JP2018159927A - 分布センシングアプリケーションのための平坦なプロファイルの光ファイバケーブル - Google Patents
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Abstract
【課題】設置、取扱い及び／又は極限環境条件に関する応力を伝達せず、曲げ後の機械的記憶を保持しない、分布センシングアプリケーションのための平坦なプロファイルの光ファイバケーブルを提供する。
【解決手段】光ファイバ１２はケーブル１０の中心に位置し、コア領域１４、コア領域を囲む少なくとも１つのクラッド層１６、少なくとも１つのクラッド層を覆う保護コーティング１８、及び保護コーティングを囲むように配置されたエラストマー熱可塑性材料のタイトバッファ２０を含む。ケーブル構造体の残りの部分は、光ファイバの両側に長手方向に配置された一対の強度部材２２（強度部材はガラス系非記憶型材料で構成される）並びに光ファイバ及び一対の強度部材を内包するように形成された硬いプラスチックジャケット３０を含み、プラスチックジャケットは、好ましくは基本的に矩形のプロファイルを示す。
【選択図】図３
【解決手段】光ファイバ１２はケーブル１０の中心に位置し、コア領域１４、コア領域を囲む少なくとも１つのクラッド層１６、少なくとも１つのクラッド層を覆う保護コーティング１８、及び保護コーティングを囲むように配置されたエラストマー熱可塑性材料のタイトバッファ２０を含む。ケーブル構造体の残りの部分は、光ファイバの両側に長手方向に配置された一対の強度部材２２（強度部材はガラス系非記憶型材料で構成される）並びに光ファイバ及び一対の強度部材を内包するように形成された硬いプラスチックジャケット３０を含み、プラスチックジャケットは、好ましくは基本的に矩形のプロファイルを示す。
【選択図】図３
Description
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年３月２３日に出願されて参照によりここに取り込まれる米国仮特許出願第６２／４７５５３２号の利益を主張する。
本発明は、分布センシングアプリケーションのための光ファイバケーブルに関し、より詳細には、ケーブル構造体内のセンシングファイバのためのタイトバッファとガラス系強度部材（ロッド）との組合せを利用する光ファイバケーブルに関する。
本出願は、２０１７年３月２３日に出願されて参照によりここに取り込まれる米国仮特許出願第６２／４７５５３２号の利益を主張する。
本発明は、分布センシングアプリケーションのための光ファイバケーブルに関し、より詳細には、ケーブル構造体内のセンシングファイバのためのタイトバッファとガラス系強度部材（ロッド）との組合せを利用する光ファイバケーブルに関する。
近年の技術開発に伴い、光ファイバは、現在では音声及びデータ搬送の域を超えて、多様かつ多数のアプリケーションにおける様々な環境条件及び従来の測定システムが現実的ではなかったような過酷な条件を測定するためのセンサとして機能することができる。
これまで、環境データを収集するのに個別の方法が使用されてきた。これらの個別の方法は、温度計、抵抗歪ゲージ、圧電センサ、音響センサなどの単一点センサを用いて（戦略的に、ただし個別的に、構造物上又は構造物内に配置されることにより、広い領域又は部分が覆われないようにして）構造物に関連する環境状況を監視する。これらの構造物は、例えば、構造的完全性を監視する必要がある橋及び建造物を含み得る。他の構造物は、下げ孔の温度及び圧力の読取り値が使用されて井が適切に動作していることを保証するような油井及びガス井を含む。問題が発生する構造物の領域内にこれらの個別の単一点センサが位置していない場合、緊急条件の正確かつ適時な検出を保証することができない。
構造物に沿って（又は井の監視目的のための孔内に）配置された「分布」光ファイバ系センサが開発されており、その環境の変化によってもたらされる、ファイバに沿って伝搬する光の特性の変化が分析されて、温度、圧力、歪などの変化を示すことによって様々な異なる問題を検出する。いずれの場合においても、分布歪センシング（ＤＳＳ）ファイバ系ケーブルは、センシング光ファイバの変形の寸法変化に起因する負荷応力を効率的かつ正確に伝達しつつも、設置及び取扱い、設置後のあらゆる極限環境条件に耐えるように充分に丈夫でなければならない。ケーブルセンサはセンシング光ファイバに対する設置、取扱い及び／又は極限環境条件に関するいかなる応力も伝達してはならず、さもなければセンサの歪検知特性が損なわれてしまう。
さらに、ケーブル自体が、設置中に容易に起こり得る曲げ後の機械的「記憶」を保持しないことが好ましい。そのような記憶は、不正確な歪及びおそらくは測定値におけるヒステリシスをもたらす。作動して正確、均一かつ連続的な歪測定値を与えるＤＳＳケーブルについては、ケーブルジャケット及びセンシングケーブル強度要素へのセンシング光ファイバの充分な結合がなければならない。
本開示は、分布センシングアプリケーションのための光ファイバケーブルに関し、より詳細には、ケーブル構造体内のセンシングファイバのためのタイトバッファとガラス系強度部材（ロッド）との組合せを利用して環境条件の分布検知を与える光ファイバケーブルに関する。
本発明の例示的実施形態は、１以上の光ファイバを備えるファイバ光センサケーブルに関し、各光ファイバは「センシング」信号として使用されている光ビームを誘導するための少なくとも１つのコア及びクラッド層を備える。センサケーブルは、通常は、光ファイバの作製後の光学ガラスの初期の特性を保持するようにクラッド層の周囲に配置された１以上のコーティング層を含む。ガラス系強度部材がファイバの両側に沿って長手方向に配置された状態で、好ましくはエラストマー熱可塑性材料のタイトバッファ層が、コーティングされた光ファイバの周囲に形成される。高い強度のプラスチックの外側ジャケットは、ファイバ及び強度部材を覆うセンサケーブル構成を完成させる。
タイトバッファは、強度部材と構造体の中心の光センシングファイバとの間の歪の効率的な結合を与える分布歪センシング（ＤＳＳ）光ファイバケーブルの実施形態に対して有利である。分布温度センシング（ＤＴＳ）及び分布音響センシング（ＤＡＳ）の実施形態では、タイトバッファは、ケーブルの非常に小さい及び／又はタイトな曲げ中におけるマクロベンディング（例えば、極限の力）からの光ファイバの保護を与える。
強度部材は、特に「非記憶型」として知られるガラス系材料で形成され、すなわち、屈曲又は圧縮された後に元の形状に戻ることができる。多くの従来技術のケーブル構造体は、分布センシング光ファイバケーブルに沿って、非記憶型でなく不正確な測定値をもたらすものとされていた金属強度部材を利用していた。
本発明の例示的一実施形態は、検知を行う中心配置ファイバを含む分布センシング光ファイバケーブルの形態をとる。中心ファイバ自体は、コア領域、コア領域を囲む少なくとも１つのクラッド層、少なくとも１つのクラッド層を覆う保護コーティング、及び保護コーティングを囲むように配置されたエラストマー熱可塑性材料のタイトバッファを含む。ケーブル構造体の残りの部分は、光ファイバの両側に長手方向に配置された一対の強度部材（非記憶型材料で形成される強度部材）並びに光ファイバ及び一対の強度部材を内包するように形成されたプラスチックジャケットを含み、プラスチックジャケットは基本的に矩形プロファイルを呈する。
本発明の他の及び更なる実施形態が、以下の説明の過程において添付図面を参照して明らかとなる。
ここで図面を参照する。
工学構造物への損傷の正確な検出、損傷のタイプの適正な特徴付けの処理は、評価される構造物内の連続的で分布した歪の測定値を与えるセンサを必要とする。分析される典型的な工学構造物は、例えば、ただしこれに限定されることなく、地震又は衝撃波荷重のような極限の事象を経験し得る橋及び建造物並びに他のインフラ（例えば、ダム、井など）を含む。当然に、この目的のために使用されるセンサがこれらの極限の事象中にそれらの完全性を保持することが重要である。
監視する構造物における数センチの寸法内の不整又は亀裂を検出するために、このタイプのファイバ系分布センサは、高解像度のインテロゲータ（例えば、位相感知ブリルアン光学時間領域反射計ＢＯＴＤＲなど）との組合せにおいてシングルモードファイバ（又は偏波保持（ＰＭ）光ファイバ）を用いることができる。他の特定タイプのＯＴＤＲシステムは、ただしこれに限定されることなく、ＯＴＤＲ−Ｒ（ＯＴＤＲ−ラマン）、ＯＢＲ（（光後方散乱反射計）、ＯＢＲはレイリー系反射計を用いる）、ブラッググレーティング、干渉計度量衡学及び偏波度量衡学を用いる反射計を含む。
図１は、分布センシング光ファイバケーブルが使用され得る構造物の概略図である。ここでは、構造物は、横スパン１及び多数の柱状サポート２を含む橋として定義される。本発明の例示的実施形態によって形成された分布センシングケーブル１０が、スパン１の長さにわたって配置されるものとして示される。分布センシングケーブル１０が製造中にスパン１の材料内にも形成され得ることが理解されるべきである。図示するように、分布センシングケーブル１０の一部は、柱状サポート２に沿って配置される。
スパン１及び／又は柱２が経験する歪の「本来の位置」（すなわち「正しい場所」）の測定は、上述したように位相感知ＢＯＴＤＲを用いて実行される。ケーブルに沿う構造的歪の変化は、ケーブルのコアファイバ領域に伝達されることになり、ファイバのブリルアン周波数における応力誘起によるシフトをもたらす。ブリルアン周波数のこれらの変化によって、周波数シフト歪の関係の所定の「マスターカーブ」との関係で評価される場合の歪の正確な測定が可能となる。
裸孔、パイプライン又は他のタイプの導管／管内の温度及び／又は音響条件の変化を検知することはまた、本発明の例示的実施形態によって形成される分布センシング光ファイバケーブルを用いることによって行われ得る。図２は、分布センシングケーブル１０がパイプライン５に沿って裸孔４の下方に配置される例示的配置を示す。裸孔を囲み、あるいは裸孔に隣接する下げ孔形成物の特性は、音響検知に基づいて時間とともに監視され得る。さらに、（例えば）油生産は、パイプラインに沿う温度（又は温度変化）を検知することによって監視され得る。さらに、沖合のパイプラインは、油の生産及び輸送に関連する環境条件を監視するのに分布センサを利用し得る。
本発明の分布センシング光ファイバケーブルが使用され得る例示的環境についてのこの基本的理解とともに、ケーブル自体をここで詳細に説明する。
図３は、本発明の１以上の実施形態によって形成された分布センシングケーブル１０（以下、単に「センサケーブル１０」という）の第１の例示的実施形態の斜視断面図である。図示するように、センサケーブル１０は、構造物の外部に（図１に示すようなスパン１の表面にわたって、又は図２に示すようなパイプラインに沿ってなど）容易に結合され、又は作製中の有形又はコンクリート製構造物内にも形成されるように、全体形状として比較的矩形である。平坦であることによって、それは設置中における捻れに耐え、その後、その設置軸に沿った状態をより維持し易くなる。
この実施形態では、センサケーブル１０は、クラッド層１６及びコーティング１８によって囲まれたコア領域１４を有する単一の中心配置光ファイバ１２を備えるように形成される。本発明の例示的実施形態によると、「タイト」バッファ層２０が、光ファイバ１２を包囲するように配置される。好適な実施形態では、タイトバッファ層２０は、光ファイバ１２のコーティング１８を囲むように配置されたエラストマー熱可塑性材料を備える。エラストマー熱可塑性材料は、熱可塑性及びエラストマー特性の双方を有する材料からなる共重合体又は重合体（通常はプラスチック及びゴム）の物理的混合物からなり、ゴム及びプラスチック材料の双方の有利な特徴を呈する。特に、エラストマー熱可塑性材料は、伸張を緩和するように伸び、応力が除去されると基本的にその原形と同じ構成に戻るその能力によって特徴付けられ、長い寿命を維持しつつ相当な動作範囲を与える。
歪を（詳細を後述する）周囲の強度部材からセンサケーブル１０の中心における光ファイバ１２に効率的に伝達する必要がある本発明の分布歪センシング光ファイバケーブルの実施形態のために「タイト」バッファ層の使用が重要であることが理解されるべきである。従来技術の分布歪センシングケーブルは、ファイバを囲むのに高価でない「セミタイト」バッファを使用することが多く、強度部材と光ファイバの間の力の伝達における不正確さをもたらすものとされていた。
温度及び音響センシングケーブルの双方について、光ファイバ周囲のタイトなエラストマー熱可塑性バッファを用いることによって、ケーブルの非常に小さく又はタイトな曲げ中に発生し得るマクロベンディング（例えば、極限の力）からの内部の光ファイバ１２の保護が得られる。
タイトバッファ付き光ファイバ１２についての一般的な外径は、他の径も可能であるが、５００から９００μｍの範囲となる。タイトバッファ層２０の形成に使用される好適な材料は、とりわけ、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、鉱物充填難燃性ＰＥ、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリエステルエラストマー、ポリウレタン（ＰＵ）又はポリエチレン系エラストマーのような熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）などの熱可塑性材料からなる。
また、センサケーブル１０の構造体には一対の強度部材２２が示される。強度部材２２は、長手方向に延在するロッドを、１本のロッドが光ファイバ１２の各側に配置された状態で備える。本発明の１以上の実施形態によると、強度部材２２は、有害な記憶をほとんど又は全く呈さずに柔軟性とともに完全に弾力的かつ反復可能な歪を与えることにおいて重要である。後者の品質は、センサケーブルが設置中の曲げ、歪荷重及び応力の影響を受け易い場合に重要である。本発明の教示によると、強度部材２２は、例えば、エポキシ／ガラス混合物又は固体シリカガラスのような非記憶型のガラス系材料からなる。これらのガラス系材料は、柔軟性とともに完全に弾力的かつ反復可能な歪を２％の伸張まで与えることが分かっている。ガラス系強度部材２２は、従来技術の金属強度部材においてしばしば見られたような有害な記憶をほとんど又は全く呈さない。さらに、ガラス系強度部材の使用は、キンクのない設置処理も保証する。もちろん、強度部材２２は、取扱い及び設置中に経験し得るあらゆる押圧力に対する保護を光ファイバ１２に与える役割を果たすこともできる。
本発明のある実施形態では、光ファイバは、強度部材２２として使用され得る。光ファイバを含むことによって、進歩的なセンサケーブルが、例えば、温度及び／又は歪の変化に対する追加的な光センシング信号を送信するなどの他の機能を果たすことが可能となる。さらに、これらのファイバ系強度部材は、センサケーブル内の１以上の光通信ファイバとして利用されてもよく、ケーブルに沿って情報信号及びセンシング信号の双方が伝送される多目的構成を与える。
図３に示すセンサケーブル１０は、プラスチックジャケット３０として規定される外側層をさらに備える。プラスチックジャケット３０は、例えば、ただしこれに限定されることなく、構造体上に塗布された高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）で形成され得るものであり、ケーブル内の要素の全ての間の充分な結合を確実にする。本発明の１以上の実施形態によると、ＨＤＰＥは、その押圧されることに対する強さ及び耐性のために好適である。それはまた、温度的極限に耐性があり、長いＵＶ曝露に耐えることができ、これらの環境的懸念の双方は構造体センサに関連している。ＨＤＰＥの所望の特性（例えば、押圧されることに対する強さ及び耐性）を呈し、プラスチックジャケット３０に使用され得る他のプラスチック材料は、ただしこれに限定されることなく、ナイロン、ＰＶＤＥ、ＥＴＦＥ又はＰＦＡを含み、これはセンサ設置及び適用の追加の環境的及び機械的要件を満たすように使用され得る。
図４は、図３のセンサケーブル１０の断面図である。光ファイバ１２に対する強度部材２２の相対位置が明示される。また、外側ジャケット３０の比較的「平坦な」底面３２が、この図において明らかである。上述したように、平坦なプロファイルの使用は、設置中又は設置後にセンサケーブルが捻じれず、又は回転しないことを確実にするのに役立つ。分布歪センシング（ＤＳＳ）ケーブルのアプリケーションにおいては、捻じれはセンサケーブル内部の光ファイバに伝達され得る無用な歪をケーブルに導入し得るので、取扱い及び設置中の捻じれを最小限に減少させることが重要である。
有利なことに、進歩的なセンサケーブルの外側プラスチックジャケットにおける略矩形状はまた、センサケーブルと検討対象の工学構造物との間の接触面積を増加させることができ、構造物の寸法の変化をより効率的にセンサケースに伝達することができる。さらに、分布温度センシング（ＤＴＳ）アプリケーションにおいては、センサケーブルと構造物（例えば、パイプライン）との間で接触する大きな表面積が、重要な効果となる。
図５は、図４のケーブル構造体１０内のセンシングファイバとして使用される例示的光ファイバ１２の拡大図である。上述したように、光ファイバ１２は、シングルモードファイバ又は偏波保持（ＰＭ）光ファイバを含む任意の適切なタイプのファイバからなればよい。約５ｃｍ未満の高解像度の歪値が必要な場合、ＰＭファイバ内の応力誘起によるブリルアン周波数シフト及び光の位相の変化が測定されて分布歪を評価するのに使用可能となるので、ＰＭ光ファイバが好まれることが多い。
例示的一実施形態では、光ファイバ１２は、直径１２５μｍのクラッド１６及び直径２５０μｍのコーティング層１８とともに、５〜１０μｍのオーダーの直径を有するコア領域１４を備え得る。タイトバッファ２０は、本例では約６００μｍのオーダーの直径を有するものとして示される。
図６は、本発明によって形成される他の光ファイバセンサケーブルを、この場合では、ＤＴＳ及びＤＡＳアプリケーションに特に適したセンサケーブル１０Ａを示す。ここで、タイトバッファ付きの光ファイバ１２が「ルースチューブバッファ」６０内に配置され、それは、上述と同様の態様でプラスチックジャケット３０内に配置されてガラス系応力ロッド２２に囲まれる。この特定の実施形態では、ルースチューブバッファの追加によってケーブルの中心におけるタイトバッファ付きセンシングファイバからケーブルの機械的及び環境的条件の効果を分離し易くなり、正確な音響及び温度測定値を得ることが可能となる。
図６に示す具体的実施形態では、プラスチックジャケット３０の中心領域は、凹部領域３４及び３６を備える。これらの領域は、光ファイバ１２を囲むジャケット材料の量を減少させるように与えられ、ファイバ１２への熱／音の伝達を向上する。この好適な実施形態では、凹部領域３４及び３６は、図６に示すようにｘ方向及びｙ方向においてジャケット材料３０の均一な厚みを与えるようにサイズ取りされる。すなわち、凹部領域３４及び３６は、タイトバッファ２０とケーブル外面（ｙ方向）の間のジャケット３０の厚さＴがタイトバッファ２０と応力ロッド２２（ｘ方向）の間のジャケット３０の厚さＴと同じとなるように形成される。均一な厚さを与えることによって、タイトバッファ付き光ファイバ上のジャケットの形成において使用される熱可塑溶融処理（押出し成形又は射出成形のいずれか）の間のジャケットのプラスチック材料の均一な冷却が可能となる。均一な冷却を与えることによって、プラスチックが冷却するにつれて確実に均一な収縮を受けることになるので、ケーブルの中心におけるタイトバッファ付き光ファイバへの不均一な固有の応力の生成可能性が低減する。製造の後に、この領域の均一なジャケットの厚さの利用によって、温度センシングアプリケーション中の光ファイバへの温度の均一な伝達も得られる。
（応力ロッド２２付近における）センサケーブル１０の外側領域における若干厚いプラスチックジャケットの使用は、タイトバッファ付き光ファイバ１２の圧縮力からの更なる保護（すなわち、押圧からの保護）を与えるものと考えられる。
プラスチックジャケット３０が矩形状であることによって、矩形センサケーブルの種々の軸が視認可能となるので、確実にケーブルの向きが監視可能ともなる。これは、明らかに、光軸を視認することができない従来の円形ケーブルとは対照的である。ただし、特定のアプリケーションに対して矩形状が好ましいものとなり得るが、同様の技術的効果を得ることができる他の断面形状が可能であることが理解されるべきである。
非記憶型強度部材及びＨＤＰＥプラスチックジャケットを用いることの利点によって、本発明のセンサケーブルは、必要な検知動作を反復的かつ高い信頼性で実行するファイバの実力に影響を与えることなく、内包されたセンシングファイバ自体の充分な保護を与える。プラスチックジャケットが他の干渉要因を減少させつつ、タイトバッファの使用によってファイバの周囲からコア領域への応力の非常に効率的な伝達が得られる。
現在最も現実的な種々の実施形態と考えられているものとの関連で発明を説明したが、発明は開示の実施形態に限定されることなく、逆に添付の特許請求の範囲内に含まれる種々の変形例及び均等の構成を範囲とすることが意図されることが理解されるべきである。特定の用語がここで採用されるが、それらは一般的及び記述的な意味のみで使用され、限定の目的では使用されない。
この記載された説明は、ベストモードを含む実施例を用いて発明を開示し、当業者が発明を実施することも可能とし、任意のデバイス又はシステムを作製及び使用すること並びに含まれる任意の方法を実行することを含む。発明の特許権の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。そのような他の実施例は、それらが請求項の文言と異ならない構成要素を有する場合又は請求項の文言と実質的に異ならない均等の構成要素を含む場合には、特許請求の範囲内のものとなることが意図されている。
Claims (10)
- 分布センシング光ファイバケーブルであって、
コア領域、
前記コア領域を囲む少なくとも１つのクラッド層、
前記少なくとも１つのクラッド層を覆う保護コーティング、及び
前記保護コーティングを囲むように配置されたエラストマー熱可塑性材料のタイトバッファ
を含む光ファイバ、
前記光ファイバの両側に長手方向に配置され、非記憶型材料で形成された一対の強度部材、並びに
前記光ファイバ及び前記一対の強度部材を内包するように形成され、少なくとも１つの比較的平坦な表面を含むプロファイルを有するプラスチックジャケット
を備えた分布センシング光ファイバケーブル。 - 前記一対の強度部材がロッド幾何形状を示す、請求項１に記載の分布センシングケーブル。
- 前記一対の強度部材がガラス系材料で形成される、請求項１に記載の分布センシングケーブル。
- 前記一対の強度部材が少なくとも１つの光ファイバを備える、請求項３に記載の分布センシングケーブル。
- 前記少なくとも１つの光ファイバが温度センシング光ファイバを備える、請求項４に記載の分布センシングケーブル。
- 前記少なくとも１つの光ファイバが歪センシング光ファイバを備える、請求項４に記載の分布センシングケーブル。
- 前記少なくとも１つの光ファイバが、前記分布センシングケーブルに沿って光データを伝送するための光通信ファイバを備える、請求項４に記載の分布センシングケーブル。
- 前記ケーブルが分布音響センシングケーブルを備え、前記光ファイバがシングルモード光ファイバである、請求項１に記載の分布センシングケーブル。
- 前記ケーブルが分布温度センシングケーブルを備え、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである、請求項１に記載の分布センシングケーブル。
- 前記ケーブルが分布歪センシングケーブルを備え、前記光ファイバが偏波保持光ファイバである、請求項１に記載の分布センシングケーブル。
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60 Effective date: 20200703 |
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| C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22 Effective date: 20201215 |
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| C23 | Notice of termination of proceedings |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C23 Effective date: 20210401 |
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| C03 | Trial/appeal decision taken |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C03 Effective date: 20210506 |
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| C30A | Notification sent |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C3012 Effective date: 20210506 |