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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer
chemischen und/oder physikalischen Messgröße,
insbesondere eines Volumen- und/oder Massedurchflusses, eines durch eine
Rohrleitung strömenden Messstoffs.
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Durchfluss-Messeinrichtungen
verwenden heutzutage oftmals die Änderung der elektrischen Kapazität,
der elektrischen Leitfähigkeit oder der elektrischen Spannung
um den Volumen- und/oder Massendurchfluss zu bestimmen.
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Eine
Wirbel-Durchflussmesseinrichtung beispielsweise besteht. u. a. aus
einem Staukörper der stromabwärts eine Kármán'sche
Wirbelstrasse erzeugt. Die Druckschwankungen der Wirbelstrasse werden
von einer Sensorfahne erfasst. Die periodischen Druckschwankungen
regen die Sensorfahne zu einer periodischen Schwingung an. Die Bewegung
der Sensorfahne wird bspw. mit Hilfe eines Piezo-Sensors ausgelesen.
Der Nachteil dieser Technologie liegt in der Limitierung der Betriebstemperatur des
Durchflussmessgerätes bedingt durch den Auslesemechanismus
und der Notwendigkeit einer Vor-Ort-Elektronik zur Auslesung des
Piezo-Sensors, die eine aufwendige Temperaturisolierung und Maßnahmen
zum Explosionschutz an der Elektronik erfordern, um Betriebstemperaturen
von 400°C oder mehr erreichen zu können. Es sind
auch Wirbeldurchflussmesseinrichtungen bekannt, die ohne Sensorfahne
auskommen und bei denen die Druckschwankungen direkt von einem im
oder am Staukörper angebrachten Messaufnehmer erfasst werden.
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Coriolis-Durchflussmesseinrichtungen
nutzen die durch die Masse eines Messstoffs verursachte Phasenverschiebung
eines vibrierenden Messrohrs. Der Signalabgriff erfolgt üblicherweise über Tauchspulen.
Diese Auslesung muss u. a. bezüglich der Temperatur kompensiert
werden.
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Aus
der Patentschrift
DE
603 11 048 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Fabry-Pérot
Interferometers bekannt geworden. Das Interferometer besteht dabei
aus einem Paar gegenüberliegender optischer Faserendflächen,
das auf einem Trägermaterial aufgebracht ist.
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Aus
der Patentschrift
DE
692 26 446 T2 ist eine Vorrichtung bekannt, die mittels
einer Optikfaser die Oszillationen eines Coriolis-Massenströmungs-Messgerätes
aufnimmt. Dafür wird die Schwächung bzw. das Ausmaß der
Schwächung eines optischen Signals genutzt, das sich durch
das Verbiegen der Optikfaser ergibt.
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Weiterhin
ist aus der
DE 41 22
799 A1 eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit
eines Fluids bekannt geworden, die einen Wandler aufweist, der wiederum
einen stabförmigen Ansatz aufweist. Der stabförmige
Ansatz sorgt für die Modulation eines über einen
optischen Wellenleiter übertragenen optischen Signals.
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Solche
Anordnungen und Herstellungsverfahren sind aufgrund der erforderlichen
Präzision im Aufbau der Messapparatur bzw. aufgrund der
Gefahr einer Verschmutzung und/oder Beschädigung zeitaufwändig
und teuer.
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Zur
Detektion von Längenänderungen ist es möglich
verschiedene optische Verfahren zu nutzen. Bekannte Verfahren beruhen
dabei auf interferometrischer Basis. Beispielsweise kann mittels
UV-Lithographie ein Bragg-Gitter innerhalb einer optischen Faser
realisiert werden. Bei diesem Verfahren wird Licht breitbandig in
den Wellenleiter eingestrahlt. Das Bragg-Gitter erzeugt bei einer
definierten Wellenlänge einen Bragg-Reflex. Diese Wellenlänge
hängt von Temperatur und Längenausdehnung gleichermaßen stark
ab. Somit ist es bei diesem Verfahren nicht ohne weiteres möglich
zwischen temperaturbedingten und längenänderungsbedingten
Effekten zu unterscheiden.
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Sämtliche
genannten Messeinrichtungen weisen den Nachteil auf, dass sich bei
höheren Temperaturen eine Verformung des optischen Resonators
bzw. der optischen Reflektionsflächen einstellt oder der
Messaufnehmer sogar vollständig zerstört wird.
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Neuerdings
sind fiber-optische Sensoren bekannt geworden, die auch bei Temperaturen
um 800°C funktionieren und somit den thermischen Einsatzbereich
bisher bekannter Sensoren um mehrere hundert Grad Celsius übersteigen.
Zur Herstellung solcher Sensoren wird ein Fabry-Pérot Resonator mittels
eines Lasers in eine optische Faser mikrogefertigt. Die durch die
Fertigung der Lücke an den Enden des optischen Wellenleiters
entstandenen Facetten haben spiegelähnliche Eigenschaften.
Die Temperaturunabhängigkeit ergibt sich daraus, dass der so
gefertigte Kern der optischen Faser sich bei einer Temperaturerhöhung
ausdehnt und die beiden Resonanzflächen näher
zusammendrückt. Gleichzeitig dehnt sich der Mantel (cladding)
der optischen Faser aus und zieht die Resonanzflächen auseinander. Diese
beiden Effekte überlagern sich und resultieren in einer
kleinen, jedoch zufälligen Temperaturabhängigkeit
(vgl. Optics Letters, Nov. 1, 2007, pp. 3071–3073; Photonics
Spectra, December 2007 „To boldly go where no sensor has
gone before").
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zur Bestimmung
einer chemischen und/oder physikalischen Messgröße
eines durch eine Rohrleitung strömenden Messstoffs vorzuschlagen,
welche präzise und auch bei hohen Temperaturen zuverlässig
funktioniert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Messeinrichtung einen Messaufnehmer aufweist, wobei der
Messaufnehmer mindestens einen optischen Wellenleiter aufweist,
der zur Erzeugung, Aufnahme und/oder Übertragung von Messsignalen
dient, wobei die Aufnahme der Messsignale in den optischen Wellenleiter
mittels eines Fabry-Pérot Sensors erfolgt. Ein Fabry-Pérot
Sensor besteht zumeist aus einem Interferometer aus zwei insbesondere
planparallelen Spiegeln hoher Reflektivität, die miteinander
einen optischen Resonator bilden und für eine in den Resonator
eingestrahlte elektromagnetische Wellenlänge teildurchlässig
sind. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die in den optischen Wellenleiter
aufgenommenen und übertragenen Messsignale aufgrund des
Fabry-Pérot Sensors im Wesentlichen unabhängig
von externen mechanischen und/oder thermischen Einflüssen
sind. Folglich sind für eine Auswertung der Messsignale
hauptsächlich die Eigenschaften des optischen Wellenleiters
relevant. Umgebungsbedingte Störeffekte können
aufgrund der optischen Aufnahme und Übertragung des Messsignals
minimiert werden. Durch die vergleichsweise geringe Ausdehnung des
Fabry-Pérot Sensors können die Messsignale an
einer genau definierten Stelle in den optischen Wellenleiter aufgenommen werden.
Der erfindungsgemäße Messaufnehmer ermöglicht
daher eine genauere Bestimmung der Messgröße.
Die Messeinrichtung kann zudem bei widrigen Umgebungsbedingungen,
wie bspw. hohen Temperaturen oder in explosionsgefährdeten
Bereichen zur Erzeugung, Aufnahme und/oder Übertragung
eines Messsignals eingesetzt werden. Die Messsignale können
auch direkt durch den optischen Wellenleiter erzeugt werden, indem
der optische Wellenleiter bspw. in die Rohrleitung eingebracht und dem
strömenden Messstoff ausgesetzt wird. Bei den Messsignalen
handelt es sich um bspw. aufgrund von Druckschwankungen oder aufgrund
von Vibrationen auftretende Längenänderungen.
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In
einer Ausgestaltung besteht der Fabry-Pérot Sensor wenigstens
teilweise aus dem optischen Wellenleiter. Beispielsweise kann ein
Spiegel des Fabry-Pérot Interferometers aus einer spiegelnden Oberfläche
eines Endes einer optischen Glasfaser bestehen. Der Messaufnehmer
kann dadurch besonders platzsparend ausgestaltet werden.
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In
einer Ausführungsform ist der Fabry-Pérot Sensor
in den optischen Wellenleiter eingebaut. Dafür wird das
Fabry-Pérot Interferometer bspw. in den Verlauf des optischen
Wellenleiters eingebaut, indem eine Lücke zwischen zwei
Endflächen des optischen Wellenleiters gefertigt wird.
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In
einer Ausgestaltung weist der Fabry-Pérot Sensor einen
optischen Resonator auf, der vollständig in den optischen
Wellenleiter eingebaut ist. Der optische Wellenleiter kann dabei
insbesondere aus einer optischen Faser oder aus einem Bündel
optischer Fasern bestehen. Zum Signalabgriff und zur Signalübertragung,
insbesondere eines Messsignals, lassen sich heutzutage optische
Wellenleiter bspw. in Form von Fasern verwenden. Dabei bietet die
Signalübertragung mittels Lichtwellen durch optische Fasern
gegenüber der elektrischen Signalübertragung zahlreiche
Vorteile. So unterliegen optische Signale keinen elektrischen Störeinflüssen,
sind sicher gegenüber einer leicht entzündlichen
Umgebung und im Einbau sehr kompakt. Mittels optischen Wellenleitern
sind große Entfernungen zwischen Messaufnehmer und Messwandlertechnik
realisierbar. Die Verbindung ist dabei unempfindlich auf elektromagnetische
Störungen und kann explosionssicher verlegt werden.
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Die
Kombination von Fabry-Pérot Interferometer und einem optischen
Wellenleiter ermöglicht den Einsatz einer Fabry-Pérot
basierten Längenmessung zur Bestimmung einer chemischen
und/oder physikalischen Messgröße eines durch
eine Rohrleitung strömenden Messstoffs. Die geringe Temperaturabhängigkeit
der Längenmessung und die hohe Temperaturresistenz des
optischen Wellenleiters sowie die Möglichkeit nur noch
Licht mit geringer Energie in die explosionsgeschützten
Bereiche eines Prozesses transportieren zu müssen, ermöglicht
die Herstellung von Produkten mit deutlichen Vorteilen. Der optische
Wellenleiter kann dabei aus einem Glas und/oder einem Kunststoff
bestehen.
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Eine
Vor-Ort-Elektronik wie beim Prinzip des Piezo-Elements ist nicht
notwendig. Daher entfallen die aufwendigen Maßnahmen zur
Wärmeisolierung der Elektronik und bedingt durch die Eigenschaften des
optischen Wellenleiters ist es möglich der Messgröße
entsprechende Rohsignale aus dem explosionsgeschützten
Bereich herauszuführen. Weiterhin erübrigen sich
umfangreiche Maßnahmen für den Explosionsschutz.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der optische Wellenleiter einen
Kern und einen Mantel auf, und der optische Resonator besteht aus
wenigstens einer Lücke im Kern des optischen Wellenleiters.
Die Lücke besteht bspw. aus einem Luftspalt. Die Lücke kann
auch im Mantel des optischen Wellenleiters vorhanden sein und diametral
durch den optischen Wellenleiter verlaufen. Insbesondere wenn der
optische Wellenleiter aus einem Faserbündel besteht, kann
es sich bei dem Mantel um einen Bereich um den Kern des Wellenleiters
handeln, welcher einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der
Kern des optischen Wellenleiters. Weiterhin kann der optischen Wellenleiter
von einer Schutzisolierung umgeben sein.
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In
einer Ausführungsform ist der optische Wellenleiter ein
optischer Einzel-Moden-Wellenleiter, insbesondere eine Einzel-Moden-Glasfaser.
Die Enden optischer Glasfasern können teilweise spiegelnde
Oberflächen besitzen. Durch eine Lücke zwischen zwei
Enden einer optischen Glasfaser, die spiegelnde Oberflächen
aufweisenden, kann ein optischer Resonator gebildet werden. Ein Ändern
des Abstands zwischen den Enden der optischen Glasfaser(n) ändert
die Stärke der Intensität aufgrund der sich Ändernden
Interferenzbedingungen im Resonator. Auf diese Art kann ein einfacher
und robuster Fabry-Pérot Sensor hergestellt werden.
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In
einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung eine Wirbeldurchflussmesseinrichtung
mit einem entlang eines Durchmessers der Rohrleitung angeordneten
und an mindestens einer Fixierstelle mit der Rohrleitung verbundenen
Staukörper, der der Erzeugung Kármán'scher
Wirbel dient und/oder mit einer Sensorfahne zur Aufnahme von, von
den Wirbeln erzeugten Druckschwankungen. Durch das Verwenden des
in den optischen Wellenleiter integrierten Fabry-Pérot
Interferometers wird eine wesentliche Vereinfachung des Aufbaus
der Wirbeldurchflussmesseinrichtung erreicht.
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In
einer Ausgestaltung ist der Staukörper und/oder die Sensorfahne
von außen durch eine Bohrung in der Messrohrwand hindurch
eingesetzt und der Staukörper und/oder die Sensorfahne
umfasst eine die Bohrung bedeckende Membran. Der optische Wellenleiter
mit integriertem Fabry-Pérot Interferometer kann bspw.
an der Membran befestigt und dadurch auf eine Sensorhülse
zur Aufnahme des Messsignals verzichtet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist der optische Wellenleiter mit dem
Staukörper und/oder der Sensorfahne und/oder der Membran
mechanisch gekoppelt und reagiert auf Bewegungen des Staukörpers,
der Sensorfahne bzw. der Membran durch eine Längenänderung.
Durch das in den optischen Wellenleiter integrierte Fabry-Pérot
Interferometer können somit die am Staukörper
und/oder an der Sensorfahne auftretenden Längenänderungen
erfasst werden.
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In
einer Ausgestaltung ist der optische Wellenleiter so mit dem Staukörper
und/oder mit der Sensorfahne verbunden, dass die Kármán'schen
Wirbel Längenänderungen des optischen Wellenleiters
erzeugen. Die Längenänderung des optischen Wellenleiters
bewirkt wiederum eine Änderung der Resonanzbedingungen
im optischen Resonator des Fabry-Pérot Interferometers.
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In
einer Weiterbildung ist aus einem Interferenzmuster, welches aus
der Intensität des durch den optischen Wellenleiter übertragenen
Messsignals abgeleitet ist, die Frequenz bestimmbar, mit der sich
die Kármán'schen Wirbel vom Staukörper
ablösen. Die Intensität des durch den optischen
Wellenleiter übertragenen Messsignals kann bspw. mittels
eines Photosensor oder Photodetektors, insbesondere einer Photodiode,
bestimmt werden. Aus dem Interferenzmuster kann dann der Volumendurchfluss
bestimmt werden. Dazu wird bspw. mindestens eine Zeitspanne zwischen
zwei im zeitlichen Verlauf der Intensität des Messsignals
auftretenden Intensitätswerten, insbesondere zwischen im
Wesentlichen gleichen Intensitätswerten, ermittelt. Bei
den Intensitätswerten handelt es sich vorzugsweise um das
Intensitätsmaximum. Besonders bevorzugt handelt es sich
um im Wesentlichen gleiche Intensitätswerte, die jedoch
bei unterschiedlichen Längen des Resonators, insbesondere
bei einer Längenänderung des Resonators um ein
vielfaches der halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichts,
auftreten. Ein Intensitätsmaximum tritt immer dann auf,
wenn die Länge d des Resonators im Wesentlichen ein Vielfaches
der Hälfte Wellenlänge 2 der in den optischen
Wellenleiter eingestrahlten elektromagnetischen Welle beträgt.
Der Zusammenhang zwischen der Frequenz, mit der sich die Kármán'schen
Wirbel vom Staukörper lösen und der ermittelten
Zeitspanne kann bspw. durch eine Kalibrierung hergestellt werden.
Abhängig von der Frequenz der Ablösung der Wirbel
von dem Staukörper, also der Durchflussgeschwindigkeit
des Messstoffs, ändert sich auch die Zeitspanne zwischen
zwei Intensitätswerten im zeitlichen Verlauf der Intensität.
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In
einer Ausführungsform ist die Messeinrichtung eine Coriolis-Massedurchflussmesseinrichtung
mit mindestens einem im Messbetrieb vibrierenden Messrohr, und der
optische Wellenleiter ist mechanisch mit dem Messrohr gekoppelt
und der optische Wellenleiter reagiert auf Vibrationen des Messrohrs
durch eine Längenänderung. Damit lassen sich die
Vibrationen des Messrohrs hochgenau und auch weitestgehend unabhängig
von den Umgebungsbedingungen bestimmen. Dafür wird der
optische Wellenleiter mit integriertem Fabry-Pérot Interferometer so
am Messrohr fixiert, dass das zu Vibrationen angeregte Messrohr
eine Längenänderung des optischen Wellenleiters
bzw. des darin integrierten Fabry-Pérot Resonators erzeugt.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist aus einem Interferenzmuster,
welches aus der Intensität des durch den optischen Wellenleiter übertragenen Messsignals
abgeleitet ist, die Frequenz der Vibrationen des Messrohrs bzw.
im Falle zweier Messrohre die Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Frequenzen
der beiden Messrohre bestimmbar. Dafür wird bspw. zwischen
Intensitätsmaxima und -minima unterschieden und auf diese
Weise eine Auflösung der Längenänderung
des in dem optischen Wellenleiter enthaltenen Resonators bis zu
einem Viertel der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts
erreicht.
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In
einer Ausführungsform ist zur Bestimmung der Intensität
des Messsignals und/oder des Interferenzmusters mindestens eine
Photodiode vorgesehen, die ein elektrisches, dem Messsignal entsprechendes
Signal erzeugt. Die Photodiode dient der Erzeugung eines elektrischen
Signals aus dem in den optischen Wellenleiter eingeleiteten bzw.
ausgeleiteten Lichts. Durch die Photodiode kann das Interferenzmuster
in ein elektrisches Signal umgewandelt werden und an eine Auswerteeinheit übermittelt
werden.
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Die
Erfindung betrifft ein optisches Auswerteverfahrens zur Detektion
kleiner Längenänderungen im Messaufnehmer einer
Durchflussmesseinrichtung, erzeugt durch den Durchfluss von im Wesentlichen
flüssigen und/oder gasförmigen Messstoffen, insbesondere
basierend auf dem Prinzip der Wirbeldurchfluss- und Coriolismessung.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
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1:
einen aus dem Stand der Technik bekannten Messaufnehmer einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung
mit kapazitivem Signalabgriff,
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2:
eine schematische Darstellung einer Anordnung eines Messaufnehmers
einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung mit einem optischen Signalabgriff
und
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3:
eine schematische Darstellung eines an der Sensorhülse
befestigten optischen Wellenleiters mit einem integrierten Fabry-Pérot
Interferometer,
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4:
den schematischen Aufbau eines in einen optischen Wellenleiter integrierten
Fabry-Pérot Interferometers,
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5:
eine schematische Darstellung eines an die Membran einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung
angebrachten optischen Wellenleiters mit integriertem Fabry-Pérot
Interferometer,
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6:
schematisch und nicht maßstäblich die ausgelenkte
Membran und den an der Membran angebrachten optischen Wellenleiter
mit integriertem Fabry-Pérot Interferometer,
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7:
eine schematische Darstellung eines an bzw. in der Sensorfahne befestigten
optischen Wellenleiters mit integriertem Fabry-Pérot Interferometer,
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8:
eine schematische Darstellung eines an dem Staukörper einer
Wirbeldurchflussmesseinrichtung befestigten optischen Wellenleiters
mit integriertem Fabry-Pérot Interferometer,
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9:
eine schematische Darstellung eines ersten und zweiten mit der Membran
einer Sensorfahne verbundene optische Wellenleiters, und
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10:
einen zeitlichen Verlauf der Intensität eines Interferenzsignals.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch den Messaufnehmer einer aus dem Stand der
Technik bekannten Wirbeldurchflussmesseinrichtung.
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Die
am Staukörper, nicht gezeigt, gebildeten Wirbel erzeugen
in der Strömung lokale Druckschwankungen, die über
einen Sensor abgegriffen und in elektrische Signale umgewandelt
werden. Der Sensor ist entweder im Staukörper 9 integriert
oder befindet sich wie die in 1 gezeigte
Sensorfahne 3 unmittelbar hinter dem Staukörper 9.
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Periodisch
auftretende Wirbeldruckschwankungen üben Kräfte
auf die paddelförmige Sensorfahne 3 hinter dem
Staukörper 9 aus. Dieses Paddel überträgt
die Bewegung auf eine hülsenartige Mittelelektrode, welche
mit der in zwei Halbschalen 10a, 10b geteilten
Außenelektrode die Kapazitäten C1 und C2 bildet.
Durch die Änderung der Spaltweite entsteht eine periodisch
variierende und zur Wirbeldruckfrequenz proportionale Kapazitätsänderung, die
in der nachgeschalteten Messelektronik, nicht gezeigt, ausgewertet
wird.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch einen Messaufnehmer einer erfindungsgemäßen
Wirbeldurchflussmesseinrichtung 1, insbesondere durch die
paddelförmige Sensorfahne 3. Die Auslenkungen der
Sensorhülse 2 werden durch ein Fabry-Pérot
Interferometer erfasst. Das Fabry-Pérot Interferometer besteht
aus einem Spiegelelement 8 und einem Ende des optischen
Wellenleiters 7. Das Spiegelelement 8 und das
Ende des optischen Wellenleiters bilden einen optischen Resonator.
Dafür ist ein optischer Wellenleiter 7 in Form
einer optischen Faser durch die gehäusebildende Wandung 5 des
Messaufnehmers geführt. Auf der Sensorhülse 2 ist
zudem ein Spiegelelement 8 angebracht, welches das durch
den optischen Wellenleiter 7 übertragene Signal
reflektiert. Eine Auslenkung der Sensorhülse 2 hat
eine Änderung des Abstands zwischen Spiegelelement 8 und optischem
Wellenleiter 7 zur Folge. Dadurch verändern sich
die Interferenzbedingungen des Resonators. Folglich ändert
sich die Intensität des durch den optischen Wellenleiter 7 übertragenen
optischen Signals. Die Bedingung für konstruktive Interferenz
an den Abstand d zwischen optischem Wellenleiter 7 und
Spiegelelement 8 entspricht: 2d = Nλ, wobei N eine
positive ganze Zahl und λ die Wellenlänge der
in den optischen Wellenleiter 7 eingestrahlten elektromagnetischen
Welle ist.
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Durch
die Reflektion am Spiegelelement 8 wird das optische Signal
in den optischen Wellenleiter 7 zurückgeworfen
und überlagert sich so mit dem ursprünglich eingespeisten
Signal. Das so gebildete Interferenzsignal kann über eine
Photo-Diode, nicht gezeigt, erfasst werden, auf welche das Interferenzsignal
projiziert wird. Dafür wird das optische Signal nachdem
es an dem Spiegelelement 8 reflektiert wurde, wieder durch
den optischen Wellenleiter 7 zurückgeleitet. Das
optische Signal ändert daher abhängig von den
Resonanzbedingungen seine Intensität. Diese Änderung
kann als Funktion der Zeit dargestellt werden. Das so erhaltene
Interferenzmuster entspricht nicht direkt der Bewegung des an der
Sensorhülse 2 angebrachten Spiegelelements 8,
sondern dem Durchlauf des Abstandes d zwischen dem offenen Ende
des optischen Wellenleiters 7 und dem Spiegelelement 8 durch
Entfernungen die zu konstruktiver bzw. zu destruktiver Interferenz
führen. Durch das Zählen der Intensitätsmaxima
und/oder –minima lässt sich so die Amplitude der
Auslenkung bspw. der hier gezeigten Sensorhülse 2 bestimmen. Durch
das unterscheiden zw. Intensitätsmaximum und Intensitätsminimum
kann eine Auflösung von bis zu einem viertel der Wellenlänge 2 des
eingestrahlten Lichts erreicht werden. Die Wellenlänge
des dabei durch den optischen Wellenleiter 7 übertragenen elektromagnetischen
Signals kann über den optischen Wellenlängenbereich
hinaus, sowohl im ultravioletten als auch im infraroten Wellenlängenbereich liegen.
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Als
optischer Wellenleiter 7 kann bspw. ein Kern (core) 42 aus
einer Glasfaser mit einem Mantel (cladding) 41 und/oder
einer Schutzbeschichtung (coating) aus Kunststoff dienen.
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2 enthält
eine vergrößerte Darstellung des optischen Resonators 48.
Der Resonator 48 besteht aus der spiegelnden Oberfläche
des Endes des optischen Wellenleiter 7 und dem Spiegelelement
B. Der optische Wellenleiter 7 ist an oder in der Wandung 5 des
Messaufnehmers befestigt. Gegenüber dem Ende des optischen
Wellenleiters 7 ist auf der Sensorhülse 2 ein
Spiegelelement 8 aufgebracht, welcher das aus dem optischen
Wellenleiter 7 austretende Licht zurück in den
optischen Wellenleiter 7 reflektiert.
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3 zeigt
einen optischen Wellenleiter 7 mit einem integrierten Fabry-Pérot
Interferometer. Der optische Wellenleiter 7 ist wenigstens
an der Sensorhülse 2 und einer den Wirbeldurchflussmessaufnehmer
umgebenden Wandung 5 fixiert. Der Fabry-Pérot
Resonator 48 ist zwischen der Fixierung an der Sensorhülse 31 und
der Fixierung an der Wandung angeordnet. Der Resonator wird durch
zwei Endflächen gebildet, die durch die Mikrofertigung spiegelähnliche
Eigenschaften haben. Im Bereich der Sensorhülse 2 ist
der optische Wellenleiter bspw. durch eine Klebung an der Sensorhülse 2 fixiert.
Der Resonator 48 des Fabry-Pérot Interferometers
ist dabei in die optische Faser des Wellenleiters 7 integriert.
Der Resonator 48 weist typischerweise eine Länge
von 10 bis 100 μm auf. Eine Auslenkung der Sensorfahne 3 bewirkt
eine entsprechende Auslenkung der Sensorhülse 2 und
hat eine Dehnung und/oder Stauchung des optischen Wellenleiters 7 zur
Folge. Dadurch ändern sich die Ausdehnung und die Resonanzbedingung
des Resonators 48 und es bildet sich ein Interferenzsignal
im optischen Wellenleiter 7 aus.
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Aufgrund
der Kopplung des Fabry-Pérot Interferometers an die Sensorhülse,
werden die Bewegungen der Sensorhülse auf den Resonator 48 übertragen.
Der Resonator ändert daher die Resonanzbedingungen in Abhängigkeit
der Bewegung der Sensorhülse. Die Länge des Resonators 48 kann
im Bereich des 10-fachen bis 100-fachen der Wellenlänge
des in den optischen Wellenleiter eingestrahlten Lichts gewählt
werden. Eine Längenänderung des Resonators 48 hingegen
liegt im Bereich eines Zehntels der Länge des Resonators.
Bei einer Längenänderung des Resonators von annähernd
einem Zehntel seiner Länge, können demnach bis
zu einhundert Intensitätsmaxima auftreten.
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4 zeigt
eine vergrößerte Ansicht des in den optischen
Wellenleiter 7 integrierten Fabry-Pérot Interferometers.
Der optische Wellenleiter 7 besteht dabei aus einem Mantel
(cladding) 41 und einem Kern (core) 42. Zudem
ist der optischen Wellenleiter 7 von einer Schutzbeschichtung
(coating), nicht gezeigt, umgeben. Der Kern 42 besteht
dabei bspw. aus einer Glasfaser. Dieser Kern 42 ist von
dem Mantel 41 bspw. ebenfalls Glasfasern mit einem niedrigeren Brechungsindex
umgeben. Die Lücke im Kern 42 wird bspw. mittels
eines Lasers mikrogefertigt. Durch die so entstandenen Endflächen 44 der
optischen Fasern wird ein Fabry-Pérot Resonator 48 gebildet.
Die Endflächen 44 des Resonators 48 haben
spiegelähnliche Eigenschaften. Die mittels des Lasers mikrogefertigte
Lücke muss sich nicht auf den Kern 42 beschränken
sondern kann auch teilweise in dem Mantel 41 des optischen
Wellenleiters 7 bestehen.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Wirbeldurchflussmesseinrichtung
mit einem optischen Wellenleiter 7 mit integriertem Fabry-Pérot
Interferometer. Der optische Wellenleiter 7 ist dabei an der
Membran 4 des Messaufnehmers befestigt. Ein Ende des optischen
Wellenleiters 7 ist mit der Wandung 5 des Messaufnehmers
verbunden. Der Fabry-Pérot Resonator 48 befindet
sich zwischen der Wandung 5 des Messaufnehmers und der
Sensorfahne 3 auf der Membran 4. Der optische
Wellenleiter 7 liegt dabei im Bereich der Membran 4 im
Wesentlichen plan auf der Membran 4 auf. In 5 ist
der optische Wellenleiter 7 auf Höhe der Membran 7 durch die
Wandung 5 des Messaufnehmergehäuses des Wirbeldurchflussmessgerätes
geführt und mit einer Auswerteeinheit, nicht gezeigt, verbunden.
Es ist auch möglich den optischen Wellenleiter 7 durch
das Lumen 21 der Messeinrichtung 1 nach außen
zu führen. Bei der in 5 gezeigten
Messeinrichtung 1 kann auf eine Sensorhülse 2 zur
Aufnahme der Messsignale verzichtet werden.
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6 zeigt
nicht maßstabsgetreu eine durch die Druckänderungen
aufgrund der die Sensorfahne 3 beeinflussenden Wirbel entstehende
Auslenkung bzw. Verformung der Sensorfahne 3 und der Membran 4,
sowie des auf der Membran 4 befestigten optischen Wellenleiters 7.
Der optische Wellenleiter 7 ist auf der Membran 4 im
Wesentlichen plan aufgelegt und bspw. mittels einer Klebung fixiert.
Durch die Auslenkung der Sensorfahne 3 wird die Membran 4 verformt.
Dies hat eine entsprechende Verformung des optischen Wellenleiters 7 und
des in dem optischen Wellenleiter 7 integrierten Fabry-Pérot
Resonators 48 zur Folge. Die dadurch bedingte Änderung der
Resonanzbedingungen des Fabry-Pérot Resonators 48 lassen
ein Interferenzsignal entstehen aus welchem sich die Auslenkung
der Sensorfahne 3, die Frequenz der Wirbel im Messstoff
und somit das Durchflussvolumen Bestimmen lassen.
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7 zeigt
einen Querschnitt durch einen Messaufnehmer eines Wirbeldurchflussmessgerätes.
Der optische Wellenleiter 7 ist direkt mit der Sensorfahne 3 befestigt.
Der optische Wellenleiter 7 ist mittig in die Sensorfahne 3 eingebracht.
Eine bspw. in 6 gezeigte Auslenkung der Sensorfahne 3 dann ebenfalls
zu einer Änderung der Resonanzbedingungen im Fabry-Pérot
Resonator 48 des optischen Wellenleiters 7 und
das Durchflussvolumen des das Messrohr 6 durchströmenden
Messstoffs lässt sich aufgrund des Interferenzsignals bzw.
des Interferenzmusters bestimmen.
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8 zeigt
einen Querschnitt durch einen Staukörper 9 einer
Wirbeldurchflussmesseinrichtung. Zur Aufnahme des Messsignals ist
der optische Wellenleiter 7 mit integriertem Fabry-Pérot
Resonator 48 direkt im Staukörper 9 integriert.
Die sich ablösenden Wirbel verursachen am Staukörper 9 ebenfalls
Auslenkungen ähnlich denen der Sensorfahne 3.
Diese Auslenkungen des Staukörpers 9 lasen sich
ebenfalls mittels des in den optischen Wellenleiter 7 integrierten
Fabry-Pérot Interferometers detektieren. Die Befestigung
des optischen Wellenleiters 7 und das Auslesen des Messsignals
erfolgt dabei analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.
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9 zeigt
einen weiteren Messaufnehmer eines Wirbeldurchflussmessgerätes.
Der Messaufnehmer weist zwei optische Wellenleiter 7 auf,
welche innerhalb des Messaufnehmers verlaufen. Auf der Membran 4 ist
gegenüber einem Ende des ersten und des zweiten optischen Wellenleiters
jeweils ein Spiegelelement 8 angebracht, der das durch
den ersten bzw. zweiten optischen Wellenleiter 7 übertragene
Signal zurück in den ersten bzw. zweiten optischen Wellenleiter 7 reflektiert.
Dadurch wird eine Redundanz der Signale erreicht und etwaige in
einem Signalpfad auftretende Störungen können
erkannt werden. Das erste und das zweite Spiegelelement 8 sind
dabei im Wesentlichen diametral zueinander angeordnet. Das erste
bzw. der zweite Spiegelelement sind dabei durch einen Luftspalt 43 von einer
Länge im μm-Bereich von den Enden des ersten bzw.
zweiten optischen Wellenleiter 7 entfernt.
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Alternativ
kann ein in den ersten und/oder zweiten optischen Wellenleiter 7 integriertes
Fabry-Pérot Interferometer bzw. ein in den optischen Wellenleiter
integrierter Fabry-Pérot Resonator 48 verwendet
werden. Dafür sind der erste und der zweite optische Resonator 48 endseitig
im Wesentlichen diametral zueinander angeordnet und mit der erste und/oder
zweite optische Wellenleiter 7 mit der Membran 4 des
Wirbeldurchflussmessgerätes verbunden.
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10 zeigt
den Verlauf der Intensität des Interferenzsignals als Funktion
der Zeit. Wie bereits erwähnt, liegen die Längenänderungen
des Resonators im Bereich eines Zehntels der Wellenlänge
des in den Wellenleiter eingestrahlten Lichts. Der Intensitätsverlauf
während der Längenänderung dient zur Bestimmung
der Frequenz mit der sich die Kármán'schen Wirbel
vom Staukörper ablösen. Dafür wird die
Zeitspanne Δt zwischen zwei Intensitätsmaxima
gemessen. Aus der Zeitspanne kann die Frequenz, mit der sich die
Kármán'schen Wirbel vom Staukörper ablösen,
bestimmt werden.
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Das
in den optischen Wellenleiter eingespeiste Signal kann bspw. einer
Laser-Quelle entnommen werden. Die Intensität des Interferenzsignals
kann durch eine Photodiode bestimmt und in ein elektrisches Signal
umgewandelt werden.
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- 1
- Wirbeldurchflussmesseinrichtung
- 2
- Sensorhülse
- 3
- Sensorfahne
- 4
- Membran
- 5
- Wandung
- 6
- Messrohr
- 7
- Optischer
Wellenleiter
- 8
- Spiegelelement
- 9
- Staukörper
- 10a
- Halbschale
- 10b
- Halbschale
- 21
- Lumen
- 31
- Fixierung
an der Sensorhülse
- 41
- Mantel
(cladding)
- 42
- Kern
(core)
- 43
- Luftspalt
- 44
- Endfläche
- 48
- Resonator
- Δt
- Zeitspanne
zwischen zwei Intensitätsmaxima
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 60311048
T2 [0005]
- - DE 69226446 T2 [0006]
- - DE 4122799 A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Optics Letters,
Nov. 1, 2007, pp. 3071–3073 [0011]
- - Photonics Spectra, December 2007 „To boldly go where
no sensor has gone before” [0011]