DE3815800A1 - Arrangement for measuring a gas density - Google Patents
Arrangement for measuring a gas densityInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Gasdichte, welche einen Sensorkopf mit einem Schwingkörper, Anregungsmit tel zum Anregen des Schwingkörpers und Detektionsmittel zum Messen einer Amplitude des Schwingkörpers umfaßt.The invention relates to an arrangement for measuring a gas density, which a sensor head with a vibrating body, excitation mit tel to excite the vibrating body and detection means to Measuring an amplitude of the vibrating body includes.
Bei gasisolierten Hochspannungs-Schaltanlagen darf die für einen zuverlässigen Betrieb vorgeschriebene Gasdichte eines SF6-Isoliergases in den einzelnen Gasräumen nicht unterschritten werden. Um die Zuverlässigkeit einer solchen Schaltanordnung zu gewährleisten, ist die Gasdichte periodisch zu überwachen. Dazu sind die Gasräume mit Dichtewächtern ausgestattet, welche regelmäßig abgelesen werden müssen.In gas-insulated high-voltage switchgear, the gas density of an SF 6 insulating gas in the individual gas compartments, which is required for reliable operation, must not be undercut. In order to ensure the reliability of such a switching arrangement, the gas density must be monitored periodically. For this purpose, the gas rooms are equipped with density monitors, which must be read regularly.
Eine Gasdichte läßt sich auf verschiedene Weisen messen. Sie kann z.B. durch Messen eines Druckes und einer Temperatur oder durch Messen einer Resonanz eines Schwingkörpers bestimmt werden.A gas density can be measured in different ways. It can e.g. by measuring a pressure and a temperature or determined by measuring a resonance of a vibrating body will.
Von der Firma "Bopp+Reuther" beispielsweise wird ein Dichte geber für Gase vertrieben, welcher auf einer dichteabhängigen Resonanzfrequenz einer Stimmgabel beruht. Der Nachteil eines solchen Dichtegebers liegt darin, daß er eine Speisespannung benötigt. Daraus ergeben sich Probleme bei der Anwendung in Hochspannungs-Schaltanlagen mit einer integrierten, computer gesteuerten Leittechnik. Eine Steuerzentrale sollte nämlich wenn möglich von der Schaltanlage galvanisch getrennt sein, damit sie durch auftretende, hohe Potentialunterschiede (Blitz einschlag, Kurzschluß etc.) nicht beschädigt werden kann. Wo die galvanische Trennung nicht möglicht ist, sind aufwendige, spannungsfeste Schnittstellen vorzusehen.From the company "Bopp + Reuther", for example, a density Distributor for gases, which is based on a density Resonance frequency of a tuning fork is based. The disadvantage of one such density transmitter is that it has a supply voltage needed. This results in problems with the application in High-voltage switchgear with an integrated, computer controlled control technology. A control center should namely if possible be galvanically isolated from the switchgear, so that they occur due to high potential differences (lightning impact, short circuit etc.) cannot be damaged. Where galvanic isolation is not possible, complex, provide voltage-proof interfaces.
Es besteht deshalb das Bedürfnis nach einem Dichtegeber, welcher elektrisch passiv, genau und kostengünstig ist.There is therefore a need for a density transmitter, which is electrically passive, accurate and inexpensive.
In neuester Zeit sind Versuche unternommen worden, Gasdichten mit Hilfe von schwingenden Kristallen zu messen. Grundlegend ist in dieser Hinsicht die Druckschrift "Dual crystal gas density sensor" Ronald Frank Vogel, Sensors and Actuators, 5 (1984), p. 21-28, und "Air and gas damping of quartz tu ning forks", Michel Christen, Sensors and Actuators, 4 (1983), p. 555-564. Allerdings bedürfen auch solche Sensoren einer Speisespannung.Attempts have recently been made to achieve gas densities with the help of vibrating crystals. Fundamental is in this respect the publication "Dual crystal gas density sensor "Ronald Frank Vogel, Sensors and Actuators, 5 (1984), p. 21-28, and "Air and gas damping of quartz tu ning forks ", Michel Christen, Sensors and Actuators, 4 (1983), p. 555-564. However, such sensors also need one Supply voltage.
Aus der Druckschrift "Optically activated vibrations in a micromachined silica structure" S. Venkatesh and B. Culshaw, Electronics Letters, 1985, vol. 21, no. 8, ist eine mikro mechanische Struktur bekannt, welche photothermisch zum Schwin gen gebracht wird. Ein Siliziumdioxydstreifen von ca. 200 µm Länge auf einem Siliziumsubstrat wird derart untergeätzt, daß er einen Graben brückenartig überspannt. Dieser Silizium dioxydstreifen wird mit Lichtpulsen bestrahlt und schwingt dann in der Art einer eingespannten Saite. Das Problem einer solchen Struktur ist die aufwendige Meßtechnik, die zum Detek tieren der Amplitude nötig ist.From the publication "Optically activated vibrations in a micromachined silica structure "S. Venkatesh and B. Culshaw, Electronics Letters, 1985, vol. 21, no. 8, is a micro mechanical structure known, which photothermally to the Schwin is brought. A silicon dioxide strip of approx. 200 µm Length on a silicon substrate is under-etched in such a way that he spanned a ditch like a bridge. This silicon Dioxide strips are irradiated with light pulses and vibrate then like a clamped string. The problem of one Such a structure is the complex measuring technique used to detect animals of the amplitude is necessary.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zum Messen einer Gasdichte anzugeben, welche einen Sensorkopf mit einem Schwingkörper, Anregungsmittel zum Anregen des Schwingkörpers und Detektionsmittel zum Messen einer Amplitude des Schwing körpers aufweist, bei welcher Anordnung der Sensorkopf von den Detektionsmitteln galvanisch getrennt ist und ohne Zufuhr elektrischer Energie arbeitet.The object of the invention is therefore an arrangement for measuring to specify a gas density, which a sensor head with a Vibrating body, excitation means for exciting the vibrating body and detection means for measuring an amplitude of the vibration has body, in which arrangement the sensor head of the detection means is galvanically isolated and without supply electrical energy works.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung darin, daß die Anregungs mittel eine Anregerlichtquelle zur Erzeugung von Anregungs licht umfassen, daß der Sensorkopf über mindestens einen Lichtwellenleiter mit einer Auswerteschaltung in Verbindung steht, über welchen Anregungslicht zugeführt und Meßlicht weggeführt wird und daß der Schwingkörper als Stimmgabel oder als einseitig eingespannter Balken ausgeführt ist.According to the invention, the solution is that the excitation medium an excitation light source for generating excitation light include that the sensor head has at least one Optical fiber in connection with an evaluation circuit stands over which excitation light is fed and measuring light is led away and that the vibrating body as a tuning fork or is designed as a beam clamped on one side.
Bevorzugterweise wird der Schwingkörper mittels Anregungslicht thermooptisch zum Schwingen gebracht und die Amplitude des Schwingkörpers optisch gemessen.The vibrating body is preferably excited by means of excitation light vibrated thermo-optically and the amplitude of the Vibrating body measured optically.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird der Schwing körper mittels des Anregungslichts photovoltaisch zum Schwingen gebracht. Es ist dann von Vorteil, wenn im Sensorkopf an einem Ende des Lichtwellenleiters eine PL-Diode (Photo-Luminiszenz- Diode) angeordnet ist, welche das Anregungslicht in Abhängig keit der Amplitude des angeschlossenen Schwingkörpers in ein Meßsignal transformiert und dieses in den Lichtwellenleiter einkoppelt.In another preferred embodiment, the oscillation body to vibrate by means of the excitation light brought. It is then an advantage if there is one in the sensor head A PL diode (photo-luminescence Diode) is arranged, which depends on the excitation light speed of the amplitude of the connected vibrating body Transformed measurement signal and this in the optical fiber couples.
Im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Auswertung des Meßsig nals ist es von Vorteil, wenn die Auswerteschaltung eine Reso nanzfrequenz und eine Bandbreite des Schwingkörpers mißt und daraus sowohl eine Gasdichte als auch eine Temperatur ermittelt. With a view to evaluating the measuring sig as far as possible It is also advantageous if the evaluation circuit has a resonance frequency and a bandwidth of the vibrating body measures and both a gas density and a temperature are determined from this.
Der Schwingkörper ist vorzugsweise eine mikromechanische Sili zium- oder Quarzstruktur.The vibrating body is preferably a micromechanical sili zium or quartz structure.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further preferred embodiments result from the Subclaims.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:In the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments and will be explained in connection with the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Anordnung zum Messen einer Gasdichte; Fig. 1 shows an arrangement for measuring a gas density;
Fig. 2 einen Sensorkopf einer erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 2 is a sensor head of an inventive arrangement;
Fig. 3 einen Sensorkopf mit einem monolithisch integrierten Schwingkörper; Fig. 3 is a sensor head with a monolithically integrated vibrating body;
Fig. 4 eine mikromechanische Siliziumstruktur als Sensorkopf; Fig. 4 is a micromechanical silicon structure as a sensor head;
Fig. 5 einen Schwingkörper, welcher als mikromechanische Quarzstruktur ausgeführt ist; Fig. 5 is a vibrating body which serves as quartz micro-mechanical structure is performed;
Fig. 6 eine Ausführungsform, bei welcher der Schwingkörper photovoltaisch angeregt wird und die Amplitude mittels einer PL-Diode detektiert wird, und Fig. 6 shows an embodiment in which the vibrating body is excited photovoltaically and the amplitude is detected by means of a PL-diode, and
Fig. 7 eine typsiche Resonanzkurve einer Stimmgabel. Fig. 7 shows a typical resonance curve of a tuning fork.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. In einem Gasbe hälter 7 befindet sich ein Gas, dessen Gasdichte gemessen werden soll. Zu diesem Zweck wird im Gasbehälter 7 ein Sensor kopf 6 angeordnet. Der Sensorkopf 6 ist über zwei Lichtwellen leiter 2 a, 2 b mit der Außenwelt verbunden. Einer der beiden Lichtwellenleiter 2 a verbindet den Sensorkopf 6 mit einer Anregerlichtquelle 9 und der andere Lichtwellenleiter 2 b ver bindet ihn mit einer Wellenleiterverzweigung 12. Fig. 1 shows an arrangement according to the invention. In a Gasbe container 7 is a gas whose gas density is to be measured. For this purpose, a sensor head 6 is arranged in the gas container 7 . The sensor head 6 is connected to the outside world via two optical fibers 2 a , 2 b . One of the two optical fibers 2 a connects the sensor head 6 to an excitation light source 9 and the other optical fiber 2 b ver connects it to a waveguide branch 12 .
Die Wellenleiterverzweigung 12 hat zusätzlich zwei weitere Anschlüße, nämlich einen für einen Lichtwellenleiter 2 c, welcher Meßlicht von einer Meßlichtquelle 8 zuführt und einen für einen Lichtwellenleiter 2 d, welcher einen reflektier ten Teil des Meßlichts zu einem Photodetektor 10 wegführt.The waveguide branch 12 additionally has two further connections, namely one for an optical waveguide 2 c , which supplies measuring light from a measuring light source 8 and one for an optical waveguide 2 d , which leads a reflected part of the measuring light to a photodetector 10 .
Als Lichtwellenleiter können beispielsweise handelsübliche Multimodeglasfasern verwendet werden. Ein direktionaler Opto koppler wird dann als Wellenleiterverzweigung 12 eingesetzt.For example, commercially available multimode glass fibers can be used as the optical waveguide. A directional optocoupler is then used as a waveguide branch 12 .
Der Photodetektor 10 liefert ein Ausgangssignal an eine Aus werteschaltung 11. Diese steuert wiederum die Anregerlicht quelle 9.The photodetector 10 supplies an output signal to an evaluation circuit 11 . This in turn controls the excitation light source 9 .
Es ist sowohl einfach als auch kostengünstig, als Meßlicht quelle 8 eine wohlbekannte LED (Light Emitting Diode) zu ver wenden. Dasselbe gilt für die Anregerlichtquelle 9. Als Photode tektor 10 wird z.B. eine Photodiode eingesetzt.It is both simple and inexpensive to use a well-known LED (Light Emitting Diode) as measuring light source 8 . The same applies to the excitation light source 9 . For example, a photodiode is used as the photodetector 10 .
Fig. 2 zeigt das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform eines Sensorkopfs 6. Die Lichtwellenleiter 2 a und 2 b stimmen mit den in Fig. 1 gleichnamig bezeichneten überein. Fig. 2 shows the principle of a preferred embodiment of a sensor head 6. The optical waveguides 2 a and 2 b correspond to those of the same name in FIG. 1.
In einem Träger 5 ist ein Schwingkörper 1 eingespannt. Der Schwingkörper 1 hat z.B. die Form eines Balkens, einer Platte oder einer Stimmgabel. Grundsätzlich ist es nicht erfindungs wesentlich, aus welchem Material der Schwingkörper 1 besteht. Folglich kann ein Material geeignet gewählt werden, damit der Schwingkörper 1 bei gegebener geometrischer Abmessung eine gewünschte Resonanzfrequenz fr hat.A vibrating body 1 is clamped in a carrier 5 . The vibrating body 1 has, for example, the shape of a bar, a plate or a tuning fork. In principle, it is not essential to the invention from which material the vibrating body 1 is made. Consequently, a material can be selected appropriately so that the vibrating body 1 has a desired resonance frequency fr for a given geometric dimension.
Beispielsweise kann der Schwingkörper 1 als Glasplatte ausge führt sein. Bei einer Länge von 12 mm, einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 0,14 mm liegt die Resonanzfrequenz fr in der Größenordnung von 200 Hz. Die Länge bezieht sich dabei auf den aus dem Träger 5 herausragenden Teil des Schwingkör pers 1.For example, the vibrating body 1 can be out as a glass plate. With a length of 12 mm, a width of 1 mm and a thickness of 0.14 mm, the resonance frequency fr is of the order of magnitude of 200 Hz. The length relates to the part of the oscillating body 1 protruding from the carrier 5 .
Eine ebenfalls auf dem Träger 5 befestigte Halterung 15 dient dazu, die beiden Lichtwellenleiter 2 a, 2 b in einer gewünschten Position festzuhalten. Selbstverständlich kann die Halterung 15 Teil des Trägers 5 sein.A bracket 15 also fastened on the carrier 5 serves to hold the two optical fibers 2 a , 2 b in a desired position. Of course, the bracket 15 can be part of the carrier 5 .
Der Lichtwellenleiter 2 a, welcher das Anregungslicht 3 zuführt, wird an der Halterung 15 derart fixiert, daß das Anregungslicht 3 an einer Stelle auf den Schwingkörper 1 fällt, welche nahe bei einem eingespannten Ende 13 liegt. Im Gegensatz dazu wird der Lichtwellenleiter 2 b, welcher das Meßlicht 4 zuführt, an der Halterung 15 so fixiert, daß das Meßlicht 4 an einem schwingenden Ende 14 auf den Schwingkörper 1 trifft. Bevorzug terweise wird der Schwingkörper 1 an der entsprechenden Stelle verspiegelt.The optical waveguide 2 a , which supplies the excitation light 3 , is fixed to the holder 15 in such a way that the excitation light 3 falls on the oscillating body 1 at a point which is close to a clamped end 13 . In contrast to this, the optical waveguide 2 b , which supplies the measuring light 4 , is fixed to the holder 15 in such a way that the measuring light 4 strikes the oscillating body 1 at an oscillating end 14 . The vibrating body 1 is preferably mirrored at the corresponding point.
Das Messen der Gasdichte im Gasbehälter 7 läuft folgendermaßen ab.The gas density in the gas container 7 is measured as follows.
Die Anregerlichtquelle 9 erzeugt Anregungslicht 3 in der Form von Lichtpulsen mit einer Anregungsfrequenz fa. Diese Licht pulse gelangen über den Lichtwellenleiter 2 a zum Sensorkopf 6, wo sie auf den Schwingkörper 1 treffen. Auf diese Weise wird der Schwingkörper 1 photothermisch zum Schwingen angeregt. Das Prinzip einer solchen photothermischen Anregung beruht darauf, daß diese periodische, einseitige Erwärmung (z.B. eines Balkens) genügt, um ihn aufgrund der periodischen lokalen thermischen Expansion zum Schwingen zu bringen. Der Schwing körper 1 schwingt dann in der Art eines einseitig eingespannten Balkens.The excitation light source 9 generates excitation light 3 in the form of light pulses with an excitation frequency fa . These light pulses pass through the optical waveguide 2 a to the sensor head 6 , where they meet the vibrating body 1 . In this way, the vibrating body 1 is excited to vibrate photothermally. The principle of such a photothermal excitation is based on the fact that this periodic, one-sided heating (for example a beam) is sufficient to cause it to oscillate due to the periodic local thermal expansion. The vibrating body 1 then swings in the manner of a beam clamped on one side.
Um feststellen zu können, ob der Schwingkörper 1 in Resonanz schwingt, muß eine Amplitude A an einem schwingenden Ende 14 beobachtet werden. Dies geschieht vorzugsweise optisch. Dazu ist der Lichtwellenleiter 2 b vorgesehen. Er beaufschlagt den Schwingkörper 1 mit Meßlicht 4 und fängt einen Teil des reflek tierten Meßlichts auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Intensitätsmodulation des Meßlichts 4 gemessen, welche dadurch zustande kommt, daß ein desto größerer Teil des auf den Schwingkörper 1 treffenden Meßlichts 4 wieder in den Lichtwellenleiter 2 b eingekoppelt wird, je geringer eine Distanz d zwischen Schwingkörper 1 (bzw. dessen Ende) und Lichtwellenleiter 2 b ist.In order to be able to determine whether the vibrating body 1 vibrates in resonance, an amplitude A must be observed at a vibrating end 14 . This is preferably done optically. For this purpose, the optical waveguide 2 b is provided. It acts on the vibrating body 1 with measuring light 4 and captures part of the reflected measuring light. According to a preferred embodiment, an intensity modulation of the measuring light 4 is measured, which is caused by the fact that a larger part of the measuring light 4 striking the vibrating body 1 is coupled back into the optical waveguide 2 b , the smaller a distance d between the vibrating body 1 (or the end) and optical fiber 2 b .
Die Meßlichtquelle 8 kann z.B. eine mit konstanter Leistung betriebene LED sein. In diesem Fall wird der Photodetektor 10 eine periodische Intensitätsmodulation feststellen. Ein vom Photodetektor 10 an die Auswerteschaltung 11 geliefertes Signal gibt entsprechend die periodische Änderung einer Distanz d zwischen Schwingkörper 1 und Lichtwellenleiter 2 b wieder.The measuring light source 8 can be, for example, an LED operated at constant power. In this case, the photodetector 10 will detect periodic intensity modulation. A signal supplied by the photodetector 10 to the evaluation circuit 11 accordingly reflects the periodic change in a distance d between the oscillating body 1 and the optical waveguide 2 b .
Die Auswerteschaltung 11, welche ja die Anregungsfrequenz fa kennt, kann damit auf an und für sich bekannte Weise die Anre gungsfrequenz fa einer geänderten Resonanzfrequenz fr des Schwingkörpers 1 nachführen. Entweder wird nur der Betrag der Amplitude festgestellt und die Anregungsfrequenz fa so gewählt, daß dieser Betrag ein Maximum ist; oder es wird auch ein Phasengang der Intensitätsmodulation bestimmt und die Anregungsfrequenz fa so gewählt, daß der Phasengang der Intensitätsmodulation um 90° verschoben ist gegenüber dem Phasengang der Lichtpulse.The evaluation circuit 11, which knows fa so the excitation frequency, so can track the oscillating body 1 in itself known, the Anre supply frequency fa a changed resonant frequency fr. Either only the magnitude of the amplitude is determined and the excitation frequency fa is chosen so that this magnitude is a maximum; or a phase response of the intensity modulation is also determined and the excitation frequency fa is selected so that the phase response of the intensity modulation is shifted by 90 ° with respect to the phase response of the light pulses.
Versuche haben gezeigt, daß der Zusammenhang zwischen einer Änderung der Gasdichte und einer Verschiebung der Resonanz frequenz fr in hohem Grade linear ist. Bei einer Glasplatte mit den bereits beschriebenen Abmessungen als Schwingkörper verschob sich die Resonanzfrequenz um etwa 0.330 Hz pro kg/m3 Gasdichte. Die Resonanzfrequenz fr der Glasplatte lag bei 192.2 Hz, wenn der mit SF6 gefüllte Gasbehälter einen Druck von 4.5 bar aufwies. Experiments have shown that the relationship between a change in gas density and a shift in the resonance frequency fr is highly linear. In the case of a glass plate with the dimensions already described as a vibrating body, the resonance frequency shifted by approximately 0.330 Hz per kg / m 3 gas density. The resonant frequency fr of the glass plate was 192.2 Hz when filled with SF 6 gas container having a pressure of 4.5 bar.
Da eine Messung der Gasdichte in Schaltanlagen nicht zeit kritisch ist, kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden, indem über eine gewisse Zeit hinweg Meßwerte gesammelt und dann statistisch ausgewertet werden. Mit der soeben beschrie benen Ausführungsform läßt sich z.B. eine Änderung des Luft druckes von 1 mbar noch auflösen.Because measuring the gas density in switchgear does not take time is critical, the accuracy of the measurement can be increased, by collecting measured values over a certain period of time and then be statistically evaluated. With the just described The above embodiment can e.g. a change in air pressure of 1 mbar.
Im folgenden werden aus der Fülle von Möglichkeiten, welche sich aus der Erfindung ergeben, einige bevorzugte Ausführungs formen herausgegriffen. Der tragende Gedanke ist dabei der, sich die hochentwickelte und kostengünstige Siliziumtechnologie zunutze zu machen, um einen robusten, kleinen und billigen Sensorkopf zu erhalten.The following are the abundance of possibilities, which arise from the invention, some preferred embodiment shapes picked out. The main idea is the most advanced and affordable silicon technology to take advantage of a robust, small and cheap Obtain sensor head.
Fig. 3 zeigt einen Sensorkopf 6 mit einem monolithisch inte grierten Schwingkörper 1. Der Sensorkopf 6 ist beispielsweise eine U-förmige Siliziumstruktur. Ein Arm dieser Struktur bildet den Schwingkörper 1, und der andere die Halterung 15. Um die Lichtwellenleiter 2 a, 2 b einfach und präzise an dem als Halte rung dienenden zweiten Arm fixieren zu können, weist dieser zwei Vertiefungen 16 a, 16 b auf. In diesen Vertiefungen werden die Lichtwellenleiter 2 a, 2 b z.B. festgeklebt. Fig. 3 shows a sensor head 6 with a monolithic inte grated vibrating body 1st The sensor head 6 is, for example, a U-shaped silicon structure. One arm of this structure forms the oscillating body 1 and the other the holder 15 . In order to fix the optical fiber 2 a, 2 b easily and precisely acting on the tion as a holding second arm, the latter has two recesses 16 a, 16 b on. The optical waveguides 2 a , 2 b are glued, for example, in these recesses.
Eine solche monolithische Siliziumstruktur kann z.B. durch geeignete Ätzschritte oder andere bekannte Verfahren aus einem Wafer hergestellt werden.Such a monolithic silicon structure can e.g. by suitable etching steps or other known methods a wafer.
Fig. 4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Er findung. Der Schwingkörper 1 entsteht dadurch, daß z.B. in einem Siliziumquader ein U-förmiger Graben eingeätzt wird, und zwar so, daß das zwischen den Armen des U liegende Gebiet untergeätzt wird. Auf diese Weise entsteht ein über einem Graben angeordneter, einseitig eingespannter Balken. Fig. 4 shows a further preferred embodiment of the invention. The vibrating body 1 arises from the fact that, for example, a U-shaped trench is etched into a silicon cuboid, in such a way that the area lying between the arms of the U is under-etched. In this way, a beam is placed over a trench and clamped on one side.
Für die Lichtwellenleiter 2 a, 2 b können wiederum zwei Vertie fungen 16 a, 16 b in den Quader geätzt werden. Im vorliegenden Beispiel käme in den Graben 16 a der Lichtwellenleiter 2 a für das Anregerlicht und in den Graben 16 b der Lichtwellenleiter 2 b für das Meßlicht zu liegen.For the optical waveguides 2 a , 2 b , two recesses 16 a , 16 b can in turn be etched into the cuboid. In the present example, the optical waveguide 2 a for the excitation light would come into the trench 16 a and the optical waveguide 2 b for the measuring light would lie in the trench 16 b .
Anstatt der in Fig. 3 und 4 gezeigten Vertiefungen 16 a, 16 b können z.B. auch Bohrungen vorgesehen sein. Andererseits können die Gräben selbst durch in Silizium integrierte Lichtwellen leiter ersetzt werden.Instead of the depressions 16 a , 16 b shown in FIGS. 3 and 4, bores can also be provided, for example. On the other hand, the trenches themselves can be replaced by optical waveguides integrated in silicon.
Der Schwingkörper 1 ist der Einfachheit halber in den Figuren als Platte oder Balken gezeigt. Das bedeutet aber keinesfalls, daß sich die Erfindung nur auf solche Raumformen bezieht. Vorteilhaft ist insbesondere ein Schwingkörper in der Form einer Stimmgabel, da diese kräftemäßig ausgeglichener ist und eine geringere Dämpfung aufweist.For the sake of simplicity, the vibrating body 1 is shown in the figures as a plate or bar. However, this in no way means that the invention only relates to such spatial forms. A vibrating body in the form of a tuning fork is particularly advantageous because it is more balanced in terms of strength and has less damping.
Um den gasdichteabhängigen Dämpfungseffekt zu vergrößern, ist das schwingende Ende des Schwingkörpers vorzugsweise mit einer oder mehreren Durchbrechungen versehen oder pilzförmig verbreitert. Da dieser Dämpfungseffekt ein Oberflächeneffekt ist, ist grundsätzlich jede Vergrößerung der Oberfläche des schwingenden Endes von Vorteil.To increase the gas density dependent damping effect, the oscillating end of the oscillating body is preferably with one or more openings or mushroom-shaped broadened. Because this damping effect is a surface effect is basically any enlargement of the surface of the vibrating end is an advantage.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Schwingkörper 1 von der Form einer Stimmgabel ist. Zum photothermischen Anregen wird die Stimmgabel mit Vorteil in einem Anregungsbe reich 18 bestrahlt, welcher zwischen den beiden Gabelarmen liegt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Stimmgabel einseitig anzuregen, in Analogie z.B. zu Fig. 2. Fig. 5 shows an embodiment in which the vibrating body 1 is in the form of a tuning fork. For photothermal excitation, the tuning fork is advantageously irradiated in a rich area 18 that lies between the two fork arms. Of course, it is also possible to excite the tuning fork on one side, in analogy to FIG. 2, for example.
Durchbrechungen 17 verstärken den durch die Gasdichte bedingten Dämpfungseffekt.Openings 17 reinforce the damping effect caused by the gas density.
Anstatt photothermisch kann der Schwingkörper auch photovol taisch angeregt werden. Das heißt, das Anregungslicht wird im Sensorkopf in eine Spannung verwandelt, welche die zu diesem Zweck aus piezoelektrischem Material (z.B. Quarz) bestehende Stimmgabel in an sich bekannter Weise erregt. Schwingkörper, welche sich für diese Ausführungsform eignen, sind z.B. im eingangs zitierten Artikel von Michel Christen gezeigt.Instead of photothermally, the vibrating body can also be photovolute be excited. That is, the excitation light will in the sensor head transformed into a voltage, which leads to this Purpose made of piezoelectric material (e.g. quartz) Tuning fork excited in a conventional manner. Vibrating body, which are suitable for this embodiment are e.g. in the Article by Michel Christen quoted at the beginning.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, welche ebenfalls auf photovoltaischer Anregung beruht ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Sie ist besonders einfach aufgrund des Einsatzes einer PL-Diode (Photo-Luminiszenz-Diode). Die PL-Diode ist ein optisches Halbleiterbauelement, welches an einem optischen Eingang Licht einer Frequenz empfängt und an eben diesem Eingang Licht einer zweiten Frequenz aussendet, und zwar in Abhängigkeit vom Widerstand, welcher an den elektrischen Anschlüssen 20 a und 20 b der PL-Diode hängt. Eine Stimmgabel aus Quarz stellt aber einen frequenzabhängigen resp. gasdichteabhängigen Wider stand dar.A preferred embodiment of the invention, which is also based on photovoltaic excitation, is shown schematically in FIG. 6. It is particularly simple due to the use of a PL diode (photo-luminescence diode). The PL diode is an optical semiconductor component which receives light of a frequency at an optical input and emits light of a second frequency at precisely this input, depending on the resistance which is at the electrical connections 20 a and 20 b of the PL diode hangs. A tuning fork made of quartz, however, represents a frequency-dependent resp. gas density dependent resistance stood.
Ein großer Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß sie mit einem Minimum an Bauteilen auskommt. Insbesondere genügt ein einziger Lichtwellenleiter 2 b zum Anregen und zum Messen. Eine solche PL-Diode wird z.B. im US-Patent 46 44 379 beschrieben.A great advantage of this embodiment is that it manages with a minimum of components. In particular, a single optical waveguide 2 b is sufficient for excitation and for measurement. Such a PL diode is described, for example, in US Pat. No. 4,644,379.
Fig. 7 zeigt eine typische Resonanzkurve einer Stimmgabel. In der Darstellung von Fig. 7 ist auf der Abszisse die Anre gungsfrequenz f und auf der Ordinate die Amplitude A des Schwing körpers aufgetragen. Sie läßt sich charakterisieren durch die zwei Parameter Resonanzfrequenz fr und Bandbreite Δ f respek tive eine Kreisgüte Q≈fr/Δ f (für den Fall einer hohen Kreis güte). Im wesentlichen ist die Resonanzfrequenz fr bestimmt durch die Gasdichte. Allerdings hat die Temperatur des Gases einen nicht zu vernachlässigenden Einfluß auf die gasbeding te Dämpfung der Stimmgabel. Dieser läßt sich über die Band breite Δ f ermitteln und eliminieren. Fig. 7 shows a typical resonance curve of a tuning fork. In the illustration of Fig. 7, the Anre is on the abscissa supply frequency f and the amplitude A of the vibrating body applied on the ordinate. It can be characterized by the two parameters resonance frequency fr and bandwidth Δ f or a circular quality Q ≈ fr / Δ f (in the case of a high circular quality). The resonance frequency fr is essentially determined by the gas density. However, the temperature of the gas has a not insignificant influence on the gas-related damping of the tuning fork. This can be determined and eliminated via the band width Δ f .
Dieser Einfluß der Gastemperatur kann aber auch dazu verwendet werden, um mit der selben Anordnung nicht nur die Gasdichte sondern auch die Temperatur zu messen. Formell läßt sich das wie folgt ausdrücken:This influence of the gas temperature can also be used for this with the same arrangement not only the gas density but also to measure the temperature. Formally express it as follows:
Dabei ist A(f₀, Q₀) eine 2×2-Matrix, deren Elemente von der Resonanzfrequenz f₀ und der Kreisgüte Q₀ im Arbeitspunkt der Messung abhängen. df, dQ, dδ und dT sind definiert durch A (f ₀, Q ₀) is a 2 × 2 matrix, the elements of which depend on the resonance frequency f ₀ and the circular quality Q ₀ at the working point of the measurement. d f , d Q , d δ and d T are defined by
df = f-f₀
dQ = Q-Q₀
dδ = δ-δ₀
dT = T-T₀d f = ff ₀
d Q = QQ ₀
d δ = δ - δ ₀
d T = TT ₀
wobei f eine Resonanzfrequenz, Q eine Kreisgüte, δ eine Gasdich te und T eine Temperatur in einem Meßpunkt bezeichnen. f₀, Q₀, δ₀, T₀ stellen die Werte der entsprechenden physikalischen Größen im Arbeitspunkt dar.where f is a resonance frequency, Q is a quality factor, δ is a gas density and T is a temperature at a measuring point. f ₀, Q ₀, δ ₀, T ₀ represent the values of the corresponding physical quantities at the operating point.
Im Experiment zeigt sich, daß die Matrix A(f₀, Q₀) nur schwache Elemente in den Nebendiagonalen hat, dδ ist also hauptsächlich bestimmt durch df und dT durch dQ.The experiment shows that the matrix A (f ₀, Q ₀) has only weak elements in the secondary diagonals, so d δ is mainly determined by d f and d T by d Q.
Eine besonders kompakte Anordnung erhält man, wenn man die Anregerlichtquelle gleichzeitig als Meßlichtquelle 8 einsetzt. Dazu müßte z.B. die in Fig. 1 gezeigte Anordnung wie folgt verändert werden. Anstatt den Lichtwellenleiter 2 c an die Meßlichtquelle 8 anzuschließen, wird er mit Hilfe z.B. eines Optokopplers an den Lichtwellenleiter 2 a angeschlossen.A particularly compact arrangement is obtained if the excitation light source is simultaneously used as the measuring light source 8 . For this purpose, the arrangement shown in FIG. 1 would have to be changed as follows, for example. Instead of connecting the optical waveguide 2 c to the measuring light source 8 , it is connected to the optical waveguide 2 a with the help of, for example, an optocoupler.
Die Messung der Amplitude des Schwingkörpers 1 erfolgt dann nur zu gewissen, periodischen Zeitpunkten. Man beobachtet den Schwingkörper 1 gleichsam mit einem Stroboskop. Bei gege bener Anregungsfrequenz fa wird somit immer dieselbe Amplitude gemessen. Aufgrund der Tatsache, daß bei Resonanz der Verlauf der Amplitude um einen Phasenwinkel von 90° gegenüber den Lichtpulsen des Anregerlichts verschoben ist, läßt sich die Resonanzfrequenz fr direkt auf der vom Photodetektor 10 gelie ferten Lichtintensität des reflektierten Meßlichts herleiten. Es bestehen dann auch keine Schwierigkeiten festzustellen, ob die Anregerfrequenz fa allenfalls zu klein oder zu groß ist.The amplitude of the vibrating body 1 is then only measured at certain, periodic times. One observes the vibrating body 1 as it were with a stroboscope. At the given excitation frequency fa , the same amplitude is therefore always measured. Due to the fact that the resonance of the amplitude is shifted by a phase angle of 90 ° with respect to the light pulses of the excitation light, the resonance frequency fr can be derived directly from the light intensity of the reflected measurement light delivered by the photodetector 10 . There are then no difficulties in determining whether the excitation frequency fa is too small or too large.
Im allgemeinen ist es vorteilhaft, den Schwingkörper 1 am schwingenden Ende zu verspiegeln, um dem Photodetektor 10 Meßlicht von hinreichender Intensität zu liefern.In general, it is advantageous to mirror the oscillating body 1 at the oscillating end in order to provide the photodetector 10 with measuring light of sufficient intensity.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ist seine Überdrucksicherheit und seine Genauigkeit. Insbe sondere für die Anwendung in Hochspannungsschaltanlagen erge ben sich unübersehbare Vorteile. Die hohe Genauigkeit wirkt sich nämlich dahingehend aus, daß die Gasbehälter nicht mehr aus Sicherheitsgründen mit einem besonders großen Überdruck gefüllt werden müssen. Durch die einfache und genaue Messung der Gasdichte können allfällige Lecks nämlich frühzeitig fest gestellt werden.A great advantage of the measuring method according to the invention is its security against overpressure and its accuracy. In particular especially for use in high-voltage switchgear there are obvious advantages. The high accuracy works namely that the gas tanks are no longer for safety reasons with a particularly large overpressure have to be filled. Through the simple and accurate measurement The gas density can fix any leaks early be put.
Abschließend kann gesagt werden, daß die Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Gasdichte schafft, welche den An forderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit entspricht und einfach und genau ist.In conclusion, it can be said that the invention is a Arrangement for measuring a gas density, which creates the An requirements of electromagnetic compatibility and is simple and accurate.
Claims (10)
- a) einen Sensorkopf mit einem Schwingkörper (1),
- b) Anregungsmittel zum Anregen des Schwingkörpers (1)
- c) und Detektionsmittel zum Messen einer Amplitude des Schwingkörpers aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
- d) die Anregungsmittel eine Anregerlichtquelle (9) zur Er zeugung von Anregungslicht (3) umfassen,
- e) daß der Sensorkopf über mindestens einen Lichtwellen leiter (2 a, 2 b) mit einer Auswerteschaltung in Verbindung steht, über welchen Anregungslicht zugeführt und ein Meßsignal weggeführt wird, und
- f) daß der Schwingkörper (1) als einseitig eingespannter Balken oder als Stimmgabel ausgeführt ist.
- a) a sensor head with a vibrating body ( 1 ),
- b) excitation means for exciting the vibrating body ( 1 )
- c) and detection means for measuring an amplitude of the vibrating body, characterized in that
- d) the excitation means comprise an excitation light source ( 9 ) for generating excitation light ( 3 ),
- e) that the sensor head is connected via at least one optical waveguide ( 2 a , 2 b ) to an evaluation circuit via which excitation light is supplied and a measurement signal is carried away, and
- f) that the vibrating body ( 1 ) is designed as a cantilever beam or as a tuning fork.
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