CZ2016842A3 - Způsob snížení mechanického napětí uvnitř optického kabelu a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob snížení mechanického napětí uvnitř optického kabelu, kde optický kabel (10)je tvořen výztuží (6), svazkem optických vláken (4) prstencově uspořádaných okolo výztuže (6) a každé optické vlákno (4) má primární plášť (2) a sekundární plášť (3), přiěemž je optický kabel (10) opatřen vnějším pláštěm (1). Optický kabel (10) se zevně ohřívá v kontinuálním režimu, nebo v dávkovém režimu, za působení teploty ohřevu To, kteráje nižší, než nejnižší teplota tání T, materiálu vnějšího pláště (1) optického kabelu (10), nebo primárního pláště (2) optického vlákna (4), nebo sekundárního pláště (3) optického vlákna (4). Čas ohřevu t0, po který se optický kabel (10) ohřívá je větší jak 1 min. Součástí vynálezu je rovněž zařízení k realizaci popsaného způsobu v kontinuálním režimu, nebo v dávkovém režimu.

Description

Vynález se týká optických kabelů, jejichž konstrukce je v odborných kruzích známa pod označením break-out optické kabely.

Dosavadní stav techniky

Optická vlákna jsou skleněná vlákna, nebo plastová vlákna, jejichž prostřednictvím se přenáší světelné signály ve směru jejich podélné osy. Díky ohebnosti optických vláken je možné optická vlákna uspořádat do svazků tvořících optické kabely.

Je známa konstrukce tzv. break-out optických kabelů, která zahrnuje alespoň jednu výztuž, vnější plášť optického kabelu a různý počet optických vláken, přičemž každé optické vlákno je umístěno těsně v sekundárním plášti optického vlákna a sekundární plášť je uložen s vůlí ve volnějším primárním plášti optického vlákna. Primární a sekundární plášť optického vlákna jsou tvořeny plasty, například polyetylénem známým pod zkratkou PE, či polyvinylchloridem, zkratka PVC. Skupina optických vláken je seřazena do svazku prstencovitě uspořádaného okolo výztuže. Výztuž chrání optická vlákna před poškozením mechanickým namáháním a je vytvořena např. z kompozitního materiálu. V uskutečněních optických kabelů s více svazky optických vláken uspořádanými prstencovitě okolo výztuže jsou jednotlivé svazky optických vláken ovinuty stahovací PE páskou pro vytvoření uceleného souboru. Optický kabel je následně opatřen vnějším ochranným pláštěm kabelu, jehož úkolem je držet optická vlákna a výztuže pohromadě a chránit je před nepříznivými vnějšími vlivy.

Z přihlášky vynálezu JPH 11 231 178 A je znám optický kabel, jehož struktura je tvořena středovou výztuží, okolo které jsou uspořádána optická vlákna pro přenesení vnějšího mechanického namáhání mimo optická vlákna. Struktura dále zahrnuje vnější plášť, který je opatřen podpůrným drátem pro snížení působení mechanických vlivů na výztuž a optická vlákna uvnitř kabelu.

• · · ··· · * · • · · · · «··· *···· · · · · · *··· ·· ··· • · ♦· ···«··· *·· · ·

Z další přihlášky vynálezu JPS 59 123 804 A je znám optický kabel, jehož struktura je tvořena dvěma rovnoběžnými výztužemi, ke kterým je uspořádáno optické vlákno v podélném směru. Výztuže a optické vlákno jsou opatřeny vnějším pláštěm. Výztuže chrání optické vlákno před působením vnějšího mechanického namáhání.

U speciálních optických kabelů, které jsou tvořeny jen jedním optickým vláknem, se pro snížení pnutí kabelu používá zvláštní mechanická výztuž tvořená kovovou dutinkou, která částečně eliminuje vnitřní pnutí. Toto řešení ale není použitelné ani vhodné pro vícevrstvé optické kabely s mnoha optickými vlákny.

Nevýhoda známých vícevrstvých optických kabelů spočívá v tom, že při výrobě optického kabelu roste vnitřní mechanické napětí na jednotlivých optických vláknech uložených těsně k sobě a stažených vnějším pláštěm optického kabelu, přičemž platí, že čím více optických vláken se nachází v optickém kabelu, tím více roste vnitřní mechanické napětí na optických vláknech a zejména pnutí mezi jednotlivými vlákny a jejich primárními a sekundárními plášti. Vyšší mechanické napětí zkracuje životnost optických vláken a tím celého optického kabelu a omezuje možnosti aplikace měřících metod při zkušebních a provozních měřeních.

Mechanické napětí, resp. pnutí, uvnitř optického kabelu se vyhodnocuje metodou využívající tzv. Brillouinova frekvenčního rozptylu. Optické kabely s vysokými hodnotami vnitřního mechanického napětí vykazují vyšší hodnoty Brillouinova frekvenčního rozptylu. Tyto vyšší hodnoty překrývají jiné vnější vlivy, které by mohly být měřeny metodou Brillouinova frekvenčního rozptylu, např. vliv měnících se teplotních podmínek podél vnějšího pláště optického kabelu. Tyto vlivy jsou proto u současných break-out optických kabelů s vysokým vnitřním napětím neměřitelné.

Jsou známé např. vícevrstvé optické kabely, u kterých se vnitřní pnutí omezuje pomocí gelu uloženého mezi jednotlivá optická vlákna, takže sekundární pláště jednotlivých vláken mohou po sobě klouzat. Aplikace gelových vrstev ale vyžaduje poměrně značné úpravy výrobní linky a prodražuje výrobu kabelů.

V současné době není znám jednoduchý a účinný způsob pro snížení mechanického napětí uvnitř optických kabelů bez zásahů do konstrukce a technologie výroby kabelu. Úkolem ♦····· · ·· · ·· * · · «·· · * · · ··· · 9 9·»»

9999 ·· 9 9 9 ·· ·· 9999999 ··· ·· vynálezu je vytvoření způsobu snížení vnitřního mechanického napětí uvnitř optického kabelu, zejména u tzv. break-out kabelů, který by dokázal snížit a stabilizovat mechanické napětí optických vláken uvnitř optického kabelu, který by byl vhodný jak pro aplikaci do kontinuální linky pro výrobu optických kabelů, tak i pro dodatečnou modifikaci již vyrobených optických kabelů, a který by nezasahoval do konstrukce optických kabelů a neměnil by jejich přenosové parametry. Dalším úkolem vynálezu je vytvoření zařízení, kterým by bylo možné modifikovat optické kabely, jak během výroby, tak i dodatečně po výrobě.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen pomocí způsobu snížení mechanického napětí uvnitř optického kabelu a pomocí zařízení k provádění tohoto způsobu podle dále uvedeného vynálezu.

Předmětem vynálezu je způsob snížení vnitřního mechanického napětí uvnitř optického kabelu typu break-out, který je tvořený alespoň jednou výztuží, alespoň jedním svazkem optických vláken uspořádaných prstencovitě kolem výztuže a vnějším pláštěm optického kabelu. Každé optické vlákno je opatřeno primárním pláštěm optického vlákna a sekundárním pláštěm optického vlákna, které stejně jako vnější plášť jsou zpravidla z plastu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že se na optický kabel působí zevně tepelným ohřevem v kontinuálním nebo dávkovém režimu s teplotou ohřevu T_o po čas ohřevu t₀, přičemž platí vztah 70 °C < To < T_t, kde T_t je nejnižší teplota tání materiálu vnějšího pláště optického kabelu, nebo primárního pláště optického vlákna, nebo sekundárního pláště optického vlákna, a dále platí pro čas ohřevu t₀ > 1 min.

Ohříváním optických vláken, která jsou v kabelu uložena těsně vedle sebe ve svazcích, přičemž jsou ve vzájemném kontaktu primárními plášti a jsou úzce smeknuta z procesu kabelování, dochází s výhodou ke změknutí vnitřních částí kabelů bez jejich poškození, zejména ochranných plášťů optických vláken. Při změknutí vnitřních částí dojde ke stabilizaci mechanického napětí jednotlivých optických vláken, takže vnitřní mechanické napětí je sníženo.

•· 4 •4 •4 • · « « « ♦ β • · · « «

4* * « · * ® ♦ · · » « <

• · « · «······

Ve výhodném provedení způsobu snížení vnitřního mechanického napětí uvnitř optického kabelu podle vynálezu se protahuje v kontinuálním režimu rozvinutý optický kabel průběžnou pecí za teploty ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o < 100 °C, po čas ohřevu t₀ > 5 min. Výhodou kontinuálního režimu je to, že optický kabel je kompletně prohřátý, neboť může teplo působit ze všech stran optického kabelu bez omezení. Nestíněný přístup tepla k povrchu optického kabelu snižuje potřebný čas ohřevu.

Ve výhodném provedení způsobu snížení vnitřního mechanického napětí uvnitř optického kabelu podle vynálezu se při provádění dávkového režimu vloží svinutý optický kabel do dávkové pece s teplotou ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o < 100 °C, po čas ohřevu t₀ > 10 min. Výhodou dávkového režimu je to, že optický kabel se upravuje v celém rozsahu své délky najednou. Dávková pec má ve výsledku nižší provozní náklady, než průběžná pec.

Součástí vynálezu je rovněž zařízení pro snížení vnitřního pnutí mechanického napětí uvnitř optického kabelu výše uvedeným způsobem.

V jednom výhodném provedení je zařízení vytvořeno jako výrobní linka pro výrobu optického kabelu, která je opatřena kontinuálním kabelovacím zařízením pro kompletaci optického kabelu, přičemž za kabelovacím zařízením je uspořádána průběžná pec pro ohřev rozvinutého optického kabelu a tažné zařízení pro průtah optického kabelu průběžnou pecí. Průběžná pec má nastavitelný rozsah pracovních teplot ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o < 80 °C a tažné zařízení má rychlost průtahu v rozmezí dle vztahu v < 1/300 [m/s], kde 1 je průtažná délka průběžné pece.

V jiném výhodném provedení zařízení je zařízení tvořeno samostatnou dávkovou pecí uzpůsobenou pro vložení svinutého optického kabelu. Dávková pec má nastavitelný rozsah pracovních teplot ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o < 80 °C a je opatřena ovládacím prostředkem pro nastavení času ohřevu t₀ > 10 min.

Mezi výhody vynálezu patří snížení mechanického napětí na jednotlivých optických vláknech, a tím snížení vnitřního napětí v optickém kabelu vedoucí k prodloužení jeho životnosti a ke snížení rušení světelných signálů přenášených v optických vláknech. Dále je výhodné to, že vynalezený způsob nezasahuje do stávajícího výrobního postupu, ale je prováděn až po ···· ·♦ · «· • · · ♦ · · • i * « ♦ · · ♦ » · samém závěru výrobního postupu, buď na výrobní lince, nebo samostatně při modifikaci vyrobených kabelů. Zařízení k provádění způsobu jsou konstrukčně jednoduchá a snadno realizovatelná. Optický kabel se sníženým vnitřním mechanickým napětím umožňuje rozšířit aplikace optického kabelu pro měření dalších fyzikálních veličin, mezi které patří např. mechanické namáhání kabelu, teplotní měření podél kabelu, měření mechanického namáhání předmětu těsně spojeného s optickým kabelem.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje příčný řez optickým kabelem, obr. 2 znázorňuje schematické vyobrazení zařízení pro kontinuální režim ohřevu rozvinutého optického kabelu, obr. 3 znázorňuje schematické vyobrazení zařízení pro dávkový režim ohřevu svinutého optického kabelu, obr. 4 je graf znázorňující výsledky měření mechanického napětí pro jedno optické vlákno optického kabelu, obr. 5 je graf znázorňující výsledky měření mechanického napětí pro celý optický kabel.

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Na obr. 1 je vyobrazen příčný řez optickým kabelem 10 typu break-out. Ve středu optického kabelu 10 se nachází výztuž 6 tvořená kompozitním materiálem. V jiných uskutečněních příkladu provedení může být výztuž 6 tvořena např. ocelí, či plastem. Okolo výztuže 6 je prstencově uspořádán svazek osmi optických vláken 4. Optická vlákna 4 jsou těsně přimknuta k výztuži 6 a současně sousedící optická vlákna 4 k sobě navzájem, přičemž jsou stažena PE stahovací páskou 5. V popisovaném příkladu uskutečnění optického kabelu 10 je každé

optické vlákno 4 tvořeno materiálem na bázi skla, přičemž je na optickém vláknu 4 těsně nanesený sekundární plášť 3 a na něm je dále nanesený primární plášť 2. Primární plášť 2 je vyroben např. z PVC, sekundární plášť 3 je vyroben např. z polymethylakrylátu. Na obr. 1 je dále znázorněn druhý svazek ze čtrnácti optických vláken 4, který je stažen PE stahovací páskou 7. Optický kabel 10 je opatřen vnějším pláštěm 1, který chrání optický kabel 10 před nepříznivými okolními vlivy. Vnější plášť 1 je vyroben z materiálu PVC.

Na obr. 2 je vyobrazeno schéma zařízení pro kontinuální režim ohřevu optického kabelu 10. Zařízení je tvořeno výrobní linkou, ze které je vyobrazeno kabelovací zařízení 8, ze kterého vystupuje optický kabel 10. Optický kabel 10 v rozvinutém stavu prochází kontinuálně průběžnou pecí 9, ve které je ohříván. Průběžná pec 9 je elektrická odporová pec a pracuje na teplotě ohřevu Tg do výše 80 °C. K průběžné peci 9 je přiřazeno tažné zařízení 12 pro protahování rozvinutého optického kabelu 10. Optický kabel 10 je při kontinuálním režimu ohříván po čas tg ohřevu alespoň 5 minut při teplotě ohřevu Tg 80 °C. Rychlost tažení optického kabelu 10 je uzpůsobena dle délky pracovního prostoru průběžné pece 9, aby optický kabel 10 v průběžné peci 9 byl ohříván po potřebnou dobu.

Na obr. 3 je schematicky vyobrazeno zařízení, které je tvořeno dávkovou pecí 11, uvnitř které je uložen svinutý optický kabel 10 na navíjecím bubunu. Dávková pec 11 je elektrická odporová pec a pracuje na teplotě ohřevu Tg do výše 80 °C. Čas ohřevu tg v dávkové peci 11 je alespoň 10 min pro optický kabel 10 svinutý do jedné vrstvy. V případě svinutí optického kabelu 10 do více vrstev je čas ohřevu tg větší než 10 min.

Na obr. 4 je vyobrazen graf s výsledky měření pro jediné optické vlákno 4 po provedení laboratorní zkoušky pro snížení vnitřního mechanického napětí v optickém kabelu 10. V rámci laboratorní zkoušky byl optický kabel 10 zahřát na teplotu 100 °C. Měření bylo provedeno pomoci Brillouinova frekvenčního rozptylu. Na vodorovné ose grafu je zanesena délka optického kabelu 10 a na svislé ose jsou vyneseny naměřené frekvence.

Spojnice bodů nesoucí označení a ukazuje naměřené hodnoty jediného optického vlákna 4 optického kabelu 10 s vnitřním mechanickým napětím při teplotě 25 °C. Spojnice bodů nesoucí označení b ukazuje naměřené hodnoty optického vlákna 4 optického kabelu 10 ohřátého na 100 °C. Spojnice bodů nesoucí označení c ukazuje naměřené hodnoty optického • · • · · 4 « * · « 4 · · • · · ·

7« · · · 4 * '* * · · · «· ·«<

* · ·· <······ 4·· ·4 vlákna 4 optického kabelu 10 ohřátého na 100 °C a vychladlého zpět na 25 °C. Z grafu je patrné, že frekvenční rozptyl pro optické vlákno 4 tepelně ošetřené optického kabelu 10 je nižší, než frekvenční rozptyl pro optické vlákno 4 tepelně neošetřeného optického kabelu 10.

Na obr. 5 je vyobrazen graf s výsledky měření pro celý optický kabel 10 po provedení laboratorní zkoušky pro snížení vnitřního mechanického napětí v optickém kabelu 10. Měření bylo provedeno pomoci Brillouinova frekvenčního rozptylu. Na vodorovné ose grafu je zanesena délka optického kabelu 10 a na svislé ose jsou vyneseny naměřené frekvence.

Spojnice bodů nesoucí označení a ukazuje naměřené hodnoty optického kabelu 10 s vnitřním mechanickým napětím při teplotě 25 °C. Spojnice bodů nesoucí označení b ukazuje naměřené hodnoty optického kabelu 10 ohřátého na 100 °C. Spojnice bodů nesoucí označení c ukazuje naměřené hodnoty optického kabelu 10 ohřátého na 100 °C a vychladlého zpět na 25 °C. Z grafu je patrné, že frekvenční rozptyl pro tepelně ošetřený optický kabel 10 je nižší, než frekvenční rozptyl pro tepelně neošetřený optický kabel 10.

Při laboratorních zkouškách byl optický kabel 10 ohříván na teplotu 100 °C, která je již velice blízko k teplotě tání Tj materiálu primárního pláště 2. V provozních podmínkách bude výhodnější, když teplota ohřevu To nepřekročí hodnotu 80 °C, aby nedošlo k lokálním poškozením uvnitř optického kabelu 10.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít při průmyslové výrobě optických kabelů, při dodatečné modifikaci již vyrobených optických kabelů, a při výzkumu a vývoji optických kabelů.

• · » 8 '*

Přehted* vztahových značek vnější plášť optického kabelu primární plášť optického vlákna sekundární plášť optického vlákna optické vlákno stahovací páska výztuž stahovací páska kabelovací zařízení průběžná pec optický kabel dávková pec tažné zařízení

T_o teplota ohřevu

T_t teplota tání t₀ čas ohřevu v rychlost průtahu průtažná délka průběžné pece

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob snížení vnitřního mechanického napětí uvnitř optického kabelu (10) typu break-out tvořeného alespoň jednou výztuží (6), alespoň jedním svazkem optických vláken (4) uspořádaných prstencovitě kolem výztuže (6), kde každé optické vlákno (4) je opatřeno primárním pláštěm (2) optického vlákna (4) a sekundárním pláštěm (3) optického vlákna (4), přičemž optický kabel (10) je dále opatřen vnějším pláštěm (1) optického kabelu (10), vyznačující se tím, že na optický kabel (10) se působí zevně tepelným ohřevem v kontinuálním nebo dávkovém režimu s teplotou ohřevu T_o po čas ohřevu t₀, přičemž teplota ohřevu T_o leží v intervalu 70 °C < T_o < T_t, kde T_t je nejnižší teplota tání materiálu vnějšího pláště (1) optického kabelu (10), nebo primárního pláště (2) optického vlákna (4), nebo sekundárního pláště (3) optického vlákna (4), a čas ohřevu t₀ > 1 min.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v kontinuálním režimu se protahuje rozvinutý optický kabel (10) průběžnou pecí (8) za teploty ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o < 100 °C, po čas ohřevu t₀ > 5 min.
3. 3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v dávkovém režimu se svinutý optický kabel (10) vloží do dávkové pece (11) s teplotou ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o< 100 °C, po čas ohřevu to > 10 min.
4. 4. Zařízení pro snížení vnitřního pnutí mechanického napětí uvnitř optického kabelu (10) způsobem podle nároku 2, vyznačující se tím, že je vytvořeno jako výrobní linka pro výrobu optického kabelu (10), která je opatřena kontinuálním kabelovacím zařízením (8) pro kompletaci optického kabelu (10), přičemž za kabelovacím zařízením (8) je uspořádána průběžná pec (9) pro ohřev rozvinutého optického kabelu (10) a tažné zařízení pro průtah optického kabelu (10) průběžnou pecí (9).
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že průběžná pec (9) má nastavitelný rozsah pracovních teplot ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o < 80 °C a tažné zařízení (12) má rychlost průtahu v rozmezí v < 1/300 [m/s], kde 1 je průtažná délka průběžné pece (9).
6. 6. Zařízení pro snížení vnitřního pnutí mechanického napětí uvnitř optického kabelu (10) způsobem podle nároku 3, vyznačující se tím, že je tvořeno samostatnou dávkovou pecí (11) uzpůsobenou pro vložení svinutého optického kabelu (10).
7. 7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že dávková pec (11) má nastavitelný rozsah pracovních teplot ohřevu T_o ležící v intervalu 75 °C < T_o< 80 °C a je opatřena ovládacím prostředkem pro nastavení času ohřevu t₀ > 10 min.