DE69104786T2

DE69104786T2 - Druckwandler mit optischen Fasern und Temperaturausgleich.

Info

Publication number: DE69104786T2
Application number: DE69104786T
Authority: DE
Inventors: Jean-Philippe Herzog; Patrick Meyrueis
Original assignee: IWKA AG
Current assignee: KUKA AG
Priority date: 1990-07-09
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: FR2664384B1; DE69104786D1; EP0466623A1; FR2664384A1; ATE113378T1; EP0466623B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer mit Lichtleitfasern und Temperaturausgleich mit zwei Lichtleitfaserwicklungen, die jeweils auf einem Zylinder dergestalt ausgebildet sind, daß sie am Ausgang die gleiche Polarisation und die gleiche Länge aufweisen, wobei die Zylinder ein einziges und gleiches mechanisches Teil ausbilden und zumindest eine Wicklung zur Messung druckbeaufschlagt und für interferometrische Messungen mit kohärentem Licht herangezogen wird.
Sie betrifft insbesondere einen Druckaufnehmer mit Lichtleitfasern mit einem interferometrischen Aufbau.
Bekannte Druckaufnehmer mit Lichtleitfasern können in drei Hauptkategorien eingeordnet werden, je nachdem, ob der Druck die Intensität, die Polarisation oder die Phase der Lichtwelle moduliert.
Unter den Aufnehmern der ersten Kategorie sind Reflexionsaufnehmer bekannt, in denen das zurückgestrahlte Licht in der Faser durch Reflexion an einer Membran, deren Verlagerung oder Deformation eine Funktion des angelegten Druckes ist, intensitätsmoduliert ist. Des weiteren sind Aufnehmer mit Positionsverlagerung bekannt, in denen eine ortsfeste Faser gegenüber einer durch Druck verlagerbaren Faser angeordnet ist.
Gleichermaßen sind Aufnehmer mit Krümmungen im Mikrobereich bekannt, in denen die Druckänderungen auf die Lichtleitfaser mittels eines mechanischen Systems übertragen werden, welches sich aufgrund des durch ein Fluid erzeugten Drucks deformiert. Die Lichtwellenfortpflanzung wird durch die derart an der Faser verursachten Mikrokrümmungen modifiziert. Es ergibt sich eine Änderung in der übertragenen Intensität, welche die Druckänderungen zum Ausdruck bringt. Die offensichtliche Einfachheit dieser Aufnehmer drückt weder deren Effizienz noch deren Empfindlichkeit aus. Die Verwendung eines Umwandlungsmechanismus an der Außenseite der Faser begrenzt indessen in den meisten Fällen die Größe des Meßbereich. Überdies stellen die Risiken einer Zerstörung im Falle einer Überlastung und die mit der Anwendung von Membranen verbundenen Probleme (insbesondere die Hysterese) ebenso Nachteile dar.
Was Druckaufnehmer mit Polarisationsänderung betrifft, so mißt man die Änderung des Polarisationszustandes des Lichtes, welche mit der Änderung der Doppelbrechung aufgrund elastischer Deformation der Faser und der Wirkung des Druckes verbunden ist. Diese Sensorart verwendet komplexe Einrichtungen und eine Vielzahl von mechanischen und optischen Zwischenteilen, welche einen teuren Betrieb verursachen und kaum industriell anwendbar sind.
Druckaufnehmer mit Phasenänderung sind interferometrischen Aufbaus und weisen eine sehr große Empfindlichkeit auf. Sie umfassen im allgemeinen eine von der Außenumgebung größtmöglich isolierte Referenzfaser und eine den Änderungen der zu messenden physikalischen Größe unterworfene Meßfaser.
Die durch die Änderung der zu messenden physikalischen Größe (z.B. der Druck) verursachte Phasenverschiebung erzeugt aufgrund der Überlagerung der zwei Wellen am Ausgang des Interferometers nicht-stationäre Interferenzstreifen.
Die "Patent Abstracts of Japan", Vol. 9, Nr. 296 (P-407) (2019) vom 22. November 1985 und die JP-A-60 133 336 (Shimazu Seisakusho K.K.), 16. Juli 1985, zeigen einen Druckaufnehmer mit Lichtleitfasern und Temperaturausgleich mit zwei Lichtleitfaserwicklungen, die jeweils auf einem Zylinder dergestalt ausgebildet sind, daß sie am Ende die gleiche Polarisation und die gleiche Länge aufweisen, wobei die Zylinder ein einziges und gleiches mechanisches Teil ausbilden und zumindest eine Wicklung zur Messung druckbeaufschlagt wird und für interferometrische Messungen mit kohärentem Licht herangezogen wird. Dieser Aufnehmer weist keine Kompensation interferometrischer Temperatureffekte auf.
Wenn auch verschiedene Vorteile wie die Empfindlichkeit und die enorme Größe des Meßbereiches die Überlegenheit dieser Art von Aufnehmern zeigen, verbleibt die Temperaturempfindlichkeit, welche den Hauptnachteil darstellt.
Diese erweist sich insbesondere in allen Fällen gestörter Umgebungen wie bei im industriellen Bereich anzutreffenden als beeinträchtigend.
Der Artikel "Simultaneous measurement of temperature and pressure variations with a single mode fibre" in "OPTICAL FIBER SENSORS - 1988, TECHNICAL DIGEST SERIES, New Orleans, 27.-29. Januar 1988, Vol. 2, Teil 2, Seiten 495-501, Optical Society of America, Washington D.C., von D. Chardon et al zeigt, daß man die Druck- und die Temperaturunterschiede durch Messen der übertragenen Intensitäten zirkular polarisierten Lichtes für verschiedene Winkel berechnen kann.
Eine in der EP-A-345 188 beschriebene Einheit zum Nachweis und Messen für unter Druck stehende Fluide ist dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens zwei Elemente aus Lichtleitfasern mit einer Referenzfaser für jedes Element umfaßt, wobei die Lichtleitfasern jeweils eine Wicklung in entsprechenden Zellen aufweisen, in denen unterschiedliche Temperaturen und Drücke vorherrschen, wobei die Zellen mit dem zu messenden Fluid an unterschiedlichen Meßpunkten in Verbindung stehen und in die Fasern mittels eines Lasers ein kohärentes Lichtbündel eingekoppelt wird, und daß am Ausgang der zur Interferenzbildung angeordneten Fasern die Interferenz streifen mittels einer Kamera beobachtet und ihr Verlauf in einem Informationssystem festgehalten wird. Der Temperaturausgleich erfordert komplizierte elektronische Schaltungen.
Ein anderer Aufbau, welcher zwei mit solch unterschiedlichen Materialien überzogene Fasern aufweist, daß sie jeweils die gleiche Temperaturempfindlichkeit, jedoch eine unterschiedliche Druckempfindlichkeit aufweisen, ermöglicht auf analoge Weise die Messung des von den Temperatureffekten entkorrelierten Drucks in einer einzigen, die beiden Fasern enthaltenden Meßzelle. Der Unterschied zum vorhergehenden Aufbau besteht darin, daß man nur den Druckeffekt und nicht den der Temperatur messen kann, welcher durch diesen Aufbau insbesonders eliminiert wird. Dieser Aufbau erfordert spezielle Fasern.
Die EP-A-242 894 zeigt einen Drucksensor mit einem Längshohlkörper aus elastischem Material, welcher durch eine Trennwand verschlossen ist, wobei der Körper zwei Hohlelemente, von denen zumindest eines mit einer Druckquelle verbindbar ist, sowie eine Vielzahl von Ausnehmungen auf einem Längsabschnitt aufweist, welche durch sich längserstreckende, mehr oder weniger spitze Kanten begrenzt sind, deren Abstand zueinander sich entsprechend des zu messenden Druckes ändert, und mit einer Lichtleitfaser mit einem Wicklungsabschnitt um die Ausnehmungen, welche an einem ihrer Enden mit einer Lichtquelle und an ihrem anderen Ende mit einem Photometer zur Messung der aus der Lichtquelle stammenden und durch die Faser geführten Lichtmenge verbunden ist, gekennzeichnet durch einen Sensor zur Messung der Temperaturunterschiede mit einer zweiten Lichtleitfaser, welche an einem ihrer Enden mit einem Photometer zur Messung der aus der Lichtquelle stammenden und durch die Faser geführten Lichtmenge verbunden ist, wobei die Faser Ausnehmungen umgebend festgelegt ist und zumindest einen einem der entsprechenden rohrförmigen Elemente benachbarten Wicklungsabschnitt aufweist, wobei der Wicklungsabschnitt der erstgenannten Lichtleitfaser genau auf halber Strecke um die an einer Seite der Trennwand angeordneten, druckbeaufschlagten Ausnehmungen herum festgelegt ist und die Wicklungsabschnitte der beiden Lichtleitfasern am Anfang und am Ende der entsprechenden Kanten der Ausnehmungen gesichert sind.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, den Temperaturausgleich zu verbessern.
Hierzu betrifft sie einen Druckaufnehmer mit Lichtleitfasern und Temperaturausgleich mit zwei Lichtleitfaserwicklungen, die jeweils auf einem Zylinder dergestalt ausgebildet sind, daß sie am Ausgang die gleiche Polarisation und die gleiche Länge aufweisen, wobei die Zylinder ein einziges und gleiches mechanisches Teil ausbilden und zumindest eine Wicklung zur Messung druckbeaufschlagt und für interferometrische Messungen mit kohärentem Licht herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Lagen sowie die Länge der Fasern auf beiden Wicklungen gleich sind und daß die Einheit zur Messung druckbeaufschlagt und zu interferometrischen Messungen mit kohärentem Licht verwendet wird.
Aus der Verwendung des erfindungsgemäßen Aufnehmers ergeben sich zahlreiche Vorteile:
- Er kann mit Multimodefasern, insbesondere weniger teuren, betrieben werden;
- die Multimodefasern zeichnen sich des weiteren durch eine große Bedienungsfreundlichkeit beim Einkoppeln des Lichtes aus;
- das Fehlen einer Referenzlichtleitfaser;
- ein intrinsischer Temperaturausgleich;
- mechanische Haltbarkeit beim Betrieb der Einheit;
- übliche Vorteile von Lichtleitfasern:
hohe Empfindlichkeit, galvanische Trennung, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Sicherheit in explosiven Umgebungen.
Dank seiner Bedienungsfreundlichkeit und Präzision ermöglicht der erfindungsgemäße Aufnehmer vielfältige Anwendungen:
- Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse;
- Durchflußmessungen und insbesondere Messungen der Fluidströmungen;
- Druckmessungen in einem Raum oder einer Umgebung, in der Messungen mit einer anderen Aufnehmerausführung unmöglich scheinen, z.B. einer explosiven Umgebung.
Die technischen Merkmale und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein nicht einschränkend wirkendes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert ist. Dabei zeigt:
Fig. 1 das Schema des Basisaufbaus mit einer einzigen Meßzelle;
Fig. 2 den Grundriß zweier Windungen aus Lichtleitfasern, welche auf zwei tangierenden Zylindern festgelegt sind;
Fig. 3 das Aufbauschema eines Aufnehmers mit zwei Meßzellen mit parallel geschalteten Wicklungen, welches eine Anwendung in einer Leitung darstellt;
Fig. 4 das Aufbauschema eines Aufnehmers mit zwei Meßzellen mit gekreuzt in Reihe geschalteten Wicklungen;
Fig. 5 das Aufbauschema eines Aufnehmers mit zwei Meßzellen mit in Reihe geschalteten Wicklungen;
Fig. 6 das Aufbauschema eines Aufnehmers mit zwei unterschiedlichen Innenkammern im Inneren desselben Zylinders; und
Fig. 7 das Schema eines Ausführungsbeispiels eines Aufnehmers mit einer einzigen Innenkammer.
Die erfindungsgemäße Hauptidee besteht in der Bildung eines Druckaufnehmers anhand zweier unterschiedlicher Wicklungen aus Lichtleitfasern auf zwei Zylindern unterschiedlichen Durchmessers, welche einen gleichen mechanischen Block ausbilden.
Insbesondere ist eine erste Lichtleitfaser 1 gewickelt und beispielsweise durch Verkleben auf einem ersten Zylinder 2 festgelegt. Eine zweite Lichtleitfaser 3 ist gewickelt und durch Verkleben auf einem zweiten Zylinder 4 festgelegt, welcher mit dem ersten derart ausgebildet ist, das er mit diesem ein(en) einziges(n) mechanisches(n) Teil oder Block 5 bildet.
Der erste und der zweite Zylinder 2 und 4 sind koaxial oder exzentrisch ausgerichtet, weisen jedoch immer einen hinreichenden Unterschied bezüglich des Durchmessers auf.
Ein Beispiel mit einem Radiusverhältnis gleich 2 ist in Figur 2 dargestellt.
Die Zylinder bestehen aus verschiedenen Materialien oder Substanzen, z.B. aus Metall. Die Verwendung von Materialien mit kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. Glas der Ausführung "DURAN" oder Stahl der Ausführung "INVAR", oder die gute Elastizitätseigenschaften besitzen und korrosionsbeständig sind (Keramiken, Titan), bringt insbesondere interessante Vorteile mit sich, was die Aufnehmerleistungen betrifft.
Sie können hohl ausgebildet sein, um einen möglichst schnellen Temperaturausgleich zu ermöglichen.
Bei Hohlzylindern kann die Druckbeaufschlagung innerhalb oder außerhalb der Zylinder erfolgen.
Bei exzentrischen Zylindern beruht die interessanteste Ausführung darauf, daß, wie in Figur 2 dargestellt ist, in einem schmalen Bereich tangierende Zylinder vorgesehen sind, deren Durchmesserverhältnis den Zugang und Ausgang der Wicklungen im Tangentialbereich ermöglicht.
Die Krümmungsradien der zwei Wicklungen sind derart gewählt, daß der Polarisationszustand des Lichtes am Ausgang der Fasern gleich dem am Eingang ist, damit die von den Fasern stammenden Lichtbündel sich über lagen können.
Des weiteren steht die Windungszahl der Wicklungen in umgekehrtem Verhältnis zum entsprechenden Krümmungsradius. Hierdurch erhält man zwei Faserrollen gleicher Länge, welche sehr genau denselben Temperatureffekten unterliegen. Auf diese Weise ist der nur auf eine Differenz bezüglich der Wirkungen zwischen den beiden Wicklungen reagierende Aufnehmer wenig temperaturempfindlich.
Die Druckempfindlichkeit der Fasern ist bei einer solchen Konfiguration hingegen vom Krümmungsradius abhängig. Da die Wicklungen unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, wird der Aufnehmer drucksensibel.
Der Block 5 ist von einer mit dem Fluid, dessen Druck zu messen ist, in Verbindung stehenden Meßzelle 6 umschlossen, z.B. einer Leitung 7 oder einem Ballon oder einem ganz anderen Gehäuse, dessen Innenvolumen mit Druck P beaufschlagt ist.
Die Lichtleitfasern treten seitlich der Zelle durch abgedichtete Durchgänge 8 und 9 heraus.
Wie in Figur 1 dargestellt ist, weist der Grundaufbau eine einzige Meßzelle auf. In diesem Fall ist eine Messung des Absolutdruckes möglich.
In die beiden Fasern wird gleichzeitig ein durch einen Laser 10 als Quelle emittiertes kohärentes Lichtbündel entweder direkt oder mittels eines Kopplers für Lichtleitfasern oder eines angepaßten optischen Systems eingekoppelt.
Die Fasern sind am Ende in einem Träger 11 zur Orientierung der Streifen gruppiert.
Die Streifen und ihr Verlauf werden mittels einer Kamera 12 mit einem Raster oder einer Leiste aus lichtempfindlichen Elementen, z.B. sogenannten CCDs, beobachtet.
Das Bild wird erfaßt und durch eine Steuer- und Verarbeitungseinheit UCT 14 verarbeitet, welche die Messung der Interferenzstreifenverlagerung ermöglicht.
Die in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Aufbauten mit zwei Zellen 15 und 16 ermöglichen entweder die Messung der Druckdifferenz oder der Summe der beiden Drücke: Differenzmessung oder Summenmessung.
Die Messung der Druckdifferenz erweist sich insbesondere beispielsweise im Fall der Überwachung des Durchflusses eines Fluids als interessant. Es genügt in der Tat, die eine Zelle mit einer Abgriffsstelle für den Gesamtdruck und die andere Zelle mit einer Abgriffsstelle für den statischen Druck zu verbinden. Der Unterschied zwischen diesen beiden Drücken gibt perfekt Rechenschaft über den Durchflußwert.
Wie in den Figuren dargestellt ist, sind verschiedene Wicklungsschaltungen möglich. Sie ergeben alle interessante Summen- oder Differenzergebnisse.
Es wird nun nachfolgend als eine Anwendungsform die Messung einer Druckdifferenz oder einer Drucksumme in einer Leitung 17 betrachtet, mit der die Zellen 15 bzw. 16 über Fluidik- oder Hydraulikverbindungen 18 und 19 in Verbindung stehen, wobei die erste 18 in den Zentralbereich der Leitung mündet und eine der Flußrichtung entgegengesetzte Öffnung zur Realisierung eines Gesamtdruckanschlußpunktes aufweist und die andere 19 in den peripheren Bereich zur Ausbildung eines Anschlußpunktes für den statischen Druck mündet.
Die nachstehend beschriebenen Aufbauten sind alle innerhalb dieser Anwendung betriebsfähig.
Jedes Wicklungselement reagiert auf die seine Fasern beeinflussende Druckdifferenz. Durch Vertauschen dieser Wirkungen addieren oder kürzen sich diese entsprechend der Schaltungen. Zuerst wird der in Figur 3 dargestellte parallele Aufbau betrachtet.
Bei diesem Aufbau werden in einer Verarbeitungseinheit 14 die Druckdifferenzen zwischen den zwei Meßpunkten ermittelt, um eine verwertbare Variable für die Durchflußüberwachung zu erhalten.
Selbstverständlich kann man bei diesem Aufbau einen passenden Einzellaser als Quelle, wobei beispielsweise mittels eines Kopplers für Lichtleitfasern zwei Bündel erhalten werden, oder zwei unabhängige Laser als Quellen oder auch eine andere teilweise kohärente Quelle verwenden.
Für den Meßbetrieb ist es gleich, ob er bevorzugt mittels zweier verschiedener Leisten aus optoelektronischen Elementen oder einer einzelnen Leiste, welche durch die Verarbeitungseinheit als zwei nebeneinander angeordnete Leisten betrachtet wird, oder auch einer ganz anderen geeigneten Einrichtung zum Nachweis und zum Messen einer optischen Phasenverschiebung erfolgt.
Durch den nachfolgend als "gekreuzt in Reihe geschalteter" bezeichneten Aufbau (Figur 4) entspricht die Wicklung auf dem kleinen Zylinder einer Zelle der Wicklung auf dem großen Zylinder der anderen Zelle und umgekehrt für die anderen Zylinder.
Er ermöglicht gleichermaßen die Messung der Druckdifferenzen durch Ausnutzung der Streifenverschiebung mit einer Empfindlichkeit, die von der Differenz der Krümmungsradien abhängt.
Der Aufbau der Figur 5 betrifft eine einfache Serienschaltung, gemäß der die Wicklungen auf den Zylindern gleicher Größe in Serie geschaltet sind.
Die Verschiebung der Streifen gibt über die Summe der Drücke oder den Durchschnitt der zwei Drücke Auskunft.
Die Figuren 6 und 7 betreffen einen speziellen Fall, bei dem die Druckbeaufschlagung im Inneren der Zylinder durch zwei Verbindungen 20 und 21 mittels der Leitung 17 erfolgt. Es handelt sich beispielsweise um getrennte Zylinder oder einen einstückigen Zylinder mit zwei Höhlungen 22 und 23, die mit der Leitung 17 in Fluidverbindung stehen. Der Hauptvorteil dieser Ausführung besteht darin, einen Fluidkontakt der Lichtleitfasern zu vermeiden. Über eine verbesserte Lebensdauer hinaus, insbesondere bei ätzenden Fluiden, zeichnet sich dieser Aufbau im Vergleich zu den vorhergehenden Aufbauten durch eine einfachere Realisation aus.
Insbesondere beim Aufbau der Figur 6 handelt es sich um ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Aufbauten der Figuren 3 und 4, in denen die Druckbeaufschlagung im Inneren der Zylinder und eine Messung der Druckdifferenzen erfolgt.
Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Absolutdruckaufnehmers mit einem Hohlzylinder 24 mit einer einzigen Höhlung 25 und zwei äußeren Wicklungen 26 und 27 aus Lichtleitfasern, welche parallel geschaltet und zum interferometrischen Betrieb herangezogen sind.
Selbstverständlich liegen auch verschiedene naheliegende Änderungen und einfache Varianten jenseits der beschriebenen Mittel im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Druckaufnehmer mit Lichtleitfasern und Temperaturausgleich mit zwei Lichtleitfaserwicklungen (1, 3), die jeweils auf einem Zylinder (2, 4) dergestalt ausgebildet sind, daß sie am Ausgang die gleiche Polarisation und die gleiche Länge aufweisen, wobei die Zylinder (2, 4) ein einziges und gleiches mechanisches Teil ausbilden und zumindest eine Wicklung zur Messung druckbeaufschlagt und für interferometrische Messungen mit kohärentem Licht herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder (2, 4) unterschiedlichen Durchmessers sind und daß die Anzahl der Lagen sowie die Länge der Fasern (1, 3) auf beiden Wicklungen gleich sind und daß die Einheit zur Messung druckbeaufschlagt und zu interferometrischen Messungen mit kohärentem Licht verwendet wird.

2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser beider Wicklungen sowie die Polarisation am Aus- und Eingang gleich sind.

3. Aufnehmer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung zweier Zellen (15, 16), welche das gleiche die Fasern enthaltende mechanische Teil enthalten.

4. Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen eines jeden Zylinders (2, 4) einer jeden Zelle (15, 16) parallel geschaltet sind.

5. Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen jedes Zylinders (2, 4) einer jeden Zelle (15, 16) in Reihe geschaltet sind.

6. Aufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen jedes Zylinders (2, 4) einer jeden Zelle (15, 16) gekreuzt in Reihe geschaltet sind.

7. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen jedes Zylinders (2, 4) einer jeden Zelle (15, 16) außerhalb dieser angeordnet sind.

8. Aufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen gleich ausgebildet und parallel geschaltet sind.

9. Aufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen unterschiedlich ausgebildet und parallel geschaltet sind.