Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности

Оптические кабели в системах безопасности

И.А. Овчинникова
Ведущий научный сотрудник ОАО "ВНИИКП", к.т.н.

А.А. Овчинников
Старший офицер Управления РБВТ и СП, к.т.н.

З.Я.Геча
Генеральный директор ЗАО "МТБ" (г. Москва), к.т.н.

Оптические кабели (ОК) по своим характеристикам более других кабелей подходят для использования в системах безопасности. Опыт применения данного вида кабелей доказывает, что они незаменимы в тех случаях, когда необходимо обеспечить работу в условиях сильных электромагнитных полей, в агрессивных и взрывоопасных средах. Поскольку оптический кабель практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию невозможно подслушать, не нарушая приема/передачи, поэтому системы на основе ОК необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных. Основным функциональным элементом волоконно-оптической системы (ВОС) является оптическое волокно (ОВ), расположенное чаще всего внутри оптического кабеля. Важнейшая задача конструктивных элементов оптического кабеля - защитить волокно от неблагоприятных воздействий. Оптические волокна или кабели могут применяться в системах безопасности как в качестве канала передачи информации, так и в качестве чувствительного элемента. Существуют датчики на основе оптических волокон, используемые для контроля различных величин: давления, вибрации, угла поворота, перемещения, напряженности электрического и магнитного полей, радиации и т.д. Если для использования в качестве пассивного элемента систем безопасности подходят обычные связные ОК, то в составе кабелей-датчиков в большинстве случаев приходится использовать специальные оптические волокна. Например, для измерения механических напряжений в конструкциях объекта или в зонах, прилегающих к нему, применяют ОВ со специальными брэгговскими решетками - структурами с периодической модуляциией показателя преломления [1]. Но даже ОК со стандартными кварцевыми волокнами находят широкое применение в системах безопасности.

Системы пожаротушения
Одно из применений ОК как чувствительного элемента - системы пожарообнаружения. Система состоит из контролирующего устройства и подключенного к нему сенсорного кабеля. Под воздействием температуры молекулы кварцевого стекла начинают колебаться, изменяя волновую структуру света. Так называемый эффект Рамана особенно широко используется для измерения температур с помощью оптических волокон. Путем обнаружения обратнорассеянного излучения Рамана в волокнах сенсорного кабеля можно эффективно и надежно определять изменения температуры с точностью до нескольких градусов в минуту. Такой метод измерения температуры обеспечивает принцип. возможность непрерывной работы в помещениях, где работают электромоторы, генераторы или устройства, передающие радиосигнал. Воздействие электромагнитных полей не приводит к ложным тревогам. Кабель-датчик практически не требует сервисного обслуживания. На всей протяженности сенсорного кабеля отсутствуют электронные компоненты, следовательно, вся измерительная система пассивна во всей контролируемой зоне. Особенно желательно применение подобных систем в туннелях, на электростанциях, предприятиях химической промышленности. Оптический кабель-датчик данного типa может применяться также для реализации длительного температурного мониторинга в скважинах при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Термометрия или измерение теплового поля скважины является одним из важнейших информативных параметров в проведении геофиз. исследований для региональной геологии и геотермии, разведки полезных ископаемых, в осуществлении контроля за эксплуатацией продуктивных пластов нефти и газа, определении технического состояния скважины. Система на основе волоконно-оптического датчика позволяет производить измерения в интервале температур от -50 до 200 С с точностью до одного градуса. Оптический кабель-датчик может устанавливаться как в действующие добывающие или нагнетающие скважины, не прерывая их работу, так и в строящиеся скважины [2]. Следует отметить, что в указанной системе применяются ОК со стандартными оптическими волокнами. Примером ОК для применения в системах пожарообнаружения может являться кабель на основе центральной трубки из нержавеющей стали [3]. Трубка формуется из стальной ленты специальным устройством, одновременно в нее подается волокно. Лазерная сварка позволяет получить полностью герметичный шов, неотличимый невооруженным глазом от остальной поверхности. Испытания трубки диаметром 7,6 мм показали стойкость к воздействию растягивающей нагрузки 1,2 кН [4].

Системы охраны периметра
Еще одно применение в качестве чувствительного элемента ОК находят в системах охраны периметра (средство обнаружения преодоления инженерных заграждений). Основными составляющими системы обнаружения являются распределенный кабельный чувствительный элемент и блок обработки сигналов. Чувствительный элемент (ОК) закрепляют на заграждении. При попытке преодоления охраняемого периметра нарушитель воздействует на чувствительный элемент, кабель деформируется и на участке нарушения образуется зона с повышенным затуханием сигнала. Изменение параметров сигнала фиксирует блок обработки сигнала и выдает сообщение оператору. В качестве чувствительного элемента в таких системах применяют и стандартный связной кабель, и специальные кабели, у которых жестко нормировано значение чувствительной фазовой характеристики к механической деформации. Принцип работы системы, в первую очередь, зависит от подключаемой к кабелю аппаратуры, которая может анализировать межмодовую интерференцию сигнала, бриллюэновское рассеяние и др. Приведем несколько примеров. Комбинированный электрооптический кабель (рис. 2) для цепей технологической связи и устройств сигнализации, централизации и блокировки на сети железных дорог, для работы в волоконно-оптических системах передачи, в цифровых и аналоговых системах передачи в диапазоне частот до 400 кГц по парам высокочастотных четверок (возможно использование 6, 8, или 9 пар), в электрических установках сигнализации, централизации, блокировки и автоматики при номинальном напряжении 380 В переменного тока частотой 50 Гц или 700 В постоянного тока по вспомогательным парам. Внешний диаметр кабеля составляет от 32 до 44 мм, в зависимости от количества вспомогательных пар. Допустимое растягивающее усилие не менее 2,5 кН.Кабели для использования в системах безопасности внутри объектов представлены на рис. 3 и 4. Конструкция первого кабеля состоит из одномодового ОВ (1) в буферном покрытии (2) с упрочняющими высокомодульными синтетическими нитями (3), проложенными параллельно ОВ, с защитной полимерной оболочкой (4). Кабель предназначен для многоразовой прокладки в вертикальном и горизонтальном положении. Наружный диаметр кабеля - не более 6 мм, диапазон рабочих температур от -20 до 50 °С. Максимальное растягивающее усилие не менее 100 Н. Допустимый радиус изгиба при монтаже не менее 30 мм. Материал внешней оболочки имеет стойкость к истиранию и воздействию агрессивных сред.Кабель, представленный на рис. 4, может применяться в качестве пассивного комп. систем безопасности как в помещениях, так и на открытом воздухе. Диапазон его рабочих температур - -55...+70 °С. Он стоек к воздействию растягивающей нагрузки 300 Н, изгибов, перемоток, закручиваний, воздействию агрессивных сред, влажности 98%, солнечного излучения, осадков и пр.Одним из важнейших элементов комплексной защиты объектов являются средства видеонаблюдения и регистрации видеоизображения, позволяющие осуществлять визуальный контроль обстановки на охраняемых объектах и производить видеозаписи в целях создания архивных видеоматериалов, дающих принцип. возможность в любой момент воспроизвести хронику событий на объекте за истекший период времени. Для осуществления передачи информации от видеокамеры к оператору могут, на наш взгляд, применяться ОК, описываемые ниже (рис. 5, 6).

Основные характеристики комбинированного кабеля следующие:

• коэффициент затухания ОВ 0,5 дБ/км и 0,3дБ/км (на длинах волн 1,31 и 1,55 мкм соответственно);
• электрическое сопротивление жилы (пересчитанное на 1 км при 20 °С) не более 65 Ом;
• разрывное усилие не менее 392 Н.

Основные характеристики кабеля:

коэффициент затухания на длине волны 1,31 мкм 0,5 дБ/км, на длине волны 1,55 мкм 0,3 дБ/км;

допустимое разрывное усилие - 1000 Н.

Принципы конструирования
При проектировании волоконно-оптической системы перед разработчиком могут стоять две диаметрально противоположные задачи в зависимости от области применения разрабатываемого изделия: для кабелей и волокон, использующихся в качестве канала передачи информации, - сохранение неизменными оптических характеристик при любых внешних воздействиях в течение срока службы; а при использовании ОВ и ОК в качестве чувствительного элемента в системах безопасности, измерения и контроля - высокая чувствительность к заданному виду воздействия и стойкость костальным возможным факторам.Как известно, одним из основных параметров ОК, определяющим дальность и качество передаваемой информации, является k затухания, который может изменяться под действием механических нагрузок. Поэтому стойкость к механическим воздействиям является одним из основных и безусловных требований, которые предъявляют к кабелям, использующимся в ВОС. Важными принципами конструирования оптических кабелей является обеспечение стабильности характеристик передачи при действии на кабель растягивающего усилия и исключение деградации оптических волокон, обусловленной механическими напряжениями. В современных конструкциях ОК эти принципы реализуются при помощи создания относительного запаса E(е) оптического волокна в кабеле:

где (f) и - соответственно длины ОВ и осевой линии полости, в которой расположено волокно. Величина E(е) выбирается исходя из конструктивных и эксплуатационных требований к кабелю и контролируется при его изготовлении. есть оптимальное значение E(е), ограниченное снизу и сверху требованиями стабильности характеристик ОК соответственно при действии растягивающего усилия и при его отсутствии.Условие стойкости ОК к воздействию растягивающего усилия определяется бездеформационным - только за счет распрямления - перемещением ОВ внутри защитной полости:

где E(s) - продольная деформация осевой линии полости, в которой расположено ОВ. На рис. 8 показана качественная зависимость увеличения затухания сигнала в ОВ при действии растягивающего усилия и гидростатического давления от относительного запаса волокна в кабеле. Как видно из рис. 8, требования по стойкости к воздействию растягивающего усилия и гидростатического давления обуславливают противоположные тенденции при разработке оптического кабеля: с точки зрения стойкости к растягивающему усилию требуется как можно больший запас волокна в полости, с точки зрения стойкости к гидростатическому давлению запас ОВ должен быть минимальным.

Соотношения (2) и (3) предназначены для оптимизации конструкций ОК с точки зрения стойкости к растягивающему усилию и гидростатическому давлению (2), и к растягивающему усилию и нагреванию-охлаждению (3):

где:


- радиус кривизны ОВ;



- продольная деформация осевой линии трубки при растяжении (относительный избыток ОВ в трубке, необходимый для стойкости конструкции к растягивающей нагрузке при нормальной температуре);


- критический избыток ОВ в трубке, при котором опять начинается увеличение затухания;
Т - температура;


- частный критерий эфф. конструкции ОК;


- температурный k линейного расширения;
W - расстояние м. ОВ и стенкой трубки.

В формуле (2) AT следует подставлять со знаком "+" для случая нагревания кабеля, со знаком "-" - при его охлаждении. К большинству кабелей, применяемых внутри объектов, предъявляют требования пожаро-безопасности. В набор требований входят: требования к нераспространению пламени, огнестойкости, ограничения по выделению при горении дыма и газа, коррозионной активности выделяемых при горении продуктов, нетоксичности. Требования по пожаробезопасности кабелей, сводившееся ранее в основном к нераспространению пламени, удовлетворяли путем применения в качестве оболочек трудногорючих полимерных электроизоляционных материалов: поливинилхло ридных пластикатов с увеличенным значением кислородного индекса (более 30) или композиций на основе полиолефинов или эластомеров, содержащих антипиреновые добавки (хлорпарафины, трехокись сурьмы и др.). При этом главная задача -нераспространение пламени - в целом была достигнута. Комплексные же требования по пожаробе-зопасности, приведенные выше, появились несколько лет назад. В части оптических кабелей соответствие этим требованиям определяют по следующим нормативным документам: ГОСТ 1 2176, часть 3 (категория А) или ГОСТ РМЭК 332-3 - нераспространение горения; МЭК 61034, части 1 и 2 - выделение дыма и газа при горении и тлении; ГОСТ Р МЭК60754-2 - коррозионная активность выделяемых при горении продуктов; МЭК 60331-11 или ГОСТ Р МЭК 60331-25 - огнестойкость ОК. пожаро-безопасность кабелей достигается применением в конструкции оболочки из термопластичных или сшитых безгалогенных полимерных композиций, и ПВХ-пластикатов с повышенной пожаробезопасностью.В меньшей мере на пожаробезопасность влияет конструктивное исполнение кабелей. Требования по огнестойкости ОК (способность передавать сигнал в течение заданного времени в условиях воздействия пламени) предъявляются к кабелям, работающим на особо важных объектах (в системах безопасности АЭС, в пожарной или аварийной сигнализации, на нефтяных платформах, самолетах, судах), когда от надежной работы аппаратуры в аварийных условиях зависят жизни множества людей. Удовлетворения подобным требованиям для ОК можно добиться путем использования в качестве трубчатой защитной оболочки ОВ полимерного компаунда с наполнением в виде порошка тригидраталюминия, разбухающего при температуре 200-400 °С и поглощающего тепло за счет выделения кристаллизационной воды, а при температуре 400-700 °C превращающегося в белый кристаллический материал с высокими термоизоляционными св. Кроме того, в конструкциях ОК применяют обмотку оптического модуля миканитовой лентой, которая при воздействии высокой температуры образует керамическую трубку, защищающую ОК от открытого пламени. Повышения огнестойкости можно добиться применением металлических оболочек или специальных силиконовых резин, образующих при воздействии пламени поверхностный керамический слой. Применение этих материалов позволяет удовлетворять и такие требования к кабелям, как износостойкость и стойкость к агрессивным средам.

Подводя итог сказанному выше, можно сделать следующие выводы:

• системы на базе оптического кабеля имеют множество преимуществ, благодаря которымони получают все более широкое распространение в различных областях;
• в системах безопасности можно найти применение большинству уже разработанных ОК:функциональное назначение системы безопасности определяется оборудованием, подключенным к кабелю.

Литература

1. Григорьев В.В., Митюрев А.К., Пнев А.Б., Тихомиров С.В., Хатырев Н.П. Информационно-измерительные системы на основе волоконно-оптических датчиков для мониторинга состояния инфраструктурных объектов // Фотонэкспресс № 5, 2006, С. 22-24.
2. Карлов К.Р. Волоконно-оптические системы термометрии скважин с распределенным датчиком температуры. Технология DTS //www.insysltd.ru/projects
3. Ларин Ю.Т., Пронин Г.И., Фомичев В.Ю., Овчинников А.А., Овчинникова И.А., Шкалова Н.Д. Кабель оптический на основе металлической трубки. Патент на полезную модель № 57971 от 27.06.06, опубл. 27.10.06, бюлл. № 30.
4. "Сарансккабель-Оптика": Как ведут себя оптические кабели в случае пожара? // ruscab-le.ru, 2006, апрель.

Читайте далее:
Активные лучевые барьеры для охраны периметра
DSPPA: новые системы Public Address
Эффективное противодействие
Электрошоковые ограждения GM с функцией охранной сигнализации
Системы оповещения и управления эвакуацией. Основные параметры и компоненты
Пожарно-охранная сигнализация с системой самотестирования Технологии быстрого восстановления
"Пожарный нос" на службе у российской пожарной охраны
Идентификация автотранспорта в СКУД
Интегрированные системы безопасности – принципы построения и возможности
Новые инфракрасные проводные и радиоканальные извещатели ИКАР-5 и ИКАР-5Р
Кабельная продукция в системах безопасности. Анализ состояния рынка
Адресно-аналоговое -значит самое передовое
стоимость обещает быть выгодной. Какова будет польза? СМС-блок фирмы Pyronix с охранной системой Inm
Local Security Network BOSCH -универсальная шина для систем безопасности
Матричная система голосового оповещения и эвакуации SINAPS-XM