DE2657119A1

DE2657119A1 - Drucksensor fuer faseroptik

Info

Publication number: DE2657119A1
Application number: DE19762657119
Authority: DE
Inventors: William James Stewart
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Overseas Ltd
Priority date: 1975-12-18
Filing date: 1976-12-16
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2335836A1; GB1546080A; DE2657119C2; FR2335836B3; US4078432A

Description

PATENTANWALT
DR.-ING. HANS LEYH 2657119

D-8 München 80,

Lucile-Grahn-Straße 38

Unser Zeichen: A 13 329

Lh/fi

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS A.G. Gartenstrasse 2
CH-6300 Zug /Schweiz

Drucksensor für Faseroptik

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für Faseroptik und insbesondere Druckmeßsysteme für die Faseroptik.

Der erfindungsgemäße Drucksensor umfaßt hierzu wenigstens
zwei Abschnitte einer optischen Faser, von denen jeder an
einer Fläche eines einer Anzahl von im Abstand angeordneten Gliedern befestigt ist, von denen wenigstens eines elastisch ist, wobei die optischen Fasern in dem Raum zwischen diesen Gliedern angeordnet sind und zur Flucht gebracht werden
können, wenn wenigstens eines der Glieder durch Anlegen
eines äußeren Druckes an den Sensor abgelenkt bzw. abgebogen wird.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

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Fig. 1a schematisch in Rückansicht einen Faseroptik-Drucksensor nach der Erfindung zeigt.

Fig. 1b zeigt schematisch im Schnitt längs der Linie X-X von Fig. 1 den erfindungsgemäßen Drucksensor.

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt ein Faseroptik-Druckmeßsystem unter Einschluß des Sensors nach den Figuren 1a und 1b nach dem Anlegen einer äußeren Kraft.

Fig. 3 und 4 zeigen Arbeitscharakteristiken des Drucksensors.

Fig. 5 zeigt einen Faseroptik-Drucksensor zum Messen von Druckunterschieden.

Der Drucksensor nach den Figuren 1a und 1b umfaßt zwei Abschnitte optischer Fasern 1 und 2, von denen jede mit einem Metall überzogen sein kann. Die optischen Fasern 1 und 2 sind geeignet befestigt, beispielsweise durch ein Klebmittel oder durch Punktschweißen im Falle metallüberzogener Fasern, an separaten Flächen 3a und 4a eines Paares von elastischen Gliedern 3 und 4, die vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet sind.

Die optische Faser 1 ist an der Fläche 3a des elastischen Gliedes 3 radial angebracht, so daß eine Stirnfläche 1a der Faser in der Mitte der Fläche 3a liegt. Qer andere nicht befestigte Teil der Faser 1 tritt praktisch rechtwinkelig am Umfang 3b des elastischen Gliedes 3 aus.

Die optische Faser 2 ist an der Fläche 4a des elastischen Gliedes 4 radial befestigt , so daß ihre Stirnfläche 2a in der Mitte der Fläche 4a liegt. Der übrige nicht befestigte

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Teil der optischen Faser 2 tritt praktisch rechtwinkelig zum Umfang 4b des elastischen Gliedes 4 aus.

Die beiden elastischen Glieder 3 und 4 sind parallel im Abstand gehalten durch zwei feste stabile Abstandsstücke 5 und 6, so daß die Flächen 3a und 4a einander gegenüberliegen. Der Raum bzw. Abstand zwischen den Flächen 3a und 4a ist größer als die kombinierten Durchmesser der optischen Fasern 1 und 2.

Die Distanzstücke 5 und 6 sind übereinander an den Rändern oder Kanten der Flächen 3a und 4a angeordnet. Jedes Distanzstück hat die Form eines Ringes, der von einem Schlitz durchsetzt ist, welcher den Eintritt einer optischen Faser ins Innere des Sensors erlaubt. Das Distanzstück 5 hat somit einen Schlitz 5a, das den Eintritt der optischen Faser 1 ins Innere des Sensors ermöglicht und das Distanzstück 6 hat einen Schlitz 6a, das den Eintritt der optischen Faser 2 ins Innere des Sensors ermöglicht. Die Tiefe jedes Schlitzes 5a und 6a ist größer als der Durchmesser der optischen Fasern 1 und 2, weshalb sich diese frei in den Schlitzen 5a und 6a bewegen können. Die Schlitze 5a und 6a der Distanzstücke 5 und 6 sind so ausgerichtet, daß sie sich diametral gegenüberliegen, so daß die optischen Fasern 1 und 2 in derselben Ebene liegen und ihre Stirnflächen 1a und 2a im Abstand voneinander liegen und nicht miteinander fluchten.

Wenn, wie Fig. 2 zeigt, entsprechende Drücke P1 und P2 in den durch die Pfeile X und Y angezeigten Richtungen an die Flächen 3c und 4c der elastischen Glieder 3 und 4 gelegt werden bzw. auf diese Flächen einwirken, so werden die Flächen 3a und 4c konkav gebogen. Damit wird der Abstand zwischen den elastischen Gliedern 3 und 4 reduziert und wenn die Drücke P1 und P2 ausreichen, werden die Stirnflächen 1a und 2a der

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optischen Fasern 1 und 2 ausgerichtet bzw. zum Fluchten gebracht .

Wenn nun gemäß Fig. 2 ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle in die optische Faser 1 in Richtung des Pfeiles Z eingegeben wird, so breitet sich das Licht in Längsrichtung der optischen Faser aus, um an der Stirnfläche 1a auszutreten. Im Falle des Vorliegens eines äußeren Druckes, wie in Fig. 2 gezeigt ist, tritt das aus der Stirnfläche 1a austretende Licht infolge der Fluchtung der optischen Fasern 1 und 2 in die Stirnfläche 2a der optischen Faser 2 und damit in diese ein und es breitet sich in dieser in Richtung des Pfeiles Z' in Längsrichtung der Faser 2 aus, um an deren anderen Ende auszutreten. In Abwesenheit eines äußeren Druckes jedoch, wie die Figuren 1a und 1b zeigen, tritt das aus der Stirnfläche 1a austretende Licht nicht in die Faser 2 ein und breitet sich nicht in deren Längsrichtung aus, weil die beiden Fasern nicht in Flucht liegen. Jedes Licht, das in die Faser 2 eintritt wird durch einen Detektor 8 festgestellt und in einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ausgang des Detektors 8 in einem Verstärker 9 verstärkt und der Ausgang des Verstärkers 9 wird zur Steuerung einer Anzeigeeinrichtung 10 benutzt.

Außer den in den Figuren 1b und 2 dargestellten Positionen bzw. Zuständen des Sensors sind auch weitere Zustände bzw. Positionen möglich, die Mittelwerte des Druckes darstellen bzw. entsprechen. Das Anlegen von äußeren Drücken P1 und P2 mit einem Zwischenwert an die elastischen Glieder 3 und 4 führt zu einer teilweisen Ausrichtung und Fluchtung der optischen Fasern 1 und 2. Die Menge an Licht, die in die optische Faser 2 eintritt und sich in ihrer Längsrichtung ausbreitet, wird dadurch reduziert. Die Lichtmenge, die

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aus der optischen Faser 2 in Richtung des Pfeiles Z' austritt ist somit in diesem Beispiel eine Funktion des Grades an Überlappung zwischen den optischen Fasern und damit eine Funktion der Größe der äußeren Drücke, die auf die elastischen Glieder 3 und 4 einwirken. Der Ausgang des Detektors 7 ist damit proportional zum Grad der Überlappung der Fasern und dies wird als Druck durch die Anzeigeeinrichtung 10 angezeigt.

Obgleich in der vorstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung die optischen Fasern 1 und durch das Anlegen eines äußeren Druckes an beide elastische Glieder 3 und 4 in Flucht gebracht werden, können sie auch durch Anlegen eines äußeren Druckes an nur eines der elastischen Glieder ausgerichtet bzw. in Flucht gebracht werden.

Im Drucksensor nach den Figuren 1 und 2 können die beiden Distanzstücke 5 und 6 durch ein einziges Distanzstück ersetzt werden, das geeignete diametral gegenüberliegende Schlitze aufweist. Der Drucksensor nach den Figuren 1 und kann als Differenzdruckmesser verwendet werden, wenn z.B. ein Gas mit einem Druck P3 in den Raum zwischen den elastischen Gliedern 3 und 4 eingeführt wird. Wenn der Druck P1 gleich dem Druck P2 ist, mißt der Sensor den Differenzdruck (P1 - P3). Alternativ kann der Raum zwischen den elastischen Gliedern 3 und 4 unter einen bekannten Druck P4 gesetzt und verschlossen werden. Der Sensor mißt dann den Differenzdruck (P1 - P4).

Im Falle einer kreisförmigen metallischen Membran ist die Verschiebung (x) der Mitte der kreisförmigen Membran gegeben durch die Formel

- O,O12(1-O²) D⁴P 3

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V7orin D der Durchmesser der Scheibe mit der Dicke t ist, die unter einem Druck P gebogen wird, während Y der Young-Modul und 0 das Paisons-Verhältnis bzw. die Paisons-Zahl für das verwendete Metall sind.

Eine.metallische Membran wird insbesondere dann gewählt wenn schwierige Bedingungen oder hohe Temperaturen vorliegen, beispielsweise bei der Messung von Drücken in modernen Turbo-Düsenmotoren.

Es ist möglich einen Schalter herzustellen mit einem Stufenfunktions-Ausgang, wie in Fig. 3 gezeigt oder mit einem Rampenfunktions-Ausgang, wie Fig. 4 zeigt. In Fig. stellt der Drucksensor keinen Lichtausgang fest bis ein Differenzdruck PA erreicht ist, worauf innerhalb einer relativ kleinen Änderung des Druckes der Lichtausgang bis zu einem Maximum zunimmt, womit eine vollständige Ausrichtung bzw. Flucht der Fasern angezeigt wird. Bei einer schnellen Druckänderung ist jedoch der Detektorausgang eine Stufenfunktion. Diese Funktion kann erhalten werden beispielsweise in Falle metallischer Membranen durch Wahl eines Materials mit relativ niedrigem Young-Modul oder Verwendung einer relativ dünnen Membran. Der Druck PA kann gewählt werden durch geeignete Wahl des Drucks innerhalb des Drucksensors bei Verwendung eines geschlossenen Sensors oder er kann bestimmt werden durch den Druck des Gases in dem Sensor in dem Fall, in welchem weiteres Gas in den Raum innerhalb des Drucksensors eingeführt wird.

Um eine Rampenfunktion in einem Drucksensor bei metallischen elastischen Gliedern zu erhalten, kann ein Material mit höherem Young-Modul oder mit größerer Dicke verwendet werden Durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen den elastischen

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Gliedern kann der Druck PA, bei dem der Sensor zu arbeiten beginnt, gewählt werden.

In einer alternativen Ausführungsform, wenn die Bedingungen weniger schwierig sind, können die Membranen aus einem flexiblen Material, z.B. einer Gummi-Verbindung hergestellt sein. Wiederum kann durch Wahl der Dicke der Membran eine effektive Stufenfunktion oder eine Rampenfunktion erzielt werden.

Wenn der Drucksensor zum Messen eines Differenzdruckes zwischen zwei Gasen verwendet werden soll, z.B. Abgasen die verschmutzt sind, ist ns erwünscht, einen direkten Kontakt zwischen den Gasen und den Enden der optischen Fasern zu verhindern. Jeder längere Kontakt würde dazu führen, daß die Faserenden verschmutzen und im Falle eines Rampertfunktions-Ausganges wäre die Druckanzeige ungenau. Im Falle einer Sprungfunktion kann der Ausgang zu niedrig werden, um gemessen zu werden.

Der Drucksensor nach Fig. 5 überwindet dieses Problem durch Isolierung der optischen Fasern gegenüber den Gasen. Wie Fig. 5 zeigt, enthält der Drucksensor 4 flexible und/öder elastische kreisförmige Membranen 11, 12, 13, 14, wobei optische Fasern 15, 16 an den Innenflächen der Membranen 12 und 13 in ähnlicher oder gleicher Weise befestigt sind, wie die Fasern 1 und 2 der Figuren 1 und 2. Die Membranen 11, 12, 13 und 14 werden durch ringförmige Distanzstücke 17, 18 und 19 im Abstand gehalten. Die Membranen sind an den ringförmigen Distanzstücken durch Klebstoff oder andere geeignete Mittel dicht angebracht. Vorzugsweise sind die Membranen 12 und 13 beträchtlich kleiner im Durchmesser als die Membranen 11 und 14, was durch ringförmige Distanzstücke 17 und 19 mit entsprechenden einwärts gerichteten Bunden

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und 21 erreicht wird. Die Membranen 12 und 13 sind auf den inneren Rändern der Bunde 20 und 21 entsprechend dicht angebracht.

Es sind Einlasse 22 und 23 für Gas mit einem Druck P1 in den entsprechenden ringförmigen Distanzstücken 17, 18 vorgesehen. Es wird angenommen, daß ein Gas mit einem Druck P2 außerhalb des Drucksensors vorhanden ist, wie durch die Pfeile angezeigt. Der Innenraum 24 in dem Sensor kann mit einem inerten Gas unter einem Druck P3 gefüllt sein oder er kann evakuiert sein. Die Membranen 11 und 12 sowie 13 und 14 sind durch feste Bolzen 25, 26 entsprechend verbunden.

Wenn der Raum 24 evakuiert ist, so mißt der Sensor die Druckdifferenz (P1 - P2), da beide Drücke an gegenüberliegenden Seiten der Membranen 11 und 14 anliegen.

Wenn der Raum 24 unter einem niedrigen Druck P3 steht, kann der Sensor trotzdem wirksam benutzt werden, um den Differenzdruck (P1 - P2)zu messen, vorausgesetzt, daß das Verhältnis der Flächen der äußeren Membranen 11 und 14 zu dem der inneren Membranen 12 und 13 hoch ist. Dies ist relativ leicht erreichbar, da die Flächen proportional zum Quadrat der Durchmesser sind und die Bolzen 25, 26 einen Teil der Fläche aufnehmen.

Durch Veränderung des Druckes P3 und des Verhältnisses der Flächen der Membranen is·¹: es möglich, den Druck PA (Fig. 3, 4) zu ändern, bei welchem der Differenzdruck-Sensor zu arbeiten beginnt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Membranen 11, 12, 13 und 14 metallisch, um schwierigen Bedingungen hinsichtlich Temperatur und Verschmutzung der Gase im Drucksensor nach Fig.

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widerstehen. Ein geeignetes Metall ist rostfreier Stahl und bei Verwendung bei höheren Temperaturen haben die Fasern vorzugsweise einen metallischen überzug oder einen anderen überzug, der hohe Temperaturen aushält, im Gegensatz zu normalen Kunststoff-Überzügen, die Temperaturen von 400°C, wie sie z.B. in Abgasen von Motoren auftreten, nicht aushalten.

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Claims

Patentansprüche

Drucksensor für Faseroptik, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Abschnitte optischer Fasern, von denen jeder an einer Fläche eines einer Anzahl von im Abstand angeordneten Gliedern befestigt ist, von denen wenigstens eines elastisch ist, ferner dadurch, daß die optischen Fasern in dem Raum zwischen diesen Gliedern angeordnet sind und in Flucht bringbar sind,wenn wenigstens eines der Glieder durch Anlegen eines äußeren Druckes gebogen wird.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern mit einem metallischen Überzug versehen sine¹.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Glieder durch wenigstens ein Distanzstück im Abstand gehalten sind.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -

ζ e i ch η et ,daß das Distanzstück mit wechselseitig gegenüberliegenden Öffnungen versehen ist, durch deren Tiefe der Abstand der optischen Fasern bestimmt ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei im Abstand angeordnete elastische Glieder, die in Form metallischer Membranen ausgebildet sind.
6. Drucksensor nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, die mit einer ersten der Fasern verbindbar ist, einem Detektor, der mit einer

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ORIGINAL INSPECTED

zweiten der Fasern verbindbar ist, um das von der ersten Faser bei Fluchtung der ersten und der zweiten Faser übertragene Licht zu messen, einen Verstärker zum Verstärken des Ausgangs des Detektors und einer Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des Ausgangs des Verstärkers.
7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Anzeigeeinrichtung geeicht ist, um den Differenzdruck von Gasen, die auf den Sensor einwirken, zu messen.
8. Drucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier im Abstand angeordnete elastische Glieder, drei Distanzstücke, an denen die vier Glieder dicht angebracht sind, die zusammen mit den Distanzstücken erste, zweite und dritte Kammern bilden, in denen die optischen Fasern an den Innenflächen der zwei inneren Glieder angebracht und mit einem ersten dieser Distanzstücke dicht verbunden sind, wobei die erste Kammer dicht gegen die zweite und die dritte Kammer verschlossen ist und die zweite und die dritte Kammer mit Anschlüssen für den Einlaß von Druckgasen versehen sind.

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