DE3640920A1 - Optisches multiplexsystem und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Multiplexsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zu seinem Betrieb.

Optische Meßwandler finden zur Erfassung der verschie­ denen Funktionen eines Flugzeugs immer mehr Verwendung. Infolge der Vielzahl der Meßwandler ist es wünschens­ wert, diese im Multiplexbetrieb zu betreiben, um hierdurch die Anzahl der Leitungen und der Verbindungen im System zu vermindern.

Üblicherweise wird der Multiplex-Betrieb auf zwei ver­ schiedene Arten durchgeführt. Bei den zeitgeteilten Multi­ plexsystemen erzeugen die Meßwertwandler Ausgangssignale zu unterschiedlichen, festgelegten Zeitpunkten und der Demultiplexer erzeugt für jeden einem Wandler zugeordneten Zeitschlitz Ausgangssignale. Hierdurch wird erreicht, daß eine der Anzahl der Zeitschlitze entsprechende Anzahl von Ausgangssignalen erzeugt werden, wobei jedes Ausgangs­ signal einem Zeitschlitz und damit einem Wandler zugeord­ net ist. Bei zeitgeteilten Multiplexsystemen ist es jedoch schwierig, diese auf optische Übertragungssysteme zu übertragen, da es schwierig ist, die Wandler so zu triggern, daß sie Ausgangssignale nur bei dem ihnen zugeordneten Zeitschlitz erzeugen.

Bei frequenzgeteilten Multiplexsystemen ist jedem Wandler jeweils ein Frequenzband zugeordnet, wobei die Frequenz­ bänder der einzelnen Wandler unterschiedlich zueinander sind. Ein derartiges System weist mehrere Frequenzgenera­ toren auf, die jeweils ein einem Wandler zugeordnetes Frequenzband erzeugen. Bei diesem System sind mehrere Empfänger vorgesehen, welche jeweils auf ein einem Wand­ ler zugeordnetes schmales Frequenzband ansprechen. Die Ausgänge der verschiedenen Wandler können somit kontinu­ ierlich überwacht werden. Solche frequenzgeteilten Multi­ plexsysteme können auf optische Übertragungssysteme angewandt werden und arbeiten zufriedenstellend. Die Frequenzen liegen hierbei im optischen Bereich. Sie weisen jedoch den Nachteil auf, komplex aufgebaut zu sein, da jedem Wandler eine Strahlungsquelle zugeordnet werden muß. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß empfängerseitig nicht feststellbar ist, ob einer der Meßwertwandler nur ein sehr geringes Signal erzeugt oder ob die einem Meßwertwandler zugeordnete Strahlungs­ quelle ausgefallen ist.

Es besteht die Aufgabe, das optische Multiplexsystem so auszubilden, daß nur eine einzige Strahlungsquelle vorhanden ist, deren Ausfall ohne Zusatzmaßnahmen erkannt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Systems;

Fig. 1a bis 1d die Strahlungsspektren an unterschied­ lichen Punkten des Systems;

Fig. 1e die Durchlaßcharakteristik eines Filters in einer Empfängereinheit des Systems;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines im System verwendeten Meß­ wertwandlers;

Fig. 2a die Durchlaßcharakteristik des neu­ tralen Bereichs einer Filterplatte des Wandlers und

Fig. 2b bis 2d die Durchlaßcharakteristika im Fil­ terbereich jedes Wandlers.

Die Fig. 1 zeigt eine optische Strahlungsquelle 1, welche über eine faseroptische Leitung 2 Strahlung einer Em­ pfängereinheit 3 zuführt. Längs der Leitung 2 sind drei Meßwertwandler 11, 12 und 13 in Serie angeordnet, welche die der Empfängereinheit zugeführte Strahlung in Überein­ stimmung mit den durch die Wandler erfaßten Funktionen modifizieren.

Die Strahlungsquelle 1 emittiert Strahlung über ein relativ breites Frequenzband, wie dies die Kurve in Fig. 1a zeigt. Es kann sich hierbei um ein Frequenzspek­ trum handeln, das im Infrarotbereich, im sichtbaren Bereich oder im ultravioletten Bereich liegt. Die Strahlungs­ quelle 1 erzeugt bevorzugt eine frequenzstabile Strahlung, wie dies beispielsweise bei lichtemittierenden Dioden der Fall ist. Bei dem System ist nur eine einzige Strahlungs­ quelle erforderlich.

Die faseroptische Leitung 2 ist konventionell aufgebaut und stellt eine einzige optische Strahlungsleitung zwischen der Strahlungsquelle 1 und der Empfängereinheit 3 über die drei Wandler 11 bis 13 dar. Anstelle einer faseroptischen Leitung können auch andere optische Strahlenleiter ver­ wendet werden.

Die Wandler 11 bis 13 können unterschiedlich aufgebaut sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Wandlern 11 bis 13 um Lagemeßwandler, deren Ausgangssignal abhängig ist beispielsweise von der Stellung eines Ventils, wie dies bei Fig. 2 der Fall ist. Jeder Wandler 11 bis 13 weist eine Eingangswelle 14 auf, die mit einem Ende eines Ventils verbunden ist und die ent­ sprechend einer Verschiebung des Ventilteils in ihrer Längsrichtung verschiebbar ist. Am anderen Ende der Welle 14 ist eine Filterplatte 15 angeordnet, welche zwei voneinander unterschiedliche Bereiche 16 und 17 aufweist. Der eine Bereich 16 der Platte 15 ist neutral transparent in Bezug auf die Strahlungsbandbreite der Strahlungsquelle 1 , weist somit eine Durchlaßcharakteristik auf, die in Fig. 2a wiedergegeben ist. Dies bedeutet also, daß über den gesamten Frequenzbereich der Strahlungs­ quelle 1 hinweg die Strahlung gleichmäßig durchgelassen wird. Der andere Bereich 17 der Filterplatte 15 jedes Wandlers 11 bis 13 ist von Wandler zu Wandler unterschied­ lich. Jeder andere Bereich 17 läßt die Strahlung der Lichtquelle hindurch mit Ausnahme eines schmalen Frequenz­ bandes, wo die Strahlung verschluckt wird. Diese schmalen strahlungsundurchlässigen Frequenzbänder liegen innerhalb des Bereichs des breiten Frequenzbandes der Strahlungsquelle 1 und sind mit Deltalambda 1, Deltalambda 2 und Deltalambda 3 bezeichnet. Die Durchlaßcharakteristik des weiteren Bereichs 17 des Wandlers 11 ist in Fig. 1b dargestellt. Die Fig. 1c zeigt die kombinierte Durchlaßcharakteristik der weiteren Bereiche 17 der beiden Wandler 11 und 12, während die Fig. 1d die Gesamtdurchlaßcharakteristik der weiteren Bereiche 17 aller drei Wandler 11, 12 und 13 wiedergibt.

Die faseroptische Leitung 2 verläuft durch alle drei Wandler 11 bis 13 hindurch, wobei die Leitung an jeweils einander gegenüberliegenden Seiten der Filterplatte 15 unterbrochen ist. Die an einem Leitungsende austretende Strahlung geht durch das jeweilige Filter 15 hindurch und tritt am gegenüberliegenden Leitungsende wieder ein. Je nach Stellung der Welle 14 schneidet hierbei die Strahlung den neutralen Bereich 16 oder den Filter­ bereich 17 der Filterplatte 15.

Das Frequenzspektrum der längs der Leitung 2 verlaufenden Strahlung nach jedem Wandler 11 bis 13 wird entsprechend den Fig. 1b bis 1d modifiziert, vorausgesetzt, daß die Welle jedes Wandlers 14 ganz eingeschoben ist, so daß die Strahlung jeweils durch den Filterbereich 17 der entsprechenden Filterplatte 15 hindurchgeht. Somit ergibt sich bei der Sensoreinheit 3 das Strahlungsspektrum gem. Fig. 1d, bei dem die Frequenzbänder Deltalambda 1, Deltalambda 2 und Deltalambda 3 wesentlich bedämpft sind.

Die Empfängereinheit 3 umfaßt einen Detektor 30, bei­ spielsweise eine Fotodiode, welche auf ein Strahlungs­ frequenzband anspricht, das zumindest die schmalen Fre­ quenzbänder Deltalambda 1, Deltalambda 2 und Deltalambda 3 erfaßt. Die Empfängereinheit 3 umfasst weiterhin ein veränderbares Filter 31, welches zwischen dem Ende der faseroptischen Leitung und dem Detektor 30 angeordnet ist, so daß die aus dem Leitungsende austretende Gesamt­ strahlung durch das Filter hindurchgehen muß, bevor es auf den Detektor auftrifft.

Das Filter 31 ist eine elektrooptische Vorrichtung mit einem schmalen Durchlaßband, das mittels einer elektrischen Steuerung von einer Einheit 32 auf verschiedene Wellenlängen verschoben werden kann, wie dies die Durchlaßcharakteristik von Fig. 1e wiedergibt. Alternativ dazu kann das Filter 31 an verschiedenen Bereichen seiner Oberfläche unterschied­ liche Durchlaßeigenschaften aufweisen, so daß beim Ver­ schieben des Filters Strahlung durch die verschiedenen Bereiche unterschiedlicher Durchlaßeigenschaft hindurch­ läßt. Die Steuereinheit 32 führt weiterhin Signale einer Ausgangseinheit 33 zu, der elektrische Ausgangssignale vom Detektor 30 zugeführt werden und welche Ausgangssignale an den drei Ausgangsleitungen 34 bis 36 erzeugt, wobei jeweils eine Ausgangsleitung einem der Wandler 11 bis 13 zugeordnet ist.

Es ist ersichtlich, daß im Betrieb die der Empfängerein­ heit 3 zugeführte Strahlungsintensität bei den Frequenz­ bändern Deltalambda 1, Deltalambda 2 und Deltalambda 3 abhängig ist von der Stellung der Welle 14 bei jedem Wandler 11 bis 13. Die Steuereinheit 32 verändert die Eigenschaften des Filters 31 so, daß sein Durchlaßband periodisch und aufeinanderfolgend im Frequenzbereich verschoben wird, das die Bänder Deltalambda 1, Delta­ lambda 2 und Deltalambda 3 abdeckt. Der Detektor 30 empfängt hierdurch aufeinanderfolgend Strahlung, die in diesen drei Bändern liegt und erzeugt demgemäß ent­ sprechende Ausgangssignale, die der Ausgangseinheit 33 zugeführt werden. Das Signal, das von der Steuereinheit 32 der Ausgangseinheit 33 zugeführt wird, zeigt an, welches Frequenzband augenblicklich durch das Filter 31 hindurchgelassen wird, wodurch der Wandler identifiziert wird, von welchem das jeweilige Frequenzband stammt. Die Ausgangseinheit 33 führt, ggfs. nach entsprechender Verstärkung und Kalibrierung ein Signal der jeweiligen Ausgangsleitung 34, 35 oder 36 zu, entsprechend der Stellung der Welle des jeweiligen Wandlers. Die in den Leitungen 34 bis 36 auftretenden Signale können einfache Ein-Aussignale sein, falls lediglich festgestellt werden soll, ob das einem Wandler 11 bis 13 zugeordnete Ventil sich in Ein- oder Ausschaltstellung befindet. In anderen Anwendungsfällen ist es jedoch wünschenswert Zwischen­ stellungen zwischen diesen Endstellungen zu erfassen, um ein Analog- oder Digitalsignal zu erzeugen, welches die jeweilige Zwischenstellung anzeigt. In einem solchen Anwendungsfall kann der Filterbereich bei jeder Filter­ platte jedes Wandlers fortschreitend über die Oberfläche der Filterplatte verlaufen, wodurch je nach Stellung der Filterplatte die Strahlendurchlässigkeit unterschied­ lich ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Bedämpfung innerhalb des schmalen Frequenzbandes über den Verlauf der Oberfläche der Filterplatte hinweg sich verändert in Richtung der Verschiebebewegung der Filterplatte. Entsprechend der Stellung der Filterplatte im Strahl verändert sich hierdurch die Amplitude der Strahlungsin­ tensität im jeweiligen Frequenzband.

Die Wandler können auf verschiedene Meßgrößen ansprechen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Höhe usw.

Es ist nicht erforderlich, daß die Wandler ein bewegliches Teil aufweisen. Sie können auch so aufgebaut sein, daß die Strahlendurchlässigkeit sich verändert in Überein­ stimmung der zu erfassenden Meßgröße. Beispielsweise können die Wandler eine Substanz aufweisen, die sich in Abhängigkeit von Temperaturänderungen verändert, derart, daß hierdurch die Strahlendurchlaßeigenschaft verändert wird. Wird ein bewegliches Teil verwendet, dann sollte diese bevorzugt reflektiv und weniger trans­ missiv sein.

Da die Ausgänge der Wandler nacheinander erfaßt werden, ergeben sich diskontinuierliche Ausgänge. Ist jedoch die Abtastgeschwindigkeit groß, ist dies für die meisten Anwendungsfälle ausreichend, mit Ausnahme von den Fällen, wo eine sehr rasche Meßgrößenänderung zu erfassen ist. Das System weist den Vorteil auf, daß nur eine einzige Strahlungsquelle und nur ein einziger Detektor benötigt werden, wodurch das System einfach aufgebaut ist. Fällt die Strahlungsquelle aus, dann kann dies sofort durch einen völligen Signalausfall beim Empfänger ermittelt werden. Hierdurch ist es möglich, das System sofort insgesamt außer Betrieb zu setzen.

Claims (10)

1. Optisches Multiplexsystem mit mindestens einer Strah­ lungsquelle und mindestens einer Empfängereinheit sowie mehreren im Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Empfängereinheit angeordneten Meßwertwandlern, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah­ lungsquelle (1) ein breites Strahlungsfrequenzband aufweist, die Wandler (11 bis 13) auf jeweils schmales Frequenzband ansprechen, die voneinander unterschied­ lich sind, jedoch innerhalb des breiten Strahlungs­ frequenzbandes liegen und der Empfänger auf die schmalen Frequenzbänder anspricht und für jedes schmale Frequenz­ band ein Ausgangssignal erzeugt.

2. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (11 bis 13) ein bewegliches Teil (15) mit verschiedenen Strahlendurchlaßeigenschaften in verschiedenen Bereichen des Teils (15) aufweist und das je nach seiner Stellung die Strahlungseigenschaften am Wandlerausgang verändert.

3. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil (15) einen ersten Bereich (16) mit einem breiten Durchlaßband und einen zweiten Bereich (17) aufweist, welches die Strahlung in einem schmalen Frequenzband bedämpft.

4. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil (15) eine Strahleneigenschaft aufweist, die sich fortschreitend über das Teil (15) hinweg verändert.

5. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil (15) optisch transparent ist und in verschiedenen Bereichen (16, 17) seiner Oberfläche unterschiedliche Strahlendurchlaßeigen­ schaften aufweist.

6. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (3) einen Detektor (30) aufweist, der auf jedes der schmalen Frequenzbänder anspricht und vor dem Detektor (30) ein Filter (31) angeordnet ist, das einstellbar Strahlung jeweils nur innerhalb eines der schmalen Frequenzbänder hindurchläßt.

7. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (31) eine elektrooptische Vorrichtung ist, die ein schmales Durchlaßband aufweist, das elektrisch gesteuert auf verschiedene Frequenzen einstellbar ist.

8. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (31) in verschiedenen Bereichen seiner Oberfläche unter­ schiedliche Durchlaßeigenschaften aufweist und der Empfänger (3) eine Verschiebeeinrichtung für das Filter (31) aufweist, welche die verschiedenen Bereiche aufeinanderfolgend vor den Detektor (30) schiebt.

9. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Strahlenleitung, die bevorzugt aus einer faseroptischen Leitung (2) besteht, zwischen der Strahlungsquelle (1) und dem Empfänger (3) angeordnet ist.

10. Verfahren zum Betrieb eines optischen Multiplex­ systems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von der Strahlungs­ quelle (1) Strahlung mit einem breiten Frequenzband emittiert wird, die Wandler (11 bis 13) auf jeweils ein schmales Frequenzband innerhalb des breiten Frequenzbandes ansprechen und die schmalen Frequenz­ bänder zueinander unterschiedlich sind und die Strahlung von den Wandlern (11 bis 13) über eine einzige opti­ sche Strahlenleitung (2) einem optischen Strahlungs­ empfänger (3) zugeführt wird.