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Testergebnisse

LWL - 60.000 km gelaufen
Mit Chainflex® LWL-Leitungen über 60.000 km zurücklegen oder 1,5 mal um die Erde.

Anwender von Datenübertragungssystemen (Bussystemen) mit hohen Datenraten oder langen Übertragungslängen oder auch starker EMV-Belastung setzen immer häufiger auf Lichtwellenleitungen (LWL). Vielen Anwendern ist heute jedoch noch nicht bewusst, dass diese Vorteile, die generell für LWL-Leitungen gelten, beim Einsatz von Chainflex® LWL-Leitungen in E-Ketten® noch weitere Vorteile bieten:

Auf Kupfer basierende Datenübertragungssysteme zeichnen sich meist durch zwei grundsätzliche Nachteile aus:
1. Die maximalen Übertragungslängen werden durch die Übertragungssysteme stark limitiert (je nach System und Übertragungsfrequenz zwischen 5 und 50 m Leitungslänge).
2. Die auf Kupfer basierenden Leitungen für den Einsatz in bewegten Energieführungen weisen nach einiger Zeit meist eine Erhöhung der Dämpfungswerte bei hohen Zyklenzahlen auf, die sich wiederum negativ auf die maximalen Reichweiten auswirken.

Ganz anders bei den Datenübertragungs- bzw. bussystemunabhängigen Lichtwellenleitungen aus Glas. Sie bieten, neben dem Vorteil dass sie für jedes Übertragungs-/ Bussystem geeignet sind (sofern die richtigen Umsetzer genutzt werden), folgende Eigenschaften:
1. Die Übertragungslängen werden nicht durch die verwendeten Datenübertragungssysteme limitiert, und liegen - LWL-Typ abhängig - bei mehreren hundert Metern.
2. Die Dämpfungserhöhungen sind bei Chainflex® LWL-Leitungen selbst bei sehr hohen Zyklenzahlen in E-Ketten® so niedrig, dass kaum messbare Werte feststellbar sind und der größte Teil der Dämpfung im Bereich der Stecker zu finden ist.

Die Fragestellung, wie stark sich das Dämpfungsverhalten einer igus® Chainflex® LWL-Leitung (Lichtwellenleitung) verändert, wurde in folgender Versuchsanordnung untersucht und ist bis zum Druckschluss des Katalog (Stand 11/06) noch nicht abgeschlossen. Unter Beachtung, dass ST-Stecker eine mittlere Einfügedämpfung von 0,3 dB und eine maximale von 0,5 dB haben, ist der Dämpfungsanstieg von ca. 0,1-0,15 dB nach über 30 Mio. Bewegungen in der E-Kette® absolut vernachlässigbar. Somit hat die Leitung im Test über 60.000 km Verfahrweg zurückgelegt. Die hier betrachtete Lichtwellenlänge liegt bei 850 nm.

Versuchsparameter:

Testleitung: igus® Chainflex® CFLG.2HG.MF.50/125
Faseranzahl: 2 Stück
Fasertyp: Gradientenfaser 50/125 µm
Stecker: 2 x ST Stecker
Verfahrweg: 2 m
Leitungslänge: 3 m
Energiekette: igus® E-Ketten®-Serie 15.015.100.0
Testradius: 11 x d

Dispersion und Dämpfung
Kunststoff-Lichtwellenleiter in Energieführungketten

Auf Grund der ausgezeichneten Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Feldern und weitere Vorteile, wie die Möglichkeit der Reduzierung von Abmessungen und Gewicht, sind Kunststoff-Lichtwellenleiter für die Datenübertragung im industriellen Bereich eingeführt worden. Die Anwendung als flexible Verbindungsleitung insbesondere in Energieführungsketten stellt hohe Anforderungen an die Kunststoff-Lichtwellenleiter.

Die wichtigsten Eigenschaftswerte eines Lichtwellenleiters sind Dispersion und Dämpfung. Die Dispersion bedeutet eine Streuung der Signallaufzeit in dem Lichtwellenleiter. Sie wird im Kunststoff-Lichtwellenleiter im Wesentlichen hervorgerufen durch die Modendispersion und entsteht durch unterschiedliche Laufzeiten einzelner Lichtwellen. Die Dispersion bestimmt wichtige Übertragungseigenschaften, wie Bandbreite, Grenzfrequenz oder maximale Bitrate. Bei keiner der durchgeführten Untersuchungen konnten signifikante Änderungen der Dispersion festgestellt werden. Der industrielle Einsatz von igus® Chainflex®-Leitungen mit Kunststoff-Lichtwellenleitern, z.B. in Energieführungsketten, ist also bzgl. Änderungen der Dispersion unproblematisch.

Der zweite wichtige Eigenschaftswert, die Dämpfung, bestimmt die maximal mögliche Länge einer Übertragungsstrecke. Die Dämpfung einer Kunststofffaser hängt auch, wie die der Glasfaser, stark von der Wellenlänge des eingesetzten Lichtes ab. Alle Untersuchungen wurden daher mit einer Wellenlänge von 660 nm durchgeführt. Abhängig von der Leistung des Senders und der Empfindlichkeit des Empfängers steht dem Anwender ein bestimmtes "Dämpfungsbudget" für die gesamte Übertragungsstrecke einschließlich aller Verbindungs- und Übergangsbereiche zur Verfügung. Dieses Dämpfungsbudget (typischer Wert ca. 20 dB) darf nicht überschritten werden, wenn eine sichere Datenübertragung gewährleistet sein soll. Daher ist es von großem Interesse des Anwenders, in wie weit aus einer gewissen Anwendung heraus Dämpfungserhöhungen zu erwarten und ggf. bei der Aufstellung des Dämpfungsbudgets zu berücksichtigen sind.

Neben der Dauerbiegebeanspruchung, die für den Betrieb in einer Energieführung typisch ist, sind weitere mechanische Belastungen zu berücksichtigen, die bei der Installation oder im Betrieb auftreten können. So können schon beim Einziehen der Leitung in eine Energieführung relativ hohe Zugkräfte auftreten. Das Befestigen der Leitungen an den Enden der Energieführungskette mittels Kabelschellen führt zu dauerhaften Querdrücken. Die Prüfung des Verhaltens bei Querdruckbelastung erfolgt in Anlehnung an DIN VDE 0472 Teil 223. Da die Kabelschellen nur in einem Bereich von wenigen Zentimetern ihren Druck ausüben, sind die Dämpfungserhöhungen relativ gering. Die Dämpfung bei Zugbelastung hängt naturgemäß stark vom Aufbau der Leitung ab. So werden Leitungen mit integrierten Kupferadern oder Zugentlastungselementen erst bei sehr viel größeren Zugkräften eine spürbare Dämpfungserhöhung aufweisen, als reine Lichtwellenleiter.

In Bild 1 wird ein Prüfungsergebnis vorgestellt, für eine Chainflex®-Leitung mit 6 Lichtwellenleitern. Die Länge des Prüflings beträgt 1m und die maximale Zugkraft 250N.

Bild 1: Verlauf der Dämpfungserhöhung als Funktion der Zugkraft
Die Zugkräfte, die beim Einziehen von Lichtwellenleitern in Energieführungsketten nötig sind, sind erfahrungsgemäß wesentlich geringer als 250 N. Die Dämpfungserhöhung betrug 0,17 dB bei maximaler Zugkraft und verschwand vollständig nach Entlastung. Ein Einfluss auf die Dämpfung ist daher nicht zu erwarten. Bei häufig gebogenen Kunststoff-Lichtwellenleitern, wie es in Anwendungen mit Energieführungsketten üblich ist, sind Verschleißfaktoren wie Materialermüdung, Eintrübung der Werkstoffe, Mikrorisse bis hin zum Faserbruch gefürchtet und ihr Einfluss auf die Dämpfung ist nur in umfangreichen praktischen Untersuchen möglich, wie sie von igus® durchgeführt worden sind.

Bild 2: Verlauf der Dämpfungserhöhung als Funktion der Anzahl der Hübe
Die sehr guten Prüfergebnisse, wie hier auszugsweise vorgestellt, der Chainflex®-Leitungen sind nicht selbstverständlich, wie Untersuchungen von Lichtwellenleitern anderer Hersteller ergaben, von denen sogar einige mit Faserbrüchen ausfielen. Die Untersuchungen haben ergeben, dass Chainflex®-Lichtwellenleiter durch mechanische Beanspruchungen in Energieführungsketten, wie Zug, Querdruck oder Biegung nicht in ihrer Funktion beeinflusst werden. Somit sind sie optimal geeignet auch in den teilweise rauen Industrieumgebungen störungssicher Informationen zwischen Antrieb und Steuerung weiterzuleiten.

Literatur: [1] Kunststoff-Lichtwellenleiter für flexible Energiezuführungs-Systeme: Bernfried Späth, Frank Blase