DE102015101608B4

DE102015101608B4 - Method for signal transmission, device with an optical fiber and detection system

Info

Publication number: DE102015101608B4
Application number: DE102015101608.7A
Authority: DE
Inventors: Sascha Liehr
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Energie
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2035-02-05
Also published as: DE102015101608A1

Abstract

Verfahren zur Signalweiterleitung, umfassend:- Koppeln eines Detektors (20) mit einer optischen Faser (10), die Streuzentren (15) aufweist, wobei die optische Faser (10) in einem ersten Faserabschnitt (10a) eine erste Konzentration der Streuzentren (15) aufweist, und wobei die optische Faser (10) in zwei voneinander beabstandeten zweiten Faserabschnitten (10b1-4), die eine unterschiedliche Ausdehnung in Faserrichtung aufweisen, eine zweite Konzentration der Streuzentren (15) aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren (15), wobei das Koppeln derart erfolgt, dass der erste Faserabschnitt (10a) zwischen dem Detektor (20) und den zweiten Faserabschnitten (10b1-4) angeordnet ist;- Auftreffen eines optischen Signals von außen auf einen der zweiten Faser-abschnitte (10b) und Weiterleiten eines an dessen Streuzentren (15) gestreuten Anteils des optischen Signals durch die optische Faser (10) zu dem Detektor (20);- Messen einer Pulsdauer des gestreuten Anteils des optischen Signals; und- Ermitteln desjenigen der zwei zweiten Faserabschnitte (10b1-4), auf den das optische Signal aufgetroffen ist.A method for signal transmission, comprising: - coupling a detector (20) to an optical fiber (10) which has scattering centers (15), the optical fiber (10) having a first concentration of the scattering centers (15) in a first fiber section (10a) and wherein the optical fiber (10) has a second concentration of scattering centers (15) which is at least one order of magnitude higher than the first in two spaced apart second fiber sections (10b1-4) which have a different extent in the fiber direction Concentration of the scattering centers (15), the coupling taking place in such a way that the first fiber section (10a) is arranged between the detector (20) and the second fiber sections (10b1-4); - Impingement of an optical signal from outside on one of the second fibers -sections (10b) and forwarding a portion of the optical signal scattered at its scattering centers (15) through the optical fiber (10) to the detector (20); - measuring a pulse duration r is the scattered portion of the optical signal; and - determining which of the two second fiber sections (10b1-4) was hit by the optical signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer optischen Faser, die insbesondere in der Sensorik, z.B. in einem System zur Detektion und/oder zur Überwachung von Lichtimpulsen, wie sie beispielsweise in der Isolierung einer Hochspannungseinrichtung auftreten können, und in Datenübertragungssystemen, z.B. einem Netzwerk, verwendet werden kann, sowie entsprechende Verfahren.The present invention relates to a device with an optical fiber, which is used in particular in sensor technology, e.g. in a system for the detection and / or monitoring of light pulses, as can occur, for example, in the insulation of a high-voltage device, and in data transmission systems, e.g. a network, can be used, as well as appropriate procedures.

In elektrischen Anlagen zur Energieversorgung kommt es auf Grund von schädigenden Einflüssen auf die Hochspannungsgarnitur und Alterungserscheinungen der Isolierungen immer wieder zu Ausfällen. Hauptsächlich werden die Alterungserscheinungen durch elektrische Teilentladungen (TE) verursacht. Während der Teilentladungen entstehen sogenannte Teilentladungsbäumchen, die im Laufe der Zeit wachsen und schließlich zu einem elektrischen Durchschlag sowie einem Kurzschluss führen, falls die betroffenen Anlagen nicht rechtzeitig abgeschaltet werden. Teilentladungen in Isolierungen von Kabelgarnituren, wie Endverschlüsse und Kabelmuffen für Starkstromkabel bzw. Hochspannungskabel, können in fortgeschrittenem Stadium daher zur Totalzerstörung der Kabelgarnituren führen. Auf Grund der mit dem Durchschlag verbundenen hohen Energiefreisetzung können dabei weitere Teile der Anlagen beschädigt oder sogar Personen geschädigt werden. Die Schäden dieser zwar eher seltenen Ereignisse können daher beträchtlich sein. Daher besteht ein Bedarf, Alterungserscheinungen bzw. Teilentladungen in Isolierungen von Hochspannungsgarnituren möglichst im laufenden Betrieb zuverlässig zu detektieren.In electrical systems for energy supply, there are repeated failures due to damaging influences on the high-voltage equipment and aging phenomena of the insulation. The aging phenomena are mainly caused by electrical partial discharges (PD). During the partial discharges, so-called partial discharge trees develop, which grow over time and ultimately lead to an electrical breakdown and a short circuit if the systems concerned are not switched off in time. Partial discharges in the insulation of cable fittings, such as terminations and cable sleeves for power cables or high-voltage cables, can therefore lead to total destruction of the cable fittings in an advanced stage. Due to the high energy release associated with the breakdown, other parts of the system can be damaged or even people injured. The damage caused by these rare occurrences can therefore be considerable. There is therefore a need to detect signs of aging or partial discharges in the insulation of high-voltage fittings as reliably as possible during operation.

Da die elektrischen Teilentladungen von kurzen Lichtpulsen (Entladungsblitzen) begleitet werden, können sie prinzipiell über diese Lichtpulse nachgewiesen werden. Dabei ist die Verwendung metallischer oder anderer galvanisch leitender Detektormaterialien in der Isolierung von Hochspannungsgarnituren und Transformatoren unerwünscht. Weil die Hochspannungsanlagen auf einem hohen galvanischen Potential betrieben werden und die Isolierung dabei starken elektrischen Feldern ausgesetzt sind, kann durch das Einbringen von leitenden Detektormaterialien ein Schädigung der Isolierung sogar befördert werden. Dies macht die Verwendung faseroptischer Sensoren, beispielsweise einer optischen Faser, die mit einem entfernt angeordneten Fotodetektor verbunden ist, zur Detektion von Teilentladungen in Isolierungen interessant. Allerdings ist die seitliche Einkopplung optischer Signale in eine gängige optische Faser äußerst ineffizient, da nur Streulicht im Faserkern oder optischen Mantelmaterial so gestreut werden kann, dass es innerhalb des Akzeptanzwinkels der Faser fällt. Die Effizienz der seitlichen Einkopplung kann zwar durch Einbringen von auf die Lichtblitze abgestimmten fluoreszierenden Stoffen in den Faserkern (Dotieren) erhöht werden. Fluoreszierende Fasern haben jedoch systembedingt eine sehr hohe optische Dämpfung (teilweise Reabsorption) sowie eine eher geringe spektrale Ausbeute des eingekoppelten Lichtes (Anregung erfolgt nur in begrenzten spektralen Bereich) im Vergleich zur Gesamtleistung des Lichtpulses. Dies führt zu einer geringen Weiterleitungseffizienz. Dadurch sind auch die detektierbaren Lichtleistungen sehr klein und die Messempfindlichkeit entsprechend gering.Since the electrical partial discharges are accompanied by short light pulses (discharge flashes), they can in principle be detected using these light pulses. The use of metallic or other galvanically conductive detector materials in the insulation of high-voltage fittings and transformers is undesirable. Because the high-voltage systems are operated at a high galvanic potential and the insulation is exposed to strong electrical fields, the introduction of conductive detector materials can even damage the insulation. This makes the use of fiber optic sensors, for example an optical fiber, which is connected to a remotely located photodetector, interesting for the detection of partial discharges in insulation. However, the lateral coupling of optical signals into a common optical fiber is extremely inefficient, since only scattered light in the fiber core or optical cladding material can be scattered in such a way that it falls within the acceptance angle of the fiber. The efficiency of the lateral coupling can be increased by introducing fluorescent substances that are matched to the light flashes into the fiber core (doping). However, due to the system, fluorescent fibers have a very high optical attenuation (partial reabsorption) and a rather low spectral yield of the coupled-in light (excitation occurs only in a limited spectral range) compared to the total power of the light pulse. This leads to poor forwarding efficiency. As a result, the detectable light outputs are also very small and the measurement sensitivity is correspondingly low.

Die Druckschrift US 7 329 857 B1 beschreibt einen seitlich emittierenden faseroptischen Positionssensor und ein Verfahren zur Bestimmung einer unbekannten Position eines Objekts unter Verwendung des Sensors. Dabei beleuchtet ein konzentrierter Strahl einer Lichtquelle die Seite einer seitlich austretenden Faseroptik an einer unbekannten axialen Position entlang der Faserlänge. Ein Teil dieses seitlich einfallenden Lichts wird in die Faser gestreut und eingefangen. Während das eingefangene Licht durch die Faser nach unten geleitet wird, nimmt seine Intensität aufgrund von Verlusten durch seitliche Emission weg von der Faser und durch Absorption im Inneren der Faser ab. Durch Messung der Lichtintensität, die von einem (oder beiden) Enden der Faser emittiert wird, mit einem Photodetektor (Photodetektoren) wird die axiale Position der Lichtquelle bestimmt, indem das Signal des Photodetektors mit einer kalibrierten Ansprechkurve, einer Nachschlagetabelle oder mit Hilfe eines mathematischen Modells verglichen wird. Alternativ wird die seitlich emittierende Faser an einem Ende beleuchtet, während ein Photodetektor die Intensität des von der Seite der Faser emittierten Lichts an einer unbekannten Position misst. Wenn sich der Photodetektor weiter vom beleuchteten Ende entfernt, nimmt die Signalstärke des Detektors aufgrund von Verlusten durch seitliche Emission und/oder Absorption ab. Wie zuvor wird das Detektorsignal mit einer eindeutigen Position entlang der Faser korreliert. Die Druckschrift JP H08- 51 708 A beschreibt einen Lichtbogendetektor für eine gasisolierte Ausrüstung. Außerdem beschreibt die Druckschrift US 2009 / 0 102 481 A1 ein verteiltes Erfassungssystem zum Erkennen einer partiellen elektrischen Entladung entlang der Länge eines oder mehrerer ausgedehnter Objekte. Die Druckschrift US 2005 / 0 100 282 A1 beschreibt eine Lichtsignalübertragungsvorrichtung, die es ermöglicht, dass Signallicht, das von einem Ende mindestens einer optischen Faser auf einer Einfallsseite eintritt, in einen Lichtleiterkörper eintritt und das Signallicht zu einer Vielzahl von Ausgansknoten emittiert, und die ein lichtübertragendes Verbindungsmaterial zum optischen Verbinden der optischen Faser mit einer Endfläche des Lichtleiterkörpers enthält, wobei der Lichtleiterkörper so gebildet ist, dass Partikel zum Streuen des Signallichts in einem optischen Medium dispergiert sind. Weiterhin werden in der Druckschrift DE 101 60 218 A1 ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Übertragung optischer Signale beschrieben, wobei ein Lichtleiter mit einem lichtleitenden Kern, der mindestens zwei parallele Grenzflächen aufweist, welche mit Beschichtungen versehen sind, die zu einer Reflexion des im lichtleitenden Kern geführten Lichtes führen, mindestens ein Mittel zur Steuerung des Lichtflusses von Sender bzw. Empfänger durch Beugung, Brechung oder Streuung umfasst.The pamphlet US 7 329 857 B1 describes a side emitting fiber optic position sensor and method for determining an unknown position of an object using the sensor. A concentrated beam of a light source illuminates the side of a laterally exiting fiber optic at an unknown axial position along the fiber length. Some of this laterally incident light is scattered and captured by the fiber. As the captured light travels down the fiber, its intensity decreases due to losses from side emission away from the fiber and absorption inside the fiber. By measuring the light intensity emitted from one (or both) ends of the fiber with a photodetector (s), the axial position of the light source is determined by comparing the signal from the photodetector with a calibrated response curve, a look-up table or with the help of a mathematical model is compared. Alternatively, the side-emitting fiber is illuminated at one end while a photodetector measures the intensity of the light emitted from the side of the fiber at an unknown position. As the photodetector moves farther from the illuminated end, the signal strength of the detector decreases due to losses from side emission and / or absorption. As before, the detector signal is correlated to a unique position along the fiber. The document JP H08- 51 708 A describes an arc detector for gas-insulated equipment. In addition, the document US 2009/0 102 481 A1 describes a distributed detection system for detecting a partial electrical discharge along the length of one or more extended objects. The document US 2005/0 100 282 A1 describes a light signal transmission device that enables signal light that enters from one end of at least one optical fiber on an incident side to enter a light guide body and emits the signal light to a plurality of output nodes, and the one light-transmitting connecting material for optically connecting the optical fiber to an end face of the light guide body, the light guide body being formed to have particles for scattering the signal light are dispersed in an optical medium. Furthermore, in the publication DE 101 60 218 A1 a method and a device for the transmission of optical signals are described, wherein a light guide with a light-guiding core, which has at least two parallel interfaces which are provided with coatings that lead to a reflection of the light guided in the light-guiding core, at least one control means of the light flux from the transmitter or receiver by diffraction, refraction or scattering.

Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Signalweiterleitung gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 vor.In view of the above, the present invention proposes a method for signal forwarding according to claim 1 and an apparatus according to claim 8.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Signalweiterleitung das Koppeln einer Streuzentren aufweisenden optischen Faser mit einem Detektor, wobei die optische Faser in einem ersten Faserabschnitt eine erste Konzentration der Streuzentren aufweist, wobei die optische Faser in zwei voneinander beabstandeten zweiten Faserabschnitten, die eine unterschiedliche Ausdehnung in Faserrichtung aufweisen, eine zweite Konzentration der Streuzentren aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren, und wobei das Koppeln derart erfolgt, dass der erste Faserabschnitt zwischen dem Detektor und dem zweiten Faserabschnitt angeordnet ist; das Auftreffen eines optischen Signals von außen auf einen der zweiten Faserabschnitte und das Weiterleiten eines an dessen Streuzentren gestreuten Anteils des optischen Signals durch die optische Faser zu dem Detektor. Weiter umfasst das Verfahren das Messen einer Pulsdauer des gestreuten Anteils des optischen Signals und das Ermitteln desjenigen der zwei zweiten Faserabschnitte, auf den das optische Signal aufgetroffen ist.According to one embodiment, a method for signal forwarding comprises the coupling of an optical fiber having scattering centers to a detector, the optical fiber having a first concentration of the scattering centers in a first fiber section, the optical fiber being in two spaced apart second fiber sections which have a different extent in Having fiber direction, having a second concentration of the scattering centers which is at least one order of magnitude higher than the first concentration of the scattering centers, and wherein the coupling takes place such that the first fiber section is arranged between the detector and the second fiber section; the impingement of an optical signal from outside on one of the second fiber sections and the forwarding of a portion of the optical signal scattered at its scattering centers through the optical fiber to the detector. The method further comprises measuring a pulse duration of the scattered portion of the optical signal and determining that of the two second fiber sections that the optical signal has encountered.

Auf Grund des Aufbaus der verwendeten optischen Faser kann das auftreffende optische Signal, z.B. ein von einer Teilentladung in einer Isolierung verursachter Lichtblitz oder ein ein Datenpaket repräsentierender Lichtpuls, zum einen auf Grund der Streuung an den Streuzenten des zweiten Faserabschnitts effizient von außen in die optische Faser eingekoppelt werden (effizientes „Einfangen“ der optischen Leistung) und zum anderen der in die optische Faser eingestreute Anteil verlustarm durch die optische Faser (den ersten Faserabschnitt) zum Detektor bzw. optischen Empfänger geführt werden. Bei gleicher Empfindlichkeit des Detektors können so optische Signale mit deutlich geringerer Leistung detektiert werden, als dies bei Verwendung eines entsprechenden Aufbaus mit einer fluoreszierenden optischen Faser möglich ist, da der jeweilig weitergeleitete Anteil der optischen Signale dort deutlich geringer ist. Außerdem kann z.B. für Kommunikationszwecke ein durch die optische Faser laufendes optisches Signal im zweiten Faserabschnitt gezielt ausgekoppelt werden.Due to the structure of the optical fiber used, the incident optical signal, e.g. a light flash caused by a partial discharge in an insulation or a light pulse representing a data packet, can be efficiently transferred from the outside into the optical fiber due to the scattering at the scattering elements of the second fiber section coupled in (efficient “capture” of the optical power) and, on the other hand, the portion scattered into the optical fiber is guided through the optical fiber (the first fiber section) to the detector or optical receiver with low loss. With the same sensitivity of the detector, optical signals can thus be detected with significantly lower power than is possible when using a corresponding structure with a fluorescent optical fiber, since the respective forwarded portion of the optical signals is significantly lower there. In addition, for communication purposes, for example, an optical signal running through the optical fiber can be selectively coupled out in the second fiber section.

Der Begriff „optisches Signal“, wie er vorliegend verwendet wird, soll eine elektromagnetische Strahlung bzw. ein elektromagnetisches Signal beschreiben, das mindestens eine Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 1 mm, typischer in einem Bereich von 280 nm bis 50 µm, noch typischer in einem Bereich 315 nm bis 3 µm (nahes UV bis nahes Infrarot) aufweist, z.B. ein entsprechendes Wellenpaket oder einen entsprechenden Lichtimpuls (Lichtpuls). Der Begriff „Licht“, wie er vorliegend verwendet wird, soll sowohl elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich von etwa 380 nm bis 780 nm als auch elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen in den angrenzenden Bereichen der Infrarotstrahlung (Wellenlängen zwischen 780 nm und 1 mm) und Ultraviolettstrahlung (Wellenlängen zwischen 10 nm und 380 nm) umfassen.The term “optical signal” as used here is intended to describe electromagnetic radiation or an electromagnetic signal that has at least one wavelength in the range from 100 nm to 1 mm, more typically in a range from 280 nm to 50 μm, even more typically in a range from 315 nm to 3 µm (near UV to near infrared), for example a corresponding wave packet or a corresponding light pulse (light pulse). The term “light” as used in the present case is intended to include both electromagnetic radiation with wavelengths in the visible range from about 380 nm to 780 nm and electromagnetic radiation with wavelengths in the adjacent areas of infrared radiation (wavelengths between 780 nm and 1 mm) and Include ultraviolet radiation (wavelengths between 10 nm and 380 nm).

Der Begriff „Teilentladung“, wie er vorliegend verwendet wird, soll kurzzeitige, energiearme und lokal begrenzte Entladungen in der Isolierung, die nicht sofort zu einem elektrischen Durchschlag führen, aber das Material der Isolierung irreversibel schädigen, beschreiben. Der Begriff „Teilentladung“ soll insbesondere den Begriff der „inneren Teilentladung“, d.h. einer äußerlich nicht unbedingt sichtbaren Entladungserscheinungen in nicht gasförmigen Isoliermaterialien, insbesondere in festen Isoliermaterialien, umfassen. Ausgehend von Fehlstellen, wie Hohlräumen und Fremdeinschlüssen oder Grenzflächen zu anderen Materialien, insbesondere zu hochspannungsführenden Leitern, führen Teilentladungen zu im Laufe der Zeit wachsenden Teilentladungsbäumchen im Isoliermaterial, was schließlich zu einem Durchschlag führen kann. Teilentladungsbäumchen haben typischerweise eine Größe von mehr als etwa 1 µm (Mikrometer).The term “partial discharge”, as used here, is intended to describe short-term, low-energy and locally limited discharges in the insulation that do not immediately lead to electrical breakdown, but irreversibly damage the material of the insulation. The term “partial discharge” is intended to include in particular the term “internal partial discharge”, i.e. an externally not necessarily visible discharge in non-gaseous insulating materials, in particular in solid insulating materials. Starting from defects such as cavities and foreign inclusions or interfaces with other materials, in particular with high-voltage conductors, partial discharges lead to partial discharge trees in the insulating material that grow over time, which can ultimately lead to a breakdown. Partial discharge trees are typically greater than about 1 µm (micrometer) in size.

Um den weitergeleiteten Anteil des aufgetroffenen optischen Signals (d.h. die Signalweiterleitungseffizienz) möglichst hoch zu gestalten, ist die zweite Konzentration der Streuzentren typischerweise um mindestens einen Faktor 100, noch typischer um mindestens einen Faktor 1000 höher als die erste Konzentration der Streuzentren.In order to make the transmitted portion of the incident optical signal (ie the signal transmission efficiency) as high as possible, the second concentration of the scattering centers is typically by at least one factor 100 , more typically by at least one factor 1000 higher than the first concentration of scattering centers.

Dabei kann die erste Konzentration der Streuzentren so gering wie technisch möglich sein. Beispielsweise kann der erste Faserabschnitt auch gar keine oder fast gar keine der im zweiten Abschnitt eingebrachten Streuzentren aufweisen, um Leistungsverluste beim Weiterleiten weitgehend zu reduzieren.The first concentration of the scattering centers can be as low as technically possible. For example, the first fiber section can also have none or almost none of the scattering centers introduced in the second section, in order to largely reduce power losses during transmission.

Typischerweise werden die Streuzentren und die zweite Konzentration der Streuzentren im zweiten Faserabschnitt so ausgewählt, dass ein effektiver Streukoeffizient in dem zweiten Faserabschnitt für eine erwartete Wellenlänge des optischen Signals einen Wert von mindestens 10, noch typischer von mindestens 20 aufweist.Typically, the scattering centers and the second concentration of scattering centers in the second fiber section are selected so that one is more effective Has a scattering coefficient in the second fiber section for an expected wavelength of the optical signal of at least 10, more typically of at least 20.

Typischerweise sind die Streuzentren Mie-Streuer. Die Streuzentren können aber auch Rayleigh-Streuer, klassische Streuer (Fresnel-Reflektoren) bzw. durch Variation der Brechzahl hervorgerufen sein in der optischen Faser (Faser-Bragg-Gitter) bereitgestellt werden. Mie-Streuer erlauben eine besonders hohe Vorwärtsstreuintensität (hohe Direktivität, d.h. die Streuung erfolgt bevorzugt in Ausbreitungsrichtung in der optischen Faser, d.h. entlang der Achse der optischen Faser). Da Mie-Streuer eine deutlich geringere Wellenlängenspezifität als Fluorophore haben, ist die Signalweiterleitungseffizienz bei breitbandigeren optischen Signalen wie Entladungsblitzen im Vergleich zu Systemen mit fluoreszierenden optischen Fasern besonders erhöht. Außerdem lassen sich effiziente Mie-Streuer relativ einfach gezielt nur im zweiten Faserabschnitt erzeugen, z.B. durch Laserpulsbearbeitung als typischerweise zumindest 1 µm große Kavitäten (Gebiete reduzierter Brechzahl) im Faserkern. Weiterhin können die Streuzentren auch durch gezielte Verunreinigungen (z.B. während des Herstellungprozesses der Faser) eingebracht werden.Typically the scattering centers are Mie scatterers. The scattering centers can, however, also be provided in the optical fiber (fiber Bragg grating) by Rayleigh scatterers, classic scatterers (Fresnel reflectors) or by varying the refractive index. Mie scatterers allow a particularly high forward scattering intensity (high directivity, i.e. the scattering takes place preferably in the direction of propagation in the optical fiber, i.e. along the axis of the optical fiber). Since Mie scatterers have a significantly lower wavelength specificity than fluorophores, the signal transmission efficiency is particularly increased in the case of broadband optical signals such as discharge flashes compared to systems with fluorescent optical fibers. In addition, efficient Mie scatterers can be generated relatively easily in a targeted manner only in the second fiber section, e.g. by laser pulse processing as typically at least 1 µm large cavities (areas of reduced refractive index) in the fiber core. Furthermore, the scattering centers can also be introduced through targeted impurities (e.g. during the fiber production process).

Bei der optischen Faser kann es sich um eine Polymerfaser oder eine Glasfaser handeln. Außerdem kann die optische Faser eine Monomodefaser oder eine Multimodefaser sein. Aufgrund der höheren numerischen Apertur und der größeren Fläche für die Streuzentren lassen Multimodefasern eine höhere Einkoppeleffizienz als Monomodefasern erwarten.The optical fiber can be a polymer fiber or a glass fiber. In addition, the optical fiber can be a single mode fiber or a multimode fiber. Due to the higher numerical aperture and the larger area for the scattering centers, multimode fibers can be expected to have a higher coupling efficiency than single-mode fibers.

Die optische Faser hat typischerweise einen Faserkern und einen den Faserkern umgebenden Mantel. Dabei ist die Konzentration der Streuzentren im Faserkern in dem zweiten Faserabschnitt um mindestens einen Faktor 10, bevorzugt um mindestens einen Faktor 100 oder sogar 1000 höher als die Konzentration der Streuzentren im Mantel und als die Konzentration der Streuzentren im Faserkern im angrenzenden ersten Faserabschnitt. Wenn nun von außen ein optisches Signal auf den Mantel im zweiten Faserabschnitt trifft, wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit in den optisch dichteren Faserkern des zweiten Faserabschnitts geleitet, wo es an den Streuzentren gestreut und der gestreute Anteil entlang des Faserkerns (im Faserkern) weitergeleitet wird. Auf Grund ihrer hohen Signalweiterleitungseffizienz (geringen Dämpfung) ist die Faser besonders zum (Einsammeln und) Übertragen von in einer Isolierung erzeugten Lichtpulsen, insbesondere von Lichtpulsen, die von einer elektrischen Teilentladung in der Isolierung verursacht werden, und zum Übertragen optischer Signale von einer optischen Faser in eine andere in einem Kommunikationsnetzwerk geeignet.The optical fiber typically has a fiber core and a cladding surrounding the fiber core. The concentration of the scattering centers in the fiber core in the second fiber section is at least one factor 10 , preferably by at least one factor 100 or even 1000 higher than the concentration of the scattering centers in the cladding and than the concentration of the scattering centers in the fiber core in the adjacent first fiber section. If an optical signal hits the cladding in the second fiber section from the outside, it is very likely to be directed into the optically denser fiber core of the second fiber section, where it is scattered at the scattering centers and the scattered portion is forwarded along the fiber core (in the fiber core). Due to its high signal transmission efficiency (low attenuation), the fiber is particularly suitable for (collecting and) transmitting light pulses generated in an insulation, in particular light pulses caused by a partial electrical discharge in the insulation, and for transmitting optical signals from an optical fiber into another in a communication network.

Während der Detektor typischerweise mit einem Ende der optischen Faser kontaktiert wird, kann der zweite Abschnitt der optischen Faser von der Signalquelle (Lichtquelle) beabstandet sein, wobei der Abstand möglichst gering gehalten werden sollte.While the detector is typically contacted with one end of the optical fiber, the second section of the optical fiber can be spaced from the signal source (light source), the spacing should be kept as small as possible.

Bei dem Detektor kann es sich um einen Photodetektor oder ein Spektrometer handeln. In einem Kommunikationsnetzwerk kann der Detektor zudem von einem mit der optischen Faser verbundenen optoelektronischen Wandler, optoelektronischen Multiplexer, optischen Verstärker, Repeater, Hub oder ähnlichen Komponenten bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein Kommunikationsnetzwerk mehrere optische Fasern aufweisen, die mit einem jeweiligen Detektor verbunden sind und deren zweite Faserabschnitte paarweise eng benachbart oder sogar aneinandergrenzend und/oder mit möglichst paarweise zueinander parallelen zweiten Faserabschnitten angeordnet sind.The detector can be a photodetector or a spectrometer. In a communication network, the detector can also be provided by an optoelectronic converter, optoelectronic multiplexer, optical amplifier, repeater, hub or similar components connected to the optical fiber. For example, a communication network can have a plurality of optical fibers which are connected to a respective detector and whose second fiber sections are arranged in pairs closely adjacent or even adjacent to one another and / or with second fiber sections that are as parallel as possible in pairs.

Typischerweise wird der zweite Faserabschnitt derart relativ zu einem als Licht-bzw. Signalquelle fungierenden Körper angeordnet, dass das optische Signal vom Körper in den zweiten Faserabschnitt einkoppeln kann. Bei dem Körper kann es sich insbesondere um eine weitere optische Faser oder um eine transparente oder zumindest transluzente Isolierung einer Hochspannungseinrichtung, z.B. einen Silikonkörper oder um einen fluiden Isolator, z.B. Öl, handeln.Typically, the second fiber section is used relative to a light or. Signal source acting body arranged that the optical signal can couple from the body into the second fiber section. The body can in particular be a further optical fiber or a transparent or at least translucent insulation of a high-voltage device, e.g. a silicone body, or a fluid insulator, e.g. oil.

Beispielsweise kann der zweite Faserabschnitt die Isolierung einer Hochspannungsgarnitur oder eines Hochspannungskabels umgeben oder darin eingebettet werden. Da der zweite Faserabschnitt aufgrund seines Aufbaus das elektrische Feld in der Isolierung allenfalls geringfügig ändert, kann der zweite Faserabschnitt auch relativ nah zu besonders teilentladungsgefährdeten Bereichen wie Feldsteuerteilen angeordnet werden. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Messempfindlichkeit für Teilentladungen erzielen. Zudem kann der Detektor auf Grund des möglichen großen Abstands zu Gebieten hoher elektrischer Feldstärke gut gegenüber elektromagnetischen Impulsen geschützt werden (hohe Unempfindlichkeit des Systems gegenüber elektromagnetische Störungen, engl. „electromagnetic interference“).For example, the second fiber section can surround the insulation of a high-voltage fitting or a high-voltage cable or be embedded therein. Since the second fiber section changes the electrical field in the insulation at most slightly due to its structure, the second fiber section can also be arranged relatively close to areas that are particularly at risk of partial discharge, such as field control parts. This makes it possible to achieve a particularly high measurement sensitivity for partial discharges. In addition, due to the possible large distance to areas of high electric field strength, the detector can be well protected against electromagnetic pulses (high insensitivity of the system to electromagnetic interference).

Der Begriff „Hochspannung“, wie er vorliegend verwendet wird, soll Spannungen oberhalb von etwa 1 kV umfassen, insbesondere soll der Begriff Hochspannung die in der Energieübertragung üblichen Nennspannungsbereiche der Mittelspannung von etwa 3 kV bis etwa 50 kV, der Hochspannung von etwa 50 kV bis etwa 110 kV als auch Höchstspannungen bis derzeit etwa 500 kV umfassen. Für den Fall, dass die Kabelbetriebsspannungen weiter erhöht werden, sollen auch diese Spannungsbereiche mit umfasst werden. Dabei kann es sich sowohl um Gleichspannungen als auch um Wechselspannungen handeln. Der Begriff „Hochspannungskabel“, wie er vorliegend verwendet wird, soll ein Kabel beschreiben, das dazu geeignet ist, Starkstrom, d.h. elektrischen Strom von mehr als etwa einem Ampere bei Spannungen oberhalb von etwa 1 kV, zu führen. Im Folgenden werden die Begriffe Hochspannungskabel und Starkstromkabel synonym verwendet. Dementsprechend soll der Begriff der „Hochspannungsgarnitur“ oder „Hochspannungskabelgarnitur“ eine Vorrichtung beschreiben, die geeignet ist, Hochspannungsanlagen und/oder Hochspannungskabel miteinander zu verbinden.The term “high voltage” as used in the present case is intended to include voltages above about 1 kV, in particular the term high voltage is intended to mean the nominal voltage ranges of medium voltage from about 3 kV to about 50 kV, high voltage from about 50 kV to about 110 kV as well as maximum voltages up to currently about 500 kV. In the event that the cable operating voltages are increased further, these should also be used Voltage ranges are included. This can involve both direct voltages and alternating voltages. The term “high-voltage cable” as used here is intended to describe a cable which is suitable for carrying high-voltage currents, ie electrical currents of more than approximately one ampere at voltages above approximately 1 kV. In the following, the terms high-voltage cable and power cable are used synonymously. Accordingly, the term “high-voltage fitting” or “high-voltage cable fitting” is intended to describe a device that is suitable for connecting high-voltage systems and / or high-voltage cables to one another.

Für das Weiterleiten optischer Signale erfolgt das Anordnen der weiteren optischen Faser mit der optischen Faser typischerweise so, dass die weitere optische Faser mit ihrem zweiten Faserabschnitt mit dem zweiten Faserabschnitt der optischen Faser in optischen Kontakt gebracht wird, z.B. durch Aufeinanderpressen und/oder miteinander verkleben. Dabei weist die weitere optische Faser in einem ersten Faserabschnitt eine dritte Konzentration der Streuzentren und in einem vierten Faserabschnitt eine vierte Konzentration der Streuzentren aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die dritte Konzentration der Streuzentren. Insbesondere kann die dritte Konzentration bis auf einen Faktor 2 oder weniger der ersten Konzentration der Streuzentren entsprechen und/oder die zweite Konzentration bis auf einen Faktor 2 oder weniger der vierten Konzentration der Streuzentren entsprechen. Typischerweise unterscheiden sich sowohl die dritte Konzentration und die erste Konzentration als auch die zweite und vierte Konzentration um weniger als etwa 10%. Typischerweise entspricht der Aufbau der weiteren optischen Faser dem der optischen Faser, wobei die Lage der zweiten Faserabschnitte auf der jeweiligen optischen Faser entsprechend der Netzwerksanforderungen variieren kann.For the transmission of optical signals, the further optical fiber with the optical fiber is typically arranged in such a way that the further optical fiber with its second fiber section is brought into optical contact with the second fiber section of the optical fiber, e.g. by being pressed onto one another and / or glued together. The further optical fiber has a third concentration of the scattering centers in a first fiber section and a fourth concentration of the scattering centers in a fourth fiber section, which is at least one order of magnitude higher than the third concentration of the scattering centers. In particular, the third concentration can correspond to the first concentration of the scattering centers up to a factor of 2 or less and / or the second concentration can correspond to the fourth concentration of the scattering centers up to a factor of 2 or less. Typically, the third concentration and the first concentration as well as the second and fourth concentration differ by less than about 10%. The structure of the further optical fiber typically corresponds to that of the optical fiber, the position of the second fiber sections on the respective optical fiber being able to vary according to the network requirements.

Gemäß einer Weiterbildung weist die optische Faser zwei voneinander beabstandete zweite Faserabschnitte mit der zweiten Konzentration der Streuzentren auf. Wenn beide Enden dieser optischen Faser mit dem Detektor gekoppelt sind, kann über das Eintreffen der gestreuten Anteile des optischen Signals am Detektor ermittelt werden, auf welchen der zwei zweiten Faserabschnitte das optische Signal aufgetroffen ist. Die optische Faser kann auch mit zwei typischerweise endseitig angeordneten Detektoren für das optische Signal gekoppelt sein. In dieser Ausführung kann das Ermitteln desjenigen der zwei zweiten Faserabschnitte, auf den das optische Signal aufgetroffen ist, aus der zeitlichen Reihenfolge des Eintreffens des gestreuten Anteils des optischen Signals bei den zwei Detektoren erfolgen. Dieser Aufbau ermöglicht eine genauere Lokalisation eines Lichtblitzes und damit ein verbessertes Monitoring von Alterungsprozessen in einer Isolierung. Darüber hinaus kann die optische Faser mehr als zwei voneinander beabstandete zweite Faserabschnitte aufweisen.According to one development, the optical fiber has two second fiber sections spaced apart from one another with the second concentration of the scattering centers. If both ends of this optical fiber are coupled to the detector, the arrival of the scattered portions of the optical signal at the detector can determine which of the two second fiber sections the optical signal has hit. The optical fiber can also be coupled to two detectors for the optical signal, which are typically arranged at the ends. In this embodiment, that of the two second fiber sections on which the optical signal has struck can be determined from the chronological order of the arrival of the scattered portion of the optical signal at the two detectors. This structure enables a more precise localization of a light flash and thus an improved monitoring of aging processes in an insulation. In addition, the optical fiber can have more than two spaced apart second fiber sections.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die zwei (oder mehr) zweiten Faserabschnitte eine unterschiedliche Ausdehnung in Faserrichtung aufweisen. Aus der am Detektor (oder den Detektoren) gemessenen Pulsdauer des gestreuten Anteils des optischen Signals (Streusignals) lässt sich dann ebenfalls bestimmen, in welchen der zweiten Faserabschnitte das Signal eingekoppelt wurde.It can also be provided that the two (or more) second fiber sections have a different extent in the fiber direction. From the pulse duration of the scattered portion of the optical signal (scattered signal) measured at the detector (or detectors) it can then likewise be determined in which of the second fiber sections the signal was coupled.

Wenn der Detektor ein Spektrometer ist, können zudem über eine spektrale Erfassung des optischen Signals weiter Rückschlüsse auf die Art und/oder den Ursprung des optischen Signals gezogen werden.If the detector is a spectrometer, further conclusions can be drawn about the type and / or the origin of the optical signal via a spectral detection of the optical signal.

Gemäß einem Beispiel wird eine optische Faser, die in einem ersten Faserabschnitt eine erste Konzentration von Streuzentren aufweist und die in einem zweiten Faserabschnitt eine zweite Konzentration der Streuzentren aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren zum Übertragen von in einer Isolierung erzeugten Lichtpulsen, insbesondere von Lichtpulsen, die von einer elektrischen Teilentladung in der Isolierung verursacht werden, verwendet.According to one example, an optical fiber that has a first concentration of scattering centers in a first fiber section and that has a second concentration of scattering centers in a second fiber section that is at least one order of magnitude higher than the first concentration of scattering centers for transmitting in a Isolation generated light pulses, in particular light pulses that are caused by an electrical partial discharge in the insulation, used.

Gemäß einem weiteren Beispiel wird eine optische Faser, die in einem ersten Faserabschnitt eine erste Konzentration von Streuzentren aufweist und die in einem zweiten Faserabschnitt eine zweite Konzentration der Streuzentren aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren, zum Übertragen optischer Signale in einem Kommunikationsnetzwerk verwendet.According to a further example, an optical fiber that has a first concentration of scattering centers in a first fiber section and that has a second concentration of scattering centers that is at least one order of magnitude higher than the first concentration of scattering centers is used for transmitting optical Signals used in a communication network.

Gemäß einem Beispiel wird eine optische Faser mit einem Faserkern und einem den Faserkern umgebenden Mantel zum Weiterleiten von auf den Mantel in einem Faserabschnitt der optischen Faser von außen auftreffenden optischen Signalen im Faserkern, typischerweise zu einem Detektor oder einer weiteren optischen Faser, verwendet. Dabei weist der Faserkern in dem Faserabschnitt Streuzentren für die optischen Signale auf, wobei eine Konzentration der Streuzentren des Faserkerns in dem Faserabschnitt um mindestens einen Faktor 10, bevorzugt um mindestens einen Faktor 100, höher ist als eine Konzentration der Streuzentren im Mantel und als eine Konzentration der Streuzentren im Faserkern in einem angrenzenden Faserabschnitt der optischen Faser.According to one example, an optical fiber with a fiber core and a cladding surrounding the fiber core is used for forwarding optical signals in the fiber core which are incident on the cladding in a fiber section of the optical fiber from outside, typically to a detector or another optical fiber. The fiber core has scattering centers for the optical signals in the fiber section, a concentration of the scattering centers of the fiber core in the fiber section being at least a factor of 10, preferably at least a factor of 100, higher than a concentration of the scattering centers in the cladding and than one concentration the scattering centers in the fiber core in an adjacent fiber section of the optical fiber.

Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung, die zumindest einen Teil eines Datenübertragungssystem und/oder eines Monitoringsystems für Teilentladungen bilden kann, eine optische Faser, aufweisend Streuzentren, z.B. Mie-Streuer, wobei die optische Faser in einem ersten Faserabschnitt eine erste Konzentration der Streuzentren aufweist, und wobei die optische Faser in zwei voneinander beabstandeten zweiten Faserabschnitten, die an den ersten Faserabschnitt angrenzen können, eine zweite Konzentration der Streuzentren aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren, einen Körper, der derart mit der optischen Faser gekoppelt ist, dass aus den Körper austretende optische Signale von außen auf die zweiten Faserabschnitte treffen können und an den Streuzentren in den zweiten Faserabschnitten gestreuten werden können; und einen mit dem ersten Faserabschnitt gekoppelten Detektor für die an den Streuzentren in den zweiten Faserabschnitten gestreuten optischen Signale, insbesondere zur Verstärkung bzw. zum Nachweis von an den Streuzentren in den zweiten Faserabschnitten gestreuten Anteilen der optischen Signale (Streusignale).According to another embodiment, a device comprises at least a part of a data transmission system and / or a monitoring system for partial discharges, an optical fiber having scattering centers, e.g. Mie scatterers, the optical fiber having a first concentration of the scattering centers in a first fiber section, and the optical fiber in two spaced apart second fiber sections , which may adjoin the first fiber section, has a second concentration of the scattering centers which is at least one order of magnitude higher than the first concentration of the scattering centers, a body which is coupled to the optical fiber in such a way that optical signals exiting the body from can meet the second fiber sections outside and can be scattered at the scattering centers in the second fiber sections; and a detector coupled to the first fiber section for the optical signals scattered at the scattering centers in the second fiber sections, in particular for amplifying or detecting portions of the optical signals (scattered signals) scattered at the scattering centers in the second fiber sections.

Bei dem Körper kann es sich um einen festen oder fluiden Körper handeln, der eine hinreichende Transparenz oder Transluzenz für die erwarteten optischen Signale aufweist, insbesondere um eine weitere optische Faser (analogen Aufbaus) oder eine Isolierung einer Hochspannungseinrichtung.The body can be a solid or fluid body which has sufficient transparency or translucency for the expected optical signals, in particular a further optical fiber (analog structure) or an insulation of a high-voltage device.

Typischerweise ist die optische Faser eine Multimode-Glasfaser oder eine Multimode-Polymerfaser.Typically the optical fiber is a multimode glass fiber or a multimode polymer fiber.

Gemäß einer Weiterbildung weist die optische Faser einen Faserkern und einen den Faserkern umgebenden Mantel auf, wobei die zweite Konzentration der Streuzentren im Faserkern des zweiten Faserabschnitt um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration im Faserkern des ersten Faserabschnitts und/oder als eine Konzentration der Streuzentren für die optischen Signale im Mantel.According to a further development, the optical fiber has a fiber core and a cladding surrounding the fiber core, the second concentration of the scattering centers in the fiber core of the second fiber section being at least one order of magnitude higher than the first concentration in the fiber core of the first fiber section and / or as a concentration of Scattering centers for the optical signals in the cladding.

Gemäß einer Weiterbildung weist die optische Faser zwei (oder mehr) voneinander beabstandete zweite Faserabschnitte auf, und die Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit auf, die mit dem Detektor gekoppelt ist und eingerichtet ist, zu ermitteln in welchem der zwei zweiten Faserabschnitte ein optisches Signal eingekoppelt wurde. Dazu können Signallaufzeiten und / oder Pulslängen und/oder Signalleistungen und / oder spektrale Eigenschaften der Streusignale ausgewertet werden.According to a development, the optical fiber has two (or more) spaced apart second fiber sections, and the device has an evaluation unit which is coupled to the detector and is set up to determine in which of the two second fiber sections an optical signal was coupled. For this purpose, signal transit times and / or pulse lengths and / or signal powers and / or spectral properties of the scatter signals can be evaluated.

Dabei kann Vorrichtung auch einen weiteren mit der optischen Faser und der Auswerteeinheit gekoppelten Detektor aufweisen.The device can also have a further detector coupled to the optical fiber and the evaluation unit.

Gemäß noch einer Weiterbildung bildet die Vorrichtung einen Teil eines Detektions- bzw. Überwachungssystem, wobei der Körper von der Isolierung einer Hochspannungsgarnitur oder einer Isolierung eines Hochspannungskabels gebildet wird. Dies ermöglicht während des Betriebs der Hochspannungseinrichtung das Auftreten von Lichtimpulsen in der Isolierung zu überwachen, und/oder anhand der Lichtimpulse einen Schädigungsgrad der Isolierung zu ermitteln.According to yet another development, the device forms part of a detection or monitoring system, the body being formed by the insulation of a high-voltage fitting or an insulation of a high-voltage cable. This enables the occurrence of light pulses in the insulation to be monitored during the operation of the high-voltage device and / or a degree of damage to the insulation to be determined on the basis of the light pulses.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:

1A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer optischen Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1B einen Querschnitt durch die in 1A gezeigte optische Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1C eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer optischen Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1D eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer optischen Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer optischen Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2B eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer optischen Faser gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
2C Schritte eines Verfahrens zur Signalweiterleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Further advantageous configurations, details, aspects and features of the present invention emerge from the subclaims, the description and the accompanying drawings. It shows:

1A a schematic representation of a device with an optical fiber according to an embodiment;
1B a cross section through the in 1A shown optical fiber according to an embodiment;
1C a schematic representation of a device with an optical fiber according to an embodiment;
1D a schematic representation of a device with an optical fiber according to an embodiment;
2A a schematic representation of a device with an optical fiber according to an embodiment;
2 B a schematic representation of a device with an optical fiber according to an embodiment, and
2C Steps of a method for signal forwarding according to an embodiment.

1A zeigt eine Vorrichtung 100 zum Weiterleiten optischer Signale im optisch sichtbaren Wellenlängenbereich oder im Infrarotbereich. Eine optische Faser 10, z.B. eine Polymerfaser oder Glasfaser, typischerweise eine entsprechende Multimodefaser, ist an einem Ende mit einem Detektor 20 verbunden und weist einen zweiten Abschnitt 10b mit einer stark erhöhten Konzentration von Streuzentren 15 für die optischen Signale auf. 1A shows a device 100 for forwarding optical signals in the optically visible wavelength range or in the infrared range. An optical fiber 10 , e.g. a polymer fiber or glass fiber, typically a corresponding multimode fiber, is at one end with a detector 20th connected and has a second section 10b with a greatly increased concentration of scattering centers 15th for the optical signals.

Im gezeigten exemplarischen Ausführungsbeispiel weist die optische Faser 10 zwei erste Faserabschnitte 10a mit einer ersten Konzentration der Streuzentren 15 auf, und einen dazwischen angeordneten zweiten Faserabschnitt 10b mit einer zweite Konzentration der Streuzentren 15, die um mindestens eine Größenordnung, typischer um mindestens zwei Größenordnung, noch typischer um mindestens drei Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren 15.In the exemplary embodiment shown, the optical fiber 10 two first fiber sections 10a with an initial concentration of the scattering centers 15th on, and a second fiber section arranged therebetween 10b with a second concentration of the scattering centers 15th which is at least one order of magnitude, more typically at least two orders of magnitude, more typically at least three orders of magnitude higher than the first concentration of the scattering centers 15th .

Bei den in 1A gezeigten Streuzentren 15 kann es sich um Kavitäten und/oder Bereiche niedrigerer optischer Brechzahl handeln, die durch Behandlung mit fokussierten Laserpulsen (z.B. Femtosekundenlaserpulsen) selektiv nur im zweiten Faserabschnitt 10b erzeugt werden können. Alternativ dazu können z.B. durch gezielte Verunreinigungen im zweiten Faserabschnitt 10b auch Bereiche höherer optischer Brechzahl erzeugt werden. Durch das gezielte Einbringen in den zweiten Faserabschnitt 10b sind die jeweiligen Miestreuer in den angrenzenden ersten Faserabschnitten 10a nicht vorhanden. Dies reduziert Leitungsverluste auf dem Weg zum Detektor 20. Die Streuzentren können aber auch Rayleigh-Streuer oder klassische Streuer (Fresnel-Reflektoren) sein.The in 1A scattering centers shown 15th it can be cavities and / or areas of lower optical refractive index, which by treatment with focused laser pulses (eg femtosecond laser pulses) selectively only in the second fiber section 10b can be generated. As an alternative, for example, through targeted contamination in the second fiber section 10b areas of higher optical refractive index can also be generated. Through the targeted introduction into the second fiber section 10b are the respective refuse spreaders in the adjacent first fiber sections 10a unavailable. This reduces line losses on the way to the detector 20th . The scattering centers can also be Rayleigh scatterers or classic scatterers (Fresnel reflectors).

Wie der Querschnittsdarstellung durch die Faser 10 (senkrecht zur Faserachse) in 1B zu entnehmen ist, hat die optische Faser 10 typischerweise einen Faserkern 11 und einen den Faserkern 11 umgebenden Mantel 12. Im Mantel 12 ist die Konzentration der Streuzentren typischerweise um mindestens eine Größenordnung, typischer um mindestens zwei Größenordnung, noch typischer um mindestens drei Größenordnung niedriger ist als die (zweite) Konzentration der Streuzentren 15 im Faserkern 11 des zweiten Faserabschnitts 10b.Like the cross-section through the fiber 10 (perpendicular to the fiber axis) in 1B it can be seen that the optical fiber has 10 typically a fiber core 11 and one the fiber core 11 surrounding coat 12th . In the coat 12th the concentration of the scattering centers is typically at least one order of magnitude, more typically by at least two orders of magnitude, even more typically by at least three orders of magnitude lower than the (second) concentration of the scattering centers 15th in the fiber core 11 of the second fiber section 10b .

Wenn von außen in den Mantel 12 des zweiten Faserabschnitts 10b ein als Pfeil symbolisiertes optisches Signal, z.B. ein Lichtblitz, eintritt, wird es mit hoher Wahrscheinlichkeit zum optisch dichteren Faserkern 11 geleitet. Dort kann es an den Streuzentren 15 gestreut und schließlich im Faserkern 11 in Faser(ausbreitungs)richtung weitergeleitet werden, z.B. bis zum Detektor 20, der ein Photowandler, ein Photodetektor aber auch ein Spektrometer sein kann.If from the outside in the coat 12th of the second fiber section 10b If an optical signal symbolized as an arrow, for example a flash of light, occurs, it is very likely that it becomes an optically denser fiber core 11 directed. There it can be at the scattering centers 15th scattered and finally in the fiber core 11 in the fiber (propagation) direction, e.g. to the detector 20th , which can be a photo converter, a photodetector but also a spectrometer.

Die Vorrichtung 100 kann Teil eines Datennetzwerkes (Datenübertragungssystem) sein. In diesem Fall repräsentiert der Körper 50 eine weitere optische Faser von deren zweiten Faserabschnitt optische Datenpakte in den zweiten Faserabschnitt 10b einkoppeln können und umgekehrt. Zum Überkoppeln der optische Datenpakte können die zweiten Faserabschnitte der Fasern aneinandergrenzen oder voneinander beabstandet sein (kontaktlose Datenübertragung, „optischer Schleifring“).The device 100 can be part of a data network (data transmission system). In this case the body represents 50 another optical fiber from its second fiber section optical data packets into the second fiber section 10b can couple and vice versa. In order to couple the optical data packets over, the second fiber sections of the fibers can adjoin one another or be spaced from one another (contactless data transmission, “optical slip ring”).

Dieser Aufbau kann mit einer zusätzlichen Lichtquelle, z.B. einer mit der weiteren optischen Faser gekoppelten LED, auch als Dehnungssenor bzw. Rissdetektor verwendet werden, wobei als Maß für die Dehnung bzw. eine Rissweite eine gemessene Kopplungsgüte (am Detektor 20 gemessener Anteil eines aus der weitere optischen Faser eingekoppelten Signals) verwendet werden kann.With an additional light source, for example an LED coupled to the further optical fiber, this structure can also be used as a strain sensor or crack detector, with a measured coupling quality (on the detector) as a measure of the strain or a crack width 20th measured portion of a signal coupled in from the further optical fiber) can be used.

Die Vorrichtung 100 kann aber auch ein Teil eines Detektionssystem bzw. Überwachungssystems für Teilentladungen in Isolierungen sein. In diesem Fall repräsentiert der Körper 50 eine Isolierung einer Hochspannungseinrichtung.The device 100 but can also be part of a detection system or monitoring system for partial discharges in insulation. In this case the body represents 50 an insulation of a high voltage device.

1C zeigt eine Vorrichtung 101 zum Weiterleiten optischer Signale. Der Vorrichtung 101 ähnelt der in 1B gezeigten Vorrichtung 100, jedoch ist die optische Faser 50 an ihren beiden Enden jeweils mit einem Detektor 20, 21 verbunden. Außerdem hat die optische Faser 10 der Vorrichtung 101 zwei durch erste Faserabschnitte 10a voneinander getrennte zweite Faserabschnitte 10b₁ , 10b₂ . Dieser Aufbau ermöglicht das Ermitteln in welchem der zwei zweiten Faserabschnitte 10b₁ , 10b₂ zu einem jeweiligen Zeitpunkt ein optisches Signal eingekoppelt wurde. Dazu können Laufzeitdifferenzen der Signale zu den Detektoren 20, 21 an beiden Faserenden herangezogen werden.
Im exemplarischen Ausführungsbeispiel von 1C sind die zweiten Faserabschnitte 10b₁ , 10b₂ in die Isolierung 50 eingebettet. 1C shows a device 101 for forwarding optical signals. The device 101 resembles the in 1B device shown 100 , however, is the optical fiber 50 at both ends with a detector 20th , 21st connected. It also has the optical fiber 10 the device 101 two by first fiber sections 10a separate second fiber sections 10b ₁ , 10b ₂ . This structure makes it possible to determine in which of the two second fiber sections 10b ₁ , 10b ₂ an optical signal was coupled in at a given point in time. For this purpose, time differences between the signals and the detectors can be used 20th , 21st can be used at both fiber ends.
In the exemplary embodiment of 1C are the second fiber sections 10b ₁ , 10b ₂ in isolation 50 embedded.

Wie in 1D für die Vorrichtung 102 dargestellt wird, ist der Detektor 20 bzw. die Detektoren typischerweise mit einer Auswerteeinheit 70 verbunden, die die Anzahl, Intensität, ggf. zusätzlich das Spektrum und wenn möglich die Lokalisierung der Lichtblitze aufzeichnet und daraus einen Schädigungsgrad der Isolierung abschätzen kann.As in 1D for the device 102 is the detector 20th or the detectors typically with an evaluation unit 70 which records the number, intensity, and possibly also the spectrum and, if possible, the localization of the flashes of light and can use this to estimate the degree of damage to the insulation.

Im exemplarischen Ausführungsbeispiel von 1D ist der zweite Faserabschnitte 10b auf der Isolierung 50 angeordnet.In the exemplary embodiment of 1D is the second fiber section 10b on the insulation 50 arranged.

Wie in den 2A und 2B für die dortigen Vorrichtungen 103 und 104 gezeigt wird, können für ein sogenanntes Multiplexing mehr als zwei zweite Faserabschnitte (Sensorstellen) 10b₁ bis 10b₄ pro optischer Faser 10 vorgesehen sein, die durch erste Abschnitte 10a₁ bis 10a₆ voneinander und den Faserenden beabstandet sind.As in the 2A and 2 B for the devices there 103 and 104 shown, more than two second fiber sections (sensor locations) can be used for so-called multiplexing. 10b ₁ to 10b ₄ per optical fiber 10 be provided which are spaced apart from one another and the fiber ends by first sections 10a ₁ to 10a ₆ .

Das Multiplexing der einzelnen Sensorstellen 10b₁ bis 10b₄ entlang der Faser kann über eine „Kodierung“ der Länge des zweiten Faserabschnittes 10b₁ bis 10b₄ erfolgen. Die Länge der Abschnitte 10b₁ bis 10b₄ bestimmt nämlich auch die Dauer des detektierten Pulses in Abhängigkeit von der Orientierung der Faser 10 zur Quelle der Signale („Lichtblitze“).The multiplexing of the individual sensor locations 10b ₁ to 10b ₄ The length of the second fiber section can be "coded" along the fiber 10b ₁ to 10b ₄ respectively. The length of the sections 10b ₁ to 10b ₄ namely also determines the duration of the detected pulse depending on the orientation of the fiber 10 to the source of the signals ("flashes of light").

Eine weitere Möglichkeit für das Multiplexing ist eine „Kodierung“ bei der z.B. zwei kurze Abschnitte 10b₁ bis 10b₄ direkt nebeneinander oder beispielsweise ein kurzer und ein längerer Abschnitt 10b₁ bis 10b₄ nebeneinander usw. angeordnet sind, um eine eindeutige Zuordnung zu gewährleisten. Zusätzlich können auch hier relative Laufzeiten bei Detektoren an beiden Faserenden ausgewertet werden.Another possibility for multiplexing is a "coding" in which, for example, two short sections 10b ₁ to 10b ₄ right next to each other or, for example, a short and a longer section 10b ₁ to 10b ₄ are arranged next to each other, etc. in order to ensure a clear assignment. In addition, relative transit times for detectors at both fiber ends can also be evaluated here.

Über die Dauer der detektierten Pulse, die auch vom Einstrahlwinkel zur Faserachse abhängig sein können und die gut messbar sind, wenn der Lichtblitz eine sehr viel kleinere örtliche Ausdehnung hat als der jeweilige Abschnitt 10b₁ bis 10b₄ in Faserrichtung, kann ebenfalls auf den Ort des detektierten Signals/Lichtblitzes geschlossen werden.Over the duration of the detected pulses, which can also be dependent on the angle of incidence to the fiber axis and which are easily measurable if the light flash has a much smaller spatial extent than the respective section 10b ₁ to 10b ₄ in the direction of the fiber, the location of the detected signal / light flash can also be deduced.

Bei einer Verwendung zweier Detektoren an beiden Faserenden kann zudem, insbesondere wenn Mie-Streuer als Streuzentren (hohe Direktivität) verwendet werden, auch über das Verhältnis der detektierten optischen Leistungen auf den Ort des detektierten Signals/Lichtblitzes geschlossen werden.When using two detectors at both fiber ends, in addition, especially if Mie scatterers are used as scattering centers (high directivity), the location of the detected signal / light flash can also be deduced from the ratio of the detected optical powers.

2C illustriert Schritte eines Verfahrens 1000 zur Signalweiterleitung gemäß einem Ausführungsbeispiel. 2C illustrates steps of a process 1000 for signal forwarding according to an embodiment.

In einem Schritt 1100 wird ein Detektor mit einer optischen Faser gekoppelt. Die optische Faser weist Streuzentren aufweist, wobei die optische Faser in einem ersten Faserabschnitt eine erste Konzentration der Streuzentren aufweist, und wobei die optische Faser in einem zweiten Faserabschnitt eine zweite Konzentration der Streuzentren aufweist, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die erste Konzentration der Streuzentren. Das Koppeln erfolgt derart, dass der erste Faserabschnitt zwischen dem Detektor und dem zweiten Faserabschnitt angeordnet ist.In one step 1100 a detector is coupled to an optical fiber. The optical fiber has scattering centers, the optical fiber having a first concentration of the scattering centers in a first fiber section, and wherein the optical fiber in a second fiber section has a second concentration of the scattering centers that is at least one order of magnitude higher than the first concentration of the Scattering centers. The coupling takes place in such a way that the first fiber section is arranged between the detector and the second fiber section.

Typischerweise werden die Streuzentren und die zweite Konzentration der Streuzentren derart ausgewählt, dass ein effektiver Streukoeffizient für eine erwartete Wellenlänge des optischen Signals in dem zweiten Faserabschnitt einen Wert von mindestens 10 aufweist, und/oder wobei die zweite Konzentration um mindestens zwei Größenordnungen, bevorzugt um mindestens drei Größenordnungen, über der ersten Konzentration liegt.Typically, the scattering centers and the second concentration of the scattering centers are selected such that an effective scattering coefficient for an expected wavelength of the optical signal in the second fiber section has a value of at least 10, and / or the second concentration by at least two orders of magnitude, preferably by at least three orders of magnitude, above the first concentration.

Vor oder nach dem Schritt 1100 kann ein Körper relativ zu dem zweiten Faserabschnitt angeordnet werden so, dass das eine optische Signal vom Körper in den zweiten Faserabschnitt (und umgekehrt) einkoppeln kann.Before or after the step 1100 For example, a body can be arranged relative to the second fiber section in such a way that the one optical signal from the body can be coupled into the second fiber section (and vice versa).

Dieser Schritt kann das Einbetten des zweiten Faserabschnitts in oder das Anordnen des zweiten Faserabschnitts auf eine Isolierung einer Hochspannungsgarnitur oder eines Hochspannungskabels, aber auch das Koppeln einer weiteren optischen Faser mit der optischen Faser umfassen.This step can include embedding the second fiber section in or arranging the second fiber section on an insulation of a high-voltage fitting or a high-voltage cable, but also coupling a further optical fiber to the optical fiber.

Vor oder nach dem Schritt 1100 kann eine weitere optische Faser mit der optischen Faser gekoppelt werden. Die weitere optische Faser hat in einem ersten Faserabschnitt eine dritte Konzentration der Streuzentren, wobei die weitere optische Faser in einem vierten Faserabschnitt eine vierte Konzentration der Streuzentren hat, die um mindestens eine Größenordnung höher ist als die dritte Konzentration der Streuzentren, und wobei der zweite Faserabschnitt der weiteren optischen Faser mit dem zweiten Faserabschnitt der optischen Faser optisch gekoppelt wird.Before or after the step 1100 another optical fiber can be coupled to the optical fiber. The further optical fiber has a third concentration of the scattering centers in a first fiber section, the further optical fiber in a fourth fiber section having a fourth concentration of the scattering centers which is at least one order of magnitude higher than the third concentration of the scattering centers, and the second fiber section the further optical fiber is optically coupled to the second fiber section of the optical fiber.

In einem Schritt 1200 trifft eines optischen Signals von außen auf den zweiten Faserabschnitt.In one step 1200 an optical signal hits the second fiber section from outside.

In einem Schritt 1300 wird ein an den Streuzentren des zweiten Faserabschnitts gestreuter Anteils des optischen Signals durch die optische Faser zu dem Detektor weitergeleitet.In one step 1300 a portion of the optical signal that is scattered at the scattering centers of the second fiber section is transmitted through the optical fiber to the detector.

Dort kann der weitergeleitete Anteil des optischen Signals mit dem Detektor verstärkt und/oder nachgewiesen werden.There, the transmitted portion of the optical signal can be amplified and / or detected with the detector.

Wenn die optische Faser mehrere voneinander beabstandete zweite Faserabschnitte aufweist, kann das Verfahren 1000 auch einen Schritt des Ermittelns desjenigen der zweiten Faserabschnitte umfassen, in den das optische Signal gekoppelt ist.If the optical fiber has a plurality of spaced apart second fiber sections, the method can 1000 also comprise a step of determining which of the second fiber sections into which the optical signal is coupled.

Außerdem kann eine Anzahl bzw. eine summierte Intensität des detektierten optischen Signals als Maß für eine Veränderung (Alterung) der Isolierung ausgewertet werden.In addition, a number or a summed intensity of the detected optical signal can be evaluated as a measure of a change (aging) in the insulation.

Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele in andere Ausführungsformen übernommen werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht technisch bedingt gegenseitig ausschließen.The present invention was explained on the basis of exemplary embodiments. These exemplary embodiments are in no way to be understood as restricting the present invention. In particular, individual features of the various exemplary embodiments can be adopted in other embodiments or different exemplary embodiments can be combined with one another, as long as the combined features are not mutually exclusive for technical reasons.

Claims

A method for signal transmission, comprising: - coupling a detector (20) to an optical fiber (10) which has scattering centers (15), the optical fiber (10) having a first concentration of the scattering centers (15) in a first fiber section (10a) and wherein the optical fiber (10) has a second concentration of scattering centers (15) which is at least one order of magnitude higher than that in two spaced apart second fiber sections (10b _1-4 ) which have a different extent in the fiber direction first concentration of the scattering centers (15), the coupling taking place such that the first fiber section (10a) between the detector (20) and the second fiber sections (10b _1-4 ) is arranged; - Impingement of an optical signal from outside on one of the second fiber sections (10b) and forwarding a portion of the optical signal scattered at its scattering centers (15) through the optical fiber (10) to the detector (20); - measuring a pulse duration of the scattered portion of the optical signal; and - determining which one of the two second fiber sections (10b _1-4 ) has hit the optical signal.

Procedure according to Claim 1 , further comprising: - arranging a body (50) relative to the second fiber sections (10b _1-4 ) such that the optical signal from the body (50) can couple into the second fiber sections (10b _1-4 ); - Embedding the second fiber sections (10b _1-4 ) in an insulation of a high-voltage fitting or in an insulation of a high-voltage cable; - Coupling of a further optical fiber to the optical fiber (10), the further optical fiber having a third concentration of the scattering centers (15) in a first fiber section, the further optical fiber having a fourth concentration of the scattering centers (15) in a fourth fiber section which is at least one order of magnitude higher than the third concentration of the scattering centers (15), and wherein the second fiber section of the further optical fiber is coupled to the second fiber section (10b) of the optical fiber (10); and / or - detecting a forwarded portion of the optical signal with the detector (20).

Procedure according to Claim 1 , further comprising: - arranging the second fiber sections (10b _1-4 ) on an insulation of a high-voltage fitting or on an insulation of a high-voltage cable; - Coupling of a further optical fiber to the optical fiber (10), the further optical fiber having a third concentration of the scattering centers (15) in a first fiber section, the further optical fiber having a fourth concentration of the scattering centers (15) in a fourth fiber section which is at least one order of magnitude higher than the third concentration of the scattering centers (15), and wherein the second fiber section of the further optical fiber is coupled to the second fiber section (10b) of the optical fiber (10); and / or - detecting a forwarded portion of the optical signal with the detector (20).

Procedure according to Claim 2 , wherein the arrangement of the body embedding the second fiber sections (10b _1-4 ) in the body (50), gluing the body (50) to the second fiber sections (10b _1-4 ) and / or pressing the second fiber sections together ( 10b _1-4 ) and a surface of the body (50).

Method according to one of the preceding claims, wherein the optical fiber (10) is coupled to two detectors (20, 21) for the optical signal, and wherein determining which of the two second fiber sections (10 _b1-4 ) onto which the optical signal is directed has occurred, the determination of a time sequence of the arrival of the scattered portion of the optical signal at the two detectors (20, 21) and / or the determination of a respective power or energy of the scattered portion of the optical signal with the two detectors (20, 21) includes.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the second concentration is at least two orders of magnitude higher than the first concentration.

A method according to any one of the preceding claims, wherein the second concentration is at least three orders of magnitude above the first concentration.

Apparatus (100-104) comprising: - an optical fiber (10) having scattering centers (15), wherein the optical fiber (10) has a first concentration of scattering centers (15) in a first fiber section (10a), and wherein the optical fiber (10) in two spaced apart second fiber sections (10b _1-4 ) which have a different extent in the fiber direction, a second concentration of the scattering centers (15) which is at least one order of magnitude higher than the first concentration of the scattering centers ( 15); - A body (50) which is coupled to the optical fiber (10) in such a way that optical signals emerging from the body (50) can strike the second fiber sections (10b _1-4 ) from outside the optical fiber (10) and can be scattered at the scattering centers (15) in the second fiber section (10b _1-4 ); and - a detector (20) coupled to the first fiber section (10a) for the optical signals scattered at the scattering centers (15) in the second fiber sections (10b _1-4 ).

Device (100-104) according to Claim 8 , wherein the optical fiber (10) is a multimode glass fiber or a multimode polymer fiber, and / or wherein the device forms at least part of a data transmission system in which the body (50) is formed by a further optical fiber, the further optical fiber has a third concentration of scattering centers (15) in a first fiber section, the further optical fiber in a fourth fiber section having a fourth concentration of scattering centers (15) which is at least one order of magnitude higher than the third concentration of scattering centers (15) ), and wherein the second fiber section of the further optical fiber is coupled to the second fiber section (10b) of the optical fiber (10).

Device (100-104) according to Claim 8 or 9 , wherein the optical fiber (10) has a fiber core (11) and a cladding (12) surrounding the fiber core (11), and wherein the second concentration in the fiber core (11) of the second fiber section (10b) is at least one order of magnitude higher than the first concentration in the fiber core (11) of the first fiber section (10a) and / or as a concentration of the scattering centers (15) for the optical signals in the cladding (12).

Device (100-104) according to one of the Claims 8 to 10 wherein the scattering centers (15) are Mie scatterers for the optical signals.

Device (100-104) according to one of the Claims 8 to 11 , further comprising a further detector (21) coupled to the optical fiber (10) and / or an evaluation unit (70) which is connected to the detector (20) and the further detector (21) and is set up to determine in which of the two second fiber sections (10b _1-4 ) an optical signal was coupled.

A detection system comprising a device (100-104) according to one of Claims 8 - 11 , wherein the body (50) is formed by the insulation of a high-voltage fitting or an insulation of a high-voltage cable, further comprising an evaluation unit (70) connected to the detector (20), which is set up to monitor the occurrence of light pulses in the insulation and / or to determine the degree of damage to the insulation based on the light pulses.