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v v r I v n Q
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Optische Druckmeßvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine optische
Druckmeßvorrichtung, bestehend aus einem Polarisator, der von einer Lichtquelle
abgestrahltes Licht linear polarisiert, aus einer Verzögerungsplatte, die das linear
polarisierte Licht elliptisch polarisiert, aus einem lichtdurchlässigen Körper,
der den Polarisationszustand des elliptisch polarisierten Lichtes in Abhängigkeit
eines auf den Körper einwirkenden Druckes ändert, aus mindestens einem Analysator,
der aus dem vom Körper abgestrahlten Licht mit druckabhängigem Polarisationszustand
linear polarisiertes Licht ausfiltert, und aus mindestens einem Lichtdetektor, der
die Stärke des vom Analysator ausgefilterten Lichtes mißt.
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Aus der DE-OS 31 38 061 ist eine optische Druckmeßvorrichtung mit
einem blockförmigen Sensor aus lichtdurchlässigem Material bekannt, auf den ein
zu messender Druck einwirkt. Dadurch treten im Sensor innere Spannungen auf, wodurch
das den Sensor durchstrahlende, zirkular polarisierte Licht elliptisch polarisiert
wird. Ein Glan-Thompson-Prisma filtert aus dem elliptisch polarisierten Licht zwei
in zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen linear polarisierte Lichtanteile
aus. Die Stärke dieser Lichtanteile ändert sich mit dem auf den Sensor einwirkenden
Druck und wird von je einem Fotodetektor gemessen.
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Aus der Stärke der beiden Lichtanteile läßt sich der auf den Sensor
einwirkende Druck bestimmen.
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Damit in dem blockförmigen Sensor genügend große innere Spannungen
auftreten, um den Polarisationszustand des Lichtes meßbar zu ändern, muß ein relativ
großer Druck auf den Sensor einwirken. Die bekannte optische Druckmeßvorrichtung
ist somit unempfindlich gegenüber kleinen Drücken.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Empfindlichkeit von
optischen Druckmeßvorrichtungen so zu erhöhen, daß damit auch kleine Drücke meßbar
sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper
plattenförmig ausgebildet und am Rand derart gehaltert ist, daß er bei Einwirkung
eines Druckes auf eine der Körperhauptseiten membranartig auslenkt, und daß das
Licht von einem optischen System derart umgelenkt wird, daß es den Körper parallel
zu und lediglich nahe den beiden Körperhauptseiten durchstrahlt.
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Durch Veränderung der Dicke des plattenförmigen Körpers läßt sich
auf einfache Weise die Empfindlichkeit der Druckmeßvorrichtung einstellen. Da bei
einer druckbedingten membranartigen Auslenkung des lichtdurchlässigen, plattenförmigen
Körpers auf derjenigen Körperhauptseite, auf die der zu erfassende Druck einwirkt,
Druckspannungen und auf der gegenüberliegenden Körperhauptseite Zugspannungen auftreten,
und da Druck- und Zugspannungen den Polarisationszustand des durch diesen Körper
strahlenden polarisierten Lichtes gegensinnig verändern, lassen sich durch geeignete
Analyse der Polarisationszustände der beiden nahe den Körperhauptseiten den Körper
durchstrahlenden Lichtanteile nicht nur Größe und Richtung des auf den Körper einwirkenden
Druckes, sondern auch die Differenz zwischen zwei auf die beiden Körperhauptseiten
einwirkenden Drücke bestimmen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch,
daß das optische System zwischen der Lichtquelle und dem Körper angeordnet ist und
das Licht in zwei Strahlen aufteilt, die den Körper nahe den beiden Körperhauptseiten
durchlaufen und jeweils über mindestens einen Analysator von mindestens einem Lichtdetektor
zur Ermittlung des auf den Körper einwirkenden Druckes erfaßt werden. Das als Strahlteiler
ausgebildete optische System lenkt das Licht auf einfache Weise derart um, daß es
den Körper mit Sicherheit nur nahe den beiden Körperhauptseiten durchstrahlt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das optische System als Umlenkprisma auf der der Lichtquelle abgewandten Seite
des Körpers angeordnet ist und das von der Lichtquelle nahe einer der Körperhauptseiten
durch den Körper gestrahlte Licht über einen 900-Rotator leitet und derart in den
Körper zurückprojiziert, daß es durch den Körper nahe der anderen Körperhauptseite
zurückstrahlt. Durch die Verwendung eines Umlenkprismas lassen sich die Lichtquelle
und der Lichtdetektor auf derselben Seite des Körpers anordnen, so daß die Druckmeßvorrichtung
eine kompakte Form mit geringen äußeren Abmessungen annimmt.
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Vorteilhaft ist es, wenn auf der der Lichtquelle zugewandten Seite
des Körpers ein Spiegel angeordnet ist, der das durch den Körper zurückstrahlende
Licht derart in den Körper zurückreflektiert, daß es den bereits durchlaufenen Weg
durch den Körper und das optische System in entgegengesetzter Richtung erneut durchläuft,
und wenn das aus dem Körper austretende Licht von einem optischen Zirkulator auf
mindestens einen Lichtdetektor gelenkt wird, da hierbei der Lichtstrahl den gesamten
Körper viermal durchläuft und somit bei der Einwirkung eines Druckes auf
eine
Körperhauptseite der Polarisationszustand des Lichtes viermal gleichsinnig verändert
wird. Eine solche Druckmeßvorrichtung reagiert deshalb sehr empfindlich auf kleine
Drücke.
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Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine optische Druckmeßvorrichtung,
bei der das optische System zwischen dem Körper und der Lichtquelle angeordnet ist,
Fig. 2 eine zur Durchflußmessung verwendete optische Druckmeßvorrichtung mit einem
Umlenkspiegel auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des lichtdurchlässigen Körpers,
Fig. 3 eine weitere Ausgestaltunq einer optischen Druckmeßvorrichtunq zur Messung
eines mechanischen Druckes mit einem Spiegel auf der der Lichtquelle zugewandten
Seite des Körpers.
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In Fig. 1 koppelt eine beispielsweise als Laserdiode ausqebildete
Lichtquelle 1 über eine Fokussierlinse 2 monochromatisches Licht in den Lichtleiter
3 ein. Dieses Licht wird von einer Kollimatorlinse 4 zu parallelem Licht umgewandelt
und auf das als Strahlteiler ausgebildete optische System 5 und 6 projiziert, das
z.B. aus einem halbdurchlässigen Spiegel 5 und einem undurchlässigen Spiegel 6 besteht.
Ein Teil des Lichtes strahlt über den halbdurchlässigen Spiegel 5 durch den Polarisator
7, und der andere Teil des Lichtes wird von dem Spiegel 5 auf den Spiegel 6 gelenkt,
der das Licht dann ebenfalls durch den Polarisator 7 projiziert. Der Polarisator
7 polarisiert diese
beiden Lichtanteile linear. Das linear polarisierte
Licht wird mittels einer Verzöqerungsplatte 8 elliptisch polarisiert.
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Die Verzöqerungsplatte 8 kann beispielsweise als eine parallel zur
optischen Achse geschnittene, doppelbrechende Kristallplatte ausgebildet sein, deren
Dicke so bemessen ist, daß der ordentliche und der außerordentliche Strahl einen
Gangunterschied von 1/4 Wellenlänge X erhalten (/4-Platte). Diese Platte ist so
ausgerichtet, daß die Polarisationsebene des ordentlichen Strahles im Kristall mit
der Polarisationsrichtung des Polarisators 7 einen Winkel von 450 einschließt. Diese
Verzögerungsplatte 8 erzeugt aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes
Licht.
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Die beiden zirkular polarisierten Lichtanteile durchstrahlen den plattenförmigen,
lichtdurchlässigen Körper 9 parallel zu und nahe den beiden Körperhauptseiten 10
und 11. Der Körper 9 besteht aus nicht-fließfähigem, lichtdurchlässigem Material,
wie z. B. Quarzglas oder Glaskeramik (Zerodur). Die Abmessungen des Körpers 9 sind
abhängig von der geforderten Empfindlichkeit der Differenzdruckmeßvorrichtung. Der
Körper kann beispielsweise 6 cm lang, 6 cm breit und 1 cm dick. Der Körper kann
auch als runde Scheibe mit einem Durchmesser von beispielsweise 6 cm und einer Dicke
von 1 cm ausgebildet sein. Wird eine größere Empfindlichkeit gefordert, kann der
Körper auch eine geringere Dicke aufweisen.
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Der Körper halbiert den von einer Druckmeßdose 12 gebildeten Raum,
dessen beide Raumhälften je eine Einlaßöffnung 13 und 14 aufweisen, durch die ein
unter Druck stehendes gasförmiges oder flüssiqes Medium in die Druckmeßdose 12 einfließt
und den Körper 9 in einer senkrecht zu den Kör-Perhauptseiten 10 und 11 liegenden
Richtung membranartig auslenkt.
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Durch einen halbdurchlässigen Spiegel 15 wird ein Teil der beiden
vom Körper 9 abgestrahlten Lichtanteile über einen Analysator 16 und je eine Fokussierlinse
17 und 18 in die Lichtleiter 19 und 20 eingekoppelt. Der andere Teil der beiden
Lichtanteile wird von dem halbdurchlässiqen Spiegel 15 reflektiert und über den
Analysator 21 und die beiden Fokussierlinsen 22 und 23 in die Lichtleiter 24 und
25 eingekoppelt.
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Die Analysatoren 16 und 21 sind Polarisatoren, deren Polarisationsrichtungen
senkrecht aufeinander stehen und die aus dem vom Körper 9 abgestrahlten Licht linear
polarisiertes Licht ausfiltern.
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Dieses Licht wird über die Lichtleiter 19, 20, 24 und 25 auf die z.B.
als Fotodioden ausqebildeten Lichtdetektoren 26 bis 29 projiziert. Detektorschaltungen
30 bis 33 erzeugen aus dem von den Fotodioden gelieferten Fotostrom Signale mit
den der Stärke der über die Lichtleiter 19, 20, 24 und 25 übertraqenen Lichtströme
entsprechenden Werten L19, L20, L24 und L25.
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In einer beispielsweise als Mikroprozessor ausqebildeten Auswerteschaltung
34 werden diese Signale nach der Auswerteformel P =arcsin ((L19 - L25)/(L19 + L25))
-arcsin((L20 -L24)/(L20 + L24)) miteinander verknüpft, so daß am Anschluß 35 eine
Spannung mit einem dem auf dem Körper 9 einwirkenden Druck P entsprechenden Wert
anliegt.
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Die aus dem Polarisator 7, der Verzögerunqsplatte 8, der Druckmeßdose
12, den Analysatoren 16 und 21, den Spiegeln 15, 5 und 6 und den Linsen 4, 17, 18,
22 und 23 bestehende Anordnunq kann beispielsweise auf einer optischen Bank
angeordnet
sein.
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Drückt eine Flüssigkeit durch die Einlaßöffnung 13 auf die Körperhauptseite
10 des Körpers 9, lenkt dieser in Richtung der Einlaßöffnung 14 membranartig aus.
Dadurch treten im Körper 9 nahe der Körperhauptseite 10 Druckspannungen und nahe
der Körperhauptseite 11 Zugspannungen auf. Der Polarisationszustand des nahe der
Körperhauptseite 10 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes wird somit gegensinnig
zu dem Polarisationszustand des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper 9 durchstrahlenden
Lichtes verändert. Die beiden zirkular polarisierten Lichtanteile werden durch die
Spannungen im Körper 9 elliptisch derart umpolarisiert, daß die großen Achsen der
Polarisationsellipsen der beiden elliptisch polarisierten Lichtanteile senkrecht
aufeinander stehen und einen Winkel von 450 mit den Körperhauptseiten 10 und 11
bilden.
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Durch den Analysator 16 wird aus den beiden Lichtanteilen jeweils
Licht mit einer Stärke ausgefiltert, die der Größe der in einer Richtung liegenden
Achse durch die entsprechenden Polarisationsellipsen entspricht, während durch den
Analysator 21 aus den beiden Lichtanteilen jeweils Licht mit einer Stärke ausgefiltert
wird, die der Größe einer zur Polarisationsrichtung des Analysators 16 senkrecht
liegenden Achse durch die beiden Polarisationsellipsen entspricht.
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Beispielsweise liegt die Polarisationsrichtung des Analysators 16
parallel zur großen Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite
10 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes, und die Polarisationsrichtung des Analysators
21 liegt parallel zur großen Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite
11 den Körper 9 durchstrahlenden Lichtes. Somit nimmt die Stärke
des
in die Lichtleiter 19 und 24 eingekoppelten
und die Stärke des in die Lichtleiter 20 und 25 eingekoppelten Lichtes nimmt ab.
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In den Detektor schaltungen 30 bis 33 werden Signale mit den diesen
Lichtstärken entsprechenden Werten L19, L20, L24 und L25 gebildet. Der Wert der
in der Auswerteschaltunq 34 gebildeten, dem auf den Körper 9 einwirkenden Druck
entsprechenden und am Anschluß 35 anliegenden Spannung hat ein positives Vorzeichen,
wenn der Druck auf die Körperhauptseite 10 einwirkt und der Körper in Richtung der
Einlaßöffnung 14 auslenkt. Dies ergibt sich aus der Auswerteformel für den Druck
P.
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Wird ein unter Druck stehendes gasförmiges oder flüssiges Medium durch
die Einlaßöffnung 14 in die Druckmeßdose 12 eingeleitet, lenkt der Körper 9 in Richtung
der Einlaßöffnung 13 membranartig aus. Nahe der Körperhauptseite 11 treten Druckspannungen
und nahe der Körperhauptseite 10 treten Zugspannung auf, so daß die große Achse
der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 10 bzw. 11 den Körper 9 durchstrahlenden
Lichtes senkrecht auf der Polarisationsrichtung des Analysators 16 bzw. 21 steht.
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Somit nimmt bei steigendem Druck die Stärke des in die Lichtleiter
19 und 24 eingekoppelten Lichtes ab und die Stärke des in die Lichtleiter 20 und
25 eingekoppelten Lichtes nimmt zu. Die Werte L19 und L24 der entsprechenden Signale
nehmen ab, und die Werte L20 und L25 der entsprechenden Signale nehmen zu, so daß
der mit der Auswerteformel ermittelte Druckmeßwert P ein negatives Vorzeichen annimmt.
Somit ist die Richtung des auf den Körper 9 einwirkenden Druckes über das Vorzeichen
des ermittelten Differenzdruckmeßwertes P bestimmbar.
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Die in Fig. 2 dargestellte Druckmeßvorrichtung läßt sich zur Durchflußmessung
verwenden. Die Druckdifferenz der Flüssigkeit beiderseits der Blende 37 des Leitungsrohres
38 ist ein Maß für den Durchfluß der Flüssigkeit durch das Leitungsrohr 38. Strömt
die Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 36 durch die Blende 37, weist die über die
Auslaßöffnung 39 des Leitungsrohres 38 und die Leitungsverbindung 40 durch die Einlaßöffnung
41 in die Druckmeßdose 42 einströmende Flüssigkeit einen höheren Druck auf als die
über die Auslaßöffnung 43 und die Leitungsverbindung 44 durch die Einlaßöffnung
45 in die Druckmeßdose 42 einströmende Flüssigkeit, so daß der Körper 9 in Richtung
des Pfeiles 46 membranartig auslenkt. Dadurch treten nahe der Körperhauptseite 10
Druckspannungen und nahe der Körperhauptseite 11 Zugspannungen auf.
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Das von der Lichtquelle 1 über die Fokussierlinse 2 in den Lichtleiter
3 eingekoppelte Licht wird von der Kollimatorlinse 4 zu parallelem Licht umgewandelt,
das vom Polarisator 7 linear und von der Verzöqerungsplatte 8 zirkular polarisiert
wird. Dieses Licht strahlt entlang der Körperhauptseite 10 und wird bei einer Auslenkung
des Körpers 9 elliptisch polarisiert. Die große Achse der Polarisationsellipse bildet
mit der Körperhauptseite 10 einen Winkel von 450.
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Auf der der Lichtquelle 1 abgewandten Seite des Körpers 9 befindet
sich ein Umlenkprisma 47, das aus einem ersten total reflektierenden Prisma 48 besteht,
das das Licht durch einen optischen 900-Rotator 49 auf ein zweites total reflektierendes
Prisma 50 projeziert. Der optische 90°-Rotator 49 kann beispielsweise als h /2-Verzöqerungsplatte
ausgebildet sein, die bewirkt, daß sich der Gangunterschied zwischen dem ordentlichen
und dem außerordentlichen Strahl um t/2 vergrößert. Dadurch wird die Polarisationsellipse
des Lichtes um 900 gedreht.
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Somit weist der vom zweiten total reflektierenden Prisma 50 nahe der
Körperhauptseite 11 in den Körper 9 zurückreflektierte, elliptisch polarisierte
Lichstrahl eine Polarisationsellipse auf, deren große Achse senkrecht auf der großen
Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 10 den Körper 9 durchströmenden
Lichtstrahles steht. Aufgrund der membranartigen Auslenkung des Körpers 9 wird der
Polarisationszustand dieses Lichtes derart geändert, daß die große Achse der Polarisationsellipse
größer und die kleine Achse kleiner wird.
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Strömt Flüssigkeit gegen die durch den Pfeil 36 angedeutete Richtung
durch die Blende 37, lenkt auch die Platte 9 entgegen der durch den Pfeil 46 angedeuteten
Richtung aus. Die Spannungsverhältnisse im Körper 9 kehren sich um, und die Richtungen
der großen und der kleinen Achse der Polarisationsellipsen vertauschen sich.
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Von einem halbdurchlässigen Spiegel 51 wird ein Teil des elliptisch
polarisierten Lichtes über den Analysator 52 von der Fokussierlinse 53 in den Lichtleiter
54 eingekoppelt, während der andere Teil des Lichtes über den Analysator 55 von
der Fokussierlinse 56 in den Lichtleiter 57 eingekoppelt wird.
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Die Analysatoren 52 und 55 sind Polarisationsfilter, deren Polarisationsrichtungen
senkrecht aufeinanderstehen und die somit aus dem vom Körper 9 abgestrahlten, elliptisch
polarisierten Licht linear polarisierte Lichtanteile ausfiltern, deren Stärke der
Größe zweier senkrecht aufeinanderstehenden Achsen der Polarisationsellipse entspricht.
Diese beiden Lichtanteile werden von den Lichtleitern 54 und 57 auf die beispielsweise
als Fotodioden ausgebildeten Fotodetektoren 58 und 59 gelenkt.
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Bei einer Auslenkung des Körpers 9 in Richtung des Pfeiles 46 liegt
die große Achse der Polarisationsellipse des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper
9 durchstrahlenden Lichtes, beispielsweise parallel zur Polarisationsrichtung des
Analysators 52, weshalb die Stärke des vom Analysator 52 ausgefilterten und über
den Lichtleiter 54 auf den Lichtdetektor 59 gelenkten Lichtanteiles zunimmt und
die Stärke des vom Analysator 55 ausgefilterten und über den Lichtleiter 57 auf
den Lichtdetektor 58 gelenkten Lichtanteiles abnimmt. Aus der Differenz der von
den Fotodetektoren 58 und 59 erfaßten Lichtstärken ermittelt die Auswerteschaltung
60 eine Spannung mit einem positiven, der Größe des Durchflusses durch das Leitungsrohr
38 entsprechenden Wert, die am Anschluß 61 anliegt. Das positive Vorzeichen sagt
aus, daß die Flüssigkeit in Richtung des Pfeiles 36 durch die Blende 37 strömt.
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Lenkt aufgrund einer Umkehrung der Strömungsrichtung 36 der Körper
9 entgegen der Richtung des Pfeiles 46 aus, steht die große Achse der Polarisationsellipse
des nahe der Körperhauptseite 11 den Körper 9 durchströmenden elliptisch polarisierten
Lichtes senkrecht auf der Polarisationsrichtung des Analysators 52, so daß die Stärke
des vom Analysator 52 ausgefilterten und dem Lichtdetektor 59 zugeführten Lichtes
abnimmt und die Stärke des vom Analysator 55 ausgefilterten und dem Lichtdetektor
58 zugeführten Lichtes zunimmt. Aus der Differenz der von den Fotodetektoren 59
und 58 erfaßten Lichtstärken ermittelt die Auswerteschaltung 60 eine Spannung mit
einem negativen, der Größe des Durchflusses durch das Leitungsrohr 38 entsprechenden
Wert. Das negative Vorzeichen sagt aus, daß die Flüssigkeit entgegen der Richtung
des Pfeiles 36 durch die Blende 37 strömt.
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Bei der Druckmeßvorrichtung nach Fig. 3 wird das Licht der Lichtquelle
1 von der Fokussierlinse 62 in einen optischen Zirkulator 63 eingekoppelt, der dieses
Licht über eine Linse 64, einen Polarisator 65, einen halbdurchlässigen Spiegel
66 und eine t/8-Verzögerungsplatte 67 auf den Körper 9 lenkt. Der optische Zirkulator
63 ist in der Patentanmeldung P 33 27 418 beschrieben. Das Licht durchstrahlt den
Körper 9 nahe der Körperhauptseite 10, wird vom Umlenkprisma 47 derart umgelenkt,
daß es nahe der Körperhauptseite 11 durch den Körper 9 zurückstrahlt und auf einen
Spiegel 68 trifft, der das Licht wieder in den Körper 9 zurück reflektiert. Anschließend
wird das Licht vom Umlenksprisma 47 nahe der Körperhauptseite 10 in den Körper 9
zurückgelenkt. Nachdem das Licht den Körper 9 zum vierten Male durchstrahlt hat,
gelangt es über die 9t/8-Verzögerungsplatte 67 auf den halbdurchlässiqen Spiegel
66, der einen Teil des Lichtes über den Analysator 69, die Fokussierlinse 70 und
den Lichtleiter 71 auf den Lichtdetektor 58 lenkt. Der restliche Teil des Lichtes
durchstrahlt den halbdurchlässigen Spiegel 66 und gelangt über den Polarisator 65,
die Linse 64, den optischen Zirkulator 63 und den Lichtleiter 72 auf den Lichtdetektor
59.Die Polarisationsrichtungen des Polarisators 65 und des Analysators 69 stehen
senkrecht aufeinander.
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Wirkt über einen Stempel 73 auf den Körper 9 ein mechanischer Druck,
lenkt der Körper 9 in Richtung des Pfeiles 74 membranartig aus. Nahe der Körperhauptseite
10 treten Druckspannungen und nahe der Körperhauptseite 11 treten Zug spannungen
auf. Das vom Polarisator 65 linear und von der W /8-Verzöqerungsplatte 67 elliptisch
polarisierte Licht wird in den Körper 9 eingekoppelt und viermal derart umpolarisiert,
daß die große Achse der Polarisationsellipse jeweils größer und die kleine Achse
der Polarisationsellipse jeweils kleiner wird.
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Der Analysator 69 und der als Analysator wirkende Polarisator 65 filtern
aus diesem Licht zwei senkrecht zueinander polarisierte Lichtanteile aus, die von
den Lichtleitern 71 und 72 den Fotodetektoren 58 und 59 zuqeführt werden. Aus der
Differenz der von den Fotodetektoren 58 und 59 erfaßten Lichtstärken ermittelt die
Auswerteschaltung 60 die Größe des über den Stempel 73 auf den Körper 9 einwirkenden
mechanischen Druckes und liefert über den Anschluß 61 eine Spannung mit einem der
Größe dieses Druckes entsprechenden Wert.
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