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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung einer Zugspannung
in einer optischen Faser gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine
optische Faser ist eine dünne
Glasfaser, deren Durchmesser ungefähr 150 Mikrometer beträgt. Eine
optische Faser wird zum Ersetzen einer Kupferleitung bei Telekommunikation
verwendet, da die Datenkommunikationskapazität einer optischen Faser viel
höher als
diejenige einer Kupferleitung ist. Des weiteren gibt es keinen Kurzschluss
des Rohmaterials der optischen Faser, was der Fall bei Kupfer ist.
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Eine
optische Faser wird in einem sogenannten Zugturm vorbereitet, der
ein großer
Turm mit einer Höhe
von ungefähr
8 bis 9 m ist, an dessen oberen Ende geschmolzenes Glas nach unten
in eine dünne
Faser gezogen wird. Wenn die heiße Faser nach unten läuft, kühlt sie
sich ab, worauf die Faser an dem unteren Ende des Turms mit einem
dünnen Polymer
in einem bestimmten Beschichtungsbehälter beschichtet werden kann.
Nach dem Beschichten wird die Faser nach einem Zugspannungsmessgerät auf eine
bestimmte Walze überführt, an
der sie in eine Rolle gewickelt wird. Es ist bekannt, dass eine blanke
Faser nicht gebogen werden kann, da sie entzwei bricht. Nach der
Polymerbeschichtung erträgt die
Faser das Biegen sehr gut. Die Zugrate der Faser liegt bei 4 bis
10 m/s vor und unter anderem werden die Zugrate der Faser und teilweise
die Dicke der Faser mittels eines Zugspannungsmessgeräts reguliert. Gegenwärtig findet
jedoch eine Messung der Zugspannung bis nach der Beschichtung nicht
statt, da eine blanke Faser nicht berührt werden kann. Eine Zugspannung,
die nach der Beschichtung stattfindet, ist jedoch zu spät und verschafft
ein verfälschtes
Ergebnis mit Bezug auf die Zugspannung in einer blanken Faser. Jedoch
ist es wünschenswert,
die Faserzugrate zu erhöhen,
aber im Hinblick auf die Prozesssteuerung sollte die Zugspannung
der blanken Faser ohne Berühren
der Faser gemessen werden. Das Faserzugspannungsmessgerät, das gegenwärtig verwendet
wird, ist eine federbelastete Walze, über die die beschichtete Faser
sich vorschiebt. Die Höhe
der Last zeigt die Faserspannung an. Es gibt manche Messgeräte, durch
die die Zugspannung an einer blanken Faser durch Messen der Doppelbrechung von
Licht durch Richten von Licht an die Faser und durch Messen der
Größe der Doppelbrechung
gemessen werden kann. Ein derartiges Messgerät ist jedoch höchst kompliziert
und kostspielig, und das Phänomen
selbst ist schwach. Daher weist dieses keinen Zuspruch auf.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein neuartiges optoakustisches
Messgerät,
das die Spannung einer Faser mittels Drahtwellen misst, wenn die
Masse der Faser pro Längeneinheit
bekannt ist. Mittels des Messgerät
ist es möglich,
die Zugspannung in der Faser ohne Berühren der Faser und so zu messen,
dass die Fortschrittsgeschwindigkeit der Faser ebenso kompensiert
wird. Das Prinzip ist derart, dass eine fortschreitende Schwingung
in der Faser erzeugt wird und die Fortschrittsgeschwindigkeit v
der Schwingung gemessen wird. Wenn die Masse der Faser pro Längeneinheit
bekannt ist (was im Regelfall immer der Fall ist), kann die Zugspannung
T in der Faser aus der einfachen Formel T = v2 × M berechnet werden,
wobei M die Masse der Faser pro Längeneinheit ist.
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Somit
muss bei dem Messgerät
zunächst
ein geeigneter fortschreitender Stoß in der blanken Faser erzeugt
werden und wird die Fortschrittsgeschwindigkeit des Stoßes auf
eine bestimmte Weise ohne Berühren
der Faser gemessen. Für
einen solchen Fall kann die Zugspannung aus der vorstehend erwähnten Formel
berechnet werden.
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Hinsichtlich
des Stands der Technik kann das vorstehend genannte optoelektrische
Messgerät
erwähnt
werden, das die Zugspannung in der Faser auf der Grundlage der Doppelbrechung
von Licht misst. Das Glasfasermaterial ist of Quarz, bei der eine
Doppelbrechung von Licht auftritt, die proportional zu der Spannung
ist. Es ist ein Problem bei einem solchen Messgerät, dass
das Licht genau an die sich bewegende Glasfaser mit einer Dicke
von 150 Mikrometer fokussiert werden muss, worauf die Doppelbrechung gemessen
werden muss.
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In
den Veröffentlichungen
des FI-Patents 79 410 und des US-Patents 4 833 928 wurde eine Lösung beschrieben,
die Spannung in einem sich bewegenden dünnen Film oder einer Membran
auf eine Weise gemessen wird, die derjenigen der vorliegenden Erfindung
etwas ähnlich
ist. Ein Lautsprecher wird in die Nähe der Membran gebracht, wobei
durch diesen Lautsprecher ein mechanischer Stoß auf die Membran aufgebracht
wird, wobei der Stoß in
die Richtung der Spannung in der Membran fortschreitet. Die Fortschrittsgeschwindigkeit
des Stoßes
wird durch optisches Messend er Schwingung der Membran an zwei unterschiedlichen
Punkten an der Membran gemessen. Wenn die Wellengeschwindigkeit und
das Basisgewicht der Membran bekannt sind, kann die Spannung berechnet
werden. Jedoch kann ein derartiges Messgerät nicht zum Messen der Zugspannung
in einer dünnen
transparenten Glasfaser verwendet werden.
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Die
Veröffentlichungen
US-5 359 904 und FI 89 537 beschreiben ausdrücklich eine Vorrichtung für eine Messung
der Zugspannung in einer optischen Faser durch Verwenden einer sogenannten
Drahtwelle, die in der Faser fortschreitet, und die Messung der
Geschwindigkeit der Welle. Jedoch werden in den Veröffentlichungen
zwei getrennte optische Messstationen eingesetzt, durch die die
Geschwindigkeit der Drahtwelle gemessen wird. Ebenso werden in dem
Patent Reflexionen der Drahtwelle von dem Beschichtungsbehälter auch
nicht verwendet. Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich jedoch von
diesem vorstehend genannten Patent in einer Anzahl von wesentlichen
unterschiedlichen Wegen, wie nachstehend ersichtlich ist. Bei der
vorliegenden Erfindung wird nur eine optische Messstation zur Messung
der Zugspannung eingesetzt und wird ausdrücklich die Reflexion, die von
dem Ende der Faser ankommt, verwendet. Des weiteren wird die Kompensation
der Geschwindigkeit automatisch durch diese neuartige Anordnung
erzielt. Die Kompensation der Geschwindigkeit wird noch wichtiger,
wenn die Faserzuggeschwindigkeit höher wird, und während des "Anfahrens" des Zugs. Somit
würde die
Messvorrichtung mit einem beträchtlichen
Ausmaß vereinfacht.
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Die
vorliegende Erfindung ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch
1 gekennzeichnet.
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Wenn
eine Faser in einem Zugturm nach unten gezogen wird, ist die Faser
innerhalb eines Abstands von einigen Metern blank, bis die Faser
sich in den Beschichtungsbehälter
vorschiebt. In diesem Bereich ist es zuerst möglich, einen eingeschlossenen
Laufsprecher einzubauen, so dass es einen engen Spalt vor der Wand
des Einschlusses gibt, wobei durch diesen Spalt der Schallwellenstoß ausgestoßen werden
kann. Der Spalt ist parallel zu der Faser, so dass aufgrund der
komprimierten Luft, die ausgestoßen wird, die Faser in eine
Schwingungsbewegung auf eine Weise eintritt, die einer Gitarrensaite sehr ähnlich wird,
wenn sie gezupft wird. In der Praxis wurde bemerkt, dass eine Stoßschwingungsfrequenz von
ungefähr
300 Hz für
Zwecke der Messung der Zugspannung geeignet ist. Darauf wird die
Fortschrittsgeschwindigkeit der Faserschwingung optisch durch nur
einen optischen Detektor gemessen, und nicht durch zwei Detektoren,
wie es der Fall nach dem Stand der Technik war.
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Die
Erfindung wird genau unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt
ist, wobei die Erfindung jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel
allein zu beschränken
ist.
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1 ist eine schematische
Darstellung einer Messanordnung und stellt das Fortschreiten der Schwingung,
die durch einen Lautsprecher in der Faser erzeugt wird, ebenso wie
die Schwingung der Faser vor einem optischen Detektor dar.
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2 stellt die Reflexion der
Drahtwelle in die Richtung der Ankunft von dem Beschichtungsbehälter dar.
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In
dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Messvorrichtung im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Es wird verursacht, dass eine optische Faser 11 in eine
lineare polarisierte Schwingungsbewegung durch einen akustischen
Druckstoß eintritt,
der durch einen eingeschlossenen Lautsprecher 12 erzeugt
wird, vor dem ein enger spalt 13 parallel zu der Faser 11 vorhanden
ist. Ein elektronisches Stoßsignal,
das durch einen Computer 14 bei einer Frequenz von ungefähr 300 Hz
gesteuert wird, wird durch den Lautsprecher geleitet, wobei das
Stoßsignal
in den akustischen Drahtwellenstoß abgewandelt wird. Die Biegung 150, die
in der Faser erzeugt wird, beginnt entlang der Faser 11 in
beide Richtungen fortzuschreiten. Diese Biegung, insbesondere die
Drahtwelle 15 schreitet umso schneller voran, je höher die
Spannung in der Faser 11 ist. Die Geschwindigkeit der Drahtwelle 15 wird
durch eine optische Anzeigeeinrichtung gemessen, die den Ort des
Schattens der ausgeleuchteten Faser 11 an dieser Anzeigeeinrichtung
misst. Die Ausleuchtung der optischen Faser 11 findet durch eine
Ausleuchtungsvorrichtung statt, die beispielsweise eine LED-Lampe
sein kann. Die Ausleuchtung der Faser 11 erzeugt einen
Schatten an der Anzeigeeinrichtung 16 und der Ort des Schattens
kann dann in Echtzeit durch einen Steuerungscomputer 14 gemessen
werden, der mit der Anzeigeeinrichtung 16 verbunden ist.
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Wenn
die Faser 11 schwingt, schwingt sicherlich ihr Schatten
ebenso. Wenn die Schwingung entlang der Faser 11 fortschreitet,
umläuft
sie zunächst
die optische Anzeigeeinrichtung 16, die unterhalb des Lautsprechers 12 angeordnet
ist, und schreitet dann nach unten zu dem Beschichtungsbehälter 18 voran,
wobei zu diesem Zeitpunkt eine Reflexion von der Fläche des
Behälters 18 stattfindet,
so dass die Drahtwelle 15 zurück mit Bezug auf ihre Ankunftsrichtung
reflektiert wird und die Welle erneut die optische Anzeigeeinrichtung 16 erreicht.
Somit wird die Geschwindigkeit der Drahtwelle durch Messen der Differenz
der Zeit zwischen der ausgehenden Schwingung und der ankommenden
Schwingung erhalten. Sicherlich erfordert dies, dass der Abstand
x zwischen dem Beschichtungsbehälter 18 und
der optischen Faser 16 bekannt ist. In der Praxis liegt
bei dem Faserzugturm der Abstand x in einem Bereich von 3 bis 4
m. In diesem Zusammenhang ist es anzumerken, dass der Drahtwellenstoß ebenso
nach oben in Richtung auf das fortschreitet, was eine Vorform in
dem geschmolzenen Zustand genannt wird, insbesondere der Glasrohling.
Aus der geschmolzenen Vorform wird jedoch keine Reflexion erhalten,
da das geschmolzene Glas die Schwingung effizient abschwächt. Es
ist wichtig anzumerken, dass der Lautsprecher 12 veranlasst,
dass die Faser 11 in einer sogenannten linearen polarisierten
Schwingung schwingt, was bedeutet, dass die Faser 11 in
ihrer eigenen Ebene senkrecht zu der Richtung der Messung der optischen
Anzeigeeinrichtung 16 und nicht beispielsweise in einer
kreisförmigen
polarisierten Ebene schwingt. Für
einen solchen Fall wird beispielsweise die optische Messung des
Durchmessers der Faser 11 nicht gestört.
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Wenn
die Drahtwelle 15 entlang der Faser 11 fortschreitet,
trifft sicherlich die Drahtwelle das obere Ende und das untere Ende
der Faser 11 aber die Reflexion kommt, wie vorstehend erwähnt angegeben ist,
nicht von dem oberen Ende, aber eine ausreichend starke Reflexion
wird von dem Polymerbeschichtungsbehälter 18 erhalten,
um den Betrieb des Prinzips der Messung zu gestatten. 2 stellt die Ausbildung
der Reflexion und die Situation dar, dass bei der Faser 11 somit
zwei Drahtwellenstöße vorhanden
sind, die in entgegengesetzte Richtungen fortschreiten. Es ist ebenso
anzumerken, dass eine stehende Welle nicht in der Faser erzeugt
wird, aber ausdrücklich
eine fortschreitende Wellenbewegung, deren Fortschrittsgeschwindigkeit
relativ einfach aus der Differenz der Zeit zwischen den Schwingungen durch
die optische Anzeigeeinrichtung gemessen werden kann, die unterhalb
des Lautsprechers angeordnet ist, wobei der Abstand x der Anzeigeeinrichtung
von dem Beschichtungsbehälter
bekannt ist.
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2 stellt eine Situation
dar, bei der der ausgehende Drahtwellenstoß 15 und der Drahtwellenstoß 19,
der von dem Beschichtungsbehälter 18 reflektiert
wird, die Anzeigeeinrichtung 16 umlaufen, bei der die Faserschwingung
vor der Anzeigeeinrichtung 16 mittels einer LED-Lampe 17 ausgeleuchtet wird,
wobei in diesem Zusammenhang die Bewegung des Schattens der Faser 11,
der auf die Anzeigeeinrichtung 16 geworfen wird, elektronisch überwacht
werden kann. Das elektronische Signal, das durch die optische Anzeigeeinrichtung 16 erzeugt wird,
wird zu dem Computer 14 geleitet, bei dem es analysiert
werden kann, so dass die Geschwindigkeit der Wellenbewegung und
die Zugspannung in der Faser 11 in der vorstehend angegebenen
Formel durch herkömmliche
Berechnungsalgorithmen des Computers 14 berechnet werden
können.
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Die
Zuggeschwindigkeit der optischen Faser 11 beträgt ungefähr 4 ...
10 m/s. Andererseits ist es bekannt, dass die Geschwindigkeit der
Drahtwelle 15 in der Zugsituation ungefähr 100 m/s mit den herkömmlich verwendeten
Zugspannungen beträgt. Dann
bedeutet das einen Fehler von ungefähr 5 ... 10% der Messgenauigkeit
aufgrund der inhärenten Bewegung
der Faser 11. Dieser Fehler kann entscheidend sein und
erfordert eine Kompensation. Die inhärente Geschwindigkeit der Faser 11 kann beispielsweise
durch den Computer durch eine Berechnung kompensiert werden, wenn
die Zuggeschwindigkeit der Faser 11 bekannt ist. Es ist
schwierig, dass dann, wenn der Zug beginnt, wobei bei dieser Situation
es höchst
wichtig sein kann, die Zugspannung zu wissen, die Faser 11 sich
in einer beschleunigenden Bewegung befindet, welche ein sogenanntes "Anfahren" genannt wird. Durch
den Computer 14 ist es unannehmlich, kontinuierliche Kompensationen
für die
Geschwindigkeit durchzuführen.
Nun ist es ein zweites wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung,
dass die Kompensation der Geschwindigkeit automatisch stattfindet,
da die in der Faser 11 erzeugte Welle sowohl "stromaufwärts" als auch "stromabwärts" relativ zu der Bewegung
der Faser 11 mit Sicht von dem Lautsprecher 12 fortschreitet.
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Wenn
die Drahtwelle 15 beginnt, fortzuschreiten, schreitet eine
Welle stromabwärts
gemeinsam mit der Geschwindigkeit der Faser 11 voran und die
andere, die reflektierte, bewegt sich erneut stromaufwärts in die
Richtung entgegen der Bewegung der Faser 11. Diese inhärente Bewegung
der Faser 11 erzeugt einen Geschwindigkeitsfehler in jeder
dieser Wellen, wobei die Fehler entgegengesetzte Vorzeichen haben.
Wenn die Geschwindigkeit der Welle zuerst stromabwärts (nach
unten) und darauf durch die Reflexion stromaufwärts (nach oben) gemessen wird,
kann die inhärente
Geschwindigkeit der Faser 11 automatisch beseitigt werden,
da die inhärente Bewegung
der Faser 11 in eine Welle summiert wird und von der anderen
abgezogen wird. Insbesondere für
die Geschwindigkeit der Drahtwelle 15 wird ein Wert erhalten,
bei dem die inhärente
Geschwindigkeit der Faser 11 nicht vorhanden ist. Daher
ist nur ein optischer Messungsdetektor erforderlich.
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Für die Berechnung
der Spannung muss die Dichte der Faser 11 pro Längeneinheit
bekannt sein. Sie kann durch Messen des Durchmessers der Faser 11 optisch
berechnet werden. Alle Zugtürme
für die Faser 11 weisen
ein optisches Faserdurchmessermessgerät auf, das oft ebenso eine
CCD-Kamera verwendet.
Da die Schwingung der Faser 11 linear polarisiert ist,
kann die Polarisation der Schwingung so angeordnet werden, dass
sie nicht die Messung des Durchmessers der Faser 11 stört.
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Die
Schwingung der Faser 11 kann ebenso den Zug und die Beschichtung
der Faser 11 stören, so
dass sie eine Ungleichmäßigkeit
der Faser erzeugt. In der Praxis liegt die Amplitude der Schwingungen
in dem Bereich des Durchmessers der Faser 11, und da sie
sich sehr rasch in dem Polymerbeschichtungsbehälter 18 und in dem
geschmolzenen Glas abschwächt,
ist die nachteilige Wirkung der Schwingung minimal.
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Aus
der vorstehend angegebenen Beschreibung ist entnehmbar, dass die
vorliegende Erfindung sich von dem Stand der Technik im Wesentlichen
in der Hinsicht unterschiedet, dass sie die Zugspannung 11 in
der Faser durch nur eine optische Anzeigeeinrichtung 16 misst
und gleichzeitig automatisch den Fehler der Zugspannung kompensiert,
der sich aus der inhärenten
Zuggeschwindigkeit der Faser 11 ergibt. Bei konstant ansteigenden
Zuggeschwindigkeiten wird die Kompensierung des Geschwindigkeitsfehlers
noch wichtiger.