DE10047225C1

DE10047225C1 - Anordnung zur Messung von Messgrößen und Verfahren zum Betrieb der Anordnung

Info

Publication number: DE10047225C1
Application number: DE2000147225
Authority: DE
Inventors: Siegbert Kunz; Volker Geneis; Jochen Buschmann; Harald Humpfer; Christian Braun; Andreas Bett
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-09-23
Filing date: 2000-09-23
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2020-09-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Messgrößen, insbesondere elektromagnetischer Felder und/oder Temperaturen an schwer zugänglichen Orten. DOLLAR A Die Anordnung umfasst eine Messeinheit mit einem oder mehreren Sensoren und/oder Sonden zur Erfassung der Messgrößen sowie eine Übertragungseinheit zur Übertragung der erfassten Messwerte an eine Auswerteeinheit. Die Messeinheit ist weiterhin mit zumindest einem Lichtwellenleiter verbunden und zeichnet sich dadurch aus, dass ein Modul zur Umwandlung zumindest eines Teils von über den Lichtwellenleiter eingekoppelter optischer Strahlung in elektrische Energie vorgesehen ist, die zur Energieversorgung der einzelnen Komponenten der Messeinheit eingesetzt wird. DOLLAR A Die Anordnung ermöglicht Online-Dauermessungen elektromagnetischer Felder und lässt sich insbesondere derart kompakt realisieren, dass sie in ein Versuchstier implantiert werden kann.

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung elektromagnetischer Felder für elektro magnetische Verträglichkeitsmessungen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren für diese Anordnung.

Das Anwendungsgebiet stellt hierbei die Erfassung elektromagnetischer Felder für elektromagnetische Verträglichkeitsmessungen dar. Viele Forschungs einrichtungen führen experimentelle Untersuchungen über die Wirkung elektromagnetischer Felder auf Bio organismen durch. Hierbei werden in der Regel Versuchs tiere eingesetzt, an denen die Wirkung der unterschied lichen Felder, insbesondere von Feldern im Mobilfunk bereich, untersucht wird.

Stand der Technik

Zur Messung elektromagnetischer Felder sind derzeit lediglich Messsonden bekannt, die unabhängig von Versuchstieren eingesetzt werden. An schwer zugänglichen Orten wird die Energieversorgung dieser Messsonden über Akkus sichergestellt, die jedoch aufgrund ihrer endlichen Kapazität nur eine begrenzte Messzeit ermöglichen.

Aus diesem Grunde ist die On-line-Überwachungs möglichkeit der bei den zu untersuchenden Feldern herrschenden Feldstärken begrenzt. Untersuchungen direkt am Wirkungsort, d. h. im vorliegenden Fall im Körperinneren des Versuchstiers, sind mit derartigen Anordnungen nicht möglich. Es besteht deshalb die Forderung nach kompakten implantierbaren Anordnungen zur Feldstärkemessung. Optional sollte eine geeignete Anordnung gleichzeitig eine Temperaturmessung im Körperinneren der Versuchstiere ermöglichen.

Aus der DE 41 23 489 A1 ist eine Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung mittels Lichtenergie bekannt, die eine Messeinheit mit einem Messwertaufnehmer zur Erfassung von Messgrößen und zumindest einen Übertragungswandler zur Übertragung von erfassten Messwerten an eine externe Auswerte einheit aufweist. Die Messeinheit ist mit einem Lichtwellenleiter verbunden, über den sowohl Daten von der Messeinheit zur Auswerteeinheit als auch Energie von einer externen Lichtenergiequelle an die Mess einheit übertragen werden. Durch diese Ausgestaltung können gegenüber bekannten Metalldraht gebundenen Übertragungseinrichtungen elektrische Kurzschlüsse auch in rauher oder explosionsgefährdeter Umgebung vermieden werden. Weiterhin ist aufgrund der besonderen Eigen schaften von Lichtwellenleitern eine hohe Stör sicherheit gegen umgebende Störfelder gegeben. Die Druckschrift befasst sich jedoch nicht mit elektromagnetischen Verträglichkeitsmessungen und der damit verbundenen Problematik.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Messung elektromagnetischer Felder für elektromagnetische Verträglichkeitsmessungen bereitzustellen, mit der zuverlässige und vergleichbare Informationen über in Versuchstieren herrschende Feldstärken bei Einwirkung elektromagnetischer Felder über einen längeren Zeitraum gewonnen werden können.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Anordnung und dem zugehörigen Betriebsverfahren nach Anspruch 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Anordnung sowie des zugehörigen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Anordnung weist eine Messeinheit mit zumindest 6 Antennen zur Erfassung von elektrischen und magnetischen Feldern in drei Raumrichtungen sowie zumindest einen Übertragungswandler zur Übertragung von erfassten Messwerten an eine externe Auswerteeinheit auf. Die Messeinheit ist hierbei mit zumindest einem ersten Lichtwellenleiter verbunden. In der Messeinheit ist ein Modul zur Umwandlung zumindest eines Teils von über den ersten Lichtwellenleiter an die Messeinheit übertragener optischer Strahlung in elektrische Energie vorgesehen. Die auf diese Weise über den Lichtwellen leiter an die Messeinheit übertragene Energie wird zur Energieversorgung sämtlicher Komponenten der Mess einheit eingesetzt. Das Energieumwandlungsmodul ist hierbei vorzugsweise als Konzentrator-Solarzelle ausgebildet, die auf die über den ersten Lichtwellen leiter von einer externen Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, übertragene Lichtwellenlänge abgestimmt ist. Dieses Energieumwandlungsmodul stellt die Spannung und den Strom zum Betrieb der Komponenten der Messeinheit zur Verfügung.

Die Energieversorgung der vorliegenden Anordnung erfolgt über den Lichtwellenleiter, über den während einer längeren Messdauer kontinuierlich optische Strahlung zur Energieversorgung zugeführt wird. Dies ermöglicht die On-line-Überwachung der zu überwachenden Messgrößen über einen beliebig langen Zeitraum. Weiterhin müssen am Ort der Messung, d. h. in der Messeinheit, keine raumgreifenden Energiequellen, wie beispielsweise Akkus, vorgesehen werden. Der Verzicht auf derartige unabhängige Energiequellen ermöglicht wiederum eine sehr kompakte Bauweise der vorliegenden Anordnung. Die Zufuhr der Energie über den Lichtwellen leiter hat weiterhin den Vorteil, dass sich die Messeinheit aufgrund der möglichen kompakten Bauweise leicht in ein Versuchstier implantieren läßt, wobei der zuzuführende Lichtwellenleiter problemlos die Verbin dung nach außen herstellen kann.

Gerade bei der Messung elektromagnetischer Felder hat diese Anordnung den weiteren Vorteil, dass keinerlei metallische Kabel von der Messeinheit weg führen, die als Antenne wirken und somit die Messung verfälschen könnten. Der Lichtwellenleiter zur Energie übertragung kann hierbei gleichzeitig als Übertragungs medium für die in der Messeinheit erfassten Daten dienen. Diese Daten können jedoch beispielsweise auch über einen getrennt vorgesehenen zweiten Lichtwellen leiter an eine externe Auswerteeinrichtung übertragen werden.

Die Messwerte werden von den eingesetzten Sensoren bzw. Sonden in der Regel als Spannungswerte erfasst und vorzugsweise über einen A/D-Wandler in digitale Daten umgewandelt. Bei einer Übertragung dieser Daten über einen Lichtwellenleiter an die getrennt von der Messeinheit vorgesehene Auswerteeinheit ist weiterhin ein elektrooptischer Wandler zur Einkopplung der digitalen Daten in den Lichtwellenleiter vorgesehen. Vorzugsweise wird hierfür eine Leuchtdiode eingesetzt, die kostengünstig erhältlich ist.

Weiterhin läßt sich die Datenübertragung bei der vorliegenden Anordnung mit Hilfe eines optischen Modulators realisieren, der einen Teil der zur Energieversorgung eingekoppelten Laserstrahlung abzweigt, mit den digitalen Daten moduliert und für die Rückübertragung durch den oder einen weiteren Lichtwellenleiter an die externe Auswerteeinheit einsetzt. Geeignete optische Modulationstechniken sind in der Lasertechnik hinreichend bekannt.

Die Messeinheit weist zumindest sechs Antennen auf, mit denen elektrische und magnetische Felder in den drei orthogonalen Raumrichtungen gleichzeitig erfasst werden können. Hierbei werden die sechs Feldkomponenten gleichzeitig erfasst und über einen sehr schnell arbeitenden Wandler digitalisiert. Der Wandler ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er die Erfassung impulsförmiger Felder, wie die eines GSM- Netzes, ermöglicht. Diese Erfassung von gepulsten Feldern ist für die eingangs dargestellten elektro magnetischen Verträglichkeitsmessungen erforderlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die erfindungsgemäße Anordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Prinzip eines Messauf baus mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung; und

Fig. 2 schematisch ein Beispiel für den Aufbau der Messeinheit der erfindungsgemäßen Anordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip eines Mess aufbaus, bei dem eine Ausführungsform der vorliegenden Anordnung zur Erfassung elektromagnetischer Felder und der Temperatur eingesetzt wird. Dieses Beispiel zeigt die prinzipielle Funktionsweise der vorliegenden Anordnung, wie sie in einem Laboraufbau realisiert wurde. Dieser Aufbau umfasst einen Hochfrequenzsender 9, der mit einer Antenne 10 zur Emission der elektro magnetischen Felder verbunden ist. An einem Wirkungsort dieser über die Antenne 10 abgestrahlten elektro magnetischen Felder ist eine erfindungsgemäße Mess einheit 1 mit einer Hochfrequenz-Feldsonde 3a sowie einem Temperatursensor 3b angeordnet, wie dies schematisch in der Figur angedeutet ist. Die Sonde 3a besteht aus sechs Antennen, mit denen sowohl elek trische als auch magnetische Felder vergleichsweise geringer Feldstärken in allen drei Raumrichtungen gemessen werden können. Die Messempfindlichkeit liegt vorzugsweise im Frequenzbereich zwischen 80 und 1000 MHz für elektrische Felder von < 5 V/m bzw. für magne tische Felder von < 10 mA/m. Der Temperaturmessbereich des Temperatursensors 3a liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10° und 50°C.

In der Figur sind weiterhin zwei Lichtwellenleiter 2 und 2b zu erkennen, die mit der Messeinheit 1 verbunden sind. Der erste Lichtwellenleiter 2 wird von einem externen optischen Sender, vorzugsweise einem Laser 8, gespeist. Als Laser 8 kann beispielsweise ein IR-Laser eingesetzt werden. Die über den Licht wellenleiter 2 an die Messeinheit 1 übertragene Licht energie wird in einer kleinen Konzentrator-Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, die zur Strom versorgung der Feldsonde 3a sowie der weiteren Komponenten der Messeinheit 1 verwendet wird. In einer weitergebildeten Ausführungsform können durch Modulation dieser eingekoppelten Laserstrahlung auch digitale Daten zur Ansteuerung der Messeinheit 1 eingekoppelt werden (beispielsweise zur Konfiguration). Hierdurch wird eine bidirektionale Kommunikation über den Lichtwellenleiter ermöglicht.

Die von der Feldsonde 3a und dem Temperatursensor 3b erfassten Daten werden in diesem Beispiel über den zweiten Lichtwellenleiter 2a - nach entsprechender Digitalisierung bzw. Kodierung und Einkopplung - an die Auswerteeinheit 6 übermittelt. Es versteht sich von selbst, dass die Auswerteeinheit 6 kein Bestandteil der vorliegenden Anordnung sein muss. Durch eine ent sprechende Schnittstelle am Ende des Lichtwellenleiters 2a können vielmehr beliebige Einheiten zur Aufbereitung der Daten mit der Anordnung verbunden werden. Im vorliegenden Fall werden die über den Lichtwellenleiter 2a übermittelten Daten im optischen Empfänger 11 einer optoelektrischen Umwandlung unterzogen und dem Eingang einer PC-Karte zugeführt, die in einen Personalcomputer als Auswerteeinheit 6 eingesetzt wurde.

Das Einlesen, die Synchronisation sowie die Decodierung des über den Lichtwellenleiter 2a übertragenen Bitstroms kann mit herkömmlichen Software- Programmen durchgeführt werden. Die auf ihre Gültigkeit formal überprüften Spannungsmesswerte werden den jeweiligen Messantennen der Messeinheit 1 zugeordnet und können in einer übersichtlichen Anzeige numerisch oder auch graphisch dargestellt werden. Es handelt sich hierbei um die E_x-, E_y-, E_z-, H_x-, H_y- und H_z-Feldkompo nenten. Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, die prozentualen Beiträge der einzelnen Feldkomponenten sowie die durch geometrische Mittelung gewonnene sogenannte Ersatzfeldstärke an der Anzeige der Auswerteeinheit 6 anzuzeigen.

Fig. 2 zeigt schließlich schematisch einen beispielhaften Aufbau der Messeinheit 1 der vorliegen den Anordnung. Die Messeinheit besteht in diesem Beispiel aus einem metallischen, annähernd kugel förmigen Gehäuse 7, in dem sich die einzelnen Kompo nenten der Messeinheit befinden. Das Gehäuse ist in der Figur nur angedeutet. Die von einem Laser über den Lichtwellenleiter 2 übertragene Lichtenergie wird in der kleinen Konzentrator-Solarzelle 5 in elektrische Energie umgewandelt, die zur Stromversorgung der weiteren Komponenten der Messeinheit 1 dient. Durch Einsatz einer monochromatischen Lichtquelle (hier: IR- Laserstrahlung) und einer hocheffizienten Photovoltaik zelle, wie der Konzentrator-Solarzelle, lässt sich ein elektrischer Wirkungsgrad von < 50% erreichen, der zu einer geringen Abwärme in der Messeinheit 1 führt. Eine geringe Abwärme ist zur Vermeidung von Fehlmessungen insbesondere bei Temperaturmessungen wichtig. Für andere Anwendungen lässt sich beispielsweise auch eine Weisslichtquelle einsetzen, die zwar einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle verursacht, jedoch kosten günstiger realisierbar ist.

Die von der Feldsonde 3a und dem Temperatursensor 3b erfassten Messwerte werden in der A/D-Wandlereinheit 4a in digitale Daten umgewandelt und dem optoelektro nischen Wandler 4b zugeführt. Dieser optoelektronische Wandler ist als Leuchtdiode realisiert, die wiederum ihre Energie von der Solarzelle 5, d. h. durch die eingekoppelte optische Strahlung, erhält. Die von der Leuchtdiode 4a emittierte, mit den digitalen Daten modulierte Strahlung wird in den Lichtwellenleiter 2a eingekoppelt und zur externen Auswerteeinheit 6 übertragen.

Die Hochfrequenzsonde 3a umfasst sechs Antennen, die zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen mit einer Kunststoffhülle umgeben sind. Von diesen Antennen werden die Antennenmessspannungen für die insgesamt sechs Feldkomponenten über HF-Kabel oder geeignete Mikrostrip-Leitungen zur Sondenelektronik geleitet.

Sämtliche dieser Komponenten können auf kleinstem Raum, der im wesentlichen durch die Abmessungen der Antennen nach unten begrenzt ist, in die als Sondenkopf ausgebildete Messeinheit 1 integriert werden. Dies ermöglicht Abmessungen, die die Implantation dieses Sondenkopfes in ein Versuchstier ermöglichen. Sowohl die Energieübertragung zur Sonde, vorzugsweise über einen IR-Laser, aber auch über eine Weisslichtquelle, als auch die Datenübertragung von der Sonde zur Auswerteeinheit bzw. den optischen Empfänger an der Auswerteeinheit erfolgen über Lichtwellenleiter, so dass die Messeinheit keine Batterien oder Akkus benötigt und von der Messeinheit keine störenden metallischen Verbindungsleitungen ausgehen. Die vorliegende Anordnung ermöglicht damit eine kompakte, implantierbare Bauweise und ermöglicht On-line- Dauermessungen, ohne die ansonsten erforderlichen Akku- Ladepausen oder Akku-Wechselpausen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Messeinheit

2

,

2

a Lichtwellenleiter

3

a Sonde, Antennen

3

b Temperatursensor

4

a A/D-Wandler

4

b Elektrooptischer Wandler

5

Modul, Solarzelle

6

Auswerteeinheit

7

Gehäuse

8

Laser

9

HF-Sender

10

Antenne

11

Optischer Empfänger

Claims

1. Anordnung zur Messung elektromagnetischer Felder für elektromagnetische Verträglichkeitsmessungen, die eine Messeinheit (1) mit zumindest 6 Antennen (3a) zur Erfassung von elektrischen und magnetischen Feldern in drei Raumrichtungen und zumindest einen Übertragungswandler (4a, 4b) zur Übertragung von erfassten Messwerten an eine externe Auswerteeinheit (6) umfasst, wobei die Messeinheit (1) mit zumindest einem ersten Licht wellenleiter (2) verbunden ist, ein Modul (5) zur Umwandlung zumindest eines Teils von über den ersten Lichtwellenleiter (2) an die Messeinheit (1) übertragener optischer Strahlung in elektrische Energie zur Energieversorgung der Messeinheit (1) umfasst und implantierbar ausgestaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (5) eine Photovoltaikzelle mit hohem Wirkungsgrad ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikzelle an die spektralen Eigenschaften eines Lasers zur Übertragung der optischen Strahlung angepasst ist und eine geringe Abwärme produziert.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungswandler eine Wandlereinheit (4a) zur Wandlung der erfassten Messwerte in digitale Daten umfasst.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungswandler einen elektro optischen Wandler (4b) umfasst, der zur Über tragung der digitalen Daten mit dem ersten (2) oder einem zweiten Lichtwellenleiter (2a) verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungswandler (4a, 4b) einen optischen Modulator umfasst, der einen Teil der über den ersten Lichtwellenleiter (2) an die Messeinheit (1) übertragenen optischen Strahlung mit den digitalen Daten moduliert und über den ersten Lichtwellenleiter (2) an die externe Auswerteeinheit (6) leitet.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (4a) für eine schnelle Wandlung der Messwerte ausgebildet ist, um einen impulsförmigen zeitlichen Verlauf der elektro magnetischen Felder erfassen zu können.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) zusätzlich einen Temperatursensor (3b) zur Erfassung der Temperatur aufweist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (1) von einem kugelförmigen metallischen Gehäuse (7) umschlossen ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtwellenleiter (2) mit einem externen Laser (8) zur Einkopplung der optischen Strahlung für die Energieversorgung der Mess einheit (1) verbunden ist.

11. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Energie zur Energieversorgung der Messeinheit (1) über einen Laser (8) oder eine Weisslichtquelle in den ersten Lichtwellenleiter (2) eingekoppelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Messeinheit (1) erfassten Mess werte in der Messeinheit (1) digitalisiert und über den ersten (2) oder einen zweiten Licht wellenleiter (2a) der Auswerteeinheit (6) zuge leitet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Daten durch Modulation und Zurückleiten eines Teils der von dem Laser (8) oder der Weisslichtquelle eingekoppelten Strahlung an die Auswerteeinheit (6) übertragen werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch Modulation der über den Laser (8) oder die Weisslichtquelle in den ersten Lichtwellen leiter (2) eingekoppelten Strahlung Daten an die Messeinheit (1) übermittelt werden.

15. Anwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Messung von elektromagnetischen Feldern und gegebenenfalls Temperaturen im Körperinneren von Lebewesen.