DE69920678T2

DE69920678T2 - Vernetztes photonisches verteilungssystem zur messung der umgebungsbedingungen

Info

Publication number: DE69920678T2
Application number: DE69920678T
Authority: DE
Inventors: P. Gordon SHARP
Original assignee: Phoenix Controls Corp
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2019-03-17
Also published as: US6252689B1; EP1068686B1; WO1999053634A1; ATE278269T1; DE69920678D1; AU3004499A; EP1068686A1

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Signalverteilungssystem und insbesondere auf ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem zum Abfühlen einer Umgebungsbedingung, die einen Lichtparameter beeinflusst.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist für unsere Gesundheit und unsere Sicherheit sehr wichtig, den Zustand und die Bewohnbarkeit unserer Umwelt zu kennen. Insbesondere sind in der Vergangenheit viel Mühe und Kosten darauf aufgewendet worden, Schadstoffe in der Luft zu regulieren und zu erkennen. Zum Beispiel besteht bei Wohngebäudeeinheiten einschließlich Eigenheimen, Bürogebäuden oder Gebäuden, die Labore enthalten oder in denen gefährliche Chemikalien aufbewahrt werden, ein großer Bedarf, die Luft auf Rauch oder Kontamination zu überwachen. Es ist außerdem notwendig, dass das Luftabfühlen genau und schnell ist, worin in Mehrfachräumen wie etwa individuellen Zimmern in großen Bürogebäuden oder Mehrfamilienhäusern eine besondere Herausforderung liegt.
Frühe Versuche, auf diesen Bedarf einzugehen, haben Systeme hervorgebracht, die mit einfachen Mitteln, welche üblicherweise übermäßige CO₂-Niveaus oder VOCs (flüchtige organische Verbindung), übermäßige Partikel oder andere gefährliche gasförmige Materialien angeben, eine schlechte Ventilation in Gebäuden erkennen können. Jedoch waren diese frühen kontinuierlichen Überwachungssysteme häufig teuer, schwierig zu installieren und aufgrund der Beschaffenheit der individuellen Sensoren selbst oder der von diesen Sensoren erforderten Kalibrierung weder als genau noch als verlässlich bekannt.
Systeme zum Abfühlen von Luftqualität sind in den U.S. Patenten Nr. 3,683,352, 3,781,092, 3,805,066, 4,027,153, 4,403,806, 4,516,858, 4,641,025 und 4,820,916, den Patentanmeldungen GB 2,215,038 und GB 2,262,678 des Vereinigten Königreichs und dem deutschen Patent DE 3409-618-A1 gezeigt.
U.S. Patent Nr. 3,683,352 offenbart ein Alarmsystem zum Erfassen von Rauch und Einbrechern. Das '352-Patent lehrt die Verwendung einer Einzellichtstrahlquelle zum Übertragen von Licht durch entfernt gelegene Licht-Elektrizität-Wandler zum Erkennen von Rauch und Einbrechern, die durch die Lichtstrahlen zwischen den Wandlern passieren. Die Erkennung eines Einbrechers oder von Rauch wird durch eine Amplituden- oder Polarisationsmodulation des Lichtsignals auf einer charakteristischen Frequenz angegeben.
U.S. Patent Nr. 3,781,092 offenbart ein Überwachungssystem mit einer Vielzahl von unabhängigen Lichtleitfaserwegen, Wandlern, optischen Blenden und Modulatoren in Kombination mit einer gemeinsamen Laserlichtquelle. Licht wird von der gemeinsamen Quelle emittiert und auf die verschiedenen Faserlichtwege, die in dem System vorliegen, aufgeteilt. Das Licht bewegt sich durch den Faserlichtweg zum Wandler, der mittels eines optischen Schalters Informationen auf das Licht codiert.
U.S. Patent Nr. 3,805,066 offenbart eine Raucherkennungsvorrichtung, die eine Vielzahl von Lichtleitfasern verwendet, welche in einer Reihenausrichtung mit Lücken dazwischen angeordnet sind. Ein Lichtsignal wird zur Erkennung von Rauch durch einen lichtelektrischen Wandler, der sich an dem terminalen Ende der Reihenausrichtung befindet, durch die Faser übertragen.
U.S. Patent Nr. 4,027,153 offenbart ein Fasernetz mit einem passiven Optokoppler zur Übertragung von Daten zwischen in dem System vorliegenden adressierbaren Teilnehmerstationen. Jede Station weist einen Sender und Empfänger sowie einen spezifischen Adresscode zur Identifikation auf. Informationen von den Stationen werden von einer gemeinsamen Adressiereinheit, die über den passiven Optokoppler ebenfalls mit den Stationen verbunden ist, zyklisch abgetastet.
U.S. Patent Nr. 4,403,806 offenbart einen Sichtbarkeitsmessapparat mit einer Zentraleinheit zum Steuern eines emittierten Lichtsignals und einer Vielzahl von Sender- und Empfängereinheiten zum Messen der Dämpfung des emittierten Lichtsignals. Die zentralisierte Einheit emittiert das Lichtsignal, das von den Sender- und Empfängereinheiten übertragen und empfangen und zur Beurteilung an die Zentraleinheit zurückgeschickt wird.
U.S. Patent Nr. 4,516,858 offenbart ein Laser angeregtes Vielstellen-Verschmutzungsüberwachungssystem, das eine zentrale Laserquelle und eine Vielzahl von Lichtleitfasern aufweist. Der Laser emittiert ein Lichtsignal, das zum Erkennen von Dampf durch Raman-Streuung, Fluoreszenz, Absorption und Photoionisation in einer zeitgesteuerten Sequenz auf eine Vielzahl von entfernt gelegenen, Laser angeregten photoakustischen Detektorköpfen abgelenkt wird. Die Detektorköpfe übertragen ein Erkennungssignal über elektrische Drähte auf eine Signalprozessor- und Anzeigeeinheit, die sich ebenfalls an der Zentralstelle befindet.
U.S. Patent Nr. 4,641,025 offenbart ein System zum Bestimmen der Position der Grenze zwischen Substanzen mit unterschiedlichen Brechzahlen. Das '025-Patent offenbart eine Vielzahl optischer Sensoren, eine gemeinsame Impulsquelle und eine Schnittstelle, die auf den Quellimpuls reagiert, und zum Produzieren eines Antwortimpulses dient, der an den gemeinsamen Empfänger geliefert wird. Der Empfänger misst die Dauer des Antwortimpulses, der eine Zeitdauer aufweist, die zu der Anzahl von Sensoren in dem System proportional ist. Die Position der Grenze wird bestimmt, indem die Zeitdauer als Reaktion auf eines feste und bekannte Anzahl von Sensoren berechnet wird.
U.S. Patent Nr. 4,820,916 offenbart ein optisch betriebenes Sensorsystem mit einer Vielzahl von Sensoren, die zur Kommunikation mit einer Systemsteuereinheit mit einem Lichtleiterbus verbunden sind. Optische Energie wird auf den Bus übertragen und im ganzen System an die Sensoren verteilt. Die Sensoren weisen eine Photodiodengruppe zum Abfühlen eines messbaren Parameters und Bereitstellen eines optischen Impulssignals als Funktion des gemessenen Parameters auf. Die Sensoren umfassen einen Wandler und einen Impulscodierer zum Produzieren einer Reihe von Impulsen kurzer Dauer, um eine optische Quelle zum Übertragen entsprechender optischer Impulse an die Systemsteuereinheit anzutreiben. Das Patent sieht eine Konfiguration mit mehreren Sensoren vor, indem vor der Übertragung des Rückimpulses von dem Sensor auf die Steuereinheit eine Sensor spezifische Zeitverzögerung bereitgestellt wird. Die Zeitverzögerung stellt jedem Sensor ein vorbestimmtes Zeitfenster bereit, wodurch eine Unterscheidung zwischen den Sensoren ermöglicht wird.
Die Patentanmeldung GB 2,215,038 des Vereinigten Königreichs offenbart ein optisches Abfühlsystem einschließlich einer zentralen Lichtquelle, die Breitbandlicht über einer Vielzahl von Lichtwegen emittiert, welche in einem gemeinsamen Fabry-Perot-Hohlraumfilter enden, der Scan- und Detektormittel zum Scannen einer engen Bandbreite des Breitbandlichts aufweist.
Die Patentanmeldung GB 2,262,687 des Vereinigten Königreichs offenbart einen Signalverteilungsapparat, der zwei Lichtquellen beinhaltet, die kurze optische Impulse in die gegenüberliegenden Enden einer Lichtleitfaserschleife entsenden. Es liegt dort ebenfalls eine Anordnung von Verknüpfungsgliedern vor, die die Lichtimpulse durch eine Vielzahl von Sensoren und zurück entlang einem gemeinsamen Rückkehrweg zu einem Photodetektor leiten. Jeder Sensor wird der Reihe nach befragt.
Das deutsche Patent DE 3409-618-A1 offenbart ein faseroptisches Messsystem mit einer Vielzahl von Lichtleitfasern, die mit einer Vielzahl von optischen Sensoren und Lichtquellen verbunden sind, welche unterschiedliche Emissionsspektren aufweisen, die gemäß den gewünschten Absorptions- und Übertragungseigenschaften der Sensoren ausgewählt sind.
Zusätzlich zu den installierten Systemen haben andere Ansätze zum Abfühlen der Luftqualität in der Vergangenheit in der Hand gehaltene Abfühlinstrumente umfasst. Diese Vorrichtungen sind jedoch teuer und unhandlich zu verwenden, besonders, wenn eine langfristige Überwachung mehrerer Zimmer erwünscht ist. Ein anderer Ansatz, der in der Vergangenheit verwendet wurde, sind individuelle OEM-Sensorinstrumente, die in eine Art von Daten sammelndem System und/oder Datensteuersystem verbunden sind. Jedoch sind auch diese Systeme sehr kostspielig, wenn viele Zimmer gleichzeitig überwacht werden müssen, da in jedem Zimmer, das überwacht wird, kostspielige Sensoren erforderlich sind. Zusätzlich dazu nehmen Kosten und Komplexität dramatisch zu, wenn mehr als ein Gas abgefühlt und überwacht werden soll. Des Weiteren sind die Betriebskosten dieser Systeme aufgrund der großen Menge an praktischer Arbeit, die zum kontinuierlichen Rekalibrieren der großen Anzahl von Sensoren, die eingesetzt werden, erforderlich ist, ebenfalls sehr hoch.
In neuerer Zeit sind viele Arten von neuen Sensoren entwickelt oder vorgeschlagen worden, welche optische Techniken mit Licht aus Lasern oder anderen Lichtquellen verwenden. In vielen Fällen kann das von diesen Quellen emittierte Licht unter Verwendung von aus Kunststoff, Glas oder anderen Verbindungen gefertigten Lichtleitfaserkabeln verschafft und gelenkt werden. Dies erlaubt es, den Emitter und/oder den Detektor entfernt von dem abzufühlenden Bereich zu platzieren. Es erlaubt möglicherweise ebenfalls die Verwendung von Techniken, um die Verwendung eines Satzes von Gas- oder Partikellichtemittern und -detektoren über viele Messstellen oder -örtlichkeiten zu multiplexen. Gegenwärtige Multiplexansätze haben zum Beispiel Wellenlängenmultiplextechnik umfasst, bei der viele getrennte Lichtsignale, jedes von einer anderen Wellenlänge, erstellt und in ein Fasersystem mit mehreren Sensoren gesendet werden. Jeder Sensor kann auf ein Signal unterschiedlicher Wellenlänge antworten. Diese modifizierten Signale werden dann an der gemeinsamen Detektorörtlichkeit demultiplext und individuell abgefühlt.
In einem anderen Beispiel wird Zeitmultiplextechnik (TDM) verwendet, um einen sehr kurzen Lichtimpuls in einen Mehrtaser(1XN)-Strahlteiler oder -Koppler zu senden, der mehrere Kopien des Impulses auf Mehrtasern, die mit dem Koppler verbunden sind, erstellt. Nachdem die modifizierten Impulse durch einen Sensor, der sich auf jeder dieser Mehrtasern befindet, passiert sind, werden sie alle durch einen anderen Mehrfaser(1XN)-Koppler zurück auf eine Rückkehrtaser rekombiniert. Solange sich die Weglängen der Mehrtasersensorwege unterscheiden, ist das Ergebnis ein Puls aus individuell modifizierten Impulsen auf der Einzel-Rückkehrfaser. Unter Verwendung von Zeit- und Weglänge können die beeinflussten Impulse mit dem richtigen Sensor in Übereinstimmung gebracht werden, um eine bestimmte Bedingung oder Substanz an der Örtlichkeit des Sensors zu erkennen und zu bestimmen.
Diese beiden Multiplexansätze sind komplex, teuer und aufgrund der Einschränkungen hinsichtlich Wellenlänge oder Zeit nicht allgemein verwendbar. Demzufolge sind sie nicht leicht an sich ändernde Erfordernisse zum Abfühlen der Umwelt in einem Gebäude anzupassen.
Um diese Arten von Einschränkungen und Komplexität zu vermeiden, sind andere Systeme entwickelt worden, die optische Schalter verwenden, um eine von vielen Fasern, die von einer entfernten Örtlichkeit zu einem gemeinsamen Emitter oder Detektor kommen, zu schalten. Diese Ansätze verwenden einen optischen Schalter, der einen Lichtstrahl von einer Faser auf eine andere aus mehreren anderen Fasern mit minimalem Verlust und Einfluss auf das übertragene Licht schalten kann. Diese Ansätze platzieren den Multiplexschalter spezifisch nahe an den Emitter und/oder den Detektor und verwenden eine Vielzahl von faseroptischen Kabeln, die von der zentralen Örtlichkeit zu den abgefühlten Örtlichkeiten führen. Obwohl dieser Ansatz einfacher und flexibler als die vorherigen Ansätze ist, leidet er unter der Notwendigkeit, eine große Menge von faseroptischen Kabeln durch das ganze Gebäude zu verlegen. Soll eine neue Örtlichkeit hinzugefügt werden, so erfordert dies die Installation eines anderen faseroptischen Kabels zwischen der zentralen Örtlichkeit und der neuen abgefühlten Örtlichkeit.
Die vorliegende Erfindung geht auf viele der oben erwähnten Probleme ein, die mit Systemen des Stands der Technik verbunden sind, und löst sie.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet:
eine Lichtquelle,
einen Photodetektor,
ein optisches Verteilungsnetz zum Verteilen von Licht von der Lichtquelle an den Detektor entlang einem zuvor ausgewählten Lichtweg,
eine erste Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen in optischer Kommunikation mit dem optischen Verteilungsnetz zum Empfangen von Licht davon, wobei die optischen Vorrichtungen auf mindestens eine äußere Bedingung reagieren, wobei die mindestens eine äußere Bedingung einen Parameter des Lichts beeinflusst, und
eine zweite Vielzahl von fernverteilten Schaltern zum selektiven Verbinden der optischen Vorrichtungen mit dem optischen Verteilungsnetz zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle und Befördern von Licht, das von der äußeren Bedingung beeinflusst ist, zum optischen Verteilungsnetz, um das beeinflusste Licht zum Detektor zu befördern, wobei die zweite Vielzahl von Schaltern entlang dem optischen Übertragungsnetz in einer Bus-, Ring- oder Baumstruktur in Reihe geschaltet ist, wobei das Licht von der Quelle und das von der äußeren Bedingung beeinflusste Licht entlang demselben Lichtweg übertragen werden,
wobei der Detektor Ausgabesignale als Reaktion auf das beeinflusste Licht erzeugt, und einen Prozessor, der auf die Ausgabesignale des Detektors reagiert, um für die äußere Bedingung repräsentative Ausgaben zu erzeugen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verteilung eines optoelektronischen Signals in einem vernetzten Verteilungsssystem bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:
Erzeugen von Licht,
Verteilen des Lichts durch ein optisches Verteilungsnetz entlang einem zuvor ausgewählten Lichtweg,
Empfangen des Lichts durch eine erste Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen in optischer Kommunikation mit dem optischen Verteilungsnetz durch eine zweite Vielzahl von fernverteilten Schaltern hindurch, die in einer Busstruktur entlang dem optischen Verteilungsnetz in Reihe geschaltet sind, wobei die optischen Vorrichtungen auf eine äußere Bedingung reagieren,
Beeinflussen eines Parameters des empfangenen Lichts, wenn die optische Vorrichtung auf die äußere Bedingung reagiert, Verbinden auf eine auswählbare Weise einer zweiten Vielzahl von fernverteilten Schaltern, die die optischen Vorrichtungen mit dem optischen Verteilungsnetz verbinden,
Befördern des von der äußeren Bedingung beeinflussten Lichts auf dem optischen Verteilungsnetz zu einem Photodetektor entlang dem vorbestimmten Lichtweg, an dem entlang das Licht von der Quelle verteilt wird,
Erkennen des beeinflussten Lichts und Erzeugen von Ausgabesignalen als Reaktion auf das beeinflusste Licht und
Verarbeiten des Ausgabesignals mit einem Prozessor, um Ausgaben zu erzeugen, die repräsentativ für die äußere Bedingung sind.
Die vorliegende Erfindung ist ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem. Das System setzt im Handel erhältliche und ökonomische optische Schalter, Lichtleitfaser und einen gemeinsamen Emitter und Detektor ein. Fernverteilte optische Schalter werden verwendet, um einen Lichtstrahl von einer Faser unter minimalem Verlust an einer abgefühlten Örtlichkeit auf eine andere zu schalten, um in dem Lichtstrahl, der verwendet wird, um eine bestimmte Bedingung oder Substanz zu bestimmen, einen Unterschied zu bewirken. Dieses System ist besonders nützlich, um in einem Bereich wie etwa dem Umgebungsraum um eine Testkammer in einem Labor, den Zimmern in einem Gebäude, einem ganzen Gebäude oder mehreren Gebäuden eine Vielzahl von zuvor ausgewählten Bedingungen oder Substanzen umgehend zu erkennen. Es versteht sich, dass die Erfindung für Eigenheime einschließlich mehrteiliger Wohneinheiten, Bürogebäuden und dergleichen verwendet werden kann. Die Erfindung kann auch verwendet werden, um einen industriellen oder Herstellungsvorgang zu steuern.
Dieses System kann die Komplexität und die Kosten von Systemen zur Umweltkontrolle und -erkennung weitgehend reduzieren. Vor allem kann es die Menge an erforderlichem faseroptischem Kabel dramatisch reduzieren sowie ein viel flexibleres System erstellen, zu dem leicht hinzugefügt werden kann, ohne große Längen an Kabel zu verlegen. Des Weiteren ist die Steuerung des Abfühlnetzes vollständig flexibel und programmierbar. Im Gegensatz zu den oben aufgeführten Multiplexansätzen, die effektiv gesehen versuchen, alle Sensorörtlichkeiten quasi gleichzeitig abzufühlen, ist dieser neue Ansatz ein selektiver Ansatz, bei dem Örtlichkeiten entweder in einem programmierten Muster sequentiell abgefühlt oder in Echtzeit ausgewählt werden. Dieses System ist demzufolge in seinen Anwendungen flexibler. Wenn erwünscht, können viele der zuvor erwähnten Zeit-, Wellenlängen- oder Frequenzmultiplexmodelle mit diesem Ansatz weiterhin verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass der optische Verlust der Schalter viel geringer ist als der Verlust der Koppler, die in den vorher beschriebenen Multiplexerkonzepten verwendet werden. Bei TDM- oder WDM-Ansätzen muss das Quellenlicht durch alle Sensoren gleichzeitig verlaufen, und demzufolge werden Koppler verwendet, um den Strahl auf jeden Sensor aufzuteilen. Die Leistungsteilung dieses Systems bedeutet, dass jeden Sensor nur sehr wenig Licht erreicht, was die Anzahl möglicher Abfühlörtlichkeiten, die verwendbar sind, drastisch einschränkt. Bei dem neuen Ansatz leiten die optischen Schalter dagegen die gesamte optische Leistung der Quelle an die abgefühlte Örtlichkeit. Der einzige Verlust von Leistung erfolgt aufgrund der Einfügungsverluste der Schalter, die im Vergleich zu den Leistungsteilungsverlusten der Koppler recht gering sind.
Letztlich ist der neue Ansatz recht ökonomisch, indem er möglicherweise die Steuerfähigkeiten des Luftstromsteuersystems des Steuer- und Datenkommunikationsnetzes eines Gebäudes, eines wichtigen Raums oder eines Labors zum Steuern der optischen Schalter und Netzknoten des Fasernetzes verwendet. Dies bedeutet, dass diese Steuerfunktion fast für umsonst dazukommt, da diese Gebäudesteuernetze in diesen Gebäuden installiert werden müssen, ob nun das optoelektronische Umweltabfühlnetz erwünscht ist oder nicht. Die Kosten der zusätzlichen Steuerausgänge, die für das optoelektronische Netz benötigt werden, sind nur ein unbedeutender Betrag zusätzlicher Kosten für diese Systeme.
Anstatt das vorher erwähnte „Einzelstern"-Verfahren zu verwenden, bei dem alle Fasern aus einer einzelnen Örtlichkeit entspringen und alles Schalten an der Emitter-/Detektor-Örtlichkeit zentralisiert ist, kann der neue Ansatz einen Bus-, Ring- oder Kaskadenstern verwenden, der mehrere sekundäre oder tertiäre Netzknoten verwendet, um einen preisgünstigeren und flexibleren Ansatz zu erstellen. Alle diese neuen Ansätze stimmen in der Eigenschaft überein, dass mindestens ein Teil des optischen Schaltens entfernt von dem zentralen Emitter und/oder den zentralen Detektoren erfolgt. Diese entfernten Schalter können aufgrund eines vorher konfigurierten Algorithmus selbstgesteuert sein oder sie können, was wahrscheinlicher ist, durch ein Steuer- und Datenkommunikationsnetz gesteuert werden. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt diese Steuerung und Kommunikation durch ein separates, auferlegtes elektronisches oder vielleicht optisches Steuer- und Datenkommunikationsnetz mit Steuer-/Datenkommunikationsknoten, die sich nahe den optischen Schaltern befinden. Alternativ dazu können diese Steuerung und Datenkommunikation auch durch das optoelektronische Signalverteilungsnetz erzielt werden, indem Techniken wie etwa Wellenlängenmultiplextechnik verwendet werden, um die Steuersignale auf einer anderen Wellenlänge als den Wellenlängen zum Gas- oder Partikelabfühlen zu betreiben.
Die Erfindung umfasst, wenn erforderlich, ebenfalls ein separates Steuernetz, das ein Fasernetz oder ein elektrisches Netz wie etwa ein Koaxialkabel oder eine verdrillte Mehrleiterleitung beinhaltet, parallel zu dem optoelektronischen Signalverteilungssystemnetz für ein alternatives Mittel zur Steuerung der fernverteilten Schalter. Dieses Steuernetz würde typischerweise auf einer Datenkommunikationsbasis mit angemessenen Netzprotokollen laufen, um Daten an die und zwischen den Steuer-/Datenkommunikationsvorrichtungen zu verschicken. Dieses Netz könnte der Steuerung des optoelektronischen Signalverteilungssystemnetzes dediziert sein, oder es könnte auch für andere Funktionen wie etwa Umweltsteuerungen im Gebäude oder zur Datenvernetzung zwischen Büro-PCs oder Arbeitsstationen verwendet werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Steuerung der fernverteilten Schalter durch spezielles Codieren der Lichtsignale, die entlang dem optoelektronischen Signalverteilungssystemnetz selbst verschickt werden, bewerkstelligt werden. Dieser Ansatz weist den Vorteil auf, dass er einen weiteren Steuerweg mit separater Faser oder elektrischem verdrilltem Paar eliminiert.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist entweder der gemeinsame Emitter oder der gemeinsame Detektor durch entweder individuelle Emitter oder individuelle Detektoren an den abgefühlten Örtlichkeiten ersetzt, um die Notwendigkeit entweder eines Zufuhr- oder eines Rückkehrwegs des optoelektronischen Signals von dem Verteilungsnetz zu eliminieren. Wo an den abgefühlten Örtlichkeiten individuelle Emitter verwendet werden, kann eine Ein/Aus-Steuerung für die Emitter (in Abhängigkeit von der Netzarchitektur) verwendet werden, um alle oder einen Teil der optischen Netzschalter zu ersetzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung wird in den Zeichnungen eine Form gezeigt, die gegenwärtig bevorzugt wird; jedoch versteht es sich, dass sich die Erfindung nicht auf die genauen gezeigten Anordnungen und Instrumentalitäten beschränkt.
1 veranschaulicht ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Reihennetzstruktur.
2 veranschaulicht einen optischen Schalter, der eine unidirektionale Lichtleitfaser mit einer optischen Gasabfühlzelle und einer optischen Umgehung verbindet.
3 veranschaulicht einen optischen Schalter, der eine bidirektionale Lichtleitfaser mit einem bidirektionalen optischen Zirkulator, der eine lichtdurchlässige Gasabfühlzelle aufweist, verbindet.
4 veranschaulicht eine optische Vorrichtung, die eine reflektierende Einport-Gasabfühlzelle aufweist.
5 veranschaulicht einen optischen Schalter, der eine bidirektionale Lichtleitfaser mit einer weiteren bidirektionalen Lichtleitfaser und einer reflektierenden Einport-Gasabfühlzelle verbindet.
6 veranschaulicht einen bidirektionalen optischen Zirkulator/Koppler, der eine Lichtquelle, ein Detektorsystem und eine Befehlseinheit verbindet.
7 veranschaulicht einen optischen Sechsport-Schalter, der eine optische Vorrichtung und zwei Lichtleitfasern, die in einem optischen Duplexnetz laufen, verbindet.
8 veranschaulicht ein optisch gesteuertes Schaltersystem mit einem Koppler, einer Schaltersteuereinheit und einem optischen Schalter, der einen Durchlass zu einem weiteren Schalter und einer optischen Vorrichtung bereitstellt.
9 veranschaulicht gemeinsame Quellen-, Erkennungs- und Befehlseinheiten mit mehreren Detektoren, Quellen und einer Netzbefehlseinheit, die über denselben Faserweg kommunizieren und eine Wellenlängenmultiplexkonfiguration aufweisen.
10 veranschaulicht ein bidirektionales optisches Verstärkersystem mit zwei unidirektionalen optischen Verstärkern.
11a–11c veranschaulichen Lichtwege, die in einer Luftstromsteuervorrichtung, welche eine Gasabfühlzelle aufweist, gebildet sind.
12 veranschaulicht einen Lichtweg, der in einem Luftventil, das eine Gasabfühlzelle aufweist, gebildet ist.
Detaillierte Beschreibunu der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem zum Erkennen einer Vielzahl von zuvor ausgewählten Bedingungen oder Substanzen in einem Bereich wie etwa der Verschmutzungsstoffsteuerung einer Dunstabzugshaube, dem Umgebungsraum um eine Testkammer in einem Labor, den Zimmern in einem Gebäude, einem ganzen Gebäude oder mehreren Gebäuden. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Ziffern gleiche Elemente angeben, wird nun in 1 eine Veranschaulichung eines vernetzten optoelektronischen Signalverteilungssystems 10 gezeigt, das ein optoelektronisches Signalverteilungsnetz 20 und eine gemeinsame Lichtquellen-, Erkennungs- und Befehlseinheit 30 aufweist.
Das optoelektronische Signalverteilungsnetz 20 umfasst eine Lichtleitfaser 22 und eine Vielzahl von optischen Schaltern 50 und optischen Vorrichtungen 60. Das gemeinsame Quellen-, Erkennungs- und Befehlssystem 30 umfasst ein Lichtquellensystem 100, ein Erkennungssystem 200 und eine Netzkommunikations- und Befehlseinheit 300. Bei einer bevorzugen Ausführungsform des vernetzten optoelektronischen Signalverteilungsnetzsystems 10 ist die Lichtquelle 100 mit der Lichtleitfaser 22 verbunden und emittiert Licht 110, das durch das Verteilungsnetz 20 an die Vielzahl von optischen Schaltern 50 und optischen Vorrichtungen 60 verteilt wird. Das Licht 110 wird von . einer Bedingung im optischen Kontakt mit der optischen Vorrichtung 60 beeinflusst 110'. Das beeinflusste Licht 110' wird von dem Verteilungsnetz 20 getragen, wo es von dem Erkennungssystem 200 erkannt wird. Das beeinflusste Licht wird dann von dem System 10 verwendet oder an eine andere Vorrichtung übermittelt, um eine erkannte Bedingung anzugeben oder auf andere Weise zu übermitteln.
In einem Aspekt der Erfindung befinden sich eine erste Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen 60 in optischer Kommunikation mit dem optischen Verteilungsnetz 20. Die optischen Vorrichtungen 60 empfangen das Licht 110 mittels eines optischen Schalters 50 von dem optischen Verteilungsnetz 20. Genau gesagt reagiert jede individuelle optische Vorrichtung 60a, 60b, ... 60n unabhängig auf eine proximate äußere Bedingung 400a, 400b, ... 400n, die einen Parameter des Lichts 110 beeinflusst, um individuell beeinflusstes Licht 110' zu produzieren. Die äußere Bedingung 400a, 400b, ... 400n kann CO₂-Niveaus oder VOCs (flüchtige organische Verbindungen), andere gasförmige Materialien, bakterielle Agentien, Temperatur, Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit, Luftdruck oder Partikel enthalten, ist aber nicht auf diese beschränkt.
Eine zweite Vielzahl von fernverteilten Schaltern 50 verbinden selektiv die optischen Vorrichtungen 60 mit dem optischen Verteilungsnetz 20. Jeder fernverteilte Schalter 50a, 50b, ... 50n empfängt das Licht 110 von der Lichtquelle 100. Die fernverteilten Schalter 50a, 50b, ... 50n befördern auch das beeinflusste Licht 110', das von der äußeren Bedingung 400a, 400b, ... 400n beeinflusst ist, zu dem optischen Verteilungsnetz 20. Das optische Verteilungsnetz 20 befördert das beeinflusste Licht 110' zu einem Photodetektor in dem Erkennungsssystem 200.
Als Reaktion auf das beeinflusste Licht 110' erzeugt das Erkennungssystem 200 Ausgabesignale mittels einer Prozessoreinheit 290, die in 9 gezeigt und unten detaillierter beschrieben ist. Dieser Prozessor 290 erzeugt Ausgaben, die die äußere Bedingung 400a, 400b, ... 400n repräsentieren. Diese Ausgaben können im analogen Signal- oder digitalen Informationsformat vorliegen. Die digitalen Informationen können zu dem Verwaltungssystem eines Gebäudes oder einer Einrichtung zur Verwendung oder Anzeige an einen Betreiber oder direkt an einen Computer wie etwa einen PC oder eine Arbeitsstation zur weiteren Analyse und/oder Anzeige an einen Betreiber befördert werden.
In einem anderen Aspekt der bevorzugten Ausführungsform wird jeder fernverteilte Schalter 50a, 50b, ... 50n mit einer Datenkommunikations- und Befehlseinheit 310a, 310b, 310n verbunden und von ihr gesteuert. Diese Einheiten können allein diesem System dediziert sein oder sie können eine weitere Verwendung wie etwa Hilfe beim Steuern von Aspekten des Gebäudes aufweisen oder Teil eines PCs oder einer Arbeitsstation sein, die untereinander vernetzt sind. Wie in 1 gezeigt, sind die Dateneinheiten 310a, 310b, ... 310n typischerweise mittels eines separaten Datenkommunikationsnetzes 24 mit der Befehlseinheit 300 verbunden. Das Datenkommunikationsnetz 24 kann ein elektrisches Netz oder ein Fasernetz sein und elektrische oder optische, zuvor ausgewählte Datensignale befördern, die von der Befehlseinheit 300 erzeugt werden, um den fernverteilten Schalter 50a, 50b, ... 50n zu steuern.
NETZSTRUKTUREN
Bei einem Aspekt des vernetzten optoelektronischen Signalverteilungssystems 10 bildet das optische Verteilungsnetz 20 eine Bus- oder eine Ringnetzstruktur, wie in 1 gezeigt. Die Ringnetzstruktur umfasst eine Vielzahl von elektrooptischen Schaltern 50 und Vorrichtungen 60, die entlang der Lichtleitfaser 22 in Reihe geschaltet sind.
Wenn ein Zimmer abgefühlt werden soll, kann der optische Schalter 50 das Licht in das Zimmer in eine optische Vorrichtung 60, die mit einer Gasabfühlzelle, wie etwa der in 7 gezeigten, verbunden ist, leiten. Es versteht sich, dass andere Gasabfühlvorrichtungen wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, ein Segment einer speziellen Lichtleitfaser, die von ihrer unmittelbaren Umwelt beeinflusst wird, oder ein Apparat, der den Lichtstrahl quer über einen Kanal, eine Luftstromsteuereinheitsvorrichtung, ein Ventil in dem Kanal oder durch einen Teil des Zimmers selbst sendet, verwendet werden können. Das Licht wird dann in einem unidirektionalen Ansatz in den Schalter 50 und dann zum nächsten optischen Schalter 50 zurück gesendet oder in einer bidirektionalen Implementierung zur Quelle zurückreflektiert. 5 zeigt ein Schaubild eines unidirektionalen optischen Schalters, der für unidirektionale Netze verwendet wird, und 6 und 8 zeigen einen bidirektionalen optischen Schalter, der für bidirektionale Netze verwendet wird.
Wenn ein bestimmtes Zimmer nicht abgefühlt werden soll, ermöglicht es der optische Schalter 50 dem Lichtstrahl, das Zimmer zu umgehen und in das nächste Zimmer zu gelangen. Einer der bei dieser Struktur zu berücksichtigenden Faktoren ist der optische Dämpfungsverlust, der beim Passieren des Lichtsignals durch das Netz auftritt. Der wichtigste Teil dieses Verlustes ist der Umgehungseinfügungsverlust der optischen Schalter 50. Der typische Einfügungsverlust für diese Einheiten, einschließlich Verbinderverlust, kann in Abhängigkeit von der Art der eingesetzten optischen Schaltertechnologie von 0,5 dB bis zu einem typischeren Wert von ungefähr 1,0 dB bis zu mehr als 2,5 dB variieren. Die Komplexität des optischen Schalters beeinflusst ebenfalls den Verlustbetrag. Zum Beispiel weist ein unidirektionaler optischer Schalter wie der in 2 gezeigte den doppelten internen Verlust eines bidirektionalen optischen Schalters wie die in 3 oder 5 gezeigten auf. Dies wird durch die typische Verwendung eines zweiten Schalters in unidirektionalen optischen Schaltervorrichtungen verursacht. In dem Ansatz mit unidirektionalem Schalter sollte der Detektor am Ende des Systems liegen. Wenn sich der Detektor in derselben Einheit wie der Lichtemitter befindet, bildet der Bus eine Ringform.
Unter Bezugnahme auf 1 bildet die Lichtleitfaser 22 eine Busstruktur, wobei eine vollständige Schlaufe oder ein vollständiger Ring hergestellt wird, die/der typischerweise an der Örtlichkeit des Lichtquellensystems 100 und des Erkennungssystems 200 beginnt und endet. Der Vorteil einer Ringkonfiguration gegenüber einem bidirektionalen System liegt darin, dass die Weglänge im Durchschnitt für das gesamte Netz um die Hälfte kürzer ist. Zusätzlich dazu weist der Weg eine feste Länge auf, ungeachtet dessen, welches Zimmer abgefühlt wird.
Die optischen Schalter werden durch ein Netz von Steuer- und Datenkommunikationseinheiten 310 gesteuert. Jede der Steuer- und Datenkommunikationseinheiten 310 kann mit einem optischen Schalter 50 verbunden sein. Die Verbindung zwischen der Steuer- und Datenkommunikationseinheit 310 und einem optischen Schalter kann durch eine Leitung 150 erfolgen, wie in 5 gezeigt. Es versteht sich, dass eine Datenkommunikations- und Befehlseinheit 310 mehrere Ausgänge 150 enthalten kann, die verwendet werden, um mehrere optische Schalter wie die in 1 gezeigten zu steuern.
Wie zuvor erwähnt, kann ein hybrides Netz gebildet werden, indem ein Kaskadenstern und Reihennetzstrukturen kombiniert werden. In der Praxis können dieser Ansatz oder Variationen dieses Ansatzes die größte Flexibilität für optische Netzanwendungen bereitstellen. Beispielsweise wird in einer Anwendung eine Kaskadensternstruktur verwendet, um emittiertes Licht 110 in ein bestimmtes Zimmer zu bringen. Innerhalb des Zimmers könnte eine Busstruktur verwendet werden, um mehrere Abtastpunkte innerhalb des Zimmers aufzugreifen. Alternativ dazu kann es ökonomischer sein, diese Struktur umzukehren und entlang einem Teil eines Bodens, der von einem auf einem Boden basierenden Netzknoten abzweigt, einen kleinen Bus zu verwenden. Innerhalb eines Zimmers wird dann eine kleine Sternstruktur verwendet, um mehrere Punkte innerhalb des Zimmers selbst aufzugreifen. Dies kann auf der Basis der Verdrahtungskosten ökonomischer sein, da die von dem Stern im Zimmer ausgehenden Punkte nicht weit zu gehen haben. Eine der beiden oder beide Optionen können ausgewählt werden, abhängig von den individuellen Besonderheiten der Situation in einem Zimmer oder auf einem Boden, um die Kosten von Verdrahtung, optischem Kabel und Komponenteneinfügungsverlusten zu optimieren.
Häufig, aber nicht notwendigerweise, gleicht die Anzahl der fernverteilten Schalter 50 der Anzahl der optischen Vorrichtungen 60. Es ist nicht wesentlich, eine gleiche Anzahl von fernverteilten Schaltern 50 und optischen Vorrichtungen 60 aufzuweisen. Je nach Konfiguration des ausgewählten optischen Verteilungsnetzes 20 kann das Licht 110', das von der äußeren Bedingung 400a, 400b, ... 400n beeinflusst ist, mit dem optischen Verteilungsnetz 20 durch die fernverteilten Schalter 50 oder direkt von den optischen Vorrichtungen 60 gekoppelt werden.
Ein weiterer Netzansatz, der nicht gezeigt, aber von der Erfindung in Erwägung gezogen wird, umfasst ein Duplexkonzept, das einen weiteren Faserweg und einen Satz von Schaltern hinzufügt, um einen vollständig separaten Rückkehrweg zu bilden. Beispielsweise kann ein Kabel, das zwei separate Fasern enthält, verwendet werden, um zwei individuelle parallele Lichtwege zur Bildung des optischen Duplexnetzes zu erstellen. Eine Schaltvorrichtung für einen optischen Duplexnetzbetrieb ist in 7 gezeigt und unten detailliert besprochen. Der Duplexansatz mit einem Doppelfaserkabel kann auch mit der Stern- oder Netzknotenstruktur verwendet werden. Dies geht davon aus, dass sich sowohl die Quelle als auch die doppelten Rückkehrnetzknoten an derselben Örtlichkeit befinden. Ist dies nicht der Fall, so müssen zwei separate faseroptische Kabelsysteme betrieben werden. Obwohl dies eine größere Flexibilität bei der Trennung der Lichtquelle 100 und des Detektors 200 bereitstellt, ist es außerdem möglicherweise teurer als die Installation eines Zwillingsfaserkabels, welches eine Standartkabelart ist, die in auf Faser basierenden Ethernet-Kommunikationssystemen (10 BaseF oder 100 BaseFX) verwendet wird. Duplexsysteme weisen die Vorteile von Simplizität und größerer Flexibilität als die unidirektionalen oder bidirektionalen Einzelfasersysteme auf. Höhere Kosten aufgrund der Verwendung eines Doppelfaserkabels und, noch maßgeblicher, doppelter Sätze von Schaltern können diesen Ansatz jedoch entmutigen.
Ein maßgeblicher Vorteil einer unidirektionalen Einzelfaserarchitektur wie der, die in einer Bus- oder Ringnetzstruktur verwendet wird, liegt darin, dass mehrere Örtlichkeiten zur gleichen Zeit abgefühlt werden können. Dies ist besonders für die sofortige Erkennung von ausgelaufenen Flüssigkeiten oder der Gegenwart hoher Gas- oder Partikelkonzentrationen über einen großen Bereich nützlich.
In diesem Ansatz wird emittiertes Licht 110 in die optischen Vorrichtungen 60 von mehreren Zimmern gespeist, anstatt dass ein Zimmer ausgewählt wird und alle anderen Zimmer umgangen werden. Dieses Konzept gleichzeitigen Überwachens ist in bidirektionalen Systemen schwieriger zu bewerkstelligen, da das Licht 110 von dem Endsensor direkt auf den Detektor zurückreflektiert wird. Bei unidirektionalen Systemen wird gleichzeitiges Abfühlen durch das Einschalten mehrerer Schalter 50 leicht gemacht.
Untergrundbahnen, Flughäfen und andere öffentliche Plätze weisen zum Beispiel eine Vielzahl von Bereichen auf, in denen sich Menschen versammeln können. In Flughäfen, beispielsweise, gibt es häufig eine Vielzahl von Terminals, in denen Passagiere Flugzeuge besteigen und verlassen können. Es herrscht bei Flughafen- und andere Verwaltungen beträchtliche Besorgnis, dass skrupellose Individuen versuchen könnten, Verschmutzungsstoffe einschließlich biologischer oder chemischer Mittel zu verbreiten, indem sie Passagiere oder Artikel, die durch offene oder eingeschlossene Bereiche im Flughafen oder anderen öffentlichen Plätzen passieren, ihnen aussetzen. Mittels der vorliegenden Erfindung kann die selektive Erkennung von Verschmutzungsstoffen in zuvor ausgewählten Bereichen, wie oben beschrieben, oder über einen große Auswahl von Bereichen bewerkstelligt werden.
Wenn eine Busstruktur erwünscht, aber ein sternförmiges Verdrahtungsmuster bevorzugt wird, kann eine Busstruktur verwendet werden, die in eine Sternstruktur verdrahtet ist. Bei diesem Ansatz ist jeder Arm der Sternstruktur ein Zwillingsfaserkabel, bei dem eine Faser das Licht zum optischen Schalter 50 bringt und die andere Faser das Licht zurück zum Stern bringt. Die Sternstruktur wird als Verkabelungsspleißung verwendet, um diese Zwillingsfasern miteinander zu einer kontinuierlichen Reihen- oder Busstruktur zu verbinden. Dieser Ansatz verbraucht mehr Kabel als ein direkter Punkt-zu-Punkt-Ansatz, aber er kann eine größere Flexibilität bereitstellen, besonders wenn andere Kabel, die für andere Zwecke verwendet werden, denselben Örtlichkeiten zugeführt werden.
Das vernetzte optoelektronische Signalverteilungsnetz 20 kann auch mindestens einen optischen Verstärker 320 wie etwa, aber nicht beschränkt auf, einen erbiumdotierten Lichtleitfaserverstärker irgendwo entlang der Lichtleitfaser 22 umfassen, wie in 1 gezeigt. Der optische Verstärker wird zur Verstärkung des Lichtes innerhalb der Lichtleitfaser 22 verwendet, um den Verlust, der im Licht 110 und dem beeinflussten Licht 110' auftritt, wenn das optoelektronische Signal durch die Faser und die Schalter des optoelektronischen Signalverteilungsnetzes 20 reist, zu kompensieren. Der Vorteil der Verwendung von optischen Verstärkern liegt in ihrer Fähigkeit, ein Band des optischen Spektrums gegenüber nur einer Frequenz von 20 bis 40 dB zu verstärken. Demzufolge können viele separate Wellenlängen von Licht getreu verstärkt und in Frequenz, Phase und verstärkter Größenordnung reproduziert werden. Gegenwärtige Einheiten wie etwa der erbiumdotierte Typ können einen Wellenlängenbereich von 1,53 bis 1,56 Mikrometer berücksichtigen, wie etwa die JDS Fitel Reihe EdFA-1300-Einheiten. Neuere Einheiten von Lucent Technologies können 0,08 Mikrometer überspannen. Die Verwendung dieser Verstärker ist der eines Zwischenverstärkers in einem elektronischen digitalen Netz vergleichbar. In dem optoelektronischen Signalverteilungssystem ermöglicht er, eine längere Busstruktur oder eine größere Anzahl optischer Schalter in demselben Netz zu verwenden, wodurch die gemeinsame Quelle und der gemeinsame Detektor über eine viel größere Anzahl Messörtlichkeiten gemultiplext werden können.
Verstärkereinheiten 320 sind typischerweise unidirektionale Vorrichtungen, obwohl bidirektionale Einheiten möglich sind. Werden unidirektionale Einheiten in einem bidirektionalen System verwendet, so müssen zwei Verstärker verwendet werden, einer für jede Richtung. 10 zeigt einen bidirektionalen Verstärker 350, der aus zwei unidirektionalen Verstärkern 320 hergestellt ist. Optische Einwegleitungen 330 werden verwendet, um die richtige Richtung durch den jeweiligen Verstärker zu wahren sowie das sich entgegengesetzt bewegende Licht zu blockieren. Die optischen 1×2-Koppler 340 werden verwendet, um das Licht aufzuteilen und wieder zusammen zu koppeln. Entweder unidirektionale oder bidirektionale optische Verstärker können in den zentralen Verbindungsleitungen eines Kaskadensterns oder von Hybridsystemen verwendet werden. In einem Kaskadensternkoppleransatz kann ein unidirektionaler oder bidirektionaler optischer Verstärker vorteilhaft am Eingang eines großen Sternkopplers verwendet werden, um für ihre Verluste sowie für die Verluste anderer Systemkomponenten zu kompensieren.
Ein weiterer Ansatz zur Lösung des Dämpfungsproblems in Netzsystemen ist die Verwendung von gepulstem Licht. Diese Lösung involviert das Emittieren einer größeren Leistungsmenge über einen kleinen Teil des gesamten Impulses. Zum Beispiel kann eine Ein-Watt-Signalleistung für nur ein Tausendstel der Impulsdauer erzeugt werden und dennoch eine durchschnittliche Gesamtleistung für die gesamte Impulsbreite von 1 Milliwatt aufweisen, wodurch das emittierte Licht ungefährlich für die Augen wird.
Gepulstes Licht ist besonders auf eine Ringarchitektur anwendbar, bei der die Dämpfung des Systems konstant bleibt, unabhängig davon, welche Örtlichkeit abgefühlt wird. Demzufolge kann die Impulsleistung leicht auf einen konstanten Wert gesetzt werden, um immer eine gute Signalstärke am Detektor zu ergeben. Bei Architekturen mit einem variablen Verlust, der von der Örtlichkeit abhängt, muss die Quellenimpulsleistung möglicherweise auf der Basis der ausgewählten Örtlichkeit variiert werden, oder der Detektor benötigt die Fähigkeit, große Abweichungen in der erkannten Leistung ohne Sättigung oder Überladung zu handhaben. Alternativ dazu könnte ein variables Dämpfungsglied verwendet werden, das sich zum Beispiel vor dem Detektor oder der Quelle befindet und dessen Dämpfung oder Verlust auf der Basis der ausgewählten Örtlichkeit gesteuert wird.
Die Örtlichkeit der Lichtquelle 100 und des Detektors 200 können variiert werden. In einer bidirektionalen Implementierung ist es am einfachsten, die Quelle 100 und den Detektor 200 an derselben Örtlichkeit zu platzieren. Ein Beispiel einer doppelgerichteten gemeinsamen Quellen-, Erkennungs- und Befehlseinheit ist in 6 gezeigt. Ein optischer Koppler 600 (oder als Alternative dazu ein Zirkulator) wird verwendet, um sowohl die Quelle 100 als auch den Detektor 200 mit einer Faser 22 zu verbinden. Wenn benötigt, kann eine optionale optische Einwegleitung 330 verwendet werden, um das zurückkehrende beeinflusste Licht 110' davon abzuhalten, von der Quelleneinheit 100 reflektiert zu werden oder in sie einzudringen. Im Inneren der Quelleneinheit 100 befindet sich der eigentliche Lichtemitter 170, der entweder eine Breitbandlichtquelle, eine Leuchtdiode, ein Laser oder eine andere Lichtquelle, die auf einer Wellenlänge läuft, welche durch die Lichtleitfaser übertragen werden kann, sein kann. Durch die Verwendung von Materialien wie etwa Kunststoff, Siliciumdioxid, Glas oder Fluoridglas können Wellenlängen berücksichtigt werden, die das sichtbare Spektrum bis in das mittlere infrarote Lichtspektrum decken.
Ebenfalls gezeigt ist ein Quellentreiber 180, der Parameter wie etwa Zeitsteuerung, Amplitude, Wellenlänge, Phase und andere Eigenschaften des Lichtemitters 170 steuern kann. Eine Steuerung kann auch durch von der Befehlseinheit 300 erzeugte Signale und Befehlsinformationen bewerkstelligt werden. Ein Erkennungssystem 200 besteht aus einer Detektoreinheit 270 mit einer Photodiode oder einer anderen Art von Photodetektor, die mit einem Detektoreingangskreis 280, der für den bestimmten optischen Detektor 270 angemessen ist, gekoppelt ist. Der Vorrechner 280 bearbeitet und wandelt die erkannten Signale von der Detektoreinheit 270 in ein verwendbares Signal- oder Datenformat um.
Das Erkennungssystem 200 kann auch eine Verarbeitungseinheit 290 benutzen, die eine Schaltung oder eine Computereinheit zum Durchführen von Verarbeitung und Erkennungsanalyse enthält, um die Ausgabesignale und Informationen von dem Detektorvorrechner 280 in vom Benutzer wiedererkennbare Daten wie etwa ppm-Konzentrationsniveaus eines abgefühlten Gases oder eine Temperatur in °C oder Feuchtigkeit in % relative Feuchtigkeit des abgefühlten Raums umzuwandeln. Signale und Befehlsinformationen, die zum Betreiben des Detektorvorrechners 280 und der Verarbeitungseinheit 290 benötigt werden, können von der Befehlseinheit 300 bereitgestellt werden. Systeme mit einem Steuernetz 24 und einer Befehlseinheit 300 werden mit den Steuer- und Datenkommunikationseinheiten 310 durch das Netz 24 verbunden und zur Steuerung der optischen Schalter durch dieselbe Verbindung verwendet. Funktionen höheren Niveaus wie etwa eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) für einen Betreiber können durch die Befehlseinheit 300 erzielt werden, die verwendet werden kann, um wie erforderlich durch eine Verbindung 26 mit anderen Vorrichtungen in dem System 10 oder mit anderen Systemen in dem Gebäude Befehle von anderen äußeren Oberflächen und Steuersystemen auszuführen oder ihnen Informationen bereitzustellen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann es auch wünschenswert sein, die Quelle 100 und den Detektor 200 an unterschiedlichen Örtlichkeiten zu platzieren. Zum Beispiel kann es in einer Busstruktur des optoelektronischen Signalverteilungssystems 20 einfacher sein, den Detektor 200 an das Ende des Busses zu platzieren, anstatt zusätzliche Lichtleitfaserverluste zu erfahren, um eine Länge von Faser 22 von dem letzten Abfühlpunkt zurück zur Quellenörtlichkeit zu verlegen. Dadurch können außerdem Verkabelungs- und Installationskosten gesenkt werden. Jede Koordination zwischen den beiden Vorrichtungen kann über eine dedizierte elektrische Signalleitung oder durch das Steuer- und Kommunikationsnetz 24, das die optischen Schalter 50, 500, 510 oder 520 steuert, erfolgen.
Alternativ dazu involviert eine andere Konfiguration das Licht 110 von einer gemeinsamen Quelle 100 oder von einer von möglicherweise mehreren verstreuten oder fernplatzierten zentralisierten Quellen 100, die zur Örtlichkeit 400 geschaltet sind, wo Luft abgefühlt werden soll. Anstatt jedoch das modifizierte Licht 110' zurück in die Faser 22 und zu einem gemeinsamen Detektor 200 zu senden, kann ein Lichterkennungssystem, das aus einer Vielzahl von individuellen Erkennungseinheiten 200 (oder mindestens dem Detektorelement 270 und möglicherweise auch dem Detektor 280) zusammengesetzt ist, nahe den abgefühlten Örtlichkeiten 400 platziert sein, um die Erkennungsfunktion örtlich bereitzustellen. Dieser Ansatz stellt eine ökonomische Lösung für Anwendungen bereit, bei denen das Detektorelement 270 eine preisgünstige Vorrichtung ist (zum Beispiel eine Photodiode) und die sofortige Signalverarbeitung des Elements 280 örtlich und ökonomisch an der abgefühlten Örtlichkeit erfolgen kann. Zum Beispiel kann die Lufstromsteuerelektronik, die sich schon in dem Zimmer befindet, möglicherweise die Signalverarbeitung mit geringen zusätzlichen Kosten unternehmen.
Eine komplexere Verarbeitung der Signale, wie sie etwa von der Verarbeitungseinheit 290 unternommen wird, kann noch immer zentral in einem Computer oder einer Arbeitsstation erfolgen, beispielsweise, indem die Informationen durch das Datenkommunikationsnetz 24 zurückgesendet werden. Dieser Ansatz kann auch dann wünschenswert sein, wenn der Rückkehrlichtweg 22 in Hinsicht auf Komponenten und/oder Installation teuer ist oder zusätzliche Einfügungsverluste erfahren würde. Die erforderliche Koordination zwischen der Quelle 100 und den individuellen Detektoren 200 oder Einheiten 270 und 280 kann ebenfalls durch die Verwendung des Steuer- und Kommunikationsnetzes 24, welches die optischen Schalter 50 steuert, erzielt werden. Dieser Ansatz wäre in einem Kaskadensternnetz nützlich, bei dem Sternkoppler gegenüber Schaltern verwendet werden, da die Lokalisierung der Detektoren nahe den abgefühlten Örtlichkeiten 400 die maßgeblichen Leistungsverteilungsverluste dieses oder anderer Ansätze durch das Eliminieren aller Rückkehrverluste effektiv halbiert.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung, ähnlich dem obigen, befinden sich mehrere Emitter 100 nahe den abgefühlten Örtlichkeiten 400, wobei das Licht direkt in die optische Vorrichtung 60 geht. Die mehreren Emittervorrichtungen 170 können eine direkte Kopplung von der Emittervorrichtung wie etwa einer Leuchtdiode oder Laserdiode in die abgefühlte Umwelt oder Luft verwenden, oder es kann durch eine kurze Länge von Faser führen, um zu dem abgefühlten Luftvolumen, das von der optischen Vorrichtung 60 enthalten oder abgetastet wird, zu gelangen. Nachdem das beeinflusste Licht 110' durch das abgefühlte Volumen passiert ist, dringt es in eine Lichtleitfaser 22 ein und wird durch das Fasernetz 20 unter Verwendung der optischen Schalter 50, 500, 510 oder 520 zu einem zentralisierten oder gemeinsamen Detektor 200 oder zu einem von möglicherweise mehreren zentralisierten Detektoren 200, die durch das ganze System verstreut oder fernplatziert sind, geleitet. Wie bei dem System mit mehreren örtlichen Detektoren ist dieser Ansatz möglicherweise kosteneffektiver, wenn die Kosten an zusätzlicher Faser 22 und/oder Komponenten und der daraus folgende erhöhte Einfügungsverlust die Kosten der zusätzlichen Quellen 100 (oder gleichermaßen der optischen Detektorelemente 170 und ihrer Treiberausstattung 180) überwiegen. Dieser Ansatz kann sogar noch kosteneffektiver sein, wenn die Quelle eine kostengünstige Breitbandleuchtdiode oder eine kostengünstige Laserdiode ist.
Neue oberflächenemittierende Laserdioden mit vertikalem Resonator (VCSELs), wie etwa von Honeywells Microswitch-Abteilung gefertigt, sind relativ kostengünstig und leicht zu treiben, weisen jedoch eine hohe Ausgangsleistung und das Leistungsmerkmal einer engen Leitungsbreite auf. Wenn zum Beispiel Partikel abgefühlt werden, kann eine einzelne Leuchtdiode oder Laserdiode verwendet werden, die kontinuierlich in Betrieb ist oder die bei Bedarf eingeschaltet wird, quasi ohne spezielle Steueranforderungen. Bei dieser Anwendung können komplexe Merkmale in die Erkennungsalgorithmen platziert werden, die ein Teil eines zentralisierten Computer- und Softwaresystems sind.
Für Anwendungen mehrerer örtlicher Emitter kann die Schaltfunktion vollständig mit Ein-Aus- oder gepulster Steuerung des Emitters 170 gehandhabt werden. Dementsprechend brauchen in dem Netz weniger oder möglicherweise keine optischen Schalter verwendet zu werden. In diesem spezifischen Fall könnten optische Koppler verwendet werden, um die Signale durch das ganze Netz zu sammeln, und an den gemeinsamen Detektor/die gemeinsamen Detektoren gesendet werden.
Einer der Vorteile des optischen Schalter-Netzkonzeptes liegt in der Fähigkeit, ein Netz dynamisch zu rekonfigurieren, wie oben bei der Verwendung der Reihenumgehung und Netzknoten-/Stern-Schalter beschrieben. Eine weitere verfügbare Option, um die Flexibilität dieser Art von Ansatz sogar noch weiter auszudehnen, ist die Verfügbarkeit von NXN- oder MXN-querverbundenen oder Matrixschaltern wie etwa die Dicon Fiberoptics GP700-Reihe von faseroptischen Matrixschaltern. Dies kann besonders nützlich sein, wenn ein System mehrere Quellen aufweist, die durch das ganze Netz platziert sind, und/oder mehrere Detektoren, die auch an unterschiedlichen Örtlichkeiten platziert sind. Obwohl Matrixschalter nicht erforderlich sind, sind sie der allgemeinste Schalterverbindungsansatz und weisen den Vorteil auf, dass sie es ermöglichen, verschiedene separate Netze dynamisch zu kombinieren. Zum Beispiel können zwei separate Abfühlnetze zeitweilig kombiniert werden, um durch das Messen derselben Örtlichkeit Gegenchecks auf Genauigkeit zwischen den Systemen zu ermöglichen. Brüche in dem Netz können möglicherweise dynamisch behoben werden, indem das Netz um die Unterbrechung herum rekonfiguriert wird.
Optische Schalter und Vorrichtungen
Die fernverteilten Schalter 50 können in einer Vielfalt von Formen konfiguriert werden, um unterschiedliche Netzarchitekturen und Bedürfnisse zu erfüllen. Auf ähnliche Weise können die optischen Vorrichtungen 60 eine Anzahl von unterschiedlichen Formen zur Reaktion auf unterschiedliche äußere Bedingungen einschließlich Netzansätzen umfassen. Das Folgende sind Beispiele von fernverteilten Schaltern und optischen Vorrichtungen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
2 veranschaulicht einen optischen DPDT-Schalter 50, der konfiguriert ist, um in einem unidirektionalen Bus oder Ring strukturierten Netz zum Verbinden einer Lichtleitfaser 22 mit einer optischen Vorrichtung 60 und einer optischen Umgehung 47 verwendet zu werden. Der optische Schalter 50 weist eine Vielzahl von optischen Ports 41, 42, 43, 44, 48, 49 auf. Der Zustand des Schalters wäre durch eine Steuerverbindung 150 befohlen, der ein Steuersignal bereitgestellt ist, welches typischerweise von elektrischer Beschaffenheit wäre. Der optische Schalter 50 ist mit dem optischen Verteilungsnetz 20 mittels der Lichtleitfaser 22 verbunden, welche an einen Satz der optischen Ports 41, 44 gekoppelt ist.
In einem Aspekt der Erfindung kann ein optischer Schalter 50, wie in 2, 3, 5, 7 und 8 gezeigt, durch Steuersignale, die typischerweise von elektrischer Beschaffenheit wären, gesteuert werden. Diese Signale werden dem optischen Schalter 50 durch eine elektrische Verbindung 150 von einer Steuer- und Datenkommunikationsvorrichtung 310 bereitgestellt, die mit einem bestehenden elektrischen Netz (nicht gezeigt) oder einem neuen elektrischen Netz 24, wie etwa dem in 1 gezeigten, verbunden ist. Die Steuer- und Datenkommunikationsvorrichtung 310 wiederum empfängt ihre Befehle von Daten, die von einer Befehlseinheit 300 erzeugt werden. Alternative physikalische Steuersignalformate könnten in analogem oder digitalem Signalformat von elektrischer, pneumatischer, Radiofrequenz- (drahtloser) oder optischer Form vorliegen.
Als Reaktion auf das Steuersignal auf Leitung 150 schaltet der in 2 gezeigte optische Schalter 50 das Licht 110 auf der optischen Faser 22 zu einer optischen Vorrichtung 60, die an einen weiteren Satz von optischen Ports 42, 43 oder an eine innere oder äußere Lichtleitfaserumgehung 47, welche an noch einen weiteren Satz von optischen Ports 48, 49 gekoppelt ist, gekoppelt ist. Die optische Vorrichtung 60 ist entworfen, um das Licht als Reaktion auf eine erkannte Bedingung oder Substanz zu ändern. Das beeinflusste Licht 110' enthält Informationen, die sich auf den zur optischen Vorrichtung 60 proximaten Bereich beziehen, und ist mittels der Lichtleitfaser 22 und des elektrooptischen Schalters 50 auf das Erkennungssystem 200 gerichtet.
3 veranschaulicht einen optischen Schalter 550, der in einer bidirektionalen Bus- oder Ringarchitektur verwendet wird, um eine bidirektionale Lichtleitfaser 22 mit einem doppelgerichteten optischen Zirkulator 600, der eine optische Zweiport-Vorrichtung 60 wie etwa eine lichtdurchlässige Gasabfühlzelle aufweist, zu verbinden. Der optische Schalter 550 ist das optische Äquivalent zu einem traditionellen elektrischen SPDT-Schalter (einpoliger Zweipositionsschalter). Der optische Schalter 550 weist eine Vielzahl von optischen Ports 552, 554, 556 und eine Steuerverbindung 150 auf. Der optische Schalter 550 ist mit dem optischen Verteilungsnetz 20 mittels einer Lichtleitfaser 22 verbunden, welche an einen optischen Port 552 gekoppelt ist. Der optische Schalter 550 koppelt oder umgeht den bidirektionalen optischen Zirkulator 600 und die optische Zweiport-Vorrichtung 60 in Hinsicht auf die Lichtleitfaser 22.
Ein Beispiel eines optischen SPDT-Schalters ist ein optischer Schalter der SW-Reihe von JDS Fitel. Optische Schalterkonfigurationen können auch unter Verwendung anderer Technologien wie etwa flacher oder auf Siliciumdioxid basierender Wellenleitertechnologie oder des produktiven Bereichs von mikro-bearbeiteten Vorrichtungen wie etwa mikrobearbeiteter Spiegelschaltertechnologie wie den von Texas Instruments entwickelten gebaut werden. Eine weitere Variation optischer Schalter wird von dem Unternehmen AMP gefertigt, das zentral symmetrische reflektierende (CSR-) Optik verwendet. Andere Technologien wie etwa thermooptische Einmodenschalter, die ein von Photonic Integration Research gefertigtes Mach-Zehnder-Interferometer benutzen, sind ebenfalls im Handel erhältlich. Zukünftige Ansätze wie etwa diejenigen, die vielleicht einen Lichtstrahl involvieren, um einen anderen Lichtstrahl zu schalten, können ebenfalls möglich sein. Einfache SPST-Schalter [, wie etwa in 11 gezeigt,]-DEL??? können ebenfalls mit LCD-Technologie implementiert werden.
Als Reaktion auf ein Steuersignal schaltet der optische Schalter 550 das Licht 110 auf der Lichtleitfaser 22 zur optischen Zirkulatorvorrichtung 600. Die optische Zirkulatorvorrichtung 600 kann eine beliebige im Handel erhältliche Vorrichtung wie etwa der optische Zirkulator der CR2300-Reihe von JDS Fitel sein. Die Funktion des optischen Zirkulators 600 liegt darin, das Licht 110 von dem optoelektronischen Verteilungsnetz 20 durch die optische Vorrichtung 60 zu senden. Der Zirkulator ändert dann die Richtung des Lichts und sendet es zurück, den optischen Port 556 des optischen Schalters 550 hinunter. Dies erstellt ein bidirektionales modifiziertes optoelektronisches Signal 110', das dann denselben Weg,. auf dem es gekommen war, entlang zur Einheit von Quelle 100 und Detektor 200 reist. Wenn der optische Zirkulator 600 und die optische Vorrichtung 60 umgangen werden, wird die Lichtleitfaser 22 durch die Ports 552, 554 an den optischen Schalter 550 gekoppelt.
Die optische Vorrichtung 60, die in Verbindung mit dem optischen Zirkulator 600 steht, ist entworfen, um das Licht als Reaktion auf eine erkannte Bedingung oder Substanz zu ändern. Das beeinflusste Licht 110' enthält Informationen, die sich auf den zur optischen Vorrichtung 60 proximaten Bereich beziehen, und ist von der Lichtleitfaser 22 mittels des optischen Zirkulators 600 und des elektrooptischen Schalters 550 auf das Erkennungssystem gerichtet.
4 veranschaulicht eine optische Einport-Vorrichtung 700 mit einer reflektierenden Gasabfühlzelle 750, die eine Form einer optischen Vorrichtung 60 darstellt. Die optische Einport-Vorrichtung 700 umfasst eine mehrfach reflektierende lichtdurchlässige Abfühlzelle 750 zum mehrfachen Reflektieren und Ändern des Lichts 110 gemäß der Umwelt, die in die Abfühlzelle 750 durch deren Einlass 710 und Auslass 720 eindringt. Eine terminale reflektierende Vorrichtung 740 ist zum Reflektieren des beeinflussten Lichts 110' aus der Zelle 750 mittels des Ports 730, der an die Lichtleitfaser 22 gekoppelt ist, bereitgestellt.
11A–11C veranschaulichen unterschiedliche Weisen, auf die eine optische Vorrichtung 60 im Allgemeinen (und spezifisch, zum Beispiel mit der Gasabfühlzelle 750 aus 4) verwendet werden kann, um Gase oder andere Umweltmaße wie etwa Partikeln, Feuchtigkeit, Temperatur und andere zu messen.
11A veranschaulicht eine Konfiguration, um eine gemittelte Probe aus einem Auslasskanalstrom zu entnehmen. Die Eingangs- und Ausgangsports 710 und 720 der Gasabfühlzelle 750 sind durch ein Paar Druckmessstutzen 1303 bzw. 1305 verbunden, um ein Auslassventil 1300 in dem Auslasskanal, in dem die Probe entnommen wird, zu überspannen. Anstatt ein Auslassventil 1300 zu überspannen, könnte die Gasabfühlzelle 750 auch verbunden sein, um eine andere Vorrichtung, die einen Druckabfall in einem Luftstrom verursacht, zu überspannen. Zum Beispiel könnte die Gasabfühlzelle 750 eine Luftstromsteuereinheit, einen Dämpfer, einen Öffnungsring, einen Knick oder einfach eine eingeschnürte Kanallänge überspannen. Unter der Annahme, dass der Luftstrom durch das Auslassventil 1300 in eine Richtung F geht, gibt es einen hohen relativen Luftdruck am Druckmessstutzen 1303 und einen niedrigen relativen Luftdruck am Druckmessstutzen 1305. Daher wird ein kleiner Teil des Luftstroms durch das Auslassventil 1300 von dem Druckmessstutzen 1303 abgelassen und in die Gasabfühlzelle 750 umgeleitet. Ein Teil der Luft, der sich schon in der Gasabfühlzelle 750 befindet, kehrt in den Auslassstrom zurück, gerade stromabwärts vom Auslassventil 1300. Die Probe in der Gasabfühlzelle 750 enthält eine Mischung von Luft aus dem Strom, die in der Gasabfühlzelle 750 für eine Zeitspanne zurückbehalten wird. Die Probe bildet so einen Durchschnitt der Inhalte des Stroms über die Zeitspanne.
Wie in 11B gezeigt, kann die Gasabfühlzelle 750 anstatt Druckmessstutzen 1303 mit einem Probennahmekopf 1311 verbunden sein, welcher sich innerhalb des Raums, dessen Luftqualität von Interesse ist, befindet. Diese Konfiguration misst den durchschnittlichen Strom von durch die Luft beförderten Substanzen aus dem Raum, der von dem Auslassventil 1300 ausgelassen wird, z. B. einem Zimmer.
In noch einer weiteren Variation ist in 11C eine Gasabfühlzelle 750 gezeigt, die verbunden ist, um ein Luftzufuhrventil 1350 oder ein anderes Element, welches einen Druckabfall in dem Luftstrom des Kanals verursacht, zu überspannen. Dieses System läuft ähnlich zu dem, das oben in Verbindung mit 11A besprochen wurde, aber es misst und mittelt den Luftstrom in einem Zufuhrkanal anstatt in einem Auslasskanal. Dies kann nützlich sein, um eine Kreuzkontamination aus anderen Teilen eines Luftverwaltungssystems, Fehler im Luftzufuhrsystem zu entdecken oder um die Frischluftzufuhr als Reaktion auf eine andernorts erkannte Notsituation zu steuern.
Ein alternativer Ansatz zur Verwendung einer separaten Gasabfühlzelle ist das Integrieren des Lichtwegs des Lichtstrahls in ein Luftventil der in 11 gezeigten Art oder eines Dämpfers oder einer anderen Luftstromsteuervorrichtung oder sogar eines Abschnitts der Kanalarbeit. 12 veranschaulicht ein Beispiel, wie dies geschieht, wobei die Faser 22 am wahrscheinlichsten aus einem optischen Schalter 50, 550 oder 500 usw. kommt. Die Elemente 1322 und 1323 sind verspiegelte Oberflächen, um einen Mehrfachweg zu erstellen, wie in der Gasabfühlzelle aus 4 gezeigt. Nach dem ein- oder mehrmaligen Kreuzen des Kanals wird das Licht aus der Faser zurück in die Faser 22 reflektiert. Alternativ dazu kann das Licht den Kanal mehrere Male oder nur einmal kreuzen, wird aber in einem unidirektionalen System auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals (nicht gezeigt) aufgefangen und die Faser 22 hinab gesendet. Um bei dem Emittieren und dem Sammeln des Lichts zu helfen, kann eine Linse 1321 verwendet werden, um den emittierten Strahl zu erweitern und den gesammelten Strahl zu verengen, um einen breiteren Strahl zum Kreuzen des Kanals zu erstellen. Ein Vorteil des in 12 gezeigten Ansatzes besteht darin, dass er verwendet werden kann, um die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit in dem Kanal und somit auch das Luftvolumen in dem Kanal abzufühlen, unter Verwendung von Lasergeschwindigkeitsmessung, welche die abgefühlte Doppler-Verschiebung von Partikeln in der Luft verwendet, um die Geschwindigkeit der Luft selbst abzufühlen.
5 veranschaulicht einen optischen Schalter wie etwa den optischen Schalter 550, der in 3 dabei gezeigt ist, dass er eine doppelgerichtete Lichtleitfaser 22 mit einer optischen Einport-Vorrichtung wie etwa der in 4 gezeigten reflektierenden Gasabfühlzelle 700 verbindet.
Ein Ansatz zum Implementieren einer bidirektionalen Version des Erkennungs- und Befehlssystems 30 der gemeinsamen Quelle in 1 ist in 6 gezeigt, die einen bidirektionalen optischen Zirkulator 600 (oder alternativ dazu könnte auch an dessen Stelle ein optischer 1×2-Koppler verwendet werden), der mit einer Lichtquelle 100, einem Detektorsystem 200 und einer Befehlseinheit 300 verbunden ist, veranschaulicht.
Die Lichtleitfaser 22 des optischen Verteilungsnetzes 20 ist an den optischen Zirkulator 600 an Port 1 616 gekoppelt. Das Detektorsystem 200 und die Lichtquelle 100 sind an den optischen Zirkulator 600 an Port 2 612 bzw. Port 3 614 gekoppelt. Die Lichtquelle 100 und das Detektorsystem 200 sind an eine Befehlseinheit 300 gekoppelt, die ihren Betrieb steuert.
Die Lichtquelle 100 erzeugt Licht 110, das an die Lichtleitfaser 22 des optischen Verteilungsnetzes 20 durch den optischen Zirkulator 600 gekoppelt ist. Das Licht 100 wird durch eine zu einer optischen Vorrichtung, die an das optische Verteilungsnetz 20 gekoppelt ist, proximate äußere Bedingung beeinflusst. Das beeinflusste Licht 110' wird an die Lichtleitfaser 22 gekoppelt und zurück auf Port 1 616 des optischen Zirkulators 600 gerichtet. Der optische Zirkulator 600 richtet das beeinflusste Licht 110' auf das Detektorsystem 200, das die Bedingung erkennt und der Befehlseinheit 300 Ausgaben bereitstellt. Eine alternative Ausführungsform aus 6 ersetzt den optischen Zirkulator 600 mit einem möglicherweise billigeren optischen 1×2-Koppler, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, aber mit dem Nachteil eines gewissen zusätzlichen Verlustes, der von dem Koppler verursacht wird.
Die Lichtquelle 100 aus 6 könnte eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode oder eine andere Form von Beleuchtung 170, die an einen Treiberkreis 180 gekoppelt ist, umfassen. Das Detektorsystem 200 könnte einen Photodiodendetektor oder eine andere Vorrichtung 270 umfassen, um die Intensität des Lichts zu messen, das an einen Satz von Detektorelektronik 280 gekoppelt ist, um die Photodiode oder eine andere geeignete Ausgabe vom Detektor zur Erzeugung eines aussagekräftigen Ausgabesignals, das sich auf die empfangene Lichtintensität bezieht, zu verbessern. Dieses Signal kann dann von einem CPU oder einem speziellen Signalprozessor 290 verarbeitet werden, um ein kalibriertes Ausgabesignal 291 auszugeben, das in gewissen angemessenen technischen Einheiten direkt ablesbar ist. Sowohl das Quellensystem 100 als auch das Detektorsystem 200 werden von der Befehlseinheit 300 gesteuert und koordiniert. Diese Befehlseinheit 300 analysiert auch die Betriebsparameter der Lichtquelle, des optoelektronischen Signalverteilungsnetzes, der zugehörigen optischen Vorrichtungen und der empfangenen Signale des Detektors, um ein aussagekräftiges qualitatives und/oder quantitatives Maß des Niveaus der Gaskonzentrationen in der Umwelt, von biologischen Mitteln, Partikeln, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Verdrängung, Luftgeschwindigkeit und Nähe oder Platzierung von Objekten einschließlich Menschen, die die abgefühlten Parameter an der abgefühlten Örtlichkeit beeinflussen können, zu erzeugen. Diese Informationen können dann dem Betreiber über eine graphische Benutzeroberfläche oder durch eine Datenkommunikationsoberflächenverbindung 26 einem anderen System wie etwa dem Steuer- und Verwaltungssystem eines Gebäudes (BMS) mit seiner eigenen graphischen Benutzeroberfläche oder anderem Mittel zur Kommunikation mit einem Benutzer oder Betreiber übermittelt werden.
7 veranschaulicht einen optischen Sechsport-Duplexschalter 1000, der eine optische Vorrichtung 60 und zwei Lichtleitfasern 22a, 22b, die in einem optischen Duplexnetz (nicht gezeigt) operieren, verbindet. Ein optisches Duplexnetz ähnelt dem optischen Verteilungsnetz 20, das in 1 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass es zwei Lichtleitfasern aufweist. Der optische Duplexschalter 1000 erlaubt den vollen Duplexbetrieb des optischen Duplexverteilungsnetzes, wobei eine Speiselichtleitfaser 22a und eine Rückkehrlichtleitfaser 22b bereitstellt sind. Licht 110 wird von der Speiselichtleitfaser 22a dem Eingangsport 1010 des Duplexschalters 1000 bereitgestellt. Das Licht 110 kann von dem Duplexschalter 1000 zum optischen Duplexverteilungsnetz und einem anderen Duplexschalter 1000 geschaltet werden, oder zu einer optischen Vorrichtung 60, wie in 7 gezeigt. Das Licht 110 wird von der optischen Vorrichtung 60 beeinflusst, und das beeinflusste Licht 110' wird auf die Rückkehrlichtleitfaser 22b auf einen vorherigen Duplexschalter (nicht gezeigt) gerichtet, wo es zu einem Erkennungssystem weiter verläuft.
Eine andere Art von optischer Vorrichtung 60 involviert die Verwendung von Lichtleitfasersensorstrukturen. Bei diesen Sensoransätzen bleibt das Licht im Wesentlichen in der Faser und wird auf eine Weise von der Interaktion der speziell entworfenen Faser mit der sie umgebenden Umwelt modifiziert. Zum Beispiel kann eine poröse Art von Mantelmaterial verwendet werden, so dass der Fasermantel unterschiedliche Materialien wie etwa Wasserdampf oder chemische Dämpfe absorbiert, der Faserverlust aufgrund der Änderung des Brechungsindexes des Fasermantels geändert wird. Alternativ dazu kann der Verlust der Faser auch geändert werden, wenn die Faser durch Umweltkräfte wie etwa Luftgeschwindigkeit oder -druck oder -verdrängung gestreckt oder gekrümmt wird.
Alternativ dazu sind viele verschiedene Arten von optischen Sensorvorrichtungen und Verfahren entwickelt worden und werden auch weiterhin entwickelt, die Licht auf eine Weise modifizieren, die auf Umweltbedingungen basiert. Beispiele von einigen dieser Vorrichtungen umfassen Michelson-Interferometriesensoren, mikro-bearbeitete Schwingstrahl-Sensoren, die zum Beispiel von Honeywell entwickelt wurden, Bragg-Fasergittersensoren, Fabry-Perot-Interferometriesensoren oder die verwandten Inline-Faseretalonsensoren (ILFE). Beliebige dieser Vorrichtungen könnten in den abzufühlenden Raum gesetzt werden, und dann kann der verarbeitende Schaltkreis wie vordem beschrieben gemultiplext werden.
In einer anderen Implementierung der Erfindung kann eine optische Vorrichtung 60 auch eine andere alternative Form von intelligenter Lichtleitfaserstruktur umfassen, die das Beschichten des Endes einer Faser, die der Umwelt ausgesetzt werden soll, mit verschiedenen speziellen chemischen oder biologischen Materialien, welche auf eine gewisse Weise von der Umwelt beeinflusst werden, involviert. Genauer gesagt, weisen diese Sensoren spezifisch entworfenen Oberflächen oder Faserenden auf, die zuvor ausgewählte Bedingungen wie etwa Gase, biologische Mittel und andere durch die Luft beförderte Materie erkennen können. Eine Weise, auf die dies implementiert werden kann, involviert die Verwendung einer speziellen Lichtquelle 100 in der entfernten Einheit 30 aus beispielsweise 1, die dieses Licht die Faser 22 hinab und durch die optischen Schalter 50 zu der optischen Sensorvorrichtung 60 sendet, wie oben beschrieben. In Gegenwart des abzufühlenden Materials reagiert das Licht zusammen mit der beschichteten Chemikalie auf eine gewisse Weise wie etwa mit Fluoreszenz. Das geänderte oder fluoreszierende Licht wird dann denselben Faserweg oder einen Duplexfaserweg hinab zurück zu einem optischen Detektor 200 getragen, der die Menge des geänderten oder vielleicht fluoreszierenden Lichts erkennt. Diese Vorrichtungen sind detailliert in Jane A. Ferguson und David R. Walt, Optical Fibers Make Sense of Chemicals, Photonics Spectra, März 1997, Eric Udd, Applications of Fiber Optic Smart Structures, ISBN Nr. 0-7803-3277-6 und R. A. Lieberman, Distributed and Multiplexed Chemical Fiber Optical Sensors, SPIE Bd. 1586 (1991) beschrieben, die unter Verweis hier eingeschlossen sind.
Die vorhergehenden Sensorstrategien oder andere Ansätze können kombiniert werden, um mehrere Parameter wie etwa Luftgeschwindigkeit, Temperatur, Druck, mehrere Gase usw. an einer gegebenen abgefühlten Örtlichkeit zu messen. Andere Parameter, die auch abgefühlt werden könnten, umfassen lebensfähige Organismen wie etwa mikrobieller Befall oder Bakterienbefall oder Pilzwachstum, die zum Beispiel durch das Abfühlen von bestimmten VOCs, die von diesen Organismen abgegeben werden, erkannt werden können.
Wenn zum Beispiel Fasersensoren verwendet werden, können Mehrfasersegmente in Reihe oder parallel zusammen mit zwei Kopplern (wobei der eine als Strahlteiler wirkt und der andere die unterschiedlichen Segmente zurück zu einer gemeinsamen Faser koppelt) verwendet werden. Alternativ dazu können auch Wellenlängen- oder Zeitmultiplextechniken an dieser Stelle verwendet werden, um mehrere Sensoren zu multiplexen, damit mehrere Parameter gleichzeitig abgefühlt werden. Alternativ dazu könnte auch ein optischer 1XN-Netzknotenschalter an der gewünschten Örtlichkeit verwendet werden, um einen aus einem Satz von Sensoren auszuwählen.
Vom Standpunkt einer Anwendung her können viele Funktionen und abgefühlte Parameter gleichzeitig durchgeführt werden. Beispielsweise könnte eine optische Vorrichtung 60 aus einer Vorrichtung zum Senden eines Strahls bestehen, der einen Türdurchgang im Zickzack kreuzt, bevor er gefangen und das Fasernetz 20 hinab zurück gesendet wird. Dieser einfache Sensoransatz könnte gleichzeitig verwendet werden, um die Konzentrationen verschiedener Gase in der Luft, die durch den Türdurchgang passiert, die Geschwindigkeit der Luft, die durch den Türdurchgang passiert, die Gegenwart von Rauch in der Umwelt durch die Verdunkelung des Lichts oder anderweitig durch Abfühlen nach gasförmigen Komponenten von Verbrennung, Größe und Menge von durch die Luft beförderten Partikeln und sogar Sicherheitsbedenken durch das Abfühlen nach zeitweiligen Blockaden des Strahls, die von jemandem verursacht werden, der durch den Türdurchgang geht, abzufühlen.
Auf ähnliche Weise könnte ein Lichtstrahl in einem Weg mit Einfachdurchgang oder Mehrfach-Zick-Zack-Gang über die Öffnung einer Labordunstabzugshaube gesendet werden, um gleichzeitig mehrere Parameter abzufühlen. Zum Beispiel könnte die Stärke des Sicherheitseinschlusses oder auf ähnliche Weise die Stärke des Verlusts des Sicherheitseinschlusses gemessen werden, indem die Gase, die durch den die Abzugshaubenöffnung kreuzenden Strahl passieren, analysiert werden. Die Anströmgeschwindigkeit der Dunstabzugshaube könnte ebenfalls gemessen werden, sowie die Menge an Partikeln in der Luft. In Abhängigkeit davon, inwieweit die Strahlen quer über die Öffnung diese abdecken, könnte die Anwesenheit einer Person, die in die Abzugshaube reicht, ebenfalls erkannt werden. Ein direktes Maß des Sicherheitseinschlusses könnte auch gemessen werden, indem eine bekannte Menge eines messbaren Spürgases in der Abzugshaube freigegeben wird, wobei die Lichtstrahlen verwendet werden, um zu erkennen, wieviel von dem Gas durch die Abzugshaubenöffnung in die Umwelt geht. Obwohl diese Messung des Spürgases weniger empfindsam ist, könnte sie auch in einem allgemeinen Auslassluftstrom erfolgen, wie oben in 12 besprochen, um einen größeren Verlust des Abzugshaubeneinfangs aufzuspüren. Ähnlich dem Obigen könnte ein Feuer einer Abzugshaube oder eines Labors durch das Messen der Rauchgase und -partikel, welche durch die Lichtstrahlen einer Abzugshaubenöffnung oder eines allgemeinen Auslassventils passieren, erkannt werden.
Datenkommunikation und -steuerung
Angemessene Kommunikations- und Signalverarbeitungstechniken werden in der Erfindung eingesetzt, um die Koordination der Quelle und der erkannten Lichtsignale sicherzustellen, sowie zu gewährleisten, dass die richtigen Schalter betätigt werden und dass die gewünschten beeinflussten Lichtsignale von den abgefühlten Örtlichkeiten richtig erkannt und identifiziert werden.
Die Befehlseinheit 300 koordiniert den Betrieb der fernverteilten Schalter 50, die zu dem optoelektronischen Signalverteilungssystem 10 gehören. Die Befehlseinheit 300 erzeugt zuvor ausgewählte Datensignale, die den fernverteilten Schaltern 50 befehlen, wie erfordert zu schalten. Die fernverteilten Schalter 50 können direkt oder mittels einer Vielzahl von Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 gesteuert werden. Unter direkt werden Steuerkabel verstanden, die in einer Punkt-zu-Punkt- Verbindung zwischen der Befehlseinheit 300 und dem jeweiligen optischen Schalter 50 direkt verbunden sind. Pro optischem Schalter würde ein separates Kabel verwendet werden, wodurch eine Masse von Kabel geschaffen würde, die von der Befehlseinheit 300 zu allen jeweiligen optischen Schaltern 50 ausstrahlen würden.
Ein anderer Steueransatz für die optischen Schalter 50 würde entweder eine minimale oder keine Steuerung über die Befehlseinheit 300 involvieren, oder nur eine Form einer einfachen Synchronisation der optischen Schalter, bei der sie selbstgesteuert oder durch eine zuvor eingestellte Sequenz betrieben würden. Zum Beispiel könnten die optischen Schalter nach dem Hochfahren in einer Form einer vorprogrammierten Sequenz betrieben werden, wobei sich jeder Schalter nacheinander einschaltet, um sein beeinflusstes Licht 110' zurück zum Detektor 200 zu leiten. Ein einzigartiger Code wie etwa ein auf Zeit variierendes Schalten könnte jedem Schalter zugeteilt werden, so dass die Befehlseinheit 300 bestimmen könnte, woher das Lichtsignal 110' kam, ohne den Betrieb der optischen Schalter steuern oder sogar ohne ihn synchronisieren zu müssen.
Ein möglicherweise stärkerer und flexiblerer Ansatz verwendet die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310, die untereinander in einer Form von elektrischem Draht, drahtlos (RF), Leistungsleitungsträger oder Lichtleitfaser-Datenkommunikationsnetz miteinander und mit der Befehlseinheit 300 verbunden sind. Die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 sind wiederum mit den fernverteilten Schaltern 50 direkt verbunden (oder möglicherweise durch eine Form von anderem Datenkommunikationsnetz verbunden), um deren Betrieb als Reaktion auf die zuvor ausgewählten Datensignale, die von der Befehlseinheit 300 oder möglicherweise von einer anderen Datenkommunikations- und -steuervorrichtung 310 ausgehen, zu steuern.
Die Kommunikations- und Steuervorrichtungen 310 können sich nahe den fernverteilten Schaltern 50 befinden oder in sie inkorporiert sein. Zusätzlich dazu kann die Anzahl von Kommunikations- und Steuervorrichtungen 310 gleich oder nicht gleich der Anzahl von fernverteilten Schaltern 50 sein. Zum Beispiel können die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 mehr als einen der optischen Schalter 50 steuern.
Die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 können nichtdedizierte Baugruppen oder Software umfassen, welche zusätzlich zum Bedienen der optischen Schalter 50 Funktionen durchführen. Zum Beispiel können die nichtdedizierten Baugruppen oder die nichtdedizierte Software Funktionen wie etwa das Steuern von zum vernetzten optoelektronischen Signalverteilungssystem 10 nicht verwandten Vorrichtungen wie etwa, aber nicht beschränkt auf, Steuerungen von Labordunstabzugshauben, Zimmerdruckkontrollen, Zimmertemperaturkontrollen durchführen oder Teil des Gebäudekontroll- und -verwaltungssystems sein. Alternativ dazu können die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 Teil eines lokalen Datennetzes von verteilten PCs oder Computerarbeitsstationen, die in einem Datenkommunikationsnetz untereinander verbunden sind, sein. Die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 könnten separate Vorrichtungen in diesem lokalen Datennetz sein oder in die Funktionen der PCs oder der Computerarbeitsstationen selbst inkorporiert sein.
In einer weiteren Implementierung der vorliegenden Erfindung werden die zuvor ausgewählten Datensignale von der Befehlseinheit 300 erzeugt und an die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 über die gesamte Lichtleitfaser 22 des optischen Verteilungsnetzes 20 übermittelt. Die zuvor ausgewählten Datensignale werden von der Befehlseinheit 300 in elektrischem oder optischem Format erzeugt und der Lichtquelle 100 bereitgestellt, die die zuvor ausgewählten Datensignale innerhalb des Lichts 110, welches auf die Lichtleitfaser 22 ausgesendet wird, codiert. Die zuvor ausgewählten Datensignale in optischer Form können auf einer Wellenlänge vorliegen, die sich von den Wellenlängen des von dem optischen Verteilungsnetz verteilten Lichts unterscheidet. Das von dem optischen Verteilungsnetz selbst verteilte Licht kann auch verwendet werden, um die zuvor ausgewählten Datensignale in optischer Form zu erstellen.
Zum Beispiel könnte dem Licht, das von der Quelle 100 zum Zweck der Umweltüberwachung emittiert wird, ein schneller Satz kurzer Impulse oder ein digitales Wort, das aus kurzen und langen Impulsen besteht, vorausgehen, oder es könnte durch die Länge des Impulses verwendet werden, um den Strahl zu einer gewünschten Örtlichkeit zu adressieren und abzulenken, indem für jede Örtlichkeit eine spezifischen „Adresse" besteht. Der Zeitbetrag zum Abfühlen an der Örtlichkeit könnte vorprogrammiert sein oder könnte auch durch ein zweites digitales Wort, das nach der Adresse übertragen würde, befohlen werden. Zum Beispiel könnten zwei Impulse übertragen werden, wobei der erste von einer Länge ist, die die bestimmte Adresse angibt, der andere die Länge der Abfühlperiode angibt. Nach der vollständigen Signalübertragung würde der optische Quellenstrahl dann verwendet, um die Luft an der angegebenen Örtlichkeit abzufühlen. Mehrere Örtlichkeiten in einer Implementierung auf der Basis einer unidirektionalen Reihe oder eines unidirektionalen Rings könnten gleichfalls mit diesem Ansatz gleichzeitig abgetastet werden, indem bestimmte Adressengruppierungen benutzt werden, die mehr als einen Schalter einschalten.
Der obige Ansatz könnte durch einen Ansatz implementiert werden, der in 8 gezeigt ist, welche ein optisch gesteuertes Schaltersystem 1200 veranschaulicht, das die optischen Schalter betreibt, ohne ein separates Datenkommunikationsnetz 24 oder separate Datenkommunikationseinheiten 310 aufweisen zu müssen. Dieses System erothält einen Koppler 1210, eine Schaltersteuereinheit 1250 und einen optischen Schalter 1220, die einen Durchgangsweg zu einem anderen Schalter (nicht gezeigt) und einer optischen Vorrichtung 60 bereitstellen. Der Koppler 1210 kann ein Kopplerabzweiger mit hohem Verhältnis sein, wie etwa der JDS FITEL AC0199-Koppler, der ein Überwachungskoppler mit einem Verhältnis von 1/99 ist und speziell für Abzweigungs- oder Überwachungsanwendungen entworfen ist. Die Schaltersteuereinheit 1250 ist mit dem Licht 110 gekoppelt, wobei ein Steuersignal 110b in das Licht 110 eingebettet ist. Die Schaltersteuereinheit 1250 wird von dem Lichtsteuersignal 110b, das typischerweise von der Befehlseinheit 300 erzeugt wird, gesteuert. Ein Photodetektor einer gewissen Art 1270 erkennt das Lichtsignal 110b und sendet die entsprechenden elektrischen Informationen an das Schaltersteuereinheitselement selbst 1280. Die Schaltersteuereinheit 1250 steuert den optischen Schalter 1220 durch seinen Steuerleitungseingang 150. Wenn der optische Schalter 1220 durch diese Steuerleitung 150 aktiviert wurde, koppelt er das Licht 110 an die optische Vorrichtung 60, wo es von der Umgebungsbedingung beeinflusst wird. Das beeinflusste Licht 110' wird dann mittels der Lichtleitfaser 22 durch den optischen Schalter 1220 und auf das optische Verteilungsnetz 20 zurück gekoppelt.
In einem anderen Beispiel könnte der Lichtstrahl 110 selbst den Betrieb aufeinander folgender Schalter, die, wie in 1 und 8 gezeigt, in einer Buskonfiguration betrieben werden, auslösen. Während jeder optische Schalter 1220 wie diejenigen, die in 8 gezeigt sind, seinerseits von dem eindringenden Licht 110 getroffen wird, erkennt er das Licht 110 durch die Schaltersteuereinheit 1250 oder wird dadurch erregt, um sich dadurch einzuschalten, um das Licht 110 zu der optischen Vorrichtung 60 zu leiten, und dann das beeinflusste Licht 110' zurück zum optischen Detektor 200 zu senden. Die Schaltersteuereinheit 1250 wirkt nach einer vorher eingestellen Zeitspanne dann weiter, um den optischen Schalter 1220 dahin zu schalten, das Licht 110 zum nächsten optischen Schalter 1220 in der Reihenkonfiguration der Busnetzstruktur zu umgehen, damit die gleiche Sequenz des Betriebs mit dem nächsten optischen Schalter 1220 und der nächsten optischen Vorrichtung 60 wiederholt wird.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von unabhängigen, vernetzten, optoelektronischen Signalverteilungssystemen 10 untereinander verknüpft werden. Dieses Merkmal stellt eine größere Netzflexibilität bereit und ermöglicht solche Dinge wie größere Netzmodelle, spezialisierte Netze zum Überwachen bestimmter Bedingungen und verbesserte Systemleistungsfähigkeit und -genauigkeit, indem die Belastung einer beliebigen Befehlseinheit 300, Lichtquelle 100 oder Erkennungseinheit 200 reduziert oder verlagert wird. Zusätzlich dazu können die oben beschriebenen Befehlseinheiten 300 und Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen 310 eine programmierbare Vorrichtung wie etwa einen Computer umfassen.
Wellenlängenmultiplexfechnik (WDM)
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das vernetzte optoelektronische Signalverteilungssystem 10 Kommunikations- und Signalverarbeitungstechniken wie etwa, aber nicht beschränkt auf, Wellenlängenmultiplextechnik (WDM) umfassen. Diese Technik stellt durch das Ermöglichen von Signalunterscheidung als Funktion der Wellenlänge die ausgeweitete Verwendung einer Systembandbreite bereit. WDM wird ausführlicher in Alan Eli Willner, Mining the Optical Bandwidth for a Terabit per second, IEEE Spectrum, April 1997 und Alan D. Kersey, Multiplexed Fiber Optic Sensors, SPIE Bd. 1797 (1992) beschrieben, die hier unter Bezugnahme eingeschlossen sind.
Sehr kurz zusammengefasst involviert dieser Ansatz das Übertragen von Daten auf vielen unterschiedlichen Wellenlängen. Mehrere Signale mit sogar kleinen Unterschieden in der Wellenlänge in der Größenordnung von sogar 5 bis 10 Nanometern können verwendet werden, um Datenströme zu trennen. Diese Ströme können dann von Sternleitern oder Netzknoten zu unterschiedlichen Örtlichkeiten geleitet werden, wo eine Vielfalt von Techniken verwendet werden kann, um das Signal effektiv zu demultiplexen und die unterschiedlichen Signale, wenn erwünscht, auf unterschiedliche Ausgaben der Leiter auf der Basis der Wellenlänge des Signals aufzuteilen. Dieses Demultiplexen kann durch viele Techniken wie etwa Interferenzfilter oder GRIN-Stablinsen erfolgen. Ein Beispiel eines im Handel erhältlichen Produktes, das Kaskadeninterferenzfilter involviert, ist die von JDS Fitel gefertigte Produktreihe WD5555 E/W.
Beispielsweise kann das vernetzte optoelektronische Signalverteilungssystem 10 eine Lichtquelle 100 aufweisen, die Licht 110 mit einer Vielzahl von Wellenlängen erzeugt, wie in 9 gezeigt. Diese Figur veranschaulicht eine Vielzahl von gemeinsamen Quellenerkennungs- und Befehlssystemen 30 in einer Wellenlängenmultiplexkonfiguration 1300. Die Wellenlängenmultiplexkonfiguration 1300 umfasst einen bidirektionalen dichten Wellenlängenmultiplexer 1310 wie etwa, aber nicht beschränkt auf, einen JDS Fitel WD5555B. Eine Vielzahl von Wellenlängen werden zuvor ausgewählt, wie etwa 850 nm, 960 nm, 1200 nm und 1550 nm, die über das ganze optoelektronische Signalverteilungssystem 20 verwendet werden. Die Ports 1320, 1330, 1340, 1350 des Wellenlängenmultiplexers 1310 sind an eine Vielzahl von bidirektionalen Zirkulatoren bzw. Kopplern 1311a, b, c, d gekoppelt. Die Vielzahl von Zirkulatoren oder Kopplern 1311a, b, c, d koppelt Licht 110a, b, c, d, das von einer Vielzahl von Lichtquellen 100a, b, e, d produziert wird, an das optoelektronische Signalverteilungssystem 20, wo es von einer Vielzahl von optischen Vorrichtungen (nicht gezeigt) beeinflusst wird. Das beeinflusste Licht 110'a, b, e, d wird zum Wellenlängenmultiplexer 1310 zurückgeführt und nach Wellenlänge getrennt und von den Ports 1320, 1330, 1340, 1350 an die Vielzahl von Zirkulatoren oder Kopplern 1311a, b, e, d gekoppelt. Das beeinflusste Licht 110'a, b, e, d wird einer Vielzahl von Detektorsystemen 200a, b, e, d bereitgestellt, wo es erkannt und von einer Vielzahl von Befehlseinheiten 300a, b, e, d analysiert wird. Der Betrieb der Befehlseinheiten 300a, b, e, d kann ferner von einem CPU 1380 gesteuert werden.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung ein sehr flexibles, sehr anpassungsfähiges Signalverteilungsnetz bereitstellt, das die schnelle Erkennung von und Antwort auf Umweltbedingungen ermöglicht.
Zusätzlich dazu reduziert die vernetzte Beschaffenheit der Erfindung die Komplexität und Kosten von Umwelterkennungs- und -steuersystemen im großen Ausmaß. Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich.
Die vorliegende Erfindung kann durch weitere spezifische Formen verkörpert werden, und demgemäß sollte anstatt auf die vorangehende Beschreibung eher auf die angehängten Ansprüche als den Bereich der Erfindung angebend Bezug genommen werden.

Claims

Ein vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10), das Folgendes beinhaltet: eine Lichtquelle (100), einen Photodetektor (200), ein optisches Verteilungsnetz (20) zum Verteilen von Licht (110) von der Lichtquelle an den Detektor (200) entlang einem zuvor ausgewählten Lichtweg, eine erste Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) in optischer Kommunikation mit dem optischen Verteilungsnetz (20) zum Empfangen von Licht davon, wobei die optischen Vorrichtungen (60n) auf mindestens eine äußere Bedingung (400n) reagieren, wobei die mindestens eine äußere Bedingung (400n) einen Parameter des Lichts beeinflusst, und eine zweite Vielzahl von fernverteilten Schaltern (50n) zum selektiven Verbinden der optischen Vorrichtungen (60n) mit dem optischen Verteilungsnetz (20) zum Empfangen von Licht (110) von der Lichtquelle (100) und Befördern von Licht, das von der äußeren Bedingung (110') beeinflusst ist, zum optischen Verteilungsnetz (20), um das beeinflusste Licht (110') zum Detektor (200) zu befördern, wobei die zweite Vielzahl von Schaltern (50n) entlang dem optischen Übertragungsnetz (20) in einer Busstruktur in Reihe geschaltet ist, wobei das Licht von der Quelle (110) und das von der äußeren Bedingung (110') beeinflusste Licht entlang demselben Lichtweg übertragen werden, wobei der Detektor (200) Ausgabesignale als Reaktion auf das beeinflusste Licht (110') erzeugt, und einen Prozessor (290), der auf die Ausgabesignale des Detektors reagiert, um für die äußere Bedingung (400n) repräsentative Ausgaben zu erzeugen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verteilungsnetz (20) Licht von der Quelle (110) und das von der äußeren Bedingung (400n) beeinflusste Licht (110') in die gleiche Richtung trägt.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Verteilungsnetz (20) eine Lichtleitfaser (22) umfasst.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Bedingung (400n) aus der Gruppe bestehend aus einer Stufe des Sicherheitseinschlusses innerhalb einer Laborabzugshaube, Gas, Partikel, Luftqualität in einem Gebäude ausgewählt ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (100) eine einzelne Quelle beinhaltet, die sich an einem Eingang zum optischen Verteilungsnetz (20) befindet, um alles von dem optischen Verteilungsnetz (20) beförderte Licht (110) zu erzeugen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (100) eine Vielzahl von Lichtquellen (100) beinhaltet, die entlang dem optischen Verteilungsnetz (20) verteilt und daran gekoppelt sind.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (200) eine einzelne Erkennungsvorrichtung an einem Ausgang des optischen Verteilungsnetzes (20) beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (200) eine Vielzahl von individuellen Erkennungselementen (200n), die entlang dem optischen Verteilungsnetz (20) verteilt sind, beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vielzahl die gleiche Anzahl aufweisen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (100) eine Vielzahl von Wellenlängen erzeugt.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) eine Anzahl von unterschiedlichen Vorrichtungen zum Reagieren auf unterschiedliche äußere Bedingungen (400n) beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Vielzahl von optischen Vorrichtungen (60n) auf eine Vielzahl von äußeren Bedingungen (400n) reagiert.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (22) ferner mindestens einen optischen Verstärker (320) beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (320) ein erbiumdotierter Lichtleitfaserverstärker ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, das ferner Folgendes beinhaltet: eine dritte Vielzahl von fernverteilten Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen (310) in Kommunikation mit den Schaltern (50n), um den Betrieb davon als Reaktion auf zuvor ausgewählte Datensignale zu steuern, und eine Befehlseinheit (300) zum Koordinieren des Betriebs der Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen (310) auf eine zuvor ausgewählte Weise.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Vielzahl die gleiche Anzahl wie die zweite Vielzahl aufweist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen (310) nichtdedizierte Baugruppen beinhalten, wobei die Baugruppen zusätzlich zum Bedienen der optischen Schalter (50n) Funktionen durchführen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor ausgewählten Datensignale in elektrischer Form vorliegen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehlseinheit (300) eine zuvor ausgewählte der dritten Vielzahl von Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen (310) beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehlseinheit (300) eine programmierbare Vorrichtung beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbare Vorrichtung einen Computer beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor ausgewählten Datensignale in optischer Form vorliegen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor ausgewählten Datensignale in optischer Form entlang dem optischen Verteilungsnetz (20) befördert werden.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zuvor ausgewählten Datensignale in optischer Form auf einer anderen Wellenlänge als den Wellenlängen des von dem optischen Verteilungsnetz verteilten Lichts (110) liegen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem optischen Verteilungsnetz (20) verteilte Licht (110) verwendet wird, um die zuvor ausgewählten Datensignale in optischer Form zu erstellen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 15, das ferner ein elektrisches Netz in Kommunikation mit der dritten Vielzahl von fernverteilten Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen (310) zum Übermitteln der zuvor ausgewählten Datensignale beinhaltet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Lichtweg in mindestens einen Raum erstreckt.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Raum mindestens ein Gebäude ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Raum mindestens ein zuvor ausgewählter Bereich in mindestens einem Gebäude ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fernverteilten Schalter (50n) elektrooptische Schalter sind.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenkommunikations- und -steuervorrichtungen (310) das Ventilationssystem in einem Gebäude steuern.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) einen Lichtstrahl über einen Teil eines abzufühlenden Bereiches hinweg erzeugt.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich der abzufühlende Bereich in einem Lüftungskanal befindet.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) mit einer Luftstromsteuervorrichtung (1303) zum Abfühlen eines durch die Luftstromsteuervorrichtung (1303) passierenden Luftstroms integriert gebildet ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) eine Mittelungskammer (750) umfasst, wobei der Luft Proben entnommen werden, wenn diese durch die Mittelungskammer gesogen wird.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckabfall über eine Luftstromsteuervorrichtung (1300) verwendet wird, um Luft durch die Mittelungskammer (750) zu saugen.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (100) gepulste Lichtsignale umfasst.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) einen Abschnitt von Lichtleitfaser (22), die auf eine äußere Bedingung (400n) reagiert, umfasst.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Vielzahl von fernverteilten Schaltern (50n) durch optische Koppler (1210) ersetzt ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Laserdiode mit einer variablen Wellenlänge ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine oberflächenemittierende Diode mit vertikalem Resonator ist.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgabesignal verwendet wird, um die Umweltbedingungen in einem Gebäude zu verbessern.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgabesignal verwendet wird, um einen Betriebsablauf oder Fertigungsprozess zu steuern.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgabesignal verwendet wird, um die Umweltbedingungen in einer Vielzahl von Einheiten von Wohnunterkünften anzugeben.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bereiche gleichzeitig überwacht werden.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Schalter (50n) gleichzeitig erregt werden.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Lichtquellen (100) selektiv ein- und ausgeschaltet werden kann.
Vernetztes optoelektronisches Signalverteilungssystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Vielzahl von Schaltern (50n) durch optische Koppler (1210) ersetzt werden kann.
Ein Verfahren zum Verteilen eines optoelektronischen Signals in einem vernetzten Verteilungssystem, das die folgenden Schritte beinhaltet: Erzeugen von Licht (110), Verteilen des Lichts (110) durch ein optisches Verteilungsnetz (20) entlang einem zuvor ausgewählten Lichtweg, Empfangen des Lichts durch eine erste Vielzahl von fernverteilten optischen Vorrichtungen (60n) in optischer Kommunikation mit dem optischen Verteilungsnetz (20) durch eine zweite Vielzahl von fernverteilten Schaltern (50n) hindurch, die in einer Busstruktur entlang dem optischen Verteilungsnetz (20) in Reihe geschaltet sind, wobei die optischen Vorrichtungen (60n) auf eine äußere Bedingung (400n) reagieren, Beeinflussen eines Parameters des empfangenen Lichts (110'), wenn die optische Vorrichtung (6011) auf die äußere Bedingung (400n) reagiert, Verbinden auf eine auswählbare Weise einer zweiten Vielzahl von fernverteilten Schaltern (50n), die die optischen Vorrichtungen (60n) mit dem optischen Verteilungsnetz (20) verbinden, Befördern des von der äußeren Bedingung (400n) beeinflussten Lichts (110') auf dem optischen Verteilungsnetz (20) zu einem Photodetektor (200) entlang dem vorbestimmten Lichtweg, an dem entlang das Licht von der Quelle verteilt wird, Erkennen des beeinflussten Lichts (110') und Erzeugen von Ausgabesignalen als Reaktion auf das beeinflusste Licht und Verarbeiten des Ausgabesignals mit einem Prozessor (300), um Ausgaben zu erzeugen, die repräsentativ für die äußere Bedingung (400n) sind.