DE2947549A1 - Faseroptisches temperaturmessgeraet - Google Patents

Faseroptisches temperaturmessgeraet

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DE2947549A1 DE19792947549 DE2947549A DE2947549A1 DE 2947549 A1 DE2947549 A1 DE 2947549A1 DE 19792947549 DE19792947549 DE 19792947549 DE 2947549 A DE2947549 A DE 2947549A DE 2947549 A1 DE2947549 A1 DE 2947549A1
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Description

Faseroptisches Temperaturmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Temperaturmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei der Verwendung solcher Meßgeräte möchte man trotz der bekannten schwierigen Umgebungsbedingungen am Orte der Messung eine hohe Meßgenauigkeit erzielen. Diese hohe Meßgenauigkeit wird beeinträchtigt durch Instabilitäten im Übertragungsorgan sowie durch Alterung und Temperaturvariationen der zu der Meßanordnung gehörenden Bauteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Temperaturmeßgerät der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem die obengenannten und andere damit zusammenhängende Schwierigkeiten ausgeräumt sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein faseroptisches Temperaturmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den UnteransprUchen genannt.
Bei dem Temperaturmeßgerät nach der Erfindung erhält man dadurch eine gute Genauigkeit, daß das Licht von der Lichtquelle im Elektronikteil als Sollwertsignal verwendet wird, wodurch man eine Kompensation der Instabilitäten in dem Übertragungsorgan und den Detektoren erhält. Durch die erfindungsgemäße Zerlegung des von Geberteil kommenden zusammengesetzten Signals erhält man die Möglichkeit, eine gute Meßgenauigkeit, ζ. B. bei der Temperaturmessung in einem Stahlofen oder einer Stahlpfanne ,zu erzielen.
Anhand der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen
Fig. 1 ein Temperaturmeßgerät gemäß der Erfindung mit Geberteil und Elektronikteil,
Fig. 1a und 1b Varianten des Elektronikteils, Fig. 2 eine Variante des gesamten Meßgerätes, Fig. 3a bis 3d Varianten des Geberteils.
Figur 1 zeigt ein Meßgerät nach der Erfindung mit automatischer Kompensation von Dämpfungsvariationen in der Faseroptik eines faseroptischen Temperaturmeßgerätes nach dem Pyrometerprinzip. Diese Kompensation stellt eine Lösung der vorstehend genannten Stabilitätsprobleme dar, wie z. B. infolge der Alterung von verwendeten Bauteilen usw. Das Ausgangssignal eines Oszillators 1 mit der Frequenz f1 geht über einen steuerbaren Verstärker 2 zum
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Speiseglied 3 für die Lichtquelle 4, bei der es sich um eine Leuchtdiode oder einen Halbleiterlaser handeln kann. In der gezeigten Weise können auch mehrere Lichtquellen gespeist werden. Das somit modulierte Licht wird in eine optische Faser 5 geleitet, aus der ein Teil des Lichtes durch einen Umlenker 6 auf einen Fotodetektor 7, z. B. eine Fotodiode oder ein Fototransistor, geleitet wird, dessen Fotostrom im Verstärker θ verstärkt und im Demodulator 9 demoduliert wird, wonach das demodulierte Signal im Vergleichsglied 10 mit dem Sollwertsignal einer Sollwertsignalquelle 11 verglichen wird. Die Signale im Vergleichsglied sind Gleichspannungen. Das Ausgangssignal (Differenzsignal) des Vergleichsgliedes 10 ist somit das Fehlersignal, das auf einen Regler 12 gegeben wird, der den regelbaren Verstärker 2 auf solche Weise steuert, daß die Amplitude des von der Lichtquelle 4 gelieferten modulierten Lichtes konstant bleibt, und zwar unabhängig von Alterungen, Instabilitäten usw. Das Licht, welches den Umlenker 6 in Richtung auf die Meßstelle passiert, wird über die Verzweigung 13 in die Faser 14 geleitet, die zum Meßgeberteil G führt, der in der Figur aus einem Schwarzkörper-Strahler 15 besteht. Zwischen dem Meßgeberteil G und dem Elektronikteil E kann ein beliebig großer Abstand bestehen, so daß der Elektronikteil E unabhängig von den am Ort des Meßgeberteils G herrschenden Umweltbedingungen untergebracht werden kann. Von dem Schwarzkörper-Strahler 15 wird die Wärmestrahlung, die ein Maß für die Temperatur des Schwarzkörper-Strahlers ist, in die Faser 14 emittiert und zusammen mit dem am Schwarzkörper-Strahler und/oder am Faserende reflektierten Licht von der Lichtquelle 4 durch die Faser 14 zur Verzweigung 13 und von dieser über die
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Faser 16 zum Fotodetektor 17 geleitet, der eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein pyroelektrischer Detektor sein kann. Das Meßsignal des Gebers ist somit die Strahlung des Schwarzkörper-Strahlers, und vom Geber geht auch reflektiertes Licht von der Lichtquelle 4 aus. Das Ausgangssignal des Fotodetektors 17 wird im Verstärker 18 verstärkt, und das somit verstärkte Detektorsignal wird-von den Filtern 19 und 22 in zwei Komponenten zerlegt, die von der Lichtquelle 4 oder dem Schwarzkörper-Strahler 13 stammen. Das Ausgangssignal vom Filter 19» welches das Sollwertsignal ist, das von der Lichtquelle 4 kommt, wird im Demodulationsglied 20 demoduliert und einem Radizierglied zugeführt, welches die Quadratwurzel aus dem Signal bildet. In dem Divisionsglied 23 wird der Quotient aus den Ausgangssignalen des Filters 22 und dem Glied 21 gebildet und auf ein registrierendes oder anzeigendes Instrument 24 gegeben. Da das Ausgangssignal des Filters 22 ebenso stark wie das Ausgangssignal des Radiziergliedes 21 von Variationen der Übertragungsparameter des faseroptischen Übertragungskanals 14 beeinflußt wird (z. B. microbending, Verbindungsstellen usw.), ist das Ausgangssignal des Divisionsgliedes 23 gegenüber diesen Variationen kompensiert. Das Radizieren im Glied 21 ist notwendig, da das Licht von der Lichtquelle 4 die Faser 14 zweimal durchläuft (Hinlauf und Rücklauf), während die Strahlung des Schwarzkörper-Strahlers 13» die vom elektrischen Filter 19 gesperrt und vom Filter 22 durchgelassen wird, nur einmal die Faser durchläuft. Alternativ kann das Ausgangssignal des Filters 22 quadriert werden, wobei man jedoch eine quadratisch geteilte Meßskala erhält. Das Glied 21 fällt in diesem Falle fort. Diese Alternative 1st in der Figur
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nicht gezeigt.
Statt der quotientenbildenden Elektronik in dem gestrichelt dargestellten Teilrechteck K in Figur 1 kann ein Reglerglied gemäß Figur 1a verwendet werden. Das Ausgangssignal vom Detektorverstärker 18, der die Signale vom Geber G erhält, passiert hier einen regelbaren Verstärker 28, bevor eine Aufteilung in die beiden Komponenten, Meßkomponente und Sollwertkomponente, mittels der Filter 22 und 19 erfolgt. Die Komponente mit der Modulationsfrequenz f1 wird im Vergleichsglied 25 nach dem Radizieren in dem als Funktionsgenerator aufgebauten Radizierglied 21 mit einem Sollwert 26 verglichen. Das Fehlersignal (Differenzsignal) des Vergleichsgliedes 25 wird einem Regler zugeführt, der den regelbaren Verstärker 28 steuert. Dadurch erhält man eine kontinuierliche Kompensation von Variationen der Ubertragungsparameter der Faser 14, und das Ausgangssignal des Filters 22 kann direkt als Meßsignal für das Meßinstrument 24 verwendet werden. Das Filter 22 sperrt in bekannter Weise die Sollwertsignale, die mit der Frequenz f^ moduliert sind.
Bei großen Anforderungen an die Genauigkeit kann eine schlechte Übereinstimmung ("matching") zwischen den Fotodetektoren 7 und zu unzulässig großen Meßfehlern führen. Figur 1b zeigt eine Möglichkeit, dies zu vermeiden. Der Oszillator 34 moduliert über ein Speiseglied 35 das Licht der Lichtquelle 36, die in einem konstanten Verhältnis zu der Modulationsfrequenz f2, die von f1 unabhängig ist, die Fotodetektoren 7 und 17 beleuchtet. In einem Vergleichsglied 30 wird das Ausgangssignal eines regelbaren
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Verstärkers 29, der an den Ausgang des Detektorverstärkers 8 angeschlossen ist, mit dem Ausgangssignal vom Detektorverstärker 18 verglichen. Das somit erhaltene Differenzsignal wird im Hinblick auf das Signal von der Lichtquelle 36 in» Filter 31 gefiltert, im Glied 32 demoduliert und dann dem Regler 33 zugeführt, der den regelbaren Verstärker 29 derart steuert, daß dessen Ausgangssignal hinsichtlich der Komponente mit der Frequenz fp gleich dem Ausgangssignal vom Detektorverstärker 18 gehalten wird. Dadurch wird der Verstärker 29 hinsichtlich Abweichungen im "matching" zwischen den Fotodetektoren 7 und 17 kompensiert. Im übrigen wird dieselbe Elektronik wie bei der Anordnung nach Figur 1 verwendet.
Die Trennung der Meß- und Sollwertkomponenten wird in Figur 1 durch Frequenzmultiplexing vorgenommen (das Sollwertsignal hat die Frequenz f.. und das Meßsignal hat eine Frequenz <f-); doch kann die Trennung auch durch Zeitmultiplexing mit geschalteter Lichtquelle und Haltegliedern hinter den Detektorsignalen erfolgen.
Sollte es Probleme bereiten, in der Faser 14 betreffend dem Licht von der Lichtquelle 4 und dem Schwarzkörper-Strahler 15 dieselbe Moden-Gruppe zu halten, so kann in der Faser 5 eine Moden-Mischung vorgenommen und/oder ein Diffusfilter vor der Lichtquelle plaziert werden. Ferner können mehrere Lichtquellen 4 mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz und unterschiedlicher Spektralverteilung benutzt werden, um die Faser 14 bei verschiedenen Wellenlängenbereichen automatisch zu kalibrieren.
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ΛΛ
Der Geber nach Figur 1 hat ein geschlossenes optisches System. Wird eine berührungsfreie pyrometrische Temperaturmessung gefordert, so kann die Endfläche der Faser 14 antireflexbehandelt werden, wobei das Licht von der Lichtquelle 4 von dem Meßobjekt reflektiert wird. Dadurch erhält man eine Kompensation gegenüber variierender Dämpfung in dem offenen optischen System, beispielsweise durch Verschmutzung, und man kann sogar eine gewisse Kompensation gegenüber variierenden Emissionsfaktoren des Meßobjekts bekommen.
Figur 2 zeigt eine alternative Anordnung zur Kompensation einer variierenden Lichtdämpfung in der Faseroptik eines faseroptischen Pyrometers. Die Lichtquelle 4 leitet hier unmoduliertes Licht in die Faser 5» und dieses Licht wird über eine optische Rückführung, die an der Verzweigung 40 beginnt und zu der die Faser 50, der Fotodetektor 7 und der Detektorverstärker 8 gehören, konstant gehalten. Das Ausgangssignal des Detektorverstärkers geht auf ein Vergleichsglied 10, in welchem die Differenz zu einem Sollwertsignal von der Sollwertquelle 11 gebildet wird. Das Fehlersignal (Differenzsignal) des Vergleichsgliedes 10 wird dem Regler 12 zugeführt. Auf dieselbe Weise, wie anhand von Figur 1b erläutert, kann der Fotodetektor 7 auch hier elektronisch den oben genannten Detektoren (im Falle der Fig. 2 die Detektoren 46 und 47) angepaßt (gematcht) werden. Der Teil des Lichtes von der Lichtquelle 4, der nicht in die Faser 50 geleitet wird, wird durch die Faser 14 zu einem Interferenzfilter 37 weitergeleitet, das den größten Teil des Lichtes von der Lichtquelle 4 zurückreflektiert, und gleichzeitig einen Teil der Strahlung trans-
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mittiert, die Über die Optiken 38 und 39 vom Meßobjekt, beispielsweise ein Stahlofen oder eine Stahlpfanne, kommt. Die Strahlung vom Meßobjekt, die ein Maß für dessen Temperatur ist, gelangt somit zusammen mit dem vom Filter 37 reflektierten Licht in die Faser 14 und wird über die Verzweigung 40 in die Faser 16 und danach über die Verzweigung 41 in die Fasern 42 und 43 geleitet. Zwischen der Endfläche der Faser 42 und dem Fotodetektor 47 befindet sich ein Filter 44, das nur das Licht von der Lichtquelle 4 hindurchläßt, und zwischen der Endfläche der Faser 43 und dem Fotodetektor 46 befindet sich ein Filter 45, das nur die Strahlung vom Meßobjekt hindurchläßt, die das Filter 37 passiert hat. Hierdurch wird hinter dem Detektorverstärker und dem Radizierglied 21 zum Ziehen der Quadratwurzel ein Signal gebildet, das der Dämpfung in der Faseroptik proportional ist. Nach der Quotientenbildung im Divisionsglied 23 erhält man ein gegenüber Variationen der Ubertragungsparameter der Faseroptik kompensiertes Meßsignal für das Anzeigeinstrument 24. Die Temperatur kann also an dem Instrument 24 abgelesen werden. Auf gleiche Weise wie anhand von Fig. 1b erläutert nehmen die Glieder 29 - 36 eine Kompensation der matching-Abweichungen zwischen den Fotodetektoren 46 und 47 vor. Statt die Verzweigung 41 und die beiden Fasern 42 und 43 zu verwenden, können die Fotodetektoren 46 und 47 mit den Filtern45 bzw. 44 nebeneinander vor der Endfläche der Faser 16 montiert werden, was in den Figuren nicht dargestellt ist.
In Figur 3 werden einige unterschiedliche Geberanordnungen gezeigt, die für die Meßgeräte, die anhand von Fig. 1 und 2 be-
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schrieben wurden, verwendet werden können. In Figur 3a erhält man die Schwarzkörper-Strahlung von einer Schicht 52, die auf ein Filter 51 aufgebracht ist, das den Sollwertstrahl von der Lichtquelle 4 reflektiert (siehe Fig. 1 und 2) und Teile der Strahlung von der Schicht 52 transmittiert. Das Filter 51, das ein Mehrschichten-Interferenzfilter sein kann, das auf die Endfläche der Faser 14 aufgedampft ist, kann fortgelassen werden, wobei der Sollwertstrahl an der Grenzfläche zwischen der Faser und dem Strahler 52 reflektiert wird. Figur 3b zeigt eine Variante von Figur 3a, bei der der Strahler 53 nicht mit der Endfläche der Faser 14 in Berührung steht.
In Figur 3c liegt der Strahler innerhalb der Faser, weshalb die Meßtemperatur dieselbe wie die Temperatur des Faserendes ist. Der Strahler kann aus kleinen Körnern 54 innerhalb der Faser bestehen. Es kann aber auch die Strahlung der Faser selbst das Meßsignal bilden. Die Endfläche der Faser kann entweder mit einer spiegelnden Schicht belegt sein, direkt gegen die umgebende Luft abgeschlossen sein oder einen indexmatchenden, reflektierungsfreien Abschluß haben. Im letztgenannten Falle dienen die Körner 54 zur Reflexion des Sollwertlichtes.
Figur 3d zeigt schließlich den Fall, bei dem das strahlende Medium 54 in dem Mantel 14b der Faser 14 liegt.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen können im Rahmen des offenbarten allgemeinen Erfindungsgedankens in vielfacher Weise variiert werden.
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Claims (12)

Patentansprüche:
1.j Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach dem Pyrometerprinzip mit einem Geberteil und einem Elektronikteil, die über mindestens eine optische Faser miteinander verbunden sind, wobei der Elektronikteil eine oder mehrere Lichtquellen und einen oder mehrere Detektoren enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von mindestens einer Lichtquelle (4) über die genannte optische Faser (14) zum Geberteil (G) gesandt wird, daß im Geberteil (G) das Licht wenigstens zum Teil in die Faser (14) zurückreflektiert wird, daß das Licht in der Faser (14) zusammen mit wenigstens einem Teil der vom Geber (G) emittierten Strahlung zu mindestens einem zu dem Elektronikteil (E) gehörigen Detektor geleitet wird, und daß der Elektronikteil Glieder enthält zur Zerlegung des zusammengesetzten Signals vom Geber (G) in einerseits eine Meßkomponente, die von der vom Geber oder vom Meßobjekt emittierten Strahlung herrührt, und in andererseits eine oder mehrere Sollwertkomponenten, die von der einen oder den mehreren Lichtquellen (4) herrührt/herrühren.
2. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder die mehreren Lichtquelle(n) (4) mit einer oder mehreren unterschiedlichen Frequenzen (f-j) moduliert wird/werden, die nicht in der vom Geberteil (G) oder vom Meßobjekt emittierten Strahlung vorkommen, und daß
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die Signale von dem genannten mindestens einen Detektor mittels elektrischer Filter (19, 22) in die genannten Meß- und Sollwertkomponenten zerlegt werden.
3. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht von der einen oder mehreren Lichtquelle(n) (4) zeitmultiplex übertragen wird und daß die Signale von dem genannten mindestens einen Detektor zur Zerlegung dieser Signale in die genannten Meß- und Sollwertkomponenten zeitmultiplex übertragen werden.
4. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dem Elektronikteil gehörigen Detektoren (46, 47) mit optischen Filtern (44, 45) zur Zerlegung des Lichtes in die genannten Meß- und Sollwertkomponenten versehen sind.
5. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der mindestens einen Lichtquelle (4) herrührende/herrührenden eine oder mehreren Sollwertkomponente/Söllwertkomponenten einem die Quadratwurzel aus der Eingangsgröße bildenden Radizierglied (21) zugeführt werden oder daß die Meßkomponente, die vom Geberteil oder Meßobjekt herrührt, einem das Quadrat der Eingangsgröße bildenden Multiplizierglied zugeführt wird.
6. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Divisionsglied zur Bildung des
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Quotienten aus dem Ausgangssignal des Radiziergliedes(21) und der Meßkomponente oder aus der/den einen oder mehreren Sollwertkomponente/Sollwertkomponenten und dem Ausgangssignal des quadrierenden Multiplikationsgliedes vorhanden ist.
7. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte/ genannten eine oder mehrere Sollwertkomponente/Sollwertkomponenten zusammen mit einem Sollwertsignal (26) einem oder mehreren Vergleichsgliedern (25) zugeführt wird/werden, dessen/ deren Ausgangssignale einen oder mehrere Regler (27) steuern, der/die einen oder mehrere steuerbare Verstärker (28) regelt/ regeln, die zwischen den genannten mindestens einen Detektor (17) und das genannte Zerlegungsglied (19, 22) geschaltet sind.
8. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht von der mindestens einen Lichtquelle (4) über einen oder mehrere Fotodetektoren (7) und einen oder mehrere Regler (12) zur Konstanthaltung des Lichtes von der mindestens einen Lichtquelle (4) zurückgeführt wird.
9. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß frequenz- und zeitmultiplextes Licht von mindestens einer der einen oder mehreren Lichtquellen (36) in konstanten Proportionen zueinander mindestens zwei des/der genannten einen oder mehreren Detektoren (7, 17) zugeführt
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wird, und daß die Detektorkreise einen oder mehrere regelbare Verstärker (29) enthalten, die von einem oder mehreren Reglern (8, 18) gesteuert werden, die durch die Differenzbildung im Vergleichglied (30) zwischen den einzelnen Detektorsignalen am Ausgang der regelbaren Verstärker oder Detektorverstärker nach der Frequenz- bzw. ZeitdemultiplexLerung im Hinblick auf die genannten Lichtquellen (36) Fehlersignale erhalten.
10. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberteil (G) ein optisches Filter (37) enthält, das zumindest teilweise das Licht von der mindestens einen Lichtquelle (4) reflektiert und das die gesamte oder einen Teil der vom Geberteil (G)/ Meßobjekt emittierte Strahlung transmittiert.
11. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Geberteil emittierte Strahlung vom Fasermaterial selbst und/oder Verunreinigungen in der Faser ausgeht.
12. Faseroptisches Temperaturmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Verunreinigungen mehr oder weniger aus schwarzkörperstrahlenden Körnern bestehen, die auch Teile des Lichtes von der genannten mindestens einen Lichtquelle reflektieren.
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DE19792947549 1978-12-05 1979-11-26 Faseroptisches temperaturmessgeraet Withdrawn DE2947549A1 (de)

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