DE3203347A1 - Verfahren und anordnung zur messung eines physikalischen parameters - Google Patents

Verfahren und anordnung zur messung eines physikalischen parameters

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Description

•fr*
SIKMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 8204 DE
' Verfahren und Anordnung zur Messung eines physikali— 'sehen Parameters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines ■ physikalischen Parameters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Messung eines physikalischen Parameters nach dem Oberbegriff das Patentanspruchs 3.
Die faseroptische Signalübertragung ist während der letzten Jahre eine wichtige technologische Inovation bei elektronischen Systemen gev/orden. Unter den Gründen für die Vorzüge der faseroptischen Signalübertragung gegenüber der früheren elektrischen Signalübertragung ist die Verfügbarkeit zusätzlicher Bandbreite kombiniert mit der Eliminierung elektromagnetischer Interferenzen. Andere Gründe sind die bequeme Trennung der elektrischen Potentiale verschiedener Systemkomponenten.
Die faseroptische Übertragung ist bisher zur Kommunikation über mittlere und lange Strecken und zur digi-'talen Datenübertragung in gewissen industriellen Anwendungen,' wo elektromagnetische Interferenz oder die elektrische Trennung besonders wichtig ist, benutzt worden. Faseroptische Übertragungsleitungen sind auch " in Verbindung mit Hochspannungsschaltern mit der . Kraftwerkssteuerung und mit der ProzeßsteuerungV elektrischer Öfen verwendet worden. Die Anwendung in Flugzeugen und■in Kraftfahrzeugen wird diskutiert.
Bei Steuersystemen wird die Signalkommunikation in
digitaler Form nicht nur zwischen Datenverarbeitungseinheiten, "sondern au; h in Kommunikation mit Eingabe- ■ ■ Ed 1.Sti/29.1.82
32033A7
VPA P1 P 8204 DE : und Ausgabegeräten durchgeführt. Eine .spezielle . ■ 'Signalempfindlichkeit existiert zwischen Sensoren und Datenverarbeitungsgeräten. Deshalb wurde die faseroptische Kommunikation auf digitaler Basis zur Signalübertragung zwischen Sensoren und dem Steuersystem verwendet (siehe Control Engineering, Febr. 1979, S. 30 bis 33). Die Sensoranordnungen dienen zur Erreichung von Eingangsinformation relativ z,ur physikalischen Parametern, die für das Steuersystem wichtig sind, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Position, Fluß, Geschwindigkeit usw..
Zur Erreichung einer Sensoranordnung hoher Genauigkeit ist es ratsam, den zu messenden physikalischen Para-. meter direkt in ein optisches Signal umzuwandeln und dieses Signal durch eine faseroptische·Übertragungsleitung zur Auswertungsseite des elektronischen Systems zu überführen. Zu diesem Zweck können Sensoranordnungen so konstruiert sein, daß sie keine Energiequelle auf der Meßseite erfordern. Derartige Sensoranordnungen arbeiten ganz auf optischen Prinzipien und streng mit faseroptischer Signalübertragung. Diese Sensoranordnungen können als passive Sensoren bezeichnet werden. Ihnen wohnt der Vorteil ein"s hohen Schutzes gegen elektromagnetische Interferenzen und der Einfachheit . des Systems inne.
Sensoranordnungen können auch so konstruiert sein, daß sie eine Hilfsenergiequelle für das Abtasten aufweisen,' um schließlich bei optischen Signalen anzukommen, die durch die faseroptische Übertragungsleitung überführt .
werden können. Die Energiequelle kann eine optische, eine elektrische oder irgendeine andere Quelle sein; während das Abtastprinzip und die Signalübertragung noch optischer Natur sind. Solche Anordnungen können als aktive Anordnungen bezeichnet werden.
VPA 81 P 8204 DE Aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 10221 geht ein faseroptisches Meßgerät hervor, welches zur Messung des Stromes oder der Spannung verwendet wird. Ein elektrisches Meßsignal wird in eine mechanische Bewegung umgewandelt, die einen Lichtstrahl moduliert. Dieses Meßgerät macht streng genommen Gebrauch von einer Amplitudenmessung und ist deshalb störenden Umwelteinflüssen ausgesetzt.
■10 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzügeben, bei dem das Meßsignal keinen . ' störenden. Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, und eine . Sensoranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche feindlichen Umweltbedingungen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, Öl, Säure und elektromagnetischen Interferenzen oder Störungen widerstehen kann.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. im kennzeichnenden Teil des ■ Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte· und vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Sensoranordnung gehen aus den Unteransprüchen 2 bzw. 4 bis 18 hervor.
Vorteile der Erfindung liegen im folgenden:
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist eine sehr einfache Struktur auf. Sie kann relativ einfach und
ΊΟ · billig hergestellt werden. Sie benötigt zur Erhaltung eines Meßsignals, von der von der Auswerteseite entfernten Meßseite eine einzelne Lichtquelle. Sie kann bei selbstfahrenden oder sich selbstbewegenden Systemen oder Verfahren verwendet werden. Sowohl das erfindungs-■ gemäße Verfahren als auch die erfindungsgemäße Anordnung basieren auf einer Frequenzmessung, so daß eine
-** " VPA 81 P- 8204 DE hohe Genauigkeit erzielt werden kann. ·
In Zusammenfassung weist ein Verfahren zur Messung einer; physikalischen Parameters an einer ersten Stelle, die von einer zweiten Stelle entfernt ist, die folgenden Schritte auf: Zuerst wird ein Lichtstrahl erzeugt; dann wird die Amplitude dieses Lichtstrahls an der ersten Stelle oder Meßstelle mit einer Frequenz moduliert, die von dem zu messenden physikalischen Parameter abhängt. Daraufhin wird der modulierte Licht- · strahl von der ersten Stelle zur zweiten Stelle oder Auswertungsstelle übertragen. Schließlich wird die Frequenz des modulierten Lichtstrahls an der Meß- "'. stelle gemessen. Die gemessene.Frequenz zeigt den Viert des zu messenden Parameters an.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung weist eine Quelle auf, die einen Lichtstrahl erzeugt, eine Lichtmodulationseinrichtung, die an der ersten Stelle angeordnet ist und einen Frequenzdetektor. Die Lichtmodulationseinrichtung, die eine Modulationsfrequenz aufweist, die durch den zu messenden Parameter bestimmt wird, moduliert die Amplitude des Lichtstrahls. Der Frequenzdetektor, der an der zweiten Stelle angeordnet ist, ist die Frequenz der Amplitude des modulierten Lichtstrahls. Die gemessene Frequenz zeigt den Wert des physikalischen Parameters an. " "
Vorzugsweise wird zur Modulation des Lichtstrahls eine schwingende Saite oder ein schwingender Faden verwendet. Das Wort "Faden" soll dabei alle Arten von Stäben, Blättern, Blattfedern und Platten umfassen, deren Oszillationsfrequenz durch einen physikalischen Parameter beeinflußbar, ist, also ein durch einen physikalischen Parameter beeinflußbares Schwingungssystem.
■/Hf·
■&- VPA 81 P 8204 DE
Bevorzugte Ausführungsformen oder -beispiele der .Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
Figur 1 ein faseroptisches Meßsystem mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung zur Messung eines physikalischen Parameters;
Figur 2 einen Querschnitt durch eine andere erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, die eine schwingende Seite aufweist;
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs-1r> gemäßen Sensoreinrichtung, die jener nach Figur 2· ähnelt;
Figur 4 ein erfindungsgemäßes faseroptisches Meßsystem mit einer Sensoreinrichtung zur Messung eines Druckes;
Figur 5 eine Teilansicht einer faseroptischen Meßeinrichtung mit einer elektromechanischen Vorrichtung zum Starten und zur Aufrechterhaltung · der Schwingungen einer Saite;
Figur G ein Diagramm, das Erregerimpulse und gedämpfte Oszillationen einer Saite zeigt;
Figur 7 eine andere erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, welche Drehschwingungen ausführt;
Figur 8 ein. faseroptisches Sensor- oder Abtastsystem' mit einer elektronischen Rückkopplungseinrichtung;
-*6« VPA 81 P 8204 DE ■
Figur 9 ein Zeitdiagramm, welches Impulse zur Erregung des Systems nach Figur 8 zeigt;
Figur 10 ein Zeitdiagramm, das den Ausgangslichtstrahl des in Figur 8 dargestellten Systems zeigt,
der Halbwellen aufweist;
Figur 11 ein anderes faseroptisches Abtastsystem, das einen Meß- und einen Referenzlichtweg auf- ' weist; . .
Figur 12 ein anderes faseroptisches Abtastsystem, das einen schwingenden Kristall aufweist;
Figur 13 einen elektrischen Versorgungsschaltkreis zur Erregung des Kristalls nach Figur 12;
Figur 14 ein faseroptisches Abtastsystem, welches eine ■ über eine faseroptische Übertragungsleitung: laufende Energieversorgung aufweist;
Figur 15 ein Querschnitt durch eine in dem System
gemäß Figur 14 verwendbare Übertragungsleitung; und . .
Figur 16 einen Querschnitt durch eine andere, in dem
System gemäß Figur 14 verwendbaren Übertragungsleitung.
. Elemente und Komponenten, die einander entsprechen, sind in allen Figuren mit den gleichen BezuRnzeichen versehen.
32033
ΊΆ ■
-Ψ· VPA 81 P 8204 DE
In der in Figur 1 im Prinzip dargestellten Sensoranordnung zum Messen eines physikalischen Parameters ρ ist die Meßstelle, bei welcher der Parameter ρ herrscht, von der Auswertungsstelle entfernt.
■ ·
Eine Lichtquelle oder ein Sender 2 wird durch eine Lichtstrahlsteuereinheit 4 gesteuert. Die Lichtquelle 2 kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) oder ein Laser sein. Der von der Lichtquelle 2 ausgesandt.e Lichtstrahl 6 wird auf das erste oder eingangsseitige Ende eines faseroptischen Übertragungs-
. . kabeis oder einer faseroptischen Übertragungsleitung gerichtet, das bzw. die ein Zweigelement 10 herkömmlichen Aufbaus enthält.
Am zweiten oder ausgangsseitigen Ende der faseroptischen Übertragungsleitung 8 ist eine Sensoreinrichtung 12 angeordnet, welche die Amplitude des auftreffenden Lichtstrahls 6 moduliert. Die Sensoreinrichtung 12 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz durch den zu. messenden physikalischen Parameter ρ besteht. Insbesondere umfaßt die Sensoreinrichtung 12 ein Gehäuse 14, in dessen Inneres das zweite Ende der faseroptischen Übertragungsleitung 8 führt. Das Innere des Gehäuses 14 enthält auch ein dünnes Blatt, einen dünnen Streifen oder eine dünne Blattfeder 16, das bzw.. die senkrecht zur Endfläche der faseroptischen Übertragungsleitung 8 bewegbar ist. Die Verschiebung erfolgt unter dem Einfluß des physikalischen Parameters
p. Die Blattfeder 16 ist an einem Ende von einem Lager 18 gehalten oder gestützt. Am anderen Ende der Blattfeder 16 ist ein länglicher Spiegel 20 vorgesehen. Der Spiegel 20 kann aus einem dünnen lichtreflektierenden Überzug oder Belag am oberen Ende der Blattfeder 16 bestehen. Der Spiegel 20 ist so angeordnet, daß er der Endfläche der Leitung 8 gerade gegenüberliegt und so das auftreffende Licht in allen möglichen
-VPA 81 P 8204 DE . Stellungen der Feder 16 reflektieren kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß die.Blattfeder 16 und der Spiegel 20 einen mechanischen Oszillator bilden, welcher in der durch den Doppelpfeil 22 angedeuteten Richtung, d.h. um das Lager oder die Stütze 18, schwingen kann. Die Schwingungsfrequenz hängt von der •.Länge der Blattfeder 16 ab. Eine Änderung dieser Länge in Abhängigkeit von dem Parameter ρ hat dementsprechend eine Änderung der Frequenz in der Amplitudenmodulation des reflektierten Lichts zur Folge. Das reflektierte Licht geht durch das Zweig- oder Abzweigelement 10 und eine zweite faseroptische Übertragungsleitung 24. Der modulierte Lichtstrahl 26 kommt schließlich an einem Lichtempfänger 28 an, beispielsweise eine Fotodiode
• oder eine Fotozelle: Der Lichtempfänger 28 ist elek- · trisch an eine Frequenzdetektoreinrichtung angeschlossen, die zum Messen der Schwingungsfrequenz des modulierten Lichtstrahls '26 vorgesehen ist. Die lichtemp-
20. findliche Einrichtung 28 ist auf der gleichen Seite angeordnet, wie die lichtemittierende Einrichtung 2. Das Ausgangssignal a der Frequenzdetektoreinrichtung
• zeigt den Wert des physikalischen Parameters ρ an. Die Messung des physikalischen Parameters ρ wird als eine Messung der Frequenz der Schwingungseirtrichtung 16, 20 ausgeführt. Im allgemeinen ist.es leichter und genauer die Frequenz eines Signals zu messen oder .digitale Vierte zu bestimmen,als analoge Parameter zu messen. Erfindungsgemäß kann die Messung des Parameters grundsätzlich auf die Zählung von Impulsen oder auf eine Resonanzmethode reduziert werden, welche nur einen geringen elektronischen Aufwand erfordern. Durch die Anwendung zweier faseroptischer Übertragungsleitungen 8 und 24 werden Signalverschlechterungen weitgehend eliminiert.
VPA 81 P 8204 DE In den Figuren 2 und 3 ist eine andere Ausführungsform einer schwingenden Sensoranordnung dargestellt. Diese Sensoranordnung enthält auch eine eingangsseitige faseroptische Übertragungsleitung 8, einen geeigneten Oszillator 16 und eine ausgangsseitige faseroptische Übertragungsleitung 24. In dieser Ausführungsform besteht der Oszillator 16 aus einem dünnen Stab oder schwingenden Faden 16, der zwischen Haltevorrichtung 32 und 34, beispielsweise Platten oder Brettern, unter einer gewissen Spannung gehalten ist. Der Faden oder die Faser 16 weist entlang seiner Längsachse gleichmäßige Dicke auf. Die Enden des Fadens 16 sind in Bezug auf die Haltevorrichtungen 32 jeweils fixiert. Die untere Haltevorrichtung 34 ist auch in Bezug auf die faseroptische Übertragungsleitung 8 und 24 fixiert, wo hingegen die obere Haltevorrichtung 32 in Richtung der Längsachse des Fadens 16 bewegbar ist. Eine Verschiebung wird unter dem Einfluß des physikalischen Parameters ρ ausgeführt, welcher die Spannung des Fadens 16 bestimmt.
Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, können die sich gegenüberliegenden und einen Spalt zwischen sich definierenden Endflächen der Leitungen 8 und 24 mit Jeweils einer Linse 36 bzw. 38 versehen sein. Die Linse 36 wird zum konzentrieren des Lichtstrahls 6 auf den Faden 16 benutzt und die Linse 38 zum Sammeln und Einkoppeln des Lichts in die Übertragungsleitung . 24. Wenn Übertragungsleitungen 8 und 24 geringen Durchmessers verwendet werden, können die Linsen 36 und weggelassen werden. In den Figuren 2 und 3 sind Zylinderlinsen verwendet. Anstelle dessen können auch eine
• oder mehrere Keilformen verwendet werden. In einer
• Ruhe- oder Nullstellung ist der Faden 16 in den Brennpunkten oder Linien der beiden Linsen 36 und .38 ange- · ordnet.
VPA 81 P 8204 DE Der Durchmesser des Fadens 16 entspricht vorzugsweise, dem Durchmesser der faseroptischen Übertragungsleitun- · gen 8 und 24 oder ist kleiner als dieser. In den Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 und 3 ist der Durchmesser des Fadens 16 viel kleiner als der Durchr . messer der Leitungen 8 und 24. Da der Faden 16 in der Brennlinie der Linse 36 angeordnet ist, sammelt er alles Licht aus der Leitung 8. . '
Während des Betriebes wird die Lichtübertragung von der eingangs seit igen Leitung oder Eingangsleitung 8 .· zur ausgangsseitigen Leitung oder Ausgangsleitung 24 -.-durch den Faden 16 periodisch unterbrochen. Der Faden 16 schwingt in dem Spalt zwischen den beiden Faserleitungen 8 und 24 in der Richtung des Lichtstrahls. Die gestrichelt dargestellten Positionen 40 und 42 zeigen die beiden Schwingungsendpunkte, bei denen wenig oder kein Licht abgelenkt oder absorbiert wird. In der mittleren Stellung oder Nullstellung zwischen den Schwingungsendpunkten 40 und 42 bedeckt der Faden 16 die Brennlinie der Linse 36, wodurch der Lichtdurchgang oder die Lichtübertragung zur Ausgangsleitung 24 vollständig unterbrochen wird. Für die Funktion der Sensoreinrichtung ist es nicht absolut .
notwendig, daß der'Faden 16 in seiner Nullstellung den Brennpunkt oder die Brennlinie vollständig abdeckt.
In der Figur 4 ist eine Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zum Messen eines Gas- oder Flüssigkeitsdruckes dargestellt. Mit dieser Ausführungsform kann anstelle eines Druckes jeder physikalische Parameter ρ gemessen werden, dessen Änderung zu einer mechanischen Änderung der Spannung in dem Faden 16 führt. Der Faden oder die Faser 16 ist in einem Spalt zwischen dem ausgangsseitigen Ende und dem eingangsseitigen Ende der Eingangsleitung 8 bzw. Ausgangsleitung 24 angeordnet.
-M- VPA 81 P 8204 DE
Diese Enden sind durch ein Gehäuse 14 geschützt. Ein Ende des Fadens 16 ist an einer Trägerplatte 44 angebracht, welche die untere Endfläche eines Balgabschnitts 46 abdeckt. Der Balgabschnitt 46 ist mit seinem oberen Ende an dem Gehäuse 14 befestigt. Das Innere des Balgabschnitts ist entweder dem Umgebungsdruck ausgesetzt oder gemäß Figur 4 mit einem Rohr 48 verbunden, dessen Innendruck zu messen ist. An einem Ende des Fadens 16 kann ein mit einem Gewinde ver-
10. sehenes Befestigungselement oder eine Schraube 49 oder eine andere Einstellvorrichtung zum Steuern der Spannung' des Fadens vorgesehen sein.
Die Oszillationsfrequenz des Fadens 16 ist eine Funktion der Position der Träger- oder Endplatte 44 und dadurch bis auf die Trägerplatte 44 ausgeübten Druckes und ändert sich entsprechend. Die mechanischen .Schwingungen des Fadens 16 haben entsprechende Änderungen der übertragenen Lichtintensität zur Folge. Das modulierte Licht wird durch eine zweite faseroptische Leitung 24 zur Lichtabtasteinrichtung 28 geführt. Die Frequenz des übertragenen Lichtes wird von der lichtempfindlichen Einrichtung 28 und der Frequenzmeßeinrichtung 30 ge-." messen. Eine einfache digitale Zähl- oder Resonanzeinrichtung auf der Eingangsseite der Einrichtung 30 zur Frequenzmessung ermöglicht eine digitale Sensorablesung, · die frei von Übertragungsproblemen ist. Das Ausgangssignal a zeigt den Wert des Parameters an.
30' · Die Saite 16 kann, wie in Figur 4 angedeutet, in der Richtung, des Lichtstrahls (siehe Pfeil 22) schwingen. Es ist jedoch auch möglich, daß der Faden 16 senkrecht zur Übertragungsrichtung, d.h. senkrecht zur Zeichenebene der Figur 4 schwingt. In einer derartigen Ausführungsform wird die übertragene Lichtintensität entsprechend der Schwingfrequenz moduliert.
-η-
-4fr- VPA 81 P 8204 DE
In den Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 /bis 4 ist eine Art Erregungseinrichtung zum Auslösen und ■Aufrechterhalten der Schwingungen erforderlich. Diese Schwingungen können aufgrund von Schwingungsdämpfungeη verlorengehen und erfordern deshalb eine Energiequelle.
Die Schwingungen des mechanischen Oszillators 16 in " den Figur 1 bis 4 können beispielsweise von einem Medium verursacht werden, welches aufgrund seiner eigenen Funktion oder Eigenschaft schwingt oder vibriert.
Die Sensoreinrichtung 12 kann beispielsweise an einem Motor eines Kraftfahrzeugs angebracht sein, der während des Betriebes vibriert. Die Erregung der Schwingungen kann auch durch eine Zündeinrichtung oder eine Auslenkeinrichtung erfolgen, welche eine- Hilfsquelle .
für Energie aufweist, die auf der Sensorseite oder der Auswertungsseite der faseroptischen Übertragungsleitung 8 und/oder 24 angeordnet ist. Diese. Auslenkeinrichtung kann beispielsweise aufgrund optischer, mechanischer, elektrostatischer und/oder elektromagnetischer Prinzipien arbeiten. Die Hilfsenergiequelle kann beispielsweise eine Batterie oder eine Fotozelle sein.
In der Figur 5 ist eine elektromechanische AusfUhrungs- · form einer Auslenkeinrichtung oder eines mechanischen Schwingungserregers 50 dargestellt. Diese Vorrichtung umfaßt ein kleines ferromagnetisches Element 52, welches an dem Faden 16 angebracht. Neben dem Element 52 ist eine solenoidartige Spule 54 angeordnet, die durch eine Serie von kurzen Impulsen aus einem elektrischen Oszillator oder Zeitgeber 56 angeregt wird. Die Frequenz der Ausgangsimpulse kann durch .ein Steuersignal c gesteuert werden, welches aus einer Steuereinheit stammt. Jeder Ausgangsimpuls bewirkt, daß das Element 52 von der Spule 54 angezogen wird. Dies hat zurFolge, daß der Faden 16 mit einer Frequenz bewegt wird, die durch
■Al·
-A&» VPA 81 P 8204 DE
die Frequenz, des Zeitgebers 56 bestimmt ist. Die Erregerfrequenz sollte in der Nähe der Schwingfrequenz liegen.
· Das Diagramm· gemäß Figur 6 zeigt, daß die Energie zur Erregung des Fadens 16 optisch auf die Meßseite übertragen werden kann. Nach Figur 6 werden starke Lichtimpulse oder Erregerimpulse 60 wiederholt von der Lichtquelle 2 durch die Eingangsleitung 8 zum Faden 16 übertragen. Diese Lichtimpulse sollten eine ausreichende Energie aufweisen, so daß sie die Oszillation der Sensoreinrichtung 12 durch den Moleküldruck des . aufgewärmten Fadens 16 auslösen. Dieses Prinzip ist schon bei dekorativen Glaseinheiten verwendet worden, die Rotoren enthalten, welche die Rotationsenergie von einem transversalen "Lichtdruck" auf metallischen bzw.. schwarzen Flächen erhalten. Um dieses Prinzip an- ' wenden zu können, sollte eine Seite des Fadens oder der Blattfeder -16 eine scharze Oberfläche aufweisen.
Dekorative Glaseinheiten sind auch als Radiometer bekannt.
Wie aus der Figur 6 hervorgeht, fällt die Amplitude •der ausgelösten Schwingung entsprechend der Dämpfung des Oszillators 16 in seiner Umgebung. Die Frequenz der gedämpften Schwingung ist ein Maß für den Wert des Parameters p. Grundsätzlich reicht eine einzige Auslenkung des Fadens 16 für eine Messung auf. Es ist jedoch vorteilhaft, den Faden wiederholt oder periodisch auszulenken, um einen Mittelwert einer Frequenz zu erhalten. Wenn eine niedrige Auslenkfrequenz verwendet wird, muß die Schwingungsperiode zwischen zwei Erregerimpulsen 60 ausreichend für die Messung der Frequenz sein.
VPA 81 P 820Α DE Es sei auch darauf hingewiesen., daß die Energie, welche optisch zur Meßseite übertragen wird, in elektrische Energie umgewandelt und von einer Speichereinrichtung, beispielsweise einem Kondensator, gespeichert werden kann.
Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsform einer passiven Oszillatoreinrichtung 12, die der in Figur 4 dargestellten Einrichtung ähnlich ist. Diese Ausführung'sform benutzt jedoch Drehschwingungen. Der Oszillator 16 ist hier ein Faden, ein Stab oder ein Querstab, gefertigt aus Metall. Der Querstab 16 ist in seinem Mittelabschnitt mit einem Vorsprung oder vorstehenden Teil 70 versehen. Der Vorsprung 70 besteht aus einer dünnen Platte, die auf einer Seite mit einer schwarzen Substanz bedeckt ist. Der Vorsprung 70 unterbricht den Lichtstrahl mehr oder weniger, wenn dieser sich von der ersten faseroptischen Übertragungsleitung 8 zur zweiten faseroptischen Übertragungsleitung .24 ausbreitet und/ der Querstab 16 um seine Längsachse schwingt. Beide Enden des Querstabes 16 sind,soweit als"die■ Drehschwingungen betroffen sind, fixiert. Ähnlich wie bei den Aus-. führungen zu Figur 6 können die Drehschwingungen des. Querstabes 16 durch Lichtimpulse 60 (Figur.6) aufrechterhalten werden, die durch die Eingangsleitung 8 übertragen und von dem Vorsprung 70 absorbiert werden. Zu diesem Zweck ist eine Seite des Vorsprungs 70 mit einem schwarzen Überzug versehen. Änderungen des physikalischen Parameters ρ erzeugen Spannungsänderungen des Schwingstabes 16, wodurch sich die·Schwingungsfrequenz f ändert. ·
In der Figur 7 ist die Ruhe- oder Nulllage des Querstabes 16 dargestellt. Der Vorsprung 70 blockiert das Licht und verhindert, daß es zur Ausgangsleitung
VPA 81 P 320Α DE sich ausbreitet. Wenn der Stab 16 um seine Längsachse in jeder Richtung um 90° verdreht wird, kann der Lichtstrahl aus der Eingangsleitung 8 sich zur Ausgangslei-. tung 24 ohne Behinderung ausbreiten. Die Messung der Frequenz f kann, wie oben angedeutet, ausgeführt werden.
In den Figuren 8 bis 10 ist ein Sensorsystem dargestellt, das eine elektronische Rückkopplungsschaltung aufweist. Durch diese Rückkopllungsschaltung können wiederholt ausgestrahlte und Energie transportierende Lichtimpulse so getaktet werden, daß sie in der rich-. tigen Phase zu den Schwingungen festgelegt sind, auch wenn die Frequenz der Sensoreinrichtung sich ändert. · . Dies hat zur Folge, daß die Schwingungen aufrechterhalten werden.
Nach Figur 8 weist ein spannungsgesteuerter Oszillator 80 einen Phasendetektor 82 und einen Impulsgenerator 84 auf. Der Phasendetektor 82 und der Impulsgenerator 84 sind Teile einer Schaltung zur Erzeugung einer starren oder festen Phase (phase locked loop). Dem ' Phasendetektor 82 werden die Ausgangssignale m des Lichtempfangselements 28 zugeführt. Der Phasendetektor 82 weist einen Impulsspitzendetektor und einen NuIl-Spannungsdetektor (beide nicht dargestellt) auf. Die Ausgabe des Phasendetektors 82 wird dem Eingang zur Frequenzsteuerung des Impuls generators 84 zugeführt.· Dieser Impulsgenerator 84 erzeugt ein Ausgangssignal g zur Anregung des Lichtemitters 2. Die Frequenz des ■ Ausgangssignals g wird in einer Frequenzmeßeinrichtung 30 gemessen. Das Ausgangssignal g wird auch dem Phasendetektor 82 zur Bestimmung der Phasenbeziehung der . Impulse zugeführt.
■ΖΛ-
' VPA 81 P 8204 DE In der. Figur 9 ist das Ausgangssignal g des Impulsgenerators 84 dargestellt. Dieses Ausgangssignal g hat eine entsprechende Amplitude des einzugebenden Lichts zur Folge. Das Signal g enthält einen gewissen.
Gleichspannungsgrundpegel gO, dem mehrere schmale AusSchlagsimpulse g1, g2, ...g10 überlagert sind. Für die folgende Betrachtung ist angenommen, daß der Durchmesser des Fadens 16 etwas größer als der Fokus des Lichts in der Nullposition gemäß Figur 8 ist.
, ·
Wie in der Figur 10 dargestellt, wird das Ausgangs- · ' signal m des Lichtempfängers 28 aus mehreren Halbwellen gebildet, die durch kurze Pausen oder Lücken getrennt sind. Benachbarte Halbwellen repräsentieren eine Auslenkung des Fadens 16 in Richtung der rechten Seite und dann zur linken Seite in Figur 8. Immer wenn einer der ersten vier Äusschlagsimpulse gi - g4 stattfindet., wird die Trennlinie vollständig von dem Faden 16 bedeckt und folglich ist das Ausgangssignal m des'Licht-' · empfängers 28 gleich null. Dies ist durch die kurzen Paus en zwischen den Halbwellen in Figur 10 repräsentiert.
Es wird nun angenommen, daß, nachdem der Ausschlagim-. puls g4 ausgegeben worden ist, der Parameter.ρ sich so geändert hat, daß der Faden 1.6 eine höhere Schwingungsfrequenz angenommen hat. Deshalb ist die nächste. Halbwelle in der Figur 10 kürzer als die vorangegangenen Halbwellen und die Nullposition des Fadens 16 wird im Hinblick auf den nächsten AusSchlagsimpuls g5 um einen Zeitabstand d nach links verschoben. Mit anderen Worten, der nächste Ausschlagsimpuls g.5 kommt in Bezug auf die 'Nullposition um die Zeitdifferenz d später. Beim Erscheinen des Ausschlagsimpulses g5 ist der Faden 16 nicht langer in der Nullposition und bewegt sich in ' Richtung des anderen Schwingungsendpunktes. Deshalb wird aufgrund des Ausschlagsimpulses g.5 ein Lichtimpuls
-tv
-VT* VPA 81 P 8204 DE
vom Empfangs'element 28 empfangen, wie es in der Figur 10 zu sehen ist. Die Zeitdifferenz d wird durch den Phasendetektor 82 gemessen und die Frequenz des Impulsgenerators 84 wird durch das Ausgangssignal des Phasendetektors 82 entsprechend einjustiert. Deshalb erfolgt der nächste AusSchlagsimpuls g6 bei der nächsten Nullposition des Fadens 16, der jetzt mit einer höheren Oszillationsfrequenz schwingt. Da die nächsten drei Ausschalgsimpulse g6, g7, g8 auf die Nullpositionen abgestimmt sind, ist die Frequenz des Impulsgenerators ■ 84 einjustiert. Der neue Wert kann durch die Frequenzmeßeinrichtung 30 bestimmt werden.
Es sei weiter angenommen, daß nach dem .Ausschlagsimpuls g'8 der physikalische Parameter ρ sich wieder geändert hat. Zu diesem Zeitpunkt sei die Änderung so, daß die Schwingungsfrequenz kleiner geworden ist. Deshalb sind
• ' die folgenden Halbwellen in Figur 10 langer geworden.
Aus den Figuren 9 und 10 ist zu entnehmen, daß der ■ nächste Ausschlagsimpuls g9 in Bezug auf die nächste
Nullposition des Fadens 16 zu früh kommt. Die Zeit- ·. differenz, die mit - d bezeichnet ist, wird durch den
• Phasendetektor 82 gemessen, und der Impulsgenerator 84 wird daraufhin'korrigiert, soweit es seine Frequenz betrifft. Eine Folge davon ist, daß der nächste Ausschlagsimpuls g10 wieder bei der Nullposition des • Fadens 16 .erscheint. D.h., der Impulsgenerator 84 ist wieder auf die Oszillationsfrequenz des Fadens 16 abgestimmt. Der Wert der neuen Frequenz wird gemessen und von der Frequenzmeßeinrichtung 30 angezeigt.'
Gemäß der Ausführungsform nach Figur 11 sendet eine Lichtquelle 2, vorzugsweise ein Laser, einen Lichtstrahl zum Ende einer faseroptischen Übertragungsleitung 8, über das er eingekoppelt wird. Ein Abzweigele-
-te« VPA 81 P 8204 DE
ment 10, beispielsweise ein T-Koppler dividiert den Lichtstrahl in einen Meßstrahl 6 und einen Bezugsstrahl 6r. Der Meßstrahl 6 durchstrahlt eine Sensdr'-einrichtung 12, die einem zu messenden Parameter ρ ausgesetzt ist. Die Intensität des ausgegebenen Lichtstrahls wird durch einen Oszillator 16 entsprechend dem Parameter ρ moduliert. Der Bezugsstrahl 6r durch-■ strahlt eine Bezugssensoreinrichtung 12r, deren Oszil- ■ lator I6r eine konstante Modulationsfrequenz aufweist.
· Deshalb wird die Intensität des ausgegebenen Lichtstrahls mit einer konstanten Frequenz periodisch geändert.
Beide ausgegebenen Lichtstrahlen werden auf faseroptis.chen Wegen 24 und 24r lichtempfindlichen Elementen 28 bzw. 28r zugeführt. Die elektrischen Ausgangssignale dieser Elemente 28 und 28r werden Frequenzdetektoren 30 bzw, 3Or zur Bestimmung der Frequenzen f und f zugeführt. Die Ausgangssignale der Detektoren 30 und ;)0r werden einem Element zugeführt, das die Differenz zwischen diesen Signalen bildet. Die Differenz ist eine Anzeige des Wertes des physikalischen Parameters p. Das dargestellte Sensorsystem liefert ein Frequenz-, normal für Vergleichszwecke.
. ·
In der Figur 12 ist noch eine andere Sensoreinrichtung dargestellt. Der Lichtstrahl aus einer Lichtquelle 2 wird durch ein faseroptisches Kabel 8, eine Linse •und einen Strahlteiler 122 einer Kristallsensoreinrichtung 12 zugeführt. Die Kristallsensoreinrichtung 12 weist eine Kristallplatte 124 auf, die auf beiden Seiten mit Elektroden bedeckt ist·. Zur Lichtmodulation kann der piezoelektrische Effekt oder ein anderer Effekt benutzt werden. Lichtenergieimpulse auf der Eingangsseite können durch Wärmeumwandiung und folglich durch Ausdehnung beim Auftreffen in der Sensor-
-ZH-
-JI& VPA 81 P 8204 DE
einrichtung Schwingungen auslösen. Die Kristallplatte 124 wird einem physikalischen Parameter ρ ausgesetzt, der beispielsweise die Temperatur sein kann. In dieser Ausführungsform wird an die Elektroden der Kristallplatte eine Spannung U angelegt. Unter dem Einfluß der Spannung U führt die Kristallplatte 124 Vlbrationen oder mechanische Schwingungen aus.
Auf manchen technischen Gebieten werden Quarzkristalle verwendet, die gewöhnlich weitgehend unabhängig von ■ Temperaturschwankungen und atmosphärischen Einflüssen sind. Diese Quarzkristalle sind in erster Linie wichtig für Steuer- und.Filterschaltungen, bei deren Anwendungen . elektromagnetische Resonanzkomponenten hoher Leistung erforderlich sind, die eine hohe Frequenzkonstanz aufweisen. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch eine Kristallplatte. 124 verwendet, deren mechanische Dimensionen oder Abmessungen mit der Umgebungstemperatur sich ändern. Folglich ändert sich die Resonanz-. frequenz der Kristallplatte 124 entsprechend der Temperatur.
In der Figur 12 ist eine gekrümmte oder gewölbte Kristallplatte 124 dargestellt, d.h. die Platte führt Biegeschwi'ngungen aus. Anstelle einer 'Kristallplatte 1P/i könnte auch eine Platte verwendet werden, welche longitudinale Schwingungen ausführt. Entsprechend der Schwingungsfrequenz wird der auftreffende Lichtstrahl mehr oder weniger reflektiert. Er durchstrahlt den Strahlteiler 122 und kommt bei einem Fotodetektor · '28 an, der zur Messung des modulierten Lichts vorgesehen ist. Das elektrische Ausgangssignal des Lichtdetektors 28 wird einem Filter 126 zugeführt, das zum Abschneiden aller Gleichstromkomponenten vorgesehen ist. Die Wechselstromkomponente des Ausgangssignals wird danach einer Frequenzmeßeinrichtung 30
ns
VPA 81 P 8204 DE zugeführt, dessen Ausgangssignal a den zu messenden Parameter ρ anzeigt.
Der Figur 13 ist zu entnehmen, daß die Kristallsensoreinrichtung 12 mit der Spannung U aus einem Verstärker versorgt wird, der seinerseits von einer Hilfsenergiequelle 132 versorgt wird. Die Energiequelle 132 ist auf der Meßseite des Sensorsystems angeordnet. Sie kann aus einer Batterie oder aus einer Fotozelle be- · stehen, die von einer natürlichen Quelle(Sonne) oder durch eine künstliche Lichtquelle beleuchtet wird. Sie kann auch aus einer anderen Spannung' und/oder Strom erzeugenden Vorrichtung bestehen, beispielsweise aus radioaktiver Quelle plus Elektrizi.täts wandler, · einer thermischen Ionenvorrichtung oder einem Thermo-. · paar. Thermische Energie kann aus der Umgebung des Sensors erhalten· werden. Die erwähnte Energiequelle', kann auch in Verbindung mit anderen Oszillatoren · als die Kristallplatte 124 verwendet werden. · . · In der Figur 14 ist eine faseroptische Sensoreinrichtung zur Messung eines physikalischen Parameters ρ dargestellt, in welcher die erforderliche elektrische Energie auf der Meßseite entlang ihrer faseroptischen Übertragungsleitung 8 übertragen wird. Auf der Seite der Lichtquelle 2 ist eine elektrische Quelle 140, beispielsweise eine Batterie, vorgesehen, bei der ein Anschluß geerdet ist. Der andere Anschluß ist mit einem Leiter 142 verbunden, welcher von der Seite ' der Lichtausstrahlung zur Meßseite führt. Der Leiter 142 ist Teil der faseroptischen Übertragungsleitung Insbesondere ist der Leiter 142 eine elektrische Leitung (Draht, Überzug), die an der faseroptischen Übertragungsleitung 8 angebracht oder mit ihr verbunden ist. Querschnitte durch Ausführungsformen der Leitung 8 sind in den Figuren 15 und 16 dargestellt Auf der Meßseite ist der Leiter 142 mit der den Oszillator oder
VPA 81 P 8204 DE
Zeitgeber 56 enthaltenden Auslenkeinrichtung 50,zu deren Erregung verbunden. Der Leiter 142 ist auch mit der Freqüenzmeßeinrichtung 30 zu deren Erregung verbunden. ·
In den Figuren 15 und 16 sind Querschnitte durch zwei Ausführungsformen einer faseroptischen Übertragungsleitung 8 dargestellt, die wenigstens eine Versorgungsqlektrode umfaßt.
.' ■ .
In der Figur 15 ist die zentrale Faser mit 150 bezeichnet und der umgebende Glasmantel mit 152. Das faseroptische Kabel 150, 152 ist wiederum von einem . j ■Kunststoffüberzug 154 umgeben. In den Kunststoffüber-
zug 154 sind zwei dünne metallische Leiter 156 und ·?
158 eingebettet, die zur Erregung oder Versorgung '
elektrischer Komponenten auf der Meßseite der Sensoreinrichtung dienen. Nach der Darstellung können diese ■ Leiter 156, 158 längliche und gewölbte Metallplatten · · ']■
sein. · · ■
Bei der Übertragungsleitung 8 nach Figur 16 ist ebenfalls ein Kunststoffüberzug 154 vorgesehen. Dieser Überzug 154 ist wiederum von einem metallischen Leiter · . . 160 umgeben. Der Leiter 160 kann ein dünner Überzug. Γ
sein. In den Kuriststoff 154 ist eine Elektrode 162 *
eingebettet. Der Querschnitt der Elektrode 162 zeigt an, daß sie aus einem dünnen Draht bestehen kann. ;
Einige der in den vorstehenden Figuren dargestellten . Sensoreinrichtungen verwenden.einen Balgabschnitt 56 zur Messung der Temperatur des Druckes. Ein derartiger · Balg kann durch andere Vorrichtungen ersetzt werden, deren Länge sich als Funktion der Temperatur ändert, beispiaLsweise' durch Bimetalle, .Positionssensoren, Beschleunigungssensoren oder auch jede andere geeignete
VPA 81 P 8204 DE Anordnung zur Messung der in Betracht kommenden Parameter.
18 Patentansprüche
16 Figuren

Claims (16)

  1. · VPA 81 P 8204 DE Patentansprüche
    Verfahren zur Messung eines physikalischen Parameters (ρ) an einer ersten Stelle (bei 16), die von einer zweiten Stelle (bei 28) entfernt ist, g e kennzeichnet.durch folgende Schritte:
    a) Es wird ein Lichtstrahl (6) erzeugt;
    b) die Amplitude des Lichtstrahls (6) wird an der ersten L Stelle (bei 16) moduliert, wobei die Modulation mit einer Frequenz erfolgt, die von dem zu messenden . ■ physikalischen Parameter (p) abhängt;
    c) der modulierte Lichtstrahl (26) wird von .der ersten-· Stelle (bei 16) zur zweiten Stelle (bei 28) übertragen; und
    d) die Frequenz des modulierten Lichtstrahls wird an ■ · der zweiten Stelle (bei 28) gemessen, wobei diese Frequenz den Wert des physikalischen Parameters (p) anzeigt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein fadenförmiges ■ . Gebilde (16) mit fixierten Enden von dem Lichtstrahl' (6) bestrahlt wird, daß die Spannung des fadenförmigen Gebildes (16) von dem physikalischen Parameter (p) abhängt, und daß die Amplitude des Lichtstrahls (6) durch Oszillationen des fadenförmigen Gebildes moduliert · wird. .
  3. 3. Sensoranordnung zur Messung eines physikalischen Parameters (p) an einer ersten Stelle (bei 16 oder 124), die von einer zweiten Stelle (bei 28) entfernt ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
    af) eine Einrichtung (2) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (6); · .
    b1) eine an der ersten Stelle (bei 16 oder 124) angeordnete Lichtmodulationseinrichtung·(12), die eine
    »24— VPÄ 81 P 8204 DE
    durch den zu messenden physikalischen Parameter (p) bestimmte Modulationsfrequenz aufweist und welche die Amplitude des Lichtstrahls (6) moduliert; und
    c1) eine an der zweiten Stelle (bei 28) angeordnete Frequenzmeßeinrichtung (30) zur Messung der Frequenz des modulierten Lichtstrahls (26), die den Wert des physikalischen Parameters (p) anzeigt. .
  4. 4. Sensoranordnung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß weiter d1) eine erste faseroptische Übertragungsleitung (8) zur Übertragung des Lichtstrahls (6) von der Lichterzeugungseinrichtung (2) zur Lichtmodulationseinrichtung (12) und
    e1) eine zweite faseroptische Übertragungsleitung (24) zur Übertragung des modulierten Lichtstrahls (26) von der Li.chtmodulationseinrichtung (12) zu der Frequenzmeßeinrichtung (30)
    vorgesehen ist.
  5. 5. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet ,' daß die Lichtmodulationseinrichtung' (12) aus einem mechanischen Oszillator besteht, der eine mechanische Oszillatorfrequenz aufweist, · daß der Oszillator den Lichtstrahl (6) entsprechend seiner· Oszillätorfrequenz reflektiert oder durchläßt, und daß die Frequenzmeßeinrichtung (30) einen elektrischen Lichtdetektor (28) zum Empfang des reflektierten
    7>0 oder transmittierten Lichtstrahls und zur Erzeugungeines dazu entsprechenden elektrischen Ausgangssignals aufweist. '
  6. 6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische
    . Oszillator (12) einen schwingenden Faden (16) mit fixierten Enden aufweist, daß die Spannung des Fadens
    VPA 81 Ρ8204 DE (16) von dem physikalischen Parameter (ρ) abhängt, ■ daß der Lichtstrahl (6) so auf den Faden (16) gerichtet ist, daß die Amplitude des Lichtstrahls (6) · durch Schwingungen des Fadens (16) moduliert wird und daß der modulierte Lichtstrahl (26) dem elektrischen Lichtdetektor (28) zugeführt.ist.
  7. 7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e kennzeichnet , daß ein Gehäuse (14) vorgesehen ist, und.daß ein Ende des Fadens (16) fixiert ist, während das andere Ende des Fadens (16) in Bezug auf das Gehäuse (14) bewegbar ist.
  8. 8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, . d ad u r c H
    gekennzeichnet, daß das bewegbare Ende an einem Balg (46) angebracht ist. . ·
  9. 9. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder nach Anspruch und einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der ersten und ein Ende der zweiten optischen Übertraßungsleitunp; (8 bzw. 24) neben der Lichtmodulationseinrichtung (12) angeordnet ist, und daß diese Enden mit Linsen versehen· sind.
  10. 10. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder nach Anspruch und einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge-, kennzeic h.n et , daß der Oszillator (16) in Richtung des Lichtstrahls schwingt.
  11. 11. Sensoranordnung nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden oder das fadenförmige Gebilde (16) Drehschwingungen um seine Längsachse ausführt. "
    L U 0 0 k I ·■·
    •f·
    ^&β*. VPA 81 P 8204 DE
  12. 12. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (50) vorgesehen ist, welche den Oszillator. (12) zur · Erzeugung von Schwingungen auslenkt, anregt oder anstößt. .
  13. 13. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungseinrichtung (50) durch den Lichtstrahl (6) angeregt wird.
  14. 14. Sensoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (2) zur Erzeugung des Lichtstrahls (6) so ausgebildet ist, daß sie einen '■ Licht impuls hoher Energie aussendet, und daß der Oszillator (12) so ausgebildet ist, daß er . aufgrund eines Moleküldruckes schwingt, wenn der Lichtimpuls den Oszillator trifft.
  15. 15. S ens or anordnung. nach Anspruch 12, dadur. ch gekennzeichnet , daß die Anregungseinrichtung (50) eine elektromagnetische Einrichtung zur Erzeugung eines Erregerimpulses für den Oszillator umfaßt.
    •
  16. 16. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder nach Anspruch
    • 5 und einem der Ansprüche 6 bis 15» dadurch gekennzeichnet , .daß wenigstens eine der faseroptischen Übertragungsleitungen (8, 24) zum Leiten elektrischer Energie zum Oszillator mit einem Metallüberzug versehen ist.
    •17. Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder nach Anspruch und einem der- Ansprüche 6 bis 16, dadurch' g e kennzeichnet, daß der Oszillator (12) eine schwingende Platte (124) aufweist.
    VPA 81 P 8204 de
    18. Sensoranordnung nach Anspruch 17·» dadurch gekennzeichnet , daß die Anregungseinrichtung einen phasenstabilisierten Generator zur
    Erzeugung von Auslenk- oder Erregerimpulsen aufweist.
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