DE3687966T2

DE3687966T2 - Verfahren und apparat zur bestimmung einer messgroesse.

Info

Publication number: DE3687966T2
Application number: DE8686904503T
Authority: DE
Inventors: C Gilby; E Ihnat
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1986-06-05
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2006-06-06
Also published as: CA1272390A; EP0229822A1; AU6124886A; DE3687966D1; AU579981B2; WO1987000618A1; NO871064L; KR880700248A; JPS63500331A; US4713540A; KR940011933B1; EP0229822B1; NO871064D0

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoren zur Verwendung in der Verfahrens- oder Prozeßregelindustrie und betrifft insbesondere am Einsatzort angeordnete (field located) Vorrichtungen oder Geräte, welche Verfahrensregel-Meßgrößen oder physikalische Parameter messen und zu einem Steuer- oder Regelraum übertragen. Die speziellen Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung werden photokinetisch angeregt und optisch detektiert (abgegriffen), etwa durch Faseroptik. Typische Meßgrößen sind Temperatur, Druck, Differenz- oder Wirkdruck, Strömung(smenge), Pegel oder Füllstand und die verschiedenen Ableitungen dieser physikalischen Parameter.

2. Hintergrund des Stands der Technik

Sobald die Vorteile der auf Faseroptik basierenden Kommunikation oder Übermittlung und der Regelung industrieller Prozesse besser bekannt wurden, wurde zunehmend Wert auf die Anwendung verschiedener Methoden der einfachen, kostensparenden und zuverlässigen Übermittlung von Niedrigpegel- Strahlungsenergie über Faseroptiken (Lichtleiter) zur Meßstelle gelegt, um die gewünschte Messung vorzunehmen und die Meßinformation auf Faseroptikstrecken zum Regel- und Meßort zurückzuführen. Unter den zahlreichen Problemen, mit denen Konstrukteure solcher Prozeßregelsysteme konfrontiert sind, befinden sich die Notwendigkeit der Minimierung der Niedriglichtpegel-Optik- oder -Lichtleiterstrecken und der Vornahme genauer und zuverlässiger Messungen in der Weise, daß die gewonnene Meßinformation mittels Faseroptiksignalen übermittelt werden kann.
Die EP-A-90 167 offenbart ein Instrumentierungssystem für die Messung von Prozeßveränderlichen. Bei diesem System wird ein Resonanzdraht durch den von einem Transformator gelieferten Wechselstrom zum Schwingen gebracht. Das Eingangssignal des Transformators wird durch eine Photodiode geliefert, die ihrerseits über eine Lichtleiterfaser (optische Faser) mit Licht beschickt wird. Die Umsetzung der optischen Energie in elektrische Energie ist mit Verlusten behaftet und verlangt den Transformator und die Photodiode an der Prozeßstelle. Ferner gibt es dabei Anwendungs- oder Einsatzgebiete, in denen der vom Transformator eingenommene Raum an der Prozeßstelle kaum verfügbar ist.
Ein Verfahren und ein Apparat bzw. Gerät, wie sie im Oberbegriffsteil von Anspruch 1 und 6 angegeben sind, sind in der US-A- 4 379 226 offenbart, die ein Gerät beschreibt, bei dem ein Lichtstrahl über ein Faseroptikkabel zu einer Modulationsvorrichtung, etwa einem schwingenden Faden, einer Kugel oder Platte, übertragen wird. Der Bereich, in welchem der Resonator angeregt wird, und der Bereich, in welchem die Schwingung gemessen (abgegriffen) wird, sind jedoch bei diesem Stand der Technik praktisch identisch.
Es ist bekannt, daß ein Strahl von Dauerlicht längs einer ersten Faseroptikstrecke geschickt, moduliert und über weitere Faseroptikstrecken zu einer Meßstelle zurückgeleitet werden kann. Vgl. US-PSen 4 345 482, 4 275 295 und 4 521 684. Es ist auch bekannt, daß eine erste Wellenlänge von Strahlungsenergie zur Aktivierung eines Resonanzdrahtsensors längs einer Faseroptikstrecke geschickt und eine zweite Wellenlänge von Strahlungsenergie längs der gleichen Faseroptikstrecke geleitet werden kann, um Drahtschwingungen zu messen oder abzugreifen und ein Signal, das mit den Schwingungen des Drahts variiert, zurückzuführen. Vgl. US-PS 4 521 684.
Die Fernanregung und -messung mittels Faseroptikeinrichtung(en) ist in "A Vibrating Wire Sensor with Optical Fibre Links and Force Measurement", von B.E. Jones and G.S. Philp, Papier Nr. 05.1, "Sensors and Their Applications", UMIST Manchester (UK), 20-22. September 1983, dargelegt. Gemäß dieser Offenbarung wird die Meßgröße durch Umwandlung des pysikalischen Parameters in eine Kraftänderung abgegriffen, welche die auf den Resonanzdraht ausgeübte Zugspannung beeinflußt. Die bekannten Methoden zur Fernmessung und -übermittlung mittels Faseroptikeinrichtungen benötigen sämtlich Mehrfach-Licht(leit)strecken, unabhängige Quellen von Schwingungsenergie für das Resonanzelement, eine Zwischenumwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und Strahlungsenergiepegel vergleichsweise hoher Leistung, um über die Faseroptikstrecke geführt zu werden. Zahlreiche Konfigurationen, die keine getrennte Energiequelle am Sensorort benötigen, erfordern dennoch elektrische Energieleistungsumwandlungsanordnungen, welche die Konstruktion einschränken.
Doppelseitige Stimmgabeln, welche den als Resonator für die Erfindung nötigen hohen "Q"-Wert zeigen, sind in der US- PS 4 372 173 beschrieben. Es sind auch andere mechanische Resonanzstrukturen bekannt, welche die Frequenz mit der angelegten oder einwirkenden Kraft verändern, wie Resonanzdrähte oder -bänder und andere piezoelektrische Kristalle.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät der oben angegebenen Art zu entwickeln, die eine wirksame Erregung oder Anregung der mechanischen Resonanzstruktur erlauben.
Diese Aufgaben werden durch ein Gerät gelöst, das neben den im Oberbegriffsteil von Anspruch 1 zusammengefaßten Merkmalen auch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale nutzt. Unter Verfahrensgesichtspunkten werden die obengenannten Aufgaben durch das im Oberbegriffsteil von Anspruch 6 angegebene Verfahren gelöst, das durch zusätzliche Anwendung weiterer Verfahrensschritte, wie sie im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegeben sind, verbessert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es besteht ein großer Bedarf nach niedrige Leistung besitzenden optischen Meßgrößen- oder physikalischen Parameter- Sensoren, die für Prozeßsteuer- oder -regelzwecke geeignet sind; diese Sensoren gewährleisten sowohl Betrieb niedriger Leistung als auch Freiheit von elektromagnetischer Interferenz (EMI) und Beschädigungsempfindlichkeit durch elektromagnetische Impulse.
Für die Zwecke dieser begrenzten Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Prozeßregelung" auf sowohl Prozesse mit einzelner Veränderlicher als auch Prozesse mit komplexen Mehrfachveränderlichen mit einer großen Zahl von geregelten Prozeßbedingungen, die sich als physikalische Parameter oder "Meßgrößen" kennzeichnen lassen, wie Fluidströmung, Strömungsmenge, Temperatur, Druck, Wirkdruck, Füllstand oder dergleichen.
Insbesondere beinhaltet der Ausdruck "Stimmgabel" Stimmgabelstrukturen der ein- und doppelseitigen Ausführung sowie Stimmgabelstrukturen mit mehreren Zinken.
Der vorliegend benutzte Ausdruck "Strahlungsenergie" umfaßt Energie von Infrarot-, Ultraviolett- und sichtbarer Lichtenergie. Aus Vereinfachungsgründen kann eine solche Strahlungsenergie allgemein und ohne Einschränkung als "Licht" oder Lichtenergie bezeichnet werden. Diese Strahlungsenergie kann als "beständig/gleichförmig" oder "kontinuierlich" oder kontinuierliche Welle" beschrieben werden, um sie von Strahlungsenergiesignalen zu unterscheiden, die zur Führung von Information modifiziert (worden) sind. Der Ausdruck "Strahlungsenergie" bezieht sich spezifisch auf sowohl kohärente als auch inkohärente Lichtenergie. "Modulation" wird vorliegend im weiten Sinne benutzt; dies soll sich auf einen Prozeß der Modifizierung einiger Eigenschaften oder Charakteristika eines Lichtstrahls, so daß er im Schritt oder Takt mit dem Augenblickswert eines anderen Signals variiert, beziehen und kann vorliegend spezifisch für die Beschreibung der Amplitudenmodulation benutzt werden. Der benutzte Ausdruck "beständige" oder "Dauer"-Strahlungsenergie bezieht sich auf Strahlungsenergie praktisch konstanter Intensitätspegel (d. h. ohne kurzzeitige Änderung der Intensität) und mit sich praktisch nicht verändernder spektraler Verteilung. Bezüglich Lichtsignalen, die Information führen, werden die Ausdrücke "geschaltet" (d. h. "zerhackt") ("shuttered") und "unterbrochen" benutzt, um auf moduliertes Licht sowie den Mechanismus, durch den die Modulation erfolgt,hinzuweisen. Die für die Anregung der Resonanzstruktur benutzte Strahlungsenergie wird allgemein als "Treiber"- oder Anregungsenergie bezeichnet, während die zu den Sensoren zum Abnehmen von Meßgrößennachricht gesandte Strahlungsenergie als "Abgreif"- Licht oder -Energie bezeichnet wird. Die die Nachricht tragende Strahlungsenergie wird als "Abgreif- bzw. Meßsignal"-Licht oder "moduliertes Abgreif- oder Meßlicht" bezeichnet.
"Fluide" umfassen Gase und/oder Flüssigkeiten. Der Ausdruck "Kraft" soll gegebene physikalische Parameter oder Erscheinungen beschreiben, die einen Körper zu bewegen oder seine Bewegung zu modifizieren vermögen; insbesondere beinhaltet er die pro Flächeneinheit ausgeübte Kraft (Druck) sowie jeden Parameter oder jede Erscheinung, der bzw. die in Druck umwandelbar ist. Es ist jedoch zu beachten, daß es allgemein die auf den Resonator wirkende Kraft ist, welche die Frequenz des Resonators variieren läßt. In einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt allerdings eine Temperaturänderung eine Änderung im Elastizitätsmodul eines Resonators für die Bestimmung von Temperatur als Meßgröße.
Der Ausdruck "Wandler" wird zur Beschreibung einer Vorrichtung zum Umwandeln von Energie aus der einen Form in eine andere benutzt; die verwendeten Ausdrücke "optoelektrischer Wandler" und "elektrooptischer Wandler" beschreiben spezifischer die Klasse von Vorrichtungen, die für die Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und von elektrischer Energie in Strahlungsenergie geeignet sind.
Bei einem System (z. B. einem Prozeßregelsystem), bei dem eine Fernerfassung einer oder mehrerer Meßgrößen erforderlich ist, sieht die vorliegende Erfindung ein Gerät zur Verwendung bei der Messung der Meßgröße oder Meßgrößen durch direkte photokinetische Stimmulation von und optische Erfassung durch mechanische Resonanzstruktursensoren vor. Die Erfindung umfaßt eine mechanische Resonanzstruktur eines hohen "Q"-Werts in Form einer Stimmgabel.
Die Stimmgabel (Resonator) empfängt den physikalischen Parameter als Moduländerung oder als eine Kraft zur Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators. Licht wird über die Faseroptik zum Resonator geschickt, an welchem es einwirkt, um eine örtliche Erwärmung über eine kleine Fläche des Resonators, z. B. die Anregungsstelle, zu erzeugen. Dieser Erwärmungseffekt erzeugt einen thermischen Strom, der in Kalorien pro Sekunde gemessen werden kann. Die thermische Stromdichte ist der Lichtintensität proportional. Nur die sich zeitabhängig ändernde Komponente des auf die Anregungsstelle fallenden Lichts ist für die Ansteuerung des Resonators nützlich, weil es diese sich zeitabhängig ändernde Komponente ist, die von örtlichen Temperaturgradienten innerhalb des Resonatormediums begleitet ist. Die Erwärmung bewirkt eine Ausdehnung und (mechanische) Spannung im Resonator. Die örtliche Erwärmung wird verstärkt, wenn die Anregungsstelle Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie aufweist. Verschiedene Dünnfilme, z. B. aus Metall, sind (hierfür) geeignet. Die wirksame Absorption und Umwandlung in Wärme ist vorteilhaft. Indem die Strahlungsenergie veranlaßt wird, ihre Intensität an der Erwärmungsstelle im Zeitverlauf regelmäßig zu variieren, kann der Resonator für Schwingung angeregt werden. Ebenso kann Licht zu einer geeigneten Schwingfläche des Resonators geleitet und ein Teil dieses Lichts zu einer anderen Stehle zurückgeführt und erfaßt werden. Das Anregungslicht kann eine erste Wellenlänge besitzen, die selektiv zum Anregungsbereich gerichtet wird, und das Meß- oder Abgreiflicht kann eine zweite Wellenlänge aufweisen, die von der ersten Wellenlänge unterscheidbar ist und selektiv zur Resonatorschwingfläche gerichtet und längs des gleichen Lichtleiters zurückreflektiert wird. In diesem Fall überträgt ein einziger Lichtleiter sowohl das Anregungslicht als auch das Meß- oder Abgreiflicht zur Sensorstelle, und er führt auch das modulierte Meß- oder Abgreiflicht zu einer Steuer- oder Regelstation zurück. Ein herkömmlicher Detektor, eine Rückkopplungsregelschleife und eine Signalausgabeschaltung, die in einigen der beigefügten Darstellungen nicht veranschaulicht sind, sind an der Zentralstation angeordnet, um die (Rückkopplungs-)Regelschleife zu vervollständigen, die nötig ist, um die Ansteuerschwingung des Resonators über optische Mittel zu erhalten.
In anderer Ausführungsform können sowohl das Anregungslicht als auch das Meß- oder Abgeiflicht längs eines Lichtleiters geschickt und zu einem Punkt in der Nähe des Resonators geführt werden, an welchem der Resonator das Licht teilweise behindert und verschlußmäßig schaltet, wobei ein Teil davon als moduliertes Meß- oder Abgreiflicht zurückgeführt wird. Ein Teil des Lichts bleibt anfänglich durch die Verschlußschaltwirkung unbehindert. Durch Übertragung mindestens eines Teils des verschlußmäßig geschalteten Lichts zu einer anderen Stelle am Resonator (z. B. über einen kurzen Lichtleiter) kann das Licht dazu benutzt werden, die lokalisierte bzw. örtliche Erwärmung herbeizuführen, die für die Einleitung und Erhaltung der Anregung erforderlich ist. In diesem letzteren Fall muß die Phasenbeziehung zwischen dem verschlußmäßigen Schalten des Lichts und der Anlegung des Lichts an den Resonator zur Herbeiführung von Schwingung für optimalen Betrieb sorgfältig gewählt werden.
Es ist zu erwähnen, daß die örtliche Erwärmungswirkung auf verschiedene Stellen an der Oberfläche des Resonators zur Einwirkung gebracht werden kann. Im Fall von einseitigen und doppelseitigen gegabelten Stimmgabeln haben die Erfinder jedoch festgestellt, daß das Einwirkenlassen der Strahlungsenergie auf die Gabelbasis der Stimmgabel besonders wünschenswert bzw. zweckmäßig ist. Das Meß- oder Abgreiflichtsignal wird allgemein am besten zu einer Stelle beträchtlicher Bewegung gerichtet, um eine maximale Abgreifsignalmodulation vor der Rückführung für Erfassung zu erreichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zahlreiche Merkmale der vorliegend offenbarten Erfindung ergeben sich bei einer Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren der einen Teil der Offenbarung bildenden Zeichnung, wobei in allen Darstellungen gleiche Bezugsziffern für entsprechende Bauelemente stehen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfindung für Diskussionszwecke,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Doppelstimmgabel für die Veranschaulichung bestimmter Stellen für die Anlegung des Anregungssginals und für das Richten/Reflektieren des Meß- oder Abgreifssignals,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines bisherigen Verfahrens zur Durchführung einer Meßgrößen-Bestimmungsaufgabe, wobei jedoch eine Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie und dann in elektromagnetische Kräfte erforderlich ist, um den Resonator anzusteuern,
Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher getrennte Lichtleiterstrecken für a) die Übermittlung des Anregungslichtsignals und b) für Übermittlung des Meß- oder Abgreifsignals zum Sensor und zum Rückführen des modulierten Meß- oder Abgreifsignals für Detektion bzw. Bestimmung vorgesehen sind,
Fig. 5 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine einzige Lichtleiterstrecke verwendet wird, um das Anregungslichtsignal und das Meß- oder Abgreifsignallicht zum Sensor zu übermitteln sowie das modulierte Meß- oder Abgreifsignal zur Regelstation zurückzuübertragen,
Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine einzige Lichtleiterstrecke benutzt wird, um ein einziges Lichtsignal zum Sensor sowohl als Anregungssignal als auch als Meß- oder Abgreifsignal zu übertragen, wobei das modulierte Abgreifrücklaufsignal ebenfalls auf der einzigen Lichtleiterstrecke geführt wird,
Fig. 7 einen durch eine einzige Phaseroptikeinrichtung angesteuerten und abgegriffenen Resonator, bei dem temperaturinduzierte Änderungen des Elastizitätsmoduls des Resonators Temperaturmessung ermöglichen, und
Fig. 8 die bevorzugten Anregungsstellen sowie die bevorzugten Abgreif- und/oder Anregungsstellen an einer Doppelstimmgabel.
Aufgrund des weiten Varitationsbereichs bei der Ausführung der Erfindung ist diese Beschreibung auf verschiedene, den Erfindern bekannte Anwendungsfälle beschränkt, um die Erfindung zu verdeutlichen, ihren Rahmen jedoch nicht einzuschränken.
In Fig. 1 sind die Grundelemente des Meßgrößen-Sensorgeräts 10 dargestellt, bei dem ein Wandler 13 an einer von einer Fernstation 12 oder Steuer- bzw. Regelstation entfernten Prozeßstelle 11 angeordnet ist. Ein physikalischer Parameter (vorliegend als mit "p" bezeichneter Pfeil gekennzeichnet) wird zum Wandler 13 geleitet, der mit der Regelstation über eine oder mehrere Faseroptikstrecken 14 in Form von optischen Fasern bzw. Lichtleitfasern verbunden ist. Die Regelstation 12 enthält eine Meß- oder Abgreiflichtquelle 15, eine Treiberlichtquelle 16, einen Meß- oder Abgreifdetektor 17 und eine Rückkopplungsschaltung 18, die an die regelstationsseitigen Enden der Faseroptikstrecken angeschlossen sind.
Im Betrieb schickt die Treiberlichtquelle 16 ein Lichtsignal über mindestens eine der Lichtleitfasern zum Wandler 13, wobei das Licht einen im Wandler 13 enthaltenen Resonator zu Schwingung anregt. Die Meß- oder Abgreiflichtquelle 15 schickt Meß- oder Abgreiflicht über mindestens eine der Lichtleitfasern zum Wandler 13, wobei diesem meßlichtzeitabhängige Änderungen (Modulation) auf geprägt werden, die auf die Messung des physikalischen Parameters p bezogen sind. Der Wandler 13 liefert das modulierte Meßlicht zum Meß- oder Abgreifdetektor 17 zurück, der beispielsweise eine Photodiode sein kann, die sich an der Regelstation 12 befinden kann. Die Photodiode umfaßt einen photoelektrischen Wandler, der die modulierte Meßlichtenergie in ein elektrisches Signal umwandelt; dieses elektrische Signal kann auf erforderliche Weise verstärkt und über die Rückkopplungsschaltung 18 zur Treiberlichtquelle übertragen werden, um einen kontinuierlichen Strom oder Fluß von Treiberenergieimpulsen zur Treiberlichtquelle 16 zu liefern und damit die (Rückkopplungs-)Regelschleife zu schließen. In einer in Verbindung mit Fig. 6 noch zu beschreibenden Ausführungsform der Erfindung wird die Rückkopplungsschaltung nicht benutzt, wobei nur die Dauer- (Einschwingzustand-)Treiberenergie benötigt wird.
Fig. 2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung zur besseren Veranschaulichung, wie der spezielle Resonanzsensor gemäß der vorliegenden Erfindung angeregt wird. In diesem Fall ist der Resonanzsensor ein Doppelbalkengegenstand, der üblicherweise als doppelseitige oder Doppel-Stimmgabel 20 bezeichnet wird (zeitweilig auch als DTF-Element abgekürzt). Der Sensor befindet sich an einer Prozeßstelle 1 innerhalb des erwähnten Wandlers 13. Eine Steuer- oder Regelstation 12 enthält eine Treiberlichtquelle 16 sowie eine Meß- und Ausgangsschaltung 19. An der Prozeßstelle 11 enthält die Doppelstimmgabel 20 zwei wesentliche Bereiche, nämlich eine Resonatormeß- oder -abgreifstelle 24 und eine Anregungsstelle, im vorliegenden Fall die Gabelbasis 23 der Doppelstimmgabel. Die vorliegend lediglich aus Verdeutlichungsgründen in größerem Maßstab und perspektivisch dargestellte Doppelstimmgabel ist mit der Regelstation über eine Faseroptikstrecke, wie die Lichtleitfaser 14, verbunden. Die Meß- und Ausgangsschaltung 19 und die Treiberlichtquelle 16 sind längs einer Rückkopplungsstrecke 25 miteinander verbunden.
Im Betrieb wird Licht von der LED-Treiberlichtquelle 16 über eine Lichtleitfaser zum Resonator 20 geschickt, wobei es die Doppelstimmgabel 20 an einer Anregungsstelle, wie der Gabelbasis 23 beaufschlagt. Es wird angenommen, daß Photonen die Doppelstimmgabel 20 photokinetisch anregen, indem sie an der Anregungsstelle 23 Wärme (und damit mechanische Spannung) erzeugen. Das von der Treiberlichtquelle 16 abgegebene Licht wird im Zeitverlauf regelmäßig in seiner Intensität variiert, so daß eine regelmäßig auftretende, wärmeinduzierte mechanische Spannung oder Belastung an der Anregungsstelle 23 auftritt und damit Schwingung des Resonators 20 eingeleitet wird. Bei der Schwingung der Doppelstimmgabel 20 erfahren die Zinken- oder Balkenelemente derselben eine Durchbiegung, so daß sich die Zinken nahe der Stelle 24 senkrecht zur Achse der Lichtleitfaser hin- und herbewegen. Einschwingzustand- oder CW-Licht wird über die obere Lichtleitfaser 14 geschickt, um die Gabelzinke an der Resonator-Meßstelle 24 zu beleuchten. Die Oberfläche der Gabelzinke kann durch Reflexion eine zeitlich variierende Intensität des Lichts von der Gabel zur Meß- und Ausgangsschaltung 19 zurückleiten, wobei an dieser Schaltung die zeitlich variierende Intensität erfaßt bzw. abgenommen und in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Das elektrische Signal wird längs der Strecke 25 zur Treiberlichtquelle 16 zurückgeleitet, um die Oszillatorregelschleife zu schließen. Der zu messende physikalische Parameter p wird oder ist an die Stimmgabel angekoppelt, um eine auf den Wert der Meßgröße bezogene Änderung der Frequenz derselben herbeizuführen. Ein Teil des elektrischen Signals kann als elektrisches Analoges der Resonanzfrequenz ausgegeben werden.
In Fig. 3 ist die betreffende, von Jones und Philp veröffentlichte Arbeit dargestellt. Ein dünner Draht ist zwischen einem Ankerpfosten und einer Druckmembran gespannt. Der Draht ist zwischen den Polen eines Dauermagneten angeordnet, und die beiden Enden des Drahts sind über einen Anpaßtransformator elektrisch mit einer Photodiode (Nr.) 1 verbunden. Wenn Licht wechselnder Intensität von einer Leuchtdiode oder LED 1 über eine Lichtleitfaser zur Photodiode 1 geschickt wird, wird ein Wechselstrom durch den Draht getrieben, wodurch dieser in einer Ebene senkrecht zu der durch den Strom und das Magnetfeld definierten Ebene auf einer Frequenz bewegt wird, die derjenigen der Intensitätsschwankungen gleich ist. Die Bewegung des Drahts wird durch zwei parallele Lichtleitfasern abgegriffen, die in der Bewegungsebene des Drahts angeordnet sind. Die erste dieser Fasern wird mit Licht einer nominell konstanten Intensität von einer LED 2 in der Steuereinheit gespeist. Beim Austritt aus der Faser am Meßkopf beleuchtet dieses Licht den Draht. Ein Teil des Lichts wird in die zweite dieser Fasern zurückreflektiert und zur Steuereinheit zurückgeleitet. Die Intensität dieses zurückgeführten Lichts ist eine Funktion der Position des Drahts relativ zu den Faserenden. Bei der Schwingung des Drahts wird demzufolge eine wechselnde Lichtintensität in Phase mit der Schwingung zur Steuereinheit zurückgeführt. Dieses Licht wird durch die Photodiode 2 in einen elektrischen Strom umgewandelt, in der Steuereinheit verstärkt und zum Teil zum Ansteuern der LED 1 in Resonanz mit dem Draht benutzt.
In Fig. 4 ist eine Version eines Meßgrößensensors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, der nur zwei Faseroptikstrecken 14 benötigt. Ein Wandler 13 ist angeordnet zum Messen der Größe eines unbekannten physikalischen Parameters (p). Der Wandler 13 ist an einer Prozeßstelle 11 angeordnet und über Faseroptikstrecken 14 mit einer Steuer- oder Regelstation gekoppelt, in welcher Signalerzeugungs- und Verarbeitungsausrüstung angeordnet ist. Obgleich schematisch als zwei getrennte Faseroptikstrecken dargestellt, ist zu beachten, daß für typische Prozeßinstallationen, bei denen der Abstand zwischen Feldinstrumenten und der Regelstation etwa eine Meile beträgt, diese beiden Lichtleitfasern 14 mit entsprechender Verkleidung oder Ummantelung in ein einziges Kabel eingeschlossen sein können, um die Strahlungsenergie oder das Licht zu übertragen.
Im linken Abschnitt von Fig. 4 sind die mechanischen Hauptelemente des Wandlers 13 dargestellt, der bei diesem Beispiel als Doppelstimmgabel-Resonator 20 aus Veranschaulichungsgründen und nicht einschränkend veranschaulicht ist. Diese Anordnung, bestehend aus einem an einem proximalen Ende 21 sicher befestigten Resonator, ist so ausgelegt, daß der physikalische Parameter p dem Resonator als eine auf das distale Ende 22 einwirkende Kraft zugeführt wird.
Die Arbeitsweise des Resonators ist für Fachleute auf dem Gebiet mechanischer Resonatoren offensichtlich; für andere Personen sei sie im folgenden kurz erläutert. Ein an beiden Enden festgelegter Balken ändert unter einer Biegeschwingung seine Frequenz, wenn eine axiale (mechanische) Spannung an ihn angelegt ist oder wird oder wenn sich sein Elastizitätsmodul ändert. Bei der vorliegenden neuen Erfindung arbeitet der Sensor üblicherweise durch Anlegung eines Strahlungsenergielichtstrahls (dessen Intensität im Zeitablauf regelmäßig variiert wird) an eine Anregungsstelle 23, um damit eine Schwingung des Resonators 20 einzuführen. Wenn das Resonatormaterial nicht an sich Strahlungsenergie zu absorbieren vermag, beispielsweise wenn eine Doppelstimmgabel aus Schmelzquarz hergestellt ist, ist der photokinetische Ansteuer- oder Treiberwirkungsgrad vergleichsweise niedrig. Der Wirkungsgrad bzw. die Wirksamkeit der Anregung wird durch Einschluß eines strahlungsenergieabsorbierenden Materials an der Anregungsstelle erheblich verbessert, wenn ein solches Material die Ausdehnungsspannung auf das Resonatormaterial zu übertragen vermag. Für diesen Zweck ist Molybdän bereits erfolgreich verwendet worden. Durch Ausübung einer anderen (mechanischen) Spannung, üblicherweise auf der Längsachse der Doppelstimmgabel 20, wobei diese Spannung auf den zu messenden physikalischen Parameter p bezogen ist, kann die Resonanzfrequenz der schwingenden Gabelzinken genau zum physikalischen Parameter in Beziehung gebracht werden. Eine einseitige Stimmgabel kann durch Anlegung der regelmäßig variierenden Lichtstrahlenergie unmittelbar auf die Gabelbasis der Stimmgabel und Abgreifen der Schwingung am frei liegenden Ende einer der Zinken angesteuert werden (vgl. auch Fig. 7). Wenn sich die Temperatur (z. B. der physikalische Parameter p) des Resonators ändert, ändert sich auch der Elastizitätsmodul des Zinkenmaterials. Diese Effekte bewirken, daß sich die Resonanzfrequenz des Resonators mit der Temperatur ändert.
Gemäß Fig. 4 verläuft die Lichtleitfaser 14 von der Steuer- oder Regelstation 12 zur Sensorstelle 11, wobei sie zu einer Stelle an oder nahe der Gabelbasis der Doppelstimmgabel 20, vorliegend als Anregungsstelle 23 bezeichnet, geführt ist.
Im Betrieb liefert die elektrooptische Schaltung in der Regelstation 12 gemäß Fig. 4 die Systemansteuerenergie über eine geregelte Gleichstromversorgung 30, die einen Spannungseingang bzw. eine Eingangsspannung zu einer Leuchtdiodenbzw. LED-Meßlichtquelle 15 und einem Leistungsverstärker 29 liefert, der seinerseits eine zweite Treiberlichtquellen-LED 16 mit Strom speist. Die LED 15 liefert in Verbindung mit zwei Mikrolinsen 34 und einem Strahlteiler 36 Dauerzustands- oder Einschwingzustandslicht in die Meß- oder Abgreiflichtleitfaser für die Übertragung zum Resonator 20. Die Verwendung von Mikrolinsen 34 an optischen Grenzflächen oder Schnittstellen im gesamten System zur Verbesserung der optischen Energieübertragung ist dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig. Derartige Linsen sind von der Firma Nippon Sheet Glass Company im Handel erhältlich. Anstelle der dargestellten Strahlteiler können Faseroptikkoppler verwendet werden, die sowohl für Einfach- als auch für Mehrfachmodusfasern geeignet sind.
Ersichtlicherweise bildet diese Gesamtanordnung, bestehend aus einem Gemisch aus elektrischen, mechanischen, thermischen und optischen Elementen, einen Regelschleifenoszillator. Wie weiterhin für den Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, kann das System unter Nutzung zweckmäßiger Verstärkungs- und Phasenverschiebungswahl für Selbststart auf vorliegendes elektrisches Störsignal oder auch auf geringfügige Schwingungen, die im Resonator 20 induziert werden, ausgelegt sein oder werden, so daß die Regelschleife innerhalb weniger Betriebszyklen oder -perioden auf Resonanz geht.
Bei näherer Betrachtung der Arbeitsweise des Systems gemäß Fig. 4, und unter der Annahme, daß der Resonator 20 zu schwingen begonnen hat, wird ein elektrisches Wechselspannungssignal am Meßdetektor, d. h. der Photodiode 17 erzeugt, dessen Frequenz gleich der des Resonators ist. Dieses Wechselspannungssignal wird sodann an eine Rückkopplungsschaltung 18 angelegt. Dieses Netz 18 besteht aus einem Verstärker, vorzugsweise einem Niederpegel-Wechselstromverstärker 26 zum Verstärken des Signals vom Meßdetektor, d. h. der Photodiode 17; einer Korrektur- oder Phasenschiebeschaltung 27 zum Kompensieren von Phasendifferenzen innerhalb der Regelschleife zwecks Erhaltung der Schwingung; einem Impulsformer 28 und einem Verstärker bzw. Leistungsverstärker 29. Das Ausgangssignal des Verstärkers 29 wird zur Ansteuer- oder Treiberspannung für die Treiberlichtquelle bzw. LED 16, die hierdurch veranlaßt wird, eine Reihe von Lichtimpulsen zu emittieren. Bei Übertragung dieser Lichtimpulse über eine andere Mikrolinse 34 und die obere Lichtleitfaser 14 zum Resonator 20 an der Resonator-Anregungsstelle (in diesem Fall an der Gabelbasis 23 der Doppelstimmgabel) erzeugen oder bewirken diese Lichtimpulse eine örtliche Erwärmung an der Gabelbasis, welche Bewegungen des Resonators hervorruft, die genau mit der Bewegung der Doppelstimmgabel 20 synchronisiert sind, so daß bei jedem der aufeinanderfolgenden Impulse eine Auslenkung des Resonators erfolgt. Das Ausgangssignal des Impulsformers 28 repräsentiert also die Resonanzfrequenz der Schwingung und damit eine analoge Größe der Meßgröße, d. h. des physikalischen Parameters p. Dieses Frequenzsignal kann unmittelbar an einer Klemme 31 ausgelesen werden, welche die Frequenzausgangsklemme bildet, oder es kann wahlweise einem Wandler, z. B. einem Frequenz/Gleichstrom-Wandler 32 zugespeist werden, um ein-auf die Meßgröße bezogenes Gleichspannungs- oder Gleichstromsteuersignal zu erzeugen.
Auf ähnliche Weise werden durch Änderungen der Meßgröße hervorgerufene Änderungen der Resonanzfrequenz der Schwingung optisch detektiert und innerhalb der Regelschleifen-Rückkopplungsschaltung 18 automatisch kompensiert, um ein neues Ausgangssignal zu liefern, das für die Änderung des Prozeßparameters p repräsentativ ist. Die Konstruktionseinzelheiten einer zweckmäßigen Rückkopplungsschaltung der oben beschriebenen Art liegen innerhalb des Fachwissens des zuständigen Fachmanns.
In Fig. 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die eine einzelne oder einzige Lichtleitfaser für die Übermittlung zwischen der Prozeßstelle und der Steuer- oder Regelstation enthält. Für diesen Zweck kann die Meßgrößensensoranordnung 10 gemäß Fig. 5 besonders vorteilhaft sein. Der Einfachheit halber sind Einzelheiten der elektronischen Treiber- und Rückkopplungsschaltung weggelassen worden; es braucht hier nur erwähnt zu werden, daß deren Arbeitsweise ähnlich ist, wie sie bereits oben in Verbindung mit Fig. 4 im einzelnen erläutert worden ist. Hierbei sind die Ausgangssignale zweier LED-Quellen, einer Treiberlichtquelle λ1 bzw. LED 40 und einer Abgreif- oder Meßlichtquelle λ2 bzw. LED 41 deutlich unterschiedlicher Wellenlängen (λ1 bzw. λ2) Wellenlängen, die an einem dichroitischen Strahlteiler 42 multiplext sind. Die LED-Quelle λ1 erzeugt eine Lichtimpulsreihe auf einer Frequenz innerhalb des Betriebsbereichs des Resonators 20, während die LED-Meßlichtquelle λ2 einen Dauerzustands- bzw. Einschwingzustands- Lichtstrahl liefert. Diese beiden Lichtwellenlängen werden von der Regelstation 12 über die einzige Faseroptikstrecke zu einem an der Prozeßstelle angeordneten zweiten dichroitischen Strahlteiler 44 geleitet, welcher praktisch das gesamte Licht λ1 über eine andere Lichtleitfaser 14 für die Ansteuerung des Resonators zur Gabelbasis 23 der Doppelstimmgabel durchläßt, während er das Licht λ2 blockiert. Effektiv das gesamte Einschwingzustandslicht λ2 wird wiederum durch den zweiten Strahlteiler 44 als Abgreif- oder Meßsignal reflektiert, wobei im wesentlichen kein Licht λ1 längs der Strecke für das Licht λ2 gerichtet oder geleitet wird. Das Licht λ2 wird über eine andere Lichtleitfaser zu einem Ort maximaler Resonatorauslenkung bzw. zur Resonatormeßstelle, wie die Gabelzinke oder Resonatormeßstelle 24, gerichtet.
Die in den Wandler 13 eingebaute Doppelstimmgabel 20 ist an einem, proximalen Ende 21 befestigt, wobei auf ihr anderes, distales Ende 22 eine auf den physikalischen Parameter p bezogene (mechanische) Längsspannung angelegt wird, um die Resonanzfrequenz der Stimmgabel 20 auf vorher beschriebene Weise zu variieren.
Das Rücklaufmeßsignal wird durch die Doppelstimmgabel 20 von der Resonatormeßstelle bzw. Balkenkante 24 reflektiert und ist, wie zuvor, das durch die Balkenkante 24 modulierte Einschwingzustandslicht λ2, um damit ein Wechselsignal entsprechend der photokinetisch induzierten Bewegung des Resonators 20 zu erzeugen. Das modulierte Abgreif- oder Meßsignal wird über die Faseroptikstrecken 14 und 43 zu einem dritten Strahlteiler 45 zurückgeleitet, an welchem ein Teil des modulierten Lichts durchgelassen und über eine Lichtleitfaser zu einem Abgreif- oder Meßdetektor 17 geleitet wird. Ein λ2-Bandpaßfilter, welches das Licht λ1 blockiert oder sperrt, kann benutzt werden, um die Wellenlänge des den Meßdetektor 17 erreichenden Lichts zu begrenzen. Dieses Signal wird sodann an der Meßdetektorphotodiode 17 optisch detektiert bzw. abgegriffen und über ein zweckmäßiges Netz (Rückkopplungsschaltung 18) rückgekoppelt, um die Regelschleife mit der Treiberlichtquelle 40 zu schließen- und damit die Impulsreihenfrequenz auf die Resonanzfrequenz der Doppelstimmgabel 20 zu setzen.
Fig. 6 veranschaulicht eine optisch getriebene, selbstschwingende Version oder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d. h. des Meßgrößensensors 10, bei dem eine einzige Lichtleitfaser 14 einen einzigen Lichtstrahl zum Sensor führt. Insbesondere wird dabei ein Einschwingzustands- oder CW-Lichtstrahl an der äußersten rechten Seite der Figur über eine Lichtleitfaser 14 geschickt. Dieses Licht ist durch einen ausgezogenen Pfeil angedeutet. Der Lichtstrahl läuft von der Steuer- oder Regelstation 12 zu dem an der Prozeßstelle 11 angeordneten Wandler 13. Eine Doppelstimmgabel 20 ist an ihrem proximalen Ende 21 befestigt bzw. festgelegt, wobei eine auf den physikalischen Parameter p bezogene (mechanische) Längsspannung an das distale Ende 22 angelegt wird, um die Resonanzfrequenz der Doppelstimmgabel 20 auf vorher beschriebene Weise zu variieren. Der Lichtstrahl wird zwischen den Zinken (oder Armen) der Doppelstimmgabel 20 so gerichtet, daß das Licht "zerhackt" wird, wenn sich die Stimmgabel in Bewegung befindet. Ein Teil des zerhackten Lichts wird während der Auswärtsauslenkungen der Zinken von der Gabel durchgelassen und von einer anderen Lichtleitfaser 14 abgenommen. Das Licht wird zur Anregungsstelle an der Gabelbasis 23 der Doppelstimmgabel 20 geführt, um letztere durch örtliche Erwärmung für Schwingung anzusteuern, wie dies oben beschrieben worden ist. Während der Einwärtsauslenkungen der Stimmgabelzinken wird das Einschwingzustands- oder CW- Licht zumindest teilweise an einem Durchgang zur Anregungsstelle gehindert und längs der Lichtleitfaser 14 als Lichtstrahl wechselnder Intensität zur Regelstation 12 zurückreflektiert. An der Regelstation werden Teile des wechselnden Lichts über einen Faserkoppler oder Strahlteiler 38 zu einem nicht dargestellten Detektor gerichtet. Es ist zu beachten, daß es nötig ist sicherzustellen, daß die Lichtimpulse zur richtigen Zeit an der Anregungsstelle ankommen, um die Bewegung zu unterstützen oder zu begünstigen, was bedeutet, daß die Phasensteuerung zur Unterstützung der Schwingung sorgfältig gewählt sein muß. Die Phasenbeziehung kann durch Einfügung von thermischen Wellenverzögerungsschichten zwischen den Lichtabsorptionsüberzug und die Resonatorstruktur modifiziert werden.
Die selbstschwingende Ausführungsform des Meßgrößensensors 10 gemäß Fig. 6 sieht die Modulation des Abgreif- oder Meßsignals an der Resonatormeßstelle und die Anregung über eine zur Anregungsstelle 23 geführte Lichtleitfaser 14 vor. Die Orte der Anregungsstelle 23 und der Resonatormeßstelle 24 sind nur zur Verdeutlichung dargestellt. Eine Doppelstimmgabel besitzt ihre maximale Bewegung an einem Punkt einer hohen wechselnden Spannung, so daß die Lichtmodulation und das verschlußmäßige Schalten des durch den Lichtstrahl induzierten photokinetischen Effekts an der gleichen Stelle stattfinden können. Es wurde auch gezeigt, daß mehrere derartige Stellen am Resonator, insbesondere an Doppelstimmgabeln 20 vorliegen. Eine derartige Stelle ist beispielsweise die Kante der Zinke etwa am Zentrum der Zinke auf deren Längsachse.
Eine als Temperatursensor einsetzbare spezielle Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Von einer (nicht dargestellten) Lichtquelle gelieferte Impulse von Licht einer ersten Wellenwelle λ1 werden zum Wandler 13 (an der Prozeßstelle 11) gerichtet. Dieses Licht λ1 läuft über eine Faseroptikstrecke 43 zu einem Faserkoppler 38 am Wandler 13. Die Impulse sind phasengleich mit der Resonanzschwingung und beaufschlagen eine Anregungsstelle 23 in der Gabelbasis des Resonators 46, wobei sie den Resonator auf oben beschriebene Weise mittels des photokinetischen Effekts in Resonanz anregen. Die Schwingung der Zinken erfolgt in der Zeichnungsebene; die Bewegung wird optisch erfaßt und zu der (nicht dargestellten) Steuer- oder Regelstation zurückgemeldet. Dieses Abgreif- oder Meßsignal kann als Dauer-Wellenlänge λ2 über die Faseroptikstrecke 43 geleitet, von der Resonatorzinke reflektiert und über die Faseroptikstrecke 43 zurückgeführt werden.
Obgleich für die Ausbildung der einzigen Stimmgabel 46 verschiedene Werkstoffe geeignet sind, ist Schmelzquarz besonders geeignet, da es sich herausgestellt hat, daß dieser Stoff eine günstige Temperaturabhängigkeit vom Elastizitätsmodul besitzt. Der Ausdehnungskoeffizient ist klein und trägt nur im Mindestmaß zur Änderung der Frequenz mit der Temperatur bei. Dieses ist ein stabiles Material für Meßwandler; es ist billig und einfach einer Schmelzbindung zur Ausbildung einer geeigneten Anordnung unterwerfbar.
Fig. 8 veranschaulicht mehrere der wesentlicheren Punkte bzw. Stellen 50 für die Anregung der Doppelstimmgabeln sowie mehrere wesentliche Punkte oder Stellen 51 für das Abgreifen der Resonatorschwingung.
Doppelstimmgabeln (DTF) aus bestimmten Werkstoffen, wie Quarz, lassen sich einfach herstellen. Es wird als möglich angesehen, die DTF-Elemente mit gemeinsamen oder üblichen Eigenschaften auf Massenfertigungsbasis herzustellen. Die (nachstehenden) Formeln (1) und (2) veranschaulichen Ausdrücke erster Ordnung für die Arbeitsfrequenz im unbelasteten Zustand und für die Frequenzänderung bei einer einwirkenden Last. In diesen Formeln ist die Arbeitsfrequenz (fo) die natürliche oder Eigen-Resonanzfrequenz des DTF-Elements (in Hz), wenn keine axiale Last angelegt ist; (Δf) ist die Änderung der Resonanzfrequenz aufgrund einer angelegten axialen Last; E ist der Elastizitätsmodul auf der Längsachse des DTF- Elements; F steht für die angelegte axiale Last und kann entweder positiv oder negativ sein (zu beachten ist, daß jede Zinke nur die Hälfte der angelegten axialen Last empfängt); (ρ) steht für die Dichte des DTF-Materials; m ist die Länge des Schlitzes, w steht für die Zinkenbreite und t entspricht der Dicke der Zinken. Die Formeln (1) und (2) gelten allgemein für ein beliebiges Gabelmaterial oder eine beliebige Gabelgeometrie.
fo = (4,73²/4π 3) ( E/ρ)(w/m²) (1)
Δf/fo = (0,074/E)(m²/tw³)F (2)
Einzelne DTF-Elemente können im Wandler eingebaut werden, die nicht am Einsatzort geeicht zu werden brauchen. Zur Gewährleistung dieses wünschenswerten Merkmals werden Stimmgabeln so gefertigt, daß sie bei Einbau in fertiggestellte Wandler eine natürliche oder Eigen-Resonanzfrequenz (d. h. im unbelasteten Zustand) unterhalb der gewünschten Betriebsfrequenz und eine Änderung der Resonanzfrequenz (Δf) aufgrund der angelegten oder einwirkenden axialen Last, dividiert durch die Betriebsfrequenz, gegen die an das DTF-Element angelegte axiale Last innerhalb der gewünschten Toleranzen aufweisen. Kleine Plättchen aus Metall (oder einem Äquivalent) werden bei der Fertigung an den Zinken in der Nähe der Mitte jeder Zinke angebracht.
Diese kleinen Plättchen, die beispielsweise aus Gold bestehen können, können mittels einer ersten Laser-Trimmoperation reduziert werden, um effektiv die Dichte (ρ) der Stimmgabel zu reduzieren,ohne die Rückstellkraft des Quarzes zu verändern. Eine zweite Laser-Trimmoperation kann durchgeführt werden, um etwas der Trägermaterialdicke (Maß t) abzutragen und damit die Δf-Betriebsfrequenzabhängigkeit von der einwirkenden axialen Last zu ändern. Dieser Materialabtragungsschritt kann in bestimmten Fällen, beispielsweise wenn das DTF-Element aus Quarz gefertigt wird, durch Dotieren oder Beschichten des DTF-Materials begünstigt werden. Der Zweck dieser zweiten Trimmoperation besteht darin, die Steifheit der Gabelzinken ohne Veränderung der Betriebsfrequenz im unbelasteten Zustand zu ändern.
Es wird angenommen, daß die Linearität des DTF-Elements (Doppelstimmgabel) durch Änderung der Stelle der Materialabtragung eingestellt werden kann. Ebenso beeinflußt das Trimmen der Breite der Zinken oder der Länge des Schlitzes die Arbeits- oder Betriebsfrequenz und damit auch die Abhängigkeit der Belastungsänderung in der Frequenzabhängigkeit von der Betriebsfrequenz.
Zahlreiche Vorteile der vorliegenden Erfindung sind vorstehend im einzelnen angegeben worden. Es ist ein Instrumentierungssystem für Verfahrensregelanlagen unter Verwendung eines Resonanzelementsensors aufgezeigt worden, das durch Umwandlung von Lichtenergie in Wärme und dadurch in physikalische Bewegung arbeitet, während dabei Meßdaten in Form von Frequenz über optische Abgreif- oder Meßmittel übertragen werden. Durch Verzicht auf elektrische Übertragung oder Übermittlung zwischen der Prozeßstelle und der Steuer- oder Regelstation über elektrische Leiter und durch Beseitigung aller elektrischen Wandlerschaltkreise an der Prozeßstelle sind Probleme ausgeräumt worden, die bisher mit elektromagnetischen Interferenzen bei solchen Verfahrensregelsystemen verbunden waren. Der Einbau des innerhalb von Prozeßanlagen arbeitenden optischen Netzes kann vereinfacht werden, indem die Notwendigkeit für getrennte optische Faserleiter oder Lichtleitfasern für Ansteuerung und Abgriff oder Messung dadurch ausgeschaltet wird, daß effektiv eine verbesserte ZweiwegeÜbermittlung über eine einzige Lichtleitfaser vorgesehen wird. Darüber hinaus ermöglicht die Rückkopplungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung die Aufrechterhaltung der Schwingungen sowie die Begünstigung der maximalen Amplitude der Resonatorschwingung bei niedrigstmöglicher Leistungseingabe. Diese Anordnung ist somit besonders zweckmäßig zur Ermöglichung der Verwendung von Strahlungsenergiequellenniedriger Leistung für die Übertragung oder Übermittlung über die betreffenden Distanzen, während dennoch ein effektives Signal- Rauschenverhältnis aufrechterhalten bleibt.

Claims

1. Gerät zur Verwendung bei der Messung eines physikalischen Parameters durch photokinetische Stimulation oder Anregung und optische(n) Detektion oder Abgriff einer mechanischen Resonanzstruktur, umfassend:

a) eine langgestreckte mechanische Resonanzstruktureinheit (13) für Schwingung,

b) eine Einheit, die angeordnet ist zur Übertragung oder Übermittlung des physikalischen Parameters zur mechanischen Resonanzstruktureinheit (13),

c) eine zur Lieferung mindestens eines Strahlungsenergiestrahls vorgesehene Strahlungsenergiequelle (16),

d) eine erste Strahlungsenergiestreckeneinheit (14), die angeordnet ist zur Übertragung oder Übermittlung der Strahlungsenergie zu einem ersten Bereich

(23) der mechanischen Resonanzstruktur(einheit) (13),

e) eine Einheit, die angeordnet ist zum unmittelbaren Umwandeln der Strahlungsenergie in thermische Energie oder Wärmeenergie, die innerhalb mindestens eines Abschnitts der mechanischen Resonanzstruktur

(13) geleitet wird, um deren Bewegung auf einer auf die Größe des physikalischen Parameters bezogenen Frequenz zu stimulieren, und

f) und eine Einrichtung (20, 24), die angeordnet ist zum Zurückführen mindestens eines Teils der Strahlungsenergie als auf die Schwingung der Resonanzstruktur bezogenes moduliertes Signal zu einer Detektionseinheit (17), dadurch gekennzeichnet, daß

g) die mechanische Resonanzstruktureinheit eine Stimmgabel (13) umfaßt,

h) eine zweite Strahlungsenergiestreckeneinheit vorgesehen ist, die angeordnet ist zur Übertragung oder Übermittlung der Strahlungsenergie von einem zweiten Bereich (24) der Stimmgabel (13), der an einer Stelle beträchtlicher Bewegung der Stimmgabel (13) angeordnet ist, und

i) der erste Bereich (23) sich an der Gabelbasis (crotch) (23) der Stimmgabel (13) befindet.

2. Gerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einheit (18) zur Lieferung eines auf das rückgeführte modulierte Signal bezogenen Ausgangssignals und eine Einheit (25) zum Schließen einer Schwingungsschleife, die durch die Strahlungsenergiequelle (16), die Strahlungsenergiestreckeneinheit (14, 43), die Stimmgabel (13), die Strahlung- Wärme(energie)-Wandlereinheit, die Einrichtung zum Rückführen eines modulierten Signals und die Einheit (17) zum Detektieren des rückgeführten modulierten Signals sowie die Einheit (18) zur Lieferung eines Ausgangssignals gebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine die Wärmeabsorption verbessernde Resonatoroberflächen-Beschichtung.

4. Gerät nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich (24) der Stimmgabel (13) eine verschlußmäßige Schalt- oder Zerhackereinrichtung (shuttering means) für die Unterbrechung eines Teils der Strahlungsenergie bildet und wobei ein einziger Dauerstrahlungsenergiestrahl über eine einzige Faseroptikstreckeneinheit zur Einrichtung für das verschlußmäßige Schalten bzw. Zerhacken der optischen Energie übertragen oder übermittelt werden kann, und ferner umfassend eine Einrichtung zum Übertragen oder Übermitteln eines Teils der verschlußmäßig geschalteten bzw. zerhackten Strahlungsenergie zum ersten Bereich (23).

5. Gerät nach Anspruch 4, wobei die Stimmgabel (13) ferner eine Einrichtung zum Zurückreflektieren von Strahlungsenergie längs der Faseroptikstreckeneinheit (14) im wesentlichen nur während der Unterbrechung der Strahlungsenergie aufweist.

6. Verfahren zur photokinetischen Stimulation oder Anregung und für optische(n) Detektion oder Abgriff einer langgestreckten mechanischen Resonanzstruktur zum Messen mindestens eines physikalischen Parameters, umfassend die folgenden Schritte:

a) Erzeugen von Strahlungsenergie durch mindestens eine erste Strahlungsenergiequelle (16)

b) Übertragen oder Übermitteln der Strahlungsenergie längs mindestens einer Strahlungsenergieübertragungsstrecke (14, 43) zu einer mechanischen Resonanzstruktur (13),

c) Verteilen mindestens eines Teils der Strahlungsenergie als Wärmeenergie innerhalb eines ersten Bereichs (23) der mechanischen Resonanzstruktur (13) als (mechanische) Spannung zum Anregen von Schwingung der mechanischen Resonanzstruktur (13)

d) Ändern der Frequenz der mechanischen Resonanzstruktur (13) als Funktion des gemessenen physikalischen Parameters,

e) Modulieren eines Teils der Strahlungsenergie entsprechend der Schwingungsfrequenz,

f) Zurückführen mindestens eines Teils der Strahlungsenergie als moduliertes Abgreif- oder Meßsignal,

g) Detektieren des modulierten Meßsignals zur Lieferung eines auf den physikalischen Parameter bezogenen Signals,

h) gekennzeichnet durch Verwenden einer Stimmgabel (13) als die mechanische Resonanzstruktureinheit,

i) Zurückführen der Strahlungsenergie von einem zweiten Bereich (24) der Stimmgabel (13), der sich an einer Stelle beträchtlicher Bewegung der Stimmgabel (13) befindet, und

j) Verteilen der Wärmeenergie an der den ersten Bereich (23) bildenden Gabelbasis (crotch) (23) der Stimmgabel (13).

7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt des Rückkoppelns eines vom detektierten modulierten Meßsignal abgeleiteten Signals zur ersten Strahlungsenergiequelle (16).

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt c) umfaßt:

c) verschlußmäßiges Schalten oder Zerhacken (shuttering) der Strahlungsenergie durch Unterbrechung derselben durch einen Abschnitt der Stimmgabel (13) und Führen der verschlußmäßig geschalteten oder zerhackten Strahlungsenergie zu dem Abschnitt der Stimmgabel (13) für die Anregung derselben durch Umwandeln der verschlußmäßig geschalteten oder zerhackten Strahlungsenergie in zeitabhängig variierende Wärmeenergie, um eine Eigenschwingung zu erzeugen.