DE69130424T2

DE69130424T2 - Optischer sender für prozessvariablen

Info

Publication number: DE69130424T2
Application number: DE69130424T
Authority: DE
Inventors: Gerald R. Minneapolis Mn 55403 Cucci; Stephen C. Edina Mn 55424 Jensen; Brian J. St. Louis Park Mn 55426 Olson; David M. Sr. Champlin Mn 55316 Socha
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2011-02-13
Also published as: WO1992014227A1; EP0571382B1; JP3130314B2; EP0571382A1; JPH06504859A; DE69130424D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Sender für Prozeßvariablen, welche optisch erregt werden und optische Ausgangssignale liefern, die die Prozeßvariablen darstellen.
Die Begriffe Licht, Optik und Strahlung, wie sie hier im folgenden verwendet werden, betreffen sichtbare und nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen, welche kürzer sind als ungefähr 100 Mikrometer (100,000 Nanometer); der Begriff elektrisch, wie er im folgenden verwendet wird, bezieht sich auf niedrigere Frequenzvorgänge, wie sie zum Beispiel für gewöhnlich in elektronischen Schaltkreisen auftreten, die bei Frequenzen unter 100 MHz betrieben werden. Der Begriff "Prozeßvariable", wie er im folgenden hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Variable, wie zum Beispiel Druck, Temperatur, Fluß, Geschwindigkeit, spezifische Schwerkraft, usw., welche mit Hilfe eines Senders, wie z. B. eines Prozeßsteuerungs- oder eines Luft- und Raumfahrtinstruments gemessen wird.
Die US-A-4,346,478 offenbart ein faseroptisches Meßsystem für das Messen von physikalischen Parametern. Es sind Meßelemente für das Messen physikalischer Parameter, wie z. B. Druck, Temperatur, Gasfluß und Geschwindigkeit in einem Fahrzeug vorgesehen. Die Meßelemente werden mit Hilfe von Energie, welche aus einem Lichtstrahl freigesetzt wird, erregt. Das Meßelement weist weiter eine Meßwandlereinheit für das Umformen des physikalischen Parameters auf, so daß dieser in einer entsprechenden elektrischen Größe und folglich in einem optischen Signal gemessen werden kann.
Die EP-A-0 149 286 offenbart ein System für das Übertragen von Information zwischen entfernten Orten, an denen die Übertragungsfunktion und die Funktion der Energiebereitstellung für den Antrieb der Geräte an entfernten Orten von Vorrichtungen für das Erzeugen eines Strahlungsenergiestrahls, wie z. B. eines Lasers, übernommen werden.
Die EP-A-0 180 423 offenbart ein System für die ferngesteuerte Anpassung von Sensorparametern. Der Sensor ist an einen digitalen Übertragungsweg, welcher repräsentative digitale Signale der gemessenen Variablen an die Zentraleinheit liefert, angeschlossen. Eine manuell betriebene Fernsteuerungseinheit wird zur Modifizierung von Parametern, wie z. B. Meßbereich, Nullpunkt und Linearität verwendet, wobei von Licht im Infrarotspektrum Gebrauch gemacht wird. Der digitale Übertragungsweg kann ein Lichtleiter sein.
In der Druckschrift I. S. A. Transactions, Band 26, Nr. 1 (1987), "Meßsystem für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt mit optischen Schnittstellen" (Optically Interfaced Sensor System für Aerospace Applications) (Patriquin et al) wird ein Verfahren zur faseroptischen Zusammenschaltung von Schnittstellen und herkömmlichen Sensoren offenbart. Das Verfahren beseitigt verkabelte Zusammenschaltungen, wobei jedoch an der Verwendung von bewährter Sensortechnologie festgehalten wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Bei der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 dargelegt, erregt Licht, welches in das Lichteingangssignals eines Senders gekoppelt ist, einen elektrischen Schaltkreis im Senders. Das in den Lichteingang des Senders eingeleitete Licht wird mit Hilfe von Befehlen, welche den Betrieb des Senders steuern, moduliert, wobei die Befehle auch Programmierbefehle umfassen, welche einen oder mehrere wiederprogrammierbare Senderausgangsparameter programmieren. Der Sender weist Meßvorrichtungen auf, welche eine Prozeßvariable messen, und der Sender überträgt ein programmiertes optisches Ausgangssignal, welches die Prozeßvariable an ein Gerät oder einen Wellenleiter, welche das optische Ausgangssignal leiten, weitergeben. Die Meßvorrichtungen erzeugen ein elektrisches Sensorausgangssignal, welches die Prozeßvariable darstellt. Das elektrische Sensorausgangssignal ist mit Schaltkreisvorrichtungen im Sender gekoppelt, welche ein die Prozeßvariable darstellendes elektrisches Sendeausgangssignal liefert, wobei die Prozeßvariable mit Hilfe eines veränderbaren oder programmierbaren, in den Schaltkreisvorrichtungen gespeicherten Parameters angeglichen oder programmiert wird. Die Schaltkreisvorrichtungen weisen ein Erregereingangssignal für das Erregen der Schaltkreisvorrichtungen auf. Der Sender weist weiter eine Umwandlungsvorrichtung für das Umwandeln des programmierten elektrischen Senderausgangssignals in das programmierte optische Ausgangssignal auf. Die Umwandlungsvorrichtung weist zudem eine Empfangsvorrichtung für das Empfangen von Licht zur Umwandlung eines ersten Teils des aufgenommenen Lichts in elektrische Energie, mit welcher das Erregereingangssignal beaufschlagt wird, und für das Umwandeln eines zweiten Teils des aufgenommenen Lichts in ein elektrisches Ausgangssignal, das die gespeicherten veränderbaren Parameter in der Schaltkreisvorrichtung steuert, und somit für das Programmieren des Sender ausgangssignal sorgt, auf.
Der Sender ist über ein Gerät oder einer Wellenleitervorrichtung mit einer Schnittstelle, welche ihrerseits mit einer elektrischen Sammelschiene verbunden ist, gekoppelt. Die Schnittstelle, wie in Anspruch 14 dargelegt, weist eine Lichterzeugungsvorrichtung, welche mit der Wellenleitervorrichtung gekoppelt ist, auf, und weist weiter eine erste Vorrichtung zur Erzeugung einer programmierenden Lichtbestandteils auf, der so moduliert ist, daß er die Erzeugung eines optischen Ausgangssignals durch Anpassen des gespeicherten veränderbaren Parameters programmiert. Die Lichterzeugungsvorrichtung umfaßt weiter eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung eines erregenden Lichtbestandteils für das Erregen des Senders. Die Schnittstelle weist weiter eine mit der Lichterzeugungsvorrichtung gekoppelte Steuervorrichtung zur elektrischen Steuerung der Modulation als Funktion einer ersten, von der Sammelschiene empfangenen Vergleichsgröße und zur elektrischen Steuerung der Amplitude des erregenden Lichtbestandteils als eine Funktion einer zweiten Vergleichsgröße in der Steuervorrichtung auf. Die Schnittstelle umfaßt weiter eine Empfangsvorrichtung für das Liefern eines elektrischen Ausganssignals zu dem Bus, wobei das Ausgangssignal ein programmiertes, vom Sender empfangenes optisches Ausgangssignal darstellt.
In einer bevorzugten Anordnung mit mehreren Stationen, koppelt der Wellenleiter eine Vielzahl von optischen Prozeßvariablen- Sendern, und die Lichterzeugungsvorrichtungen weisen weiter Vorrichtungen für das Erzeugen eines programmierenden Lichtbestandteils, welcher zur Programmierung der Erzeugung von optischen Ausgangssignalen mit Hilfe der Vielzahl von adressierbaren Sendern moduliert wird. Der programmierende Lichtbestandteil wird vorzugsweise gemäß einem seriellen Datenprotokoll moduliert.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden kurzen Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen:
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines optischen Senders, welcher über einen Wellenleiter mit einer Schnittstelle gekoppelt ist;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines optischen Senders, welcher über einen Wellenleiter mit einer Schnittstelle gekoppelt ist;
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Schaltkreises eines Gleichstromumformers, welcher in einem optischen Sender verwendet wird;
Fig. 4 eine Ausführungsform eines optischen Sende-Empfängers, welcher mit einem Wellenleiter gekoppelt ist;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines optischen Sende- Empfängers, welcher mit einem Wellenleiter gekoppelt ist; und
Fig. 6, 7 und 8 drei weitere Ausführungsformen für optische Sender mit mehreren Stationen, welche mit einem Wellenleiter gekoppelt sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:

In Fig. 1 erfaßt ein optischer Drucksender 10 eine Prozeßvariable 12 und kommuniziert über die Wellenleiter 14, 16 mit der Schnittstelle 18. Die Schnittstelle 18 bildet eine Schnittstelle zwischen den optischen Signalen auf den Wellen leitern 14, 16 und dem elektrischen Bus 22, welcher mit dem Steuersystem 24 verbindet, so daß zwischen dem Sender 10 und dem Steuersystem 24 eine dialogfähige Verbindung geschaffen wird, wobei elektrisch isolierende Wellenleiter eine galvanische Isolierung zwischen dem Sender 10 und dem Bus 22 bilden.
Gemessene Prozeßvariablen umfassen Druck, Temperatur, Fluß, pH-Wert, oder ähnliches. Wellenleiter 14, 16 können ein einzelnes oder ein mehrfach verseiltes Lichtleiterkabel sein und können sich, je nach Bedarf bei einer besonderen Anlage, nur eine kurze Entfernung oder Tausende von Metern lang erstrecken. Der Sender 10 ist mit Hilfe von Wellenleitern 14, 16, welche Licht, jedoch nicht elektrischen Strom leiten und somit die unerwünschte Kopplung von elektrischer Energie zwischen dem Steuersystem 24 und dem Sender 10 verhindern, elektrisch vom Steuersystem 24 isoliert.
Die Lichterzeugungsvorrichtung 26, welche ein Laser sein kann, koppelt über den Wellenleiter 14 Licht zu dem Sender 10. Die Lichterzeugungsvorrichtung 26 erzeugt einen ersten Lichtbestandteil, welcher dann zur Programmierung des Senders 10 moduliert wird, so daß das Ausgangssignal des Senders auf dem Wellenleiter 16 ein programmiertes Ausgangssignal ist. Die Modulation des ersten Lichtbestandteils ist für gewöhnlich eine serielle Datenfolge in einem seriellen Standard-Kommunikationsprotokoll, in welchem FSK-Verfahren verwendet werden, wie z. B. das HART Brand Communication Protocol der Firma Rosemount Inc. oder ein anderes Standardprotokoll. Die Programmierung kann die Abspeicherung der Einstellungen für Meßbereich, Nullpunkt, Toleranzen, oder ähnliches im Speicher im Sender 10 zur Erfassung des Ausgangsignals des Senders umfassen. Der erste Lichtbestandteil kann auch zur Abfrage des Senders moduliert werden. Der Sender spricht auf die Abfrage mit zuvor gespeicherten Daten, wie z. B. Lage des Senders, die Bauwerkstoffe des Senders, Prüfdaten, Kompensations- und Lineari sierungsdaten, und ähnlichem an.
Die Lichterzeugungsvorrichtung 26 erzeugt einen zweiten Lichtbestandteil, welcher den Sender 10 erregt, und dieser Bestandteil ist normalerweise nicht moduliert. Die Steuervorrichtung 28 steuert den Betrieb der Lichterzeugungsvorrichtung 26. Eine erste Vergleichsgröße, welche an den Analogpuffer 30 angelegt wird, steuert die Modulation des ersten Lichtbestandteils. Eine zweite Vergleichsgröße in der Steuervorrichtung 28 steuert die Amplitude oder Größe des zweiten Lichtbestandteils, so daß der Wellenleiter 14 mit einer gesteuerten Menge an optischer Energie beaufschlagt wird. Die Steuervorrichtung 28 erzeugt ein moduliertes elektrisches Ausgangssignal, welches an eine Laserdiode in der Lichterzeugungsvorrichtung 26 zur Modulation des Lichtausgangssignals weitergegeben wird. Der Bus 22 liefert die erste Vergleichsgröße an den Puffer 30, welcher typischerweise serielle Digitalworte, die Veränderungen bezüglich der Programmierung des Senders 10 anzeigen, aufweist, und ebenfalls die Abfragebefehle, die an den Sender 10 gesendet werden, anzeigt.
Die Schnittstelle 18 empfängt das Lichtausgangssignal des Senders 10 vom Wellenleiter 16 an einer Empfangsvorrichtung 32, welche einen Photodioden-Detektor aufweisen kann. Die Empfangsvorrichtung 32 wandelt das aufgenommene Lichtausgangssignal in ein elektrisches Signal um, welches dann an den Bus 22 weitergeleitet wird.
Die Steuervorrichtung 24 umfaßt eine Steuerung 34, welche einen über ein Modem 36 mit dem Bus 22 gekoppelten Computer aufweist. Der Steuerungscomputer 34 liefert die Vergleichsgröße an den Bus, wobei die Vergleichsgröße mit Hilfe eines Analogpuffers 30 verstärkt wird. Der Steuerungscomputer 34 empfängt die im Lichtausgangssignal des Senders enthaltene Information über die Prozeßvariable von den Bus 22 und verwendet die Information zur Steuerung eines Verfahrens (nicht dargestellt) oder eines Parameters des Verfahrens, in welchem die Prozeßvariable 12 erzeugt wird.
Im Sender 10 spaltet der Koppler 38 Licht von der Lichterzeugungsvorrichtung 26, wobei dieser in einer bevorzugten Ausführungsform etwa 1% an die Umwandlungsvorrichtung 42 koppelt und den Rest des Lichts bei geringeren Verlusten im Koppler an die Umwandlungsvorrichtung 44 koppelt. Die Umwandlungsvorrichtungen 42, 44 können Photodioden aufweisen, vorzugsweise Galliumarsenid-Photodioden, welche ein bevorzugt hohes Spannungsausgangssignal und einen hohen Umwandlungswirkungsgrad liefern. Die Umwandlungsvorrichtung 44 ist an einen Spannungsumwandlungsschaltkreis 46 gekoppelt, welcher in einer bevorzugten Ausführungsform das relativ niedrige Spannungsausgangssignal (etwa 0.9 Volt) der Umwandlungsvorrichtung 44 in ein höheres Spannungsausgangssignal 48A, 48B (3.5 bis 5 Volt), welche zur Erregung von MOS-Schaltkreisen geeignet ist, umwandelt. Andererseits kann die Umwandlungsvorrichtung 44 zur Lieferung der höheren Spannung auch mehrere in Serie geschaltete Photodioden aufweisen, und ein Spannungswandler 46 ist nicht erforderlich. Die Ausgangssignale 48A, 48B werden an den Sensorschaltkreis 50 zur Erregung des Sensorschaltkreises weitergegeben. Der Sensorsehaltkreis 50 weist vorzugsweise einen MOS-Stromkreis und einen Sensor für das Messen der Prozeßvariablen 12 auf. Der Sensorschaltkreis 50 liefert elektrische Ausgangssignale 52A, 52B, welche die Größe der Prozeßvariablen 12 anzeigen. Die Umwandlungsvorrichtung 42 erfaßt den modulierten Lichtbestandteil auf dem Wellenleiter 14 und koppelt ein elektrisches Signal, das die Modulation des Schaltkreises 50 über die Leitung 54 darstellt. Ein Treiberschaltkreis 56 wird von den Leitungen 48A, 48B erregt und durch das Ausgangssignal an den Leitungen 52A, 52B zur Modulation des Emitters 58 gesteuert, wobei es sich bei dem Emitter um eine Lichtemissionsdiode handeln kann. Der Emitter 58 koppelt ein optisches oder ein Lichtausgangssignal des Senders 10 entlang dem Wellenleiter 16 an die Schnittstelle 18 zurück. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform ermöglicht die Programmierung des Senders 10 im Hinblick auf Meßbereich, Nullpunkt, Temperaturkorrekturdaten, und ähnliches durch das Steuersystem 24, und ermöglicht weiter das Empfangen eines programmierten Senderausgangssignals vom Sender 10, ohne daß elektrische Anschlüsse oder Stromquellen anderer Art außer einem Wellenleiters 14 zum Sender 10 erforderlich sind. Die gesamte Energie für den Sender 10 wird durch den optischen Wellenleiter 14 geliefert.
Fig. 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines optischen Kommunikationssystems. Bauteile mit Bezugszeichen, welche zuvor beschriebenen Bauteilen entsprechen, führen die gleichen Aufgaben aus. In Fig. 2 koppelt ein einziger Wellenleiter 62 den Sender 60 and die Schnittstelle 66, welche wiederum mit dem Steuersystem 68 gekoppelt ist. Die Schnittstelle 66 enthält einen Koppler 70, welcher die Lichterzeugungsvorrichtung 26 und die Lichtempfangsvorrichtung 32 mit dem Wellenleiter 62 koppelt. Das Lichtausgangssignal durch die Lichterzeugungsvorrichtung 26 weist vorzugsweise eine Wellenlänge (z. B. 800 Nanometer) auf, die sich von der Wellenlänge (z. B. 660 Nanometer) des Lichtausgangssignals des Senders 60 unterscheidet. In diesem Fall ist der Koppler 70 vorzugsweise ein dichroitischer Spiegel, welcher den optischen Durchsatz des Systems fördert und es kann ein optischer Filter 72 für das Herausfiltern des zurückbleibenden Lichts, welches von der Lichterzeugungsvorrichtung 26 stammt, verwendet werden.
In Fig. 2 ist eine Vorrichtung 64 an den einzigen Wellenleiter 62 für das Empfangen des Lichts von der Lichterzeugungsvorrichtung 26 gekoppelt und überträgt zudem das Lichtausgangssignal des Senders über den Wellenleiters 62 an die Schnittstelle 66. Die Vorrichtung 64 weist eine Galliumarsenid-Photodiode auf, welche ein elektrisches Ausgangssignal an der Leitung 74 liefert, wobei die Leitung an den Stromrichter 46 gekoppelt ist. Das Ausgangssignal an der Leitung 74 ist zudem kapazitiv zur Lieferung des modulierten Bestandteils des auf genommenen Lichts an den Sensorschaltkreis 50 mit der Leitung 76 gekoppelt. Die Vorrichtung 64 weist ferner eine Lichtemissionsdiode auf, welche über eine Antriebsvorrichtung 56 angetrieben wird. Die Ausführungsform in Fig. 2 schafft eine Verbindung und eine Erregung gemäß Fig. 1, wobei in Fig. 2 dies jedoch mit einem einzelnen Wellenleiter zwischen dem Sender 60 und der Schnittstelle 66 erreicht wird. Es können unterschiedliche Verwendungen von Kombinationen von Kopplern und extrahierender Modulation gemäß den Fig. 1 und 2 für das Erreichen der gleichen Erregung und Verbindung verwendet werden. In den Fig. 1 und 2 erzeugt die Lichterzeugungsvorrichtung 26 die gesamte Erregung für den Sender, und es besteht kein Bedarf für separate Stromquellen, wie z. B. Drähte, Batterien, oder Solarzellen. Der elektrische Stromkreis im Sender und die Lichtmodulation im Sender wird einzig mit Hilfe des von einem Wellenleiter empfangene Licht mit Energie versorgt.
Fig. 3 zeigt ein Schaltkreisdiagramm eines Stromrichters 46, welcher mit einer Galliumarsenid-Photodiode 80, die für die Erregung Licht vom Wellenleiter 82 empfängt, gekoppelt ist. Die Photodiode 80 wiederum erregt einen freilaufenden Multivibrator-Schaltkreis 84. Der Multivibrator-Schaltkreis 84 erzeugt ein Paar von Schwingausgangssignalen 86A, 86B, welche zueinander elektrisch phasenverschoben sind. Die Photodiode 80 erregt ferner ein Aufwärtstransformator-ähnliches Stromnetz 88. Die Ausgangssignale 86A, 86B sind mit dem Transistor 90A bzw. dem Transistor 90B gekoppelt, und treiben eine Primärwicklung des Transformators 92 an. Eine Sekundärwicklung 92A des Transformators 92 ist mit einem Vollwellen-Gleichrichter 94 zur Lieferung eines Spannungsausgangssignals 96 (3.5 bis 5 Volt) gekoppelt, wobei das Spannungsausgangssignal höher ist als die Spannung, die zur Erregung der Umwandlungsvorrichtung 46 verwendet wird, typischerweise 0.9 Volt aus der Galliumarsenid-Photodiode 80. Die Transistoren 90A, 90B, 98 können Transistoren des Germanium-Typs sein, wodurch ein Betrieb bei sogar geringerer Spannung erzielt werden kann.
Fig. 4 zeigt eine Festkörper-Vorrichtung oder Halbleitervorrichtung 64A, welche für die Funktion der Vorrichtung 64 in Fig. 2 oder für die Funktion der Umwandlungsvorrichtungen 42, 44 und des Kopplers 38 in Fig. 1 sorgt. In Fig. 4 erzeugt eine Lichtemissionsdiode 106 ein Lichtausgangssignal an einer ersten Wellenlänge. Die Schichten 102, 104 sind aus Werkstoffen gebildet, welche im wesentlichen bei der ersten Wellenlänge transparent sind. Das Lichtausgangssignal aus der Lichtemissionsdiode 106 ist über die Schichten 102, 104 mit dem Wellenleiter 100 gekoppelt, wobei der Wellenleiter das Lichtausgangssignal vom Sender bildet. Die Schicht 104 weist einen Photodioden-Sensor für das Messen der Modulation auf, und entspricht der Umwandlungsvorrichtung 42 in Fig. 1. Die Schicht 102 weist einen Sensor für die Erzeugung der elektrischen Erregung auf und entspricht der Umwandlungsvorrichtung 44 in Fig. 1. Das Licht für die Erregung unterscheidet sich bei einer zweiten Wellenlänge von der ersten Wellenlänge, und das Licht für die Modulation unterscheidet sich bei einer dritten Wellenlänge von der ersten und der zweiten Wellenlänge. Die Sensoren in den Schichten 102, 104 selektieren entsprechend der Wellenlänge, so daß separate Modulations- und Stromausgangssignale auf der Stromleitung 108 erzeugt werden. Alternativ können Erregung und Modulation bei gleicher Wellenlänge stattfinden, die Diode 104 kann weggelassen werden und Modulation und Energie können beide mit Hilfe einer einzigen Photodiode auf der Schicht 102 nachgewiesen werden.
Fig. 5 zeigt eine weitere Vorrichtung 110 für die Verwendung beim Empfangen und Aussenden von Licht in einem Sender, welcher Licht empfängt und an einen Wellenleiter 112 weiterleitet. Die Galliumarsenid-Photodiode 114 empfängt Licht für die Erregung des Senders und wandelt das Licht in elektrische Energie um. Die Photodiode 116 empfängt Licht und liefert das Modulationssignal. Wie oben erklärt, kann die Photodiode 116 weggelassen werden, wenn das Modulationssignal von der Photodiode 114 gemäß Fig. 2 erhalten wird. Das Lichtausgangssignal des Senders kann mit Hilfe einer Lichtemissionsdiode 118, welche an den Stellen 118A, 118B oder 118C angeordnet ist, erzeugt werden. An der Stelle 118B ermöglicht ein Schlitz 120 durch die Photodiode 114 den Einlaß von Licht von der Lichtemissionsdiode bei 118B, wodurch das Licht den Wellenleiter 112 erreicht. Was die Stelle 118C anbetrifft, so wird das Licht aus der LED 118 von der Photodiode 114 in den Wellenleiter 112 reflektiert. Die Formen der Oberflächen der Photodioden 114, 116, 118A und deren Anordnung können jede Form aufweisen, die für die Kopplung des Lichts zum Wellenleiter hin oder vom Wellenleiter 112 weg günstig ist. Vorzugsweise füllen die Aktivelemente zur Verminderung von Verlusten im wesentlichen den Lichterfassungswinkel (numerische Apertur) des Wellenleiters aus. Die Wirkflächen können konzentrische Ringe oder Abschnitte von Kreisen sein oder eine willkürliche Form aufweisen.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit "mehreren Stationen" von Sendern 60A, 60B, 60C, welche an einen einzigen Wellenleiter 62 gekoppelt sind. Die Schnittstelle 66 (in Fig. 2 dargestellt) koppelt zur Erzeugung der gesamten Erregung der Mehrfachsender genügend Licht in den Wellenleiter 62. Das Lichtausgangssignal eines jeden Senders wird als ein digitales Wort gebildet, welches zur Identifikation des Senders durch die Schnittstelle 66 eine Adresse aufweist. Ebenso weist das modulierte Ausgangssignal der Lichtumwandlungsvorrichtung 26 (in Fig. 2 dargestellt) digitale Wörter auf, welche eine Adresse enthalten, die den Sender identifizieren, welcher das digitale Wort empfangen und darauf ansprechen soll. Fig. 7 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Anordnung mit mehreren Stationen von einer Vielzahl von Sendern 60D, 60E, 60F, welche über einen einzigen Wellenleiter 62 mit einer Schnittstelle 66 (in Fig. 2 dargestellt) gekoppelt sind. Die Lichtausgangssignale eines jeden Senders können in einem ausgewählten digitalen Protokoll mit mehreren Stationen, wie z. B. dem HART- Digitalprotokoll der Firma Rosemount Inc. serielle digitale Daten aufweisen.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung mit mehreren Stationen von Sendern 60G, 60H, 60J, welche über den Wellenleiter 62 an die Schnittstelle 66 (in Fig. 2 dargestellt) gekoppelt ist. In Fig. 8 liefern Wellenlängen-Teilungskoppelvorrichtungen 130A, 130B, 130C in jedem Sender optisch separate Kopplungswege für die Erregung und Modulation bei einer Wellenlänge und weiter das Lichtausgangssignal des Senders bei einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Wellenlänge. Es können viele bekannte Wellenlängen-Codier- oder Decodieranordungen verwendet werden und viele bekannte elektrische Kommunikationsprotokolle, einschließlich Halb- und Vollduplex-Anordnungen können für die Verwendung in der optischen Kommunikation über das optische Medium angepaßt werden.

Claims

1. Sender (10, 16), welcher mit Hilfe eines Lichteingangssignals erregt wird und ein Lichtausgangssignal an ein eine Prozeßvariable anzeigendes optisches Gerät (16, 62100, 112) sendet und folgendes aufweist:

eine Meßvorrichtung (50) für das Erzeugen eines elektrischen Ausgangssignals des Meßfühlers (52A; 52B), welches die Prozeßvariable (12) darstellt;

eine Schaltkreisvorrichtung (56), welche das Ausgangssignal des Meßfühlers empfängt und das elektrische Ausgangssignal des Senders, welches die Prozeßvariable (12) anzeigt, erzeugt, wobei die Schaltvorrichtung Erregereingangssignale (48A, 48B) für das Erregen der Schaltvorrichtung (50) aufweist; und

eine Umwandlungsvorrichtung (58, 64, 64A, 110, 118) für das Umwandeln des Ausgangssignals des Senders in das Lichtausgangssignal, wobei die Umwandlungsvorrichtung weiter eine Empfangsvorrichtung (42, 44, 46, 64, 64A) aufweist, welche Licht für das Umwandeln in elektrische Energie aufnimmt, welche dann an das Erregereingangssignal weitergegeben wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Schaltkreisvorrichtung (50) so angepaßt ist, daß das elektrische Ausgangssignal des Senders, welches die Prozeßvariable (12) anzeigt, mit Hilfe eines in der Schaltkreisvorrichtung gespeicherten veränderbaren Parameters, eingestellt wird;

und die Empfangsvorrichtung (42, 44, 46, 64, 64A) so angepaßt ist, daß ein erster Teil des aufgenommenen Lichts in elektrische Energie umgewandelt wird und an das Erregereingangssignal weitergegeben wird und weiter ein zweiter Teil des empfangenen Lichts in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird, das den in der Schaltkreisvorrichtung (50) gespeicherten veränderbaren Parameter steuert.

2. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Parameter einen veränderbaren Meßbereich der Prozeßvariablen aufweist.

3. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsvorrichtung (42, 44, 46, 64, 64A) das aufgenommene Licht von einem Wellenleiter (14, 62, 100, 112) empfängt.

4. Sender nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungsvorrichtung (58, 64, 64A) eine Sendeoberfläche (106, 114, 118) aufweist, welche Licht aussendet und die Empfangsvorrichtung (42, 44, 46, 64, 64A) eine Empfangsoberfläche (102, 104, 114, 116) für das Umwandeln des aufgenommenen Lichts aufweist.

5. Sender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (14, 62, 100, 112) das Licht innerhalb eines Lichterfassungswinkels aufnimmt und weiterleitet.

6. Sender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeoberfläche (106, 114, 118) und die Empfangsoberfläche (102, 104, 114, 116) im wesentlichen den Lichterfassungswinkel des Wellenleiters (100, 112) ausfüllen.

7. Sender nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche (102, 104, 114) entlang eines Lichtpfades zwischen dem Wellenleiter (100, 112) und der Sendeoberfläche (106, 118B, 118C) angeordet ist, wobei die Empfangsoberfläche (102, 104, 114) so angeordnet ist, daß Licht entlang des Lichtpfades von der Sendeoberfläche (106, 118B, 118C) zum Wellenleiter (100, 112) gelangen kann.

8. Sender nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche (114) einen Lichteinlaß (120) aufweist, durch welchen das Licht von der Sendeoberfläche (118B) gelangen kann.

9. Sender nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche (102, 104) zumindest zum Teil transparent ist und Licht von der Sendeoberfläche (106) hindurchläßt.

10. Sender nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche (114) Licht von der Sendeoberfläche (118C) zum Wellenleiter (112) reflektiert.

11. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgenommene Licht eine Funktion einer gewünschten Meßbereichseinstellung ist und der in der Schaltkreisvorrichtung gespeicherte Parameter eine Funktion der gewünschten Meßbereichseinstellung ist, welche mit Hilfe des aufgenommenen Lichts programmiert wird.

12. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgenommene Licht eine Linearitätskorrektur des Ausgangssignals des Senders darstellt und der in der Schaltkreisvorrichtung gespeicherte Parameter eine Funktion der Linearitätskorrektur ist, welche mit Hilfe des aufgenommenen Lichts programmiert wird.

13. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgenommene Licht eine Temperaturkorrektur des Ausgangssignals des Senders darstellt und der in der Schaltkreisvorrichtung gespeicherte Parameter eine Funktion der Temperaturkorrektur ist, welche mit Hilfe des aufgenommenen Lichts programmiert wird.

14. Schnittstelle (18, 66) für den Gebrauch zwischen einem optischen Medium mit einem ferngesteuerten optischen Prozeßvariablen-Sender (10, 60) und einer elektrischen Sammelschiene (22), wobei die Schnittstelle folgendes aufweist:

eine Lichterzeugungsvorrichtung (26) zur Koppelung an einen Wellenleiter (14, 62, 100, 112) mit einer Zusatzvorrichtung (28) für das Erzeugen eines erregenden Lichtbestandteils zur Erregung des Senders;

eine Steuervorrichtung (28), welche an die Lichterzeugungsvorrichtung (26) gekoppelt ist und zur elektrischen Steuerung der Amplitude des erregenden Lichtbestandteils als Funktion einer Vergleichsgröße in der Steuervorrichtung dient;

und eine Empfangsvorrichtung (32) für das Liefern eines elektrischen Ausgangssignals an die Sammelschiene (22), welches das optische Ausgangssignal vom Sender darstellt;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichterzeugungsvorrichtung (26) eine Vorrichtung (30) zur Erzeugung eines programmierenden Lichtbestandteils aufweist, welcher so moduliert ist, daß er einen veränderbaren Parameter zur Erfassung eines optischen Ausgangssignals vom Sender programmiert;

und die Steuervorrichtung (28) so angepaßt ist, daß die Modulation als Funktion einer weiteren von der Sammelschiene (22) empfangenen Vergleichsgröße elektrisch gesteuert wird.

15. Schnittstelle (66) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (62) eine Vielzahl von optischen Prozeßvariablen-Sendern (60A-C, 60D-F, 60G-J) koppelt und die erste Vorrichtung weiter eine Vorrichtung für das Erzeugen eines programmierenden Lichtbestandteils aufweist, welche so moduliert ist, daß die Erzeugung eines optischen Ausgangssignals durch eine Vielzahl von Sendern (60A-C, 60D-F, 60G-J) programmiert wird.

16. Schnittstelle (66) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erregende Lichtbestandteil die Vielzahl von optischen Prozeßvariablen-Sendern (60A-C, 60D-F, 60G-J) erregt.

17. Schnittstelle (66) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das programmierte optische Ausgangssignal entlang des Wellenleiters (62) gekoppelt ist.

18. Schnittstelle (66) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsvorrichtung die programmierten optischen Ausgangssignale von einer Vielzahl von optischen Prozeßsendern in eine herkömmliche elektrische Sammelschiene umwandelt.