DE2731502A1 - Vorrichtung zum herstellen von optischen fasern - Google Patents
Vorrichtung zum herstellen von optischen fasernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Fasern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Fasern und insbesondere eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Fasern, bei der ein Vorformling bzw. ein Rohling der optischen Faser (nachfolgend einfach als "Rohling" bzw. als "Vorformling" bezeichnet) mit einer Heizvorrichtung erhitzt und ein Ende des Vorformlings im geschmolzenen Zustand gezogen und zu einem dünnen Strang gemacht wird, um die optische Faser mit gleichförmigen, vorgegebenen Durchmesser zu erhalten.
Bei einer optischen Faser, die als Übertragungsleitung für optische Signale bei einem optischen Übertragungssystem verwendet wird, muss der Faserdurchmesser sehr gleichmäßig sein, um die Übertragungsverluste sehr klein zu halten.
Die Gleichmäßigkeit und Konstanz des Durchmessers einer optischen Faser hängt von der Ziehmaschine ab, mit der die optische Faser hergestellt wird. Bis jetzt wurde das sogenannte Vorformungsverfahren (preform process) hauptsächlich zum Ziehen von optischen Fasern mit sehr kleinen, ultrakleinen Übertragungsverlusten verwendet. In Fig. 1 ist eine dafür vorgesehene Vorrichtung dargestellt. Bei diesem Verfahren wird als Material für die optische Faser ein Rohr oder ein Stab oder eine Stange, d.h. der Vorformling bzw. der Rohling verwendet, der davon getrennt hergestellt wird und aus einer oder mehreren Schichten aus einem glasartigen oder Glasmaterial besteht. Der Vorformling 1 (mit einem Außendurchmesser D) wird mit einer konstanten Geschwindigkeit vp in ein Schutzrohr 3 eines Ofens eingeschoben, mit einer Heizeinrichtung 2 erhitzt, und das untere, erhitzte und geschmolzene Ende des Vorformlings wird gezogen, und auf eine Trommel 6 aufgewickelt. Ein (nicht dargestellter) Motor wird mit einer Motorsteuerstufe
8 in seiner Drehzahl gesteuert. Auf diese Weise wird die Trommel 6 gedreht, zieht die optische Faser 9 mit einer konstanten Geschwindigkeit vf lang und die optische Faser 9 wird dann auf die Trommel 6 gewickelt. Auf diese Weise wird die optische Faser 9 mit einem vorgegebenen Außendurchmesser d hergestellt. Der Durchmesser d der optischen Faser 9 wird mit einem den Faserdurchmesser abfühlenden Detektor 4 auf optische, berührungslose Weise abgefühlt und auf einem Faser-Durchmesser-Messgerät 6 angezeigt. Bei Vorliegen einer Durchmesser-Abweichung oder -Schwankung wird die Faserdurchmesserregelung derart vorgenommen, dass ein analoges Ausgangssignal des Faserdurchmesser-Messgeräts 5 einer Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 zugeleitet wird, in der dieses Analogsignal mit einem dem gewünschten, eingestellten Durchmesser entsprechenden Signal verglichen wird. Die Regelschaltung stellt dann ein Ausgangssignal bereit, das der Motorsteuerstufe 8 zugeleitet wird, um die Drehzahl der Trommel 6 (entsprechend der Änderung der Geschwindigkeit vf) zu ändern. Mit diesem Faserdurchmesser-Regelverfahren erhielt man optische Fasern mit Faserdurchmesser-Schwankungen bzw. -Abweichungen von + einigen %. Es war jedoch schwierig, optische Fasern mit Durchmessern zu erhalten, deren Abweichungen und Schwankungen unter diesen Werten lagen.
K. Imoto et al. untersuchten dieses herkömmliche Verfahren unter verschiedenen Blickwinkeln und erforschten den Mechanismus oder die Gründe, wie Faserdurchmesser-Schwankungen und -Abweichungen zustande kommen. Es ergab sich dabei, dass die Gründe, die zu Faserdurchmesser-Schwankungen und -Abweichungen führten, grob in zwei Klassen eingeteilt werden können: (1) In strukturelle Fehler des Vorformlings (Abweichungen des Außendurchmessers, Versetzung der Achse, Schräglage der Achse usw.), und (2) in Abweichungen bzw. Schwankungen der Vorformling-Schmelztemperatur während des Ziehvorgangs, wobei diese Temperaturschwankungen auf Störungen, die von den genannten
strukturellen Fehlern (die zu Änderungen oder Schwankungen des in der Schutzröhre strömenden Luftstroms A führen) und auf Störungen zurückzuführen sind, die auf äußeren Einflüssen und Faktoren (Schwankungen des in der Schutzröhre strömenden Luftstroms A) beruhen.
Die Faserdurchmesser-Schwankungen und -Abweichungen auf Grund von Schwankungen der Schmelztemperatur treten während des Ziehvorgangs sehr oft auf und liegen in der Größenordnung von + mehreren % bis zu + mehreren 10%. Darüberhinaus lag die Zeitkonstante der Faserdurchmesser-Schwankungen in der Größenordnung von Sekunden und es wurde festgestellt, dass Faserdurchmesser-Schwankun-gen unter + 2 bis + 3% auch bei Ändern oder Regeln der Aufwickelgeschwindigkeit vf schwierig sind. K. Imoto et al. haben daher eine Ziehmaschine für optische Fasern vorgeschlagen, die Faserdurchmesser-Schwankungen, welche auf Schwankungen der Schmelztemperatur zurückgehen, verhindern kann (Japanische Patentanmeldung Nr. 142055/1975). Weiterhin wurde im Zusammenhang damit eine Vorrichtung zum Regeln des Durchmessers der optischen Faser vorgeschlagen, wobei diese Vorrichtung den Faserdurchmesser so steuert bzw. regelt, dass Faserdurchmesser-Schwankungen auf Grund struktureller Fehler des Vorformlings verringert und Faserdurchmesser-Schwankungen auf Grund von Schmelztemperatur-Schwankungen verhindert werden (japanische Patentanmeldungen Nr. 151825/1975 und 29960/1976; diese japanischen Patentanmeldungen entsprechen einer US-Patentan-meldung und der DT-Patentanmeldung P 26 53 836.3-45).
Ausführungsbeispiele für Vorrichtungen zum Regeln des Faserdurchmessers sind in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Eine Gasleitung (einen Gasvorhang erzeugende Einrichtung) 10 (10') ist am oberen (unteren) Teil einer Schutzröhre 3 angebracht. Die den Gasvorhang erzeugende Einrichtung steuert die Durchflussmenge eines eingeleiteten Gases 13 (14) mit einem Ventilregler 12 (12') und bläst Gas in die Schutzröhre, so dass ein Luftstrom A von außen in das Schutzrohr strömt. Auf diese
Weise werden Faserdurchmesser-Schwankungen auf Grund von Schmelztemperaturänderungen soweit wie möglich verhindert und die den Gasvorhang erzeugende Einrichtung regelt die Faserdurchmesser-Schwankungen, die durch strukturelle Fehler des Vorformlings entstehen, durch Änderung der Gasdurchflussmenge aus, um die Faserdurchmesser-Schwankungen zu verringern. In gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung werden die Faserdurchmesser-Schwankungen mit einem Faserdurchmesser-Detektor 4 abgefühlt und ein Analogausgangssignal (ein digitales Ausgangssignal) eines Faserdurchmesser-Messgeräts 5 wird einer Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 zugeleitet (digitale Ausgangssignale des Faserdurchmesser-Messgeräts 5 erfordern auch einen anderen Aufbau der Regelschaltung). Die vorgeschlagenen Vorrichtungen unterscheiden sich von der bekannten Vorrichtung darin, dass das Ausgangssignal der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 den die Gasdurchflussmenge regelnden Ventilregler 12 (12') steuert.
Weiterhin sind in den Fig. 2a und 2b ein Gasdurchfluss-Messgerät 11 (11') vorgesehen und Gasströme 13', 13'', 14' und 14'' mit Pfeilen angedeutet.
In den Figuren gemäß Fig. 2a und 2b sind dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile von Fig. 1 verwendet worden, und diese den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile werden auch nicht nochmals erläutert.
Bei der in Fig. 2b dargestellten Vorrichtung sind zwei Punkte zu beachten: Einmal wird das Ausgangssignal der Regelschaltung 7 zum Regeln der Gasdurchflussmenge (über die ausgezogene Leitung) dem Ventilregler 12 rückgeführt, und zum anderen wird das Ausgangssignal der Regelschaltung 7 zum Regeln der Gasdurchflussmenge dem Ventilregler 12' (über eine gestrichelte Leitung) rückgeführt. Gemäß diesem Regelverfahren ist normalerweise eine Gasdurchflussmenge konstant, wenn die andere Gasdurchflussmenge geregelt wird.
Es wurde experimentell festgestellt, dass Schwankungen der optischen Faser bei der in Fig. 2a oder 2b dargestellten Vorrichtung auch dann sehr stabil und gut auf + 1% oder einen entsprechenden Wert geregelt werden kann, wenn Schwankungen des Außendurchmessers der Vorformlings-Werte von ungefähr + 2% aufweisen. Es stellt sich also heraus, dass diese Vorrichtung einen außerordentlich guten und wirkungsvollen Regelmechanismus darstellt. Wenn sich der Außendurchmesser des Vorformlings jedoch in Längsrichtung konusförmig ändert (vgl. Fig. 3a), wenn der Außendurchmesser an einer Stelle in Längsrichtung des Vorformlings sehr groß ist (vgl. Fig. 3b), wenn der Außendurchmesser an einer Stelle klein ist (vgl. Fig. 3c) oder wenn der gewünschte Faserdurchmesserwert, der als Ausgangsgröße bei der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 eingestellt wird, fehlerhaft ist, tritt ein Phänomen, bei dem die Gasdurchflussmenge stark vom anfänglich eingestellten Wert abweicht, auf, wenn die Faserdurchmesser-Regelung durch Ändern der Gasdurchflussmenge vorgenommen wird. Infolgedessen wird die Temperatur in der Schutzröhre beeinflusst, so dass sich die Temperatur des geschmolzenen Teils des Vorformlings während des Ziehens der optischen Faser oder sich die während des Ziehvorgangs an der optischen Faser auftretende Spannung ändert. Dies führt insofern zu Schwierigkeiten, als die optische Faser Inhomogenitäten in Längsrichtung erhält und eine Faserdurchmesserregelung in extremen Fällen unmöglich wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Fasern zu schaffen, die mit einem Faserdurchmesser-Regelmecha-nismus ausgerüstet ist und die zuvor erwähnten Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Regeleinrichtungen ist in Anspruch 2 angegeben.
Die Heizeinrichtungen zum Erwärmen des Vorformlings bzw. des Rohlings, die Einrichtungen, mit denen die optische Faser gezogen und auf eine Trommel aufgewickelt wird, die Einrichtungen, mit denen Gas eingeführt wird, die Gasart, die Gasdurchflussmenge, der Faserdurchmesser-Detektor, das Faserdurchmesser-Mess-gerät, die Faserdurchmesser-Regelschaltung und die Gasdurchflussmengen-Steuer-einrichtung entsprechen den Einrichtungen, die in der zuvor genannten US-Patentan-meldung oder der DT-Patentanmeldung P 26 53 836.3 beschrieben sind.
Nachfolgend soll der Faserdurchmesser-Regelmechanismus bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen von optischen Fasern beschrieben werden.
Wenn der Durchmesser der optischen Faser von einem vorgegebenen Durchmesser abweicht, wird ein Fehlersignal bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von der Faserdurchmesser-Regelschaltung abgegeben und der Gasdurchflussmengen-Steuer-einrichtung zugeführt, so dass sich die Gasdurchflussmenge um ? F (diese Größe ist eine Funktion der Zeit und die Änderungsgröße des Faserdurchmessers) gegenüber der anfänglich eingestellten Durchflussmenge F ändert und gleichzeitig wird das Fehlersignal zu einer Aufwickel-Drehzahl- bzw. Geschwindigkeit-Regelschaltung geführt, deren Ausgangssignal die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser steuert, wobei verhindert wird, die Gasdurchflussmenge stark von der anfangs eingestellten Gasdurchflussmenge F abweicht. Obgleich das Fehlersignal der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung direkt zugeleitet werden kann, kann es auch über ein Tiefpassfilter geführt werden, so dass unnötige und unerwünschte hochfrequente Komponenten ausgefiltert werden.
Bei den in den Fig. 2a und 2b dargestellten Vorrichtungen wird zunächst eine bestimmte Gasdurchflussmenge F eingestellt, die einen nach oben steigenden oder störenden Luftstrom, der auf natürliche Weise von außen in die Schutzröhre strömt,
zu verhindern. Eine Faserdurchmesser-Schwankung mit Kurzperioden, die auf strukturelle Fehler des Vorformlings zurückgeht, wird durch geringes Ändern der Gasdurchflussmenge um den zuerst eingestellten Wert F korrigiert, und die Faserdurchmesser-Schwankungen mit langer Periode werden durch Ändern der Aufwickelgeschwindigkeit korrigiert, wie dies bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung der Fall ist.
Infolgedessen kann eine Regelung zum Verhindern von Durchmesser-Schwankun-gen der optischen Faser durchgeführt werden, indem die Gasdurchflussmenge um + ? F (? F ist ein willkürlicher Wert, der für die Faserdurchmesser-Regelung erforderlich ist) bezüglich der Größe F während des Ziehvorgangs der optischen Faser kontinuierlich geändert wird. Daher lässt sich eine optische Faser herstellen, deren Homogenität in Längsrichtung besser ist.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Kennlinie bzw. Charakteristik von Änderungen des Durchmessers einer optischen Faser, die über der Gasdurchflussmenge aufgetragen sind. Diese Kennlinie ist für den Fall aufgetragen worden, bei dem das Gas gemäß Fig. 2a von oben in die Schutzröhre einströmt. Die Kurve wurde in der nachfolgend beschriebenen Weise erhalten. Bei konstant gehaltener Vorschubgeschwindigkeit vp des Vorformlings, konstant gehaltener Aufwickelgeschwindigkeit vf und bei einem Vorformling bzw. einem Rohling mit konstantem Außendurchmesser D wurde die Gasdurchflussmenge um ? F schrittweise um die zuerst eingestellte Gasdurchflussmenge F herum verändert. Dann änderte sich der Fasderdurchmesser bei sehr schnellem Regelansprechverhalten um ? d und kehrte dann wieder auf den ursprünglichen Wert zurück. Der größte Wert ? d der Durchmesseränderungen der optischen Faser wurde dabei aufgetragen. Die Kurve zeigt, dass die Änderungen des Faserdurchmessers den Änderungen der Gasdurchflussmenge proportional sind. Der Zusammenhang zwischen ? F und ? d ändert sich in Abhängigkeit der zu Anfang eingestellten Gasdurchflussmenge F, der Richtung, in der das Gas strömt, der Temperatur
der Schutzröhre usw. erheblich, und es werden in Abhängigkeit der Messbedingungen Kurven mit verschiedenen Gradienten erhalten. Dabei hat sich jedoch klar gezeigt, dass die Größen ? F und ? d einander immer proportional sind. Ersichtlich können die Durchmesserschwankungen in der optischen Faser durch Änderung der Gasdurchflussmenge plötzlich und durch Ausnützen der zuvor angegebenen Beziehung infinitesimal bzw. stetig geändert werden. Bei der in Fig. 4 dargestellten Messung hatte die Vorschubgeschwindigkeit vp des Rohlings den Wert 7,1 mm/Min., die Aufwickelgeschwindigkeit vf betrug 38 m/Min., der Außendurchmesser D des Rohlings bzw. des Vorformlings betrug 8 mm und der Durchmesser d der Faser betrug (als Mittelwert) 110 ?m.
Um die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser zu regeln, wird - wie bereits erwähnt - eine dem von der Faserdurchmesser-Regelschaltung bereitgestellten Fehlersignals entsprechende Spannung an die Aufwickelgeschwindigkeit-Regelschaltung gelegt. Gleichzeitig wird auch eine Bezugsspannung zum Einstellen oder Festlegen einer Bezugsaufwickelgeschwindigkeit (die Aufwickelgeschwindigkeit festlegende oder einstellende Bezugsspannung) ebenfalls an die Aufwickelgeschwindigkeit-Re-gelschaltung gelegt. Die beiden Eingangssignale werden miteinander verglichen und die dabei erhaltene Differenz wird verstärkt, wobei dann dieses verstärkte Differenzsignal das Ausgangssignal der Aufwickelgeschwindigkeit-Regelschaltung ist. Mit diesem Ausgangssignal wird eine Motor-Steuerstufe gesteuert, um die Drehzahl eines die Trommel drehenden Motors zu regeln. Die Aufwickelgeschwindigkeit- bzw. Drehzahl-Regelschaltung kann eine an sich bekannte Schaltung sein, die zum Vergleichen derartiger Spannungen oder Ströme verwendet wird. Die Regelung der Drehzahl des die Trommel drehenden Motors kann durch eine Hilfseinrichtung oder eine zusätzliche Einrichtung ersetzt werden, bei der eine Antriebswelle zum Ausziehen der Fasern zwischen dem Vorformling bzw. der Rohling und der Trommel angeordnet ist und die Drehzahl eines die Antriebswelle drehenden Motors geregelt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1, 2a und 2b Beispiele für herkömmliche Vorrichtungen zum Herstellen einer optischen Faser, Fig. 3a, 3b und 3c Beispiele für Formen eines Vorformlings bzw. eines Rohlings mit Außendurchmesser-Schwankungen, und -Unterschieden, Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit zwischen dem Änderungswert der Gasdurchflussmenge und den Schwankungen oder Abweichungen des Durchmessers einer optischen Faser zeigt, Fig. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung für eine Ausführungsform einer Faserdurchmesser-Regelschaltung, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser verwendet wird, Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Aufwickelgeschwindigkeit- bzw. Drehzahl-Regelschaltung, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser verwendet wird, Fig. 8a das Diagramm eines Beispiels für Außendurchmesser-Schwankungen eines Vorformlings, Fig. 8b ein Diagramm, welches Schwankungen des Ausgangssignals der Faserdurchmesser-Regelschaltung für den Fall zeigt, bei dem der Vorformling mit der in Fig. 8a dargestellten Form von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von optischen Fasern gezogen wird, Fig. 8c ein Diagramm, welches die Durchmesser-Schwankungen einer optischen Faser für den Fall zeigt, bei dem der Vorformling mit der in Fig. 8a dargestellten Form mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung optischer Fasern gezogen wird, und Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser.
Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser. Bei dieser Vorrichtung wird die Regelung des Durchmessers der optischen Faser folgendermaßen durchgeführt. Zunächst wird ein gewünschter Durchmesser-Einstellwert dref durch Vorgeben einer Rohling-Vorschubgeschwindigkeit vp, einer Aufwickelgeschwindigkeit vf und einem Rohling-Außendurchmesser D (diese Größen werden bei diesem Verfahrenszeitpunkt mit vpo, vfo bzw. Do bezeichnet) festgelegt und der gewünschte Durchmesser-Einstellwert eref wird in eine Spannung oder eine Bezugsspannung Vref umgewandelt. Ein Faserdurchmesser din, der von einem Detektor 4 und einem Faserdurchmesser-Messgerät 5 festgestellt wird, wird in entsprechender Weise in eine mit Vin bezeichnete Spannung umgesetzt. Die Spannungen Vref und Vin werden einer Faserdurchmesser-Regelschaltung 7, in der sie verglichen werden und die ermittelte Differenz verstärkt wird. Wenn eine Fehlersignalspannung auftritt (d.h. wenn Vin / Vref ist), wird am Ausgang der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 eine Spannung Vo erzeugt. Wenn Vref > Vin ist, ist die Spannung Vo positiv, und wenn Vref < Vin ist, so ist die Spannung Vo negativ. Die Spannung Vo wird als Steuerspannung für einen Motor 15 verwendet (im vorliegenden Falle wird ein Gleichstrommotor verwendet, es kann jedoch genauso gut auch ein Impulsmotor oder ein Servo-Motor benutzt werden). Die Welle eines Stirnzahnrades 17 und eines Potentiometers 18 sind direkt mit der Welle des Motors 15 gekoppelt. In das Stirnzahnrad 17 greift ein Stirnzahnrad 16 ein, wobei letzteres direkt mit einem Ventilsteller 12 für das Regeln bzw. Einstellen der Gasdurchflussmenge verbunden ist. Wenn die Spannung Vo am Motor 15 anliegt, dreht sich die Ventileinstellwelle des Ventilreglers 12 zur Regelung der Gasdurchflussmenge daher auf Grund der Stirnzahnräder 17 und 16. Dadurch wird die Strömungsmenge eines Gases, das in ein Schutzrohr 3 eines Ofens einströmt, und damit der Durchmesser der optischen Faser gesteuert. Der voreingestellte Wert
der Durchflussmenge des Gases, der durch das Innere des Schutzrohres 3 fließt, bevor die Faserdurchmesser-Regelung wirksam ist, wird mit F bezeichnet und vorher durch eine mit dem Punkt b bezeichnete Stelle am Potentiometer 18 vorgegeben, wobei das Potentiometer 18 direkt mit der Welle des Motors 15 verbunden ist. Wenn die Spannung Vo am Motor 15 anliegt, wird die Potentiometereinstellung innerhalb eines Bereiches zwischen dem Punkt a und dem Punkt c um den Punkt b herum in Abhängigkeit der angelegten Spannung Vo verändert. Eine an den beiden Enden a und c des Potentiometers 18 anliegende Spannung wird mit Vp bezeichnet, und diejenige zwischen dem Punkt b und dem Massepunkt c (eine Bezugsspannung zum Einstellen der Bezugs-Aufwickelgeschwindigkeit bzw. -drehzahl) wird zu diesem Zeitpunkt mit Vref' bezeichnet. Die an einem Punkt i anliegende Spannung Vin' (im Falle, dass die Durchflussmenge das in das Schutzrohr einströmende Gas den Wert F aufweist, also Vin' gleich Vref', wie zuvor erwähnt, ist), wird an ein Tiefpassfilter 19 geführt. Die tiefen Frequenzkomponenten der Spannung Vin', die durch das Tiefpassfilter 19 hindurchgehen, werden einer Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20 zugeleitet. Der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20 wird auch die Spannung Vref' angelegt. Die Regelschaltung 20 vergleicht die niedere Frequenzkomponente der Spannung Vin' mit der Spannung Vref'' und verstärkt die sich dabei ergebende Differenz. Das Ausgangssignal Vds dieser Regelschaltung 20 wird zum Steuern einer Motoreinstellstufe 8 verwendet, um die Aufwickel-Drehzahl vf zu regeln (der verwendete Gleichstrommotor um Drehen einer Spule oder Trommel 6 ist in der Figur nicht dargestellt.).
Nachfolgend soll der Regelvorgang beschrieben werden. Wenn die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' und der Spannung Vref' gleich sind, wird die Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung so eingestellt, dass die Ausgangsspannung eine Spannung Vdso wird, um die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser auf den Wert vfo einzustellen (das ist die Aufwickelgeschwindigkeit, bei der der gewünschte DurchmesserEinstellwert
dref vorliegt). Wenn in diesem Falle eine positive Spannung am Motor 15 auftritt (d.h. wenn Vref > Vin ist), wird die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' größer als die Spannung Vref'. Wenn dagegen eine negative Spannung am Motor 15 anliegt (d.h., wenn Vref < Vin ist), wird die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' kleiner als die Spannung Vref'.
Wenn die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' größer als die Spannung Vref' wird, wirkt die Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung so, dass ihre Ausgangsspannung kleiner als der Wert Vdso wird, wodurch die Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20 die Aufwickelgeschwindigkeit vf der optischen Faser verringert, bis die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' gleich der Spannung Vref' wird. Wenn die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' dagegen kleiner als die Spannung Vref' wird, ergibt sich für die Ausgangsspannung der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung ein Wert, der größer als der Wert Vdso ist, so dass die Aufwickel-Drehzahl-Regel-schaltung 20 die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser erhöht, bis die Niederfrequenzkomponente der Spannung Vin' gleich der Spannung Vref' wird. Auf Grund des zuvor beschriebenen Regelvorgangs arbeitet der Regelmechanismus so, dass eine Änderung der Lage i des Potentiometers immer Null werden kann. Trotz der Tatsache, dass die Faserdurchmesser-Regelung durch Ändern der Gasdurchflussmenge vorgenommen wird, schwankt die Gasdurchflussmenge F + ? F auch dann, wenn der Rohling gemäß einer der Fig. 3a bis 3c verwendet wird, oder wenn der Anfangs-Einstellpunkt für den Faserdurchmesser fehlerhaft war. Die schwankende Gasdurchflussmenge kann immer auf Werten gehalten werden, die nahe der zu Anfang eingestellten Gasdurchflussmenge F liegt.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7. Die an den Anschlüssen 31 und 31' (die mit dem Ausgang des Faserdurchmesser-Messge-räts 5 verbunden sind) anliegende Eingangsspannung Vin und die zuvor eingestellte,
an den Anschlüssen 32 und 32' anliegende Bezugsspannung Vref werden am Schaltungspunkt m addiert, und das sich ergebende Signal Ve dient als Eingangssignal eines Operationsverstärkers Q1. Vom Operationsverstärker Q1 (dessen Verstärkungsfaktor durch (R4 + R5)/R6) festgelegt wird) wird das Signal Ve verstärkt. In Abhängigkeit von der Polarität der Spannung Ve verstärkt ein Stromverstärker in Form einer Darlington-Schaltung, die aus den Transistoren T1 und T2 oder den Transistoren T3 und T4 besteht, die Spannung Ve, so dass die Spannung + Vo zum Steuern des Motors 15 am Schaltungspunkt n bereitgestellt wird. Die Spannung am Schaltungspunkt n wird über die Widerstände R4 und R5 an den Schaltungspunkt m rückgeführt, und der Motor 15 wird zur Regelung der Gasdurchflussmenge so gesteuert, dass die Spannungen Vin und Vref einander immer gleich werden. Die Widerstände R1 und R1' sind Eingangswiderstände, die Widerstände R2 und R3 dienen der Erzeugung der Bezugsspannung, ein Widerstand R7 verhindert ein Kurzschließen der Ausgangsanschlüsse, Dioden D1, D1' und D2, D2' schalten die Transistoren T1, T2 bzw. T3, T4 ab, und Widerstände R8 und R9 stellen konstante Ströme bereit. Weiterhin sind Vorwiderstände R10 und R11 vorgesehen und die Versorgungsspannungen der Regelschaltung werden mit + V1 und - V1 bezeichnet.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Eingangssignal Vref' in einem als Operationsverstärker Q2 vorliegenden Vergleicher und Verstärker verstärkt, und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Q2 und das Signal der Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vin' werden addiert und einem Operationsverstärker Q3 zugeleitet. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Q3 wird in einem Operationsverstärker Q4 verstärkt, der das Ausgangssignal Vds bereitstellt. Die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker Q2 und Q4 werden so eingestellt, dass das Signal Vds der Aufwickel-geschwindigkeit vfo der optischen Faser entspricht, wenn die Spannung Vref' und die NiederfrequenzKomponente
der Spannung Vin' einander gleich sind. Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers Q2 ist proportional (R15 + R16)/R13. Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers Q4 ist dagegen proportional (R22 + R24)/R22. Die Widerstände R19 und R20 weisen die gleichen Widerstandswerte auf. Die Widerstände R12, R17, R18 und R21 sind Anpassungswiderstände. Der Widerstand R14 dient der Einstellung der Bezugseingangsspannung des Operationsverstärkers Q2.
In den Fig. 8b und 8c zeigen die Ergebnisse für den Fall, dass ein in Fig. 8a dargestellter Rohling für die optische Faser mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezogen wird. Wie Fig. 8b zeigt, schwankt das Ausgangssignal Vo der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 in einem Bereich von + ? V um 0 (Null) Volt herum, d.h. die Größe F, auf die die Gasdurchflussmenge zu Anfang eingestellt worden war, schwankt kaum. Gleichzeitig sind die Schwankungen des Faserdurchmessers sehr gering, wie Fig. 8c zeigt. Diese Messergebnisse zeigen, dass eine sehr wirkungsvolle und gute Durchmesser-Regelung durchgeführt wurde. Weiterhin wurde festgestellt, dass die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte optische Faser auch hinsichtlich der mechanischen Festigkeit, der Übertragungsverluste, der durch Spannungen hervorgerufenen zusätzlichen Verluste usw. ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen. In Fig. 8a ist mit Punkten * der Außendurchmesser in der Richtung X - X' und mit x der Außendurchmesser in der Richtung Y - Y' aufgetragen.
Wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen zeigen, zeichnet sich der Regelmechanismus für den Faserdurchmesser der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten optischen Faser dadurch aus, dass die Durchflussmenge des zwischen das optische Fasermaterial (den Rohling) und die Heizquelle eingeleiteten Gases, die sich entsprechend den Faserdurchmesser-Schwankungen der optischen Faser ändert, so geregelt bzw. gesteuert wird, dass die Durchmesser-Schwankungen oder
-Abweichungen der optischen Faser verringert werden, während gleichzeitig die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser so geregelt wird, dass der anfänglich eingestellte Wert für die Gasdurchflussmenge keine Schwankungen aufwiest. Auf Grund der Vorrichtung zur Herstellung von optischen Fasern, die mit einem derartigen Faserdurchmesser-Regelmechanismus ausgestattet ist, wird es möglich, eine optische Faser herzustellen, die in Längsrichtung homogen ist, eine hohe Qualität (geringe Faserdurchmesser-Abweichungen und -Schwankungen, geringe durch Spannungen verursachte zusätzliche Verluste, eine hohe mechanische Festigkeit usw.) aufweist und ausgezeichnete Übertragungswerte besitzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von optischen Fasern, sowie der dafür vorgesehene Faserdurchmesser-Regelmechanismus ist nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung im Zusammenhang mit der in Fig. 2a dargestellten Vorrichtung verwendet. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch bei der in Fig. 2b dargestellten Vorrichtung usw. anwendbar.
Wenn die Ausziehgeschwindigkeit vf der optischen Faser größer als 500 m/Min. wird, wird das Aufheizen des Rohlings schwierig, und wenn die Ausziehgeschwindigkeit vf unter 10 m/Min. liegt, wird die Herstellungsgeschwindigkeit zu klein und ist für die praktische Anwendung nicht mehr geeignet. Daher ist es normalerweise erforderlich, die Ausziehgeschwindigkeit vf auf einen Wert einzustellen, der in einem Bereich von 10 m/Min. < vf < 500 m/Min. liegt.
Wenn beispielsweise als Gasdurchflussmengen-Einsteller und als Gasdurchflussmengen-Abfühler ein Durchflussmengen-Messgerät (mass-flowmeter) verwendet sind, so sind die zuvor erwähnten Zahnräder, Ventilsteller usw. nicht erforderlich. Fig. 9 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel. Der in Fig. 9 strichpunktliniert umrandete Teil ist das Durchflussmengen-Messgerät. Als Durchflussmengen-Messgerät können auf dem Markte erhältliche
Geräte verwendet werden, ohne dass daran Änderungen erforderlich sind. Die Gasdurchflussmengen-Regelung, bei der ein Durchflussmengen-Messgerät verwendet wird, soll nachfolgend erläutert werden.
Ein entlang des Pfeiles 13 eingeleiteter Gasstrom besitzt die von einem Fühler 22 abgefühlte Durchflussmenge, deren Größe einer Gasdurchflussmengen-Regel-schaltung 24 zugeleitet wird. Ein am Potentiometer 23 abgegriffenes Signal wird ebenfalls der Gasdurchflussmengen-Regelschaltung 24 zugeleitet. Beide Eingangssignale werden in der Gasdurchflussmengen-Regelschaltung 24 verglichen und verarbeitet, deren Ausgangssignal einem Durchflussmengen-Steuerelemente 21 zugeleitet wird. Die Durchflussmenge wird mit einem Signal des Steuerelementes derart auf einen gewünschten Wert eingestellt, dass Gas in der gewünschten Menge in ein Schutzrohr 3 einströmt. Darüberhinaus wird das Ausgangssignal der Gasdurchflussmengen-Regelschaltung 24 auf einer digitalen Anzeigeeinrichtung 25 angezeigt. Das Potentiometer 23 ist direkt mit der Antriebswelle eines Motors 15 verbunden, so dass die Größe oder der Wert einer Drehwinkel-Versetzung des Motors 15 der Gasdurchflussmengen-Regelschaltung 24 in Form einer Widerstandsänderung oder in Form einer Spannungsänderung vorliegt. Anstelle des Potentiometers 23 kann der Gasdurchflussmengen-Regelschaltung 24 auch ein Ausgangssignal zugeleitet werden, welches durch Verarbeiten (Addieren oder Subtrahieren) des Ausgangssignals Vo der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 erhalten wird. Bei dem Betriebs- und Verarbeitungsverfahren kann in diesem Falle die Spannung, die der ursprünglich eingestellten Durchflussmenge F entspricht, und die zuvor erwähnte Spannung Vo eingegeben und verarbeitet werden.
Als Beispiele für Schaltungen mit proportionaler Arbeitsweise wurden die Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 gemäß Fig. 6 und die Aufwickel-Drehzahl-Regel-schaltung 20 gemäß Fig. 7
beschrieben. Es können jedoch auch Schaltungen für die Proportional- und Integral-Betriebsweise, Schaltungen für die Proportional-, die Integral- und die Differentiations-Betriebsweise, oder Schaltungen für Proportional- und Differentiations-Betriebs-weise verwendet werden.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden Ziehverfahren für optische Fasern erläutert, bei denen ein stangen- oder stabförmiger Rohling verwendet wurde. Der Faserdurchmesser-Regelmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch bei Ziehverfahren für optische Fasern, die auf dem Schmelz- bzw. Schmelztiegel-Verfahren beruhen, und auch in dem Falle anwendbar, bei dem die optische Faser von einem röhrenförmigen Rohling gezogen wird.
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Claims (6)
1. Vorrichtung zum Herstellen von optischen Fasern, mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen eines Vorformlings einer optischen Faser, Einrichtungen, die die optische Faser vom Vorformling, dessen vorderes Ende durch das Erwärmen geschmolzen ist, ausziehen und die optische Faser auf eine Trommel aufwickeln, und Einrichtungen, die Gas entlang der Außenfläche des geschmolzenen Teils des Vorformlings strömen lassen, g e k e n n z e i c h n e t durch Einrichtungen, die sowohl die Gasdurchflussmenge als auch die Ausziehgeschwindigkeit der optischen Faser (9) entsprechend den Schwankungen des Durchmessers der optischen Faser (9) regeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtungen folgende Teile aufweisen: einen Faserdurchmesser-Detektor (4), der den Durchmesser der ausgezogenen optischen Faser (9) abfühlt, ein Faserdurchmesser-Messgerät
(5), das den vom Detektor (4) abgefühlten Durchmesser der optischen Faser misst, eine Faserdurchmesser-Regelschaltung (7), die ein Ausgangssignal (Vin) des Faserdurchmesser-Messgeräts (5) und eine Bezugsspannung (Vref) zum Einstellen eines Faserdurchmessers zugeleitet erhält, einen Vergleich und eine Verstärkung durchführt und ein Faserdurchmesser-Regelausgangssignal (Vo) erzeugt, eine Gasdurchflussmengen-Steuereinrichtung (12, 15, 16, 17), die vom Faserdurchmesser-Regelausgangssignal (Vo) gesteuert wird, eine Aufwickeldrehzahl-Regelschaltung (20), die ein dem Faserdurchmesser-Regelausgangssignal (Vo) entsprechendes Signal und eine Bezugsspannung (Vref') zum Festlegen einer Aufwickeldrehzahl zugeführt, erhält, einen Vergleich und eine Verstärkung durchführt, sowie ein Aufwickel-Drehzahl-Regelausgangssignal (Vds) erzeugt und eine Aufwickel-Drehzahl-Einstellstufe (8), die vom Aufwickeldrehzahl-Regelausgangssignal (Vds) gesteuert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasdurchflussmengen-Regelmechanismus der Gasdurchflussmengen-Steuereinrichtung (12, 15, 16, 17) einen vom Faserdurchmesser-Regelausgangssignal (Vo) gesteuerten Motor (15) und einen Ventilregler (12) aufweist, der mit dem Motor (15) über einen Kraftübertragungs-Mechanismus (16, 17) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasdurchflussmengen-Regelmechanismus der Gasdurchflussmengen-Steuerein-richtung (12, 15, 16, 17) ein Gasmengendurchfluss-Messgerät verwendet wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der das Aufwickeldrehzahl-Regelausgangssignal (Vds) erzeugende Mechanismus einen vom Faserdurchmesser-Regelausgangssignal (Vo) gesteuerten
Motor (15), ein durch Drehung des Motors (15) verschiebbares Potentiometer (18), sowie die Aufwickeldrehzahl-Regelschaltung (20) aufweist, die ein Signal, welches der Faserdurchmesser-Schwankungen entsprechendes und am Potentiometer (18) abgegriffenes Signal sowie eine Bezugsspannung (Vref') zum Festlegen einer Aufwickeldrehzahl zugeführt erhält und das Aufwickeldrehzahl-Regelausgangssignal (Vds) erzeugt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchflussmengen-Regelmechanismus der Gasdurchflussmengen-Steuerein-richtung (12, 15, 16, 17) einen Ventilregler (12), der mit dem Motor (15) über einen Kraftübertragungsmechanismus (16, 17) verbunden ist, aufweist.
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