SE467598B - Optisk fiberkabel foer detektering av en temperaturfoeraendring - Google Patents

Description

467 598 2 10 15 20 25 30 att finna en formminnesmetall som orsakar en böjning av önskad storlek vid en önskad temperatur. Anordningen är också relativt komplicerad att tillverka.

Ytterligare ett exempel på en optisk fiberkabel för temperatur- detektering visas i den japanska patentansökningen nr 62-6128. En optisk fiber är fastsatt pá en rak stång av formminnesmetall med hjälp av trâdöglor som är knutna om stången och den optiska fibern. Vid en vald detekteringstemperatur veckar sig stången sicksackformat och böjer den optiska fibern.

RnnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Enligt uppfinningen omfattar fiberkabeln en optisk fiber vilken är fastsatt pá en temperaturberoende svällkropp. Svällkroppen är ett smalt rör som innehåller ett material, vilket har en kraftig volymsutvidgning inom ett relativt litet temperaturintervall.

Fibern är fastsatt vid svällkroppen genom exempelvis en tråd som är spiralformat lindad runt svällkroppen och den optiska fibern.

Vid en temperaturförändring utvidgas svällkroppen och tråden strâckes runt fibern. Fibern böjes härvid vid varje trådvarv så att en förhöjd ljusdämpning uppstår i den optiska fibern.

Uppfinningen har de kännetecken som framgår av bifogade patent- krav.

FIGURFöRwncxN1NG Ett utföringsexempel av den uppfinningsenliga fiberkabeln skall närmare beskrivas nedan i anslutning till figurer av vilka figur 1 schematiskt visar en byggnad med fiberkabeln och ett övervakningssystem, figur 2 visar en tvärsektion av fiberkabeln, figur 3 visar en vy av fiberkabeln i kallt tillstånd, figur 4 visar en vy av fiberkabeln i uppvärmt tillstånd, figur 5 visar dämpningen utmed fiberkabeln av en ljuspuls, figur 6 är ett diagram som visar hur fiberkabelns dämpning beror av tràdlindningens stigning, 10 15 20 25 '30 35 3 i 467 598 figur 7 visar schematiskt en tvärsektion av ett sprutmunstycke för att tillverka ett vaxfyllt plaströr, figur 8 visar en tvärsektion av en fiberkabel med ett tjock väg- gigt plaströr, figur 9 visar en tvärsektion av fiberkabeln med en klämma för att sammanhàlla plaströret och den optiska fibern, figur 10a visar en vy av fiberkabeln med ett spirallindat sammanhållande band figur 10b visar en tvärsektion av bandet, figur lla visar en tvärsektion av fiberkabeln med ett längsgående sammanhållande band, figur llb visar i planvy ett utförande av bandet i figur lla, figur llc visar i perspektivvy ett alternativt utförande av bandet i figur lla, figur 12 visar i tvärsektion ett sprutmunstycke och ett sammanhållande hölje för fiberkabeln. figur 13 visar en längdsektion av en alternativ utföringsform av uppfinningen och figur 14 visar en tvärsektion av anordningen i figur 13.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur 1 visas schematiskt en byggnad 1, exempelvis ett växthus, som skall temperaturövervakas. Växthuset är indelat i flera rum 2, 3, 4 och det är av intresse att kunna övervaka varje rum för sig. Det kan även vara av intresse att kunna detektera om ett mindre område 5 av ett rum har förhöjd temperatur så att växterna 'riskerar att skadas i denna del av rummet. Även annan typ av övervakning av rummen kan vara av intresse, exempelvis brandöver- vakning. Övervakningen sker med hjälp av temperaturkänsliga optiska fiberkablar 6 och 7, vilka är anslutna till ett OTDR- system 8, 9 med en styrenhet 10. OTDR uttydes Optical Time Domain Reflectometry och fungerar i korthet så att kortvariga ljuspulser sändes genom fibern från dess ena ände. Om fibern utsättes för en yttre påverkan inom ett område ökar dämpningen i fibrerna p g a dess böjning. Genom den ovannämnda Rayleigh-spridningen reflek- teras ljuspulserna tillbaka till fiberns ände och de reflekterade ljuspulserna dämpas i det påverkade omrâdet. De reflekterade 10 15 20 25 30 35 467 598 4 pulserna detekteras och genom att mäta gångtiden för pulserna kan läget för påverkan bestämmas. En mera utförlig beskrivning av OTDR återfinnes i exempelvis de amerikanska patenten nr 4,463,254 och nr 4,713,538.

Ett utföringsexempel av de uppfinningsenliga optiska fiberkablar- na 6 och 7 skall beskrivas närmare nedan. I figur 2 visas en tvârsektion av fiberkabeln. Denna omfattar dels ett plaströr 11 innehållande ett detektormaterial 12 som enligt exemplet är vax, dels en optisk fiber 13 och en tråd 14 som är lindad runt fibern 13 och plaströret 11. Den optiska fibern är en konventionell multimodfiber vars kärna 15 har en diameter 50 p m, vars mantel 16 har en diamter 125 u m och vars primärbeläggning 17 har en ytterdiameter 250 u m. Plaströret har i runt tillstånd en diameter 1,0 mm och dess väggtjocklek t är omkring 0,07 mm. Av skäl som skall förklaras nedan har endast så mycket vax 12 fyllts i plaströret 11 att detta erhållit en oval form när vaxet är i fast fas. Tråden 14 år lindad i spiralform runt plaströret 11 och fibern 13 såsom visas i figur 3. Trådlindningen har en stigning S, som i utföringsexemplet valts till S = 2 mm. Vaxmaterialet har i sin fasta fas en relativt liten volymutvidgningskoefficient.

När vaxet smälter ökar dess volym kraftigt. I utföringsexemplet har valts ett vaxmaterial som smälter vid en temperatur T1 =60°C och därvid ökar sin volym med 16 %. Över smältpunkten har volym- utvidgningskoefficienten åter ett relativt litet värde. Plaströ- ret är elastiskt och utvidgas av det svällande vaxet. I uppvärmt tillstånd över vaxets smältpunkt böjer det utvidgade plaströret 11 den optiska fibern 13 såsom 'visas i figur 4. Tråden 14 fasthàller fibern 13 och det utvidgade plaströret 11 pressar ut fibern.mellan trådvarven. Vid anliggningspunkter 15 mellan tråden 14 och fibern 13 böjes denna så att dess ljusdämpning ökar, såsom närmare skall beskrivas i anslutning till figurerna 5 och 6.

I figur 5 visas ett diagram över ljusets intensitet I utmed fiberkabelns 6 längd L för en ljuspuls P som utsändes från OTDR- enheten 8 enligt figur 1. Intensiteten anges såsom en dämpning i dB/m och längden L anges i meter. En kurva A visar dämpningen för fiberkabeln 6 i opåverkat tillstånd, då temperaturen i utrymmena 10 15 20 25 30 .äs 5 467 598 2, 3 och 4 är lägre än Tl. En kurva B anger ljuspulsens P dämpning då temperaturen i området 5 överstiger temperaturen Tl.

I området 5, svarande mot intervall Bl och B2 hos fiberkabeln, sväller vaxet 12 och plaströret 11 och orsakar böjning av den optiska fibern, med en ökad dämpning av ljuspulsen P som följd.

Det är väsentligt att den ökade dämpningen har ett värde av sådan storlek att den Rayleigh-reflekterande pulsen med säkerhet kan dektereras och urskiljas bland störningar som uppstår exempelvis p g a den optiska fiberns normala dämpningsvariationer. Det är också väsentligt att dämpningen per meter fiber inte är för kraftig, eftersom man önskar kunna detektera flera intervall med förhöjd temperatur längs fibern, såsom exempelvis intervallen Bl och B2. Vid mycket kraftig dämpning per längdenhet såsom visas med en kurva E, dämpas ljusvågen P så kraftigt att endast det första intervallet Bl kan detekteras.

Den böjning som den optiska fibern 13 utsättes för benämnes vanligen makroböjning, till skillnad från mikroböjning. Gränsen mellan makroböjning och mikroböjning bestämmes vanligen så att om avståndet mellan fiberns böjningar är mindre än en fiberdiameter föreligger mikroböjning och vid avstånd därutöver föreligger makroböjning. I utföringsexemplet ovan med S = 2 mm och fiber- diameter 250 ll m föreligger sålunda enligt denna definition makroböjning.

Den önskade dämpningen i fibern 13 påverkas genom ett flertal parametrar såsom 'vaxets 12 volymutvidgning vid smältningen, stigningen S hos den spirallindade tråden 14, mängden vax i plaströret ll och dess därmed sammanhängande ovala form samt initialspänningen i tråden 14 hos den opåverkade fiberkabeln. Ett vax med stor volymutvidgning vid smältningen orsakar som väntat stor ljusdämpning hos den optiska fibern 13. Stigningens S påverkan på dämpningen framgår åtminstone schematiskt av figur 6.

I denna figur visas ett diagram i vilket D betecknar ljusdämpning per meter hos fiberkabeln 6 och S är såsom ovan stigningen hos trádlíndningen. I det valda utföringsexemplet har fiberkabeln 6 maximal ljusdämpning med S = 2 mm. Vid liten grad av vaxfyllning 467 598 6 10 15 20 25 30 35 i plaströret får rörets tvärsektion en mycket avlång oval form.

Påverkan på den optiska fibern 13 blir relativt liten då vaxet smälter. Vid ökad fyllnadsgrad närmar sig rörets tvärsektion allt mera en cirkel och. påverkan på fibern 13 ökar. Tràdens 14 spänning måste väljas då stor att fibern 13 verkligen böjes då vaxet 12 smälter och utvidgas. Det är emellertid av vikt att tràdspänningen inte är alltför stor vid den opåverkade fiber- kabeln. En stor sådan förorsakar en stor initialdämpning i fibern 13 och försvårar detektering av den ytterligare dämpning som, uppstår' vid förhöjd temperatur hos fiberkabeln 6. trådspänning Ett önskat värde på ljusdämpningen hos den påverkade fiberkabeln 6 uppsökes enklast genom mätning. Ett erhållet dämpningsvärde, som avviker från det önskade värdet, förändras genom att en eller flera av fiberkabelns parametrar förändras i enlighet med beskrivningen ovan. Den optiska fibern 13 dämpar i opåverkat tillstånd ljusets intensitet I med 3 dB/km såsom kan utläsas ur figur 5. Vid uppvärmning av fiberkabeln 6 över vaxets 12 smältpunkt har den optiska fibern i utföringsexemplet ett önskat värde på ljusdämpningen av storleken 0,04 dB/m. För många tillämpningar är det önskvärt med en dämpning i intervallet 0,01-0,1 dB/m för den av temperatur påverkade fiberkabeln 6.

Som nämnts ovan i anslutning till figur 2 finns det skäl att fylla plaströret 11 med endast så mycket av vaxet 12, att röret i kallt tillstånd har oval tvärsektion. Dessa skäl hör delvis ihop med det förfarande som utnyttjas för att tillverka röret. I figur 7 visas schematiskt ett sprutmunstycke för denna tillverk- ning med ett inre cylindriskt munstycke 20 och en yttre ringfor- mad spalt 21. Genom denna spalt pressas plastmaterial för röret ll, vilket fylles med Vaxmaterialet 12 genom munstycket 20 samtidigt med att röret ll drages. Vaxmaterialet är härvid i smält form och när vaxet krymper vid sin avsvalning drages röret ihop till den ovala formen enligt figur 2. Genom att styra vaxmängden kan röret 11 ges en oval tvärsektion även när vaxet är i smält form. 10 15 20 25 30 .35 7 467 598 För att röret 11 skall anta oval form när vaxet 12 stelnar fordras att det är tillräckligt tunnväggigt, med exempelvis diametern 1,0 mm och väggtjockleken t = 0,07 mm enligt ovanståen- de utföringsexempel. Om väggtjockleken för detta rör överskrider värdet t = 0,1 mm bibehåller röret sin cirkulära tvärsektion såsom visas i figur 8 för ett rör 23. När vaxet 12 stelnar i detta rör, då röret dragits enligt figur 7, uppstår ett s k sughål 24. När 'vaxet i fiberkabeln smälter' på nytt och en temperaturhöjning skall indikeras utfylles sughålet 24 och först därefter börjar röret 23 att svälla och böja den optiska fibern 13. En svällkropp enligt figur 8 orsakar därför en relativ liten påverkan på den optiska fibern 13.

I figur 9 visas ett alternativ till den spirallindade tråden 14 för att hålla samman fiberkabeln. En klämma 25 av exempelvis plast har en skänkel som fattar om plaströret 11 och en skänkel som fattar om den optiska fibern 13 och håller denna i anliggning mot röret ll. Klämmorna 25 är placerade utmed fiberkabeln på önskade avstånd från varandra för att ge en lämplig ljusdämpning i fibern när vaxet 12 i röret 11 smälter. Ljusdämpningen kan påverkas genom att göra klämman fjädrande.

Ytterligare alternativ till den spirallindade träden 14 visas i figurerna 10a,b, 1la,b,c och 12. I figur 10b visas en tvärsektion av ett band 26 med en längsgående rygg 27. Bandet 26 är spiral- lindat kring det vaxfyllda röret 11 och den optiska fibern 13 såsom visas i figur 10a. Ryggen 27 är vänd inåt och anligger mot röret 11 och fibern 13 och förorsakar böjning av fibern när vaxet 12 smälter och utvidgar röret 11. Bandet 26 är utformat som en tejp med ett häftande ämne 28 på sin insida för att fasthàlla bandet på fiberkabeln.

I figur 11a visas en tvärsektion av fiberkabeln med röret 11 och den optiska fibern 13. Röret och fibern omges av ett sam- manhållande, längsgående band 29, vars kantpartier 31 överlappar varandra på rörets undersida utmed rörets längdriktning. Bandet är försett med ett häftande ämne på sin ena sida och tejpas fast utmed röret 11 och fibern 13. I figur 11b visas bandet 29 i 467 598 8 10 15 20 25 30 :35 planvy uppifrán. Bandet har urtag 30 och.mellanliggande remsor 31 pá avståndet S från varandra. Dessa remsor ligger an mot den optiska fibern såsom visas i figur 11a och böjer fibern när röret ll utvidgas. I figuren llb är också en mindre del av röret 11 och fibern 13 visade, för att illustrera hur bandet 29 placeras innan det svepes om fibern 13 och röret 11. I figur llc visas i perspektivvy röret 11 och fibern 13 med ett veckat band 33 som är ett alternativ till bandet 29. Det veckade bandet 33 sträcker sig utmed fiberkabeln och svepes runt fibern 13 och röret 11 på motsvarande sätt som bandet 29. Veck 34 hos bandet 33 utgör tvärgäende förstyvningar, vilka ligger an mot den optiska fibern 13 och böjer denna när röret 11 utvidgas vid uppvärmning.

I figur 12 visas schematiskt ett sprutmunstycke med en ringformad spalt 35, en ringformad kammare 36 och en central öppning 37.

Till den ringformiga kammaren 36 tillföres ett plastmaterial 38 med ett önskat tryck R. Plastmaterialet 38 sprutas ut genom spalten 35 till ett rörformat hölje 39 som omger röret 11 och det optiska fibern 13, vilka drages genom öppningen 37. Genom att exempelvis variera trycket R kan väggtjockleken hos höljet 39 varieras så att det uppstår ringformade valkar 40 på avståndet S från varandra. Dessa valkar utgör förstyvningar i höljet 39 vilka förmår böja den optiska fibern 13 dä röret 11 utvidgas vid en temperaturhöjning.

Enligt utföringsexemplet ovan är röret 11 fyllt med vax. Ett alternativ till detta material är stearin och ett ytterligare alternativ är vatten vilket utvidgar sig med cirka 10 % då det fryser. De nämnda detektormaterialen har en väldefinierad smältpunkt, men det är också möjligt att välja material eller materialblandningar som smälter inom ett visst temperaturinter- vall. Trådspiralens stigning S kan har skilda värden inom olika avsnitt av fiberkabeln 6 för att erhålla skilda ljusdämpande egenskaper i dessa avsnitt.

Enligt ett alternativ àstadkommes böjningen av den optiska fibern 13 genom en anordning som visas i figur 13. Fibern 13 och det vaxfyllda röret 11 omges av ett rörformat hölje 41, motsvarande 10 15 20 25 30 35 9 467 598 höljet 39, men höljet 41 har jämn väggtjocklek och saknar valkarna 40. Anordningen har organ för att mikroböja den optiska fíbern 13. Detta organ är enligt exemplet små kulor 42 av glas pá fiberns 13 yta, vilka ligger an dels mot det vaxfyllda rörets 11 utsida, dels mot det rörformade höljets 41 insida enligt figur 14. Glaskulorna 42 har har en diameter inom exempelvis ett intervall 0,01 - 0.2 mm. När vaxet 12 i röret 11 smälter och utvidgas pressas glaskulorna 42 mot den optiska fíbern 13 och åstadkommer mikroböjning av fíbern. Fiberkabeln i figurerna 13 och 14 framställes genom att den optiskafibern 13 belägges med en hinna av ett limämne eller ett vidhäftande ämne, exempelvis vaselin. Fibern 13 belägges därefter med glaskulorna 42 och införes tillsammans med det vaxfyllda röret 11 i den centrala' öppningen 37 hos sprutmunstycket i figur 12. Därefter sprutas höljet 41 runt fíbern 13 och röret 11. En fiberkabel enligt figur 14, som utsattes för noggranna laboratorieprovningar, uppvisade de önskade egenskaperna enligt figur 5. Denna provade fiberkabel hade glaskulor 42 med en diameter 0,05 mm.

Enligt exemplet ovan har ett OTDR-system utnyttjats för att detektera den reflekterade pulsen i den uppfinningsenliga fiber- kabeln 6. Det är också möjligt att utnyttja denna fiberkabel och detektera den dämpade ljuspulsen P vid fiberkabelns 6 bortre ände Ga enligt figur 1. Den bortre änden är förbunden med enheten 8 genom en optisk fiber 6b såsom visas genom en streckad linje i figuren. Den dämpade ljuspulsen P i exemplet har intensiteten I = -3,8 dB enligt kurva B i figur 6. Om emellertid den dämpade ljuspulsen detekteras är det endast möjligt att fastställa att en temperaturhöjning skett någonstans längst fíbern, medan läget för denna temperaturhöjning förblir okänt. Detta läge kan vara av intresse att känna till och kan fastställa relativt väl, särskilt om vid detekteringen de båda fiberkablerna 6 och 7 utnyttjas såsom visas i figur 1.

Den 'uppfinningsenliga fiberkabeln 6 Ihar fördelen att den är relativt enkel att framställa. Dess ljusdämpade egenskaper kan relativt enkelt varieras och väljas inom ett stort intervall. 467 598 1° Fiberkabeln är mycket böjlig och den saknar elektrisk led- ningsförmâga. 'z

Claims (8)

10 15 20 25 30 11 467 598 P A T E N T K R A V

1. Optisk fiberkabel för detektering av en temperaturförändring, vilken fiberkabel (6) omfattar en làngsträckt temperaturberoende anordning (11) och en optisk fiber (13) vilken anligger mot den temperaturberoende anordningen (11) och är fastsatt vid denna genom fästorgan (14) som fattar om fibern (13) och den tempera- turberoende anordningen (ll), varvid, vid opàverkad fiberkabel (6), en ljuspuls som sänts in i fíbern (13) från dess ena ände dämpas huvudsakligen likformigt utmed fiberns (13) längd och, vid böjning av den optiska fíbern (13) genom den temperaturberoende anordningen (ll), ljuspulsen dämpas ytterligare, k ä n n e - t e c k n a t därav att den temperaturberoende anordningen omfattar ett rör (11) innehållande ett detektormaterial (12) vars volymsutvidgningskoefficient inom ett temperaturdetek- teringsintervall har ett belopp som överstiger volyms- utvidgningskoefficientens belopp i angränsande temperatur- intervall.

2. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att detektormaterialet (12) är ett vaxmaterial, vilket utvidgas vid sin omvandling från fast till flytande fas.

3. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav att röret (11) har oval tvärsektion då fiberkabeln (6) är opáverkad och att röret härvid är helt fyllt med detektormaterialet (12).

4. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1, 2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a d därav att fästorganet omfattar en tråd (14) vilken är lindad i en spiral runt den optiska fíbern (13) och röret (11) med önskad stigning (S) hos spiralen.

5. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1, 2 eller 3 k ä n n e - t e c k n a d därav av fästorganet omfattar ett rörformat hölje (39) vilket omger den optiska fíbern (13) och röret (11) och att höljets (39) vägg har förtjockningar i form av ringformade valkar (40) på önskade avstånd (s) från varandra utmed fiberkabeln (6). 467 598 12 10 15

6. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1, 2 eller 3 k ä n n e - t e c k n a d därav att fästorganet omfattar ett band (29, 33), vilket sträcker sig i fiberkabelns (6) lângdriktning och är svept runt och omgiver röret (11) och den optiska fibern (13), och vilket band har anliggningsorgan (31,34) vilka ligger an mot den optiska fibern (11) på önskade avstånd (s) från varandra.

7. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1,2 eller 3, k ä n n e - t e c k n a d därav att fästorganet omfattar ett rörformat hölje (41) vilket omger den optiska fibern (13) och röret (ll) och att organ (42) för mikroböjning av fibern (13) är anbringade mellan den optiska fibern (13) och åtminstone den ena av rörets (11) utsida och det rörformade höljets (41) insida.

8. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k - n a d därav att organet (42) för mikroböjning av den optiska fibern (13) omfattar kulor med en diameter i ett intervall 0,01 - 0,2 mm vilka är anbringade pà den optiska fibern (13). lg,