DE3138061C2

DE3138061C2 -

Info

Publication number: DE3138061C2
Application number: DE3138061A
Authority: DE
Inventors: William Henry Vernon Conn. Us Glenn; Richard Giles Glastonbury Conn. Us Tomlinson
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1981-09-24
Publication date: 1991-01-24
Also published as: GB2084316A; JPH038495B2; DE3138061A1; JPS5786730A; US4368645A; IT8124124A0; IT1138245B; FR2492097A1; FR2492097B1; GB2084316B; IL63858A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmeßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Druckmeßvorrichtung, die aus der US-PS 40 10 632 bekannt ist, hat den Vorteil, daß der benutzte optische Fühler elektrisch passiv ist, deshalb eine solche Druckmeß vorrichtung für explosive Umgebungen, für mit elektrischem Rauschen behaftete Umgebungen oder für andere Fälle ge eignet ist, bei denen Wärme und/oder Vibration den Betrieb von elektrischen Bauelementen behindern. Die aus der vorge nannten US-PS 40 10 632 oder eine aus der US-PS 39 50 987 bekannte Druckmeßvorrichtung weist zwei räumlich getrennte optische Kanäle auf, die eine doppelbrechende Platte haben, welche dazu benutzt wird, einem linear-polarisierten Strahl eine Phasenverschiebung um dasselbe Ausmaß in entgegenge setzten Richtungen zu geben, beispielsweise um ± π/2. Bei diesem Stand der Technik ist nachteilig, daß stets zwei räumlich getrennte optische Kanäle durch das photoelasti sche Medium hindurchführen. Das bringt ein Ausrichtproblem mit sich. Wenn die Ausrichtung nicht vorhanden ist, wird nämlich die in einer Achse oder einem Kanal gemessene In tensität tatsächlich einen Intensitätsanteil enthalten, der als zur anderen Achse oder zum anderen Kanal gehörig ge rechnet werden müßte, das Meßergebnis also verfälschen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmeßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, daß ein durch räumlich getrennte optische Kanäle verursachtes Ausrichtproblem vermieden wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Bei der Druckmeßvorrichtung nach der Erfindung wird das Ausrichtproblem dadurch vermieden, daß lediglich mit einem einzelnen Lichtstrahl gearbeitet wird. Dazu bilden die Po larisationseinrichtung und die doppelbrechende Platte Win kel mit der optischen Achse, die bei der bekannten Druck meßvorrichtung aufgrund der beiden dort verwendeten konver gierenden Lichtstrahlen nicht vorhanden sind. Bei der Druckmeßvorrichtung nach der Erfindung werden die Polarisa tionskomponenten eines Lichtstrahls durch auf das photoela stische Medium ausgeübten Druck unterschiedlich beeinflußt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge genstände der Unteransprüche.

Die in der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ver wendeten Lichtleitfasern sind aus der DE-OS 29 34 859 an sich bekannt, die ein optisches Meßgerät zum Messen physi kalischer Größen wie mechanische Spannung, Kraft usw. be trifft.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Ausführungsform einer Druckmeßvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 in einer Einzelansicht die Aus übung von Druck auf ein photoelastisches Medium, und

Fig. 3 eine komplexere Ausführungsform der Druckmeßvorrichtung nach der Erfindung, die die Verwendung von Steckverbindern in dem Licht leitkabel gestattet.

Gemäß Fig. 1 enthält eine Druckmeßvorrichtung eine elektrische Ein heit 100 mit einer Lichtquelle 101 und Detektoren 112, 114 und einen Ab fühlkopf 200, welche durch ein Lichtleitkabel 121 miteinander verbunden sind. Im Betrieb erzeugt die Lichtquelle 101, bei der es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode handelt, Licht, das durch eine Linse 102 in eine Lichtleitfaser 103 fokus siert wird, welche ein Bestandteil des Lichtleitkabels 121 ist. In dem Abfühlkopf 200 wird das Licht aus der Lichtleit faser 103 durch eine Linse 201 kollimiert und in einem Pola risator 202 linear-polarisiert. Das linear-polarisierte Licht, das aus dem Polarisator 202 austritt, wird in einer doppelbrechenden Platte in Form einer λ/4- oder Viertelwellenlängeplatte 203 zirkular-polarisiert. Zweckmä ßig werden die Polarisatoren 202 und 203 in richtiger Aus richtung (in der ihre Achsen einen Winkel von 45° bilden) miteinander verklebt, woraufhin die Ausrichtung der beiden Polarisatoren in bezug auf andere Teile unerheblich ist. Zir kular-polarisiertes Licht tritt in ein photoelastisches Me dium 204 ein, bei welchem es sich um irgendein Material han deln kann, dessen spannungsoptischer Koeffizient eine für den interessierenden Druckbereich geeignete Größe hat. Diese Kon stante ist für viele Materialien gemessen worden, und eine zweckmäßige Quelle solcher Meßwerte ist "Photoelastic Stress Analysis" von A. Kuske und G. Robertson, John Wiley and Sons, New York, 1974. Photoelastische Materialien haben, wenn sie unter mechanischer Spannung stehen, unterschiedliche Brechungsindizes längs Achsen parallel und rechtwinkelig zu der Richtung der ausgeübten Kraft. Bei Kräften, die auf ein photoelastisches Medium längs zwei Achsen, X und Y, ausgeübt werden, die rechtwinkelig zu der Lichtübertragungsrichtung sind, wird der Brechungsindex längs der X- und der Y-Achse verschieden sein, wobei die Differenz in folgender Beziehung zu dem ausgeübten Druck steht:

n_x - n_y = C (P_x - P_y)

wobei n_x und n_y die Brechungsindizes längs der beiden Achsen, P_x und P_y die ausgeübten Drücke sind und C der spannungsop tische Koeffizient ist. Wenn ein Druck der Atmosphärendruck ist, dann wird die Brechungsindexdifferenz ein Maß für den Überdruck auf der anderen Achse sein. Wenn um das photoelastische Medium herum ein Vakuum erzeugt wird, dann wird der absolute Druck gemes sen. Es kann gezeigt werden, daß für die Intensität von durch den Polarisator 202, das photoelastische Medium 204 und ein Prisma 205 als Polarisationsanalysator längs der X- und Y-Achse hindurchgehendes Licht, also ohne die Viertelwellenlängeplatte 203, gilt:

I_x = I_o cos² R (1)

I_y = I_o sin² R

wobei

wobei ℓ die Länge des photoelastischen Mediums längs des Strahls und λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Die Auswirkung der Viertelwellen längeplatte 203 ist weiter unten erläutert.

Das Messen der Lichtintensität der beiden Polarisationskomponenten kann erfolgen, indem das aus dem photoelastischen Medium 204 austretende Licht durch ein als Prisma 205 benutztes Glan-Thompson-Prisma hindurchgeleitet wird, das eine Komponente über eine Linse 207 in eine Lichtleitfaser 111 ab lenkt und der anderen Komponente gestattet, durch eine Linse 206 hindurch- und in eine Lichtleitfaser 113 zu gehen. Diese beiden Polarisationskomponenten werden in eine Meßeinrichtung geleitet, die Detektoren 112 und 114 enthält und in der die Detektorausgangssignale in Schaltungen 115 ver arbeitet werden, bei denen es sich um einen Mikrocomputer oder um eine Anordnung aus logischen Schaltkreisen handeln kann.

Fig. 2 zeigt ausführlicher einen geeigneten Aufbau für den Fall, in welchem der absolute Druck einer Flüssigkeit gemes sen wird. Zur Messung eines Gasdruckes oder eines mechanischen Druckes können ohne weiteres gleichartige Ausführungsformen verwendet werden. Ein Rohr 251 umschließt eine Flüssigkeit 252, deren Druck gemessen werden soll. Ein Federbalg 261, wel cher einen ebenen Boden hat, der auf einen Block 204 photoelastischen Mediums drückt, gestattet die Kontraktion des Blockes 204 in Abhängigkeit von dem Druck. Eine Befestigungskammer 262 stützt den Block 204 gegen den Druck ab und trägt außerdem die übrigen Bauteile. Die Befestigungskammer 262 ist evakuiert, so daß der Referenz druck rechtwinkelig zu dem ausgeübten Druck null ist. Die Lichtleitfasern treten in die Kammer 262 ein und verlassen diese jeweils über geeignete Durchführungen, die nicht ge zeigt sind. Die Fläche der Befestigungskammer 262 dient als Bezugsfläche für die Ausrichtung. Zum bequemen Ausrichten sollte der Federbalg 261 so aufgebaut sein, daß der Flüssigkeits druck längs einer zu der Fläche der Befestigungskammer 262 rechtwinkeligen Achse gerichtet ist, die so die Hauptspan nungsachse der Druckmeßvorrichtung bildet. Das Prisma 205 wird dann auf derselben Fläche so angeordnet, daß seine Achse einen Winkel von 45° mit der Spannungsachse bildet. Üblicherweise ist die Spannungsachse rechtwinkelig zu der Fortpflanzungs richtung des Lichtstrahls, so daß rechtwinkelige Koordinaten benutzt werden können.

Weil der Block 204 auf die Differenz zwischen den in den bei den Achsen ausgeübten Drücken anspricht, ist er natürlich zum Messen des Differenzdrucks geeignet. In einem solchen Fall würde die in Fig. 2 gezeigte Anordnung so modifiziert werden, daß der Block 204 in zwei Richtungen abgesteift ist und daß ein zweiter Druck auf den Block 204 über einen zweiten Feder balg ausgeübt wird, der rechtwinkelig zu dem Federbalg 261 ange ordnet ist. In diesem Fall würde die Befestigungskammer 262 nicht evakuiert werden. Bei Bedarf würde eine äquivalente, mecha nisch einfachere Anordnung darin bestehen, das Prisma 205 als Polarisations analysator weiter von dem Block 204 wegzubewegen und einen zweiten Block 204′ zwischen dem Block 204 und dem Pris ma 205 einzufügen. Das gesendete Licht wäre in dieser Anord nung gegenüber der vorherigen Ausführungsform unverändert. Die Ausrichtung der zweiten Spannungsachse würde weiterhin einen rechten Winkel mit der Achse bilden, längs welcher der Feder balg 261 Kraft ausübt. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, die Summe der beiden Drücke zu messen, wobei in diesem Fall die Befestigungskammer 262 modifiziert werden würde, indem eine Öffnung so angebracht werden würde, daß eine Kraft auf diejenige Stirnfläche des Blockes 204 ausgeübt werden könnte, die zu der entgegengesetzt ist, gegen die der Federbalg 261 drückt.

Unten wird gezeigt, daß das Ausgangssignal der Druckmeßvorrichtung von einer Eichkonstanten K abhängig ist, die ihrerseits von der Länge ℓ des Blockes 204 und von der Konstanten C abhängig ist, die für das Material charakteristisch ist, so daß die Empfindlichkeit der Druckmeßvorrichtung durch Wahl der Länge und der Materialien modifiziert werden kann.

Die Beziehung von Gleichung (1), die für die beiden Komponenten linear-polarisierten Eingangslichtes gilt, kann für Meßzwecke benutzt werden, was aber nicht zweckmäßig ist. Eine beträcht liche Verbesserung wird durch das Einfügen der Viertelwel lenlängeplatte 203 erzielt, die bewirk, daß R um π/4 vorge spannt und so die Abhängigkeit der Lichtintensität geändert wird in:

wobei S₁ und S₂ die neuen Werte für die X- und die Y-Licht intensität sind. S₁ und S₂ können in den Schaltungen 115 wei ter verknüpft werden, so daß sich folgende Größe ergibt:

wobei P die Differenz zwischen den Drücken längs der beiden Achsen und K effektiv eine Eichkonstante ist. S wird in R periodisch sein und einen eindeutigen Bereich für -π/4 < R < π/4 haben. In dem besonderen Fall eines Glasmediums, das eine Konstante C = 2200 lb.f./in.fr. (vgl. hierzu Erläuterung am Schluß der Beschreibung) und eine Länge von 25,4 mm hat, beträgt der Überdruckbereich ± 37,92 bar. Die Verwendung der Viertelwellen längeplatte 203 hat nicht nur die vorteilhafte Auswirkung, daß die Ausrichtung des Polarisators 202 gegenüber dem Medium 204 unwichtig gemacht wird, wie oben erwähnt, sondern daß auch die Kombination S von der Eingangsintensität unabhängig und nur quadratisch von der optischen Versetzung der Polarisationskomponenten abhängig ist, was ein beträchtlicher Faktor bei der Verringe rung der Kosten der Druckmeßvorrichtung ist, da sich besondere Sorgfalt bei der Ausrichtung direkt in den Fertigungskosten widerspie gelt.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde die Vier telwellenlängeplatte 203 benutzt, um die beiden Ansprechfunktio nen so zu verschieben, daß der Bereich für positive oder nega tive Drücke gleich ist. Wenn nur positive (oder negative) Drücke zu messen sind, kann beispielsweise eine andere Dicke der doppelbrechenden Platte 203 benutzt werden, um eine zweck mäßige Phasenverzögerung zwischen den beiden Polarisationskom ponenten hervorzurufen.

Die grundlegende Winkelreferenz für die Druckmeßvorrichtung ist die Rich tung, längs der die Kraft auf den Block 204 photoelastischen Mediums ausgeübt wird. Das Prisma 205 muß unter 45° gegen diese Rich tung ausgerichtet sein, und Fehler in dieser Ausrichtung wer den sich als Fehler in den beiden Intensitätskomponenten zei gen. Fehler in der Ausrichtung des Polarisators 202 in bezug auf die Viertelwellenlängeplatte 203 werden einen ähnlichen Effekt haben. Fehler in der Abmessung des Blockes 204 oder in seiner Ausrichtung werden bewirken, daß sich die Länge ℓ des Blockes 204 ändert und daß die Eichkonstante K geändert wird, wobei aber diese Fehler beide Intensitäten auf gleiche Weise nachteilig beeinflussen und durch Eichung korrigiert werden können.

Die Ausführungsform von Fig. 1 hat die Beschränkung, daß das Lichtleitkabel durchgehend ist, weshalb, wenn Verbinder, z. B. Steckver binder, benutzt werden, die Lichtübertragung über die Lichtleitfasern 111 und 113 jedesmal dann geändert wird, wenn die Verbindung unterbrochen und wiederhergestellt wird. Diese Beschränkung ist in vielen Fällen nachteilig und kann auf verschiedenerlei Weise korrigiert werden. Eine Methode würde darin bestehen, eine Eichung vorzusehen, indem den Schaltungen 115 die Mög lichkeit gegeben wird, die beiden Intensitäten bei dem Druck null zu messen und dann die Meßwerte im geeigneten Ausmaß zu korrigieren.

Eine zweckmäßigere Lösung ist in Fig. 3 dargestellt, in wel cher zwei Leuchtdioden 301 und 302 Licht mit Wellenlängen λ₁ bzw. λ₂ erzeugen. Dieses Licht wird durch Linsen 303 und 304 in kurze Lichtleitfasern fokussiert, welche das Licht zu einem handelsüblichen optischen Koppler 305 senden, der zwei Ausgänge hat. Ein Ausgang geht zu einem Detektor 306 zur Über wachung, da die Eingangsintensität für beide Polarisations komponenten nun nicht gleich sein wird. Der andere Ausgang, der einfallendes Licht beider Frequenzen führt, geht über einen Steckverbinder 312, ein Kabel 300 und einen Steckver binder 313 zu der Linse 201.

Die optischen Elemente 201 bis 205 des Abfühlkopfes 200 funktio nieren wie in der Ausführungsform von Fig. 1. Am Ausgang des Prismas 205 gestatten jedoch Filter 216 und 217 nur Licht mit der Wellenlänge λ₁ bzw. λ₂ den Durchtritt, das durch die Lin sen 206 und 207 in Lichtleitfasern fokussiert wird, wie zuvor. Die beiden Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge werden in einem Koppler 218 verknüpft und zu einem Detektor 311 und Verarbeitungsschaltungen 315 zurückgeleitet. Die Schaltungen 315 unterscheiden sich von den Schaltungen 115 der vorherigen Ausführungsform dadurch, daß sie außerdem die Zeitsteuerung der Lichtquellen 301, 302 und der Detektoren 306 und 311 vor nehmen, so daß Licht mit den beiden Wellenlängen in der Druck meßvorrichtung abwechselnd übertragen wird und die Meßwerte aus den De tektoren, die die erste Frequenz haben, gespeichert und dann mit den entsprechenden Meßwerten, die die zweite Frequenz haben, zu dem Ergebnis verknüpft werden.

Erläuterung: Die oben verwendete Abkürzung "in.fr." bedeutet "inch Interferenzstreifen"; die Konstante ist ein Maß für die Anzahl von Interferenzstreifen in einem Interfe rometer oder die Zyklenzahl pro Längeneinheit des Materials und pro Druckeinheit.

Claims

1. Druckmeßvorrichtung,
mit einem photoelastischen Medium (204), das auf äußeren Druck anspricht;
mit einer Einrichtung (103) zum Richten von Licht durch das photoelastische Medium (204) von dessen strahlaufwärtiger zu dessen strahlabwärtiger Seite;
mit einer Polarisationseinrichtung (202), die strahlauf wärts von dem photoelastischen Medium (204) angeordnet ist, mit einer doppelbrechenden Platte (203), die zwischen dem photoelastischen Medium (204) und der Polarisationseinrich tung (202) angeordnet ist;
mit einem Polarisationsanalysator (205), der strahlabwärts von dem photoelastischen Medium (204) angeordnet ist, um die erste und die zweite Polarisationskomponente des Lichtes aufzulösen, das in dem aus dem photoelastischen Me dium (204) austretenden Strahl enthalten ist;
mit Einrichtungen (111, 113) zum Transportieren der beiden Polarisationskomponenten des Lichtes zu einer entfernten Meßeinrichtung;
mit Einrichtungen (112, 114) zum Messen der Intensitäten der beiden Polarisationskomponenten; und
mit einer Einrichtung (115) zum Verknüpfen der beiden ge messenen Intensitäten auf vorbestimmte Weise, um einen Meß wert des auf das photoelastische Medium (204) ausgeübten äußeren Druckes zu bilden;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (103) zum Richten von Licht einen ein zelnen Lichtstrahl längs einer optischen Achse durch das photoelastische Medium (204) richtet;
daß die Polarisationseinrichtung (202) mit einer vorbe stimmten Polarisationsachse rechtwinkelig zu der optischen Achse ausgerichtet ist; und
daß die doppelbrechende Platte (203) eine Plattenachse hat, die rechtwinkelig zu der optischen Achse angeordnet ist und mit der Polarisationsachse einen Winkel von 45° bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (103) zum Richten eines Lichtstrahls und die Einrichtungen (111, 113) zum Transportieren der Polari sationskomponenten Lichtleitfasern enthalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Platte (203) eine Viertelwellenlänge platte ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß jede Lichtleitfaser eine Lichtleitfaserverbindung hat, in der die Einrichtung zum Richten eines Lichtstrahls weiter Einrichtungen (301, 302) zum Erzeugen eines Licht strahls enthält, der wenigstens eine erste und eine zweite Wellenlänge hat, und daß die Einrichtungen zum Transportie ren der Polarisationskomponenten weiter Einrichtungen (216, 217) zum Abtrennen der ersten Polarisationskomponente mit der ersten Wellenlänge und zum Abtrennen der zweiten Pola risationskomponente mit der zweiten Wellenlänge sowie eine Einrichtung (218) enthalten zum Vereinigen der ersten und der zweiten abgetrennten Polarisationskomponente in einer einzelnen Lichtleitfaser.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Platte (203) zirku lar-polarisiertes Licht an das photoelastische Medium (204) abgibt.