Устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки
Изобретение относится к области производства оптического волокна, используемого для изготовления кабелей связи, а более точно касается устройства для непрерывного бесконтактного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки и может быть использовано в кабельной промышленности. Техническим результатом является повышение точности бесконтактного измерения натяжения вытяжки оптического волокна в процессе его вытяжки. Для этого устройство содержит, по меньшей мере, первое и второе сопла, установленные на одном уровне относительно оптического волокна по существу на одинаковом расстоянии от него и направленные поперек указанного участка, источник инертного газа, бесконтактный лазерный датчик диаметра и перемещения оптического волокна, блок вычисления силы натяжения оптического волокна, введены управляемый регулятор скорости газового потока, управляемые газовые клапаны, генератор гармонического сигнала, функциональный преобразователь, устройство определения полярности гармонического сигнала, инвертор, множительное устройство, интегратор. Причем выход генератора гармонического сигнала соединен с входом функционального преобразователя, выход которого подключен к входу управляемого регулятора скорости газового потока, вход устройства определения полярности гармонического сигнала связан с выходом генератора гармонического сигнала, а его выход соединен с входом первого управляемого газового клапана и входом инвертора, выход которого соединен с входом второго управляемого газового клапана, первый вход множительного устройства соединен с генератором гармонического сигнала, второй вход соединен со вторым выходом бесконтактного лазерного датчика, а выход подключен к входу интегратора, выход которого подключен к первому входу блока вычисления силы натяжения оптического волокна, второй вход которого соединен с первым выходом бесконтактного лазерного датчика, а с его выхода поступает сигнал измеренного натяжения оптического волокна. 2 ил.
Изобретение относится к области производства оптического волокна, используемого для изготовления кабелей связи, а более точно касается устройства для непрерывного бесконтактного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки и может быть использовано в кабельной промышленности.
В настоящее время производимое оптическое волокно находит широкое применение во многих отраслях науки и техники. Критерием качества вытяжки оптического волокна является соблюдение совокупности двух задаваемых характеристик - диаметра оптического волокна и натяжения вытяжки при заданной скорости вытяжки.
Одним из известных устройств для бесконтактного измерения натяжения оптического волокна является устройство, в котором использовано пневматическое воздействие на оптическое волокно (ЕР 226396). Известное устройство содержит средство для нанесения пневматического удара по оптическому волокну, аппаратуру для измерения частоты собственных колебаний оптического волокна и вычислительную аппаратуру.
Измерение натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки основано на измерении частоты гармонических колебаний оптического волокна, вызванных пневматическим ударом, с последующим вычислением величины натяжения по полученной частоте гармонических колебаний.
Нанесение пневматических ударов по вытягиваемому волокну допустимо для кратковременного измерения натяжения, например, в процессе настройки режима вытяжки оптического волокна. Непрерывные измерения натяжения оптического волокна с периодическим нанесением пневматических ударов обусловливают нарушение свойств формируемого в процессе вытяжки оптического волокна, кроме того, аппаратура для измерения частотных колебаний усложняет обслуживание установки вытяжки оптического волокна и приведет к ее удорожанию, что является недостатками описываемого устройства.
Известен ряд устройств, в которых для измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки использовано воздействие струи инертного газа.
Известно устройство, патент РФ №2201583 27.03.2003 УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ВЫТЯЖКИ, содержащее по меньшей мере первое и второе сопла, выполненные на одном уровне относительно оптического волокна по существу на одинаковом расстоянии от него и направленные поперек указанного участка, средство для изменения скорости прохождения газового потока через первое и второе сопла, определяющие направление газового потока, средство измерения величины перемещения оптического волокна в поперечном направлении под действием газового потока и средство для определения натяжения оптического волокна с учетом зависимости определения от величины перемещения оптического волокна в поперечном направлении под действием газового потока, которое согласно изобретению содержит средство для измерения диаметра оптического волокна, размещенное в месте измерения величины перемещения оптического волокна в поперечном направлении под действием газового потока на оптическое волокно, и средство для устранения аддитивной погрешности измерения диаметра оптического волокна. Средство для измерения перемещения оптического волокна в поперечном направлении под действием газового потока и средство для измерения диаметра оптического волокна представляют собой бесконтактный лазерный датчик.
При воздействии струи инертного газа на вытягиваемое оптическое волокно происходит возбуждение собственных колебаний оптического волокна, вызванное резкой крутизной фронтов закона изменения газового потока, что не позволяет производить точные измерения с необходимой точностью.
Наиболее близким является устройство, международная заявка РСТ /RU/02/00500, публикация WO 03/044566 А2 УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ВЫТЯЖКИ. Устройство содержит два сопла, установленные на одном уровне относительно оптического волокна на одинаковом расстоянии от него и направляющие газовый поток в поперечном направлении, бесконтактный лазерный датчик, средство для измерения натяжения оптического волокна, средство для устранения аддитивной погрешности измерения диаметра оптического волокна. Устройство содержит расширительную камеру на пути движения газа к каждому соплу. Наличие расширительных камер предотвращает резкое изменение скорости газовых потоков, что обеспечивает плавное изменение полной длины оптического волокна на участке между высокотемпературной печью и фильерой для покрытия оптического волокна и связанной с таким изменением скорости вытяжки оптического волокна. Использование расширительных камер позволяет стабилизировать диаметр оптического волокна, но не обеспечивает возможности точного измерения перемещения оптического волокна после воздействия газового потока.
Формируемый закон изменения газового потока Q(t) имеет многочастотный характер и также возмущает собственные колебания участка оптического волокна, где измеряется перемещение Н(t), обусловленное вариациями газового потока Q(t). Амплитуда собственных колебаний оптического волокна к моменту переключения газового потока составляет не менее 5%, в то время как требуемая точность измерения натяжения вытяжки составляет 0,1%.
В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства для непрерывного бесконтактного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки, в котором за счет такого конструктивного выполнения и введения необходимых средств достигалось бы получение реальных значений натяжения вытяжки оптического волокна, что позволило бы стабилизировать указанные величины и получать оптическое волокно с заданными свойствами высокого качества.
Технический результат: повышение точности бесконтактного измерения натяжения вытяжки оптического волокна в процессе его вытяжки.
Технический результат достигается тем, что в устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки вдоль по существу вертикального участка между выходом оптического волокна из высокотемпературной печи и входом оптического волокна в фильеру для первичного покрытия оптического волокна, содержащее по меньшей мере первое и второе сопла, установленные на одном уровне относительно оптического волокна по существу на одинаковом расстоянии от него и направленные поперек указанного участка, источник инертного газа, бесконтактный лазерный датчик диаметра и перемещения оптического волокна, блок вычисления силы натяжения оптического волокна, введены управляемый регулятор скорости газового потока, управляемые газовые клапаны, генератор гармонического сигнала, функциональный преобразователь, устройство определения полярности гармонического сигнала, инвертор, множительное устройство, интегратор, причем выход генератора гармонического сигнала соединен с входом функционального преобразователя, выход которого подключен к входу управляемого регулятора скорости газового потока, вход устройства определения полярности гармонического сигнала связан с выходом генератора гармонического сигнала, а его выход соединен с входом первого управляемого газового клапана и входом инвертора, выход которого соединен с входом второго управляемого газового клапана, первый вход множительного устройства соединен с выходом генератора гармонического сигнала, второй вход соединен с вторым выходом бесконтактного лазерного датчика, а выход подключен к входу интегратора, выход которого подключен к первому входу блока вычисления силы натяжения оптического волокна, второй вход которого соединен с первым выходом бесконтактного лазерного датчика, а с его выхода поступает сигнал измеренного натяжения оптического волокна.
Использование в настоящем изобретении средств, обеспечивающих измерение в процессе вытяжки двух параметров - амплитуды гармонических отклонений оптического волокна и его диаметра, с помощью которых вычисляется реальное значение натяжения оптического волокна, позволяет получать оптическое волокно требуемого качества.
Целесообразно, чтобы названное средство для определения натяжения оптического волокна имело первый и второй входы, соединенные с выходом интегратора и с выходом бесконтактного лазерного датчика, несущим информацию о диаметре оптического волокна, и выход, на котором формируется сигнал, несущий информацию о величине натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки.
Использование для вычисления значения натяжения оптического волокна двух контролируемых параметров - диаметра и амплитуды перемещения оптического волокна, позволяет получить достоверные данные о значении натяжения оптического волокна.
В изобретении формируется закон изменения газового потока Q(t), который обусловливает гармонический одночастотный характер перемещения оптического волокна H(t) вида А·sinωt. Причем частота ω выбирается существенно меньшей частоты собственных колебаний вытягиваемого оптического волокна, чтобы не происходило возбуждения собственных резонансных колебания оптического волокна даже при небольшой добротности колебательного звена, которым является вертикальный участок вытягиваемого оптического волокна между высокотемпературной печью и фильерой первичного покрытия оптического волокна.
В устройстве по патенту РФ №2201583 27.03.2003 (УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ВЫТЯЖКИ) величина перемещения оптического волокна вычисляется по формуле
H(t) - величина перемещения оптического волокна,
с - константа,
Q(t) - величина газового потока,
d(t) - диаметр оптического волокна,
F(t) - сила натяжения вытяжки оптического волокна,
L1 - расстояние между высокотемпературной печью и плоскостью действия газового потока,
L2 - расстояние между плоскостью действия газового потока и фильерой первичного покрытия оптического волокна.
Вычисление натяжения вытяжки оптического волокна производится по формуле
В данном изобретении величина измеряемого натяжения F обусловливает амплитуду вводимых гармонических колебаний А, которая, в соответствии с (2), определяется по формуле
k - константа, обусловленная местом расположения и геометрическими параметрами сопел,
d - текущее значение диаметра оптического волокна,
Q0 - амплитуда изменения величины газового потока, имеющего периодический характер.
Таким образом, измерение натяжения оптического волокна производится в соответствии с формулой
Причем для обеспечения гармонического перемещения оптического волокна с учетом формулы (2) необходимо изменять величину газового потока Q(t) по закону
Для измерения амплитуды гармонических колебаний оптического волокна следует использовать известный алгоритм синхронного детектирования, когда амплитуда гармонической составляющей некоторого сигнала определяется путем интегрирования произведения этого сигнала на функцию sinωt с частотой ω, равной частоте измеряемой гармоники, описанный в книгах Мирского Г.Я. “Радиоэлектронные измерения.” - Москва: Энергия, 1975, и Мирского Г.Я “Электронные измерения.” - Москва: Энергия, 1986.
Изобретение содержит средства для изменения скорости газового потока по периодическому закону (5), что обеспечивает гармоническое перемещение участка оптического волокна, на котором осуществляется измерение.
Фиг.1 схематично изображает устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процесс его вытяжки согласно изобретению.
Фиг.2 изображает вид сигнала с выхода генератора гармонического сигнала, вид сигнала с выхода функционального преобразователя, вид закона изменения газового потока на каждом из сопел, вид закона изменения газового потока, воздействующего на оптическое волокно, вид перемещения оптическою волокна при воздействии газового потока.
Устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки в описываемом варианте выполнения содержит высокотемпературную печь 1 (фиг.1), с помещенной в нее преформой 2, из которой вытягивается оптическое волокно 3, движущееся вдоль по существу вертикального участка 4 и попадающее на вход фильеры 5 первичного покрытия оптического волокна. На фиг.1 оптическое волокно 3 изображено сплошной линией в отклоненном крайнем левом положении, пунктирной линией - в крайнем правом положении, а в исходном положении оптическое волокно 3 совмещено с вертикальным участком 4, изображенным штрихпунктирной линией.
Устройство имеет по меньшей мере первое и второе сопла 6, 7, установленные на одном уровне относительно оптического волокна 3 по существу на одинаковом расстоянии от него и направленные поперек указанного участка 4; для направления газового потока через первое и второе сопла и перемещения оптического волокна в поперечном направлении используется источник инертного газа 8, сообщенный с управляемым регулятором газового потока 9, на управляющий вход которого подается сигнал с функционального преобразователя 10, управляемый регулятор газового потока 9 соединен с управляемыми газовыми клапанами 11 и 12, на управляющие входы которых подается сигнал с устройства определения полярности гармонического сигнала 13, причем на один из них через инвертор 14, и газопровода 15.
В описываемом варианте выполнения изобретения первое и второе газовые сопла 6, 7 установлены с противоположных сторон от оптического волокна 3 на равном расстоянии от вертикального участка 4 и на расстоянии L1 от выхода высокотемпературной печи 1 и на расстоянии L2 от фильеры 5 первичного покрытия.
Устройства для измерения величины перемещения оптического волокна в поперечном направлении под действием газового потока и измерения диаметра оптического волокна выполнены как единое целое и представляют собой бесконтактный лазерный датчик диаметра и перемещения оптического волокна 16, измеряющий указанные перемещения и указанный диаметр в месте воздействия газового потока на оптическое волокно. Бесконтактный лазерный датчик диаметра и перемещения оптического волокна 16 имеет первый выход 17, на котором формируется сигнал, несущий информацию о диаметре d оптического волокна 3, и второй выход 18, на котором формируется сигнал, несущий информацию о величине перемещения Н оптического волокна 3. Причем разрешающая способность измерения диаметра обеспечивается равной разрешающей способности синхронного детектирования.
Предлагаемое изобретение содержит устройство для вычисления силы натяжения 19 оптического волокна 3, которое выполнено с учетом зависимости натяжения от амплитуды перемещения оптического волокна и от диаметра оптического волокна. Входы устройства для вычисления силы натяжения 19 соединены с выходом 17 бесконтактного лазерного датчик диаметра и перемещения оптического волокна 16 и с выходом интегратора 20 соответственно, а на его выходе формируется сигнал, несущий информацию о величине натяжения оптического волокна 3 в процессе его вытяжки.
Патентуемое устройство содержит генератор гармонического сигнала 21, формирующий гармонический сигнал, частота которого существенно меньше частоты собственных колебаний оптического волокна 3, выход которого подключен к первому входу 22 множительного устройства 23, к функциональному преобразователю 10 и к устройству определения полярности гармонического сигнала 13.
Для формирования гармонических перемещений оптического волокна устройство содержит два управляемых газовых клапана 11, 12, на вход которых подается сигнал с выхода устройства определяющего полярность гармонического сигнала 13, причем вход одного из газовых клапанов 11 подключен через инвертор 14, служащий для изменения полярности управляющего сигнала, управляемый регулятор газового потока 9, на управляющий вход которого подается сигнал с выхода функционального преобразователя 10, который вычисляет корень квадратный из модуля гармонического сигнала, подаваемого с генератора гармонического сигнала 21.
Изобретение содержит множительное устройство 23, которое служит для умножения сигнала, второй вход 22 которого соединен с выходом 18 бесконтактного лазерного датчика диаметра и перемещения оптического волокна 16, на котором формируется сигнал, несущий информацию о величине перемещения оптического волокна 3, а на первый вход 24 поступает сигнал с генератора гармонического сигнала 21.
Принцип, заложенный в основу измерения натяжения оптического волокна в процессе вытяжки, основан на периодическом изменении скорости формируемого газового потока, результатом чего является перемещение оптического волокна из одного крайнего положения в другое крайнее положение по гармоническому закону, и вычислении величины натяжения с учетом зависимости как от амплитуды перемещения, так и от текущего значения диаметра оптического волокна.
Для периодического изменения скорости газового потока управляемый регулятор газового потока 9 (фиг.1) меняет величину потока газа по периодическому закону, на его управляющий вход подается сигнал с выхода функционального преобразователя 10, который вычисляет корень квадратный из модуля гармонического сигнала. Подачу газа на сопла 6, 7 переключают два управляемых газовых клапана 11, 12, на управляющие входы которых подается сигнал с выхода устройства определения полярности гармонического сигнала 13, причем на вход одного из управляемых газовых клапанов сигнал подается через инвертор 14. В процессе подачи сигнала изменения скорости газового потока снимают показания бесконтактного лазерного датчика диаметра и перемещения оптического волокна 16 с выхода 17, на котором формируется сигнал, несущий информацию о диаметре оптического волокна 3, и с выхода 18, на котором формируется сигнал, несущий информацию о величине перемещения оптического волокна.
На входы устройства вычисляющего силу натяжения 19 оптического волокна с выхода 17 бесконтактного лазерного датчика диаметра и перемещения оптического волокна 16 поступает сигнал, несущий информацию о диаметре оптического волокна, и сигнал с интегратора 20, который соответствует амплитуде величины отклонения оптического волокна 3 Hо, на выходе формируется сигнал, соответствующий значению натяжения оптического волокна, по следующей зависимости:
где
F - натяжение оптического волокна;
Н0 - амплитуда гармонического перемещения оптического волокна;
С - постоянный коэффициент, определяемый геометрическими характеристиками и расположением сопел 6, 7 и амплитудой изменения величины газового потока;
d - текущее значение диаметра оптического волокна 3.
Наличие специальных устройств предотвращает резкое многочастотное изменение скорости газового потока, что обеспечивает отсутствие возбуждения собственных колебаний участка вытягиваемого оптического волокна 3 в месте измерения перемещения, а следовательно, и устранение погрешности измерения перемещения оптического волокна под действием газового потока.
Предлагаемое изобретение позволяет в процессе вытяжки оптическою волокна измерять и стабилизировать заданные значения натяжения и диаметра оптического волокна, не внося возмущающих воздействий в системы стабилизации натяжения оптического волокна и диаметра оптического волокна и, таким образом, получать оптическое волокно с заданными свойствами.
Настоящее изобретение может быть использовано в установках вытяжки оптического волокна для построения систем измерения и управления натяжением оптического волокна в процессе его вытяжки.
Устройство для непрерывного измерения натяжения оптического волокна в процессе его вытяжки на, по существу, вертикальном участке между выходом оптического волокна из высокотемпературной печи и входом оптического волокна в фильеру для первичного покрытия оптического волокна, содержащее, по меньшей мере, первое и второе сопла, установленные на одном уровне относительно оптического волокна, по существу, на одинаковом расстоянии от него и направленные поперек указанного участка, источник инертного газа, бесконтактный лазерный датчик диаметра и перемещения оптического волокна, блок вычисления силы натяжения оптического волокна, отличающееся тем, что введены управляемый регулятор скорости газового потока, управляемые газовые клапаны, генератор гармонического сигнала, функциональный преобразователь, устройство определения полярности гармонического сигнала, инвертор, множительное устройство, интегратор, причем выход генератора гармонического сигнала соединен с входом функционального преобразователя, выход которого подключен к входу управляемого регулятора скорости газового потока, вход устройства определения полярности гармонического сигнала связан с выходом генератора гармонического сигнала, а его выход соединен с входом первого управляемого газового клапана и входом инвертора, выход которого соединен с входом второго управляемого газового клапана, первый вход множительного устройства соединен с выходом генератора гармонического сигнала, второй вход соединен со вторым выходом бесконтактного лазерного датчика, а выход подключен к входу интегратора, выход которого подключен к первому входу блока вычисления силы натяжения оптического волокна, второй вход которого соединен с первым выходом бесконтактного лазерного датчика, а с его выхода поступает сигнал измеренного натяжения оптического волокна.
