DE3525314A1 - Messeinrichtung zur erfassung von messgroessen mittels optischer sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Erfassung von Meßgrößen optischer Sensoren, die mit Reflexion, Dämpfung oder Kopplung (Cross-Talk) arbeiten und über Glasfasern mit einem optischen Sender und Empfänger, einer Auswerte- und Steuereinrichtung sowie einem Rechner erfaßbar sind.

Bekannte faseroptische Systeme benutzen für jeden Sensor eine oder zwei Fasern und optische Multiplexer, um die Meßeinrichtung entsprechend umzuschalten. Dieses ist relativ aufwendig und erfordert für den Anschluß der Sensoren einen "faseroptischen Kabelbaum" mit allen Nachteilen.

Ferner sind zur Erzielung der Streckenneutralität von beispielsweise Sensoren nach dem Dämpfungsprinzip (transmissions- moduliert) noch optische By-pass-Glieder zur Phasendrehung am Sensor erforderlich, die die Anordnungen sehr sensibel machen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine zentrale Meßeinrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die die Ausbildung eines Bus-Systems ermöglicht, ohne dezentrale, den Meßsensoren zugeordnete elektrische Einrichtungen zu benötigen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1.

Hierdurch wird der Vorteil geschaffen, ein- oder zweiadrige Glasfaserstränge gemeinsam für eine beliebige Anzahl von Meßsensoren einzusetzen. Somit ist es möglich, ohne Verlegung neuer Leitungen Meßsensoren nachträglich einzufügen. Es werden hierbei rein optische Systeme ohne jegliche elektrische Einrichtungen ermöglicht. Damit werden explosionsgeschützte Meßsysteme ohne Abkapselung sicherer und einfacher erstellbar.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß mindestens ein Eichsensor in der gemeinsamen Glasfaser angeordnet ist. Dadurch wird auf einfache Weise eine Bezugsgröße geschaffen, mit deren Hilfe die Streckendämpfung eliminierbar ist.

Um die Verwendung von Sensoren unterschiedlicher Arbeitsweise in einem System einzusetzen, wird vorgeschlagen, daß Meßsensoren unterschiedlicher Arbeitsweisen, wie Dämpfung, Reflexion, Kopplung an gemeinsamen Glasfasern angeordnet sind und für Meßsensoren mit der Arbeitsweise über Kopplung ein zusätzlicher Empfänger angeschaltet ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß Meßsensoren mit der Arbeitsweise über Kopplung auf einer Glasfaser einen Impuls sendet und auf der weiteren Glasfaser ein Übersprechsignal empfängt.

Um eine Überprüfung des Streckendurchgangs zu vereinfachen, ist vorgesehen, daß am fernen Ende der Glasfaser eine Koppelschleife angeordnet ist.

Aus Gründen der Redudanz gegen Faserbrüche wird vorgeschlagen, daß die Glasfaser bzw. Glasfasern an beiden Enden je eine Meßanordnung aufweist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele zur Erläuterung der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtanordnung mit Reflexions-Sensoren als Meßsensoren und zugeordnete Eichsensoren,

Fig. 2 eine Reflexionsdarstellung gemäß der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm mit Meßsensoren und einem Eichsensor am Ende der Glasfaser,

Fig. 4 ein Reflexionsdarstellung mit Meßsensoren und einem Eichsensor am Ende der Glasfaser in logarithmischer Darstellung.

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm mit Dämpfungssensoren als Meßsensoren,

Fig. 6 ein Signalverlauf im logarithmischen Maßstab für eine Anordnung gemäß Fig. 5.

Fig. 7 ein Blockdiagramm mit Koppel-Sensoren als Meßsensoren.

Die dargestellte Meßeinrichtung besteht aus einem Sender 5 und einem Empfänger 6 für Laser-Impulse, die über einen Strahlteiler 4 als optische Brücke mit einer Glasfaser 1 verbunden ist. Zusammen mit einer verbundenen Auswerte- und Steuereinrichtung 7 sowie einem Rechner 8 wird eine rechnergestützte OTDR-Meßeinheit gebildet, die einen, entsprechend den vorliegenden Verhältnissen erforderlichen Meß-Dynamik- Umfang und Erholzeiten (recovery time) aufweist. An die angeschlossene Glasfaser 1 sind Meßsensoren 3 hintereinander angeordnet.

Das Steuer- und Rechenprogramm des Rechners 8 ist in bekannter Weise für eine automatische Auswertung von Dämpfungen und Reflexionen ausgelegt und verfügt über die Rechenalgorithmen, um beispielsweise aus Dämpfungsbeträgen (Reflexion- oder Übersprechbeträgen) den Berechnungsindex oder Trübung des Mediums an oder im Meßsensor 3 der Glasfaser zu bestimmen, also eine Aussage über das Medium oder über Kräfte (wie Druck, Zug, Biegung usw.) am Meßsensor 3 zu machen. Ferner erlaubt laufzeitmäßige Abtastung der Meßsensoren, die gesamte Meßdynamik nach Belieben auf die Meßsensoren 3 aufzuteilen, so daß sowohl viele Meßsensoren 3 mit wenig Auflösung oder wenige mit viel Auflösung programmiert werden können.

Gemäß Fig. 1 wird ein Laser-Impuls i von dem Sender 5 über den Strahlteiler 4 in die Glasfaser 1 eingegeben. In diesem Fall sind jeweils den Meßsensoren 3 a, 3 b, 3 c Eichsensoren 2 a, 2 b, 2 c zugeordnet, die über die Glasfaser 1 verteilt angeordnet sind. Die Eichsensoren 2 besitzen geeichte Reflexions- und Dämpfungsgrößen. Hierbei bestimmt der Sendeimpuls i mit seiner Impulsbreite den Mindestabstand d min zwischen Eich- undMeßsensor Meßsensor 2 a und 3 a, d. h. Mindestabstände und Auflösungsvermögen sind aufeinander abzustimmen. Die von den Sensoren 2, 3 zurückkehrenden Signale 2 und 3 sind entsprechend der Signallaufzeit gegen den Sendeimpuls i und gegeneinander zeitlich versetzt, so daß sie nach Empfang einzeln ausgewertet und im Rechner 8 verarbeitet werden können. Der Empfänger 6 wird wie der Sender 5 und die Auswerte- und Steuereinrichtung 7 vom Rechner 8 geführt. Aus den Signalen der Sensoren 2, 3 ist die Reflexion des Meßsensors 3 die Meßgröße und Reflexion des Eichsensors 2 die Eichgröße. Die Eichung des Systems erfolgt durch Eingabe der Parameter der Sensoren 2, 3 in den Rechner 8, d. h. beim Austausch von Sensoren 2, 3 ist ein Hardware-Abgleich nicht erforderlich, dieser wird durch neue Parameter ersetzt. Das gebildete Paar der Sensoren 2, 3 sollte so nahe beieinander liegen, daß eine Streckendämpfung nicht auftritt, bzw. es muß die Streckendämpfung im Rechner 8 mit berücksichtigt werden. Ferner ist bei der Festlegung des Mindestabstandes auch auf die Erholzeit der Elektronik Rücksicht zu nehmen.

Alternativ ist es möglich nur einen Eichsensor 2 einzusetzen, wenn die Eigenschaften des Meßsystems ausreichen, um die Lichtleistungsunterschiede an den sogenannten Fußpunkten der Einzelreflexion über das Rückstreuen zu bestimmen. Dieses wird gemäß Fig. 4 verdeutlicht.

Hierbei ist beispielsweise der Sendeimpuls i nicht bewertbar, da er größer als der Meßbereich ist. Dieses muß zwar nicht sein, aber es ist nicht leicht, den Sendeimpuls i als Eichgröße benutzbar zu machen. Eine bessere Eichgenauigkeit bietet der Eichreflex der Sensoren 2a, 2b, 2c Sein Signalabstand zum Meßreflex 3a, 3b, 3c ist besser zu beherrschen. Der Meßreflex wird bei der Auswertung auf den Eichreflex bezogen.

Die Glasfaser wird in der Regel am Ende einen Endreflex e geben, der auch als Eichsensor benutzbar ist, falls er Eichgüte besitzt, welches von der Verarbeitung abhängt.

Gemäß Fig. 4 ist eine Reflexionsdarstellung für alle Meßsensoren 3 mit einem Eichsensor 2 am Ende der Glasfaser 1 gezeigt. Hierbei wird der Eichimpuls 2 für alle Meßsensoren 3 und deren Reflexion 3a, 3b, 3c benutzt. Es sind jedoch Korrekturen K _a , K _b , K _b für den Leistungsverlust vom Fußpunkt der Eichgröße 2 bis zum Meßreflex 3a, 3b, 3c zum ermitteln. Wie aus der Darstellung zu entnehmen ist, muß das Meßsystem im analogen Teil den Dynamikbereich vom Reflex (∼% Größenordnung) bis zum backscattening für die Fußpunktbeurteilung (∼10^{- 4} Bereich) sicher beherrschen, und zwar innerhalb der Zeitabstände der Reflexion. Aus Anschaulichkeitsgründen ist die Darstellung geschönt. In der Praxis liegt eine Reflexion von 4% ca. 14 dB unter dem optischen Leistungs-Pegel der Eintrittsleistung am Meßsensor 3. Der Pegel des "backscattening", also der dazugehörige Signal-Pegel am Fußpunkt des Reflexes liegt bei etwa -45 dB, also ein Verhältnis von ≦λτ 1.000 : 1. Es ist daher notwendig, daß der Empfänger 6 und die Auswerte-Schaltung 7 den vorgenannten Anforderungen angepaßt wird.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 5 und 6 sind Meßsensoren 3 a, 3 b, 3 c nach der Dämpfungswirkungsweise angeordnet, d. h. der Meßwert ist in der Durchgangsdämpfung des Meßsensors 3 enthalten. Da bei diesen Meßsensoren 3 a, 3 b, 3 c die relative Leistung vor und hinter dem Meßsensor 3 gemessen wird, ist eine Eichung prinzipiell nicht erforderlich. Da aber am Ende der Glasfaser 1 ein Reflex nicht vermeidbar sein wird, empfiehlt sich, wie dargestellt, einen Eichsensor 2 a am Ende anzuordnen.

Die Dämpfung im Sensor ∆3 a,∆3 b,∆3 c ist die gesuchte Meßgröße. Sie wird nicht beeinflußt durch die Glasfaser- Dämpfung ∆f zwischen den Meßsensoren 3. Damit ist dieses Bus-System auch "streckenneutral". Die Endreflexion e wird als Eichgröße ausgelegt und stört die Signalwerte nicht, so daß sie als zusätzliche Kontrollgröße nützlich sein kann. Der Sendeimpuls i ist hierbei wieder übersteuert dargestellt. Der Abstand des Meßsensors 3 a vom Endgerät (8, 7, 6, 5, 4) sollte der Erholzeit der Meßeinrichtung angepaßt werden.

Claims (7)

1. Meßeinrichtung zur Erfassung von Meßgrößen mittels optischer Sensoren, die mit Reflexion, Dämpfung oder Kopplung (Cross-Talk) arbeiten und über Glasfasern mit einem optischen Sender und Empfänger, einer Auswerte- und Steuereinrichtung sowie einem Rechner erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwendung eines OTDR-Verfahrens (optisches Reflexions- und Rückstreumeßverfahrens), gegebenenfalls mit einer optischen Brücke (4) (Strahlteiler) zwischen Sender (5) und Empfänger (6) alle Meßsensoren (3) über eine bzw. zwei gemeinsame Glasfasern (1) als Meßbus hintereinander angeordnet sind und die Zuordnung von Adresse und Meßwert des Meßsensors (3) in der Weise erfolgt, daß die Meßwertabfrage am Empfänger (6) über den Rechner (8) gesteuert von der Auswerte- und Steuereinrichtung (7) zu dem Zeitpunkt erfolgt, der der zum jeweiligen Meßsensor (3) gehörenden Laufzeit entspricht, die der Sendeimpuls (i) vom Sender (5) zum zugehörigen Meßsensor (3) und zurück zum Empfänger 6 benötigt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Eichsensor (2) in der gemeinsamen Glasfaser (1) angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Meßsensoren (3) unterschiedlicher Arbeitsweisen, wie Dämpfung, Reflexion, Kopplung an gemeinsamen Glasfasern (1) angeordnet sind und für Meßsensoren (3) mit der Arbeitsweise über Kopplung ein zusätzlicher Empfänger angeschaltet ist.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Meßsensor (3) ein Eichsensor (2) zugeordnet ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Meßsensoren (3) mit der Arbeitsweise über Kopplung auf einer Glasfaser (1) einen Impuls (i) sendet und auf der weiteren Glasfaser ein Übersprechsignal empfängt.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am fernen Ende der Glasfaser (1) eine Koppelschleife angeordnet ist.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch bekennzeichnet, daß die Glasfaser bzw. Glasfasern (1) an beiden Enden je eine Meßanordnung (4, 5, 6, 7, 8) aufweist.