DE2906280A1 - Verfahren zur optischen erfassung und uebertragung des messwertes einer temperatur, eines druckes oder eines bewegungsvorganges - Google Patents
Verfahren zur optischen erfassung und uebertragung des messwertes einer temperatur, eines druckes oder eines bewegungsvorgangesInfo
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Description
BBG Baden 3 '*
Verfahren zur optischen Erfassung und Uebertragung des Messwertes einer Temperatur, eines Druckes oder eines
Bewegungsvorganges
Die Uebertragung von physikalischen Messwerten via fiberoptischer Kabel ist aus zahlreichen Publikationen bekannt.
Insbesondere sind schon Methoden und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um ein Signal mit Hilfe von Piberkabeln
(Lichtleiter) von einem Punkt hohen elektrischen Potentials auf Erdpotential und umgekehrt zu übertragen (z.B. J.J.L.
Weaver and A.M.Eccles, "Optoelectronic Control in Megawatt Electrical Power Systems", Proceedings, Electro-Optics 71,
Brighton, England 1971).
Dabei wird aber immer davon ausgegangen, dass die Messfühler aktive Elemente seien, die für die Umwandlung des
Messignals in ein optisches Signal einer mit Strom zu versorgenden elektronischen Schaltung bedürfen. Nun stellt
aber diese Stromversorgung eines Messfühlers auf hohem Potential (z.B. in einem Hochspannungsschalter auf 100 kV)
ein recht aufwendiges Problem dar. Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, die Energie aus dem Hochspannungsstromkreis auszukoppeln, da aber solche Ueberwachungsfühler
dauernd, d.h. auch in Abwesenheit der Hochspannung funktionieren sollen, muss dazu ein Speichersystem mit Gleichrichtung
und Batterie und all seinen Wartungsproblemen gekoppelt werden. Als Alternative gibt es Vorschläge, die
Energie mechanisch, über einen schwingenden, isolierenden Stab einzukoppeln.
Verfahren zur optischen Messung von Strömen in Hochspannungsnetzen
unter Verwendung eines Lasers und eines Flint-
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— 5 —
glas-Sensors sind bereits vorgeschlagen worden (z.B. Andre
A. Jaecklin, "Measuring Current at Extra-High Voltage",
Laser Focus Magazine, May 1970, Advanced Technology Publications,
Inc. Newtonville, Mass. 02160).
Der der Erfindung gemäss Anspruch 1 und Anspruch ζ zugrunde
gelegte Leitgedanke besteht darin, dass für die Erfassung von Temperatur, Druck etc. keinerlei aktive, mit irgend
einer Energieform zu speisenden Bauelemente.sondern ausschliesslich
passive Messfühler benutzt werden ,und dass die üebertragung rein optisch, mit Hilfe von Lichtleitern
durchgeführt wird. Hierbei kann das erhaltene Signal direkt verwertet oder einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung
zugeführt werden.
Im Prinzip kann die Messgrösse kontinuierlich und stufenlos überwacht werden. Entsprechend ausgelegte, in der Regel
opto-mechanische Vorrichtungen stellen jedoch immer noch
ziemlich hohe Anforderungen an die Wartung. Meist ist man in der Praxis jedoch nicht an einer kontinuierlichen Messwerterfassung
sondern lediglich an der Ermittlung einiger
diskreter Punkte oder kritischer Schwellwerte interessiert. Diesem Zweck dienende, weiter unten beschriebene Vorrichtungen
zeichnen sich durch konstantes und über lange Zeit wartungsfreies Funktionieren aus. Die Üebertragung des
Messwertes kann grundsätzlich über zwei getrennte Lichtleiter (Eingang und Ausgang) erfolgen, welche sich entweder
auf verschiedenen Seiten oder auf der gleichen Seite der Transmissionszelle befinden. Im letzteren Fall ist ein
zusätzlicher Reflektor (Spiegel) vorgesehen. Es kann aber auch für den von der Lichtquelle ankommenden und von der
Transmissionszelle abgehenden Lichtstrahl der gleiche Lichtleiter benutzt werden, indem der reflektierte Teil des
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Lichtes in der Nähe der Lichtquelle aus dem Lichtleiter ausgekoppelt und der Messvorrichtung oder der Datenverarbeitung
zugeführt wird. Auf diese Art und Weise lassen sich durch sprunghafte, reversible und hysteresefreie
Aenderungen der optischen Transmission in der Zelle diskrete Werte für Temperaturen, Druck, geometrische Stellung,
Bewegungsablauf, Geschwindigkeit, Beschleunigung etc. eines Bauelementes ermitteln. Zur Erfassung von Grosse und Richtung
sowie abgeleiteten Parametern einer Bewegung eignen sich insbesondere Streifenmuster, welche mit phasenverschobenen
Lichtsignalen abgetastet werden, desgl. phasenverschobene oder mehrseilige Streifenmuster.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sieh aus den zum
Teil durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Transmissionszelle für Temperaturmessung mittels Säulenthermometer,
Fig. 2 eine Transmissionszelle für Temperaturmessung mittels Bimetallstreifen,
Fig. 3 den Längsschnitt durch eine Transmissionsvorrichtung
zur Erfassung eines Temperaturmesswertes mittels Flüssigkristallzelle,
Fig. 4 das Prinzip einer Druckmessung mittels Barometerdose,
Fig. 5 das Prinzip einer Druckmessung mittels gekrümmter,
reflektierender Membran,
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-τ-
Pig. 6 den Längsschnitt durch eine Transmissionszelle für Druckmessung mittels ebener, reflektierender Membrart,
Fig. 7 den Aufriss und Grundriss eines Bewegungselementes
mit einzeiligem Streifenmuster 3
Fig. 8 den Aufriss und Grundriss eines Bewegungselementes
mit mehrzelligem Streifenmuster.
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In Fig. 1 ist eine der Temperaturmessung dienende Transmissionszelle
schematisch dargestellt. Die jeweils einer Temperatur T, ... T^ entsprechenden, aus je einer Glasfiber
bestehenden Lichtleiter 1 sind senkrecht zum Glaskolben 2 eines Säulenthermometers angeordnet und schliessen mit
dessen Oberfläche bündig ab. Hinter dem mit einer Quecksilberfüllung 3 versehenen Glaskolben 2 des Thermometers
befindet sich ein im Schnitt dargestellter Reflektor 4,
welcher das aus den Lichtleitern 1 austretende Licht in diejenigen Leiter zurückwirft, welche nicht durch die Quecksilbersäule
blockiert sind.·
Fig. 2 zeigt eine ebenfalls der Temperaturmessung dienende Transmissionszelle unter Verwendung eines Bimetallstreifens
6. Die im Querschnitt dargestellten und hier als Fiberoptik-Bandkabel ausgeführten Lichtleiter 5 sind mit ihrer Längsachse
senkrecht zur Ebene eines Reflektors 4 angeordnet und endigen in einem gewissen Abstand vor letzterem. Im dadurch
gebildeten Zwischenraum kann sich in einer zur Reflektorebene parallelen Ebene (hier die Zeichnungsebene) ein Bi-
metallstreifen 6 entsprechend den Temperaturschwankungen
frei bewegen. Die den extremen Temperaturen entsprechenden Endstellungen des Bimetallstreifens sind in der Figur durch
gekrümmte gestrichelte Linien angedeutet.
Fig. 3 zeigt eine auf dem Prinzip einer Flüssigkristallzelle aufgebaute Transmissionsvorrichtung zur Erfassung eines Temperaturmesswertes.
In der Glashalterung 9 ist sowohl ein ankommender Lichtleiter 7 wie ein abgehender Lichtleiter 8 gefasst.
Dazwischen befindet sich eine Zelle, welche aus einer vorderen Abdeckplatte 11 und einer hinteren Abdeckplatte 12
sowie dem hermetisch abschliessenden Glaslot 13 besteht. 11 und 12 bestehen aus Glas oder sonst einem geeigneten kera-
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mischen lichtdurchlässigen Material. Der Zwischenraum ist
vom Flüssigkristall 10 ausgefüllt, einer Substanz, welche ihre optischen Transmissionseigenschaften in Funktion der
Temperatur sprunghaft ändert. Unterhalb des Klärpunktes T„,
welcher der zu messenden Temperatur entspricht, nimmt die optische Durchlässigkeit durch die eintretende Trübung und
diffuse Streuung stark ab.
In Fig. 4 ist das Prinzip einer Druckmessung mittels Barometerdose
schematisch dargestellt. Der Aufbau der einzelnen Elemente ist grundsätzlich ähnlich demjenigen der Fig. 1.
Den in einer Ebene angeordneten Lichtleitern 1 befindet sich ein Reflektor 4 gegenüber, dessen Ebene zu derjenigen der
Lichtleiter senkrecht steht. Im Zwischenraum befindet sich ein Änzeigestab 15, welcher auf der Barometerdose lH aufsitzt
und sich nach Massgabe des zu messenden Druckes senkrecht zur Längsachse der Lichtleiter 1 bewegen kann.
Fig. 5 zeigt sehematiseh das Prinzip einer Druckmessung
mittels gekrümmter, reflektierender Membran. Die mit einem kompressiblen Medium 18 (z.B. Luft) gefüllte Dose 16 weist
eine (z.B. gekrümmte) Membran 17 mit reflektierender Oberfläche auf. In einem geringen Abstand von der Membran 17
endigen die Lichtleiter 7 und 8, wovon einer dem ankommenden,
der andere dem abgehenden Lichtstrahl dient. Durch die Dehnung der Membran 17 zufolge von Druckschwankungen werden
die Lichtkopplungsverhältnisse und die Reflexion verändert, was eine kotiriuierliche Ueberwachung des Druckes gestattet.
Fig, 6 zeigt den Längsschnitt durch eine Transmissionszelle
für kontinuierliche Druckmessung mittels ebener, reflektierender Membran. In einem zweiteiligen Gehäuse 19 ist eine
flexiblej auf ihrer Aussenseite reflektierende Membran 17
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eingespannt. Durch die Membran 17 und die eine Hälfte des Gehäuses 19 wird eine auf einem bestimmten Bezugsdruck ρ f
gehaltene Kammer gebildet, welche ein kompressibles Medium
18 enthält, Die andere Hälfte des Gehäuses 19 enthält die mit ihrer Längsachse gegenüber der Ebene der Membran 17 senkrecht
angeordneten und unmittelbar vor der letzteren endigenden Lichtleiter 7 und 8 für den ankommenden und abgehenden
Strahl. Ausserdem weist die zweite Gehäusehälfte eine Oeffnung 20 für die Druckmessung auf. Je nach dem herrschenden
Aussendruck wird die Membran 17 verformt und liefert ein Mass für die Lichtkopplung zwischen Leiter 7 und 8. Derartige
Zellen eignen sich für statische und dynamische Druckmessung mit einer Zeitauflösung bis auf ca. 1 ms herunter*
In Fig. 7 ist der Aufriss und der Grundriss eines Bewegungselementes
mit einzeiligem Streifenmuster schematisch dargestellt. Derartige Vorrichtungen gestatten, Lage und Bewegungsablauf
eines Bauteils zu bestimmen und zu überwachen. Das mit 21 bezeichnete Bewegungselement kann sich entsprechend
andeutenden Pfeilen in seiner Längsrichtung verschieben. Zur Erfassung seiner momentanen Stellung ist es mit
einem rasterartigen einzeiligen Muster 22 versehen, welches abwechselnd aufeinanderfolgende Absorptions- und Reflexionsstreifen enthält. Senkrecht zur Ebene dieses Musters ist ein
Lichtleiterpaar 23 in einer Halterung 24 angeordnet. Die einzelnen Pasern des Lichtleiterpaares werden mit je um 90°
phasenverschobenen optischen Signalen beaufschlagt. Zu diesem Zweck sind die beiden Lichtleiter in einer die Bewegungsrichtung
des Elementes 21 enthaltenden Ebene angeordnet. Eine derartige Anordnung gestattet, Stellung, Bewegungsrichtung
und Geschwindigkeit sowie die abgeleiteten Grossen Beschleunigung, Beschleunigungsänderung etc. elektronisch
zu bestimmen. Die Auflösungsgenauigkeit kann hier-
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bei durch Wahl der Breite der Streifen in weiten Grenzen gewählt
werden.
Fig« 8 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Pig. 7, jedoch mit einem Bewegungselement 21, welches auf einer Längsseite mit
einem mehrzelligen Streifenmuster 25 versehen ist. Die Absorptions-
und Reflexionsstreifen haben dabei in Bewegungsrichtung
gesehen verschiedene Breite, z.B. nach einem Binärcode aufgebaut die relative Breite 1, 2, 4, 8. Das.entsprechende,
in der Halterung 24 fixierte, gegenüberliegende Lichtleiter-Bandkabel 26 in Yi.er leiteranordnung tastet demgemäss
das vierzeilige Streifenmuster optisch ab. Im vorliegenden Beispiel lassen sich mit 4 Lichtleitern 2 =16
Positionen in Binärcode übermitteln. Es versteht sich von selbst, dass in diesem Fall die Ebene des Bandkabels 26
senkrecht auf der Bewegungsrichtung (durch Pfeile angedeutet) des Bewegungselementes 21 stehen muss, so dass jeder Leiter
die entsprechende, gegenüberliegende Zeile des Musters 25 "liest". Mit einer derartigen Vorrichtung lässt sich die
genaue Stellung des Elements 21 direkt in digitaler Form angeben, wobei zur Vermeidung von Ablesefehlern mit Vorteil
ein sogenannter Gray-Code (Signalwechsel zeitlich nur jeweils in einem Kanal) angewendet wird.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispiele. Insbesondere kann die Transmissionszelle nach Fig. 3 derart ausgeführt werden,
dass sich sowohl der ankommende wie der abgehende Lichtleiter auf der gleichen Seite befinden oder dass überhaupt
nur ein einziger Lichtleiter für beide Wege vorgesehen ist und hinter der Flüssigkristallzelle zusätzlich ein Reflektor
ähnlich Fig. 1 angebracht ist. Für die Druckmessanordnung gemäss Fig. 6 gilt ähnliches, indem auch hier in ana-
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loger Weise ein einziger Lichtleiter Verwendung finden kann. Ferner kann die Flüssigkristallzelle gemäss Fig.
durch einen seine optischen Eigenschaften in Funktion der Temperatur sprunghaft verändernden Festkörper ersetzt sein.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich gemäss Anspruch 12 mit den dort erwähnten Vorteilen.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren und die entsprechenden
Vorrichtungen wird das weitgehend störungsfreie und betriebssichere Erfassen von durch die ümweltbedingungen
schwer zugänglichen physikalischen Messwerten unter Vermeidung komplizierter Anordnungen und energieabhängiger
Geräte an der Messstelle auf einfache Weise ermöglicht. Das Verfahren lässt sich insbesondere zur Messwertübertragung
von unter Hochspannung stehenden Apparaten benützen.
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1 Lichtleiter (Glasfiber)
2 Glaskolben eines Säulenthermometers
3 Hg-Füllung eines Säulenthermometers
4 Reflektor
5 Lichtleiter als Fiberoptik-Bandkabel
(Querschnitt)
6 Bimetallstreifen
7 Ankommender Lichtleiter
8 Abgehender Lichtleiter
9 Glashalterung für Lichtleiter
10 Flüssigkristall
11 Vordere Abdeckplatte der Glaszelle
12 Hintere Abdeckplatte der Glaszelle
13 Glaslot
14 Barometerdose
15 Anzeigestab
16 Dose
17 Membran mit reflektierender Oberfläche
18 Kompressibles Medium (Luft)
19 Gehäuse (zweiteilig)
20 Oeffnung für Druckmessung
21 Bewegungselement
22 Einzeiliges Muster von Absorptions/Reflexions-Streifen
23 Lichtleiterpaar
24 Halterung für Lichtleiter
25 Mehrseiliges Muster von Absorptions/Reflexions-Streifen
26 Lichtleiter-Bandkabel (Tierleiteranordnung)
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L e e r s e i t e
Claims (1)
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BBC Aktiengesellschaft Br/dh
Brown, Boveri & Cie.
Baden (Schweiz)
Baden (Schweiz)
Patentansprüche
l.j Verfahren zur optischen Erfassung und Uebertragung des
Messwertes einer Temperatur, eines Druckes oder eines Bewegungsvorganges, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Messwertgeber durch sprunghaftes Verändern der Lichtdurchlässigkeit
einer rein passiv angekoppelten optischen Strecke einer Transmissionszelle mindestens einen
in einem Lichtleiter-Fiberkabel geführten Lichtstrahl
steuert.
2„ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
]_0 zur Führung des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur
Transmissionszelle und von letzterer zum Empfänger verschiedene Lichtleiter benutzt werden.
3- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Führung des Lichtstrahls von der Lichtquelle zur TransmissIonsζeile und von letzterer zum Empfänger der
gleiche Lichtleiter benutzt wird, wobei der Lichtstrahl In der Transmissionszelle reflektiert wird und der reflektierte
Anteil des Lichtstrahls am Ort der Lichtquelle aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Erfassung eines Bewegungsvorganges ein Bewegungselement (21) vorgesehen Ist, welches ein ein- oder mehrzelliges
Streifenmuster (22, 25) aufweist und der Bewegungsablauf in Pulsform über Lichtleiter (23, 26)
übertragen und elektronisch ausgewertet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, dass ein passiver Messwert-
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geber, eine optische Transmissionszelle für mindestens
einen Lichtstrahl und mindestens ein Lichtleiter-Fiberkabel vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionszelle ein Säulenthermometer (2, 3)
mit rückseitigem Reflektor (4) aufweist und entsprechend der erforderlichen Genauigkeit für jeden Temperaturabschnitt
ein Lichtleiter (1) vorgesehen ist oder dass die Transmissionszelle ein temperaturabhängiges Element
. in Form eines Bimetallstreifens (6) oder eines Körpers aus einer Gedächtnislegierung sowie einen rückseitigen
Reflektor (4) aufweist und dass ein eine grosse Anzahl neben- oder übereinander angeordnete Lichtleiter enthaltendes
Fiber-Bandkabel (5) vorgesehen ist.
7· Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Transmissionszelle einen seine optischen Eigenschaften in Funktion der Temperatur sprunghaft
verändernden Flüssigkristall (10) oder Festkörper sowie einen ankommenden (7) und einen abgehenden (8)
Lichtleiter aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet,
dass der ankommende und der abgehende Lichtleiter sich auf der gleichen Seite der Transmissionszelle befinden
und dass auf der anderen Seite ein Reflektor angebracht ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 53 dadurch gekennzeichnet,
dass die Transmissionszelle einen seine optischen Eigenschaften in Funktion der Temperatur sprunghaft
verändernden Flüssigkristall sowie einen einzigen
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Lichtleiter und einen Reflektor aufweist und dass am
Ende des Lichtleiters auf der Seite der Lichtquelle ein Koppler zur Bestimmung des in die Faser zurückreflektierten
Lichtes angebracht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet,
dass die Transmissionszelle zur Erfassung eines Druckes ein Barometer (14) oder ein Manometer mit einer mechanischen,
in den Weg des Lichtstrahls hineinragenden Änzeigevorrxchtung (15) aufweist und dass eine grosse
Anzahl in Bewegungsrichtung der Anzeigevorrichtung (15) übereinander angeordnete Lichtleiter (1) vorgesehen ist,
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet 3
dass die Transmissionszelle zur Erfassung eines Druckes eine ein kompressibles Medium (18) enthaltende und auf
einer Seite mit einer gekrümmten oder ebenen reflektierenden Membran (17) versehene Dose (16) aufweist und
dass mindestens zwei Lichtleiter (7, 8) vorgesehen sind oder dass die Transmissionszelle eine ein kompressibles
Medium (18) enthaltende und auf einer Seite mit einer gekrümmten oder ebenen Membran versehene Dose
sowie einen einzigen Lichtleiter aufweist und dass am Ende des Lichtleiters auf der Seite der Lichtquelle
ein Koppler zur Bestimmung des in die Paser zurückreflektierten
Lichtes angebracht ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet %
dass die optische Transmissionszelle unter Hochspannung steht und dass eine auf einem anderen Potential
oder auf Erdpotential stehende Einrichtung zur Auswertung des Messwertes vorgesehen ist.
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|---|---|---|---|
| CH92279 | 1979-01-31 |
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| DE2906280A1 true DE2906280A1 (de) | 1980-08-07 |
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| DE19792906280 Withdrawn DE2906280A1 (de) | 1979-01-31 | 1979-02-19 | Verfahren zur optischen erfassung und uebertragung des messwertes einer temperatur, eines druckes oder eines bewegungsvorganges |
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|---|---|
| DE (1) | DE2906280A1 (de) |
| GB (1) | GB2042168A (de) |
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| DE4312530A1 (de) * | 1993-04-16 | 1994-10-20 | Cytech Biomedical Inc | Mikrowellen-Temperatursensor für Flüssigkeiten und Verfahren zur Bestimmung sowie Verfahren zur Einstellung einer Temperatur einer Flüssigkeit durch Mikrowellenenergie |
| DE102016222002A1 (de) * | 2016-11-09 | 2018-05-09 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | In-situ-Temperaturmessung einer Energiespeicherzelle |
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1980
- 1980-01-29 GB GB8002950A patent/GB2042168A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
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