BE1013983A3

BE1013983A3 - Optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek.

Info

Publication number: BE1013983A3
Application number: BE2001/0131A
Authority: BE
Original assignee: Voet Marc
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2003-01-14
Also published as: NO20020928D0; NO20020928L; EP1235089A1

Abstract

De uitvinding betreft een optische kabel voor het meten van minstens één fysische parameter, welke kabel minstens één optische vezel (2) bevat die gelegen is in een buisje (1). Deze optische vezel (2) bezit op verschillende plaatsen een zogenoemd "Braggrooster", dit is dus een vezeldeel waar reflecterende vakjes in de kern gevormd zijn, en het buisje (1) is omgeven door een bescherming in de vorm van een bekleding met één of meer lagen (3,4,5), waarvan er minstens één een mechanische wapening (6) bevat.

Description

Optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek.

Deze uitvinding heeft betrekking op een optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek, welke kabel minstens een optische vezel bevat die gelegen is in een buisje.

Er zijn optische kabels bekend voor het meten van temperatuur of rek op verschillende afstanden, die een optische vezel, in het bijzonder een glasvezel, bezitten die in een capillair buisje aangebracht is en plaatselijk met bepaalde ionen gedopeerd is en daardoor licht met een bepaalde frequentie kan weerkaatsen.

Onder invloed van de temperatuur en/of wanneer de optische vezel aan rek onderworpen wordt, verandert de reflectie van het licht en door de kabel aan te sluiten op, enerzijds, een lichtbron en, anderzijds, een reflectometer, bijvoorbeeld een OTDR (optische tijd vertraging reflectometer), kan de temperatuur of rek op die manier worden gemeten.

De meting die geschiedt op basis van het "back scatter" fenomeen vergt een relatief dure reflectometer.

De uitvinding heeft een dergelijke optische kabel als doel die relatief gemakkelijk te vervaardigen is en aangesloten kan worden op een relatief eenvoudig en goedkoop meettoestel en die een nauwkeurige meting toelaat.

Dit doel is volgens de uitvinding bereikt doordat de optische vezel op verschillende plaatsen een zogenoemd"Braggrooster", dit is dus een vezeldeel waar reflecterende vakjes in de kern gevormd zijn en doordat het buisje omgeven wordt door een bescherming in de vorm van een bekleding met een of meer lagen, waarvan er minstens een een mechanische wapening bevat.

Een dergelijk"Braggrooster" of"Bragg grating" wordt verkregen door plaatselijk de kern van de glasvezel met bepaalde metaalionen te doperen en vervolgens met een multidimensionaal UV patroon te bestralen zodat reflecterende vlakjes in de kern worden gevormd. Elk patroon komt overeen met een bepaalde golflengteband waarbij spectraal een deel licht op deze vlakjes gereflecteerd wordt en een deel licht doorgelaten wordt (transmissief licht).

Om de gedopeerde zones te kunnen bestralen, moet de coating of het omhulsel, waarvan elke optische vezel is voorzien, plaatselijk worden verwijderd. Na het bestralen met voornoemd UV patroon wordt een nieuw omhulsel rond de bestraalde plaatsen aangebracht.

Een andere mogelijkheid bestaat erin de optische vezel reeds tijdens het trekproces, nog voor hij van een coating of omhulsel wordt voorzien, te bestralen met voornoemd UV patroon.

Met een relatief goedkoop spectrumanalyseertoestel, eer.

Fabry-Pérot holte afstemmer, een optische discriminator of dergelijke kan deze spectrale verschuiving eenvoudig gemeten worden. De optische vezel kan in principe aan beide uiteinden ondervraagd worden.

In principe kan op deze manier ter plaatse van elk Braggrooster de temperatuur en/of de rek worden gemeten, aangezien deze parameters het spectrumpatroon van het Braggrooster doen veranderen.

Door de bescherming, en vooral doordat deze een wapening bezit, kan de kabel een grote lengte bezitten en in uiteenlopende omstandigheden worden gebruikt, bijvoorbeeld op de zeebodem.

Gelijkaardige optische kabels worden gebruikt voor telecommunicatie, maar in deze kabels is de optische vezel niet voorzien van een Braggrooster.

Dergelijke telecommunicatiekabel bevat meestal een bundel van monofilamenten uit glas of ander optisch materiaal die elk omgeven zijn door een bekleding. Een aantal, gaande van 2 tot zelfs 124 van deze optische vezels, is in een buisje, meestal een stalen buisje aangebracht, dat verder omgeven is door meerdere kunststoflagen, waarvan er een van stalen wapeningsdraden is voorzien.

De optische kabel volgens de uitvinding kan op gelijkaardige manier als dergelijke telecommunicatiekabel worden vervaardigd mits minstens een optische vezel vervangen wordt door een optische vezel met Braggroosters.

Volgens de uitvinding kan de optische kabel dus meerdere optische vezels in het buisje bezitten, waarbij minstens een optische vezel, bij voorkeur minstens een in het midden van de kabel gelegen optische vezel, Braggroosters bezit.

Indien de kabel meerdere optische vezels bezit, kunnen ook meerdere naast elkaar gelegen optische vezels Braggroosters bezitten, waarbij dan de Braggroosters in de ene optische vezel in de lengterichting van de kabel, bij voorkeur ten opzichte van de Braggroosters, in een naburige optische vezel verschoven zijn.

De kabel kan zelfs tegelijk een telecommunicatie-en een meetkabel zijn, waarbij hij dan een of meer glasvezels bezit die voor telecommunicatie dienen en die geen Braggroosters bevatten en minstens een glasvezel die voor het meten dient en Braggroosters bevat.

De optische vezel of vezels kunnen in het buisje in hun lengterichting vrij beweegbaar zijn. In dit geval is deze vezel of zijn deze vezels bijvoorbeeld ingebed in een gel waarmee het buisje is gevuld.

Aangezien de optische vezels niet aan rek onderworpen worden, is deze uitvoeringsvorm vooral geschikt om temperaturen te meten.

In een andere uitvoeringsvorm is minstens een optische vezel met Braggroosters plaatselijk vastgemaakt, bijvoorbeeld vastgelijmd, ten opzichte van zijn omgeving, bijvoorbeeld het buisje.

Rek plaatselijk uitgeoefend op de kabel, betekent plaatselijk rek op de optische vezel en kan dus door Braggroosters worden gemeten.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld, zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm van een optische kabel volgens de uitvinding beschreven met verwijzing naar de bijgaande figuren waarin :
Figuur 1 een langse doorsnede weergeeft van een optische kabel volgens de uitvinding ;
Figuur 2 een langse doorsnede weergeeft van de optische kabel van figuur 1, op kleinere schaal en met schematisch de daarop aangesloten meetapparatuur.

Zoals weergegeven in de figuren bestaat een optische kabel volgens de uitvinding in hoofdzaak uit een stalen buisje l

waarin een aantal, in het weergegeven voorbeeld acht, optische vezels, namelijk glasvezels 2 aangebracht zijn, welk buisje 1 omgeven is door een mechanische bescherming gevormd door drie lagen kunststof 3,4 en 5, waarbij in de buitenste laag 5 stalen wapeningsdraden 6 zijn ingewerkt.

Het is duidelijk dat de bescherming nog ander lagen kan bevatten, bijvoorbeeld van metaal zoals koper.

De glasvezels 2 zijn op regelmatige afstanden voorzien van een Braggrooster. Per glasvezel kunnen 30 of meer Braggroosters aangebracht zijn, die sensoren vormen voor het meten.

De Braggroosters in de ene vezel 2 zijn daarenboven in de lengte verschoven ten opzichte van de Braggroosters in de andere vezels 2, zodat uiteindelijk een groot aantal sensoren over de lengte van de kabel verdeeld zijn.

Indien bijvoorbeeld in een glasvezel 2 elke 300 m een Braggrooster aanwezig is, kan met acht dergelijke vezels ongeveer elke 21, 5 m een meetsensor worden verkregen.

Op de plaatsen waar een Braggrooster werd aangebracht moest de coating waarvan een glasvezel normaal is voorzien, worden verwijderd, bijvoorbeeld over een lengte van een 10 mm. Na het beëindigen van de bestraling voor het vormen van een Braggrooster wordt de verwijderde coating vervangen door een

speciale coating 7 die eventueel iets dikker is dan de vorige of door een metaalopdamping. Gezien metaal een hogere temperatuurs-coëfficiënt heeft dan glas kan de normale gevoeligheid ten opzichte van de uitzetting van glas hierdoor worden verhoogd.

In de in de figuren 1 en 2 weergegeven uitvoeringsvorm, zijn de verschillende glasvezels 2 plaatselijk, tussen opeenvolgende Braggroosters, vastgemaakt aan het buisje 1, bijvoorbeeld door middel van een lijminjectie, in het bijzonder met epoxylijm.

Tussen deze plaatsen waar ze zijn vastgemaakt, strekken de glasvezels 2 zich uit doorheen een lege ruimte of doorheen een gel 8, of een ander bewegend fluidum, die het buisje l vult.

Wanneer de kabel plaatselijk aan rek wordt onderworpen, worden bijgevolg ook de glasvezels 2 plaatselijk aan rek onderworpen, en kan de plaatselijke rek door een Braggrooster worden gemeten.

Om te meten wordt elke van de optische vezels 2 verbonden met een breedband lichtbron 9, bijvoorbeeld een gedopeerde optische vezelbron met een frequentiebreedte van 40 nm, en een speciale onderzoekseenheid 10, bijvoorbeeld een optisch spectrumanalyseertoestel, een Fabry-Pérot holte afstemmer, een optische discriminator of dergelijke.

Hiertoe is, zoals weergegeven in figuur 2, een uiteinde van de glasvezel 2 van een koppeling 11 voorzien die, enerzijds, door een glasvezel 12 verbonden is met de lichtbron 9 en door een glasvezel 13 verbonden is met de onderzoekseenheid 10, die op haar beurt over een versterker 14 en een interface 15 met een computer 16 verbonden is.

Indien de glasvezels 2 zich over de volledige lengte van de kabel uitstrekken, kan voornoemde apparatuur willekeurig aan beide uiteinden van de kabel worden aangesloten.

Het is evenwel niet noodzakelijk dat de glasvezels 2 zich over de volledige lengte van de kabel uitstrekken en zoals weergegeven in figuur 2 kunnen ze op verschillende afstanden van een uiteinde ophouden. De meetapparatuur moet dan op het andere uiteinde aangesloten worden.

In een andere uitvoeringsvorm zijn de glasvezels 2 eveneens plaatselijk vastgemaakt aan hun omgeving, bijvoorbeeld het buisje 1, maar ter plaatse van Braggroosters. Het vastmaken kan geschieden onder tussenkomst van de speciale coating of de metaalopdamping. Bij een metalen coating of omhulsel of een metaalopdamping van de glasvezel 2 ter plaatse van een Braggrooster, kan worden gebruik worden gemaakt van het feit dat metaal een hogere temperatuurscoëfficiënt heeft dan glas.

In een nog andere uitvoeringsvorm zijn de glasvezels 2 niet plaatselijk vastgemaakt, maar over hun volledige lengte, ofwel, niet ingebed, ofwel, ingebed in een gel 8 of een ander bewegend fluidum, waardoor elke glasvezel 2 zieh in zijn lengterichting vrij in het buisje 1 kan bewegen.

De glasvezels 2 en in elk geval de middelste glasvezel 2 die in het midden van de kabel is gelegen, worden niet aan rek onderworpen.

Met dergelijke vrij beweegbare glasvezels 2 kan de temperatuur worden bepaald.

Uiteraard kunnen bepaalde vezels 2 vrij zijn en andere vastgemaakt aan de omgeving zodat tegelijk zowel de rek als de temperatuur kan worden gemeten.

Door bepaalde algoritmen toe te passen, kan eventueel de temperatuur uit de meting van de rek worden uitgefilterd of kan omgekeerd de rek uit de meting van de temperatuur worden uitgefilterd.

Een interessante toepassing van de meetkabel is als monitoring kabel voor een pijpleiding of voor een leiding naar een off-shore boorplatform, waarbij de kabel in de leiding geplaatst kan worden. De temperatuur in de leiding kan zo worden gemeten terwijl in bijvoorbeeld het gedeelte

van de leiding dat zich van de zeebodem naar het boorplatform uitstrekt, de rek kan worden gemeten.

De kabel kan op gelijkaardige manier als een optische kabel voor telecommunicatie worden vervaardigd. Alleen worden een of meer glasvezels vervangen door glasvezels met Braggroosters.

Het aantal glasvezels 2, of andere optische vezels, in het buisje l moet niet noodzakelijk gelijk zijn aan acht. Dit aantal kan variëren van 1 tot bijvoorbeeld 124.

Daarenboven moeten niet noodzakelijk alle glasvezels 2 in het buisje 1 van Braggroosters zijn voorzien. Een aantal ervan kunnen vrij zijn van Braggroosters en voor telecommunicatie gebruikt worden.

In dit laatste geval, is minstens de middelste glasvezel 2 van Braggroosters voorzien.

De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch dergelijke optische kabel voor het meten, kan in verschillende varianten worden uitgevoerd zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims

Conclusies.

1. - Optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek, welke kabel minstens een optische vezel (2) bevat die gelegen is in een buisje (l), daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) op verschillende plaatsen een zogenoemd "Braggrooster"bezit, dit is dus een vezeldeel waar reflecterende vakjes in de kern gevormd zijn, en het buisje (1) omgeven is door een bescherming in de vorm van een bekleding met een of meer lagen (3, 4, 5), waarvan er minstens een een mechanische wapening (6) bevat.

2.-Optische kabel volgens conclusie l, daardoor gekenmerkt dat hij meerdere optische vezels (2) in het buisje (1) bezit, waarbij minstens een optische vezel (2) Braggroosters bezit.

3.-Optische kabel volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat minstens een in het midden ervan gelegen optische vezel (2) Braggroosters bezit.

4.-Optische kabel volgens conclusie 2 of 3, daardoor gekenmerkt dat hij meerdere optische vezels (2) bezit, en ook meerdere optische vezels (2) Braggroosters bezitten.

5.-Optische kabel volgens conclusie 4, daardoor gekenmerkt dat de Braggroosters in de ene optische vezel (2) in de <Desc/Clms Page number 12> lengterichting van de kabel ten opzichte van de Braggroosters in een naburige optische vezel (2) verschoven zijn.

6.-Optische kabel volgens een van de conclusies 2 tot 5, daardoor gekenmerkt dat hij tegelijk een telecommunicatie-en een meetkabel is, en een of meer glasvezels (2) bevat die voor telecommunicatie dienen en geen Braggroosters bevatten, en minstens een glasvezel (2) die voor het meten dient en Braggroosters bevat.

7.-Optische kabel volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat minstens een optische vezel (2) met Braggroosters in het buisje (1) in zijn lengterichting vrij beweegbaar is.

8.-Optische kabel volgens een van de vorige conclusies daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) die vrij is, ingebed is in een beweegbaar fluidum, bijvoorbeeld een gel (8) waarmee het buisje (1) is gevuld.

9.-Optische kabel volgens een van de conclusies 1 tot 6, daardoor gekenmerkt dat minstens een optische vezel (2) met Braggroosters, plaatselijk vastgemaakt is ten opzichte van zijn omgeving, bijvoorbeeld aan het buisje (1).

10.-Optische kabel volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) op de plaatsen waar hij vastgemaakt is, vastgelijmd is, bijvoorbeeld aan het buisje (1). <Desc/Clms Page number 13>

11. - Optische kabel volgens conclusie 9 of 10/daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) zich tussen de plaatsen waar hij is vastgemaakt, uitstrekt doorheen een beweegbaar fluidum, bijvoorbeeld een gel (8).

12.-Optische kabel volgens een van de conclusies 9 tot 11, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) tussen opeenvolgende Braggroosters vastgemaakt is.

13.-Optische kabel volgens een van de conclusies 9 tot 11, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) ter plaatse van Braggroosters vastgemaakt is.

14.-Optische kabel volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) die Braggroosters bevat, ter plaatse van deze Braggroosters van een speciale coating (7) of een metaalopdamping is voorzien.

15.-Optische kabel volgens conclusies 13 en 14, daardoor gekenmerkt dat de optische vezel (2) vastgemaakt is onder tussenkomst van de speciale coating (7), die bij voorkeur van metaal is, of onder tussenkomst van de metaalopdamping.