Кабель оптический миниатюрный для эксплуатации в условиях нестационарной прокладки Российский патент 2024 года по МПК G02B6/44 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кабельной технике, а именно к конструкциям оптических миниатюрных кабелей, предназначенных для стационарной и нестационарной прокладки (в режиме неоднократных прокладок-снятий).

Уровень техники

В качестве наиболее близкого аналога по совокупности признаков выбран кабель оптический бортовой радиационностойкий, содержащий оптические волокна, в плотном буферном покрытии из УФ-отверждаемой полиакрилатной смолы, упрочняющие арамидные нити и полимерную оболочку из термоэластопласта, наложенную с плотным обжатием. (Патент на полезную модель № RU 192307 U1).

Недостатком известного кабеля является значительно больший относительно предлагаемого диаметр, меньшая стойкость к механическим воздействиям, способность работать только в условиях стационарной прокладки на объекте, худшая технологичность.

Сущность изобретения

Решаемая изобретением задача заключается в создании оптического кабеля малого диаметра с высокими механическими характеристиками, способного эксплуатироваться в условиях нестационарной прокладки в том числе при низкой отрицательной температуре, простого в изготовлении (технологичного).

Достигаемый изобретением технический результат заключается в обеспечении требуемых оптических характеристик в широком температурном диапазоне и механических характеристик (стойкости к многократным изгибам малого радиуса и многократным перемоткам, в том числе при отрицательной температуре ниже минус 40°С, многократным осевым закручиваниям, растяжению и раздавливающим нагрузкам) при минимальном диаметре и технологичности конструкции. Кроме того, использование в конструкции вторичного защитного покрытия в виде трубки из экструзионного полимерного материала, взамен буферного слоя из дорогостоящего и ограничено доступного на рынке УФ-отверждаемого полиакриалата, нанесение которого осуществляется на узкоспециальном оборудовании, значительно упрощает производство кабеля и улучшает его технико-экономических показатели.

Указанный технический результат достигается тем, что кабель оптический миниатюрный содержит от 1 до 3 оптических волокон, свободно размещенных в трубке (таким образом, чтобы длина оптического волокна была больше, чем длина трубки) из полимерного экструзионного материала, выбираемого из группы: полибутилентерефталат; поликарбонат или комбинации этих материалов с другими материалами (двухслойная трубка), например, поликарбоната с полипропиленом; при этом трубка должна быть заполнена гидрофобным гелем, не ухудшающим свойства оптического волокна и материала трубки, предназначенным для эксплуатации в диапазоне температур, установленном для описываемого миниатюрного оптического кабеля (например, марок Lunectra ОС-393-02 или Unigel 500N); упрочняющие нити, выбранные из группы: арамидная, углеродная, базальтовая или стеклонить; защитную оболочку из полимерного материала, выбираемого из группы: термоэластопласт, термопластичный полиуретан, композиция пониженной пожарной опасности, не содержащая галогенов.

Указанный технический результат достигается также тем, что защитная оболочка накладывается поверх упрочняющих нитей с плотным обжатием, обеспечивая одновременную работу всех элементов конструкции при воздействии растягивающей нагрузки и препятствуя смещению (по сечению) упрочняющих нитей.

Перечень фигур чертежей

На Фиг. 1 показан поперечный разрез (пример) миниатюрного кабеля в варианте с двумя оптическими волокнами.

Осуществление изобретения

Оптический кабель для нестационарной прокладки, под которой понимаются многократные прокладки кабеля и его последующие сматывания обратно на катушку или барабан, должен обладать минимальным диаметром и массой для обеспечения мобильности и легкости прокладки даже в труднодоступных местах, где нет возможности использовать механизированные средства. При этом он должен осуществлять передачу информации с высокой скоростью и низкими потерями в условиях жестких внешних воздействий. Оптические волокна, являющиеся основными функциональными элементами оптического кабеля, по которым осуществляется передача информации, должны быть защищены от внешних воздействий различными элементами конструкции кабеля.

Кабель оптический миниатюрный для эксплуатации в условиях нестационарной прокладки содержит оптические волокна 1, свободно (с избытком) размещенные в трубке 2, заполненной специальным гидрофобным гелем 3; упрочняющие нити 4, общую защитную оболочку из полимерного материала 5.

Технология изготовления кабеля включает операции по изготовлению оптического модуля (трубки 2, заполненной гидрофобным гелем 3, с размещенными в ней оптическими волокнами 1), наложению полимерной оболочки 5 с одновременным размещением под ней нитей 4. Изготовление оптического модуля и наложение полимерной оболочки производится с помощью экструзионных линий, являющихся типовым оборудованием кабельного производства.

Материал оболочки обеспечивает стойкость кабеля к воздействию озона, диоксида азота, соляного (морского) тумана, дезактивирующих растворов, бензина и дизельного топлива и солнечного излучения.

Требуемая избыточная длина оптических волокон относительно длины полимерной трубки, в которой они расположены, определяется исходя из следующего неравенства, учитывающего тот факт, что избыточная длина должна быть достаточной, чтобы оптическое волокно не подвергалось деформации в результате воздействия растягивающих нагрузок и теплового расширения конструкции кабеля при воздействии повышенной температуры (термоупругая деформация ), но при этом минимальной с точки зрения обеспечения стойкости к изгибам и охлаждению (когда термоупругая деформация имеет отрицательное значение):

>, (1)

при этом тепловая (термоупругая) деформация трубки с оптическом волокном вдоль ее оси определяется, исходя из перепада температур и температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов конструкции α_i выражением:

, где ,

- продольная жесткость элемента конструкции (слоя материала);

E_i - модуль упругости материала i-го слоя при растяжении-сжатии вдоль оси кабеля,

F_i - площадь сечения слоя материала;

а продольная деформация при действии заданной растягивающей нагрузки Q на кабель:

= ;

≈W/2 - критический избыток оптических волокон в трубке, при котором появляются дополнительные оптические потери за счет макроизгибов ОВ, либо напряжения изгиба в волокне превышают допустимые значения и приводят к снижению его длительной прочности;

W - зазор между стенкой трубки и расположенными в ней оптическими волокнами, который зависит от внутреннего диаметра трубки и количества расположенных в ней оптических волокон.

Указанный технический результат достигается тем, что толщина стенки трубки, в которой размещается оптическое волокно, должна быть не более 0,3 мм и не менее 0,2 мм.

Характеристики кабеля оптического миниатюрного для эксплуатации в условиях нестационарной прокладки не хуже следующих:

- наружный диаметр - не более 2 мм;

- стойкость к воздействию температур при эксплуатации в диапазоне от минус 65° до 90°С;

- стойкость к воздействию статической растягивающей нагрузки не менее 150 Н;

- стойкость к воздействию многократных изгибов (не менее 50) с радиусом, менее 15 диаметров кабеля, в том числе при отрицательной температуре минус 50°С;

- стойкость к воздействию многократных перемоток (не менее 100), в том числе при отрицательной температуре минус 50°С;

- стойкость к воздействию 50 циклов осевых закручиваний на угол ±360° на длине 1 м;

- стойкость к воздействию раздавливающей нагрузки не менее 500 Н/10 см;

- стойкость к синусоидальной вибрации, механическим ударам, линейному ускорению и т.п.;

- стойкость к воздействию солнечного излучения;

- стойкость к воздействию озона, диоксида азота;

- стойкость к воздействию соляного тумана;

- стойкость к воздействию дезактивирующих растворов при температуре 60°С.

Устройство работает следующим образом.

Изготавливают оптический кабель, характеризующийся признаками независимого пункта формулы изобретения, и обеспечивают его прокладку с последующей смоткой на катушку или барабан. Кабель может прокладываться и сматываться несколько раз.

В процессе эксплуатации кабеля наружная оболочка обеспечивает защиту от воздействия влаги и других агрессивных воздействий внешней среды таких как озон, диоксид азота, соляной (морской) туман, дезактивирующие растворы, разные виды нефтепродуктов и т.п. Для защиты оптических волокон от растяжения применяются упрочняющие нити, которые принимают на себя основную часть растягивающей нагрузки. Количество нитей в конструкции выбирается исходя из требуемого значения стойкости к растягивающей нагрузке и максимально допустимого диаметра кабеля. Для максимально эффективного противостояния растяжению упрочняющие нити должны быть проложены прямолинейно с одинаковым натяжением, чтобы работать одновременно. Для обеспечения равномерного распределения нитей по сечению кабеля вокруг трубки с оптическим волокном и для предотвращения перемещения нитей внутри конструкции в результате внешних воздействий, они должны быть плотно прижаты к трубке наружной оболочкой.

Для обеспечения защиты оптических волокон от воздействия влаги, а также для предотвращения продольного распространения воды вдоль оси кабеля, предотвращения неблагоприятных последствий в результате трения волокон друг о друга и стенку трубки, а также повышения стойкости к раздавливанию трубку с размещенными в ней оптическими волокнами заполняют гидрофобным гелем. При этом толщина стенки трубки должна быть не меньше 0,2 мм, чтобы обеспечить ее прочность при всех эксплуатационных воздействиях, но менее 0,3 мм, чтобы не превысить допустимые размеры кабеля.

В ряде случаев лучшему предотвращению перемещения нитей может обеспечить их прокладка в конструкции в виде обмотки (или двухслойной обмотки в виде встречных повивов) вокруг полимерной трубки с оптическими волокнами. Но такой вариант расположения нитей несколько снижает стойкость кабеля к растяжению, т.к. при воздействии растяжения нить вначале стремится к распрямлению, а только потом начинает противостоять растягивающей нагрузке. Кроме того, повив нитей, распрямляясь под воздействием растягивающей нагрузки, может оказывать сдавливающее и режущее действие на трубку. Поэтому в случае применения нитей в виде обмотки, обмотка должна осуществляться с большим шагом. Учитывая, что упрочняющие нити, как и другие конструкционные материалы, при воздействии растягивающей нагрузки удлиняются, для предотвращения деформации оптического волокна вследствие растяжения его размещают в защитной трубке с некоторой избыточной длиной относительно длины трубки и кабеля в целом. Таким образом, в тот момент, когда конструктивные элементы кабеля растягиваются, оптические волокна в трубке распрямляются. Однако, такая избыточная длина ограничена не только требованиями к наружному диаметру кабеля, а как следствие, трубки с оптическим волокном, но и требованиями к оптическим характеристикам и необходимостью обеспечения стойкости к изгибам и низким температурам эксплуатации. Слишком большой избыток оптического волокна в трубке может привести к тому, что радиус изгибов этого волокна может снизиться до критического значения, что приведет к нарушению эффекта полного внутреннего отражения и распространяющийся по оптическому волокну оптический сигнал будет покидать сердцевину оптического волокна, создавая значительные оптические потери. А при воздействии механических (внешних) изгибов и/или отрицательной температуры (за счет низкотемпературной усадки полимерных элементов конструкции) радиус изгибов (внутри трубки) оптического волокна будет становиться еще меньше. Эти факторы являются существенным ограничением для избыточной длины оптического волокна. Поэтому, учитывая очень ограниченные размеры кабеля и высокие требования к нему по стойкости к механическим воздействиям и температурному диапазону эксплуатации, необходимо тщательно рассчитать допустимый и достаточный избыток оптических волокон в трубке, что и осуществляется с помощью зависимости (1).

Изобретение относится к кабельной технике, а именно к конструкциям оптических миниатюрных кабелей, предназначенных для стационарной и нестационарной прокладки в режиме неоднократных прокладок-снятий. Заявленный кабель оптический миниатюрный для эксплуатации в условиях нестационарной прокладки содержит от 1 до 3 оптических волокон, свободно размещенных в трубке из полимерного экструзионного материала, упрочняющие нити и общую защитную оболочку из полимерного материала, наложенную с плотным обжатием. При этом упомянутая трубка заполнена гидрофобным гелем, не ухудшающим свойства оптического волокна и материала трубки, а толщина стенки трубки, в которой размещается оптическое волокно, должна быть не более 0,3 мм и не менее 0,2 мм. Технический результат - обеспечение требуемых оптических характеристик в широком температурном диапазоне и механических характеристик (стойкости к многократным изгибам малого радиуса и многократным перемоткам, в том числе при отрицательной температуре ниже минус 40°С, многократным осевым закручиваниям, растяжению и раздавливающим нагрузкам) при минимальном диаметре и технологичности конструкции. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кабель оптический миниатюрный для эксплуатации в условиях нестационарной прокладки, содержащий от 1 до 3 оптических волокон, свободно размещенных в трубке из полимерного экструзионного материала, упрочняющие нити и общую защитную оболочку из полимерного материала, наложенную с плотным обжатием, при этом упомянутая трубка заполнена гидрофобным гелем, не ухудшающим свойства оптического волокна и материала трубки, а толщина стенки трубки, в которой размещается оптическое волокно, должна быть не более 0,3 мм и не менее 0,2 мм.

2. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что материал полимерной трубки, в которой размещены оптические волокна, выбирают из группы: полибутилентерефталат, поликарбонат или поликарбонат с полипропиленом.

3. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что гидрофобный гель является тиксотропным.

4. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющие нити выбраны из группы: арамидная, углеродная, базальтовая или стеклонить.

5. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющие нити проложены параллельно трубке с оптическим волокном с одинаковым натяжением.

6. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющие нити обвивают трубку с оптическим волокном с шагом не менее 300 мм.

7. Кабель по п. 1, отличающийся тем, что защитная оболочка выполнена из полимерного материала, выбираемого из группы: термоэластопласт, термопластичный полиуретан, композиция пониженной пожарной опасности, не содержащая галогенов.