SE468229B - Optisk fiberkabel foer detektering av en temperaturfoeraendring - Google Patents

Description

468 10 15 20 25 229 2 REDOGÜRELSE FÖR LPPFINNINGEN Enligt uppfinningen har en optisk fiber ett hölje av polymert material vars längdutvidgningskoefficient har ett önskat värde i ett avgränsat temperatur- intervall. Genomeval av det polymera materialet kan längdutvidgningskoeffi- cientens belopp väljas. Likaså kan positiv eller negativ längdutvidgningskoeffi- cient väljas och gränserna för temperaturintervallet kan väljas genom val av det polymera materialet. Härigenom kan önskade dämpningsegenskaper hos den optiska fibern med sitt hölje, fiberkabeln, erhållas. i Uppfinningen har de kännetecken som framgår av bifogade patentkrav.

FlGURßETECKNlï Ett utföringsexempel av den uppfinningsenliga fiberkabeln beskrivas nedan i anslutning till figurer av vilka skall närmare figur 1 schematiskt visar en byggnad med fiberkabeln och ett övervaknings- system, figur 2 visar en genomskärning av fiberkabeln, figur 3 visar schematiskt strukturen hos ett polymermaterial, figur 4 visar ett diagram över polymermaterialets längdutvidgningskoefficient, figur 5 visar ett diagram över polymermaterialets kraftverkan vid skilda temperaturer, figur 6 visar dämpningen utmed fiberkabeln av en ljuspuls, figur 7 visar längdutvidgningskoefficienten för ett alternativt polymermaterial, figur 8 visar i genomskärning en alternativ utföringsform av fiberkabeln och figur 9 visar ett diagram med längdutvidgningskoefficienten för materialen hos den alternativa fiberkabeln i figur 8.

F ÖREDRAÉN 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 omrâde 5 av ett rum har förhöjd temperatur 10 15 20 25 30 468 229 3 så att växterna riskerar att skadas i denna del av rummet. Övervakningen sker med hjälp av temperaturkänsliga optiska fíberkablar 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 på grund av mikroböjning.

Genom den nämnda Rayleigh-spridningen reflekteras ljuspulserna tillbaka till fiberns ände och de reflekterade ljuspulserna dämpas i det påverkade omrâdet.

De reflekterade pulserna detekteras och genom att mäta gångtiden för pulserna kan läget för påverkan bestämmas. En mera utförlig beskrivning av OTDR återfinnas i exempelvis de amerikanska patenten nr 4,463,254 och nr 4,7l3,53B.

De optiska fiberkablarna 6 och 7 är uppfinningsenliga och ett utföringsexempel av dessa fíberkablar skall beskrivas närmare nedan. I figur 2 visas ett tvärsnitt av fiberkabeln 6 med en kärna ll, en mantel 12 och ett primärskydd 13 hos en optisk fiber. Utanpå primärskyddet 13 är enligt uppfinningen anbringat ett hölje l4 av polymert material. Höljet sträcker sig utmed åtminstone en del av fiberkabeln 6 och enligt exemplet är polymeren en armidplast. Utanpå höljet 14 kan anbringas ytterligare skyddshöjen. Armidplast är på känt sätt kemiskt uppbyggd av kolringar 15 med sex kolatomer såsom antydes med beteckningen C i figur 3. Detta material kan vid tillverkningen behandlas så att kolringarna i opåverkat tillstånd vid en temperatur T0 är uttänjda i en riktning och har i den riktningen en längd Dl. Om materialet utsättes för förhöjd temperatur drar kolringarna ihop sig i sin längdriktning till en längd D2. Denna förändring är reversibel så att kolringarna återtar sin större längd Dl vid den lägre temperaturen T0. Armidmaterialet får på detta sätt en längdutvidgningsko- efficient OL vilken varierar med temperaturen, betecknad T, såsom visas i figur 4. I ett första intervall från temperaturen T0 upptill en temperatur Tl har OC ett värde med ett litet belopp. I ett för fiberkabeln 6 avsedd temperatur- detekteringsintervall mellan temperaturen Tl och en temperatur T2 har längd- utvidgningskoefficienten ett negativt värde med ett belopp OC 0. I ett inter- vall mellan temperaturen T2 och en temperatur T3 har längdutvidgningskoeffi- cienten på nytt ett lågt värde, som är försumbart i förhållande till värdet O(_0.

Det bör noteras att uttrycket "längdutvidgningskoefficient" är något oegentligt, då utvidgningen kan vara negativ vid ökande temperatur. 468 229 10 15 20 25 30 35 4 Armidhöljet 14 påverkar primärskyddet 13 med en kraft F, vilken varierar på det sätt som visas i diagrammet i figur 5. I intervallet upp till temperaturen T1 är kraften F nära konstant. I temperaturdetekteringsintervallet T1-T2 ökar kraften F successivt till en kraft FU för att i intervallet över temperaturen T2 på nytt bli nära konstant. Kraftpåverkan F på primärskyddet 13 orsakar den ovannämnda mikroböjningen, genom vilken ljuset i fiberkabeln 6 dämpas och reflekteras såsom skall beskrivas i anslutnig till figur 6.

I denna figur visas ett diagram över ljuset intensitet I utmed fiberkabelns 6 längd L för en ljuspuls P som utsänds från OTDR-enheten 8 enligt figur l. intensiteten anges såsom en dämpning i decibel, dB, och längden L anges i meter. En kurva A visar dämpningen för fiberkabeln 6 i opåverkat tillstànd, då temperaturen i utrymmena 2, 3 och 4 är lägre än Tl. En kurva B anger ljuspulsens P dämpning då temperaturen i omrâdet 5 överstiger temperaturen Tl. I omradet 5, svarande mot intervall Bl och B2 hos fiberkabeln, krymper fibernkabelns 6 polymera hölje 14 och orsakar mikroböjning av den optiska fibern, med en ökad dämpning av ljuspulsen P som följd. Det är väsentligt att den ökade dämpningen, mätt som dB/m, har ett värde av sådan storlek att den Rayleigh-reflekterade pulsen med säkerhet kan detekteras och urskiljas bland störningar som uppstår exempelvis på grund av 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 BZ. Vid mycket kraftig dämpning per längdenhet såsom visas med en kurva E, dämpas ljusvågen P så kraftigt att endast det första intervallet Bli kan detekteras. Den kraftiga dämpningen enligt kurva E kan orsakas av att det polymera höljet 14 har en stor längdutvidgningskoefficient i intervallet Tl-T2, med ett belopp OLl, såsom visas i figur 4. Denna längdutvidgningskoefficient motsvaras av en kraft Fl vid temperaturen T2 på primärskyddet 13, såsom visas i figur 5. En stor dämpning kan också orsakas av att de polymera höljet inom ett stort temperaturintervall, t ex mellan temperaturen Tl och en temperatur T4, har exempelvis längdutvidgningskoefficienten OQO. Ett sådant hölje påverkar fiberns primärskydd med en kraft F 2 vid temperaturen T4 enligt figur 5 och ljusdämpningen följer huvudsakligen kurvan E i figur 6. Den dämpning av ljuspulsen P som orsakas i fibern beror emellertid inte endast på längdutvidg- ningskoefficienten OC och temperaturintervallets längd, utan även på egen- 10 15 20 25 30 468 229 5 skaper hos den optiska fiberns kärna ll, manteln 12 och primärskyddet l3.De slutliga dämpningsegen skaperna kan fastställas genom mätningar och en för många tillämpningar lämplig dämpning ligger i ett intervall 0,Ül-Û,l dB/m inom det önskade temperaturintervallet Tl-T2.

Enligt exemplet ovan har ett OTDR-system utnyttjats för att detektera den reflekterade ljuspulsen i den uppfinningsenliga fiberkabeln 6. Det är också möjligt att utnyttja denna fiberkabel och detektera den dämpade ljuspulsen P vid fiberkabelns 6 bortre ände 6a enligt figur l. Den bortre änden är härvid förbunden med enheten 8 genom en optisk fiber 6b så som visas genom en streckad linje i figuren. Den dämpade ljuspulsen P i exemplet har intensiteten I = -3,8 dB enligt kurvan B i figur 6. Om emellertid den dämpade ljuspulsen detekteras är det endast möjligt att fastställa att en temperaturhöjning skett någonstans längs fibern, medan läget för denna temperaturhöjning förblir okänt.

Detta läge kan vara av intresse att känna till och kan fastställas relativt väl, särskilt om vid detekteringen de bada fiberkablarna 6 och 7 utnyttjas så som visas i figur 1.

Ett flertal försök har genomförts med uppfinningsenliga fiberkablar. Vid ett av dessa försök utnyttjades en optisk standardfiber som försågs med höljet 14 av armidplast. Fiberns kärna ll hade en diameter 62,5 mikron, manteln 12 hade en diameter 125 mikron och primärskyddet 13 hade en diameter 250 mikron. Det visade sig vid försöket möjligt att välja skilda armidplastmaterial vilka tillsam- mans med standardfibern gav önskade dämpnigsvärden inom det nämnda inter- vallet D,0l-0,l dB/m. Vid försöket hade temperaturintervallet Tl-T2 en bredd av 8°C. Även försök med andra polymera material för höljet lll har genomförts, exempelvis har kolfibermaterial provats. Dessa kolfibermaterial är, liksom den nämnda armidmaterialen, uppbyggda av uttänjda kolringar och har en negativ temperaturutvidgningskoefficient i ett avgränsat temperaturintervall.

I utföringsexemplet ovan har beskrivits den optiska fiberkabeln 6 som är lämpad för detektering av en stigande temperatur, vilken man önskar hålla under ett visst värde. Vid en alternativ utföringsform av uppfinningen har det polymera höljet kring den optiska fibern, motsvarande höljet 14, positiv temperaturut- vidgningskoefficient såsom visas i figur 7. I ett temperaturintervall T_5-T6 har temperaturutvidgningskoefficienten ett värde OCZ. I därintill gränsande inter 468 229 10 15 20 25 30 35 6 vall TÛ-T5 respektive T6-T7 är temperaturutvidgningskoefficientens storlek ringa jämfört med värdet OCZ. Vid sjunkande temperatur drar det polymera höljet ihop sig i intervallet T5-T6 och orsakar mikroböjning av den optiska fibern pa motsvarande sätt som beskrivits för fiberkabeln 6. Som exempel på ett material med positiv temperaturutvidgningskoefficient kan nämnas polyvi- nylklorid, PVC-plast. Den optiska fiberkabeln enligt det alternativa utförandet utnyttjas för övervakning av en temperatur som man önskar hålla över ett visst värde. Ett tillämpningsexempel är temperaturövervakning av ett kylrum för matvaror, vilka inte får djupfrysas.

Alternativa uppfinningsenliga utföranden till de ovan beskrivna fiberkablarna skall beskrivas nedan i anslutning till figur 8. I denna figur visas den tidigare nämnda optiska standardfibern- med kärnan ll, mantel 12 och primärskyddet 13.

Primärskyddet är omgivet av ett hölje 16 av polymert material, vilket i sin tur är omgivet av ett sekundärskydd 17. Det polymera höljets 16 längdutvidnings- koefficient visas i figur 9. I det första temperturintervallet TO-Tl och det andra temperatur- intervallet T2-T3 har ländutvidgningskoefficienten ett värde nära 0. I temperaturdetekteríngsintervallet Tl-T2 har längdutvidgningskoefficienten ett positivt värde med ett belopp (X3. Sekundärskyddet 17 har en positiv längdutvidgningskoefficient (X4 med ett relativt litet belopp jämfört med 0(3. Vid en stigande temperatur utvidgar sig det polymera höljet 16 kraftigit i temperaturdetekteringsintervallet Tl-T2, medan sekundärskyddet 17 är rela- tivt oförändrat till sin storlek. Det polymera höljets 16 ytterdiameter förändras i ringa grad och vid temperaturer över temperaturen Tl utövar höljet 16 en tryckkraft pa primärskyddet 13. Härvid uppstår mikroböjning av fibern på motsvarande sätt som beskrivits i anslutning till figur 5 och figur 6.

Ytterligare alternativa utföringsformer av den uppfinningsenliga fibern kan nämnas. Den optiska fiberns kärna ll är i exemplen ovan visad koncentrisk med det polymera höljet. Det är emellertid möjligt att lägga fibern ocentrerad så att primärskyddet enligt figur 8 ligger an mot insidan av sekundärskyddet 17.

Utrymmet mellan primärskyddet 13 och sekundärskyddet 17 är fyllt med ett polymert material, vilket vid temperaturförändringar trycker primärskyddet 13 mot sekundärskyddets 17 insida och åstadkommer mikroböjning. Sekundärskyd- dets insida kan vara försett med upphöjningar för att förstärka mikroböjningen.

Ett exempel pà ett polymert material för denna utföringsform är polyuretan- skum. l'1 'm fih 468 229 7 Som exempel pà material och materialkombinationer för det polymera höjet kan ytterligare nämnas gummi för utföringsformen enligt figur 2. Enligt denna utföringsform kan också såväl primårskyddet 13 som det polymera höljet 14 utgöras av akrylatplaster med skilda hardheter, varvid primär-skyddet 13 är mjukare än höljet 14. Detta är en ur tillverkningssynpunkt för-delaktig utförings- form.

Claims (6)

10 15 468 229 P A T E N T K R A V

1. Optisk fiberkabel för detektering av en temperaturförändring, vilken omfattar en optisk fiber med en kärna (ll) och en mantel (12) med skilda brytningsindex samt en temperaturkänslig anordning med ett hölje av polymert material (14,l6) vilket omger den optiska fibern utmed åtminstone en del av dess längd, varvid, vid opàverkad fiberkabel, en ljuspuls som sänts in i fibern fràn dess ena ände dämpas huvudsakligen likformigt utmed fiberns längd och, vid mikroböjning av den optiska fibern genom den temperaturkänsliga anordningen, ljuspulsen dämpas ytterligare k ä n n e t e c k n a d därav - att det polymera materialet inom ett ändligt temperaturdetekteringsintervall (Tl-T2; T5-T6) har en längdutvidgningskoefficient (- OLD; QZ; (X3) vilken avviker från samma materials längdutvidgningskoefficient i omgivande temperaturintervall (T0-Tl, T2-T3; T0-T5, T6-T7), i vilka längdutvídgnings- koefficienten (Oí) har ett litet belopp jämfört med längdutvidgnings- koefficienten i temperaturdetekteringsintervallet och - att ljuspulsen (P), vid påverkan pä manteln (12) fràn det polymera höljet (l4; 16), dämpas i ett intervall mellan 0,01 till 0,1 decibel per meter av fiber-kabeln i beroende av det polymera materialets (l4,16) sammansättning.

2. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d av att det polymera materialet (l4,l6) har negativ längdutvidningskoefficient (- OQO) i temperaturdetekteringsintervallet (Tl-T2).

3. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k n a d av att det polymera materialet (l4,l6) i höljet kemiskt är uppbyggt av ringar (15) med kolatomer (C), företrädesvis ringar med sex kolatomer, vilka ringar vid tempe- raturer upp till temperaturdetekteringsintervallet (Tl) är avlånga (Dl) och i temperaturdetekteringsintervallet (T1-T2) formförändras genom att dragas ihop (D2) i sin längdriktning.

4. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 3 k ä n n e t e c k n a d av att det polymera materialet (l4,l6) är armidplast eller kolfibermaterial. f) 48 468 229 9

5. Optisk fiberkabel enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d därav att det polymera materialet (l4,l6) har positiv längdutvidgningskoefficient ( (X2) i temperaturdetekteringsíntervallet (T5-T6).

6. Optisk fiberkabel enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d därav att den temperaturkänsliga anordningen ytterligare omfattar ett sekundärskydd (17) vilket omger höljet av polymert material (16), vilket sekundär-skydd (17) i temperatLn-deteketeringsintervallet (Tl-T2) och i de omgivande temperatur- intervallen (TU-TI, T2-T3) har en längdutvidgningskoefficient (CUL), vars belopp är mindre än beloppet av det polymera höljets längdutvidgningskoeffi- cient ( °š 3) i temperaturdetekteringsintervallet (Tl-T2).