CN104620291B - 无电流光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够被检查的开关，该开关包括壳体，设置在该壳体中的光导体(10)，用于所述光导体的偏转装置(16)，该偏转装置设置在所述壳体中，以及触发装置，该触发装置启动所述开关的开关过程并至少有时驱动所述偏转装置。所述偏转装置设计为当该偏转装置被驱动时使得所述光导体以预定方式偏转，从而使所述光导体的弯曲半径以预定方式改变。根据本发明，能够被检查的开关还具有用于所述偏转装置的重置机构(34)，该重置机构具有延迟元件，所述延迟元件在所述触发装置被重置之后以限定的延迟将所述偏转装置返回至偏转装置的初始位置。

Description

无电流光开关

技术领域

本发明大体涉及一种传输开关状态的无电流光开关。该开关能够用于所有需要无电流地传输开关状态的领域。它能够用于监控进入竖井(shaft)或门，用于电信基础设施，用于气体、水、下水道以及电源，并用于保护饮用水蓄水池或布水器的竖井或门，以及民用和军用安全基础设施和安全访问系统。此外，本发明描述了一种能够可靠地检测多个开关的装置。

背景技术

目的是开发一种机械式无电流光开关，该光开关能够用于任何对重要基础设施的访问需要保护和监控的地方。除了电信竖井，这些重要结构包括必须保护以防止非法进入的气体、水和电力供应的竖井和进入门。这些竖井通常位于地下，并由竖井盖封闭。多功能开关应当安装在竖井内以监控各个竖井盖的打开状态。

此外，该开关还应该能够监控对技术性或高度安全的房间或容器的访问，并且还应当能够与浮阀组合使用以对竖井洪水或建筑水平等进行指示。

美国专利US7109873B2提到了一种能够用于检测竖井盖打开的开关。在该开关的一种实施方式中，开关中的可移动销子通过弹簧预紧，并从内部挤压闭合的竖井盖。当竖井盖被打开时，销子移动并使固定在销子上的光导体(玻璃纤维)弯曲。或者，可以使用磁铁来触发竖井盖被打开时光导体(玻璃纤维)的弯曲。为此，必须将第一磁铁固定在竖井盖上，当竖井盖被关闭时，该磁铁吸引通过弹簧预紧的第二磁铁。在打开竖井盖时，预紧被中和并触发开关。当开关被触发时，与第二磁铁连接的锥形销使玻璃纤维偏转和弯曲。

测量装置在光时域反射(OTDR)的基础上对光导体的弯曲(屈曲)进行记录。为此，OTDR测量装置连接至光导体，该OTDR测量装置每次测量都通过光导体发送光脉冲，并测量一段时间内反向散射光的强度。如果光导体中存在弯曲，则在光导体中对光的全反射进行补偿，光从光导体离开。一段时间内对反向散射光进行的测量不仅能被用于确定量级，还能够被用于确定光强度由于暂时衰减而受损的位置。由于该测量是在不同时间间隔发送光脉冲的脉冲测量，并且由于玻璃纤维需要花费一定时间恢复至初始位置，无法在两个光脉冲之间检查开关的开关状态。如果开关只被触发很短的时间，则无法可靠地检测到该触发。

发明内容

本发明的目的是开发出一种无电流光开关，该开关能够可靠地检测触发而不管各次触发的时距。该目的通过权利要求1中公开的开关实现。

本发明特别涉及一种开关，该开关利用光导体，例如用作传输介质的玻璃纤维来纯机械式地且不带任何电流地传输开关状态。术语“开关”也可以理解为开关装置和多功能开关。有利地，系统利用导光且对弯曲敏感的光导体的特性，特别是这样的事实：当该光导体弯曲或屈曲时，光在屈曲点或弯曲点离开。

根据本发明的可查询的开关装置包括壳体，设置在该壳体中的光导体，以及设置在壳体内的用于所述光导体的偏转装置。开关装置还包括触发装置，该触发装置触发所述开关装置的开关操作，并至少临时地驱动所述偏转装置。该偏转装置配置为当偏转装置被驱动时使得光导体以限定方式偏转，从而使光导体的弯曲半径以限定方式改变。可查询的开关装置还包括用于所述偏转装置的重置机构，该重置机构包括延迟元件，所述延迟元件在触发装置重置之后，以限定的延迟将偏转装置返回 至偏转装置的初始位置。

根据本发明的优选实施方式，开关内的光导体沿着设置在可移动滑块上的挂钩(catch)被引导。当触发机构被启动时，挂钩使光导体从其空闲状态位置偏转，从而导体的合成弯曲引起光导体的导光性和反射能力暂时衰减。该衰减被测量装置记录，相应的信息被发送至地理参考式评估程序，该地理参考式评估程序确定相关开关的准确位置。一般而言，根据本发明的开关可以在所有环境中使用以传输开关状态。由于根据本发明的开关不会产生摩擦热或火花，建议将其用于高度易爆或高度易燃，或高度腐蚀的环境。由于根据本发明的开关不用电流就可以运行，它最适合于在电流供应有问题的地方使用。此外，由于不使用磁铁，因此该开关对磁场不敏感。此外还省略了昂贵的TK模块(TK modules)，例如GPS或GPRS，TK模块易受干扰影响，并可以使用干扰装置(例如，频率干扰器)对其进行破坏。

触发机构的重置优选经由延迟元件发生，该延迟元件确保所述触发被测量装置记录。该延迟元件具有两个重要优点：1)它允许只使用一个测量装置就能依次记录多个星形纤维束(由此，纤维束指定光导体，以及可操作地连接至该光导体的开关)；2)由于该延迟元件，能够可靠地记录短暂的开关序列。

应该注意的是，根据本发明的开关可以简单地设计，由此传输二进制开关状态。在这种情况下，仅在两个状态“0”(开关处于空闲位置)和“1”(开关被触发)之间变化。在该“二进制”开关的情况下，纤维将在重置时间过后的几分之一秒内被机械地带回至初始位置。这产生了二进制开关状态：打开或关闭。在替换实施方式中，开关还可以配置为能够检测一段时间内的逐步重置。的确，根据应用，测量或记录一段时间内从状态“0”到状态“1”或者从状态“1”到状态“0”的转变(即，具有变化的衰减值)是很令人关注的。

根据本发明的开关能够防水，其针对户外使用的重型版本至少具有IP68级防护，并能够承受至少到10焦耳的冲击力。

在替代实施方式中，能够使用远程触发器，例如带固定丝的鲍登线(Bowdencable)来触发该开关。因此，就竖井盖监控系统而言，开关和竖井盖之间的物理接近不是绝对必须的。

在优选实施方式中，开关构造为对破坏不敏感。在尝试破坏的情况下，开关自动触发。本开关在材料有缺陷的情况下也立即触发。举例来说，该材料缺陷可以是开关中有缺陷的玻璃纤维破损了，这也被认为是“破损”。因此，该开关还实现自检功能，这要归功于其高可靠性：当未被触发时，开关100％起作用。

推荐的开关是免维护的，应用范围为-20℃至+40℃之间。取决于开关设计，该温度范围还可以扩大。

根据本发明的优选实施方式，光导体在壳体内通过引导元件沿着圆形轨道被引导。在未驱动状态下，光导体在壳体内被引导的弯曲半径大于或等于光导体的最小弯曲半径。这确保开关的壳体设计紧凑。偏转装置包括挂钩，该挂钩在偏转装置被启动时使光导体在限定方向偏转，使得光导体的弯曲半径在至少一个点上暂时减小。在启动状态下，设置在偏转装置中的光导体的弯曲半径小于光导体的最小弯曲半径。

此外，延迟元件可以被设计为发条装置或者液压多盘制动器。术语“液压多盘制动器”指的是具有盘包的制动装置，该盘包具有在高粘液体中互相挤压的至少两个制动表面。与传统摩擦制动器相比，该制动器的优势是重置运动需要花费长得多的时间。因此，可以获得更长的延迟时间，这在复杂的网络拓扑中具有优势。

光导体可以插入到壳体中，从而使其进入壳体并在此从壳体伸出。因此，光导体可以通过多个开关(与传统串联设置类似)。OTDR测量装 置连接在纤维的至少一个端部上，以读取纤维束。归功于开关沿着纤维束的设置，针对每个纤维束可以可靠地监控-举例来说-多达12个开关的开关状态，从而能够极大地降低该装置的安装成本。

根据光导体和开关的优选实施方式，光导体插入到壳体中，从而使光导体进入壳体，并终止于该壳体中。设置在壳体中的光导体以LC/PC插头或者设计为反射器的插头终止。在该设置中，通过使用在每个开关前面的，例如在套筒中设置的分光器，可以实现开关的操作耦合。每个分光器将光导体的光量的特定部分分出来，并将其转发给开关。归功于该设置，光量顺利地在开关之间分配。因此，取决于OTDR测量装置的性能，能够可靠地从每个光导体读出150个以上开关的开关状态，反过来这又进一步降低了安装成本。开关中纤维弯曲所引起的暂时衰减不影响对剩余开关的测量记录。

为了提升安全性，可以使用多个OTDR测量装置，优选使用两个OTDR测量装置，其中一个OTDR测量装置以反循环的方式进行测量并与第二测量装置同步，从而确保两个装置从来不会测量相同的纤维束。

还必须注意到，举例来说，在纤维束的开关7和开关8之间发生纤维破损的情况下，从开关1进行测量的测量装置从开关7向前是“盲目”的。由于分光器仅单向地起作用，从相反方向进行测量是不可能的。为了在即使发生纤维破损的情况下也能对纤维束的所有开关进行测量，有利的情形是使用第二测量装置，该第二测量装置能够测量相反方向上的第二“平行”纤维。在这种情况下，第二纤维必须穿过每个开关，或者通过每个套筒中的分光器连接至各个开关。通过对第二纤维进行反向测量，还允许对那些从第一测量装置观察时位于破损纤维下游的开关进行读取。

附图说明

参考附图对本发明的不同实施方式进行描述。

图1是开关的优选实施方式的第一级的截面示意图。

图2是开关的优选实施方式的第二级的截面示意图。

图3是开关的优选实施方式的第三级的截面示意图。

图4是分光器、开关和测量装置的优选设置的第一示意图。

图5是可能的开关设置的第二示意图。

具体实施方式

运行原理：对弯曲敏感的玻璃纤维，例如G652型玻璃纤维插入到根据本发明的开关中，并在考虑各类型纤维最小弯曲半径的情况下引导围绕可移动的挂钩。当开关开启时(例如，由连接至触发机构的竖井盖被提起而引起)，玻璃纤维被可移动的挂钩屈曲或弯曲。结果，玻璃纤维中光的全反射被补偿，并且光从玻璃纤维离开。可以利用的特殊OTDR测量装置(光时域反射仪-optical time-domain reflectometer)对该缺失的光进行测量，并利用软件将其唯一地与特定开关联系起来。在反向散射曲线中，每个开关提供特有信号峰值，利用开关和OTDR测量装置之间的分段长度确定该特有信号峰值的位置。当创建由多个开关和分配给它们的分光器组成的网络时，通过叠加各个峰值来获得特有的整体图像(与指纹类似)。该整体图像在对开关网络进行调试时被记录和存储，并用作随后每次测量的参考图像。利用挂钩对玻璃纤维机械进行机械重置，该挂钩将玻璃纤维移回它们的初始位置。

图1、2和3显示了处于被触发状态的优选的开关2。通过以多级方式对开关内的机构进行多层设置，可以紧凑地设计开关2的壳体4。图1对应于开关2的第一级，其中，使用端子8解除对G657、G652或G655型的对弯曲不敏感的玻璃纤维6，或者与G652标准兼容的纤维的拉伸，并将玻璃纤维6或者与G652标准兼容的纤维与壳体4内的G652型对弯 曲敏感的玻璃纤维10拼接。对弯曲敏感的玻璃纤维10在壳体中以多个环的形式由引导元件支撑。导轨12和导鼻14确保对玻璃纤维的稳定引导，以及遵守(维持)最小弯曲半径。压线拼接保护对拼接进行保护，并被夹在开关2中的两个横梁之间的纵向槽中。对弯曲敏感的玻璃纤维10的一个环被引导经过偏转装置的挂钩16，当触发开关操作时，挂钩将玻璃纤维10向下偏转，并在壳体2的两个圆边18，20处将其弯曲大约90度。

图2所示的触发装置和偏转装置设置在开关2的第二级中。触发装置被设计成压力开关20，该压力开关20例如在开关2保护的竖井盖被提起时触发。作为该触发的结果，螺旋弹簧22被释放，升降杠杆24被升降杆28的突出部26驱动。升降杠杆24能够围绕轴30旋转，升降杠杆24使用销子25驱动滑块32，挂钩16安装在该滑块32上。同时，升降杠杆24触发延迟元件34，该延迟元件34仅在预定的可配置时间之后重置挂钩16。这确保即使是升降杆28的短时间驱动也可以被检测为触发。在没有延迟元件34的情况下，提起竖井盖并很快再次放下竖井盖(在数秒内，或者更短的时间间隔内)会抑制升降杆28，压缩螺旋弹簧22，并立即将偏转装置重置到初始位置。从技术上来讲，几乎不可能高效且成本有效地对触发进行测量。

图3显示了设置有延迟元件34的那一级。如上所述，延迟元件34实现延迟开关2重置的目的，由此能够通过测量装置没有任何不确定地对触发进行记录。由此可以分别设置延迟时间。延迟机构可以被设计成发条装置或者通过弹簧操作的盘包，该盘包在高粘度、对温度不敏感的液体中移动，该液体用作制动辅助手段。

利用一个且相同的测量装置(这就是为什么需要延迟元件34的原因)依次对测量进行记录。因此能够测量长达80-90km的分段。在复杂网络拓扑的情况下，以星形对测量进行记录。每个纤维束所具有的开关的可能数量取决于测量装置的解析度和动力学，以及纤维束的固有衰减。连续测量或星形 测量减少了所需测量装置的数量，由此降低整体监控成本。延迟机构还被用于实现开关的自检，因为延迟元件的缺陷也会触发开关。

开关2还具有浮阀，并被用作压力检测器、水平检测器或者洪水检测器。在这种情况下，取决于应用领域，可以省略或绕过延迟元件。

图4和图5显示了不同的开关设置。图4中的纤维束通过分光器38将OTDR测量装置36或冗余OTDR测量装置35与第一开关2连接。分光器38将输入42处的光量分出3％，并将其转发至第一开关2的玻璃纤维。将被分出的光量优选被选择为使得玻璃纤维的弯曲能够可靠地被偏转装置48检测到。开关2中设置的玻璃纤维结束于壳体中，光量在玻璃纤维的末端处被反射器46反射。通过玻璃纤维的90度截面或者开放式PC连接器(例如，LC/PC插头)，或者使用设计为反射器的开放式插头来实现反射。该插头可以夹在开关2中的盘15之间，并紧挨着套筒45中的分光器50设置。将插头设置在套筒45中是有利的，因为在出现问题的情况下不用打开防水开关就能够更换该插头。

光量的剩余97％被转发至玻璃纤维的输出44，并能够被用于读取其他开关。与分光器38和开关2的设置相似，纤维束能够通过其他分光器和开关继续(在图4所示分光器50和开关52的设置中以虚线显示)，直到光量不再足以可靠地检测开关的触发。

与不使用分光器的简单串联连接相比，该设置具有以下优势：

由于更好地利用了可用的光量，能够更快地测量/检查开关状态(对于50个开关需要大约20秒)，

不需要开发任何其他软件来校正触发开关的测量曲线，以及

容易识别被触发的开关。

开关中纤维弯曲所引起的光衰减并不影响对剩余开关的检查。

优选使用防水连接器(例如，柔性管)实现与套筒的连接，该防水 连接器包含G657型对弯曲不敏感的玻璃纤维。这确保了当开关的纤维连接在开关输出和套筒中的拼接盒之间屈曲时，不产生错误的开关状态。但是，也可以使用G652或G655型玻璃纤维，或任何与G652标准兼容的玻璃纤维实现连接。

图5概略地显示了沿着纤维束的开关102，152的可替换的设置。玻璃纤维154将OTDR测量装置136或冗余OTDR测量装置135与相应开关102、152的偏转装置148和156连接。开关102和152串联地连接。可以通过沿着纤维束设置附加开关，例如开关152(以虚线示出)所示来对这种开关设置进行补充。

附图标记解释：

2、52、102、152 开关

4 壳体

6 对弯曲不敏感的玻璃纤维

8 端子

10 对弯曲敏感的玻璃纤维

11 压线拼接保护件

12 导轨

14 导鼻

15 盘

16 挂钩

18、20 圆边

22 螺旋弹簧

24 升降杠杆

26 突出部

28 升降杆

30 轴

32 滑块

34 延迟元件

35、135 冗余OTDR测量装置

36、136 OTDR测量装置

38、50 分光器

42 分光器输入

44 分光器输出

45 套筒

46 反射器

48、148、156 偏转装置

154 玻璃纤维

Claims (10)

1.一种用于检测开关操作的装置，该装置具有至少一个可查询的开关装置和至少一个光时域反射仪测量装置，所述可查询的开关装置操作地连接于光纤维束，所述光时域反射仪测量装置操作地连接于所述光纤维束，

其中，所述至少一个可查询的开关装置包括：

壳体，

光导体，该光导体设置在所述壳体内，

偏转装置，该偏转装置设置在所述壳体内用于所述光导体，所述偏转装置配置为当该偏转装置被驱动时使得所述光导体偏转，从而使所述光导体的弯曲半径以限定方式改变，

触发装置，该触发装置配置为触发所述开关装置的开关操作，并至少临时地驱动所述偏转装置，和

重置机构，该重置机构用于所述偏转装置，所述重置机构包括延迟元件，在所述触发装置重置之后，所述延迟元件以限定的延迟将所述偏转装置返回至偏转装置的初始位置，

其中，所述光导体通过分光器连接于所述光纤维束，使得所述光纤维束内被引导的光量的一部分通过所述分光器被分出，并且被分出的一部分光量被传输至所述开关装置，以及其中，为了检测开关过程，通过所述至少一个光时域反射仪测量装置在所述光导体中检测由偏转引起的增加的衰减。

2.根据权利要求1所述的用于检测开关操作的装置，其中，所述光导体在所述壳体内通过引导元件沿着圆形轨道被引导，并且其中，所述偏转装置包括挂钩，该挂钩在所述偏转装置被驱动时使所述光导体沿着限定方向偏转，使得所述光导体的弯曲半径改变。

3.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，其中，所述延迟元件设计为发条装置。

4.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，其中，所述延迟元件设计为液压多盘制动器。

5.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，其中，设置在所述壳体中的所述光导体在第一位置进入所述壳体，并在第二位置离开所述壳体。

6.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，其中，设置在所述壳体中的所述光导体进入所述壳体并在所述壳体内终止。

7.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，其中，设置在所述壳体中的所述光导体以LC/PC插头或者设计为反射器的插头终止。

8.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，还包括用于对处于偏转位置的所述光导体的弯曲半径进行调整的可调整装置。

9.根据权利要求1或2所述的用于检测开关操作的装置，其中，光纤维束的多个可查询的开关装置可操作地互相连接。

10.根据权利要求9所述的用于检测开关操作的装置，其中，对于每个开关装置，光纤维束的所述光导体的光量通过分光器分出一部分，并且该分出的一部分光量被转发给对应的开关装置。