DE3020454A1

DE3020454A1 - Optische messvorrichtung

Info

Publication number: DE3020454A1
Application number: DE19803020454
Authority: DE
Inventors: Kenya Goto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-05-29
Publication date: 1980-12-04
Also published as: DE3020454C2; US4367040A

Description

Die Erfindung betrifft optische Meßvorrichtungen zur Messung von physikalischen Größen und insbesondere eine optische Mehrkanal-Meßvorrichtung für die optische Messung von physikalischen Größen, wie Temperatur und (Material-)Spannung, an mehreren Meßstellen in einem Motor oder Generator.

Für die Messung von physikalischen Größen sind elektrische Meßvorrichtungen allgemein bekannt und im Gebrauch. Dabei wird eine zu messende physikalische Größe durch ein Meßfühlerelement, das an einer Meßstelle angeordnet ist und die physikalische Größe abgreift, in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt, das dann über eine Signalleitung zu einer Meßeinheit für die Auswertung dieser Größe übertragen wird. Bei einer Vorrichtung zur Messung der Temperatur z.B. des Rotors eines Generators im Betrieb desselben sind Thermistoren als Temperaturmeßelemente an bestimmten Meßpunkten in den Rotor eingelassen, wobei Signalleitungen, die mit den jeweiligen Thermistoren elektrisch ver-

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bunden sind, zu einem Schleifring am Rotor geführt und an diesen angeschlossen sind. Über den Schleifring werden die Meßsignale von den Meßfühlern zu einer vom Generator entfernt angeordneten Meßeinheit übermittelt. Derartige Vorrichtungen sind jedoch mit einigen Problemen behaftet. Da beispielsweise das Meßsignal über den Schleifring übertragen wird, ist die Signalübertragung als solche ziemlich unzuverlässig. Da für die Signalübertragung zudem auch mechanische Kontakte verwendet werden, ist die Betriebslebensdauer einer solchen Vorrichtung begrenzt, und ihre Zuverlässigkeit ist daher mangelhaft. Wenn Thermistoren in einen Generator eingebaut sind, kann weiterhin kein Signal mit großem Rauschabstand erhalten werden, was auf den Einfluß der im Generator, in welchem die Thermistoren angeordnet sind, herrschenden starken elektrischen und magnetischen Felder zurückzuführen ist. Wegen der starken elektrischen Felder besteht zudem auch die Gefahr für einen dielektrischen Durchschlag.

Es sind auch optische Meßvorrichtungen für die Temperaturmessung bekannt, beispielsweise eine Vorrichtung, die einen Infrarotstrahlung-Thermometermeßfühler zur Messung der Temperatur z.B. eines Generators durch Erfassung der von diesem abgestrahlten Infrarotstrahlen verwendet. Mit einer solchen Vorrichtung, bei welcher Infrarot-Meßfühler und Generator nicht elektrisch oder mechanisch miteinander verbunden zu sein brauchen, kann das vorher angeschnittene Problem gelöst werden. Bei einem Generator, bei dem der Spalt zwischen Rotor und Stator klein ist, typischerweise in der Größenordnung von 1 - 2 mm liegt, ergeben sich jedoch Schwierigkeiten bei der Messung der an einer Meßstelle im Rotor, speziell im Innenbereich des Generators, aus diesem engen Spalt heraus streuenden Infrarotstrahlung, woraus sich Einschränkungen bezüglich der Meßgenauigkeit ergeben.

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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer optischen Meßvorrichtung zur genauen und zuverlässigen Messung einer physikalischen Größe, wie der Temperatur, an einer Vielzahl von Meßpunkten innerhalb einer Vorrichtung, wie eines Generators oder (Elektro-)Motors.

Diese Aufgabe wird bei einer optischen Meßvorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch η optische Wellenleiter zur Übertragung entsprechender nichtraodulierter Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, mit η = Zahl der Meßstellen oder -punkte und entsprechend mindestens 1, durch eine erste Bündelungs- bzw. Multiplexeinrichtung zur spektroskopischen Bündelung (multiplexing) der über die optischen Wellenleiter übertragenen, nichtmodulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, durch Einrichtungen zur Übertragung der spektroskopisch !gebündelten, nichtmodulierten Lichtstrahlen bzw. -bündel durch den Raum, durch eine erste Zerlegungsbzw. Demultiplexeinrichtung zum Demultiplexen bzw. Zerlegen der nichtmodulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, durch η zweite optische Wellenleiter zur Übertragung dieser demultiplexten bzw. zerlegten, unmodulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, durch Einrichtungen zur Licht-Intensitätsmodulation der übertragenen Lichtstrahlen nach Maßgabe einer physikalischen Größe an den Meßstellen, wobei die Modulationseinrichtungen an den jeweiligen Meßstellen angeordnet und optisch an die zweiten Wellenleiter angekoppelt sind, durch η dritte optische Wellenleiter^ die optisch an die jeweiligen Modulationseinrichtungen angekoppelt sind und die intensitätsmodulierten Lichtstrahlen übertragen, durch eine zweite Multiplexeinrichtung zur spektroskopischen Bündelung der modulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, die über die dritten optischen Wellenleiter übertragen werden, durch eine

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zweite Einrichtung zur Übertragung der spektroskopisch gebündelten, modulierten Lichtstrahlen durch den Raum, durch eine zweite Demultiplexeinrichtung zum spektroskopischen Zerlegen (demultiplexing) des übertragenen Lichtstrahlenbündels in modulierte Lichtstrahlen jeweils verschiedener Wellenlänge, durch η vierte optische Wellenleiter zur Übertragung der spektroskopisch zerlegten Lichtstrahlen und durch eine Einrichtung zur Ermittlung der physikalischen Größe an jeder Meßstelle durch Vergleich der Lichtintensität des nichtmodulierten, über die ersten optischen Wellenleiter übertragenen Strahlenbündels mit derjenigen des modulierten, über die entsprechenden vierten optischen Wellenleiter übertragenen Strahlenbündels.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des optischen Meßfühlers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der kristallographischen Achsen eines Doppelbrechungs-Kristalls gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Kennlinie des optischen Meßfühlers nach Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines Generators, in den die optische Mehrkanal-Meßvorrichtung nach Fig. 1 eingebaut ist,

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform des optischen Meßfühlers und

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Fig. 7 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung werden die optischen Eingangs- und Ausgangssignale über dieselbe optische (Meß-)Strecke übertragen.

Diese Vorrichtung kann als aus drei Abschnitten 2, 4 und 6 bestehend angesehen werden. Der erste Abschnitt 2 umfaßt eine Anzahl von z.B. η (n = 1, 2, 3 ...) optischen Fasern 8, die jeweils am einen Ende optisch an eine Lichtquelleneinheit 10, z.B. eine Laserdiode für Wellenlängen-Multiplexübertragung oder eine lichtemittierende Diode bzw. Leuchtdiode, angekoppelt sind. Diese Lichtquelleneinheiten 10 erzeugen Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlicher und praktisch einziger Wellenlänge, d.h. in einem vergleichsweise engen Wellenlängenbereich. Dies bedeutet, daß jede Lichtquelleneinheit einen Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge als optisches Eingangssignal zur betreffenden optischen Faser 8 ausstrahlt. Die optischen Fasern 8 sind jeweils mit einem optischen Verteiler oder Sammler 12 verbündender eine Lichtzufuhrstrecke 14 und eine Lichtrücklaufstrecke 16 aufweist, die ihrerseits an Lichtdetektoreinheiten bzw. Photodetektoren 18 bzw. 20 angeschlossen sind, welche ihrerseits elektrisch mit zugeordneten logarithmischen Verstärkern 22 bzw. 24 verbunden sind, deren elektrische Signale einem Differentialverstarker 26 eingegeben werden. In letzterem werden die beiden elektrischen Signale zur Ermittlung der Dämpfung des optischen Ausgangssignals miteinander verglichen, und anhand dieser Vergleichs-Größe wird die Temperatur an jedem Meßpunkt bestimmt. Das Meßsignal vom Differentialverstärker 26 wird beispielsweise einer Anzeigeeinheit 28 zugeführt, an welcher die Temperatur an jedem Meßpunkt wiedergegeben wird. Wenn die Meßzone nach Maßgabe der Temperatur am Meßpunkt gesteuert wird, wird das Ausgangssignal des Differentialverstarker 26 einer Regel- oder Steuervorrichtung

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für die Steuerung der Meßzone zugeführt. Um zu verhindern, daß das vom optischen Verteiler 12 zurücklaufende optische Ausgangssignal wieder in die Lichtquelleneinheit 10 eintritt, ist ein optischer Isolator 30 mit einem Faradayschen Rotator bzw. Abschwächer (faraday rotator) optisch zwischen den Verteiler 12 und die Lichtquelleneinheit 10 eingeschaltet. Die optischen Fasern 8 sind an ihren jeweiligen anderen Enden gebündelt, und an jedem dieser Enden ist je eine Stablinse 32 zum Divergieren des von jeder optischen Faser 8 empfangenen Eingangslichtstrahls sowie zum Konvergieren des zu jeder optischen Fasern 8 zurücklaufenden Ausgangslichtstrahls vorgesehen.

Diese Stablinsen 32 sind mit ihren Lichtstrahl-Leitflächen auf eine erste Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer-Einheit im zweiten Abschnitt 4 gerichtet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Einheit 34 beispielsweise ein konkaves Beugungsgitter. Diese Einheit bewirkt ein Multiplexen der verschiedene Wellenlängen besitzenden, von den Stablinsen 32 projizierten Eingangslichtstrahlen zur Bildung eines Mehrfachoder Gesamt-Eingangslichtstrahls, während diese Einheit weiterhin einen rücklaufenden Mehrfach-Ausgangslichtstrahl spektroskopisch in Einzel-Ausgangslichtstrahlen verschiedener Wellenlängen demultiplext bzw. zerlegt, welche dann auf die entsprechenden Stablinsen 32 verteilt werden. Die Einheit 34 ist nicht auf die Verwendung eines konkaven Beugungsgitters beschränkt, vielmehr kann auch ein anderes Spektroskop verwendet werden, beispielsweise ein spärisches Beugungsgitter und ein Prisma. Längs des Gesamt-Strahlengangs zu der und von der ersten Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer-Einheit 34 sind ein erstes und ein zweites Lichtübertragungs-Linsensystem 36 bzw. 38 vorgesehen. Das erste Linsensystem 36 besteht gemäß Fig. 1 beispielsweise aus einem Linsenelement 40, welches einen zur Einheit 34 zurück-

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laufenden, konvergierenden Gesamt-Ausgangslichtstrahl in einen parallelen Lichtstrahl umwandelt und den Mehrfach- bzw. Gesamt-Eingangslichtstrahl von der Einheit 34 konvergieren läßt, sowie einem Linsenelement 42, welches den konvergierenden Gesamt-Eingangslichtstrahl zu einem zum zweiten Linsensystem 38 laufenden parallelen Lichtstrshlenbündel umwandelt und einen vom zweiten Linsensystem 38 ankommenden parallelen Gesamt-Ausgangslichtstrahl konvergieren läßt. Das zweite Linsensystem 38 erfüllt eine dem ersten Linsensystem entgegengesetzte Funktion. Es besteht aus ähnlichen Linsenelementen 44 und 46, die längs des Gesamt-Strahlengangs angeordnet sind. Auf diesem Strahlengang befindet sich eine der ersten Einheit 34 ähnelnde zweite Wellenlängen-Multiplexer/ Demultiplexer-Einheit 48.

Der dritte Abschnitt 6 mit ähnlichem Aufbau wie beim ersten Abschnitt 2 befindet sich in der Meßzone. Er umfaßt η optische Fasern 50, deren Zahl der Zahl der Meßstellen bzw. -punkte in der Meßzone entspricht. Jede optische Faser 50 ist am einen Ende mit einem optischen Meßfühler 52 verbunden, welcher die Lichtintensität der über die optischen Fasern 50 übertragenen Eingangslichtstrahlen moduliert und den modulierten Ausgangslichtstrahl zum selben Strahlengang zurückführt. Die optischen Fasern 50 sind an ihren anderen Enden gebündelt und jeweils mit den Stablinsen 32 des ersten Abschnitts 2 ähnelnden Stablinsen 54 verbunden, deren jeweilige Lichtleitflächen der zweiten Multiplexer/ Demultiplexer-Einheit 48 zugewandt sind. Die Einheit 48 bewirkt ein spektroskopisches Demultiplexen (Zerlegen) des auf sie auftreffenden Gesamt- bzw. Mehrfach-Eingangslichtstrahls in verschiedene Wellenlängen besitzende Einzellichtstrahlen, die auf die jeweils entsprechenden bzw. angeordneten optischen Fasern 50 verteilt werden, sowie ein Multiplexen der von den jeweiligen Stablinsen 54 übertragenen Einzellichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zwecks Erzeugung des zum zweiten Linsensystem 38 zu übertragenen Gesamt-Ausgangslichtstrahls.

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Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel für den optischen Meßfühler 52, welcher den einfallenden Lichtstrahl bzw. das Strahlenbündel nach einer Lichtintensitätsmodulation entsprechend der Temperatur an der Meßstelle zum selben Strahlengang zurückleitet. Gemäß Fig. 2 ist die optische Faser 50 mit Hilfe von Elementen 58 und 60 sicher in einem hohlzylindrischen Gehäuse 56 gehaltert, das beispielsweise einen Außendurchmesser von 1 mm und eine Länge von 8 mm sowie ein vergleichsweise hohes Wärmeleitvermögen besitzt. In diesem optischen Meßfühler ist in enger Anlage an der Stirnfläche der optischen Faser 5 0 eine selbstfokussierende Stablinse 62 angeordnet (z.B. "1/4-pitch Selfoc Micro LENS" der Firma Nippon Sheet Glass Co., Ltd.). Diese selbstfokussierende Stablinse 62 besitzt die Eigenschaft, einen in ihrer einen Stirnfläche, die dicht an der optischen Faser anliegt, einfallenden Lichtstrahl zu einem parallelen Lichtstrahl an der anderen Stirnfläche umzuwandeln. Die andere Stirnfläche der Stablinse 62 steht in inniger Berührung mit einem Polarisator 64, der seinerseits in fester Berührung mit einer Stirnfläche eines Doppelbrechungs-Kristalls 66 steht, beispielsweise eines LiNbO^-oder KPD-Einkristalls. Falls es sich gemäß Fig. 3 bei dem Doppelbrechungs-Kristall 66 um einen LiNbO.,-Einkristall handelt, ist seine Achse a auf die Lichtdurchgangsrichtung ausgerichtet, während seine Achse c einen Winkel von 45° zur Polarisationsfläche des Polarisators 64 festlegt. Zwischen dem Doppelbrechungs-Kristall 66 und einer reflektierenden Fläche 68 auf einem aufgedampften Al- oder Au-FiIm auf der Innenstirnfläche des Gehäuses 56 ist ein Viertelwellenlangenplattchen 70 zum Kompensieren eines von der Reflexion der Lichtstrahlen herührenden Phasenunterschieds angeordnet.

Im optischen Meßfühler 52 mit dem beschriebenen Aufbau wird der aus der einen Stirnfläche der optischen Faser 50 austretende Eingangslichtstrahl durch die Stablinse 62 zu einem parallelen Lichtstrahl bzw. Strahlenbündel divergiert und auf, den Polarisator 64

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geworfen, und der aus dem Polarisator 64 austretende, linear polarisierte Lichtstrahl trifft sodann auf den Doppelbrechungs-Kristall 66. Der auf den Kristall 66 auftreffende Lichtstrahl wird beim Durchgang durch den Kristall 66 in außerordentliche Strahlen und ordentliche Strahlen aufgetrennt, so daß zwischen diesen beiden verschiedenen, aus dem Kristall 66 austretenden Strahlen eine Schwächung auftritt. Diese Lichtstrahlen werden durch die Reflexionsfläche 68 reflektiert, um dann über das Viertelwellenlängenplättchen 70 und den Kristall 66 wieder zurückzulaufen. Bis der reflektierte Lichtstrahl bzw. das Strahlenbündel wieder den Polarisator 64 erreicht, wird er bzw. es somit elliptisch polarisiert. Infolgedessen trifft eine Komponente des längs der Polarisationsfläche des Polarisators 64 laufenden Lichtstrahls als Ausgangssignal auf die Stablinse 62 auf. Die durch den Doppelbrechungs-Kristall 66 bewirkte Doppelbrechung B ändert sich mit der Temperatur T, so daß sich in Abhängigkeit von der Temperatur die Lichtintensität I des Ausgangslichtstrahls gegenüber einer konstanten Lichtintensität I des auf den optischen Meßfühler 52 fallenden Eingangslichtstrahls ändert. Das Verhältnis :
sich wie folgt:

Das Verhältnis 1/I_n zwischen den beiden Lichtintensitäten bestimmt

■Ϊ- = sin2 f
0

$ = {2π Z- /λ) /Β + (Aß + dB/dT) T + Λ (dB/dT)T \

Qt-OOO O -*

B=B {l + (dB/dT)τ} = (n - η ) ο ' ³ ο e

worin ? die Schwächung zwischen dem ordentlichen Strahl und dem außerordentlichen Strahl, 1 die Länge des Doppelbrechungs-Kristalls bei der Temperatur von O⁰C, λ. die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls, B die Doppelbrechung des Kristalls bei der Temperatur von

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O C, η den Brechungsindex des ordentlichen Strahls und η den Brechungsindex des außerordentlichen Strahls bedeuten. Die obigen Gleichungen finden sich in der JA-OS 17869/50 vom 24.06.1975. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf diese JA-OS verwiesen. Die graphische Darstellung von Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Verhältnis I/I- und der Temperatur. Diese graphische Darstellung gibt Meßwerte wieder, die mittels eines KDP-Kristall-Plättchens mit z-Schnitt und einer Dicke von 20 pm gewonnen wurden.

Aus obigen Gleichungen und aus der graphischen Darstellung von Fig. 4 geht hervor, daß der optische Meßfühler 52 die Lichtintensität des einfallenden Lichtstrahls entsprechend der Temperatur moduliert. Die Charakteristik bzw. Kennlinie des Meßfühlers 5 2 wird durch das umgebende elektromagnetische Feld beeinflußt. Das Gehäuse 56 besteht daher vorzugsweise aus einem elektromagnetisch abschirmenden Material, um den Doppelbrechungs-Kristall 66 gegenüber dem elektromagnetischen Feld abzuschirmen.

Die vorstehend beschriebene optische Mehrkanal-Meßvorrichtung kann auf die in Fig. 5 dargestellte Weise in einen Generator eingebaut werden. Gemäß Fig.5 sind die optischen Meßfühler 52 in einen Rotor 76 eingelassen, der sich in einem eine Anzahl von Spulenelementen 72 aufweisenden Stator 74 dreht. Die optischen Fasern 5 des dritten Abschnitts 6 sind von den jeweiligen Meßfühlern 5 2 aus durch den Rotor 76 geführt und an ihren anderen Enden innerhalb einer in einem Lager 80 laufenden Welle 78 des Rotors 76 gebündelt. Innerhalb der Welle 78 ist das zweite Linsensystem 38 des zweiten Abschnitts 4 in der Weise angeordnet, daß seine optische Achse mit der Drehachse der Welle 78 fluchtet. Das erste Linsensystem 34 des zweiten Abschnitts 4 ist innerhalb einer Station 80 angeordnet, welche dem betreffenden Ende der Welle 78 mit einem Abstand zugewandt ist. Die optische Achse des ersten Linsensystems 34 ist

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auf diejenige des zweiten Linsensystems 38 ausgerichtet. Der erste Abschnitt 2 befindet sich innerhalb der Station 80. In Fig. 5 sind die Lichtquelleneinheiten 10 sowie andere Bauteile des ersten Abschnitts 2 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der auf vorher beschriebene Weise in den Generator eingebauten optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung im einzelnen erläutert. Hierbei sei angenommen, daß eine der Lichtquelleneinheiten 10 einen Infrarotlichtstrahl erzeugt. Dieser Lichtstrahl wird durch den betreffenden optischen Verteiler 12 aufgeteilt und zur angeschlossenen Lichtzufuhrstrecke 14 geleitet. Der Rest des Lichtstrahls erreicht über den optischen Isolator 30, den optischen Verteiler 12 und die optische Faser 8, die Stablinse 32, um durch diese divergiert und auf das erste konkave Beugungsgitter 34 im zweiten Abschnitt geworfen zu werden. Auf dieses erste Beugungsgitter werden von den anderen Stablinsen 32 auch Lichtstrahlen mit anderen Wellenlängen als der Infrarot-Wellenlänge projiziert, wobei das Beugungsgitter 34 die Lichtstrahlen bzw. -bündel mit den verschiedenen Wellenlängen multiplext und einen Gesamt- bzw. Mehrfach-Lichtstrahl erzeugt, der einen weiten Wellenlängenbereich umfaßt und der auf die Linse 4 des ersten Linsensystems 36 geworfen wird. Der einfallende Lichtstrahl wird durch die Linse 40 konvergiert und auf die Linse 42 geworfen, um durch diese in einen parallelen Lichtstrahl bzw. ein paralleles Lichtstrahlenbündel umgewandelt zu werden, der bzw. das zur Linse 44 des zweiten Linsensystems 38 übertragen wird. Durch die Linse 44 wird der einfallende Lichtstrahl konvergiert, um anschließend durch die Linse 46 wieder zu einem parallelen Lichtstrahl 46 umgewandelt zu werden, der auf das zweite konkave Beugungsgitter 48 geworfen wird. Letzteres bewirkt ein spektroskopisches Demultiplexen bzw. Zerlegen des auftreffenden Gesamtlichts in die Einzellichtstrahlen der verschiedenen Wellenlängen, die dann

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auf die jeweiligen Stablinsen 54 geworfen werden. Der Infrarot-Lichtstrahl wird dabei durch die zugeordnete Stablinse 54 zur betreffenden optischen Faser 50 übertragen, um dann den angeschlossenen optischen Meßfühler 52 zu erreichen. Im Meßfühler 52 wird der einfallende Lichtstrahl einer Intensitätsmodulation unterworfen, worauf der resultierende, modulierte Lichtstrahl über denselben Strahlengang, d.h. die optische Faser 50 und die Stablinse 54, zurückläuft und wieder auf das Beugungsgitter 48 geworfen wird, in welchem er mit den anderen rücklaufenden Lichtstrahlen multiplext, d.h. gebündelt wird. Der auf diese Weise gebildete Mehrfach-Ausgangslichtstrahl wird zum Beugungsgitter 34 übertragen und in diesem wieder spektroskopisch demultiplext bzw. zerlegt, worauf die resultierenden Einzellichtstrahlen über dieselben Strahlengänge wie die entsprechenden Eingangslichtstrahlen übertragen werden. Der rücklaufende Infrarotlichtstrahl wird beispielsweise über den Strahlengang zur Lichtquelleneinheit 10 übertragen, welche den Infrarot-Eingangslichtstrahl erzeugt. Jeder Rücklauflichtstrahl wird zum Teil dem betreffenden Rücklauf-Strahlengang 16 zugeleitet, während der Rest jedes Lichtstrahls zum betreffenden Isolator 30 geführt wird, welcher den einfallenden Lichtstrahl an einer Bewegung zur zugeordneten Lichtquelleneinheit 10 hindert. Die den Zufuhr- und Rücklauf-Strahlengängen 14 bzw. 16 zugeführten Lichtstrahlen bzw. -bündel werden durch die.zugeordneten optischen Meßfühler 18 und 20 erfaßt und in entsprechende elektrische Signale umgesetzt, welche den logarithmischen Verstärkern 22 und 24 eingespeist werden. Die Ausgangssignale dieser Verstärker 22 und 24 werden an den Differentialverstärker 26 angekoppelt, und die Temperatur an der Meßstelle wird anhand des Verhältnisses zwischen den optischen Eingangs- und Ausgangssignalen ermittelt und an der Anzeigeeinheit 28 wiedergegeben.

Auf die beschriebene Weise kann mittels der optischen Mehrkanal-Meßvorrichtung für Temperaturmessung die Temperaturinformation an den einzelnen Meßpunkten des Rotors im Generator aus letzterem in

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Form eines Signallichtstrahls bzw. -bündeis herausgeführt werden, was durch optische Ankopplung ohne elektrische oder mechanische Kontakte erreicht wird. Da bei dieser Vorrichtung die Temperaturmessung ausschließlich auf optischem Wege erfolgt und die gewonnene Temperaturinformation in Form einer Lichtinformation übertragen wird, insbesondere auf eine Signalübertragungssstrecke ohne jeden elektrischen oder mechanischen Kontakt an Innen- und Außenseite der drehenden Teile, kann eine hohe Zuverlässigkeit der Messung gewährleistet werden. Außerdem kann die Temperaturmessung an jedem Meßpunkt mit großem Rauschabstand und ohne Beeinflussung durch starke elektromagnetische Felder im Inneren des Generators erfolgen, wobei bei dieser Vorrichtung außerdem auch das Problem eines dielektrischen Durchschlags nicht gegeben ist. Darüber hinaus kann die Messung der Temperaturverteilung im Inneren des Generators, die sich bisher als sehr schwierig erwiesen hat, mit hoher Genauigkeit unter Verwendung der neuartigen optischen Temperaturmeßfühler, durch Wellenlängen-Bündelung der Lichtinformation und durch Übertragung des Mehrfach- bzw. Gesamt-Ausgangssignals über die gesamte Übertragungsstrecke durch die optischen Fasern und die Ausbreitungsstrecken durchgeführt werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden als Lichtquelleneinheiten mehrere Wellenlängenmultiplex-Laserdioden oder -Leuchtdioden verwendet, wobei die geringfügig voneinander verschiedenen Emissionslichtwellenlängen dieser Lichtquellen multiplext bzw. gebündelt werden. Beim derzeitigen Stand der Technik kann jedoch unter Verwendung solcher Laserdioden oder Leuchtdioden lediglich ein Mehrkanalsystem realisiert werden, das höchstens einige 10 Kanäle besitzt. Zur Realisierung eines Systems mit einer größeren Zahl von Kanälen bietet es sich an, das Licht von einer Weißlichtquelle spektroskopisch aufzutrennen oder Laservorrichtungen zu verwenden, mit denen eine Wellenlängenabstimmung durchführbar ist.

Obgleich sich die vorstehend beschriebene Ausführungsform auf eine

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Temperaturmeßvorrichtung bezieht, kann zur Messung der Materialspannung beispielsweise in verschiedenen Teilen eines Rotors oder Läufers eine berührungsfreie Mehrkanal-Materialspannungsmeßvorrichtung unter Verwendung von optischen Druckmeßfühlern, welche auf der Grundlage einer Lichtmodulation in Abhängigkeit vom Druck arbeiten, konstruiert werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird weiterhin ein reflektierender optischer Meßfühler 52 verwendet, der eine Intensitätmodulation des einfallenden bzw. Eingangslichtstrahls bewirkt und die Modulation als Ausgangs- bzw. SLeflexionslichtstrahl zum selben Strahlengang zurückleitet. Es ist jedoch auch möglich, einen optischen Durchlaß- bzw. Übertragungsmeßfühler der Art gemäß Fig. 6 zu verwenden, bei dem die Strahlengänge für den einfallenden Lichtstrahl und den durchgelassenen oder übertragenen Lichtstrahl voneinander getrennt sind. Beim optischen Meßfühler 52 gemäß Fig. 6 sind eine selbstfokussierende Stablinse 62-1, ein Polarisator 64-1, ein Doppelbrechungs-Kristall 66, ein Analysator 64-2 und eine selbstfokussierende Stablinse 62-2 in der angegebenen Reihenfolge längs eines Strahlengangs angeordnet, der von einer optischen Eingangsfaser 50-1 zu einer optischen Ausgangsfaser 50-2 verläuft. Bei diesem optischen Meßfühler 52 wird der aus der selbstfokussierenden Stablinse 62-1 austretende divergierende Lichtstrahl durch den Polarisator 64-1 linear polarisiert und dann durch den Doppelbrechungs-Kristall-66,entsprechend der Temperatur elliptisch polarisiert. Aus dem elliptisch polarisierten Lichtstrahl wird nur eine längs der Polarisationsfläche gerichtete Komponente vom Analysator 64-2 herausgenommen, und der betreffende Lichtstrahl wird über die Stablinse 62-2 zur optischen Ausgangsfaser 50-2 übertragen. Auf diese Weise erfährt der zu diesem optischen Meßfühler 52 geleitete Eingangslichtstrahl eine Lichtintensitätsmodulation, und der modulierte Lichtstrahl wird als Ausgangslichtstrahl abgenommen. Die optische Ausgangsfaser 50-2

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B*D ORIGINAL

kann an die Eingangsübertragungsstrecke oder an einen Übertragungsstrahlengang in einem einseitig gerichteten optischen System angeschlossen sein, das eine ähnliche Anordnung besitzt wie diejenige nach Fig. 1, dabei aber vom Strahlengang für die optischen Eingangssignale getrennt ist.

Fig. 7 veranschaulicht eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 1. Dabei sind die optischen Meßfühler zwischen eine optische Übertragungsstrecke für den Einfallslichtstrahl und eine getrennte Übertragungsstrecke für den übertragenen Lichtstrahl eingeschaltet. In Fig. 7 sind die einander entsprechenden Teile in den beiden optischen Übertragungsstrecken mit denselben Ziffern bezeichnet, jedoch mit einer angehängten "1" für die optischen Elemente in der Einfallslichtstrahl-Übertragungsstrecke und einer angehängten "2" für die Bauteile in der Übertragungsstrecke für den übertragenen bzw. zurückgeleiteten Lichtstrahl.

Mit der Erfindung wird somit eine kontaktfreie bzw. berührungsfreie Mehrkanal-Meßvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe, wie Temperatur oder Materialspannung, an einer Vielzahl von Meßpunkten innerhalb eines Generators oder.Motors auf optischem Wege geschaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit und eine gute Zuverlässigkeit gewährleistet.

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Claims

Patentansprüche

Optische Meßvorrichtung, gekennzeichnet durch η optische Wellenleiter (8-1) zur Übertragung entsprechender nichtmodulierter Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, mit η = Zahl der Meßstellen oder -punkte und entsprechend mindestens 1, durch eine erste Bündelungs- bzw. Itultiplexeinrichtung (34-1) zur spektroskopischen Bündelung (nultiplexing) der über die optischen Wellenleiter übertragenen, nichtraodulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, durch Einrichtungen (40-1 - 46-1) zur Übertragung der spektroskopisch gebündelten, nichtmodulierten Lichtstrahlen bzw. -bündel durch den Raum, durch eine erste Zerlegungs- bzw. Demultiplexeinrichtung (48-1) zum Demultiplexen bzw. Zerlegen der nichtmodulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, durch η zweite optische Wellenleiter (50-1) zur Übertragung dieser demultiplexten bzw. zerlegten, unraodulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellen-

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ORIGINAL INSPECTED

längen, durch Einrichtungen (52-1) zur Licht-Intensitätsmodulation der übertragenen Lichtstrahlen nach Maßgabe einer physikalischen Größe an den Meßstellen, wobei die Modulationseinrichtungen an den jeweiligen Meßstellen angeordnet und optisch an die zweiten Wellenleiter angekoppelt sind, durch η dritte optische Wellenleiter (50-2), die optisch an die jeweiligen Modulationseinrichtungen (52-1) angekoppelt sind und die intensitätsmodulierten Lichtstrahlen übertragen, durch eine zweite Multiplexeinrichtung (48-2) zur spektroskopischen Bündelung der modulierten Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, die über die dritten optischen Wellenleiter übertragen werden, durch eine zweite Einrichtung (40-2 - 48-2) zur Übertragung der spektroskopisch gebündelten, modulierten Lichtstrahlen durch den Raum, durch eine zweite Demultiplexeinrichtung (34-2) zum spektroskopischen Zerlegen (demultiplexing) des übertragenen Lichtstrahlenbündels in modulierte Lichtstrahlen jeweils verschiedener Wellenlänge, durch η vierte optische Wellenleiter (82) zur Übertragung der spektroskopisch zerlegten Lichtstrahlen und durch eine Einrichtung (18 - 28) zur Ermittlung der physikalischen Größe an jeder Meßstelle durch Vergleich der Lichtintensität des nichtmodulierten, über die ersten optischen Wellenleiter übertragenen Strahlenbündels mit derjenigen des modulierten, über die entsprechenden vierten optischen Wellenleiter übertragenen Strahlenbündels.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einseitig gerichtet (uni-directional type) ist und die Lichtstrahlen in (nur) einer Richtung durchläßt, daß die vier verschiedenen optischen Wellenleiter jeweils getrennte optische Fasern sind und daß die Intensitätsmodulationseinrichtung die nichtmodulierten Lichtstrahlen von den zweiten optischen Fasern abnimmt und die modulierten Lichtstrahlen zu den dritten optischen Fasern leitet.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie vom Zweiwege-Typ ist, wobei die nichtmodulierten und modulierten Lichtstrahlen durch denselben Strahlengang übertragen werden, daß die zweiten und dritten optischen Wellenleiter durch jeweils dieselben optischen Fasern gebildet sind und daß die Intensitätsmodulationseinrichtung die modulierten Lichtstrahlen zu den die nichtmodulierten Lichtstrahlen liefernden optischen Fasern zurück reflektiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Multiplex- und die erste Demultiplexeinrichtung durch ein und dieselbe optische Einheit gebildet sind und daß die zweite Multiplex- und die zweite Demultiplexeinrichtung ebenfalls jeweils ein und dieselbe optische Einheit umfassen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einheiten jeweils ein konkaves Beugungsgitter umfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmodulationseinrichtungen jeweils einen Polarisator zum linearen Polarisieren des einfallenden nichtmodulierten Lichtstrahls, einen Doppelbrechungs-Kristall zur Umwandlung des linear polarisierten Lichtstrahls in einen elliptisch polarisierten Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Temperatur an jeder Meßstelle und einen Analysator (analyzer) umfassen, der nur eine Komponente des elliptisch polarisierten, längs der Polarisationsfläche laufenden Lichtstrahl durchläßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätsmodulationseinrichtungen jeweils einen Polarisator zum linearen Polarisieren des einfallenden nichtmodulierten Lichtstrahls und zur Übertragung nur einer Kompo-

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nente des modulierten, längs der Polarisationsfläche laufenden Lichtstrahls, einen Doppelbrechungs-Kristall zur Umwandlung des linear polarisierten Lichtstrahls in einen elliptisch polarisierten Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Temperatur an jeder Meßstelle und ein optisches Element zum Reflektieren des elliptisch polarisierten Lichtstrahls unter Einführung eines Phasenunterschieds in ihn umfassen und daß das optische Element einen Reflexionsspiegel und Viertelwellenlängenplättchen aufweist.

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