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EuroWire – November 2007
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2.2 Faser-Bragg-Gitter – Prinzip
Faser-Bragg-Gitter werden durch das
Kreieren einer periodischen Variation im
Brechungsindex eines Lichtwellenleiters
hergestellt. Dies kann durch Bestrahlung
der Faser mit starkem UV-Laserlicht
[2,3]
erfolgen.
Das
abwärts
einer
solchen
Faser
wandernde Licht wird zum Teil bei den
Indexvariationen reflektiert, aber nur bei
einem kleinen Wellenlängenbereich, wo
konstruktive Störungen auftreten, wird das
Licht reflektiert (
Bild 2
).
Die höchste Wellenlänge des reflektierten
Lichts ist die so genannte Bragg-
Wellenlänge:
l
B
=2•L•n
eff
(1)
wo L die Gitterphase ist und •n
eff
der
effektive
Brechungsindex.
Von
der
Gleichung
(1)
kann abgeleitet werden,
daß l
B
von jeder Änderung des Gitters
beeinflußt wird, die durch äußere
Einflüsse bewirkt wird: die Faserdehn-
ung bewirkt Änderungen in beiden
Parametern durch die elastooptische
Wirkung, während die Temperatur den
n
eff
-Wert
durch
die
thermooptische
Wirkung verändert. Ein Beispiel der durch
Temperaturschwankungen
bewirkten
Wellenlängenverschiebung ist im
Bild 3
dargestellt. Diese Abhängigkeiten werden
verwendet, um sehr kleine jedoch im
höchsten Maße zuverlässige und genaue
Sensoren für Dehnung und Temperatur
[4,5]
herzustellen.
2.3 Systemkomponenten
In den nachfolgenden Kapiteln werden
die verschiedenen Komponenten des
gesamten Systems näher beschrieben.
2.3.1 Überbrückungskabel mit Sensor
Der zur Messung der Temperatur benutzte
FBG-Sensor besteht aus dem FBG selbst,
der mit einem 1,5mm dicken Edelstahlrohr
geschützt und anbeiden Enden abgedichtet
ist. Die abgehende Faser wird durch ein
normales Kunststoffrohr geschützt. Die
Länge des Stahlrohrgehäuses hängt von
der Länge des Überbrückungskabels ab
und liegt zwischen 1,5m und 3m.
Um den Sensor effizient einzusetzen, muß
er in die Ader des Überbrückungskabels
gelegt werden, die in der Regel dem
Phasenseiltyp gleich ist. Im Falle des
beschriebenen Systems, hat das Phasenseil
einen
Stahl-/Aluminiumaufbau,
mit
einem Stahlquerschnitt von 39,5mm
2
und einem Aluminiumquerschnitt von
243,1mm
2
. Seine Bezeichnung nach EN
50182
[6]
ist 243-AL1/39-ST1A.
Bild 4
zeigt
eine Schnittdarstellung, einschließlich des
FBG-Sensors.
Eine weitere mögliche Art und Weise zur
Kreierung eines Überbrückungskabels
mit einem FBG-Sensor liegt im Einsatz
eines OPPC mit Stahlrohraufbau. Der
Sensor kann daher in das Stahlrohr
gesetzt werden. In diesem Fall, soll der
OPPC-Aufbau so weit wie möglich dem
Aufbau des Phasenseils entsprechen,
um eine Nichtübereinstimmung der
Korrelation zwischen dem Leiter und dem
Überbrückungskabel zu vermeiden.
2.3.2 Dehnungssensor
Bei dem Dehnungssensor wird, wie
bereits geschildert, ebenfalls die FBG-
Sensortechnologie
eingesetzt,
jedoch
wird sie speziell für deren Hauptaufgabe
benutzt, d. h. die Dehnungsmessung.
Die Ausführung besteht aus einem
rechteckigen Gehäuse und der Sensor ist
an einer Gabellasche befestigt (
Bild 5
).
Die bestehende Konfiguration für die
ausgewählte Leitung umfaßt zwei parallele
Isolatoren zur Verankerung des Phasenseils.
Demzufolge sind hier zwei dieser Sensoren
erforderlich.
2.3.3 Trenner
Bei einer normalen Starkstromleitung wird
das Überbrückungskabel benutzt um den
Abstand zwischen den Enden der zwei
Phasenseile an einem Spannungsmast
zu überbrücken. Es bleibt bei gleichem
hohen elektrischen Potential der Leiter
und transportiert denselben elektrischen
Strom. Die Idee des Einsatzes eines Sensors
im Überbrückungskabel wirft zwei Fragen
auf:
Wie kommt das Faserende des Sensors
zum Erdpotential herunter?
Kann ein ununterbrochener Stromfluss
gesichert
werden,
während
das
Faserende des Sensors austritt?
Die Antwort zu beiden Fragen ist
einfach: durch Einsatz eines speziell
entworfenen Trenners, des so genannten
T-Abzweigungstyps. Trenner werden in
der Regel benutzt um die OPPC-Linien
mit einem Kabeleintritt auf der „heißen“
Seite zu beenden. Durch das Hinzufügen
eines zweiten Eintritts gegenüber dem
ersten, ergibt sich ein T-Abzweigungstyp
(
Bild 6
). Ein T-Abzweigungstrenner teilt das
Überbrückungskabel in zwei Teile mit zwei
Enden und ermöglicht somit den Auslauf
der Sensorfaser. Optional kann auch ein
zweiter Sensor in der anderen Hälfte des
Überbrückungskabels benutzt werden.
Im Gegensatz zu den Trennern für OPPC,
kann die Spleißung der Sensorfaser zum
LWL-Anschlußkabel auf der geerdeten
Seite des Trenners erfolgen und somit das
Montageverfahren erleichtert werden. Der
elektrische Stromfluss wird durch Einsatz
geeigneter Klemmen an den Eintritten
und
einer
festen
Aluminiumglocke
gewährleistet.
Kurzschlußtests
sowie
permanente
Stromtests
haben
die
Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des
Entwurfs erwiesen.
2.3.4 Wetterstation
Um
das
Überwachungssystem
zu
vervollständigen und die entsprechenden
Umgebungsdaten zu erhalten, wird eine
kleine Wetterstation hinzugefügt, die von
einer Stromversorgung unabhängig ist
und durch einen Sonnenkollektor versorgt
wird.
•
•
Bild 3
:
Bragg-Wellenlängenverlegung durch Temperaturschwankungen bewirkt
▲
Bild
4
:
Querschnitt
eines
243-AL1/39-ST1A
Überbrückungskabels einschließlich FBG-Sensor
▼
Wellenlänge (nm)
Dämpfung (dB)
Durchmesser
Durchmesser
Stahldrähte
Aluminiumdrähte