Способ определения долговечности оптических волокон Российский патент 2021 года по МПК G01M11/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям оптических волокон, более конкретно, к способу определения долговечности оптических волокон.

Уровень техники

Известен способ определения надежности оптического волокна, раскрытый в Техническом отчете Международной электротехнической комиссии IEC TR 62048 “Optical fibres – Reliability – Power law theory”. В данном известном способе оптическое волокно рассматривается в виде простой кварцевой нити, т.е. не учитывается наличие защитных покрытий, которые оказывают существенное влияние на характеристики волокна, как в положительном, так и отрицательном плане. Это является существенным недостатком известного способа. Следующим серьезным недостатком этого известного способа является то, что определение долговечности осуществляется только с точки зрения механической прочности, в то время как с точки зрения эксплуатации в составе оптического кабеля и обеспечения работоспособности систем передачи информации в качестве критерия отказа определяющим являются оптические потери (коэффициент затухания), который в известном способе не учитывается.

Сущность изобретения

Изобретение решает задачу повышения точности ускоренной оценки долговечности оптического волокна.

Изобретением обеспечиваются следующие технические результаты: повышение точности определения долговечности (срока службы) оптического волокна при сокращении времени испытаний.

Указанные технические результаты достигаются тем, что способ определения долговечности оптического волокна состоит в том, что

- отбирают для испытаний образцы оптических волокон из одной партии;

- часть образцов подвергают испытанию по определению усталостной прочности оптических волокон, и, если значение параметра усталостной прочности, определенное в процессе испытаний, составляет не менее 20, то переходят к последующим испытаниям оставшихся образцов;

- часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при различных значениях повышенной температуры и определяют значение времени, при котором усилие снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов достигнут критических значений или зависимость указанных параметров от времени выдержки для каждого значения температуры;

- другую часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при отрицательной температуре и определяют значение времени, при котором усилие снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов достигнут критических значений или зависимость указанных параметров от времени выдержки при отрицательной температуре;

- в случае, если в процессе выдерживания при различных значениях температуры параметры усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания оптических волокон достигли критических значений, то полученные при испытаниях значения времени до достижения таких критических значений используют для построения зависимости срока службы от температуры;

- если в процессе выдерживания при различных значениях температуры параметры усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания оптических волокон не достигли критических значений, полученные в результате испытаний зависимости значений указанных контролируемых параметров от времени выдержки экстраполируют до значений, соответствующих предельно допустимому значению для каждого упомянутого параметра;

- полученные в результате экстраполяции значения времени до достижения критических значений контролируемых параметров используют для построения зависимости срока службы от температуры;

- из полученной зависимости определяют долговечность оптического волокна при каждом значении температуры.

Указанные технические результаты достигаются также тем, что часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при следующих средних значениях температуры 85^оС, 95^оС, 100 ^оС и 110^оС.

Указанные технические результаты достигаются также тем, что часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при среднем значении отрицательной температуры минус 60 ^оС.

Указанные технические результаты достигаются также тем, что время выдерживания образцов при повышенной температуре составляет не менее 2000 часов, а при отрицательной не менее 500 часов.

Отличительной особенностью изобретения является то, что срок эксплуатации оптического волокна (долговечность) определяют расчетно-экспериментальным методом путем установления зависимости параметров-критериев годности от времени выдержки образцов при повышенной и пониженной температурах эксплуатации.

Осуществление изобретения

Основным функциональным элементом оптического кабеля является оптическое волокно, состоящее из кварцевого световода с защитным покрытием (покрытиями), по которому осуществляется передача сигнала. Необратимое увеличение затухания сигнала сверх установленных в нормативной документации значений считается предельным состоянием оптического кабеля и приводит к отказам системы, в которой он применяется. Таким образом, надежность оптического волокна определяет надежность всей системы передачи информации. Поэтому оценка параметров надежности оптического волокна на стадии его разработки, освоения производства или в случае внесения изменений в технологию изготовления очень важна.

Оценку соответствия оптического волокна требованию к сроку службы проводят в настоящем изобретении расчетно-экспериментальным методом путем определения зависимости параметров-критериев годности от времени выдержки при повышенной и пониженной температурах эксплуатации.

Учитывая общеизвестный факт, что существует зависимость параметров оптического волокна от температуры (в частности уменьшение продолжительности времени эксплуатации в результате термического старения материалов), которую можно описать некой функцией, для выявления такой зависимости проводят испытания при различных значениях температуры среды, выбранных таким образом, чтобы в максимально сжатые сроки определить значение времени, при котором усилие снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов достигнут критических значений или выявить тенденцию изменений параметров-критериев годности от времени.

Температурным испытаниям целесообразно подвергать только те изделия, которые прошли приемосдаточные испытания, в том числе проверку перемоткой с натяжением не менее 0,69 ГПа по ГОСТ Р МЭК 60793-1-30.

Способ определения долговечности оптического волокна состоит в том, что отбирают для испытаний образцы оптических волокон из одной партии. Для определения коэффициента затухания рекомендуемая длина образцов составляет не менее 1000м. Образцы, для контроля усилия снятия покрытия и разрывной прочности формируют в виде бухт диаметром не более 60 мм и не менее 45 мм.

Из образцов формируют испытательные группы, одну из которых подвергают испытанию по определению усталостной прочности оптических волокон по ГОСТ Р МЭК 60793-1-33, и, если значение параметра усталостной прочности, определенное в процессе испытаний, составляет не менее 20, то переходят к последующим испытаниям оставшихся образцов. Оставшиеся группы образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при различных значениях повышенной температуры, например, при следующих средних значениях 85°С, 95°С 100°С и 110°С, или пониженной температуры со средним значением минус 60°С, с допустимым отклонением от указанных значений в обе стороны не более пяти градусов. Далее определяют значения времени, при котором усилие снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов достигнут критических значений или зависимость указанных параметров от времени выдержки для каждого значения температуры. Среднее время выдержки (в часах) для построения зависимостей целесообразно выбрать из следующего ряда: для повышенных температур - 500, 750, 1000, 1250, 1500, 1750 и 2000; для пониженной температуры - 100, 200, 300, 400, и 500. Отклонение от указанных средних значений выдержки целесообразно выбрать не более 5 часов в обе стороны. Общее время выдерживания образцов для выявления зависимости коэффициента затухания от времени при повышенной температуре составляет не менее 2000 часов, а при отрицательной не менее 500 часов.

Контроль коэффициента затухания в оптических волокнах проводят методом обратного рассеяния в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60793-1-40. Длину волны оптического излучения, на которой проводят измерение коэффициента затухания, устанавливают в соответствии с рабочей длиной волны, указанной в нормативных документах. У одномодовых оптических волокон измерения проводят на всех рабочих длинах волн, установленных в нормативных документах, из перечня 1310, 1550 и 1625 нм. У многомодовых оптических волокон измерения проводят на длине волны 1300 нм.

Контроль усилия снятия защитного покрытия с оптических волокон проводят по ГОСТ Р МЭК 60793-1-32. Длина снятия защитного покрытия составляет 30+5 мм, скорость движения зажимов 500 мм/мин. Нормальным считается усилие снятия защитного покрытия, если его значение находится в диапазонах, Н:

- среднее — 1,0—5,0,

- пиковое — 1,0—8,9.

Контроль разрывной прочности проводят по ГОСТ Р МЭК 60793-1-31-2010. При этом нагружаемая часть образца должна быть не менее 0,5 м. Нормальным считается значение разрывной прочности не менее 3,8 ГПа.

В случае, если в процессе выдерживания при различных значениях температуры параметры усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания оптических волокон достигли критических значений, то полученные при испытаниях значения времени до достижения таких критических значений используют для построения зависимости срока службы от температуры.

Если в процессе выдерживания при различных значениях температуры параметры усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания оптических волокон не достигли критических значений, полученные в результате испытаний зависимости значений указанных контролируемых параметров от времени выдержки экстраполируют до значений, соответствующих предельно допустимому значению для каждого упомянутого параметра.

Полученные в результате экстраполяции значения времени до достижения критических значений контролируемых параметров (долговечность) используют для построения зависимости долговечности (срока службы) от температуры.

Полученные зависимости долговечности (срока службы) t_кр от температуры Т аппроксимируют некоторой функцией t_кр = F(T)
с учетом среднеквадратического отклонения у, рассчитанного в соответствии с (1).

Выбирать аппроксимирующую функцию t_кр = F(T) можно таким образом, чтобы коэффициент детерминации R², определяемый в соответствии с (2), был не менее 0,9.

(1)

(2)

где б_i – значение параметра-критерия годности по результатам испытаний i-го образца;

б_i(t) – значение параметра-критерия годности, полученное при аппроксимации i-го образца;

N – количество измерений;

t_i – значение t_кр, полученное при аппроксимации i-го образца;

t_i(T) – значение t_кр, в выявленной i-й зависимости

M_t – математическое ожидание.

С помощью полученных зависимостей определяют для любой требуемой рабочей температуры продолжительность эксплуатации оптического волокна до перехода в предельное состояние (долговечность).

Пример осуществления изобретения.

Образцы, у которых после выдержки при повышенной температуре определяют разрывную прочность и усилие снятия покрытия формируют в виде бухт диаметром не более 60 мм и иметь длину не менее 10 м каждый. Количество образцов, подвергаемых воздействию повышенной или пониженной температуры и дальнейшим механическим испытаниям, должно быть не менее 21 для каждого значения повышенной температуры и не менее 15 для пониженной температуры. С целью исключения влияния на аппроксимирующую функцию изменения затухания за счет перепада температур за начальную точку зависимости коэффициента затухания от времени выдержки принимают значение, измеренное после двух часов выдержки образца при заданной температуре.

Для испытаний формируют восемь групп образцов оптического волокна

Группу 1 составляют из 15 образцов длиной не менее 5 м каждый.

Образцы этой группы подвергают испытанию по определению усталостной прочности оптических волокон по ГОСТ Р МЭК 60793-1-33, и, если значение параметра усталостной прочности, определенное в процессе испытаний, составляет не менее 20, то переходят к последующим испытаниям оставшихся образцов.

Группы 2 и 3 составляют из образцов длиной не менее 10 м каждый, сформированных в виде бухт диаметром не более 60 мм и не менее 45 мм. Количество образцов должно быть не менее:

- в группе 2 — 84;

- в группе 3 — 15.

Группы 4 - 8 составляют из образцов оптического волокна длиной не менее 1000 м, намотанных на поставочную катушку или сформированных в виде бухт с внутренним диаметром не менее
250 мм. Количество испытываемых образцов в составе групп 4 - 8 определяют в зависимости от требуемой вероятности г, установленных в НД, в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 Количество испытуемых образцов в зависимости от вероятности г

Вероятность, г, % Количество испытуемых образцов
n_o шт. 90 — 96 3 97 — 98 4 99 10 99,5 20

Испытания проводят при температурах 85, 95, 100 и 110°С, если максимальная повышенная температура эксплуатации, установленная в документации на оптическое волокно составляет 85°С.

Испытанию при воздействии повышенной температуры окружающей среды по ГОСТ 20.57.406 (метод 201-1) подвергают образцы группы 2 и групп с 5 по 8.

Образцы группы 2 делят по подгруппам, подвергаемым воздействию одной из указанных температур. Образцы каждой подгруппы помещают в климатическую камеру, устанавливают в камере соответствующую температуру и выдерживают при этой температуре, последовательно вынимая по 3 образца из камеры через 500, 750, 1000, 1250, 1500, 1750 и 2000 часов от момента достижения в камере термического равновесия. У подвергнутых таким образом воздействию повышенной температуры образцов проверяют внешний вид и оптическую целостность, после чего определяют усилие снятия покрытия и разрывную прочность. Если измеренные средние значения указанных параметров не выходят за пределы указанных нормальных значений, с помощью полученных при испытаниях средних значений строят графики зависимости усилия снятия покрытия и разрывной прочности от времени выдержки. Должно быть получено 4 графика для усилия снятия покрытия и разрывной прочности - по одному для каждого значения температуры испытаний. Если среднее значение какого-либо контролируемого параметра вышло за пределы «нормального» в определенное значение времени испытаний, фиксируют это значение времени для дальнейшего его использования при построении зависимости срока службы от температуры.

Образцы групп с 5 по 8 помещают в климатическую камеру, при этом их концы выводят наружу. Устанавливают соответствующую температуру и выдерживают образцы при этой температуре в течение 2000 часов, осуществляя контроль коэффициента затухания с периодичностью (48+4) часа. С помощью полученных при испытаниях средних значений строят график зависимости коэффициента затухания от времени выдержки. Должно быть получено 4 графика - по одному для каждого значения температуры испытаний. Если значение измеренного коэффициента затухания вышло за пределы «нормального» (установленного в нормативной документации на испытуемое оптическое волокно) в определенное значение времени испытаний, фиксируют это значение времени для дальнейшего его использования при построении зависимости срока службы от температуры.

Полученные зависимости параметров - критериев годности можно экстраполировать до достижения предельно допустимых значений параметров, установленных в нормативной документации испытуемой партии оптического волокна, определив значение времени до достижения предельно допустимых значений.

Полученные в результате такой экстраполяции или в процессе испытаний значения времени до достижения предельно допустимых значений при разных температурах испытаний используют для построения зависимости долговечности (срока службы) оптического волокна от температуры.

Отличительной особенностью изобретения является использование комбинированного расчетно-экспериментального способа определения долговечности для повышения точности оценки при сокращении срока проведения испытаний. При этом способ позволяет проводить оценку долговечности по нескольким основным функциональным и эксплуатационным параметрам. С помощью получаемых расчетно-экспериментальных зависимостей определяют для любой требуемой рабочей температуры продолжительность эксплуатации оптического волокна до перехода в предельное состояние (до отказа).

Способ определения долговечности оптического волокна состоит в том, что отбирают для испытаний образцы оптических волокон из одной партии. Часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при различных значениях повышенной температуры и определяют зависимость усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов от времени выдержки для каждого значения температуры. Другую часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при отрицательной температуре и определяют зависимость усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов от времени выдержки при отрицательной температуре. Полученные зависимости экстраполируют до значений, соответствующих предельно допустимому значению для каждого упомянутого параметра, получают зависимость долговечности оптического волокна от температуры и с помощью аппроксимирующей функции определяют долговечность оптического волокна при каждом значении температуры. Технический результат - повышение точности определения долговечности оптического волокна при сокращении времени испытаний. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения долговечности оптического волокна, состоящий в том, что

- отбирают для испытаний образцы оптических волокон из одной партии;

- часть образцов подвергают испытанию по определению усталостной прочности оптических волокон, и если значение параметра усталостной прочности, определенное в процессе испытаний, составляет не менее 20, то переходят к последующим испытаниям оставшихся образцов;

- часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при различных значениях повышенной температуры и определяют значения времени, при которых усилие снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов достигнут критических значений или зависимость усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов от времени выдержки для каждого значения температуры;

- другую часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при отрицательной температуре и определяют зависимость усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания образцов от времени выдержки при отрицательной температуре;

- полученные зависимости значений усилия снятия покрытия, разрывной прочности и коэффициента затухания оптического волокна от времени выдержки экстраполируют до значений, соответствующих предельно допустимому (критическому) значению для каждого упомянутого параметра;

- полученные в результате такой экстраполяции или непосредственно в процессе испытаний значения времени до достижения критических значений при разных температурах испытаний используют для построения зависимости долговечности оптического волокна (времени до необратимого отказа) от температуры;

- с помощью соответствующей аппроксимирующей функции определяют долговечность оптического волокна при каждом значении температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при следующих средних значениях температуры 85°С, 95°С, 100°С и 110°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть образцов подвергают выдерживанию в климатической камере при среднем значении отрицательной температуры минус 60°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время выдерживания образцов при повышенной температуре составляет не менее 2000 часов, а при отрицательной не менее 500 часов.