Obwohl die Hinzufügung von Splittern die GeräteKosten erhöht, wie viele Glasfaserkabel und Demodulator-Kanalkosten werden eingespart?
Bei der Auslegung von Glasfaser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG) Netzwerken ist die sinnvolle Einführung von optischen Splittern (wie dem OFSCN® Optical Fiber Splitter) eine klassische Ingenieurmethode, um das Gleichgewicht zwischen Systemkapazität, Verlegungsaufwand und Hardwarekosten zu optimieren. Obwohl Splitter die Anschaffungskosten für Geräte geringfügig erhöhen, sind sie aus „Systemperspektive“ gesehen äußerst vorteilhaft, da sie erhebliche Kosten für die Verlegung von Hauptkabeln und physikalischen Kanälen von FBG-Demodulatoren einsparen.
I. Quantitatives Kosten-Nutzen-Berechnungsmodell
Wir können die Kosteneinsparungen mithilfe eines vereinfachten mathematischen Modells quantifizieren.
Definieren wir die folgenden physikalischen und wirtschaftlichen Variablen:
- C_{\text{ch}} : Umgerechnete Hardwarekosten pro physikalischem Kanal eines OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (normalerweise sind die Hardwarekosten pro Kanal aufgrund der erforderlichen hochpräzisen Spektrumanalysekomponenten hoch).
- C_{\text{cable}} : Gesamtkosten für Beschaffung und Verlegung eines einzelnen Kerns eines Hauptkabels (wie OFSCN® G.652D Optical Fiber ) pro Meter.
- L : Entfernung vom Kontrollraum (Standort des Demodulators) zum Hauptbereich des entfernten Überwachungsstandorts.
- C_{\text{splitter}} : Stückpreis eines optischen Splitters.
- N : Anzahl der Splitterkanäle (Anzahl der Verzweigungen oder logische Kanaleerweiterung, z. B. 1 \times 2 , 1 \times 4 , 1 \times 8 usw.).
- L_{\text{branch}} : Durchschnittliche Länge der kurzen Abzweigfaserkabel vom Splitter zu jeder Sensorgruppe, wobei die Bedingung L_{\text{branch}} \ll L erfüllt ist.
1. Option A (Ohne Splitter - traditionelle Stern-Topologie)
Jeder Sensorstrang wird direkt über eine unabhängige Glasfaser mit einem unabhängigen physikalischen Kanal des Demodulators verbunden.
Die Gesamtkosten für den Hauptteil des Systems \text{Cost}_1 sind:
\text{Cost}_1 = N \times C_{\text{ch}} + N \times L \times C_{\text{cable}}
2. Option B (Mit Splitter - hybride Topologie)
Ein 1 \times N -Optischer Splitter wird am Hauptende des Sensorstandorts eingesetzt, um einen physikalischen Kanal des Demodulators logisch in mehrere Zweige zu erweitern.
Die Gesamtkosten für Hauptleitung und Abzweige des Systems \text{Cost}_2 sind:
\text{Cost}_2 = 1 \times C_{\text{ch}} + 1 \times L \times C_{\text{cable}} + C_{\text{splitter}} + N \times L_{\text{branch}} \times C_{\text{cable}}
3. Schätzung der gesamten Nettokosteneinsparungen \Delta \text{Cost}
Da L_{\text{branch}} viel kleiner als L ist, ergeben sich unter Vernachlässigung der Kosten für Abzweigfaserkabel die Nettokosteneinsparungen wie folgt:
\Delta \text{Cost} \approx (N - 1) \times C_{\text{ch}} + (N - 1) \times L \times C_{\text{cable}} - C_{\text{splitter}}
Analyse der Schlussfolgerung:
- Einsparungen bei Kanalkosten: Es werden die hohen Kosten für physikalische Demodulationskanäle in Höhe von (N - 1) \times C_{\text{ch}} eingespart.
- Einsparungen bei Kabelkosten: Es werden die Kosten für die Verlegung und die Leiter von Hauptfaserkabeln in Höhe von (N - 1) \times L \times C_{\text{cable}} eingespart.
- Kosten-Nutzen-Bereich: Da C_{\text{splitter}} wesentlich kleiner ist als C_{\text{ch}} und L \times C_{\text{cable}} , vervielfachen sich die Einsparungen linear mit zunehmender Überwachungsentfernung L und zunehmender Verzweigungszahl N , was zu einem erheblichen Kostenvorteil führt.
II. Physikalische und technische Einschränkungen (rote Linien und Randbedingungen)
Während Sie von diesen Kostenvorteilen profitieren, müssen bei der optischen Auslegung unbedingt die folgenden physikalischen Gesetze beachtet werden:
- Grenzwerte der Wellenlängen-Division-Multiplexing (Wavelength Division Multiplexing Limit):
Da die N geteilten Zweige physikalisch demselben optoelektronischen Detektionskanal des Demodulators entsprechen, bedeutet dies, dass die reflektierten Wellenlängen der FBG-Sensoren in allen Zweigen absolut nicht überlappen dürfen.
Beispielsweise beträgt der standardmäßige Wellenlängenbereich des OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator \lambda = 1525\text{nm} bis 1565\text{nm} (insgesamt 40\text{nm} Bandbreite). Beim Splitterdesign müssen diese 40\text{nm} streng allen Sensoren in allen Zweigen zugewiesen werden. Daher reduziert die Verwendung eines Splitters die Gesamtzahl der Sensoren, die von einem einzelnen physikalischen Kanal unterstützt werden können. - Leistungsbudget und Einfügungsdämpfung (Insertion Loss & Power Budget):
Optische Splitter führen zu physischen Einfügungsdämpfungen (z. B. theoretische Dämpfung eines 1 \times 2 -Splitters beträgt ca. 3\text{dB} , praktisch ca. 3,5\text{dB} ; Dämpfung eines 1 \times 4 -Splitters ca. 6\text{dB} ). Dies reduziert das Leistungsbudget der optischen Verbindung. Daher müssen bei der Auslegung die Reflexionsrate der FBG-Sensoren (z. B. Auswahl von Femtosekundenlasern mit geringer Reflexion oder Standard-Lasern mit 70\% Reflexion) und der Dynamikbereich des Demodulators genau berechnet werden, um sicherzustellen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des reflektierten Spektrums die Demodulationsanforderungen erfüllt.
III. Unterstützung durch verwandte Produkte und Komponenten
In Großprojekten umfassen OFSCN® Optical Fiber Splitter üblicherweise Spezifikationen wie 16x32, 8x16, 4x8, 32x64 usw. In Kombination mit dem OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator können sie die Anforderungen für hochpräzise industrielle Einsätze erfüllen.
Nachfolgend finden Sie Bildbeispiele verwandter Produkte:
