Optische Schnittstelle für schmutzige Umgebung

Bohrwagen, Radlader, Walzenlader und Sprengwagen sind nur einige Geräte eines großen Bergbaubetriebes, die man in Zukunft besser überwachen möchte. Neben wirtschaftlichen Interessen wie Fördermengenmessung in Echtzeit oder die Menge des eingesetzten Sprengstoffes gilt es auch die Sicherheit zu erhöhen. Durch moderne Überwachungssysteme können live Maschinen und Personen geortet und im Notfall schneller gefunden und gerettet werden.

Aber wie finden all diese Daten ihren weiten Weg an die Erdoberfläche? Nimmt man den Bau des Gotthardt-Tunnels als Beispiel, waren dies zum Ende der Bauphase je Seite gute 25 Kilometer, die es zu überbrücken galt. Eine Ethernetübertragung über Kupferkabel ist damit ausgeschlossen. Lichtwellenleiter (LWL) überbrücken lange Distanzen mit großer Bandbreite; sie beziehungsweise ihre Schnittstellen waren für diese Umgebung aber letztlich zu empfindlich. Bis jetzt.

Optische Steckverbinder, die auf keramischen Ferrulen, wie ST, SC, LC und E2000 basieren, verbinden die Glasfasern mit Hilfe eines physikalischen Kontakts der polierten Faserendflächen. Weit verbreitet ist diese Art von Steckverbindern bereits in LANs, WANs und in Rechenzentren. In diesen sauberen, trockenen und klimatisierten Umgebungen stellen sie eine zuverlässige Verbindung dar. Jedoch müssen diese IP20-Steckverbinder für den Einsatz im Außenbereich mit unterschiedlichen Gehäusen konfiguriert werden, um Schutzgrade bis IP65 beziehungsweise IP67 zu erlangen. Nur so können sie für den Außeneinsatz verwendet werden. Zumindest solange sie gesteckt sind. Wird die Schnittstelle geöffnet, ist eine Kontamination unvermeidbar. Wenn optische Verbindungen oft auf- und abgebaut oder Anlagen und Anlagenteile regelmäßig örtlich verändert werden, ist eine Beschädigung dieser Ferrulen untertage nicht zu verhindern. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie mit einem zusätzlichen IP65/67-Gehäuse geschützt werden oder nicht. Kritisch ist eine Öffnung der optischen Verbindung immer. Minimale Mengen Staub, Feuchtigkeit oder andere Verunreinigungen gelangen schnell auf die Ferrulen und verhindern eine erfolgreiche Übertragung. Mitarbeiter im Bergbau oder Tunnelbau haben aber weder die Zeit noch das notwendige Material für eine ordentliche und Standard-Fiber-Optik-Steckverbinder-konforme Reinigung.

Hartings Expanded-Beam-Kabelkonfektion ist die Lösung für den Einsatz von Glasfasern untertage und innerhalb vergleichbarer Industriefelder. Diese Lösung wurde entworfen, um unter härtesten und schmutzigsten Bedingungen eine zuverlässige, optische Verbindung zu gewährleisten, auch bei regelmäßigem Auf- und Abbau der Verkabelung. Eine Verlängerung der optischen Verbindung ist durch den Anschluss eines weiteren Kabels möglich, ohne hierbei auf die Verlege-Richtung achten zu müssen. Durch das hermaphroditische Steckgesicht ist ein zusätzlicher Adapter nicht von Nöten. Bergbau- und Tunnelbohrmaschinen sind nur zwei der möglichen Applikationen für dieses Produkt. Zu seinen möglichen Anwendungsbereichen im Bergbau zählen:

• Fernsteuerung der Maschinen aus einer Leitstelle
• HD-Videoüberwachung der Anlagen und Maschinen
• Netzwerkanbindung an das Firmennetz zur Abfrage von Daten, Leistung und Ertrag
• Anbindung der WLan-Router innerhalb der Anlagen für Telefonie, Ortung von Fahrzeugen, Gegenständen und Personen
• Übermittlung von Aufträgen an Arbeitsmaschinen oder Transportfahrzeuge

Bei ferrulenbasierten Steckverbindern wird die Glasfaser in die Ferrule eines Standard-Fiber-Optik-Steckverbinders eingeklebt. Wichtig für die Faserendfläche ist, dass diese geschliffen und poliert sein muss. So können dann die zu verbindenden Stecker die Faserendflächen in Kontakt bringen, womit Licht von einer Faser in die andere eingekoppelt wird. Die lichtführenden Bereiche der Fasern haben je nach Fasertyp einen Durchmesser von 0,009 bis 0,065 Millimeter. Folglich lässt bereits die kleinste Verschmutzung in genau diesem minimalen Bereich die Dämpfung des optischen Signals sehr schnell wachsen, wodurch die Verbindung getrennt wird.

Wie schon der Name sagt, erweitert der Expanded Beam Connector den Durchmesser des Lichtstrahls mit dem Einsatz einer Linse um den Faktor 40. Der erweiterte Lichtstrahl kann nun in den gegenüberliegenden Stecker eingekoppelt und mit der Linse des zweiten Steckers wieder zurück auf den Faserdurchmesser werden. Dieser Vorgang wird in der Optik als Kollimation bezeichnet und ermöglicht so, dass die Lichtstrahlen wieder von der Faser aufgenommen werden können.

Da nun zwischen den Steckern der übertragene Lichtstrahldurchmesser um das 40-fache erweitert wurde, ist eine Staubverschmutzung mit einer Größe von 0,020 Millimeter keine Störung mehr. In einer IP20-Lösung hätte eine Staubverschmutzung dieser Größenordnung zu einer Verbindungstrennung geführt. Der Expanded Beam Steckverbinder besitzt die Schutzklasse IP68 und ist zudem einfach zu reinigen. Zwar wird er standardmäßig mit einer Schutzkappe ausgeliefert, die im ungesteckten Zustand die Linsen und Gewinde schützen soll, aber auch ungeschützt sind Staub und Wasser kein Problem: Einfach die Kontaktfläche abspülen, mit einem Tuch oder an der Kleidung grob abwischen und verbinden. So sorgt die Digitalisierung für eine bessere Prozessüberwachung und mehr Sicherheit im Bergbau. do

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