DE4304545A1 - Sensorkabel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorkabel nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Verteilte Lichtwellenleiter-Sensoren zur Temperaturmessung sind aus der EP 0272466 bekannt. Faseroptische Sensoren für die Mes­ sung mechanischer Größen werden bespielsweise als Zugkraftsen­ soren (DE 35 26 966), als Drucksensoren (DE 38 09 957) oder als Dehnungssensoren eingesetzt (DE 39 42 556). Bei den bekannten verteilten Sensoren wird ein Ende für das Einkoppeln von Licht und das andere Ende für das Auskoppeln von Licht verwendet. Beide Enden der Sensoren müssen jeweils zugänglich sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel mit verteil­ ten Lichtwellenleiter-Sensoren anzugeben, das nur einseitig zu­ gänglich ist und dessen fernes Ende möglichst einfach aufgebaut ist.

Die Aufgabe wird von dem Sensorkabel mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Das vorgeschlagene Sensorkabel hat die Vorteile, daß sein fernes Ende möglichst störungs- und wartungsfrei ist. Das Sensorkabel ist für solche Einsatzgebiete besonders geeignet, wo der Sensor nur einseitig zugänglich ist. Vorzugsweise sind solche Einsatz­ gebiete Bohrungen jeder Art oder in Schächten und Tunneln.

Bei verteilten Sensoren sind Lichtleitfasern in der Länge des Kabels eingebettet. Die Sensoren haben in der Regel eine be­ stimmte Sekundärbeschichtung. Beispielsweise wird ein Druck­ sensor in engem mechanischen Kontakt im Kabel eingebettet, damit Druckkräfte empfindlich auf den Sensor einwirken können oder um den Sensor ist eine körnige Struktur gelegt, die mechanische Einwirkungen verstärkend auf den Sensor überträgt.

Vorzugsweise ist mindestens ein Paar der verteilten Lichtleit­ faser-Sensoren im Bereich der Schlaufe als spleißloser Sensor ausgebildet. Die Abwesenheit eines Spleißes ist besonders vor­ teilhaft, weil Spleiße Ursache von Dämpfungsverlusten, Fehler­ quellen oder Störungen sind. Falls die Reichweite optischer Sig­ nale es zuläßt, lassen sich für kürzere Sensorkabel auch Senso­ ren mit Spleiß im Bereich der Schlaufe verwenden. In einer be­ vorzugten Ausführungsform können auch alle Sensordoppelstränge in der Schlaufe mit Spleiß geführt sein. Die Schutzmäntel der im Bereich der Schlaufe gespleißten Sensoren sind vorzugsweise wieder verschlossen. Hierzu wird eine Verschlußhülse verwendet. Die Hülse ist aus demselben Material wie das des Schutzmantels. Ihre Wanddicke entspricht etwa der des Schutzmantels. Die Hülse wird zur Überbrückung der Öffnung des Schutzmantels eingelegt und mit den freien Enden des Schutzmantels verklebt oder ver­ schweißt.

Sensoren, die jeweils ein Paar bilden und am Ende des Kabels eine geschlossene Schlaufe durchlaufen, liegen jeweils in einem Schutzmantel. Das Material des Schutzmantels kann beispielsweise Kunststoff oder Metall sein.

In der Regel liegen die Sensoren in Schutzmänteln. Es sind je­ doch auch Ausbildungen möglich, in denen die verteilten Sensoren nackt im Kabel liegen. Es können auch mehrere Paare der Senso­ ren, welche am Ende des Kabels eine geschlossene Schlaufe bil­ den, in einem gemeinsamen Schutzmantel liegen.

Die Sensoren können mit oder ohne Einbettung (also lose) im Schutzmantel untergebracht sein. Für Anwendungen bei höheren Temperaturen und zum Schutz der Sensoren wird ein zähes Gel als Einbettmaterial verwendet. Für den Einsatz in senkrechten Boh­ rungen, in denen eine hohe Temperatur zu erwarten ist, bietet es sich an, eine besonders hochtemperaturfeste Einbettung zu wäh­ len, damit die Haftung und Fixierung der Lichtleitfaser im Schutzmantel auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt.

Vorzugsweise wird eine Abschlußdose zum Schutz der Sensoren ein­ gesetzt. Die Schlaufe ist in der Abschlußdose zur Fixierung der Schlaufen mit einem Radius gehaltert, der größer ist als der kritische Biegeradius eines Sensors, bzw. bei dickwandigen Schutzmänteln muß sichergestellt werden, daß der Schutzmantel in der Schlaufe nicht knickt. Lichtwellenleiter-Sensoren dürfen nicht unterhalb eines bestimmten Radius mit Biegung beansprucht werden. Daher wird bei der Halterung der Schlaufe darauf zu achten sein, daß ein kritischer Biegeradien nicht unterschritten wird. Der Schlaufenträger kann so gestaltet sein, daß entweder die Schlaufe im wesentlichen in einer Ebene liegt oder aber auch so, daß die Schlaufe in einer geschraubten Ebene liegt.

Mehrere Schlaufen können in der Abschlußdose in einer oder auch in mehreren Ebenen gehaltert werden. Hierbei wird ein Schlau­ fenträger eingesetzt, der in mehreren Ebenen schubladenartig Spleiße oder Überlängen der Lichtleitfasern aufnehmen kann. Der Schlaufenträger kann in die Abschlußdose einschiebbar und/oder dort fixierbar sein.

Mindestens ein Paar der Sensoren kann ohne festen Verbund im Kabel liegen, wobei es von Zugentlastungselementen gehalten wird. Zugentlastungselemente können im Kabelmantel integriert sein und beispielsweise aus Stahlfasern bestehen.

In einer alternativen Ausgestaltung ist mindestens ein Paar der Sensoren im Kabelverbund verseilt.

Verseilung ist insbesondere für ein langes, in senkrechter Lage, insbesondere als Bohrlochsensor betriebenes Sensorkabel wichtig. Hierbei fungiert der Kabelverbund zugleich als Zugentlastung. Wesentlich bei der Einbettung oder Verseilung der Sensoren im Kabel ist, daß die physikalischen Meßparameter, wie Druck, Deh­ nung oder Temperatur, schnell und direkt auf die Sensoren über­ tragbar sind. Damit läßt sich insbesondere ein teufenabhängiges Temperaturprofil eines Bohrlochs genau ausmessen.

Auf der gesamten Länge des Sensorkabels können die Sensoren selbst bzw. die Schutzmäntel der Sensoren zueinander mit Ver­ seilmittel festgelegt sein. Als Verseilmittel kommen Schellen, Schrumpfschläuche oder Kunststoffummantelungen in Frage.

In der einfachsten Form kann eine Verseilung als Flachbandlei­ tung ausgeführt sein. Für den Verbund von einer Vielzahl von Sensoren bietet sich die Form des Rundkabels an.

Für Einsatzfälle bei hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen müssen nicht nur die Kabelmäntel und andere Kabelteile sondern besonders auch die Verseilmittel hochdruck- und/oder hochtempe­ raturstabil gewählt werden.

Für lange Abschlußdosen wird die Empfindlichkeit der Sensoren erhöht, wenn die Sensoren in der Abschlußdose, besonders also im Schlaufenträger, in engem mechanischen und/oder thermischen Kon­ takt mit der Wandung der Abschlußdose gehaltert werden. Der Schlaufenträger wird vorzugsweise aus wärmeleitendem Material hergestellt. Druck- oder Temperaturänderungen sind somit schnell auf den Sensor übertragbar. Längengenaue Messungen werden dadurch auch auf der Länge der Abschlußdose möglich.

Neben mindestens einem Paar der Sensoren können im Sensorkabel weitere Energieadern und/oder Nachrichtenleitungen verseilt sein. Diese Adern oder Leitungen führen zu elektrischen Einhei­ ten oder Bauelementen, die in der Abschlußdose untergebracht sind. Beispielsweise kann ein elektrischer Meßwiderstand zu Eich- oder Vergleichszwecken vorhanden sein, zu dem die elek­ trischen Leitungen führen.

Mindestens ein Sensor kann innerhalb seines Schutzmantels mit einer Zugentlastung versehen sein. In einem tiefen Bohrloch lie­ gen Temperaturen von mehr als 200°C vor. In einem senkrechten Bohrloch hängt der Sensor unter Eigenlast, wenn ein Medium im Schutzmantel fehlt, welches dem Sensor Haftung vermitteln kann. Bei Temperaturen über 200°C würde ein Gel, das die Sensoren zwar bei Raumtemperatur festlegt, leicht-flüssig sein bzw. der Siedepunkt würde möglicherweise überschritten werden. Daher wird eine Zugentlastung im Schutzmantel vorgesehen.

Ein Schutzmantel mit mehreren innenliegenden Sensoren kann im Bereich der Schlaufe zur Herausführung mindestens eines Sensors einen Auslaß haben. Eine Alternative wäre die völlige Durchtren­ nung des Schutzmantel, so daß alle innenliegenden Sensoren frei­ liegen. Ein aus dem Auslaß im Bereich der Schlaufe herausgeführ­ ter Sensor kann zu einem elektrischen oder optischen Bauelement in der Abschlußdose geführt werden. Ein solches Bauelement kann ein optoelektrischer Sensorkristall oder ein Piezoelement sein, von dem optische Größen abgegriffen werden. Eine Alternative besteht darin, den Sensor über eine kleine Muffe aus der Ab­ schlußdose ganz herauszuführen.

Ein metallischer Schutzmantel eines Sensorstrangs kann auf sei­ ner gesamten Länge im Kabel gegen seine Einbettung elektrisch isoliert sein. Insbesondere stehen dabei die Schutzmäntel be­ nachbarter Sensoren oder die Schutzmäntel eines Sensorpaares nicht in elektrischen Kontakt zueinander. Metallische Schutz­ mäntel können als elektrische Leiter im Kabel verwendet werden. Elektrische Zuleitungen sind für die Versorgung bestimmter Baue­ lemente in der Abschlußdose wünschenswert. Kupfer als Leiter hat Vorteile wegen seiner guten Leitfähigkeit. Allerdings wird be­ vorzugt Edelstahl für Schutzmäntel verwendet, weil die Herstel­ lung des Schutzmantels aus Edelstahl im Längsschweißverfahren technologische Vorteile hat. Ein Sensorkabel kann besonders dünn gehalten werden, wenn in ihm zusätzlich zu den Sensoren keine weiteren elektrischen Leiter eingeseilt werden. Bei Verwendung metallischer Schutzmäntel kann man auf gesonderte elektrische Leiter im Kabel verzichten. Bei dieser Kabelausbildung wird der metallische Schutzmantel im Bereich der Schlaufe ganz aufge­ trennt. Die Schlaufenhalterung ist elektrisch isolierend, so daß zwischen den aufgetrennten Schutzmänteln kein Kurzschluß möglich ist. Elektrische Leitungen im Sensorkabel können auch zur Kabel­ überprüfung im Rahmen einer Impulsmessung eingesetzt werden.

Das Kabel kann zum Schutz gegen äußere Einwirkungen mit einem Gewebemantel umgeben sein. Das Innere der Bohrlöcher ist rauh und kantig. Das Kabel muß gegen Abrieb und Beschädigungen bei Bewegungen im Bohrloch geschützt sein. Ein Gewebemantel ist auch als Nagetierschutz dienlich.

Die Erfindung wird in den Figuren näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Schlaufe eines Sensorkabels;

Fig. 2 den Querschnitt eines Flachband-Sensorkabels;

Fig. 3 den Querschnitt eines runden Sensorkabels;

Fig. 4 eine Abschlußdose;

Fig. 5 die Lage einer Verschlußhülse.

Das Kabel 1 enthält mehrere verteilte Lichtleitfaser-Sensoren 2, 3, 4, Energie- oder Nachrichtenleitungen 7, 7′ und Zugentlastungs­ elemente 26. Die Sensoren 6, 6′ liegen in einem Schutzmantel 20. Die Schlaufe 12 eines Sensors, mit dem hinführenden Strang 2 und dem zurückführenden Strang 3, liegt mit einem Radius R in einer geschraubten Ebene. In einer anderen Ausführungsform könnte die Schlaufe 12 auch in einer planen Ebene parallel zur Kabelachse liegen. Die Schutzmäntel haben etwa einen Durchmesser von 1 bis 2 mm. Ein typischer Schlaufenradius R wäre 20 mm. Bei besonders stabiler Ausführung der Schutzmäntel der Sensoren kann auf einen Schlaufenträger verzichtet werden, weil ein steif ausgebildeter Schutzmantel die Schlaufe ohne weitere Hilfsmittel und ohne Un­ terschreitung eines kritischen Biegeradius trägt.

In Fig. 2 und Fig. 3 wird jeweils der Querschnitt eines Sensor­ kabels dargestellt. Es werden ein Flachbandkabel 9 und ein Rund­ kabel 10 gezeigt. Im Kabel verseilt liegen im Schutzmantel 20 mehrere Sensoren 6, 6′. In Fig. 2 ist dargestellt, daß neben den Sensoren 6, 6′ im Schutzmantel 20 auch Zugentlastungslemente 25 innerhalb des Schutzmantels mitgeführt sind. Die Schutzmäntel sind im Kabel jeweils in einer Kunststoffummantelung 8 fest ein­ gebettet. In einem Rundkabel können die Sensoren in üblicher Weise mit Schlag verseilt sein, womit sich eine besondere Flexi­ bilität des Kabels ergibt. Die Schlaufe 12 wird vor der Versei­ lung gebildet. Beiden Stränge eines Sensorpaares werden während der Kabelverseilung in das Kabel eingelegt, wobei die Verseilung an dem Ende des Kabels beginnt, an dem sich die Schlaufe befin­ det. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Spleiß oder die Spleiße nach der Herstellung des Sensorkabels zu bilden. Wie er­ wähnt, haben Sensorkabel ohne Spleiß größere Reichweiten der optischen Signale.

Das Rundkabel 10 ist mit einem Gewebeschlauch 28 aus Stahldraht­ gewebe umgeben. Der Gewebeschlauch wird mit einer äußeren Kunst­ stoffhülle 29 umgeben. Alle Teile des Kabels können hochdruck- und hochtemperaturstabil ausgeführt sein.

Fig. 4 zeigt eine Abschlußdose 14, die im wesentlichen rotati­ onssymmetrisch gestaltet ist. Aus dem Kabelende treten Sensoren 2, 3 und eine Energieleitung 7 aus. Der Fuß der Abschlußdose 14 ist als Backenfutterdichtung 36 ausgebildet und auf die äußere Kabelhülle geklemmt. Eine Gewindehülse (Überwurfgewinde 31) erzeugt durch Aufschrauben auf das Gewinde 35 die Klemmkraft.

Der Doppelstrang 2, 3 eines im Kabel 1 geführten Sensorpaares bildet in der Abschlußdose 14 eine Schlaufe 12. Die Schlaufe 12 ist in der Abschlußdose 14 mit dem Radius R in einem Schlaufen­ träger 21 gehaltert. In einer Öffnung 22 des Schutzmantels sind zwei Sensoren sichtbar. Die Öffnung 22 kann auch als Auslaß für Sensoren zur Ankopplung an optische oder elektronische Bauele­ mente benutzt werden. Die Abschlußdose kann mehrere Kammern 15, 15′ umfassen. Die Kammern können durch Trennwände getrennt sein. Den Kammer können unterschiedliche Funktionen zugewiesen sein, wie Spleißkammer zur Unterbringung der Überlängen der Lichtwel­ lenleiter und Spleiße, Kammer für eine Batterie oder eine Kammer für elektrische Meßeinrichtungen.

Die einzelnen Kammern sind so ausgebildet, daß sie als zylindri­ sche Teile mit oberem und unterem Schraubgewinde 17 auf schraub­ bar sind. In dieser Form lassen sich beliebig viele Kammern hin­ tereinander zusammenfügen.

Das Kabelende ist in der Abschlußdose 14 abgesetzt. Mit dem Be­ zugszeichen 32 ist schematisch angedeutet, daß die Zugentla­ stungselemente auf den Kabelmantel zurückgelegt werden, wo sie mit dem Fuß der Abschlußdose verklebt sein können.

In Fig. 5a ist eine Verschlußhülse 11 in einer Lage senkrecht zur Kabelachse und in Fig. 5b in einer Lage parallel zur Kabel­ achse jeweils im Schnitt dargestellt. Vorzugsweise liegt die Verschlußhülse 11 außerhalb der Krümmung R der Schlaufe 12, so daß die Hülse gerade ausgebildet sein kann. Die Verwendung einer gekrümmten Hülse, die der Krümmung der Schlaufe folgt, bietet sich an, wenn die Platzverhältnisse es erfordern. In Fig. 5a be­ steht die Schlaufe aus zwei Teilschlaufen mit jeweils eigenem Krümmungsradius jeweils vor und hinter der Hülse 11. Die Hülse 11 ist auf die Enden 23 der Schutzmäntel 20 der beiden Sensor­ stränge 2, 3 geschweißt oder gelötet. Die Sensoren 6, 6′ sind im Bereich der Hülse 11 an den Stellen S gespleißt. Wie schon er­ wähnt, kann die Schlaufe 12 je nach Stabilität des Sensor- Schutzmantels 20 mit oder ohne Schlaufenträger ausgebildet sein.

Claims (18)

1. Kabel mit mindestens einem Paar von auf der gesamten Länge im Kabel liegenden Lichtleitfaser-Sensoren (Sensorkabel), da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar von Sensoren (6, 6′) am Ende des Kabels (1) eine geschlossene Schlaufe (12) bil­ det.

2. Sensorkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere Paare der Sensoren (6, 6′), welche am Ende des Kabels (1) eine geschlossene Schlaufe (12) bilden, in einem gemeinsamen Schutzmantel (20) liegen.

3. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (6, 6′), die jeweils ein Paar bilden und am Ende des Kabels (1) eine geschlossene Schlaufe (12) durch­ laufen, jeweils in einem Schutzmantel (20) liegen.

4. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar der Sensoren (6, 6′) ein spleißloser Sensor ist.

5. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Schlaufe (12) ein Sensor (6) gespleißt ist und daß die Enden (23) der Schutzmäntel (20) im Bereich der Schlaufe (12) durch eine Verschlußhülse (11) über­ brückt sind.

6. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaufe (12) in einer Kabelabschlußdose (14) mit einem Radius (R) gehaltert ist, der größer ist als der kritische Biegeradius eines Sensors (6, 6′) oder des Schutzmantels (20).

7. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schlaufen (12) in der Kabelabschluß­ dose (14) in unterschiedlichen Ebenen gehaltert werden.

8. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Paar der Sensoren (6, 6′) ohne festen Verbund im Kabel (1) liegt und von Zugentlastungselementen (26) gehalten wird.

9. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Paar der Sensoren (6, 6′) im Kabel­ verbund verseilt ist.

10. Sensorkabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verseilung als Flachbandleitung (9) ausgeführt ist.

11. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß alle Kabelteile (2, 3, 6, 8, 26) und Verseilmittel (20, 28, 29) hochdruck- und/oder hochtemperaturstabil sind.

12. Sensorkabel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß neben mindestens einem Paar der Sensoren (6, 6′) weitere Energieadern (7) und/oder Nachrichtenleitungen (7′) ver­ seilt sind.

13. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensor (6, 6′) innerhalb seines Schutzmantels (20) mit einer Zugentlastung (25) versehen ist.

14. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzmantel (20) mit mehreren innenlie­ genden Sensoren (6, 6′) in der Gegend der Schlaufe (12) zur Her­ ausführung mindestens eines Sensors (6, 6′) einen Auslaß (22) hat.

15. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (6, 6′) ein Temperatursensor und/ oder ein mechanischer Sensor ist.

16. Sensorkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallischer Mantel (20) eines Sensor­ stranges (2, 3) auf seiner gesamten Länge gegen seine Einbettung (8) und/oder gegen weitere mit metallischem Mantel versehene Sen­ sorstränge (2, 3) elektrisch isoliert ist.

17. Sensorkabel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei metallische Mäntel (20) der Sensorstränge (2, 3) als elektrische Leiter verwendet werden.

18. Sensorkabel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel (1) als Schutz gegen äußere Einwirkungen mit einem Gewebe­ mantel (28) umgeben ist.