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Optischer drucksensor
DE3405026A1
Germany
- Other languages
English - Inventor
Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 2086 Ellerau Martens - Current Assignee
- Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Worldwide applications
Application DE19843405026 events
1984-02-13
1985-02-11
1985-02-11
1985-02-11
1985-02-12
1985-08-14
Status
Withdrawn
Description
translated from
PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH "->' PHD 84-025
"Optischer Drucksensor"
Die Erfindung bezieht sich auf einen optichen Drucksensor, bestehend aus einem lichtdurchlässigen Körper, der mit
einer Druckmeßkammer mit einer Einlaßöffnung für ein unter Druck stehendes flüssiges oder gasförmiges Medium in
Verbindung steht und der von polarisiertem Licht durchstrahlt wird, und aus einem in Strahlrichtung des Lichtes
hinter dem Körper angeordneten Analysator, der aus dem Licht mit druckabhängigem Polarisationszustand linear
polarisiertes Licht mit einer Stärke ausfiltert, die sich mit dem Druck in der Druckmeßkammer ändert.
Optische Drucksensoren werden zur Erfassung von Drücken bzw. von Differenzdrücken explosiver Flüssigkeiten und
Gase verwendet, da optische Drucksensoren lediglich über Lichtleiter mit der Auswerteschaltung verbunden sind und
somit frei von elektrischen Spannungen sind, die gefährliche Funkenbildung verursachen können.
Aus der DE-OS 31 38 061 ist ein optischer Drucksensor mit einem blockförmigen, lichtdurchlässigen Körper bekannt,
der von polarisiertem Licht durchstrahlt wird und auf den der zu erfassende Druck einwirkt. Soll hierbei der Druck
eines flüssigen oder gasförmigen Mediums erfaßt werden, ist es erforderlich, das Gas oder die Flüssigkeit in einen
Balg zu leiten, der mit einer dem Druck des Mediums entsprechenden Kraft auf den lichtdurchlässigen Körper
drückt. Dadurch wird der Polarisationszustand des den Körper durchstrahlenden Lichtes derart verändert, daß ein in
Strahlrichtung des Lichtes hinter dem Körper angeordneter Analysator aus dem Licht mit druckabhängigem Polarisationszustand
linear polarisierten Licht mit finer
- Ϋ. PHD 84-025
der Größe des Flüssiqkeits- oder Gasdruckes entsprechenden Stärke ausfiltert. Hierbei sind der Balg und der lichtdurchlässiqe
Körner in einer Kammer anqeordnet, die fur den BaIq und den lichtdurchlässiqen Körper als Halterunq
dient.
Um eine definierte und homoqene Spannunqsverteilung im
lichtdurchlässiqen Körper zu erzeuqen, muß der Balg mit einem ebenen Boden versehen sein und muß so aufgebaut
sein, daß der Flüssiqkeits- oder Gasdruck längs einer zu der Fläche der Befestigungskammer rechtwinkligen Achse
gerichtet ist, damit der Balg in Richtung der Hauptspannungsachse auf den lichtdurchlässigen Körper einwirkt. Bei
der Herstellung und insbesondere beim Justieren des bekannten Sensors ist somit eine sehr hohe Präzision
erforderlich, damit der Sensor fehlerfrei arbeitet und die zur Messung des Flüssiqkeitsdruckes erforderliche Empfindlichkeit
erreicht.
Aufgabe der vorlieqenden Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten, empfindlichen Drucksensor zu schaffen, der
den Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit genau erfaßt und dessen Fiinpfindlichkeit innerhalb weiter Grenzen veränderbar
ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Drucksensor einganqs erwähnter Art erfindungsqemäß dadurch gelöst, daß die Druckmeßkammer
als Hohlraum innerhalb des lichtdurchlässiqen Körpers ausgebildet ist.
Hierbei verändern sich die inneren Spannunqen im lichtdurchlässigen
Körper mit dem Druck des in die Druckmeßkam-TTier eingeleiteten flüssiqen oder qasförmiqen Mediums. Ober
eine Analyse des sich bereits durch sehr kleine innere Spannunqen veränderbaren Polarisationszustandes des den
PHD 84-025
Körper durchstrahlenden polarisierten Lichtes ist der Flüssigkeits- bzw. Gasdruck genau erfaßbar. Außerdem läßt
sich durch eine Veränderung des Durchmessers und der Form der Druckmeßkammer die Empfindlichkeit des Drucksensors
innerhalb weiter Grenzen verändern.
Um die Differenz zweier unterschiedlicher Gas- oder Flüssigkeitsdrücke
messen zu können, ist es vorteilhaft, daß der Körper vier gleichmäßig über seinen Umfang verteilte
und paarweise einander gegenüberliegende Druckmeßkammern mit je einer Einlaßöffnung aufweist, wobei den beiden
Druckmeßkammerpaaren unterschiedliche Drücke zugeführt werden.
Wenn die vier Druckmeßkammern als nach außen abgedichtete Schlitze ausgebildet sind, die sich paarweise mit ihren
Längswänden gegenüberliegen, ist die Fläche, über die das Gas bzw. die Flüssigkeit auf den von Licht durchstrahlten
Bereich des Körpers drückt, sehr groß, wodurch der Drucksensor sehr empfindlich auf Gas- oder Flüssigkeitsdrücke
reagiert und insbesondere kleine Druckdifferenzen bei hohem Gleichdruckanteil fehlerfrei messen kann. Hierbei
lassen sich schlitzartige Druckmeßkammern, die gerade ausgebildet sind, besonders einfach aus dem lichtdurchlässigen
Körper herausfräsen.
Zur Erfassung sehr hoher Drücke kann man die vier Druckmeßkammern als auf einem gemeinsamen Radius liegende, nach
außen abgedichtete, runde Bohrungen ausbilden. 30
Die Herstellung des Drucksensors wird vereinfacht, wenn die Druckmeßkammern als durchgehende Löcher in den Körper
- &· PHD 84-025
eingearbeitet sind, auf den im Bereich der Druckmeßkammern beidseitig Dichtungsplatten angebracht sind.
Ein einfach herstellbarer Drucksensor ergibt sich, wenn die Dichtungsplatten aus Metall bestehen und miteinander
verschraubt sind. Hierbei wird der Polarisationszustand des Lichtes durch von den Dichtungsplatten verursachte
innere Spannungen des Körpers nicht beeinflußt, da die inneren Spannungen parallel zur Richtung des Lichtes
liegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
der lichtdurchlässige Körper aus einer runden Scheibe und sind die Dichtungsplatten ringförmig ausgebildet. Derartige
Drucksensoren sind kompakt aufgebaut und einfach herstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Körper zwischen den Druckmeßkammern zusätzliche Aussparungen
auf. Dadurch werden die inneren Spannungen auf den vom Licht durchstrahlten Bereich des lichtdurchlässigen
Körpers konzentriert, wodurch sich die Empfindlichkeit des Drucksensors vergrößert.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den lichtdurchlässigen Körper entlang der Linie I-I in Fig. 2.
30
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den optischen Drucksensor entlang der Linie II-II der Fig. 1.
Fig. 3 einen optischen Drucksensor mit Dichtungsplatten. 35
Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte lichtdurchlässige
- ?· PHD 84-025
Körper 2 enthält vier als teilkreisförmige Schlitze ausgebildete Druckmeßkammern 5 bis 8. Hierbei können die Wände
einander gegenüberliegender Schlitze 6,8 und 5,7 eben und
parallel zueinander angeordnet sein. 5
Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die als durchgehende Löcher ausgebildeten Schlitze nach außen durch zwei auf
die beiden Stirnseiten des Körpers 2 aufgebrachte Dichtungsplatten 3 und 4 abgedichtet. Die Dichtungsplatten
und 4 können aus dem gleichen Material wie der lichtdurchlässige Körper 2 bestehen. Sie sind mit den Stirnseiten
des Körpers 2 beispielsweise verklebt.
Jede Druckmeßkammer 5 bis 8 ist mit einer eigenen Einlaßöffnung 9 bis 12 versehen. Über diese Einlaßöffnungen 9
bis 12 wird den Druckmeßkammern 5 bis 8 ein unter Druck stehendes flüssiges oder gasförmiges Medium zugeführt. Die
Druckmeßkammern 5 bis 8 sind gleichmäßig über den Umfang des Körper 2 verteilt und liegen auf einem gemeinsamen
Radius. Der Körper 2 kann je nach Anwendung mit weniger als vier Druckmeßkammern, beispielsweise mit lediglich
einer Druckmeßkammer oder auch mit mehr als vier Druckmeßkammern versehen sein.
Der lichtdurchlässige Körper 2 ist als runde Scheibe ausgebildet und besteht aus Quarzglas, Glaskeramik oder
Titansilikatglas. Er kann jede andere Form, beispielsweise die Form eines Würfels oder eines Quaders aufweisen. Hat
der Körper 2 einen Durchmesser von 6 cm und eine Dicke von 3 cm, weist der Drucksensor 1 ohne die noch zu beschreibenden
zusätzlichen Aussparungen 13 bis 16 einen Meßbereich von ca. 1 bis 10 bar auf.
Die Druckmeßkammern 5 bis 8 können auch als durchgehende, runde Bohrungen mit einem Durchmesser von beispielsweise
~ $'
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bis 3 mm ausgebildet sein. Dann beträgt der Meßbereich des
Drucksensors ca. 10 bis 500 bar. Über den Bohrungsdurchmesser
und den Abstand der Bohrungen voneinander läßt sich hierbei der Meßbereich des Drucksensors innerhalb weiter
Grenzen verändern.
Durch in den Körper 2 zwischen den Druckmeßkammern 5 bis 8 zusätzlich eingearbeitete Aussparungen 13 bis 16 läßt sich
die Empfindlichkeit des Drucksensors weiter vergrößern. Die Aussparungen 13 bis 16 können, wie in Fig. 1 und 2
dargestellt, als durchgehende Löcher ausgebildet sein. Beträgt der Abstand zwischen den Außenwänden der Aussparungen
13 und 16 bzw. 14 und 15 ca. 25 mm, so entstehen dazwischen kreuzförmig ausgebildete Stege mit einigen
Millimetern Breite, auf die sich die inneren Spannungen im Körper 2 konzentrieren. Dadurch läßt sich ein Meßbereich
von ca. 10 mbar bis 1 bar erreichen.
Strahlt linear oder elliptisch polarisiertes Licht 17 durch den Körper 2, filtert ein als Polarisator ausgebildeteter
Analysator 18 aus dem Licht 17 linear polarisiertes Licht aus, dessen Stärke ein Maß für den zu messenden
Druck des Mediums ist.
Werden in die Druckmeßkammern 5 und 7 bzw. 6 und 8 jeweils Gase mit unterschiedlichen Drücken eingeleitet, so treten
im zwischen den Druckmeßkammern 5 bis 8 liegenden Bereich des Körpers 2 innere Spannungen auf, die sich mit der
Differenz der Gasdrücke verändern. Diese inneren Spannungen verändern den Polarisationszustand des Lichtes 17 derart,
daß sich auch die Stärke des vom Analysator 18 ausgefilterten Lichtes verändert. Diese Lichtstärke wird gemessen
und gibt über eine Auswerteschaltung Auskunft über die Differenz der Gasdrücke.
-y-1.
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Die ringförmigen Dichtungsplatten 19 und 20 des in Fig. dargestellten Drucksensors bestehen aus Metall und sind
über Schraubbolzen 21 und 22 miteinander verbunden. Zwischen dem Körper 2 und den Dichtungsplatten 19 und
befinden sich Dichtungsringe 23 bis 26, die die Druckmeßkammern 5 bis 8 nach außen abdichten.
Die von den Dichtungsplatten 19 und 20 im Körper 2 verursachten inneren Spannungen liegen parallel zur Richtung
des den Körper 2 durchstrahlenden Lichtes und haben somit keinen Einfluß auf das Meßergebnis.
- Leerseite -
Claims (10)
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translated from
Claims (10)
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1. ) Optischer Drucksensor, bestehend aus einem lichtdurchlässigen
Körper, der mit einer Druckmeßkammer mit einer Einlaßöffnung für ein unter Druck stehendes flüssiges
oder gasförmiges Medium in Verbindung steht und der von polarisiertem Licht durchstrahlt wird, und aus einem
in Strahlrichtung des Lichtes hinter dem Körper angeordneten Analysator, der aus dem Licht mit druckabhängigem
Polarisationszustand linear polarisiertes Licht mit einer Stärke ausfiltert, die sich mit dem Druck in der Druckmeßkammer
ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßkammer (5 bis 8) als Hohlraum innerhalb des lichtdurchlässigen
Körpers (2) ausgebildet ist.
2. Optischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) vier gleichmäßig über
seinen Umfang verteilte paarweise einander gegenüberliegende Druckmeßkammern (5 bis 8) mit je einer Einlaßöffnung
(9 bis 12) aufweist, wobei den beiden Druckmeßkammerpaaren (5 und 7; 6 und 8) unterschiedliche Drücke
zugeführt werden.
3. Optischer Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Druckmeßkammern (5 bis 8) als
nach außen abgedichtete Schlitze ausgebildet sind, die sich paarweise mit ihren Längswänden gegenüberliegen.
4. Optischer Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzartigen Druckmeßkammern
gerade ausgebildet sind.
'- %■
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5. Optischer Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Schlitze ausgebildeten
Druckmeßkammern (5 bis 8) teilkreisförmig gebogen sind und auf einem gemeinsamen Radius liegen.
6. Optischer Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die vier Druckmeßkammern als auf einem gemeinsamen Radius liegende, nach außen abgedichtete runde
Bohrungen ausgebildet sind.
7. Optischer Drucksensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßkammern (5 bis 8)
als durchgehende Löcher in den Körper (2) eingearbeitet sind, auf dem im Bereich der Druckmeßkammern (5 bis 8)
beidseitig Dichtungsplatten (3, 4) angebracht sind.
8. Optischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatten (19,20) aus
Metall bestehen und miteinander verschraubt sind.
9. Optischer Drucksensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) aus einer
runden Scheibe besteht und die Dichtungsplatten (3,4,19,20) ringförmig ausgebildet sind.
10. Optischer Drucksensor nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) zwischen den
Druckmeßkammern (5 bis 8) zusätzliche Aussparungen (13 bis 16) aufweist.