DE4332501A1 - Sensorsystem für sich dynamisch ändernde Meßgrößen und zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents

Sensorsystem für sich dynamisch ändernde Meßgrößen und zugehöriges Betriebsverfahren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem mit einem Array faseroptischer Sensoren und einer Auswerteeinheit zur Auswertung von optischen Rückstreu- und/oder Refle­ xionssignalen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf das zugehörige Verfahren zum Betrieb dieses Sensorsystems, insbesondere zur Auswertung der optischen Rückstreu- und/oder Reflexionssignale.
Verteilte faseroptische Sensoren bzw. Arrays von Sensoren bieten große Anwendungsmöglichkeiten für die Überwachung von ausgedehnten Gebieten und/oder bei einer großen Anzahl von Meßpunkten. Beispielsweise in der Kommunikationstech­ nik müssen Lichtwellenleitungen auf Entfernungen bis zu 250 km bei einer Ortsauflösung im Bereich von Metern auf spezifische Eigenschaften, insbesondere Defekte, unter­ sucht werden. Hierzu sind standardmäßige Auswertegeräte, sogenannte OTDR-Geräte (Optical Time Domain Reflectome­ ter), bekannt. Physik und Betriebsweise solcher Geräte sind unter anderem in der Monographie "Optical Fiber Sensors - Systems and Applications", Vol. 2 (1989), insbes. Seiten 536 bis 544, beschrieben.
Bei Anwendung letzterer Geräte dienen die Lichtwellen­ leiter selbst als Sensoren und es werden beispielsweise die Dämpfung des Lichtwellenleiters, Verluste in Splicen bzw. Steckern oder auch Reflexionen aus Störstellen er­ faßt. Weiterhin können so Kabelbrüche sowie Verluste durch Verlegefehler erkannt werden.
Die Meßbereichdynamik solcher Geräte liegt üblicher­ weise bei 30 dB bei einer Auflösung von typisch 0,1 dB. Die erreichbare Dynamik ist dabei stark von der Anzahl der Mittelungen abhängig. Insbesondere bei genauen Messungen ergeben sich demzufolge Meßzeiten im Bereich von Minuten. Dies bedeutet, daß zeitliche Änderungen in diesem Zeitraum nicht bzw. nicht richtig erfaßt werden können.
Im Maschinen- oder Generatorbau haben die Überwachungs­ größen meist einen dynamischen Verlauf. Beispielsweise treten an den Wickelköpfen von größeren elektrischen Generatoren häufig mechanische Schwingungen auf. Derartige Schwingungen sollen im Sinne einer kontinuierlichen Be­ triebsüberwachung erfaßt werden. Hierfür bieten sich aus Gründen der geforderten Potentialtrennung und des dielek­ trischen Aufbaus faseroptische Sensoren an, da eine metallische Verdrahtung aus elektrischen Gründen vermieden werden sollte. Speziell für diesen Anwendungszweck ist aus etz, Band 109 (1988), Seiten 16 bis 18, bereits ein solches faseroptisches Meßsystem zur Schwingungsüber­ wachung bekannt, bei dem jedem einzelnen Sensor eine eigene Glasfaserleitung mit separater Auswerteeinheit zugeordnet ist. Dadurch wird das gesamte Meßsystem ver­ gleichsweise aufwendig.
Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Sensorsystem und das zugehörige Betriebs­ verfahren zur Auswertung anzugeben, mit dem auch bei sich dynamisch ändernden Meßgrößen vom OTDR-Prinzip Gebrauch gemacht werden kann.
Die Aufgabe ist bei einem Sensorsystem der eingangs ge­ nannten Art durch die Kombination folgender Merkmale ge­ löst:
  • - Eine optische Strahlungsquelle und ein optischer Empfänger sind an eine einzige faseroptische Leitung angeschlossen,
  • - die einzelnen Sensoren sind über faseroptische Ver­ bindungselemente an die faseroptische Leitung ange­ koppelt,
  • - die Auswerteeinheit ist zur Auswertung der Rückstreu- und/oder Reflexionssignale, die in Abhängigkeit von sich dynamisch ändernden Meßgrößen moduliert sind, ausgebildet.
Die optischen Verbindungselemente sind dabei vorteilhaf­ terweise solche Koppler, mit denen jeweils ein definierter Teil der optischen Strahlung ausgekoppelt werden.
Beim zugehörigen Betriebsverfahren werden zur Aufwertung der sich dynamisch ändernden Meßgrößen bei jeweils spezi­ fischen, den einzelnen Sensoren zugeordneten Verzögerungs­ zeiten in wenigstens einem vorgegebenen Zeitfenster die Rückstreu- und/ oder Reflexionssignale wiederholt abge­ tastet. Vorzugsweise werden zum jeweils vorbestimmten Zeitpunkt die jeweilige Meßgröße mit einer gegenüber der Änderungsfrequenz höheren Frequenz abgetastet.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß von dem bekannten, mit einer einzigen faseroptischen Leitung arbeitenden OTDR-Prinzip, das bisher bei statischen Über­ wachungsproblemen erfolgreich eingesetzt wird, dann auch bei sich dynamisch ändernden Meßgrößen Gebrauch gemacht werden kann, wenn die Auswerteeinheit entsprechend ausge­ legt ist. Insbesondere ist es dafür vorteilhaft, wenn den einzelnen Sensoren als optische Verbindungselemente Koppler mit vorgegebenen Koppelfaktoren zugeordnet sind. Vorzugsweise sind dabei die Koppelfaktoren eine Funktion der Anordnung der einzelnen Sensoren im Array und werden deren Werte mit der Entfernung von der Strahlungsquelle bzw. dem Strahlungsempfänger im Mittel ansteigend gewählt. Insgesamt ist dadurch die Gesamtzahl aller so zu betrei­ benden Sensoren durch den Koppelfaktor des ersten Sensors im Array vorgegeben. Für die Praxis bei der Überwachung von Generatoren können so beispielsweise dreißig Schwin­ gungssensoren betrieben werden.
Das erfindungsgemäße Auswerteverfahren schließt insbeson­ dere eine Frequenzbestimmung der zu überwachenden Meßgröße ein. Dazu wird vorzugsweise der Frequenzgehalt der sich dynamisch ändernden Meßgrößen durch Abtastung mit gegen­ über der zu erwartenden Frequenz höherer Frequenz ermit­ telt. Bei stationären Signalen kann auch bei Unterab­ tastung noch sinnvolle Information gewonnen werden, wenn die Abtastung mit sich statistisch ändernder Phase erfolgt oder ein sog. Chirp-Verfahren angewandt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus­ führungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigt
Fig. 1 das Prinzip eines linear aufgebauten Sensorarrays mit Versorgungs- und Auswerteeinheiten,
Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen zur Bestimmung von optimierten Koppelfaktoren der einzelnen Sensoren,
Fig. 4 einen konkreten Meßaufbau mit zwei unterschiedlichen Sensoren und
Fig. 5a) bis c) die zugehörigen Meß- Auswertesignale.
Mehrfache bzw. gleichwirkende Teile haben in den Figuren entsprechende Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfol­ gend teilweise zusammen beschrieben:
In Fig. 1 bedeutet 1 eine faseroptische Leitung, die eine vergleichsweise große Länge haben kann, was in Fig. 1 durch mehrere Schleifen verdeutlicht ist. Die faseropti­ sche Leitung 1 ist im Betriebsgerät 2 einerseits an eine Laserdiode 3 als Strahlungsquelle und andererseits an eine sog. Avalanche Diode 4 als Strahlungsempfänger angekop­ pelt, wozu eine optische Weiche 5 notwendig ist. Das Be­ triebsgerät 2 wird von einer Kontroll- und Steuereinheit 10 gesteuert, auf die weiter unten noch im einzelnen eingegangen wird.
An die faseroptische Leitung 1 sind im Abstand jeweils faseroptische Abzweigleitungen 11, 11′, . . . mittels ein­ zelner faseroptische Koppler 15, 15′, . . . angebracht und führen jeweils zu einem Sensor 20, 20′, . . . Die Sensoren 20, 20′, . . . sind speziell in Fig. 1 für gleiche physika­ lische Meßgrößen ausgelegt, was aber nicht zwingend ist. Sie können auch unterschiedlich aufgebaut sein und/oder für unterschießliche Meßgrößen bzw. Meßbereiche dienen.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 wird den einzelnen Senso­ ren 20, 20′, . . . Licht über die faseroptische Leitung 1, die einzelnen Koppler 15, 15′, . . . und die jeweilige Abzweigleitung 11, 11′, . . . zugeführt. Durch die Sensoren 20, 20′, . . . ergeben sich entsprechend der jeweiligen Meß­ größe dynamisch modulierte Rückstreu- und/oder Reflexions­ signale, die den gleichen Weg zum Empfänger 4 zurücklaufen und für jeden einzelnen Sensor eine charakteristische Verzögerungszeit ("Delay") entsprechend der optischen Laufzeit haben. Diese Signale stehen als Analogsignale zur Verfügung und können mit spezifischen Signalverarbeitungs­ methoden ausgewertet werden, was anhand der Fig. 4 und 5 beispielhaft erläutert wird.
Aufgrund der dynamischen Natur der durch die einzelnen Sensoren der Fig. 1 aufgenommenen Meßsignale müssen bestimmte Bedingungen für die Wiederholrate und die Breite der optischen Impulse der Laserdiode 3 erfüllt werden. Eine minimale Repetitionsrate ist durch das Abtast-Theorem gegeben und ist eine Funktion der Bandbreite des Sensor­ elementes. Die maximal mögliche Repetitionsrate ist da­ gegen durch die Länge des angegebenen Netzwerk es vorge­ geben. Für bestimmte Randbedingungen kann es unmöglich sein, die Forderungen des Abtast-Theorems zu erfüllen, so daß eine Unterabtastung vorliegt. Auch in einem solchen Fall kann zumindest aus stationären Meßsignalen eine ge­ wisse Information abgeleitet werden, wenn eine konstante Phasenbeziehung zwischen dem Abtastsignal und der zu er­ fassenden Meßgröße vermieden wird. Dies kann insbesondere durch statistische Änderungen in der Abtastfrequenz er­ füllt werden. Gleichermaßen kann in einem solchen Fall die Abtastfrequenz zeitlich gezielt verändert werden, was als sogenanntes Chirp-Verfahren bekannt ist.
Speziell bei einer Vielzahl von an einer einzigen faser­ optischen Leitung 1 hintereinander angekoppelten Sensoren 20, 20′, . . . ist der Koppelfaktor AN der einzelnen Koppel­ elemente 15, 15′ , . . . wesentlich. Es ist einleuchtend, daß bei gleichen Koppelfaktoren AN aller Koppelelemente die von den einzelnen Sensoren empfangenen und zurückgekoppel­ ten Lichtintensitäten IN entsprechend der Anordnung des Sensors im Array absinken. Sinnvollerweise läßt man daher die Koppelfaktoren AN im Array von niedrigen Werten zu höheren Werten ansteigen.
Anhand der Fig. 2 und 3 läßt sich letzterer Sachverhalt verdeutlichen: In Fig. 2 ist die Sensor-Lichtintensität IN und in Fig. 3 ist der Koppelfaktor AN jeweils als Funktion der Sensorzahl N bei hintereinander angeordneten Sensoren dargestellt. Speziell in Fig. 2 sind der Unter­ grundbereich des Rauschens und der für die Auswertung auszunutzende dynamische Bereich herausgehoben.
In Fig. 2 gibt Graph 25 die Abhängigkeit der Sensor­ intensität bei einem Koppelfaktor a = 0,1 wieder. Man erkennt, daß bereits bei vierzehn Sensoren der angenommene Dynamikbereich unterschritten und bei neunzehn Sensoren der Rauschbereich erreicht ist. Wird dagegen der Koppel­ faktor a = 0,03 gewählt, so zeigt Graph 26 einen flacheren Verlauf, bei dem bei sechs Sensoren der erforderliche Dynamikbereich unterschritten, der Rauschbereich dagegen bei 25 Sensoren erreicht wird. Im Idealfall ist eine Si­ tuation gemäß Graph 27, der über den gesamten Bereich oberhalb des geforderten Dynamikbereiches liegt, anzu­ streben. Dies heißt für die Praxis, daß sich die Koppel­ faktoren von kleineren zu größeren Werten ändern müssen, wie es Graph 35 in Fig. 3 zeigt.
Für die Praxis erscheint es hinreichend, wenn der Koppel­ faktor einzelnder Sensoren jeweils gruppenweise gleich ist, beispielsweise bei fünf Sensoren, und dann jeweils sprunghaft auf einen höheren Wert steigt. Dies ist durch Graph 36 der Fig. 3 wiedergegeben, was in Fig. 2 zu einer Intensitätskurve gemäß Graph 28 führt. Dabei ist insbesondere ersichtlich, daß der Anfang des Graphen 28 mit dem Graphen 26 übereinstimmt und das Ende des Graphen 28 die gleiche Steigung wie Graph 25 hat.
Durch Berechnungen läßt sich im einzelnen zeigen, daß bei einem Koppelfaktor von A₁ = 0,026 des ersten Sensors und bei näherungsweise exponentiell ansteigenden Koppelfakto­ ren der sich linear anschließenden Sensoren achtunddreißig einzelne Sensoren mit insgesamt gleicher Auflösung betrie­ ben werden können.
In Fig. 4 ist die in Fig. 1 allgemein angegebene An­ ordnung speziell für zwei physikalisch unterschiedliche Sensoren realisiert. Außer den bei obiger Beschreibung bereits erwähnten Einzelheiten ist hier jeweils die faseroptische Anordnung aus Hauptleitung 1, Abzweiglei­ tungen 11 und 11′ und Kopplern 15 und 15′ noch mit Splice-Einheiten 12 für faseroptische Schleifen bestückt. Weiterhin sind zwei faseroptische Verbinder 13 und 13′, vorhanden. Die Kontroll- und Prozeßeinheit 10 entsprechend Fig. 1 ist an einen Personalcomputer 100 zur Auswertung und Darstellung der Signale, welche in Fig. 5 wiederge­ geben sind, angeschlossen.
In Fig. 4 ist der eine Sensor 120 ein Vibrationssensor, dem ein Sinusgenerator 125 zugeordnet ist. Der andere Sensor 220 ist ein Stromsensor, der mit 50 Hz betrieben wird. Der erste Sensor 120 wird von der Meßgröße mit einer Frequenz von 5 Hz, der zweite Sensor 220 von einer Meß­ größe mit einer Frequenz von 50 Hz beaufschlagt, was mit den optischen Rückstreu- und/oder Reflexionssignalen übertragen wird.
Gemäß Fig. 5a ergibt sich auf dem Display des PC 100 das OTDR-Signal 101. Das Signal 101 enthält Peaks einer­ seits von den Koppelelementen 11 und andererseits von den beiden Sensoren 120 und 220, und zwar die Peaks 121 und 122, welche jeweils entsprechend der Lage des einzelnen Sensors und den zugehörigen Laufzeiten τi verschoben sind.
Zur Auswertung letzteren Analogsignals 101 werden zunächst die den beiden Sensoren 120 und 220 zuzuordnenden Ver­ zögerungszeiten ("Delay") τ₁ und τ₂ bestimmt. Bei den Randbedingungen des Beispiels gemäß Fig. 4 ergeben sich τ₁ = 1100 ns für Sensor 120 und τ₂ = 1730 ns für den Sensor 220. Anschließend werden zum jeweils vorbestimmten Zeitpunkt die sich dynamisch ändernden Meßgrößen mit einer gegenüber der Änderungsfrequenz höheren Frequenz, bei­ spielsweise mit 2 kHz, abgetastet. Nach Zwischenspeiche­ rung auf nicht konkret dargestellten Transienten-Rekordern für die einzelnen Meßgrößen bzw. entsprechender programm­ gesteuerter digitaler Signalaufbereitung ergeben sich die Kurven 102 gemäß Fig. 5b bzw. 202 gemäß Fig. 5c.
Alternativ zur Abtastung jeweils eines einzigen Meßwertes, der zweckmäßigerweise im Maximum der Peaks 121 bzw. 122 liegt, können die Meßsignale in einem gemeinsamen oder in einzelnen, den jeweiligen Sensoren zugeordneten Zeit­ fenstern aufintegriert werden. Dabei ist jeweils für die weitere Auswertung ein eindeutiger Zeitbezug zu gewähr­ leisten, wofür vom Stand der Technik geeignete Mittel bekannt sind.
In Fig. 5b) stellt die Kurve 102 mit 5 Hz das intensi­ tätsmodulierte Signal des Sensor 120 und in Fig. 5c) die Kurve 202 das mit 50 Hz intensitätsmodulierte Signal des Sensors 220 dar. Beide gemäß Fig. 4 mit unterschiedlich aufgebauten Sensoren 120 und 220 aufgenommene, sich dyna­ misch ändernde physikalischen Meßgrößen können also am Auswertegerät wiedergegeben werden. Die beschriebene Signalauswertung ergibt somit eindeutige Aussagen für das dynamische Verhalten der Meßgrößen.
Eine Verringerung der Abtastrate bei der Auswertung gemäß Fig. 5 zeigt, daß bereits durch eine Abtastrate von bei­ spielsweise 1 kHz dynamische Meßgrößenänderungen mit vor­ gegebener Bandbreite und einer oberen Grenzfrequenz von einigen hundert Hertz ermittelt werden können. Das Signal-/Rausch-Verhältnis ist jeweils im Bereich von 20. Die Anwendung eines solchen Systems mit beispielsweise dreißig Sensoren erscheint realistisch.
Für praktische Anwendungen kann mit einer solchen Anzahl von Sensoren beispielsweise bei Großgeneratoren das Schwingungsverhalten an singulären Meßpunkten des Gene­ rators berührungslos erfaßt werden. Dabei können die einzelnen Meßpunkte jeweils periodisch mit einem einzigen Transientenrekorder durch Änderung des charakteristischen Delays τi abgefragt werden, so daß sich der Aufwand für eine Betriebsüberwachung in Grenzen hält.

Claims (17)

1. Sensorsystem mit einem Array faseroptischer Sensoren und einer Auswerteeinheit zur Auswertung von optischen Rückstreu- und/oder Reflexionssignalen mit folgenden Merk­ malen:
  • - Eine optische Strahlungsquelle (3) und ein optischer Empfänger (4) sind an eine einzige faseroptische Leitung (1) angeschlossen,
  • - die einzelnen Sensoren (20, 20′ . . . ; 120, 220) sind über faseroptische Verbindungselemente (11, 11′, . . . ; 15, 15′, . . .) an die faseroptische Leitung (1) angekoppelt,
  • - die Auswerteeinheit (10, 100) ist zur Auswertung der Rückstreu- und/oder Reflexionssignale, die in Abhän­ gigkeit von sich dynamisch ändernden Meßgrößen moduliert sind, ausgebildet.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Verbindungs­ elemente Koppler (15, 15′, . . .) enthalten, mit denen je­ weils ein definierter Teil der optischen Strahlung ausge­ koppelt wird.
3. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß den einzelnen Sensoren (20, 20′ . . .; 120, 220) Koppler (15, 15′, . . .) mit vorgegebenen Koppelfaktoren (AN) zugeordnet sind.
4. Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Koppelfaktoren (AN) eine Funktion der Anordnung der einzelnen Sensoren (20, 20′, . . .; 120, 220) im Array sind und daß deren Werte mit der Entfernung von der Strahlungsquelle (3) bzw. dem Strahlungsempfänger (4) im Mittel größer werden.
5. Sensorsystem nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Koppelfaktoren (AN) der einzelnen Sensoren (20, 20′ . . .; 120, 220) jeweils gruppenweise, beispielsweise fünf, konstant bleiben und dann jeweils sprunghaft auf einen höheren Wert ansteigen.
6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Maximalzahl aller Sensoren (20, 20′, . . .) durch den Koppelfaktor (AN) des ersten Sensors (20) im Array vorgegeben ist.
7. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Laserdiode (3) ist.
8. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger ein schnelles optisches Element (4), vorzugsweise eine Avalanche Photodiode, ist.
9. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (10, 100) gleichermaßen als Kontroll- und Betriebssteuereinheit dient.
10. Verfahren zum Betrieb eines Sensorsystems gemäß An­ spruch 1 insbesondere zur Auswertung der optischen Rückstreu- und/oder Reflexionssignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstreu- und/oder Reflexionssignale zur Auswertung der sich dynamisch ändernden Meßgrößen bei jeweils spezifischen, den einzel­ nen Sensoren zuzuordnenden Verzögerungszeiten (τi) in wenigstens einem vorgegebenen Zeitfenster wiederholt abgetastet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückstreu- und/oder Reflexionssignale für jeden Sensor über das Zeitfenster integriert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitfenster für jeden Sensor so gewählt werden, daß sie einen einzigen Amplitu­ denwert zur wiederholten Abtastung umschließen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abtastung mit einer solchen Frequenz erfolgt, bei der das Abtasttheorem erfüllt ist, wodurch der Frequenzgehalt der sich dynamisch ändernden Meßgröße ermittelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Abtastung eine Frequenz von beispielsweise 1 kHz gewählt wird, wodurch sich dynamisch ändernde Meßgrößen bis zu einigen hundert Hertz aufgelöst werden können.
15. Sensorsystem nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rückstreu- und/oder Reflexionssignale als Analogmeßgrößen ausgekoppelt werden und hinsichtlich ihrer Amplitude ausgewertet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeich­ net durch eine zeitlich statistische Abtastung der sich dynamisch ändernden Meßgrößen, so daß im Fall der Unterabtastung zumindest stationäre Signale ausgewertet werden können.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abtastfrequenz zeitlich gezielt verändert wird (sog. Chirp-Verfahren).
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