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EuroWire – Novembre 2007
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italiano
piccole dimensioni installata sul traliccio,
è stato realizzato un sistema di controllo
completo della linea di alimentazione
elettrica. I segnali provenienti dai sensori
FBG possono essere trattati in una piccola
unità montata sul traliccio o trasportati
ad un altro punto mediante un cavo
ottico interrato o un collegamento OPGW
esistente. In entrambi i casi, un’unità
centrale di trattamento può gestire i
segnali provenienti da più punti.
2.2 Reticolo di Bragg in fibra ottica
– Principio
I reticoli di Bragg in fibra ottica sono
realizzati creando una variazione periodica
nell’indice di rifrazione di una fibra ottica,
ottenibile per irradiazione della fibra
mediante una luce laser UV intensa
[2,3]
.
La luce che percorre questa fibra verso
il basso sarà parzialmente riflessa alle
variazioni dell’indice, ma la luce sarà
riflessa solamente per una gamma
ridotta di lunghezze d’onda, ove ha luogo
un’interferenza costruttiva (
Figura 2
).
La lunghezza d’onda massima della luce
riflessa è la cosiddetta lunghezza d’onda di
Bragg:
λB =2·Λ n
eff
(1)
ove Λ rappresenta il periodo del reticolo e
neff è l’indice di rifrazione effettivo.
Dall’equazione
(1)
si può evincere che
il valore λB è influenzato da qualsiasi
variazione del reticolo causata da influenze
esterne: la deformazione della fibra
comporta dei cambiamenti in entrambi i
parametri mediante l’effetto elasto-ottico
mentre la temperatura modifica il valore
neff mediante l’effetto termo-ottico.
Un esempio di spostamento della
lunghezza d’onda causato dalle variazioni
di temperatura è fornito alla
Figura 3
.
Tali
dipendenze
vengono
utilizzate
per realizzare sensori di dimensioni
estremamente ridotte ma altamente
affidabili e precisi per la deformazione
e la temperatura
[4,5]
.
2.3 Componenti del sistema
I seguenti capitoli descrivono in dettaglio
i diversi componenti dell’intero sistema.
2.3.1 Cavo di accoppiamento con sensore
Il sensore FBG utilizzato per la misurazione
della temperatura è costituito dal reticolo
di Bragg in fibra ottica (FBG) protetto da un
tubo d’acciaio inossidabile del diametro di
1,5mm, sigillato ad entrambe le estremità.
La fibra diretta verso l’esterno è protetta da
un comune tubo di plastica. La lunghezza
del tubo d’acciaio di alloggiamento
dipende dalla lunghezza del cavo di
connessione e varia da 1,5m a 3m.
Al fine di utilizzare il sensore in modo
efficace, quest’ultimo deve essere posto
al centro del cavo di connessione che
è generalmente dello stesso tipo del
conduttore di fase. Nel caso del sistema
illustrato, il conduttore di fase era
caratterizzato da una struttura di acciaio/
alluminio con una sezione trasversale
in acciaio di 39,5mm
2
ed una sezione
trasversale di alluminio di 243,1mm
2
. La
sua designazione, conformemente alla
norma EN 50182
[6]
, è 243-AL1/39-ST1A.
La
Figura 4
rappresenta la vista in sezione
trasversale compreso il sensore FBG.
Un altro modo di realizzare un cavo di
accoppiamento con un sensore FBG
consiste nell’utilizzo di un OPPC con una
struttura a tubo d’acciaio. Il sensore può
essere quindi posto nel tubo d’acciaio.
In questo caso, la struttura OPPC deve
essere il più possibile simile alla struttura
del conduttore di fase al fine di evitare
eventuali incompatibilità di correlazione fra
il conduttore e il cavo di accoppiamento.
2.3.2 Sensore di deformazione
Come
precedentemente
menzionato,
anche il sensore di deformazione utilizza
la tecnologia del sensore FBG; tuttavia
esso è specificamente adottato per la sua
funzione principale: la misurazione della
deformazione. Il sensore si presenta in un
alloggiamento di forma rettangolare ed
è collegato ad una piastrina di fissaggio
(
Figura 5
).
La configurazione esistente per la linea
selezionata utilizzava due isolatori paralleli
per l’ancoraggio del conduttore di fase.
Erano pertanto necessari due sensori.
2.3.3 Separatore
Per una linea elettrica ordinaria, il cavo
di accoppiamento viene utilizzato per
colmare lo scarto fra le estremità di due
conduttori di fase ad un traliccio. Esso
presenta lo stesso elevato potenziale
elettrico dei conduttori e trasporta la
stessa corrente elettrica. L’idea di utilizzare
un sensore sul cavo di accoppiamento
solleva due quesiti:
• Come si riduce al potenziale di terra
la terminazione della fibra ottica del
sensore?
• Come è possibile assicurare un
flusso di corrente continuo uscendo
dall’estremità della fibra ottica del
sensore?
La risposta alle due domande è
semplice: utilizzando un separatore
specificamente progettato, il cosiddetto
tipo con derivazione a T. Generalmente,
i separatori si utilizzano per terminare le
linee OPPC con un ingresso di cavo nella
parte “calda”. Aggiungendo un secondo
ingresso, opposto al primo, si ottiene una
derivazione a T (
Figura 6
).
Un separatore con derivazione a T divide
il cavo di connessione in due parti con
due estremità consentendo l’uscita della
fibra sensore. In opzione, si può utilizzare
un sensore aggiuntivo nell’altra metà del
cavo di accoppiamento. Contrariamente
ai separatori per OPPC, la giunzione delle
fibre sensore al cavo a fibre ottiche di
connessione può essere effettuata sul lato
messo a terra del separatore, facilitando
così la procedura di assemblaggio.
Il flusso di corrente elettrica è assicurato
utilizzando delle staffe appropriate agli
ingressi ed una campana di alluminio
solido. Le prove per i cortocircuiti e le
prove di corrente permanente hanno
confermato la capacità e l’affidabilità della
concezione.
2.3.4 Stazione meteorologica
Per completare il sistema di controllo e
ottenere i dati ambientali corrispondenti, è
stata anche utilizzata una piccola stazione
meteorologica, indipendente per quanto
riguarda l’alimentazione di energia ed
alimentata da un pannello solare. La
Figura 7
illustra la stazione meteorologica
installata in cima al traliccio.
I dati, la temperatura dell’aria, l’umidità,
la velocità del vento e la direzione del
vento vengono comunicati al computer di
controllo mediante una connessione senza
fili.
2.3.5 Trattamento dei dati e unità
di controllo
Per utilizzare i sensori FBG per un sistema
di monitoraggio controllato da un personal
computer tradizionale, i segnali ottici
codificati sulla lunghezza d’onda devono
essere convertiti in un flusso di dati. Due
operazioni sono necessarie: in primo luogo
i segnali ottici devono essere convertiti
in segnali elettrici e quindi da analogici a
digitali.
Figura 3
:
Spostamento della lunghezza d’onda di
Bragg causata da cambiamenti di temperatura
▲
Figura 4
:
Sezione trasversale del cavo di
accoppiamento 243-AL1/39-ST1A comprendente
sensore FBG
▼
Diam
Diam
Fili d’acciaio
Fili d’alluminio
Sensore FBG
Lunghezza d’onda (nm)
Attenuazione (dB)