EuroWire March 2015

Articolo tecnico

un’apparecchiatura dell’autore utilizzando una lunghezza di riferimento di 10m per illustrare una gamma di difetti incontrati nelle fibre ottiche. La figura mostra due zone: la zona I (resistenza intrinseca) e la zona II (resistenza estrinseca). La curva illustra le zone principali che richiedono di essere caratterizzate per predire l’affidabilità a lungo termine della fibra. La zona I è la zona di alta resistenza intrinseca. La fibra studiata mostrava la resistenza intrinseca del vetro a ~4,6GPa, che è notevolmente superiore al limite di 3,1GPa raccomandato dalla norma Telecordia Gr-20. La prova di resistenza con una lunghezza di riferimento breve in questa zona può essere utilizzata per determinare il valore n, che è maggiore di 20 per la fibra esaminata. La resistenza intrinseca e i valori n sono tipicamente specificati dagli utilizzatori finali per garantire l’affidabilità a lungo termine del cavo. Sfortunatamente, la porzione estrinseca indicata come zona II, gioca un ruolo importante nella caratterizzazione dell’affidabilità a lungo termine del cavo ottico. Questa zona contiene difetti più prossimi al livello di prova e sono spaziati ad una distanza che può essere anche di parecchi chilometri. Con il tempo, questi difetti possono sfociare in rotture della fibra se il cavo viene tenuto sotto tensione. La comprensione di questa zona richiede informazioni che si possono ottenere solamente misurando molti chilometri di fibra. Livelli di prova più alti consentiranno di eliminare alcuni dei difetti più importanti della fibra. Tuttavia, è difficile determinare con precisione l’effetto sull’affidabilità della fibra ottica in un cavo installato senza maggiori informazioni sulla distribuzione generale dei difetti nella fibra. Un modo per spiegare questo potrebbe essere sottoporre un cavo di fibra ottica ad una prova a un livello prossimo alla resistenza intrinseca della fibra o a circa 3,8GPa (550kpsi). Se si sottoponesse un campione di fibra di 1.000m prodotta da questo esperimento ad uno sforzo constante di 110kpsi, probabilmente la fibra si romperebbe in meno di un giorno, o molto prima dei 40 anni di durata prevista. Questo esempio rappresenta un caso estremo, ma evidenzia l’importanza di capire le complesse equazioni che governano l’affidabilità.

Fibra testata a 0,69GPa al 20 per cento di carico a lungo termine

Fibra testata a 0,69GPa al 40 per cento di carico a lungo termine

Fibra testata a 1,38GPa al 20 per cento del carico a lungo termine

Probabilità di guasto di 1km di fibra ottica

1,0ppm per km 1,600 anni 1,0ppm per 100km 16 anni

0.0 anni 0.0 anni

530 anni*

5.3 anni* * La frequenza del guasto varia notevolmente modificando i valori di prova ( proof-test ) da 0,69GPa a 1,38GPa ▲ ▲ Tabella 1 : Comparazione fra probabilità di guasto (durata di 1 ppm)

4 Istruzioni del

Per generare i dati, sono stati sostituiti i seguenti valori nell’ Equazione 1 : n d =20 m d = 2,5 t p = 0,05 secondi N p = 1 rottura ogni 250km La tabella mostra che una fibra ottica che soddisfa i criteri conservativi di cui sopra presenterebbe prestazioni meccaniche ragionevoli per il test a 0,69GPa al 20 per cento del livello di prova. Il secondo caso mostra che la stessa fibra è stata mantenuta a un 40 per cento del livello di prova. In questo caso, la frequenza di guasto di 1ppm verrebbe raggiunta in meno di un anno. Il terzo caso è costituito da una fibra testata a 1,38GPa con carico a lungo termine del 20 per cento del livello di prova. In queste specifiche condizioni, la probabilità di guasto di 1ppm si verifica in meno di sei anni. Va notato che i dati della Tabella 1 sono rappresentativi della fibra in un ambiente non aggressivo. I termini quali l’invecchiamento in assenza di tensione, le macrocurvature, l’abrasione e altri fattori possono ridurre notevolmente la durata della fibra. 5 Discussione La durata della fibra è la somma della probabilità di guasto intrinseco ed estrinseco. Il presente articolo esamina in particolare lunghi tratti di fibra sottoposti a carico assiale in un regime in cui il guasto è dominato da guasti estrinseci. I risultati illustrati nella Tabella 1 evidenziano l’errore nel requisito comune per i cavi ottici, in base al quale il carico a lungo termine nelle fibre ottiche è semplicemente pari al 20 per cento del livello di prova. Se l’indice di rottura della fibra fosse lo stesso per le fibre provate a 0,69GPa e 1,38GPa, allora entrambe le fibre avrebbero la medesima durata di 1ppm. I dati della Figura 1 indicano che non è questo il caso. Alla luce di questa conoscenza, i risultati dell’analisi cambiano radicalmente.

rapporto tecnico IEC sull’affidabilità Uno dei modelli di affidabilità accettato correntemente è stato pubblicato dalla IEC [4] . Una delle equazioni indicate in questo rapporto viene utilizzata per predire la durata della fibra - l’equazione della durata per la fibra ottica dopo averla testata ( proof-test ). Questa può essere rappresentata dalla seguente espressione: Dove: t f è il tempo che precede il guasto (durata) t p è il tempo di prova ( proof-test ) σ p è la tensione di prova ( proof-test ) σ a è la tensione applicata F è la probabilità di guasto N p è l’indice di rottura durante la prova L è la lunghezza sotto tensione m d è il parametro m Weibull della fatica dinamica n è il parametro di tensocorrosione L’espressione è complessa, tuttavia si possono fare alcune osservazioni. La Figura 1 mostra che quanto maggiore è la tensione applicata, tanto maggiore è la probabilità di guasto. Ne consegue che il termine di probabilità di guasto nell’equazione, F, è in rapporto diretto con il termine di sforzo applicato, σ a . La regola empirica tradizionale utilizzata per ottenere il 20 per cento della tensione di prova come carico massimo ammissibile a lungo termine presuppone che queste due variabili siano indipendenti, il che non è coerente con la Figura 1 . prova centinaia di chilometri di fibra per una conoscenza approfondita della relazione fra la frequenza di guasto e la tensione applicata. La Tabella 1 presenta i risultati comparativi di tre scenari. Il primo è costituito da una fibra testata a 0,69GPa con un carico a lungo termine del 20 per cento del carico di prova ( proof-test ). È necessario sottoporre a

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Marzo 2015