WO1999066293A1 - Faseroptisches datenübermittlungssystem und verfahren zum betrieb eines datenübermittlungssystems - Google Patents

Faseroptisches datenübermittlungssystem und verfahren zum betrieb eines datenübermittlungssystems Download PDF

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WO1999066293A1
WO1999066293A1 PCT/DE1999/001749 DE9901749W WO9966293A1 WO 1999066293 A1 WO1999066293 A1 WO 1999066293A1 DE 9901749 W DE9901749 W DE 9901749W WO 9966293 A1 WO9966293 A1 WO 9966293A1
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optical waveguide
optical
sensor
data transmission
transmission system
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PCT/DE1999/001749
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Uwe Linnert
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic data transmission system and to a method for operating such a data transmission system, wherein data in the form of electromagnetic waves in an optical waveguide are transmitted from a transmitter to a receiver.
  • Fiber optic data transmission systems in which the data are transmitted via optical fibers have found their way into many technical areas.
  • fiber optic data transmission systems are also used in long-distance transmission networks of technical systems, in particular electrical switchgear.
  • bus systems for electrical high-voltage switchgear for power supply or power distribution.
  • Such a bus system may connect several assemblies of the aforementioned systems with one another over very long distances.
  • the bus system can have a ring bus structure or a network or star structure.
  • Sensors for detecting parameters can be provided on the individual modules, which parameters characterize the operating state of the module or reflect influences from the environment of the module.
  • the data recorded by a sensor are, for example, coupled into the optical waveguide of the bus system as measurement signals and transmitted to a control center for evaluation.
  • an electronic component is necessary which appropriately converts the data measured by the sensor into light signals and couples them into the optical waveguide.
  • a separate component is required for spatially separated sensors. The coupling of several Sensors in a bus system is lig therefore complex and expensive ⁇ .
  • Fiber Bragg Grid This is essentially an optical grating integrated in an optical fiber or in an optical waveguide. Light waves which propagate in the optical waveguide and hit the Bragg grating and fulfill the so-called Bragg condition are emitted by the grating in deflected in a characteristic way and form a signal emanating from the grating.
  • the grid plane or grating spacing of the grating and the wavelength of the light as well as the angle of incidence of the light must be in a certain relationship to one another usually only for a certain wavelength, the so-called Bragg wavelength.
  • the Bragg grating is therefore wavelength-sensitive Light with a different wavelength can pass through the Bragg grating unhindered.
  • the above-mentioned article points to the possibility of using the fiber Bragg grating in a measuring device as a sensor.
  • the suitability of the fiber Bragg grating for this results in particular from the indirect dependence of the Bragg wavelength, for example on the temperature or the elongation, since their changes lead to a change in the grating spacing and thus to a characteristic change in the light deflected by the grating.
  • the present invention has for its object to provide a fiber optic data transmission system and a method for operating a data transmission system, elaborate electronic components for coupling measurement data determined by a sensor into the optical waveguide.
  • a transmitter for coupling electromagnetic waves into an optical waveguide and a receiver for the waves as well as a sensor system are provided to achieve the object, which sensor has a sensor integrated in the optical waveguide and an evaluation device for a sensor emitted by the sensor Signal which can be transmitted to the evaluation device via the optical waveguide.
  • the data transmission system is characterized by the combination of a sensor system with a normal data line. Due to the integration of the sensor in the optical waveguide, there is no need for a complex electronic component for converting and coupling in measurement signals that come from a non-integrated, external sensor. An important aspect is that the sensor is integrated in a data line used for normal data transmission and that a signal emitted by the sensor is transmitted to an evaluation device via the same data line.
  • the fiber optic data transmission system combines a conventional data transmission system with a sensor system that is at least partially integrated into the data line.
  • a sensor system that is at least partially integrated into the data line.
  • the data are transmitted in optical waveguides, preferably in digital form.
  • the measurement signals reproduce information, for example about the operating states of modules connected to one another via the data line.
  • the sensor system is also particularly suitable for retrofitting in an existing data transmission system. Another important advantage of the integrated sensor is the possibility of self-monitoring of the optical waveguide, ie with the integrated sensor, state parameters of the optical waveguide can be queried at the location of the integrated sensor. In addition, in comparison to the external sensors, a self-supply for the integrated sensor is not necessary.
  • the sensor preferably comprises an optical grating, in particular a so-called Bragg grating.
  • the grating distances are set during manufacture so that the grating is sensitive to a certain wavelength.
  • the grid spacing or also the network plane spacing of the grating can be changed by a variable influencing the optical waveguide from the outside.
  • Such an influencing variable is, for example, a change in temperature in the environment or an action of force on the optical waveguide, which occurs periodically in the form of vibrations, for example. Temperature change and the effect of force cause a length change in the optical waveguide, which causes a change in the network plane spacing.
  • the magnitude of the influence on the optical waveguide can be derived from the magnitude of the spectral shift.
  • the Bragg grating can be operated both in reflection and in transmission.
  • the senor is matched to an optical parameter, in particular to a specific wavelength of the electromagnetic waves fed into the optical waveguide.
  • the coordination is usually brought about in the manufacture of the grating by the choice of the network plane spacings.
  • a sensor suitable for this spectral distribution can therefore be provided for a data transmission system in which a certain spectral distribution of the light m is radiated into the optical waveguide.
  • the spectral distribution of the fed Light can be both broadband and narrowband.
  • a rather narrow band distribution has the advantage that the Bragg condition can only be fulfilled for a single wavelength.
  • the mode of operation of the Bragg sensor is almost unaffected by the choice of the spectral distribution of the incident light.
  • the spectral distribution of the incident light also depends not least on the special design of the optical waveguide.
  • Optical waveguide arranged several sensors, so that information can be called up at different locations on the optical waveguide.
  • the sensors are preferably connected to a single evaluation device via the optical waveguide, so that no additional evaluation devices are necessary on the sensors themselves and the signals emitted by the sensors can be easily recorded and evaluated centrally. To differentiate between the individual sensors in the
  • the optical fibers emitted signals, the sensors are tuned to different values of an optical parameter or to different optical parameters.
  • the sensors are matched to different wavelengths by the choice of different network level distances.
  • the sensors integrated in the optical fiber can also be sensitive to different optical parameters.
  • An example of a further optical parameter in addition to the wavelength is the refractive index of the optical waveguide, which can change with the action of a force on the optical waveguide.
  • a change in the refractive index also leads to a change in the Bragg condition and thus to a spectral shift in the signal emitted by the grating.
  • the number of sensors that emit signals that can be distinguished from one another is generally determined by the spectral bandwidth of the incident light and the resolution of the evaluation device.
  • the line width of a signal emitted by the grating is typically in a range between 0.1 nm and 1 n.
  • the spectral shift due to the external influences is in the range of a few nanometers.
  • the data transmission system preferably has a star or network structure and is integrated in a telecommunication network provided, for example, for energy supply.
  • the data transmission system is designed, in particular, as a bus system which connects several modules to one another over greater distances for the transmission of data.
  • the use of integrated sensors in the optical waveguide of such a bus system advantageously leads to a reduction in the number of bus users compared to the use of external sensors, which require a separate electronic component for converting and coupling the sensor signal into the optical waveguide. Due to the comparatively small number of bus users, the data transfer rate can be increased and shorter bus cycle times can be achieved.
  • the invention provides for coupling data from an optical transmitter into an optical waveguide and for transmitting it via the optical waveguide to a receiver, an influencing variable acting on the optical waveguide from outside, the influencing variable is detected with a sensor integrated in the optical waveguide, and the sensor is associated with the influencing variable Generates a signal which is transmitted to an evaluation device via the optical waveguide and evaluated there.
  • FIG. 1 shows a schematic section of an optical waveguide with an integrated sensor
  • FIG. 2 shows a schematic view of a data transmission system with sensors integrated in the optical waveguide
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a data transmission system with a ring bus structure and several integrated sensors and
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a hierarchically structured bus system with integrated sensors.
  • the cladding 4 and the core 6 of the optical waveguide 2 are shown in the optical fiber shown in FIG. 1, the optical waveguide 2.
  • two sensors each represented as an optical grating 8 and spaced apart, are indicated.
  • the grids 8 are especially saw called Bragg grating.
  • the sensors as such are therefore also referred to as Bragg sensors.
  • Data in the form of light signals are transmitted in the optical waveguide 2 from the left to the right side.
  • the data are preferably transmitted in digital form.
  • the optical fiber can also be referred to as a data line.
  • part of the light that is fed in is reflected by the grating 8 and is reflected back as a signal S against the direction of the data transmission.
  • the grating 8 is accordingly operated in the reflection mode. In principle, however, it can also be operated in transmission mode.
  • the light is thus coupled into the optical waveguide 2 with a predetermined bandwidth.
  • a data transmission system 10 comprises a transmitter 12 to which the data D to be transmitted are fed on the input side.
  • the transmitter 12 converts the data D into light signals, if necessary, and couples them into the optical waveguide 2.
  • the data transmission system 10 also has an integrated sensor system. For this purpose, it comprises sensors integrated in the optical waveguide 2 in the form of gratings 8A, 8B, a coupling element 16 and an evaluation device 18.
  • the signals S emitted by the gratings 8A, 8B are decoupled from the optical waveguide 2 and transmitted to the evaluation device 18.
  • the two gratings 8A, 8B are matched to different Bragg wavelengths and are used, for example, to detect changes in temperature or strain.
  • the evaluation device The device 18 in particular comprises a spectrometer for the wavelength-specific detection of the signals S transmitted by the Bragg gratings 8A, 8B.
  • FIG. 3 schematically shows such a wavelength-specific spectrum as is output by the spectrometer.
  • the spectrum shows the intensity I of the signals in relation to the wavelength ⁇ .
  • the grating 8A In the basic state, i.e. Without special external influences on the optical waveguide 2, the grating 8A generates, for example, the signal S1, the maximum intensity of which lies at the Bragg wavelength ⁇ l.
  • the signal S2 with the maximum at ⁇ 2 is generated by the grid 8B.
  • the line width ⁇ of the signals S1, S2 emitted by the gratings 8A, 8B is typically approximately 0.1 to 1 nm.
  • the network plane spacing of the grating 8A or 8B is changed by an external influence on the optical waveguide 2, so that the Bragg wavelength ⁇ l, ⁇ 2 shifts.
  • the maximum of the Bragg wavelength is then, for example, ⁇ l 'or ⁇ l' 'or ⁇ 2' or ⁇ 2 ''.
  • the shifted signals are shown in dashed lines in FIG.
  • the distance of the shifted signals from the original signals S1, S2 is a measure of the external influence acting on the optical waveguide 2.
  • the type of change in the influencing variable can be read from the direction of the shift, whether towards larger or smaller wavelengths ⁇ , namely whether it is, for example, a temperature increase or a temperature decrease or an expansion or compression of the optical waveguide 2.
  • FIG. 4 shows a ring bus structure in which a number of modules are connected to one another via an annular data line, the optical waveguide 2.
  • a central control unit 20, which includes the evaluation device 18, is integrated into the ring bus structure.
  • the optical waveguide 2 are a number of sensors in the form of Bragg grids 8 and coupling elements 22 connected, which are each connected to an assembly 24.
  • Such assemblies 24 are, for example in the field of energy supply or energy distribution, complete substations or individual devices, such as transformers.
  • Data, for example control signals, which are intended for the assemblies 24 are fed into the optical waveguide 2 by the central control unit. These data are decoupled from the optical waveguide 2 by the coupling member 22 assigned to the respective assembly 24, possibly converted into electrical signals and forwarded to the assembly 24.
  • the grids 8 integrated in the optical waveguide 2 certain state or influencing variables are measured, which act on the optical waveguide 2, for example, at the location of the respective assembly 24.
  • the signals emitted by the gratings 8 are transmitted via the optical waveguide 2 to the evaluation device 18 of the central control unit 20 and evaluated there.
  • the signals can be in the
  • Optical waveguide 2 are transmitted in the direction of normal data transmission or in the opposite direction.
  • an optical bus system is structured hierarchically as a data transmission system and connects assemblies from different hierarchy levels I, II, III to one another via a data line in the form of an optical waveguide 2.
  • the top hierarchy level I is assigned, for example, to a large-scale power generation system with a substation connected to it.
  • the central control unit 20 with the integrated evaluation device 18 is preferably arranged in this hierarchy level. From the substation, electrical energy is fed into a power grid via long-distance lines and under high voltage and transmitted to parts of the second hierarchy level II.
  • the second hierarchy level II is, for example, a downstream substation, in which the electricity is fed into the local network for the local households or industries.
  • This second hierarchy level II has, as the third hierarchy level III, several system parts, such as transformers or the like.
  • the bus system of a structural unit 26, which is assigned to hierarchy level II, is also referred to as a station bus and, according to FIG. 5, is designed as a mixed structure between hierarchical bus structure and ring bus structure.
  • the lowest modules 24 of hierarchy level III are connected to one another for fast data exchange via a ring bus.
  • a number of sensors in the form of gratings 8 are arranged in the optical bus system, and can in principle transmit data from each hierarchy level I, II, III to the central control unit 20.
  • the sensors transmit information via a transmission line network as such or information from or about individual assemblies 24 of a local station.
  • the operating states of the assemblies 24 or of system parts arranged in the respective hierarchy level, such as, for example, the temperature on the transformer, can be determined with the sensors 8. Such information is then forwarded to the central control unit 20 via the optical waveguide 2.
  • the control unit 20 can also be arranged in the assembly 26 as required. If a critical condition is detected with a sensor, the central control unit 20 can act remotely on an assigned module 24 via the data line and promptly and promptly take the appropriate measures for correct operation and thus prevent a serious malfunction.
  • the data transmission system with an integrated sensor system is advantageously used in a complex network structure that has a large number of components to enable the data exchange between the individual components and, on the other hand, collect information about the environment at the location of these components or about the operating states of the components. On the basis of the information collected, the individual components m of the complex network structure can be monitored and, if necessary, influenced.
  • the proposed data transmission system with an integrated sensor system is of simpler construction, less prone to failure and less cost-intensive, since the external sensors and the electronic components are used for Coupling can be dispensed with.

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Abstract

Um in einem faseroptischen Datenübermittlungssystem (10) neben den normalen Daten zugleich auch Meßsignale von Sensoren ohne spezielle elektronische Bauteile zum Einkoppeln der Sensorsignale in einen Lichtwellenleiter (2) übermitteln zu können, ist es vorgesehen, das optische Datenübermittlungssystem (10) mit einem darin integrierten Sensorsystem zu kombinieren. Als Sensoren dienen bevorzugt in den Lichtwellenleiter (2) integrierte Bragg-Gitter (8). Ein solches optisches Datenübermittlungssystem (10) mit integriertem Sensorsystem wird bevorzugt in Fernübertragungsnetzen, beispielsweise zur Überwachung von Baugruppen (24), eingesetzt.

Description

Beschreibung
Faseroptisches Datenübermittlungssystem und Verfahren zum Betrieb eines Datenübermittlungssystems
Die Erfindung bezieht sich auf ein faseroptisches Datenübermittlungssystem und auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Datenübermittlungssystems, wobei Daten in Form von elektromagnetischen Wellen in einem Lichtwellenleiter von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt werden.
Datenübermittlungssysteme, bei denen die Daten über Lichtwellenleiter übermittelt werden, haben in vielen technischen Bereichen Einzug gefunden. Unter anderem werden solche faserop- tischen Datenübermittlungssysteme auch in Fernübertragungs- netzen von technischen Anlagen, insbesondere elektrische Schaltanlagen, eingesetzt. Insbesondere finden sie Anwendung in Bussystemen für elektrische Hochspannungs-Schaltanlagen der Energieversorgung oder Energieverteilung. Ein solches Bussystem verbindet mehrere Baugruppen der vorgenannten Anlagen unter Umständen über sehr große Entfernungen miteinander. Das Bussystem kann hierbei eine Ringbusstruktur oder eine Netz- oder Sternstruktur aufweisen.
An den einzelnen Baugruppen können Sensoren zum Erfassen von Parametern vorgesehen sein, welche den Betriebszustand der Baugruppe charakterisieren oder Einflüsse aus der Umgebung der Baugruppe wiedergeben. Die von einem Sensor erfaßten Daten werden beispielsweise als Meßsignale in den Lichtwellen- leiter des Bussystems eingekoppelt und zur Auswertung an eine Zentrale übermittelt. Um die Daten über den Lichtwellenleiter übermitteln zu können, ist ein elektronisches Bauteil notwendig, das die vom Sensor gemessenen Daten geeignet in Lichtsignale umwandelt und diese in den Lichtwellenleiter einkop- pelt. Für räumlich getrennte Sensoren ist dabei jeweils ein gesondertes Bauteil notwendig. Die Ankopplung von mehreren Sensoren in ein Bussystem ist daher aufwendig und kostspie¬ lig.
Aus dem Artikel „Faser-Bragg-Gitter: Frequenzselektive Faser- elemente mit maßgeschneiderten Eigenschaften" von V. Hagemann et al., aus den physikalischen Blättern 54, Nr. 3, 1998, Seiten 243 bis 245, ist ein sogenanntes Faser-Bragg-Gitter bekannt. Dieses ist im wesentlichen ein in eine optische Faser oder in einen Lichtwellenleiter integriertes optisches Git- ter. Lichtwellen, die sich in dem Lichtwellenleiter fortpflanzen und auf das Bragg-Gitter treffen und die sogenannte Bragg-Bedingung erfüllen, werden von dem Gitter in einer charakteristischen Weise abgelenkt und bilden ein vom Gitter ausgehendes Signal. Zur Erfüllung der Bragg-Bedingung müssen der Netzebenen- bzw. Gitterabstand des Gitters und die Wellenlänge des Lichts sowie der Einfallswinkel des Lichts in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Die Bragg-Bedingung ist in der Regel nur für eine bestimmte Wellenlänge, der sogenannten Bragg-Wellenlänge, erfüllt. Das Bragg-Gitter ist also wellenlängensensitiv. Licht mit anderer Wellenlänge kann das Bragg-Gitter ungehindert passieren.
In dem oben genannten Artikel wird auf die Möglichkeit hingewiesen, das Faser-Bragg-Gitter in einer Meßvorrichtung als Sensor einzusetzen. Die Eignung des Faser-Bragg-Gitters hierfür ergibt sich insbesondere aus der indirekten Abhängigkeit der Bragg-Wellenlänge beispielsweise von der Temperatur oder der Dehnung, da deren Änderungen zu einer Veränderung der Gitterabstände und damit zu einer charakteristischen Änderung des vom Gitter abgelenkten Lichts führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Datenübermittlungssystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Datenübermittlungssystems anzugeben, wobei aufwendige elektronische Bauteile zum Einkoppeln von von einem Sensor ermittelten Meßdaten in den Lichtwellenleiter entfallen. Bei dem faseroptischen Datenübermittlungssystem gemäß der Erfindung ist zur Lösung der Aufgabe ein Sender zum Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen in einen Lichtwellenleiter und ein Empfänger für die Wellen sowie ein Sensorsystem vorgese- hen, das einen in den Lichtwellenleiter integrierten Sensor und eine Auswerteeinrichtung für ein vom Sensor abgegebenes Signal aufweist, welches über den Lichtwellenleiter zu der Auswerteeinrichtung übermittelbar ist.
Das Datenübermittlungssyste zeichnet sich durch die Kombination eines Sensorsystems mit einer normalen Datenleitung aus. Aufgrund der Integration des Sensors in den Lichtwellenleiter entfällt ein aufwendiges elektronisches Bauteil zur Umwandlung und Einkopplung von Meßsignalen, die von einem nicht-in- tegrierten, externen Sensor stammen. Ein wesentlicher Aspekt ist, daß der Sensor in eine für die normale Datenübertragung verwendete Datenleitung integriert ist, und daß ein vom Sensor abgegebenes Signal über die gleiche Datenleitung zu einer Auswerteeinrichtung übermittelt wird.
Das faseroptische Datenübermittlungssystem kombiniert ein herkömmliches Datenübermittlungssystem mit einem in die Datenleitung zumindest teilweise integrierten Sensorsystem. Dadurch können in einfacher und kostengünstiger Weise mit einer bereits bestehende Datenleitung nicht nur Daten übertragen, sondern auch Daten in Form von Meßsignalen erzeugt werden. Datenleitung und Sensorsystem bilden quasi eine Baueinheit. Anders ausgedrückt: Die Datenleitung dient als Sensor.
Die Daten werden in Lichtwellenleiter bevorzugt in digitaler Form übertragen. Die Meßsignale geben Informationen, beispielsweise über Betriebszustände von über die Datenleitung miteinander verbundenen Baugruppen, wieder. Das Sensorsystem eignet sich insbesondere auch zum nachträglichen Einbau in ein bestehendes Datenübermittlungssystem. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des integrierten Sensors ist die Möglichkeit der Eigenuberwachung des Lichtwellenleiters, d.h. mit dem integrierten Sensor können Zustandsparame- ter des Lichtwellenleiters am Ort des integrierten Sensors abgefragt werden. Weiterhin ist für den integrierten Sensor im Vergleich zu den externen Sensoren eine Eigenbedarfsversorgung nicht notwendig.
Bevorzugt umfaßt der Sensor ein optisches Gitter, msbeson- dere ein sogenanntes Bragg-Gitter. Die Gitterabstande werden bei der Herstellung derart eingestellt, so daß das Gitter für eine bestimmte Wellenlange empfindlich ist. Der Gitterabstand oder auch Netzebenenabstand des Gitters kann durch eine von außen auf den Lichtwellenleiter einwirkende Einflußgroße ver- ändert werden. Eine solche Einflußgroße ist beispielsweise eine Temperaturanderung in der Umgebung oder eine Krafteinwirkung auf den Lichtwellenleiter, die beispielsweise periodisch in Form von Vibrationen auftritt. Temperaturanderung sowie Krafteinwirkung verursachen eine Langenanderung des Lichtwellenleiters, die eine Änderung des Netzebenenabstands bewirkt. Dadurch ändert sich die Bragg-Bedingung, und das vom Gitter ausgehende Signal verschiebt sich spektral, d.h. die Bragg-Wellenlange verschiebt sich. Aus der Große der spektralen Verschiebung laßt sich die Große des Einflusses auf den Lichtwellenleiter ableiten. Das Bragg-Gitter laßt sich sowohl in Reflexion als auch in Transmission betreiben.
In einer bevorzugten Ausfuhrung ist der Sensor auf eine optische Kenngroße, insbesondere auf eine bestimmte Wellenlange der in den Lichtwellenleiter eingespeisten elektromagnetischen Wellen, abgestimmt. Die Abstimmung wird in der Regel bei der Herstellung des Gitters durch die Wahl der Netzebe- nenabstande herbeigeführt. Es kann daher für ein Datenübermittlungssystem, bei dem eine bestimmte spektrale Verteilung des Lichts m den Lichtwellenleiter eingestrahlt wird, ein für diese spektrale Verteilung geeigneter Sensor bereitgestellt werden. Die spektrale Verteilung des eingespeisten Lichts kann sowohl breitbandig als auch schmalbandig sein. Eine eher sch albandige Verteilung weist den Vorteil auf, daß die Bragg-Bedingung nur für eine einzige Wellenlänge erfüllt sein kann. Die Wirkungsweise des Bragg-Sensors ist von der Wahl der spektralen Verteilung des eingestrahlten Lichts nahezu unbeeinflußt. Die spektrale Verteilung des eingestrahlten Lichts richtet sich nicht zuletzt auch nach der speziellen Ausgestaltung des Lichtwellenleiters.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind in dem
Lichtwellenleiter mehrere Sensoren angeordnet, so daß sich an unterschiedlichen Stellen des Lichtwellenleiters Informationen abgerufen werden können.
Bevorzugt sind die Sensoren über den Lichtwellenleiter mit einer einzigen Auswerteeinrichtung verbunden, so daß an den Sensoren selbst keine zusätzlichen Auswerteeinrichtungen notwendig werden und die von den Sensoren abgegebenen Signale in einfacher Weise zentral erfaßt und ausgewertet werden können. Zur Unterscheidung der von den einzelnen Sensoren in den
Lichtwellenleiter abgegebenen Signale sind die Sensoren auf unterschiedliche Werte einer optischen Kenngröße oder auf unterschiedliche optische Kenngrößen abgestimmt. Insbesondere sind die Sensoren durch die Wahl von unterschiedlichen Netz- ebenenabständen auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt.
Die in den Lichtwellenleiter integrierten Sensoren können auch hinsichtlich unterschiedlicher optischer Kenngrößen sensitiv sein. Ein Beispiel für eine weitere optische Kenngröße neben der Wellenlänge ist der Brechzahlindex des Lichtwellenleiters, der sich mit einer Krafteinwirkung auf den Lichtwellenleiter ändern kann. Eine Änderung des Brechzahlindex führt ebenfalls zu einer Änderung der Bragg-Bedingung und somit zu einer spektralen Verschiebung des vom Gitter abgegebenen Si- gnals. Die Anzahl der Sensoren, die voneinander unterscheidbare Signale abgeben, bestimmt sich in der Regel nach der spektralen Bandbreite des eingestrahlten Lichts und dem Auflösungsvermögen der Auswerteeinrichtung. Die Linienbreite eines vom Git- ter abgegebenen Signals liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 0,1 nm und 1 n . Die spektrale Verschiebung aufgrund der äußeren Einflüsse liegt im Bereich von einigen Nanome- tern. Bei Verwendung eines Bragg-Gitters kann daher bereits bei Verwendung eines relativ schmalbandigen Lichts mit einer spektralen Breite von etwa 50 nm eine Anzahl von etwa 10 bis 30 Sensoren mit unterscheidbaren Signalen im Lichtwellenleiter angeordnet werden.
Das Datenübermittlungssystem weist bevorzugt eine Stern- oder Netzstruktur auf und ist in ein beispielsweise für die Energieversorgung vorgesehenes Fernübertragungsnetz integriert. Das Datenübermittlungssystem ist insbesondere als Bussystem ausgebildet, das mehrere Baugruppen über größere Entfernungen zur Übertragung von Daten miteinander verbindet. Die Verwen- düng von integrierten Sensoren im Lichtwellenleiter eines solchen Bussystems führt in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung der Busteilnehmer im Vergleich zur Verwendung von externen Sensoren, die ein gesondertes elektronisches Bauteil zur Umwandlung und Einkopplung des Sensorsignals in den Lichtwellenleiter erfordern. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl von Busteilnehmern kann die Datenübertragungsrate erhöht und es können kürzere Buszykluszeiten erreicht werden.
Zur Lösung der auf ein Verfahren zum Betrieb eines Datenübermittlungssystems gerichteten Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, Daten von einem optischen Sender in einen Lichtwellenleiter einzukoppeln, und über den Lichtwellenleiter zu einem Empfänger zu übermitteln, wobei eine Einflußgröße von außen auf den Lichtwellenleiter einwirkt, die Einflußgröße mit einem in den Lichtwellenleiter integrierten Sensor detek- tiert wird, und der Sensor ein der Einflußgröße zugehöriges Signal erzeugt, welches über den Lichtwellenleiter an eine Auswerteeinrichtung übermittelt und dort ausgewertet wird.
Weitere bevorzugte Ausführungen des Verfahrens sind den ent- sprechenden Unteransprüchen zu entnehmen. Die in Bezug auf das Datenübermittlungssystem angeführten Vorteile gelten sinngemäß gleichermaßen für das Verfahren.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wei- tere Vorteile und Details anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 einen schematischen Ausschnitt aus einem Lichtwellenleiter mit integriertem Sensor,
FIG 2 eine schematische Ansicht eines Datenübermittlungssystems mit in den Lichtwellenleiter integrierten Sensoren,
FIG 3 eine Skizze eines Spektrums der von den Sensoren abgegebenen Signale,
FIG 4 eine schematische Darstellung eines Datenübermittlungssystems mit einer Ringbusstruktur und mehreren integrierten Sensoren und
FIG 5 eine schematische Darstellung eines hierarchisch aufgebautes Bussystem mit integrierten Sensoren.
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der in Figur 1 dargestellten optischen Faser, dem Lichtwellenleiter 2, ist der Mantel 4 und der Kern 6 des Lichtwel- lenleiters 2 gezeigt. Im Kern 6 sind zwei jeweils als ein optisches Gitter 8 dargestellte und voneinander beabstandete Sensoren angedeutet. Die Gitter 8 sind insbesondere söge- nannte Bragg-Gitter. Die Sensoren als solche werden daher auch als Bragg-Sensoren bezeichnet.
In dem Lichtwellenleiter 2 werden Daten in Form von Lichtsi- gnalen von der linken zur rechten Seite übermittelt. Die Daten werden bevorzugt in digitaler Form übertragen. Der Lichtwellenleiter kann auch als Datenleitung bezeichnet werden. Gemäß Figur 1 wird ein Teil des eingespeisten Lichts vom Gitter 8 reflektiert und entgegen der Richtung der Datenüber- mittlung als Signal S zurückgeworfen. Das Gitter 8 wird demnach im Reflexionsmodus betrieben. Es kann prinzipiell jedoch auch im Transmissionsmodus betrieben werden.
Das in den Lichtwellenleiter 2 eingespeiste Licht, die elek- tromagnetischen Wellen, weist bzw. weisen bevorzugt eine spektrale Verteilung auf. Das Licht wird also mit einer vorgegebenen Bandbreite in den Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt.
Gemäß Figur 2 umfaßt ein Datenübermittlungssystem 10 einen Sender 12, dem die zu übermittelnden Daten D eingangsseitig zugeführt sind. Der Sender 12 wandelt die Daten D gegebenenfalls in Lichtsignale um und koppelt sie in den Lichtwellenleiter 2 ein. Dieser führt zu einem Empfänger 14, der das Licht aus dem Lichtwellenleiter 2 wieder auskoppelt und die in Form von Lichtsignalen übertragenen Daten D gegebenenfalls in elektrische Signale umwandelt. Das Datenübermittlungssystem 10 weist weiterhin ein integriertes Sensorsystem auf. Es umfaßt dazu in den Lichtwellenleiter 2 integrierte Sensoren in Form von Gittern 8A, 8B, ein Auskopplungsglied 16 sowie eine Auswerteeinrichtung 18.
Mit dem Auskopplungsglied 16 werden die von den Gittern 8A, 8B abgegebenen Signale S aus dem Lichtwellenleiter 2 ausgekoppelt und an die Auswerteeinrichtung 18 übermittelt. Die beiden Gitter 8A, 8B sind auf unterschiedliche Bragg-Wellen- längen abgestimmt und dienen beispielsweise zur Detektion von Temperatur- bzw. Dehnungsänderungen. Die Auswerteeinrich- tung 18 umfaßt insbesondere ein Spektrometer zur wellenlan- genspezifischen Detektion der von den Bragg-Gittern 8A, 8B gesendeten Signale S.
Figur 3 zeigt schematisch ein solches wellenlangenspezifl- sches Spektrum, wie es vom Spektrometer ausgegeben wird. In dem Spektrum ist die Intensität I der Signale bezogen auf die Wellenlange λ aufgezeigt. Im Grundzustand, d.h. ohne spezielle äußere Einflüsse auf den Lichtwellenleiter 2, wird von dem Gitter 8A beispielsweise das Signal Sl erzeugt, dessen maximale Intensität bei der Bragg-Wellenlange λl liegt. Von dem Gitter 8B wird das Signal S2 mit dem Maximum bei λ2 erzeugt. Die Linienbreite Δ der von den Gittern 8A, 8B abgegebenen Signale Sl, S2 liegt typischerweise bei etwa 0,1 bis 1 nm.
Durch einen äußeren Einfluß auf den Lichtwellenleiter 2 wird der Netzebenenabstand des Gitters 8A oder 8B verändert, so daß sich die Bragg-Wellenlange λl, λ2 verschiebt. Das Maximum der Bragg-Wellenlange liegt dann beispielsweise bei λl' oder λl'' bzw. bei λ2' oder λ2''. Die verschobenen Signale sind in der Figur 3 gestrichelt dargestellt. Der Abstand der verschobenen Signale von den ursprünglichen Signalen Sl, S2 ist ein Maß für den auf den Lichtwellenleiter 2 wirkenden äußeren Einfluß. Aus der Richtung der Verschiebung, ob zu größeren oder zu kleineren Wellenlangen λ hin, laßt sich die Art der Änderung der Einflußgroße ablesen, nämlich ob es sich beispielsweise um eine Temperaturerhöhung oder um eine Temperaturerniedrigung bzw. um eine Dehnung oder Stauchung des Lichtwellenleiters 2 handelt.
In Figur 4 ist eine Ringbusstruktur dargestellt, bei der mehrere Baugruppen über eine ringförmige Datenleitung, dem Lichtwellenleiter 2, miteinander verbunden sind. In die Ring- busstruktur ist eine zentrale Steuereinheit 20 integriert, die die Auswerteeinrichtung 18 umfaßt. In den Lichtwellenleiter 2 sind weiterhin eine Anzahl von Sensoren in Form von Bragg-Gittern 8 sowie Kopplungsglieder 22 geschaltet, welche jeweils mit einer Baugruppe 24 in Verbindung stehen. Solche Baugruppen 24 sind beispielsweise auf dem Gebiet der Energieversorgung oder Energieverteilung komplette Umspannwerke oder auch einzelne Geräte, wie Transformatoren. Von der zentralen Steuereinheit werden in den Lichtwellenleiter 2 Daten, beispielsweise Steuersignale, eingespeist, die für die Baugruppen 24 bestimmt sind. Diese Daten werden von dem der jeweiligen Baugruppe 24 zugeordneten Kopplungsglied 22 aus dem Lichtwellenleiter 2 ausgekoppelt, gegebenenfalls in elektrische Signale umgewandelt und an die Baugruppe 24 weitergeleitet.
Mit den in den Lichtwellenleiter 2 integrierten Gittern 8 werden bestimmte Zustands- oder Einflußgrößen gemessen, die beispielsweise am Ort der jeweiligen Baugruppe 24 auf den Lichtwellenleiter 2 einwirken. Die von den Gittern 8 abgegebenen Signale werden über den Lichtwellenleiter 2 an die Auswerteeinrichtung 18 der zentralen Steuereinheit 20 übermit- telt und dort ausgewertet. Die Signale können dabei in dem
Lichtwellenleiter 2 in Richtung der normalen Datenübertragung oder entgegengesetzt dieser Richtung übermittelt werden.
Gemäß Figur 5 ist ein optisches Bussystem als Datenübertra- gungssystem hierarchisch aufgebaut und verbindet Baugruppen aus verschiedenen Hierarchieebenen I, II, III über eine Datenleitung in Form eines Lichtwellenleiters 2 miteinander. Die oberste Hierarchiestufe I ist beispielsweise einer großtechnischen Energieerzeugungsanlage mit daran angeschlossenem Umspannwerk zugeordnet. In dieser Hierarchiestufe ist bevorzugt die zentrale Steuereinheit 20 mit der integrierten Auswerteeinrichtung 18 angeordnet. Vom Umspannwerk wird elektrische Energie über Fernleitungen und unter hoher Spannung in ein Stromnetz eingespeist und an Anlagenteile der zweiten Hierarchiestufe II übertragen. Die zweite Hierarchiestufe II ist beispielsweise ein nachgeschaltetes Umspannwerk, in dem der Strom in das lokale Netz für die lokal ansässigen Haushalte oder Industrien eingespeist wird. Diese zweite Hierarchiestufe II weist als dritte Hierarchiestufe III mehrere Anlagenteile, wie Transformatoren oder ähnliches, auf. Das Bussystem einer Baueinheit 26, die der Hierarchiestufe II zugeordnet ist, wird auch als Stationsbus bezeichnet und ist gemäß Figur 5 als eine Mischstruktur zwischen hierarchischer Busstruktur und Ringbusstruktur ausgebildet. Die untersten Baugruppen 24 der Hierarchiestufe III sind für einen schnellen Datenaustausch über einen Ringbus miteinander verbunden.
In das optische Bussystem sind eine Anzahl von Sensoren in Form von Gittern 8 angeordnet, die prinzipiell Daten aus jeder Hierarchiestufe I, II, III an die zentrale Steuereinheit 20 übermitteln können. Beispielsweise übermitteln die Sensoren Informationen über ein Fernleitungsnetz als solches oder Informationen von oder über einzelne Baugruppen 24 einer lokalen Station. Mit den Sensoren 8 können Betriebszustande der Baugruppen 24 oder von in der jeweiligen Hierarchiestufe angeordnete Anlagenteile, wie beispielsweise die Temperatur am Transformator, ermittelt werden. Eine solche Information wird dann über den Lichtwellenleiter 2 an die zentrale Steu- eremheit 20 weitergeleitet .
Die Steuereinheit 20 kann je nach Bedarf auch in der Baueinheit 26 angeordnet sein. Wird mit einem Sensor ein kritischer Zustand detektiert, so kann die zentrale Steuereinheit 20 aus der Ferne auf eine zugeordnete Baugruppe 24 über die Datenleitung einwirken und die entsprechenden Maßnahmen für einen ordnungsgemäßen Betrieb schnell und frühzeitig veranlassen und damit eine ernsthafte Betriebsstörung verhindern.
Das Datenübermittlungssystem mit integriertem Sensorsystem dient m vorteilhafter Weise dazu, in einer komplexen Netzstruktur, die eine Vielzahl von Komponenten aufweist, zum ei- nen den Datenaustausch zwischen den einzelnen Komponenten zu ermöglichen und zum anderen Informationen über die Umgebung am Ort dieser Komponenten oder über Betriebszustande der Komponenten zu sammeln. Anhand der gesammelten Informationen können die einzelnen Komponenten m der komplexen Netzstruktur überwacht und nötigenfalls beeinflußt werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, bei denen externe Sensoren über spezielle elektronische Bauteile an das faser- optische Datenübermittlungssystem angekoppelt werden mußten, ist das vorgeschlagene Datenübermittlungssystem mit integriertem Sensorsystem einfacher aufgebaut, weniger störanfällig und weniger kostenintensiv, da auf die externen Sensoren und die elektronischen Bauteile zum Ankoppeln verzichtet wer- den kann.

Claims

Patentansprüche
1. Faseroptisches Datenübermittlungssystem (10) mit einem Sender (12) zum Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen in einen Lichtwellenleiter (2) und mit einem Empfänger (14) sowie mit einem Sensorsystem, das einen in den Lichtwellenleiter (2) integrierten Sensor und eine Auswerteeinrichtung (18) für ein vom Sensor abgegebenes Signal (Sl, S2) aufweist, welches über den Lichtwellenleiter (2) zu der Auswerteeinrich- tung (18) übermittelbar ist.
2. Datenübermittlungssystem (10) nach Anspruch 1, bei dem der Sensor ein optisches Gitter (8) umfaßt.
3. Datenübermittlungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensor auf eine optische Kenngröße der in den Lichtwellenleiter (2) eingespeisten elektromagnetischen Wellen abgestimmt ist.
4. Datenübermittlungssystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mehrere Sensoren in dem Lichtwellenleiter (2) angeordnet sind.
5. Datenübermittlungssystem (10) nach Anspruch 4, bei dem die Auswerteeinrichtung (18) über den Lichtwellenleiter (2) mit mehreren Sensoren zugleich verbunden ist, und die Sensoren auf unterschiedliche Werte einer optischen Kenngröße oder auf unterschiedliche optische Kenngrößen abgestimmt sind.
6. Datenübermittlungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Netzstruktur aufweist und insbesondere in einem Fernübertragungsnetz integriert ist.
7. Verfahren zum Betrieb eines Datenübermittlungssy- stems (10), bei dem Daten (D) von einem optischen Sender (12) in einen Lichtwellenleiter (2) eingekoppelt und vom Lichtwellenleiter (2) zu einem Empfänger (14) übermittelt werden, wo- bei eine Einflußgröße auf den Lichtwellenleiter (2) von außen einwirkt, diese Einflußgröße mit einem in den Lichtwellenleiter (2) integrierten Sensor detektiert wird, und der Sensor ein der Einflußgröße zugehöriges Signal (Sl, S2) erzeugt, welches über den Lichtwellenleiter (2) an eine Auswerteeinrichtung (18) übermittelt und dort ausgewertet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem sich die im Lichtwellenleiter (2) ausbreitenden elektromagnetischen Wellen von einem als Sensor ausgebildeten optischen Gitter (8) abgelenkt, dabei reflektiert oder transmittiert und die abgelenkten Wellen als Signal (Sl, S2) an die Auswerteeinrichtung (18) übermittelt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem mehrere Gitter (8) in dem Lichtwellenleiter (2) vorgesehen sind, die unterscheidbare Signale an die Auswerteeinrichtung (18) übermitteln.
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