FI101017B - Optisen kuidun vetojännityksen mittari - Google Patents

Description

5 101017

Optisen kuidun vetojännityksen mittari Mätare för att mätä optiska fibrets dragspänning

Keksinnön kohteena on mittauslaite optisen kuidun tai vastaavan langan vetojännityksen mittaamiseksi, jossa mittauslaitteessa on laite tietyllä ennalta valitulla taajuudella värähtelevän värähtelypurskeen, joka etenee lineaarisesti polarisoituna lanka-aaltona, synnyttämiseksi opti-10 seen kuituun, ja optinen paikkaherkkä ilmaisinlaite lanka-aallon etenemisnopeuden mittaamiseksi, ja jossa mittauslaitteessa on valaisinlaite optisen kuidun valaisemiseksi siten, että värähtelevän kuidun varjo tai kuva lankeaa ilmaisinlaitteelle, jolloin optisen kuidun vetokireys saadaan laskettua yhtälöstä T - v2 · M, kun kuidun massa pituusyksikköä 15 kohti tunnetaan.

Optinen kuitu on ohut lasikuitu, jonka halkaisija on n. 150 mikrometriä. Optista kuitua käytetään korvaamaan kuparijohdin telekommunikaatiossa , sillä optisen kuidun tiedonsiirto-kapasiteetti on paljon suu-20 rempi kuin kuparijohtimen. Lisäksi optisen kuidun raaka-aineesta ei ole pulaa kuten kuparista.

Optista kuitua valmistetaan nk. vetotornissa, joka on suurikokoinen n. 8-9 m korkea torni, jonka yläpäässä sula lasi vedetään alaspäin 25 ohueksi kuiduksi. Kuuman kuidun kulkeutuessa alaspäin se jäähtyy, jonka jälkeen se tornin alapäässä voidaan pinnoittaa tietyllä polymeerillä erityisessä pinnoitusaltaassa. Pinnoittamisen jälkeen kuitu kulkeutuu vetojännitysmittarin jälkeen erityiselle telalle, jossa se käämitään rullalle. Paljasta kuitua ei voi tunnetusti taivuttaa, sillä se katke-30 aa. Polymeeripinnoituksen jälkeen kuitu kestää taivutusta hyvin. Kuidun vetonopeus on nykyään n. 4 - 10 m/s ja mm. kuidun vetonopeutta ja osin kuidun paksuutta säädetään vetojännitysmittarilla. Vetojännitysmittaus tapahtuu nykyisin kuitenkin vasta pinnoittamisen jälkeen, koska paljasta kuitua ei voi koskea. Pinnoituksen jälkeen tapahtuva vetojäimi-35 tysmittaus on kuitenkin liian myöhäinen ja antaa virheellisen tuloksen paljaan kuidun vetojännityksestä. Kuidun vetonopeutta haluttaisiin kuitenkin kasvattaa, mutta prosessin hallinnan kannalta paljaan kuidun vetojännitys tulisi mitata kuitua koskematta. Nykyinen kuidun vetojän- 2 101017 nitysmittari on jousikuormitteinen tela, jonka kautta pinnoitettu kuitu kulkee. Kuormituksen suuruus ilmoittaa kuidun jännityksen. On olemassa joitakin mittareita, joilla saadaan paljaan kuidun vetojännitys mitattua mittaamalla valon kahtaistaittuvuus kohdistamalla kuituun valo ja 5 mittaamalla kahtaistaittuvuuden suuruus. Tällainen mittari on kuitenkin hyvin monimutkainen ja kallis ja itse ilmiö on heikko. Tämän vuoksi se ei ole saavuttanut suosiota.

Tämän keksinnön kohteena on uusi akusto-optinen mittari, joka lanka-10 aaltojen avulla mittaa kuidun kireyden, mikäli kuidun massa pituusyksikköä kohti tunnetaan. Mittarilla voidaan mitata kuidun vetojännitys kuitua koskematta siten, että myös kuidun oma etenemisnopeus tulee kompensoitua. Periaate on se, että kuituun synnytetään etenevä värähtely, jonka etenemisnopeus v mitataan. Mikäli kuidun massa pituusyksikköä 15 kohti tunnetaan (kuten yleensä aina tunnetaan) voidaan saada kuidun vetojännitys T laskettua yksinkertaisesta kaavasta: T - v2*M, jossa M on kuidun massa pituusyksikköä kohti.

Mittarissa on siis ensin synnytettävä paljaaseen kuituun sopiva etenevä 20 lanka-aaltopurske, jonka etenemisnopeus mitataan tietyllä tavalla kuitua koskematta. Tällöin saadaan edellä mainitusta kaavasta laskettua vetojännitys.

Tunnetusta tekniikan tasosta voidaan mainita edellämainittu elektro-25 optinen mittari, joka valon kahtaistaittuvuuden perusteella mittaa kuidun vetojännityksen. Lasikuitumateriaali on usein kvartsia, jossa esiintyy jännitykseen verrannollinen valon kahtaistaittuminen. Tällaisen mittarin ongelma on se, että valo on tarkoin kohdistettava 150 mikrometrin vahvuiseen liikkuvaan lasikuituun, jonka jälkeen kahtais-30 taittavuus on mitattava.

Julkaisuissa FI-pat. 79410 ja US-pat.4,833,928 on esitetty ratkaisu, jossa liikkuvan ohuen kalvon tai membraanin vetojännitys mitataan hieman samalla tavalla kuin nyt esitetyssä keksinnössä. Kalvon lähelle 35 tuodaan kovaääninen, jolla aiheutetaan kalvoon mekaaninen purske, joka etenee kalvon jännityksen suuntaan. Purskeen etenemisnopeus mitataan 3 101017 mittaamalla optisesti kalvon värähtely kahdesta eri kohdasta kalvolla. Kun aallon nopeus ja kalvon neliöpaino tunnetaan, voidaan vetojännitys laskea. Tällaista mittaria ei kuitenkaan voida käyttää mittaamaan ohuen läpinäkyvän lasikuidun vetojännitystä.

5

Julkaisut US-5,359,904 ja FI-89537 esittävät nimenomaan optisen kuidun vetojännityksen mittauslaitetta käyttäen hyväkseen kuidussa etenevää nk. lanka-aaltoa ja sen nopeuden mittausta. Näissä julkaisuissa käytetään kuitenkin kahta erillistä optista mitta-asemaa, joilla mitataan 10 lanka-aallon nopeus. Tässä patentissa ei myöskään käytetä hyväksi lanka-aallon heijastuksia pinnoitealtaasta. Nyt esillä oleva keksintö eroaa kuitenkin tästä edellä mainitusta patentista monella eri olennaisella tavalla, kuten tulemme näkemään myöhemmin. Nyt esillä olevassa keksinnössä käytetään vain yhtä optista mitta-asemaa vetojännityksen 15 mittaukseen sekä käytetään nimenomaan hyväksi kuidun päästä tulevaa heijastusta. Edelleen nopeuskompensaatio saadaan aikaan automaattisesti tällä uudella järjestelyllä. Nopeuskompensaatio on tulossa yhä tärkeämmäksi kuidun vetonopeuden kasvaessa ja veden kiihdytyksen ("ramp-up") aikana. Täten mittalaite yksinkertaistuisi huomattavasti.

20

Nyt esillä olevalle keksinnölle on tunnusomaista se, että mittauslaitteen ilmaisinlaite on sovitettu mittaamaan lähtevän lanka-aaltopurskeen ohitusajan ja pinnoitealtaasta heijastuvan lanka-aaltopurskeen ohi-tusajan, jolloin lanka-aallon nopeus saadaan mittaamalla aikaero lähte-25 vän ja tulevan värähtelyn välillä, kun ilmaisinlaitteen ja pinnoiteal-taan välinen etäisyys tunnetaan.

Vedettäessä kuitua alas vetotornissa on kuitu paljaana usean metrin matkalla ennen kuin se kulkeutuu pinnoitusaltaaseen. Tälle alueelle 30 voidaan asentaa ensiksikin koteloitu kovaääninen siten, että kotelon etuseinässä on kapea rako, josta ääniaaltopurske pääsee purkautumaan ulos. Rako on yhdensuuntainen kuidun kanssa siten, että kuitu joutuu purkautuvan paineilman johdosta värähtelyliikkeeseen samalla tavalla kuin kitaran kieli, kun sitä näpäytetään. Käytäntö on osoittanut, että 35 purskeen värähtelytaajuus n. 300 Hz on sopiva vetojännitysmittaustarkoituksiin. Tämän jälkeen kuidun värähtelyn etenemisnopeus mitataan 4 101017 optisesti vain yhdellä optisella anturilla, eikä kahdella kuten aikaisemmin.

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirus-5 tuksen kuvioissa esitettyyn keksinnön erääseen edulliseen suoritusmuotoon, johon keksintöä ei ole kuitenkaan tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

Kuvio 1 esittää mittausjärjestelyä kaavamaisesti sekä esittää kovaääni-10 sen synnyttämän kuidun värähtelyn etenemistä sekä esittää kuidun värähtelyä optisen ilmaisimen edessä.

Kuvio 2 esittää lanka-aallon heijastusta tulosuuntaan pinnoite-altaasta.

15

Kuvioiden 1 ja 2 mukaisessa suoritusmuodossa mittauslaitetta on merkitty yleisesti viitenumerolla 10. Optinen kuitu 11 saatetaan lineaarisesti polaroituun värähtelyliikkeeseen akustisella painepurskeella, joka synnytetään koteloidulla kovaäänisellä 12, jonka edessä on kuidun 11 20 suuntainen kapea rako 13. Kovaääniseen johdetaan tietokoneen 14 ohjaamana n. 300 Hz:n taajuudella elektroninen purskesignaali, joka muuntuu edellä mainituksi akustiseksi lanka-aaltopurskeeksi. Kuituun syntynyt taipuma 150 lähtee etenemään kuitua 11 pitkin kumpaankin suuntaan. Tämä taipuma eli lanka-aalto 15 etenee sitä nopeammin mitä suurempi jännitys 25 vallitsee kuidussa 11. Lanka-aallon 15 nopeus mitataan yhdellä optisella ilmaisimella 16, joka mittaa valaistun kuidun 11 varjon sijaintia tällä ilmaisimella. Optisen kuidun 11 valaisu tapahtuu valaisimella 17, joka voi olla esim. LED-lamppu. Kuidun 11 valaisu aiheuttaa varjon ilmaisimella 16 ja varjon paikkaa voidaan sitten reaaliaikaisesti mitata . 30 ilmaisimeen 16 kytketyllä ohjaustietokoneella 14.

Kun kuitu 11 värähtelee, värähtelee tietysti sen varjokin. Kun värähtely etenee pitkin kuitua 11, ohittaa se ensiksi kovaäänisen 12 alapuolella olevan optisen anturin 16 ja etenee sitten pinnoitealtaaseen 18 35 asti, jolloin tapahtuu altaan 18 pinnasta heijastus siten, että lanka-aalto 15 heijastuu takaisin tulosuuntaansa nähden ja aalto saavuttaa 101017 5 uudestaan optisen ilmaisinanturin 16. Täten laaka-aallon nopeus saadaan mittaamalla aikaero lähtevän ja tulevan värähtelyn välillä. Tämä edellyttää tietysti, että etäisyys x pinnoitealtaan 18 ja optisen ilmaisimen 16 välillä tunnetaan. Käytännössä kuidun vetotornissa matka x on 5 suuruusluokkaa 3-4 metriä. Tässä yhteydessä on huomattava, että lanka-aaltopurske etenee myös ylöspäin kohti sulatilassa olevaa nk. preformia eli lasiaihiota. Sulatilassa olevasta preformista ei kuitenkaan saada heijastusta, koska sula lasi vaimentaa tehokkaasti värähtelyn. On tärkeätä havaita, että kovaääninen 12 saattaa kuidun 11 värähtelemään nk. 10 lineaarisesti polaroituun värähtelyyn, mikä tarkoittaa sitä, että kuitu 11 värähtelee omassa tasossaan kohtisuoraan optisen ilmaisimen 16 mit-taussuuntaa vasten eikä esim. ympyräpolaroidussa tasossa. Tällöin esim. kuidun 11 halkaisijan optinen mittaus ei häiriinny.

15 Kun lanka-aalto 15 etenee kuitua 11 pitkin, se tietysti kohtaa kuidun 11 ylä- ja alapään, mutta kuten mainittiin, yläpäästä ei tule heijastusta, mutta polymeerin pinnoitealtaasta 18 saadaan riittävän voimakas heijastus, jotta mittausperiaate toimii. Kuvio 2 havainnollistaa heijastuksen syntyä ja sitä tilannetta, että kuidussa 11 kulkee siis kaksi 20 vastakkaisiin suuntiin etenevää lanka-aaltopursketta. On myös huomattava, että kuituun ei aiheuteta seisovaa aaltoa, vaan nimenomaan etenevä aaltoliike, jonka etenemisnopeus on suhteellisen helppo mitata värähtelyjen aikaerosta kovaäänisen alapuolella olevalla optisella ilmaisimella, jonka etäisyys x pinnoitealtaasta tunnetaan.

25

Kuvio 2 kuvaa tilannetta, jossa lähtevä lanka-aaltopurske 15 ja pinnoitealtaasta 18 heijastuva lanka-aaltopurske 19 ohittaa ilmaisimen 16, jossa ilmaisimen 16 edessä värähtelevää kuitua valaistaan LED-lampulla 17, jolloin ilmaisimelle 16 lankeavan kuidun 11 varjon liikettä voidaan 30 elektronisesti seurata. Optisen ilmaisimen 16 antama elektroninen signaali viedään tietokoneelle 14, jossa sitä voidaan analysoida siten, että aaltoliikkeen nopeus sekä kuidun 11 vetojännitys saadaan laskettua edellämainitulla kaavalla tietokoneen 14 tavanomaisilla laskenta-algoritmeillä.

35 6 101017

Optisen kuidun 11 vetonopeus on n. 4 - 10 m/s. Toisaalta tiedetään, että lanka-aallon 15 nopeus vetotilanteessa on n. 100 m/s yleisesti käytetyillä vetokireyksillä. Tämä merkitsee mittaustarkkuudessa silloin n. 5 - 10 %:n virhettä kuidun 11 omasta liikkeestä johtuen. Tämä virhe 5 saattaa olla haitallinen ja vaatii korjausta. Kuidun 11 oma nopeus voidaan kompensoida esim. tietokoneella laskennallisesti, mikäli kuidun 11 vetonopeus tunnetaan. Vaikeutena on se, että vedon alkaessa, jolloin vetojännitys olisi hyvin tärkeää tuntea, kuitu 11 on kiihtyvässä liikkeessä, jota kutsutaan "ramp-up"iksi. Tietokoneen 14 avulla on hankalaa 10 suorittaa jatkuvaa nopeuskompensaatiota. Nyt tämän keksinnön toinen tärkeä ominaisuus on se, että nopeuskompensaatio tapahtuu automaattisesti sen takia, että kuituun 11 synnytetty aalto etenee sekä "vastavirtaan" että "myötävirtaan" kuidun 11 liikkeeseen nähden kovaäänisestä 12 katsoen.

15

Kun lanka-aalto 15 lähtee etenemään, niin toinen aalto etenee myötävirtaan kuidun 11 nopeuden mukana ja toinen heijastunut taas vastavirtaan kuidun 11 liikettä vasten. Kuidun 11 oma liike antaa näihin kumpaankin nopeusvirheen, jotka ovat vastakkaismerkkisiä. Mittaamalla aallon no-20 peus ensin myötävirtaan (alaspäin) ja sen jälkeen heijastuksen kautta vastavirtaan (ylöspäin) saadaan kuidun 11 oma nopeus eliminoitua automaattisesti, koska toiseen aaltoon summautuu kuidun 11 oma liike ja toisesta se vähentyy. Eli saadaan lanka-aallon 15 nopeudelle arvo, jossa ei esiinny kuidun 11 omaa nopeutta. Tähän tarvitaan vain yksi 25 optinen mitta-anturi.

Jännityksen laskemista varten tulee tuntea kuidun 11 tiheys pituusyksikköä kohti. Se saadaan laskettua mittaamalla kuidun 11 halkaisija optisesti. Kaikissa kuidun 11 vetotorneissa on mukana optinen hal-30 kaisijamittari, joka myös usein käyttää CCD-kameraa. Koska kuidun 11 värähtely on lineaarisesti polaroitua, niin värähtelyn polarisaatio voidaan järjestää sellaiseksi, että se ei haittaa kuidun 11 halkaisijan mittausta.

35 Kuidun 11 värähtely saattaa haitata myös itse kuidun 11 vetoa ja pinnoittamista siten, että se aiheuttaa epätasaisuutta kuituun. Käytännös- 7 101017 sä värähtelyn amplitudi on kuidun 11 halkaisijan luokkaa ja kun se vaimenee hyvin nopeasti polymeerin pinnoitusaltaassa 18 ja sulassa lasissa, on värähtelyn haittavaikutus minimaalinen.

5 Edellä olevasta selostuksesta nähdään, että nyt esillä oleva keksintö eroaa olennaisesti aikaisemmista sen takia, että se mittaa kuidun 11 vetojännityksen vain yhdellä optisella anturilla 16 ja samantien korjaa automaattisesti kuidun 11 oman vetonopeuden aiheuttaman virheen veto-jännityksessä. Vetonopeuksien jatkuvasti kasvaessa nopeusvirheen kor-10 jaus tulee yhä tärkeämmäksi.

«

Claims (4)

101017 8

1. Mittauslaite (10) optisen kuidun (11) tai vastaavan langan vetojän-nityksen mittaamiseksi, jossa mittauslaitteessa (10) on laite (12) 5 tietyllä ennalta valitulla taajuudella värähtelevän värähtelypurskeen (150), joka etenee lineaarisesti polarisoituna lanka-aaltona (15), synnyttämiseksi optiseen kuituun (11), ja optinen paikkaherkkä il-maisinlaite (16) lanka-aallon (15) etenemisnopeuden (v) mittaamiseksi, ja jossa mittauslaitteessa (10) on valaisinlaite (17) optisen kuidun 10 (11) valaisemiseksi siten, että värähtelevän kuidun varjo tai kuva lankeaa ilmaisinlaitteelle (16), jolloin optisen kuidun (11) vetokireys (T) saadaan laskettua yhtälöstä T - v2 · M, kun kuidun massa (M) pituusyksikköä kohti tunnetaan, tunnettu siitä, että mittauslaitteen (10) ilmaisinlaite (16) on sovitettu mittaamaan lähtevän lan-15 ka-aaltopurskeen (15) ohitusajan ja pinnoitealtaasta (18) heijastuvan lanka-aaltopurskeen (19) ohitusajan, jolloin lanka-aallon nopeus saadaan mittaamalla aikaero lähtevän ja tulevan värähtelyn välillä, kun ilmaisinlaitteen (16) ja pinnoitealtaan (18) välinen etäisyys (X) tunnetaan. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että ilmaisinlaite (16) muodostuu yhdestä optisesta ilmaisimesta tai muusta vastaavasta paikkaherkästä optisesta ilmaisimesta, jolloin kuidun (11) oman vetonopeuden aiheuttama virhe vetojännitykseen ja 25 lanka-aallon (15) nopeuteen eliminoituu automaattisesti riittävällä tarkkuudella vastakkaisiin suuntiin etenevien lanka-aaltopurskeiden (15,19) johdosta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mittauslaite, tunnettu 30 siitä, että optiseen kuituun (11) aiheutettu taipuma (150) ja optiseen kuituun (11) syntynyt lanka-aalto (15) on sovitettu värähtelemään polarisaatiotasossa, joka on kohtisuoraan ilmaisinlaitteen (16) optista mittausakselia vastaan. 35 9 101017

4. Jonkin patenttivaatimuksien 1-3 mukainen mittauslaite, tunnettu siitä, että laite (12) värähtelypurskeen (150) synnyttämiseksi optiseen kuituun on kovaääninen, jonka edessä on kapea rako (13), joka on yhdensuuntainen optisen kuidun (11) kanssa siten, että optises-5 sa kuidussa etenevästä värähtelypurskeesta (150) tulee lineaarisesti polarisoitunut. 10 101017