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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung
zum Spleißen
von Lichtwellenleitern, bei dem sich die beim Spleißen erzeugte Spleißtemperatur
einstellen lässt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Verspleißen von
Lichtwellenleitern, bei der sich die bei einem Spleißen erzeuge
Spleißtemperatur
einstellen lässt.
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Beim
Spleißen
von Lichtwellenleitern werden die Faserenden der zu verspleißenden Lichtwellenleiter
erwärmt,
so dass die Faserenden miteinander verschmelzen können. Bei
einer qualitativ hochwertigen Spleißstelle wird gefordert, dass
die Dämpfung, die
das Licht beim Übertragen über die
Spleißstelle erfährt, möglichst
gering ist. Die Qualität
der Spleißstelle
hängt dabei
insbesondere von der während
des Spleißvorganges
erreichten Spleißtemperatur
ab. Des Weiteren ist für
das Erzielen reproduzierbarer Ergebnisse beim Schmelzspleißen von
Lichtwellenleitern das reproduzierbare Erreichen einer bestimmten
Temperatur der Lichtwellenleiter während des Spleißvorgangs
erforderlich.
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Die
tatsächliche
Temperatur der Lichtwellenleiter ist im allgemeinen unbekannt, aber
indirekt über die
Leistung der Wärmequelle
gegeben, die für
das Verspleißen
der Lichtwellenleiter eingesetzt wird. So ist für Spleißgeräte, die eine Glimmentladung
zwischen zwei Elektroden als Wärmequelle
verwenden, im allgemeinen die zwischen den Elektroden fließende Stromstärke das üblicherweise
verwendete Maß für die Leistung
der Wärmequelle.
Der Zusammenhang zwischen Stromstärke und er reichter Spleißtemperatur
hängt jedoch
zum einen von Umwelteinflüssen,
wie beispielsweise dem Luftdruck, der Umgebungstemperatur und der
Luftfeuchte, ab, zum anderen kann der Zusammenhang zwischen verschiedenen
Spleißgeräten gleicher
Bauart durch Bauteil- und Fertigungstoleranzen variieren. Daher
ist es schwierig, lediglich über
das Vorgeben einer bestimmten Stromstärke, die gewünschte Spleißtemperatur
einzustellen.
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Da
sich die Spleißtemperatur
aber im allgemeinen lediglich durch Verändern der Stromstärke, die
zwischen den Schweißelektroden
fließt,
verändern
lässt,
ist ein Kalibrierverfahren notwendig, das einen Zusammenhang zwischen
eingestellter Stromstärke
und Leistung der Wärmequelle
beziehungsweise erreichter Spleißtemperatur herstellt.
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Zum
Einstellen der Spleißtemperatur
sind verschiedene Verfahren bekannt:
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In
der Druckschrift
EP 0320978 wird
beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem ein blankes Faserende
einer Wärmequelle
ausgesetzt wird. Das Faserende wird dabei angeschmolzen und durch
die Oberflächenspannung
abgerundet. Dadurch zieht sich das Faserende im Vergleich zu seiner
ursprünglichen
Position zurück.
Das Maß,
in dem sich die Faser dabei verkürzt,
korrespondiert zur Leistung der Wärmequelle. Durch das Messen
der Faserverkürzung
kann die Wärmeleistung
annähernd
ermittelt werden und auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden.
Das Verfahren ist allerdings in einem gewissen Grade ungenau, da
sich die Schmelzbedingungen beim Kalibriervorgang zu stark von den
Bedingungen während
eines tatsächlichen Spleißvorganges
unterscheiden.
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Ein ähnliches
Verfahren wird in der Druckschrift
JP
5150132 offenbart, bei dem das gemessene Volumen eines
angeschmolzenen Faserendes als Maß für die Wärmeleistung verwendet wird.
In der Druckschrift
EP 0934542 wird
ein Verfahren beschrieben, in dem ein Faserabschnitt einer definierten
Zugkraft unterworfen wird, wobei er gleichzeitig durch Lichtbogenimpulse
bestimmter Stromstärke und
Dauer erwärmt
wird. Dadurch verjüngt
sich der Faserabschnitt. Die Verjüngung wird anschließend gemessen
und mit einem vorgegebenen Sollwert der Verjüngung verglichen. Durch das
Feststellen der Abweichung der tatsächlich gemessenen Verjüngung von
dem Sollwert der Verjüngung
kann die Stromstärke
der Impulse oder deren Dauer und somit die Leistung der Wärmequelle
geregelt werden. Das Verfahren ist allerdings sehr aufwändig, da
es das Anwenden einer definierten Zugkraft erfordert und in der Praxis
ein zusätzlicher
Spleißvorgang
für das
Herstellen eines durchgehenden Faserabschnitts erforderlich ist.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
19746080 ist ein Verfahren beschrieben, in dem zwei Faserenden mit
einem definierten seitlichen Versatz zueinander in Kontakt gebracht
werden. Durch das Einschalten der Wärmequelle für eine definierte Zeitdauer
werden die beiden Faserenden miteinander verbunden. Dabei reduziert
sich aufgrund der Oberflächenspannung der
Versatz der beiden Faserenden. Der resultierende Versatz ist ein
Maß für die Leistung
der Wärmequelle.
Zum Einstellen einer vorgegebenen Leistung der Wärmequelle muss das Verfahren
allerdings mehrmals wiederholt werden, was einen hohen Aufwand für das Vorbereiten
der Faserenden erfordert. Außerdem
ist das Anfertigen eines Spleißes
notwendig. Ein ähnliches
Verfahren ist in der Druckschrift
US 5,772,327 beschrieben.
Dabei wird anstelle des endgültigen
Versatzes die Geschwindigkeit der Änderung des Versatzes bei einer
Erwärmung
bestimmt. Ein weite res ähnliches
Verfahren ist der Druckschrift
US
6,294,760 zu entnehmen. Dabei werden zwei gegeneinander
versetzte Faserenden durch Pulse erwärmt und nach jedem Puls die Änderung
des Versatzes bestimmt, so dass während des gesamten Vorgangs
eine Regelung der Wärmeleistung
auf einen definierten Wert möglich
ist.
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Aus
der Druckschrift
WO 03/096088 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem ein Lichtwellenleiter einer Wärmequelle
ausgesetzt wird und die Leistung der Wärmequelle anhand einer beobachteten
Reduktion des Durchmessers des Lichtwellenleiters bestimmt wird.
Dieses Verfahren verspricht eine relativ hohe Genauigkeit, allerdings
müssen
für eine
praktische Anwendung Stromstärken
verwendet werden, die oberhalb der während eines normalen Spleißprozesses
verwendeten Temperaturen liegen, so dass durch Extrapolation wiederum
Ungenauigkeiten auftreten können.
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Die
Druckschrift
US 5,909,527 gibt
ein Verfahren an, bei dem eine Stromstärke bestimmt wird, indem zwei
Faserenden unter Verwendung verschiedener Stromstärken erwärmt werden
und jeweils die vom Faserende emittierte Intensität gemessen
wird. Die dafür
verwendeten Stromstärken
sind geringer als die während
des Spleißvorganges
verwendeten Stromstärken.
Aus den aufgenommenen Daten wird ein Zusammenhang zwischen Stromstärke und
Intensität
ermittelt, mit Hilfe dessen die gewünschte Stromstärke während eines
Spleißvorganges
extrapoliert wird. Bei dem Verfahren werden allerdings absolute
Intensitätswerte
verwendet, die aufgrund von Bauteil- und Fertigungstoleranzen zwischen
verschiedenen Geräten
variieren können.
Somit muss bei diesem Verfahren ein Soll-Intensitätswert für jedes
Gerät gesondert
bestimmt werden. Zum anderen werden auch hier Stromstärken verwendet,
die von den Stromstärken
während
des Spleißprozesses
abweichen, so dass eine Extrapolation notwendig ist, was zu Ungenauigkeiten
führen
kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben
einer Vorrichtung zum Spleißen
von Lichtwellenleitern anzugeben, bei der sich die während eines
Spleißvorgangs
auftretende Spleißtemperatur
möglichst
zuverlässig
einstellen lässt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegen Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zum Verspleißen
von Lichtwellenleitern anzugeben, bei der sich die während des
Spleißvorganges
auftretende Spleißtemperatur
möglichst
genau einstellen lässt.
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Das
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Spleißen von
Lichtwellenleitern sieht das Bereitstellung einer Erwärmungseinheit
zum Erwärmen
von mindestens einem Lichtwellenleiter, einer Aufnahmeeinheit zur
Aufnahme einer Intensität
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter ausgesandten
Wärmestrahlung
und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der aufgenommenen Intensität der Wärmestrahlung
vor. Der mindestens eine Lichtwellenleiter wird in Längsrichtung
in einer Haltevorrichtung angeordnet. Zum Erwärmen des mindestens einen Lichtwellenleiters
wird die Erwärmungseinheit
aktiviert. Intensitätswerte
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter längs einer
ersten Querrichtung quer zu der Längsrichtung abgestrahlten Wärmestrahlung,
die mindestens einer Intensitätsverteilung
zugeordnet sind, werden mittels der Aufnahmeeinheit aufgenommen.
Es wird mindestens ein Quotient aus den Intensitätswerten ermittelt. In Abhängigkeit
von dem mindestens einen ermittelten Quotienten wird eine von der
Erwärmungseinheit
erzeugte Wärme
verändert.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens wird eine erste Intensitätsverteilung
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter in
der ersten Querrichtung abgestrahlten Wärmestrahlung mittels der Aufnahmeeinheit
zu einer ersten Zeit nach der Aktivierung der Erwärmungseinheit
aufgenommen. Ein erster Intensitätswert
wird aus der ersten Intensitätsverteilung
an einer ersten Position längs
der ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters ermittelt.
Eine zweite Intensitätsverteilung
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter längs der
ersten Querrichtung abgestrahlten Wärmestrahlung wird mittels der Aufnahmeeinheit
zu einer zweiten Zeit nach dem Aufnehmen der ersten Intensitätsverteilung
aufgenommen. Ein erster Intensitätswert
wird aus der zweiten Intensitätsverteilung
an der ersten Position längs
der ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters ermittelt.
Eine erste Differenz wird aus den ermittelten ersten Intensitätswerten
mittels der Auswerteeinheit ermittelt. Ein Quotient aus der ermittelten
ersten Differenz und dem aus der zweiten Intensitätsverteilung
ermittelten ersten Intensitätswert
wird mittels der Auswerteeinheit ermittelt.
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Bei
einer anderen Ausgestaltungsform des Verfahrens wird ein zweiter
Intensitätswert
aus der ersten Intensitätsverteilung
zu der ersten Zeit an einer zweiten Position längs der ersten Querrichtung des
mindestens einen Lichtwellenleiters ermittelt. Ein zweiter Intensitätswert wird
aus der zweiten Intensitätsverteilung
zu der zweiten Zeit an der zweiten Position der ersten Querrichtung
des mindestens einen erwärmten
Lichtwellenleiters ermittelt. Eine zweite Differenz aus den ermittelten
zweiten Intensitätswerten
wird mittels der Auswerteeinheit ermittelt. Aus der ermittelten
zweiten Differenz und dem aus der zweiten Intensitätsverteilung
ermittelten zweiten Intensitätswert
wird ein weiterer Quotient ermittelt. Aus dem Quotienten und dem
weiteren Quotienten wird ein Mittelwert ermittelt. In Abhängigkeit
von dem ermittelten Mittelwert der Quotienten wird die von der Erwärmungseinheit
erzeugte Wärme
verändert.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels der Aufnahmeeinheit
zu einer ersten Zeit nach der Aktivierung der Erwärmungseinheit eine
erste Intensitätsverteilung
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter in
der ersten Querrichtung abgestrahlten Wärmestrahlung aufgenommen. Aus
der ersten Intensitätsverteilung
wird an Positionen zwischen einer ersten und zweiten Position längs der
ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters eine
erste Summe von Intensitätswerten
ermittelt. Nach dem Aufnehmen der ersten Intensitätsverteilung
wird mittels der Aufnahmeeinheit zu einer zweiten Zeit eine zweite
Intensitätsverteilung
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter längs der
ersten Querrichtung abgestrahlten Wärmestrahlung aufgenommen. Aus
der zweiten Intensitätsverteilung
wird an den Positionen zwischen der ersten und zweiten Position
längs der
ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters eine
zweite Summe von Intensitätswerten
ermittelt. Aus der ersten und zweiten Summe der Intensitätswerte
wird mittels der Auswerteeinheit eine dritte Differenz ermittelt.
Aus der dritten Differenz und der zweiten Summe der Intensitätswerte
wird ein Quotient ermittelt.
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Eine
andere Ausführungsform
des Verfahrens sieht vor, dass aus der mindestens einen aufgenommenen
Intensitätsverteilung
an einer ersten Position längs
der ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters ein
erster Intensitätswert
ermittelt wird. Aus der mindestens einen aufge nommenen Intensitätsverteilung
wird an einer zweiten Position längs
der ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters ein zweiter
Intensitätswert
ermittelt. Aus der mindestens einen aufgenommenen Intensitätsverteilung
wird an einer dritten Position längs
der ersten Querrichtung des mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiters ein
dritter Intensitätswert
ermittelt. Aus dem ersten und zweiten Intensitätswert wird eine Summe ermittelt.
Aus der Summe aus dem ersten und zweiten Intensitätswert und
dem dritten Intensitätswert
wird ein Quotient ermittelt.
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Im
Folgenden wird eine Vorrichtung zum Verspleißen von Lichtwellenleitern
angegeben, die die gestellte Aufgabe in Bezug auf die Vorrichtung
löst. Die
Vorrichtung zum Verspleißen
von Lichtwellenleitern umfasst eine Erwärmungseinheit zum Erwärmen mindestens
eines Lichtwellenleiters. Sie umfasst des Weiteren eine Aufnahmeeinheit
zur Aufnahme von Intensitätswerten
einer von dem mindestens einen erwärmten Lichtwellenleiter abgestrahlten
Wärmestrahlung,
die mindestens einer Intensitätsverteilung zugeordnet
sind. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur
Auswertung der Intensitätswerte
der mindestens einen aufgenommenen Intensitätsverteilung auf. Die Auswerteeinheit
ist derart ausgebildet, dass sie aus den Intensitätswerten
mindestens einen Quotienten ermittelt. Des Weiteren umfasst die
Vorrichtung eine Steuereinheit zur Steuerung einer von der Erwärmungseinheit
erzeugten Wärme.
Die Steuereinheit ist dabei derart ausgebildet, dass sie die von
der Erwärmungseinheit
zur Erwärmung
des mindestens einen Lichtwellenleiters erzeugte Wärme in Abhängigkeit
von dem mindestens einen Quotienten verändert.
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Weitere
Ausführungsformen
in Bezug auf das Verfahren und die Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Spleißen
von Lichtwellenleitern, bei der sich die während einem Spleißvorgang
auftretende Spleißtemperatur
möglichst
genau einstellen lässt,
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2 eine
Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Spleißen
von Lichtwellenleitern, mit der sich eine Intensität einer
von einem Lichtwellenleiter abgestrahlten Wärmestrahlung aufzeichnen lässt,
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3 eine
Intensitätsverteilung
einer von einem Lichtwellenleiter abgestrahlten Wärmestrahlung,
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4 einen
Lichtwellenleiter in einer Längsrichtung
mit einem Bereich, in dem eine Intensitätsverteilung einer von dem
Lichtwellenleiter abgestrahlten Wärmestrahlung aufgezeichnet
wird,
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5 eine
Intensitätsverteilung
einer von einem Lichtwellenleiter abgestrahlten Wärmestrahlung zu
zwei verschiedenen Zeitpunkten,
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6 eine
weitere Intensitätsverteilung
einer von einem Lichtwellenleiter abgestrahlten Wärmestrahlung,
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7 eine
Streuung von Quotienten von Intensitätswerten bei verschiedenen
Stromstärken
eines Schweißstromes.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Spleißen von
Lichtwellenleitern 111 und 112. Der Lichtwellenleiter 111 ist
in einer Längsrichtung
z des Lichtwellenleiters in einer Haltevorrichtung 121 angeordnet.
Die Haltevorrichtung 121 ist in einer Querrichtung y quer zu
der Längsrichtung
z verschiebbar. Der Lichtwellenleiter 112 ist in einer
Längsrichtung
z des Lichtwellenleiters in einer Haltevorrichtung 122 angeordnet. Die
Haltevorrichtung 122 ist in einer Querrichtung x quer zu
der Längsrichtung
z verschiebbar. Die Haltevorrichtung 122 ist auf einer
Verschiebevorrichtung 123 montiert, mittels der der Lichtwellenleiter 112 in seiner
Längsrichtung
z verschiebbar ist. Durch die verschiebbaren Haltevorrichtungen 121, 122 und 123 werden
die Lichtwellenleiter vor einem Spleißvorgang aufeinander ausgerichtet.
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Zum
Verspleißen
der beiden Lichtwellenleiter ist eine Erwärmungseinheit vorgesehen, die
die beiden Elektroden 131 und 132 umfasst. Anstelle
der beiden Elektroden kann die Erwärmungseinheit auch als Glühwendel
oder als ein Glühdraht
ausgebildet sein. Zunächst
werden die Stirnflächen
der beiden Lichtwellenleiter mittels der Haltevorrichtungen 121, 122 und 123 in
Verbindung gebracht. Die Erwärmungseinheit
wird von einer Steuereinheit 170 aktiviert. Zum Erwärmen der
Faserenden der beiden Lichtwellenleiter 111 und 112 wird
zwischen den beiden Elektroden 131 und 132 der
Erwärmungseinheit ein
Lichtbogen gezündet.
Dadurch verschmelzen die beiden Lichtwellenleiter miteinander.
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Ein
Maß für die Qualität der Spleißstelle
ist die Dämpfung,
die das Licht bei der Übertragung über die
Spleißstelle
erfährt.
Die Qualität
der Spleißstelle
ist dabei insbesondere von der Spleißtemperatur abhängig, auf
die die Faserenden während
des Spleißvorgangs
durch die Erwärmungseinheit
erwärmt
worden sind.
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Die
Temperatur, auf die die Faserenden der beiden Lichtwellenleiter
durch die Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden erwärmt werden, lässt sich über den
Schweißstrom,
der zwischen den beiden Elektroden auftritt, variieren. Da die Spleißtemperatur
jedoch von Umgebungseinflüssen
wie beispielsweise dem Luftdruck, der Umgebungstemperatur und der
Luftfeuchte abhängt,
ist es im allgemeinen nicht möglich,
die Spleißtemperatur
durch das Vorgeben eines bestimmten Schweißstromes präzise einzustellen. Des Weiteren
ist zu berücksichtigen,
dass bei verschiedenen Spleißgeräten gleicher Bauart
durch Bauteil- und Fertigungstoleranzen die Spleißtemperatur
trotz gleich eingestelltem Schweißstrom variieren kann.
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Zur
Beobachtung des Ausrichtevorgangs der beiden Lichtwellenleiter sind
die Lichtquellen 151 und 152 sowie die zugehörigen Aufnahmesysteme 141 und 142 vorgesehen.
Zur Beobachtung eines Ausrichtevorganges der beiden Lichtwellenleiter
werden die beiden Lichtquellen 151 und 152 eingeschaltet. Von
den Aufnahmeeinheiten 141 und 142 werden Bilder
an der Verbindungsstelle der beiden Lichtwellenleiter aufgezeichnet
und können
einem Benutzer über
eine in 1 nicht dargestellte Anzeigeeinheit angezeigt
werden. Ebenso ist es möglich, über die Aufnahmeeinheit
die Lichtwellenleiter während
des Spleißvorganges
zu beobachten. Dazu werden die beiden Lichtquellen 151 und 152 ausgeschaltet
und die Wärmestrahlung
der erwärmten
Faserenden mittels der Aufnahmeeinheiten 141 beziehungsweise 142 aus
zwei verschiedenen Richtungen aufgenommen.
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2A zeigt in einer schematischen Darstellung
einen Querschnitt des Lichtwellenleiters 111 sowie die
in orthogonalen Richtungen zueinander angeordneten Beobachtungssysteme,
die aus der Aufnahmeeinheit 141 und der vorgeschalteten
Linse 143 sowie aus der dazu orthogonal angeordneten Aufnahmeeinheit 142 und
der vorgeschalteten Linse 144 bestehen. Die Aufnahmeeinheiten 141 und 142 können beispielsweise
als Kameras ausgebildet sein. Wenn der Lichtwellenleiter 111 durch
die Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden 131 und 132 erwärmt worden
ist, gibt er eine Wärmestrahlung
WS ab, die sowohl von der Aufnahmeeinheit 141 als auch von
der Aufnahmeeinheit 142 aufgenommen wird.
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3 zeigt
eine Intensitätsverteilung
P, die von der Aufnahmeeinheit 141 in der Querrichtung
x aufgenommen worden ist. Wie in 3 zu erkennen ist,
wird das Maximum in der Mitte der Verteilung durch die Strahlung
des erwärmten
Faserkerns erzeugt. Dieser besitzt eine andere Materialzusammensetzung
als der Fasermantel. Üblicherweise
besteht der Fasermantel aus reinem Quarzglas und der Faserkern aus
GeO2-dotiertem
Quarzglas. Dadurch ist die temperaturabhängige spektrale Verteilung
der Emission von Wärmestrahlung
von Faserkern und Fasermantel unterschiedlich. Wie anhand von 3 zu
erkennen ist, emittiert der Faserkern im allgemeinen bei Erwärmung mehr
Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich
als der Fasermantel. Sowohl für
den Faserkern als auch den Fasermantel ist die Intensität der ausgesandten
spektralen Verteilung der Wärmestrahlung
temperaturabhängig
und kann daher zur Bestimmung der Fasertemperatur und damit der
Leistung der Wärmequelle
ausgenutzt werden.
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Gemäß der Erfindung
wird das Faserende des Lichtwellenleiters 111 für eine definierte
Zeitdauer von der Erwärmungseinheit
erwärmt.
Die Wärmeleistung
entspricht dabei in etwa der für
das Verspleißen
notwendigen Leistung, wobei die Zeitdauer der Erwärmung mit
etwa 100 ms bis 500 ms kürzer
als die üblicherweise
verwendete Spleißdauer
von einigen Sekunden ist. Das auf diese Art erwärmte Faserende gibt Wärmestrahlung,
unter anderem auch im sichtbaren Wellenlängenbereich, ab. Zu zwei bestimmten
Zeitpunkten t1 und t2 nach
dem Aktivieren der Erwärmungseinheit
wird jeweils ein Bild des erwärmten
Faserendes von der Aufnahmeeinheit 141 aufgenommen. Dazu
sind die Aufnahmeeinheiten 141 beziehungsweise 142 von
einer Zeitsteuereinheit zur den beiden Zeitpunkten t1 und
t2 zur Aufnahme einer Intensitätsverteilung
der von dem Lichtwellenleiter abgestrahlten Wärmeintensität aktiviert. Anschließend wird
die Erwärmungseinheit
ausgeschaltet. Die Beobachtungsrichtung, aus der die Aufnahmeeinheit 141 die
Intensität
aufnimmt, ist üblicherweise
senkrecht zur Faserlängsachse
z gewählt.
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4 zeigt
das Faserende des Lichtwellenleiters 111 in vergrößerter Darstellung.
An einer definierten Position Z1 in Faserlängsrichtung,
die sich in einer Entfernung von ungefähr 20 bis 200 μm von dem
erwärmten
Faserende entfernt befindet, wird über den gesamten Querschnitt
in Querrichtung x zu einer Zeit t1 ein erstes
Intensitätsprofil
und zu einer Zeit t2 ein zweites Intensitätsprofil
aufgezeichnet.
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5 zeigt
eine Intensitätsverteilung
P1, die zum Zeitpunkt t1 von etwa 200 ms
nach dem Einschalten der Erwärmungseinheit
von der Aufnahmeeinheit 141 über den gesamten Querschnitt
des Lichtwellenleiters in x-Richtung aufgenommen worden ist. Zum
Zeitpunkt t2, der etwa 140 ms nach dem Zeitpunkt
t1 liegt, ist die Intensitätsverteilung
P2 von der Aufnahmeeinheit 141 aufgenommen worden. Die beiden
Intensitätsverteilungen
P1 und P2 werden in einer Speichereinheit 180 abgespeichert.
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Zur
Auswertung der in der Speichereinheit 180 abgespeicherten
Intensitätsverteilung
ist eine Auswerteeinheit 160 vorgesehen. Die Auswerteeinheit 160 wertet
einen Intensitätswert
I11 an einer definierten Position X1 in x-Richtung senkrecht zur Faserlängsachse
aus. Ebenso wird ein Intensitätswert
I12 an der gleichen Position X1 in
der zweiten Intensitätsverteilung
P2 von der Auswerteeinheit 160 ermittelt. Die Position
X1 befindet sich dabei in einem definierten
Abstand d vom Faserrand r1 des Lichtwellenleiters.
Der Abstand d kann dabei entweder in Einheiten der verwendeten Kamera,
also etwa bei einer CCD-Kamera in Pixeln, festgelegt sein, also
auch relativ zum Durchmesser der Faser im aufgenommenen Bild.
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Aus
den so ermittelten Intensitätswerten
I11 und I12 wird
ein Quotient Q1 bestimmt, der ein Maß für den Temperaturanstieg ΔT (T1, T2) zwischen den beiden-Zeitpunkten
t1 und t2 darstellt.
Der Quotient Q1 wird mittels der Auswerteeinheit 160 ermittelt
zu Q1 = (I12 – I11)/I12. Durch das
Bilden eines Quotienten werden Faktoren, die die gemessene Intensität mit der
tatsächlichen
Intensität
verknüpft,
eliminiert. So ist der ermittelte Quotient beispielsweise unabhängig von
der Empfindlichkeit der verwendeten Kamera, die zwischen verschiedenen
Spleißgeräten variieren kann.
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Um
Einflüsse
von Asymmetrien der aufgenommenen Intensitätsverteilung auf die Messung
zu verringern, werden vorzugsweise an einer zweiten Position X2, die sich ebenfalls in einem Abstand d vom
Faserrand r2 befindet, weitere Intensitätswerte I21 und I22 von der
Auswerteeinheit 160 ermittelt. Asymmetrien in der aufgenommenen
Intensitätsverteilung
können
beispielsweise auftreten, wenn sich der erwärmte Lichtwellenleiter außerhalb
der optischen Achse des Abbildungssystems befindet. Neben dem Quotienten
Q1 lässt
sich somit von der Auswerteein heit 160 ein Quotient Q2
= (I22 – I21)/I22 ermitteln.
Vorzugsweise ermittelt die Auswerteeinheit 160 einen Mittelwert
Qm der beiden Quotienten Q1 und Q2 zu Qm = (Q1 + Q2)/2.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Ermittlung eines Quotienten von Intensitätswerten, der ein Maß für die Spleißtemperatur
darstellt, besteht darin, die Summe von Intensitätswerten zwischen den Positionen
X1 und X2 in der
Intensitätsverteilung
P1 und der Intensitätsverteilung
P2 zu ermitteln. Anschließend
wird die Summe von Intensitätswerten
der Intensitätsverteilung
P2 von der Summe der Intensitätswerte
der Intensitätsverteilung
P1 subtrahiert und durch die Summe von Intensitätswerten zwischen den Positionen
X1 und X2 der Intensitätsverteilung
P2 subtrahiert. Es ergibt sich somit ein Quotient Q = (ΣIP2 – ΣIp1)/ΣIP2.
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Der
zeitliche Verlauf der Temperatur bei einer Erwärmung des Lichtwellenleiters 111 ist
in erster Näherung
durch eine Exponentialfunktion gegeben zu T(t) = Ts – (Ts – T0)exp(–kt).
Dabei gibt Ts die Temperatur an, die sich
im thermischen Gleichgewicht einstellt und der Temperatur während des
Verschweißens
der Fasern entspricht. T0 ist die Temperatur
der kalten Faser und k stellt eine Konstante dar, die vom Wärmeübergang
zwischen dem Lichtwellenleiter und dessen Umgebung abhängt. Die
Temperaturdifferenz ΔT(t1, t2) zwischen den
beiden Zeitpunkten t1 und t2 ist damit
gegeben durch ΔT(t1, t2) = T(t2) – T(t1) = (Ts – T0)[exp(–kt1) – exp(–kt2)]. Wenn der Einfluss der Ausgangstemperatur
T0 vernachlässigt wird, so ist damit die
zwischen den beiden definierten Zeitpunkten t1 und
t2 ermittelte Temperaturdifferenz ΔT(t1, t2), für die die
Quotienten Q1, Q2 beziehungsweise Qm ein Maß sind, zugleich ein Maß für die Spleißtemperatur
Ts und damit ein Maß für die Leistung der Erwärmungseinheit.
Somit wird über
den ermittel ten Quotienten Q ein Rückschluss auf die Spleißtemperatur
bei der Erwärmung
des Lichtwellenleiters erhalten.
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6 zeigt
eine Möglichkeit
der Ermittlung eines Quotienten Q3, bei der lediglich eine einzige
Intensitätsverteilung
zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Aktivieren der Erwärmungseinheit
in der Speichereinheit 180 abgespeichert wird. Erfindungsgemäß wird aus
der abgespeicherten Intensitätsverteilung
P3 zunächst
die maximale Intensität
I3 sowie die dazugehörige Position X3,
die sich in etwa der Mitte des Intensitätsprofils P3 befindet, von
der Auswerteeinheit 160 ermittelt. An einer Position X1, die sich in einem definierten Abstand
d zur Position X3 befindet, wird die Intensität I1 von der Auswerteeinheit 160 ermittelt.
Der Abstand d ist dabei so definiert, dass der Intensitätswert I1 im wesentlichen der Intensität der vom
Fasermantel ausgesandten Strahlung entspricht. Der Abstand d kann
auch hier wieder entweder fest in Einheiten der verwendeten Kamera,
also etwa in Pixeln, festgelegt sein, als auch relativ zum Durchmesser
der Faser im aufgenommenen Bild festgelegt sein. Um Einflüsse von
Asymmetrien der aufgenommenen Intensitätsverteilung P3 auf die Messung
zu verringern, wird an einer weiteren Position X2,
die sich ebenfalls im Abstand d von der Position X1 befindet,
der Intensitätswert
I2 ermittelt. Aus den so ermittelten Intensitätswerten
wird ein Quotient Q3 bestimmt, der ein direktes Maß für die Spleißtemperatur
Ts der Faser zum Zeitpunkt der Aufnahme des
Bildes darstellt. Der Quotient Q3 wird von der Auswerteeinheit 160 ermittelt
zu Q3 = (I1 + I2)/2I3.yxcdc
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Wenn
in der oben angegebenen Formel des zeitlichen Verlaufs der Temperatur
bei der Erwärmung
eines Lichtwellenleiters der Einfluss der Ausgangstemperatur T0 vernachlässigt wird, so ist die zu einem
definierten Zeitpunkt t ermittelte Tempera tur Tt wiederum
ein Maß für die Spleißtemperatur
T und damit die Leistung der Wärmequelle.
Somit lässt
sich auch über
die Ermittlung des Quotienten Q3 auf die Spleißtemperatur T zurückschließen.
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7 zeigt
ermittelte Quotienten Q in Abhängigkeit
von einem Spleißstrom
bei einem Spleißgerät mit Lichtbogenentladung,
wobei die Bilder zu den Zeitpunkten t1 =
60 ms und t2 = 130 ms aufgenommen wurden.
Eine Stromstärke
des Spleißstromes
von 14,5 mA entspricht dabei einem typischen Wert für das Verschweißen von
1-Moden-Fasern. Die Abhängigkeit
des Quotienten Q von der Leistung der Erwärmungseinheit ist deutlich
zu erkennen. Da die Streuung der Quotienten Q für einen vorgegebenen Spleißstrom nur
gering ist, lässt
sich durch die ermittelten Quotienten Q eine Ausgleichskurve legen. Eine
derartige Ausgleichskurve stellt eine Kalibrierfunktion dar, anhand
der sich die Leistung der Erwärmungseinheit
anpassen lässt.
Dazu ermittelt die Steuereinheit 170, der die Quotienten
Q1, Q2, Qm, Q und Q3 von der Auswerteeinheit 160 zugeführt werden,
eine Differenz dieser Quotienten zu einem Sollwert Qs des
Quotienten. Anhand der Kalibrierfunktion der 7 lässt sich
somit in Abhängigkeit
von dem ermittelten Quotienten Q ein Schweißstrom ermitteln, um somit
die Leistung der Erwärmungseinheit
an den Sollwert des Quotienten anzupassen. Dabei müssen gegebenenfalls
zusätzliche
Faktoren berücksichtigt werden,
die den Zusammenhang zwischen der tatsächlichen Leistung der Erwärmungseinheit
und der eingestellten Stromstärke
beeinflussen. Für
eine Lichtbogenentladung ist beispielsweise die tatsächliche
Wärmeleistung
nicht nur eine Funktion des eingestellten Stromes, sondern auch
eine Funktion des Luftdrucks, der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit.
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Anstelle
der Verwendung von Kalibrierfunktionen kann auch eines der beschriebenen
Verfahren zur Ermittlung von geeigneten Quotienten mehrfach durchgeführt werden,
wobei nach jeder Ermittlung eines der Quotienten Q1, Q2, Qm, Q beziehungsweise Q3
jeweils die Leistung der Erwärmungseinheit
nachgeregelt wird, bis der ermittelte Quotient mit dem Sollwert
des Quotienten innerhalb eines vorgegebenen Toleranzintervalls übereinstimmt.
Zur Regelung des Schweißstromes
steuert die Steuerungseinheit 170 die Erwärmungseinheit
aus den Elektroden 131 und 132 mit entsprechenden
Steuersignalen an.
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Zur
Verbesserung des Signal-/Rausch-Verhältnisses der Messwerte ist
es vorteilhaft, die Intensitätswerte
I11, I12 und I21, I22 beziehungsweise
I1, I2 und I3 nicht nur an einer bestimmten Position
Z1 in Längsrichtung
der Faser zu ermitteln, sondern in einem Bereich ΔZ, wie in 4 dargestellt,
um die Position Z1 herum.
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Des
Weiteren ist es vorteilhaft, Intensitätswerte zu ermitteln, die im
wesentlichen von einer Wärmestrahlung
vom Fasermantel ausgehend erzeugt werden. In diesem Fall können für eine Kalibrierung
die meisten 1-Moden-Fasern verwendet werden, die sich im wesentlichen
in der Zusammensetzung des Faserkerns unterscheiden, deren Mantel aber üblicherweise
aus reinem Quarzglas besteht. Es ist jedoch auch denkbar, die Intensitäten in einem Bereich
zu ermitteln, in dem die Wärmestrahlung
im wesentlichen vom Faserkern ausgeht. In diesem Fall ist entweder
die Auswahl an Fasern eingeschränkt, die
für die
Kalibrierung verwendet werden können, oder
es werden Sollwerte des Quotienten Qs verwendet,
die vom Fasertyp abhängig
sind.
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Das
Verfahren kann nicht nur für
eine Erwärmungseinheit
verwendet werden, die auf einer Lichtbogenentladung beruht, sondern
auch für
andere Wärmequellen,
die für
das Verspleißen
von Lichtwellenleitern geeignet sind. Hier kommen z. B. Laser, insbesondere
CO2-Laser sowie Glühwendel und Glühdrähte in Frage.
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Das
Verfahren lässt
sich des weiteren nicht nur an einem Faserende durchführen, sondern
auch gleichzeitig bei zwei Faserenden, beispielsweise den Faserenden
der Lichtwellenleiter 111 und 112, die symmetrisch
um eine Position platziert werden, an der sie später verspleißt werden.
Die gemessenen Quotienten können
dann zwischen beiden Faserenden gemittelt werden, oder es wird der
jeweils größere oder
der jeweils kleinere Wert für
die Kalibrierung der Erwärmungseinheit
verwendet. Dabei wird der Vorteil erzielt, dass der Einfluss eventueller
Asymmetrien der Erwärmungseinheit
auf das Kalibrierungsverfahren verringert wird.
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Das
Verfahren kann für
mehrere Fasern gleichzeitig durchgeführt werden, also auch beispielsweise
bei Spleißgeräten zum
Spleißen
von Faserbändchen
eingesetzt werden. In diesem Fall kann für jede einzelne Faser ein Quotient
bestimmt werden. Daraus kann dann sowohl ein über alle Fasern gemittelter
Quotient als auch die Verteilung der Quotienten, d. h. die Gleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung über
alle Fasern, bestimmt werden.
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Die
Bilder des oder der erwärmten
Faserenden können
aus mehreren Richtungen aufgenommen werden. 2A zeigt
dazu ein Beispiel einer Ausführungsform
eines Spleißgerätes, bei
der Wärmestrahlung
WS sowohl in einer Richtung y von einer Aufnahmeeinheit 141 als
auch in einer Richtung x von einer Auf nahmeeinheit 142 aufgenommen
wird. Dies bietet sich an, da die meisten Spleißgeräte mit einer oder zwei Aufnahmeeinheiten
so ausgestattet sind, dass das Bild der Fasern aus zwei unterschiedlichen
Richtungen aufgenommen werden kann. In diesem Fall können Quotienten
aus zwei Richtungen ausgewertet werden, wodurch die Genauigkeit
des Kalibrierungsverfahrens erhöht
wird.
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Die
Beschränkung
der Erwärmungszeit des/der
Lichtwellenleiter auf 100 ms bis 500 ms hat den Vorteil, dass eine
Verformung des/der Lichtwellenleiter im wesentlichen vermieden wird,
so dass der/die Lichtwellenleiter anschließend noch miteinander verspleißt werden
können.
Außerdem
wird durch eine kurze Erwärmungsdauer
eine Diffusion der im Faserkern vorhandenen Dotierungsionen in das
umgebende Glasmaterial vermieden. Dadurch ändert sich auch bei mehrmaliger
Durchführung
des Verfahrens an einem einzelnen Faserende bei gleicher Leistung
der Erwärmungseinheit
der Wert des gemessenen Quotienten nicht. Die Regelung der Leistung
der Erwärmungseinheit
mit wiederholten Messungen kann also mit einem einzelnen Faserende durchgeführt werden.
Es muss somit nicht nach jeder einzelnen Messung ein neu präpariertes
Faserende eingelegt werden. Gleichwohl ist es auch möglich, das
Faserende über
einen längeren
Zeitraum bis zu ein paar Sekunden zu erwärmen, also beispielsweise bis
das Faserende eine Temperatur wie während eines üblichen
Spleißprozesses
erreicht hat. In diesem Fall ist der Zusammenhang zwischen dem ermittelten
Quotienten und der Spleißtemperatur
wesentlich direkter.
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Vorteilhafterweise
wird der durch die Kalibrierung festgestellte Korrekturwert für die Einstellung des
Spleißstromes
der Erwärmungseinheit
auch für nachfolgende
Spleiße
verwendet. Der Korrekturwert wird dazu vorzugsweise im Spleißgerät gespeichert, so
dass er nach Aus- und Einschalten des Gerätes zur Verfügung steht.
Es ist allerdings auch möglich, das
beschriebene Verfahren vor jedem einzelnen Spleißvorgang erneut durchzuführen.
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Gegenüber den
meisten bekannten Verfahren hat das hier vorgestellte Verfahren
den Vorteil, dass im Allgemeinen nur ein einmaliges Einlegen eines
oder zweier präparierter
Faserenden notwendig ist. Es ist damit deutlich schneller und weniger
aufwändig
als andere Verfahren. Des Weiteren hat es den Vorteil, dass es bei
den Einstellungen der Erwärmungsquelle
arbeiten kann, die auch während
eines üblichen
Spleißprozesses
verwendet werden. Eine fehleranfällige
Extrapolation der ermittelten Kalibrierung ist damit nicht mehr
notwendig. Da die Erwärmungszeit
der Lichtwellenleiter auch derart beschränkt werden kann, dass eine
Verformung eines Lichtwellenleiters nicht mehr auftritt, können die
Faserenden auch für
einen nachfolgenden Spleiß verwendet
werden. Somit entfällt
das zusätzliche
Einlegen einer präparierten
Faser oder zweier präparierter Fasern
allein zum Zwecke der Kalibrierung. Es ist aber auch möglich, die
Kalibrierung vor jedem einzelnen Spleißvorgang erneut durchzuführen.
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Gegenüber Verfahren,
die auf einer Versatzmessung von Fasern während der Erwärmung beruhen,
hat das erfindungsgemäße Verfahren
den Vorteil, dass es auch in Spleißgeräten angewendet werden kann,
in denen ein solcher Versatz zwischen Fasern nicht eingestellt werden
kann.
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- 111,
112
- Lichtwellenleiter
- 121,
122
- Haltevorrichtung
- 123
- Verschiebevorrichtung
- 131,
132
- Erwärmungseinheit
- 141,
142
- Aufnahmeeinheit
- 151,
152
- Lichtquelle
- 160
- Auswerteeinheit
- 170
- Steuereinheit
- 180
- Speichereinheit
- 190
- Zeitsteuereinheit
- 143,
144
- Linse
- K
- Faserkern
- r
- Faserrand
- WS
- Wärmestrahlung
- P
- Intensitätsverteilung
- Q
- Quotienten
aus Intensitätswerten