BR112013013140A2

BR112013013140A2 - método de medição do comprimento de um cabo elétrico, e, cabo elétrico

Info

Publication number: BR112013013140A2
Application number: BR112013013140-3A
Authority: BR
Inventors: Bernd Knuepfer; Davide Sarchi
Original assignee: Prysmian S.P.A.
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2020-08-11
Also published as: AU2010364915B2; CN103314415A; EP2647016A1; CA2819122A1; EP2647016B1; BR112013013140B1; CN103314415B; ES2874759T3; WO2012073260A1; US9372069B2; RU2547143C2; AU2010364915A1; US20140049786A1; RU2013129868A; CA2819122C

Abstract

MÉTODO DE MEDIÇÃO DO COMPRIMENTO DE UM CABO ELÉTRICO, E, CABO ELÉTRICO A presente invenção se refere a um método de medição do comprimento de um cabo elétrico, o método compreendendo: prover um cabo elétrico tendo um comprimento de cabo e que inclui um eixo neutro de cabo, e uma unidade de fibra que se estende longitudinalmente ao longo do cabo e que inclui uma fibra óptica arranjada substancialmente ao longo do eixo neutro, em que a fibra óptica é acoplada mecanicamente com o cabo, injetando um sinal óptico na fibra óptica; detectar luz retroespalhada a partir da fibra óptica em resposta ao dito sinal óptico, analisar a luz retroespalhada detectada como uma função de tempo de forma a determinar o comprimento da fibra óptica, e derivar o comprimento de cabo a partir do comprimento da fibra óptica.

Description

“MÉTODO DE MEDIÇÃO DO COMPRIMENTO DE UM CABO ELÉTRICO, E, CABO ELÉTRICO” A presente invenção é direcionada a um método para medir o Ê comprimento de um cabo elétrico.

- 5 O comprimento de um cabo pode desempenhar um papel crítico na transmissão dos sinais portados por ele. WO 2010/126467 divulga um método para indicar o comprimento de cabo de entrada para sinais de interface digital serial. O método compreende medir um diferencial que varia entre primeiro (+1 V) e segundo (-1 V) valores aproximadamente linearmente na proporção para uma característica de um sinal em uma extremidade do cabo, e traduzir a voltagem diferencial medida em uma medição de comprimento de cabo.

WO 2010/092256 descreve um dispositivo para medir o comprimento de um cabo em movimento provido com marcações, as quais são fixadas em intervalos predeterminados ao longo do cabo. O dispositivo compreende meios de detecção eletrônicos, os quais são adequados para detectar automaticamente, no cabo em movimento, cada mudança local na geometria transversal ligada à presença de uma marcação.

Operações de perfilagem em poços de óleo e gás em geral requerem a determinação acurada da localização da ferramenta de perfilagem no furo de sondagem do poço. Um modo de alcançar a determinação da localização acurada da ferramenta de perfilagem durante as operações de perfilagem envolve monitorar o comprimento furo abaixo do cabo ou o suporte em linha da ferramenta de perfilagem pago para dento ou bobinado para forado furo de poço através dos trabalhos de retirada de cabo. O monitoramento do comprimento pode ser realizado através da utilização de uma roda de contagem calibrada a qual é correspondida precisamente com o diâmetro da linha ou cabo carregado no tambor/na bobina de cabo dos trabalhos de retirada para gerar uma distância do sinal de viagem para o comprimento do cabo liberado ou bobinado.

US 6.745.487 descreve um comprimento de cabo furo abaixo que mede o aparelho que compreende três componentes principais: uma montagem de medição de distância rotativa; À uma montagem de calibração de rotação para comprimento, e uma unidade de - 5 — processador.

Sensores de comprimento de cabo de um cabo que está enrolado em um tambor de cabo têm sido usados.

Em geral, o cabo é apertado f em uma de suas extremidades e é pré-tensionado através de um elemento de retorno.

Como o diâmetro do tambor de cabo é conhecido, a retirada de comprimento de cabo pode ser determinada por meio do sensor através de uma unidade de avaliação, a qual é usualmente externa.

US 2008/0141548 se refere a um sensor de comprimento de cabo no qual o dispositivo de retorno está disposto em um meio de acoplamento e alojamento para acoplar o dispositivo de retorno para a direção de virada do tambor de cabo é provido.

Meios de fixação, os quais podem ser atuados a partir do exterior do alojamento e que servem para fixar a posição corrente do dispositivo de retorno, em particular a posição de partida pelo menos levemente pré- tensionada do dispositivo de retorno, está associada com o alojamento.

Em algumas aplicações, consumidores podem ser carregados —paracabo e instalação através do comprimento total comprado ou instalado.

Em tais casos, pode ser útil medir o comprimento do cabo após a instalação sem a necessidade de medir o mesmo antecipadamente.

US 2006/181283 divulga um mecanismo de diagnóstico de cabo que utiliza a refletometria de domínio de tempo (TDR) para detectar e identificar falhas de cabo, realizar —estimações de comprimento de cabo, identificar a topologia de cabo, identificar a carga e a impedância irregular em cabo emparelhado metálico, tal como cabos coaxiais e de par torcido.

Como a medição feita utilizando TDR é realizada em condutores elétricos, quando os condutores são trançados em torno do eixo de cabo — uma configuração muito comum — o comprimento do condutor é maior do que o comprimento do cabo, e a diferença não é conhecida com acurácia satisfatória pois o passo de acúmulo não é controlado exatamente. : WO 08/073033 descreve um sistema para monitorar a dobra e - 5 a deformação de um cabo de energia conectado a uma plataforma fora de costa móvel através da medição da tensão em fibras ópticas anexadas a ou incorporadas no cabo de energia. Uma dobra no cabo de energia irá originar uma deformação na fibra óptica e esta deformação irá alterar as propriedades ópticas da fibra. A alteração nas propriedades ópticas podem ser medidas por meio do refletômetro de domínio de tempo óptico (OTDR) ou refletômetro de domínio de frequência óptica (OFDR).

GB 2368921 divulga um cabo de furo de poço tendo extremidades espaçadas que incluem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, um tubo de metal oco que se estende a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade do mesmo, e pelo menos uma fibra óptica disposta folgada dentro do tubo de metal oco e se estendendo no mesmo a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade do mesmo. A pelo menos uma fibra óptica possui pelo menos uma rede de Bragg de vibra.

EP 0203249 divulga um cabo de energia voltagem média (a partir de 6 até 60 kV) que inclui pelo menos uma temperatura e/ou fibra óptica de sensor de tensão.

Tipicamente, os cabos elétricos são distribuídos para consumidores enrolados em torno de bobinas junto com a informação do — comprimento nominal do cabo enrolado. Em algumas aplicações, tal como para uso em um ambiente furo abaixo, pode ser importante conhecer o comprimento “real” do cabo liberado de forma a definir a rota do cabo ao longo da liberação. Aparentemente comprimento negligenciáveis, tais como 1 metro ou menos, especialmente quando faltam, podem originar inconveniências.

O Depositante observou que, em alguns casos, os consumidores podem requisitar um cabo que é provido com conectores de É emenda, que precisam assim ser providos na fábrica antes da distribuição do - 5 cabo. O preparo na fábrica das extremidades de cabo para emendas de campo possui uma grande vantagem de reduzir o procedimento de emenda no campo, e que trabalha em um ambiente controlado (limpo) com maiores resultados de qualidade. Neste caso, se a seção de comprimento de cabo entre subsequentes conectores de cabo não corresponde à seção de comprimento necessária no ambiente de uso, a seção de cabo pode resultar e ser muito curta ou muito longa para ser conectada às localizações de emenda existentes ao longo da rota de cabo. Especialmente no caso de seções de cabo que contém múltiplas extensões de cabo pode não ser direto cortar e ajustar as seções de comprimento de cabo. Em alguns outros casos, os consumidores podem desejar controlar o comprimento de cabo após a distribuição do cabo.

O Depositante observou que a medição do comprimento de cabo através da utilização de um dispositivo mecânico que se move ao longo do comprimento de cabo pode não ser prático quando a liberação do cabo segue uma rota complexa e/ou o comprimento de cabo é relativamente grande, por exemplo, excedendo 1 km.

O Depositante considerou que o emprego de métodos que medem a variação de voltagem diferencial que resulta da conexão do cabo de entrada para uma porta de entrada ou métodos que detectam pulsos elétricos —refletidos. No entanto, tais métodos envolvem a medição elétrica ao longo de um ou mais condutores elétricos dentro do cabo, que são, em configurações de cabo típicas, enrolados de maneira helicoidal em torno do eixo longitudinal central do cabo. Isto implica que o comprimento dos condutores elétricos medidos está em geral maior do que o comprimento do cabo que os inclui.

Este fato introduz uma incerteza no comprimento de cabo determinado. À imprecisão do valor de comprimento determinado está em uma valor absoluto maior quanto maior o comprimento de cabo. : O Depositante observou que em cabos elétricos providos com - 5 pelomenos uma fibra óptica, o comprimento de cabo pode ser medido por técnicas ópticas que detectam a luz transmitida e/ou refletida ao longo da fibra óptica. Em adição, o Depositante notou que se o cabo elétrico é provido com uma fibra óptica inserida de maneira folgada em um módulo que se estende longitudinalmente, tal fibra usualmente possui um comprimento de fibra de excesso com relação ao comprimento do cabo, que introduz a imprecisão na correspondência entre o comprimento medido e o comprimento de cabo real. A imprecisão também pode derivar do fato de que o módulo de fibra óptica é tipicamente tensionado junto com condutores elétricos do cabo. As folgas de fibra introduzem imprecisões nas medições, também no caso da construção geométrica do cabo são conhecidas, como tolerâncias de processo de fabricação comuns (por exemplo, para um tubo folgado de tereftalato de polibutileno que contém doze fibras ópticas tensionadas SZ) permitem uma medição de comprimento da fibra óptica de não mais do que cerca de 0,5%. Por exemplo, em uma acurácia de cabo de 4 km de comprimento na medição — pode ser de cerca de 20 m, um valor que em algumas aplicações pode ser inaceitável.

O Depositante reconheceu que, se o cabo elétrico é provido com uma unidade de fibra óptica arranjada substancialmente ao longo do eixo neutro do cabo elétrico e mecanicamente acoplado ao cabo elétrico, é possível — medir precisamente o comprimento do cabo elétrico através da medição do comprimento da fibra óptica compreendida na unidade de fibra óptica por uma técnica de retroespalhamento óptica.

Em termos gerais e de acordo com um aspecto, a presente invenção se refere a um método de medição do comprimento de um cabo elétrico, o método que compreende prover um cabo elétrico tendo um comprimento de cabo e que inclui: um eixo neutro de cabo, e uma unidade de fibra que se estende longitudinalmente ao longo do cabo e que inclui uma À fibra óptica arranjada substancialmente ao longo do eixo neutro, em que a - 5 fibra ópticaé acoplada mecanicamente com o cabo. O método compreende adicionalmente: injetar um sinal óptico na fibra óptica, que detecta luz retroespalhada a partir da fibra óptica em resposta ao dito sinal óptico; analisar a luz retroespalhada detectada como uma função de tempo de forma a determinar o comprimento da fibra óptica, e derivar o comprimento de cabo a —partirdo comprimento da fibra óptica.

Por “eixo neutro” se quer dizer um eixo longitudinal do cabo o qual, através da dobra de cabo, não passa por tensão de compressão ou alongamento.

Em algumas modalidades preferidas, garantindo oO acoplamento mecânico, e em particular a congruência mecânica, entre o cabo elétrico e a fibra óptica da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo, movimentos e deformações, as últimas causadas, por exemplo, por cargas de tensão, tensão térmica e semelhantes, do cabo elétrico durante a liberação e/ou a operação são pelo menos parcialmente transferidas para a fibra óptica acoplada ao cabo mantendo desta forma uma relação substancialmente constante entre o comprimento de cabo, L., e o comprimento da fibra óptica acoplada ao cabo, L,. Em particular, nas modalidades preferidas, nenhuma flutuação de comprimento da fibra óptica acoplada ao cabo ocorre independentemente das variações de comprimento do cabo elétrico.

Com “congruência mecânica” se quer dizer a capacidade de duas ou mais partes de movimento substancialmente como uma todo, com o mesmo alongamento geométrico (positivo ou negativo). A congruência mecânica entre a fibra óptica acoplada ao cabo e o cabo permite obter um cabo capaz de prover avaliação confiável de seu comprimento através da detecção do comprimento da fibra óptica acoplada ao cabo.

De acordo com algumas modalidades preferidas da invenção, a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo é incorporada em um enchedor de Â acoplamento mecânico, que acopla de maneira mecânica a unidade de fibra - 5 como elemento estrutural longitudinal do cabo.

Através da configuração da unidade de fibra óptica de acordo com o ensinamento geral da presente invenção, o comprimento de medição da fibra óptica acoplada ao cabo corresponde substancialmente ao comprimento do cabo elétrico. O comprimento de fibra pode ser determinado pelo OTDR com acurácia de cerca de um metro para cabos elétricos de comprimento inferior a 5 km.

Preferivelmente, a fibra óptica acoplada ao cabo é cercada por uma bainha protetora para melhorar a resistência mecânica a cargas laterais, a dita bainha protetora contata diretamente a fibra óptica opcionalmente tamponada da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo. Preferivelmente, a bainha protetora compreende um compósito reforçado de fibra.

Preferivelmente, o enchedor de acoplamento mecânico está baseado em um material elastômero, mais preferivelmente em um elastômero de termorregulagem.

Preferivelmente, o método de acordo com a invenção emprega OTDR ou OFDR para medir o comprimento da fibra óptica acoplada ao cabo e assim para determinar o comprimento do cabo elétrico. Dentro da presente descrição, o termo “elemento estrutural longitudinal” indica um componente do cabo elétrico, que se estende — substancialmente longitudinalmente ao longo do comprimento de cabo, que suporta a porção principal da carga de cabo, definindo desta forma o eixo neutro do cabo. Tipicamente, em um cabo que consiste de condutores isolados, cobertos por uma ou mais bainhas poliméricas, o elemento estrutura longitudinal é o condutor de cabo (ou, possivelmente, a montagem de condutores de cabo). No caso um ou mais membros de resistência são providos, em adição ao condutor ou aos condutores, o elemento estrutural longitudinal é a montagem de tais membros de resistência e condutores de : cabo, que definem juntos o eixo neutro de cabo.

- 5 O termo “núcleo” indica uma estrutura semiacabada do cabo elétrico que compreende pelo menos um elemento condutor elétrico, tal como um condutor elétrico e, tipicamente, pelo menos uma camada de isolamento que cerca o condutor elétrico. Nas configurações típicas, os condutores elétricos compreendem uma pluralidade de fios condutores ociosos.

O método de acordo com a presente invenção pode ser aplicado a partir de cabos elétricos de baixa para alta voltagem.

Breve descrição dos desenhos A presente invenção será descrita agora mais completamente a seguir com referência aos desenhos anexos, nos quais algumas, mas não todas as modalidades da invenção são mostradas. Desenhos que ilustram as modalidades são representações esquemáticas que não estão em escala.

Para o propósito da presente descrição e das reivindicações anexas, exceto onde indicado de outra forma, todos os números expressando quantias, quantidades, porcentagens, e por aí vai, não devem ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Ainda, as faixas incluem os pontos máximo e mínimo divulgados e incluem quaisquer faixas intermediárias neles, as quais podem ou não ser enumeradas especificamente aqui.

A FIG. 1 é uma vista de seção transversal esquemática do cabo — elétricode acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 2a é uma vista de perspectiva esquemática de uma unidade de elemento estrutural longitudinal acoplada ao cabo usada em um cabo elétrico da presente invenção.

A FIG. 2b é uma vista de perspectiva esquemática de uma

9 ' unidade de elemento estrutural longitudinal acoplada ao cabo mostrada na Fig. 2a. A FIG. 3 é uma vista de seção transversal esquemática de um : cabo elétrico, de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. - 5 A FIG. 4 é uma vista de seção transversal esquemática de um cabo elétrico, de acordo ainda com outra modalidade adicional da presente invenção.

A FIG. 5 é uma vista de seção transversal esquemática de um cabo plano elétrico, de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. - A FIG. 6 é um diagrama esquemático que ilustra os princípios de operação de uma técnica de retroespalhamento óptico em um cabo elétrico de acordo com uma modalidade da invenção.

A FIG. 7 é um gráfico de um traço de OTDR exemplar medido através do método de acordo com uma modalidade da presente invenção.

Descrição detalhada A Figura 1 ilustra uma vista de seção transversal de um cabo elétrico, de acordo com uma modalidade da presente invenção. o cabo 1 é um cabo redondo que compreende três núcleos 2 arranjados radialmente em torno de um eixo longitudinal central Z do cabo. Os núcleos 2 podem prover a transmissão de energia de três fases. O cabo 1 pode ser um cabo de energia de voltagem baixa ou media, onde a voltagem baixa indica uma voltagem de até 1 kV e a voltagem media indica uma voltagem de a partir de 1 kV até 60 kV. Cada núcleo 2 compreende um condutor elétrico 12, por exemplo, um condutor de cobre formado por um feixe de fios elétricos de cobre desencapado ou estanhado trançados juntos de acordo com métodos convencionais. Na posição externa radial com relação a cada condutor elétrico 12, uma camada semicondutora interna 13, uma camada de isolamento 16, e uma camada semicondutora externa 17 são sequencialmente providas. A camada semicondutora interna 13, a camada de isolamento 16, e a camada semicondutora externa 17 são feitas de materiais de base polimérica que podem ser extrudados um sobre o outro ou coextrudados no condutor 12. À : camada de isolamento 16 pode ser, por exemplo, de borracha de etileno - 5 — propilenoreticulado (EPR); as camadas semicondutoras interna e externa 12 e 17 podem ser, por exemplo, de EPR, terpolímeros de etileno/propileno/dieno (EPDM) ou uma mistura dos mesmos, carregados com uma quantidade adequada de um enchedor condutor, o qual pode ser tipicamente negro de carbono.

10 Alternativamente, sempre que as condições de operação permitem isso, tanto a camada de isolamento quanto as camadas semicondutoras podem ser feitas de compostos termoplásticos, tais como compostos com base de polipropileno.

Em algumas aplicações, o núcleo de cabo 2 compreende pelo menos uma camada de tela metálica 22 em uma posição radialmente externa com relação à camada semicondutora externa 17.

Deve ser entendido que a descrição acima dos núcleos 2 representa apenas uma das estruturas possíveis dos núcleos compreendidos no cabo elétrico, que em geral podem ser núcleos de fase para aterramento ou transmissão de energia, núcleos para realizar sinais de controle ou núcleos que realizam tanto sinais de controle quanto de energia.

De acordo com a funcionalidade da invenção, o cabo elétrico 1 compreende uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 arranjada substancialmente ao longo do eixo longitudinal central Z do cabo elétrico, o qual é substancialmente o eixo neutro do cabo. A unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 é acoplada mecanicamente com o elemento estrutural longitudinal no cabo, isto é, com os núcleos 2.

A unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 é mecanicamente congruente com o elemento estrutural longitudinal no cabo de tal modo que ela permanece em alinhamento coaxial com o eixo longitudinal central e uma relação substancialmente constante entre o comprimento de cabo e o comprimento da fibra óptica acoplada ao cabo é mantida. Para este fim, em Í algumas modalidades preferidas, a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 - 5 é incorporada em um enchedor de acoplamento mecânico 6 que acopla mecanicamente a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo com o elemento estrutural longitudinal do cabo elétrico. Preferivelmente, o enchedor de acoplamento mecânico acopla mecanicamente a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo com cada um dos núcleos circunferencialmente arranjados integrados no cabo elétrico.

Adicionalmente aos núcleos 2 para a transmissão de sinais de controle e/ou energia, o cabo elétrico 1 compreende pelo menos um condutor de terra 7. Na modalidade mostrada na Fig. 1, o cabo compreende dois condutores de terra 7, por exemplo, na forma de um feixe de fios elétricos de cobre desencapado ou estanhado trançados. Especialmente para aplicações de voltagem média, o feixe de fios elétricos dos condutores de terra pode ser cercado por uma camada semicondutora (não mostrada nas figuras). Os condutores de terra 7 são arranjados radialmente externos com relação à unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 e são trançados juntos com os núcleos 2 ao longo de uma direção longitudinal de cabo. Em particular, os núcleos 2 e os condutores de terra 7 são enrolados de maneira helicoidal em torno do centro do eixo longitudinal central Z do cabo, de acordo com os métodos convencionais.

Na modalidade mostrada na Fig. 1, o cabo 1 compreende um — elementos de fibra óptica 3 que inclui uma pluralidade de fibras ópticas, por exemplo, a partir de 6 até 24 fibras, para a transmissão de sinais de controle, voz, vídeo e outros sinais de dados. Uma única fibra óptica ou um par de fibras pode ser inserido em uma construção de tampão de tubo folgado em módulos que se estendem longitudinalmente 19, preferivelmente feitos de um material flexível tal como tereftalato de polibutileno (PBT) ou etileno tetrafluoroetileno (ETFE). No exemplo ilustrado, os módulos que contém as fibras são SZ enrolados de maneira helicoidal em torno de um membro de À resistência longitudinal 18, sendo, por exemplo, uma fibra de vidro, um - 5 —filamentode aramida ou uma fibra de carbono. O elemento de fibra óptica 3 pode ser preso junto com os núcleos 2 e os condutores de terra 7. Em geral, se a construção de cabo permite isso, os condutores de terra e o elemento de fibra óptica podem ser arranjados nos interstícios externos formados pelos núcleos 2.

Os núcleos 2 e, se presente, os condutores de núcleo 7 e/ou o elemento de fibra óptica 3, são relativamente referidos como elemento estrutural longitudinal do cabo elétrico.

Como a dobra de calor pode induzir um alongamento em uma fibra óptica arranjada dentro do cabo elétrico, através do arranjo da unidade de fibra óptica coaxial com o eixo longitudinal central do cabo elétrico, a unidade de fibra óptica não é danificada pela dobra do cabo para qualquer raio de curvatura não sendo menor do que o raio de curvatura, Pmin, que corresponde ao raio mínimo no qual o cabo pode ser dobrado sem o dano permanente. Foi observado que a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo estáem geralnão danificada através da dobra de cabo nos raios de curvatura não menores do que pmin quando a deformação longitudinal induzida pela dobra é menor do que a deformação aplicada à fibra em um teste de deformação de tipicamente 1 ou 2%. Os valores de pPmin especificados para cabos de trabalho pesado, especialmente para aplicações em equipamentos —moveis, podem ser relativamente pequenos, por exemplo, 250 mm. De maneira a melhorar a resistência à dobra da fibra óptica acoplada ao cabo, preferivelmente a fibra óptica acoplada ao cabo é arranjada dentro de uma distância radial relativamente pequena a partir do eixo longitudinal central do cabo elétrico, por exemplo, não maior do que 5 mm.

Em algumas modalidades preferidas, a fibra óptica acoplada ao cabo é disposta ao longo do comprimento de cabo dentro de uma distância a partir do eixo neutro de não mais do que 0,02 pmin e preferivelmente de não À mais do que 0,01 pmin- - 5 Preferivelmente, a fibra óptica acoplada ao cabo está disposta ao longo do comprimento de cabo dentro de uma distância do eixo neutro que deve ser tão pequena quanto possível, levando em conta o tamanho de cabo, o raio de dobra de cabo mínimo (tanto em uma bobina ou quando se libera no campo) e a acurácia necessária para a medição de comprimento. Por meio de exemplo, um deslocamento a partir do eixo neutro de menos do que 5 mm é aceitável para a maioria das aplicações.

Preferivelmente, o contato entre o enchedor de acoplamento mecânico e o pelo menos um elemento estrutural longitudinal não deve mostrar deslizamento significativo pelo menos em condição trançada. Em muitos casos de interesse, uma ausência substancial de deslizamento entre a unidade de fibra óptica e o(s) elemento(s) implica uma aderência com a fricção ou ligação entre eles. Um acoplamento mecânico entre dois elementos que causam substancialmente a mesma deformação como um resultado de nenhum deslizamento significativo entre os elementos, é referido aqui como —congruênciamecânica.

Na modalidade ilustrada a Fig. 1, a configuração geométrica do enchedor acoplado mecanicamente 6 é tal que o enchedor contata uma pluralidade de elementos estruturais longitudinais posicionados na posição externa radial com relação à unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5, também quando o cabo está em uma condição substancialmente não trançada.

A partir da construção geométrica do cabo elétrico e o número de elementos estruturais longitudinais integrado no cabo, o enchedor acoplado mecanicamente 6 da Fig. 1 possui uma forma aproximadamente de um trevo.

Preferivelmente, o enchedor acoplado mecanicamente 6 é feito de um material que possui propriedades elásticas para reagir à deformação máxima para a qual o cabo exibe um comportamento elástico sem deformação permanente do enchedor (isto é, a reversibilidade da deformação). O material À de enchedor acoplado mecanicamente é selecionado para esticar ái 5 — adequadamente ao longo do cabo que passa por alongamento e para substancialmente recuperar a deformação quando as cargas de tensão externas são removidas, pelo menos para cargas de tensão que correspondem à deformação máxima permitida, além da qual uma deformação irreversível e permanente do cabo ocorre.

O enchedor acoplado mecanicamente 6 pode ser baseado em uma material polimérico, vantajosamente extrudado em torno da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5. Os elastômeros de termorregulagem tendo um comportamento elástico dentro de uma faixa relativamente grande de deformação, por exemplo, que excede 1% foram descobertos como sendo particularmente adequados para o cabo da invenção. Vantajosamente, os elastômeros de termorregulação são observados para aderir com alta fricção às superfícies dos elementos estruturais longitudinais. Por exemplo, se notou que elastômeros de termorregulação proveem uma forte adesão com os materiais semicondutores que tipicamente cercam os núcleos de alguns cabos elétricos, enquanto exibem uma fricção não prejudicial para a superfície externa semicondutora dos núcleos. Uma transferência de deformação confiável tendo uma relação pelo menos derivável ou predicável entre a deformação experienciada em um elemento estrutural longitudinal do cabo e da deformação medida no sensor foi observada ocorrer.

Vantajosamente, o material do enchedor acoplado mecanicamente é resistente aos tratamentos térmicos que podem ocorrer durante a fabricação do cabo, tal como durante a cura da bainha externa do cabo elétrico, tipicamente realizado em aproximadamente 200ºC.

Preferivelmente, o enchedor acoplado mecanicamente compreende um elastômero de termorregulação reticulado por meio de sistemas de pressão de vapor, irradiação com feixe de elétron, de imersão ou reticulação de silano. Em geral, o enchedor acoplado mecanicamente é Á preferivelmente feito de elastômeros tendo um módulo elástico entre 0,01 e : 5 0,7Gpa Por exemplo, o enchedor acoplado mecanicamente é selecionado a partir do grupo que consiste de borracha de dieno de etileno propileno (EPDM), borracha de etileno propileno (EPR), borracha de butadieno nitrila (NBR).

Apesar de elastômeros de termorregulação serem preferidos por causa de suas propriedades de adesão de resistência de temperatura e grande faixa de elasticidade, o uso dos elastômeros termoplásticos não é excluído. Exemplos de elastômeros termoplásticos incluem copolímeros de três blocos de estireno — dieno — estireno; elastômeros de poliéster termoplástico e elastômeros de poliuretano termoplástico, e borrachas de poliolefina (misturas de poliolefina).

Em algumas modalidades, o enchedor acoplado mecanicamente 6 pode ser eletricamente condutor. Áreas de interstícios 11 são cheias com o enchedor polimérico talcomoum composto de base de EPR. Uma camisa externa 14 é provida, por exemplo, através da extrusão. Para aumentar a resistência do cabo elétrico para tensões mecânicas, a camisa externa 14 é preferivelmente feita de um material polimérico curado, preferivelmente com base em um elastômero de termorregulação de trabalho reforçado, tal como o polietileno de alta — densidade (HDPE), policloropreno, poliuretano ou composto baseado em NBR.

Opcionalmente, para aumentar a resistência a torsão do cabo elétrico, uma blindagem 15 na forma, por exemplo, de tranças ou espiral dupla de filamentos de reforço, tais como filamentos de metal ou poliéster,

por exemplo, feito de Kevlar& (poliamida aromática), é provido.

As Figuras 2a e 2b ilustram uma vista de perspectiva parcial e uma seção transversal, respectivamente, de uma unidade de fibra óptica À acoplada ao cabo 5 integrada no cabo elétrico da Fig. 1, de acordo com uma - 5 — modalidade preferida da presente invenção.

A fibra óptica acoplada ao cabo 5 compreende uma fibra óptica 9 que é substancialmente arranjada ao longo do eixo Z, que é o eixo neutro do cabo, quando a fibra óptica acoplada ao cabo está integrada no cabo.

A fibra 9 da fibra óptica acoplada ao cabo 5 é uma fibra óptica, designadamente um fibra óptica com base em sílica, com o diâmetro nominal típico de 125 um, revestido por um revestimento primário, que é cercado por um revestimento secundário, que tipicamente contata de maneira aderente o revestimento primário, onde o revestimento primário e o secundário formam um sistema de revestimento.

O diâmetro externo da fibra | óptica (revestida) pode ser 250+/-10 um ou 200+/-10 um.

Sistemas de revestimento de camada única também podem ser usados.

Preferivelmente, a fibra óptica 9 é uma fibra óptica de modo único, apesar de uma fibra óptica de múltiplos modos também pode ser usada.

Em algumas modalidades, onde o método é para medir o comprimento de um cabo de trabalho pesado, a fibra óptica da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo possui desempenho de dobra melhorada, que exibe baixas perdas de dobramento.

Em algumas modalidades, a fibra óptica é complacente às recomendações G.657 ITU-T.

Em uma modalidade, o sistema de revestimento da fibra acoplada ao cabo é revestida com um sistema de revestimento como —divulgadoem EP 1497 686, que foi observado para prover a fibra óptica sem ruptura quando se sujeita a alongamentos repetidos que excedem 2%. Em algumas modalidades preferidas, a fibra óptica 9 é tamponada selada com uma camada de tampão 10 que cerca o sistema de revestimento para melhorar a proteção mecânica da fibra óptica, por exemplo,

contra perdas de microdobramento. O Depositante entendeu que a aderência uniforme da camada de tampão para a fibra óptica, designadamente para o sistema de revestimento da fibra, é particularmente importante para garantir a congruência entre a fibra óptica e o enchedor de acoplamento mecânico. . 5 Por exemplo, a camada de tampão 10 é extrudada ou aplicada sobre a fibra revestida de 250 um, que aumenta o diâmetro externo até 600 a 1000 um, com valores típicos de 800 a 900 um. preferivelmente, a camada de tampão é feita de um material que possui propriedades elásticas que permitem que a fibra óptica tamponada vedada suporte alongamentos de até e incluindo 2%.

Vantajosamente, a camada de tampão é selecionada de forma a aderir ao sistema de revestimento da fibra óptica essencialmente sem crimpagem, deslizamento ou desligamento. Preferivelmente, a camada tampão é baseada em um material resistente térmico capaz de exibir resistência térmica suficiente para suportar os tratamentos térmicos que ocorrem durante a fabricação do cabo.

Preferivelmente, a camada de tampão é feita de um polímero de acrilato curável por radiação.

Por exemplo, o tampão de selagem é feito de um polímero de acrilato curável por UV tal como descrito em WO 2005/035461, ou de uma matriz polimérica carregada com um enchedor de retardante de chama tal como descrito em WO 2008/037291.

Uma camada promotora de adesão pode ser provida entre o sistema de revestimento de fibra óptica e a camada de tampão de selagem.

Uma bainha protetora 8, projetada para melhorar a resistência a compressões laterais, pode ser vantajosamente provida para cercar a fibra óptica tamponada opcionalmente selada das Figs. 2a e 2b.

Em cabos redondos, tais como aquele ilustrado na Fig. 1, as compressões laterais nas direções transversais à direção de cabo longitudinal,

tipicamente ocorrem em direções radialmente para dentro. A unidade de fibra óptica acoplada ao cabo pode ser usada como membro de força de puxar na etapa de extrusão do enchedor de É acoplamento mecânico durante o processo de fabricação de cabo. Para este - 5 fim, foiobservado que é importante que o material de unidade de fibra óptica acoplada ao cabo não amacia durante o processo de extrusão do enchedor acoplado mecanicamente, de maneira a garantir uma força de puxar uniforme. A presença de uma bainha protetora 8 e uma seleção adequada do material que forma a dita bainha pode vantajosamente prover a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo com uma força tensional suficiente tanto para melhorar a resistência à compressão lateral e para permitir que a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo funcione como membro de força de puxar no processo de fabricação do cabo elétrico. Quando a congruência mecânica entre a fibra óptica e o —enchedor acoplado mecanicamente é desejada, o material da bainha protetora é preferivelmente selecionado de forma a prover adesão forte e relativamente uniforme com a fibra óptica opcionalmente tamponada. Preferivelmente, a bainha protetora 8 é feita de um compósito de fibra reforçada, em que as fibras podem ser fibra de carbono, de grafita, de —boro, ou de vidro (não ópticas). Em uma modalidade, a bainha protetora 8 é um polímero reforçado por vidro (GRP), nas quais o polímero é reforçado por fibras de vidro incorporadas no polímero. Foi observado que vantajosamente rigidez tensional relativamente alta da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo é alcançada pela presença de fibras de reforço liberadas paralelas ao eixo

25. longitudinal de fibra óptica, evitando desta forma que a compressão lateral seja mal interpretada como deformação tênsil. A bainha protetora 8 pode estar em protrusão para a camada de tampão 10 e está em contato direto com ela. Preferivelmente, o polímero que incorpora as fibras de reforço são resinas reticuladas, em particular resinas reticuladas curáveis por UV ou resinas reticuladas de termorregulação, que em geral proveem uma resistência às compressões. As resinas reticuladas podem ser poliésteres insaturados, epóxis, ou vinil ésteres. À Opcionalmente, a superfície externa da bainha protetora, que é - 5 — cercada pelo enchedor de acoplamento mecânico no qual a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo é incorporada, compreende uma pluralidade de ranhuras ou cortes ou é tratada para formar uma superfície bruta de maneira a aumentar a aderência da bainha protetora com o enchedor de acoplamento mecânico. Alternativamente, ou em adição, uma camada promotora de adesão — pode ser opcionalmente provida na bainha protetora.

Para melhorar a flexibilidade da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo, a espessura da bainha protetora, quando feita de material de base polimérica, é preferivelmente compreendida entre 500 e 1000 um. Por exemplo, a bainha protetora é uma camada de GRP que aumenta o diâmetro externoda fibra óptica tamponada até 1,8 a 2,5 mm.

Se prefere que a bainha protetora que cerca a fibra óptica do sensor evite o encolhimento de fibra em temperaturas usadas no processo de fabricação, e em particular no processo de cura de alguns componentes de cabo, tais como as bainhas interna e externa. Retinas reticuladas de graduação dealtatemperatura que suportam a temperatura de cura são selecionadas, por exemplo, Polystal& de alta temperatura de Polystal Composites GmbH.

Em modalidades preferidas descritas acima, a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo compreende uma fibra óptica coberta por camadas (isto é, bainha protetora de tampão vedado) que exibe propriedades elásticas e — incorporadas em um enchedor de acoplamento mecânico com propriedades elásticas. No entanto, desde que a estrutura composta pela unidade de fibra óptica acoplada ao cabo e o enchedor de acoplamento mecânico é capaz de recuperar o alongamento no regime elástico reversível do cabo, pelo menos uma das camadas selecionadas a partir do grupo que consiste da camada de tampão que cerca a fibra revestida, a bainha protetora e o enchedor de acoplamento mecânico pode exibir um comportamento não elástico e em particular um comportamento plástico.

Em particular, a pelo menos uma : camada pode ser feita de um material plástico, designadamente um material s 5 — que possuia capacidade de se deformar em resposta a forças mecânicas sem fratura, pelo menos até um certo valor limiar das forças externas não é excedido.

Em termos gerais, a resposta elástica é obtida se: (1) uma camada feita de material substancialmente plástico é congruente com pelo menos uma camada feita de material elástico, e (2) a rigidez axial da camada feita de —plásticoé menor do que a rigidez axial da pelo menos uma camada feita de material elástico a qual a camada de material plástico está em contato com.

À rigidez axial, tipicamente medida em N, é o produto do módulo de Young e a área de seção transversal do elemento de camada.

Deste modo, a camada feita de material substancialmente plástico se estica ao longo do material elástico —noqual ela adere ou contata com fricção durante o alongamento do cabo e é puxada de volta para sua posição original pelo material elástico, provido que força de aderência suficiente existe entre as duas camadas.

Por exemplo, a bainha protetora da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo é um polímero termoplástico de fibra reforçada tendo o módulo de Young de 72.400 MPa, enquanto o enchedor de acoplamento mecânico é um elastômero de termorregulação tendo o módulo de Young de 671 MPa.

A área de seção transversal da bainha protetora é de 3,4 mm? ea área de seção transversal do enchedor de acoplamento mecânico é de 75 mn”, provendo uma rigidez axial de 250 kN para a bainha protetora e de 50 kN —parao enchedor de acoplamento mecânico.

Se um polímero termoplástico de fibra reforçada possui uma boa adesão ao enchedor de transferência de deformação e às camadas subjacentes, tais como a camada de tampão, o polímero termoplástico toma junto o enchedor de acoplamento mecânico, mesmo se a área de seção transversal do mesmo é muito menor.

Deve ser notado que isto também deve ser verdade se o enchedor de acoplamento mecânico é feito de um polímero termoplástico, provido que as condições acima (1) e (2) são satisfeitas, e onde a camada com propriedades elásticas é a Á camada de tampão cercada pela bainha protetora.

F Ss Em uma modalidade, sob a hipótese de que as condições (1) e (2) são satisfeitas, o enchedor de acoplamento mecânico é selecionado a partir do grupo que consiste de: poliéster com módulo de Young de a partir de 1 até Gpa, poliamida com módulo de Young de a partir de 2 até 4 Gpa, cloreto de polivinil (PVC) com módulo de Young de a partir de 0,003 até 0,01 Gpa, polietileno de baixa densidade com módulo de Young de a partir de 0,1 até 0,3 Gpa, e polietileno de alta densidade com módulo de Young de a partir de 0,4 até 1,2 Gpa. Preferivelmente, materiais poliméricos reticulados são empregados. É De acordo com outra modalidade, de maneira a prover a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo com resistência melhorada a cargas laterais e resistência de puxar, a bainha protetora da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo pode ser um tubo metálico que cerca a camada de tampão da fibra óptica opcionalmente tamponada (modalidade não mostrada nas figuras). Neste caso, o tubo metálico contém um gel ou material semelhante a gel, opcionalmente sob pressão, capaz de prover a congruência mecânica desejada entre o tubo metálico e a fibra óptica contida nele. Em uma modalidade preferida, o tubo metálico é feito de aço. Preferivelmente, apenas um no grupo que consiste da camada de tampão que cerca a fibra revestida, a bainha protetora e o enchedor — acoplado mecanicamente é feito de um material com propriedades plásticas. Apesar de em algumas modalidades preferidas a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo compreender uma camada de tampão de maneira a melhorar a força e a elasticidade da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo, como na construção mostrada nas Figs. 2a e 2b, deve ser entendido que a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo pode compreender uma fibra óptica revestida com um sistema de revestimento diretamente cercado por uma bainha protetora. É O cabo elétrico 1 pode compreender um sensor de temperatura r 5 — quecompreende uma fibra óptica 24 para medir a temperatura interna do cabo

1. A fibra óptica 24 do sensor de temperatura está em uma construção de tampão folgada. Em particular, na modalidade ilustrada na figura, a fibra óptica 24 posicionada folgada dentro de um módulo 19 que engloba longitudinalmente a fibra, o módulo 19 estando compreendido no elemento de fibra óptica 3. O módulo que se estende longitudinalmente 19 contém comprimento de fibra óptica de excesso por unidade de comprimento da fibra óptica de tubo 24. O comprimento de fibra de excesso (EFL) é definido pela seguinte relação: EFL=E22=En 100 O Lr em que Lr é o comprimento da fibra óptica 24 e Ln é o comprimento do alojamento de tubo da fibra.

A fibra óptica 24 do sensor de temperatura pode ser uma fibra de modo único e a temperatura é medida através da utilização de técnicas de retroespalhamento de Brillouin. No entanto, o uso de uma fibra óptica de múltiplos modos pode ser visualizado para a detecção de temperatura. No —últimocaso,amedição de temperatura pode ser realizada através da utilização de técnicas conhecidas com base em espalhamento de Raman. Na modalidade da Fig. 1, a fibra óptica 24 é enrolada de maneira helicoidal com relação a um eixo longitudinal central ao longo do cabo. Por exemplo, a fibra óptica 24 é torcida em torno de um membro longitudinal. No caso de um cabo elétrico — que compreende um elemento de fibra óptica que compreende mais do que uma fibra óptica, duas fibras podem ser enroladas de maneira helicoidal em torno um do outro ao longo de uma direção longitudinal, uma das duas fibras sendo empregada como fibra óptica do sensor de temperatura.

O acoplamento mecânico, e em particular a congruência mecânica, entre a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo e o cabo pode ocorrer apenas quando pelo menos um dos elementos estruturais longitudinais É está sujeito a uma carga tênsil e entra em contato com o enchedor de r 5 — acoplamento mecânico.

Por exemplo, o acoplamento mecânico ocorre quando E os elementos estruturais longitudinais passam por cargas de tensão que correspondem a alongamentos de pelo menos 0,1%. A Figura 3 é uma vista de seção transversal de um cabo elétrico, de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção.

Os mesmos números são usados para identificar componentes semelhantes que possuem as mesmas funções ou funções similares aos elementos da Fig. 1. Enquanto a modalidade da Fig. 1 inclui um enchedor de acoplamento mecânico que contata os elementos estruturais longitudinais do cabo também na ausência de cargas de tensão, na modalidade mostrada na Fig. 3, o —enchedor de transferência de deformação não contata, pelo menos não completamente, a superfície dos elementos estruturais longitudinais quando o cabo está em uma condição substancialmente não trançada, por exemplo, a condição original do cabo, antes da instalação ou o uso em um equipamento móvel.

Em particular, o cabo elétrico 30 compreende uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 cercada por um enchedor de acoplamento mecânico 25, que é preferivelmente diretamente extrudada sobre a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo, por exemplo, com referência às Figs. 2a e 2b, na superfície externa da bainha protetora 8. O enchedor de acoplamento mecânico 25 pode ter uma seção transversal circular.

Por exemplo, a bainha — protetora 8 possui uma espessura de a partir de 2 até 7 mm.

O espaço de interstício 26 entre o enchedor de acoplamento mecânico 25 e os elementos estruturais longitudinais radialmente externos, designadamente núcleos 2, e, se presente, condutores de terra 7 e elemento de fibra óptica 3, pode ser cheio pelo mesmo material do enchedor polimérico 27 que cerca os elementos estruturais longitudinais, por exemplo, um composto com base em EPR.

Por causa do tamanho do mesmo, a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 tamponada com o enchedor de acoplamento mecânico 25 i e os elementos estruturais longitudinais de cabo, a mobilidade da unidade de - 5 —fibraópticaacoplada ao cabo também dependendo da viscosidade do material que enche o espaço intersticial.

O cabo é configurado de tal modo que a extensão da mobilidade da unidade de fibra dentro do cabo não afeta a acurácia da medição de comprimento.

Através da aplicação de uma força de tensão, os elementos estruturais longitudinais tendem a se comprimir —radialmente para dentro, reduzindo desta forma a distância radial para o eixo longitudinal ao longo do qual a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo está arranjada.

Quando o valor da força tênsil pela qual passa o cabo está acima de um certo limiar, os elementos estruturais longitudinais são pressionados radialmente para dentro e estabelecem contato com o enchedor de acoplamento mecânico 25. Pelo contrário, quando o cabo se alonga em qualquer posição longitudinal do comprimento de cabo abaixo daquele limiar, a fibra óptica da unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 segue o movimento de cabo com um atraso devido à aderência relativamente ruim com os elementos estruturais longitudinais do cabo.

Preferivelmente, o limiar naforçatênsilé de 0,1%. As propriedades de material do enchedor de acoplamento mecânico 25 são aquelas descritas acima com referência à Fig. 1. A Figura 4 é uma vista de seção transversal de um cabo elétrico, de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. — Alguns números são usados para identificar componentes semelhantes tendo a mesma função ou funções diferentes aos elementos das Figs. 1. O cabo elétrico 40 compreende quatro elementos estruturais longitudinais, designadamente três núcleos de energia 43 e um condutor de terra 44, sendo arranjados radialmente externos com relação à unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5, que pode ter a construção descrita com referência às Figs. 2a e 2b. os núcleos de energia 43 e o condutor de terra 44 compreendem cada um condutor 45, por exemplo, na forma de um feixe de fios elétricos de cobre À desencapado ou estanhado, cercados por uma camada polimérica de , 5 — isolamento 46. O enchedor de acoplamento mecânico 47 incorpora a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 e enche os interstícios entre a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo e os elementos estruturais longitudinais.

As propriedades e a forma geométrica do enchedor de acoplamento mecânico 47 são tais que o acoplamento mecânico, e em particular a congruência mecânica, existem entre os elementos estruturais longitudinais 43 e 44 e a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5, também em uma condição não trançada do cabo.

O cabo 40 pode ser um cabo de energia de 1 kV, tal como para aplicações de bobinamento vertical.

A Figura 5 mostra uma vista de seção transversal esquemática de um cabo plano elétrico de três fases 60, tal como para aplicações em sistemas de bomba de poço, incluem dois núcleos externos 61 e 63 e um núcleo central 62. Cada núcleo 61, 62, e 63 compreende um respectivo condutor elétrico 61la, 62a e 63a, cada condutor elétrico sendo preferencialmente cercado por uma respectiva camada semicondutora ou de isolamento 61b, 62b e 63b.

Os núcleos são posicionados substancialmente paralelos e adjacentes um ao outro, centrados ao longo de um eixo comum 69 paralelo à direção X, transversal ao eixo de cabo longitudinal.

Na modalidade da Fig. 5, o eixo 69 é a linha média da seção transversal de cabo no plano (X,Y). Uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 que compreende uma —fibraópticaé arranjada dentro do núcleo central 62, em particular ao longo do eixo longitudinal do condutor elétrico 62a.

Uma pluralidade de fios 65 são enrolados de maneira helicoidal em torno da unidade de fibra óptica 5 através do processo de preensão em geral conhecido na técnica de preensão de fio.

À unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 pode ter a estrutura descrita com referência as Figs. 2a e 2b. Um enchedor de acoplamento mecânico não é necessário na presente construção de cabo por causa da compatibilidade dos fios trançados em torno da unidade de fibra óptica. Os condutores elétricos É 61a e 63a podem compreender um feixe de uma pluralidade de fios 65, por . 5 exemplo, 6,12 oul8, enrolado de maneira helicoidal em torno de um fio central 65a, que pode ter a área de seção transversal dos circundantes.

Em algumas modalidades, o núcleo 62 é arranjado de tal modo que o eixo longitudinal central do núcleo, ao longo do qual a unidade de fibra óptica 5 está disposta, cruza o eixo médio 69, já que é o eixo de simetria da seção transversal de cabo ao longo do eixo Y e um eixo neutro do cabo 60. À unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 5 é arranjada dentro da região neutra para o dobramento da espessura d, definida entre dois planos 69a e 69b paralelos à linha média 69, cada um sendo distante d/2 a partir de 69 no eixo Y. para cabos planos com valores típicos de pmin de 500 mm, e a espessura d pode variar a partir de 5 até 10 mm.

A cabo plano 60 compreende adicionalmente a blindagem externa 68 arranjada em uma posição externa com relação aos núcleos e que os engloba longitudinalmente. A blindagem externa 68 possui dois lados : substancialmente planos 68a paralelos ao eixo X e dois lados laterais opostos —68b que cercam uma porção de dois núcleos externos 61 e 63. A blindagem externa 68 é preferivelmente uma blindagem de fita de aço ou de aço inoxidável ou de uma liga de cobre e níquel.

O cabo elétrico 60 possui uma pluralidade de espaços intersticiais 65, os quais são definidos pelos espaços entre os núcleos e a — blindagem externa 68. Os membros de resistência 67 são arranjados em espaços intersticiais entre os núcleos externos e o núcleo central, em dois planos comuns paralelos ao eixo X. os membros de resistência 67 possuem seção transversal circular e podem ser feitos de aço, vidro ou polímeros reforçados.

O espaço livre entre os núcleos e os membros de resistência é cheio com uma bainha interna 64, feita, por exemplo, de composto polimérico carregado de enchedor mineral, preferivelmente diretamente nos elementos E estruturais longitudinais do cabo plano.

r 5 Um cabo que compreende um condutor único (não ilustrado) pode incluir uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo de acordo com a invenção em um arranjo similar a aquele ilustrado para o núcleo 62 da Figura

5. Tal tipo de cabo tipicamente possui uma seção transversal circular global.

De acordo com um aspecto, a presente invenção se refere a um — cabo elétrico que compreende: - um núcleo de cabo que compreende uma pluralidade de fios condutores trançados, - —umeixoneutrodecabo,e - uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo que se estende longitudinalmente ao longo do cabo e que inclui uma fibra óptica acoplada ao cabo arranjada substancialmente ao longo do eixo neutro, em que a fibra óptica acoplada ao cabo é acoplada mecanicamente com o cabo; em que: a pluralidade de fios é trançada em torno da unidade de fibra óptica; a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo é acoplada mecanicamente com pelo menos um da pluralidade de fios. Pelo menos parte da pluralidade de fios cerca diretamente a — unidade de fibra óptica acoplada ao cabo. Preferivelmente, a unidade de fibra óptica é acoplada mecanicamente com pelo menos parte da pluralidade de fios que cercam diretamente a unidade de fibra óptica. De acordo com uma funcionalidade da presente invenção, cabos elétricos de acordo com a invenção são monitorados para determinar o comprimento do cabo através da utilização de técnicas de retroespalhamento óptico, tais. como refletometria de domínio de tempo óptico (OTDR), refletometria de domínio de tempo óptico de contagem de fóton ou À refletometria de domínio de frequência óptica (OFDR). De acordo com as o 5 — técnicasde medição em geral conhecidas, um sinal óptico (sonda) gerado por um laser é lançado em uma primeira extremidade da fibra óptica integrada no cabo elétrico. Em OTDR o sinal óptico de sonda é um sinal de onda pulsado, em OFDR é uma onda contínua modulada na frequência. O sinal óptico de retorno retroespalhado a partir da fibra óptica é medido por um circuito de detecção.

No caso de um ciclo de fibra ser formado através da junção de uma primeira fibra óptica com uma segunda fibra óptica, o sinal óptico é lançado na primeira fibra óptica e o comprimento de cabo é determinado pelo comprimento da primeira fibra óptica medida até o conector ou emenda com a segunda fibra óptica, subtraindo o comprimento de trança usado para a emenda de fibra óptica.

No OTDR, uma medição da porção de luz refletida de volta a partir da fibra como uma função de tempo de chegada da luz é realizado para produzir um traço de OTDR feito pela energia óptica medida do sinal de luz refletido de volta detectado contra o tempo. O traço de OTDR é determinado pela luz refletida de volta e guiada de volta para a fibra causada pelo espalhamento de Rayleigh que ocorre no material de fibra de vidro devido a suas não homogeneidades e a reflexão de Fresnel que ocorrem em interfaces com diferentes materiais de índice refrativo (como o ar) que aparecem no traço de OTDR como uma descontinuidade na energia óptica medida. Comparando a quantidade de luz espalhada de volta em diferentes momentos, o OTDR pode determinar posições de conexão e fibra ao longo da fibra e perdas. Se uma segunda extremidade de fibra, oposta à primeira extremidade de fibra, possui uma face que é cortada de maneira afiada ortogonalmente para o eixo longitudinal de fibra, uma forte reflexão ocorre em uma posição de cabo que corresponde a aquela segunda extremidade de fibra e um pico que é visível no traço de OTDR. Uma face de extremidade de fibra ortogonal : ao eixo de fibra pode ser alcançada por meio de um cortador de fibra r 5 — disponível comercialmente.

O tempo entre o lançamento de pulso e o recebimento do pulso retroespalhado é proporcional à distância ao longo da fibra até a fonte do retroespalhamento. O tempo T necessário pelo pulso de laser para viajar o comprimento de fibra Ls na direção frontal e retornar de volta para o ponto de injeção do pulso na fibra (por exemplo, primeira extremidade de fibra) é descrito pela seguinte equação: 2LÁT = c/ner 2 onde c é a velocidade de luz no vácuo (2,99792458x10*? m/s) e Neg é O Índice refrativo de grupo da fibra óptica. O índice refrativo de grupo neg é a razão da velocidade de luz no vácuo para a velocidade de luz na fibra paraum pulso de luz em uma dada frequência (ou comprimento de onda). Em muitos casos de interesse, a incerteza de ne é o fator principal que determina a acurácia de comprimento, como ne é usualmente citado para 1 em 10º (isto é 3 dígitos) enquanto as melhores medições disponíveis são 1 em 10º (isto é, 4 dígitos). O valor de neg para a fibra óptica acoplada ao cabo é determinado através da utilização da Eq. (1) em uma fibra óptica de calibração feita do mesmo tipo, possivelmente retirada da mesma pré-forma, e de comprimento de fibra conhecido.

Na refletometria de domínio de frequência óptica (OFDR) com o escaneamento de frequência (OFDR-FS), um sinal injetado em uma fibra é —uma onda óptica modulada de frequência contínua (não um pulso como em OTDR). A radiação óptica gerada pelo diodo de laser altamente coerente é lentamente e linearmente varrido em torno da frequência central e acoplado em um interferômetro de fibra de Michelson. O braço de referência é terminado por um espelho e o braço de teste é acoplado à fibra sob teste. O atraso de tempo entre os sinais a partir do refletor no braço de referência e o sinal retroespalhado a partir de um elemento arbitrário dx na posição x no ! braço de teste é 1=2 x/v,, onde v, é a velocidade de grupo no núcleo de fibra. - 5 —Paraa detecção coerente ambos os sinais são misturados no detector. Durante o atraso de tempo t a frequência óptica varrida linearmente muda por Q=7[do/dt]. Este componente de frequência de subtração pode ser observado no sinal de detector que utiliza o analisador de espectro óptico. Sua frequência O determina a posição x na fibra e sua amplitude é proporcional ao coeficiente de retroespalhamento local e a energia óptica, que é proporcional ao fator exp(-20x) e que descreve a atenuação de sinal frontal e traseiro na distância x. realizando a transformada de Fourier do sinal de detector em um analisador de espectro de baixa frequência alguém pode observar simultaneamente as ondas retroespalhadas a partir de todos os pontos ao longo da fibra sob teste. Eles correspondem diretamente aos eixos de frequência O do analisador.

A Figura 6 é um diagrama de bloco esquemático que ilustra um sistema de medição que utiliza uma técnica de retroespalhamento com base em OTDR, de acordo com uma modalidade da invenção. um aparelho de amostragem 70 é usado para injetar sinais ópticos em um cabo elétrico 73 e para analisar o sinal óptico retroespalhado recebido a partir do cabo. Para este propósito o aparelho de amostragem compreende uma fonte óptica, tal como um laser, e um circuito de detecção apto a detectar o sinal de luz espalhado. Por exemplo, o aparelho de amostragem é um módulo de OTDR E8136MR SM comercializado por JDSU.

O cabo elétrico 73 compreende uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo 71,em acoplamento mecânico de selagem com pelo menos um elemento estrutural longitudinal, que se estende ao longo da direção longitudinal de cabo Z (apenas a fibra óptica acoplada ao cabo é representada esquematicamente na figura). O cabo elétrico 73, e em particular o arranjo da fibra óptica 71 dentro do cabo, pode ter uma estrutura como qualquer uma daquelas descrita nas seguintes modalidades. A unidade de fibra óptica : acoplada ao cabo 71 está localizada ao longo do eixo longitudinal central do r 5 —caboe possui congruência mecânica com pelo menos um dos elementos estruturais longitudinais do cabo.

O aparelho de amostragem 70 lança um sinal óptico a partir de uma saída 78 para uma seção de cabo óptico 74, isto é, o “cabo de lançamento”, que compreende uma fibra óptica “de lançamento” conectada a uma extremidade proximal da fibra óptica 71. Os termos “proximal” e “distal” para as extremidades de fibra são referidos com relação ao aparelho de amostragem, ou pelo menos para a conexão óptica com o aparelho de amostragem. No entanto, tais termos têm por intenção indicar apenas uma posição relativa e/ou são usados para facilitar a descrição dos desenhos, mas eles não devem ser interpretados como tendo um significado absoluto. A conexão não permanente entre a seção de cabo 74 do aparelho de medição 70 para a fibra óptica 71 pode ser feita por meios convencionais, por exemplo, através de um conector óptico 77, por exemplo, um conector de emenda.

A presença de um conector óptico é vista pela luz que viaja como uma descontinuidade que produz uma modificação do traço de OTDR. Em particular, o conector óptico 77 determina uma mudança do traço OTRD, tal como um pico na energia óptica refletida de volta. Um conector óptico 76 é posicionado na extremidade distal da fibra óptica 71. Um conector de emenda pode ser usado para acoplar opticamente a fibra óptica acoplada ao cabo para uma fibra óptica adicional (não mostrada) arranjada em uma construção de tampão folgada, que pode ser empregada para a medição da temperatura. Em tal modalidade, a fibra óptica 71 e a fibra óptica adicional são unidas em um ciclo. Uma emenda de fusão entre as duas fibras é gravada no traço de OTDR como uma perturbação, em geral como uma diminuição aguda da energia óptica do sinal de luz refletido.

Alternativamente, a extremidade distal da fibra óptica 71 pode ser cortada de forma a formar uma extremidade afiada cortada ortogonalmente o eixo longitudinal de fibra. Tanto a presença do conector 76 f 5 na extremidade distal da fibra acoplada ao cabo ou de uma extremidade cortada da fibra gera uma alteração do traço de OTDR, tal como um pico de energia óptica devido à reflexão de luz a partir da face de extremidade distal. Deve ser notado que faces de extremidade cortadas não ortogonais anguladas podem ser usadas como faces de extremidade da fibra, apesar de faces de extremidade anguladas em geram originam sinais de luz de reflexão mais fracos se comparados às faces de extremidade ortogonais. A distância entre os picos de energia óptica gerada pelos conectores ópticos 77 e 76 origina o comprimento de fibra. Mais em geral, a distância entre as descontinuidades no traço de OTDR nas faces de extremidade da fibra óptica acoplada ao cabo provê o comprimento de fibra, Lr Através da configuração da unidade de fibra óptica de acordo com o ensinamento da presente invenção, o comprimento medido da fibra óptica acoplada ao cabo corresponde ao comprimento do cabo elétrico. O comprimento de fibra pode ser determinado pelo OTDR com acurácia de cerca de um metro para cabos elétricos de comprimento inferior a 5 km, em particular de a partir de 0,1 km até 100 km. O aparelho de amostragem 70 detecta e analisa o traço de OTDR como uma função da distância a partir da extremidade proximal da fibra óptica de lançamento 74 para a extremidade distal da fibra óptica acoplada ao cabo 71. Dentro da análise do traço, o aparelho de amostragem — grava a distância entre dois ou mais eventos reconhecidos, detectados como perturbação da evolução linear do traço. A determinação e a localização do evento de sua natureza (por exemplo, emenda, conector, rachaduras de fibra, dobramento, extremidade de fibra) pode ser implementada como uma ferramenta automática no aparelho de amostragem.

A Figura 7 é um gráfico de uma medição exemplar do traço de OTDR em um cabo elétrico de acordo com uma modalidade da invenção. Na abscissa, o tempo de detecção da luz refletida retornada foi convertida em distância, d (em km), a partir da extremidade proximal da fibra de : 5 — lançamento, tomada como d = 0. A fibra de lançamento foi conectada à fibra óptica acoplada ao cabo dentro do cabo elétrico e o ponto de conexão é visível como um pico agudo em cerca de d = 1 km. No exemplo, o cabo elétrico, e assim também a fibra óptica, é unido em duas posições intermediárias ao longo do comprimento de cabo, visto como indicado no gráfico com triângulos. A descontinuidade aguda na extremidade da fibra óptica acoplada ao cabo originada a partir do pico de reflexão na extremidade distal da fibra. Próximo da extremidade distal a presença de um conector origina uma perturbação do traço, indicada no gráfico com um triangulo. O comprimento, Ls, da fibra óptica é determinado pela diferença entre a posição no gráfico entrea extremidade proximal e a extremidade distal da fibra óptica acoplada ao cabo. No exemplo, Ls = 4,54 km, que corresponde ao comprimento do cabo elétrico.

Usando uma técnica de OFDR para medir o comprimento de um cabo elétrico de acordo com a presente invenção pode permitir obter uma — acuráciade alguns mm para comprimentos de cabo que excedem 0,1 km.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de medição do comprimento de um cabo elétrico, caracterizado pelo fato de que o método compreende: À prover um cabo elétrico tendo um comprimento de cabo e que - 50 Gnclui - —umeixoneutrode cabo, e - —uma unidade de fibra que se estende longitudinalmente ao longo do cabo e que inclui uma fibra óptica arranjada substancialmente ao longo do eixo neutro, em que a fibra óptica é acoplada mecanicamente com o cabo; injetar um sinal óptico na fibra óptica; detectar luz retroespalhada a partir da fibra óptica em resposta ao dito sinal óptico; analisar a luz retroespalhada detectada como uma função de tempo de forma a determinar o comprimento da fibra óptica, e derivar o comprimento de cabo a partir do comprimento da fibra óptica.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o comprimento da fibra óptica corresponde substancialmente ao comprimento de cabo.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabo compreende um elemento estrutural longitudinal que inclui pelo menos um condutor elétrico, e a unidade de fibra óptica é acoplado mecanicamente ao dito elemento estrutural longitudinal.

4, Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica é provida em configuração selada na unidade de fibra óptica.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade de fibra óptica é incorporada em um enchedor de acoplamento mecânico.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a unidade de fibra óptica compreende uma bainha protetora que À cerca a fibra óptica e em que o enchedor de acoplamento mecânico cerca e é É 5 — congruentecom a bainha protetora.

7. Método de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a unidade de fibra óptica compreende adicionalmente uma camada de tampão selada que cerca a fibra óptica e sendo congruente com a bainha protetora.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica possui uma extremidade proximal e uma extremidade distal e que analisa a luz retroespalhada compreende: analisar as alterações na luz retroespalhada; com base nas alterações do sinal de luz espalhada que determina a posição da extremidade proximal e da extremidade distal da fibra, e calcular o comprimento da fibra óptica a partir da diferença entre a posição da extremidade proximal e a posição da extremidade distal da fibraóptica.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende: prover uma extremidade distal clivada da fibra óptica, injetar um sinal óptico na extremidade proximal da fibra óptica, detectando a luz espalhada emitida a partir da extremidade proximal para a extremidade óptica, e identificar um pico de reflexão que corresponde à posição da extremidade distal da fibra óptica.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que analisar a luz espalhada compreende utilizar um aparelho refletômetro de domínio de tempo óptico.

11. Cabo elétrico, caracterizado pelo fato de que compreende: É - um núcleo de cabo que compreende uma pluralidade de fios - 5 condutores trançados, - —umeixoneutrode cabo, e - uma unidade de fibra óptica acoplada ao cabo que se estende longitudinalmente ao longo do cabo e que inclui uma fibra óptica acoplada ao cabo arranjada substancialmente ao longo do eixo neutro, em que a fibra óptica acoplada ao cabo é acoplada mecanicamente com o cabo; em que: a pluralidade de fios é trançada em torno da unidade de fibra óptica; a unidade de fibra óptica acoplada ao cabo é acoplada mecanicamente com pelo menos um da pluralidade de fios condutores.

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