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Die vorliegende Erfindung betrifft ein faseroptisches Kabel, das insbesondere für die Verwendung mit einer hochdehnbaren Vorrichtung wie einer hochdehnbaren Pipeline oder einem hochdehnbaren Schlauch oder einer hochdehnbaren Versorgungsleitung oder einem hochdehnbaren Kabel oder einem hochdehnbaren Seil geeignet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine hochdehnbare Vorrichtung, wie eine hochdehnbare Pipeline oder einen hochdehnbaren Schlauch oder eine hochdehnbare Versorgungsleitung oder ein hochdehnbares Kabel oder ein hochdehnbares Seil, mit einem derartigen faseroptischen Kabel.
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Hochdehnbare Pipelines, Schläuche, Versorgungsleitungen, Kabel oder Seile können im Normalbetrieb wiederholt um mehr als 1% gedehnt werden, beispielsweise bis zu 5% oder 10%. In einer Reihe von Anwendungen sollen Lichtleitfasern in derartige hochdehnbare Vorrichtungen integriert werden, um deren Zustand beziehungsweise den Zustand der Umgebung zu überwachen oder um Signale und/oder Daten zu übertragen.
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Lichtleitfasern aus mineralischem Glas wie beispielsweise Quarzglas können trotz Polymerbeschichtung in der Regel nicht mehr als um 1% gedehnt werden, ohne früher oder später zu brechen. Bei wiederholter Dehnung liegen die zulässigen Dehnungsgrenzen in der Regel noch darunter.
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Lichtleitfasern aus Kunststoff (POF – plastic optical fibre) weisen höhere Dehnungsgrenzen auf, sind aber aufgrund ihrer höheren optischen Dämpfung nicht für die Übertragung von Licht über größere Entfernungen von beispielsweise 1km oder mehr geeignet. Außerdem sind diese Fasern nur in einem engen Temperaturbereich einsetzbar. Insbesondere sind sie nicht für Temperaturen deutlich oberhalb 100°C geeignet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein faseroptisches Kabel anzugeben, das für die Verwendung mit einer hochdehnbaren Vorrichtung geeignet ist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch ein faseroptisches Kabel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass das faseroptische Kabel eine erste Komponente sowie eine zweite Komponente umfasst, die mindestens eine Lichtleitfaser aufweist, wobei die zweite Komponente so relativ zu der ersten Komponente verseilt ist, dass zumindest abschnittsweise die Länge eines Abschnitts der zweiten Komponente und/oder eines Abschnitts der mindestens einen Lichtleitfaser größer als die Länge des entsprechenden Abschnitts des faseroptischen Kabels ist. Durch diese Verseilung der zweiten Komponente mit der ersten Komponente erfährt die mindestens eine Lichtleitfaser eine geringere Dehnung als das faseroptische Kabel oder die hochdehnbare Vorrichtung insgesamt.
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Es kann vorgesehen sein, dass zumindest abschnittsweise die Länge eines Abschnitts der zweiten Komponente und/oder eines Abschnitts der mindestens einen Lichtleitfaser um mehr als 1%, vorzugsweise zwischen 3% und 15%, größer als die Länge des entsprechenden Abschnitts des faseroptischen Kabels ist, wobei insbesondere die Länge eines Abschnitts der zweiten Komponente und/oder eines Abschnitts der mindestens einen Lichtleitfaser größer ist als die Länge des entsprechenden Abschnitts des faseroptischen Kabels zuzüglich der im Anwendungsfall maximal zu erwartenden Dehnung des faseroptischen Kabels. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch bei starken Dehnungen der hochdehnbaren Vorrichtung, mit der das faseroptische Kabel im Anwendungsfall verbunden ist, die Lichtleitfaser nicht oder nur wenig gedehnt wird. Beispielsweise kann dabei für maximal zu erwartende Dehnungen der Vorrichtung beziehungsweise des faseroptischen Kabels von 5% eine Überlänge der Lichtleitfaser von mehr als 10% gewählt werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass zumindest abschnittsweise die Länge eines Abschnitts der zweiten Komponente und/oder eines Abschnitts der mindestens einen Lichtleitfaser größer, vorzugsweise um mehr als 1%, insbesondere um mehr als 3%, beispielsweise um mehr als 5% größer als die Länge des entsprechenden Abschnitts der ersten Komponente ist.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Komponente eine oder die Kernkomponente des faseroptischen Kabels bildet, so dass die zweite Komponente um die Kernkomponente herum verseilt ist. Eine derartige, vorzugsweise als Kernkomponente verwendete erste Komponente kann wiederholt um mehr als 1% ihrer Länge dehnbar sein, vorzugsweise wiederholt um mehr als 5% ihrer Länge dehnbar sein, insbesondere wiederholt um bis zu 10% ihrer Länge dehnbar sein. Neben der Dehnbarkeit der Kernkomponente sind ihre Querkontraktion unter Zugbelastung beziehungsweise auch ihre elastische Verformbarkeit beziehungsweise die Verformbarkeit verseilter Komponenten von Bedeutung. Hierdurch erhalten die verseilten Komponenten mit den Lichtleitfasern die Möglichkeit, auf die Dehnung des faseroptischen Kabels durch eine Bewegung in Richtung Mittelpunkt des Kabelquerschnitts zu reagieren und damit die eigene Dehnungsbelastung deutlich zu verringern. Durch ein elastisches Verhalten des Kerns entstehen auch Kräfte, welche die Verseilungskomponenten wieder nach außen drücken und somit zur Reversibilität der Kabeldehnung beitragen.
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Es besteht die Möglichkeit, dass die erste Komponente aus einem Polymer besteht oder ein Polymer umfasst, wie beispielsweise Polyamid (PA) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein thermoplastisches Elastomer wie beispielsweise Santoprene®, oder dass die erste Komponente aus einem Faserwerkstoff besteht oder einen Faserwerkstoff umfasst, wie beispielsweise einen Glasfaserwerkstoff, einen Carbonfaserwerkstoff oder ein Aramid, oder dass die erste Komponente aus einer Metalllegierung besteht oder eine Metalllegierung umfasst, beispielsweise eine Titanlegierung wie Nitinol®. Derartige Materialien weisen entsprechende Eigenschaften hinsichtlich Dehnbarkeit, Querkontraktion unter Zugbelastung und elastischer Verformbarkeit auf.
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Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Komponente ein Röhrchen aus einem dehnbaren Material, wie beispielsweise aus Metall oder Kunststoff, umfasst, wobei die mindestens eine Lichtleitfaser in diesem Röhrchen angeordnet ist. Dabei kann zumindest abschnittsweise die Länge eines Abschnitts der mindestens einen Lichtleitfaser größer als die Länge des entsprechenden Abschnitts des Röhrchens sein, vorzugsweise zwischen 0,1% und 0,5% größer als die Länge des entsprechenden Abschnitts des Röhrchens sein. Neben der Verseilung wird durch diese Maßnahme ein weiterer Effekt genutzt, um die Dehnung der Lichtleitfaser zu reduzieren beziehungsweise praktisch auszuschalten. Die mindestens eine Lichtleitfaser wird mit einer gewissen Überlänge lose in das Röhrchen aus dehnbarem Material eingebracht. Typischerweise kann das Röhrchen Faserüberlängen von 0,1 bis maximal 0,5% aufnehmen, die im Falle einer Dehnung als Überlänge zur Verfügung stehen.
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Es besteht die Möglichkeit, dass das faseroptische Kabel mindestens eine, vorzugsweise mehrere dritte Komponenten umfasst. Dabei kann die mindestens eine dritte Komponente ein Zugelement sein oder ein Zugelement umfassen, wie beispielsweise einen Faserwerkstoff oder einen Metalldraht, und/oder ein Füllelement sein oder ein Füllelement umfassen. Diese Zugelemente und/oder Füllelemente können zusammen mit der mindestens einen die Lichtleitfaser aufweisenden Komponente um die Kernkomponente herum verseilt werden. Durch die Zugelemente wird die Zugfestigkeit des faseroptischen Kabels erhöht. Durch die Füllelemente können die zur Reversibilität der Kabeldehnung beitragenden elastischen Rückstellkräfte der Kernkomponente besser auf die verseilten äußeren Komponenten übertragen werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das faseroptische Kabel mindestens eine dehnbare Mantelschicht aufweist, die insbesondere aus Polymermaterial bestehen kann oder Polymermaterial umfassen kann. Diese kann das faseroptische Kabel schützen und/oder verstärken.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels;
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 abgebildete erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faseroptischen Kabels umfasst eine als Kernkomponente dienende erste Komponente 1, um die mit Überlängen äußere Komponenten verseilt sind. Die äußeren Komponenten umfassen in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel zwei unterschiedliche zweite Komponenten 2, 3 sowie mehrere unterschiedliche dritte Komponenten 4, 5.
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Die als Kernkomponente dienende erste Komponente 1 kann aus einem elastischen Material mit einer hohen Streckgrenze im Bereich oberhalb 1% bis beispielsweise 10% bestehen. Dabei kann die erste Komponente aus einem Polymer bestehen oder ein Polymer umfassen, wie beispielsweise Polyamid (PA) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder ein thermoplastisches Elastomer wie beispielsweise Santoprene®. Alternativ kann die erste Komponente 1 aus einem Faserwerkstoff bestehen oder einen Faserwerkstoff umfassen, wie beispielsweise einen Glasfaserwerkstoff, einen Carbonfaserwerkstoff oder ein Aramid. Alternativ kann die erste Komponente 1 aus einer Metalllegierung bestehen oder eine Metalllegierung umfassen, beispielsweise eine Titanlegierung wie Nitinol®.
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Bei dem in 1 abgebildeten faseroptischen Kabel weist die erste der zweiten Komponenten 2 ein Röhrchen 6 auf, in dem zwei Lichtleitfasern 7 mit Überlänge zu dem Röhrchen 6 lose angeordnet sind. Beispielsweise ist dabei die Länge einer jeder der Lichtleitfasern 7 zwischen 0,1% und 0,5% größer als die Länge des Röhrchens 6. Das Röhrchen 6 kann aus einem dehnbaren Material, wie beispielsweise aus Metall oder Kunststoff, insbesondere aus Edelstahl oder einer Nickellegierung bestehen.
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Lose Lichtleiter im Röhrchen erfahren wenig beziehungsweise keine Dehnung und erreichen somit die höchste Lebensdauer und die geringste Dämpfung. Sie werden vorzugsweise zur Temperaturmessung (Raman-Streuung oder FBG) oder zur Datenübertragung eingesetzt.
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Die zweite der zweiten Komponenten 3 ist als Festader ausgebildet. Mit Festader werden von einer festen Umhüllung 8 umgebene Lichtleitfasern 7 bezeichnet. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel weist die Festader eine mittig angeordnete Lichtleitfaser 7 auf. Festadern können sinnvoll eingebaut werden, wenn eine faseroptische Dehnungsmessung beispielsweise mit Brillouin-Streuung oder FBG (Fibre Bragg Grating Reflektion) durchgeführt werden soll.
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Die abgebildeten Lichtleitfasern 7 könne aus mineralischem Glas, beispielsweise aus Quarzglas bestehen.
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Bei dem in 1 abgebildeten faseroptischen Kabel ist die erste der dritten Komponenten 4 als Zugelement ausgebildet, das beispielsweise aus Faserwerkstoffen oder Metalldrähten bestehen kann. Die Zugelemente tragen zur Reversibilität der Kabeldehnung bei und können zur Aufnahme von Zugspannungen innerhalb der Vorrichtung dienen. Die zweite der dritten Komponenten 5 ist als Füllelement ausgebildet.
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Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch eine die zweiten und dritten Komponenten 2, 3, 4, 5 umgebende elastisch dehnbare Mantelschicht 9. Diese kann beispielsweise aus Polymeren bestehen. Es besteht die Möglichkeit anstelle einer Mantelschicht 9 oder mehrere Mantelschichten vorzusehen. Durch die mindestens eine Mantelschicht 9 können die inneren Komponenten geschützt oder verstärkt werden.
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3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste als Kernkomponente ausgebildete Komponente 1 einen größeren, insbesondere einen deutlich größeren Durchmesser aufweist als die darum verseilten zweiten und dritten Komponenten 2, 3, 4, 5.
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Der Verseilungsfaktor, mit dem bei einem erfindungsgemäßen faseroptischen Kabel mindestens eine der zweiten, eine Lichtleitfaser 7 aufweisende Komponente 2, 3 um die erste Komponente 1 oder relativ zu dieser Komponente 1 verseilt ist, kann zwischen 1,01 und 1,1 liegen. Der Verseilungsfaktor gibt dabei das Verhältnis der zweiten Komponente 2, 3 und/oder der Lichtleitfaser 7 zur Länge des faseroptischen Kabels an.
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Es besteht die Möglichkeit, den Verseilungsfaktor auch größer als 1,1 zu wählen. Beispielsweise wenn eine sehr hochauflösende Temperaturmessung durch die mindestens eine Lichtleitfaser 7 erreicht werden soll, kann der Verseilungsfaktor auch in einem Bereich größer 2, in Extremfällen sogar im Bereich von etwa 10 liegen.
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Bei sehr großen Verseilungsfaktoren sollte darauf geachtet werden, dass ein möglichst großer Durchmesser der als Kernkomponente dienenden ersten Komponente 1 gegeben ist, um die Biegeradien der mindestens einen Lichtleitfaser 7 nicht zu klein werden zu lassen. Alternativ oder zusätzlich kann als mindestens eine Lichtleitfaser 7 eine besonders biegeunempfindliche Faser verwendet werden.
