Электрический кабель с датчиком изгиба и системой контроля и способ обнаружения изгиба в по меньшей мере одном электрическом кабеле

Электрический кабель с датчиком изгиба и системой контроля и способ обнаружения изгиба в по меньшей мере одном электрическом кабеле

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электрическому кабелю с встроенным датчиком деформации, пригодным, в особенности, для измерения статических и динамических деформаций, в частности деформаций изгиба.

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

Настоящее изобретение дополнительно относится к системе контроля и к способу обнаружения изгиба нескольких электрических кабелей. В частности, настоящее изобретение касается системы контроля и способа, использующего метод обратного бриллюэновского рассеяния для контроля деформации изгиба нескольких электрических кабелей, проложенных в подвижном оборудовании.

Уровень техники, к которому относится изобретение

Электрические кабели, в частности, для тяжелых условий эксплуатации и/или подвижного оборудования, такого как подвижные портовые краны, причальные контейнерные краны перегружатели, разгрузчики корабля, спредеры (распределители), и оборудование для разработки месторождений и прокладки туннелей, разрабатывают специально, чтобы противостоять суровым условиям окружающей среды и высоким механическим напряжениям, таким как изгибающие и скручивающие усилия. В качестве дополнительного примера кабелей для тяжелых условий эксплуатации, в глубоких скважинах кабели насосов нисходящих скважин для подачи тока к системам погружных электрических насосов обычно прокладываются на физически ограниченных участках и в условиях агрессивной окружающей среды скважины, часто соприкасающимися с коррозионными текучими средами скважины. Обычно упомянутые выше кабели проектируют так, чтобы были надежными в эксплуатации и гибкими. В рамках настоящего изобретения мы будем ссылаться, в общем, на кабели для тяжелых условий эксплуатации, ссылаясь на кабели для тяжелых режимов применения, а в особенности, но не исключительно, для подвижных установок.

Примером электрического кабеля для тяжелых условий эксплуатации является предоставленный в DE 3934718, который описывает армированный гибкий кабель для врубо-навалочных машин в шахтах.

WO 01/78086 раскрывает электрический кабель, в особенности, для использования в подъемных системах, таких как грузоподъемные краны или системы стеллажного хранения. Кабель содержит токоведущую жилу, которая включает в себя первые проводники, полностью окруженные или встроенные внутрь первой несущей матрицы. По меньшей мере один дополнительный слой расположен вокруг первой несущей матрицы и имеет по меньшей мере один дополнительный проводник в дополнительном слое, который полностью окружен или встроен внутрь второй несущей матрицы. Утверждают, что несущие матрицы в кабеле позволяют распределить напряжение по всей длине кабеля и тем самым заметно уменьшить эффект штопора (винтовое воздействие).

Изгибающие/сжимающие нагрузки и скручивание в подвижном кабеле могут возникать из-за принудительной подачи кабеля в процессе стадий намотки и размотки на катушки или из-за сбора кабеля в корзины (например, кабелей спредера). Кроме того, неисправность или нарушение работы силовых устройств могут в результате приводить к неправильному расположению кабеля, который может, например, соскользнуть с направляющего его средства или быть сдавленным частями устройства, тем самым приводя к нежелательному изгибу кабеля.

Чрезмерный изгиб кабеля может вызывать сжимающие нагрузки, которые передаются электрическим проводникам с последующим повреждением последних. Чрезмерные и/или длительные сжимающие нагрузки могут привести к деформации кабеля, что может сократить срок службы кабеля.

US 5767956 описывает использование обратного бриллюэновского рассеяния света, чтобы предоставить контрольно-измерительное устройство, которое дает возможность наблюдать в режиме реального времени, находится ли оптоволокно в нормальном состоянии или на грани разрушения. Устройство использует оптическую рефлектометрию с временным разрешением (OTDR), чтобы контролировать стимулированное бриллюэновское рассеяние света, используя одну из оптоволоконных сердцевин оптического кабеля. Не предоставлено никаких рекомендаций об использовании в электрических кабелях.

WO 08/073033 описывает систему для контроля изгиба и деформации силового кабеля, присоединенного к перемещающейся на удалении от берега платформе, посредством измерения деформации в оптоволокнах, прикрепленных к или интегрированных в силовой кабель. Изгиб силового кабеля будет вызывать деформацию оптоволокна, а эта деформация будет изменять оптические свойства волокна. Изменение оптических свойств может быть измерено с помощью оптического рефлектометра с временным разрешением (OTDR) или оптического рефлектометра в частотным разрешением (OFDR).

Данный документ устанавливает, что существует риск того, что оптоволокна, встроенные или присоединенные к кабелю, могут быть повреждены и соответственно предлагается оборудовать кабель резервными волокнами. Кроме того не упоминается о проблеме передачи деформации изгиба между волокнами и кабелем, которую необходимо измерить. В качестве возможного расположения волокна указываются промежутки между армирующими проволоками.

WO 07/107693 раскрывает волоконно-оптический кабель, включающий в себя элемент передачи деформации, центральное оптоволокно, проходящее сквозь элемент передачи деформации, и плотно присоединенную оболочку, механически соединяющую центральное оптоволокно с элементом передачи (деформации). Деформация, испытываемая элементом передачи деформации передается центральному оптическому волокну посредством плотно присоединенной оболочки.

В документе не встречается задача электрического кабеля с волоконно-оптическим датчиком.

Перед Заявителем была поставлена задача, как реализовать электрический кабель, в частности, пригодный для тяжелых условий эксплуатации, а более конкретно для подвижных установок, который мог бы позволить контроль, предпочтительно контроль в режиме реального времени, и определение местоположения деформации изгиба, которой подвергается кабель в процессе эксплуатации, обеспечивая в то же время долговременную надежность измерений.

Сущность изобретения

Из-за высоких механических напряжений, сообщаемых в процессе эксплуатации, типичный срок службы кабеля для тяжелых условий эксплуатации (таких как, использование при разработке месторождений или для оборудования грузоподъемных кранов) является, в общем, относительно коротким и, в зависимости от конкретного применения, может изменяться от нескольких месяцев до нескольких лет. Заявителем было установлено, что было бы предпочтительно предоставить кабель для тяжелых условий эксплуатации, который можно контролировать в процессе его эксплуатации. Зная изменение во времени состояния кабеля, может быть проведено эффективное периодическое техническое обслуживание кабеля, например, возможно регулировать работающий с перебоями направляющий ролик и/или регулировать параметры электронного управления автоматизированной системой в подвижном оборудовании.

Периодические проверки состояния кабеля можно выполнить “в отключенном состоянии” с неиспользуемым или даже удаленным из оборудования, на которое он был смонтирован, кабелем, но на практике такие проверки, как правило, не проводятся из-за потерь рабочего времени в результате необходимости остановки оборудования или устройства, содержащего кабель.

Было бы особенно предпочтительно во время работы кабеля регистрировать динамические события, которые вызывают пики сжатия (отрицательную деформацию), которая может, тем не менее, повредить кабель в результате усталости материала. Такой контроль мог бы предотвратить нежелательные события вывода из эксплуатации и соответствующие расходы. Кроме того, было бы предпочтительно локализовать участок кабеля, нежелательно изогнутый из-за выпадения из или сдавливания устройством, где функционирует кабель.

Задача, поставленная настоящим изобретением, состоит в том, чтобы предоставить систему контроля для обнаружения необратимого повреждения электрического кабеля, возможно вызванного собственным износом или несоответствующим использованием, например, использованием, несовместимым с рекомендациями, предоставленными изготовителем кабеля.

Дополнительная задача настоящего изобретения состоит в предоставлении системы контроля для контроля деформации изгиба нескольких электрических кабелей, в частности, кабелей для тяжелых условий эксплуатации, проложенных в подвижном оборудовании.

В соответствии с изобретением было обнаружено, что изгиб электрического кабеля может быть обнаружен с помощью предоставления кабеля, включающего в себя периферийный механически несимметричный несущий элемент и волоконно-оптический датчик, установленный в области геометрической оси кабеля.

Под “механически несимметричным несущим элементом” в данном документе подразумевают элемент, который обладает разными величинами жесткости в условиях растяжения и сжатия, соответственно.

Под “периферийным” подразумевается то, что несущий элемент расположен на участке вне геометрической оси одного из кабелей, предпочтительно с геометрически симметричным размещением.

Под “несущим элементом” подразумевают элемент, имеющий достаточно высокую жесткость, чтобы выдерживать значительную часть нагрузки кабеля на растяжение.

Примеры механически несимметричного несущего элемента включают в себя оплетки, скрученные нити, стекловолокна, арамидные или непропитанные смолой углеродные волокна, обладающие более высокой стойкостью к нагрузкам на растяжение, чем к нагрузкам на сжатие.

В соответствии с этой конструкцией, если прикладывают только растягивающую нагрузку, несимметричный несущий элемент полностью взаимодействует со всеми другими компонентами кабеля (например, проводниками, изоляторами, оболочками), чтобы выдержать нагрузку, и участок кабеля деформируется равномерно. Когда происходит изгиб, несимметричный несущий элемент выдерживает нагрузку на положительно деформированном участке, т.е. натянутом участке, отрезка кабельной секции, но не несет никакой нагрузки на отрицательно деформированном, т.е. сжатом, участке.

Следовательно, в этом случае нейтральная ось при изгибе (т.е. идеальная ось, где изгиб, вызванный удлинением, равен нулю) смещается от геометрической оси кабеля (по направлению к деформированной стороне) и волоконно-оптический датчик, устанавливаемый вблизи геометрической оси кабеля, становится размещенным в области сжатия.

Таким образом, волоконно-оптический датчик вызывает сигнал сжатия, соответствующий состоянию изгиба кабеля.

Следовательно, изгиб кабеля может быть обнаружен независимо от скрутки кабеля или от любого скручивания, которому подвергается кабель.

В соответствии с настоящим изобретением предоставляется способ обнаружения изгиба электрического кабеля, содержащий:

-снабжение кабеля по меньшей мере одним периферийным механически несимметричным несущим элементом и волоконно-оптическим датчиком, установленным в области геометрической оси кабеля;

-обнаружение деформации сжатия в волоконно-оптическом датчике.

Волоконно-оптический датчик в состоянии предоставить показания, в общем, в большом интервале измеряемой деформации изгиба, предпочтительно от -0,5% до 1%. Более высокие значения деформации, например, вплоть до 2% и даже вплоть до 4% также могут быть измерены.

В общих чертах и в соответствии с аспектом решение относится к электрическому кабелю, содержащему по меньшей мере один периферийный механически несимметричный несущий элемент по меньшей мере два продольных конструктивных элемента и волоконно-оптический датчик для контроля деформации изгиба по длине кабеля. Датчик содержит оптоволокно, которое продолжается по длине кабеля. Оптоволокно датчика в дальнейшем также будут называть деформационное оптоволокно.

В рамках настоящего описания выражение “продольный конструктивный элемент ” обозначает полуобработанную структуру электрического кабеля, протягивающуюся, в основном, в продольном направлении по длине кабеля. Продольные конструктивные элементы в соответствии с настоящим описанием и формулой изобретения вносят вклад в передающую электричество функцию кабеля, что станет понятно из следующего.

По меньшей мере два продольных (осевых) конструктивных элемента, содержащиеся в электрическом кабеле, включают в себя по меньшей мере одну токоведущую жилу кабеля.

Выражение “токоведущая жила” обозначает структуру электрического кабеля с незаконченной отделкой, например, содержащую по меньшей мере один проводник, и, обычно по меньшей мере один изоляционный слой, окружающий проводник. В типичных конфигурациях проводники содержат несколько скрученных монтажных проводов.

Заявитель понял, что с помощью механического соединения, а по существу механической согласованности между продольными конструктивными элементами электрического кабеля и оптоволокном датчика деформации, деформация передается от продольных конструктивных элементов, которые должны быть проконтролированы, деформационному оптоволокну. С “механической согласованностью” означает способность двух или более частей двигаться или выдерживать деформацию, по существу, как единому целому. Только что описанная механическая согласованность дает возможность получения кабеля, способного предоставить достоверные показания экспериментальных статических и динамических сжимающих нагрузок в относительно широком интервале удлинений. В соответствии с аспектом изобретения датчик деформации встраивают в передающий деформацию наполнитель, механически соединяющий датчик с по меньшей мере одним из по меньшей мере двух продольных конструктивных элементов кабеля.

Изгибающая деформация возникает, когда кабель подвергают сдавливанию посредством внешних воздействий (например, сжимающих нагрузок) по меньшей мере на его часть.

Заявитель понял, что датчик деформации следует интегрировать в кабель и устанавливать так, чтобы он оставался, по существу, неповрежденным при изгибе кабеля с его минимальным радиусом. Заявитель понял, что оптоволокно, содержащееся в датчике деформации, должно располагаться, по существу, в области геометрической оси, соответствующей, при нормальных условиях эксплуатации, нейтральной области изгиба, проходящей по длине вдоль кабеля, и имеющей поперечное сечение, расположенное, по существу, симметрично вокруг нейтральной оси кабеля, которая далее в данном документе называется нейтральной областью.

Используемое в данном документе выражение “нейтральная область” предназначается, чтобы описать область около оси (“нейтральной оси”), где удлинения, вызванные изгибом, являются минимальными. Нейтральная ось может быть определена как воображаемая линия по длине кабеля, где, при подвергании кабеля изгибу (при изгибе кабеля), не происходит никаких значительных деформирований в продольном направлении, а напряжения при изгибе в датчике деформации являются минимальными. Предпочтительно, кабель проектируют так, что нейтральная ось располагается в положении, где действующее на кабель кручение вызывает минимальное продольное удлинение волокна датчика.

Приводя минимальный радиус изгиба электрического кабеля, который, как правило, соответствует наименьшему радиусу изгиба ρ_min, который разрешен для кабеля для того, чтобы избежать любого необратимого повреждения, нейтральную область можно определить как область, где датчик деформации претерпевает удлинение не более чем 2%, а предпочтительно не более чем 1%, из-за изгиба при радиусах изгиба не менее, чем ρ_min. Расположение деформационного оптоволокна в пределах геометрической оси, по существу совпадающей при определенных радиусах изгиба с нейтральной областью, предотвращает разрыв оптического волокна или необратимое повреждение из-за изгиба кабеля.

В круглых кабелях, т.е. в кабелях, имеющих аксиально-симметричное поперечное сечение, область геометрической оси является радиальной областью вокруг геометрической оси в плоскости поперечного сечения кабеля. В предпочтительных вариантах воплощения, когда ссылаются на круглые кабели, геометрическая ось является центральной продольной осью кабеля. Преимущественно датчик деформации располагают вдоль кабеля в области геометрической оси, т.е. в пределах расстояния по радиусу от геометрической оси не более чем 20% радиуса кабеля, более предпочтительно не более чем 10% радиуса кабеля.

В круглых кабелях по меньшей мере один периферийный механически несимметричный несущий элемент находится в области кабеля на значительном удалении от области геометрической оси кабеля. В частности, упомянутый несущий элемент располагают вдоль на расстоянии по радиусу от геометрической оси по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 90% радиуса кабеля.

Примерами периферийных механически несимметричных несущих элементов в круглых кабелях являются металлический экранный слой в виде навитой по спирали проволоки и механический защитный слой, предоставленный между внутренней и наружной оболочкой, в виде оплеток или проволочной сетки, металлической или волоконной.

В плоских кабелях, т.е. кабелях, имеющих по существу прямоугольное поперечное сечение, область геометрической оси является областью, включающей в себя ось симметрии в поперечной плоскости кабеля. Преимущественно датчик деформации располагают вдоль кабеля в пределах области геометрической оси, т.е. в пределах расстояния по перпендикуляру от геометрической оси не более 10% толщины кабеля.

В плоских кабелях по меньшей мере один периферийный механически несимметричный несущий элемент находится в области кабеля значительно удаленной от области геометрической оси кабеля. В частности, упомянутый несущий элемент располагают на расстоянии перпендикулярном геометрической оси по меньшей мере 50%, более предпочтительно по меньшей мере 90% толщины кабеля.

Примерами периферийных механически несимметричных несущих элементов в плоских кабелях являются элементы с прочностью при тяжении, обеспеченные в промежутках между проводниками, и армирующие нити или армирующие элементы и те и другие проходят параллельно проводникам и расположены между наружной и внутренней оболочкой, причем корды, нити и элементы выполнены из металлических или волокнистых материалов, демонстрирующих различные механические характеристики на сжатие и растяжение.

Заявитель обнаружил, что предпочтительно окружить деформационное оптоволокно защитной оболочкой, чтобы улучшить механическую устойчивость к поперечным нагрузкам, упомянутой защитной оболочкой, контактирующей непосредственно с необязательно содержащим буфер оптоволокном датчика деформации. Предпочтительно защитная оболочка содержит армированный волокнами композиционный материал.

Электрический кабель обычно подвергают одной или более термическим обработкам, в частности, процессам отверждения, в процессе его получения, которые включают термические обработки при типичных температурах приблизительно 150-200°C в течение нескольких минут. Заявитель отметил, что, предпочтительно, передающий деформацию наполнитель и датчик деформации содержат материалы, стойкие к процессам отверждения, происходящим при получении кабеля, в который интегрируют датчик деформации, сохраняя (1) упругие свойства датчика деформации, которые делают возможным восстановление датчика деформации без необратимой деформации того же самого датчика по меньшей мере в интервале, где кабель проявляет упругое поведение, и (2) плотное прилегание или устойчивость с высоким трением к нежелательному проскальзыванию с тем, чтобы сохранять механическую согласованность между слоями и элементами кабеля.

Предпочтительно, защитную оболочку изготавливают из армированного волокнами композиционного материала, в котором армирующими волокнами являются углеродные, графитовые волокна, волокна из бора, арамидные волокна или стекловолокна; полимером, в который встраивают армирующие волокна, является предпочтительно смола с поперечными связями (сшитая смола), например, ненасыщенный полиэфир, к примеру, винилэфиры, или эпоксидная смола.

Предпочтительно передающий деформацию наполнитель основан на упругом полимерном веществе, более предпочтительно на термореактивном упругом полимере. Передающий деформацию наполнитель является упругим по меньшей мере в интервале деформации, где кабель обладает упругим поведением.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения электрический кабель является круглым кабелем с, по существу, круглым поперечным сечением и содержит по меньшей мере три продольных конструктивных элемента, расположенные радиально внешними относительно датчика деформации.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение будет теперь описано более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все, варианты воплощения изобретения. Чертежи, иллюстрирующие варианты воплощения, являются схематичными изображениями без соблюдения масштаба.

Для целей настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, если не указано по-другому, все числа, выражающие количество, качество, процентное содержание и так далее, следует понимать как модифицированные во всех случаях с помощью допущения “около”. Кроме того все диапазоны включают в себя максимальные и минимальные раскрытые точки и включают в себя любые промежуточные диапазоны в этом отношении, которые могут быть, а могут не быть, специально перечисленными в дальнейшем.

Фиг. 1a является схематичным видом в перспективе электрического кабеля в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 1b является схематичным поперечным сечением электрического кабеля, показанного на Фиг. 1a.

Фиг.2a является схематичным видом в перспективе датчика деформации, использованного в электрическом кабеле настоящего изобретения.

Фиг.2b является схематичным поперечным сечением датчика деформации, показанного на Фиг. 2a.

Фиг.3 является схематичным поперечным сечением электрического кабеля, в соответствии с дополнительным вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг.4 является схематичным поперечным сечением электрического кабеля, в соответствии еще с одним дополнительным вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг.5 является схематичным поперечным сечением электрического кабеля, в соответствии с еще одним дополнительным вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг.6 является схематичным поперечным сечением плоского электрического кабеля, в соответствии с дополнительным вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг.7 является блок-схемой для иллюстрации принципов работы метода на основе обратного бриллюэновского рассеяния в электрическом кабеле в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг.8 является диаграммным изображением системы контроля деформации изгиба и температуры множества кабелей для тяжелых условий эксплуатации, проложенных в подвижном оборудовании, в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг.9 является частичным видом с боку по линии С-С, иллюстрирующей кран большой грузоподъемности системы контроля Фиг.8.

Фиг.10 является блок-схемой, иллюстрирующей принципы работы системы контроля множества кабелей для тяжелых условий эксплуатации в варианте воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 11 является диаграммным изображением системы контроля деформации изгиба и температуры множества кабелей для тяжелых условий эксплуатации, проложенных в подвижном оборудовании, в соответствии с дополнительным вариантом воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 12 является блок-схемой, иллюстрирующей принципы работы системы контроля множества кабелей для тяжелых условий эксплуатации в дополнительном варианте воплощения настоящего изобретения.

Фиг. 13 показывает кабель, согнутый вокруг барабана.

Фиг. 14a и 14b схематически иллюстрируют смещение нейтральной оси изгиба от геометрической оси в согнутом кабеле.

Фиг. 15 представляет диаграмму деформации изгиба в соответствии со способом контроля изобретения.

Подробное описание

Фиг. 1a и 1b иллюстрируют, соответственно, вид в перспективе и поперечное сечение электрического кабеля в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Кабель, показанный для этого варианта воплощения, может быть пригоден для применения в тяжелых условиях эксплуатации, более конкретно, для подвижных установок. Кабель 1 является круглым кабелем, содержащим три токоведущие жилы 2, расположенные по радиусу около центральной продольной оси Z (видимой на Фиг. 1a) кабеля. Токоведущие жилы 2 могут предоставить электропередачу трехфазным током. Кабель 1 может быть низковольтным или средневольтным силовым кабелем, где низкое напряжение означает напряжение до 1кВ, а среднее напряжение означает напряжение от 1 кВ до 60 кВ. Каждая токоведущая жила 2 содержит электрический проводник 12, например, медный проводник, образованный группой луженных или чисто медных электрических проволок, скрученных вместе стандартными способами. Внутренний полупроводниковый слой 13, изоляционный слой 16 и наружный полупроводниковый слой 17, соответственно, предоставлены в радиальном наружном положении по отношению к каждому электрическому проводнику 12. Внутренний полупроводниковый слой 13, изоляционный слой 16 и внешний полупроводниковый слой 17 изготавливают из материалов на основе полимеров, которые могут быть экструдированы один поверх другого или со-экструдированы на проводник 12. Изоляционным слоем 16 может быть, например, сшитый этилен-пропиленовый каучук (EPR); внутренний и наружный полупроводниковые слои 12 и 17 могут быть, например, из EPR, из этилен/пропилен/диеновых терполимеров (EPDM) или из их смеси, нагруженных соответствующим количеством проводящего наполнителя, которым обычно может быть сажа.

Альтернативно, когда условия эксплуатации дают возможность это сделать, изоляционный слой и полупроводниковые слои могут быть изготовлены из термопластичных соединений, таких как соединения на основе полипропилена.

Для некоторых практических применений токоведущая жила 2 кабеля содержит по меньшей мере один металлический экранирующий слой 22 в наружном радиальном положении по отношению к внешнему полупроводниковому слою 17.

Следует понимать, что приведенное выше описание токоведущих жил 2 представляет только одну из возможных структур токоведущих жил, включенных в электрический кабель, которые, как правило, могут быть фазовыми токоведущими жилами для электропередачи или токоведущими заземляющими жилами, токоведущими жилами для передачи управляющих сигналов, или токоведущими жилами, передающими и электропитание, и управляющие сигналы.

В соответствии с признаком изобретения, электрический кабель 1 содержит волоконно-оптический датчик 5 деформации изгиба.

Вследствие того, что кабели для тяжелых условий эксплуатации подвергаются частым механическим напряжениям в течение срока службы, заявитель понял, что особенно уместно располагать датчик деформации внутри кабеля так, чтобы деформационное оптоволокно не повреждалось изгибом кабеля при любом радиусе изгиба, не меньшим, чем минимальный радиус изгиба ρ_min, который соответствует минимальному радиусу, на который кабель можно согнуть без необратимых повреждений. Изгиб кабеля вызывает удлинение в датчике деформации. Было отмечено, что датчик деформации, как правило, не повреждается изгибом кабеля при радиусах изгиба не меньше, чем ρ_min, когда продольная деформация, вызванная изгибом, меньше, чем деформация, приложенная к волокну при испытании на деформирование, обычно 1 или 2%.

Область кабеля, протягивающуюся по длине кабеля, где деформационное оптоволокно остается неповрежденным в результате изгиба кабеля, определяют как нейтральную область (изгиба) кабеля. Для круглых кабелей в плоскости поперечного сечения кабеля, нейтральная область является радиальной областью около нейтральной оси, которая соответствует в настоящем варианте воплощения геометрической оси Z.

Предпочтительно, в пределах нейтральной области оптического кабеля датчик деформации претерпевает удлинение в результате изгиба при ρ_min, равное или меньшее чем 2%, более предпочтительно равное или меньшее чем 1%.

Заявитель установил, что значения ρ_min, указанные для кабелей для тяжелых условий эксплуатации, в частности, для применения в подвижном оборудовании, могут быть относительно низкими, например 250 мм, и, следовательно, для того, чтобы гарантировать стойкость к изгибу датчика деформации, нейтральная область должна иметь относительно небольшое расстояние по радиусу от геометрической оси, например, не более 5 мм. Например, ссылаясь всегда на круглые кабели, для ρ_min=300 мм, для удлинения 1% расстояние по радиусу составляет 3 мм.

В некоторых предпочтительных вариантах воплощения волоконно-оптический датчик 5 располагают по длине кабеля в пределах расстояния от геометрической оси (по существу совпадающей с нейтральной осью) не более чем 0,02 ρ_min, а предпочтительно не более чем 0,01 ρ_min.

В частности, отмечено, что размещение датчика деформации изгиба, по существу, вдоль геометрической оси может быть предпочтительным, поскольку в некоторых практических случаях оно соответствует оси симметрии наружных по радиусу токоведущих жил и/или, как описано далее, оно может быть совместимо с упрощенным способом получения кабеля.

Дополнительно к токоведущим жилам 2 для передачи электропитания 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 виде группы скрученных луженых или незащищенных медных монтажных проводов. Специально для использования при среднем напряжении группа монтажных проводов заземляющего проводника может быть окружена полупроводниковым слоем (не показан на фигурах). Заземляющие проводники 7 располагают наружными по радиусу относительно датчика деформации 5 и переплетают вместе с токоведущими жилами 2 вдоль кабеля в продольном направлении. В частности, токоведущие жилы 2 и заземляющие проводники 7 спирально намотаны стандартными способами вокруг центральной продольной оси Z кабеля.

В вариантах воплощения, показанных на Фиг.1a-1b, кабель 1 содержит волоконно-оптический элемент 3, включающий в себя несколько оптоволокон, например, от 6 до 24 волокон, для передачи управляющих сигналов, голосовых, видео и других сигналов передачи данных. Одно оптоволокно или пара волокон могут быть помещены в буферной конструкции со свободной укладкой волокон в трубке в продолжающиеся в продольном направлении модули 19, предпочтительно изготовленные из гибких материалов, таких как полибутилентерефталат (PBT) или этилен тетрафтороэтилен (ETFE). В показанном примере модули, содержащие волокна, являются SZ спирально намотанными вокруг продольного несущего элемента 18, являясь, например, стекловолокном, арамидной нитью или углеродным волокном. Волоконно-оптический элемент 3 можно скрутить вместе с токоведущими жилами 2 и заземляющими проводниками 7. Как правило, когда конструкция кабеля позволяет это, заземляющие проводники и волоконно-оптический элемент можно располагать в наружных промежутках, образованных токоведущими жилами 2.

Токоведущие жилы 2 и, если присутствуют, заземляющие проводники 7 и/или волоконно-оптический элемент 3 вместе именуются продольными конструктивными элементами электрического кабеля.

Изгибная деформация, претерпеваемая электрическим кабелем, воспринимается, чтобы передать датчику деформации для измерения изгибной деформации кабеля. Чтобы передать деформацию датчик деформации является механически согласованным с по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом в кабеле, таким образом, что деформация, претерпеваемая по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом по меньшей мере частично, но в значительной степени, является переданной датчику деформации. С этой целью датчик деформации 5 встраивают в передающий деформацию наполнитель 6, который механически связывает датчик деформации с по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом электрического кабеля. Предпочтительно передающий деформацию наполнитель механически связывает датчик деформации с каждой из токоведущих жил, объединенных в электрическом кабеле, более предпочтительно с каждым из расположенных по окружности продольных конструктивных элементов.

Заявитель установил, что взаимосвязь между деформацией изгиба, измеренной с помощью датчика деформации, и деформацией, претерпеваемой кабелем, т.е. по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом кабеля, может быть такой, что сжатие, претерпеваемое электрическим кабелем, однозначно коррелируется со сжатием чувствительного элемента оптоволокна, и тем самым с измеряемыми величинами деформации.

Заявитель понял, что для того, чтобы гарантировать однозначное соотношение между сжатием датчика деформации при изгибе и сжатием электрического кабеля, при контакте между передающим деформацию наполнителем и по меньшей мере одним продольным конструктивным элементом не должно возникать никаких значительных проскальзывающих потерь по меньшей мере в состоянии деформации. В большинстве случаев, представляющих интерес, по существу отсутствие потерь при скольжении между датчиком и элементом/элементами подразумевает сцепление с трением или образованием связи между ними. Механическая связь между двумя элементами, которая вызывает по существу такую же деформацию из-за незначительных потерь при проскальзывании между элементами, именуется в данном документе как механическая согласованность.

В вариантах воплощения, показанных на Фиг.1a-1b геометрическая конфигурация передающего деформацию наполнителя 6 является такой, что наполнитель контактирует с множеством продольных конструктивных элементов, расположенных в наружном радиальном положении относительно датчика деформации 5, даже когда кабель находится по существу в недеформированном состоянии.

Из-за геометрической конструкции электрического кабеля и нескольких продольных конструктивных элементов, объединенных в кабеле, передающий деформацию наполнитель 6 на Фиг. 1a и 1b имеет почти треугольную форму.

Используемое в данном документе “по существу недеформированное состояние” предназначено, чтобы описать исходное состояние электрического кабеля со средней исходной деформацией волокна датчика деформации, которая может соответствовать состоянию перед обработкой кабеля из исходного барабана, предоставленного изготовителем, такой как перед переходом к намотке и закреплению на катушки или тендерные и блочные системы. Однако в большинстве практических случаев исходное состояние относится к кабелю после прокладки в подвижном оборудовании, т.е. после передачи от исходного барабана и перед использованием, следовательно, до того, как его подвергнут относительным растягивающим нагрузкам. Предпочтительное исходное состояние может относиться к состоянию кабеля, смонтированного на кране, причем кране, который установлен с максимальным удлинением вышеуказанного, т.е. кабель разворачивают на большую часть его длины. Произведенные Заявителем измерения показали, что в по существу недеформированном состоянии кабеля, содержащего в качестве деформационного оптоволокна 250-мкм одномодовое оптоволокно, деформация изменялась от -0,2 до 0,3%. Упомянутая деформация кабеля может изменяться по длине кабеля из-за условий изготовления, несмотря на то, что кабель с остаточной деформацией, которая является по существу постоянной по длине, является предпочтительным, поскольку это может упростить