DE2849186A1

DE2849186A1 - Optisches messgeraet

Info

Publication number: DE2849186A1
Application number: DE19782849186
Authority: DE
Inventors: Jan Bergstroem; Hans Bertilson; Torgny Brogaardh; Anders Persson
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-13
Publication date: 1979-06-07
Also published as: CH639196A5; CA1115084A; GB2010476B; JPS5483461A; IT1160945B; FR2410255A1; FR2410255B1; JPS6313133B2; DE2849186C2; US4249076A; IT7869669A0; GB2010476A; NL7811205A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem bekannten optischen Meßgerät zum Messen des in einem Behälter herrschenden Druckes ist in-der Wand des Behälters eine biegsame Membran angebracht. Die Membran ist auf ihrer Außenseite spiegelnd. Zum Beleuchten der spiegelnden Oberfläche der Membran ist eine lichteinleitende optische Faser vorgesehen. Eine lichtfortleitende Faser ist mit ihrem Eingangsende derart angeordnet, daß von der spiegelnden Oberfläche reflektiertes Licht in diese Faser einfallen kann. Am anderen Ende dieser Faser ist ein Lichtdetektor vorgesehen, der die Stärke des Lichtes erfaßt, das in die Faser einfällt. Die spiegelnde Oberfläche der Membran sowie die Endflächen der Fasern sind so angeordnet, daß das Licht, das über die spiegelnde Oberfläche von der lichteinleitenden Fa-

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ser in die lichtfortleitende Faser gelangt, vom Druck im Behälter abhängt. Durch Analyse des Lichtes der Iichtausleitenden Faser kann also der Druck im Behälter gemessen werden.

Ein solches Meßgerät enthält jedoch eine Anzahl von Fehlern "bzw. Fehlerquellen, durch die das Meßgerät für Messungen mit mäßigen oder hohen Ansprüchen an Genauigkeit ungeeignet wird. Im folgenden seien einige solcher Fehlerquellen genannt:

Instabilität der Lichtquelle und ihrer" Antriebsorgane.

Instabilität der Lichtempfänger und ihrer Verstärker.

Unterschiedliche Dämpfung der lichtleitenden Fasern aufgrund sogenannten "microbendings", das zur Folge hat, daß beim Biegen der Faser Licht aus der Faser abgeleitet wird und eine unkontrollierbare Dämpfung des übertragenen Lichtes eintritt.

Unterschiedliche Dämpfung an den Faserverbindungen und Instabilitäten in den Faseranschlüssen bei Lichtsendern und Empfängern.

Instabilitäten in den Befestigungsvorrichtungen für die Fasern.

Es ist offenbar,daß derartige Fehlerquellen bedeutende Meßfehler und eine große Unsicherheit hinsichtlich der Meßwerte verursachen

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können und daher auf irgendeine Weise eliminiert oder kompensiert werden müssen, wenn zuverlässige Meßwerte gefordert werden. Dies gilt insbesondere beim Messen unter verschiedenen Temperaturbedingungen und beim Messen über lange Zeiträume ohne Möglichkeit zur Eichung, da dann bestimmte Fehlerquellen sich besonders bemerkbar machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Meßgerät der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die oben aufgeführten Fehlerquellen weitgehend vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optisches Meßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1a und 1b schematisch das Prinzip eines Meßgerätes, Fig. 2a bis 2d das Prinzip für den Aufbau des Sensors,

die Fig. 3 bis 6 zeigen Abwandlungen des Meßgerätes nach den

Fig. 1a und 1b»

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Fig. 7 ein Meßgerät mit zwei alternierenden Lichtquellen,

Fig. 8 und 8a ein Meßgerät mit einer faseroptischen Verzweigung.

Gemäß dem in Figur 1a gezeigten Grundprinzip für das Meßgerät mit Sensor und zugehöriger elektrischer Ausrüstung werden eine in den Sensor lichteinleitende Faser 1 und zwei vom Sensor lichtfortleitende Fasern 2 und 3 verwendet. Als Faser kann entweder ein Faserbündel oder eine Einzelfaser verwendet werden. Eine Leuchtdiode 4 oder ein Halbleiterlaser sendet Licht in die lichteinleitende Faser 1, Die von der Leuchtdiode ausgesandte Lichtintensität ist mittels eines Steuergliedes 7 steuerbar. Der durch die lichtfortleitenden Fasern fließende Lichtfluß fällt auf zwei Fotodioden,Fototransistoren, Fotoleiter oder CCD-Elemente 5 bzw. 6, und die in den Elementen 5 und 6 erzeugten Fotoströme werden in zwei Detektorverstärkern 8 bzw. 9 verstärkt. Die von den Detektorverstärkern kommenden Signale werden zwei Summierungsgliedern 10 bzw. 11 zugeführt. Das Summierungsglied 10 hat zwei positive Eingänge, so daß an seinem Ausgang ein Signal auftritt, das der Summe der Ausgangssignale der Verstärker 8 und 9 entspricht. Dieses Signal wird als Steuersignal einem Eingang des Steuergliedes 7 zugeführt. Dieses Steuerglied steuert die Leuchtdiode 4 derart, daß das Summensignal am Ausgang des Summierungsgliedes 10 konstant bleibt, wodurch das Meßgerät gute Stabilisierungseigenschaften erhält. Das Summierungsglied 11 hat einen positiven und einen negativen Eingang, so daß dessen Aus-

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gangssignal der Differenz der Ausgangssignale der beiden Verstärker 8 und 9 entspricht. Dieses Ausgangssignal stellt das Meßsignal dar und wird einem Instrument 12 zugeführt, das anzeigend, registrierend oder auf andere zweckmäßige Weise ausgebildet sein kann.

Der durch die lichteinleitende Faser 1 fließende Lichtfluß fällt auf einen Spiegel 13. Ein beweglicher Schirm 15 ist zwischen den Endflächen der Fasern 1, 2 und 3 und dem Spiegel 13 angeordnet. Der Schirm hat eine Öffnung 16, die in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist und die derart in der neutralen Lage des Sensors liegt, daß die beiden lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 gleich große Mengen des vom Spiegel reflektierten Lichtflusses erhalten. Dies hat zur Folge, daß die Ausgangssignale der Verstärker 8 und 9 gleich groß sind. Das Meßsignal wird somit Null, und das Steuersignal wird gleich dem doppelten Ausgangssignal von einem der Verstärker 8 oder 9ο Es können alternative Schirmanordnungen gemäß Figur 2a und 2c verwendet werden.

Fig. 1b zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Figur 1a. Das von der Leuchtdiode 4 erzeugte Licht wird durch zwei Fasern 1a und 1b ausgesandt. Das durch die Faser 1a kommende Licht wird vom Spiegel 13 reflektiert, und zumindest ein Teil dieses reflektierten Lichtes mündet in die lichtfortleitende Faser 2 ein. Der Schirm 15 ist auf einer Glasplatte 25 angebracht und bedeckt einen Teil der Eintrittsfläche der Faser 2. Der durch die

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Faser 2 fließende Lichtfluß fällt auf die Fotodiode

5, und der zugehörige Detektorverstärker 8 gibt ein Meßsignal an das Instrument 12. Der Lichtfluß in der Faser 2 ist von der Lage des Schirmes 15 abhängig. Der durch die Faser 1b fließende Lichtfluß von der Fotodiode 4 wird vom Spiegel 13 reflektiert und ein Teil des reflektierten Flusses mündet in die Faser 3 und wird zur Fotodiode oder zum Fototransistor 6 geleitet. Der zugehörige Detektorverstärker 9 gibt ein Steuersignal an das Steuerglied 7 der Leuchtdiode 4, welches das Ausgangssignal der Leuchtdiode so steuert, daß es konstant gehalten wird. Wenn man die lichtfortleitende Faser 3 oberhalb der Faser 1a anordnet und von dieser in der Glasplatte 25 vom Schirm 15 unbeeinflußtes Licht in die Faser 3 reflektiert, kann die Faser 1a eliminiert werden (vgl. Fig. 6).

Die Figuren 2a und 2b zeigen zwei senkrecht zueinander liegende Schnitte durch den Sensorkörper. Figur 2a zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Figur 2b, und Figur 2b zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B in Figur 2a. Der Sensor enthält eine Siliziumplatte 20, in deren einer Fläche eine Nut 21 mit dreieckigem Querschnitt eingelassen ist. Die Nut kann beispielsweise durch Ätzung hergestellt werden. In der Nut liegen die drei lichtleitenden Fasern 1, 2 und 3. Sie sind in Epoxyharz 24 eingegossen und zwischen der Siliziumplatte 20 und einer Glas- oder Siliziumplatte 27 festgepreßt. In dem gezeigten Beispiel liegt,die lichteinleitende Faser 1 am Boden der Nut. Der Bodenwinkel 22 der Nut beträgt 72°, wodurch ein gewisser Abstand zwischen den beiden lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 entsteht. Die Faserhülle 23, welche die Fasern normalerweise umschließt, ist unmittelbar an den Enden der Fasern entfernt. Eine Glasplatte 25 trägt den Schirm 15 an ihrer auf die

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Endflächen der Fasern gerichteten Saite und trägt auch den Spiegel 13 auf ihrer entgegengesetzten Seiiteg ^tJe-J glasplatte ruht zwischen einigen Federn 26 aus Metall, Silizium oder Glas, die mit ihrem einen Ende an der Siliziumplatte 20 befestigt sind. Die Glasplatte 25 kann sich also zusammen mit Schirm und Spiegel vor den Endflächen der Fasern in einer Richtung bewegen, die senkrecht zur Längsrichtung der Fasern liegt. Das Material der Federn wird unter Berücksichtigung der am Einsatzort des Sensors herrschenden Verhältnisse gewählt, also beispielsweise mit Rücksicht auf das Vorhandensein von elektrischen oder magnetischen Feldern, einer chemisch aggressiven Atmosphäre oder dergleichen.

Aus Figur 2a und 2b geht hervor, daß der Schirm 15 nur die lichtfortleitenden Fasern abschirmen kann und daß sich die abgeschirmte Fläche verändert, wenn sich die Platte 25 in seitlicher Richtung bewegt, also im Sinne von oben nach unten bzw. von unten nach oben in Figur 2a und 2b. Dadurch, daß sich der Schirm vor den Endflächen der fortleitenden Fasern bewegt, erhält man einen linearen Bereich für das Meßsignal als Funktion der Lage des Schirmes.

Die Figuren 2c und 2d zeigen eine alternative Ausführung des mechanischen Aufbaus des Sensors, mit der man eine bessere Linearität des Sensors erhält. Figur 2c zeigt einen Schnitt längs der Linie C-C in Figur 2d, und Figur 2d zeigt einen Schnitt längs der Linie D-D in Figur 2c. In jede der beiden gegeneinandergepreßten Siliziumplatten 20a, 20b sind drei parallele Nuten 21 geätzt. Die lichteinleitende Faser 1 ist'zwischen den mittleren Nuten 21a der Siliziumplatten festgepreßt, und die beiden lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 sind zwischen den äußeren Nuten 21b und 21c der Platten festgepreßt.· Sämtliche Fasern sind in Epoxyharz 24 eingegossen, der auch die Siliziumplatten zusammenhält, welche von Glaskörpern 27a und 27b umgeben sind. Figur 2d

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zeigt, daß in die Glaskörper 27a und 27b Nuten 28 zur Befestigung der Federn 26 eingearbeitet sind. Diese Federn sind mit ihrem anderen Ende in Nuten 29 in der Glasplatte 25 befestigt. Die Glasplatte 25 trägt den Schirm 15, der mit gestrichelten Linien in Figur 2c gezeigt ist, sowie die spiegelnde Fläche 13. Sowohl in Figur 2c als auch in Figur 2d verläuft die Bewegungsrichtung der Glasplatte von oben nach unten bzw. von unten nach oben. Dadurch, daß die Glaskörper 27a und 27b langer als die Siliziumplatten 20a und 20b sind, was aus Figur 2d hervorgeht, erhält man einen Raum für die Faserhülle 23, die im Sensor von dem Epoxyharz 24 umgeben ist. Der anfangs genannte Schirm 15 ist bei dieser Ausführung in zwei Teilschirme 15a und 15b geteilt,

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die auf'Glasplatte' befestigt sind, so daß sie sich in ihren Bewegungen folgen. Wenn sich die Glasplatte nach oben bewegt, wird der vom Teilschirm 15a bedeckte Teil der Endfläche der Faser 2 kleiner, während der vom Teilschirm 15b bedeckte Teil der Endfläche der Faser 3 in entsprechendem Maße größer wird. Dies hängt damit zusammen, daß sich der Schirm 15 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Fasern 1, 2 und 3 bewegt. Wenn sich die Glasplatte 25 mit dem Schirm 15 nach unten bewegt, ändern sich die von den Teilschirmen bedeckten Faserendflächen in entgegengesetzter Richtung.

Wie bereits erwähnt, dient das Meßgerät zum Messen physikalischer Größen. Ein nicht gezeigter Geber ist in jedem Fall angeordnet,

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um die zu messende Größe auf bekannte Weise in eine Bewegung umzuwandeln, die auf den Teil des Sensors übertragen wird, der den Schirm 15 trägt. Dabei bewegt sich der Schirm in einer Weise, die dem Zustand der zu messenden Größe entspricht. Die Ausführung des genannten Gebers zur Umwandlung von physikalischen Größen,wie z.B. Lage, Kraft, Druck, Beschleunigung, Flußgeschwindigkeit, Temperatur usw., in eine Bewegung zur Verschiebung des Schirmes im Sensor kann auf verschiedene Arten erfolgen. Da die Art dieser Umwandlung für das Wesen und das Verständnis des Meßgerätes nach der Erfindung unwichtig ist, wird auf eine genauere Beschreibung hier verzichtet. In den meisten Fällen ist es am besten, der Platte 25 eine Bewegung zu geben, die parallel zu den Endflächen der Fasern verläuft, indem man die Platte beispielsweise, wie gezeigt, an weichen Federn oder Membranen aufhängt. Alternativ kann die Platte jedoch an einer einzigen Blattfeder befestigt werden, die in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Platte liegt. Die dabei auftretende nicht geradlinige Bewegung kann entweder elektronisch oder durch nicht lineare Abschirmung kompensiert werden.

Alternativ kann die spiegelnde Fläche 13 an einem Körper angeordnet sein, der mit der Siliziumplatte 20 fest verbunden ist. Der Schirm 15 wird dabei auf einer durchsichtigen Platte zwischen der Spiegelfläche 13 und den Endflächen der Fasern angeordnet und auf gleiche Weise wie die Glasplatte 25 in Figur 2a aufgehängt.

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Gemäß einer anderen Alternative kann die leichteinleitende Faser 1 so angeordnet werden, daß ihre Lichtaustrittsfläche auf die Endflächen der Iichtfortleitenden Fasern gerichtet ist. Das Licht fließt dabei direkt von der Faser 1 in die Fasern 2 und 3. Dabei ist der Schirm 15, der beweglich ist, zwischen der Endfläche der lichteinleitenden Faser und den Endflächen der lichtf ortleitenden Fasern angeordnet. Dieser Sensortyp ist somit mit Lichtleitern an zwei Enden versehen, was beim Anbringen des Gebers am Meßobjekt mehr Platz erfordert. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Ende der lichteinleitenden Faser an einem ersten Teil des Sensors befestigt sein, während die Enden der lichtfortleitenden Fasern in einem zweiten Teil des Sensors befestigt sind. Die beiden Teil sind dabei im Verhältnis zueinander in Abhängigkeit der zu messenden Größe beweglich, und diese Bewegung erfolgt in der Ebene, in welcher die beiden lichtfortleitenden Fasern liegen. Damit der Sensor eine annehmbare Linearität erhält, ist darauf zu achten, daß bei der relativen Bewegung zwischen den Teilen des Sensors die Zunahme von einfallendem Licht in der einen der lichtfortleitenden Faser im wesentlichen mit der Abnahme des einfallenden Lichtes in der anderen lichtfortleitenden Faser übereinstimmt. Dieses kann durch einen Schirm zwischen den Endflächen der lichteinleitenden Faser und der lichtfortleitenden Faser erreicht werden. Der Schirm ist dabei mit

einem oder mehreren lichtdurchlässigen Feldern versehen, durch welche die gewünschte Linearität zustandekommt.

In den Figuren 3 bis 6 wird eine Weiterentwicklung des in den Figuren 1a und 1b dargestellten Meßgerätes gezeigt. Mit dem Gerät

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nach diesen Figuren erhält man eine verbesserte Stabiltät der Optoelektronik und der Faseroptik. Dies wird mit Hilfe einer zweiten lichteinleitenden Faser zum Sensor erreicht, wobei das Licht von dieser Faser dazu benutzt wird, um die Übereinstimmung (matching) zwischen den beiden lichtfortleitenden Fasern mit zugehörigen Detektorverstärkemund Elektronik sicherzustellen. Eine solche Übereinstimmung ist erforderlich, damit die genannte Stabilisierung mit dem Licht von der ersten lichteinleitenden Faser unter allen Umständen wirksam ist.

In den Figuren 3 bis 6 ist die erste lichteinleitende Faser mit 1, die zweite lichteinleitende Faser mit 30 und die beiden lichtfortleitenden Fasern sind mit 2 und 3 bezeichnet. Eine Lichtquelle

4 mit einem Steuerglied 7 sendet Licht

in die Faser 1, wobei die Intensität dieses Lichtes durch das Steuerglied steuerbar ist. Für die Faser 30 ist eine entsprechende Lichtquelle 31 mit einem Steuerglied 32 vorhanden. Der durch die lichtfortleitenden Fasern 2 bzw. 3 fließende Lichtfluß wirkt auf die Fotodetektoren 5 bzw. 6, deren Fotoströme in den Detektorverstärkern 8 bzw. 9 verstärkt werden.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Meßgerät fällt ein Teil des Lichtes von der ersten lichteinleitenden Faser 1 durch ein horizontales, durchsichtiges Feld 19 zwischen zwei abschirmenden Abschnitten 18 einer Scheibe 17, die in Figur 3a gezeigt ist und die zwischen dem das freie Ende der Faser 1 tragenden Sensorteil 20 und dem

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die Fasern 2, 3 und 30 tragenden Sensorteil 25 angeordnet ist. Figur 3a zeigt die Scheibe 17 in einem Schnitt längs der Linie I-I in Figur 3. Das Sensorteil 20 ist so angeordnet, daß es sich in Richtung des Pfeiles 20a in Figur 3 "bewegen kann. Wenn sich das Sensorteil 20 im Verhältnis zum Sensorteil 25 nach oben bewegt, dann wird mehr Licht von der Faser 1 in die Faser 3 und weniger Licht von der Faser 1 in die Faser 2 geleitet. Wenn sich das Sensorteil 20 nach unten bewegt, ergibt sich die entgegengesetzte Verschiebung des Lichteinfalls in die Fasern 3 und 2. Da die Fasern 2, 3 und 30 im Sensorteil 25 fixiert sind, wird das Licht von der Faser 30 durch Reflexion an den abschirmenden Flächen 18 der Scheibe 17 derart in die Fasern 2 und 3 hineingeleitet, daß die Verteilung des Lichtes der Faser 30 auf die Fasern 2 und 3 von der relativen Bewegung zwischen den Sensorteilen 20 und 25 unabhängig ist.

Das Licht in der Faser 30, das von der Lichtquelle 31 erzeugt wird, ist im Steuerglied 32 mit der Frequenz f_Q moduliert, die mit Hilfe eines Oszillators 33 erzeugt wird. Zur Kompensierung der Instabilitäten, die in einer der Fasern 2 bzw. 3 und dem zugehörigen Detektor 5 bzw. 6 und Detektorverstärker 8 bzw. 9 auftreten können, wird ein verstellbarer Verstärker 34, alternativ ein Multiplikationsglied oder ein verstellbarer Spannungsteiler, an den Ausgang des Verstärkers 9 angeschlossen und von einem Regler 35 derart gesteuert, daß die Differenz zwischen den Amplituden der Wechselstromkomponenten mit der Frequenz f_Q an den Ausgängen der Ver-

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stärker 8 bzw. 34 auf Null gehalten wird. Dies erreicht man dadurch, daß die Wechselstromkomponenten mit der Frequenz fo der beiden Detektorsignale mit Hilfe von Bandpaßfiltern 36 bzw. herausgefiltert, in Gleichrichtern 38 bzw. 39 gleichgerichtet und danach in Tiefpaßfiltern 40 bzw. 41 gefiltert werden. Die derart behandelten Signale werden dem Plus- bzw. Minuseingang eines Summierungsgliedes 42 zugeführt, und das von diesem gelieferte Differenzsignal wird auf den Regler 35 gegeben, der den Verstärker 34 steuert, so daß die beiden Komponenten mit der Frequenz fo vom Verstärker 8 und vom Verstärker 34 dieselbe Amplitude bekommen, wodurch die richtige Übereinstimmung der beiden Faseroptik- und Optoelektronikzweige des Sensors garantiert wird. Um eine absolute Stabilisierung des Gebersystems zu erreichen, werden die Signale der Verstärker 8 und 34 in einem Summierungsglied 10 summiert. Das Summensignal wird in einem Tiefpaßfilter 43 gefiltert und dem einen Eingang eines Subtraktionsgliedes 44 zugeführt, dessen anderem Eingang ein Bezugssignal V_f zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Gliedes 44 wird auf einen Regler 45 gegeben, der das Steuerglied 7 derLichtquelle 4 steuert. Das Licht von der Lichtquelle wird damit derart gesteuert, daß das gefilterte Summensignal des Filters 43 mit dem Bezugssignal V ~ übereinstimmt. Das Meßsignal erhält man durch Bildung der Differenz zwischen den auf Übereinstimmung geregelten Ausgangssignalen der Verstärker 8 und 34 in einem Summierungsglied 11 und Filtern des Differenzsignals in einem Tiefpaßfilter 46. Das gefilterte Signal wird einem an sich

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bekannten anzeigenden oder registrierenden Instrument 12 zugeführt.

Figur 3b zeigt eine andere Anordnung zur Stabilisierung des an das Instrument 12 gelieferten Meßsignals. Die Ausgangssignale der Summierungsglieder 10 und 11 werden über die Filterkreise 43 und 46 einem Quotientenbilder 47 zugeführt, dessen Ausgangssignal dem Instrument 12 zugeführt wird_o Das Bezugssignal V- wird dann dem Steuerglied 7 direkt zugeführt, so daß der Regler 45 und das Subtraktionsglied 44 entfallen.

Figur 4 zeigt eine Figur 3 entsprechende Sensoranordnung bei einem Sensor gemäß den Figuren 2a u.2b. Figur 4 zeigt nicht nur die Anbringung der zweiten lichteinleitenden Faser 30 bei einem anderen Sensortyp als dem in Figur 3, sondern zeigt zugleich eine Elektronik, die für den Fall geeignet ist, daß das Licht in den beiden lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 mit zwei verschiedenen Frequenzen f_Q und f^ amplitudenmoduliert ist.

Figur 4a zeigt genauer den Aufbau des Sensors mit der zweiten lichteinleitenden Faser 30, deren Licht zum Teil an einem Schirm 48 auf solche Weise reflektiert und in die lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 geleitet wird, daß das Verhältnis zwischen dem von der Faser 30 zur Faser 2 und von der Faser 30 zur Faser 3 reflektierten Lichtes konstant und von der Lage des Schirms 48 unabhängig ist. Ein Teil des Lichtes von der lichteinleitenden Faser 1

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fällt auf einen Spiegel 49 hinter dem Schirm 48 und wird durch einen im Schirm 48 befindlichen Spalt 50 in die beiden lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 reflektiert. Die Differenz zwischen den Lichtflüssen, die in den beiden Iichtfortleitenden Fasern auftreten, ist somit eine Funktion der Lage des Schirmes in horizontaler Richtung. Die Stabilisierung der Übereinstimmung wird hier dadurch erreicht, daß in einem Summierungsglied 51 die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektorverstärker 8 und 34 gebildet wird, das Differenzsignal dann ein Bandpaßfilter 52 passiert, in einem Gleichrichter 53 gleichgerichtet wird und nach Filtrierung in einem Tiefpaßfilter 54 einem Regler 55 als Fehlersignal zugeführt wird, so daß dieser Regler den Verstärker 34 so steuert, daß das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 51 nach einer Amplitudendemodulation mit der Frequenz fQ in den Schaltungselementen 52, 53, 54 auf Null gehalten wird. Die absolute Stabilisierung geschieht dadurch, daß die Signale der"Verstärker 8 und 34 in einem Summierungsglied 56 summiert, in einem Filter 57 bandpaßgefiltert, in einem Gleichrichter 58 gleichgerichtet und in einem Filter 59 tiefpaßge filtert werden und dann dem einen Eingang eines Summierungsgliedes 60 zugeführt werden, welches die Differenz zwischen diesem Signal und einem Bezugssignal Vf, bildet. Das gewonnene Differenzsignal wird als Fehlersignal auf einen Regler 61 gegeben, dessen Ausgangssignal einen Verstärker 62 steuert, der die Amplitude des Ausgangssignals von einem Oszillator 63 niit der Frequenz f^ derart regelt, daß das für das Signal mit der Frequenz f^ in den Glie-

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Wert des dern 57, 58 und 59 demodulierte Summensignal auf dem'Bezugssignals V _f gehalten wird. Das Meßsignal erhält man schließlich wie das Differenzsignal, indem das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 51 über die Schaltungselemente 64, 65 und 66 für die Frequenz f^

/das ^Λ

amplitudenmoduliert wird und auf'Anzeige- oder Registrierinstrument 12 gegeben wird. Das Signal mit der Frequenz f_Q wird von einem Oszillator 67 erzeugt und speist das Steuerglied 32.

Figur 4b zeigt eine Abwandlung des Sensors nach Figur 4a. Durch eine etwas andere Ausführung des Schirmes 48 im Sensor gelangt weniger Licht in die beiden lichtfortleitenden Fasern 2 und 3, wenn sich der Schirm nach links bewegt, während mehr Licht in die Fasern gelangt, wenn sich der Schirm nach rechts bewegt. Dies hat zur Folge, daß das Summenlicht eine Funktion der Lage des Schirmes ist, während das Differenzlicht konstant und von der Bewegung des Schirmes in seitlicher Richtung unabhängig ist. Dem Spalt 50 in Figur 4a entsprechen die beiden Spaltöffnungen 50a und 50b in Figur 4b. In der Elektronik hat die Änderung des Spaltes zur Folge, daß in dem Summierungsglied 51 die beiden Eingangsgrößen nicht subtrahiert, sondern summiert werden, während in dem Summierungsglied 56 die beiden Eingangsgrößen subtrahiert und nicht mehr summiert werden. Im übrigen bleibt die Elektronik unverändert.

Figur 5 zeigt eine Anordnung, bei der die Einleitung des Lichtes

/30 von der zweiten lichteinleitenden Faser'in die lichtfortleitenden Fasern 2 und 3 nicht im Sensor selbst, sondern an irgendeiner

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λΛ

Stelle außerhalb des Sensors zwischen dem Sensor und den Lichtdetektoren erfolgt. Dabei erhält man allerdings keine Regelung der Übereinstimmung für den Teil des lichtfortleitenden Faserpaares, der sich zwischen dem Sensor und der Einschaltstelle befindet. Die zu dem Sensor gehörenden Elemente sind bereits im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben worden, so daß auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Um Licht von der zweiten licht-

/30
einleitenden Faser/in die lichtfortleitenden Fasern zu leiten, ist eine Faserverbindung 68 vorgesehen. Figur 5a zeigt einen Schnitt längs der Linie A-A in Figur 5 mit der Anordnung der drei Fasern. Die Elektronik unterscheidet sich in diesem Fall von der in Figur 3 gezeigten dadurch, daß zur Modulation der Lichtquelle 31 statt einer Sinuswelle eine Rechteckwelle verwendet wird. Dies hat zur Folge, daß die Bildung des Fehlersignals für den Regler 35 durch Demodulation des Differenzsignals vom Summierungsglied 11 mittels Filtrierung in einem Filter 69» das an den Ausgang des Glides 11 angeschlossen ist, phasenempfindlicher Gleichrichtung in einem Gleichrichter 70 und Tiefpaßfiltierung in einem Filter 71 vorweggenommen werden kann. Im übrigen ist die Elektronik so aufgebaut, wie es Figur 3 zeigt.

In den bisher beschriebenen AusfUhrungsbeispielen werden zwei lichtfortleitende Fasern verwendet, um den Meßwert betreffende Informationen zu übertragen. Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine lichtfortleitende Faser 3a, 3b zur Übertragung des Meßsignals vom Sensor zur Meßelektronik verwendet wird. Im Sensor selbst befindet sich eine Glasscheibe 17» die bei Bewegungen in

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Richtung des Doppelpfeiles in Fig. 6a mittels eines auf der Scheibe angebrachten Schirmes 18 mehr oder weniger von dem Licht abschirmt, das von der lichteinleitenden Faser 1 nach Reflexion an der spiegelnden Fläche 49pas Eintrittsende der Iichtfortleitenden Faser 3a erreicht. Da vor der lichtfortleitenden Faser 2a kein Schirm vorhanden ist, wird das in diese hineinreflektierte Licht nicht von den Bewegungen der Glasscheibe 17 beeinflußt (vgl. Fig. 16). Figur 6a zeigt die Glasscheibe 17 mit dem Schirm 18, die mit ihren flächen senkrecht zu den Faserendflächen liegen. Von der Leuchtdiode 4 wird ein kontinuierliches Lichtsignal durch die Faser 1 zum Sensor geleitet . Der Teil dieses Lichtes, der vom Spiegel 49 in die lichtfortleitende Faser 2a hineinreflektiert wird, wird über eine Faserverbindung 68 von der Faser 2b weiter zur Fotodiode 5 geleitet, deren Fotostrom im Verstärker 8 verstärkt und über ein Tiefpaßfilter 72 zu dem einen Eingang eines Summierungsgliedes 44 geleitet wird, in welchem die Differenz zu einem Bezugssignal V-gebildet wird. Das Summierungsglied 44 liefert ein Fehlersignal, das über den Regler 45 dem die Leuchtdiode steuerenden Steuerglied der Leuchtdiode* 4 zugeführt wird, so daß das Ausgangssignal des Filters 72 auf dem Wert Vf gehalten wird. Das Licht, das nach Passieren des Schirms 18 in die Faser 3a gelangt, wird durch die Faser 3b zur Fotodiode 6 weitergeleitet, deren Fotostrom in den Verstärkern 9 und 34 verstärkt und nach einer Tiefpaßfiltierung im Filter 73 als Meßsignal verwendet und dem Anzeige- oder Registrierinstrument 12 zugeführt wird. Auf gleiche Weise, wie im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben, wird das von der Lichtquelle 31 emittierte

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und durch die Faser 30 ausgesandte Licht dazu verwendet, um über die Fasern 2b und 3b den Verstärker 34 derart zu steuern, daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Verstärker 8 und 34 im Hinblick auf das durch die Faser 30 fließende Wechsellicht auf Null gehalten wird.

Figur 7 zeigt eine Anordnung, bei der man anstelle verschiedener Modulationsfrequenzen für die Lichtquellen 4 und 31 dieselbe Modulationsfrequenz während verschiedener Zeitintervalle verwendet wird, damit man mittels der Detektoren 5 und 6 bestimmen kann, von welcher der lichteinleitenden Fasern 1 und 30 das in den lichtfortleitenden Fasern vorhandene Licht stammt. Die Sensor- und Faseranordnung selbst stimmt mit der in Figur 3 gezeigten überein und wird daher nicht erneut beschrieben. Um die Lichtquellen 4 und 31 abwechselnd einschalten und gleichzeitig eine erforderliche Verarbeitung der Signale der Detektorverstärker 8 und 9 vornehmen zu können, ist jedoch eine etwas anders ausgebildete Elektronik als in Figur 3 erforderlich. Ein Oszillator 78 steuert einen analogen Schalter 73, de^vr während eines bestimmten Teils der Periodendauer des Oszillators die Bezugsspannung V ~ auf das Steuerglied 32 für die Lichtquelle 31 schaltet, so daß die Lichtquelle 31 Licht in die Faser 30 sendet. Während desselben Zeitintervalls wird ein anderer analoger Schalter 75 über ein Negationsglied 77 offen gehalten, wodurch die Lichtquelle 4 gelöscht ist. Der Oszillator 78 steuert ferner ein Zerhacker- und Halteglied 82 derart, daß es in dem genannten Zeitintervall als Zerhacker (sampling) arbeitet, wo-

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durch das Ausgangssignal eines Reglers 83 den regelbaren Verstärker 80 derart steuern kann, daß das Aus gangs signal von diesem auf dem gleichen ¥ert wie das Ausgangssignal vom Detektorverstärker 8 gehalten wird. Die Ausgangs signale dieser beiden Verstärker werden in einem Summierungsglied 81 verglichen, dessen Ausgang an den Eingang des Reglers 83 angeschlossen ist.

Die Elektronik führt somit eine Übereinstimmungsstabilisierung (matchingsstabilisierung) während des Teils der Periodendauer des Oszillators 78 durch, während welchem die Lichtquelle 31 eingeschaltet ist. Während des übrigen Teils der Periodendauer des Oszillators ist der Schalter 73 geöffnet, so daß die Lichtquelle 31 gelöscht ist und sich das Glied 82 in Haltelage befindet, während die eingeregelte "matchingsstabilisierende" Verstärkung am Verstärker eingestellt bleibt. Während dieses Teils der Periodendauer des Oszillators wird die Lichtintensität der Lichtquelle so eingestellt, daß das Summensignal von einem Summierungsglied 79 denselben Wert wie das Bezugssignal V- annimmt. Dies kann dadurch geschehen, daß der SchalteV 75 den Ausgang des Summierungsgliedes 74 auf den Eingang des Reglers 76 schaltet, wodurch die vorstehend beschriebene Einregelung der Lichtquelle 4 erfolgen kann. Nachdem diese Einregelung vorgenommen worden ist, liest das Zerhacker- und Halteglied 84 das Ausgangssignal vom Summierungsglied 81 ab, das als Differenzbilder geschaltet ist, und hält diesen Wert bis zur nächsten Ablesung. Diese Ablesungen werden mit der vom Oszillator

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gegebenen Frequenz vorgenommen, und der Meßwert wird vom Instrument 12 angezeigt.

Entsprechend Figur 1a werden zwischen Elektronik und Sensor drei Fasern verwendet. Diese Anzahl kann jedoch auf zwei reduziert werden, wenn eine faseroptische Verzweigung gemäß Figur 8 verwendet wird. Das von der Lichtquelle 4 ausgehende Licht wird über eine Faser 86 zu einer Verzweigung 91 und weiter durch die Faser 1 zum Sensor geleitet, der einen festen Schirm 88 mit einem transparenten Spalt 90 umfaßt, wie in Figur 8a gezeigt. Ein Teil des Lichtes von der Faser 1 fällt durch den Spalt 90 des Schirmes 88 auf einen beweglichen Spiegel 89. Dieser Spiegel reflektiert einen Teil des einfallenden Lichtes zurück in die Faser 1, und über die Verzweigung 91 wird ein Teil des reflektierten Lichtes durch eine Faser zur Fotodiode 5 geleitet. Ein Teil des Lichtes, das im Sensor über die obere Kante des Spiegels 89 hinweggestrahlt wird, wird von der Iichtfortleitenden Faser 3 zur Fotodiode 6 geleitet. Dies bedeutet, daß das Licht zur Fotodiode 5 zunimmt und das Licht zur Fotodiode abnimmt, wenn sich der Spiegel 89 nach oben bewegt, und umgekehrt, wenn sich der Spiegel nach unten bewegt. Bei geeigneter Wahl des Schirms 88 und der Verstärkungen in den Detektorverstärkern 8 und 9 erhält man somit dasselbe Verhältnis, wie für das Meßgerät nach Figur 1a, so daß dieselbe Elektronik verwendet werden kann. Figur zeigt jedoch eine Abwandlung der Elektroriik, bei der das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 10 dazu benutzt wird, über einen Regler 92 zwei übereinstimmende, regelbare Verstärker 93, 94 an-

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stelle der Lichtquelle 4 zu steuern, die in diesem Fall mit konstantem Strom gespeist wird.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

.J Optisches Meßgerät zum Messen von physikalischen Größen mit einem Sensor, der von der zu messenden Größe beeinflußt wird, mit einer Elektronik zur Erzeugung von optischen Eingangssignalen für den Sensor und zur Verarbeitung der vom Sensor kommenden optischen Ausgangssignals und mit optischen Fasern zur Übertragung der genannten Eingangs- und Ausgangssignale zwischen dem Sensor und der Elektronik, wobei der Sensor ein von der zu messenden Größe beeinflußbares Glied zur Modulation der dem Sensor zugeführten Lichtenergie und zur Bildung von Lichtsignalen für op-, tische Detektoren in der Elektronik hat, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Glied im Sensor wenigstens einen Teil des dem Sensor zugeführten Lichtes moduliert, daß diese Modulation auf solche Weise erfolgt, daß das vom Sensor ausgehende Licht einerseits für die zu messende Größe repräsentative Komponenten enthält und andererseits Stabilisierungskomponenten enthält, die von der zu messenden Größe unabhängig sind, und daß die Elektronik derart aufgebaut ist, daß sie die genannten Komponenten trennt und aus ihnen einerseits ein oder mehrere Meßsignale und andererseits Signale zur Kompensation der Instabilität des Meßgerätes bildet.

2. Meßgerät nach Anspruch 1 mit zwei vom Sensor lichtfortleitenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Meßkom-

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ponenten vom Sensor zur Elektronik mittels einer der lichtfortleitenden Fasern (2) erfolgt, während die Übertragung der Stabilisierungskomponenten mittels der anderen lichtfortleitenden Faser (3) erfolgt.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 mit zwei vom Sensor lichtf ortleitend en Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal aus der Differenz der Lichtsignale der lichtfortleitenden Fasern gebilet wird, während ein Stabilisierungsignal aus der Summe der genannten Lichtsignale gebildet wird.

4. Meßgerät nach Anspruch 1 mit zwei vom Sensor lichtfortleitenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal aus der Summe der Lichtsignale der lichtfortleitenden Fasern gebildet ist, während ein Stabilisierungssignal aus der Differenz der genannten Lichtsignale gebildet wird.

5. Meßgerät nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik derart aufgebaut ist, daß sie die Differenz der Lichtsignale in den vom Sensor lichtfortleitenden Fasern bildet und diese Differenz zur Kompensation von Instabilitäten in den Übereinstimmungen zwischen den lichtfortleitenden Fasern mit zugehörigen Detektoren und zugehöriger Elektronik verarbeitet.

6. Meßgerät nach Anspruch 1 mit zwei in den Sensor lichteinleitenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der optischen

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Eingangssignale verwendeten Lichtquellen mit verschiedenen Frequenzen moduliert sind, wobei auch die Frequenz Null vorkommen kann, und daß die Elektronik Filterkreise enthält zur Aufteilung der Signale der vom Sensor lichtfortleitenden Fasern in zwei Komponenten, die von der jeweiligen lichteinleitenden Faser herrühren.

7. Meßgerät nach Anspruch 1 mit zwei in den Sensor lichteinleitenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der optischen Signale verwendeten Lichtquellen während verschiedener Zeitintervalle Licht in die lichteinleitenden Fasern senden und daß die Elektronik Zerhackerglieder (82, 84)(sampling) enthält zur Aufteilung der Signale der vom Sensor lichtfortleitenden Fasern in zwei Komponenten, die von der jeweiligen lichteinleitenden Faser herrühren.

8. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale zur Kompensation von Instabilitäten des Meßgerätes entweder zur Regelung der Lichtquelle dienen, die das Licht abgibt, das im Sensor von der Meßgröße moduliert wird oder zur Regelung der in der Elektronik vorhandenen Detektoren in der Weise dienen, daß das Stabilisierungssignal konstant gehalten wird.

9. Meßgerät nach Anspruch 1 mit zwei vom Sensor lichtfortleitenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß Glieder vorhanden sind zur Bildung der Differenz der Lichtsignale der beiden lichtfortleitenden Fasern im Hinblick auf die Komponente, die von der Meßgröße

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unabhängig ist, und zur Verwendung dieser Differenz zur Steuerung der Empfindlichkeit der Detektoren derart, daß die Differenz zwischen den Signalen von den beiden Detektoren nach einer Verstärkung im Hinblick auf die betreffende Komponente auf Null gehalten wird.

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original Inspected