DE19950111C1

DE19950111C1 - Sensor cable for fibre-optic temperature measurements and for determining temperature fields or temperature anomalies caused by movements in fluids or gases encases bunched leads with fibre-optic light waveguides

Info

Publication number: DE19950111C1
Application number: DE19950111A
Authority: DE
Inventors: Stephan Groswig; Eckart Hurtig; Georg Kuka; Andre Trostel
Original assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH
Current assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-10-19

Abstract

An electrical heating lead (3) with an electrical resistance of 5 Ohms each kilometer and a lead with a cooling substance run next to bunched leads (2) with fibre-optic light waveguides (2.1). Hollow spaces in a cable core (4) are filled up with a cable filling compound and a lapping foil (5) surrounds the cable core. Four bunched leads surround a central strain relief (1) made from fibre glass plastic.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorkabel für faseroptische Temperaturmessungen, insbesondere zur Bestimmung von durch Fluidbewegungen, d. h. von durch Flüssigkeiten und/oder Gasen verursachten Temperaturfeldern oder Temperaturanomalien, umfassend mindestens eine Zugentlastung, eine Kabelseele mit Lichtwellenleiter sowie eine Armierung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sensor cable for fiber optic Temperature measurements, in particular for the determination of by Fluid movements, d. H. from by liquids and / or gases caused temperature fields or temperature anomalies, comprising at least one strain relief, a cable core with Optical fiber and a reinforcement according to the preamble of Claim 1.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 18 404 U1 ist eine Einrichtung zum Bestimmen von Temperaturen unter Zuhilfenahme von faseroptischen Lichtwellenleitern bekannt. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der Rückstreuung in Lichtwellenleitern ausgenutzt und gemäß dortiger Lehre zur Überwachung der Tempe raturentwicklung in Deponien verwendet. Nach DE 93 18 404 U1 kommen als flächiges Gebilde in Mäanderform angeordnete Licht wellenleiter, aber auch in Schneckenform oder dergleichen überkreuzt angeordnete Lichtwellenleiter zum Einsatz.One is from the German utility model DE 93 18 404 U1 Device for determining temperatures with the aid known from fiber optic optical fibers. The Temperature dependence of the backscatter in optical fibers exploited and according to local teaching to monitor the temp development in landfills. According to DE 93 18 404 U1 light comes as a flat structure arranged in a meandering shape waveguide, but also in the form of a snail or the like crossed optical fibers for use.

Das Verfahren zur faseroptischen Temperaturmessung ist seit Anfang der 80er Jahre bekannt und geht auf eine Entwicklung der Universität Southampton, Großbritannien, zurück. Dieses Ver fahren basiert auf der Optical Time Domain Reflectrometry (OTDR)-Methode. Hier wird das Licht eines Impulslasers in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt. Bei der Ausbreitung des Laser lichtimpulses wird das Licht an den Molekülen des Lichtwellen leiters gestreut. Die Intensität und die spektrale Zusammen setzung des Streulichts werden durch die Moleküle im Licht wellenleiter und deren Verhalten bestimmt. Das rückgestreute Licht wird mit Hilfe eines Richtungskopplers aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt und detektiert. Im Idealfall, d. h. bei einem homogenen Lichtwellenleiter, zeigt die Intensität des Rückstreulichts einen exponentiellen Abfall mit der Zeit. Mit Hilfe der bekannten Ausbreitungsgeschwindig keit des Lichtes im Lichtwellenleiter kann aus dem zeitlichen Verlauf der Intensität des Rückstreulichts der vom Licht zurückgelegte Weg berechnet werden. Damit ist eine genaue Bestimmung der Lage von Gebieten mit veränderter Rückstreu intensität möglich.The process for fiber optic temperature measurement has been around since Known in the early 80s and is developing Southampton University, UK. This ver driving is based on the Optical Time Domain Reflectrometry (OTDR) method. Here the light from a pulse laser is turned into one Optical fiber coupled. When the laser spreads light pulse is the light on the molecules of light waves head scattered. The intensity and the spectral together Scattered light is set by the molecules in the light waveguide and their behavior determined. The backscattered light is using a directional coupler decoupled from the optical fiber and detected. in the Ideally, d. H. with a homogeneous optical waveguide the intensity of the backscatter light an exponential drop with time. With the help of the known spreading speed speed of the light in the optical waveguide can be determined from the temporal Course of the intensity of the backscattered light from the light distance traveled can be calculated. So that's an accurate one Determination of the location of areas with changed backscatter intensity possible.

Das rückgestreute Licht setzt sich aus verschiedenen spektralen Anteilen zusammen, die durch unterschiedliche Mechanismen der Wechselwirkung zwischen dem Laserlicht und dem Lichtwellen leiter-Baustein hervorgerufen werden. Die Rayleigh-Rückstreu komponente, die die gleiche Wellenlänge wie der in den Licht wellenleiter eingekoppelte Primärlaserimpuls hat, liefert den größten Peak im Streulichtspektrum und bestimmt dadurch wesentlich den exponentiellen Abfall der Intensitäts-Zeit-Kurve des Rückstreulichts. Da Inhomogenitäten im Lichtwellenleiter, Risse, Spleißverbindungen oder ähnliche Sachverhalte eine Intensitätsveränderung in der Rayleigh-Rückstreukomponente bewirken, wird diese Komponente des Streulichtspektrums zur Qualitätskontrolle von Lichtwellenleitern, aber auch zur Fehlerortung verwendet. Die Rayleigh-Rückstreukomponente ist aufgrund ihres Entstehungsmechanismus praktisch unabhängig von Temperatureinflüssen.The backscattered light consists of different spectral Shares together by different mechanisms of the Interaction between the laser light and the light waves ladder module. The Rayleigh backscatter component that is the same wavelength as that in the light has waveguide coupled primary laser pulse, delivers the largest peak in the scattered light spectrum and thereby determined essentially the exponential decay of the intensity-time curve of the backscattered light. Because inhomogeneities in the optical fiber, Cracks, splice connections or similar situations Change in intensity in the Rayleigh backscatter component cause this component of the scattered light spectrum to Quality control of optical fibers, but also for Fault location used. The Rayleigh backscatter component is practically independent of Temperature influences.

Die Phonon-Photon-Wechselwirkung des Laserlichts, d. h. die Wechselwirkung des Laserlichts mit den thermisch induzierten Gitterschwingungen im Lichtwellenleiter, ist die Ursache für das Raman-Rückstreulicht, dessen Intensität demzufolge von der Temperatur abhängt. Der Lichtwellenleiter wird dadurch selbst zum sensitiven Element. Aufgrund seines Entstehungsmechanismus setzt sich das Raman-Streulicht aus zwei Komponenten, der Stokes-Linie und der Anti-Stokes-Linie zusammen. Diese Spektrallinien liegen, um eine bestimmte Wellenzahl verschoben, symmetrisch zum Peak der Rayleigh-Linie. Während die Stokes- Linie in erster Näherung temperaturabhängig ist, zeigt die Intensität der kürzer periodischen Anti-Stokes-Linie eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. Bei dem faseroptischen Meßprinzip wird also aus dem Streulichtspektrum ein Heraus filtern der beiden Komponenten des Raman-Streulichts vorge nommen. Durch eine Verhältnisbildung der Intensitäten der beiden Linien werden alle Einflüsse, die auf Veränderungen der Lichtquelle oder anderer äußerer Einwirkungen auf den Licht wellenleiter zurückzuführen sind, mit Ausnahme der Temperatur eliminiert.The phonon-photon interaction of the laser light, i. H. the Interaction of the laser light with the thermally induced Lattice vibrations in the optical fiber is the cause of the Raman backscattered light, the intensity of which consequently differs from that Temperature depends. The fiber optic becomes itself to the sensitive element. Because of its creation mechanism the Raman scattered light consists of two components, the Stokes line and the Anti-Stokes line together. This Spectral lines are shifted by a certain wave number, symmetrical to the peak of the Rayleigh line. While the Stokes The line is temperature-dependent in the first approximation, the Intensity of the shorter periodic anti-Stokes line one pronounced temperature dependence. With the fiber optic The measuring principle thus becomes an extract from the scattered light spectrum filter the two components of the Raman scattered light taken. By forming a ratio of the intensities of the Both lines are all influences that affect changes in the Light source or other external influences on the light waveguides, with the exception of temperature eliminated.

In Analogie zum Radarprinzip wird das Laserlicht als kurzer Lichtimpuls mit einer Impulsdauer von ca. 10 ns in den Licht wellenleiter eingekoppelt und die Intensitäten der Stokes- und der Anti-Stokes-Linie des Raman-Streulichts zeitaufgelöst registriert. Durch die Auswertung des Intensitätsverhältnisses von Anti-Stokes- und Stokes-Linie wird die Temperatur eines kleinen Lichtwellenleiter-Abschnitts bestimmt, während die zugehörige Ortskoordinate aus der entsprechenden Laufzeit des rückgestreuten Lichtimpulses ermittelt wird. Die Temperatur kann entlang der optischen Faser mit einer hohen geometrischen Auflösung gemessen werden, wobei die optische Faser selbst wie dargestellt der Temperatursensor ist.In analogy to the radar principle, the laser light is considered shorter Light pulse with a pulse duration of approx. 10 ns in the light waveguide coupled and the intensities of the Stokes and the anti-Stokes line of the Raman scattered light registered. By evaluating the intensity ratio of Anti-Stokes and Stokes lines the temperature becomes one small optical fiber section determined during the associated location coordinate from the corresponding term of the backscattered light pulse is determined. The temperature can be along the optical fiber with a high geometric Resolution can be measured, with the optical fiber itself like the temperature sensor is shown.

Die Faserlänge kann mehrere Kilometer betragen, so daß auch eine engmaschige flächenhafte oder räumliche Verlegung des optischen Kabels möglich ist.The fiber length can be several kilometers, so too a close-meshed area or spatial relocation of the optical cable is possible.

Aus: Geothermische Energie; Mitteilungsblatt der Geothermischen Vereinigung e. V., Nr. 18, 5. Jg., März 1997, ist der Einsatz faseroptischer Temperaturmessungen zur Erfassung und Über wachung des Temperaturfelds an Erdwärmesonden bekannt. Demnach ist es möglich, mit hoher Ortsauflösung die zeitliche Ent wicklung des Temperaturfelds unmittelbar an einer Erdwärmesonde sowie innerhalb und der Umgebung eines Erdwärmesondenfelds zu erfassen und zu überwachen. Bei der bekannten Anordnung wurden an bis zu einer Tiefe von 200 m abgeteuften Bohrungen eines Erdwärmespeichers faseroptische Meßkabel als äußere Meßschleife an einer um die unverrohrte Bohrung eingebrachte Duplex-Erd wärmesonde angeordnet. Hierdurch besteht die Möglickeit, das Temperaturfeld in der Umgebung des Abwärtsstroms und des Aufwärtsstroms getrennt zu erfassen. Aus den Messungen wurde deutlich, daß die zeitliche Entwicklung der Temperatur bei der Wärmeausspeisung in wenigen Stunden abfällt und einen charak teristischen Verlauf mit deutlichen Anomalien annimmt.From: Geothermal energy; Newsletter of the geothermal Association e. V., No. 18, 5th vol., March 1997, is the assignment fiber optic temperature measurements for acquisition and over monitoring of the temperature field on geothermal probes known. Therefore it is possible to determine the time Ent with high spatial resolution Winding the temperature field directly on a geothermal probe as well as within and around a geothermal probe field record and monitor. In the known arrangement on boreholes sunk to a depth of 200 m Geothermal energy storage fiber optic measuring cable as outer measuring loop on a duplex earth around the uncased hole arranged heat probe. This gives the possibility that Temperature field in the vicinity of the downward current and the Detect upward current separately. The measurements became clearly that the temporal development of the temperature at Heat output drops in a few hours and a charak assumes a teristic course with clear anomalies.

Aus den Messungen konnte erkannt werden, daß die Auskühlung der wassergesättigten porösen Schichten sehr langsam verläuft, während sich im Bereich von Schluff- und Tonschichten schnell ein Kühlmantel bildet. Bei der Wärmeeinspeisung treten die gleichen systematischen Effekte wie bei der Wärmeleitfähigkeit auf. Die Sande haben daher folglich eine wesentlich größere effektive Wärmeleitfähigkeit, wobei hierunter die Summe aus konduktivem und advektivem bzw. konvektivem Wärmetransport verstanden wird.From the measurements it could be seen that the cooling of the water-saturated porous layers runs very slowly, while quickly in the area of silt and clay layers forms a cooling jacket. When heat is fed in, the same systematic effects as with thermal conductivity on. The sands are therefore much larger effective thermal conductivity, including the sum of conductive and advective or convective heat transport is understood.

Bei der Meßanordnung zur Überwachung des Temperatursfelds an Erdwärmesensoren wurde ein gemeinsamer Mechanismus festgestellt dergestalt, daß bezogen auf die Gleichgewichtstemperatur, nämlich die Gebirgstemperatur, sich die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung der Erdwärmesondenschläuche bei der Wärmeeinspeisung um bis zu 8° oder 9° erhöht und bei der Aus speisung um ca. 6° erniedrigt.In the measuring arrangement for monitoring the temperature field A common mechanism has been identified for geothermal sensors such that, based on the equilibrium temperature, namely the mountain temperature, the temperature in the in the immediate vicinity of the geothermal heat tubes at Heat feed increased by up to 8 ° or 9 ° and when switched off feed reduced by approx. 6 °.

In inpermeablen Schichten mit niedrigen Wärmeleitfähigkeits werten bildet sich ein Kühlmantel aus, da durch die reine Wärmeleitung, d. h. Konduktion nicht genügend Wärme nachge liefert werden kann. In porösen, wassergefüllten Schichten wird in der unmittelbaren Umgebung um die Erdwärmesonde das Poren wasser abgekühlt. Die Gebirgstemperatur ist höher, so daß sich in der porösen Schicht in unmittelbarer Umgebung der Erdwärme sonde zunächst kleinräumige Konvektionszellen bilden können, über die Wärme zu der Wärmesenke an der Erdwärmesonde trans portiert wird. Dadurch sinkt die Temperatur nicht so stark ab wie in den inpermeablen Schichten, und es bildet sich ein Temperaturmaximum aus. Mit anderen Worten konnten durch den Heiz- bzw. Kühleffekt beim Ein- und Ausspeisen von Wärme die Eigenschaften hinsichtlich Wärmetransport der umgebenden Schichten bestimmt werden, obwohl ein advektiver Wärmetransport durch fließendes Grundwasser nicht oder nur mit geringer Grundwasserströmung vorhanden war.In impermeable layers with low thermal conductivity values, a cooling jacket forms, because of the pure Heat conduction, d. H. Conduction not enough heat can be delivered. In porous, water-filled layers the pores in the immediate vicinity around the geothermal probe water cooled. The mountain temperature is higher, so that in the porous layer in the immediate vicinity of geothermal energy can initially form small-scale convection cells, via the heat to the heat sink at the geothermal probe trans is ported. As a result, the temperature does not drop so much like in the permeable layers, and it forms Temperature maximum. In other words, through the Heating or cooling effect when heat is fed in and out Properties regarding heat transfer of the surrounding Layers are determined, although an advective heat transfer due to flowing groundwater or not at all Groundwater flow was present.

Von der Anmelderin wurde weiterhin vorgeschlagen, faseroptische Laserradar-Temperaturmessungen zur Erfassung und zum Nachweis von Zuflußzonen in Feldfugen von Talsperren oder ähnlichen Wassersperrbauwerken durchzuführen.The applicant has also proposed fiber optic Laser radar temperature measurements for detection and detection of inflow zones in field joints of dams or the like To carry out water barrier structures.

Dabei wurde davon ausgegangen, daß im Falle einer Leckage durch Undichtigkeiten am Feldfugenblech einer Talsperre die Tempe ratur-Teufen-Verteilung in der Feldfuge im Bereich der Zufluß zone eine Unstetigkeitsstelle aufweist. Eine entsprechende Genauigkeit der Temperaturauflösung zum Bestimmen derartiger Leckagen im Bereich von mindestens 0,1°K ist hierfür erfor derlich. Die Messung der Temperatur-Teufen-Verteilung in Feldfugen mit konvektionellen Temperatursonden, so wurde festgestellt, birgt die Gefahr, daß es bei dem teilweise sehr geringen lichten Durchmesser der Fugen, der stellenweise nur unwesentlich größer als der Durchmesser der eingesetzten Temperaturmeßsonde ist, zu Verwirbelungen in der Feldfuge und damit zu deutlichen Störungen des zu messenden Temperatur profils kommen kann. Indikationen hierfür sind Unterschiede zwischen den beim Ablassen und den beim Aufholen der Sonde gemessenen Temperaturwerten. Weiterhin ist im Fall geringerer Durchströmungsgeschwindigkeiten des fluiden Mediums in der Fuge es sehr erschwert, unter Berücksichtigung vertretbarer Meß zeiten und Tagesgang-Temperaturverläufen Leckagen schnell und sicher zu ermitteln. Darüber hinaus wurde bei den Feldversuchen ein exaktes Einmessen der Meßkabel durch dort befestigte Heiz schleifen, die am Meßkabel befestigt waren, erreicht.It was assumed that in the event of a leak through Leaks at the field joint sheet of a dam the Tempe ratur-depth distribution in the field joint in the area of the inflow zone has a discontinuity. A corresponding Accuracy of temperature resolution to determine such Leakages in the range of at least 0.1 ° K are required for this such. The measurement of the temperature-depth distribution in Field joints with convectional temperature probes, so was found, there is a risk that it will be very small clear diameter of the joints, only in places slightly larger than the diameter of the used Temperature probe is, to turbulence in the field joint and thus to significant disturbances of the temperature to be measured profils can come. Indications for this are differences between those when lowering and those when catching up the probe measured temperature values. Furthermore, in the case of less Flow rates of the fluid medium in the joint it is very difficult, considering reasonable measurement times and daily course temperature profiles leakages quickly and to determine safely. In addition, the field trials an exact measurement of the measuring cable by means of the heating attached there loops that were attached to the measuring cable.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 298 21 223 U1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Licht wellenleiter bekannt, wobei gemäß dortiger Lehre Mittel zur zumindest zeitweisen Zufuhr von Wärme zum Lichtwellenleiter oder Mittel zum zumindest zeitweisen Entzug von Wärme vom Lichtwellenleiter vorgesehen sind. Diese Mittel sollen eine oder mehrere elektrische Leiter umfassen, die den Wärmeaus tausch mit dem Lichtwellenleiter sicherstellen. Mit der im genannten Gebrauchsmuster beschriebenen Lösung soll die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des strömenden und/oder sickernden Fluids und der Temperatur des Mediums in der Umgebung des Lichtwellenleiters erreicht werden. Mit Hilfe des dort gezeigten elektrischen Heizleiters, der zu einem indirekten Wärmeaustausch mit dem Lichtwellen leiter führt, erwärmt sich letzterer. Die Heizleiter können um den Lichtwellenleiter angeordnet sein, d. h. ihn umschließen oder ihn in Art einer Wicklung oder als Geflecht umgeben oder im wesentlichen parallel zum Lichtwellenleiter verlaufen. Als besonders vorteilhafte Lösung wird gemäß DE 298 21 223 U1 herausgestellt, das metallische Schutzgeflecht von Glasfaser kabeln als elektrischen Leiter zur Erwärmung zu benutzen. Hier soll die Schutzumhüllung eine Doppelfunktion ausüben.One is from the German utility model DE 298 21 223 U1 Device for measuring fluid movements using light waveguide known, according to the teaching there means for at least temporarily supplying heat to the optical waveguide or means for at least temporarily withdrawing heat from the Optical fibers are provided. These funds are said to be one or comprise several electrical conductors that expel the heat ensure replacement with the optical fiber. With the solution described in the utility model mentioned the required temperature difference between the temperature of the flowing and / or seeping fluid and the temperature of the medium in the vicinity of the optical waveguide become. With the help of the electrical heating conductor shown there, the indirect heat exchange with the light waves conductor leads, the latter warms up. The heating conductors can turn around the optical waveguide be arranged, d. H. enclose him or surround it in the form of a winding or as a braid or run essentially parallel to the optical waveguide. According to DE 298 21 223 U1, a particularly advantageous solution highlighted the metallic protective braid of fiberglass use cables as an electrical conductor for heating. Here the protective covering is to perform a dual function.

Zurückgehend auf umfangreiche Untersuchungen der Anmelderin hat sich jedoch gezeigt, daß die im Gebrauchsmuster DE 298 21 223 U1 vorgestellte Lösung der Zuführung von Wärme quasi von außen gerichtet hinein in ein in üblicher Weise vorkonfek tioniertes Sensorkabel insofern von Nachteil ist, daß primär die Umgebung, nicht jedoch das eigentliche Sensorkabel, nämlich die Lichtwellenleiter-Fasern, mit thermischer Energie beauf schlagt und damit geheizt bzw. gekühlt werden. So entstehen bei Aufheizung des Lichtwellenleiter-Sensorkabels quasi thermische, mantelförmige Schutzzonen, die erst dann von einem fluiden, strömenden Medium mit dem Nachweis einer Tempe raturanomalie durchbrochen werden, wenn dieses Medium über eine ausreichende Wärmetransportkapazität verfügt. Demnach führt das vorgeschlagene Heizen, aber auch Kühlen durch die Auswirkung auf die unmittelbare Umgebung zu einer reduzierten Meß- und damit Nachweisempfindlichkeit faseroptischer Laserradar-Tempe raturmessungen. Going back to extensive investigations by the applicant However, it has been shown that the DE 298 21 223 U1 presented solution of supplying heat quasi from the outside in a pre-confection in the usual way dated sensor cable is disadvantageous in that primary the environment, but not the actual sensor cable, namely the fiber optic fibers, with thermal energy strikes and thus be heated or cooled. This is how the fiber optic sensor cable heats up quasi thermal, jacket - shaped protection zones, which only then by a fluid, flowing medium with the detection of a temperature raturanomalie be breached if this medium has a has sufficient heat transport capacity. So that leads proposed heating, but also cooling by the impact on the immediate area to a reduced measurement and thus detection sensitivity of fiber optic laser radar temp temperature measurements.

Die DE 196 21 797 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leckageüberwachung an Objekten und Bauwerken. Mittels passiver Temperatursensoren in Form eines oder mehrerer Lichtwellenleiter soll im Fall einer Leckage das Leck durch Ermitteln der Temperaturänderungen im Bereich der Leckage erfaßt werden. Die Lichtwellenleiter werden im wesentlichen schlaufenförmig mit vertikal verlaufenden Schlaufenästen in Hydraulikleitungen, in Hohlrohren oder in Schläuchen, aber auch in durch ein Horizontalbohrverfahren verlegten Rohren ange ordnet. Voraussetzung für eine erfolgreiche Leckageüberwachung ist jedoch ein ausreichender Temperaturunterschied zwischen dem fluiden Medium und der jeweiligen Umgebung.DE 196 21 797 A1 shows a method and a device for leakage monitoring on objects and structures. Means passive temperature sensors in the form of one or more In the event of a leak, fiber optic cables should leak through Determine the temperature changes in the area of the leak be recorded. The optical fibers are essentially loop - shaped with vertically running loop branches in Hydraulic lines, in hollow tubes or in hoses, but also in pipes laid by a horizontal drilling method arranges. Prerequisite for successful leak monitoring however, there is a sufficient temperature difference between the fluid medium and the respective environment.

Eine ähnliche Lösung zeigt das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur Bestimmung thermischer Parameter nach DE 41 27 646 C2.The process and the associated solution show a similar solution Device for determining thermal parameters according to DE 41 27 646 C2.

Dort ist ein Hohlgestänge in den Boden eingebracht, wobei mehrere in einer Sensorkette angeordnete Sensoren in das Hohlgestänge eingesetzt werden. Die in einer Sensorkette angeordneten Sensoren sollen eine quasi kompakte Meßsonde bilden, wobei der Sondenkörper zusätzlich einen Heizdraht aufweist. Der Heizdraht dient einer gezielten Erwärmung der Meßsonde, um hierdurch eine Bestimmung der Temperaturleit fähigkeit des umgebenden Bodens durchführen zu können. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, daß der Anstieg der Temperatur in der Sonde proportional zur Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit des erwähnten, die Meßanordnung umgebenden Bodens ist.There is a hollow rod in the ground, where several sensors arranged in a sensor chain in the Hollow rods are used. The one in a sensor chain Arranged sensors are said to be a quasi-compact measuring probe form, the probe body additionally a heating wire having. The heating wire is used for targeted heating of the Measuring probe to thereby determine the temperature control ability to perform the surrounding soil. there the knowledge is used that the rise in temperature in the probe is proportional to the thermal or thermal conductivity of the mentioned floor surrounding the measuring arrangement.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein Sensor kabel für faseroptische Temperaturmessungen, insbesondere zur Bestimmung von durch Fluidbewegungen verursachten Temperatur feldern oder Temperaturanomalien anzugeben, das eine energe tische Optimierung durch spezielle Anordnung einer elektrischen Heizleitung oder einer ein Kühlmedium führenden Leitung ermög licht, so daß sich kein thermischer, störender quasi Schutz mantel außerhalb des Sensorkabels, d. h. zum umgebenden Medium aufbaut.From the above, it is an object of the invention to provide a sensor cables for fiber optic temperature measurements, especially for Determination of temperature caused by fluid movements fields or temperature anomalies that indicate an energetic table optimization by special arrangement of an electrical Heating line or a line carrying a coolant enables light, so that there is no thermal, annoying quasi protection sheath outside the sensor cable, d. H. to the surrounding medium builds up.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Sensor kabel gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The object of the invention is achieved with a sensor Cable according to the features of claim 1, wherein the Subclaims at least useful configurations and Represent further training.

Erfindungsgemäß ist innerhalb der Kabelseele des Sensorkabels mindestens eine, eine oder mehrere Lichtwellenleiter-Fasern aufweisende Bündelader sowie der Bündelader eng benachbart mindestens eine elektrische Heizleitung oder eine ein Kühl medium führende Leitung angeordnet. Weiterhin sind die Hohl räume der Kabelseele verfüllt und die Kabelseele von einer Bewicklungsfolie umgeben. Durch letztgenannte Maßnahmen wird sichergestellt, daß bedingt durch Heizen oder Kühlen ansonsten auftretender thermischer Stress von den einen sehr geringen Nenndurchmesser aufweisenden Lichtwellenleiter-Fasern fern gehalten wird, andererseits aber eine enge thermische Kopplung vorhanden ist.According to the invention is within the cable core of the sensor cable at least one, one or more optical fibers loose tubes and the loose tube are closely adjacent at least one electrical heating line or one cooling medium leading line arranged. Furthermore, the hollow spaces of the cable core filled and the cable core of one Surrounding wrapping film. Through the latter measures ensures that due to heating or cooling otherwise thermal stress occurring from the very low Fiber optic fibers with a nominal diameter is maintained, but on the other hand a tight thermal coupling is available.

Die Kabelseele kann zwei bis sechs Bündeladern und einen bis vier elektrische Heizleiter aufweisen, wobei diese um eine zentral angeordnete, vorzugsweise nichtmetallische Zugent lastung verseilt angeordnet sind.The cable core can have two to six loose tubes and one to have four electrical heating conductors, these by one centrally arranged, preferably non-metallic tension load are arranged stranded.

Die Bündeladern sind als gefüllte Hohladern ausgebildet und weisen eine bis zwölf Lichtwellenleiter-Fasern auf. Die Bündelader besteht aus einem thermoplastischen Material und ist mit einer thixotropen Masse gefüllt. The loose tubes are designed and filled as hollow tubes have one to twelve optical fibers. The loose tube consists of a thermoplastic material and is filled with a thixotropic mass.

Durch die im Inneren der Kabelseele angeordneten elektrischen Heizleiter mit einem definierten Widerstand je Meter bzw. Kilometer Kabellänge gelingt es mit geringer elektrischer Energie, ein ausreichendes und nennenswertes Aufheizen der Bündelader sicherzustellen, ohne daß bei den üblicherweise eingesetzten großen Kabellängen die Masse des Kabels unver tretbar hoch ansteigt.Due to the electrical arranged inside the cable core Heating conductor with a defined resistance per meter or Kilometers of cable length can be achieved with less electrical Energy, a sufficient and noteworthy heating up of the To ensure loose tubes without the usual used large cable lengths the mass of the cable unc rises so high.

Die erwähnte Bewicklung, welche die Kabelseele umfassend die Bündeladern und Heizleitungen umgibt, besteht aus einem Kunst stoffmaterial und ist von einer peripheren Zugentlastung um geben.The mentioned winding, which encompasses the cable core Loose tubes and heating cables surround, consists of an art material and is from a peripheral strain relief around give.

Zwischen einem Kunststoff-Innenmantel und einem Kunststoff- Außenmantel ist eine Armierung in Form eines kunststoffbe schichteten, vorzugsweise verchromten Stahlbands vorgesehen. Das Stahlband ist längslaufend mit geeigneter Überlappung aufgebracht und bevorzugt geriffelt.Between a plastic inner jacket and a plastic Outer jacket is a reinforcement in the form of a plastic Layered, preferably chrome-plated steel tape provided. The steel strip runs lengthways with a suitable overlap applied and preferably corrugated.

Durch die beschriebene Sensorkabelform sind ausreichende Zug festigkeiten sowie Belastungswerte in Sachen Querdruck, Schlag und wiederholte Biegung gegeben. Die Materialauswahl in Ver bindung mit den Füllstoffen sichert eine ausreichende Tempera turwechsel-Beständigkeit bei gegebener Längswasserdichtigkeit.Due to the described sensor cable shape there is sufficient tension strengths and load values in terms of lateral pressure, impact and given repeated bend. The material selection in Ver binding with the fillers ensures a sufficient temperature Resistance to door changes with a given longitudinal water tightness.

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorkabels ist die elektrische Heizleitung oder die das Kühlmedium führende Leitung im wesentlich zentrisch, d. h. mittig in der Kabel längsseele verlaufend angeordnet.In one embodiment of the sensor cable according to the invention the electrical heating cable or the one that carries the cooling medium Line essentially centric, d. H. in the middle of the cable longitudinal soul arranged running.

Die vorstehenden Ausführungsformen des Sensorkabels gewähr leisten einen unmittelbaren schnellen und direkten Wärmeüber gang zwischen Heizleitung bzw. der ein Kühlmedium führenden Leitung zum sensitiven Lichtwellenleiter, der sich in der Bündelader bzw. den mehreren Bündeladern befindet. Die optimierte Möglichkeit des Beheizens oder Kühlens des für die Erfassung thermischer Anomalien maßgeblichen Lichtwellen leiters gestattet es, mit hoher Präzision auch sehr langsam verlaufende, eine geringe Wärmetransportkapazität besitzende Strömungen bzw. Fluidbewegungen zu erfassen.The above embodiments of the sensor cable guarantee provide an immediate quick and direct heat transfer passage between the heating cable or the one carrying a cooling medium Cable to the sensitive optical fiber, which is in the Loose tube or the multiple loose tubes. The optimized possibility of heating or cooling the for the detection of thermal anomalies relevant light waves ladder allows very high precision, even very slowly trending, having a low heat transport capacity To record flows or fluid movements.

Die geringe Wärmekapazität der Gesamtanordnung des Kabels ermöglicht einen nahezu Pulsbetrieb, d. h. es sind kurze Zyklen zwischen Aufheizen und Abkühlen erreichbar.The low thermal capacity of the overall arrangement of the cable enables almost pulsed operation, i. H. they are short cycles accessible between heating and cooling.

Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorkabels besteht die Möglichkeit, durch gezielte, im Kabel ausgebildete Wärmebrücken oder Bereiche erhöhter Wärmeübergangswiderstände künstliche Temperaturpeaks zu erzeugen, die zu Eichzwecken bzw. zum Er fassen der momentanen Aufheiztemperatur ohne Einsatz weiterer, diskreter Sensoren genutzt werden können.When using the sensor cable according to the invention Possibility through targeted thermal bridges formed in the cable or areas of increased heat transfer resistance artificial To generate temperature peaks for calibration purposes or for Er capture the current heating temperature without using any other discrete sensors can be used.

Dadurch, daß die elektrische Heizleitung im Inneren des Sensorkabels befindlich ist, können die ansonsten vorgesehenen Armierungs- und Schutzummantelungen auch gleichzeitig zum Schutz des Heizleiters vor Beschädigung genutzt werden, ohne daß sich der Außenumfang des Kabels unerwünscht erhöht.The fact that the electrical heating cable inside the Sensor cable is located, the otherwise provided Reinforcement and protective sheathing also at the same time Protection of the heating conductor against damage can be used without that the outer circumference of the cable increases undesirably.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game and explained with the help of figures become.

Hierbei zeigen:Here show:

Fig. 1 eine nichtmaßstäbliche Prinzipdarstellung eines Querschnitts einer ersten Ausführungsform des Sensorkabels mit zentraler Zugentlastung sowie Fig. 1 is a not to scale schematic representation of a cross section of a first embodiment of the sensor cable with central strain relief and

Fig. 2 eine nichtmaßstäbliche Darstellung eines Querschnitts eines Sensorkabels mit zentrisch angeordnetem elektri schen Heizleiter. Fig. 2 is a not to scale representation of a cross section of a sensor cable with a centrally arranged electrical heating conductor's.

Das Sensorkabel gemäß Fig. 1 und erstem Ausführungsbeispiel besitzt eine zentrale Zugentlastung 1, z. B. aus Glasfaser kunststoff. Diese zentrale Zugentlastung 1 ist von Bündeladern 2, beim gezeigten Beispiel vier Bündeladern 2, umgeben. The sensor cable of FIG. 1 and the first embodiment has a central strain relief 1, z. B. made of glass fiber plastic. This central strain relief 1 is surrounded by loose tubes 2 , four loose tubes 2 in the example shown.

Die Bündeladern 2 stellen eine aus einem thermoplastischen Material bestehende, mit thixotroper Masse gefüllte Hohlader dar, die mindestens eine Lichtwellenleiter-Faser 2.1 im Inneren enthält.The loose tubes 2 represent a hollow tube consisting of a thermoplastic material and filled with thixotropic mass, which contains at least one optical fiber 2.1 inside.

Den Bündeladern 2 benachbart und ebenfalls die zentrale Zug entlastung 1 umgebend sind beim gezeigten ersten Beispiel zwei Heizleitungen 3 angeordnet. Die Heizleitungen besitzen einen elektrischen Widerstand von z. B. 5 Ohm je km.The loose tubes 2 adjacent and also the central train relief 1 surrounding two heating lines 3 are arranged in the first example shown. The heating cables have an electrical resistance of z. B. 5 ohms per km.

Die Kabelseele 4 wird nun aus den vier Bündeladern 2 und den zwei Heizleitungen 3 durch entsprechendes Verseilen um das Zentralelement bzw. die zentrale Zugentlastung 1 erstellt. Die verbleibenden Hohlräume der Kabelseele 4 sind mit einer Kabel füllmasse verfüllt.The cable core 4 is now created from the four loose tubes 2 and the two heating lines 3 by appropriate stranding around the central element or the central strain relief 1 . The remaining cavities of the cable core 4 are filled with a cable filler.

Die Kabelseele 4 ist von einer Kunststoff-Folie umgeben, die als Bewicklung 5 wirkt.The cable core 4 is surrounded by a plastic film, which acts as a winding 5 .

Außerhalb der Bewicklung 5 ist eine periphere Zugentlastung 6, beispielsweise bestehend aus Aramid, vorhanden. An diese peri phere Zugentlastung 6 schließt sich ein Innenmantel 7, z. B. aus PE an.Outside the winding 5 there is a peripheral strain relief 6 , for example consisting of aramid. At this peri phere strain relief 6 closes an inner jacket 7 , z. B. made of PE.

Der Innenmantel 7 ist wiederum von einer Armierung 8 und diese von einem Außenmantel 9 umgeben.The inner jacket 7 is in turn surrounded by a reinforcement 8 and this by an outer jacket 9 .

Die Armierung 8 besteht aus einem kunststoffbeschichteten ver chromten Stahlband, welches geriffelt ist. Das Stahlband ist längslaufend mit geeigneter Überlappung aufgebracht und besitzt eine Nennwanddicke von im wesentlichen 0,15 mm.The reinforcement 8 consists of a plastic-coated ver chromed steel band, which is corrugated. The steel strip is applied lengthways with a suitable overlap and has a nominal wall thickness of essentially 0.15 mm.

Das beschriebene erste Ausführungsbeispiel gestattet es, Sensorkabel mit einem Außendurchmesser im Bereich von 15 bis 16 mm bei einem Kabelgewicht von ≦ 320 kg/km bereitzustellen. Der minimale Biegeradius während der Installation liegt im Bereich des 15- bis 20-fachen des äußeren Kabeldurchmessers. Außerordentlich geringe Dämpfungseigenschaften zwischen 0,6 und 2,5 dB/km je nach Wellenlänge gestatten das Betreiben mit Impulslasern geringer Energien bzw. den Aufbau langer Meß strecken. Die Temperaturwechselbeständigkeit liegt bei den gewählten Materialien im Bereich von -25°C bis +70°C. Die Zugfestigkeit erreicht Werte zwischen 3200 und 3500 N.The described first exemplary embodiment allows Sensor cable with an outside diameter in the range from 15 to 16 mm with a cable weight of ≦ 320 kg / km. The minimum bending radius during installation is Range of 15 to 20 times the outer cable diameter. Exceptionally low damping properties between 0.6 and 2.5 dB / km depending on the wavelength allow operation with Low energy pulse lasers or the construction of long measurements stretch. The resistance to temperature changes lies with the selected materials in the range from -25 ° C to + 70 ° C. The Tensile strength reaches values between 3200 and 3500 N.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind der oder die Heizleiter quasi im Mittelpunkt, d. h. zentrisch des Kabels verlaufend angeordnet und von den Bündeladern 2, enthaltend die Lichtwellenleiter-Fasern, umgeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Zugentlastung 1 ver seilt sein oder es besteht die Möglichkeit, eine entsprechend stärkere periphere Zugentlastung 6 auszubilden.In the second exemplary embodiment shown in FIG. 2, the heating conductor (s ) are arranged virtually in the center, that is to say running centrally of the cable, and are surrounded by the loose tubes 2 containing the optical waveguide fibers. In this embodiment, the strain relief 1 can be roped or there is the possibility of forming a correspondingly stronger peripheral strain relief 6 .

Mit dem vorgestellten Sensorkabel können Untersuchungen auch dort vorgenommen werden, wo nur geringe Temperaturunterschiede zwischen der Bodentemperatur in nicht oder nur gering durch strömten Böden und der Grundwasser- oder Gewässertemperatur bestehen. Die vorgeschlagene Konstruktion dient primär dem Aufheizen des Lichtwellenleiters im Verbundkabel und nicht dem Erhitzen des gesamten Kabels, da es für die Messungen im wesentlichen darauf ankommt, die thermischen Anomalien zwischen den Lichtwellenleiter-Fasern und der Umgebung, z. B. bedingt durch stärken Wärmetransport bei vorhandenen Leckagen oder leckagebedingten Strömungen zu erfassen.With the sensor cable presented, examinations can also be carried out be carried out where there are only slight temperature differences between the floor temperature in not or only slightly flowed soils and groundwater or water temperature consist. The proposed construction primarily serves that Heating up the optical fiber in the composite cable and not that Heating the entire cable as it is used for measurements in the what matters is the thermal anomalies between the fiber optic fibers and the environment, e.g. B. conditional through increased heat transfer in the event of leakages or leakage-related flows.

Reference list

11

Zugentlastung
Strain relief

22nd

Bündelader
Loose tube

2.12.1

Lichtwellenleiter-Faser
Optical fiber

33rd

Heizleitung
Heating cable

44th

Kabelseele
Cable core

55

Bewicklung
Wrapping

66

periphere Zugentlastung
peripheral strain relief

77

Innenmantel
Inner jacket

88th

Armierung
reinforcement

99

Außenmantel
Outer jacket

Claims

1. Sensor cable for fiber optic temperature measurements, in particular special for determining fluid fields, ie temperature fields caused by liquids and / or gases or temperature anomalies, comprising at least one strain relief, a cable core with optical fiber and a reinforcement, characterized in that at least within the cable core one, one or more optical waveguide fibers have a loose tube and the bundle wire is arranged closely adjacent to at least one electrical heating line or a line carrying a cooling medium, the cavities of the cable core being filled and the cable core being surrounded by a sheath.

2. Sensor cable according to claim 1, characterized in that the cable core two to six loose tubes and one to four has electrical heating cables, these around a central arranged strain relief are arranged stranded.

3. Sensor cable according to claim 1 or 2, characterized in that the loose tube (s) as a filled tube with one to twelve Optical fiber fibers is (are).

4. Sensor cable according to claim 3, characterized in that the filler is a thixotropic mass.

5. Sensor cable according to claim 1, characterized in that the wrapping is a plastic wrapping film.

6. Sensor cable according to one of the preceding claims, characterized in that a peripheral strain relief the cable core and / or the Wrapping foil surrounds outside.

7. Sensor cable according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcement between a plastic inner jacket and a Plastic outer jacket is located and made of one coat teten, longitudinally overlapping steel band.

8. Sensor cable according to claim 1, characterized in that the electrical heating cable or the one that carries the cooling medium Line arranged essentially centrally in the cable core is.

9. Sensor cable according to claim 7, characterized in that the coated steel strip has a corrugation and the Steel strip coating made of plastic.