CN103314415A - 使用光纤元件作为传感器测量电缆的长度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量电缆的长度的方法，所述方法包括：提供电缆和光纤单元，该电缆具有电缆长度并且包括电缆中性轴线，该光纤单元沿电缆纵向延伸并且包括基本上沿中性轴线布置的光纤，其中光纤与电缆机械地联接；将光信号注入到所述光纤中；响应于所注入的光信号检测来自所述光纤的逆散射的光；分析被检测到的随时间变化的逆散射的光以便确定所述光纤的长度；和根据所述光纤的长度获取所述电缆长度。

Description

使用光纤元件作为传感器测量电缆的长度的方法

技术领域

本发明涉及一种用来测量电缆的长度的方法。

背景技术

电缆的长度在由其运送的信号的传输中可以起到关键的作用。WO2010/126467公开一种用来为串行数字接口信号指示输入电缆长度的方法。该方法包括：测量与电缆的端部处的信号的特性成比例地近似线性地在第一值（+1V）和第二值（-1V）之间变化的差；和将测量到的差电压转化为电缆长度测量值。

WO2010/092256描述一种用来测量设置有标记的移动电缆的长度的装置，该标记沿电缆以预定间隔被固定。该装置包括电子检测装置，该电子检测装置适合于在移动的电缆上自动检测与标记的存在相关的横向几何形状的每一个局部变化。

油气井的测井操作通常需要精确地确定测井工具在井的钻孔中的位置。在测井操作期间实现测井工具的精确位置确定的方法涉及监视被电缆绞车放入或拉出井孔的支撑测井工具的电缆或钢缆的孔下长度。通过使用校准的计数轮可以执行该长度的监视，该校准的计数轮精确地匹配被装载到绞车的电缆盘/卷轴上的钢缆或电缆的直径，从而为被放出或卷入的电缆的长度产生传播信号的距离。US6,745,487描述一种孔下电缆长度测量设备，该孔下电缆长度测量设备包括三个主要部件：旋转距离测量组件；旋转到长度校准组件；和处理器单元。

缠绕在电缆盘上的电缆的电缆长度传感器已经被使用。通常，电缆在其端部侧的一个上被紧固并且被返回元件预张紧。由于电缆盘的直径是已知的，通过估算单元借助传感器可以确定被抽取的电缆长度，该估算单元通常在外部。US2008/0141548涉及一种电缆长度传感器，其中返回装置布置在外壳中，并且设置用来将返回装置联接到电缆盘的转动方向的联接装置。固定装置与外壳关联，该固定装置可以从外壳的外部被致动，并且该固定装置用来固定返回装置的当前位置，特别地，返回装置的至少略微预张紧的开始位置与外壳相关联。

在一些应用中，顾客可以通过购买的或安装的总长度索要电缆和装置。在这种情况中，可能有用的是，在安装之后测量电缆的长度而不需要预先测量它。US2006/181283公开一种电缆诊断机构，该电缆诊断机构利用时域反射仪（TDR）来检测和识别电缆故障，执行电缆长度的估算，识别电缆布局，识别金属的成对电缆（诸如双绞线和共轴电缆）上的载荷和不规则阻抗。

由于在电导体上执行使用TDR进行的测量，当导体缠绕电缆轴线（很常见的构造）时，导体的长度大于电缆的长度，并且不以令人满意的精度知道这个差，因为铺放节距不被精确地控制。

WO08/073033描述一种通过测量连接到或并入电缆的光纤中的应变用来监视连接到移动的海上平台的电缆的弯曲和应变的系统。电缆中的弯曲将在光纤中产生应变并且这种应变将改变纤维的光性质。通过光时域反射仪（OTDR）或光频域反射仪（OFDR）可以测量光性质的变化。

GB2368921公开一种井孔电缆，该井孔电缆具有包括第一端部和第二端部的间隔开的端部，从第一端部延伸到其第二端部的空心金属管，和至少一个光纤，该至少一个光纤松弛地布置在空心金属管内并且在其中从第一端部延伸到其第二端部。该至少一个光纤具有至少一个纤维布拉格光栅。

EP0203249公开一种中电压（6到60kV）电缆，该中电压电缆包括至少一个温度和/或张力传感器光纤。

典型地，电缆在盘绕线轴的情况下与缠绕的电缆的名义长度的信息一起被输送到客户。在一些应用中，诸如用于井下环境，可能重要的是，知道放出的电缆的“真实”长度以便沿展开限定电缆的路线。显然可忽略的长度，诸如1米或更小，特别地当缺少时，可能产生不便。

本申请人已经观察到，在一些情况中，客户可能要求设置有接合连接器的电缆，这因此需要在输送电缆之前在工厂中被设置。在工厂中制备用于现场接合的电缆端部的巨大优点是，减少现场接合程序，并且以较高质量的结果在受控制的（清洁的）环境中工作。在这种情况中，如果后续接合连接器之间的电缆长度段不对应于使用环境中所需长度段，该电缆段可能导致太短或太长而不能连接到沿电缆路线的已有接合位置。特别地在包含多个电缆跨距的电缆段的情况中，可能不直接切割且装配电缆长度段。

在一些其它情况中，顾客可能希望在输送电缆之后控制电缆长度。

本申请人已经观察到，当电缆的展开遵循复杂的路线且/或电缆长度相对大（例如，超过1km）时，通过使用沿电缆长度移动的机械装置的电缆长度的测量可能是不现实的。

本申请人已经考虑使用测量由输入电缆到输入端口的连接导致的差电压变化的方法或检测反射的电脉冲的方法。然而，这种方法涉及沿电缆内的一个或更多个电导体的电测量，在典型的电缆构造中，该电导体螺旋状地缠绕电缆的中心纵向轴线。这意味着被测量的电导体的长度通常大于包括它们的电缆的长度。这个事实在确定的电缆长度中引入不确定性。确定的长度值的不精确是绝对值大于电缆长度。

本申请人已经观察到，在设置有至少一个光纤的电缆中，通过光技术可以测量电缆长度，该光技术检测沿光纤传输和/或反射的光。此外，本申请人已经注意到，如果电缆设置有松弛地插在纵向延伸的模块中的光纤，则这种纤维通常相对于电缆的长度具有过量的纤维长度，这在测量的长度和实际电缆长度之间的对应中引入不精确。不精确也可能来源于以下事实：光纤模块典型地与电缆的电导体绞合在一起。同样，在已知电缆的几何构造的情况中，由于常见制造过程公差（例如，对于包含12个SZ绞合光纤的聚丁烯-对苯二甲酸盐松弛管）允许不超过大约0.5%的光纤的长度的测量，纤维松弛在测量中引入不精确。例如，在4km长度电缆中，测量精度可能为大约20m，该值在一些应用中可能是不可接受的。

本申请人已经认识到，如果电缆设置有光纤单元，该光纤单元基本上沿电缆的中性轴线布置并且机械地联接到电缆，则通过用光逆散射技术测量光纤单元中包括的光纤的长度可以精确地测量电缆的长度。

发明内容

一般地并且根据一方面，本发明涉及一种测量电缆的长度的方法，该方法包括：提供电缆，所述电缆具有电缆长度并且包括：电缆中性轴线；和光纤单元，所述光纤单元沿所述电缆纵向延伸并且包括基本上沿所述中性轴线布置的光纤，其中所述光纤与所述电缆机械地联接。该方法还包括：将光信号注入到所述光纤中；响应于所述光信号检测来自所述光纤的逆散射的光；分析被检测到的随时间变化的逆散射的光以便确定所述光纤的长度；和根据所述光纤的长度获取所述电缆长度。

“中性轴线”意指在电缆弯曲时不经受延长或压缩应变的电缆的纵向轴线。

在一些优选实施例中，通过保证电缆和电缆联接光纤单元的光纤之间的机械联接，并且尤其是机械相符合性，移动和变形（后者例如在展开和/或操作期间由电缆的拉伸载荷、热应力等等引起）至少部分地传递到电缆联接光纤，因此维持电缆长度L_c和电缆联接光纤的长度L_f之间的基本上不变的关系。特别地，在优选实施例中，独立于电缆的长度变化，不发生电缆联接光纤的长度波动。

“机械相符合性”意指以相同的几何延长（正的或负的）基本上作为整体移动的两个或更多个部分的能力。电缆联接光纤和电缆之间的机械相符合性允许获得一种电缆，通过检测电缆联接光纤的长度，该电缆能够提供其长度的可靠估计。

根据本发明的一些优选实施例，电缆联接光纤单元被嵌在机械联接填料中，该机械联接填料机械地联接光纤单元与电缆的纵向结构元件。

通过构造根据本发明的一般教导的光纤单元，电缆联接光纤的测量的长度基本上对应于电缆的长度。对于长度小于5km的电缆，可以通过OTDR以大约1米的精度确定纤维长度。

优选地，电缆联接光纤被保护护套包围以提高横向载荷的机械阻力，所述保护护套直接接触电缆联接光纤单元的可选地缓冲的光纤。优选地，保护护套包括纤维加强的复合材料。

优选地，机械联接的填料基于弹性体材料，更优选地基于热固性弹性体。

优选地，根据本发明的方法使用OTDR或OFDR来测量电缆联接光纤的长度并且因此确定电缆的长度。

在本描述内，术语“纵向结构元件”指示基本上沿电缆长度纵向延伸的电缆的部件，该部件支承电缆载荷的主要部分，因此限定电缆的中性轴线。典型地，在被一个或更多个聚合物护套覆盖的由绝缘的导体组成的电缆中，纵向结构元件是电缆导体（或者可能地，是电缆导体的组件）。在除了一个或更多个导体外还设置一个或更多个强度构件的情况下，纵向结构元件是一起限定电缆中性轴线的这种强度构件和电缆导体的组件。

术语“芯”指示电缆的半成品结构，该半成品结构包括至少一个导电元件，诸如电导体，并且典型地包括包围该电导体的至少一个绝缘层。在典型的构造中，电导体包括多根绞合导线。

根据本发明的方法可以应用于低到高压电缆。

附图说明

现在将在下面参考附图更完整地描述本发明，在附图中示出本发明的一些但不是所有实施例。示出实施例的附图是不按比例的示意图。

为了本描述和所附权利要求的目的，除了另外指示的情况外，表达总量、数量、百分比等等的所有附图标记要被理解为在所有情况下由术语“大约”修饰。而且，所有范围包括公开的最大和最小点，并且包括其中的任何中间范围，该中间范围可以是或不是在这里被具体列举的中间范围。

图1是根据本发明的实施例的电缆的示意性剖视图。

图2a是本发明的电缆中使用的电缆联接光纤单元的示意性透视图。

图2b是图2a中示出的电缆联接光纤单元的示意性剖视图。

图3是根据本发明的另外实施例的电缆的示意性剖视图。

图4是根据本发明的又一实施例的电缆的示意性剖视图。

图5是根据本发明的另外实施例的扁平电缆的示意性剖视图。

图6是示意图，用来示出根据本发明的实施例的电缆中的光逆散射技术的操作原理。

图7是由根据本发明的实施例的方法测量的示例性OTDR轨迹的曲线图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的实施例的电缆的剖视图。电缆1是包括三个芯2的圆形电缆，该三个芯径向地布置在电缆的中心纵向轴线Z周围。芯2可以提供三相电力传输。电缆1可以是低或中电压电缆，其中低电压表示直到1kV的电压，并且中电压表示从1kV到60kV的电压。每一个芯2包括电导体12，例如由根据常规方法绞合在一起的一束镀锡的或裸露的铜电线形成的铜导体。在相对于每一个电导体12的径向外部位置中，顺序地设置内部半导电层13、绝缘层16和外部半导电层17。内部半导电层13、绝缘层16和外部半导电层17由基于聚合物的材料制成，该基于聚合物的材料可以被叠置地挤出或共同挤出到导体12上。绝缘层16可以是例如交联乙丙橡胶（EPR）；内部和外部半导电层12和17可以是例如EPR、乙烯/丙烯/二烯三元共聚物（EPDM）或其混合物，填充有合适的量的导电填料，该导电填料典型地可以是炭黑。

替代地，只要操作条件允许，绝缘层和半导电层可以由热塑性化合物制成，该热塑性化合物诸如基于聚丙烯的化合物。

在一些应用中，在相对于外部半导电层17的径向外部位置中，电缆芯2包括至少一个金属屏蔽层22。

应当理解，芯2的上述描述仅代表电缆中包括的芯的可能结构的一种，这通常可以是用于电力传输或接地的相位芯，用来运送控制信号的芯或运送电力和控制信号的芯。

根据本发明的特征，电缆1包括基本上沿电缆的中心纵向轴线Z布置的电缆联接光纤单元5，该中心纵向轴线基本上是电缆的中性轴线。电缆联接光纤单元5与电缆中的纵向结构元件，即与芯2机械联接。

电缆联接光纤单元5在机械上与电缆中的纵向结构元件相符合使得它维持与中心纵向轴线的共轴对齐并且维持电缆长度和电缆联接光纤的长度之间的基本上不变的关系。为此目的，在一些优选实施例中，电缆联接光纤单元5嵌在机械联接填料6中，该机械联接填料机械联接电缆联接光纤单元与电缆的纵向结构元件。优选地，机械联接填料机械联接电缆联接光纤单元与集成在电缆中的周向布置的芯的每一个。

此外，对于用于电力和/或控制信号的传输的芯2，电缆1包括至少一个接地导体7。在图1中示出的实施例中，电缆包括两个接地导体7，例如，以一束绞合的镀锡的或裸露的铜电线的形式。特别地，对于中电压应用，接地导体的这束电线可以被半导电层（图中未示出）包围。接地导体7相对于电缆联接光纤单元5径向外部地布置并且沿电缆纵向与芯2绞合在一起。特别地，芯2和接地导体7根据常规方法螺旋状地缠绕电缆的中心纵向轴线Z。

在图1中示出的实施例中，电缆1包括光纤元件3，该光纤元件包括用来传输控制信号、声音、视频和其它数据信号的多个光纤（例如，6到24个光纤）。单个光纤或光纤对可以插在纵向延伸的模块19中的松管缓冲构造中，该纵向延伸的模块优选地由柔性材料制成，该柔性材料诸如聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）或四氟乙烯（ETFE）。在示出的例子中，包含纤维的模块是螺旋状缠绕纵向强度构件18的SZ，例如是玻璃纤维、芳纶细丝或碳纤维。光纤元件3可以与芯2和接地导体7绞合在一起。通常，如果电缆构造允许，接地导体和光纤元件可以布置在由芯2形成的外部空隙中。

芯2和接地导体7（如果存在的话）和/或光纤元件3集体称为电缆的纵向结构元件。

由于电缆弯曲可以引起布置在电缆内的光纤的延长，通过将光纤单元布置成与电缆的中心纵向轴线共轴，不小于最小弯曲半径ρ_min的任何弯曲半径的电缆的弯曲不损坏光纤单元，该最小弯曲半径对应于电缆可以弯曲而不永久损坏的最小半径。在典型地1或2%的应变试验中已经观察到，当弯曲引起的纵向应变小于施加到纤维的应变时，不小于ρ_min的弯曲半径的电缆弯曲通常不损坏电缆联接光纤单元。指定用于重型电缆，特别地用于移动设备中的应用的ρ_min的值可以相对低，例如，250mm。为了提高电缆联接光纤的弯曲阻力，优选地，电缆联接光纤布置在离开电缆的中心纵向轴线的相对小的径向距离（例如，不大于5mm）内。

在一些优选实施例中，电缆联接光纤沿电缆长度布置在不大于0.02ρ_min并且优选地不大于0.01ρ_min的离开中性轴线的距离内。

优选地，考虑到电缆尺寸、最小电缆弯曲半径（在卷轴上或当在野外展开时）和长度测量所需的精度，电缆联接光纤沿电缆长度布置在必须尽可能小的离开中性轴线一定距离内。例如，小于5mm的离开中性轴线的位移对于大多数应用来说是可接受的。

优选地，至少在应变条件下，机械联接填料和至少一个纵向结构元件之间的接触应当没有显著滑动。在所关心的许多情况中，基本上没有光纤单元和该元件之间的滑动意味着它们之间的通过摩擦或粘结的粘附。由于该元件之间没有显著的滑动而引起基本上相同的变形的两个元件之间的机械联接在这里称为机械相符合性。

在图1中示出的实施例中，同样当电缆处于基本上无应变状态时，机械联接填料6的几何构造使得该填料接触相对于电缆联接光纤单元5布置在径向外部位置中的多个纵向结构元件。

根据电缆的几何构造和集成在电缆中的纵向结构元件的数量，图1的机械联接填料6具有近似三叶草的形状。

优选地，机械联接填料6由具有弹性的材料制成以便对电缆展示弹性而该填料不永久变形（即，变形的可逆性）的最大应变作出反应。机械联接填料被选择成沿经受延长的电缆合适地伸展并且当移除外部拉伸载荷时基本上恢复变形（至少对于对应于容许最大应变的拉伸载荷，超过该拉伸载荷，电缆的永久的且不可逆的变形发生）。

机械联接填料6可以基于聚合物材料，有利地被挤出在电缆联接光纤单元5周围。在相对大的应变范围（例如，超过1%）内具有弹性的热固性弹性体被发现特别适合于本发明的电缆。有利地，热固性弹性体被观察到以高的摩擦力粘附到纵向结构元件的表面。例如，已经注意到，热固性弹性体提供与典型地包围一些电缆的芯的半导电材料的强的粘附，同时展示不损害芯的半导电外部表面的摩擦。在电缆的纵向结构元件中经历的应变和传感器中测得的应变之间具有可预测的或至少可导出的关系的可靠的应变传递被观察到出现。

有利地，机械联接填料的材料对电缆制造期间（诸如，在电缆的外部护套的固化期间）可能发生的热处理有耐受力。

优选地，机械联接填料包括通过蒸汽压力、电子束照射、盐浴浸渍或硅烷交联系统交联的热固性弹性体。通常，机械联接填料优选地由具有0.01和0.7GPa之间的弹性模量的弹性体制成。例如，机械联接填料选自以下各物组成的组：三元乙丙橡胶（EPDM）、乙丙橡胶（EPR）、丁腈橡胶（NBR）。

虽然热固性弹性体因为它们的耐热粘附性质和大的弹性范围而是优选的，但不排除热塑性弹性体的使用。热塑性弹性体的例子包括苯乙烯-二烯-苯乙烯三嵌段共聚物；热塑性聚酯弹性体和热塑性聚氨酯弹性体；和热塑性聚烯烃橡胶（聚烯烃混合物）。

在一些实施例中，机械联接填料6可以是导电的。

空隙区域11填充有聚合物填料，诸如基于EPR的化合物。例如通过挤出提供外部护套14。为了增加电缆对机械应力的阻力，外部护套14优选地由固化的聚合物材料制成，该固化的聚合物材料优选地基于增强重型热固性弹性体，诸如高密度聚乙烯（HDPE）、聚氯丁烯、聚氨酯或基于NBR的化合物。

可选地，为了增加电缆的抗扭强度，设置装甲15，该装甲以例如编织物或双螺旋增强纱（诸如金属或聚酯纱）的形式，例如由（芳香族聚酰胺）制成。

图2a和2b分别示出根据本发明的优选实施例的集成在图1的电缆中的电缆联接光纤单元5的部分透视图和横截面。电缆联接光纤单元5包括光纤9，当电缆联接光纤单元被集成在电缆中时，该光纤基本上沿纵向轴线Z布置，该纵向轴线即电缆的中性轴线。电缆联接光纤单元5的纤维9是光纤，即基于二氧化硅的光纤，具有125微米的典型标称直径，被初级涂层涂覆，该初级涂层被次级涂层包围，该次级涂层典型地粘附接触初级涂层，其中初级和次级涂层形成涂层系统。（涂覆的）光纤的外直径可以是250+/-10微米或200+/-10微米。也可以使用单层涂层系统。优选地，光纤9是单模光纤，虽然也可以使用多模光纤。

在该方法用于测量重型电缆的长度的一些实施例中，电缆联接光纤单元的光纤具有增强的弯曲性能，展示低的弯曲损失。在一些实施例中，光纤符合G.657ITU-T推荐。

在一个实施例中，电缆联接纤维的涂层系统涂覆有如EP1497686中公开的涂层系统，观测到当经受超过2%的重复延长时这不使光纤破裂。

在一些优选实施例中，光纤9通过包围涂层系统的缓冲层10被紧密缓冲以便改善光纤的机械保护（例如，免受微弯曲损失）。本申请人已经理解，缓冲层到光纤（即到纤维的涂层系统）的均匀粘附对于保证光纤和机械联接填料之间的机械相符合性来说是特别重要的。

例如，缓冲层10被挤出或施加在250微米涂覆的纤维上，将外直径增加到600-1000微米（典型值是800-900微米）。优选地，缓冲层由具有弹性的材料制成，该材料允许紧密缓冲的光纤承受直到且包括2%的延长。

有利地，缓冲层被选择成以基本上没有蠕变、打滑或脱粘的方式粘附到光纤的涂层系统。优选地，缓冲层基于耐热材料，该耐热材料能够展示足以经受电缆制造期间发生的热处理的热阻。

优选地，缓冲层由辐射固化丙烯酸盐聚合物制成。

例如，紧密缓冲由紫外线固化丙烯酸盐聚合物制成（诸如WO2005/035461中描述的），或由填充有阻燃剂填料的聚合物基体制成（诸如WO2008/037291中描述的）。

粘附促进层可以布置在光纤涂层系统和紧密缓冲层之间。

被设计用来提高对侧向压缩的阻力的保护护套8可以被有利地布置成包围图2a和2b的可选地紧密缓冲的光纤。

在圆形电缆（诸如图1中示出的圆形电缆）中，沿横向于纵向电缆方向的方向的侧向压缩典型地沿径向向内方向发生。

在电缆制造过程期间在机械联接填料的挤出步骤中，电缆联接光纤单元可以用作拉伸强度构件。为此目的，已经观察到，重要的是，电缆联接光纤单元材料在机械联接填料的挤出过程期间不软化，以便保证均匀的拉力。保护护套8的存在和形成所述护套的材料的合适选择可以有利地为电缆联接光纤单元提供抗张强度，该抗张强度足以改善侧向压缩的阻力并且允许电缆联接光纤单元在电缆的制造过程中充当拉伸强度构件。

当希望光纤和机械联接填料之间的机械相符合性时，保护护套的材料优选地被选择以便提供与可选地缓冲的光纤的强的且相对均匀的粘附。

优选地，保护护套8由纤维加强复合材料制成，其中该纤维可以是碳、石墨、硼或玻璃（非光学）纤维。在实施例中，保护护套8是玻璃加强聚合物（GRP），其中该聚合物被嵌在该聚合物中的玻璃纤维加强。已经观察到，有利地，平行于光纤纵向轴线布置的加强纤维的存在实现电缆联接光纤单元的相对高的拉伸刚度，因此防止侧向压缩被误读为拉伸应变。保护护套8可以被拉挤到缓冲层10上并且与其直接接触。优选地，包埋加强纤维的聚合物是交联树脂，特别地是紫外线固化交联树脂或热固性交联树脂，这通常提供压缩阻力。交联树脂可以是不饱和聚酯、环氧树脂或乙烯基酯。

可选地，被电缆联接光纤单元嵌在其中的机械联接填料包围的保护护套的外表面包括多个凹槽或切口或者被处理以形成粗糙表面以便增加保护护套与机械联接填料的粘附。替代地或另外地，粘附促进层可以可选地布置在保护护套上。

为了提高电缆联接光纤单元的柔性，当由基于聚合物的材料制成时保护护套的厚度优选地被包括在500和100微米之间。例如，保护护套是将缓冲光纤的外直径增加到1.8-2.5mm的GRP层。

优选的是，包围传感器的光纤的保护护套防止在制造过程中使用的温度下，并且特别地在一些电缆部件（诸如，内部和外部护套）的固化过程中的纤维收缩。选择经得起固化温度的高温级交联树脂，例如，Polystal Composites GmbH的高温

GRP。

在上述优选实施例中，电缆联接光纤单元包括光纤，该光纤被展示弹性并且嵌在具有弹性的机械联接填料中的层（即，紧密缓冲，保护护套）覆盖。然而，只要由电缆联接光纤单元和机械联接填料组成的结构能够恢复电缆的可逆弹性状态中的延长，选自由包围被涂覆的纤维的缓冲层、保护护套和机械联接填料组成的组的层的至少一个可以展示非弹性性质，并且特别地展示塑性性质。特别地，该至少一个层可以由塑性材料制成，即能够响应于机械力变形而不破裂，至少直到不超过外部力的某一临界值的材料。一般来说，在以下情况下获得弹性响应：（1）由基本上塑性的材料制成的层与由塑性材料制成的至少一个层一致；和（2）由塑性材料制成的层的轴向刚度小于该层塑性材料与其接触的由塑性材料制成的至少一个层的轴向刚度。典型地以N度量的轴向刚度是杨氏模量和层元件的横截面积的乘积。这样，由基本上塑性的材料制成的层在电缆延长期间通过摩擦沿着它粘附或接触在其上的弹性材料伸展并且被弹性材料拉回到其最初位置（只要足够的夹持力存在于这两个层之间）。

例如，电缆联接光纤单元的保护护套是具有72,400MPa的杨氏模量的纤维加强的热塑性聚合物，而机械联接填料是具有671MPa的杨氏模量的热固性弹性体。保护护套的横截面积是3.4mm²并且机械联接填料的横截面积是75mm²，为保护护套提供250kN的轴向刚度并且为机械联接填料提供50kN的轴向刚度。如果纤维加强热塑性聚合物良好地粘附到应变传递填料和位于下面的层（诸如缓冲层），则热塑性聚合物沿机械联接填料形成，即使其横截面积小得多。应当注意，如果机械联接填料由热塑性聚合物制成，只要满足上述条件（1）和（2），这也将是正确的，并且其中具有弹性的层是被保护护套包围的缓冲层。

在实施例中，假设满足条件（1）和（2），则机械联接填料选自以下各物组成的组：具有1到5GPa的杨氏模量的聚酯，具有2到4GPa的杨氏模量的聚酰胺，具有0.003到0.01GPa的杨氏模量的聚氯乙烯（PVC），具有0.1到0.3GPa的杨氏模量的低密度聚乙烯，和具有0.4到1.2GPa的杨氏模量的高密度聚乙烯。优选地，使用交联聚合物材料。

根据另一实施例，为了提供具有提高的侧向载荷阻力和拉伸强度的电缆联接光纤单元，电缆联接光纤单元的保护护套可以是包围可选地缓冲的光纤的缓冲层的金属管（图中未示出的实施例）。在这种情况中，包含凝胶或凝胶状材料的金属管可选地在压力下能够提供金属管和其中包含的光纤之间的寻求的机械相符合性。在优选实施例中，金属管由钢制成。

优选地，由包围被涂覆的纤维的缓冲层、保护护套和机械联接填料组成的组中的仅仅一个由具有塑性的材料制成。

虽然在一些优选实施例中，电缆联接光纤单元包括缓冲层以便提高电缆联接光纤单元的强度和弹性，如图2a和2b中示出的构造中，但应当理解，电缆联接光纤单元可以包括涂有涂层系统的光纤，该涂层系统被保护护套直接包围。

电缆1可以包括温度传感器，该温度传感器包括用来测量电缆1的内部温度的光纤24。温度传感器的光纤24处于松缓冲构造。特别地，在图中示出的实施例中，光纤24松弛地放置在纵向封闭该纤维的模块19内，模块19被包括在光纤元件3中。纵向延伸的模块19包含每单位长度管光纤24的过量光纤长度。过量纤维长度（EFL）由以下关系限定：

$\mathrm{EFL}=\frac{L_T-L_m}{L_T}\·100---\left(1\right)$

其中L_T是光纤24的长度并且L_m是容纳该纤维的管的长度。

温度传感器的光纤24可以是单模纤维并且通过使用Brillouin逆散射技术测量温度。然而，可以设想将多模光纤用于温度检测。在后者情况中，通过使用基于拉曼散射的已知技术可以执行温度测量。在图1的实施例中，光纤24相对于沿电缆延伸的中心纵向轴线螺旋状地缠绕。例如，光纤24盘绕纵向构件。如果电缆包括光纤元件，该光纤元件包括多个一个光纤，则两个纤维可以沿纵向螺旋状地彼此缠绕，两个纤维中的一个被用作温度传感器的光纤。

仅当纵向结构元件的至少一个经受拉伸载荷并且变得与机械联接填料接触时，电缆联接光纤单元和电缆之间的机械联接，并且特别地机械相符合性可以发生。例如，当纵向结构元件经受对应于至少0.1%的延长的拉伸载荷时发生机械联接。

图3是根据本发明的另外实施例的电缆的剖视图。相同的附图标记用于标识与图1的元件具有相同或类似功能的相似部件。虽然图1中的实施例包括机械联接填料，该机械联接填料在没有拉伸载荷的情况下也接触电缆的纵向结构元件，但在图3中示出的实施例中，在安装或用于移动设备之前当电缆处于基本上无应变状态（例如，电缆的最初状态）时，应变传递填料不接触（至少不完全地）纵向结构元件的表面。特别地，电缆30包括被机械联接填料25包围的电缆联接光纤单元5，该机械联接填料优选地被直接挤出在电缆联接光纤单元上，例如，参考图2a和2b，到保护护套8的外表面上。机械联接填料25可以具有圆形横截面。例如，保护护套25具有2到7mm的厚度。机械联接填料25和径向外部纵向结构构件（即芯2，并且如果存在的话，接地导体7和光纤元件3）之间的空隙空间26可以被包围纵向结构元件的聚合物填料27的相同材料（例如，基于EPR的化合物）填充。

因为其尺寸，通过机械联接填料25被缓冲的电缆联接光纤单元5在机械联接填料25和电缆纵向结构元件之间的空隙空间26中相对自由移动，电缆联接光纤单元的可动性也取决于填充空隙空间的材料的粘度。电缆构造成使得电缆内的光纤单元的可动性程度不影响长度测量的精度。在施加拉伸力时，纵向结构元件倾向于径向向内压缩，因此减小到纵向轴线的径向距离，电缆联接光纤单元沿该纵向轴线布置。当电缆经受的拉伸力的值在某一阈值之上时，纵向结构元件被径向向内挤压并且形成与机械联接填料25的接触。相反，当电缆在那个阈值之下在电缆长度的任何纵向位置中延长时，电缆联接光纤单元5的光纤由于通过电缆的纵向结构元件的相对差的夹持以一定延迟跟随电缆移动。优选地，拉伸力的该阈值是0.1%。

机械联接填料25的材料性质是上面参考图1描述的那些性质。

图4是根据本发明的另外实施例的电缆的剖视图。相同的附图标记用于标识与图1的元件具有相同或类似功能的相似部件。电缆40包括相对于电缆联接光纤单元5布置在径向外部的四个纵向结构元件（即，三个电力芯43和接地导体44），该电缆联接光纤单元可以具有参考图2a和2b描述的构造。电力芯43和接地导体44各包括例如以一束绞合的镀锡的或裸露的铜电线的形式的导体45，该导体45被绝缘聚合物层46包围。机械联接填料47包埋电缆联接光纤单元5并且填充电缆联接光纤单元和纵向结构元件之间的空隙。同样，在电缆的无应变状态中，机械联接填料47的性质和几何形状使得机械联接，并且特别地机械相符合性存在于纵向结构元件43和44和电缆联接光纤单元5之间。电缆40可以是1kV电缆，例如，用于竖直卷轴应用。

图5示出诸如用于井泵系统中的应用的三相扁平电缆60的示意性剖视图，该三相扁平电缆包括两个外部芯61和63和中心芯62。每一个芯61、62和63包括相应的电导体61a、62a和63a，每一个电导体优选地被相应的半导电或绝缘层61b、62b和63b包围。该芯布置成基本上彼此平行且邻近，沿共同轴线69居中，该共同轴线平行于X方向，横穿纵向电缆轴线。在图5的实施例中，轴线69是平面（X,Y）中的电缆横截面的中间线。包括光纤9的电缆联接光纤单元5布置在中心芯62内，特别地沿着电导体62a的中心纵向轴线。多个电线65通过电线绞合技术领域中公知的绞合过程螺旋状地卷绕光纤单元5。电缆联接光纤单元5可以具有参考图2a和2b描述的结构。因为卷绕光纤单元的电线的紧凑性，机械联接填料在本电缆构造中不是强制的。电导体61a和63a可以包括一束多个电线65，例如，6、12或18个，该一束多个电线螺旋状地卷绕中心电线65a，该中心电线可以具有周围电线的横截面积。

在一些实施例中，芯62被布置成使得光纤单元5沿其布置的芯的中心纵向轴线交叉中间轴线69，这是由于该中心纵向轴线是沿Y轴线和电缆60的中性轴线的电缆横截面的对称轴线。电缆联接光纤单元5布置在厚度d的弯曲的中性区域内，该中性区域被限定在平行于中间线69的两个平面69a和69b之间，每一个平面沿Y轴线离开69的距离为d/2。对于具有500mm的ρ_min的典型值的扁平电缆，厚度d可以从5变动到10mm。

扁平电缆60还包括外部装甲68，该外部装甲相对于芯布置在外部位置中并且纵向封闭它们。外部装甲68具有平行于X轴线的两个基本上平坦的侧面68a和包围两个外部芯61和63的一部分的两个相对的横向侧面68b。外部装甲68优选地为钢或不锈钢或铜和镍合金的带装甲。

电缆60具有多个空隙空间65，该多个空隙空间由芯和外部装甲68之间的空间限定。强度构件67在平行于X轴线的两个共同平面中布置在外部芯和中心芯之间的空隙空间中。强度构件67具有圆形横截面并且可以由钢、玻璃或加强的聚合物制成。

芯和强度构件之间的自由空间填充有内部护套64，该内部护套例如由填充有聚合化合物的矿物填料制成，优选地被直接挤出在扁平电缆的纵向结构元件上。

包括单个导体的电缆（未示出）可以包括根据本发明的电缆联接光纤单元，其布置类似于为图5的芯62示出的布置。这种类型的电缆典型地具有总体圆形横截面。

根据一方面，本发明涉及一种电缆，该电缆包括：

电缆芯，该电缆芯包括多个绞合的导线，

电缆中性轴线，和

电缆联接光纤单元，该电缆联接光纤单元沿电缆纵向延伸并且包括基本上沿中性轴线布置的电缆联接光纤，其中电缆联接光纤与电缆机械地联接；

其中：

多个电线卷绕光纤单元；

电缆联接光纤单元与多个电线的至少一个机械地联接。

多个电线的至少一部分直接包围电缆联接光纤单元。优选地，光纤单元与直接包围光纤单元的多个电线的至少一部分机械地联接。

根据本发明的特征，通过使用光逆散射技术监视根据本发明的电缆以确定电缆长度，该光逆散射技术诸如光时域反射仪（OTDR），光子计数光时域反射仪或光频域反射仪（OFDR）。根据公知的测量技术，由激光产生的光信号（探测器）被发射到集成在电缆中的光纤的第一端部中。在OTDR中，探测光信号是脉冲波信号，在OFDR中，它是在频率上被调制的连续波。根据光纤逆散射的返回光信号被检测电路测量。

在通过连接第一光纤与第二光纤形成纤维环的情况下，光信号被发射到第一光纤中，并且通过直到与第二光纤连接的连接器或接合部进行测量的第一光纤的长度减去用于光纤接合的抽头长度，确定电缆长度。

在OTDR中，根据随着光的到达时间变化的纤维反射回的光的那部分的测量被执行以产生OTDR轨迹，该OTDR轨迹由检测到的逆反射光信号的测量的光功率对时间作出。由发生在玻璃纤维材料中（由于其不均匀性）的Rayleigh散射和发生在与不同折射率材料（如空气）的界面的Fresnel反射引起的反射回并且被引导回到纤维中的光确定OTDR轨迹，该不同折射率材料在OTDR轨迹中表现为测量的光功率的不连续。通过对比在不同时间散射回的光的量，OTDR可以确定纤维和沿纤维的连接位置和损失。如果与第一纤维端部相对的第二纤维端部具有垂直于纤维纵向轴线被尖锐地切割的面，则强的反射发生在对应于那个第二纤维端部的电缆位置并且在OTDR轨迹中可见峰值。通过商业上可获得的纤维劈刀可以实现垂直于纤维轴线的纤维端部面。

脉冲发射和逆散射脉冲的接收之间的时间与沿纤维到逆散射的源的距离成比例。激光脉冲沿向前方向传播纤维长度L_f并且返回到脉冲到纤维中的注入点（例如，第一纤维端部）所需的时间T由以下方程描述：

2L_f/T=c/n_eff   （2）

其中c是真空中的光速（2.99792458x10⁸m/s）并且n_eff是光纤的群折射率。对于给定频率（或波长）的光的脉冲，群折射率n_eff是真空中的光速对纤维中的光速的比率。在所关心的许多情况中，n_eff的不确定性是确定长度精度的主要因素，这是由于n_eff通常被引用为千分之一（即，3位数字），而最佳可用测量值是万分之一（即，4位数字）。电缆联接光纤的n_eff的值通过在校准光纤上使用方程（1）被确定，该校准光纤具有相同的类型，可能由相同的预制件拉伸，并且具有已知的纤维长度。

在具有频率扫描（OFDR-FS）的光频域反射仪（OFDR）中，被注入到纤维中的信号是连续的频率调制的光波（不是如OTDR中的脉冲）。高度相干的激光二极管产生的光辐射缓慢地且线性地扫过中心频率并且联接到Michelson纤维干涉仪中。参考臂被镜子终止并且测试臂在测试中联接到纤维。来自参考臂中的反射器的信号和来自测试臂中的位置x处的任意元件dx的逆散射信号之间的时间延迟是τ=2x/v_g，其中v_g是纤维芯中的群速度。为了相干检测，两个信号在检测器被混合。在时间延迟τ期间，线性扫过的光频率改变Ω=τ[dω/dt]。使用光谱分析仪在检测器信号中可以观察这种差频分量。其频率Ω确定纤维上的位置x并且其幅值与局部逆散射系数和光功率成比例，该光功率与因子exp(-2αx)成比例并且描述距离x上的向前和向后信号衰减。在低频谱分析仪中执行检测器信号的傅里叶变换，可以同时观察在测试中来自沿纤维的所有点的逆散射的波。它们直接对应于分析仪的频率轴Ω。

图6是示出根据本发明的实施例的使用基于OTDR的逆散射技术的长度测量系统的示意性方块图。采样设备70用于将光信号注入在电缆73中并且分析从电缆接收的逆散射的光信号。为此目的，采样设备包括诸如激光的光源，和易于检测散射的光信号的检测电路。例如，采样设备是由JDSU商业化的E8136MR SM OTDR模块。

电缆73包括与至少一个纵向结构元件紧密机械联接的电缆联接光纤单元71，该至少一个纵向结构元件沿电缆纵向方形Z延伸（图中仅示意性地示出电缆联接光纤）。电缆73，并且特别地电缆内的光纤71的布置可以具有与前述实施例中描述的那些结构的任何结构相同的结构。电缆联接光纤单元71沿电缆的中心纵向轴线定位并且与电缆的至少一个纵向结构元件具有机械相符合性。

采样设备70将光信号从输出装置78发射到光缆段74（即，“发射电缆”），该光缆段包括连接到光纤71的近端部的“发射”光纤。用于纤维端部的术语“近”和“远”是相对于采样设备的，或者至少相对于与采样设备的光连接。然而，这种术语意图仅指示相对位置且/或用于方便附图的描述，但它们不被解释为具有绝对含义。测量设备70的电缆段74到光纤71之间的非永久连接可以通过常规装置而实现，例如，通过光连接器77（例如，接合连接器）。

光连接器的存在被传播的光视为不连续，该不连续产生OTDR轨迹的改变。特别地，光连接器77确定OTDR轨迹的改变，诸如逆反射光功率中的峰值。光连接器76被放置在光纤71的远端部。接合连接器可以用于将电缆联接光纤光联接到布置在松缓冲构造中的另外的光纤（未示出），该另外的光纤可以用于温度测量。在这种实施例中，光纤71和另外的光纤连接在环中。两个纤维之间的熔接在OTDR轨迹中被记录为扰动，通常被记录为反射的光信号的光功率的急剧减小。

替代地，光纤71的远端部可以被劈开以便形成垂直于纤维纵向轴向切割的尖锐端部。电缆联接纤维的远端部处的连接器76的存在或纤维的劈开端部的存在产生OTDR轨迹的变化，诸如由于从远端部面的光反射的光功率峰值。应当注意，有角度的非垂直劈开的端部面可以用作纤维的端部面，虽然与垂直端部面相比，有角度的端部面通常产生较弱的反射光信号。光连接器77和76产生的光功率峰值之间的距离给出纤维长度。更一般地，电缆联接光纤的端部面处的OTDR轨迹中的不连续轨迹之间的距离提供纤维长度L_f。通过构造根据本发明的教导的光纤单元，电缆联接光纤的测量的长度对应于电缆的长度。对于长度小于5km，特别地从0.1km到100km的电缆，可以通过OTDR以大约1米的精度确定纤维长度。

采样设备70检测和分析OTDR轨迹，该OTDR轨迹随着从发射光纤74的近端部到电缆联接光纤71的远端部的距离而变化。在该轨迹的分析中，采样设备记录两个或更多个被识别的事件（被检测作为轨迹的线性演化的扰动）之间的距离。事件（例如，接合、连接器、纤维断裂、弯曲、纤维端部）定位和它们的性质的确定可以在采样设备中被实现为自动工具。

图7是根据本发明的实施例的电缆的OTDR轨迹的示例性测量的曲线图。在横坐标中，返回的反射光的检测时间已经被转化为离开发射纤维的近端部（视为d=0）的距离d（以km为单位）。发射纤维连接到电缆内的电缆联接光纤并且连接点在大约d=1km处作为尖峰可见。在该例子中，电缆，并且因此光纤也连接在沿电缆长度的两个中间位置（在曲线图中以三角形指示）中。电缆联接光纤的端部处的明显不连续源自纤维的远端部处的反射峰值。在该远端部附近，连接器的存在产生轨迹的扰动（在曲线图中以三角形指示）。光纤的长度L_f由电缆联接光纤的近端部和远端部之间的曲线图中的位置之间的差确定。在该例子中，L_f=4.54km，这对应于电缆的长度。

对于电缆长度超过0.1km的电缆，根据本发明使用OFDR技术来测量电缆的长度可以允许获得几毫米的精度。

Claims (11)

1.一种测量电缆的长度的方法，所述方法包括：

提供电缆，所述电缆具有电缆长度并且包括：

电缆中性轴线，和

光纤单元，所述光纤单元沿所述电缆纵向地延伸并且包括基本上沿所述中性轴线布置的光纤，其中所述光纤与所述电缆机械地联接；

将光信号注入到所述光纤中；

响应于所述光信号检测来自所述光纤的逆散射的光；

分析检测到的随时间变化的逆散射的光，以便确定所述光纤的长度；和

根据所述光纤的长度获取所述电缆长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤的长度基本上对应于所述电缆长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电缆包括纵向结构元件，所述纵向结构元件包括至少一个电导体，并且所述光纤单元机械地联接到所述纵向结构元件。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤以紧密的构造布置到所述光纤单元中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤单元被嵌在机械联接填料中。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述光纤单元包括包围所述光纤的保护护套，并且其中所述机械联接填料包围所述保护护套并且与所述保护护套相符合。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述光纤单元还包括紧密缓冲层，所述紧密缓冲层包围所述光纤并且与所述保护护套相符合。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述光纤具有近端部和远端部，并且分析所述逆散射的光包括：

分析所述逆散射的光中的变化；

基于逆散射的光信号的变化，确定所述光纤的近端部的位置和远端部的位置；和

根据所述光纤的近端部的位置和远端部的位置之间的差计算所述光纤的长度。

9.根据权利要求8所述的方法，包括：

提供所述光纤的劈开的远端部；

将光信号注入到所述光纤的近端部中；

检测从所述光纤的近端部发出的逆散射的光；和

识别对应于所述光纤的远端部的位置的反射峰值。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，分析所述逆散射的光包括使用光时域反射仪设备。

11.一种电缆，所述电缆包括：

电缆芯，所述电缆芯包括多根绞合的导线；

电缆中性轴线；和

光纤单元，所述光纤单元沿所述电缆纵向地延伸并且包括基本上沿所述电缆中性轴线布置的光纤，其中联接的光纤与所述电缆机械地联接；

其中：

所述多根导线围绕所述光纤单元卷绕；

所述光纤单元与所述多根导线中的至少一根导线机械地联接。

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