500°C-rated optische vezel voor toepassingen bij hoge temperaturen

Op silica gebaseerde optische glasvezels zonder coating zijn bestand tegen temperaturen hoger dan 600°C. Glasvezels moeten echter worden beschermd tegen de omgeving. Standaard telecomvezels zijn meestal gecoat met acrylaat waardoor ze kunnen worden gebruikt bij temperaturen tot 85°C. Speciale optische vezels kunnen worden geproduceerd met een polyimide coating, waardoor deze vezels kunnen worden gebruikt in omgevingen tot 300°C. Dit type vezel wordt veelvuldig gebruikt in de olie- en gasindustrie om belangrijke communicatie- en detectiefuncties voor reservoirbeheer te bieden.

Voor temperaturen boven 300°C zouden metaalcoatings aantrekkelijk zijn. De tot nu toe geproduceerde putten werden vanwege de hoge dempingswaarden bij lage temperaturen ongeschikt geacht voor de inzet van geothermische bronnen1. Stroomafwaartse olieverwerking kan ook profiteren van metingen bij hoge temperaturen die lage dempingsvezels vereisen die presteren boven 300 ° C. Deze demping, evenals significante dempingsveranderingen tijdens het fietsen, wordt over het algemeen toegeschreven aan microbuiging en de grote mismatch van de thermische uitzettingscoëfficiënten tussen de metaalcoating en de glasvezel2. Onder andere dunnere metaalcoatings kunnen deze problemen helpen verminderen; de productie van lange stukken hoogwaardige, met metaal beklede vezels met gecontroleerde dikte van de coating is echter niet triviaal2.

In dit artikel wordt een met metaal beklede vezel gedemonstreerd die temperaturen tot 500°C kan weerstaan, en er zal worden aangetoond dat deze vezel kan worden gecycleerd tussen kamertemperatuur en 500°C, terwijl de demping laag blijft, zelfs bij lage temperaturen .

Vezelontwerp

Sinds het begin van de jaren tachtig is aangetoond dat het binnendringen van waterstof in glas op silicabasis leidt tot verliezen in optische vezels bij specifieke golflengten als gevolg van de absorptie van een verscheidenheid aan waterstofgerelateerde soorten3. Gemeenschappelijke silicavezels die worden gebruikt in communicatie zoals standaard single-mode (SM) en standaard graded-index multimode (MM) lijden aan een dramatische optische degradatie in de aanwezigheid van waterstof, zelfs bij kamertemperatuur. De kernen van deze vezels zijn typisch gedoteerd met brekingsindex verhogende elementen zoals germanium en fosfor. Afhankelijk van de temperatuur en H₂ Wanneer waterstof in de vezelkern diffundeert, kan het migreren naar interstitiële plaatsen van de structuur en/of binding met bestaande defecten in het glas zoals SiO, GeO en P-O. Het totale vezelverlies bereikt honderden decibel per kilometer, waardoor het onbruikbaar is voor toepassingen met lichttransmissie.

AFL koos voor een innovatieve aanpak om de optische degradatie van optische vezels ondergedompeld in een ruwe omgeving te voorkomen door het ontwerp van de glascomponent van de vezel zelf aan te passen en te optimaliseren. De aanpak bestaat in het bijzonder uit het elimineren van de doteermiddelen die meer defecten in de glasstructuur veroorzaken, zoals germanium, fosfor en boor. De vezel is ontworpen met alleen silica in de kern, samen met fluordoping om het gegradeerde indexprofiel van de multimode-vezel te bereiken4. Deze vezel wordt geproduceerd door AFL en wordt gebrandmerkt als Verrillon ^® VHM5000; het is een 0.2 NA 50/125μm GIMMF.

VHM5000 was de basisvezel die bij deze metaalcoating werd gebruikt. Het had een op goud gebaseerde coating met een wanddikte van ongeveer 3 - 5 m, wat ver onder de typische laagdikte van 15 - 25 m voor in de handel verkrijgbare met metaal beklede vezels ligt. Een dwarsdoorsnede SEM-beeld dat de goede concentriciteit en integriteit van het coatingproces aantoont, wordt getoond in figuur 1.

Met metaal beklede vezels kunnen optische verliezen hebben in getrokken toestand tot wel 20-100 dB/km bij kamertemperatuur ² . Figuur 2 toont de spectrale demping van VHM5000 met een op goud gebaseerde coating getoond in figuur 1, bij kamertemperatuur, gemeten op 88 m vezel. Vezel werd gemeten in een losse spoel met een diameter van 300 mm.

De spectrale demping van deze vezel met een op goud gebaseerde coating vertoont dempingsniveaus die vergelijkbaar zijn met die van standaard met acrylaat of polyimide gecoate multimode-vezels, in tegenstelling tot de aanzienlijk hogere niveaus die worden getoond door andere in de handel verkrijgbare multimode-vezels met metaalcoating.

Met metaal beklede vezels hebben ook de neiging om zich 'koud te hechten' aan andere metalen, of zichzelf, bij temperaturen die aanzienlijk onder hun smelttemperatuur liggen. AFL heeft een proces waarop patent is aangevraagd, waardoor deze met metaal beklede vezels niet kunnen hechten. Dit proces werd toegepast op alle vezels in deze tests.

Resultaten en discussie

Figuur 3 toont zes temperatuurcycli van VHM5000 met coating op goudbasis, tussen kamertemperatuur en 375 °C. Gegevens werden elke 5 minuten verkregen met behulp van een OTDR. De vezel zat in een losse spoel van 114 mm en een lengte van 40 meter. Elke cyclus bestond uit een stijging van 30°C/uur tot 375 °C, de temperatuur werd 24 uur op 375 °C gehouden en daarna werd deze met 30°C/uur verlaagd tot 60°C. Op dat moment mocht de oven weer op kamertemperatuur komen, waarna de volgende cyclus werd gestart. 850 nm was de golflengte die werd gecontroleerd.

Drieënveertig meter VHM5000 op goud gebaseerde gecoate vezel werd 900 uur in een oven van 500°C geplaatst. Aan het einde van de 900 uur werd een OTDR op de vezel aangesloten en werd een cyclus van 500°C uitgevoerd. Figuur 4 toont deze temperatuurcyclus, tussen kamertemperatuur en 500°C. Elke 5 minuten werden gegevens verzameld. De vezel zat in een losse spoel van 114 mm. De cyclus bestond uit een stijging van 30°C/uur tot 500°C, de temperatuur werd 34 uur op 500°C gehouden en de oven werd gestopt en men liet deze vanzelf terugkeren naar kamertemperatuur. De geëvalueerde golflengte was 850 nm.

Conclusie

Er werd een met metaal beklede optische vezel met lage demping aangetoond die temperaturen tot 500°C kan weerstaan. De prestaties zijn gevalideerd met behulp van een OTDR. Temperatuurcycli toonden aan dat de met metaal beklede vezel bestand was tegen de uitzetting en samentrekking van de metalen coating die meerdere keren werd herhaald. Verzwakking bij zowel kamertemperatuur als hoge temperatuur was significant lager dan enige gerapporteerde verzwakking in met metaal beklede vezels.

De 900 uur durende inweek en daaropvolgende evaluatie van de vezel toonde aan dat de vezel nog steeds goed presteerde na langdurige blootstelling aan 500°C. Bovendien is dit proces in staat om lange vezellengtes te produceren, tot 3,5 km continu.

Dit artikel is geschreven door William Jacobsen, Sr. Ingenieur; Abdel Soufiane, Ph.D, GM en CTO; en John D'Urso, hoofdingenieur; AFL speciale vezels (North Grafton, MA). Voor meer informatie, bezoek hier .

Referenties

1. Reinsch, T., en Henninges, J. "Temperatuurafhankelijke karakterisering van optische vezels voor gedistribueerde temperatuurwaarneming in hete geothermische bronnen, "Meting wetenschap en technologie, 21, (2010).
2. Bogatyrev, V.A., en Semjonov, S. "Metaal gecoate vezels, "Handboek over speciale optische vezels, Academic Press, 491-512 (2007).
3. Stone, J., Chraplyvy, A.R., en Burrus, C.A. "Gas-in-glass - een nieuw Raman-gain medium:moleculaire waterstof in optische glasvezels van vaste silica, Opt. Lett., 7, 297-299 (1982).
4. Weiss, J. "Downhole geothermische putsensoren bestaande uit een waterstofbestendige optische vezel. ” Amerikaans octrooi nr. 6853798 B1, (2005).