ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ С ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ И СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ, И СПОСОБ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ РАСТЯЖЕНИЯ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, В ОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КАБЕЛЕ Российский патент 2014 года по МПК H01B7/32 G01L1/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электрическому кабелю с внедренным тензометрическим датчиком, пригодным, в частности, для измерения статических и динамических деформаций растяжений.

Настоящее изобретение также направлено на способ и систему контроля для измерения, по меньшей мере, растяжения, по меньшей мере, в одном электрическом кабеле.

Настоящее изобретение, кроме того, относится к системе и способу контроля для обнаружения растяжения во множестве электрических кабелей. В частности, настоящее изобретение относится к системе и способу контроля с использованием технологии обратного рассеяния по Бриллюэну для контроля множества электрических кабелей, установленных в передвижном оборудовании.

Уровень техники

Электрические кабели, в частности, для тяжелых режимов применения и/или для передвижных установок, таких как передвижные портовые краны, контейнерные краны класса корабль-берег, корабельные разгрузочные машины, распределители, а также горное и проходческое оборудование, специально спроектированы для того, чтобы выдержать суровые климатические условия и высокие механические нагрузки, такие как силы растяжения и крутящие моменты. В качестве дополнительного примера кабелей для тяжелых режимов применения, вплоть до кабелей насосов нисходящих скважин для подачи тока к погружаемым электрическим системам насосов в глубоких скважинах, обычно установленных в физически ограниченных областях и в условиях неблагоприятной окружающей среды, часто в контакте с коррозионными скважинными флюидами. Как правило, вышеупомянутые кабели проектируют таким образом, чтобы они были прочными и гибкими. В рамках настоящего описания заявитель в основном ссылается на кабели для работы в тяжелом режиме, упоминая кабели для тяжелых режимов применения, и, в частности, но не исключительно, для передвижных установок.

Пример электрического кабеля для тяжелых режимов представлен в документе DE 3934718, в котором описан армированный свободно тянущийся кабель для выемочных комбайнов в шахтах.

В WO 01/78086 раскрыт электрический кабель, в частности, для использования в захватывающей системе, такой как кран или укладывающая система. Кабель содержит сердечник, который включает в себя первые проводники, полностью окруженные первой выдерживающей напряжение матрицей, в которую он внедрен. По меньшей мере, один дополнительный слой расположен вблизи первой выдерживающей напряжение матрицы и имеет по меньшей мере один дополнительный проводник в дополнительном слое, который полностью окружен второй выдерживающей напряжение матрицей, в которую он внедрен. Говорят, что выдерживающие напряжение матрицы в кабеле делают возможным распределение напряжения по всему кабелю и, таким образом, по существу, снижают эффект буравчика.

Растягивающие нагрузки и скручивание в передвижном кабеле могут возникнуть в результате усиленного ведения кабеля во время стадий его наматывания и разматывания вокруг катушек, или вследствие сбора кабеля в корзины (например, для распределительных кабелей). Стадии наматывания и разматывания обычно являются быстроменяющимися и часто резкими, например, когда они вызваны горизонтальным движением крана, что, таким образом, налагает значительные динамические растягивающие нагрузки на кабель и, таким образом, на отдельные проводники внутри кабеля. В дополнение, другие системы для перемещения кабеля, такие как талевые системы и буровые системы обычно предполагают высокие растягивающие нагрузки на кабель в ходе эксплуатации.

Избыточное удлинение кабеля может вызвать растягивающие нагрузки, которые должны быть переданными электрическим проводникам с последующим повреждением последних. Избыточные и/или длительные растягивающие нагрузки могут привести к перманентному удлинению кабеля, которое может сократить срок службы кабеля.

В Патенте США № 5767956 описано использование обратно рассеянного бриллюэновского света для обеспечения устройства контроля, пригодного к исследованию в режиме реального времени того, находится ли оптическое волокно в нормальном состоянии, или на грани разрушения. Устройство использует оптическую рефлектометрию во временной области (optical time domain reflectometry, OTDR) для контроля модулированного бриллюэновского рассеянного света путем использования одного из оптоволоконных сердечников в оптическом кабеле. Что касается использования электрического кабеля, то здесь не предусмотрено никаких конкретных рекомендаций.

В WO 08/073033 описана система для контроля изгиба и растяжения силового кабеля, соединенного с движущейся морской платформой, путем измерения растяжения в оптических волокнах, прикрепленных или включенных в силовой кабель. Изгиб в силовом кабеле будет приводить к росту растяжения в оптическом волокне, и это растяжение будет изменять оптические свойства волокна. Изменение оптических свойств можно измерить посредством оптического рефлектометра во временной области (optical time domain reflectometer, OTDR) или оптического рефлектометра в частотной области (optical frequency domain reflectometer, OFDR).

Настоящий документ не касается проблемы защиты тензометрического датчика от внешних механических нагрузок, для предотвращения повреждения датчика и для обеспечения долговременной надежности измерений. Напротив, в заявке указано, что существует риск того, что оптические волокна, внедренные или прикрепленные к кабелю, могут быть повреждены, и, таким образом, предполагается обеспечить кабель лишними волокнами. Кроме того, здесь нет никаких упоминаний проблемы передачи растяжения между волокнами и кабелем, который должен быть измерен. В качестве возможного места расположения для волокна упоминают промежутки между армированными проводами.

В заявке США 2004/0258373 описан комбинированный кабель, который может быть внедрен в здания, составные шланги или трубопроводы, содержащие оптическое средство для контроля температуры и растяжения. Кабель содержит внешнюю защитную оболочку и оптическое средство для контроля температуры и растяжения, причем упомянутое оптическое средство находится внутри упомянутой внешней защитной оболочки и содержит: первую трубку, включающую в себя по меньшей мере первое оптическое волокно для того, чтобы контролировать температуру, причем упомянутое первое оптическое волокно находится в свободном состоянии в упомянутой первой трубке и содержит по меньшей мере одну отражающую секцию, называемую брэгговской решеткой, по меньшей мере второе оптическое волокно, включающее в себя по меньшей мере одну брэгговскую решетку для того, чтобы контролировать растяжение, причем упомянутый кабель характеризуется тем, что упомянутое оптическое волокно находится снаружи упомянутой первой трубки, упомянутое оптическое средство дополнительно содержит средство для натягивания упомянутого второго оптического волокна.

Заявитель отметил, что в этом документе не раскрыт электрический кабель со встроенным тензометрическим оптоволоконным датчиком или со встроенным температурным датчиком. Раскрытый кабель является комбинированным кабелем, который может включать в себя силовые кабели, однако, отделенные от волокон для контроля растяжения и температуры.

В Европейском патенте 0203249 раскрыт силовой кабель среднего напряжения (от 6 до 60 кВ), который включает в себя по меньшей мере одно оптическое волокно, воспринимающее температуру и/или растяжение.

Заявитель обнаружил, что на раскрытое оптическое волокно, воспринимающее растяжение, встроенное в кабель, значительное влияние может оказывать изгиб кабеля, в зависимости от местоположения оптического волокна в кабеле и/или степени изгиба кабеля, в частности, при превышении некоторого значения.

Чен Цзихао (Chen Xihao) и Хуанг Джунхуа (Huang Junhua), в работе «Strain Transfer Capability of Strain Sensing Optical Fiber Cable and its Measurement Method», опубликованной в Протоколах 57-го Международного Симпозиума по проводам и кабелям (2008), страницы 424 - 428, анализируют различные структуры воспринимающих оптоволоконных кабелей (т.е. кабелей, которые должны быть использованы для восприятия растяжения связанного устройства или системы). Упоминается, что плотность слоев внутри оптоволоконного кабеля воспринимающего растяжение имеет большое значение, и может быть описана посредством силы расслаивания между слоями кабеля и способности к передаче растяжения, т.е., по максимальному растяжению, которое может быть передано от внешнего слоя кабеля к внутреннему волокну, без ослабления.

В данном документе не упомянуто никакое применение раскрытых воспринимающих оптоволоконных кабелей для кабельного контроля силовых или электрических кабелей.

В WO 07/107693 раскрыт оптоволоконный кабель, включающий в себя элемент, переносящий растяжение, центральное оптическое волокно, расположенное по элементу, переносящему растяжение, и плотную оплетку, механически связывающую центральное оптическое волокно и элемент, переносящий растяжение. Растяжение, претерпеваемое элементом, переносящим растяжение, передается центральному оптическому волокну через плотную оплетку.

Документ не решает задачу создания электрического кабеля с оптоволоконным датчиком.

Заявитель столкнулся с проблемой того, как реализовать электрический кабель, в частности, пригодный для тяжелых режимов применения, а более конкретно, для передвижных установок, которые могут позволить контролировать и, предпочтительно, осуществлять контроль в реальном времени относительного растяжения, которому подвергается кабель в ходе эксплуатации, при обеспечении долговременной надежности измерений.

В частности, Заявитель решил проблему осуществления измерений в электрическом кабеле посредством датчика, который остается по существу неподверженным внешним механическим напряжениям, отличным от относительного растяжения, налагаемого на кабель.

Сущность изобретения

Из-за высоких механических напряжений, возникающих в ходе эксплуатации, типичный срок службы кабеля для работы в тяжелом режиме (как, например, для применения в горном деле, или в установках для крана) бывает в основном относительно коротким и, в зависимости от конкретного применения, может колебаться от нескольких месяцев до нескольких лет. Заявитель обнаружил, что является предпочтительным обеспечить кабель для работы в тяжелом режиме, который можно контролировать в ходе его эксплуатации. Зная изменение состояния кабеля во времени, можно осуществлять эффективное периодическое техническое обслуживание кабеля, например, можно корректировать работу плохо функционирующего направляющего ролика и/или регулировать параметры электронного управления автоматизированной системы в передвижном оборудовании.

Периодические проверки состояния кабеля можно выполнять в «автономном» режиме, с кабелем, не находящимся в использовании, или даже удаленным из оборудования, на котором он был смонтирован, но на практике такие проверки обычно не выполняются из-за потери рабочего времени, вызванной необходимой остановкой оборудования или устройства, содержащего кабель.

Может быть особо выгодным записывать во время работы кабеля динамические события, которые вызывают пики упругого растяжения, которые, однако, могут повредить кабель за счет усталости. Также такой контроль может предотвратить события неожиданного выхода из строя и сохранить соответствующие издержки.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение электрического кабеля с тензометрическим датчиком, способным обеспечить считывания для, по существу, большого диапазона измеряемых удлинений, в частности, от 0,1% до 1%, предпочтительно, от -0,2% до 1%. Также можно измерить более высокие значения удлинения, например, до 2%, или даже до 4%.

В таком случае может возникнуть снижение скорости считывания данных, что может повлиять на сбор данных с контролируемого кабеля в режиме «реального времени».

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение электрического кабеля с тензометрическим датчиком, измеряющим динамические растягивающие усилия, в частности, контролирующим всплески растяжения на локальном участке по длине кабеля, тем самым, обнаруживая повреждение, вызванное усталостью.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение системы контроля для обнаружения перманентного повреждения электрического кабеля, возможно вызванного собственной выработкой или ненадлежащим использованием, например, использованием, не соответствующим рекомендациям, предоставленным изготовителем кабеля.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение системы контроля для контроля, по меньшей мере, деформации растяжения множества электрических кабелей, в частности, кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в передвижном оборудовании.

В общих чертах и согласно аспекту, решение относится к электрическому кабелю, содержащему по меньшей мере два продольных структурных элемента и оптоволоконный тензометрический датчик для контроля деформации растяжения вдоль длины кабеля. Тензометрический датчик содержит оптическое волокно, которое простирается вдоль длины кабеля. Оптическое волокно тензометрического датчика в дальнейшем будет называться также тензометрическим оптическим волокном.

В рамках настоящего описания термин «продольный структурный элемент» указывает полуобработанную структуру электрического кабеля, по существу продольно простирающуюся вдоль длины кабеля. Продольные структурные элементы согласно настоящему описанию и формуле изобретения вносят вклад в функцию электрического транспорта кабеля, как будет ясно из следующего описания.

По меньшей мере два продольных структурных элемента, содержащихся в электрическом кабеле, включают в себя по меньшей мере один кабельный сердечник.

Термин «сердечник» означает полуобработанную структуру электрического кабеля, содержащего по меньшей мере один электропроводящий элемент, такой как электрический проводник, и обычно по меньшей мере один изолирующий слой, окружающий электрический проводник. В типичных конфигурациях электрические проводники содержат множество многожильных проводящих проводов.

Заявитель выяснил, что при обеспечении механической связи, и, в частности, механической конгруэнтности между продольными структурными элементами электрического кабеля и оптическим волокном тензометрического датчика, растяжение передается от продольных структурных элементов, которые должны быть подвержены контролю, к тензометрическому оптическому волокну. Под «механической конгруэнтностью» понимают способность двух или более частей перемещаться или выдерживать растяжение, по существу, как одно целое. Только что описанная механическая конгруэнтность позволяет получать кабель, способный обеспечивать надежные считывания исследуемых статических и динамических растягивающих нагрузок в относительно большом диапазоне удлинений. Согласно аспекту изобретения тензометрический датчик внедряют в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий датчик, по меньшей мере, с одним из по меньшей мере двух продольных структурных элементов кабеля.

Деформация растяжения выражается как процент увеличения по длине кабеля сверх исходной длины, ΔL/L, где L - длина, а именно, линейное удлинение в процентах. Деформация растяжения возникает, когда кабель принудительно растягивают под действием внешних сил (например, растягивающих нагрузок) в его продольном направлении.

Заявителю стало понятно, что тензометрический датчик должен быть встроен в кабель и скомпонован таким образом, чтобы он оставался, по существу, неповрежденным посредством изгиба кабеля на его минимальный радиус изгиба. В частности, Заявитель понял, что оптическое волокно, содержащееся в тензометрическом датчике, должно быть расположено в изгибающейся нейтральной области, простирающейся продольно вдоль кабеля и обладающей поперечным сечением, скомпонованным, по существу, симметрично вокруг нейтральной оси кабеля, здесь и далее именуемой нейтральной областью.

Как рассматривается в данном описании, термин «нейтральная область» предназначен для описания области вокруг оси («нейтральной оси»), где удлинения, вызванные изгибом, минимальны. Нейтральная ось может быть задана как воображаемая линия вдоль длины кабеля, будучи кабелем, подвергаемым изгибу, не имеет место никакая существенная продольная деформация, и напряжения при изгибе в тензометрическом датчике минимальны. Является предпочтительным, чтобы кабель был спроектирован таким образом, чтобы нейтральная ось была расположена в местоположении, где крутящее влияние на кабель определяет минимальное продольное удлинение воспринимающего волокна.

С учетом минимального радиуса изгиба для электрического кабеля, который в основном соответствует наименьшему радиусу кривизны, ρ_min, который предусмотрен для того, чтобы избежать какого-либо перманентного повреждения кабеля, нейтральная область может быть задана как область, где тензометрический датчик подвергается удлинению не более чем на 2%, а предпочтительно, не более чем на 1%, благодаря изгибу при радиусе кривизны не менее ρ_min.

Расположение тензометрического оптического волокна в нейтральной области предохраняет его от разрыва или перманентного повреждения, вызванного изгибом кабеля.

В круглых кабелях, т.е. в кабелях, обладающих кругообразно симметричным поперечным сечением, нейтральная область представляет собой радиальную область вокруг нейтральной оси в плоскости поперечного сечения кабеля. В предпочтительных вариантах воплощения, когда они относятся к круглым кабелям, нейтральная ось представляет собой центральную продольную ось кабеля. Является предпочтительным, чтобы тензометрический датчик был расположен вдоль кабеля в пределах радиального расстояния от нейтральной оси не более чем на 0,02 ρ_min, а более предпочтительно, не более чем на 0,01ρ_min.

Согласно аспекту, настоящее изобретение направлено на электрический кабель, содержащий тензометрический датчик, простирающийся продольно вдоль кабеля, и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, скомпонованное внутри изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось электрического кабеля, и по меньшей мере два продольных структурных элемента, где по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник, содержащий электрический проводник, в котором тензометрический датчик внедрен в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элементов с тензометрическим датчиком. С помощью кабеля согласно изобретению растяжение, претерпеваемое по меньшей мере одним из по меньшей мере двух продольных структурных элементов, будет передаваться к тензометрическому датчику, по меньшей мере, в растянутом состоянии.

Кабели для работы в тяжелом режиме спроектированы таким образом, чтобы они выдерживали поперечные нагрузки и силы растяжения, которые сжимают продольные структурные элементы внутри кабелей. Заявитель обнаружил, что было бы желательным, если бы тензометрический датчик оставался, по существу, неподверженным поперечному сжатию кабеля, которое, при воздействии на тензометрическое оптическое волокно, может вызвать оптические потери, связанные с микроизгибом. Кроме того, когда оптическое волокно тензометрического датчика сжато, часть поперечной нагрузки, которая прикладывается в направлении, поперечном продольной оси кабеля, может быть некорректно преобразована в колебания деформации растяжения. В частности, было обнаружено, что при приложении поперечного сжатия в направлении, перпендикулярном или вообще поперечном продольной оси кабеля, если поперечное сжатие передается оптическому волокну, компонент, параллельный оси тензометрического волокна, может вызвать колебание растяжения вдоль этой оси.

Является предпочтительным, чтобы нейтральная ось кабеля была выбрана таким образом, чтобы она, по существу, не страдала бы от поперечного сжатия в направлении, поперечном продольному направлению кабеля. Заявитель обнаружил, что является предпочтительным окружать тензометрическое оптическое волокно с помощью защитной оболочки для повышения механического сопротивления поперечным нагрузкам, причем упомянутая защитная оболочка непосредственно контактирует с необязательным буферным оптическим волокном тензометрического датчика. Является предпочтительным, чтобы защитная оболочка содержала армированный волокном композиционный материал.

Электрический кабель обычно подвергается одному или нескольким сеансам термообработки, в частности, процессам сушки в ходе его изготовления, что влечет за собой термообработку при типичных температурах 150-200°C в течение нескольких минут. Заявитель отметил, что является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель и тензометрический датчик содержали материалы, стойкие к процессам сушки, имеющим место при изготовлении кабеля, в который встраивают тензометрический датчик, при поддержании (1) упругих свойств тензометрического датчика, которые способствуют восстановлению тензометрического датчика без его перманентного растяжения, по меньшей мере, в диапазоне, в котором кабель демонстрирует упругие свойства, и (2) адгезии или стойкости, с большим коэффициентом трения, к нежелательному скольжению, для поддержания механической конгруэнтности между слоями и элементами кабеля.

Является предпочтительным, чтобы защитная оболочка была изготовлена из армированного волокном композиционного материала, в котором армирующие волокна представляют собой волокна углерода, графита, бора, арамида или стекла; является предпочтительным, чтобы полимер, вмещающий армирующие волокна, представлял собой поперечно сшитую смолу, например, ненасыщенный полиэфир, такой как виниловые эфиры, или эпоксидную смолу.

Является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель был основан на эластомерном материале, более предпочтительно, на термоотверждающемся эластомере. Переносящий растяжение наполнитель представляет собой, по меньшей мере, эластик в диапазоне растяжения, в котором кабель обладает упругими свойствами.

Заявитель отметил, что было бы желательным, чтобы был обеспечен силовой кабель с температурным датчиком.

Рабочие температуры кабеля для работы в тяжелом режиме могут находиться в диапазоне от -50°C до 90°C, где -50°C - это минимальная температура окружающей среды во время работы, а 90°C - максимальная температура, достигаемая электрическими проводниками в ходе работы. Продольно локализованное увеличение внутренней температуры кабеля, усредненное по некоторому временному интервалу (т.е. без пикового увеличения), может указывать на присутствие повреждения, вызывающего, например, увеличение сопротивления проводников и локальные джоулевы потери. Кроме того, электрическая нагрузка влияет на общую температуру кабеля, и, таким образом, со ссылкой на модель Аррениуса, которая прогнозирует ускорение выхода из строя из-за увеличения температуры, контроль температуры кабеля позволяет предсказывать оставшийся срок службы кабеля, и, таким образом, и его своевременную замену.

Контроль температуры можно использовать для разделения растяжения от температурных эффектов в бриллюэновском оптическом анализе.

Для получения измерения температуры, на которое влияет только термическое состояние стекловолокна тензометрического оптического волокна, оптическое волокно должно быть свободно от механических напряжений, и, в частности, оно должно быть, по существу, неподверженным деформациям растяжения кабеля, в который оно встроено. В некоторых предпочтительных вариантах воплощения в электрический кабель встраивают температурный датчик, причем температурный датчик содержит оптическое волокно, свободно вставленное в продольно простирающийся модуль, скрученный с продольными структурными элементами кабеля. В такой конструкции уровень ослабления волокна (т.е. величина избыточной длины волокна в трубке) таков, что ожидаемое максимальное удлинение кабеля (и трубки, вмещающей волокно) полностью скомпенсировано так, что никакое существенное растяжение не передается оптическому волокну, воспринимающему температуру.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения электрический кабель представляет собой круглый кабель с, по существу, круглым поперечным сечением и содержит по меньшей мере три продольных структурных элемента, расположенных радиально относительно тензометрического датчика.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее будет более подробно описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все варианты воплощения изобретения. Чертежи, иллюстрирующие варианты воплощения, представляют собой схематические представления без соблюдения масштаба.

В целях настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, если не указано иное, все числа, выражающие величины, количества, процентные содержания, и т.д., следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «примерно».

Также все диапазоны включают в себя раскрытые максимальные и минимальные точки и включают в себя любые промежуточные диапазоны, которые могут быть специально пронумерованы или не пронумерованы в данном описании.

Фиг. 1a представляет собой схематический вид в перспективе электрического кабеля согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 1b представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля, показанного на Фиг. 1a.

Фиг. 2a представляет собой схематический вид в перспективе тензометрического датчика, используемого в электрическом кабеле согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2b представляет собой схематический поперечный разрез тензометрического датчика, показанного на Фиг. 2a.

Фиг. 3 представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 4 представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 5 представляет собой схематический поперечный разрез электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 6 представляет собой схематический поперечный разрез плоского электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 7 представляет собой принципиальную схему для иллюстрации принципов работы технологии обратного рассеяния по Бриллюэну в электрическом кабеле согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение системы контроля растяжения и температуры множества кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в передвижном оборудовании, согласно варианту воплощения настоящего изображения.

Фиг. 9 представляет собой частичный вид сбоку вдоль линии C-C, иллюстрирующий кран для работы в тяжелом режиме из системы контроля, представленной на Фиг. 8.

Фиг. 10 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую принципы работы системы контроля множества кабелей для работы в тяжелом режиме согласно варианту воплощения настоящего изображения.

Фиг. 11 представляет собой схематическое изображение системы контроля растяжения и температуры множества кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в передвижном оборудовании, согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 12 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую принципы работы системы контроля множества кабелей для работы в тяжелом режиме согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание

Фиг. 1a и 1b иллюстрируют, соответственно, вид в перспективе и поперечный разрез электрического кабеля согласно варианту воплощения настоящего изобретения. Кабель, показанный в данном варианте воплощения, может быть пригодным для тяжелых режимов применения, более конкретно, для передвижных установок. Кабель 1 является круглым кабелем, содержащим три сердечника 2, радиально скомпонованных вокруг центральной продольной оси Z (видимой на Фиг. 1a) кабеля. Сердечники 2 могут обеспечивать электропередачу трехфазным током. Кабель 1 может представлять собой силовой кабель низкого или среднего напряжения, где низкое напряжение означает напряжение до 1 кВ, а среднее напряжение означает напряжение 1-60 кВ. Каждый сердечник 2 содержит электрический проводник 12, например, медный проводник, образованный в виде пучка луженых или оголенных медных электрических проводов, скрученных друг с другом в соответствии с традиционными способами. Внутренний полупроводящий слой 13, изолирующий слой 16, внешний полупроводящий слой 17 последовательно обеспечены в радиальном наружном местоположении по отношению к каждому электрическому проводнику 12. Внутренний полупроводящий слой 13, изолирующий слой 16 и внешний полупроводящий слой 17 изготавливают из материалов на основе полимеров, которые могут быть получены посредством экструдирования одного поверх другого, или получены путем совместного экструдирования на проводник 12. Изолирующий слой 16 может представлять собой, например, поперечно сшитый этиленпропиленовый каучук (ЭПК); внутренний и внешний полупроводящие слои 12 и 17 могут представлять собой, например, ЭПК, терполимеры этилена/пропилена/диена (ethylene/propylene/diene terpolymers), или их смесь, с введенным подходящим количеством проводящего наполнителя, который обычно может представлять собой углеродную сажу.

В качестве альтернативы, всякий раз, когда рабочие условия пригодны для этого, как изолирующий слой, так и полупроводящие слои можно изготавливать из термопластичных соединений, таких как соединения на основе полипропилена.

В некоторых применениях сердечник кабеля 2 содержит по меньшей мере один слой 22 металлического экрана в радиальном наружном местоположении относительно внешнего полупроводящего слоя 17.

Следует понимать, что вышеприведенное описание сердечников 2 представляет только одну из возможных структур сердечников, содержащихся в электрическом кабеле, которые в основном могут представлять собой фазовые сердечники для передачи электроэнергии или заземления, сердечники для переноса управляющих сигналов, или сердечники, переносящие как электроэнергию, так и управляющие сигналы.

Согласно признаку изобретения, электрический кабель 1 содержит оптоволоконный тензометрический датчик 5.

Из-за того факта, что кабели для работы в тяжелом режиме в течение их срока службы подвергаются частым механическим напряжениям, Заявитель выяснил, что особо уместным является локализовать тензометрический датчик внутри кабеля таким образом, чтобы тензометрическое оптическое волокно не было повреждено при изгибе кабеля при любом радиусе кривизны не менее, чем минимальный радиус кривизны, ρ_min, который соответствует минимальному радиусу, при котором кабель может быть изогнут без получения перманентного повреждения. Изгиб кабеля вызывает удлинение в тензометрическом датчике. Было обнаружено, что тензометрический датчик, как правило, не повреждается при изгибе кабеля при радиусе кривизны не менее ρ_min, при продольном растяжении, вызванном изгибом, меньшим, чем растяжение, налагаемое на волокно при испытании растяжения, и составляющим обычно 1 или 2%.

Область кабеля, простирающаяся вдоль длины кабеля, в которой тензометрическое оптическое волокно остается неповрежденным из-за изгиба кабеля, задана как (изгибающаяся) нейтральная область кабеля. В круглых областях в плоскости поперечного сечения кабеля нейтральная область представляет собой радиальную область около нейтральной оси, которая в настоящем варианте воплощения соответствует центральной продольной оси Z.

Является предпочтительным, чтобы в пределах нейтральной области оптического кабеля тензометрический датчик испытывал удлинение, равное или меньшее чем 2%, более предпочтительно, равное или меньшее чем 1%, из-за изгиба при ρ_min.

Заявитель обнаружил, что значения ρ_min, указанные для кабелей для работы в тяжелом режиме, особенно для применений в передвижном оборудовании, могут быть относительно низкими, например, 250 мм, и, таким образом, чтобы гарантировать прочность на изгиб тензометрического датчика, нейтральная область должна находиться на относительно небольшом радиальном расстоянии от центральной продольной оси, например, не более 5 мм. Например, всегда, что касается круглых кабелей, для ρ_min=300 мм, для достижения относительного удлинения 1%, радиальное расстояние должно составлять 3 мм.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения нейтральная область расположена вдоль длины кабеля в пределах расстояния от центральной продольной оси (а именно, нейтральной оси) не более 0,02 ρ_min, а предпочтительно, не более 0,01 ρ_min.

В частности, было обнаружено, что размещение тензометрического датчика, по существу, вдоль центральной продольной оси может быть успешным, поскольку в некоторых конкретных случаях это соответствует симметрии оси радиально наружных сердечников и/или, как будет описано ниже, это может быть совместимым с упрощенным процессом изготовления кабеля.

Дополнительно к сердечникам 2 для передачи электроэнергии и/или управляющих сигналов, электрический кабель 1 содержит по меньшей мере один заземляющий проводник 7. В варианте воплощения, показанном на Фиг. 1a и 1b, кабель содержит два заземляющих проводника 7, например, в форме пучка скрученных луженых или оголенных медных электрических проводов. Особенно для применений для среднего напряжения, пучок электрических проводов заземляющих проводников может быть окружен полупроводящим слоем (не показан на фигурах). Заземляющие проводники 7 скомпонованы радиально снаружи относительно тензометрического датчика 5 и скручены вместе с сердечниками 2 вдоль продольного направления кабеля. В частности, сердечники 2 и заземляющие проводники 7 спирально закручены вокруг центральной продольной оси Z кабеля, в соответствии с традиционными способами.

В варианте воплощения, показанном на Фиг. 1a-1b, кабель 1 содержит оптоволоконный элемент 3, включающий в себя множество оптических волокон, например, от 6 до 24 волокон, для передачи управляющих сигналов, голоса, видео и других сигналов данных. Одно оптическое волокно или волоконная пара могут быть вставлены в буферную конструкцию со свободной трубкой в продольно простирающихся модулях 19, предпочтительно, изготавливают из гибкого материала, такого как полибутилентерефталат (ПБТ) или этилен-тетрафторэтилен (ЭТФЭ). В проиллюстрированном примере модули, содержащие волокна, представляют собой SZ-скрутку, спирально намотанную вокруг продольного несущего элемента 18, представляющего собой, например, стекловолокно, арамидовую нить накала или углеродное волокно. Оптоволоконный элемент 3 может быть скручен вместе с сердечниками 2 и заземляющими проводниками 7. Обычно, если конструкция кабеля позволяет, заземляющие проводники и оптоволоконный элемент могут быть скомпонованы во внешних промежутках, образованных сердечниками 2.

Сердечники 2 и, если они присутствуют, заземляющие проводники 7 и/или оптоволоконный элемент 3 вместе называются продольными структурными элементами электрического кабеля.

Деформация растяжения, претерпеваемая электрическим кабелем, передается тензометрическому датчику для измерения растяжения кабеля. Для передачи растяжения тензометрический датчик является механически конгруэнтным, по меньшей мере, с одним продольным структурным элементом в кабеле, таким образом, чтобы растяжение, претерпеваемое по меньшей мере одним продольным структурным элементом, по меньшей мере, частично, но в значительной степени, передавалось тензометрическому датчику. С этой целью, тензометрический датчик 5 внедряют в переносящий растяжение наполнитель 6, который механически связывает тензометрический датчик, по меньшей мере, с одним продольным структурным элементом электрического кабеля. Является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель механически связывал тензометрический датчик с каждым из сердечников, встроенных в электрический кабель, более предпочтительно, с каждым из скомпонованных по окружности продольных структурных элементов.

Заявитель выяснил, что соотношение между растяжением, измеренным тензометрическим датчиком, и растяжением, претерпеваемым кабелем, т.е., по меньшей мере одним продольным структурным элементом кабеля, должно быть таким, чтобы удлинение, претерпеваемое электрическим кабелем, однозначно соотносилось бы с удлинением воспринимающего оптического волокна, и, таким образом, с измеренными значениями растяжения.

Заявителю стало понятно, что для обеспечения однозначной корреляции между удлинением тензометрического датчика и удлинением электрического кабеля, контакт между переносящим растяжение наполнителем и по меньшей мере одним продольным структурным элементом не должен демонстрировать существенных потерь на скольжение, по меньшей мере, в растянутом состоянии. В большинстве случаев, представляющих интерес, фактическое отсутствие потерь на скольжение между датчиком и элементом (элементами) подразумевает их слипание, с наличием трения или сцепления между ними. Механическая связь между двумя элементами, вызывающими, по существу, одинаковую деформацию в результате отсутствия существенных потерь на скольжение между элементами, называется здесь механической конгруэнтностью.

В варианте воплощения, проиллюстрированном на Фиг. 1a-1b, геометрическая конфигурация переносящего растяжение наполнителя 6 такова, что наполнитель контактирует с множеством продольных структурных элементов, расположенных в радиально наружном местоположении относительно тензометрического датчика 5, даже когда кабель находится в, по существу, нерастянутом состоянии.

Исходя из геометрической конструкции электрического кабеля и количества продольных структурных элементов, встроенных в кабель, переносящий растяжение наполнитель 6 согласно Фиг. 1a и 1b, имеет форму, приблизительно напоминающую форму трилистника.

В целях настоящего описания, под «по существу, нерастянутым состоянием» понимают описание эталонного состояние электрического кабеля со средним эталонным растяжением в волокне тензометрического датчика, которое может соответствовать состоянию, имевшему место до извлечения кабеля из его исходного барабана, предоставленного изготовителем, например, перед его передачей на намоточную и крепежную бобину или буровую систему и систему шкива. Однако в наиболее применимых случаях эталонное состояние относится к кабелю после его установки в передвижном оборудовании, т.е., после передачи из исходного барабана, и перед использованием, то есть, до того, как он был подвергнут воздействию соответствующих нагрузок на растяжение. Предпочтительное эталонное состояние может соответствовать состоянию кабеля, закрепленного на кране, причем кран устанавливают при его максимальном растяжении, т.е. кабель развертывается на свою максимальную длину. Измерения, выполненные Заявителем, показали, что в по существу нерастянутом состоянии в кабеле, содержащем одномодовое оптическое волокно 250 мм в качестве тензометрического оптического волокна, диапазон растяжения составляет от -0,2 до 0,3%. Упомянутое растяжение кабеля может изменяться вдоль длины кабеля вследствие условий изготовления, хотя кабель с остаточным растяжением, которое, по существу, постоянно в продольном направлении, является предпочтительным, поскольку для кабеля согласно изобретению его можно легко контролировать.

По существу, нерастянутое состояние обеспечивает эталонное значение, относительно которого можно измерять растяжение кабеля, находящегося в эксплуатации. В технологии по Бриллюэну, в которой измеряют растяжение, распределенное вдоль длины кабеля, по существу, нерастянутое состояние может относиться к множеству эталонных значений, измеренных в различных местоположениях вдоль длины кабеля.

В качестве растянутого состояния следует рассматривать любое состояние, отличное от, по существу, нерастянутого состояния, заданного в настоящем документе. Напряжения растяжения в кабеле могут быть измерены как отклонения в растяжении, а именно, как приращения при удлинении кабеля или отрицательные приращения при сжатии кабеля, исходя из среднего эталонного значения.

Переносящий растяжение наполнитель 6 изготавливают из материала, обладающего упругими свойствами для того, чтобы реагировать на максимальное растяжение, для которого кабель проявляет упругие свойства, без возникновения перманентной деформации наполнителя (т.е. обратимость деформации). Материал переносящего растяжение наполнителя выбирают для достижения приемлемого вытягивания вдоль кабеля, подвергающегося удлинению, и, по существу, для восстановления из деформации, при устранении внешних растягивающих нагрузок, по меньшей мере, растягивающих нагрузок, соответствующих допустимому максимальному растяжению, выше которого имеет место перманентная и необратимая деформация кабеля.

Переносящий растяжение наполнитель 6 может быть изготовлен на основе полимерного материала, преимущественно полученного экструдированием вокруг тензометрического датчика 5. Было обнаружено, что термоотверждающиеся эластомеры, обладающие упругими свойствами в относительно большом диапазоне растяжения, например, превышающем 1%, особо пригодны для кабеля согласно изобретению. Было обнаружено, что термоотверждающиеся эластомеры успешно прилипают, с большим коэффициентом трения, к поверхностям продольных структурных элементов. Например, было замечено, что термоотверждающиеся эластомеры обеспечивают сильную адгезию с полупроводящим материалом, которые обычно окружают сердечники некоторых электрических кабелей, демонстрируя трение, не наносящее вред полупроводящей внешней поверхности сердечников. Была обнаружена надежная передача растяжения, обладающего предсказуемым или, по меньшей мере, рассчитываемым соотношением между растяжением, возникающим в продольном структурном элементе кабеля, и растяжением, измеряемым в датчике.

Преимущественно, материал переносящего растяжение наполнителя проявляет стойкость к термообработкам, которые могут иметь место в ходе изготовления кабеля, например, в ходе сушки внешней оболочки электрического кабеля, обычно осуществляемой примерно при 200°C.

Является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель содержал термоотверждающийся эластомер, поперечно сшитый посредством давления пара, облучения электронным пучком, путем погружения в соляную ванну или в силановые системы для поперечного сшивания. Как правило, является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель был изготовлен из эластомеров, обладающих модулем упругости 0,01-0,7 ГПа. Например, переносящий растяжение наполнитель выбирают из группы, состоящей из этилен-пропилен диенового каучука (ethylene/propylene/diene terpolymers, EPDM), этиленпропиленового каучука (ЭПК), нитрилбутадиенового каучука (НБК).

Хотя термоотверждающиеся эластомеры являются предпочтительными из-за их термостойкости, адгезионных свойств и большого диапазона упругости, не исключается использование и термопластичных эластомеров. Примеры термопластичных эластомеров включают в себя триблочные сополимеры стирол-диен-стирол; термопластичные полиэфирные эластомеры и термопластичные полиуретановые эластомеры; и термопластичные полиолефиновые каучуки (полиолефиновые смеси).

В некоторых вариантах воплощения переносящий растяжение наполнитель 6 может быть электропроводным.

Промежуточные области 11 заполняют полимерным наполнителем, таким как соединение на основе ЭПК. Внешнюю оплетку 14 обеспечивают, например, путем экструдирования. Для повышения стойкости электрического кабеля к механическим напряжениям, является предпочтительным, чтобы внешняя оплетка 14 была изготовлена из вулканизированного полимерного материала, предпочтительно, на основе термоотверждающегося эластомера, армированного для тяжелых условий работы, такого как полиэтилен повышенной плотности (ПЭПВ), полихлоропрен, полиуретан или соединение на основе НБК.

Необязательно, для повышения сопротивления кручению электрического кабеля обеспечена армировка 15 в форме, например, плетения или двойной спирали армирующих нитей, таких как металлические или полиэфирные нити, например, изготовленные из Kevlar® (ароматического полиамида).

Заявитель выяснил, что для обеспечения того, чтобы между оптическим волокном тензометрического датчика и продольными структурными элементами кабеля имела место передача растяжения во всем диапазоне измеряемых значений удлинений, является желательным, чтобы между слоями, окружающими оптическое волокно и механически связывающими оптическое волокно с переносящим растяжение наполнителем, существовала сильная и, по существу, однородная адгезия. Это способствует обеспечению механической конгруэнтности между оптическим волокном тензометрического датчика и переносящим растяжение наполнителем.

Фиг. 2a и 2b иллюстрируют, соответственно, частичный вид в перспективе и поперечное сечение тензометрического датчика 5, встроенного в электрический кабель по Фиг. 1a и 1b согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения. Тензометрический датчик 5 содержит оптическое волокно 9, которое по существу скомпоновано вдоль продольной оси Z, когда тензометрический датчик встроен в кабель. Волокно 9 тензометрического датчика 5 представляет собой оптическое волокно, а именно, оптическое волокно на основе кремнезема, с типичным номинальным диаметром 125 мкм, покрытое первичным покрытием, которое окружено вторичным покрытием, которое обычно липко контактирует с первичным покрытием, где первичное и вторичное покрытие образуют систему покрытий. Внешний диаметр (покрытого) оптического волокна может составлять 250 +/-10 мкм или 200 +/-10 мкм. Также можно использовать систему однослойного покрытия. Является предпочтительным, чтобы оптическое волокно 9 представляло собой одномодовое оптическое волокно, такое как передаточное волокно, удовлетворяющее рекомендациям G.652, G.653, или G.655 ITU-T (Международного союза телекоммуникаций, International Telecommunications Union, ITU, Сектор телекоммуникаций). В данном варианте воплощения тензометрическое оптическое волокно представляет собой волокно сердечника из чистого кремнезема.

Является предпочтительным, чтобы оптическое волокно тензометрического датчика обладало повышенными характеристиками изгиба, демонстрирующими низкие потери на изгиб. В некоторых вариантах воплощения оптическое волокно удовлетворяет рекомендациям G.657 ITU-T.

В целях идентификации выгодно иметь окрашенное оптическое волокно; в этом случае является предпочтительным использовать оптическое волокно с окрашенным вторичным покрытием. Можно успешно выбрать любой цвет, отличный от белого.

Заявитель обнаружил, что оптическое волокно тензометрического датчика способно выдерживать циклические удлинения вплоть до 1%, предпочтительно, до 2%, во много раз превышающие число циклов движения, которые, как предполагается, могут возникнуть в кабеле в ходе его срока службы. Следует отметить, что значение растяжения, равное 1%, является большим, чем типичные максимальные удлинения, которые электрический кабель может выдержать до его разрушения или перманентного растяжения, например, 0,5-0,7%. Система покрытий может состоять из двух различных акрилатовых материалов, подвергнутых УФ-вулканизации, с диаметром до 250 мкм. В одном варианте воплощения система покрытий стекловолокна такая же, как раскрытая в EP 1 497 686, которая, как было обнаружено, обеспечивает отсутствие повреждений в оптическом волокне, когда оно подвергается циклическим удлинениям, превышающим 2%.

В предпочтительных вариантах воплощения оптическое волокно 9 является плотно буферизированным с помощью буферного слоя 10, окружающего систему покрытия, для повышения механической защиты оптического волокна, например, от потерь на микроизгиб. Заявитель выяснил, что равномерное склеивание буферного слоя с оптическим волокном, а именно, с системой покрытий волокна, является особо важным для обеспечения механической конгруэнтности между оптическим волокном и переносящим растяжение наполнителем.

Например, буферный слой 10 экструдируют или наносят поверх волокна с покрытием 250 мкм, повышая внешний диаметр до 600-1000 мкм, при типичных значениях 800-900 мкм. Является предпочтительным, чтобы буферный слой был изготовлен из материала, обладающего упругими свойствами, которые позволяют оптическому волокну с плотным буферным покрытием выдерживать удлинения вплоть до 2% включительно.

Преимущественно, буферный слой выбирают таким образом, чтобы он склеивался с системой покрытий оптического волокна практически без оползания, соскальзывания или нарушения сцепления. Является предпочтительным, чтобы буферный слой был основан на термостойком материале, способном проявлять термостойкость, достаточную, чтобы выдержать термообработки, имеющие место при изготовлении кабеля.

Является предпочтительным, чтобы буферный слой был изготовлен из акрилатного полимера, вулканизированного облучением.

Например, плотный буфер изготавливают из акрилатного полимера, подвергнутого УФ-вулканизации, такого, какой был описан в WO 2005/035461, или из полимерной матрицы, заполненной огнезащитным наполнителем, таким, который описан в WO 2008/037291.

Между системой покрытий оптического волокна и плотным буферным слоем был обеспечен слой, обеспечивающий адгезию.

Заявитель обнаружил, что является выгодным, чтобы оптическое волокно тензометрического датчика было бы защищено от поперечных нагрузок, которые могут вызвать потери на микроизгиб и, таким образом, могут воздействовать на сдвиг бриллюэновской частоты, измеренный в волокне. Кроме того, как было описано выше, при воздействии на волокно поперечным сжатием, тензометрический датчик может обеспечить измерение деформации растяжения, которое непосредственно не соотносится с эффективным удлинением электрического кабеля. С этой целью, преимущественно, можно обеспечить защитную оболочку 8, спроектированную для повышения стойкости к поперечным сжатиям для того, чтобы окружать оптическое волокно с необязательным плотным буферным покрытием.

В круглых кабелях, таких как кабель, проиллюстрированный на Фиг. 1a и 1b, поперечные сжатия в направлениях, перпендикулярных продольному направлению кабеля, обычно возникают в направлениях радиально вовнутрь.

Заявитель обнаружил, что тензометрический датчик можно использовать в качестве натягивающего несущего элемента на этапе экструзии переносящего растяжение наполнителя в ходе процесса изготовления кабеля. С этой целью было обнаружено, что является важным, чтобы материал тензометрического датчика не размягчался в ходе процесса экструзии переносящего растяжение наполнителя, для обеспечения равномерного тягового усилия. Наличие защитной оболочки 8 и подходящего выбора материала, образующего упомянутую оболочку, может, преимущественно, придать тензометрическому датчику силу натяжения, достаточную, как для повышения стойкости к поперечному сжатию, так и для обеспечения тензометрическому датчику возможности функционировать в качестве натягивающего несущего элемента в ходе изготовления электрического кабеля.

Для обеспечения механической конгруэнтности между оптическим волокном и переносящим растяжение наполнителем, материал защитной оболочки выбирают таким образом, чтобы обеспечить сильную и относительно равномерную адгезию с, необязательно, буферизированным оптическим волокном.

В предпочтительных вариантах воплощения защитную оболочку 8 изготавливают из армированного волокном композиционного материала, в котором волокна могут представлять собой волокна из углерода, графита, бора или стекла (не оптического).

В варианте воплощения защитная оболочка 8 представляет собой полимер, армированный стекловолокном (glass-reinforced polymer, GRP), в котором полимер армирован стекловолокнами, внедренными в полимер. Было обнаружено, что относительно высокий коэффициент жесткости натяжения тензометрического датчика успешно достигается при наличии армирующих волокон, развернутых параллельно продольной оси оптического волокна, для предотвращения, таким образом, неправильного считывания поперечного сжатия как деформацию растяжения. Защитная оболочка 8 сформирована пултрузией на буферном слое 10, и находится с ним в непосредственном контакте.

Необязательно, внешняя поверхность защитной оболочки, которая окружена переносящим растяжение наполнителем, в который внедрен тензометрический датчик, содержит множество канавок или порезов, или является обработанной для образования шероховатой поверхности для того, чтобы повысить адгезию защитной оболочки с переносящим растяжение наполнителем. В качестве альтернативы, или в дополнение, на защитной оболочке, необязательно, может быть обеспечен слой, стимулирующий адгезию.

Как было описано выше, тензометрический датчик должен обладать упругой реакцией для возвращения в его исходное состояние после удаления из электрического кабеля растягивающих нагрузок, связанных с максимальным ожидаемым растяжением кабеля. Для придания тензометрическому датчику требуемой гибкости, является предпочтительным, чтобы защитная оболочка была изготовлена из материала на основе полимера, обладающего упругими свойствами. Является предпочтительным, чтобы полимер, в который внедрены армированные волокна, представлял собой поперечно сшитые смолы, в частности, подвергнутые УФ-вулканизации поперечно сшитые смолы или термоотверждающиеся поперечно сшитые смолы, которые, по существу, обеспечивают стойкость к сжатиям. Поперечно сшитые смолы могут представлять собой ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные смолы или сложные виниловые эфиры.

Было обнаружено, что для повышения гибкости тензометрического датчика является предпочтительным, чтобы толщина защитной оболочки, если она изготовлена из материала на основе полимера, составляла 500-1000 мкм. Например, защитная оболочка представляет собой слой GRP, что повышает внешний диаметр буферного оптического волокна до 1,8-2,5 мм.

Является предпочтительным, чтобы защитная оболочка, окружающая оптическое волокно датчика, предотвращала сморщивание при температурах, используемых в процессе изготовления, и, в частности, в процессе сушки некоторых компонентов кабеля, таких как внутренняя и внешняя оболочка.

Выбирают поперечно-сшитые смолы высокотемпературной марки, выдерживающие температуру сушки, например, высокотемпературный Polystal® GRP от компании «Polystal Composites GmbH».

Согласно одному аспекту, настоящее изобретение относится к тензометрическому датчику, содержащему оптическое волокно, буферный слой, плотно облегающий оптическое волокно, и защитную оболочку, окружающую буферный слой, причем буферный слой изготавливают из термостойкого материала, предпочтительно, из радиационно-вулканизированного акрилатного полимера, а защитную оболочку изготавливают из армированного волокном композиционного материала. Является предпочтительным, чтобы армированный волокном композиционный материал был армирован армирующими волокнами, внедренными в поперечно сшитую смолу. Является предпочтительным, чтобы буферный слой был изготовлен из УФ-вулканизированного акрилатного полимера.

Является предпочтительным, чтобы для того, чтобы тензометрический датчик обнаруживал также небольшие сжатия электрического кабеля, буферизированное оптическое волокно помещают в армированный волокном композиционный материал в слегка растянутом состоянии для достижения предварительного удлинения на 0,2%.

Тензометрический датчик может обнаруживать относительно большой диапазон измеряемых удлинений, в частности, от -0,2% до 1%. Поскольку могут быть измерены удлинения максимум до 1%, и считается, что макроскопическое повреждение кабеля имеет место для удлинений 0,5-0,7%, и, как правило, оно составляет менее 1%, тензометрический датчик согласно изобретению пригоден для обнаружения перманентной деформации электрического кабеля, сразу после того как было измерено максимально допустимое растяжение в местоположении кабеля.

Растяжение передается, по меньшей мере, частично от одного слоя к другому, с обеспечением, таким образом, надежного измерения удлинений кабеля в пределах относительно большого диапазона, и в свою очередь упругого возврата к, по существу, нерастянутому состоянию, при устранении растягивающих нагрузок, по меньшей мере, в диапазоне растягивающих нагрузок ниже перманентной деформации кабеля. Благодаря надлежащему отбору материалов для тензометрического датчика и переносящего растяжение наполнителя, которые обеспечивают механическую конгруэнтность между различными элементами, обеспечивается эффективная передача растяжения и известное соотношение между удлинением волокна и растяжением кабеля. Ожидается, что в некоторых случаях передача растяжения от радиально наружных продольных структурных элементов электрического кабеля к оптическому волокну тензометрического датчика находится в диапазоне 50-100%.

В вышеописанных предпочтительных вариантах воплощения тензометрический датчик содержит оптическое волокно, покрытое слоями (т.е., плотным буфером, защитной оболочкой), проявляющими упругие свойства, и внедренные в переносящий растяжение наполнитель с упругими свойствами. Однако, поскольку структура, состоящая из тензометрического датчика и переносящего растяжение наполнителя, пригодна для восстановления удлинения при обратимом упругом режиме работы кабеля, по меньшей мере один из слоев, выбранных из группы, состоящей из буферного слоя, окружающего покрытое волокно, защитная оболочка и переносящий растяжение наполнитель могут проявлять неупругие свойства и, в частности, пластичные свойства. В частности, по меньшей мере один слой может быть изготовлен из пластичного материала, а именно, из материала, обладающего способностью к деформации в ответ на механические усилия, без поломки, по меньшей мере, пока не будет превышено некоторое пороговое значение внешних сил. Заявитель понял, что упругий отклик требует, чтобы (1) была достигнута конгруэнтность слоя, изготовленного, по существу, из пластичного материала, по меньшей мере, с одним слоем, изготовленным из упругого материала, и (2) осевая жесткость слоя, изготовленного из пластичного материала, была бы меньше, чем осевая жесткость по меньшей мере одного слоя, изготовленного из упругого материала, с которым слой пластичного материала находится в контакте. Осевая жесткость, обычно измеряемая в N, является произведением модуля Юнга и площади поперечного сечения элемента слоя. Таким образом, слой, изготовленный, по существу, из пластичного материала, вытягивается вдоль упругого материала, на который он приклеен или контактирует с трением при удлинении кабеля, и оттягивается назад до его исходного местоположения посредством упругого материала, при условии достаточной силы закрепления, действующей между двумя слоями.

Например, защитная оболочка тензометрического датчика представляет собой термопластичный полимер, армированный волокном, обладающий модулем Юнга 72,400 МПа, тогда как переносящий растяжение наполнитель представляет собой термоотверждающийся эластомер, обладающий модулем Юнга 671 МПа. Площадь поперечного сечения защитной оболочки составляет 3,4 мм², а площадь поперечного сечения переносящего растяжение наполнителя составляет 75 мм², с учетом осевой жесткости 250 кН для защитной оболочки и 50 кН для переносящего растяжение наполнителя. Если термопластичный полимер, армированный волокном, обладает хорошей адгезией к переносящему растяжение наполнителю и к нижележащим слоям, таким как буферный слой, то термопластичный полимер сцепляется с переносящим растяжение наполнителем, даже если площадь его поперечного сечения намного меньше. Следует отметить, что это может быть справедливым также, если переносящий растяжение наполнитель изготовлен из термопластичного полимера, при условии, что удовлетворяются вышеуказанные условия (1) и (2), и когда слой, обладающий упругими свойствами, представляет собой буферный слой, окруженный защитной оболочкой.

В данном варианте воплощения, при допущении, что условия (1) и (2) выполняются, переносящий растяжение наполнитель выбирается из группы, состоящей из: полиэфира с модулем Юнга 1-5 ГПа, полиамида с модулем Юнга 2-4 ГПа, поливинилхлорида (ПВХ) с модулем Юнга 0,003-0,01 ГПа, полиэтилена низкой плотности с модулем Юнга 0,1-0,3 ГПа и полиэтилена высокой плотности с модулем Юнга 0,4-1,2 ГПа. Является предпочтительным, чтобы были использованы поперечно сшитые смолы.

Согласно другому варианту воплощения для обеспечения тензометрического датчика, обладающего стойкостью к поперечным нагрузкам и тянущему усилию, защитная оболочка тензометрического датчика может представлять собой металлическую трубку, окружающую буферный слой необязательно буферизированного оптического волокна (вариант воплощения, не показанный на фигурах). В этом случае металлическая трубка содержит гель или гелеобразный материал, необязательно под давлением, и пригодный для обеспечения искомой механической конгруэнтности между металлической трубкой и содержащимся в ней оптическим волокном. В предпочтительном варианте воплощения металлическую трубку изготавливают из стали.

Является предпочтительным, чтобы только один элемент из группы, состоящей из буферного слоя, окружающего покрытое волокно, защитной оболочки и переносящего растяжение наполнителя, был изготовлен из материала, обладающего пластичными свойствами.

Хотя в некоторых предпочтительных вариантах воплощения тензометрический датчик содержит буферный слой для повышения прочности и упругости тензометрического датчика, как в конструкции, показанной на Фиг. 2a и 2b, следует понимать, что тензометрический датчик может содержать оптическое волокно, покрытое системой покрытия, непосредственно окруженной защитной оболочкой.

Является предпочтительным, чтобы электрический кабель 1 содержал температурный датчик, содержащий оптическое волокно 24 для измерения внутренней температуры кабеля 1. Оптическое волокно 24 температурного датчика находится в конструкции со свободным буфером. В частности, в варианте воплощения, проиллюстрированном на фигуре, оптическое волокно 24 свободно помещено внутри модуля 19, продольно вмещающего волокно, причем модуль 19 содержит волоконно-оптический элемент 3. Продольно простирающийся модуль 19 содержит избыточную длину оптического волокна на единицу длины оптического волокна 24 трубки. Избыточная длина волокна (excess fibre length, EFL) определяется следующим соотношением:

$$EPL=\frac{L_f-L_t}{L_t}\cdot 100$$ ,

где L_f - длина оптического волокна, а L_t - длина трубки, вмещающей в себя волокно. Избыточную длину выбирают таким образом, чтобы оптоволокно оставалось свободным (т.е. нерастянутым) при максимальном растяжении, придаваемом электрическому кабелю, составляющем, например, 1%.

Является предпочтительным, чтобы оптическое волокно 24 температурного датчика представляло собой одномодовое волокно, а температуру измеряли бы путем использования технологий рассеяния по Бриллюэну. Однако использование многогодового оптического волокна может быть предусмотрено для обнаружения температуры. В последнем случае, измерение температуры можно осуществлять путем использования известных технологий на основе рамановского рассеяния. Является предпочтительным, чтобы оптическое волокно 24 было намотано по спирали относительно центральной продольной оси, простирающейся вдоль кабеля. Например, оптическое волокно 24 скручивают вокруг продольного элемента. В случае электрического кабеля, содержащего оптоволоконный элемент, содержащий более одного оптического волокна, можно наматывать друг вокруг друга два волокна вдоль продольного направления, причем одно из двух волокон можно использовать в качестве оптического волокна температурного датчика. Оптическое волокно 24, в котором отсутствуют механические напряжения, подвержено влиянию только термического расширения, и его можно использовать для контроля температуры. При измерении растяжения с использованием технологий рассеяния по Бриллюэну, тензометрическое оптическое волокно подвергается как растяжению, так и изменениям температуры. Вклад температуры можно выделить посредством оптического соединения оптического волокна 24 с тензометрическим оптическим волокном и посредством измерения изменений температур в оптическом волокне 24.

Хотя является предпочтительным, чтобы возникало механическое связывание между тензометрическим датчиком и продольными структурными элементами, также, когда электрический кабель находится в, по существу, нерастянутом состоянии, для повышения чувствительности обнаружения и разрешающей способности измерений растяжения, механическое связывание, и, в частности, механическая конгруэнтность между тензометрическим датчиком и продольными структурными элементами может иметь место, только когда по меньшей мере один из продольных структурных элементов подвергается растягивающей нагрузке и приводится в контакт с переносящим растяжение наполнителем. Например, механическое связывание возникает, когда продольные структурные элементы претерпевают растягивающие нагрузки, соответствующие удлинениям, по меньшей мере, 0,1%.

Фиг. 3 представляет собой поперечный разрез электрического кабеля согласно дополнительному варианту воплощения настоящего изобретения. Одинаковые номера элементов используются для идентификации одинаковых компонентов, обладающих одинаковыми или сходными функциями, что и элементы из Фиг. 1b. Тогда как вариант воплощения на Фиг. 1a и 1b включает в себя переносящий растяжение наполнитель, контактирующий с продольными структурными элементами кабеля, также и в отсутствие растягивающих нагрузок, в варианте воплощения, показанном на Фиг. 3, переносящий растяжение наполнитель не находится в контакте, или, по меньшей мере, находится в контакте не полностью, с поверхностью продольных структурных элементов, когда кабель находится в, по существу, нерастянутом состоянии, например, в исходном состоянии кабеля, до его установки или использования в передвижном оборудовании. В частности, электрический кабель 30 содержит тензометрический датчик 5, окруженный переносящим растяжение наполнителем 25, который, предпочтительно, непосредственно экструдируют поверх тензометрического датчика, например, как показано на Фиг. 2a и 2b, на внешнюю поверхность защитной оболочки 8. Переносящий растяжение наполнитель 25 может обладать круглым поперечным сечением. Например, защитная оболочка 25 обладает толщиной 2-7 мм. Промежуточное пространство 26 между переносящим растяжение наполнителем 25 и радиально наружными простирающимися продольными структурными элементами, а именно, сердечниками 2 и, если они присутствуют, заземляющими проводниками 7 и оптоволоконным элементом 3, может быть заполнено таким же материалом полимерного наполнителя 27, что окружает продольные структурные элементы, например, соединением на основе ЭПК.

Из-за своего размера, тензометрический датчик 5, буферизированный с помощью переносящего растяжение наполнителя 25, является относительно свободным для перемещения в промежуточном пространстве 26 между переносящим растяжение наполнителем 26 и продольными структурными элементами кабеля, причем мобильность тензометрического датчика также зависит от вязкости материала, заполняющего промежуточное пространство. При приложении силы натяжения, продольные структурные элементы стремятся сжаться радиально вовнутрь, со снижением, таким образом, радиального расстояния до продольной оси, вдоль которой скомпонован тензометрический датчик. Когда значение сил натяжения, претерпеваемых кабелем, находится выше некоторого порога, продольные структурные элементы радиально сжимаются вовнутрь и входят в контакт с переносящим растяжение наполнителем 25. Наоборот, при удлинении кабеля в любом продольном местоположения кабеля, на длину, которая ниже этого порога, оптическое волокно тензометрического датчика 5 увлекается вслед за движением кабеля с задержкой, вызванной относительно плохим сцеплением с продольными структурными элементами кабеля. Является предпочтительным, чтобы пороговое значение при действии силы растяжения составляло 0,1%.

Свойства материала переносящего растяжение наполнителя 25 таковы, как было описано выше со ссылкой на Фиг. 1 и 1b.

Фиг. 4 представляет собой поперечное сечение электрического кабеля согласно еще одному варианту воплощения настоящего изобретения. Одинаковые номера использованы для идентификации одинаковых компонентов, обладающих одинаковыми или сходными функциями, что и элементы из Фиг. 1a и 1b. Электрический кабель 40 содержит четыре продольных структурных элемента, а именно, три силовых сердечника 43 и заземляющий проводник 44, скомпонованные радиально снаружи по отношению к тензометрическому датчику 5, которые могут иметь конструкцию, описанную со ссылкой на Фиг. 2a и 2b. Силовые сердечники 43 и заземляющий проводник 44 каждый содержат проводник 45, например, в форме пучка скрученных луженых или оголенных медных электрических проводов, окруженных изолирующим полимерным слоем 46. Переносящий растяжение наполнитель 47 внедряет тензометрический датчик 5 и заполняет промежутки между тензометрическим датчиком и продольными структурными элементами. Свойства и геометрическая форма переносящего растяжение наполнителя 47 такова, что механическое связывание, и, в частности, механическая конгруэнтность между продольными структурными элементами 43 и 44 и тензометрическим датчиком 5 имеет место также и в нерастянутом состоянии кабеля.

Кабель 40 может представлять собой силовой кабель на 1 кВ, такой как кабель для применения в вертикальном наматывании. В варианте воплощения, показанном на Фиг. 4, температурный датчик 48 встроен в радиально внутреннюю область по отношению к продольным структурным элементам, и, в частности, внутри переносящего растяжение наполнителя 47. Температурный датчик 48 содержит оптическое волокно 49, которое, предпочтительно, представляет собой одномодовое оптическое волокно, свободно расположенное в продольно простирающемся модуле 41, который, предпочтительно, изготавливают из ЭТФЭ или ПБТ. Внешний диаметр модуля 41 составляет, например, 2 мм.

В качестве альтернативы, температурный датчик может быть встроен в периферийную область поперечного сечения электрического кабеля, радиально наружную по отношению к продольным структурным элементам.

Фиг. 5 представляет собой поперечный разрез электрического кабеля согласно дополнительному варианту воплощения настоящего изобретения. Проиллюстрированный кабель может представлять собой, например, низковольтный управляющий кабель для применения в намотке. Электрический кабель 50 содержит множество продольных структурных элементов, скомпонованных во множестве концентрических слоев, скрученных вокруг центрального элемента 51, действующего в качестве переносящего растяжение наполнителя для тензометрического датчика 5. Продольные структурные элементы каждого концентрического слоя закручены вокруг центрального элемента 51 и содержат управляющие сердечники 53 и пару оптоволоконных элементов 54, расположенных в самом внешнем концентрическом слое. Каждый управляющий сердечник 53 содержит медный проводник 59 из тончайшей проволоки, окруженный изолирующим полимерным слоем 58. Два оптоволоконных элемента 54 имеют форму продольно простирающегося модуля 52, содержащего по меньшей мере одно оптическое волокно 57 (три оптических волокна на фигуре), свободно расположенное в модуле. Оптическое волокно каждого из оптоволоконных элементов 54 можно использовать как температурный датчик. Полимерная внутренняя оболочка 55 окружает концентрические слои продольных структурных элементов. Внешняя оплетка 36 с внедренным армированием, таким как сплетение 35 из нитей полиэфира, окружает внутреннюю оболочку 55 и вмещает в себя кабель.

Тензометрический датчик 5 компонуют в нейтральной области кабеля, окружающей центральную продольную ось. Например, нейтральная область представляет собой радиальную область, которая простирается вдоль центральной продольной оси, с радиусом 3 мм для кабеля, имеющего ρ_min 120 мм.

В вариантах воплощения, показанных со ссылкой на Фиг. 1, 3, 4 и 5, продольные структурные элементы электрического кабеля находятся в непосредственной механической связи с переносящим растяжение наполнителем, т.е., имеет место механическая конгруэнтность между продольными структурными элементами и переносящим растяжение наполнителем, в растянутом состоянии. Полученная конструкция кабеля позволяет эффективно и быстро передавать напряжение, претерпеваемое продольными структурными элементами, такими как сердечники или заземляющие проводники, тензометрическому датчику. Быстрая реакция на колебания растяжения позволяет обнаруживать динамические растягивающие силы, возникающие, например, при резком изменении направлений наматывания или движений нагрузки/разгрузки передвижного оборудования.

Следует понимать, что электрический кабель по теории согласно настоящему изобретению позволяет обнаруживать растяжение, также, когда оно возникает в частях кабеля, не находящихся в непосредственном контакте с переносящим растяжение наполнителем, например, внутренней оболочкой кабеля или внешней оболочкой.

Кроме того, настоящее изобретение охватывает электрический кабель, содержащий множество продольных структурных элементов и тензометрический датчик, внедренный в переносящий растяжение наполнитель, в котором по меньшей мере один из продольных структурных элементов находится в непосредственной механической связи с переносящим растяжение наполнителем.

Если, по существу, постоянную растягивающую силу прикладывают к одному продольному структурному элементу кабеля в течение заданного периода времени, упомянутая сила определяет растяжение для всех продольных структурных элементов, встроенных в кабель, в зависимости от трения и упругости между элементами/слоями, которые находятся в механической связи с растянутым продольным структурным элементом, например, с элементами, которые находятся в непосредственном контакте с растянутым продольным структурным элементом, или механическая связь возникает через такой материал, как полимерная оболочка, которая отделяет другие элементы от растянутого элемента. Чем больше площадь контакта, и чем выше трение между элементами (также, в зависимости от значения растягивающей силы), тем короче часть продольной длины кабеля, требуемая для достижения однородного растяжения между продольными структурными элементами. Часть продольной длины, необходимая для получения растяжения, распределенного по всему поперечному сечению кабеля, имеет порядка пяти диаметров кабеля, что, таким образом, обычно составляет не более 20-40 см, для кабелей для работы в тяжелом режиме для передвижного оборудования. Значение растяжения, действующего в различных частях поперечного сечения кабеля, зависит от упругих свойств составляющих материалов.

В случае приложения растягивающей силы, изменяемой со временем, например, в измерениях динамического растяжения, к одному продольному структурному элементу электрического кабеля, структура кабеля, с учетом трения между элементами, сильным прилипанием между слоями, и, таким образом, подходящий выбор материалов, составляющих слои, становится очень важным.

Фиг. 6 показывает схематический поперечный разрез трехфазного электрического плоского кабеля 60, такого как для применений в системах скважинных насосов, включая два внешних сердечника 61 и 63 и центральный сердечник 62. Сердечники располагают, по существу, параллельно и смежно друг с другом, и центрируют вдоль общей оси 69a, параллельно направлению X, перпендикулярному продольной оси кабеля. Ось 69a представляет собой среднюю линию поперечного сечения кабеля в плоскости (X, Y). Оптоволоконный тензометрический датчик 5 компонуют между центральным сердечником 62 и одним из внешних сердечников, в данном случае, - внешним сердечником 61. Тензометрический датчик 5 может обладать структурой, описанной со ссылкой на Фиг. 2a и 2b. Тензометрический датчик 5 окружен переносящим растяжение наполнителем 66, который может иметь круглую форму, и он прилипает к внешней поверхности тензометрического датчика. Радиальную толщину переносящего растяжение наполнителя 66 выбирают в зависимости от бокового промежуточного пространства между боковым сердечником 61 и центральным сердечником 62 и, таким образом, чтобы обеспечить необходимую механическую стойкость. Является предпочтительным, чтобы переносящий растяжение наполнитель был механически связан и, в частности, конгруэнтен с внешней поверхностью смежных сердечников 61 и 62, когда кабель находится в, по существу, нерастянутом состоянии.

Нейтральная ось для изгиба кабеля 60 представляет собой среднюю ось 69a, которая является осью симметрии поперечного сечения кабеля вдоль оси Y. Тензометрический датчик 5 компонуют внутри нейтральной области для изгиба толщины d, заданной между двумя плоскостями 69b, параллельными средней линии 69a, и на расстоянии d/2 по оси Y от 69a. Для плоских кабелей с типичными значениями ρ_min 500 мм толщина d может изменяться в диапазоне 5-10 мм.

Плоский кабель 60 дополнительно содержит внешнюю армировку 68, скомпонованную в наружном местоположении относительно сердечников, и окружающую их продольно. Внешняя армировка 68 имеет две, по существу, плоские стороны 68a, параллельные оси X, и две противоположные боковые стороны 68b, окружающие часть двух внешних сердечников 61 и 63. Является предпочтительным, чтобы внешняя армировка 68 представляла собой ленточную армировку из стали или нержавеющей стали, или из сплава меди и никеля.

Электрический кабель 60 имеет множество промежуточных пространств 65, которые заданы пространствами между сердечниками и внешней армировкой 68. Несущие элементы 67 компонуют в промежуточных пространствах 65 в виде двух общих плоскостей, параллельных оси X. Несущие элементы 67 имеют круглое поперечное сечение и могут быть изготовлены из стали, стекла или армированных полимеров.

Свободное пространство между сердечниками и несущими элементами заполняют внутренней оболочкой 64, изготовленной, например, из минерального наполнителя, заправленного полимерным соединением, предпочтительно, экструдированного непосредственно на продольные структурные элементы плоского кабеля.

Электрические кабели согласно изобретению можно контролировать для определения растяжения, распределенного вдоль кабеля, с использованием технологий рассеяния по Бриллюэну, например, бриллюэновского оптического рефлектометра во временной области (Brillouin optical time domain reflectometer, BOTDR), бриллюэновского оптического анализа во временной области (Brillouin time domain analysis, BOTDA) и бриллюэновского оптического рефлектометра в частотной области (Brillouin optical frequency domain reflectometer, BOFDR). Согласно в основном известным измерительным технологиям, первый оптический сигнал (зондирующий сигнал), генерируемый первым лазерным излучателем, запускают в первый конец оптического волокна тензометрического датчика, встроенного в электрический кабель, и одновременно, второй оптический сигнал (сигнал накачки), генерируемый вторым лазерным излучателем, или тем же первым лазерным излучателем, запускают во второй конец оптического волокна тензометрического датчика, противоположный первому концу. Первый оптический сигнал действует непрерывно, а именно, представляет собой сигнал незатухающей волны (continuous wave, CW), тогда как второй оптический сигнал является импульсным. Обратный оптический сигнал, рассеянный от первого конца оптического волокна, измеряют с помощью схемы обнаружения. Когда разница между оптическими частотами оптических сигналов CV является большей, чем разница частот импульсных оптических сигналов, на величину, равную бриллюэновскому сдвигу частоты в некоторой точке в волокне, импульсный сигнал усиливается за счет бриллюэновского взаимодействия, и сигнал CW претерпевает потери. Бриллюэновский сдвиг частоты чувствителен как к растяжению, так и к температуре. Технологии рассеяния по Бриллюэну обладают тем преимуществом, что они представляют собой распределенные технологии восприятия, что таким образом позволяет осуществлять контроль в реальном времени фактического профиля распределения растяжения по длине кабеля.

Рассеяние по Бриллюэну можно использовать для измерения одновременных измерений как температуры, так и растяжения вдоль длины оптического волокна тензометрического датчика, с помощью прибора для выборочного исследования, который отображает спектры бриллюэновского рассеяния путем сканирования сдвига частоты двух лазерных источников, и аппроксимации пика бриллюэновского рассеяния для получения информации о температуре и растяжении. Такой анализ можно осуществлять с помощью устройства BOTDR промышленного типа, такого как датчик Foresigh™, реализуемый компанией OZ Optics Ltd. В данном применении температурный датчик, скомпонованный в местоположении кабеля, отдельном от тензометрического датчика, не является необходимым для восприятия температуры.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения контроль растяжения и температуры осуществляют путем отделения вклада температуры от вклада растяжения в измеренный оптический сигнал и путем использования второго оптического волокна в свободной буферной конструкции для измерения температуры, как было описано в некоторых из вышеописанных вариантах воплощения электрического кабеля.

Фиг. 7 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую принципы работы системы контроля, в которой использованы технологии обратного рассеяния по Бриллюэну, такие как BOTDR, для измерения изменений растяжения и температуры по длине электрического кабеля. Прибор 70 для выборочного исследования используют для введения оптических сигналов в электрический кабель 73 и для анализа рассеянного оптического сигнала, полученного от кабеля. Например, прибор для выборочного исследования может представлять собой систему DITEST-DSM, серийно выпускаемую компанией Omnisens SA. Электрический кабель содержит тензометрический датчик, содержащий оптическое волокно 71, простирающееся вдоль продольного направления кабеля Z, и температурное (датчик) оптическое волокно 72 (на фигуре схематически представлены только тензометрические и температурные волокна). Тензометрический датчик, содержащий тензометрическое оптическое волокно 71, механически связан, по меньшей мере, с одним продольным структурным элементом кабеля 73 таким образом, чтобы можно было бы передавать растяжение, по меньшей мере, от одного продольного структурного элемента к тензометрическому датчику, тогда как оптическое волокно 72 для восприятия температуры встраивают в кабель в свободной конфигурации. Электрический кабель 73 и, в частности, компоновка оптических волокон 71 и 72 внутри кабеля могут обладать такой структурой, как любая из описанных структур в вышеприведенных вариантах воплощения. Тензометрическое оптическое волокно 71 расположено в продольной нейтральной изгибающейся области кабеля и обладает механической конгруэнтностью, по меньшей мере, с одним из продольных структурных элементов кабеля, тогда как температурное оптическое волокно 72 скомпоновано в свободной буферной конструкции для того, чтобы на него не оказывало влияния растяжение, прилагаемое к кабелю. Прибор 70 для выборочного исследования запускает оптический сигнал накачки из первого вывода 78 в секцию 74 оптического кабеля, соединенную с ближайшим концом тензометрического оптического волокна 71. Одновременно, зондирующий оптический сигнал запускают из второго оптического выхода 79 в секцию 75 оптического кабеля, соединенную с ближайшим концом температурного оптического волокна 72. Термины «ближайший» и «удаленный» для концов волокна так названы по отношению к прибору для выборочного исследования, или, по меньшей мере, к оптическому соединению с прибором для выборочного исследования. Однако такие термины должны указывать лишь относительное местоположение, и/или они используются для облегчения описания чертежей, но их не следует истолковывать как имеющие абсолютное значение. Непостоянное соединение между секциями 74 и 75 кабеля измерительного устройства 70 и соответствующими оптическими волокнами 71 и 72 может быть создано стандартными способами, например, через оптический соединитель 77. По меньшей мере один из тензометрического и температурного оптических волокон 71 и 72, и предпочтительно, оба волокна обладали длиной, простирающейся за ближайший и удаленный концы кабеля 73. На концах оптических волокон, ближайших к прибору 70 для выборочного исследования, это облегчает соединение с устройством. Удаленные концы, противоположные ближайшим концам оптических волокон, выступающих из кабеля, соединяют друг с другом для получения волоконного контура с двумя вводными/выводными концами только на одном (т.е., ближайшем конце) конце кабеля. На удаленных концах два волокна могут быть соединены вместе посредством сращивания сплавлением в устройстве 76 для сращивания согласно стандартным способам.

Оптический сигнал обратного рассеяния по Бриллюэну, существующий в волокне 72, воспринимающем температуру, попадает в прибор 70 для выборочного исследования, и может быть обработан для определения колебаний растяжения и температуры вдоль кабеля. С учетом того, что волоконный контур содержит тензометрическое оптическое волокно 71 и температурное волокно 72, местоположение, в котором измеренные растяжения и температуры скомпонованы вдоль волоконного контура, и, таким образом, находятся в каждом из двух воспринимающих волокон, можно определять по времени пролета импульса до распространения вниз и назад по волоконному контуру. Оптоволоконный контур можно калибровать с использованием известных технологий, например, с использованием технологий OTDR, для выяснения местоположения соединителей и/или оптических соединений в волоконном контуре и, таким образом, для определения местоположения и длины температурных и тензометрических оптических волокон в контуре волокна.

Тензометрическое оптическое волокно 71 подвержено воздействию как изменений растяжения, так и температуры, тогда как температурное оптическое волокно 72, находящееся в свободной конфигурации в структуре кабеля, подвержено воздействию только температуры. Вычитая вклад температуры по секции волоконного контура, соответствующей оптическому волокну 72, встроенному в кабель, можно определить вклад в бриллюэновский сдвиг частоты, вызванный только растяжением.

В данном варианте воплощения на удаленном по отношению к прибору для выборочного исследования конце температурного оптического волокна можно установить зеркало, а в ближайший конец температурного оптического волокна можно запустить как оптический сигнал накачки, так и зондирующий сигнал. Такое решение (не показанное на фигурах) не требует наличия волоконного контура между тензометрическими и температурными оптическими волокнами для измерения.

Корреляцию между растяжением в тензометрическом оптическом волокне и растяжением в электрическом кабеле, включающем в себя тензометрическое оптическое волокно, изготовитель может определить, используя приспособление для калибровки растяжения, которое способно налагать известную величину продольного удлинения на кабель. Посредством технологии рассеяния по Бриллюэну, оптическое волокно анализируют для определения удлинения в волокне по кабелю в исходном местоположении и для того, чтобы подвергать его удлинению на известную величину. Например, значение (ΔL/L)_cable в 1% соответствует значению (ΔL/L)_fibre в 0,75%, что означает, что 75% растяжения передаются от кабеля к волокну, когда кабель подвергается равномерному и «статическому» удлинению.

Заявитель обнаружил, что затраты на прибор для выборочного исследования по Бриллюэну, особенно, если требуются высокочувствительные измерения в широком диапазоне, относительно высоки, и поэтому было бы выгодным обеспечение системы контроля множества электрических кабелей для того, чтобы снизить общую стоимость.

Заявитель дополнительно отметил, что контроль в реальном времени кабелей, работающих в тяжелом режиме, может позволить записывать динамические события, которые создают пики упругого растяжения, которые могут повредить кабель из-за усталости.

Фиг. 8 представляет собой схематическую иллюстрацию системы контроля множества кабелей для работы в тяжелом режиме в области перемещений грузов, таких как контейнерный терминал в порту. Контейнерный терминал представляет собой портовое оборудование, как правило, покрывающее широкую область, на которой хранятся контейнеры (не показаны на фигуре), которые должны быть загружены для кораблей, или которые должны быть собраны в порту. Множество кранов 82 для работы в тяжелом режиме перемещаются по выбранной области терминала для подъема и переноса контейнеров, при электроснабжении и управлении кранов со станции 81 электроснабжения. Краны 82 для работы в тяжелом режиме могут представлять собой портальные краны, закрепленные на паре рельсов 90a и 90b, установленных на территориях порта позади верфи, которая обозначена на фигуре заштрихованной областью 91, где работают портовые краны для загрузки и разгрузки кораблей. Контейнеры (не показаны) складывают штабелями в несколько рядов в пределах пространства между рельсами, где их можно поднимать и перемещать посредством портальных кранов, перемещающихся назад и вперед горизонтально, по направлению, указанному двойной стрелкой 92. Фиг. 9 представляет собой вид сбоку портального крана из множества, взятый, например, по линии C-C на Фиг. 8. Поддерживающая структура портального крана 82 содержит мостик с двумя подвесными рельсами 93a и 93b (не видны на Фиг. 9), по которым лебедочная тележка 83 перемещается перпендикулярно движению крана. В соответствии со стандартными конструкциями, лебедочная тележка 83 имеет лебедочную систему (не показана) для подъема контейнеров.

На обоих концах рельсов могут быть обеспечены концевые стопоры 88 для предотвращения движения крана за концы рельсов.

Каждый портальный кран 82 снабжается электроэнергией по соответствующему электрическому кабелю 86, который может представлять собой стандартный силовой кабель, соединяющий станцию 81 электроснабжения с энергоблоком 89 крана. Кабель 85 для работы в тяжелом режиме соединяют с энергоблоком 89 кабеля для приема электроэнергии, поступающей с соответствующего электрического кабеля 86, и для подачи электроэнергии для различных функций (движение, размещение, их контроль, и т.д.) крана 82. В дополнение, кабели для работы в тяжелом режиме принимают электрические и/или оптические сигналы управления/данных. Хотя энергоблоки кранов показаны размещенными вблизи конца рельсов, ближайшего к станции электроснабжения, возможны и другие местоположения энергоблока крана, например, в среднем местоположении наряду с рельсами, по отношению к длине рельсов.

Кабель 85 для работы в тяжелом режиме наматывают вокруг бобины 84, закрепленной на боковой стороне структуры крана. Кабельная бобина 84 может быть моторизована таким образом, чтобы можно было осуществлять вращение бобины в обоих направлениях. Проведение кабеля к энергоблоку крана можно обеспечить посредством устройства проведения 96 (видимого на Фиг. 9), в варианте воплощения по фигуре, содержащем два боковых, противоположно скомпонованных отклоняющих направляющих ролика. У каждого кабеля 85 один конец закреплен на соответствующем энергоблоке 89 крана, а противоположный конец закреплен на кабельной бобине 84, обычно в ее центре, называемом подающим центром. Кабели 85 для работы в тяжелом режиме затем ограничивают на обоих концах, когда имеют место прерывистые, и часто внезапные фазы намотки или размотки кабеля вокруг бобины, во время быстрых сдвиговых горизонтальных движений крана. Часто ускорение и замедление крана не возникает одновременно с намоткой или размоткой кабеля, что, таким образом, приводит к повторяющимся всплескам удлинения кабеля.

В варианте воплощения кабели для работы в тяжелом режиме обладают структурой типа, описанной применительно к Фиг. 1a и 1b. В других вариантах воплощения кабели для работы в тяжелом режиме обладают любой из структур, описанных применительно к Фиг. 1a-1b, 3, 4 и 5.

Обратимся снова к Фиг. 8 и 9, где каждый кабель 85 для работы в тяжелом режиме содержит тензометрический датчик и температурный датчик. Тензометрический датчик содержит оптическое волокно, механически связанное, и, в частности, механически конгруэнтное, по меньшей мере, с продольным структурным элементом кабеля, тогда как температурный датчик содержит оптическое волокно, встроенное в кабель в свободной конфигурации. По меньшей мере, оптическое волокно тензометрического датчика и, предпочтительно, также и оптическое волокно температурного датчика, являются одномодовым оптическим волокном. Является предпочтительным, чтобы тензометрические и температурные оптические волокна являлись оптическими волокнами для дальней связи.

Каждый из кабелей 86 электропитания, подающих электроэнергию на кабели 85 для работы в тяжелом режиме, содержит встроенный оптоволоконный элемент, включающий в себя по меньшей мере два оптических волокна, предпочтительно, скомпонованные в свободной буферной конструкции вдоль подающего кабеля. Конец каждого оптического волокна подающего кабеля 86 оптически соединен с прибором для выборочного исследования по Бриллюэну (не показанным на Фиг. 8 и 9), тогда как противоположный конец оптически соединен с соответствующим концом тензометрического и температурного оптического волокна, содержащегося в кабеле 84 для работы в тяжелом режиме. Оптическое соединение может быть осуществлено в энергоблоке посредством стандартных средств. Поэтому кабели 85 для работы в тяжелом режиме могут принимать электроэнергию и оптические сигналы для бриллюэновского анализа от соответствующих подающих кабелей 86. Прибор для выборочного исследования по Бриллюэну может быть помещен в станцию 81 электроснабжения. Лишь для ясности, следует указать, что на Фиг. 8 и 9 подающие кабели 86 показаны лежащими выше земли. Следует понимать, что подающие кабели могут достичь подающего блока кабеля, при их проведении под землей (как представлено пунктирными линиями на Фиг. 9).

Фиг. 10 представляет собой принципиальную схему, иллюстрирующую принципы действия системы контроля для управления растяжением и, предпочтительно, температурой множества кабелей для работы в тяжелом режиме, закрепленных на передвижном оборудовании согласно варианту воплощения. Каждый из множества подающих кабелей 103, 105, 107 и 109 содержит первое и второе подающее оптическое волокно, соответственно, 118a и 118b, 119a и 119b, 120a и 120b, и 121a и 121b. Подающие кабели 103, 105, 107 и 109 подают электроэнергию и, предпочтительно, управляющие сигналы на соответствующие кабели для работы в тяжелом режиме 104, 106, 108 и 110, причем каждый кабель для работы в тяжелом режиме содержит оптическое волокно 112a тензометрического датчика и оптическое волокно 112b температурного датчика. Первые подающие оптические волокна 118a, 119a, 120a и 121a оптически соединены с тензометрическим оптическим волокном 112a соответствующего кабеля 104, 106, 108 и 110 для работы в тяжелом режиме. Вторые подающие оптические волокна 118b, 119b, 120b и 121b оптически соединены с температурным оптическим волокном 112b соответствующего кабеля 104, 106, 108 и 110 для работы в тяжелом режиме. Оптическое соединение подающих оптических волокон подающих кабелей с тензометрическими и температурными оптическими волокнами кабелей для работы в тяжелом режиме может быть достигнуто путем сращивания сплавлением. Концы тензометрических и температурных оптических волокон 112a и 112b каждого кабеля для работы в тяжелом режиме, удаленные от соответствующего подающего кабеля, соединены друг с другом (указанно с помощью точки o присоединения устройства, например, устройства для сращивания 113), для создания волоконного контура по кабелю для работы в тяжелом режиме и подающему кабелю. В варианте воплощения, показанном на Фиг. 8 и 9, удаленные концы тензометрического и температурного оптического волокна находятся в конце кабеля для работы в тяжелом режиме, входящего в контакт с бобиной крана, например, в подающем центре бобины.

Прибор 100 для выборочного исследования по Бриллюэну испускает первый оптический сигнал (сигнал накачки) из оптического порта 101 ввода/вывода и второй оптический сигнал (зондирующий сигнал) из оптического порта 102 ввода/вывода. Из оптических портов 101 и 102 ввода/вывода сигналы запускают в соответствующую первую и вторую оптоволоконную секцию 111 и 114. Первая оптическая секция 111 оптически соединена с первым подающим оптическим волокном 118a подающего кабеля 103, которое принимает сигнал накачки, тогда как вторая волоконная секция 114 оптически соединена со вторым подающим оптическим волокном 121b последнего подающего кабеля 109, которое принимает зондирующий сигнал. Второе подающее волокно 118b первого подающего кабеля 103 оптически соединено с первым подающим волокном 119a второго подающего кабеля 104; второе подающее волокно 119b второго подающего кабеля 104 оптически соединено с первым подающим волокном 120a третьего подающего кабеля 105, а второе подающее волокно 120b третьего подающего кабеля 105 оптически соединено с первым подающим волокном 121a второго подающего кабеля 107. Таким образом, образуется волоконный контур, имеющий в качестве открытого оптического ввода/вывода один конец, ближайший к первому подающему волокну 118a первого подающего кабеля 103, и один конец (ближайший конец) второго подающего волокна 121b четвертого подающего кабеля 109. Обратимся теперь к чертежам, где термины «ближайший» и «удаленный» можно использовать со ссылкой на прибор для выборочного исследования, или, по меньшей мере, на оптическое соединение с прибором для выборочного исследования. Однако такие термины должны означать только относительное местоположение и/или использоваться для облегчения описания, но они не должны рассматриваться как имеющие абсолютное значение. Оптическое соединение концов оптическим волокон двух различных подающих кабелей или одного конца оптического волокна подающего кабеля с волоконной секцией, оптически соединенной с прибором для выборочного исследования, может быть реализовано с помощью стандартных соединительных устройств, которые не указаны на фигуре.

Количество кабелей для работы в тяжелом режиме, соединенных с прибором для выборочного исследования по Бриллюэну, показанным на Фиг. 10, равно четырем. Однако следует понимать, что это количество может быть различным, в зависимости от оптических потерь, вызванных ослаблением волокна и длиной волокна, потерями на сращивание сплавлением, потерями на механическое сращивание, по сравнению с динамикой механизма по Бриллюэну. Например, вплоть до 10 кабелей для работы в тяжелом режиме, установленных в соответствующих кранах, могут быть измерены в одном волоконном контуре.

Является предпочтительным, чтобы подающие оптические волокна представляли собой одномодовые оптические волокна для дальней связь.

Первый и второй оптические сигналы являются противоположно распространяющимися оптическими сигналами, которые при подходящей амплитуде и частоте генерируют сигнал обратного рассеяния по Бриллюэну, который анализируют прибором 100 для выборочного исследования. Зная волоконные длины волокон в подающих кабелях и в кабелях для работы в тяжелом режиме, образующих волоконный контур, например, в результате калибровки конфигурации кабелей в контуре, можно связать изменение растяжения с местоположением вдоль волоконного контура, и, таким образом, контролировать растяжение, приложенное к каждому кабелю для работы в тяжелом режиме, оптически соединенному с прибором для выборочного исследования.

Согласно аспекту настоящего изобретения система контроля для контроля мониторинга электрических кабелей и, в частности, множества кабелей для работы в тяжелом режиме, содержащих: прибор для выборочного исследования для измерения спектральных изменений рассеянного света по Бриллюэну, содержащий первый и второй порт оптического ввода/вывода, причем первый порт ввода/вывода способен испускать первый оптический сигнал, а второй порт ввода/вывода способен испускать второй оптический сигнал, и множество кабелей для работы в тяжелом режиме включает в себя первый и последний кабель для работы в тяжелом режиме, где каждый кабель из множества содержит тензометрический датчик, включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, и температурный датчик, включающий в себя температурное оптическое волокно, причем тензометрический и температурный датчики простираются продольно вдоль соответствующего кабеля, при этом тензометрическое оптическое волокно и температурное оптическое волокно имеют ближайшие концы и удаленные концы, причем ближайшие концы расположены у ближайшего конца соответствующего электрического кабеля, причем: удаленные концы тензометрического оптического волокна и температурного оптического волокна каждого кабеля для работы в тяжелом режиме оптически соединены друг с другом, причем ближайший конец тензометрического оптического волокна первого кабеля для работы в тяжелом режиме находится в оптической связи с первым вводом/выводом прибора для выборочного исследования, и температурное оптическое волокно последнего электрического кабеля находится в оптической связи со вторым портом ввода/вывода прибора для выборочного исследования, и ближайший конец температурного оптического волокна первого кабеля для работы в тяжелом режиме оптически соединен с ближайшим концом тензометрического оптического волокна последнего кабеля для работы в тяжелом режиме, таким образом, чтобы был образован оптоволоконный контур, в котором тензометрическое оптическое волокно и температурное оптическое волокно каждого кабеля для работы в тяжелом режиме из множества находятся в оптической связи как с первым, так и со вторым портом ввода/вывода прибора для выборочного исследования, и первый и второй оптические сигналы попадают в оптоволоконный контур по противоположным направлениям.

Заявитель обнаружил, что серийно выпускаемые приборы для выборочного исследования по Бриллюэну могут быть пригодными для измерения растяжения и температуры оптического волокна длиной до 20 км. Когда краны размещены на большой площади, и разнесены друг от друга на значительное расстояние в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению прохождения кранов, в частности может быть неэффективным то, чтобы их соединяли с одной и той же станцией электроснабжения, вмещающей прибор для выборочного исследования, сильно удаленный от кранов. Кроме того, обычно было бы выгодным использовать уже существующую конфигурацию кабелей от станций электроснабжения до кранов.

Фиг. 11 иллюстрирует систему контроля множества кабелей для работы в тяжелом режиме в области для передвижений грузов, таких как контейнерный терминал в порту, согласно дополнительному варианту воплощения настоящего изобретения. Одинаковые числа используют для идентификации одинаковых компонентов, обладающих одинаковыми или сходными функциями для элементов Фиг. 8. Станция 125 электроснабжения подает электроэнергию и управляющие сигналы на первую группу кранов 130, тогда как станция 128 электроснабжения на вторую группу кранов 131. Каждая из станций электроснабжения вмещает в себя прибор для выборочного исследования по Бриллюэну (не показан), который оптически соединен с одним из подающих кабелей другой станции электроснабжения посредством оптического кабеля 129, содержащего два оптических волокна, которые, предпочтительно, являются одномодовыми оптическими волокнами. Количество кранов в каждой группе является лишь примерным, несмотря на то, что обычно их количество может варьироваться от 3 до 6.

Возможная оптическая конфигурация системы контроля Фиг. 11 проиллюстрирована на принципиальной схеме на Фиг. 12. Каждый из первой группы подающих кабелей 145, 149, 150 и 152 содержит первое и второе подающее оптическое волокно, которые оптически соединены с соответствующими тензометрическими и температурными оптическими волокнами соответствующих кабелей 146, 147, 148 и 151 для работы в тяжелом режиме, с использованием известных способов, например, посредством оптического соединителя 167. Первая группа подающих кабелей принимает электроэнергию от первой станции электроснабжения. Каждый из второй группы подающих кабелей 158, 159 и 160 содержит первое и второе подающее оптическое волокно, которые оптически соединены с соответствующим тензометрическим оптическим волокном и температурным оптическим волокном соответствующих кабелей 155, 156 и 157 для работы в тяжелом режиме. Вторая группа подающих кабелей принимает электроэнергию от второй станции электроснабжения (не показана на Фиг. 12). Два оптических порта 163 и 164 ввода/вывода прибора 143 для выборочного исследования по Бриллюэну оптически соединены с соответствующим портом 165 и 166 ввода оптического переключателя 140. Порт 163 ввода/вывода испускает первый оптический сигнал (сигнал накачки), тогда как порт 164 ввода/вывода испускает второй оптический сигнал (зондирующий сигнал). Применительно к Фиг. 11, прибор 143 для выборочного исследования и оптический переключатель 140 могут быть помещены, например, в первую станцию 125 электроснабжения. Оптический переключатель 140 является подходящим для разделения и направления полученного первого оптического сигнала на два порта 141 и 161 ввода/вывода, и полученного второго оптического сигнала на два порта 142 и 162 ввода/вывода. Оптический переключатель 140 может быть стандартного типа, например, оптический переключатель с одномодовым волокном 1×2, или 1×4, или 1×8.

Удаленные концы тензометрических и температурных оптических волокон каждого кабеля для работы в тяжелом режиме первой группы оптически соединяют друг с другом (например, посредством соединителя 113), для образования первого волоконного контура, имеющего в качестве первого открытого конца конец первого подающего волокна первого подающего кабеля 145, а в качестве второго открытого конца - конец второго подающего волокна четвертого подающего кабеля 152. Порт 141 ввода/вывода оптического переключателя оптически соединяют с ближайшим концом первого оптического волокна первого подающего кабеля 145 через волоконную секцию 111, тогда как порт 142 ввода/вывода оптического переключателя оптически соединяют с ближайшим концом второго оптического волокна четвертого (последнего) подающего кабеля 152 через волоконную секцию 114.

Первый оптический сигнал (сигнал накачки), испускаемый из порта 141 вывода, запускают в первое подающее волокно подающего кабеля 145, тогда как второй оптический сигнал (зондирующий сигнал) запускают во второе оптическое волокно подающего кабеля 152. Первый оптический сигнал попадает в одно подающее волокно первого подающего кабеля 145 первой группы, проходит по волоконному контуру, т.е. он распространяется по всем волокнам подающих кабелей и кабелей для работы в тяжелом режиме первой группы, и выходит из волокна последнего подающего кабеля 152. Второй оптический сигнал, испускаемый из порта 142 ввода/вывода, является противоположно распространяющимся по отношению к первому оптическому сигналу, проходящему по волоконному контуру в противоположном направлении. Сигнал обратного рассеяния по Бриллюэну, выходящий из второго оптического волокна подающего кабеля 152, попадает в оптический переключатель 140 и анализируется прибором 143 для выборочного исследования.

Аналогично, удаленные концы каждого из кабелей 155, 156 и 157 для работы в тяжелом режиме второй группы оптически соединяют друг с другом для образования второго волоконного контура с двумя открытыми оптическими концами, а именно, первого оптического волокна подающего кабеля 158 и второго оптического волокна подающего кабеля 160. Внутри волоконного контура ближайший конец второго оптического волокна первого подающего кабеля 158 оптически соединяют с первым оптическим волокном второго подающего кабеля 159, и аналогично, ближайший конец второго оптического волокна второго подающего кабеля 159 оптически соединяют с первым оптическим волокном третьего подающего кабеля 160. Порты 161 и 162 ввода/вывода оптического переключателя 140 оптически соединяют с соответствующими первым и вторым соединительными оптическими волокнами соединительного оптического кабеля 144, который имеет первый конец, ближайший к оптическому переключателю, 140 и второй конец, удаленный по отношению к оптическому переключателю. На удаленном конце оптического кабеля 144, противоположном ближайшим концам, первое и второе соединительное оптическое волокно оптически соединены с первым оптическим волокном подающего кабеля 158 и со вторым оптическим волокном подающего кабеля 160. Таким образом, вторая группа кабелей для работы в тяжелом режиме принимает два дискретных оптических сигнала из соединительного кабеля 144, причем оптические сигналы, испускаемые из устройства 143, попадают в оптический переключатель 140 и посредством оптического переключателя 140 направляются в соединительный кабель 144. Сигнал обратного рассеяния по Бриллюэну, генерируемый в кабелях для работы в тяжелом режиме второй группы, подают назад в соединительный оптический кабель 144 и посредством оптического переключателя 140 направляют в порты 165 и 166 ввода/вывода и, таким образом, в прибор 143 для выборочного исследования.

Вариант воплощения, описанный применительно к Фиг. 11 и 12, успешно позволяет дополнительно снижать затраты на систему контроля.

Несмотря на то, что в вышеописанных вариантах воплощения описаны подающие кабели, которые должны быть снабжены оптоволоконным элементом, включающим в себя по меньшей мере два оптических волокна, поскольку это может представлять собой случай стандартного силового кабеля, пригодного для транспортировки оптических данных и/или управляющих сигналов, настоящее изобретение охватывает систему кабелей питания, содержащую кабель подачи питания и оптический кабель, содержащий по меньшей мере два оптических волокна. В данном случае, оптический кабель может проходить рядом с кабелем подачи питания и быть оптически соединенным с тензометрическим и температурным оптическими волокнами кабелей для работы в тяжелом режиме.

Настоящее изобретение может найти применение в системе контроля, в которой прибор для выборочного исследования оптически соединен непосредственно с множеством кабелей для работы в тяжелом режиме, снабженных оптоволоконным тензометрическим датчиком и, предпочтительно, оптоволоконным температурным датчиком. Иными словами, как правило, волоконный контур системы контроля не нуждается в наличии подающих кабелей в качестве промежуточных элементов подачи питания/управления для кабелей для работы в тяжелом режиме, особенно, если множество электрических кабелей, подлежащих контролю, не распределено по обширной области, такой, как портовый контейнерный терминал.

Электрический кабель, содержащий тензометрический датчик, продольно простирающийся вдоль кабеля и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, установленное в изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось электрического кабеля, и по меньшей мере два продольных структурных элемента, по меньшей мере где по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник, содержащий электрический проводник, в котором тензометрический датчик встроен в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий по меньшей мере один из по меньшей мере двух продольных структурных элемента с тензометрическим датчиком. С помощью раскрытой конструкции кабеля растяжение, претерпеваемое по меньшей мере одним из по меньшей мере двух продольных структурных элементов, можно передавать тензометрическому датчику, по меньшей мере, в растянутом состоянии. В предпочтительных вариантах воплощения электрический кабель представляет собой кабель для работы в тяжелом режиме. Изобретение также относится к способу для контроля растяжения, и, предпочтительно, также и температуры электрического кабеля. Кроме того, изобретение направлено на создание системы контроля деформаций для измерения, по меньшей мере, деформации растяжения нескольких электрических кабелей, и, в частности, нескольких кабелей для работы в тяжелом режиме. 4 н. и 26 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Электрический кабель (1; 30; 40; 50; 60), содержащий:
- тензометрический датчик (5), продольно простирающийся вдоль кабеля и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно (9), скомпонованное в изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось (Z; 69a) электрического кабеля, и
по меньшей мере два продольных структурных элемента (2; 7; 3; 43; 44; 53; 54; 61; 62; 63), по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник (2; 43; 53), содержащий электрический проводник (12; 45; 59),
причем тензометрический датчик (5) встроен в переносящий растяжение наполнитель (6; 25; 47; 51; 66), механически связывающий по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов с тензометрическим датчиком (5), по меньшей мере, в растянутом состоянии.

2. Кабель по п.1, в котором переносящий растяжение наполнитель содержит эластомер с модулем Юнга 0,01-0,7 ГПа.

3. Кабель по п.1, в котором переносящий растяжение наполнитель основан на термореактивном эластомере.

4. Кабель по п.1, в котором тензометрический датчик содержит защитную оболочку (8), окружающую тензометрическое оптическое волокно (9), и в котором переносящий растяжение наполнитель окружает защитную оболочку и конгруэнтен с ней.

5. Кабель по п.4, в котором защитная оболочка основана на армированном волокном композиционном материале.

6. Кабель по п.4, в котором тензометрический датчик дополнительно содержит плотный буферный слой (10), окружающий тензометрическое оптическое волокно и конгруэнтный с тензометрическим оптическим волокном (9) и защитной оболочкой (8).

7. Кабель по п.6, в котором плотный буферный слой основан на радиационно-отверждаемом акрилатном полимере.

8. Кабель по п.1, в котором тензометрическое оптическое волокно (9) представляет собой одномодовое оптическое волокно, покрытое системой покрытий.

9. Кабель по п.1, в котором электрический кабель обладает, по существу, круглым поперечным сечением и тензометрический датчик расположен по центру относительно упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов.

10. Кабель по п.9, в котором переносящий растяжение наполнитель механически связывает тензометрический датчик с упомянутыми по меньшей мере двумя продольными структурными элементами.

11. Кабель по п.1, в котором переносящий растяжение наполнитель механически связывает тензометрический датчик с упомянутым по меньшей мере одним продольным структурным элементом также в, по существу, нерастянутом состоянии.

12. Кабель по п.9, в котором электрический кабель обладает предварительно заданным минимально допустимым радиусом кривизны ρ_min, а нейтральная область простирается радиально от центральной продольной оси не более, чем на 0,02 ρ_min.

13. Кабель по п.1, дополнительно содержащий температурное оптическое волокно (24; 49; 57) для восприятия температуры, простирающееся вдоль длины кабеля и заключенное в продольно простирающемся модуле (19; 41; 52) в свободной конструкции.

14. Кабель по п.13, в котором продольно простирающийся модуль содержится в оптоволоконном элементе (3), встроенном в кабель в местоположении радиально снаружи от тензометрического датчика.

15. Кабель по п.1, в котором тензометрический датчик содержит:
- плотный буферный слой (10), окружающий тензометрическое оптическое волокно, и
- защитную оболочку (8), заключающую плотный буферный слой, причем переносящий растяжение наполнитель окружает защитную оболочку и конгруэнтен с ней,
в котором по меньшей мере один первый элемент, выбранный из группы, состоящей из плотного буферного слоя, защитной оболочки и переносящего растяжение наполнителя, изготовлен из материала, упругого в диапазоне растяжения, в котором кабель обладает упругими свойствами, и по меньшей мере один второй элемент из упомянутой группы изготовлен из пластичного материала, и в котором по меньшей мере один второй элемент, изготовленный из пластичного материала, находится в контакте с упомянутым по меньшей мере одним первым элементом, изготовленным из упругого материала, и обладает осевой жесткостью меньшей, чем осевая жесткость упомянутого по меньшей мере одного первого элемента, изготовленного из упругого материала.

16. Кабель по п.15, в котором упомянутый по меньшей мере один второй элемент, изготовленный из пластичного материала, содержит переносящий растяжение наполнитель, изготовленный из материала, выбранного в группе, состоящей из полиэстера с модулем Юнга 1-5 ГПа, полиамида с модулем Юнга 2-4 ГПа, поливинилхлорида с модулем Юнга 0,003-0,01 ГПа, полиэтилена низкой плотности с модулем Юнга 0,1-0,3 ГПа, и полиэтилена высокой плотности с модулем Юнга 0,4-1,2 ГПа.

17. Кабель по п.15, в котором плотный буферный слой основан на радиационно-отверждаемом акрилатном полимере.

18. Кабель по п.15, в котором упомянутый по меньшей мере один первый элемент, изготовленный из упругого материала, содержит защитную оболочку.

19. Способ контроля деформаций для измерения, по меньшей мере, деформации растяжения по меньшей мере одного электрического кабеля, причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают по меньшей мере один электрический кабель, включающий в себя тензометрический датчик (5), продольно простирающийся вдоль кабеля и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно (9), скомпонованное в изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось (Z; 69a) электрического кабеля, и по меньшей мере два продольных структурных элемента (2; 7; 3; 43; 44; 53; 54; 61; 62; 63), по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник (2; 43; 53), содержащий электрический проводник (12; 45; 59), в котором тензометрический датчик механически связан с по меньшей мере одним из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов и конгруэнтен с ним, по меньшей мере, в растянутом состоянии;
- вводят первый оптический сигнал в тензометрическое оптическое волокно;
- обнаруживают рассеянный по Бриллюэну свет, испускаемый из тензометрического оптического волокна, и
- анализируют спектральные изменения в рассеянном свете для измерения, по меньшей мере, деформации растяжения упомянутого по меньшей мере одного электрического кабеля.

20. Способ по п.19, в котором по меньшей мере один электрический кабель дополнительно содержит температурное оптическое волокно (24; 49; 57) для восприятия температуры, простирающееся вдоль длины кабеля и заключенное в продольно простирающемся модуле (19; 41; 52) в свободной конструкции, и температурное оптическое волокно оптически соединено с тензометрическим оптическим волокном, причем способ дополнительно содержит этап, на котором вводят второй оптический сигнал в температурное оптическое волокно в противоположном распространению направлении по отношению к первому оптическому сигналу.

21. Система контроля деформаций для измерения, по меньшей мере, деформации растяжения по меньшей мере одного электрического кабеля, содержащая:
- электрический кабель, содержащий тензометрический датчик, продольно простирающийся вдоль кабеля, и включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, имеющее ближайший и удаленный концы, скомпонованные в изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось электрического кабеля и, по меньшей мере два продольных структурных элемента, по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник, содержащий электрический проводник, в котором тензометрический датчик механически связан с по меньшей мере одним из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов и конгруэнтен с ним, по меньшей мере, в растянутом состоянии, и
- прибор выборочного исследования для измерения спектральных изменений рассеянного по Бриллюэну света в тензометрическом оптическом волокне, причем прибор выборочного исследования оптически соединен с, по меньшей мере, ближайшим концом тензометрического оптического волокна для введения света в тензометрическое оптическое волокно.

22. Система контроля деформаций для измерения, по меньшей мере, деформации растяжения множества электрических кабелей, содержащая:
- прибор выборочного исследования для измерения спектральных изменений рассеянного по Бриллюэну света, содержащий первый и второй оптический порт ввода/вывода, причем первый порт ввода/вывода способен испускать первый оптический сигнал, а второй порт ввода/вывода способен испускать второй оптический сигнал, и
- первое множество электрических кабелей, включающих в себя первый и последний электрический кабель, причем каждый кабель из множества содержит тензометрический датчик, включающий в себя тензометрическое оптическое волокно, и температурный датчик, включающий в себя температурное оптическое волокно, причем тензометрический и температурный датчики простираются продольно вдоль соответствующего кабеля, причем тензометрическое оптическое волокно и температурное оптическое волокно имеют ближайшие концы и удаленные концы, причем ближайшие концы расположены у ближайшего конца соответствующего электрического кабеля, при этом:
- удаленные концы тензометрического оптического волокна и температурного оптического волокна каждого электрического кабеля оптически соединены друг с другом,
- ближайший конец тензометрического оптического волокна первого электрического кабеля первого множества находится в оптической связи с первым портом ввода/вывода прибора выборочного исследования, и температурное оптическое волокно последнего электрического кабеля первого множества находится в оптической связи со вторым портом ввода/вывода прибора выборочного исследования, и
- ближайший конец температурного оптического волокна первого электрического кабеля оптически соединен с ближайшим концом тензометрического оптического волокна последнего электрического кабеля для того, чтобы сформировать оптоволоконный контур, в котором тензометрическое оптическое волокно и температурное оптическое волокно каждого электрического кабеля из множества находятся в оптической связи как с первым, так и со вторым портами ввода/вывода прибора выборочного исследования, и первый и второй оптические сигналы входят в оптоволоконный контур в противоположных направлениях.

23. Система по п.22, в которой каждый электрический кабель из первого множества электрических кабелей представляет собой кабель для работы в тяжелом режиме, содержащий по меньшей мере два продольных структурных элемента, по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов представляет собой сердечник, включающий в себя электрический проводник, причем тензометрическое оптическое волокно каждого кабеля для работы в тяжелом режиме скомпоновано в изгибающейся нейтральной области, окружающей и включающей в себя изгибающуюся нейтральную продольную ось кабеля, и
в которой тензометрический датчик механически связан с по меньшей мере одним из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов.

24. Система по п.23, в которой тензометрический датчик каждого кабеля для работы в тяжелом режиме встроен в переносящий растяжение наполнитель, механически связывающий по меньшей мере один из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов с тензометрическим датчиком таким образом, чтобы растяжение, претерпеваемое упомянутым по меньшей мере одним из упомянутых по меньшей мере двух продольных структурных элементов, передавалось тензометрическому датчику, по меньшей мере, в растянутом состоянии.

25. Система по п.22, в которой температурный датчик каждого из первого множества электрических кабелей простирается вдоль длины кабеля, и заключен в продольно простирающийся элемент в свободной конструкции.

26. Система по п.24, в которой тензометрический датчик каждого кабеля для работы в тяжелом режиме содержит защитную оболочку, окружающую тензометрическое оптическое волокно, и в которой переносящий растяжение наполнитель окружает защитную оболочку и конгруэнтен с ней.

27. Система по п.22, дополнительно содержащая первое множество подающих кабелей, включающих в себя первый и последний подающий кабель, причем каждый подающий кабель из множества оптически соединен с соответствующим электрическим кабелем первого множества электрических кабелей, причем первый подающий кабель оптически соединен с первым электрическим кабелем, и последний подающий кабель оптически соединен с последним электрическим кабелем, причем:
- каждый подающий кабель первого множества включает в себя первое подающее оптическое волокно и второе подающее оптическое волокно, причем каждое из первого и второго подающего оптического волокна содержит ближайший конец и удаленный конец,
- удаленные концы первого и второго подающего оптического волокна соответственно оптически соединены с тензометрическим и температурным оптическим волокном соответствующего электрического кабеля, и
- тензометрическое оптическое волокно первого электрического кабеля находится в оптической связи с первым портом ввода/вывода прибора выборочного исследования посредством соединения ближайшего конца первого подающего оптического волокна первого подающего кабеля с первым портом ввода/вывода прибора выборочного исследования и посредством соединения ближайшего конца второго подающего оптического волокна последнего подающего кабеля со вторым портом ввода/вывода измерительного устройства.

28. Система по п.27, в которой каждый подающий кабель первого множества представляет собой электрический кабель, первое и второе подающее оптическое волокно встроено в кабель в свободной конструкции, и каждый подающий кабель электрически соединен с соответствующим кабелем для работы в тяжелом режиме на конце кабеля для работы в тяжелом режиме, где имеет место оптическое соединение.

29. Система по п.22, в которой каждый электрический кабель первого множества электрических кабелей установлен на соответствующем передвижном оборудовании.

30. Система по п.29, в которой передвижное оборудование представляет собой кран, содержащий опорную структуру и бобину, установленную с возможностью вращения на опорной структуре, на которую/с которой соответствующий электрический кабель можно наматывать и разматывать, и соответствующий электрический кабель зацеплен своим удаленным концом на бобине.