DE102014226577A1

DE102014226577A1 - Method for operating a device for detecting a physical or chemical quantity

Info

Publication number: DE102014226577A1
Application number: DE102014226577.0A
Authority: DE
Inventors: Herbert Grieb; Herbert Schorb
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Geräts (1) zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, wobei das Gerät (1) zumindest einen faseroptischen Sensor (4) mit einer von der physikalischen oder chemischen Größe abhängigen optischen Eigenschaft und eine Elektronikeinheit (2) aufweist. Zur Bestimmung der Konfiguration des Geräts (1) liest die Elektronikeinheit (2) jeweils ein optisches Identifikationsmerkmal (8, 26) faseroptischer Sensoren (4, 20) aus, die an optische Schnittstellen (3a) der Elektronikeinheit (2) angeschlossen sind. Eventuell fehlerbehaftete manuelle Eingaben durch einen Bediener können vorteilhaft entfallen. Weiterhin werden exemplarspezifische Kalibrierdaten des faseroptischen Sensors (4, 20) diesem anhand seiner Identifikation zugeordnet und automatisch in einem Speicher (7) hinterlegt.The invention relates to a method for operating a device (1) for detecting a physical or chemical quantity, wherein the device (1) has at least one optical fiber sensor (4) with an optical property dependent on the physical or chemical size and an electronic unit (2). having. To determine the configuration of the device (1), the electronics unit (2) in each case reads out an optical identification feature (8, 26) of fiber-optic sensors (4, 20) which are connected to optical interfaces (3a) of the electronic unit (2). Any erroneous manual inputs by an operator can be advantageously eliminated. Furthermore, specimen-specific calibration data of the fiber-optic sensor (4, 20) are assigned to it on the basis of its identification and automatically stored in a memory (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Geräts zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, wobei das Gerät eine Elektronikeinheit mit zumindest einer optischen Schnittstelle aufweist, an welche ein faseroptischer Sensor angeschlossen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Elektronikeinheit sowie einen faseroptischen Sensor zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for operating a device for detecting a physical or chemical quantity, wherein the device has an electronic unit with at least one optical interface, to which a fiber-optic sensor is connected. Furthermore, the invention relates to an electronic unit and a fiber optic sensor for performing the method.

Faseroptische Sensoren eignen sich zur Messung verschiedener physikalischer oder chemischer Größen, insbesondere zur Messung der physikalischen Größe Temperatur. Für Anwendungen in der Prozessmesstechnik sowie in der Verfahrenstechnik sind häufig so genannte Multipoint-Thermometer interessant, bei denen mehrere Sensorelemente zur Temperaturmessung entlang derselben Faser eines faseroptischen Sensors angeordnet sind und so das gleichzeitige Messen der Temperatur an verschiedenen Stellen ermöglichen. Für eine nahezu beliebige Anzahl von Messstellen benötigt man nur einen faseroptischen Sensor mit einem Stecker, an welchen ein so genannter Transmitter, in der vorliegenden Anmeldung auch als Elektronikeinheit bezeichnet, angeschlossen wird, der zur Bestimmung der einzelnen Temperaturmesswerte durch optoelektronische Signalverarbeitung dient. Beispielsweise in einer prozesstechnischen Anlage können die so ermittelten Temperaturmesswerte mit Hilfe des Transmitters an eine übergeordnete Steuerung oder ein übergeordnetes Leitsystem weitergegeben und zur Regelung eines auf der Anlage ablaufenden Prozesses genutzt werden. Temperaturmessungen dieser Art werden beispielsweise an Reaktoren, Rohren, Kesseln, Tanks oder auch in Bohrlöchern, Tunneln oder Deichen benötigt. Beispielsweise aus der DE 10 2004 031 324 A1 ist ein faseroptischer Sensor bekannt, der zur Messung der Temperatur in einer prozesstechnischen Anlage geeignet ist. Fiber-optic sensors are suitable for measuring various physical or chemical quantities, in particular for measuring the physical quantity of temperature. For applications in process measurement technology as well as in process engineering, so-called multipoint thermometers are frequently of interest, in which several sensor elements for temperature measurement are arranged along the same fiber of a fiber-optic sensor and thus permit the simultaneous measurement of the temperature at different locations. For an almost arbitrary number of measuring points, only a fiber-optic sensor with a plug is needed, to which a so-called transmitter, also referred to as electronic unit in the present application, is connected, which serves to determine the individual temperature measured values by optoelectronic signal processing. For example, in a process engineering system, the temperature measured values determined in this way can be forwarded with the aid of the transmitter to a higher-level controller or a higher-level control system and used to control a process running on the system. Temperature measurements of this type are needed, for example, on reactors, pipes, boilers, tanks or even in boreholes, tunnels or dykes. For example, from the DE 10 2004 031 324 A1 a fiber optic sensor is known which is suitable for measuring the temperature in a process engineering plant.

Bei faseroptischen Sensoren mit so genannten Bragg-Gittern zur Erfassung der Temperaturen an den verschiedenen Stellen der Faser sind durch optische Belichtung an den gewünschten Stellen der Glasfaser Bragg-Gitter quasi „eingebrannt“. Jedes Bragg-Gitter stellt ein Sensorelement dar, mit dessen Hilfe „seine“ lokale Temperatur gemessen wird, indem es temperaturabhängig eine Wellenlänge des vom Transmitter in die Faser eingestrahlten Lichtes reflektiert. Im Transmitter wird die Wellenlänge des reflektierten Lichts genau bestimmt und über eine Kalibrationsgleichung auf die zugehörigen Temperaturwerte zurückgerechnet. Eine so genannte Grundwellenlänge gibt dabei die Wellenlänge des durch ein Sensorelement reflektierten Lichts bei einer Grundtemperatur von zum Beispiel 20 Grad Celsius an. Dadurch, dass jedes Sensorelement für eine andere Grundwellenlänge eingebrannt wird, kann der Transmitter im Prinzip eine beliebige Anzahl von Sensorelementen auslesen. Die Anzahl von Sensorelementen auf einem faseroptischen Sensor liegt in der Praxis häufig zwischen 5 und 30. Je nach Anwendungsfall können für die einzelnen Sensorelemente zusätzlich Grenzwellenlängen definiert sein, bei deren Überschreiten ein Alarm ausgelöst werden kann, durch welchen geeignete Maßnahmen zur Reaktion auf einen eventuellen Fehlerzustand in einer prozesstechnischen Anlage veranlasst werden können. Für jeden Sensor sind somit umfangreiche Kalibrier- und/oder Parametrierdaten erforderlich. In fiber-optic sensors with so-called Bragg gratings for detecting the temperatures at the various points of the fiber are by optical exposure at the desired locations of the glass fiber Bragg lattices virtually "burned". Each Bragg grating represents a sensor element with the aid of which "its" local temperature is measured by temperature-dependently reflecting a wavelength of the light radiated by the transmitter into the fiber. In the transmitter, the wavelength of the reflected light is precisely determined and calculated back to the associated temperature values via a calibration equation. A so-called fundamental wavelength indicates the wavelength of the light reflected by a sensor element at a basic temperature of, for example, 20 degrees Celsius. The fact that each sensor element is baked for a different fundamental wavelength, the transmitter can read in principle any number of sensor elements. In practice, the number of sensor elements on a fiber-optic sensor is often between 5 and 30. Depending on the application, limit wavelengths can additionally be defined for the individual sensor elements, above which an alarm can be triggered by which suitable measures are taken to respond to a possible fault condition can be arranged in a process engineering plant. Extensive calibration and / or parameterization data are therefore required for each sensor.

Elektronikeinheit und faseroptische Sensoren können getrennt voneinander hergestellt werden. Oft haben Elektronikeinheiten mehrere optische Schnittstellen, so dass mehrere faseroptische Sensoren an die Elektronikeinheit beispielsweise unter Verwendung eines internen optischen Multiplexers anschließbar sind. Bei Herstellern faseroptischer Sensoren wird häufig nach der Fertigung des Sensors eine Werkskalibrierung durchgeführt, wobei beispielsweise bei einem faseroptischen Sensor mit Bragg-Gittern für Temperaturmessungen unter anderem für die Sensorelemente die oben genannten Grundwellenlängen ermittelt und als Kalibrierdaten festgehalten werden. Wird durch den Hersteller mit dem faseroptischen Sensor beispielsweise ein Kalibrierdatenblatt mitgeliefert, so sind in diesem die Kalibrierdaten abgedruckt, zum Beispiel die oben genannten Grundwellenlängen sowie zusätzliche Koeffizienten von Kennlinienverläufen der Sensorelemente des faseroptischen Sensors, welche die zur Messung der Temperatur genutzte optische Eigenschaft des Sensors beschreiben. Damit eine Elektronikeinheit mit Hilfe eines angeschlossenen faseroptischen Sensors Messungen vornehmen kann, müssen die aktuelle Konfiguration des Geräts bestimmt und Kalibrierdaten des angeschlossenen Sensors oder der angeschlossenen Sensoren aufwendig in ein Programm, welches auf der Elektronikeinheit abläuft, eingegeben werden. Die Inbetriebnahme des Messgeräts erfordert somit eine aufwendige Anpassung des in der Elektronikeinheit ablaufenden Auswerteprogramms an die jeweils angeschlossenen faseroptischen Sensoren, wobei zudem ein gewisses Spezialwissen des Anwenders erforderlich ist. Die beschriebene Problematik tritt zum einen bei der Installationsphase auf, die oft nicht zeitgleich für die Elektronikeinheit und die Sensoren, die auch als Messlanzen bezeichnet werden, stattfindet. Häufig werden die beiden Komponenten auch räumlich nicht benachbart installiert. Zum anderen tritt das Problem bei einem Austausch einer Messlanze im späteren Betrieb auf, da zuvor eingegebene Kalibrierdaten der alten Lanze durch die Kalibrierdaten der neuen Lanze ersetzt werden müssen. Electronic unit and fiber optic sensors can be manufactured separately. Often electronics units have multiple optical interfaces so that multiple fiber optic sensors can be connected to the electronics unit using, for example, an internal optical multiplexer. Manufacturers of fiber optic sensors often factory calibration is performed after the manufacture of the sensor, wherein, for example, in a fiber optic sensor with Bragg gratings for temperature measurements, among other things for the sensor elements, the above fundamental wavelengths are determined and recorded as calibration data. If, for example, a calibration data sheet is supplied by the manufacturer with the fiber-optic sensor, then the calibration data are printed in it, for example the abovementioned fundamental wavelengths and additional coefficients of characteristic curves of the sensor elements of the fiber-optic sensor which describe the optical property of the sensor used for measuring the temperature , In order for an electronics unit to be able to make measurements with the aid of a connected fiber-optic sensor, the current configuration of the device must be determined and calibration data of the connected sensor or the connected sensors entered into a program that runs on the electronics unit. The commissioning of the measuring device thus requires a complex adaptation of the running in the electronic unit evaluation program to each connected fiber optic sensors, which also requires a certain special knowledge of the user. The problem described occurs on the one hand during the installation phase, which often does not take place at the same time for the electronic unit and the sensors, which are also referred to as measuring lances. Often, the two components are not installed spatially adjacent. On the other hand, the problem occurs when replacing a measuring lance in later operation, since previously entered calibration data of the old lance must be replaced by the calibration data of the new lance.

Der Betrieb von Messgeräten, welche auf der Basis faseroptischer Sensoren arbeiten, ist daher vergleichsweise aufwendig. The operation of measuring devices, which work on the basis of fiber optic sensors, is therefore relatively expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Geräts zu finden, durch welches die Inbetriebnahme des Geräts erleichtert und Fehlermöglichkeiten reduziert werden. Dabei handelt es sich um ein Gerät zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, welches auf der Basis zumindest eines faseroptischen Sensors arbeitet. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine Elektronikeinheit bzw. einen faseroptischen Sensor zu schaffen, die zur Verwendung in einem Gerät zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind. The invention has for its object to find a method for operating a device, which facilitates the commissioning of the device and possible errors are reduced. It is a device for detecting a physical or chemical quantity, which operates on the basis of at least one fiber optic sensor. Further objects are to provide an electronic unit or a fiber optic sensor which are suitable for use in a device for carrying out the method.

Zur Lösung der erstgenannten Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Die weiteren Aufgaben werden durch eine Elektronikeinheit gemäß Anspruch 8 bzw. einen faseroptischen Sensor gemäß Anspruch 9 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben. To solve the former object, the new method of the type mentioned in the features specified in claim 1. The further objects are achieved by an electronic unit according to claim 8 and a fiber optic sensor according to claim 9. In the dependent claims advantageous developments of the invention are described.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass nun durch eine Elektronikeinheit, beispielsweise bei der Inbetriebnahme eines Geräts, automatisch ermittelt werden kann, an welche optische Schnittstelle ein faseroptischer Sensor angeschlossen ist sowie um welchen Typ und/oder welches Exemplar des faseroptischen Sensors es sich dabei handelt. Somit wird eine automatische Bestimmung der Gerätekonfiguration erhalten, bei welcher vorteilhaft keine manuelle Eingabe durch Bediener erforderlich ist. Damit können Fehler bei der Bestimmung der Konfiguration nahezu ausgeschlossen werden, welche bei der bisherigen manuellen Eingabe durchaus vorkommen konnten. Die neue Betriebsweise des Geräts kann mit dem Schlagwort „Plug & Play“ umschrieben werden. The invention has the advantage that it can now be automatically determined by an electronic unit, for example when commissioning a device, to which optical interface a fiber optic sensor is connected as well as what type and / or which copy of the fiber optic sensor is involved. Thus, an automatic determination of the device configuration is obtained in which advantageously no manual input by the operator is required. This can almost eliminate errors in the determination of the configuration, which could well occur during the previous manual input. The new mode of operation of the device can be described by the keyword "Plug & Play".

Aufgrund des vorteilhaften Verfahrens können Elektronikeinheiten bei geringeren Anforderungen an einen Bediener als Einzelgeräte, das heißt getrennt von faseroptischen Sensoren, vertrieben und beim Anwender mit faseroptischen Sensoren weitgehend beliebigen Typs kombiniert werden, wobei diese natürlich ebenfalls für die Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ausgebildet sein müssen. Ebenso sind faseroptische Sensoren in einer Vielzahl verschiedener Typen jeweils als gesonderte Komponenten vertreibbar und können beim Anwender mit beliebigen, für die Durchführung des Betriebsverfahrens geeigneten Elektronikeinheiten kombiniert werden. In vorteilhafter Weise wird somit ein Baukastensystem für Geräte ermöglicht, deren Messprinzip auf der Verwendung faseroptischer Sensoren basiert. Zudem wird ein Reparaturservice oder eine Nachrüstung erleichtert, wenn zum Beispiel vorhandene Elektronikeinheiten gewartet oder ersetzt werden müssen. Gleiches gilt für eine Ergänzung oder einen Austausch von Messlanzen. Due to the advantageous method, electronic units can be distributed with fewer demands on an operator than individual devices, ie separate from fiber optic sensors, and combined with fiber optic sensors of virtually any type by the user, whereby these naturally also have to be designed for carrying out the operating method according to the invention. Likewise, fiber optic sensors in a variety of different types are each available as separate components and can be combined with the user with any suitable for the implementation of the operating method electronic units. Advantageously, therefore, a modular system for devices is possible whose measuring principle based on the use of fiber optic sensors. In addition, a repair service or retrofitting is facilitated if, for example, existing electronics units have to be serviced or replaced. The same applies to a supplement or an exchange of measuring lances.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet das optisch durch die Elektronikeinheit auslesbare Identifikationsmerkmal das Exemplar des jeweils angeschlossenen faseroptischen Sensors eindeutig. Damit können in Abhängigkeit des jeweils ausgelesenen Identifikationsmerkmals exemplarspezifisch vorbestimmte Kalibrierdaten dem Sensor zugeordnet und zur Erzielung einer verbesserten Messgenauigkeit des Geräts bei der Erfassung der physikalischen oder chemischen Größe verwendet werden. Damit kann nicht nur die Konfiguration des Gerätes automatisch erfasst werden, sondern es können zudem sensorspezifisch vorbestimmte Kalibrierdaten, welche bisher aufwendig manuell eingegeben werden mussten, nun automatisch durch ein entsprechendes, auf der Elektronikeinheit ablaufendes Programm eingelesen werden, damit diese in eine Auswertung zur genauen Bestimmung eines Messwerts der physikalischen oder chemischen Größe mittels des faseroptischen Sensors einbezogen werden können. Da somit bei der Inbetriebnahme eine geringere Anzahl von Daten manuell eingegeben werden muss, wird die Wahrscheinlichkeit fehlerhafter Eingaben geringer und gleichzeitig die Inbetriebnahme des Messgeräts weiter erleichtert. Die Konfiguration des Messgeräts, welches auf der Basis eines faseroptischen Sensors arbeitet, kann daher weitgehend automatisch erfolgen. Damit kann das Messgerät wie ein Feldgerät der Prozessinstrumentierung ausgeführt werden, das mit geringem Aufwand parametrierbar ist und wie beispielsweise ein herkömmlicher Temperaturmessumformer, der auf der Basis von Thermoelementen arbeitet, oder wie ein Druckmessumformer in ein Automatisierungsnetzwerk integriert werden kann. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the optically readable by the electronic unit identification feature uniquely identifies the copy of each connected fiber optic sensor. Thus, depending on the particular identification feature selected, specific calibration data can be assigned to the sensor and used to achieve an improved measuring accuracy of the device when detecting the physical or chemical quantity. Thus, not only the configuration of the device can be detected automatically, but it can also be sensor-specific predetermined calibration, which previously had to be manually entered consuming manually, now automatically read by a corresponding, running on the electronic unit program, so that they in an evaluation for accurate determination a physical or chemical quantity reading may be included by means of the fiber optic sensor. Since a smaller number of data has to be entered manually during commissioning, the probability of erroneous inputs is reduced and at the same time the commissioning of the measuring device is further facilitated. The configuration of the measuring device, which works on the basis of a fiber optic sensor, can therefore be largely automatic. Thus, the meter can be implemented as a field instrument of the process instrumentation, which can be parameterized with little effort and as for example a conventional temperature transducer, which works on the basis of thermocouples, or how a pressure transmitter can be integrated into an automation network.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird darin gesehen, dass die Elektronikeinheit zum Auslesen des optischen Identifikationsmerkmals Licht über den optischen Stecker in den faseroptischen Sensor einspeist und dabei durch den faseroptischen Sensor reflektiertes Licht auswertet, wobei für jede Bitstelle eines dem optischen Identifikationsmerkmal entsprechenden Digitalwerts ein vorbestimmter Wellenlängenbereich vorgesehen ist und ermittelt wird, ob eingestrahltes Licht in dem jeweiligen Wellenlängenbereich durch den faseroptischen Sensor reflektiert wird. Somit wird eine Art Binärcodierung auf der Basis eines Schwellwertvergleichs erhalten, der sich durch einen großen Signal-Rauschabstand und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. A particularly advantageous embodiment of the invention is seen in that the electronic unit for reading the optical identification feature feeds light via the optical connector into the fiber optic sensor and thereby evaluates reflected light by the fiber optic sensor, wherein for each bit position of a digital value corresponding to the optical identification feature a predetermined Wavelength range is provided and it is determined whether incident light in the respective wavelength range is reflected by the fiber optic sensor. Thus, a kind of binary coding is obtained on the basis of a threshold value comparison, which is characterized by a high signal-to-noise ratio and high reliability.

Eine Ausgestaltung des faseroptischen Sensors, bei welcher dieser zur Reflexion von Licht in den vorbestimmten Wellenlängenbereichen mit jeweils entsprechenden Bragg-Gittern versehen ist, hat den Vorteil, dass zur Herstellung des optischen Identifikationsmerkmals derselbe Fertigungsprozess angewendet werden kann, der schon bei der Herstellung von Sensorelementen mit Bragg-Gittern Verwendung findet und somit erprobt ist. Dadurch ist für die Herstellung eines faseroptischen Sensors kein zusätzlicher Fertigungsschritt für die Erzeugung des optischen Identifikationsmerkmals erforderlich. Die Herstellungskosten des Sensors werden durch das Anbringen des optischen Identifikationsmerkmals somit kaum erhöht. An embodiment of the fiber-optic sensor, in which this is provided for the reflection of light in the predetermined wavelength ranges, each with corresponding Bragg gratings, has the advantage that for the production of the optical Identification feature of the same manufacturing process can be used, which already finds use in the production of sensor elements with Bragg gratings and is thus tested. As a result, no additional production step for the production of the optical identification feature is required for the production of a fiber-optic sensor. The manufacturing costs of the sensor are thus hardly increased by the attachment of the optical identification feature.

Ergänzend können in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die für die Bitstellen vorgesehenen Wellenlängenbereiche im Spektralbereich des reflektierten Lichts aneinander gereiht sein. Dadurch können die Wellenlängenbereiche sehr eng gestaffelt werden und es muss nur ein vergleichsweise kleiner Wellenlängenbereich des gesamten verfügbaren Spektralbereichs für die Realisierung des optischen Identifikationsmerkmals in Form einer Binärcodierung reserviert werden. Daraus resultiert vorteilhaft ein geringer „Verbrauch“ an Messbandbreite im Spektralbereich des reflektierten Lichts. Für jedes Bit genügt dabei ein relativ schmaler Wellenlängenbereich und der Abstand zwischen den einzelnen Wellenlängenbereichen wird einheitlich so gewählt, dass die Elektronikeinheit je zwei benachbarte Wellenlängenbereiche, die unterschiedlichen Bitstellen zugeordnet sind, im Spektrum leicht differenzieren kann. In addition, in an advantageous development of the invention, the wavelength ranges provided for the bit positions can be lined up in the spectral range of the reflected light. As a result, the wavelength ranges can be staggered very closely and only a comparatively small wavelength range of the entire available spectral range has to be reserved for the realization of the optical identification feature in the form of a binary coding. This advantageously results in a low "consumption" of measuring bandwidth in the spectral range of the reflected light. For each bit, a relatively narrow wavelength range is sufficient and the distance between the individual wavelength ranges is uniformly selected so that the electronic unit can easily differentiate each two adjacent wavelength ranges which are assigned to different bit positions in the spectrum.

Die Differenzierbarkeit der den einzelnen Bitstellen zugeordneten Wellenlängenbereiche kann weiter erhöht werden, wenn die zur Realisierung des optischen Identifikationsmerkmals vorgesehenen Bragg-Gitter im faseroptischen Sensor thermisch gut miteinander gekoppelt sind. Dies ist beispielsweise erreichbar durch enge räumliche Nähe der Bragg-Gitter im Sensor und/oder durch zusätzliche thermische Kopplung, zum Beispiel durch Anbringung der Bragg-Gitter in einem Bereich der Messfaser, der sich in einem gut wärmeleitenden Metallzylinder eines Montagekopfes des Sensors befindet. The differentiability of the individual bit positions associated wavelength ranges can be further increased if the provided for the realization of the optical identification feature Bragg gratings are thermally coupled well together in the fiber optic sensor. This can be achieved, for example, by close spatial proximity of the Bragg gratings in the sensor and / or by additional thermal coupling, for example by mounting the Bragg gratings in a region of the measuring fiber which is located in a good heat-conducting metal cylinder of a mounting head of the sensor.

Wenn Bragg-Gitter zur Realisierung des optischen Identifikationsmerkmals genutzt werden, tritt bei diesen, ähnlich den Sensorelementen eines faseroptischen Temperatursensors auf der Basis von Bragg-Gittern, eine temperaturabhängige Verschiebung der jeweiligen Lage des Amplitudenmaximums des durch ein Bragg-Gitter reflektierten Lichts auf. Diese Verschiebung kann vorteilhaft zur Bestimmung der Temperatur am Ort des optischen Identifikationsmerkmals genutzt werden, so dass die Bragg-Gitter vorteilhaft eine Doppelfunktion erfüllen. When Bragg gratings are used for realizing the optical identification feature, similar to the sensor elements of a fiber-optic temperature sensor based on Bragg gratings, a temperature-dependent shift of the respective position of the amplitude maximum of the light reflected by a Bragg grating occurs. This shift can advantageously be used to determine the temperature at the location of the optical identification feature, so that the Bragg gratings advantageously fulfill a dual function.

Das Verfahren ist bevorzugt in Software oder in einer Kombination Soft-/Hardware implementiert, so dass die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des oben skizzierten und nachfolgend beschriebenen Verfahrens betrifft. In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, insbesondere einen Datenträger oder ein Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren derartigen Computerprogramm. Ein solches Computerprogramm ist bevorzugt Bestandteil der Elektronikeinheit oder wird in einem Speicher der Elektronikeinheit vorgehalten oder ist in diesen Speicher ladbar, so dass beim Betrieb des Geräts dessen Konfiguration nach dem Verfahren automatisch bestimmt wird. The method is preferably implemented in software or in a combination of software / hardware, so that the invention also relates to a computer program with computer-executable program code instructions for implementing the method outlined above and described below. In this context, the invention also relates to a computer program product, in particular a data carrier or a storage medium, with a computer program executable by a computer. Such a computer program is preferably part of the electronic unit or is kept in a memory of the electronic unit or can be loaded into this memory, so that during operation of the device its configuration is automatically determined by the method.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.

Es zeigen: Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Messgeräts, 1 a block diagram of a measuring device,

2 eine Prinzipdarstellung eines faseroptischen Sensors und 2 a schematic diagram of a fiber optic sensor and

3 eine schematische Aufteilung des Spektrums des durch einen faseroptischen Sensor reflektierten Lichts. 3 a schematic division of the spectrum of the light reflected by a fiber optic sensor.

Ein Messgerät 1 zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe ist gemäß 1 modular aufgebaut und umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Elektronikeinheit 2, welche drei optische Anschlüsse 3a, 3b und 3c aufweist, die zum Anschluss faseroptischer Sensoren unterschiedlichen Typs geeignet sind. Lediglich an den Anschluss 3a ist in dem dargestellten Beispiel ein faseroptischer Sensor 4 angeschlossen, der beispielsweise zur Messung von Temperaturen an verschiedenen Stellen in einem Reaktor dient. Der faseroptische Sensor 4 ist mit einem optischen Identifikationsmerkmal 8 ausgestattet, welches sich in einem Metallzylinder 5 befindet, der als Handstück zur Erleichterung der Montage des faseroptischen Sensors 4 ausgebildet ist. Über einen Feldbus 6 ist das Gerät 1 in ein Automatisierungsnetzwerk einer prozesstechnischen Anlage integriert. Zur Erleichterung bei der Inbetriebnahme des Geräts 1 wird bei Beginn seines Betriebs durch die Elektronikeinheit 2 die jeweilige Konfiguration des Geräts 1 automatisch erfasst. Dazu ermittelt die Elektronikeinheit 2, an welche der optischen Schnittstellen 3a, 3b und 3c ein faseroptischer Sensor angeschlossen ist sowie um welchen Typ und welches Exemplar des faseroptischen Sensors es sich dabei handelt. Beispielsweise anhand des an den optischen Schnittstellen 3a, 3b und 3c reflektierten Lichts wird festgestellt, dass ein faseroptischer Sensor, nämlich der Sensor 4, lediglich an die optische Schnittstelle 3a angeschlossen ist. Weiterhin wird durch Auslesen des optischen Identifikationsmerkmals 8 des Sensors 4 über die optische Schnittstelle 3a das Exemplar des faseroptischen Sensors 4 ermittelt. Die Kenntnis des Exemplars wird nun dazu genutzt, dem faseroptischen Sensor 4 exemplarspezifische Kalibrierdaten zuzuordnen, die beispielsweise beim Hersteller des faseroptischen Sensors 4 in einer Werkskalibrierung ermittelt, in einer Datenbank des Herstellers als Datensatz hinterlegt und über das Automatisierungsnetzwerk und eventuell das Internet in einen elektronischen Speicher 7 der Elektronikeinheit 2 heruntergeladen werden. Eine aufwendige und eventuell fehlerbehaftete manuelle Eingabe von Kalibrierdaten ist in vorteilhafter Weise nicht mehr erforderlich. Handelt es sich bei dem faseroptischen Sensor 4 um einen Sensor, der auf der Basis von Bragg-Gittern arbeitet, so wird ein Teil der Kalibrierdaten in eine Kalibrationsgleichung, zum Beispiel ein Polynom, eingesetzt, mit welcher die Wellenlängen des an den Bragg-Gittern reflektierten Lichts auf die an den jeweiligen Stellen gemessenen Temperaturen zur Verbesserung der Messgenauigkeit umgerechnet werden. Die so ermittelten Messwerte werden durch das Gerät 2 über den Feldbus 6 in einer prozesstechnischen Anlage beispielsweise an eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine Leitstation zur weiteren Verwendung ausgegeben. A measuring device 1 for detecting a physical or chemical quantity is according to 1 modular and includes in the embodiment shown an electronic unit 2 which have three optical connectors 3a . 3b and 3c which are suitable for connection of fiber optic sensors of different types. Only to the connection 3a is a fiber optic sensor in the example shown 4 connected, which serves for example for measuring temperatures at different locations in a reactor. The fiber optic sensor 4 is with an optical identification feature 8th equipped, which is in a metal cylinder 5 located as a handpiece to facilitate the assembly of the fiber optic sensor 4 is trained. Via a fieldbus 6 is the device 1 integrated into an automation network of a process plant. To facilitate the commissioning of the device 1 is at the beginning of its operation by the electronics unit 2 the configuration of the device 1 automatically detected. The electronic unit determines this 2 to which of the optical interfaces 3a . 3b and 3c a fiber optic sensor is connected as well as what type and which copy of the fiber optic sensor it is. For example, on the basis of the optical interfaces 3a . 3b and 3c reflected light is found to be a fiber optic sensor, namely the sensor 4 , only to the optical interface 3a connected. Furthermore, by reading the optical identification feature 8th of the sensor 4 about the optical interface 3a the copy of the fiber optic sensor 4 determined. The knowledge of the specimen is now used to the fiber optic sensor 4 Assign copy-specific calibration data, for example, the manufacturer of the fiber optic sensor 4 determined in a factory calibration, stored in a database of the manufacturer as a record and the automation network and possibly the Internet in an electronic memory 7 the electronics unit 2 be downloaded. A complex and possibly faulty manual input of calibration data is no longer required in an advantageous manner. Is it the fiber optic sensor 4 around a sensor, which works on the basis of Bragg gratings, a part of the calibration data is used in a calibration equation, for example a polynomial, with which the wavelengths of the light reflected at the Bragg gratings on the measured at the respective locations Temperatures are converted to improve the measurement accuracy. The measured values thus determined are determined by the device 2 over the fieldbus 6 issued in a process engineering plant, for example, to a programmable logic controller or a control station for further use.

2 zeigt ein Beispiel eines möglichen Aufbaus eines faseroptischen Sensors 20, der auf der Basis von Bragg-Gittern 21a, 21b, 21c ... 21x als Sensorelemente arbeitet. Die Wellenlängen des jeweils an den Bragg-Gittern 21a ... 21x reflektierten Lichts werden zur Ermittlung beispielsweise von Temperaturmesswerten ausgewertet. Der faseroptische Sensor 20 ist ergänzt um Bragg-Gitter 22a, 22b ... 22y, die als optisches Identifikationsmerkmal 26 des faseroptischen Sensors 20 genutzt werden. Diese sind in räumlicher Nähe zueinander und gut thermisch miteinander gekoppelt in einem Metallzylinder 23 mit Montagevorrichtung 24 angeordnet. Wie anhand 3 später noch näher erläutert wird, ist mittels der Bragg-Gitter 22a ... 22y eine exemplarspezifische Kennung des faseroptischen Sensors 20 eingeschrieben, welche automatisch auslesbar ist, wenn der Sensor 20 mittels eines Lichtwellenleitersteckverbinders 25 an eine in 2 nicht dargestellte Elektronikeinheit angeschlossen ist. Die Codierung erfolgt amplitudenmoduliert. Das heißt, für den Wert 1 ist zur Reflexion von Licht in einem vorbestimmten, der jeweiligen Bitposition zugeordneten Wellenlängenbereich eines der Bragg-Gitter 22a ... 22y eingebrannt, andernfalls, das heißt bei dem Wert 0 des Bits, ist kein entsprechendes Bragg-Gitter vorhanden. Es ist also jeder Bitstelle eines dem optischen Identifikationsmerkmal 26 entsprechenden Digitalwerts ein vorbestimmter Wellenlängenbereich im Spektrum des reflektierten Lichts zugeordnet. Wenn eingestrahltes Licht in dem einer Bitstelle zugeordneten Wellenlängenbereich reflektiert wird, wird dies beispielsweise als Wert 1, wenn kein Licht reflektiert wird, als der komplementäre Wert, in dem Beispiel als Wert 0, interpretiert. 2 shows an example of a possible structure of a fiber optic sensor 20 based on Bragg grids 21a . 21b . 21c ... 21x works as sensor elements. The wavelengths of each at the Bragg gratings 21a ... 21x Reflected light are evaluated to determine, for example, temperature readings. The fiber optic sensor 20 is supplemented by Bragg grating 22a . 22b ... 22y as an optical identification feature 26 of the fiber optic sensor 20 be used. These are in close proximity to each other and well thermally coupled together in a metal cylinder 23 with mounting device 24 arranged. As based on 3 will be explained later, is by means of the Bragg gratings 22a ... 22y a copy-specific identifier of the fiber optic sensor 20 inscribed, which is automatically readable when the sensor 20 by means of an optical fiber connector 25 to an in 2 not shown electronic unit is connected. The coding is amplitude modulated. That is, for the value 1, one of the Bragg gratings is for reflection of light in a predetermined wavelength range associated with the respective bit position 22a ... 22y otherwise, that is, at the value 0 of the bit, there is no corresponding Bragg grating. So it is every bit location of the optical identification feature 26 corresponding digital value assigned to a predetermined wavelength range in the spectrum of the reflected light. When incident light is reflected in the wavelength range associated with a bit position, this is interpreted, for example, as value 1 when no light is reflected, as the complementary value, in the example as value 0.

3 zeigt eine mögliche Aufteilung des Spektrums reflektierten Lichts in einen Wellenlängenbereich 30, der für ein optisches Identifikationsmerkmal 36 eines faseroptischen Sensors vorgesehen ist, sowie einen Wellenlängenbereich 31 für das an Sensorelementen reflektierte Licht, dessen Wellenlängen als Messwellenlängen bezeichnet werden. Die jeweilige Lichtstärke I ist qualitativ auf der Ordinate, die Wellenlänge λ in nm (Nanometer) auf der Abszisse aufgetragen. Ein vergleichsweise kleiner Spektralbereich, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit Wellenlängen zwischen 1.500 nm und 1.505 nm des gesamten verfügbaren Spektralbereichs, ist als Wellenlängenbereich 30 für die Codierung eines Digitalwerts und damit für das optische Identifikationsmerkmal 36 reserviert. Beispielsweise wird einem Wellenlängenbereich zwischen 1.500 nm und 1.500,25 nm eine Intensität des an dem Bragg-Gitter 22a (2) reflektierten Lichts gemessen, die durch einen Balken 32 im Diagramm qualitativ angedeutet ist. Da die Intensität in diesem Wellenlängenbereich einen Schwellwert I₀ überschreitet, wird der Wert 1 für das Bit der diesem Wellenlängenbereich zugeordneten Bitstelle im Digitalwert ermittelt. In entsprechender Weise werden auch für die weiteren Bitstellen die in 3 eingetragenen Werte 0 und 1 bestimmt. Damit wird der Digitalwert „1100101000111010011“ in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Kennung für das Exemplar eines faseroptischen Sensors erhalten. In dem Diagramm gemäß 3 sind zudem Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ_N als Beispiele für an Sensorelementen reflektiertes Licht eingezeichnet. Die Mittenwellenlänge ist jeweils temperaturabhängig, so dass aus dieser auf die Temperaturen an den Orten der entsprechenden Bragg-Gitter, an welchen das Licht der Wellenlänge λ₁, λ₂ bzw. λ_N reflektiert wird, geschlossen werden kann. Der für die Messwellenlängen reservierte Wellenlängenbereich 31 ist vergleichsweise groß und umfasst einen Bereich von etwa 1.506 nm bis 1.600 nm. Durch Doppelpfeile 33, 34 und 35 ist der jeweilige Bereich angedeutet, innerhalb dessen sich die Lage der Wellenlängen λ₁, λ₂ bzw. λ_N aufgrund ihrer Temperaturabhängigkeiten verschieben können. 3 shows a possible division of the spectrum of reflected light into a wavelength range 30 which is an optical identification feature 36 a fiber optic sensor is provided, as well as a wavelength range 31 for the light reflected at sensor elements whose wavelengths are referred to as measuring wavelengths. The respective intensity I is qualitatively plotted on the ordinate, the wavelength λ in nm (nanometers) on the abscissa. A comparatively small spectral range, in the embodiment shown with wavelengths between 1,500 nm and 1,505 nm of the total available spectral range, is as the wavelength range 30 for the coding of a digital value and thus for the optical identification feature 36 reserved. For example, a wavelength range between 1,500 nm and 1,500.25 nm becomes an intensity of the Bragg grating 22a ( 2 ) reflected light, measured by a bar 32 is qualitatively indicated in the diagram. Since the intensity in this wavelength range exceeds a threshold value I ₀ , the value 1 for the bit of the bit position assigned to this wavelength range is determined in the digital value. In the same way, the additional bit positions in 3 entered values 0 and 1. Thus, the digital value "1100101000111010011" is obtained in the embodiment shown as an identifier for the copy of a fiber optic sensor. In the diagram according to 3 In addition, wavelengths λ ₁ , λ ₂ and λ _{N are shown} as examples of light reflected at sensor elements. The center wavelength is in each case temperature-dependent, so that it can be concluded from this of the temperatures at the locations of the corresponding Bragg gratings, at which the light of the wavelength λ ₁ , λ ₂ or λ _{N is} reflected. The wavelength range reserved for the measurement wavelengths 31 is comparatively large and covers a range of about 1,506 nm to 1,600 nm. By double arrows 33 . 34 and 35 is the respective area indicated, within which the position of the wavelengths λ ₁ , λ ₂ and λ _N can shift due to their temperature dependencies.

Da die für die einzelnen Bitstellen vorgesehenen Wellenlängenbereiche im Spektralbereich des reflektierten Lichts aneinandergereiht sind, können die einzelnen Bereiche vergleichsweise schmal gewählt werden und sind dennoch im Spektrum leicht durch eine optische Signalverarbeitung in einer Elektronikeinheit differenzierbar. Dabei wirkt es sich günstig aus, wenn die den einzelnen Bitstellen zugeordneten Bragg-Gitter räumlich nahe beieinander im faseroptischen Sensor angeordnet sind und thermisch miteinander gekoppelt sind. Bei Temperaturvariationen hat dies den Vorteil, dass sich die Mittenwellenlängen des an den einzelnen Bragg-Gittern reflektierten Lichts in derselben Richtung verschieben und keine Überlappung von Wellenlängenbereichen auftritt. Mit einem einfachen Algorithmus in der Elektronikeinheit kann bei Bedarf ein Nachführen der den einzelnen Bitstellen zugeordneten Wellenlängenbereiche bei Temperaturänderungen realisiert und eine stabile Bitzuordnung erreicht werden. Aus einer exakten Bestimmung der Wellenlängenverschiebung des einer Bitstelle zugeordneten Wellenlängenbereichs im Spektralbereich des reflektierten Lichts kann zudem auf die Temperatur am Ort des der jeweiligen Bitstelle zugeordneten Bragg-Gitters geschlossen werden. Since the wavelength ranges provided for the individual bit positions are lined up in the spectral range of the reflected light, the individual ranges can be selected to be comparatively narrow and can nevertheless be easily differentiated in the spectrum by optical signal processing in an electronic unit. It has a favorable effect if the Bragg gratings assigned to the individual bit positions are arranged spatially close to one another in the fiber-optic sensor and are thermally coupled to one another. With temperature variations, this has the advantage that the center wavelengths of the at the individual Bragg gratings shift reflected light in the same direction and no overlap of wavelength ranges occurs. With a simple algorithm in the electronics unit, tracking of the wavelength ranges assigned to the individual bit positions can be realized if necessary, and stable bit allocation can be achieved if required. From an exact determination of the wavelength shift of the wavelength range assigned to a bit position in the spectral range of the reflected light, it is also possible to deduce the temperature at the location of the Bragg grating assigned to the respective bit position.

Im Folgenden werden noch einmal kurz die erzielten Vorteile zusammengefasst:

– Eindeutige Kennzeichnung von Typ und/oder Exemplar faseroptischer Sensoren,
– beispielsweise Datenwort als optisches Identifikationsmerkmal optisch auslesbar und mittels optoelektronischer Signalverarbeitung einfach und zuverlässig bestimmbar,
– räumlich benachbarte Anordnung von Bragg-Gittern zur Realisierung des optischen Identifikationsmerkmals ermöglicht eng benachbarte Wellenlängenbereiche für die einzelnen Bitstellen,
– optisches Identifikationsmerkmal kann zusätzlich als Sensorelement zur Temperaturmessung genutzt werden,
– Identifikation des jeweiligen Sensors erlaubt automatische, fehlerfreie Hinterlegungen von Parametern und/oder Kalibrierdaten des jeweils angeschlossenen Sensors in einem elektronischen Speicher der Elektronikeinheit.

The advantages summarized below are briefly summarized below:

- clear identification of type and / or specimen of fiber optic sensors,
For example, the data word can be optically read out as an optical identification feature and can be determined simply and reliably by means of optoelectronic signal processing.
Spatially adjacent arrangement of Bragg gratings for realizing the optical identification feature allows closely adjacent wavelength ranges for the individual bit positions,
- optical identification feature can also be used as a sensor element for temperature measurement,
- Identification of the respective sensor allows automatic, error-free deposits of parameters and / or calibration data of each connected sensor in an electronic memory of the electronic unit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004031324 A1 [0002]

Claims

Method for operating a device ( 1 ) for detecting a physical or chemical quantity, the device ( 1 ) an electronics unit with at least one optical interface ( 3a ) to which a fiber optic sensor ( 4 ) and to determine the configuration of the device ( 1 ) through the electronics unit ( 2 ) an optical identification feature ( 8th . 26 ) of the fiber optic sensor ( 4 . 20 ) via the optical interface ( 3a ) is read out.

Method according to claim 1, characterized in that the optical identification feature ( 8th . 26 ) the copy of the respectively connected fiber optic sensor ( 4 . 20 ) and that, depending on the identification feature ( 8th . 26 ) copy specific predetermined calibration data to the respectively connected fiber optic sensor ( 4 . 20 ) and to improve the measurement accuracy of the device ( 1 ) are at least partially used in the detection of the physical or chemical quantity.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the electronic unit ( 2 ) for reading the optical identification feature ( 8th . 26 ) through the fiber optic sensor ( 4 . 20 ) evaluates reflected light, wherein for each bit position of the optical identification feature ( 8th . 26 ) corresponding to the digital value, a predetermined wavelength range is provided and it is determined whether incident light is reflected in the respective wavelength range.

A method according to claim 3, characterized in that the wavelength ranges provided for the bit positions are lined up in the spectral range of the reflected light.

Method according to Claim 3 or 4, characterized in that the fiber-optic sensor ( 4 . 20 ) for the reflection of light in the predetermined wavelength ranges, each with corresponding Bragg gratings ( 22a . 22b ... 22y ) is provided.

A method according to claim 5, characterized in that the for the realization of the optical identification feature ( 8th . 26 ) Bragg gratings ( 22a . 22b ... 22y ) are thermally coupled with each other well.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that in the spectral range, a shift of the position of the amplitude maximum of a Bragg grating ( 22a . 22b ... 22y ) reflected light is evaluated for temperature determination.

Electronic unit for carrying out a method for operating a device ( 1 ) for detecting a physical or chemical quantity according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic unit ( 2 ) at least one optical interface ( 3a . 3b . 3c ) to which a fiber optic sensor ( 4 . 20 ) equipped with an optical identification feature ( 8th . 26 ), is connectable, and that the electronics unit ( 2 ) is designed to determine the configuration of the device ( 2 ) the optical identification feature ( 8th . 26 ) of a connected fiber optic sensor ( 4 . 20 ) to identify it.

Fiber optic sensor for carrying out a method for operating a device ( 1 ) for detecting a physical or chemical quantity according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the fiber optic sensor ( 4 . 20 ) to an optical interface ( 3a . 3b . 3c ) of an electronic unit ( 2 ) and an optical identification feature ( 8th . 26 ), wherein the optical identification feature ( 8th . 26 ) to the optical interface ( 3a ) of the electronics unit ( 2 ) connected fiber optic sensor ( 4 . 20 ) through the electronics unit ( 2 ) via the optical interface ( 3a ) for determining the configuration of the device ( 1 ) is readable.

Computer program with computer executable program code instructions for implementing the method according to one of claims 1 to 7, when the computer program is executed on a computer.

Computer program product, in particular data carrier or storage medium, having a computer-executable computer program according to claim 10.