DE3821642A1

DE3821642A1 - Einrichtung zum digitalen messen der aenderung physikalischer groessen

Info

Publication number: DE3821642A1
Application number: DE19883821642
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Jahns
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-06-27
Filing date: 1988-06-27
Publication date: 1989-12-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Aus der Ortungstechnik ist es bekannt, die Entfernung eines Gegenstandes von einer Sende/Empfangseinrichtung durch Bewerten der Laufzeit eines elektrischen Signals vom Sender zum Gegenstand und vom Ge genstand zum Empfänger zu messen. Die Genauigkeit der Ab standsmessung ist dabei im wesentlichen abhängig von der Genauigkeit, mit der die Laufzeit des ausgesandten elek trischen Signals ermittelt werden kann.

Mitunter kann es notwendig sein, bereits kleinste Änderungen pysikalischer Größen wie z. B. Abstandsänderungen zu bestim men; dafür reicht die bislang mit wirtschaftlichen Mitteln erreichbare Laufzeitauflösung nicht aus. So läßt sich z. B. bisher die durch Temperaturänderung bewirkte Längenaus dehnung einer Meßprobe oder die Änderung des Abstandes der Meßprobe von einem Meßpunkt durch Laufzeitbewertung noch nicht in einen einigermaßen genauen Temperaturänderungswert um setzen, einfach weil die erreichbare Zeitauflösung zu grob ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, mit der sich mit einfachen Mitteln die Anderung physikalischer Größen durch Laufzeitbewertung eines elektrischen Signals hinreichend genau bestimmen läßt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeich nenden Merkmale des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ein richtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung, wie sie zum Detektieren von Temperaturschwankungen verwendet werden kann und in den

Fig. 2 und 3 zwei verschiedene Ausführungsformen zum Feststel len von Abstandsänderungen zwischen zwei Meßpunkten.

Fig. 1 zeigt einen Lichtwellenleiter LWL, der den Ausgang eines digitalen Lichtsenders S mit dem Eingang eines digitalen Lichtempfängers E verbindet. Der Lichtwellenleiter kann als Monomode- oder als Multimode-Lichtwellenleiter ausgebildet sein und weist eine Länge von einigen 10 Metern auf. Der digitale Lichtsender ist als Laserdiode oder als Leuchtdiode, der digi tale Lichtempfänger als Fotodiode oder Fototransistor ausge bildet. Der Lichtempfänger E weist einen invertierenden Ausgang EA auf, an dem ein zu dem ihm zugeführten digitalen Eingangssignal invertiertes Signal abgreifbar ist. Dieses Signal gelangt auf den Steuereingang SE des Lichtsenders S und bewirkt dort die Umsteuerung des Lichtsenders in den jeweils anderen Betriebszustand. Sender und Empfänger bilden einen elektrooptischen astabilen Multivibrator. Dabei ist das Sendesignal solange "high" bis nach einer Laufzeit T die Vorderflanke des Lichtsignales am Empfänger ankommt. Das invertierte Empfangssignal und damit auch das Sendesignal wird dann "low", und zwar wieder für die Zeitdauer T, d. h. solange, wie die Rückflanke des Lichtsignales benötigt, um den Licht wellenleiter zu durchlaufen. Anschließend wird das Sendesignal wieder "high" und der Vorgang beginnt von neuem. Bei dem vor stehend erläuterten astabilen Multivibrator löst also jeder vom Sender zum Empfänger übertragene Impuls im Sender den jeweils folgenden Impuls aus. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die Pulse sich selbst erzeugen, also nur ein minimaler technischer Aufwand für die Generierung der Pulse erforderlich ist.

Die Zeitperiode der Pulsfolge ist T = 2×T, wobei T im wesentlichen die Verzögerungszeit des Lichtwellenleiters LWL ist; die elektrischen Signallaufzeiten zwischen Empfänger und Sender sowie die Ansprechzeiten von Sender und Empfänger werden als konstant angenommen. Bei einer faseroptischen Strecke der Länge L und dem Brechungsindex n ist der optische Weg L _o=n×L und somit die Pulsfolge T _P=2×n×L/c (c = Lichtgeschwindig keit). Bei einer Länge L des Lichtwellenleiters von 20 Metern und einem Brechungsindex von n = 1,5 ist die Periode T _P der Pulsfolge = 200 ns. Das heißt die Umlauffrequenz f des Sende signals ist 1/T _P = 5 MHz.

Ändert sich nun der optische Weg des Lichtwellenleiters bei spielsweise durch Temperatureinflüsse um die Strecke Δ L _o, dann ändert sich die Periode um

Um diese relativ kleinen Laufzeit- und damit Pulsänderungen erfassen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß man die Ver zögerungszeit nicht während eines einzigen Umlaufes des Sende signals mißt, sondern die Verzögerungszeit mehrerer Umläufe feststellt. Das bedeutet, daß man die Zeit N × (T _P + Δ T _P) mißt, wobei N die Anzahl der Umläufe des Sendesignals ist. Die Meßapparatur braucht dann nur gut genug zu sein, um Zeiten der Größenordnung N × Δ T _P aufzulösen.

Ändert sich der optische Weg L _o = 30 Meter um Δ L _o = 0,3 mm, dann ändert sich die Periode des Pulses um Δ T _P = 2 ps. Bei Ausdehnung der Messung über N = 10⁶ Pulse beträgt die aufzulösende Zeitgröße N × Δ T _P = 2 µs. Die Zeitdauer für eine Messung ist dann N × (T _P + Δ T _P) ∼0,2 sec.

Im folgenden soll die Anwendung des vorstehend erläuterten Meßverfahrens auf die Bestimmung von Temperaturänderungen erläutert werden:

Wird der Lichtwellenleiter selbst als Meßprobe verwendet, dann ändert sich abhängig von der Temperatur R der optische Weg L _o nach folgender Gesetzmäßigkeit:

Dabei ist a = (1/L) × δ L /δR der Wärmeausdehnungkoeffizient und δ n/δR gibt die Abhängigkeit des Brechungsindex n von der Temperatur an. Für Glas bei Raumtemperatur ist im sichtbaren Bereich

δ n/ δR = 10 · 10⁻⁶/K
α = 4 · 10⁻⁶/K

Bei Änderung der Temperatur um 1 K ändert sich der optische Weg L _o um Δ L _o = 0,32 mm falls L _o = 30 Meter ist. Diese Temperaturänderung bewirkt eine Laufzeitänderung des Sende signals im Lichtwellenleiter, die beispielsweise bei der Bewertung von 10⁶ Pulsen wie bei dem zuvor angenommen Aus führungsbeispiel ohne weiteres mit Standardzähler aufgelöst werden kann.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt in dem einfachen Schaltungsaufbau mit preisgünstigen, vielfach bewährten Bauelementen und in der erreichbaren Meßgenauigkeit durch die Einführung genügend langer Meßzeiten und genügend schneller Zähler. Das Meßprinzip ist auf alle Probleme anwendbar, bei denen äußere physikalische Größen, wie Temperatur, Druck usw. zu einer Änderung des optischen Weges zwischen Sender und Empfänger führen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ein richtung, bei der etwaige Abstandsänderungen zwischen einem ersten Meßpunkt P 1 und einem zweiten Meßpunkt P 2 festgestellt werden sollen. Hierzu ist der vom digitalen Lichtsender S kommende Lichtwellenleiter LW 1 an dem einen Meßpunkt P 1 aufge trennt. An dem anderen Meßpunkt P 2 ist ein Reflektor R vorge sehen, der die aus dem Lichtwellenleiter LW 1 austretenden lichtelektrischen Signale in einen zum digitalen Lichtempfänger E führenden Lichtwellenleiter LW 2 einspeist. Durch Bewerten der Pulsfolgezeiten mehrerer vom Sender S generierter Pulse in einen möglichst schnellen Zähler wird dabei die Abweichung des tatsächlich ermittelten Zählergebnisses von einem Normzähler gebnis festgestellt, das sich bei einem vorgegebenen Abstand der beiden Meßpunkte zueinander einstellt. Die so gewonnene Längenabweichung wird anschließend durch die Anzahl der Meß perioden dividiert; hierdurch gelangt man zu der tatsächlichen Abweichung zwischen den beiden Meßpunkten P 1 und P 2. Das Vor zeichen der Abweichung ergibt sich daraus, ob die Abweichung gegenüber dem Normwert positiv oder negativ ist. Der mit dem tatsächlichen Meßwert zu vergleichende Normalwert bezieht sich auf das sich bei einem bekannten Abstand zu einer Meßprobe oder einer definierten Länge des Lichtwellenleiters einstellende Zählergebnis, beispielsweise das Zählergebnis, das sich ein stellt, wenn die Meßpunkte P 1 und P 2 zusammenfallen (Fig. 2) oder wenn der Lichtwellenleiter einer bestimmten Umgebungs temperatur ausgesetzt ist (Fig. 1).

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist für die Hin-und Rückführung der lichtelektrischen Signale ein gemein sames Lichtwellenleiterstück LW 1/2 vorgesehen, das über eine optische Verzweigung V auf die zum digitalen Lichtsender und zum digitalen Lichtempfänger führenden Lichtwellenleiter LW 1 und LW 2 einmündet. An das Lichtaustrittsende dieses gemeinsamen Lichtwellenleiterstückes ist eine bekannte Aufweitungsoptik A 0 angeschlossen, über die die zum Reflektor R austretende Strah lung gegen die in den Lichtwellenleiter eintretende Strahlung entkoppelt ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die zum Fest stellen von Längenänderungen einer Meßprobe MP verwendet sein kann. Hier endet der vom digitalen Sender kommende Lichtwellen leiter LW 1 an dem einen Meßpunkt P 1, während der zum digitalen Empfänger führende Lichtwellenleiter LW 2 an dem anderen Meß punkt P 2 beginnt. Etwaige Abstandsänderungen durch Längenände rungen der Meßprobe infolge Temperatur- oder Druckänderungen lassen sich wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 durch Bewerten einer Vielzahl von Signalpulsen digital feststellen.

Claims

1. Einrichtung zum digitalen Messen der Änderung physikalischer Größen durch Bewertung der Laufzeit eines elektrischen Signals zwischen einem Sender und einem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter (LWL) vorgesehen ist, der den Ausgang eines digitalen Lichtsenders (S) mit dem Eingang eines digitalen Lichtempfängers (E) verbindet,
daß der digitale Lichtempfänger (E) das jeweils von ihm detektierte digitale Signal des Lichtsenders (S) invertiert und das invertierte Signal zur Umsteuerung des digitalen Lichtsenders (S) in den jeweils anderen Betriebszustand auf einen Steuereingang des Lichtsenders (S) führt,
daß ein Zähler vorgesehen ist zum hochfrequenten Auszählen des zeitlichen Abstandes zwischen dem Beginn eines vom Lichtsender (S) ausgesandten Signals und einem vom Empfänger (E) beim Ausbleiben des Signals abgegebenen Signals, wobei der Zähler jeweils für die Dauer mehrerer Perioden der vom digitalen Lichtsender ausgesandten Signale aktiviert ist und ein Zählergebnis über die Gesamtperiodendauer der Pulse bildet,
daß die Abweichung des tatsächlich ermittelten Zähler gebnisses von einem Norm-Zählergebnis festgestellt wird und daß diese Abweichung anschließend in einen der zu messenden physikalischen Größe entsprechenden Wert umgesetzt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lichtwellenleiter (LWL) zum Be stimmen von Längenänderungen eine Länge von einigen zehn Metern aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Bestimmen des Abstandes zwischen einem ersten und einem zweiten Meßpunkt (P 1, P 2) der vom digitalen Lichtsender (S) kommende Lichtwellenleiter (LW 1) an dem einen Meßpunkt (P 1) aufgetrennt ist und daß an dem anderen Meßpunkt (P 2) ein Reflektor (R) angeordnet ist, der die aus dem vom digitalen Lichtsender (S) gespeisten Lichtwellenleiter (LW 1) austretenden lichtelektrischen Signale in einen zum digitalen Lichtempfänger (E) führenden Lichtwellenleiter (LW 2) einspeist. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Bestimmen des Abstandes zwischen einem ersten und einem zweiten Meßpunkt (P 1, P 2) der vom digitalen Lichtsender (S) kommende Lichtwellenleiter (LW 1) an dem einen Meßpunkt (P 1) aufgetrennt ist und daß der andere Meßpunkt (P 2) durch das Lichteintrittsende des zum digitalen Lichtempfänger (E) führenden Lichtwellenleiters (LW 2) darge stellt ist. 5. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Hin- und Rückführung der lichtelektrischen Signale mindestens ein gemeinsames Lichtwellenleiterstück (LW 1/2) vorgesehen ist, das über eine optische Verzweigung (V) in die zum digitalen Lichtsender (S) und zum digitalen Lichtempfänger (E) führenden Lichtwellen leiter (LW 1, LW 2) einmündet. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der digitale Lichtsender (S) als Leuchtdiode oder als Laserdiode ausgebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der digitale Lichtempfänger als Foto transistor oder Fotodiode ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (LWL) als Multimode-Lichtwellenleiter oder als Monomode-Lichtwellenleiter ausgebildet ist.