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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Verarbeitungssystem zur Analyse eines Spektralsignals, das
dadurch erzeugt wird, daß ein doppeibrechender Sensor
einer Temperatur ausgesetzt wird, um eine momentane
Wellenform zu erzeugen, die mit einer Bezugswellenform
verglichen wird, um einen Bediener über die vom
doppelbrechenden Sensor erfahrene Temperatur zu informieren.
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Um den Betrieb einer Turbine innerhalb
vorgegebener Spezifikationen zu regeln und zu halten, werden die
vielen Zustände während des Betriebes eines Flugzeuges
von strategisch angebrachten elektrischen Wandlern
gemessen. Diese Wandler sind über Kupferdrahtbündel mit
einer Zentralsteuerung zusammengeschaltet. Obwohl diese
Bündel abgeschirmt sind, können die im Kupferdraht
geführten Signale durch elektromagnetische Störungen und
elektromagnetische Impulse beeinflußt werden. Um die
elektromagnetischen Störungen und elektromagnetischen
Impulse zu verringern, sind die Kabel abgeschirmt. Eine
solche Abschirmung kann jedoch dem Flugwerk beträcht
liches Gewicht hinzufügen. Um die Einwirkung
elektromagnetischer Störungen und elektromagnetischer Impulse zu
beseitigen, sind faseroptische Sensoren und Kabel
eingeführt worden, um den elektrischen Sensor und die
Kupferkabel zu ersetzen.
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Infolge der Auswahl eines faseroptischen Sensors
zur Erfüllung der Betriebstemperaturerfordernisse eines
Flugzeuges sind viele Materialien bewertet worden, um die
während des Betriebes eines Flugzeuges erfahrenen
Betriebstemperatur- und Druckbedingungen zu erfüllen. Ein
solches Material zur Verwendung als Temperatursensor ist
ein Leuchtstoff. Die Lumineszenz-Abklingzeit für einen
Leuchtstoff kann zur Erzeugung eines Signals benutzt
werden, das der Temperatur in einer aggressiven Umgebung
wie der, die in der Brennkammer eines Turbinenmotors
erzeugt wird, entspricht. In US-Patent 5,036,194 ist ein
Kabel für die Übertragung eines solchen Signals zu einem
Prozessor offenbart. Die Genauigkeit der gemessenen
Temperatur, die direkt von der Verarbeitung des Signals
von den Sensoren abhängig ist, erfordert besondere
Decodierverfahren wie beispielsweise die in US-Patent
5,004,910 offenbarten. Diese Sensorart funktioniert
zufriedenstellend, wenn die zu messende Temperatur im
Bereich von 100 bis 400ºC liegt. In einer Brennkammer
eines Turbinenmotors kann jedoch die Temperatur 1100ºC
erreichen.
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In US-Patenten 4,140,393 und 4,928,005 wird
vorgeschlagen, daß als Sensormaterial zur Bewertung von
Temperaturänderungen temperaturabhängige doppelbrechende
Sensormaterialien benutzt werden könnten. US-Patent
4,928,005 zeigt an, daß durch Analyse von Abweichungen
modulierter Signale, die durch Koppelpunkte
durchlaufendes Licht erzeugt werden, eine Temperatur zwischen -100
bis +300ºC gemessen werden kann. Diese induzierte
Veränderung, die durch Koppelpunkte entlang dem
Kommunikationskabel durchlaufendes Licht erzeugt wird, kann für
einige Anwendungen genügen, wo keine dynamischen Kräfte
an das Kabel angelegt werden, aber in einem Flugwerk kann
die Einführung von G-Kräften nach und nach ein Brechen
oder Reißen des Kabels verursachen, wodurch die
Signalübertragung beeinträchtigt werden würde. In US-Patent
4,814,604 wird ein Verfahren der Fernerkennung von
physikalischen Größen eines Signals von einer Mehrzahl
von Sensoren durch Überlagerung des Signals mit mit jedem
Sensor verbundenen Modulationen und Decodieren des
Signals durch Durchführung einer Fourier-Transformation
am modulierten Signal zur Wiedergewinnung der Größe der
gemessenen Informationen offenbart. In US-Patent
4,867,565 ist auch eine Struktur zur Fernerkennung einer
physikalischen Größe eines gemessenen Zustands durch
Verwendung einer Fourier-Transformation zur Bestimmung
eines Weglängenunterschieds eines einen Sensor
durchlaufenden Signals zum Erhalten des Wertes der zu messenden
physikalischen Größe offenbart. In der gleichzeitig
anhängigen US-Patentanmeldung 796,743, die der PCT-
Veröffentlichung Nr. WO 93/11412 entspricht, ist ein
Sensorsystem offenbart, das die doppelbrechenden
Eigenschaften von Kristallen von Lanthanberrylat (BEL) zum
Messen von Temperatur und Spannung in einer Umgebung mit
einem Temperaturbereich von -200 bis +1500ºC benutzt. In
diesem Sensorsystem wird ein durch eine Leuchtdiode an
einer optoelektronischen Schnittstelle erzeugtes
optisches Erregungssignal durch einen ersten Glasfaserleiter zu
einem abgesetzten Detektor übertragen. Das optische
Erregungssignal wird dann vom Sensor als Funktion der
Temperatur und einachsigen Spannung im aktiven Element
des Sensors spektralmoduliert. Die Modulation des Signals
gleicht einem Streifenmuster, das durch Verstärkung und
Auslöschung des optischen Erregungssignals verursacht
wird. Das spektralmodulierte Mehrperiodenlichtsignal wird
dann vom Sensor über einen zweiten Glasfaserleiter zur
optoelektronischen Schnittstelle übertragen. In der
optoelektronischen Schnittstelle wird das Lichtsignal
anfangs spektral gestreut und dann das gestreute
Lichtsignal auf eine CCD- (charge couple device)Anordnung
abgebildet, um ein elektrisches Ausgangssignal zu
erzeugen. Das Signal ist die Spektralausgabe der
CCD-Anordnung, deren Amplitude in Bezug auf Zeit im Verhältnis zur
Lichtintensität in Bezug auf Wellenlänge steht.
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In der hier offenbarten Erfindung ist ein
Verfahren zur Verarbeitung der Signalspektralausgabe einer
CCD-Anordnung zum Messen der Temperatur der Umgebung, in
der sich das aktive Element des Sensors befindet oder
ausgesetzt ist, innerhalb einer Genauigkeit von ±1,0ºC
über einen Bereich von -200 bis +1500ºC, entwickelt
worden.
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In diesem Verfahren wird die Signalausgabe von
einem analogen in ein digitales Signal umgewandelt, um
eine Vorwellenform festzulegen, wenn der doppelbrechende
Sensor einer bekannten Temperatur ausgesetzt ist. An der
Vorwellenform wird zur Bestimmung ihrer Hauptfrequenz
eine schnelle Fouriertransformation durchgeführt. Die
Bezugswellenform und ihre Hauptfreguenz werden im
Speicher eines Digitalsignalprozessors gespeichert. Danach
wird der doppelbrechende Sensor einer unbekannten
Temperatur ausgesetzt, um ein momentanes Spektralausgabesignal
zu entwickeln. Das momentane Spektralausgabesignal wird
von einem analogen in ein digitales Signal umgewandelt,
um eine momentane Wellenform festzulegen. Das Phasen- und
Hauptfrequenzverhältnis zwischen der momentanen
Wellenform und der Bezugswellenform wird durch eine Kombination
von Kreuzkorrelation und einer nachfolgenden schnellen
Fouriertransformation erhalten. Die momentane
Hauptfrequenz wird mit der Bezugshauptfrequenz verglichen, um
einen Temperaturbereich zu bestimmen. Wenn der
Temperaturbereich und die Phase mit einer Bezugstabelle im
Digitalsignalprozessor verglichen werden, wird ein die
momentane Temperatur des doppelbrechenden Sensors
darstellendes Signal im Speicher des Digitalsignalprozessors
gespeichert. Der Speicher wird periodisch von einem
Hostrechner ausgelesen und auf einem Bildschirm
angezeigt, um fortlaufend vom doppelbrechenden Sensor
erfahrene Temperaturänderungen zu beobachten.
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Inbesondere ist das Verfahren der vorliegenden
Erfindung zur Analyse einer Mehrzahl von
spektralmodulierten Signalen mit mehreren Perioden geeignet, die
durch ein doppelbrechendes Element erzeugt und zu einer
Anordnung zur Bestimmung der momentanen Temperatur des
doppelbrechenden Elements übertragen werden. Die
besonderen Schritte umfassen die Herstellung einer
Bezugswellenform aus einer ersten Ausgabe der aus der Anordnung
als Reaktion darauf, daß das doppelbrechende Element
einer bekannten Temperatur ausgesetzt wird, abgegebenen
spektralmodulierten Signale mit mehreren Perioden. Die
Bezugswellenform, die eine Hauptfreguenz und Anfangsphase
aufweist, wird in einem Digitalprozessor gespeichert.
Eine zweite Ausgabe der von der Anordnung abgegebenen
spektralmodulierten Signale mit mehreren Perioden wird
zur Herstellung einer momentanen Wellenform erhalten. Für
die besagte momentane Wellenform wird die Hauptfrequenz
und Phase erhalten und die Differenz zwischen der
Hauptfrequenz der momentanen Wellenform und der Hauptfrequenz
der Bezugswellenform wird erhalten, um den
Temperaturbereich festzulegen. Die Differenz zwischen der
momentanen Phase wird mit einer Referenzphase in einer Tabelle
zur Bestimmung der momentanen Temperatur verglichen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zur Analyse eines Spektralsignals
bereitzustellen, das von einem doppelbrechenden Temperatursensor
erzeugt und zu einer Anordnung übertragen wird, um eine
fortlaufende Anzeige von Änderungen der vom doppelbrech
enden Sensor erfahrenen Temperatur zu erhalten.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein System der Verarbeitung eines
Ausgangssignals von einer spektralen Anordnung bereitzustellen,
das sowohl Phasen- als auch Frequenzinformationen, die
durch Analyse eines durch einen doppelbrechenden Sensor
erzeugten Streifenmusters erhalten werden, zur Vorhersage
der Temperatur der Umgebung des doppelbrechenden Sensors
benutzt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein System der Analyse eines Spektralsignals durch
Erhalten einer durch ein Streifenmuster erzeugten
Hauptfrequenz durch Verwendung von Kreuzkorrelation und
schneller Fouriertransformation und Vergleichen der sich
ergebenden Hauptfrequenz mit einer Bezugstabelle
bereitzustellen, um die momentane Temperatur zu erhalten.
Diese Aufgaben und die dadurch erhaltenen
Vorteile sollten aus der Lektüre der vorliegenden
Beschreibung unter Betrachtung der Zeichnungen offenbar sein. In
den Zeichnungen ist:
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Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Spektrometersystems, das einen doppelbrechenden Sensor
dazu benutzt, ein Spektralsignal zu erhalten, das einer
Anordnung zugeführt wird, von der eine momentane
Temperatur eines Sensors durch Analyse von Änderungen eines
Streifenmusters nach einem durch die vorliegende
Erfindung offenbarten Verfahren erhalten wird;
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Figur 2 eine graphische Darstellung einer
Bezugswellenform und einer von einem spektralen Ausgangssignal
von der Anordnung der Figur 1 erzeugten momentanen
Wellenform;
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Figur 3 eine graphische Darstellung der
Phasenverschiebung in Bezug auf Temperatur für den
doppelbrechenden Sensor der Figur 1;
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Figur 4 eine graphische Darstellung der
Kreuzkorrelation der Phasendifferenz zwischen der
Bezugswellenform und einer momentanen Wellenform;
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Figur 5 eine graphische Darstellung einer
Hauptfrequenz und Phase für die Kreuzkorrelation der
Bezugswellenform und momentanen Wellenform der Figur 2.
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Figur 1 zeigt ein Spektrometersystem 100, in dem
Breitbandspektrum-Erregungslicht von einer Leuchtdiode
101 eine Bandbreite von 50 nm und einen Spektralgehalt
nach der Darstellung der Kurve 102 aufweist. Licht wird
über das Glasfaserkabel 112 zu einem Sensor 109
übermittelt, der aus einem ersten Polarisator 104, einem
doppelbrechenden Element 108 und einem zweiten Polarisator 110
besteht. Mit dem ersten Polarisator 104 wird der
Polansierungsvektor des Lichts orientiert, ehe es einem
doppelbrechenden Element 108 angeboten wird. Das
doppelbrechende Element 108, das aus einem
Lanthanberyllatkristall besteht, dessen optische Achse im Idealfall mit
einem Winkel von 450 zu dem ersten 104 und zweiten 110
Polarisierungselement orientiert ist, ist mit der
Betriebstemperatur der gewünschten Verwendung für dieses
Spektrometersystem 100 kompatibel. Die optische Erregung
des polarisierten Lichtes wird als Funktion von
induzierter Temperatur und Spannung in der Umgebung, in der sich
das doppelbrechende Element 108 befindet, durch das
doppelbrechende Element 108 spektralmoduliert. Die
Modulation des Lichtes durch das doppelbrechende Element
108, die einem Streifenmuster wie dem durch Kurve 114
dargestellten gleicht, wird durch die Verstärkung und
Auslöschung der optischen Erregung der Leuchtdiode 101
durch ein Signal von der Takt- und Steuerlogiksteuerung
144 bewirkt, wenn es einen zweiten Polarisator 110
durchläuft, ehe es vom Glasfaserkabel 118 zu einem Prisma
120 übermittelt wird, das das modulierte Licht streut und
auf eine Anordnung von Photodetektoren 116 fokussiert.
Die Anordnung von Photodetektoren oder einer CCD (charge
couple device) 116, von der es 256 Einzelbildpunkte gibt,
reagiert auf die Intensität des gestreuten Lichtes, um
ein spektrales Ausgangssignal zu erzeugen, das einem
Analysatorsystem 124 übermittelt wird.
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Das spektrale Ausgangssignal von der Anordnung
116 wird zu einem 8-BIT-Analog/Digitalwandler 122
übermittelt, wo das Ausgangsspektralsignal von einem analogen
in ein digitales Signal umgewandelt wird, und zu einem
Digitalsignalprozessor 125 übermittelt, um eine
Bezugswellenform 128 wie in Figur 2 gezeigt zu erzeugen, indem
das doppelbrechende Element 108 einer bekannten
Temperatur (20ºC) ausgesetzt wird. Die Hauptfrequenz d(f) der
Bezugswellenform 128 wird im Digitalsignalprozessor 125
erhalten, der an der Bezugswellenform 128 eine
Fouriertransformation durchführt. Diese Transformation
entspricht der folgenden digitalen
Fouriertransformationsformel:
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X(k) = Σ x (η) e-j2πηk/N
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k ist ein ausgewählter Einstiegspunkt bzw. Index
der Resultierenden der Fouriertransformation
der Spektralabtastung;
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N ist die Anzahl von Abtastpunkten des Fensters
"w" nach Figur 3; und
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n ist der Summierungsindex von 0 bis N-1.
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Die Bezugswellenform 128 und ihre Hauptfrequenz
d(f) werden in dem mit dem Digitalsignalprozessor 125
verbundenen Speicher 131 gespeichert.
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Es ist bekannt, daß die Frequenz eines durch ein
doppelbrechendes Element erzeugten Ausgangssignals sich
nur um ca. 1% für jede 100ºC verändert, aber die Phase
des Mehrzyklus-Streifenmusters ändert sich annähernd um
1º für jede Änderung von 1ºC. So tritt bei jeder
Temperaturänderung von 360ºC wie durch Kurve 134 in der Figur 3
dargestellt ein vollständiger Phasenzyklus ein,
beispielsweise kann eine Phasenverschiebung von -180º -359,
0, +359 bzw. +719ºC darstellen. Diese Zweideutigkeit im
Phasen-Temperaturverhältnis wird durch die Hauptfrequenz
aufgelöst. Die Phasenverschiebung für das doppelbrechende
Element 108, wenn dieses einer bekannten Temperatur
(20ºC) ausgesetzt ist, ist durch Kurve 133 in der Figur
dargestellt. Die von einem Spektralausgangssignal für
das doppelbrechende Element 108 erfahrene
Phasenverschiebung und Hauptfrequenz wurde für jeden ºC erhalten und im
Speicher 131 des Digitalsignalprozessors 125 gespeichert.
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Bei dem Temperaturbestimmungsvorgang durch das
Analysatorsystem 124 werden sowohl Phasen- als auch
Frequenzinformationen, die von einem momentanen
Mehrzyklus-Streifenmuster erhalten werden, das erzeugt wird,
wenn das doppelbrechende Element 108 einer unbekannten
Temperatur ausgesetzt wird, mit gespeicherten
Bezugsphasen- und Hauptfrequenzinformationen verglichen, um die
unbekannte Temperatur auffolgende Weise vorherzusagen.
Das doppelbrechende Element 108 wird einer unbekannten
Temperatur ausgesetzt und das Licht von der Leuchtdiode
wird nach Durchlaufen des Polarisators 110 der
Detektoranordnung 116 übermittelt. Das Ausgangsspektralsignal von
der Anordnung 116 wird durch den 8-BIT-Wandler 122 von
einem analogen in ein Digitalsignal umgewandelt und dem
Digitalsignalprozessor 125 übermittelt, um eine momentane
Wellenform 128 nach Figur 2 herzustellen.
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Unter Verwendung der folgenden
Kreuzkorrelationsformel:
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wobei
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m der Eintrittsindex für die resultierende
Fouriertransformation der spektralen Abtastung ist;
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N die Anzahl von Abtastpunkten ist;
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n der Summierungsindex von 0 bis N-1 ist;
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x ( ) das Signal für die Bezugswellenform ist;
und
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y ( ) das Signal für die momentane Wellenform
ist,
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wird die resultierende Kreuzkorrelation der Kurven 126
und 128 durch Kurve 130 in Figur 4 dargestellt. Danach
wird an der kreuzkorrelierenden Kurve 130 eine schnelle
Fouriertransformation durchgeführt, um die durch Kurve
132 in der Figur 5 dargestellte Hauptfrequenz für das
durch Kurve 133 gezeigte momentane Phasen- und
Frequenzverhältnis zu erhalten. Nach der Figur 5 befindet sich
die abgeleitete Phaseninformation am Punkt T.
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Die Hauptfrequenz der momentanen Wellenform wird
mit der Hauptfrequenz der vorher im Speicher 131 des
Digitalsignalprozessors 125 gespeicherten
Bezugswellenform verglichen, um den Temperaturbereich für die
Phasendifferenz der momentanen und der Bezugswellenform zu
bestimmen.
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Danach wird der Temperaturbereich für die
gemessene Phase aus der Hauptfrequenzkurve 132 ausgewählt und
mit einer Bezugsinformation oder -tabelle im Speicher 131
des Digitalsignalprozessors 125 verglichen, um die
momentane Temperatur des doppelbrechenden Elements 108 zu
bestimmen. Die im Digitalsignalprozessor 125 bestimmte
momentane Temperatur wird zu einem
Betriebssteuerungsoder Hostrechner 140 übermittelt, um eine Anzeige der
momentanen Temperatur der Umgebung, in der sich das
doppelbrechende Element 108 befindet, bereitzustellen.
Die momentane Temperatur wird auf einem Bildschirm 142
angezeigt, um einen Bediener optisch über die durch das
doppelbrechende Element 108 erfahrenen Betriebszustände
zu informieren.
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Der Digitalsignalprozessor 125 und
8-BIT-Umwand-1er 122 werden alle durch eine gemeinsame Takt- und
Logiksteuerung 144 gesteuert, die eine Eingabe vom
Hauptoder Hostrechner 140 empfängt. Der Digitalsignalprozessor
125 empfängt ein Eingangsbetriebssignal, um die momentane
Wellenform 128 von der Photodetektoranordnung 116
abzulesen. Die Zeitgabe der Verarbeitung einer momentanen
Wellenform von der Photodetektoranordnung 116 kann je
nach der vom doppelbrechenden Element 108 beobachteten
Stelle und Funktion zwischen Bruchteilen von
Millisekunden und mehreren Millisekunden variieren, um den
Haupt- oder Hostrechner 140 über die Änderungen der vom
doppelbrechenden Element 108 erfahrenen Temperatur informiert
zu halten.