DE2731502C2 - Vorrichtung zum Ziehen einer optischen Faser aus einem Vorformling - Google Patents
Vorrichtung zum Ziehen einer optischen Faser aus einem VorformlingInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (7, 8, 12, 20) sowohl einen die
Ziehgeschwindigkeit der optischen Faser steuernden Teil (7,8,20) als auch einen die Durchflußmenge
eines an der Außenfläche des geschmolzenen Teils des Vorformlings entlangströmenden Gases (13)
steuernden Teil (7,12) aufweist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung eine das Ausgangssignal der Faserdurchmesser-Meßeinrichtung
(4,5) mit einem Faserdurchmesser-Sollwertsignal vergleichende erste Regelstufe (7), eine mit
deren Ausgangssignal beaufschlagte Gasdurchflußmengen-Steuerstufe (12,16,17), eine das Ausgangssignal
der ersten Re^elstufe <7) mit einem Ziehgeschwindigkeits-Soilwer'-signal
vergleichende zweite Regelstufe (20), sowie einen mi' Jem Ausgangssignal der zweiten Regelstufe (20) angesteuerten Motor (8)
zum Antrieb der Trommel (6) enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasdurchflußmengen-Steuerstufe einen Ventilregler (12) aufweist, der vom Ausgangssignal
der ersten Regelstufe (7) über einen Motor (15) und ein Getriebe (16,17) antreibbar ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelstufe (20) mit
dem Ausgangssignal eines Potentiometers (18) beaufschlagbar ist, dessen Abgriff durch einen mit
dem Ausgangssignal der ersten Regelstufe (7) angetriebenen Motor (15) verstellbar ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen einer optischen Faser aus einem Vorformling gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der deutschen Offenlegungschrift
31 555 bekannt.
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 hauptsiichlich
zum Ziehen von optischen Fasern mit sehr kleinen, ultrakleinen Übertragungsverlusten verwendet.
In F i g, 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 DJ wird mit einer konstanten
. Geschwindigkeit vp in ein Schutzrohr 3 eine; 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 3 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 Faserdurchmesser-Meßgerät 5
angezeigt Bei Vorliegen einer Durchmesser-Abweichung oder -Schwankung wird die Faserdurchmesserregelung
derart vorgenommen, daß ein analoges Ausgangssignal des Feaerdurchmesser-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 v/} 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 iagen.
Untersuchungen des oben erläuterten herkömmlichen Verfahrens ergaben, daß sich die Gründe, die zu
Faserdurchmesser-Schwankungen führen, grob in zwei Klassen einteilen lassen:
(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 /!^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%. Darüber hinaus lag die Zeitkonstante der Faserdurchmesser-Schwankungen in
der Größenordnung von Sekunden und es wurde festgestellt, daß Faserdurchmesser-Schwankungen 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
1 42 055/1975). 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 Patentanmeldung 1 51 825/
1975 und 29 960/1976).
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 Ventiiregier
12 (12') und bläst Gas in die Schutzröhre, so daß ein Luftstrom A von außen in das Schutzrohr slrömt 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
F i g. 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 Güsdurchflußmenge
regelnden Ventilregler 12(12') steuert.
Weiterhin sind in den F i g. 2a und 2b ein Gasdurchfluß-Meßgerät 11 (11') vorgesehen und Gasströme 13',
13", 14' und 14" mit Pfeilen angedeutet.
In den Figuren gemäß F i g. 2a und 2b sind dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile von F i g. 1
verwendet worden, und diese den Teilen von F i g. 1 entsprechenden Teile werden auch nicht nochmals
erläutert.
Bei der in F i g. 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 des Vorformliivgs 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, F i g. 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. F i g. 3c)
oder wenn der gewünschte Faserdurchmesserwert, der als Ausgangsgröße bei der Faserdurchmesser-Regelschaliung
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, ?'. die optische Faser
Inhomogenitäten in Längsrichtung e-hält und eine
Faserdurchmesserregelung in extremen Fällen unmöglich wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ziehen von optischen Fasern anzugeben,
die sowohl kurzzeitige als auch langzeitige Durchmesserschwankungen zu korrigieren vermag.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben.
Danach läßt sich folgende Steuerung des Faserdurchmessers bewerkstelligen:
Wenn der Durchmesser der optischen Faser von einen vorgegebenen Durchmesser abweicht wird ein
Fehlersignal bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung von der Faserdurchmesser-Regelschaltung abgegeben
und der Gasdurchflußmengen-Steuereinrichtung zugeführt, so daß sich die Gasdurchflußmenge um <4F(diese
Größe ist eine Funktion der Zeit und die Änderuiigsgröße
des Faserdurchmessers) gegenüber der anfänglich eingestellten Durchflußmenge Fänden und gleichzeitig
wLd das Fehlersignal zu einer Aufwickel-Drehzahlbzw. Geschwindigkeit-Regelschaltung geführt, deren
Ausgangssignal die Aufwickelgeschwindigkeit der optisehen 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 Vor-ichtungen wird zunächst eine bestimmte Gasdurchflußmenge
Feingestellt, die einen nach oben steigenden oder strömenden Luftstrom, der auf naturüche 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 Aufwickelgoschwindigkei·
korrigiert, wie dies bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung der Fall ist.
Infolgedessen kann eine Regelung zum Verhindern von Durchmesser-Schwankungen der optischen Faser
durchgeführt werden, indem die Gasdurchflußmenge
um ±ΔΓ (AF 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.
F i g. 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 v^und bei einem Vorformling bzw. einem Rohling mit konstantem Außendurchmesser
D wurde die Gasdurchflußmenge um AF schrittweise
um die zuerst eingestellte Gasdurchflußmenge /-"herum
verändert. Dann änderte sich der Faserdurchmesser bei sehr schnellem Regelansprechverhalten um Ad und
kehrte dann wieder auf den ursprünglichen Wert zurück. Der größte Wert de/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 AF und Ad
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 AFund Ad
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 F i g. 4 dargestellten Messung hatte die Vorschubgeschwindigkeit
Vp des Rohlings den Wert 7,1 mm/Min.,
die Aufwickelgeschwindigkeit vr betrug 38 m/Min., der Außendurchmesser D des Rohlings bzw. des Vorformlings
betrug 8 mm und der Durchmesser d der Faser betrug (als Mittelwert) ΙΙΟμπι.
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-Regelschaltung 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. dem 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,
F i g. 3a, 3b und 3c Beispiele für Formen eines Vorformlings bzw. eines Rohlings mit Außendurchmesser-Schwankungen,
und -Unterschieden,
F i g. 4 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit zwischen den Änderungswert der Gasdurchflußmenge
und den Schwankungen oder Abweichungen des Durchmessers einer optischen Faser zeigt,
F i g. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser,
F i g. 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer optischen Faser,
Fig.6 eine Schaltungsanordnung für eine Ausführungsform
einer Faserdurchmesser-Regelschaltung, die bei der erfindungsgemäuen Vurriciiiiiiig zur ! !erste!·
lung einer optischen Faser verwendet wird,
F i g. 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.8a das Diagramm eines Beispiels für Außendurchmesser-Schwankungen eines Vorformlings,
F i g. 8b ein Diagramm, welches Schwankungen des Ausgäiigssignals der Faserdurchmesser-Regelschaltung
für den Fall zeigt, bei dem der Vorformling mit der in F i g. 8a dargestellten Form von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Herstellung von optischen Fasern gezogen wird,
F i g. 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
F i g. 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
drcf durch Vorgeben einer Rohling-Vorschubgeschwindigkeit
Vp, einer Aufwickelgeschwindigkeit Vrund einem
Rohling-Außendurchmesser D (diese Größen werden bei diesem Verfahrenszeitpunkt mit Vp0, v/0 bzw. D0
bezeichnet) festgelegt und der gewünschte Dui-hmesser-Einstellwert
dni wird in eine Spannung oder eine
Bezugsspannung ^umgewandelt Ein Faserdurchmesser dm der von einem Detektor 4 und einem
Faserdurchmesser-Meßgerät 5 festgestellt wird, wird in entsprechender Weise in eine mit V1n bezeichnete
Spannung umgesetzt Die Spannungen Vn* und V/„
werden einer Faserdurchmesser-Regelschaltung 7, in der sie verglichen werden und die ermittelte Differenz
verstärkt wird. Wenn eine Fehlersignalspannung auftritt (d. h. wenn V1n φ Vn^ ist), wird am Ausgang der
Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 eine Spannung Vb erzeugt Wenn V„r
> Vm ist ist die Spannung V0 positiv,
und wenn Vrcf < V/h ist so ist die Spannung Vo negativ.
Die Spannung Vn 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
V0 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
iviotors i5 verbunden isi. Wenn die Spannung VO am
Motor 15 anliegt, wird die Potentiometereinstellung innerhalb eines Bereiches zwischen dem Punkt a und
dem Punkt cum den Punkt b herum in Abhängigkeit der
angelegten Spannung V0 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 Vn/ bezeichnet. Die an einem Punkt /
anliegende Spannung Vin (im Falle, daß die Durchflußmei.ge
des in das Schutzrohr 3 einströmende Gas den Wert Faufweist, also V1n' gleich Vn/, wie zuvor erwähnt,
ist), wird an ein Tiefpaßfilter 19 geführt. Die tiefen Frequenzkomponenten der Spannung Vin', die durch das
Tiefpaßfilter 19 hindurchgehen, werden einer Aufwikkel-Drehzahl-Regelschaltung
20 zugeleitet. Der Aufwikkel-Drehzahl-Regelschaltung
20 wird auch die Spannung Vn/ angelegt. Die Regelschaltung 20 vergleicht
die niedere Frequenzkomponente der Spannung Vjn mit
der Spannung Vn/ und verstärkt die sich dabei ergebende Differenz. Das Ausgangssignal V* dieser
Regelschaltung 20 wird zum Steuern einer Motoreinstellstufe 8 verwendet, um die Aufwickel-Drehzahl v/zu
regeln (der verwendete Gleichstrommotor zum Drehen einer Spule oder Trommel 6 ist in der Figur nicht
dargestellt).
Nachfolgend soll der Regelvorgang beschrieben werden. Wenn die Niederfrequenz-Komponente der
Spannung Vm' und der Spannung Vn/ gleich sind, wird
die Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung so eingestellt, daß die Ausgangsspannung eine Spannung Vax wird, um
die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser auf den Wert VfO einzustellen (das ist die Aufwickelgeschwindigkeit,
bei der der gewünschte Durchmesser-Einstellwert drei vorliegt). Wenn in diesem Falle eine
positive Spannung am Motor 15 auftritt (d.h. wenn Vrtf
> V/h ist), wird die Niederfrequenz-Komponente
der Spannung Vm größer als die Spannung Vn/. Wenn
dagegen eine negative Spannung am Motor 15 anliegt (d-h, wenn Vnf<
Vm ist), wird die Niederfrequenz-Komponente
der Spannung Vn,' kleiner als die Spannung Vn/.
Wenn die Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vn,' größer als die Spannung Vn/ wird, wirkt die
Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung so, daß ihre Ausgangsspannung kleiner als der Wert Vdso wird, wodurch
die Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20 die Aufwikkelgeschwindigkeit Vrder optischen Faser verringert, bis
die Niederfrequenz-Komponente der Spannung V,„' gleich der Spannung Vn/ wird. Wenn die Niederfrequenz-Komponente
der Spannung Vm' dagegen kleiner
als die Spannung Vn/ wird, ergibt sich für die Ausgangsspannung der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung
ein Wert, der größer als der Wert Vjso ist, so
daß die Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20 die Aufwickelgeschwindigkeit der optischen Faser erhöht,
bis die Niederfrequenzkomponente der Spannung Vm'
gleich der Spannung Vn/ wird. Auf Grund des zuvor
beschriebenen Regelvorgangs arbeitet der Regelmechanismus so, daß eine Änderung der Lage / des
Potentiometers immer Null werden kann. Trotz der Tatsache, daß die Faserdurchmesser-Regelung durch
Ändern der Gasdurchflußmenge vorgenommen wird, schwankt die Gasdurchflußmenge F± AF auch dann,
wenn der Rohling gemäß einer der Fig.3a bis 3c verwendet wird, oder wenn der Anfangs-Einstellpunkt
für ucn räSei'üüi'CiiiiicsScr ι6ιιι6Γιιαιί w'äf. L/ic 5CnWaH-kende
Gasdurchflußmenge kann immer auf Werten gehalten werden, die nahe der zu Anfang eingestellten
Gasdurchflußmenge Fliegt.
F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Faserdurchmesser-Regelschaltung
7. Die an den Anschlüssen 31 und 31' (die mit dem Ausgang des Faserdurchmesser-Meßgeräts
5 verbunden sind) anliegende Eingangsspannung Vin und die zuvor eingestellte, an den Anschlüssen
32 und 32' anliegende Bezugsspannung Vn/ werden am
Schaltungspunkt m addiert, und das sich ergebende Signal Vc dient als Eingangssignal eines Operationsverstärkers
Q\. Vom Operationsverstärker Q\ (dessen Verstärkungsfaktor durch (Ra + Rs)ZRf1 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 Ti und T2 oder den Transistoren T3 und 7}
besteht, die Spannung Vft so daß die Spannung ± VO zum
Steuern des Motors 15 am Schaltungspunkt η bereitgestellt wird. Die Spannung am Schaltungspunkt η
wird über die Widerstände Ra und Rs an den
Schaltungspunkt m rückgeführt, und der Motor 15 wird zur Regelung der Gasdurchflußmenge so gesteuert, daß
die Spannungen Vm und Vn( einander immer gleich
werden. Die Widerstände R\ und R\ sind Eingangswiderstände,
die Widerstände R2 und A3 dienen der
Erzeugung der Bezugsspannung, ein Widerstand Ri
verhindert ein Kurzschließen der Ausgangsanschlüsse, Dioden Du D1' und D2, D2 schalten die Transistoren Ti,
T2 bzw. T3, Tt ab, und Widerstände R% und Rg stellen
konstante Ströme bereit. Weiterhin sind Vorwiderstände Λιο und Rw vorgesehen und die Versorgungsspannungen
der Regelschaltung werden mit + Vi und — Vi bezeichnet
Fig.7 zeigt eine Ausführungsform der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Eingangssignal Vn/ in einem als Operationsverstärker Q2 vorliegenden Vergleicher und Verstärker verstärkt, und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Q2 und das Signal der Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vm' werden addiert und einem Operationsverstärker Q3 zugeleitet Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Q3 wird in einem Operationsverstärker Qa verstärkt der das Ausgangssignal V^ bereitstellt Die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker Q2 und Qa werden so eingestellt daß das Signal V& der Aufwickelgeschwindigkeit Vfo der optischen Faser entspricht wenn die Spannung Vn/ und die Niederfrequenz-Komponente
Fig.7 zeigt eine Ausführungsform der Aufwickel-Drehzahl-Regelschaltung 20. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Eingangssignal Vn/ in einem als Operationsverstärker Q2 vorliegenden Vergleicher und Verstärker verstärkt, und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Q2 und das Signal der Niederfrequenz-Komponente der Spannung Vm' werden addiert und einem Operationsverstärker Q3 zugeleitet Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers Q3 wird in einem Operationsverstärker Qa verstärkt der das Ausgangssignal V^ bereitstellt Die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker Q2 und Qa werden so eingestellt daß das Signal V& der Aufwickelgeschwindigkeit Vfo der optischen Faser entspricht wenn die Spannung Vn/ und die Niederfrequenz-Komponente
der Spannung Vin' einander gleich sind. Der Verstärkungsgrad
des Operationsverstärkers Qi ist proportional (R\i+R\ti)/R\3. Der Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers
(?4 ist dagegen proportional (7?23 + Rn)IRn- Die Widerstände Rm und Rk weisen die
gleichen Widerstandsweite auf. Die Widerstände Rn, R\i, Rm und Λ21 sind Anpassungswiderstände. Der
Widerstand jTm dient der Einstellung der Bezugseingangsspannung
des Operationsverstärkers Qi.
In den F i g. 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 V0 der Faserdurchmesser-Regelschaltung 7 in einem Bereich von ±4VumO (Null) Volt
herum, d. h. die Größe F, auf die die Gasdurchflußmenge zu Anfang eingestellt worden war, schwankt kaum.
Gleichzeitig sind die Schwankungen des Faserdurchmsssers
sehr gering, wi? F i g. 8c *?'g·· niese Meßergebnisse
zeigen, daß eine sehr wirkungsvolle und gute Durchmesser-Regelung durchgeführt wurde. Weiterhin
wurde festgestellt, daß die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten 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 Richtung X-X' und mit χ der Außendurchmesser in Richtung 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 ».nfänglich eingestellte Wert für
die Gasdurchflußmenge keine Schwankungen aufweist 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 F i g. 2b dargestellten Vorrichtung usw. anwendbar.
Wenn die Ausziehgeschwindigkeit vi 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 ärforderlich, die Ausziehgeschwindigkeit
Vf auf einen Wert einzustellen, der in einem Bereich
von 10 m/Min. < v/< 500 m/Min, liegt.
Wenn beispielsweise als Gasdurchflußmengen-Einsteller und als Gasdurchflußmengen-Abfühler ein
Durchflußmengen-Meßgerät verwendet wird, so sind die zuvor erwähnten Zahnräder, Ventilsteller usw. nicht
erforderlich. F i g. 9 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel.
Der in F i g. 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 abgeführte Durchflui?-
menee. deren Größe einer Gasdurchflußmengen-Regelschaltung
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 Ausgangssig-
nal einem Durchflußmengen-Steuerelement 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 Darüber hinaus wird das
Ausgangssignal des Gasdurchflußmengen-Regelschaltung 24 verglichen und verarbeitet, deren Ausgangssignal
einem Durchflußmengen-Steuerelement 21 zugeleitet wird. Die Durchflußmenge wird mit einem Signal
des Steuerelementes derart auf einen gewünschten Wert 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 V0 der Faserdurchmesser-Regelschaltung
7 erhalten wird. Bei dem Betriebs- Uiid 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 Fi g. 6 und die Aufwickel-Drehzahl-
Regelschaltung 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-Betriebsweise
verwendet werden.
Bei den iuvor beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung wurden Ziehverfahren für optische Fasern erläutert, bei denen ein stangen- oder stabförmiger
Rohling verwendet wurde. Der Faserdurchmesser-Re-
gelmechanismus 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.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche::l. Vorrichtung zum Ziehen einer optischen Faser aus einem Vorformling, umfassend(a) eine Heizeinrichtung (2) zum Erwärmen des Vorformlings,(I)) eine Aufwickelvorrichtung, die die vom erwärmten vorderen Ende des Vorformlings abgezogene optische Faser auf eine Trommel (6) aufwickelt,(c) eine Meßeinrichtung (4, 5) zur Messung des Durchmessers der optischen Faser, und(d) eine Steuereinrichtung (7, 8, 12, 20), die den Ziehvorgang in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Meßeinrichtung und einem Vergleichswert steuert,
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