CZ37573U1 - Zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí - Google Patents

Description

Zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí metodou OTDR.

Dosavadní stav techniky

Problém velké části dálkových energetických vedení, ať již potrubí nebo kabelů, je jejich uložení v zemi, nebo v problematicky přístupných lokalitách, takže je velmi obtížné dálkově monitorovat jejich stav a předcházet tak haváriím.

Optické vlákno obsahuje alespoň jádro a plášť, který jádro obaluje. Světlo se v optickém vlákně, nebo ve svazku optických vláken šíří v důsledku totální reflexe, tedy odrazu světla na rozhraní dvou prostředí s rozdílným lomem světla, tedy například na rozhraní mezi jádrem optického vlákna a jeho pláštěm.

Pro sledování šíření světla v optickém vlákně je v současné době známa metoda OTDR, což je zkratka pro Optical Time Domain Reflectometry. Je založena na Rayleighově rozptylu a Fresnelově odrazu světla, jenž způsobují, že se část optického pulzu vyslaného do optického vlákna odráží a vrací zpět. Metoda slouží k měření délky, nehomogenit a útlumu optických tras. Přístroj OTDR vysílá do optického vlákna periodicky testovací světelný pulz a vyhodnocuje čas a velikost vrácených odrazů. Odrazy jsou způsobeny nehomogenitami optického vlákna. Může se jednat například o konektory, odbočky, mechanicky poškozená místa a zakončení optického vlákna, což jsou obvyklá místa, na kterých dochází k částečnému nebo úplnému odrazu. Ze známé rychlosti šíření signálu lze pak z času vypočítat vzdálenost mezi místem měření a místem odrazu. Tento způsob se používá zejména na ověření funkčnosti optického vedení před uvedením do provozu, při hledání závad, opravách a preventivní údržbě.

Přístroje pro širší použití umožňují obvykle přizpůsobení pro různá vlákna a různé vzdálenosti. Přizpůsobení spočívá v modifikaci testovacího světelného pulzu a způsobu vyhodnocování. Lze měnit časovou délku pulzu, intenzitu a vlnovou délku světla. Složitější přístroje tyto modifikace automaticky kombinují a vyhodnocení provádějí až na základě dat ze všech provedených měření, které tak trvá i několik sekund.

Pomocí této techniky lze detekovat i poruchy optického vedení, jako je ohnuté optické vlákno pod mezní poloměr, kdy část paprsku optického pulzu nesplní podmínku totální reflexe a unikne z jádra. Podmínkou je měřitelná minimální reflexe například vlivem Rayleighova rozptylu na mikronehomogenitách. Nedochází-li k měřitelným odrazům, přístroj vyhodnotí pouze nefunkční optickou trasu, bez lokalizování místa poruchy. Cílem technického řešení je využití těchto fyzikálních vlastností optických vláken k detekování nežádoucího mechanického a/nebo tepelného namáhání od okolního prostředí. Optické vlákno tak bude sloužit jako lineární senzorické vedení pro sledování stavu elektrického nebo potrubního vedení a upozorňovat na kritická místa dříve, než dojde k jejich nevratnému poškození.

Podstata technického řešení

Podstata zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí metodou OTDR spočívá v tom,

- 1 CZ 37573 U1 že obsahuje senzorické vedení, jehož součástí je alespoň jedno optické vlákno obsahující jádro a plášť, jehož jedna strana je uzpůsobena pro spřažení s přístrojem OTDR, přičemž optické vlákno je po své délce spřaženo s ohebným plastovým nosičem, s nímž vytváří prostředek pro převádění mechanického a/nebo tepelného zatížení na definovaný ohyb optického vlákna měřitelný metodou OTDR.

Ve výhodném provedení je senzorické vedení tvořeno jedním nebo více optickými vlákny uloženými uvnitř dutého pružného lineárního útvaru, v němž jsou vytvořeny výstupky pro působení na optické vlákno během ohybu senzorického vedení při působení mechanického a/nebo tepelného zatížení z okolního prostředí.

V jiném výhodném provedení je senzorické vedení tvořeno optickým vláknem uloženým ve tvaru spirály na obvodu pružného lineárního plastového útvaru.

Přitom je výhodné, je-li optické vlákno uloženo ve spirálové drážce vytvořené na obvodu pružného lineárního plastového útvaru, neboť v tomto provedení je optické vlákno pevně spojeno s lineárním plastovým útvarem, takže přesně reaguje na jeho ohyb v libovolném směru, ať již je způsoben mechanickými změnami nebo tepelným zatížením z okolního prostředí.

Při použití senzorického vedení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení, je senzorické vedení s výhodou uloženo uvnitř elektrického silového kabelu nebo optického kabelu.

Při použití senzorického vedení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení vodního, plynového nebo parního potrubí je senzorické vedení uloženo na povrchu vodního, plynového nebo parního potrubí. Odborníkovi je zřejmé, že obdobná aplikace může být provedena i u silového elektrického nebo optického vedení. Výsledky však budou méně přesné než při uložení senzorického vedení uvnitř.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále popsáno podle přiložených výkresů, kde na obr. 1 je schematicky znázorněno jádro optického vlákna s pláštěm v částečném řezu, obr. 2 znázorňuje průběh signálu z OTDR přístroje optickým vláknem se skokovým útlumem v místě zatížení optického vlákna, tedy v místě jeho ohnutí, obr. 3 znázorňuje příkladné provedení senzorického vedení s optickým vláknem uloženým ve spirálovém návinu na obvodu pružného lineárního plastového útvaru a obr. 4 znázorňuje příkladné provedení senzorického vedení, u něhož je optické vlákno uloženo uvnitř pružného lineárního plastového útvaru, v němž jsou vytvořeny výstupky pro působení na optické vlákno během ohybu senzorického vedení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení nebo poškození elektrického nebo optického kabelového vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí, která jsou uložena v zemi, obsahuje v základním provedení senzorické vedení, které obsahuje alespoň jedno optické vlákno 12, které je spřaženo s pružným lineárním plastovým útvarem 3, který je jeho nosičem, s nímž vytváří prostředky pro převedení mechanického a/nebo tepelného zatížení na definovaný ohyb optického vlákna 12 měřitelný metodou OTDR.

Toto senzorické vedení je uloženo do vnitřního prostoru elektrického nebo optického kabelu mezi vodiči při jeho výrobě, takže je jeho součástí. Nebo je senzorické vedení uloženo v obvodové části vedení nebo potrubí.

- 2 CZ 37573 U1

Optické vlákno 12 není v nezatíženém stavu ohýbáno pod mezní poloměr, takže světlo neuniká z jádra 1 a šíří se běžným způsobem v celé jeho délce v důsledku totální reflexe, tedy odrazu světla na rozhraní dvou prostředí s rozdílným lomem světla, u znázorněného provedení na rozhraní mezi jádrem 1 optického vlákna a jeho pláštěm 2. V případě ohybu optického vlákna 12 rozlišujeme několik stavů:

Ohyb optického vlákna 12 větší než je mezní poloměr ohybu optického vlákna 12, při němž nedochází k žádným odrazům světla procházejícího optickým vláknem 12.

Ohyb optického vlákna 12 menší než je mezní poloměr, který způsobí částečný únik optických paprsků do pláště 2 jádra 1, kde v důsledku Rayleighova rozptylu dochází k částečnému odrazu paprsků zpět ke zdroji, který je součástí přístroje OTDR. Tento ohyb je vratný, tedy po pominutí příčiny ohybu dojde k narovnání optického vlákna 12 a přestane docházet k odrazům.

Ohyb optického vlákna 12 menší než je kritický poloměr, kdy nemohou optické paprsky procházet optický vláknem 12 dál a dochází k nevratnému zničení optického vlákna 12.

Při zatěžování optického vlákna 12 mechanickým nebo tepelným zatížením dochází lokálně k ohybu pod mezní poloměr, který způsobí částečný únik paprsku do pláště 2 jádra 1. Tam v důsledku Rayleighova rozptylu dojde k částečnému odrazu paprsku zpět ke zdroji, tedy k přístroji OTDR. Při uvolnění zátěže se optické vlákno 12 vrátí do původní konfigurace, takže změna je vratná a opakovatelná.

Při mechanickém a/nebo tepelném zatížení dochází tedy v místě zatížení k ohnutí optického vlákna 12 pod mezní poloměr a k vratné lokální optické nehomogenitě. Testovací signál v podobě impulzu světla ze zdroje přístroje OTDR se vláknem šíří rovnoměrně definovanou rychlostí. V místě mechanického nebo tepleného zatížení dochází k ohybu optického vlákna 12 a narušení totální reflexe, které způsobí částečný únik paprsku. V plášti 2 optického vlákna 12 pak dochází k odrazům a rozptylům, z nichž se alespoň malá část vrací zpět do přístroje OTDR. Metodou OTDR lze takto detekovat i několik míst optických nehomogenit současně až do vzdálenosti, ze které se ještě vrací měřitelný signál. Maximální detekční vzdálenost je tedy dána kvalitou vedení, velikostí testovacího impulzu a útlumem od částečných odrazů.

Princip detekce metodou OTDR pomocí optického vlákna 12 je znázorněn na obr. 1. Světelný impulz vysílaný z přístroje OTDR se může skládat z více vidů 10, z nichž některé v místě ohybu optického vlákna 12 začnou unikat mimo jádro 1 optického vlákna a dostávají se do pláště 2. Mikročástice v plášti 2 optického vlákna 12 způsobují všesměrový rozptyl světelného impulzu příslušného vidu 10 a část záření se takto vrací do neznázorněného přístroje OTDR. Pokud není jádro 1 optického vlákna ohnuté pod kritický poloměr, další vidy 10 mohou ještě pokračovat po optické trase dál. Pokud se optické vlákno 12 narovná, přestane docházet k únikům optického záření a optické vlákno 12 se chová jako normální optické vlákno 12 bez jakýchkoliv ohybů v důsledku zatížení. Je tedy žádoucí, aby se poloměr ohybu pohyboval v určité pracovní oblasti. Ta je dána mezním a kritickým poloměrem ohybu. Detekce je možná až pod mezním poloměrem, ale mechanicky je vhodné zabezpečit, aby nemohlo dojít k ohybu optického vlákna 12 pod kritický poloměr. Pod ním už není možná detekce a hrozí nevratné zničení optického vlákna 12. Pásmo je poměrně úzké a mění se podle typu optického vlákna 12 a vlnové délky světla. S vlnovou délkou 1310 nm byla u testovaného optického vlákna 12 s jádrem 1 o průměru v rozmezí od 5 do 4 mikrometrů. Při ohnutí pod kritický poloměr 4 mikrometry už nebylo možné detekovat žádný odraz.

Pokud na senzorické vedení začne působit zatížení, dojde v místě jeho působení k ohybu optického vlákna 12 a k částečnému odrazu. Pokud není rádius ohybu pod kritickým poloměrem, prochází optickým vláknem 12 část signálu dál až k odrazu od rozpojeného konce. Na obr. 2 je graficky znázorněn průběh signálu z OTDR přístroje. Lze z něj vyčíst, že optické vlákno 12 je dlouhé

- 3 CZ 37573 U1

520 m, což je znázorněno bodem E grafu a ve vzdálenosti B = 70,19 m od začátku optického vlákna 12 je skokový útlum, což je místo zatíženého „ohnutého“ optického vlákna 12.

Na obr. 3 a obr. 4 jsou znázorněna příkladná provedení senzorických vedení s optickými vlákny 12. Na obr. 3 je spirálovitý návin optického vlákna 12 na obvodu pružného lineárního plastového útvaru 3, například bužírky. Ve výhodném provedení je optické vlákno 12 uloženo ve spirálové drážce vytvořené na obvodu pružného/ohebného lineárního plastového útvaru 3. Zatížení v kterémkoli směru způsobí deformaci a ohyb optického vlákna 12. Na obr. 4 je znázorněna druhá varianta, kdy je optické vlákno 12 provlečeno uvnitř pružného lineárního plastového útvaru 3, v němž jsou vytvořeny výstupky pro působení na optické vlákno 12 během ohybu senzorického vedení, například v bužírce s vnitřní strukturou, které při deformaci způsobí ohyb optického vlákna 12. V obou případech dochází při mechanické deformaci k ohybu optického vlákna 12 pod mezní poloměr. V případě mechanického namáhání je důležitá správně zvolená tuhost struktury. Pro sledování teplotních změn je rozhodující tepelná roztažnost materiálu, která způsobuje ohýbání optického vlákna.

Funkce zařízení pro sledování mechanického a/nebo tepelného zatížení senzorického vedení je založena na fyzikálních vlastnostech optických vláken. Lze takto použít běžná komerčně dostupná vlákna (jedno i více vidová), která se běžně používají pro datové přenosy.

Průmyslová využitelnost

Senzorické vedení je optimalizováno pro konkrétní aplikaci a její běžné provozní stavy. Může být výrobcem kabelu zaintegrováno do silového vedení, nebo může být samostatně uloženo v jeho těsné blízkosti. Podle uložení se bude měnit rozsah pracovních teplot i rozsah mechanického zatížení. Je žádoucí, aby nehomogenitu vyvolalo až překročení limitů, které se vymyká běžnému provoznímu stavu. To může představovat nadměrné zahřívání elektrického vedení z důvodu proudového přetížení, nebo zhoršení elektrických vlastností části vedení. Další možností je nadměrné mechanické zatížení vyvolané geologickými procesy, stavební činností, nebo jinými vnějšími faktory. Senzorické vedení upozorní na kritické místo dříve, než dojde k nevratnému poškození. V případě sledování ostatních neelektrických potrubí je možné senzorickým vedením na vnějším plášti hlídat nadměrné mechanické zatížení (ohyb, tlak, krut), nebo zvýšení teploty v případě úniku páry, požáru a podobně. Nežádoucí a potenciálně nebezpečné stavy mohou být obecně zapříčiněny závadami vlastního vedení či potrubí, nebo mohou být vyvolány působením okolního prostředí.

Claims (6)

1. Zařízení pro lokalizaci mechanického nebo tepelného zatížení elektrického nebo optického vedení a/nebo vodního, plynového nebo parního potrubí metodou OTDR, vyznačující se tím, že obsahuje senzorické vedení, jehož součástí je optické vlákno (12) obsahující jádro (1) a plášť (2), jehož jedna strana je uzpůsobena pro spřažení s přístrojem OTDR, přičemž optické vlákno (12) je po své délce spřaženo s pružným lineárním plastovým útvarem (3) pro převedení mechanického a/nebo tepelného zatížení na definovaný ohyb optického vlákna měřitelný metodou OTDR.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že senzorické vedení je tvořeno optickým vláknem (12) uloženým uvnitř dutého pružného lineárního plastového útvaru, v němž jsou vytvořeny výstupky pro působení na optické vlákno (12) během ohybu senzorického vedení.

3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že senzorické vedení je tvořeno optickým vláknem (12) uloženým ve tvaru spirály na obvodu pružného lineárního plastového útvaru (3).

4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že optické vlákno (12) je uloženo ve spirálové drážce vytvořené na obvodu pružného lineárního plastového útvaru (3).

5. Zařízení podle libovolného z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že senzorické vedení je uloženo uvnitř elektrického silového kabelu nebo optického kabelu.

6. Zařízení podle libovolného z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že senzorické vedení je uloženo na vodním, plynovém nebo parním potrubí.