DE19806629A1

DE19806629A1 - Lichtleitkabelsystem zur Biegeradius- und Bruchüberwachung von Lichtleitfasern

Info

Publication number: DE19806629A1
Application number: DE19806629A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Dr Wedel
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1998-10-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitkabelsystem, beste hend aus einer zu überwachenden Hauptlichtleitfaser mit einem transparenten Fasermantel ("cladding") und einem Kabelmantel, wobei zusätzlich zur zu überwachenden Haupt lichtleitfaser mindestens eine Überwachungslichtleitfaser in den Kabelmantel eingebracht ist, die parallel zur zu überwachenden Hauptlichtleitfaser verläuft und wobei die Überwachungslichtleitfaser mit einem Sende-/Empfänger system verbunden ist.

Eine derartiges Lichtleitkabelsystem ist aus der DE 40 10 789 A1 bereits bekannt.

Bei der Arbeit mit Laserlicht stellt unkontrolliert aus dem vorgegebenen Strahlverlauf austretende Strahlung eine erhebliche Gesundheitsgefahr dar. Insbesondere Brüche von Lichtleitfasern führen zum unkontrollierten Austritt von Laserlicht. Aus Gründen der Arbeitssicherheit ist daher für Hochleistungs-Lichtleitkabel (LLK) ein Sicherheits system zur Bruchüberwachung vorgeschrieben. Im Falle ei ner Beschädigung des LLKs soll das Sicherheitssystem aus losen und den Laser abschalten, um zu verhindern, daß sich Laserlicht unkontrolliert in den Arbeitsräumen aus breitet.

Sicherheitssysteme nach dem gegenwärtigen Stand der Tech nik, wie z. B. in der DE 30 41 649 A1 beschrieben, verwen den einen Kupferdraht, der in den Mantel des LLKs einge bracht ist. Bei einem Bruch des LLKs wird der Kupferdraht entweder mechanisch durchtrennt oder er fungiert als Schmelzsicherung, indem die austretende Laserstrahlung den Kupferdraht durchschmilzt. Durch diese Unterbrechung des elektrischen Kontaktes (Widerstandsmessung) wird dann das Sicherheitssystem ausgelöst.

Ferner ist aus der EP 0 320 108 A2 ein Lichtleitkabelsy stem bekannt, bei dem über die Überwachung der Leitfähig keit leitfähiger Polymere (mit Metallpartikeln), die mit der Lichtleitfaser in Verbindung stehen, ein Bruch oder ein Leistungsabfall detektiert wird.

Die gegenwärtige Technik hat mehrere Nachteile. Zum einen wirkt der Kupferdraht als Antenne; er stellt eine elek tromagnetische Ankopplung der Außenwelt an die Quelle der Laserstrahlung, den Laser, dar. Im Laser werden, insbe sondere bei gepulstem Betrieb, elektromagnetische Schwin gungen und Wellen erzeugt, die dann über den als Antenne wirkenden Kupferdraht in den Raum abgestrahlt werden. Ei ne solche Emission kann die Arbeit behindern und ist au ßerdem nach den geltenden Vorschriften zum Schutz von elektromagnetischer Strahlung (elektromagnetischen Ver träglichkeit nicht zulässig. Deshalb müssen teilweise aufwendige Schutzmaßnahmen ergriffen werden, wie zum Bei spiel Zwischenstücke oder zusätzliche Abschirmungen, die jedoch die Flexibilität des Kabels herab- und sein Ge wicht heraufsetzen.

Ein weiterer gravierender Nachteil besteht darin, daß das genannte System erst dann anspricht, wenn das LLK durch gebrochen oder durchgebrannt ist. Mit dem genannten Sy stem können nur fatale Schäden am LLK entdeckt werden.

Das Sicherheitssystem kann also erst dann ausgelöst wer den, wenn das LLK vollständig zerstört ist, nämlich wenn das LLK gebrochen oder durch Strahlungsaustritt aus der Hauptfaser durchgebrannt ist.

Es kann aber nicht eine eventuell zeitlich vorgelagerte und eventuell reversible, starke Biegung erkannt werden.

Die EP 0 113 104 beschreibt dagegen ein Lichtleitkabelsy stem, bei dem die Hauptlichtleitfaser eng benachbart zu einer kunststoffummantelten Referenzlichtleitfaser bele gen ist. Bei Bruch der Hauptlichtleitfaser schmilzt der benachbarte Kunststoffmantel der Referenzlichtleitfaser, so daß das in dieser Faser geführte Referenzlicht nicht zu einer Detektionseinheit gelangt. Auf diese Weise wird ein Bruch der Faser angezeigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Lichtleitkabelsystem ohne die oben angegebenen Nachteile bereitzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale. Erfindungsgemäß erfolgt die Über wachung dadurch, daß der in der Hauptlichtleitfaser selbst geführte Lichtstrahl bei Bruch oder Beschädigung der Hauptlichtleitfaser in die Überwachungslichtleitfaser übertritt und dadurch durch ein an dieser Überwachungs lichtleitfaser befindliches Empfangssystem detektiert wird. Die Tatsache der Detektion wiederum läßt auf einen Bruch oder eine Beschädigung der Hauptlichtleitfaser schließen, so daß das System - ggf. automatisch - abge schaltet oder unterbrochen werden kann.

Der Lichtübertritt wird durch unterschiedliche Brechungs indizes von Hauptlichtleitfaser, Überwachungslichtleitfa ser und Cladding erfindungsgemäß unterstützt.

Die Überwachungslichtleitfaser ist als Lichtleitfaser elektrisch nicht leitend. Daher kann sie nicht als Anten ne wirken und es entfallen erfindungsgemäß alle Probleme, die aus der elektromagnetischen Ankopplung leitender Kup ferdrähte oder anderer Metallpartikel enthaltender Stoffe resultieren.

Die Überwachung auf zu starke Biegung und Bruch wird durch die erfindungsgemäße Nutzung der Lichtleitungsei genschaften von Lichtleitfasern erreicht. Die Erfindung macht sich folgende Idee zunutze: Die Lichtleitung in ei ner Lichtleitfaser beruht auf der Totalreflexion an einer Grenzschicht zwischen Medien mit unterschiedlichem Bre chungsindex. Alternativ ist Totalreflexion auch an einer Schicht mit einem Brechungsindexgradienten möglich. Die Totalreflexion findet nur statt, solange der Einfallswin kel unterhalb eines materialabhängigen Grenzwinkels liegt. Der Grenzwinkel der Totalreflexion darf nicht überschritten werden. Im Normalbetrieb der Lichtleitfaser wird der Grenzwinkel nicht überschritten. Daher geht kein Licht aus der Faser verloren. Wird die Faser jedoch sehr stark gebogen, so wird für das transportierte Licht der Grenzwinkel der Totalreflexion überschritten und das Licht kann aus der Faser austreten. Dieses Licht kann durch das transparente Cladding in die Überwachungsfaser gelangen und dann an deren Ende mit einem Detektor nach gewiesen werden. Ferner gelangt auch bei einem Bruch der Hauptfaser durch die Lichtstreuung an der Bruchstelle Licht in die Überwachungsfaser. Der Nachweis von Licht aus der Hauptfaser in der Überwachungsfaser ist also auf einen Bruch oder zu starke Biegung zurückzuführen.

Nach dem gleichen Prinzip wie oben führt zu starke Bie gung und Bruch der Hauptlichtleitfaser zum Austritt von Licht in die Überwachungsfaser. Somit kann Lichtverlust aus der Überwachungsfaser auf Bruch oder zu starke Bie gung hinweisen.

Erfindungsgemäß werden daher Lichtsignale durch die Über wachungsfaser gesendet, am anderen Ende detektiert, und zum Beispiel durch Vergleich mit einem Sollwert, der ggf. ein Nullwert ist, auf Veränderungen untersucht. Die Ver änderungen können sich auf alle in einer Lichtwelle über tragene Informationen beziehen, d. h. es kann sich um In tensitätsänderungen, Änderungen des Lichtwellenlängen spektrums, Modulationsänderungen oder Kombinationen davon handeln.

Die Veränderungen können auf Verluste aus der Überwa chungsfaser oder auf Zugewinne aus der Hauptfaser oder auf beides zurückzuführen sein. Bei solchen Veränderun gen, die auf einen Faserschaden zurückzuführen sind, kann dann nachfolgend ein Warnsignal abgegeben oder die Lei stungsübertragung durch die Hauptfaser abgeschaltet wer den.

Es ist vorgesehen, durch die Überwachungsfaser überhaupt kein Signal, d. h. ein Nullsignal, zu senden und damit nur Strahlungsübertritt aus der Hauptfaser zu detektieren. Bei dieser Betriebsvariante wird durch ein eventuelles Detektorsignal ein Warnsignal bzw. eine Abschaltung aus gelöst.

Bei zu starker Biegung des LLK wird der Winkel der Total reflexion in der Hauptlichtleitfaser überschritten. Dann kann Licht aus der Hauptlichtleitfaser austreten und durch das transparente Cladding zur Überwachungsfaser ge langen. Das Licht koppelt in die Überwachungsfaser ein und kann dann mit einem Detektor am Ende der Überwa chungsfaser nachgewiesen werden. So weist Licht aus der Hauptfaser in der Überwachungsfaser auf eine starke Bie gung hin. Eine zu starke Biegung kann also entdeckt wer den, bevor es zum Bruch durch zu starke Biegung oder zur Zerstörung der Faser durch austretendes, vagabundierendes Laserlicht kommt. Dies ist ein Vorteil gegenüber der Überwachung nach dem Stand der Technik, die erst dann an spricht, wenn die Faser zerstört ist.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, daß durch speziel le Wahl der Brechungsindizes die Einkopplung von Strah lung aus der Hauptlichtleitfaser in die Überwachungsfaser erleichtert werden kann, indem der Kern der Überwachungs lichtleitfaser einen Brechungsindex n₄ aufweist, der zwi schen den Brechungsindizes n₃ des Kerns der Hauptlicht leitfaser und des Cladding's n₂ liegt, d. h. n₃ < n₄ < n₂. Durch mehrere Überwachungsfasern und durch besondere räumliche Anordnung, wie zum Beispiel spiralförmige Wick lung oder Verflechtung kann ein früheres und sichereres Ansprechen der Überwachung erreicht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß die Überwachungslichtleitfaser eine kleinere Brechungs indexstufe bzw. einen kleineren Brechungsindexgradienten aufweist. Dann ist der Grenzwinkel in der Überwachungsfa ser ebenfalls kleiner und bei einer Biegung des LLK kop pelt das Licht aus der Überwachungsfaser aus, bevor es aus der Hauptfaser auskoppelt. Damit spricht das Sicher heitssystem an bevor an der Hauptfaser irgendwelche Ver luste oder Schäden auftreten.

Weitere erfindungsgemäße Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben. Eine mögliche Ausführungs form der Erfindung ist in der anliegenden Zeichnung dar gestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine mögliche Realisierung eines Lichtleiterkabels. Die Hauptlichtleit faser (3) dient der Übertragung der hohen Lichtleistung. Die Hauptlichtleitfaser hat zum Schutz eine weiche und transparente Siliconummantelung (7). Zum Schutz des Sili cons folgt eine Nylonummantelung (2), die ebenfalls trans parent, aber härter ist. Silicon- und Nylonummantelung bilden das Cladding. Die äußere Schutzschicht wird von der vorzugsweise lichtundurchlässigen Schutzummantelung (1) gebildet. In das Cladding bzw. die Nylonummantelung (2) eingebettet ist die Überwachungsfaser, an deren Enden sich die Sende-/Empfangssysteme befinden.

Bezugszeichenliste

1

äußere Schutzummantelung

2

Cladding (Nylonschicht)

3

Hauptlichtleitfaser

4

zusätzliche Lichtleitfaser zur Überwachung

5

Sende-/Empfangssystem

6

Sende-/Empfangssystem

7

Cladding (Siliconschicht)

Claims

1. Lichtleitkabelsystem, bestehend aus einer zu überwa chenden Hauptlichtleitfaser (3) mit einem transparen ten Fasermantel ("cladding") (2) und einem Kabelman tel (1), wobei zusätzlich zur zu überwachenden Haupt lichtleitfaser (3) mindestens eine Überwachungslicht leitfaser (4) in den Kabelmantel (1) eingebracht ist, die parallel zur zu überwachenden Hauptlichtleitfaser (3) verläuft und wobei die Überwachungslichtleitfaser mit einem Sende-/Empfängersystem verbunden ist, da durch gekennzeichnet, daß der durch die Hauptlicht leitfaser (3) geführte Lichtstrahl als Sendesystem wirkt, indem bei Bruch oder Beschädigung der Haupt lichtleitfaser (3) das in der Hauptlichtfaser (3) ge führte Lichtsignal in die Überwachungslichtleitfaser (4) übertritt und durch ein an dieser Überwachungs lichtleitfaser (4) befindliches Empfangssystem detek tierbar ist.

2. Lichtleitkabelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hauptlichtleitfaser (3) und die Überwachungslichtleitfaser (4) in direktem Kontakt stehen daß der Kern der Überwachungslichtleitfaser (4) einen Brechungsindex n₄ aufweist, der zwischen den Brechungsindizes n₃ des Kerns der Hauptlichtleitfaser (3) und des Cladding's (2) n₂ liegt, d. h. n₃ < n₄ < n₂.

3. Lichtleitkabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwa chungslichtleitfaser (4) eine kleinere Brechungsin dexstufe oder einen kleineren Brechungsindexgradient als die Hauptlichtleitfaser (3) aufweist.

4. Lichtleitkabelsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssystem (6) an den En den der zusätzlichen Überwachungslichtleitfaser (4) angebracht ist.

5. Lichtleitkabelsystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (4) streng parallel zur Hauptlicht leitfaser (3) verläuft.

6. Lichtleitkabelsystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungslichtleitfaser (4) um die Hauptlichtleit faser (3) gewickelt ist.

7. Lichtleitkabelsystem nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zusätzliche Überwachungslichtleitfasern (4) miteinan der verwoben sind.

8. Lichtleitkabelsystem wenigstens einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zusätzliche Überwachungslichtleitfaser (4) kein Si gnal gesendet wird.