.
Например, плотное буферное покрытие изготавливают из УФ отверждаемого акрилатного полимера, такого как описан в WO 2005/035461, или из полимерной матрицы, дополненной огнестойким наполнителем, такой как описана в WO 2008/037291.
Способствующий адгезии слой может быть обеспечен между системой покрытия оптоволокна и плотным буферным слоем.
Защитная оболочка 8, предназначенная для улучшения стойкости к поперечным нагрузкам, может быть предпочтительно обеспечена, чтобы окружать оптоволокно с опциональным плотным буферным покрытием на Фиг.2а и 2b.
В круглых кабелях, таких как показанный на Фиг.1, поперечные сжатия в направлениях, пересекающих продольное направление кабеля, обычно возникают в направлениях, идущих внутрь по радиусу.
Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль можно использовать в качестве элемента прочности вытягивания на стадии экструзии обеспечивающего механическое соединение наполнителя в процессе изготовления кабеля. В связи с этим, было установлено, что важным является, чтобы материал соединенного с кабелем оптоволоконного модуля не размягчался в процессе экструдирования соединенного с кабелем оптоволоконного модуля, чтобы гарантировать равномерное усилие вытягивания. Наличие защитной оболочки 8 и соответствующий выбор материала, образующего упомянутую оболочку, может предпочтительно обеспечить соединенный с кабелем оптоволоконный модуль с сопротивлением растяжению, достаточным, чтобы улучшить сопротивление поперечному сжатию и позволить соединенному с кабелем оптоволоконному модулю выполнять функцию элемента прочности вытягивания в процессе изготовления электрического кабеля.
Когда требуется механическая конгруэнтность между оптоволокном и обеспечивающим механическое соединение наполнителем, материал защитной оболочки предпочтительно выбирают так, чтобы обеспечить высокую и относительно равномерную адгезию с оптоволокном, имеющим опциональное буферное покрытие.
Предпочтительно, защитную оболочку 8 изготавливают из композитного материала с армированными волокнами, причем волокнами могут быть углеродные волокна, графитовые волокна, волокна из бора, или стекловолокна (неоптические). В одном варианте осуществления, защитной оболочкой 8 является армированный стеклом полимер (GPR), причем полимер армируют стекловолокнами, встраиваемыми в полимер. Было установлено, что относительно высокая жесткость на растяжение соединенного с кабелем оптоволоконного модуля достигается за счет наличия армирующих волокон, размещаемых параллельно геометрической оси оптоволокна, предотвращающих тем самым поперечное сжатие, которое может быть неправильно истолковано как изгибающая деформация. Защитная оболочка 8 может быть одноосно-ориентированной на буферный слой 10 и находиться с ним в непосредственном контакте. Предпочтительно, полимером, в который встраивают армирующие волокна, являются поперечно связанные смолы, в частности, УФ отверждаемые поперечно связанные смолы или термореактивные поперечно связанные смолы. Поперечно связанными смолами могут быть ненасыщенные полиэфиры, эпоксиды или виниловые эфиры.
Опционально, наружная поверхность защитной оболочки, которую окружают обеспечивающим механическое соединение наполнителем, в который встраивают соединенный с кабелем оптоволоконный модуль, содержит множество бороздок или вырезов, или ее обрабатывают для создания шероховатой поверхности, чтобы повысить адгезию защитной оболочки к обеспечивающему механическое соединение наполнителю. Альтернативно, или в дополнение к этому, способствующий адгезии слой может быть необязательно обеспечен на защитной оболочке.
Для того чтобы улучшить гибкость соединенного с кабелем оптоволоконного модуля, толщина защитной оболочки, при выполнении ее из материала на основе полимера, предпочтительно заключена в диапазоне между 500 и 1000 мкм. Например, защитной оболочкой является GRP слой, который увеличивает наружный диаметр оптоволокна с буферным слоем до 1,8-2,5 мм.
Предпочтительно, чтобы защитная оболочка, окружающая оптоволокно датчика, препятствовала усадке волокна при температурах, используемых в процессе изготовления, в частности, в процессе отверждения (полимеризации) некоторых компонентов кабеля, таких как внутренние и наружные оболочки. Выбираются поперечно связанные смолы с высокотемпературного класса, выдерживающие температуру отверждения (полимеризации), например, высокотемпературный Polystal GRP, производства компании Polystal Composites GmbH.
В описанных выше предпочтительных вариантах осуществления соединенный с кабелем оптоволоконный модуль включает в себя оптоволокно, защищенное слоями (т.е. плотным буферным слоем, защитной оболочкой), демонстрирующими упругие свойства, и встроенное в обеспечивающий механическое соединение наполнитель с упругими свойствами. Однако, поскольку структура, состоящая из соединенного с кабелем оптоволоконного модуля и обеспечивающего механическое соединение наполнителя, способна возобновлять растяжение в режиме обратимой упругой деформации кабеля, по меньшей мере, один слой, выбранный из группы, состоящей из буферного слоя, окружающего волокно с покрытием, защитной оболочки и обеспечивающего механическое соединение наполнителя, может демонстрировать неупругие свойства, а по существу пластичность. В частности, этот, по меньшей мере, один слой может быть изготовлен из пластичного материала, а именно, из материала, обладающего способностью деформироваться в ответ на механические усилия без разрыва, по меньшей мере, до тех пор, пока не будет превышено определенное пороговое значение внешних усилий. В общем, упругий отклик получают, если: (1) слой, изготовленный из пластичного, по существу, материала, является конгруэнтным к, по меньшей мере, одному слою, изготовленному из упругого материала, и (2) осевая жесткость слоя, изготовленного из пластичного материала, меньше, чем осевая жесткость, по меньшей мере, одного слоя, изготовленного из упругого материала, с которым контактирует слой пластичного материала. Осевая жесткость, обычно измеряемая в Н (ньютонах), является результатом умножения модуля упругости Юнга на площадь поперечного сечения слоя элемента. Следовательно, слой, изготовленный, в основном, из пластичного материала, растягивается вдоль упругого материала, с которым он сцеплен или контактирует с трением при удлинении кабеля, и отводится назад в исходное состояние упругим материалом, при условии, что между двумя слоями существует достаточное зажимающее усилие.
2
2
Например, защитная оболочка соединенного с кабелем оптоволоконного модуля является волокном, которое армировано термопластичным полимером, с модулем упругости Юнга 72400 МПа, тогда как обеспечивающий механическое соединение наполнитель является термореактивным упругим полимером, с модулем упругости Юнга 671 МПа. Площадь поперечного сечения защитной оболочки составляет 3,4 мм, а площадь поперечного сечения обеспечивающего механическое соединение наполнителя составляет 75 мм, обеспечивая осевую жесткость 250 кН для защитной оболочки и 50 кН для обеспечивающего механическое соединение наполнителя. Если армированный волокном термопластичный полимер обладает хорошей адгезией к передающему деформацию наполнителю и к нижележащим слоям, например, к буферному слою, то термопластичный полимер захватывает обеспечивающий механическое соединение наполнитель, даже если его площадь поперечного сечения гораздо меньше. Следует отметить, что это будет также верно и в том случае, если обеспечивающий механическое соединение наполнитель изготовлен из термопластичного полимера, при условии, что приведенные выше условия (1) и (2) выполняются, и когда слоем с упругими свойствами является буферный слой, окруженный защитной оболочкой.
В одном варианте осуществления, при допущении, что соблюдаются условия (1) и (2), обеспечивающий механическое соединение наполнитель выбирают из группы, состоящей из: полиэфира с модулем упругости Юнга от 1 до 5 ГПа, полиамида с модулем упругости Юнга от 2 до 4 ГПа, поливинилхлорида (ПВХ) с модулем упругости Юнга от 0,003 до 0,01 ГПа, полиэтилена низкой плотности с модулем упругости Юнга от 0,1 до 0,3 ГПа и полиэтилена высокой плотности с модулем упругости Юнга от 0,4 до 1,2 ГПа. Предпочтительно, используют поперечно связанные полимерные материалы.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления, для того, чтобы обеспечить соединенный с кабелем оптоволоконный модуль с повышенной устойчивостью к поперечным нагрузкам и прочностью натяжения, защитная оболочка соединенного с кабелем оптоволоконного модуля может быть металлической трубкой, окружающей буферный слой оптоволокна, имеющего опциональное буферное покрытие (вариант осуществления не показан на чертежах). В этом случае металлическая трубка содержит гель или гелеподобный материал, необязательно под давлением, способный обеспечить искомую механическую конгруэнтность между металлической трубкой и оптическим волокном, содержащимся в ней. В предпочтительном варианте осуществления металлическую трубку изготавливают из стали.
Предпочтительно, только одно из группы, состоящей из буферного слоя, окружающего волокно с нанесенным покрытием, защитной оболочки и соединенного с кабелем наполнителя, изготавливают из материала с пластичными свойствами.
Несмотря на то, что в некоторых предпочтительных вариантах осуществления соединенный с кабелем оптоволоконный модуль содержит буферный слой, для того, чтобы улучшить прочность и упругость соединенного с кабелем оптоволоконного модуля, как на конструкции, показанной на Фиг.2a и 2b, следует понимать, что соединенный с кабелем оптоволоконный модуль может включать в себя оптоволокно, покрытое системой покрытия, непосредственно окруженное защитной оболочкой.
Электрический кабель 1 может включать в себя температурный датчик, содержащий оптоволокно 24 для измерения температуры внутри кабеля 1. Оптоволокно 24 температурного датчика находится в свободной буферной конструкции. В частности, в варианте осуществления, показанном на Фигуре, оптоволокно 24 свободно расположено внутри модуля 19, закрывающего волокно в продольном направлении, причем модуль 19 входит в состав оптоволоконного элемента 3. Модуль 19, вытянутый в продольном направлении, содержит запас длины оптоволокна на единицу длины трубки оптоволокна 24. Запас длины волокна (EFL) определяют следующим соотношением:
<mrow><mi>E</mi><mi>F</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mi>T</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mi>m</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac><mn>100</mn></mrow>
<mrow />
(1)
T
m
где L - это длина оптоволокна и L - это длина трубки, которая закрывает волокно.
Оптоволокно 24 температурного датчика является, предпочтительно, одномодовым волокном, а температура измеряется с использованием методов на основе бриллюэновского обратного рассеяния светового излучения. Однако для детектирования температуры может быть предусмотрено использование многомодового оптоволокна. В последнем случае, измерение температуры может быть проведено с использованием известных методов на основе Рамановского рассеяния. В варианте осуществления на Фиг.1 оптоволокно 24 спирально обвито относительно центральной продольной оси, проходящей вдоль кабеля. Например, оптоволокно 24 является скрученным вокруг продольного элемента. В случае электрического кабеля, содержащего оптоволоконный элемент, содержащий более одного оптоволокна, два волокна могут быть обвиты по спирали друг вокруг друга в продольном направлении, причем одно из двух волокон используют в качестве оптоволокна температурного датчика.
Механическое соединение, в частности механическая конгруэнтность, между соединенным с кабелем оптоволокном и кабелем может иметь место, только если по меньшей мере один из продольных конструктивных элементов подвергается растягивающей нагрузке и приходит в соприкосновение с обеспечивающим механическое соединение наполнителем. Например, механическое соединение имеет место, если продольные конструктивные элементы подвергаются растягивающим нагрузкам, соответствующим удлинению, по меньшей мере, в 0,1%.
Фиг.3 является поперечным сечением электрического кабеля в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Одни и те же номера используются для идентификации аналогичных компонентов, обладающих одинаковыми или похожими функциями, как у элементов Фиг.1. В то время как вариант осуществления на Фиг.1 содержит обеспечивающий механическое соединение наполнитель, контактирующий с продольными конструктивными элементами кабеля даже при отсутствии растягивающих нагрузок, в варианте осуществления на Фиг.3 передающий деформацию наполнитель не контактирует, по меньшей мере, не полностью контактирует, с поверхностью продольных конструктивных элементов, когда кабель находится по существу в ненапряженном состоянии, например, в исходном состоянии кабеля перед прокладкой или перед использованием в подвижном оборудовании. В частности, электрический кабель 30 содержит модуль 5 соединенного с кабелем оптоволокна, окруженный обеспечивающим механическое соединение наполнителем 25, который предпочтительно экструдируют непосредственно поверх соединенного с кабелем оптоволоконного модуля, например, как изображено на Фиг.2a и 2b, на наружную поверхность защитной оболочки 8. Обеспечивающий механическое соединение наполнитель 25 может иметь круглое поперечное сечение. Защитная оболочка 25 имеет толщину, например от 2 до 7 мм. Промежутки 26 между обеспечивающим механическое соединение наполнителем 25 и радиально внешними продольными конструктивными элементами, а именно, жилами 2 и, если присутствуют, заземляющими проводниками 7, и оптоволоконным элементом 3, могут быть заполнены тем же полимерным материалом наполнителя 27, который окружает продольные конструктивные элементы, например, соединением на основе EPR.
Благодаря своему размеру, соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5, буферированный обеспечивающим механическое соединение наполнителем 25, является относительно свободным, чтобы перемещаться в промежутках 26 между обеспечивающим механическое соединение наполнителем 25 и продольными конструктивными элементами кабеля, причем подвижность соединенного с кабелем оптоволоконного модуля зависит также от вязкости материала, заполняющего промежутки. Кабель конфигурируют таким образом, что степень подвижности волоконного блока в пределах кабеля не влияет на точность измерения длины. При наложении растягивающей нагрузки продольные конструктивные элементы стремятся сжиматься внутрь по радиусу, снижая тем самым расстояние по радиусу до продольной оси, вдоль которой расположен соединенный с кабелем оптоволоконный модуль. Когда значение растягивающего усилия, испытываемое кабелем, превышает определенное пороговое значение, продольные конструктивные элементы сжимаются по радиусу внутрь и устанавливается контакт с обеспечивающим механическое соединение наполнителем 25. И наоборот, если кабель удлиняется в любой продольной позиции длины кабеля на величину ниже этого порогового значения, оптическое волокно соединенного с кабелем оптоволоконного модуля 5 повторяет перемещение кабеля с задержкой из-за относительно низкого захвата продольными конструктивными элементами кабеля. Предпочтительно, пороговое значение растягивающего усилия составляет 0,1%.
Свойства материала для обеспечивающего механическое соединение наполнителя 25 являются такими, как описаны выше со ссылкой на Фиг.2a и 2b.
Фиг.4 является поперечным сечением электрического кабеля в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Одни и те же номера используют для идентификации похожих компонентов элементов Фиг.1, имеющих одни и те же или похожие функции. Электрический кабель 40 содержит четыре продольных конструктивных элемента, а именно, три токоведущие силовые жилы 43 и заземляющий проводник 44, расположенные внешне по радиусу относительно соединенного с кабелем оптоволоконного модуля 5, который может иметь структуру, описанную со ссылкой на Фиг.2a и 2b. Токоведущие силовые жилы 43 и заземляющий проводник 44, каждый, содержат проводник 45, например, в виде группы скрученных луженых или чисто медных электрических проводов, окруженных изоляционным полимерным слоем 46. Обеспечивающий механическое соединение наполнитель 47 заключает в себе соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 и заполняет промежутки между соединенным с кабелем оптоволоконным модулем и продольными конструктивными элементами. Свойства и геометрическая форма обеспечивающего механическое соединение наполнителя 47 являются такими, что существует механическое соединение, в частности, механическая конгруэнтность, между продольными конструктивными элементами 43 и 44 и соединенным с кабелем оптоволоконным модулем 5, даже в ненапряженном состоянии кабеля. Кабель 40 может быть 1 кВ силовым кабелем для применения, к примеру, при вертикальной намотке.
Фиг.5 показывает схематичный вид поперечного сечения трехфазного электрического плоского кабеля 60, используемого, к примеру, для погружных (скважинных) насосов, содержащего две наружные жилы 61 и 62 и центральную жилу 62. Каждая жила 61, 62 и 63 содержит соответствующий электрический проводник 61а, 62а и 63а, причем каждый электрический проводник предпочтительно окружен соответствующим полупроводниковым или изоляционным слоем 61b, 62b и 63b. Жилы располагают практически параллельно и рядом одна с другой, центрированы вокруг общей оси 69 параллельно направлению X, пересекающему поперечную ось кабеля. В варианте осуществления на Фиг.5, ось 69 является средней линией поперечного сечения кабеля в плоскости (X, Y). Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5, содержащий оптоволокно 9, расположен в пределах центральной жилы 62, в частности, вдоль центральной продольной оси электрического проводника 62а. Множество проводов 65 намотаны по спирали вокруг оптоволоконного модуля 5 с помощью процесса скрутки, известного в области техники скрутки проводов. Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 может иметь структуру, описанную со ссылкой на Фиг.2а и 2b. Обеспечивающий механическое соединение наполнитель является необязательным в данной конструкции кабеля из-за плотности скрученных около оптоволоконного модуля проводов. Электрические проводники 61а и 63а могут содержать группу из множества проводов 65, например, 6, 12 или 18 проводов, которые наматывают по спирали вокруг центральной проволоки 65а, которая может иметь площадь поперечного сечения окружающих проводов.
мин
В некоторых вариантах осуществления, жилу 62 размещают таким образом, что ее центральная продольная ось, вдоль которой расположен оптоволоконный модуль 5, пересекает среднюю ось 69, поскольку она является осью симметрии поперечного сечения кабеля по оси Y и нейтральной осью кабеля 60. Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 5 размещают в пределах нейтральной области для изгиба толщиной d, определенной между двумя плоскостями 69а и 69b, параллельными средней линии 69, причем на удалении d/2 от 69 по оси Y. Для плоских кабелей с примерными значениями ρ 500 мм, толщина d может изменяться в пределах от 5 до 10 мм.
Плоский кабель 60 дополнительно содержит наружную броню 68, расположенную снаружи по отношению к жилам и закрывающую их в продольном направлении. Наружная броня 68 имеет две практически плоские стороны 68а, параллельные оси X, и две противоположные поперечные боковые стороны 68b, окружающие часть двух наружных жил 61 и 63. Наружная броня 68 является предпочтительно ленточной оплеткой из стали или нержавеющей стали или из меди и сплава никеля.
Электрический кабель 60 имеет множество промежутков 65, которые задаются пространствами между жилами и наружной оплеткой 68. Несущие элементы 67 располагают в промежутках между наружными жилами и центральной жилой в двух общих плоскостях параллельно оси X. Несущие элементы 67 имеют круглое поперечное сечение и могут быть выполнены из стали, стекла или армированных полимеров.
Свободное пространство между жилами и несущими элементами заполняют внутренней оболочкой 64, выполненной, например, из минерального наполнителя, наполненного полимерным компаундом, предпочтительно, экструдированным на продольные конструктивные элементы плоского кабеля.
Кабель, содержащий единственный проводник (не показан), может включать в себя соединенный с кабелем оптоволоконный модуль в соответствии с изобретением в расположении, аналогичном показанному для жилы 62 на Фиг.5. Такой тип кабеля обычно имеет полностью круглое поперечное сечение.
В соответствии с одним аспектом, настоящее изобретение относится к электрическому кабелю, содержащему:
- жилу кабеля, содержащую множество скрученных проводящих проводов,
- нейтральную ось кабеля, и
- соединенный с кабелем оптоволоконный модуль, вытянутый в продольном направлении вдоль кабеля и содержащий соединенное с кабелем оптоволокно, расположенное практически вдоль нейтральной оси, причем соединенное с кабелем оптоволокно механически соединено с кабелем;
причем
множество проводов скручены вокруг оптоволоконного модуля;
соединенный с кабелем оптоволоконный модуль механически соединен с, по меньшей мере, одним из множества проводов.
По меньшей мере, часть из множества проводов непосредственно окружает соединенный с кабелем оптоволоконный модуль. Предпочтительно, оптоволоконный модуль механически соединен с, по меньшей мере, частью из множества проводов, непосредственно окружающих оптоволоконный модуль.
В соответствии с одним признаком настоящего изобретения, электрические кабели в соответствии с изобретением подлежат непрерывному мониторингу, чтобы определить длину кабеля посредством использования методов на основе обратного рассеяния оптического излучения, к примеру, оптическую временную рефлектометрию (OTDR), оптическую временную рефлектометрию с подсчетом фотонов или оптическую частотную рефлектометрию (OFDR). В соответствии с общеизвестными методами измерения, первый оптический сигнал (зондирующий сигнал), сгенерированный первым лазером, запускают в первый конец оптоволокна, интегрированного в электрический кабель. В OTDR зондирующий оптический сигнал является импульсным волновым сигналом, в OFDR зондирующий сигнал является непрерывной волной, модулированной по частоте. Возвращенный оптический сигнал, обратно отраженный из оптоволокна, измеряют с помощью схемы детектирования.
Если волоконный контур образуют посредством соединения первого оптоволокна со вторым оптоволокном, оптический сигнал запускают в первое оптоволокно, а длину кабеля определяют с помощью длины первого оптоволокна, измеренной до соединителя или места соединения со вторым оптоволокном, вычитая длину пиг-тейла (подводящего волокна), используемого для сращивания оптических волокон.
В OTDR выполняют измерение части светового излучения, отраженной обратно из волокна, как функции времени прибытия светового излучения, чтобы получить OTDR-трассу, представляющую собой зависимость измеренной оптической мощности детектированного обратно отраженного светового сигнала от времени. OTDR-трасса определяется световым излучением, рассеянным в обратном направлении и прошедшим обратно по волокну, обусловленным реллеевским рассеянием, происходящим в материале стекловолокна из-за неоднородностей, и френелевским отражением, происходящем на границах раздела с различными показателями преломления (например, с воздухом), которое появляется на OTDR-трассе в виде точек разрыва на кривой измеренной оптической мощности. Сравнивая величину светового излучения, обратно отраженного в разные моменты времени, OTDR может определить положения волокна и соединения вдоль волокна, а также потери. Если второй конец волокна, противоположный первому концу волокна, имеет торец, который срезан строго перпендикулярно продольной оси волокна, то имеет место сильное отражение в положении кабеля, соответствующем второму концу оптоволокна, и виден пик на OTDR-трассе. Торец волокна, перпендикулярный оси волокна, можно получить с помощью коммерчески доступного скалывателя волокна.
f
Время между запуском импульса и приемом обратного рассеянного импульса пропорционально расстоянию вдоль волокна до источника обратного рассеяния. Время T, которое необходимо лазерному импульсу, чтобы пройти длину L в волокне в прямом направлении и возвратиться в точку ввода импульса в волокно (например, первый конец волокна), описывают следующим уравнением:
f
eff
2L/T = c/n (2)
8
3
4
eff
eff
eff
eff
eff
где c - скорость света в вакууме (2,99792458×10 м/с), а n - групповой показатель преломления волокна. Групповой показатель преломления волокна n - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в волокне для светового импульса с данной частотой (или длиной волны). Во многих представляющих интерес случаях, неточность n является главным фактором, определяющим точность измерения длины, поскольку n обычно воспроизводят от 1 до 10 (то есть 3 цифры), тогда как наилучшие доступные измерения составляют от 1 до 10 (то есть 4 цифры). Величину n для соединенного с кабелем оптоволокна определяют, используя Уравнение (1) при калибровке оптоволокна такого же типа, возможно, тянутого из той же самой заготовки, с известной длиной волокна.
g
g
В оптической частотной рефлектометрии (OFDR) со сканированием частоты (OFDR-FS), сигнал, введенный в волокно, является непрерывной модулированной по частоте оптической волной (а не импульсом, как в OTDR). Оптическое излучение, генерируемое высоко когерентным лазерным диодом, медленно и линейно колеблется около центральной частоты и вводится в волоконный интерферометр Майкельсона. Опорное плечо заканчивается зеркалом, а измерительное плечо соединено с волокном, подлежащем измерению. Временная задержка между сигналами из отражателя в опорном плече и обратно рассеянным сигналом из произвольного элемента dx в положении x в измерительном плече составляет τ=2 x/ν, где ν является групповой скоростью в сердцевине волокне. Для когерентного детектирования оба сигнала смешиваются в детекторе. В течение временной задержки τ линейно колеблющаяся оптическая частота изменятся на Ω = τ[dω/dt]. Этот разностный частотный компонент можно наблюдать в детекторе сигнала, использующем анализатор спектра оптического излучения. Его частота Ω указывает положение x в волокне, а его амплитуда пропорциональна локальному коэффициенту обратного рассеяния и оптической мощности, которая пропорциональна множителю экспоненциальной функции (-2αx), и описывает затухание сигнала при распространении в прямом и обратном направлении на расстояние x. Выполняя преобразование Фурье сигнала детектора в низкочастотном спектральном анализаторе можно одновременно наблюдать обратно рассеянные волны от всех точек вдоль волокна, подлежащего измерению. Они соответствуют непосредственно частотным осям Ω анализатора.
Фиг.6 является схематичной блок-диаграммой, показывающей систему измерения длины, с использованием методов обратного рассеяния, на основе OTDR, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Устройство 70 получения выборок используют, чтобы вводить оптические сигналы в электрический кабель 73 и анализировать полученный из кабеля обратно рассеянный сигнал оптического излучения. С этой целью устройство получения выборок содержит оптический источник, например, лазер, и схему детектирования, конфигурированную для детектирования рассеянного светового сигнала. Например, устройством получения выборок является OTDR модуль E8136MR SM, коммерчески внедренный компанией JDSU.
Электрический кабель 73 содержит соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 71 в механическом плотном соединении с, по меньшей мере, одним продольным конструктивным элементом, вытянутым вдоль продольного направления кабеля Z (на фигуре схематично представлено только соединенное с кабелем оптоволокно). Электрический кабель 73, в частности, расположение оптоволокна 71 в пределах кабеля, может иметь любую структуру из тех, которые описаны в упомянутых выше вариантах осуществления изобретения. Соединенный с кабелем оптоволоконный модуль 71 расположен вдоль центральной продольной оси кабеля и имеет механическую конгруэнтность с, по меньшей мере, одним продольным конструктивным элементом кабеля.
Устройство 70 получения выборок запускает оптический сигнал из выхода 78 в секцию 74 оптического кабеля, т.е. “возбуждающий кабель”, содержащий “возбуждающее” оптоволокно, присоединенное к ближнему концу оптоволокна 71. Выражениями “ближний” и “удаленный” называют концы оптоволокна относительно устройства получения выборок, или, по меньшей мере, относительно оптического соединения с устройством получения выборок. Вместе с тем эти выражения предназначены, чтобы указывать только относительное расположение и/или используются, чтобы облегчить описание чертежей, но они не должны интерпретироваться, как имеющие абсолютное значение. Непостоянное соединение между секцией кабеля 74 измерительного устройства 70 и соответствующим оптоволокном 71 можно выполнить традиционными способами, к примеру, через оптический соединитель 77, например сплайс-соединитель.
Наличие оптического соединителя видно в распространяющемся световом излучении, как разрывы непрерывности, которые приводят к видоизменению OTDR-трассы. В частности, оптический соединитель 77 определяет изменение OTDR-трассы, например, пик в отраженной обратно оптической мощности. Оптический соединитель 76 размещен рядом с удаленным концом оптоволокна 71. Сплайс-соединитель можно использовать для оптического сопряжения соединенного с кабелем оптоволокна с дополнительным оптоволокном (не показано), расположенным в свободной буферной конструкции, которое можно использовать для измерения температуры. В таком варианте осуществления оптоволокно 71 и дополнительное оптоволокно объединяются в контур. Сварное соединение между двумя волокнами регистрируют на OTDR-трассе в виде возмущения, в основном, как резкое снижение оптической мощности отраженного светового сигнала.
f
Альтернативно, удаленный конец оптоволокна 71 может быть сколот так, чтобы создать острый конец, срезанный ортогонально продольной оси оптоволокна. Наличие соединителя 76 около удаленного конца соединенного с кабелем оптоволокна или сколотого конца оптоволокна формирует изменение OTDR-трассы, такое как пик оптической мощности, из-за отражения светового излучения от удаленного торца. Следует отметить, что наклонные, т.е. сколотые не перпендикулярно, торцы можно использовать как торцы волокна, несмотря на то, что наклонные торцы, как правило, привносят более слабое усиление сигналов отражения светового излучения, по сравнению с перпендикулярными торцами. Расстояние между пиками оптической мощности, сформированными оптическими соединителями 77 и 76, дает длину оптоволокна. В общем, расстояние между разрывами непрерывности на OTDR-трассе рядом с торцами соединенного с кабелем оптоволокна дает длину волокна L. При конфигурировании оптоволоконного модуля в соответствии с концепцией настоящего изобретения, измеренная длина соединенного с кабелем оптоволокна соответствует длине электрического кабеля. Длина оптоволокна может быть определена с помощью OTDR с точностью, примерно, в один метр для электрического кабеля длиной более 5 км, в частности от 0,1 км до 100 км.
Устройство 70 получения выборок детектирует и анализирует OTDR-трассу как функцию расстояния от ближнего конца возбуждающего оптоволокна 74 до удаленного конца соединенного с кабелем оптоволокна 71. В рамках анализа трассы, устройство получения выборок регистрирует расстояние между двумя или более идентифицированными событиями, определенными как нарушение линейного изменения трассы. Локализация событий и определение их природы (например, сплайс, соединитель, трещины волокна, изгибы, конец волокна) может быть реализовано в автоматических инструментальных средствах в устройстве получения выборок.
f
f
Фиг.7 является графиком примерного измерения OTDR-трассы в электрическом кабеле в соответствии с вариантом осуществления изобретения. По оси абсцисс, время детектирования возвращенного отраженного светового излучения преобразовано в расстояние d (в км) от ближнего конца возбуждающего волокна, принятого за d=0. Возбуждающее волокно было соединено с соединенным с кабелем оптоволокном в электрическом кабеле, и точка соединения видна как резкий пик примерно при d=1 км. В данном примере электрический кабель, а таким образом, и оптоволокно, имеет соединение в двух промежуточных точках по длине кабеля, видных и обозначенных на графике треугольниками. Резкая неоднородность на конце соединенного с кабелем оптоволокна возникла из-за пика отражения на удаленном конце оптоволокна. Наличие соединителя рядом с удаленным концом вызывает нарушение кривой, обозначенное на графике треугольником. Длина L оптоволокна определяется разницей между положением на графике между ближним концом и удаленным концом соединенного с кабелем оптоволокна. В данном примере L=4,54 км, что соответствует длине электрического кабеля.
Использование методов на основе OTDR для измерения длины электрического кабеля в соответствии с настоящим изобретением может позволить получить точность измерений, равную нескольким мм для длин кабеля, превышающих 0,1 км.