BE1014702A3

BE1014702A3 - Optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek en werkwijze voor het vervaardigen ervan.

Info

Publication number: BE1014702A3
Application number: BE2002/0181A
Authority: BE
Original assignee: Voet Marc
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2004-03-02

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek. Deze optische kabel bevat minstens één optische vezel (1) die op verschillende plaatsen een zogenoemd "Braggrooster" (6) bezit. Rond de optische vezel (1) is de kabel voorzien van een versterking (2) die bijvoorbeeld bestaat uit versterkingsvezels (7) in een bindmiddel (8).

Description

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

Deze uitvinding heeft betrekking op een optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek, welke kabel minstens één optische vezel bevat die op verschillende plaatsen een zogenoemd "Braggrooster" bezit.

Een klassieke optische vezel bestaat uit een kern van optisch materiaal met een zekere brekingsindex, bijvoorbeeld van glas, meestal omgeven door een optische bekleding, "cladding" genoemd, van optisch materiaal met een lagere brekingsindex dan de kern en een bekleding of "coating", veelal van acrylaat of polymide, die zorgt voor de mechanische sterkte en die mogelijk maakt dat de optische vezel kan buigen zonder breken.

Het is gekend dat optische vezels waarvan de kern op verschillende plaatsen een zogenoemd "Braggrooster", dit is een vezeldeel waar reflecterende vakjes in de kern gevormd zijn, bezitten, gebruikt kunnen worden voor het meten van temperatuur of rek.

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 en een deel licht doorgelaten wordt (transmissief licht).

Om de gedopeerde zones te kunnen bestralen, moet de bekleding of coating plaatselijk worden verwijderd. Na het bestralen met voornoemd UV patroon wordt een nieuwe bekleding rond de bestraalde plaatsen aangebracht.

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

Onder invloed van de temperatuur verandert de lengte en vooral de brekingsindex van het Braggrooster en bijgevolg ook de golflengte van het gereflecteerde licht. Ook bij een lengteverandering tengevolge van trekkrachten verandert de golflengte van het gereflecteerde licht.

Met een relatief goedkoop spectrumanalyseertoestel, een 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 worden ondervraagd.

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

Bij de bekende optische vezels is het niet eenvoudig om bij de vervaardiging de gevoeligheid voor temperatuur en/of trekkracht aan te passen. Deze optische vezels moeten ook nog worden omgeven door een mechanische bescherming, meestal een buisje of capillair omgeven door een kunststofmantel.

De uitvinding heeft een optische vezel voor het meten van temperatuur en/of rek als doel die voornoemde nadelen niet bezit en, waarbij, bij de vervaardiging, de gevoeligheid voor temperatuur en/of trekkracht kan worden aangepast en, in veel gevallen, een extra mechanische bescherming kan worden weggelaten.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de kabel rond de optische vezel voorzien is van een versterking.

Door de versterking is in veel gevallen geen extra mechanische bescherming nodig.

Bij een temperatuurvariatie of verandering van trekkracht zal de verandering van lengte van de versterking rond de optische

vezel de uiteindelijke verandering van lengte van deze optische vezel beïnvloeden.

Naargelang de eigenschappen van de versterking rond een Braggrooster of groep van Braggroosters kan de invloed van deze versterking en bijgevolg de gevoeligheid van de Braggroosters, veranderingen van temperatuur of trekkracht worden gekozen.

Bij voorkeur is de versterking gevormd uit versterkingsvezels, in het bijzonder koolstofvezels, glasvezels of kunststofvezels of een combinatie van twee of meer van deze soorten vezels, ingebed in een bindmiddel, bijvoorbeeld een hars of een andere kunststof.

De versterking kan ook bestaan uit een buisje uit koolstof of glas, of uit een slang uit koolstof-, glas- of kunststofvezels, waarin de optische vezel, vastgelijmd is.

In het geval van ingebedde versterkingsvezels hangen de eigenschappen van de versterking af van het aantal vezels, hun diameter en het aantal lagen.

De totale diameter van de optische kabel met zijn versterking ligt meestal tussen 0,3 en 10 mm en is, in dit geval, dus veel groter dan de klassieke optische kabel met een kunststofbekleding met een dikte die doorgaans slechts 50 micrometer bedraagt.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding variëren de eigenschappen van de versterking rond de Braggroosters in de lengte van de optische vezel zodat de eigenschappen van de versterking rond minstens één Braggrooster of minstens één groep van Braggroosters verschilt van de eigenschappen van de versterking rond een ander Braggrooster of groep van Braggroosters.

Door de verschillende versterkingen kunnen de twee Braggroosters verschillend reageren op een temperatuursverandering of een verandering van trekkracht.

Dit laat toe temperatuur en rek gelijktijdig te meten.

De versterking kan nog aan de buitenkant omringd zijn door een scherm, bijvoorbeeld een buis, ter bescherming tegen verschillende omgevingsinvloeden zoals vocht, vuur, corrosie, straling enz.

Voornoemde optische kabel kan worden ingewerkt in grotere kabels, zoals telecommunicatiekabels of trekkabels, of in leidingen, zoals gasleidingen en olieleidingen, of nog in bouwmaterialen zoals beton, om de rek en/of de temperatuur te meten.

Deze uitvinding heeft ook betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van de optische kabel volgens een van de vorige uitvoeringsvormen, waarbij dus rond een optische vezel

met Braggroosters een versterking wordt aangebracht, waarbij door de keuze van de eigenschappen van deze versterking de gevoeligheid van de optische vezel aangepast wordt.

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 dwarse doorsnede weergeeft van een optische kabel volgens de uitvinding; figuur 2 schematisch een inrichting weergeeft voor het meten van de temperatuur of de trek met de optische kabel van figuur 1.

Zoals weergegeven in figuur 1, bestaat een optische kabel volgens de uitvinding in hoofdzaak uit een optische vezel 1 en daar rond een versterking 2.

De optische vezel 1 bestaat op de gebruikelijke manier uit een kern 3, een optische bekleding of "cladding" 4, en daar rond een "coating" of bekleding 5.

De kern 3 is een glasvezel die op regelmatige afstanden voorzien is van een Braggrooster 6. Per glasvezel kunnen 30 of meer Braggroosters 6 zijn aangebracht, elk met een lengte van bijvoorbeeld 10 mm, die sensoren vormen voor het meten.

De versterking 2 bestaat uit koolstofvezels 7 die in een hars 8, bijvoorbeeld een epoxyhars, zijn ingebed.

In een variante zijn de koolstofvezels 7 niet in een hars maar in een ander bindmiddel, in het bijzonder andere kunststof dan hars ingebed.

De koolstofvezels 7 zijn gelijkmatig rond de kern 1 gelegen.

In de weergegeven uitvoeringsvorm zijn deze koolstofvezels 7 in één laag gelegen, maar in een variant kunnen er twee of meer lagen rond elkaar aanwezig zijn.

Door het hars 8 is de optische vezel 1 stevig met de koolstofvezels 7 verbonden.

Onder invloed van de temperatuur en trekkrachten verandert de door de Braggroosters 6 gereflecteerde golflengte. De respons op temperatuursveranderingen of trekkrachten van de Braggroosters 6 wordt beïnvloed door de versterking 2, in het bijzonder door de koolstofvezels 7.

De lengteverandering van de koolstofvezels 7 overweegt ten opzichte van de lengteverandering van de optische vezel 2 en de resulterende verlenging is afhankelijk van het aantal, de diameter en het aantal lagen van de koolstofvezels 7 en van het gebruikte hars 8.

De koolstofvezels 7 hebben, naargelang de samenstelling, een lage of zelfs negatieve temperatuurscoëfficiënt, zodat bij een temperatuurstijging de koolstofvezels 7 de uitzetting van de optische vezel 1 ter plaatse van één of meer Braggroosters 6, tegenwerken en in een bepaald geval zelfs volledig compenseren. Zo kunnen deze koolstofvezels 7 de toename van golflengte van het gereflecteerde licht begrenzen.

Door een Braggrooster 6 te isoleren van de trekkrachten door middel van de versterking 2 rond dit Braggrooster 6, kan met dit Braggrooster 6 de temperatuur gemeten worden onafhankelijk van de trekkrachten.

Uiteraard is het door de gepaste keuze van de versterkingsvezels te verkrijgen dat de invloed van temperatuur versterkt wordt in plaats van verminderd.

Eveneens is het mogelijk rond bepaalde Braggroosters 6, of groepen van Braggroosters 6, de eigenschappen van de koolstofvezels, namelijk de samenstelling, het aantal en het aantal lagen, te doen verschillen rond verschillende Braggroosters 6. Zo kan over een gedeelte van de lengte van de optische kabel het aantal koolstofvezels 7 groter zijn dan over de rest van de lengte.

De invloed van temperatuur en trekkracht en dus de gevoeligheid van de Braggroosters 6 voor het meten, kan dus variëren naargelang de plaats.

Om te meten wordt, zoals schematisch weergegeven in figuur 2, de optische vezel met een uiteinde door middel van een koppeling 9 verbonden, enerzijds, via een glasvezel 10 met een breedband lichtbron 11, bijvoorbeeld een gedopeerde optische vezelbron met een frequentiebreedte van 40 nm, en, anderzijds, via een glasvezel 12, met een speciale onderzoekseenheid 13, bijvoorbeeld een optisch spectrumanalyseertoestel, een Fabry-Pérot holte afstemmer, een optische discriminator of dergelijke.

De onderzoekseenheid 13, is op haar beurt over een versterker 14 en een interface 15 met een computer 16 verbonden.

De optische kabel kan door pultrusie vervaardigd worden. De Braggroosters 6 worden aangebracht door, nog voor de kern 3, omgeven door de "cladding" 4 van de bekleding 5 wordt voorzien, te bestralen met een UV patroon.

Bij deze pultrusie worden de koolstofvezels 7 rond de optische vezel 1 aangebracht. De eigenschappen van de versterking 2, met name de diameter, het aantal of het aantal lagen van de koolstofvezels 7, wordt gekozen in functie van de gewenste gevoeligheid van de optische kabel 1 en kan over de lengte van de optische kabel variëren.

De vezels 7 van de versterking 2 moeten niet noodzakelijk koolstofvezels zijn. Het kunnen in een andere uitvoeringsvorm

glasvezels zijn en in een nog andere uitvoeringsvorm kunststofvezels. De versterkingsvezels kunnen ook meerdere van deze soorten vezels bevatten, bijvoorbeeld zowel koolstofvezels als glasvezels, waarbij dan de verhouding van de hoeveelheden van de verschillende soorten ook de eigenschappen van de versterking veranderen en dus de gevoeligheid van de optische vezel 1 voor temperatuur of trekkracht beïnvloeden.

In een nog andere uitvoeringsvorm bestaat de versterking niet uit versterkingsvezels ingebed in een hars, maar bestaat ze uit een buisje of slang, in het bijzonder een buisje uit koolstof of glas of uit een slang uit vezels van kunststof, koolstof of glas, waaraan de optische vezel 1 vastgelijmd is, bijvoorbeeld met epoxylijm.

De hiervoor beschreven optische kabel kan in een buisje of capillair opgesteld zijn en bijvoorbeeld plaatselijk tussen opeenvolgende Braggroosters 6, of over de volledige lengte, vastgemaakt zijn aan het buisje, bijvoorbeeld door middel van een lijminjectie, in het bijzonder met epoxylijm.

De hiervoor beschreven optische kabel kan geïntegreerd zijn in structuren als temperatuur- en/of rekmeter, bijvoorbeeld in kabels, zoals communicatiekabels en dergelijke.

Een interessante toepassing van de optische kabel is als monitoring kabel voor een pijpleiding of voor een leiding

naar een off-shore boorplatform, waarbij de optische 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 optische kabel kan ook zijn ingebed in een trekkabel en dienen om de rek te meten.

De optische kabel kan nog van een omhulsel of schild voorzien zijn om hem extra te beschermen tegen vocht, vuur, corrosie, straling en andere omgevingsinvloeden.

Meerdere optische vezels 1 zoals hoger beschreven, kunnen in éénzelfde optische kabel ingewerkt zijn en zowel individueel als gezamenlijk omringd zijn door versterkingsvezels, ingebed in een bindmiddel, bijvoorbeeld hars of andere kunststof.

Door de versterking 2 kan in sommige gevallen de coating of bekleding 3 van de optische vezel 1 weggelaten worden.

De lengteverandering van de kern 1 onder invloed van temperatuur of trekkracht kan worden beïnvloed door de versterking 2, zodat de gevoeligheid voor temperatuur- of trekkrachtveranderingen kan worden aangepast door de eigenschappen van deze versterking 2 te kiezen, bijvoorbeeld door de keuze van deze koolstofvezels 7 of glasvezels of

kunststofvezels. De gevoeligheid kan bijvoorbeeld ingesteld worden van 10 picometer per C tot 20 picometer per C.

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

Claims

Conclusies. l.- Optische kabel voor het meten van temperatuur en/of rek, welke optische kabel minstens één optische vezel (1) bevat die op verschillende plaatsen een zogenoemd "Braggrooster" (6) bezit, daardoor gekenmerkt dat hij rond de optische vezel (1) voorzien is van een versterking (2).
2.- Optische kabel volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de versterking (2) bestaat uit versterkingsvezels (7) ingebed in een bindmiddel (8).
3.- Optische kabel volgens conclusie 2, daardoor gekenmerkt dat de versterkingsvezels koolstofvezels (7), glasvezels of kunststofvezels of een combinatie van twee of meer van deze soorten vezels zijn.
4.- Optische kabel volgens conclusie 2 of 3, daardoor gekenmerkt dat het bindmiddel kunststof is, bij voorkeur een hars (8).
5.- Optische kabel volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de versterking (2) bestaat uit een buisje uit koolstof of glas, of een slang uit koolstof-, glas- of kunststofvezels, waarin de optische vezel (1), vastgelijmd is. <Desc/Clms Page number 14>
6.- Optische kabel volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat zijn totale diameter met zijn versterking (2) tussen 0,3 en 10 mm gelegen is.
7.- Optische kabel volgens één van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat de eigenschappen van de versterking (2) rond de Braggroosters (6) in de lengte van de optische vezel (1) variëren zodat de eigenschappen van de versterking (2) rond minstens één Braggrooster (6) of minstens één groep van Braggroosters (6) verschilt van de eigenschappen van de versterking (2) rond een ander Braggrooster (6) of groep van Braggroosters (6).
8. Optische kabel volgens één van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat versterking (2) aan de buitenkant omringd is door een scherm ter bescherming tegen verschillende omgevingsinvloeden zoals vocht, vuur, corrosie, straling enz.
9. - Optische kabel volgens één van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat hij ingewerkt is in een kabel, zoals een telecommunicatiekabel of een trekkabel, of in een leiding, zoals een gasleiding of olieleiding, of nog in bouwmaterialen zoals beton, om trekkrachten en/of de temperatuur te meten.
10.- Werkwijze voor het vervaardigen van de optische kabel volgens een van de vorige conclusies, daardoor gekenmerkt dat <Desc/Clms Page number 15> rond een optische vezel (1) met Braggroosters (6) een versterking (2) wordt aangebracht, waarbij door de keuze van de eigenschappen van deze versterking (2) de gevoeligheid van de optische vezel aangepast wordt.
11.- Werkwijze volgens conclusie 10, daardoor gekenmerkt dat de optische kabel door pultrusie vervaardigd is.