<Desc/Clms Page number 1>
Meetinrichting met optische vezelsensoren.
De uitvinding heeft betrekking op een meetinrichting met optische vezelsensoren voor het meten van fysische parameters, welke inrichting een vertakte struktuur bevat met een hoofd-optische vezelleiding en een aantal vertakkingen daarvan, op het einde van elke vertakking een optische vezelsensor van het amplitude modulatietype, een zendeenheid voor het sturen van optische signalen naar de sensoren en een kontrole-eenheid voor het behandelen van de terug van de sensoren ontvangen optische signalen, welke sensoren op verschillende afstanden van ten minste een van deze eenheden gelegen zijn zodat de signalen die de kontrole-eenheid van de sensoren terug ontvangt met verschillende vertragingen ontvangen worden en zo te onderscheiden zijn.
In meetinrichtingen van deze soort wordt een lichtpuls over de hoofdoptische vezelleiding en de verschillende
<Desc/Clms Page number 2>
vertakkingen daarvan gestuurd naar de verschillende optische sensoren die op verschillende afstanden van elkaar in de omgeving opgesteld zijn. Deze sensoren zijn reflektieve of transmissieve sensoren. Het uitgaande signaal, dit is het weerkaatste signaal in het eerste geval en het doorgelaten signaal in het tweede geval is gemoduleerd in amplitude in funktie van een fysische parameter, bij voorbeeld een druk of een temperatuur. De teruggezonden pulsen komen als een trein met verschillende vertragingen en verschillend amplitude tot in de kontrole-eenheid die bij voorbeeld deze signalen door een fotodiode omzet in elektrische signalen die dan gedemultiplexeerd worden.
Deze meetinrichtingen bieden, zoals trouwens alle meetinrichtingen met optische vezelsensoren ten opzichte van de niet-optische meetinrichtingen het voordeel van een beperkte bedrading, het uitsluiten van elektro-magnetische interferenties, explosieveiligheid, grote gevoeligheid, lichtgewicht en aanpassingsmogelijkheid aan speciale sensoruitvoeringen. Verder hebben ze geen voedingsbron ter plaatse nodig en geven ze geen elektro-magnetische straling.
In het algemeen vergt de hiervoor genoemde meetinrichting die uitsluitend werkt op het principe van tijdsdivisie
<Desc/Clms Page number 3>
multiplexering evenwel een relatief dure elektronika. Zo is onder meer een optische tijdsdomein reflektometer noodzakelijk die relatief duur is. Verder is het met deze bekende meetinrichtingen moeilijk lijnfouten uit te schakelen.
Deze uitvinding heeft tot doel dit nadeel te verhelpen en een meetinrichting met optische* vezelsensoren te verschaffen die relatief goedkoop is en waarmee gemakkelijk meetfouten ten gevolge van defekten in de optische leidingen of het beinvloeden van deze leidingen kunnen vermeden worden.
Tot dit doel bezit de zendeenheid een amplitude modulatie frequentiedivisie-multiplexeerinrichting zodat het naar de sensoren gezonden signaal multifrequent amplitude gemoduleerd is en de door de kontrole-eenheid terug ontvangen signalen door de zendeenheid en door de sensor gemoduleerd zijn, terwijl de kontrole-eenheid middelen bevat om de laatstgenoemde signalen te demoduleren.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat elke sensor een eigenlijk sensorelement, een referentie-sensorelement en een koppelaar die de inkomende signalen verdeelt over de twee sensorelementen, waarbij de twee sensorelementen verschillende lengtes hebben en de
<Desc/Clms Page number 4>
signalen met verschillende vertragingen terugsturen en de kontrole-eenheid middelen bevat om de amplitude modulatie afkomstig van iedere sensor met zijn eigen vertraging te isoleren door de aanwezigheid van meerdere amplitude modulaties elk verschillend in frequentie.
Uiterst belangrijk in de zendeenheid van de kontrole-eenheid is de amplitude en de startfase van de verschillende frequentiekomponenten die de amplitude modulatie doet van het optisch vermogen.
Hiervoor is een speciale procedure voorzien om het lineair domein van de lichtbron (LED of laserzenderdiode) te garanderen door een optimalisatie (minimalisatie) van de CREST-faktor dit is de verhouding piekwaarde tot RMS waarde. In de kontrole-eenheid moeten dan ook middelen aanwezig zijn om rekening te houden met deze speciale modulatietoestand (amplitude en fase) met inbegrip van verandering ervan om rekening te houden met de CREST-faktor in de ontvangkringen.
In een uitvoeringsvorm van de uitvinding zijn de sensoren transmissieve sensoren.
In een bij voorkeur toegepaste uitvoeringsvorm van de uitvinding bevat ze meerdere vertakte strukturen, elk
<Desc/Clms Page number 5>
aangesloten op een kontrole-eenheid en zijn al deze kontrole-eenheden zelf aangesloten op een optische vezel ringarchitektuur.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hierna volgende beschrijving van een meetinrichting met optische vezelsensoren volgens de uitvinding ; deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet ; de verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde tekeningen waarin :
Figuur 1 een blokschema voorstelt van een meetin- inrichting met optische vezelsensoren volgens de uitvinding, figuur 2 een meer gedetailleerd blokschema voorstelt van een kontrole-eenheid uit figuur 1, figuur 3 een schematisch gehouden voorstelling is van een sensor uit de meetinrichting uit figuur l, en figuur 4 een schematisch gehouden voorstelling is analoog aan deze uit figuur 3 maar met betrekking op een andere uitvoeringsvorm van de sensor.
In de verschillende figuren hebben dezelfde verwijzingscijfers betrekking op dezelfde elementen.
<Desc/Clms Page number 6>
De meetinrichting volgens figuur 1 bevat een aantal vertakte strukturen 1, 2 die in parallel met elkaar elk over een kontrole-eenheid 3 aangesloten zijn op een optische vezelring-architektuur 4 waarop een verwerkingseenheid 5 aangesloten is.
In figuur 1 zijn drie vertakte strukturen 1, 2 voorgesteld maar het is evident dat elk ander aantal mogelijk is.
Elke vertakte struktuur 1, 2 bestaat uit een hoofdoptische vezelleiding 1 en vier vertakkingen 2. Op het einde van elke vertakking is een optische vezeldruksensor van het amplitude modulatietype 6 aangesloten.
De in de figuur 1 voorgestelde vertakte strukturen bevatten vier vertakkingen 2 maar het is duidelijk dat de strukturen een ander aantal vertakkingen 2 kunnen bezitten en ook onderling een verschillend aantal kunnen bezitten.
Op elke vertakking is evenwel een sensor 6 aangesloten.
Het maximum aantal sensoren per struktuur is meestal beperkt tot acht.
De sensoren 6 zijn van het transmissieve type. Zoals vooral blijkt uit figuur 3 bevat elke sensor een eigenlijk drukgevoelig sensorelement 7, een referentie-sensorelement
8, een eerste koppelaar 9 die het optische signaal dat
<Desc/Clms Page number 7>
binnenkomt via de optische vezel 10 van een vertakking 2 verdeelt via twee vezels 35 en 36 over de twee sensorelementen 7 en 8, en een tweede koppelaar 11 die de doorgelaten optische signalen van deze sensorelementen 7 en 8 koppelt en door een tweede vezel 12 van de vertakking terugstuurt.
Het sensorelement 7 bevat een zogenaamde "micro-bending" transducer. In deze transducer is de optische vezel 13 omgeven door een mantel 14 en opgesteld tussen twee getande platen 15. Naarmate de druk groter of kleiner is zullen de platen 15 sterker of minder sterk naar elkaar geduwd worden en meer of minder sterke micro-buigingen van de beklede vezel 13 veroorzaken. Daardoor wordt meer of minder licht van de vezel 13 verspreid in de mantel 14. De hoeveelheid doorgelaten licht dat via de vezel 37, de koppelaar 11 en de vezel 12 naar de kontrole-eenheid 3 gaat is dus een maat voor de druk.
Het referentie-sensorelement 8 bestaat uit een lange opgerolde optische vezel van een vijftal meter die met een einde over de vezel 36 aansluit op de koppelaar 9 en met zijn andere uiteinde over de vezel 18 op de koppelaar 11.
Het optische signaal wordt onder vorm van een frequentie-divisiemultiplex signaal naar de verschillende sensoren 6 van een vertakte struktuur 1, 2 gestuurd door
<Desc/Clms Page number 8>
een zendeenheid 20, 21 die zoals voorgesteld in de figuren 1 en 2, een elektrisch-optische omzetter, bij voorbeeld een laserdiode 21 bevat en daarop aangesloten een frequentie-divisiemultiplexeerinrichting 20. Deze zendeenheid 20, 21 is in dezelfde behuizing 22 gemonteerd als de overeenstemmende kontrole-eenheid 3.
Zoals vooral blijkt uit figuur 2 bevat deze kontrole-eenheid 3 een optisch-elektrische omzetter of detector 23 die de door de transmissieve sensoren 6 doorgelaten intensiteitsgemoduleerde signalen ontvangt en omzet. Deze signalen worden verder versterkt in de versterker 24 en naar de menger 25 gestuurd waar ook de frequentie gemoduleerde signalen van de zendeenheid 20,21 toekomen om te kunnen vergeleken worden met de van de sensoren 6 ontvangen signalen. Vandaar worden de elektrische signalen over een laag-doorlaatfilter 26 naar een analoog-digitaal omvormer 27 gestuurd. Een synthesizer 28 stuurt elektrische signalen naar de menger 25 en naar de elektrisch optische omzetter of lichtbron 21. Een mikro-processor 29 bestuurt de synthesizer 28 en behandelt de signalen van de analoog digitaal omvormer 27.
De microprocessoren 29 van de verschillende kontrole-eenheden 3 staan over een elektrisch-optische omvormer 30 in verbinding met de optische vezelkring 4.
<Desc/Clms Page number 9>
Alle signalen worden uiteindelijk via de optisch-elektrische omvormer 31 naar de verwerkingseenheid 5 of het werkstation gestuurd dat de signalen analyseert en die dan de drukken gemeten door de verschillende sensoren 6 weergeeft en verwerkt.
Doordat in elke vertakte struktuur 1 de afstand van de optische vezelleiding tussen de zendeenheid 20, 21 en de kontrole-eenheid 3, enerzijds, en de verschillende sensoren 6, anderzijds, verschillend is, komen de door de sensoren 6 teruggekaatste optische signalen ook met verschillende vertragingen terug toe in de kontrole-eenheid 3. Ook de teruggestuurde signalen van de referentie-sensorelementen 8 hebben een vertraging ten opzichte van de teruggestuurde signalen van de overeenstemmende eigenlijke sensorelementen 7. Doordat de optische signalen gestuurd door de zendeenheden 20, 21 in frequentie gemoduleerd zijn, kunnen de signalen van de referentiesensorelementen 8 herkend worden.
Met de hiervoor beschreven inrichting zijn de sensoren 6 bedradingsongevoelig. Men kan invloeden op het meetresultaat van invloeden op de bedrading of defekten in de bedrading uitschakelen. Het volstaat hiertoe twee metingen, hetzij gelijktijdig hetzij opeenvolgend, te verrichten van de transmissie-co ffici nt aan het einde
<Desc/Clms Page number 10>
van een vertakking 2 waarop een sensor 6 aansluit, met verschillende amplitude gemoduleerde lichtsignalen op verschillende frequenties fl en f2. fl kan bij voorbeeld 2 MHz en f2 3 MHz zijn.
Als Rl de te meten transmissie co ffici nt voorstelt van het eigenlijke sensorelement 7 en R2 de transmissie-co ffici nt van het referentie-sensorelement 8, A de attenuatie van de bedradingsvezel en Tl en T2 de looptijden tussen de zendereenheid 20, 21 en deze sensorelementen 7 en 8, en Ll en L2 de lengtes voorstellen tussen de zendeenheid 20, 21 en respektievelijk deze sensorelementen 7 en 8, dan zijn de twee te verrichten metingen Ml en M2 uit te drukken als volgt :
- j 2 # f1T1 -j2# f1T2 -j2# flt Ml (fl) = (AR1 e + AR2 e) e - j211ff2Tl-j2Tf2T2 j21Tf2t M2 (f2) = (AR1 e + AR2 e) e Door synchrone detectie of door spectrale analyse via digitalisatie en Fourier transformatie wordt het regele deel van de transmissie-cogffici nten RMI en RM2 verkregen :
<Desc/Clms Page number 11>
RM1 = AR1 cos 2flT1 + AR2 cos 21fflT2 RM2 = AR1 cos 2lff2T1 + AR2 cos 21rf2T2 Door gebruik te maken van kennis van de lengtes Ll en L2 die equivalent zijn met de vertragingen Tl en T2, of door twee redundante metingen op frequenties f3 en f4 te verrichten, worden de cosinustermen berekend- en door matrix inversie of gelijkaardige matrix behandeling worden de onbekende transmissie-co ffici nten AR1 en AR2 bepaald.
Bij verandering van de attenuatie A van de bedradingsvezel, bij voorbeeld door veroudering of defekten, veranderen de metingen van de transmissie-co ffici nten AR1 en AR2 evenredig. De te meten transmissie-co ffici nt Rl van het eigenlijke sensorelement 7, verkregen door deling van AR1 door AR2 wordt hierdoor niet gewijzigd zodat de meting van Rl korrekt blijft.
Indien de transmissie van het sensorelement 7 door de temperatuur gewijzigd wordt geldt dit ook in dezelfde mate voor de transmissie door het referentie-sensorelement 8 zodat men in feite een auto-kalibratie van de sensor 6 verkrijgt en de meting onafhankelijk van de temperatuur
EMI11.1
is.
<Desc/Clms Page number 12>
De hiervoor beschreven inrichting laat niet alleen toe de sensoren 6 zo te ondervragen dat de sensoren bedradingsongevoelig zijn (line neutralities) maar meerdere sensoren 6 kunnen verenigd worden op dezelfde vezelleiding volgens een vertakte struktuur 1 mits ze natuurlijk op verschillende afstanden gelegen zijn van de zendereenheid 20, 21 en/of de kontrole-eenheid 3. Het aantal te verrichten metingen verhoogt evenredig met het aantal sensoren. De enige beperking wordt opgelegd door de beschikbaar optische vermogenbalans tussen het vermogen van de zender en de NEP (noice equivalent power) van de detektor en door de gewenste signaal-ruisverhouding ; dit wil zeggen dat het aantal sensoren kan stijgen evenredig met de faktor van de toegestane vermindering op de signaal-ruisverhoudingen die zelf een maat is voor de nauwkeurigheid.
De informatie van meerdere reeksen van sensoren 6 en dus van meerdere vertakte strukturen kan optisch getransporteerd worden over de ringarchitektuur naar de gebruiker.
De beschreven inrichting is relatief goedkoop en kan met relatief goedkope en eenvoudige elektronica worden vervaardigd. Een zeer eenvoudige lichtbron 21 kan worden gebruikt zoals een laserdiode of een CW (draaggolf-) LED.
Het demultiplexeren of ontwarren van de terugkomende signalen van de sensoren 6 kan ook op een eenvoudige
<Desc/Clms Page number 13>
manier gebeuren door een synchrone detector of door digitalisatie.
De sensoren 6 moeten niet noodzakelijk transmissieve sensoren zijn. Alle amplitude gemoduleerde sensoren komen in aanmerking om in de inrichting gelmplementeerd te zijn, in welk geval dan niet het doorgelaten lichtsignaal maar het weerkaatste lichtsignaal gedetecteerd wordt.
In figuur 4 is een dergelijke reflektieve sensor 6 voorgesteld. Deze sensor bevat een drukgevoelig sensorelement 7 dat over een vezel 35 en een koppelaar 9 op de vezel 10 van een vertakking 2 aansluit en een referentie-sensorelement 8 dat zoals bij de transmissieve sensor een opgerolde vezel van een vijftal meter is die met een einde over een vezel 36 aansluit op de koppelaar 9 maar met zijn ander einde niet op een tweede koppelaar aansluit maar op dit einde een reflekterend vlakje 19, bij voorbeeld een metalen eindstuk, bevat.
Bij reflektieve sensoren wordt het gereflekteerde signaal door dezelfde vezel 10 gestuurd waarover het binnenkomende signaal gestuurd werd.
Zoals blijkt uit figuur 4, bevat het sensorelement 7 twee kamers 16 en 17 die van elkaar gescheiden zijn door een
<Desc/Clms Page number 14>
membraan 32. In het membraan 32 is een spiegelelement 33 ingewerkt dat met zijn spiegelende zijde in de kamer 17 is gericht. Door de invloed van de druk in een van de beide kamers 16 en 17 beweegt het spiegelelement 33 en wordt het gereflekteerde licht als dusdanig gemoduleerd. Tegenover deze spiegelende zijde mondt in de kamer 17 de optische vezel 35 uit. De vezel 35 en de koppelaar 9 dienen zowel voor het toevoeren van het lichtsignaal als voor het terugsturen van het weerkaatste lichtsignaal.
Bij het gebruik van reflektieve sensoren 6 worden de reflektie-co ffici nten Rl op dezelfde manier berekend als hiervoor beschreven in verband met een transmissieve sensor maar in de opgegeven formules moeten 2 fiel, 2 flT2, 2 f2Tle 2 f2T2 vervangen worden door respektievelijk 4 fiTl, 4 flT2, 4 f2tl en 4 f2T2.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen en binnen het raam van de oktrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvormen vele veranderingen worden aangebracht, onder meer wat betreft de vorm, de samenstelling, de schikking en het aantal van de onderdelen die voor het verwezenlijken van de uitvinding worden gebruikt.
In het bijzonder moeten de sensoren niet noodzakelijk van de hiervoor beschreven konstruktie zijn. Ook andere types
<Desc/Clms Page number 15>
sensoren kunnen worden gebruikt die een variatie van de lichtamplitude geven in funktie van een variatie van een druk.
Het sensor element kan op zichzelf transmissief zijn maar kan door in de uitgaande vezel een reflekterend element te plaatsen reflektief gemaakt zijn. Dit geldt overigens ook voor het referentie-sensorelement.
Overigens hoeven de sensoren niet noodzakelijk druksensoren te zijn. Ze kunnen ook gevoelig zijn aan andere fysische parameters zoals temperatuur.
De verandering in lichtamplitude kan bij voorbeeld het gevolg zijn van microbuiging, van verandering in refraktieve index enz.