FI74541B - Foerfarande foer avkaennande av en kraft i en optiskt styrd resonanselementanordning samt resonanselementanordning foer genomfoerande av foerfarandet. - Google Patents

Description

t 74541

Menetelmä voiman havaitsemiseksi optisesti ohjatussa reso-nanssielementtilaitteessa sekä resonanssielementtilaite menetelmän suorittamiseksi

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista menetelmää voiman havaitsemiseksi optisesti ohjatussa värähtelevässä resonanssielementtilaitteessa. Keksintö kohdistuu myös itse värähtelevään resonanssielementtilaitteeseen.

Selvyyden vuoksi ja esillä olevan keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi tarvitaan tiettyjä määritelmiä. Tässä käytettynä termi "säteilyenergia" sisältää sekä koherentin että epäkohe-rentin energian, jonka aallonpituus on välillä 1000 - 100 000 Ä ja erikoisesti infrapuna-, ultravioletti- ja näkyvän valon energian. Tällaista säteilyenergiaa voidaan kuvata "muuttumattomana" tai "jatkuvana aaltona" ("CW") sen erottamiseksi säteilyenergiasignaaleista, joita on muunneltu informaation kuljettamista varten. Ilmaisua "modulaatio" käytetään tässä laajassa merkityksessä ja sen ajatellaan tarkoittavan prosessia, jossa muutetaan jotain kantoaallon ominaisuutta, niin että se vaihtelee toisen signaalin hetkellisarvon tahdissa, ja erikoisesti amplitudimodulaatiota. Tässä mainittu "muuttumaton" säteilyenergia tarkoittaa säteilyenergiaa, jolla on ;** oleellisesti vakiosuuruiset intensiteettitasot, ts. intensi teetissä ei ole lyhytaikaisia vaihteluita, ja jolla on oleel-lisesti muuttumaton spektri jakautuma. Puhuttaessa informaa-tiota kuljettavista valosignaaleista termejä "suljinohjattu" : ja "katkottu" käytetään viittaamaan sekä moduloituun valoon että mekanismiin, jolla modulaatio suoritetaan. "Väliaine" sisältää kaasut ja/tai nesteet. Termiä "hopeoitu" käytetään tässä geneerisesti kuvaamaan heijastavaa metallointipäällys-tettä tai vastaavaa. Termiä "osittain hopeoitu" käytetään ku-.. vaarnaan sellaista päällystettä, jolla on läpäisevyys- ja hei- jastusominaisuuksia, jotka voivat olla suhteellisesti suuria toisiinsa verrattuna. Termiä "voima" käytetään kuvaamaan mitä tahansa fysikaalista parametriä tai ilmiötä, joka voi liikuttaa kappaletta tai muuttaa sen liikettä, ja erikoisesti termi sisältää paineen ja minkä tahansa parametrin tai ilmiön, joka voidaan muuttaa paineeksi. Termiä "moot- 2 74541 tori" käytetään sen laajassa merkityksessä, ts. se tarkoittaa laitetta, joka liikuttaa esinettä. Termiä "muunnin" käytetään kuvaamaan laitetta, joka muuntaa energian muodosta toiseen jä tässä käytettynä termit "optosähköinen muunnin" ja "sähköoptinen muunnin" kuvaavat täsmällisemmin laiteluokkaa, joka soveltuu muuntamaan säteilyenergian sähköenergiaksi ja sähköenergian säteilyener-giaksi. "Ulokepalkki" tarkoittaa sellaista mekaanisten tai muiden anturien luokkaa, jossa palkkielementti on kiinnitetty toisesta päästään ja voidaan saattaa resonoimaan. Tällaiset ulokepalkkielementit voivat olla onttoja, missä tapauksessa niitä nimitetään "ontoiksi resonanssipalkkielementeiksi tai -rakenteiksi" .

Kuituoptiikkaan perustuvan tiedonsiirron ja teollisuusprosessien ohjauksen etujen tullessa paremmin tunnetuiksi kasvavaa huomiota on kohdistettu erilaisiin menetelmiin pienitasoisen säteilyenergian siirtämiseksi yksinkertaisesti, halvalla ja luotettavasti kuituoptiikan avulla anturin sijaintipaikalle halutun mittauksen tekemistä varten ja mittausinformaation palauttamiseksi kuituoptisia teitä pitkin valvonta- ja mittaus-paikalle. Eräitä tällaisten prosessinohjausjärjestelmien suunnittelijoita kohtaavista monista ongelmista ovat pyrkimys harvoihin, pienen valotason optisiin teihin ja sellaisiin menetelmiin, jotka suorittavat mittauksen tarkasti ja luotettavasti siten, että johdettu mittausinformaatio voidaan siirtää tarkasti oikein kuituoptisten signaalien avulla.

On yleisesti tunnettua, että jännitetyn langan resonanssitaajuus on langan jännityksen funktio. On myös tiedossa, että voiman-mittauslaite voi perustua tähän riippuvuuteen siten, että lanka saatetaan värähtelemään sen ollessa siihen kohdistetun tuntemattoman voiman jännittämä ja värähtelytaajuus mitataan siten kuin US-patentissa 4 329 775. Samoin on tunnettua, että kohdistamalla värähtelevän onton palkkirakenteen sisätilaan painevaih-teluita sen resonanssitaajuus vaihtelee tämän seurauksena pai-neenvaihteluista riippuen. Kuituoptisen tekniikan alalla on tunnettua, että värähtelevä elementti, joka osittain katkaisee 74541 jaksollisesti valon kulkutien kahden toisiinsa kohdistetun kuituoptisen elementin välillä, aikaansaa toista kuituoptista elementtiä pitkin kulkevan valon "suljinohjauksen".

On myös tunnettua, että muuttumaton valonsäde voidaan johtaa ensimmäistä kuituoptista elementtiä pitkin, moduloida (esimerkiksi akustisesti) ja palauttaa lähellä lähdettään olevaan pisteeseen toisen kuituoptisen elementin välityksellä (US-patentit 4 345 482 ja 4 275 295). Aivan viimeaikoina on väitetty, että värähtelevää lankaelementtiä voidaan syöttää lähettämällä puls-sitettua valoa ensimmäistä optista kuituelementtiä pitkin, muuttumaton valonsäde johdetaan toista kuituoptista elementtiä pitkin pisteeseen, jossa värähtelyt moduloivat muuttumatonta valoa ja värähtelyjen taajuus havaitaan heijastamalla moduloitu valo takaisin pitkin kolmannen kuituoptisen elementin tietä. Modulaatiotaajuus voitaisiin tällöin mitata. Värähtelevän langan muuttuva jännitys voisi saattaa palaavan valoenergian vaihtelemaan säännöllisesti langan jännityksen mukana (Jones, B.E. ja G.S. Philp, "A Vibrating Wire Sensor with Optical Fibre Links for Force Measurement", Paper n:o 05.1, Sensors and Their Applications, UMIST Manchester (UK) 20-22 syyskuu 1983).

Jonesin ja Philpin ehdotus on esitetty kuviossa 2. Heidän ehdottamassaan laitteessa ohut lanka on pingoitettu kiinnityskohdan ja painekalvon välille. Lanka on sijoitettu kestomagneetin napojen väliin ja langan kaksi solmukohtaa on kytketty sähköisesti sovitusmuuntajän kautta valodiodiin 1. Jos intensiteetiltään vaihtelevaa valoa johdetaan optisen kuidun kautta valo-diodille ja langan läpi syötetään vaihtovirta, lanka liikkuu tällöin virran ja magneettikentän määräämään nähden kohtisuorassa tasossa taajuudella, joka on yhtäsuuri kuin intensiteetin vaihteluiden taajuus. Langan liike havaitaan kahdella optisella kuidulla, jotka on sijoitettu yhdensuuntaisiksi ja lähelle liikkeen tasoa. Ensimmäiseen näistä kahdesta kuidusta syötetään ohjausyksikössä olevasta valoaemittoivasta diodista LED 2 valoa, jolla on nimellisesti vakiointensiteetti, ja tämä valo valaisee 4 74541 lankaa kuidun anturipäästä poistuessaan. Osa valosta heijastuu takaisin toiseen kuituun ja se palautetaan ohjausyksikköön.

Tämän palaavan valon intensiteetti on funktio langan asemasta kuitujen päiden suhteen. Siten langan värähdellessä toinen kuitu palauttaa ohjausyksikköön värähtelyn tahdissa vaihtelevan valointensiteetin. Tämä signaali vahvistetaan sähköisesti ohjausyksikössä ja osaa sähköisestä lähdöstä käytetään ohjaamaan valoaemittoivaa diodia LED 1 samassa vaiheessa ja resonanssissa langan kanssa. Kolmas optinen kuitu siirtää tämän vaiheessa olevan valosignaalin tuntopäähän, jossa se muunnetaan värähtelyn-ohjaustehoksi värähtelyn ylläpitämiseksi.

Tämä ja muut tunnetut kuituoptisilla keinoilla toteutetut menetelmät kaukomittausta ja tiedonsiirtoa varten edellyttävät yleensä useita valon kulkuteitä, monimutkaisia piirejä ja/tai erillisiä värähtelyenergian lähteitä resonoivaa elintä varten.

Keksintö liittyy havaintoon, että värähtelevä tai resonoiva elementti voi samanaikaisesti suorittaa yhden ainoan muuttumattoman säteilyenergiasäteen suljinohjauksen ja heijastamisen.

Esillä olevan keksinnön ajatuksena on johtaa muuttumaton säteily-energiasäde ensimmäistä yhdystietä pitkin säteilyenergian havaitsevalle muunninelementille, joka on sijoitettu värähtelevän resonanssielementin lähelle siten, että resonanssielementti jaksol-lisesti ainakin osittain peittää resonanssielementtiin osuvan säteilyenergian tien heijastaen osan muuttumattomasta säteily-energiasta takaisin samaa yhdystietä pitkin käänteisessä suunnassa, kun resonanssielementti peittää säteilyenergian tien, ja käyttämällä havaittua säteilyenergiaa saattamaan resonanssielementin jatkamaan värähtelyä. Eli niiden aikajaksojen aikana, jolloin resonanssielementti ei peitä säteilyenergian lähdettä, energian sallitaan päästä valoenergian sähköenergiaksi muuntavalle muuntimelle, joka kehittää sähkövirran muuntimen lähtöön .

li 74541 Sähkövirran vaihetta siirretään tunnettujen periaatteiden mukaisesti ja tätä käytetään resonanssielementin värähtelyn käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi. Keksinnön oskillaattoriosan värähtelevää lankaa tai nauhaa käyttävässä muodossa vaihesiirretty sähkövirta syötetään sähkömagnetismin tunnettujen lakien mukaisesti magneettikenttään ripustetun jännitetyn langan tai nauhan päihin, mikä saattaa langan tai nauhan aloittamaan värähtelyn ja jatkamaan värähtelemistä langan tai nauhan resonanssitaajuu-della. Vaihtoehtoisessa onttoa resonanssipalkkia käyttävässä muodossa muuntimen lähdön vaihetta siirretään ja se syötetään sähköenergian mekaaniseksi energiaksi muuntavalle muuntimelle värähtelyn käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi. Jaksollisesti heijastetun säteilyenergian intensiteetti vaihtelee synkronisesti resonanssielementin värähtelyn kanssa. Sisällyttämällä laitteeseen väline, joka poikkeuttaa värähtelevästä heijastuneesta säteilyenergiasta havaittavan osan ensimmäiseltä muuttumattoman säteilyenergian tieltä toista tietä pitkin etäällä olevalle ilmaisimelle, värähtelevän säteilyenergian taajuus (ja siten resonanssielementin taajuus) voidaan määrätä tavanomaisilla keinoilla. Kohdistamalla resonanssielementtiin voima, joka muuttaa sen taajuutta voiman suuruudesta riippuen, mahdollistetaan voiman kaukomittaus.

Täten voidaan luonnollisesti mitata erilaisia fysikaalisia ilmiöitä muuntamalla fysikaalinen ilmiö tai parametri edellä olevan mukaisesti kohdistetuksi voimaksi. Esimerkkejä resonanssi-elementteinä käytettäviksi sopivista pitkänomaisista laitteista ovat jännitetyt lanka- tai nauhaelementit , kaksi- tai yksihaa-raiset ääniraudat, kellot, muut ulokerakenteet ja kaksoisuloke-rakenteet.

Suuremman informaatiomäärän koodaamista ja siirtämistä varten kuituoptisen kulkutien muuttumaton säteily- (tai valo-) energia-tulo voi olla spektriltään joko leveä tai erikoisesti rajoitettu ja myös värähtelyelementiltä palaava valo voi olla spektriltään leveä tai erikoisesti rajoitettu, millä saadaan siten suu- 6 74541 ri joustavuus informaatiota yhtä ainoaa kulkutietä pitkin siirrettäessä. Keksinnön muut suoritusmuodot käsittävät lisäksi esimerkiksi ainakin kaksi erillistä resonaattoria, jotka on sijoitettu rajoitettuun tilaan, jossa kumpikin resonanssiele-mentti on sovitettu mittaamaan eri fysikaalista parametriä.

Kahden resonaattorin ja yhden kuituoptisen tien tapauksessa muuttumaton energia johdetaan molemmille värähteleville resonaattoreille ja valon kumpikin heijastunut osa suodatetaan eri aallonpituudella ja yhdistetään tämän jälkeen palautettavaksi dekooderille samaa yhtä kuitupitoista kulkutietä pitkin. Tämä suodatus voidaan suorittaa tavanomaisilla suotimilla tai moni-kerroksisesti päällystetyillä heijastavilla elementeillä, jotka on kiinnitetty resonanssielementtiin ja sijoitettu heijastamaan aallonpituuksiltaan rajoitettua valoenergiaa takaisin pitkin kuituoptista kulkutietä. Tässä käytettynä "monikerroksiset päällysteet" ovat päällysteitä, jotka on tehty monista dielek-trisen materiaalin kerroksista, joilla on määrätyt taittoker-toimet. Tällaiset päällysteet voivat olla (spektraalisesti) ylipäästö-, kaistanpäästö- tai alipäästötyyppisiä riippuen kerrosten järjestelystä, joiden valitseminen sisältyy tavallisen optisen alan ammattimiehen osaamiseen. Dekooderissa voidaan käyttää säteen jakajaa (tai vastaavaa) erottamaan aallopituudel-taan lyhyemmän energian aallonpituudeltaan pidemmästä energiasta. Värähtelytaajuudet voidaan tällöin mitata havaittujen fysikaalisten parametrien ilmaisemiseksi. Monia tällaisia monikäyttö-kokoonpanoja voidaan käyttää ja niiden yhdistelmiä rajoittavat vain erilaiset mitattavat fysikaaliset parametrit ja lukumääriä vain kyky erottaa ja erotella säteilyenergian aallonpituuksia. Joitakin tämän keksinnön mukaisen yhden optisen kuitutien yh-distelmäkäyttöjä ovat taajuus ja alueenylityksen ilmaisu, asento ja liikerajat, paikallinen tai etäinen lämpötila ja paine, paine ja/tai paine-ero ja muu muuttuja, kuten lämpötila ja niin edelleen kyseisen järjestelyn vaatimalla tavalla.

Tämän keksinnön edullisena tarkoituksena on siten saada aikaan menetelmä yhden tai useamman fysikaalisen ilmiön mittaamiseksi paikassa, joka on etäällä paikasta, jossa signaalia käytetään tai se havaitaan, ja jossa mittaussignaali on tunteeton tai se sietää melkein kaikkia tavallisia ympäristön haittoja.

li 7 74541

Keksinnön mukaisen menetelmän tunnusmerkit selviävät patenttivaatimuksesta 1 ja keksinnön mukaiselle resonanssielement-tilaitteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty vaatimuksessa 7.

Keksinnön eräänä etuna on, että yhtä ainoaa kuituoptista tietä voidaan käyttää siirtämään sekä oskillaattorin lähde-energian että resonoivan värähtelevän signaalin.

Keksinnön toisena etuna on, että sillä voidaan mitata helposti ja tarkasti monenlaisia fysikaalisia parametrejä.

Vielä eräänä etuna on kyky siirtää useita signaali-informaa-tioenergioi ta ja oskillaattorin lähde-energioita yhdellä kuituoptisella tiellä.

Koska optisen kuidun kuljettaman koodattu viesti ei riipu voimakkaasti sätei1yenergian tasosta, ainakin pienempien riittävien mi nimienergiatasojen syöttäminen mahdollistaa onnistuneiden mittausten suorittamisen, jopa silloin kun esiintyy laajakaistaista optista amplitudikohinaa.

Eräänä etuna on edelleen vaikutukseltaan täydellinen erotus ja vapaus radiotaajuisista häiriöistä (RFI), samoin anturi-paikan ja valvomotilan välisten sähköisesti johtavien teiden välttäminen, jotka aiheuttavat maasilmukkavirtoja.

Esillä olevan keksinnön vielä eräänä etuna on merkittävästi vähentynyt huoli sähköisistä johtimista, jotka voivat siirtää voimakkaan sähömagneettisen pulssin energian ohjausjärjestelmän elektroniikkaan ja ohjausosiin. Täten ei esiinny sähkövirtoihin liittyvää räjähdysvaaraa vaarallisissa ympäristöissä eikä salaman aiheuttamia vaaroja.

Esitetyn keksinnön erään suoritusmuodon eräänä etuna on, että se on erittäin helposti sovitettavissa joko optiseen tai säh- 8 74541 köiseen kytkentään, mikä mahdollistaa vielä suuremman joustavuuden sovitettaessa uutta tekniikkaa vanhaan ohjauslaitteistoon ja/tai sähkö- ja valoenergiatekniikoita integroitaessa tai yhdistettäessä .

Keksinnön vielä eräänä etuna on, että valosignaalit voidaan helposti multipleksoida monen signaalin siirtämiseksi erittäin harvoilla kulkuteillä.

Tässä esitetyn keksinnön vielä eräs etu on siinä, että värähtelevä resonanssielementtiosa on luotettavasti Itsekäynnistyvä.

Tämän keksinnön vielä eräänä päämääränä on, että se soveltuu helposti toimimaan vaikeissa ympäristöolosuhteissa, kuten syövyttävissä ympäristöissä.

Keksinnön eräs etu liittyy sen yksinkertaisiin käsitteellisiin ja suunnitteluominaisuuksiin siten, että kalliit, monimutkaiset ja luonnostaan vähemmän luotettavat piirit voidaan korvata halvasti, yksinkertaisesti ja luotettavasti.

Tämän keksinnön vielä eräänä etuna on, että tien häviöistä (kuten kuituoptisista taivutushäviöistä) johtavat mittausvirheet vältetään, koska mittaus perustuu taajuuteen.

Tämän keksinnön eräänä erityisen edullisena päämääränä on, että etäällä olevalla mittauspaikalla ei tarvita paikallista energialähdettä värähtelyjen käynnistämiseksi ja ylläpitämiseksi .

Keksinnön eräänä etuna on, että se voidaan valmistaa, kalibroida, asentaa ja ottaa rutiinikäyttöön helposti ja taloudellisesti .

Esillä olevan keksinnön eräänä toisena etuna on, että sen perustuessa optiikkaan kenttäanturi sisältää mahdollisimman vähän elektroniikkaa, ts. anturiyksikössä ei tarvita piihin perustuvia vahvistinlaitteita.

9 74541

Keksinnön muut päämäärät ja edut ilmenevät seuraavasta edullisten ja vaihtoehtoisten suoritusmuotojen yksityiskohtaisesta selityksestä luettuna oheisiin piirustuksiin liittyen.

Tässä esitetyn keksinnön monet ominaisuudet ilmenevät piirustukseen osina sisältyviä useita kuvioita tarkastelemalla. Yhtenäisin viivoin piirretyt nuolet osoittavat muuttumattoman tai CW-valoenergian kulkusuuntaa, kun taas katkoviivoin piirretyt nuolet osoittavat pulssimaisen tai moduloidun valon suuntaa. Kaikissa kuvannoissa samat viitenumerot viittaavat vastaaviin osiin: kuvio 1 on keksinnön yksinkertaistettu lohkokaavio, kuvio 2 on peruskaavio rinnakkaisessa keksinnössä tehdyksi väitetyn relevantin työn tekniikan tasosta, kuvio 3 on yksinkertaistettu kaaviollinen kuvanto keksinnön resonoivan peruslankaoskillaattorianturin osasta, kuvio 4 on yksinkertaistettu kuvanto keksinnön onton resonanssi-palkkioskillaattorin perusanturisuoritusmuodosta, kuvio 5 on yksinkertaistettu kaaviollinen kuvanto keksinnön vaihtoehtoisen suoritusmuodon mukaisesta kaksoisresonaattori-anturista, kuvio 6 esittää esillä olevassa keksinnössä käyttökelpoisen säteilyenergian osan spektri jakautumaa ja se esittää kahta erillistä käyttökelpoista kaistanpäästökäyrää, kuvio 7 on yksinkertaistettu kaaviollinen kuvanto esillä olevan keksinnön painekennokokoonpanosta, kuvio 8 on yksinkertaistettu kuvanto esillä olevan keksinnön lämpötilakompensoidusta paineanturikokoonpanosta, kuvio 9 on yksinkertaistettu kaaviollinen kuvanto esillä olevan keksinnön mukaisesta lämpötila-anturista, kuvio 10 on esillä olevan keksinnön kuormituskennototeutus kaaviollisena kuvantona, kuvio 11 esittää onttoon resonanssipalkkiin perustuvaa lämpötila-anturia , kuvio 12 on yksinkertaistettu kuvanto keksinnön vaihtoehtoisesta suoritusmuodosta, jossa anturin yhteyteen on sisällytetty sähköinen kytkin.

10 74541 kuvio 13 on yksinkertaistettu kuvanto suoritusmuodosta, jossa voidaan käyttää joko optista tai sähköistä ohjausta, kuvio 14 on ajoituskaavio, joka esittää signaali- ja takaisin-kytkentävirtojen oikeaa ja väärää suhdetta keksinnön parhaana pidetyssä suoritusmuodossa.

Tarkastellaan piirustuksia, erikoisesti kuviota 1, jossa on esitetty parannettu kuituoptinen kaukomittausanturilaite 10, johon sisältyy säteilyenergian syöttölähdeväline 19, muuttumattoman (tai CW) säteilyenergian kulkutie 11, säteenpoikkeutus-väline 12, johon sisältyy esimerkiksi paluusäteen poikkeuttaja/ jakaja 13, kaksisuuntainen säteilyenergian kulkutie 14, poikkeutetun pulssimaisen säteilyenergian kulkutie 15, voimanmuun-nosväline 16 ja yhdysvälien 17 voiman siirtämiseksi oskillaat-torivälineelle 20 ja signaalinilmaisuväline 18.

Tätä esitystä varten energiansyöttölähdeväline 19 oletetaan muuttumattomaksi säteilyenergian syöttölähteeksi, joka säteily-energia sisältää koherentin ja epäkoherentin valon, joka on yleensä aallonpituusalueella noin 1000 - 100 000 Ä. Termiä "valo" voidaan käyttää tässä esityksessä ilmaisemaan geneeri-sempää termiä "säteilyenergia" edellä määritellyllä aallonpituusalueella. Tämä muuttumaton energia yksilöidään tämän selityksen tarkoituksia varten muuttumattomaksi tai jatkuva-aaltoi-seksi (CW) energiaksi sen erottamiseksi on-ei-, moduloiduista, pulssimaisesta tai suljinohjatusta energiasta. Kuviossa 1 tämä jatkuva-aaltoinen energia kytketään muuttumattoman säteilyenergian tielle, joka voi olla yksi ainoa kuituoptinen valo-johdin tai vastaava. Säteenpoikkeutusväline 12, joka selitetään seuraavassa, sijaitsee kulkutien 11 varrella sopivalla valvontapaikalla, joka on etäällä fysikaalisen suureen mit-tauspaikalta. Kulkutie 11 tulee poikkeutusvälineeseen 12 ensimmäisessä kohdassa valoenergian johtamiseksi sisään ja kaksisuuntainen säteilyenergiatie johtaa valoenergian pois poik-keutusvälineestä sen toisesta kohdasta. Kulkutie 14 on samoin yksiainoa kuituoptinen valojohdin tai vastaava. Kulkutie 14 johtaa jatkuva-aaltoisen valoenergian oskillaattorivälineelle 20, joka sisältää resonanssitaajuuselementin ja joka selitetään 11 74541 täydellisemmin jäljempänä. Voimarmuunnosväline 16 muuntaa tehokkaasti mitattavan fysikaalisen suureen mekaaniseksi voimaksi, joka kohdistetaan oskillaattorivälineen resonanssitaajuusele-mehttiin. Voimanmuunnosvä1ineen valinta monista alalla tunnetuista muodoista sisältyy ammattimiehen osaamiseen ja se vaih-telee mittavasta fysikaalisesta ilmiöstä riippuen. Lyhyesti esitettynä peräkkäisten kulkuteiden 11 ja 14 kautta vastaanotettu jatkuva-aaltoinen valo heijastuu valona, jonka intensiteetti vaihtelee taajuudella, joka riippuu mitattavasta fysikaalisesta parametristä, ja se johdetaan takaisin tietä 14 pitkin paluusäteenjakajalle 13, joka sijaitsee poikkeutusväli-neessä 12. Säteenjakajana 13 voi olla mikä tahansa tunnetuista välineistä, joka johtaa valon lävitseen sen kulkiessa laitteen läpi ensimmäisessä suunnassa ja poikkeuttaa osan siihen käänteisessä suunnassa tulevasta valosta. Poikkeutettu intensiteetiltään vaihteleva (tai pulssimainen) valo johdetaan kulkutietä 15 pitkin signaalinilmaisuvälineelle 18. Ilmaisinanturi 18, valoenergian sähköiseksi energiaksi muuntava muunnin, voi olla jokin monista valoantureista, mukaanlukien valodiodi, valosähköinen kenno tai elementti tai vastaavat.

Laitteen toimiessa jatkuva-aa1toista valoa johdetaan yhtä ainoaa, peräkkäistä tietä (11, 14) pitkin oskillaattoriin 20, jonka tehonsyöttönä jatkuva-aaltoinen valo on. Näiden piirien yksityiskohtainen selitys sisältyy tähän jäljempänä kuvioiden 3 ja 4 yhteydessä. Voimanmuunnos ja -yhdysväline (16, 17) kohdistaa havaittavasta fysikaalisesta parametristä riippuvan voiman oskillaattorissa 20 olevalle resonanssielementille aikaansaamaan taajudeltaan vaihtelevan pulssimaisen (voimasta riippuvan) valon heijastamisen kulkutietä 14 pitkin etäiselle paikalle, jossa se poikkeutetaan (12, 13) ilmaisimeen 18 valotien 15 kautta. Ilmaisin kehittää siten lähtösignaalin, joka riippuu mittavasta fysikaalisesta parametristä.

Siirrytään kuvioon 3, jossa on esitetty yksinkertaistettu kaavio kaukomittausanturilaitteen oskillaattorivälineen 20 osan perus-suoritusmuodosta. On huomattava, että vaikka kaikki oskillaat- 12 74541 torivälineen 20 tarpeelliset elementit on otettu mukaan, ne on esitetty ja kuvattu vain kaaviollisessa muodossa, joka osoittaa yksityiskohtaisten piirteiden sijasta vain yleisluontoiset piirteet ja järjestelyt. Näin on tehty, jotta alan normaalit ammattimiehet voisivat käyttää keksintöä omien nimenomaisten tarpeidensa mukaisesti.

Oskillaattoriväline 20 sisältää ensimmäisen päätukirakenteen 21, resonanssielementin 22, kuituoptisen tien päätteen 23, sä-teilyenergian sähköiseksi energiaksi muuntavan muuntimen 24, eristimen 25, muuntajan 26 tai vastaavan, vaiheensiirtovälineen 27, sähköisen kytkentävälineen 28, toisen päätukirakenteen 29, magneettikenttälähdevälineen 30, 31 ja rungon 32.

Runko 32 on olemassa komponenttien kokoonpanoa varten ja se on konstruoitu jäykäksi. Runkoon 32 on kiinnitetty resonanssielementin päätuet 21, 29. Tässä esimerkissä resonanssielementtinä 22 käytetään nauhaelementtiä. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää muita muotoja tai profiileita, mukaanluettuina langat, liuskat tai palkkirakenteet, jotka edellyttävät erilaisia fysikaalisia järjestelyitä, joita selitetään myöhemmin. Laitteeseen sisältyy heijastava pinta valon heijastamiseksi, kun resonanssiele-mentti 22 on "sulkemassa” valoa. Toinen päätukirakenne 29 sisältää eristevälineen 25 resonanssielementin 22 toisen pään eristämiseksi sähköisesti rungosta 32. Valotie 14 päättyy resonanssielementin 22 lähellä olevaan päätepisteeseen 23. Säteilyenergian sähköiseksi energiaksi muuntava muunnin 24 sijaitsee resonanssielementin 22 vastakkaisella puolella ja on tämän osittain peittämä. Muunnin 24 on kytketty sähköisesti muuntajaan 26 kytkentäjohdoilla 28. Muuntajan 26 muut käämit sisältävät kytkennät vaiheensiirtovälineeseen 27 ja resonanssi-elementin 22 päihin sen eristetyn pään ja rungon 32 ja vastakkaisen tuen 21 kautta. Magneetit 30-31 on sijoitettu samalla tavoin resonanssielementin 22 suuntaisiksi ja sen vastakkaisille puolille. Esimerkiksi magneetti 30 on pohjoinen ja magneetti 31 on etelä, kenttä voidaan tehdä haluttaessa käänteiseksi edellyttäen, että sähkömagnetismin lait otetaan asianmukaisesti huomioon. Magneetit on sijoitettu siten, että ne aikaansaavat li 13 74 5 41 magneettikentän, joka on kohtisuorassa resonanssielementtiin 22 nähden ja myös virran kulkusuuntaan resonanssielementissä siten, että resonanssielementti 22 saatetaan liikkumaan edestakaisen säteilyenergianlähteen (päätepiste 23) ja muuntimen 24 välille sijoitettuna. Tässä kokoonpanossa muuntaja 26, vaiheenstabilointilaite 27, kytkentäjohtimet 28 ja magneetit 30,31 muodostavat yleisesti ilmaistuna laitteiston, joka aikaansaa resonanssielementin 22 värähtelyn.

Tämä mekanismi selitetään seuraavasti. Päätepisteeseen 23 saapuva säteilyenergia valaisee valosähköistä muunninta 24 kehittäen jännitteen, joka muunnetaan alemmalle tasolle muuntajalla 26. Vaiheensiirtopiiri 27 siirtää liikkeen aikaansaavan virran vaihe-kulmaa siten, että se ylittää arvon 0° ja pysyy pienempänä kuin 180° elementin 22 koko värähtelytaajuusalueella (kts. myös kuvio 14). Vaiheensiirtopiiri 27 on impedanssi, jonka muodostaa ainakin yksi seuraavista reaktansseista: kapasitiivinen, induk tiivinen ja/tai resistiivinen. Vaihesiirretty virta syötetään nauhaelementin päihin, mikä kehittää sähkömagneettisen kentän resonanssielementin 22 ympärille. Sähkömagneettisen kentän ja magneeteista 30 ja 31 johtuvan nauhan ympärillä olevan kiinteän magneettikentän välisestä vuorovaikutuksesta johtuen resonanssi-elementti 22 liikkuu kentässä kohtisuoraan päätepisteestä 23 tulevaa valonsädettä vastaan. Kun resonanssielementti siirtyy estämään päätepisteen 23 ja valosähköisen muuntimen 24 välistä säteilyenergian tietä, valokennon kehittämä virta pienenee, ja kun resonanssielementti 22 estää säteilyenergian tien, säteily-energia heijastuu takaisin pitkin samaa lähdetietä kuin saapuva energia. Kun resonanssielementti 22 estää riittävästi säteily-energian tietä siten, että se estää oleellisesti kokonaan virran kehittämisen, resonanssielementti, joka on jännityksen alaisena, palaa lepoasentoaan kohti, avaten säteilyenergian tien ja sama toiminta toistuu, mistä on sitten seurauksena pysyvä värähtely.

Kuviossa 4 on esitetty onttoon ulokepalkkiin perustuva kuituoptinen kaukomittausanturilaite 40, johon sisältyy vaihtoehtoinen oskillaattorivälineen 20 suoritusmuoto, joka on esitetty katkoviivoin piirretyn lohkon sisällä. Tämä resonanssiontelo- 14 74541 anturi sisältää muuttumattoman (CW) säteilyenergian kulkutien 11, paluusäteenpoikkeutusjakajan 13, kaksisuuntaisen säteily-energian kulkutien 15, voimanmuunnosvälineen 16, voimanmuunnos-yhdysvälineen 17, signaalinilmaisuvälineen 18, säteilyenergian syöttölähdevälineen 19, kuituoptisen tien päätteen 23, säteily-energian sähköiseksi energiaksi muuntavan muuntimen 24, sähköisen kytkentävälineen 28, katkojan 41, vaiheensiirtopiirin 42, (onton palkin muodostavan) resonanssielementin 43 ja vibraat-torivälineen 44.

Esillä olevassa kokoonpanossa voimanmuunnosväline 16 liittyy luonnostaan resonoivaan onttoon palkkielementtin 43, kun sitä käytetään paineen mittaamiseen siten, että voimanmuunnosyhdysvälineen 17 syöttämä paine jäykistää resonoivaa onttoa palkkielementtiä 43 (ja muuttaa siten sen resonanssitaajuutta). Oskillaattoriväli-neen 20 kokoonpanon yksityiskohdat poikkeavat hieman kuviosta 3. Onton palkin 43 värähtelyn aikaansaa vibraattoriväline 44, jona on sähkömekaaninen laite, kuten pietsosähköinen kide-elementti, bimorfinen kenno (kaksi kide-elementtiä, esim. Rochelle-suoloja, yhdistettyinä jäykästi toisiinsa ja järjestettyinä toimimaan mekaanisena muuntimena) tai vastaava. Vaihtovirta- tai pulssimainen sähköenergia vibraattorin ohjaamiseksi johdetaan valosähköiseltä muuntimelta 24, jona voi olla valokenno, valo-diodi tai vastaava. Kuituoptisen kulkutien päätepisteessä 23 säteilyenergia suunnataan vieressä olevaan muuntimeen 24. Päätepisteen 23 ja muuntimen 24 välille on sijoitettu estämään ainakin osittain niiden välisen valotien pellitetty tai heijastava katkojalaite 41, joka on kiinnitetty onton resonanssipalkki-elementin 43 päähän. Oikean vaihesuhteen säilyttämiseksi luotettavaa värähtelyä varten muuntimen 24 lähtöön on asetettu vaikuttamaan tavanomainen vaiheensiirtopiiri 42 ennen lähdön syöttämistä vibraattorille 44 sähköisten kytkentävälineiden 28 johtimien kautta. Vaiheensiirtopiiri 42 sisältää ainakin yhden seuraavista impedansseista: kapasitiivinen, induktiivi nen ja/tai resistanssi siten kuin tarvitaan liikkeen aikaansaavan virran vaihekulman siirtämiseksi niin, että se ylittää arvon 0° ja pysyy pienempänä kuin 180° elementin 43 taajuusalueella .

II

15 745 41

Oskillaattorielementtien 23, 41, 24, 43 ja 44 fysikaalinen järjestely on sellainen, että jatkuva-aaltoinen säteilyener-gia tulee kohdistetuksi päätepisteestä 23 muuntimeen 24 ja että kehitetään sähkösignaali, joka on tarvittavalla tavalla vaihesiirretty (kts. edellä) ja joka syötetään vibraattori-välineelle 44, joka aikaansaa sähkömekaanisesti onton reso-nanssipalkkielementin 43 liikkumisen stabiilista asennostaan. Resonanssielementin 43 päähän on kiinnitetty katkoja 41, joka on sijoitettu katkomaan säteilyenergian tien resonanssielement-tiä 43 sähkömekaanisesti poikkeutettaessa. Säteilyenergian katkoksen aikana katkojan peilitetty tai heijastava osa heijastaa säteilyenergian takaisin pitkin kulkutietä 14. Tämän pienentyneen ohjaustehon jakson aikana resonanssielementti 43 palaa stabiilin asentonsa suuntaan, kunnes katkoja päästää riittävästi säteilyenergiaa kulkemaan ohitseen ja osumaan jälleen muuntimeen vibraattorin ohjaustehon kehittämiseksi. Tämän avulla käynnistetään ja ylläpidetään värähtelyt resonoivan onton palkkielementin luonnollisella resonanssitaajuudella. Yhdysvälineen 17 kautta onton palkin onteloon tuotu paineen (P^) muutos muuttaa onton palkin jäykkyyttä muuttaen siten värähtelytaajuutta.

Tarkastellaan edelleen kuviota 4, jossa jatkuva-aaltoisen säteilyenergian muodossa oleva tuloteho syötetään syöttölähde-välineestä 19 peräkkäisten teiden 11 ja 14 kautta päätepisteeseen 23. Katkoja 41 sisältää heijastusvälineen, joka heijastaa tehokkaasti takaisin ainakin osan säteilyenergiasta pitkin kulkutietä 14 (kuten on selitetty) paluusäteen poikkeutuspei-lille 13, joka suuntaa katkojan 41 heijastaman pulssimuotoisen säteilyenergian signaali-ilmaisimelle 18 kulkutien 15 kautta oskillaattorin 20 taajuuden määräämiseksi.

Esillä olevan keksinnön eräs suoritusmuoto käsittää useiden signaalien käytön yhdellä kuituoptisella tiellä kuvion 5 kak-soisresonaattorianturin 50 esittämällä tavalla. Tällaisen kak-soisresonaattorianturin 50 elementteihin sisältyy energiansyöt-tölähdeväline 19, muuttumattoman (CW) säteilyenergian kulkutie 16 74541 11, paluusäteen poikkeutuspeili 13, ensimmäinen kaksisuuntainen säteilyenergian kulkutie 14, ensimmäinen poikkeutetun pulssimaisen säteilyenergian kulkutie 15, anturin säteenjakaja/yhdistäjä 51, toinen kaksisuuntainen säteilyenergian kulkutie 52, kolmas kaksisuuntainen säteilyenergian kulkutie 53, ensimmäinen anturi 54 ja toinen anturi 55, ilmaisimen säteenjakaja 56, toinen ja kolmas pulssimuotoisen säteilyenergian kulkutie 57 ja 58, ensimmäinen ja toinen ilmaisimen aallonpituussuodin 59 ja 60, ensimmäinen ja toinen ilmaisin 61 ja 62 ja vastaavasti niiden ensimmäinen ja toinen lähtösignaali 63 ja 64 ja ensimmäinen ja toinen anturin aallonpituussuodin 65 ja 66.

Kuvion 5 kaksoisanturiyksikössä anturin jakaja/yhdistäjä 51 jakaa tulon muuttumattoman jatkuva-aaltoisen säteilyenergian portissa A kahdeksi (tai useammaksi) säteilyenergiasignaaliksi, jotka seuraavat erillisiä lähtökulkuteitä. (Anturin jakaja/yhdistäjää 51 käsitellään yksityiskohtaisemmin myöhemmin). Jakaja/yhdis-täjän lähtöportit B ja C ovat siten toisistaan erotettuja. Kaksisuuntaiset kulkutiet 52 ja 53 johtavat säteilyenergian antureille 54 ja 55. Kummassakin anturissa 54, 55 on esitetty erillinen aallonpituussuodin 65, 66 sijoitettuna kuituoptisen tien (52, 53) pään ja peilitetyn tai heijastavan pinnan väliin. (Esimerkkejä kaksoisaallonpituussuodatuksesta on esitetty kuviossa 7 ja niitä selitetään jäljempänä kuvioon 7 liittyen). Erillisten suotimien vaihtoehtona resonanssielementin/katkojän peilitetyt tai heijastavat alueet voi olla päällystetty yhdellä tai useammalla äärimmäisen ohuella, aallonpituusspesifisellä herkällä päällysteellä heijastetun signaalin aallonpituuden rajoittamiseksi. Jokainen erillinen suodinelementti 65, 66 (tai päällystetty peilipinta) on spesifinen eri aallonpituudelle ja rajoittaa palautetun säteilyenergian aallonpituuden. Anturit 54 ja 55 ovat samanlaisia kuin aikaisemmin selitetyt oskillaattoriväline 20 paitsi, että suotimet 65 ja 66 (tai päällystetyt peilipinnat) rajoittavat palautetun säteilyenergian aallonpituuden, niin että kuhunkin anturiin 54, 55 liittyy tietty (ja erilainen) aallonpituus. Kunkin asianomaisen ilmaisimen 61, 62 lähtö 63, 64 riippuu mitattavasta fysikaalisesta suureesta.

II

74541 Säteenjakaja 51 edustaa optista laitetta säteen jakamiseksi kahdeksi tai useammaksi erilliseksi säteeksi. Esimerkkeihin yksinkertaisista säteenjakajista sisältyvät: 1) ohut valoajohtava lasilevy, joka on usein päällystetty osittainheijastavasti, esimerkiksi metalloimalla, levy on sijoitettu säteeseen sellaiseen kulmaan, että se poikkeuttaa osan säteestä eri suuntaan, ja 2) kaksi suorakulmaista prismaa, jotka on sementoitu yhteen hypotenuusapinnoistaan, jolloin toinen hypotenuusapinnoista voi olla päällystetty osittainheijastavasti. Kun säde saatetaan kulkemaan näiden läpi, säde-energian osat tulevat poikkeutetuksi prisman pintojen asentojen ja ilmaisimen valon suunnan määräämiin kulmiin. Vaihtoehtoisesti yhtä useampi pienempi optinen kuitu voi vastaanottaa energiaa ainakin yhdestä suuremmasta optisesta kuidusta jakaen suuremmasta kuidusta tulevan energian pienempiin kuituihin. Näiden tilalla voidaan käyttää mitä tahansa tunnettua valo- tai säteilyenergianjakajaa ja/tai jakaja/yhdis-täjää, joiden toiminta vastaa edellä esitettyä, tässä selitetty esimerkki on annettu vain havainnollistamista varten.

Siirrytään tarkastelemaan kuviota 6, jossa on esitetty IR (infrapuna-) LEDin (valoa emittoiva diodi) spektrijakautumakäy-rä 70, johon on superponoitu säteilyenergian kahden eri aallonpituuden erilliset kaistanpäästövastekäyrät 71, 72 LEDin spektri-lähdön sisällä. Esitetyt kaistanpäästökäyrät 71, 72 syntyvät monikerroksisten säteilyenergiaa heijastavien tai läpäisevien päällysteiden tuloksena. Heijastavien päällysteiden käyttäminen on edullisempaa, koska se on säteilyenergian suhteen tehokkaampaa. Esillä olevassa tapauksessa käyrät 71, 72 liittyvät säteily-energiaan, joka on kulkenut suotimien läpi, esim. kuviossa 5 esitettyjen suotimien (59, 60, 65, 66) läpi. Lisäselektiivi-syyttä (ts. kapeampi vastekäyrä) voidaan saavuttaa varustamalla resonanssielementti monikerroksisilla säteilyenergiaa heijastavilla peilipäällysteillä tai -elementeillä, mikä siten mahdollistaa monien anturin paluusignaalien siirtämisen yhdellä kuituoptisella kulkutiellä.

74541 18

Kuvio 7 esittää keksinnön suoritusmuotoa paineanturin 80 periaatteen toteuttamiseksi ja siihen sisältyy kaksisuuntainen sätei-lyenergian kulkutie 14, voiman muunnos, ja yhdysvälineet 17, jotka tässä tapauksessa ovat paineenyhdysvälineitä, kuten putki tai letku, resonanssielementti 22, kuituoptisen kulkutien pääte 23, säteilyenergian sähköenergiaksi muuntava muunnin 24, eristin 25, muuntaja 26, vaiheensiirtoväline 27, sähköinen kytkentäväline 28, päätukirakenne 29, magneettikenttälähdeväline (pohjoinen) 30 ja (etelä) 31, runko 32, kalvo 81, jossa on lujitettu ja/tai vahvistettu keskialue 83, esikuormitusjousi 82, ensimmäinen kammio 84, painekammio 85, väliseinä 86 ja aukko 88.

Kuvion 7 suoritusmuodossa resonanssielementti 22 on lanka tai nauha,joka on pingotettu päätukirakenteen 29 ja kalvon 81 väliin, joka kalvo erottaa tiiviisti ensimmäisen kammion 84 paine-kammiosta 85. Kalvon 81 keskialue 83 on lujitettu resonanssi-elementin 22 kiinnittämistä varten, jonka esikuormitusjousi 82 pitää jännitettynä painaen kalvoa poispäin väliseinästä 86. Resonanssielementti 22 on sijoitettu optisen tien päätteen 23 ja muuntimen 24 väliin siten, että se ainakin osittain katkaisee näiden kahden välisen tien. Paine (P^) johdetaan painekammioon 85 yhdysvälineen 17 välityksellä. Magneetit 30 ja 31 aikaansaavat magneettikentän, joka saattaa, kun resonanssielementti 22 on sähköisesti aktivoitu, resonanssielementin 22 liikkumaan edestakaisin kestomagneetin napapintojen välillä sekä reso-nanssielementissä kulkevan virran suuntaan että magneettikentän suuntaan nähden kohtisuorassa suunnassa.

Toimivassa järjestelmässä paineanturin 80 kalvoon 81 kohdistuu paine P^, joka edustaa mitattavaa fysikaalista suuretta. P^ painaa kalvoa 81 vastaan ja sen ohjausaluetta 83 vastaan paineeseen P^ verrannollisesti aikaansaaden muutoksen resonanssielementin 22 jännitykseen ja elementin resonanssitaajuus vaihtelee siten paineesta P^ riippuvaisesti. Resonanssielementin saattaa värähtelemään määritettävissä olevalla taajuudella sähköinen signaali, joka on saatu säteilyenergiasta, joka on johdettu kulkutien 14 kautta etäisestä säteilyenergiansyöttölähteestä

II

19 74541 (ei esitetty) kulkutien päätepisteeseen 23. Kun säteilyenergia (joka voi olla valoenergian muodossa) osuu muuntimeen 24, resonanssielementti 22 saa sähköisen signaalin muuntajan 26 kautta, joka saattaa resonanssielementin liikkumaan (magneettien 30, 31 kehittämän magneettikentän vaikutuksen alaisena) päätepisteen 23 ja muuntimen 24 väliselle valotielle ja siitä pois sulkien muuntimelle 24 tulevan valon säännöllisessä tahdissa, jonka taajuus riippuu kalvon 81 resonanssielementtiin 22 kohdistamasta jännityksestä. Resonanssielementti 22 on metallinauha, jossa on heijastava pinta tai vastaava. Nauhan resonanssitaajuu-den syöttämiseksi takaisin valo heijastetaan moduloidussa muodossa valon katkaisun aikana takaisin pitkin samaa tietä 14, jota pitkin se saapui, ja ilmaistaan etäällä edellä esitetyn selityksen mukaisesti. Jos halutaan mitata mittaripainetta, tarvitaan ulkoinen aukko 88. Jos halutaan mitata absoluuttista painetta, yksikköön voidaan imeä tyhjö ja aukko 88 suljetaan tiiviisti.

Keksinnön laite voi myös mitata lämpötilaa. Tämä voidaan tehdä useilla tavoilla ja näiden vaihtoehtojen valinta riippuu usein käytöstä, johon lämpötilanmittaus tullaan asettamaan. Esimerkiksi edellä kuvion 4 yhteydessä selitetyn mukaiseen laitteeseen voidaan kytkeä kaasutäytteinen kupu (esim. 121 kuviossa 11) ja paineenvaihtelut voidaan havaita mainitussa kohdasa selitetyllä tavalla. Samaa kaasutäytteisen kuvun sisältävää laitteistoa voidaan käyttää ontelon sisätilan paineistamiseksi, siten kuin kuviossa 8 on selitetty, lämpötilojen havaitsemiseksi. Usein on erityisen edullista tuntea määrä, jolla lämpötila vaikuttaa resonanssielementin 22 resonanssitaajuuteen mittaustarkkuuden selvillesaamiseksi. Kuvio 8 esittää tavanomaista tällaista tilannetta, jossa suoritetaan paineen kaukomittaus, lämpötila paineanturin paikalla on mitattava lämpötilan aiheuttamien vaihtelujen esiintymisen ja suuruuden selville saamiseksi paineen-mittauksen tarkkuutta määrättäessä.

Kuviossa 8 lämpötilan ja paineen mittaus suoritetaan kaksois-anturikokoonpanolla, jossa on lämpötilakompensoitu paineanturi 9o, 20 74541 joka sisältää säteilyenergian syöttölähdevälineen 19, muuttumattoman (CW) säteilyenergian kulkutien 11, paluusäteen poikkeutus-jakajan 13, ensimmäisen kaksisuuntaisen säteilyenergian kulkutien 14, ensimmäisen poikkeutetun pulssimaisen säteilyenergian kulkutien 15, anturin säteenjakajan/yhdistäjän 51 (ks. kuvion 5 selitys), toisen kaksisuuntaisen säteilyenergian kulkutien 52, kolmannen kaksisuuntaisen säteilyenergian kulkutien 53, ilmaisimen säteenjakajän 56, toisen pulssimaisen säteily-energian kulkutien 57, kolmannen pulssimaisen säteilyenergian kulkutien 58, ensimmäisen ilmaisimen aallonpituussuotimen 59, toisen ilmaisimen aallonpituussuotimen 60, ensimmäisen anturin aallonpituussuotimen 65, toisen anturin aallonpituussuotimen 66, paineanturin 80 (ks. kuvion 7 selitys edellä), lämpötilailmai-simen 93 ja sen lähtösignaalin 91 (kuvio 8), paineilmaisimen 94 ja sen painelähtösignaalin 92 ja lämpötila-anturin 100 (kuvion 9 selitys).

Lämpötilakompensoitu paineanturi 90 on oleellisesti samanlainen kuin kuvion 5 kaksoisresonaattorianturi 50 lukuunottamatta erityisten lämpötila- ja paineanturien 100, 80 käyttämistä. Paine-anturi 80 on selitetty edellä, lämpötila-anturi 100 (oleellisesti sama kuin oskillaattoriväline 20, joka on selitetty aikaisemmin) on kuvattu kuviossa 9 ja sitä selitetään seuraavassa.

Tässä samoin kuin kuviossa 5 antureissa 80 ja 100 kehitetään kaksi erillistä signaalia, jotka edustavat fysikaalisia parametrejä, käyttämällä yhtä ainoaa säteilyenergialähdevälinettä (ei esitetty) yhtä kulkutietä pitkin johdettuna energiansyöttö-lähteenä. Nämä kaksi signaalia, tässä paine ja paikallinen lämpötila paineanturin sijaintipaikalla, kehitetään kahtena aallonpituudeltaan erilaisena signaalina ja palautetaan samaa yhtä ainoaa kuituoptista kulkutietä 14 pitkin ilmaistavaksi erikseen, jolloin saadaan lämpötilasta riippuva signaali, joka voidaan yhdistää elektronisesti painesignaaliin ja jota voidaan käyttää lämpötilan aiheuttaman painesignaalivirheen pienentämiseksi .

Il 21 74541

Kuvio 9 esittää kaaviollisesti yksinkertaista lämpötila-anturia 100, joka soveltuu erikoisesti käytettäväksi mitattaessa ympäröivää lämpötilaa tilassa, joka sisältää yhden tai useamman muun anturin, jotka mittaavat sellaisia fysikaalisia suureita, joihin lämpötila vaikuttaa, kuten painetta. Laitteeseen sisältyvät elementit ovat: kaksisuuntainen säteilyenergian kulkutien 14, päätukirakenne 21, resonanssielementti 22, säteilyenergian sähköiseksi energiaksi muuntava muunnin 24, muuntaja 26, vaiheen-siirtoväline (vastus) 27, sähköinen kytkentäväline (28), magneet-tikenttälähdeväline 30 (N) ja 31 (S), runko 32, heijastin 101, hyppylanka 102 ja asennusalusta 103, sähköeristin 104 ja päätukirakenne 105.

Resonanssielementti 22 on ripustettu jännitettynä ensimmäisen ja toisen päätukirakenteen 21, 105 väliin ja eristetty sähköisesti eristeellä 104 päätuen 105 kohdalla. Kytkentä pääasennusalustaan 103 mahdollistaa resonanssielementin 22 kiinnittämisen eristimeen 104 ja päätukeen 105. Laitteeseen sisältyy vaiheensiirtoväline 27 ohjaustehon vaiheen asettelemiseksi halutun alueen sisällä (0°-180°). Taipuisa sähköjohdin kytkee resonanssielementin 22 eristetyn pään muuntajan 26 toisiokäämiin. Heijastinelementtiä 101 voidaan käyttää haluttaessa, sitä käytetään resonanssielementin 22 heijastavuuden parantamiseen, kun tällä ei ole riittävää heijastavuutta tai kun vaaditaan suurempaa valotehokkuutta. Valitsemalla resonanssielementin 22 ja rungon (alustan tai kotelon) 32 materiaalit lämpötilakertoimiltaan erilaisiksi paikallinen lämpötila voidaan mitata tarkasti. Itse resonoiva nauha 22 säilyttää taajuutensa lämpötilasta riippumatta. Moni-anturikäytössä siten kuin edellä on kuvion 5 yhteydessä selitetty, peilipinta voidaan päällystää yhdellä tai useammalla säteilyenergian taajuudelle selektiivisellä päällysteellä palaavan suljinohjatun energian taajuusvasteen rajoittamiseksi. Muut osat ja elementit toimivat täsmälleen samoin kuin kuvion 3 oleellisesti samanlaisessa laitteessa (selitetty aikaisemmin) edellä mainittuja eroja lukuunottamatta.

22 74541

Parannettu kuituoptinen kaukomittausanturi soveltuu erittäin hyvin kuviossa 10 esitetyn kaltaiseen kuormituskennoanturin 110 kokoonpanoon, johon sisältyy kaksisuuntainen säteilyener-gian kulkutie 14, voimanmuunnosyhdysväline 17, resonanssielement-ti 22, kuituoptisen kulkutien pääte 23, säteilyenergian sähköiseksi energiaksi muuntava muunnin 24, sähköeristin 25, muuntaja 26, vaiheensiirtoväline 27, sähköinen kytkentäväline 28, magneet-tikenttäväline (pohjoinen) 30 ja (etelä) 31, kuorma 111, kuor-mituskennon kotelo 112, ensimmäinen päätyseinämä 113, toinen pää-tyseinämä 114, kammio 115 ja pääasennusalusta 116.

Tässä kokoonpanossa anturi toimii oleellisesti samalla tavoin kuin aikaisemmin on selitetty kuvion 3 yhteydessä paitsi, että havaittuna fysikaalisena suureena on paine, joka kohdistetaan suoraan rakenteeltaan yhtenäiseen kuormituskennokoteloon 112 (ja välitetään koteloon 112 kokonaisuudessaan eikä päätyseinämään) voimanmuunnosvälineillä 17, joina on reuna tai huuli 17. Tässä piirustuksessa kuorma 111 on esitetty kaaviollisesti massana, johon painovoima vaikuttaa. Kuormituskennon 110 reuna tai huuli 17 voi olla kotelon 112 samaa kappaletta oleva osa tai täysin erillinen kappale. Sen tehtävänä on siirtää kohdistettu kuormitus-voima kotelon 112 sivuseinämiin eikä päätyseinämään, mistä voisi olla seurauksena virheellinen tai kalibroimaton lähtöluke-ma. On huomattava, että koska anturi mittaa kuorman kohdistamaa voimaa taajuudenmuutoksena eikä absoluuttisena taajuudenmittauk-sena sinänsä, kuormituskenno voidaan järjestää mihin tahansa asentoon tai asemaan siten, että se edelleen mittaa tarkasti kohdistettua voimaa (tämän aseman tai asennon aiheuttamien) virheiden ollessa pieniä tai puuttuessa kokonaan.

Kuvio 11 on yksinkertaistettu kaaviollinen kuvanto tämän keksinnön erään toisen suoritusmuodon mukaisesta väliaineella täytetyn kuvun sisältävästä resonanssiontelolämpötila-anturista, johon anturiin sisältyy kaksisuuntainen säteilyenergian kulkutie 14, voimanyhdysväline 17 (esitetty osittain leikattuna), joka tässä tapauksessa on paineenyhdysväline, kuituoptisen tien pääte 23, säteilyenergian sähköiseksi energiaksi muuntava 23 74541 muunnin 24, sähköinen kytkentäväline 28, heijastava katkoja 41, vaiheensiirtopiiri 42, ontto resonanssipalkkielementti 43 (esitetty osittain leikattuna), vibraattoriväline 44 ja väliaineella täytetty lämpötilalle herkkä säiliö, joka sisältää lämpötilaan reagoivaa väliainetta 122. Tavanomaista täytehöyryn-painetekniikkaa voidaan käyttää täyteväliaineen lämpötilavaiku-tusten välttämiseksi.

Tämän kokoonpanon toiminta on oleellisesti samanlainen kuin kuvion 4 yhteydessä selitetyn perusanturioskillaattorivälineen 40 toiminta lukuunottamatta erityistä voimanmuunnosvälinettä, väliaineella täytettyä lämpötilaan reagoivaa väliaineen säiliötä 121, joka voi sisältää mitä tahansa sopivaa lämpötilaan reagoivaa väliainetta 122 joko kaasua tai nestettä. Tässä järjestelyssä voimanmuunnosyhdysväline 17 voi olla putki tai kapillaari-putki, joka on kytketty onttoon palkkiin perustuvan resonanssi-elementin 43 ja lämpötilaan reagoivan väliaineen säiliön välille, joka voi olla muodoltaan kupumainen halutulla tavalla. Säiliöön 121 vaikuttavat lämpötilamuutokset laajentavat tai supistavat sen sisällä olevaa väliainetta. Väliaineen laajeneminen välittyy onttoon palkkiin perustuvan resonanssielementin 43 onteloon ja aiheuttaa sen resonanssitaajuuden muuttumisen.

Vaikka keksintöä on selitetty siten, että siinä on optisesti syötetty käyttöenergia ja havaitseminen suoritetaan optisesti, on selvää, että oskillaattorin sähkömekaaninen ohjausosa voidaan pysäyttää värähtelyjen katkaisemiseksi.

Kuvion 12 yksinkertaistettu kaaviollinen kuvanto esittää tiettyihin käyttöihin sovitettua keksinnön suoritusmuotoa, jossa on käytettävissä pienitasoisia sähkösignaaleja muuhun sähköiseen signaalinsiirtoon, ja johon sisältyy kaksisuuntainen sä-teilyenergian kulkutie 14, päätukirakenne 21, resonanssielement-ti 22, kuituoptisen kulkutien pääte 23, säteilyenergian sähköiseksi energiaksi muuntava muunnin 24, muuntaja 26, vaiheen-stabilointiväline 27, sähköinen kytkentäväline 28, oäätuki-rakenne 29, kytkin 131, pääasennusalusta 132 ja eristin 133.

24 74541 Pääasennusalusta 132 ja eristin 133 ovat sellaisia kuin aikaisemmin on selitetty osien 25 ja 87 yhteydessä (kuviot 3 ja 7). Kytkintä 131 lukuunottamatta muut elementit ovat samanlaisia kuin on selitetty kuviossa 3. Kytkin 131 (SW^) voi katkaista takaisinkytkentäsignaalin sähköiset signaalit ja sellaisena se on erinomainen väline niiden käynnistämiseksi ja pysäyttämiseksi. Suljettuna magneettisesti ohjattuna kielireleenä se muodostaa ideaalisen rajakytkimen tai muun värähtelyn keskeyttäjän. Kaksi tai useampia normaalisti suljettuja laitteita voidaan kytkeä sarjaan kytkimen 131 kanssa tai kytkimen 131 rinnalle voidaan kytkeä kaksi tai useampia normaalisti avoimia kytkinlaitteita monikeskeytystoimintojen aikaansaamiseksi. Muissa paikoissa olevat lisäkytkimet voivat olla hyödyllisiä erilaisissa alueen-tunnistus- tai asemanpaikantamis- ja vertailukäytöissä. Vaihtoehtoisesti navoista 134, 135 voidaan johtaa suoraan sähköinen signaali siten kuin kuviossa 13, ja sitä voidaan käyttää muuhun sähköiseen tiedonsiirtoon. Tämä on tavallisesti oienitasoinen signaali .

Kuvion 13 suoritusmuoto on oleellisesti samanlainen kuin kuvion 12 suoritusmuoto lukuunottamatta kuvion 12 kytkimen (SI) 131 puuttumista ja kuvion 13 sähköisten koskettimien 134, 135 lisäämistä mahdollistamaan laitteiston suora sähköinen ja/tai optinen tehonsyöttö/havaitseminen. Näitä sähköisiä koskettimia voidaan myös käyttää ilmaisuun, paikallisosoitus- ja/tai kalib-rointitarkoituksiin. Sama pätee monissa muissa tässä selitetyn keksinnön suoritusmuodoissa. Sähköisessä toimintamuodossa käytettynä napojen 141 ja 135 välinen yhteys voidaan katkaista muuntimen aiheuttaman kuormituksen välttämiseksi. Yhteyden 140 tilalla voi olla kytkin.

Lopuksi tarkastellaan kuviota 14, jossa on esitetty kaksi esitystä langan asennosta ja ohjausvirrasta, joissa virtojen suhteellinen vaihe on oikea kuviossa 14B ja 90° vaihesiirretty (väärä) kuviossa 14A. Kuvio 14B esittää stabiilia toimintaa. Ohjausvirta on käytettävissä vain, kun resonanssielementin heijastava osa ei estä valoa pääsemästä muuntimelle.

Claims (20)

25 74541 Patentti vaati mukset

1. Menetelmä voiman havaitsemiseksi optisesti ohjatussa värähtelevässä resonanssi elementti1 aitteessa, johon sisältyy resonanssi elementti (22; 43), johon kohdistuu kuormitusvoima, säteilyenergian ohjauslähde (19) ja väline kuormitusvoimaan liittyvän signaaliarvon palauttamiseksi, jolloin menetelmään s i s ä 1 tyy muuttumattoman säteilyenergian säteen kohdistaminen säteily-energian kulkutien (11, 14) 1ähteenpuolei seen päähän; mainitun muuttumattoman säteilyenergian johtaminen mainittua kulkutietä (11, 14) pitkin ensimmäisessä suunnassa etäällä olevalle resonanssi elementti1 aitteel1 e (22; 43), tunnettu siitä, että mainittua johdettua sätei1yenergiaa käytetään vuorottel evästi ohjaamaan ajoittaisesti resonanssi elementtiä (22; 43) värähtelevässä muodossa ja ainakin osa säteilyener-giasta heijastetaan osittain mainittua kulkutietä (14) pitkin toisessa käänteisessä suunnassa, jolloin sätei1yenergiasta johdetaan sähköenergiaan niiden aikajaksojen aikana, kun sätei lyenergiaa ei heijasteta, ja sitä käytetään mainitun reso-nanssielementin (22; 43) värähtelyn ylläpitämiseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että heijastettujen säteilyenergiapulssien taajuus riippuu resonanssi elementtiin (22; 43) kohdistetusta kuormi-tusvoimasta ja että menetelmään sisältyy vaiheena heijastetun sätei1yenergian havaitseminen kuormitusvoiman arvon ilmaisemiseksi .

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säteilyenergian kulkutievä!ineen 1ähteenpuolei -seen päähän kohdistetaan sätei1yenergiai taan muuttumaton säde, joka sisältää useita aallonpituuksia, joihin sisältyy ainakin ensimmäinen ja toinen aallonpituus; mainittu muuttumattoman sätei1yenergian säde johdetaan mainittua kulkutietä (11, 14) pitkin ensimmäisessä suunnassa jakajalle (51), joka jakaa sätei lyenergi an useille erillisille teille (52, 53); säteily- 26 74541 energia johdetaan ainakin yhdestä mainituista erillisistä teistä kaukaiseen resonanssielementti1 aitteeseen ja johdettua säteilyenergiaa käytetään vuorottelevästi ohjaamaan ajoittai-sesti ainakin yhtä resonanssi elementtiä värähtelevässä muodossa ja energia, jonka aallonpituus on valittu ainakin osasta mainittua sätei1yenergiaa, heijastetaan pitkin ainakin osaa (14) mainitusta kulkutiestä käänteisessä suunnassa.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että resonanssi elementti (22; 43) saatetaan värähtelemään sähkömagneettisen kentän vuorovaikutuksella oleellisesti väki omagneetti k entä ssä.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että resonanssi elementti (22; 43) saatetaan värähtelemään kohdistamalla siihen mekaaninen kuormitus, joka on aikaansaatu kohdistamalla sähkökenttä suoraan pietsosäh-köiseen elementtiin.

6. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että heijastunut säteilyenergia erotellaan sivuun selektiivisesti aallonpituuden perusteella ja havaitaan kuormi-tusvoiman arvon ilmaisemiseksi.

7. Optisesti ohjattu värähtelevä resonanssi elementti1 ai -te voiman havaitsemiseksi, johon kuuluvat: ainakin yksi resonanssi elementti (22; 43), johon kohdistuu kuormi tusvoi ma; säteilyenergiaiähde (19) säteilyenergian antamiseksi; energian kulkutie (11, 14) säteilyenergian johtamiseksi ensimmäisessä suunnassa resonanssi elementin (22; 43) lähellä olevaan päätepisteeseen (23); muunninväline (24), joka muuntaa säteilyenergian sähköiseksi energiaksi, mainitun resonanssi elementin lähellä ja vastapäätä mainittua päätepistettä (23), päätepisteestä ulostulevan säteilyenergian suuruudesta johdetun sähkövirran kehittämiseksi , ja 27 7 4 5 4 1 sähköinen 1iikutusväline (26, 27, 28, 30, 31), joka on kytketty sähköisesti muuntimeen (24) aiheuttamaan resonanssi ele-mentin liike poikittaissuunnassa muuntimen ja päätepisteen välillä resonanssi elementin resonanssi taajuudesta riippuvalla taajuudella, tunnettu siitä, että siihen sisältyy yksi yhdystie (11, 14) säteilyenergian kanavoimiseksi ensimmäisessä suunnassa resonanssielementin lähellä olevaan päätepisteeseen (23) sekä resonanssi elementtiin (43) liittyvä heijastusväline (41), joka on sijoitettuna päätepisteen (23) ja muunninväli-neen (24) väliin resonanssi elementin liikkeen aikana, ainakin osan säteilyenergiasta heijastamiseksi ainakin yhdystien osaa (14) pitkin ensimmäiseen suuntaan nähden vastakkaiseen toiseen suuntaan.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että resonanssiel ementti (22), johon kuormitusvoima kohdistuu, on nauha.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että resonanssi el ementti (43), johon kuormitusvoima kohdistuu, on ontto resonanssipalkkirakenne.

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että säteilyenergiaiähteen (19) antaman säteilyenergian aallonpituus on välillä 10 -10 Ä.

11. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että yhdystievälineet käsittävät yhden ainoan kuituoptisen säteilyenergian kulkutien (14).

12. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että yhdystie käsittää peräkkäisen jonon säteilyenergian kulkutie-elementtejä (11, 14) yhtä yhtenäistä tietä pitkin.

13. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että säteilyenergiaiähteen (19) antama säteilyenergia on oleellisesti muuttumatonta ja moduloimatonta. 28 74541

14. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että sen sähköinen 1iikutusväline käsittää: magneettisen voiman esijännitysvälineen (30, 31) magneettikentän kehittämiseksi mainitun resonanssi elementin (22) ympä-ri11 e; ja välineen (28, 26 ) muuntimen (24) sähköenergiai ähdön yhdistämiseksi mainitun resonanssi elementin asianomaisiin päihin ja muuntimen lähtövirran johtamiseksi elementi n läpi sähkömagneettisen kentän kehittämiseksi; jolloin resonanssi elementin (22) liike aiheutuu muunninväli-neen (24) ja säteilyenergian päätepisteen (23) välillä mag-neettivoiman esijännitysvälineen ja sähkömagneettisen kentän vuorovai kutuk sei 1 a.

15. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite useiden ainakin yhdestä fysikaalisesta parametristä riippuvien kuormitusvoi-mien havaitsemiseksi etäältä, tunnettu siitä, että siihen s i s ä 1 tyy joukko värähteleviä resonanssi elementtejä (22), joihin kohdistuu ainakin kaksi kuormitusvoimaa, jotka riippuvat ainakin yhdestä fysikaalisesta parametristä, sijoitettuna etäälle mainitusta säteilyenergiaiähteestä (19); välineet (51) yhdystien jakamiseksi joukoksi yhdysteitä (52, 53. ja säteilyenergian siirtämiseksi pitkin kutakin mainituista yhdysteistä vastaavaan yksittäiseen päätevälineeseen kunkin resonanssi el ementi n lähellä, kuhunkin tiehen ja kuhunkin päätepisteeseen liittyvät yksittäiset muunninvälineet (24) kunkin resonanssi elementin lähellä ja vastapäätä asianomaista vastaavaa päätepistettä, sähkö-jännitteen kehittämiseksi vastaavasta päätepisteestä ulostu-levasta säteilyenergiasta, yksittäiset sähköiset 1iikutusvälineet (26, 27, 28, 30, 31), jotka aiheuttavat kunkin resonanssielementin (22) liikkeen poikittain sen vastaavan muuntimen (24) ja asianomaisen päätepisteen välillä muuntimelle tulevan sätei1yenergian varjosta-mi seksi, 29 745 41 heijastava pinta kullakin mainituista resonanssi elementeistä säteilyenergian moduloimiseksi siten, että se heijastaa ainakin osan säteilyenergiasta ainakin yhdystien osaa (52, 53) pitkin ensimmäiseen suuntaan nähden vastakkaiseen toiseen suuntaan, välineet (65, 66) kultakin mainitulta resonanssielementi1tä (22) palautetun säteilyenergian erottelemiseksi selektiivisesti aallonpituuden perusteella ja välineet (61, 62) kuhunkin resonanssi elementtiin liittyvän palautetun säteilyenergian ilmaisemiseksi.

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet säteilyenergian erottelemiseksi selektiivisesti aallonpituuden perusteella käsittävät aal1onpituusse-lektiivisen suodinelementin (65, 66), jonka läpi asianomaiselta resonanssi elementi1tä tuleva säteilyenergia kulkee.

17. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet sätei1yenergian erottelemiseksi selektiivisesti aallonpituuden perusteella käsittävät erilaisen aallon-pituusselektiivisen päällysteen kunkin asianomaisen resonans-sielementin (22) heijastavalla pinnalla.

18. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laite, tunnettu siitä, että onttoon resonanssipalkkirakenteeseen (43) sisältyy sisäinen ontelo väliaineen (122) painevoiman havaitsemiseksi saattamalla ontelo yhteyteen väliaineen painevoiman kanssa, laitteen sisältäessä lisäksi tasapainossa olevaa höyryä, joka erottaa väliaineen painevoimanlähteen ja onton resonanssipal-kin (43) sisäisen ontelon.

19. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että siihen sisältyy lisäksi väline (131) muuntimen (24) ja sähköisen 1iikutusvälineen (26, 27, 28) välisen sähköisen kytkennän katkaisemiseksi. 30 7 4 5 41

20. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu sii tä, että siihen sisältyy lisäksi päätevälineet (134, 135) sähköistä kaukomerkinantoa varten ja värähtelevän resonans-sielementtilaitteen (22) erottamista varten.