Вытяжка оптического волокна реферат

Обновлено: 05.07.2024

Исследование системы управления башней вытяжки, которая обеспечивает необходимую эффективность управления как в стационарном режиме вытяжки, так и в переходных режимах. Выявление управляющих и возмущающих воздействия. Диаграмма режима разгона вытяжки.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	28.01.2020
Размер файла	233,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Структурный синтез системы управления процессом вытяжки градиентных оптических волокон

Д.Б. Чостковский Чостковский Дмитрий Борисович - заместитель директора по информатизации.

Башня вытяжки оптического волокна рассмотрена как объект управления. Выявлены управляющие и возмущающие воздействия. Предложена система управления башней вытяжки, которая обеспечивает необходимую эффективность управления как в стационарном режиме вытяжки, так и в переходных режимах.

Ключевые слова: оптическое волокно, башня вытяжки, натяжение вытяжки, диаметр волокна, автоматическое управление.

Современные волоконно-оптические линии связи обладают максимальной полосой пропускания, которая линейно зависит от длины кабеля и измеряется в удельных единицах, обычно в МГц/км (мегагерц на километр). Так, оптоволоконный кабель с характеристикой 100 МГц/км при длине 100 метров будет иметь полосу пропускания 1 ГГц.

Основой оптоволоконного кабеля является диэлектрический волновод, так называемое оптическое волокно (ОВ). Во многих оптоволоконных системах, например в локальных сетях, используются многомодовые градиентные ОВ.

Градиентные волокна вытягиваются из цилиндрической заготовки (преформы), которая за счёт сложного легирования имеет плавное уменьшение показателя преломления от центра к внешней поверхности по параболическому закону.

Такой профиль показателя преломления получает и вытягиваемое ОВ, что определяет минимальную величину затухания передаваемого светового луча, например, 0,22 дБ/км.

Существенное влияние на оптические характеристики ОВ оказывает процесс вытяжки волокна из преформы, осуществляемый на установке, которую обычно называют башней вытяжки.

На рис. 1 показана функциональная схема башни вытяжки фирмы Heathway, оснащённой средствами контроля и управления.

Преформа зажимается в патроне узла подачи 1, который подаёт её в графитовую высокотемпературную печь 7; температура печи измеряется пирометром 8 и с помощью управляемого источника питания 2 может изменяться до 2200 °С.

Газовые инжекторы бесконтактного датчика натяжения 3 обеспечивают знакопеременный поток инертного газа (азота), обусловливающего поперечные перемещения ОВ, размах которых Н(t) и позволяет выполнять косвенную оценку натяжения вытяжки в соответствии с алгоритмом [1]:

Рис.1. Функциональная схема АСУ ТП вытяжки волокна:

1 - узел подачи и позиционирования заготовки; 2 - генератор тока нагревательного элемента;

3 - узел питания газовых инжекторов датчика натяжения; 4 - узел питания и позиционирования фильеры первичного покрытия; 5 - узел питания и позиционирования фильеры вторичного покрытия; 6 - электропривод тягового устройства; 7 - высокотемпературная печь; 8 - оптический пирометр; 9 - лазерный измеритель диаметра и осевого положения волокна; 10 - охлаждающая камера; 11 - лаковая фильера первичного покрытия; 12 - ультрафиолетовая печь первичного покрытия; 13 - лазерный измеритель диаметра; 14 - измеритель эксцентричности покрытия; 15 - лаковая фильера вторичного покрытия; 16 - ультрафиолетовая печь вторичного покрытия; 17 - измеритель натяжения; 18 - тяговое устройство; 19 - приёмное устройство

где с - константа, определяемая сечением сопла инжекторов и величиной газового потока Q (5 л/мин); d(t) - текущий диаметр вытягиваемого ОВ, измеряемый лазерным датчиком диаметра и поперечного положения ОВ; Н(t) - размах поперечных перемещений ОВ за счёт знакопеременного газового потока, измеряемый тем же датчиком.

Для обеспечения прочности ОВ в условиях изгиба оно покрывается акриловым лаком, проходя лаковые фильеры первичного 11 и вторичного покрытия 15. вытяжка стационарный управление разгон

Нанесённый слой покрытия подвергается обработке ультрафиолетовым облучением в низкотемпературных печах 12 и 16.

Диаметр и эксцентричность лакового покрытия измеряется соответствующими датчиками 13 и 14.

Скорость вытяжки ОВ задаётся скоростью вращения тянущего колеса тягового устройства 16, после которого ОВ поступает на катушку приёмного устройства 19.

Башня имеет 3 режима работы: заправка, разгон, вытяжка.

При заправке преформы производится её закрепление в патроне узла подачи 1. Нижний конец преформы вводится в разогретую до 2100 °С графитовую высокотемпературную печь (ВТП); после появления на конце преформы капли расплава она протягивается вниз и отрезается. Далее волокно протягивается через все устройства башни, включая фильеры первичного покрытия 11 и вторичного покрытия 15 акриловым лаком.

Устанавливается начальный режим работы с небольшими начальными значениями скорости разгона преформы V_п и скорости вытяжки V_тн (обычно 10 м/мин).

Далее следует режим разгона башни.

По стандартной технологии ведущих фирм оператор башни ступенчато увеличивает скорость подачи преформы V_п и, наблюдая за индикатором датчика диаметра, вручную увеличивает скорость вытяжки V_т, добиваясь поддержания текущего диаметра на уровне 125мm.

Рис. 2. Диаграмма режима разгона вытяжки:

1 - диаметр волокна; 2 - скорость вытяжки

Данная зависимость, показанная на рис. 3, может рассматриваться как кривая разгона зоны перетяжки, рассматриваемой, в свою очередь, как объект управления, входным воздействием которого является изменение скорости подачи преформы V_п, а выходным воздействием - величина потока расплава Q(t).

Рис. 3. Кривая разгона зоны перетяжки

Предлагается принципиальное изменение управления башни в режиме разгона путём перехода от ручного управления к автоматическому, с введением в систему управления, показанную на рис. 4, блока Модель, формирующего задающее воздействие привода тяги, подаваемого через коммутатор К. Временная зависимость данного воздействия следует из выражения (2) как функция V_т(t), которая при переменном потоке расплава Q(t) обеспечивает равенство диаметра волокна его заданному номинальному значению d₀.

Кроме статической зависимости (2), отражающей связь желаемой функции

V_т (t) c Q(t), алгоритм функционирования блока Модель должен учитывать и динамический характер зависимости Q(t) от величины задающего воздействия скорости подачи преформы V_п0, которое формируется оператором башни.

Эта динамическая зависимость описана в форме передаточной функции, построенной по кривой разгона (рис. 3).

Учитывая дискретный характер автоматического управления процессом вытяжки с интервалом квантования по времени Т₀, адекватной следует считать ту математическую модель формирования потока Q(t), в соответствии с которой объёмы расплава, поступающего из зоны перетяжки в вытягиваемое волокно в течение каждого интервала времени Т₀, должны соответствовать этим же объёмам, определяемым как площади под кривой Q(t) на каждом такте Т₀.

Рис. 4. Функциональная схема САУ диаметра волокна

Отсюда следует, что наилучшим методом построения динамической модели является метод М.П. Симою [2].

Данным методом выполнена оценка параметров дифференциального уравнения, которому соответствует передаточная функция

где S_n - коэффициент передачи в статике, равный площади поперечного сечения вытягиваемой преформы.

С учетом того, что блок Модель реализуется как некоторый цифровой алгоритм, по кривой разгона методом наименьших квадратов построена нормированная дискретная модель:

При введении в состав системы автоматического управления блока Модель его выходное воздействие подается на вход коммутатора К с начала разгона до достижения величиной скорости вытяжки заданного номинального значения .

1. Патент РФ №2154812, МПК G 01 L 5/10. Устройство измерения натяжения вытяжки оптического волокна / Б.К. Чостковский, Д.Б. Чостковский, Г. Штайнике, М. Виттманн. - БИ №23, 2000.

2. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. - М.: Энергия, 1972. - 376 с.

Подобные документы

Расчет параметров камеры орошения, ее устройство и обвязка элементов. Определение показателей работы воздухоподогревателя и факторы, влияющие на его производительность. Проектирование системы рециркуляции и вытяжки, принципы регулирования вентиляторов.

курсовая работа [1,3 M], добавлен 26.12.2015

АСУ как человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и переработку информации, ее построение на электростанции. Задачи управления в нормальных режимах энергетической системы. Управление частотой и мощностью в нормальных режимах.

контрольная работа [1,2 M], добавлен 20.03.2011

Проблема управления электроприводом. Разработка самонастраивающейся системы автоматизированного электропривода с неизменными динамическими характеристиками в диапазоне изменения управляющих и возмущающих воздействий. Электрическая принципиальная схема.

курсовая работа [2,0 M], добавлен 12.03.2013

Основные технические характеристики двигателя Д816-150-470. Использование двигателя в номинальном режиме вместе со стабилизирующей обмоткой. Расчёт необходимых для синтеза и экспериментирования данных. Синтез модального регулятора. Полином системы.

дипломная работа [1,3 M], добавлен 16.02.2009

Проблема комплексной автоматизации. Структуры автоматизированной системы управления ТЭС. Анализ и выбор современных средств управления и обработки информации. Разработка функциональной схемы системы управления за параметрами. Управления расходом воды.

курсовая работа [424,9 K], добавлен 27.06.2013

Техническая характеристика котлоагрегата ТП-38. Синтез системы управления. Разработка функциональной схемы автоматизации. Производстенная безопасность объекта. Расчет экономической эффективности модернизации системы управления котлоагрегатом ТП-38.

дипломная работа [2,6 M], добавлен 30.09.2012

Полная и линеаризированная структурные схемы системы электропривода, численные значения коэффициентов связи и постоянных времени неизменяемой части. Анализ установившегося режима системы. Исследование динамики системы, расчёт кривой переходного процесса.

4.3 Обеспечение безопасности от поражения электрическим током..69
5. Бизнес план…………………………………………………. ………….74
5.1 Характеристика отрасли…………………….………………………74
5.2 Описание продукции и ее применение……………..……………. 74
5.3 Анализ рынка………………………………………………………..75
5.4 Расчет затрат на разработку и внедрения системы автоматического
управления…………………. ………………………………………75
5.5 Затраты на создание системы автоматизации……………………..77
5.6 Затраты на разработчиков программного продукта………………78
5.7 Затраты на приобретение приборов и средств автоматизации…. 78
5.8 Вывод по экономической части…………………………………. 80
Заключение ……………………………..……………. 82
Список литературы ………………………………………………………..83
Приложение А…………………………………………………………………….88
Приложение Б…..…………………………………………………………………89
Приложение В…………………………………………………………………….90
Приложение Г……………………………………………………………………..92
Приложение Д…………………………………………………………………….93
Приложение Е……………………………………………………………………..94
Приложение Ж…………………………………………………………………….96
Приложение И…………………………………………………………………….99
1. Математическое моделирование технологического процесса
вытяжки оптического волокн
Технологический процесс изготовления оптического волокна, как
правило, состоит из двух этапов. Первый этап- получение заготовки, которая
представляет собой стеклянный стержень, обладающий волноводной
структурой, длиной порядка 1000 мм и диаметром 10 – 80 мм. На втором
этапе происходит вытяжка заготовки с нанесением защитного покрытия.

1.1 Анализ известных методов, средств, способов организации
технологического процесса производства оптического волокна

Методы, используемые для получения материала для оптических
волокон, можно разделить на две большие группы: тигельные или методы
осаждения из жидкой фазы и методы осаждения материала из газовой фазы. В
обоих случаях достижение малых потерь сопряжено с самым строгим
контролем чистоты исходных материалов и исключением попадания каких-
либо посторонних веществ в течение всего технологического процесса.
Обычно тигельные методы используют для изготовления волокон из
стекол с низкой температурой плавления. Тщательно очищенные и
измельченные компоненты помещают в платиновый или кварцевый тигель и
нагревают. При использовании для нагрева электрических печей компоненты
нагреваются за счет тепловой радиации от стенок печи, при этом последние не
должны содержать посторонних включений. Можно также использовать
нагрев компонент токами высокой частоты. При применении кварцевого
тигля необходимо порошкообразные компоненты стекла предварительно
подогреть и использовать более высокие частоты. В таком случае расплав
будет находиться при более высокой температуре, чем тигель, и,
следовательно, будет менее чувствителен к загрязнениям, попадающим в
расплав от стенок тигля. Следует отметить, что кварцевые тигли обычно не
используют более одного раза, поскольку они не выдерживают циклических
температурных воздействий. Традиционно стекло сердцевины получают в
виде цилиндрического стержня, а стекло оболочки в виде трубки, причем
цилиндр расположен внутри трубки, так что при совместном вытягивании и
получается оптическое волокно.
Одним из самых распространенных методов для изготовления
недорогих оптических волокон непрерывным способом, стал метод двойного
тигля. Метод двойного тигля характеризуется наличием двух концентрически
расположенных тиглей (рисунок 1.1). Материал центрального тигля служит
для образования сердцевины, а материал другого для создания оптической
оболочки. Вытяжка заготовки проводится вниз. Формирование сердцевины и
оболочки и их геометрических размеров происходит с помощью двух
концентрических фильер. Метод двойного тигля предпочтителен при
изготовлении ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления.
Рисунок 1.1 - Метод вытяжки ОВ методом двойного тигля

Наиболее распространенным методом производства заготовок является
описанный в 1974 году американским физиком Джоном Макчеснеем
(JohnMacChesney) - метод химического парофазного осаждения (MCVD).
Изначально этот метод был открыт учеными компании Corning. При
использовании метода MCVD происходит осаждение сверхчистой двуокиси
кремния (при изготовлении сердцевины всегда добавляются определенные
примеси) на внутренней стороне стеклянной трубки, а затем - усаживание
трубки, вызываемое повышением температуры (с помощью пламени газа или
токов сверхвысокой частоты). В результате этого трубка сжимается и
превращается в сплошной стеклянный стержень диаметром 10-40 мм и длиной
около 1000 мм, обладающий волноводной структурой, такую же структуру
будет иметь и готовое волокно. Метод считается самым простым, и, кстати, в
отечественном производстве только он реально и работает
Рисунок 1.3 - Изготовление заготовки MCVD - методом

Однако для него нужна очень хорошая труба-заготовка без включений,
так как включения - это центры напряжений, из которых может начать расти
трещина. С этим довольно успешно борются путем химической или огневой
полировки поверхности трубок. Этот метод позволяет получать волокна с
малой величиной затухания, так как на всем протяжении процесса
изготовления каждого слоя сохраняется закрытое пространство, что позволяет
избежать примеси посторонних материалов. Метод достаточно универсален и
может применятся для изготовления одномодовых, градиентных волокон, а
также позволяет легко изменять показатель преломления слоя. Но
рассмотренный метод не позволяет сделать заготовку очень большой или
длинной и, соответственно, волокно не может быть сделано очень длинным, в
среднем от 3-5 км, с максимумом от 20 до 40 км. Диаметр заготовки
изготавливаемой таким способом не превышает 25 мм, для устранения этого
недостатка используется так называемый способ сверх покрытия. Разработано
устройство, позволяющее наносить сверх покрытие при одновременном
вытягивании. В проекте рассмотрено усовершенствование метода МСVD
путем замены газовой горелки на электропечь. Использование электропечи
позволяет уменьшить потери массы кварца, особенно при сжатии трубы в
стержень, получить лучшие геометрические параметры заготовок (при
условии контроля скорости при перемещении печи и давления в опорной
трубе).
Окисление кремния и хлористых германиев может также быть
инициировано плазмой. Метод названный позже PCVD-метод осаждения из
газовой фазы полученной путем плазменного распыления. Данный метод
впервые был разработан фирмой Philips. Поскольку зона образования газа
быстро перемещаться по трубке, в короткий отрезок времени возможно
нанести большое количество тонких слоев, производя в результате
однородные профили без видимых границ перехода от слоя к слою.
Фирмой Corning был разработан и запатентован ещё один метод - метод
внешнего парофазного осаждения(ОVD). Стекло осаждается на огнеупорный

стержень прямо из пламени горелки, куда подаются хлориды исходных
веществ. Поскольку осаждение происходит в атмосфере пламени, в таком
материале остается много воды, получившейся в результате окисления
водорода. Поэтому, после того как центральный стержень вынимают,
приходится продувать заготовку хлором, который экстрагирует воду. И
только после этого заготовка остекловывается. Перечисленные выше три фазы
процесса, а именно - осаждение на огнеупорный стержень, сушка и
остекловывание, происходят последовательно. Поэтому каждая фаза может
быть оптимизирована отдельно, что позволяет достичь высокой скорости
осаждения материала.
Данный метод позволяет получать стержень заготовки большой
непрерывной длины, например, 50-100 км и пригоден для производства всех
искусственных волокон. При использовании этого метода необходимо, чтобы
было подготовлено чистое пространство, которое охватывает все
пространство реакции или оборудования, так как все химические реакции
происходят на открытой площади.
Рисунок 1.4 - Изготовление заготовки а) методом OVD б) с последующей
сушкой в) спеканием

При соответствующей оптимизации процесса сушки, этот метод также
может использоваться для того, чтобы производить волокна с малыми
потерями, сопоставимыми по качеству с полученными внутренним
осаждением трубки.
На сегодняшний день все процессы получения заготовок путем
осаждения из газовой фазы являются сегодня двухэтапными. На первом этапе
производится так называемая заготовка - сердечник. Из заготовки -
сердечника, в зависимости от ее размера, может быть получено несколько
стержней, на которые потом наращивается оболочка. Затем заготовка с
наложенной оболочкой вытягивается в волокно. Различают несколько
различных способов изготовления такой оболочки: жакетирование, соль-гель,
плазма, кварцевый порошок.
Способ жакетирования представляет собой обжимание кремнеземной
трубки вокруг заготовки сердечника; это самый популярный процесс для
изготовления оболочки сердечников, полученных способами MCVD и PCVD.
Однако надеваемые наружные трубки весьма дороги. Поэтому компании, -
Alcatel и Lucent - организовали - в качестве альтернативы жакетированию -
серийное производство с получением оболочки волокна путем плазменного
распыления и с помощью соль-геля. Все производители сердечников волокна,
пользующиеся процессами OVD и VAD получают оболочку волокна с
помощью кварцевого порошка. Альтернатива жакетным трубам - кварцевые
цилиндры для RIC-технологии (Rod-In-Cylinder) вытяжки волокна. В RIC-
технологии жакетная труба заменяется полым цилиндром с внешним
диаметром от 120 до 200 мм. При этом процесс вытяжки волокна может быть
осуществлён двумя способами: непосредственно из стержневой заготовки и
жакетного цилиндра (Online RIC) или из предварительно изготовленной из
них кварцевой заготовки (Offline RIC).
В RIC-технологии может быть использована стержневая заготовка,
произведённая любым из существующих методов: MCVD, PCVD, VAD или
OVD.
В работе рассмотрен золь-гелевый метод изготовления заготовки. Золь-
гель процесс производства оптических заготовок разрабатывается с 1977 г. и
еще не имеет коммерческого применения. Существуют два основных метода
изготовления кварцевого гель-стекла: гидролиз и полимеризация алкоголятов;
превращение в гель золей, полученных из коллоидных оксидных дисперсий. С
помощью золь-гель процесса изготовляют опорную кварцевую трубу,
сердцевину и оптическую оболочку. Алкоголяты позволяют получать
многокомпонентные гели, и благодаря маленьким порам (2-7 нм), эти гели
могут спекаться при температурах, значительно меньших, чем температуры,
которые применяются при образовании стекла. Таким образом, можно
исключить проблему кристаллизации, так как спекание происходит при
температуре значительно ниже той, при которой начинается образование
центров кристаллизации и рост кристаллов. Однако сушка монолитных
алкоголятных гелей представляется трудной задачей. Она может быть решена
путем гиперкритической откачки воздуха из автоклава. Метод очень
трудоемок, требует громоздкого оборудования и больших затрат.
Приведенный обзор методов и средств изготовления заготовок
показывает, что наиболее перспективными являются методы осаждения из
газовой фазы.
Полученная любым из рассмотренных методов изготовления заготовка
вытягивается в волокно на специальных установках, которые в основном
отличаются способом нагрева заготовки в зоне формования. При этом
используются электропечи, кислородно-водородные горелки, индукционный
и лазерный метод нагрева.
На стадии вытяжки оптического волокна формируются два важнейших
параметра оптического волокна: предел прочности на растяжение и
коэффициент оптических потерь.
В процессе вытяжки световода конец заготовки нагревается в печи до
пластического состояния, при котором вязкость составляет 104-106 пуаз, при
этом тянущее устройство вытягивает высоковязкий расплав в тонкую нить.
Получение высококачественных оптических волокон возможно только при
тщательном контроле технологических параметров производства и
адекватной работе автоматических систем .

Құрметті оқырман! Файлдарды күтпестен жүктеу үшін біздің сайтта тіркелуге кеңес береміз! Тіркелгеннен кейін сіз біздің сайттан файлдарды жүктеп қана қоймай, сайтқа ақпарат қоса аласыз! Сайтқа қосылыңыз, өкінбейсіз! Тіркелу

Читайте также: