DE202010013212U1

DE202010013212U1 - Gerät und Anordnung zur optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern

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Publication number: DE202010013212U1
Application number: DE202010013212U
Authority: DE
Original assignee: Bucyrus Europe GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-03-27
Anticipated expiration: 2020-12-24
Also published as: WO2012085802A1; CN103384970A; US20130315588A1; AU2011346644B2; EP2656518A1; AU2011346644A1; RU2013134229A

Abstract

Gerat zur optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefahrdeten Bereichen, insbesondere im untertägigen Bergbau, mit einem optischen Sender (4), mit einer optischen Ausgangsschnittstelle (12) zum Anschließen einer Lichtwellenleiterubertragungsstrecke (14) und mit einer Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung (8) ein im optischen Signalweg zwischen dem optischen Sender (4) und der optischen Ausgangsschnittstelle (12) zwischengeschaltetes passives optisches Bauelement (8) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerat zur optischen Signalubertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere im untertägigen Bergbau, mit einem optischen Sender, mit einer optischen Ausgangsschnittstelle zum Anschließen einer Lichtwellenleiterübertragungsstrecke und mit einer Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung. Die Erfindung betrifft ferner auch eine Anordnung zur bidirektionalen optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere im untertagigen Bergbau, mit einer ersten Sende-/Empfangseinheit und einer zweiten Sende-/Empfangseinheit, die über eine Lichtwellenleiterubertragungsstrecke mit der ersten Sende-/Empfangseinheit verbunden ist, wobei mindestens eine Sende-/Empfangseinheit einen optischen Sender, eine optische Ausgangsschnittstelle zum Anschließen der Lichtwellenleiterübertragungsstrecke in Senderichtung, eine Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung und einen optischen Empfanger mit einer optischen Eingangsschnittstelle zum Anschließen der Lichtwellenleiterubertragungsstrecke in Empfangsrichtung aufweist.
Die Prozesssteuerung komplexer Industrieanlagen setzt Netzwerkarchitekturen voraus, die der Anforderung gerecht werden, verschiedene Anlagenteile wie Steuergeräte, Sensoren und Aktoren uber weite Strecken mit hinreichender Übertragungskapazität zuverlassig miteinander zu verbinden. Als Ubertragungsmedium für Kommunikationsnetzwerke sind neben elektrischen Kabeln und Funk auch Lichtwellenleiter bekannt. Ein Lichtwellenleiter ist störunempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einstrahlungen und wegen seiner geringen Dampfung in der Lage, ein Signal über weite Strecken mit nur geringen Verlusten zu ubertragen. Zudem lassen sich über eine Lichtwellenleiterubertragungsstrecke große Bandbreiten ubertragen, was auch die Implementierung von standardisierten Netzwerkprotokollen erlaubt. Damit eignet sich eine Lichtwellenleiterubertragungsstrecke grundsatzlich auch fur die Prozessautomatisierung zur Vernetzung von Anlagenkomponenten.
Fur den Einsatz in einer explosionsfahigen Atmosphare sind auch bei Kommunikationsnetzwerken grundsatzlich Schutzmaßnahmen zu treffen, die eine Zundung des explosiven Gasgemisches verhindern. Bei optischem Übertragungsmedium kann ein maßgebliches Explosionsrisiko in der unmittelbaren oder mittelbaren Erwärmung der Gasatmosphare infolge austretender optischer Strahlung liegen. Ein Strahlungsaustritt kann beispielsweise bei einer gelosten Steckverbindung oder einem Kabeldefekt auftreten. Geräte oder Übertragungsmedien für explosionsfahige Atmosphären unterliegen daher grundsatzlich besonderen elektrischen und optischen Sicherheitsmaßnahmen. Die Anforderungen, die diese Geräte hinsichtlich des Explosionsschutzes erfullen müssen, sind in internationalen Normen niedergelegt. Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen durfen erst dann in Verkehr gebracht werden, wenn sie den in der Norm vorgegebenen Anforderungen genugen. Im untertägigen Bergbau schreiben die landesspezifischen Sicherheitsbestimmungen meist eine gesonderte Zulassung fur das jeweilige gerat vor, ohne dass das Gerät nicht im untertägigen Bergbau eingesetzt werden darf. Das bedeutet in der Praxis für den Gerätehersteller langwierige Zertifizierungsverfahren und Typprufungen, die nicht nur fur Neugeräte erforderlich sind, sondern auch jegliche Modifikation sowie Wartungs- und Reparaturarbeit an dem explosionsgeschutzten Gerät betreffen.
Die verschiedenen Möglichkeiten, den Explosionsschutz zu gewahrleisten, sind in meist international gültigen Normreihen dokumentiert und werden dort als Zündschutzarten bezeichnet. Elektrische Gerte für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen sind normalerweise in mindestens einer dieser Zündschutzarten auszufuhren, allerdings reicht es aus, wenn die Gerte insgesamt zündschlagsicher sind. Als weitverbreitete elektrische Schutzmaßnahme finden vorrangig die Zündschutzart Druckfeste Kapselung oder die Zündschutzart Eigensicherheit Anwendung. Bei der Zundschutzart Druckfeste Kapselung sind Teile, die eine explosionsfahige Atmosphare zunden konnen, in ein Gehäuse eingeschlossen, das bei der Explosion eines explosionsfähigen Gemisches im Innern dem Druck standhält und eine Ubertragung der Explosion auf die das Gehäuse umgebende Atmosphäre verhindert. Die elektrischen Anschlüsse werden dabei als druckfeste und zünddurchschlagsichere Kabel- und Leitungsdurchfuhrungen ausgeführt. Die Zündschutzart Eigensicherheit fordert, dass die im explosionsgefahrdeten Bereich eingesetzten elektrischen Geräte nur eigensichere Stromkreise enthalten. Ein Stromkreis ist eigensicher, wenn kein Funke und kein thermischer Effekt, die unter festgelegten Prüfungsbedingungen, welche den normalen Betrieb und bestimmte Fehlerbedingungen berücksichtigen, auftreten, die Zündung einer bestimmten explosionsfähigen Atmosphäre verursachen kann.
Bei Gerten mit optischen Komponenten muss durch geeignete Maßnahmen vermieden werden, dass die optische Strahlung eine explosionsfahige Atmosphare entzunden kann. Hierzu sind drei Maßnahmen bekannt: „Geschützte optische Strahlung” (Ex op pr), die beispielsweise durch die Metallummantelung der das Übertragungsmedium bildenden Glasfaser erreicht werden kann, die „Optische Strahlung mit Verriegelung” (Ex op sh), bei der Verriegelungsvorrichtungen den Strahlengang im Fehlerfall unterbrechen und die „Inharent sichere optische Strahlung” (Ex op is). Letztere Maßnahme wird auch als optische Eigensicherheit bezeichnet und kann darin bestehen, die von dem optischen Sender unmittelbar abgegebene Lichtleistung auf einen Maximalwert zu begrenzen, der unterhalb des Grenzwertes liegt, der zur Zundung einer explosionsfähigen Atmosphäre notwendig ist.
Zur Begrenzung der Lichtleistung eines Gerätes kann in dem Gerät eine LED oder eine Laser-Diode als Lichtquelle verbaut werden, die von vornherein nicht in der Lage ist, eine über einem bestimmten Grenzwert liegende Ausgangsleistung zu liefern. Dies schränkt die verwendbaren optischen Sender stark ein und erfordert fur den Hersteller des Gerates eine ausreichende Bevorratung entsprechender Dioden.
Eine andere Lösung ist die Regelung der Lichtquelle derart, dass die von der Lichtquelle abgegebene und in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Leistung einen vorgegebenen Maximalwert nicht uberschreitet. In diesem Fall müssen die elektronischen Bauteile für die Regelungsschaltung ausreichend bevorratet werden, weil die Zulassung für das jeweilige Gerat bzw. den Gerättyp nur bei Baugleichheit gültig bleibt, was die Verwendung derselben Teile erfordert. Eine aktive Leistungsregelung der optischen Strahlungsquelle setzt darüber hinaus eine eigene Energieversorgung der Regelschaltung voraus und ist dementsprechend aufwendig zu realisieren.
Insgesamt sind die bislang bekannten Lösungen wenig flexibel oder kostspielig umzusetzen, sie begrenzen die Einsatzmöglichkeiten der Gerate und verursachen beträchtliche technische und wirtschaftliche Anpassungskosten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gerät zur optischen Signalubertragung sowie eine Anordnung zur bidirektionalen optischen Signalubertragung in explosionsgefährdeten Bereichen zu schaffen, mit denen die Anforderungen an einen eigensicheren Betrieb des Übertragungsmediums erfullt werden, eine Auftrennung oder Abkoppelung des an das Gerat angeschlossenen Übertragungsmediums auch in explosionsgefährdeter Atmosphäre erlaubt ist und mit geringen Kosten auch eine Anpassung des Gerates an andere Einsatzmoglichkeiten oder den Einbau anderer elektronischer oder optoelektronischer Komponenten erfolgen kann.
Diese Aufgaben werden durch ein Gerät gemaß Anspruch 1 bzw. durch eine Anordnung gemäß Anspruch 14 gelöst, Erfindungsgemaß ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung ein im optischen Signalweg zwischen dem optischen Sender und der optischen Ausgangsschnittstelle zwischengeschaltetes passives optisches Bauelement ist.
Gemaß der erfindungsgemaßen Losung ist ein die Lichtleistung begrenzendes passives optisches Bauelement zwischen der optischen Sendequelle (Sender) und dem optischen Ausgang des Gerätes zwischengeschaltet. Durch die erfindungsgemaße Maßnahme kann sichergestellt werden, dass die dem Gerat nachgeschaltete Übertragungsstrecke maximal mit einer zulassigen Lichtleistung eigensicher betrieben wird, unabhangig von der Wahl des optischen Senders und/oder der elektronischen oder optoelektronischen Bauteile im Gerät, da zumindest am optischen Ausgang die maximale Lichtleistung begrenzt ist. Gegenüber einer aktiven Leistungsregelung besitzt dies u. a. den Vorteil, dass das passive Bauelement keine eigene Energieversorgung benötigt. Dies wiederum vereinfacht den Schaltungsaufbau des Gerätes, da auf störanfällige Netzgerate und Regelelemente verzichtet werden kann, mithin auch der Entwicklungsaufwand für zuverlässig arbeitende stabile Regelkreise entfällt. Auf Grund der reduzierten Anzahl diskreter elektrischer und elektronischer Bauelemente ist es erheblich einfacher, ggf. das Gerät selbst in der Zündschutzart Eigensicher auszuführen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das passive optische Bauelement ein Dämpfungsglied mit nichtlinearer Übertragungskennlinie für die am Dampfungsglied ein- und auskoppelbare Lichtleistung. Durch die nichtlineare Übertragungskennlinie kann in Abhangigkeit der an dem passiven optischen Bauelement anliegenden Lichtleistung die auskoppelbare Lichtleistung derart festgelegt werden, dass sie einen Grenzwert nicht überschreitet und damit nachfolgende Betriebsmittel eigensicher betrieben werden konnen. Gegenuber einem Dämpfungsglied mit konstanter Dämpfung, bei dem die abgegebene Lichtleistung stets von der Eingangsleistung abhängt, ergibt sich bei einem nichtlinearen Verlauf der Kennlinie die Möglichkeit, ohne weitere schaltungstechnische Komponenten die auskoppelbare Lichtleistung zu begrenzen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die nichtlineare Übertragungskennlinie wenigstens einen Dämpfungsbereich, in welchem eine konstante Abschwachung der ins Dämpfungsglied eingekoppelten Lichtleistung erfolgt, einen Begrenzungsbereich, in welchem die auskoppelbare Lichtleistung auf einen Maximalwert begrenzt ist, und einen Abschaltbereich, in welchem keine Lichtleistung aus dem Dämpfungsglied austritt, aufweist. Bei kleinen Eingangsleistungen bewegt sich der Betriebspunkt im Dampfungsbereich und das passive Dämpfungsglied mit nichtlinearer Kennlinie wirkt wie ein Dampfungsglied mit konstanter Dampfung; die eingekoppelte Leistung wird um einen bestimmten Faktor abgeschwacht an den Ausgang weitergeleitet. Ubersteigt die eingekoppelte Lichtleistung einen bestimmten Wert, erhöht sich die ausgekoppelte Lichtleistung nicht weiter, sondern bleibt über einen Dynamikbereich der Eingangsleistung konstant auf einem Maximalwert. Es findet somit in dem Begrenzungsbereich eine „Entkopplung” der Ausgangs- von der Eingangsleistung statt, da unabhängig von dem Wert der eingekoppelten Leistung die Ausgangsleistung auf einem festen Wert verharrt. Bei weiter ansteigender Eingangsleistung wird der Begrenzungs-/Dynamikbereich verlassen und das Dämpfungsglied unterbricht analog zu einer elektrischen Sicherung den optischen Signalfluss, indem der Pegel der Ausgangsleistung steil abfällt.
Durch Verwendung des passiven optischen Dämpfungsgliedes mit dem beschriebenen nichtlinearen Übertragungsverhalten als Barriere für die auskoppelbare Lichtleistung im Signalweg vor dem optischen Ausgang können in einem für den Bergbau zugelassenen Gerat die elektronischen und optoelektronischen Schaltungskomponenten vor dieser Barriere beliebig modifiziert werden, da sie infolge der „Entkopplung” keinen Einfluss auf die maximale Ausgangsleistung haben und sich damit auch nicht auf den eigensicheren Betrieb nachfolgend angeschlossener optischer Betriebsmittel auswirken. Eine einmal erteilte Zulassung des Gerates ist unter der Voraussetzung, dass zumindest das passive optische Dampfungsgliedes mit nichtlinearer Übertragungskennlinie als Barriere in dem Gerät verbleibt, selbst bei Modifikation der im Signalfluss vor der Barriere liegenden Beschaltung weiterhin gültig. Das erspart einen erneuten zeit- und kostenaufwandigen Zertifizierungsprozess.
Der Maximalwert der auskoppelbaren Lichtleistung im Begrenzungsbereich des Dämpfungsgliedes kann voreingestellt sein, wobei die an der optischen Schnittstelle auskoppelbare Lichtleistung vorzugsweise auf einen Maximalwert von unter etwa 150 mW, weiter vorzugsweise unter etwa 35 mW begrenzbar ist oder begrenzt wird. Diese Grenzwerte erfullen die Zundschlag-Anforderungen fur die maximal zulassige Lichtleistung für Methan (150 mW) bzw. fur übrige zundfähige Gase (35 mW), da unterhalb dieser Grenzwerte eine Zündung nicht eintritt.
Für den praktischen Einsatz des erfindungsgemaßen Gerates ist besonders vorteilhaft, wenn der optische Sender zusammen mit einem optischen Empfanger, dem optischen Bauelement sowie Schaltungsteilen fur ein Kommunikationsnetzwerk im Innenraum eines Gerätegehäuses angeordnet sind, das mit der optischen Ausgangsschnittstelle und einer optischen Eingangsschnittstelle für eine bidirektionale optische Datenubertragung versehen ist. Durch das Verbauen dieser Komponenten in ein gemeinsames Gehäuse entsteht ein kompaktes, in weiten Einsatzbereichen verwendbares Gerät zur optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefährdeten Bereichen. Die Integration von Schaltungsteilen für ein Kommunikationsnetzwerk einerseits und die bidirektionale optische Schnittstelle andererseits erlauben in Verbindung mit der Lichtwellenleiterübertragung den Einsatz des Gerätes in einem im Prinzip beliebig aufgebauten Netzwerkverbund mit optischer Signalübertragung und ggf. auch kabelgebundener oder funkbasierter Übertragung. Besonders zweckmäßig kann die Integration des optischen Senders und des optischen Empfangers in einen Netzwerk-Switch sein, der die Gliederung des Netzwerks in verschiedene Segmente und deren Verbindung uber optische Signale ohne weitere optische Wandler erlaubt, wobei das passive optische Bauelement für die optische Zündschlagsicherheit des Gerates am optischen Ausgang und damit die optische Eigensicherheit aller an das Gerät angeschlossener, nachgeschalteter Betriebsmittel wie insbesondere der Übertragsstrecke sorgt.
Um den Datenaustausch zwischen verschiedenen Kommunikationsstellen zu gewährleisten, können in dem Kommunikationsnetzwerk Mittel zur Implementierung eines Netzwerkprotokolls vorgesehen sein. Durch die Anwendung eines gemeinsamen Standards kann eine Kommunikation auch zwischen Systemkomponenten unterschiedlicher Hersteller erzielt werden. Besonders zweckmaßig ist dann die Implementierung des weitverbreiteten Ethernet-Protokolls als Zugriffsverfahren auf das optische Ubertragungsmedium und die ggf. weiteren Kommunikationswege, da dies die Verwendung weit verbreiteter Standardkomponenten ermöglicht.
Gemaß einer insbesondere bevorzugten Ausgestaltung ist das Gehäuse als eine Kapselung, insbesondere in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung („d”), ausgefuhrt, durch die das Gerät auch hinsichtlich der verbauten elektrischen und elektronischen Komponenten die erforderliche Zündschlagsicherheit für die Verwendung im explosionsgefährdeten Bereich und damit die Anforderungen an elektrische Zündschlagsicherheit erfüllen kann. Alternativ könnten auch die Zündschutzarten Überdruckkapselung („p”), Ölkapselung („o”), Sandkapselung („q”) und Vergusskapselung („m”) Anwendung finden. Zur Ausführung des Gerates in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung werden sämtliche Bauelemente in ein Gehause eingeschlossen, das bei der Explosion eines explosionsfahigen Gemisches im Innern dem Druck standhält und eine Übertragung der Explosion auf die das Gehäuse umgebende Atmosphäre verhindert. Die elektrischen wie optischen Anschlusse sind dann in Verbindung mit dieser Schutzart vorzugsweise als druckfeste und zunddurchschlagsichere Kabel- und Leitungsdurchführungen ausgeführt.
Vorteilhafterweise weist das Gehäuse zur Konstruktion der druckfesten und zunddurchschlagsicheren optischen Kabel- und Leitungsdurchführungen (optische Schnittstelle) wenigstens eine Gehäusebohrung auf, durch die ein Adapterkörper geführt ist, der innen- und außenseitig mit Lichtwellenleiteranschlussen versehen ist und in dem mindestens ein Lichtwellenleiter vergossen ist. Hierdurch wird eine hermetische Abdichtung gewährleistet, weswegen eine im Inneren des Gehauses stattfindende Explosion die Kapselung nicht verlassen kann und eine Ausbreitung auf die das Gehäuse umgebende Atmosphäre verhindert wird. Falls das Gerät selbst nicht im explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt wird, z. B. weil es übertägig angeordnet wird, können elektrische Zündschutzmaßnahmen fur die elektrische Zundschlagsicherheit des Gerätes entfallen und es reicht aus, dass die optische Zundschlagsicherheit an der Ausgangsschnittstelle gewahrleistet ist und damit das nachgeschaltete optische Ubertragungsmedium ausschließlich eigensicher betrieben werden kann.
Es versteht sich, dass auch sämtliche elektrischen Schaltungsanordnungen selbst in der Zundschutzart Eigensicherheit und/oder der Zundschutzart Erhöhte Sicherheit ausgefuhrt sein konnten. Wahrend bei der Zundschutzart Eigensicherheit alle elektrisch freigesetzten Leistungen einen Grenzwert nicht überschreiten durfen, werden bei der Zündschutzart Erhohte Sicherheit zusätzliche Maßnahmen getroffen, um mit einem erhohten Grad an Sicherheit die Möglichkeit unzulässig hoher Temperaturen und das Entstehen von Funken und Lichtbögen im Innern oder an äußeren Teilen elektrischer Betriebsmittel, bei denen diese im normalen Betrieb nicht auftreten, zu verhindern.
Bei einer erfindungsgemaßen Anordnung zur bidirektionalen optischen Signalubertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefährdeten Bereichen werden zweckmaßigerweise nur erfindungsgemäße Geräte mit integrierten, dem optischen Ausgang vorgeschalteten passiven, optisch leistungsbegrenzenden Bauelementen eingesetzt, da dann im Prinzip auf jegliche Schutzmassnahmen am Übertragungsmittel verzichtet werden kann und eine kostengünstige und flexible optische Kommunikationsinfrastruktur für den Einsatz im untertägigen Bergbau bereitgestellt werden kann.
In besonderer Ausgestaltung der Anordnung können die Lichtwellenleiter der Ubertragungsstrecke aus Kunststoff und/oder Glasfaser bestehen. Auf Grund der im Vergleich zur Glasfaser geringeren Herstellungskosten und der universell einsetzbaren Verbindungstechniken bietet sich der Einsatz der Kunststofffaser vor allem auf kurzen Übertragungsstrecken an, wie sie beispielsweise zwischen Anlagenkomponenten eines Walzenladers oder eines Transportfahrzeugs als Maschinen einer untertägigen Gewinnungsanlage bestehen können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung anhand von Beispielen erläutern. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:
1 anhand eines Blockschaltbildes den grundsätzlichen Aufbau des Sendeteils eines erfindungsgemaßen Gerätes zur optischen Signalubertragung mittels Lichtwellenleitern;
2 schematisch eine nichtlineare Übertragungskennlinie eines Dämpfungsgliedes,
3 schematisch eine erfindungsgemäßes Gerät mit Sende- und Empfangseinheit in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung,
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemaße Anordnung zur bidirektionalen optischen Signalubertragung mittels Lichtwellenleitern.
1 zeigt anhand eines Blockdiagramms den grundsätzlichen funktionalen Aufbau der Sendeeinheit 1 eines erfindungsgemäßen Gerätes 2 zur optischen Signalübertragung. Das von einem optischen Sender 4 ausgestrahlte optische Quellensignal 6 wird einer Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung 8 als Eingangssignal 7 zugeführt. Erst das Ausgangssignal 10 der Begrenzungseinrichtung 8 wird uber eine optische Ausgangsschnittstelle 12 als Sendesignal 11 in eine Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 eingespeist. Die Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung 8 ist dabei jeweils als passives optisches Bauelement 8 ausgefuhrt und benötigt demgemäß keine Vorrichtung zur Energieversorgung noch irgendwelche Regeleinrichtungen.
Die Leistung P_out 16 des Ausgangsignals 10 des optischen Bauelements 8 in Abhangigkeit der zugeführten Leistung P_in 18 des Eingangssignals 7 wird durch die Übertragungskennlinie 20 in 2 beschrieben. Die Ubertragungskennlinie 20 weist hier einen nichtlinearen Verlauf mit drei Bereichen auf. In einem Dämpfungsbereich 22 wirkt das passive optische Bauelement als konstantes Dämpfungsglied, die zugefuhrte Lichtleistung P_in 18 steht um einen bestimmten Faktor abgeschwacht als Ausgangsleistung P_out 16 am Ausgang des Dampfungsgliedes 8 zur Verfügung. Bei weiterer Erhöhung der Eingangsleistung P_in 18 setzt ein Begrenzungsbereich 24 ein, der dadurch gekennzeichnet ist, dass unabhängig von der weiteren Erhöhung der Eingangsleistung P_in 18 die Ausgangsleistung P_out 16 einen konstanten Maximalwert 25 annimmt. Die Breite dieses Begrenzungsbereichs 24 bezüglich des Eingangssignals 7 bzw. der Eingangsleistung P_in 18 kann auch als Bereich aufgefasst werden, der eine Aussage darüber erlaubt, innerhalb welcher Bandbreite die Eingangsleistung P_in 18 schwanken darf, damit die Ausgangsleistung P_out 16 konstant bleibt. Eine uber den Begrenzungsbereich 24 hinaus erhöhte Eingangsleistung P_in 18 führt in einem Abschaltbereich 26 zu einem steilen Abfall der Ausgangsleistung P_out 16, vergleichbar mit dem Auslösen einer elektrischen Sicherung. Es versteht sich, dass die gezeigte Kennlinie nur exemplarisch und der tatsachliche Verlauf der Übertragungskennlinie variieren kann.
Das in Reihe mit dem optischen Sender 4 angeordnete, vor dem optischen Ausgang 12 zwischengeschaltete passive Dämpfungsglied 8 schützt also sämtliche nachgeschalteten Betriebsmittel zunächst reversibel in dem Begrenzungsbereich 24, dann irreversibel im Abschaltbereich vor unzulassig hohen Lichtleistungen. Ein eigensicherer Betrieb der an der optischen Ausgangsschnittstelle angekoppelten Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 ist somit immer sichergestellt, selbst wenn z. B. ein anderes optisches Sendelement im Gerät 2 verbaut werden sollte.
3 zeigt ein insgesamt mit Bezugszeichen 35 bezeichnetes Gerät mit einer das passive Dampfungsglied 8 umfassenden Sendeeinheit 1 sowie zusatzlich mit einer Empfangseinheit 3 für die bidirektionale Datenübertragung mittels Lichtwellenleitern in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung. Die Ausfuhrung Druckfeste Kapselung wird hier durch das schematisch dargestellte druckfeste Gehause 40 nebst einer druckfesten und zünddurchschlagsicheren optischen Leitungsdurchführung 42 erfullt. Durch die Ausführung in der Zundschutzart Druckfeste Kapselung und aufgrund des Dämpfungsglieds 8 kann das Gerat 35 unabhängig vom sonstigen Aufbau und Ausgestaltung der Sende- und Empfangseinheit 1, 3 unmittelbar in einem explosionsgefährdeten Bereich 28 betrieben werden. Die schematische Darstellung in 3 bildet eine Verknupfung eines funktionalen Blockschaltbilds mit einer schematischen Skizze des Aufbaus des Gerates 35. Neben dem optischen Sender 4, der Begrenzungseinrichtung 8 und der optischen Ausgangsschnittstelle 12 sind ein optischer Empfanger 30 und Schaltungsteile für ein Kommunikationsnetzwerk 32 sowie eine optische Eingangsschnittstelle 34 gezeigt. In Empfangsrichtung wird ein mittels der an das Gerät losbar ankoppelbaren Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 empfangenes Signal 36 über die optische Eingangsschnittstelle 34 in den optischen Empfänger 30 geleitet. Im Zusammenwirken mit den in Senderichtung angeordneten Komponenten der Sendeinheit 1, hier mithin dem optischen Sender 4, der Begrenzungseinrichtung 8 und der optischen Ausgangsschnittstelle 12, weist das Gerät 35 daher eine Sendeeinheit 1 und ferner eine Empfangseinheit 3 zum bidirektionalen Datenaustausch dar. Die Anbindung der optischen Sende- und Empfangseinheit 1, 3 an die Schaltungsteile für ein Kommunikationsnetzwerk 32 erlaubt den weitlaufigen Austausch von Daten mit anderen Netzwerken sowohl optisch als auch z. B. über Funk oder elektrischem Datenkabel (nicht dargestellt). Zur Integration in ubergeordnete Netzwerkebenen konnen zudem weitere, hier nicht dargestellte, elektrische oder optische Schnittstellen vorgesehen sein, die dann auch über weitere, nicht dargestellte Durchführungen aus dem Gerät herausgeführt oder in dieses hineingeführt werden müssen.
Die optische Leitungszuführung 42 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Adapterkörper 46, der an einer Bohrung 44 oder Aussparung des Gehäuses 40 befestigt ist. An dem Adapterkörper 46 sind hier, schematisch angedeutet, innenseitig und außenseitig je zwei Lichtwellenleiteranschlüsse 48a, 48b, 48c und 48d montiert, von denen jeweils ein Anschlusspaar 48a, 48c das Sendesignal 11 und das jeweils andere Anschlusspaar 48b, 48d das Empfangssignal 36 führt. Die jeweils bezogen auf das Gehäuse 40 außen liegenden Anschlüsse 48c, 48d dienen der losbaren Ankoppelung der Lichtwellleiterübertragungsstrecke 14. Die außenseitigen Anschlüsse 48c, 48d zum Anschließen der Lichtwellenleiterubertragungsstrecke 14 können in Form einer industriell gefertigten Lichtwellenleiter-Gerätebuchse ausgefuhrt sein, die in den Adapterkörper 46 vorzugsweise druckfest eingesetzt wird. Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist innerhalb des Adapterkörpers 46 sowohl für den optischen Ausgang 12 als auch für den optischen Eingang 34 ein Lichtwellenleiterabschnitt zwischen den innen- und außenliegenden Lichtwellenleiteranschlüssen 48a, 48c fur den Ausgang bzw., 48d und 48b fur den optischen Eingang angeordnet, der in den Adapter 46 eingegossen, um auf diese Weise eine druckfeste Abdichtung gegenüber dem explosionsgefährdeten Bereich außerhalb des druckfesten Gehauses 40 zu erreichen.
Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist das Dämpfungsglied 8 über kurze Lichtwellenleiteabschnitte im optischen Weg zwischen optischem Sender 4 und Austritt 12 zwischengeschaltet. Das Dämpfungsglied 8 könnte auch direkt auf den das Sendesignal 11 fuhrenden Anschluss 48a innerhalb des Gehäuses 40 oder direkt auf den optischen Sender 4 gesteckt sein. Das Dampfungslied konnte auch unmittelbar in den Adapter 46 integriert sein und dann unmanipulierbar mit dem optischen Ausgang 12 des Gerates 35 verbunden sein. Zur Anbindung weiterer oder anderer Gerätekomponenten, insbesondere weiterer Signalubertragungsstrecken oder von Energieversorgungsgeraten, kann das druckfeste Gehäuse 40 mit mehr als einer Leitungszuführung 42 ausgestattet sein, wobei auch die Durchleitung elektrischer Adern oder weiterer Lichtleiter durch den Adapterkörper 46 möglich ist.
4 zeigt eine mögliche erfindungsgemäße Anordnung zur bidirektionalen optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern im explosionsgefährdeten Bereich mit zwei identisch aufgebauten Geräten 35 gemaß 3. In dieser Anordnung werden wechselseitig der jeweils außenliegende Lichtwellenleiteranschluss 48c (Sendesignal 11) des einen Gerätes 35 mit dem außenliegenden Lichtwellenleiteranschluss 48d (Empfangssignal 36) des anderen Gerätes 35 uber die Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 verbunden. Erkennbar wird in dieser Anordnung der ausschließlich eigensichere Betrieb der gesamten bidirektionalen Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 für jede Ubertragungsrichtung, denn das jeweils das Gerät verlassende optische Signal hat immer eine durch das passive, optische Dampfungsglied 8 reduzierte Lichtstarke, die geringer ist als die potentiell gefahrliche Lichtenergie. Selbst ein Auftrennen der Lichtwellenleiterstrecke 14 kann daher nicht zu einer Explosionsgefahr fuhren.
Die Darstellung in 4 betrifft einen Anwendungsfall, bei dem beide Geräte 35 und auch die Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 im explosionsgefahrdeten Bereich 28 angeordnet sind, weswegen die Gehäuse 40 beider Gerate hier die Zundschutzart Druckfeste Kapselung (oder eine andere Zundschutzart) erfüllen müssen, damit die Elektrikteile des Gerte selbst in einem Fehlerfall keine Explosion in der explosionsgefahrdeten Umgebung erzeugen konnen, mithin das Gerat fur die Umgebung elektrisch zundschlagsicher betrieben werden kann. Die Lichtwellenleiterübertragungsstrecke 14 selbst hingegen, die hier schematisch als zweiadriger Lichtwellenleiter 51 (4) angedeutet ist, kann beliebig ausgeführt werden und muss in ihrem technischen Aufbau, weil sie ohnehin eigensicher betrieben wird, keiner Zündschutzart genugen. Sofern eines der Geräte 35 nicht im explosionsgefährdeten Bereich positioniert wird, z. B. ubertägig in einer Strebzentrale, dann wäre lediglich sicherzustellen, dass ab der Grenze von sicherem zu explosionsgefährdetem Bereich eine Begrenzung der Lichtleistung gewährleistet ist. Dies ist immer erfüllt, wenn jedes Gerät vor seinem optischen Ausgang mit dem optischen Dampfungslied mit geeigneter Kennlinie versehen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausfuhrungsbeispiele beschrankt, sondern es ergeben sich verschiedene Änderungen oder Ergänzungen, die in den Schutzbereich der anhangenden Anspruche fallen sollen. So konnen beispielsweise Sender und Empfanger als ein Gerateteil ausgeführt sein.

Claims

Gerat zur optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefahrdeten Bereichen, insbesondere im untertägigen Bergbau, mit einem optischen Sender (4), mit einer optischen Ausgangsschnittstelle (12) zum Anschließen einer Lichtwellenleiterubertragungsstrecke (14) und mit einer Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung (8) ein im optischen Signalweg zwischen dem optischen Sender (4) und der optischen Ausgangsschnittstelle (12) zwischengeschaltetes passives optisches Bauelement (8) ist.
Gerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive optische Bauelement (8) ein Dämpfungsglied mit nichtlinearer Übertragungskennlinie (20) fur die am Dämpfungsglied (8) ein- und auskoppelbare Lichtleistung ist.
Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Ubertragungskennlinie (20) wenigstens einen Dampfungsbereich (22), in welchem eine konstante Abschwachung der ins Dampfungsglied (8) eingekoppelten Lichtleistung erfolgt, einen Begrenzungsbereich (24), in welchem die auskoppelbare Lichtleistung auf einen konstanten Maximalwert (25) begrenzt ist, und einen Abschaltbereich (26), in welchem keine Lichtleistung aus dem Dämpfungsglied (8) austritt, aufweist.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert (25) der auskoppelbaren Lichtleistung im Begrenzungsbereich (24) des Dämpfungsgliedes (8) voreingestellt ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem optischen Bauelement (8) die an der optischen Schnittstelle (12) auskoppelbare Lichtleistung auf einen Maximalwert (25) von unter etwa 150 mW, vorzugsweise unter etwa 35 mW begrenzbar ist oder begrenzt wird.
Gerat nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender (4) zusammen mit einem optischen Empfanger (30), dem optischen Bauelement (8) sowie Schaltungsteilen fur ein Kommunikationsnetzwerk (32) im Innenraum eines Gerätegehäuses (40) angeordnet sind, das mit der optischen Ausgangsschnittstelle (12) und einer optischen Eingangsschnittstelle (34) fur eine bidirektionale Datenübertragung versehen ist.
Gerat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender (4) und der optische Empfänger (30) in einen Netzwerk-Switch integriert sind.
Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationsnetzwerk (32) Mittel zur Implementierung eines Netzwerkprotokolls aufweist.
Gerät nach einem der Anspruche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerkprotokoll ein Ethernet-Protokoll ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) als eine Kapselung ausgefuhrt ist, durch die das Gerat eine genormte Zündschutzart erfullt.
Gerat nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Ausfuhrung des Gerategehäuses (40) in der Zündschutzart Druckfeste Kapselung, wobei vorzugsweise das Gerätegehäuse (40) mit einer optischen druckfesten und zunddurchschlagsicheren Leitungsdurchfuhrung (42) versehen ist.
Gerat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerategehause (40) eine Gehäusebohrung (44) aufweist, in der ein Adapterkörper (46) angeordnet ist, der innen- und außenseitig mit Lichtwellenleiteranschlussen (48a, 48b, 48c, 48d) versehen ist, wobei vorzugsweise zwischen jedem Paar von Lichtwellenleiteranschlussen (48a, 48c; 48b, 48d) ein im Adapterkorper vergossener Lichtwellenleiter angeordnet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Dämpfungslied in den optischen Ausgang gehäuseinnenseitig eingesteckt ist oder befestigt ist oder Bestandteil des optischen Ausgangs ist.
Anordnung zur bidirektionalen optischen Signalübertragung mittels Lichtwellenleitern in explosionsgefährdeten Bereichen, insbesondere im untertägigen Bergbau, mit einer ersten Sende-/Empfangseinheit (35) und einer zweiten Sende-/Empfangseinheit (35), die über eine Lichtwellenleiterübertragungsstrecke (14) mit der ersten Sende-/Empfangseinheit (35) verbunden ist, wobei mindestens eine Sende-/Empfangseinheit (35) einen optischen Sender (4), eine optische Ausgangsschnittstelle (12) zum Anschließen der Lichtwellenleiterübertragungsstrecke (14) in Senderichtung, eine Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung (8) und einen optischen Empfänger (30) mit einer optischen Eingangsschnittstelle (34) zum Anschließen der Lichtwellenleiterübertragungsstrecke (14) in Empfangsrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Begrenzung der Lichtleistung ein im optischen Signalweg zwischen dem optischen Sender (4) und der optischen Ausgangsschnittstelle (12) zwischengeschaltetes passives optisches Bauelement (8) ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das passive optische Bauelement (8) ein Dämpfungsglied mit nichtlinearer Ubertragungskennlinie (20) für die am Dämpfungsglied (8) ein- und auskoppelbare Lichtleistung ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Übertragungskennlinie (20) wenigstens einen Dämpfungsbereich (22), in welchem eine konstante Abschwachung der ins Dämpfungsglied (8) eingekoppelten Lichtleistung erfolgt, einen Begrenzungsbereich (24), in welchem die auskoppelbare Lichtleistung auf einem konstanten Maximalwert (25) begrenzt bleibt, und einen Abschaltbereich (26), in welchem keine Lichtleistung aus dem Dämpfungsglied (8) austritt, aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der optischer Sender (4) zusammen mit dem optischen Empfänger (30) und dem optischen Bauelement (8) der Sende-/Empfangseinheit sowie Schaltungsteile für ein Kommunikationsnetzwerk (32) im Innenraum eines Gerätegehäuses (40) eines Gerätes (2; 35) angeordnet sind, das mit der optischen Ausgangsschnittstelle (12) und der optischen Eingangsschnittstelle (34) für eine bidirektionale Datenübertragung versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät (2, 35) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter der Übertragungsstrecke (14) aus Kunststoff und/oder Glasfaser bestehen.